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最新刊期

2016 年第 9 期

现代应用光学

机器视觉精密测量中的显微光学聚焦
徐征,陈聿夫,孙谦,王晓东,周宗磊
2016, 24(9): 2095-2100. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2095

摘要：考虑显微光学涉及的聚焦精度对机器视觉精密测量效果的影响，开展了显微视觉环境下对图像聚焦技术综合定量评价的研究。建立了偏移率等系列性能指标，对13组清晰度函数在显微视觉条件下的无偏性、单峰性、分辨力等进行了综合评价，优选出方差函数和Brenner函数分别用于粗聚焦和精聚焦阶段的清晰度计算。建立了分步爬山搜索法，实现了显微自动聚焦。与传统爬山法相比，提出的方法聚焦时间显著缩短，重复精度提高约24%。将建立的自动聚焦与图像测量方法应用于某电液伺服阀衔铁气隙测量中，得到的测量均值与工具显微镜结果相近，而测量标准差可达1.9μm，测量效率也显著提高。最后对伺服阀加电条件下的气隙动力学特性进行了测试，获得了驱动电流-衔铁气隙之间的关系，为在线装配/装调提供了重要依据。
关键词：机器视觉;显微成像;自动聚焦;微装配;微机电系统;综合定量评价

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发布时间：2020-07-07
星载多谱段双视场紫外大气探测仪
薛庆生
2016, 24(9): 2101-2108. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2101

摘要：针对天底和临边综合紫外大气探测的需求，分析了天底和临边双视场观测原理和技术指标，设计和研制了多谱段双视场紫外大气探测仪原理样机。该样机光学系统由前透镜组、环形透镜、中继透镜组和窄带滤光片组成，3个工作谱段的中心波长分别为265 nm、295 nm和360 nm，带宽均小于20 nm，天底视场为10°，临边视场为360°（141.8°~146.6°），焦距为5 mm，F数为3.3，通过切换窄带滤光片完成3个谱段的探测。多谱段双视场紫外大气探测仪整机质量约为3 kg，体积为Φ90 mm×300 mm。对样机的静态传递函数和像面照度均匀性进行了测试。测试结果表明，在特征频率38.5 lp/mm处，天底视场的静态传递函数为0.24，临边视场的静态传递函数为0.22，像面照度均匀性为94%，均优于设计指标要求。该原理样机体积小、重量轻，满足空间光学遥感仪器小型化和轻量化的要求。
关键词：光学设计;紫外大气探测仪;多谱段双视场紫外探测仪;紫外滤光片

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发布时间：2020-07-07
仿生偏振视觉定位定向机理与实验
王玉杰,胡小平,练军想,张礼廉,何晓峰
2016, 24(9): 2109-2116. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2109

摘要：为了有效利用全天域的偏振光信息，探究仿生偏振光导航机理，设计了偏振视觉传感器。介绍了基于四相机的偏振视觉传感器及其标定方法，推导了冗余配置下偏振态的最小二乘估计算法。分析了基于一阶瑞利散射模型的天空光偏振模式，将太阳方向矢量的最优估计问题转化为求解矩阵的特征向量问题，推导出了基于天空光偏振模式的定位定向算法。最后，设计了静态实验与转动实验，对理论分析结果进行了验证。实验结果显示：测量的天空光偏振模式与瑞利散射模型相一致，并可从中成功提取太阳方向矢量。静态实验测量的太阳天顶角的最大误差约为0.4°，误差标准差为0.14°；基于1 h对天空偏振光的观测数据实现的定位误差为68.6 km。转动实验（转动两周）得到的最大定向误差约为0.5°，误差标准差为0.28°。研究结果揭示了生物利用偏振光导航的机理，为仿生偏振光导航的应用提供了理论依据。
关键词：偏振视觉传感器;仿生偏振导航;天空偏振模式;定位定向

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发布时间：2020-07-07
全光纤结构的石墨烯电吸收调制器
周锋,金晓峰
2016, 24(9): 2117-2125. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2117

摘要：利用石墨烯优越的光学性能，构建了基于全光纤结构的石墨烯电吸收调制器。设计了调制器的结构，并进行了仿真和实验双重研究。首先，根据石墨烯的光学可调特性研究了其化学势和介电常数之间的关系。接着，基于全光纤结构设计了石墨烯电吸收调制器，并分析了它的整体有效折射率和化学势的变化关系。对提出的光纤石墨烯调制器进行仿真分析，并与传统半导体电吸收调制器进行对比，实现了一个全光纤结构的石墨烯调制器。对实现的调制器进行了系统的性能测试。结果显示：仿真的四层石墨烯的全光纤电吸收调制器的调制效率可以达到0.233 dB/mm，在12.9 mm的长度上可实现0.2 V的摆动电压。实验测试验证了提出的全光纤石墨烯调制器的可行性；但受实验条件的限制，其半波电压约为120 V，3 dB调制器带宽为100 MHz。与传统石墨烯波导调制器相比，提出的调制器显示了半波电压小，调制效率高，尺寸小，同时具有低的插入损耗低等优势，适合在未来全光纤RoF系统应用。
关键词：电吸收调制器;石墨烯;光与物质相互作用;全光纤结构

