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最新刊期

2012 年第 5 期

现代应用光学

用于大视场目标定位的复眼系统标定
郭方,王克逸,闫佩正,吴青林
2012, 20(5): 913-920. DOI: 10.3788/OPE.20122005.0913

摘要：探讨了设计的大视场复眼定位系统的结构特点、定位数学模型、三维目标阵列、标定方法和定位特点。介绍了复眼结构和系统装置,建立了目标定位和多通道同时标定的数学模型。通过引入分光器,调整目标平面水平移动轴和目标平面的垂直性以及目标平面和复眼平面之间的平行性。然后,使用消逝点和目标共像点求得初始点和初始距离,得到目标平面上每一点的空间三维坐标。最后,求出目标阵列与对应通道的入射角度,提取出对应的目标像点重心,建立了各通道入射角度和像点重心之间的对应关系。实验结果显示,初步标定后的系统能对横向110°、纵向90°视场范围内的目标进行定位,距离定位精度在2%以内。提出的方案基本能满足复眼成像非线性标定的要求,具有一定的操作灵活性。
关键词：复眼系统;标定;大视场;目标定位

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发布时间：2020-08-12
基于多模-单模-多模结构和光纤布拉格光栅同时测量温度和折射率
童峥嵘,郭阳,杨秀峰,曹晔
2012, 20(5): 921-926. DOI: 10.3788/OPE.20122005.0921

摘要：利用单模光纤(SMF)中的包层模与纤芯导模之间的干涉,提出了一种基于多模-单模-多模(MSM)结构与布拉格光栅(FBG)级联可同时测量温度和折射率的传感器。基于MSM结构的干涉谱和FBG的透射峰对温度和折射率具有不同响应灵敏度的特点,利用敏感矩阵实现了对温度和折射率的同时测量。实验测得MSM结构和FBG的温度灵敏度分别为0.055 2 nm/℃和0.015 8 nm/℃,MSM结构的折射率灵敏度为109.702 nm/RIU,而FBG对折射率变化不敏感。温度和折射率的测量精度分别为 ±0.32 ℃和± 0.002 3。实验显示提出的MSM结构的温度灵敏度比单模-多模-单模(SMS)结构传感器提高了5倍,同时由于SMF中的包层模对外界环境的变化较敏感,该MSM结构也可应用于其他传感领域。
关键词：光纤传感;同时测量;温度测量;折射率测量;多模-单模-多模(MSM)结构

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发布时间：2020-08-12
磁驱动飞片的超高速激光阴影扫描摄影技术
汪伟,王桂吉,罗振雄,莫建军,尚长水
2012, 20(5): 927-933. DOI: 10.3788/OPE.20122005.0927

摘要：针对磁驱动飞片的物理过程,设计了显微装置和激光阴影照明装置。结合超高速转镜式扫描相机,利用串联式光电开关避免相机像面重复曝光,有效地解决了飞片被碰撞过程中严重影响测试结果的自发强光现象,获得了磁驱动加载下飞片运动过程清晰的一维扫描试验图像。图像分析数据表明,在充电电压为60~64 kV时,可将尺寸为8 mm×6 mm×0.7/0.9 mm的Ly12铝飞片发射至9~14 km/s的超高速度,且飞片运动速度与充电电压和飞片厚度有关。该项工作为磁驱动飞片运动过程的研究提供了一种重要的测试手段,其测试方法也适用于其它产生强烈杂光的高速碰撞的测试研究。
关键词：高速显微摄影;阴影扫描摄影;激光照明;磁驱动;高速飞片

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发布时间：2020-08-12
基于姿态矩阵判据的光学焦距在线快速标定
全伟,刘阳,王广君
2012, 20(5): 934-941. DOI: 10.3788/OPE.20122005.0934

摘要：针对在轨运行的微小航天器发射过程的振动引起的结构变形和在轨太阳光照产生的结构热变形会使发射前对惯性恒星罗盘(Inertial Stellar Compass:ISC)标定的光学系统焦距偏离实际值,进而影响微小航天器的高精度姿态确定的问题,提出了一种基于姿态矩阵判据的ISC光学系统焦距在线快速标定方法。首先,分析了光学系统焦距与姿态矩阵的映射关系;然后,利用任一时刻由滤波生成的姿态矩阵,结合姿态矩阵单位正交特性的这一判据,采用迭代法实现了ISC光学系统焦距的在线快速标定。实验结果表明:该方法对ISC光学系统焦距的标定精度同星点质心提取的像素精度相当,大约为0.01个像素。该方法可在轨随时进行光学系统焦距的标定,标定速度快,且不需要采集大量姿态测量传感器的数据,标定效果良好。
关键词：惯性恒星罗盘;标定;光学焦距;姿态矩阵

