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最新刊期
2013 年 第 4 期
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10 kW连续输出半导体激光熔覆光源
摘要：针对于目前国内半导体激光加工熔覆光源主要依赖于国外进口的局面，研制了连续输出功率达10 kW的半导体激光熔覆光源。利用ZEMAX光学设计软件模拟半导体激光光路，包括光束整形、准直及聚焦透镜的设计等。实验中采用2只波长为915 nm和2只波长为976 nm的半导体激光叠阵，通过偏振合束和波长合束技术实现它的合束。由自行设计的聚焦系统进行了聚焦实验，结果显示，当模块工作电流为122 A时，光源最大输出功率为10 120 W，电-光转换效率为46%，在工作面的聚焦光斑为2.5 mm×18 mm，可满足工业中大面积高速激光熔覆和表面热处理的要求。关键词：半导体激光器;激光熔覆;激光合束- 42
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发布时间：2020-08-12 -
LD端面泵浦Nd:LiGd(MoO4)2晶体主动调Q脉冲激光特性
摘要：加工了不同切向的Nd∶LiGd(MoO4)2晶体，测量并分析了它们的连续和主动调制激光特性。实验采用激光二极管(LD)端面泵浦的两镜直腔，其输出镜的耦合透过率为2%。在连续运转条件下，a切和c切晶体的最大输出功率分别为733，550 mW，对应的光光转换效率分别为11.3%和6.7%。在声光调Q脉冲运转条件下，a切和c切晶体的最大平均输出功率分别为180，135 mW，对应的光光转换效率分别为2.8%和1.7%。当重复频率为10 kHz时，获得了最佳的脉冲实验结果，即：最大单脉冲能量和最高峰值功率来自a切晶体,分别为15.8 J和85 W；最小的脉冲宽度来自c切晶体，为153 ns。实验结果还显示，不同切向的Nd∶LiGd(MoO4)2晶体具有不同的输出波长，a切晶体为1 061 nm，c切晶体为1 068 nm，这种多波长发射特性有助于该类晶体在THz波领域的应用。关键词：Nd:LiGd(MoO4)2;主动调Q;脉冲激光;LD泵浦- 37
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发布时间：2020-08-12 -
激光光斑位置精确测量系统
摘要：设计了一种激光光斑位置测量系统,用于提高激光照射器监测系统测量激光光斑位置时的测量精度。分别介绍了测量系统的组成及它们的信号连接关系。针对激光光斑图像采集过程中的后向散射现象，提出基于异步距离选通的激光后向散射抑制技术。为了克服大气湍流扰动对激光光斑成像的影响，利用改进的盲解卷积算法对激光光斑图像进行事后图像处理。最后，对光斑图像进行畸变校正，并利用高斯曲面拟合算法提取光斑位置。设计了若干仿真实验，并应用该系统处理了实际外场实验。结果表明，所设计的激光光斑位置测量系统的测量精度不超过0.3 pixel。关键词：激光光斑;位置测量;激光后向散射;盲解卷积算法;大气湍流;短波红外- 49
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发布时间：2020-08-12 -
星敏感器质心定位S曲线误差补偿
摘要：由于S曲线误差是星敏感器质心定位系统误差的重要组成分，本文结合质心定位的物理过程及仿真对S曲线误差来源进行了分析。 研究了各项误差来源产生的影响，并采用频域分析法得出了S曲线误差的理论解析式。用星敏感器产品进行了实验，采集视场中心S曲线误差并用正弦模型进行补偿，分析了同一补偿模型对全视场S曲线误差的补偿效果，并对标定数据进行了S曲线误差补偿。实验结果表明：视场中心S曲线误差的标准差为0.048 pixel，补偿后标准差为0.027 pixel，质心定位精度提高了43.8%；进一步采用视场中心正弦补偿模型对全视场S曲线误差进行补偿后，全视场质心定位精度提高了35.7%以上，全视场标定精度提高了31.7%。由实验结果可知： S曲线误差是星敏感器的一项重要误差源，采用正弦模型对S曲线误差进行补偿能够取得显著的补偿效果。关键词：星敏感器;质心定位;S曲线误差;频域分析;误差补偿- 46
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发布时间：2020-08-12 -
用模拟退火法确定MgF2薄膜折射率和厚度
