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最新刊期

2018 年第 12 期

现代应用光学

用于位相缺陷检测的反射式剪切点衍射干涉仪
马云,刘一鸣,朱文华
2018, 26(12): 2873-2880. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2873

摘要：为了实现光学元件位相缺陷的大视场、高分辨率、瞬态检测，设计了一种基于无镜成像算法的反射式剪切点衍射干涉仪。该干涉仪通过在参考光与测试光之间引入横向错位量，形成高密度线性载频，利用快速傅里叶变换算法从单幅干涉图中提取待测波面信息，实现缺陷的瞬态测量。利用无镜成像算法抑制了缺陷的衍射效应，总结了有效的缺陷类型辨别方法。实验检测了强激光系统中的一块光学平晶，验证了所提缺陷类型判据的正确性。此外，采用反射式剪切点衍射干涉仪对一块激光毁伤的光学平板进行检测，测试结果与Veeco NT9100白光干涉仪测量结果相比，相对误差为2.1%。结果表明，该干涉仪能够有效应用于检测大口径光学元件的位相缺陷。
关键词：干涉测量;瞬态测量;点衍射;位相缺陷;无镜成像

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发布时间：2020-07-05
曲面透明件雾度和透光率实时测试仪
刘洪兴,李宪圣,孙景旭,陈长征,李俊秋
2018, 26(12): 2881-2887. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2881

摘要：为了实现大型曲面透明件雾度和透光率的实时测量，设计了一种由LED作为光源、双积分球作为信号测量端的雾度和透光率测试仪。在系统工作原理上完成了透光率和雾度的理论推导, 然后进行了光源光谱分布对系统测试结果影响的仿真分析，光学设计，积分球参数设计以及支撑调整机构设计，提高了系统的测试精度和效率。最后，对大型曲面透明件雾度和透光率实时测试仪进行标定和样品测试。测试结果表明：标准雾度片的透过率绝对误差均小于0.4%，雾度绝对误差均小于0.3%，用户提供样品的透过率测量值与理论计算值的偏差亦小于0.4%，满足用户要求。
关键词：光度学;雾度;透光率;双积分球

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发布时间：2020-07-05
内置标准具光栅腔XeF(C-A)准分子激光器的线宽压缩
朱峰,于力,易爱平,沈炎龙,黄超
2018, 26(12): 2888-2893. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2888

摘要：为了避免阳光背景干扰，针对XeF(C-A)蓝绿激光水下应用需求开展了激光线宽压缩实验以提高信噪比。采用内置标准具的光栅谐振腔开展相关实验。利用光栅腔实现亚纳米级的激光线宽输出，然后在此基础上，通过插入标准具进行更精细的激光线宽压缩实验。利用光栅腔，采用1 200线/mm光栅并提高光栅辐照面积可以实现0.14 nm的激光线宽输出。腔内插入反射率为50%的标准具，可以进一步将激光线宽压缩至39 pm，激光单脉冲能量约为65 mJ，脉冲宽度为1μs。实验结果表明：尽管XeF(C-A)蓝绿激光器的增益系数较低，但是通过优化光栅和标准具的工作参数，对谐振腔光学损耗进行合理的控制，激光器可以实现10 pm量级的激光线宽输出。
关键词：激光技术;XeF激光;低增益系数;线宽压缩

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发布时间：2020-07-05
液晶相控阵指向矢分布求解及其光束偏转
牛启凤,张广平,史红伟
2018, 26(12): 2894-2901. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2894

摘要：为了分析液晶相控阵空间光调制特性与驱动电压之间的关系，根据液晶连续体弹性形变理论，提出一种基于非线性最小二乘差分迭代求解液晶指向矢空间分布的方法。该方法利用液晶材料的电光特性，以阈值电压时的液晶指向矢分布作为初始值，通过非线性最小二乘法推导在驱动电场的作用下液晶指向矢的空间分布情况，以及稳定状态时液晶相位延迟与驱动电压之间的相位调制特性曲线。最终通过实验完成了理论验证，控制液晶相控阵的驱动电压，实现对远场光束指向的偏转控制。利用驱动电压直接求解电位移矢量，为后续指向矢与电位移耦合迭代提供初始值，不仅减少了计算量，而且更加符合液晶分子在实际电场作用下的运动过程，减少了模型误差。结果表明：在系统的终止误差为1.0×10^-8时，不同电压下的迭代时间均值为0.33 s；在驱动电压为5 V的情况下，该算法与差分迭代相比，液晶分子倾斜角的角度误差精度提高了0.09 rad。
关键词：液晶相控阵;相位延迟;非线性最小二乘法;指向矢;光束偏转

