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2014 年 第 6 期
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光镊系统随机漂移建模和误差补偿
摘要：针对光镊系统本身噪声对测量精度的影响，提出了一种光镊系统随机漂移误差的有效补偿方法。首先，介绍了时间序列分析法和卡尔曼滤波技术，基于时间序列分析法建立了光镊的随机漂移误差模型；然后，用基于时间序列模型的卡尔曼滤波方法来减小该漂移误差。采用提出的方法对光镊设备实测数据的误差进行了补偿，结果表明：数据的误差方差由补偿前的188.90 nm2减小为8.41 nm2。计算补偿前后的艾伦方差可知，系统在平均时间为1 s时可使最小位移误差从 0.7 nm降低到0.1 nm。得到的结果显示：提出的滤波方法有效地抑制了光镊系统的漂移误差，将其用于双光镊对准可提高捕获光和探测光的对准精度，进而提高光镊系统的性能指标。关键词：光镊;随机漂移;误差补偿;卡尔曼滤波;艾伦方差- 64
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发布时间：2020-08-13 -
基于3×3耦合器的双马赫-曾德尔干涉仪数字化相位解调
摘要：由于马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）光纤干涉传感系统的定位精度在实际应用中受到初始相位偏移的影响，本文针对系统的光路结构，提出了一种基于3×3耦合器的被动数字化解调方法。利用3×3耦合器的2路输出信号构成椭圆曲线，在约束条件下对信号系数进行最小二乘拟合，然后采用微分交叉相乘法解调出相位信号。与传统的解调方法相比，提出的方法降低了对耦合器高对称性的要求，不需限制其它参数；约束条件下椭圆拟合的鲁棒性好，尤其是对于椭圆度较差的数据点具有很强的适应能力，适用于微弱振动信号的解调。仿真结果和现场实验数据证明该方法切实有效，运算量小，利用现场数据解调出的相位信号相关性达到0.992 0；互相关计算显示其在总长43 km的管道上的定位误差为81.2 m，有效提高了系统性能。关键词：马赫-曾德尔干涉仪;信号解调;3×3耦合器;椭圆拟合;最小二乘法- 56
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发布时间：2020-08-13 -
测量空间相机像移量的联合变换相关器的改进
摘要：针对基于光学手段实现的传统光学联合变换相关器不适应空间环境等问题，对传统相关器进行了改进和试验验证。首先，采用完全电子学手段替代采用光学器件实现的方法解决了联合变换相关器适应空间环境的问题。然后，在联合变换过程中加入自相关运算，消除了零级衍射峰的影响，并引入过采样离散傅里叶变换方法提升相关器的测量精度。最后，采用精密直线导轨开展静态测试试验，验证了改进后的联合变换相关器的性能。静态测试试验表明：对于亚像元级的微小位移量，改进后的联合变换相关器测量误差均方根（RMS）值为0.22 pixel。改进后的联合变换相关器显示了良好的空间环境适应性和较好的可实现性，其精度基本满足空间相机像移补偿的要求。关键词：遥感相机;像移量测量;联合变换相关;亚像元;离散傅里叶变换- 52
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发布时间：2020-08-13 -
偏振导航传感器测角误差分析与补偿
摘要：借鉴沙漠蚂蚁等昆虫利用天空偏振模式进行导航的方法，设计了偏振传感器来获取导航系统的航向角。为提高偏振传感器的测角精度，研究了影响偏振传感器测角精度的误差因素与补偿方法。讨论了如何利用偏振传感器从天空偏振模式中提取偏振方位角信息的方法，分析了影响偏振测角精度的主要误差因素，建立了偏振传感器的测角误差模型。根据测角误差模型，推导了偏振方位角的解算方法，并利用最小二乘算法，通过估算模型的误差参数值间接补偿测角误差。最后，采用提出的误差补偿算法在晴朗天气下进行了实验测试。测试结果表明：误差补偿后测角精度得到明显提高，约为0.17°（3σ）。实验结果验证了提出的误差补偿算法可以实现对角度误差的有效补偿。关键词：偏振光导航;偏振传感器;偏振模式;最小二乘法;角度测量;误差补偿- 42
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发布时间：2020-08-13 -
基于十字单元的可调谐互补屏频率选择表面
摘要：为实现频率选择表面（FSS）工作频点的可调谐，将环型孔径FSS负载分离后形成感性表面与容性表面，利用两者之间的耦合机制设计了一种互补屏FSS。建立了互补屏FSS等效电路模型，定性分析了它的变频机理。采用耦合积分方程法计算了负载贴片旋转角，耦合电介质厚度和相对介电常数对互补屏传输特性的影响。利用镀膜与光刻方法在耦合电介质两侧制备容性表面与感性表面，并用自由空间法测试250 mm×250 mm样件的传输特性。计算与测试结果均表明：当十字贴片从0°旋转至10°，互补屏FSS的谐振频点会从18.2 GHz向低频漂移至14.8 GHz。当耦合电介质的物理厚度从0.1 mm变化到1 mm时，互补屏FSS的容性表面和感性表面之间的耦合效应逐渐消失。耦合电介质相对介电常数增加使互补屏间的耦合增强，其工作频点向低频漂移。实验显示：随着负载贴片旋转角的变化，互补屏FSS能够实现主动变频功能，为设计和制备主动FSS提供借鉴。关键词：互补屏频率选择表面;耦合机制;容性表面;感性表面- 65