摘要：研究了确定单层MgF2薄膜的物理厚度及其在深紫外/真空紫外波段折射率的方法。首先，利用钼舟热蒸发工艺在B270基底上制备了单层MgF2薄膜。然后，依据MgF2单层膜在不同入射角下的反射光谱，采用模拟退火方法确定了MgF2薄膜在170~260 nm波段的折射率和物理厚度，并与由椭圆偏振法确定的薄膜参数进行了比较。实验显示，采用模拟退火和椭圆偏振两种方法确定的MgF2薄膜厚度分别为248.5 nm和249.5 nm，偏差为0.4%；而用上述两种方法在240~260 nm波段确定的单层MgF2薄膜的折射率偏差均小于0.003。得到的结果证实了依据不同入射角下的反射光谱，用模拟退火方法确定MgF2薄膜厚度和折射率的可靠性。关键词：薄膜参数测量;折射率测量;膜厚测量;模拟退火算法;MgF2- 76
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发布时间：2020-08-12 -
水雾对激光引信的衰减
摘要：由于水雾会使激光信号产生严重的衰减，从而影响激光引信探测的应用，本文着重研究了绿激光在水雾中传输的衰减特性。首先，基于Mie散射理论，建立了水雾对0.532 μm绿激光光束的传输衰减模型；然后，通过仿真计算，对比分析了激光在不同能见度水雾下的衰减特性；最后，通过水雾模拟实验验证了衰减模型的准确性。理论分析和实验结果表明，激光光束的衰减明显受水雾能见度的影响，并随着能见度的降低而增大；0.532 μm激光在水雾中的穿透率较高，能见度在50 m时可以达到60%以上。实验测得的光能量的透射值与计算值基本一致，最大误差在4%左右，证明了水雾衰减模型的正确性。得到的结果为绿激光在水雾环境下的目标探测系统中的应用提供了理论和实验依据。关键词：激光探测;激光引信;水雾衰减;雾滴散射;蓝绿激光- 47
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发布时间：2020-08-12 -
小视场绝对辐射计视场测量及修正项计算
摘要：风云三号A星和B星上搭载的太阳辐射监测仪由于视场较大而引入较多不确定因素，因此风云三号C星太阳辐射监测仪采用小视场绝对辐射计来跟踪太阳测量。本文研究了小视场绝对辐射计视场带来的修正因素。计算了C星太阳辐射监测仪由视场光栏和主光栏确定的视场大小；基于此视场计算值，给出了仪器辐照度测量值随光源入射角变化的理论曲线；并且利用实验室搭建的视场测量装置，对此变化曲线进行了实际测量。结果表明，测量曲线与理论曲线的相对偏差平均为1%～2%，接近测量装置的极限精度，从而验证了视场计算值的准确性。利用计算视场评价了在轨测量时辐射计与冷空间背景的辐射交换修正项，结果显示，小视场会对太阳辐射测量产生2.023 W/m2的冷空间背景修正，相对太阳辐照度测量精度要求,修正项计算标准差可以忽略。关键词：太阳辐射监测仪;绝对辐射计;视场测量;辐射交换- 58
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光弹调制互差频偏振测量及误差分析
摘要：针对现有光弹调制测量偏振方法无法用普通阵列探测器有效采集锁相频率，难以测量复色光的偏振特性等缺点，提出了一种三光弹调制器互差频调制的新型偏振测量方法。操作时，3个光弹调制器分别工作在频率w1，w2和w3上，三频率大小略有差异，从而可以对光进行差频调制并产生载有被测光偏振信息的低频调制分量(0，ω1-ω2，2ω1-2ω3)；然后，通过锁相放大即可以一次测量获得斯托克斯矢量S中的S0，S1和S2。介绍了三光弹调制差频偏振测量的基本原理，通过相应的数值仿真和实验验证了其可行性，并对差频大小、相位延迟幅度等因素对测量结果的误差进行了初步分析。分析表明，该方法不仅保留了原光弹调制偏振测量方法测量精度高等优点，而且调制光电流频率下降了2~3个数量级(10~500 Hz)，普通阵列探测器即可实现探测，在高精度偏振成像技术方面具有潜在的应用价值。关键词：光弹调制;偏振态测量;斯托克斯矢量;差频- 72
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发布时间：2020-08-12 -
基于新型内壁芯光纤的调制器件
摘要：提出一种基于中空内壁悬挂芯光纤构造而成的光纤集成调制器。该光纤具有孔道结构，纤芯悬挂于孔道内壁。合成了含有超顺磁性Fe3O4纳米颗粒的磁流体，通过将空心光纤与多模光纤熔融连接，将磁流体封装在空心光纤内部，作为悬挂纤芯的包层。磁流体通过倏逝场对光产生吸收作用, 由外磁场控制吸收强度，实现对纤芯的光调制。波长为632.8 nm的光经过拉锥耦合点耦合进入、传出调制元件。实验结果表明，在不同磁场强度下，仅仅2.0×10-2 μL的磁流体就可以对系统光衰减产生明显影响。当磁场强度为38 914 A/m时，饱和调制深度为43％；系统的响应时间低于120 ms。该系统还可用于光开关，光纤滤波器和磁传感器等。关键词：内壁纤芯;光纤调制器;磁场;磁流体- 69
