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光学精密工程

光学精密工程

2026年03期

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现代应用光学 | 细束径离子束变去除函数加工工艺及补偿

现代应用光学 | 细束径离子束变去除函数加工工艺及补偿

摘要：为了实现离子束对高精度光学表面的确定性加工,加强对加工过程中离子束去除函数的精确控制，建立细束径离子束的变去除函数补偿模型。实现对加工过程中细束径变去除函数问题的研究、分析、补偿和优化。根据实际加工中去除函数不稳定的问题进行理论分析，结合理论推导探究影响去除函数的直接因素和间接因素，直接因素包括热积累和能量分配问题，间接因素为驻留时间和进给速度。通过动态去除函数实验验证驻留时间对加工过程中去除速率的影响，对两组不同尺寸束径的实验证明了该规律的重复性。最后,提出了基于进给速度对去除速率的影响规律给出补偿方案及加工建议。实验结果表明：通过控制驻留时间/进给速度的方式，可以有效提高细束径在高精度光学表面的加工收敛率。在亚纳米光学加工的实验验证中，在 100mm ULE平面反射镜上达到 0.332nm RMS的加工结果，满足细束径离子束在实际应用中的稳定可靠、精度高、确定性强等要求。
现代应用光学 | 基于近红外-X射线融合光谱与非线性残差校正的大粒度煤热值PLS-AE-RR预测模型

现代应用光学 | 基于近红外-X射线融合光谱与非线性残差校正的大粒度煤热值PLS-AE-RR预测模型

摘要：针对工业现场大粒径煤样难以研磨所导致的基体效应增强与光谱非线性响应加剧的问题，提出一种基于近红外光谱（Near-Infrared Spectroscopy,NIRS)与X射线荧光光谱(X-rayFluorescence,XRF）融合的PLS-AE-RR混合预测模型，旨在提升对煤炭热值的在线分析精度。该方法构建了"线性基线 + 非线性特征提取十残差校正"三级混合架构：先采用偏最小二乘回归（Partial Least Squares,PLS)建立光谱与热值间的全局线性关系,再利用自编码器(Autoencoder,AE)从融合光谱中提取PLS难以捕获的低维非线性表征，最后通过岭回归(Ridge Regresion,RR)对非线性偏差进行残差校正。实验结果表明,该方法在大粒度煤样热值预测上取得突破进展,褐煤和烟煤的测试集决定系数 R² 分别达到0.974和0.938，平均绝对误差分别为 0.233MJ/kg 和 0.216MJ/kg ，性能显著优于单一PLS及其他非线性校正模型，验证了岭回归在残差拟合中的泛化优势。本文为燃煤电厂提供了免研磨、高精度的原煤热值在线分析手段，为燃料精细化管理与优化运行提供了关键技术支撑。
现代应用光学 | 时谱复用合成多基线气体透射比测量系统

现代应用光学 | 时谱复用合成多基线气体透射比测量系统

摘要：针对现有多基线气体透射比测量系统存在稳定性不足、光路对准精度难以保证、成本高昂以及难以实现紧凑型设计等问题，研究一种能够在有限空间内实现多种基线的稳定切换，并且接收机可共用的气体透射比测量系统。该系统基于时谱复用合成原理,通过集成化的多波长共孔径激光光源与分光镜、宽带反射镜等镜组的结合，形成多种基线的折返光路，在不同时隙选通不同波长实现多种基线的稳定切换，最终多个波长信号在空间上合成为一条光路进入单个接收机,用于气体透射比计算。实验结果表明,在考虑收发系统误差和局部组件偏移的综合场景下，多基线系统在低透射比和高透射比的测试中分别将气体透射比示值误差从单基线系统的 1.99% 和 25.58% 降低至 0.38% 和 7.23% 以内，抑制了系统衰减和局部干扰的影响，为复杂气象条件下的精确监测提供了解决方案。
现代应用光学 | 超高精度平面度误差的混合优化评定及应用

现代应用光学 | 超高精度平面度误差的混合优化评定及应用

摘要：针对传统智能优化算法在评定平面度误差时存在计算精度不足、收敛速度慢等问题，提出一种兼具高精度与高效率的平面度误差评定方法。通过设计一种以序列二次规划（Sequential Quadratic Programming，SQP)算法为主、粒子群优化（Particle Swarm Optimization，PSO)算法为辅的混合算法(PSO-SQP),以满足自研 1200mm 口径非接触式平面度检测仪对评定算法的严格要求。利用PSO算法的全局搜索能力进行初步粗搜索，快速获得一个接近全局最优的解作为SQP算法的优质初始点;针对精搜索阶段，利用自适应步长策略替代传统固定步长，从而在局部搜索中实现快速稳定收敛。实验结果表明,PSO-SQP混合算法对初始点偏差、采样规模及测量噪声具有良好的稳定性，与高精度三坐标测量机相比，评定结果差异小于 7nm 。在实际工程应用中，对直径 280mm 的平面镜进行评定，平面度评定结果与平面镜面形精度指标相符，验证了其工程实用性。PSO-SQP混合算法具有计算精度高、收敛速度快和稳定性好等优点，特别适用于超高精度、大数据量的平面度检测。
现代应用光学 | 陨坑视觉导航的位姿估计误差建模

