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最新刊期
2022 年 第 14 期
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集成纳米增强基底的微流控SERS芯片及其致病菌检测
摘要：针对致病菌快速高效的辨识和检测一直是生命科学、医疗诊断、食品安全和环境监测等领域备受关注的热点。微流控芯片分析技术为细菌等微生物的研究和检测提供了新的、高效的途径和平台，将表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering， SERS）光谱检测技术与其结合，成为了具有突出优势的致病菌快速鉴别和检测途径。本文针对基于微流控芯片的SERS分析技术及其应用进行综述，首先对各种SERS增强基底材料进行了介绍和性能比较；然后，系统综述了在微流控芯片上集成SERS基底的方法和技术，分别探讨了在微流控通道中注入纳米金属溶胶的外部注入法，在微流控芯片检测区构建固体纳米结构的内嵌法和在微流控通道中原位制备纳米结构基底的原位制作法；最后，对集成SERS检测技术的微流控芯片分析方法在致病菌定性鉴别和定量检测方面的应用进展予以了综述和展望。关键词：表面增强拉曼散射;纳米增强基底;微流控芯片;致病菌检测- 298
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发布时间：2022-08-08 -
多图正则多核非负矩阵分解高光谱图像解混
摘要：针对高光谱遥感图像的非线性解混问题，提出一种多图正则多核非负矩阵分解（MGMKNMF）算法，构造了多核空间中的多图正则项，并基于此构造了包含多核空间的多图正则项、多核权重正则项和多图权重正则项的MGMKNMF目标函数。MGMKNMF可在学习端元与丰度的过程中更新多核权重和多图权重，在合适的多核空间精确构造输入数据的图，解决了图权重和核权重的参数选择的问题。相比核非负矩阵分解（KNMF）的单一核，多核可确定更合适的核空间；相比图正则非负矩阵分解（GNMF）的单一图，多图更准确可靠。2个实测数据集和2个模拟数据集上的实验结果表明MGMKNMF算法是有效的。与GNMF、不含纯像元的核非负矩阵分解、核稀疏非负矩阵分解、基于核的字典剪枝非线性光谱解混、多图正则核非负矩阵分解算法相比，所提MGMKNMF算法在Cuprite和Jasper Ridge真实地物数据集上平均光谱角距离（SAD）值最优，分别为0.092 1和0.097 0；在HAPKE和广义双线性模型模拟数据集上平均SAD最优，分别是0.137 5和0.145 6，均方根误差值表现也最好，分别为0.050 6和0.057 0。关键词：解混;多图正则多核非负矩阵分解;正则化;高光谱图像- 146
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发布时间：2022-08-08 -
基于Harris-SIFT算法和全卷积深度预测的显微镜成像的三维重建研究
摘要：针对珠宝、矿物和金属样本等立体标本在显微镜局部放大观测时存在弱纹理、反光等问题，本文提出了一种适用于显微镜应用场景下基于特征提取的多视图立体三维重建算法。将显微镜镜头角度固定，通过移动载物台对立体标本进行多角度成像获得图像序列。通过将Harris与SIFT算法的优势相结合将原本SFM方法重建中的SIFT算法改进为Harris-SIFT算法进行特征提取与匹配，提升了对显微图像在弱纹理区域特征信息提取的性能。通过使用与深度残差网络相结合的全卷积神经网络对输入的图像进行深度估计和预测，将预测的深度信息通过阈值法与MVS深度图相融合，对MVS深度图进行修正，重建出物体的稠密点云，提升了重建结构完整性并提取到更多的点云数目。在基恩仕VHX-6000数码显微系统进行实验表明，本算法比原始MVS重建算法重建的点云模型点云数目多31.25%，整体重建时间节省了21.16%。关键词：显微镜;三维重建;特征检测;深度估计;MVS深度图- 158
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发布时间：2022-08-08
现代应用光学
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低轨光学卫星同轨立体成像姿态规划与控制方法
摘要：为了提高低轨光学卫星同轨立体成像中多次成像对目标区域指向精度，从而获取更大的重叠覆盖面积，即立体像对有效面积。首先，设计了一种采用地球椭球模型，并考虑地球自转以及卫星滚动方向机动的同轨双视/三视立体成像姿态规划方法。其次，为了缩减机动时间，以提高卫星单次成像可拍摄的区域长度，考虑执行机构力矩与角动量约束，设计了一种路径规划快速机动控制算法（Path planning Fast Maneuver Control，PFMC），即基于旋转轴不变约束的三轴机动的最短路径和角加速度连续路径规划以及结合角加速度前馈与内外环控制的快速机动算法。最后，以“吉林一号”卫星参数进行数学仿真，控制精度优于0.02°，稳定度优于0.001（°）/s，成像时长不低于10 s。在轨测试期间，获得了乌鲁木齐市的立体像对与数字表面模型，有效覆盖面积大于1 600 km2，双视成像的重叠率超过97%，验证了同轨双视立体成像规划与控制方法的可行性和有效性。关键词：同轨立体成像;三轴姿态规划;快速机动;姿态控制- 161