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发布时间：2020-07-07
大型散货堆体积的快速测量
杨德山,董丽丽,梁倩倩,许文海
2016, 24(9): 2126-2133. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2126

摘要：针对现有散货测量系统对堆场环境适应性差、盘点时间长、效率低、操作复杂等不足，提出了一种散货堆体积快速测量方法。同时，利用二维激光扫描仪、差分GPS和姿态测量系统设计了一种体积测量系统。该系统用激光扫描仪动态测量堆体表面的几何信息，用姿态测量系统实时测量扫描仪的空间姿态数据，用GPS测出扫描仪在测量过程中的三维位置；最后通过数据融合计算形成堆体的三维点云，利用点云获得散货堆体积。文中基于单条堆体轮廓点云特征，提出快速堆体下边缘查找算法来去除扫描过程中地面点云的误差影响；采用投影剖分法完成完整堆体点云计算体积。实验显示，利用本文设计的测试系统可在30 s内完成体积为69 m³的标准堆体测量，平均相对误差为0.42%，重复测量误差为0.41%。在实际散货堆实验中，可在10 min内完成大小约为31 500 m³的散货堆测量，4个不同料堆体积测量的平均重复测量误差为0.74%。结果表明，本方法可在保证测量精度的同时，简单、高效地测量散货堆体积。
关键词：激光测量;体积测量;快速测量;大型散货堆;点云边缘;三角剖分

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发布时间：2020-07-07
纳米精度二维工作台测量镜的面形误差在线检测
刘兆武,李文昊,王敬开,姜珊,宋莹,潘明忠,巴音贺希格
2016, 24(9): 2134-2141. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2134

摘要：针对二维工作台测量镜本身的面形误差以及装调等因素引起面形变化对二维工作台定位精度的影响，提出了一种用于纳米精度二维工作台测量镜面形误差的在线检测方法。利用两路激光干涉仪检测面形微分数据的基本原理，分析了零点误差和积分累计误差对测量镜面形误差检测的影响并提出了改进方法。利用三路激光干涉仪组成两组不等跨度的检测机构，得到两组工作台测量镜面形的原始数据，通过这两组数据之间的关系修正跨度间的面形细节误差，得到了精确的测量镜面形误差量。对此方法进行了理论推导、仿真计算和实验验证，并将结果与Zygo干涉仪测量得到的离线检测结果进行了对比，结果显示其差异在±10 nm之间，且趋势有较好的一致性。得到的结果验证了提出的方法可正确测量和真实地还原测量镜的面形误差。
关键词：激光干涉仪;纳米二维工作台;测量镜;面形误差;在线检测

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发布时间：2020-07-07
相关信道中光多输入多输出系统的误码率
王惠琴,王雪,曹明华
2016, 24(9): 2142-2148. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2142

摘要：多输入多输出（MIMO）技术可以在不额外增加频谱资源和发射功率的条件下成倍提高通信系统的信道容量，但子信道间存在的空间相关性会影响光MIMO无线通信系统（OWC）的性能。本文研究了对数衰落信道中空间相关性对光MIMO系统误码率的影响。针对脉冲位置调制（PPM）方式，采用指数相关模型推导出了光MIMO通信系统在不同相关机制下的对数振幅衰落系数矩阵和最大似然检测准则。然后，采用Wilkinson近似方法推导出了该条件下光MIMO系统误码率的上界。最后，利用仿真实验进一步分析了空间相关性对OWC MIMO系统误码率的影响。结果表明：空间相关性的存在使得OWC MIMO系统的性能恶化，且随着收发天线数量的增加，空间相关性会导致系统误码率恶化加剧。因此在实际工程应用中要合理放置天线，尽量减小天线之间的相关性，以便更好地发挥MIMO系统的优势。
关键词：光通信;多输入多输出;误码率;空间相关性;脉冲位置调制

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发布时间：2020-07-07
用于光纤光栅曲线重建算法的坐标点拟合
章亚男,肖海,沈林勇
2016, 24(9): 2149-2157. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2149

摘要：以光纤布拉格光栅（FBG）曲线传感器在结肠中的形状检测为背景，提出了一种基于Frenet标架的坐标点拟合算法来提高光纤光栅曲线重建算法的精度。首先，将相互之间呈90°的四根光纤光栅贴在一根形状记忆合金（SMA Styrene Maleic Anhydride）基材周围，形成一根直径为3 mm，长度为900 mm的光纤光栅曲线传感器。接着，将该曲线传感器分别放置在毫米方格纸以及圆柱体上进行二维和三维曲线的重建。通过曲线重建软件读出每个数据采集点的重建坐标值，并与通过方格纸读出的标准坐标值对比得出重建误差，从而得出两种坐标点拟合方法的优劣。结果表明：使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法可有效提高重建精度。对提出的算法与常用的曲线重建算法进行了比较，结果显示：在接近光纤光栅应变极限的情况下，使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法在单方向上能够比原算法平均减小约3.5%~5.5%的误差，为进一步提高光纤光栅形状传感系统的精度奠定了基础。
关键词：光纤光栅;曲线重建算法;坐标点拟合;Frenet标架;形状检测

