最新刊期

    2024 2

      现代应用光学

    • 张宝良,梁文峰,杨铁,于鹏
      2024, 32(2): 137-147. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0137
      摘要:为解决原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)系统更换探针后光路调整复杂耗时、精度不足的问题,本文首次提出通过精密控制探针与探针夹装配位置来实现更换的探针相对AFM系统原光路位置的一致,进而实现免去AFM系统换针后调整光路步骤。该系统的光路一致性组件采用光束偏转法对探针位置与偏转进行放大与监测,并使用高精度位移与角度调节平台进行探针相对于探针夹的方位调整。通过实物搭建对探针一致性效果进行了验证,并对紫外光(Ultraviolet, UV)胶水固化过程导致探针位置偏移影响;探针不同偏移量时产生的探测器噪音对AFM系统成像质量影响进行了系统分析。实验结果表明:经由该系统装配的探针平均位置精度接近1.1 µm;并且在AFM系统中更换一致性探针仅需8 s。该系统实现了高精度且质量稳定的探针一致性装配,极大地简化了AFM系统重新校准光路的操作步骤,其与自动换针装置配合可有效提升工业计量型AFM的操作与测量性能。  
      关键词:原子力显微镜;探针装配;光束偏转法;微米级位移调节   
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      发布时间:2024-02-01
    • 邹韵,朱运东,王劲松
      2024, 32(2): 148-157. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0148
      摘要:光轴一致性是衡量多传感器光电系统工作性能的重要指标,为了解决多传感器轴一致性检测系统工作波段范围较窄、系统灵活性较低的问题,本文结合光路切换和光热转换的思想,设计了一套宽光谱多传感器轴一致性检测系统。该系统采用卡塞格林反射式光学系统作为从可见光到长波红外范围内的接收和发射系统;通过步进电机的驱动,带动导轨上方反光镜位置移动,实现系统光路的切换;采用镀有硫化铜的锗玻璃,作为光热转换靶材,将短波长的光斑转换为热斑,采用长波红外探测器实现对各波段激光光斑图像采集。系统能够实现0.4~14 μm波段光谱范围的检测;对光学系统进行像质评价分析,可以得到系统在不同波段下由像差引起的弥散斑(Root mean square, RMS)直径均在9 μm以下,能量集中度较好;对系统检测精度进行分析,最大测量误差为0.1 mrad;通过导轨往返运动重复精度实验和系统测量准确度实验,对系统可靠性进行验证,结果表明检测系统满足仪表准确度1.5级的要求。该检测系统结构紧凑,适用波谱范围广,能够实现对多传感器光电设备的轴一致性检测。  
      关键词:宽光谱;轴一致性;光路切换;光热转换;硫化铜   
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      发布时间:2024-02-01
    • 杨泽青,平恩旭,陈英姝,胡宁,张毅,金一,吕雅丽
      2024, 32(2): 158-170. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0158
      摘要:针对现有接触式测量方法装夹定位后只能测量一种或两种参数、检测效率低等问题,提出一种舵类结构件几何量误差和装配误差视觉检测方法。首先,利用计算机视觉系统获取舵轴和舵面区域图像,利用图像预处理技术去除图像畸变和噪声,为了更有效地提取舵类结构件边缘,分别采用Sobel算子、Scharr算子、Laplace算子和Canny算子对图像进行边缘检测以确定轮廓,实验对比发现Scharr算子处理后的舵轴图像边缘更清晰且无间断,Canny算子处理后的摇臂图像边缘比较清晰,因此选用Scharr算子提取舵轴图像边缘、Canny算子提取摇臂图像边缘。结合被测要素特点,采用霍夫直线和霍夫圆检测方法提取舵面边缘线特征、舵轴母线特征、摇臂圆轮廓特征;确定了舵芯对称度、舵轴垂直度、摇臂夹角的基准要素,构建了几何量误差检测目标函数,运用自适应遗传算法计算最优解;结合相机标定的内外参矩阵,得到舵芯对称度、舵轴垂直度、摇臂夹角的测量值。最后,研发了舵类结构件几何量误差和装配误差视觉检测软件,搭建了视觉检测实验平台,实现了几何量误差及装配角度误差快速检测功能。经过多次重复测量实验,对称度检测精度达到0.055 mm,垂直度检测精度达到0.225 mm,装配角度检测精度达到0.772°,完成单次检测耗时7 s。该方法不仅提高了几何量误差检测精度和检测效率,同时有助于提高舵类结构件成型-制造-在机检测的自动化和智能化水平。  
      关键词:舵类结构件;几何量误差;视觉检测;霍夫变换   
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      发布时间:2024-02-01

