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最新刊期

2020 年第 2 期

现代应用光学

用于多波段激光大气透过率测量的太阳辐射计
李建玉,刘庆,徐文清,黄宏华,朱文越
2020, 28(2): 261-270. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0261

摘要：为了实时测量多个波段激光大气透过率，研制了ISP02型近红外太阳辐射计。详细阐述了该仪器的硬件组成、光学系统设计以及工作流程，并对仪器进行了定标，给出仪器能达到的性能指标。依据建立的基于太阳宽谱直接辐射测量获取激光波段大气透过率的方法，实测得到1.064，1.315，1.54 μm大气透过率，将结果与POM02型太阳辐射计采用外推法获取的激光大气透过率进行对比，误差均小于6%，测量的水汽总量与POM02对比，误差均小于7%；然后，将两者外推的3.78 μm透过率进行对比，误差均小于5%。秋冬季实测的1.315 μm透过率与激光大气传输评估软件对比，误差小于2%。该仪器测量结果可靠、性能稳定，可为同时获取多个波段激光大气透过率提供有效测量手段。
关键词：光学仪器;太阳辐射计;激光大气透过率;近红外波段

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发布时间：2020-07-16
面向激光跟踪仪跟踪恢复的合作目标视觉检测
王博,董登峰,高豆豆
2020, 28(2): 271-282. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0271

摘要：为了实现复杂场景下激光跟踪仪跟踪恢复过程中合作目标靶球的检测，本文研究了基于深度学习的靶球检测方法。首先，分析靶球自身特点、应用环境及它在跟踪恢复过程中的作用，然后根据Faster R-CNN模型原理与跟踪恢复应用需求提出基于超特征与浅层高分辨率特征信息复用的改进方法生成新的融合特征图，并优化区域建议提取参数，协同解决图像中目标多尺度变化与小尺寸导致目标漏检率高的问题；同时提出一种基于强背景干扰的困难样本挖掘方法提高模型对外形颜色等与目标近似的干扰物识别能力，解决模型误检测率高的问题。最后，本文构建了目标靶球数据集并进行了对比训练与测试。测试实验结果表明：本文提出的基于强背景干扰困难样本挖掘方法的改进Faster R-CNN模型在目标多尺度、小尺寸检测，以及对复杂背景中相似干扰物的辨别能力都有提升，最终对测试集的检测精度达到了90.11%，能够满足激光跟踪仪跟踪恢复过程对合作目标靶球的视觉检测精度要求。
关键词：激光跟踪仪;跟踪恢复;目标检测;faster R-CNN

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发布时间：2020-07-16
高强钢薄板高温焊接变形的视觉测量
王立忠,赵建博,谈杰,张振,田锦华,王明明
2020, 28(2): 283-295. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0283

摘要：为了实现高强钢薄板高温焊接条件下屈曲变形的准确测量，基于数字图像处理技术、立体视觉原理及数字图像相关法，提出一种高强钢薄板全场动态焊接变形的视觉测量技术，并以规则散斑图像的高精度匹配方法研究为基础，将其应用到焊接图像中。针对焊接高温导致的散斑纹理的变色或脱落，采用高温漆与高温胶混合涂布的方式，获得了低成本、高稳定性的散斑纹理。选择薄板背侧进行测量以及在相机镜头前加装滤光片组的方法，抑制焊接过程中的强光、火花及烟雾的干扰。采用高斯平滑的数字图像处理技术，寻找最佳滤波参数并应用到焊接图像中，在保证测量精度的前提下提高了图像匹配的成功率及精度。实验结果表明，该方法能够有效地降低焊接图像匹配的均值误差、均方根误差及Z向静态均值误差，均值误差最大降幅为78.6%，均方误差最大降幅为47.7%，Z向静态均值误差降幅为37.9%。本文的方法和系统可以满足焊接高温条件下薄板屈曲变形的全场应变测量要求，散斑纹理稳定，散斑图像匹配成功率高、稳定性好，是薄板全场动态焊接变形检测的有效途径。
关键词：视觉测量;高温图像采集;高斯平滑;图像匹配;高温散斑制备