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发布时间：2020-07-07
地面三维激光扫描仪与外架数码相机间安置参数的高精度标定
李明磊,高欣圆,李广云,王力,刘松林
2016, 24(9): 2158-2166. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2158

摘要：提出了地面三维激光扫描仪与外置数码相机安置参数的高精度标定方案。首先，利用商业化近景摄影测量系统对相机内参数进行单独标定；然后，利用回光反射标志作为二维和三维匹配的同名控制点，对直接线性变换进行拓展应用，在算法迭代过程将内参数作为已知值对外参数进行求解；最后，根据相机数据采集特点确定其拍摄全景时多张影像之间的位置关系，对多张影像的外方位元素进行求解，从而实现全景点云与全景完整影像之间的映射。进行了实验测试，利用安置参数标定结果反求验证点像素坐标与真实测量结果之差验证了本文标定方法的精度和可行性。实验显示：点云与影像间的映射精度可达到1像素左右；相机拍摄全景获取的影像与全景点云可以实现正确映射，表明提出的标定方法正确，满足纹理贴图及将影像作为特征提取辅助信息的精度要求。
关键词：地面三维激光扫描仪;数码相机;安置参数;标定;直接线性变换

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发布时间：2020-07-07
被测件随机移相干涉面形测量方法
赵维谦,李文宇,赵齐,邱丽荣,王允
2016, 24(9): 2167-2172. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2167

摘要：针对光学元件的面形测量，提出了一种被测件随机移相干涉面形测量法，用于降低移相干涉仪的成本，避免移相器老化产生的移相误差对面形检测精度的影响。该方法利用微位移驱动器驱动被测件在摩擦气浮复合导轨上移动进行随机移相并用相机采集若干幅干涉图；然后利用最小二乘迭代算法处理干涉图数据进而迭代出被测表面相位分布；最后进行一系列数据处理求解出被测件的面形结果。为了验证该方法的可行性，在实验室搭建了改进的斐索移相干涉系统，并选用一个凹面镜和一个平面镜作为被测件在搭建的系统上进行了实验测试，同时与同台仪器上的传统移相方法得到的测量结果进行了比对。结果表明：在激光光源波长λ为632.8 nm的情况下，凹球面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式测量结果相差0.001λ，和0.002λ；平面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式的测量结果相差0.002λ和0.003λ，面形数据基本一致。该方法避免了移相器老化引入移相误差，降低了仪器成本，测量精度高。
关键词：干涉测量;面形测量;被测件;移相器;随机移相;最小二乘迭代

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发布时间：2020-07-07
大视场空间相机的像移速度场模型及卫星三轴姿态稳定度分析
路朋罗,李永昌,金龙旭,李国宁,武奕楠,王文华
2016, 24(9): 2173-2182. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2173

摘要：针对大视场空间相机的像移补偿，建立了基于坐标变换和姿态动力学的离轴三反大视场空间相机通用像移速度场模型。建模过程中考虑了离轴三反光学系统的离轴角对像移模型的影响，推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例，分析了3种典型成像姿态下焦面像移速度和偏流角的分布特点，研究了卫星姿态稳定度对相机成像质量的影响。分析表明，卫星三轴姿态稳定度的降低会导致相机焦面动态传递函数（MTF）下降，其中俯仰姿态稳定度对焦面动态MTF的影响最大；并且随着积分级数增加，下降会愈发明显。相机侧摆姿态成像时，对卫星姿态稳定度的要求更高。以传递函数下降5%为限，积分级数为96级的大视场空间相机，要求卫星姿态稳定度控制在0.001（°）/s以内。实验结果验证了文中对卫星姿态稳定度的分析，证明了像移速度场模型的准确性，为大视场空间相机像移补偿提供了可靠依据。
关键词：空间相机;离轴三反光学系统;像移补偿;像移速度场;卫星姿态稳定度;调制传递函数

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发布时间：2020-07-07
加速退化下光伏组件伪失效寿命分布估算
刘桂雄,余荣斌,徐欢
2016, 24(9): 2183-2191. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2183

摘要：开展了加速退化条件下光伏组件产品可靠度评估的研究，提出了新型的基于GLD的光伏组件的伪失效寿命分布估算方法。首先，利用可决系数检验法（R²）优选最佳加速退化轨迹，得到样本组伪失效寿命值。然后，应用Bootstrap法产生自助样本扩充样本群，构建基于GLD的伪失效寿命分布模型，该模型无需预设先验分布，即可真实反映不同加速条件下光伏组件伪失效寿命分布形态。最后，以18 W小功率Mono-Si单晶硅光伏组件加速性能退化数据为例，估算了光伏组件在加速退化条件下的伪失效寿命分布和可靠度。结果表明：在加速退化条件下，本文方法得到的可靠度曲线与试验数据拟合结果很好，绝对误差基本在±300 h内，相对误差不超过±15%，满足工程预测精度需求。
关键词：光伏组件;加速退化;伪失效寿命;GLD分布;可靠度评估

