最新刊期
      2023 年 第 19 期

        流场诊断激光光谱技术与装备

      • 陈力,殷一民,李玉栋,李猛,陈爽
        2023, 31(19): 2781-2788. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2781
        摘要：为了测量复杂流动速度分布，基于分子标记示踪原理建立了飞秒激光电子激发标记（FLEET）测量装置。开展了超声速混合流动速度分布测量实验，获得了马赫数3.0射流分别与马赫数2.0，2.5及2.9射流形成的混合流动速度分布的测量结果；结合大涡模拟和纹影实验，显示了混合层的流场结构。利用延迟10 μs的荧光标记线与荧光基线的位移差，分析得出实验中FLEET速度测量的不确定度优于5 m/s；在高低速主流区，FLEET测量的速度结果与计算结果基本一致；在混合层，FLEET实现了较大梯度的速度分布测量，混合层的厚度与纹影实验结果符合较好。实验表明，建设的FLEET装置具有较强的工程实验能力，能够实现超声速混合层等复杂流动速度的分布测量。  
        关键词：飞秒激光;分子示踪;速度测量;超声速混合层   
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        发布时间：2023-10-12
      • 张军,黄含军,毛勇建,黄海莹,郑星,杨茂
        2023, 31(19): 2789-2798. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2789
        摘要：冲击波是爆炸毁伤的主要载荷形式之一，炸药驱动激波管是较真实复现高超压冲击波场景的可能方式，当前亟需关注冲击波与产物分离状态、波阵面形态等实验参数测试问题，仅依靠传统电测原理的单一点源压力测量无法满足上述流场表征需要。基于反射式纹影原理并利用激光光源和系列光学元件，搭建了一套激波管出口流场诊断系统，将流动现象的可视化观测结果与传统压力测量相结合，完善流场特征诊断与分析方法。研究表明，该纹影系统能够清晰获得激波管出口的冲击波和产物运动流场图像，通过与压力测试与激波管点火时序的同步控制，可有效揭示压电式冲击波压力传感器数据振荡、压力突变、漂移等特征，以及爆炸后管道中应力波引起的管口及空气振动等现象。基于图像分析可分析获得炸药爆炸激波管出口冲击波运动速度和压力的空间衰减特性，该结果为更好理解炸药驱动激波管冲击波压力的形成和演化规律研究提供了诊断途径和分析基础。  
        关键词：光学测量;激波管;爆炸流场;纹影法;冲击波   
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        发布时间：2023-10-12
      • 刘宁博,赵逸佳,陆盛曜,马柳昊
        2023, 31(19): 2799-2808. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2799
        摘要：针对视线效应（Line-Of-Sight，LOS）的双色激光吸收光谱（Laser Absorption Spectroscopy，LAS）火焰测温技术，研究了热化学参数的非均匀分布对碳烟火焰温度测量的影响。优先选出水汽（H2O）在1.3~3.0 μm内的6对典型吸收谱线，针对氮气伴流碳烟火焰和空气伴流碳烟火焰，利用高保真光谱数值模拟仿真系统研究了非均匀温度和浓度分布对所选6对谱线的测温结果的影响，得到了氮气伴流碳烟火焰和空气伴流碳烟火焰的非均匀性条件。对于氮气伴流碳烟火焰，仿真得到的谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1和5 553.86 cm-1/5 554.18 cm-1的最大相对温度偏差分别是4.72%（最小）和12.40%（最大）。空气伴流碳烟火焰的谱线对相对温度偏差有正有负，且其最大正负值均出现在δ/L=80%的非均匀条件下，谱线对5 553.86 cm-1/5 554.18 cm-1相对温差的最大正负值分别为14.43%和-2.51%；谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1相对温差的最大正负值分别为3.22%和-13.21%。最后，通过典型谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1的吸收光谱进行了实验验证。实验结果表明：在两种典型碳烟火焰中，谱线对4 029.52 cm-1/4 030.73 cm-1对热化学参数的非均匀性不敏感，可以最大程度上减弱热化学参数非均匀分布对其测温结果的影响。  
        关键词：激光吸收光谱技术;热化学参数非均匀分布;碳烟火焰;温度测量   
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        发布时间：2023-10-12

