基于改进YOLO-V5深度学习模型的靶丸快速筛选方法

针对激光惯性约束核聚变实验中海量靶丸筛选效率低的问题，提出一种基于改进YOLO-v5深度学习模型的靶丸快速筛选方法。方法通过控制靶丸在不同的景深处成像，并将图像拼接在一起以获得其清晰图像；同时引入通道注意力机制来增强模型的特征提取能力，建立了SE-YOLOV5s深度学习靶丸表面缺陷识别模型，并对靶丸缺陷按照缺陷种类进行了分类和评估从而实现对海量靶丸的筛选。靶丸表面缺陷检测的准确率为94.4%,每秒可检测到约50张靶丸图像(分辨率3072×4096),为激光惯性约束核聚变试验提供一种快速、准确筛选海量靶丸的方法。     

激光CCD复合测量方法在ICF靶丸球度误差检测中的应用

 提出一种基于激光与CCD的复合式测量方法,结合二者的优势,通过测量同一标准球球心的位置标定出了二者光轴的位置关系,有效地把二者测量的数据融合到同一个坐标系中,从而实现高精度的3维测量。在对所测靶丸表面数据进行去噪处理后,采用拟牛顿法,以CCD所测惯性约束聚变(ICF)靶丸直径作为部分待求参数的初始值,可以有效避免该方法容易陷入局部最优化的缺陷。从而快速、准确地实现靶丸球度误差的测量。分别在两种测量模式下进行了实验,结果验证了该方法的有效性与鲁棒性。     

一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法

为满足高精度测量和瞄准跟踪系统中对激光CCD自准直仪的测量精度和实时性的要求,提出一种快速高精度激光CCD自准直仪圆目标中心的定位方法。首先利用变结构元广义形态学边缘检测算法,充分提取图像边缘细节信息的同时抑制图像噪声的影响,然后采用多项式插值算法对圆目标轮廓进行快速亚像素定位,最后利用最小二乘拟合方法实现了圆目标中心的精确定位。实验结果表明,该定位方法稳定性好,定位精度高且实时性强,应用该方法改进后激光CCD自准直仪的测量精度由2″提高到±0.25″,且单次测量时间小于0.23s,可满足激光CCD自准直仪在小角度测量和瞄准跟踪等领域的高精度实时测量需求。     

微靶装配中靶球几何量的高精度测量

为满足微靶装配过程中靶球和靶腔相对位置的严格的要求,保障惯性约束聚变实验的成功,针对机器视觉的几何量测量精度很难达到5 m以下的不足,设计了利用具有亚m级精度的激光共焦测头对装配中的靶球进行采点扫描以获取其尺寸和位置的非接触测量方法,借助于在线监测系统运动轴的高精度定位,通过上下两个激光共焦测头的组合测量,并采用一种快速而准确的基于点阵插值细分和目标两级提取的测量算法,使在线监测系统的球体几何量测量精度达到了2 m。     

用于直接驱动的快速变焦新方案

在直接驱动方式的惯性约束聚变装置中, 实现中心点火对靶丸的辐照均匀性要求极高. 然而, 在激光脉冲持续时间内, 由于激光与靶丸的相互作用致使靶丸逐渐缩小, 从而导致辐照均匀性降低以及交叉光束能量转移等不利因素增强, 进而影响点火的进展. 为此, 提出了用于直接驱动的快速变焦新方案, 即利用特殊设计的电光晶体及电极结构, 对激光束附加一个实时、快速变化的球面波前, 以控制打靶激光束的聚焦位置和焦斑大小, 从而达到提高靶面辐照均匀性和抑制交叉光束能量转移的目的. 通过建立快速变焦的理论模型, 并基于激光与靶丸相互作用物理过程的分析, 对焦斑尺寸、附加球面波曲率半径等参数随时间的变化规律进行了数值模拟和分析. 结果表明, 本文提出的快速变焦方案可有效地实现对焦斑与靶丸半径比的实时控制, 且对空间滤波器滤波效果及三倍频转换效率并无明显影响.     

