机器视觉技术在大坝表面变形监测中的适用性研究

针对大坝表面变形自动化监测中GNSS系统垂直位移监测精度低、费用昂贵和静力水准仪布设难度大、维修成本高等问题,利用机器视觉技术对大坝表面变形进行监测。室内试验结果表明,相机与标靶距离在100 m范围内,机器视觉的测量精度可达到亚毫米级,且水平和垂直变形位移精度相近。由误差分析可知,标靶与相机的距离与测量精度有明显的相关性,而环境因素是影响远距离监测精度的重要因素,并利用大坝视准线原理优化了机器视觉监测系统。最后以浙江省大力塘水库为试点,对大坝表面变形进行实时监测,结果表明,机器视觉技术完全可满足实际工程需求,且优化后的机器视觉测量技术可明显提高监测数据的精度和稳定性。

蒙特卡罗模拟机架和多叶准直器误差对旋转放疗剂量的影响

研究在常规直线加速器实施快速旋转调强放疗(IMAT)治疗过程中,内置多叶准直器(MLCs)和机架旋转误差对放疗剂量的影响。随机选择7例脑胶质瘤患者,并在常规直线加速器Varian 23EX上设计IMAT计划,对MLCs和机架分别引入不同大小误差。通过不一致指数和剂量体积直方图(DVH)评估引入误差对IMAT放疗临床剂量的影响。对于单侧MLCs随机误差,当MLCs随机误差达2 mm时计划靶体积平均剂量(PTV-Dmean)增加了约2.7%。当MLCs一侧外扩MLC-1 mm、MLC-2 mm、MLC-rnd时导致其PTV-Dmean平均偏差分别为1.12%、2.15%和1.15%,晶体的平均剂量偏差分别为5.25%、9.97%和5.49%。对于MLC两组叶片分别偏移±2 mm时导致PTV平均剂量的最大偏差为0.8%,晶体和脑干的最大剂量和平均剂量分别增加了11.4%、15.8%和1.99%、1.07%。引入机架角度误差,计划靶体积最小剂量(PTV-Dmin)和PTV-Dmean最大剂量分别降低了2.75%和0.35%。导致危及器官(OAR)的DVH的剂量学偏差变化较大,尤其对于晶体当机架偏差为(−2°)时晶体的最大剂量和平均剂量分别偏高达16.9%和38.5%。机架和MLCs误差对OAR的受量均产生较大剂量偏差。随机误差导致的MLCs剂量偏差受叶片位移误差的大小以及在特定弧段处的射束子野权重影响,MLCs误差(−2 mm或+2 mm)时产生的剂量偏差最大。机架旋转误差对靶区PTV剂量分布的影响不大,但是对于OAR会产生较大的剂量偏差。

MLC运动误差对不同射野面积的鼻咽癌容积调强计划的影响

目的 研究多叶准直器运动误差(Multi-Leaf Collimator Error,MLC_(error))对不同射野平均面积(Mean Aperture Area,MAA)的鼻咽癌容积调强的影响。方法 选取30例鼻咽癌患者为研究对象,每例患者的原始计划导出后使用Python编译,依据不同的MLC_(error)制作6组模拟计划(±0.2 mm、±0.5 mm和±1.0 mm)。对比原始计划与模拟计划的剂量学参数和验证通过率,分析MLC_(error)和MAA对计划验证的影响。其中,将鼻咽肿瘤计划靶区(Planning Target Volume,PTV)与颈部转移淋巴结肿瘤靶区通过布尔运算整合为PTV69。结果 随着MLC_(error)的变化(-1~1 mm),PTV69、原发灶高危亚临床靶区和中危亚临床靶区的剂量梯度分别为6.1、6.0、6.3%/mm(P<0.05);危及器官(Organ At Risk,OAR)的剂量梯度均高于靶区剂量梯度。脊髓、脑干、左侧腮腺、右侧腮腺、口腔和喉的剂量梯度分别为10.6、10.5、12.3、12.0、8.1、11.2%/mm(P<0.05)。在对射野面积、MLC_(error)及验证通过率关系的研究中发现,不同MAA计划的验证通过率差异随MLC_(error)的增加而增大;当MLC_(error)误差达到±1.0 mm时,不同MAA计划的验证通过率差异最大(51.7%~90.2%)。结论 相较于靶区,控制MLC_(error)更有利于OAR的保护。对于鼻咽癌等复杂的放疗计划,建议将MLC_(error)精度控制在0.5 mm以内并降低小子野使用,以保护危及器官,保证计划执行的精确度。