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发布时间：2020-07-16
改性石墨烯包覆光纤的马赫-曾德尔大肠杆菌传感器
彭志清,廖杰,李玉洁,冯文林,杨晓占
2020, 28(2): 296-302. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0296

摘要：针对日益严峻的食品安全问题，特别是食源性致病菌的快速检测，本文提出一种基于表面改性石墨烯粗锥型马赫-曾德尔干涉结构的光纤大肠杆菌传感器。首先，截取一根4 cm的实心光子晶体光纤，两端分别与两根单模光纤进行粗锥熔接，形成基于马赫-曾德尔干涉原理的传感结构；接着，制备一种表面改性石墨烯敏感材料，将它涂覆在实心光子晶体光纤的表面，使传感器对大肠杆菌溶液有较高的灵敏度；最后，将上述传感器置于水槽中，以此检测大肠杆菌溶液浓度。实验结果表明，在大肠杆菌溶液浓度为50~600 cfu/mL内，随着菌液的浓度增大，传感器的干涉光谱发生了明显的蓝移，灵敏度为3.43 pm/(cfu·mL^-1)，菌液浓度与波长偏移的线性度为0.956 49，检测限为67.18 cfu/mL，响应时间为15 s。该传感器成本低、体积小、响应时间快，适用于低浓度大肠杆菌浓度的快速检测。
关键词：光纤传感器;马赫-曾德尔干涉;表面改性;石墨烯;大肠杆菌

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发布时间：2020-07-16
Lymanα与可见光双波段内掩式日冕仪
王蕴琦,张广,何玲平,郭权锋,张宏吉,王海峰,王孝东,陈波
2020, 28(2): 303-314. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0303

摘要：太阳是地球能量的主要来源，太阳活动和变化对地球影响极大。为了满足天文学家对太阳观测和研究的需求，设计一种新型Lyman α和可见光双波段内掩式日冕仪(SCI日冕仪)，能够在121.6 nm和700 nm两个波段同时对日冕进行高分辨率成像观测。根据太阳在121.6 nm和700 nm日面与日冕的辐射特性确定仪器的参数，给出了日冕仪的初始结构，建立评价函数对初始结构进行优化。分析了日冕仪光学系统的成像性能和各个光学元件产生杂散光对成像性能的影响，确定影响系统杂散光抑制水平的主要光学元件和机械结构，提出了对光学元件表面粗糙度的要求，给出了里奥光阑的位置和通光口径。还设计了日冕仪光学反射镜和光学分色镜的膜系结构，实现了对内日冕在121.6 nm和700 nm两个波段的同时成像。实验结果表明：SCI日冕仪视场覆盖1.1~2.5个太阳半径(Rs, 取1 Rs=0.267°)，空间分辨率优于4.8″，杂散光抑制水平在1.1Rs处优于10^-6量级，在2.5Rs处优于10^-8量级, 满足观测需求。
关键词：光学仪器;日冕仪;Lyman α;可见光;双波段;内掩式

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发布时间：2020-07-16
基于准布儒斯特角法研究抛光过程中光学材料的表面质量
胡春光,孙兆阳,方子璇,刘军,张昊,房丰洲
2020, 28(2): 315-323. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0315

摘要：光学硬脆材料在机械加工过程中不可避免地形成表面/亚表面损伤，对器件性能、使用寿命等具有至关重要的影响。相较于磨削、研磨两种前道工艺，抛光阶段材料的损伤逐渐减少至极其微量的程度，而最终残留的损伤将伴随材料的使用全周期，研究抛光阶段表面质量的变化过程对掌握抛光的工艺质量十分必要，但测量难度高。针对这一问题，本文在总结抛光阶段损伤形式的基础上，首先仿真分析了准布儒斯特角法检测表面质量的原理和优势，随后以Nd:GGG激光晶体为研究对象，利用椭偏仪对不同抛光工艺下样品表面质量的变化进行了实验研究。通过与白光干涉法测量的表面形貌进行对比，准布儒斯特角偏移量和相位角变化曲线斜率准确地反映了抛光过程中表面质量的变化，展现了该方法的无损伤和高灵敏度特性，以及辅助研究抛光工艺的可行性。最后，对准布儒斯特角法在表面质量检测方面面临的问题进行了分析和展望。
关键词：光学材料;精密抛光;表面质量;布儒斯特角测量