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发布时间：2020-08-13 -
双臂对称性对压缩传感用于关联成像重构的影响
摘要：根据压缩传感理论和关联成像模型，将压缩传感理论应用于关联成像中，实现了传统的双臂关联成像的压缩传感重构。通过仿真实验验证了压缩传感用于关联成像的可行性，以峰值信噪比（PSNR）为衡量指标，分别对压缩传感和传统关联算法的重构图像质量进行了量化。仿真实验表明，压缩传感和关联算法的重构效果均随测量次数的增加而变优，在相同的测量次数下，压缩传感在关联成像中的重构图像的PSNR比传统的关联重构图像高20 dB以上。将压缩传感用于实际双臂关联成像的实验结果表明，压缩传感可以实现双臂关联成像装置的图像重构，但其重构质量很难优于传统关联算法的重构。针对这一实际实验与仿真实验似乎相矛盾的特殊现象，从双臂对称性的角度进行了合理解释，并利用实验中实际的散斑场对该现象进行了验证，最后提出了解决方案。关键词：关联成像;双臂关联成像装置;双臂对称;压缩传感;稀疏表示;图像重构- 44
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发布时间：2020-08-13 -
激光扫描共聚焦光谱成像系统
摘要：在激光扫描共聚焦显微成像技术基础上引入了光谱成像技术以便区分生物组织中的不同荧光成分。采用分光棱镜对荧光进行光谱展开，在光谱谱面处设置两个可移动缝片形成出射狭缝，两个步进电机带动安装其上的两个缝片设置系统在整个工作波长（400~700 nm）内的光谱带宽，其最小光谱带宽优于5 nm。用488 nm激光和低压汞灯实际测量了几条谱线对应的狭缝位置并和理论值做了比较，结果显示实际狭缝位置和理论值的差值均小于0.1 mm。在全光谱和50 μm出射狭缝（对应2.5 nm光谱带宽）对老鼠肾脏组织进行了共聚焦光谱成像实验，获得了老鼠肾脏组织中DAPI标定的细胞核图像和Alexa Fluor®488标定的肾脏小球曲管图像，实现了对老鼠肾脏组织不同成分的区分。实验结果表明：提出的系统能够进行共聚焦光谱成像，扩大了共聚焦显微镜的适用范围。关键词：激光扫描共聚焦显微镜;光谱成像;荧光;分光棱镜- 69
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发布时间：2020-08-13 -
红外多目标复合仿真光学系统设计
摘要：基于透射式复合投影以及微透镜阵列扩束设计了适用于1~3 μm和3~5 μm波段的红外多目标复合模拟器的光学系统。该模拟器的干扰光路采用透射式复合投影并利用微透镜阵列完成扩束。此外，采用前无焦系统和后聚焦镜组结合的方式，通过在平行光路中引入平面耦合镜，实现了目标和干扰光路共用一套投影系统。设计过程对目标光学系统、干扰光学系统和主投影光学系统分开优化，之后对系统进行整体优化。该系统入瞳距为200 mm，视场为±4°，全视场调制传递函数（MTF）在20 lp/mm时大于0.6，接近衍射极限。文中分析了加工装调完成后光学系统的实测MTF数据，结果表明，MTF在20 lp/mm时大于0.3，完全满足应用技术指标。该系统已成功应用于新型红外目标模拟器，对未来红外仿真光学系统的设计有参考意义。关键词：红外目标模拟器;微透镜阵列;仿真光学系统;光学设计;多目标- 69
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用于光束整形的表面等离子体双光栅结构
摘要：为了对双边布拉格反射波导半导体激光器的远场双瓣特性进行整形，使之合并成为单瓣出光远场，在布拉格反射波导的出光腔面上制作了表面等离子体双光栅结构。利用Au-SiO2光栅结构对表面等离子体的耦合效应和表面等离子体的透射增强现象将双瓣远场耦合成为单瓣出射，然后通过Au-Si3N4光栅结构将透射的表面等离子体耦合成为光子进行准直出射，最终得到单瓣准直的远场光斑。计算结果表明：当Au-SiO2光栅厚度为50 nm，填充因子为0.5，光栅周期为350 nm；Au-Si3N4光栅厚度为70 nm，填充因子为0.5，光栅周期为660 nm时可以得到远场发散角压缩到6.1°的整形光斑，比没有双光栅结构的发散角缩小了3.6倍；其远场透射光功率达到了模式光源的62%，是没有双光栅结构单瓣出射功率的1.59倍；同时腔面反射率也降低到12.4%，是没有双光栅结构的0.53倍。结果显示，提出的双光栅结构优化了布拉格反射波导半导体激光器的出光远场特性。关键词：半导体激光器;布拉格反射波导;表面等离子体;光束整形;双光栅结构- 48
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发布时间：2020-08-13 -
神光-Ⅲ主机近背向散射诊断光学系统设计
摘要：通过分析激光聚变中近背向散射光的收集方式，提出了采用金属环形椭球镜有效收集神光-Ⅲ主机装置的近背向散射光并测量其能量份额的方法。给出了椭球镜参数的设计方法。大口径椭球镜采用4块拼接形式，便于进入入口为φ1.0 m的靶室；镜体采用超硬铝材、三角形减重槽设计，实现了高稳定性、轻量化。介绍了光学系统总体结构，并对其集光效果进行了模拟评价。分析了镜体设计中的关键问题，并提出采用点激光器阵列进行中间过程面形监测的方法，避免了工序反复。分析了系统杂散光来源，采取了物理隔离、光学吸收和滤光片过滤等措施降低杂散光干扰。研制的环形椭球镜外径为1 200 mm，内径为400 mm，最大离轴量为1 411 mm，最大厚度为67 mm，重量约为48 kg；对5 mm的物方视场，像点光斑大小约为φ1.2 mm。实验显示该近背向散射诊断系统可满足神光-Ⅲ主机背向散射诊断的需求。关键词：激光聚变;激光诊断;光学设计;近背向散射;椭球镜;金属反射镜;点光源- 48