      微纳技术与精密机械

    • 吴阳,冯玉涛,韩斌,武俊强,孙剑
      2024, 32(2): 171-183. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0171
      摘要:长波红外差分干涉仪在低温工况下会因光学元件受到非均匀应力作用产生干涉条纹的畸变,从而降低干涉仪系统性能。本文为解决低温工况干涉条纹弯曲畸变问题,基于长波红外差分干涉仪光机系统进行了干涉条纹畸变影响因素分析,结合光-机-热耦合分析方法,对干涉仪系统低温工作状态进行仿真。随后设计了针对影响条纹畸变的关键元件——光栅元件的低温微应力动态稳定支撑安装结构,结构优化后的光栅表面面形均方根(Root Mean Square, RMS)值为3.89×10-2 nm,面形峰谷值(Peak to Valley, PV)值为2.21×10-1 nm,分别较优化前初始系统的分析结果减小了5个数量级,系统仿真干涉条纹畸变小于1个探测器像元。全系统低温验证试验表明,优化结构可有效抑制干涉条纹畸变,畸变量小于2个探测器像元,试验与仿真计算结果一致性较好,验证了优化分析方法的有效性。该优化方案对提升反射式光学系统结构低温稳定性,提高系统工作能力有较大意义和价值。  
      关键词:微应力装夹;干涉条纹畸变;低温光机结构优化;光-机-热耦合;面形拟合   
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      发布时间:2024-02-01
    • 王英广,张激扬,张强,鲁明,田利梅
      2024, 32(2): 184-192. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0184
      摘要:旋变幅值误差和正交误差在角速度频谱上表现为旋变转频的二次谐波,是旋变测角误差的主要来源,影响伺服系统角速度控制精度和稳定度。本文提出了一种基于特征频率参考的二次谐波误差自校正方法。首先,分析旋变测角误差产生的机理,获知其幅值误差和正交误差的互不相关性,并证明对旋变输出信号进行幅值调整和相位差调整可实现二次谐波误差校正。然后,在旋变和旋变数字信号转换器(Resolver-to-Digital Converter,RDC)之间设计基于比例放大的幅值校正器和基于交叉调节的相角校正器。最后,根据误差信号在线性控制系统中特征频率不变的特性,对伺服系统进行匀速控制,以角速度频谱中二次谐波频率的幅值为参考基准,分别调整幅值校正器和相角校正器,校正二次谐波误差。实验结果表明:本方法可将旋变二次谐波测角误差幅值降低78.5%,伺服系统速率波动量降低40.5%。本方法实现了旋变二次谐波测角误差的自校正,大幅提升了旋变的测角精度和伺服系统的转速控制稳定度。  
      关键词:测角传感器;旋变;测角误差;自校正   
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    • 周宇飞,李中灿,李毅,崔靖凯,贺顺锋,盛展翊,朱明超
      2024, 32(2): 193-207. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0193
      摘要:为了实现超冗余机械臂动力学模型的精确辨识,提出了一种基于迭代优化和神经网络补偿的半参数动力学模型辨识方法。首先,介绍了超冗余机械臂的动力学模型和最小参数集,建立了关节非线性摩擦模型,使用遗传算法优化回归矩阵条件数生成激励轨迹。然后建立了机械臂动力学模型物理可行性约束,基于迭代优化方法设计了两层循环网络对超冗余机械臂的惯性参数和关节摩擦模型进行辨识。最后,利用数据集训练BP神经网络,得到超冗余机械臂半参数动力学模型,并与多种算法进行了比较分析。实验结果表明:相较于传统的最小二乘算法和加权最小二乘算法,通过使用本文提出的辨识算法,关节辨识力矩残差均方根(Root Mean Square, RMS)之和分别提高了32.81%和23.76%,半参数动力学模型相比于全参数动力学模型力矩残差均方根之和提高了23.56%,辨识结果验证了辨识方法的有效性和优越性。  
      关键词:超冗余机械臂;动力学模型辨识;迭代优化;半参数动力学模型   
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      发布时间:2024-02-01

