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最新刊期

2018 年第 2 期

现代应用光学

差分吸收NO₂激光雷达波长漂移和能量波动对浓度反演的影响
刘秋武,陈亚峰,王杰,黄见
2018, 26(2): 253-260. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0253

摘要：为评估差分吸收二氧化氮激光雷达中激光器的稳定性对反演浓度的影响，以NO₂的吸收谱和激光雷达方程为基础，分析了波长漂移和能量波动对距离分辨差分吸收激光雷达浓度反演带来的相对误差。采用两台Nd：YAG激光器的354.7 nm波长分别泵浦两台染料激光器的方式，产生差分吸收探测所需的两个波长λ_on（448.10 nm）和λ_off（446.80 nm），搭建探测大气NO₂实验系统，并就波长漂移和能量波动对NO₂浓度反演影响进行了实验验证。实验结果表明：在没有稳频条件下，当λ_on和λ_off波长漂移≤ 0.005 nm时，引起的浓度相对误差为≤ 3%；能量波动对反演浓度没有影响，但能量降低减小探测距离，当能量下降≤ 5%时，探测距离≤ 100 m，实验结果与理论计算基本一致。最后，开展了大气NO₂浓度实验观测，获得实验期间水平及垂直高度0.5~3 km内NO₂浓度的分布廓线，系统稳定可靠。本方法为实用化NO₂差分吸收激光雷达的设计及应用提供了理论依据及技术支持。
关键词：激光雷达;差分吸收光谱;二氧化氮;波长漂移;能量波动

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发布时间：2020-07-05
空间电荷效应对时间展宽分幅变像管时空性能的影响
白雁力,姚荣彬,高海英,党选举,何国民
2018, 26(2): 261-267. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0261

摘要：X射线分幅相机是惯性约束聚变实验中的重要二维超快诊断设备，具有长漂移区结构的时间展宽分幅相机，在大幅度提升时间分辨性能的同时，会使空间电荷效应时空弥散变大。为探讨空间电荷效应的影响，以短磁聚焦分幅变像管为例，通过平均场模型和电子轨迹及成像分布研究空间电荷效应的时空弥散，并分析其对像管的影响。研究和分析结果表明，空间电荷效应引起的时间弥散与阴极电压、展宽脉冲斜率和漂移距离有关，空间弥散与成像系统和电子脉冲电流密度相关。当分幅变像管的时间分辨率提升至2 ps左右时，空间电荷效应的时间弥散相当于物理时间分辨，成为制约时间分辨性能进一步提升的主要因素，此时像管空间分辨性能降低8%左右。通过对像管空间电荷效应研究及其降低方法的探讨，为亚皮秒时间分辨分幅变像管的研制提供理论参考。
关键词：光电子学与激光技术;空间电荷效应;平均场模型;时间展宽分幅变像管;时间分辨性能;空间分辨性能

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发布时间：2020-07-05
微粗糙光学表面与多个镶嵌粒子差值散射场特性
葛城显,白靖,巩蕾
2018, 26(2): 268-275. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0268

摘要：本文基于时域有限差分算法，研究了微粗糙光学表面与多个镶嵌粒子的差值场光散射问题。将光学基片视为微粗糙光学表面，利用蒙特卡洛方法解决了光学表面存在粗糙度的问题，并将差值场散射理论加入到计算模型中，更好地分析了缺陷粒子的散射特性，将计算区域划分成上下两个半空间，建立了微粗糙光学表面与镶嵌多体粒子复合散射模型，并与矩量法计算结果比较验证了理论的有效性。运用此模型分析了入射角、镶嵌粒子尺寸、粒子间距、粒子个数等物性特征对微粗糙光学表面与镶嵌多体粒子差值散射场的影响。实验结果表明：在一定激光入射角下，以相同回波探测角度间距20°对光学表面进行测量能够有效地检测出缺陷粒子。本文结果为光学无损检测、光学薄膜、微纳米结构的光学性能设计等提供了理论依据和技术支持。
关键词：差值散射场;多镶嵌粒子;半空间时域有限差分法;微粗糙光学表面

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发布时间：2020-07-05
微弱回波条件下差分合成孔径激光雷达成像实验演示
赵志龙,王海涛,李明磊,董涛,国辉,夏正欢
2018, 26(2): 276-283. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0276

