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最新刊期

2014 年第 2 期

现代应用光学

用二次触发法改进接触式传感器线阵相机的曝光性能
罗颖,谭沛岩,刘霖,叶玉堂,刘永
2014, 22(2): 245-251. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0245

摘要：针对外触发接触式图像传感器(CIS)线阵相机的扫描图像灰度值受外触发信号频率变化影响的问题,提出了一种新的曝光控制方法——二次触发法。首先,分析了外触发信号频率变化对图像灰度值影响的原因。然后,介绍了二次触发法:该方法将一个外触发信号转变为两次触发信号,第一次触发信号用于控制曝光,第二次触发信号用于控制CIS输出数据。最后,从理论上说明了该方法可以提升图像质量。将该方法成功应用于1.6 m长线阵零畸变CIS相机, 实验结果表明:在不同的触发频率下,扫描图像的灰度值波动范围减小了75%,消除了图像上的横条纹。在智能视觉十字绣数码喷印机的应用上,绣布上1 mm×1 mm的孔成像清晰、灰度值均匀。提出的方法有效地解决了外触发信号频率影响图像质量的问题,成功地提高了图像的质量。
关键词：接触式图像传感器(CIS);CIS线阵相机;外触发行频;曝光控制

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发布时间：2020-08-13
利用延时法进行高精度脉冲激光测距
施智勇,潘晓声,张谦
2014, 22(2): 252-258. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0252

摘要：由于激光测距的精度取决于时间测量精度,本文提出了一种提高时间测量精度的方法。该方法在现场可编程门阵列(FPGA)的控制下,将电信号通过延时电路送入到D触发器的输入端CLK;激光器发出的光到目标,经过目标反射后返回进入光电转换器转变为电信号送入到D触发器的输入端D。通过调整延时芯片和机械位移产生的电信号的延时时间,使D触发器输入端的信号同时到达,从而利用延时时间来确定光到达目标所需的时间。用FPGA对100 MHz恒温晶振器的脉冲计数,经MC100EP195芯片延时,再通过精密机械定位的方法将时间测量精度提高到0.3 ps数量级。实验结果表明:使用该方法,激光测距的误差在1 km内能保证在0.1 mm数量级,可满足高精度测距的要求。
关键词：激光测距;延时法;延时芯片;时间测量

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发布时间：2020-08-13
采用移动光靶标的分区域相机标定
刘书桂,姜珍珠,董英华,张宏玲
2014, 22(2): 259-265. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0259

摘要：针对工业视觉测量中的摄像机标定精度及效率低的问题,提出一种高精度CCD相机分区域标定方法。该方法首先利用三坐标测量机(CMM)带动圆形发光二极管(LED)光靶标按梯形台状做精确空间移动,结合最小二乘椭圆拟合算法求解光靶标的像面位置,并与CMM三维坐标形成精确的空间标定点集。同时,将像平面按圆环形对称结构分割成N个区域,并结合改进的Tsai算法分别对每个子区域进行相机参数的标定。标定实验结果表明:经过分区域标定,相机采集点的总误差比单区域标定法降低了17%(N=8),单点平均误差降低了20%左右。算法可实现自动精确标定点采集,操作过程简单,基本满足中等精度的工业测量要求。所提出的相机标定法可应用于工业视觉测量,特别是大工件测量领域。
关键词：视觉测量;CCD相机;相机标定;分区域思想;改进的Tsai算法;光靶标

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发布时间：2020-08-13
消谱线弯曲长波红外成像光谱仪设计
张晓龙,刘英,孙强,李淳,周昊
2014, 22(2): 266-273. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0266

摘要：为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,有效消除平面光栅产生的谱线弯曲,设计了离轴透镜消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱仪。分别计算了平面光栅和离轴透镜产生的谱线弯曲,分析了谱线弯曲随相关参量的变化关系,并基于此设计了消谱线弯曲的初始结构。通过优化设计得到的光学系统的通光孔径为100 mm,F数为2,光谱分辨率为20 nm,空间分辨率为150 μrad,冷光阑效率为100%,成像质量接近衍射极限,系统谱线弯曲由原有的180 μm以上变为14.3 μm以内。该项设计获得了具有普适性的消谱线弯曲公式,证明了离轴透镜具备校正谱线弯曲的特殊功能。最后的设计结果表明,在满足系统成像质量要求且不增加系统复杂度的前提下,采用离轴透镜的平面光栅光谱仪的系统谱线弯曲小于探测器像元尺寸的1/2,满足使用要求。
关键词：光学设计;成像光谱仪;红外光谱仪;谱线弯曲;平面光栅;离轴透镜

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发布时间：2020-08-13
应用动态调制与干涉条纹形状测量二维角度
王选择,翟中生,钟毓宁,杨练根,刘文超
2014, 22(2): 274-280. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0274

摘要：采用四象限探测器接收干涉条纹进行位移测量时,干涉条纹的形状会影响各探测器之间的相位差。本文在建立干涉条纹形状与干涉夹角关系模型的基础上,提出了应用四象限探测器识别干涉条纹形状的方法。通过干涉条纹光强面积分运算方法,推导了干涉条纹形状参数与探测器信号相位差之间的理论公式,并给出了相位差与干涉夹角之间的关系。利用PZT匀速驱动参考镜的方法实现了干涉条纹的动态调制,提高了信号相位差的识别精度。通过椭圆拟合技术实现了相位差在(0,π)的高精度识别,并结合特定的正余弦累积运算实现了(-π,π)相位差的识别,从而完成了偏转角度方向的测量。相对传统CCD条纹形状识别方法,该方法扩大了角度测量范围,且更适合动态测量。与高精度自准直仪进行的比对实验表明,该方法在±300″的测量精度为3″。
关键词：角度测量;二维角度;干涉条纹;四象限探测器;动态调制