      信息科学

    • 王同盟,高芬,李兵
      2024, 32(2): 208-220. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0208
      摘要:为满足点衍射干涉测量对解包算法高精度、高效以及抗干扰的检测需求。提出一种基于空洞空间卷积的相移点衍射干涉图像的相位解包方法,通过将自编码器结构和空洞空间卷积结合获得更高的相位解包精度,实现对包裹相位图像可控的多尺度特征提取。根据点衍射图像特点制作的大量多样化数据集对其进行训练和优化,从而实现准确识别包裹相位所在阶次,最终可以快速处理包裹图像得到高精度的解包结果。利用所提方法对实际点衍射干涉图像进行处理,并与ESDI专业干涉图像处理软件以及其他解包算法处理结果进行比对,结果表明:本文解包结果与软件枝切法解包处理结果均方根误差值为0.022 2 rad,面形拟合结果与软件面形拟合结果峰谷差值仅为0.012 1λ、均方根差值仅为0.004 2λ;时间效率上,完成一幅图像的处理平均仅需0.035 s,而传统方法均大于1 s。与其他方法相比,所提方法在处理包裹相位方面具有快速、高精度的特性,为点衍射干涉图像处理的高精度相位解包提供了新的可行方案。  
      关键词:干涉测量;面形检测;干涉成像;神经网络;相位解包   
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      发布时间:2024-02-01
    • 周涛,程倩茹,张祥祥,李琦,陆惠玲
      2024, 32(2): 221-236. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0221
      摘要:基于生成对抗网络(Generative Adversarial Network,GAN)的医学图像融合是计算机辅助诊断领域的研究热点之一,但是现有基于GAN的融合方法存在训练不稳定,提取图像的局部和全局上下文语义信息能力不足,交互融合程度不够等问题。针对上述问题,本文提出了双耦合交互式融合GAN (Dual-Coupled Interactive Fusion GAN, DCIF-GAN)。首先,设计了双生成器双鉴别器GAN,通过权值共享机制实现生成器之间和鉴别器之间的耦合,通过全局自注意力机制实现交互式融合;第二,设计耦合CNN-Transformer的特征提取模块(Coupled CNN-Transformer Feature Extraction Module, CC-TFEM)和特征重构模块(CNN-Transformer Feature Reconstruction Module, C-TFRM),提升了对同一模态图像内部的局部和全局特征信息提取能力;第三,设计跨模态交互式融合模块(Cross Model Intermodal Fusion Module, CMIFM),通过跨模态自注意力机制,进一步整合不同模态间的全局交互信息。为了验证本文模型的有效性,在肺部肿瘤PET/CT医学图像数据集上进行实验,该文方法在平均梯度,空间频率,结构相似度,标准差,峰值信噪比,信息熵等上与其他四种方法中最优方法相比,分别提高了1.38%,0.39%,29.05%,30.23%,0.18%,4.63%。模型能够突出病变区域信息,融合图像结构清晰且纹理细节丰富。  
      关键词:医学图像;图像融合;PET/CT;耦合生成对抗网络;Swin Transformer   
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      发布时间:2024-02-01
    • 刘诗蓓,陈莹
      2024, 32(2): 237-251. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0237
      摘要:声音作为物体固有属性之一能为目标检测提供有价值的信息,当前仅通过监测环境声进行目标定位的方法鲁棒性较低,为解决这一问题提出了跨级特征知识转移下的多模态自监督目标检测网络。首先,针对教师网络和学生网络同级特征间学习能力有限的问题,设计了基于注意力融合的多教师跨级特征知识转移损失,通过注意力融合的方式融合学生的深层和浅层特征,更高效地学习对应的教师中间层特征,以提取更多的知识,同时结合KL散度,实现教师和学生网络中间层特征的对齐。此外,为了解决定位信息的缺失的问题,加入定位蒸馏损失,通过让学生的包围盒分布去拟合教师的包围盒分布的方式,来获取更多的定位信息。在多模态视听检测MAVD数据集中对网络进行训练,该网络的mAP值在IOU值为0.5,0.75和平均的情况下较基线网络分别有6.71%,14.36%和10.32%的提升。实验结果证明了该检测网络的优越性。  
      关键词:多模态;知识蒸馏;目标检测;自监督;深度学习   
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      发布时间:2024-02-01
    • 邸敬,郭文庆,任莉,杨燕,廉敬
      2024, 32(2): 252-267. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0252
      摘要:针对多模态医学图像融合中存在纹理细节模糊和对比度低的问题,提出了一种结构功能交叉神经网络的多模态医学图像融合方法。首先,根据医学图像的结构信息和功能信息设计了结构功能交叉神经网络模型,不仅有效地提取解剖学和功能学医学图像的结构信息和功能信息,而且能够实现这两种信息之间的交互,从而很好地提取医学图像的纹理细节信息。其次,利用交叉网络通道和空间特征变化构造了一种新的注意力机制,通过不断调整结构信息和功能信息权重来融合图像,提高了融合图像的对比度和轮廓信息。最后,设计了一个从融合图像到源图像的分解过程,由于分解图像的质量直接取决于融合结果,因此分解过程可以使融合图像包含更多的细节信息。通过与近年来提出的7种高水平方法相比,本文方法的AG,EN,SF,MI,QAB/F和CC客观评价指标分别平均提高了22.87%,19.64%,23.02%,12.70%,6.79%,30.35%,说明本文方法能够获得纹理细节更清晰、对比度更好的融合结果,在主观视觉和客观指标上都优于其他对比算法。  