摘要：本文针对差分合成孔径激光雷达（DSAL）未来应用场景具有回波信号微弱、平台与目标之间存在运动误差的特点，在微弱回波条件下进行了随机活塞运动目标的DSAL成像演示实验。采用波长为1 550 nm的激光源，搭建了DSAL成像系统，接收孔径间距为188 μm，目标距离为2.4 m。通过在发射端加入偏振片对发射功率进行衰减，并利用步进线性平移台给目标到雷达之间的光程引入随机活塞运动误差。在激光发射功率约为50 nW和20 nW的情况下，对光程变化在[-5 μm，5 μm]的随机活塞运动目标进行DSAL成像实验，此时合成孔径激光雷达（SAL）图像由于随机相位误差而完全散焦，DSAL图像则聚焦良好。实验结果表明，在微弱回波条件下，DSAL系统仍能较好地消除相位误差，实现稳定成像。
关键词：激光雷达;差分合成孔径;实验演示;微弱回波;随机活塞运动

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发布时间：2020-07-05
低相噪大面积平衡光电探测器
桂永雷,崔洪亮,宫占江,张鹏
2018, 26(2): 284-292. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0284

摘要：为了实现对光泵原子磁力仪系统中发散的快速调制光信号的精密相位检测，解决现有平衡光电探测器存在的接光面积小、增益小、带宽小及相位性能不理想等问题，本文采用基于结点差分电流的平衡差分探测方法，分析了平衡探测器抑制系统共模噪声的机理，通过优化元件和提高带宽设计出具有低相位噪声且单管接光面尺寸达到φ10 mm的大面积平衡光电探测器，并进一步利用双板隔离式的制作方法避免了热噪声干扰，实现了其低相位漂移的特性。实验结果表明，该探测器-3 dB带宽达到1.1 MHz，信号跨阻增益达到0.91 MΩ，在175 kHz调制光信号下的相位噪声峰峰值不超过0.002 3°，能够满足碱金属原子磁力仪系统光信号精密相位检测的要求。
关键词：平衡探测器;光泵磁力仪;相位检测;低相噪;相位漂移;大面积

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发布时间：2020-07-05
基于透射式非稳腔的单纵模TEA CO₂激光器
吴世松,张合勇,潘其坤,郭劲
2018, 26(2): 293-299. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0293

摘要：为了获得TEA CO₂激光器高质量的单纵模输出，对种子注入锁定的TEA CO₂激光器进行了研究。首先，本文提出了一种透射耦合输出的虚共焦非稳谐振腔方案，利用Glad软件的Prony法对腔模的演化进行了仿真分析，并实验记录了近场与远场的光斑光强分布。仿真结果与实验结果吻合，验证了此腔型方案的合理性。其次，在此腔型的基础上进行了腔外种子注入锁定实验，实验结果显示：自由振荡时存在频率为195 MHz的拍信号，当种子注入锁定成功后，输出激光拍频消失，波形变光滑，峰值功率降低48.6%，脉冲产生时间缩短20 ns。实验结果与已有成果吻合，验证了此种透射式非稳腔的TEA CO₂激光器具有输出高质量单纵模的能力。
关键词：TEA CO₂激光器;非稳谐振腔;注入锁定;单纵模

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发布时间：2020-07-05
角度位置自动识别的红外折射率测量
刘永兴,张培晴,吴越豪,胡向平
2018, 26(2): 300-306. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0300

摘要：为准确快速获得块体硫系玻璃红外波段的折射率，搭建了基于类准直测量法的折射率测量系统。该系统采用液氮制冷的碲镉汞探测器和特殊的光路实现了光强信息的高分辨采集，使用高分辨数据采集卡将角度信息数字化，利用精密步进电机传动控制系统实现了光强信号与位置信号的同步记录。开发的测量软件可自动判别光强峰位信息，自动计算获得待测样品的折射率。对比测试Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅、Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀、As₂S₃和As₂Se₃商用硫系玻璃在3.39 μm和4.8 μm处的折射率。实验结果表明，该装置系统测量折射率的标准偏差为10^-3，测量不确定度为0.002 9，可快速、准确测量块体材料红外波段的折射率。
关键词：红外光学材料;硫系玻璃;折射率测量;自准直法

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发布时间：2020-07-05
基于LED阵列光源的太阳模拟器
苏拾,张国玉,王凌云,郑茹,王逸文
2018, 26(2): 307-315. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0307

摘要：针对目前LED太阳模拟器辐照度低、光谱匹配性差等不足，提出一种由LED阵列光源，菲涅尔透镜、光学积分器、准直物镜组成的LED太阳模拟器。首先根据多光谱拟合理论，在400~1 100 nm优选15种不同波段的LED光源，计算出光源所需功率，实现太阳光谱的精确匹配。其次优化设计了菲涅尔透镜、光学积分器以及准直物镜，校正了太阳模拟器的像差，提高了太阳模拟器的能量利用效率以及辐照均匀性，并利用LightTools软件对所设计的光学系统进行仿真分析。最后搭建了光学系统实验装置，测试结果表明：100 mm×100 mm内的辐照度达到1 376.3 W/m²；拟合的太阳光谱匹配度达到AM1.5条件中的A级，辐照不均匀度为±1.73%，辐照不稳定度为±0.82%，综合性能指标达到太阳模拟器中的3A级水平。
关键词：太阳模拟器;LED阵列光源;光学系统;菲涅尔透镜;光学积分器

