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2011 年 第 12 期
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基于光学自由曲面的离轴三反光学系统
摘要：为了研制长焦距大视场离轴三反空间光学系统,描述了自由曲面光学数理模型,设计了基于自由曲面的离轴三反光学系统。针对焦距为4 500 mm,成像视场角为11°,系统总长与焦距的比值为1/3的光学系统,对比分析了传统离轴三反光学系统和次镜为自由曲面的离轴三反光学系统的关键性能。在提出的光学系统中次镜采用自由曲面设计,提升了光学系统的像差平衡能力;最终选用相对孔径为1/9.5的设计方案,使光学系统全视场平均波像差优于0.030λ(λ=632.8 nm),平均传递函数优于0.434(71.4 lp/mm),接近衍射极限;在同等条件下系统设计传递函数比传统离轴三反系统提高5%以上。优化设计后光学系统自由曲面次镜与理论球面偏差为1.1λ,采用定制的标准球面镜结合基于数字样板的非零位检测方法可完成面形实时高精度检测,解决了大口径凸自由曲面检测的难题。结果表明,采用基于自由曲面次镜的空间光学系统,具有体积小、技术可实现性强、波像差和传递函数等关键性能优越等优点。关键词：光学设计;长焦距大视场光学遥感器;离轴三反光学系统;自由曲面反射镜- 86
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用修正双晶技术诊断激光等离子体X射线极化度
摘要：研制了激光等离子体极化光谱仪,用于诊断波长为0.2~20 nm的激光等离子体X射线的极化度并推断等离子体内部的各向异性状态。设计的谱仪在电子束垂直入射面内正交布置的色散元件均为PET晶体,两通道均用成像板接收光谱信号,其有效面积为30 mm×80 mm,从光源经晶体到成像板的光程分别为980 mm和310 mm。在中国工程物理研究院激光聚变研究中心20 J激光器上进行固体靶实验,获得了Al离子类氦谱线,经过对类氦共振线和互组合线校正,推算出两谱线的极化度分别为0.123 3和0.148 1。结果表明,激光等离子体内部存在弱各向异性,该谱仪适用于激光等离子体极化光谱的诊断。关键词：极化光谱仪;光谱测量;X射线诊断;激光等离子体;极化度- 40
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漫反射板法标定成像光谱仪的精度分析
摘要：用漫反射板法标定成像光谱仪时不仅要考虑定标仪器的精度,还要了解成像光谱仪几何参数和仪器参数对标定结果的影响。本文根据漫反射板法标定成像光谱仪原理,推导了以定标角度、距离等几何参数和成像光谱仪仪器参数为自变量的探测器沿景物像元方向采集到的信号电子数变化表达式,据此对几何参数和仪器参数对标定的影响进行了分析。结果表明,F/#分别为3和4,入瞳口径为0.1~0.2 m,辐照度标准灯照射距离取0.5~2 m,且其测量精度为1 mm时,只要照射角小于12°,满足0.5°的测量精度,都可以使探测器采集到的信号电子数相对变化小于1%,从而可发挥标准探测器精度高的优势,使利用漫反射板的定标方法实现较高的精度。关键词：成像光谱仪;漫反射板法;辐射定标;光谱辐射特性- 51
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改进的离轴三反光学系统的设计
摘要：基于离轴三反光学系统(TMA)的一般设计方法,总结了设计要点。以两个基于三反光学系统的设计为实例,阐述了通过合理地安排光学结构、将次镜设计为球面反射镜、主镜和三镜在球面基础上改变高次非球面系数等,可使离轴三反光学系统的设计结果接近衍射极限,传递函数在50 lp/mm时都接近0.6,Strehl率由通常的0.91提高到0.93。与传统离轴三反系统相比,相机加工公差和面形加工公差从原来的λ/50放宽到λ/40,主、次、三镜的装调公差放宽了4倍。文中的设计降低了相机的加工及装调难度,有助于系统光学特性实现衍射极限,为三反光学系统的广泛应用提供了借鉴和实用参考。关键词：空间光学遥感器;光学设计;离轴三反光学系统;光学加工;光学装调- 45
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用光纤耦合法实现颗粒测量
摘要：根据全光散射法测量粒径存在样品池壁散射及折射率改变等问题,提出了利用光纤耦合结构,并引入洛伦兹经典色散公式和多波长处理方法来实现颗粒测试。首先,介绍了全光散射法进行颗粒测试的理论,并研究现有的样品池和测量手段存在的问题。然后,引入洛伦兹色散公式来处理折射率的变化;同时结合多波长处理法,获得颗粒的平均粒径和粒径分布公式,建立目标函数并利用遗传算法进行参数反演;通过光纤端面的耦合结构构造样品池,利用光谱仪对夹在光纤端面间的待测液进行多波长扫描。最后,试制了实际测试系统,通过计算机内部算法,完成颗粒测试。仿真和实验结果表明,该方法可以在折射率未知的情况下较准确地反演出颗粒的平均粒径及其粒径分布;对测量光谱加入2%的随机噪声后,其平均粒径及折射率的反演误差低于1%,粒径分布的反演误差低于5%,可以满足国标对均值误差和重复性误差的要求。关键词：粒径测量;分布测量;光纤耦合;多波长扫描;洛伦兹色散公式;光纤样品池;遗传算法- 47
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白天观测空间目标的恒星光电探测系统的杂散光抑制
摘要：从恒星光电探测系统的杂散光光源入手,分析了杂散光的产生和传输特性,建立了杂散光对恒星光电探测系统影响的评价指标,然后提出了合理抑制杂散光的方案,用于指导光机系统的结构设计。通过遮光罩、挡光环以及表面涂层处理技术来削弱杂散光对光机系统的影响,利用软件对该光机系统结构进行杂散光模拟分析。对比模拟工况下消除杂散光前后的点源透射率(PST)曲线,结果表明光机系统探测像面PST下降了两个数量级,达到10-8~10-10。场外星等探测得到的现场数据进一步证明,该设计方案可以有效地抑制杂散光对光电探测系统的影响,从空间背景中提取出五等星探测图,得到了清晰的探测图像。关键词：望远镜;杂散光;光电探测;遮光罩;挡光环;点源透射率- 51
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测绘相机在轨空间交会角变化的计算
摘要：由于测绘相机在轨空间交会角在5″内变化才能保证数据的可靠传输,本文研究了测绘相机交会角变化的计算方法。首先,利用I-deas软件计算了测绘相机在极端高温和低温两种工况下的温度场。然后,将计算得到的温度场作为温度载荷施加给结构模型,实现了由温度网格到结构网格的温度映射,即简单有限元模型到复杂有限元模型温度载荷的映射;计算了测绘相机的热弹性变形,得到了光学元件中心点变形量。最后,利用自编的软件计算了在两种极端温况下正视和后视相机的在轨交会角变化。结果表明,测试相机在高温和低温工况下空间交会角的变化在5″范围内。该计算方法可得到空间相机交会角的变化量,计算数据可为测绘相机光机结构设计和热控方案的制定提供数据保障。关键词：测绘相机;空间交会角;温度映射;热弹性变形- 47
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凸面光栅成像光谱仪的光谱定标
摘要：为了对自主研发的凸面光栅成像光谱仪进行光谱定标,基于单色准直光定标法设计了一套由单色仪和平行光管组成的光谱定标系统。采用自行研制的光谱定标数据采集软件及数据处理软件对凸面光栅成像光谱仪进行了光谱定标及定标数据分析。定标结果显示:该定标系统结构紧凑、通用性强,具有较高的定标精度,其光谱范围大于400~800 nm,光谱分辨率优于10 nm,能够满足实际定标要求。关键词：成像光谱仪;凸面光栅;光谱定标;单色准直光定标法- 48
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Golay3望远镜系统的设计