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发布时间：2020-08-13
基于最小二乘支持向量机的辣椒可溶性固形物和维生素C含量近红外光谱检测
刘燕德,周延睿,潘圆媛
2014, 22(2): 281-288. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0281

摘要：应用傅里叶变换近红外光谱技术实现了鲜辣椒中可溶性固形物(SSC)和维生素C(Vc)含量的快速无损检测。分别采用7种预处理方法对原始光谱进行处理后,建立了SSC和Vc预测的偏最小二乘法(PLS)模型。将利用最小二乘法(PLS)提取的主成分(PC)和蒙特卡罗无信息变量消除法 (MC-UVE)提取的有效波长作为最小二乘支持向量机 (LS-SVM)的输入变量,分别建立了PC-LS-SVM 和MC-UVE-LS-SVM模型,并与MC-UVE-PLS模型进行了比较。采用优化后的模型对27个预测集未知样品进行了预测。结果表明,对鲜辣椒中SSC含量预测最优的为MC-UVE-PLS模型,其预测集相关系数(r_p)为0.971,预测集均方根误差(RMSEP)为0.382 °Brix;对鲜辣椒中Vc含量预测最优的为MC-UVE-LS-SVM模型,其r_p为0.899,RMSEP为21.022 mg/100 g。研究结果表明:鲜辣椒中SSC和Vc的含量与近红外光谱具有显著的相关性。
关键词：近红外光谱;最小二乘支持向量机;鲜辣椒;可溶性固形物;维生素C

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发布时间：2020-08-13
光学表面冗余粒子在离轴及斜入射高斯波束作用下的辐射力
巩蕾,吴振森,李正军
2014, 22(2): 289-295. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0289

摘要：针对光学表面冗余粒子的清除问题,通过离轴高斯波束的球矢量波束展开方法,研究了介质球对离轴及斜入射高斯波束的散射特性;基于得到的结果结合连带勒让德函数的正交递推关系推导了离轴高斯波束对介质球的横向和轴向辐射力的解析表达式,并重点分析了离轴距离和高斯波束斜入射角度分别对轴向辐射力和横向辐射力的影响。结果表明,离轴入射时,在束腰负半轴2 μm处出现一个总力极大值,过束腰零点后5 μm处出现一个反向次大值点;高斯波束斜入射时,辐射力在束腰中心前后各出现一个极大值,随着入射角的增大,曲线整体下移减小,辐射力极大值所对应的Z₀位置固定。得到的结论可用于无损检测工程中,即通过调节高斯波束束腰位置可提高对冗余粒子驱逐和控制的效率。
关键词：光学表面;冗余粒子;光散射;辐射力;高斯波束

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发布时间：2020-08-13
近红外光谱稀疏分量分析检测柴油品质参数
周扬,戴曙光,葛丁飞
2014, 22(2): 296-303. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0296

摘要：由于光谱盲源分离中的独立分量分析方法(ICA)在柴油品控参数近红外光谱定量分析时预测效果不理想,稳定性不高,本文提出了一种在稀疏特性下的盲源分离近红外光谱分析思路——近红外光谱稀疏分量分析法,并用该方法预测了柴油沸点、密度、芳烃总量等品控参数。首先利用柴油校正集光谱样本训练冗余字典并完成光谱在该字典下的稀疏变换,接着完成混合矩阵估计,最后用混合矩阵与柴油品控参数建立回归预测模型。针对混合矩阵估计中光谱稀疏度不为一时聚状特征模糊导致无法确定聚类数的问题,提出将AP聚类算法应用于聚类过程。实验表明,近红外光谱稀疏分量分析法对柴油沸点、密度、芳烃总量预测的相关系数(R)、预测均方根误差(RMSEP)分别达到了98.91%,99.68%,99.43%和2.84,0.88×10^-3,0.59,性能优于ICA及全谱偏最小二乘(PLS)等传统方法。该方法可作为一种柴油品控参数检测的有效盲源分离定量分析方法,并可推广于其它光谱检测领域。
关键词：近红外光谱;柴油检测;独立分量分析法;稀疏分量分析法;盲源分离

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发布时间：2020-08-13
大动态范围闪烁晶体荧光模拟器的设计
项天,金西,董家宁,封常青,刘树彬
2014, 22(2): 304-310. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0304

摘要：针对暗物质粒子探测卫星(DMPES)锗酸铋(BGO)量能器探测单元的标定需要,设计了一种用发光二极管(LED)作为光源的闪烁晶体荧光模拟器。首先,利用光电倍增管(PMT)测量BGO晶体在宇宙线辐射下的荧光脉冲,对脉冲波形建模拟合,并将波形存储到可编程信号发生器中。然后,选择一种峰值波长与BGO晶体的荧光发射波长相近,且其光通量与工作电流的线性度较好的LED,设计LED驱动电路,令LED的工作电流与模拟器输入的模拟电压信号幅度成正比。最后,利用信号发生器输出模拟的BGO晶体荧光脉冲波形至驱动电路,使LED发光,并利用积分球将LED的荧光通过光纤均匀地输出到多个PMT。实验结果表明:模拟器光脉冲测试结果与对BGO晶体实际测试的结果相似,光强覆盖PMT的2,5,8个打拿极(Dynode)输出,动态范围达4.11×10³倍,满足暗物质粒子探测卫星BGO量能器地面检测系统的需求。该荧光模拟器也可用于同类闪烁晶体探测器系统的检测和标定。
关键词：暗物质粒子探测卫星;锗酸铋晶体(BGO);模拟器;大动态范围

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发布时间：2020-08-13
用于船舶结构监测的大量程光纤布拉格光栅应变传感器
吴晶,吴晗平,黄俊斌,顾宏灿
2014, 22(2): 311-317. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0311

