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最新刊期

2016 年第 10 期

现代应用光学

在线图像可视铁谱成像系统的像面照度均匀性
李博,冯松,毛军红
2016, 24(10): 2347-2356. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2347

摘要：为了定量评价在线图像可视铁谱（OLVF）成像系统的像面照度均匀性，建立了一种像面照度模型。以像方参数及放大倍率表征物方视场，将物方视场区域离散化，采用朗伯余弦理论建立入瞳模式的像面照度模型，实现了像面照度的计算与均匀性评价。利用Matlab进行了物面照度仿真分析，确定了OLVF成像系统环形阵列光源的发光二极管（LED）数量，基于像面照度分析确定了最佳成像焦距和放大倍率。计算了油腔通油情况下成像系统中的光能量损耗以及磨粒沉积面的照度分布，建立了油液吸光系数与CCD像面轴上像点照度的关系。结果显示：LED发光强度已知时，仿真计算的像面不均匀度约为5.60%，实际测试的像面不均匀度为8%~9%，满足不均匀度≤10%的要求。开展了磨粒铁谱图像采集实验，结果表明：图像中磨粒清晰可辨，便于图像分割与视觉特征提取。提出的模型可定量描述OLVF成像系统的像面照度，可作为优化系统结构，提高系统成像性能的依据。
关键词：在线图像可视铁谱;成像系统;发光二极管;像面照度均匀性;像面照度模型;像面均匀性评价

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发布时间：2020-07-07
拼接干涉技术在同步辐射领域的发展现状及趋势
刘丁枭,盛伟繁,王秋实,李明
2016, 24(10): 2357-2369. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2357

摘要：针对同步辐射领域光学元件的口径逐渐增大，其面形测量精度的要求已达到纳弧度级的问题，本文研究了该领域先进的面形测量方法——拼接干涉技术，以实现光学元件的高分辨率二维测量。介绍了拼接干涉技术的基本原理，综述了目前同步辐射光学领域常用的面形测量设备——激光光束长程面形仪、高精度自准直纳米测量仪，以及拼接干涉仪的发展历程和特点，比较了它们各自的缺点和优势。最后，分析了拼接干涉涉及的主要误差来源，指出该技术的应用和发展趋势主要有拼接算法的创新，干涉仪测量的快速化，拼接干涉仪的商业化，以及拼接干涉技术与其他科学技术的融合等。
关键词：光学元件;面形检测;拼接干涉术;同步辐射;综述

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发布时间：2020-07-07
太阳辐照度绝对辐射计的光电不等效性修正
唐潇,贾平,王凯,宋宝奇,方伟,王玉鹏
2016, 24(10): 2370-2376. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2370

摘要：针对绝对辐射计光电不等效性来源复杂、实验测量难度大的特点，提出了修正太阳辐照度绝对辐射计（SIAR）光电不等效性的有限元单元法。结合SIAR的测量方法，对真空中辐射计的腔温响应进行了实验测试。基于有限元单元法，建立了与实验腔温度响应相对误差仅为0.14%的有限元模型，对接收腔的温度响应进行了实验测试。测试结果显示：入射光功率为73.8 mW时，接收腔与热沉之间的温度差异约为0.85 K，响应的时间常数为29.8 s。运用建立的有限元模型对SIAR的光电不等效性进行了评估和修正。结果表明：太阳辐照度绝对辐射计的光电不等效性来源主要为不同加热途径和不同加热区域引起的偏差，SIAR的光电不等效性因子N为0.999 621±0.000 004。该修正模型完善了仪器的修正体系，提高了测量精度，为绝对辐射计的发展提供了可靠的数据来源。
关键词：太阳辐照度绝对辐射计;有限元单元法;光电不等效性;温度响应

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发布时间：2020-07-07
温度自动补偿超磁致伸缩材料布拉格光栅光纤电流传感器
杨玉强,杨群,葛伟,张换男
2016, 24(10): 2377-2383. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2377

摘要：基于超磁致伸缩材料，提出了一种传感光纤光栅（S-FBG）和参考光纤光栅（A-FBG）相结合的温度自动补偿全光纤交流电流传感器。此传感器将传感光纤光栅和参考光纤光栅级联呈“十字形”后粘贴在超磁致伸缩材料上，然后将其置于聚磁回路狭缝内；同时控制传感光纤光栅的径向与磁场方向相同，而参考光纤光栅的径向与磁场方向相反。最后，将S-FBG的中心波长置于A-FBG反射谱的边带上，通过检测两光纤光栅级联反射光强的变化实现了电流测量及温度自动补偿。选用3 dB谱宽分别为0.23 nm和0.08 nm的A-FBG和S-FBG进行了实验测试，结果表明：有效安匝电流为1.0~138.2 A时，该传感器可实现线性测量，线性度为0.996 3，测量灵敏度为16.0 mV/A，最小可测有效安匝电流为1.0 A。
关键词：光纤电流传感器;光纤布拉格光栅;超磁致伸缩材料;温度补偿

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发布时间：2020-07-07
影响Czerny-Turner结构像散校正的因素
董科研,李欣航,安岩
2016, 24(10): 2384-2391. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2384

