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    近地小天体监测和预警

邓 昊   郑 伟   李明涛   孙海彬   王建峰   周炳红  

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针对近地小天体监测和预警中极低信噪比运动目标难以检测的问题, 提出了基于涨落分析的暗弱运动目标关联检测方法, 阐述了在时间区间上基于光场涨落分析的关联特征提取方法的原理。强背景信号的涨落在时间维度上具有稳定分布和稳定变化的特点, 利用由目标运动导致的瞬态涨落在时间维度上分布的异常变化反演出暗弱运动目标的存在。首先将目标检测问题建模为基于单个像元灰度时序序列的一维信号检测问题, 然后在时域上划分时间窗口, 采用基于涨落分析的方法来提取关联特征, 最后由关联特征的变化来检测目标信号。将该关联检测方法应用到一维时序信号仿真实验、暗弱运动目标仿真实验和近地小行星检测实验中, 结果表明本文所提出方法的检测率和虚警率都显著优于其它几种经典常用方法, 在仿真数据和真实数据中都有很好的检测效果。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2517      

兀 颖   葛 亮   卢晓猛   田健峰   王汇娟   姜晓军  

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小行星地基光学观测是小行星搜寻和性质研究的重要手段。近年来, 小行星搜寻项目朝着大口径大视场的方向发展, 探测能力提升的同时数据量也大大增长, 为了提高小行星光学观测图像的处理速率, 本文提出基于GPU的小行星光学观测图像实时处理方法。对Source Extractor算法进行研究, 在满足提取精度的前提下, 实现Source Extractor算法的简化和基于GPU的并行化; 同时, 采用Match匹配算法进行天文定位, 并对Match匹配算法进行优化, 提高算法适用性和准确率。实验结果表明: 利用NVIDA GeForce GTX 2080Ti显卡搭建的实验平台实现简化和并行化后的算法, 相比于CPU下的串行算法, 提速比可达17(S/N阈值设置为3), 且随着高性能显卡的进一步发展, 提速比还有提升空间, 此方法还适用于其他光学巡天观测图像的处理。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2527      

杨其利   周炳红   郑 伟   李明涛  

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红外弱小目标的轨迹检测是红外导引的一项关键技术, 在小天体探测、导弹制导和战场侦察等航空航天领域具有重要地位。针对传统基于检测前跟踪技术的轨迹搜索算法存在需要事先获取目标的灰度分布函数或运动速度等先验知识限定条件的问题, 提出了基于注意力机制卷积长短时记忆神经网络的弱小目标轨迹检测算法。这种算法通过3D卷积核提取连续15帧红外图像序列的短期时间维信息和空间维信息, 结合卷积长短时记忆网络提取红外序列的长期时空信息, 利用注意力机制关注与弱小目标运动轨迹有关的关键信息并舍弃无关信息, 实现了网络端对端的预测输出。在5个红外图像序列上进行了均方根误差、平均绝对误差、峰值信噪比和结构相似度等4个客观度量指标的实验评估。结果表明, 基于输出门注意力机制的卷积长短时记忆网络在均方根误差和平均绝对误差上相对于3DCNN, 3D-ConvLSTM, 3D-AIConvLSTM方法平均降低了32.8%和46.3%, 在峰值信噪比和结构相似度指标上平均提高了18.3%和4.3%, 能够优秀地检测低于6 pixel红外目标的运动轨迹, 预测轨迹与真实轨迹非常吻合, 且背景杂波残留最少, 检测效果最优。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2535      

