2017年 10卷 第3期
2017, 10(3): 283-299.
doi: 10.3788/CO.20171003.0283
摘要
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摘要:
光学自由曲面因其表面自由度较大，可以针对性地提供或矫正不同的轴上或轴外像差，同时满足现代光学系统高性能、轻量化和微型化的要求，逐渐成为现代光学工程领域的热点。自由曲面的检测技术已经成为制约其应用的最重要因素，而目前精密光学自由曲面的检测手段仍然沿用非球面检测方法。本文回顾了近年来的自由曲面检测发展历程，对目前主流的非接触式检测方法（微透镜阵列法，结构光三维检测法，相干层析术，干涉检测法）进行了重点介绍；总结了非球面检测方法运用到自由曲面检测中的技术难点，同时结合这些技术难点，展望了自由曲面检测的未来发展新趋势，主要集中在非旋转对称像差的动态补偿、分区域像差的回程误差校准及子孔径拼接技术。
光学自由曲面因其表面自由度较大，可以针对性地提供或矫正不同的轴上或轴外像差，同时满足现代光学系统高性能、轻量化和微型化的要求，逐渐成为现代光学工程领域的热点。自由曲面的检测技术已经成为制约其应用的最重要因素，而目前精密光学自由曲面的检测手段仍然沿用非球面检测方法。本文回顾了近年来的自由曲面检测发展历程，对目前主流的非接触式检测方法（微透镜阵列法，结构光三维检测法，相干层析术，干涉检测法）进行了重点介绍；总结了非球面检测方法运用到自由曲面检测中的技术难点，同时结合这些技术难点，展望了自由曲面检测的未来发展新趋势，主要集中在非旋转对称像差的动态补偿、分区域像差的回程误差校准及子孔径拼接技术。
2017, 10(3): 300-309.
doi: 10.3788/CO.20171003.0300
摘要:
剪切散斑干涉技术是一种非接触测量物体变形缺陷的光学无损测量方法，其通过计算物体变形前后的散斑图中的相位获取被测物的应变缺陷信息。近年来该技术在航空、航天等工业无损检测领域得到了广泛的应用。本文从系统关键技术、散斑图像处理技术两方面介绍了剪切散斑干涉技术的研究进展，详细论述了多种剪切装置实现大视角测量、空间载波实现动态测量、多种图像处理算法的一系列剪切散斑干涉技术；最后介绍了剪切散斑干涉技术的国内外应用进展，展望了剪切散斑干涉技术在动态测量、光滑表面测量及定量反算形变量等方面的发展趋势。
剪切散斑干涉技术是一种非接触测量物体变形缺陷的光学无损测量方法，其通过计算物体变形前后的散斑图中的相位获取被测物的应变缺陷信息。近年来该技术在航空、航天等工业无损检测领域得到了广泛的应用。本文从系统关键技术、散斑图像处理技术两方面介绍了剪切散斑干涉技术的研究进展，详细论述了多种剪切装置实现大视角测量、空间载波实现动态测量、多种图像处理算法的一系列剪切散斑干涉技术；最后介绍了剪切散斑干涉技术的国内外应用进展，展望了剪切散斑干涉技术在动态测量、光滑表面测量及定量反算形变量等方面的发展趋势。
2017, 10(3): 310-320.