炮管直线度激光检测设备研究

本文采用激光准直技术和光电探测技术检测火炮身管内膛的直线度误差 ,代替传统光学检测方法 ,实现炮管直线度的无损自动检测。

轴角编码器测量中偏心带来的误差分析

介绍了应运多面体和自准直光管组合测量高准确度编码器角度的原理和方法,具体分析了多面体中心和编码器轴中心偏心时对测量角度产生的测量误差,并对自准直光管光轴和多面体中心、编码器轴中心两者偏心连线不重合时产生的测量误差进行了分析。同时对两中心偏心的方向进行了判定.实验证明,多面体中心与编码器轴中心不重合时对测量将产生按正弦或余弦规律变化的系统误差,同时自准直光管光轴和两者中心连线不重合对测量结果将不会产生影响.

大尺寸筒状设备圆度误差测量系统

为了对大尺寸筒状设备进行圆度误差评定,研制了大尺寸筒状设备圆度误差测量系统。其结合了激光准直、图像处理等多方面技术对大尺寸筒状设备的圆度误差评定进行研究。首先,介绍了系统获取大尺寸筒状设备圆度数据的方式。然后,根据圆度数据的获取方式,提出了基于相邻测点位置关系的最小外接圆过滤算法。最后,验证该算法的过滤效率,并与同类算法在解算时间、解算结果两方面进行比较。实验结果表明:最小外接圆过滤算法解算时间较以往同类算法缩短了30%以上。系统CCD测量杆的测量精度达到0.7 mm。大尺寸筒状设备圆度误差测量系统满足工程需要,可对大尺寸筒状设备进行有效圆度误差评定。

棱脊大角度倾斜下的瞄准误差分析

制导系统采用惯性测量组合系统的方案时,需要利用光电瞄准设备将精确的大地方位信息传给该组合系统。通常是通过对惯性测量组合系统的棱镜的准直测量实现初始方位对准。而该组合系统工作时不会进行物理调平,因此在准直测量时直角棱镜的棱脊处于非水平状态。直角棱镜的棱脊倾斜必然会带来方位瞄准误差,针对此问题,建立了棱镜棱脊倾斜情况下自准直测量的通用数学模型,给出了精确的测角误差公式。对棱脊大角度倾斜带来的瞄准问题进行了分析,提出了解决方案及误差补偿方法。通过搭建模拟平台,利用高精度光电测量设备进行了实验,验证了数学模型的正确性及补偿方法的有效性。

大口径、长焦距平行光管装调技术研究

主要以焦距7500mm、口径750mm的大型牛顿式平行光管的装调与标定方法为研究对象。该平行光管作为某空间光学系统的检测与标定基准,因此对其装调后的像质稳定性、出射光束平行性、口径对称性、出射光束水平性等参数都提出了极高的要求。从平行光管的关键指标参数要求出发,归纳了Φ750mm平行光管进行初步装调,再研究精密装调的技术原理和方案,分析了可能存在的失调量、产生原因与对应的调整方法。介绍了干涉辅助装调的实验过程和其中遇到的问题与解决方法,最终得到了满足技术要求的装调结果。

