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最新刊期

2019 年第 2 期

现代应用光学

用于激光背光源电视的扫描分光与消散斑系统
宋少华
2019, 27(2): 271-278. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0271

摘要：针对单颗激光二极管光功率过高不能直接用于激光液晶电视光源阵列的限制，本文设计了将高功率激光束分为多束功率接近的子光束的扫描分光系统，从而为液晶电视提供激光背光。系统中激光器发出的准直光束经过扫描振镜进行二维扫描后，经凸透镜和柱面透镜会聚成一条细线型光束耦合进一维多模光纤阵列，从而达到分光的目的。此外，基于扫描振镜和多模光纤实现了系统散斑的抑制。实验结果显示，11根光纤的平均单根出射功率为674.13 μW，离散系数为16%，平均散斑对比度为0.162。使用激光作为背光源的激光液晶电视因其优秀的显示性能而具备强大的市场竞争力和广阔的市场前景。
关键词：液晶电视;激光电视;扫描振镜;背光;分光;散斑抑制

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发布时间：2020-08-13
偏振调制测距系统频率漂移误差及其补偿
高书苑,黎尧,纪荣祎,石俊凯,胡哲文
2019, 27(2): 279-286. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0279

摘要：偏振调制测距方法中，频率测量的稳定性是影响测距精度的关键因素。为提高偏振调制测距系统中频率测量精度，提出一种双向扫频频率测量方法。分析了偏振调制测距原理及测频精度与测距精度的关系，探讨了频率漂移量的影响因素和频率漂移规律，证明调制深度和热致附加相位差是影响频率漂移的重要因素。利用正向扫频和反向扫频时频率漂移方向相反的特点，提出频率漂移误差补偿方法，可在低调制深度条件下补偿热致附加相位差引起的频率漂移。对距离为15.23 m的目标进行测量，频率测量标准差从3.822 9×10⁴ Hz减小到5.807 5×10³ Hz，测距误差从7.513 7 mm减小到0.866 7 mm，验证了该方法的有效性。
关键词：测量;绝对测距;漂移误差;误差补偿

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发布时间：2020-08-13
锥形光纤在空间光通信耦合系统中的应用
闫宝罗,李晓龙,张红伟,刘海锋,段少祥,刘波
2019, 27(2): 287-294. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0287

摘要：为了提高自由空间光通信的接收端耦合效率，将锥形光纤应用于光耦合，依据BPM算法的仿真结果使用熔融拉锥法制备了满足低损传输条件的锥形光纤。在实验上研究了锥形光纤和双锥形光纤模场传输特性。通过静态空间光-光纤耦合实验，对比了多/单模熔接光纤和锥形光纤光耦合效率和传输效率的差异，并研究了以上两种光纤结构耦合效率的横向偏移量容差。结果表明，锥形光纤的传输效率约为70%，具有低损传输特性、用于匹配后端单模光电子器件的良好滤波特性以及相比普通光纤更高的横向偏移量容差特性，因此可以广泛应用于自由空间光通信接收端光耦合、模式转换器等方面。
关键词：自由空间光通信;锥形光纤;模场分析;耦合效率;传输效率

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发布时间：2020-08-13
KDP\DKDP倍频晶体主截面定位方法
高波阴万宏李强姜昌录杨斌柴立群
2019, 27(2): 295-301. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0295

摘要：KDP/DKDP倍频晶体是惯性约束聚变系统中的关键元件，其主截面方向与晶体相位匹配角、晶体吸收系数紧密相关。为了实现KDP/DKDP倍频晶体主截面方向的高精度定位，本文提出一种光强测量间接定位方法。通过激光器结合稳功率仪及半波片输出稳定线偏振光，同时旋转相互正交的起偏器与检偏器可获得晶体的最佳消光位置即为主截面方向。推导了该测量系统光强的琼斯矩阵模型，给出了光强与起偏器、检偏器角度间的关系表达式。采用最小二乘方法拟合经过起偏器、倍频晶体及检偏器的光强变化曲线，从而可精确定位倍频晶体主截面的方向。通过计算机仿真模拟和实验验证了该方法的正确性和可行性。实验表明，该方法定位的重复测量精度优于0.02°，满足惯性约束聚变系统中KDP/DKDP倍频晶体主截面的定位控制精度要求。
关键词：倍频晶体;主截面;琼斯矩阵;最小二乘拟合

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发布时间：2020-08-13
KDP/DKDP倍频晶体主截面定位方法
高波,阴万宏,李强,姜昌录,杨斌,柴立群
2019, 27(2): 295-301. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0295

摘要：KDP/DKDP倍频晶体是惯性约束聚变系统中的关键元件，其主截面方向与晶体相位匹配角、晶体吸收系数紧密相关。为了实现KDP/DKDP倍频晶体主截面方向的高精度定位，本文提出一种光强测量间接定位方法。通过激光器结合稳功率仪及半波片输出稳定线偏振光，同时旋转相互正交的起偏器与检偏器可获得晶体的最佳消光位置即为主截面方向。推导了该测量系统光强的琼斯矩阵模型，给出了光强与起偏器、检偏器角度间的关系表达式。采用最小二乘方法拟合经过起偏器、倍频晶体及检偏器的光强变化曲线，从而可精确定位倍频晶体主截面的方向。通过计算机仿真模拟和实验验证了该方法的正确性和可行性。实验表明，该方法定位的重复测量精度优于0.02°，满足惯性约束聚变系统中KDP/DKDP倍频晶体主截面的定位控制精度要求。
关键词：倍频晶体;主截面;琼斯矩阵;最小二乘拟合

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发布时间：2020-08-13
聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光
杨正,靳志伟,陈建军,饶先花,尹韶云,吴鹏
2019, 27(2): 302-308. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0302

