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最新刊期

2021 年第 6 期

光电对抗技术

TEA CO₂长波红外激光对红外凝视成像系统探测器组件的损伤效应
张引,邵俊峰,汤伟
2021, 29(6): 1217-1224. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1217

摘要：为了探究长波红外激光对红外凝视成像系统HgCdTe红外探测器组件的损伤机理，在ANSYS软件仿真研究的基础，开展了9.3 μm激光对HgCdTe红外探测器损伤效应实验。通过利用ANSYS软件建立了激光辐照HgCdTe红外探测器的有限元理论仿真模型，获得了9.3 μm脉冲CO₂激光照射下探测器模型的温升分布，以是否达到熔融温度为判定依据，得到探测器件的仿真损伤阈值。通过开展外场实验获得HgCdTe红外探测器真实工作环境下的损伤阈值，整理并分析实验结果得到HgCdTe红外探测器组件的实验损伤阈值。研究结果表明，基于有限元理论仿真得到的HgCdTe红外探测器模型的损伤阈值为0.54~1.1 J/cm²，与实验得到的损伤阈值0.69~1.23 J/cm²结果较为一致。仿真结果和实验结果均和Bartoli理论的计算结果符合得较好，验证了模型和实验结果的合理性。
关键词：红外探测器;有限元;HgCdTe;TEA CO₂激光

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发布时间：2021-07-03
激光辐照行间转移型CCD的串扰效应
周旋风,张德锋,王彦斌,肖文健,任广森,李华
2021, 29(6): 1225-1233. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1225

摘要：在采用一束激光辐照电荷耦合器件（Charged Coupled Device， CCD）图像传感器时，串扰效应是最重要的干扰之一。本文采用532 nm激光对一个行间转移型CCD进行辐照实验，观测到了一系列串扰现象，计算CCD的饱和阈值为0.32 mW/cm²。根据行间转移型CCD的工作原理和驱动脉冲时序，将串扰效应分为积分周期内的溢出和读出转移时的溢出两个过程，并据此开展了串扰效应图像的仿真研究。首先基于高斯光束传输变换规律对探测靶面的激光能量分布进行了仿真，然后根据光电转换效应对光生电荷分布进行了仿真，对串扰效应的两个溢出过程进行仿真得到了串扰电荷分布，最后对电压检测和灰度量化过程进行仿真得到了串扰图像。统计计算得到仿真相对误差均小于40%，说明仿真结果与实验结果吻合得很好。
关键词：激光辐照效应;串扰效应;电荷耦合器件;图像传感器;图像仿真

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发布时间：2021-07-03
单量估计法单光子激光透雾成像
郭世杭,陆威,孙剑峰,刘迪,周鑫,姜鹏
2021, 29(6): 1234-1241. DOI: 10.37188/OPE.2020.0549

摘要：传统激光雷达在透雾成像过程中受探测接收灵敏度限制无法提取淹没在强后向散射噪声内的目标信号，难以达到透雾效果。本文提出单量估计法的面阵盖革模式雪崩光电二极管激光雷达透雾成像算法，依据盖革模式触发探测模型，通过对回波光子进行极大似然估计得到后向散射分布，提取目标回波位置，抑制了后向散射噪声，达到透雾成像的目的。搭建了室内激光透雾成像实验平台，获取了不同浓度下的透雾成像数据。实验结果表明，与峰值法和双量估计法相比，单量估计法能最大程度恢复目标像素数，衰减系数为0.11 m^-1时，相比峰值法距离信息恢复量提升8.26%，目标复原度降低16.22%；衰减系数为0.86 m^-1时，相比峰值法距离信息恢复量提升86.86%，目标复原度提高20.51%；衰减系数为2.37 m^-1时，相比峰值法距离信息恢复量提升253.19%，目标复原度提高53.44%。在衰减系数较大时，单量估计法在信号级去雾处理上的目标复原度较高。
关键词：激光雷达;后向散射;盖革模式雪崩光电二极管;Gamma分布;单量估计法

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发布时间：2021-07-03
小体积长焦距激光指向监测装置研制
张飞,徐新行,陈昌博
2021, 29(6): 1251-1259. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1251

