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最新刊期
2022 年 第 24 期
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氮化镓基异质结构光子晶体微腔特性研究
摘要：本论文提出了氮化镓基有源体系的异质结构光子晶体谐振腔，以实现高品质因子和小模场体积的有源集成蓝光谐振。通过能带分析，明确了异质结构光子晶体谐振腔的工作机理。基于光子晶体的能带带边和带隙原理，实现了光子面内反馈、高品质因子谐振和面外垂直发射。基于时域有限差分方法，研究了核心区和包层区不同谐振腔参数下的谐振特性。讨论了微腔结构与谐振品质因子、腔损耗、谐振频率及模场体积等的影响关系。研究表明，通过异质结构可以有效地降低面内谐振损耗，实现了有源集成型蓝光波段的Purcell因子达到769，模场体积为0.7（λ/n）3。该研究为蓝光波段高Q/Vm谐振腔的设计开辟了道路，同时为具备优异谐振特性的异质结构光子晶体微腔的研究奠定了方法和理论基础。关键词：异质结构光子晶体微腔;有限时域差分;品质因子;模场体积;面内反馈- 187
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发布时间：2022-12-27 -
反射镜面辅助的航空机匣三维变形多视角测量
摘要：针对航空发动机机匣部分表面变形场无法使用常规的三维数字图像相关（3D-DIC）设备充分测量的问题，提出了一种反射镜面辅助的机匣三维变形多视角测量方法，并构建了一套与方法相适应的机匣三维变形多视角测量系统。引入高精度的相机标定方法，提出了反射成像的校正方式，采用经典的数字图像相关匹配算法，利用摄影测量将多个DIC单元的测量数据对齐在同一坐标系下，从而获得了同一时刻多个视场的三维形貌和变形场。专门设计了单向拉伸试验，证明所提方法的形貌重建精度为0.03 mm，应变测量精度小于50 με。将所提系统应用于航空发动机中介机匣加载试验中，实现了机匣肋板表面的多视场重建，并获得了相应的三维变形场，测量结果与有限元计算结果吻合。结果表明，该方法适用于航空发动机机匣变形的多视角测量，对复杂型腔体的结构设计和强度试验具有重要的工程价值。关键词：光学测量;反射成像;数字图像相关;坐标统一;机匣变形- 161
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发布时间：2022-12-27 -
高速实时近红外弱信号检测系统
摘要：为了实现对钞券表面涂层高速在线检测，研制了一种基于高速钞券质量检查机的实时近红外弱信号检测系统。首先，根据涂层材料的特性，采用近红外波段的发光二极管和光电二极管，研制了驱动和弱信号采集电路；然后，利用现场可编程门阵列和图形化虚拟仪器平台实现了数据的实时传输和处理；最后，提出了计算信号峰值强度的峰值标准差法并分析了该算法的实时性，进行了钞券表面涂层检测和算法实时模拟实验。实验结果表明，在钞券22 m/s的运行速度下，无论衬底是简单或复杂，未涂布钞券的信号均明显高于已涂布钞券的信号，分别差约为7 000，4 000，1 400，衬底图文越复杂，信号差越小。算法开始至结束的时间约为2~3 ms，远小于22 ms的钞券时间间隔，算法速度满足实时要求。本文研制的系统具有高速、实时、稳定的特点，可高效检测纸张表面的涂层有无，有望为涂层在线质量检测提供一种全新的方法。关键词：涂层;弱信号采集;峰值检测;实时系统- 104
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发布时间：2022-12-27 -
航空光电成像像移与像旋运动补偿控制技术综述
摘要：本文从控制的角度综述了大视场、高分辨率需求下，航空光电成像系统像移与像旋运动补偿控制技术的先进技术及研究进展。结合像移与像旋运动补偿控制发展趋势，将其分为单一执行器补偿控制和多执行器协同补偿控制两大类。对于单一执行器补偿控制，从控制照准架、控制光路折转、控制成像介质运动的三个角度进行了总结；对于多执行器协同控制，从指令协调、机械联动和多执行器信息交互三个角度，对协同补偿控制方案进行了梳理和分析；最后从五个研究方面对像移与像旋运动补偿控制的难点和未来发展趋势进行了展望。研究结果有助于航空光电成像领域学者快速全面的了解像移与像旋运动补偿控制的研究现状和发展趋势，为进一步提升航空光电成像装备的综合性能提供有益借鉴。关键词：航空光电成像;像移;像旋;运动补偿;伺服控制- 142
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发布时间：2022-12-27
现代应用光学
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基于刚度预测-神经网络的调姿平台误差补偿
摘要：变形误差对高精度调姿装备末端定位精度的影响不可忽视。为提高2RRPU/2RPU/U两轴并联调姿平台精度，提出了基于刚度模型预测误差趋势与神经网络算法提升预测精度的误差补偿模型。首先，在调姿平台全雅克比矩阵和弹性变形矩阵的基础上建立理论刚度模型，与Ansys数据刚度模型预测对比验证受载变形趋势预测的有效性。然后，搭建基于Simulink-Adams-Ansys-OPC的模拟仿真环境，随机载荷下采集平台全姿态仿真数据，基于刚度模型和速度雅克比矩阵对姿态误差和驱动误差趋势进行预测，基于速度雅可比实现末端误差到驱动补偿的映射，进一步利用神经网络算法提升误差预测的精度。仿真实验结果表明采用误差补偿模型后调姿平台获得位姿精度提高9%，验证了“刚度预测-神经网络”模型对平台姿态精度提升的有效性。关键词：并联调姿平台;刚度建模;神经网络;误差补偿- 84