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发布时间：2020-07-07

微纳技术与精密机械

电火花机械复合磨削反应烧结SiC陶瓷的表面特征
饶小双,张飞虎,刘立飞,李琛
2016, 24(9): 2192-2199. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2192

摘要：研究了基于电火花机械复合磨削技术加工的反应烧结碳化硅（RB-SiC）陶瓷的表面特征。用电火花机械复合磨削（EDDG）、电火花磨削（EDG）以及普通磨削（CG）三种方法加工RB-SiC陶瓷，并采用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对加工后的SiC陶瓷的表面粗糙度、表面形貌及微观裂纹进行测量和对比试验，获得了RB-SiC陶瓷的EDDG加工特性。实验显示：EDDG加工的RB-SiC陶瓷的表面粗糙度优于EDG加工的表面粗糙度，为0.214 9μm，但比CG加工的表面粗糙度0.195 6 μm略差。对加工后的SiC陶瓷表面形貌观察显示，传统磨削加工后的表面存在明显划痕，EDG加工表面主要由放电凹坑组成，而EDDG加工表面同时存在放电凹坑和磨削划痕；另外，传统磨削表面也存在磨削裂纹和晶界裂纹，但EDG加工后的表面只存在热裂纹，而EDDG加工后的表面存在磨削裂纹和热裂纹，不过热裂纹可以用金刚石磨粒磨削去除。对比实验显示RB-SiC陶瓷的EDDG加工与EDG和CG加工获得了不同的表面特征。
关键词：反应烧结SiC;电火花机械复合磨削;表面粗糙度;表面形貌;微观裂纹

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发布时间：2020-07-07
用于光学遥感器耐受卫星平台微振动环境地面测试的六自由度平台
顾营迎,霍琦,李昂,李大为,徐振邦,李义,吴清文
2016, 24(9): 2200-2207. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2200

摘要：考虑空间卫星平台微振动环境对高分辨率空间光学遥感器成像质量的制约，提出了在地面测试光学遥感器耐受空间微振动环境裕度的六自由度激振平台的设计方案。建立了平台的运动学与动力学模型，推导出促动器音圈电机的传递函数并建立了Simulink模型。基于设计的模型研制了六自由度平台。对振动平台样机进行了振动加速度控制精度的验证实验，实验以典型的卫星平台微振动频率点为测试输入。实验结果表明平台振动频率为7~40 Hz时，其加速度输出相对误差可控制在7%以内。该平台借鉴了Stewart平台的并联构型，其结构简单、刚度大，振源输出精确可控，满足地面试验应用要求。
关键词：空间光学遥感器;空间微振动环境;六自由度平台;振动测试;地面测试

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发布时间：2020-07-07
具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器
程光明,陈康,温建明,邢春美,曾平,鲍慧璐
2016, 24(9): 2208-2216. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2208

摘要：为改善惯性压电驱动器输出性能，提出了一种新型具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器。在非对称夹持的基础上，定义了一种偏置结构。为了解偏置结构对驱动器输出性能的影响，建立了机构的力学模型方程，推导并仿真分析了驱动器的动力学特性。设计、制作了试验样机，搭建了试验系统；进行了试验测试并与无偏置结构驱动器进行了性能对比。结果表明：偏置距离为15 mm时，驱动器输出步距角速度最大。与无偏置结构驱动器相比，驱动电压为100 V、23 Hz时，驱动器输出最大角速度从3.48 rad/s增加至5.39 rad/s，增幅达54.88%，驱动器最大驱动力矩从2.41 N·mm增加至3.62 N·mm，增幅达50.2%；驱动电压为100 V，4 Hz时，驱动器稳定运行时的承载量达1 300 g。理论与试验结果表明，提出的有偏置结构的驱动器具有输出步距角速度和驱动力矩更大的特点。
关键词：压电旋转驱动器;惯性驱动器;非对称夹持;偏置结构;输出特性

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发布时间：2020-07-07
压电陶瓷迟滞非线性前馈补偿器
方楚,郭劲,徐新行,姜振华,王挺峰
2016, 24(9): 2217-2223. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2217