摘要：为了实现可见光波段多路不同波长激光的高精度合束与发射，设计了一套用于激光指向误差监测的紧凑型光学监测装置。根据光电跟瞄发射系统对激光合束与发射精度的应用需求，提出了光束指向监测装置的设计指标。在明确监测装置应用空间的基础上，分别对装置的光电探测器、光学系统和机械结构进行了详细设计，采用上下分层多次折叠的光学设计有效压缩了监测装置的轴向尺寸。完成精密加工、装调后，对光束指向监测装置的焦距、调制传递函数和监测精度进行了实验检测。结果表明：所设计的光束指向监测装置不仅体积小（200 mm×180 mm×140 mm）、焦距大（约1 002 mm），而且对光束指向的监测精度高（优于10.0 μrad），满足光电跟瞄发射系统的应用需求。
关键词：光学系统设计;小体积;长焦距;激光指向监测;调制传递函数;监测精度

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发布时间：2021-07-03
单光子激光与中波红外共口径探测光学系统
吴洪波,张新,王灵杰,闫磊,史广维
2021, 29(6): 1260-1269. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1260

摘要：为了实现对远距离民航飞机目标的探测、跟踪和测距，设计并研制了一套单光子激光与中波红外共口径探测光学系统。阐述了激光/红外共口径探测系统的工作原理和单光子激光测距原理，对目标辐射特性、系统作用距离及口径等进行了分析。采用R-C光学系统型式，通过次镜进行分色，实现激光和中波红外双波段光学系统的汇聚光路分色设计。在单光子激光光路中设置小孔光阑，通过仿真分析验证了小孔光阑的杂光抑制能力。通过高精度装调和视轴标定，激光/红外共口径探测系统具备良好的成像质量，中波光路实测调制传递函数达0.28（@20 lp/mm）。利用原理样机完成了对民航飞机的外场探测实验，实验结果表明，该系统可实现对远距离民航飞机的有效探测和跟踪，探测距离达225 km以上，可满足航空、航天及地面探测领域对远距离目标的预警探测和测距需求。
关键词：光学系统设计;单光子激光;中波红外;共口径;小孔光阑;远距离探测

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发布时间：2021-07-03
三维成像激光雷达应用的亚纳秒激光器研究进展
位超杰,闫仁鹏,李旭东,孟祥熙,刘欣阳
2021, 29(6): 1270-1280. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1270

摘要：激光雷达具有高分辨率和测量精度、体积小和数据率高等特点，已经成为地面三维成像和大气探测的主要技术手段之一。微脉冲激光雷达技术可以实现对目标的准连续测量，有效地降低了激光雷达的体积和功耗，对于推动激光雷达在航空航天领域的应用具有重要意义。本文针对微脉冲激光雷达应用的高重复频率亚纳秒激光器进行了综述，对比和讨论了亚纳秒激光器不同产生方式的特点和发展现状，并对亚纳秒激光器的未来发展做了展望。
关键词：激光雷达;单光子探测;调Q技术;激光放大

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发布时间：2021-07-03
激光通信旋转双棱镜系统误差对指向精度的影响
邱赛,盛磊,高世杰,刘永凯,宋一诺
2021, 29(6): 1281-1290. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1281

摘要：分析了旋转双棱镜系统存在的误差源，根据误差源，采用光线矢量传播方法建立了光束指向模型，基于光束指向模型求旋转双棱镜系统出射光束指向偏差对系统误差的偏导数；在指向区域中，根据各个误差的测量精度分析误差对指向精度的影响。仿真计算结果表明，理论指向偏差最大值为0.362 0°，理论指向偏差均方根为0.047 0°；桌面实验结果表明，在99.54%的指向区域中，实验偏差最大值为0.356 3°，实验偏差均方根为0.023 3°，均小于仿真计算值。这一结果表明，本文对旋转双棱镜系统的误差分析较为准确，对旋转双棱镜平台的设计和补偿修正具有一定的参考价值。
关键词：激光通信;旋转双棱镜;指向模型;误差分析

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发布时间：2021-07-03
全捷联光学导引头视场角及输入约束下制导控制一体化设计
邵茂森,徐骋,赵斌,周军
2021, 29(6): 1291-1300. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1291

