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最新刊期
2022 年 第 20 期
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用于微创手术探针的光纤力传感器设计
摘要：微创外科穿刺手术探针的末端力测量是实现其精准控制和提高手术质量的关键，对保证手术操作的安全性至关重要。本文针对穿刺手术探针末端力测量的实际需求，设计了一种可集成于探针中的法布里-珀罗（Fabry-Perot， F-P）腔级联布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）的光纤力传感器。首先，基于F-P腔的双光束干涉理论及光纤光栅传感理论并结合探针的悬臂梁结构，分析建立了植入在探针中光纤传感器的F-P腔和FBG传感模型，推导出F-P腔和FBG特征波长漂移量与施加力的映射关系，同时引入力与温度灵敏度矩阵，实现了探针力测量的同时有效避免了温度的交叉影响问题。接着，通过化学腐蚀的方法制备了光纤F-P腔并级联FBG形成传感器，并将传感器集成在手术探针中。最后，为了校准并检验本文所设计的F-P腔级联FBG光纤力传感器，对传感器进行了力与温度灵敏度的标定实验和稳定性测试实验。结果表明，该传感器的光纤F-P腔力灵敏度可达331.8 pm/N，FBG力灵敏度可达159.9 pm/N，线性度高于0.99，平均波长漂移为25 pm。本文设计的探针力传感器灵敏度高且线性度好，在微创外科穿刺手术机器人领域具有广阔的应用前景。关键词：光纤传力感器;手术探针;法布里-珀罗腔（F-P腔）;布拉格光栅（FBG）;灵敏度矩阵- 519
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发布时间：2022-10-27 -
皮秒脉冲近红外超连续谱激光器
摘要：为了获得高平坦度近红外超连续谱输出，防止非线性放大过程中后向光增强影响激光器系统稳定性，满足光电对抗、高光谱激光雷达、光学相干层析成像等应用需求，本文采用含有非线性频率成分皮秒脉冲激光种子源，搭建了利用光纤非线性放大器直接产生超连续谱输出的激光器，并有效解决了返回光问题。利用非线性光纤放大器直接产生超连续谱是实现高功率超连续谱光源的有效途径，该方法将激光增益放大过程与超连续谱非线性展宽过程结合在一起，使得系统结构简单紧凑。实验采用SESAM被动锁模皮秒脉冲，通过两级放大实现了一级Stokes频率展宽，最后通过第三级非线性光纤放大器，实现了波长范围为950~1 650 nm，平坦度为10 dB（泵浦光除外），输出功率为56 W的近红外超连续谱输出，光-光转换效率达到48%。关键词：光纤激光器;光纤放大器;超连续谱;掺镱光纤;SESAM锁模- 225
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发布时间：2022-10-27 -
航空相机气密光学窗口及其保护罩的设计
摘要：为了保证航空相机的成像效果，设计了气密光学窗口及其保护罩。本文对光学窗口的设计流程进行了分析，讨论了光学窗口设计的考虑因素，例如光学材料、光学厚度、压力和气密安装方案等。为了实现在非工作状态下对光学窗口的保护，设计了双层舱门结构形式的光窗保护罩，实现了系统的小型化。通过仿真分析和试验，测试了气密光学窗口和光窗保护罩的稳定性，系统能够在2个大气压和高低温环境下正常工作，性能良好。光学窗口保护罩整个厚度仅为37 mm，能够实现快速开启与关闭，单程时间为7.7 s。相关分析方法解决了光学窗口设计问题的盲目性，使光学窗口的设计更加合理可靠。本文提出的方案为航空相机光学窗口的设计和保护提供了参考和技术支持。关键词：航空相机;光学窗口;气密性;光窗保护罩;双层舱门- 210
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发布时间：2022-10-27
现代应用光学
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立方星太阳翼及其可重复解锁机构
摘要：为了解决立方星太阳翼在严格尺寸约束下无法实现地面多次解锁试验验证的问题，提出了一种可重复电磁解锁的轻质量、高刚度的太阳翼。首先，提出一种微型铰链式展开机构，具有展开锁定和到位指示功能。其次，提出的电磁解锁机构能够解决压紧释放装置无法多次解锁的问题，具有低冲击，无污染，响应快的特点。最后，对太阳翼基板的尺寸构型和辅助支撑布局进行灵敏度分析与优化。仿真结果表明：太阳翼在优化后质量减轻20%，展开状态下的基频提升16%，满足太阳翼轻质量、高刚度的要求。本文提出的立方星太阳翼经过地面鉴定级振动和冲击力学试验验证以及热真空试验，并且通过八一03卫星完成在轨验证，满足立方星在轨的使用要求，可为后续立方星太阳翼的设计及研制提供参考。关键词：立方星;太阳翼;电磁解锁机构;可重复;结构优化;试验验证- 183