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发布时间：2020-08-13 -
用于工业三维点测量的接触式光学探针
摘要：为了快速、准确地获得大尺寸工业产品或带有深槽孔工件的关键点三维坐标，本文基于工业近景摄影测量理论、立体视觉技术等，研究并实现了两种工业便携式、接触式光学探针测量系统。研究了测量系统涉及的探针设计、探针标定以及三维点解算等关键技术，设计了点阵式和手持相机式两种适用于不同工业场合的工业探针。针对点阵式探针的测量，提出了一种用于解算探针坐标系与世界坐标系相对关系的点云匹配方法。此外，采用拟合虚拟球的方法准确标定了两种探针的内部参数。最后，通过对比标准球与三坐标测量机的测量结果，得到系统的测量精度可达0.1 mm/m。该精度满足一般大、中型工件的三维点测量精度标准。关键词：光学探针;点阵式探针;手持相机式探针;点云匹配;探针标定- 90
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激光投线仪的多维校准系统
摘要：分析了激光投线仪的工作原理及其基准误差的产生原因。基于此，提出了一种新型的激光投线仪校准系统，用于弥补传统校准方式占地面积大、精度值难以量化、人为因素影响较大等缺点。研究了一套采用平行光管角度测量与机器视觉测量结合的检测方法，通过检测激光线的直线度和垂直度来实现仪器的校准。该系统由8个采样管构成数据采集平台，从而达到多维校准的要求。采用VC++与Matlab混合编程的方式编写系统软件，通过调用动态链接库的方式使两种语言相结合。实验测试表明，该系统操作简单，效率高；与传统校准方式相比，其节约了场地长度，整个系统的占用空间控制在8 m3以内；另外，系统提高了校准精度，其水平线和铅垂线平均精度可以达到±0.2 mm/5 m，正交线精度可以达到±23"。关键词：激光投线仪;校准系统;平行光管;机器视觉;混合编程- 64
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发布时间：2020-08-13 -
利用标记分水岭法实现夏克-哈特曼波前传感器质心探测
摘要：由于光斑质心探测精度直接影响夏克-哈特曼波前传感器的波前探测精度，本文提出基于标记分水岭法来确定阵列光斑质心探测窗口。首先，对采集到的夏克-哈特曼阵列光斑图像进行平滑并求出其梯度图像；然后，利用大津（OTSU）阈值法在求出的梯度图像上进行目标标记，最后在标记过的梯度图像上进行分水岭分割，确定出每个光斑的探测窗口。由于该方法确定的质心探测窗口是对光斑实际大小进行匹配，故有效地抑制了噪声对质心探测的影响。实验结果表明：利用该方法确定光斑探测窗口所计算的质心精确度和稳定性均比传统的在子透镜窗口中计算光斑质心的方法要高。统计多幅图像计算得到的窗口质心标准差的平均值为0.010 9，比传统法计算出的平均值0.073 4提高了6倍，满足哈特曼波前传感器对光斑质心计算稳定性和精确度的要求。关键词：夏克-哈特曼波前传感器;质心探测;探测窗口;标记分水岭法;标准差- 65
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发布时间：2020-08-13
现代应用光学
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硅微谐振式加速度计驱动电路参数优化
摘要：将遗传算法与低频模型相结合，提出了一种快捷的驱动电路设计方法，用于提高低功耗硅微谐振式加速度计模拟驱动电路的瞬态性能，并缩短设计周期。该方法通过对闭环驱动电路模型进行高低频解耦，提取闭环驱动电路的低频模型；将提取的低频模型与遗传算法相结合，给出完整的优化方法，得到了满足各项实际约束的最优电路参数。针对某型硅微谐振式加速度计，建立了SIMULINK低频仿真模型，根据实际情况制定了约束条件。应用该方法求出了系统启动速度最快的PI控制器的参数，并对其进行了实验验证。起振实验结果表明，采用优化参数可使超调量小于50%，相位误差小于5°，1%调节时间从优化前的0.42 s减少到优化后的0.19 s，实验与仿真误差小于5%。得到的结果证明提出的方法正确有效，具有可实施性。关键词：硅微谐振式加速度计;闭环驱动;遗传算法;非线性系统- 66
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发布时间：2020-08-13 -
无人机滑跑线性化建模与增益调节纠偏控制
摘要：由于无人机的三轮滑跑阶段是整个飞行过程最容易出问题的环节，本文对前三点式无人机地面滑跑进行建模并研究了前轮转向纠偏控制方法。首先，分析了无人机三轮滑跑阶段的受力情况；考虑发动机扭矩、推力偏心及停机角对模型的影响，建立了无人机地面三轮滑跑非线性数学模型；然后，利用小扰动原理在合理简化的前提下将非线性模型线性化，分别推导了前轮转角为输入，偏航角速度、偏航角、侧偏距为输出的传递函数，设计了三回路增益调节前轮转向纠偏控制律；最后，通过滑跑试验进行了验证。试验结果表明：在初始航向偏差为3°，初始侧向位置偏差为0.2 m的情况下，无人机由静止滑行至速度为32 m/s过程中的最大侧偏距为0.3 m，最大偏航角为4.5°，并且对不大于4.6 m/s的侧风干扰有较好的抑制作用，对跑道路况、轮胎侧偏刚度及轮胎弹性等不确定因素的影响有较好的鲁棒性。该设计已成功应用于某无人机。关键词：无人机;滑跑建模;模型线性化;前轮转向纠偏;增益调节控制;滑跑试验- 68