摘要：提出用Golay3稀疏孔径取代望远镜两镜系统中的主镜,以在保证望远镜角分辨率的同时减少系统的质量和体积。首先利用三级像差理论设计了一套两镜系统,其中主镜是球面镜,次镜是双曲面镜。用Golay3稀疏孔径代替主镜,分析了填充因子与子镜半径的关系。然后,通过Zemax程序对系统进行模拟,分析了系统的调制传递函数特性及点列图。最后,在次镜后加入两块熔石英校正镜,并优化校正镜表面曲率半径以及成像工作距离以改进视场。通过Zemax程序模拟发现:系统的截止频率随着主镜填充因子的减小而减小,从F=22.2%的114.5 lp/mm到F=15%的97.7 lp/mm,再到F=10%的77.8 lp/mm;另外,在成像面之前加入校正镜极大地提高了系统的视场,在0.3°视场下,加入校正镜之前的最大像斑半径均方根值是加入后的2.5倍左右。关键词：望远镜;Golay3稀疏孔径;两镜系统;填充因子;校正镜- 68
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离子束溅射制备“日盲”紫外诱导透射滤光片
摘要：对“日盲”紫外诱导透射滤光片进行了理论设计与分析,并分别优化了离子束溅射法沉积ZrO2、SiO2和Al薄膜的工艺。利用反射与透射光谱反演获得了ZrO2和SiO2薄膜的光学常数,并由JGS1/SiO2/Al/SiO2/air(SAS)样品的变角度椭偏光谱反演精确获得了Al薄膜的光学常数。在此基础上,采用离子束溅射沉积方法并利用上述3种薄膜材料优化制备了“日盲”紫外诱导透射滤光片,测量了滤光片的光谱性能。光谱性能分析表明,滤光片的峰值波长位于264 nm,峰值透过率大于60.0%,透过峰带宽(FWHM)约为13 nm,在300~350 nm波段的截止度达到了2.6 OD。研究认为制约离子束溅射制备“日盲”紫外诱导透射滤光片性能的主要因素是Al金属膜的溅射沉积速率以及沉积Al膜时腔体中残余的O2含量。关键词：离子束溅射;“日盲”紫外诱导透射滤光片;ZrO2;折射率;消光系数;椭偏光谱- 43
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应力传感光缆的应力传递特性
摘要：光纤应力传感系统通常采用传感光缆代替裸光纤作敏感元件,因此研究传感光缆应力传递性能很有必要。本文从弹性力学的角度,利用拉梅公式和广义胡克定律相结合的方法,为紧缚型传感光缆和加强型传感光缆建立了应力传递理论模型,推导出光缆的应变与它受到的应力之间的关系。分别对紧缚型和加强型传感光缆的样品进行了应力实验,利用布里渊光学时域反射仪(BOTDR)测量了光缆的应变。结果显示,理论计算和实验测量的趋势一致,线性度均超过了97%,斜率之间的差别小于8%,从而证明了理论模型的有效性。该模型可为光纤应力传感系统判定被测对象受力状况提供直接依据。关键词：光纤传感器;光缆应力传递模型;弹性力学- 53
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机载导航白天星敏感器的探测性能及总体设计
摘要：理论分析和试验研究了机载导航白天星敏感器的探测性能,建立了白天观星的信噪比和调制度在噪声影响下的数学模型,对比了焦距一定,不同入瞳直径和入瞳直径一定,不同焦距情况下的计算结果。归纳了光学系统的性能要求及系统参数对探测效果的影响,得出光学系统相对孔径为1/15较为合适的结论。在此基础上提出了用于3等星全天时观测的白天星敏原理样机的光机及电子学处理总体方案。利用相对孔径为1/15的望远物镜进行地面实验,获得了对北极星从日出到正午的持续观测结果。对比不同时刻星点图像的亮度和对比度变化显示,随着太阳高度角增大,星点图像的对比度由上午5:00的1.55下降到正午12:00的1.2左右,据此换算出样机方案的探测性能指标。计算结果表明,采用口径为Φ70 mm,相对孔径为1/15的光学系统可满足对3等星的探测最小调制度为0.03的要求。实验表明,本文进行的理论分析正确,方案合理可行,可为小型高精度机载导航星敏感器的研制提供参考。关键词：星敏感器;白天星敏;探测性能;对比度;信噪比;调制度- 71
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粘接层材料弹性模量对光纤光栅传感器应变传递系数的影响
摘要：粘接层作为向FBG传递应变的重要环节，其材料特性直接影响FBG传感器的应变测量精度。根据粘接层应变传递模型，并结合应变传递系数K的表达公式，在确定粘接层结构尺寸参数的前提下，仿真分析了粘接层弹性模量对应变传递系数K的影响，分析结果表明，金属材料的应变传递效率明显优于有机胶的应变传递效率。进行了传递效果评价对比试验，试验结果表明，铅粘接层的应变传递系数维持在0.98左右，环氧树脂粘接层的应变传递效率维持在0.90左右，铅的应变传递效率较环氧树脂粘接剂应变传递效率提高了约8.9%。通过将粘接材料由环氧树脂改进为铅后，可大大提高应变测量的精度，能够更加充分发挥的光纤器件自身优越的应变测量能力。关键词：光纤光栅传感器- 30
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流动沸腾条件下微通道壁面温度的红外特征
摘要：设计并搭建了沸腾换热试验台，在研究混合制冷工质在微通道内的沸腾换热特性时，对微通道壁面温度采用TH5104红外热像仪进行测量。试件为外径do=1.22mm，内径di=0.86mm，长200mm的不锈钢单圆管。本实验利用红外热像仪测量并记录下质量流量从1726kg/m2.s 到8635kg/m2.s之间热流密度由65kW/m2增加到231kW/m2时的壁面温度变化情况。对实验结果进行了分析和讨论，得出：微通道壁面的温度分布沿着轴向变化有明显的规律性; 水平微尺度通道内流动沸腾过程中, 试件前后段有较大的温差效应，温差的正负与热流密度的大小有关；壁面温度变化与热流密度、管内工质的流型、换热形式有着密切的关系，流型越复杂，壁面温度变化越剧烈。关键词：壁面温度- 36
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测绘相机在轨空间交会角变化计算方法研究
摘要：为了保证在轨传输数据的可靠性，测绘相机在轨空间交会角要求5″内变化。对测绘相机交会角变化计算方法进行了研究。首先，利用I-deas软件计算了测绘相机在轨极端高温和低温两种工况的温度场。然后，将计算得到的温度场作为温度载荷施加给结构模型，实现了由温度网格到结构网格温度映射即简单有限元模型到复杂有限元模型载温度载荷映射，计算了测绘相机的热弹性变形，得到光学元件中心点变形量。最后，利用自编的软件计算了在两种极端温况下正视和后视相机在轨交会角变化。结果表明，测试相机在高温和低温工况下空间交会角的变化在5″的范围内。综合来看，该计算方法可以得到空间相机交会角的变化量，计算数据可以为测绘相机光机结构设计和热控方案的制定提供了数据保障。关键词：热弹性变形- 70
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Golay3望远镜系统设计
摘要：为了在保证望远镜系统角分辨率的同时能够减少系统的质量和体积，利用了Golay3稀疏孔径取代两镜系统中的主镜，并基于Zemax程序对望远镜进行了特性分析及优化。首先利用三级像差理论设计了一套两镜系统，其中主镜是球面，次镜是双曲面；将主镜以Golay3稀疏孔径代替，分析了填充因子与子镜半径的关系；然后通过Zemax程序对系统进行模拟，分析了系统的调制传递函数特性及点列图；最后在次镜后加入两块熔石英校正镜，并对校正镜表面曲率半径以及成像工作距离进行优化以改进视场。通过Zemax程序模拟发现：系统的截止频率随着主镜填充因子的减小而减小，从F=22.2%的114.5lp/mm到F=15%的97.7lp/mm再到F=10%的77.8lp/mm；另外成像面之前加入校正镜极大地提高了系统的视场，在 的视场下，加入校正镜之前最大像斑半径均方根值是加入后尺寸的2.5倍左右。关键词：校正镜- 38
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机载导航白天星敏感器探测性能及实验研究