doi: 10.3788/CO.20171003.0310
摘要:
空间目标观测策略是决定天基光学监视系统性能的关键因素之一，本文对国外已服役和在研的GEO目标天基光学监视系统及其观测策略进行了讨论。首先，概述了GEO目标天基光学监视技术的发展历程；然后，简要分析了GEO目标的轨道特性，并在此基础上讨论了主流的GEO目标监视策略；最后，针对近年来呈现出的监视系统小型化和自主运行的发展趋势，对SBO载荷与3U CubeSat星座的目标监视性能进行了仿真评估。实验结果表明：SBO载荷和CubeSat卫星均可探测1 m直径的GEO目标，单颗SBO载荷探测GEO目标比例大于51%，观测弧长和重访周期分别约1.2°和1.5天，CubeSat星座则可探测超过90%的GEO目标，平均观测弧长和重访周期分别大于67.1°和小于0.4天。由此可见微小卫星通过组网能实现对GEO目标的独立自主监视。
空间目标观测策略是决定天基光学监视系统性能的关键因素之一，本文对国外已服役和在研的GEO目标天基光学监视系统及其观测策略进行了讨论。首先，概述了GEO目标天基光学监视技术的发展历程；然后，简要分析了GEO目标的轨道特性，并在此基础上讨论了主流的GEO目标监视策略；最后，针对近年来呈现出的监视系统小型化和自主运行的发展趋势，对SBO载荷与3U CubeSat星座的目标监视性能进行了仿真评估。实验结果表明：SBO载荷和CubeSat卫星均可探测1 m直径的GEO目标，单颗SBO载荷探测GEO目标比例大于51%，观测弧长和重访周期分别约1.2°和1.5天，CubeSat星座则可探测超过90%的GEO目标，平均观测弧长和重访周期分别大于67.1°和小于0.4天。由此可见微小卫星通过组网能实现对GEO目标的独立自主监视。
2017, 10(3): 321-330.
doi: 10.3788/CO.20171003.0321
摘要:
自激光器问世以来，激光在各领域的需求和应用非常广泛，而随着高功率激光装备输出功率不断提高，重量与体积已成为制约高功率激光装备应用与发展的关键问题之一。由于当前高功率激光装备仍将提高输出功率作为其发展目标，加之高功率激光装备结构功能复杂、能量转换效率低等特点，制约了高功率激光装备小型化、轻量化的实现。本文在介绍高功率激光装备的特点及其小型化、轻量化技术约束的基础上，综述了装备常用小型化、轻量化技术应用、新型高功率激光技术应用、提高能量转换效率及散热效率等高功率激光装备小型化、轻量化实现途径，以及各种技术途径在高功率激光装备中已有的应用。根据高功率激光装备现状及特点，其在小型化、轻量化方面具有很大的发展空间及应用前景。
自激光器问世以来，激光在各领域的需求和应用非常广泛，而随着高功率激光装备输出功率不断提高，重量与体积已成为制约高功率激光装备应用与发展的关键问题之一。由于当前高功率激光装备仍将提高输出功率作为其发展目标，加之高功率激光装备结构功能复杂、能量转换效率低等特点，制约了高功率激光装备小型化、轻量化的实现。本文在介绍高功率激光装备的特点及其小型化、轻量化技术约束的基础上，综述了装备常用小型化、轻量化技术应用、新型高功率激光技术应用、提高能量转换效率及散热效率等高功率激光装备小型化、轻量化实现途径，以及各种技术途径在高功率激光装备中已有的应用。根据高功率激光装备现状及特点，其在小型化、轻量化方面具有很大的发展空间及应用前景。
2017, 10(3): 331-339.
doi: 10.3788/CO.20171003.0331
摘要:
遥感图像匹配是图像校正、拼接的基础。由于遥感图像特征相似度大，重叠区域小，遥感图像对匹配算法的要求更高。本文首先从特征检测、特征描述和特征匹配三个方面，比较了SIFT算法和SURF算法在计算速度和准确度方面性能，然后研究了算法对遥感图像重叠度、度量距离的要求，并针对SURF算法对特征方向误差敏感的特点，提出一种oSURF算法；最后利用卫星1A级条带遥感图像分析各个算法优劣性。测试结果表明，相比于SIFT算法，SURF算法计算速度为SIFT的3倍，需要的图像重叠宽度仅为1.25倍描述向量尺寸，而在保证同样匹配率的情况下，SIFT算法则需要图像重叠宽度为1.5倍描述向量尺寸。本文提出的oSURF算法在保证计算速度的同时，准确度相对于SURF算法提升5%~10%，因此，oSURF算法更适合1A级条带遥感图像的拼接。
遥感图像匹配是图像校正、拼接的基础。由于遥感图像特征相似度大，重叠区域小，遥感图像对匹配算法的要求更高。本文首先从特征检测、特征描述和特征匹配三个方面，比较了SIFT算法和SURF算法在计算速度和准确度方面性能，然后研究了算法对遥感图像重叠度、度量距离的要求，并针对SURF算法对特征方向误差敏感的特点，提出一种oSURF算法；最后利用卫星1A级条带遥感图像分析各个算法优劣性。测试结果表明，相比于SIFT算法，SURF算法计算速度为SIFT的3倍，需要的图像重叠宽度仅为1.25倍描述向量尺寸，而在保证同样匹配率的情况下，SIFT算法则需要图像重叠宽度为1.5倍描述向量尺寸。本文提出的oSURF算法在保证计算速度的同时，准确度相对于SURF算法提升5%~10%，因此，oSURF算法更适合1A级条带遥感图像的拼接。
2017, 10(3): 340-347.