激光核聚变研究中对靶丸进行X射线针孔照相

在激光核聚变研究中,利用靶丸等离子体所产生的X射线,对靶丸进行针孔照相,以观察等离子体密度ρ、温度T的分布。并可测量出等离子体的爆聚压缩度,以及提供在爆聚过程中流体力学状态的直观积分图象.同时可以用在多路激光束打靶的物理实验中,对各路光束作用在靶丸表面的时间同步性和空间对称性进行监察. 一、原理和方法 在激光加热等离子体的惯性约束过程中,靶丸单位体积韧致辐射的能量E为其中p是单位体积轫致辐射功率,t是惯性约束时间,ni是平均离子密度,ne是平均电子密度,T是等离子体温度,Z是原子序数. 以上是按经典轫致辐射理论所作的估计…     

基于RANSAC的空间圆拟合算法及其在机械手运动检测中的应用

为了实现对水下机械手运动范围的检测,研发了一套多目立体视觉测量系统。通过测量机械手末端空间运动轨迹,利用空间圆拟合算法可计算出被测关节的实际运动范围。对其中的核心算法空间圆拟合进行了研究。首先空间圆可看作是由一个平面与球体相交而成,其圆心必定在球体上任意两点连线的中垂面上,可基于空间向量的拟合方法推导出中垂面的方程,与拟合的空间平面联立即可求出空间圆方程,进而利用拟合出来的空间圆的圆心坐标求出圆半径。然后对实际测量过程中的错误跟踪点进行了分析,如果在空间圆拟合的过程中对错误跟踪点不加以去除,则会带来错误的拟合结果,从而会大大影响测量结果的正确性。最后提出了基于RANSAC(Random Sample Consensus)的空间圆拟合算法,它可以从一组包含错误点的测量数据集中通过迭代方式有效剔除粗大误差点,从而估计出数学模型的参数和正确的拟合结果。仿真测试及实际测量实验的结果表明,当粗大误差点所占总测量点数的比例小于20%时,所提出的算法可有效地剔除所有粗大误差点,很好地解决了机械手运动范围检测系统在实际工程应用中所遇到的问题。     

靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术

靶丸内表面轮廓是激光核聚变靶丸的关键参数,需要精密检测。本文首先分析了基于白光共焦光谱和精密气浮轴系的靶丸内表面轮廓测量基本原理,建立了靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量方法。此外,搭建了靶丸内表面轮廓测量实验装置,建立了基于靶丸光学图像的辅助调心方法,实现了靶丸内表面轮廓的精密测量,获得了准确的靶丸内表面轮廓曲线;最后,对测量结果的可靠性进行了实验验证和不确定度分析,结果表明,白光共焦光谱能实现靶丸内表面低阶轮廓的精密测量,其测量不确定度优于0.1μm。     

CCD摄像头圆目标中心定位方法

在大型设备自动对接系统中,需要CCD摄像头对一设备截面的圆目标进行图像获取,并找出图像的中心点坐标,用于两设备的中心对准。为了满足实时性测量和高精度定位要求,提出一种CCD摄像头圆目标中心定位方法。先对图像使用中值滤波方法进行图像增强,利用广义数字形态学中的多结构抗噪膨胀腐蚀型算子提取单像素宽图像边缘,用多项式插值法对图像边缘进行亚像素定位,用半径约束最小二乘圆拟合法对圆中心进行精确定位。实验测量结果表明,该方法测量时间短、精度高、稳定性好,亚像素定位精度优于1/20像素,中心点总标准偏差小于0.01,可满足设备自动对接系统要求。     

