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最新刊期

2016 年第 8 期

现代应用光学

∝型平坦展宽频谱可调全光时延线
曹继红,陈伟
2016, 24(8): 1827-1833. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1827

摘要：根据全光网交换和高速时分复用技术对时延调节的需求，提出一种新的基于光纤非线性效应的∝型全光再生可调时延线。该时延线由小段高非线性光纤、色散补偿光纤、光纤光栅滤波器和光纤放大器等构成；利用自相位调制、小量群速度色散效应、以及光波分裂效应获得携带近似线性时延的平坦化展宽光谱，并在波长可调谐光纤光栅的配合下实现时延控制，同时具有对工作波长进行适当变换的功能。单皮秒脉冲演变数值分析显示其在10 nm的波长范围内的调节量可达300 ps以上，在40 Gbps脉冲序列仿真传输实验中Q值可达23.6。仿真实验结果表明：设计的时延线在保证输出脉冲质量仍然良好(比特误差率(BER)＜＜ 10^-12)的情况下获得了较大的时延调节量，能满足全光网和高速时分复用系统的需求。
关键词：全光时延线;可调时延线;光纤非线性效应;频谱展宽;色散;全光网交换;时分复用

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发布时间：2020-07-07
采用玻尔兹曼统计法分析光阱刚度的测量精度
朱春丽,李静
2016, 24(8): 1834-1839. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1834

摘要：考虑高精度的光阱刚度测量是光阱力测量的关键，本文提出了采用玻尔兹曼统计法来分析光阱刚度的测量精度。首先，描述了实验室搭建的近红外光镊系统，并将其搭建在暗室中的气垫平台上，以便隔离光干扰和振动干扰。然后，用四象限光电探测器探测被光镊捕获的微球向后散射的光，并选用与溶液黏度无关的玻尔兹曼统计法计算样品池底面附近的光阱刚度。最后，分析和讨论了溶液温度的变化、四象限光电探测器的灵敏度、采样频率以及采样时间对光阱刚度测量精度的影响。理论分析及实验计算显示：溶液温度的变化对光阱刚度的测量影响很小，但四象限光电探测器的灵敏度对光阱刚度测量精度影响较大。考虑采样的完整性和数据处理速度，采样频率通常取为被捕获颗粒拐角频率的5~10倍。对于本文搭建的近红外光镊测量系统，采样时间取为1~7 s时，可以保证高精度地测量光阱刚度。
关键词：光镊;近红外光镊系统;光阱刚度测量;玻尔兹曼统计法

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发布时间：2020-07-07
大气相干长度的瞬时测量
卫沛锋,林旭东,王亮,王鸣浩
2016, 24(8): 1840-1845. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1840

摘要：由于差分像运动监测法测量大气相干长度需要多帧统计，本文应用波前结构函数法，提出了一种大气相干长度的瞬时测量方法。该方法通过Shack-Hartmann波前探测器测量单帧短曝光畸变波前的Zernike系数;然后减去光学系统初始像差的Zernike系数，去除倾斜项，计算波前结构函数;最后，与满足Kolmogorov湍流理论的大气短曝光理论波前结构函数进行最小二乘拟合，得到瞬时大气相干长度。利用湍流相位板构造了相应的测试系统，并进行了外场实测对比。结果表明：提出的基于波前结构函数法的测量结果与差分像运动监测法的测量结果基本吻合；不同格林伍德频率下，标准差与均值之比小于4.1%，稳定性较好；外场比对累计16个夜晚，得到的平均偏差小于0.45 cm。该方法可以实现空间目标大气相干长度的单帧瞬时测量，并可用于观测站点的视宁度、自适应光学系统内部大气湍流强度和地基大口径望远镜主镜视宁度的监测。
关键词：自适应光学;大气相干长度;空间目标;瞬时测量;波前结构函数法

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发布时间：2020-07-07
基于近红外光谱的抗扰动脑血氧分析仪
刘光达,曹泽元,周葛,周晓宇,蔡靖,查雨彤,千承辉
2016, 24(8): 1846-1853. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1846

摘要：研究了一种近红外光谱抗扰动脑血氧分析仪，用于解决常规脑血氧测试方法检测过程复杂、抗干扰措施繁琐等问题。分析与探讨了影响脑血氧检测精度的因素，选择了合适的三波长近红外探测光源(735 nm/805 nm/850 nm)用于该系统。利用氧合血红蛋白和还原血红蛋白在近红外光波段的吸收特性，得到这两种物质的浓度变化量，推算出了影响血氧检测精度的源端干扰表达式。同时，在检测端同步检测环境光，消除了漏光干扰。最后对上位机得到的原始数据与干扰数据进行处理，实现对大脑前额叶脑血氧波动的实时监测。设计了屏气实验以及源端干扰实验，检验了仪器实验结果的正确性。结果表明：本文所设计的脑血氧分析仪可以有效地检测血红蛋白的变化并能通过源端校正算法抑制源端干扰，干扰抑制比可达70%以上，基本实现了对人体无创、实时、准确监测的目的。
关键词：脑血氧分析仪;近红外光谱;抗扰动;干扰模型;屏气实验

