六西格玛在光学透镜加工流程质量改进中的应用研究——以天津津航技术物理研究所为例

以天津津航技术物理研究所(以下简称“研究所”)生产ZnSe光学透镜的加工流程为研究对象,分析了当前对于光学透镜的加工现状以及质量管理现状,结合六西格玛方法特点,明确了六西格玛管理中的DMAIC方法对于提升光学透镜加工流程质量控制能力具有可行性。通过具体六西格玛项目的实施,切实找出光学透镜加工生产中存在的根本问题,并有效提升了产品加工合格率,降低生产成本,为“研究所”带来经济效益的同时,增强了管理团队对六西格玛管理方法的应用能力,为产品质量的后续改进储备技术基础,并且验证了六西格玛管理和流程改进对于精密光学加工行业提高产品质量和改善流程的重要意义。

激光技术在金刚石加工中的研究及应用进展

激光加工是目前金刚石的主流加工方法,相较于传统的机械加工形式,激光加工精度高、效率高、普适性强,因而在金刚石切割、微孔成型、微槽道加工及平整化等方面均得到广泛应用。文中阐述了金刚石激光加工原理,介绍了不同类型激光与金刚石材料相互作用机制,重点总结了近几年多种激光加工金刚石模式的发展现状,分析了新型的激光加工方法的特点,探讨了现阶段激光技术在金刚石加工领域面临的问题、挑战及未来的发展趋势。

基于可见光-近红外高光谱成像技术的陈皮陈化年份鉴别研究

高光谱成像技术(HSI)是基于非常多窄波段的影像数据技术,将成像技术与光谱技术相结合,获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据,因其快速、无损的特点,被广泛应用于食品、农产品、中药材等样品的快速鉴别。道地药材新会陈皮具有较高的市场价值,且陈化(贮藏)年份越久市场价格亦越高,市场人工鉴别准确率低、难度大。基于高光谱技术结合化学计量学方法,建立不同陈化年份新会陈皮的快速无损鉴别方法。采集5个陈化年份样品在可见-近红外波段(400~1000 nm)的高光谱信息,提取高光谱图像感兴趣区域(ROI)的平均光谱值作为样本原始光谱。经黑白校正后获得标准数据,通过多元散射校正(MSC)、一阶导数(D1)、二阶导数(D2)、SG平滑(SG)和标准正态变量变换(SNV)5种预处理方法对数据进行降噪处理后,结合偏最小二乘判别分析(PLS-DA)、随机森林(RF)和支持向量机(SVM)等方法建立分类鉴别模型,以预测结果的准确率作为评价指标筛选最佳模型,使用混淆矩阵(confusion matrix)评估模型分类性能。结果表明,外表皮数据以MSC结合PLS-DA方法为最优鉴别模型,预测集鉴别准确率达到97.59%;而内表皮数据则以原始数据结合PLS-DA方法为最优鉴别模型,预测集鉴别准确率亦达到97.59%。采用内表皮数据,进一步采用连续投影算法(SPA)选择19个特征波长建模,整体判别准确率仍可达90%以上。通过SPA方法提取的特征波长建模可以达到与全波长模型相似的识别效果,去除冗余变量可以大大降低模型的复杂性,减少模型的运算时间。该研究建立的高光谱技术结合化学计量学的方法可实现不同陈化年份新会陈皮样品的快速无损鉴别,为专属小型化仪器装备系统的开发提供了理论依据。

扫描式微透镜阵列系统的角放大率特性研究

扫描式微透镜阵列系统通过微动扫描成像,能够有效解决小行程与大视场之间的矛盾。扫描式微透镜阵列一般采用开普勒式望远结构,通过镜片横向相对位移实现视场扫描。本文提出了一种基于开普勒式望远结构的四片式微透镜阵列,探究了微透镜阵列的角放大率对于3~5μm波段的扫描式微透镜阵列系统的影响。当角放大率小于1时,经过串扰产生的杂散光较多,系统的能量利用率上限受到限制,导致衍射极限受到限制。角放大率越大,能量利用率上限越高,当角放大率从0.67^(×)改变为0.83^(×),能量利用率可以从43%提升到69%。当角放大率大于1时,系统的能量利用率不再受到结构限制,在抑制串扰的条件下,优化得到角放大率为1.5^(×)的结构。对其像质进行评价,各扫描视场RMS半径达到探测器像元尺寸,MTF达到0.6@17 lp/mm。角放大率作为表征微透镜阵列结构特点的参数,与系统能量利用率相关,从而影响像质,因此对于角放大率的分析与研究可为扫描式微透镜阵列系统的设计与实现提供依据。