摘要：为进一步提高聚酰亚胺薄膜光学器件的表面质量，提出了一种聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光方法，对其抛光原理和抛光实验进行了研究。利用光刻胶流体的低表面张力及流动特性，通过在聚酰亚胺薄膜表面涂覆光刻胶对其表面缺陷进行填补；结合聚酰亚胺与光刻胶的反应离子高各向异性等比刻蚀工艺，将光刻胶光滑平整表面高保真刻蚀转移至聚酰亚胺表面，从而实现聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光。实验结果表明：PV、RMS分别为1.347 μm和340 nm的粗糙表面，通过二次抛光其粗糙度可降低至75 nm和13 nm；PV、RMS分别为61 nm和8 nm的表面，其粗糙度可降低至9 nm和1 nm。该抛光方法能有效提高聚酰亚胺薄膜的表面光洁度，可为以聚酰亚胺薄膜为代表的高分子柔性光学器件的精密加工提供新的工艺思路。
关键词：抛光;聚酰亚胺;光刻胶;反应离子刻蚀

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发布时间：2020-08-13
聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光方法
杨正,靳志伟,陈建军,饶先花,尹韶云,吴鹏
2019, 27(2): 303-308. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0302

摘要：为进一步提高聚酰亚胺薄膜光学器件的表面质量，提出了一种聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光方法，对其抛光原理和抛光实验进行了研究。利用光刻胶流体低表面张力及流动特性，通过在聚酰亚胺薄膜表面涂覆光刻胶对其表面缺陷进行填补；结合聚酰亚胺与光刻胶的反应离子高各向异性等比刻蚀工艺，将光刻胶光滑平整表面高保真刻蚀转移至聚酰亚胺表面，从而实现聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光。实验结果表明：PV、RMS分别为1.347μm和340nm的粗糙表面通过二次抛光可降低至75nm和13nm，PV、RMS分别为61nm和8nm的表面粗糙度可降低至9nm和1nm。该抛光方法能有效提高聚酰亚胺薄膜的表面光洁度，可为以聚酰亚胺薄膜为代表的高分子柔性光学器件的精密加工提供新的工艺思路。
关键词：聚酰亚胺;抛光;光刻胶;反应离子刻蚀

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发布时间：2020-08-13
无人机航迹中电力线电晕紫外探测与定位
赵太飞,郭嘉文,李晗辰,袁麓
2019, 27(2): 309-315. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0309

摘要：在无人机电力线巡检中，为了能快速发现并定位绝缘子产生电晕放电现象的位置，对无人机航迹中的电力线电晕探测与定位方法进行了研究。分析了电晕放电功率检测模型，并得到放电源辐射出紫外光功率的公式。设计了具有高灵敏度的电晕探测设备，提出在无人机航迹中发现绝缘子缺陷的定位方法，通过两次不同角度对电力线铁塔探测，比较两次探测结果分析出缺陷绝缘子的位置。最后根据定位方法设计了对电火花和紫外LED探测实验。结果表明，该探测设备能准确探测出电火花产生的紫外光功率，受到紫外光在空气中损耗的影响，测量值随距离的增加而逐渐减小，且在不同距离情况下相对误差在11.5%之内。在紫外LED探测实验中，探测角度选择0°和15°时测量值较为准确。该方法在微弱电晕放电探测中准确有效，能够满足无人机在航迹中对电力线缺陷绝缘子的定位要求。
关键词：无人机航迹;紫外光;电晕探测;定位

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发布时间：2020-08-13
激光熔覆原位自生Ti-Al-Si复合涂层的微观组织和高温抗氧化性能
刘洪喜,赵艳爽,张晓伟,郝轩宏,张璐璐
2019, 27(2): 316-325. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0316

摘要：为提高钛合金的高温抗氧化性能，采用激光熔覆原位自生技术，在TC4钛合金表面自行设计并制备了原子百分比为Ti:Al:Si=41:41:18和Ti:Al:Si=35:35:30的两种涂层。通过XRD、OM、SEM表征了涂层的微观组织和物相组成；借助管式电阻炉测试了涂层和基体试样在800 ℃×24 h×5次循环氧化条件下的高温抗氧化性能；结合氧化增重和氧化动力学曲线分析了涂层的高温抗氧化机理。结果表明，涂层主要由Ti₅Si₃、Ti₇Al₅Si₁₂、Ti₃Al、TiAl和TiAl₃等物相组成。涂层中没有出现一般激光熔覆所产生的外延生长柱状晶组织，全部为细小等轴晶。在800 ℃×24 h×5次循环氧化条件下，TC4基材单位面积的氧化增重约为35.1 mg·cm^-2，涂层的约为2.8 mg·cm^-2和3.3 mg·cm^-2。两种涂层的高温抗氧化性能较钛合金基材分别提高了12.5倍和10.6倍。激光熔覆原位自生Ti-Al-Si复合涂层能明显改善TC4钛合金的高温抗氧化性能。涂层抗氧化性改善的机理，一方面是表面生成了连续致密的TiO₂、Al₂O₃、SiO₂氧化层，阻碍了氧扩散；另一方面是提高了氧化层的黏附性，使氧化层不易从涂层表面剥落，对涂层未氧化部分起到了很好的保护作用。
关键词：激光原位合成;钛合金;复合涂层;微观组织;高温抗氧化

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发布时间：2020-08-13
FY-3C卫星紫外臭氧总量探测仪的在轨替代定标
张卓,王维和,王后茂
2019, 27(2): 326-333. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0326

