最新刊期
      2024 年 第 32 卷 13 期

        产业综述

      • “中国仪器产业对经济社会高质量发展具有重要价值，全球仪器产业发展对经济至关重要。本文分析了中国仪器产业发展历程、现状及发展阻力，提出了突破瓶颈的思考，为产业发展提供理念、方法和措施，展望了产业未来。”
        崔远驰,张嵩,唐晗,陈付波,陈雨晴,李超,曹良才
        2024, 32(13): 1965-2003. DOI: 10.37188/OPE.20243213.1965
        摘要：分析了中国仪器产业对经济社会高质量发展的价值与意义，论述了全球仪器产业的发展情况及对经济发展的重要性。从中国仪器产业的发展历程、发展现状和可能存在的发展阻力，提出了中国仪器产业发展可能面临的实际难题。给出了关于突破目前中国仪器产业发展瓶颈的思考，介绍了中国仪器企业发展所需重点关注的理念、方法和措施，并对中国仪器产业的发展进行了展望。  
        关键词：仪器产业;国产仪器;供应链;科技成果转化;制造工艺;人力资源   
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        发布时间：2024-08-19

        现代应用光学

      • “在X射线显微镜领域，研究人员成功搭建了基于光谱共焦探针的离线检测装置，实现了Wolter型芯轴表面中低频轮廓的高精度测量，并通过校准测试过程，将误差降至23纳米，验证了检测方法的准确性。”
        薛春安,余俊,盛鹏峰,王豪杰,王占山,王东方
        2024, 32(13): 2004-2016. DOI: 10.37188/OPE.20243213.2004
        摘要：Wolter型X射线显微镜具有高分辨率和集光区域，在先进光源和高能激光器中有重要的应用价值。基于镍电镀成形的复制法是制备Wolter型X射线显微镜的有效方法之一，其中，芯轴的表面精度和质量会直接影响X射线成像的性能。高精度检测技术是芯轴制备的基础，而传统检测装置难以测量具有圆周回旋对称特征的Wolter型表面轮廓。为了解决Wolter型芯轴检测难和测量精度低的问题，搭建了基于光谱共焦探针的离线检测装置实现芯轴表面中低频轮廓的高精度测量，分析了该装置的各类系统误差和随机误差，并采用双探针与标准镜来校准测试过程，将测试中的温湿度漂移和随机误差的PV值降低至23 nm。最后，开展了该检测装置和CGH干涉检测法的检测对比实验。通过Wolter芯轴表面测试结果比较，两种测试方法的偏差PV值约为60 nm，证明了该检测装置的合理性和检测方法的准确性。  
        关键词：光学测量;Wolter-I型X射线显微镜芯轴;离线检测方法;光谱共焦探针;误差分析   
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        发布时间：2024-08-19
      • “最新研究突破：高动态范围差分吸收成像光谱仪成功研制，有效提升探测能力，为环境监测提供新工具。”
        王煜,陆亦怀,周海金,司福祺,刘国华,常振,林方,刘文清
        2024, 32(13): 2017-2028. DOI: 10.37188/OPE.20243213.2017
        摘要：星载差分吸收成像光谱仪通常运行于太阳同步轨道，探测地表反射光的光谱并根据特征气体的谱线吸收强度测量区域内某些痕量气体浓度。第一代星载差分吸收光谱仪受限于探测器性能等原因，探测的动态范围不大，造成暗背景下数据信噪比低，亮背景下像元饱和。随着更大阱深，更高速度的探测器出现，第二代高动态范围的差分吸收成像光谱仪得以实现。本文介绍了高动态范围的差分吸收光谱仪成像电路的研制过程，包括器件选型，电路方案及电路测试，并对测试结果进行了分析。重点讨论了高动态范围的实现，给出了单点测量值的概念，提出了最大单点测量值的计算公式，解释了最大单点测量值与动态范围的关系，并评估了探测器件的单点探测能力，同时规划了未来进一步提高动态范围的方法，从而为同类设备的研制提供参考。  
        关键词：差分吸收光谱仪;CCD成像电路;高动态范围;卫星载荷   