王晓彬   黄佳宁   王 翱   刘怡思  

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暗弱的近地小行星一方面存在碰撞地球的威胁, 另一方面, 也正因为它是离我们人类最近的自然天体, 成为人们研究太阳系行星和小天体起源和演化以及未来人类所需矿物质补充采取的目标。但是, 利用地面望远镜, 很难直接“看到”近地小行星大小和形状, 对其质量和内部结构的测量就更困难。目前, 人们多是利用小行星光度的测量值及其时序变化开展小行星形状、自转参数及物质组成的反演研究。本文选取适用于无大气天体表面的散射律, 假设从简到繁的小天体形状(三轴椭球－Cellinoid椭球－凸面体), 开展了包括近地小行星在内的小行星基本物理参数的反演研究。应用蒙特卡洛方法, 实现了小行星凸面体反演参量(形状、自转轴指向、自转速率以及表面散射参数)的不确定性评估。利用Lommel-Seeliger 椭球模型, 分析了阿波罗型近地小行星(155140)2005UD的形状、自转轴及自转周期以及相位函数参数的测定; 利用Cellinoid椭球体模型, 实现了小行星(106)Dione的测光数据分析; 利用凸面体模型, 对小行星(103)Hera及 (345)Hermentaria的测光数据进行了反演分析。针对观测数据少, 且存在对地球碰撞危胁的近地小行星, 可采用参数较少的Lommel-Seeliger椭球体光度模型, 快速得到小行星的三维大小及自转参数的粗略估算。增加了3个形状参数Cellinoid椭球体模型可以提高对具有不对称峰值光变曲线的拟合。小行星凸面体模型对小行星光变曲线的拟合最好。新建立的凸面体模型加蒙特卡洛算法, 实现了小行星凸面体模型中待测参数的最佳解及其不确定性的估算。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2549      

王新涛   郑建华   李明涛  

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小行星监测预警是开展行星防御的前提, 针对地基望远镜无法监测来自太阳方向小行星的问题, 本文论证了地球公转轨道天基光学望远镜任务概念。考虑地球第三体引力摄动, 建立了望远镜轨道维持模型; 考虑小行星视星等约束和望远镜视场约束, 建立望远镜对小行星的可见性模型, 评估了地球公转轨道光学望远镜的观测和预警效能。仿真结果表明: 施加约580 m/s的速度增量可使望远镜6年内的漂移距离相对初始状态不超过6%; 对构建的危地小行星数据库, 在极限视星等为24的条件下, 地球公转轨道光学望远镜在6年内可观测84.5%直径超过140 m的危地小行星, 能够对来自太阳方向的危地小行星进行有效预警。地球公转轨道望远镜对危地小行星具有较好的观测预警效能。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2563      

    目录

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       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.1      

    微纳技术与精密机械

曹玉岩   王建立   陈 涛   吕天宇   王洪浩   张 岩   王富国  

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随望远镜口径的不断增大, 其结构和热变形所导致的光学系统失调而造成图像质量下降问题越来越显著。为了估计望远镜的失调误差, 建立结构力学模型, 并对失调误差计算方法及补偿进行研究。对望远镜结构进行简化并采用有限元方法建立结构力学模型。然后, 以望远镜主次镜镜面节点的当前位置为输入, 提出了基于非线性最小二乘拟合的主次镜失调误差计算方法。以主镜当前光轴为基准, 以补偿失调误差为目标, 即主次镜光轴重合且无间隔误差, 提出了基于空间坐标变换来确定Hexapod平台支杆长度的计算方法。以2 m口径望远镜为例, 对重力及热变形所致的失调误差进行模拟, 并在此基础上利用Hexapod平台调整次镜位置来补偿失调误差。数值仿真结果表明: 重力变形和热变形均会导致光学系统出现明显的失调误差, 弥散斑最大达到了1 473 μm和557 μm, 经过次镜位置补偿, 弥散斑半径下降到32 μm以下。本文提出的失调误差以及Hexapod平台支杆长度计算方法可应用于实际望远镜标定和装调过程中。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2452      

