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2016 年第 10s 期

多狭缝条纹管激光成像雷达
周鑫,姜鹏,孙剑峰,王骐
2016, 24(10s): 1-5. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0001

摘要：为了提高多狭缝条纹管的成像性能，利用改进的光锥和多狭缝条纹管搭建了一套激光成像雷达实验系统。光锥的光纤排布方式由前端的128×32转变为后端的8×512，从而将平面像转变为8行线状条纹像，实现了探测器对视场的有效探测。系统的激光波长为532 nm，成像像元数为128×32，空间分辨率<0.3 mrad，可进行全天候工作。利用该装置完成了外场建筑物目标成像实验，分别获得了1.7 km目标的无扫描成像结果以及720 m目标的扫描成像结果。实验结果表明，所研制的激光成像雷达能够获得远距离目标的激光图像，强度像可较好地展现建筑物目标的各区域，轮廓清晰；距离像可有效地区分不同距离的区域，距离分辨能力较好。

关键词：激光雷达;激光成像雷达;多狭缝条纹管;闪光式焦平面

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发布时间：2020-08-13
并行雪崩光电二极管阵列红外单光子探测系统
李臻,雒超,路腾腾,耿霄,徐军,易波
2016, 24(10s): 6-11. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0006

摘要：为了克服InGaAs/InP APD单光子探测器的后脉冲效应，减小APD器件的死时间，设计了一种并行APD阵列结构的红外单光子探测系统。该系统使用并行APD阵列将单光子信号转换成雪崩电信号，利用直流偏置电压电路使并行APD阵列工作于盖革模式，利用高速脉冲门控时序信号电路以及多通道光开关实现并行APD阵列的通道时序切换功能，并行APD阵列输出的雪崩电信号在经过信号探测电路的低通滤波和宽带放大处理后，由信号模拟数字转换电路转换成数字信号，再由信号处理电路进行甄别探测和计数，最后输出各种类型的数字信号。实验结果表明：使用1.6 GHz的脉冲门控信号频率进行测量，8通道的并行APD阵列结构的红外单光子探测系统的重复频率为1 000 MHz，暗计数率为5.92×10^-5，探测效率为10.0%。该系统大幅度减小了死时间，有效提高了单光子探测的工作频率和重复计数率。

关键词：雪崩光电二极管;红外单光子探测器;后脉冲效应;并行阵列

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发布时间：2020-08-13
中间层法钛/钢层合板激光熔覆制备及性能
赵志伟,王续跃,于冬洋,王存山
2016, 24(10s): 12-19. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0012

摘要：针对激光熔覆制备钛/钢层合板时覆层与基层结合性能较差的问题，通过添加一定比例的钛铁混合粉末作为中间层的方法，提高钛/钢层合板的制备质量。采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析仪（EDS）对Ti含量分别为0%，5.5%和11.5%的试件进行了组织和成分分析，在拉伸试验机上进行拉剪性能检测，并对剪切断口形貌进行观察分析。结果表明，中间层材料与基体都能形成冶金结合，中间层钛含量小于11.2%时，钛熔覆层能与中间层形成牢靠结合；钛熔覆层中上部生成纯钛等轴晶组织，晶内为针状马氏体组织，钛熔覆层下部为胞状（β-Ti+TiFe）共晶组织；钛熔覆层硬度为工业纯钛的2~3倍；在中间层钛含量为5.5%时，钛熔覆层与中间层结合强度最大为14 MPa；钛/钢层合板的剪切强度差异主要由晶粒尺寸决定，剪切断裂为沿晶脆性断裂。该研究结果可为激光熔覆制备钛/钢层合板提供了理论基础和实验依据。
关键词：激光熔覆;钛/钢层合板;中间层;微观组织;力学性能

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发布时间：2020-08-13
砂轮偏心信号的高精度检测方法
王振忠,陈世平,王泉金,俞辉
2016, 24(10s): 20-27. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0020

摘要：为了提高精密加工中金刚石砂轮安装的偏心信号测量精度，首先采用非接触式测量法建立了一种基于激光位移传感器单点测量砂轮偏心信号的模型，然后提出一种基于砂轮回转轮廓圆度误差最小化的砂轮偏心量高精度逼近算法。该算法通过坐标转换、归一化处理、权值修正能快速还原出砂轮的偏心距和偏心方向。最后根据信号采集过程中传感器与磨床主轴的相互位置关系，得到了理想砂轮偏心信号的解析式，并进行了砂轮偏心检测的仿真实验。结果表明，本方法可以实现对砂轮偏心量的高精度检测，其检测相对误差总体保持在6%以内且收敛速度快。分析实际测量数据发现，采用本算法还原出砂轮偏心距和偏心角的最大测量误差分别保持在0.005 mm和0.02 rad以内，能够满足精密磨削加工中砂轮偏心量的检测精度要求。

关键词：非接触测量;偏心检测;归一化;快速逼近;砂轮安装

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发布时间：2020-08-13
扇形气力雾化SNCR喷嘴雾化特性的全息测量
雷岚,曹娜,曹亮,徐青,韩长材,段宝军
2016, 24(10s): 28-34. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0028

摘要：基于微粒场全息术设计了一种粒子场离轴全息测量系统，用以获得扇形气力雾化（SNCR）喷嘴的液滴粒径及粒度分布等雾化特性。首先介绍了该全息测息系统的基本原理和组成，然后通过单次实验获得了Φ70 mm圆形区域的雾化场全息图，对全息图进行再现采集及图像处理后获得了指定区域的索特平均直径（SMD）和不同粒径的液滴数量占位比。实验结果表明：该喷雾场的雾化粒度D₃₂在50~170 μm之间，中心雾化粒度大，向边缘方向逐渐减小，是理想的SNCR喷嘴雾化形式；在液体流量固定的情况下，雾化粒度D₃₂会随着气耗率的上升而下降。该结果是评估SNCR喷嘴雾化性能的主要数据，对喷嘴在实际运行中的控制技术和雾化机理的理论研究具有指导意义。
关键词：全息测量;扇形气力雾化喷嘴;雾化性能;脉冲全息;SNCR;烟气脱硝

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发布时间：2020-08-13
高功率窄线宽微秒脉冲1 064 nm环形腔激光
鲁远甫,谢仕永,刘艳,杨程亮,王鹏远
2016, 24(10s): 35-40. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0035

摘要：为了实现高效和频的高功率准连续波钠信标激光，对抑制驰豫振荡的高功率窄线宽微秒脉冲1064 nm环形腔激光进行了研究。采用热近非稳腔设计优化了三镜环形腔的腔镜曲率，腔内插入标准具压窄激光线宽。1 064 nm薄膜偏振片用作环形腔的输出镜，与半波片配合实现输出耦合率的连续可调。在808 nm半导体激光泵浦功率为175 W的条件下，获得了输出功率为42 W、光束质量因子M²=1.26、线宽为0.2 GHz的1 064 nm激光输出，重复频率为800 Hz，脉冲宽度为100 μs。腔内插入1 064 nm的倍频晶体KTiOPO₄，利用二次谐波效应使高强度的尖峰脉冲序列快速减弱，实现了激光脉冲驰豫振荡的有效抑制。整个系统结构简单、易实现，为获得消驰豫振荡的准连续波1 064 nm激光提供了实用有效的技术手段。
关键词：脉冲激光器;环形腔激光;钠信标激光;驰豫振荡;热近非稳腔;KTiOPO4(KTP)

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发布时间：2020-08-13
高斯型扰动对光纤高能连续激光致Al/Ti合金热损伤特性的影响
赖盛英,韩冰,陆建,倪晓武,沈中华
2016, 24(10s): 41-49. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0041

摘要：为了分析高功率光纤连续激光束远距离传输到达靶面后对金属板材料的损伤效果，利用强光阵列探测器系统对高功率连续光纤激光聚焦光束经不同距离传输后激光光斑质心抖动进行了实验研究，分析了光斑抖动漂移对远场金属板损伤效果的影响。将实验测得的抖动结果作为激光抖动源进行了有限元数值模拟，并与光斑无抖动情况下的温度分布进行对比。实验结果显示：随着传输距离的增大，抖动漂移的幅度不断增强；在同一传输路径下，水平X方向的抖动偏差量明显低于铅直Y方向的抖动偏差；远场光斑因抖动呈现椭圆分布，而激光作用远场金属板后靶面损伤形貌呈椭圆，并出现约20°的偏转。随着传输距离的不断增大，当光斑质心抖动偏移量大于光斑半径时，金属板最高温升下降率达到10%以上。结果表明，高功率连续光纤激光束经远距离传输后光束质量变差，使得激光与靶面耦合效率降低，影响激光远距离损伤金属板效能。
关键词：连续激光;质心抖动;光斑抖动;远场损伤;有限元法

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发布时间：2020-08-13
强脉冲激光作用下碲镉汞光伏探测器的反常行为
徐作冬,张检民,林新伟,邵碧波,师宇斌,李云鹏
2016, 24(10s): 50-56. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0050

摘要：为了研究强脉冲激光辐照下光伏型探测器的响应行为，利用室温下零偏压工作的短波红外光伏型碲镉汞单元探测器开展了实验研究。使用调制频率为1 000 Hz的2.0 μm光纤激光作为探测器正常工作时探测的信号光，以不同能量的2 μm波段脉冲激光作用于工作状态的探测器。实验结果显示，当入射到探测器光敏面的脉冲激光能量密度达到0.1 J/cm²量级时，在脉冲激光辐照结束后的短时间内，探测器对信号光的响应幅值出现暂时的降低，降低程度与激光强度正相关，最高可达100%：这种现象被称作信号压制效应；同时，探测器响应波形的基线从零降低为负值，基线降低幅度与激光强度正相关，随后探测器对信号光的响应幅值以及响应波形的基线在10~100 ms量级的时间内逐渐恢复到辐照前水平，这种现象被称作负基线现象。理论分析和实验测量表明，信号压制效应是由于脉冲激光引起的光敏区域温度升高所导致；而负基线现象与探测器结构和热效应相关，具体产生机理则有待进一步研究。

关键词：激光辐照效应;脉冲激光;HgCdTe;光伏探测器;反常行为;信号压制效应;负基线

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发布时间：2020-08-13
激光三角测距中的光斑形状修正
张正琦,陶卫,杨红伟,毛义梅,赵辉
2016, 24(10s): 57-65. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0057

摘要：分析了激光三角测距中成像光斑形状不对称的产生原因，采用光学系统建模的方法对光斑形状进行了有效的修正。应用Zemax软件对系统光学部分进行模拟仿真，得到漫反射光斑的最小像差成像点。在建立的三维空间坐标系中利用成像点坐标数据建立一个虚拟光学成像系统模型，应用光线追迹的方法得到实际光学成像系统与虚拟光学成像模型中像元光强的转换关系从而得到相应的修正系数。然后，用修正系数对光斑采样数据进行修正后通过质心法求出光斑中心。实验表明，应用该方法可将外界环境变化带来的光斑中心定位重复性误差减小至原来的50%，测距系统整体的非线性误差达到±0.125%。该方法在基本不改变测距系统测量速度的前提下，有效的减小了外界环境变化带来的误差，提高了系统的稳定性和抗干扰能力。

关键词：激光三角测距;质心法;聚焦点建模;光线追迹

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发布时间：2020-08-13
水浴处理对塑料光纤传感器灵敏度及温度独立性的影响
李超楠,钟年丙,汪正坤,王鑫,梁小勃
2016, 24(10s): 66-73. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0066

摘要：为了获得灵敏度高且温度独立的塑料光纤传感器，采用研磨法制备了D形光纤，对D形区域进行升温-降温循环水浴处理，并将水浴处理后的光纤制备成U形传感器。研究了U形区域的不同直径及曲率对传感器灵敏度的影响，并对比分析了未经温度处理和升温-降温循环水浴处理后的塑料光纤传感器在葡萄糖溶液中对温度的依赖性。研究表明：传感器灵敏度受U区直径和U区弯曲曲率的控制，当U区直径和曲率分别为1 500 μm和0.025 mm^-1时，传感器对葡萄糖溶液（25℃）的灵敏度达到最高0.017/g·（100 mL）^-1；经温度处理后，传感器对观测区域葡萄糖溶液在25℃和65℃输出光强相对变化量的最大相对误差由未经温度处理的140.1%降低至9.7%，说明对塑料光纤进行升温-降温循环水浴处理能显著改善其对温度的依赖性。

关键词：塑料光纤;U形传感器;水浴处理;蒸馏水老化处理;灵敏度;温度独立性;光传输

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发布时间：2020-08-13
采用光谱探测技术实现伪装目标的快速识别
程呈,高敏,程旭德,陈一超,史睿
2016, 24(10s): 74-81. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0074

摘要：为了在现代战场上实现伪装目标的快速识别，设计了一种基于光谱探测的快速目标识别系统。首先，对基于光谱探测技术的目标识别原理进行推导，分析了物质光谱的产生机理与各个物质之间光谱谱线的差异性。然后，建立了基于光谱探测的快速目标识别系统，并改进了光谱深刻模块，增加不同波段的滤光片仅对疑似目标光谱谱线进行判断，减少了系统产生的计算数据量，增强了目标识别的实时性。实验结果表明：本文提出的探测技术对伪装目标识别的正确率能够达到90%以上；在增加了滤光片之后，系统处理时间为传统系统的1/3，达到了提高系统实时性的目的。基于光谱探测技术的目标识别方法能够在一定的实时性要求下，对伪装目标进行有效识别，具有一定的军事应用价值。
关键词：光谱探测;伪装目标;目标识别;滤光片;实时性

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发布时间：2020-08-13
长波通截止滤光片的消偏振设计
包佳祺,刘祥彪,俞侃
2016, 24(10s): 82-86. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0082

摘要：常规结构的薄膜干涉截止滤光片在倾斜入射时由于其P和S偏振光会产生明显的波长分离现象，导致其截止边带会出现严重的偏振相关损耗。本文基于TiO₂和SiO₂两种常规膜料设计了一种长波通干涉截止滤光片的消偏振膜系结构。通过在高折率间隔层的两侧添加不同厚度的低折射率材料作为匹配层，构建膜系评价函数并利用计算机自动寻优，得到了最优的膜系结构（（H/2）4L2H4L（H/2））¹⁵。该截止滤光片在45°倾斜入射时3 dB位置的截止边带偏振波长分离小于2 nm通带透射率超过92%，偏振敏感性得到了有效的抑制。利用该算法和膜系结构可以较为容易地设计和制备消偏振的长波通干涉截止滤光片。
关键词：薄膜;截止滤光片;长波通;消偏振

