最新刊期
      2024 年 第 32 卷 第 19 期

        现代应用光学

      • “在深腔狭小空间手术领域，专家提出了入路姿态光纤导航的经鼻柔性手术机器人，实现了手术机器人术中形位高精度自感知，验证了其有效性和可行性。”
        李天梁,朱永文,李佳隽,王峻,孟伟,谭跃刚
        2024, 32(19): 2861-2876. DOI: 10.37188/OPE.20243219.2861
        摘要：针对深腔狭小空间下传统经鼻手术操作灵巧性不足、术中入路导航信息匮乏等问题，提出了入路姿态光纤导航的经鼻柔性手术机器人。采用柔性球铰串联和销钉-滑槽配置，设计出兼具灵巧和抗扭扰动的柔性机械臂构型，结合几何分析和D-H参数法建立了手术机器人正、逆运动学模型；通过在各柔性机械臂内间隔90°嵌入两路分布式光纤导航传感器，联合双目视觉和极限学习机提出的数据驱动的入路姿态光纤原位标定法，避免了传统离线标定导致的测量误差及基于微分几何理论获取其姿态方法中误差累积的问题，实现了手术机器人术中形位高精度自感知。实验结果表明：柔性机械臂的极限弯曲角度可达105°，弯曲角80°范围内容许负载为0.9 N；通过光纤导航，在自由和障碍物环境中，柔性机械臂末端最大位置预测误差分别为0.920 mm，1.635 mm，验证了本文提出的入路姿态光纤导航的经鼻柔性手术机器人有效性和可行性。  
        关键词：光纤导航;柔性手术机器人;极限学习机;位置跟踪   
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        发布时间：2024-11-20
      • “在空间高功率激光领域，专家建立了相变热控系统，为快速散热提供解决方案。”
        上官爱红,张昊苏,曹钰,谢友金,张海洋,姜泳帆,王熹,苏盛明
        2024, 32(19): 2877-2888. DOI: 10.37188/OPE.20243219.2877
        摘要：为了实现空间高功率激光二极管泵浦源阵列的快速散热，建立了空间高功率激光二极管泵浦源阵列相变热控系统，对热控系统的热界面材料（TIM）、紫铜热沉、相变材料、相变增强材料、主动加热回路和太空辐射板进行了研究与设计。首先，介绍了激光二极管泵浦源阵列的热特性与热控指标，从而提出热控设计思路，详细设计了热控系统，并在有无泡沫铜填空的条件下制定了两种热控方案。然后，用NX软件分析了两种不同的方案。分析结果显示：不填充泡沫铜方案的整个相变过程在800 s完成，LD上的温度最高达到59.98 ℃，相变材料上表面温度最高达到47.12 ℃；填充泡沫铜方案在200 s内完成相变过程，LD最高温度为38.35 ℃，并且LD在360 s后和相变温度点温度一致。填充泡沫铜方案可以满足10~40 ℃的温度指标要求。最后，根据填充泡沫铜方案设计加工了激光二极管泵浦源阵列热控系统，通过实验验证，该系统可以满足空间高功率激光二极管泵浦源阵列快速散热要求。  
        关键词：空间高功率激光器;激光二极管;泵浦源阵列;相变热控系统   
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        发布时间：2024-11-20
      • “在高频高功率器件领域，通过飞秒激光退火优化SiC界面电学性能，实现了肖特基势垒和载流子浓度的显著变化。”
        任瑜启,岳云帆,李盛,柴年垚,陈襄玉,曾终乐,赵峰毅,王欢,王学文
        2024, 32(19): 2889-2898. DOI: 10.37188/OPE.20243219.2889
        摘要：改善SiC与金属界面间的电接触性质有助于推动SiC材料在高频高功率器件领域的发展。采用波长为1 030 nm近红外飞秒激光退火处理4H-SiC表面，研究了不同激光参数对退火效果的影响。通过扫描电镜、X射线光电子能谱仪、共聚焦拉曼光谱仪等分析表征手段，探究了飞秒激光退火样品的表面形貌、元素分布及成键结构的变化。研究发现，接触界面电学性能的变化来自于激光退火产生的无序石墨结构以及具有O空位缺陷的SiOx/Si结构，这种结构不仅降低了界面肖特基势垒高度，提升了界面电导率，而且改变了4H-SiC表面的费米能级，从而大幅提升了界面电学性能。通过飞秒激光退火，实现了SiC界面肖特基势垒从1.43 eV到0.69 eV的变化，载流子浓度从5.40×1013 cm-3变化为1.77×1018 cm-3。本研究开发了一种利用超快激光退火优化SiC界面电学性能的有效方法。  