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发布时间：2020-07-07
利用普通CCD实现百万帧/秒超高速成像的时序驱动技术
杨少华,李斌康,郭明安,刘璐,罗通顶,李刚,高帅
2016, 24(8): 1854-1860. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1854

摘要：提出了基于普通CCD的掩模式成像技术来大幅提高CCD的图像获取速度，实现百万帧/秒的CCD时序驱动方法。介绍了加掩模后CCD的工作过程，利用掩模把普通CCD的光敏区划分为带有存储区的像素阵列，实现了普通CCD的片上存储功能。分析了利用普通CCD实现百万帧/秒超高帧频的时序驱动方法，掩模形状决定了帧速，帧数和图像的分辨率。对系统的时序结构、电荷转移方式和驱动电路进行了说明，通过特殊驱动电路和图像处理软件设计实现了百万帧/秒的超高帧频。最后，对驱动时序进行了仿真和实验验证。采用条状孔阵列掩模，基于普通CCD图像传感器进行了百万帧/秒工作速度的验证，获得了14幅79 pixel×79 pixel的图像，其帧频达到200×10⁴ frame/s。文章所述技术具有一定的通用性。
关键词：百万帧/秒成像;CCD驱动时序;高帧频成像系统;电荷耦合器件(CCD)

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发布时间：2020-07-07
球形靶标中心成像点的高精度定位
刘书桂,宋宣晓,韩振华
2016, 24(8): 1861-1870. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1861

摘要：为提高球形靶标中心在像平面上成像点的定位精度，研究了球形靶标成像理论及球心成像点定位方法。建立了空间球在摄像机系统下的投影模型，结合空间解析几何理论，证明了球形靶标的透视投影特性。推导出了球心成像点坐标的精确表达式，并结合测量实际给提出了球心成像点的高精度定位方法。利用仿真实验建立了球心投影畸变误差模型并分析了相关影响因素。最后，结合陶瓷标准球进行了视觉系统位姿参数标定实验。结果表明，该定位方法求得的空间球球心重投影误差比传统的球心成像坐标定位方法产生的重投影误差平均减少了36%，位姿参数稳定性相对提高了40%。得到的结果验证了该球形靶标中心成像点定位方法精度高，鲁棒性强，可应用于基于球形靶标的视觉标定或测量中。
关键词：球形靶标;视觉测量;球心成像定位;透视变换;相机标定

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发布时间：2020-07-07
利用大气修正因子提高目标红外辐射特性测量精度
郭立红,郭汉洲,杨词银,李宁
2016, 24(8): 1871-1877. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1871

摘要：提出了利用大气修正因子修正大气透过率来提高测量目标红外辐射特性精度的方法。建立了目标红外辐射特性测量模型，给出了基于大气修正因子的目标红外辐射特性测量方法。该方法将短距离大气透过率实测结果和MODTRAN模拟计算的大气透过率之比定义为基础大气修正因子，然后依据长距离与短距离的不同数量关系得到增强大气修正因子，最后利用该因子对MODTRAN计算的长距离大气透过率进行修正并进行目标的辐射反演，从而获得目标辐射特性。对中波红外摄像机进行了定标，利用中波红外摄像机和面源黑体开展了目标红外辐射特性测量实验。实验结果表明，利用大气修正因子修正大气透过率的目标辐射测量方法得到的目标辐射特性测量精度在8%左右，高于传统的利用MODTRAN计算方法得到的20%的测量精度。得到的结果显示本文方法较传统方法较大程度地提高了目标辐射特性测量精度。
关键词：大气修正因子;大气透过率;红外摄像机;红外辐射特性测量;测量精度

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发布时间：2020-07-07
星地两用光学表面污染检测装置
马晶,朱福南,周彦平,柳青峰
2016, 24(8): 1878-1883. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1878

摘要：针对光通信终端的光学表面污染，研制了10 MHz镀铝石英晶体微天平(QCM)，用于实时检测真空试验中的污染量以保证光通信的可靠性。该装置通过引入参考晶体消除环境因素的影响，并降低对其控温精度的要求，其理论质量灵敏度可达10^-9g/cm²。经过绝对标定实验后，其实际质量灵敏度为10^-8g/cm²，满足应用需求，且成本低，实用性好，可用于星上或地面污染检测。文中依据不同的污染源工作温度，分别在32 ℃高温恒温段，32 ℃~-27 ℃降温段，低温保持段及-2 ℃~32 ℃升温段进行了污染沉积量的检测。结果表明：在试验初期的高温恒温段，污染源与敏感表面温差高于0 ℃，15.75 h内单位面积污染沉积量为1.68×10^-4g/cm²；在低温保持段，温差一直低于-22 ℃，23.37 h内单位面积污染解吸附量为1.08×10^-4g/cm²；真空试验的总污染沉积量为2.7×10^-5 g/cm²。得到的结果证实了该QCM用于污染量检测的有效性。文中还初步分析了真空试验下的污染沉积过程，为光学表面污染的预估与防护提供了依据。
关键词：光通信;石英晶体微天平(QCM);光学表面污染;出气速率

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发布时间：2020-07-07
基于发光二极管配光曲线设计自由曲面透镜
冯奇斌,李亚妮,李其功,吕国强
2016, 24(8): 1884-1893. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1884