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发布时间：2020-08-13 -
晶体硅光伏电池的标准测试
摘要：为了建立太阳电池的标准测试规范流程，对影响太阳电池标准测试不确定度的各类因素进行了评价和筛选。基于太阳光模拟器、分光感度仪、IV测试仪、标准太阳电池等二级太阳电池标准测试设备与器件，开展了多项标准测试技术的研究。对电池测量过程中太阳电池模拟光源的空间不均匀性、时间不稳定性、仪器测量重复性、扫描方向导致的不确定度、电池反射率和透射率、面积测量不确定度、量子效率等各类影响因素进行了测量，给出了高效晶体硅太阳电池测量不确定度的测量流程，最终导出在现有实验室测量条件下的扩展测量不确定度为±3.94%。基于对常规太阳电池测试数据的比较，对常规电池测量方法进行了改进，将测量不确定度降低了0.19%。最后，提出了双面电池的精确测试流程和方法，为其它双面光电池的标准化测量提供了借鉴。关键词：硅太阳电池;测试标准;太阳光模拟器;测量不确定度- 71
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发布时间：2020-08-13 -
基于三维激光扫描的移动大尺寸圆柱体工件长度快速检测系统
摘要：针对移动大尺寸圆柱体工件两端的表面形貌特征，利用三维激光扫描仪设计了一种快速长度在线检测系统。基于三维激光扫描仪可在短时间内连续高速获取大量测量数据的特点，系统在虚拟环境下构造出自适应测量形状的虚拟测量基准面，采用二维误差分离方法抑制系统误差和运动误差，识别定位工件两端端点并计算其到虚拟测量基准面的位移；最后结合多传感器融合模型获取三维位移场测量结果。另外，测试前用三坐标测量机精密测量过的相似形状圆柱体工件对系统进行了校准修正。为验证系统的精度和可靠性，分别对处于（1 000±25）mm内不同直径的圆柱体工件进行了长度检测。结果显示，系统可在1 s完成直径约为50 mm工件的长度测量，检测分辨力为0.010 mm，检测精度达到0.050 mm。实际运行结果表明，该设计系统具有高自动性和高效性，可满足在线生产中对大尺寸工件控制和检测的要求。关键词：大尺寸圆柱体工件;激光扫描;虚拟测量基准面;三维位移场测量;多传感器融合- 37
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发布时间：2020-08-13 -
针-柱结构敞开式离子源和微型气泵集成系统的放电特性
摘要：设计了一种小型针-柱电晕放电结构，实现了敞开式离子源和微型气泵的系统集成。通过数码相机拍摄的针-柱放电图像和示波器记录的特里切尔放电波形，验证了该针-柱结构在没有外界气流、间隙仅2 mm的实验条件下实现了稳定的电晕放电。对针-柱结构电晕放电特性进行了研究，讨论了放电电压、镇流电阻、柱直径大小、针-柱间距等参数对针-柱电晕放电的影响，通过伏安特性曲线分析得出在放电电压为-3 800 V、镇流电阻为10 MΩ、柱直径为4 mm、间距为2 mm的实验条件下，产生的离子风气体流速最大（采用testo 405-V1风速仪测得最大气体流速为1.15 m/s）。该针-柱结构可采用微机电系统（MEMS）工艺加工实现，有望应用于质谱仪、离子迁移谱、高场非对称波形离子迁移谱等便携式分析仪器中，实现敞开式离子源和微型气泵的双重功能。关键词：敞开式离子源;微型气泵;针-柱结构;电晕放电;便携式分析仪器- 42
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面向结构形状控制的驱动器结构参数与控制电压协同优化设计
摘要：飞机翼面结构形状的控制设计是提高飞机性能的关键技术。本文以压电纤维复合薄膜（Microfiber Composite，MFC）为驱动器，研究了协同优化设计MFC驱动器结构参数与控制电压以使飞机翼面结构具有理想形状的方法。以MFC的电极宽度、电极指间距、MFC厚度、压电陶瓷体积分数等驱动器结构参数以及控制电压为设计变量，以控制偏差最小为优化目标，以驱动器的击穿电压为约束，建立了驱动器结构参数与控制电压协同优化设计的模型；通过分析MFC驱动器结构参数对驱动性能的影响，给出了最优的驱动器结构参数；针对类似机翼翼面形状的平板扭转型面，给出了驱动器结构参数与控制电压协同的最优控制设计。设计结果表明：对于扭转变形，多个不同控制电压控制的型面均方差是相同控制电压控制均方差的45%，分析结果验证了本文所建立的协同优化设计方法的有效性。关键词：压电纤维复合薄膜;飞机翼面;协同优化;控制参数- 67
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采用柔性铰链的快速反射镜设计