摘要：为了有效补偿压电陶瓷的迟滞非线性，提出了基于STOP算子的改进PI模型以改善传统基于PLAY算子的PI模型解析求逆的复杂过程以及通过插值算法求逆的大量耗时。介绍了传统的基于PLAY算子和基于STOP算子的PI模型，然后基于STOP算子的叠加形式建立了以预期位移为输入，以控制电压为输出的PI模型，并将这一模型直接作为前馈控制器补偿压电陶瓷的迟滞效应。为了更好地平衡全局寻优与局部寻优能力，对粒子群优化算法进行了改进，利用其辨识出各算子的权值。最后，利用实验的方法验证了改进的PI模型对迟滞非线性的补偿效果。进行了两组实验测试，结果显示：无论对于规律变化还是随机变化的输入，提出的改进PI模型都可以很好补偿迟滞非线性，跟踪误差可控制在1%以内。因此，基于STOP算子的改进PI模型在压电陶瓷控制领域中具有很好的实用价值。
关键词：压电陶瓷;迟滞非线性;前馈补偿器;PI模型;STOP算子

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发布时间：2020-07-07
基于电纺直写的图案化微纳结构喷印技术
赵扬,姜佳昕,张恺,郑建毅,柳娟,郑高峰
2016, 24(9): 2224-2231. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2224

摘要：研究了利用电纺直写技术进行图案化微纳结构可控喷印沉积的方法，该方法利用喷头与收集板之间的稳定直线射流来实现有序纳米纤维的直写制造。分析了电纺直写射流在静止收集板和移动收集板上的沉积行为；探究了工艺参数对电纺直写微纳结构定位误差的影响规律。实验显示：在内部应力和电荷排斥力的作用下，射流会产生弯曲螺旋从而引导纳米纤维在静止收集板上逐层叠加形成三维微结构；提高收集板运动速度可克服射流螺旋鞭动，获得无螺旋结构的直线纳米纤维。根据设计图形分别电纺直写了方波、多圈矩形纳米纤维图案，分析了直写图案尺寸与设计图案尺寸间的误差。结果显示：电纺直写纤维图案定位误差随着收集板运动速度、喷头至收集板距离、施加电压、收集板运动距离的升高而增加；优化实验条件和试验参数，电纺直写微纳结构定位误差可优于10 μm。实验验证了微纳结构图案的精确喷印沉积有助于提高电纺直写技术的控制水平。
关键词：电纺直写;纳米纤维;微纳图案;螺旋弯曲;射流沉积;精确定位

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发布时间：2020-07-07
利用模拟退火优化快速反射镜控制策略
龙柏君,欧龙,向汝建,李国会
2016, 24(9): 2232-2239. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2232

摘要：由于快速反射镜（FSM）系统在不同应用场合下需要不同有效带宽和闭环带宽，本文基于压电FSM控制系统建立系统模型，通过分析系统光轴抖动情况，对FSM控制算法进行了优化。首先，测得系统闭环Bode图，利用模拟退火算法求取系统传递函数；然后，结合辨识模型与模拟退火算法，提出了一种满足不同应用场合的全局最优PID控制器。最后，通过阶跃响应测试验证辨识模型的正确性，通过闭环实验测试验证最优控制器的有效性。结果表明，辨识模型与实际系统在中低频段符合得很好，阶跃响应曲线基本一致。采用最优控制器控制的系统有效带宽为35 Hz，闭环带宽为70 Hz，跟踪精度提高了47%，基本满足当前实验环境下对FSM性能的要求。提出的系统显示良好的低频跟随能力和高频干扰抑制能力，跟踪精度高，器件损耗小。
关键词：快速反射镜;模拟退火;参数辨识;控制算法优化

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发布时间：2020-07-07
微机电陀螺耦合刚度的辨识
陈志勇,刘悦琛,张嵘,周斌
2016, 24(9): 2240-2247. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2240

摘要：针对微机电陀螺耦合刚度的辨识，提出了以驱动轴、检测轴、驱动-转动耦合和驱动-检测耦合频率响应特性为基础的耦合刚度辨识方法。设计了一种驱动轴和检测轴双向位移解耦的双质量线振动微机电陀螺，基于经过简化的梁的刚度特性建立了微陀螺平面运动动力学方程，导出了结构在存在耦合刚度情况下驱动轴、检测轴、驱动-转动耦合和驱动-检测耦合的传递函数。根据耦合传递函数把刚度耦合产生的根源定位到特定的几组梁之间的刚度误差。通过驱动-转动耦合与驱动轴幅频特性之比辨识出驱动-转动耦合刚度系数，通过驱动-检测耦合与检测轴幅频特性之比辨识出转动-检测耦合刚度系数。实验测试了设计加工的微陀螺的频率响应特性，利用提出的耦合刚度辨识方法得到陀螺的驱动-转动和转动-检测耦合刚度系数分别为0.14 N和0.054 33 N。得到的耦合刚度的辨识结果可为微陀螺梁刚度的激光修调提供参数依据。
关键词：微机电陀螺;耦合刚度;辨识方法;模型;频率响应

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发布时间：2020-07-07
叠堆式压电陶瓷驱动器的复合控制
刘长利,胡守柱,郭海林,王学军,章文俊
2016, 24(9): 2248-2254. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2248