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双“8”字型全光纤三端口Interleaver
摘要：为改善全光纤三端口Interleaver的输出特性，提出了一种基于双“8”字型光纤谐振环的对称结构三端口全光纤Interleaver。该谐振环由一个一字型3×3单模光纤耦合器和两个2×2单模光纤耦合器组成双“8”字型作为输入耦合器，而一个品字型3×3单模光纤耦合器作为输出耦合器。理论和实验分析了该波长交错器的输出特性，结果表明:与两级级联马赫-曾德尔干涉仪型(TCMZI)全光纤三端口Interleaver相比，其输出波形通带更加平坦，通带和阻带加宽，信道间功率旁瓣降低了约24 dB。通过实验用光纤熔融拉锥法制作了该器件，结果显示实验结果与理论分析吻合得很好，实验样品的信道间旁瓣值小于-30 dB,信道隔离度大于30 dB。关键词：光纤光学;光纤耦合器;波长交错滤波器;环形谐振环- 45
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基于半导体激光短阵列的976 nm高功率光纤耦合模块
摘要：采用12只出射波长为976 nm的传导冷却半导体激光短阵列为发光单元，研制出了百瓦级高功率光纤耦合模块。首先，利用光束转换器（BTS）和柱透镜对每只半导体激光短阵列进行光束整形，使得快慢轴方向光束质量接近并且发散角相同；然后，应用空间合束技术将每6只半导体激光短阵列在垂直方向上叠加，形成一个激光组，并利用偏振分束器（PBS）将两个激光组偏振合束；最后利用优化设计的三片式聚焦镜将激光耦合到光纤中。实验结果表明：该光纤模块的连续输出激光功率可达418.9 W，光纤芯径仅为400 μm，数值孔径（NA）为0.22，由此可得到激光亮度为2.19 MW/(cm2·str)。利用Matlab软件分析光纤出射的光束形貌为平顶分布，显示其适合用于金属材料的硬化和焊接等领域。最后测量了模块的光谱，电流从20 A增加到50 A时，激光的峰值波长漂移了6.8 nm，并且在50 A时光谱宽度为4.12 nm，表明该光纤耦合模块散热良好。同其它类型激光器相比，本激光模块电光转换效率和出光功率高，适用于材料加工和泵浦光纤激光器等领域。关键词：半导体激光短阵列;光纤耦合;高功率激光;光学设计;空间合束;偏振合束- 55
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板上芯片集成封装的发光二极管结构设计
摘要：根据板上芯片（COB）集成封装的结构特点，同时考虑反光杯结构和荧光粉涂敷方式，分析了影响COB封装的发光二极管（LED）发光性能的主要因素。针对反光杯结构的关键要素：反光杯形状、反光杯深度、反光杯角度，优化设计了LED光学结构。通过改变TracePro软件中反光杯的相关参数，模拟了不同LED的光强分布及发光效率，探讨了提高COB封装的白光LED发光效能的途径。最后，在4 mA和12 mA电流下进行了传统荧光粉涂敷方式及荧光粉远离芯片涂敷方式的对照实验。仿真及实验结果表明：采用圆锥形反光杯，反光杯深度在一定范围内略大，且反光杯角度设为30°时，LED发光性能较为优异。与传统封装方法相比，采用荧光粉远离芯片的封装方法可使发光效率提高5%左右。 得到的结果对LED封装制造过程有指导意义。关键词：发光二极管;片上芯片(COB);封装结构;出光效率- 36
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发布时间：2020-08-12 -
大气相干长度的稳定测量
摘要：采用传统的一对差分星点像运动法(DIMM)测量大气相干长度r0时， 受统计星点对数的限制很难得到稳定的r0数值。因此，本文提出将对波面上一对星点像运动的统计增加为对正方形分布的十二对星点像运动的统计，并利用Shack-Hartmann波前探测器采集的光点阵列实现了这种统计。畸变波面上十二对点的差分运动统计方法从空间角度上增加了大气相干长度r0采样的统计数量，从空间群的概念来说增加了中心对称统计，因此大幅降低了统计时间。实验显示：仅使用300 ms采样300幅畸变波面即可完成对大气相干长度r0的统计，得出稳定而准确的r0值，而波动只有±3%。 该方法解决了长期以来大气相干长度r0的统计量不确定、测定误差无法分析的问题，有助于提高地基望远镜自适应光学系统成像的精度。关键词：大气光学;自适应光学;大气相干长度;Shack-Hartmann- 45
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发布时间：2020-08-12
