期刊基本信息
创刊:
1959年 • 月刊
名称:
光学 精密工程
英文:
Optics and Precision Engineering
主管单位:
中国科学院主管
主办单位:
中国科学院长春光学精密机
出版单位:
科学出版社
主编:
曹健林
副主编:
白雨虹
ISSN:
1004-924X
刊号:
CN 22-1198/TH
电话:
0431-86176855
邮箱:
地址:
长春市东南湖大路3888号
邮编:
130033
定价:
100元/期

本期栏目 2020, 28(3)

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光学 精密工程 第28卷 第3期

作者单位
摘要
光学 精密工程
2020, 28(3): 1
作者单位
摘要
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对大口径空间天文望远镜稳像精度测试的难题, 提出了一种高时空分辨率运动导星模拟方案。利用硅基液晶作为运动导星模拟源, 结合光束准直系统为空间天文望远镜提供无穷远运动导星, 并且通过在光路中加入物镜来提高模拟导星的运动分辨率。针对望远镜像面结构的特殊分布, 提出利用多路模拟的方法, 分别为望远镜两侧精密导星仪以及巡天像面提供实时运动导星。最后, 对影响运动导星模拟精度的各项误差进行分析, 进而建立了误差模型。仿真结果表明: 在运动导星模拟精度优于0.5″的概率为95%, 时间分辨率为3 ms的前提下, 动态星图星间角距误差小于0.04″, 单星张角小于0.02″。通过实验验证了导星模拟模型的正确性, 该模型基本满足空间天文望远镜稳像精度测试所需运动导星目标高时空分辨率的要求。
空间望远镜 运动导星 稳像精度 硅基液晶 物镜 误差模型 space telescope moving guide star image stability accuracy liquid crystal on silicon objective lens error model 
光学 精密工程
2020, 28(3): 515
作者单位
摘要
东南大学 电子科学与工程学院 信息显示与可视化国际合作实验室, 江苏 南京 210096
表面等离激元具有突破光学衍射极限、局域场增强等特点, 有望代替电子和光子作为信号载体, 综合光学系统的高带宽特性与电子系统的紧凑性, 构建新一代高速、高集成化的光电集成电路。为了有效探测表面等离激元, 基于时域有限差分法提出一种基于周期性光栅的平面型表面等离激元探测结构模型, 其中包括耦合光栅、条形波导以及探测光栅。首先简要阐述了探测结构的工作原理, 并建立了工作在670, 1 310和1 550 nm波段的仿真模型; 同时研究等离激元耦合效率随入射光偏振角度的变化以及等离激元吸收率与波导长度的关系; 最后实验制备了相应的表面等离激元探测结构。结果表明: 表面等离激元的耦合效率与偏振角度成余弦平方关系; 在670 nm波段, 吸收率在波导长度为5 μm的条件下为4.3%, 衰减长度为17.1 μm, 与表面等离激元传播长度的理论值17.5 μm基本吻合; 实验测得的光电流随偏振角度的变化趋势与仿真的吸收率变化趋势一致, 证实了上述模型能够实现对表面等离激元的有效探测。所提出的表面等离激元探测结构模型为将来高速、集成化的新型光电集成电路提供了理论和实验基础。
光电器件 表面等离激元 周期性光栅 光电集成电路 photoelectric devices surface plasmons periodic gratings optoelectronic integrated circuits 
光学 精密工程
2020, 28(3): 526
作者单位
摘要
1 北京师范大学 核科学与技术学院 新器件实验室, 北京 100875
2 集成光电子学国家重点实验室, 北京 100083
外延电阻淬灭型硅光电倍增器(EQR SiPM)的特点是利用硅衬底外延层来制作器件淬灭电阻。为了进一步提高大动态范围EQR SiPM的光子探测效率, 并且解决填充因子较低和增益较小等问题, 在前期研究工作的基础上研制出微单元尺寸分别为15 μm和7 μm的EQR SiPM, 有源区面积均是1 mm×1 mm。通过改变EQR SiPM的微单元尺寸优化填充因子, 有效提高了探测效率与增益; 其微单元密度分别是4 400个/mm2和23 200个/mm2, 依然保持着较大的动态范围。室温条件下(20 ℃), 工作在 5 V过偏压的EQR SiPM至少可分辨13个光电子; 15 μm和7 μm EQR SiPM的增益分别为5.1×105和1.1×105, 在400 nm波长下的峰值光探测效率分别达到40%和34%。