摘要：针对机载导航白天星敏感器的探测性能进行了理论分析和试验研究，建立了白天观星的信噪比和调制度在噪声影响下的数学模型，对比了焦距一定，不同入瞳直径和入瞳直径一定，不同焦距情况下的计算结果，归纳了光学系统的性能要求及系统参数对探测效果的影响，得出光学系统相对孔径1/15较为合适的结论。在此基础上提出了用于3等星全天时观测的白天星敏原理样机的光机及电子学处理的总体方案。利用相对孔径1/15的望远物镜进行地面实验获得了对北极星从日出到正午的持续观测结果，对比了不同时刻星点图像的亮度和对比度变化，随着太阳高度角增大，星点图像的对比度由早上5：00的1.55下降到正午12：00的1.2左右，并据此换算出样机方案的探测性能指标，采用口径Φ70mm，相对孔径1/15光学系统可满足对3等星的探测最小调制度0.03的要求。同时给出了采用多帧累积和滤波的处理方法对实验所得图像的处理结果，表明理论分析正确，方案合理可行。本文的研究可为小型化高精度机载导航星敏的研制提供一定的参考。关键词：调制度- 39
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一种新型离轴三反光学系统研究
摘要：为了实现某长焦距大视场离轴三反空间光学系统的研制，探讨了自由曲面光学数理模型描述，研究了基于自由曲面的新型离轴三反光学系统设计技术。针对焦距4500mm，成像视场角为11°，系统总长与焦距的比值为1/3的光学系统研制需求，完成了传统离轴三反光学系统和基于次镜为自由曲面的新型离轴三反光学系统设计及关键性能对比分析，在新型光学系统中次镜采用自由曲面设计，拓展了优化自由度，提升了光学系统的像差平衡能力。经过对比分析与优化选型，最终选用相对孔径D/f=1/9.5的系统设计方案，光学系统全视场平均波像差优于0.030λ(λ=632.8nm)，平均传函优于0.434(71.4lp/mm)，接近衍射极限，在同等条件下系统设计传函比传统离轴三反系统提高5%以上。在系统优化设计过程中充分考虑了技术可实现性，经过优化设计后光学系统自由曲面次镜与理论球面偏差仅为1.1λ，采用定制的标准球面镜结合基于数字样板的非零位检测方法即完成面形实时高精度检测，避免了大口径凸自由曲面检测难题，可以有效指导自由曲面次镜的加工过程。结果表明采用基于自由曲面次镜的新型空间光学系统，具有体积小、技术可实现性强、波像差和传函等关键性能优越等一系列优点，满足航天遥感光学系统高性能指标要求。关键词：自由曲面反射镜- 47
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离轴三反射光学系统的新设计
摘要：离轴三反射光学系统(TMA)，由于在设计、加工和检测等方面的制约，长期以来其快速发展一直受到限制。本文将通过二个三反射光学系统的设计实例，阐述了通过合理地安排光学结构、次镜为球面反射镜的设计、主镜和三镜在球面基础上改变高次非球面系数等，可使离轴三反射光学系统的设计结果接近衍射极限的光学特性，传递函数在50lp/mm时都接近0.6的成像质量，Strehl ratio由通常完善设计的0.91提高到0.93。与通常离轴三反射系统相比较，相机加工公差和面形加工公差从原来的?/50放宽到?/40，主、次、三镜的装调公差放宽4倍。可见，此设计降低了相机的加工及装调难度，有助于系统实现衍射极限的光学特性，为三反射光学系统的广泛应用提供了借鉴和实用参考。关键词：光学加工装调- 51
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修正双晶技术诊断激光等离子体X射线极化度
摘要：为了诊断波长为0.2～20nm的激光等离子体X射线的极化度，推断该等离子体内部的各向异性状态，研制了结构新颖的激光等离子体极化光谱仪。该谱仪在电子束垂直入射面内正交布置色散元件均为PET晶体，两通道均用成像板接收光谱信号，其有效面积为30mm×80mm，从光源经晶体到成像板的光程分别为980mm和310mm。在中国工程物理研究院激光聚变研究中心20焦耳激光器上率先进行固体靶实验，获得Al离子类氦谱线，经过对类氦共振线和互组合线校正，推算出两谱线的极化度分别为0.1233和0.1481。结果表明激光等离子体内部存在弱各向异性，该谱仪能够满足激光等离子体极化光谱诊断要求。关键词：激光等离子体- 32
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百万像素EMCCD数字化相机设计
摘要：论述了基于一种1024×1024象素EMCCD图像传感器CCD201的数字化相机的设计方法。利用CPLD器件产生CCD逻辑时序及视频同步处理控制时序，采用集成器件与分立器件相结合的方式实现EMCCD垂直驱动时序，获得视频信号；使用带有CDS功能的16位AD对CCD视频信号进行数字化。详细介绍了时序控制、驱动电路、视频处理电路等关键组成部分的技术实现方法。数字化相机前端能够连续输出16位数字图像数据，光动态范围大于70dB，电子增益采用程控方式，增益倍数最高能够大于0.1e/ADU。设计方法成功应用于远程EMCCD图像采集系统中，并使系统能够在微光成像及辐射场诊断中应用。关键词：驱动时序- 41
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离子束溅射制备“日盲”紫外诱导透射滤光片
摘要：Solar-blind uv induced transmission filters (SBU-ITF) fabricated by ion-beam sputtering were investigated. Firstly, solar-blind uv induced transmission filters (SBU-ITF) were designed and analyzed by theory, and the fabrication of ZrO2, SiO2 and Al film by ion beam sputtering were optimized. The optical constants of ZrO2 and SiO2 films were derived from the transmitting and reflecting spectrum. The optical constants of Al film was determined by the inversion of the variable incidence ellipsometer spectrum of sample JGS1/SiO2/Al/SiO2/air(SAS).On the base of the above research, the SBU-ITF were fabricated by using the three above films and the optical performance was measured. The measured transmittance of SBU-ITF show that, the peak transmittance at the 264nm center wavelength of transmittance of the filter was larger than 60%, the transmittance band width (FWHM) was about 13nm, the optical density in the 300-350nm cutoff spectral region was 2.6.The analyses of the transmittance show that the main factors limiting the performance of SBU-ITF included the slow deposition speed of Al film by ion-beam sputtering and the small amount of O2 content in the chamber during deposition of Al film.关键词：诱导透射- 27
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应力传感光缆的应力传递特性分析
摘要：在光纤应力传感系统中，通常采用传感光缆来代替裸光纤作为敏感元件，传感光缆必须具有良好的应力传递性能，才能保证系统的精度和灵敏度。在使用传感光缆的应力传感系统中，检测到的应变是光纤的应变，它并不能直接反映光缆实际受到的应力。本文从弹性力学的角度，利用拉梅公式和广义胡克定律相结合的方法，为两种典型的传感光缆：紧缚型传感光缆和加强型传感光缆建立了应力传递的理论模型，推导出光缆的应变与它受到的应力之间的关系，理论计算的结果表明，光缆护套材料的弹性模量对光缆受到应力时产生的应变有非常大的影响。同时，本文分别对紧缚型和加强型传感光缆的样品进行了应力实验，利用BOTDR技术测量光缆的应变。理论计算和实验结果线性度均超过了97%，两者趋势一致，斜率之间的差别小于8%，证明了理论模型的有效性。关键词：弹性力学- 37