摘要：风云三号气象卫星C星(FY-3C)搭载的紫外臭氧总量探测仪因太阳辐照度观测值异常而无法进行常规在轨星上定标，导致臭氧总量产品无法正常生成。在研究了风云三号气象卫星B星(FY-3B)TOU辐照度观测数据的特点以及仪器衰减规律后，结合FY-3C/TOU辐照度和辐亮度实测数据，探索了基于晴空海洋像元观测值计算仪器的衰减系数法。本文选取受陆地气溶胶影响较小的热带太平洋海区，用矢量辐射传输模式模拟云量较小的像元对应的晴空辐亮度，比较观测值与模拟计算值，通过统计筛选晴空像元，估算FY-3C/TOU探测器随时间的衰减系数。在确定仪器衰减系数后对FY-3C/TOU历史数据进行处理，反演获得了全球臭氧总量并与WMO/WOUDC地基观测数据进行对比。结果表明，基于晴空辐亮度估算的仪器衰减系数进行的臭氧总量反演的均方根误差在5%以内。在星载紫外探测器星上辐射定标失败的时候，可以利用晴空海洋像元确定仪器的定标系数。
关键词：在轨定标;紫外遥感;臭氧总量;风云三号;紫外臭氧总量探测仪;真实性检验

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发布时间：2020-08-13

微纳技术与精密机械

静电驱动MOEMS保险机构的设计与试验
刘加凯
2019, 27(2): 334-340. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0334

摘要：为了提高引信状态控制的安全性，增强其抵抗引信内、外强电磁干扰的能力，提出了一种应用于微小型引信安全系统的硅基微光机电保险机构。该机构采用光纤作为过程能量传输的载体，通过静电驱动方式实现对光纤光路错位与对准的控制，达到引信安全与解除保险的目的。设计了MOEMS保险机构的总体结构和耦合光路，并对它进行SOI+DRIE工艺设计和加工。通过开展静电微驱动器性能测试试验和光路性能测试试验得出，静电微驱动器能够实现130 μm的大位移输出，MOEMS保险机构的解除保险时间和恢复保险时间分别为13 ms和5 ms，光能传输效率为46.1%。所设计的MOEMS保险机构能够满足功能要求，具备天然的抗电磁干扰能力，有效提高了引信的本征安全性。
关键词：微光机电系统;引信;保险机构;静电微驱动器;光路耦合

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发布时间：2020-08-13
基于平均功率平衡控制的磁悬浮分子泵电力失效补偿
李腾,毛琨,韩邦成
2019, 27(2): 341-351. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0341

摘要：高速磁悬浮涡轮分子泵因其高能量密度、微振动、无需润滑等优点被广泛应用于工业领域，但外部电源失效时，高速转子跌落后与保护轴承产生剧烈撞击和摩擦，将给系统带来致命损害。针对以上问题，提出一种基于平均功率平衡法的电力失效补偿控制方法。首先，设计电机能量回馈电路；其次，对Buck-Boost变换器进行数学建模，设计一种双环非线性控制器，其中电流内环使用滑模控制，电压外环使用平均功率平衡控制，并利用Lyapunov函数推导出系统的稳定性条件；最后，通过搭建磁悬浮分子泵PFCC实验平台，对所提出的方法进行实验验证。结果表明：本文所提出的方法具有快速响应和输出鲁棒性，磁悬浮转子由额定转速21 000 r/min降至3 900 r/min时跌落，电机的能量转化效率为96.6%，提高了磁轴承系统的安全性。
关键词：磁轴承;DC/DC;电机能量回馈;电力失效补偿控制

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发布时间：2020-08-13
基于平均功率平衡控制的磁悬浮分子泵电力失效补偿方法
王坤,李腾,毛琨,韩邦成
2019, 27(2): 342-351. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0341

摘要：高速磁悬浮涡轮分子泵（Turbo Molecular Pump, TMP）因其高能量密度、微振动、无需润滑等优点被广泛应用于工业领域，但外部电源失效时，高速转子跌落后与保护轴承产生剧烈撞击和摩擦，将给系统带来致命损害。针对以上问题，提出一种基于平均功率平衡法的电力失效补偿控制（Power Failure Compensation Control, PFCC）方法。首先，设计电机能量回馈电路；其次，对Buck-Boost变换器进行数学建模，设计一种双环非线性控制器，其中电流内环使用滑模控制，电压外环使用平均功率平衡控制（Average Power Balance Control, APBC），并利用Lyapunov函数推导出系统的稳定性条件；最后，通过搭建磁悬浮分子泵PFCC实验平台，对所提出的方法进行实验验证。结果表明：本文所提出的方法具有快速响应和输出鲁棒性，磁悬浮转子由额定转速21000 r/min降至3900 r/min时跌落，电机能量转化效率为96.6%，提高了磁轴承系统的安全性。
关键词：磁轴承;DC/DC;电机能量回馈;电力失效补偿控制

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发布时间：2020-08-13
自由飞行机器人气浮式模拟器设计
徐策,李大伟,贺帅,夏明一,赵智远
2019, 27(2): 352-362. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0352

摘要：为了搭建在轨组装的地面模拟实验系统，设计了一种基于冷气推进、能够自由漂浮的三自由度自由飞行机器人模拟器，并对模拟器的结构设计、气路系统、动力学建模和控制系统进行了研究。采用模块化设计对主体结构进行不同功能的分区，并结合工作原理对模拟器的承载能力进行了分析和实验验证。然后，采用部分解耦的方式对喷嘴进行了布置，进一步设计了整个气路系统，并对影响喷嘴推力的因素进行了理论分析和实验验证。最后，采用牛顿-欧拉法建立了模拟器的动力学方程，联合Simulink和Adams，搭建了控制仿真模型并进行了运动仿真。实验结果显示，模拟器能够承载800 kg以上的重量，单方向上能够达到8 N的力，整体运行时间能够达到30 min。模拟器对参考输入有很好的跟踪效果，能够为超冗余模块化机械臂的地面实验提供可移动载体。
关键词：空间机器人;三自由度;模拟器;冷气推进;力分配;结构设计

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发布时间：2020-08-13
拼接子镜力矩促动器布局优化设计
宫雪非,陈迅,陈哲
2019, 27(2): 363-371. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0363

