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最新刊期

2017 年第 8 期

现代应用光学

吉林一号轻型高分辨率遥感卫星光学成像技术
徐伟,金光,王家骐
2017, 25(8): 1969-1978. DOI: 10.3788/OPE.20172508.1969

摘要：为了实现吉林一号光学遥感卫星轻量化设计与高分辨率多光谱多模式成像，采用星载一体化设计理念及敏捷多模式成像策略，完成了吉林一号卫星的指标、方案及关键技术的设计与在轨多模式光学成像。吉林一号整星的质量为450 kg，有效载荷比高达40%，机动能力达2.1（°）/s，可实现大侧摆、同轨立体与条带拼接等多模式成像，结合星上800 GB的FLASH存储能力和X波段双通道600 Mbps的数据传输能力，卫星每天可获取近150 000 km²的图像数据。吉林一号轻型高分辨率光学卫星于2015年发射入轨，运行在656 km太阳同步轨道，地面全色和多光谱分辨率分别优于0.72 m和2.88 m，满足多行业应用及商业化运营的需求。
关键词：光学遥感;星载一体化;吉林一号;多模式成像;轻型高分辨

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发布时间：2020-07-07
正交调制降频相位式激光测距
许贤泽,翁名杰,徐逢秋,白翔
2017, 25(8): 1979-1986. DOI: 10.3788/OPE.20172508.1979

摘要：为了提高激光测距的精度与稳定性，通过改良传统相位激光测距仪，设计了新型正交调制降频与最小二乘法解相位的相位式激光测距仪。使用反射镜实现内外测距光路，通过正交调制技术对发射激光进行幅度调制，接收模块接收到的回波信号经过混频器后再经过低通滤波器将回波信号降频，降低解相难度并提升解相精度。改用分时测量得到距离相位从而消除二次混频方法所产生的附加相移，分别对内外光路低频回波信号采样进行模数转换后使用最小二乘法求解相位。采用多频率调制测量兼顾激光测距范围与测量精度，最后通过超定方程解模糊算法求解多频测距的待测距离。在国家标准基线上进行样机测试，实验结果表明，在60 m量程内正交调制激光测距仪的测量平均误差控制在1.5 mm以内，测距量程内标准差保持在0.9 mm以内。
关键词：激光测距;正交调制;最小二乘法;超定方程;解模糊

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发布时间：2020-07-07
激光预处理提升DKDP晶体加工表面的抗损伤能力
罗阳,胡国行,赵元安,杨留江,曹珍,李大伟,刘晓凤
2017, 25(8): 1987-1994. DOI: 10.3788/OPE.20172508.1987

摘要：针对晶体表面的损伤特性，采用小光斑扫描激光预处理技术预辐照DKDP晶体元件，并采用表面损伤自动探测系统实时分析每个脉冲辐照后晶体表面的损伤情况，比较预处理和未预处理区域的损伤点密度确定表面预处理效果，并进一步模拟分析表面各类缺陷在纳秒强激光辐照下的动态过程，解释激光预处理对精抛表面提升作用的微观机制并分析它对粗抛表面提升不明显的原因。实验结果表明，激光预处理技术对粗抛表面的提升作用并不明显，但是可以大幅度抑制精抛表面的损伤点密度。在本文的实验条件下，晶体表面的抗激光损伤能力可以提升约60%。比较体材料和精抛表面的预处理效果发现：当体材料的抗破坏能力通过预处理提升后，精抛表面的抗激光损伤能力也会提升，由此可见精抛表面的激光预处理效果与体材料性能相关。
关键词：激光损伤;激光预处理;损伤阈值;预处理效果;氘化磷酸二氢钾(DKDP)

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发布时间：2020-07-07
中高轨星光折射导航光学系统设计及杂散光抑制
李怀锋,李志,林亲
2017, 25(8): 1995-2003. DOI: 10.3788/OPE.20172508.1995

摘要：为了实现基于大视场星光折射敏感器的中高轨卫星全天时高精度星光折射导航，针对视场中亮地球引起的强杂散光抑制的技术难题，研究了内掩式星光折射敏感器亮地球杂散光的有效抑制方法。通过构建星光折射敏感器模型、搭建星光折射导航仿真观测环境以及原理计算得出了各级杂散光强度，并确定了相应的抑制方法。仿真结果表明，基于二次成像光学系统的内掩式星光折射敏感器可将杂散光抑制在导航系统的最大可接受杂散光抑制值范围内，即抑制后1.003R_e（R_e为地球半径）处杂散光亮度小于亮地球平均亮度的1.10×10^-3倍。最后，通过月球强背景下恒星探测外场试验验证了杂散光分析及抑制方法的可行性。研究成果为实现基于一个大视场星光折射敏感器的中高轨卫星全天时高精度星光折射导航技术奠定了基础。
关键词：光学系统设计;自主导航;星光折射导航;内掩式敏感器;杂散光抑制

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发布时间：2020-07-07
自校准型光谱辐亮度标准光源
李福田,李志刚,王晓旭,王俊博,蔺超
2017, 25(8): 2004-2010. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2004