利用分幅相机测量铋球表面发射X射线图像

设计了一种塑料靶表面涂铋(Bi)的靶丸替代常规内爆靶,利用分幅相机获取辐射驱动内爆替代靶丸Bi等离子体再发射X射线的2维图像。实验时,从主激光中分出一束光信号,经光电转换后作为分幅相机的触发信号,以激光直接驱动金球靶建立相机的时标。根据分幅相机的时标可确定每幅X射线图像相对于主激光的时间延迟。分析Bi球靶的X射线分幅图像,得到夹持内爆靶丸的CH膜的烧蚀时间及Bi球靶半径的变化关系。通过X射线图像还可反推出诊断孔的大小和CH膜支撑靶丸的对称性。     

钛球表面研磨技术研究

采用四轴球体研磨方法对金属钛球进行精密研磨实验,通过Talysurf轮廓仪对球体表面粗糙度进行测试,通过靶丸表面轮廓仪检测钛球圆度。结果表明:钛球表面粗糙度可达小于10nm,圆度小于1.0μm。通过对球体的受力分析表明,在四轴空间对称分布的情况下,需满足四轴受力基本相同,研具半径为被研球体的0.816倍,可获得圆度较好的球体。     

靶丸X射线数字图像的轮廓分析及功率谱评价

 针对多层靶丸X射线数字图像的成像原理和轮廓边缘进行了理论分析;推导了由靶丸边缘特征点确定靶丸圆心和半径的精确最小二乘拟合算法;对于不同类型(阶跃状或屋顶状)的靶丸图像边缘,采用均化二阶微分算法或径向吸收强度最小二乘洛伦兹型拟合寻峰算法获取亚像素精度的靶丸圆周轮廓边缘数据;应用快速傅里叶变换算法对靶丸圆周轮廓数据进行分析,获得了靶丸表面外轮廓或内轮廓模数-功率谱特征曲线。     

腔靶X光空间特性研究

本文介绍了腔靶X光空间成像原理和方法。在国内,首次将MCP(微通道板)光电成像器件应用于激光聚变实验,将X射线测量能区扩展到亚千电子伏范围。实验中利用各种黑体腔靶,通过测量腔靶X光空间发射图象,得到了腔靶激光注入孔和腔内都存在着等离子体会聚机制,以及腔内X光发射以腔壁为主等重要信息,观察到腔靶X光输运通道存在着“堵口”现象,对测量结果进行了物理解释。     

多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量

提出了一种正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的新方法,将激光与工质靶作用产生的微冲量转化为扭摆的转动角度测量,基于激光外差技术和多普勒效应,把待测转角信息加载到外差信号的频率差中,经信号解调后可以得到待测转角值,通过多次测量取平均值的方法可以提高待测转角的测量精度,从而提高微冲量的测量精度。利用这种新方法,以PVC+2%C为工质靶,利用MATLAB仿真测量了激光与工质靶作用产生的微冲量,结果表明:该测量的最大相对误差小于0.8%。     

航天器对接相对位置姿态自主测量方法研究

航天器间相对位置姿态的准确测量是实现自主自动对接的先决条件。将三圆标志靶安装在目标航天器上;追踪航天器用数码相机对靶拍照。设计了亚像素处理方法实时处理数字照片,可精确测定圆心像点位置和特征直径的像长;用其作为基本特征参数,基于透视投影原理,建立了求圆心物空间坐标的公式,求出靶面的平面方程,可用来求两航天器间的相对位置姿态参数和实时标定相机的可变参数。计算机仿真结果表明,测距为2m时,测圆心像点位置的误差小于0.03个像素,测距误差小于1mm,测姿态角的误差小于0.01°。该方法也适用于无人直升飞机定点着陆时自主测量其相对位姿参数。     

基于Zernike矩的保持架直径测量方法

为了解决轴承保持架人工抽检费时费力等问题,同时提高工业生产自动化水平,简述了一种基于Zernike矩的保持架直径测量方法;以型号32007E的圆锥滚动轴承筐形保持架为例,提出了基于视觉的直径测量方法,分析CCD相机采集到的轴承保持架大小端面图像,进行图像预处理后,对Sobel算子边界点阈值进行重新设定,快速检测出保持架两端圆面可能存在的边缘点集,增加了有效圆检测算法,剔除部分偏离有效圆的点,再利用 Zernike 矩算子对有效的边缘点进行重新定位,检测出保持架两端圆面的亚像素边缘并计算其精确位置,最后对所得到的亚像素边缘点集进行最小二乘法拟合,获取保持架两端直径具体尺寸;实验表明,该方法测量结果与人工测量精度接近,甚至更高,具有良好的效果和实用价值。     

