汕头大学 工学院 机械工程系, 广东 汕头 515063
视差不连续区域和重复纹理区域的误匹配率高一直是影响双目立体匹配测量精度的主要问题，为此，本文提出一种基于多特征融合的立体匹配算法。首先，在代价计算阶段，通过高斯加权法赋予邻域像素点的权值，从而优化绝对差之和（Sum of Absolute Differences，SAD）算法的计算精度。接着，基于Census变换改进二进制链码方式，将邻域内像素的平均灰度值与梯度图像的灰度均值相融合，进而建立左右图像对应点的判断依据并优化其编码长度。然后，构建基于十字交叉法与改进的引导滤波器相融合的聚合方法，从而实现视差值再分配，以降低误匹配率。最后，通过赢家通吃（Winner Take All，WTA）算法获取初始视差，并采用左右一致性检测方法及亚像素法提高匹配精度，从而获取最终的视差结果。实验结果表明，在Middlebury数据集的测试中，所提SAD-Census算法的平均非遮挡区域和全部区域的误匹配率为分别为2.67%和5.69%，测量200~900 mm距离的平均误差小于2%；而实际三维测量的最大误差为1.5%。实验结果检验了所提算法的有效性和可靠性。
机器视觉 立体匹配 SAD-Census变换 十字交叉法 引导滤波 machine vision stereo matching SAD-Census transform cross method guided filtering
1 汕头大学 机械电子工程系, 广东 汕头 515063
2 华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广州 510640
针对异形件曲面弧度的测量问题, 提出了一种基于单目视觉的曲面弧度测量方法.首先, 用基于三色LED环形光源和CCD彩色相机组成的单目视觉系统采集单张包含被测曲面表面特性的彩色图像; 其次, 分析该图像的彩色分布特征、灰度变化规律和相邻区域特征的相关性, 设计分割方法, 完成目标曲面的分割; 然后, 基于单目视觉系统成像模型, 结合材质与实验环境相关参量, 推导出被测表面高度计算方程; 最后, 解出相邻像素点间的高度累加分量, 进而还原被测点的高度, 在此基础上, 建立曲面弧度测量模型并完成曲面弧度测量.分别对3D打印曲面样品、螺钉螺纹、SIM卡槽进行了曲面弧度测量实验, 与激光三角法测量结果对比, 所提方法误差小于±3.6%, 测量准确度为0.000 1 rad, 曲面弧度测量时长小于0.6 s.实验结果表明, 该方法对测量物体边缘、高度突变, 高度渐变等类型的曲面都具有良好的适应性, 在实现较高准确度测量的同时, 具有较快的测量速度.
光学技术与仪器 曲面弧度测量 单目视觉 视觉测量 三维重建 Optical technology and instrument Curvature measurement of curved surface Monocular vision Visual measurement 3D reconstruction 光子学报
2018, 47(11): 1112002
1 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室, 吉林 长春 130012
2 汕头大学 工学院 智能制造技术教育部重点实验室, 广东 汕头 515063
为了实现大范围、长距离的大气烷烃气体检测, 将研制的中红外双组分甲烷、乙烷传感器以车载方式, 对某一地区的大气甲、乙烷含量进行了移动探测。该传感器系统采用中红外室温连续的带间级联激光器(ICL)作为光源, 采用高速数据采集卡采集信号, 利用上位机LabVIEW平台编写程序产生激光器扫描及调制信号、获取探测器信号并提取二次谐波, 通过计算, 确定大气烷烃气体浓度。根据气体采样时间、实时风速及车速, 计算得到系统的响应时间为82.5 s, 实验测量为85~95 s, 与理论一致。对系统噪声水平进行测试, 实验室中甲烷浓度波动为±40 nL/L, 乙烷波动为±2 nL/L, 车载过程甲烷浓度波动为+40至-80 nL/L, 乙烷波动为±4 nL/L。为验证传感器性能, 与美国Aeries公司的商用传感器结果做了对比, 二者呈现较好的一致性。最后, 给出了车载传感器系统在某条线路上的甲烷、乙烷浓度移动探测结果, 以及某小区甲烷、乙烷浓度的二维分布测绘结果, 分析了二种烷烃气体的变化关系。本文所开展的工作为探测烷烃气体泄漏并监测大气质量提供了技术保障。
红外光谱学 中红外激光器 气体检测仪 移动探测 infrared spectroscopy mid-infrared laser gas detector in-motion monitoring
1 汕头大学智能制造技术教育部重点实验室, 广东 汕头 515063