        关键词：飞秒激光;碳化硅;接触界面;肖特基势垒   
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        发布时间：2024-11-20

        微纳技术与精密机械

      • “在协作机器人领域，专家提出了一种集成于谐波减速器内部的扭矩传感器，通过有限元分析和响应面模型优化敏感栅结构，实现了高精度的负载扭矩感应，为机器人关节力控制和系统集成度提升提供了有效方案。”
        王晓东,杜志杰,沈文强,高海龙,刘玉杰,娄志峰
        2024, 32(19): 2899-2910. DOI: 10.37188/OPE.20243219.2899
        摘要：为实现协作机器人关节力控和提高集成度，提出一种集成于谐波减速器内部的扭矩传感器，以精确获取关节输出扭矩值，推动智能化控制的实现。采用有限元计算方法分析了谐波减速器柔轮底面应变与加载扭矩之间的规律；然后根据有限元分析的结果，考虑柔轮底面敏感栅在不同栅丝长度、栅丝间距和栅丝位置情况下，建立底面应变与扭矩变化皮尔逊相关系数的响应面模型， 求解模型获得最优的敏感栅结构参数，确保该结构下集成式传感器具有最佳线性响应，结合惠斯通电桥原理设计扭矩传感器结构；最后，对集成式扭矩传感器进行标定和测试。结果表明：集成式扭矩传感器的灵敏度为0.249 mV/N·m，线性度为0.999 74，迟滞误差为2.19%。施加0~70 N·m之间阶梯变化的负载扭矩并进行重复实验，集成式扭矩传感器相对于标准扭矩传感器均方根误差为0.89~0.98 N·m。施加在±70 N·m之间正弦变化的负载扭矩，均方根误差为0.96~1.05 N·m。该集成式扭矩传感器能够较为精准地感应负载扭矩，有助于实现协作机器人关节力控制，提升机器人系统的集成度。  
        关键词：扭矩传感器;谐波减速器;有限元分析;敏感栅;响应面法   
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        发布时间：2024-11-20
      • “在Mini/Micro LED巨量转移技术领域，专家提出了“永磁+电磁”磁场耦合的新型流磁巨量转移用定位磁针，优化设计后提升了自组装巨量转移技术的效率。”
        刘强,焦飞腾,孙海威,牛萍娟,王子羲
        2024, 32(19): 2911-2920. DOI: 10.37188/OPE.20243219.2911
        摘要：针对现有Mini/Micro LED巨量转移技术转移效率及自组装转移良率普遍较低，提出一种“永磁+电磁”磁场耦合的新型流磁巨量转移用定位磁针。为实现磁针上表面对芯片的精准抓取，设计了电磁偏置线圈，精准控制磁针上表面的磁力，利用磁路分析法建立磁针结构与磁针针尖的数学模型，获取影响磁针上表面气隙磁密的结构参数，借助有限元法对结构参数进行优化设计。优化后磁针上表面的Bmax由最初的57 mT提高至68 mT，相较初始方案增加了19.2%；峰谷变化率δ由50.8%提升至70.5%，两大指标参数均优于原方案。基于优化结果研制了一套永磁偏置定位磁针装置，并进行气隙磁密测试与芯片转移效果测试。结果表明，优化后的磁针上表面的磁密值Bmax为60 mT，峰谷变化率δ为66.6%，可在1 min内实现上千颗芯片的吸引固定，满足巨量转移精准抓取芯片的要求，可配合流体实现芯片的巨量转移过程，提升了自组装巨量转移技术的效率。  
        关键词：Mini/Micro LED;巨量转移;永磁偏置;定位磁针;优化设计   
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        发布时间：2024-11-20