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发布时间：2020-07-16
惯性约束聚变靶丸高精度X射线数字成像
王琦,高党忠,马小军,徐春,朱溢佞,姜凯,张园成,杨诗棣
2020, 28(2): 324-333. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0324

摘要：为了实现惯性约束聚变(ICF)靶丸几何尺寸的高精度、高效率检测，开展了靶丸X射线数字化成像系统的设计与研制。首先，分析了X射线直接投影成像和X射线透镜耦合显微成像的适用范围，根据ICF靶丸尺寸小、吸收衬度弱的特点，确定了基于X射线透镜耦合显微成像的技术路线。然后，分析了影响系统成像分辨率、图像衬度和测量效率的关键因素，确定了低几何放大成像，低电压、小焦点、高功率X射线源及高分辨CCD探测的总体技术方案，该方案能够有效抑制相衬效应和半影误差，解决了现有X射线数字成像设备测量靶丸时边缘扩展严重、尺寸测量误差大的问题。最后，对系统的性能进行了分析测试，实验结果表明，系统成像衬度良好，成像效率较高，分辨率优于0.5 μm。靶丸几何尺寸的测量不确定度可达0.9 μm(k=2)，满足ICF靶丸几何尺寸高精度、高效率的检测需求。
关键词：X射线数字成像;惯性约束聚变;靶丸;高精度测量

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发布时间：2020-07-16
考虑偏振片非理想性的可见光偏振成像修正模型
杨洁,金伟其,裘溯,王霞,薛富铎
2020, 28(2): 334-339. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0334

摘要：常用的偏振成像理论模型大多基于理想偏振片假设，即偏振片的消光比为无穷大且主方向已知，而实际偏振片的非理想性会对偏振成像系统的测量精度产生明显的影响，为降低这种影响，对考虑偏振片非理想性的偏振成像模型进行研究。以基于斯托克斯矢量的偏振成像模型为基础，通过分析实际偏振片对入射光偏振态的改变，提出了一种考虑偏振片非理想性的可见光偏振成像修正模型，给出了考虑实际偏振片性能及主方向误差的偏振度、偏振角修正公式。利用分时偏振成像系统对线偏振光的偏振度进行测量，实验结果表明：当偏振片消光比为100:1时，理想模型的线偏振光偏振度测量的平均相对误差为5.53%，修正模型的偏振度测量的平均相对误差降低到3.62%。应用该修正模型可在使用低消光比偏振片时达到与高消光比偏振片相当的偏振度测量精度，使偏振成像系统能够拥有更大视场，成本降低。
关键词：偏振成像;消光比;精度分析;主方向误差

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发布时间：2020-07-16

微纳技术与精密机械

双框架控制力矩陀螺框架系统的扰动观测及抑制
李海涛,宋鹏,侯林
2020, 28(2): 340-349. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0340

摘要：内外框架间的耦合力矩、非线性摩擦和未建模动态是影响双框架控制力矩陀螺框架系统高精度角速率伺服控制的主要因素。为提高框架系统的干扰抑制能力，保证框架系统输出角速率精度，本文提出了一种基于非线性级联扩张状态观测器和滑模控制的复合扰动抑制方法。框架系统中的所有干扰都被认为是集总干扰并由设计的NCESO估计，通过滑模控制可从系统输出通道中消除集总干扰的影响。最后，将本文提出的控制方法与线性级联扩张状态观测器和状态反馈结合的复合控制方法进行了对比仿真实验。仿真和实验结果表明，本文提出的方法具有更好的干扰抑制和动态响应性能，内框架角速度波动从0.5 (°)/s减小到0.2 (°)/s，外框架角速度波动从0.45 (°)/s减小到0.15 (°)/s；跟踪正弦参考信号时，速度跟踪误差从1.8 (°)/s减小到1.2 (°)/s，相位滞后从8°减小到1.3°。
关键词：控制力矩陀螺;框架伺服系统;非线性控制;扩张状态观测器;滑模控制器;干扰抑制

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发布时间：2020-07-16
基于级联滑模控制的高精度光电跟踪与捕获
刘京,邓永停,李洪文
2020, 28(2): 350-362. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0350