doi: 10.3788/CO.20171003.0340
摘要:
为了实现对高压输电线存在的故障隐患进行自动检测，本文提出了一种自适应特征引流管故障隐患智能识别算法。首先，分析了故障引流子的红外热图像特征，把故障分为两类：明显发热和微弱发热；其次，针对引流管所引起的明显发热，采用改进的Otsu阈值分割法对红外图像进行分割，运用改进的Sobel算子提取轮廓；第三，用种子填充算法分离连通域，通过Thread特征判断是否为故障引流管；最后，进入引流管所引起的微弱小区域发热识别，运用高压输电线平行特征寻找主干线区域，在主干线区域检测Harris角点，通过STWN特征判断是否为故障引流子。实验结果表明，发热隐患的识别率为94.6%，漏检率为2.2%，误识别率为5.5%。
为了实现对高压输电线存在的故障隐患进行自动检测，本文提出了一种自适应特征引流管故障隐患智能识别算法。首先，分析了故障引流子的红外热图像特征，把故障分为两类：明显发热和微弱发热；其次，针对引流管所引起的明显发热，采用改进的Otsu阈值分割法对红外图像进行分割，运用改进的Sobel算子提取轮廓；第三，用种子填充算法分离连通域，通过Thread特征判断是否为故障引流管；最后，进入引流管所引起的微弱小区域发热识别，运用高压输电线平行特征寻找主干线区域，在主干线区域检测Harris角点，通过STWN特征判断是否为故障引流子。实验结果表明，发热隐患的识别率为94.6%，漏检率为2.2%，误识别率为5.5%。
2017, 10(3): 348-354.
doi: 10.3788/CO.20171003.0348
摘要:
点云分割是点云分类、识别以及三维重建等处理的基础，分割结果对后续应用影响巨大。本文提出利用连通点集改进局部表面凸性算法中邻近点关系的方法，解决目前激光三维成像系统点云分割算法在处理复杂环境散乱点云时存在分割过度及分割不充分的问题，通过主顶点与周围点构成连通集，作为分割判断局部子点集，形成有效分割区域。该方法解决了常用点云分割方法无法对形状不规则物体进行有效分割的问题，提高了分割精度。算法实验结果表明，相比于最小切割算法和区域生长算法，基于连通点集的改进局部表面凸性算法对实际路面环境信息的分割效果更好，并能在一定程度上避免分割过度和分割不充分的情况，证明该方法适用于复杂环境散乱点云数据分割。
点云分割是点云分类、识别以及三维重建等处理的基础，分割结果对后续应用影响巨大。本文提出利用连通点集改进局部表面凸性算法中邻近点关系的方法，解决目前激光三维成像系统点云分割算法在处理复杂环境散乱点云时存在分割过度及分割不充分的问题，通过主顶点与周围点构成连通集，作为分割判断局部子点集，形成有效分割区域。该方法解决了常用点云分割方法无法对形状不规则物体进行有效分割的问题，提高了分割精度。算法实验结果表明，相比于最小切割算法和区域生长算法，基于连通点集的改进局部表面凸性算法对实际路面环境信息的分割效果更好，并能在一定程度上避免分割过度和分割不充分的情况，证明该方法适用于复杂环境散乱点云数据分割。
2017, 10(3): 355-362.