机械误差对肿瘤精确旋转放疗射野变形的影响及补偿算法研究

放疗设备的机械误差是影响肿瘤放射治疗精确性的重要因素,且随设备使用时间呈现逐渐增大趋势,因此研究机械误差对治疗效果的影响和相应解决方法具有重要意义。首先对旋转放疗设备射线投递的过程进行数学建模,得到治疗头各自由度机械误差对等中心面射野形状的影响规律,并提出了一种用于衡量射野变形的有限点二维搜索方法;然后,通过进行射野区域分割、最佳逼近射野计算以及多叶光栅顶点坐标反算,提出了一种基于多叶光栅的射野变形补偿算法;最后,对四个临床上的实际射野进行了算法的数值仿真试验。结果表明,算法可以有效减少50%左右由机械误差引起的射野形状误差,显著提高了放射治疗精度。

圆光栅配合自准直仪测量主轴径向运动误差

提出一种在线非接触式测量主轴径向回转误差的方法,为验证其准确性,搭建了主轴回转误差测量装置并进行了比对实验。该方法主要由圆光栅、读数头、环形平面镜以及激光自准直仪组成。首先,将圆光栅及环形平面镜安装在主轴上,并在双顶尖装置中将光栅安装偏心误差和平面镜与主轴不垂直误差进行标定。然后,将主轴安装在转台上,双读数头对径安装,自准直仪安装在平面镜下方。在主轴回转过程中,双读数头圆光栅可以测得主轴径向运动误差,自准直仪可以测得主轴径向运动误差方向上的偏摆角误差。最后,根据主轴上一点的径向运动误差及其在此方向上的偏摆角误差便可以计算出主轴轴向各个点的径向回转误差。设计了比对实验,结果表明在主轴径向回转误差为±12μm时,本方法与传统单向法比对残差在1μm以内。本文提出的主轴径向回转误差测量方法可以应用到精密主轴回转类装置中,实现在线检测主轴径向回转误差的目的。此外,该方法无需采用标准球,不受轴表面粗糙度、圆度等的影响。

基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪中准直误差的分析

通过对基于多级微反射镜的空间调制傅里叶变换红外光谱仪准直误差的分析,模拟了准直误差的存在而导致的干涉图大光程差处对比度反转和光谱图边频噪声的产生。讨论了在不同的误差系数下复原光谱图的信噪比和分辨率,并且分析了干涉图大光程差处对比反转以及光谱图边频分量的产生原因。仿真结果表明,在误差系数α=0.15°.mm-1时,光谱的信噪比会下降到6 dB,同时光谱分辨率会退化到13.4cm-1。本文的结论将应用于微型光谱仪系统的光学设计与装调。

基于激光准直瞄准的大直径测量系统的研究

如何提高大尺寸工件的在线测量精度,是大型机械加工的重要课题。针对大型立式车床的加工环境,本文提出了一种大端面工件在线测量方案。该方案采用激光准直瞄准定位,以测量瞄准误差为补偿,其合理的光路设计清除了阿贝误差,提高了瞄准精度。由于瞄准是以激光准直光束为基准,激光束的漂移造成基准的不稳定是整个测量系统最大的误差来源,而该方案采用“双光束反向漂移补偿法”抑制光束漂移,使角漂误差达到10-6rad量级。实验结果表明,本方案的测量精度完全满足IT6的加工要求。

基于激光准直的直线度误差自动测量系统

介绍了基于激光准直原理的直线度误差自动检测方法,详细分析了激光器、传感器信号处理电路和数据采集处理系统的设计。软件开发时结合了直线度误差的两类测量方法和两种误差评定方法,不仅能与激光准直仪、电子水平仪、光学自准直仪等多种仪器配合使用,而且采用了符合最小条件原理的两条理想包容参考直线精确计算直线度误差,具有运算精度高、运算速度快的特点,应用表明系统性能稳定可靠,具有推广应用价值。