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发布时间：2020-07-05
双视场无盲点全景成像仪
王晓恒,薛庆生,韩官,张刘,于磊
2018, 26(2): 316-324. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0316

摘要：折返式全景成像技术作为一种新型的成像技术是光学设计领域近十几年的研究热点，但该技术有一个重大缺陷——在镜头的正前方存在观测盲区。本文设计了一种拥有双观测模式的新型全景成像仪。相比于传统的折返式全景成像仪，该仪器可以同时对前向视场360°×（0°~55°）和环形视场360°×（55°~95°）进行观测。其中，前向视场很好地补充了折返式光学系统的中央观测盲区，并增加了CCD探测器的面积利用率。该成像仪光学系统由前置透镜组、全景环形透镜和中继转像系统三部分组成。所有的透镜表面均为球面，具有易加工、低成本的特点。最后针对这种光学系统设计了对应的机械结构，从而为以后成像仪的加工、装调服务。该成像仪设计为折返式全景成像技术提供了一个新思路。
关键词：光学系统设计;双视场;无盲点;前向视场;环形视场;全景环形透镜;机械结构

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发布时间：2020-07-05
基于光纤传感技术的三维地应力传感器
仲志成,赵斌,林君,刘玉娟
2018, 26(2): 325-335. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0325

摘要：为了实现对地下岩层空间应力状态及其变化规律的有效监测，基于光纤光栅传感技术与平面应力状态测量原理，提出了一种平面应变花与光纤光栅传感技术相结合的监测方法。通过利用碳纤维层积复合材料对光纤光栅封装做成应变传感单元，九个应变传感单元分别组成两组直角应变花与一组等角应变花，三组应变花分别放置于三个圆柱形探头S₁，S₂，S₃上，三个探头以一定的机械结构连接构成地层空间应力的监测的三维地应力传感装置。对光纤应变传感单元进行温度与应力的标定实验，在室内对整体传感装置进行了应力加载模拟实验。实验结果表明：光纤应变传感单元的应力分辨率为0.017 2 MPa；应力监测为0~60 MPa；探头S₁最大主应力的监测平均误差为16.31%，探头S₂最大主应力的监测平均误差为24.36%，S₃探头的绝对误差为0.006 8 MPa；实际加载应力与传感器测量的应力空间角度误差平均值为1.24°。传感器的监测结果与实际加载应力的变化规律相一致，可满足对地下岩层空间应力状态连续监测的要求。
关键词：光纤传感;光纤光栅;地下岩层空间应力;碳纤维层积复合材料;应变花;应变传感单元

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发布时间：2020-07-05

微纳技术与精密机械

基于伞式导杆机构的变体头锥设计与仿真
果晓东,李君兰,陈炜铧,余良,祝玉兰,阎绍泽
2018, 26(2): 336-343. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0336

摘要：可变体头锥结构是改善空天飞行器气动性能的一种有效途径。为了实现空天飞行器对复杂环境的自适应性，本文基于伞式导杆机构设计了空天飞行器变体头锥结构，探讨了变体头锥的运动特性和运动平稳性。仿真分析了不同驱动方式下头锥变体过程中的运动学特性，得到了影响变体头锥工作性能和系统稳定性的主要因素。分析结果表明，所设计的变体头锥结构伸长量为1 499.6 mm，偏转量为500.7 mm，满足设计要求；与采用匀速运动模式相比，采用正弦运动规律驱动模式，基于伞式导杆机构的变体头锥具有较好的运动特性和运动平稳性。
关键词：空天飞行器;变体头锥结构;导杆机构;运动分析

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发布时间：2020-07-05
磁悬浮分子泵用Hartley涡流传感器
王坤,张利胜,陈少华,韩邦成
2018, 26(2): 344-354. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0344