丁 涛   杨冬娇   刘介珍   翁 灿  

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为了研究表面微结构成型质量的影响因素, 设计并制备了3种深宽比的微正四棱柱结构, 并对聚合物材料、微结构深宽比、脱模工艺参数、镍模芯表面抗黏处理等影响因素进行注射成型脱模实验研究。首先, 采用PP, COC, PMMA等材料研究了获得目标深宽比微结构的难易程度。以PP材料为例分析了在3种深宽比下的脱模成型质量, 分别从保压压力、脱模温度两方面讨论对脱模变形的影响。最后, 分析比较镍模芯经过抗黏处理前后成型的微结构形貌尺寸。PP能够顺利获得近似目标深宽比的微结构, COC脱模后微结构发生折断变形, 高度平均只有17.0 μm左右, PMMA成型后微结构也发生断裂且黏附在模芯微孔中。脱模变形随着深宽比的增加而趋于严重, 且当深宽比较大时, 微结构易发生倾斜变形。提高保压压力, 微结构平均高度从约25.0 μm增加到约87.0 μm, 但当保压压力过高时微结构出现翘曲变形; 随着脱模温度的升高, 保留完整的微棱柱比例分别为55%, 60%, 30%, 10%。镍模芯经过抗黏处理后所成型微结构的尺寸更加接近目标值。COC由于本身断裂伸长率较小而具有较大的脆性, 而PMMA本身的表面能较大则具有较强的黏附性。深宽比增加使得脱模时微结构顶部黏附力与后期摩擦力均会增加。合理增加保压压力、降低脱模温度与镍模芯经过抗黏处理均能有效提高脱模成型质量, 但过高的保压压力会造成微结构内应力增加, 产生翘曲。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2466      

李 林   袁 利   王 立   郑 然   王晓燕   武延鹏  

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本文综述了极限性能哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope, HST)在轨微振动的研究进展, 说明了其指向测量与控制系统组成和特点, 同时给出了其关键技术指标, 有针对性地剖析了HST在高性能航天器微振动研究及指向控制技术等方面的先进技术和理念。阐述了HST反作用轮组件、太阳电池阵的扰动特点以及微振动引起光学元件抖动的现象, 在此基础上, 对现代航天器5种先进指向控制技术进行了总结, 包括基于降阶模型的控制、基于线性二次高斯的控制、解析和数值推导的H∞控制、协方差控制和双模干扰调节控制。HST微振动相关技术分析方法可为我国高分专项、深空探测、载人航天、引力波探测等涉及到的高性能航天器、毫角秒级敏感器以及空间站光学舱等高精度光学仪器的研制、地面试验和在轨干扰环境量化评估提供有益的借鉴。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2478      

王 洪   郑 杰   闫延鹏   王 淞   李浩正   崔建国  

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为提高数字微流控芯片上液滴驱动能力及效率, 开展了数字微流控系统的设计及平台搭建研究, 该系统包括上位机控制软件、下位机硬件系统和DMF芯片三部分。提出一种曲边四边形组合电极, 该电极图形边缘能与液滴保持更大的重合度, 可提供更大的初始驱动力。测试了芯片上空气浴和油浴中液滴的驱动控制, 测得在空气浴中碳酸丙烯脂液滴的平均速度为25 μm/s, 在油浴中碳酸丙烯脂液滴的平均速度为260 μm/s。实验结果表明, 所设计的曲边四边形电极可有效增强液滴的驱动控制能力。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2488      

柏 添   孔 林   黄 健   姜 峰   张 雷  

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为了满足卫星平台热控指标及空间相机桁架的精密控温需求, 同时尽量降低卫星主动热控功耗, 合理规划了卫星热传递网络, 并进行了相机高精度控温设计。根据卫星结构布局、单机功耗分布和低倾角空间外热流特点进行了任务分析, 确定了热设计的重点和难点。然后进行了卫星热控系统的详细设计, 通过标定测温电路, 采用多层表面均温措施和开设各组件间的热交换通道, 合理利用整星资源进行了一体化热控设计, 并进行了热仿真分析。最后开展了卫星热平衡试验, 对热设计方案进行验证。卫星在轨飞行数据表明, 卫星各单机温度处于-.5~28.8 ℃, 相机桁架的温度波动和均一性小于±0.15 ℃, 在轨平均功耗为9.3 W, 满足平台的控温指标与相机的成像需求。热控分系统质量为1.5 kg, 仅占比整星质量的3%, 为低成本商业遥感卫星的热设计奠定了良好的基础。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2497      