摘要：提出了逆Bouc-Wen前馈控制与反馈控制相结合的复合控制算法，用于改善压电陶瓷驱动器对目标轨迹的跟踪性能。建立了压电陶瓷驱动器的Bouc-Wen迟滞动力学模型，并用粒子群算法（PSO）对该模型的参数进行识别。基于Bouc-Wen迟滞模型，提出了逆Bouc-Wen前馈补偿控制。最后，为消除迟滞模型的不确定性，引入比例积分（PI）反馈控制，并与前馈补偿控制构成复合控制算法。建立了基于dSPACE实时系统的压电陶瓷驱动实验平台，迟滞实验结果表明：压电陶瓷的迟滞误差量几乎为0，线性度高达96.5%；目标轨迹跟踪实验结果表明：复合控制算法的最大跟踪误差为0.180 5 μm，均方根（RMS-Root mean square）跟踪误差为0.055 4 μm，跟踪精度达到了10^－8 m。相比于开环控制、前馈控制及PI反馈控制，提出的复合控制算法能够基本消除压电陶瓷的迟滞非线性，同时具有很好的轨迹跟踪性能。
关键词：压电陶瓷驱动器;参数辨识;复合控制;轨迹跟踪;Bouc-Wen模型

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发布时间：2020-07-07
压电微位移台的动态迟滞建模及实验验证
杨晓京,彭芸浩,李尧
2016, 24(9): 2255-2261. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2255

摘要：为了提高压电微位移平台快速定位的精确度，建立了一种表征压电微位移平台驱动电压与输出位移关系的定位模型。考虑压电工作台在快速、大行程精确定位过程中会受压电陶瓷迟滞特性及本身动态特性的影响，本文采用Bouc-Wen模型描述压电陶瓷迟滞特性，并结合压电工作台的动态特性进行共同建模，使模型同时体现压电工作台的动态特性与迟滞特性。为了验证模型的正确性，搭建了基于压电微位移平台和相关驱动器的实验设备对模型进行了实验验证，并进行了测控程序的二次开发。研究结果表明，与单纯的Bouc-Wen模型相比，提出模型在最大位移输出为40 μm，输入电压频率为40 Hz时的最大误差由3.04 μm下降到了0.67 μm，此时最大相对误差为1.68%。得到的结果验证了提出的模型可较好地模拟压电工作台的迟滞特性与动态特性，大大提高压电微位移平台在快速、大行程定位中的精确度。
关键词：压电微位移台;动态特性;迟滞特性;Bouc-Wen模型;运动定位

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发布时间：2020-07-07
飞行器折叠翼机构展开性能的优化及实验
韩雪峰,刘晓东,马伍元,马青,袁东明
2016, 24(9): 2262-2270. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2262

摘要：为了优化飞行器折叠翼机构的展开性能，对飞行器的折叠翼机构进行分析，并提出了优化其展开性能的方法。建立了折叠翼机构展开的理论模型和动力学仿真模型，对折叠翼机构展开过程进行了动力学分析，并进行了实例计算。分析了影响折叠翼机构展开性能的因素，用正交试验的方法对折叠翼机构进行了优化设计，得到了最优折叠翼机构方案，并对最优方案进行了仿真分析。最后，按照最优方案折叠翼机构进行了改进，实验测试了折叠翼机构的展开性能。实验测得折叠翼机构展开时间为0.128 s，测点位置应力分别为82 MPa和92 MPa；动力学仿真得到折叠翼机构展开时间为0.122 s，相应测点位置应力分别为85 MPa和96 MPa，两项测试误差在5%以内。得到的结果表明折叠翼机构满足机翼展开稳定、快速，应力和冲击力小的要求，为飞行器性能的调高奠定了基础。
关键词：飞行器;折叠翼;展开性能;动力学模型;正交试验;结构优化

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发布时间：2020-07-07
变耦型时栅传感器及测头姿态对测量误差的影响
鲁进,陈锡侯,汤其富,武亮
2016, 24(9): 2271-2282. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2271

摘要：根据时栅传感器的测量原理，提出一种采用高频时钟脉冲作为测量基准的变耦型时栅位移传感器以提高位移测量的精度。该传感器通过改变激励线圈和感应线圈的耦合状态输出感应位移变化的行波信号来实现精密位移测量。进行了建模和仿真，研究了不同测头姿态下传感器的位移误差特性，并对其进行了谐波分析，得到了不同测头姿态对位移测量误差各次谐波的影响规律。根据传感器模型制作了传感器并开展了验证实验。仿真和实验结果均表明：不同测头姿态对位移测量误差的影响主要体现在对测量误差的1次、2次和4次谐波上，且俯仰姿态引入的附加误差最大，其余测头姿态下引入的位移测量附加误差均较小。若保证较佳的测头姿态，传感器在定尺和动测头间气隙厚度为0.3 mm时的原始误差约为±18μm。实验分析结果与仿真结果基本一致。
关键词：时栅传感器;位移测量;测头姿态;安装误差;测量精度

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发布时间：2020-07-07

信息科学

细节保留的多曝光图像融合
李卫中,易本顺,邱康,彭红
2016, 24(9): 2283-2292. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2283