摘要：工业领域的磁悬浮分子泵用位移传感器除了要具有良好的静态特性外，还应具有高动态响应特性，同时其体积大小还影响着磁悬浮分子泵的抽速、真空度和压缩比。针对高真空磁悬浮分子泵，提出了一种基于Hartley原理的电涡流位移传感器设计方法，将传感器对称探头接入同一振荡电路作为工作电感。对传感器的动态特性进行了分析，并提出了对其动态响应特性在不影响灵敏度和线性度等静态性能的情况下进行补偿的方法。实验结果表明，在-0.4~0.4 mm内，传感器的线性度为±1.17%，灵敏度为9.901 mV/μm，分辨率为0.25%，动态响应带宽达到了10.2 kHz，两径向四路位移信号测量集成电路板体积仅为π×4² cm²，大大减小了传感器体积，满足了磁悬浮分子泵面向更高抽速和更高真空度的发展需求。
关键词：磁悬浮分子泵;电涡流位移传感器;Hartley;体积;动态特性

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发布时间：2020-07-05
空间相机调焦机构自锁特性评价与试验
安源,杜一民,贾学志,李林,李季,柯善良
2018, 26(2): 355-362. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0355

摘要：空间相机调焦机构需具有一定的锁止能力，以应对火箭发射中的冲击与振动，因此，对机构的自锁特性进行评价是保证空间光学遥感器正常工作的关键。针对某型空间相机调焦机构，研究了螺纹接触面的滑移机理，建立了工程分析模型，详细分析了两种螺距（1 mm，1.5 mm）的螺纹的接触应力、切应力分布特征及其自锁性。结果表明：螺纹螺距为1 mm的调焦机构Mises应力值大于其自锁标定值，自锁失效；螺距为1.5 mm的调焦机构Mises应力值小于其自锁标定值，满足自锁要求。最后，对调焦机构进行了振动试验，结果显示：螺距为1 mm的调焦机构焦平面位移达2 753 μm，自锁失效；螺距为1.5 mm的调焦机构焦平面位移为6 μm，小于测量误差，机构自锁正常，验证了分析方法的可靠性。这种动力学环境下研究机构自锁性的新方法对工程应用具有重要的意义。
关键词：空间相机;调焦机构;自锁;螺纹;随机振动

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发布时间：2020-07-05
散斑运动模糊复原的直线电机动子位置检测
赵吉文,窦少昆,赵静,宋俊材,王辉
2018, 26(2): 363-370. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0363

摘要：图像测量技术具有非接触性、抗干扰性等优点被越来越多地应用到双次级永磁直线电机动子位置检测中。针对图像采集过程中所产生的图像模糊问题，提出了一种精确辨识运动模糊参数的方法，实现了直线电机动子位置的精确测量。采用数字散斑图像作为原始拍摄面，通过相机获得包含动子位置信息的序列运动模糊图像。利用奇异值分解对运动模糊图像进行去噪重构预处理，降低噪声对运动模糊参数辨识精度的影响。求取预处理后图像的倒谱图，通过主成分分析找到倒谱图二值化后亮线的主矢量方向即为模糊方向；同时作出倒谱三维图，利用其负峰值中两个最小值坐标求出模糊长度。根据计算的模糊参数值复原模糊散斑图像，再利用图像亚像素测量方法获得动子位置。实验结果表明：本文算法的计算耗时比Radon算法缩短了5倍多，不同位移下的平均绝对误差仅为0.084 7 mm，满足直线电机动子位置检测的实时性和高精度要求。
关键词：直线电机;位置检测;参数辨识;奇异值分解;主成分分析

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发布时间：2020-07-05
超薄硅衬底氮化铝Lamb波压电谐振器
李传宇,孔慧,唐玉国,张芷齐,郭振,张威,周连群
2018, 26(2): 371-379. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0371

摘要：针对Lamb波压电声波传感器高品质因数（Q值）、低检测极限（LOD）和易集成的性能要求，本文基于SOI（Silicon-on-insulator）硅片，通过底层硅（Handling layer）干法刻蚀和中间层（Boxing layer）自截止的方法实现2 μm超薄均一的硅衬底结构，然后沉积2 μm厚具备高C轴择优取向的氮化铝（AlN）压电薄膜。传感器薄膜区域外设置双端增强反射栅结构用于提高Q值，从而有效降低器件的检测极限，并通过微量水分测试验证性能。该谐振器零阶反对称模式（A₀）和零阶对称模式（S₀）的谐振状态的实测结果和COMSOL二维模型仿真结果一致，所制作的Lamb波谐振器A₀模式的主峰Q值为703，S₀模式的主峰Q值为403。微量水分测试S₀模式的检测极限优于A₀模式，最低检测极限值为0.06% RH。结果表明，氮化铝超薄硅衬底Lamb波压电谐振器能够实现微量水分等高精度检测。
关键词：压电谐振器;Lamb波薄膜;氮化铝;SOI硅片;品质因数;微量水分检测