摘要：为了进一步提高光电跟踪系统的目标捕获和跟踪性能，提出了一种基于变增益趋近律的级联滑模控制方法。基于反双曲正弦函数和幂次项设计了新型变增益滑模趋近律，在提高滑模面趋近速度的同时抑制滑模抖振现象；基于变增益滑模趋近律设计速度环和位置环滑模控制器构成级联滑模控制，以提高系统的动态响应性能和鲁棒性，提高系统对目标的捕获能力和跟踪精度。最后，以某球形光电跟踪系统的方位轴作为控制对象，进行了传统级联PI控制和级联滑模控制方法的对比分析。实验结果表明，相比于传统级联PI控制，捕获速度为1 (°)/s的目标时，级联滑模控制可以将目标捕获时间减小32%；跟踪等效最大速度为4 (°)/s和最大加速度为2 (°)/s²的正弦引导信号，可将跟踪误差RMS值减小31%，采用级联滑模控制可有效提高跟踪系统的控制性能。
关键词：光电跟踪系统;变增益趋近律;级联滑模控制;目标捕获;目标跟踪

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发布时间：2020-07-16
基于导通角调节的双足式尺蠖电机驱动
赵勃,史维佳,王丙泉,亓雪,谭久彬
2020, 28(2): 363-371. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0363

摘要：为了解决尺蠖电机难以兼顾高速和高精度的问题，提出一种基于导通角调节的驱动方法，对V形双足式尺蠖电机的机电耦合模型、驱动方法和运动机理等进行了研究。根据设计的V形双足式尺蠖电机结构建立其机电耦合模型，基于导通角调节确定尺蠖电机驱动方法。分析V形双足式尺蠖电机运动机理，并搭建实验平台进行实验验证。实验结果表明：在一定允许误差的范围内，实验结果与理论推导相符，验证了驱动方法的合理性与可行性。引入导通角，最小步距由500 nm降低到330 nm，降低了34%；通过同时调节频率f和导通角α，可使电机具备0.5 mm/s的最大驱动速度和330 nm的最小步距的能力。引入变量导通角α，成功实现了电机步距和驱动速度的独立调节。
关键词：双足尺蠖电机;机电耦合模型;驱动方法;运动机理

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发布时间：2020-07-16
研磨压力对固结聚集体磨料垫自修正影响
牛凤丽,朱永伟,沈功明,王子琨,王科荣
2020, 28(2): 372-381. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0372

摘要：固结磨料研磨过程中磨料的微破碎是实现固结磨料垫自修正特性的主要途径，研磨压力是影响磨粒微破碎的关键参数。选用单晶金刚石和聚集体金刚石作为磨粒制备固结磨料垫，在15 kPa压力下以石英玻璃为加工对象进行研磨实验，比较两者的材料去除率及加工稳定性；制备了4种陶瓷结合剂含量的聚集体金刚石，并制备成固结聚集体金刚石磨料垫，探索了不同压力下的固结聚集体金刚石磨料垫的自修正性能；分析了研磨后的工件表面粗糙度和表面微观形貌。结果表明：采用固结聚集体金刚石磨料垫，研磨后工件表面粗糙度低，去除效率稳定；在15~21 kPa的压力下，结合剂含量次高的聚集体金刚石研磨效率高，材料去除率达到8.94~12.43 μm/min，加工性能较稳定，研磨后的工件表面粗糙度Ra在60 nm左右；在3.5~7 kPa压力下，结合剂含量次低的聚集体金刚石研磨性能较稳定，材料去除率在2.67~3.12 μm/min，研磨后的表面粗糙度Ra在40 nm左右。高结合剂含量的聚集体金刚石磨粒更适合高研磨压力条件，而低结合剂的聚集体金刚石磨粒更适合于低研磨压力。
关键词：固结磨料垫;聚集体金刚石;陶瓷给合剂含量;材料去除率;自修正

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发布时间：2020-07-16
湿法化学刻蚀技术处理抛光熔石英元件
叶卉,李亚国,姜晨,陈起
2020, 28(2): 382-389. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0382