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发布时间：2022-10-27 -
带有谐波减速器的框架系统速度波动抑制
摘要：为了实现带有谐波减速器的间驱式框架系统高精度速度跟踪控制，提出了一种基于位置域迭代学习控制的前馈补偿方法。首先，分析了谐波减速器运动误差导致的负载端角速率波动的位置域周期特性，并在此基础上提出了一种位置域迭代学习前馈补偿方法。该方法通过对框架系统速度调节误差信号进行累加获取前馈补偿信号，通过补偿力矩来抑制转速波动。然后，对迭代学习算法进行了分析，得到了迭代学习的收敛条件和迭代终止条件。最后，利用仿真和试验对所提方法的有效性和可行性进行了验证。结果表明，应用所提的迭代学习前馈补偿方法可使框架系统负载端的转速波动量被抑制30%以上。所提方法实现简单，具有较好的速度波动抑制能力，有效提高了控制力矩陀螺输出力矩精度。关键词：位置域;迭代学习;框架系统;速度跟踪控制- 172
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发布时间：2022-10-27 -
长导轨五自由度测量中直线度精度提升方法与优化设计
摘要：为了提升长导轨五自由度测量中直线度测量精度，对五自由度测量装置中直线度测量单元的测量光路、误差模型和标定方法等进行研究。长距离测量时基准光束角度漂移会造成严重的直线度误差，光路中采用了望远物镜结构测量角度漂移，相比于单透镜，这种可以在有限空间内增加焦距，使得组合焦距大于机械尺寸，从而提高测量精度，并通过补偿提高测量稳定性；分析了角度串扰引入的误差，并结合装置中的角度测量值建立了补偿模型；采用四象限探测器作为直线度测量传感器，为解决传感器测量非线性随量程变大而加剧以及测量灵敏度随长导轨移动非线性变化的问题，提出了一种多项式拟合与三次样条插值拟合相结合的分区间标定方法。试验结果表明：在5 m的测量距离以及±400 μm的量程内，与激光干涉仪测量结果对比，误差标准差小于0.3 μm，3 h内漂移小于±0.5 μm。满足长导轨直线度测量对大量程、高精度、高稳定性的要求。关键词：光束漂移;角度串扰;四象限探测器;长距离;多项式拟合;三次样条插值拟合- 157
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发布时间：2022-10-27
微纳技术与精密机械
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角膜神经显微图像的自适应渐晕校正
摘要：通过拼接角膜神经图像可以减小显微图像视场小的影响。由于显微图像存在渐晕效果，拼接图像会在拼接处产生伪影，影响医生诊断。为解决拼接图像的渐晕伪影问题，提出了一种通过非线性多项式函数建模进行图像渐晕校正的方法。首先，对单张角膜神经图像建立渐晕模型，设置符合渐晕物理性质的约束条件，利用L-M优化算法对渐晕模型参数进行迭代优化。在每次迭代优化过程中，计算对数信息熵，对当前渐晕模型的校正效果进行判断，防止图像过度校正。迭代优化结束后，将渐晕模型反向补偿原图像，完成渐晕校正处理。通过对比校正前后的拼接图像，校正后图像在拼接处无明显的渐晕伪影。实验测试5组不同患者的图像，校正后图像MSE、PSNR、SSIM评估指标平均值分别达到0.004 2、72.225 1 dB、0.960 0，具有最佳的校正效果。本文算法的校正效果明显优于其他同类算法的校正效果。该方法能够有效地对角膜图像渐晕效果进行校正，无须提前设置固定的相机和环境亮度参数。校正后图像拼接效果良好，可获得更加准确、清晰、视野范围大的角膜神经拼接图像。关键词：计算机视觉;角膜神经显微图像;渐晕校正;共聚焦显微镜;对数信息熵- 147
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发布时间：2022-10-27 -
多尺度密集特征融合的图像超分辨率重建
摘要：针对现有单幅图像超分辨率重建算法提取的图像特征信息单一、高频细节丢失的问题，提出了一种高效利用特征信息的基于多尺度密集特征融合网络的图像超分辨率重建算法。该方法通过含有不同尺度卷积核的多尺度特征融合残差模块提取不同尺度图像特征并将不同尺度的特征融合，以提取丰富的图像特征。在模块间采用密集特征融合结构将不同模块提取到的特征信息充分融合，以更好地保留图像的高频细节、获取更好的视觉感受。大量实验表明，所提出的方法在参数量减少的同时，在四个基准数据集上取得的峰值信噪比和结构相似度均有明显提升，尤其在Set5数据集上4倍重建结果的峰值信噪比相比于DID-D5提升了0.08 dB，且重建图像视觉效果更好、特征信息更加丰富，充分证明了该算法的有效性。关键词：超分辨率;多尺度;密集特征融合;卷积神经网络;残差学习- 287