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        发布时间：2024-08-19
      • “在痕量元素高灵敏探测领域，科研人员构建了基于激光热烧蚀和流体动力学的理论模型，深入探讨了双脉冲激光诱导击穿光谱的信号增强机制，为实验研究和参数优化提供了重要理论基础。”
        赵芸怡,宋震,王俊霄,张雷,马维光,董磊,尹王保,贾锁堂
        2024, 32(13): 2029-2039. DOI: 10.37188/OPE.20243213.2029
        摘要：双脉冲激光诱导击穿光谱（DP-LIBS）在痕量元素的高灵敏探测中发挥着重要作用，有关其信号增强机制已存在有诸多解释，但有必要进一步从等离子体辐射荧光特性、等离子体温度和数密度的空间分布等方面开展深入探讨。构建了基于激光热烧蚀和二维轴对称流体动力学的理论模型，并用它模拟了单脉冲LIBS和共轴双脉冲DP-LIBS激发条件下激光烧蚀铝镁合金产生等离子体及其辐照度的时空演化过程，对比了不同脉冲间隔下谱线强度的增强效果，分析了等离子体温度、各类粒子数密度的空间分布结构以及等离子体的屏蔽效应，并由此阐释了DP-LIBS的光谱信号增强机制。结果表明，共轴DP-LIBS诱导等离子体辐射信号的增强主要源于第二束激光增加了粒子数密度和等离子体温度，而等离子体的屏蔽效应主要出现在靶材表面的羽流层。这一研究为DP-LIBS实验研究和信号增强溯源提供了重要的理论基础，也能够帮助科研人员快速准确地优化DP-LIBS实验装置参数。  
        关键词：激光诱导等离子体;辐射流体动力学模型;双脉冲激光诱导击穿光谱;激光烧蚀;信号增强机制   
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        发布时间：2024-08-19
      • “在精密测量领域，研究人员提出了一种针对非同轴式并行彩色共聚焦测量系统的误差补偿方法。通过实验验证，该方法能有效消除因被测物表面倾斜产生的数据误差，提高测量精度至微米级。”
        李姝姝,余卿,张耀祖,张伟,王寅,刘婷,郑伟峰,李丽娜
        2024, 32(13): 2040-2051. DOI: 10.37188/OPE.20243213.2040
        摘要：针对非同轴式并行彩色共聚焦测量系统在被测物表面倾斜时存在的测量误差，提出了一种误差补偿方法。该方法使用两块标准量块搭建的台阶作为被测物进行实验，首先使样品横向运动，对采集的表面高度数据进行直线拟合获得倾斜表面的线性公式，再利用获得倾斜表面直线的斜率与倾斜角度之间的关系，得到表面倾斜角度，并通过三角函数关系计算出每个数据点的误差，最终通过补偿的方式消除因表面倾斜产生的数据误差。为了保证彩色相机能够捕获到反射回的光谱信号，不断调试被测物倾斜角度，设置被测物表面倾斜角度在［-4°，4°］，在该范围内进行被测物表面在不同倾斜角度时的误差补偿实验，以倾斜角度为4°为例，补偿后的台阶高度测量平均值为101.92 μm，相对误差为3.00%，系统的测量精度可达微米级。  
        关键词：光学测量;彩色共焦测量;倾斜角度;高度测量;误差补偿   
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        发布时间：2024-08-19
      • “最新研究进展显示，激光诱导击穿光谱技术结合PLSR与PCA方法，通过不同探测延时，显著提高了烧结混合料中TFe，CaO，SiO2，MgO的定量检测准确性，为烧结工艺优化提供指导。”
        秦云鹏,隋明达,魏自浩,薛世龙,卢渊,田野,郭金家
        2024, 32(13): 2052-2060. DOI: 10.37188/OPE.20243213.2052
        摘要：烧结混合料是烧结工艺中极为重要的一环，其成分检测的准确性直接影响烧结过程，激光诱导击穿光谱技术通过激光光谱分析烧结混合料中的元素成分和含量，实时性好，但定量检测效果相比于其他实验室方法仍有差距。研发了一套遥测激光诱导击穿光谱装置，并应用于烧结混合料成分检测，采用PLSR与PCA相结合的方法对烧结混合料中TFe，CaO，SiO2，MgO进行定量检测。通过对1.28 µs和5 µs不同延时的光谱数据计算发现，不同物质在不同探测延时条件下R2有着明显差异，对于SiO2和MgO这两种浓度相对较低的物质，采用较小的1.28 µs探测延时，R2分别达到了0.937和0.985，而浓度相对较高的TFe，CaO则采用更大的5 µs探测延时效果更好，较采用1.28 µs延时，TFe定量结果的R2从0.903提高到0.987，CaO的R2也从0.816提高到0.980。针对不同物质采用不同探测延时的方法显著提高了检测准确性，简化了检测流程，对烧结工艺起到指导作用。  
