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最新刊期
2018 年 第 5 期
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349单元自适应光学波前处理器
摘要：为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求，本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统，该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500 Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器，报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果，实验中对模拟大气相干长度r0为6 cm，格林伍德频率为160 Hz的大气湍流实现有效校正，自适应光学系统闭环后，波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ（中心波长600 nm，后同）下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500 Hz的波前校正频率下有较高的成像质量，波前处理延时优于235 μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100 Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。关键词：自适应光学;波前处理器;地基大口径望远镜;变形镜- 119
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发布时间：2020-08-13 -
基于全场条纹反射的镜面物体三维面形测量综述
摘要：随着集成电路、汽车行业、先进制造和天文学的发展，条纹反射术被广泛应用于测量镜面物体的三维形貌。条纹反射术通过反射条纹图中的相位信息计算被测镜面物体的局部斜率或深度信息来恢复物体的三维形貌。为全面了解条纹反射术研究的最新进展，本文综述了条纹反射的基本原理、反射条纹产生的方式、相位的计算方法、系统参数的标定和斜率积分获得深度数据，同时介绍了不依赖积分过程的直接条纹反射术。通过具体的应用和实例，指出了条纹反射术的优缺点。最后，指出了条纹反射术未来的研究方向。该综述文章为深入研究镜面反射物体的三维面形测量提供了有益的参考。关键词：三维面形测量;条纹反射术;镜面物体;斜率积分- 154
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发布时间：2020-08-13 -
长波红外相机在轨扫描成像畸变消除控制策略
摘要：为消除长波红外相机在轨扫描成像的地面畸变，研究了变焦扫描成像畸变消除系统控制技术。针对变焦扫描控制的多电机位置同步要求，提出一种高精度多电机位置同步算法。依据设计的变焦扫描成像控制原理，设定每个扫描时刻点变倍组电机和补偿组电机的同步位置。变焦控制系统实现与扫描控制系统的同步计时，根据当前位置和下一时刻的同步位置，每隔0.01 s计算出电机的运行速度，实时对电机的速度进行控制。实验结果表明，变倍组和补偿组电机的位置同步偏差分别在±0.003 mm、±0.002 mm以内；沿轨方向地面分辨率的最大偏差不超过±0.047 m。长波红外相机在连续变焦扫描控制过程中成像清晰，达到消除畸变的效果，满足变焦扫描成像的要求。关键词：长波红外相机;变焦扫描;消畸变;多电机位置同步- 114
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发布时间：2020-08-13 -
高精度亚像素显示技术动态天体模拟器