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发布时间：2020-08-13
光谱仪调制器PID稳速控制系统
王智宏,季绪飞,陈琛,张福东
2016, 24(10s): 87-93. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0087

摘要：为了减小光栅扫描型光谱仪调制器的调制信号频率波动，提高光谱检测精度，基于PID技术设计了光谱仪调制器稳速控制系统。调制器稳速控制系统主要包括H桥驱动电路、光耦及整形电路和单片机微控制器3部分。控制系统利用光耦及整形电路、单片机捕获功能实时获取调制器调制频率，并以调制盘一圈内全部齿对应测量频率的平均值与目标频率值之差作为频率误差，利用PID算法计算输出控制信号的控制量，控制单片机的定时计数器产生PWM波，通过H桥电路驱动直流电机，保证调制器调制频率的稳定。实验结果表明，与光谱仪调制器锁相环稳速控制系统对比，PID稳速控制系统的调制器调制频率的波动量由5.67 Hz减小为3.01 Hz，光谱仪信噪比由1 885提高到4 156，有效提高了光谱仪的信噪比，并具有较高的稳定性。

关键词：近红外光谱仪;调制器;调制频率;稳速;PID算法;直流电机

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发布时间：2020-08-13
激光冲击强化高速钢W9Cr3Mo4V响应
樊玉杰,郭二彬,戴毅斌,崔鹏飞,唐德业
2016, 24(10s): 94-102. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0094

摘要：为了研究激光冲击强化高速钢W9Cr3Mo4V材料的响应性能，采用不同的激光能量、冲击次数对高速刚表面进行激光冲击强化处理。实验结果表明，激光冲击区域产生圆形凹坑变形，凹坑深度变形量随激光能量和冲击次数的增加而增大。激光冲击影响区域表面残余压应力，并随着激光能量和冲击次数的增加而增加，但冲击次数超过3次后，最大残余压应力趋于饱和状态，应力增幅并不明显。凹坑中心纳米硬度和弹性模量，随着激光能量和冲击次数的增加而增大，与基体相比，最大分别增加了15.04%和14.35%。受冲击波的力效应沿深度方向的影响，冲击区域表层晶粒尺寸最小约10 μm，随着距离的增加，晶粒尺寸逐渐增大。根据晶粒尺寸的变化情况，将冲击影响区域分为5层：严重塑性变形层、塑性变形层、轻微塑性变形层、过渡层和基体。激光冲击能有效细化高速钢W9Cr3Mo4V表层晶粒，提高冲击区域表层的力学性能，为激光冲击强化高速钢刀具提供指导。
关键词：激光冲击;W9Cr3Mo4V高速钢;纳米硬度;弹性模量;残余应力;微观组织

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发布时间：2020-08-13
强湍流信道中含有瞄准误差的空间光通信中断概率分析
吴君鹏,宋路
2016, 24(10s): 103-108. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0103

摘要：大气湍流中的光强闪烁和瞄准偏差是影响光通信性能的两个重要因素。本文根据强湍流大气信道环境下的K分布模型和瞄准偏差分布模型，采用强度调制直接探测（IM/DD）开关键控（OOK）通信方式，利用MeijerG函数导出了通信系统的中断概率解析表达式。通过数值计算，分析了大气湍流程度、波束宽度、抖动偏差对系统中断概率的影响。结果表明在强湍流大气信道中，波束宽度的减小可以降低系统的中断概率，同时通信终端设备的抖动偏差会导致中断概率增加。在归一化波束宽度为1时，系统的中断概率降低到0.12。因此，在实际通信信道中维持可靠的通信链路，需要进一步优化波束宽度。
关键词：激光通信;光强闪烁;开关键控;中断概率;波束宽度;抖动偏差

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发布时间：2020-08-13
高分辨力与高输出稳定性自准直系统设计
朱凡,谭欣然,谭久彬,范志刚
2016, 24(10s): 109-116. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0109

摘要：为了实现高分辨力与高输出稳定性的微小角度测量，建立了一个光电自准直系统。该系统主要包括摄远物镜、光学放大以及漂移补偿单元。首先，对摄远物镜的短结构、长焦距特性进行研究，对该特性中的制约因素以及对结构参数变化的敏感程度进行分析，并应用光学放大提高自准直中图像位移检测的分辨力。然后，在高分辨力的基础上引入漂移补偿，利用合作靶标分离出漂移量参考光束，结合光束偏转单元对自准直过程中的漂移量进行闭环控制。最后，对该自准直系统的分辨力和稳定性进行了测试。实验结果表明：在±30"的测量范围内，自准直系统的有效分辨力优于0.000 5"，两小时输出稳定性达到0.006"，可以满足微小角度测量领域中的高分辨力与高输出稳定性的要求。
关键词：角度测量;自准直;漂移补偿;合作靶标

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发布时间：2020-08-13
射流电沉积涂层激光重熔的力学性能强化
范晖,赵阳培,王善奎
2016, 24(10s): 117-122. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0117

摘要：为了提高射流电沉积层的力学性能，研究了激光重熔对射流电沉积沉积层性能的影响，优化了相关工艺参数。采用射流电沉积方法在304不锈钢表面制备纳米结构铜沉积层后开展激光重熔工艺。采用扫描电镜和X射线衍射仪观察涂层表面形貌和晶粒尺寸，并对涂层进行了力学性能测试。测试结果表明：在优化的工艺参数下（电流密度为200 A/dm²，扫描速度为10 mm/s），射流电沉积制备铜沉积层表面较平整，微观结构较致密，由尺寸为60 nm的纳米晶颗粒组成。激光重熔后显微硬度、抗拉强度等力学性能都得到明显提高。显微硬度可以达到816 HV，抗拉强度可以达到590 MPa。通过拉伸断口形貌观察表明激光重熔后材料塑性会降低，因此激光重熔相关参数有将进一步的优化。
关键词：纳米涂层;激光重熔;射流电沉积;力学性能

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发布时间：2020-08-13
激光烧蚀实木异型表面的微观形貌实验
白岩,杨春梅,吴哲,马岩
2016, 24(10s): 123-128. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0123

摘要：为了解决具有异型表面的木雕和高档家具砂磨困难的问题，提出了使用脉冲激光加工系统代替传统人工打磨的方法。首先在理论上考虑基模高斯光束的入射能量和材料比能，得出了单位时间的最大烧蚀深度。然后使用Nd：YAG激光器，选取水曲柳和红松两种具有代表性的实木材料作为实验对象，在单脉冲能量为300，600 mJ以及脉冲重复频率为5，10 Hz的条件下进行了激光烧蚀实验。实验结果表明，红松由于密度较小，烧烛深度变深，激光烧蚀速率也更快；相比于脉冲能量，脉冲重复频率的提高可以更显著地提高烧蚀效率。水曲柳和红松两种试材的最大烧蚀速度分别为0.20 mm/s和0.33mm/s，基本满足异型表面实木家具的砂光打磨要求。

关键词：激光加工;激光烧烛;异型表面;砂光;实木

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发布时间：2020-08-13
(Sm_0.875La_0.125)₂Zr₂O₇的制备及反射性能研究
姜淼,高丽红,马壮,王富耻,刘玲
2016, 24(10s): 129-134. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0129

摘要：Sm₂Zr₂O₇因具有极低的热导率、较大的热膨胀系数、较低的烧结速率和良好的热稳定性，有望应用于热障涂层领域。为了提高Sm₂Zr₂O₇的反射性能，向Sm₂Zr₂O₇中掺杂大尺寸La，采用固相反应烧结法制备具有焦绿石结构的（Sm_0.875La_0.125）₂Zr₂O₇，通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜和近红外反射光谱研究了烧结温度、显微组织和能带结构对其反射性能的影响。实验结果显示，La元素成功掺入Sm₂Zr₂O₇，并保持其焦绿石晶体结构不变；随着煅烧温度的升高，（Sm_0.875La_0.125）₂Zr₂O₇颗粒尺寸逐渐增大并趋于均匀，于1 500℃煅烧时禁带宽度最窄，反射率达到最大值，在780～2 500 nm波段整体高于80%，局部波段达到90%以上。由此表明；（Sm_0.875La_0.125）₂Zr₂O₇材料具有良好反射性，对表面防护的发展具有一定的促进作用。

关键词：激光防护;稀土锆酸盐;(Sm0.875La0.125)2Zr2O7;反射性能;烧结温度;显微组织

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发布时间：2020-08-13
表面三维轮廓的粗糙度评定
刘泊,齐兴华,张明
2016, 24(10s): 135-140. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0135

摘要：为了更直观地获取样块表面三维轮廓的粗糙度信息，以衡量所测试零件的表面质量，进而衡量其加工工艺的优劣以及能否满足设计要求，研究了一种表面三维形貌的评定方式。利用白光相移干涉系统测量标准样块的表面三维轮廓数据，建立高斯评定基准面并提取粗糙度数据，数据处理后对最为重要的幅度参数和综合参数加以计算，分析各个参数所反映的表面三维结构特征，并对标准样块的表面形貌进行了全面综合分析。实验结果显示，均方根偏差与粗糙度的比值为1.04，表面十点高度为0.059 μm，偏斜度大于0，陡度小于3，均方根斜率为2.993 μm，表面峰曲率算数平均值为0.181 μm。该实验结果符合研磨样板表面轮廓的分布特征，并且与用轮廓仪的测量结果相符。

关键词：三维形貌测量;白光相移干涉;粗糙度;粗糙度评定

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发布时间：2020-08-13
Ce:SBN75光折变晶体中的离散空间光孤子波导阵列
王颖,张晓非,梁宝来,郭庆林,王淑芳
2016, 24(10s): 141-147. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0141

摘要：探讨了空间光孤子波导进行弱光束操纵强光束的可行性，研究了空间光孤子诱导波导的各向异性及其对离散孤子波导之间相互作用的影响。通过控制亚微瓦量级532 nm激光的入射光强和外加电压条件，在Ce：SBN75光折变晶体中平衡光折变自聚焦效应和激光束传输的扩散效应形成了稳定的（2+1）维空间屏蔽光孤子，并由此空间光孤子在该晶体中诱导出孤子波导，然后在水平和垂直方向上移动晶体位置获得离散空间光孤子波导阵列。利用晶体折射率弱敏感的633 nm宽光束激光与空间光孤子同轴传输并覆盖空间光孤子诱导出的光波导和离散空间光孤子二维波导阵列。结果表明，在532 nm激光的入射光强为0.058 μW，施加电压为200 V时空间光孤子可在10 s内形成，其诱导产生的光波导轮廓清晰；感应波导具有各向异性，各向异性会影响离散孤子波导之间的相互作用。该结果对利用空间光孤子波导实现二维信息的处理和传输具有重要意义。

关键词：光波导;光折变晶体;空间光孤子;离散孤子;各向异性

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发布时间：2020-08-13
激光跟踪仪高精度绝对测距系统
纪荣祎,周维虎,黎尧,柳淳,乔亚丽
2016, 24(10s): 148-155. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0148

摘要：设计了组合式激光绝对测距系统，实现了激光跟踪仪的高精度绝对测距性能。首先，介绍了激光跟踪仪的工作原理与性能特点，设计了基于双飞秒激光测距与相位式激光测距的组合式绝对测距方案。然后，根据相位激光测距原理设计了相位激光测距光路与信号处理系统设计。最后，进行了飞秒测距系统测距精度比对实验和相位测距系统动态跟踪测量实验。实验结果表明：在60 m的测量范围内，飞秒激光测距可达到1 μm+0.5 μm/m的测距精度，相位激光测距系统能够实现±10 mm的动态测距精度，可满足组合式测量对距离大数的测量精度要求。设计的组合式激光绝对测距系统能够满足激光跟踪仪对测距系统测量精度高、测量速度快、可动态测量的性能要求。
关键词：激光跟踪仪;飞秒激光测距;相位激光测距;数据处理

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发布时间：2020-08-13
基于液晶空间光调制器的多焦菲涅尔透镜
许忠保,王双迎,刘文超,陶伟森,宋丛珊
2016, 24(10s): 156-161. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0156

摘要：为了在保持分辨率的前提下提高传统成像透镜的焦深，提出了一种基于纯相位空间光调制器（PLUTO）的多焦菲涅尔透镜延拓焦深的方法。在分析空间光调制器承载菲涅尔透镜原理及对透镜最小焦距、衍射效率限制因素的基础上，将多个不同焦距的菲涅尔透镜与闪耀光栅镶嵌在一起，并通过Matlab编程在液晶空间光调制器的像素区域。通过PLUTO的像素控制特性，实现多个透镜的相位随机等概率分布在PLUTO的每个像素中。根据每个透镜的轴向焦点相互交叠的原则，获得了焦深为16 mm的复用透镜。实验结果表明，与具有相同数值孔径的单透镜相比，复用透镜的焦深增加了5倍；而且在整个焦深范围内，焦斑大小基本保持不变与单透镜有着相近的成像分辨率。
关键词：空间光调制器;多焦复用透镜;菲涅尔透镜;焦深延拓;衍射效率

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发布时间：2020-08-13
蓝光辐照对PET和SiO₂基石墨烯导电性能的影响
刘显明,曹雪颖,李相迪,陈伟民
2016, 24(10s): 162-168. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0162

摘要：石墨烯透明电极在光照下可能会产生电学性能变化，对于LED背光源，蓝光成分比重较大。为了研究石墨烯在蓝光辐照下的电学性能，以不同基底的石墨烯电极为样品，包括分别代表柔性和硬质应用的PET和SiO₂基石墨烯，介绍了这两种基底的石墨烯透明电极在不同功率蓝光辐照下，在不同环境气氛中的导电性能变化，并分析了掺杂对石墨烯导电稳定性的影响。实验结果表明：不同基底石墨烯样品的导电性能在蓝光辐照下均会发生变化，其变化程度和速度受光照时间、环境气氛、掺杂和辐照功率的共同影响。SiO₂基、PET基在9 mW光源的长期照射下，未掺杂真空环境辐射10 h时相对电阻的变化分别为29.5%和10.1%，掺杂后降至13.0%和4.6%，大气环境中降至7.1%和2.7%。可见气体分子和AuCl₃掺杂剂的吸附作用会减小电导变化，提高石墨烯的电阻稳定性。该研究结果可为改善石墨烯透明电极长期应用的稳定性提供参考。

