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最新刊期
2022 年 第 12 期
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水下激光通信弱光信号的自适应随机共振检测
摘要：针对水下无线光通信（Underwater Optical Wireless Communication，UOWC）系统中由于低信噪比导致的接收光信号被淹没在强噪声中难以检测的问题，提出一种基于自适应随机共振（Adaptive Stochastic Resonance，ASR）的水下弱光信号检测方法。本文通过分析水下弱光信号的特点及随机共振的检测机理，引入二次采样，使随机共振可以适用于任意频率下的光信号检测。分析影响随机共振系统的参数，提出改进蚁群算法与随机共振相结合的检测方法，根据检测性能动态的调整系统参数，使系统达到最优匹配状态，实现自适应随机共振。为验证方法的有效性，搭建了基于雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）的UOWC实验系统，实验结果表明，在信噪比SNR=-4.559 5 dB时，误码率为5×10-4，进一步证明了基于自适应随机共振的水下弱光信号检测可以显著提高UOWC接收机的误码率性能。关键词：水下无线光通信;低信噪比;随机共振;蚁群算法- 313
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发布时间：2022-06-25 -
基于软边小孔的涡旋光轨道角动量检测研究
摘要：涡旋光束携带的轨道角动量在自由空间光通信中具有非常重要的意义。本文采用软边小孔改进了基于小孔衍射的涡旋光束轨道角动量检测技术。相比硬边小孔，软边小孔的菲涅尔衍射具有一定的收敛性，能够提高远场衍射分布中主亮斑对次亮斑的相对强度，从而提高主亮斑的可识别度并且拓展基于小孔衍射的轨道角动量范围。通过计算远场衍射中主、次亮斑的强度对比值和主亮斑区域波峰、波谷强度平均对比值来选取合适的超高斯阶数以达到最佳的检测效果。结合理论模拟和实验可知，采用软边矩孔可将涡旋光拓扑荷的可检测范围从硬边矩孔的20阶进一步提高到30阶，采用软边三角孔可将检测范围从±10阶提高到±20阶。关键词：衍射;涡旋光;软边光阑- 149
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发布时间：2022-06-25 -
基于超小GRIN光纤镜头的MEMS光纤声传感器及性能测试方法
摘要：研究一种MEMS膜片与超小GRIN光纤镜头相结合的MEMS光纤声传感器，以及基于扫频OCT （Swept Source Optical Coherence Tomography，SS-OCT）解调系统的MEMS光纤声传感器性能测试方法。在进行建模分析的基础上，设计并研究MEMS膜片与超小GRIN光纤镜头相结合的MEMS光纤声传感器的制作工艺，搭建基于SS-OCT的声振测量系统，通过开展单频声信号、混频声信号、频率响应、声压灵敏度和系统稳定性测量实验，进行传感器的性能测试与标定。结果显示，所研究的MEMS光纤声传感器样品的频响范围为50 Hz~4.5 kHz，在频率为300 Hz时传感器声压灵敏度21.63 nm/Pa，信噪比（SNR）为44.1 dB，线性度为98.97%，重复性标准偏差为0.003。结果表明所研究的MEMS光纤声传感器可行，而且利用SS-OCT解调系统可对其传感性能进行有效测量。关键词：超小GRIN光纤镜头;MEMS;光纤声传感器;SS-OCT- 211
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发布时间：2022-06-25 -
应用于光束质量测量的阵列光纤串扰校正
摘要：为降低光束质量测量系统中阵列光纤输出串扰导致的测量误差，本文提出了硬件设计与算法构建相结合的串扰校正方法，并就此展开了相关的原理研究与方法验证。首先，基于光束质量测量要求和光纤传光原理分析了阵列光纤的串扰影响；其次，结合朗伯散射原理和实验结果验证了校正串扰的原理：使用朗伯体降低阵列光纤输出光发散角差异，并建立统一的弥散光斑串扰模型，再采用反卷积算法复原到靶光斑；再次，介绍了针对性的反卷积算法原理，并就相关参数的设计展开了讨论；最后，对真实光斑、光纤输出的未校正光斑及已校正光斑进行对比分析，实验验证了校正方法的可行性。实验结果表明：与未校正光斑相比，校正后光斑强度分布的相对均方根误差由36.06%降至4.67%，桶中功率的相对均方根误差由7.79%降低至0.73%，86.5%桶中功率所在束宽的测量相对误差由10.83%降至3.46%，结合校正算法的图像处理和参数计算总时间约为8 s。关键词：光束质量测量;阵列光纤;串扰校正;反卷积- 121
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发布时间：2022-06-25
现代应用光学
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空间相机碳纤维薄壁筒式主次镜支撑结构