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成像光谱仪仪器参数对漫反射板法定标精度的影响
摘要：使用漫反射板法对成像光谱仪进行定标除需考虑定标仪器设备的精度外还需要对定标角度、距离等几何参数和成像光谱仪仪器参数的影响进行分析。本文根据漫反射板法定标成像光谱仪原理，推导了以定标角度、距离等几何参数和成像光谱仪仪器参数为自变量的探测器沿景物像元方向采集到的信号电子数变化表达式，据此对仪器参数的影响进行了分析。结果表明，F/#分别为3和４，入瞳口径在0.1~0.2m范围内，辐照度标准灯照射距离取0.5~2m之间，满足1mm的测量精度，只要照射角小于12?,满足0.5?的测量精度，都可以使探测器采集到的信号电子数相对变化小于1%，可以发挥标准探测器高精度的优势，使利用漫反射板的定标方法达到较高的精度。关键词：光谱辐射特性- 52
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白天空间目标观测的恒星光电探测系统杂散光分析
摘要：摘要：杂散光对恒星光电探测系统的成像质量有严重影响，必须采取措施进行消除杂散光设计。本文首先通过对恒星光电探测系统的杂散光来源的产生和传输特性进行分析，建立评价杂散光对恒星光电探测系统影响的主要指标，然后找出合理的杂散光抑制方案，用于指导光机系统结构，设计遮光罩、挡光环结构以及表面涂层处理，利用杂散光分析软件对该光机系统结构进行模拟分析，对比消除杂散光前后模拟结果，光机系统探测像面PST下降两个数量级，达到10-8~10-10水平。场外星等探测得到现场数据表明，该设计方案可以有效地抑制杂散光对光电探测系统的影响(从空间背景中提取出五等星探测图)，使得探测像面清晰，达到消杂散光目的。关键词：PST- 56
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现代应用光学
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高速铣削SiCp/Al复合材料时聚晶金刚石刀具的磨损机理
摘要：采用聚晶金刚石刀具(PCD),以600~1200 m/min速度对SiCp/2009Al复合材料进行了高速铣削试验,研究了铣削时PCD刀具的磨损机理。使用扫描电镜(SEM)观察加工材料表面和刀具前/后刀面磨损带,X射线衍射仪分析已加工表面物相,并使用能谱(EDS)和激光拉曼谱对后刀面磨损带进行元素分析。结果表明,增强颗粒碳化硅的高频刻划和冲击是导致刀具晶粒脱落、磨粒磨损、崩刃、剥落的主要机制,切削高体积分数增强铝基复合材料、经热处理的复合材料或使用更高的切削速度时,PCD刀具会产生明显微裂纹。另外,增强颗粒体积分数是影响PCD刀具磨损的最显著因素,增强颗粒尺寸、工件材料热处理状态、刀具材料晶粒尺寸和冷却条件对刀具磨损均有显著影响。PCD刀具刀的寿命在70~240 min之间。结论认为,增强颗粒机械冲击、切削振动和热冲击的综合作用是刀具产生微裂纹的主要原因。在高速铣削时的高温、高压下,工件材料中的铝元素和铜元素会向刀具有一定程度的扩散,PCD刀具在铜元素的催化作用下会发生轻微的石墨化磨损。关键词：颗粒增强铝基复合材料;高速铣削;聚晶金刚石刀具;磨损形态;磨损机理- 77
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发布时间：2020-08-12 -
微通道内台阶阀截止过程中的毛细流动动态效应
摘要：分析了由亲/疏水性不同壁面组成的微通道内毛细流动的动态效应对台阶阀截止功能的影响和在台阶阀截止过程中毛细流动动态效应与台阶阀前微通道长度的关系。根据毛细被动阀的工作原理和能量守恒原理,得出台阶阀有效截止时,台阶阀前微通道临界长度的计算公式。通过数值仿真得到临界长度所对应的计算长度,当台阶阀前微通道实际长度大于等于计算长度时,台阶阀即可有效截止。用聚二甲基硅氧烷(PDMS) 和玻璃为材料键合制作微流控芯片,在三面疏水、一面亲水的矩形微通道内进行了台阶阀截止实验。对于深度为40 μm,宽度为200~400 μm的系列微通道,台阶阀前微通道的计算长度为4.531 6~10.081 μm,在台阶阀前微通道实际长度为10~2 000 μm的微流控芯片内进行的台阶阀截止实验表明,即使台阶阀前微通道实际长度为10 μm,台阶阀也能有效截止毛细流动。因此,在微通道内台阶阀截止过程中毛细流动的动态效应可以忽略。关键词：毛细流动;微通道;台阶阀;动态效应- 46
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基于自停止腐蚀技术的H型谐振式微机械压力传感器
摘要：为了提高压力传感器的精度并抑制温漂,提出了一种基于自停止腐蚀技术的“H”型双端固支梁、电磁激励、差分检测的微机械(MEMS)谐振式压力传感器。首先,通过有限元分析仿真优化了传感器的机械参数,得到了较高的灵敏度和分辨率。然后,基于浓硼扩散自停止腐蚀原理,采用MEMS体硅标准工艺加工出一致性较好的传感器样品。最后,采用非光敏BCB,在真空高温高压条件下将硅片与谐振器黏和键合完成了传感器的真空封装,并设计了应力隔离的后封装方法以降低温漂。实验结果表明:传感器的检测范围为0~120 kPa,满量程非线性度低于0.02%,准确度达到0.05% FS,加入应力隔离后在-40~70 ℃的温度漂移不高于0.05%/℃。该传感器能够实现大量程高精度的压力测量,有效地抑制了温漂,具有较高的性能指标。关键词：微机械压力传感器;谐振式压力传感器;双端固支梁;差分检测;黏和键合- 57
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集成铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器的制作
摘要：由于SU-8胶的弹性模量比硅的低,在SU-8胶悬臂梁上集成金属压阻可获得很高的力灵敏度系数,因此本文基于SU-8胶设计并制作了一种集成蛇形结构铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器。介绍了制作微力传感器的新型工艺,并进行了传感器性能测试。实验结果表明:设计的SU-8胶微力传感器在0~350 μN具有较好的线性度,力灵敏度为0.24 mV/μN,测量误差为4.06%。该微力传感器可以满足对微小力的测量,相对于硅材料的微力传感器,其制作工艺更加简单,周期更短。由于SU-8胶的生物兼容性好,该传感器在生物医学研究领域有着很好的应用前景。关键词：SU-8胶;金属压阻;微力传感器;悬臂梁- 59
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粘接层弹性模量对光纤Bragg光栅传感器应变传递性能的影响
摘要：考虑光纤Bragg光栅(FBG)粘接层的材料特性会直接影响FBG传感器的应变测量精度,本文根据粘接层应变传递模型,结合应变传递系数K的表达公式,在确定粘接层结构尺寸参数的前提下,仿真分析了粘接层弹性模量对应变传递系数K的影响。分析结果表明,金属材料的应变传递效率明显优于有机胶的应变传递效率。进行了传递效果评价对比试验,结果表明,铅粘接层的应变传递系数维持在0.98左右,环氧树脂粘接层的应变传递系数维持在0.90左右,前者比后者的应变传递效率提高了约8.9%,显示将粘接材料由环氧树脂改进为铅后,可大大提高应变测量的精度,更加充分发挥光纤器件自身优越的应变测量能力。关键词：光纤传感;光纤Bragg光栅传感器;粘接层;弹性模量;应变传递系数- 49
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钢圈反射式光栅信号的补偿