摘要：以全捷联光学制导飞行器打击运动目标为背景，本文将捷联解耦原理和状态约束控制方法相结合，提出了一种同时考虑导引头视场角约束和执行机构输入约束的新型制导控制一体化设计方法。首先，建立了具有严格反馈形式的全捷联制导控制一体化模型，针对模型的不确定性设计了一种对未知上界平方估计的自适应律，基于积分型障碍Lyapunov函数结合动态面控制解决了导引头视场角约束的问题，同时采用饱和函数光滑逼近以及Nussbaum增益函数解决了执行机构输入约束的问题。最后，通过Lyapunov理论证明了所设计制导控制一体化方法的一致有界稳定。典型场景的数值仿真结果表明，该方法可以同时满足捷联光学导引头8°，8.5°，9°的视场角约束以及舵执行机构10°的输入约束。
关键词：捷联光学导引头;制导控制一体化;状态约束;输入约束

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发布时间：2021-07-03
改进蜻蜓算法的快速反射镜自抗扰控制
冯建鑫,王雅雷,王强,胥彪
2021, 29(6): 1301-1310. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1301

摘要：为了提高天基激光武器光电跟瞄系统中快速反射镜（Fast Steering Mirror， FSM）的跟踪精度和抗干扰能力，建立了基于改进自抗扰控制器（Improved Active Disturbance Rejection Control， IADRC）的FSM闭环控制系统，对系统中IADRC的参数整定方法进行研究。由于试凑法整定效率低，传统优化算法整定易陷入局部最优，本文将蜻蜓算法用于IADRC参数整定，并对蜻蜓算法的惯性因子、列队因子和聚集因子的调整方式进行了改进，且在蜻蜓算法前期引入末位淘汰策略，后期引入贪婪策略，以进一步增强算法的全局搜索和局部开发能力。最后，在考虑卫星平台振动的情况下用基于改进前后蜻蜓算法的IADRC、基于粒子群优化算法的IADRC、基于遗传算法的IADRC、基于试凑法的IADRC和PID控制器分别控制FSM。实验结果表明：在FSM跟踪高频正弦信号时，基于改进蜻蜓算法的IADRC控制的FSM，其跟踪误差的均方根值为7.596 μrad，与其它5种控制器相比跟踪精度明显提升，基本满足激光武器领域中对FSM跟踪精度的要求。
关键词：光电对抗;激光武器;快速反射镜;改进自抗扰;蜻蜓算法;参数优化

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发布时间：2021-07-03
光电跟踪平台的观测自适应控制器
吴辉,司晨,姜湖海,张通彤,袁满
2021, 29(6): 1311-1320. DOI: 10.37188/OPE.2020.0700

摘要：为解决导引头稳态跟踪精度与快速目标跟踪能力难以兼容的问题，建立了导引头伺服系统模型，通过分析传统PID控制策略的优势和缺陷，提出了改进自适应控制算法的研究思路。首先，利用自适应方程调节控制器参数以满足对不同速度目标的跟踪能力，并且通过非连续性观测投影对自适应参数进行控制，保证自适应参数始终处于和当前状态匹配的范围内。此外，利用状态识别控制提高响应速度并抑制快速跟踪时带来的噪声放大问题，同时通过线性反馈保证系统对随机扰动的鲁棒性。最后，利用自抗扰控制的过渡函数解决跟踪环带给速度环的超调问题。通过某型号导引头的实验测试，跟踪12 （º）/s的运动目标时，观测自适应控制器输出的视线角速度的动态误差为0.05 （º）/s（标准差），相比比例制导减小了53%；跟踪10 （º）/s以下的目标时，超调量控制在8%以内，动态误差小于0.046 （º）/s。结果表明，该算法可以提高光电平台的自适应性和跟踪精度。
关键词：光电导引头;伺服系统;自适应控制;跟踪精度

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发布时间：2021-07-03

现代应用光学

半导体激光器电流调制实现短相干光源
冯勇,张文喜,伍洲,李杨,郭晓丽
2021, 29(6): 1321-1328. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1321

