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2022 年 第 4 期
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一次谐波锁频的快速光腔衰荡光谱检测
摘要：本文介绍了一种赫兹级响应速率的光腔衰荡光谱探测大气痕量气体的检测技术。将100 MHz正弦波调制信号加载在电光相位调制器上产生边带，用混频器提取载波与边带通过3 m气体吸收池后拍频所产生的一次谐波作为误差信号，实现了1 572 nm分布式反馈激光器对于二氧化碳气体分子6 361.25 cm-1处超精细跃迁线的频率锁定。采用波分复用方法对空腔衰荡时间和有气体吸收时的衰荡时间进行同时测量，在330 mm光学谐振腔上得到了4.82×10-10 cm-1的系统检测限。在较大的二氧化碳浓度范围内，系统具有良好的线性响应，线性相关系数大于0.999 9。系统长时间的观测结果与Picarro商用仪器的数据高度吻合，二者偏差小于1.0%。该系统论证了一次谐波锁定激光频率至分子超精细跃迁线并用于光腔衰荡光谱系统实现快速痕量气体检测的可行性。关键词：相位调制;一次谐波锁频;光腔衰荡光谱;快速痕量气体检测- 463
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发布时间：2022-02-26 -
双层平板探测的双能成像检测系统
摘要：本文提出一种使用双层平板探测器单次曝光获取X射线双能图像，并实现双能减影的成像检测方法。介绍了单层平板、双层平板探测器结构以及双层平板探测成像系统工作原理。仿真分析不同、相同管电压在不同滤过下X射线的能谱变化，进一步通过试验分别探究使用kVp切换，双层平板方案时胸部体模双能成像特性。研究发现kVp切换、双层平板方案采集的双能图像皆可表征人体软组织、骨骼对低能、高能射线的衰减差异，双能平板方案较kVp切换还具有无运动伪影，剂量较低的优势。提出了一种适用于双层平板的双能图像配准方案，配准后的低、高能图像经双能减影后得到骨骼增强、骨骼抑制图像。试验结果表明双层平板获取的双能减影图像可提升医生诊断时的视觉效果，减影图像对比度优于kVp切换方案。关键词：双能成像;双层平板;双能减影;图像配准- 551
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发布时间：2022-02-26 -
基于旁瓣光束衍射反演的强激光远场焦斑测量方法
摘要：针对大型激光装置使用纹影法无法实现旁瓣光束弱信号区域光强分布精确测量的问题，提出了基于旁瓣光束衍射反演的纹影法强激光远场焦斑测量方法。采用逆向推演间接测量的研究方法，沿光路传播逆方向推导，以旁瓣光束衍射光强图像和相位图像作为输入，通过计算获得未遮挡前旁瓣光束远场焦斑分布。相比传统基于纹影的远场焦斑测量方法，本文的主要改进和优化措施为：首先，基于旁瓣光束衍射反演的原理和间接测量的思想，改进纹影法强激光远场焦斑测量数学模型，从理论角度揭示该模型的合理性；其次，实验仿真强激光远场焦斑测量的整个过程，主要步骤为旁瓣光束衍射、加噪去噪、旁瓣光束衍射反演、焦斑重构等，验证了该方法的可行性；最后，将改进的DnCNN算法用于去除主瓣和旁瓣光束12位科学CCD图像不同级别（0~75 dB）的噪声，提升了远场焦斑的重构精度。实验结果表明：该方法不仅消除了纹影小球对旁瓣光束衍射的影响，而且获得了真实的旁瓣光束弱信号区域的光强分布，包括旁瓣光束各个波峰的幅值和位置、动态范围比值等远场焦斑测量重要参数，其中重构焦斑动态范围比值与理论焦斑动态范围比值之间的误差为3.20%，提高了基于纹影的强激光远场焦斑测量的可信度和实验精度。关键词：远场焦斑测量;纹影法;焦斑重构;DnCNN;旁瓣光束衍射反演- 250
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发布时间：2022-02-26 -
基于氟化镁晶体微腔产生宽光谱范围克尔光频梳及色散调控研究
摘要：为了在基于回音壁模式光学微腔的光学频率梳生成中优化微腔的性能和光频梳的质量，对氟化镁晶体微腔的色散调控进行研究。首先，理论仿真研究了MgF2晶体微腔边缘形状对腔内模场和总色散的影响；接着根据仿真结果实际加工了两种面形的MgF2晶体微腔，分别为边缘平面型和单边楔形；然后，搭建了微腔性能检测系统和晶体微腔光梳生成系统，实测加工出的MgF2晶体微腔样品的品质因子（Q值）最高可达1.1×108 关键词：回音壁模式;MgF2晶体微腔;克尔光梳;色散调控- 419
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发布时间：2022-02-26
现代应用光学
