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最新刊期

2023 年第 4 期

现代应用光学

基于MODIS数据的青藏高原地表反射率重建方法研究
陈善静,张文娟,张兵,康青,徐旭
2023, 31(4): 429-441. DOI: 10.37188/OPE.20233104.0429

摘要：青藏高原地表反射率在自然资源监测、生态环境保护和地球科学研究等方面有着重要应用。MOD09A1反射率数据由于云等因素的影响产生了大量异常像元，使得数据存在信息损失不完整的问题。考虑到邻近时序遥感影像具有高相关性，同类地物光谱具备高相似性，本文针对青藏高原地区提出了一种基于残缺多时相数据与地表覆盖分类信息的地表反射率深度学习重建方法。首先，以多时相MOD09A1反射率数据和MCD12Q1地表覆盖分类数据为基础，通过异常像元去除、有效图层提取、投影转换与拼接，得到目标区域基础反射率图像及辅助数据；其次，根据残差网络基本原理，构建了基于多时相数据与地表覆盖分类信息融合的深度学习网络模型；然后，利用MOD09A1数据完整区域裁剪的云掩膜样本、基于地表覆盖分类和K-means聚类算法生成的增广样本对模型进行训练；最后，将训练好的模型用于缺失数据区域地表反射率重建。通过两组对比试验表明，本文方法降低了对多时相辅助影像数据量和完整性的要求，在多时相数据残缺情况下，结合地表覆盖分类信息可实现对青藏高原大范围地表反射率的修复与重建。
关键词：地表反射率;青藏高原;深度学习;MODIS数据;缺失数据重建

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发布时间：2023-02-28
面向CMB偏振实验的220 GHz钛超导TES探测器技术研究
罗强辉,缪巍,李费明,钟家强,王争,丁江乔,周康敏,张文,任远,史生才
2023, 31(4): 442-449. DOI: 10.37188/OPE.20233104.0442

摘要：高灵敏度超导相变边缘探测器（Transition Edge Sensor，TES）在宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，CMB）辐射B模偏振探测方面具有重要的应用前景。本文设计并制备了220 GHz频段8×8像元的天线耦合钛超导TES探测器，实验表征了刻蚀前钛超导TES探测器的低温热导和噪声特性。实验结果显示，钛超导TES探测器低温电声相互作用主导热导约为485.4 pW/K，同时钛超导TES探测器噪声等效功率优于5×10^-¹⁷ W/Hz^0.5。原理上，钛超导TES探测器热导在刻蚀后会进一步减小，理论计算出刻蚀后钛超导TES探测器的热导约为38 pW/K，同时，其热起伏等效噪声功率理论值约为9.2×10^-¹⁸ W/Hz^0.5，因此，钛超导TES探测器在刻蚀后的噪声等效功率性能会进一步提升。
关键词：高灵敏度;超导相变边缘探测器;热导;噪声等效功率

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发布时间：2023-02-28
融合北斗/GNSS定位和5G通讯的地基激光雷达测量系统
郭明,齐慧慧,郭可才,周玉泉,李登科
2023, 31(4): 450-458. DOI: 10.37188/OPE.20233104.0450

摘要：针对海量激光点云异地实时扫描处理困难和现场绝对坐标系的配准问题，结合北斗/GNSS定位系统和5G通讯技术研制一套低成本地基激光雷达测量系统。该测量系统由激光雷达、高精度电机、北斗/GNSS接收模块和5G模组集成，激光雷达采集点云信息，高精度电机获取角度信息，北斗/GNSS接收模块接收时间并通过自主研发的时间同步模块，与高精度电机与激光雷达进行时间标记，获取带有时间标签的点云和角度文件，并通过5G通讯技术实时传输。终端通过自主研发的数据预处理软件，通过线性插值算法进行多帧点云时空配准，室外根据北斗/GNSS坐标进行多站激光点云粗配准，室内无北斗/GNSS环境下通过单站特征点进行多站点云粗配准，再利用临近迭代算法进行精配准以完成整体配准，并在自主研发的实时点云管理与可视化系统上进行可视化。实验表明该测量系统使用5G通讯技术传输速率50 Mbit/s，可以实现异地实时扫描传输，配准后的点云误差在3 mm以下，可为数字孪生、物质文化遗产监测、特大异形建筑施工运维分析等实时应用领域提供数字基础设施。
关键词：北斗;5G;地基激光雷达;点云配准;可视化

