最新刊期
      2024 年 第 32 卷 第 6 期

        现代应用光学

      • 王晓阳,滕飞,徐小斌,王琪伟,周晓娜,田亚男,马官营,李勇
        2024, 32(6): 765-773. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0765
        摘要：光子带隙光纤有着独特的结构形式、传输介质和导光机制，这使其具有传统光纤无法比拟的优点，是未来光纤陀螺的理想选择。但光子带隙光纤粗糙的纤芯内壁导致其产生强烈的背向散射次波，会使光子带隙光纤陀螺产生额外的非互易误差。为了定量分析光子带隙光纤背向散射次波强度大小，论文基于电偶极子辐射理论建立了一种简单的光子带隙光纤背向散射次波理论模型。通过聚焦离子束微纳加工法和原子力显微镜测量得到了准确的纤芯内壁表面形貌功率谱密度，进而计算得到HC-1550-02型光子带隙光纤背向散射系数理论值为2.61×10-9/mm。通过光频域背向反射散射仪得到HC-1550-02型光子带隙光纤背向散射系数测量值为~1.82×10-9/mm，初步验证了背向散射次波模型的正确性，为背向散射次波抑制技术研究奠定了基础。  
        关键词：光子带隙光纤;背向散射次波;功率谱密度   
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        发布时间：2024-03-31
      • 王耀东,徐金杨,朱力强,史红梅,方妍
        2024, 32(6): 774-784. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0774
        摘要：地铁隧道断面轮廓参数测量过程中，需要对高速激光雷达点云进行高精度系统标定。特别是大场景隧道环境，对标定模板要求高，标定过程复杂，检测精度影响大。针对此问题，本论文提出了一种新颖的适用于地铁隧道轮廓点云的标定方法，并基于双激光雷达测量系统，进行了算法研究。本方法设计了专用的手推行便携式标定系统，利用由点云数据提取的标定板线特征，建立目标函数，通过混合了遗传算法和Levenberg-Marquardt算法的非线性优化方法，寻找全局最优解从而实现对激光雷达的标定。实验结果表明：本方法对于两侧钢轨顶轨的标定误差在±1.5 mm以内；静态测量精度X误差在±1 mm内、Y误差在±4 mm内；当采集系统以5 km/h的速度进行数据采集时，动态测量精度X误差在±4 mm内、Y误差在±6 mm内。本方法能够实现激光雷达的高精度标定，算法鲁棒性强，具有易操作、环境适应性强的特点。  
        关键词：激光雷达;地铁隧道;点云标定;共面约束;隧道断面   
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        发布时间：2024-03-31
      • 安其昌,吴小霞,唐境,李洪文
        2024, 32(6): 785-791. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0785
        摘要：为了更好地实现多镜面大视场主动光学望远镜波前像差抑制、提升望远镜探测能力极限，本文基于望远镜视场边缘内置的错位型曲率传感器进行波前感知，并利用功率谱对波前感知结果进行分析，进而基于波前像差的空间频率特征进行调控。首先，基于复光场理论分析了非瞳面对系统波前调控的影响机理。其次，分析了本方法在多镜面大视场主动光学望远镜调控过程中的精度特性。再次，利用桌面实验对多镜面大视场主动光学望远镜调控的可行性进行了验证。最终，波前重建结果与理论波前相关性高于0.85。利用功率谱对各个视场的空间频率特性进行了分析，与单纯使用均方根对多镜面影响敏感度进行分析的方法相比，灵敏度提升了20%。  
        关键词：曲率传感;波前像差;大视场主动光学;大口径望远镜   
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        发布时间：2024-03-31

        微纳技术与精密机械

      • 方一鸣,石照耀
        2024, 32(6): 792-805. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0792
        摘要：小模数齿轮在实际制造中，单条产线多台设备通常同时生产多种不同参数的齿轮，迄今无法用单台齿轮测量仪器在生产线上同时实时全检这些不同参数的齿轮。开发了基于Facet的齿轮亚像素边缘定位算法、基于迭代重加权最小二乘的齿轮中心定位法、圆与齿廓交点快速定位法、正弦函数拟合齿数法和齿廓近似测压力角法等；若结合适当的送料与定位机构，本文方法能够在未知参数时，实现多种不同型号齿轮的混合测量，无需装夹，测量效率高。可以实现齿数、模数、压力角、齿顶圆直径、齿根圆直径、全齿高、齿宽、公法线变动量、变位系数、齿廓偏差和形位误差的测量。实验结果表明：该方法测量0.5~1.0 mm模数的直齿轮的重复性精度为4 μm。该方法在小模数齿轮柔性化生产线具有重要应用前景。  