硅光电倍增器 外延淬灭电阻 单光子 高探测效率 高增益 大动态范围 Silicon Photomultiplier (SiPM) Epitaxial Quenching Resistance (EQR) single photon detection high detection efficiency high gain large dynamic range 
光学 精密工程
2020, 28(3): 535
作者单位
摘要
福建省计量科学研究院, 福建 福州 350003
针对光伏用电致发光缺陷检测仪空间分辨率目视判定重复性、准确性差, 并且难以量化等问题, 提出一套基于卷积神经网络模型的空间分辨率量化评估方法。参照相关标准JJF(闽)1088-2018, 采取不同的拍摄条件拍摄并切割出空间分辨率线对图像, 对图像进行人工分类。设计卷积神经网络结构, 采用卷积层、池化层和全连接层结构, 并使用已分类完成的空间分辨率线对图像对模型进行训练。最终使用测试集对模型进行评估, 结果表明, 模型在测试集上的判别正确率达到99.2%。该方法满足使用要求, 可取代目视判别, 提高了光伏用电致发光缺陷检测仪空间分辨率判定的准确性与重复性, 并为其量化提出了新的解决思路。由于太阳电池片用光致发光缺陷检测仪与光伏用电致发光缺陷检测仪的成像方式类似, 该方法可兼容太阳电池片光致发光检测仪的性能评估。
光伏 电致发光 缺陷检测仪 空间分辨率 卷积神经网络 光致发光 photovoltaic electroluminescent defect detection spatial resolution convolutional neural network photoluminescence 
光学 精密工程
2020, 28(3): 542
作者单位
摘要
1 郑州大学 电气工程学院, 河南 郑州 450001
2 郑州大学 体育学院, 河南 郑州 450001
3 郑州大学 生命科学学院, 河南 郑州 450001
为了在舒适非接触环境下检测被试者的心率变化, 本文设计了一种通过普通摄像头来检测心率参数的信号处理系统。首先, 将KLT(Kanade-Lucas-Tomasi)算法跟踪识别到的人脸视频图像转换到YCbCr颜色空间来进行皮肤检测, 并同时转换到Cg颜色通道来提取高质量的光电容积脉搏波 (Photoplethysmography, PPG)信号。然后, 用Morlet复小波作为母波绘制PPG信号的小波能量谱图。最后根据心率信号的生理特性, 去除伪点噪声, 提取随时间变化的心率参数。实验结果表明, 该方法在静息状态下的测量结果同标准仪器测量结果的平均绝对值误差|Me|小于2 bpm(beats per minute), 误差的标准差SDe小于2.5 bpm, RMSE均小于2.6 bpm; 头部运动状态下两种测量方法的|Me|均小于2.3 bpm, SDe均小于2.9 bpm, RMSE均小于2.9 bpm。对两种测量方法进行Bland-Altman一致性分析, 其测量结果显示静息状态下差值的均数为0.295 7 bpm, 95%置信区间为-3.340 1~3.931 4 bpm; 头部运动状态下为0.383 2 bpm, 95%置信区间为-3.677 1~4.443 5 bpm, 表明本文提出的非接触式方法的测量结果同标准仪器的测量结果具有高度的一致性。
光电容积脉搏波 非接触式 心率检测 CMOR小波 能量谱图 photoplethysmography non-contact heart rate detection CMOR wavelet energy spectra image 
光学 精密工程
2020, 28(3): 548
作者单位
摘要
1 中国建筑材料科学研究总院有限公司, 北京 100024
2 建材行业特种光电材料重点实验室, 北京 100024
采用垂直腔面发射激光端面泵浦Nd∶YAG获得了高能量的1 064 nm调Q激光输出。与边发射半导体激光相比, 垂直腔面发射激光具有各向发散角相同、波长随温度漂移小等优点, 更适合用作泵浦源以产生高效率、结构紧凑的激光。泵浦能量为200 mJ时, 产生了最高45 mJ的1 064 nm激光输出, 光光转换效率达到22.5%, 激光脉宽为8 ns, 发散角为1.2 mrad。基于模拟计算优化了Nd3+掺杂浓度, 通过采用低浓度的Nd∶YAG晶体减小泵浦端面增益, 从而有效抑制了影响调Q激光能量提高的自激振荡, 为获得高能量的端面泵浦调Q激光输出提供了有效的技术手段。
垂直腔面发射激光 端面泵浦 调Q激光 自激振荡 Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL) end pump Q-switched laser self-excited oscillation 
光学 精密工程
2020, 28(3): 558
作者单位
摘要
兰州理工大学 计算机与通信学院, 甘肃 兰州 730050