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发布时间：2023-02-28
履带式运动柔性衍射光学器件抑制激光散斑及其耐久性实验
段祥瑞,费澳鑫,卢智易,彭宇浪,乐孜纯
2023, 31(4): 459-469. DOI: 10.37188/OPE.20233104.0459

摘要：为了有效抑制激光散斑，真正实现激光显示和成像系统的大色域、高亮度和超优画质，提出了基于履带式运动柔性衍射光学器件（Diffractive Optical Elements， DOE）的散斑抑制方法，对柔性衍射光学器件的设计、制造、耐久性和散斑抑制效果进行了研究。首先设计了柔性衍射光学器件的光学结构，并描述了履带式运动柔性衍射光学器件形成动态二维衍射编码的机理；接下来介绍了柔性衍射光学器件的模板制备、热压成型、连接成环的工艺方法；之后搭建激光投影显示系统对所研制的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride， PVC）和聚丙烯（Polypropylene， PP）两种材料的柔性衍射光学器件的散斑对比度和耐久性进行实验研究。实验结果表明，提出的基于履带式运动柔性衍射光学器件的激光散斑抑制方法，可将红绿蓝三色激光的散斑对比度降低到5%以下，同时系统具有小型化、低功耗的优点。在长达三十天的耐久性实验中，聚氯乙烯和聚丙烯两种材料的柔性衍射光学器件都没有明显形变和散斑抑制效果的衰减，且PP材料柔性DOE比PVC材料柔性DOE散斑抑制效果更明显、耐久性也更好。满足大色域、高亮度、超优画质的要求，并具有小型化、低功耗、高可靠的优点。
关键词：激光散斑抑制;衍射光学器件;耐久性;散斑对比度;聚丙烯

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发布时间：2023-02-28

微纳技术与精密机械

柔性仿生手指关节的触觉力/角度感知
卢思彤,李柏晨,阎吉雅,李强
2023, 31(4): 470-478. DOI: 10.37188/OPE.20233104.0470

摘要：柔性仿生机器人的感知功能实现需要传感器可集成且具备一定的柔性，否则由于顺应性不足很难得到良好应用效果。在本文中，作者将柔性仿生手指作为应用载体，探索一种基于液态导电金属的柔性触觉力/应变感知纤维，可完全贴合载体，同时实现手指指尖触觉力和关节角度两个物理量测量。具体来说，本文将液态导电金属注入到一定长度的预制硅胶软管替代常规的微流腔道制作，进而形成管状且可任意变形和布局的柔性传感纤维，实现检测不同的变形物理量（本文中利用其力和应变感知性能），该方法在保证器件柔性和功能性的前提下也极大地降低微流腔道工艺的复杂性与繁琐性。最后，测量实验结果表明，基于液态导电金属的柔性传感纤维可嵌入并完全贴合柔性手指结构，并实现对手指的指尖触觉力感知（约1 600 kPa）和关节角度变化（约60°）同时感知及某一特定力/角度下的准确跟踪，展示了其作为柔性感知单元，可应用在更多类型的柔性或软体类应用载体的巨大潜力。
关键词：触觉力感知;关节角度感知;柔性仿生手指;液态导电金属

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发布时间：2023-02-28
基于高斯过程的参数辨识及永磁同步电机模型电流预测控制策略
魏宗恩,邓永停,乔延婷,费强,李洪文
2023, 31(4): 479-490. DOI: 10.37188/OPE.20233104.0479

摘要：为了提高永磁同步电机控制系统电流环控制器的性能，降低模型参数失配对控制系统的影响，提出了基于高斯过程参数辨识的永磁同步电机有限集模型预测电流控制策略（FCS-GPMPC）。首先，介绍了永磁同步电机电流预测模型并分析了模型参数失配对系统性能的影响；其次，为简化一般机器学习参数辨识算法中超参数复杂的调试过程，提出了一种基于高斯过程的模型参数的辨识方法；同时，引入预测值的置信区间作为参数预测效果的实时评估参考；最后，将高斯过程参数辨识与基于模型的有限集模型预测电流控制（FCS-MPC）相结合，在得到准确辨识的参数后对系统电流预测模型更新以提高系统鲁棒性和电流环跟踪性能。实验结果显示：在本文训练数据的统计特征下，测试数据均方根误差RMSE为0.002 1， $R^{2}$ 达到0.99。在参数波动条件下，与FCS-MPC相比，FCS-GPMPC策略下电流波动度降低了30.5%，电流平均偏移度降低了19.6%，另外对参考电流的阶跃变化，FCS-GPMPC有更好的动态响应。实验结果表明，基于高斯过程的模型预测控制方法可有效抑制模型失配对控制系统的影响，能够提高永磁同步电机控制系统电流控制器性能。
关键词：永磁同步电机;模型预测控制;机器学习;高斯过程;模型失配