        现代应用光学

      • 杨启航,李盼,杨焓,王润兵,邢浩儒,许飞,祁义红
        2023, 31(19): 2809-2817. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2809
        摘要：用空间光调制器模拟叉形光栅的方式产生高阶和分数阶涡旋光束，分离各阶涡旋光束并探究单级特性，探测其拓扑荷数以验证实验方法的正确性。设计了涡旋光束生成光路，编写了产生叉形光栅全息图的计算机程序，利用透射式空间光调制器模拟叉形光栅，以全息图的方式加载到空间光调制器上。调节参数改变全息光栅图样，得到拓扑荷数从1.0到100.0的整数阶与间隔为0.1的分数阶涡旋光束。利用孔径光阑分离出一级衍射，分析其特性并利用干涉法测量其拓扑荷数。实验发现，整数与分数阶光场分布与拓扑荷数为单调关系，拓扑荷数接近100时光束质量显著下降的特性，利用干涉法测得的拓扑荷数与计算全息图设置的参数完全相同。干涉测量结果验证了计算全息方法的正确性。该方法装置简易、参数可调，可为高阶和分数阶涡旋光的产生和应用提供一定的参考。  
        关键词：涡旋光束;空间光调制器;衍射光栅;轨道角动量   
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        发布时间：2023-10-12
      • 赵欣瑞,董一甲,宁永强,林星辰,朱洪波
        2023, 31(19): 2818-2826. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2818
        摘要：为了分析光子灯笼用于光合束时的模式控制能力波动，建立算法提取光场灰度矩阵，使用数值计算结果替代角功率分布方差来分析光子灯笼模式控制能力随合束功率的波动。根据功率流方程与临近模耦合理论推导了算法的理论基础。从算法结构和灰度值提取精度参数两方面详细介绍灰度提取算法。通过对比复原图与原光场图，证明算法将光强分布情况转化成灰度值矩阵的数值准确性；最后，以自制的3×1光子灯笼在弱主动模式控制下的表现为例，分析其模式控制能力随合束功率变化导致的输出光质量与合束损耗的变化。实验结果解释了合束功率从0增加到270 mW时3×1光子灯笼的光合束损耗曲线斜率变化以及合束光最大高斯拟合度波动。算法能简单、快速地分析光子灯笼用于基模合束光制备时模式控制能力的波动情况，且环境敏感度低，光场功率分布提取准确率大于99%。  
        关键词：半导体激光;模式控制;灰度矩阵;光子灯笼;光合束   
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        发布时间：2023-10-12
      • 何洪钰,高智星,何运,张晓华,郭冰
        2023, 31(19): 2827-2835. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2827
        摘要：气溶胶中锶元素的监测对于大气污染防治和工业设施排放监控具有重要意义。激光诱导等离子体光谱技术具有无需采样预处理、可原位快速检测等优势，在环境介质成分直接在线监测方面具有极大的应用潜力。介绍了基于实验室搭建的LIPS装置开展的气溶胶中锶元素的直接探测工作。利用整体平均法对气溶胶等离子体进行光谱分析，结果显示实验装置对锶元素的检测限为809 μg/m3。对于低密度气溶胶光谱，条件分析法可以将平均光谱的信噪比提升8倍。基于实验结果讨论了含锶气溶胶统计学特性和数据分析方法的影响。气溶胶中颗粒物的密度对等离子体温度的影响极小，光谱强度变化直接反应了激光激发气溶胶颗粒物的数量。通过对条件分析法使用范围的讨论，提出在测量周期内利用累计光谱取代平均光谱，可将系统的灵敏度提升近3个数量级。实验装置的检测限达到1.3 μg/m3，初步满足工业排放监测的需求。  
        关键词：激光诱导等离子体光谱;气溶胶;锶;条件分析   
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        发布时间：2023-10-12