相对于传统的光空间调制, 光广义空间调制在传输速率和频谱效率上虽然有了较大的提升, 但其误码性能不够理想。本文利用脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM), 通过每次同时激活两个激光器而提出了一种双空间调制(DSM)。采用联合界技术推导出了DSM的误码率理论上界, 分析了其频谱效率、传输速率和复杂度的影响因素, 并与已有光空间调制的性能进行了对比。仿真结果表明: DSM不仅提升了系统的频谱效率和传输速率, 而且有效地改善了系统的误码性能。在相同的传输速率下, 当误码率为1×10-3时, 相对于(4, 4)-8PPM SPPM 和(3, 4)-4PPM GSPPM方案, (3, 4)-8PPM-2PAM DSM的信噪比分别改善了约2.5 dB和6 dB, 频谱效率分别提高了2.335 bits/(s·Hz)和0375 bits/(s·Hz)。DSM方案为未来大气激光通信传输速率的提高提供了一种有效手段。
激光通信 双空间调制 脉冲幅度调制 脉冲位置调制 传输速率 频谱效率 laser communication double spatial modulation pulse amplitude modulation pulse position modulation transmission rate spectral efficiency 
光学 精密工程
2020, 28(3): 565
作者单位
摘要
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院 科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 皖西学院 电气与光电工程学院, 安徽 六安 237012
地表气压对温室气体浓度反演具有非常重要的影响。利用地基便携式傅里叶变换光谱仪EM27/SUN观测了敦煌地区H2O, CO2, CH4及CO气体分子的浓度, 获得了2018年6月27日到7月21日敦煌地区大气中XH2O, XCO2, XCH4及XCO的时间序列, 结合敦煌观测数据, 定量分析了地表气压对气体柱-平均摩尔分数Xgas(column-averaged dry air mole fractions, DMFs)反演的影响。结果表明: XH2O, XCO2, XCH4及XCO与地表气压密切相关, 相关系数均高于0.99, 柱总量随地表气压的变化快慢决定柱-平均摩尔分数随地表气压的变化趋势。相比较CO2, CH4及CO 分子, XH2O对地表气压的敏感性较弱, 地表气压改变1 hPa, XH2O, XCO2, XCH4及XCO分别变化0.027 8%, 0.065 9%, 0068 6%和0.062%; 观测期间, H2O, CO2的浓度变化幅度波动较大, XCH4, XCO变化较小, XH2O平均值在2 000×10-6~6 000×10-6变化, 而 XCO2平均值在407.27×10-6~417.60×10-6变化, 敦煌站点XH2O, XCO2, XCH4及XCO的测量精度分别为2.3%, 0.14%, 0.12%及1.7%, XCO2及XCH4的测量精度均优于TCCON网的测量精度; 与GOSAT卫星数据对比结果显示, 地基反演的XCO2, XCH4值均偏大, XCO2的绝对偏差为7.07×10-6, XCH4的绝对偏差为0.025×10-6; 与WACCM数据对比显示, 地基反演XCO2结果多数大于WACCM值, 最大绝对偏差可以达到80×10-6, 地基反演XCH4值小于WACCM值, 最大绝对偏差为0.032×10-6。实时观测数据更能反映当地的具体情况, 研究结果可为我国温暖带干旱性气候温室气体源与汇的研究提供数据支撑和理论基础。
傅里叶变换光谱技术 温室气体 分子摩尔分数 地表气压 Fourier transform infrared spectroscopy greenhouse gases Dry air Mole Fractions(DMFs) GOSAT satellite data surface pressure 
光学 精密工程
2020, 28(3): 573
作者单位
摘要
中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系, 安徽 合肥 230027
微驱动技术由于驱动方式的多样性和应用的广泛性, 在近年来受到了越来越多的关注。本文提出一种利用飞秒激光同时实现微结构加工和旋转驱动的技术。利用双光子聚合加工直径20~30 μm的微转子结构, 然后结合空间光调制器调制出带有光学轨道角动量的光场, 实现对微转子结构的旋转驱动, 并获得了40 r/s的转动速率。详细介绍了利用飞秒激光直写技术加工可运动微转子结构的实验过程与优化参数, 利用空间光调制器生成了不同拓扑荷的涡旋光, 研究了其传播与聚焦特性, 并用于驱动转子的顺、逆时针旋转运动。这种可控光学驱动技术在微流控、光镊技术、靶向药物运输、细胞动态行为等领域具有广阔的应用前景。