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发布时间：2022-10-27 -
基于弱监督学习的多标签红外图像分类算法
摘要：红外图像的场景感知与分类分级是图像识别的一项关键技术，对于红外侦察与制导具有重要意义。为有效解决红外图像多场景多目标的场景感知及分类分级的问题，本文提出一种基于弱监督学习的多标签红外图像分类算法。将多标签图像分类技术应用于红外前视图像领域，针对多场景的红外图像进行弱监督的图像级标注，使用主干网络Resnet-50对图像进行特征提取；引入类特定的空间残差注意力模块CSRA以捕捉图像中不同类别所占据的不同空间区域，提高类别特征的表达性能；引入先进的损失函数ASL以解决多标签分类中正负标签数量失衡问题，使训练过程中更多地关注阳性样本，提高检测准确率。试验结果表明，本文算法对于多场景多目标的红外图像分类具有更好的适应性和准确率，算法检测率可达90%以上，能够很好地完成红外图像分类分级任务。关键词：弱监督学习;多标签分类;红外图像;场景感知- 244
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发布时间：2022-10-27 -
基于BM3D的钢板表面图像自适应去噪方法
摘要：为了解决传统BM3D算法的距离阈值选取无法自适应去除钢板图像中的噪声以改善图像质量的问题，提出了一种基于噪声估计和阈值函数的自适应BM3D去噪算法（TFBM3D）。先采用网格搜索法得到不同钢板缺陷图像在不同噪声强度下基础估计和最终估计的最佳阈值，再通过对比不同函数的拟合效果，最终确定基础估计的二次曲线阈值函数和最终估计的四次多项式阈值函数，并将噪声估计作为新算法前处理阶段。最后将新BM3D算法、原BM3D算法以及一些其他最新的去噪算法进行比较，试验结果表明，该算法在复原缺陷图像边缘和细节纹理上效果显著，在噪声标准差为30的条件下各缺陷图片去噪效果的PSNR值在33 dB以上、SSIM值在0.85以上，且残余图像中残余的存留细节更少，本文算法优于其他算法。关键词：钢板表面缺陷;自适应去噪;阈值函数;BM3D算法;噪声估计- 237
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发布时间：2022-10-27 -
AFCM聚类和张量不变量用于磁源多目标定位
摘要：为了实现不同位置、磁矩和埋深的多个磁偶极子同步定位，提出通过自适应模糊c-means（Adaptive Fuzzy c-means Clustering， AFCM）聚类和张量不变量进行磁目标多源定位的方法。首先，在磁梯度张量系统的二维平面网格测量基础上，利用归一化磁源强度和张量缩并的不变量改进倾斜角对目标二维分布区域进行预识别。然后，利用张量衍生不变关系定位方法计算识别区域内各节点处的磁偶极子初始位置三维坐标，这些坐标将在磁源的真实位置空间周围形成稠密点云。最后，AFCM聚类算法将对这些初始位置解集点云进行三维聚类并自动检测簇质心数目，估计的簇质心数即为目标数量，簇质心即为目标位置坐标，张量矩阵和位置矢量可用于目标磁矩计算。仿真数据集表明，在5 nT/m方差的高斯噪声环境下，对20个磁偶极子目标数目估计精度为100%，水平位置估计精度大于91.7%，埋深估计精度大于85.6%；实测中，在2.1 m×2.1 m和1.2 m×1.2 m测区内对多个小型磁铁的坐标估计偏差小于0.091 m。关键词：自适应模糊c-means聚类;张量不变量;多目标定位;磁梯度张量测量- 142
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发布时间：2022-10-27 -
面向空间应用的视觉位姿估计技术综述
摘要：随着人工智能的发展，基于计算机视觉的目标识别、位姿估计技术受到了广泛关注。目前，在交会对接等空间任务中，基于计算机视觉的合作目标位姿估计技术已取得广泛应用。但在非合作目标的视觉位姿估计问题上，由于空间中存在杂散光背景、表面包覆层反射、光照强度变化剧烈等因素，导致特征提取困难、位姿估计易发散、存在累计误差等难题，这些也是亟待解决的热点问题。本文首先总结了空间任务中计算机视觉技术的发展及应用；然后，对视觉位姿估计技术进行概述，以深度学习算法作为切入点，系统地归纳了目标识别及位姿估计算法；最后，综述了深度学习在空间任务中的研究进展，并在任务需求和研究现状分析的基础上，针对空间任务的特殊性，讨论了一些未来的发展趋势。关键词：计算机视觉;图像处理;位姿估计;深度学习;空间任务- 283
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发布时间：2022-10-27
信息科学
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