现代应用光学 | 陨坑视觉导航的位姿估计误差建模

摘要：在月球极区着陆探测任务中，基于陨坑视觉导航估计着陆器位姿可以实现高精度着陆定位。为解决陨坑视觉导航中位姿估计误差传递机理不明确、工程实用化参数缺失等关键问题，开展了陨坑视觉导航的位姿估计误差建模研究。通过提出一种基于加权最小二乘法的位姿误差模型，以估计多种因素影响下的位姿误差。首先，结合陨坑视觉导航位姿估计原理,完成位姿误差溯源分析与基础建模。其次，以重投影误差最小化为目标,构建位姿误差模型。最后，采用加权最小二乘法，完成位姿误差的定量估计。基于月球极区数字高程模型(DigitalElevationModel，DEM)和数字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM)数据,模拟月球着陆器的陨坑视觉导航,开展基于蒙特卡洛仿真的位姿误差估计实验，研究不同误差源和特征参数对位姿误差的影响。实验结果表明，当像素检测误差为5pixel、陨坑数量为15时，平移误差估计值小于 95m 。本文误差模型可实现多因素影响下位姿误差的定量估计,提出的工程参数方案满足月球极区着陆百米级导航精度要求，为陨坑导航方案设计提供了理论基础。
维纳技术与精密机械 | 适用于螺旋驱动式胶囊机器人内窥镜的双端接收线圈设计与实验

维纳技术与精密机械 | 适用于螺旋驱动式胶囊机器人内窥镜的双端接收线圈设计与实验

摘要：无线胶囊内窥镜是一种非侵入式肠道检测工具，但其缺乏主动运动能力，而基于主动运动平台的胶囊机器人内窥镜则是解决这一问题的有效方案。因此，设计了一种采用螺旋驱动式运动结构的胶囊机器人内窥镜，其可以通过控制螺旋驱动单元的转速和转向实现不同的动作。针对该机械结构，设计了与其适配的双端接收线圈，通过理论分析以及数学建模的方式计算了不同拓扑结构接收线圈的电气参数。最后，通过仿真模拟以及实际实验测试，评估了不同拓扑结构接收线圈的效率。实验结果表明，采用先整流后串联的拓扑结构时，双端接收线圈表现出较高的稳定性,线圈在感应产生981mW 功率时，能量传输效率为 2.75% 。此外，管道实验也验证了无线能量传输系统能够满足胶囊机器人内窥镜运动和控制的功率需求。
维纳技术与精密机械 | 非对称线性包络函数修正Prandtl-Ishlinskii模型的压电快反镜迟滞补偿

维纳技术与精密机械 | 非对称线性包络函数修正Prandtl-Ishlinskii模型的压电快反镜迟滞补偿

摘要：压电快反镜(PiezoelectricFast Steering Mirror，PFSM)固有的迟滞特性严重制约了其在精密定位系统中的控制精度。为此，从时间复杂度、求逆必要条件及误差来源3个核心维度，系统对比了常见包络函数的性能差异，综合性选取了非对称线性包络函数,采用了基于非对称线性包络函数的率相关广义Prandtl-Ishlinskii模型（Rate-Dependent General-ized Prandtl-Ishlinskii Model with Asymmetric Linear Envelope Function,LRGPI)。为解决迟滞的率相关问题,引入导数项拓宽了模型的适用频率范围。随后，构建LRGPI逆模型前馈，对比验证迟滞补偿的有效性。最后，设计基于逆模型前馈的复合控制方法，抑制外界干扰的影响。仿真实验表明,LRGPI逆模型前馈控制相较于基于tanh包络函数的率相关广义PI（Tanh Envelope-Based Rate-Dependent Generalized Prandtl-Ishlinskii Model,TRGPI)逆模型和基于三次项包络函数的率相关广义PI(Cubic Envelope-Based Rate-Dependent Generalized Prandtl-IshlinskiiModel,CRGPI)逆模型,迟滞补偿的带宽分别提高了5. 78% 和 28.69% 。基于逆模型前馈补偿的对比实验进一步表明，LRGPI逆模型前馈控制的RMSE相比PI逆模型、TRGPI和CRGPI逆模型分别减少了 62.7% 23.2% 和 26.4% ，充分证明LRGPI模型在解决PFSM的迟滞行为方面具有显著的优越性和稳定性。
维纳技术与精密机械 | 基于同轴球面并联机构的望远镜跟踪架