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发布时间：2020-07-05
基于压电悬臂梁的驱动器与传感器性能分析的精确解析模型
刘骥,刘书田,高仁璟,仝立勇
2018, 26(2): 380-387. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0380

摘要：三层压电梁结构在电场作用下发生变形后会产生诱发电势，进而改变材料整体电势分布，本文考虑此变形和电势耦合效应，基于欧拉-伯努利梁变形理论，推导出能够准确预测压电智能悬臂梁传感器与驱动器性能的解析表达式。考虑压电梁结构弯曲变形后产生的电场影响，建立了三层压电梁结构的控制方程；建立了压电梁作为驱动器时端部输出位移、驱动力矩与输入电压之间联系的解析表达式，以及作为传感器时输出电压与端部作用力之间联系的解析表达式。通过与ANSYS有限元模拟结果以及传统的驱动器和传感器性能表达式的对比，验证了所推导的解析表达式的准确性。
关键词：压电梁;驱动器;传感器;解析解

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发布时间：2020-07-05
三相磨粒流抛光及其气泡溃灭分布特性
计时鸣,葛江勤,谭大鹏,曾晰
2018, 26(2): 388-398. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0388

摘要：针对软性磨粒流在加工硬脆性材料时效率低下的问题，本文提出一种气-液-固三相磨粒流加工方法。该方法通过在加工流场内注入微尺度气泡群，利用气泡溃灭释放的能量提升磨粒流加工能力。基于计算流体力学和群体平衡模型耦合计算方法，建立气-液-固三相磨粒流流体力学模型，数值模拟结果揭示了工件表面三相磨粒流形成高速湍流涡旋流场加工特性，得到了工件表面气泡溃灭的分布规律，并探明流体黏度与气泡溃灭之间的关系。图像粒子测速实验表明，通入微尺度气泡群后，平均速度从12.50~13.50 m/s提升至15.00~17.00 m/s，最高平均速度可达20.00 m/s以上。对比加工实验显示，经8 h加工后，粗糙度从0.50μm降低到0.05 μm。理论和实验研究结果说明借助微尺度气泡群的溃灭效应可有效提升软性磨粒流的加工效率和加工精度。
关键词：硬脆性材料加工;软性磨粒流;气-液-固三相磨粒流;气泡溃灭

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发布时间：2020-07-05
磁悬浮陀螺飞轮用隐式洛伦兹力磁轴承
刘强,赵勇,代峰燕,任元,王卫杰
2018, 26(2): 399-409. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0399

摘要：针对磁悬浮陀螺飞轮用显式洛伦兹力磁轴承气隙磁密均匀性差的问题，提出了一种磁钢内置的隐式洛伦兹力磁轴承，并采用三维有限元法对两种方案的气隙磁密进行比较分析。隐式方案的气隙磁密在周向和纵向的变化率分别为0.8%和8.4%，远优于显式方案的15.0%和23.7%。利用磁场分割法对隐式方案的磁阻进行了区域分割，采用积分法精确计算各区域磁阻，建立了磁轴承磁路数学模型，得到了影响偏转电流刚度的关键结构参数，并基于有限元法对隐式方案形状及结构参数进行详细优化。结果表明，在不恶化气隙磁密变化率的前提下，优化前后绕组区域的最大磁密和最小磁密分别从0.404 T和0.368 T增加至0.464 T和0.427 T，增幅为14.6%和16.0%。根据优化结果研制了一台隐式洛伦兹力磁轴承，并进行了气隙磁密和偏转电流刚度实验测试，测试结果与设计结果相符，对洛伦兹力磁轴承的设计具有重要意义。
关键词：磁悬浮陀螺飞轮;磁轴承;洛伦兹力;有限元分析;空间应用

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发布时间：2020-07-05
车载光电侦察平台视轴稳定技术研究
方宇超,李梦雪,盖竹秋
2018, 26(2): 410-417. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0410

摘要：为了进一步提高光电平台伺服控制系统的抗扰动能力，提出一种基于自抗扰控制器的改进型速度稳定回路。首先，分析了平台视轴稳定回路的数学模型并引入电流环对其进行了化简，通过伺服控制系统中扰动作用原理，引入扰动总和的思想。然后，设计含有降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器，对扰动总和实时观测并进行线性化前馈补偿。最后，以某型车载光电平台为控制对象，进行了PI控制器与自抗扰控制器的对比实验。实验结果表明，采用自抗扰控制器伺服控制系统相比PI控制法的阶跃响应速度更快，超调幅值仅为PI控制法的26.98%。使用摇摆台引入的频率为2.5 Hz的正弦扰动，系统稳态误差幅值仅为PI控制法的9.76%。在系统模型参数改变±15%范围内，自抗扰控制器仍具有良好的抗扰能力，表现出很强的鲁棒性，满足光电平台的性能要求，对提升平台抗扰能力有着较高的实用性。
关键词：光电平台;降阶扩张状态观测器;改进型速度环;前馈补偿;抗扰能力

