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最新刊期
2022 年 第 11 期
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30倍轻小型变焦光学系统设计
摘要：针对机械补偿式变焦光学系统难以同时实现大变倍比和轻小型设计的难题，提出了一种高倍率轻小型机械补偿式变焦光学系统的设计方法。为了降低高倍率变焦光学系统色差和球差的校正难度，对机械补偿式变焦光学系统的光焦度分配原理进行了理论分析。然后，提出采用平滑换根的“+，-，+，+”光焦度分配方式结合固定光阑口径变F数的方法，来实现大变倍比轻小型设计，并通过参数设定和光学设计软件联合解算的方法，快速有效地解算出较佳的初始结构参数。最后，使用全球面透镜设计了一款大变倍比轻小型的连续变焦光学系统，该系统的最大口径为67 mm，全长为190 mm。该变焦系统具有成像质量好、变焦曲线无拐点等优点。关键词：光学设计;变焦光学系统;大变倍比;光焦度分配;轻小型- 473
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发布时间：2022-06-21 -
利用频谱相位最大值自适应定位全息正一级频谱
摘要：为了解决正一级频谱区域定位方法依赖先验模板或参考光波倾斜角的问题，提出一种利用频谱相位最大值自适应定位全息正一级频谱区域的方法。对预放大数字全息的频谱相位分布进行了理论分析，获知频谱相位的最大值处于正一级频谱的中心位置。利用频谱相位的最大值点与全息频谱振幅的三个区域（正一级、负一级和零级频谱区域）重心的最小距离，判定和定位全息正一级频谱区域。最后，以微孔阵列、相位台阶为样本进行了实验。实验结果与理论分析一致，该方法测量相位台阶的横向误差为3.7 μm，高度标准偏差为4.2%，能准确地定位正一级频谱的区域位置，而不依赖于先验模板或参考光波的倾斜角，为离轴全息频谱滤波提供了一种频谱区域自适应定位方法。关键词：数字全息;频谱相位;频谱滤波;正一级频谱;相位最大值- 159
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发布时间：2022-06-21 -
基于逆深度滤波的双目折反射全景相机动态SLAM系统
摘要：为了在复杂的动态环境下能够准确地估计折反射全景相机的位姿，提出一种基于逆深度滤波的双目折反射全景相机动态SLAM系统。分析了双目折反射全景相机系统，在球面进行三角化计算出空间点的深度信息。采用一种基于贝叶斯滤波的逆深度滤波器，对动态地图点进行剔除，只使用静态地图点对折反射全景相机进行位姿估计，可以在动态环境下得到精确的相机位姿估计结果。分别在低动态环境和高动态环境下进行了实验，实验结果表明，在高动态环境中，传统的SLAM系统计算的轨迹出现漂移，而基于逆深度滤波的双目折反射全景相机动态SLAM系统始终可以稳定运行。所提方法在两段高动态环境下的绝对轨迹误差的均方根误差分别为0.52 m和0.56 m，精度比传统的全景SLAM系统提升了96.35%。关键词：折反射全景相机;同时定位与地图构建;动态环境;逆深度滤波- 129
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发布时间：2022-06-21 -
基于HHO-KELM的FBG流量温度复合传感解耦
摘要：针对光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）流量温度复合传感耦合干扰严重的问题，以小型探针式FBG流量温度复合传感器为研究对象，提出了基于哈里斯鹰算法优化核极限学习机（Harris Hawks Optimizer algorithm Optimized Kernel Extreme Learning Machine， HHO-KELM）的解耦算法。首先，设计了以空心圆柱悬臂梁为受力载体的小型探针式FBG流量温度复合传感器，揭示了该传感器波长漂移量与流量温度的映射关系；然后，构建实验系统进行了流量温度复合传感实验，分析了流量温度耦合特征；最后，利用哈里斯鹰算法优化核极限学习机，获取核极限学习机的最优正则化系数和核函数参数组合，建立了HHO-KELM算法流量温度解耦模型，解耦后流量在2~30 m3/h内，流量平均误差为0.038 m3/h，均方误差为1.91×10-3 m3/h，温度平均误差为0.027 ℃，均方误差为1.03×10-3 ℃。为验证解耦效果，将HHO-KELM算法与BP算法、ELM算法的解耦结果进行对比。实验结果表明：HHO-KELM算法具有较好的解耦精度和解耦效率，能够有效降低流量温度耦合干扰，提高了传感器的测量精度和稳定性，可实现流量温度的实时动态解耦。关键词：光纤布拉格光栅;流量温度复合传感;耦合干扰;核极限学习机;哈里斯鹰算法- 132
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发布时间：2022-06-21 -
高反射带材传输空间位置检测系统
