新型微光机电系统惯性测量技术研究进展

微惯性测量单元(MIMU)是惯性导航系统(INS)的核心组件,亦是构建微定位导航授时(μ-PNT)系统的重要组成部分。当前成熟的微惯性测量单元主要基于微机电系统(MEMS)实现,其性能逐渐难以满足新型无人驾驶车、无人飞行器以及制导弹药、航空航天器等军民用领域对高精确惯性导航的需求。近年来,各种新型微惯性测量技术相继被提出,以期望突破微惯性测量单元的性能与尺寸、质量、功耗(SWaP)之间相互制约的关键技术难题。系统总结了近年来国内外在常规MEMS惯性测量技术以及新型微光机电系统(MOEMS)惯性测量、微腔光力惯性测量、量子精密测量等几类新型惯性测量技术方面的研究进展,展望了未来新型高精度惯性测量技术的发展趋势,并提出了一种基于腔光力系统的量子增强型惯性测量技术构想。     

基于GPU的荧光油膜运动路径实时测量

在风洞试验中，现有的基于CPU 的光流法求解荧光油膜运动速度场耗时过长，而基于GPU 的光流法存在GPU 资源利用不充分的问题。为此，提出基于荧光油膜图像分块和临界约束的GPU 荧光油膜运动路径实时测量方法。将荧光油膜时序图像按照GPU 的资源将整帧图像切割分块并行处理，创建其对应的光流并行计算策略，即充分利用GPU 的并行流水架构优势和共享内存实现各并行块的光流计算的硬件加速；同时结合块间临界约束条件，以各块的速度矩阵迭代差为标志控制其迭代计算次数。结果表明：本文方法在保证荧光油膜运动速度场计算精度的条件下，较传统的基于CPU 的光流法解算速度平均提升了2 789.5 倍，较整帧图像的GPU 光流法速度平均提升了10.09 倍，实时解算速度可达90 帧/秒。     

基于光梳的自由空间双向时频传递技术研究现状及趋势

随着光钟精度的不断提高,光学时频传递技术已经成为当前的研究热点.基于光梳的自由空间双向时频传递技术既能实现高精度的时间传递又能实现高精度的频率传递,已经成为当前光学时频传递技术的主要发展方向之一.本文介绍了基于光梳的自由空间双向时频传递技术的主要概念及方法,并对它的发展现状和趋势进行了总结和分析.目前基于光梳的自由空间双向时频传递技术可以在公里级的大气湍流信道上实现亚飞秒级的时间同步.该方法将为光钟远程比对和"秒"的重新定义提供技术支撑.     

考虑样本不平衡的X光安检图像违禁品分类方法

X光安检图像违禁品分类被广泛应用于协助维护航空和运输安全。针对X光安检图像中违禁品尺度不一、存在困难样本及旅客行李安检固有的正负样本不均衡等问题，提出一种端到端的考虑样本不平衡的X光安检图像违禁品分类方法。采用多尺度特征提取网络捕获尺度不一的多类型违禁品特征，通过特征融合模块提升模型对图像边缘和纹理特征的表达能力，基于代价敏感思想设计损失函数，解决数据集不平衡问题，并提高困难样本分类精准度。在公开数据集SIXray上构建的子集实验结果表明：所提方法相较于端到端分类模型，平均AP指标值提升了4.5%，特别是对剪刀等难分类样本，AP指标值都有显著的提升效果。     

基于双光梳的激光吸收谱真空分压力测量技术研究

为了提高真空分压力测量的准确度和灵敏度，弥补传统测量方法的固有缺陷，真空分压力将结合理想气体定律，使用气体密度来表征。利用气体分子的红外吸收光谱，通过双光梳光谱技术测量其对特定波长光的吸收可实现对混合气体中目标气体密度的精确测量，进而反演出真空分压力。研建了基于电光双光梳的真空分压力测量系统，结合双光梳外差光谱技术与腔增强光谱技术，实现了非侵入、大动态、高速度的真空分压力测量。实验对CO₂,CO,N₂三元混合气体中CO₂与CO的真空分压力进行了测量，其相对误差分别为2.84%和2.77%。通过不确定度分析得出，吸收线强度误差是真空分压力测量中最主要的不确定度分量。     