摘要：针对头盔显示器(HMD)液晶像源的特殊要求，选择了一款小尺寸、高光效的发光二极管(LED)作为背光光源。基于此LED的光强分布曲线，利用非成像光学理论设计了双自由曲面透镜阵列，以期进一步提高背光光效。首先对单个LED设计了3款不同半径的双自由曲面透镜，形成了亮度均匀的圆形光斑。然后对单个透镜进行切割，形成矩形光斑，并用4个矩形透镜拼接成透镜阵列。选择了效果最优的透镜进行了加工和测试。结果表明：与传统的采用两层扩散膜的背光结构相比，采用透镜阵列和两层扩散膜后的背光的光能利用率提高了13.94%，背光亮度提高了96.4%，非均匀性由23.8%略提高到23.1%，半亮度视角由37°降低到19°。用设计的透镜及其阵列对LED光源发出的光线进行准直，易形成高亮度的均匀矩形光斑，满足头盔显示器液晶像源背光的要求。
关键词：头盔显示器;发光二极管(LED);LED背光;非成像光学;自由曲面透镜

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发布时间：2020-07-07
大气透过率的多点移动测量
台宏达,庄子波,蒋立辉,孙东松
2016, 24(8): 1894-1901. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1894

摘要：考虑大气透射仪的光源不稳定性以及光学准直及大气环境的动态变化均会对其测量精度产生影响，本文在高精度导轨上设计了多点移动大气透过率测量系统，以便提高其大气透过率及消光系数的测量精度。该系统采用可移动测试平台，运用多点移动测量的方式测量大气透过率及消光系数。基于理论比较了多点移动大气透过率测量方法与传统大气透射仪测量方法的测量精度，证明了该系统的测量精度高于传统大气透射仪。将该系统与经过良好校正的Skopograph II型大气透射仪在大气环境模拟舱进行了较长时间的对比验证。结果表明，两套系统具有很好的相关性，91.93%的数据对偏差在10%以内，相关系数达0.985 7。在低能见度条件下，多点移动大气透过率测量系统的测量稳定性优于传统大气透射仪。得到的结果显示：该系统能够满足大气透过率和消光系数测量对准确性、稳定性和一致性的要求。
关键词：大气透射仪;大气探测;大气透过率;消光系数;多点移动测量

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发布时间：2020-07-07
阵列式光谱辐射计光学参数测量
吴志峰,代彩红,王彦飞,邹巨洪
2016, 24(8): 1902-1907. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1902

摘要：研究了阵列式光谱辐射计校准过程中涉及的杂散光和带宽等问题。实验比较了阵列式光谱辐射计在氙灯和卤钨灯照射下进行紫外辐射测量的差异，对差异的来源-杂散光部分进行了测评。采用一组已知透过率的滤光片，通过采集有滤光片和无滤光片条件下卤钨灯的光谱，对阵列式光谱辐射计的杂散光大小进行评价，并评估了杂散光在紫外辐射测量中引起的数值偏差。实验测量了不同的阵列式光谱辐射计采集窄带光源的结果，对阵列式光谱辐射计的带宽在辐射照度计算中的影响进行评估。实验结果表明：卤钨灯照射下部分阵列式光谱辐射计在紫外300 nm处的杂散光比例高达30%以上，制约了紫外辐射测量的可靠性；氙灯照射下阵列式光谱辐射计在300 nm的杂散光比例可以降至5%左右；阵列式光谱仪的带宽限制了其能够准确测量光源的最小测量半高宽，几种不同带宽的阵列式光谱辐射计在365 nm的测量偏差高达4%。得到的结果表明：阵列式光谱辐射计的杂散光、带宽等光学特性对测量结果的准确性影响很大。
关键词：阵列式光谱辐射计;紫外辐射;杂散光;带宽;标定

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发布时间：2020-07-07

微纳技术与精密机械

精密行星滚柱丝杠的传动特性
李凯,叶佩青,周晓尧,徐强
2016, 24(8): 1908-1916. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1908

摘要：设计了一种基于行星滚柱丝杠的精密传动机构。根据机电伺服系统的使用要求，分析了行星滚柱丝杠的传动特性。详细阐述了该传动机构的组成、工作原理和主要特点，分析了传动精度和传动效率这两项核心技术指标，得到了各项误差对传动精度的影响程度，如行星滚柱丝杠单向传动误差和回程误差，驱动电机、联轴器、支撑轴承、测量装置和控制系统等的中间装置误差，以及环境因素误差等，推导了传动效率与接触角、螺旋升角的相互关系。最后，构建了实验平台，测试了行星滚柱丝杠的传动精度和传动效率，结果表明其传动精度优于1.5μm，传动效率优于74%。得到的结果验证了设计的传动机构结构紧凑、承载能力强、传动效率高，传动精度好，在精密传动领域有较大的应用价值。
关键词：行星滚柱丝杠;精密传动机构;传动精度;传动效率

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发布时间：2020-07-07
重力对空间相机系统波像差影响的光机集成分析与验证
董得义,李志来,薛栋林,陈长征,张学军
2016, 24(8): 1917-1926. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1917