维纳技术与精密机械 | 基于同轴球面并联机构的望远镜跟踪架

摘要：为满足高动态响应、高精度与大范围的光电跟踪任务需求，研究了一种基于同轴球面并联机构的望远镜跟踪架。基于几何向量与旋量关系建立了跟踪架的正/逆运动学模型，研究了采用信赖域迭代并结合装配模式约束筛选唯一运动学解的求解方法。利用雅可比矩阵计算条件数，并在叠加支链夹角约束的条件下，分析了跟踪架无碰撞、无自由度缺失的工作空间，分析结果表明，跟踪架的俯仰角为 48.4^°～131.6^° ，方位角无限。最后，提出了单位四元数Slerp结合三次Bezier速度连续化的轨迹规划方法，实现了跟踪架在不同姿态间的连续平滑运动。实验结果表明,所提出的运动学求解方法的角度误差数量级至少为 10^-11° ，验证了所建模型与求解模型具有较高的一致性。在多关键姿态的指向实验中，在设定规划时间内跟踪架姿态与角速度均能保证连续平滑收敛，且整条轨迹无奇异点，进一步验证了基于同轴球面并联机构的望远镜跟踪架具有优异的结构特性与运动能力。
信息科学 | 融合背景估计与相对局部对比度的天基短波红外弱小目标检测

信息科学 | 融合背景估计与相对局部对比度的天基短波红外弱小目标检测

摘要：针对天基短波红外图像中弱小目标易被云层、地表杂波淹没，且在低信杂比条件下检测困难的问题，提出一种融合安德森加速的自正则化加权稀疏模型(Self-Regularized Weighted Sparse，SRWS)与相对局部对比度（Relative LocalContrast Measure，RLCM)的改进检测方法。通过引人安德森加速机制，显著降低了背景估计的计算复杂度,利用背景残差图和RLCM实现了多尺度目标检测性。实验结果表明，本文算法在复杂背景下仍保持优异性能,接收者操作曲线下面积（AreaUnderCurve，AUC）最高达0.950,最低不低于O.842；信杂比增益（Signal-to-Clutter Ratio Gain，SCRG)显著优于红外图像块(Infrared Patch Image，IPI）、局部对比度法(Local Contrast Measure,LCM)等传统方法。本研究有效提升了天基短波红外弱小目标的检测精度与稳定性，为复杂背景下的遥感目标检测提供了可靠的解决方案。
信息科学 | 面向TDICCD噪声建模的物理引导深度神经网络

信息科学 | 面向TDICCD噪声建模的物理引导深度神经网络

摘要：时间延迟积分CCD(Time Delay Integration CCD，TDICCD)在遥感成像领域应用广泛,由于其存在暗电流、复位噪声及量化噪声等复杂噪声源，导致现有方法难以表征微光环境下真实传感器中的信号无关性噪声分布。针对该问题，提出一种面向 TDICCD噪声建模的物理引导深度神经网络(Physics-guided Deep Neural Network,PDNN）,通过从暗场图像中学习信号无关性噪声，并将其与基于泊松分布建模的信号相关性噪声叠加得到合成噪声，从而准确表征TDICCD在微光条件下的噪声分布。首先,该网络通过TDICCD噪声解耦（TDICCD Noise Decoupling,TND)模块将暗场图像解耦成空间无关性的像素噪声。然后,TDICCD噪声建模(TDICCD Noise Modeling,TNM)主干网络中的增益多级自适应(GainandMulti-stageAdaptive,GMA)模块和 1×1 卷积模块将初始噪声映射到接近真实噪声水平的分布空间,并保持像素噪声的独立性。最后，使用任务平衡损失(Task Balanced Loss,TBL)对网络进行约束，通过动态调整权重因子以维持训练过程的相对均衡，进一步优化网络性能。实验结果表明，在自建数据集中所提方法的平均KL散度（Average Kulback-LeiblerDivergence,AKLD)达到0.1069,在现有方法中具备显著优势,且使用合成噪声图像训练得到的PSNR与SSIM指标接近真实数据水平。PDNN能够准确描述TDICCD在微光条件下的噪声分布,对提升微光遥感影像的视觉质量具有实际应用价值。
信息科学 | 基于动态特征增强的水下鱼类目标检测