基于光谱成像技术的烤箱食品成熟度识别研究

烤箱食品成熟度识别是烤箱智能化重要的一环,目前家电行业内的成熟度识别一般使用探针、氧传感等方法,但这些方法都有各自的局限性。光谱成像作为一种光学传感类技术,具有信息量大、检测范围广、不与目标接触等优点。为了研究光谱成像在烤箱中的应用前景,从原理上论证了其可行性,从实验上通过数据分析进行特征提取后,搭建了机器视觉模型与机器学习分类模型,完成了烤箱中常见的三大类食材,共计1293组光谱数据的采集、分析与测试,结果表明光谱成像技术可以实现烤箱内食材的定位,并准确地完成成熟度识别,交叉验证准确率平均达91.3%。

高功率激光器光束质量测量的衰减缩束仿真研究

光束质量因子M^(2)是表征高功率激光器横模特性的主要参数,针对目前光束质量分析仪只能用于小口径、低功率激光器光束质量评估的问题,开展了高功率激光器光束质量测量的衰减缩束技术原理与仿真研究。建立了衰减缩束组件的仿真模型,利用有限元的方法对光学元件在高功率激光下的热致像差进行研究,得出热致像差的峰谷(PV)值小于82 nm时,对光束质量因子的影响小于5%。当光束通过衰减组件时,如果发生退偏,光束质量因子将偏小。基于泽尼克多项式和光束质量因子计算模型,研究分析了缩束组件波前畸变对测量的影响,并通过Zemax仿真分析看出,在装调时入射光与缩束组件中心光轴夹角视场小于7°时,对光束质量因子测量的影响小于5%。

基于超表面操控的偏振信息探测技术研究进展

偏振是光的固有属性,当光与物质发生相互作用后,通过解构偏振态变化,可以获取材料组成和结构的重要信息。这一特性使得光的偏振具有很高的研究价值和应用前景。近年来,偏振成像、偏振信息等研究领域蓬勃发展,引起国内外学者的广泛关注。高效地获取偏振信息是该领域发展的关键技术,然而传统的偏振信息探测及获取方案有着各种不足,制约了偏振信息技术的持续化发展。超表面技术使得人们得以根据需求操控光的相位、振幅、偏振等,同时具有微型化和集成化的优势。文中以全矢量偏振信息的获取为出发点,以基于阿基米德螺旋结构的圆偏振探测器为引子,主要介绍基于超表面结构实现偏振信息探测技术的发展过程及研究现状,包括金属超表面偏振探测器、介质超表面偏振探测器以及超表面偏振成像等研究内容,最后展望了基于超表面结构的偏振信息探测技术未来的发展趋势。

卫星激光防护薄膜窗口的设计与制备技术研究

当前反卫星激光武器发展迅猛,迫切需要研究和发展卫星的激光防护技术,以增强卫星在空间的生存与防护能力。本文采用可见光-近红外透明和中波吸收的玻璃基底与线性激光防护薄膜相结合的设计方法,在玻璃基板一面设计分光膜,实现1.315μm波长的反射和0.5~0.8μm、1.55μm波段的增透,在玻璃基板另一面设计双波段减反射膜,实现0.5~0.8μm和1.55μm波段的增透。采用离子束溅射沉积技术,实现了激光防护窗口薄膜的制备,在0.5~0.8μm的平均透过率大于96%,1.55μm的透过率大于98%,1.315μm的透过率小于0.1%,在2.7μm的透过率为30%,在3.8μm的透过率为1.1%。实验结果表明,该方法实现了可见光-近红外-中红外波段激光防护窗口的制备,对于卫星平台防护激光武器具有重要作用。

金属氧化物薄膜光学常数计算物理模型应用研究

采用离子束溅射(IBS)方法制备了HfO2和Ta2O5两种金属氧化物薄膜,通过测量薄膜的椭偏参数,使用非线性最小二乘法反演计算获得薄膜的光学常数。在拟合过程中,采用L8(27)正交表设计了8组反演计算实验,在初始选定Cauchy模型后,对HfO2薄膜拟合影响最大的为表面层模型,对Ta2O5薄膜拟合影响最大的为折射率梯度模型。确定了不同物理模型对拟合函数MSE的影响权重和拟合过程中模型选择的次序,按照确定的模型选择次序拟合,最后加入弱吸收模型反演计算两种薄膜的光学常数,反演计算的MSE相对初始MSE可下降79%和39%,表明拟合过程模型选择物理意义明确,具有广泛的应用价值。在500nm处,Ta2O5薄膜的折射率梯度大于HfO2薄膜,而HfO2薄膜消光系数大于Ta2O5薄膜。表明Hf金属与Ta金属相比容易氧化形成稳定的氧化物,HfO2薄膜的吸收要高于Ta2O5薄膜。