摘要：对空间离轴相机在重力载荷作用下的系统波像差变化进行了集成仿真分析，同时研究了分析结果的精度。介绍了集成仿真分析技术的基本流程和关键技术，对比分析了ZERNIKE多项式拟合法与形函数插值法两种面形畸变转换接口算法的优劣。介绍了常用的两种形函数构造方法的基本原理，基于面积法构造形函数得到了光学元件面形畸变的接口文件。最后，在相机的光机结构装调完毕后，对系统波像差在重力载荷作用下的变化进行了测试。测试结果表明，该空间相机3个视场系统波像差的变化量分别为0.029 8λ(-1视场)、0.019 4λ(0视场)、0.052 3λ(+1视场)，与分析结果基本吻合。3个视场分析结果的误差分别为0.002 4λ(-1视场)、-0.000 9λ(0视场)、0.007λ(+1视场，)均小于0.01λ，满足工程设计的要求，验证了集成仿真分析结果的准确性。此外，通过集成分析技术定量得到了不同影响因素对系统波像差的影响，基于此优化设计光机结构，改善了重力对空间相机3个视场系统波像差的影响。
关键词：空间相机;波像差;光机集成分析;重力变形

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发布时间：2020-07-07
小型化硅微谐振式加速度计的实现与性能测试
赵健,施芹,夏国明,裘安萍,吴志强,苏岩
2016, 24(8): 1927-1933. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1927

摘要：设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80 μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构，采取真空封装技术降低结构噪声。首先，采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号，降低了闪变噪声且不会引入额外的功耗。其次，使用线性区工作的乘法器取代传统的吉尔伯特单元，通过大幅降低系统总体供电电压来降低功耗。最后，采用复位计数器进行频率数字转换，在所关心的带宽内抑制量化噪声。实验显示：该加速度计在达到±30 g线性量程的前提下，实现了2.5 μg/√Hz的分辨率和1 μg的零偏不稳定度。此外，为了减小电路自身发热引起的温度漂移，该样机的功耗被控制在3.5 mW以内，系统集成后的尺寸约为45 mm×30 mm×20 mm。基于所述技术，系统在体积、功耗和性能方面均有较大的提升。
关键词：硅微谐振式加速度计;专用集成电路;SOI工艺;真空封装;小型化;低功耗

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发布时间：2020-07-07
磨齿机分度误差传递规律
凌四营,李军,于佃清,贾颖,王立鼎,娄志峰
2016, 24(8): 1934-1939. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1934

摘要：为预测被加工齿轮的齿距加工精度，研究了Y7125型大平面砂轮磨齿机系统分度误差的传递规律。采用全闭环测量法对用作角度测量基准的正36面棱体进行了高精度标定；基于该正36面棱体和相对测量法在机提取机床36个等分点系统分度误差曲线；最后在磨齿机上进行精密磨齿实验，通过比较齿轮试件的齿距累积偏差与机床原始系统分度误差的差异，研究机床分度误差的传递规律，并通过实验得到磨齿机分度误差传递过程中的不确定度。实验结果表明：采用全闭环测量法标定正36面棱体的测量不确定度达到±0.05；磨齿机系统分度误差传递到被加工齿轮后，齿距累积总偏差由2.1 m增大到2.6 m，相对误差增加了24%；通过磨齿实验得到磨齿机分度误差传递过程中的不确定度为±0.6 m。得到的机床分度误差传递规律可用于预测齿轮的齿距累积加工精度，为制定科学的磨齿工艺提供技术支持。
关键词：磨齿机;分度误差;齿距累积偏差;误差传递规律;全闭环测量法

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发布时间：2020-07-07
多旋翼无人机在变控制量下的三轴磁罗盘校正
徐东甫,白越,宫勋,吴子毅,续志军
2016, 24(8): 1940-1947. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1940

摘要：为了在特殊环境下有效使用多旋翼无人机飞行器的磁罗盘，研究了大电流、控制量变化情况下磁罗盘的校正问题，提出了一种磁罗盘自适应校准方法。推导了磁罗盘误差的变化规律并建立了误差模型，分析了硬磁误差随控制量变化的规律，进而提出了一种基于整体最小二乘法的空间直线拟合方法。通过空间直线拟合，将得到的控制量和硬磁补偿的对应关系用于实时调整对空间飞行器的硬磁补偿，最终解决了控制量变化对磁罗盘的影响。进行了实验验证，结果表明：提出的方法可将飞行器控制量变化带来的磁罗盘硬磁误差基本抵消；在实际飞行中，多旋翼无人飞行器的偏航误差可由最大的15°减小到3°以内。本文所给出的方法在控制量变化，大电流情况下使用时，可以很好地校正磁罗盘航向角误差，提高导航精度。
关键词：多旋翼无人机;磁罗盘;变控制量;硬磁误差;误差补偿

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发布时间：2020-07-07
磷酸二氢钾晶体飞切过程中温度场的分布及其对切屑形貌的影响
汪圣飞,安晨辉,张飞虎,游雾,雷向阳
2016, 24(8): 1948-1955. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1948