摘要：为了降低较为昂贵的镜面抛光和光机装配费用，以及应对温度、重力及其他意外因素导致的镜面低阶像差，一种在被动浮动支撑结构上施加力矩以实现面型实时校正的力矩促动器在部分望远镜上已有成熟应用。本文旨在针对我国未来的大口径地基光学望远镜，对其拼接子镜力矩促动器的分布进行优化与设计。首先根据工程经验和参考文献初步确定力矩促动器所需校正能力，通过三维建模软件对拼接子镜及镜室进行建模，最后通过有限元仿真和最小二乘法拟合对力矩促动器的布局进行优化设计。计算结果表明,采用18个力矩促动器的分布方案能够对离焦、像散、彗差、三叶像差进行良好的校正。对于具有数百面子镜的拼接望远镜来说，18个力矩促动器的方案在满足光学设计需求的同时，有效节约了建设经费并降低了工艺的复杂性。
关键词：拼接镜面;力矩促动器;有限元;折减系数;面形分析

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发布时间：2020-08-13
拼接子镜力矩促动器布局的优化设计
宫雪非,陈迅,陈哲
2019, 27(2): 363-371. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0363

摘要：为了降低较为昂贵的镜面抛光和光机装配费用，以及应对温度、重力及其他意外因素导致的镜面低阶像差，一种在被动浮动支撑结构上施加力矩以实现面形实时校正的力矩促动器在部分望远镜上已有成熟应用。本文旨在针对我国未来的大口径地基光学望远镜，对其拼接子镜力矩促动器的分布进行优化与设计。根据工程经验和参考文献初步确定力矩促动器所需的校正能力，通过三维建模软件对拼接子镜及镜室进行建模，最后通过有限元仿真和最小二乘法拟合对力矩促动器的布局进行优化设计。计算结果表明，采用18个力矩促动器的分布方案能够对离焦、像散、彗差和三叶像差进行良好的校正。对于具有数百面子镜的拼接望远镜来说，18个力矩促动器方案在满足光学设计需求的同时，有效节约了建设经费并降低了工艺的复杂性。
关键词：拼接镜面;力矩促动器;有限元;折减系数;面形分析

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发布时间：2020-08-13
基于控制变量参数化方法的自由漂浮空间机器人路径规划
张旭,曾祥鑫,郎博
2019, 27(2): 372-378. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0372

摘要：针对自由漂浮空间机器人传统路径规划方法对基座卫星扰动较大的问题，提出了一种基于控制变量参数化的路径规划方法。该方法将路径规划问题转化成以基座姿态扰动最小为目标函数并满足一系列约束条件的最优控制问题，并采用控制变量参数化方法进行离散化处理，将最优控制问题转化成求解非线性规划问题，并给出了完整的理论收敛性证明，从而准确地估计出自由漂浮空间机器人末端执行器的最优路径。仿真结果表明，与传统的分解加速度方法相比，该方法得到的运动路径所引起的基座卫星姿态扰动为0.104 rad，相比传统方法降低了17.53%，验证了所提路径规划方法的有效性与最优性。
关键词：自由漂浮空间机器人;姿态扰动;控制变量参数化;路径规划

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发布时间：2020-08-13
基于控制变量参数化方法的自由漂浮空间机器人路径规划研究
张旭,曾祥鑫郎博
2019, 27(2): 372-378. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0372

摘要：针对自由漂浮空间机器人传统路径规划方法对基座卫星扰动较大的问题，提出了一种基于控制变量参数化的路径规划方法。该方法将路径规划问题转化成以基座姿态扰动最小为目标函数并满足一系列约束条件的最优控制问题，并采用控制变量参数化方法进行离散化处理，将最优控制问题转化成求解非线性规划问题，并给出了完整的理论收敛性证明，从而准确地估计出自由漂浮空间机器人末端执行器的最优路径。仿真结果表明，与传统的分解加速度方法相比，该方法得到的运动路径所引起的基座卫星姿态扰动为0.104rad，相比传统方法降低了17.53%，验证了所提路径规划方法的有效性与最优性。
关键词：自由漂浮空间机器人;姿态扰动;控制变量参数化;路径规划

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发布时间：2020-08-13
航空复合材料的组合凸轮式Z-pin预植入机设计与实现
陈原,于福杰,胡铭铎宁淑荣
2019, 27(2): 379-392. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0379

摘要：目的：为解决当前Z-pin植入设备植入效率低、Z-pin易折断或打滑等问题，并推动Z-pin增强技术高效地应用于民用和国防事业，开发了基于组合凸轮的高效高精度Z-pin预植入机。方法：首先，根据航空矩形类复合材料层合构件的预植入工艺技术要求，分析了预植入机的功能需求，然后，提出了先“剪切”后“植入”组合凸轮式预植入机机构的运动方案。采用解析法设计了预植入机的凸轮机构，计算了凸轮机构的理论轮廓曲线。构建了含有间隙凸轮机构的弹性动力学模型，优化了组合凸轮的转速，并进行了组合凸轮的虚拟样机运动仿真。最后，设计制造了实验样机，并通过植入实验验证了组合凸轮设计的正确性和合理性，并根据实验中出现的问题优化了植入运动方案。结果：植入效率得到大幅提高，其效率能够达到294×294mm2/(99×33/192)min，较普通针对矩形类复合材料层合构件的Z-pin预植入机的植入效率提高约5.64倍。植入成功率控制在99%以上，包括植入间距、植入深度、纤维长度在内的植入精度均控制在±0.01mm以内。设计的机构操作方便，人机界面友好，长时间工作平稳，无Z-pin折断等问题出现。结论：满足当前对Z-pin植入设备植入效率、植入精度的要求，同时Z-pin不易折断或打滑。
关键词：Z-pin预植入机;组合凸轮机构;矩形类复合材料层合构件