摘要：针对传统的多曝光图像融合算法存在的细节丟失严重和鬼影现象，提出了一种细节保留的多曝光图像融合算法。该算法首先计算曝光序列的3个特征指标：图像细节、曝光亮度和色彩信息，其中图像细节通过引导滤波计算，曝光亮度的权值由高斯方程分配，而曝光序列的色彩信息用色彩饱和度表示。然后，利用差分图和邻域相关系数检测多曝光序列中运动物体，利用3个特征指标和运动目标检测结果分别计算静态场景和动态场景的融合权值图。为了消除噪声的影响，采用递归滤波器来修正融合权值图。最后，采取加权融合的方式得到融合图像。选取10组不同的曝光序列，分别从主观和客观两方面与6种传统的融合算法进行了比较。实验结果表明，本文算法保留了丰富的细节信息，呈现出了更加生动自然的现实场景，并且有效去除了由运动物体产生的鬼影现象，效果优于其他比较算法，在静态场景和动态场景的曝光融合中都取得了好的效果。
关键词：多曝光图像;图像融合;图像细节;引导滤波;鬼影

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发布时间：2020-07-07
基于色度饱和度-角度梯度直方图特征的尺度自适应核相关滤波跟踪
王春平,王暐,刘江义,付强,徐艳
2016, 24(9): 2293-2301. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2293

摘要：针对核相关跟踪算法（KCF）对特征敏感及无法跟踪尺度的问题，本文从特征提取和尺度自适应两个方面对核相关滤波跟踪算法进行了研究。提出了一种基于色度饱和度-角度梯度直方图特征的自适应核相关跟踪算法来改善KCF算法的跟踪性能。首先，研究了HSI颜色空间的特点，基于颜色和梯度是互补的图像特征，提出了一种融合了梯度和颜色的HHS-OG特征来有效提高原始KCF算法对目标和背景的判别力。其次，针对KCF无法处理目标尺度变化的问题，在跟踪的检测阶段采用一组固定的尺度因子进行图像块采样，根据得到的滤波响应图估计目标的最优位置和尺度。将所提算法在大量视频序列上进行了跟踪实验，结果显示其平均跟踪速度为37.5 frame/s，跟踪精度和成功率分别提升了5.4%和10.1%。实验表明HHS-OG特征具有良好的目标-背景判别能力，能够实现鲁棒跟踪，而尺度自适应策略能较大程度地提高跟踪精度。
关键词：视觉跟踪;核相关滤波跟踪;特征融合;特征提取;尺度自适应跟踪

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发布时间：2020-07-07
用支持向量回归法实现单帧图像超分辨率重建
袁其平,林海杰,陈志宏,杨晓苹
2016, 24(9): 2302-2309. DOI: 10.3788/OPE.20162409.0001

摘要：由于一些传统的超分辨率重建算法学习多幅不同类别的图像仍无法获得好的重建效果，本文提出了一种基于支持向量回归机和光栅扫描的单帧图像超分辨率重建算法。该算法首先采用光栅扫描法对一组高低分辨率训练图像提取图像块，从块中分别抽取输入向量和标签像素。利用Log算子判断这些块是属于高频空间还是低频空间，从而构建高低频空间向量对并对其进行优化。然后，用支持向量回归机（SVR）工具训练优化后的向量对，得到高低频空间下的两个字典；抽取测试低分辨率图像中的块并得到高低频空间下的输入向量，利用SVR工具回归对应的属于超分辨率图像块的标签像素并得到回归后的图像。最后，对图像进行后处理得到最终的超分辨率图像。与其它算法的对比实验表明：提出的算法具有较好的视觉效果。特别在放大倍数为2时，提出的算法在不同图像上的峰值信噪比（PSNR）和结构相似度（SSIM）值较双三次插值法分别提高了3.1%~5.3%和1.5%~8.1%。得到的结果显示提出的算法获得了更好的重建效果。
关键词：超分辨率重建;单帧图像;支持向量回归机;Log算子;光栅扫描

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发布时间：2020-07-07
用于遥感图像目标快速匹配识别的改进混合溢出树算法
陈彦彤,徐伟,朴永杰,王灿进,陈娟
2016, 24(9): 2310-2317. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2310

摘要：提出一种基于标记的混合溢出树（SHSPT）特征匹配算法，用于遥感图像的目标匹配识别。针对特征数据建立和预处理，提出了基于中心点的数据分割方法，通过定义数据密集区域的中心，舍去边缘稀疏数据，提取出分割后的数据。进行特征匹配时，使用二进制数组表示数据空间，标记分割后的特征向量数据，通过比特操作计算特征向量间的距离，缩短计算时间。最后对特征匹配方法进行改进，采用待匹配特征距离的均值代替尺度不变特征变换（SIFT）匹配算法的次临近特征距离，从而得到更多的匹配点。实验证明，基于标记的混合溢出树特征匹配算法占用内存空间比传统的混合溢出树算法减少约68%，匹配准确度与原算法接近，匹配时间平均缩短了约32.8%，解决了航天遥感图像数据量大，特征维数较高，匹配识别时间长，占用计算机内存大等问题。
关键词：遥感目标识别;特征标记;数据分割;图像匹配;混合溢出树算法