摘要：针对高精度空间光学定量遥感的需求，研制了一种采用数字微镜器件的自校准型光谱辐亮度标准光源。该光源具有两种工作模式：在窄带工作模式下，由Gershun管辐射计和CAS光谱辐射计自校准；在宽带工作模式下，作为光谱辐亮度标准光源用于地面或空间遥感仪器的光谱辐亮度响应度定标。以光谱辐照度标准光源和Spectralon标准漫反射板组成光谱辐亮度标准光源为CAS光谱辐射计定标，测得自校准光源的光谱辐亮度。又以标准探测器定标的Gershun管辐射计测量自校准光源，采用迭代法得到自校准光源的光谱辐亮度。窄带模式下两种不同定标方法对自校准光源的光谱辐亮度测量结果在测量不确定度允许范围内一致。不确定度分析显示：基于标准光源和基于标准探测器的自校准光源光谱辐亮度测量不确定度分别为1.41%~2.09%和1.28%~1.61%。实验及不确定度分析结果表明，该光源可以满足高精度空间光学定量遥感的使用要求。
关键词：辐射度学;光学遥感;辐射定标;光源;数字微镜器件(DMD)

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发布时间：2020-07-07
交变光场时空耦合型位移测量系统的研制
朱革,张超,付敏,潘帅嘉,雷川
2017, 25(8): 2011-2022. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2011

摘要：针对现有光栅精密刻划加工难度大制约测量精度的问题，设计了一种以交变光场为测量媒介的时空耦合线性位移测量系统。该测量系统利用四路正交的交变光场与四组正交的正弦透光面调制耦合形成电行波信号实现高精度位移测量。在对测量系统测量原理分析的基础上，建立了该系统的理论模型和误差模型，通过仿真详细分析了该系统在时间相位不正交、空间相位不正交以及结构安装不平行时的误差规律。开展实验验证了一次、二次和四次谐波的产生原因，根据误差来源改进了测量装置的结构，优化了相应的参数。实验结果表明：在180 mm测量范围内，用栅距0.6 mm的测量系统实现了±0.4 μm的测量精度。该测量系统规避了现有光栅精密刻划的问题，结构简单、安装方便，为光学位移测量提供了新思路。
关键词：位移测量;交变光场;时空耦合;行波合成;误差分析

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发布时间：2020-07-07
复合式多点测量速度干涉仪光学系统设计
闫亚东,何俊华,许瑞华,韦明智,李奇
2017, 25(8): 2023-2028. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2023

摘要：为满足爆炸冲击作用下物质界面的速度测量需求，设计了一种复合式多点测量的速度干涉仪。采用物方和像方双远心光路，将光纤阵列出射的照明激光定点投射到待测物面上，实现了针状滴注式照明，充分利用了照明激光能量，且保证了待测物面在运动过程中具有恒定的照度。成像系统像面采用末端为大芯径的锥形光纤接收信号光，既保证了物面运动过程中信号光与光纤的有效耦合，又保证了信号的单模输出，以便进入单模光纤马赫-曾德干涉仪进行差频干涉。采用具有微小楔角、沿直径方向镀矩形带状45°反射膜的反射镜，将照明光路与成像光路同轴，并校正了成像系统的大量像散。该干涉测量系统在物面运动10 mm的行程中，物面滴注式照明照度保持恒定，像面光斑大小没有超出大芯径的光纤芯径。此光学系统能够满足爆炸冲击界面的大行程速度测量需求。
关键词：爆轰波;速度干涉仪;远心光路;锥形光纤

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发布时间：2020-07-07
利用光压差分技术筛选细胞的影响参数
程景萌,杨丽,周围,李新冉,张思祥
2017, 25(8): 2029-2037. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2029

摘要：本文采用有限体积法建立了交叉型细胞分离模型，提出了一种基于光压差分的细胞筛选仿真方法，分析微流体中细胞筛选的影响因素。基于层流、流体流动粒子追踪、波动光学理论，利用有限元分析法建立了一种交叉型光学颗粒分离模型，研究了利用光压差分技术分离细胞的各种影响因素，其中包括微粒直径，激光功率、温度、光纤直径，分析了微粒在流体中因光辐射压力作用下的偏移距离。实验结果表明：在微流体中，激光功率、细胞直径、温度（20℃）和偏移距离大体上成正比关系，光纤直径和细胞直径在大小相当的情况下光辐射压力能够达到最大值，当激光通过光纤作用于直径分别为3，8和20μm的微粒时，光纤直径为7 μm或8 μm时光辐射压力最大，所以选用直径为8 μm的单模光纤作为一个重要的实验光学器件。所得结论为深入研究细胞筛选影响因素的数值仿真精度提供了参考与借鉴。
关键词：细胞分离;光纤;光辐射压力;光压差分;数值仿真

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发布时间：2020-07-07
真空热处理对硫化锌薄膜光学与微结构特性的影响
刘华松,姜承慧,李士达,杨霄,季一勤,张锋,陈德应
2017, 25(8): 2038-2045. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2038