飞秒激光 空间光调制 涡旋光 光驱动 femtosecond laser spatial light modulation vortex beam light-driven 
光学 精密工程
2020, 28(3): 584
作者单位
摘要
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 西安卫星测控中心, 陕西 西安 710000
为了满足4 m望远镜控制系统的驱动能力和跟踪精度要求, 本文介绍了基于分段弧形永磁同步电机的望远镜伺服控制系统设计方法。首先, 介绍了基于分段弧形永磁同步电机的控制系统组成; 其次, 给出了望远镜伺服系统的控制模型辨识方法; 然后, 为了实现望远镜大角度调转和小角度阶跃过程中, 系统位置响应快速、无超调, 设计了基于系统最大速度和加速度信息的位置指令整形算法; 最后, 介绍了望远镜控制系统的位置和速度控制策略, 并进行了望远镜的跟踪控制实验。实验结果显示, 当望远镜进行10°的大位置调转和0.2°的小位置阶跃时, 伺服系统能够快速、无振荡地到达指定位置; 望远镜在10 (°)/s速度和3 (°)/s2加速度条件下的正弦引导误差最大值为2.636″, 稳态误差RMS值为0673″。实验结果表明, 所设计的基于分段弧形永磁同步电机的伺服控制系统能够满足4 m望远镜驱动和跟踪精度的要求, 为下一代大口径望远镜控制系统的设计提供了参考。
大口径望远镜 分段弧形永磁同步电机 控制模型 指令整形 large-aperture telescope segmented permanent magnet arc synchronous motor control model command shaper 
光学 精密工程
2020, 28(3): 591
作者单位
摘要
1 衢州学院 浙江省空气动力装备技术重点实验室, 浙江 衢州 324000
2 浙江大学 浙江省三维打印工艺与装备重点实验, 浙江 杭州 310027
3 浙江永力达数控科技股份有限公司, 浙江 衢州 324000
针对数控机床主轴-立柱系统因受热变形而影响机床加工精度的问题, 本文基于能量守恒定律建立了主轴-立柱系统耦合分析模型来获取其热态特性。该模型综合考虑了热源计算、传热系数计算、结构约束以及散热面放置情况等因素, 并采用风速法来获取主轴与空气间的传热系数。为了验证主轴-立柱系统耦合分析模型的有效性, 本文设计并搭建了数控机床热态特性试验平台, 以具体数控机床为研究对象获得了其主轴-立柱系统的温度场分布、热变形以及热平衡时间等热态特性。试验结果表明: 各测点数据中温度的最长绝对误差和最大相对误差分别为0.71 ℃, 294%, 出现在主轴体的测点处, 热变形的绝对误差和相对误差分别为1.49 μm, 8.71%, 采用风速法建立的主轴-立柱系统耦合分析模型所获得的热态特性与试验获得的结果基本一致。本文的研究成果为数控机床减少热误差, 提高精度保持性提供了参考。
数控机床 主轴-立柱系统 风速法 耦合分析 热态特性 精度保持性 CNC machine tool spindle-column system wind speed method coupling analysis thermal characteristics accuracy retention 
光学 精密工程
2020, 28(3): 601
作者单位
摘要
中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所, 四川 绵阳 621900
为解决磁流变抛光中回转对称非球面工件的高效率精确自定位问题, 提出了基于迭代最近点的改进两级定位方法。根据磁流变抛光特性和恒浸深控制要求, 确定了磁流变抛光工件非调平自定位原理。针对经典迭代最近点算法应用于回转对称非球面工件定位存在解不唯一及计算效率低的问题, 构建初始迭代矩阵实现了位姿唯一的指定性匹配, 并提出了空间垂直映射方法, 减小匹配点云的规模, 提高了计算效率。以此为基础, 提出了改进后的两级迭代最近点精确定位方法。最后, 以Φ100 mm凹形抛物面熔石英工件为对象进行了抛光实验。实验结果表明: 改进两级精确定位方法满足磁流变抛光的定位要求, 定位精度在多次实验中均优于9 μm, 平均定位时间为7.3 min, 在保证定位精度的同时提高了工件的定位效率。
磁流变抛光 回转对称非球面 迭代最近点 指定性匹配 垂直映射 magnetorheological polishing rotary symmetrical aspheric workpiece Iterative Closest Point(ICP) specified match vertical mapping 