摘要：为了解决常规姿态敏感器非在轨标定设备实测结果与设计精度存在偏差、且缺乏模拟目标天体特征功能的实际问题，本文提出一种利用多棱镜结合的LCOS光学拼接方式与亚像素显示技术相结合的高精度动态天体模拟器设计方法，实现对星点位置以及目标天体特征的精确模拟。详细论述了传统LCOS拼接形式两片光阀对比度低的原因，提出了基于两片PBS和两片半反半透镜的拼接架构改进方案；设计了小畸变、复消色差的高成像质量准直光学系统。重点阐述了亚像素显示技术的思想及方法，利用亚像素技术分别对动态星图和目标天体进行仿真并进行了实验测试。结果表明：模拟器的两片LCOS显示对比度相同，动态星图的星间角距误差小于±6"、星等模拟范围达到连续8个等级、星等模拟精度优于±0.3 mV；可以提供目标天体特征模拟图片。高精度亚像素显示技术动态天体模拟器消除了LCOS显示对比度差异，达到了姿态敏感器识别特征点的准确性要求，基本可以满足敏感器非在轨精度标定与功能测试的要求。关键词：光学系统设计;天体模拟;LCOS拼接对比度;亚像素显示技术- 79
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发布时间：2020-08-13 -
刀口半影最小化的光刻机扫描狭缝研究
摘要：扫描狭缝是步进扫描光刻机中控制曝光剂量的重要单元，而扫描狭缝产生过大的刀口半影会影响曝光性能。首先，根据步进扫描光刻机照明原理，通过分析掩模面上光强分布与扫描狭缝刀口厚度及位置的相对关系，推导出掩模面上刀口半影宽度的计算公式，同时针对数值孔径NA为0.75的光刻机照明系统模型分别对非共面和共面扫描狭缝在掩模面上的刀口半影进行仿真分析；研制了一种四刀口共面的高精度扫描狭缝装置，不仅满足步进扫描光刻机的同步性能需求，并且有效减小了X向和Y向的刀口半影；最后对所研制的扫描狭缝动态性能以及掩模面上实际刀口半影进行了测试。结果表明，当最大扫描速度达到470 mm/s时，扫描刀口动态跟随误差始终在±30 μm以内，同时两个方向的刀口半影均不超过0.5 mm，满足90 nm分辨率步进扫描光刻机的需求。关键词：光学光刻;步进扫描;扫描狭缝;同步;刀口半影- 126
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发布时间：2020-08-13 -
立体成像眼底相机光学系统设计
摘要：为了实现从不同角度同时拍摄同一眼底视网膜区域的图像，使采用双目立体视觉法进行眼底三维重建成为可能，设计了一种免散瞳立体成像眼底相机光学系统。该光学系统由成像系统和照明系统两部分组成，在成像系统中，使用Gullstrand-Le Grand眼模型来模拟正常人眼，运用体视显微镜成像原理进行分光设计；在照明系统中，通过设置黑点板的方式消除网膜物镜产生的杂散光，并加入环形光阑以避免角膜反射光的产生。设计结果表明，本立体成像眼底相机光学系统截止频率在95 lp/mm处各视场的MTF值均大于0.2，成像系统畸变小于-3%，场曲值小于0.1 mm，色差矫正良好，并且具有较强的调焦能力，能对-10~+5 m-1的人眼清晰成像。关键词：光学设计;眼底相机;立体成像;眼模型- 82
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发布时间：2020-08-13 -
基于数字图像相关的光学引伸计应变测量精度研究
摘要：基于数字图像相关（DIC）方法的光学引伸计在应变测量领域有着广泛的应用。为了提高数字图像相关方法的测量精度，本文采用二维DIC与三维DIC的光学引伸计、基于双45°反射镜成像的二维光学引伸计以及电测法，对单轴拉伸试验中不锈钢试件的应变进行同时测量，比较分析了各个光学引伸计在测量轴向与横向应变方面的优劣以及误差产生的原因。实验结果表明：试件离面运动的存在大幅降低了普通二维光学引伸计的应变精度；基于双45°反射镜成像的二维光学引伸计可以有效消除离面刚体位移对测量结果的影响，其应变测量精度（尤其是横向应变精度）高于其他光学引伸计，且测量结果与电测法的测量结果高度吻合；三维DIC光学引伸计的横向应变精度明显不如轴向应变精度。关键词：数字图像相关;光学引伸计;双反射镜成像;应变测量精度;离面位移- 104
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发布时间：2020-08-13
现代应用光学
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高