摘要：针对电子束蒸发离子辅助沉积的硫化锌薄膜，研究了550℃以下真空热处理对其光学与微结构特性的影响。薄膜光学和微结构特性的测试分析表明：制备后薄膜为类立方结构的ZnS，在337.5 nm波长处出现临界特性转折点，随着热处理温度的增加，转折波长两侧的消光系数变化规律相反，折射率和物理厚度呈现下降趋势，薄膜的禁带宽度逐渐增加；在红外波段的薄膜折射率与热处理温度的变化并不显著，在350℃下热处理时消光系数出现转折，主要是由晶粒变小的趋势所致；通过晶相分析，硫化锌薄膜经历了类立方结构到六方结构的转换，与禁带宽度的变化趋势基本一致。分析结果表明，光学特性变化的根本原因是薄膜的微结构特性变化。
关键词：ZnS薄膜;折射率;消光系数;真空热处理;晶相结构

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发布时间：2020-07-07
改进型量子进化算法在宽带EUV多层膜设计中的应用
匡尚奇,张超,王一名,周祥燕,谢耀
2017, 25(8): 2046-2056. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2046

摘要：为提高基于量子进化算法（QEA）在宽带极紫外（EUV）多层膜设计中的求解效率和精度，本文利用宽带多层膜的光学性能评价函数的梯度信息改进QEA，建立具有明确进化方向的适用于宽带EUV多层膜设计的改进型量子进化算法（IQEA）。对比分析了基于IQEA和QEA的宽带Mo/Si多层膜的膜系设计过程和结果，结果表明，基于IQEA的多层膜膜系设计理论方法具有更优越的求解效率和精度；同时，IQEA同样可以小种群规模进行多参数优化。基于IQEA的宽带Mo/Si多层膜的设计理论实现了包括入射角为0°~18°，反射率达50%的宽角度多层膜，以及反射光谱带宽为13~15 nm，反射率达25%的宽光谱多层膜的设计。基于IQEA的宽带高反射率EUV多层膜的理论膜系设计方法为复杂多层膜的理论设计提供了一种可供选择的高效膜系设计方法。
关键词：薄膜光学;多层膜设计;改进型量子进化算法;宽带极紫外多层膜

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发布时间：2020-07-07
毛细力辅助飞秒激光直写制备各向异性及多级结构
苏亚辉,范珍珠,汪超炜,胡衍雷,吴东
2017, 25(8): 2057-2063. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2057

摘要：将飞秒激光双光子聚合加工技术和毛细力诱导自组装技术相结合实现了各向异性结构和多级结构的制备。首先，使用飞秒激光双光子加工技术加工出微柱阵列，将微柱置于显影液中显影，然后放置在空气中。在显影液蒸发的过程中，微柱结构单元受到毛细力的作用而弯曲实现自组装。通过控制微柱的高度和直径的不一致性实现了两种各向异性结构制备方法，并成功制备了底层微柱直径分别为2 μm和6 μm双层结构。由于毛细力的大小和微柱高度无关，且同样端部变形量下较高微柱的弹性回复力小于较低微柱的弹性回复力，更易发生弯曲；直径较大的微柱具有更强的抗弯曲能力，从而引导直径较小的微柱向较大的微柱倾斜，藉此制备了各向异性结构。使用毛细力自组装辅助飞秒激光微纳加工可以实现灵活可控的复杂3D结构的加工，并将在生物医药、化学分析、微流体等领域发挥重要作用。
关键词：激光加工;飞秒激光;毛细力自组装;各向异性结构;多级结构

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发布时间：2020-07-07
碳卫星高光谱CO₂探测仪发射前光谱定标
蔺超,李诚良,王龙,毕研盟,郑玉权
2017, 25(8): 2064-2075. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2064

摘要：为了完成碳卫星高光谱CO₂探测仪的发射前光谱定标，建立了光谱定标系统，并对定标系统设计、所采用的自动化数据采集和数据处理算法等进行了研究。根据CO₂探测仪的探测原理介绍了载荷的光谱性能要求，描述了定标系统的设计与所采用的仪器设备，说明了采用自动化数据采集、旋转积分球、功率校正与暗背景校正等改进的定标方法。最后，介绍了光谱定标的数据处理方法。发射前定标结果表明：载荷三个波段的ILS能量集中度分别大于0.80，0.81和0.78；FWHM分别为0.039 2~0.042 4 nm，0.123~0.128 nm和0.157~0.168 nm；光谱采样率区间分别为2.12~2.95、1.97~2.27和1.92~2.26。对发射后实测太阳夫朗禾费光谱进行了评估，结果表明：中心波长偏差小于0.0013，0.058和0.065 nm。CO₂探测仪整体的光谱性能指标能够达到系统设计要求。
关键词：光学遥感;碳卫星;二氧化碳探测仪;光谱定标;线形函数

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发布时间：2020-07-07
遗传算法在离轴四反光学系统设计中的应用
徐奉刚,黄玮
2017, 25(8): 2076-2082. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2076

摘要：现有的光学设计软件多依赖初始结构的选取，故提出了一种基于遗传算法的四反射光学系统初始结构求解方法，以获取像质良好和特定布局的初始结构。根据初级像差理论，对同轴四反光学系统进行像差分析，建立了由带权重的初级像差系数和结构布局约束条件所组成的目标函数；通过引入遗传算法对目标函数进行优化求解，获得了像质良好、特定布局的同轴四反初始结构。最后，基于该初始结构设计了一款长焦距（1 200 mm）、大视场（20°×4°）、大相对孔径（F/4）的离轴四反光学系统。该系统结构布局紧凑，各个视场的调制传递函数在50 lp/mm处均大于0.52。与传统设计方法相比，提出的设计方法不需要给定初始条件，可以为四反射光学系统提供像质良好和特定结构布局的初始结构，在反射式光学系统设计中具有广泛的应用前景。
关键词：光学设计;离轴四反光学系统;遗传算法;矩形视场