光学 精密工程
2020, 28(3): 610
作者单位
摘要
1 哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150080
2 哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150080
针对滚动轴承故障识别准确率较低的问题, 本文提出了一种新型滚动轴承故障诊断方法。该方法能够在准确识别滚动轴承故障类型的基础上, 进一步分析故障的严重程度。首先, 通过固有时间尺度分解提取滚动轴承振动信号的最佳固有旋转分量, 突显故障信号的冲击特征; 然后, 利用改进多尺度幅值感知排列熵对信号幅值和频率变化敏感的特性, 计算不同时间尺度下的幅值感知排列熵作为故障特征向量, 改善了多尺度分析中的粗粒化过程, 提升了故障特征提取的稳定性; 最后, 利用故障特征集构建随机森林多分类器, 实现对滚动轴承不同故障类型的识别及严重程度分析, 具有较强的泛化能力。实验结果表明, 与现有滚动轴承故障诊断方法相比, 平均故障识别准确率达到99.25%。该方法能够稳定而有效地提取滚动轴承的故障特征且具有较好的实时性。
滚动轴承 故障诊断 固有时间尺度分解 幅值感知排列熵 随机森林 rolling bearing fault diagnosis intrinsic time-scale decomposition amplitude-aware permutation entropy random forest 
光学 精密工程
2020, 28(3): 621
作者单位
摘要
中国科学技术大学 国家同步辐射实验室, 安徽 合肥 230029
针对大高宽比微结构显影过程中由显影液的对流传质严重受限、光刻胶层厚、显影时间长带来的显影不均匀问题, 提出了基于翘板式摇床辅助的显影方法。利用有限元法模拟了摇床工作时整个样品表面的流场分布以及显影液在不同高宽比微结构光栅表面的流场分布。模拟结果表明, 通过摇床摆动可以实现显影液均匀流动。然后, 提出了快速的显影参数确定方法, 并通过实验给出了沟槽深宽比和显影速率之间的关系, 提供了可参考的显影工艺参数, 并验证了工艺参数的合理性。在显影时间为10~12 min, 显影速率为0.21~0.23 m/s, 沟槽深宽比为2.5, 光刻胶厚度为200 μm的光栅的显影均匀性优于96%。该方法可以实现大高宽比微结构的均匀显影, 满足高质量大高宽比光栅的制作要求。
大高宽比光栅 摇床式辅助显影 沟槽深宽比 均匀流场 high aspect ratio grating shaker-assisted development process the aspect ratio of trench uniform flow 
光学 精密工程
2020, 28(3): 632
作者单位
摘要
1 河源职业技术学院 机电工程学院, 广东 河源 517000
2 广东工业大学 机电工程学院, 广东 广州 510006
为了提升聚合物红外菲涅尔透镜的光学性能, 以其表面微沟槽的成型质量为目标, 提出了一种高效的注射超声辅助成型方法, 并对工艺参数进行了综合质量优化。首先分析了超声振动对聚合物的加热和加压效应, 设计了一套一模两腔的对比试验模具; 接着以红外菲涅尔透镜的调制传递函数MTF和齿形平均高度h为优化质量目标, 设计了四步骤的多目标优化流程, 通过试验设计、基于BP神经网络的质量目标与注射工艺参数关系建模、基于NSGA-Ⅱ的多目标优化和试验验证进行工艺参数的综合优化。实验结果表明: 该多目标优化流程具有很高的精度, MTF和h的平均预测误差MPE分别为4.16%和3.32%; 注射超声辅助成型的菲涅尔透镜微沟槽具有更高的复制质量, 其齿沟槽平均高度h增加了15.6%, 且h值的波动量随着h值的增大而增大, MTF值受齿高h均匀性的影响大于齿高h对其的影响。
注射超声成型 红外菲涅尔透镜 多目标优化 BP神经网络 injection assisted with ultrasonic infrared fresnel lens multi-objective optimization NSGA-Ⅱ NSGA-Ⅱ algorithm Back Propagation(BP) neural network 
光学 精密工程
2020, 28(3): 639
作者单位
摘要
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