摘要：研究了磷酸二氢钾(KDP)晶体飞切加工过程中温度场的分布，探索了切削温度对KDP晶体切削过程的影响。首先，采用热力耦合有限元分析对KDP晶体切削过程进行了仿真，获得了不同切削深度下材料内部温度场的分布。分别使用飞切机床和纳米压痕仪在不同速度下切削KDP晶体，发现不同切削速度下形成的切屑的微观形貌存在显著差异，分析指出这可能是由于在不同切削速度下切削区域温度差异导致的。最后，对低速加工过程中获得的切屑进行加热试验，并观测了不同温升条件下切屑微观形貌的变化。飞切加工仿真实验显示：当切深为200 nm时，切削区域的温度达到110 ℃；而实际实验结果表明：当温度超过100 ℃时，切屑的微观形貌会发生明显变化。综合仿真及实验结果可知：在KDP晶体飞切加工过程中切削区域的温度将超过100 ℃，因此在对KDP晶体切削机理进行研究时，必须考虑温度对材料力学性能及其去除过程的影响。
关键词：磷酸二氢钾(KDP)晶体;晶体飞切;温度场;切屑;微观形貌

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发布时间：2020-07-07
月基望远镜反射镜转台的热-结构耦合分析及验证
上官爱红,王晨洁,张昊苏,秦德金,刘朝晖
2016, 24(8): 1956-1964. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1956

摘要：为了提高月基望远镜反射镜转台的工作性能，对反射镜转台进行了热-结构耦合分析以及试验验证和在轨验证。根据输入条件、热载荷、热边界等建立有限元模型对反射镜转台结构及主要发热部件进行了温度场计算。将温度载荷，预紧力载荷，边界条件输入结构有限元模型进行了热-结构耦合分析，得到了半封闭U型结构、高精密运动轴系、蜗轮蜗杆热变形和热应力。推导了轴系摩擦力矩的计算公式，将分析计算中的数据代入公式中获得了轴系的摩擦力矩，并根据摩擦力矩选取了合适力矩的电机。计算结果显示，左轴系在低温工况-25℃下摩擦力矩较大，达14.163 N·mm；高温工况下摩擦力矩较小，55℃时为4.796 N·mm。垂直轴轴系在低温工况-25 ℃时摩擦力矩为16.45 N·mm；高温工况下由于轴系卸载，摩擦力矩为零。结果表明反射镜转台可以在-25 ℃～+55 ℃下正常工作。文中还通过试验验证和在轨验证证明了反射镜转台热-结构耦合分析的有效性和合理性。
关键词：月基望远镜;反射镜转台;热-结构耦合分析;热变形;热应力;轴系摩擦力矩

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发布时间：2020-07-07
中型主镜的柔性半运动学支撑
范磊,张景旭,赵勇志,李宏壮,司丽娜
2016, 24(8): 1965-1972. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1965

摘要：针对中型反射镜提出了一种柔性半运动学支撑方式，以便简化主镜的支撑结构，降低安装应力对主镜的影响，以及提高主镜支撑对温度变化的适应性。对比小口径主镜的刚性半运动学支撑，详细阐述了柔性半运动学支撑的特点和优势。运用该原理对一口径为710 mm的主反射镜的支撑进行了设计、分析、和检测，其中反射镜的轴向采用6点带有柔性细杆的Whiffletree支撑，径向采用带有柔性环的中心轴支撑。然后，利用有限元方法进行了详细的结构优化设计。最后，利用4D干涉仪对主镜竖直和水平两个工况进行了检测。检测结果显示：反射镜的支撑面形与加工面形误差分别为8.7 nm和8.4 nm，与有限元分析结果基本吻合，验证了文中有限元建模和分析方法的合理性。提出的柔性半运动学支撑很好地保证了主镜面形精度，综合性能良好，达到了设计预期，为中型主镜的支撑设计提供了重要的参考。
关键词：中型主镜;半运动学;柔性支撑;优化设计;有限元法

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发布时间：2020-07-07
三角位移转换式压电直线电机
王寅,潘松,黄卫清,余卿
2016, 24(8): 1973-1979. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1973

摘要：为了在保持电机精度的同时获得较大作动行程，提出了一种以叠层压电陶瓷作为激励振动源的压电直线电机。分析了电机的工作原理，推导了电机驱动足在工作时的运动轨迹。设计安装了电机样机，并对其定子进行了测试。最后，在两种激发条件下实验研究了电机的整机性能。结果表明：单组叠层压电陶瓷激励时，该样机定子驱动头在接触面法向和切向同时具有振动分量，并能够在阶跃和连续两种不同激励方式下实现单向大行程直线运动。以锯齿波激励时可实现步进运动，激励频率为20 Hz时步距为0.1μm；以两路相位差π/2的正弦波激励时，可在1.5 kHz到5.8 kHz的激励频率区间输出稳定连续的直线运动，其运动速度随激励频率的升高而增大，在峰-峰值110 V(50 V偏置)的正弦电压激励下其推力可达4.8 N。该电机具有高位置分辨率和宽频率响应，可以在两种工作模式下分别稳定地实现直线步进和大行程连续运行。
关键词：直线电机;压电电机;叠层压电陶瓷;三角位移转换;双模式

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发布时间：2020-07-07
介电型电活性聚合物圆柱形驱动器的驱动效率
罗华安,王化明,朱银龙,左方睿,汪洋
2016, 24(8): 1980-1990. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1980