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发布时间：2020-08-13
航空复合材料的组合凸轮式Z-pin预植入机的设计与实现
陈原,于福杰,胡铭铎,宁淑荣
2019, 27(2): 379-392. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0379

摘要：为解决当前Z-pin植入设备植入效率低、Z-pin易折断或打滑等问题，并推动Z-pin增强技术高效地应用于民用和国防事业，开发了基于组合凸轮的高效高精度Z-pin预植入机。首先，根据航空矩形类复合材料层合构件的预植入工艺技术要求，分析了预植入机的功能需求。其次，提出了先“剪切”后“植入”组合凸轮式预植入机的机构运动方案。采用解析法设计了预植入机的凸轮机构，计算了凸轮机构的理论轮廓曲线。然后，构建了含有间隙凸轮机构的弹性动力学模型，优化了组合凸轮的转速，进行了组合凸轮的虚拟样机运动仿真。最后，设计制造了实验样机，通过植入实验验证了组合凸轮设计的正确性和合理性，并根据实验中出现的问题优化了植入运动方案。实验结果表明，该方案使Z-pin植入效率得到大幅提高，以植入间距3 mm×3 mm为例，其效率能够达到5 080 mm²/min，植入成功率控制在99%以上，植入间距、植入深度和纤维长度等参数的精度均控制在±0.01 mm以内。预植入机操作方便，人机界面友好，长时间工作平稳，无Z-pin折断等问题出现，能满足当前对Z-pin植入设备植入效率、植入精度的要求。
关键词：Z-pin预植入机;组合凸轮机构;矩形类复合材料层合构件

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发布时间：2020-08-13
快速反射镜驱动形式对伺服带宽的影响
赵磊,王明歆,刘小强,柳秋兴
2019, 27(2): 393-401. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0393

摘要：为了提高大行程快速反射镜系统的伺服带宽, 提出一种直线驱动形式的快速反射镜。该快速反射镜以音圈电机作为驱动器, 利用滚珠花键约束驱动器工作方向, 将传统的弧线驱动转变为直线驱动。首先, 对直线驱动快速反射镜进行了结构设计, 重点分析了直线驱动单元的组成形式与特点；接着, 从约束条件分析驱动形式对系统伺服带宽的影响因素, 并推导两种驱动形式下, 快速反射镜在大行程运动时的动力学方程；最后, 利用有限元分析得出快速反射镜的机械谐振频率, 并通过实验测试对两种驱动形式下快速反射镜的伺服带宽进行了验证。结果表明, 在相同的实验条件下, 相较于传统弧线驱动形式, 直线驱动形式快速反射镜的机械谐振频率由121.8 Hz提高至229.9 Hz, 伺服带宽由40.3 Hz提高至75.1 Hz, 分别提高了88.8%、86.4%, 满足快速反射镜在大行程工作状态下的高带宽设计要求。
关键词：快速反射镜;直线驱动;滚珠花键;伺服带宽;机械谐振频率

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发布时间：2020-08-13
新型悬丝约束支撑微纳测头的变刚度特性分析
李保坤,刘向阳,杨洪涛,吴耀东
2019, 27(2): 402-409. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0402

摘要：针对传统微纳测量装置在测量过程中测头支撑机构刚度不可变化的问题，设计了一种基于悬丝约束支撑的变刚度微纳测头。利用压电装置驱动柔顺导向机构产生位移，以改变悬丝所受的轴向张紧力。基于应力刚化原理改变悬丝的横向刚度，进而改变测头支撑机构的整体刚度，以获得具有变刚度性能的新型微纳测头。根据测头支撑机构在测量过程中刚度的变化，分别建立刚性和柔性模式下微纳测头Z向和横向的刚度理论模型。根据有限元仿真和刚度理论模型，分别得到测头刚度随悬丝端面受力的变化曲线。对比测头刚度的仿真值和理论值，得到测头Z向和横向刚度的平均相对误差分别为2.41%和4.72%，结果表明理论模型具有较高的准确性。研究成果为该类型测头的变刚度控制奠定了前期理论基础。
关键词：变刚度;悬丝支撑;柔顺机构;应力刚化;刚度模型

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发布时间：2020-08-13
滑翔导弹末段多约束智能弹道规划
邵会兵,韦常柱
2019, 27(2): 410-420. DOI: 10.3788/OPE.20192702.410

摘要：滑翔导弹末段飞行时空复杂度高、不确定性强、约束多，给弹道规划与制导算法带来了较大的建模和求解难度。针对这一问题，同时增大末段机动范围并提高弹道规划效率，本文提出一种利用连续型深度置信神经网络(Convolutional Deep Brief Networks，CDBN)预测机动能力、设计经由点状态实现末段多约束智能弹道规划的方法。过程中采用CDBN对机动能力进行在线预测，快速判定经由点状态的可行性，并且通过经由点状态智能设计，实现前后段能量的优化分配，扩大弹道机动包络；通过设计三角函数型弹目视线角实现末段弹道摆动机动，推导机动弹道最优末制导律对视线角进行跟踪，并调节机动频率以满足速度约束。仿真结果表明，CDBN相对BP网络具有更高的机动能力预测精度；本文所提智能弹道规划方法在满足末端速度约束的前提下，可以实现弹道摆动机动并大幅增加飞行包络。弹道规划能够在0.5 s内完成，满足工程应用的快速性要求。
关键词：滑翔导弹;机动能力预测;连续型深度置信网络;机动弹道规划

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发布时间：2020-08-13

信息科学

加权Schatten范数低秩表示的高光谱图像恢复
张倩颖,谢晓振
2019, 27(2): 421-432. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0421

