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最新刊期
2016 年 第 6 期
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基于应变传递理论的光纤传感器优化设计
摘要：联系传感器应用的作用机理，根据变形传递方式的不同，对工程中常用的光纤传感器进行了系统的归类分析。基于应变传递理论建立了应变传递系数与测量允许误差的关系，并以此为优化控制方程得到了满足工程测试精度要求的传感器最佳取值，给出了各类传感器具体的优化设计方法及优先设计指标。研究结果表明：基于应变传递理论的优化设计方法较适用于依靠界面剪应力传递变形的光纤传感器，其优先设计指标依次为粘贴（感知）长度、层间粘结强度、保护层弹性模量和半径、粘贴层厚度；端部扩径型传感器的优化设计则因其应变传递系数能较准确和便利地通过标定试验获取而不依赖应变传递理论，且无明显的优先设计指标。本文充分考虑了传感器工程应用的实际状态，以测试准确性为核心，从力学作用机理角度对传感器进行了较全面和系统的分析，其研究结果可以用于指导工程化光纤传感器的应用设计和标定测试。关键词：光纤传感器;应变传递理论;优化设计;优先设计指标- 54
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发布时间：2020-08-13 -
中阶梯光栅光谱仪自动化波长提取算法
摘要：基于质心提取的线性拟合法，提出了一种自动化快速处理中阶梯光栅光谱仪谱图的方法，解决了中阶梯光栅光谱仪无法直接通过交叉色散形成的二维光谱图标定入射光波长的问题。根据中阶梯光栅光谱仪光谱图背景光的分布特点，采用背景扣除法处理光谱图，提高了后续光谱图光斑提取算法的运算效率。利用基于质心的曲线拟合中心定位算法，将光斑位置的提取精度提高到亚像素量级。建立了中阶梯光栅光谱仪理论谱图与实际二维谱图的自动匹配模型，并根据光栅的线性色散特性，采用插值法计算谱图还原模型中未列出的坐标位置处的波长。实验结果表明：该算法对整个谱图的处理时间不超过3 s，波长提取精度达10-2 nm，不仅实现了中阶梯光栅光谱仪波长的自动化提取，还提高了波长提取精度。关键词：中阶梯光栅光谱仪;二维光谱图;波长提取;质心提取;自动匹配- 50
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发布时间：2020-08-13 -
基于大气偏振模式的三维姿态信息获取
摘要：现有的偏振光导航方法提供的二维方向信息不能满足导航的实际需求，因此，本文提出了一种利用大气偏振模式获取三维姿态信息的方法，选取太阳作为空间显著特征点，利用大气偏振模式信息计算出载体在两次不同状态下的太阳空间位置信息，通过建立姿态变换矩阵获得了载体的三维姿态信息。最后，对不同天气条件、不同太阳空间位置、不同波段以及天空被部分遮挡情况下太阳空间位置计算的误差分布情况进行了仿真分析和实际测量。实验结果显示，当天空有气溶胶粒子分布时，蓝色波段下的计算误差最小，方位角和高度角的误差分别为1.50°和2.10°；当观测视场中有树木遮挡时，方位角和高度角的平均误差分别为0.91°和1.97°，由此表明本文方法能够有效提取太阳的空间位置，获得载体的三维姿态信息，并满足实际导航的需求。关键词：偏振光学;偏振光导航;大气偏振模式;太阳空间位置;三维姿态信息- 98
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发布时间：2020-08-13 -
激光共焦显微光束的偏转扫描
摘要：为了提高激光共聚焦系统的扫描速度，本文提出一种逐场扫描的场同步扫描方法。构建了激光共焦显微系统，将美国THORLABS公司的GVS002型二维检流计振镜应用于该系统，根据光学系统参数以及扫描范围要求计算振镜的整场扫描波形。借助NI公司的PCIe6353多功能数据采集卡， 输出行同步的扫描波形，同时，对共焦显微系统共焦位置上针孔处的光强信号进行采集，先后扫描一幅256×256和512×512的图像，记录扫描图像和成像时间；然后，在相同的硬件结构下，以场同步的方式输出扫描波形，记录扫描图像和成像时间。实验结果表明：场同步方式扫描256×256图像的速度可提高10倍，扫描512×512图像的速度可提高5倍，且满足共焦显微成像的清晰、抗干扰能力强等要求。与行同步扫描方法相比，场同步扫描方法可以消除行与行之间转换的停留时间，在不改变硬件的情况下大幅提高扫描速度。关键词：共焦显微;二维振镜;场同步;板卡控制- 47
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发布时间：2020-08-13 -
光电容积脉搏波无创测量人体血液成分的评估
摘要：为了评估光电容积脉搏波法在人体血液主要成分检测方面的精度水平，基于朗伯比尔定律及简化的光电容积脉搏波法测量模型，给出了物质成分测量的极限分辨浓度公式。对公式中的三个要素，即人体测量时的光强信噪比、光程、被测物质的摩尔消光系数进行了评估，获得了理论上光电脉搏波法对血红蛋白、白蛋白、血糖的极限分辨浓度。评估结果表明，光电容积脉搏波法可以测量的血红蛋白、白蛋白和血糖的极限分辨浓度水平分别约为100 mg／dL，5000 mg／dL以及10 000 mg／dL。将该评价结果与现阶段临床需要的检测精度进行对比，可知光电容积脉搏波法能够满足需求，有望实现对血红蛋白的无创检测。关键词：光电容积脉搏波;人体无创成分检测;血红蛋白;白蛋白;血糖- 52