反射镜光电平台视轴稳定技术研究

针对不同类型反射镜平台视轴运动多样性的特点,从基本的反射镜视轴运动学关系出发,采用基于虚拟整体稳定平台的视轴重建方法对反射镜平台视轴惯性角速度进行数学重建。同时,深入分析了常见的典型单反射镜平台、特殊配置单反射镜平台、极坐标多反射镜平台以及直角坐标多反射镜平台的视轴运动学关系和视轴稳定控制技术。基于典型单反射镜平台俯仰轴视轴稳定控制的数值仿真结果表明,采用虚拟整体稳定平台方法的视轴稳定控制技术用于反射镜视轴稳定控制是可行的。

装备系统剩余使用寿命预测技术研究进展

社会的稳定发展离不开制造业的高水平发展,生产是制造业的关键步骤,长期持续稳定的产出依赖于装备系统的稳定运行。系统故障引起的停产势必会造成一定的经济损失。如何尽早地发现装备系统的故障来避免停工停产带来的经济损失,已经成为了当前应用研究中的热点。采用定期人工检查的传统方法不仅提高了生产成本,还使得问题发现较为滞后,达不到实时监控的目的。而且,随着信息技术的高速发展,装备系统的监测也变得更加智能化。利用装备系统的历史数据检测其状态能够更敏捷、更高效地发现装备运行中的“亚健康”问题,能给装备管理者提供有益的决策支持。基于装备剩余使用寿命的数据预测,能够提供高效智能的解决方案,在工业领域有着宽广的应用前景。因此,本文聚焦于装备系统剩余使用寿命预测技术的研究进展,对近年来剩余使用寿命预测的研究进行归纳总结,并讨论各剩余使用寿命预测理论与方法的优缺点。最后,总结并展望装备系统剩余使用寿命预测技术的未来研究方向和发展趋势。

新型光电探测技术在精确制导武器上的应用研究(特约)

精确制导武器是现代战争中的主战武器,采用光电制导的精导武器具有分辨能力强、命中精度高的优势,在对地对海、防空反导、空间攻防等领域得到广泛应用。随着光电制导武器在现代战争中的作用愈发突出,其相应的对抗手段也在不断发展,使其面临的作战环境日趋复杂,光电制导系统需不断增强对复杂作战环境的适应能力。在对红外、可见光、激光半主动等光电探测技术在制导武器中的应用现状总结基础上,分析了当前技术对抗恶劣自然天气、复杂背景、人为干扰等作战环境能力的不足。针对当前发展的多光谱探测、偏振成像、激光三维成像、量子探测等新型技术,介绍目前研究进展和成果,主要包括多光谱/多谱段成像对抗真假目标和识别伪装、偏振成像对抗雨雾等恶劣自然天气、激光三维成像在对抗复杂背景和穿透遮蔽等方面的应用优势和研究进展。最后,系统分析了当前新型探测技术应用存在的问题和需要突破的关键技术,并建议从基础器件研发、信息处理和目标特性研究等方面着力,通过基础技术和应用技术的联合攻关,推进新型探测技术的制导应用取得突破。

激光雷达图像采集处理技术研究

图像采集处理系统是激光成像雷达系统的重要组成部分,文中简要介绍了一种主/从计算机结构的图像采集处理系统的设计、组成、工作过程及软件流程.利用主/从计算机的中断功能实现图像数据的帧实时采集、处理和显示.采用CPLD设计了专用的DMA控制器并与从计算机ADSP21020共用两片相同的双端口存储器,通过同步切换存储器控制完成连续的图像缓存和采集处理.试验结果表明,该系统能很好地完成激光成像雷达的帧实时采集处理和显示.

