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2022 年 第 13 期
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非回转对称次波前退化下的干涉相干成像像差
摘要：干涉补偿检测系统中检测波前在补偿光路传播中发生退化，不可避免地引入了干涉相干成像像差，使得仪器的传递函数在高频段急剧下降，严重限制了检测精度。建立了一种干涉相干成像像差模型来揭示波前空间频率信息受干涉相干成像像差影响的退化机制，提出了非回转对称波前传播理论来阐述非回转对称波前的演化机理。然后，结合细光束追迹与波前演化的混合分析方法建立了干涉相干成像像差的数学模型，实现了次波前非回转对称传播条件下调频函数的数值化，进一步建立离焦量与波前分布的函数关系。最后，利用干涉补偿检测系统完成模型的实验验证。实验结果表明，实际值与预计值的残差结果均小于0.05 waves，模型的对称平均绝对百分比误差（SMAPE）为8.26%，平均相对误差（MRE）为3.35%，相比亚利桑那大学提出的基于Talbot效应与菲涅尔衍射分析得到的理论模型有更好的契合度。由此验证了该模型的准确性与预测性，该模型对于提高干涉补偿检测的检测精度有重要意义。关键词：光学检测;干涉补偿检测;次波前退化;干涉相干成像像差- 222
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发布时间：2022-08-07 -
基于单光子探测器的深空激光通信阵列
摘要：随着深空探测中飞行器载荷探测器种类和数据容量的增大以及探测领域的拓展，对地通信速率和通信距离要求越来越高。与无线电通信相比，激光通信具有通信速率高、波束窄、保密性好、终端质量轻和功耗低等优势，在深空通信中具有巨大的潜力。为了实现远距离高灵敏度通信，通常采用提高飞行器终端激光峰值发射功率、增大地面光学系统接收面积、提高探测器接收灵敏度等方式。通过分析达到探测器靶面的光子数，采用PPM调制与超导纳米线单光子探测器是深空激光通信较为理想的一种方案。从探测器的探测概率和虚警概率出发，推导出了系统误码率模型。采用多台望远镜通过信号层面上“或”和“与”的组合处理方式组成有效口径10 m的接收望远镜阵，并分析了几种不同级联方式下的通信误码率。分析结果表明，由16台2.5 m口径望远镜通过特定的组合方式，在白天强背景光、通信距离2.67AU、通信速率1 Mb/s下，通信误码率优于10-7。关键词：激光通信;望远镜阵;超导纳米线单光子探测;误码率- 192
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发布时间：2022-08-07 -
载荷探测器像元满阱参数测试
摘要：在CCD成像电路的研发过程中，为了确保CCD达到最优的满阱性能，需要不断调整CCD驱动信号参数并进行满阱测试，该过程通常需要重复几十甚至上百次。通用的光子转移曲线法需要积分球等设备搭建平场光源，系统复杂，满阱测试效率较低。提出了一种满阱测试方法——LED点测试法，该方法通过光子转移曲线法获取系统增益后，仅通过搭建LED点光源配合普通民品镜头即可实现CCD满阱测试。基于载荷CCD成像电路，使用LED点测试法进行测试。结果表明，载荷CCD的满阱电子数可达817.013ke-，误差不大于0.643%。针对LED点测试的同组数据采用传统满阱测试方法进行测试，对比结果表明，LED点测试法和传统测试方法相对光子转移曲线法的误差分别为0.039 7%和1.9%。LED点测试法可用作简易条件下快速测量CCD满阱的通用方法，能够提升CCD成像电路的研发效率。关键词：电荷耦合器件;满阱容量;光子转移曲线;LED点测试法;数据拟合- 96
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发布时间：2022-08-07 -
基于光纤光镊的长距离微粒可控操纵
摘要：在液体中灵活操纵微粒或细胞，特别是将细胞或微粒运输到指定位置，已经被证明在细胞分析、疾病诊断、药物递送等方面有着至关重要的作用。针对细胞或微粒非接触光学捕获的灵活性受限于光纤光镊操纵距离短的问题，提出了一种结构简单且具有长距离非接触可控操纵微粒的新型光纤光镊。利用加热和拉伸技术制作了类锥形平口光纤探针，980 nm的激光经过光纤探针后会对微粒产生大的散射力，将微粒逐渐推离光纤端口，同时借助反向流体阻力，在不移动光纤探针的情况下通过调节激光器光源的输出功率，对轴向位置上直径为6 µm的聚苯乙烯微粒可以进行长达102.2 µm的可控往返操纵，应用有限元法仿真了光镊的光场强度分布，并采用麦克斯韦应力张量法分析了光镊对微粒的作用力。实验和仿真结果表明，所提出的类锥形平口光镊是可行的。关键词：光纤光镊;光学捕获;有限元法;麦克斯韦应力张量法- 123