摘要：为实现高反射非晶带材传输过程中空间位置的高精度测量，建立了基于光学三角法的双激光位置检测系统。针对该系统的实际应用工况开展了激光缩束、图像采集与处理、质心定位和系统标定等关键技术的研究。介绍了双激光器测量强反射面非晶带材空间位置的原理，设计出检测系统总体结构，在传输光路上增加缩束器来提高激光光斑质心提取的定位精度。搭建带材传输空间位置检测的实验装置，完成了检测系统标定实验，提出基于最小二乘法多项式的光斑质心与带材实际位置对应曲线的拟合方法，进而得出带材传输空间位置的标定曲线。最后，采用高速摄像仪与CMOS相机同时对非晶带材传输位置进行检测，并以高速摄像仪的测量结果为参考值，验证标定了CMOS相机的测量精度。实验结果表明：CMOS相机检测结果与参考值的相对偏差在0.05%之内，满足系统位置检测精度50 μm的要求，可用于高反射面带材传输过程空间位置的高精度测量。关键词：激光测量;空间位置检测;光斑质心定位;多项式拟合;非晶带材- 114
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发布时间：2022-06-21
现代应用光学
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双层微纳结构增强电磁屏蔽的机理分析与验证
摘要：为了实现对双层微纳结构增强电磁屏蔽的机理分析，建立了分析模型并进行了理论公式推导。以方格结构为例，分析了双层微纳结构增强电磁屏蔽效能的机理，推导出双层微纳结构电磁屏蔽的理论计算公式，理论计算与电磁仿真软件CST Microwave Studio全波仿真结果吻合较好。在全波仿真中微纳结构比计算对应波长小2~3个数量级，这验证了机理分析和全波仿真软件计算的正确性。所提供的电磁屏蔽增强机理分析及计算公式可扩展到多层微纳结构，具有通用性。为进一步验证机理分析和全波软件仿真结果的正确性，制备了双层方格微纳结构样件，样件的实测结果与理论和全波仿真结果基本一致，在2~18 GHz内屏蔽效能大于45 dB，平均透光率超过了71%，具有良好的透明屏蔽性能。这一机理分析为高透光和高效电磁屏蔽微纳结构设计提供了理论指导。关键词：微纳结构;电磁屏蔽;双层;透光率- 216
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发布时间：2022-06-21 -
单晶硅压痕接触变形的简化计算
摘要：单晶硅、光学玻璃等脆性材料磨粒加工获得高质量加工表面的关键是单颗磨粒的实际刻划深度小于材料脆塑转变的临界切削深度，但单颗磨粒刻划加工的实际划痕深度的计算需要考虑单晶硅与磨粒压痕接触弹性变形的影响。由于金刚石磨粒切削刃与玻氏压头尖端具有结构相似性，对单晶硅与玻氏压头的压痕接触变形进行了理论分析和实验研究。基于纳米压痕实验原理，建立了玻氏压头加载压入单晶硅的位移深度和压痕深度的计算公式。将玻氏压头与单晶硅试件的接触等效为球体与平面的接触，建立了接触弹性变形的简化计算公式。对单晶硅进行了纳米压痕实验，得到单晶硅的纳米硬度为12.22 GPa，等效弹性模量为173.09 GPa，实测了玻氏压头与单晶硅纳米压痕接触的弹性接触刚度和压头的位移深度、压痕深度，接触弹性变形量超过了压头位移深度的50%。该结果为单晶硅的金刚线精密切片和精密磨削工艺参数的优化奠定了理论基础。关键词：磨粒加工;单晶硅;压头位移深度;压痕接触变形;压痕深度- 105
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发布时间：2022-06-21 -
差分磁梯度张量测量极限估计
摘要：为了研究磁梯度张量系统（Magnetic Gradient Tensor System， MGTS）的理论探测极限，利用磁偶极子正演公式、张量矩阵特征方程和张量不变量推导了差分磁梯度张量测量范围公式，提出了MGTS理论探测极限估计方法。利用磁梯度张量空间衍生不变关系定位方法估计目标体磁矩，并利用差分计算原理在背景场静态采样中估计MGTS的张量分量测量准确度。利用提出的方法估计现场MGTS的理论探测极限。滑动磁性物体远离MGTS并进行连续采样，记录张量信号实际可观测范围并对估计结果进行验证。结果表明，MGTS的理论探测极限与基线距离d、测量准确度q、目标磁矩强度M、观测点与目标磁矩间夹角θ等有关；d越长，q越高，M越大，MGTS理论可探测距离越远；d越长，观测距离越近，MGTS测量的理论误差越大；探测距离在MGTS平行于磁矩方向时最大，在垂直于磁矩方向时急剧减小。实验表明，平面十字形MGTS针对4个典型磁铁的探测极限估计准确度为±0.4 m。关键词：磁梯度张量;差分测量系统;探测极限;目标定位- 111
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发布时间：2022-06-21 -
空间锶原子光钟磁场分析及主动补偿系统