摘要：平板结构的贴片式光纤光栅传感器应变测量范围较小,难以满足船舶结构健康监测中的应变测量要求。本文采用不锈钢材质,设计了一种采用环形平面弹簧和平板复合结构的贴片式传感器,通过环形平面弹簧结构将复合结构的大应变转化为光栅的小应变,降低被测物体与光栅之间的应变耦合系数,实现了大应变测量。理论分析了复合结构的传感原理,通过有限元方法仿真了该结构的应力分布,结果证明了该结构能够实现大应变测量。将传感器胶粘在特种钢试件上进行了载荷试验,试验结果表明:该复合结构传感器的量程大于20 000 με,且线性度较好,相关系数大于0.99。另外,设计的传感器体积较小,便于安装,能较好地解决船舶结构健康监测中的大应变测量问题。
关键词：光纤传感器;光纤布拉格光栅;应变传感器;健康监测;船舶结构;复合结构;有限元法

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发布时间：2020-08-13
移频式全息光栅曝光干涉条纹锁定系统的设计
宋莹,巴音贺希格,齐向东,张宁,唐玉国
2014, 22(2): 318-324. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0318

摘要：建立了移频式全息光栅曝光干涉条纹锁定系统以提高全息光栅槽型对比度并降低由外部环境造成的曝光干涉条纹相位移动。根据系统的组成原理,分析了相位测量系统中莫尔条纹的产生条件及其与干涉条纹相位变化的关系,给出了探测器的选择方法。根据系统精度要求计算了A/D转换位数,自行设计了数字控制系统。提出采用光束移频方法来调整条纹相位,应用声光调制器对干涉条纹移动进行实时校正。实验结果表明,该系统采样频率可以达到5 kHz,对干涉条纹漂移和10 Hz以下的低频振动都有较好的抑制作用,相位变化3σ值小于0.12 rad,即相位变化小于±0.02个干涉条纹周期。该系统可以实时有效地锁定曝光干涉条纹,较好地满足全息曝光的要求。
关键词：全息光栅;曝光;莫尔条纹;相位锁定;声光调制器

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发布时间：2020-08-13
基于背向Brillouin散射监测混凝土应变
李川,刘江,庄君刚,闫思安,赵振刚
2014, 22(2): 325-330. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0325

摘要：采用贴附法将一根玻璃纤维增强塑料(GFRP)单芯应变传感光缆埋设于钢筋混凝土试件的中间部位,对混凝土内部应变进行分布式测量。考虑在温度和外加应变的作用下,光纤中的背向布里渊(Brillouin)散射光将发生频移,使用光时域反射仪(OTDR)对反射光信号进行了分析。研究了混凝土凝固过程中应变的变化,结果表明:混凝土试件浇筑完成当天应变变化明显,应变变化趋势与试件内部温度相似,试件内部应变主要受水泥水化热的影响。试件凝固后,通过外力作用使得混凝土试件在纵向中心轴上产生平均宽度为6 mm的裂缝。检测裂缝出现前后试件的应变变化,发现裂缝出现后试件内部应变明显变大,共发现3个应变峰值。通过应变峰值位置的分析,可判断裂缝的出现位置与方向。实验显示,利用背向Brillouin散射的分布式应变检测技术可较好地实现混凝土应变的分布式测量。
关键词：背向Brillouin散射;混凝土;应力检测;玻璃纤维增强塑料;应变传感光缆

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发布时间：2020-08-13

微纳技术与精密机械

小卫星用反作用飞轮系统设计
王辉,武俊峰,李胤,吴一辉
2014, 22(2): 331-337. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0331

摘要：考虑小卫星用反作用飞轮系统小型化的要求,提出了飞轮电机体积最小时的电枢尺寸确定方法,并设计了一种定子无铁芯式反作用飞轮系统。为防止磁路饱和,将多学科优化设计方法应用于飞轮转子结构和电机磁场联合设计中,并采用外罚函数法及序列二次规划算法(SQP)组合优化策略对飞轮系统进行多目标优化设计。选取飞轮转子质量最小和电机气隙磁通密度最大为优化目标,以最大等效应力、一阶共振频率、极转动惯量、磁饱和等作为约束条件,将iSIGHT软件作为优化平台,集成有限元软件ANSYS实现了优化过程,最后依据优化结果制造出飞轮样机。优化结果表明,优化后飞轮转子质量由0.73 kg减小到0.67 kg, 减小了8.22%,气隙磁通密度由0.376 T增大到0.401 T,增大了6.65%。设计的优化方法提高了飞轮设计的合理性,推动了飞轮系统的小型化研究。
关键词：小卫星;反作用飞轮;电机;多学科优化设计;组合优化策略;有限元分析

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发布时间：2020-08-13
柔性铰链微定位平台的设计
马立,谢炜,刘波,孙立宁
2014, 22(2): 338-345. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0338

摘要：设计了一种以平行板铰链机构进行导向,以桥式机构进行位移放大的新型压电陶瓷驱动微定位平台。应用弹性力学和材料力学理论建立该平台的桥式放大机构和平行板铰链机构的理论模型,分析了平台的驱动力、输出位移、刚度和固有频率,并运用Matlab软件优化了桥式机构铰链长度、厚度,平行板铰链长度及厚度等几何参数,获得了微定位平台的最优值。对优化后的结果进行了有限元仿真, 并搭建了测试系统对平台性能进行了测试。测试结果显示,理论分析与实验结果的最大误差为9.8%,有限元分析与实验结果的最大误差为4.2%,得到的结果验证了理论分析和有限元分析的正确性, 实现了平台体积小,放大倍数高,位移输出大的设计目标。
关键词：微定位平台;桥式机构;平行板机构;柔性铰链;有限元分析;优化设计