摘要：针对宽波段Czerny-Turner结构像散校正存在的问题，分析了影响光学系统像散校正的主要因素。基于发散光束照射平面光栅的像差理论，应用Matlab软件模拟分析了光学系统产生像散的原因和相应抑制方法的不足。讨论了了准直镜离轴角与聚焦镜离轴角的角度差值α和光学系统像散S之间关系，理论模拟了α取不同值时，宽波段C-T结构的全波段像散校正情况。为了验证理论分析的正确性，设计了光谱段为900~1 700 nm的消像散型光学系统，利用光学设计软件Zemax对该波段的光学系统进行了光线追迹和设计优化，并对设计结果进行处理和分析。结果显示：随着角度差值的逐渐增大，短波波段像散校正能力越来越强，像散校正能力提高了1.6倍左右；长波波段像散束缚能力越来越弱，像散校正能力平均降低了1.27倍左右。得到的结果表明：角度差值的合理选取可以为宽波段Czerny-Turner结构的像散校正提供理论指导。
关键词：光学设计;Czerny-Turner结构;像散校正;边缘波段

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发布时间：2020-07-07
基于太赫兹时域光谱系统的爆炸物识别
解琪,杨鸿儒,李宏光,韩占锁,孙宇楠
2016, 24(10): 2392-2399. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2392

摘要：描述了太赫兹时域光谱系统的原理和组成，研制了太赫兹时域光谱（0.1~3 THz）系统。介绍了太赫兹时域光谱技术在爆炸物识别方面的优势及其特点，提出了爆炸物识别的数学模型和方法。采用太赫兹时域光谱系统测试爆炸物样品的特征吸收光谱并将其作为标准模板，然后将爆炸物置于土壤、水泥和塑料障碍物后，采用太赫兹时域光谱系统得到穿透障碍物后爆炸物的特征吸收光谱，并将其与标准模板比对，从而实现爆炸物的隔物穿透识别。实验得到爆炸物RDX的特征吸收光谱，其特征频率为0.82，1.70和2.40 THz。实验还对不同厚度和种类障碍物下爆炸物RDX、CL-20、LLM-105和FOX-1进行了实验测试，结果表明：穿透障碍物后爆炸物可识别的特征吸收光谱与标准模板匹配得很好，证明根据爆炸物特征吸收光谱实现爆炸物匹配识别的方法是可行的。基于文中提出的太赫兹时域光谱系统可进一步开展爆炸物残留痕量探测识别和隔物技术研究。
关键词：太赫兹时域光谱系统;特征吸收光谱;爆炸物识别;匹配识别

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发布时间：2020-07-07
激光焊匙孔特征的近红外与X射线传感分析
高向东,李竹曼,游德勇,张南峰
2016, 24(10): 2400-2407. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2400

摘要：由于多传感匙孔特征参数可以有效地反映大功率激光焊接质量状态，本文研究了匙孔特征信息的提取方法并建立了焊缝成形预测模型。以大功率盘形激光焊接304不锈钢为试验对象，应用近红外高速摄像机和X射线视觉成像系统同时提取了焊接过程中的熔池动态图像，并分割出匙孔区域。针对近红外图像，应用矩方法导出匙孔的不变矩特征，同时定义并提取匙孔面积和最前端点纵坐标两个特征；针对X射线图像则提取匙孔深度和熵两个特征。在不同激光功率条件下得到匙孔特征并进行特征融合分析，然后建立了3个BP神经网络焊缝成形预测模型。探索了匙孔形态、焊接条件和焊接状态三者之间的联系，实现了对焊接过程的在线监测。试验结果表明，将两个传感器获取的匙孔特征信息融合并进行主成分分析变换后，熔宽和熔深的预测绝对误差平均值分别为0.18 mm和0.57 mm，比基于单个传感器获取匙孔特征建立的BP神经网络分别减小了0.03 mm和0.31 mm，显示提出的方法能够有效在线监测大功率盘形激光焊接状态。
关键词：大功率盘形激光焊;不锈钢板;匙孔特征;焊缝成形预测;特征融合;近红外分析;X射线分析

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发布时间：2020-07-07
封闭玻璃管道内液体折射率的非接触测量
张宗权,徐铭,任俊鹏,姚志,苗润才
2016, 24(10): 2408-2416. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2408

摘要：为了实时、原位和非接触测量工业生产过程中封闭管道系统内透明、半透明液体折射率，提出了一种简单的基于玻璃管壁光学特性的液体折射率测量方法。该方法通过涂覆在玻璃管壁外表面上的透射散射层，将入射激光束转换为进入玻璃管壁的大角度分布的透射散射光；透射散射光到达玻璃管壁与液体的界面上后，符合全反射条件的散射光反射到透射散射层上，自动形成与玻璃管内液体折射率值相关的椭圆形暗斑图像。根据椭圆形暗斑长轴长度与液体折射率之间的解析关系，即可实现玻璃管内液体折射率的原位、非接触测量。对几种常见的透明、半透明液体的折射率进行了实验测量，结果表明：该测量方法的准确性与目前商用数字阿贝折射仪相当（±2×10^-4 RIU）。该测量方法具有成本低、稳定性好、抗干扰且光源稳定等优点，而且在处理与液体折射率相关的光学图像时无需调试，光照即显，有望用于封闭管道在非常温、非常压状态下液体折射率的实时、自动和非接触在线监测。
关键词：非接触测量;液体折射率;折射率测量;玻璃管道;光学暗斑

