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2023 年 第 11 期
- 摘要：为实现自由曲面的定位与位姿高精度测量，提出了“光学-机械”基准定位法，建立了位姿测量模型，并对该方法的定位误差和基准选择展开研究。根据三坐标测量机与计算全息提出了“光学-机械”基准定位法。然后，采用球形安装的回射器（Sphere Mounted Retroreflector ，SMR）、猫眼、基准球作为基准，基于波像差理论与视差效应分别建立了3种基准的位姿测量模型，得到了位置误差与基准区域波前像差的函数关系，并对3种位姿测量模型进行对比。最后，对3种基准位姿测量方法进行仿真及实验验证，实测结果与模型的残差结果均小于0.05λ，相对误差均小于2.43%，验证了模型的准确性。实验结果表明，当检测距离为1 000 mm时，猫眼法的轴向定位误差为24 μm；基准球法的轴向定位误差为50 μm；SMR靶球法的轴向定位误差为16 μm，X，Y方向的定位误差为1 μm，滚转角定位误差为3.26″。SMR靶球法的定位误差最小、检测动态范围最大且检测光学元件的自由度最多，更适用于自由曲面的高精度位姿检测。关键词：光学检测;光学面形位姿测量;“光学-机械”基准定位法;计算全息;定位误差
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发布时间：2023-07-08 - 摘要：鉴于通过测量高精度的位移数据可以获得高精度的微重力加速度数据，进而服务于多种空间科学载荷的研究任务，提出了一种基于三组正交对称角锥棱镜的双频光路，利用外差干涉测量技术实现空间惯性质量块的六自由度位移和角度测量的方法。通过光路矢量分析建立了实际角锥棱镜的光路模型，考虑质量块在运动过程中带来的附加光程差，推导了各测量光路的光程变化与质量块六自由度位姿的函数关系。为了克服小角度近似法精度不高的缺陷，提出了利用数值计算法解耦姿态角进而获得相对位移的位姿解算算法。利用空间在轨位姿数据和随机位姿数据进行系统仿真。仿真结果表明：数值计算的位移误差小于0.02 fm，且该方法的计算误差不会随着飞行器振动的增大而变大，算法具有更高的精度和更好的适应性。最后，分析了系统的误差来源，在保证角度安装误差小于5 mrad、距离安装误差小于10 μm且平行度小于2 mrad时，系统的姿态角测量误差小于0.017°，位移测量误差小于10 nm。本文提出的六自由度测量及解算方法也可以服务于其他精密加工与检测领域。关键词：精密测量;外差干涉测量;双频激光干涉;微重力;惯性传感;六自由度
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发布时间：2023-07-08 - 摘要：光束指向稳定系统基于对光束位置和角度的控制，能够实现对光束指向的高精度主动控制，在微纳光刻及超分辨成像等领域中发挥着重要的作用。为了实现光束的长时间指向稳定，提出一种分离式调控的小型化光束指向稳定系统，消除了传统方案中双反射镜校正带来的耦合误差，大幅度提升了光束指向精度的控制性能。对比测试结果表明，基于该方法的光束指向稳定系统对光束位置的稳定精度（RMS值）可达0.3 μm，角度稳定精度（RMS值）达到1 μrad；施加一定幅度的主动扰动后的测试结果表明，该系统在较大的光源抖动下仍能保持同一量级的稳定精度。相比于同样测试条件下的两种商业化光束指向稳定系统，其位置抖动与角度抖动性能可提高50%以上。关键词：光束稳定;高精度校正;高精度角度检测;误差分离技术
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发布时间：2023-07-08 - 摘要：针对目前基于数字微镜（Digital Micromirror Device，DMD）的光谱模拟中，光谱模拟单元具有不同偏态性质且存在非线性调制等特点，提出了一种适用于多种色温调制的基于模糊PID控制的恒星光谱模拟方法。构造了DMD工作矩阵、光谱调制权重矩阵、光谱分布函数矩阵以及目标光谱矩阵，建立了基于DMD的光谱模拟数学模型；然后，研究了基于遗传算法优化BP神经网络的光谱分布函数拟合算法，在400~800 nm的峰值波长内实现了光谱分布函数拟合；提出了一种基于模糊PID控制的光谱模拟算法，选择模糊集合与隶属度函数，制定了模糊推理以及解模糊化规则。仿真分析了模糊PID控制器性能，结果表明与PID控制相比，模糊PID控制的超调量减小90.7%，调节时间缩短了69.4%。最后，实验验证了3 000~11 000 K色温光谱分布曲线的模拟精度，结果表明：光谱模拟误差优于±4.21%；相较于PID控制，模糊PID控制在3 000，6 500以及11 000 K色温的最大光谱模拟精度分别提高了2.31倍，1.71倍和2.02倍。所提出的方法可以进一步提升光谱模拟精度，为高精度星敏感器的地面标定提供理论与技术基础。关键词：光谱模拟;模糊控制;遗传算法;数字微镜;BP神经网络算法
