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最新刊期

2017 年第 2 期

现代应用光学

随机振动下光学谐振腔腔体形变及变动规律
于旭东,雷雯,刘畅
2017, 25(2): 281-288. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0281

摘要：鉴于复杂环境会使激光陀螺谐振腔产生变形，从而严重影响激光陀螺的性能，本文利用有限元分析软件ANSYS仿真分析了典型随机振动谱（g_RMS=6.6 g）下激光陀螺腔镜3个方向的微小形变量，分别为0.342 5"、0.349 4"和0.215 0"，并结合矩阵光学理论定量得到了谐振腔光阑处的形变量。然后定量分析了不同曲率半径、不同腔长、不同入射角对光学四边形环形谐振腔的影响规律。最后，研究了球面镜-球面镜同时变化以及球面镜-平面镜同时变化下谐振光路的变动规律。实验结果表明，单纯考虑谐振腔的抗振性能，当L处于0~1 m，R处于1~8 m时，球面镜的曲率半径越小，腔长越短，四边形环形光学谐振腔所受外界环境的影响越小，两个腔镜同时变化时按照一定规律等效成单镜变化。本文研究可以为激光陀螺光学谐振腔的设计提供参考。
关键词：激光陀螺;随机振动;光学谐振腔;腔变规律;有限元仿真

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发布时间：2020-07-07
镜面物体三维测量系统中两显示屏的平行正对校正
张宗华,郭佼,王月敏,黄淑君,高楠,肖艳军
2017, 25(2): 289-296. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0289

摘要：针对镜面物体三维测量系统中两显示屏无法精确平行正对的问题，提出了一种在镜面物体三维测量系统中通过软件产生变形条纹等效两显示屏精确平行正对的方法。该方法首先采用机器视觉技术标定两显示屏的外参。然后基于所标定的外参，利用软件编程产生等效两显示屏平行正对的变形条纹，变形条纹通过半透半反镜后所成的像在相机坐标系内呈现前后精确平行正对的关系。最后，利用对应两个显示屏上的变形条纹计算相应位置相位的差值，并通过均方根误差定量评定所提出的方法。实验结果表明，所提出的方法能将水平方向的均方根误差缩减为原来的24.21%，竖直方向的均方根误差缩减为原来的8.15%，从而提高三维测量系统的精度。
关键词：三维形貌测量;镜面测量;两平面平行正对;变形条纹;均方根误差

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发布时间：2020-07-07
激光透射法磁珠浓度测量系统
钟虹,陶卫,赵辉,高文俊
2017, 25(2): 297-303. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0297

摘要：磁珠广泛应用于免疫检测、细胞分离等生物实验中，磁珠浓度的检测对于评价实验效果具有重要意义。本文提出了基于激光透射法的双光路磁珠浓度测量系统，通过测量入射激光强度与透射激光强度的比值来确定磁珠浓度。利用该系统对多个浓度的磁珠悬浊液进行了实验测量，每个浓度下测量多组实验数据，共采集了8 000组数据。通过拟合测量数据，建立了磁珠浓度与测量值的关系函数，二者呈现指数函数关系，拟合残差平方和为0.000 088 89，确定系数可达0.997 1，说明函数具有良好的拟合性能。实验结果表明，相对测量误差在2.5%以内，输出值相对波动范围在2.5%以内，测量系统具有较高的测量精度和良好的重复性。
关键词：光学测量;激光透射法;磁珠浓度;双光路系统;指数模型

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发布时间：2020-07-07
中阶梯光栅光谱仪波段范围校正装置
姚雪峰,崔继承,尹禄,宋楠,孙慈
2017, 25(2): 304-311. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0304

摘要：为了保证中阶梯光栅光谱仪能够具有足够的波段范围，设计了一套校正装置，对该校正装置的校正原理、波段校正范围、校正分辨率等问题进行了讨论和研究。首先，对中阶梯光栅光谱仪的光学元件进行了公差分析，并介绍了自动光谱校正的原理和流程。选定聚焦镜作为调整环节并根据CCD接收器像面的利用情况给出了调整分辨率要求，然后设计了校正装置，并对校正装置的分辨率进行了理论计算。最后，对校正装置的校正效果进行了实验验证。实验结果表明：校正装置在方位方向的校正分辨率可达0.006 25°、俯仰方向的分辨率可达0.006 25°、前后方向的分辨率可达0.005 mm。校正装置可以将10像素的波段偏移调整回CCD正常接收范围内，从而保证光谱仪器的全谱段波段范围。
关键词：中阶梯光栅光谱仪;自动光谱校正;波段范围

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发布时间：2020-07-07
多方向偏振光实时定位样机的设计与搭建
褚金奎,张慧霞,王寅龙,时超
2017, 25(2): 312-318. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0312