摘要：高光谱图像在获取过程中常受到多种噪声的干扰，如高斯噪声、脉冲噪声、条纹噪声等，为确保后续应用的顺利进行，提出了一种基于加权Schatten范数低秩表示的高光谱图像恢复方法。该方法引入低秩表示模型恢复高光谱数据，采用加权Schatten范数代替核函数，更精确地逼近秩函数；并选用初步无噪图像作为低秩表示的字典，进一步提高了模型对图像的恢复能力。另外，引入拉普拉斯正则项刻画数据内部的几何结构，能保持图像的细节。模拟和实际高光谱数据的实验结果表明，较多种相关的方法在视觉效果和量化指标值都有很大地改进。与经典的基于低秩先验的恢复方法相比，本文算法的平均峰值信噪比提高2.74 dB，平均结构相似性数值指标提高0.03，而平均光谱角降低1.40。新模型不仅能充分利用高光谱图像光谱维的低秩先验，而且保持了数据内部的几何结构，有利于恢复出高质量的清晰图像。
关键词：高光谱图像;图像恢复;低秩表示;Schatten范数;拉普拉斯

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发布时间：2020-08-13
利用平面约束的月球车立体匹配
李海超,李莹,顾征
2019, 27(2): 433-439. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0433

摘要：为了满足月球车视觉系统检测障碍物的时效性和可靠性需求，提出了一种基于平面约束和自适应惩罚参数的半全局立体匹配算法。首先，对极线校正后的两幅图像进行SIFT特征点提取与匹配，同时提取边缘特征；然后，利用匹配的SIFT特征点拟合空间平面，并根据平面估计左右图像所有像素点的视差搜索范围；最后，基于传统的半全局匹配算法，采用自适应惩罚参数对左右图像进行立体匹配。实验结果表明：所提出的算法有效地降低了计算复杂度，其计算复杂度只有传统方法的19.9%，对于视差不连续区域以及遮挡区域都能够获得正确的匹配结果。较传统半全局匹配方法无论在速度还是匹配精度上都得到明显提高，为立体匹配的实际应用奠定了基础。
关键词：月球车;立体匹配;平面拟合;半全局匹配;视差图

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发布时间：2020-08-13
利用平面约束的月球车立体匹配方法
李海超,李莹,顾征
2019, 27(2): 433-441. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0433

摘要：为了满足月球车视觉系统对检测障碍物检测的时效性和可靠性的需求，提出了一种基于平面约束和自适应惩罚参数的半全局立体匹配算法。首先，对极线校正后的两幅图像进行SIFT特征点提取与匹配，同时提取边缘特征；然后，利用匹配的SIFT特征点拟合空间平面，并根据平面估计左右图像所有像素点的视差搜索范围；最后，基于传统的半全局匹配算法，采用自适应惩罚参数的策略对左右图像进行立体匹配。实验结果表明：所提出的算法有效地降低了计算复杂度，其计算复杂度只有传统方法的19.9%，对于视差不连续区域以及遮挡区域都能够获得正确的匹配结果。较传统半全局匹配方法无论在速度还是匹配精度上都得到明显提高，为对立体匹配的实际应用奠定了基础。
关键词：月球车;立体匹配;平面拟合;半全局匹配;视差图

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发布时间：2020-08-13
平面标定靶标标记点的圆心提取
解则晓,王晓敏
2019, 27(2): 440-449. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0440

摘要：基于圆形标记点的平面靶标被广泛应用于摄像机标定与视觉测量中。针对该平面靶标，为得到圆形标记点在像面上的圆心投影，提高摄像机的标定精度，本文提出了一种基于对偶二次曲线几何特性的圆心提取算法。该算法的核心是平面内一个标记点A像面投影二次曲线对应的对偶矩阵C_A^*，相对于平面内另外一个标记点B的对偶矩阵C_B^*的一个广义特征向量，穿过这两个标记点的圆心投影。因此，在获取标记点亚像素级边缘点，拟合椭圆得到椭圆二次曲线方程后，通过任意两个标记点的对偶矩阵，均可得到一条穿过这两个圆心投影的向量。经过同一个圆心投影的多个向量叉乘标准化后的结果就是该标记点的圆心投影。为测试本文方法提取圆心像点的精度，本文在像面与靶标平面夹角40°的姿态下，对直径为90 mm的超大标记点提取圆心投影，圆心投影误差为0.1~1 pixel。并以此方法得到的圆心投影对手持式扫描仪进行摄像机标定，进而对已知坐标的平面靶标及3D工件上的标记点进行扫描，最大误差不超过0.2 mm。通过实验证明了本文提取的圆心投影比采用椭圆圆心的精度高，而且提高了摄像机的标定精度。
关键词：平面靶标;圆形标记点;对偶二次曲线;摄像机标定;圆心投影误差

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发布时间：2020-08-13
平面标定靶标标记点的圆心提取算法
解则晓,王晓敏
2019, 27(2): 440-449. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0440

摘要：基于圆形标记点的平面靶标被广泛应用于摄像机标定与视觉测量中。针对该平面靶标，为得到圆形标记点在像面上的圆心投影，提高摄像机的标定精度，本文提出了一种基于对偶二次曲线几何特性的圆心提取算法。该算法的核心是平面内一个标记点A像面投影二次曲线对应的对偶矩阵，相对于平面内另外一个标记点B的对偶矩阵的一个广义特征向量，穿过这两个标记点的圆心投影。因此，在获取标记点亚像素级边缘点，拟合椭圆得到椭圆二次曲线方程后，通过任意两个标记点的对偶矩阵，均可得到一条穿过这两个圆心投影的向量。经过同一个圆心投影的多个向量叉乘标准化后的结果就是该标记点的圆心投影。为测试本文方法提取圆心像点的精度，本文在像面与靶标平面夹角40°的姿态下，对直径为90mm的超大标记点提取圆心投影，圆心投影误差为0.1~1pixel。并以此方法得到的圆心投影对手持式扫描仪进行摄像机标定，进而对已知坐标的平面靶标及3D工件上的标记点进行扫描，最大误差不超过0.2mm。通过对比，本文提取的圆心投影比采用椭圆圆心的精度高，而且提高了摄像机的标定精度。
关键词：平面靶标;圆形标记点;对偶二次曲线;摄像机标定;圆心投影误差