现代应用光学
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纳米操纵机器人及其自动化设计
摘要：在纳米技术和纳米材料领域，纳米操纵机器人已经成为一种用于分析和制作原型纳米器件的使能技术。这类纳米操纵机器人拾放操作灵活，可将单个纳米器件集成到现有的微器件中来提高微器件的总体性能和灵敏度。如今这种被称作微纳米集成装配的自动化装置不再局限于实验室使用，还需要应用于工业领域。本文综述了纳米微操作机器人的产生、集成装配和自动化等方面的基础技术，同时探讨了不同种类原子力显微镜超级探针的装配方案。关键词：纳米操作手;纳米机器人;自动化;碳纳米管;原子力显微镜- 36
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大行程转动柔性铰链性能测试方法及实验
摘要：针对大行程柔性铰链铰链运动范围较大，转动误差相对较小，实现其转动精度的测量比较困难的问题， 提出了一种间接测量大行程柔性铰链转动精度的方法。首先对柔性铰链转动精度的衡量指标进行定义和比较；然后选择合适的指标，提出间接测量该柔性铰链转动中心漂移量和刚度的方法。该方法利用工具显微镜测量铰链运动刚体上的两个特征点在转动过程中的坐标值，从而解算出柔性铰链在不同转角时转动中心点的位置。由此不仅得到了转动中心漂移的大小，还可以得到轴漂的方向。基于该方法搭建了实验平台并对实验误差进行了分析，分析显示其误差主要为特征点坐标的测量误差。实验结果与有限元仿真对比表明，测量结果的误差小于0.006 mm，基本满足对大行程柔性铰链精度测试的要求。关键词：大行程柔性铰链;转动精度;刚度;工具显微镜;间接测量- 74
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微结构光学零件的大气等离子体数控加工
摘要：为了实现对微结构光学零件无表面损伤和亚表面损伤的高效加工，建立了大气等离子体数控加工系统。研究了该系统的平台设计、大气等离子体加工工艺特性及其数控加工过程。首先，根据大气等离子体加工的原理及要求介绍了该数控加工系统的组成。然后，以He/SF6/O2加工熔融石英为例，采用针状电极等离子体矩对系统加工工艺的可控性以及多参数工艺特性进行了探索，并根据工艺实验结果拟合出该加工条件下的去除函数。最后，介绍了整个大气等离子体数控加工的实现过程。实验结果表明：利用该系统可以在平面融石英材料上加工出幅值为150 nm、波长为6 mm的正弦网格结构，由此验证了该数控加工系统的可行性，实现了对复杂面型光学零件表面的确定性加工。关键词：微结构光学零件;大气等离子体加工;去除深度;数控加工系统- 60
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共振型气体泵用压电振子的疲劳寿命
摘要：考虑压电振子的疲劳寿命与压电泵的使用寿命有关，本文对其疲劳寿命进行了分析研究。首先，对锆钛酸铅（PZT）陶瓷（文中使用PZT-5）在力电耦合场作用下发生疲劳破坏时的极限应力与循环次数之间的对应关系进行了数值测定，借助变异系数对所选子样个数的合理性进行了判别和修正。然后，经数据处理，得到置信度为95%、存活率为99.9%时PZT的安全寿命，p-S-N双对数曲线及其对应的线性回归方程，为压电振子的疲劳寿命计算提供了必要的数据基础。最后，利用ansys和miner疲劳损伤累积假说对某共振型气体压电泵用压电振子的疲劳寿命进行计算，结果显示其为4461 h，此时的安全系数为1.25。 得到的结果完善了共振型气体压电泵的技术参数，该疲劳曲线和计算方法也可应用到其它泵用PZT-5压电振子的疲劳寿命计算。关键词：共振型气体压电泵;压电振子;锆钛酸铅陶瓷;p-S-N曲线;疲劳寿命- 57
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离轴三反空间相机调焦机构设计
摘要：空间相机受所处复杂运载环境（冲击、振动、过载）和空间运行环境（压力、温度、微重力）的影响易产生焦平面偏移。为提高成像质量，本文设计了一种利用丝杠螺母变向、直线导轨导向、倾斜导轨驱动且适用于反射式光学系统的新型高精度调焦机构来修正离焦量。 该设计采用防冷焊措施、预压消间隙措施和双重防卡死设计，有效地提高了结构强度、刚度和可靠性，从而保证了调焦精度。介绍了其结构和工作原理，描述了相应的可靠性设计措施，最后通过精度检测试验对调焦机构进行了综合性能测试。试验结果表明：该调焦机构具备良好的自锁特性，其直线运动精度优于±2 μm，重复定位精度优于±1 μm；调焦行程范围内调焦反射镜摆角精度绕X轴和Y轴方向均优于±3.5″，满足用户提出的精度要求。关键词：斜面驱动;调焦机构;离轴三反系统;空间相机- 98