      • “在永磁同步电机驱动系统领域，专家提出了一种改进的滑模控制策略，有效提升了系统稳定性和动态响应性能。”
        唐腾宇,邓永停,刘京,康寓新,徐一凡,伏佳,张智敏
        2024, 32(19): 2921-2932. DOI: 10.37188/OPE.20243219.2921
        摘要：为了提高永磁同步电机驱动系统的速度控制性能，提出一种基于改进指数趋近律和自适应龙伯格观测器的滑模控制策略。针对传统指数趋近律收敛速度慢的问题，提出一种基于非线性自适应函数的指数趋近律，基于该趋近律的滑模控制策略使系统具有更快的收敛速度和更小的抖振，引入的自适应函数解决了趋近律的指数项导数不连续的问题。针对传统的龙伯格观测器性能差的问题，提出一种自适应龙伯格观测器对系统的总扰动进行估计并补偿，该观测器具有更快的响应速度且不影响系统的稳态性能，进一步提升了系统的抗干扰能力和速度跟踪性能。仿真和实验结果表明，在跟踪500 r/min和750 r/min的阶跃速度指令时，系统的调节时间分别为0.44 s和0.71 s；突加5 N⋅m，10 N⋅m和20 N⋅m负载时，系统的调节时间分别为1.16，1.79和1.99 s。本文提出的滑模控制策略能够有效提高系统的稳定性和动态响应性能。  
        关键词：永磁同步电机;滑模控制;趋近律;龙伯格观测器   
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        发布时间：2024-11-20

        信息科学

      • “晶圆飞拍成像系统曝光控制新方法，提升成像质量，缩短参数调整时间。”
        王若宇,严富洋,刘暾东
        2024, 32(19): 2933-2944. DOI: 10.37188/OPE.20243219.2933
        摘要：晶圆飞拍成像系统的曝光控制对成像质量具有显著影响，传统基于空间域评价的曝光控制算法计算复杂且忽视了晶粒特征的差异，易导致曝光不均匀。为此，提出一种图像分区频率域评价的曝光控制方法。该方法采用分块的双阈值分割算法，对晶粒图像的特征区域进行自适应分割；结合高通滤波器和高斯金字塔算法，在频率域内快速提取图像高频信息，并设计一种区域加权评价函数对曝光效果进行综合评价。为实现在最大曝光时间内对最优曝光参数的快速搜索，提出了基于决策树的变步长搜索算法。对比实验结果表明：该搜索算法在保证准确率的前提下，使最佳图像的平均质量指标提高了1.34%，曝光参数调整时间减少了61.3%，保证了晶圆飞拍成像过程中的成像质量。  
        关键词：曝光控制;频率域分析;图像评价函数;变步长搜索;决策树   
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        发布时间：2024-11-20
      • “在雷视监控设备测速领域，专家提出了一种影像优先与二维三维视图一体的多目标连续追踪测速方法，有效解决了视角导致的不同分辨率点云目标检测混淆问题，为提高测速准确性和实用性提供了解决方案。”
        周奎宇,黄玉春,杨鹤,李娜
        2024, 32(19): 2945-2956. DOI: 10.37188/OPE.20243219.2945
        摘要：为克服激光、相机在雷视监控设备测速任务中的采集频率、分辨率、视角等差异，提出一种影像优先与二维三维视图一体的多目标连续追踪测速方法。首先，均匀选取场景几何特征同名点对，采用直接线性变换法计算外参参数，在线完成相机与激光雷达间标定；然后，提出视觉引导的视锥体空间下二维三维一体目标定位方法，以高分辨率地面点计算区域界限初步去除背景点，将视锥三维视图转换为二维俯视图自适应计算目标聚类参数，以二维最密体素指引恢复至三维选取起始种子点完成聚类定位以消除无关点，解决视角导致的不同分辨率点云目标检测混淆问题；最后，基于卡尔曼滤波，考虑车辆运动状态，根据离散同步帧点云定位结果将测速过程建模为相应观测方程，并以点云分辨率估计观测噪声协方差矩阵，实现对离散测速结果的连续最优估计，解决观测噪声以及两设备时间异步的误差影响。在常见交通场景的图像+点云数据下进行实验，结果表明，本文方法速度测量的平均绝对误差为0.276 4 m/s，均方根误差为0.325 1 m/s，最远探测距离达到103.211 m，具有较高的准确性和实用性。  