摘要：为了提高钢圈反射式光栅的测量精度,设计了光栅信号补偿系统,分别对光栅信号的幅值、直流电平和相位进行了补偿,补偿后两路光栅信号的正交性得到了改善。首先,根据钢圈反射式光栅提取信号的方式建立光栅信号电子学处理系统。然后,分别从幅值、直流电平和相位等3方面提出系统的补偿算法。以8 192 lp/mm的钢圈反射式光栅为平台,以实际的精度检测结果为评判依据,对提出的信号补偿系统进行了实验验证。结果表明,补偿后的光栅精度比补偿前提高了2.28″,提高幅度达到50%。实验结果验证了光栅信号补偿方案的可行性。关键词：钢圈式编码器;反射式光栅;传感器;Lissajou图;信号补偿- 53
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预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器
摘要：针对六维力/力矩传感器测量量程受限问题,提出一种具有分载测量功能的预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器。首先,对比传统Stewart结构力/力矩传感器,阐述了预紧式六维力/力矩传感器的结构特点和测量原理。然后,完成了预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器的结构设计。建立了传感器的有限元模型,对模型进行了模态分析,得到了传感器的前五阶固有频率和振型,并确定了传感器的工作带宽为0~204 Hz。最后,研究了传感器的静态标定原理,并对传感器进行了静态标定实验,得到了传感器的标定实验解耦矩阵。实验结果表明,该预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器的测力量程为0~3 000 N,测力矩量程达0~300 N·m,测量精度优于实际值的7.5%。传感器能够满足空间六维力/力矩的测量,具有量程大、解耦计算简单、安装调试方便等优点。关键词：Stewart并联结构;六维力/力矩传感器;解耦矩阵- 48
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双球渐开线样板的理论分析和应用
摘要：为确保齿轮测量仪器的高精度校准,国际标准ISO/TR 10064-5:2005推荐了新型的双球渐开线样板。该样板采用高精度球体的部分圆弧代替渐开线,通过误差补偿,获得高精度渐开线以实现渐开线溯源。研究了该样板相关的理论问题,为双球样板设计与应用提供了理论基础。针对数控齿轮测量仪器常釆用的电子展成法,分析并给出了理想安装条件下和存在安装误差时双球渐开线样板的原理误差及其计算公式;根据最优圆弧思想,使用最小二乘法推导出双球中心距的优化公式;最后给出了原理误差的补偿方法。基于上述基本理论,开发了双球样板设计软件并研制了一块模数为2.268 1 mm、齿数为40、压力角为20°的双球渐开线样板。关键词：齿轮;齿轮仪器;齿轮测量;齿轮样板;双球渐开线样板- 50
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集成压阻聚合物微力传感器的设计与制作
摘要：针对MEMS领域中对微小的力进行感知测量的需求，多种压阻式微力传感器被研制出来。通常情况下，掺杂后半导体硅材料被广泛用于压阻式微力传感器的制作。SU-8胶与硅相比，有着较低的弹性模量，可以通过在SU-8胶悬臂梁上集成金属压阻来获得很高的力灵敏度系数。基于以上特点，本文设计了一种新型的集成蛇形结构金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器，并采用一种新颖的微加工工艺，成功制作出这种具有双层悬臂梁结构的微力传感器。实验结果表明：此款SU-8胶微力传感器在0-350 μN之间具有较好的线性度，力灵敏度为0.24 mV/μN，测量误差为4.06%。此款微力传感器可以满足对微小力的测量，并且相对于硅材料的微力传感器，其制作工艺更加简单，周期更短。此外SU-8胶的生物兼容性非常突出，在生物医学研究领域有着更好的应用前景。关键词：悬臂梁- 40
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双球渐开线样板的理论基础
摘要：摘要：为确保齿轮测量仪器的高精度校准，国际标准ISO/TR 10064-5:2005推荐了新型的双球渐开线样板。该样板采用高精度球体的部分圆弧代替渐开线，通过误差补偿技术，获得高精度渐开线去实现渐开线溯源。本文研究该样板相关的理论问题，为双球样板设计与应用提供了理论基础。针对数控齿轮测量仪器常釆用的电子展成法，分析并给出了理想安装条件下和存在安装误差时双球渐开线样板的原理误差及其计算公式；根据最优圆弧思想，使用最小二乘法推导出双球中心距的优化公式；最后给出了原理误差的补偿方法。基于上述基本理论，开发了双球样板设计软件并研制了一块模数为2.2681mm、齿数40、压力角为20°的双球渐开线样板。关键词：齿轮样板- 34
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高速铣削SiCp/Al复合材料PCD刀具磨损机理
摘要：目的：对碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）高速铣削时的刀具磨损机理进行了研究。方法：采用聚晶金刚石刀具（PCD），在600-1200m/min速度范围内对SiCp/2009Al复合材料进行了高速铣削试验。使用扫描电镜（SEM）对已加工表面、刀具前/后刀面磨损带进行观察，使用X射线衍射仪对已加工表面物相进行分析，使用能谱（EDS）和激光拉曼对后刀面磨损带进行元素分析。结果：结果表明，晶粒脱落、磨粒磨损、崩刃、剥落是PCD刀具的主要磨损形式，切削高体分比增强铝基复合材料、经热处理的复合材料或使用更高的切削速度时，PCD刀具往往产生明显的微裂纹。增强颗粒体分比是影响PCD刀具磨损的最显著因素，增强颗粒尺寸、工件材料热处理状态、刀具材料晶粒尺寸和冷却条件对刀具磨损有显著影响。结论：PCD刀具刀寿命在70-240min之间；增强颗粒碳化硅的高频刻划和冲击是刀具磨损的主要原因，增强颗粒机械冲击、切削振动和热冲击的综合作用是刀具产生微裂纹的主要机制。在高速铣削时的高温、高压下，工件材料中的铝元素和铜元素向刀具中有一定程度的扩散，且PCD刀具在铜元素的催化作用下发生了轻微的石墨化磨损。关键词：磨损机理- 44
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高性能谐振式微机械压力传感器
摘要：为了提高压力传感器的精度和抑制温漂,提出了一种采用“H”型双端固支梁、电磁激励、差分检测的微机械谐振式压力传感器。首先，通过FEM分析模拟仿真优化传感器的机械参数，得到较高的灵敏度和分辨率。然后，基于浓硼扩散自停止腐蚀原理，采用了MEMS体硅标准工艺加工出一致性较好的传感器的成品。最后，采用非光敏BCB在真空高温高压的条件下将硅片与谐振器黏和键合(Adhesive Bonding)的方法完成了传感器的真空封装,并设计了应力隔离的后封装方法以降低温漂。实验结果表明:传感器的检测范围为0~120kPa；满量程非线性度低于0.02%；准确度达到0.05% FS；加入应力隔离后的-40℃~70℃的温度漂移不高于0.05%/℃。该传感器能够实现大量程高精度的压力测量,有效的抑制了温漂，具有较高的性能指标。关键词：黏和键合- 34
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微通道内台阶阀截止过程中毛细流动动态效应分析方法研究
摘要：摘 要：为了分析由亲/疏水性不同壁面组成的微通道内，毛细流动的动态效应对台阶阀截止功能的影响，研究了在台阶阀截止过程中，毛细流动动态效应与台阶阀前微通道长度的关系。首先根据毛细被动阀的工作原理和能量守恒原理，得出台阶阀有效截止时，台阶阀前微通道临界长度的计算公式。然后通过数值仿真得到临界长度所对应的计算长度，当台阶阀前微通道实际长度大于等于计算长度时，台阶阀就能有效截止。用聚二甲基硅氧烷( PDMS) 和玻璃为材料键合制作微流控芯片，在三面疏水和一面亲水的矩形微通道内进行台阶阀截止实验。对于深度为40μm，宽度为200～400μm的系列微通道，台阶阀前微通道的计算长度为4.5316～10.081μm，在台阶阀前微通道实际长度为10～2000μm的微流控芯片内进行台阶阀截止实验。实验表明，即使台阶阀前微通道实际长度为10μm，台阶阀也能有效截止毛细流动。因此，在微通道内台阶阀截止过程中毛细流动的动态效应可以忽略。关键词：动态效应- 28