Q 值微机电陀螺的快速起振控制摘要：针对高Q值微机电陀螺的快速起振问题，研究其驱动轴控制方法。分析了高Q值谐振器的振动相位随频率的变化率，阐明了锁相环方案启动时间长且对初始频率偏差敏感的原因。用平均法推导了自激振荡方案下起振初始阶段振幅随时间的变化规律。提出了“自激-锁相”驱动轴控制方案，先采用自激振荡方式使陀螺快速起振，再转为锁相环方式使振动频率精确稳定。经实验测试，采用锁相环方案，当初始频率偏差在±10 Hz以内，陀螺的启动时间为2 s；采用自激-锁相方案，只要初始频率偏差在±1 000 Hz以内，陀螺均可在0.3 s内达到频率误差小于0.01%，在0.4 s内达到振幅误差小于0.1%。“自激-锁相”方案大幅度缩短了陀螺的启动时间，而且对陀螺初始频率的设置偏差不敏感，对环境温度变化的适应性好，适用于微机电陀螺的批量生产。关键词：微机电陀螺;起振;锁相环;自激振荡- 118
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发布时间：2020-08-13 -
高Q值微机电陀螺的快速起振控制
摘要：针对高Q值微机电陀螺的快速起振问题，研究其驱动轴控制方法。分析了高Q值谐振器的振动相位随频率的变化率，阐明了锁相环方案启动时间长且对初始频率偏差敏感的原因。用平均法推导了自激振荡方案下起振初始阶段振幅随时间的变化规律。提出了“自激-锁相”驱动轴控制方案，先采用自激振荡方式使陀螺快速起振，再转为锁相环方式使振动频率精确稳定。经实验测试，采用锁相环方案，当初始频率偏差在±10 Hz以内，陀螺的启动时间为2 s；采用自激-锁相方案，只要初始频率偏差在±1 000 Hz以内，陀螺均可在0.3 s内达到频率误差小于0.01%，在0.4 s内达到振幅误差小于0.1%。“自激-锁相”方案大幅度缩短了陀螺的启动时间，而且对陀螺初始频率的设置偏差不敏感，对环境温度变化的适应性好，适用于微机电陀螺的批量生产。关键词：微机电陀螺;起振;锁相环;自激振荡- 52
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发布时间：2020-08-13 -
精密柔索传动技术研究现状及分析
摘要：精密柔索传动是一种通过主、从动轮之间有适当预紧的传动介质来实现的挠性摩擦传动方式，具有布局灵活、高精度、轻量化等特点，在多种灵巧性精密机电装置和伺服机构中得到了广泛的应用。本文归纳了柔索传动技术在精密指向机构、人机交互机器人、跑步机器人、灵巧手和微创手术末端器械等方面的应用进展；总结了亟待解决的基础理论和应用研究相关问题，主要包括传动机理研究、伺服系统的应用研究、针对典型应用需求的工程设计方法研究等；最后，对进一步发展精密柔索传动理论分析与工程设计技术提出了建议。关键词：精密柔索传动;应用进展;传动机理;应用技术;工程设计方法- 106
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发布时间：2020-08-13 -
阵列微沟槽的场域离散脉冲电解加工技术
摘要：针对难加工金属材料表面阵列非贯穿型微沟槽的高效高质量加工难题，提出一种场域离散脉冲电解加工方法，所加工沟槽具有表面质量好、尺寸微小、槽数多、沟槽前后非贯穿的特点。使用绝缘栅栏隔板作为活动掩模板对各微沟槽加工区进行离散，同时遮蔽非加工区，从而实现流场隔离和非加工区电场屏蔽等效果，有效提高沟槽的加工稳定性、精度和一致性。通过设计专用夹具，对影响加工精度的关键因素进行了单因素工艺实验研究，并利用Comsol Multiphysics软件对电解加工的流场和电场进行了仿真分析。仿真和试验结果显示：场域离散加工方法的流场和电场都比传统的掩膜电解加工、电解转印加工好。成功地在1 min内加工出9条宽538.76 μm，深25.78 μm，过切量为19.38 μm的阵列微沟槽，证实了该方法的有效性。采用短加工时间、低脉冲电压幅值、高脉冲频率、小脉冲占空比等工艺参数，有利于提高沟槽的加工精度。通过场域离散电解加工技术，可以实现对非贯穿型微沟槽的高效率、高质量、低成本加工。关键词：电解加工;难加工金属;阵列微沟槽;场域离散;栅栏隔板- 74
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发布时间：2020-08-13 -
面向超分辨光学成像的浸没微球透镜控制
摘要：微球透镜配合传统光学显微镜可以采集到衍射极限以下的超分辨光学图像，为了精确控制微球透镜在样品表面的位置，同时扩大超分辨成像范围，提出了一种控制微球透镜的方法，结合多轴微动平台实现微球透镜的精确定位与成像扫描操作。通过光学仿真分析了微球透镜超分辨成像效果，并对精密微动平台进行了运动学分析。为了提高超分辨成像效果，将微球透镜浸没于液体介质中，并对在液体中运动的微球透镜进行力学分析。通过实验，清晰分辨出130 nm（~λ/4）的蓝光光碟条纹间隙，证明了微球透镜具有超分辨成像能力，结果表明，微球透镜可以在传统光学显微镜的基础上进一步提高约3.52倍的放大倍数。通过控制微球透镜以5×10-6 m/s的速度在液体中按“S”型轨迹移动，实现了对一个视场内样品的超分辨成像，此控制方法可以精确控制微球透镜的运动，通过扫描的方式可以扩大微球透镜的观测范围，提高观测速度。关键词：超分辨成像;微操作;微球透镜- 128