信息科学 | 基于动态特征增强的水下鱼类目标检测

摘要：水下鱼类的高效监测是海洋生态系统保护、生物多样性评估和水产资源可持续管理的基础。为应对水下复杂环境因素对检测稳定性和检测效率的影响,基于YOLOv8n框架提出一种动态特征增强模型FDN-YOLO(Fish DetectionNetwork YOLO）。首先,构建多尺度可变形感受野模块（Multi-scale Deformable ReceptiveField，MDRF）,通过自适应调节有效感受野，使主干网络更充分地表征不同形态与尺度的鱼类目标。其次，设计下采样轻量化空间重排深度可分离模块（Lite Space-to-Depth Depthwise Separable,Lite SPD-DS）,在控制计算开销的同时,保留下采样阶段的细粒度空间线索。最后,提出将自适应IoU与VarifocalLoss融合的损失函数（Adaptive IoU-awareVarifocalLoss，AIVFLoss），以强化对高质量定位样本的学习能力，并缓解类别与样本分布不均带来的训练偏置。基于TF-DET数据集的实验结果表明，FDN-YOLO的mAP50与mAP50:95分别提升 2.8% 与 2.1% ，参数量与计算量分别降低 13.3% 与 16.0% 。通过对比泛化实验进一步表明,FDN-YOLO在准确性、效率与稳定性之间的优越平衡性能，具备在生态调查与数据驱动的海洋资源管理中的应用潜力。
信息科学 | 基于结构先验与多尺度残差聚合的大面积破损图像修复

信息科学 | 基于结构先验与多尺度残差聚合的大面积破损图像修复

摘要：针对大面积破损图像在人脸、街景、建筑等修复工程中存在的纹理模糊、结构扭曲与边界伪影的问题，提出一种基于结构先验与多尺度残差聚合（Structural Priors and Multi-scale Residual Aggregation，SPMRA-Net)的大面积破损图像修复方法。首先,设计动态自适应多尺度(Dynamic Adaptive Multi-scale，DAM)模块,通过空洞卷积与残差结构增强模型的上下文感知能力。其次，构建由Transformer路径与一致语义注意力路径组成的瓶颈模块，并通过交叉注意力机制将 Transformer路径输出的全局语义信息与自注意力路径输出的局部纹理信息融合，以抑制大面积缺损场景中的结构扭曲。然后,为缓解传统跳跃连接因简单拼接导致的语义鸿沟问题,引人自适应多尺度聚合（Adaptive Multi-scale Aggregation，AMSA)模块提升深层特征与浅层特征的交互能力，保证修复图像的边界连续性。最后,引人双判别器对修复后的结果与原始图像进行一致性评估，以提升生成图像在视觉感知上的真实性。实验结果表明，该模型在CelebA数据集上的PSNR提升3.06dB,SSIM提升0.087,LPIPS降低O.078。在Paris StreetView,Places2数据集上的主观评价以及客观评价指标均优于对比算法。本文方法在结构一致性与感知层面上均取得一定提升，验证了其在大面积破损图像修复任务中的有效性。
信息科学 | 自适应强跟踪算法在手术器械定位中的应用

信息科学 | 自适应强跟踪算法在手术器械定位中的应用

摘要：光学手术导航系统在复杂微创操作中易受术者生理性震颤、设备振动与成像噪声等多源干扰影响，导致定位抖动与轨迹不连续。针对上述多源干扰引入的噪声以及系统模型不确定性所导致的系统稳定性不足的问题，提出一种基于自适应强跟踪滤波的手术器械定位与引导方法，以提升光学手术导航系统的稳定性与可靠性。位置域采用基于误差统计自适应调整噪声矩阵的强跟踪卡尔曼滤波，可增强对突变噪声与漂移的抑制能力；姿态域采用四元数无迹卡尔曼滤波，以避免线性化误差并保持四元数归一化。为进一步提升平滑效果,在位置输人端加入滑动平均预处理，实现低频稳态性与高频抑制能力的结合。实验结果表明，所提方法在综合性能上显著优于相关文献方法。在姿态跟踪方面，角度均方根误差相比对比方法降低了 50%～79% ；在位置跟踪方面，总体趋势残差较卡尔曼滤波进一步降低了 5%～20% ，实现了高频噪声抑制与动态响应稳定性的最佳平衡。本文提出的方法在微小扰动抑制、姿态稳定性和噪声自适应性方面均取得了显著的实验结果，为高精度医疗导航提供了理论基础。

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现代应用光学 | 细束径离子束变去除函数加工工艺及补偿

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现代应用光学 | 基于近红外-X射线融合光谱与非线性残差校正的大粒度煤热值PLS-AE-RR预测模型

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现代应用光学 | 时谱复用合成多基线气体透射比测量系统

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现代应用光学 | 超高精度平面度误差的混合优化评定及应用

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现代应用光学 | 陨坑视觉导航的位姿估计误差建模

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信息科学 | 自适应强跟踪算法在手术器械定位中的应用

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