        微纳技术与精密机械

      • 陈自然,张桁潇,何智颖,陈鸿友,余海游
        2023, 31(19): 2836-2849. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2836
        摘要：针对高精度位移传感器难以加工的难题，提出一种基于离散绕组的磁场式时栅位移传感器。通过设计离散激励绕组排布方式与感应绕组的形状控制感应位移信号的变化规律，通过组合测量方式实现精密位移测量。通过理论建模、仿真分析与实验验证揭示了激励信号误差和安装偏差对传感器测量精度的影响规律。实验结果表明：两路激励信号的幅值不等和安装偏差都会在对极内测量精度中直接引入直流分量误差和2次谐波误差，其中2次谐波误差是误差的主要成分。安装偏差越大，2次谐波误差越大，动尺沿Z轴偏摆姿态对测量精度的影响最大，沿Y轴翻转姿态引入的误差次之，沿X轴俯仰姿态引入的误差最小。误差修正后传感器在144 mm的测量范围内，测量误差峰峰值为4.5 μm，分辨力为0.15 μm。通过毫米级尺寸的激励和感应绕组实现微米级精度测量，可显著降低传感器的制造难度，具有重要的工程应用价值。  
        关键词：直线位移;离散绕组;组合测量;时栅传感器;误差分析   
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        发布时间：2023-10-12
      • 李欣欣,吴一辉
        2023, 31(19): 2850-2856. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2850
        摘要：为了在雷诺数条件不定的小尺寸的芯片内部集成高效的混合功能，根据菲克定律和布朗运动的爱因斯坦关系式提出了一种通过匹配接触面提高浓度差的策略来设计微混合器，对科恩达效应进行了扩展，分析了流体在通道表面的流动方向，从特定微通道模块中抽象出4种具体功能。通过模块的功能来预测和调控浓度梯度并构建微混合器。使用4种功能模块来旋转并匹配流体界面，设计了两种三维结构的被动式微混合器。采用三维Navier-Stokes方程组进行了数值分析，并通过软光刻工艺制作微混合器进行了实验验证。实验和仿真结果表明，在雷诺数为0.1~100内，设计的微混合器在3.3 mm，即22倍水力直径长度处能稳定提供94%~99%的混合效率，在等水力直径条件下具有明显的优势，而且结构易于在芯片上集成，证明了模块化设计的优越性。  
        关键词：微流控;微混合器;分裂合并;旋转效应;片上实验室   
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        发布时间：2023-10-12
      • 王晓东,崔世鹏,徐征,卢世勤
        2023, 31(19): 2857-2866. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2857
        摘要：基于机器视觉的微小特征定位是精密自动化装配的关键环节，外界干扰和零件本身差异等容易引起视觉引导错误，影响装配成功率，因此提出一种由粗定位与精定位两步组成的复合定位方法。首先通过基于卷积神经网络的目标框检测算法提取感兴趣区域实现粗定位，在此基础上通过轮廓几何特征配准的方式实现零件精定位，算法中还采用自动标注辅助的动态学习机制解决不同批次零件间差异导致定位失败率较高的问题。在自研的装配设备上对该方法进行测试，分析了亮度、离焦和位姿变化对视觉定位算法鲁棒性的影响，并进行了定位精度及小批量装配实验测试。结果表明：本文方法在多种干扰下的装配成功率达到97%，视觉定位的绝对精度与重复精度均优于2 μm，装配精度优于10 μm，能够满足精密微装配对定位算法精度与稳定性的要求。  
        关键词：精密微装配;机器视觉;特征定位;目标检测   
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      • 尤晶晶,史浩飞,张显著
        2023, 31(19): 2867-2883. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2867
        摘要：六维加速度感知在机器人、航空航天、超精密加工等领域均具有迫切的应用需求，已成为高端装备向“超精尖”发展的一项核心技术。并联式六维加速度传感器具有结构紧凑、动力学解耦精度高等突出优势，其测量性能与感知机构的操作性能有关。从工作机理的角度，阐述了并联式六维加速度感知机构与并联机器人、并联式六维力感知机构之间的差异。从数学和力学的角度，系统阐释了并联式六维加速度感知机构的静刚度、奇异性、基频共振和故障修复四项操作性能的表征和优化方法，并剖析了现有方法尚不具备自适应性的原因。接着，阐明六维加速度标定平台的必要性和基本要求，并分析了四种原理方案的优缺点。最后，指出挖掘感知机构“性能-结构-激励”三者之间的内在联系，并突破几何/拓扑结构的重构、标定平台的设计和优化这些关键问题，有助于充分发挥并联式六维加速度感知机构的性能优势。  
        关键词：六维加速度传感器;并联机构;静刚度;奇异性;基频共振;故障修复   
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        发布时间：2023-10-12