摘要：为了提高熔石英元件的抗激光损伤能力，采用基于氢氟酸刻蚀的湿法化学技术去除元件内的激光损伤诱因。利用不同的氢氟酸溶液处理经氧化铈抛光的熔石英元件，并对元件的刻蚀速率、表面洁净度、粗糙度、透过率和激光损伤性能进行评价。研究结果表明，与传统的静态刻蚀相比，在质量分数为6%的氢氟酸刻蚀溶液中引入能量密度约为0.6 W/cm²的兆声能量对元件的溶解速率和激光损伤性能没有明显的提升作用；化学刻蚀产生的沉积物对元件表面粗糙度和透过率均有不利影响，且沉积物比例与所用的刻蚀液成分和浓度密切相关；经质量分数6%或12%的纯氢氟酸溶液刻蚀(5±1) μm深度后，熔石英元件的激光损伤阈值相比于未刻蚀元件提升了约1.9倍；熔石英元件的激光损伤性能与表面粗糙度和透过率之间不是简单的线性关系，但激光损伤阈值较理想的元件(＞20 J/cm²@3ns)往往具有较光滑的表面，即表面粗糙度＜2 nm，由此可以确定有利于熔石英元件激光损伤性能的刻蚀条件，并获得元件表面粗糙度的控制指标。
关键词：激光损伤性能;熔石英;氢氟酸湿法刻蚀;刻蚀沉积物;表面粗糙度

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发布时间：2020-07-16
压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服机构设计
闫鹏,李金银
2020, 28(2): 390-397. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0390

摘要：压电陶瓷驱动的快刀伺服技术是加工光学自由曲面等复杂曲面的有效方法。为了突破压电陶瓷驱动快刀伺服机构的行程局限，本文采用二级杠杆放大机构，设计了一种压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服机构，实现了快刀伺服机构的长行程输出性能并消除了机构的寄生位移。基于伪刚体模型和拉格朗日原理对机构进行了动力学建模，综合行程和固有频率性能优化了机构参数并进行了有限元仿真和实验验证。机构等效刚度和固有频率的理论模型和有限元仿真结果误差分别为6.4%和1.6%，验证了理论模型的有效性。实验结果进一步表明，所设计的快刀伺服机构可实现100 μm的输出行程同时具有730 Hz的固有频率，验证了所设计机构用于快刀伺服加工的有效性。系统的闭环跟踪实验也验证了系统良好的跟踪性能。
关键词：快刀伺服;长行程;光学自由曲面加工;杠杆放大机构;寄生位移

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发布时间：2020-07-16
压电精密驱动柔性微夹钳设计
吴志刚,陈敏
2020, 28(2): 398-404. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0398

摘要：为了实现对微纳尺度下物件的精密夹持，建立了柔性微夹钳系统。并对该系统柔性夹钳设计、运动学、动力学和控制方法等进行研究。首先，利用柔性铰链设计方法设计了柔性微夹钳，利用伪刚体法建立了机械的伪刚体模型。接着，以伪刚体模型法建立了系统的运动学模型，即机械放大比和输入刚度等数学模型。然后，利用拉格朗日方法建立了系统的动力学方程，得出系统的自然振动频率。最后，通过ANSYS有限元方法对系统建立的模型进行了仿真分析和验证，此外，利用PID控制算法对微夹钳系统进行实验控制。实验结果表明：跟踪控制结果误差为2.4%；放大比为9.12倍。基本满足微纳尺度下的微夹持工作，其工作精度可达微米级别甚至纳米级别，符合设计要求。
关键词：柔性铰链;微夹钳;压电陶瓷;精密驱动;伪刚体模型

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发布时间：2020-07-16
三光束激光干涉诱导向后转移制备金纳米结构及其SERS特性
蒋旭珂,曹亮,刘日,王作斌
2020, 28(2): 405-414. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0405