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发布时间：2020-07-05
液压油路气液两相传质的光学测量
田昊
2018, 26(12): 2902-2908. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2902

摘要：为研究液压系统工作压力下管路中自由气体的气液传质过程，解决油液中气泡质量变化的光学测量问题，推导了高压油液环境下气泡直径测量的恒温及零温度梯度条件，设计了高压气液传质光学测量系统，并对该系统的气泡识别与跟踪的关键算法进行研究。根据毕渥数及牛顿冷却定律推导了测量气泡的极限尺寸，提出以气泡圆度为判定阈值的气泡图元识别算法。最后，利用相邻帧间气泡中心最小向量的方法实现对气泡圆心的跟踪。实验结果表明：该系统实现了14 MPa下气液传质的光学测量，气泡半径测量误差小于4%，提供了高压油气传质的试验手段，基本满足液压油路气液两相传质的光学测量要求。
关键词：光学测量;液体可压缩性;气液传质

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发布时间：2020-07-05
主动遥感探测海底可燃冰的正演研究
唐远河,王浩轩,刘青松,李存霞,于涛
2018, 26(12): 2909-2916. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2909

摘要：本文提出利用光学成像干涉技术主动遥感探测可燃冰的温度、压强、浓度物理量。通过光纤将海面上波长为1.65μm的激光传输到海底，激发海底可燃冰，将CH₄发射的1.65μm附近相距很近的10条谱线用光纤收集传回到海面上，经过成像干涉系统，在CCD相机上得到5条成像干涉条纹，选择两条相邻干涉条纹的灰度值，利用“转动谱线测温法”和洛伦兹线型即可获得海底可燃冰CH₄的温度、压强、浓度等参量。实验得出CH₄的正演成像干涉图，并得到CCD上的电子计数1.68×10⁵远远大于拟用CCD噪声400e，系统的最大信噪比为291，窄带干涉滤光片可在16°视场内区分CH₄的10条目标谱线，CH₄的温度和浓度探测精度分别为1 K和3%。研究表明，该成像干涉系统可用于遥感探测海底可燃冰。
关键词：光学遥感;可燃冰;温度;浓度;压强

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发布时间：2020-07-05
应用于微型成像的氮化镓超透镜设计
金鑫,王淼,周桃飞,曹冰
2018, 26(12): 2917-2922. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2917

摘要：为了实现可见光入射时亚波长尺度内的聚焦，设计了以氮化镓（GaN）纳米柱为基本晶胞的超透镜，该透镜能够改进传统成像系统的笨重低效，可应用于微型成像系统。超透镜表面由宽度渐变高度不变的GaN纳米柱阵列构成，分析GaN在亚波长尺度内对相位的调控能力和机理，并基于时域有限差分法模拟仿真了在蓝光波长为460 nm入射时透射场的高效率聚焦，对比超透镜尺寸为3.75μm×3.75 μm、6.75 μm×6.75 μm、8.75 μm×8.75 μm、10.75 μm×10.75 μm时超透镜的聚焦能力，得出聚焦后透射场焦点处的半峰全宽分别为1，0.8，0.5，0.3 μm，给出了强度分布、聚焦光斑等仿真模拟结果，发现实际焦距与设计值存在偏差，且随超透镜尺寸的变化而变化。文中所设计的超透镜能够在微米级别实现聚焦，有效降低了传统成像系统的复杂度。
关键词：超透镜;亚波长聚焦;GaN;时域有限差分仿真

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发布时间：2020-07-05

微纳技术与精密机械

空间飞行器弹道/轨道一体化快速设计
王洁刚,浦甲伦,李源,王铭泽
2018, 26(12): 2923-2929. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2923