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发布时间：2022-12-27 -
大型气候环境试验舱冷热端温度动态模糊PID协调控制
摘要：为了解决具有强扰动的大型气候环境试验舱温度数据波动大、难以精确控制的问题，本文分析了试验舱温度结构组成、温度控制特点和热负荷扰动来源，提出了适用于大型试验舱温度精确控制的冷热端温度动态模糊PID协调控制算法，研究其控制原理及具体算法。同时提出了利用卡尔曼（Kalman）滤波的温度数据处理方法和基于艾伦（Allan）方差分析的控制效果评判方法。实验结果表明，Kalman 滤波可有效去除温度测量数据中热负荷扰动产生的偏差，更真实反映温度实际变化。本文研究的控制算法相较于传统PID控制算法其温度波动性较小、系统稳态响应时间较短，可以用于大型气候环境试验舱的温度精确控制。关键词：大型气候环境试验舱;强扰动;温度控制;模糊PID协调控制;Kalman滤波- 97
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发布时间：2022-12-27 -
三耦合柔性梁振动的视觉检测与H∞控制
摘要：航天器上的太阳帆板和卫星天线等为多柔性体的耦合系统。耦合多柔性体结构具有密集模态、低刚度和小阻尼等特点，易受扰动激励产生持久且幅值较大的耦合拍频振动。为了研究耦合多柔性体结构的主动振动抑制和抗扰动能力，本文针对一种三耦合柔性梁系统，采用机器视觉进行振动检测并用于反馈，通过一种非线性H∞控制方法进行振动控制。建立了基于视觉检测的弹簧连接的三耦合柔性压电梁实验平台。建立了有限元模型，并且根据自由振动信号和正弦响应信号激励辨识修正了模型参数。基于H∞算法给出了抗扰动指标，利用已辨识的有限元模型和所设计的非线性控制器，并且基于抗扰动指标、控制速度指标和能量消耗指标获得了H∞控制器。进行了基于视觉反馈的扰动振动控制实验研究。实验结果显示：H∞控制与PD控制振动抑制速度基本一致，但振动平稳时H∞控制的振动幅值较小。这表明H∞控制比PD控制具有更好的抗扰动能力。关键词：多柔性体结构;耦合振动;视觉检测;H∞控制- 99
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发布时间：2022-12-27 -
星地量子跟踪仪的跟瞄控制系统
摘要：星地量子通信传输距离长，卫星与地面存在相对运动，提高了对量子跟踪仪的跟踪性能要求。为了提高星地量子通信的跟踪精度，降低量子通信的误码率，本文对量子跟踪仪的跟瞄控制系统展开研究，并对影响跟踪精度的总扰动进行补偿。首先，介绍了星地量子通信链路、量子通信过程及其影响因素。接着，搭建了量子跟踪仪的运动数学模型。基于跟踪仪的数学模型，设计并提出自抗扰模型预测控制算法；针对模式切换问题，提出了分数阶跟踪微分器以优化轨迹减小超调。根据与“墨子号”卫星进行量子通信的实验结果：分数阶跟踪微分器对模式切换后的目标捕获速度提高了22%，提出的自抗扰模型预测控制相比于传统的PI控制有更强的抗扰动能力，削弱了俯仰换向的脱靶量尖峰，跟踪精度达到2.9″，提高了量子偏振数据接收量，总误码率降低到1.18%。本文提出的控制算法能够进一步提高量子跟踪仪的跟踪精度，降低了误码率，满足星地量子通信的精度要求。关键词：量子跟踪仪;量子通信;自抗扰模型预测控制;分数阶跟踪微分器;跟瞄控制系统- 142
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发布时间：2022-12-27 -
基于振镜的准直光源功率稳定控制器
摘要：针对特殊准直光源的稳定性控制需求，提出一种基于振镜的激光功率稳定控制方法。将石英片与振镜连接固定，采用入射光角度与透过率的关系作为信号调节原理，当振镜带动石英片旋转时，对石英片透射的光信号大小进行调节。基于菲涅尔定律，开展平板玻璃旋转角度与透过率参数分析，论证旋转角度范围等参数，为实现光源的功率稳定提供输出参数支持。利用监视反馈探测器进行实时数据监测和反馈。通过PID算法，对监视探测器信号与参考调节功率对应电压的误差进行调制，实现对振镜输出角度的准确调节。采用该功率稳定器对He-Ne 632.8 nm激光器进行了稳功率实验，并采用Trap探测器进行功率输出的实验验证。试验结果表明：经过功率稳定控制后的激光器稳定性：其标准离差率CV为0.016%（1 800 s），其峰峰起伏SV为±0.042%（1 800 s）。峰峰起伏SV降至激光器自由运行时约为1/8.79，标准离差率CV改善1/13.76，稳定性得到了较好的改进。关键词：激光功率稳定;振镜;菲涅尔定律;反馈控制- 101
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发布时间：2022-12-27
微纳技术与精密机械
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视频描述中链式语义生成网络