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发布时间：2020-07-07

微纳技术与精密机械

面向航天医学应用的体液预处理仪研制
叶雄英,徐文晓,谢帅,张帅,成一诺
2017, 25(8): 2083-2089. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2083

摘要：本文基于微流控技术研制了面向航天医学应用的体液预处理芯片及仪器，以便对航天员体液进行医学检测。体液预处理芯片集成了驱动液体和控制流路的微泵微阀，通过控制微泵微阀可实现从进样、不同功能的预处理到输出样品整个过程的自动操作。此外在常规样品预处理功能的基础上，还集成了排气泡功能，使预处理芯片能够在太空微重力环境下对有气泡的体液进行体液预处理。预处理仪集微泵微阀驱动机构和芯片液面位置检测机构于一体，能够实现多种体液预处理模式，且与芯片间无需任何管路及电连接，方便芯片更换。利用有限元仿真软件对预处理仪进行了航天环境下的各项力学分析，包括模态分析、加速度过载分析、正弦扫描分析及随机振动分析，得到了预处理仪机械结构在不同载荷条件下的应力分布，结果显示最大应力值为57.37 MPa，经过校核得知满足航天环境强度要求。最后，基于制作的排气混合预处理芯片进行了预处理实验，结果表明芯片的排气和混合效果良好。
关键词：航天医学;体液预处理;微流控芯片;排气;混合

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发布时间：2020-07-07
利用声发射信号时频特征在线监测慢走丝线切割加工表面粗糙度
王艳,王健波,王强,熊巍,贺独醒
2017, 25(8): 2090-2097. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2090

摘要：针对慢走丝线切割加工（WEDM-LS）时因温度高、切缝窄等因素造成的加工过程难以监测的问题，利用声发射检测技术对占空比可调脉冲的慢走丝线切割加工过程进行在线监测。首先利用小波包能谱算法将AE信号分解到8个独立的频段上：分别为W1~W8，且频率依次降低；然后提取各频段上的能量特征，研究其与加工工件表面粗糙度值之间的相关性。试验结果表明：W8频段的能量与表面粗糙度值之间具有较高的相关性，该频段的能量与脉冲放电能量均随着脉冲信号占空比的增大而增大，且加工表面粗糙度值也随之逐渐增大。最后通过回归分析得到了反应材料表面粗糙度值与W8频段能量占比关系的数学预测模型，该模型的预测结果与实际测得的表面粗糙度值误差仅为3.51%。说明该模型具有较高的预测精度，可用于加工表面粗糙度的在线监测。
关键词：慢走丝线切割加工;声发射;表面粗糙度;小波包

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发布时间：2020-07-07
空间光学载荷探测器组件抗冲击隔振设计
王忠素,吴清文,郭权峰,郭亮,江帆,王国强
2017, 25(8): 2098-2105. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2098

摘要：针对广角极光成像仪整机Z向冲击试验后探测器损坏的问题，提出在镜头组件与头部框架间设置隔振器的解决方法。首先，确定隔振方案为被动局部隔振；然后，从材料、刚度和安装方式等方面完成金属橡胶隔振器的设计。接着，运用有限元方法对结构进行模态分析和冲击载荷响应仿真分析。最后，对广角极光成像仪整机产品进行了力学实验，实验结果与仿真分析结果一致。实验结果显示：安装隔振器后，探测器位置测点的正弦振动加速度响应最大降低了26.2%，随机振动加速度响应最大降低了72%，冲击加速度响应最大降低了48%，说明该隔振器具有显著的减振效果。在实验完成后对产品进行检测，发现产品并无异常，说明结构设计满足要求。
关键词：广角极光成像仪;整机;探测器组件;金属橡胶隔振器;冲击载荷;减振

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发布时间：2020-07-07
超声辅助磨削硬脆材料芯棒直径预测模型
董志刚,段佳冬,康仁科,朱祥龙,郑非非
2017, 25(8): 2106-2112. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2106

摘要：超声辅助磨削是一种套料芯棒加工方法，而硬脆材料在超声辅助磨削加工过程中的去除模式主要为脆性断裂，这将导致加工出的芯棒直径与砂轮内径之间存在尺寸误差。针对上述问题，通过分析超声辅助磨削加工中砂轮表面金刚石磨粒的运动轨迹，运用压痕断裂力学理论建立了超声辅助磨削芯棒的直径预测模型。该模型考虑了脆性材料断裂时产生的侧位裂纹扩展对芯棒直径的影响。通过对K9光学玻璃材料进行超声辅助套料试验对模型进行了标定和验证，接着研究了进给速度和转速对芯棒直径误差的影响规律。通过对比研究发现，模型计算结果与试验结果吻合较好，误差小于5%，验证了模型的有效性。试验结果表明，采用适当的低转速和大进给速度可以有效降低超声辅助磨削芯棒直径的尺寸误差。本文所建模型可为超声辅助磨削套料芯棒的砂轮选择提供理论指导。
关键词：硬脆材料;超声辅助磨削;直径预测;芯棒尺寸误差