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发布时间：2020-08-13 -
基于混合灵敏度的空间望远镜次镜调整机构鲁棒控制
摘要：次镜调整机构作为空间望远镜主动光学调整的核心组件，为实现在轨实时快速调整，其调整精度和动态性能均有比较严格的要求。机构常采用Stewart平台结构形式，基于逆运动学模型和关节空间PID控制相结合的方法，由于受到模型的非线性和不确定性、扰动及耦合的影响，难以取得较为满意的效果。为解决该问题，从机电动力学模型出发，将平台各支杆间耦合因素表征为外部干扰，建立了互相解耦的关节机电模型。依据模型辨识结果采用乘性不确定性描述模型摄动，依据模型误差界和性能指标要求设计混合灵敏度加权函数。针对虚轴极点问题，采用扩展H∞方法，将复杂动力学系统的控制器设计问题转化为堆叠S/T/KS混合灵敏度问题。在Matlab中求解得到鲁棒控制器，并在DSP中完成数字算法实现。仿真分析及试验结果表明，鲁棒控制器具有更好的鲁棒性、扰动抑制性能和动态特性，能够满足空间应用的可靠性需求。关键词：空间望远镜;Stewart平台;主动光学;鲁棒H∞控制;混合灵敏度- 95
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发布时间：2020-08-13 -
黏滑驱动式小型精密运动平台
摘要：为满足微纳操作系统对精密驱动技术的需求，本文提出了一种基于黏滑原理的小型精密运动平台。该平台将柔性铰链、惯性质量块以及弹性元件结合为独立的定子基座，并与压电叠堆、陶瓷球固连为定子，安装在平台基座底部，通过螺钉调节弹性元件端部垂直方向的位置，就可以改变定子与移动台间的预压力，进而获得最佳的驱动力。为研究黏滑驱动的运动机理，分析各参数对平台运动的影响，进行了力学建模；而摩擦力作为黏滑驱动的关键因素，为了能准确地表达黏滑驱动的摩擦机理，在力学建模中引入了LuGre摩擦模型，并利用Matlab/Simulink软件进行了仿真分析。设计加工的黏滑驱动平台的整体尺寸为40 mm×40 mm×18 mm，质量为32 g。试验表明：该平台最小可实现10 nm的运动步长，速度最高可达2.5 mm/s，行程为22 mm。关键词：黏滑驱动;压电叠堆;平台;精密运动;力学分析- 123
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发布时间：2020-08-13 -
无源MEMS压力开关的设计与制备
摘要：为了克服传统机械式和电子式压力开关的体积大、制作工艺复杂以及不易与后续电路集成等缺点，论文采用具有金属引线台阶覆盖能力的玻璃浆料封装技术进行了无源MEMS压力开关的设计和制备。设计的无源MEMS压力开关的整体结构方案主要包括硅盖板上的压力敏感膜、硅岛、上电极和微阻挡凸台以及玻璃基底上的玻璃浆料和下电极。通过仿真优化了压力敏感膜、硅岛和上下电极的关键尺寸。经过三次湿法腐蚀工艺流程制得了双阻挡凸台、硅岛和感压膜片。通过玻璃浆料热压工艺将硅盖片、玻璃基底和金属引线三者键合成一体，工艺结果显示双阻挡凸台的高度和感压膜片的厚度很好地控制在8 μm和50 μm，而且经测试，MEMS压力开关的阈值压力为125 kPa。关键词：MEMS压力开关;结构设计;湿法腐蚀;玻璃浆料封装- 72
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发布时间：2020-08-13 -
组合式压电驱动芯片水冷系统