摘要：为了提高空间飞行器的快速入轨能力，满足空间飞行器弹道/轨道设计工作的快速、精确、可靠要求，对空间飞行器弹道/轨道一体化快速设计方法进行了研究。首先，对空间飞行器进行动力学建模，分析弹道/轨道一体化设计需要满足的过程约束和终端约束，给出空间飞行器的飞行时序；为保证求解效率，针对传统的弹道设计数值求解算法进行了创新改进，综合应用改进牛顿迭代法、Broyden秩1方法和最速下降方法，保证算法在初值不准的条件下仍能快速收敛；最后，研究了一种新的内外多层次求解策略，同时将弹道段和轨道段分轮进行一体化设计，进一步提高了算法的可靠性。仿真结果表明，本文所研究的空间飞行器弹道/轨道一体化快速设计方法可在30 s内实现弹道/轨道设计，设计精度为0.5 m。该设计算法可靠、快速、精确，可应用于空间飞行器的快速入轨设计中。
关键词：弹道/轨道一体化设计;空间飞行器;数值方法;多层次迭代

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发布时间：2020-07-05
基于位置敏感探测器的六自由度精密位姿测量系统
高玉娥,刘伟,吕世猛,张永康,董文博
2018, 26(12): 2930-2939. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2930

摘要：位置敏感探测器（Position Sensitive Detector，PSD）是一种高精度的二维位移测量传感器，利用三片二维PSD的组合实现空间六自由度相对运动的位移和角度测量。测量系统主要包括三片PSD传感器（包括PSD光敏面和发光管）、低噪声的信号调理和AD采集电路，采用三片PSD正交布局方案，通过PSD光敏面的光点位置计算相对运动的位移和角度。设计了六自由度的PSD标定测试系统，用于PSD测量系统中心偏移和发光管安装误差的标定测试。测试结果表明，PSD测量系统的测量范围优于位移±10 mm、角度±2.5°，标定后PSD测量系统的噪声误差为位移0.1 mm、角度0.02°，测量系统的绝对位移误差小于0.5 mm、角度误差小于0.14°，满足系统0.5 mm和0.5°的指标要求。此外，对PSD传感器的环境适应性进行了评估。PSD测量系统具有量程宽、精度高、线性度好的优点，成功应用于天舟1号货运飞船微重力主动隔振装置的相对运动测量中。
关键词：位置敏感探测器;三维位移测量;运动测量;可靠性评估

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发布时间：2020-07-05
可展开固体反射面机构设计及运动学分析
王建东,郭宏伟,刘荣强,罗阿妮,刘贺平
2018, 26(12): 2940-2948. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2940

摘要：针对传统固体反射面机构主反射面型面精度和收拢率较低的问题，设计了一种可展开固体反射面机构。首先，提出4种固体反射面机构可展单元构型并对其机构自由度进行分析，对比分析构型方案优缺点确定构型方案4作为可展单元基础构型，并对其结构和展开原理进行详细设计。通过D-H坐标变换建立该机构可展单元的运动学模型，根据几何约束条件建立机构位置矢量方程，利用向量封闭投影法解出各回转角间的关系，结合MATLAB软件编程对机构的位置、速度和加速度进行分析。应用ADAMS软件建立机构仿真模型，验证了机构运动学分析的正确性。最后根据机构中回转角的限制条件和结构尺寸关系，分析回转角和结构尺寸对可展开固体反射面机构收拢率的影响，确定2.2 m可展开固体反射面机构的回转角和旋转角分别为78°和30°，中心圆盘半径、铰支座一孔纵向尺寸、切换连杆横向尺寸、纵向尺寸分别为245，8，40，18 mm，收拢率为0.326，从而为可展开固体反射面机构的设计提供参考。
关键词：固体反射面机构;可展单元;运动学分析;回转角;结构尺寸;收拢率

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发布时间：2020-07-05
神经网络非线性智能控制在光电跟踪系统中的应用
林贻翔
2018, 26(12): 2949-2955. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2949

摘要：针对伺服系统中非线性力矩干扰导致光束跟踪性能下降的问题，采用神经网络算法实现光电跟踪系统的非线性控制。分析了径向基函数神经网络监督控制算法应用于光电跟踪系统的优势，设计了光束跟踪实验，数据显示神经网络能够智能输出非线性控制量抑制摩擦力矩干扰，提高光束跟踪性能，对幅度3°、频率在1 Hz以内的光束扰动抑制比达到-28~-51 dB，比初始未优化的PID控制提高15 dB以上。实验结果表明，神经网络算法可以自动建立反馈量与控制量的非线性映射，适用于复杂系统的非线性控制。
关键词：光束跟踪;神经网络;非线性控制;智能控制

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发布时间：2020-07-05
空间相机透镜调焦机构的设计与测试
姜紫庆,贾建军
2018, 26(12): 2956-2962. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2956

