非接触式三维视觉测量广泛应用在工业制造质量检测中。针对工业金属零部件检测的应用场景，提出了一种基于线结构光旋转扫描和光条纹修复的三维视觉测量方案。首先，通过基于线结构光投影的计算机视觉技术，设计了线结构光旋转扫描视觉子系统，并对工业相机、线结构光平面和旋转扫描中心轴进行标定；然后，针对采集到的光条纹图像存在低灰度区域缺失数据的问题，提出了基于缺失区域自适应灰度增强的光条纹中心线提取算法，有效修复了被测零部件的线结构光投影条纹；同时，利用文中提出的线结构光三维视觉测量方案，通过重建标准球棒的表面点云计算两球直径和球间距来评价测量系统的精度，测量系统精度优于0.06 mm；最后，进行金属轮毂外轮廓形貌测量，通过重复性实验计算轮毂外轮廓最大半径，验证重复性误差优于0.03%。实验结果表明：该方法可以无损伤、高效率、高精度地实现工业金属零部件三维测量，弥补了接触式三维测量方法的缺陷。
三维视觉测量 线结构光 标定 3-D vision measurement line structured light calibration 红外与激光工程
2022, 51(2): 20210894
1 哈尔滨商业大学计算机与信息工程学院/黑龙江省电子商务与信息处理重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150028
2 哈尔滨商业大学食品工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150076
3 东北农业大学食品学院, 黑龙江 哈尔滨 150030
针对油脂脱臭过程中的反式脂肪酸(TFAs)含量控制问题, 提出一种基于近红外光谱分析的油脂中TFAs含量快速检测方法。 制备含不同TFAs的大豆油脂样本100个, 利用气相色谱(GC)法精确测定其TFAs含量, 扫描样本近红外光谱, 然后利用不同方法对光谱数据进行降噪处理, 发现多元散射校正的去噪效果最佳。 为了探讨TFAs在近红外区域的吸收特性, 采用多种iPLS方法对比分析, 筛选出7 258～7 443/6 502～6 691/6 120～6 309 cm-1 TFAs的特征波段, 再利用Kalman滤波算法进行特征波长变量的选择, 优选出27个TFAs的特征波长变量; 采用深度信念网络(DBN)建立校正模型, 通过多次对比发现, 当隐含层层数为3并且隐含层节点数为50-35-90时, DBN模型性能最佳。 最后将DBN模型与PLS方法建立的反式脂肪酸含量回归模型进行对比分析, 结果表明: 对降噪后的全谱进行建模, DBN模型的预测效果优于PLS, DBN模型预测集R2为0.879 4、 RMSEP为0.060 3、 RSD为2.18％; 对筛选出的特征波段建模, PLS模型的预测效果优于DBN模型; 对优选出来的27个特征波长变量建模, DBN的预测效果较好, R2为0.958 4、 RMSEP为0.035 0、 RSD为1.31％, 说明DBN模型的泛化能力更好, 并且利用少量的波长变量就能达到较好的预测效果, 能够满足实际检测需求, 为实现油脂加工过程中TFAs含量的在线检测和调控, 生产低/零TFAs油脂产品提供技术支撑。
油脂 反式脂肪酸 近红外光谱 卡尔曼滤波 深度信念网络 Oil Trans fatty acids (TFAs) Near-infrared spectroscopy (NIR) Kalman filtering Deep believe net (DBN)
1 杭州电子科技大学通信工程学院,杭州 310018
2 国民核生化灾害防护国家重点实验室,北京 100000
本文建立了基于电荷耦合器件(CCD)的大气侧向散射系数廓线反演装置。利用该装置,测量了33°到145°散射角范围内的大气侧向散射光强;通过将CCD收集的空间散射光投射到平面散射角上,实现了CCD像元与散射角的对应,最终实现大气侧向散射系数廓线反演。装置采用的连续激光器还很好地解决了反演大气侧向散射系数廓线的实时性问题。
大气光学 激光雷达 侧向散射 电荷耦合器件 atmospheric optics lidar side-scattering charge coupled device
1 杭州电子科技大学通信工程学院， 浙江 杭州 310018
2 国民核生化灾害防护国家重点实验室， 北京 102205
基于侧向散射激光雷达方程和Mie散射理论，建立了PM2.5浓度与侧向散射光强的关系模型，提出了一种基于电荷耦合器件（CCD）实时监测近地面PM2.5浓度的方法。设计了以波长532 nm激光器为光源、CCD为接收器的侧向散射激光雷达装置，利用该装置测量了散射角在15°～45°之间的侧向散射回波信号图，从回波信号图提取灰度值矩阵并分析其光强分布。与赛默飞世尔科技公司PM2.5监测仪(SHARP)提供的测量结果对比，拟合了PM2.5浓度与3个灰度等级光总能量的关系式，拟合度均在0.97以上。该装置具有操作便利、移动便捷、监测实时、成本较低的特点，在近地面比后向散射激光雷达具有更高的精度与实用性，有助于建立PM2.5污染物的分布和运动模型并绘制污染地图。