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发布时间：2022-08-07
现代应用光学
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微孔气流加压对ITO玻璃激光刻蚀平面度的影响
摘要：针对ITO玻璃表面线路激光刻蚀中因定位问题玻璃工件产生的微变形，采用微孔陶瓷对工件进行微气流阵列加压，确保高精度的激光刻蚀加工。分析不同加工工艺下的微气流压力分布，探究气流压力和刻蚀间隙对ITO玻璃刻蚀表面平面度的作用机制。结果表明：经微孔气流加压后，工件在气体流动的区域受到正压力，加工区域的压力分布较为均匀。由此可知，工件表面受到均布气压有利于刻蚀表面的定位，但过大的压力会导致工件微变形。实验结果显示：在合适的压力下，微孔气流加压可使得平面度低至8 μm，当压力在0.16~0.2 kPa，刻蚀间隙在1.8~1.9 mm时，工件表面压力为13.2~14.4 Pa，此时平面度最好，微米尺度的刻蚀线路清晰，不产生破损。最后，对微孔气流加压的ITO玻璃进行激光刻蚀加工，可得到8 μm以及25 μm的表面微细线路，解决了通常无微孔气流加压的刻蚀工艺导致局部断点或变形线路引起产品短路或开路等问题。关键词：激光刻蚀;微孔气流;ITO玻璃;刻蚀工艺;高精密加工- 128
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发布时间：2022-08-07 -
V型电热驱动器的理论建模及位移响应特性
摘要：为了研究V型电热驱动器的位移响应特性，考虑到材料参数的温度非线性及数学模型中存在的非连续性边界问题，从理论、仿真和实验三个方面对V型电热驱动器进行研究。通过引入与温度相关的材料参数更新函数，建立V型电热驱动器的电-热-力耦合模型；利用改进型切比雪夫谱方法求解所构建的耦合模型，得到V型电热驱动器温度和瞬态位移表达式。然后，对V型电热驱动器温度和位移进行有限元仿真和理论分析。最后，搭建电热驱动器瞬态位移响应实验平台，将恒定电压激励下的V型电热驱动器位移响应实验结果与理论和仿真结果进行对比，并对周期性方波电压下V型电热驱动器的位移响应进行了测试。实验结果表明：在一段时间后，V型电热驱动器的位移响应呈现周期性变化，且周期与方波电压周期相等；在其他参数相同的条件下，峰峰值为14 V的周期方波电压作用下，电热驱动器位移均值为20 µm，峰峰值为7 V的周期方波电压作用下，位移均值为28 µm；频率为50 Hz的周期方波电压作用下，电热驱动器位移变化幅度比频率100 Hz下多7 µm。V型电热驱动器的位移均值基本不变，但位移变化幅度与频率负相关。关键词：V型电热驱动器;切比雪夫;温度;瞬态位移;位移响应- 111
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发布时间：2022-08-07 -
MEMS微压压力传感器的灵敏度优化
摘要：为提高微机电系统微压压力传感器的灵敏度，根据硅压阻式压力传感器的工作原理介绍了影响压力传感器灵敏度的主要因素。使用COMSOL Mutilphysics有限元仿真软件开展压力敏感膜层厚度、压敏电阻摆放位置及压敏电阻长度对灵敏度影响规律的研究。根据仿真结果，减小压力敏感膜层厚度至15 μm，设置压敏电阻长度为120 μm，并将压敏电阻摆放至距压敏膜层边缘10 μm的位置，完成了一款量程为40 kPa的MEMS硅压阻式微压压力传感器的结构优化，有效提升了传感器的灵敏度。测试结果表明，该压力传感器的灵敏度达到0.444 mV/kPa，相较于常规同量程灵敏度为0.35 mV/kPa的压力传感器，提升了26.8%。上述优化结果基本满足MEMS微压压力传感器的高灵敏度、高线性度等要求。关键词：微机电系统;微压压力传感器;COMSOL mutilphysics;灵敏度优化- 167
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发布时间：2022-08-07
微纳技术与精密机械
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融合自注意力特征嵌入的夜间机场跑道异物入侵检测