摘要：高分辨率空间相机受发射段恶劣的力学环境以及空间复杂的温度环境影响，光学系统会产生微小的离焦量。为保证相机成像质量，本文设计了一种由蜗轮蜗杆与凸轮滑块机构组成的新型高精度调焦机构来修正离焦量。该设计通过蜗轮蜗杆实现第一级减速，并且使驱动器旋转轴与光轴正交，使机构更紧凑。通过凸轮滑块机构进一步进行减速，同时将旋转运动转化为直线运动，并通过直线导轨保证滑块的直线运动精度。该机构体积小、精度高，并且能实现断电自锁。机构运动副上溅射固体润滑涂层，防止发生真空冷焊。结合机构自身的特点，分析了机构调焦的分辨率与误差。对该机构开展了力学与热真空循环试验，试验前后对机构的精度指标进行了对比测试。试验与测试结果表明：该机构环境试验后性能参数正常，其调焦位移误差优于5.8 μm，线性度优于0.3%，偏摆角优于14″。在热光试验中通过调整焦面，成像质量有显著的提升。该调焦机构能够满足光学系统的精度与环境适应性要求。
关键词：空间相机;调焦机构;环境试验;误差分析;蜗轮蜗杆

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发布时间：2020-07-05
筒形件姿态的非接触无靶标自动综合测量及求解
张解语,仇原鹰,宁博,杨长祺,钟珂珂
2018, 26(12): 2963-2970. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2963

摘要：在筒形件自动化对接过程中，需对其姿态进行无靶标精密测量和调整。本文采用激光轮廓传感器对被测件进行扫描获得点云数据，推导得出点云数据的直线拟合公式，并进行了姿态拟合求解。基于蒙特卡洛数值模拟，对筒形件的轴线拟合法和母线拟合法进行比较，并根据两种方法各自的优缺点，提出采用轴线拟合法求解俯仰角、母线拟合法求解偏转角的综合测量求解方法，显著提高了姿态测量精度。此外，探讨了截取椭圆个数、每个椭圆上的轮廓点数与姿态求解精度之间的关系，为在满足测量精度的同时兼顾测量效率提供了参考依据。最后，利用原理样机和激光跟踪仪进行了测量实验。实验结果显示，轴线姿态角测量的绝对精度优于0.02°，标准差低于0.01°，由此证明了本文方法的有效性和准确性。
关键词：非接触测量;激光轮廓传感器;精密扫描测量

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发布时间：2020-07-05
精密转台S曲线轨迹规划及高精度控制
祁超,谢馨,陈凌宇,范世珣
2018, 26(12): 2971-2981. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2971

摘要：为提升精密转台的轨迹运动精度，本文从轨迹规划和运动控制两个方面对传统控制算法进行了改进。轨迹规划方面，推导了S曲线轨迹规划方程，并结合转台动力学约束条件给出了轨迹规划参数的取值方法，从而为运动控制算法提供了满足动力学要求的轨迹指令；运动控制方面，在传统双闭环反馈控制基础上增加了DOB扰动补偿和前馈补偿，以此改善转台的伺服性能，提升转台的运动精度。在详细说明了轨迹规划算法和运动控制算法的设计过程后，对两部分算法进行综合，给出了具体实现步骤，并以谐波转台和RV转台为实验对象进行了多组算法性能测试。实验结果表明：相比于传统控制方法，采用本文提出的方法能够使转台动态精度提升99.6%，稳态精度提升99.75%，从而证实了该算法对运动精度提升的有效性。
关键词：精密转台;运动精度;S曲线轨迹规划;动力学约束;扰动观测器;前馈补偿

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发布时间：2020-07-05
基于调整步长牛顿法的Stewart并联机构位置正解
强红宾,王力航,姜雪
2018, 26(12): 2982-2990. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2982

摘要：针对采用牛顿或拟牛顿迭代算法求解Stewart并联机构接近奇异位姿的位置正解时存在计算结果不收敛以及采用牛顿下山迭代算法求解时间较长的问题，提出了将调整步长牛顿法应用于并联机构位置正解。首先设计基于调整步长牛顿法的Stewart并联机构位置正解流程；然后，采用遗传算法以步长矩阵初值及等比参数为变量，以Stewart并联机构64种极限位姿正解所需迭代步数为目标，得到步长矩阵初值及等比参数最优值。通过数值算例，设置机构杆长绝对误差为0.01 mm，对64种极限位姿进行正解，牛顿法与拟牛顿法共6种位姿正解不收敛；牛顿下山法10种位姿正解时间大于2.0 ms；调整步长牛顿法正解时间均小于2.0 ms。调整步长牛顿法为Stewart并联机构位置正解的实时应用提供了理论指导。
关键词：位置正解;Stewart并联机构;调整步长牛顿法;步长矩阵