        关键词：小模数直齿轮;齿轮在线测量;机器视觉;边缘检测;亚像素   
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        发布时间：2024-03-31
      • 沈宗宝,韩曜阳,孟康楠,李品
        2024, 32(6): 806-821. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0806
        摘要：激光弯曲成形技术常用的激光类型是点激光，在温度梯度机理的作用下单次成形角度有上限，在3°左右。为了增大点激光单次成形角度，提高成形效率，本文以不锈钢304板为对象，通过试验对比探索了将圆振荡模式应用于激光弯曲成形中以提高弯曲角方法的可行性；并且借助于三维视觉传感器测量板件在圆振荡激光束弯曲成形过程中的动态响应，从余热效应、吸收率等角度分析其弯曲成形机理。对比试验结果显示，在激光能量密度较高的情况下，圆振荡模式确实可以明显提高工件的弯曲角，增长率在60%左右。同时，三维视觉传感器的测量结果显示出了板件在成形过程中的复杂形变与角度变化过程：板件在长度与宽度方向上均产生了塑性变形，长宽形变比约为10∶1；单次扫描成形板件弯曲角增长过程呈现不同的增长曲线；多次扫描成形弯曲角分布不均衡。此外，板件厚度也逐渐增加，热影响区微观晶粒得到细化。为进一步理解圆振荡激光束弯曲成形过程与机理提供了试验支撑。  
        关键词：激光弯曲成形;圆振荡激光束;不锈钢304;变形机理   
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        发布时间：2024-03-31
      • 童鑫,曲友阳,刘洁冰,宋欣屿,戴路
        2024, 32(6): 822-832. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0822
        摘要：为防止低轨光学卫星相控阵数传任务过程中相机进光而对传感器造成损伤，提出了一种相控阵数传任务期间的太阳光姿态规避方法。首先，计算出地心固连坐标系中卫星指向太阳的向量与卫星指向地面数传站的向量，并建立两向量所在平面的单位法向量。其次，以单位法向量为旋转轴使卫星指向地面数传站的向量以相控阵最大离轴角进行旋转，旋转后的向量即为卫星在地心固连坐标系下的太阳光规避向量。然后，通过太阳光规避向量、地心固联坐标系中卫星的位置及地心固联坐标系到轨道坐标系的转换矩阵，规划卫星在轨道坐标系下的太阳光规避姿态并计算出相控阵指向角。最后，在吉林一号高分02D星上进行了仿真分析和在轨试验。仿真结果表明，在相控阵最大波束角为60°的情况下，卫星使用太阳光姿态规避方法进行数传后，在12月份内相机与太阳光夹角在90°以下的概率由传统凝视姿态数传方法的44.1%降低为2.1%。吉林一号高分02D星在轨试验结果表明，近似相同条件下的两次数传任务在使用太阳光姿态规避方法进行数传后，相机与太阳光的夹角由传统凝视姿态的31.3°~152.1°提升为96.3°~180°，验证了太阳光姿态规避方法可在数传任务期间有效规避太阳光，保证了低轨光学卫星相机在轨的安全性和可靠性。  
        关键词：光学卫星;相控阵数传;太阳光规避;期望姿态;吉林一号高分02D星   
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        发布时间：2024-03-31
      • 王雯雯,赖磊捷,李朋志,朱利民
        2024, 32(6): 833-842. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0833
        摘要：为消除压电驱动柔性微定位平台高精控制对平台不确定动力学模型的依赖性，提出了一种数据驱动无模型迭代前馈补偿和自适应陷波滤波结合的控制方法来提高平台的跟踪性能。首先，建立了数据驱动无模型迭代前馈控制器，提高系统对噪声和其他干扰的鲁棒性，同时，证明了在无模型迭代前馈作用下，连续参考输入跟踪误差的有界性和闭环系统的稳定性；其次，构建了自适应陷波滤波器来消除平台谐振的影响，对误差信号进行快速傅里叶变换，并设计谐振频率在线提取算法，实现对陷波滤波器参数的在线实时整定，来进一步提升轨迹跟踪精度；最后，利用所设计的无模型迭代前馈控制器和自适应陷波滤波器对压电微动台进行轨迹跟踪实验。实验结果表明：在跟踪三角波信号时，与单独比例-积分（Proportional Integral，PI）控制和结合自适应陷波滤波器的PI控制相比较，最大跟踪误差分别减小78.25%和70.83%，能够有效提升平台的稳定性和跟踪精度。  