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发布时间：2020-07-07
采用红外扫描激光与超声技术的室内空间定位
吴军,于之靖,诸葛晶昌,薛彬
2016, 24(10): 2417-2423. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2417

摘要：为了解决当前定位方法无法兼顾高精度、高集成度、多任务性、实时性测量的问题，提出了一种基于激光测距原理的室内空间定位系统。该方法通过单台测量基站向被测空间内发射旋转扫描红外激光信号以及超声脉冲信号，采用旋转扫描红外激光形成多平面约束，采用高精度超声测距形成距离约束。然后，将多平面约束与距离约束相耦合，得到测量靶标的非线性约束方程组。最后，利用非线性最优化算法解算得到测量靶标的精确空间坐标。该方法仅采用单台测量基站即可完成全周向、多任务实时性的空间测量与定位。采用激光跟踪仪系统作为比对基准验证了本方法的测量精度及可靠性。结果显示，在5 m的被测空间内，其定位测量误差在0.3 mm以内，可满足大多数工业测量应用场合需求。与传统的室内定位方法相比，本方法极大地提高了测量系统的集成度以及测量效率，为全站式空间定位方法提供了新的思路。
关键词：室内空间定位;扫描红外激光;超声测距;激光测距;非线性约束

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发布时间：2020-07-07
用于星载激光通信终端的绝对式光电角度编码器
韩旭东,徐新行,刘长顺,于思源
2016, 24(10): 2424-2431. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2424

摘要：针对星上激光通信终端二维转台的精确控制，设计了实时测量转台旋转角度的专用型光电角度编码器。根据星载激光通信终端所需测角系统的设计指标，分别对光电角度编码器的码盘、指示光栅及光电信号的提取方法进行了设计和选择。其中，格林二进制绝对式编码结合高质量的电子学细分，实现了编码器24位的绝对角度测量；四象限矩阵编码方式有效地减小了码盘的径向尺寸；分体读数头式指示光栅较整周玻璃盘大幅度压缩了体积和重量。在室温条件下对安装在星载激光通信终端上的光电角度编码器进行了测角精度检测。结果表明：该测角系统的角度测量精度约为0.7"（优于1.0"）。激光通信终端设备的在轨稳定运行及捕获、跟踪和通信功能的正常发挥，进一步验证了所设计的光电角度编码器测角精度高、抗辐射能力强、工作可靠性高，满足星载激光通信终端设备的应用要求。
关键词：激光通信;光电角度编码器;绝对式角度编码器;角度测量;测量精度

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发布时间：2020-07-07

微纳技术与精密机械

主动补偿式超低干扰力矩气浮转台的设计
刘延芳,刘兴富,齐乃明,张刘
2016, 24(10): 2432-2441. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2432

摘要：由于微纳卫星反作用飞轮的输出力矩与气浮转台的干扰力矩属于同一量级，故无法直接采用气浮转台实现微纳卫星姿态动力学仿真及姿控系统的地面试验验证。为了解决这一问题，设计并研制了主动补偿式超低干扰力矩气浮转台。对气浮转台的干扰力矩进行分析，提出了3种减小干扰力矩的方法：通过优化设计，降低了黏滞阻尼力矩；通过配置斜向节流孔，并单独供气，产生大小可调的主动涡流以抵消气浮轴承的固有涡流，从而降低涡流力矩；利用气浮轴承的摆动特性实现高精度平衡调节，减弱了重力诱导力矩。最后，设计了微小力矩测量装置，测量了剩余干扰力矩并基于测试结果来指导涡流力矩和重力诱导力矩补偿过程。测试结果显示：气浮转台实现的干扰力矩小于5×10^-5 Nm，小于反作用飞轮的最小输出1×10^-4 Nm，满足微纳卫星姿态动力学及控制的地面验证需求。
关键词：微纳卫星;气浮转台;干扰力矩;主动补偿

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发布时间：2020-07-07
微米行程微膨胀型热开关热特性的仿真与试验
张旭升,郭亮,贾卓杭,马明朝,李义,吴清文
2016, 24(10): 2442-2448. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2442