摘要：为了提高偏振光导航定位的可靠性和实时性，提出了一种利用多方向偏振光的自主式导航定位方法并搭建了样机。通过样机多方向阵列结构中的偏振光导航传感器实时检测天空多个方向的偏振光信息，并对这些信息进行优选和融合处理，计算得到更加可靠且准确的太阳空间位置。最后根据太阳空间位置，结合时间和地磁场分布信息，计算样机所在位置的经纬度，实现实时定位。基于可视化软件LabVIEW编写样机上位机程序，能够实时采集样机中传感器数据，同步处理计算且实时显示载体地点经纬度，数据更新率可达10 Hz。静态测试结果表明，定位样机性能稳定，经度方向上的定位精度为±0.4°，纬度方向上为±1.2°，定位精度较高，可应用于实际导航。
关键词：偏振光学;实时定位;天空偏振光;自主式导航;LabVIEW

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发布时间：2020-07-07
单分散上转换纳米荧光微粒的荧光寿命测量
李辉,桂征宇,梁永,俞樟森,吴爱国
2017, 25(2): 319-324. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0319

摘要：为了表征上转换纳米荧光微粒的发光特性，设计了一个可以对单个纳米微粒进行荧光寿命测量的系统。该系统首先使用基于检流计振镜的双光子显微镜系统对单分散状态的上转换纳米微粒样品进行扫描成像。然后，通过单分子荧光纳米定位算法精确找出每个纳米微粒的准确位置，再依次将激光聚焦到每个纳米微粒上，在该点施加一个500 μs宽度的激光脉冲，并通过光电倍增管探测随时间变化的荧光强度信号。最后对荧光衰减曲线进行拟合，计算得到该纳米微粒的荧光寿命。实验结果表明：单个上转换纳米荧光微粒的荧光发射曲线符合单指数衰减规律，其荧光寿命为195.3 μs。与之相比，聚集状态的纳米微粒的荧光寿命为358.9 μs。这表明聚集状态对上转换纳米微粒的发光特性有显著影响。
关键词：光学显微成像;上转换纳米荧光微粒;荧光寿命;双光子显微镜

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发布时间：2020-07-07
分时偏振光谱测量系统的起偏效应校正
张海洋,李颐,颜昌翔,张军强
2017, 25(2): 325-333. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0325

摘要：针对实验室偏振光谱测量系统短波红外起偏效应大、测量偏差大的问题，建立了系统目标斯托克斯校正模型，提出了该模型中相关系数的测量方法，从而实现了系统偏振效应的精密校正。首先分析了实验室常用的低成本分时偏振光谱测量系统存在的主要问题及起偏效应的来源。然后根据偏振传输理论，将系统中起偏效应较大的波谱仪等效为检偏系统，建立了目标偏振信息的校正模型，并通过与理想模型的对比验证了模型的正确性。最后针对本测量设备，为提高校正系数的测量精度，在解析法的基础上提出了一种更精确的拟合法。实验结果表明，本方法的校正精度高于0.5%，满足实验室中对目标偏振信息处理的精度要求，对偏振光谱测量系统的研制和标定具有指导意义。
关键词：偏振遥感;偏振光谱;起偏效应校正;偏振传输理论;相关系数;ASD光谱仪

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发布时间：2020-07-07
本振功率对空间平衡探测器相干探测灵敏度的影响
梁赫西,代永红,艾勇,单欣,武强
2017, 25(2): 334-341. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0334

摘要：为了探寻空间相干光通信中本振功率与相干探测灵敏度间的关系，建立了本振光功率变化对相干探测灵敏度影响的数学模型，仿真分析了不同参数状态下本振功率对相干探测灵敏度的影响。采用自研开发的高速大面积空间耦合平衡探测器搭建了相干探测灵敏度测试实验系统，并就本振功率对探测灵敏度的影响进行了实验验证。实验结果表明：相干探测系统中，两光电管不可能完全匹配，探测灵敏度始终受到本振强度噪声的影响，在探测器环境参数一定时，存在最佳本振光功率值使得相干探测灵敏度取最大值。在误码率为10^-12、通信速率为5 Gb/s的条件下，相干探测灵敏度测试的最大值为-40.16 dBm，此时对应的本振光功率为9 dBm，与理论极限值基本一致。该模型对提高相干探测系统的探测灵敏度具有指导意义。
关键词：相干光通信;平衡探测器;噪声抑制;灵敏度;本振功率

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发布时间：2020-07-07
星载激光通信系统遮光罩的优化设计
刘伟达,康一丁,李小明,孟立新,张树仁,张立中
2017, 25(2): 342-350. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0342

摘要：为了提高某GEO对地激光通信系统的可通率，改善光学天线主镜、次镜的温度水平和温度不均匀性，对其遮光罩进行了优化设计。结合地球同步轨道外热流特点，在不降低通信信号性能的前提下，提出了内壁等间距排布栅板的遮光罩结构。首先，以能量遮挡率不高于5%为约束条件，讨论栅板、遮光罩内壁对主镜阳光辐射角系数的影响，得出遮光罩优化设计方案；其次，采用IDEAS软件开展系统热设计仿真分析，考核栅板布局对主镜和次镜温度指标的影响；最后，计算采用优化后的遮光罩时的激光通信可通率。从温控的角度分析，遮光罩内壁平行和垂直于赤道面方向都等间距布置4块栅板时，与采用传统空心圆柱形遮光罩相比，可通率从81.51%提高到91.21%。
关键词：激光通信;遮光罩;栅板;温度水平;温度不均匀性

