收发分体式四自由度激光测量系统耦合误差建模与补偿

线性导轨广泛应用于精密机床和仪器,其运动精度直接影响所在设备的空间定位精度。针对团队前期研制的收发分体式四自由度激光测量系统可以测量导轨直线度、俯仰角和偏摆角,但其直线度与角度测量结果间存在耦合干扰问题,提出了一种误差建模与补偿方法。根据激光测量系统的原理和结构,分析并确定了耦合误差的主要来源,利用矩阵光学及齐次坐标变换的方法建立了耦合误差的补偿模型。以雷尼绍XL-80型激光干涉仪为基准,对所建立的误差补偿模型进行了实验验证,结果表明:利用所建模型补偿后的直线度和角度测量误差均降低了75%以上。所提出的误差建模与补偿方法不但有助于提高四自由度激光测量系统的精度,同时也有助于降低其成本。

一种研究线性霍尔传感器频率响应特性的测试平台

线性霍尔传感器被广泛用于测量磁场强度,但针对霍尔传感器动态响应特性的研究却很少。为此,设计并搭建了一种线性霍尔传感器的频率响应特性测试平台。该平台由可控恒流源、线圈、线性霍尔传感器、低噪声放大器和数据采集装置组成,通过构建系统传递函数并提出动态更新的传递函数的方法,实现了霍尔传感器动态响应特性的精确测量。利用该平台分别测试了NHE520F和P3A两款芯片的动态特性性能。结果显示,在2.5 kHz-2 MHz范围内,这两款霍尔传感器在幅频特性和相频特性方面的性能差异在测试平台上被充分显现,而且霍尔传感器的动态特性参数与静态特性参数并非必然一致,动态特性分布也不相同。此外,根据多种温湿度条件下测得的霍尔传感器幅频特性与相频特性,绘制了霍尔传感器的平均动态特性曲线和3个标准差包络曲线。基于该测试平台获得的实验数据对研究霍尔传感器动态响应特性具有重要意义。

微纳测量机靶镜正交偏差角测量不确定度评定

三维靶镜是微纳米坐标测量机系统中的重要组成部分,其各面间正交性对保障系统测量精度至关重要。为检验三维靶镜加工是否符合测量机精度要求,对三维靶镜正交偏差角进行测量及不确定度评定,在量值特性分析建模基础上,研究了测量不确定度表示指南传统方法(称为GUM法)、蒙特卡洛方法(MCM)及自适应蒙特卡洛方法(AMCM)3种测量评定方法。测量评定结果对比表明,三维靶镜加工精度基本符合预期要求,其中Z-X面和Y-Z面的面间夹角均为0.5″左右,X-Y面间夹角在3.3″左右;3种方法所得评定结果基本一致,MCM和AMCM较GUM法评定结果更合理,AMCM相对MCM更高效。所做工作为后续研究微纳米坐标测量机面向任务的测量不确定度评定提供了借鉴方法。

自驱动关节臂坐标测量机结构参数标定

与关节臂坐标测量机一样,自驱动关节臂坐标测量机存在诸多结构参数误差影响其测量精度。为了提高自驱动关节臂坐标测量机的测量精度,文章建立以激光跟踪仪测量距离为基准的标定系统,并对该系统的标定算法进行研究。根据Denavit-Hartenberg(D-H)模型,建立自驱动关节臂坐标测量机运动学模型;用激光跟踪仪标定自驱动关节臂坐标测量机测量距离的误差,建立距离误差模型,设计基于最小二乘迭代Levenberg-Marquardt(LM)的标定算法。实验结果表明,经LM算法标定且对自驱动关节臂坐标测量机的结构参数补偿后,在标定空间内测量20组距离,最大距离误差绝对值从13.8950 mm减小到0.3004 mm,测量误差减小了近97.8%。

三坐标测量机气浮导轨滑块结构设计与仿真

静压气浮导轨采用气体润滑,具有无摩擦、热变形小、寿命长等优点,且气膜的误差均化作用显著提高了其运动精度,满足三坐标测量机高精度、高平稳运动需求。为探究三坐标测量机中静压气浮导轨滑块的承载性能,建立了矩形气浮滑块结构模型,滑块内置小孔节流型气浮垫,运用COMSOL有限元仿真软件对其气浮静态承载特性进行仿真分析,验证了结构设计的合理性。