关键词：石墨烯透明电极;PET基底;SiO2基底;导电性能;电阻稳定性;蓝光辐照

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发布时间：2020-08-13
小型伪随机绝对式光电编码器芯片
殷景志,余芝帅,彭灿,慕雨松,常玉春
2016, 24(10s): 169-174. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0169

摘要：为了解决传统绝对式编码器体积大和精度低的问题，设计了一种基于M码伪随机序列的绝对式编码器芯片。在综合考虑各种绝对式编码方式优缺点的前提下，提出采用单圈M码道的设计，避免了传统的多圈绝对式编码器码道数目较多、尺寸较大的缺点，有利于绝对式编码器的小型化。接着，采用M码道与增量式精码道相配合的方式，利用芯片内部ADC对精码进行细分，在尽量避免外部噪声的前提下，将编码器的分辨率提高到19 bit。最后，针对编码器的细分误差，采用基于径向基神经网络的误差补偿算法，可以将编码器的细分误差降低2至3倍，有效提高了编码器的系统精度。仿真结果表明校正后系统的标准偏差为8.4"。该绝对式编码器体积小、精度高、可靠性高，具有一定的工程应用价值。

关键词：光电编码器;绝对式编码器;芯片;细分误差;伪随机编码;误差补偿

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发布时间：2020-08-13
长春站高重复频率空间碎片激光测距技术
宋清丽,梁智鹏,董雪,韩兴伟,范存波
2016, 24(10s): 175-182. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0175

摘要：本文主要根据空间碎片运行速度快、预报精度差等特点，论述了高重复频率空间碎片激光测距的关键技术，通过采用高重复频率、高光束质量的激光器提高了激光输出功率密度。提出了回波指数概念，建立空间碎片观测目标数据库。利用光学视位置偏差信息，通过对数据实时拟合，修正预报距离偏差的参考值，提高探测成功率。在长春站60 cm激光测距系统上进行了可行性和有效性验证，在26个试验观测日内获得了233个不同空间碎片目标的466圈有效数据。对这些数据进行统计得到，观测目标距离在400~1800 km，其雷达散射截面（RCS）在0.9~26.1m²，测距精度约为1 m。该高重复频率空间碎片激光测距系统不仅可以获得有效的观测数据，而且大大提高了观测的成功率，观测数据可用于开展空间非合作目标测轨和定轨、精密编目以及其他科学应用研究。

关键词：空间碎片;激光测距;高重复频率;数据识别;预报改进

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发布时间：2020-08-13
激光大气湍流传输中的光强闪烁特性
徐春凤,倪小龙,刘智
2016, 24(10s): 183-189. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0183

摘要：利用激光大气通信系统进行了近地面激光大气传输实验，对不同季节、不同波长下的闪烁因子进行了观测。实验时间均为每天的8点~21点，每隔10分钟测量一次，单次测量采集15 000幅灰度图像进行处理和分析，选取规律较好的日样本进行对比分析。实验结果表明：闪烁因子随着气温的升高、湍流效应的增强而增加，随着气温的降低、湍流效应的减弱而减小；闪烁因子随着波长的增加而减小，并且波长越长，稳定性越好。实测闪烁因子值与理论上的Rytov方差基本吻合，验证了Rytov方差在弱起伏条件下的适用性；从统计数据分布的规律中得出光强闪烁概率密度函数服从正态分布。光强起伏功率谱幂指数在-7/3~-12/3之间波动，低于其它文献中给出的实验结果。所得的结果对大气信道的激光通信研究具有一定的借鉴作用。
关键词：激光通信;大气湍流;光强闪烁;闪烁因子

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发布时间：2020-08-13
PBS对零差激光干涉仪非线性误差的影响
王超群,黄强先,伍婷婷,武万多
2016, 24(10s): 190-196. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0190

摘要：基于琼斯矩阵原理研究了分别位于零差激光干涉仪干涉部分和探测部分的3个偏振分光棱镜（PBS）引起的非线性误差。首先，介绍了零差激光干涉仪的构成和工作原理。然后对干涉仪中PBS的理想琼斯矩阵进行修正，建立了与光路中PBS用途相对应的误差分析模型。最后，在Maple软件中分别仿真了PBS单独和整体引起的非线性误差。结合仿真曲线和误差分析模型可知，干涉部分的PBS₁主要引起非正交误差，而探测部分的PBS₂和PBS₃引起直流漂移误差和不等幅误差。仿真结果表明，采用性能更好的PBS₁可使非线性误差从2.32 nm降低至0.23 nm；调节光电探测器的增益系数，则可消除PBS₂和PBS₃引起的直流漂移和不等幅误差。上述研究结果为进一步补偿由PBS引起的非线性误差提供了理论依据。

关键词：零差激光干涉仪;偏振分光棱镜;非线性误差;直流漂移;不等幅;非正交

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发布时间：2020-08-13
用于Mach-Zehnder干涉仪的双向双阈值条纹计数方案
崔洪亮,郎金鹏,常天英,陈建冬,于淼
2016, 24(10s): 197-202. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0197

摘要：为了精确测量干涉信号中相位改变量，建立了基于马赫增德尔干涉的光路结构，提出了一种高精度的条纹计数解调方案。首先，对马赫增德尔干涉的结构进行了介绍，对基于3×3耦合器的马赫增德尔干涉结构的输出信号进行了分析，并利用输出干涉信号与输入光强信号的关系，提出了抗光源扰动影响的数据处理方案。接着分析了传统的条纹计数解调方案，提出了一种高精度的解调方法，该方法将传统的过零检测法与阈值判别法结合，并将传统的单向判向计数更改为双向判向计数。最后，搭建了一种MZ干涉系统，并以光纤拉伸实验对改进的解调方案进行验证。实验和分析表明，改进的条纹计数解调方案相比于传统的条纹计数方案判向次数提高4倍，可以实现π/4相位改变量的测量，相位解调精度为传统计数方案的4倍得到了明显的提高。

关键词：相干光学;马赫增德尔干涉;相位解调方案;条纹计数;3×3耦合器

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发布时间：2020-08-13
用于调味品中非法添加物测定的便携式激光拉曼检测仪
张溱,杨练根,张娜,何涛,翟中生
2016, 24(10s): 203-211. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0203

摘要：为了实现调味品中的非法添加物的现场快速检测，提出了一种基于激光拉曼原理的便携式拉曼检测仪。它主要由785 nm波长的激光器、分光镜、聚焦透镜、滤光镜、光谱仪、光谱分析软件以及便携式计算机等组成。基于拉曼原理设计了拉曼聚焦光路和收集光路，并设计了基于免疫遗传算法和粒子群算法对拉曼光谱重叠峰进行精确解析的光谱分析软件。通过实验，配合银离子拉曼增强剂和匹配剂，对1×10^-6的罗丹明B和碱性橙Ⅱ的混合水溶液进行了光谱采集，获取了相应的拉曼光谱信号，然后对这2种存在重叠峰的非法添加物进行了检测。结果表明本仪器能有效分离拉曼光谱的重叠峰，其理论测量分辨率为2.3×10^-9，包括简单制备和仪器预热在内的检测时间小于半小时，可辅助食品质量监督部门进行现场执法检验和取证。
关键词：激光拉曼;调味品;非法添加物;重叠峰分离;快速检测

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发布时间：2020-08-13
全固态210 nm准连续深紫外激光器
崔建丰,高涛,张亚男,王迪,岱钦,姚俊
2016, 24(10s): 212-215. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0212

摘要：本文采用国产808 nm光纤输出半导体激光器作为抽运源，研制了全固态深紫外激光器。该激光器采用激光二极管（LD）端面抽运Nd：YLF晶体和声光调Q技术实现了准连续1 053 nm的基波振荡，腔外利用一块LBO晶体和两块BBO晶体对基频光进行二倍频、四倍频及五倍频，实现了准连续210 nm的深紫外激光输出。实验研究了该激光输出功率与LD抽运功率的关系。LD抽运功率为13 W，声光调Q激光器的调制频率为1 kHz，基波平均输出功率为1.33 W时，能够获得平均输出功率17 mW，脉冲宽度6.1 ns的210 nm深紫外激光，光束质量良好。该激光器腔外谐波变换无聚焦系统，结构简单、易于操作，有利于小型化生产。

关键词：全固态激光器;深紫外激光器;五倍频;准连续

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发布时间：2020-08-13
基于激光扫描技术的采煤机精确定位系统
刘一鸣,刘万里,杨滨海
2016, 24(10s): 216-223. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0216

摘要：针对目前煤矿井下现有定位方法精度不高的问题，提出了基于激光扫描的高精度定位系统。该系统采用前方三角交汇与扇面激光扫描相结合的采煤机精确定位方案；基于两基站，利用系统的时间信号差，推导了定位系统对安装于采煤机机身上的接收器的基本定位原理，将系统坐标下接收器采集的俯仰角和水平角信息转换成采区局部地理坐标系下的采煤机坐标；最后在实验室模拟综采工作面环境下（15.341 m×4.125 m）进行了实验研究。结果表明，X轴、Y轴、Z轴上的最大误差分别为0.116，0.093，0.132 m，系统的三维定位精度为0.139 97 m，单位距离的三维精度为0.018 763 m/m，能够满足综采工作面采煤机在机头或机尾处的定位精度的要求。

关键词：采煤机;精确定位;激光扫描;三角交汇

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发布时间：2020-08-13
CO₂激光在PET基板加工微通道的工艺优化
陈雪叶,沈杰男,胡增亮,陈静
2016, 24(10s): 224-228. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0224

摘要：为了提高微通道表面的加工质量，研究了CO₂激光在聚乙烯对苯二甲酸酯（PET）基板上加工微通道的工艺。通过正交试验法研究了激光功率、加工速度、通道长度和加工次数对微通道宽度的影响，并且进行了工艺参数优化。然后，通过金相显微镜和粗糙度测量仪对加工结果进行了实验分析。结果表明，正文试验获得的最佳加工参数如下：激光功率为10 W，扫描速度为6 mm/s，通道长度为80 mm，加工次数为3次。在此加工参数下对通道表面的粗糙度（Ra）的算数平均值可以达到170 nm。由此证明使用CO₂激光在PET基板上加工微米级通道的方法是完全可行的。

关键词：CO2激光;聚乙烯对苯二甲酸酯;正交试验;算术平均粗糙度

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发布时间：2020-08-13
异形冲压件轮廓视觉检测系统设计
陈海永,李泽楠,孙鹤旭,欧洋,王亚男
2016, 24(10s): 229-236. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0229

摘要：针对异形冲压件轮廓缺陷的检测难题，设计了一个零件缺陷视觉检测系统。介绍了该系统的硬件组成和工作原理。根据冲压件的不规则形状采用水平集算法结合应用模型Chan-Vese来提取零件轮廓。设置能量函数，并通过优化能量函数使轮廓曲线逐渐逼近采集图像中冲压件的轮廓边界，有效抑制了噪声干扰提高提取精度。最后，采用hu不变矩轮廓匹配算法和面积匹配算法，通过多样本hu矩参数和面积采样设置阈值实现了缺陷零件的准确识别。该缺陷识别算法具有旋转、平移不变性和较好的鲁棒性。实验结果表明，此系统可检测出占整个异形零件0.5%以上的缺陷，缺陷检测精度高，能够满足异形零件轮廓稳定可靠、高精度等检测需求。
关键词：视觉检测;异形冲压件;水平集;轮廓提取;轮廓匹配

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发布时间：2020-08-13
三角形方向阈值鉴别的自动测量
郭宇翔,李晓霞,马德跃,黄章斌,赵亮
2016, 24(10s): 237-244. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0237

摘要：为了减小光电成像系统三角形方向鉴别阈值模型（TOD）测量中三角形靶标方向鉴别率的主观因素影响，有效提高测量效率，研究了机器自动鉴别代替人工识别的方法，并建立了一套基于相关匹配的三角形方向阈值自动判别模型。将人眼视觉系统模型MTF作为处理靶标图像传递衰减的基础，采用基于相关运算的模板匹配法，通过计算靶标图像与模板的相关度完成了三角形方向的自动鉴别。根据标准TOD模型测量法建立了一套三角形靶标模板，并实验对比了人工识别和机器自动鉴别的正确率，采用Weibull视觉心理测量函数拟合统计结果，建立了系统的TOD曲线。结果表明，与人工识别相比，机器鉴别对三角形靶标方向鉴别正确率的平均偏离值为0.9%，机器识别与人工判别的鉴别阈值曲线能够较好的吻合，可用于光电成像系统的TOD曲线测量。

关键词：光电成像系统;三角形方向阈值鉴别;自动测量;人眼视觉系统

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发布时间：2020-08-13
液氮温度下激光冲击波对Al-Cu合金的强化机理
孟宪凯,周建忠,谭文胜,苏纯,黄舒
2016, 24(10s): 245-251. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0245

摘要：采用数值模拟与实验研究相结合的方法探索深冷激光冲击波在Al-Cu合金中的传播特性及其诱导的塑性行为。使用分子动力学软件Lammps建立了Al-Cu合金的分子动力学模型，分别在常温（293 K）以及液氮温度（77 K）下获得了激光冲击波速度与冲击波压力随粒子速度的变化规律。然后，分析了激光冲击波诱导的位错演变过程。最后对模拟结果进行了实验验证。结果表明，激光冲击波在液氮温度下的冲击波速度高达7.31 km/s，冲击波压力高达25.93 GPa，略高于常温激光冲击波；另一方面，深冷激光冲击诱导的位错结构更加稳定有序，最高位错原子数可达104 381，比常温激光冲击波增加了近30.5%。这是因为超低温环境中，Al-Cu合金具有更加稳定的FCC晶格结构，原子间距较短且原子排列均匀一致，这不仅有利于冲击波能量在晶格间的传递，使深冷激光冲击波速度与冲击波压力高于常温激光冲击波，还有利于位错的形核与扩展，进而获得较常温激光冲击更优良的表面强化效果。
关键词：深冷激光冲击强化;液氮温度;分子动力学;位错;Al-Cu合金

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发布时间：2020-08-13
白天卫星激光测距的望远镜实时指向修正
孙明国,高鹏骐,李振伟,董雪,赵有
2016, 24(10s): 252-258. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0252