摘要：为了提高压电驱动芯片水冷系统的适用性、可维护性以及冷却效率，本文提出一种组合式压电驱动芯片水冷系统。首先，测试和分析了芯片水冷系统中组合式泵单元在220 Vpp方波驱动下不同组合方式（串/并联）、泵工作数量以及相对位置时的输出性能，接着，基于组合式泵单元的试验结果进行芯片水冷系统的水冷效果研究。实验结果表明：串联组合双泵工作时，双泵位于串联组合首尾位置（AD）时性能较优，在30 Hz时获得最大输出压力（25 kPa）；串联组合四泵工作时，分别在35 Hz和55 Hz获得了最大压力（23.5 kPa）和最大流量（13.5 mL/min）；并联组合双泵工作时，双泵都位于组合首位（AC）时性能较差；并联组合四泵工作时，分别在50 Hz和60 Hz获得最大输出流量（22 mL/min）和最大输出压力（12.6 kPa）；通过串并联以及泵工作数量的切换获得了芯片水冷系统的冷却效果，不同的组合方式以及泵工作数量可以获得不同的冷却效果。获得了组合式压电驱动芯片水冷系统的驱动参数，为计算机芯片有效散热提供一条新途径。关键词：压电泵;水冷系统;计算机芯片- 80
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发布时间：2020-08-13 -
星载红外探测器组件寿命试验研究及系统设计
摘要：探测器是航天有效载荷中完成光电转换的核心部件，且一旦发射升空，几乎不可能对其进行维护、修理和更换。采用经过筛选的无寿命数据的商业红外探测器存在风险，热电制冷器（TEC）的使用寿命是探测器组件寿命的薄弱环节，其可靠性对探测器的正常使用具有重要影响。因此，对红外探测器组件的寿命试验研究至关重要。首先分析了某航天载荷红外探测器的工作模式及TEC的失效机理，制定了恒定应力结合定数截尾的加速寿命试验方案降低时间成本；然后，从硬件和软件的两个部分详细地阐述了红外探测器寿命试验系统的搭建，并展示了设备实物图和红外探测器温度循环效果图；最后，运行寿命试验系统，试验时间累积约170 d，红外探测器温度循环累积约30 000次。试验结果指出：两种型号星载红外探测器经过寿命试验后G12180相对光谱响应率最大变化1.45%，G12183相对光谱响应率最大变化4.44%，G12180组件热电制冷器制冷驱动电流最大增加了4.30%，G12183组件热电制冷器制冷驱动电流最大增加了7.50%，探测器组件的使用寿命和性能变化满足航天载荷需求。关键词：航天载荷;红外探测器;恒定应力;定数截尾;寿命试验;温度循环- 131
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发布时间：2020-08-13 -
X光光刻工艺微针阵列的制备、测试和仿真
摘要：为了提高透皮给药的效率，降低传统注射对人体的疼痛感，需要制备微针阵列结构。本文介绍了一种新的微针阵列结构的制造技术。利用日本立命馆大学的同步辐射光源AURORA进行两次X光移动光刻和一次固定X光光刻技术，在PMMA光刻胶上得到微针阵列。通过采用不同的掩膜版图形以及对不同位置的空心孔进行X光光刻，获得了不同规格的空心微针阵列，针对固定X光光刻时对准的问题，自行研制了X光光刻对准装置，实验结果证明，该装置能实现空心微针阵列的制备。并且进行了微针刺穿测试，结果证明微针有足够的强度。为了达到低成本批量复制微针阵列的目的，还进行了微针模具的倒模和复制实验，成功得到金属镍实心微针阵列。最后，针对光刻过程中微针阵列结构的侧面形状发生畸变的情况，对移动X光光刻建立了仿真预测，将仿真预测结果与实验结果进行了比较，结果表明显影深度的误差为5%。关键词：透皮给药;移动X光光刻;固定X光光刻;微针阵列- 94
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发布时间：2020-08-13
微纳技术与精密机械
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抗电磁干扰的心电信号监测系统
摘要：为了实现电磁干扰环境下的心电信号监测，提出了一种抗电磁干扰的心电信号监测系统。论文给出了输出光电流的计算公式，分析了半波电压及插入损耗对系统灵敏度的影响。利用铌酸锂电光晶体搭建实验系统，测试了5位健康志愿者的心电信号。应用提出的系统和电学心电信号采集系统分别测试了正常环境及电磁环境下志愿者的心电信号。测试结果表明：在正常环境下，本系统能获得与电学心电信号采集系统同样清晰的心电信号波形；在电磁环境下，本系统获得的心电信号优于电学心电信号采集系统。最后定量计算了两者的信噪比，计算结果表明：在电磁干扰下，本系统的信噪比变化量为0.54 dB（V2）/0.49 dB（V4），而电学心电信号采集系统的信噪比变化量为24.07 dB（V2）/16.75 dB（V4）。关键词：马赫曾德干涉;铌酸锂电光晶体;可穿戴医疗设备;心电信号监测;电磁环境- 90