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发布时间：2020-08-13
基于ZnO压电薄膜的柔性声表面波器件
周剑,何兴理,金浩,王德苗,骆季奎
2014, 22(2): 346-350. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0346

摘要：提出并制备了基于聚酰亚胺柔性衬底的声表面波(SAW)器件。在柔性聚酰亚胺衬底上低温反应磁控溅射沉积了ZnO压电薄膜;采用X射线衍射仪,扫描电子显微镜,原子力显微镜等设备对ZnO薄膜进行了检测,结果表明:ZnO薄膜晶粒呈柱状生长并且(002)择优取向,膜粗糙度小于9 nm,适合制作压电器件。在柔性衬底上制备了基于ZnO压电薄膜的SAW器件,该器件表现出良好的谐振性能。采用矢量网络分析仪检测器件的传输曲线,实验结果与仿真结果具有很好的一致性。随着波长减小,谐振频率和相速度增加,当ZnO厚度为4 μm,波长为8 μm时,器件的谐振频率为268 MHz,相速度为2 144m/s,机电耦合系数为1.1 %;当ZnO厚度增加时,此叠层结构的声表面器件的叠层声速也增加。
关键词：柔性衬底;ZnO薄膜;压电薄膜;声表面波器件

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发布时间：2020-08-13
基于地球椭球的空间相机侧摆摄影像移补偿
武星星,刘金国
2014, 22(2): 351-359. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0351

摘要：高分辨率空间相机采用侧摆摄影模式来提高时间分辨率,而地球椭球等因素会使空间相机在侧摆摄影时不同视场位置的像移速度和偏流角不同。针对这一问题,推导了基于地球椭球的空间相机在侧摆摄影时不同视场位置的像移速度和偏流角计算公式。以某立体测绘卫星上携带的高分辨率相机为例,分析了侧摆摄影时统一和分片调整行周期与偏流角对调制传递函数的影响。分析和在轨测试实验表明,以传递函数下降5%为约束,侧摆10°摄影时,若积分级数大于22级,则应分片调整行周期。和统一调整行周期相比,积分级数为32级时,分片调整行周期沿轨方向的传递函数下降从10.28%减少到0.11%。而积分级数固定为16级时,统一调整行周期时的侧摆角不应超过13.2°。
关键词：空间相机;侧摆摄影;像移;地球椭球;调制传递函数

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发布时间：2020-08-13
微流体数字化技术制备聚合物微透镜阵列
朱晓阳,侯丽雅,郑悦,王洪成,章维一
2014, 22(2): 360-368. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0360

摘要：基于微流体数字化技术搭建了聚合物微透镜阵列按需喷射制备实验系统。以UV固化胶为喷射材料,将其按需喷射到镀有疏水化薄膜的玻璃基片上,在界面张力和疏水化效应的作用下,形成平凸状的微液滴,再经紫外光固化后形成微透镜阵列。实验研究了系统参量对稳定微喷射与微透镜直径的影响,稳定微喷射出了黏度值为50×10^-3 Pa·s的UV胶,制得了最小直径达25 μm的微透镜,进而制备出了直径变异系数C·V达0.64%、焦距均匀性误差为1.7%的15×15微透镜阵列。微透镜在扫描电子显微镜下具有较好的表面形貌,采用白光干涉/轮廓仪(VSI模式)测得其轮廓算术平均偏差R_a为247.99 nm(扫描区域:29.4 μm×39.3 μm),扫描区域轮廓曲线平滑。通过微透镜阵列的成像实验,得到了微透镜阵列所成的清晰实像。实验结果表明,采用微流体数字化技术进行聚合物微透镜阵列的按需喷射制备过程简单、成本低廉、工艺参数稳定;制备的微透镜阵列几何与光学性能优越。
关键词：微光学器件;微流体数字化;按需喷射;紫外光固化胶;聚合物微透镜阵列

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发布时间：2020-08-13
发射望远镜的设计与装调
孙敬伟,吕天宇,姚丽双,刘杰
2014, 22(2): 369-375. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0369

摘要：根据发射望远镜的结构特点,设计了口径为270 mm的梅逊反射无焦卡塞格林式发射望远镜并对其进行了装调与检测以满足激光发射及激光准直性的要求。基于光学原理确定了同轴反射式光学结构的设计方法和系统参数。用有限元分析方法对比桁架式与圆筒式主支撑结构以及三翼梁和四翼梁次镜支撑结构在不同工况下的变形,选定桁架式三翼梁支撑结构用于该望远镜。通过设计适当的主、次镜装调结构,配合干涉仪和自准直平面镜,分析了次镜偏心引起的系统像差,得到灵敏度矩阵并用于系统的装调和检测。得到的结果显示系统的波前误差RMS为0.146 7λ, PV为0.739 41λ (λ=632 nm)。检测结果表明,桁架式结构的镜头能满足发射望远镜系统对像质的要求,可实现激光发射并保证激光的准直性。
关键词：发射望远镜;桁架;调整机构;偏心误差;灵敏度矩阵;自准直检验

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发布时间：2020-08-13
微磨削锥塔结构光滑表面的自适应方向检测与微加工精度
谢晋,刘旭冉,吴可可,李萍,卢泳贤
2014, 22(2): 376-382. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0376

