光电子学与激光技术

基于激光多边法的坐标测量系统布局优化

胡进忠，余晓芬，彭鹏，等

摘要：目的：工业领域特别是船舶、航空航天和核工业等大型装备制造业对大尺寸测量的需求日益强劲，在此背景下，提出了一种基于激光多边法的坐标测量系统。该坐标测量系统在实际应用时需进行自标定，结合系统自身特点，提出了一种无动点自标定方法，并通过对该方法数学模型的误差传递规律的理论分析，对系统的布局优化进行了探讨。方法：基于激光多边法的坐标测量系统主要由测量基站、目标基站和数据处理系统构成。测量基站可以精确测得其与目标基站之间的绝对距离，而不是某些系统（如四路激光跟踪三维坐标测量系统）中所测得的是相对距离。结合系统这一自身特点，同时考虑到冗余测量可有效提高系统的测量精度及系统成本，当测量基站个数配置为4时，系统可进行无动点自标定。所谓无动点自标定方法就是不通过增加目标点来增加方程个数，而是完全依靠系统的测量基站本身来完成自标定。通过合理建立坐标系建立其数学模型。通过对该数学模型的误差传递规律进行理论分析，得到了计算结果。结果：通过仔细研究无动点自标定数学模型的误差传递规律的理论分析结果，可以发现：当 xm3＝xm4＝ym4＝0，则在和中可消除误差累积。而此时系统的布局方式为：测量基站 M1处于坐标原点位置，测量基站M2、M3和 M4分别位于 x轴、y轴和z轴上。在该布局方式中，M1、M2、M3和 M44个点在空间中所构成的三棱锥有3个侧面两两垂直，定义此三棱锥为直角三棱锥，从而将此布局方式定义为直角三棱锥布局。分别对直角三棱锥布局和正四面体布局、直角三棱锥布局和一般布局方式进行了比对仿真，并以系统未知参数的残差平方和与方差和为评价依据，其中残差平方和小表示自标定结果更接近理论值，而方差和小表示自标定结果较为稳定。仿真结果表明直角三棱锥布局方式下的各系统未知参数的残差平方和与方差和均小于其他布局方式。结论：基于激光多边法的坐标测量系统可实现无目标点自标定，通过对无目标点自标定模型误差传递规律的理论分析，对系统的布局方式进行优化，优化结果为直角三棱锥布局。仿真结果表明，直角三棱锥布局提高了自标定精度，从而保证了系统的测量精度。

来源出版物：中国激光, 2014, 41(1)： 0108006

入选年份：2016

相干合成中基于SPGD算法的平移误差和倾斜误差控制

母杰，景峰，王逍，等

摘要：目的：随机并行梯度下降算法（SPGD）是控制多路激光束的相位锁定，实现相干合成的一种有效方式。分析了平移误差和倾斜误差对相干合成（CBC）的影响，建立 2×2排布的光束模型探讨了该算法中的关键参数——增益系数和扰动幅值对平移误差和倾斜误差控制的影响，并对参数的优化进行了分析。方法：根据夫琅和费衍射理论，建立存在平移误差和倾斜误差时光束相干合成的远场分布，采用数值模拟方法分别分析了仅存在平移误差和倾斜误差时的远场焦斑的状态变化。在任意给出一组初始平移误差和倾斜误差的情况下，模拟SPGD算法的控制过程，变化增益系数和扰动幅值进行了平移误差和倾斜误差的控制，并进一步的采用自适应更新的方式来优化关键参数。结果：平移误差使远场焦斑以λ（即2 λ）为周期发生分裂，倾斜误差使光束无法聚焦于同一目标。要实现光束的相干合成，需要同时对平移误差和倾斜误差进行控制。增益系数和扰动幅值的取值与SPGD算法的收敛速度和计算精度紧密相关：随着迭代次数的增加，合成焦斑的斯特列尔比（SR）逐渐增大到一定值；随着增益系数和扰动幅值的增加，算法的收敛速度不断提高，当大于一定值时，收敛后的SR会出现振荡，且随着增益系数和扰动幅值的增加，振荡现象会加剧，算法的精度降低，收敛后的SR的值减小，相干合成效果变差；与固定参数相比，自适应参数会使算法的收敛速度略微下降，但振荡现象得到明显的改善，收敛后的SR稳定性很好，算法的计算精度增加，SR的值得到提高。结论：有效地控制平移误差和倾斜误差实现光束的共相输出是光束相干合成的关键。平移误差会使远场焦斑发生分裂，倾斜误差会使激光束无法在同一目标处聚焦，远场焦斑主瓣能量降低。随着增益系数和扰动幅值的增加算法的收敛加快，但是计算精度降低，性能指标会出现振荡现象，相干合成效果变差；自适应更新是一种有效的参数优化方式，可以在保证算法收敛速度的同时有效地保持算法的计算精度，避免振荡的产生，从而保证较好的相干合成效果。