摘要：研究了介电型电活性聚合物(DEAP)驱动器的机电能量转换机理、能量损耗和驱动效率。建立了驱动器机电能量转换模型，并通过试验测算了驱动器等效电路的模型参数，分析了电极材料等因素对DEAP相对介电常数的影响。深入研究了驱动器漏电流损耗，试验验证了漏电流对驱动器性能的影响。最后，设计了驱动器驱动试验台，完成了不同行程的准静态驱动试验，数值计算了驱动器的驱动效率。结果表明：由于等效电路电容未参与能量转换，驱动器机电转换效率分别为17.6%和25.6%。低电压、小行程驱动时，试验误差与理论分析误差不超过15%；而高电压、大行程驱动时，DEAP膜的漏电流等非线性因素使其驱动效率变化明显。该结果可为DEAP圆柱形驱动器的优化设计及合理使用提供指导。
关键词：介电型电活性聚合物;圆柱形驱动器;机电能量转换;驱动效率;漏电流

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发布时间：2020-07-07
高频响伺服刀架的建模与控制
李国平,孙涛,邱辉,陈彬
2016, 24(8): 1991-1999. DOI: 10.3788/OPE.20162408.1991

摘要：考虑目前应用压电陶瓷驱动器的伺服刀架只能提供单向驱动力，设计了一种基于双压电陶瓷驱动器的快速伺服刀架。涉及的两个压电陶瓷驱动器分别为刀具的进给和回复提供驱动力，其呈对称布置，用于有效提高刀架的整体刚度。为了对两个压电陶瓷驱动器进行联动协调控制，建立了PI迟滞模型和其逆模型，并设计了相应的联动协调控制方法。利用PI逆模型作为PID反馈控制的前馈环节构成复合控制用于调节快速伺服刀架的输出位移。实验验证了新型快速伺服刀架的响应频率、响应时间、位移响应特性和定位精度。结果显示：新型快速伺服刀架的响应频率为871.86 Hz，响应时间为0.000 45 s；三角波信号的最大定位误差为3.366 1μm，误差百分数为7.63%，平均绝对误差为0.698 0 μm，误差百分数为1.58%；正弦波信号的最大定位误差为3.244 4 μm，误差百分数为7.67%，平均绝对误差为0.930 9 μm，误差百分数为2.20%。
关键词：快速伺服刀架;双压电陶瓷驱动器;PI模型;高频响应

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发布时间：2020-07-07

信息科学

快速反射镜姿态角的高精度解算
薛乐堂,陈涛,徐涛,刘廷霞,李博
2016, 24(8): 2000-2009. DOI: 10.3788/OPE.20162408.2000

摘要：为了提高跟瞄转台出射激光的指向精度，研究了快速反射镜(FSM)姿态角与转台跟踪误差间的关系，提出了FSM姿态角的高精度解算方法。介绍了跟瞄转台出射激光的光路特点和FSM的工作原理；确定了坐标系中入射光与出射光的方向，依据坐标变换理论和光的反射定律，建立了FSM反射镜姿态角与转台跟踪误差间的函数关系。然后，推导出姿态角的解析表达式，描述了姿态角的空间分布规律，并从解析表达式中推出了近似表达式，确定了近似表达式引入的指向误差。最后，通过指向精度实验验证了姿态角解算方法的正确性。实验结果表明：在跟踪误差不超过(A 12.9'，E 13.5')时，应用姿态角解析表达式和近似表达式均能取得优于2.5″的指向精度；跟踪误差增大为(A 38.6'，E 37.8')时，解析表达式对应的指向误差仍低于2.5″，而近似表达式对应的指向误差迅速增大为13.2″。得到的结果显示：FSM姿态角的解析表达式不存在原理误差，在任意跟踪误差下均能使出射激光具有高精度指向能力，且其形式简洁，满足伺服控制器快速运算的要求。
关键词：快速反射镜;跟瞄转台;指向精度;姿态角;解析表达式

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发布时间：2020-07-07
应用在线随机森林投票的动作识别
王世刚,鲁奉军,赵文婷,赵晓琳,卢洋
2016, 24(8): 2010-2017. DOI: 10.3788/OPE.20162408.2010

摘要：提出了基于在线随机森林投票识别人物动作类别的方法。建立了在线随机森林投票模型。通过在线训练和在线检测两部分进行了算法研究，提高了检测人物动作类别的准确率。基于人物动作在时间和空间上有重要信息，该方法首先通过提取图像立体块的lab色彩空间值、一阶差分、二阶差分以及大位移光流特征值在线训练随机森林；训练结束后，形成强分类器，利用分类器对检测图像进行投票，生成动作空间图；最后，在动作空间图中寻求最大值，判断检测图像的动作类别。验证结果表明在低分辨的视频图像中，本方法能够确定人物的动作类别，对Weizmann数据库和KTH数据库的识别率分别为97.3%和89.5%，对UCF sports数据库的识别率为79.2%，动作识别准确率有所提高。该方法增加了光流能量场特征表述，将原始投票理论拓展至三维空间，并且采用向下采样的方式更新结点信息，能够判断人物动作类别，为智能视频技术提供了有效的补充信息。
关键词：动作识别;随机森林投票;大位移光流;动作空间图;智能视频

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发布时间：2020-07-07
大气光幂雾图像的清晰度复原
吴斌,付辉,张红英
2016, 24(8): 2018-2026. DOI: 10.3788/OPE.20162408.2018