        关键词：压电微动台;数据驱动迭代前馈;在线谐振抑制;自适应陷波滤波器   
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        发布时间：2024-03-31

        信息科学

      • 周颖,裴盛虎,陈海永,许士博
        2024, 32(6): 843-856. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0843
        摘要：针对大多数图像超分辨率重建方法利用单尺度卷积进行特征提取，导致特征提取不充分的问题，提出基于多尺度自适应注意力的图像超分辨率网络。为充分利用各个层次特征中的上下文信息，设计了多尺度特征融合块，其基本单元由自适应双尺度块、多路径渐进式交互块和自适应双维度注意力依次串联组成。首先，自适应双尺度块自主融合两个尺度的特征，获得了更丰富的上下文特征；其次，多路径渐进式交互块以渐进的方式交互自适应双尺度块的输出特征，提高了上下文特征之间的关联性；最后，自适应双维度注意力自主选择不同维度注意力细化输出特征后，提高了输出特征的鉴别力。实验结果表明，在Set5， Set14， BSD100和Urban100测试集上，本文方法在PSNR和SSIM定量指标上相比于其他主流方法相均有提升，尤其对于纹理细节难以恢复的Urban100测试集，本文方法在比例因子为×4时，相较于现有最优方法SwinIR，PSNR和SSIM指标分别提升了0.05 dB和0.004 5；在视觉效果方面，本文的重建图像具有更多的纹理细节。  
        关键词：超分辨率;多尺度特征;注意力机制;自适应权重;渐进式信息交互   
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        发布时间：2024-03-31
      • 王成根,史金龙,诸皓伟,白素琴,孙蕴翰,卢加文,黄树成
        2024, 32(6): 857-867. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0857
        摘要：为了提高动态场景RGB-D SLAM中相机位姿精度，基于实例分割与光流算法，提出一种高精度RGB-D SLAM方法。首先，通过实例分割算法检测出场景中的物体，删除非刚性物体并构造语义地图。接着，通过光流信息计算运动残差，检测场景中动态刚性物体，并在语义地图中追踪这些动态刚性物体。然后，删除每一帧中非刚性物体和动态刚性物体上的动态特征点，利用其他稳定的特征点优化相机位姿。最后，通过TSDF模型重建静态背景，并以点云的形式显示动态刚性物体。在TUM和Bonn数据集中测试表明，本文方法与当前最先进的SLAM工作ACEFusion相比相机精度提升约43%。消融实验结果表明，保留动态刚性物体处于静止状态下的特征点对相机位姿估计结果提升约37%。稠密建图实验结果表明，本文方法在动态场景中重建结果优于当前先进的工作，平均重建误差为0.042 m。代码开源在https：//github.com/wawcg/dy_wcg。  
        关键词：动态场景;同步定位与地图构建;实例分割;光流   
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        发布时间：2024-03-31
      • 刘玉淇,吴一全
        2024, 32(6): 868-900. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0868
        摘要：太阳能电池片（Photovoltaic， PV）表面缺陷检测是光伏组件生产中不可或缺的流程。基于机器视觉的自动缺陷检测方法因其高精度、实时性、低成本等优点得到了广泛应用。本文综述了基于机器视觉的太阳能电池片表面缺陷检测方法的研究进展。首先，阐述了太阳能电池片表面成像方式，列举了典型缺陷类型。然后重点分析了基于传统机器视觉算法及基于深度学习算法进行太阳能电池片表面缺陷检测的原理。将传统机器视觉算法分为图像域分析法、变换域分析法进行综述；从无监督学习、有监督学习和弱监督及半监督学习三个方面分别概述了近几年来基于深度学习的太阳能电池片表面缺陷检测的研究现状。对太阳能电池片表面缺陷检测各种典型方法进一步细分归类和对比分析，总结了每种方法的优缺点。随后，介绍了9种太阳能电池片表面缺陷图像数据集及缺陷检测性能评价指标。最后，系统总结了太阳能电池片缺陷检测常见的关键问题及其解决方法，对太阳能电池片表面缺陷检测的未来发展趋势进行了展望。  
        关键词：太阳能电池;缺陷检测;机器视觉;深度学习;检测网络   
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        发布时间：2024-03-31