摘要：根据激光发射系统对快速反射镜发射方向精度的需求，提出了一种新型快速反射镜设计方案。该方案以柔性铰链为运动传递元件，采用直线音圈电机驱动，并用高精度光栅测微仪实现位置闭环控制。首先，介绍了反射镜工作原理及驱动方式，选择了系统的驱动元件和测角元件，并对柔性铰链结构进行设计。在研究其刚度特性的基础上，采用序列二次规划法优化了铰链关键尺寸。然后，建立了驱动组件的简化模型，并利用理论公式和有限元分析软件分别计算驱动组件的转角精度。最后，使用测角元件及自准直平行光管测量了快速反射镜的转角精度。实验结果表明：所设计的快速反射镜装置工作稳定、结构可靠，对发射光束的控制精度能达到0.95"，满足激光发射系统实时控制光束发射方向的精度要求。关键词：快速反射镜;音圈电机;柔性铰链;传动精度- 65
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电纺氧化锌纳米纤维乙醇、丙酮气敏传感器
摘要：研究了用静电纺丝技术制造微纳气体传感器的方法。采用PVP（Polyvinyl Pyrrolidone）/Zn（Ac）2和PEO（Polyoxyethylene ）/Zn（Ac）2两种混合溶液作为原料，通过电纺喷射获得了复合前驱体纳米纤维；在空气中加热至500℃去除聚合物，并使Zn（Ac）2受热分解、氧化获得ZnO纳米纤维；利用X射线衍射术（XRD）对ZnO纳米纤维进行成分表征；最后实验检测了ZnO纳米纤维气敏传感器对乙醇和丙酮气体的传感特性。结果显示：以PVP/Zn（Ac）2、PEO/Zn（Ac）2复合纳米纤维为前驱体制得的ZnO纳米纤维平均直径分别为308 nm、184 nm；这种纳米纤维经加热氧化可获得高纯度ZnO纳米纤维；在室温条件ZnO纳米纤维气敏传感器对目标气体传感响应时间小于1 s，其传感灵敏值随着气体浓度的增大而升高。另外，以PEO/Zn（Ac）2为前驱体制得的ZnO纳米纤维表面粗糙、比表面积大，具有较高的传感灵敏值，对于乙醇、丙酮两种目标气体的最高灵敏值分别为215.69和118.13。得到的结果表明：静电纺丝技术的引入为半导体微纳气敏传感器的集成制造提供了有效的方法。关键词：静电纺丝;纳米纤维;氧化锌;气体传感器;高温氧化- 43
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静电诱导自组装碳纳米管薄膜的结构表征与电学性能
摘要：为了给高性能微机电系统（MEMS）薄膜器件提供复合功能薄膜材料，本文将功能化碳纳米管与聚电解质溶液交互沉积技术用于静电诱导逐层自组装碳纳米管/聚合物薄膜。对薄膜制备及其性能的可调控性进行了表征和测试。扫描电镜显微（SEM）形貌观察表明，碳纳米管与聚合物分子链结合致密，形成了质地均匀的随机碳纳米管网络结构。拉曼光谱结果表明，碳纳米管在径向呼吸、缺陷振动、拉伸振动等模式下的指纹特征光谱证实了碳纳米管的有效组装和加载。用石英晶体微天平（QCM）对碳纳米管/聚合物薄膜自组装过程进行了在线实时监测，结果揭示了沉积薄膜厚度和薄膜结构的可调控性。当聚电解质层数由0递增到5时，子层膜厚由6.31 nm增加到111.59 nm，碳纳米管加载体积比由72.35 %减小到14.78 %。此外，基于I-V表征研究了碳纳米管填充体积比及其薄膜厚度对碳纳米管/聚合物薄膜电学特性的影响，为实现碳纳米管/聚合物薄膜电学性能的可调节性提供了实验及理论依据。关键词：碳纳米管;静电诱导;可控自组装;薄膜表征;电学性能- 63
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基于多级半带滤波器的超声相控阵聚焦延时
摘要：建立了基于多级半带滤波器的超声相控阵聚焦延时系统，以提高仪器延时精度。研究了聚焦延时原理与延时算法的实现。首先，采用内插滤波的方法，设计了半带滤波器作为内插滤波器；然后，对8倍内插结构进行了改进，通过多级半带内插滤波器合成技术，将合成后的滤波器分解为8个子滤波器进行同时滤波，使得内插与多相分解可同时进行。最后，通过对延时算法的仿真分析与现场可编程门阵列（FPGA）的实现，验证了此算法的可行性。实验结果表明：该系统在100 MHz采样率的条件下可实现1.25 ns延时精度，与同性能普通有限长单位冲激响应（FIR）内插滤波器相比，运算量最大可减少21.4%。此方案在运算量、计算速度、分辨率、性价比方面均具有较大优势，非常适合于实时性强、精度高的聚焦延时算法的实现。关键词：超声相控阵;延时精度;半带滤波器;滤波器合成;多相内插;现场可编程门阵列- 80
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光电着舰引导系统的视轴稳定
摘要：为了提高光电着舰引导系统的视轴跟踪精度和指向精度，研究了如何隔离舰体运动对光电经纬仪视轴的扰动。对舰载光电经纬仪进行建模，引入了各种扰动力矩。设计了超前滞后控制、线性二次高斯恢复（LQG/LTR）控制和H∞控制3种控制器来提高系统的性能和稳定性，详细研究了Kalman滤波和H∞加权矩阵的设计。在Matlab中对设计的控制方法进行仿真，并在摇摆台进行了试验验证。在时域、频域响应和稳定性能等方面对3种控制器进行的对比实验表明，LQG/LTR控制和H∞控制结果满足设计指标要求，稳定隔离度达到50 dB以上。基于提出的方法，经纬仪可以对着舰飞机进行稳定跟踪和精确轨迹测量，实现着舰引导。关键词：着舰引导;视轴稳定;线性二次高斯恢复(LQG/LTR)控制;H∞控制- 84
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发布时间：2020-08-13 -
基于轴向振动配粉技术的药物微量配粉