摘要：传统的干涉仪采用激光光源，由于激光的高相干性，在平行平板、棱镜等特殊光学元件测量时存在严重的串扰；LED、钨灯等光源因准直性较差、光强稳定性差和相干长度较短等特征，同样不适合作为特殊光学元件检测干涉仪的光源。短相干激光光源具有方向性好、亮度高和相干长度适中等优点，是特殊元件检测干涉仪的理想光源。针对短相干干涉仪对光源的需求，对通过电流调制半导体激光器光源的相干性进行了理论研究。研究结果表明，调制频率越高、调制强度越大，光源的相干长度越短；偏置电流越大，输出功率越高，相干性也会变好，不利于产生短相干光源。在此基础上，搭建并研制了一款短相干激光光源，该光源相干长度为80 μm，光源的旁瓣抑制比下降为0.31，输出光功率可达30 mW，能够满足短相干测量对光源的要求。
关键词：半导体激光器;短相干光源;相干函数;电流调制

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发布时间：2021-07-03
基于扩展光源的视角偏转膜表面微结构设计
冯奇斌,李德华,肖慧丽,王梓,吕国强
2021, 29(6): 1329-1336. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1329

摘要：为了使应用于驾驶舱内的液晶显示器满足观看者的特殊视角要求，设计了一种能够将液晶显示器的最大亮度由正视方向根据观看者的位置偏转到特定方向的光学膜。本文基于扩展光源进行设计，根据扩展光源上不同位置的光线到达微结构的能量不同，提出了分段加权叠加的方法设计出微结构面型。仿真结果表明：水平视角不变，垂直视角偏转-15º，光线透过率为84.7%，半亮度视角范围为（-38.4º，4.4º）。采用无掩膜直写光刻工艺制作了实际样品并进行了效果测试，测试结果表明：和传统的背光视角相比，垂直方向的最大亮度由原来的0º偏转到-16°，半亮度视角由（-23.8º，27.4º）变为（-43º，9.4º），透过率为83.0%，同时满足视角偏转和亮度的要求。
关键词：液晶显示;扩展光源;分段加权叠加;表面微结构;视角偏转

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发布时间：2021-07-03
双频投影条纹相位展开方法的改进
雷经发,陈志强,张淼,孙虹,李永玲
2021, 29(6): 1337-1345. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1337

摘要：为解决双频外差法展开条纹相位中出现跳跃性变化的问题，提出了一种改进方法。首先，根据外差原理计算出条纹级数的小数部分，再由该条纹级数对应频率的光栅条纹的相位主值计算出当前小数部分的实际值。然后，根据相位主值自身误差设置判定阈值，并用该阈值对上述计算值与实际值的差值进行判断。最后，根据判断结果对中间参量的周期次数进行加或减的调整，以校正绝对相位。通过在仿真双频条纹图案的相移图中加入不同均值和方差的高斯噪声，对比校正前后的相位图，分析了改进方法对相位跳跃性误差的校正率，并通过样件实测实验来验证该方法的实用效果。实验结果表明，该改进方法对绝对相位跳跃性误差的校正率可达90%以上，具有较强的抗噪性和实用性。
关键词：光学三维测量;双频条纹;条纹级数;相位展开;相位跳跃;误差校正

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发布时间：2021-07-03
基于三维模型的单目车辆位姿估计
许凌志,符钦伟,陶卫,赵辉
2021, 29(6): 1346-1355. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1346

摘要：车辆位姿估计是智慧交通系统的重要组成部分，然而复杂的运动场景以及单目相机存在无法获取深度信息等问题。本文提出了一种结合单目相机及车辆三维模型进行车辆位姿估计的方法。首先对多尺度的车辆目标进行尺度归一化，然后以向量场的形式回归车辆关键点的坐标提升在遮挡或者截断状态下的位姿估计精度。在此过程中提出使用基于距离加权的向量场损失函数和关键点误差最小化的投票方法，进一步提高了位姿估计算法的准确性。此外，本文制作了一个含有丰富标注信息的合成车辆位姿估计数据集，在其上的验证结果表明，本文算法的平均定位误差和角度误差分别为0.162 m和4.692°，在实际场景中有着非常大的应用价值。
关键词：单目视觉;车辆位姿;三维模型;向量场;关键点

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发布时间：2021-07-03

微纳技术与精密机械

具有“前进-前进”运动模式的惯性压电驱动器
胡意立,胡影,李建平,温建明,兰虎
2021, 29(6): 1356-1364. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1356