摘要：针对现有图像去雾方法处理效率低，天空部分处理效果欠佳以及去雾图像视觉效果不理想等问题，提出了一种快速大气光幂去雾算法。提出的算法是对全球环境光值和大气光幂值求取方法的改进。首先，采用高斯低通滤波求取雾气图像低频区，应用循环四分图算法在低频区得到全球环境光值A；其次，采用暗原色优先算法获取初始大气光幂值，结合自适应各向异性高斯滤波处理大气光幂；最后，采用色调调整增强图像细节，使图像逼近于无雾场景。实验结果表明，本文算法能消减图像景深突变处的晕轮效应，亮度、对比度和细节信息处理效果较好，不仅较完整地保留了边缘细节，而且显著提升了处理效率，同时具有较高的鲁棒性和实时性。
关键词：大气光幂雾图像;图像复原;低通滤波;循环四分图;色调调整;晕轮效应

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发布时间：2020-07-07
高信噪比星载CCD成像电路系统
郑亮亮,金光,曲宏松,吴勇
2016, 24(8): 2027-2036. DOI: 10.3788/OPE.20162408.2027

摘要：为获得高信噪比的航天遥感图像，针对CCD成像系统链路分析了影响图像信噪比的主要因素。结合CCD成像系统的响应模型，明确了系统信噪比的表达式，并摆脱了具体CCD型号的束缚，提出了一种“总-分-总”的高信噪比成像电路系统通用设计方法。描述了系统从顶层总体设计、底层各电路模块设计以及全系统联试的完整研制方法。将该方法应用于吉林一号卫星高分辨率多光谱CCD成像电路系统的设计中，并对成像系统进行了辐射定标试验，获得了高信噪比的图像数据。结果显示：在灰度为80%饱和输出时，获得的全色图像信噪比达到了53.9 dB，多光谱图像的最高信噪比达到了56.3 dB，且图像数据经融合后色彩真实、绚丽。本文的CCD成像电路系统设计方法能够为其他航天遥感载荷的电路系统设计提供参考。
关键词：电荷耦合器件(CCD);星载CCD相机;CCD成像电路;信噪比;吉林一号卫星

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发布时间：2020-07-07
采用核相关滤波器的长期目标跟踪
杨德东,蔡玉柱,毛宁,杨福才
2016, 24(8): 2037-2049. DOI: 10.3788/OPE.20162408.2037

摘要：针对核相关滤波器(KCF)跟踪算法在目标跟踪中存在尺度变化、严重遮挡、相似目标干扰和出视野情况下跟踪失败等问题，提出了一种基于KCF的长期目标跟踪算法。该算法在分类器学习中加入空间正则化，利用基于样本区域空间位置信息的空间权重函数调节分类器系数，使分类器学习到更多负样本和未破坏的正样本，从而增强学习模型的判别力。然后，在检测区域利用Newton方法完成迭代处理，求取分类器最大响应位置及其目标尺度信息。最后，对最大响应位置的目标进行置信度比较，训练在线支持向量机(SVM)分类器，以便在跟踪失败的情况下，重新检测到目标而实现长期跟踪。采用OTB-2013评估基准50组视频序列验证了本文算法的有效性，并与30种其他跟踪方法进行了对比。结果表明：本文提出的算法跟踪精度为0.813，成功率为0.629，排名第一，相比传统KCF算法分别提高了9.86%和22.3%。在目标发生显著尺度变化、严重遮挡、相似目标干扰和出视野等复杂情况下，本文方法均具有较强的鲁棒性。
关键词：核相关滤波器;长期目标跟踪;空间正则化;支持向量机(SVM);在线SVM分类器

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发布时间：2020-07-07
基于极曲线几何和支持邻域的鱼眼图像立体匹配
宋涛,熊文莉,侯培国,李海滨,陈琛
2016, 24(8): 2050-2058. DOI: 10.3788/OPE.20162408.2050

摘要：提出了一种基于极曲线几何和变支持邻域的立体匹配算法来解决鱼眼立体视觉中图像变形导致的极曲线求取和匹配代价计算问题。首先，对鱼眼相机进行标定并获取相机的相关参数；针对鱼眼镜头的畸变问题，根据鱼眼镜头的优化投影模型推导出系统的极曲线方程，并利用得到的极线方程确定对应点的搜索范围。然后，根据同源像点在左右图像上的位置关系确定各中心像素点的支持邻域，并计算出不同视差条件下该支持邻域在另一幅图像上的对应支持邻域，利用获取的支持邻域计算出各点的匹配代价。最后，利用WTA(Winner Takes All)策略选取最佳匹配点得到最终的匹配结果。基于提出的极曲线和支持邻域对两组鱼眼图像进行了匹配实验并与传统方法进行了实验对比，结果表明：提出的方法的匹配准确度比传统方法分别提高了4.03%和4.64%。实验结果验证了极曲线的应用加快了匹配速度并减少了误匹配；支持邻域的使用使其对匹配代价计算的准确度优于传统方法。该算法满足了鱼眼图像立体匹配对信息获取速度、准确度和数量的要求。
关键词：计算机视觉;立体匹配;鱼眼图像;极曲线几何;支持邻域