来源出版物：中国激光, 2014, 41(6)： 0602002

入选年份：2016

星敏感器技术研究现状及发展趋势

梁斌，朱海龙，张涛，等

摘要：目的：经过半个多世纪的发展，星敏感器技术已经成为航天器首选的姿态测量设备。通过总结星敏感器发展历程，分析其中关键技术及其影响因素，对星敏感器未来的发展趋势进行展望。方法：星敏感器是一种以恒星为探测目标的高精度姿态测量仪器，其发展经历了析像管星跟踪器、CCD星敏感器和CMOS星敏感器等阶段。星点质心定位算法、星图识别算法和姿态解算算法是星敏感器的核心技术。为提高质心定位精度，星敏感器的光学系统采用离焦技术，用亚像元细分定位算法确定星图中星点的质心位置。星图识别是用恒星的质心位置等特征构造识别模式来识别恒星的过程，主要包括3种类型的算法：（1）基于星座特征的星图识别算法；（2）基于字符模式的星图识别算法；（3）基于智能行为的星图识别算法。然后根据识别出导航星在天球中位置信息，用姿态解算算法可以得到星敏感器的姿态信息。根据姿态解算过程不同，星敏感器的姿态解算方法分为静态确定性算法和动态估计算法2种类型。此外，为保障星敏感器在轨运行期间的姿态测量精度不受到温度、振动和辐照等因素的影响，星敏感器还需要进行在轨标定，在轨标定的方法可以分为姿态依赖和非姿态依赖2种方法。结果：姿态测量精度、星图识别成功率和姿态更新频率是衡量星敏感器性能的最主要的指标。影响姿态测量精度的主要因素包含星点质心定位精度、星敏感器光学系统主点位置和焦距的精度等。星点质心定位精度在计算过程中会受到系统误差和随机误差的影响，系统误差包括算法误差和光学系统误差，随机误差主要指成像过程中的各种噪声。星点质心定位的算法误差与真实位置之间存在正弦周期性关系，并且随着星点弥散斑的半径增大逐步演变成线性关系；光学系统误差可以通过标定算法进行补偿；随机误差可以通过图像滤波等方法尽可能的降低。结合目前研究现状，星点质心定位的精度可以达到0.05 pixel左右。星敏感器光学系统主点位置和焦距的精度可以通过标定的算法得到，星敏感器的标定包括地面预标定和在轨标定2种。地面标定可以采用相机标定的技术实现，在轨标定则需要根据拍摄的星图及姿态测量误差等综合方法实现。星图识别是星敏感器进行姿态解算的前提，特别是在“太空迷失”的情况下，星敏感器需要识别拍摄的星图，进而确定星敏感器的初始姿态信息。影响星图识别成功率的因素包括识别模式、导航星表数据库结构以及导航星表数据库的搜索方法等。识别模式是影响星图识别成功率的决定因素，按照识别模式的不同，星图识别算法包含基于星座特征的星图识别算法、基于字符模式的星图识别算法和基于智能行为的星图识别算法3类。基于星座特征的星图识别算法的识别模式直观易懂、容易实现，但是由于识别模式特征维度低，会导致误匹配和冗余匹配。基于字符模式的星图识别算法识别特征存储量很小、识别速度快，但是识别成功率容易受到星点质心位置误差和伪星点的影响。基于智能行为的星图识别算法识别率高、识别速度快、实时性和鲁棒性好，但由于需要经过大量样本训练才能确定核心参数，而且核心参数会受到训练集影响，因此实用价值比较低。在得到识别的导航星后，就可以根据姿态解算算法得到航天器的姿态信息，但是由于星敏感器整个工作流程复杂，特别是在“太空迷失”情况下，目前星敏感器姿态更新的频率一般是4～10 Hz。为了提高姿态更新的频率目前主要依靠的方法是缩短成像器件的曝光时间和提高星图识别的速度。通过对影响星敏感器性能指标的综合分析和讨论，可以了解星敏感器核心技术的目前发展现状以及后续的发展趋势。结论：通过总结星敏感器的发展历程，分析讨论星敏感器关键技术的研究现状，降低星敏感器成本、提高星敏感器姿态测量精度和更新频率以及提高星敏感器的动态性能是未来星敏感器技术的主要发展方向，因此微型化、多视场和高性能星敏感器将是未来星敏感器发展趋势。