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发布时间：2020-08-13 -
桌面97单元自适应光学系统性能测试
摘要：构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统，用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成，分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正，得到了系统的静态校正精度。然后，测试了精密跟踪系统的校正能力。最后，利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件，以成像相机图像的斯特列尔比（SR）为指标，在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示：该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ／20；两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz；系统在强湍流情况下，动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明，97单元自适应光学系统能够有效地校正像差，提高成像分辨率。关键词：自适应光学;性能测试;动态校正;精密跟踪;变形镜;斯特列尔比;相位屏- 112
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发布时间：2020-08-13 -
复合抛物面-渐开线聚光的闷晒式太阳能热水器
摘要：针对全玻璃真空管与平板太阳能热水器存在系统复杂、成本高、不易维护等缺点，以及传统闷晒式热水器存在集热效率低和热损失严重等问题，提出了一种集热效率高、热损失小、成本低的基于复合抛物面-渐开线聚光的闷晒式太阳能热水器。对复合抛物面、渐开线以及复合抛物面和渐开线二者结合的聚光器进行了优化设计，制作了与该聚光系统配套的带有选择性吸收涂层的集热器水箱。最后，搭建了闷晒式热水器系统并进行了集热性能测试。结果表明，当太阳辐照强度的平均值为800 W／m2、周围环境的平均温度约为21 ℃时，闷晒式热水器可以将40 L水从21 ℃加热至62.20 ℃，系统的瞬时效率截距为0.63，热损系数为10.40 W／（m2·℃）。而传统黑色聚乙烯塑料袋闷晒式热水器的瞬时效率截距为0.31，热损系数为13.32 W／（m2·℃），与其相比，本系统在集热效率和保温性能上有着明显的优势，完全能够满足人们的日常生活用热水，具有良好的市场前景。关键词：太阳能;复合抛物面聚光器;渐开线;闷晒式太阳能热水器;瞬时效率;选择性吸收涂层- 50
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发布时间：2020-08-13 -
用于太空望远镜的大口径薄膜菲涅尔衍射元件
摘要：为了满足空间衍射成像系统对大口径、轻量化衍射元件的需求，设计制作了直径为400 mm 的聚酰亚胺（PI）薄膜菲涅尔衍射元件。通过紫外光刻、离子束刻蚀等微细加工方法在石英基底上制作衍射图形，然后将衍射图形复制到 PI 薄膜上得到菲涅尔衍射型薄膜元件。结合有限元法探究了薄膜复制过程中热应力的变化规律及降低热应力的方法，分析了影响薄膜衍射效率的因素及薄膜制作误差、温度变化对薄膜成像的影响， 最终实现了大面积薄膜与基底的分离，并通过局部氧气等离子体轰击提高了薄膜衍射效率的均匀性。经测试，薄膜菲涅尔衍射元件的厚度约为20 μm，在波长633 nm处的实际衍射效率平均值为33.14%，达到了理论效率的81.83%，衍射效率的均方根值RMS=0.01。实验结果表明，通过紫外光刻、离子束刻蚀和薄膜复制的方法可以得到大口径、高衍射效率的薄膜菲涅尔衍射元件。关键词：衍射光学;大口径衍射元件;PI薄膜;衍射效率;空间望远镜- 84
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发布时间：2020-08-13 -
近红外可穿戴设备中脉搏波的呼吸率检测
摘要：针对可穿戴设备中光电容积脉搏波检测呼吸速率准确性不高和实时性不够的问题，提出了一种基于时频谱的自适应信号分解算法。该算法采用瞬时中心频率估计方法获得脉搏波时频谱和瞬时心率估计值，对脉搏信号进行相干解调提取呼吸信号成分，进而利用呼吸信号成分检测呼吸速率。实验结果表明，与传统连续小波变换方法相比，本文提出的自适应信号分解算法的呼吸速率计算时间提高了84.68%。通过中位数误差及四分位距误差的方差分析，表明该算法比连续小波分解算法和自回归模型算法具有更好的计算精度，中位数误差均值分别提高了96.001%和97.978%，四分位距误差均值分别提高了75.014%和52.732%。关键词：光电容积脉搏波;呼吸速率;可穿戴设备;近红外;时频谱- 57