        关键词：智能交通;速度测量;影像视锥;数据融合;卡尔曼滤波;目标检测   
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        发布时间：2024-11-20
      • “在逆向工程领域，提出了一种基于主轴点云切片的分割方法，有效提高了模型重建质量，平均交并比达0.8797，为实际工程应用提供重要价值。”
        韦会鸿,邹永宁,秦倩,王俊瑶
        2024, 32(19): 2957-2970. DOI: 10.37188/OPE.20243219.2957
        摘要：点云分割是逆向工程中的重要一环，其分割精度决定了重建模型的质量好坏，因此面向逆向重建，提出了一种基于主轴点云切片的分割方法，用于实现对零件回转体的部件分割。该方法主要由粗分割、细分割两个阶段组成。首先，沿主轴生成一系列平行等距点云切片，通过计算切片特征将切片进行分类，接着合并同类型切片并执行聚类操作得到点云粗分割结果。然后将粗分割结果作为细分割阶段输入，计算子点云特征并分类，之后对子点云进行有效性验证，通过验证的子点云进行合并，最后对子点云进行欠分割处理得到最终的分割结果。为实现快速准确的模型重建提出了一种几何-拓扑树结构，该结构可以无异义的对模型进行表示。实验结果表明，本文提出的方法分割效果好、适用性强，平均交并比为0.879 7。同时，利用几何-拓扑树进行重建的模型，完整保留了物体的主体结构信息，对于实际工程应用具有重要意义。  
        关键词：计算机断层成像;三维点云;部件分割;逆向重建   
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        发布时间：2024-11-20
      • “在遥感图像处理领域，专家基于Zernike多项式退化模型构建数据集，并提出降质图像质量增强算法，显著提升图像质量，满足工程应用时效性要求。”
        魏花,唐熊忻,聂海涛,王静,杨瀚翔,夏媛媛,徐帆江
        2024, 32(19): 2971-2985. DOI: 10.37188/OPE.20243219.2971
        摘要：针对传统图像处理算法稳定性差，而深度学习算法因为缺少用于遥感图像增强的训练数据集且算法计算量大导致无法满足遥感图像处理的工程应用需求。综合考虑退化建模和图像处理两个过程，基于Zernike多项式退化模型提出了一种构建遥感图像增强数据集的方法。然后设计了一种基于频域-空域混合注意力的降质遥感图像质量增强算法，在算法的结构设计中通过引入双域选择模块、频率特征残差模块使得在频域和空域分别增强了对高频信息丰富的图像纹理、细节等特征的学习，并且通过使用混合注意力机制提高了模型的特征提取能力。为了验证本文所提算法的性能，以NIQE数值、可视化效果、MTF曲线、推理时效性作为降质遥感图像质量增强的评价指标，比较了本文算法与五种经常使用的算法分别在高分二号卫星影像数据上的图像质量增强结果。实验结果表明，相比于常用方法，本文方法能够更好地降低NIQE数值和提高MTF曲线，具有更清晰地可视化效果，因此能够显著提升降质图像的质量；此外在推理时效性方面，在像素尺寸为27 620×29 200的遥感图像的处理时间上，相较于传统算法需要时间以小时计，而本文所提算法处理速度仅为27 s，因此能够满足工程应用的时效性要求。综上所述，本文研究可以实现遥感图像的快速清晰化处理，为在轨卫星成像退化问题提供了有效的解决方案。  
        关键词：光学遥感图像;图像增强;深度学习;Zernike多项式;图像退化模型   
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        发布时间：2024-11-20
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