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发布时间：2020-07-05
混沌振子识别轴承早期故障的极半径不变矩判据
李扬,林志斌,黄晓林
2018, 26(2): 418-425. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0418

摘要：现有的基于混沌振子检测轴承故障的方法的关键步骤是混沌振子相态转变判别，目前大多采用李雅普诺夫指数等特征值进行判断，针对其计算过程复杂，耗费时间长的缺点，基于图像识别技术，提出了一种以极半径不变矩参数作为相态转变的识别方法。通过构造Duffing混沌振子，分析了其相态转变与周期策动力的变化关系，证明其用于轴承早期故障识别的可行性；给出了极半径不变矩的定义，并证明在混沌振子相图由混沌运动态向大尺度周期态转变的过程中，随着周期摄动力不断增加，极半径不变矩表现出单调递增的特性；与HU氏不变矩及二维近似熵判别方法进行对比，讨论了极半径不变矩的抗噪声干扰能力；最终，将该方法用于实际搭建的钻机动力头轴承早期故障诊断的试验中。试验结果表明：极半径不变矩可以识别混沌振子相态过程转变，最低检测信噪比达到-36.99 dB，且识别准确率也较另外两种方法提高了4%~7%。证明该方法可以用于轴承早期故障识别，具有识别准确率高，抗噪声干扰能力强，计算简便的优点。
关键词：早期故障识别;混沌振子;极半径不变矩

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发布时间：2020-07-05

信息科学

利用区域增长技术的自适应高光谱图像分类
吴银花,高晓惠,周安安
2018, 26(2): 426-434. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0426

摘要：针对面向对象的高光谱分类方法中分割参数设置问题，提出了一种基于区域增长技术的自适应高光谱分类算法。首先提出了带约束的区域增长方法，利用已知训练样本的空间信息，提供有效约束，从而降低区域增长过程中区域标记的错误传播率，以提高分类性能；其次，提出了自适应阈值计算方法，通过分析已知训练样本光谱的分布规律，自适应地计算出合理的区域划分阈值，从而代替经验阈值，提高算法的鲁棒性；最后，采用K近邻算法（KNN），对划分后各区域中心进行分类。实验结果表明：对于不同图像，提出的算法计算出的自适应阈值均与其经验值相符合，且其分类效果优于其他算法，来自AVIRIS传感器的高光谱数据Indian Pines在10%的已知训练样本下总体分类精度达92.94%、kappa系数达0.919 5，来自ROSIS传感器的高光谱数据Pavia University在5%的已知训练样本下总体分类精度达95.78%、kappa系数达0.944 0。该算法不仅增强了算法的鲁棒性，同时有效提高了分类性能，在高光谱应用中具有较强的实用性。
关键词：高光谱;分类;面向对象;区域增长;自适应

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发布时间：2020-07-05
检校场标定长焦航测相机参数
王欢,周凌,张鑫,高思远,初诞旭,乔彦峰
2018, 26(2): 435-441. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0435

摘要：为实现长焦航测相机内参数及畸变参数标定，提出利用室外检校场对相机进行标定的方法。介绍了该方法由初值到精确值的两步法的求解步骤、计算过程及实验过程。首先通过给定已知特征点位置信息以及不同角度不同位置下拍摄的影像，通过特征点提取及匹配，根据像点坐标与世界坐标的线性对应关系，基于直接线性变换算法建立约束方程求取相机参数初值，进而通过混合LMQN（Levenberg-Marquardt与Qusai-Newton）迭代优化加速求解精确值。与精密测角法比无需精密设备的操作及记录，只需不同位置不同姿态拍摄多张包含精确位置信息的检校场影像即可。最后进行标定实验并对结果分析，基于检校场的标定方法在参数解算中特征点最大投影误差为2.471 pixel，标定参数主点精度为9.7 μm（< 2 pixel），主距精度为4.3μm（< 1 pixel），解算相机拍摄位置精度0.035 m，满足测绘应用的精度需求。
关键词：长焦航测相机标定;检校场;相机参数;混合LMQN算法

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发布时间：2020-07-05
基于测地线的躺卧三维颅面模型矫正
白方域,赵俊莉,陈郁葱,邓擎琼,段福庆,周明全
2018, 26(2): 442-449. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0442

