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2022 年 第 19 期
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基于黑白光栅的宽波段大视场激光告警
摘要：为了实现激光告警机宽光谱、大视场的高精度探测，提出了一种基于宽波段光栅衍射的大视场二维激光告警探测系统。设计了由宽波段光栅和大视场镜头组成的光学系统，通过采用五组七片式组合透镜结构，实现了水平方向95°、垂直方向72°的大视场探测。镜头的光圈为2.0，入瞳直径为36 mm，保证系统具有很好的通光量。设计加工了光栅常数为2.5 μm（占空比为0.6）的宽波段黑白光栅，实现了0.5~1.7 μm的宽波段探测。系统中加入多窄带滤光片以滤除背景光的干扰。最后，用典型波长（532，1 064，1 550 nm）的激光器进行测试，系统探测得到的角度测量误差优于0.7°、激光中心波长的探测精度优于8 nm，通过实验验证了该方法的可行性。关键词：激光告警;光学设计;宽波段黑白光栅;激光波长;高精度二维角度- 261
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发布时间：2022-10-24 -
高精细度光学反馈腔衰荡光谱技术
摘要：针对温室气体CH4的高灵敏探测需求，提出了高精细度光学反馈腔衰荡光谱技术，研究了光学反馈对腔模信号的影响、系统的灵敏度以及光谱扫描法。在精细度大于100 000的V型谐振腔上实现了光学反馈腔衰荡光谱技术，对比了有/无光反馈时腔模信号的差别，验证了光反馈效应可以提高激光到腔的耦合效率。发展了固定腔长的光反馈检测技术，将腔的自由光谱范围FSR用作光谱相对频率标尺，基于HITRAN数据库中两条吸收谱线的绝对波长和测量到的相对位置进行对比分析，得到腔的FSR为0.004 2 cm-1。然后，运用allan方差分析了系统的检测能力，测得系统的噪声等效吸收系数为1.1×10-10 cm-1 Hz-1/2，当积分时间为4.7 s时，系统灵敏度为8×10-11 cm-1。最后，提出了连续电压扫描的激光器频率控制扫描方法，用1.5×10-6的标气对该方法进行了验证，得到测量精度为6.8×10-9。该方法在仪器工程化方面极具潜力。关键词：激光光谱;光学反馈;腔衰荡光谱;CH4高灵敏探测- 231
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发布时间：2022-10-24 -
中红外波段超构透镜研究进展
摘要：中红外成像器件，特别是工作于大气窗口（3~5 μm和8~12 μm）的成像器件，在红外成像与探测方面具有重要应用。传统的中红外成像器件笨重、昂贵、工艺复杂，阻碍了未来轻量化和集成化的发展。由亚波长尺度的微纳米结构以周期或非周期的方式阵列而成的超构透镜，具有轻薄、易集成、多功能化的特性，为未来微型化的需求提供了新的可能性。本文对中红外波段的超构透镜研究进展进行了综述，介绍了超构透镜的基本相位调控方式及其在中红外实现高聚焦效率、消除色差和单色像差的机理，并整理了中红外超构透镜的成像应用，包括偏振相关成像、可调及可重构成像与其他一些成像应用，最后讨论了这一新兴领域的挑战及未来的发展前景。关键词：光学成像;光学器件;中红外;超构透镜- 415
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发布时间：2022-10-24
现代应用光学
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柔性钙钛矿电池的机械稳定性提升策略
摘要：柔性钙钛矿太阳能电池具有柔性、轻量化、低成本和高功率转换效率的特点，在光伏领域极具发展前景。然而，脆性的电极和多晶钙钛矿薄膜限制了柔性钙钛矿太阳能电池的机械稳定性，电池中各层材料间热膨胀系数不匹配、界面处结合力较弱等因素也显著制约了钙钛矿电池的柔性提升，成为其商业化进程的潜在阻碍。本文回顾了近年来柔性钙钛矿电池在衬底、电极、钙钛矿膜层及界面方面重要的柔性改善工作，综述了柔性钙钛矿电池不同功能层的机械稳定性提升策略，并对高效率、机械稳定的柔性钙钛矿电池的未来发展方向进行了初步展望。关键词：柔性钙钛矿太阳能电池;机械稳定性;纳米结构衬底;柔性电极;晶粒/晶界;界面修饰;自愈合- 156
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发布时间：2022-10-24 -
面向批量精密装配的显微特征定位
摘要：针对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的问题，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验证和应用测试，采集不同特征进行支持向量机的训练，研究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：本方法能够提取目标特征位置并实现准确定位，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。该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- 251
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发布时间：2022-10-24 -
多模态原子力显微镜的空气压膜阻尼效应