摘要：针对轴向振动配粉技术在植入式可降解缓释给药系统微量配粉中的应用，搭建了轴向振动配粉实验台。采用毛细玻璃漏斗和圆锥状塑料吸头作为配粉管，研究两者稳定流动的振动幅值区间，讨论了振动频率对稳定出粉起始幅值、振动幅值对出粉流量及出粉流量稳定性的影响。结果表明：采用圆锥状塑料吸头作为配粉管的配粉过程更稳定，并且具有良好的抗堵性能；振动频率越大，实现配粉需要的起始激振幅度越小；在固定激振频率下，出粉流量随振幅先增大后减小，且管体中粉体处于充分流动状态；在激振频率为50 Hz，150 Hz，振幅为200~300 μm和35~50 μm时，可以得到最大且不随振幅改变的稳定出粉流量。实验论证了轴向振动配粉技术可以实现微量粉体的稳定、精确配给。关键词：药物粉体;微量配粉;流量;振动频率- 62
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发布时间：2020-08-13 -
硅微振梁式加速度计的温度检测及闭环控制
摘要：为实现硅微振梁式加速度计系统芯片级温度测量及系统闭环，本文针对系统的非惯性结构部分提出了微机电系统（MEMS）结构温度的芯片级测量和闭环控制优化方法。与以温控罩的温度作为参考温度的方法不同，该方法提出了供芯片级温度测量的MEMS结构、工艺及配套电路，通过直接测量MEMS结构的温度完成实时补偿，从而提高了测量精度。该方法在闭环控制的前置电路中应用了二极管电容解调电路，与前期使用的跨阻或者跨导方案相比，对器件的要求从pA级降至nA级。运用时域方法求得二极管电路方案的解析解，提出参数优化设计方法，保证了电容测量输入与输出间的线性关系。最后，采用二阶最优模型对闭环控制的后置电路进行参数优化，控制了上电时间。配合硅微振梁式加速度计原理样机进行了实验。实验结果表明，温度补偿后的零偏稳定性为52.0 μg，标度因子稳定性为16.0×10-6，分辨率为34.9 μg。这些结果验证了本文理论的可行性。关键词：硅微振梁式加速度计;温度测量;电容测量;闭环控制- 79
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基于预测函数控制和扰动观测器的永磁同步电机速度控制
摘要：设计了基于预测函数控制的速度控制器，以减小永磁同步电机的转矩波动，提高电机的转速控制精度。针对因外部扰动因素引起的控制器跟踪性能下降问题，设计了基于预测函数控制和扰动观测器的双环控制器；通过扰动观测器估计系统扰动，并据此产生转矩电流补偿量对控制量进行前馈修正，从而实现扰动的抑制。实验结果显示：当电机从静止跟踪到设定600 r/min转速时，系统没有超调，稳态精度为2 r/min；当电机以600 r/min稳速运行并加入1.6 N·m的转矩扰动时，转速最大波动为5 r/min。与传统的PI控制算法相比，所设计的控制器使转速波动减小了4.2% 。仿真分析和实验数据表明：基于预测函数控制和干扰观测器的控制器能够有效地抑制扰动，提高系统转速跟踪精度。关键词：永磁同步电机;预测函数控制;扰动观测器;速度控制- 56
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发布时间：2020-08-13
微纳技术与精密机械
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评定二次曲面轮廓度误差的角度分割逼近法
摘要：提出一种基于角度分割逼近算法和粒子群算法计算二次曲面轮廓度误差的最小区域评定方法来准确评定任意位姿的二次曲面轮廓度误差。首先，给出了能够实现角度分割逼近算法的两条前提假设；基于假设，给出了更合理的算法网格布局递推公式。根据曲面轮廓度误差的定义建立了误差评定的精确模型。然后，采用角度分割逼近法求取测点到拟合二次曲面轮廓的距离；通过粒子群算法，以所有的点与二次曲面距离中的最大值为适应度值拟合出二次曲面一般方程，并实现被测轮廓与理论轮廓位置的匹配。最后，采用上述方法对某抛物面天线进行了评定，并与参数分割法、SMX-Insight和最小二乘法进行比较。实验结果显示：该方法测得的天线轮廓度误差为0.659 8 mm，比其它方法准确。结论表明：基于角度分割算法能够更有效地评定任意位姿二次曲面轮廓度误差，计算准确、迅速，而且无需确定待分割区域。关键词：二次曲面;曲面轮廓度误差;角度分割法逼近;最小区域法- 50
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基于字典描述向量的实时图像配准
摘要：针对传统的特征向量计算方法复杂度高、耗时长、占用内存多等缺点，提出了一种基于字典描述向量的图像配准方法。该算法采用K-奇异值分解（K-SVD）方法生成字典，通过比较特征点临近区域图像与字典中基底图像的相似性得到特征描述向量，从而降低了描述向量的计算复杂度，提高了算法的实时性。实施该算法时，首先通过随机KD树算法对参考图像和待配准图像的特征点进行匹配，然后使用经典随机抽样一致性（RANSAC）算法剔除误匹配点对，最后应用最小二乘法对得到的匹配点对进行参数估计，从而得到两幅待配准图像的空间几何变换关系。实验表明结果，本文提出的描述向量计算方法降低了描述向量的存储空间，加快了特征匹配的速度，可在保证配准准确度的前提下实现配准过程。关键词：字典;特征描述向量;图像配准;K-奇异值分解算法- 63
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齿轮视觉检测中的尺度与方向相关性联合降噪