摘要：三维颅面软组织因受重力影响在躺卧与直立两种姿态下的差异较大，为将躺卧姿态下获取的三维颅面模型矫正为直立姿态下的三维模型，本文提出了一种基于测地线的躺卧三维颅面模型的直立矫正方法。首先利用测地距离的内蕴几何不变性，建立两种姿态下面部特征点的点对应；然后，利用主成分分析建立颅面特征点运动模型；最后，对待矫正的躺卧颅面模型，根据颅面特征点运动模型确定特征点的运动，根据特征点的运动确定躺卧颅面模型到直立颅面模型的变形。所提方法将与直立姿态人脸模型间的平均误差从矫正前的10^-2数量级下降到矫正后的10^-4数量级。本文利用测地距离的内蕴几何不变性，解决了两种姿态下面部特征点对应的难题；所建立的颅面特征点运动模型，能够较好地表示颅面在两种姿态下发生的形变，从而能够实现有效地模型矫正。
关键词：颅面重构;测地线;模型矫正

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发布时间：2020-07-05
面向高光谱图像分类的空谱判别分析
侯榜焕,姚敏立,贾维敏,张峰干,王道平
2018, 26(2): 450-460. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0450

摘要：针对传统的基于特征提取的高光谱图像地物分类算法大多只考虑光谱信息而忽略空间信息的问题，提出了一种面向高光谱分类的半监督空谱全局与局部判别分析（S³GLDA）算法。该算法首先利用少量标记样本保存数据集的线性可分性和全局判别信息，再依靠较多的无标记的空间局部近邻像元来揭示局部判别信息和非线性局部流形，使高光谱遥感图像的光谱域全局判别结构和空间域局部判别结构在低维特征空间同时得以保留，并在输出特征中自动融入了空间信息，构成了半监督的空谱判别分析。在Indian Pines和PaviaU数据集的实验表明，总体分类精度分别达到76.24%和82.96%。与现有几种算法比较，该算法有效提高了输出特征在低维空间的判别能力，更好地揭示了数据集的内在非线性多模本质，有效提升了高光谱图像数据集的地物分类精度。
关键词：高光谱图像分类;特征提取;判别分析;空谱联合;半监督学习;空间近邻

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发布时间：2020-07-05
快速鲁棒的基础矩阵估计
颜坤,刘恩海,赵汝进,田宏,张壮
2018, 26(2): 461-470. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0461

摘要：针对基础矩阵估计过程中因受野值影响导致估计精度下降和稳定性不高等问题，本文提出了一种新的快速鲁棒的基础矩阵估计方法。该方法首先将野值去除融入到计算基础矩阵的过程中，而不再将它作为一个独立的处理步骤。通过迭代将潜在的错误对应点剔除，从而实现基础矩阵的稳定估计。然后，在每次迭代过程中，采用对极几何误差准则来识别野值，同时获得基础矩阵的估计结果。该迭代过程收敛较快，即使存在大量匹配野值的情况下，计算值也会很快趋于稳定。仿真和实际实验结果一致表明：所提出的算法在保证类似估计精度的同时还在计算效率方面有极大地提升，相比较快的M估计法有30%以上的速度提升，而相比于估计精度较优的MAPSAC算法甚至达到4倍以上。
关键词：计算机视觉;基础矩阵;对极几何;鲁棒性

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发布时间：2020-07-05
紫外遥感仪器高速CMOS成像电子学系统
张恒,马庆军,王淑荣
2018, 26(2): 471-479. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0471

摘要：基于长光辰芯公司的背照式CMOS探测器GSENSE400和Xilinx公司的Virtex-4 FPGA，设计了紫外遥感仪器高速CMOS成像电子学系统，包括探测器驱动电路、低噪声偏置电源电路及时序控制单元等。在接收高速图像数据时，针对传统的通道训练方法只考虑了线路上的随机性抖动而没有考虑固定性抖动的问题，提出了一种新的训练策略，增加了对采样数据正确性的判断，提高了对数据眼图有效窗口识别的准确度。为了克服在随后的图像数据传输过程中由于温度变化和电压漂移引起的采样点的再次偏移，提出了一种实时窗口监视算法，在不影响数据正常传输的情况下，利用监视通道实时监测采样点与有效窗口左右边界的距离，根据需要及时重新调整线路延时，使采样点始终位于比有效窗口更小的一个安全采样窗口内，由此保证了图像数据长时间接收的高可靠性。设计的高速CMOS成像电子学系统工作稳定，输出图像数据率最高可达2.4 Gb/s，读出噪声为1.72e^-，动态范围94 dB，满足载荷的任务需求。
关键词：紫外遥感仪器;CMOS成像电子学;驱动电路;数据眼图;实时窗口监视