摘要：在大口径、长焦距空间遥感相机中，主、次镜间相对位置变化会影响相机的成像质量和稳定性，因此，作为主次镜间承力结构的主次镜支撑结构，是相机设计过程中的关键一环。本文针对大口径、长焦距相机特点，设计并研制了碳纤维薄壁筒式主次镜支撑结构。首先，根据给定光学系统，选取了筒式基结构形式。然后，根据筒式基结构形式的特点，依次对筒式结构的次镜支撑梁和纵向加强筋的几何结构形式进行了分析与选型。接着，为了充分发挥碳纤维材料铺层可设计性特点，对主次镜支撑结构进行了结构关键尺寸、铺层厚度和铺层角度三者的迭代优化设计，并对设计结果进行了有限元仿真分析。最后，通过测量次镜角度变化量和特征级扫频振动试验，验证了支撑结构的稳定性和结构刚度。试验结果表明：次镜相同状态下长期监测差值变化量小于1.5″，重力翻转前后变化量小于1.08″，支撑结构一阶固有频率大于115 Hz，轴向频率大于180 Hz，表明主次镜支撑结构具有良好的刚度和结构稳定性，满足设计指标要求。关键词：空间相机;主次镜支撑结构形式;迭代优化;结构稳定性- 170
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发布时间：2022-06-25 -
数控机床多源异类信息采集测试试验及平台搭建
摘要：针对现有的数控机床工作过程主轴系统多种信息与多类信号采集的实际需求，设计研发了由多类型传感器组成的多源异类信息采集试验平台。该平台由热态特性信息采集系统与机床动态信息采集系统组成，其中热态特性信息采集系统可监测数控机床各点的位移与温度数据；动态信息采集系统可监测机床各点的振动，应力和应变。本文首先在主轴系统仿真分析的基础上，完成试验平台构建，并在2 000 r/min、3 000 r/min和4 000 r/min转速下进行多源异类信息采集试验，试验与仿真结果相对误差在10%以内，同时又将采集到的数据进行预处理和信息融合后用于多源信息的热误差建模，在对应转速下热平衡后的热变形均方根误差均小于0.9 μm，同时决定系数在0.9以上，表明所搭建的多源异类信息采集试验平台在多转速下均有较优的准确性。本文的试验平台和数据采集融合方法为机床的热误差补偿和热设计提供了重要的技术手段和理论基础。关键词：数控机床;多源异类信息;热态特性;试验平台;信息采集- 97
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发布时间：2022-06-25 -
h形磁性复合流体抛光工具设计及工艺试验
摘要：针对深孔内壁光整加工效率与质量较低的技术问题，在传统针式磁性复合流体（Magnetic Compound Fluid，MCF）抛光工具头的基础上增加辅助磁场块，提出基于h形抛光工具头的MCF深孔抛光工具及加工方法。利用COMSOL Multiphysics建立永磁铁磁场组合模型，设计磁场均匀的h形抛光工具头结构；建立MCF深孔抛光磁场与流场模型，进行磁流耦合仿真，分析MCF流体流动特性；以黄铜H62材料为样件，展开不同抛光工艺参数实验，对抛光前后样件的表面形貌、粗糙度和材料去除率进行分析，并验证了仿真模型。实验结果表明：当采用h形抛光工具头两磁铁水平间距为8 mm，抛光转速为1 400 r/min，抛光间隙为1 mm，氧化铝磨粒粒径为0.5 μm时，表面粗糙度为173 nm，材料去除率为0.84 mg/min，获得最佳抛光效果，且采用h形抛光工具头产生的抛光效果要比针式抛光工具头产生效果更佳。基于h形抛光工具头的MCF深孔抛光方法能有效改善孔内壁表面质量，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：磁性复合流体;深孔抛光;抛光特性;h形抛光工具头;黄铜H62- 111
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发布时间：2022-06-25 -
机床主轴热误差通用型温度敏感点组合选取
摘要：本文提出一种基于数量自动确定的机床主轴热误差通用型温度敏感点组合选取方法以解决敏感点数量的选取依赖人工经验的问题。首先，计算各温度变量与热误差之间的绝对均相关系数以评估各温度点对主轴热误差的相关程度。其次，将绝对均相关系数最大的温度点作为K-Means++聚类算法的首个初始聚类中心，进一步选取一系列数量不同的温度敏感点组合。然后，将所得的一系列敏感点组合和热误差作为输入，建立反向传播（Back Propagation， BP）神经网络热误差模型，并通过评价指标选取预测性能最优的温度敏感点组合。最后，在VMC850数控机床上进行了最优温度敏感点组合在不同工况相同误差项、相同工况不同误差项中的有效性以及在不同热误差模型中的通用性验证。结果表明，本文提出的温度敏感点组合选取法适用于不同工况下的误差预测，且在不同的热误差模型中具有良好的通用性。关键词：温度敏感点组合选取;主轴热误差建模;数量自动确定;有效性与通用性;温度敏感点评价指标- 114
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发布时间：2022-06-25
微纳技术与精密机械
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基于FVOIRGAN-Detection的车辆检测