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发布时间：2020-08-13 -
胶黏剂黏弹性对粘贴式FBG应变传递的影响
摘要：考虑到FBG传感器用于机床应变监测时，胶黏剂蠕变对静态载荷下FBG应变传递的影响，研究了胶黏剂线黏弹性对粘贴式FBG应变传递的影响规律。基于粘贴层为线黏弹性材料重新建立了粘贴式FBG应变传递模型，并将粘贴层简化为三参量固体模型，得到了粘贴式FBG传感器瞬时和准静态的应变传递关系。然后，通过理论和实验分析了粘贴长度、宽度、高度和中间层厚度对瞬时和准静态应变传递的影响。实验结果表明：在恒定应力作用下，黏接剂蠕变会导致FBG的应变随时间而变化，当粘贴长度在30 mm以上时，FBG应变传递率随时间的变化在4%左右；当粘贴长度为15 mm时，应变传递率变化接近7%。分析该结果得出：适当增加粘贴长度，减小粘贴中间层厚度可以减小胶黏剂蠕变对应变传递的影响。该结论对基于粘贴式FBG的高精密测量具有指导意义。关键词：光纤传感;光纤布拉格光栅;应变监测;线黏弹性;蠕变;应变传递率- 78
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发布时间：2020-08-13 -
参数相关随机信息约束下的地面 脉冲激光扫描仪自校准
摘要：针对地面脉冲激光扫描仪自校准参数中存在的高相关性问题，基于全站仪误差模型提出了一种脉冲激光扫描仪自校准统一方法。该方法初始假设激光扫描仪的校准参数与全站仪的系统误差相似，通过引入估计参数的相关随机信息以及选择合适的网络配置，实现了降低参数相关性和提高参数估计可靠性的目的。通过平差方法对估计参数赋予权重信息，把所有参数都视为最小二乘平差中的观测值，权重越高参数相关性期望越低。最后，采用该方法对脉冲激光扫描仪Leica scan station 实施了自校准。实验结果表明，该方法能够高精度估计大多数参数且实现了参数间的低相关性，有利于随机内部约束平差的使用；重大的系统误差是激光测距仪零误差和竖盘指标差，其中为了得到零误差的可靠估计，须以约1 mm的精度确定扫描仪的位置。关键词：三维测量;地面脉冲激光扫描仪;自校准;误差模型;相关性- 47
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发布时间：2020-08-13
现代应用光学
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柔性声表面波器件的波模式分析
摘要：用反应磁控溅射法在柔性聚酰亚胺衬底上沉积了ZnO压电薄膜，并制备了基于ZnO压电薄膜的柔性声表面波（SAW）器件。制备的柔性SAW器件显示了良好的谐振性能，而且展现出两个波模式：模式0和模式1。当波长为32 μm，ZnO厚度为4 μm时，SAW器件的模式0和模式1的谐振频率分别为34.4 MHz 和158.5 MHz，对应声速为1 100.8 m／s 和5 072 m／s。模式0为已知的瑞利波，模式1为新的高频模式。 沉积了不同厚度的ZnO薄膜制备柔性SAW器件，进一步分析了薄膜厚度对SAW器件和模式1的影响。分析认为该高频模式不是传统硬质衬底上SAW器件产生的Sezawa波，而是S0兰姆波，并且是有衬底情况下的S0兰姆波。文中还采用Comsol仿真分析了新的高频模式1的粒子振动位移，结果和S0兰姆波粒子振动位移一致，从而验证了其为广义兰姆波的正确性。关键词：声表面波器件;柔性衬底;聚酰亚胺衬底;压电薄膜;波模式;S0兰姆波- 72
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发布时间：2020-08-13 -
安装距可调的锥齿轮副传动误差测量
摘要：由于在齿轮副的最佳啮合位置处测量齿轮副的单面啮合可精确得到锥齿轮副的传动误差，本文研究了锥齿轮副最佳安装距的调整方法，并开发了相应的传动误差测控软件。介绍了在最佳安装距位置对锥齿轮副进行单面啮合测量的原理，描述了通过传动误差分析、频谱分析和精度等级评定对传动误差进行评定的方法。利用统计过程控制（SPC）法对锥齿轮副的切向综合总偏差和一齿切向综合偏差进行了工艺评定和过程监控。然后，设计了基于最佳安装距的锥齿轮副传动误差测控软件，完成了对传动误差的实时采集、数据处理和曲线显示，最佳安装距的寻优调整以及测量结果的SPC统计分析。给出了测控软件的类图、顺序图、测试用例和软件界面。最后，实验测量了一对齿轮副在安装距寻优调整前后的传动误差。结果显示，提出的方法和传动误差测控软件可应用于锥齿轮副或面齿轮副的测量。关键词：锥齿轮副;传动误差;单面啮合;安装距;统计过程控制(SPC);测控软件- 48
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发布时间：2020-08-13 -
微机械应力测试结构的温度特性和应力抑制方法