摘要：为了提高白天卫星激光测距目标的观测效率，减小观测员的工作量，利用实测数据来计算预报的时间偏差，并对下一圈的实测预报进行指向修正。对望远镜指向进行大气折射修正和三轴误差修正，以实测数据的距离信息计算预报时间偏差，即利用一天内前几个弧段的实测数据，包括晚上数据来计算预报的时间偏差。然后，对下一圈的轨道预报进行时间偏差修正，分析和比较改正后的偏靶量和改正前的偏靶量。实验结果表明：传统的M-M大气折射修正模型和经纬仪三轴改正模型可以使望远镜指向精度（RMS）达到5～10"，满足白天卫星激光测距的要求（10"）。利用时间偏差修正预报指向可以使偏靶量减小1～3"，部分修正量多达8"，偏靶量减小，说明该方法是可行的。
关键词：卫星激光测距;指向偏差;轴系误差;误差修正

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发布时间：2020-08-13
大口径光学元件疵病检测仪的结构设计
黄斌,李显凌,杨荟琦
2016, 24(10s): 259-266. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0259

摘要：为了满足大口径光学元件表面疵病的光学检测需求，设计了一款具有四自由度的疵病检测仪。该检测仪采用4个独立驱动装置进行控制，基于坐标系矩阵变换的理论对该疵病检测仪的运动学进行了分析与解算，得到了末端检测物镜的轨迹坐标与各驱动位移的关系，同时得到了各随动运动与主动运动之间的关系曲线。采用虚拟样机仿真软件ADAMS对运动学解算结果进行仿真验证，得到了各驱动装置的位移-时间曲线。最后，通过ANSYS Workbench对检测物镜末端的静态位置偏差和镜筒支撑结构的模态进行了有限元分析。结果表明，镜筒末端最大的静态位置偏差为19.82 μm，通过精密角度调节台1/36圈的精密螺距调节可将偏差控制在1 μm以内，满足设计指标±10 μm的精度要求；镜筒支撑结构的一阶固有频率为882.58 Hz，确保工作频率远小于结构的一阶固有频率，避免共振对整体结构的破坏，保证了设备的可靠性与安全性。

关键词：光学检测;疵病检测;运动学反解;有限元分析;模态分析;ADAMS

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发布时间：2020-08-13
菲涅尔波带片及其在光学加速度传感器中的应用
贾书海,申鹏程,汪永林,董君,王飞,唐振华,杜艳芬
2016, 24(10s): 267-271. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0267

摘要：设计加工了一种菲涅尔波带片，介绍了该菲涅尔波带片的设计原理和参数选择。该波带片的尺寸精度在微米级，最大理论半径为494.19 μm，最小理论半径为78.11 μm。开发了该波带片的微纳加工工艺流程，成功制备出了高质量的波带片。所加工的菲涅耳衍射波带片边界光滑完整，具有良好的聚焦和成像特性。利用该波带片的衍射特性开发出了一种全光型的加速度传感器，并对其传感特性进行了测试。从实测的输出曲线可以看出，传感器输出和加速度之间有着良好的线性度，灵敏度为0.033 V/g。该传感器利用光纤来导光，传感器头内没有电子元件，具有良好的抗电磁干扰能力，可以应用于恶劣环境中。

关键词：衍射器件;波带片;衍射特性;微细加工;加速度传感器

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发布时间：2020-08-13
脉冲激光辐照所致线阵碲镉汞焦平面器件信号的整体跃变现象
张检民,徐作冬,冯国斌,林新伟,李辉,张震,赵军
2016, 24(10s): 272-279. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0272

摘要：为研究带有电容反馈跨阻放大器（CTIA）读出电路的线阵碲镉汞焦平面阵列器件在强脉冲激光作用下的响应特性，使用100 ns脉宽的2 μm波段红外激光开展了单脉冲辐照效应实验，发现了脉冲激光诱导的焦平面阵列输出信号整体跃变现象，即较强脉冲光辐照后，线阵器件中所有像素的输出信号出现幅度近似一致的上升。对信号跃变实验规律进行了分析，结果表明，信号整体跃变出现阈值约为1 μJ/cm²，信号跃变量随辐照光强单调上升，但在100 μJ/cm²左右呈现饱和趋势。对该现象的产生机理进行了分析，排除了光学串扰、电学串扰、热累积效应等因素的影响，得出信号跃变的主要原因在于：强光作用后，供电电路上的耦合电容因为快速放电而出现瞬时压降，导致通过公共P端电极连接的光敏二极管工作状态由零偏转变为反偏。
关键词：激光辐照效应;脉冲激光;碲镉汞;焦平面阵列;响应特性;信号整体跃变

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发布时间：2020-08-13
钛合金厚板激光-电弧复合热源打底焊工艺
史吉鹏,周彦彬,刘黎明
2016, 24(10s): 280-286. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0280

摘要：针对航空钛合金厚板结构件打底焊时存在的自动化程度低，焊缝成形难以控制，生产效率低等制约行业发展的瓶颈问题，采用低功率脉冲激光-TIG复合热源焊接技术对10 mm厚钛合金板材进行了打底焊工艺及焊缝成形机理的试验研究。采用视觉图像监测技术对脉冲激光作用前后的等离子体行为和熔池状态变化进行了观察和分析。试验结果表明：低功率脉冲激光-TIG复合热源焊接时，脉冲激光对TIG电弧有诱导增强作用的同时还对熔池流动与电弧热量分布有调控作用。将热源间距调到3mm时电弧压缩到激光作用点附近，熔池在耦合电弧挖掘力的作用下向后流动促使熔池热量向后转移，此时热源分布到熔池正、背面的热量使背面熔池受力平衡、稳定，可获得成形良好焊缝，其接头的屈服强度和抗拉强度分别为母材的96.3%和95.8%，能够满足使用要求。

关键词：激光-电弧复合焊;钛合金厚板;复合热源;打底焊;热量分布

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发布时间：2020-08-13
基于折光法的发酵罐总糖含量在线自动测量系统
孙玉梅,刘若晨,王美春,贾振江,陈祥光
2016, 24(10s): 287-293. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0287

摘要：为了解决金霉素发酵罐发酵液黏度大、组分复杂、含有渣质难于在线自动检测的难题，根据折光率测量原理，采用STM32系列32位微控制器STM32F103RCT6作为主控制器，CCD作为测量传感器，实现了总糖含量在线自动测量系统。分析了光线在不同介质中传播时发生的折射反射现象，给出了总糖含量测量的离线测量原理。该系统从发酵罐自动取出发酵液，经过滤得到被测料液，根据CCD传感器的数据计算被测料液的折光率，由此得出料液的总糖浓度值。实验结果表明，基于折光法研制的金霉素发酵罐总糖含量在线自动检测系统的测量精度为0.1°Brix。该系统在实验过程中运行稳定，能满足企业的实际生产需求。

关键词：金霉素发酵罐;总糖含量;折光法;CCD传感器;自动测量系统

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发布时间：2020-08-13
菲涅尔透镜聚焦太阳光泵浦Cr/Nd:YAG陶瓷激光器
芦宇,申作春
2016, 24(10s): 294-299. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0294

摘要：菲涅尔透镜聚焦太阳能泵浦Cr/Nd：YAG陶瓷激光器中，泵浦光斑与激光棒一次轴向耦合度对激光输出功率有很大影响。采用跟踪偏差方法，即太阳光入射方向与菲涅尔透镜表面法向量不平行导致聚焦光斑与激光棒耦合度不同的方法，实验获得了激光输出功率随偏转角度的变化关系。该实验采用漫反射陶瓷腔，降低了二次或多次反射聚焦泵浦对输出功率的影响。实验结果表明，输出镜反射率为97%与99%两种情况下，跟踪偏差角度从0°增加到0.5°时，激光输出功率降低到初始功率的约1/6倍。所建立的匹配实验的物理模型其理论计算相同偏差角度结果与实验相符合。实验与理论均表明泵浦光与激光棒一次泵浦的轴向耦合效果最好，因此除去端面遮挡，通过增加二次聚光器获得高轴向耦合的端面泵浦光可以大幅度提高激光的输出功率。

关键词：太阳能泵浦激光器;菲涅尔透镜;Cr/Nd:YAG陶瓷;激光输出功率;轴向耦合度

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发布时间：2020-08-13
合成孔径激光雷达大视场技术综述
李一哲,薛斌,赵意意
2016, 24(10s): 300-308. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0300

摘要：概述了合成孔径激光雷达国内外的研究现状，指出了现阶段限制合成孔径激光雷达应用及工程化的困难，着重分析了其系统成像视场过小问题的解决方法，说明合成孔径激光雷达技术中外差探测视场在理论上的限制，介绍了国内外学者针对这一问题所做的努力和探索，最后对其发展前景进行了分析和展望。
关键词：激光雷达;合成孔径;大视场;外差探测;接收视场角;成像演示

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发布时间：2020-08-13
自动重传请求机制在空间光通信中的性能
耿驰,吴茗蔚,王振永,宋天宇,甘培润
2016, 24(10s): 309-315. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0309

摘要：在自由空间光通信（FSO）系统中，为了公平分析使用自动重传请求机制的性能，提出了有效平均接受功率。对该系统的误比特率、吞吐量等系统性能进行了研究。通过计算自由空间光通信中数据帧重传时损耗的能量，证明了当系统在足够高的平均接收功率的条件下能获得很好的性能增益。实验结果表明：在弱湍流和强湍流的信道环境下，当平均接收功率分别高于-29.2 dBm和-31.7 dBm时，FSO系统使用ARQ机制才是有效的。当传统ARP在弱湍流信道环境下和强湍流信道环境下分别高于-24.2 dBm和-17.2 dBm时，系统性能会有显著的提高；而当平均接收功率较低时，由于重传次数大，系统为数据帧的重传消耗大量能量，因此系统性能很差。

关键词：空间光通信;自动重传请求;平均接收功率;误比特率;吞吐量;有效吞吐量

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发布时间：2020-08-13
激光电池技术进展
朱启海,赵长明,张逸辰,徐鹏
2016, 24(10s): 316-322. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0316

摘要：介绍了空间、地面激光无线能量传输的研究现状，从激光电池材料和激光器选择、电池结构、表面电极分布、不均匀光照与照射位置对电池转换效率的影响，以及高斯光束对电池的影响和电池工作参数等方面，阐述了激光电池的研究进展。激光电池可利用较小的设备面积实现较大的电功率输出，在高效电能供给、快速充电及激光无线能量传输等领域有着重要的应用和广阔的前景。激光电池技术研究将为空间科学研究、遥感和环境监测等航空航天领域提供技术支持。

关键词：激光无线能量传输;激光电池;发展趋势

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发布时间：2020-08-13
采用动态交错聚合机制改善混合光交换网络的阻塞性能
柳春郁,刘昌兴,孟祥宇,杨九如
2016, 24(10s): 323-329. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0323

摘要：在混合光交换网络中，为降低虚波群调度（VWGS）所致的高阻塞率与传输延迟，提出了基于动态交错的聚合机制（DIA）以避免波带、波长业务间的竞争。DIA机制在不同边缘节点采用奇偶交错的波长聚合方式，有效实现波带业务间的隔离；并依据费雪公式动态优化波带、波长信道容量，降低业务在核心节点的碰撞几率。数值结果表明，DIA机制保证了带宽分配的灵活性，改善了业务的阻塞与延迟特性，与VWGS相比，中低流量下的丢弃率降低约0.5~3个数量级，平均边缘-边缘传输延迟减少25~40%。DIA机制无需配置波长转换与光缓存等器件，在保持能耗与成本有效性的同时，可兼顾业务在阻塞与延迟方面的服务质量要求，从而有效提升波带-波长混合光交换网络的实用性。
关键词：光交换网络;混合光交换;波带聚合;动态交错聚合;阻塞率;边缘-边缘传输延迟

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发布时间：2020-08-13
大气光传输信道的闪烁与脉冲畸变测量研究
陈纯毅,倪小龙,刘智,杨华民,任斌,徐春凤
2016, 24(10s): 330-337. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0330

摘要：为了分析大气对光信号传输的影响，研究了有限孔径接收光功率闪烁和脉冲时域波形畸变测量方法，建立了测量数据的数学分析模型。在相距6.2 km的两栋高楼之间开展激光传输测量实验，用CCD传感器探测离焦的接收光斑图像，用高带宽数字示波器记录接收脉冲时域波形。基于记录的光斑图像和脉冲波形数据，分别分析不同尺寸的虚拟圆形孔径接收光功率闪烁概率密度分布和接收光脉冲时域波形畸变。结果表明：用Nakagami分布描述较弱的接收光功率起伏比用对数正态分布更精确；负指数分布可用于描述很强的接收光功率起伏；当发射重复频率为100 MHz的矩形脉冲序列时，发射脉冲时域波形频谱中大于或等于0.48 GHz的旁瓣峰传到接收端后基本上完全消失，脉冲强度峰值出现在发射矩形脉冲的下降沿传输到接收端的时刻，脉冲强度时间分布发生明显扩展。

关键词：激光传输;脉冲;大气;闪烁;畸变

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发布时间：2020-08-13
双光路光阻法液体颗粒计数器设计
王灏,申晋,刘伟,王雅静,尹丽菊
2016, 24(10s): 338-345. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0338

摘要：光阻法液体颗粒计数器已广泛应用于液压、电力、医药和环境等领域，但在实际使用中，对于形状不规则颗粒，由于光以不同方向照射颗粒产生的投影面积不一致，会影响测量结果准确性和重复性。本文设计了一种基于光阻法的双光路液体颗粒计数器，垂直交错的双光路检测结构可以获得颗粒不同方向的粒径信息，改善投影面积不一致的影响。同时，考虑到样品浓度对重合误差的影响，根据最大颗粒浓度和检测范围对传感器传感区尺寸作出限定。此外，针对样品颜色不同影响光电探测器输出基准电压的问题，引入反馈机制以调节光强使基准电压稳定，并通过70 μm球形颗粒脉冲信号的模拟和实测，分析了流速对脉冲信号的影响。

关键词：光阻法;双光路;颗粒计数器;传感器;脉冲波形

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发布时间：2020-08-13
基于光纤光栅传感地层应力的监测方法与实验
赵斌,仲志成,林君,李哲,刘玉娟
2016, 24(10s): 346-352. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0346