来源出版物：中国光学, 2016, 9(1)： 16-29

入选年份：2016

室内可见光通信调制方法分析

张建昆，杨宇，陈弘达

摘要：目的：随着白光发光二极管（白光LED）的推广和普及，基于白光LED的可见光通信技术因具有无电磁污染、频谱资源丰富、无需频率许可、对人眼无伤害等优点成为了国内外研究热点。在基于高亮度白光LED的室内可见光通信系统中，可以兼顾照明和通信功能。由于人眼安全性和便携式移动通信装置的低功耗要求，在给定误码率条件下，光源平均发射功率应尽可能低；同时，在满足室内照明亮度要求下，较高的平均功率可以减少LED的使用数量，因此选择合适的调制方式会有助于可见光通信系统性能的优化。为了有助于在实际的室内照明可见光通信系统中选择合适的调制方式，结合开关键控（OOK）调制方式，提出并对比分析了4种调制方式的相关性能。方法：根据可见光通信技术的特点，提出了适用于可见光通信的反向归零码开关键控（ROOK-RZ）调制、反向脉冲位置调制（RPPM）、反向差分脉冲位置调制（RDPPM）和反向数字脉冲间隔调制（RDPIM）4种调制方式。给出了各种调制方式的符号结构，结合开关键控（OOK）调制方式，结合实验仿真的方法，分析比较了各种调制方式的带宽需求和平均发射功率，推导出了误时隙率表达式，并对各种调制方式的误时隙率进行了比较。仿真实验结果表明：（1）在带宽需求方面，带宽需求是由比特波形中最小的脉冲宽度决定，RPPM、RDPPM和RDPIM的带宽需求均随着调制阶数M的增加而增大，其中RDPPM和RDPIM的带宽需求几乎一致，RPPM 的带宽需求最高，OOK的带宽需求最低；（2）在平均发射功率方面，在峰值功率相同的条件下，发射一个相同符号时各种调制方式的平均发射功率不同，对于RPPM、RDPPM和RDPIM随着调制阶数M的增加归一化平均功率趋于最大值2，调制阶数M相等时，RPPM的功率高于其他调制方式；（3）在误时隙率方面，误时隙率随着信噪比的增加而减小，当调制阶数M一定时，RPPM的误时隙率最小，RDPPM和RDPIM误时隙率最大。结论：OOK调制方式简单，不需符号同步，具有最小的带宽需求，但是平均发射功率不高，并且误时隙率高。RPPM 在相同调制阶数M时，具有最高的平均发射功率，而且信噪比优于其他方式，但是具有最大的带宽需求，同时需要严格的时钟同步。RDPPM和RDPIM的各项性能介于OOK和RPPM之间。在实际可见光通信系统中，应充分考虑各种调制方式的带宽需求、平均发射功率和误时隙率，根据实际需要选择合适的调制方式，以适应未来室内照明可见光通信的要求。