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抛光介质对固结磨料化学机械抛光水晶的影响
摘要：在固结磨料化学机械抛光中，工件表面与抛光介质易发生水解反应，产生软化层，而软化层厚度直接影响材料去除速率及表面质量。本文采用显微硬度计测量了不同介质条件下水晶表面的变质层厚度，并基于CP-4研磨抛光平台研究了不同抛光介质及温度对材料去除速率的影响，进而在线测量了抛光过程中声发射信号及抛光垫与工件之间摩擦系数的变化。结果表明：六偏磷酸钠的加入可促进水晶玻璃表层网络结构断裂，软化表层，软化层厚度随着浸泡时间、温度升高而增加，进而提高了水晶玻璃的去除率；而且随着温度升高，水解作用更加明显。实验显示，声发射信号及摩擦系数实时测量对抛光工艺参数的优化具有指导意义。关键词：抛光介质;固结磨料;化学机械抛光;软化层;显微硬度;材料去除速率- 47
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基于波动低压输入的独立光伏逆变器的设计
摘要：针对独立光伏逆变器输入电压较低且波动的问题，提出一种采用双闭环控制策略且抗输入电压扰动的光伏逆变器系统。在阐述其工作原理基础上，对光伏逆变器主要部件进行建模，得到总体数学模型，并举例设计了输入电压为24 V、输出为311 V、输出频率为50 Hz、输出功率为6 kW的光伏逆变器。设计中采用极点配置进行控制器参数计算，定量描述了输入电压波动对逆变器跟踪误差的影响。仿真结果表明，设计的逆变器具有稳定性好、抗扰动性强和稳态误差低等特点，其电压变化率为0.03%,输出电压总谐波失真（THD）为1.03%，最高单次谐波含量小于3%，可以满足性能指标要求。所建模型和设计方法具有一定通用性和理论指导意义，可用于特殊光伏发电领域中大功率光伏逆变器的研究与设计。关键词：光伏逆变器;波动低压输入;建模;仿真;设计- 44
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旋转超声磨削加工中影响磨具寿命的结构参数优化
摘要：为了提高陶瓷基零部件的旋转超声磨削加工精度，降低磨具磨损造成的加工误差，建立了超声振动磨具寿命与磨粒粒度、浓度、磨具内圆直径等结构参数间关系的数学模型，对影响超声振动磨具寿命的结构参数进行了优化。首先，基于响应曲面法，建立了青铜基超声振动磨具二阶寿命模型，通过Box-Behnken实验对超声振动磨具寿命模型进行了拟合。然后，通过有效性和显著性检验，验证了所建立的超声振动磨具寿命模型。最后，通过拟合影响因子与超声振动磨具寿命关系的响应曲面和等高线，分析了各因素对磨具寿命的交叉影响，并优化了磨具的结构参数。结果表明：当磨粒粒度为D98.85、浓度为77.36、磨具内圆直径为5.34 mm时，去除体积为9 600 mm3、致密度为85% 的Si3N4陶瓷材料后，磨具磨损量只有0.006 9 mm，显示优化后超声振动磨具寿命可以达到旋转超声精密磨削加工要求。关键词：旋转超声磨削加工;超声振动磨具;模具寿命;曲面响应- 48
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支持向量回归机在数控加工中心热误差建模中的应用
摘要：研究并选择最佳模型对数控加工中心加工过程中的主要误差源-主轴热误差进行补偿，以便提高机床的加工精度。以leaderway-V450加工中心为实验对象，对主轴热误差支持向量回归机模型和多元回归模型进行了分析对比。首先，根据夏季数据建立了多元回归模型和支持向量回归机模型。然后，将夏季另一批数据和秋季数据分别代入两种模型计算各模型补偿精度。最后，根据两种模型的精度变化规律比较两者稳健性。实验结果表明：支持向量回归机夏季模型用于补偿夏季和秋季热误差补偿标准差都小于2 μm，而多元回归模型用于补偿夏季数据补偿标准差小于2 μm，用于补偿秋季数据补偿标准差大于8 μm。数据显示支持向量回归机模型用于热误差补偿不仅具有较高精度，同时具有较好鲁棒性。关键词：热误差;多元回归模型;支持向量回归机;数控加工中心- 67
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微纳流体光波导技术及其在生物传感器中的应用