        信息科学

      • 何自芬,徐林,张印辉,黄滢
        2023, 31(19): 2884-2897. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2884
        摘要：针对全监督视频实例分割网络训练数据高度依赖精细掩码标注，时间和人工成本过高，导致智能机器无法快速适应新场景的问题，提出一种端到端的掩码生成动态调控弱监督视频实例分割（Weakly Supervised Video Instance Segmentation，WSVIS）网络。为克服初始掩码预测层通道维度突降导致的实例激活特征丢失问题，构建多级特征融合模块，利用特征复用策略预测初始实例特征并融合相对位置信息生成初始预测掩码。然后，提出动态调控机制在通道和空间维度上建立掩码特征依赖关系，强化初始预测掩码与实例感知信息之间的动态交互。最后，网络设计二元颜色相似性生成伪亲和标签取代精细掩码标注，联合边界框与掩码一致性损失实现仅边界框标注的弱监督视频实例分割。实验结果表明，在BoxSet和YT-VIS数据集上，WSVIS网络能达到与全监督网络相近的分割精度和分割效果，同时能够满足实时推理要求，为智能机器快速适应新场景实现实时环境感知和理解提供了理论支撑和算法依据。  
        关键词：智能机器;弱监督视频实例分割;多级特征融合;动态调控;二元颜色相似性   
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      • 刘宪,薛武,王鹏
        2023, 31(19): 2898-2909. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2898
        摘要：垂轨环扫传感器能兼顾实现超大幅宽（千公里级）与高分辨率（米级）成像，其影像数据量远超传统卫星（单景影像达几百GB）。为了探究该成像方式下影像有理函数模型的适用性和精度，基于垂轨环扫传感器成像原理构建其严格成像模型。针对垂轨环扫影像特性，提出一种结合数字高程模型的地形相关控制点布设方案。采用星下点坐标确定初始迭代区间的方法解决大幅宽条件下反投影计算失效的问题，从而实现任意幅宽影像整景范围内物方坐标到像方坐标的求解。最后，通过生成不同幅宽的模拟影像及姿轨数据完成有理函数模型的建立，探究有理函数模型对严格成型模型的拟合精度。实验表明：3 000 km幅宽时，一景实验影像在大地坐标系下地形无关、地形相关方案得到的有理函数模型的拟合误差分别为3 004.25，1 939.04 pixel；地心直角坐标系下的拟合误差为27.50，24.96 pixel。影像大幅宽时，主要受地球曲率影响，大地坐标系解算的RPC误差极大；在地心直角坐标系下解算的RPC具有更高的拟合精度，但二者均无法实现对严格成像模型的高精度拟合。对垂轨环扫卫星影像有理函数模型拟合精度的初步探究为卫星入轨交付后的影像处理奠定了技术基础。  
        关键词：垂轨环扫;严格成像模型;有理函数模型;反投影计算;精度评估   
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        发布时间：2023-10-12
      • 张勇,石志广,沈奇,张焱,张宇
        2023, 31(19): 2910-2920. DOI: 10.37188/OPE.20233119.2910
        摘要：针对PointPillar在自动驾驶道路场景下对点云稀疏小目标检测效果差的问题，通过引入一种多尺度特征融合策略和注意力机制，提出一种点云目标检测网络Pillar-FFNet。针对网络中的特征提取问题，设计了一种基于残差结构的主干网络；针对馈入检测头的特征图没有充分利用高层特征的语义信息和低层特征的空间信息的问题，设计了一种简单有效的多尺度特征融合策略；针对主干网络提取的特征图中信息冗余的问题，提出了一种卷积注意力机制。为验证所提算法的性能，在KITTI和DAIR-V2X-I数据集上进行实验。实验结果表明，所提出的算法在KITTI数据集上与PointPillar相比，汽车、行人和骑行者的平均精度最大提高分别为0.84%，2.13%和4.02%；在DAIR-V2X-I数据集上与PointPillar相比，汽车、行人和骑行者的平均精度最大提高分别为0.33%，2.09%和4.71%，由此证明了所提方法对点云稀疏小目标检测的有效性。  
        关键词：小目标检测;点云稀疏;PointPillar;残差结构;多尺度特征融合;卷积注意力   
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