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发布时间：2020-08-12
输电塔架承载变形的三维光学测量
刘建伟,蒋志强,刘元朋,文振华,梁晋
2012, 20(5): 942-948. DOI: 10.3788/OPE.20122005.0942

摘要：考虑输电塔架结构复杂,需要做承载变形真型实验来检测塔架实际承载能力的问题,本文提出了一种三维全场变形光学测量方法来解决塔架真型试验中存在的大尺寸、大变形、多测点、三维变形、塔架承载形态保持时间短等测量难点。该方法基于工业近景摄影测量技术重建单个状态下塔架测点的三维结构,利用具有身份信息的人工标志点来实现不同状态测量结果的对齐。通过跟踪固定在塔架上的变形点,计算相应部位的位移来获取真型塔架在不同负载下的整体变形。精度评估实验表明,提出的方法测量精度优于0.1 mm/4 m;真型实验显示,测量结果能够为塔架结构力学性能分析和改进塔架设计提供有价值的参考数据。该方法具有现场工作量小、不干扰测量对象、量程弹性大等优点,能够满足各型塔架三维变形测量对效率和精度的要求。
关键词：输电塔架;三维变形测量;近景摄影测量;光束平差;坐标对齐

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发布时间：2020-08-12
可调对比度目标源装置中对比度的标定
王素华,沈湘衡,叶露
2012, 20(5): 949-956. DOI: 10.3788/OPE.20122005.0949

摘要：搭建了可调对比度目标源装置,研究了图像对比度和光学对比度的关系,提出了用改进的BP神经网络标定对比度的方法。首先,设计了用于对比度标定的BP神经网络模型。然后,利用LM(Levenberg-Marquardt)算法结合缩放法改进神经网络以提高其收敛速度及泛化能力。最后,通过可调对比度目标源装置实验平台,由测量的辐照度得出了对应的图像对比度数据,使该装置可以通过调节辐照度实时获得规定的对比度。与传统BP神经网络方法相比,改进后的BP神经网络收敛速度快,泛化能力强。标定精度比经典BP算法提高了100倍,比最速下降法提高了10倍。训练次数仅需2 876次时,对比度的标定值与目标值的误差最大值是0.01%,训练均方误差收敛为0.000 459 441,测试误差收敛为0.000 467 003,满足了对检验装置中对比度标定的需要。
关键词：可调目标源;对比度标定;LM算法;缩放法;神经网络

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发布时间：2020-08-12
CCD辐射响应函数矩阵的建立与应用
任建伟,张艳琪,叶钊,全先荣
2012, 20(5): 957-962. DOI: 10.3788/OPE.20122005.0957

摘要：为了能采用物理意义明确的函数式来表述大格式电荷耦合器件(CCD)的性能参数,直观地实现对面阵CCD辐射性能的评价,本文提出利用"辐射响应函数矩阵"概念来表述CCD每个像元的辐射性能参量。首先,分析了该矩阵各元素的物理意义,提出了对CCD每个像元的绝对辐射响应度、响应非线性度、暗噪声、信噪比以及非均匀性的描述方法。其次,对面阵CCD KAI-16000进行辐射性能检测,并利用回归分析计算出各像元的响应系数。最后,以测试结果为例,讨论和描述该矩阵的应用和结果。实验结果表明:该CCD近似成线性响应,通过矩阵函数可以计算出CCD非均匀性为3.1%,暗噪声为3.84。此方法实用,满足对大格式CCD直观表述的要求。
关键词：电荷耦合器件;辐射响应;函数矩阵;光电性能;响应度

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发布时间：2020-08-12
Tikhonov正则化与多重网格技术相结合的动态光散射反演
王雅静,申晋,郑刚,刘伟,孙贤明
2012, 20(5): 963-971. DOI: 10.3788/OPE.20122005.0963

摘要：针对单尺度反演方法中存在的精度偏低问题,结合Tikhonov正则化与瀑布型多重网格技术,提出了一种多尺度Tikhonov正则化(ML-TIK)动态光散射反演方法。该方法利用多重网格技术将原反演问题分解到多尺度的网格空间,按着网格从粗到细的顺序,采用单尺度Tikhonov正则化(TIK)对每个子反演问题进行求解,获取颗粒的粒度分布。分别采用TIK和ML-TIK法对噪声水平为0、0.005、0.01的200~650 nm模拟双峰分布颗粒数据进行了反演,结果表明:ML-TIK法的反演结果与理论分布吻合,平滑性更好;相对于TIK法,ML-TIK法最多可减少粒径峰值误差8.19％,粒径反演误差0.448 2;而TIK法在噪声水平为0.005、0.01时,反演结果双峰特征不明显。因此,ML-TIK方法的反演精度更高、抗干扰能力更强。最后,用60 nm与200 nm实测数据的反演结果验证了该结论。
关键词：动态光散射;多重网格;Tikhonov正则化;反演;粒度分布