摘要：为了实现对地下岩层平面应力状态及其变化规律的有效监测，基于光纤光栅传感技术提出了一种平面直角应变花与光纤光栅相结合的监测方法。将光纤光栅胶结在碳纤维层积复合材料的凹槽内形成光纤应变传感单元，三个光纤应变传感单元以直角应变花的形式附着于圆柱形结构上，形成了对平面应力状态监测的钻孔三分量传感器。以二向应变特征方程与FBG应变传感理论为基础，推导出最大主应变与波长变化之间的关系，根据胡可定律及传感器所处地层的弹性模量得出了主应力与波长变化之间的关系。对光纤应变传感单元进行了温度与应变的标定，在室内对传感装置进行了模拟实验。实验结果表明：光纤应变传感单元可监测的应变为-1500～1500uε；应力测量量程为0～4 MPa；主应力的监测平均误差为1.50%；应力分辨率为0.02816 MPa。传感器的监测结果与实际加载应力的变化规律相一致，可满足对地下岩层竖直平面应力状态连续监测的要求。

关键词：光纤光栅;碳纤维层积复合材料;直角应变花;光纤应变传感单元

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发布时间：2020-08-13
镀金属膜与非镀膜角锥棱镜远场衍射性能与测试
汤凯,程志恩,张海峰,李朴,张忠萍
2016, 24(10s): 353-360. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0353

摘要：角锥棱镜的远场衍射特性直接影响地面激光回波探测，为了研究镀金属膜和非镀膜两种角锥棱镜的反射偏振变化特性和远场衍射特性，以应用于不同角锥棱镜设计和卫星激光测距技术，根据角反射器结构和反射机理，利用偏振矢量分析方法和光的衍射理论求解了的反射光场以及远场衍射光强分布，以此建立了角锥棱镜远场衍射模型，并获取不同偏振方位角时的远场衍射仿真图样。通过搭建角锥棱镜远场衍射图样测试系统，进行了实测与仿真结果的远场衍射图样对比分析，最终得到了镀金属膜和非镀膜两种角锥棱镜反射光偏振态变化和远场衍射特性。结果表明：镀金属膜角锥的远场衍射能量更集中，反射光两偏振分量强度差别可达2个数量级，非镀膜角锥的远场衍射能量相对分散，反射光两偏振分量强度接近，仿真与测试结果相符。本文所构建的角锥棱镜远场衍射仿真模型，可用于不同应用的卫星激光反射器设计及激光回波性能评估。
关键词：激光反射器;镀金属膜角锥棱镜;反射光偏振态;远场衍射图样;测试对比分析

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发布时间：2020-08-13
卫星闪电成像仪光学成像探测技术
惠雯,黄富祥,朱杰
2016, 24(10s): 361-369. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0361

摘要：卫星闪电成像仪利用光学成像技术进行闪电高效率探测，静止卫星闪电成像仪通过对闪电的连续、不间断观测，实现对强对流天气系统的实时监测和预警预报，被认为是最有效的闪电探测手段。本文首先介绍了卫星闪电成像仪的光学成像探测技术特点和我国风云四号卫星闪电成像仪的基本特征，然后利用地基闪电观测数据对美国低轨道卫星闪电成像仪TRMM/LIS的闪电成像产品进行了检验和验证，表明卫星和地基闪电观测数据具有较强的相关性。研究结果证明了卫星光学成像闪电探测技术的可行性和可靠性，风云四号卫星闪电成像仪只要解决好仪器覆盖能力、RTEP星上资料处理等关键技术，必将在我国闪电探测和强对流天气监测等应用领域发挥重要作用。
关键词：闪电探测;闪电成像仪;静止卫星;强对流

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发布时间：2020-08-13
活塞式内燃机光学诊断技术综述
贝太学,魏民祥,刘锐,张志敏
2016, 24(10s): 370-379. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0370

摘要：在活塞式内燃机燃烧系统的研发中，可视化发动机的设计与光学诊断技术的采用是揭示内燃机工作过程的重要手段。光学诊断技术作为非接触式测量方法，能够在尽可能减少对测试场景干扰的前提下，使测量更精确和深入；同时，对缸内的喷雾形态、速度场以及对碳烟等生成物的测量与分析，能够为三维计算流体动力学提供可靠的实验依据。本文首先介绍了用于光学诊断技术的可视化发动机设计分类，包括早期光学通路的设计、目前可视化发动机的底部开窗式光学发动机和三方向可视光学发动机等；然后根据发动机工作过程中的不同阶段，论述了各种光学诊断技术的应用；最后总结了光学诊断技术的发展动态，指出多种诊断技术的联合运用、一维测量到多维测量的转变是活塞式内燃机光学诊断技术的发展趋势。
关键词：活塞式内燃机;可视化发动机;光学诊断;燃油喷雾;排放

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发布时间：2020-08-13
切割钢丝波高波长自动测量系统
田家田,赵辉,闵学刚,邓凯鹏,陶卫
2016, 24(10s): 380-386. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0380

摘要：为了实现对切割钢丝波形与参数的自动化测量，本文研发了一种基于图像处理的切割钢丝自动测量系统。该系统使用图像测量法对钢丝的单幅图像进行采集、识别与处理，得出单幅图像中的波高波长参数。然后旋转钢丝，在钢丝旋转一周的过程中采集多幅图像，还原钢丝的3D结构模型，分离出钢丝的大小波，得出钢丝的真实参数。最后采用亚像素细分来提高图像测量的分辨率和重复精度。实验结果表明，该系统的分辨率可达0.1 μm，大波波高测量精度小于±1 μm，小波波高测量精度小于±3 μm，不仅满足全自动、高重复精度的需求，在大小波识别分离方面也有着很高的准确率。

关键词：切割钢丝;自动测量;亚像素;波高波长

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发布时间：2020-08-13
抗磁性物质密度的精确测量方法
赵朋,颉俊,傅建中,陈子辰
2016, 24(10s): 387-393. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0387

摘要：针对现有的密度检测方法存在的精度低或操作计算过程繁琐的缺点，结合磁-阿基米德悬浮技术，提出了一种抗磁性物质密度的精确测量方法。该方法应用的磁悬浮测量装置可以保证被测样品在装置中达到稳定悬浮，并且在其他实验条件一定的情况下，样品悬浮高度仅与样品本身密度相关。建立了样品悬浮高度与样品密度的关系函数，可以由样品在装置中悬浮高度算出样品密度。通过拟合一组标准密度球在给定实验条件下的悬浮高度，得出了可在任意条件下根据样品悬浮高度进行密度计算的计算公式，并通过多组实验对公式的准确性进行了验证。还通过对几种高分子材料的实验，与传统浮力法进行了比对。实验及分析结果显示，该测量装置操作简便，具有很高的测量精度，可以达到0.0025 g/cm³，有很大的应用发展空间。相较于传统方法，该方法对小尺寸样品密度测量具有更高的测量精度。

关键词：抗磁性物质;密度测量;精确测量;磁-阿基米德悬浮;拟合公式

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发布时间：2020-08-13
利用状态信号特征识别BK7玻璃的去除性能
毕果,郭昕乾,孙郅佶,许涛林
2016, 24(10s): 394-399. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0394

摘要：搭建了金刚石磨粒划擦实验台，对BK7玻璃进行斜坡划刻和等切深划刻，采集过程中的声发射信号和力信号，得到其典型特征，实验结果表明过程信号特征能够实时准确表征脆性材料的去除过程，大的刀具角度对裂纹的产生和扩展起抑制作用，其划刻过程中的力和声发射信号幅值波动较为平缓，小的刀具角度以及切削刃的增加则会引起更显著的脆性断裂，其表现为力和声发射信号幅值波动的加剧，三类金刚石压头划刻BK7光学玻璃实验表明，脆性去除阶段，BK7光学玻璃存在明显的切深转折点，超过该切深时，材料会产生更大的脆性破坏，相应的声发射能量增长率也显著提高，具体数值与压头类型有关。研究结果有利于在实际加工中可以利用过程信号优化加工参数，平衡脆性材料加工中加工效率和加工质量的矛盾。

关键词：BK7光学玻璃;划擦试验;状态信号;特征提取

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发布时间：2020-08-13
折叠双S型Bimorph热式MEMS微镜
陆安江,张正平,黄子吉,任哲毅,陈巧,秦水介
2016, 24(10s): 400-406. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0400

摘要：为了设计具有大角度、大位移、低电压的MEMS微镜。采用折叠双S型双层梁驱动结构设计了一种能够克服静电驱动缺陷的新型MEMS微镜，利用表硅与SOI相结合的MEMS微加工工艺来实现双材料电热的差分驱动。不但解决了因环境温度所引起的不稳定性问题，而且还实现了创记录的大角度、大位移扫描。通过该方法设计的微镜尺寸小于2.5 mm×2.5 mm，机械转角大于5度，垂直线性位移可达425 μm，系统响应时间小于10 ms。最后对微镜的电热与机电特性、频率响应、谐振频率等进行了测试与分析，结果显示MEMS微镜性能稳定可靠，有望得到更多领域的推广应用。
关键词：电热驱动;MEMS微镜;SOI微加工;折叠双S型双层梁结构;垂直线性大位移

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发布时间：2020-08-13
柔性轧制成形中曲面件起皱的数值分析与控制方法
付文智,王妤,李明哲,陈俊,邓玉山
2016, 24(10s): 407-414. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0407

摘要：阐述了柔性轧制成形机理，曲面柔性轧制成形依靠柔性辊间特殊形态的辊缝，使得板材在成形过程中发生双向弯曲。为了探究柔性轧制成形起皱规律，有效控制柔性轧制成形中曲面件的起皱缺陷，以球形件为例，对不同曲率半径的球形件轧制过程进行数值模拟分析，分析结果表明，成形半径从1 000 mm减小到300 mm时，最大皱纹高度从0.24 mm增大到2.85 mm。随着成形件曲率半径减小，板料宽度方向金属变化越大，塑性变形越不均匀，越容易发生起皱。并探讨多道次轧制成形规律，采用多道次柔性轧制成形工艺能有效预测与控制皱纹。在试验机上进行了试验验证，使用光学测量仪对试验件进行三维型面测量，得到点云数据，结合逆向曲面造型技术完成对实验件的型面分析，试验结果与模拟结果基本吻合。
关键词：柔性轧制;三维曲面;数值模拟;起皱;多道成形;光学测量

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发布时间：2020-08-13
基于STM32的太阳自动追踪系统
张玉燕,刘勇,温银堂,任天昕
2016, 24(10s): 415-420. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0415

摘要：为提高太阳能电池板的光电转换效率，研究了太阳追踪技术，设计一种基于STM32控制器的太阳自动追踪系统。针对太阳方位角与高度角运动范围的差异，设计六光敏区的传感器模块作为光电检测器，保证宽范围内太阳位置的检测。提出变比例因子的比例控制算法，用于快速跟踪太阳位置，将粗调模式和细调模式结合，进行大角度太阳位置跟踪。将光电检测追踪算法和视日运动轨迹追踪算法结合，实现晴朗天气条件下和多云天气条件下对太阳空间位置的实时追踪，控制太阳能电池板保持在最优受光位置，实现提高输出功率的目标。实验结果表明，设计的系统可以实现精确的太阳追踪，误差小于1°。系统灵敏度高，追踪性能稳定，提高了太阳能电池板的光电转换效率。
关键词：光电转换效率;太阳追踪;六光敏区;光电检测追踪;视日运动轨迹追踪

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发布时间：2020-08-13
基于砂轮磨损的SiC陶瓷ELID磨削实验研究
刘立飞,张飞虎,饶小双
2016, 24(10s): 421-427. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0421

摘要：为了改善SiC陶瓷磨削过程中砂轮磨损状态，提高大口径SiC陶瓷光学元件的加工质量和加工效率，本文使用ELID磨削技术进行了SiC陶瓷磨削加工实验。通过和普通磨削过程进行对比分析，研究了ELID磨削技术在SiC陶瓷磨削过程中砂轮磨削表面情况、工件磨削表面粗糙度、磨削力及磨削比方面的优势。实验结果显示：使用ELID磨削技术可以使砂轮表面磨粒在SiC陶瓷长时间大去除量磨削过程中保持足够的锋锐度，磨削过程中磨削力、磨削比均比普通磨削方式下有较大程度的降低，但SiC陶瓷工件磨削表面粗糙度略有增加。表明ELID磨削可以有效缓解砂轮磨损严重导致的磨削力增加、磨削质量下降及使用寿命低的问题，反映了ELID磨削技术在SiC陶瓷长时间大去除量磨削过程中的优势，为大口径SiC陶瓷光学元件的高效高质量加工提供技术支持。

关键词：SiC陶瓷;砂轮磨损;ELID磨削;表面粗糙度;磨削力;磨削比

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发布时间：2020-08-13
有机玻璃曲面的柔性抛光机理与试验
赵吉宾,尹东
2016, 24(10s): 428-437. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0428

摘要：为了提高有机玻璃的表面精度，基于机器人自动化研抛方法，建立了研磨抛光过程的材料去除模型。首先，运用有限元方法，分析研究了柔性抛光盘与工件接触区域内的压力分布，基于普林斯顿材料去除理论，建立了柔性抛光盘沿规划轨迹进给时材料去除模型。通过仿真，分析了研抛压力，抛光盘旋转速度，进给速度对材料去除率的影响规律。然后，研究了扫描路径下轨迹间距对材料去除均匀性的影响规律，得到了最优的轨迹间距。最后，对有机玻璃进行研磨抛光试验，验证了材料去除模型的正确性。试验结果表明：选取合理的加工参数，运用最优的轨迹间距，可以获得无光学缺陷，表面粗糙度达Ra=0.01 μm的高精度透明件。利用材料去除理论模型可以指导实际曲面研磨抛光加工过程。

关键词：有机玻璃;曲面研抛;柔性抛光盘;表面材料去除;轨迹间距

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发布时间：2020-08-13
带有变幅杆的直线电机及其驱动控制
华顺明,李加林,楼应侯,赵媛,张学昌
2016, 24(10s): 438-445. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0438