摘要：为了提高空间热控分系统的散热调节能力和热环境适应性，设计了一种微米行程的微膨胀型热开关。介绍了热开关的结构组成和工作原理，通过理论-仿真-试验相结合的方式，计算评估了热开关的断开热阻、闭合热阻和开关比等关键热特性。依据热阻网络串并联关系计算热开关的理论特性，断开热阻为301.71 K/W，闭合热阻为1.06 K/W，开关比约为283.6。基于有限元模型分析热开关断开/闭合过程的瞬态热特性，热端发热功率为18 W时，热开关闭合响应时间为340 s，触发温度为35.5℃，闭合热阻约为2.3 K/W。在2次热开关性能测试试验中，闭合热阻和开关比分别为1.08 K/W、279.4和1.67 K/W、180.7，试验数据与理论计算高度一致。同时指出：装配调试过程的不确定性会造成微膨胀型热开关宏观热特性的小区域波动。本文工作可为后续微膨胀型热开关的结构优化设计、机械加工细化和装调方式改进提供参考。
关键词：微膨胀型热开关;热特性;仿真与试验;断开热阻;闭合热阻

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发布时间：2020-07-07
微热管红外测温系统的设计
李聪明,罗怡,周传鹏,王晓东
2016, 24(10): 2449-2455. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2449

摘要：根据集成发光二极管（LED）的微热管尺寸小、温升快、温度梯度变化剧烈等特点，搭建了非接触式红外测温系统，以实现对其不同特征区域的温度测量。对该系统的信号采集与转换、误差分析与补偿、测温特性指标、以及微热管的热性能进行了研究。该系统通过LabVIEW编程软件实现红外传感器的电信号采集与温度转换；将不同温度的加热块作为等温体参考，对比热电偶与红外测温结果完成静态和动态测温特性分析，进而通过环境温度补偿方法修正LED辐射热引起的传感器漂移误差；最后基于线性拟合法完成传感器的校准。利用该测试系统在不同热负载下测试了微热管的热性能。结果显示：测温系统的准确度、重复性及线性度分别为1.2~1.5℃、1%和0.2%；时间常数T和响应时间t_0.05分别约为15 ms和30 ms。该红外非接触测温系统能够减小传感元件对被测温度场的影响，具有测温精度高和热惰性小的特点，为微热管热性能评估提供了新的测量方法。
关键词：红外测温系统;非接触测量;温度测量;微热管;热性能;发光二极管

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发布时间：2020-07-07
用于蓝宝石光盘的数字化数据存储
付明磊,徐武超,乐孜纯,伊凡·高博夫,德米特罗·曼科
2016, 24(10): 2456-2461. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2456

摘要：为了解决长时数据存储的难题，开展了以数字格式在蓝宝石光盘表面写入数据的研究工作。根据艾林方程，分析了利用常用无机材料进行数据存储的数据失效时间。描述了在蓝宝石材料为基底的光盘上以数字格式记录数据的基本工艺流程，重点介绍了用于蓝宝石光盘的离子束刻蚀系统。实验结果显示，蓝宝石光盘表面刻蚀的信息坑宽度为0.6 μm，深度为0.2 μm，磁道节距为1.6 μm，符合ISO/IEC 10149：1995规定的CD-ROM格式数据存储要求，表明采用本文提出的方法实现蓝宝石光盘的数字化数据存储是可行的。此外，这种基本工艺流程不仅适用于蓝宝石光盘，同样适用于其它以高度稳定的材料（如石英玻璃）作为基底的光盘。
关键词：蓝宝石光盘;光学数据存储;长时数据存储;干法刻蚀

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发布时间：2020-07-07
1.2 m微晶主镜的新型支撑
邵亮,赵勇志,明名,吕天宇,刘昌华,王洪浩
2016, 24(10): 2462-2470. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2462

摘要：针对1.2 m微晶主镜，提出了基于6套柔性切向杆机构的侧向支撑与基于18点半柔性Whiffletree机构的轴向支撑相结合的新型主镜支撑方案，用于保证该主镜在较大温差范围以及不同俯仰角度下始终保持良好的面形精度及较高的系统刚度。分析了该机构的工作原理，实验测试了主镜的面形精度及支撑系统的模态。机构分析表明该支撑方式可有效保证主镜定位精度和面形精度，并具有热解耦能力；有限元分析确认系统具有良好的支撑性能；面形精度检测得出主镜光轴垂直面形精度RMS达15.25 nm，光轴水平面形精度RMS为20.75 nm，模态测试则获得主镜支撑系统的一阶固有频率为60.3 Hz。实测结果验证了该新型主镜支撑系统具有良好的面形保持能力及支撑刚度，分析结果与实测结果符合度较好，主镜光轴垂直和水平状态面形精度RMS的相对误差分别为14.0%和17.8%，一阶固有频率相对误差为10.8%。得到的结果验证了有限元建模及分析的可信性，支撑系统设计方案的合理性及相关理论推导的正确性。
关键词：微晶主镜;主镜支撑;面形检测;模态测试;有限元分析

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发布时间：2020-07-07
并联测量机柔性动力学建模与误差耦合
赵磊,赵新华,周海波,王收军,牛兴华
2016, 24(10): 2471-2479. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2471