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发布时间：2020-08-12
月基望远镜探测能力的地面标定
徐亮,赵建科,薛勋,刘峰,胡丹丹
2012, 20(5): 972-978. DOI: 10.3788/OPE.20122005.0972

摘要：采用模拟试验在地面测试了月基望远镜(LOT)的星等探测信噪比及弥散斑能量集中度,用以验证望远镜的探测能力。与传统的通过分析CCD各项参数对噪声的影响来获得信噪比的方法不同,本文提出的方法客观、直接地通过图像信息来计算星点目标信噪比,其目标信噪比测试不确定度可优于8%。在测试弥散斑能量集中度时,通过质心算法求其弥散斑能量中心,进而提出了一种星点弥散斑高斯拟合方法来拟合弥散斑能量分布曲线。这种高斯拟合方法可使弥散斑能量集中度的测试精度提高10%。最后,通过试验测试了LOT相机星等探测信噪比及弥散斑能量集中度,验证了LOT相机+15 Mv的探测能力。
关键词：月基望远镜;探测能力;信噪比;能量集中度;定位精度

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发布时间：2020-08-12
超大视场头盔显示光学系统设计
卢海平,刘伟奇,康玉思,魏忠伦,冯睿,付瀚毅
2012, 20(5): 979-987. DOI: 10.3788/OPE.20122005.0979

摘要：设计了大视场头盔显示器的目视光学系统,用于满足头盔显示器对大视场、小畸变、高分辨率以及轻量化的苛刻要求。采用4×3阵列式排列、视场角为33°×24°的12组高质量成像目镜系统拼接成单眼目视光学系统来实现系统的大视场设计。为了使系统轻量化,每个单元目镜只采用一片透镜;透镜一面采用二元光学衍射面,利用其特殊色散特性校正目镜系统色差;另一面采用非球面,用于校正目镜光学系统的初、高级单色像差。其图像源为高亮度、高分辨率的OLED微显示器。设计结果显示:单目目视光学系统水平视场达到120°,垂直视场为60°,角分辨率为43 pixel/(°);单个目镜系统传递函数在40 lp/mm处,轴上视场高于0.62,全视场高于0.1;系统畸变小于3%;系统的双目视场为160°×60°,双目重叠视场为80°×60°。该设计实现了超大视场,满足头盔显示光学系统的成像要求。
关键词：头盔显示器;二元光学;非球面;视场拼接;光学设计

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发布时间：2020-08-12
超声技术在石英光纤腐蚀中的运用
钟年丙,廖强,朱恂,王永忠,陈蓉
2012, 20(5): 988-995. DOI: 10.3788/OPE.20122005.0988

摘要：为了获得光滑的腐蚀光纤表面并精确管理光纤的腐蚀直径,采用自行设计的超声腐蚀系统,在质量百分比浓度为12.5%的氢氟酸(HF)溶液中研究了超声功率和腐蚀温度对石英光纤包层、纤芯腐蚀速率以及腐蚀后光纤表面形貌的影响。研究表明:在HF溶液中,超声扰动有利于提高光纤的腐蚀速率,光纤腐蚀速率与腐蚀时间呈非线性关系,腐蚀表面随着腐蚀的进行越来越粗糙。基于研究结果,进一步采用质量百分比浓度为12.5%的HF溶液和25% 的NH₄OH溶液配制了缓冲氢氟酸(BHF)溶液,探讨了光纤腐蚀速率及表面形貌的变化,结果表明:在V (HF)∶V (NH₄OH) = 2的BHF溶液中,当超声功率为165 W、腐蚀温度为40℃时,可获得光滑的腐蚀光纤表面和腐蚀速率与腐蚀时间的线性关系。
关键词：超声扰动;石英光纤;缓冲氢氟酸;表面形貌;线性控制

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发布时间：2020-08-12

微纳技术与精密机械

压电驱动器记忆特性迟滞非线性建模
张桂林,张承进,赵学良
2012, 20(5): 996-1001. DOI: 10.3788/OPE.20122005.0996