摘要：建立了小模数齿轮视觉检测系统用于小模数齿轮的工业测量。针对该系统在标定过程对图像降噪的需求，提出了基于Curvelet变换的域尺度与方向相关性联合降噪算法。首先，介绍了Curvelet变换的原理和过程；根据齿轮自身的对称性特点提出了利用尺度和方向间相关性的联合降噪算法，并计算了对应的参数。然后，比较了不同噪声情况下该算法的处理效果。最后，同3种常见的降噪算法（高斯滤波，小波降噪，普通的Curvelet阈值降噪）进行了比较。结果显示：经相关性联合降噪算法处理后的峰值信噪比（PSNR）优于高斯滤波6 db以上；优于小波变换降噪3 db以上；优于阈值降噪8 db以上。处理结果表明：提出的算法可较好地保持齿轮边缘效果，可满足小模数齿轮视觉检测系统后期摄像机自标定图像质量的需求。关键词：小模数齿轮;视觉检测;Curvelet变换;降噪;尺度间相关性;方向相关性;摄像机自标定- 78
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基于显著性分析的立体图像视觉舒适度预测
摘要：分析了传统的基于全局视差特性的像视觉舒适度评价模型的不足，提出了一种基于显著性分析的立体图像视觉舒适度客观预测模型。首先，根据人眼的立体视觉注意力机制，利用协方差矩阵和Sigma特征集分别计算得到图像显著图和深度显著图，并组合得到立体显著图；然后，利用立体显著图加权得到立体图像视觉舒适度感知特征；最后，通过支持向量回归构造视觉舒适度预测函数，建立视觉舒适度感知特征和主观评价值之间的关系模型，从而预测得到立体图像视觉舒适度客观评价值。实验结果表明，本文评价方法的Pearson线性相关系数值达到0.79，Spearman等级相关系数值达到0.81，表明提出的模型更加符合人眼视觉特性，得到的客观评价值与主观感知具有较高的一致性。关键词：立体图像;视觉舒适度评价;视觉显著图;协方差矩阵;Sigma特征集- 54
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基于双隐含层BP算法的激光主动成像识别系统
摘要：在传统激光主动成像系统的基础上，结合目标识别技术搭建了一个激光主动成像识别系统实验平台，用于研究激光主动成像后的目标识别。介绍了实验平台的工作原理，基于Hu矩特征的双隐含层BP神经网络算法以及实验处理流程和实验结果。特征量由7个不变Hu矩构成，通过240张原始目标样本库对由136个权值系数构成的双隐含层BP神经网络算法进行了训练。利用训练好的双隐含层BP算法对黑夜条件下远处的运动目标——43式冲锋模具枪进行了实验研究，成功获得了清晰的红外激光主动成像效果。实验显示对450 m处2 740帧和550 m处2 420帧激光主动成像图像的统计识别率达到了68.87%和72.11%，其中旋转变换下的统计识别率可达80.05%和84%，好于仿射变换的识别效果。关键词：激光主动成像;图像识别系统;Hu矩特征量;双隐含层BP算法;目标识别率- 49
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发布时间：2020-08-13 -
近似稀疏正则化的红外图像超分辨率重建
摘要：针对红外图像分辨率低、受噪声影响严重等问题，引入近似稀疏正则化和K-奇异值分解（K-SVD）法，提出了基于近似稀疏表示模型的红外图像超分辨率重建方法。考虑到红外图像受到噪声污染，首先建立了稳健近似稀疏表示模型。针对已有字典训练方法时间消耗巨大问题，在假定低分辨率图像空间和高分辨率图像空间具有相似流形的前提下，联合近似稀疏表示模型和K-SVD方法，提出近似稀疏约束的基于K-SVD的高低分辨率字典对学习算法。最后，通过高分辨字典和对应的红外图像群稀疏表示系数重建得到高分辨率的红外图像。为了验证算法的性能，对提出的算法与稀疏性正则化的图像超分辨模型（SRSR）和Zeyde算法进行了实验比较。结果表明，本文方法能够较好地减少红外图像中的噪声，同时获得更好的超分辨率重建效果。关键词：红外图像;超分辨率重建;近似稀疏;字典学习- 74
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发布时间：2020-08-13 -
应用正则化影响函数扩散模型的星图噪声滤波
摘要：由于恒星星图的噪声滤波对保持星点的边缘细节要求较高，本文以塔基（Tukey）扩散模型与改善的PM（Perona-Malik）模型为基础，提出了一种基于正则化影响函数扩散模型的星图噪声滤波方法。该方法通过导数算子提取边界点集，利用图像中原始像素和噪声像素的空间分布特性对图像进行噪声滤波处理，并通过给定边界条件恢复图像边缘。由于避免了方差稳定（VS）变换，该方法可以直接处理高斯噪声。对普通图像和添加高斯噪声星图进行了仿真测试，并与普通扩散函数算法进行了比较。实验结果表明：提出的算法表现出了较好的噪声滤波能力，同时有效地保持了特征图像的边缘。相对于普通扩散函数算法其平均绝对误差降低了13.6%，峰值信噪比平均提高了6.1%。得到的数据显示，本方法的滤波能力优于普通的扩散函数方法，特别适用于星图的噪声滤波处理。关键词：星图;噪声滤波;正则化;影响函数;扩散函数- 64
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在线加权多示例学习实时目标跟踪
