最新刊期
      2023 年 第 14 期

        现代应用光学

      • 姚曹,朱文越,徐文清,徐刚,陈小威
        2023, 31(14): 2009-2018. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2009
        摘要：对于恒星光斑成像，传统的梯度评价算法在重度离焦情况下梯度细节薄弱，难以识别正确的调焦方向。为了实现跟星系统对恒星的快速成像和可靠跟踪，建立了针对恒星成像特征进行评价的自动调焦系统，对系统的聚焦评价算法、自动调焦结构以及自动控制系统进行研究。通过跟星系统成像的灰度分布情况分析光斑图像梯度特征在正焦和离焦时的区别。根据恒星光斑成像灰度级差异变化的特点，将背景值纳入评价贡献，在传统的梯度评价函数中加入光斑信号灰度差异贡献。设计适用改进算法的调焦硬件结构和系统结构，利用步进电机和调焦底座组成调焦组件，通过计算控制单元驱动调焦组件实现自动调焦系统。利用搭载调焦系统的跟星装置进行实验和分析。实验结果表明：自动调焦装置能够在跟星系统中稳定地进行调焦工作，且改进算法相对于传统梯度算法有着更好的调焦方向性，在保持传统梯度算法67%灵敏度的同时，将局部极值点减小为0。改进算法不受梯度细节薄弱影响，能够在不同离焦程度下保持较好的调焦方向性和正焦灵敏性，跟星系统在搭载自动调焦装置后能够快速搜索合适焦距并进行大气光学特性测量。  
        关键词：恒星聚焦;自动调焦;图像清晰度;步进电机;跟星系统   
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        发布时间：2023-08-26
      • 于亚琼,王灵杰,赵尚男,张建萍,张新
        2023, 31(14): 2019-2030. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2019
        摘要：宽视场光学成像系统可以增大光学遥感器观测范围、提高探测效率。近年来，基于自由曲面的光学系统设计和制造取得了重大进展，为设计大视场、大相对孔径、高分辨率、高成像质量、无遮挡离轴反射系统提供了可能性。首先，分析了大视场离轴反射系统的像差特性，指出当不断增加系统视场角，尤其是子午方向视场角时，与视场相关的非对称高级像差量将剧烈增加；像场连续性要求更加凸显。接着，提出了一种二维大视场长焦距离轴光学系统设计方法：在常规光学系统初始结构基础上，采用多重结构形式，使子午方向视场角离散化，光学系统特定曲面分解为两个子曲面；并构建系统约束条件，通过约束系统外形尺寸、优化系统结构形式进而完成系统优化设计。最后，基于提出的方法，设计了一款焦距为1 000 mm，像方F数为10，视场角为40°×16°的自由曲面离轴四反光学系统。设计结果表明：该系统全视场范围内成像质量较好，50 lp/mm的特征频率下，400~750 nm可见光波段内光学调制传递函数优于0.26，证明该方法切实有效。  
        关键词：光学设计;离轴反射系统;自由曲面;二维大视场;曲面分解   
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        发布时间：2023-08-26
      • 吕启鑫,石芳媛,白倩,蒋效雄,姜丽丽
        2023, 31(14): 2031-2039. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2031
        摘要：石英玻璃等光学硬脆材料在加工过程中不可避免地产生亚表面微裂纹，从而对光学元件的使役性能具有显著影响。因此，石英玻璃亚表面微裂纹的无损检测对于优化石英玻璃加工工艺进而提高加工质量具有十分重要的意义。提出了基于偏振激光散射（Polarized Laser Scattering， PLS）的石英玻璃亚表面微裂纹检测方法，搭建了PLS无损检测系统。通过压痕实验以20 mN，50 mN，100 mN压力制备亚表面微裂纹深度为5.27 μm，9.7 μm，15.42 μm的压痕试样，使用PLS检测系统对压痕试样进行无损检测，探究PLS信号与亚表面微裂纹深度的对应关系。通过不同粒径磨粒（1~20 μm）研磨制备亚表面微裂纹深度为1~10 μm的研磨试样，发现研磨PLS检测信号与亚表面裂纹深度之间呈幂函数关系。搭建的PLS检测系统可以对深度小于10 μm的石英玻璃亚表面微裂纹进行有效检测与量化。PLS检测系统检测结果可实现研磨石英玻璃微裂纹检测，进而为亚表面微裂纹控制及加工工艺优化提供指导。  
        关键词：偏振激光散射;亚表面微裂纹;压痕;研磨;石英玻璃   
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        发布时间：2023-08-26

        微纳技术与精密机械

      • 陈赵杰,周洋,宋薇
        2023, 31(14): 2040-2051. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2040