摘要：考虑压电驱动器固有的迟滞特性对驱动器定位精度的影响,提出了一种精确描述压电驱动器迟滞非线性特性的建模方法。根据迟滞曲线的运动规律,并且考虑迟滞曲线的记忆更新特性,新的迟滞数学模型修正了单纯采用抛物线拟合时的建模误差。为了验证模型的有效性,以PST150/7/40VS12型压电陶瓷驱动器为例进行了试验研究。研究显示,采用抛物线迟滞模型对一阶反转输入信号进行预测时,最大误差为0.141 3 μm ,均方误差为0.060 4 μm ,对复杂信号模型预测的最大误差为1.396 0 μm ,均方误差为0.856 6 μm;采用修正后的模型对文中复杂信号建模时,最大误差为0.237 0 μm ,均方误差为0.09 μm。实验结果表明,修正后的模型不仅能够满足迟滞曲线的运动规律,还能够满足迟滞非线性的记忆更新特性,可以比较精确地描述复杂输入信号下的迟滞非线性特性。
关键词：压电驱动器;迟滞非线性;建模;非局部记忆

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发布时间：2020-08-12
基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器
李征,万杰,阚君武,王淑云,杨志刚,程光明
2012, 20(5): 1002-1008. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1002

摘要：提出一种基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器来实现低频、高强度振动能量回收。介绍了浮能器的系统构成及工作原理并进行了理论及试验研究。理论分析结果表明,压电液压俘能器的性能是由环境振动频率/振动强度、液压缸/压电振子的结构性能参数、流体容积/特性以及系统背压(蓄能器预置压力)等多种要素共同决定的,仅当各要素配置合理时才能实现压电液压俘能器的预期功能。采用外径为60 mm、厚度为0.9 mm的双晶压电振子及外径为16 cm,长度为100 cm液压缸制作了试验样机,并以水为工作介质进行了不同频率/背压/激振器振幅条件下的试验测试。试验结果表明,存在最佳工作频率(8Hz)使压电液压俘能器输出电压最大,且输出电压随系统背压及液压缸振幅的增加而增加。其它条件不变时,0.4 MPa背压下的输出电压是背压0.2 MPa时的1.65倍。
关键词：压电-液压;俘能器;流固耦合;振动能量;能量回收

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发布时间：2020-08-12
基于微液滴介质和差分电容器的静电式微型振动发电机
温中泉,何渝,王晓兰
2012, 20(5): 1009-1014. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1009

摘要：针对现有悬臂梁式微型振动发电机存在低频响应不敏感,抗冲击能力差等问题,提出了一种利用微液滴介质拾振实现差分电容器变化及电荷转移的静电式微型振动发电机新结构。根据驻极体模型,推导出了差分电容器极板的电荷分布公式;结合微液滴作受迫正弦振动假设,建立了静电式微型振动发电机的数学模型。采用COMSOL Multiphysics软件对微液滴运动及电容器极板电荷分布进行了仿真,得到了发电机的输出电压幅频特性。制作出了以汞为介质的静电式微型振动发电机样机,进行了样机的性能测试。实验结果表明:该静电式微型振动发电机共振频率为3 Hz,在加速度为3 g、振动激励频率为3 Hz,负载为1 MΩ时,测得样机输出电压峰-峰值为1.21 V,输出功率为0.73 μW,实现了环境中低频振动能量的获取与转换。
关键词：微型振动发电机;静电式发电机;微液滴;驻极体

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发布时间：2020-08-12
全球卫星导航系统接收机的正交二分频器设计
尹喜珍,于云丰,马成炎,叶甜春
2012, 20(5): 1015-1021. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1015

摘要：将全球卫星导航系统(GNSS)接收机用于手持移动设备必须降低正交二分频器等大功耗模块的功耗,因此,本文提出了工作于1 V电压以下的正交二分频器。使用提出的正交二分频器可使电路在各工艺角下高速稳定的工作,并大大降低模块的功耗。首先,介绍已有的高速二分频器。接着,计算了所提出结构的直流静态偏置,并对提出的锁存器进行小信号建模和分析。最后,根据小信号模型分析得到的条件和GNSS接收机的应用要求,设计了提出的低功耗结构。实验结果表明:提出的二分频器最高工作频率为6.55 GHz,最低可工作到0.25 GHz,消耗电流为0.8 mA,占用面积为0.014 4 mm²。提出的电路结构在0.13 μm CMOS工艺上实现,可稳定工作于1 V电压下,目前已成功应用于低功耗的移动GNSS接收机中。
关键词：全球卫星导航系统;电流模逻辑;二分频器;正交本振;低功耗