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发布时间：2020-08-13 -
基于光子计数激光雷达的时域去噪
摘要：激光雷达传统的成像方法需要经过长时间积分探测生成光子计数统计直方图的方式来减少背景噪声的影响，获得目标场景的深度估计信息。为了快速准确地获取目标场景的3D图像，提出基于光子计数激光雷达的三维距离图像时域去噪算法。该算法不需要生成光子计数统计直方图，利用信号和噪声在时间轴上不同的分布特性，结合了泊松过程统计规律。此算法提高了信号的探测概率，能够在低信噪比的环境下将信号和噪声分离，获得目标场景准确的3D图像。实验结果表明在低信噪比的条件下，此算法获得深度图像的RMSE与传统基于最大似然估计成像方法相比成像精度至少提高了3倍。有利于激光雷达三维成像在高背景噪声环境下的使用，拓宽了激光雷达的应用范围。关键词：光子计数激光雷达;单光子探测器;三维成像;时域去噪- 126
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发布时间：2020-08-13 -
偏振探测系统的图像配准
摘要：分振幅式偏振探测成像系统的各分光路图像之间存在位置误差，率先完成各分光路图像之间的图像配准是进行偏振探测的前提条件。针对探测过程中，目标特征不明显、图像特征难以提取、各分光路图像间灰度变化较大的问题，提出适用于分振幅式偏振探测成像系统各分光路图像的相似性度量函数，并在此基础上，完成各分光路图像间的配准工作。首先，根据图像间的位置误差会造成偏振信息图像中出现信息异常区域的原理，研究了相似性度量函数的提取算法；接着，根据探测系统的各分光路的成像特点，确定图像间的几何变换参数；以遗传算法作为参数优化搜索算法，搜索得到最优的几何变换参数，完成整个图像配准算法的设计；最后，分别利用构造图像和实际采集图像，对配准算法进行了验证，并以图像间互信息值（MI）衡量图像配准的精度。实验结果表明：配准后的构造图像的MI为2.692 5，高于特征配准方法的实现精度；实际采集图像配准后的MI达1.849 3，同样高于特征配准方法的实现精度。基本满足偏振探测系统的图像配准需求。关键词：偏振探测成像系统;图像配准;偏振信息;相似性度量函数;互信息- 110
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亮通道先验Retinex对低照度图像的光照补偿
摘要：针对光照不足导致图像质量退化的问题，提出了亮通道先验的Retinex算法用来补偿图像的光照强度。该算法假设局部恒常的光照可以初步满足光照均匀并与场景相似，以亮通道运算对光照分量进行粗估计；通常解决局部处理带来的分块效应问题是采用引导滤波方法，但这会使补偿后的图像纹理模糊甚至丢失细节，为此设计了基于图像结构相似性的融合策略。最后使用Retinex理论模型对光照进行补偿。实验结果表明：所提算法简单高效，能够对图像阴影或夜间图像的低照度区域进行快速地光照补偿，在峰值信噪比（PNSR）上较传统算法提高了5 dB左右，在结构相似性（SSIM）上比传统算法提高了7%以上。算法在纯软件系统的PC机上处理640×360的彩色视频时能达到6~12 ms/帧，处理320×256的红外视频时达到4~10 ms/帧，可满足工程需要。关键词：Retinex;亮通道先验;光照补偿- 109
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采用非规则标识点过程的LiDAR点云数据目标提取
摘要：针对LiDAR点云数据目标投影几何的非规则性，提出非规则标识点过程的LiDAR点云数据目标提取方法。首先，在投影平面上定义随机点过程，利用其随机点定位该平面上的目标投影，对每一随机点生成一组节点集以建模该目标投影几何，作为目标标识；假设地物目标高程值服从独立同一高斯分布，从而得到LiDAR点云数据高程测度模型；在贝叶斯理论架构下建立目标几何提取模型，并结合可逆跳变马尔可夫链蒙特卡罗（Reversible Jump Markov Chain Monte Carlo，RJMCMC）算法模拟后验分布以及估计各参数；最后根据最大后验概率准则，求解最优目标提取模型。采用提出方法对LiDAR点云数据进行目标提取，根据实验结果可以看出，算法得到的检测精度均达到80%以上，最高精度为99.43%，得到了较好的检测结果。本文将传统的规则标识点过程拓展到非规则标识点过程，可以有效拟合任意形状目标几何。定性和定量的实验结果表明了该方法的可行性、有效性和准确性。关键词：标识点过程;LiDAR点云数据;贝叶斯定理;最大后验概率;可逆跳变马尔可夫链蒙特卡罗算法- 87