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负偏压对含氢类金刚石薄膜性能的影响
摘要：为了解决类金刚石（DLC）薄膜与金属基材间的界面结合强度问题，本研究采用直流等离子体增强化学气相沉积（DC-PECVD）技术，以等时长、不同偏压条件在45钢基材上沉积复合DLC薄膜。采用扫描电镜、原子力显微镜观察薄膜形貌；采用拉曼光谱仪分析薄膜成分；采用涂层附着力自动划痕仪测定膜基结合强度。结果表明：制备偏压从-600 V~-1 200 V变化时，复合DLC薄膜表面粗糙度增大，薄膜总厚度增加，总膜厚最大为16.3 μm；氢含量降低，石墨相对含量增加，过渡层DLC与顶层DLC膜间的结构成分差异减小。在等时长沉积条件下，随着制备负偏压的增加，复合DLC薄膜残余应力增大，结合力减小，结合力最大为54.5 N左右。顶层DLC膜制备偏压为-600 V~-800 V时综合性能较优。关键词：DC-PECVD;负偏压;H-DLC;多峰拟合;结合力- 213
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发布时间：2022-02-26 -
阵列式扰振力测量平台及其测量策略
摘要：为了测量大质量设备的多维扰振力，设计了一种基于传感器阵列式分布的多维扰振测量平台。该平台基于压电传感器采用了冗余式阵列的振动测量策略，解决了大负载及高刚度的测量要求，避免了结构耦合引入的测量精度损失。同时，为了克服阵列式测量引入的冗余测量误差，本文基于广义逆求解法进行测量精度优化，针对不同的被测振源选取不同位置的传感器作为测量单元，并在此基础上采用全回归法的线性解耦算法得到更精确的三维力求解表达式，避免了冗余测量引入系统误差，也降低了不同力学特性的振源对平台测量结果的影响。最后，搭建了该阵列式多维扰振力测量平台的原理样机，通过实验验证了测量平台的可行性。实验结果表明，该系统保证了高承载能力和刚度（样机基频为1 174 Hz，承载能力达416 kN），对8~800 Hz频率范围内的三维广义力的动态相对误差小于5%，满足了精度高、载荷大、刚度强等测量要求。关键词：微振动;重载测量;阵列式传感器;线性解耦算法;测量策略- 190
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发布时间：2022-02-26 -
基于滑模自抗扰的PMLSM电流偏差解耦控制
摘要：针对永磁直线同步电动机（PMLSM）存在电流耦合以及在运行过程中易受参数变化的影响使系统鲁棒性降低，本文设计了一种基于滑模自抗扰的电流偏差解耦控制（SADRC-CDDC）方法。从参考电流与实际电流作差处引入两轴交叉耦合支路，建立含耦合项的电流控制方程，计算出耦合量并对系统进行补偿，设计电流偏差解耦控制器（CDDC），用于削弱d、q轴电流耦合量的影响。但是当电感参数发生变化时，并不能实现解耦，为此利用滑模自抗扰控制器（SADRC）解决参数变化对系统造成的扰动，并对系统进行补偿，进而实现近似完全解耦。从理论上分析证明该控制器的渐近稳定性，提高了系统的鲁棒性。通过系统实验，验证所设计的SADRC-CDDC方案的有效性，与CDDC相比，SADRC-CDDC在受到电流耦合、参数变化时，d轴电流最大振荡幅度减小了34.88%~54.76%，q轴电流最大振荡幅度减小了47.83%~71.43%，具有更强的鲁棒性。关键词：永磁直线同步电动机;电流耦合;参数变化;电流偏差解耦控制;滑模自抗扰控制;鲁棒性- 202
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发布时间：2022-02-26 -
基于二维随机场的地基大型光学望远镜风扰动时程模拟与性能预测
摘要：随着地基光学望远镜口径的不断增大，风扰动已成为影响望远镜成像质量最为关键的因素之一。为了深入研究风扰动对望远镜系统性能的影响规律及作用机理，从时域角度对望远镜在风扰动作用下的响应进行时程模拟以及系统性能预测。首先，简要介绍了望远镜结构组成并采用有限元方法建立了结构动力学模型，通过模态变换方法将动力学模型转换到模态坐标系下，从而降低了模型维数、提高了计算效率。然后，提出了一种基于二维随机场的风速时程模拟方法，将望远镜圆顶内的风速场表达为随时间和空间位置变化的二维随机场，通过引入波数谱，克服了谱表达方法中各个离散采样点处互功率谱矩阵Cholesky分解出现数值不稳定的问题，从而可以表达空间和时间频率范围内几乎连续的随机场，并且在数值计算中引入了快速傅里叶变换FFT算法，进一步提高了模拟效率。最后，以2 m口径望远镜为例，对风速环境进行了时程模拟，并对外界平均风速为10 m/s及15 m/s的风扰动作用下，望远镜的性能进行了预测。仿真分析结果表明：作用在望远镜主镜上的风扰动分别造成主镜最大接近45 nm和70 nm的面形误差；作用在次镜及桁架上，主要造成低频的主次镜相对位置和角度偏差。关键词：地基望远镜;随机场;风扰动;时程模拟;动力学模型- 228