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微纳技术与精密机械
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百万像素电子倍增CCD数字化相机的设计
摘要：论述了一种基于1 024 pixel×1 024 pixel电子倍增(EM)CCD图像传感器(CCD201)的数字化相机设计方法。利用复杂可编程逻辑器件(CPLD)产生CCD逻辑时序及视频同步处理控制时序;采用集成器件与分立器件相结合的方式实现EMCCD垂直驱动时序,获得视频信号;使用带有相关双采样(CDS)功能的16位模数转换器对CCD视频信号进行数字化。介绍了时序控制、驱动电路、视频处理电路等关键组成部分的技术实现方法。实验结果显示,数字化相机前端能够连续输出16位数字图像数据,光动态范围大于70 dB,电子增益采用程控方式,增益倍数最高能够大于50 dB。该设计方法已成功应用于远程EMCCD图像采集系统中,设计的系统能够在微光成像及辐射场诊断中应用。关键词：高分辨率数字相机;电子倍增CCD(EMCCD);相关双采样(CDS);驱动时序- 58
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含噪声图像的多聚焦融合算法
摘要：由于常用的多聚焦融合算法不能很好地区分噪声和视觉上有意义的特征信息,本文提出了一种有效抑制图像噪声干扰的多聚焦图像融合算法。采用改进的基于自适应分块的图像融合算法并结合一种新的抗噪性好的清晰度评价算子有效解决了含噪图像的融合问题,取得了理想的图像融合效果。对融合图像的均方根误差和互信息进行了定量比较,结果表明,在不同强度的噪声干扰下,与对比度金字塔、小波变换和Contourlet变换方法相比,所提方法的平均均方根误差分别降低了4.288 9,4.479 1和4.187 1;平均互信息分别提高了2.366 4,3.282 5和2.063 9。本算法在噪声干扰下仍能准确地保持图像的有用信息,有效抑制噪声的影响,得到了比传统融合方法更优的视觉效果。关键词：图像融合;抗噪性能;自适应分块;清晰度评价函数;遗传算法- 46
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红外焦平面阵列的自适应非均匀性校正及硬件实现
摘要：针对长时间工作或环境剧烈变化时红外焦平面阵列(IRFPA)器件易产生条纹状非均匀性的问题,研究了在不遮挡成像视场条件下它的动态非均匀性校正(NUC)及其硬件实现技术。介绍了基于场景的改进恒定统计NUC(ICS-NUC)方法,即通过纵向通道间的统计量均衡策略实现对条纹非均匀性的抑制,并引入遗忘因子通过帧间迭代实现非均匀性的动态校正。描述了基于非制冷IRFPA组件在BF561 DSP平台的ICS-NUC处理流程,并实现了ICS-NUC的均值法(ICSA)和中值法(ICSM),从而有效地动态校正条纹非均匀性,提高红外图像质量。实验表明,经过ICS-NUC处理,减弱了红外图像的条纹噪声,使用ICSA和ICSM法使IRFPA组件的非均匀性从3.43%分别降低至1.82%和0.91%,连续运行4 h后仍可使组件非均匀性从漂移后的5.05%降至0.92%。提出的方法为后续高性能热成像系统的研究和应用奠定了技术基础。关键词：红外焦平面阵列;非均匀性校正;改进的恒定统计算法;数字信号处理- 72
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离散噪声图像的光斑质心算法及其硬件实现
摘要：针对现有的光斑质心算法无法直接处理含有离散噪声点的图像,提出一种不依赖去噪预处理和噪声点剔除后处理,本身具有抗单点噪声能力的光斑质心定位算法,并通过现场可编程门阵列(FPGA)实现了该算法。首先分别标记背景像素、噪声像素和光斑像素;然后通过对相邻像素标记的判断,完成对当前像素的标记;同时对属于同一光斑的像素进行质心参数累加,但不累加和存储判断为真正噪声点的像素。与现有方法相比,该方法能够充分利用FPGA的并行处理能力,在图像像素输出的同时完成光斑质心提取和噪声点像素去除,而且不需要存储预处理图像和噪声点像素,节省了存储空间。该方法为由于图像传感器长时间曝光而引起的高亮度离散噪声光斑图像的处理提供了有效的途径。关键词：噪声图像;光斑;质心算法;现场可编程门阵列- 45
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基于Laplacian的局部特征描述算法
摘要：为了更好地兼顾特征描述子的鲁棒性和生成复杂度,提出了一种基于Laplacian的局部特征描述算法。分析说明了Laplacian不仅对图像的欧氏变换、缩放及亮度线性变化具有较好的性质,而且能够反映图像的局部结构特征。据此利用高斯型拉普拉斯变换响应建立了一种64维特征描述子,并将该特征描述子应用于特征点匹配。匹配实验结果表明,在图像尺度缩放、旋转、模糊、亮度变化和较小视角变化等多种变换条件下,该描述子不仅能够取得较好的匹配效果,而且匹配速度是尺度不变特征变换(SIFT)的4倍以上。该算法适用于实时性要求较高,存在旋转、尺度缩放、亮度差异、图像压缩变换以及视角变化不大的结构图像间的匹配。关键词：局部特征;特征描述子;图像匹配;高斯型拉普拉斯- 66
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基于低成本多传感器的自适应组合滤波
摘要：研究了基于硅微机电系统(MEMS)陀螺、加速度计及磁阻式磁强计组合的微小型飞行器用姿态航向参考系统。针对传统航姿算法无法保证微小型飞行器在长时间、高机动情况下以较高精度保持姿态航向的问题,提出了一种基于低成本多传感器的自适应组合滤波算法。该算法首先通过对运动加速度和磁干扰进行建模并将其引入状态方程来保证载体在长时间高机动情况下依然保持较高的姿态航向精度。其次,采用联邦滤波模式降低运动加速度与磁干扰之间的相互影响,提高算法的精度和可靠性;通过对子滤波器专有状态量的估计方差阵P和量测方差R进行自适应设计,保证不同机动状态切换时算法的稳定性一致。用不同的组合算法进行了半物理仿真试验对比,结果表明,与传统算法相比,该算法在平飞和长时间盘旋飞行条件下均具有较高的精度和鲁棒性。关键词：微机电系统;磁强计;微航姿参考系统;组合导航;自适应滤波;联邦滤波- 41
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人眼像差探测哈特曼波前传感器的质心优化
摘要：为提高自适应光学系统中Hartmann-Shack波前传感器的动态测量范围和测量精度,对由CCD采集的波前光斑图进行了质心探测研究。介绍了波前传感器的工作原理,根据127单元传感器的结构特征和实际人眼光斑图的畸变特点,提出了一种动态定位光斑区域、动态分割区域内部阈值以及锁定最优探测窗口的自适应光斑质心探测方法。讨论了该方法中阈值等级选取对人眼光斑图质心探测的影响,并通过仿真和实验分析了算法的质心探测精度和算法对噪声影响的鲁棒性。实验结果表明,光斑区域内选取阈值等级为总等级数的(50±3)%时最合适;与其他方法相比,自适应质心探测方法的探测误差减小了60%以上;将该探测方法运用至自适应光学视网膜成像系统的波前传感器中,可将人眼像差RMS值从0.728λ闭环校正到0.081λ(λ=785 nm),达到衍射极限,并获得视网膜图像。本方法针对光斑特征选择不同实验参数,弥补了传统算法的局限性,基本满足了人眼像差测量的可行性和实用性。关键词：自适应光学;Hartmann-Shack波前传感器;质心探测;人眼像差- 59
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多TDICCD拼接相机成像非均匀性实时校正的硬件实现