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发布时间：2022-08-08 -
超声振动复合电火花小孔加工系统设计及试验
摘要：针对难加工的镍基高温合金小孔加工，设计了一种新颖的超声振动复合电火花小孔高速加工系统，该系统集成了电极超声振动、电极旋转和电极中心出水等功能，可方便地应用于其他电火花加工机床，并在镍基高温合金GH4099材料工件上开展了一系列小孔加工试验。通过改变加工电流和时间，对比材料去除率、电极损耗率和小孔形貌等指标。试验结果表明：超声振动复合加工在小电流加工时，可以有效地提升材料去除率，并减少相对电极损耗率。在同等条件下，当峰值电流为1 A时，使用该系统加工的孔深度较普通电火花加工的提升89.62%；当峰值电流为6 A时，相比于普通电火花加工材料去除率提升46.42%，相对电极损耗率减少了25.85%。该系统具有更稳定的加工过程，为难加工金属电火花精加工提供一种便利、高效的解决方案。关键词：电火花加工;超声振动;GH4099;电极旋转- 131
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发布时间：2022-08-08 -
RB-SiC金刚石磨粒柔性刻划材料去除及表面损伤行为
摘要：反应烧结碳化硅（Reaction Bonded SiC， RB-SiC）因具有密度小、导热系数大、热稳定性好等优异性能，被公认为是理想的空间大型反射镜制造材料。然其成形后在表面精密加工过程中易引入加工损伤，故本文开展柔性刻划实验，探究砂带柔性磨削工艺对该材料加工性能的影响。通过刚性/柔性两种接触状态下单颗金刚石磨粒刻划RB-SiC材料的对比实验研究，获得柔性刻划下平均亚表面损伤率为0.677，而刚性刻划下为0.823。基于此，开展不同法向压力、磨粒角度、刻划速度等条件下的正交刻划实验研究，结果表明，法向压力与磨粒角度对材料损伤的影响更为重要；同时，随着法向压力的增大、磨粒角度的减小以及刻划速度的增大，材料损伤程度增加。最后，通过多颗金刚石磨粒刻划实验研究，得出结论：与单颗金刚石磨粒刻划相比，材料表面无严重破碎及损伤，且亚表面损伤层深度小于10 μm。该研究将为砂带柔性磨削加工反应烧结碳化硅材料提供基础指导。关键词：反应烧结碳化硅;金刚石磨粒;损伤;刻划力- 153
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发布时间：2022-08-08 -
压电定位平台Hammerstein建模与反馈线性化控制
摘要：压电定位平台以压电陶瓷、柔性铰链作为驱动及放大机构，具有高定位精度和快响应速度，被广泛应用于各种精密/超精密定位领域。压电定位平台面临的主要挑战是压电陶瓷的固有迟滞非线性特性，这严重影响平台的定位和跟踪精度。针对此问题，提出一种基于Hammerstein结构的迟滞建模方法及基于此模型的输入-输出反馈线性化控制策略。首先，建立Hammerstein结构的迟滞模型，并进行模型参数估计。接着，以基于Hammerstein模型的输入-输出反馈线性化控制策略设计跟踪控制器。最后，在压电定位平台上对建立的模型和设计的跟踪控制器进行实验验证。模型辨识实验结果表明：提出的Hammerstein模型能有效地拟合压电定位平台输入量与输出量之间的迟滞非线性特性，其均方根误差小于0.5 μm。轨迹跟踪实验结果表明：设计的跟踪控制器对期望信号（幅值60 μm，频率100 Hz）的跟踪均方根误差为0.926 6 μm，相较于基于改进的速率相关PI（Modified Rate-dependent Prandtl-Ishlinskii， MRPI）模型的前馈补偿跟踪控制、基于MRPI模型的前馈补偿与PID反馈复合跟踪控制，精度分别提高81.22%、46.25%。关键词：压电陶瓷;压电定位平台;迟滞非线性;Hammerstein模型;反馈线性化控制- 177
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发布时间：2022-08-08
微纳技术与精密机械
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空气辅助雾化的细胞递送参数的优化