摘要：为实现小型装备驱动单元的微小化、集成化，设计制作了一种带有指数型变幅杆的直线螺纹电机。电机利用梁的一阶弯振模态工作，定子中部为四棱柱弹性体，由贴片式压电陶瓷激励产生空间摇摆运动，单端为指数型变幅杆，放大振动位移并协调匹配定转子尺寸。转子螺杆由变幅杆内螺纹驱动，输出直线位移。设计了专用驱动电路，并结合样机对主要性能进行了实测。结果表明，在电压有效值200 V、频率15.6 KHz时，电机最高空载速度约为3.3 mm/s，最大轴向力约11 N。该电机结构简单，控制方便，机械特性较好，特别是轴向力较现有同类电机有显著提高。
关键词：指数型变幅杆;压电驱动;直线电机;电控单元

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发布时间：2020-08-13
光学玻璃微沟槽模压成形仿真与试验研究
周天丰,解加庆,刘洋,梁志强,王西彬
2016, 24(10s): 446-453. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0446

摘要：为了实现光学玻璃微沟槽的高精度模压成形制造，通过模压成形有限元仿真与试验，揭示玻璃微沟槽模压成形中材料高温形变规律。首先，将传统黏着摩擦模型与Wanheim/Bay摩擦模型相结合，建立了改进的玻璃-模具界面摩擦模型，用于模压成形过程的有限元仿真；其次，建立了玻璃高温粘弹性本构模型，对玻璃微沟槽模压成形过程进行仿真，分析了改进的玻璃-模具界面摩擦模型对成形应力的影响；最后，利用Ni-P镀层微沟槽模具开展玻璃微沟槽模压成形试验，制造出了光学玻璃微沟槽结构。结果表明：使用改进的玻璃-模具界面摩擦模型，摩擦界面呈现出明显的界面滑移现象，单元应力达到剪切阈值后呈现抖动上升趋势；与库伦摩擦模型相比，改进的玻璃-模具界面摩擦模型可以更加精确描述高温玻璃界面摩擦特性；试验测量表明微沟槽高度方向成形误差为0.275 μm。

关键词：微沟槽;模压成形;界面摩擦;粘弹性;光学玻璃;镀层模具

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发布时间：2020-08-13
压电式高精度位移微扫描控制系统设计
黄燕,沈飞,黄整章,王红雨,鹿存跃
2016, 24(10s): 454-460. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0454

摘要：为了实现对微扫描系统的超分辨率成像，基于压电叠堆致动器，在现有微位移驱动平台的基础上设计了一种高精度位移控制系统。压电叠堆致动器材料本身的迟滞特性影响了系统的精度及稳定性，对其迟滞非线性的建模与补偿方法进行了研究。采用改进的Prandtl-Ishlinskii迟滞非线性模型的逆模型作为前馈控制器对其迟滞非线性进行补偿。通过测试微位移驱动平台的输出特性确定逆补偿模型的参数，逆模型结构简洁，系统的响应速度快，利于实时控制。实验结果表明该迟滞逆补偿控制系统能明显减小系统的迟滞非线性，最大的非线性误差为0.4 μm。系统在微扫描驱动平台微位移放大的基础上实现了精确的二维定位。

关键词：压电致动器;位移微扫描;迟滞非线性;逆补偿

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发布时间：2020-08-13
位移补偿器压电陶瓷片微位移自动测量设备
杨劲,任同群,王晓东
2016, 24(10s): 461-467. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0461

摘要：针对用于激光陀螺位移补偿器的压电陶瓷片微位移自动测量任务，研制了自动测量设备。本设备采用三坐标机器人作为运动框架，使用光电传感器作为位移检测及反馈控制传感器，解决运动位置自动检测问题，实现设备的自动化运行。在零件拾取及固定装置中应用真空吸附技术，有效避免薄片零件意外损伤情况的发生。使用高精度电感测微仪，采取双测头测量，相比单测头测量方式，消除了零件搬运及放置位置误差对测量结果的影响。设备可批量完成压电陶瓷片的自动上料、测量和分拣配对工作。实验表明，与现有测量方法相比，本文研制的压电陶瓷片微位移自动测量设备能够提高测量速度60%以上，全量程测量精度0.5 μm，重复精度≤0.06 μm。满足测量技术要求，测量结果可靠性高、一致性好。

关键词：精密测量;压电陶瓷片;微位移测量;自动化设备

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发布时间：2020-08-13
星敏感器光学系统轨道空间外热流计算方法
王爽,耿云海,宋道喆,赵志军
2016, 24(10s): 468-476. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0468

摘要：提出了一种基于反向蒙特卡罗法（RMC法）计算星敏感器光学系统表面空间外热流的方法。首先，设计环境映射面对星敏感器光学系统进行包覆，根据给定的轨道参数，确定不同时刻映射面接受环境热流的方向；然后，利用RMC法反向跟踪-统计从星敏感器光学系统表面面元发出的热射线能束，求出光学系统表面与映射面间的辐射传递因子；最后，计算得到光学系统表面的空间外热流。该方法不需计算辐射换热角系数可直接获得外热流密度，处理热射线反射-传递过程更加方便，能够计算存在遮挡情况下的飞行器表面空间外热流问题。仿真过程中分别针对两种在轨运行方案，计算得到了星敏感器光学系统受到的太阳辐射热流、地球红外辐射热流、地球反照辐射热流的大小；其中，特征点1、2、3、在方案一中接受到的空间外热流最大值分别为：1 008.54 W/m²、956.95 W/m²、477.88 W/m²，方案二中接受到的空间外热流最大值分别为：1 177.69 W/m²、1 055.55 W/m²、678.40 W/m²；仿真结果与理论分析保持一致，同时验证了方法的正确性和有效性。

关键词：反向蒙特卡洛法(RMC法);环境映射面;空间外热流;星敏感器光学系统

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发布时间：2020-08-13
金属结合剂金刚石砂轮的高压磨料水射流修锐技术
郑立功,姚鹏,张志宇,薛栋林,张振中
2016, 24(10s): 477-483. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0477

摘要：为了解决金属结合剂金刚石砂轮在铣磨大口径反应烧结碳化硅反射镜过程中砂轮难修整与磨削力大的问题，对高压磨料水射流砂轮修锐技术进行了研究。通过对比修锐前后砂轮表面的微观形貌，分析了砂轮磨损机理与磨料水射流砂轮修锐机理，并采用砂轮表面地貌的三维粗糙度高度参数Sp，Sq，Ssk和Sku定量地分析和综合评价了修锐前后砂轮表面的磨粒突出高度和有效磨粒数。实验结果表明高压磨料水射流可以实现未使用和已磨钝的金属结合剂金刚石砂轮的修锐，使砂轮表面具有更多有效磨粒数以及更大的磨粒突出高度，有利于降低法向和切向磨削力。当喷嘴的进给速度为0.5~16 m/min时，进给速度对砂轮表面地貌三维表面粗糙度的影响趋势不显著。本研究确定了采用该方法修锐金属结合剂金刚石砂轮的有效性。
关键词：高压磨料水射流;金属结合剂金刚石砂轮;修锐;碳化硅反射镜;三维表面粗糙度

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发布时间：2020-08-13
激光选区熔化直接成型高致密锡青铜零件
白玉超,杨永强,王迪,王安民
2016, 24(10s): 484-492. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0484

摘要：为了获取高致密度激光选区熔化锡青铜成型件，直接制造出具有典型曲面、薄壁、圆孔特征的锡青铜功能零件，对激光功率、扫描速度和扫描间距三个关键因素对致密度的影响进行研究。以激光选区熔化成型锡青铜成型件为研究对象，以成型件致密度为评价指标，设计三因素四水平正交实验。根据正交实验结果，通过BP神经网络和遗传算法对成型工艺参数进行优化。采用MicroCT技术和阿基米德排水法研究优化后的成型件致密性，并通过超景深立体成像技术研究其表面形貌，最后采用优化工艺参数成型具有典型结构特征的风轮模型。实验结果表明：激光功率、扫描间距、扫描速度对致密度均具有重要的影响，影响程度依次减弱；最优工艺参数为：激光功率177W，扫描速度327mm/s，扫描间距0.082mm，该工艺下样品实际测量致密度99.07%与预测值99.12%基本符合；MicroCT图像显示优化后样品内部致密性良好，无明显夹杂、间隙等缺陷；可直接成型出具有曲面、薄壁、圆孔典型特征的风轮模型，表面无球化、裂纹、悬垂物等缺陷。以正交实验为基础，采用BP神经网络与遗传算法对成型工艺参数优化是可行的，成型致密度满足要求。

关键词：激光选区熔化;锡青铜;正交实验;神经网络;遗传算法

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发布时间：2020-08-13
超声椭圆振动辅助化学机械抛光光纤端面的材料去除机理研究
陈涛,刘德福,严日明,余青
2016, 24(10s): 493-502. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0493

摘要：为了描述超声振动辅助化学机械抛光光纤端面过程中材料的去除机理，建立了超声振动辅助化学机械抛光过程中光纤材料去除模型。根据实验观察的抛光垫的表面形貌合理地建立抛光垫表面形貌的数学模型；接着，分析抛光过程中的两体三体接触的抛光粒子数目；分析不同方向的超声振动在化学机械抛光过程中去除光纤材料的机理，综合考虑抛光粒子及工件的材料特性、超声振动特性，分别建立了不同工艺下的材料去除模型；对比光纤端面的超声振动辅助化学机械抛光实验结果与理论计算结果，以验证模型的可靠性。实验结果表明：UHV-CMP、UVV-CMP、UEV-CMP相较于普通CMP对光纤的材料去除率分别提升60%、85.6%和145%。结论：超声振动有利于提高光纤端面的化学机械抛光材料去除率，且理论与实验对比结果较为吻合，验证了材料去除模型的可靠性。
关键词：超声椭圆振动;化学机械抛光;材料去除机理;光纤端面

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发布时间：2020-08-13
大型风电叶片疲劳试验两点激振耦合特性及试验
张磊安,魏修亭,陶黎明,黄雪梅
2016, 24(10s): 503-510. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0503

摘要：为了提高大型风电叶片疲劳测试的激振能力，设计了一套两点疲劳试验激振系统。首先，基于拉格朗日方程推导出风电叶片两点激振的动力学方程，并结合三相异步电机在两相静止坐标下的状态方程，联合构建风电叶片两点激振数学模型。然后，采用Matlab/Simulink软件建立仿真模型，数值模拟结果揭示了两个激振源在风电叶片疲劳振动过程中的机电耦合特性。最后，搭建了一套大型风电叶片全尺寸结构测试平台，试验结果表明：当激振源转速设定为40 rpm时（等效于叶片面向一阶频率），其转速和相位基本能保持相对稳定；当激振源转速设定为75 rpm时（等效于叶片弦向一阶频率），激振源的转速波动范围为±2 rpm，相位角有不规则的波动，说明激振源的转速越快，转速、相位耦合程度越严重。试验结果与仿真结论基本吻合，即进行叶片疲劳加载试验时，弦向激振源的耦合程度大于面向，叶片要获得更好的同步激振效果需采用智能解耦控制算法。

关键词：风电叶片;两点激振;机电耦合;数值仿真;疲劳试验

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发布时间：2020-08-13
基于PANI/SnO₂复合材料的QCM水果气体传感器
薛严冰,李亚,于婧怡
2016, 24(10s): 511-519. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0511

摘要：为监测水果在仓储、运输等过程中的新鲜程度，研制了基频为6MHz的石英晶振微天平（QCM）气体传感器。采用水热法制备了SnO₂纳米材料，在甲苯磺酸（TSA）酸性条件下，运用一步原位聚合法在在石英晶体表面沉积了不同原子比例的PANI/SnO₂复合气敏薄膜。设计并制作了相应的起振、差频、频压转换及数据采集电路，搭建了气敏性能测试平台。研究了不同复合比的PANI/SnO₂薄膜对不同成熟度的香蕉和苹果释放气体的敏感特性。结果表明，10%比例的PANI/SnO₂传感器对苹果释放气性能最佳，当频率变化量达到约1100Hz时，可判断苹果腐烂。20%比例的PANI/SnO₂传感器对香蕉释放气性能最佳，当频率变化量达到1 300 Hz左右时，可判断香蕉进入成熟期。两种传感器均具有灵敏度高、线性度好、响应速度快、重复性好等优点。对气敏机理进行了初步分析。

关键词：气体传感器;石英晶振微天平;聚苯胺;水果释放气体

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发布时间：2020-08-13
精密加工实验台热误差建模与补偿方法的对比分析
张恩忠,赵继,冀世军,程亚平
2016, 24(10s): 520-526. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0520

摘要：为了提高精密加工实验台的运行精度，采用激光干涉仪、PT100等仪器测量了四轴数控平台X、Z轴的定位误差以及温度，并分析得到了X、Z轴定位误差与温度之间的变化规律。分别运用支持向量回归机（SVR）、RBF、BP神经网络方法建立了X、Z轴的热误差模型，并进行了对比分析，结果表明SVR模型的拟合性能和泛化能力等明显高于RBF、BP模型。依据SVR、RBF、BP热误差模型进行了误差补偿实验，实验结果表明，数控平台X轴定位误差最大降低了92.3%，Z轴定位误差最大降低了90.3%，SVR的预测能力、补偿精度和鲁棒性等均明显优于RBF、BP神经网络方法。
关键词：SVR;BP神经网络;RBF神经网络;误差补偿

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发布时间：2020-08-13
菱形压电微位移作动器的设计
黄卫清,刘雪瑞,王寅,孙梦馨
2016, 24(10s): 527-534. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0527

摘要：为了在提高压电作动器行程的同时，实现双向对称驱动，提出了基于三角位移放大原理的菱形压电微位移作动器。分析了作动器的运动及放大机理，并基于压电方程建立了作动器的理论静力模型。放大机构的关键参数被详细介绍。行程达105 μm，驱动器放大倍数与理论值只有5.69%的误差。样机实验刚度大于理论值。制作了实验样机，开环条件下的输出特性实验表明：静力条件下，作动器作动方向的平均刚度约0.62 N/μm、单向自由伸长位移最大达42.2 μm（160 V电压下）、最大负载27.4 N（160 V电压下），均小于理论解（误差不超过24.2%），但其位移-力-电压关系符合理论模型的推论：输出位移与控制电压、负载成正比；非静态条件下，输出位移的迟滞效应明显，双向作动性能对称。最大位移达99.1 μm（180 V电压下），且位移随频率增加有小幅下降。作动器的启动特性良好，能够实现毫秒级快速响应（5.4 ms左右），并迅速稳定。作动器控制信号为阶梯波信号时，阶梯增量电压为0.2 V时，最小步进量为0.1 μm。作动器具有对称的双向作动特性和良好的启动特性，适用于精密定位或需要往复驱动特性对称的场合。
关键词：叠层压电陶瓷;静力模型;双向驱动;启动特性

