复旦大学上海超精密光学制造工程技术研究中心，信息科学与工程学院，上海 200438
光学自由曲面是现代精密光学领域的重大变革，因其优异的光学、力学性能而有望进一步推进光学系统实现微型化、轻量化、集成化。随着光学自由曲面的面形复杂度不断提升，光学自由曲面的检测技术已成为制约其制造水平的关键因素。回顾了近年来光学自由曲面测量与误差评估的关键技术，包括点线式扫描、全口径光学测量方法以及面形误差评估方法，结合各种技术的优缺点，展望了该领域未来发展的新趋势，并介绍了一种结合多传感器实现共体自由曲面的测量及误差评估的新方法。
光学设计 光学自由曲面 精密测量 面形测量 误差评估 误差参数
1 中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
5 中国环境监测总站, 国家环境保护环境监测质量控制重点实验室, 北京 100012
大气水汽的吸收强度从微波区域到可见蓝光区域逐渐降低, 然而在紫外波段的吸收却经常被人忽略。 多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)技术是一种被动光学遥感技术, 可以同时反演气溶胶、 多种痕量气体(如NO2, SO2, HCHO, HONO等)以及水汽, 常用于区域大气立体分布及输送监测, 具有成本低、 时间分辨率高、 稳定、 可实时监测等特点。 水汽是一种重要的温室气体, 在紫外波段反演一些痕量气体时水汽的吸收经常不被考虑, 可能对紫外波段痕量气体的反演造成影响, 从而产生系统误差。 介绍了基于MAX-DOAS对紫外波段大气水汽的反演, 于2020年6月1日—9月24日在西安乾县进行观测, 通过选取最优反演波段, 并将反演结果与可见蓝光波段的水汽进行对比, 证实了紫外波段存在水汽吸收, 评估了紫外水汽的吸收对同波段痕量气体反演的影响。 首先, 根据不同拟合波段反演的水汽均方根误差(RMS)以及水汽和O4的吸收截面情况, 选取紫外和可见蓝光波段水汽的最优反演波段分别为351~370和434~455 nm。 其次, 通过DOAS拟合得到紫外和可见蓝光波段O4和H2O的对流层差分斜柱浓度(DSCD), 分别将紫外和可见波段的O4 DSCD和H2O DSCD做相关性分析, 两个波段O4 DSCD的相关系数r=0.85, H2O DSCD的相关系数r=0.80。 为消除不同波段的辐射传输差异, 将同波段的H2O DSCD和O4DSCD作比值, 两个波段H2O DSCD/O4DSCD的相关系数r=0.89。 紫外和可见蓝光波段H2O DSCD/O4DSCD的高相关系数表明, 即使在相对沿海城市水汽浓度较低的西安市, 在363 nm附近的紫外波段同样存在水汽吸收, 这将会对采用DOAS技术在紫外波段反演其他痕量气体造成影响。 最后, 分别对可能受紫外波段水汽吸收影响的气体(O4, HONO和HCHO)进行DOAS反演误差评估, 紫外波段水汽的吸收将使O4 DSCD, HONO DSCD以及HCHO DSCD在DOAS拟合过程中增加, 分别对应于+1.16%, +8.55%和+9.04%的变化。
多轴差分吸收光谱 紫外波段 水汽 误差评估 MAX-DOAS Ultraviolet band Water vapor Error evaluation 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3314
1 中国科学院国家空间科学中心 中国科学院微波遥感技术重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
近场成像是干涉式被动毫米波成像技术的重要应用领域，阵列构型是影响近场相位误差的重要因素。搭建二维合成孔径近场成像仿真系统，实现目标场景生成、近/远场前向仿真、图像重构和近场相位误差等功能。利用该系统对空间分辨力相同条件下的常用二维天线阵型的近场误差进行定量评估和分析，针对二单元的近场扫描成像试验系统，提出一种将接收机通道误差、近场相位误差分步校正的自定标方法。比较基于参考点源的近场成像方法，该方法仅需先验距离信息，无需再对参考点源进行成像，具有操作简单、成像速度快的优势。
合成孔径 近场成像 亮温重建 天线阵列 误差评估 误差校正 synthetic aperture near–field imaging brightness temperature reconstruction antenna array error evaluation error correction 太赫兹科学与电子信息学报
2021, 19(6): 1027
1 机械工业绿色设计与制造重点实验室, 安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学 机械工程学院, 安徽 合肥 230009
生产线上检测大型复杂工件平面度误差时, 存在检测面积较大、数据量较多的问题, 为了提高检测效率及精度, 采用优化算法提高其平面度误差评定速度。提出将差分进化(DE)算法应用在其平面度误差的评定中, 并提出将粒子群(PSO)算法的优化方法融入差分进化算法的框架, 改进变异操作以提高标准DE算法的收敛速度。介绍了大型工件平面度误差评定采用最小区域法的数学模型, 阐述了改进的DE算法的原理和实现步骤, 最后以叉车外壁板为例, 通过对外壁板平面度误差的评定以验证算法的收敛速度与精度。结果表明, 改进的DE算法在大型工件平面度误差评定中收敛结果稳定, 误差接近于0; 精度较遗传算法提高36.83%; 收敛速度较遗传算法提高58.33%, 较标准的DE算法提高28.57%。可以很好地应用在大型工件平面度误差检测中, 提高检测效率。
大型复杂工件 平面度误差 改进差分进化算法 误差评定 large and complex work-piece flatness error improving Differential Evolution(DE) algorithm error evaluation 光学 精密工程
2019, 27(12): 2659
成都理工大学 核技术与自动化工程学院, 四川 成都 610059
