基于机械臂辅助的相机标定研究

随着变焦镜头摄像机越来越多地被应用于计算机视觉的各个领域,其内部参数与放大倍数的关系的准确获知就显得尤为重要。本文采用建立内部参数与放大倍数之间函数关系的方式来构造参数模型。为了提高各放大倍数状态下的标定速度,采用舵机驱动的多自由度机械臂并由程序根据标定进程来灵活控制标定模板的移动位置,减少了人工干预。在通过张正友标定算法得到一系列离散的参数值后,采用了三种不同的拟合函数对其进行曲线拟合,并给出了各种方法的拟合效果及误差对比。通过本文方法,可以有效建立起镜头的参数模型,为视觉分析提供准确的参数信息。     

DRC-MME高级参数模型直通标定实验的自由度分析

在椭偏测量中,采用直通式标定方法准确标定出系统模型参数对于样品的精确测量至关重要.由于双旋转补偿器式Mueller矩阵椭偏仪(DRC-MME)高级参数模型复杂,参数数量较多,且部分高级参数之间存在相互级联和耦合,为保证标定结果的准确性,实验中各个参数之间的独立性关系需要被检验.针对这一问题,使用奇异值分解、泡利矩阵和其他数学工具,从理论上对DRC-MME直通标定实验的自由度进行研究分析,明确在数据拟合过程中的"无用"参数,并通过仿真实验验证研究分析结果的正确性.最后搭建实验平台,开展了直通标定实验,得到了符合实际物理意义的高级参数标定结果,并使用标定好的高级参数模型对硅衬底上二氧化硅薄膜厚度进行了测量,测量结果与标称值相差1.9 nm,重复测量精度为5.31 pm.所提对直通标定实验自由度的研究分析方法不仅适用于椭偏仪,也可为其他的多参数优化过程提供一个分析思路.     

高精度激光告警参数提取算法

激光告警系统通过提取来袭激光的相关参数进行告警定位，其角度定位精度直接与战场生存能力相关。为了有效提高激光告警系统的角度定位精度，基于光栅衍射型激光告警原理，提出一种高精度测量来袭激光参数的算法。对激光告警系统进行标定，用高斯拟合法精确提取出衍射光斑标定图片的0级光斑中心，将来袭激光角度与对应角度的光斑中心进行拟合，根据拟合结果确定任意角度的光斑衍射图像对应的来袭激光角度参数。实验结果表明，方位角测量误差优于0.29°，俯仰角测量误差优于0.38°。该算法有效提高了激光告警系统的测算精度。     

柱形微腔回音壁激光光谱模式的精确标定

由柱形微腔中回音壁模式满足的本征值方程,得到确定回音壁模式位置和间距的近似解析公式。以此近似解析公式,首次对直径在215～328 μm间的5个柱形微腔回音壁激光光谱做了模式标定。在用近似解析公式对柱形微腔激光光谱的数值作拟合的计算中,除了回音壁模的径向模式数(l)和角动量模式数(n)外无需其他拟合参数,解析公式的拟合值和实验激光光谱波长值间的偏差小于0.05 nm,拟合结果精确可靠。柱形微腔回音壁激光光谱模式的精确标定在模式的场分布计算以及频移型微腔生物传感器的研究应用中具有重要作用,文章介绍的方法亦可应用于柱形微腔直径和折射率的精密测量。     

激光束空间位姿高精度标定方法

关节型激光传感器是新型的跨尺度空间、非接触三维坐标测量仪器。为使关节型激光传感器实现精密测量,需要精确标定其系统参数,尤其是标定激光束的空间位姿。提出一种基于平面靶标和球靶标相结合的激光束空间位姿标定方法。通过建立像素坐标系和世界坐标系的矩阵关系,得到激光点的三维坐标,进而通过直线拟合得到激光束的空间位姿。转台旋转轴的空间位姿通过最小区域圆拟合得到。实验结果表明,在1 m的测量范围内,传感器系统的最大距离测量误差约为0.05 mm,新标定方法准确有效。     

基于频域吸收峰标定气体浓度的检测方法

传统的光学气体检测方法需要将时域信号转换为频域信号,从而获得气体的浓度。这种方法在转换过程中会引入误差,无法准确反映频率随时间的变化,造成气体浓度不能准确标定。提出一种基于频域吸收峰标定气体浓度的检测方法。以CO₂为例进行检测,利用基于BeerLambert定律的直接吸收法对CO₂和N₂的混合气体中CO₂的浓度进行测定。此方法通过采集激光束的光强和频率信息,并使用相邻平均法和Levenberg-Marquardt(LM)优化算法进行Lorentz拟合获得吸收光谱峰值强度。实验结果表明：激光峰值强度与气体浓度之间满足线性关系,Pearson相关系数可达0.999。因此,基于频域吸收峰标定气体浓度的检测方法可有效简化系统结构,避免时域到频域转换中频率漂移的影响,使得激光峰值强度与气体浓度之间线性度良好。     