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发布时间：2020-08-13
推扫式高光谱相机自动调焦方法(中国光学工程学会推荐稿件)
魏桂华,肖亮,郑志忠
2019, 27(2): 450-457. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0450

摘要：自动调焦方法已广泛得应用到各种光学仪器中。为了解决推扫式高光谱相机自动调焦问题，提出了一种利用基于四元数小波变换的光谱质量评价函数估计相机焦距的方法。该方法首先将推扫线上单行光谱数据顺序排列成一个二维矩阵，利用四元数小波变换对光谱像元矩阵进行分解得到低频和高频四个子带。通过对低频和高频的幅值和相位信息构造光谱质量评价函数，指导相机自动调焦。调焦过程中，利用自动调焦机构按一定步长旋转镜头，计算不同离焦状态下的光谱质量指标值，拟合光谱质量指标值与镜头伸缩量之间的高斯分布函数，最终估算最佳调焦量。实验表明，提出的光谱质量评价函数灵敏度高、准确度强。该调焦方法仅利用单行光谱数据进行调焦，调焦准确。
关键词：高光谱相机相机;光谱分析;评价函数;调焦系统;小波变换

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发布时间：2020-08-13
推扫式高光谱相机自动调焦
魏桂华,郑志忠
2019, 27(2): 450-457. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0450

摘要：自动调焦方法已被广泛应用到各种光学仪器中。为了解决推扫式高光谱相机自动调焦问题，提出了一种利用基于四元数小波变换的光谱质量评价函数估计相机焦距的方法。首先将推扫线上单行光谱数据顺序排列成一个二维矩阵，利用四元数小波变换对光谱像元矩阵进行分解得到低频和高频4个子带。通过对低频和高频的幅值和相位信息构造光谱质量评价函数，指导相机自动调焦。调焦过程中，利用自动调焦机构按一定步长旋转镜头，计算不同离焦状态下的光谱质量指标值，拟合光谱质量指标值与镜头伸缩量之间的高斯分布函数，最终估算最佳调焦量。实验表明，提出的光谱质量评价函数灵敏度高、准确度强。该调焦方法仅利用单行光谱数据进行调焦，调焦准确。
关键词：高光谱相机;光谱分析;评价函数;调焦系统;小波变换

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发布时间：2020-08-13
近地卫星长期SEU事件退火分析
李强,李会锋,孙先伟,耿西英智,朱俊
2019, 27(2): 458-468. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0458

摘要：针对近地卫星在轨运行中的单粒子翻转事件(Single Event Upset，SEU)的退火问题，选取某卫星器件长期积累的SEU数据为样本，在分析器件长期温度变化的基础上，详细统计SEU事件的星下点以及年、月等时空分布特征，并讨论SEU事件与地球磁场分布、F10.7曲线、中子监测数据的关联特性，最后以SEU事件发生的平均间隔为目标，建立退火模型，用实际数据进行退火估计。结果表明，SEU事件星下点发生在南大西洋异常区的达到67%以上，发生在南、北两极高纬度区域的超过16%，其它区域的不足17%；8、9、10、12这4个月份的SEU事件最多，占全年的38%以上；以远、近日点为参考时，发生在4~9月的约占50%，发生在其它月份的也在50%附近，两者十分接近；长期SEU事件受宇宙射线、太阳活动影响明显，长期性变化以宇宙射线影响为主，短期性变化以太阳活动影响为主；在轨道周期内温度变化约2 ℃、长期温升接近5 ℃的条件下，SEU事件时间间隔的均值约4.57 d，退火零值约1.56×10^-13 d，退火因子约7.94×10^-15 d^-1，衰减零值约24.34 d，衰减因子约0.12 d^-1，退火特征并不明显，退火影响可不用考虑。
关键词：空间环境;近地卫星;单粒子翻转;退火效应;估计

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发布时间：2020-08-13
一种跨公司航天软件缺陷预测方法
哈清华,刘大有,陈媛,刘逻
2019, 27(2): 469-478. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0469

摘要：为提高航天软件测试的效率和质量，针对同公司航天软件数量少、研制周期长的特点，提出了一种跨公司航天软件缺陷预测方法。从航天软件背景信息复杂、规模大、功能独立等特征出发，提出基于静态分类缺陷预测的模型构建思想。引入迁移学习方法，利用最近邻分类器和数据引力模型，对训练数据的分布特征进行修正，提高训练数据与目标数据的相似性；为提高模型的泛化能力以适应目标数据的多样性，提出在训练数据中加入少量目标数据用于模型训练。将该方法在实际工程中进行应用，实验结果表明，与已有软件缺陷预测方法相比，该方法在保持较低误报率（不高于0.3）的情况下可有效提高召回率（接近0.6），整体可信度得到有效增强（G- measure超过0.6），方法稳定度高，泛化能力较强；本方法在实际工程中对测试规模影响可控，测试效率得到提高。
关键词：缺陷预测;迁移学习;最近邻分类器;数据引力;朴素贝叶斯

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发布时间：2020-08-13
基于迁移学习的跨公司航天软件缺陷预测
哈清华,陈媛,刘逻
2019, 27(2): 469-478. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0469

摘要：为提高航天软件测试的效率和质量，针对同公司航天软件数量少、研制周期长的特点，提出了一种跨公司航天软件缺陷预测方法。从航天软件背景信息复杂、规模大、功能独立等特征出发，提出基于静态分类缺陷预测的模型构建思想。引入迁移学习方法，利用最近邻分类器和数据引力模型，对训练数据的分布特征进行修正，提高训练数据与目标数据的相似性；为提高模型的泛化能力以适应目标数据的多样性，提出在训练数据中加入少量目标数据用于模型训练。将该方法在实际工程中进行应用，实验结果表明，与已有软件缺陷预测方法相比，该方法在保持较低误报率(不高于0.3)的情况下可有效提高召回率(接近0.6)，整体可信度得到有效增强(G-measure超过0.6)，方法稳定度高，泛化能力较强；本方法在实际工程中对测试规模影响可控，测试效率得到提高。
关键词：缺陷预测;迁移学习;最近邻分类器;数据引力;朴素贝叶斯