摘要：研究了典型微机械应力测试结构的温度特性及从源头上抑制热应力的方法。设计了一种可以代表微机械系统（MEMS）器件温度特性的应力测试结构，并分析了温度对其固有频率的影响机理。指出了与材料弹性模量、结构尺寸变化相比，轴向应力是影响该结构固有频率温度稳定性的主要因素，同时设计了一种可以释放热应力以及加工残余应力的应力隔离结构。考虑硅的线膨胀系数随温度变化的特性，通过建模仿真和实验测试获得了应力测试结构、应力隔离结构的轴向应力以及固有频率的温度特性。结果表明：在-50 ℃~+85 ℃，应力隔离结构将轴向热应力抑制到了应力测试结构的2个数量级以下，固有频率-温度系数由5.0×10-3ppm／℃左右降到了5.0×10-5ppm／℃以下。结果显示：设计的应力隔离结构具有非常良好的应力隔离效果，从源头上抑制了主要的温度影响因素引入整个微机械系统，可以应用于其它MEMS结构以获得良好的温度稳定性。关键词：微机械系统;应力测试结构;应力隔离结构;温度特性;热应力- 59
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发布时间：2020-08-13 -
微小卫星星敏感器支架的优化设计与试验
摘要：针对卫星结构中星敏感器支架在随机激励下加速度响应均方根（RMS）值过大的问题，提出了星敏感器支架优化设计方法。简述了星敏感器安装点随机响应的基本理论，对卫星结构进行了模态和加速度响应灵敏度分析。以星敏感器安装点RMS值最小为目标，以基频和体积分数为约束，建立了星敏感器支架随机响应优化模型，并对支架进行了拓扑优化设计。最后，利用MSC.PATRAN&NASTRAN对优化处理后的支架模型进行了工程分析。结果显示：星敏感器安装点随机响应RMS值降低了20%以上，支架结构轻量化率达到了50%。另外，利用振动试验台对支架进行了振动试验。实验显示：有限元分析结果与试验数据相对误差低于15%，表明设计的支架的性能参数满足设计指标，验证了所采用优化方法的可行性。关键词：微小卫星;星敏感器;支架;随机响应;有限元;拓扑优化- 51
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发布时间：2020-08-13 -
小型力矩电机波动力矩的测量
摘要：综合考虑现有无刷直流力矩电机波动力矩动静态测量方法的不足， 提出了一种精确测量力矩电机波动力矩的方法。分析了力矩电机波动力矩经典测量方法的误差来源，根据力矩电机分体式的结构特点和可以长期堵转的性能特点，提出了采用电机定子相对转子旋转测量波动力矩的方法。在力矩电机转子堵转的状态下，通过外力旋转定子，测量电机堵转力矩的波动值，从而有效减少测量过程中惯性力矩和摩擦力矩引入的误差。根据提出的测量方法搭建了一套波动力矩测量装置，使用蜗轮蜗杆机构实现了定转子的相对旋转，并对测量装置进行了校准实验。实验结果表明，对于量程为0~1 Nm的装置，其测量准确度可达0.3%，线性度为0.1%，基本满足无刷直流力矩电机对波动力矩测量的精度要求。关键词：力矩电机;无刷直流电机;波动力矩;力矩测量- 62
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发布时间：2020-08-13 -
渐进式黏磨层气压砂轮的设计
摘要：针对传统气压砂轮存在磨粒容易脱落，加工效率低等问题，提出了制备渐进式黏磨层气压砂轮的方法。该方法基于分层渐进抛光的思想，在砂轮头表面涂覆多层不同厚度和目数的黏磨层。利用磨粒脱落量及表面加工质量实验确定不同黏磨层光整加工所需时间及厚度， 制备了渐进式黏磨层气压砂轮， 研究了砂轮头的几何精度和加工工件的表面质量。结果表明：渐进式黏磨层气压砂轮不同黏磨层磨粒目数分别为180#、120#、80#，其厚度分别为2 mm、0.21 mm、0.3mm，各层厚度均符合设计要求，误差在5%以内。在加工过程中，外层黏磨层能在理想时间逐层有效脱落。当下压量为2 mm、磨削转速为1 250 r／min时，渐进式黏磨层气压砂轮能够完成初期光整加工且效率提高19%以上。实验显示：提出的方法大幅提高了激光强化表面光整加工效率和自动化程度。关键词：气压砂轮;渐进式黏磨层;激光强化表面;分层渐进抛光;磨粒脱落量;加工效率- 58
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发布时间：2020-08-13 -
基于3-RRR结构的光学元件柔顺微动调整机构的位姿正解
摘要：针对光刻投影物镜中光学元件X／Y／θ微动调整的工程需求，研制了一种基于3-RRR结构的光学元件柔顺微动调整机构，并对其位姿正解进行了研究。建立了3-RRR柔顺并联机构的伪刚体模型，并采用矢量代数法理论推导了该机构的位姿正解，得到了它的理论雅克比矩阵。然后，在NASTRAN中建立了3-RRR柔顺并联机构的有限元模型，得到了仿真环境下该机构的位姿正解和雅克比矩阵。最后，对研制的3-RRR柔顺并联机构进行了实验研究，得到了该机构真实的位姿正解和雅克比矩阵。实验结果表明，实验雅克比矩阵的各项系数分别为0.577 7、-0.304 0、-0.283 3、0.002 1、0.524 6、-0.516 5、1.402 6、1.481 9、1.435 3，而理论雅克比矩阵相对应的各项系数分别为0.612 9、-0.306 5、-0.306 5、0、0.530 8、-0.530 8、1.444 6、1.444 6、1.444 6，得到的数据表明：采用矢量代数法能够理论推导出该机构正确的位姿正解公式。提出的3-RRR柔顺微动调整机构位姿正解方法为微动调整机构的研制提供了设计依据。关键词：柔顺并联机构;光学元件微动调整;位姿正解;伪刚体模型;矢量代数法;雅克比矩阵- 70