结构现场可调的点激光精密测量系统

为了实现激光传感器测头可以根据现场条件来实时改变入射角度,建立了结构可调的点激光测量系统。建立了相机的针孔模型,利用张正友标定算法得到该相机模型的内部参数,定义点激光测量系统中的光心角,推导出利用像点坐标和相机内部参数实时求取光心角公式。建立了点激光测量系统的数学模型,引入点激光测量系统的结构参数:基线距和基准角,利用零平面和两个基准面标定系统结构参数。利用标定得到的系统结构参数进行实时的逆向工程在线测量。实验结果表明:测量系统量程为75mm时,该标定算法最大标定误差≤0.02mm,点激光测量系统的测量误差≤0.06mm,达到精密测量的要求。     

位相测量轮廓术中的相位修正及系统标定的新方法

介绍了在位相测量轮廓术中的一种相位修正及系统参数标定的新方法。对参考面(标定面)上点的位置_相位关系进行全场拟合,并根据该相互关系对参考面相位进行修正,能够非常有效地去除相位误差;提出的参数标定方法能精确得到投影系统参数的组合。实验证明了此方法具有良好的实用性和测量精度。     

基于PLS的水体重金属LIBS特征变量筛选方法研究

在水体重金属激光诱导等离子体光谱定量分析中,一般提取光谱的多个特征变量进行浓度反演,但变量之间所包含的光谱信息可能存在重叠,回归模型的复杂程度也随之增大。为提取有效特征变量,研究了基于偏最小二乘法(PLS)的变量筛选方法。该方法以待测元素浓度为因变量,多个与待测元素浓度相关的LIBS光谱特征值为自变量,进行PLS建模;依据各原始变量的投影重要性指标值进行变量筛选,提取最优变量子集。结果表明湖库水体中Pb元素的最优变量子集为Pb Ⅰ 405.78 nm峰值及峰值前相邻点光谱值、内标校正值和信背比值,训练集的复相关系数R2_m=0.912。以优化变量组合进行PLS回归分析,测试集预测结果的RSD和RE分别为10.2%和7.9%,显著优于内标法的预测结果。结果还表明,变量筛选结果对于不同元素和不同水样具有一定适用性。研究结果为水体重金属LIBS定量分析提供了优质特征数据,研究方法为其他涉及变量筛选的定量分析提供了参考。     

轻离子反射系数的标度公式

最近发现，轻离子输运行为具有显著的标度特性，可用一个称为标度输运截面的参数来标定。本文利用这个重要的性质，给出了以标度输运截面为自变量的轻离子粒子数反射系数和能量反射系数的普适拟合公式。此公式具有非常好的单值对应关系，相比之下，经常应用的约化能ε作为标度参数的反射公式，因其分散度大而相形见绌。 关键词：     

漂移量反馈控制式激光准直方法

提出一种集光纤准直与光束漂移量反馈控制准直技术于一体的激光光束准直方法 ,它是在单模光纤对激光器出射光束漂移量进行初级准直的基础上 ,进一步对光束的漂移量进行反馈控制 ,进而提高出射光束的方向稳定性。准直系统中利用漂移量分离光路和光电检测系统对光束的平漂量和角漂量进行了分离检测 ,并各自构成相应的光束空间平漂量反馈控制系统和光束空间角漂量反馈控制系统 ,减小了平漂量和角漂量反馈控制中的相互耦合。引入单模光纤使激光器与光束漂移量反馈控制准直系统相隔离 ,减小了激光管热源温度变化等因素对准直系统的影响 ,同时还便于准直系统使用中的安装布置。上述方法的应用 ,提高了准直精度及准直效率。实验表明目前该方法准直精度可达 0 .7× 10 -7rad。     

CCD位移传感器结构参量计算方法

推导了CCD位移传感器的计算公式,给出了一种位移传感器结构参量的数值逼近计算方法,实验结果表明,利用该方法确定CCD位移传感器的结构参量,可提高测量精度.     