摘要：针对视频描述中语义特征表达能力不足导致文本描述不准确问题，本文提出一种视频描述中链式语义生成网络（Chained Semantic generation Network，ChainS-Net）。构建了多阶段双路交叉的链式特征提取结构，该结构以全局域和局部域模块为基本单元，分别从视觉特征的全局和局部捕获视频语义；在网络的各阶段，将语义信息在全局域和局部域之间变换解析，实现视觉和语义信息的交互参考，提升语义特征表达能力；在此基础上，网络通过多阶段迭代的处理方式获取更为有效的语义表示，提升视频描述模型性能。在MSR-VTT和MSVD数据集上的实验结果表明，本文提出的链式语义生成网络ChainS-Net优于现有同类方法，相比于语义辅助视频描述网络（Semantics-Assisted Video Captioning network，SAVC），视频描述的四个评价指标平均提升了2.5%。关键词：视频描述;语义特征;全局;局部;域变换;多阶段- 97
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发布时间：2022-12-27 -
基于动态图注意力机制的秦俑点云鲁棒配准
摘要：针对目前的点云配准方法在处理秦俑等文物模型时不能很好地解决分辨率不匹配、点云部分重叠、噪声点较多等问题，提出一种基于动态图注意力机制的ResUNet配准模型。该模型将残差模块融入U-Net网络中，使用三维稀疏体素卷积计算点云特征，并引入一种新的归一化技术：批邻域归一化（Batch-Neighborhood Normalization， BNHN），来提高特征对于点密度变化的鲁棒性；为了进一步提高配准性能，该模型通过自注意力机制和交叉注意力机制聚合局部特征和上下文特征，最后结合随机抽样一致性算法来估计源点云与目标点云之间的变化矩阵，完成秦俑文物模型的鲁棒配准。为了验证本文方法的有效与鲁棒，使用四组数据集（3DMatch、3DLoMatch、分辨率不匹配的3DMatch数据集以及两组秦俑数据）对配准模型进行测试，实验结果表明，该算法在3DMatch数据集和3DLoMatch数据集上的配准召回率分别达到90.1%和61.0%；在分辨率不匹配的3DMatch数据集，相比与基于特征学习的配准算法，该算法在配准召回率上提升了5%~20%；在秦俑数据集上，相对旋转误差均小于0.071，相对平移误差均小于0.016，相较于同类算法减少了一个量级或几倍。因此，本文的模型能够提取三维点云的关键特征信息，并且对点密度和重叠度变化具有更高的鲁棒性。关键词：点云配准;动态图注意力机制;低重叠点云;点密度变化;残差网络- 114
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发布时间：2022-12-27 -
结构和纹理感知的Retinex融合红外与可见光图像
摘要：为了提高红外与可见光图像的融合质量，本文提出一种新颖的基于结构和纹理感知的Retinex模型的红外与可见光图像融合方法。该方法首先通过结构和纹理感知的Retinex模型将源图像分解为反射分量和光照分量，不但能够有效地将源图像的纹理和结构信息进行分离，而且也能很好地提取可见光图像中低亮度下的细节特征信息；然后通过构造源图像的二阶梯度为基础的权值映射和伽马函数对反射分量和光照分量进行融合；最后对融合的反射分量和光照分量进行重建得到最终融合图像。通过对38组广泛使用的TNO红外/可见光图像数据库中的图像进行测试表明，本文方法得到的融合图像不但具有较高的可视化质量，而且与近年来提出的5种高水平方法相比，本文方法在互信息、非线性相关信息熵、图像相位一致性度量上取得了更好的客观评价结果，能够较好地解决红外与可见光图像融合中出现的细节特征缺失和对比度较低的问题。关键词：红外图像;可见光图像;图像融合;Retinex模型- 167
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发布时间：2022-12-27 -
基于改进Fisher准则的深度卷积生成对抗网络算法
摘要：针对当训练样本量不足或者迭代次数降低时生成图像质量急剧下降的问题，提出了一种基于改进Fisher准则的深度卷积生成对抗网络算法（FDCGAN，Deep Convolutional Generative Adversarial Network algorithm based on improved Fisher's criterion）。该方法在判别模型中添加线性层，用来提取类别信息。在反向传播中采用基于Fisher的约束准则，结合标签和类别信息，在权值的迭代调整时既考虑误差的最小化，又同时让样本保持类内距离小、类间距离大，从而使权值能更加快速地逼近最优值。通过与最新不同的6个网络模型进行对比实验，FDCGAN模型在FID指标上均取得了较好的效果。此外，通过将该方法运用到目前先进模型上进行泛化测试，实验结果均取得较理想的效果。关键词：深度卷积生成对抗网络;Fisher准则;反向传播算法;FID评价指标- 148
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发布时间：2022-12-27
信息科学
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