摘要：为了提高激光诱导向后转移制备微纳阵列结构的效率，本文提出三光束激光干涉诱导向后转移(LIIBT)技术，为激光干涉技术与激光诱导向后转移的有机结合。本文以ITO玻璃为接收衬底，金薄膜为靶材，LIIBT过程中采用三光束激光干涉进行加工。SEM结果表明，在激光能量密度为25 mJ/cm²，金膜厚度为50 nm条件下，获得了较好的阵列结构，周期为5 μm，金纳米粒子均匀分布在其表面，尺寸小于100 nm的粒子达到80%以上。EDX分析结果表明微米尺度点阵由大量的In元素组成，该结构的形成源于激光与ITO层相互作用。将1.0×10^-5，1.0×10^-7和1.0×10^-9M的罗丹明6G溶液，旋涂于微结构表面并进行拉曼光谱研究，在612 cm^-1，773 cm^-1，1 190 cm^-1，1 319 cm^-1和1 511 cm^-1处发现了罗丹明6G的特征峰，说明制备的金纳米结构对微量的罗丹明6G有明显的SERS效应。本文提出的LIIBT技术将大大提高激光诱导向后转移制备微纳阵列结构的效率，在超灵敏检测、光电子器件、微流控等领域均具有广泛的应用前景。
关键词：激光干涉向后转移技术;微米点阵结构;金纳米粒子;表面增强拉曼散射

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发布时间：2020-07-16
双测头复合型微纳米测量仪的研制
吴俊杰,刘俭,魏佳斯,傅云霞
2020, 28(2): 415-423. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0415

摘要：针对当前微纳米测量中存在的大范围高精度测量及复杂微结构几何参数表征难题，基于多测头传感和精密定位平台复用技术，开发了一台具有多种测量尺度和测量模式的复合型微纳米测量仪。为使其具备大范围快速扫描测量和小范围精细测量功能，仪器集成了白光干涉和原子力显微镜两种测头，通过设计适用于两种测头集成的桥架结构及宏/微两级驱动定位平台，实现整机的开发。为保证仪器测量结果的准确性和溯源性，利用标准样板对开发完成的仪器进行了校准。仪器搭载的白光干涉测头可以达到横向500 nm，纵向1 nm的分辨力；原子力显微镜测头横向和纵向分辨力均可达到1 nm。最后，利用目标仪器对微球样品进行了测量，通过大范围成像和小范围精细扫描，获得了微球的表面特征，验证了仪器对复杂微结构的测量能力。
关键词：微纳米测量;白光干涉测头;原子力显微镜;多测头技术;精密定位

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发布时间：2020-07-16

信息科学

基于组合RNN网络的EMG信号手势识别
周旭峰,王醒策,武仲科,VladimirKorkhov,LucianoPaschoal Gaspary
2020, 28(2): 424-442. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0424

摘要：肌肉计算机接口(MCI)系统是虚拟现实、人机交互研究的热点之一，其核心问题是EMG肌电信号分类，因而MCI系统可以与深度学习方法有效结合。表面EMG信号分为高密度瞬时信号与稀疏多通道信号，前者类似于图像，可以采用CNN网络处理；本文应用RNN网络对后者进行研究，并利用MYO臂环实现了相应MCI系统。稀疏多通道EMG信号是不定长时间序列信号，前后时间相关性高，采用RNN网络进行分类。通过对原始信号进行时域、时频域、频域特征拓展，获得原始信号的多流特征序列，并提出两类组合RNN网络架构处理相应多流信号。用户依赖时算法准确率达90.78%，非用户依赖的人群测试中手势识别准确率达78.01%，实时动作识别准确率达82.09%，算法能在61.7毫秒内识别手势动作。本文所提出的组合RNN网络方法可以有效区分基于EMG信号的不同动作，且所设计的MCI系统用户泛化性与工作实时性表现好。
关键词：手势识别;MYO臂环;组合RNN网络;肌肉-计算机接口系统

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发布时间：2020-07-16
半监督多图嵌入的高光谱影像特征提取
黄鸿,唐玉枭,段宇乐
2020, 28(2): 443-456. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0443