摘要：微纳流体光波导融合了微观流体与微光学特征，能够在相同物理空间实现流体介质和微光学信息功能及结构的集成，是生物化学分析及生物传感器的关键器件。本文综述了微纳流体光波导研究现状及其在生物传感器和生物化学分析中的应用实例。论述了实现微纳流体光波导的全反射机理、多层干涉效应，抗谐振反射机理，以及基于上述机理实现的各种流体波导形式。重点分析了基于微纳流体层流效应的全流体波导，基于多层干涉效应的Bragg光波导、空心光子晶体波导、狭缝光流体波导、抗谐振反射光波导等多种波导的特点。指出狭缝光流体波导和抗谐振反射光波导具有更好的设计灵活性，且检测灵敏度高、可靠性好、易于集成制造，可望在生物传感器及微纳流体光学系统中得到更广泛的应用。关键词：微纳流体;光波导;流体芯层;液体覆层;热梯度;微流体沟道;折射率系数;流体;Lab-on-Chip;热流体;集成光流体- 66
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含金属芯压电纤维的测试标准与夹具设计
摘要：针对新型压电器件—含金属芯压电纤维（MPF）—结构尺寸细小，很难找到合适的测量夹具和测试方法等问题，提出了一种操作方便的MPF测试方法。首先，通过MPF的压电方程得到其测试模型，并确定了MPF的电学性能测试步骤。然后，研究了测量夹具对测量结果的影响。实验显示：夹持位置在MPF的中间时容易产生偏离，影响测量结果；夹持位置在端部时，谐振频率和反谐振频率的相对导纳值较小，也不利于准确测量。另外，MPF尺寸细小，夹持力也会影响MPF的谐振，使测量结果产生误差。最后，提出一种不需要夹持测量MPF的方法。采用该方法对PZN-PZT压电陶瓷的MPF进行了测量，结果显示其压电应变常数d31为-97 pC/N，机电耦合系数k31为0.197，介电常数εT33为1 458。这种方法测试准确，操作简单，不易损伤MPF，可作为MPF压电性能测试标准。关键词：金属芯压电陶瓷纤维;压电陶瓷;夹具设计;谐振;测试标准;电学性能- 41
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基于SU-8胶的新型被动式微型阀
摘要：为了在微流体控制系统中实现对流体流速的控制和流体的单向流动，借鉴人体心脏瓣膜的结构，设计了新型被动式微阀。选用SU-8作为被动式微型阀的结构材料，用ANSYS仿真了不同厚度（10，15，20 μm）的阀门膜片在不同压力作用下的挠度与应力，进而确定了合适的阀门膜片厚度。利用微细加工技术，集成加工了微型阀，并由此确定和优化了微型阀的加工工艺。用去离子水作为介质测试了微型阀的过流特性，在正向压力为11.7 kPa的压力作用下，测得A、B型被动式微阀的正向流速分别为1.66 ml/min和1.35 ml/min。对测试数据的分析表明，设计的微型阀有线性控制的潜能。以SU-8胶作为结构材料的微型阀不仅性能较好，同时具有生物兼容性，可扩展微型阀的应用范围。关键词：微机电系统;微流控;被动式微阀;SU-8- 49
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发布时间：2020-08-12
微纳技术与精密机械
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针对H.264快速整像素运动估计算法
摘要：以视频压缩标准H.264联合开发模型（JM）中的运动估计算法UMHexagonS为基础，提出了一个新的快速整像素运动估计算法来改进压缩编码性能。在起始搜索点预测部分，提出了新的预测运动矢量（MV）检测顺序，以提高起始搜索点的准确度；在全局搜索部分提出了自适应全局搜索方法，根据准确度最高的两个预测MV之间的关系，适当跳过非对称十字型模板搜索和非均匀多重六边形模板搜索，并通过对不同序列的测试，验证了判断准则的可行性与准确性。根据实际序列中最佳MV相对起始点的分布，提出了改进5×5搜索。另外，增加了针对子宏块的提前终止策略，在不增加额外运算量的前提下，进一步减少了运动估计开销。实验结果表明，相对UMHexagonS算法，提出的改进算法使搜索点总数平均减小了83.80%，信噪比平均下降了0.021 dB，或输出码率等效增加了0.46%。该算法有效降低了运动估计的运算量，而只带来了很小的编码性能下降，且对不同运动强度的视频序列具有均匀的算法效果。关键词：视频编码;快速整像素运动估计;UMHexagonS;自适应全局搜索;提前终止- 46
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发布时间：2020-08-12 -
自适应光学系统波前处理算法的优化
摘要：考虑自适应光学系统对波前处理计算量和实时性的要求，对原有基于块运算的波前处理算法进行了改进和优化，提出了一种自适应光学系统波前处理算法。该算法基于重复利用核心模块的方式完成波前斜率计算，利用矩阵与向量相乘的可分解性完成波前复原计算。在像素时钟的同步下，完成整个波前处理运算，给出促动器所需的促动量。采用一片Virtex-4 LX80现场可编程门阵列（FPGA）作为核心处理芯片进行了实验，结果表明该算法对于同样规模的自适应光学系统可降低约为50%的硬件资源，提高了系统的波前处理规模；与原算法帧同步结束后有338 μs的计算延时相比，本文提出的算法可在帧同步结束前完成整个波前处理的运算，提高了自适应光学系统的控制带宽。利用改进后的算法在原系统上进行了室内的光源校正实验，取得了很好的效果。关键词：自适应光学;波前处理;波前复原;图像处理;现场可编程门阵列- 63