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发布时间：2020-07-05
用于纹理探测的磁致伸缩触觉传感器
王博文,王晓东,李云开,万丽丽,郑文栋,魏佳琪
2018, 26(12): 2991-2997. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2991

摘要：为了实现对不同物体表面微观结构的检测，并判断出不同物体的粗糙度和细密度，利用铁镓合金材料（Galfenol）的逆磁致伸缩效应设计并制作了一种高精度和高响应的纹理探测触觉传感器。基于欧拉-伯努利梁结构动力学理论、磁致伸缩材料线性本构方程和法拉第电磁感应定律建立了纹理表面微观结构与输出电压之间的关系。实验结果表明：在粗糙度大于6.5的范围内，传感器可以精确识别物体的粗糙度；在细密度大于6的范围内，提取谐波频率的方法对细密度的识别具有较高的灵敏度；在细密度小于6的范围内，提取功率谱重心的方法对细密度的识别具有较高的灵敏度。因此，利用传感器获得的信号，通过特征值提取可以表征物体的粗糙-光滑、稀疏-细密属性。
关键词：铁镓合金;磁致伸缩逆效应;纹理探测;粗糙度;细密度

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发布时间：2020-07-05
微铣金属表面微沟槽结构的粗糙度及形貌分析
张金峰,封超,马芸慧,唐微
2018, 26(12): 2998-3011. DOI: 10.3788/OPE.20182612.2998

摘要：为了提高和改善微沟槽表面质量，设计了高速微铣削实验，研究了微沟槽底面表面粗糙度和侧壁残留毛刺的变化规律。从理论角度引入了已加工表面的形成机理，建立了微观表面粗糙度理论模型，提出了刀具跳动对侧壁形貌变化影响的规律。利用三轴联动精密微细铣削机床加工微细直沟槽，并选取主轴转速、轴向切深、进给速度、刀具跳动量和材料组织结构为研究因素。采用多因素正交实验和极差分析法，对表面粗糙度值进行数值分析。铝合金，钢和钛合金三类微沟槽底面对应的最佳表面粗糙度值变化范围分别为1.073~1.481 μm，0.485~0.883 μm，0.235~0.267 μm；无刀具跳动钛合金微沟槽壁毛刺的最大高度为7.637 μm，而当刀具存在0.3 μm的径向综合跳动量时对应的微槽壁毛刺的最大高度为21.79 μm。铣削参数对表面粗糙度值的影响按从大到小依次为进给速度、主轴转速、轴向切深，且随着进给速度和轴向切深的增大，表面粗糙度值增大；随着主轴转速的增大，表面粗糙度值先减小后增大；在相同加工条件下，若微圆弧刀刃无磨损，微刀具的跳动量对微直沟槽侧壁表面质量有较大影响。同时，不同金属材料特性也是影响微沟槽表面质量的潜在因素。
关键词：表面粗糙度;铣削参量;切削厚度;刀具跳动

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发布时间：2020-07-05

信息科学

基于月球目标的FY-2G在轨调制传递函数评估
陈林,陈海龙,张鹏,胡秀清
2018, 26(12): 3012-3018. DOI: 10.3788/OPE.20182612.3012

摘要：调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）是客观评价遥感器光学系统在轨特性的主要指标之一。为了避免使用地面目标评估气象卫星在轨MTF时，大气传输对计算结果的影响，研究了使用月球目标来计算其在轨MTF的方法。选择由风云二号G星扫描辐射计（VISSR）获取的不受大气传输影响的月球目标遥感图像，作为刃边法的输入图像来计算VISSR的在轨MTF，并且根据探测器的不同探元，划分不同的子图像，分别计算其MTF特性。实验结果表明，使用月球目标得到的MTF结果为0.320 1，而地球目标由于有大气影响MTF结果仅为0.216 4，月球目标结果明显优于地球目标。且遥感器各探元结果一致性较好，在连续时间内由同一子图像计算的不同探元的MTF结果的标准差仅为0.013 31，表明使用该方法评估的MTF具有稳定性。
关键词：月球图像;遥感光学系统;调制传递函数;刃边法