随着智能制造系统的迅猛发展, 应用元启发模式计算方法快速、准确地求解平面度误差值凸显出重大现实意义。为进一步提高平面度误差计算精度, 研究了一种基于浮点数编码的改进遗传算法, 在原有遗传算法的交叉变异基础之上, 引入模拟退火思想, 建立最小包容区域法的数学模型, 通过计算机仿真获得了最佳适应度收敛曲线和平均适应度收敛曲线, 优化结果表明相比传统遗传算法, 平面度误差计算精度提高了33.67%。本算法采用浮点数编码、三段式交叉、转轮式选择和最优保存策略, 借助模拟退火算法的局部搜索优势, 提升了算法的整体性能, 且更便于计算机编程, 可进一步推广应用到智能测量仪器的其他高精度形位尺寸计算问题领域。
遗传算法 退火算法 最小包容区域 平面度误差评定 genetic algorithm annealing algorithm minimum zone flatness error evaluation
1 福州大学机械工程及自动化学院,福州 350108
2 福建省福光股份有限公司,福州 350004
针对目前表面微观形貌面形误差分离方法中存在边界畸变及自适应差等缺点, 提出了将具有自适应时频分辨能力的二维经验模态分解算法(bidimensional empirical mode decomposition, BEMD)应用于三维工程表面面型误差分离中, 同时用Riesz变换构造单演信号, 计算信号整体的频率特征, 完成对二维经验模态分解算法的终止准则的改进, 使其能严格按照ISO4287所规定的截止波长分离三维表面各频段形貌误差。仿真结果表明, 本文新方法相比于国标ISO中高斯滤波以及常用小波滤波, 在分离三维工程粗糙表面各面型误差时, 所得分离图形效果远优于传统方法所得, 且各频段误差对应的三维评定参数误差均小于5% 。最后对光学镀膜元件实例进行分析, 结果表明该算法能够很好地分离各形貌误差的的空间信息, 所得参数评定基准面相对传统方法不存在边界畸变等问题, 因此该方法在实际工程表面评定应用中具有可行性。
二维经验模态分解 三维表面形貌 误差评定 终止准则 Riesz变换 bidimensional empirical mode decomposition 3D surface topography error evaluation termination criterion Riesz transform
1 河南科技大学 机电工程学院, 河南 洛阳 471003
2 洛阳轴研科技股份有限公司, 河南 洛阳 471003
为了快速准确地评定机械零件的平面度误差, 提出了基于几何搜索逼近的平面度误差最小区域评定算法。阐述了利用几何优化搜索算法求解平面度误差的过程和步骤, 给出了数学计算公式。首先选择被测平面的3个边缘点为参考点构造辅助点、参考平面和辅助平面, 然后以参考平面和辅助平面为假定理想平面, 计算测量点至这些理想平面的距离极差; 通过比较判断及改变参考点, 构造新的辅助点、参考平面和辅助平面, 最终实现平面度误差的最小区域评定。用提出的方法对一组测量数据进行了处理。结果表明, 在终止搜索的条件为0.000 01 mm时, 几何搜索逼近评定算法的结果分别比凸包法、计算几何法、最小二乘法、遗传算法和进化策略计算的结果减小了17.1、7.3、18.03、6.13和0.3 μm。得到的数据显示该算法不仅能准确地得到最小区域解, 而且计算结果有良好的稳定性, 适合在平面度误差测量仪器和三坐标测量机上使用。
平面度误差 误差评定 几何搜索逼近 最小区域 flatness error error evaluation geometry searching approximation minimum zone
重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030
为了准确快速评定平面度误差，提出将改进人工蜂群(MABC)算法用于平面度误差最小区域的评定。介绍了评定平面度误差的最小包容区域法及判别准则，并给出符合最小区域条件的平面度误差评定数学模型。叙述了MABC算法，该算法在基本人工蜂群算法(ABC)模型的基础上引入两个牵引蜂和禁忌搜索策略。阐述了算法的实现步骤，通过分析选用两个经典测试函数验证了MABC算法的有效性。最后，应用MABC算法对平面度误差进行评定，其计算结果符合最小条件。对一组测量数据的评定显示，MABC算法经过0.436 s可找到最优平面，比ABC算法节省0.411 s，其计算结果比最小二乘法和遗传算法的评定结果分别小18.03 μm和6.13 μm。对由三坐标机测得的5组实例同样显示，MABC算法的计算精度比遗传算法和粒子群算法更有优势，最大相差0.9 μm。实验结果表明， MABC算法在优化效率、求解质量和稳定性上优于ABC算法，计算精度优于最小二乘法、遗传算法和粒子群算法，适用于形位误差测量仪器及三坐标测量机。
平面度误差 人工蜂群算法 最小区域评定 误差评定 flatness error Artificial Bee Colony(ABC) algorithm minimum zone evaluation error evaluation
为了实现对空间直线度误差的精确、快速评定,研究了它的数学模型和逐次二次规划(SQP)算法。根据最小区域定义及数学规划理论,建立了空间直线度评定的非线性规划模型,指出了该模型实质上是多目标优化的问题,并将该优化问题转化成单目标优化问题。由于该非线性规划模型还是凸的、二次的,因此提出了用SQP法来实施。SQP法在评定过程中保留了模型中的非线性信息,对初始参数的要求低,且稳定、可靠、效率高。几个算例的结果均满足凸规划全局最优判别准则,精度达到10-3mm,耗时在0.4 s左右。结果有力地验证了上述结论。
计量学 空间直线度 误差评定 最小区域 多目标优化 逐次二次规划法 metrology spatial straightness error evaluation minimum zone multi-target optimization Successive Quadratic Programming(SQP) algorithm