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发布时间：2020-08-12 -
基于改进的无迹卡尔曼滤波确定视线感知相对状态
摘要：基于视线传感器原理，研究了如何确定摄动作用下两颗卫星间相对状态的问题。采用VISNAV传感器作为相对状态传感器，并应用一种改进滤波算法实现了问题求解。首先，考虑了两颗卫星间相对位置与相对姿态的运动方程及摄动作用的影响，给出了改进的离散系统方程及其误差协方差矩阵的取值方法,避免了复杂协方差矩阵的实时额外求解，降低了算法计算量及实施难度。最后，给出相应的无迹卡尔曼滤波（UKF）算法并通过STK和MATLAB软件进行了数值仿真实验。分析表明，改进后的算法保证了收敛性，数值仿真及对比仿真验证了本文方法的可行性和有效性。在摄动因素作用的前提下，改进的方法能够在200 m的相对距离内达到角秒级的相对姿态确定精度和毫米级的相对位置确定精度，完全可以满足近距离自由飞行卫星间的相对状态确定要求。关键词：视线传感器;相对状态确定;摄动;修改的无迹卡尔曼滤波- 69
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发布时间：2020-08-12 -
基于大气散射模型的单幅图像去雾
摘要：根据大气散射物理模型及光学反射成像模型，总结并分析了影响单幅图像去雾效果的3大因素，以实现对雾霾图像的快速去雾。基于光学原理，解释了暗影通道现象，从新的角度推导出了大气散射模型中各参数的求法。利用灰度开运算去除白色目标的干扰获得精确的环境光亮度，基于快速联合双边带滤波精确计算了大气散射函数，最后由光学反射模型计算了场景目标的反射率并有效截断至[0,1]区间。本方法可以消除天空及环境光线的影响，能真实复原场景的色彩和清晰度。仿真结果表明，对分辨率为576×768的图像处理时间仅为0.517 s，且视觉效果和客观指标比现有算法均有不同程度的提高。与现有图像去雾算法相比, 本文提出的参数计算方法提高了运算速度、场景适应能力和复原效果。关键词：光学成像模型;大气散射物理模型;快速联合双边滤波;暗影通道;图像去雾- 61
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发布时间：2020-08-12 -
联合梯度直方图和局部二值模式特征的人体检测
摘要：针对采用单一梯度方向直方图(HOG)特征进行人体检测时易受竖直梯度分量干扰的缺点，提出了将分块局部二值模式(LBP)特征加入HOG特征的方法。首先，将检测窗口划分为大小为16×16的不重叠块，以块为单位统计LBP特征直方图，并通过大量实验获得了LBP算子的最佳参数；然后用优化过的插值方式计算HOG特征，将两者组成联合直方图。最后, 用线性支持向量机(SVM)通过Bootstrapping的方式训练，得到判别模型。在INRIA人体库上的测试表明，检出率在误检率（FPPW）为10-4时由原始的89%提高到95%，单窗口检测速度由0.625 ms提高到0.533 ms。本文将纹理特征加入原始描述轮廓的HOG特征中，排除了部分梯度干扰信息造成的误检，提高了检出率。关键词：梯度方向直方图;分块局部二元模式;支持向量机;行人检测- 45
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发布时间：2020-08-12 -
基于双目视觉的工件尺寸在机三维测量
摘要：由于传统测量方法及仪器设备无法满足在机实时检测工件三维尺寸的要求，本文基于双目立体视觉视差原理，搭建了一套可在车间现场操作的在机测量工件三维尺寸的视觉系统。首先，介绍了改进的基于平面圆靶标的双目视觉测量系统标定方法。然后， 用阈值分割算法从背景中识别出待测工件，采用Canny算子和多边形逼近法提取工件轮廓和轮廓关键特征点，并在极线约束的特征点匹配算法基础上，提出一种基于灰度相关的密集型精匹配算法，获得了工件边缘轮廓关键特征点云的三维坐标数据。最后，对匹配所得特征点云进行数据处理和特征拟合计算，得到了工件的关键尺寸。在车间数控机床上对有斜面及孔结构的工件进行了在机测量实验，结果显示，该系统检测精度达±1.3%以上。关键词：双目立体视觉;三维尺寸;在机测量;工件- 72