doi: 10.3788/CO.20171003.0355
摘要:
为了提高航空光电稳定平台的视轴稳定精度，采用跟踪微分器作为滤波器，对输入信号进行滤波，改善随机噪声对控制精度带来的负面影响。跟踪微分器会产生相位延迟，根据它得到的滤波信号及其微分信号，采用预报方法对滤波后的信号进行补偿。算法不依赖对象模型，计算量较小，易于实现。本文阐述了该算法的离散数学表达式，给出数值仿真分析，并在某型航空光电稳定平台上进行实验验证。结果表明：相较于巴特沃斯滤波器，跟踪微分器提高了阶跃响应的性能，最大超调量减少10.5%，上升时间缩短了4.5 ms，调整时间缩短50 ms。基本满足控制系统的实时性、快速性、稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。研究表明跟踪微分器对于航空光电稳定平台的精度提高，有比较好的实用价值。
为了提高航空光电稳定平台的视轴稳定精度，采用跟踪微分器作为滤波器，对输入信号进行滤波，改善随机噪声对控制精度带来的负面影响。跟踪微分器会产生相位延迟，根据它得到的滤波信号及其微分信号，采用预报方法对滤波后的信号进行补偿。算法不依赖对象模型，计算量较小，易于实现。本文阐述了该算法的离散数学表达式，给出数值仿真分析，并在某型航空光电稳定平台上进行实验验证。结果表明：相较于巴特沃斯滤波器，跟踪微分器提高了阶跃响应的性能，最大超调量减少10.5%，上升时间缩短了4.5 ms，调整时间缩短50 ms。基本满足控制系统的实时性、快速性、稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。研究表明跟踪微分器对于航空光电稳定平台的精度提高，有比较好的实用价值。
2017, 10(3): 363-369.
doi: 10.3788/CO.20171003.0363
摘要:
乙醇柴油是柴油替代品的一种，它的使用越来越广泛，乙醇柴油品质由许多指标决定，采用传统方法检测这些指标不仅价格昂贵而且耗时长。近红外光谱技术是一种廉价、快速实时在线检测乙醇柴油品质的有效方法。本文采用近红外光谱技术结合最小二乘支持向量机检测了乙醇柴油的密度、粘度和乙醇含量，比较了线性和非线性校正技术（主成分回归、偏最小二乘回归和最小二乘支持向量机）对乙醇柴油品质的分析效果，同时也比较了不同预处理方法对预测模型能力的影响。实验结果表明，最小二乘支持向量机优于主成分回归和偏最小二乘回归模型，其对乙醇柴油密度、粘度、乙醇含量建模效果最优，相关系数分别是0.995 8、0.995 7和0.995 3；预测均方根误差分别为0.000 68、0.011 3和0.571 4。
乙醇柴油是柴油替代品的一种，它的使用越来越广泛，乙醇柴油品质由许多指标决定，采用传统方法检测这些指标不仅价格昂贵而且耗时长。近红外光谱技术是一种廉价、快速实时在线检测乙醇柴油品质的有效方法。本文采用近红外光谱技术结合最小二乘支持向量机检测了乙醇柴油的密度、粘度和乙醇含量，比较了线性和非线性校正技术（主成分回归、偏最小二乘回归和最小二乘支持向量机）对乙醇柴油品质的分析效果，同时也比较了不同预处理方法对预测模型能力的影响。实验结果表明，最小二乘支持向量机优于主成分回归和偏最小二乘回归模型，其对乙醇柴油密度、粘度、乙醇含量建模效果最优，相关系数分别是0.995 8、0.995 7和0.995 3；预测均方根误差分别为0.000 68、0.011 3和0.571 4。
2017, 10(3): 370-375.
doi: 10.3788/CO.20171003.0370
摘要:
以超连续谱激光器作为捕获光源，首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统，实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置，采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换，计算得到功率谱，与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明，捕获光束的功率为28 mW时，光阱刚度达到1.3×10-6 N/m，高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同，超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势，通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。
以超连续谱激光器作为捕获光源，首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统，实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置，采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换，计算得到功率谱，与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明，捕获光束的功率为28 mW时，光阱刚度达到1.3×10-6 N/m，高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同，超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势，通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。
2017, 10(3): 376-382.