        关键词：遥感测量;激光诱导击穿光谱;烧结混合料;偏最小二乘法;延时变化   
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        发布时间：2024-08-19

        微纳技术与精密机械

      • “在多束电子束曝光系统领域，研究人员设计并制作了3×3微型阵列束闸，成功实现了电子束的快速开/关控制。通过优化设计和MEMS工艺制备，验证了控制器的偏转速度和功能完整性。实验结果表明，阵列束闸控制器偏转速度达到43.5 MHz，电子束偏转距离在25~30 μm，串扰小于3%。该研究为提高多束电子束曝光精度和效率提供了重要基础。”
        张利新,孙博彤,刘星云,殷伯华,刘俊标,韩立
        2024, 32(13): 2061-2069. DOI: 10.37188/OPE.20243213.2061
        摘要：微型阵列束闸是多束电子束曝光系统的关键部件，用于控制多束电子束的开/关，实现复杂图形的快速曝光。对3×3微型阵列束闸进行了设计与制作，并进行了多束电子束偏转实验研究。对阵列束闸结构进行了优化设计，并基于MEMS加工工艺成功制备了阵列束闸。针对阵列束闸的控制要求，设计了可单独控制的阵列束闸控制器。将控制器与阵列束闸进行连接，验证了控制器的偏转速度与功能完整性。最后，在多束电子束测试平台对阵列束闸进行了偏转实验，研究串扰对电子束偏转的影响。实验结果表明：阵列束闸控制器的偏转速度达到43.5 MHz，大于设计值10 MHz；阵列束闸成功实现了单独控制电子束开和关，束闸的偏转距离在25~30 μm之间，小于计算值43.29 μm；串扰程度均小于3%。该阵列束闸已经具备多束电子束开/关控制功能，但在偏转精度，设计和加工工艺等方面还需进一步优化和完善。  
        关键词：电子束曝光;阵列束闸;多束电子束;串扰;偏转速度   
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        发布时间：2024-08-19
      • “最新研究突破：采用Zigzag柔性簧片导向的并联式XY二自由度精密定位平台，实现3 mm×3 mm大行程、60 Hz高频响、1.3 μm高分辨率的精密运动控制，为精密制造领域提供创新解决方案。”
        赵林峰,凌明祥,薛立伟,申浩,陈立国
        2024, 32(13): 2070-2080. DOI: 10.37188/OPE.20243213.2070
        摘要：通过采用Zigzag柔性簧片作为导向机构，提出了一种具有大行程、高精度、高频响、低应力的并联式XY二自由度精密定位平台，满足精密运动的需求。提出了以Zigzag柔性簧片单元为核心导向梁的柔顺精密运动平台结构，并采用音圈电机进行驱动，实现3 mm×3 mm的运动范围和60 Hz以上的固有频率。对Zigzag柔性簧片和传统直梁柔性簧片进行有限元仿真分析对比，验证Zigzag柔性簧片运动性能的优越性。接着，对XY两自由度运动进行解耦设计，减小运动带来的寄生（耦合）误差。运用有限元分析对平台进行优化，针对高频运动引发的疲劳损伤问题，改进定位平台的构型，降低最大应力，延长平台工作寿命。分析结果表明：该平台满足运动和解耦性能的设计要求，其寄生误差为0.012%，能够实现大行程以及较高频率的运动，并且响应快速，动态特性良好。实验结果表明，定位平台的固有频率达到60 Hz，开环分辨率达1.3 μm，可实现XY方向±1.5 mm行程的运动。  
        关键词：精密定位平台;音圈电机;柔顺机构;低应力   
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        发布时间：2024-08-19