摘要：空间锶原子光钟在轨运行过程中会感受到幅度约为80 μT的地磁场变化，通过引入同等大小的外磁场变化，实验观测了变化地磁场对空间光钟冷原子由磁光阱装载到光晶格的影响。理论分析了地磁场变化对钟跃迁探测的影响，并对磁场稳定性需求进行了分析。通过电动旋转台和永磁体模拟空间环境变化的磁场，利用三维磁通门进行实时探测，设计了主动补偿系统并对外界磁场进行实时补偿，使空间光钟磁光阱中心区域磁场波动在亚μT量级，满足了空间光钟对磁场的补偿与控制需求。关键词：空间光钟;地磁补偿;锶原子光钟;时间频率- 103
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发布时间：2022-06-21 -
航空光电平台两轴快速反射镜结构设计
摘要：为了满足航空光电平台对可见/红外双波段两轴快速反射镜面形精度和动态性能的高要求，针对性地设计了轻量化平面反射镜和柔性结构。对快速反射镜结构的设计方法进行了归纳，明确了快速反射镜结构的设计要素，分析了装配误差的影响。设计了背部中心支撑轻量化反射镜，通过定位工装实现了电机高精度装配。基于十字型柔性轴承，实现了双轴柔性结构的设计。最后，对快速反射镜的面形精度和模态进行了仿真和实验测试。实验结果表明，平面反射镜的面形精度（RMS）优于0.017λ（λ=632.8 nm），快速反射镜闭环带宽优于200 Hz，X向和Y向的定位误差皆低于1.2 μrad。在满足高面形精度和高动态性能的基础上，该快速反射镜实现了小型化和模块化，能够在复杂的航空环境下稳定可靠地工作。关键词：快速反射镜;双轴柔性支撑;面形精度;模态分析- 199
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发布时间：2022-06-21 -
面向批量精密装配的显微特征定位
摘要：基于显微机器视觉的特征定位是精密装配中重要的一环，批量精密装配中装配状态不同导致特征定位错误，使流程中断进而影响装配效率，因此需要建立强鲁棒性的特征定位算法。提出一种融合方向梯度直方图特征和局部二值模式特征的支持向量机模型，并采用金字塔搜索策略提高识别效率，实现显微特征定位。在自行研制的精密自动装配设备上进行性能测试，采集不同特征进行支持向量机的训练，研究了纹理和光照等干扰因素对定位稳定性和精度的影响，并进行定位精度实验及某组件批量装配。实验结果表明：利用本方法提取目标特征位置，在多种条件下均具有良好的单峰性和重复精度，识别准确率达到98%，定位精度优于4 μm，装配精度优于7 μm。本方法能够满足实际批量生产中不同装配条件下的定位需求，为自动化精密装配定位提供了有效的解决方案。关键词：精密装配;特征定位;显微视觉;支持向量机- 141
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发布时间：2022-06-21
微纳技术与精密机械
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电力巡检无人机自主降落的引导系统与策略
摘要：针对电力巡检无人机在野外弱光照环境下难以实现全自主、准确、安全可靠降落到分布式机场停机坪的问题，构建了完整的降落引导实物系统，提出了降落策略选择依据和较为体系化的降落策略。构建了融合巡检无人机、超带宽定位地面基站群、分布式机场的实物降落引导系统，在开源飞行控制系统的基础上，增加了降落专用飞行控制器，设计了适合于无人机降落的速度控制器和算法，并提出了降落策略选择依据和适应于不同现场情况的降落策略。实验结果表明：降落误差为0.3 m以内的可靠度为100%；在有1~2个地面基站故障的情况下，也能引导无人机安全、准确地降落；每种降落策略各具优势，可适应不同的降落环境。本文设计的降落引导系统能够满足引导巡检无人机自主降落的要求，提出的降落策略显著提高了降落的可靠度，为构建局部区域内电网巡检的全自主无人机系统奠定了基础。关键词：巡检无人机;降落引导系统;选择依据;分布式机场;降落策略- 129
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发布时间：2022-06-21 -
基于二维仿射变换的几何一致性虚实融合
摘要：几何一致性和光照一致性在虚拟物体叠加到真实场景中的真实感渲染中起着重要作用。为了构建立体相机的真实场景和虚拟场景的坐标测量系统，实现虚实融合过程中的几何一致性和光照一致性，提升虚实融合的真实感，提出了一种几何一致性虚实融合方法，利用从三维空间到二维空间的转换，详细计算虚拟对象与真实场景之间的几何关系，并应用二维仿射变换处理二维图像，以实现更精确的计算。最后，结合光照一致性估计，使用差分渲染法将虚拟对象准确地插入到真实场景中实现虚实融合。实验结果表明，虚拟物体可以完全按照尺寸和体积融合到真实场景中，融合后的几何一致性提升了15%以上，该方法为增强现实的应用奠定了基础。关键词：增强现实;虚实融合;几何一致性;光照一致性;差分渲染- 134
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发布时间：2022-06-21
信息科学
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