        摘要：本文提出一种基于CAD立体模型匹配的位姿测量方法，用于解决高功率激光装置中微小靶的高精度定位问题。该方法利用CAD文件信息构建靶的立体模型，将立体模型与3-CCD多源图像进行关联匹配，避免了传统定位方法中将多源图像单独处理产生的误差叠加问题。本文基于模型探索点的Chamfer距离转换定义靶的匹配度函数，用于评估模型与靶的匹配程度，并利用遗传算法（GA）对该函数进行寻优求解得到靶的测量位姿。针对GA容易陷入局部最优值问题，提出一种基于分层的自适应遗传算法（HAGA）提高算法的搜索精度和效率。为提升复杂工程的系统调试效率，本文利用OpenGL图形库搭建仿真系统，实现靶的仿真成像、离线算法调试等功能。仿真系统避免了系统中安装误差、加工误差以及相机环境光等诸多因素的干扰，能够更方便的对算法进行调试和验证，提高工程效率；实验还搭建了3-CCD定位测量平台用于对不同靶型准直状态的定位调整。测量结果显示靶的平移定位误差小于3.5 μm，角度误差小于0.07°，其误差小于实际测量系统的误差要求，验证了测量算法在实际工程中应用的可行性。  
        关键词：高功率激光装置;CAD模型;靶定位;遗传算法;OpenGL仿真   
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        发布时间：2023-08-26
      • 王子恒,李金华,楚学影,张烨
        2023, 31(14): 2052-2059. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2052
        摘要：针对透明衬底上紫外共振金属纳米阵列制备的技术需求，在不导电石英衬底上，采用电子束曝光制备Al纳米阵列，并对其形貌及性能进行研究。在电子束曝光过程中，引入Cr金属层克服衬底不导电问题。采用曝光剂量测试和加工参数调节优化纳米棒形貌。采用时域有限差分法分析Al纳米棒在325 nm紫外光激发下的电场分布，并以Langmuir-Blodgett（L-B）技术将CdSe/ZnS量子点沉积在Al纳米阵列表面进一步明确其荧光增强性能。结果表明，1 200 μc/cm2剂量下制备的Al纳米棒尺寸分布均匀，最终获得了取向互相垂直的四个区域集成的Al纳米阵列。光学性质分析表明，Al纳米棒阵列可使CdSe/ZnS量子点的荧光强度增强约1.7倍。仿真结果表明，紫外光辐照下Al纳米棒末端电场强度明显高于纳米棒两侧，明确了量子点发光增强机理。成功在不导电衬底上获得多取向集成的、对量子点具有显著荧光增强效果的Al纳米阵列，为背光激发下量子点发光调控和偏振调制提供了一种新策略。  
        关键词：透明衬底;量子点;荧光增强;时域有限差分法   
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        发布时间：2023-08-26
      • 彭福鑫,胡中伟,陈瑜,谢斌晖,周志豪
        2023, 31(14): 2060-2070. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2060
        摘要：双面研磨作为蓝宝石衬底制备的一道重要工序，研磨表面裂纹深度将严重影响后续抛光的材料去除量，因此对研磨衬底表面裂纹特征研究及深度测量具有重要意义。本文采用截面显微观测法、聚焦离子束侧面观测法、差动蚀刻速率法、磁流变抛光法和逐层抛光法等方法观测双面研磨蓝宝石衬底表面裂纹特征和测量裂纹深度。采用截面显微观测法和聚焦离子束侧面观测法观测研磨后蓝宝石衬底亚表面裂纹形态主要有斜线状、横线状、钩状和树杈状。采用差动蚀刻速率法测得蓝宝石衬底研磨表面裂纹密集层厚度为9~10 μm，而采用磁流变抛光法测得研磨衬底局部亚表面裂纹深度为25~30 μm，采用逐层抛光法测得研磨衬底整体亚表面裂纹深度约为30~35 μm。此外，根据不同方法所检测的裂纹特征和裂纹深度，构建了蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹模型，为后续抛光工艺的制定与优化提供依据。  
        关键词：蓝宝石衬底;研磨;表面裂纹;裂纹检测   
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        发布时间：2023-08-26
      • 洪小兰,姜晨
        2023, 31(14): 2071-2079. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2071
        摘要：脉冲压缩光栅是实现高能量激光的核心光学元器件，其制造过程中产生的表面污染物和微结构缺陷成为限制高功率激光系统发展的技术瓶颈，为了提升光栅的激光诱导损伤阈值，提出利用磁性复合流体进行脉冲压缩光栅（PCG）后处理抛光研究。对抛光前后光栅样品的微观结构，表面形貌、表面粗糙度、衍射效率和激光诱导损伤阈值等参数进行测量，进行抛光前后光栅表面质量和光栅性能的评估。研究发现，磁性复合流体抛光能够在不破坏实际光栅结构的前提下抑制加工过程产生的毛刺，微结构缺陷等；经3 min抛光后，光栅顶部表面粗糙度从21.36 nm下降到3.73 nm；激光诱导损伤阈值从2.8 J/cm2提高到3.8 J/cm2，抗激光损伤性能提升35.7%，且不影响衍射效率。实验结果表明：磁性复合流体抛光是一种可以提高光栅元件表面质量，提升光栅元件光学性能的有效方法。  