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发布时间：2020-08-12 -
压缩感知理论在ECT流型辨识中的应用
摘要：针对传统电容层析成像（ECT）流型辨识方法识别率较低的问题，提出一种基于压缩感知理论的ECT流型辨识方法。首先，将ECT系统获得的测量电容向量归一化，并表示为训练样本集的过完备字典稀疏线性组合；然后，将随机高斯矩阵作为测量矩阵对测试样本和标准样本分别进行采样，并利用压缩感知信号重构算法求解L0范数下的最优化问题，从而得到各样本在训练样本集上的稀疏表示；根据待测样本和标准样本稀疏解之间的线性相关程度来确定归属流型。对典型流型的仿真实验结果显示，在无噪声、40 dB、20 dB信噪比的情况下，流型辨识准确率分别为100%、99.25%和98.12%，表明本文方法抗噪声干扰能力强，是一种有效、准确率较高的ECT流型辨识方法，为ECT流型辨识技术的研究提供了一种新的手段。关键词：电容层析成像;压缩感知;流型辨识;稀疏表示;相关系数- 38
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发布时间：2020-08-12 -
符号M阵列结构光的解码
摘要：在大尺寸M阵列编码模式的基础上，研究如何对捕获图像进行解码，进而实现了匹配和三维重构。选择容易识别和区分的矩形块、圆圈和圆盘作为M阵列符号生成投射模式，对捕获的M阵列编码图像进行解码研究。在充分考虑投射模式、符号特征、投射和捕获环境、符号畸变等因素的影响后，确定解码方案。在对捕获图像进行预处理的基础上，采用符号特征识别来确定符号类别，计算确定矩形块方向，并以最邻近矩形块方向为基准，得到圆圈、圆盘方向，确定各个符号的下邻域和右邻域。遍历所有符号，获得解码后的M阵列，利用窗口的唯一性，确定各个窗口在投射模式中的位置，进而确定每个匹配点的位置，生成匹配点坐标矩阵。最后，利用三角测量法得到深度信息，实现了物体三维表面重构。关键词：解码;三维测量;大尺寸M阵列;单色编码;符号阵列- 41
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发布时间：2020-08-12 -
基于MeanShift图像分割结合SVM判决的候梯人数视觉检测系统
摘要：根据电梯群控系统的需求，提出了一种基于视觉检测技术获得候梯人数的新方法。考虑候梯人数检测系统的监测目标为候梯人群，而候梯人群的心理、建筑风格，摄像机的安装角度、复杂背景等因素均会影响到待识别模式的提取，故作者提出了以人体头部作为模式进行模式识别来检测候梯乘客的数量。该方法以Mean Shift图像分割算法和支持向量机(SVM)决策分类器为核心，考虑候梯人群图像采集角度、拍摄镜头的特殊性等对候梯人群头部进行精确识别，较为快速地得到了准确的识别结果。实验证明，该方法处理图像速度可保持在每幅图片2 s以内，准确率超过80%，满足了电梯群控系统的需求。 由于能够使电梯群控系统获得稳定可靠的输入参数，从而提高了电梯群的运送效率。关键词：视觉检测;Mean Shift图像分割;支持向量机决策分类;人数检测- 44
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发布时间：2020-08-12 -
卫星系统网络节点的智能化设计
摘要：为了提高卫星系统的控制精度，解决系统故障检测与故障处理问题，进行了卫星节点智能化设计。以嵌入式SOC处理器为基础，建立了智能化网络节点的体系结构，将其划分为自诊断及上位机辅助单元、智能电源管理单元、标准化接口单元和基本功能单元等4个部分。采用过采样技术和数据融合处理技术提高了自诊断及上位机辅助单元的数据采集精度，采用直接冗余检测和知识检测方法实现了数据纠错功能，采用自断电/加电技术实现了智能电源管理功能，基于标准无线接口设计实现了接口标准化功能。最后，在太阳矢量测量仪原理样机上对所设计的智能化网络节点进行了功能验证。结果表明：智能化太阳矢量测量仪测量精度可达0.01°，高于传统太阳敏感器的采集精度0.1°；实现了状态自检、测量数据校验及标准接口功能，提高了卫星系统的可靠性。设计的网络节点可进行自主故障检测及处理，具备自断电/加电功能，能够针对空间环境带来的翻转及锁定进行自主处理，支持单机设备的即插即用，可实现卫星系统的快速测试、快速集成和快速装配。关键词：智能设计;无线射频识别技术;网络节点;卫星系统;标准化- 28
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发布时间：2020-08-12
信息科学
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