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发布时间：2020-08-13 -
SOI压阻传感器的阳极键合结合面检测
摘要：由于当前绝缘体上硅（SOI）压阻传感器芯片的封装质量仍依赖人工检测，本文提出了一种自动实现该项检测的视觉检测方法。分析了压阻传感器的工作原理， 研究了芯片定位精度和结合面质量对传感器性能的影响。以传感器性能和质量为导向，提出了一种以中心定位偏差和键合面结合度为检测点的封装结合面检测方法。该方法通过对Hough圆检测效果和实际图像的分析完成定位精度的检测；基于对传感器质量影响因素的分析和气泡面积的统计实现结合面质量的检测。在传感器实际制造封装过程中对该视觉检测算法进行了实验验证。结果表明：该方法能识别的结合面上的最小气泡直径为6 μm；玻璃内孔半径检测误差约为0.015 mm.。本文提出的基于视觉检测的方法基本满足了压阻传感器封装对结合面检测的要求，有助于实现封装质量的自动化检测。关键词：绝缘体上硅(SOI);压阻传感器;芯片;封装质量;视觉检测;阳极键合- 49
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超磁致伸缩致动器的复合反馈控制及其在变椭圆销孔精密加工中的应用
摘要：针对非对称性销孔的镗削加工，研究了用于高负荷孔精密镗削装置的超磁致伸缩致动器（GMA）的相关控制。考虑GMA的迟滞非线性，分析了准静态改进型Prandtl-Ishlinskii（P-I）模型的数学机理；为提高其动态适用频域和控制精度，提出了结合相角前馈补偿的动态改进型P-I模型，获得了满意的控制效果。结合PID反馈控制搭建的闭环控制实验结果显示，GMA 的迟滞非线性由补偿前的14.5 %~67.2 %减小到1.5%~4.3%，有效降低了迟滞系统的非线性误差。在此基础上进行了椭圆销孔试镗削实验，结果显示其椭圆度均符合图纸要求，验证了补偿方法的正确性。本文的研究为实现高负荷异形孔的精密加工提供了新方法。关键词：异形销孔;镗削加工;超磁致伸缩致动器;复合反馈控制;改进型P-I模型;频率相位控制- 44
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机动车载快速反射镜激光指向修正量的解算
摘要：为了提高机动车载跟瞄发射系统的瞄准精度，提出在其发射光路中引入快速反射镜来修正发射激光的方向。研究了快速反射镜激光指向修正量和粗红外跟踪脱靶量以及反射镜空间实时绝对角度的关系，结合激光发射光路和红外跟踪光路的结构特点，提出了将船摇坐标变换理论应用到快速反射镜激光指向修正量的解算中。建立了快速反射镜激光指向修正量与粗红外跟踪、快速反射镜空间位置的关系，并通过MATLAB编写了M函数，建立了SIMLINK仿真模型。基于仿真模型得出了激光指向修正量与快速反射镜转角的关系数据以及在快速反射镜工作范围（± 6’）内的简化公式。试验结果表明：该解算算法正确，解算精度较高，最大静态解算误差为2.9"；载车在三级公路上以20 km／h的速度跑车时，激光指向的控制精度为方位角11.65"、俯仰角15.38"，均满足项目指标要求。关键词：跟瞄系统;快速反射镜;激光指向;修正量;船摇坐标变换- 50
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发布时间：2020-08-13 -
空间相机扫描机构固体润滑轴承组件的寿命试验
摘要：开展了固体润滑轴承组件的真空加速寿命试验，以验证固体润滑轴承组件的设计是否满足在轨寿命要求。研究了MoS2基薄膜固体润滑轴承组件在小角度摆动情况下的寿命。试验采用4对轴承模拟在轨±6°连续往复摆动，通过检测轴承组件工作时的摩擦力矩、电机电流和轴承温升判断轴承运行状态。结果显示，寿命试验运行正常，累计摩擦次数为6.2×107次。寿命试验后对轴承进行了尺寸精度和旋转精度复测，然后对轴承组件进行了解剖分析。复测结果显示，轴承尺寸精度和旋转精度与试验前一致，轴承润滑状态良好。试验结果验证了固体润滑轴承组件寿命满足在轨任务要求，为其它空间相机小角度摆动的扫描机构固体润滑轴承组件的长寿命设计提供了依据。关键词：空间相机;扫描机构;固体润滑轴承;MoS2;摆动;加速寿命试验- 41
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激光超声复合切削硬质合金的刀具磨损及其对工件表面质量的影响
摘要：基于激光加热辅助切削和超声椭圆振动切削提出了激光超声复合切削加工工艺。采用聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具对YG10硬质合金进行了常规切削，超声椭圆振动切削，激光加热辅助切削和激光超声复合切削对比试验。检测了刀具磨损量、刀具磨损形貌、工件表面粗糙度以及工件表面形貌，并通过扫描电镜（SEM）对刀具磨损区域进行了能谱分析，同时研究了激光超声复合切削硬质合金时PCBN刀具的磨损及其对工件表面质量的影响。最后，与常规切削、超声振动切削及激光加热辅助切削进行了对比试验。结果表明：激光超声复合切削时刀具使用寿命显著增加，加工后的工件表面粗糙度平均值分别降低了79%、60%和64%，且工件表面更加平整光滑。激光超声复合切削硬质合金时，PCBN刀具的前刀面磨损表现为平滑且均匀的月牙洼磨损，后刀面磨损表现为较窄的三角形磨损带和较浅的凹坑和划痕；刀具的失效机理主要为黏接磨损、氧化磨损和磨粒磨损的综合作用。关键词：激光超声复合切削;硬质合金;聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具;刀具磨损;表面质量- 64