无扫描四维激光成像技术研究

采用激光全视场照射,ICCD面阵接收,由于像增强器的增益指数与其工作电压成正比,通过对ICCD的像增强器的选通电压进行调制提取目标四维图像。即在激光发射后一定的延迟时间内控制其工作电压递增,使在脉冲选通时间内目标距离越远的回波信号通过像增强器时增益倍数越大。这样所成的像经过ICCD图像采集输出,其各像素的幅值信号包含目标的距离增益信息和目标反射的灰度信息。再从幅度信息中滤除目标反射灰度信息和大气传输的影响,提取目标的距离信息,最终从面阵探测器中提取距离信息,实现无扫描激光四维成像制导技术。

基于热风激励的红外成像检测技术研究

针对复合材料冲击损伤的快速检测问题,提出了使用热风作为激励源的红外成像检测方法,并实现了缺陷位置的自动识别,对于检测图像首先进行背景差分处理,然后累加背景差分后的图像以增强信噪比,最后采用阈值分割进行二值化处理,分割出冲击损伤位置。试验表明,本文方法设备操作简单、容易搭建,检测结果直观明了,可应用于航空航天复合材料损伤检测等领域。

基于时间相关单光子计数技术的测速研究

传统的激光雷达通常采用多普勒效应获得目标的径向速度,但是当回波信号低到单光子水平时就难以实现这种功能。文中探索利用时间相关单光子计数(TCSPC)技术实现测速的方法。搭建了一套高重频、高精度的TCSPC测速系统并开展了实验研究。结果表明,在一定的测速时长下测速误差与单次测距光子计数直接相关,在文中实验条件下单次测距光子计数在1000~5000个时测速误差达到最优。该方法未来有望代替多普勒测速方法,实现对远距离高速运动目标的测速。

直线电动机运动速度均匀性控制技术的研究

在简单分析直线电动机工作原理的基础上,从推力波动、摩擦力、测量因素等几个方面讨论了影响直线电动机运动速度均匀性的主要因素。提出了一种积分分离的PID与迭代学习控制相结合的复合控制策略,在保证系统鲁棒性的基础上,通过执行重复任务来逐渐逼近给定的速度控制信号。考虑到速度的柔和变化和系统的柔性控制,引入S型加减速曲线,减少系统的冲击和振动。经在CCD航空相机动态分辨率检测系统上的应用测试,实验结果表明由该方案得到的直线电动机速度变化柔和,具有良好的均匀性,满足系统设计的需求。

离子束溅射宽带吸收薄膜设计与制备技术研究

Si薄膜在可见光和近红外波段具有一定的吸收特性,可用于宽带吸收薄膜的制备。采用离子束溅射技术,在熔融石英基底上制备了不同沉积工艺参数的Si薄膜,基于透、反射光谱和椭偏光谱的全光谱数值拟合法,计算了Si薄膜的光学常数,并研究了氧气、氮气流量对其光学特性的影响。选择Si和Ta_2O_5作为高折射率材料、SiO_2作为低折射率,设计了吸收率为2%和10%的宽带(1 000～1 400 nm)吸收薄膜。采用离子束溅射沉积技术,在熔融石英基底上制备了宽带吸收薄膜,对于A=2%的宽带吸收光谱,在1 064、1 200、1 319 nm的吸收率分别为2.12%、2.15%和2.22%;对于A=10%的宽带吸收光谱,在1 064、1 200、1 319 nm的吸收率分别为9.71%、8.35%和9.07%。研究结果对于吸收测量仪、光谱测试仪等仪器的定标具有重要的作用。

航空多光谱相机三坐标无源定位技术

航空多光谱相机采用焦平面探测成像系统,可在全天时、准全天候作业的条件下对机下进行大幅宽高分辨率成像探测。针对航空多光谱相机的三坐标无源定位问题,简介了相机组成及无测距信息辅助情况下的三坐标无源定位原理,梳理了航空多光谱相机的三坐标无源定位关键技术。通过载体的位置姿态精确测量,测角电路设计、测角误差标定与补偿,多传感器安装姿态标定,时间同步设计四大关键技术保证相机的定位精度。飞行试验结果表明,图像拼接精度优于10″,验证了技术方法有效。

机载激光武器高精度跟踪控制技术研究

机载激光武器系统是一种定向能武器系统,对跟踪精度要求较高,传统PID控制无法满足其高精度跟踪需求。建立了预瞄模型、探测器模型、快速反射镜模型、时滞模型等数学模型,搭建完整的仿真系统,并创新性地采用自抗扰控制算法和复合轴控制结构相结合的控制方式,以提高控制精度。通过功能验证试验验证文中搭建的仿真系统,加入实际采集的某运输机扰动,其跟踪精度为5.16μrad,相较于传统PID控制,跟踪精度提高25倍。同时给出一种虚拟战场场景,经文中搭建的仿真模型验证,其俯仰轴和偏航轴的跟踪精度均小于10μrad。