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发布时间：2023-07-08 - 摘要：高分十四号卫星搭载了一台三波束激光测距系统，用于辅助双线阵光学相机开展全球1∶10 000无地面控制点立体测图。由于振动及环境等因素变化，激光测高仪的几何参数相比实验室测量参数会发生改变，必须开展高精度在轨几何定标。针对高分十四号激光载荷的特点，构建了激光测高严格几何模型，在大气改正、潮汐改正的基础上，利用地面探测器阵列捕获的激光光斑开展激光器在轨几何定标与精度验证。实验结果表明：高分十四号激光测量系统标定后3个波束的高程精度（
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发布时间：2023-07-08
现代应用光学
- 摘要：针对栅格纳米扫描特别是高速扫描应用中，带测量滞后的压电纳米平台轴间周期耦合补偿的问题，提出一种无需复杂逆模型求解的鲁棒周期干扰观测控制策略。建立压电平台的机电耦合多扰动模型用以描述平台系统的动力学行为。在此基础上，构建周期干扰观测控制结构。通过推导的性能优化函数和鲁棒稳定性条件，将最优控制器参数求解问题转化为延时系统的混合灵敏度优化问题，并通过无穷维H∞控制方法进行求解。最后，在压电纳米平台上进行综合的实验探究。结果表明，建立的动力学模型能够有效拟合平台的实验响应；相较于无干扰观测器的方法和传统的周期干扰观测控制方法，提出的鲁棒优化方法在基频的抗干扰性能分别有超过99%和50%的提升。提出的鲁棒周期干扰控制方法有优越的抗干扰和不确定补偿性能。关键词：压电微动平台;耦合补偿;动力学建模;周期干扰观测器;时滞;H∞优化
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发布时间：2023-07-08 - 摘要：设计了利用激光焊接技术进行波纹膜片焊接的工艺方案，提出了基于正交试验的关键焊接工艺参数优化方法，设计关键焊接工艺正交试验表，完成以焊缝残余应力为评价指标的正交试验。基于正交试验获得的较优焊接工艺参数组合，焊接压力传感器，完成了焊接密封性、拉伸强度和传感器静态性能指标的测试验证。结果表明，较优的压力传感器波纹膜片激光焊接工艺参数组合是激光功率350 W、脉冲频率150 Hz、脉冲宽度1.5 ms、转台转速4 200 （°）/min；压力传感器焊缝的拉伸强度高达499.60 MPa，具备较好的密封性；焊接波纹膜片后的传感器零点输出提高了17%左右，灵敏度、满量程输出、非线性、迟滞和重复性等指标变化不大，但是非线性、迟滞和重复性比同厂家的同类型传感器改善约1倍左右。正交试验确定的激光焊接工艺能够保障压力传感器的高质量封装应用。关键词：压力传感器;波纹膜片;激光焊接;残余应力;正交试验;静态性能
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发布时间：2023-07-08 - 摘要：为了降低机载数字化设备的电磁波辐射发射强度，对数字信号的频谱进行分析，指出数字信号所包含的基波及其高频谐波是设备电磁辐射的源头；分析了屏蔽层抑制电磁辐射的机理，结果表明高电导率、非磁性屏蔽层对电场及高频磁场有很好的屏蔽效果；研究了缝隙对屏蔽体屏蔽效能的影响，提出了一种提高缝隙屏蔽效能的双层填充屏蔽方法；然后分析了电磁波通过屏蔽层时的吸收损耗，提出了一种提高双绞屏蔽电缆/同轴电缆屏蔽效能的双层屏蔽方法；最后以实际工程项目为例，该项目设备已满足GJB151B-2013 RE102要求的情况下，仍然干扰北斗设备搜星定位。对它进行电磁兼容改进，改进后实验室测量RE102项，设备电磁辐射发射强度平均降低约12 dBμV/m；外场地面及飞行实验结果表明，设备正常工作情况下，BDB1，BDB3频点的带内积分功率分别提高0.59 dBm和1.84 dBm，北斗设备收星数量由3颗及以下上升至9颗及以上，北斗设备可正常定位。关键词：数字化设备;电磁兼容;双层屏蔽;双层填充屏蔽;屏蔽效能
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发布时间：2023-07-08
微纳技术与精密机械
- 摘要：针对工业CT实际检测中涉及的零件材质与尺度跨度较大，且采用非金属森林球来评定工业CT测量不确定度存在适用性和可靠性不足的问题，基于不同材质森林球进行了工业CT测量不确定度评定，获得了标准器材质对测量不确定度的影响规律。根据工业CT的常用测量范围，设计制作了3种不同材质的森林球标准器，并用三坐标测量机进行标定，然后采用工业CT分别扫描和测量计算，实现了对不同材质森林球直径及球心距的测量不确定度评定。实验结果表明：材质对球直径测量的扩展不确定度影响不显著；球心距测量的扩展不确定度随尺寸的增大而增大，其中非金属陶瓷球和红宝石球标准器的扩展不确定度均值相当，平均值约为0.003 5 mm，而钢球标准器则较之增大了3.4倍，达到0.012 2 mm；球心距测量存在明显的系统误差，标准器材质的影响不显著。基于不同材质森林球的球心距测量对工业CT测量不确定度标准器的选用及校准具有重要的指导意义。关键词：工业CT;测量不确定度;森林球;几何尺寸