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发布时间：2020-07-07
特征融合和模型自适应更新相结合的相关滤波目标跟踪
王暐,王春平,李军,张伟
2016, 24(8): 2059-2066. DOI: 10.3788/OPE.20162408.2059

摘要：提出了一种基于自适应特征融合和自适应模型更新的相关滤波跟踪算法(CFT)。该算法在跟踪的训练阶段利用损失函数计算特征的自适应权重，在检测阶段对不同特征的响应图进行加权求和，从而实现了响应图层面的自适应特征融合。设计了自适应的模型更新策略，采用响应图的峰值旁瓣比判断是否发生遮挡或错误跟踪，据此决定是否在当前帧更新目标模型。在11个视频序列上对所提算法进行了实验，验证了所采用的自适应特征融合策略和自适应模型更新策略的有效性。与多个传统的采用单特征的相关滤波跟踪算法进行了比较，结果显示，所提算法的跟踪精度和成功率典型值分别提升了18.2%和11.5%。实验结果验证了特征融合和自适应模型更新对跟踪算法的改进具有指导意义。
关键词：视觉跟踪;相关滤波跟踪;特征融合;模型自适应更新

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发布时间：2020-07-07
窗口融合特征对比度的光学遥感目标检测
李湘眷,王彩玲,李宇,孙皓
2016, 24(8): 2067-2077. DOI: 10.3788/OPE.20162408.2067

摘要：提出了一种基于窗口融合特征对比度的光学遥感目标检测方法。首先，在训练图像上生成大量不同尺寸的滑动窗，计算了各窗口的多尺度显著度、仿射协变区域对比度、边缘密度对比度以及超像素完整度4项特征分值，在确认集上基于窗口重合度和后验概率最大化学习各个特征的阈值参数。然后，采用Naive Bayes框架进行特征融合，并训练分类器。在目标检测阶段首先计算测试图像中各窗口的多尺度显著度分值，初步筛选出显著度高且符合待检测目标尺寸比例的部分窗口。然后计算初选窗口集的其余3项特征，再根据训练好的分类模型计算各个窗口的后验概率。最后，挑选出局部高分值的候选区域并进行判断合并，得到最终目标检测结果。针对飞机、油罐、舰船等3类遥感目标的检测结果显示：4类特征在单独描述3类目标时表现出的性能各有差异，最高检测准确率为74.21%~80.32%，而融合方案能够综合考虑目标自身特点，准确率提高至80.78~87.30%。与固定数量滑动窗方法相比，准确率从约80%提高到约85%，虚警率从20%左右降低为3%左右。最终高分值区域数降低约90%，测试时间减少约25%。得到的结果显示该方法大大提高了目标检测精度和算法效率。
关键词：光学遥感;目标检测;融合特征对比度;窗口;显著度;仿射协变;边缘密度

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发布时间：2020-07-07
图像椭圆扁度不变性及其在仿射不变量构造中的应用
季超,杨晓东,王炜
2016, 24(8): 2078-2086. DOI: 10.3788/OPE.20162408.2078

摘要：针对传统基于面积比不变的仿射不变量方法具有的特征点选取不稳定且有冗余以及区域面积误差累积等特点，提出了一种基于图像椭圆扁度划分策略的仿射不变量构造方法。介绍了图像仿射变换模型，得到了图像仿射近似条件。结合图像椭圆扁率定义，依据不变矩理论证明了仿射变换下图像扁率的不变性。给出了图像扁度的定义及其物理含义，并以此作为图像同心圆划分依据，选取三阶以下仿射不变矩作为图像特征量，通过计算各同心圆区域的仿射不变量描述图像目标。将提出的方法应用于实际舰船图像并结合离散系数对其稳定性进行了分析。结果表明：同一舰船目标各种仿射变换图像计算所得扁度相同，所在划分特征圆区域仿射不变量离散系数最大为1.55%。得到的结果显示该方法对目标图像的特征区域划分具有唯一性，构造的仿射不变特征稳定性较好。
关键词：图像椭圆扁度;仿射不变量;图像特征;图像识别

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发布时间：2020-07-07
两通道按列输出CMOS图像的非均匀性及校正方法
杨国鹏,周欣,陈东,胡昌苗
2016, 24(8): 2087-2093. DOI: 10.3788/OPE.20162408.2087

摘要：为确保航空遥感图像产品相对辐射质量，提出了一种对两通道按列输出CMOS(互补金属氧化物半导体)图像的非均匀性进行校正的方法。以美国仙童公司CMOS探测器CIS2521F为例，通过实验室积分球观测试验研究了暗电流噪声、平均灰度、两通道输出等因素造成的图像非均匀性；然后，基于实验室积分球观测数据，采用两点线性法，校正了由按列放大输出导致的列状条带噪声；接着，通过优化拼接线附近图像灰度差异统计结果，校正了两通道响应不一致造成的图像辐射差异。试验表明，单通道图像非均匀校正使积分球观测图像的平均非均匀度量值由4.4下降至2.4，两通道图像非均匀校正消除了两通道图像的目视差异。原始航空遥感图像经过非均匀性校正后，图像灰度均匀，能够满足遥感图像判读要求。
关键词：遥感图像;CMOS;图像非均匀性;两通道输出;辐射校正

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发布时间：2020-07-07

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