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发布时间：2020-07-05
高灵敏度EMCCD导航相机的设计
何家维,何昕,魏仲慧,穆治亚,李方彪
2018, 26(12): 3019-3027. DOI: 10.3788/OPE.20182612.3019

摘要：导航相机是深空探测领域中关键的导航敏感部件，本文通过提高导航相机的灵敏度来提高导航相机的综合性能，特别是提高时间分辨率，解决高动态条件下的目标探测问题。首先，根据导航相机的工作模式和EMCCD的性能特点，分析了影响导航相机成像质量的多个因素，建立了目标信噪比理论分析模型；然后，在理论计算基础上，重点研究EMCCD导航相机的样机设计技术，说明了EMCCD高频高幅驱动、模拟前端设计、TEC真空制冷、时序控制与数据处理等关键技术的实现方法；最后，介绍了相关实验工作，并分析实验数据。实验结果表明：样机最大目标信噪比在倍增增益M=10时达到68.6 dB，在口径13 mm条件下，可在积分时间1 ms内实现对月球成像。基本满足深空探测导航相机高动态条件下短积分时间成像的要求。
关键词：深空探测;导航相机;电子倍增电荷耦合器件;高动态;小天体

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发布时间：2020-07-05
自适应窗口形状的中值滤波
邹永宁,姚功杰
2018, 26(12): 3028-3039. DOI: 10.3788/OPE.20182612.3028

摘要：中值滤波去除噪声的同时，难免出现含有线形图像的边缘轮廓信息跟随丢失的情况。为了达到滤除图像噪声最大化，有用信息损失最小化的目的，根据图像边缘特征选择或设计了适当大小和形状的窗口来进行中值滤波等操作。一方面，创新性地提出将Hough变换应用到车轮裂缝CT图像的滤波窗口形状的选择上，针对单一方向轮廓的图像，利用Hough变换检测出裂缝的方向，从而采用与裂缝形状相应的窗口对裂缝进行有针对性滤波，将该方法与传统方法进行了对比实验，并将60层滤波后切片图像堆栈得到了三维图像；另一方面，针对含有多个方向轮廓的图像，为了进一步改善滤波效果，提出根据像素梯度设计斜向滤波器，对多方向的线对进行滤波，数据显示经改进方法滤波后图像的峰值信噪比（PSNR）较传统的中值滤波提高了4~6，结构相似性（SSIM）提高了1%~2%左右，最后用683层荞麦切片CT图堆栈得到三维图像，对比滤波前后图像，可知该方法滤波效果良好。
关键词：中值滤波;窗口形状;有针对性滤波;霍夫变换;像素梯度

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发布时间：2020-07-05
基于改进深度卷积网络的铁路入侵行人分类算法
郭保青,王宁
2018, 26(12): 3040-3050. DOI: 10.3788/OPE.20182612.3040

摘要：异物侵入铁路限界严重影响行车安全，识别铁路限界内的人员侵入对保证铁路运营安全具有重要意义。由于既有铁路图像异物侵入检测系统只能检测报警图像，无法区分是人员侵入的正确报警还是光线干扰导致的误报警，为了降低上述误报警，本文建立了铁路异物侵限报警样本的训练集和测试集，提出了将改进的深度卷积网络提取的高层Alex特征和HOG特征相结合并用于深度卷积网络模型训练的分类算法。首先引入了改进的AlexNet深度卷积神经网络模型，提取了自动学习的Alex高层特征，然后将其与HOG特征相结合形成Alex-HOG组合特征，最后利用组合特征对分类网络进行训练。铁路异物侵限报警测试样本库的实验表明，该方法对1 498张测试样本图像的识别准确率高达98.46%，时间为3.78 s，实时性和准确率均有较大提高，对降低系统误报率具有重大意义。
关键词：铁路异物分类识别;行人检测;深度卷积网络;HOG组合特征

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发布时间：2020-07-05
基于混合映射的高动态范围场景再现
李卫中,彭祺
2018, 26(12): 3051-3059. DOI: 10.3788/OPE.20182612.3051