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大口径长条形反射镜组件自重变形的仿真与试验
摘要：研究了空间光学遥感器的大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化，实验验证和定量分析了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法得到的仿真分析结果的精度。介绍了Zernike多项式拟合法以及球面方程拟合法的基本原理，分别用这两种算法对大口径长条形反射镜组件在自重载荷作用下的面形变化进行了仿真分析。根据误差合成原理，提出了依据翻转前后两个状态的面形检测结果计算镜面面形变化的方法；针对离轴反射镜在面形检测过程中存在离轴量与镜面像散互相补偿的现象，求解了离轴量变化量与镜面像散的关系。试验结果显示：Zernike多项式拟合法的计算精度为74.2%，而球面方程拟合法的计算精度为12.6%；对仿真分析结果的误差评价表明，采用有限元法得到的仿真分析结果的理论精度值为10%左右，与球面方程拟合方法的计算精度12.6%基本吻合。研究表明，由于Zernike多项式拟合法自身的局限性，不适合对长条形反射镜面形变化进行拟合，而球面方程拟合法的计算精度能够满足工程要求。关键词：空间光学遥感器;大口径反射镜;长条形反射镜;自重变形;仿真分析;Zernike多项式拟合;球面方程拟合- 67
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发布时间：2020-08-13
微纳技术与精密机械
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TDICCD相机平台振动所致的MTF空间移变降质
摘要：卫星振动不仅会引起TDI（Time Delay and Integration）CCD相机像元采样的不规则性，还会引起像元弥散斑空间分布的不一致性，导致图像传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）产生空间变化，从而制约高分辨率图像振动复原质量。本文从卫星振动对TDICCD相机推扫成像采样过程的作用机理出发，结合理论推导与仿真研究，得到了平台振动引起的图像空间移变降质及表征方法。然后在振动复原模型的基础上，推导得出MTF空间移变降质对复原处理误差的影响，并基于实际卫星图像开展了复原实验。实验结果表明：当振动所致图像MTF空间移变降质小于15%时，复原处理后的图像与理想图像的结构相似度优于0.95，而且处理误差所导致的图像失真不影响判读质量。关键词：卫星振动;TDICCD相机;复原质量;MTF空间移变降质- 57
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发布时间：2020-08-13 -
3D打印中的模型分割与打包
摘要：为了提高3D打印技术中三维模型的打印效率，减少打印材料耗费，缩短打印时间，提出了一种全局最优的模型分割与打包算法。首先，将给定模型分割为若干金字塔形状的分块。然后利用一种改进的禁忌搜索算法寻找最优打包方案，尽可能地减少支撑材料的体积，根据分块体积给出利于全局优化的初始解，并通过控制邻域生成规则以及候选解集，使得搜索更加高效并大幅提高寻优速度。最后，将打印成型的各部件拼合成整体。实验结果表明：生成的打包方案节省了14%~38%的打印时间，节省了21%-46%的打印材料。该方法模型分割产生的分块个数少、打包高效合理，不仅有效地提高打印效率，还减少了打印时间和支撑材料消耗。关键词：3D打印;模型分割;打包算法;禁忌搜索- 87
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发布时间：2020-08-13 -
磷虾群算法优化支持向量机的威胁估计
摘要：为提高目标威胁估计的预测精度，在传统支持向量机优化方法的基础上，提出了采用磷虾群算法优化支持向量机的威胁估计方法。介绍了磷虾群算法和支持向量机的原理，并基于此采用磷虾群算法对支持向量机中的惩罚参数和核函数参数进行优化，寻找最优的惩罚参数和核函数参数；建立磷虾群优化支持向量机的目标威胁估计模型，并实现基于该模型的目标威胁估计算法。采集90组原始数据组成训练集、30组数据组成测试集，对该目标威胁估计算法进行仿真实验。实验结果显示，磷虾群算法优化支持向量机的预测误差为0.002 91，小于采用粒子群算法或萤火虫算法优化的支持向量机。结果表明，磷虾群优化支持向量机的目标威胁估计方法可以有效地完成目标威胁估计。关键词：威胁估计;磷虾群;支持向量机;参数寻优- 49