摘要：针对传统压电惯性驱动器普遍存在的回退问题，创造性地提出双振子反向连接的接线方式，在此基础上设计了一种惯性压电直线驱动器。基于这种接线方式，可以使驱动器工作在“前进-前进”运动模式，从原理上彻底消除回退现象。首先，为了更好地理解驱动器的运动特性，深入分析了反接条件下的驱动器的运动原理并初步建立了理论模型。接下来，本文设计并制作了试验样机，搭建了试验系统，进行了一系列试验探究该驱动器在正接（传统的接线方式）、反接（所提出的接线方式）两种接线方式下的运动性能。此外，为了评估驱动器的应用价值，利用斑马鱼胚胎进行了细胞药物注射模拟实验。试验结果表明：相较于“前进-回退”的运动模式，在“前进-前进”的运动模式下，驱动器可以实现无回退，能量转换效率从2.16%提高至2.60%，运动速度从6.08 µm/s增大至7.88 µm/s，最大偏差为0.12 µm，标准偏差为0.035 6。所设计的驱动器具有较高的稳定性和能量转换效率，并且完全解决了回退问题，有望用于细胞操作和微电极植入等领域。
关键词：惯性驱动器;非对称夹持;无回退;反接;细胞操作

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发布时间：2021-07-03
工艺误差影响下微电热驱动器失效分析
陈浩,曹云,王新杰,王炅,席占稳,聂伟荣
2021, 29(6): 1365-1374. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1365

摘要：为了研究V型电热驱动器温度失效概率，基于驱动器存在的加工误差，对驱动器对称中心处的温度（整个驱动器的最高温度）进行不确定性分析。首先对同一加工批次驱动器进行测量计算，拟合得到当驱动器宽度和电阻率满足正态分布的参数。建立V型电热驱动器有限元模型并进行实验验证，从而保证不确定性分析中所用样本数据来源的可靠性。根据宽度和电阻率的分布特征并基于非侵入式混沌多项式展开方法，选取Hermite正交多项式进行展开，通过高斯数值积分法，求得多项式系数。最后使用蒙特卡洛法对所建立的温度混沌多项式模型进行验证。研究结果表明，混沌多项式模型能准确得到驱动器上最高温度的随机分布；最高温度的主要分布范围和均值随着电压的增大而增大；V型电热驱动器发生温度失效的概率也随着电压的增大而增大。在18 V电压作用下，该加工批次驱动器的温度失效概率达到91.5%。
关键词：电热驱动器;工艺误差;不确定性;混沌多项式;失效概率

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发布时间：2021-07-03
机器人工具坐标系的快速标定方法
李广云,罗豪龙,王力
2021, 29(6): 1375-1386. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1375

摘要：为了解决机器人工具坐标系标定时标定精度不高、效率较低的问题，提出一种基于激光跟踪仪的工具坐标系快速标定方法。首先，分析机器人末端法兰盘的结构，根据法兰盘上各点的相对位置关系，利用激光跟踪仪及几何法原理进行工具坐标系的位置标定；其次，控制机器人沿工具坐标系的X轴和Z轴方向分别运动，根据工具坐标系和法兰末端坐标系的相对位姿关系进行工具坐标系姿态标定；最后，利用基于距离约束的工具坐标系标定方法和本文提出的几何法标定结果进行精度对比分析。实验结果表明几何法进行工具坐标系后机器人定位精度能达到0.692 mm，与距离约束法的工具坐标系标定精度相当；同时几何法不需要机器人运动，只需测量机器人末端的6个点就能实现工具坐标系的位置标定，且机器人末端更换新的工具后只需测量一个点就能实现新工具的位置标定。实验表明，几何法标定实验过程为3 min，而距离约束法实验过程为8 min，标定效率提高了62.5%，说明该方法具有高效率和高精度的特点，能够满足高精度任务作业的实际需要。
关键词：机器人;工具坐标系;几何法;法兰盘;激光跟踪仪

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发布时间：2021-07-03
基于Javaweb的齿轮双啮测量数据云处理系统部署及实现
汤洁,张溶洲,石照耀
2021, 29(6): 1387-1396. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1387