摘要：原子力显微镜处于轻敲模式工作于大气环境时，由于悬臂和被测试样间的距离很小，悬臂的振动会产生相应的压膜阻尼，影响悬臂的动态特性。基于欧拉-伯努利梁方程对悬臂梁进行建模，结合雷诺方程建立悬臂阻尼作用的分析模型，研究悬臂压膜阻尼效应的主要影响因素，分析不同谐振模态下压膜阻尼效应对悬臂阻尼系数、动态原子力显微镜的测量特性的影响，并基于多模态原子力显微镜进行了实验和测试。理论及实验结果表明，空气压膜阻尼对于基础谐振模态原子力显微镜的测量特性有一定的影响，在悬臂试样20~2 μm逼近过程中，悬臂品质因数明显降低，两种悬臂振幅分别减少了7.8%和20.6%，悬臂宽度增大则受到的压膜阻尼影响也增加；相同实验条件下，二阶谐振模态下的悬臂品质因数和振幅均没有明显变化。在基础谐振模态下压膜阻尼效应会引起微悬臂品质因数的降低，从而导致原子力显微镜测量分辨率的减小和测量速度的降低；多模态原子力显微镜的高阶谐振模态可显著降低空气压膜阻尼效应对悬臂品质因数及测量特性的影响。关键词：原子力显微镜;压膜阻尼;品质因数;高阶谐振- 123
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发布时间：2022-10-24
微纳技术与精密机械
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Gm-APD激光雷达的双参量估计透烟雾成像算法
摘要：利用Gm-APD （Geiger mode avalanche photon diode）激光雷达对浓密烟雾背后的目标进行成像时，烟雾对激光的强后向散射和吸收能力，严重限制了传统算法对淹没在烟雾信号中目标信号的提取能力。提出了一种基于双参量估计的Gm-APD激光雷达透烟雾成像算法，介绍了基于Gm-APD激光雷达的触发模型和根据探测概率求解实际接收回波信号的原理，并且基于光子与烟雾粒子的碰撞理论和Mie散射理论，详细推导了Gamma模型两个参数的物理关系。根据推导的关系式提出了一种双参量估计算法，该算法考虑了如何精确估计μ，k两个参数。最后，开展了仿真和室内透雾实验，利用仿真实验检验μ，k关系式的正确性，利用室内实验验证提出算法的透雾成像能力。实验结果表明，相较于传统算法，本文提出算法重构图像的目标复原度提升了73%，结构相似性提升了0.228 9。该研究有效提升了Gm-APD激光雷达在烟雾环境中的目标感知能力。关键词：激光雷达;透烟雾成像;Gamma模型;双参量估计- 150
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发布时间：2022-10-24 -
基于像素投票的人手全局姿态估计
摘要：针对人手全局姿态估计误差较大的问题，提出了一种基于像素投票的人手全局姿态估计方法。建立编码器-解码器结构卷积神经网络产生语义信息与姿态信息特征图；分别利用语义分割分支、姿态估计分支从特征图中获取人手像素位置与逐像素姿态投票，最后汇总人手像素的姿态投票获得投票结果。为解决人手全局姿态数据集较少的问题，通过OpenSceneGraph（OSG）三维渲染引擎和三维人手模型建立人手数据集合成程序。该程序可生成不同手势下的人手深度图像与全局姿态标签。实验结果表明，基于像素投票的人手全局姿态估计方法的误差均值为5.036°，可以准确地从深度图像中估计人手全局姿态。关键词：人手姿态估计;卷积神经网络;深度学习;深度图像;合成数据集- 211
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发布时间：2022-10-24 -
动态特征优化机制下的跨尺度红外行人检测
摘要：针对红外行人图像中待检测目标存在多尺度及部分遮挡导致传统算法难以准确检测的问题，提出一种动态特征优化机制下的跨尺度红外行人检测算法。为解决复杂环境中行人目标特征难以有效表达进而造成目标检测精度低的问题，提出一种动态特征优化机制，通过设计亮度感知模块及EG-Chimp优化模型在增强输入图像局部对比度的同时抑制背景信息；搭建了CSPDarkNet特征提取网络，并在其基础上构建CSFF-BiFPN特征金字塔结构以及跨尺度特征融合模块，以提高检测网络对多尺度及部分遮挡行人目标的检测精度；为进一步精确定位行人目标，引入CIOU损失函数加速网络收敛，从而提升检测性能。选取9种经典检测算法在KAIST数据集上进行对比测试，实验结果表明，本文算法能够对复杂环境中的多尺度及部分遮挡红外行人目标进行准确检测，检测精度可达90.7%，验证了所提出检测网络的优势。关键词：红外行人检测;跨尺度;动态特征优化;亮度感知;特征融合- 198
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发布时间：2022-10-24 -
轻量级注意力级联网络的偏振计算成像超分辨率重建
摘要：深度学习模式下新型偏振计算成像方法存在随着网络深度的增加计算复杂度和内存使用相应增加以及分层特征提取不充分的问题，针对该问题，提出一种轻量级注意力级联网络的偏振计算成像超分辨率方法，采用级联连接和融合连接的方式来深化卷积层的表征能力，以有效地传递浅层特征并减少参数量。设计空间注意力自适应权重机制以提取关键的空间内容特征，构造空间金字塔网络增强多感受野下的偏振特征信息，特别地，上采样模块引入浅层与深层重建双路径，通过融合双层路径特征计算生成高分辨率偏振图像。最后，网络末端信息细化块用以学习更精细的特征并增强重建质量。实验结果表明：本文网络重建图像的纹理细节更加丰富，在全偏振图像集上2倍超分辨率的峰值信噪比为45.12 dB，参数量仅约为MSRN模型的9%。所提方法通过级联方式有效捕捉低频特征信息同时极大地减少参数量，并结合注意力金字塔结构探索深层特征，实现了轻量级网络的高效超分辨率重建效果。关键词：计算成像;超分辨率;轻量级网络;偏振图像;级联连接- 175
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发布时间：2022-10-24
信息科学
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