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发布时间：2020-08-12
三线阵立体测绘相机时间系统优化与实时检测
武星星,刘金国
2012, 20(5): 1022-1030. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1022

摘要：为了提高三线阵立体测绘相机的时间同步精度,对相机时间系统工作原理进行了分析,建立了三线阵立体测绘相机的相机时间同步误差模型,并根据该模型采取缩短行同步计数器查询周期等多项措施对相机时间系统进行优化。针对相机时间同步误差在摄影过程中会随相机控制器工作时序变化这一现象,提出了一种实时检测相机时间同步精度的方法,用于实时检测并全程记录摄影过程中相机时间同步误差的动态变化,解决了常规仪器由于存储深度不足而无法长期检测这一难题。利用该方法检测了优化后的三线阵立体测绘相机时间系统的时间同步精度,结果表明,摄影过程中三线阵立体测绘相机的时间同步误差≤74.8 μs,相机时间同步误差绝对值≤11.2 μs的概率不低于0.95,满足技术指标要求。
关键词：三线阵空间相机;立体测绘;时间系统;时间同步精度

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发布时间：2020-08-12
敏捷小卫星对地凝视姿态跟踪控制
陈雪芹,耿云海,王峰,李冬柏
2012, 20(5): 1031-1040. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1031

摘要：研究了基于双框架控制力矩陀螺(DGCMG)的敏捷小卫星对地凝视成像过程中的姿态跟踪控制。首先,根据敏捷小卫星的特点和凝视成像任务需求设计执行机构配置方案。然后,根据轨道信息计算地面凝视目标的相对姿态和角速度;为避免控制力矩陀螺(CMG)奇异性的影响,同时设计了适当的控制律和操纵律。最后,通过在"试验三号卫星"的姿态轨道控制系统仿真平台上增加凝视成像任务需求并调整执行机构配置,建立敏捷小卫星姿态控制系统,对文中设计的方案和控制方法进行了数学仿真验证。仿真结果表明,该算法简单有效,能够实现敏捷小卫星对地凝视姿态跟踪,同时给出了DGCMG能够输出的最小框架角速率指标决定了姿态跟踪精度的结论。
关键词：敏捷卫星;控制力矩陀螺;操纵律;凝视成像;姿态跟踪

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发布时间：2020-08-12
遥感相机焦面CCD机械拼接中重叠像元数的确定
吕恒毅,刘杨,郭永飞
2012, 20(5): 1041-1047. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1041

摘要：针对推扫式遥感相机前后摆成像中焦面拼接的CCD其像片间出现视场漏缝的问题,提出了一种焦面CCD的非均匀重叠像元数机械拼接方法。首先,构造了相机前后摆的成像原理模型;接着,分析了CCD间产生地面视场漏缝的原因,并依据模型推导出相机前摆和后摆时各CCD视场间漏缝大小的数学公式,从而得到各片间容许的最少重叠像元数量公式。在此基础上,进一步给出了后续电子学图像拼接与配准中片间重复像元数的函数形式,为实现图像无缝拼接提供了软件实现依据。分析表明,该方法的理论误差ε小于一个像元尺寸,即|ε/D|<1。最后,给出了工程应用实例。
关键词：遥感相机;焦平面;CCD拼接;前后摆;重叠像元

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发布时间：2020-08-12
太阳自动跟踪机构的设计和位姿分析
贺新升,高春甫,王彬,谢楚雄
2012, 20(5): 1048-1054. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1048

摘要：设计了一种新型三自由度并联跟踪机构,以使太阳能板全方位地跟踪太阳并最大限度地输出有效发电量。采用三角平台上的万向节使太阳能板的大部分重量传递到支架上,通过3条细钢丝绳的协调动作使太阳能板的姿态发生变化,达到跟踪机构驱动电机耗能小,输出有效发电量多的目的。利用坐标变换理论建立了该三自由度并联跟踪机构的位置正解方程,然后用牛顿迭代法数值求解正解方程组;最后,依据空间投影理论对该并联跟踪机构的空间位姿进行实测分析,并对设计的跟踪机构与传统二轴跟踪机构进行驱动耗能对比实验。结果表明:本文建立的位置正解方程与实测结果的趋势基本相同,输出位姿空间角α、β和距离z_B的平均误差分别为1.8%、2.6%、0.84%,满足跟踪机构的误差要求,设计的跟踪机构的耗电量约为传统二轴跟踪机构的25%。
关键词：太阳能板;太阳自动跟踪;并联机构;位置正解;牛顿迭代