摘要：用白光干涉检测(WLI)法检测微结构表面形貌时,其光滑结构面和边角数据很容易丢失,因此本文提出了自适应方向WLI检测法。该方法分别沿着每个微斜面法向进行自适应方向检测,评价分析其面形、特征轮廓和特征点的加工精度。首先,采用#3000金刚石砂轮微细尖端在Si表面加工出高度为50 μm、宽度为56 μm且光滑的微锥塔结构。然后,利用四次检测点云对微磨削表面进行拼接与重建。最后,分析面形误差、特征轮廓误差和特征点误差。实验显示:自适应方向WLI检测可以重构出完整的微锥塔结构表面,微磨削的面形误差为5.3 μm,表明该微磨削技术可以确保微锥塔结构光滑Si表面的加工精度。但是,对微锥塔结构表面特征轮廓误差及特征点误差的评价表明,特征轮廓误差高达7.7 μm,而特征点误差约为15 μm,约为面形误差的3倍。分析认为这些误差是由微金刚石砂轮V形尖端磨钝及微磨粒钝化造成的。
关键词：白光干涉术;自适应方向检测;微结构表面;微磨削精度

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发布时间：2020-08-13
光电陀螺稳定平台的分数阶控制
丁策,戴明,李嘉全,毛大鹏,盖竹秋,刘仲宇
2014, 22(2): 383-389. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0383

摘要：为了提高光电陀螺稳定平台的隔离度,改善其在速度扰动情况下的稳定精度和跟踪精度,将分数阶PI^λ控制器引入到光电陀螺稳定平台的速率环控制中。首先,说明了采用常规PI控制提高系统精度的弊端,介绍了分数阶微积分和分数阶PI^λD^μ控制,提出采用分数阶PI^λ控制器来提高控制系统的控制精度。然后,针对采用电流环的等效一阶纯积分控制对象,提出基于稳定裕度和剪切频率的设计方法,该方法同样适用于整数阶PI控制器。最后,以机载光电陀螺稳定平台为研究对象,分别采用分数阶PI^λ和整数阶PI控制器进行了阶跃响应、速度扰动隔离和稳定精度的实验研究。实验结果表明,采用分数阶PI^λ控制器的系统具有阶跃响应超调量小的优点,在幅值为3.14(°)/s,频率为0.5 Hz的速度扰动下,速度扰动隔离度提高了约38%,稳定精度提高了约40%。实验表明,与整数阶PI控制器相比,采用分数阶PI^λ控制器可在保证稳定裕度的前提下提高系统的控制精度,且与整数阶PI控制器一样具有易于工程实现的优点。
关键词：光电陀螺;稳定平台;分数阶PIλ控制器;PI控制器;稳定裕度

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发布时间：2020-08-13
气浮式测力传感器静特性的影响因素
黄斌,陈世静,张文伟,陶佳月,易嘉靖
2014, 22(2): 390-396. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0390

摘要：采用理论、仿真及实验相结合的方法研究了气膜厚度、供气压力变化以及测压孔的设置对气浮测力传感器静特性的影响。叙述了喷嘴浮板机构的工作原理,建立了静特性方程。在不同气膜层厚度、不同供气压力和有无测压孔条件下,运用Fluent软件仿真出流场的气膜层速度和压力分布曲线,根据曲线分析了它们各自对气膜流场静特性的影响。最后,在气浮喷嘴实验平台上进行了实验验证。实验结果表明:气膜层厚度为5~100 μm,供气压力分别为303、505、707 kPa,软件仿真和实验所得到的线性度曲线、灵敏度曲线走向一致;有无测压孔对气膜层的承载力、速度没有太大影响。结果表明气膜厚度、供气压力的变化会影响气浮测力传感器静特性,而测压孔的设置对测力传感器的静特性无影响。
关键词：测力传感器;喷嘴浮板机构;静特性;气膜厚度;进气压力;测压孔

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发布时间：2020-08-13
空间光学遥感器扫描控制系统设计
杨维帆,徐抒岩,曹小涛,王栋
2014, 22(2): 397-405. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0397

摘要：研究了正弦波永磁同步电机驱动的空间光学遥感器扫描控制系统。采用复合控制与微分负反馈相结合的控制策略,实现了扫描镜的低速高精度往复运动。分析了扫描镜运动的数学模型,建立了d-q坐标系下的永磁同步电机数学模型;采用id=0矢量控制策略,在MATLAB/SIMULINK环境下搭建了基于空间矢量脉宽调制技术的控制系统仿真模型,设计了电流环、速度环和位置环调节器,给出了仿真结果。实验验证显示:采用复合控制后,仿真得到恒速运行的平均速度误差由1.27％优化到0.92％,扫描镜在恒速扫描过程中稳态平均角速度误差为2.06%,满足扫描镜系统速度精度优于5％的设计要求。理论分析、仿真和实验证明:该控制方法能够较好地改善控制系统的动态特性,具有调节时间短、超调小和动态响应准确等优点。
关键词：光学遥感器;空间扫描镜;永磁同步电机;矢量控制策略;复合控制;微分负反馈

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发布时间：2020-08-13
通道型电磁常闭微阀结构参数优化
施镠佳,董景新,谭映军,叶雄英,王春艳
2014, 22(2): 406-413. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0406

摘要：优化了通道型电磁常闭微阀的结构参数,以提高其工作性能。基于近似结构模型对结构参数进行理论分析;以泄漏率为指标,利用有限元方法仿真分析了微通道的宽度、高度,底膜厚度,顶膜厚度及电磁驱动机构压力等主要结构参数对泄漏率的影响。提取了经验公式,基于正交实验法研究了结构参数对泄漏率和开启率的影响。最后,结合理论分析、仿真和正交实验结果对微阀结构参数进行了优化。实验结果表明,通道高度和宽度对泄漏率影响最大,通道高度对开启率影响最大。获得最优开闭性能的结构参数组合为:通道宽度1 mm,高度0.1 mm,底膜厚度0.2 mm,顶膜厚度0.2 mm,电磁机构压力3×10⁴ Pa。基于该结构参数组合的微阀在10 kPa内可以实现零泄漏及近似完全开启。该阀具有易与微流控芯片集成、低电压驱动、制作简单、无死体积等优点。
关键词：电磁微阀;结构参数;泄漏率;仿真;正交实验