摘要：目的针对齿轮测量中的双面啮合测量数据在云平台的数据处理问题，主要研究双啮误差评定方法、云端数据处理系统部署，以及云端数据处理软件设计。方法云平台采用“Linux+Tomcat+MySQL+Java”架构，使用Javaweb技术；给出在云平台部署Web应用的方法；设计齿轮双啮测量数据云处理系统，实现客户端与云端、仪器端与云端的数据交互。齿轮双啮测量数据处理软件设计中的几个要点：网络IP地址、软件前端访问界面、齿轮双啮测量数据库及双啮误差评定。结果给出软件界面，可实现数据在云平台的上传、下载，并将仪器端上传的齿轮双啮测量相关数据进行误差评定，得到齿轮双啮测量结果，示例中被测齿轮的径向综合总偏差为32.7 μm、一齿径向综合偏差为9.5 μm，按标准GB/T 38192-2019评定为8级精度。结论齿轮双啮测量数据云处理系统部署及实现相关技术研究，对精密仪器测量数据云处理具有一定的参考价值。
关键词：齿轮测量;双面啮合测量;云平台;云处理;Javaweb

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发布时间：2021-07-03

信息科学

基于核加权类对准则的高光谱影像特征提取
刘敬,李青妍,刘逸
2021, 29(6): 1397-1405. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1397

摘要：针对高光谱遥感影像中相似光谱的不同地物与野类同时存在时，提取有效的非线性可分性特征的问题，提出一种核加权类对准则。首先，推导出类对形式的核线性判别分析准则，即核类对准则，将核类间和类内散布矩阵均表示为类对形式。然后，提出核加权类对准则，依据核空间中各类对的可分性分别对各类对的核类间和类内散布矩阵进行加权，使得各类对的可分性均衡地保留在特征子空间中。采用K近邻分类器和最小距离分类器评估特征提取的效果。基于两个实测高光谱遥感影像的实验结果均表明：相比原空间法、核线性判别分析方法和kernel weighted pairwise Fisher准则，所提核加权类对准则在降维的同时，通过提高可分性小的类对的识别率来提高整体地物识别率。
关键词：核线性判别分析;核加权类对准则;特征提取;高光谱遥感影像

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发布时间：2021-07-03
结合分数阶显著性检测及量子烟花算法的NSST域图像融合
林剑萍,廖一鹏
2021, 29(6): 1406-1419. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1406

摘要：针对传统红外与可见光图像融合算法中存在的细节纹理信息不够清晰，边缘信息保留不够充分等问题，提出一种基于分数阶显著性及改进量子烟花算法的非下采样Shearlet变换（NSST）域图像融合方法。首先对红外与可见光图像进行NSST分解，低频分量先进行基于分数阶微分增强的显著性检测；然后按照显著图匹配度的融合规则进行融合，高频子带采用梯度变化和灰度差异加权策略进行融合；接着对量子烟花算法进行改进，并对高低频融合参数进行优化；最后输出最佳的融合图像。通过实验表明：基于分数阶微分增强的显著性检测具有较好的视觉显著效果，改进量子烟花算法的寻优能力强、收敛效率高，所提方法得到的融合图像有效地综合红外与可见光图像中的细节信息，与现有方法相比具有较好的融合效果，且自适应能力强、无需人工干预。
关键词：红外与可见光图像融合;非下采样Shearlet变换;分数阶微分;显著性检测;量子烟花算法

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发布时间：2021-07-03
结构光编码测量技术在火星高分相机中的应用
曹智睿,董吉洪
2021, 29(6): 1420-1429. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1420

摘要：为了提高测量精度和测量效率，在火星高分相机部分工件三维形貌的测量过程中采用了结构光编码测量技术。传统的结构光编码测量技术采用正弦相移对称结合格雷码的方法，极易产生周期错位误差，严重影响测量精度。为了从原理上消除周期错位误差，提出了非对称结构光编码测量技术。首先，提出对四步正弦相移进行区域编码的概念和方法；然后，将正弦相移与格雷码进行非对称组合，通过格雷码和区域码的双重约束，将周期错位误差由一个格雷码周期的减小至一个像元。3ds Max仿真测试结果和实物测试结果表明：与传统测量技术相比较，非对称结构光编码测量技术的最大测量误差相对减小了一个数量级，均方测量误差相对减小了70%。非对称式结构光编码测量技术有效消除了周期错位误差，大幅提高了三维测量精度。
关键词：三维测量;结构光编码;非对称组合;周期错位误差