三维时域散斑动态干涉测量系统的集成化设计

三维电子散斑干涉技术（3D ESPI）具有非接触、高精度、高灵敏度和全场测量等优点，被广泛应用于许多领域。为了实现非接触动态全场三维测量，设计并建立了一个紧凑、完备的三维测量系统。用一个多波长光纤耦合激光器代替3个独立光源，产生的离面、面内散斑干涉图仅用一台彩色CCD相机就能捕捉和处理；整个测量系统采用笼式结构，具有高度的灵活性和稳定性；对基于小波变换的相位展开算法进行了编程，实现了被测物体三维位移信息的完整提取。实验证明该测量系统可以实时获取被测物体的三维位移，在测量实验中，获得的三维位移值17.68 μm、36.23 μm、13.85 μm，相比于实际位移值18.1 μm、36.4 μm、14.0 μm它们的绝对误差分别为0.42 μm、0.17 μm、0.15 μm，相对误差分别为2.3%、0.5%、1.1%。     

Measurement of resonance frequency and loss factor of a microphone diaphragm using a laser vibrometer

The pressure sensitivity of a laboratory standard microphone is determined using a reciprocity technique that measures the electrical transfer impedance of two microphones connected acoustically by a coupler. The electrical transfer impedance is a function of the coupler volume and the equivalent volumes of the microphones. The equivalent volume given as a function of the frequency can be determined in experiments or can be calculated if the equivalent volume at a low frequency as well as the resonance frequency and loss factor of the microphone diaphragm are known. Therefore, it is necessary to determine the resonance frequency and the loss factor accurately to obtain an accurate reading of the pressure sensitivity.In this paper, a new method to determine the resonance frequency and loss factor of a microphone diaphragm is proposed. The frequency response of the diaphragm displacement is measured by a laser vibrometer and the part of the response near the resonance frequency is used to determine the microphone parameters via least square fitting with the equation of a vibration model with one degree-of-freedom. Since the values measured by this method are close to the nominal values and the repeatability is highly feasible, the proposed method will be useful to determine the resonance frequency and loss factor of a microphone diaphragm.     

散斑位移量与照明激光束特性关系的实验研究

激光照射到粗糙物体的表面会形成激光散斑，散斑随物体的运动而运动，特别是物体在自身平面内运动时散斑的同步运动比较显著，因此可以用这一现象测物体的微小位移，散斑运动规律与照明光束的特性有关，本文通过实验研究了不同光束照明下散斑位移的规律，验证了散斑位移理论，并指出散斑位移测量中应注意的问题。     

Kamers-Kronig关系在反射太赫兹时域光谱测量中的应用

太赫兹时域光谱技术是材料介电参数测量的重要方法,是材料研究、鉴别和分析的重要工具。太赫兹时域光谱技术是一种太赫兹频段的相干探测技术,可以同时获得太赫兹波的幅度和相位信息,通过透射测量、反射测量可获得材料的复透射率或复反射率来反演材料的电磁参数。在实际中,大多数被测材料太赫兹波无法穿透,或者不满足透射材料参数反演需要的弱吸收近似,因此反射测量更具应用价值。在已发表的研究结果中,研究人员仍普遍采用透射测量的方案,很少见使用反射测量方案获取材料参数。究其原因,在反射测量时,由于样品和参考板位置的放置误差很难消除,从而导致无法准确提取反射相位。将光学领域广泛使用的Kamers-Kronig关系应用于太赫兹时域光谱系统反射测量中,以解决反射测量中无法准确获得相位信息从而无法提取介电参数的问题。为了验证Kamers-Kronig关系的准确性,一方面,通过透射、反射方法分别测量硅材料的复透射率、复反射率并反演了其材料参数,两者的反演结果一致性较好。另一方面,利用同一组硅的反射测量数据分别用Kamers-Kronig关系和最大熵法对其材料参数进行反演,两种处理方法也可以实现相互印证,进一步确保了提取数据的可靠性。对Kamers-Kronig关系和最大熵方法所取得的结果进行了对比讨论,通过Kamers-Kriong关系和最大熵法获得的折射率、消光系数以及复介电参数结果一致性较好,且基于Kamers-Kriong反演了一种精神药物的吸收谱,与透射结果做了比对。结果表明,Kamers-Kronig关系非常适合提取材料光学参数和吸收谱,且相比最大熵法其普适性更强,甚至对于无法获取相位信息的非相干测量系统依然适用,但该方法需要整个频段的反射率幅度信息,对于没有测量的频率需要进行外推,对于反射率随频率变化不大的物质更加适用。该研究成果对于利用反射式太赫兹时域光谱系统获取材料太赫兹波段的光学参数提供了一种有效方法,可解决绝大数情况下反射测量参数提取问题,对太赫兹时域光谱技术的实际应用具有重要意义。     