接受-拒绝算法的贝叶斯不确定度评定

针对贝叶斯不确定度评定中获取测量模型后验分布困难的问题,给出一种基于接受-拒绝采样思想实现贝叶斯测量不确定度评定的方法。面向线性/非线性测量模型,先利用贝叶斯假设或蒙特卡洛法获得被测量的先验信息,再基于接受-拒绝采样获得被测量的接受采样点形成后验分布,对被测量进行统计推断得到测量不确定度评定结果。通过规范示例和实际测量评定实例,验证了采用接受-拒绝算法的贝叶斯不确定度评定方法相较于传统GUM和MCM评定方法,能够得到可靠评定结果,且获取贝叶斯后验分布过程简便,在无/有历史信息条件下测量不确定度评定应用中具有可行性和实用性。

模型和盲源分离融合的运动鲁棒视频心率检测

远程光电容积描记法(rPPG)是一种基于视频的非接触心率检测技术,由于其携带的血容量脉搏(BVP)信号幅值微弱易受运动噪声影响。本文提出一种融合色差模型和盲源分离的运动鲁棒视频心率检测技术。一方面,对每个感兴趣区域(ROIs)采用色差模型并时延构建多通道数据集,凸显准周期变量同时抑制无规律运动噪声;另一方面,采用联合盲源分离提取共同包含于两个数据集中的BVP源分量向量(SCVs),筛选合适的SCV确定为BVP信号,从而计算心率值。所提方法在数据库UBFC-RPPG和ECG-Fitness上验证并与其他方法对比,在剧烈运动场景下性能最佳,心率HR_(mae)=9.93 bpm,HR_(rmse)=16.17 bpm,相关系数r=0.75,为rPPG技术的实用化进程提供了解决思路。

傅里叶单像素显微超分辨成像系统设计

单像素成像因其仅需一个无空间分辨能力的单点探测器即可实现目标物体的空间信息获取重建物体图像,是解决非可见光波段成像的关键技术。该技术的发展和应用在高分辨率空间存在数据采集量大,成像慢的问题。因此,设计了一种傅里叶单像素显微超分辨成像系统来提高现有单像素显微成像的效率和质量。首先,搭建了单像素显微超分辨成像系统,引入基于深度学习的超分辨模型来提升其成像分辨率,从而快速获得高分辨率的物体重建图像。经实验结果证明,相同的光强信号采集时间下,成像分辨率可提高近9倍,且其峰值信噪比达到28 dB,有效提高了单像素显微成像在高分辨率情况下的成像效率。

计量型激光椭偏仪初始入射角校准方法的研究

为保证计量型激光椭偏仪测量结果的准确性,研究了一种初始入射角校准方法,通过线性位移台带动CCD相机进行一维运动,其运动轴作为空间线性辅助参考量,实现了椭偏仪的入射激光光轴与自准直仪光轴的90°校准。结果表明:采用该方法校准计量型激光椭偏仪的初始入射角,光轴俯仰角偏差<0.05°,偏摆角偏差<0.09°;校准后,对标称值为102.10 nm的Si上SiO_(2)膜厚标准片进行测量,示值误差<0.4 nm,提升了计量型激光椭偏仪测量校准服务的准确性。

面向“自动控制原理”课程教学的仿真软件开发

“自动控制原理”课程内容抽象,教学难度大。为提高教学质量,开发了面向“自动控制原理”课程教学的仿真软件。基于Matlab GUI开发平台,通过编写算法实现了控制系统的时域、根轨迹和频率响应分析等典型功能,开发了典型工程控制案例“直流调速系统”,通过可视化界面帮助学生理解经典控制理论在实际工程中的应用。该仿真软件使复杂的理论教学变得简单、直观,极大提高了课堂教学效率与教学质量。