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发布时间：2020-08-13
压电驱动器的开闭环迭代学习控制
李朋志,闫丰,葛川,李佩玥,隋永新,杨怀江
2014, 22(2): 414-419. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0414

摘要：由于开闭环迭代学习控制方法能在加快收敛速度的情况下降低跟踪误差,本文利用该控制方法来提高压电驱动器(PZT)的高频轨迹跟踪精度。首先,提出了离散时间下的开环P型结合闭环PI型的迭代学习律,并且给出了基于该学习律的收敛性条件。然后,设计了用于PZT系统的离散开闭环迭代学习控制器。最后,针对50 Hz单频和25 Hz+50 Hz复频三角波轨迹进行了跟踪控制实验。实验结果表明:所提出的迭代学习控制器对上述2种轨迹的最大跟踪误差分别为10.6 nm和12.5 nm,相对于PID控制器,分别降低了96.25%和95.62%。结果显示:提出的控制方法易于实现,无需准确的PZT迟滞和系统模型就可以获得很高的跟踪精度,能有效地满足高频和复频轨迹跟踪的精度要求。
关键词：压电驱动器;PZT;开闭环;迭代学习控制;迟滞

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发布时间：2020-08-13
溶剂挥发对静电纺丝纳米纤维支架直径与沉积的影响
于永泽,刘媛媛,陈伟华,胡庆夕
2014, 22(2): 420-425. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0420

摘要：为实现静电纺丝纳米纤维生物支架的可控制备,实验研究了不同溶剂挥发速度对聚己酸内酯(Polycaprolactone, PCL)纳米纤维直径和纤维沉积面积的影响。首先,使用挥发速度不同的溶剂分别配制相同浓度的PCL纺丝溶液,在外加电压为15 kV,纤维接收距离为12 cm的条件下进行静电纺丝;然后,利用钨灯丝扫描电镜测量所制备的纳米纤维直径和沉积面积,并使用最小二乘法拟合计算实验数据,推导出溶剂挥发速度与纤维直径和纤维沉积面积的比例关系。结果表明,随着溶剂挥发速度的增加,纳米纤维的平均直径从98 nm(标准偏差为21.14 nm)上升到205 nm(标准偏差为38.83 nm),溶剂挥发速度与纤维直径的比例关系为:d∝N^0.25_i;纤维的沉积面积从143 cm²下降到35 cm²,溶剂挥发速度与纤维沉积面积的比例关系为:S∝N^-0.18_i。实验结果和建立的比例关系式能够为纳米纤维生物支架的可控制备提供可靠的数据基础和理论指导。
关键词：静电纺丝;溶剂挥发;生物支架;纤维直径;沉积面积

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发布时间：2020-08-13

信息科学

基于现场可编程门阵列的CCD相机自动调光
黄辉,周进
2014, 22(2): 426-433. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0426

摘要：针对CCD相机在一些特殊场合成像时遇到的前后两帧图像场景不一致、应用环境多样性等问题,提出了一种基于图像直方图统计和分块均值的自动调光算法。该算法首先分析一帧图像的亮度分布,并计算出下一帧图像的最佳均值。然后根据该均值调整下一帧图像的曝光量,使其合理曝光。实验结果表明,利用此方法可以获得整体亮度合适的图像。在统计直方图后,计算最佳均值只需利用到直方图和几个均值,与图像本身的大小没有关系,所以计算量非常小;在像素时钟为60 MHz时,每次计算时间为6 μs。另外,此方法具备较好的场景适应能力,满足场景时刻变化时CCD相机自动调光以及实时性的要求。
关键词：CCD相机;自动调光;直方图;曝光量;现场可编程门阵列

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发布时间：2020-08-13
基于半监督稀疏鉴别嵌入的高光谱遥感影像分类
黄鸿,曲焕鹏
2014, 22(2): 434-442. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0434

摘要：为了有效利用已标记与未标记样本提高高光谱遥感影像分类精度,提出一种新的半监督流形学习方法——半监督稀疏鉴别嵌入算法(SSDE)。该算法结合了近邻流形结构及稀疏性的优点,不仅保留样本间的稀疏重构关系,而且通过引入少量有标记的训练样本以及大量无标记训练样本来获得高维数据的内在属性以及低维流形结构,实现鉴别特征提取,提高分类精度。在Washington DC Mall和Indian Pine数据集上的分类识别实验表明,该算法能够较为有效地发现高维空间中数据的内蕴结构,分类性能比其他算法有明显的提升。在随机选取8个有类别标记和60个无类别标记的数据作为训练样本的情况下,本文提出的SSDE算法在上述两个数据集上的分类精度分别达到了77.36%和97.85%。
关键词：高光谱遥感影像;影像分类;维数约简;稀疏表示;流形学习;半监督稀疏鉴别嵌入

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发布时间：2020-08-13
应用于医学三维影像的血管结构自动提取
肖若秀,杨健,宋凌,刘越
2014, 22(2): 443-450. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0443

摘要：针对从计算机断层扫描血管造影术(CTA)的三维体数据中提取血管结构信息通常需要大量的人为介入操作的问题,提出了一种全自动血管分割方法。首先,采用多尺度增强滤波器对数据中的管状结构进行增强,剔除非管状结构,并过滤噪声。然后,利用Sigmoid函数作用于梯度图像产生水平集的速度图像,并通过测地活动轮廓模型迭代逼近真实的三维血管轮廓。最后,通过拉普拉斯算法对提取的血管表面网格进行平滑处理,获得光滑的血管曲面。实验采用胸部和颈部的CTA体数据对算法进行测试,结果表明:该方法无需人工干预即可从CTA体数据中准确地提取出血管的三维信息;血管中心线提取的平均误差为0.26 mm,直径测量平均误差为0.16 mm,分割精度满足临床血管疾病辅助诊疗的要求。
关键词：计算机断层扫描血管造影术;血管结构;三维数据集;自动分割;多尺度增强;数据模拟