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发布时间：2020-07-07
切向气流作用下激光辐照对尼龙材料的热烧蚀规律
蒙文,张文杰,李云霞,方英武,韩晓飞
2017, 25(2): 351-357. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0351

摘要：为了研究切向气流对激光毁伤低慢小目标的影响，采用仿真分析和实验相结合的方法研究了在激光辐照典型低慢小目标材料尼龙66过程中切向气流对激光烧蚀作用的影响。建立了激光烧蚀尼龙的简化物理模型，利用红外热像仪分别研究了1.5 s和4 s两个时刻激光辐照下尼龙材料的温度场分布和烧蚀形貌，并与无气流条件下的结果进行对比。实验表明，切向气流对激光烧蚀尼龙材料过程的影响主要分两个阶段，在辐照前段时间切向气流减缓了激光辐照下尼龙66材料的温升，抑制了激光对尼龙材料的烧蚀作用；但随着温度的升高，热分解产物增多使激光屏蔽作用增强，切向气流减轻了目标材料表面热分解产物对激光的衰减，并为尼龙材料的氧化烧蚀提供更多氧气，促进了烧蚀作用。最后对切向气流下激光烧蚀尼龙的过程进行了ANSYS仿真，实验结果和仿真结果基本一致，从而验证了理论的可靠性。
关键词：激光烧蚀;激光辐照;热烧蚀;尼龙66;切向气流;ANSYS仿真

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发布时间：2020-07-07
扫描式氙灯太阳模拟器十维扫描系统
李俊麟,张黎明,司孝龙,李鑫,刘辉,王戟翔,施家定,陈洪耀,朱雪梅,韩慧达,汪少林,马文佳,杨春燕,李阳
2017, 25(2): 358-366. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0358

摘要：为了模拟卫星在轨全年的太阳辐照情况，检验、优化整星的杂散光抑制能力，分析了光学载荷的在轨成像条件，设计了一种基于7维扫描镜+2维折反镜+1维被测样件共计10维运动机构的扫描式氙灯太阳模拟器，并建立了它们关于照明姿态和位置的控制方程，完成了被测样件的空间环境模拟照明。实验表明，对1 700 mm×2 700 mm的被测样件可实现方位角为-90°~+90°、俯仰角为-29°~+42.5°的模拟照明，角精度分别可达0.2°和0.1°，位置精度优于10 mm。该扫描式太阳模拟器可较精确地为部分卫星提供全年太阳照明空间环境模拟实验。
关键词：扫描太阳模拟器;杂散光测试;氙灯;扫描系统

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发布时间：2020-07-07

微纳技术与精密机械

光学硬脆材料固结磨料研磨中的亚表面损伤预测
朱永伟,李信路,王占奎,凌顺志
2017, 25(2): 367-374. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0367

摘要：研磨过程中亚表面损伤层深度的正确预测是研磨工艺参数制定的重要依据。针对固结磨料的研磨特点，选择两种典型光学硬脆材料（镁铝尖晶石和石英玻璃），采用离散元仿真技术，分别建立了两种材料的二维离散元模型，分析了工艺参数对光学硬脆材料亚表面损伤（裂纹）层深度的影响。而后，采用角度抛光法测量了镁铝尖晶石和石英玻璃的亚表面损伤层深度，进行了实验验证。结果表明：采用固结磨料研磨时，磨粒粒径对光学硬脆材料亚表面损伤的影响相当显著，在相同研磨工艺条件下，随着磨粒粒径的增大，亚表面损伤层深度和微裂纹密集程度明显增加。离散元仿真结果与实验结果的对比表明：采用离散元技术可以对光学硬脆材料的亚表面损伤深度进行快速有效的预测，从而为后续的研磨抛光工艺提供参考与指导。
关键词：光学硬脆材料;固结磨料研磨;离散元法;亚表面损伤

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发布时间：2020-07-07
FAST馈源支撑系统位姿分配方法研究
邓赛,景奉水,梁自泽,杨国栋,于东俊
2017, 25(2): 375-384. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0375