大气光学 电荷耦合器件 侧向散射激光雷达 光学学报
2016, 36(11): 1101002
1 中国科学院 理化技术研究所， 北京 100190
2 中国科学院 研究生院, 北京 100190
采用3维压电微移动台高速扫描方式控制曝光时间与高精密转台精确控制圆形渐变衰减片以控制曝光功率两种方法，曝光时间和曝光功率可分别精确控制至0.02 ms和7 pW。通过精确控制聚合阈值附近处的曝光时间和曝光功率，分别在玻璃基板上获得了35 nm和45 nm的聚合物纳米线条,分别为所使用激光波长的1/22和1/17。实验结果表明，当曝光时间或曝光功率在加工阈值附近时，曝光时间和功率的微量减少会使聚合线宽急剧下降。
飞秒激光 双光子加工 线宽分辨力 聚合阈值 聚合度 femtosecond laser two-photon fabrication line width resolution polymerization threshold degree of polymerization
1 青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061
2 南京理工大学 信息物理与工程系，南京 210094
强偏折场的重建是光学层析技术测量复杂流场领域的难点问题。在研究现有重建算法及其适用性的基础上，结合光线追迹算法提出基于曲线路径反演的正则化修正重建技术。该技术克服了现有重建技术中光路直进的假设，基于几何光学原理设计了光线通过强偏折场的积分路径追踪算法。使用代数重建技术和正则化重建技术相结合的思想，通过偏折角投影数据的迭代修正实现非线性反演。使用该技术对强偏折场进行数值重建，证实了其在有限角投影数据条件下重建大梯度折射率分布的有效性，并显示了其在刻画场关键特性方面相对于现有算法的优势。
信息光学 光学层析 强偏折场 重建算法 information optics deflection tomography strongly refracting field reconstruction algorithm
1 青岛科技大学 机电工程学院 过程装备与控制工程系,山东 青岛 266061
2 南京理工大学 信息物理与工程系,南京 210094
针对图像灰度各阶导数的离散化表示方法和图像边缘最佳响应方向的确定等关键技术,本文提出基于任意方向图像导数算法的边缘检测技术。该方法根据导数的定义建立数学模型,推导出计算灰度图像任意方向的一阶、二阶导数公式,通过分析待检图像的边缘特性,对图像进行多方向乃至全视角方向的灰度梯度计算和拉普拉斯变换,并输出最佳边缘响应。使用该方法与已有检测算子进行对比实验,证实了该算法的有效性并显示了其在边缘检测效果上的优势。
边缘检测 导数算法 灰度梯度 拉普拉斯变换 edge detection derivative algorithm grey-level gradient Laplace transform
1 南京理工大学信息物理与工程系, 江苏 南京 210094
2 南京航空航天大学理学院, 江苏 南京 210016
针对叠栅层析研究中采用基于相位重建方法处理叠栅条纹图像的问题, 用标量衍射理论对叠栅偏折仪的叠栅条纹形成原理进行分析。通过小孔滤波分别提取光场的零级和一级频谱, 分析结果与传统的通过几何叠加原理的结果一致, 在形式上更加精确。结论表明, 叠栅条纹是多波面剪切干涉的结果, 且一级频谱滤波下的叠栅条纹图像满足严格的余弦强度分布。采用基于多重网格相位展开的傅里叶变换方法和叠栅层析滤波反投影算法对丙烷燃烧场进行了层析重建。
傅里叶光学 光学层析 叠栅偏折仪 相位提取 滤波反投影算法
南京理工大学信息物理与工程系, 江苏 南京 210094
提出将带滤波的叠栅偏折层析系统用于存在化学反应的多组分复杂气体流场的诊断。以丙烷的燃烧火焰为例, 实验提取出叠栅条纹的偏移量并转换为偏折角, 然后基于偏折层析的滤波反投影算法重建出场的折射率分布, 给出了两种不同情况下给定截面的三维温度和密度分布。对比发现, 对存在化学反应的多组分火焰流场不能基于假设研究对象是空气流场, 而必须对火焰流场本身发生的化学反应及生成物进行考虑, 混合流场的等效G-D常量和分子量必须根据不同场的具体组分情况进行修正。
光学测量 光学层析 叠栅偏折层析 流场测量 滤波反投影算法
南京理工大学 信息物理与工程系，南京 210094
为了研究复杂流场环境下的包含遮挡物的非完全数据层析重建问题，从莫尔层析的基本理论出发，提出了一种将包含先验知识的属性矩阵融入迭代过程的全新的基于级数展开类的莫尔层析迭代算法。在此基础上，通过数值模拟，重建了包含遮挡物的三峰高斯分布的温度场，取得了理想的重建结果，并在相同条件下与层析变换类算法中滤波反投影算法进行了对比。结果表明，将先验知识以属性矩阵的形式融入迭代过程后，新算法与滤波反投影算法相比，能有效地处理包含遮挡物的非完全数据重建问题，为莫尔层析应用于实际测量奠定基础。
信息光学 莫尔层析 重建算法 非完全数据 information optics Moiré tomography reconstruction algorithm incomplete data