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发布时间：2020-08-13
面向大口径光栅拼接的5TSP-PPS并联机构位置正解分析
吴石磊,邵忠喜,张文辉,富宏亚
2016, 24(10s): 535-542. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0535

摘要：为了满足大口径光栅拼接装置大负载、高精度、高稳定性的要求，提出了一种5TSP-PPS并联机构，并采用螺旋理论分析了该机构实现空间二维移动和三维转动（2T3R）的机构学原理。以机构的TS杆长为约束条件，基于矢量法建立约束方程，推导位置正、反解的非线性方程组。为提高位置正解的计算效率，将简化Newton法应用到位置正解分析。数值算例表明：与Newton相比，简化Newton法能提高位置正解的计算效率。位置正解计算结果与给定位姿的姿态误差小于8.5×10^-9μrad，位置误差小于8×10^-10 μm，验证了5TPS-PPS并联机构位置正解分析的正确性。本研究为新型大口径光栅拼接装置的标定、误差分析以及位置闭环的实时控制等进一步研究奠定了基础。

关键词：光栅拼接;并联机构;螺旋理论;位置正解分析;简化Newton法

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发布时间：2020-08-13
高速切削钛合金TC4的表面粗糙度预测与控制方法
张运建,秦国华,侯源君,赵洋洋,谢文斌
2016, 24(10s): 543-550. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0543

摘要：零件表面粗糙度是衡量工件表面质量的重要参数，实际加工中表面粗糙度的影响因数具有复杂性与不确定性。然而在众多因数中，切削参数对表面粗糙度具有显著影响，并且能够在加工中人为控制。因此，选取适合的切削参数，提高工件表面质量是一项非常重要的任务。本文采用均匀设计法进行钛合金TC4的切削实验，利用德国马尔MarSurf M 300C精密型表面粗糙度测量仪测得工件表面粗糙度，然后运用非线性回归求解技术，建立了表面粗糙度的预测模型。采用方差分析法检验预测模型的拟合度及各独立输入参数的显著性，并进行预测误差对比分析。实验结果表明，所建立的回归预测模型预测误差低至0.019%，具有精度高、可靠性强等特点。最后，提出了以最小表面粗糙度为目标，使用遗传算法优化求解技术，建立切削参数优化模型。这项研究的结果为加工表面粗糙度的预测提供理论上的依据，为提高加工表面质量提供切削参数的合理选择。

关键词：表面粗糙度;TC4;预测;非线性回归;遗传算法

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发布时间：2020-08-13
数字散斑三维人体快速扫描方法
王永信,卢秉恒,梁晋,冯超,刘世凡
2016, 24(10s): 551-558. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0551

摘要：为了弥补传统人体扫描方式难以实现快速、全身人体扫描的不足，提出了一种数字散斑三维人体快速扫描方法。首先，提出了一种基于种子点的数字图像相关匹配算法，以求解相关匹配非线性优化初值。其次，采用基于摄影测量的大视场多相机标定策略，并根据双目立体视觉原理重建人体三维点云。最后，根据以上关键技术并借助VS2010开发环境，研制出XTBodyscan三维人体快速扫描系统。为验证本文方法的可行性和标定精度，实施了4次人体扫描和10组系统标定实验。实验结果表明，本文方法能够在0.1s内完成人体全身扫描，标定误差小于0.1 pixels，可以实现人体全身、快速、细节特征保持的三维人体扫描，具有非接触、无伤害和体验度高等优点，为人体快速3D反求提供了一种有效方法。

关键词：人体扫描;种子点;散斑匹配;相机标定;三维点云

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发布时间：2020-08-13
微惯性传感器加速的序列图像三维重建方法
赵春宇,孙伟,陈许蒙
2016, 24(10s): 559-566. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0559

摘要：针对运动恢复结构（SfM）算法求取姿态计算复杂度高的问题，提出了微惯性传感器（IMU）加速的序列图像三维重建方法。利用加速度计计算图像拍摄时刻，结合IMU传感器信息，解算地理坐标系下移动终端拍摄图像时的初始姿态矩阵与位置信息，通过光束平差法去除传感器噪声，使用全局一致性转换获取图像坐标系下的移动终端位姿信息。本方法利用IMU信息恢复序列图像对应的相机位姿，代替SfM算法中遍历匹配特征点求相机位姿的过程，简化了三维结构恢复的计算。实验结果表明：本方法将SfM算法三维结构恢复的速度提升了3倍，三角法重建模型与实际长度的误差低于4.9%，有效降低了SfM方法的计算复杂度，可用于大规模场景的快速重建。

关键词：惯性传感器;三维加速重建;姿态解算;序列图像;运动恢复结构

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发布时间：2020-08-13
面向多角度视图三维重建的基础矩阵求解
冯宏伟,周亚培,冯筠,王红玉,刘晓宁
2016, 24(10s): 567-574. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0567

摘要：针对已有的求解基础矩阵算法求解精度不高，稳定性不理想的问题，提出了一种面向多角度视图三维重建的基础矩阵求解算法。首先提出了基于模拟退火的抽样策略（Simulated Aneal Sampling，SAS），把匹配特征点集划分成不同类别，通过在每个类别中以不同概率接受抽取的特征点对的形式完成抽样；然后提出了一种基于匹配点对的重投影误差内点筛选算法，并设计了基于SAS的基础矩阵求解算法。实验结果表明该算法的精确性和稳定性比目前流行的两种算法提高了10倍左右，能够有效地提高三维重建的准确率。

关键词：基础矩阵;模拟退火;抽样方法;三维重建

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发布时间：2020-08-13
逆反射光斑定位算法的亚像素细分模型
邓凯鹏,赵辉,彭福军,吕亮亮,陶卫
2016, 24(10s): 575-582. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0575

摘要：在大型空间桁架结构振动和平面度测量中，大尺寸远距离的空间定位测量需求十分普遍，考虑其距离远，范围大，精度高的测量特点，光斑定位是最优方法之一。本文介绍一种基于逆反射靶标以形成与背景对比度较大的逆反射圆形光斑，并采用计算机视觉等相关算法实现精度细分的远距离定位。算法对逆反射光斑采用梯度Canny算子进行边缘提取，对边缘进行最小二乘拟合得到光斑圆心坐标来实现定位。文章通过对Canny算子边缘检测误差和最小二乘拟合精度进行细分建模，分析光斑定位的重复性误差界，给出该算法光斑定位重复性精度的可靠估计。在LED和532nm激光分别作为光源实验中，圆心定位3-sigma重复性误差界分别为±0.30 mm和±0.57 mm，与细分模型得到的√n倍的细分估计吻合。通过最小二乘圆拟合对Canny算子提取边缘结果的精度细分，能够满足远距离空间定位的高精度要求。

关键词：光斑定位;逆反射;Canny算子;最小二乘圆拟合

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发布时间：2020-08-13
光滑金属曲面视觉测量特征光条自动提取
刘长英,刘洋,郭继东,褚馨泽,杨大鹏
2016, 24(10s): 583-590. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0583

摘要：为了实现结构光视觉测量法对光滑金属曲面的测量，需要对特征光条图像进行提取。论文以动车车轴轴径测量为例，对测量中的特征光条感兴趣区域和特征光条的自动提取方法进行了分析和研究。首先，根据车轴特征光条的成像特征设计了腐蚀模板；接着，通过形态学图像处理技术，即腐蚀技术和形态学重建技术等得到特征光条图像的感兴趣区域；然后，在感兴趣区域内初步提取出光条基准线；最后，在基准线基础上求取各点法向量，在各法向量方向上求取形心得到特征光条中心。实验结果表明：本文方法可以快速、准确地确定特征光条感兴趣区域并提取特征光条，根据所得特征光条中心所求得的轴径标准差小于0.015 mm。完全满足动车组车轴视觉测量中特征光条提取的速度快、精度高、稳定性好及抗干扰能力强等要求。

关键词：金属曲面;机器视觉;结构光;特征光条;感兴趣区域

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发布时间：2020-08-13
可处理暗腔的日冕物质抛射检测新方法
许美慧,尹建芹,张玲,姚海,于峻伟
2016, 24(10s): 591-599. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0591

摘要：为了有效识别在大角度光谱日冕仪图像中的日冕物质抛射（Coronal Mass Ejections，CMEs），提出了一种基于k均值的可以有效处理暗腔的识别方法。首先采用中值滤波进行预处理去除噪声，然后采用k均值聚类算法对差分图像进行初步分类，统计分类后各类别的分布特性，利用该分布特性识别一级分类，成功识别出明显的高亮CME图像和暗腔CME图像；接着采用二次聚类方法，对于识别成无CME的日冕仪图像采用分块策略和极坐标转换算法，然后对其继续k均值聚类，并对二次聚类结果进行统计，利用分布特性完成二级分类。实验结果表明，该算法能从拍摄的日冕仪图像中较有效地检测出CME图像，并能在图像中直接标明和显示出CME区域点，尤其对带暗腔的CME有较好的效果。对于高亮CME给出的具体测量阈值是第三类类心灰度值为200~250，对于暗腔CME给出的具体测量阈值是第一类类心灰度值在120以下，且类内像素点在1000~30000之间。

关键词：CME;k均值;暗腔;分块;极坐标

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发布时间：2020-08-13
山茶油和橄榄油品质和掺假定量分析的对比研究
刘燕德,谢庆华,王海阳,唐天义,张伟,姜小刚
2016, 24(10s): 600-606. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0600

摘要：以拉曼光谱技术对山茶油和橄榄油品质进行对比研究，再结合化学计量学方法实现山茶油和橄榄油掺假的分别建模和预测分析。论文借助德国Bruker激光共焦显微拉曼光谱仪，对比研究了山茶油和橄榄油的掺假快速无损预测效果。将菜籽油、花生油、大豆油、棉籽油、玉米油、葵花籽油分别以6个掺假体积比掺杂到山茶油和橄榄油中，每类分别采集36个光谱，然后选择信噪比好、特征峰强的900~2 900 cm^-1波段数据分别采用一阶派生方法和卷积平滑方法进行预处理，建立偏最小二乘（PLS）模型，比较模型效果得出卷积平滑方法为最佳预处理方法，山茶油掺假的相关系数（R_p）和均方根误差（RMSEP）分别为0.994和1.79%，橄榄油掺假的R_p和RMSEP分别为0.989和3.05%。最后以最佳预处理后的数据进行主成分回归定量分析（PCR），其预测效果不如偏最小二乘定量分析。实验说明山茶油的掺假预测比橄榄油的准确，在同等条件下，山茶油掺假含量变化更有规律，对油品的掺假有更多可行的防范措施可以实施，所以在山茶油和橄榄油营养条件差异不大的情况下可尽量选用山茶油进行生产加工和销售食用。

关键词：山茶油;橄榄油;掺假;拉曼光谱;偏最小二乘法

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发布时间：2020-08-13
足型扫描仪内应用非线性映射方法的相机自动标定
陈硕,张慧萌,楚圣辉,孟浩,刘国忠
2016, 24(10s): 607-612. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0607

摘要：为解决三维足型测量系统中相机标定步骤繁琐的问题，提出了一种基于该系统的简便稳定的标定方式。基于三维足型测量系统的系统构成与工作原理设计了基于标定块的相机标定方法，并在过程中对传统标定块进行了改良。采用自动检测角点技术，利用Harris检测算法与模板角点匹配算法进行检测，无需人工干预。利用图像几何校正技术提高了系统的提取精度。标定时将标定块置于光平面，左右两个相机各取一幅图像，过程简单，标定速度快。最终将像平面与光平面进行坐标映射得到两组非线性方程，解出两幅图像的映射关系。实验结果显示，该方法的标定误差基本保持在0~1.2 mm，平均误差为0.44 mm。通过最终的足部三维重建图形可以看出，足部形貌得到了良好的还原。

关键词：相机标定;标定板;角点检测;几何校正;图像映射

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发布时间：2020-08-13
高精度弹簧三维视觉检测和全面误差比较
宋丽梅,李晶,乔琛智,郭庆华,习江涛
2016, 24(10s): 613-621. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0613

摘要：为了实现对弹簧各参数的精密测量和误差比较，设计了三维弹簧多参数综合测量系统，建立了弹簧三维误差全面比较理论。对该系统采用结构光条立体匹配技术、基于图像归一化转动惯量的模式识别方法、线性最小二乘法、ICP等算法进行研究。首先，采用高精度环状编码标记点对双目相机进行标定。接着，利用投射结构光条技术进行立体匹配。然后，利用归一化转动惯量方法进行特征提取，从而进行立体拼接，得到弹簧的三维点云，通过使用弦高差法进行噪声去除、滤波平滑后得到STL模型。再对三维点云进行圆柱拟合和平面拟合来评价弹簧的长度和圆柱度，最后，建立弹簧三维误差全面比较理论，对不合格弹簧进行快速识别。实验结果表明：三维检测出的点云与物体唯一相关，景深可以达到300 mm，因此避免了由于摄像机和弹簧相对位置变化而引起的误差，采用二维图像和三维检测相结合，精度可以达到0.05 mm，另外，使用弹簧三维误差全面比较理论可以使得弹簧检测系统具有更快的检测速度。本论文所使用的三维视觉弹簧检测方法，属于高精度非接触无损测量，稳定可靠，精度高，速度快，可以满足在线检测的要求。

关键词：计算机视觉;归一化转动惯量;圆柱和平面拟合;弹簧精密测量;三维误差全面比较理论

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发布时间：2020-08-13
光照分量去除的单幅图像快速去雾方法
李大健,孙伟,潘蓉
2016, 24(10s): 622-631. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0622

摘要：基于大气散射物理模型，提出了一种全新的将雾霾去除和光照恢复统一的有雾图像复原方法。首先基于暗影通道原理求取大气幕函数，获得去除大气幕后的残差图像；然后基于光照-反射成像模型和亮通道概念，通过联合双边滤波有效地获取残差图像光照分量信息；最后，去除残差图像的光照分量，从而获得了与光照无关的场景物体反射分量，同时去除了雾霾和光照对成像过程的影响。和传统的基于暗影通道的方法相比，本方法无需求解全局环境光的值与透射率函数，通过两个步骤即可复原场景的RGB反射系数。本方法再现的场景颜色饱和度适中，获得了生动的颜色再现并避免光晕伪影。