X射线相衬成像技术应用于高能量密度物理条件下内爆靶丸诊断

内爆压缩过程中多层球壳靶丸变化规律的研究是惯性约束聚变的核心内容. 利用相衬成像技术可以提高低Z材料分界面成像衬度的特点在神光Ⅱ大型激光装置上开展了相关研究. 实验通过激光打Ti靶和针孔点背光的方式产生4.75 keV的X射线微点源, 针对内爆压缩过程中的靶丸样品投影成像获得了清晰的多层球壳靶丸图像, 空间分辨率优于10 μm.同时利用一维流体力学数值模拟程序分析了球壳运动的过程, 实验结果与数值模拟结果符合较好.表明了X射线相衬成像技术在高能量密度物理环境下仍然能够提高低Z材料分界面的衬度,获得高质量的物理图像,能够广泛应用于可控聚变能源、 天体物理等前沿科学领域.     

基于激光驱动等离子体X光源的X射线相衬成像

为了诊断惯性约束聚变(ICF)内爆靶丸球壳的多层信息,在神光Ⅱ激光器上对激光驱动等离子体X光源的相衬成像进行了研究。利用神光Ⅱ第9路激光驱动平面Ti靶获得X光源,在10μm的针孔约束下作为次级点光源对样品成像,用X光胶片记录。成功地将相衬成像技术应用于ICF实验,综合考虑成像放大倍数、分辨力、成像衬度和抑制烧蚀碎片等因素,选择合适的实验条件,成功获得了清晰的双层内爆靶丸球壳结构,空间分辨力优于10μm。     

微型石英敏感平板玻璃零件参数的激光视觉测量研究

高精度、快速非接触的平板玻璃零件的几何参数测量,已成为相关生产领域的主要问题,也是激光光谱学的一个重要应用方向。平板玻璃零件几何参数的准确检测不仅有助于加工工艺的改进和产品装配精度的提高,还可以实现按参数分档管理。为实现微型石英敏感平板玻璃零件参数的精密测量,提出了一种基于激光与视觉图像处理技术的多参数测量方法,设计了由自适应同轴视觉检测单元和激光视觉厚度测量单元构成的测试系统。为了保证其中的半导体激光器LD(laser diode)能提供稳定的光源,设计了一种恒功率驱动控制系统。在亚像素图像处理中给出了改进的亚像素边缘定位算法,实现了二次曲线特征边缘亚像素精确定位。利用检测出的曲线边缘点数据,通过定义一个新的误差函数并最小化,可以计算出微型石英敏感平板玻璃零件参数,从而实现图像特征参数的精确提取。在实验室条件下进行微型石英敏感平板玻璃零件几何参数的检测试验,测量结果的平均偏差优于2 μm。该方法稳定性好,测量精度高,满足微型石英敏感平板玻璃零件参数检测的精度要求。     

双目视觉测量系统特征点提取与匹配技术研究

自主研发了一种光笔式双目立体视觉大工件尺寸测量系统,对测量系统中特征点的提取及其匹配技术进行了研究。测量系统采用 Canny 算子和 Zernike 矩相结合的算法实现椭圆光斑的亚像素边缘提取,根据得到的亚像素边缘点,采用基于最小二乘的曲线拟合法得到椭圆光斑的中心坐标。针对特征点的匹配问题,提出了一种基于位置约束的快速匹配方法。实验结果显示:所提方法能提取到椭圆光斑亚像素边缘,可精确计算出椭圆光斑中心坐标,匹配率达到95%以上。