摘要：针对传统图嵌入方法仅采用单一图结构无法有效表征高维数据中复杂本征结构，本文提出了一种半监督多图嵌入(SSMGE)方法，并应用于高光谱影像特征提取。该方法首先利用标记样本的类内、类间近邻点来构建类内超图、类间超图、类内普通图、类间普通图，然后通过无标记样本的近邻点和远离点构建无监督本征超图和惩罚超图，并以多图协同方式来表征高维数据间的复杂几何关系，实现鉴别特征提取。本文提出的SSMGE方法不仅能有效揭示数据点间超图和普通图的结构，而且在低维嵌入空间中增强同类数据聚集性和非同类数据的远离性，提取的鉴别特征可改善地物分类精度。在PaviaU和Urban高光谱数据集上进行了分类实验，本文方法的总体分类精度分别可达到85.92%和79.74%。相比普通图嵌入和超图方法，该算法明显提升了地物的分类性能。
关键词：高光谱影像;特征提取;半监督学习;多图嵌入;超图结构

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发布时间：2020-07-16
混合高斯/泊松最大似然函数下的CBCT图像重建
郑蓉珍,赵芳,李波
2020, 28(2): 457-464. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0457

摘要：如何在复杂噪声条件下提升锥形束计算机断层扫描成像(Cone Beam Computed Tomography, CBCT)图像重建质量，对于CBCT系统而言是非常重要的。本文提出了一种混合高斯/泊松最大似然函数下的CBCT图像重建方法。首先研究了适宜于描述混合高斯/泊松噪声环境下的CBCT图像重建模型，它包含一个基于混合高斯/泊松最大似然函数的保真项和一个基于三维全变分正则化方法的约束项。保真项用于约束在混合噪声模型下重建结果与观测值尽可能的相近，约束项用于噪声去除并要求尽可能较好地保留图像的边缘与细节信息。进一步通过可分离近似方法和扩展拉格朗日方法对上述模型进行求解。最后通过仿真数据和真实数据对算法的有效性进行了验证，实验结果表明：仿真结果相对于其他方法而言，PSNR最高可以提升2.1 dB；从主观视觉而言，本文方法在噪声环境下具有较好的图像重建质量。因此，本文方法可以被广泛应用于各种低剂量条件下的CBCT图像重建中。
关键词：CBCT;混合高斯/泊松最大似然函数;全变分正则化;图像重建

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发布时间：2020-07-16
Log-normal湍流信道中超奈奎斯特
曹明华,武鑫,杨顺信,贾科军
2020, 28(2): 465-473. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0465

摘要：超奈奎斯特传输理论与调制技术相结合，可有效提高系统的频谱效率。本文将超奈奎斯特理论引入大气激光通信系统，构建了一种适合于log-normal湍流信道的超奈奎斯特光传输系统，推导了QPSK调制方式下超奈奎斯特大气光传输系统平均误码率的表达式，利用蒙特卡洛仿真进一步分析了该系统的误码性能及频谱效率。结果表明：采用超奈奎斯特技术方案可以较大幅度提升大气光传输系统的频谱效率，当SNR为18 dB, S.I.为0.4时其频谱效率可以达到1.7 Baud/Hz，而未采用超奈奎斯特技术时只有1.56 Baud/Hz。另一方面，大气湍流对超奈奎斯特系统误码性能的影响较明显，当S.I.为0.4, BER为3.8×10^-3时，信噪比恶化了约1 dB。相对于频谱效率的提升，误码性能的恶化是能够接受的。因此，可以将FTN技术引入大气光传输系统来提高系统的频谱效率。
关键词：超奈奎斯特;log-normal湍流信道;大气激光通信;误码率性能;频谱效率

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发布时间：2020-07-16
应用改进迭代最近点方法的三维心脏点云配准
王宾,刘林,侯榆青,贺小伟
2020, 28(2): 474-484. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0474

摘要：在医学多图谱配准中，为了改善因初始位置差异较大、形状复杂和局部残缺导致的配准效率低和精度差的问题，本文采用了先粗配准再精配准的处理策略，在主成分分析法(PCA)实现粗配准的基础上，提出了基于双向距离比例的迭代最近点(ICP)的精配准算法。精配准算法中，首先采用KD-tree进行最近邻搜索以提高对应点对的搜索速度，然后为每个点提出了双向匹配方法并计算其双向距离和比值，为进一步提高配准精度，引入了一个指数函数判断点对正确匹配概率，最后运用奇异值分解法(SVD)计算最终变换矩阵。为了验证算法的可行性和有效性，分别设计了不同缺损程度的斯坦福点云数据实验和两组CT心脏点云数据配准实验，结果表明本文方法较经典ICP算法的平均误差减少约21%，较TrICP算法减少约13%，在心脏点云数据配准实验中，本文方法较TrICP算法的15.5 s加快到1.77 s。因此本文方法在解决三维心脏点云数据的配准问题中具有良好的效率、精度和稳定性。
关键词：迭代最近点算法;主成分分析法;双向距离;多图谱配准;心脏点云数据