关键词：单幅图像去雾;暗影通道先验;亮度幕函数;联合双边滤波器;图像质量评价

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发布时间：2020-08-13
基于振动测量的卫星图像复原及要求
智喜洋,胡建明,李文峰,孔祥龙,孙晅
2016, 24(10s): 632-639. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0632

摘要：针对卫星振动所致TDICCD相机图像降质复原的实际应用问题，研究了基于振动测量信息的卫星图像复原方法及其对振动指标要求。首先从卫星振动对图像质量的影响机理出发，给出了振动降质图像的退化规律以及基于振动测量信息的图像复原方法和参数解算方法；然后分析得出了在不同的振动频率、振幅、TDI级数组合条件下，振动测量误差对图像复原质量的影响规律；最后，通过开展振动复原实验，得出了振动测量误差对图像复原影响的定量关系。实验结果表明：当测量误差小于0.05 pixel时，复原后的图像能够满足SSIM优于0.9，几何畸变小于0.1 pixel的实际应用需求。为了保证图像复原质量，建议实际应用中对超过150 Hz的振动进行隔振。
关键词：卫星振动降质;图像复原;振动测量;指标要求

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发布时间：2020-08-13
结合感知哈希与数字水印的遥感影像认证方法
王玉海,朱长青,苏守宝,丁凯孟
2016, 24(10s): 640-648. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0640

摘要：针对遥感影像的完整性认证需求，结合感知哈希与数字水印各自的特点，提出一种基于感知哈希与数字水印的遥感影像认证方法。该方法的关键在于克服感知哈希与数字水印之间的相互影响：首先对影像进行格网划分；然后通过离散小波变换（DWT）提取影像格网单元的水平和垂直中频系数，经过主成分分析（PCA）处理后生成感知哈希序列；接下来，基于“交错”策略，将感知哈希序列嵌入影像。在影像的认证端提取嵌入影像的感知哈希序列，并将其与重建值进行对比，进而实现影像的完整性认证。该方法将感知哈希与数字水印有机结合，克服了感知哈希进行遥感影像认证的过程需要额外传输认证信息的不足。结果表明，篡改测试实例的归一化Hamming距离为0.218 7~0.398 4，能够有效识别恶意篡改，且嵌入哈希序列的格网单元的平均PSNR约为38~39，不影响遥感影像的可用性。
关键词：遥感影像;认证;感知哈希;数字水印;交错策略

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发布时间：2020-08-13
船舶吃水深度的机器视觉检测
张望,李瑛,许文海
2016, 24(10s): 649-656. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0649

摘要：为了克服人工观测法中风浪及主观因素的不利影响，提出了以图像采集和分析为核心的船舶吃水深度检测方法。设计实现了以爬壁机器人为载体携带网络摄像机的水尺图像采集的系统，该系统能在平板电脑的控制下游走于复杂面型的船侧板完成水尺拍摄，且可连续采集涵盖多个波浪周期的高清图像（1600 pixel×1200 pixel）。基于形态学和神经网络算法对图像中的水尺字符进行预处理和判别，有效提高了“6”、“8”、“9”几个相似字符的区分度。同时基于彩色图像分割算法对图像中的吃水线进行识别，通过对比吃水线在数值化水尺上的相对位置来确定船舶吃水深度，成功消除了波浪浸润所导致的假水线的干扰，从而实现了吃水线位置的自动判定。实验表明，该方法的最终识别精度可达1 mm，明显高于人工目测法所能达到的5 mm。此外，还特别利用现场测量数据对比证明了综合运用多幅图像数据来降低风浪干扰的必要。

关键词：船舶吃水;爬壁机器人;机器视觉;神经网络;彩色图像分割

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发布时间：2020-08-13
基于三波长相移轮廓术的相位展开算法
丁明君,习江涛,李光旭,宋丽梅
2016, 24(10s): 657-664. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0657

摘要：针对多波长相移轮廓术方法测量速度慢、测量范围局限的问题，本文提出了三波长相移轮廓术测量方法，实现了对表面有阶跃变化的彩色三维物体的测量。介绍了三波长相移轮廓术的等效波长和包裹相位的正问题。然后，从等效波长的相位求解入手，进而推导出三个独立光波的相位展开方程。通过分析相位噪声产生的原因，提出了基于展开相位的相位去噪方法。实验结果表明：该方法的平均测量精度为0.018 mm，普通台式机处理耗时0.308 s。通过比较测量精度、测量速度、算法稳定性以及适应光源的范围等，证明了所提方法比目前常用的格雷码法和多波长相移轮廓术更优越。

关键词：相移轮廓术;多波长;相位展开

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发布时间：2020-08-13
采用前馈校正的光谱仪直流位置闭环系统
刘泽昆,刘杰,王智宏
2016, 24(10s): 665-674. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0665

摘要：以光谱仪机械系统中的驱动机构为研究对象，采用直流力矩电动机和AS5048A磁性旋转编码，设计了基于DSP F2812的位置闭环控制系统，替换原有的开环步进系统，实现步进系统功能。该电机转子每转动3.6°，经分光系统分光后的光波长增加1 nm，角位移精度为0.15°。首先，介绍了磁性旋转编码器的工作原理及使用安装，并设计了驱动电路以及限位功能电路。然后，依据系统设计指标，研究了直流电机各类控制算法，提出了适用于本系统的前馈校正PID控制策略。最后，通过实验检验了直流系统的可靠性。依据数据分析结果，采用一种分段控制的补偿算法，解决了由于电机轴线与丝杠轴线不同轴度引入周期性变化干扰的问题。实验结果表明，系统角位移精度可达0.15°。该位置闭环系统运行可靠，精度高，抗干扰能力强，有效避免了开环系统下步进电机的丢步现象。

关键词：光谱仪;直流力矩电机;磁编码器;DSP;前馈校正;限位功能

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发布时间：2020-08-13
大口径测绘相机内方位元素标定和畸变矫正方法
王誉都,陈凡胜
2016, 24(10s): 675-681. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0675

摘要：在空间大口径测绘相机系统的应用中，内方位元素的标定和畸变是严重影响其定位精度的重要因素。为提高该系统的定位精度，本文对其畸变特性进行了分析和研究。根据大口径测绘相机非中心对称性畸变图像的特点，提出了一种利用改进的二维拉格朗日插值对系统进行畸变矫正的方法。首先在二维像面上取一系列样点，用实验的方法得到其矫正前后的对应关系，然后利用这些样点对需要校正的像点进行二维拉格朗日插值，得到其矫正后的位置。针对系统的两个通道，该方法的畸变矫正精度可达0.37个像元以内。该方法克服了传统方法在对畸变图像进行矫正时测算流程复杂、图像边缘畸变精度差的不足，对其他大口径测绘相机具有普遍意义和广泛的实用性。
关键词：大口径测绘相机;内方位元素;畸变矫正;二维拉格朗日插值

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发布时间：2020-08-13
复杂环境下线结构光曲面检测方法
黄雪梅,刘志伟,赵吉宾
2016, 24(10s): 682-689. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0682

摘要：针对复杂环境下高精度三维检测的需求，从提高视觉传感器系统标定精度出发，提出了一种线结构光曲面检测方法。首先利用精度较高的圆形靶标并采用柔性立体靶标的模式对相机进行标定，在获取光平面和靶标相交的所有点坐标后，通过非线性优化计算出光平面到像平面之间的映射矩阵，完成线结构光传感器系统的标定；然后借助于真彩图像中红色分量所占比重和灰度重心法提取光条纹；最后按照局部最小化准则，对检测到的光条进行光顺连接。在每次迭代中改变当前点并将其作为空间点集使用，得到光条纹中心点的最终位置。实验结果表明本文方法具有较高的标定精度，相机重投影误差均值为0.102 pixel，测量结果的平均距离误差为0.0132 mm，并且可得到精确的光条纹，为复杂环境下曲面的检测提供了一种有效的手段。
关键词：线结构光;标定;光顺;曲面检测

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发布时间：2020-08-13
剪切痕迹激光检测信号溯源系统的设计与实现
孙亚军,潘楠,刘益
2016, 24(10s): 690-700. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0690

摘要：针对目前图像及3D扫描方法难以通过痕迹有效快速溯源剪切工具的弊端，设计并实现了一套剪切痕迹激光检测信号溯源系统，该系统由运动控制子系统、激光检测子系统和显微摄像子系统三部分组成。通过夹持线缆断头，首先控制单点激光位移传感器拾取剪切类线性痕迹的表面特征信号，随后利用小波分解对拾取信号进行降噪，得到降噪后的信号，利用信号间方差大小差异度进行痕迹特征相似重合度匹配，使用梯度下降法进行参数的机器学习，构建相应的代价函数，通过不断的迭代使得代价函数值的代价最小，最终实现对应剪切工具的快速溯源。通过实际剪切痕迹多样本匹配试验对该系统效能进行测试，基于1000组样本对25组测试数据进行批量溯源试验，总计耗时近1.5 s，正确溯源率为98%，该实验证明了本系统对剪切痕迹激光检测信号溯源的准确性和有效性。
关键词：剪切工具;激光检测;梯度特征;机器学习;小波降噪

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发布时间：2020-08-13
自适应双量子比特态中值滤波方法
修春波,牛莹
2016, 24(10s): 701-709. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0701

摘要：针对量子中值滤波方法对图像光照变化等干扰缺少适应能力的缺点，提出一种改进的自适应双量子中值滤波方法。根据图像像素灰度分布信息确定图像像素分布概率，选择分段归一化后的分布概率函数作为量子比特态的概率函数，提高了滤波方法对光照变化等干扰的适应能力，改善了滤波性能。将滤波方法分别对正常光照、低光照及高光照3种情况下的图像进行滤波分析，仿真实验结果表明，与现有中值滤波方法相比，改进方法具有更好的椒盐噪声滤波能力，峰值信噪比、规一化均方误差、图像相似度等评价指标均优于现有方法。当图像中含有50%椒盐噪声时，与现有中值滤波方法相比，本文方法的峰值信噪比可分别提高2.13%、2.71%、3.22%，图像相似度可提高1.52%、1.82%、2.08%，规一化均方误差可降低11.85%、15.70%、15.65%。
关键词：量子;双量子比特态;中值滤波;椒盐噪声

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发布时间：2020-08-13
基于混合遗传算法的数字图像相关方法
程振进,王全保,陈吉安,赵海涛
2016, 24(10s): 710-717. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0710

摘要：针对遗传算法应用于数字图像相关方法时呈现的局部搜索能力较弱、算法精度较低等特点，引入具有较强局部搜索能力的共轭梯度算子，以取长补短的原则进行混合遗传算法设计，以提高数字图像相关方法的精度及稳定性。首先，根据共轭梯度算子与遗传算法的不同结合方式，提出了3种有效的CG-GA混合算法：内嵌CG混合遗传算法，精英CG混合遗传算法以及并列CG混合遗传算法，并对这3种算法进行了原理性分析。然后，设计对比实验，基于预设位移的模拟散斑图，利用同参数的以上3种算法及标准RGA算法进行子区匹配搜索。最后，分析实验结果并对3种有效算法进行总结。以u方向为例，实验结果表明：内嵌CG混合遗传算法相比标准RGA算法减少了69.52%的平均误差，误差波动也有所减小，但计算消耗较大；精英CG混合遗传算法与并列CG混合遗传算法求解精度及稳定性大幅度提高，两者平均误差相比RGA减小了98.43%，具有较高的精度。在数字图像相关方法中，推荐使用后两种混合算法进行子区匹配搜索。

关键词：图像测量;数字图像相关方法;遗传算法;共轭梯度算法;子区匹配

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发布时间：2020-08-13
合作靶标标志点检测及位姿测量
葛双龙,温卓漫,齐丽君,邸男,罗君
2016, 24(10s): 718-726. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0718

摘要：在机械臂抓捕目标时，需要实时求取目标与机械臂上手眼相机之间的相对位姿。本文利用被抓取目标上合作靶标标志点的图像坐标，采用P3P算法对相对位姿进行了高精度解算。首先，利用合作靶标上的圆环和直线对靶标进行快速识别，确定靶标在图像中的区域。然后，把靶标区域分为多个相互有重叠的正方形小窗，将每个小窗内的最亮点作为候选点，并利用标志点的圆形特征，使用多种条件剔除非法点，保留三个合法标志点，最终确定标志点的中心坐标。最后，结合摄像机内参和靶标尺寸信息，用P3P算法求解相对位姿。仿真结果表明，标志点识别的准确率高于99%；位姿解算的旋转误差小于0.1度，平移误差小于0.5 mm。在实验中，上述参数分别为97%、0.2度和1 mm。该算法操作简单、速度快、准确率高、精度高，适用于工业、农业、航空航天等领域的高精度实时单目位姿测量。
关键词：计算机视觉;单目视觉;手眼相机;P3P;圆检测

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发布时间：2020-08-13
基于皮肤散射模型的手指静脉图像去模糊化
崔建江,李琦,薛定宇,李思远
2016, 24(10s): 727-732. DOI: 10.3788/OPE.20162413.0727

摘要：针对手指静脉图像在采集时出现的模糊现象，提出了一种基于去除皮肤散射的手指静脉图像复原算法。根据皮肤光学的实验分析，确定了手指静脉图像采集过程中皮肤对近红外光的散射模型，并自适应地进行手指静脉图像的点扩散函数的估计；再根据得到的点扩散函数采用维纳滤波完成手指静脉图像的复原。采用该算法对3幅手指静脉图像进行了复原，并对复原结果进行了定量分析，结果显示本文算法可将图像的边缘平均梯度提高3.903。最后，将本文算法与3种常用的手指图像增强算法进行了对比。结果表明，相比于直方图均衡化方法、限制对比度自适应直方图均衡化方法（CLAHE）和高频强调滤波方法，本文算法复原得到的静脉的宽度及结构与原图像最为接近，阴影少，静脉失真情况最小，峰值信噪比最高。
关键词：图像处理;手指静脉识别;静脉图像修复;图像增强;去模糊化;点扩散函数

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发布时间：2020-08-13

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