doi: 10.3788/CO.20171003.0376
摘要:
波长定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础。针对星载大气微量成分探测仪视场大、波长宽、空间分辨率和波长分辨率高的特点，建立了基于中阶梯衍射光栅的波长定标装置。中阶梯光栅因其较少的线密度和较大的闪耀角工作在较高的闪耀级次，光谱范围宽且具有较高的分辨率，可在工作波段内一次性输出多条分布较为均匀的谱线，克服了传统定标方式的缺点，提高了定标精度。本文首先介绍了波长定标装置的工作原理，接着利用该装置对高光谱大气微量成份探测仪进行波长定标，通过寻峰和回归分析给出载荷的波长定标方程，并利用标准汞灯谱线对定标结果进行检验。结果表明：高光谱大气微量成份探测仪的像元和波长近似满足线性分布规律，定标不确定度为0.025 8 nm，汞灯特征谱线的定标值和标准值偏差最大不超过0.043 5 nm，证明了定标结果的准确性。
波长定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础。针对星载大气微量成分探测仪视场大、波长宽、空间分辨率和波长分辨率高的特点，建立了基于中阶梯衍射光栅的波长定标装置。中阶梯光栅因其较少的线密度和较大的闪耀角工作在较高的闪耀级次，光谱范围宽且具有较高的分辨率，可在工作波段内一次性输出多条分布较为均匀的谱线，克服了传统定标方式的缺点，提高了定标精度。本文首先介绍了波长定标装置的工作原理，接着利用该装置对高光谱大气微量成份探测仪进行波长定标，通过寻峰和回归分析给出载荷的波长定标方程，并利用标准汞灯谱线对定标结果进行检验。结果表明：高光谱大气微量成份探测仪的像元和波长近似满足线性分布规律，定标不确定度为0.025 8 nm，汞灯特征谱线的定标值和标准值偏差最大不超过0.043 5 nm，证明了定标结果的准确性。
2017, 10(3): 383-390.
doi: 10.3788/CO.20171003.0383
摘要:
在高数值孔径（NA）投影光刻物镜中，随着数值孔径的增加，非球面的偏离度越来越大。对这种大偏离度非球面进行亚纳米量级的检测，一直是光学检测的一大难题。本文首先对一偏离度超过500 μm的偶次高次非球面进行了计算全息图（Computer-Generated Hologram，CGH）设计，设计出了满足高精度面形检测和刻蚀加工要求的CGH。然后，针对此设计方案，定量分析了CGH的成像畸变及畸变对像差分析的影响。分析结果表明，不同径向位置的成像倍率偏差（畸变）最大达到了2.7:1，并且由于畸变的存在，低阶像差衍生出了明显的高阶像差。最后，针对用CGH检测大偏离度非球面时出现的成像畸变，提出了采用光线追迹与最小二乘法相结合的成像畸变的校正方法，并通过实验验证了此方法的准确性。实验结果表明，畸变校正之后相对剩余残差小于0.2%，可以满足高精度非球面检测加工的要求。
在高数值孔径（NA）投影光刻物镜中，随着数值孔径的增加，非球面的偏离度越来越大。对这种大偏离度非球面进行亚纳米量级的检测，一直是光学检测的一大难题。本文首先对一偏离度超过500 μm的偶次高次非球面进行了计算全息图（Computer-Generated Hologram，CGH）设计，设计出了满足高精度面形检测和刻蚀加工要求的CGH。然后，针对此设计方案，定量分析了CGH的成像畸变及畸变对像差分析的影响。分析结果表明，不同径向位置的成像倍率偏差（畸变）最大达到了2.7:1，并且由于畸变的存在，低阶像差衍生出了明显的高阶像差。最后，针对用CGH检测大偏离度非球面时出现的成像畸变，提出了采用光线追迹与最小二乘法相结合的成像畸变的校正方法，并通过实验验证了此方法的准确性。实验结果表明，畸变校正之后相对剩余残差小于0.2%，可以满足高精度非球面检测加工的要求。