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发布时间：2020-07-07
压电陶瓷执行器迟滞补偿及复合控制
于志亮,王岩,曹开锐,陈昊
2017, 25(8): 2113-2120. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2113

摘要：快速倾斜镜是星间激光通信终端精瞄系统的核心部件，其驱动装置为压电陶瓷执行器，而压电陶瓷具有迟滞特性，其严重影响了快速倾斜镜的定位精度，进而对星间通信链路的稳定性造成不利影响。为解决这一问题，本文设计了一种改进Prandtl-Ishlinskii（P-I）模型对压电陶瓷执行器进行建模。在此基础上，提出了压电陶瓷执行器前馈线性化方法，以对迟滞特性进行前馈逆补偿。接着，提出了一种结合改进的P-I模型与增量式PID算法的复合控制算法，并在DSP中实现了该复合控制算法。最后，在试验平台上对该算法进行了验证。结果显示：当分别对系统输入10Hz和100Hz减幅正弦、等幅正弦曲线时，模型误差在0.59%以内，在输入同频100 Hz以下的减幅正弦曲线时，传统PID算法的最大误差为59.31μrad，而该复合算法的最大误差为14.22 μrad。实验数据表明，本文复合控制方法的动态跟踪性能明显优于传统PID方法，改进Prandtl-Ishlinskii（P-I）模型可以精确描述压电陶瓷的迟滞特性。本文设计的复合控制方法满足实际应用对快速倾斜镜的要求。
关键词：快速倾斜镜;激光通信;精瞄系统;压电陶瓷执行器;迟滞特性;改进PI迟滞模型;复合控制

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发布时间：2020-07-07
纳米级精度的竖直液体静压滑台设计
董婉娇,李蓓智,杨建国
2017, 25(8): 2121-2129. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2121

摘要：为了满足航天关键件的加工精度要求，需要设计并制造满足设计要求的纳米级精度的竖直液体静压滑台。本文针对滑台结构、关键部件及公差设计方法展开了研究。首先，根据高精度竖直滑台的设计要求，采用不等流量的滑块结构及控制方法整体设计滑台结构。设计时，将所有液压油管路均设置在滑块中，以减小油压损耗，且使得滑台结构紧凑。接着，为使圆孔加工时圆度误差不受导轨刚度的影响，采用等导轨刚度的设计方法，同时给出了该方法下油膜厚度、刚度、压力的计算方法。文中还证明了上下油腔不等承载面积法能够降低竖直滑台由于倾覆力矩产生的倾角误差，提高导轨运动精度。在此基础上，提出了基于不等流量结构的几何精度设计方法，计算并证明了不等流量的结构和控制方法可以降低导轨和滑块极高的制造等级要求和制造成本。最后，根据上述设计方法设计并制造了数控纳米曲面磨床竖直滑台，并测试了该磨床竖直Z滑台的运动精度。结果显示采用不等流量结构的滑台制造公差要求由IT1降低到IT3。Z滑台精度测试结果为：定位误差为±80nm，重复定位误差为48nm。
关键词：液体静压滑台;超精密竖直滑台;不等流量结构;精度测试

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发布时间：2020-07-07
集成成像系统中高填充率微透镜阵列的设计与加工
孟繁斐,步敬
2017, 25(8): 2130-2138. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2130

摘要：针对目前微透镜设计与加工中存在的问题，本文提出了一种大尺寸、高填充率的微透镜阵列设计与加工方法，并成功应用于基于手机屏幕的三维集成成像显示系统。根据焦面模式下的集成成像原理，建立了透镜阵列参数与集成成像显示关键参数的关系，并设计了高填充率透镜阵列的孔径与焦距。采用超精密铣削方法加工出金属母板，通过纳米压印和图形转移复制的方法，在涂有UV固化胶的PET透明膜上得到了高填充率的微透镜阵列膜，并将其应用于基于手机显示屏的集成成像系统。测试结果表明，在5.7英寸全高清手机屏幕上，直接覆盖孔径为0.526 mm、焦距为2 mm、填充率为100%的透镜阵列，可以实现立体图像出屏距离达4 cm、视场角为12.5°的集成成像显示效果。系统的设计与透镜阵列的制作完全满足集成成像要求，裸眼观看立体图像清晰、逼真，系统集成度高，使用方便。
关键词：微透镜设计与加工;三维集成成像;微透镜阵列;高填充率;先进制造技术

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发布时间：2020-07-07
非共振式压电直线电机精密驱动及定位控制
曹小涛,李德全,李洪文,林冠宇,杨维帆
2017, 25(8): 2139-2148. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2139