摘要：飞机在夜间起降时机场跑道上侵入的异物严重威胁航空运输安全，而暗光背景下依靠人工步行巡查小尺度异物更易留存致命的安全隐患。将智能视觉检测算法引入机场跑道异物入侵领域，针对现有模型倾向关注局部特征而造成检测精度低等问题，设计了一种融合自注意力特征嵌入的CSPTNet夜间机场跑道异物检测算法。为改善卷积神经网络关注局部特征而忽视全局特征的缺陷，将标准瓶颈模块替换为Transformer瓶颈模块，特征图子块扁平化分割后嵌入位置特征编码，有利于图像从像素表示转化为向量表示，在高维向量空间中捕捉像素间关系。采用多头自注意力机制从注意力分支子空间中获取不同分支聚合的特征信息，从而实现全局特征与局部特征信息的融合。针对数据集目标尺度较小导致轮廓边缘模糊以及定位困难等问题，引入CIoU损失函数以实现预测框尺寸和中心位置的修正优化，提高异物目标轮廓的定位精确性。实验结果表明，本文模型的检测速度达到38 frame/s，满足实时检测的要求；平均精度最高为88.1%，应用融合自注意力特征嵌入的Transformer模块相比于标准瓶颈模块提升5.7%，与当前先进的YOLOv5模型相比提升5.2%，从而验证了CSPTNet算法对夜间机场跑道异物检测的有效性和工程实用性。关键词：夜间机场跑道;异物入侵检测;目标定位损失;特征嵌入;多头自注意力- 188
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发布时间：2022-08-07 -
Res2-Unet深度学习网络的RGB-高光谱图像重建
摘要：针对高光谱成像设备价格昂贵而难以推广应用的问题，利用深度学习网络从易获得的RGB图像重建高质量的高光谱图像。提出的Res2-Unet深度学习网络以Unet框架为基础，以Res2Net为主要模块构建其骨干网络，可以在更加细粒度级别提取局部和全局的图像特征。引入通道注意力机制自适应调节通道特征响应，并在编解码间通过跳跃连接以充分融合不同尺度和不同深度的信息。最后在图像恢复与增强新趋势2020年国际挑战赛提供的数据集上进行训练和测试。实验结果表明，与自适应加权注意力机制网络、分层回归网络相比，提出的方法在平均相对绝对误差、均方根误差、峰值信噪比和平均光谱角制图等4种客观评价指标上均获得了最好的结果；在Clean赛道中平均峰值信噪比分别高出0.08 dB和1.73 dB，在Real World赛道中平均峰值信噪比分别高出0.72 dB和0.97 dB。对比高光谱参考图像与重建图像，无论是在图像的低频平坦区还是在图像的高频纹理区，提出方法均获得了更好的主观视觉效果。关键词：深度学习;高光谱图像;图像重建;Res2Net;通道注意力机制- 489
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发布时间：2022-08-07 -
重定位非极大值抑制算法
摘要：非极大值抑制（Non-Maximum Suppression， NMS）算法作为目标检测任务的后处理算法，其作用是从候选框集合中选出最优边界框并抑制其他候选框。传统NMS算法选取类别置信度最高的候选框作为最优边界框，忽略了类别置信度与定位精度之间的相关性，类别置信度高并不意味着该框的定位精度高。为了解决以上问题，提出一种新的重定位非极大值抑制（Relocation Non-Maximum Suppression， R-NMS）算法。选择类别置信度得分最高的候选框作为最优边界框，利用R-NMS算法提出的一种边界框距离度量方法替代交并比衡量边界框之间的距离。然后，获取最优边界框周围候选框的位置信息，利用位置信息对最优边界框执行重定位操作从而得到新的最优边界框。采用PASCAL VOC2012数据集进行测试，实验结果表明，与传统算法NMS和Soft-NMS相比，R-NMS算法在目标检测器YOLOv3上的mAP分别提高0.7%、0.5%，R-NMS算法在Faster-RCNN上的mAP达到80.83%。该算法能够有效提高目标检测器的检测精度。关键词：计算机视觉;深度学习;目标检测;非极大值抑制- 127
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基于改进YOLOV4的陶瓷基板瑕疵检测
摘要：陶瓷基板是半导体元器件的重要基础材料，其瑕疵检测对保证产品质量具有重要的意义。提出了一种基于改进YOLOV4网络的陶瓷基板瑕疵自动检测方法。针对陶瓷基板瑕疵尺寸较小、颜色形状多变以及不同类瑕疵间尺寸变化较大导致的瑕疵检测困难问题，改进的YOLOV4网络通过借鉴Complete Intersection over Union（CIoU）思想优化初始先验框设计，引入基于梯度协调机制的置信度损失函数和十字交叉注意力网络来改善缺陷检测能力。实验结果表明，基于改进YOLOV4的陶瓷基板瑕疵检测方法对于陶瓷基板污染、异物、多金、缺瓷以及损伤这5类瑕疵检测的平均准确性达到98.3%，可满足工业现场对陶瓷基板瑕疵的检测精度要求。关键词：陶瓷基板;目标检测;YOLOV4;梯度协调机制;十字交叉注意力网络- 206
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发布时间：2022-08-07
信息科学
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