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发布时间：2020-07-05
微偏振片阵列红外成像非均匀性产生机理及其校正
刘海峥,史泽林,冯斌
2018, 26(2): 480-491. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0480

摘要：集成微偏振片阵列红外成像系统的偏振度图像对非均匀性高度敏感，不经非均匀校正的偏振度图像存在较大误差。为了校正微偏振片阵列红外成像的非均匀性，以入射光Stokes矢量形式，建立了光电转换基本过程的偏振像素模型，基于入射激励和辐射响应数据，分析了微偏振阵列与红外焦面联合作用下非均匀性产生机理。提出一种基于多次辐射测量的矩阵形式的非均匀性校正方法，该方法通过构造多组测量方程，求解偏振像元的增益矢量，由相邻四像元增益矢量组成超级像元的增益矩阵，结合Stokes矢量提取矩阵，逆向求解重构点的校正矩阵。实验数据表明：该方法比两点法降低非均匀性约5%~20%，有效改善红外偏振度图像质量。
关键词：红外偏振成像;微偏振片阵列;非均匀性校正

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发布时间：2020-07-05
利用最佳伙伴相似性的改进空间正则化判别相关滤波目标跟踪
杨德东,毛宁,杨福才,李雪晴
2018, 26(2): 492-502. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0492

摘要：针对空间正则化判别相关滤波跟踪算法（SRDCF）在目标发生遮挡、尺度变化和形变情况下的跟踪失败问题，提出利用最佳伙伴相似性的改进SRDCF目标跟踪算法。首先，以SRDCF算法为基础，利用双层搜索策略解决目标跟踪中的目标定位问题和尺度估计问题；然后，利用一种新颖的鲁棒模板匹配技术，通过融合空间权重、相关滤波得分和最佳伙伴相似性得分来估计候选目标位置，解决遮挡情况下的目标重定位问题；最后，采用自适应模板更新策略解决遮挡情况下模板漂移问题。本文采用OTB-2013数据集评估本文算法的性能，同时与34种流行算法进行比较，结果表明本文算法的精确度得分和成功率得分分别为0.853和0.648，相比传统的SRDCF算法分别提高1.79%和3.51%。本文算法能很好地解决目标遮挡、尺度变化和形变情况下的目标跟踪问题，具有一定研究价值。
关键词：目标跟踪;最佳伙伴相似性;判别式相关滤波;空间正则化

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发布时间：2020-07-05
野外空间坐标测量中的任意姿态多目相机快速标定
王向军,张佳丽,刘峰,于潼
2018, 26(2): 503-510. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0503

摘要：针对野外复杂地形环境下，对于多个监测区域进行野外坐标测量的情况，提出一种利用双目立体视觉原理对相机3个姿态角及焦距同时进行现场校准的快速标定方法。该方法对传统的标定方法进行改进，可用于相机焦距、姿态未知的情况，对现场环境条件要求低，避免了传统标定方法中相机架设姿态受限的问题。首先通过选择合适的统一世界坐标系和坐标系旋转顺序，使标定得到的相机外参与相机姿态角对应。然后通过GPS测量得到两个标定点的世界坐标，将两个标定点的世界坐标和图像坐标代入成像模型，用最小二乘法解出相机的焦距和姿态角。在现场对其中一个监测区域进行实际测量验证，结果显示直径200 m的圆形监测区域内，相对误差优于0.38%。该方法工程应用性强，灵活度高，适用性广。
关键词：双目视觉;摄像机快速标定;任意姿态;大视场;坐标测量

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发布时间：2020-07-05
非局部均值噪声预测的独立成分分析降噪研究
孙京阳,喻春雨,董仕佳
2018, 26(2): 511-516. DOI: 10.3788/OPE.20182602.0511

摘要：为解决采用独立成分分析算法进行图像降噪需要多个观测信号的问题，提出一种对单张图像冗余信息进行稀疏以生成多个观测信号的方法。该方法首先采用字典压缩算法对原噪声图像稀疏；再采用非局部均值算法对压缩图像的冗余信息进行处理，将处理后的冗余信息生成初次降噪图像；将初次降噪图像和原噪声图像共同作为独立成分分析的多个观测信号。结合非局部均值算法可以避免仅使用字典压缩算法造成的过量稀疏，研究表明当高斯白噪声标准差σ在20~45范围时，本文提出的方法比字典稀疏压缩算法和非局部均值算法降噪效果更好，图像降噪后的峰值信噪比是降噪前的1.4倍。本文提出的方法在高斯白噪声标准差σ在20~45范围时，具有很好的降噪效果。
关键词：非局部均值;盲源分离;噪声预测;降噪分析;K-SVD

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发布时间：2020-07-05

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