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发布时间：2020-08-13
基于误差传播理论的PnP问题姿态精度分析
屈也频,侯旺
2019, 27(2): 479-487. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0479

摘要：提出了一种在辨识一组典型特征点误差关系的基础上，建立间接测量值与直接测量值之间的最有利函数关系，并根据误差传播理论综合其他特征点的误差影响，最终获得完整的方位、俯仰和倾斜角误差数学模型的PnP问题误差分步分析新方法。以P4P问题研究为例，推导得到了单目视觉测量中相关参数和变量的误差函数解析式，揭示了影响姿态测量精度的误差规律。经P4P姿态解算仿真，验证了误差数学模型的正确性，以及基于误差传播理论的误差分步方法的有效性。分析误差数学模型可以看出：在单目视觉测量参数确定的条件下，方位角测量误差与方位角值无关，与相机高度和合作标志尺寸的比值成正比，在较大范围内俯仰和倾斜角变化对方位角测量误差影响小；俯仰/倾斜角的测量误差与俯仰/倾斜角值有关，与相机高度和合作标志尺寸比值的平方成正比；方位角测量误差小于俯仰/倾斜角测量误差。给出的分析方法和误差解析数学模型对单目视觉测量系统设计有指导作用。
关键词：单目视觉测量;PnP问题;精度分析;误差传播;姿态间接测量

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发布时间：2020-08-13
基于张量表示的高光谱图像目标检测算法
张小荣,胡炳梁,潘志斌,郑茜
2019, 27(2): 488-498. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0488

摘要：高光谱图像目标检测是当前一个研究热点。其在军事和民用方面的应用越来越广泛。为了能同时利用高光谱图像数据的空谱信息，本文提出一种新的基于张量表示的高光谱图像目标检测算法。算法使用CP张量分解技术和张量块分解(BTD)分别对高光谱数据进行盲源分析，提取了有效的局部图像块空谱特征，建立了一个基于稀疏表示和协作表示的检测模型，针对多种类型背景复杂的场景数据进行实验，并与当前流行的目标检测算法进行比较。从可视化检测结果来看，本文算法在复杂背景和强噪声环境下，有效提取了空谱特征，对背景具有较好的抑制能力，检测的目标显著。此外，本文从接收机操作曲线(ROC)和ROC曲线下面积(AUC)等定量指标分析算法性能。以较为流行的Sandiego图像为例，在10%的虚警率下，本文算法取得90%的检测精度，AUC大于0.95。本文算法相较几种流行算法而言具有较高的检测精度，更强的鲁棒性。
关键词：目标检测;高光谱图像;张量表示;特征提取;协作表示

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发布时间：2020-08-13
基于张量表示的高光谱图像目标检测
张小荣,潘志斌,郑茜
2019, 27(2): 488-498. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0488

摘要：高光谱图像目标检测作为一个研究热点在军事和民用方面的应用越来越广泛。为了能同时利用高光谱图像数据的空谱信息，本文提出一种新的基于张量表示的高光谱图像目标检测算法。算法使用CP(Canonical Polyadic)张量分解技术和张量块分解(Block Term Decomposition，BTD)分别对高光谱数据进行盲源分析，提取了有效的局部图像块空谱特征，建立了一个基于稀疏表示和协作表示的检测模型，针对多种类型背景复杂的场景数据进行实验，并与当前流行的目标检测算法进行比较。从可视化检测结果来看，本文算法在复杂背景和强噪声环境下，有效提取了空谱特征，对背景具有较好的抑制能力，检测的目标显著。此外，本文从接收机操作曲线(Receiver Operating Characteristic Curve，ROC)和ROC曲线下面积(Area Under Curve，AUC)等定量指标分析算法性能。以较为流行的Sandiego图像为例，在10%的虚警率下，本文算法取得90%的检测精度，AUC大于0.95。本文算法相较几种流行算法而言具有较高的检测精度，更强的鲁棒性。
关键词：目标检测;高光谱图像;张量表示;特征提取;协作表示

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发布时间：2020-08-13
自适应背景光估计与非局部先验的水下图像复原
王一斌,尹诗白,吕卓纹
2019, 27(2): 499-510. DOI: 10.3788/OPE.20192702.0499

摘要：有效地实现单幅水下降质图像复原对水下资源探索及环境监控领域的清晰图像获取具有极其重要的意义。为解决常用暗通道先验方法来复原图像时，背景光的估计易受白色物体干扰，且无法有效估计前景中白色物体透射率，复原质量不高的问题。本文提出了自适应背景光估计与非局部先验的水下图像复原算法。首先根据背景光具有高亮度及平坦性的特点，利用阈值分割算法获得背景光的候选区域，再通过图像的色调信息从候选信息中选取最佳的背景光点。随后，利用各颜色通道光的波长与散射系数的相关性，提出了适用于水下图像的非局部先验，并利用该先验估计各通道的透射率。最后针对复原结果中，因水下介质，微生物，水流影响而产生的加性噪声，设计去噪的最小优化问题，并利用引导滤波求解该问题，以去除复原结果中的加性噪声。实验表明：该算法在确保运行效率的基础上，准确地估计透射率，较常用算法的复原精度提高了约18%。证明了该算法能有效用于单幅水下图像复原的工程实践中。
关键词：水下成像;机器视觉;非局部先验;引导滤波;图像复原

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发布时间：2020-08-13

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