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发布时间：2020-08-12
压电陶瓷驱动器的滑模神经网络控制
魏强,张承进,张栋,王春玲
2012, 20(5): 1055-1063. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1055

摘要：由于压电陶瓷驱动器的迟滞非线性严重影响其定位精度,本文提出了一种滑模神经网络控制方法来改善它的性能。用径向基函数神经网络的输出作滑模控制的等价控制量,由迟滞补偿器估计控制器参数误差、外部扰动和近似计算所造成的不确定量对神经网络的输出控制量进行补偿,从而使驱动器系统状态保持在滑模平面上。基于Lyapunov稳定性理论推导了控制器和补偿器的自适应调节律,分析了控制系统的收敛性和稳定性。以可变幅值的低频三角波为参考位移量对控制系统进行了实验测试与分析,结果表明,只采用神经网络控制时的平均定位误差为0.43 μm,最大误差为0.77 μm,而采用滑模控制方法对神经网络控制量进行补偿后,平均定位误差减小为0.27 μm,最大误差减小为0.49 μm,定位精度有了显著的提高。
关键词：压电陶瓷驱动器;迟滞非线性;精确定位;神经网络;滑模控制

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发布时间：2020-08-12
压电双晶片扫描器的低温迟滞蠕变特性
张旋,潘鸣
2012, 20(5): 1064-1068. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1064

摘要：研究了用于空间红外相机低温光学系统的压电双晶片扫描器的低温迟滞蠕变问题。压电双晶片具有行程大,不发热,在低温下仍然能够工作等优点,然而由于压电陶瓷固有的迟滞蠕变特性,使得其扫描精度受到了较大的影响。本文在常温和低温下,对所研制的压电双晶片扫描器的迟滞和蠕变特性进行实验研究和特性对比。结果显示:尽管压电双晶片扫描器的迟滞量和蠕变量均有大幅度下降,但由于总行程的下降幅度更大,使得迟滞度和蠕变系数有较大上升;120 K下的迟滞度约为300 K下的2倍,120 K下的蠕变系数比300 K下的上升了一个数量级。低温下压电双晶片扫描器的迟滞和蠕变特性相比常温下更加严重,这给其在低温下的高精度应用带来了更大的影响。
关键词：红外相机;压电双晶片;低温光学;迟滞蠕变

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发布时间：2020-08-12
微机电系统光学组件的系统级建模
李晓莹,李慧敏,常洪龙,何洋,焦文龙
2012, 20(5): 1069-1075. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1069

摘要：为提高微机电系统(MEMS)中光学系统整体仿真的准确性和效率,解决光学组件系统级建模存在的问题,提出了一种光学组件系统级建模方法,该方法可同时支持与MEMS系统级机械组件和电路组件共同仿真。首先,介绍了多端口组件网络方法、高斯光束特点和空间坐标系变换理论。接着,以微平面镜为例,介绍了光学组件系统级建模方法的流程。最后,采用Verilog-A硬件描述语言建立了包含多个典型光学组件的系统级光学库。使用该库的光学组件在MEMS集成设计工具MEMS Garden中搭建微扫描系统进行了仿真与测试。与商业软件CoventorWare的分析结果相比,提出的建模方法解决了扫描盲区问题,且非差分电压分析的误差小于3%。结果显示,本文提出的建模方法精确有效,对MEMS的系统级设计有参考价值。
关键词：微机电系统(MEMS);光学组件;建模;Verilog-A硬件描述语言

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发布时间：2020-08-12
应用双埋层SOI工艺制备低g值微惯性开关
王超,吴嘉丽,陈光焱
2012, 20(5): 1076-1083. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1076

摘要：采用双埋层SOI(Silicon-On-Insulator)材料,结合KOH腐蚀工艺、电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺、阳极键合以及喷雾式涂胶工艺,研制了一种基于平面矩形螺旋梁的低g值微惯性开关。利用二氧化硅KOH腐蚀/ICP刻蚀自停止的特点,平面矩形螺旋梁厚度的精度为±0.46 μm。分析了双埋层SOI材料的电学特性,采用等电位技术,实现了双埋层SOI与上下两层硼硅玻璃的阳极键合。采用玻璃无掩模湿法腐蚀技术,在玻璃封盖底部设计制作了大小为200 μm×200 μm的防粘连凸台,解决了芯片在清洗干燥过程中的粘连问题。采用ICP刻蚀用硅衬片方法,解决了ICP刻蚀工艺中高温导致的金硅共晶合金问题。实验验证显示,提出的方法效果较好,芯片成品率得到较大提高,为大批量地研制低g值微惯性开关提供了可靠的工艺基础。
关键词：低g值微惯性开关;双埋层SOI;等电位;防粘连;硅衬片