基于深度学习光流法的荧光油膜全局速度测量

针对基于先验的传统光流法存在前提条件苛刻的问题，提出使用基于深度学习的光流法进行荧光油膜全局速度测量。采用数值仿真试验对基于先验的改进HS光流法和基于深度学习的FlowNet2光流法进行对比，结果显示：在不外加干扰时，改进HS光流法和FlowNet2光流法的平均端点误差分别为0.458 7像素/s和0.381 7像素/s；在亮度变化、噪声干扰或不同的演化时间下，FlowNet2光流法的平均端点误差均明显低于改进HS光流法，平均端点误差差值最大可达5.19像素/s；风洞试验进一步证明，FlowNet2光流法能够获得正确、清晰、定量的荧光油膜全局速度场，较改进HS光流法鲁棒性更高，对风洞工程应用具有一定的参考价值。     

火箭喷管极性自动化测试系统的改进设计研究

使用计算机视觉方法进行的发动机极性自动化测试是火箭地面测试中重要的测试环节，该环节存在进一步改进和提升的空间。将递归全对场变换（Recurrent All-pairs Field Transforms, RAFT）光流算法替代传统光流法检测技术用于发动机喷管实时运动监测，并根据现场测试场景对光流算法进行了优化，提升了运动检测速度与测量精确度，使自动测试系统具备了摆角的估测能力；在软件系统设计层面，引入差异图像直方图法监听法辅助喷管动作识别，避免了光流法对于未处在监测流程中的摄像头的冗余监听资源消耗，降低了系统硬件设备的负载，同时实现了一种可视化在线判读软件的设计。提出的软件与算法方面的改进在当前已投入使用的极性自动化测试系统上实现了进一步的优化。     

基于互相关的光流测速法在湍流热对流中的应用

同时准确地测量大尺度流动结构和小尺度湍流统计特性对于理解湍流的能量传递规律有着重要意义。尽管粒子成像测速（PIV）技术得到了广泛的应用，但由于算法原理的要求以及商用相机分辨率的限制，PIV技术在同时获取大、小尺度流动特性方面并不实用。另一方面，近年来逐渐引起关注的光流测速法虽然可以实现单像素分辨率的大区域速度场测量，但其准确性通常受限于应用场景而难以保证。本文采用一种基于互相关的光流测速法来分析RayleighBénard对流的粒子图像，进而同时获得全局速度场和小尺度湍流特性。结果表明，这种方法不仅可以获得与PIV技术一致的全局场和流动强度，还能有效地解析出湍流耗散区的速度结构函数。进一步的，分别基于速度结构函数和定义直接计算而获得的能量耗散率不仅在数值大小上互相吻合，还与直接数值模拟的结果以及理论预测相一致。这些结果表明基于互相关的光流测速法在同时测量大尺度流动结构和小尺度统计特性上有很好的应用潜力。     

图像灰度和相位信息耦合的化铣胶膜刻型三维测量方法

航空航天等薄壁类金属结构件化铣过程中需进行多次刻型以生成凸台、筋条等结构。对其加工图案进行三维测量，不仅可检验加工精度，还可为轨迹规划、刻型工艺等参数优化提供基础数据，是保证化铣零件制造质量的关键技术。现有检测方法主要有人工模板比对、被动双目重建、三维点云分析等，可实现轮廓尺寸等基础参数检测，但在测量精度与完整性上仍存在较大问题。针对此，在结构光与被动双目三维测量的基础上，提出了一种耦合灰度-相位变化信息的化铣胶膜刻型三维测量方法。首先，分析刻型图案邻近区域灰度-相位变化特征，构建对应数学模型；然后，在此基础上，提出耦合左右相机灰度-相位信息的snake模型（Gray-Phase snake, GP snake），实现刻型图案中心线的高精度提取，克服灰度变化不均匀、左右相机视角不一致等因素导致中心线提取不精准的难题；最后，基于相位信息实现轮廓三维重建，解决传统方法上下边缘处重建不完整的问题，保证刻型图案测量的精度与稳定性。实验结果表明，所提方法可以实现化铣胶膜刻型图案中心线的完整三维重建，精度达0.036 mm。     

基于被动相位噪声补偿的自由空间光学频率传递

针对自由空间光信号传输更易受到环境影响的特点，提出了一种被动相位噪声补偿技术。该方法利用探测往返传输的光信号与发射端参考信号拍频获得链路引入的相位噪声，在发射端通过声光移频器（acousto-optic modulator, AOM）对待传递信号移频取共轭即可在接收端获得相位稳定的光学频率信号。该方法避免了使用复杂的鉴相和伺服控制电路，使系统具有更快的补偿速度且没有鉴相范围的限制。实验结果表明，150 m的室外自由空间链路的平均时间1 s的附加频率不稳定度约为1.9×10-16，平均时间1 000 s的附加频率不稳定度约为4.6×10-19。该相位噪声补偿技术为高精度的自由空间光学频率传递提供了一个简单可靠的方案。