集会聚发散功能一体化的液晶柱透镜阵列

本文提出了一种制备集会聚和发散功能一体化的液晶柱透镜阵列的方法。液晶柱透镜阵列呈“三明治”结构,从上到下依次为:上电极基板、液晶层、聚合物柱透镜阵列、下电极基板。为了将会聚和发散功能集成在单一液晶盒中,制备聚合物柱透镜阵列的紫外光敏胶的折射率(n_(p))需介于液晶的寻常光折射率(n_(o))和非寻常光折射率(n_(e))之间。通过在下基板表面修饰图案化疏水层,利用亲疏水效应使得紫外光敏胶自组装形成表面光滑、尺寸均一的柱透镜阵列。所制备的液晶柱透镜阵列有两种调节聚焦和散焦功能的方式:一种是改变入射光的偏振方向;另一种是施加电场调控液晶层的有效折射率。实验结果表明:当外加电压从0调节到0.7 V_(rms)时,液晶柱透镜的焦距从−4 mm调节到∞;当外加电压在1~7 V_(rms)变化时,液晶柱透镜阵列的焦距从6.0 mm调节到4.5 mm。该方法制备的液晶柱透镜阵列具有制备方法简单、器件结构紧凑、驱动电压低、调焦范围大等优点,在成像、显示、光通信等领域具有潜在的应用价值。

基于三维数字图像相关法的刚体位姿估计

针对传统位姿测量的不足,提出了一种基于三维数字图像相关(3D-DIC)法的空间刚体位姿估计方法,该方法利用双目相机拍摄待测物运动前后的图像序列,通过3D-DIC方法进行匹配计算,获得待测物运动前后的全场坐标信息,选择计算点坐标后对其进行奇异值分解,求得位姿参数。针对3D-DIC在测量大旋转时误差较大的情况,提出了一种增加中间图像的匹配计算方法。通过平移自由度和旋转自由度的实验验证,本文方法可实现空间刚体多个位姿参数的测量,三个平移自由度的测量误差均小于0.07 mm,测量角度小于10°时,偏航角和滚转角的测量误差均小于0.2°。

非规律运动伪迹干扰鲁棒的人脸视频心率检测

目的 基于远程光电容积脉搏波描记法(remote photoplethysmograph,rPPG)的非接触人脸视频心率检测广泛应用于移动健康监护领域,由于其携带的生理参数信息幅值微弱,容易受到运动伪迹干扰。据此,提出了一种结合非负矩阵分解(nonnegative matrix factorization,NMF)和独立向量分析(independent vector analysis,IVA)的非规律运动伪迹去除的视频心率检测方法,记为NMF-IVA。方法 首先,将面部感兴趣区域(region of interest,RoI)分为多个子区域(sub RoIs,SRoIs),利用平均光照强度、光照强度变化、信噪比这3个指标筛选出3个最优质的SRoIs,并获取每个SRoI的绿色通道时间序列。其次,将3个绿色通道时间序列去趋势、带通滤波后送入NMF-IVA进行盲源分离。然后,对分离后的源信号进行功率谱密度分析,并且将峰值信噪比最高且主频落在心率感兴趣范围内的源信号确定为血容量脉冲(blood volume pulse,BVP)信号。最后,将BVP信号的主频确定为所测量心率的主频,从而计算出心率值。结果 实验在2个公开数据集UBFC-RPPG和UBFC-PHYS,及1个真实场景自采数据集上与最相关的7种典型的rPPG方法进行比较,在UBFC-RPPG数据集上,相比于性能第2的单通道滤波(single channel filtering,SCF)方法,均方根误差提升了1.39 bpm(beat per minute)、平均绝对误差提升了1.25 bpm、皮尔逊相关系数提升了0.02;在UBFC-PHYS数据集上的T2情况下,其性能提升最为显著,相比于性能第2的独立向量分析(IVA)方法,均方根误差提升了16.42 bpm、平均绝对误差提升了9.91 bpm、皮尔逊相关系数提升了0.64;在自采数据集上,除了低于深度学习方法性能之外,所提NMF-IVA方法在传统方法中取得了最好的结果。结论 所提NMF-IVA方法对规律信号提取具有敏感性,即便是在头部存在剧烈非规律运动情况下,相比于传统方法亦能取得最优结果,该结果能够媲美基于深度学习的方法。