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发布时间：2020-07-07
条纹投影三维形貌测量的变分模态分解相位提取
朱新军,邓耀辉,唐晨,宋丽梅,郭庆华
2016, 24(9): 2318-2324. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2318

摘要：针对条纹投影三维形貌测量涉及的相位提取，提出了一种基于变分模态分解的单幅条纹投影相位提取方法。通过建立变分模态分解模型和极小化变分模态分解将单幅投影条纹图分解成背景部分、条纹部分和噪声部分。然后对得到条纹部分进行Hilbert变换和反正切变换得到包裹相位；对其进行质量导向相位解包裹和Zernike多项式去载频得到解包裹相位。将该方法与Fourier变换、连续小波变换进行了对比，结果显示：本文提出的相位提取方法相位误差为3.14×10^-4，小于Fourier变换和连续小波变换方法对应的误差3.30×10^-4和6.52×10^-4。模拟和实验结果表明：本文提出的方法在处理具有边缘信息投影条纹图时具有优势，能够提取出更准确的相位信息，可有效地用于含边缘不连续和突起的三维物体测量。
关键词：条纹投影;三维形貌测量;变分模态分解;相位提取

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发布时间：2020-07-07
数字天顶仪中倾角仪参数的标定
刘先一,周召发,张志利,刘殿剑,朱文勇
2016, 24(9): 2325-2331. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2325

摘要：针对运用数字天顶仪进行天文定位时旋转轴与垂直轴之间存在的轴系偏差，提出了高精度天顶仪倾角补偿方法。从数字天顶仪倾角补偿原理出发，引入了倾角仪双轴尺度系数、双轴交角等参数对倾角仪的输出值进行修正，然后提出了一种双轴倾角仪参数的标定方法。分析了旋转角度对于参数标定的影响，运用实验数据对标定方法进行了论证。结果显示：旋转角度会直接影响CCD图像传感器安装角度的标定值。另外，倾角仪参数的引入提高了数字天顶仪的定位精度，当旋转角度的误差值在2^°以内时，标定参数的误差对定位结果的影响非常小。
关键词：数字天顶仪;双轴倾角仪;轴系偏差;倾角补偿;旋转角度;参数标定

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发布时间：2020-07-07
阈值判决引导的单载波分块传输稀疏信道估计
孟庆微,苏令华,苏玉泽,孟相如,黄仰超
2016, 24(9): 2332-2338. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2332

摘要：为利用高速无线通信时信道的稀疏多径传播特性，改善传统单载波分块传输（SCBT）信道估计方法的性能，提出了一种阈值判决引导的稀疏信道估计方法。该方法通过导频进行初始最小二乘信道估计，利用获取的信道估计值设置判决阈值。然后，将幅值低于判决阈值的信道抽头强制置零，仅保留幅度值大于判决阈值的信道抽头估计值，从而有效地改善单载波分块传输系统的稀疏信道估计性能。基于COST 207典型乡村信道模型进行了仿真实验，结果表明：阈值判决引导的稀疏信道估计方法的实验结果最接近于信道参数已知时的误比特率性能；在信噪比为20 dB条件下，新方法的误比特率可达到5×10^-4，而最小二乘算法只能达到3×10^-2。该方法改善了SCBT系统的稀疏信道估计精度与复杂度，得到的结果验证了提出方法的有效性。
关键词：无线通信;单载波分块传输;阈值判决;稀疏信道估计

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发布时间：2020-07-07
基于多模板回归加权均值漂移的人体目标跟踪
贾松敏,文林风,王丽佳
2016, 24(9): 2339-2346. DOI: 10.3788/OPE.20162409.2339

摘要：针对移动机器人跟踪人体目标时目标因角度大幅变化引起外观改变造成的跟踪无效，提出了多模板回归加权均值漂移跟踪方法。该方法通过建立目标的多模板模型，应用均值漂移算法实现目标跟踪。首先，根据前一帧均值漂移结果和当前帧头肩粗定位结果确定目标模板集，使其包含目标人体的位姿和角度改变。然后，采用多模板回归加权均值漂移实现目标的精确定位。在多模板均值漂移中引入回归模型实现颜色纹理特征与目标模型相似度之间的映射，从而控制模板数量，保证目标检测的实时性。最后，分别在视频图像和机器人目标跟踪平台上对所提方法进行实验验证。结果显示，图像处理平均时间为86.4 s/frame，满足机器人跟踪的实时性要求。该方法解决了目标特征在跟踪过程中发生变化的问题，提高了机器人跟踪时对目标人体特征变化的鲁棒性。
关键词：机器人目标跟踪;行人跟踪;多模板均值漂移;回归模型;视频图像

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发布时间：2020-07-07

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