孔永芳   黄 海   李 琪  

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针对空间精密有效载荷低阶模态振动抑制问题, 提出了一种采用基于经典的两参数隔振器和柔性Stewart平台设计的有效载荷主被动隔振平台进行主动控制的策略。该策略的核心思想是在有效载荷隔振平台中施加Skyhook阻尼和陷波器相结合的主动控制来进一步改善传统平台的振动衰减能力。首先, 对已研制的有效载荷隔振平台样机进行了简单介绍, 并建立了微重力环境中有效载荷的理论刚体动力学模型, 用于装置的隔振性能评估和控制器设计; 然后, 给出了控制器设计; 最后, 通过实验验证了组合控制的有效性。实验结果表明: 在仅使用Skyhook控制的传统隔振平台样机中, 上平板17.4 Hz和34.8 Hz附近的柔性模态仍然易被激起, 造成隔振平台沿竖直方向振动传递率幅频特性曲线在这两处频率附近有明显的共振峰; 而组合控制成功地使相应的峰值分别下降了约12.2 dB和10.19 dB。所提出的策略能够提高对航天器本体扰动的减缓水平, 极大程度地减弱目标柔性模态频率附近的干扰, 实现高性能抑振。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2507      

    现代应用光学

杨滨赫   蔡引娣   文志祥   凌四营   范光照  

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为了提高半导体激光器的光束稳定性, 减少长距离测量中激光光束的漂移, 本文设计了基于BP神经网络结合PID控制(BPNN-PID)的双反射镜激光器光束漂移自动补偿系统。在该系统中, 将两个四象限光电探测器分别置于测量近端和测量远端, 作为激光光束漂移的测量单元; 用两个带有压电陶瓷致动器(PZT)的二维角度调整架作为激光光束方向的调整单元。建立了激光光束漂移量与调整单元角度变化的模型, 并根据测量单元的输出, 通过BPNN-PID方法反馈控制调整单元的角度, 从而自动补偿激光光束漂移。实验结果表明: 使用该激光器光束漂移补偿方法, 在15 min时间内, 用于测量直线度误差和角度误差的激光测量系统的稳定性在测量距离1 m处, 分别从未控制时的±9 μm和±5″提高到了±3 μm和±1.5″。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2393      

任永杰   金云超   郭同闯   林嘉睿  

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旋转激光测量系统基于光电扫描的计时方式, 利用以时间差测位置差的时空转换思想, 借助搭载有线型激光器的匀速转台作为旋转测尺进行测量, 系统测角精度与转台匀速性相关。为了研究系统的转速稳定性及它与测角精度的相关规律, 对系统测角误差、转速评价指标和瞬时转速算法展开研究。建立了角度测量模型, 分析了瞬时转速波动对测角误差的影响机理; 引入瞬时转速稳定度作为转速评价指标, 并针对低精度码盘提出了一种基于脉宽误差补偿的瞬时转速算法, 最后进行了实验验证。结果显示, 对比传统M/T法和补偿算法, 某气浮轴承发射站的瞬时转速波动测量值从±4.5 r/min降至±0.25 r/min, 瞬时转速稳定度降至±4″。补偿算法的瞬时转速测量精度优于传统算法, 测角精度与瞬时转速稳定度存在一致性规律, 可以使用瞬时转速稳定度对系统测角精度进行快速评价。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2403      

邬丹丹   姚 康   管凯捷   付威威   孙建美   郭云宝   王 驰  

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为了精确监测脑血管手术中术野范围内目标血管的流速及流量, 研究了一种基于激光散斑衬比成像(Laser Speckle Contrast Imaging, LSCI)技术的脑血流分析方法, 来确认血管吻合后血流的流通及脑部血流灌注情况。首先, 搭建LSCI系统采集散斑图像, 对它进行改进的时间衬比分析和伪彩色处理, 得到血流速度图像来监测流速变化。其次, 手动选取感兴趣区域的基准点截取感兴趣区域, 对感兴趣区域图像预处理后利用改进的Canny算法提取血管边缘线并计算血管管径。最后, 通过动物实验验证LSCI系统血流速度变化监测和血管管径测量功能的可靠性。实验结果显示: 改进的Canny算法将血管管径测量的相对误差降低到5.1%。基于LSCI技术的脑血流分析方法可监测血流速度变化, 并测量得到血管的有效流通直径, 结合激光多普勒血流仪可以实现术中血流流速及流量的精确监测。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2411      