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发布时间：2023-02-28
数控机床在机测量系统最佳测量区确定方法
张双双,杨洪涛,马群,李莉
2023, 31(4): 491-502. DOI: 10.37188/OPE.20233104.0491

摘要：为研究面向不同测量对象且具有普适性的数控机床在机测量系统最佳测量区确定方法，选择球作为测量对象，分析了在机测量系统的工作原理及误差来源，利用BAS-BP神经网络建立了单项几何误差白化模型，同时建立了测量系统综合误差模型和球测量误差模型。研究了用于确定最佳测量区搜索寻优的差分优化布谷鸟（DE-CS）算法，进行了不同算法搜索性能对比，确定了算法最优性能参数。搭建了确定球最佳测量区的实验装置，进行了相应实验，对比了利用算法确定和实际测量得到的最佳测量位置的一致性。实验结果表明，利用上述方法搜索计算确定的面向球最佳测量区位置与实验测量确定的最佳测量区位置一致，最佳测量区为： $430.783 m m \leq X \leq 439.783 m m, - 145.133 m m \leq Y \leq - 136.133 m m$ 和 $- 268 m m \leq Z \leq - 258 m m$ ，实测最大误差最小值为3.1 μm，算法求解的误差也为整个测量空间的最小值0.710 7 μm，且可用于面向点、面等其他测量对象的最佳测量区确定，具有普适性，可用于确定在机测量系统的最佳测量区。
关键词：在机测量系统;误差建模;DE-CS算法;最佳测量区;普适性

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发布时间：2023-02-28

信息科学

点云模型的匹配点对优化配准
余永维,王康,杜柳青,瞿兵
2023, 31(4): 503-516. DOI: 10.37188/OPE.20233104.0503

摘要：针对传统迭代最近点（ICP）算法在点云存在重叠或部分重叠时，配准误差大且适应性差的问题，提出一种基于匹配点对加权优化的改进配准算法。首先，提出一种改进体素降采样算法对点云进行采样，减少数据量的同时提高算法对噪声的鲁棒性；然后，采用改进Sigmoid函数赋予参与配准的匹配点对不同的权重，克服传统算法忽视距离较小的匹配点对中仍具有错误点对的缺点，同时提高了配准精度和收敛速度；最后，提出一种采用奇异值分解法（SVD）求解配准参数的方法，进一步提高配准精度。设计了不同重叠度的配准实验和噪声实验，并结合曲轴三维点云重建对本文算法进行验证。实验结果表明：本文算法误差较Tr-ICP算法减少了约34.1%，较AA-ICP算法减少了约29%，配准时间较Tr-ICP算法缩短了约16.1%。最终表明本文算法具有更高配准精度的同时，具有更好的适用性和鲁棒性。
关键词：点云配准;迭代最近点算法;Tr-ICP;匹配点对优化

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发布时间：2023-02-28
面向航天光学遥感场景压缩感知测量值的舰船检测
肖术明,张叶,常旭岭,孙建波
2023, 31(4): 517-532. DOI: 10.37188/OPE.20233104.0517

摘要：基于压缩感知的航天光学遥感成像系统可以在采样阶段通过硬件同时完成采样和压缩。在面临舰船检测任务时，系统需要重建原始场景，CS的场景重建过程计算量大、内存要求高且耗时。本文提出了直接对成像系统测量值进行舰船检测的算法——基于压缩感知和改进YOLO的测量值舰船检测算法。为了模拟成像系统的分块压缩采样过程，利用步长和卷积核尺寸相等的卷积测量层对场景进行卷积运算，将高维图像信号投影到低维空间得到全图CS测量值。得到场景的测量值后，测量值舰船检测网络从测量值中提取舰船的位置信息。在主干网络中导入SENet模块，利用改进后的主干网络来提取测量值的舰船特征信息；利用特征金字塔网络强化特征提取的同时融合浅层、中层和高层的特征信息，进而完成舰船的位置信息预测。其中，CS-IM-YOLO将卷积测量层和CS测量值舰船检测网络连接起来端对端训练，大大简化了算法的预处理过程。通过数据集HRSC2016评测算法性能，实验结果表明：CS-IM-YOLO对于SORS场景CS测量值舰船检测的检测精度为91.60%，召回率为87.59%，F1值为0.90，和AP值为94.13%。这充分表明该算法可以对SORS场景的CS测量值进行高质量的舰船检测。
关键词：压缩感知测量值的舰船检测;压缩感知;深度学习;联合训练优化