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发布时间：2020-08-13
基于双目视觉特性的立体视频编码码率控制算法
蒋刚毅,廖义,郁梅,邵枫,王晓东,李福翠,Yo-SungHo
2014, 22(2): 451-458. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0451

摘要：为了使立体视频中的比特分配更加符合人眼视觉感知特性,提出了一种非对称质量的立体视频编码码率控制算法。首先,建立了左右帧的码率分配比例与量化参数差值之间的立体指数RRQ(Rate-ratio Quantization)模型。然后,将码率控制算法分为SGOP(Stereoscopic Group of Pictures)层、立体图像对层和帧层等3个码率控制层。在SGOP层计算每个SGOP的目标码率和关键帧的量化参数;在立体图像对层根据剩余比特数和缓冲区饱和度计算每个立体图像对的目标比特;在帧层则通过分析双目视觉掩蔽效应,用一种适合于立体视频的率失真优化方法合理分配左右帧的目标码率。实验结果表明,本文算法的码率控制偏差平均值为0.21%;立体视频客观质量比对称质量算法和Wang的算法分别提高了0.23 dB和0.06 dB,且质量波动较为稳定。因此,该算法基本满足网络带宽传输要求。由于充分利用了人眼双目视觉特性,可满足人们对立体视频的视觉需求。
关键词：立体视频;码率控制;双目视觉冗余;非对称质量

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发布时间：2020-08-13
基于视觉对比敏感度与恰可察觉失真感知的图像复原
杨亚威,李俊山,张士杰,芦鸿雁,胡双演
2014, 22(2): 459-466. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0459

摘要：针对传统复原算法在低信噪比情况下复原结果感知效果差的问题,提出了一种基于视觉对比敏感度与恰可察觉失真感知的图像复原方法。首先,利用离散余弦变换(DCT)分解图像,将图像编码为不同尺度下的一系列子带,利用概率和模型及DCT感知模型计算每条子带的恰可察觉失真阈值,并采用明可夫斯基距离计算失真度量;然后,对于每个尺度下的每条子带,利用一个迭代的两断对分程序来调整每个尺度下的每条子带的通道权重,直至子带的失真度量恰好等于期望的失真阈值;最后,利用对比敏感函数对每条子带中的系数进行视觉敏感度加权,通过DCT逆变换对视觉感知加权后的系数进行重构以得到最终的复原图像。基于LIVE图像库的实验结果表明,本文复原算法不仅能够有效地增加图像的信噪比,而且能够很好地改善图像的感知质量。
关键词：图像复原;视觉对比敏感度;恰可察觉失真;离散余弦变换

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发布时间：2020-08-13
全帧CCD相机时间延迟积分模式下的图像缺损
冷雪,张雪菲,李文明,孙翠羽,陈浠惠
2014, 22(2): 467-473. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0467

摘要：长焦距面阵CCD相机以TDI模式进行动态横向多幅扫描成像时,行转移频率高或者曝光时间长会使图像输出有明显缺损,从而影响图像的判读。为解决这一问题,分析了全帧CCD相机TDI模式的工作原理,分析认为快门曝光过程中CCD存在的无效TDI转移是导致输出图像出现缺损的主要原因。通过实验验证了分析结果, 并提出保证CCD曝光过程中TDI转移与机械快门曝光精确同步的方法来消除无效TDI转移。据此设计了光电同步定位法进行曝光控制,并研制了相应的快门光电同步装置。成像实验结果显示,该方法可将图像缺陷区域控制在15列像元内,解决了面阵CCD在TDI模式下输出图像的缺损问题, 提高了图像判读精度。
关键词：CCD相机;全帧转移CCD;面阵TDI级数;行转移频率;图像缺损

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发布时间：2020-08-13
能量有效的分布式链路调度协议
董恩清,乔富龙,邹宗骏,王佳仁,张德敬,李立
2014, 22(2): 474-480. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0474

摘要：提出了一种基于图着色法的无线传感器网络分布式链路调度(DLS)协议以减小调度周期长度、降低网络能耗。采用的策略是先对任意节点构建两跳邻居范围内的冲突图,然后根据每条链路在干扰图中的优先级及干扰度决定时隙分配的先后顺序,从而解决传统随机调度方法调度周期较长及节点状态转换频繁的问题。由于该调度策略尽可能地为节点分配相邻时隙,减少了节点不必要的状态转换,从而降低了网络能耗。对基于干扰度和优先级的联合调度策略表现出的减小调度周期长度、降低网络能耗的特点进行了分析。网络仿真结果表明,DLS协议比DS-fPrIM(Distributed Scheduling-fixed Power Protocol Interference Model)及DRAND(Distributed RANDomized time slot sceduling)协议的调度周期长度少1~2个时隙,其能耗与DS-fPrIM协议的调度能耗相当,但二者都比DRAND协议的调度能耗低。另外DLS协议比DS-fPrIM及DRAND协议平均每周期少1次状态转换,说明提出的分布式链路调度协议能效较高。
关键词：无线传感器网络;链路调度;调度优先级;干扰度;状态转换

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发布时间：2020-08-13
Bayer彩色序列图像的电子稳像
孙辉
2014, 22(2): 481-488. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0481