在轨维修可以大大的延长空间科学仪器的使用寿命, 节省大量的经济成本。为了实现空间望远镜后端模块的在轨操作和更换, 设计了一套与之对应的接口机构, 能够解决在轨快速定位与安装。根据321运动学定位准则, 详细介绍了该接口机构的内部组成和工作原理; 然后把该接口机构与后端模块进行组件级有限元仿真, 仿真结果表明一阶模态远高于整机基频可以有效地避免发射时候的共振; 设计了一套平面内的工装来模拟后端模块, 利用等效质量法对整个机构进行重力卸载; 搭建实验平台, 利用激光跟踪仪来测量整个后端模块的重复定位安装精度, 实验数据表明, X, Y, Z 3个方向的重复平移定位误差分别为±5.58 μm, ±3.24 μm及±3.63 μm, 优于总体指标±10 μm; 热实验结果表明整个机构可以完全释放由于温度变化产生的形变, 具有很高的热稳定性; 使入射光线和靶面的相对位置持续稳定, 保证了较高的成像质量。为其他空间在轨维护装置提供强有力的参考价值。
在轨维修 接口机构 运动学安装 重复定位精度 热释放 on-orbit maintenance interface mechanism kinematic installation repeated positioning accuracy heat release 
光学 精密工程
2020, 28(3): 649
作者单位
摘要
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 北京航空航天大学 新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室, 北京 100191
在受到陀螺效应、动框架效应等影响后产生的磁力非线性问题是磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)高速转子位置精度下降的主要因素。为解决以上问题, 提高转子位置精度, 本文分析了转子所受磁力的特性, 建立了转子系统非线性动力学模型, 提出了神经网络滑模控制方法。设计滑模控制律, 采用径向基函数神经网络逼近控制律中的非线性模型, 自适应算法根据误差在线调整神经网络的权值, 同时可以保证整个系统的稳定性。仿真和实验结果表明, 所提出方法的转子位置精度达到99%, 稳态误差为0.000 2 mm。神经网络滑模控制可以实现MSCMG转子系统的高精度位置控制。
磁悬浮控制力矩陀螺 磁悬浮转子 高精度位置控制 滑模控制 神经网络 Magnetically Suspended Control Moment Gyroscope (M magnetically suspended rotor high-precision position control sliding mode control neural network 
光学 精密工程
2020, 28(3): 659
作者单位
摘要
1 上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200444
2 上海大学 计算机工程与科学学院, 上海 200444
海面目标跟踪任务是实现水面无人艇自主化航行、智能化作业的重要基础。相比于普通场景的目标跟踪, 海面目标跟踪需要面对目标抖动剧烈及目标尺度变化大等问题。针对海面目标在图像画面中抖动剧烈的问题, 本文提出了搜索区域自适应算法, 该方法通过对海面场景的分割完成了海天线位置的提取, 然后通过海天线运动模型自适应地确定了每帧图像中目标搜索的区域; 针对跟踪过程中海面目标尺度变化较大的问题, 本文通过分割搜索区域的方法实现了目标尺度变化的自适应跟踪。基于相关滤波跟踪框架并结合上述两种改进策略, 在真实的海面目标图像测试序列中, 本文算法相比传统的相关滤波算法在跟踪精度上至少提升了26%, 有效地解决了目标抖动剧烈和尺度自适应问题, 提高了海面目标跟踪任务的精度。
搜索区域自适应 目标尺度自适应 图像分割 海面目标跟踪 search area adaptive target scale adaptive image segmentation sea surface target tracking 
光学 精密工程
2020, 28(3): 671
作者单位
摘要
战略支援部队信息工程大学, 河南 郑州 450002
本文针对可见光通信系统中以用户为中心协作联合传输的预编码技术进行了深入研究。首先, 利用信息论工具, 在以用户为中心的协作策略中推导出和速率表达式。然后, 考虑发光二极管的光功率限制以及光信号非负性等约束条件, 得到最大和速率优化问题, 在此基础上, 将最大和速率最优波束形成设计问题转化为凸优化问题, 并利用CVX标准优化包对其进行有效求解。最后, 将所提出的以用户为中心的传输方法与传统的以网络为中心的传输方法及非协作传输方式进行比较。仿真结果显示, 采用迫零预编码(Zero Forcing, ZF)技术在系统总和速率方面有较大提高, 约提高2 nats/s/Hz。以用户为中心的协作方式相比较于非协作、以小区为中心传统协作方式, 系统性能更优。
可见光通信 以用户为中心 预编码 迫零 凸优化 visible light communication user-centric precoding Zero Forcing(ZF) convex optimization 