      • 陈敏佳,盖绍彦,达飞鹏,俞健
        2024, 32(6): 901-914. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0901
        摘要：为了在严重遮挡以及少纹理等具有挑战性的场景下，准确地估计物体在相机坐标系中的位置和姿态，同时进一步提高网络效率，简化网络结构，本文基于RGB-D数据提出了采用辅助学习的六自由度位姿估计方法。网络以目标物体图像块、对应深度图以及CAD模型作为输入，首先，利用双分支点云配准网络，分别得到模型空间和相机空间下的预测点云；接着，对于辅助学习网络，将目标物体图像块和由深度图得到的Depth-XYZ输入多模态特征提取及融合模块，再进行由粗到细的位姿估计，并将估计结果作为先验用于优化损失计算。最后，在性能评估阶段，舍弃辅助学习分支，仅将双分支点云配准网络的输出利用点对特征匹配进行六自由度位姿估计。实验结果表明：所提方法在YCB-Video数据集上的AUC和ADD-S<2 cm结果分别为95.9%和99.0%；在LineMOD数据集上的平均ADD（-S）结果为99.4%；在LM-O数据集上的平均ADD（-S）结果为71.3%。与现有的其他六自由度位姿估计方法相比，采用辅助学习的方法在模型性能上具有优势，在位姿估计准确率上有较大提升。  
        关键词：六自由度位姿估计;辅助学习;深度图像;三维点云   
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        发布时间：2024-03-31
      • 张蕾,石岩,卢文雍,徐睿,靳展,罗伟节,陈义,赵春柳,占春连
        2024, 32(6): 915-929. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0915
        摘要：为了解决结构光三维重建中传统立体匹配存在的特征点匹配错误、匹配缺失和匹配重复等问题，本文将SURF算法中高斯滤波改进为自适应中值滤波结合小波变换，并提出了一种基于OKG算法的二次特征匹配方法。该算法首先使用自适应中值滤波结合小波变换算法对图像进行平滑和降噪处理，再进行初步特征点提取和匹配，然后将构建的尺度空间划分成多个网格，在每个网格内使用FAST算法提取尺度空间特征点，使用ORB算子提取左右图像的特征点，用BRIEF描述子对其进行描述，采用K-D树最近邻搜索法限制特征点选取，通过GMS算法剔除误匹配点。最后，将本文SURF-OKG算法与传统特征匹配算法进行对比分析，并对阶梯块进行三维重建来验证本文算法的有效性。实验结果表明：SURF-OKG算法的正确匹配率为92.47%；对阶梯宽度为40 mm，精度为0.02 mm的阶梯块进行三维重建，实验测得阶梯宽度的误差均值为1.312 mm，最大误差值不超过1.72 mm，基本满足结构光三维重建系统的实验要求。  
        关键词：三维重建;特征点匹配;SURF算法;SURF-OKG算法;阶梯块   
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        发布时间：2024-03-31
      • 巢渊,徐魏,刘文汇,曹震,张敏
        2024, 32(6): 930-944. DOI: 10.37188/OPE.20243206.0930
        摘要：在QFN芯片封装缺陷检测中，增加图像分割环节可有效提高缺陷检测准确性与检测效率。针对图像分割中传统算法效率低、智能优化算法分割精度低稳定性差的问题，本文提出一种基于改进灰狼优化算法（IGWO）的图像多阈值分割方法。首先，改进原始灰狼优化算法非线性因子，平衡算法搜索效率与挖掘能力；其次，引入反向学习策略提高种群整体质量，引入正弦函数、调整头狼权重以改进灰狼更新策略，增强算法多样性与挖掘能力；然后，提出头狼靠拢与种群变异交替进行的位置更新策略，平衡算法收敛性能与跳出局部最优能力；最后，以Kapur熵为适应度函数，求解最优分割阈值。将本文提出的改进灰狼优化算法的多阈值图像分割方法，与灰狼优化算法（GWO）、基于翻筋斗觅食策略的灰狼优化算法（DSF-GWO）、基于莱维飞行的樽海鞘群优化算法（LSSA）、改进北方苍鹰算法（INGO）的图像分割方法进行实验对比，结果表明：本文方法在分割用时方面，约为DSF-GWO的1/2，INGO的1/4；在分割精度与稳定性方面，在进行QFN芯片缺陷图像的连续30次分割时，本文方法具有最大Kapur熵平均值、最小标准差与最短分割时间。因此本文方法可实现高精度、高稳定性与高效率的QFN芯片图像多阈值分割。  
        关键词：灰狼优化算法;多阈值分割;Kapur熵;QFN   
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