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基于三维卷积神经网络的低剂量CT肺结节检测
摘要：为提高早期肺癌筛查过程中肺结节的检出率，提出利用三维卷积神经网络进行低剂量CT肺结节检测。首先采用多方向形态学滤波算法对低剂量序列CT图像进行预处理；接着，利用改进三维区域生长与凸包算法相结合进行肺实质分割；然后提取三维候选结节，为了解决卷积神经网络对样本不平衡的敏感问题，对三维候选结节正样本进行旋转和光照处理；最后在不同的网络参数下，对ELCAP数据库中50个序列低剂量肺癌筛查数据进行4组实验。实验结果表明，通过对网络参数的不断优化，准确度、灵敏度、特异度以及ROC曲线的AUC值分别达到了84.6%、88.89%、80.32%及0.924 4。该方法能够正确地对低剂量CT肺结节进行检测，与文献所提出肺结节检测算法相比，准确度、灵敏度和特异度分别平均提高了5.37%、5.6%和10.42%，综合性能较强，可以为肺癌筛查提供有效的帮助。关键词：肺癌筛查;3D卷积神经网络;ELCAP;肺结节;平衡- 163
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发布时间：2020-08-13 -
回转形体点云的旋转轴线自动提取
摘要：固体火箭发动机推力线的测定是航天器精密安装领域的一项关键技术，也是回转形体旋转轴线提取的一种代表性应用。针对现有相关方法存在的结果不够客观、可靠性不高且适应性欠缺等问题，提出了一种基于表面法矢约束的回转形体点云旋转轴自动提取方法。首先，计算形体点云的表面法矢，通过设置最小二乘法矢计算标准差阈值剔除非可靠点集，用以对旋转轴计算结果进行质量保证；然后，选用可靠点作为种子点，依据种子点同纬点集法矢之间的特殊关系对此点集进行筛选，并对提取的同纬点集进行平面拟合和空间圆拟合，得到旋转轴初值；最后，根据点云表面法矢与旋转轴之间的位置关系列出最小二乘平差的目标函数，通过迭代平差求解初值的改正数，从而得到最终的旋转轴提取结果。通过实验测试，利用模拟数据和实测数据对方法的准确度和精密度进行验证。实验结果显示：有效采样间隔点云的旋转轴提取结果偏斜量达到0.01°以内，横移量达到0.02 mm以下，表明提出的方法正确，可以实现对回转形体点云旋转轴线的高可靠性自动提取。关键词：固体火箭发动机;推力线;旋转轴;点云;法矢- 106
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发布时间：2020-08-13 -
三维语义场景复原网络
摘要：从不完整的视觉信息中推断出物体的三维几何形状是机器视觉系统应当具备的重要能力，而识别出场景中物体的语义是机器视觉系统的核心。传统方法通常将二者分离实现，本文将场景复原与目标语义紧密结合，提出了一种三维语义场景复原网络模型，仅以单一深度图作为输入，实现对三维场景的语义分类和场景复原。首先，建立一种端到端的三维卷积神经网络，网络的输入是深度图，使用三维上下文模块来对相机视锥体内的区域进行学习，进而输出带有语义标签的三维体素；其次，建立了带有密集体积标签的合成三维场景数据集，用于训练本文的深度学习网络模型；最后通过实验表明，与现有的语义分类和场景复原方法相比，语义场景的复原接收区域增加了2.0%。结果表明：三维学习网络的复原性能良好，语义标注的准确率较高。关键词：机器视觉;场景复原;深度图;语义分类;卷积神经网络- 64
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发布时间：2020-08-13 -
结合引导滤波和卷积稀疏表示的红外与可见光图像融合
摘要：为了解决红外与可见光图像融合时信息容易相互干扰、影响融合质量的问题，将引导滤波、高斯低通滤波与非下采样方向滤波器组相结合，提出一种新的图像融合方法。利用引导滤波和高斯低通滤波，将源图像分解为低频近似部分、强边缘部分和高频细节部分，并将高频细节部分进行非下采样方向滤波，进一步得到高频方向细节部分；对低频近似部分应用基于局部区域能量的融合规则，对强边缘部分提出一种基于卷积稀疏表示的融合规则，对高频方向细节部分提出改进的脉冲耦合神经网络的融合规则，得到相应的融合部分，并通过逆变换得到最终的融合图像。对多组红外与可见光图像的实验结果表明，算法得到的融合结果的主观视觉效果和客观评价指标均优于传统的图像融合方法，其客观评价指标中的标准差、信息熵、互信息、平均梯度和空间频率相比融合效果较好的基于离散小波变换和稀疏表示的融合方法平均提高20.28%、2.24%、47.41%、5.34%、8.02%。关键词：图像融合;边缘保持滤波;引导滤波;非下采样方向滤波器组;脉冲耦合神经网络;拉普拉斯能量和- 113