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发布时间：2023-02-28
多维点云结构相似性定量化评价
杨紫骞,王艳秋,郑福,孙志斌
2023, 31(4): 533-542. DOI: 10.37188/OPE.20233104.0533

摘要：点云配准技术作为点云数据处理中的核心技术，会因为点云质量而影响配准效果，质量好的点云可以提高配准精度、空间模型完整度、即时定位与地图构建系统的性能等，因此评价点云数据质量具有很高的客观价值；而通过传感器获得的点云数据存在系统误差和非系统误差等噪声，因此点云数据处理变得很重要，对点云数据处理效果的评价还没有一个较为客观的方法，本文提出了多维点云结构相似性定量化评价方法。通过将滤波前、后的点云数据和标准点云数据进行对比，分别比较三维坐标轴上所有点坐标的均值、标准差和协方差，再对3个坐标轴上的结构相似性值进行权重分配最终获得三维结构相似关联度，进而对点云滤波、点云稀疏后的点云数据质量进行评价。该方法还对提高配准精度进行了实验验证。经过实验表明，该方法能够评价三维点云的质量，且能够评价不同噪声类型以及处理方法下获得的点云质量，为点云配准提供了参考。该方法不仅对点云预处理和点云质量进行了高效、客观地评价，还提供了一种提高点云配准精度和效率的方法。
关键词：点云数据;结构相似性;定量化评价;点云滤波

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发布时间：2023-02-28
基于ZYNQ的 Yolo v3-SPP实时目标检测系统
张丽丽,陈真,刘雨轩,屈乐乐
2023, 31(4): 543-551. DOI: 10.37188/OPE.20233104.0543

摘要：基于卷积神经网络的目标检测算法发展迅速，随着计算复杂度增加，对设备的性能及功耗要求越来越高。为了使目标检测算法能够部署在嵌入式设备上，本文采用软硬件协同设计方法，使用FPGA对算法进行硬件加速，提出了ZYNQ平台下的Yolo v3-SPP目标检测系统。本文将该系统部署在XCZU15EG芯片上，并对系统所需的功耗、硬件资源及性能进行了分析。首先对要部署的网络模型进行优化，并在Pascal VOC 2007数据集上进行训练，最后使用Vitis AI工具对训练后的模型进行量化、编译，使其适用于ZYNQ端的部署。为了选取最佳的配置方案，探究了各配置对硬件资源及系统性能的影响，从系统功耗（W）、检测速度（FPS）、各类别平均精度的平均值（mAP）、输出误差等方面对系统进行了分析。结果表明：在300 M时钟频率下，输入图片大小为（416，416）时，针对Yolo V3-SPP和Yolo V3-Tiny网络结构，检测速度分别为38.44 FPS和177FPS，mAP分别为80.35%和68.55%，片上芯片功耗为21.583 W，整板功耗23.02 W。满足嵌入式设备部署神经网络模型的低功耗、实时性、高检测精度等要求。
关键词：目标检测;硬件加速;Zynq;Yolo v3-SPP;Yolo v3-Tiny

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发布时间：2023-02-28
结合残差收缩和时空上下文的行为检测网络
黄忠,陶孟元,胡敏,刘娟,占生宝
2023, 31(4): 552-564. DOI: 10.37188/OPE.20233104.0552

摘要：针对R-C3D行为检测网络特征提取冗余度高及边界定位不准确的问题，结合残差收缩结构和时空上下文，提出一种改进的行为检测网络（RS-STCBD）。首先，将收缩结构和软阈值化操作融入到3D-ResNet的残差模块中，设计通道自适应阈值的残差收缩单元（3D-RSST），并级联多个3D-RSST单元构建特征提取网络以消除行为特征中的噪声、背景等冗余信息；然后，在时序候选子网中嵌入多层卷积替代一次卷积，以增加时序侯选片段的时序维度感受野；最后，在行为分类子网引入非局部注意力机制，通过捕获优质行为时序片段间的远程依赖以获取动作时空上下文信息。在THUMOS14和ActivityNet1.2数据集上的实验结果表明：改进网络的mAP@0.5分别达到36.9%和41.6%，比R-C3D方法提升了8.0%和14.8%。基于改进网络的行为检测方法提高了动作边界定位精度和行为分类准确率，有利于改善自然场景下的人机交互质量。
关键词：行为检测网络;残差收缩结构;时空上下文;多层卷积;非局部注意力机制

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发布时间：2023-02-28

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