摘要：为了解决点云处理过程中空间信息损失的问题，同时在融合过程中最大程度地提取可见光图像的纹理信息，本文提出了一种基于特征切片的激光点云与可见光图像融合车辆检测方法（FVOIRGAN-Detection）。在CrossGAN-Detection方法中加入了FVOI（Front View Based on Original Information）的点云处理思路，将点云投影到前视角度并把原始点云信息的各个维度切片为特征通道，在不降低网络性能的情况下显著提高点云信息利用效率。并且引入了相对概率的思想，采用鉴别器鉴别图像的相对真实概率替代绝对真实概率，使得融合图像提取的纹理信息更加接近真实的纹理信息。在KITTI数据集上进行检测性能实验验证结果表明，本文方法在容易、中等和困难三个类别中的AP指标分别达到97.67%、87.86%和79.03%。在光线受限的场景下，AP指标达到了88.49%，与CrossGAN-Detection方法相比提高了2.37%，提高了目标检测的性能。关键词：点云处理;空间信息;相对概率;GaN;特征切片;车辆检测- 143
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发布时间：2022-06-25 -
轻量化火星遥感影像超分辨率重建网络
摘要：针对目前基于深度学习的图像超分辨率重建方法参数量大的问题，以Deep Laplacian Pyramid Networks（LapSRN）为基础，提出一种轻量化拉普拉斯金字塔图像超分辨率重建卷积神经网络。首先，对输入的低分辨率图像（Low Resolution Image， LR）提取出浅层特征。其次，使用可以进行参数共享的具有同源跳跃连接的递归块结构，从浅层特征逐步提取出更深层特征并进一步推断出包含高频信息的残差图像（Residual Image，RI）。然后，对RI以及输入的LR进行转置卷积上采样，并将二者逐像素相加得到超分辨率图像（Super Resolution Image， SR）。该方法在三个放大倍率下总参数量仅为LapSRN的3.98%，火星遥感影像4倍超分辨率下峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio， PSNR）提高0.031 3 dB，8倍超分辨率下PSNR提高0.116 7 dB。所提方法在超分辨率重建效果基本维持的情况下将网络参数量在2倍下缩减81.6%、4倍下缩减90.8%、8倍下缩减88.8%。关键词：轻量化;卷积神经网络;超分辨率重建;拉普拉斯图像金字塔- 197
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发布时间：2022-06-25 -
改进的CycleGAN网络用于水下显微图像颜色校正
摘要：针对海洋水体及悬浮颗粒物吸收和散射所导致的水下显微图像的颜色信息失真问题，本文提出了一种改进的循环一致性对抗网络（Cycle-consistent Adversarial Network， CycleGAN）算法，实现对水下目标物图像的颜色校正。通过在原始水下降质图像和重构水下图像之间加入R、G、B三个通道的结构相似性（Structure Similarity Index Measure， SSIM）损失函数，度量二者图像之间的信息损失，进而实现R、G、B三个通道颜色的精准调控，不仅增强了CycleGAN网络的整体性能，也提高了生成器生成图像的质量。然后，利用水下多色自制标靶及天然矿石的显微图像组成的训练数据集对本文所提的改进网络进行训练，所得的模型可用于实际矿石样品表面的显微图像颜色校正。结果表明，本文所提的改进的CycleGAN算法较其它方法在颜色校正方面有着明显的优势。与传统的Retinex算法相比，处理后的图像峰值信噪比（Peak Signal-to-Noise Ratio， PSNR）和结构相似性指标分别提高41.85%、35.62%，而且，从主观视觉角度可发现经过校正的水下显微图像与空气中图像颜色相似度最高。综上，本文方法可以有效地对水下目标物图像进行颜色校正，并提升水下显微图像的质量，有望在海洋地质和海洋生物学方面得到应用。关键词：海底深部微生物观测;水下显微成像;SSIM损失函数;CycleGAN;颜色校正- 155
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发布时间：2022-06-25 -
基于航迹方向最大密度估计的红外多目标双站定位
摘要：为了抑制测量误差对多目标双站定位的影响，本文充分利用目标短时运动航迹点时空分布特点，提出基于航迹最大密度估计的红外运动多目标双站定位方法。首先，基于双站测向射线高程差进行单帧多目标初匹配。然后，基于方向二维直方图，初步估计出目标航迹方向；以此为搜索起点，开展基于Mean Shift的目标航迹方向最大密度估计。最后，基于目标航迹方向进行航迹点真假检验，抑制测量误差对目标定位结果的影响。实验结果表明：本文方法不仅能有效剔除误匹配点，而且能抑制误差偏差点；航迹最大拟合误差小于0.5 m，平均拟合误差小于0.3 m，优于其他算法；对于既有误匹配点又有误差偏差较大定位点的目标，相比于直方图法，本文方法最大拟合误差降低幅度大于50%，平均拟合误差降低27%。本文方法能有效抑制定位误差，在目标三维定位及预测、打靶训练评估等军民用领域具有重要价值。关键词：双站定位;多目标;红外;最大密度估计;Mean Shift- 127
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发布时间：2022-06-25
信息科学
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