      • “在精密加工领域，专家建立了考虑磨粒三维微切削的材料去除均匀性模型，为改善钽酸锂晶片双面研磨材料的去除均匀性提供了指导。”
        薛赛赛,郭晓光,贾玙璠,高尚,康仁科
        2024, 32(13): 2081-2090. DOI: 10.37188/OPE.20243213.2081
        摘要：为了改善钽酸锂（LiTaO3，LT）晶片的材料去除均匀性，提出一种考虑磨粒三维微切削的材料去除均匀性模型。根据钽酸锂晶体脆/塑性去除机理，结合研磨垫表面磨粒的分布特征，运用力平衡方程计算了研磨垫上各磨粒的切入深度与切屑截面积。通过运动学分析推导了双面研磨中磨粒运动轨迹方程，建立了考虑磨粒三维微切削的材料去除均匀性模型，并研究了齿圈与太阳轮转速比m、下研磨盘与太阳轮转速比n对材料去除均匀性的影响。最后，开展了钽酸锂晶片固结磨料双面研磨实验，测量了不同转速比m，n下晶片的总厚度变化，验证了模型。实验结果表明：材料去除均匀性受转速比m，n的影响较大，当转速比m，n分别为0.85，1.3时材料去除均匀性最佳，此时晶片的总厚度变化为0.83 μm，实验结果与仿真一致。所建模型对改善钽酸锂晶片双面研磨材料的去除均匀性有一定的指导意义。  
        关键词：固结磨料研磨;钽酸锂晶片;磨粒运动轨迹;材料去除均匀性   
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      • “电化学增材制造技术在微纳金属结构制造领域取得新突破，通过添加剂调控电化学微流束3D打印技术，成功制造出高精度微铜结构，具有重要工程应用前景。”
        刘勇,徐生洋,陈李晓雪,李婉璐,董鹏飞
        2024, 32(13): 2091-2102. DOI: 10.37188/OPE.20243213.2091
        摘要：电化学增材制造技术由于成型精度高、孔隙率低、无热应力等优点，在微纳金属结构的制造中受到广泛关注。为提高电化学沉积技术的三维成型能力，提出了一种添加剂调控电化学微流束3D打印微铜结构的方法，并对该工艺参数进行了优化。详细分析了添加剂组分对铜结晶的微观调控作用，通过理论推导得出阴极表面沉积速率，并通过数值模拟探究沉积过程中的能量传递和物质运输。通过Taguchi实验初步筛选出工艺参数范围，并说明其交互作用。在Taguchi实验结果的基础上，通过响应曲面实验进一步缩小工艺参数，并说明各参数之间的影响。最后，以Taguchi和响应曲面实验得出的优化参数，进行不同尺寸微铜柱以及螺旋结构的3D打印，其不同尺寸铜柱的平均表面粗糙度Sa为0.065 μm，螺旋工件的表面粗糙度Sa在0.106~0.159 μm。实验结果表明：添加剂调控电化学微液束3D打印技术具有精确制造金属3D复杂结构和部件的能力，具备良好的工程应用潜力。  
        关键词：电化学沉积;微流束;3D打印;添加剂;金属增材制造   
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        发布时间：2024-08-19

        信息科学

      • “在航天领域，研究人员提出了一种基于动态阈值的距离搜索算法，用于改进初轨确定的成功率和精度。该算法通过动态调整搜索阈值，实现了更精准高效的初轨确定，满足了空间目标初轨确定的需求。利用LEO、MEO和GEO目标的实测数据进行测试，结果表明算法具有高成功率和定轨精度，为监测数据质量提供了有效解决方案。”
        雷祥旭,劳振迪,王东亚,王鲲鹏,陈俊宇,赵有,李亚亚
        2024, 32(13): 2103-2111. DOI: 10.37188/OPE.20243213.2103
        摘要：提出一种改进的初轨确定算法，基于动态阈值的距离搜索方法，以改进传统算法在处理数据时初轨成功率和初轨误差。通过动态调整搜索阈值，旨在实现更精准和高效的初轨确定，以满足当前对空间目标初轨确定的需求；利用LEO，MEO和GEO目标的实测角度数据开展算法测试。介绍了基于动态阈值的距离搜索算法的实现过程，基于数据处理的经验，用动态阈值实现初轨参数质量控制环节的轨道筛选。给出了详细的算法实现流程。利用TLE（Two Line Elements）评估了初轨确定参数误差。基于“烛龙”观测网的中低轨目标和中国科学院长春人造卫星观测站的高轨目标的实测角度数据，开展算法测试。结果表明：LEO，MEO和GEO目标短弧初轨确定成功率分别约为94%，75%和89%，半长轴误差均值分别约为9，12和50 km。该算法适用性强、成功率高、定轨精度高，证明了监测数据的质量。  