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发布时间：2020-08-13 -
光寻址电位传感器的噪声分析与信号处理方法研究
摘要：鉴于光寻址电位传感器（LAPS）的响应信号较弱，传统的抽取频域基波分量的方法易受信号漂移和随机噪声的影响，提出了一种基于频域分量均方根和卡尔曼滤波的两步信号处理方法。基于光寻址电位传感器件的理论模型构建了其等效电路模型，推导得到输出信号的表达式，分析了漂移与噪声产生的原因及其抑制方法。通过实验检测了不同pH值的溶液，并采集了系统输出的光电流信号。求取信号傅里叶变换后频域中的基波分量、二次谐波分量、三次谐波分量的谱线幅值的均方根，然后对归一化电流-偏压（I-V）特性曲线进行卡尔曼滤波。实验结果表明，相对于单纯抽取基波分量的方法，基于频域分量均方根和卡尔曼滤波的两步信号处理方法使检测结果的均方差（MSE）降低了97%，显著减少了信号漂移和随机噪声对检测结果的影响。关键词：光寻址电位传感器;信号漂移;随机噪声;频域分量均方根;卡尔曼滤波- 45
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发布时间：2020-08-13 -
基于特征信息分类的三维点数据去噪
摘要：为了有效去除获取三维点云数据时的噪声，同时又不损失模型的特征信息，提出了一种基于三维点云特征信息分类的去噪算法。首先采用主成分分析法和二次曲面拟合法估算三维点云的微分几何信息；然后根据点云平均曲率的局部特征权值，将点云数据划分为特征信息较少的平坦区域和特征信息丰富的区域，针对不同特征区域分别采用邻域距离平均滤波算法和自适应双边滤波算法进行去噪滤波。实验结果表明：滤波后点云数据的最大误差为0.144 7 mm，标准偏差为0.021 0 mm。在不同噪声强度下，该去噪算法均能够达到较好的去噪效果，并保留点云的高频特征信息。关键词：点云去噪;特征分类;双边滤波;微分几何信息- 79
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发布时间：2020-08-13 -
利用卷帘快门面阵CMOS自相关成像的空间相机振动参数检测
摘要：为了获取空间相机在轨摄像期间的振动幅频特性，提出了一种基于卷帘快门面阵CMOS自相关成像的空间相机振动参数检测方法。基于卷帘式快门CMOS成像原理，对同一景物连续拍摄，得到一组具有相关性的图像序列，通过灰度投影算法对所成图像进行比对求取相对偏移量，拟合偏移量数据，进而根据拟合结果计算出空间相机的振动参数。验证实验显示，二维振动的周期检测相对误差不超过2%，振幅检测绝对误差不超过1 pixel。实验结果表明，该方法能够利用低帧频图像序列检测高频振动，大幅度降低了检测算法的数据传输及处理压力，为检测算法的星上嵌入式实现提供了可能，在推扫相机和凝视相机上均有较好的应用。关键词：卷帘快门CMOS;自相关成像;振动参数;灰度投影;拟合- 66
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发布时间：2020-08-13 -
FEKO稀疏微多普勒建模及CS重构方法
摘要：提出了利用压缩感知解微多普勒模糊的方法。由于目前雷达无法实现发射脉冲的随机性，采用电磁仿真软件FEKO来实现具有随机发射时刻的雷达回波模拟，用于算法验证。仿真过程中，考虑微动目标运动的复杂性，采用FEKO结合MATLAB的方式实现目标姿态的动态更新。首先由MATLAB计算出每个稀疏时刻目标的运动状态，然后把参数传递给FEKO，获得不同时刻对应的姿态角下目标的电磁散射数据，最后利用本文算法解出无模糊的微多普勒频率。对5种不同的微动模型进行仿真，仿真结果均与理论结果一致，由此验证了该算法的可行性和仿真模型的有效性。关键词：微多普勒;雷达;压缩感知;FEKO;电磁散射- 44
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发布时间：2020-08-13 -
基于不同积分时间帧累加的红外图像超帧方法
摘要：针对大多数常规红外成像系统单帧成帧时间内探测器组件响应动态范围有限，以及超帧算法需要借助其他复杂装置或专用电路的不足，提出了一种基于不同积分时间帧累加的红外图像超帧处理方法，采用电子学处理方法对整个超帧处理过程进行了研究。分析了限制红外探测器响应动态范围的原因，简单介绍了帧积分方法的原理和利弊。然后对不同积分时间下获得的图像进行了非均匀性校正、帧信息融合和新帧映射。实验结果表明：本文方法提高了系统的噪声等效温差（NETD），捕获了更多的场景原始图像信息，丰富了图像的灰度层次，增加了图像的信息熵。该方法能够等效拓展探测器的响应动态范围，增加场景原始信息的捕获，提高成像系统的输出信号信噪比以及探测灵敏度。关键词：红外图像;超帧处理方法;积分时间;动态范围;信噪比- 62
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发布时间：2020-08-13 -
基于关系图的无人机影像三维重建