光学 精密工程
2020, 28(3): 686
作者单位
摘要
1 北京邮电大学 计算机学院, 北京 100876
2 北京邮电大学 数字媒体与设计艺术学院, 北京 100876
3 北京邮电大学 网络技术研究院, 北京100876
4 北京邮电大学 世纪学院, 北京 102101
针对当前图像多标签分类方法只关注图像本体类别信息(本体), 而忽略图像深层次语义信息(隐义)的问题, 本文提出了一种“本体-隐义”融合学习的图像多标签分类模型。该模型首先利用CNN中间层和较高层分别学习图像的本体信息和隐义信息, 然后利用本体信息与隐义信息之间的依赖关系设计了融合学习模型, 同时对提出模型的不同中间层特征和模型的不同结构进行了深入研究, 最终实现了对图像中多类别以及各类别蕴含的隐义信息分类。在传统民族服饰纹样图像数据集上进行实验, 得到图像本体多标签分类和隐义多标签分类的mAP分别为0.88和0.82; 在Scene数据集上进行对比实验, 本文模型在Hamming loss, One-error以及Average precision指标上分别优于其他最好方法0.103, 0091和0.083, 实验结果证明了本文方法的有效性和优越性。
多标签分类 融合学习 传统民族服饰 语义理解 multi-label classification fusion learning traditional national costumes semantic understanding 
光学 精密工程
2020, 28(3): 695
作者单位
摘要
1 阳光学院 人工智能学院, 福建 福州 350015
2 福州大学 物理与信息工程学院, 福建 福州 350108
为了解决浮选气泡图像现场光照不均、相互黏结、无背景等造成的直接形态特征提取困难问题, 提出一种浮选气泡NSCT域(Nonsubsampled Contourlet Transform, NSCT)的多尺度等效形态特征提取及识别方法。通过NSCT变换将浮选气泡图像分解为低频图像和多尺度多方向高频图像; 采用模糊集方法二值化低频子带图像, 得到气泡亮点图像, 提取亮点个数、平均面积、标准差和椭圆率作为等效形态尺寸特征; 结合方向模极大值及差分盒维法计算各高频子带方向的分形维数; 最后, 将多尺度多方向等效形态尺寸特征作为输入, 采用量子门节点神经网络对三类浮选气泡图像进行状态识别和分类。实验结果表明, 该方法提取的等效形态尺寸特征与分类的相关性高, 能对三种类型浮选气泡图像进行有效的状态识别, 平均识别准确率达95.1%。本算法的识别准确率较几种流行算法而言有较大提高, 适用于动态变化的浮选工况。
浮选气泡图像 多尺度等效形态特征 NSCT变换 模糊集二值化 模极大值分形维数 量子门节点神经网络 flotation bubble image multi-scale equivalent morphological features Nonsubsampled Contourlet Transform(NSCT) binarization of fuzzy sets modulus maxima fractal dimension quantum gate node neural network 
光学 精密工程
2020, 28(3): 704
作者单位
摘要
福州大学 机械工程及自动化学院, 福建 福州 350116
研究了空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击破坏的避撞柔顺控制问题。为此在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺机构——旋转型串联弹性执行器(RSEA), 可通过其内置弹簧的变形来吸收捕获过程目标航天器对空间机器人关节产生的冲击能量; 结合所设计的开、关机控制策略可保证关节冲击力矩受限在安全范围内。首先利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的分体系统动力学模型; 之后, 结合冲量定理、系统运动几何关系及力的传递规律, 建立了捕获后两者形成混合体系统的动力学模型, 并计算了碰撞过程的冲击力矩; 最后, 基于无源性理论提出了一种神经网络鲁棒H∞避撞柔顺控制策略以实现失稳混合体的镇定控制。数值仿真结果表明, 配置柔顺空间机器人在捕获碰撞阶段最大可减小61.9%的关节冲击力矩, 最小也可减小47.8%; 而在镇定运动阶段, 各关节冲击力矩均受限在安全范围内, 实现了对关节有效地保护。
柔顺机构 空间机器人 捕获航天器操作 无源性理论 避撞柔顺控制 神经网络鲁棒H∞控制 compliant mechanism space robot capture spacecraft operation passivity theory collision avoidance compliant control neural network robust H-infinity control 