便携式激光准直仪及直线度误差测评软件的开发

开发了便携式激光准直仪及直线度误差测量、评定软件。该软件集成了基于PC的数据采集功能和步进电机控制功能 ,综合应用了直线度误差的两类测量方法和两种评定方法 。

视轴偏心三轴跟踪机架指向精度分析

本文分析了实现大范围空间光电跟踪的视轴偏心三轴跟踪机架的轴系误差。在刚体动力学的基础上,利用姿态变换的方法对视轴偏心的这种新型跟踪机架进行分析,推导出了机架指向精度的具体算法,探索了计算视轴偏心的三轴跟踪机架误差及误差分配的新方法,并针对一跟踪架的具体误差进行了指向精度计算。其中,垂直度误差对指向精度影响最大。

改进型PSD非线性误差分析及其应用研究

阐述半导体光电位置敏感器件(PSD)的横向光电效应,改进型2D-PSD的结构、特点、工作原理,在此基础上,提出一种新的电桥理论分析2D-PSD的中心与边缘产生非线性及其误差的原因。采用高精度低温漂高输入阻抗的前置放大器、加法器、减法器、除法器等元器件设计了一种改进型2D-PSD的信号调理电路,用于高精度的激光准直系统中。该信号调理电路将激光束经光学透镜、光阑、滤光器等光学元器件处理的光信号转换为电信号后,送入数据采集系统,利用直线度测评软件直接在计算机上将被测件的直线度测量显示。系统特点是:响应速度快;位置分辨率高;能实时检测等优点。最后给出测量实验结果和几个重要结论。

基于动力学特性的多叶光栅时间最优轨迹规划

旋转放疗设备中,多叶光栅是实现调强放疗的关键功能部件,在轨迹规划中合理利用其动态特性对提高放疗精度和效率具有重要意义。针对某旋转放疗设备的多叶光栅,建立其动力学模型并获取其伺服驱动系统进给性能,建立由系统输入和干扰引起的几何误差预测模型;针对调强放疗中滑移窗治疗模式的多叶光栅轨迹规划问题,以治疗时间最优为目标,将伺服进给性能和几何误差作为约束条件,提出一种基于传动系统动力学特性的时间最优轨迹规划算法;针对临床射野的剂量分布,对此算法进行数值仿真和试验验证。试验结果表明,该算法的几何误差平均值比恒加速度轨迹规划减少20.55%,治疗效率提高20.51%;几何误差平均值相对于最大进给性能轨迹规划减少33.45%,但治疗效率降低17.22%,由此可见,此算法能够在保证治疗精度的前提下有效提高治疗效率。

激光自准直测角中零位畸变模型及仿真

基于透视投影变换和空间解析几何理论,提出了一种新的激光自准直测角模型建立方法,通过对像点的椭圆轨迹中心与系统基准零位的分析,建立了基准零位畸变误差模型,并进行了仿真研究,获得了该误差的变化规律,为激光自准直测角系统标定、基准零位的确定等问题的有效解决提供了一个有效的理论依据,具有一定的理论意义和工程实际应用价值。

利用平面止推轴系研制高精度定心仪

为了减小中心偏对光学仪器质量的影响,研制了一种利用平面止推轴系为基础的高精度定心仪。该定心仪测量精度:角晃动≤2″,转台主轴径向晃动≤1μm。利用该仪器对多组准直物镜进行了装调和中心偏测量,取得了较为满意的结果。在WYKO数字干涉仪上对装调好的准直物镜的光学性能进行了检测,测得波面误差的峰谷值(PV)为0.143λ,均方根误差为(1/50)λ,斯特列尔比(Strehl)已达到98%。检测结果表明,利用该仪器装调的准直物镜可以达到很高的精度。

KM6太阳模拟器拼接式准直镜的装校技术

KM6太阳模拟器准直镜是由121块正六边形的球面单元镜拼接而成,拼接后有效口径为6636mm、曲率半径为24800mm。文章分析了3种经典的球面反射镜光学装校的原理,并根据KM6太阳模拟器光学系统的结构参数,确定用平行激光束聚焦的原理装校准直镜。以该原理为基础设计了360°旋转式装校装置,结构简单易行,很好地实现了准直镜的光学装校。文章还分析了装校过程中测量仪器误差、操作人员判读误差对准直镜装校精度的影响。