摘要：为实现光机结构、集成电路等领域中大行程及高精度的位移控制，利用较为适用的非共振式尺蠖型压电直线电机，基于高压功率运算放大器，设计了非共振式压电直线电机的精密复合放大驱动电路，通过理论分析及实验得到的伯德图验证了驱动电路的分辨率和幅频特性。以现场可编程门阵列（FPGA）为核心处理器，以光栅尺为反馈元件，通过分析非共振式压电直线电机的多种运行模式，根据直线电机的运行时序，设计完成了开环大范围整步运行模式与闭环小范围单步运行模式相结合的控制策略，在单步运行模式中分别设计完成了PID控制算法及PID与压电陶瓷迟滞逆模型前馈相结合的复合控制算法。实验结果表明，该控制策略能够实现大行程内的精密位移控制，复合控制算法具有比PID更加优越的控制效果，能够在21 mm大行程内实现1.5 nm的闭环定位控制精度，直线电机的最大驱动力可达300N，满足大行程高精度位移控制的应用需求。
关键词：非共振式压电陶瓷;迟滞逆模型;大行程高精度定位控制;FPGA;复合控制模型

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发布时间：2020-07-07
重复控制与积分正反馈组合的磁轴承低功耗控制
徐向波,陈劭,刘晋浩
2017, 25(8): 2149-2154. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2149

摘要：本文提出一种重复控制与积分正反馈相结合的控制方法，以抑制磁轴承系统功耗。首先建立了磁轴承系统的数学模型，分析了由重力、转子不平衡和位移传感器噪声引起的电流噪声的频率特性，分析发现其可分为直流和多谐波两大类；其次推导了用于消除直流电流的控制器需满足的条件，在此基础上，设计了一种电流积分正反馈算法。通过调节转子的悬浮位置，利用混合磁轴承中永磁体产生的磁力抵消重力，抑制电流的直流分量，采用根轨迹方法确定保证闭环系统稳定的参数取值范围；然后提出一种嵌入式重复控制方法抑制转子不平衡和位移传感器引起的多谐波电流噪声，采用重构谱理论判定系统的稳定性。最后以磁悬浮控制力矩陀螺为测试平台，对所提出的控制算法进行仿真和实验研究。结果表明：采用该算法后，电流的直流分量基本被抑制，谐波分量的峰峰值减小了88.3%，功耗减小了7W，验证了该算法的有效性。
关键词：磁轴承;直流电流;多谐波电流;低功耗;重复控制;积分正反馈

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发布时间：2020-07-07
多谐振U形缝隙纳米天线设计及吸收特性
刘媛媛,熊广,王杨,朱路
2017, 25(8): 2155-2164. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2155

摘要：太阳能收集是解决无线传感器网络能量受限的有效手段。针对传统采用光伏电池收集太阳能的方法易受环境与光照时间限制、吸收波段窄等问题，提出了一种耦合对称U形缝隙的多谐振纳米天线阵列用于太阳能收集。该天线的单元结构是在银介质基板上刻蚀4个对称的U形缝隙，U形缝隙附近产生的表面等离激元相互耦合，使其在宽波段内产生多个谐振点，从而提高宽波段的平均吸收率。利用时域有限差分方法分析了多谐振U形缝隙纳米天线阵列的吸收特性。仿真结果表明，天线阵列在400~870 nm，960~1 100 nm两个波段内吸收率较高，并出现多个吸收峰，吸收峰值最大可以达到99%。
关键词：能量收集;U型缝隙纳米天线;表面等离激元;时域有限差分;吸收特性

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发布时间：2020-07-07
精密转台角分度误差补偿
王福全,王珏,谢志江,刘丰林
2017, 25(8): 2165-2172. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2165

摘要：为了修正精密转台中由圆光栅安装偏心、倾斜等引起的角分度误差，提出一种基于稀疏分解的角分度误差补偿方法。首先，分析了圆光栅安装偏心、倾斜等对精密转台角分度误差的影响。然后，根据圆光栅测角误差中不同阶次误差项的特性，结合稀疏分解思想与谐波分析建立了角分度误差补偿模型，对转台的角分度误差进行补偿。最后，搭建试验平台，采用提出的角分度误差补偿模型对精密转台角分度误差进行修正，验证该方法的有效性。试验结果表明：该方法能够将角分度精度提高2个数量级，对角分度误差最大值为90.85"的转台进行误差补偿后，能够使角定位误差的最大值减小到0.64"。采用该方法进行误差补偿后，能够显著提高角度定位精度，结果满足精密转台角位移的高精度测试要求。
关键词：精密转台;角分度误差;稀疏分解;误差补偿

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发布时间：2020-07-07

信息科学

壳段厚度激光检测信号的变分模态分解去噪
李加福,唐文彦,张晓琳,王军
2017, 25(8): 2173-2181. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2173

摘要：针对双激光位移传感器测量大型壳段厚度过程中噪声对检测精度的影响，提出利用变分模态分解来实现对厚度信号的自适应去噪，利用相邻固有模态函数之间的离散Hellinger距离来获取最佳的模态数。该方法将变分模态分解算法引入到激光信号的自适应滤波过程中，分析并改进了变分模态分解算法的过分解、欠分解以及能量泄露的问题。然后，对改进的变分模态分解与希伯特振动分解和自适应噪声总体集合经验模态分解进行性能对比，提出了固有模态函数的相对瞬时能量概率的概念。最后，结合离散Hellinger概率分布距离理论判断固有模态之间的信噪分界点，实现了对信号的重构及滤波处理。仿真和实验结果表明，该方法对壳段厚度信号处理的信噪比为39.27 dB，比自适应噪声总体集合经验模态分解方法提高了10 dB，具有良好的自适应性，无需先验条件便能快速有效地识别并分离激光信号中的噪声成分。
关键词：壳段厚度;厚度测量;激光检测;信号去噪;变分模态分解;Hellinger距离