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发布时间：2021-07-03
基于直线空间旋转的十字结构光标定
秦训鹏,丁吉祥,董寰宇,董书洲
2021, 29(6): 1430-1439. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1430

摘要：针对复杂曲面特征测量时十字结构光的快速、高精度标定，提出一种基于直线空间旋转的十字结构光标定方法。利用OTSU算法选取最佳阈值来提取光条的所在区域，通过基于Hessian矩阵的Steger算法和最小二乘法提取并拟合光条中心；通过图像中与靶标平面内特征点对的构建，借助RANSAC算法求解单应性矩阵，对光条直线进行单应性矩阵变换来获取靶标平面内的光条直线方程；由相机坐标系与世界坐标系的转换关系，将直线方程转换到相机坐标系下；由空间直线绕任意轴的旋转变换关系，将光条直线绕投射中心线进行旋转，并将旋转前后的两条直线进行平面拟合，求解光平面方程参数。结果表明，该方法对靶标圆心间距测量的平均绝对误差为0.023 mm，均方根误差为0.026 mm。本文方法可以实现较高的测量精度，且能避免靶标平面的多次移动。
关键词：十字结构光;光平面标定;单应性矩阵;直线空间旋转变换;计算机视觉

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发布时间：2021-07-03
基于非极化分量的SAR图像海洋锋特征增强方法
赵亚威,孙凯,种劲松
2021, 29(6): 1440-1447. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1440

摘要：受到海面整体运动、海面后向散射系数相对低以及海况的影响，海洋锋特征在SAR图像中表现较弱，给后续的应用带来困难，亟需开展海洋锋特征增强方法的研究。SAR海面回波可以分解成Bragg散射分量和非极化分量，本文提出了一种基于非极化分量的SAR图像海洋锋特征增强方法。首先对双极化（VV和HH极化）数据进行辐射定标，为解决非极化分量提取过程中噪声增强的问题，对定标结果进行滤波；然后计算Bragg散射极化比；最后借助于极化差和极化比提取非极化分量，实现海洋锋特征增强。本文使用ALOS PALSAR数据进行处理验证，并通过计算峰值-背景比（PBR）和等效视数（ENL）进行定量分析。实验结果表明，经过本文方法处理后PBR较双极化图像可以提升15%以上，ENL较双极化图像可以提升30%以上。实验结果证明了方法的有效性，为后续的应用奠定基础。
关键词：海洋锋;非极化分量;特征增强

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发布时间：2021-07-03
基于注意力机制的多尺度车辆行人检测算法
李经宇,杨静,孔斌,王灿,张露
2021, 29(6): 1448-1458. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1448

摘要：无人驾驶汽车在复杂多变的交通场景中能提前且准确检测到车辆行人的动态信息尤为重要。然而，无人驾驶场景下存在相机快速运动、尺度变化大、目标遮挡和光照变化等问题。为了应对这些挑战，本文提出了一种基于注意力机制的多尺度目标检测算法。基于YOLOv3网络，首先，使用空间金字塔池化模块对多尺度局部区域特征进行融合和拼接，使网络能够更全面地学习目标特征；其次，利用空间金字塔缩短通道间的信息融合，构造了YOLOv3-SPP⁺-PAN网络；最后，基于注意力机制设计了更高效的目标检测器SE-YOLOv3-SPP⁺-PAN。实验结果表明：相比于YOLOv3网络，提出的SE-YOLOv3-SPP⁺-PAN网络的平均精度均值提升了2.2%，且推理速度仍然保持智能驾驶平台下实时的要求。实验证明了所提出的SE-YOLOv3-SPP⁺-PAN网络比YOLOv3更加高效、准确，因此更适合于实际智能驾驶场景下的目标检测任务。
关键词：计算机视觉;车辆行人检测;神经网络;注意力机制

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发布时间：2021-07-03
采用多特征共生矩阵的模板匹配
江苏蓬,向伟,刘云鹏,罗海波
2021, 29(6): 1459-1467. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1459