摘要：提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)平台实现的成像非均匀性实时校正算法来解决遥感多时间延迟积分(TDI)CCD拼接相机存在的问题。首先介绍了拼接相机成像非均匀性(PRNU)的定义及其产生的原因,然后针对拼接相机的特点,提出了一种通道内用两点定标法、通道间用增益平均法、片间用自适应场景补偿法的复合非均匀性校正算法。从可靠性和实时性考虑,选择在相机信号处理FPGA硬件平台上实现校正算法,针对FPGA的运算能力改进算法并分析误差,同时给出星上定标和校正因子修正的方案。实验结果表明,该算法可将单片TDICCD的成像非均匀性从4.82%降低到0.27%,最终拼接图像的非均匀性降低到0.41%,且实时性好、效率高、可满足实际工程需求。关键词：多时间延迟积分(TDI)CCD拼接;成像非均匀性;实时校正;现场可编程门阵列- 64
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基于能量累加的空间目标星像质心定位
摘要：研究了CCD观测图像的亚像素级高精度质心定位方法以提高目标星像的天文定位精度。分析了影响定位精度的主要因素,如图像噪声、离散化采样误差及定位窗口选择等,结合CCD弥散斑的成像特性,提出了一种基于能量累加的空间目标星像质心定位方法。该方法使用插值方式降低离散采样点和实际感光区域光线照度的不一致性;利用弥散斑能量累加自适应地确定目标星像的有效窗口,优化目标星像灰度,消除随机噪声的影响;并采用平方加权质心定位方法进行质心计算。实验结果表明,该方法具有较强的抗干扰能力和稳定性,定位精度可达0.01 pixel,适用于低信噪比条件下的质心定位计算。关键词：天体测量;空间目标;质心定位;能量累加- 48
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应用自解卷积和增量Wiener滤波实现迭代盲图像复原
摘要：提出了一种基于自解卷积和增量Wiener滤波的迭代盲图像复原算法(SDIWF-IBD)。将自解卷积点扩散函数估计法应用于迭代盲目反卷积,准确估计了点扩散函数频域;在图像估计时使用增量Wiener滤波,确保算法稳定收敛。为进一步控制算法收敛速度,引入内迭代加速方法,有效减少了算法的外部迭代次数。实验结果表明,复原后图像细节明显增加且失真小,算法快速收敛于较小误差。该算法复原效果良好,收敛快速可控,有利于实时应用。关键词：迭代盲目反卷积;自解卷积;增量Wiener滤波;内迭代加速;算法收敛性- 51
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基于区域模糊阈值的前视红外目标识别
摘要：针对用前视红外(FLIR)目标法识别复杂地面时,存在无直接可用基准图、背景干扰严重、目标与背景灰度差异小等问题,提出了一种基于区域模糊阈值的目标识别方法。首先,在建立多尺度空间的基础上,设计多阈值算法,生成显著图;其次,引入基于图像模糊率的区域模糊阈值方法,改进Itti模型,构建候选目标筛选模型;最后,对检测结果运用积分归一化积相关(Nprod)算法进行精匹配,确定识别目标。实验结果表明,与Hausdorff距离算法相比,该识别算法匹配率提高了近20%,花费时间缩短了3/4;与积分Nprod算法相比,提出的算法匹配率提高了近40%,时间缩短了1/2。结果显示,对于复杂背景的前视红外目标,该方法具有匹配率高、速度快、精度高等优点。关键词：多阈值算法;区域模糊阈值;目标识别;Itti模型;Nprod算法- 44
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用概率假设密度滤波实现同步定位与地图创建
摘要：针对杂波环境中传统同步定位与地图创建(SLAM)算法无法有效表达传感器多种信息以及容易发生错误数据关联的问题,提出一种基于概率假设密度滤波的SLAM算法。该算法将每一时刻传感器的观测信息和环境地图表示为随机有限集,建立联合目标状态变量;通过概率假设密度(PHD)滤波对机器人位姿和环境地图状态进行同时估计,并利用粒子滤波实现PHD滤波。在进行目标状态提取时,为避免聚类算法引入的误差,对粒子集进行时滞输出。提出的SLAM算法能准确表达观测的不确定性、漏检以及杂波引起的虚警等多种传感器信息,且避免了数据关联过程,使系统状态估计更接近真实值。仿真实验结果表明:与传统SLAM算法相比,新算法的机器人定位及环境构图精度提高了50%以上,为杂波环境下SLAM问题的研究提供了新的途径。关键词：同步定位与地图创建;随机有限集;概率假设密度滤波;粒子滤波;目标状态提取- 69
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用概率假设密度滤波解决SLAM问题
摘要：针对杂波环境中传统同步定位与地图创建(SLAM)算法模型无法有效表达传感器多种信息以及容易发生错误数据关联的问题，提出一种基于概率假设密度滤波的SLAM算法。该算法将每一时刻的传感器观测信息和环境地图表示为随机有限集，建立联合目标状态变量，通过PHD滤波对机器人位姿和环境地图状态进行同时估计，并利用粒子滤波进行PHD滤波的实现。在进行目标状态提取时，为避免聚类算法引入的误差，对粒子集进行时滞输出。新的SLAM算法能对观测的不确定性、漏检以及杂波引起的虚警等多种传感器信息进行准确表达，又避免了数据关联过程，使系统状态估计更接近真实值。仿真实验结果表明：相比传统SLAM算法，新算法的机器人定位及环境构图精度提高了50%以上，为杂波环境下SLAM问题的研究开辟了一条新的途径。关键词：目标状态提取- 48
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发布时间：2020-08-12 -
基于区域模糊阈值的前视红外目标识别方法
摘要：针对FLIR复杂地面目标无直接可用基准图、背景干扰严重，目标与背景灰度差异小，不利于目标识别等问题，提出了一种新的基于区域模糊阈值的目标识别方法。首先在建立多尺度空间的基础上，设计多阈值算法、生成显著图；其次引入基于图像模糊率的区域模糊阈值方法，改进Itti模型，构建候选目标筛选模型；最后对检测结果运用积分归一化积相关（Nprod）算法进行精匹配，确定识别目标。实验结果表明：本文识别算法匹配率与Hausdorff距离算法相比提高了近20%,算法花费时间缩短3/4，与积分Nprod算法相比匹配率提高了近40%，时间缩短了1/2。对于复杂背景的前视红外目标，该方法具有匹配率高、速度快、精度高等优点。关键词：Nprod算法- 23
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发布时间：2020-08-12 -
用于人眼像差探测的哈特曼波前传感器质心优化算法
摘要：为提高自适应光学系统中Hartmann-Shack波前传感器的动态测量范围和测量精度，对由CCD采集的波前光斑图进行质心探测研究。本文介绍了波前传感器的工作原理，根据127单元传感器的结构特征和实际人眼光斑图的畸变特点，提出了一种动态定位光斑区域、区域内部动态阈值分割以及最优探测窗口锁定的自适应光斑质心探测方法。讨论了该方法中阈值等级选取对人眼光斑图质心探测的影响，通过仿真和实验分析了算法的质心探测精度和对噪声影响的鲁棒性。结果表明：光斑区域内选取阈值等级为总等级数的(50±3)%时最合适；自适应质心探测方法相比于其他方法质心探测误差减小60%以上；将该质心探测方法运用至自适应光学视网膜成像系统的波前传感器中，可将人眼像差RMS值从0.728λ闭环校正到0.081λ(λ=785nm)，达到衍射极限，并获得视网膜图像。本方法针对光斑特征选择不同实验参数，弥补了传统算法的局限性，基本满足了人眼像差测量的可行性和实用性。关键词：人眼像差- 33
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发布时间：2020-08-12 -
多TDICCD拼接相机非均匀性实时校正在FPGA中的实现
摘要：为了解决遥感多TDICCD拼接相机成像非均匀性，提出了一种基于FPGA平台实现的非均匀性实时校正算法。首先介绍了非均匀性定义及拼接相机非均匀性产生的原因，然后针对拼接相机的特点，提出了一种通道内两点定标法、通道间增益平均法、片间自适应场景补偿法的非均匀性校正算法。从可靠性和实时性考虑，选择在相机信号处理FPGA的硬件平台上实现校正算法，针对FPGA的运算能力改进算法并分析误差，同时给出星上定标和校正因子修正的方案。实验结果表明，算法可将单片TDICCD非均匀性从4.82%降低到0.27%，最终拼接图像的非均匀性降低到0.41%，且算法实时性好，实用有效，可满足实际工程需求。关键词：FPGA- 35