王 倩   吕鹏飞   何巧芝   吕 娜   赵 辉  

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为了克服时域信号易受环境干扰影响的缺陷, 提高液体浓度光声测量的稳定性, 在已有的光声信号时域峰峰值特性研究的基础上, 对光声信号的频域特性展开研究。分别讨论了葡萄糖溶液光声信号的功率谱特性和最大熵谱特性, 并分别采用峰值检测、对数拟合等方法对光声信号的频谱特性进行分析。对比了葡萄糖光声信号时域峰峰值与功率谱、最大熵谱的非线性误差和重复性误差。实验结果表明: 对最大熵谱曲线进行对数拟合之后采用截距表征光声信号的方法, 其非线性误差和重复性误差相比于传统的时域峰峰值检测方法分别减小了28%和71%。由此可以得出: 频域分析方法可以显著减小葡萄糖浓度检测的非线性误差和重复性误差, 提高无创血糖浓度检测的精度与稳定性。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2421      

徐 鹏   刘元山   张建国  

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时间抖动是衡量光频梳、低相噪激光器、微波光子雷达等低噪系统性能的核心参数, 其精确测量已成为一项重要工作。传统的直接探测法受限于微波振荡器的本地噪声或光电探测器的噪声, 测量精度较低, 在实际应用中无法实现对极低时间抖动参数的高精度测量; 光外差、光学互相关等光学测量方法存在着系统复杂的缺点, 并且对参考源和被测源的要求较高。为了测量阿秒级别的时间抖动, 本文研究了一种高精度、无参考源的时间抖动测量方法, 该方法主要基于长光纤延迟线和光载波干涉技术实现对时间抖动的超高精度测量, 在满足较高测量精度的前提下无需两个相似待测源, 极大降低了测量系统的复杂程度。然后, 优化了测量系统结构, 解释了光纤延迟线体系中伪像峰机理, 并提出了二次差频梳齿模型。系统仿真测得100 MHz重频激光器在其100次谐波点10 GHz处、频偏10 MHz时的噪声基底为3.29×10-13 fs2/Hz(等同于-211 dBc/Hz), 从10 kHz到10 MHz总的均方根时间抖动为535 as。实验结果表明, 此方法在超低时间抖动测量方面具有明显优势, 作为一种便捷、高效的时间抖动测量方法, 可以应用于被动锁模激光器、光频梳、超连续谱等不同待测源。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2429      

张 悦   王惠琴   张莉萍   包仲贤  

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针对现有光空间调制空间资源利用率较低、传输速率不理想等问题, 本文将线性弥散码与光空间调制相结合, 提出了一种广义空时脉冲位置调制(Generalized Space-time Pulse Position Modulation, GSTPPM)方案。详细介绍了广义空时弥散矩阵映射和脉冲位置调制映射原理, 采用球形译码算法完成了信号检测。在此基础上, 推导了GSTPPM方案的理论误码率表达式, 并利用蒙特卡洛法将所提方案与现有的光空间调制方案进行了对比。仿真结果表明: 当激光器数目和调制阶数固定时, GSTPPM方案的传输速率明显高于空间复用、光空间脉冲位置调制和广义光空间脉冲位置调制。当传输速率相同时, (2, 4, 4)-GSTPPM的误码率明显优于(32, 4, 4)-光空间脉冲位置调制和(5, 4, 4)-广义光空间脉冲位置调制。当BER=10－3时, 前者的信噪比比后者分别改善了约7 dB和5.5 dB。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2437      

陆润之   朱飞鹏   陶 金   顾 剑   白鹏翔   雷 冬  

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受相机分辨率的限制和离面刚体位移的影响, 基于二维数字图像相关(2D-DIC)的光学引伸计的应变测量精度往往不高。为解决由相机分辨率不足而带来的问题, 提出了一种视场分离装置, 该装置利用一块直角棱镜与两块反射镜, 将相机的连续视场分离成相隔一定距离的两个独立视场, 大大增加了光学引伸计的标距, 从而有效减小相机分辨率不足给光学引伸计带来的应变误差。此外, 选取远心镜头成像以减少离面运动对2D-DIC引伸计的影响。最后, 分别开展了静态实验和单轴拉伸实验来验证该引伸计的可行性。实验结果表明, 应变结果的均方根误差都在6 με以内, 基于视场分离的光学引伸计是一种高精度的应变测量技术。

       PDF全文        光学 精密工程, 2020年第28卷第11期 pp.2446