摘要：为解决目前高速机构存在的高速与高精度之间的矛盾，研究了高速并联测量机的柔性问题。应用弹性梁运动学理论和Galerkin模态截断法推导了一维弹性梁运动学变形位移模型；以欧拉-贝努利梁为假设，应用Hamilton原理建立了考虑中线变形的柔性结构耦合动力学模型。最后，基于中线耦合动力学模型，测试了不同速度下弹性振动产生的误差，提出了通过调节黏滞摩擦系数来降低振动耦合误差，进而提高测量精度的方法。基于仿真实验验证了提出方法的有效性和可行性。结果表明：在忽略结构误差前提下，角速度为300 rad/s时产生的横向一阶振动耦合误差最大值为28.6μm；合理调整黏滞摩擦在0.4~0.5时，振动耦合误差降低至15 μm以内，相比调整前误差降低了13.6 μm。提出的方法为进一步解决高速与高精度之间的矛盾和研究高阶弹性振动与精度的耦合机理提供了理论基础。
关键词：并联测量机;柔性动力学;建模;高阶弹性振动;误差耦合

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发布时间：2020-07-07
数控机床热误差时间序列模型预测稳健性的提升
苗恩铭,刘义,董云飞,陈维康
2016, 24(10): 2480-2489. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2480

摘要：针对数控机床热误差建模应用的时间序列算法受严重多重共线性的影响存在预测稳健性不足的问题，提出一种提升时间序列预测稳健性的方法。该方法将时间序列算法与能够抑制多重共线性的建模算法相结合，从而既可通过在模型中加入温度滞后值来提供更全面的温度信息，又可对温度滞后值引入的更为严重的多重共线性进行处理。文中以时间序列算法中的分布滞后（DL）算法、共线性抑制算法中的主成分回归（PCR）算法为例，采用主成分分布滞后（PCDL）算法建立了机床热误差补偿模型，并将其与DL算法的预测精度和稳健性进行了比较。结果显示，PCDL算法因为抑制了多重共线性的影响，其模型预测精度和稳健性远优于DL模型，预测精度提升了约9μm。本文所述方法可为时间序列数据建模在不同领域内的应用提供参考。
关键词：数控机床;热误差;时间序列模型;预测稳健性;主成分分布滞后算法

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发布时间：2020-07-07
纳米聚集氧化硅固定磨料抛光布的抛光特性
高绮
2016, 24(10): 2490-2497. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2490

摘要：针对传统磨料的固定磨料抛光布容易在加工表面产生划伤，以及材料去除效率低等问题，提出了采用微米级球形聚集氧化硅粒子的固定磨料抛光布。将纳米聚集氧化硅粒子添加到抛光布中，用pH为10.5的碱性水溶液替代传统的抛光液，进行了Si基板的的抛光加工试验。与传统采用不规则形状天然氧化硅及球形熔融氧化硅固定磨料抛光布进行了比较，得到了纳米聚集氧化硅的固定磨料抛光布的加工特性，并讨论了它的基本参数对加工特性的影响。实验得到了与现行纳米抛光液（重量百分比为3%，pH=10.5）相同的材料去除率，加工表面粗糙度降低了约30%。与传统不规则形状天然氧化硅磨料抛光布相比，纳米聚集氧化硅抛光布的磨料为球形，弹性系数仅为其1.4%~60%，因此不易划伤抛光表面。与熔融氧化硅抛光布相比，纳米聚集氧化硅抛光布在pH为10.5的碱性水溶液中磨料表面可吸附的[-OH]离子提高了25倍，使得液相化学去除作用增大至去除率的70%以上。另外，随着纳米聚集氧化硅的微米粒径的增大，固定磨料抛光布的纳米级加工表面粗糙度几乎不变，但对前加工面表面粗糙度的去除能力明显增大，表现出微米粒径效应。
关键词：固定磨料抛光布;纳米聚集氧化硅;化学去除材料;表面划伤;微米粒径效应

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发布时间：2020-07-07
电纺压电聚偏二氟乙烯有序纳米纤维及其在压力传感器中的应用
王凌云,马思远,吴德志
2016, 24(10): 2498-2504. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2498

摘要：针对传统静电纺丝法制备聚偏二氟乙烯（PVDF）压电纤维工艺复杂和效率低等问题，提出了采用滚筒收集方式制备PVDF有序纳米纤维的方法。通过改变滚筒转速收集纤维，得到了有序程度不同的PVDF纤维膜。用傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析了有序纤维膜β晶相的含量，并利用NI数据采集卡在相同条件下测试了纤维膜的压电特性。结果表明：随着滚筒转速提高，纤维有序度增强，β相的含量提高，压电电压输出也明显增大，由此得知滚筒转速变化对β晶相的含量及压电输出电压的影响规律基本一致。基于得到的结果，设计制作了利用该有序PVDF纤维膜的压力传感器，并在不同气压下进行了动态响应测试。结果显示：所制备的PVDF有序纤维压力传感器在0.145~0.165 MPa下的电压输出随气压的增加呈线性增大，表现出了良好的线性度，其灵敏度达179 mV/kPa。采用该种方法制备PVDF纤维对研制动态压力传感器极有意义。
关键词：静电纺丝;滚筒收集;聚偏二氟乙烯有序纳米纤维;压电特性;压力传感器

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发布时间：2020-07-07
锆钛酸铅镧陶瓷光致微位移的闭环伺服控制
王新杰,陆飞,刘亚风,黄家瀚
2016, 24(10): 2505-2514. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2505