摘要：为实现五百米口径球面射电望远镜（Five-hundred meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）馈源支撑系统馈源终端的高精度轨迹跟踪及防止馈源支撑索力超限，研究了馈源支撑系统星形框架和AB轴机构对目标终端位姿的分配算法。首先，根据馈源支撑系统机构特征，综合馈源舱的重心时变及其采用的回照策略，建立了带有馈源舱回照策略的考虑馈源舱重心时变的悬索牵引并联系统力学模型。然后，为解决AB轴机构与星形框架间的运动耦合问题，设计了两种馈源支撑系统位姿分配算法：优先保障六索索力均衡的位姿分配算法和优先保障馈源接收终端定位精度的位姿分配算法。最后，通过仿真对两种算法在馈源终端定位精度和索力分布情况两个方面的性能进行分析。仿真结果表明：前一算法能使六索索力分配均匀，但是引入了最大1.2°的馈源接收终端指向误差，已超出工程指向精度范围。后一算法的六索索力波动较大，但索力没超限或虚牵，能保证馈源接收终端的位姿，此算法满足工程需求。
关键词：FAST;射电望远镜;位姿分配;重心时变;回照

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发布时间：2020-07-07
碳纤维带状弹簧的特性计算及实验
左玉弟,李宗轩,谢晓光,金光,解鹏
2017, 25(2): 385-393. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0385

摘要：针对空间展开机构轻量化、小型化、简单化等的发展需求，通过理论分析实例设计了碳纤维带状弹簧，并结合有限元模拟及实验对其屈曲特性进行了研究。首先，根据薄壳弯曲理论推导了各向异性材料下碳纤维带状弹簧的弯矩计算公式，并分析了影响其屈曲特性的敏感参数；然后，针对工程需要进行了单根碳纤维带状弹簧的实例设计，并建立了其有限元分析模型，得出了其弯矩-转角曲线；最后，加工出了碳纤维带状弹簧实物并对其屈曲过程进行了实验研究。结果表明：实验测得的该碳纤维带状弹簧的临界弯矩值为1 237.6 Nmm，与理论分析及有限元模拟结果符合的较好，最大误差为8.7%，验证了理论分析及有限元模拟的准确性及一致性，为之后碳纤维带状弹簧的设计及应用提供了理论依据及技术支持。
关键词：空间展开机构;带状弹簧;碳纤维;屈曲;有限元模型;弯矩

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发布时间：2020-07-07
Y型柔性铰链的设计与实验
余跃庆,李清清
2017, 25(2): 394-400. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0394

摘要：为设计一种高精度、结构简单的大变形柔性铰链，提高并联平台的运动精度和零件使用寿命，本文提出了一种Y型柔性铰链。首先，借助ANSYS和ADAMS进行柔性铰链的回转中心、安装方式和行程要求的分析研究。接着，利用数控机床进行柔性铰链的加工制作。然后，利用光学坐标测量仪OPTOTRAK进行柔性铰链的轴漂测量实验。最后，进行了转动副并联平台、单片簧柔性铰链并联平台和Y型柔性铰链并联平台的圆轨迹实验。实验结果表明：Y型柔性铰链回转误差最大值为0.5962mm，Y型柔性铰链并联平台圆轨迹的误差最大值比转动副并联平台减小了42.7%。Y型柔性铰链可以很好地替换并联平台中的转动副，提高并联平台运动精度。
关键词：柔性铰链;轴漂;并联

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发布时间：2020-07-07
多模态动态原子力显微镜系统
黄强先,张蕤,刘凯,赵阳,张连生
2017, 25(2): 401-407. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0401

摘要：动态原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）是通过检测悬臂谐振状态的变化来对物体表面形貌进行测量的。通过对谐振状态的三种因素即振幅、相位、频率的检测，动态AFM可以分为三种工作模式，即振幅反馈、相位反馈与频率反馈模式，这三种反馈模式有着不同的扫描特点。基于硅悬臂具有高阶谐振的特性，动态原子力显微镜可以在悬臂工作于高阶谐振状态时对物体进行扫描。综合上述工作模式研制了一套多模态动态AFM，可以在三种反馈模式、不同阶谐振状态下对物体进行扫描测量。利用该系统在不同反馈模式、不同阶谐振状态下进行了扫描测试，结果显示，系统在各模式下具有亚纳米分辨力，其中在相位反馈模式，悬臂二阶谐振时可达到最优灵敏度与分辨力，分别为17.5V/μm和0.29nm，在最优灵敏度与分辨力状态下对光栅试样进行了三维扫描，得到光栅的三维形貌图。
关键词：动态AFM;振幅反馈;相位反馈;频率反馈;高阶谐振

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发布时间：2020-07-07
控制力矩陀螺干扰传递模型的分析与实验研究
邓瑞清,刘刚,赵岩,范文峰
2017, 25(2): 408-416. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0408

摘要：控制力矩陀螺（CMG）的振动干扰会对航天器姿态控制精度和稳定度产生不利的影响，目前尚缺乏有效的方法对其进行数学建模及分析。本文根据CMG系统中高速转子和低速组件两部分结构差异较大、难以用统一的方法进行数学建模的特点，提出了一种将解析建模和试验辨识相结合的系统建模方法来研究CMG的干扰传递模型，并进行了试验验证。试验结果表明：本文所建立的干扰传递模型准确无误，同时验证了“高速转子的不平衡振动是CMG高频抖动产生的主要源头”这一重要结论。
关键词：控制力矩陀螺;高速转子;低速组件;试验辨识;干扰特性