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发布时间：2020-08-12 -
IRFPA自适应非均匀性校正及硬件实现
摘要：针对长时间工作或环境剧烈变化时，IRFPA器件易产生条纹状非均匀性的问题，研究了在不遮挡成像视场条件下的动态非均匀性校正及其硬件实现技术。论文介绍了基于场景的改进恒定统计NUC方法ICS-NUC，即通过纵向通道间的统计量均衡策略实现对条纹非均匀性的抑制，并引入遗忘因子通过帧间迭代实现非均匀性的动态校正；描述了基于非制冷IRFPA组件BF561 DSP平台ICS-NUC的处理流程，并实现了ICS-NUC的均值法ICSA和中值法ICSM，可有效地动态校正条纹非均匀性，提高红外图像质量。实验表明：经过ICS-NUC处理，红外图像的条纹噪声减弱；ICSA和ICSM方法使IRFPA组件的非均匀性UR从3.43%分别降低至1.82%和0.91%，连续运行4小时后仍可使组件非均匀性从漂移后的5.05%降至0.92%。ICS-NUC在IRFPA组件上的实现，为后续高性能热成像系统的研究和应用奠定了技术基础。关键词：DSP- 29
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发布时间：2020-08-12 -
基于能量累加的空间目标星象质心定位方法
摘要：为了有效的提高目标星象的天文定位精度，CCD观测图像的亚象素级高精度质心定位技术的研究至关重要。本文首先系统的分析了影响定位精度的主要因素，如图像噪声、离散化采样误差及定位窗口选择等；在此基础上，通过结合CCD弥散斑的成像特性，提出了一种基于能量累加的空间目标星象质心定位方法。该方法通过插值方式降低离散采样点和实际感光区域光线照度的不一致性，并通过弥散斑能量累加自适应确定目标星象的有效窗口，通过对目标星象灰度优化消除随机噪声影响的基础上，采用平方加权质心定位方法进行质心计算。实验结果表明，该方法具有较强的抗干扰能力和稳定性，定位精度可达到0.01像元，可适用于低信噪比条件下的质心定位计算。关键词：能量累加- 48
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发布时间：2020-08-12 -
含噪声图像的多聚焦融合算法研究
摘要：在图像的采集和传输过程中经常会引入噪声。噪声的存在影响了图像的细节特征提取，而常用的多聚焦融合算法不能很好地区分噪声和视觉上有意义的特征信息。针对此问题提出了一种有效抑制图像噪声干扰的多聚焦图像融合算法，采用改进的基于自适应分块的图像融合算法并结合一种新的抗噪性好的清晰度评价算子有效解决了含噪图像的融合问题，取得了理想的图像融合效果。对融合图像的均方根误差和互信息进行了定量比较。实验结果表明，在不同强度的噪声干扰下，与对比度金字塔、小波变换和Contourlet变换方法相比，所提方法的平均均方根误差分别降低了4.2889，4.4791，4.1871；平均互信息分别提高了2.3664，3.2825，2.0639。本算法在噪声干扰下仍能准确地保持图像的有用信息，有效抑制噪声的影响，得到了比传统融合方法更优的视觉效果。关键词：遗传算法- 58
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发布时间：2020-08-12 -
一种基于Laplacian的局部特征描述算法
摘要：为了更好地兼顾特征描述子的鲁棒性和生成复杂度，提出了一种基于Laplacian的局部特征描述算法。分析说明了Laplacian不仅对图像的欧氏变换、缩放及亮度线性变化具有较好的性质，而且能够反映图像的局部结构特征，据此提出并利用高斯型拉普拉斯变换响应建立了一种64维特征描述子，最后将该特征描述子应用于特征点匹配。匹配实验结果表明，在图像尺度缩放、旋转、模糊、亮度变化和较小视角变化等多种变换条件下，该描述子不仅能够取得较好的匹配效果，而且匹配速度是SIFT的4倍以上。尤其适用于实时性要求较高，存在旋转、尺度缩放、亮度差异、图像压缩变换以及视角变化不大的结构图像间的匹配。关键词：高斯型拉普拉斯- 44
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发布时间：2020-08-12 -
基于自解卷积和增量Wiener滤波的迭代盲图像复原算法
摘要：本文提出了一种基于自解卷积和增量Wiener滤波的迭代盲图像复原算法(SDIWF-IBD)。将自解卷积点扩散函数估计法应用于迭代盲目反卷积，可获取准确的点扩散函数频域估计，而在图像估计步中使用增量Wiener滤波，能够确保算法稳定收敛。为进一步控制算法收敛速度，引入内迭代加速方法，有效减少了算法的外部迭代次数。实验结果表明，复原后图像细节明显增加且失真小，算法可快速收敛于较小误差。因此，该算法复原效果良好、收敛快速可控，有利于实时应用。关键词：算法收敛性- 55
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半监督流形学习及其在遥感影像分类中的应用
摘要：为了有效利用标记与未标记样本提高遥感影像分类精度，提出了一种新的半监督流形学习方法-半监督流形鉴别嵌入法(SSMDE)。该方法首先利用标记样本的类别信息构建类内图和类间图来表征样本数据的类别联系信息，并计算相应的权重矩阵，然后利用标记和未标记数据构建全局散度矩阵来表征数据的整体结构信息。在此基础上，通过优化目标函数来得到投影矩阵，在特征空间中保持数据整体结构的前提下，实现同类数据点之间保持近邻关系、不同类数据点的距离尽可能大。在人工数据集和遥感影像上的实验结果表明：SSMDE分类率为92.36%，且分类结果与政府统计数据之间的误差均小于5%。本文方法通过有效利用少量标记样本和大量无标记实现半监督学习，有效提高了遥感影像的分类精度。关键词：半监督流形学习- 58
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发布时间：2020-08-12 -
离散噪声图像的光斑质心算法及FPGA实现
摘要：现有的光斑质心算法无法直接对含有离散噪声点的图像进行处理，为此，提出一种不依赖去噪预处理和噪声点剔除后处理，本身具有抗单点噪声能力的光斑质心定位算法及FPGA实现方法。该方法采用对背景像素、噪声像素和光斑像素进行分别标记，通过对相邻像素标记的判断，完成对当前像素的标记，同时对属于同一光斑的像素进行质心参数累加，对判断为真正噪声点的像素不进行累加和存储。与现有方法相比，该方法能够充分利用FPGA的并行处理能力，在图像像素输出的同时完成光斑质心提取和噪声点像素去除，而且不需要存储预处理图像和噪声点像素，节省存储空间。该方法为由于图像传感器长时间曝光而引起的高亮度离散噪声光斑图像的处理提供了有效的途径。关键词：FPGA- 64
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发布时间：2020-08-12 -
基于低成本多传感器的微航姿参考系统用PR自适应组合滤波算法
摘要：研究了基于硅MEMS陀螺、加速度计及磁阻式磁强计组合的微小型飞行器用姿态航向参考系统。针对传统航姿算法无法保证微小型飞行器在长时间高机动情况下保持姿态航向具有较高精度的问题，提出了一种基于低成本多传感器的PR自适应组合滤波算法。该算法首先通过对运动加速度和磁干扰进行建模并将其引入状态方程，保证了载体在长时间高机动情况下依然保持较高的姿态航向精度；其次，组合算法采用联邦滤波模式降低运动加速度与磁干扰之间的相互影响，提高算法的精度和可靠性；再次，通过对子滤波器专有状态量的估计方差阵P和量测方差R进行自适应设计，保证了不同机动状态切换时算法具有一致的稳定性。采用不同的组合算法进行半物理仿真试验对比，试验结果表明：与传统算法相比，该算法在不同的机动情况下均具有较高的精度和鲁棒性。关键词：联邦滤波- 30
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发布时间：2020-08-12
信息科学
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