基于数字图像相关法的空间目标位姿测量

针对传统立体视觉位姿测量方法中必须事先确定计算点的数量和位置的局限性,提出了一种基于三维数字图像相关法(3D-DIC)的空间目标位姿测量方法。该方法通过3D-DIC获得被测物不同时刻的全场坐标信息,根据提取的相应计算点坐标,结合空间向量求解空间目标的位姿参数。该方法可灵活选取计算点的数量和位置,并相应提出了计算点数量最优比条件。通过位移旋转台和六自由度平台分别对复杂形貌特征的面具试样进行了多位姿参数测量的实验验证。实验结果表明,计算点数量满足最优比条件时位姿测量精度最高,计算点的位置对测量结果影响较小,六自由度平台的测量误差在允许范围之内。所提出的3D-DIC位姿测量方法可在较小的误差范围内实现对空间目标多个位姿参数的测量。

基于平面镜成像的单相机数字图像相关三维全景测量

针对普通单相机数字图像相关(DIC)系统仅能测量目标面内变形信息的问题,本文提出了一种采用单相机DIC系统实现三维全景测量的方法,即:根据多平面镜成像原理,被测目标的前后表面成像在一个共同的视场内,两个光路分别成像在两个平面镜中,将单相机扩展为4台虚拟相机,实现三维全景测量。为了更好地完成虚实像转换,实验之前对平面镜表面进行三维重建,分别采用动态、静态实验对该方法的可行性及精度进行验证。结果表明:在动态拉伸测试中,4个子区域有着相近的变化趋势,工程应变普遍分布在0.0125左右,且位移精度较高;在静态实验中,对决策币的前后表面进行三维重建,重建结果与决策币形貌相吻合。

深度学习多聚焦图像融合方法综述

多聚焦图像融合是一种以软件方式有效扩展光学镜头景深的技术,该技术通过综合同一场景下多幅部分聚焦图像包含的互补信息,生成一幅更加适合人类观察或计算机处理的全聚焦融合图像,在数码摄影、显微成像等领域具有广泛的应用价值。传统的多聚焦图像融合方法往往需要人工设计图像的变换模型、活跃程度度量及融合规则,无法全面充分地提取和融合图像特征。深度学习由于强大的特征学习能力被引入多聚焦图像融合问题研究,并迅速发展为该问题的主流研究方向,多种多样的方法不断提出。鉴于国内鲜有多聚焦图像融合方面的研究综述,本文对基于深度学习的多聚焦图像融合方法进行系统综述,将现有方法分为基于深度分类模型和基于深度回归模型两大类,对每一类中的代表性方法进行介绍;然后基于3个多聚焦图像融合数据集和8个常用的客观质量评价指标,对25种代表性融合方法进行了性能评估和对比分析;最后总结了该研究方向存在的一些挑战性问题,并对后续研究进行展望。本文旨在帮助相关研究人员了解多聚焦图像融合领域的研究现状,促进该领域的进一步发展。

剪切散斑干涉关键技术研究及应用进展

剪切散斑干涉测量技术是一种非接触式高灵敏度的光学检测技术。从技术研究和应用领域等方面对剪切散斑干涉技术近年来的发展进行介绍,详细阐述空间相移剪切干涉测量、多方向剪切干涉测量、多功能复用测量等剪切散斑干涉新技术,并介绍其在航空、航天、汽车、机械、新材料等领域的无损检测应用。最后,对剪切散斑干涉技术的优势和不足进行分析讨论,并对未来的研究方向进行展望。

飞秒激光制备仿生疏水微柱阵列应用于液滴操控

仿生功能表面的制备是目前研究的热点,尤其是仿生疏水表面的制备.常用的制备方法包括等离子刻蚀、光刻等,制备过程较为复杂.本文基于飞秒激光微纳加工和模板转印技术,提出了一种制备疏水微柱阵列的简单策略,系统地研究了结构参数、表面化学修饰和润湿性之间的关系.研究发现,直径、间距和高度等结构参数对微柱阵列表面的润湿性影响较大.当微柱间距由400μm增加到600μm时,液滴滑动角从31°增加至76°.当微柱直径从100μm增加到300μm时,液滴滑动角也会相应地从40°增加到80°.微柱阵列的表面黏附性随着结构参数(直径、间距、高度)的改变而发生变化.基于这种特性,我们设计了一种具有不同间距的微柱阵列,用来实现液滴滑动行为的控制,同时还可以实现液滴微反应等应用.这种制备方式不仅操作简便,而且适用性广,在微流体芯片、生物医学和化学微反应等领域具有潜在的应用价值.