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发布时间：2022-02-26
微纳技术与精密机械
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窗口玻璃畸变校正下的自由飞模型姿态测量技术研究
摘要：高超声速风洞试验中，模型的姿态信息是试验数据是否可靠的重要判断依据，其测量精度对试验结果有着重要影响。双目视觉测量系统能测量高超声速风洞自由飞试验模型的姿态参数，通常将其放在风洞试验段外，通过试验段壁上窗口玻璃观测试验段内部的模型。然而，窗口玻璃产生的成像畸变将降低系统的测量精度。为此，本文提出了窗口玻璃成像畸变校正下的自由飞模型姿态测量技术。通过对窗口玻璃折射造成像面畸变进行建模，提出基于标记点线性拟合的校正方法，快速减小成像畸变。在此基础上，在Φ1 m高超声速风洞试验现场搭建了视觉测量系统。试验结果表明：当测量范围为1 m×1 m×1 m时，测量精度优于0.5 mm，并完成了自由飞试验模型六自由度姿态的测量工作，满足气动数据分析的要求。关键词：高超声速风洞;姿态测量;双目视觉;校正方法- 220
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发布时间：2022-02-26 -
结合天空分割和雾气浓度估计的图像去雾
摘要：针对图像去雾算法在天空区域出现恢复不真实以及雾气浓度估计精度不足等问题，本文提出天空区域分割和雾气浓度估计的去雾算法。首先，为了提高透射率的估计精度以及提升去雾效果，利用梯度阈值和亮度阈值分割天空区域。其次，采用改进的暗通道先验和四叉树细分法估计大气光值。最后，针对天空区域和非天空区域采用不同的透射率估计方法，对于天空区域采用亮通道先验方法，对于非天空区域提出了线性雾气浓度估计模型。结合像素点概率分布得到透射率并采用引导滤波方法进行边缘细化，利用大气散射模型获得最终复原图像。实验结果表明，去雾后的图像在主观和客观质量评价方面表现良好，所提出的算法能够使天空区域恢复自然，去雾更加彻底，增加了图像细节的清晰度。本文算法的运行速率与当前主流算法相当，针对不同有雾场景去雾表现的稳定性优于其它算法。关键词：图像去雾;天空分割;大气光估计;雾气浓度估计;透射率估计- 301
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发布时间：2022-02-26 -
大视场远距离视觉测量系统的分步标定
摘要：为了克服工程大视场标定精度不高、标靶加工难度大以及现场操作繁琐的问题，本文基于工业近景摄影测量基本原理提出一种大视场多相机内、外参数的分步标定方法。首先，根据相机透视投影模型，在近距离采用小幅面标靶和角锥体法完成相机前截面内参数的解算；然后，在远距离被测空间内布置若干编码标志点，利用多片后方交会原理计算得到相机外参数；最后，对相机内、外参数进行整体光束平差优化，实现精确标定。为验证该方法的可行性和精度，进行了大视场视觉测量实验，测量结果表明本文标定方法的重投影误差小于0.08像素；外场试验实测10 m直升机旋翼总距角的相对误差小于0.1°。该方法可实现相机内参数标定实验室进行、外参数标定外场完成的操作分离。关键词：大视场;大景深;透视投影;分步标定- 365
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发布时间：2022-02-26 -
基于激光雷达的无人驾驶系统三维车辆检测
摘要：针对无人驾驶系统环境感知中的三维车辆检测精度低的问题，提出了一种基于激光雷达的三维车辆检测算法。通过统计滤波与随机抽样一致算法（Random Sample Consensus，RANSAC）实现地面点云分割，剔除激光雷达数据冗余点及离群点；改进3DSSD深度神经网络，利用融合采样提取点云中车辆语义信息与距离信息；根据特征信息对车辆位置进行二次调整生成中心点，使用三维中心分配器匹配中心点并生成三维车辆检测框。将KITTI数据集划为不同场景作为实验数据，对比多种三维车辆检测算法。实验结果表明：所提出的方法能够快速、准确的实现三维车辆检测，平均检测时间为0.12 s，检测精度最高可达89.72%。关键词：激光雷达;环境感知;无人驾驶系统;三维检测- 472
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发布时间：2022-02-26
信息科学
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