来源出版物：中国激光, 2011, 38(4)： 0405003

入选年份：2016

基于视觉激光切割厚板切割状态监控方法

高士友，马雷，张润生

摘要：目的：为了充分利用图像中彩色信息分析激光切割状态，从彩色图像中分别选取蓝色通道、绿色通道和红色通道生成各自通道图像，蓝色、绿色和红色通道图像中激光切割区域大小、几何形状与彩色图像存在一定的差异，这些差异反应了激光切割的不同特征。方法：试验用功率为4 kW的CO2激光器，利用氧气辅助切割，气体压力为2.5 kg/cm2，切割速度为70 mm/min，焦距为180 mm，焦点半径为0.5 mm，焦点距离切割的板面1 mm，监控系统包括光纤镜头、彩色工业摄像机（CCD）和工控机。实验采用厚度为15 mm碳钢板材。镜头视场为10 mm×10 mm，采集图像为RGB彩色图像，大小为640像素512像素。在图像识别中，首先以激光焦点在图像中的位置为中心建立坐标系，以x轴方向为起始，45°为间隔向8个方向搜索激光切割区域的边缘点，根据边缘点到坐标原点的距离信息确定激光切割方向和切割顶点；建立边缘识别用抛物线模型，根据边缘处存在灰度特征、梯度特征和方向特征设计识别目标函数，识别切割顶点两侧边缘，进而识别整个切割点处的几何形状。结果：蓝色通道图像的区域最小，与切缝相对应，其边缘处纹理反应切缝的表面质量和边缘处是否挂渣；绿色通道图像的区域比蓝色通道的稍大一些，与切缝边缘相对应；红色通道图像的区域最大，其反应了热影响区的状态。实验表明识别方法具有良好的适应性、准确性和实时性。结论：（1）利用激光切割彩色图像获取红色、绿色和蓝色通道灰度图像，分析各通道图像差异，得出激光切割点在图像中为箭头形状。（2）根据激光切割点几何形状特点，给出激光切割方向与切割点顶点识别方法，该方法能准确获取切割方向和切割点位置。（3）建立识别用抛物线方程，构建12特征单元，提取切割点边缘处的灰度特征和梯度特征，建立识别目标函数对激光切割点顶点两侧边缘进行准确识别，并给出切割点下部区域识别方法。该方法识别准确，稳健性较强。（4）通过对激光切割点区域边缘形状识别，可以准确判定激光切割加工中切割点状态，在不良情况下及时报警。同时为后续设备闭环控制提供基础。

来源出版物：中国激光, 2012, 39(2)： 0203007

入选年份：2016

红外与可见光融合图像的质量评价

王宇庆，王索建

摘要：目的：融合图像的质量评价在图像融合技术的研究中具有重要的意义。由于各种图像融合技术的核心思想都是把由工作于不同波长范围或者具有不同成像机理的各种图像传感器获取的对同一个场景的多种图像信息“融合”生成一幅新的图像，而融合后的图像中所包含有更多的HVS（human visual system，人类视觉系统）敏感信息是人们关注的重点，因此，与其他的图像质量评价算法不同，融合图像的质量评价算法必须对新增加的图像信息进行准确的评价。由于图像融合的过程与人脑获取信息的方式不同，各种图像传感器得到的信息存在冗余和相关，这不仅影响了融合效果也影响了对融合图像质量的判别。融合图像质量评价研究的最终目的就是讨论如何分析融合后图像的信息量增加的数量和类型。方法：为了提高融合图像质量评价中评价结果与人眼视觉特性的一致程度，分析了现有的融合图像质量评价方法，将影响图像质量的因素分为信息量的类型变化和信息量的数量变化两方面内容，在此基础上，针对现有方法的不足，提出了一种基于图像结构信息复数表示的融合图像质量评价方法。结果：通过计算图像亮度分量的梯度，构造了一种表征图像结构信息的梯度复数矩阵，由于包含亮度和人眼敏感结构信息的复数矩阵可以很好的平衡图像中的各种类型结构信息，因此所提的方法用该矩阵表征图像的结构信息。考虑到复数无法计算互信息等参数，将分块奇异值分解后得到的矩阵作为度量矩阵，采用该矩阵计算了两种融合图像质量评价方法，实验结果表明，该方法提高了评价结果与人眼视觉特性的一致程度，对于融合效果较好的金字塔和小波方法给出了3.7485和3.7222的评价结果，与人眼视觉特性的一致性优于传统方法。结论：在深入分析和广泛比较研究的基础上，提出了一种基于图像结构信息复数表示的融合图像质量评价方法。用复数表示图像的结构信息，增加了图像矩阵所描述的图像结构信息与 HVS的相关程度，避免了传统的仅以传递统计信息量为评价标准的各种方法的不足。该方法充分利用了图像中人眼较为敏感的图像边缘信息，将其作为信息传递的重要内容，同时兼顾了对未知信息的预测。计算机仿真实验证明了该方法的优越性，评价结果优于传统的互信息等方法而且，算法对两组图像的评价结果比较接近，这说明算法具有良好的稳定性，与 HVS的一致性较理想。另外，根据算法原理，该评价方法所给出的框架可以推广到其他类型的融合图像质量领域，用复数结构信息代替相应的实数元素进行计算，扩充了原有的信息表现形式，提高了算法对重要信息的敏感程度。

来源出版物：中国光学, 2014, 7(3)： 396-401

入选年份：2016