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发布时间：2020-07-07
小孔节流静压支承轴承力学性能的数值建模
李一飞,尹益辉
2017, 25(2): 417-424. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0417

摘要：为了讨论小孔节流空气静压支承轴承的节流器尺寸，气膜厚度与供气压等轴承参数对轴承力学性能的影响。针对圆柱腔小孔节流静压支承止推轴承，首先进行了轴承间隙流场的数值仿真与分析，其中以小孔尺寸，气腔尺寸，供气压及气膜厚为设计变量，利用正交实验设计的基本原理构造正交表，通过对轴承间隙流场的数值计算进行采样以获取轴承的承载力与刚度；其次在设计变量范围内基于径向基神经网络模型建立承载力与刚度的分析数学模型，在该分析模型中全面考虑了各轴承参数的作用，同时考虑了轴承间隙的流场结构对力学性能的影响，得到的模型经过拟合校验以证明具有足够的精度；最后基于该分析模型讨论了小孔与气腔尺寸对轴承承载力与刚度的影响，为工程设计提供了参考。
关键词：静压支承轴承;力学性能;正交实验设计;径向基神经网络模型

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发布时间：2020-07-07
二维经验模态分解在工程表面形貌误差评定中的应用
任志英,高诚辉,罗德海,林有希,张世忠
2017, 25(2): 425-432. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0425

摘要：针对目前表面微观形貌面形误差分离方法中存在边界畸变及自适应差等缺点，提出了将具有自适应时频分辨能力的二维经验模态分解算法（bidimensional empirical mode decomposition，BEMD）应用于三维工程表面面型误差分离中，同时用Riesz变换构造单演信号，计算信号整体的频率特征，完成对二维经验模态分解算法的终止准则的改进，使其能严格按照ISO4287所规定的截止波长分离三维表面各频段形貌误差。仿真结果表明，本文新方法相比于国标ISO中高斯滤波以及常用小波滤波，在分离三维工程粗糙表面各面型误差时，所得分离图形效果远优于传统方法所得，且各频段误差对应的三维评定参数误差均小于5%。最后对光学镀膜元件实例进行分析，结果表明该算法能够很好地分离各形貌误差的的空间信息，所得参数评定基准面相对传统方法不存在边界畸变等问题，因此该方法在实际工程表面评定应用中具有可行性。
关键词：二维经验模态分解;三维表面形貌;误差评定;终止准则;Riesz变换

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发布时间：2020-07-07
基于结构函数的大口径望远镜中频误差分配研究
安其昌,张景旭,杨飞,赵宏超
2017, 25(2): 433-440. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0433

摘要：为了更好地对于大口径望远镜中频误差进行评价与分配，本文引入了结构函数来进行研究。本文首先对于结构函数的基本性质进行了推导，并与传统的误差均方根（RMS）进行比较，表明了其表征不同尺度误差的能力。之后分析了系统波前在不同的评价尺度下的统计特性差异，得出在较小尺度下，系统的误差分布可以较好的服从正态分布，而随着尺度的增加（如大于100mm）会逐渐偏离正态分布的结论。然后根据结构函数的基本性质，提出了一种可以同时考虑诸多误差源的大口径望远镜中频误差分配方法。结合美国三十米望远镜（TMT）团队所提出的标准化点源敏感性（normalized Point Source Sensitivity，PSSn），建立起了由结构函数到标准化点源敏感性的换算关系，通过此方法来进行误差分配指标间的交叉验证以及与其他单元技术之间的对接。最后，根据本文所提出的方法，对于某大口径望远镜的主镜系统进行了误差分配，得到在大尺度均方根为25nm，粗糙度为1nm，中频尺度为250mm，大气相干长度为0.4m（检测环境）的要求下，该系统的结构函数满足要求，同时由要求结构函数所计算得到的PSSn=0.999 6大于由镜面数据直接得到的PSSn=0.999 5，同样满足要求。
关键词：大口径望远镜;标准化点源敏感性;中频误差;结构函数

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发布时间：2020-07-07
MB-CVT电液控制系统智能优化设计
韩玲,高帅,卢晓晖
2017, 25(2): 441-450. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0441

摘要：为了提高配有金属带式无级变速器车型燃油经济性，提出基于滑模极值搜索理论的控制算法和基于滑模极值搜索控制与传统夹紧力控制相结合的一体化式联合控制方法；设计了滑模极值搜索控制和传统液压控制合为一体化的联合控制系统。建立具有非线性、离散性的数学模型；分析无级变速器传动效率和金属带滑差率在一定速比下存在特殊曲线关系；测试主/从动轮夹紧力比值系数，完成了速比跟踪控制器及变化率控制流程设计。依据滑模极值搜索算法原理，完成了滑模极值搜索控制器设计。在具有环境仓的转鼓试验台上进行整车试验，试验结果表明：采用一体化式控制的金属带式无级变速器车型油耗为7.18L/100km，比传统控制系统的油耗降低约5.64%；主、从动压力安全系数倒数指标均小于1。满足整车提高燃油经济需求的可靠性、稳定性及优化性能。
关键词：汽车工程;无级变速器;滑模极值搜索;电液系统