摘要：高动态范围场景再现技术广泛应用于消费电子、虚拟现实、摄影以及计算机视觉等领域。针对目前大多数高动态范围场景再现方法很难有效兼顾场景的整体效果和局部细节的问题，本文提出了基于混合映射的高动态范围场景再现方法。首先将输入的高动态范围场景从RGB颜色空间转换到HSV颜色空间，得到原始图像的3个分量：色调、饱和度和亮度；然后利用对数方程将亮度分量转换到对数域，以便符合人类对场景亮度的感知机理，并利用具有sigmoidal函数特性的反正切函数自适应地压缩全局动态范围，以得到良好的整体效果；接着采用改进的SSR方法对全局压缩后的亮度图像进行局部映射，以增强图像亮区和暗区的细节信息；最后，对饱和度分量进行自适应调整，并将图像由HSV颜色空间转换到RGB颜色空间得到最终的映射图像。选取10组不同的高动态范围场景，从主观和客观两方面进行比较分析。实验结果表明：本文提出的方法既保持了良好的整体效果，又充分保留了图像的局部细节，使图像看起来更加生动自然；同时该方法计算速度快，具有很高的效率。本文算法优于其他5种典型的比较算法，在大多数高动态范围场景再现过程中取得了令人满意的效果。
关键词：高动态范围场景;混合映射;引导滤波;单尺度Retinex;HSV颜色空间

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发布时间：2020-07-05
结合成像几何特征的立体元图像阵列编码
赵岩,李丽,王世刚
2018, 26(12): 3060-3066. DOI: 10.3788/OPE.20182612.3060

摘要：为了解决集成成像系统中立体元图像阵列存储和传输的问题，本文提出了一种结合成像几何特征的立体元图像阵列编解码算法。首先，根据立体元图像阵列采集过程中的相关物理参数确定不同立体元图像中同名像点的偏移量，对立体元图像阵列中每行相邻立体元图像进行分组并确定编码顺序。然后，确定待编码立体元图像的预测图并计算待编码立体元图像与其预测图的残差。最后，对残差进行HEVC编码。实验结果表明，与传统的HEVC帧内预测编码算法，以及与将立体元图像阵列中的所有立体元图像组成一个视频序列进行HEVC编码的算法相比，在相同比特率的情况下，本算法解码图像的质量提高了10~25 dB，说明本文提出的算法具有更高效的编码性能。
关键词：立体元图像阵列;几何特征;同名像点;HEVC;编码

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发布时间：2020-07-05
采用PSR和客观相似性的高置信度跟踪
宋华军,于玮,王芮
2018, 26(12): 3067-3078. DOI: 10.3788/OPE.20182612.3067

摘要：针对相关滤波类跟踪算法难以解决的过度形变和目标被遮挡问题，提出了一种融合改进均方峰值旁瓣和客观相似性度量的高置信度跟踪算法-HCF。基于核相关滤波跟踪算法，结合传统相关运算的峰值旁瓣比与感知哈希算法客观度量所跟目标，对遮挡和形变等复杂情况进行高置信度判断，进而自适应的选择模型更新率，克服模型漂移问题；另外，利用尺度池算法解决跟踪中的尺度估计问题，进一步提高了算法的稳健性。通过OTB-2015数据集测试表明：提出的HCF算法能精准判别出由于遮挡形变等情况导致的无效跟踪，相比于当前主流的鲁棒性跟踪算法，具有更优秀的性能和表现。本文的创新工作为跟踪领域中的目标准确度判别问题提供了新的思路。
关键词：计算机视觉;目标跟踪;准确度判别;抗遮挡

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发布时间：2020-07-05
单圈绝对式电子经纬仪测角信号处理
袁鹏飞,黄大庆,雷仲魁,徐诚,张景
2018, 26(12): 3079-3086. DOI: 10.3788/OPE.20182612.3079

摘要：为实现快速、高精度角位移测量，提出了一种单圈绝对式电子经纬仪测角信号处理算法。只需刻画脉冲左右边沿在阈值附近各2个采样点就可以快速估计出脉冲宽度和脉冲中心坐标；对现有文献细分方法进行改进，给出了基于多组刻画脉冲中心求解高分辨力细分角的公式；并对算法时间复杂度和抗噪声性能分别进行了分析与仿真。实验结果表明，本方法在水平方向上测角误差标准差仅为2.5″，平均每秒钟可测角输出25次，具有实现简单、只需较少计算量就可以获得较高测量精度的优点。研究结果可以为单圈绝对式电子经纬仪、全站仪提供一种新的测角信号处理实用方法。
关键词：精密测量;单码道绝对编码器;信号处理;电子经纬仪