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发布时间：2020-08-13 -
升余弦变增益微视觉图像自适应增强与应用
摘要：微视觉系统中同轴光源和光学衍射的存在，使CCD相机获取的图像具有灰度值偏低、光照不均匀、动态范围大、对比度差以及微细结构丢失或无法辨识的缺陷。为改善图像质量，本文提出一种升余弦变增益子带分解微视觉图像自适应增强方法。该算法首先基于图像特性利用自适应Log增益对原图像进行增强，提高微视觉图像中亮暗区细节特征与背景的对比度；接着使用自适应升余弦卷积进行快速照度估计；然后对各通道的输出图像采用自适应变增益子带分解算法获取独立光谱子带；最后进行亮度校正、图像融合与色彩恢复。将该算法用于微位移测量系统中可使测量结果的相对误差小于20%；用于处理光照不均的图像可有效降低同轴光源靠近中心区域的亮度；此外，扩展至普通图像的处理中可提高对比度，改善细节特征。3组实验结果的平均图像质量相对提高率为81.46%，71.18%和93.75%；平均耗时为3.86 s，0.24 s和1.27 s。关键词：微视觉;图像增强;光照不均;升余弦;变增益- 84
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发布时间：2020-08-13 -
基于改进SIFT特征提取的车标识别
摘要：为减少SIFT车标识别算法中检测极值点的冗余以及各种图像变化因素的不利影响，提出了基于边缘约束和全局结构化的改进SIFT算法。利用图像不变矩理论及图像边缘检测算法只对目标图像的边缘区域检测，剔除与车标识别区域无关的极值点；同时将特征点邻域划分为圆形并计算出同心圆内像素点最大曲率来构建全局SIFT组合特征向量，使SIFT描述子具有全局描述特性；并结合SVM模型作为车标图像特征向量的分类器进行特征分类、识别。仿真实验结果表明：改进的SIFT算法可以减少冗余极值点约25%~45%，提高了检测极值点的有效性；使车标平均识别率达到97%以上，改善了识别实时性。改进SIFT的车标识别方法与几种常用的图像特征提取算子相比较具有识别率高、识别速度快的优点。关键词：车标识别;尺度不变特征变换特征;边缘约束;极值点检测;支持向量机- 106
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发布时间：2020-08-13 -
基于多图像融合的MEMS显微三维形貌重构
摘要：针对微型机电系统（MEMS）的三维测量，显微镜或光学轮廓干涉仪等传统方法存在显微测量精度低、设备成本高等问题，且当结构含有较多断裂面时，解包裹算法效果欠佳。本文提出一种基于多图像融合的MEMS显微三维测量方法。不同于多角度显微三维测量方法，本研究首先利用单目显微镜，通过单一轴向移动获取一系列测量目标深度信息的单一角度图像，并利用去雾算法对图像进行预处理，实现了去噪和有效信息提取的目的；然后通过聚焦测度算法获取待测对象的深度信息；最后利用数据处理软件进行三维拟合。基于上述原理，本文以焦平面阵列（FPA）作为待测目标进行了测量实验。本文提出的三维测量方法和图像处理算法可获得更准确的FPA形貌，可清晰显示反射面与支腿部分及反射面上的释放孔，测得FPA的支腿长度为110.6μm，每个反射面的像元尺寸为120.8 μm×70.8 μm，与设计值基本吻合，解决了断裂面难以测量的问题，同时降低了微结构测量的难度和成本。单目显微镜单向移动的多图像融合测量技术对MEMS的三维形貌测量具有重要意义，去雾算法在图像融合与三维测量的图像处理也有很好的应用价值。关键词：微机电系统(MEMS);三维形貌测量;显微镜;聚焦测度;去雾算法- 113
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发布时间：2020-08-13
信息科学
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