        关键词：空间碎片;商业太空;甚短弧角度数据;初轨确定;光学望远镜   
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      • “在水下图像增强领域，研究者提出了一种基于深度学习的新型网络结构，通过结合纹理感知网络和颜色直方图特征提取网络，有效提升了图像质量，缩短了处理时间，为水下视觉增强任务提供了高效解决方案。”
        袁国铭,刘海军,李晓丽,张瑞蕾,单维锋
        2024, 32(13): 2112-2127. DOI: 10.37188/OPE.20243213.2112
        摘要：基于深度学习的水下图像增强方法在视觉效果上表现出色，但已有的端到端网络较少针对水下场景中常见的颜色失真和纹理模糊来精心构建网络结构。为了提高网络的性能，提出了纹理感知联合颜色直方图特征的水下图像增强网络，它包含纹理感知网络，颜色直方图特征提取网络以及颜色纹理融合的水下图像增强网络。纹理感知网络的构建引入变形Transformer模块，该模块利用空间感知的变形卷积设计Transformer模块的多头注意力机制，有效地将变形卷积的几何感知能力与Transformer模块的全局语义捕获能力相结合来提取纹理特征。颜色直方图特征提取网络认为直方图中包含丰富的颜色信息，利用真实水下图像的直方图来监督该网络提取颜色特征。最后，利用所提的颜色纹理融合模块将前两个网络提取的纹理和颜色特征融合，并注入到后续的颜色纹理融合的水下图像增强网络中，以实施水下图像增强，该操作不但有效地保留了纹理结构，校正了失真的颜色，还使得纹理和颜色信息保存一致。实验结果表明，本文算法较已有的水下图像增强算法，具有更好的视觉增强效果，水下图像质量测量指标（Underwater Image Quality Metric，UIQM）提高10%，单张图像的运行时间缩短了9%，仅为0.051 s，满足工程实践中水下视觉增强任务要求。  
        关键词：图像增强;多头注意力机制;纹理感知;卷积神经网络;深度学习   
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      • “在高速星地保密通信领域，专家利用无线光信道特性，建立了空间分集密钥生成系统，为通信安全提供高效保障。通过研究大气湍流对光信号传输特性的影响，分析了相关性因素，为建立密钥提取系统提供参考。”
        李辉,娄岩,赵义武,陈纯毅,侯艺浩,赵圣亚,秦心怡
        2024, 32(13): 2128-2140. DOI: 10.37188/OPE.20243213.2128
        摘要：利用无线光信道本身的特性实现光密钥生成和分发，可为高速星地保密通信提供安全和高效的保障。开展了无线光信道空间分集密钥生成系统相邻子信道相关性的研究。通过实现功率谱反演产生的Kolmogorov大气湍流相位屏，构建了无线光信道（WOC）信道中的多输入多输出（MIMO）模型，采用蒙特卡罗模拟了高斯光束经大气湍流传输特性，比较了不同湍流强度和光束传输距离对光强分布的影响，分析了大气湍流强度、相邻两接收孔径之间的距离、接收孔径、传输距离、光波波长对相邻子信道相关性的影响。结果表明，相邻两接收孔径接收到的光信号功率的相关性随相邻两接收孔径的直径和波长的增大而增加，随相邻两接收孔径之间的距离、光波的传输距离、湍流强度的增加而减小。在大气折射率结构常数Cn2为5×10-14m-2/3、接收口径为0.03 m、传输距离为2 000 m的近地水平链路条件下，相邻信道之间的距离在0.07 m时接收到的光信号功率的相关性近似为零，此时两个相邻信道彼此独立。该结果可为建立空间分集大气光信道密钥提取系统提供参考。  
        关键词：无线光通信;多输入多输出;信道相关性;密钥生成;湍流相位屏   
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