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发布时间：2023-07-08 - 摘要：为了解决基于深度学习的开展矿物高光谱丰度反演研究中标签数据不足的问题，提出一种基于添加填充系数的Hapke混合模型的小样本矿物高光谱数据增强方法，用于生成大量带标签的数据集。在实验室内选择5种常见矿物按照质量比例对矿物粉末进行多元混合，并对混合矿物开展光谱量测。基于线性混合模型、Hapke混合模型、填充系数分别为0.1，0.2和0.3的Hapke混合模型共5种模型，按照对应的质量比例生成模拟的混合矿物光谱，与实验室实测光谱进行比较。最后，基于Monte Carlo法随机生成多元“和为一”的丰度矩阵，利用5种混合模型开展数据增强，分别生成40 000条模拟光谱作为堆栈自编码网络的训练集，反演矿物高光谱数据的丰度信息。研究结果表明：Hapke模型以及添加填充系数后的光谱模拟精度均优于线性混合模型的模拟精度，当Hapke模型的填充系数为0.1和0.2时，光谱角距离误差均值分别为0.053 5和0.053 7，模拟的矿物光谱更接近实测光谱，且优于未添加填充系数时的光谱角距离误差0.074 8。利用填充系数为0.1和0.2的Hapke模型生成的模拟数据作为深度学习训练集，矿物高光谱丰度反演的均方根误差（RMSE）为0.124 8，优于其他4种模型的反演结果。基于添加填充系数后的Hapke混合模型生成的模拟数据更接近真实光谱，可为深度学习的小样本矿物丰度反演研究提供数据支撑。关键词：高光谱技术;深度学习;模拟光谱;混合模型;Hapke模型;数据增强;丰度反演
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发布时间：2023-07-08 - 摘要：针对机器视觉系统中透视投影导致的钢管、桥梁拉索等圆柱表面缺陷测量不准的问题，提出了一种圆柱曲面透视投影失真的图像校正方法。该方法在提取圆柱成像区域、明确横向和轴向方向的基础上，基于圆柱曲面的透视投影特性，将产生的失真分解为轴向变形和横向变形，利用系统成像参数和圆柱半径建立校正图像与原图像的坐标对应关系，通过最邻近插值法进行像素映射实现透视投影失真校正。实验结果表明，该方法对不同直径圆柱的图像均有良好的校正效果，校正后的图像消除了圆柱曲面“近大远小”透视变形和倾斜投影变形；进行棋盘格模拟校正时，6个圆柱棋盘格边长的测量误差从校正前最高的14.9%降低至校正后的1.2%；进行划痕测量时，两种直径的原图像的最大误差分别为78.0%与61.8%，经本文方法校正后，两种直径的最大误差仅为5.9%与5.5%，校正效果显著。关键词：图像校正;圆柱曲面;透视投影;失真;测量
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发布时间：2023-07-08 - 摘要：遥感图像建筑物高效提取在城市规划、灾害救援、军事侦察等领域发挥着重要作用。基于深度学习的建筑物提取方法虽然具有很高的精准度，但通常是由复杂的卷积运算和极大的网络模型实现的，提取速度低，难以满足现实需求。为此，设计了一种遥感图像建筑物快速提取方法。在STTNet模型的特征提取网络中引入多尺度卷积，在同一卷积层内提取多尺度特征，进一步提高模型的特征提取能力。改进空间稀疏特征提取器结构，在带有空间注意力权值的特征图中应用通道注意力，有效学习通道注意力权值，进而解决使用骨干网络输出特征图学习时通道注意力权值浮动的问题。为降低模型参数量，加快模型的运算速度，将STTNet模型由并联结构改为串联结构。INRIA建筑物数据集上的实验表明，本文方法在保证精度和IoU的前提下速度比STTNet提升了18.3%，明显优于主流方法。关键词：遥感图像;建筑物提取;多尺度卷积;稀疏特征提取器
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发布时间：2023-07-08 - 摘要：从站控制器是工业自动化控制系统中实现总线通信、现场传感器采集、电机等执行器控制功能的基础部件。为满足各类工业现场执行器与传感器的使用需求，解决从站控制器硬软件设计繁琐、开发效率低、升级移植困难的问题，通过对典型从站控制器的硬软件构成分析，提出了一种从站控制器的模型化开发方法。建立了从站控制器共性的实时以太网通信处理模型以及实际应用中常见的数字量I/O、模拟量I/O、运动控制、通信接口转换从站的设备控制模型，采用模型代码自动生成与移植方法，在国产硬件平台上实现了从站控制器软件的标准化快速开发。实验结果验证了本文所提模型化开发方法的有效性，为实现国产化从站控制器软件的快速开发和升级移植提供了的有效手段。关键词：工业自动化：控制系统;实时以太网总线;基于模型的设计;代码生成
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发布时间：2023-07-08
信息科学
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