摘要：提出了一种适合Bayer彩色序列图像的电子稳像方法。该方法根据Bayer彩色图像特点,通过色彩还原和RGB至YCbCr颜色空间的变换,将Bayer彩色图像转换为灰度图像。采用灰度投影算法估计两幅图像之间的运动量;通过计算灰度图像在水平和垂直方向的投影特征数据,构造当前图像和参考图像投影数据之间的相关函数;依据最小误差匹配准则,估计两幅图像之间的水平和垂直位移量。为解决传统补偿算法在处理奇数运动量时的颜色失真问题,基于双线性插值算法构建了适合Bayer彩色图像的运动补偿算法。最后,对Bayer彩色序列样本图像进行了色彩还原和图像稳定实验。结果表明,本文方法可以实现像元级运动量检测,运动补偿后的序列图像峰值信噪比优于40 db。实验显示,本文方法可行且有效,适合Bayer彩色序列图像的运动估计和运动补偿,可以实现序列图像的稳定输出。
关键词：Bayer彩色视频序列图像;电子稳像(EIS);色彩还原;运动估计;运动补偿

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发布时间：2020-08-13
基于多特征的红外与可见光图像融合
杨桄,童涛,陆松岩,李紫阳,郑悦
2014, 22(2): 489-496. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0489

摘要：针对传统图像融合方法易导致融合图像整体对比度低及细节反差小的问题,提出一种多特征加权多分辨率图像融合方法。首先,对多尺度分解后的低频系数进行边缘特征、平均梯度特征的提取,同时对高频系数进行相关信号强度比特征的提取。然后,通过边缘特征级融合指导像素级图像融合得到高频系数;针对合成模块中简单加权法易引起边缘或纹理局部模糊的问题,提出分两种情况分别合成同一位置的多尺度分解系数。最后,通过平均梯度特征自适应加权得到融合图像的低频系数,并对低频和高频系数进行多尺度逆变换得到融合图像。实验表明,本文方法的融合性能优于经典的融合方法,其融合质量评价指标中的标准差、空间频率、信息熵和平均梯度分别提高了15.12%、4.30%、6.15%和3.44%。
关键词：图像融合;红外图像;可见光图像;边缘特征;相关信号强度比;平均梯度;特征级融合

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发布时间：2020-08-13
面向时飞磁共振血管造影术的脑血管统计分割混合模型
王醒策,文蕾,武仲科,周明全,田沄,刘新宇
2014, 22(2): 497-507. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0497

摘要：由于人体脑血管结构复杂,空间比例小,三维分割和重构十分困难,本文面向时飞磁共振血管造影(TOF MRA)数据提出了一种新的瑞利高斯有限混合模型来实现脑血管的自动提取和分割。首先,对已有的混合模型进行了分析;然后,采用最大强度投影法(MIP)预处理脑部数据后采用高斯分布拟合血管类,采用瑞利分布和高斯分布拟合非血管类。提出的模型构造简单,参数向量较少;在血管与非血管的混合区域,模型与灰度直方图具有较好的拟合性。模型在传统期望最大化(EM)算法中加入随机扰动项构造随机期望最大化(SEM)算法来实现混合模型的参数估计,降低了算法对初值的依赖,同时提高了鲁棒性。实验证明,与已有双高斯模型相比,血管点数增加了27%,可细分到三级血管且细节的连通性更好。本模型可更准确地拟合数据的灰度分布曲线,有效地分割脑血管主分支及周围较细小分支,泛化性较好并可应用于相似系统中。
关键词：飞行时间磁共振血管造影术;脑血管分割;有限混合模型;SEM算法;灰度直方图;瑞利分布

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发布时间：2020-08-13
星上时间延迟积分CCD拼接相机图像的实时处理
宁永慧,郭永飞
2014, 22(2): 508-516. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0508

摘要：提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的时间延迟积分(TDI)CCD图像实时处理方法以提高拼接成像系统输出图像的质量和视觉效果。首先,对TDICCD成像系统进行像元级非均匀性校正,去除像元响应差异、固定图形噪声和暗电流噪声;对图像进行了基于行极值的自适应中值滤波,去除了图像中的随机噪声和脉冲噪声。然后,对噪声处理后的图像进行图像增强,通过提取图像的低频和高频成分,实现图像细节信息的调整和对比度增强。最后,采用基于行的分段线性拉伸方式,提高图像的动态范围。设计了基于FPGA的TDICCD成像系统的图像实时校正处理结构,分析了算法占用的资源、算法计算误差和可靠性等指标。实验结果表明,提出的图像实时处理结构将图像输出信噪比均值由48 db提高到52 db,图像非均匀性由3.41%降低到1.73%,图像的对比度显著增强,其动态范围提高了6%.
关键词：时间延迟积分(TDI) CCD;CCD相机;实时处理;图像增强;自适应中值滤波

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发布时间：2020-08-13
基于萤火虫算法的二维熵多阈值快速图像分割
陈恺,陈芳,戴敏,张志胜,史金飞
2014, 22(2): 517-523. DOI: 10.3788/OPE.20142202.0517

摘要：提出了基于萤火虫算法的二维熵多阈值快速图像分割方法以改善分割复杂图像和多目标图像时存在计算量大、计算时间长的问题。首先,分析了二维熵阈值分割原理,将二维熵单阈值分割扩展到二维熵多阈值分割。然后,引入萤火虫算法的思想,研究了萤火虫算法的仿生原理和寻优过程;提出了基于萤火虫算法的二维熵多阈值快速图像分割方法。最后,使用该方法对典型图像进行阈值分割实验,并与二维熵穷举分割法、粒子群算法(PSO)二维熵多阈值分割法进行比较。实验结果表明:该方法在单阈值分割、双阈值分割和三阈值分割时分别比二维熵穷举分割法快3.91倍,1040.32倍和8128.85倍;另外,在阈值选取的准确性和计算时间方面均优于PSO二维熵多阈值分割法。结果显示,基于萤火虫算法的二维熵多阈值快速图像分割方法能快速有效地解决复杂图像和多目标图像的分割问题。
关键词：图像分割;多阈值分割;二维熵;萤火虫算法

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发布时间：2020-08-13

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