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发布时间：2020-07-07
多尺度引导滤波及其在去雾中的应用
武昆,韩广良,杨航,王宇庆,吴笑天
2017, 25(8): 2182-2194. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2182

摘要：将引导滤波与提升小波相结合提出了一种多尺度引导滤波方法，以实现在平滑图像细节的同时保持图像边缘不模糊。该方法通过提升小波法对将图像进行多尺度分解，即将信号分解成一个低频子带和多个高频子带。在提升小波重构过程中，利用引导滤波平滑每个尺度的低频信息并保持其边缘不模糊。最后，针对滤波后残余的细节，对提升小波重构后的平滑图像再次进行引导滤波，以便进一步平滑图像细节。将多尺度引导滤波应用于暗通道去雾先验理论并进行了主、客观评价。结果显示：多尺度引导滤波能够深层次平滑图像细节，保持边缘完整性，从整体上提高了图像的对比对和视觉效果，有效恢复了场景信息并保留场景的边缘信息。另外，该方法改善了客观评价指标，其对比度增强系数指标平均提升了0.1以上，场景结构相似度平均提升了1以上，而LOE（Lightness Order Error）参数降低了10以上，满足了去雾应用的视觉需求。
关键词：引导滤波;提升小波;多尺度引导滤波;图像去雾

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发布时间：2020-07-07
多终端五阶强跟踪容积卡尔曼滤波实时定轨
李兆铭,杨文革,丁丹,廖育荣
2017, 25(8): 2195-2203. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2195

摘要：为了提高多手持终端对卫星脉冲机动轨道的实时确定精度，并降低定轨精度对滤波初值的敏感性，提出一种五阶强跟踪球面单形-径向容积卡尔曼滤波（5-STSSRCKF）方法。采用n维正则单形变换群和矩匹配法推导五阶球面单形-径向容积准则，并将该准则嵌入强跟踪滤波（STF）框架。利用STF的等价表示计算次优渐消因子，实现了在滤波稳定时在线实时调整增益矩阵，克服了残差增大时增益矩阵仍保持极小值的缺点，提高了对系统突变状态的跟踪能力。进行了仿真实验，结果表明，当滤波初值误差增大时，已有方法的定轨精度降低为1 798.199 m，而提出的5-STSSRCKF的定轨精度可以维持在8.688 m；当卫星进行脉冲机动时，已有方法不具备对机动轨道状态的跟踪能力，而5-STSSRCKF的定轨精度仍然维持在8.976 m。实验显示，5-STSSRCKF对滤波初值不敏感，并且对卫星脉冲机动轨道的实时确定精度更高。
关键词：手持终端;实时定轨;五阶球面单形-径向准则;五阶强跟踪球面单形-径向容积卡尔曼滤波

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发布时间：2020-07-07
CCD数字像元的合并方法及其应用
常振,司福祺,周海金,赵敏杰,刘文清
2017, 25(8): 2204-2211. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2204

摘要：星载差分吸收光谱仪中的科学级帧转移型电荷耦合器件（CCD）通常使用四行像元合并（4-Binning）方法提升载荷的信噪比，但该方法仅能工作在目标光强较弱的环境。为使载荷适应目标光线较强的环境，设计了数字像元合并方法（4-AVR）来提升载荷的探测能力。考虑相对常规的4-Binning方法，4-AVR方法会产生CCD信号衰减现象，故对这一现象进行了理论分析，得到由于CCD读出速率导致的信号衰减系数为0.699。在实验室搭建了测试装置，验证了上述结果，结果表明，4-AVR方法下获取的CCD像素值相对于4-Binning方法获取的像素值的衰减系数为0.698，从而证实了理论分析的正确性。实验显示，使用这一系数可完成对4-AVR方式下获取的像素值的校正，从而实现两种方法的无差别化。将校正方法作为载荷一级数据处理的一部分，进行了大气痕量气体的反演测试。结果表明数字像元合并方法可保证大气痕量气体的反演精度，进一步验证了数字像元合并方法的可靠性。
关键词：星载光谱仪;差分吸收光谱仪;电荷耦合器件;像元合并;数值校正

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发布时间：2020-07-07
利用偏振信息的雾天图像全局最优重构
高隽,毕冉,赵录建,范之国
2017, 25(8): 2212-2220. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2212

摘要：针对雾、霾等强散射环境下相机拍摄图像严重退化的问题，提出了一种降低雾霾环境对图像质量影响的图像去雾重构方法。基于雾天偏振成像模型，分别估计图像每个区域的重构参数，获取全局最优的重构参数。利用偏振滤波的方法估计雾天大气散射光的偏振度分布，利用自适应亮通道方法计算无穷远处大气散射光的强度分布，从而重构出去雾图像。最后，利用偏振度的纹理信息对重构图像进行增强。该方法考虑了图像中不同位置大气杂散光参数的不一致性，对图像每一区域的重构参数分别运算，从而获得全局最优的重构参数图像。该方法还不要求图像必须包含天空区域，并且具有对灰度图像的处理效果较好的优点。
关键词：强散射环境;偏振信息;图像重构;全局最优