        关键词：脉冲压缩光栅;多层介质膜光栅;磁性复合流体;激光诱导损伤阈值;表面形貌   
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        发布时间：2023-08-26

        信息科学

      • 刘杰,祁箬,韩轲
        2023, 31(14): 2080-2092. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2080
        摘要：针对遥感图像成像过程中噪声污染严重，超分辨率重建图像存在目标边缘模糊和伪影等问题，本文提出一种融合边缘增强与非局部模块的遥感图像超分辨率算法（Edge-Enhanced and Non-local Modules Generative Adversarial Network，ENGAN）。为了使图像细节边缘更清晰，本文融合一种图像边缘增强模块；同时，为进一步扩大模型感受野和增强去除边缘噪声性能，改进边缘增强模块中的Mask分支；此外，引入非局部模块，通过更好地利用图像的内在特征相关性，进一步提升了网络的重建性能。本文在UCAS-AOD和NWPU VHR-10两种遥感图像数据集上进行多个算法的对比实验，结果表明本文提出的方法在多个评价指标上均有所改善。以退化类型Ⅳ为例，本文方法相比深度盲超分辨率退化模型，4倍超分辨率的SSIM提升了0.068，PSNR提升了1.400 dB，RMSE减少了12.5%，且重建后的遥感图像相较于原始图像可以得到更好的地面目标检测结果。  
        关键词：遥感图像;超分辨率;边缘增强;非局部特征;生成对抗网络   
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        发布时间：2023-08-26
      • 周涛,刘赟璨,侯森宝,叶鑫宇,陆惠玲
        2023, 31(14): 2093-2110. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2093
        摘要：基于残差神经网络的新冠肺炎（Corona Virus Disease 2019， COVID-19）辅助诊断是最近的研究热点，但是COVID-19胸部X-Ray图像病变区域多样化，其大小、形状、位置因患者而异，且与周围组织的边界模糊，对比度较低，导致难以充分提取病变区域的有效特征。本文针对上述问题，提出一种COVID-19辅助诊断模型REC-ResNet，该模型以ResNet50为主干网络，引入三种特征增强策略，用来提高模型的特征提取能力。首先，采用残差自适应特征融合模块以自适应加权的方式有效地融合模型每个Stage中来自不同残差块的分层特征，该模块不仅建模不同通道之间的相关性，还学习自适应地估计不同层次信息的相对重要性；然后，在模型主干中引入高效特征增强Transformer模块，采用特征增强多头自注意力提取胸部X-Ray图像中的全局信息以增强模型的表达能力，有效地弥补了CNN捕获全局特征表示能力较弱的不足；其次，为了获得更丰富的上下文信息，提出跨层注意力增强模块，分别采用通道注意力和空间注意力对深层和浅层特征进行增强，并在充分考虑长距离特征依赖的情况下有效地融合高级语义信息和低级空间细节实现跨层注意力特征增强，使模型提取更多有效特征以进一步提高模型分类准确率。最终，在COVID-19胸部X-Ray图像数据集上的实验结果表明：本文模型与其他先进的CNN分类模型相比能够实现优异的分类性能，Acc，Pre，Rec，F1 Score和Spe指标分别为97.58%，97.60%，97.58%，97.59%和97.46%，进一步通过Grad-CAM可视化技术对模型进行解释，以增强特征的直观性。本文方法有助于临床医生做出正确的医学判断和更好的患者预后，为COVID-19的辅助诊断提供有效的帮助。  
        关键词：新冠肺炎;胸部X-Ray图像;残差神经网络;注意力机制;特征增强   
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        发布时间：2023-08-26
      • 陈清江,顾媛
        2023, 31(14): 2111-2122. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2111
        摘要：针对低照度图像亮度低、对比度低、颜色失真以及现有增强算法大多没有区别处理不同的通道，不利于提取多层次特征的问题，提出多通道融合注意力网络的低照度图像增强算法。首先，通过将八度卷积（Octave Convolution， OctConv）引入通道拆分后的残差结构中提出多层级特征提取模块；其次，利用注意力机制与交叉残差结构提出跨尺度特征注意模块；再次，通过大小与通道数不同的模块堆叠的方式获取多层次信息；最后，在通道维度上进行特征融合，并通过重建模块获得输出。实验结果表明，与RISSNet算法相比，在真实图像上的峰值信噪比与结构相似度分别由27.001 6 dB和0.889 2提升到27.978 1 dB和0.925 5。所提算法在峰值信噪比、结构相似度、均方误差、视觉信息保真度4种客观评价指标上均获得了最好的结果。该算法能够有效地提高低照度图像的亮度及对比度，且图像纹理细节及色彩保持较好。  