摘要：为解决在模板匹配过程中，目标图像发生局部遮挡、背景变化、光照变化以及剧烈非刚性形变等情况而出现的匹配失败问题，本文提出了一种基于多特征融合的共生矩阵模板匹配算法。首先，采用多特征融合的方法提取图像信息。分别提取图像的颜色特征、深度特征、方向梯度直方图（HOG）特征，通过主成分分析（PCA）与K均值聚类的方法实现多通道多特征融合；随后，以共生矩阵作为相似性度量方法，通过统计相似性特征信息来代替直接施加距离计算；最后，计算滑动窗口中每一组像素点对的共生概率，并加权求和作为匹配得分，由此在目标图像上寻找最佳匹配区域。通过实验对比，本文算法的AUC （Area Under Curve）得分为0.658 6，较目前最好的几种模板匹配算法DDIS-D、DDIS-C、BBS算法分别提高了：7.9%，8.1%，20.2%。采用特征融合的方法能够充分利用图像信息，有效提高匹配的准确率；共生矩阵可以捕获图像的纹理相似性，且这种度量方法仅与共生统计有关，与实际像素无关，能够在一定程度上克服复杂场景对匹配结果带来的影响。实验结果表明本文的方法匹配精度更高、鲁棒性更强。
关键词：图像处理;模板匹配;多特征融合;共生矩阵

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发布时间：2021-07-03
采用超声导波的储罐罐顶腐蚀深度检测方法
刘文才,樊建春,杨进
2021, 29(6): 1468-1481. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1468

摘要：目的目前对石油储罐的检测评估主要是针对罐底、罐壁等部位，但是对储罐罐顶的检测还没有受到足够重视。然而，储罐罐顶结构复杂，工作环境特殊易发生腐蚀，严重时会引起火灾等重大安全事故，因此，对储罐罐顶腐蚀缺陷的检测具有十分重要的意义。方法提出基于Lamb波的反射/透射信号幅值比系数法，用于储罐罐顶腐蚀深度程度评估。通过分析腐蚀缺陷对导波的调制机理，研究了腐蚀深度与反射波和透射波信号幅值间的关系，进而推导了基于导波传播衰减特性的反射/透射信号幅值比系数理论表达式，通过数值分析和电化学腐蚀深度实验验证了腐蚀深度与幅值比系数间的关系。结果实验结果表明：导波传播衰减因子 $β$ 为 $\sqrt[]{0.5}$ ， $1$ 和 $\sqrt[]{2}$ 时，均能对3 mm板厚的腐蚀缺陷进行深度等级的划分；在某石化基地进行了实际测试，成功将罐顶腐蚀程度划分为了轻微、中等和严重腐蚀三个等级。结论该方法有效实现了腐蚀缺陷深度评估，可为板状结构的腐蚀缺陷程度评估提供指导。
关键词：超声导波;腐蚀缺陷深度;幅值比系数法

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发布时间：2021-07-03
基于残差自注意力机制的航空发动机RUL预测
叶瑞达,王卫杰,何亮,陈晓岑,薛乐
2021, 29(6): 1482-1490. DOI: 10.37188/OPE.20212906.1482

摘要：针对传统神经网络在多维数据高分辨率特征识别和高精度信号提取方面的缺陷，开展基于残差自注意力机制的剩余使用寿命（RUL）预测算法研究。比较分析卷积神经网络（CNN）和长短期记忆神经网络（LSTM）的结构特性，揭示二者在长序列信息特征关联能力和局部特征提取能力上的局限性。研究自注意力机制，引入双层残差网络抑制误差函数反向传播中扩散性，进而构建了一种卷积记忆残差自注意力机制的深度学习方法。基于上述方法对典型航空涡扇发动机退化实验数据集进行仿真分析，结果表明：所述方法能够有效建立监测数据与发动机健康状态之间的关系，关键评价指标——剩余使用寿命预测的均方误差为225，相比传统自注意力机制均方误差降低了17.9%，验证了所述方法的可行性和有效性。
关键词：残差自注意力机制;神经网络;剩余使用寿命;航空发动机

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发布时间：2021-07-03

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