摘要：利用锆钛酸铅镧（PLZT）陶瓷的光致形变效应，提出了一种光控微位移伺服系统，并通过实验对其闭环伺服控制特性进行研究。建立PLZT陶瓷光致微位移闭环伺服系统的多物理场耦合数学模型，通过静态实验对光照与光停阶段PLZT陶瓷光致形变表达式进行了参数识别。搭建了PLZT陶瓷光致微位移闭环伺服控制实验平台，基于ON-OFF控制策略，在不同光照强度下对PLZT陶瓷的光致微位移进行了闭环伺服控制实验。结果表明，通过对紫外光源施加ON-OFF控制，能够实现PLZT陶瓷输出位移的闭环伺服控制。PLZT陶瓷输出位移曲线在伺服控制阶段出现超调量之后，围绕目标值上下波动。光致微位移伺服系统的响应速度、超调量与波高随着光照强度的增强而增加；在400 mW/cm²光照强度下，PLZT陶瓷输出位移到达目标值的时间仅为100 mW/cm²光照强度下的20%。实验结果为PLZT陶瓷在微驱动方面的工程应用奠定了基础。
关键词：锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷;闭环伺服控制;光致形变;光驱动;微位移

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发布时间：2020-07-07
飞轮组件微振动对高分辨率光学卫星光轴的影响
李林,王栋,徐婧,谭陆洋,孔林,程龙,贾学志,杨洪波
2016, 24(10): 2515-2522. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2515

摘要：为了研究高分辨率光学卫星星上飞轮的微振动对卫星成像质量的影响，分别建立了飞轮扰动模型和整星结构动力学模型。首先，对飞轮组件系统进行了地面扰动测试，对实测扰动数据的分析表明，飞轮组件在与转速相关的一阶频率50 Hz处产生一次谐波，在190 Hz与280 Hz左右存在与转速无关的一系列峰值。然后，对整星进行了单位正弦激励，获得了光轴角位移响应，并对其与飞轮实测扰动数据进行了集成分析。分析结果表明：整星在50~80 Hz和230~280 Hz的角位移响应有较多的谐振响应频率成分，沿光轴方向和垂直光轴方向整星光轴的角位移最大谐振响应幅值分别为2.718"、2.739"，在245 Hz左右存在较多幅值为0.5"量级的谐波。分析显示飞轮组件微振动对高分辨率光学卫星成像质量影响较大，得到的结果可为整星系统的优化设计和隔振补偿措施提供参考依据。
关键词：高分辨率光学卫星;飞轮;微振动;光轴;角位移;像质

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发布时间：2020-07-07

信息科学

寄生式时栅传感器动态测量误差的贝叶斯建模
杨洪涛,章刘沙,周姣,费业泰,彭东林
2016, 24(10): 2523-2531. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2523

摘要：为了提高寄生式时栅传感器的测量精度，分析了它的工作原理和动态误差组成，得到其主要误差分量为常值误差、周期误差和随机误差等。针对寄生式时栅误差特点，建立了寄生式时栅动态误差高精度预测模型，并与其他建模方法进行了比较。选用插入标准值的贝叶斯预测模型，以实际测量的传感器第一个对极动态误差数据进行建模，在后续对极特定位置插入部分实际误差测量数据，建立误差预测模型，预测了传感器后83个对极的动态误差。另选用三次样条插值和BP神经网络建模方法对寄生式时栅整圈动态误差建模，并与建立的误差模型进行了对比。验证实验表明，三次样条插值建模时间最短（0.62 s），但其建模精度不高（16.050 0"）；贝叶斯动态模型建模时间（0.86 s）略长于三次样条插值，但建模精度最高（0.415 3"）；BP神经网络建模时间最长（32 min），但建模精度最低（19.680 2"）。同时贝叶斯插入标准值建模方法所需数据点（69395个）远少于三次样条和BP神经网络建模数据点（235526个），节省了大量的标定时间和建模数据量，因此可用于寄生式时栅传感器的动态测量误差高精度建模修正。
关键词：寄生式时栅;时栅传感器;测量误差;贝叶斯原理;标准值插入;误差建模

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发布时间：2020-07-07
工业线阵CCD相机系统测试与噪声评估
张晨,孙世磊,石文轩,王峰,邓德祥
2016, 24(10): 2532-2539. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2532

摘要：为了快速评价工业线阵CCD相机质量，本文选择信噪比为评价因子，建立了测试系统，研究了基于相机输出图像测试相机噪声的方法。分析了线阵CCD相机的噪声，建立了一个基于固定模式和随机噪声的信噪比计算模型，并分析了相关双采样（CDS）过程对电源噪声的影响。设计了一套适于工业场所的相机快速信噪比测试系统，结合理论分析数据和实际测试图像数据，提出了仅通过输出的8 bit图片计算各噪声参数的方案。最后，对测试系统引入的光源不均匀性噪声进行了讨论，并证明该实验平台光源符合工业标准EVM1288要求。实验结果表明：当相机模数（AD）转化设置为8.7 dB时，输出信噪比可达44 dB；若排除光源干扰，输出信噪比可达46 dB。该方案简便快捷，满足工业现场对相机信噪比评估的要求。
关键词：CCD相机;CCD成像系统;信噪比;相关双采样;噪声评估