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发布时间：2020-07-05
基于稀疏编码空间金字塔匹配和GA-SVM的列车故障自动识别
孙国栋,周振,王俊豪,张杨,赵大兴
2018, 26(12): 3087-3098. DOI: 10.3788/OPE.20182612.3087

摘要：针对货车运行故障动态图像中车辆挡键、集尘器和安全链锁紧螺栓的故障检测，提出一种基于稀疏编码空间金字塔匹配和遗传算法优化的支持向量机相结合的通用故障自动识别算法。首先在不同尺度空间对样本图像进行划分，对每个部分提取尺度不变特征变换特征，利用随机抽取样本的SIFT特征通过迭代学习生成字典并进行稀疏编码；其次利用主成分分析定义编码后的特征对故障识别准确率的贡献值，并据此对编码特征进行降维；然后利用编码降维后的特征结合遗传算法对线性SVM分类器进行训练；最后用训练好的分类器模型对挡键、集尘器和安全链锁紧螺栓的故障进行识别。实验结果表明，本文提出的算法能较好的应用于3种不同类型的故障识别，识别率分别为97.25%、99.00%和97.50%，同时对噪声和光照变化具有一定的鲁棒性，能满足车辆故障的实际检测需求。
关键词：故障动态图像检测;稀疏编码;空间金字塔;尺度不变特征变换;遗传算法;支持向量机

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发布时间：2020-07-05
基于多尺度特征融合的遥感图像场景分类
杨州,王舒洋,马晨晖
2018, 26(12): 3099-3107. DOI: 10.3788/OPE.20182612.3099

摘要：为了解决遥感图像场景分类中因样本量小而分类精度不高的问题，提出了一种基于多尺度特征融合（MSFF）的分类方法。首先，对遥感图像进行尺度变换，得到同一遥感源图像的多个不同尺度图像。接着，将其分别输入深度卷积神经网络（DCNN）中进行卷积操作。然后，将各卷积层和全连接层提取出的不同尺度特征进行降维和编码/平均池化操作。最后，将各尺度特征进行编码融合并利用多核支持向量机（MKSVM）进行场景分类。在两个公开遥感图像数据集UCM Land-Use和NWPU-RESISC45中进行试验，分类精度最高分别达到98.91%和99.33%。本文方法能够利用不同尺度的图像特征，结合低、中、高层语义表示，使融合特征的可辨识性更高，同时使用多核支持向量机提高了深度网络学习的泛化能力，因此分类效果更好。
关键词：遥感图像;场景分类;深度卷积神经网络;特征融合;多核支持向量机

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发布时间：2020-07-05
厚截面碳纤维复合材料远表面微缺陷超声检测
滕国阳,周晓军,杨辰龙,曾祥
2018, 26(12): 3108-3117. DOI: 10.3788/OPE.20182612.3108

摘要：为了识别厚截面碳纤维复合材料（CFRP）远表面的微缺陷，使用递归分析方法对超声检测信号进行分析。首先在厚截面CFRP材料上打孔以模拟微缺陷，采用水浸超声脉冲反射法对不同大小的模拟缺陷进行检测。然后选取缺陷位置附近信号段，确定嵌入维数m、延迟时间τ、阈值ε等参数，对各信号段进行递归分析，得到递归图及递归定量分析结果。比较无缺陷信号和有缺陷信号的递归图，从宏观上定性确定微缺陷对超声信号的影响；比较无缺陷信号和有缺陷信号的递归定量分析结果，根据每个递归定量参数的物理意义，对缺陷产生的影响作出合理的解释。最后，使用不同中心频率探头进行实验，确定合适的探头参数。分析结果表明，使用7.5 MHz高分辨率超声探头时检测效果最好；当嵌入维数为7、延迟时间为2、阈值为2时，递归图中出现异常白色区域、递归点增多且对角线结构变长，同时所选取的递归定量参数随缺陷增大而上升，表明厚截面CFRP远表面超声信号可能存在混沌结构，而微缺陷的存在会改变原有信号结构。所研究内容为实际微缺陷的定量识别及分类打下基础。
关键词：厚截面复合材料;微缺陷;脉冲反射法;递归图;递归定量分析

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发布时间：2020-07-05

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