2 吉林大学电子科学与工程学院, 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区, 吉林 长春130012
C2H6作为温室气体之一, 对光化学污染的产生和臭氧层的破坏具有促进作用。C2H6在大气中的含量极低, 对传感器的探测精度具有较高要求。报道了一种使用中红外连续波长带间级联激光器(ICL)检测大气中C2H6浓度的传感器, 其测量精度可达到10-9量级。采用容积为220 mL、光程为54.6 m的多通池增加气体吸收光程,降低检测下限, 提高灵敏度。采用LabVIEW虚拟仪器平台编程产生激光器扫描、调制信号及其叠加, 通过数据采集卡(DAQ)输出到ICL驱动源。通过DAQ读取探测器输出信号, 由LabVIEW程序进行信号的锁相放大及二次谐波提取。实验结果表明：当系统采样时间为1.67 s时, 阿伦标准差为1.86×10-9, 且阿伦标准差在平均时间为775 s时达到最小值, 即系统达到最佳稳定度, 为0.026×10-9。将该系统放置于燃气站进行检测实验, 证明所研制的C2H6传感器具有实用价值。
传感器 红外光谱学 痕量气体检测 C2H6传感器
1 汕头大学 工学院, 广东 汕头 515063
2 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室 吉林大学实验区, 长春 130012
报道了一种采用中红外室温连续带间级联激光器(ICL)的高精度大气甲烷检测系统.使用的ICL激光器的发光波数范围为2 998.4~2 999.6 cm-1, 覆盖甲烷在2 999.06 cm-1处的较强吸收峰.为增强气体吸收, 采用容积为220 mL、吸收光程为54.6 m多通池作为气体吸收池.采用LabVIEW平台和数据采集卡, 产生激光器扫描及调制信号, 同时获取探测器信号并采用数字运算提取二次谐波.实验结果显示, 当传感器系统的平均采样时间为3.3 s时, 传感器系统的阿伦方差为11.2 ppbv.采用该系统对实验室内外空气中甲烷浓度进行了长时间的测量, 证实该传感器系统具有较强的工程实用价值.
红外光谱学 可调谐半导体激光器 气体检测仪 甲烷检测 Infraed spectroscopy Tunable diode laser Gas detection Methane measurement 光子学报
2017, 46(11): 1128003
1 吉林大学 电子科学与工程学院，集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春 130012
2 汕头大学 工学院，广东 汕头 515063
为了降低软件设计复杂度并提高分布反馈激光器发光波长的控制准确度及稳定性，设计了一种用于气体检测的半导体激光器温度控制系统，它由数字信号处理器、温度设定电路、温度采集电路、模拟比例积分微分电路、半导体制冷器控制电路等模块构成.利用该系统对用于水汽检测、中心波长为1 860 nm的可调谐分布反馈激光器做了驱动实验，结果表明：该系统的有效控温范围为10 ℃~50 ℃，控温准确度为±0.05 ℃，温度稳定时间小于60 s;改变温控系统的驱动电流和设定温度，测得的激光器工作波长呈现出良好的调谐特性;连续4天测得的4条光谱曲线几乎重合，表明该系统具有良好的稳定性.
半导体激光器 温度控制 红外光谱学 模拟比例积分微分控制 Semiconductor lasers Temperature control Infrared spectroscopy Analog proportionintegrationdifferential contr
1 汕头大学工学院, 广东 汕头 515063
2 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室, 吉林 长春 130012
利用甲烷分子在中红外3.31 μm波段的吸收特性，设计并研制了一种便携式甲烷检测仪。为了研究仪器的稳定性，对其在体积分数为0×10-6气体下的输出电压信号做了长时间测试，结果显示，由于环境温度发生变化，半导体电子元件和光学元件参数以及甲烷分子吸收系数均发生漂移，使检测仪输出电压信号的相对漂移达1%。为了抑制温度变化对仪器检测性能的影响，进一步实验研究了仪器输出电压随温度的变化关系，并根据这一关系，对温度漂移造成的信号偏差进行了补偿。引入温度补偿后的实验结果显示，针对体积分数为0×10-6的样品气体，仪器输出电压每周相对波动从1%降至0.46%，体积分数波动范围从86×10-6降至37×10-6。针对体积分数为3250×10-6的样品气体，计算了仪器的阿伦方差曲线，当采样时间大于500 s时，阿伦方差几乎趋于定值，其标准差小于10×10-6。因此，通过温度补偿，在一定程度上消除了环境温度的影响，从而改善了仪器的稳定性。
光电子学 红外技术与应用 甲烷检测 温度补偿 仪器稳定性