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发布时间：2020-07-07
非合作航天器逆深度参数化姿态估计
刘宗明,曹姝清,张宇,叶东
2017, 25(2): 451-459. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0451

摘要：为了实现对空间失效卫星、空间碎片等非合作目标，尤其是具有自旋运动特性的目标进行在轨服务或者离轨清除，需要精确完成追踪飞行器与目标飞行器之间的相对姿态测量。首先，以逆深度参数化表示相机在世界坐标系下的坐标值、高低角、方位角和深度信息，可以有效解决小视差情况下的单目视觉姿态估计。其次，建立了相机相对于非合作目标的运动模型和测量模型。最后，基于单点随机抽样和扩展卡尔曼滤波实现了相机和目标之间的相对运动姿态估计。实验结果表明：对于三轴稳定目标，接近过程中姿态测量精度约为0.5°；对于匀速慢旋目标，相对角度误差约为3.5%，平均角速度误差约为0.1°/s。可以满足工程上空间非合作目标相对姿态测量的使用需求。
关键词：非合作目标;逆深度参数;姿态估计;EKF;RANSAC

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发布时间：2020-07-07

信息科学

高效率的三角网格模型保特征简化方法
段黎明,邵辉,李中明,张桂,杨尚朋
2017, 25(2): 460-468. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0460

摘要：部分三角网格模型因数据量庞大而导致其不便于存储、分析和显示，本文提出了一种结合网格精细化方法的三角形折叠网格简化算法以解决此问题。首先通过网格细分法确定待折叠三角形三个顶点的修正坐标，并根据修正坐标初步确定折叠点位置，然后引入折叠点的拉普拉斯坐标和原三角形法向信息来更新折叠点位置，最后由三角形折叠后该区域的体积误差和被折叠三角形的平展度共同确定折叠代价，从而使网格优先从较为平坦和特征点较少的区域开始依次进行三角形折叠简化。对多个模型进行了实验测试和数据分析，结果表明该方法能够有效精简网格数据，与3个不同类型的简化方法相比，该方法的简化效率最高，而且能有效保持原网格模型的几何特征并控制简化三角形的质量。
关键词：网格简化;三角形折叠;拉普拉斯坐标;细分法

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发布时间：2020-07-07
结合深度卷积网络与加速鲁棒特征配准的图像精准定位
罗家祥,林畅赫,王加朋,胡跃明
2017, 25(2): 469-476. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0469

摘要：针对在大图像中定位小块区域图像的需求，本文提出一种结合深度卷积网络与加速鲁棒特征（SURF）配准的精准定位方法。将标准大区域图像分割成若干个小参考图像，利用深度卷积网络和类局部敏感哈希降维法提取参考图像集的特征并形成特征库；基于特征库，提出了先检索多个相似参考图像后再进行SURF精确配准的两阶段方法，实现目标小图像在标准大图像中的定位。针对电子工业过程中高密度柔性电路板（FPC）及精确末制导中的图像定位数据进行实验，实验结果表明，该方法避免了传统SURF算法大量的特征提取与配对过程，SURF特征提取数减少近90%；与直接根据图像特征进行配准的传统定位方法相比，在保证定位准确率的基础上，耗时可缩小一个数量级以上。
关键词：深度卷积网络;图像检索;特征匹配;精准定位

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发布时间：2020-07-07
基于超分辨率重建的亚像素图像配准
李方彪,何昕,魏仲慧,马鑫
2017, 25(2): 477-484. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0477

摘要：针对低分辨率图像在配准过程中精度较低的问题，提出了一种基于超分辨率重建的亚像素图像配准方法。首先，对具有1至9像素位移的图像序列进行10倍降采样，获取具有0.1至0.9亚像素位移的图像序列。然后，根据图像的获取过程建立数学模型，以Bayes理论为基础，使用最大后验概率法（MAP）对亚像素位移低分辨率图像进行超分辨率重建，获取高分辨率图像。最后，使用具有亚像素配准精度的扩展相位相关法对图像进行配准。配准实验与噪声实验表明，所提方法的最大配准误差为0.03 pixel，能实现对低分辨率图像的亚像素级配准，具有配准精度高、噪声抗干扰能力强等特点，可同时满足可见光图像与红外图像的高精度配准要求。
关键词：超分辨率重建;相位相关;亚像素;图像配准

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发布时间：2020-07-07
GPS双目摄像机标定及空间坐标重建
孔筱芳,陈钱,顾国华,钱惟贤,任侃
2017, 25(2): 485-492. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0485