摘要：由于原始多示例学习（MIL）跟踪的分类效果和实时性较差，提出了一种加权在线多示例学习跟踪算法。首先，根据所选定目标位置分别采集目标和背景样本集，通过对所采集样本集特征的在线学习生成弱分类器集；然后，用计算样本集对数似然函数的最大值的方法从弱分类器集中选择K个最优的弱分类器，给每个弱分类器赋不同的权值，生成一个强分类器；最后，在新的一帧中抽取目标和背景样本，用生成的强分类器对待分类的目标和背景进行分类；分类结果映射成概率值，概率最大样本的位置就是所要跟踪目标的位置。对不同视频序列的测试结果表明，该跟踪算法的跟踪正确率达93%，目标大小为43 pixel×36 pixel时处理帧率约为25 frame/s。与原始多示例学习跟踪算法相比，本算法的实时性提高了67%。关键词：多示例学习;目标跟踪;分类器;权值- 53
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应用相关近邻局部线性嵌入算法的高光谱遥感影像分类
摘要：传统的局部线性嵌入（LLE）算法需用欧氏距离度量近邻，但欧氏距离只表示两点间的直线距离，在高维空间中不一定能反映数据间的真实空间分布，导致近邻选取不稳定。针对此问题，本文提出了相关近邻（CN）LLE（CN-LLE）和相关最近邻分类（CNN）算法。提出的算法首先利用相关系数度量数据间的近邻，实现更准确的局部重构，提取鉴别特征；然后用CNN对低维嵌入特征进行分类。在KSC和Indian Pine高光谱遥感数据集上的地物分类实验结果表明：本文提出的CN-LLE+CNN算法比LLE、LLE+CNN和CN-LLE等算法的总分类精度提升了2.11%~11.55%，Kappa系数提升了0.026~0.143。由于该算法增加了近邻为同类的概率，便于更有效地提取同类数据的鉴别特征，且有更好的稳定性，故能更有效地实现高光谱遥感数据的地物分类。关键词：高光谱影像分类;流形学习;局部线性嵌入;相关近邻;相关最近邻分类器- 55
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基于模糊层次分析的足楦匹配算法在鞋楦定制中的应用
摘要：针对现有的鞋楦定制技术没有完善的足楦匹配算法及衡量指标等问题，提出了基于模糊层次分析法（FAHP）的足楦匹配算法，通过计算鞋楦数据库中的鞋楦与足部的匹配值来决定技术路径。首先，提取8个足楦特征参数作为FAHP的准则来衡量足楦匹配情况，采用三角模糊数计算足楦特征参数的匹配值；根据各特征参数对成鞋舒适性的影响以及变形设计难易程度建立成对比较阵。然后，通过求解最大特征值的特征向量得到各参数对足楦匹配度值的权重。最后，计算出足楦匹配度值并选择技术路径。给出了足楦匹配度值计算实例，求解得到其值为0.69。结合阈值0.50、鞋楦定制标准0.80，说明该鞋楦与足部不完全匹配，但可作为变形修改设计的基础母楦。该方法可将基于鞋楦数据库的鞋楦定制与直接基于足部3D形貌的无实体楦造型等方法结合到一个系统中，提高量足制鞋的效率，降低定制成本。关键词：模糊层次分析法;足楦匹配算法;鞋楦定制;三角模糊数- 49
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新一代视频编码帧内预测模式选择的优化
摘要：提出了一种基于图像相关性和最优模式概率统计的帧内预测优化算法，用于降低视频编码的复杂度。首先，介绍了新一代视频编码标准（HEVC）帧内预测算法中的Angular预测模式、Planar预测模式、LM 预测模式，以及帧内率失真代价最优化（RDO）计算方法。采用绝对误差和（SAD）作为代价函数处理残差，初步筛选得到最佳候选预测模式，然后利用简化率失真代价模型与最有可能预测模式（MPM）判断得到RDO候选预测模式，利用RDO得到最佳预测模式。最后在HEVC测试模型HM4.0的平台上对改进算法进行验证，并采用不同分辨率的视频序列进行了仿真实验。实验结果表明：在峰值信噪比（PSNR）影响可以忽略的情况下（平均降低0.06 dB），提出的帧内预测优化算法比HM4.0中方法的压缩时间平均减少了30.18%，码率平均增加了1.97%。与文献[20]提出的帧内预测编码方法相比，其复杂度平均减少了11.45%，码率平均减少了0.46%，PSNR平均增加了0.01 dB，压缩性能均有所提高。关键词：视频压缩;帧内预测;视频编码标准;预测模式;率失真代价最优化- 59
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基于相对相位直方图的数字表面模型数据与遥感图像配准
摘要：针对数字表面模型（DSM）数据与可见光遥感图像信息融合的实际需求，提出了一种基于一致点漂移算法（CPD）与相对相位直方图（RPH）的两级配准策略来实现上述数据与图像的自动配准。首先，利用Canny算子提取图像边缘，将边缘点作为CPD算法的输入，实现两幅图像的粗匹配，从而得到初始对应点集并估算尺度因子；然后，定义了一种鲁棒且具有旋转、平移不变性的区域变化信息描述子-RPH，其在粗匹配结果的保障下还可以实现尺度不变性；最后，根据尺度因子在两幅图像中分别定义圆环模板，并利用RPH测度完成DSM图像与可见光遥感图像精配准。实验结果显示，使用RPH测度进行精配准后，基于CPD算法的粗匹配结果得到了有效校正，在数据自身存在透视失真情况下，算法配准误差约为2 pixel，能够满足DSM数据与遥感图像信息融合的需求。关键词：数字表面模型;遥感图像;相对相位直方图;一致点漂移;图像配准- 40
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发布时间：2020-08-13
信息科学
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