摘要：为实现生物墨水的高效率递送，构建了一种基于空气辅助雾化技术的细胞递送装置，并利用多种方法系统地测量了雾化特性，以及雾化参数对细胞活性的影响。根据粒径的Rosin-Rammler分布规律对雾化均匀度指数进行了定量评估；利用多帧图像叠加以及局部阈值二值化方法对雾化视频进行边界提取，分析雾化角；结合BM3D去噪算法与二值化算法精确定位雾滴位置，实现雾滴运动速度的精确测量。实验结果表明：雾化高度和射流流量均与雾滴粒径正相关；当辅助气体压力高于60 kPa时，会显著影响雾滴均匀度；通过射流流量和雾化高度的参数控制，雾化面积可实现50~1 800 mm2的大宽幅调节；雾滴的运动速度受雾化高度影响较大，且在50 mm雾化高度下运动速度最大，均值可高达14 m/s；雾化高度和辅助空气流量均会显著影响HaCaT细胞活性，在50 mm雾化高度下细胞活化率低至64.01±0.86%（阴性对照组为92.98±3.21%），而在100 mm雾化高度下可高达90.24±0.73%；HaCaT细胞活性在喷涂后72小时内与未喷涂的保持一致。该雾化装置可用于生物墨水的高效率递送，为实现不同面积喷涂或细胞高活化率递送的雾化参数优化设计提供了指导。关键词：空气辅助雾化;雾化;细胞递送;雾化特性;雾滴速度;细胞存活率- 112
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发布时间：2022-08-08 -
面向可见光和SAR影像配准的特征点检测
摘要：由于可见光和SAR影像间的非线性辐射差异和SAR斑点噪声的影响，现有算法在对SAR影像进行特征点提取时，难以保证特征点的重复率，导致匹配性能下降。针对上述问题，本文提出了一种基于相位一致性矩特征的分块Harris特征点提取算法。首先，对输入图像进行分块操作；其次，定义了相位一致性中间矩，并结合最大矩和最小矩对每个图像块构建相位一致性多矩图；最后，在相位一致性多矩图上设计了投票策略，选取了在多矩图上重复出现超过半数的特征点，即稳定且重复率高的特征点作为最终的特征点。本文采用仿真的可见光和SAR图像作为实验数据，选取了三种不同的特征点检测算法与本文算法进行对比，实验结果表明，该算法能够克服SAR斑点噪声的影响和影像间的非线性辐射差异，有效地提高了特征点的重复率。可见光和SAR图像的配准结果表明，匹配点数较其他三种测试算法分别提高了23、26和35对，均方根误差分别降低了12.6%、37.2%和40.8%，有效地提升了配准算法性能。关键词：可见光和SAR影像;非线性辐射差异;斑点噪声;相位一致性;特征点提取- 140
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用于磁屏蔽室屏蔽叠层优化的CSA-NSGAII算法
摘要：为提高多层磁屏蔽室的屏蔽性能，进一步降低磁屏蔽室的建造成本，本文将磁屏蔽叠层结构优化视为多目标函数优化问题，在可行的建造成本与建造质量构成的约束下，提出一种分段交叉策略与自适应变异算子改进NSGAII算法（CSA-NSGAII），对屏蔽叠层结构参数进行优化。CSA-NSGAII算法解决了NSGAII算法种群收敛分布不均匀，全局搜索能力差和容易陷入局部最优等问题，从而能够获得屏蔽室最优叠层结构。与NSGAII算法、NSGAII-SDR、g-NSGAII和MOEA/D算法相比，CSA-NSGAII的GD、IGD与Spacing等指标均有显著提升，说明本文提出的CSA-NSGAII算法收敛性能更好，种群分布更均匀。实验结果表明：经优化后的叠层结构在屏蔽性能不变的情况下平均能够节省约14%的建造成本，并在干扰幅值为32 000 nT，频率为1 Hz的亥姆霍兹线圈中，实现约70 dB的屏蔽性能。关键词：磁屏蔽;多目标函数优化;NSGAII算法;叠层结构- 131
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发布时间：2022-08-08 -
面向多元场景的轻量级行人检测
摘要：多元场景中行人检测是当前计算机视觉领域的研究热点，尽管备受关注的深度学习能够提供很高的检测精度，但随之而来的高复杂度运算严重限制了其在可移动平台上的部署。为此，本文提出了一种面向多元场景的轻量级行人检测算法。该算法首先构建深、浅层特征融合网络以学习多尺度行人的纹理特性；然后设计了跨维特征引导注意力模块，用于保留特征提取过程中通道间、空间内的交互信息。最后基于剪枝策略去除模型中的冗余通道，以降低算法复杂度。此外，本文还设计了自适应Gamma矫正算法，以消减多元场景下光照、阴影等外界干扰对检测结果的影响。实验结果表明，本文所提方法在检测精度相当的条件下，能将模型大小压缩至10 MB，处理速度可达93 Frame/s，明显优于当前主流方法。关键词：行人检测;多元场景;轻量级网络;跨维特征引导;模型压缩- 171
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发布时间：2022-08-08
信息科学
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