      关键词:多模态医学图像融合;结构功能信息交叉网络;注意力机制;分解网络   
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    • 易见兵,陈俊宽,曹锋,李俊,谢唯嘉
      2024, 32(2): 268-285. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0268
      摘要:针对当前基于深度学习的遥感图像超分辨率重建模型部署时对硬件要求较高,本文设计了一种轻量级基于重参数化的残差特征遥感图像超分辨率重建网络。首先,采用重参数化方法设计了一种残差局部特征模块,以有效地提取图像局部特征;同时考虑到图像内部出现的相似特征,设计了一个轻量级的全局上下文模块对图像的相似特征进行关联以提升网络的特征表达能力,并通过调整该模块的通道压缩倍数来减少模型的参数量和改善模型的性能;最后,在上采样模块前使用多层特征融合模块聚合所有的深度特征,以产生更全面的特征表示。在UC Merced遥感数据集上进行测试,该算法在遥感图像3倍超分辨率下的参数量为539 K,峰值信噪比为30.01 dB,结构相似性为0.844 9,模型的推理时间为0.010 s;而HSENet算法的参数量为5 470 K,峰值信噪比为30.00 dB,结构相似性为0.842 0,模型的推理时间为0.059 s。实验结果表明,该算法相比HSENet算法,参数量更少,运行速度较快,且峰值信噪比与结构相似性也有一定的提高。在DIV2K自然图像数据集上进行测试,该算法的峰值信噪比和结构相似性相比其他算法也有一定的优势,表明该算法的泛化能力较强。  
      关键词:超分辨率;遥感图像;全局上下文;重参数化;残差网络   
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    • 刘光辉,陈健,孟月波,徐胜军
      2024, 32(2): 286-300. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0286
      摘要:针对混凝土表面裂缝分割过程中分割精度低、细微裂缝漏分和背景干扰等问题,提出一种联合线性引导和网格优化的裂缝分割模型。首先,在主干网络中引入多分支线性引导模块,通过自适应单维度池化增强网络对裂缝线性结构的表达能力,让不同区域的裂缝建立联系,增强全局上下文信息感知能力,提高网络分割精度;然后,提出网格细节优化模块,通过分区-优化-合并三步骤,将整个空间域划分为若干个空间网格,提取空间网格中的细微裂缝信息,防止细微裂缝漏分;最后,在主干网络的跳跃连接处嵌入混合注意力模块,在空间和通道双维度突出裂缝特征,减少背景干扰。在Deepcrack537,Crack500和CFD裂缝数据集上,所提模型的IoU值分别达到77.07%,58.96%和56.55%,F1-score值分别达到87.05%,74.19%和72.24%,明显优于大多数现有方法,具有更高的分割精度。  
      关键词:裂缝图像;线性引导;语义分割;网格优化;注意力机制   
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    • 何自芬,罗洋,张印辉,陈光晨,陈东东,徐林
      2024, 32(2): 301-316. DOI: 10.37188/OPE.20243202.0301
      摘要:初烤烟叶等级的快速准确检测对开发烟叶智能分级设备以促进农产品精细化管理有着重要意义。针对相似度较高但等级不同的初烤烟叶难以区分的问题,本文提出多感受野特征自适应融合及动态损失调整的初烤烟叶等级检测网络(Flue-cured Tobacco Leaf Grade Detection Network,FTGDNet)。首先,FTGDNet采用CSPNet作为特征提取主干网络,采用GhostNet作为辅助特征提取网络以增强模型的特征提取能力;其次,在主干网络末端嵌入显式视觉中心瓶颈模块(Explicit Visual Center Bottleneck module,EVCB)以实现全局特征信息与局部细节特征信息融合;然后,构建多感受野特征自适应融合模块(Multi-Receptive Field Feature Adaptive Fusion module,MRFA_d),利用注意力特征融合机制(Attention Feature Fusion,AFF)将不同感受野特征图进行自适应加权融合,在增强模型局部感受野的同时突出有效通道信息;最后,设计了一种新的定位损失函数(More Complete IoU Loss,MCIoU_Loss),结合预测框与真实框面积损失以解决在回归定位过程中二者宽高比相等且中心点重合时CIoU_Loss性能退化导致定位精度下降问题,此外,引入矩形相似度衰减系数在训练过程中对真实框与预测框的相似度判别项进行动态调整,加快模型拟合。实验结果表明,FTGDNet对十个等级的初烤烟叶的验证精度达到90.0%,测试精度达到87.4%,且推理时间仅为12.6 ms。相较于多种先进目标检测算法,FTGDNet具有更高的检测精度和更快的检测速度,可为高精度初烤烟叶等级检测提供关键技术支撑。  
      关键词:初烤烟叶;目标检测;多感受野特征融合;动态损失调整   
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