摘要：为减轻双目摄像机标定过程中对高精度靶标的依赖，实现摄像机参数的精确标定，并对空间坐标进行高精度重建，提出一种GPS双目摄像机标定及空间坐标重建方法，采用GPS代替2D或3D靶标进行双目摄像机标定。将GPS的位置在视场中任意移动，由被标摄像机拍摄多组含有GPS的图像，利用空间三维坐标与图像二维坐标间的映射关系，结合摄像机成像模型和双目摄像机标定原理，标定出双目摄像机参数，并对空间坐标进行精确重建。通过空间重建坐标与GPS实际测量值之间的相对距离误差，对重建精度进行检验。实验证明，该方法能够克服双目摄像机标定过程中对高精度靶标的依赖，空间重建坐标具有较高的精度，相对距离误差从1.56%减小到0.52%。
关键词：计算机视觉;双目摄像机标定;摄像机成像模型;GPS坐标转换;空间坐标重建

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发布时间：2020-07-07
巡飞弹空中自适应快速初始姿态估计
李增彦,李小民,刘秋生,周兆英
2017, 25(2): 493-501. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0493

摘要：为了解决巡飞弹空中上电后在无参考姿态条件下的初始姿态确定问题，采用低成本磁力计、陀螺仪和加速度计（MARG）传感器设计姿态航向参考系统（AHRS），并提出了一种自适应参考矢量权重的快速初始姿态估计（AFCF）算法。首先，提出了三轴传感器使用前的快速误差校准方法；然后，采用快速互补滤波算法进行姿态估计，分析了其权重函数对于初始姿态估计及收敛性等的影响；接着，提出自适应参考矢量权重及自适应姿态估计方法；最后，利用高精度MTI（Milliren Technologies，Inc）传感器数据对算法进行了验证，并在低成本MARG姿态航向参考系统中对算法进行了实现，对比了改进算法及扩展卡尔曼滤波（EKF）算法的性能。实验结果与分析表明：动态条件下采用MTI传感器数据，改进算法能够在初始时刻收敛，比快速互补滤波（FCF）算法提前约4s；解算精度约为±0.6°，初始时刻精度明显优于FCF；硬件测试则表明改进算法的处理时间为0.062ms，仅为EKF算法的1/9，解算精度约为±1.3°，能够满足姿态测量过程快速收敛、高精度、实时性等要求。
关键词：巡飞弹;初始姿态估计;互补滤波;最优矢量估计

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发布时间：2020-07-07
彩色遥感图像的亮度直方图局部线性化增强
陈博洋
2017, 25(2): 502-508. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0502

摘要：针对遥感图像能量低的实际问题，提出了一种亮度直方图局部线性化图像增强方法来提高彩色遥感图像的可视效果。首先，对RGB模型描述的彩色遥感图像进行HSI变换，以有效分离H、S和I分量；其次，对亮度I分量进行传统的直方图均衡化，得到均衡化灰度映射曲线；然后，将图像梯度作为目标函数，求出最优的线性化折点位置，对灰度低端动态范围映射曲线进行线性化处理，得到局部线性化的灰度映射曲线；最后利用新的灰度映射曲线对图像进行增强处理。Himawari-8真彩色图像增强实验结果表明，经亮度直方图局部线性化增强后，像素平均梯度由73提高到了147，较传统的RGB域直方图均衡化的123及HSI域直方图均衡化的134高；图像信息熵由5.87提高到6.63，全部优于传统的RGB域直方图均衡化和HSI域直方图均衡化。本文方法有效地改善了彩色遥感图像的可视效果，提高了图像对不同目标的辨识能力。
关键词：遥感;图像增强;HSI模型;直方图均衡化

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发布时间：2020-07-07
利用高斯混合模型的多光谱图像模糊聚类分割
李玉,徐艳,赵雪梅,赵泉华
2017, 25(2): 509-518. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0509

摘要：针对传统分割算法难以实现高分辨率多光谱图像分割的问题，本文提出一种利用高斯混合模型的多光谱图像模糊聚类分割算法。该算法采用高斯混合模型定义像素对类属的非相似性测度，由于该算法具有高精度拟合数据统计分布能力，故可以有效剔除噪声对分割结果的影响。同时，引入隐马尔科夫随机场（Hidden Markov Random Field，HMRF）定义邻域作用的先验概率，并将其作为各高斯分量权值以及KL（Kullback-Leibler）信息中控制聚类尺度的参数，从而增强了算法对复杂场景遥感图像的鲁棒性，进一步提高了算法的分割精度。对模拟图像和高分辨多光谱图像分割结果进行了定性定量分析。实验结果表明：模拟图像的总精度达96.8%以上。这验证了本文算法在分割高分辨率多光谱图像时具有保留细节信息的能力，而且也证实了算法的有效性和可行性。该算法能够实现高分辨率多光谱图像的精确分割。
关键词：图像分割;高分辨率多光谱图像;非相似性测度;高斯混合模型;先验概率

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发布时间：2020-07-07
舰载光电跟踪设备的目标预测算法研究
周俊鹏,陈健,李焱,董宇星,陈娟,赵岩
2017, 25(2): 519-528. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0519