        关键词：图像增强;低照度;注意力机制;多通道;八度卷积   
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        发布时间：2023-08-26
      • 刘立波,郗思宇,邓箴
        2023, 31(14): 2123-2134. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2123
        摘要：为提升复杂交通场景下天气识别准确率的同时实现网络轻量化，提出了一种结合改进ConvNeXt网络与知识蒸馏的天气识别方法。首先，在ConvNeXt网络的每组Block特征提取块后加入SimAm注意力机制，构建ConvNeXt_F网络，利用SimAm注意力机制对Block块提取的深层特征进行鉴权并校正权重，有效强化对天气判别性特征的捕获能力；其次，在网络训练过程中将Equalized Focal Loss（EFL）与Mutual-Channel Loss（MCL）采用平均占比的方式进行累加作为总损失函数，一方面利用EFL消除数据不均衡造成的影响，另一方面利用MCL减小同类天气下局部细节特征差异；最后，采用知识蒸馏技术将天气分类知识从ConvNeXt_F网络迁移到轻量级MobileNetV3网络，虽然精度略微损失但网络参数量大幅减少。实验结果表明，与其他算法相比，所提方法在本文构建的宁夏高速公路场景下的天气数据集weather-traffic和公开的自然天气数据集RSCM2017上准确率分别达到96.22%，84.8%，FPS分别达到157.6 Hz,137.6 Hz，FLOPs和Params仅为0.06 G和2.54 M，识别精度、速度和网络的轻量化较原网络均有提高，能够更好地应用于储存和计算能力受限的实际场景中。  
        关键词：天气识别;ConvNeXt网络;注意力机制;知识蒸馏   
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      • 仲元红,徐乾锋,周宇杰,王姗姗
        2023, 31(14): 2135-2146. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2135
        摘要：从极少量的测量值中有效且高概率高质量恢复出原始信号是压缩感知图像重建研究的核心问题，学者们相继提出了传统和基于深度学习的压缩感知图像重建算法，传统算法通常基于优化模型迭代求解，重建质量和重建速度都无法保证；基于深度学习的算法重建质量相对较高，但缺乏物理可解释性。受滤波流的启发，本文提出了联合全局与局部的深度压缩感知图像重建模型（G2LNet），其以卷积层执行压缩采样以及初始重建过程，利用快速傅里叶卷积与滤波流，同时考虑了图像全局上下文信息和图像像素局部邻域信息，联合学习优化测量矩阵与滤波流，建立了完整的端到端可训练的深度图像压缩感知重建网络。经实验验证，在压缩感知图像重建领域常用的Set5，Set11，BSD68测试集上取得了良好的重建效果，在采样率为20%的情况下，G2LNet的图像重建质量相比于经典的传统算法MH与基于深度学习的算法CSNet的平均PSNR分别提高了2.29 dB，0.51 dB，有效提升了重建图像质量。  
        关键词：压缩感知;图像重建;快速傅里叶卷积;滤波流;深度神经网络   
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      • 巩丹超,刘松林,韩轶龙,张威
        2023, 31(14): 2147-2159. DOI: 10.37188/OPE.20233114.2147
        摘要：为了实现高分七号卫星亚米级影像的高精度精细三维重建，针对高分七号卫星前后视线阵相机的成像特点，围绕影像的定向、影像畸变消除、密集匹配方法优化等方面，提出一套完整的精细三维重建方法和流程。利用影像间连接点几何约束关系对有理函数模型进行了二次定向消除系统误差；其次采用一种基于物方投影面的水平纠正方法对原始影像进行纠正，消除了立体像对之间大的倾斜误差；在密集匹配阶段，将全球公开数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）数据作为视差约束，同时引入顾及影像灰度和特征信息的AD-Census作为匹配测度，有效削弱重复纹理引起的匹配错误问题，提升了数字表面模型（Digital Surface Model，DSM）的质量。利用覆盖我国宁夏和新疆某地的两组高分七号的立体影像进行了试验，结果表明本文所提出方法可将相对误差精度由平差前的0.847 pixel和0.725 pixel分别提升到平差后的0.652 pixel和0.593 pixel，相对误差精度最大可提高23.02%，基于物方投影面的水平纠正方法能够显著消除大倾角差异带来的几何畸变，对高分七号卫星影像取得了较好质量的DSM产品，尤其是对于小尺度密集建筑物区域的重复纹理取得了较好的效果。  
        关键词：三维重建;有理函数模型;影像纠正;影像匹配;半全局匹配   
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