摘要：针对增量式运动恢复结构算法在无人机影像三维重建中运行效率低的问题，提出了一种基于关系图的无人机影像批处理重建方法。利用无人机低精度的位置姿态测量系统数据概略估算影像间的重叠关系，在关联影像之间进行尺度不变特征变换匹配，使用随机抽取一致性算法和三视图约束进一步剔除弱关联的影像连接关系，再通过深度优先搜索得到最终参加重建的影像集连通分量，构建出强关联的稳健影像关系图。然后，根据影像相对位姿参数，由最小二乘法解算全局一致性旋转参数，利用三视几何约束和线性规划求解全局一致位置参数，最后进行一次光束法平差优化。实验结果表明：与经典的增量式重建Bundler算法相比，该方法运行速度至少提高了2.6倍，且生成的三维点数量增加了76.5%，更真实地恢复出场景的几何形态。该算法在改善重建效果的同时提高了处理效率，能够满足无人机快速响应应用的需求。关键词：无人机;三维重建;关系图;三视图;线性规划- 32
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发布时间：2020-08-13 -
克服动态问题影响的相机响应函数标定
摘要：利用图像之间的亮度映射函数而不是图像本身各像素点信息进行相机响应函数的标定，避免了成像系统的晃动或者拍摄场景的动态问题带来的图像配准之间的误差给后续标定算法带来的影响。采用直方图规则化的方法分析不同曝光量图像之间的各颜色通道不同亮度级的统计特征，获得了不同图像对之间的亮度映射函数。然后，利用图像对之间的亮度映射函数结合各帧图像的直方图建立求解相机响应函数的超定方程模型。最后，利用最小二乘法解算模型获得相机响应函数。验证实验表明，本文相机响应函数标定算法具有克服相机的动态问题的能力；不同输入帧数图像的分组实验显示，最小输入4帧图像能够获得较为理想的响应函数标定结果。关键词：亮度映射函数;相机响应函数;直方图建模;动态场景- 57
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发布时间：2020-08-13 -
改进后Ray-Box Intersection权系数矩阵的SART+TVM重建算法
摘要：针对均匀采样稀疏型重建问题，研究了Ray-Box Intersection和传统的双线性插值两种权系数矩阵计算方法。对Ray-Box Intersection算法的逻辑漏洞进行了改进，利用直线生成法并结合射线斜率和像素位置关系提出了改进算法。该算法利用代数关系求得射线穿过重建区域的起点和终点，然后取不大于其坐标的最大整数，最后采用直线生成法，依据射线斜率沿X或Y方向得到该条射线在投影区域内经过的所有像素块的左下角坐标集合，对于每个像素块，射线与像素块交点距离即为该像素块对射线的加权值。实验结果表明，相比Ray-Box Intersection权系数矩阵算法，改进后算法速度提高了96%，最大峰值信噪比提高了19%；相比双线性插值算法，改进后算法收敛速度更快，在同样时间代价下最大峰值信噪比提高了5%。改进后的Ray-Box Intersection算法能够获得更好的重建图像质量，细节更清晰。关键词：联合代数重建;全变差最小化;Ray-BoxIntersection算法;双线性插值算法;权系数矩阵- 52
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发布时间：2020-08-13 -
基于快速局域线性回归的IRAS/FY-3B大气温湿廓线反演
摘要：提出一种快速的局域线性回归（Fast Locally Linear Regression， FLLR）算法，用于从搭载在风云三号B星（FY-3B）上的红外大气探测仪（IRAS）红外观测数据反演大气温湿廓线。算法所需的观测样本为IRAS／FY-3B L1数据红外观测值与AIRX2RET V5产品的时空匹配数据，以2011年为例，在180°W~180°E、60°N~60°S的研究区域内按照观测时间绝对差小于15 min和观测角度绝对差小于2°的条件获取观测样本，并对样本进行了评价。在匹配观测样本的基础上比较分析了FLLR算法与LLR算法、D矩阵算法和非线性的神经网络算法，然后采用FLLR算法从IRAS／FY-3B L1数据反演得到2011年全年的大气温湿廓线，并外推反演得到2012年第1季度的大气温湿廓线。最后，利用相应的ECMWF再分析数据和RAOB探空观测对2011年的反演结果进行了精度验证，采用AIRX2RET V5产品对2012年第1季度的外推反演结果进行了验证。结果显示：与D矩阵算法相比，FLLR算法反演大气温度和湿度廓线的均方根误差分别减小~0.8 K和~0.5 g／kg，其精度与非线性的神经网络算法相当；相对于ECMWF再分析数据，本文大气温度和湿度廓线反演结果的均方根误差分别小于2.5 K和2.3 g／kg；而相对于RAOB数据，其均方根误差分别小于3.5 K和2.0 g／kg；2012年第一季度外推反演结果的均方根误差分别小于2.5 K和1.6 g／kg，与算法精度基本一致。IRAS／FY-3B大气温湿廓线的反演精度与MOD07 V5大气廓线产品相当。关键词：风云三号B星;红外大气探测仪;快速局域线性回归算法;大气温湿廓线反演;精度验证- 75
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发布时间：2020-08-13
信息科学
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