摘要：舰载光电跟踪设备在跟踪百公里以上的目标时，由于受到障碍物干扰，目标有时可能从视场中丢失，需采用记忆跟踪算法对目标的未来时刻位置进行预测，重新找回目标。常规的CA、CV模型预测目标时忽略了残差，记忆跟踪时间短，从而造成预测目标不够精确。针对以上问题，提出了Kalman目标预测模型，延长记忆跟踪时间。首先，由船地坐标转换公式推导了甲板坐标系下船摇速度，前馈到伺服控制系统速度回路中，保证视轴自稳定，同时提高跟踪精度；其次，概述了CA、CV、Kalman目标预测模型；最后，重点论述了3种目标预测模型记忆跟踪和实时雷达引导二维位置信息之间的关系。试验结果表明，本文由于引入了Kalman目标预测模型，使得记忆跟踪时间比传统的CA、CV模型的预测目标时间提高了一个数量级。解决了工程中舰载光电跟踪设备受船摇影响时跟踪精度低和记忆跟踪时间短的问题。
关键词：三自由度船摇自稳定模型;CV模型;CA模型;Kalman模型

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发布时间：2020-07-07
张量低秩表示和时空稀疏分解的视频前景检测
隋中山,李俊山,张姣,樊少云,孙胜永
2017, 25(2): 529-536. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0529

摘要：针对视频中前景检测的问题，提出了一种基于张量低秩表示（Tensor Low-Rank Representation，TLRR）和时空稀疏分解的检测方法。由于视频序列中的前景除具有稀疏性外，本身还具有空间上的连续性以及时间上的持续性，本文提出采用时空稀疏范数对前景特性进行深入发掘。利用张量低秩表示方法将原始视频用张量形式进行分解，充分利用了原始数据的行信息和列信息，且将原始的背景、前景二分解泛化为背景、前景和噪声的三分解，使用非精确增广拉格朗日乘子（Inexact Augmented Lagrange Multiplier，IALM）方法进行最优化求解，并对算法进行了分析。设计实验对本文新方法的有效性进行了验证和比较，并对影响算法效果的重要参数ρ进行了进一步研究实验。实验结果表明：该方法能够有效检测出视频中的运动前景，其准确性相对已有方法有一定提高。
关键词：视频;前景检测;低秩;时空稀疏分解;张量低秩表示;非精确增广拉格朗日乘子

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发布时间：2020-07-07
GEO碎片天基观测图像速度估计与动态规划检测
黄建余,谭继波,吴文堂,王鲲鹏
2017, 25(2): 537-546. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0537

摘要：本文提出了一种基于位置预测的动态规划方法，用于快速检测GEO带天基观测图像中的暗弱碎片。首先对实测数据进行分析，得出不同GEO碎片在图像中的运动速度相似，接着，进一步对数据做拟合，得到了GEO碎片速度和观测卫星星下点纬度之间的映射模型，并提出了GEO带天基观测图像中碎片速度估计方法。最后，利用估计速度预测碎片位置，在传统动态规划递归方程中采取位置信息加权，得到了基于位置预测的目标搜索范围，从而减少了递归方程中的目标状态个数。实测数据验证了速度映射模型的拟合偏差在1 pixel以内。选取一个典型观测周期的实测数据进行实验，结果表明本文方法的检测时间比传统动态规划方法减少了90%以上，虚警率降低了5.9%以上，适合于GEO带天基观测图像中暗弱碎片的检测。
关键词：GEO碎片;目标检测;动态规划;速度估计;位置预测

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发布时间：2020-07-07
归一化循环相关超声回波时延估计
李新波,石要武,王猛,石屹然,朱兰香,梁亮
2017, 25(2): 547-554. DOI: 10.3788/OPE.20172402.0547

摘要：传统超声回波时延估计算法是在高斯噪声背景下展开研究的，而实际工况中超声回波不仅含有高斯噪声，还含有脉冲冲击噪声（α稳定分布噪声）等，这导致传统算法失效。为了解决上述问题，本文提出了一种针对混合噪声特别是包含噪声背景下的超声回波时延估计算法：归一化循环相关时延估计算法。首先，对归一化循环相关算法理论进行了简要的介绍。接着，对归一化循环相关时延估计算法进行了理论推导分析。然后，结合仿真分析，在相同α混合噪声情况下对传统循环相关和归一化循环相关时延估计进行比较。最后，在不同信噪比下，对归一化循环相关时延估计算法的估计性能进行了分析。通过对比实验发现，在噪声特征指数趋于1时，循环相关算法已不能估计出时延，而归一化循环相关算法的误差仍能保持在0.4 μs；且在-10dB信噪比下，归一化循环相关算法时延估计也能保持在10 μs误差范围内。本文所提归一化循环相关算法在混合噪声特别是包含α噪声情况下能够对超声回波时延进行精确估计，具有传统算法所不能比拟的优势。
关键词：超声回波;时延估计;归一化循环相关;α稳定分布噪声

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发布时间：2020-07-07

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