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发布时间：2020-08-12

信息科学

基于同名点间距变换的三维显示参数匹配
杨勇,徐于萍,赵星,步敬,袁小聪
2012, 20(5): 1084-1089. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1084

摘要：传统集成成像系统以重构场景为记录场景的镜像,而当用相机阵列代替透镜阵列获取元素图像时,两种阵列参数的不匹配会破坏上述镜像关系。为了得到相机阵列获取的元素图像经透镜阵列重构后的物像关系,本文提出用同名点间距计算集成成像重构像距的方法。该方法通过获取端场景物距、相机焦距等参数,得到同名点间距,并等效至重构端透镜阵列系统来实现光学参数的匹配。理论计算表明,同名点间距不同,得到的重构像距也不同。对与透镜阵列参数匹配的同名点间距进行变换处理,即可精确再现不同重构像距的景物。最后,通过实验验证了本文所提方法的有效性。
关键词：三维显示;集成成像;相机阵列;透镜阵列;同名点间距;重构像距

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发布时间：2020-08-12
空间图像存储器NAND Flash的可靠性
李进,金龙旭,韩双丽,李国宁,王文华
2012, 20(5): 1090-1101. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1090

摘要：针对空间相机中的图像存储器NAND Flash由于坏块和单粒子翻转导致存储数据不可靠的问题,研究了Flash坏块的管理策略和纠错算法。分析了Flash结构和工作特点,提出了基于并行双遍历机制的坏块管理策略,阐述了双遍历机制的设计思想并分析了它的有效性。在分析Flash结构和纠错特点的基础上,提出了在域GF(2⁸)上的缩短码RS(246,240)+RS(134,128)纠错算法,并说明了编解码算法思想和实现电路。最后,在一空间多光谱相机样机的图像存储设备上进行了试验验证。结果表明,管理策略能快速可靠地处理坏块事件,每次操作仅需1个系统时钟周期即可完成坏块判断。纠错算法在2 KB/page内可以纠正27 B错误,编码速度达到72.53 MBps,解码器速度达到54.26 MBps。提出的管理策略和纠错算法有效地解决了Flash数据存储的不可靠问题。
关键词：空间相机;图像存储器;坏块管理;单粒子翻转;并行双遍历机制;级联LC;RS码

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发布时间：2020-08-12
应用属性距离加权平均滤波提高CCD光斑的亚像素定位精度
熊刚,丁天怀,王鹏
2012, 20(5): 1102-1109. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1102

摘要：针对现有滤波方法无法克服CCD光斑信号的噪声去除和特征保持之间的矛盾,由图像噪声引起的随机误差成为影响光斑定位精度主要因素的问题,提出了用属性距离加权平均(ADWA)方法对光斑图像进行滤波处理的方案。根据含噪信号的属性分离信号和噪声,通过增加属性的方式来进一步缓解噪声去除与信号特征保持之间的矛盾。实验结果表明,在基于位置、幅值的二元属性距离加权平均(2-ADWA/LV)的基础上,引入"梯度"属性构成3-ADWA/LVG后对光斑信号进行滤波处理,能将光斑定位精度提高20%以上,使定位结果标准差减小到0.024 pixel。实验表明,用ADWA对光斑信号滤波,可通过挖掘和引入新的属性来进一步去除光斑信号噪声同时增强信号特征保持效果,从而为提高光斑的亚像素定位精度提供一条有效途径。
关键词：电荷耦合器件;亚像素定位;质心;属性距离;噪声去除;特征保持

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发布时间：2020-08-12
外同步式时间延迟积分 CCD传感器模拟装置
刘辉,司国良,郭永飞
2012, 20(5): 1110-1116. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1110

摘要：由于时间延迟积分(TDI)CCD传感器在调试阶段易损坏,本文提出了一种基于外同步信号驱动原理的TDI CCD传感器模拟装置。该模拟装置实际尺寸可以达到长100 mm,宽45 mm,与实际TDI CCD传感器的物理尺寸相当,可根据实际光照度大小精确地模拟TDI CCD传感器像元感光程度。该装置可以模拟TDI CCD传感器输入引脚的阻容特性并能合成完整的TDI CCD视频输出信号,实现TDI CCD传感器的16、32、48或64级积分级数控制的功能。该装置还可以模拟CCD驱动信号和输出视频信号的温度延时特性,延时时间在0.5~12.5 ns间可调,从而方便了信号采样电路对采样时刻的调试。
关键词：时间延迟积分(TDI)CCD模拟装置;驱动时钟同步;视频输出;信号合成;像元感光度