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发布时间：2020-07-07
基于轨道根数的低轨卫星轨道预测算法
李丹,于洋
2016, 24(10): 2540-2548. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2540

摘要：光电设备因太阳夹角变化、轨道遮挡等原因无法对卫星进行自动跟踪时，需要对卫星轨道进行预测。本文针对利用卫星轨道根数进行轨道预报时难以同时满足实时性和精度要求的问题，提出了一种新的基于轨道根数的卫星轨道预测方法。分析了卫星轨道的运行规律，根据低轨卫星的运行特点，利用椭圆曲线对卫星轨道进行预测，并对卫星轨道的轨道方程进行了近似处理。通过引入一些冗余变量简化了卫星轨道解算模型，在保证计算实时性的前提下，大大提高了轨道预测精度。实验显示：采用线性外推方法对卫星轨道进行预测时，预测5 s后，轨道预测的偏差会增大到10"，而采用本文提出的基于轨道根数的卫星轨道预测算法，预测50 s后的最大预测偏差均不超过2"，极大地提高了卫星轨道预测精度，实现了光电设备在无法对卫星进行自动跟踪时，能够对卫星进行“盲跟踪”。
关键词：低轨卫星;轨道预测;轨道根数;光电设备

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发布时间：2020-07-07
并行压缩成像系统的压缩域小目标检测
王敏敏,孙胜利
2016, 24(10): 2549-2556. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2549

摘要：提出一种适用于并行压缩成像系统的压缩域小目标检测算法，以便省去获得小目标位置信息时进行的图像重建环节，有效降低算法的复杂度。该方法通过并行压缩成像数学模型捕获背景以及待测图像压缩测量值，通过高斯混合模型进行压缩域背景建模，从而获得压缩域前景观测值。然后计算压缩域前景观测值与各压缩域目标位置模板的余弦相似度，根据局部阈值以及压缩域候选目标面积实现目标检测与定位。最后进行了仿真实验，分析了降采样率、测量次数、投影误差以及噪声等对目标检测效果的影响。结果表明：增大降采样率及噪声均会降低检测效果；测量次数对检测效果的贡献是有限的；测量次数为2次或3次时，可以在保证检测效果的同时有效控制运行时间。此外，噪声对检测效果影响较大，因而需要严格控制系统噪声。该方法可以在不进行任何图像重建的情况下实现目标的实时检测。
关键词：小目标检测;压缩感知;背景建模;模板匹配;并行压缩成像系统

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发布时间：2020-07-07
高分辨率遥感影像的平原建成区提取
温奇,王薇,李苓苓,梅立琴,谭毅华
2016, 24(10): 2557-2564. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2557

摘要：通过分析高分辨率遥感影像中平原建成区的纹理特征和局部关键点特征，提出了基于多核学习、多尺度分割以及多假设投票的平原建成区提取方法。该方法利用MR8纹理特征和尺度不变特征变换（SIFT）算法提取建成区，融合多个特征进行学习和分类，从而加强了分类器的鲁棒性和稳定性，提高了检测准确率。该方法还通过超像素分割和多假设投票将基于图像块的判别结果转化为基于像素的检测结果，完全消除块状效应，使得目标区域具有准确的边缘和形状。在多幅GF-1卫星遥感图像上进行测试，结果显示：提出方法的平均检测精度为80%，平均召回率高于85%，平均F值可达80%以上，综合指标高于其他方法，验证了提取平原地形建成区的可行性和准确性。由于建成区提取结果已精确到了像素级别，同时避免了漏检和误检，提取出的建成区影像很准确。
关键词：高分辨率遥感影像;平原建成区提取;多假设投票;多特征学习;多尺度分割

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发布时间：2020-07-07
可实现误差估计的移相量计算方法
刘乾,袁道成,何建国
2016, 24(10): 2565-2571. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2565

摘要：针对移相干涉仪中移相器的标定，提出了一种基于干涉图计算移相量的迭代方法。该方法分为两步：首先假设移相量已知，构建三元最小二乘方程计算位相；然后假设位相已知，构建二元最小二乘方程计算移相量，同时依据三角函数关系和遍历原则，建立估算移相量计算误差的参数。利用计算机仿真和实验验证了提出方法的有效性。计算机仿真显示：提出的方法比已有算法计算精度更高，而且误差估计值与实际计算误差偏离小于15%。在Fizeau干涉仪上开展了验证实验，利用两个电容位移传感器测量了镜架的位移。计算结果与电容传感器测量结果非常吻合，最大偏差仅为0.7 nm。另外，利用本文方法得到的误差估计值为0.52 nm，显示测量结果和计算结果的偏差在误差估计值范围内。所提出的方法可以高精度地提取移相量，且能给出移相量计算误差，是一种简单可靠的移相器标定方法。
关键词：移相干涉仪;移相器;标定;误差估计;迭代算法