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发布时间：2020-07-07
结合图像内容匹配的机器人视觉导航定位与全局地图构建系统
曹天扬,蔡浩原,方东明,刘昶
2017, 25(8): 2221-2232. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2221

摘要：为了解决机器人室内定位时的绑架问题和相似物体的干扰，设计了一种具有图像内容匹配功能的视觉系统，从而使机器人能有效提取关键帧序列构建室内全局地图并实现自主定位。考虑影响图像内容匹配的主要干扰是机器人视角和位移造成的图像畸变，本文通过对室内物体的图像畸变建模与特征分析，设计了一种图像内容匹配方法。该方法以图像重叠区提取、基于子块分解匹配的重叠区重建两部分为核心，可将待匹配的两帧图像畸变调整为一致后再进行内容匹配并准确解算它们的相似度。其能有效利用各个房间内不同的景物和布局信息来消除相似物体的影响，从机器人学习环境时采集的视频中提取空间间距大且重叠相连的关键帧序列建立整栋建筑内部的全局导航地图。机器人工作时，实时视觉的图像内容与地图关键帧序列匹配，提取出与每个时刻视觉图像最相似的关键帧对机器人实施定位。在由3个房间和2条走廊组成的实验区进行了实验测试，结果表明：机器人可有效消除相似物体的干扰，绑架发生时仍可通过与全局地图匹配实施准确自主定位，匹配准确率≥93%，定位精度误差（RMSE） < 0.5 m。
关键词：机器人视觉;机器人自主定位;关键帧全局地图;图像内容匹配;图像畸变

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发布时间：2020-07-07
偏振场景目标探测的建模与仿真
李岩,张伟杰,陈嘉玉
2017, 25(8): 2233-2243. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2233

摘要：针对用光学遥感技术探测复杂场景下的目标时，真实环境下的目标、背景反射以及大气气溶胶辐射之间具有相当大的互干扰性，本文研究了偏振场景目标的建模与仿真技术。介绍了偏振场景仿真的光学理论与偏振模型基础，对Priest-Germer模型进行了数值仿真与分析。基于Priest-Germer模型，开发了偏振视景目标探测仿真软件，给出仿真软件的设计思想和软件框架。介绍了偏振双向分布反射函数模型，给出其偏振形式的Stokes表达式并进行数值仿真分析。给出了两种目标模型分别赋予两种不同表面材质时在440nm和600nm波长辐照条件下的4组偏振仿真实验及偏振图像的灰度直方图，并进行比较和分析，结果表明：基于Priest-Germer模型的偏振仿真软件对目标、辐照波长、材质具有较高的敏感性，能够提供较好的分辨和识别能力。
关键词：光学遥感;偏振成像;二向反射分布函数;Priest-Germer模型;仿真

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发布时间：2020-07-07
分块非线性加权在车灯检测仪校准器光轴角测量中的应用
李艳荻,徐熙平
2017, 25(8): 2244-2251. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2244

摘要：针对传统光轴角测量系统中人为因素干扰导致的重复性能降低等不足，设计一种基于图像处理技术与高精度电控转台相结合的自动测量方案。分析了照明光斑光强分布特性，提出了一种基于图像区域分割的最优非线性加权的特征点提取算法。该方法根据光强与灰度的线性关系，将光强量化到3个区间。然后分析灰度因素在特征点定位中的影响；针对不同区间应用局部最优加权法则以实现局部最优化处理。最后，利用光轴偏转角与特征点在像面上位移的对应关系，计算得到光轴角测量值。开展了光斑特征点重复性实验并分析了光轴角检测精度，结果表明：该系统在不同光强、不同角度条件下重复性好，测角精度优于60.18"。与激光光源的光轴角测量实验对比，该算法在光斑光强分布不均的条件下仍能完成稳定且精确的光轴角测量。
关键词：光轴角测量;特征点提取;双阈值分割;非线性加权

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发布时间：2020-07-07
基于单目视觉的GPS辅助相机外参数标定
吴修振,刘刚,于凤全,张源原
2017, 25(8): 2252-2258. DOI: 10.3788/OPE.20172508.2252

摘要：针对机器人视觉系统外参数标定的问题，提出了基于单目视觉ORB-SLAM的差分GPS辅助相机外参数标定方法。分析了单目视觉ORB-SLAM和GPS（Global Position System）定位数据之间的相似关系，建立了相机外参数标定的非线性最小二乘模型。基于随机采样一致性（RANSAC），通过三点法求得模型的初始解。设计了Levenberg-Marquardt（LM）迭代算法求解出最优解，从而得到了最优的相机相对位置和姿态参数。最后，对提出的方法进行仿真和跑车试验验证。结果表明：在试验半径为50 m时，所设计标定方法的姿态标定精度可达0.1°，位置标定精度可达0.2%。该方法标定过程简单实用，不需要外界环境的先验信息和人工干预，具有很高的精度和显著的应用价值。
关键词：相机标定;外参标定;ORB-SLAM;最小二乘模型;随机采样一致性;LM迭代

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发布时间：2020-07-07

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