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发布时间：2020-08-12
基于复合Zernike矩相角估计的图像配准
易盟,郭宝龙,张旭
2012, 20(5): 1117-1125. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1117

摘要：提出了一种基于复合Zernike矩相角估计的图像配准方法。首先,利用尺度不变检测子Harris-laplace检测图像中的兴趣点作为初始特征点,计算以兴趣点为中心、邻域具有尺度不变性的Zernike矩;提出一种鲁棒的相角估计方法,用于估计两个归一化区域的旋转角度值。然后,利用Zernike矩的幅值和相角信息,通过比较每个兴趣点邻域Zernike矩的相似度提取出初始匹配点。最后,提出一种迭代角度修正算法用于精确估计变换参数,并对输入图像进行几何变换后将两幅图像配准。实验结果表明,该算法可在尺度缩放、任意角度旋转以及噪声等复杂条件下实现图像的高精度配准。当旋转角度误差小于20°时,图像的平均覆盖率达到94.125%,有效降低了误匹配的概率。
关键词：图像配准;兴趣点;尺度不变性;相位和幅值分量;Zernike矩

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发布时间：2020-08-12
空间相机地心距误差修正
李伟雄,闫得杰,徐抒岩,胡君
2012, 20(5): 1126-1133. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1126

摘要：为了修正时间延迟积分(TDI) CCD 空间相机像移补偿计算中的地心距误差,减小其对像移速度相对误差的影响,推导出了星下点成像的像移速度计算模型。通过该模型分析了地心距误差对像移速度相对误差的影响。根据地心距误差的来源,分两步修正了地心距误差:采用WGS-84(World Geodetic System)模型修正地球的偏心率引起的地心距误差;采用地球海拔高度数据源(USGS DEM)制作电子高程图,修正了地球表面海拔高度不同引起的地心距误差。推导出了地心距误差修正后的空间相机星下点成像的像移速度模型。修正后模型计算以及分析结果表明:WGS-84模型和电子高程图对地心距误差的修正消除像移速度相对误差最大分别为2.85%和1.76%。地心距误差的修正极大地减小了前向(沿TDI CCD积分方向的)匹配误差,提高了TDI CCD空间相机成像质量。
关键词：空间相机;地心距误差;误差修正;像移模型

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发布时间：2020-08-12
基于信息融合实现的激光陀螺调腔检测
马立,徐次雄,欧阳航空,荣伟彬,孙立宁
2012, 20(5): 1134-1140. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1134

摘要：考虑激光陀螺调腔人工检测耗时较长、易受干扰,本文建立了激光陀螺自动调腔系统。在分析激光陀螺调腔工艺的基础上,构建了一种由CCD相机和光电倍增管组成的多传感器信息融合体系结构,提出了基于D-S证据理论的激光陀螺调腔检测方法。通过分析计算CCD相机和光电倍增管检测到的信号得出光斑、光阑中心点坐标差值及陀螺损耗值,并由这些信息获得调腔质量的评价函数。然后,根据D-S证据理论对评价函数进行融合处理,分别获得陀螺调腔质量合格与不合格的信度函数,应用最大支持度规则对调腔质量进行综合判断。实验结果显示,基于D-S证据理论的激光陀螺调腔方法检测准确率为91.14%,有效提高了调腔质量,验证了该方法的可行性。
关键词：激光陀螺;调腔;检测;D-S证据理论;信息融合

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发布时间：2020-08-12
数字全息三维显示关键技术与系统综述
马建设,夏飞鹏,苏萍,潘龙法
2012, 20(5): 1141-1152. DOI: 10.3788/OPE.20122005.1141

摘要：三维全息显示能够表现出与真实物体一样的深度和视差,是一种理想的三维显示方法。但是,三维物体计算全息图计算复杂且计算量巨大,因此,如何快速生成三维物体计算全息图是数字三维全息动态显示中的关键问题之一。本文首先论述了数字全息三维显示的关键技术,包括物点散射法、体视全息法、层析法等三种三维物体计算全息图实现方法,一种RGB分离的真彩色全息显示实现方法和若干提高全息再现像质的方法;然后对几种最新典型的数字三维全息显示系统进行了技术分析;最后总结了数字全息三维显示领域的发展动态,指出三维全息显示技术会朝着实时、动态、更大尺寸、更高分辨率方向发展。
关键词：计算全息;三维全息显示;真彩色显示;空间光调制器

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发布时间：2020-08-12

2012年5月第20卷第5期目次

2012, 20(5)

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发布时间：2020-08-12

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