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发布时间：2020-07-07
基于谱残差视觉显著性的带钢表面缺陷检测
陈海永,徐森,刘坤,孙鹤旭
2016, 24(10): 2572-2580. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2572

摘要：针对带钢表面缺陷检测实时性要求高，采集的图像易受光照环境影响且缺陷特征弱等因素影响，提出一种基于谱残差视觉注意模型的带钢表面缺陷在线检测算法。首先，提出改进同态滤波方法对图像预处理，去除光照不均匀的影响，改善后续的分割结果。然后，构建谱残差视觉注意模型，通过对数频谱曲线差分得到缺陷显著图像。最后，提出加权马氏距离方法对显著图像阈值化增强，并利用连通区域标记法，标记出原带钢图像的缺陷位置。对提出的算法进行了实验验证，结果显示：该算法检测速度快，单幅图像平均检测耗时仅37.6 ms，满足带钢在线实时检测要求。在同一缺陷数据库与灰度投影法，多尺度Gabor边缘检测法和隐马尔可夫树模型法进行了性能对比，结果表明：本文算法对带钢常见8类缺陷类型，平均检测率达到了95.3%，且漏检率和误检率较低，有效性高于对比算法。
关键词：带钢;缺陷检测;视觉显著性;谱残差;同态滤波;加权马氏距离

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发布时间：2020-07-07
尖锐特征曲面散乱点云法向估计
袁小翠,吴禄慎,陈华伟
2016, 24(10): 2581-2588. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2581

摘要：针对现有算法对尖锐特征曲面点云法矢估计不准确，点云处理时容易丢失曲面细节特征等问题，提出一种尖锐特征曲面散乱点云法向估计法。该方法用主成分分析法粗估计点云法向；然后，根据各邻域点的空间欧氏距离和法向距离对各邻域法向加权，用加权邻域法向之和来更新当前点的法向；最后，测试估计法向与标准法向的误差，评价估计法矢的准确性，并且将估计的法向应用到点云数据处理中来比较特征保留效果。实验结果表明：本文方法能够准确地估计尖锐特征曲面的法向，最小误差接近0。另外，该方法对噪声有较好的鲁棒性，点云处理时能保留曲面的尖锐特征。相比于其他特征曲面法向估计法，所提出的方法估计的法向误差更小、速度更快、耗时更少。
关键词：散乱点云;尖锐特征;法向估计;逆向工程;特征保留;主成分分析

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发布时间：2020-07-07
结合多尺度边缘增强及自适应谷底检测的浮选气泡图像分割
廖一鹏,王卫星
2016, 24(10): 2589-2600. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2589

摘要：针对浮选气泡图像噪声大、边界弱、传统谷底检测算法对不同类型气泡分割不具普遍性等问题，提出了一种结合Contourlet多尺度边缘增强及自适应谷底边界检测的气泡分割方法。该方法通过对气泡图像进行Contourlet分解，得到多尺度多方向高频子带；通过对各方向子带的高频系数进行非线性增益处理，实现边缘增强和噪声抑制。对和声搜索算法的“调音”策略和参数设定方法进行了改进，对不同类型气泡图像自适应地获取谷底边界检测算法的最优参数，提取谷底并进行形态学的边缘完善处理。最后进行了分割实验，并与其它方法做了比较。结果表明，采用该方法对不同类型气泡进行分割时，平均检测效率（DER）和准确率（ACR）分别为91.2%和90.6%，较传统分割方法有较大提高。该方法无需手工调节参数，自适应能力强，精度高。
关键词：浮选气泡图像;图像分割;Contourlet变换;多尺度边缘增强;自适应谷底检测;和声搜索算法

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发布时间：2020-07-07
采用目标背景建模的毫米波弱小目标检测
高志升,耿龙,张铖方,胡占强
2016, 24(10): 2601-2611. DOI: 10.3788/OPE.20162410.2601

摘要：基于被动毫米波成像特性，提出了改进的稀疏表示——圆周中心差（ISR-CSCD）算法来解决被动毫米波图像中弱小目标与背景区分度较弱，目标可提取特征较少的问题。该算法通过改进稀疏表示方法完成背景抑制与目标增强。依据目标与周围背景特征先验，提出了圆周中心差背景抑制算法对检测图像进行背景抑制。然后，融合改进稀疏表示方法和圆周中心差背景抑制算法的结果得到抑制了背景的目标增强图像。最后，基于恒虚警率的检测方法完成了弱小目标的检测。对不同场景下的毫米波图像进行了实验检测，结果表明，与主流算法图像稀疏表示（SR）法、鲁棒规则核回归牛顿算法（NRRKR），空时联合分类稀疏表示算法（STCSR）和累积中心与周边差异测量算法（ACSDM）相比，ISR-CSCD算法具有更低的虚警率、更高的检测精度、更强的鲁棒性。对各种虚警率、信噪比之下的毫米波弱小目标检测结果显示，ISR-CSCD检测率相对于其它算法平均提高了约15%。
关键词：被动毫米波成像;弱小目标检测;稀疏表示;圆周中心差;特征先验;背景抑制

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发布时间：2020-07-07

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