基于可变相位延迟的激光干涉式亚纳米级微位移测量系统

激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等优势,所以基于干涉原理对激光光谱进行积分可以应用于微位移测量领域。在重力方法探测过程中,因地质结构不同引起万有引力差异而造成的探测质量块位移十分微小,通常为纳米级,所以研制高精度纳米级微位移测量系统尤为重要。然而传统电容位移测量法在防止电磁干扰等方面存在不足。相比较而言,光学干涉法具备抗电磁干扰、环境适应性强等优点,且精度不亚于电容法。传统干涉系统光路复杂、难于集成,对重力仪的小型化与集成化不利。所以研制一种结构紧凑的光学干涉系统用于实现纳米级微位移测量成为亟需。基于可变相位延迟的激光干涉式方法,能够实现亚纳米级微位移测量,较传统干涉系统具备结构紧凑、易于集成的优势。本微位移测量系统由半导体激光器、起偏器、检偏器、楔形双折射晶体组和光谱仪组成。研究从以下方面展开：首先是确定测量系统方案,提出了偏振光干涉双路结构,以楔形双折射晶体组作为核心器件,将晶体间相对位移转化为o光和e光的差别化相位延迟,并对激光光谱进行积分,进而将位移变化转变为合成光强的变化;其次是建立测量位移物理模型,根据设计的双折射晶体组几何结构、位移过程与光路,确定光强变化与待测位移量之间的关系;第三是系统参数优化,为了使系统的测量误差和量程满足实际需求,利用已建立的物理模型,将测量误差和量程分别与晶体切割角度α、激光器激射波长λ建立函数关系。根据应用需求,确定适当的误差和量程取值范围,进而得到角度α和波长λ取值范围;最后加工晶体、搭建系统并进行测试。具体即以α和λ为调控参量,联合考虑“近似线性化”和“激光器光强波动误差”对系统量程进行优化仿真。同样,联合考虑“激光器光强波动误差”和“激光器波长波动误差”,并利用“系统最大位移量”（与量程有关）对系统测量误差进行优化仿真。最终确定钒酸钇晶体切割角度α为20°,激光器激射波长λ为635 nm。实验中,以10 nm为间隔利用压电陶瓷设置位移量进行位移测试,包括：系统的线性标定、系统量程和测量误差测试。另外,在保持待测位置不变的条件下,利用本位移测量系统进行了2 h不间断测量,并通过阿伦方差确定了系统的位移探测下限。实验结果表明,位移量程范围大于150 nm,位移测量误差约0.5 nm,位移探测下限为0.32 nm@23 s,探测线性度判定系数(R2)为0.999 85。综上所述,以自制楔形双折射晶体组作为核心器件的可变相位延迟激光干涉式微位移测量系统,可作为重力探测中的质量块位移测量单元。与电容法相比具有更强的环境适应性;与传统干涉系统相比具有结构简易、光路紧凑等优点,便于重力仪的小型化与集成化。     

基于多元定标法的脐橙Pb元素激光诱导击穿光谱定量分析

建立了利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术分析脐橙中Pb含量的多元线性回归定量分析模型.选用脐橙中Ca II 393.37 nm与Ca II 396.84 nm特征谱线强度之和、Pb I 405.78 nm特征谱线强度、在405.03—405.96 nm范围内Pb元素的谱线积分强度作为自变量,得到了回归关联式,通过方差分析和回归统计验证了关联式的可行性.结果表明,多元线性回归模型预测值与原子吸收光谱法检测值之间的相对误差最大值为12.99%,平均值为4.87%,并且利用这两种方法得到的结果拟合效果很好,拟合度达到0.995.这说明多变量的定标法能比较充分地利用光谱中的信息,降低基体效应的影响,从而提高LIBS定量分析的精确度,并对LIBS技术进一步应用于水果中重金属元素的定量检测提供了实验指导.     

YAP:Nd晶体激光跃迁截面的性质和在激光器中的一些新应用

计算了YAP:Nd晶体激光跃迁截面,任意椭圆偏振光的跃迁截面由三个参数确定。实验证实了计算的结果,并且用来得到波长可变的激光器。讨论了传输矩阵为U矩阵的两种激光器结构,计算了本征模式的偏振和频率,实验和理论基本符合。它们可以用来得到较大输出能量的单纵模激光器和激光器的新的调制方法。 关键词：     

1550nm垂直腔面发射激光器自旋反转模型中关键参量数值的实验确定

自旋反转模型是目前用于分析垂直腔面发射激光器(VCSELs)非线性动力学特性最常用的理论模型,因此该模型中相关参量的取值至关重要.本文基于对自由运行和平行光注入时1550 nm垂直腔面发射激光器(1550 nm-VCSELs)输出特性的实验测量结果,对描述1550 nm-VCSELs特性的SFM中光场衰减速率k、总载流子衰减速率γN、线宽增强因子α,有源介质双折射速率γp、自旋反转速率γs、有源介质线性色散速率γa等关键参量进行了估值.在此基础上,利用所测得的这些关键参量的数值,仿真了1550 nm-VCSELs的相关输出特性,所得结果与实验结果符合.