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发布时间：2020-07-16
基于DoG检测图像特征点的快速二进制描述子
刘凯,汪侃,杨晓梅,郑秀娟
2020, 28(2): 485-496. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0485

摘要：针对SIFT描述子实时性差和传统二进制描述子对尺度、旋转和视角变化鲁棒性差的问题，本文通过优化采样模式和添加灰度差分不变量比较测试进行改进，提出了一种鲁棒性更高的二进制描述子。首先，设计了一种尺度关联、编号标记的采样模式；然后，旋转采样模式中各采样点到特定位置，确保描述子尺度、旋转不变性；接着，分析了采样点点对模式对描述子的影响，选择使用机器学习训练后的128对采样点对；最后，选择灰度值比较测试及梯度绝对值和比较测试构建二进制描述子。实验中采用DoG检测图像关键点，结果表明：本文提出的描述子在描述子构建和描述子匹配上比SIFT描述子分别快84%和67%；在有视角变化的图像匹配上，准确率比传统的二进制描述子高3%~5%，召回率平均要高30%以上。本文提出的特征点描述方法适用于时间要求高的图像匹配领域。
关键词：计算机视觉;二进制描述子;灰度差分不变量;采样模式;最小相关点对

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发布时间：2020-07-16
采用视觉特征整合的红外弱小目标检测
赵尚男,王灵杰,张新,吴洪波
2020, 28(2): 497-506. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0497

摘要：针对红外光学系统在复杂背景下的弱小目标检测问题，建立了基于特征整合的信息处理模型，提出了采用视觉特征整合的弱小目标检测方法。该方法首先利用视网膜神经节细胞感受野的数学模型DOG(Different-of-Gaussian)对红外图像进行初级信息处理，初步检测出弱小目标。而后，分为空域和频域两个通道进行特征提取。在空域通道，利用图像信息构造二阶微分Hessian矩阵，通过计算其直迹与行列式进行局部极值的判定，提取出含有弱小目标的结构分量特征；在频域通道，利用小波对图像频域进行二级分解，提取出含有弱小目标的高频分量特征。最后，将空域通道与频域通道的分量特征整合，提取出复杂背景下的弱小目标。实验结果表明：当虚警率为10^-3时，该方法对弱小目标的平均检测概率为95.17%。基本满足红外弱小目标检测方法的稳定可靠、精度高等要求。
关键词：计算机视觉;目标检测;弱小目标;视觉特征整合

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发布时间：2020-07-16
基于FAST特征提取的指静脉识别
李伟剑,金建,邸思
2020, 28(2): 507-514. DOI: 10.3788/OPE.20202802.0507

摘要：现有的指静脉识别方法通常以包含静脉分布的灰度图为对象进行算法设计。但由于采集装置的局限性, 光照强度的不确定性, 手指血管周围组织的复杂性等, 原始图像即使经过图像预处理过程, 得到的灰度图中依然会存在不规则的阴影和非静脉特征, 这可能使得被提取出的静脉特征不具有很好的代表性和区分性，从而降低识别结果的准确性。因此, 本文提出以包含指静脉分布的二值图为对象进行算法设计，从而在识别过程中尽可能减少非静脉因素的干扰。在特征提取上采用了适于二值图特征点检测的加速分割测试特征提取算法，提取出静脉纹理边缘中符合要求的像素点作为特征点，进而对检测到的特征点进行向量化描述。同时为了提高匹配的精度, 提出了基于圆形邻域的匹配算法, 使用加权匹配距离描述图像之间的相似程度。采用山东大学公开的手指静脉数据库进行算法性能测试，平均识别率为0.993，等误率为0.0196。上述结果证明了算法的有效性，为指静脉识别算法设计提供了新的思路。
关键词：指静脉识别;角点检测;特征点描述;匹配距离

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发布时间：2020-07-16

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