光学 精密工程
2020, 28(3): 717
作者单位
摘要
杭州电子科技大学 自动化学院, 浙江 杭州 310018
为解决SAR图像目标识别中样本缺乏和方位角敏感问题, 提出了一种基于DRGAN和SVM的SAR图像目标识别算法。首先, 采用多尺度分形特征对SAR图像进行增强, 经过分割得到目标二值图像, 基于Hu二阶矩估计目标的方位角。然后对估计得到的目标方位角进行量化编码, 结合原始图像作为输入, 对设计的DRGAN模型参数进行训练与优化。由于DRGAN中的深度生成模型将目标姿态与外观表示进行解耦设计, 故可利用该模型将SAR图像样本变换到同一方位角区间。基于变换后的训练样本分别提取归一化灰度特征, 利用SVM训练分类器。采用MSTAR数据集在多个不同操作条件下对提出的算法进行测试, 实验结果表明, 在带变体的标准操作条件下, 能够达到97.97%的分类精度, 优于部分基于CNN模型的分类精度, 在4种扩展操作条件下的分类精度分别为97.83%, 91.77%, 97.11%和97.04%, 均优于传统方法的分类精度。在SAR图像目标方位角估计存在一定误差的情况下, 训练得到的GAN模型作为SAR图像目标旋转估计器, 能够使得在不进行复杂样本预处理的前提下, 仍然取得较高的SAR图像目标识别精度。关 键 词:
合成孔径雷达图像 目标识别 生成对抗网络 方位角估计 支持向量顶 Synthetic Aperture Radar(SAR) image target recognition generative adversarial networks aspect angle estimation Support Vector Machine(SVM) 
光学 精密工程
2020, 28(3): 727
作者单位
摘要
1 湖北工业大学 机械工程学院, 湖北 武汉 430068
2 现代制造质量工程湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430068
为解决弱光图像增强过程中对比度增强和自然度保持问题, 本文提出一种基于Retinex的多图像自适应加权最小二乘滤波算法。首先, 在图像的每个像素的R, G, B三通道中找到最大亮度值作为该像素的初始照明估计, 根据Retinex理论生成反射图像, 并通过形态学闭合方式调整反射图; 接着, 在初始照明图基础上, 通过Gamma变换和双对数变换方法分别生成全局对比度增强图和局部自然度保持照明图; 随后, 设计一种自适应加权最小二乘滤波融合策略将三幅照明图融合成最终照明估计图; 最后合成上述的最终照明图和调整反射图以获得弱光增强后的图像。实验结果表明, 本文所提出算法的亮度顺序差(LOE)及盲图像质量评价(NIQE)值更低, 可同时降低到4.12和3.25, 较其他方法表现出更好的增强效果。证明了本文算法能有效地增强弱光图像对比度, 同时保持图像自然度。
弱光增强 加权最小二乘滤波 形态学闭合 图像自然度 low light enhancement retinex Retinex weighted least square filtering morphological closing image naturalness saving 
光学 精密工程
2020, 28(3): 736
作者单位
摘要
海军工程大学 电气工程学院, 湖北 武汉 430033
基于深度学习的视频火灾探测模型的训练依赖于大量的正负样本数据, 即火灾视频和带有干扰的场景视频。由于很多室内场合禁止点火, 导致该场景下的火灾视频样本不足。本文基于生成对抗网络, 将其他相似场景下录制的火焰迁移到指定场景, 以此增广限制性场合下的火灾视频数据。文中提出将火焰内核预先植入场景使之具备完整的内容信息, 再通过添加烟雾和地面反射等风格信息, 完成场景与火焰的融合。该方法克服了现有多模态图像转换方法在图像转换过程中因丢失信息而造成的背景失真问题。同时为减少数据采集工作量, 采用循环一致性生成对抗网络以解除训练图像必须严格匹配的限制。实验表明, 与现有多模态图像转换相比, 本文方法可以保证场景中火焰形态的多样性, 迁移后的场景具有较高的视觉真实性, 所得结果的FID与LPIPS值最小, 分别为119.6和0.134 2。
图像转换 生成对抗网络 火焰图像合成 循环一致性生成对抗网络 image translation generative adversarial network fire image synthesis Cycle Generative Adversarial Network(CycleGAN) 
光学 精密工程
2020, 28(3): 745