基于E-SPCM的直线电机动子位置高精度测量方法研究

针对直线电机动子位置测量,引入一种基于扩展采样相位相关法(E-SPCM)的亚像素位移图像检测方法,以提高测量精度和抗干扰性。首先建立了直线电机位置检测系统,通过高速相机实时采集条纹图像序列;其次对条纹图像进行边缘特征提取,利用相位相关得到相邻条纹图像的互功率谱,即动子位置的整像素位移;进而对整像素邻域的互功率谱进行上采样相位相关计算,实现高精度的亚像素位移测量,进一步由系统标定得到实际位移值。对比传统相位相关算法,所采用的方法能够提高测量精度且有很好的噪声抑制性能,最后搭建了实验检测平台,验证了算法的有效性。     

基于二维靶标的管路端点位置测量方法

针对管路系统中端点位置的高效高精度测量难题,提出一种基于二维靶标的管路端点位置测量方法。该方法引入机器视觉技术和二维靶标,将二维靶标装配在导管两端,通过图像采集和处理获得靶标上标识点的图像坐标,通过建立的靶标模型与相机模型的关系求解得到管路端点在相机坐标系下的坐标,在此基础上计算出管路端点的相对位置。测量实验表明,使用该方法有效提高了管路端点的位置测量精度。     

基于MATLAB图像处理的布氏硬度测量

提出了一种基于MATLAB图像处理技术进行布氏硬度测量的方法。通过对采集到的试件压痕图像进行特征提取和信息处理,识别出压痕的轮廓,并通过测量压痕的面积计算出压痕的直径,最后求得试件的布氏硬度。与传统的测量方法比,此方法具有测量速度快、结果准确、精度高等特点。     

大视场云层分布定位的光电测量系统

为获得空间目标监视设备上空适合观测的天区以提高设备的使用效率和观测效率,设计了实时监视观测站上空云层位置分布的光电测量系统。该系统采用以扁椭球折反射透镜组为核心的大视场光学设计,结合非制冷红外焦平面列阵探测器用于全天时采集天空云层图像;通过装有图像采集卡的计算机对采集的天空背景图像进行伪彩处理、图像修复等操作后,获得无云、薄云、厚云以及它们之间过渡区域可清晰区分的伪彩云层图像,并根据实验标定建立的空间角位置和像素的函数关系,给出云的分布位置信息。实验结果表明,该测量系统可以每5s输出一次高度角在20°以上的彩色云图,并计算出天空中云层的方位分布,定位精度约为1°。此系统可以实现云层分布的大视场定位测量,并提高空间目标监视设备的效率。     

基于双目视觉的接触线几何参数测量方法

将双目视觉原理应用于高速铁路接触线的几何参数测量。采用2个数字相机同时采集接触线的2幅图像,通过对图像进行平滑去噪、二值化和边缘识别,确定接触线在2个相机中的成像位置,进而计算出接触线的高度和拉出值。通过实验验证了该方法在测量速度、测量精度和实现动态测量等方面的优点,对基于双目视觉的接触线检测仪器开发有实用价值。     

基于显微形貌重建的XLPE电缆绝缘料纯净度测量技术

本文针对交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘料纯净度检测的问题,研制了基于形貌重建的高速扫描测量系统.该测量系统采用现场可编程门阵列(FPGA)芯片控制高速A/D转换器采集CCD数据,根据动态阈值压缩CCD扫描图像数据并对数据进行封装处理,在保留杂质信息的前提下大幅地减少了待处理数据.封装数据通过USB2.0接口传输至上位机进行分析、记录和杂质图像重建.实验证明此系统测量实时准确,杂质形貌信息恢复完好.该系统适用于XLPE电缆绝缘料的缺陷检测和形貌测量.     

基于光强调制和数字拟合的PSD位置检测方法的研究

为了实现对微小位置信号的精密测量,建立了PSD位置检测系统。对该系统的光强调制方法、测量原理、位置测量算法及误差评估进行了研究。实验发现当信号光强微弱时,位置敏感器件(PSD)受背景光强影响很大。采用正弦调制光强,通过带通放大的方式,克服背景光强的影响,极大地提高了测量系统的信噪比。针对所提取的PSD光强差与和信号均为调制频率信号,且幅值与相差由光斑位置决定的特点,提出应用同步A/D与椭圆拟合法计算光斑位置的方法,并对相关计算公式进行了理论推导。实验结果表明:在测量范围达到9 mm的条件下,测量精度可达到0.01 mm.基本满足PSD位置检测方法的稳定可靠、测量精度高、抗干扰能力强等要求。     

基于ARM7的图像采集系统

介绍了一种基于ARM7的铁轨直线度激光测量系统,该系统通过CPLD控制CMOS图像传感器OV9625进行图像的采集与存储,采用LPC2214对采集图像先进行计算,再输出计算结果。     

基于形态特征的玉米种子表面裂纹检测方法

采用数字图像处理技术实现了对玉米种子表面裂纹的识别和检测。选择冷阴极荧光灯(CCFL)设计了图像采集的光照环境,建立了玉米种子图像的采集系统,然后针对玉米种子图像提出了一种基于籽粒形态学特征的表面裂纹检测方法。该方法采用水平和垂直边缘检测算子处理得到裂纹、种子边界和噪声等边缘信息;然后通过玉米籽粒的形态特征寻找其尖端位置,并使用图像代数运算的方法去除大部分非裂纹信息;最后根据裂纹的长度和位置特征提取得到裂纹,并计算裂纹的绝对长度和相对长度。对农大4967和农大3138两个品种的玉米分别选取裂纹粒和无裂纹粒各50粒进行图像识别,试验结果表明:识别准确率分别为94%和90%,基本满足玉米种子表面裂纹检测的精度要求。     

一种新型LCD运动模糊的测量分析系统

液晶显示器的运动模糊程度通常可以采用"运动图像响应时间(MPRT)"来表示,它已经被写入了VESA的平板显示器测量标准当中。本文建立了一种简单精确的运动模糊测量分析系统代替了复杂昂贵的追逐相机系统,该系统可以精确地测量液品亮度响应曲线(LCRC),并利用采集曲线根据人眼的平滑追踪和时域积分特性准确地仿真出所感知到的运动模糊图像。通过对阶跃LCRC进行一帧时间窗口卷积,直接计算MPRT。最后通过测量计算和视觉感知实验验证了仿真模型的准确性和系统的精确度。     

大型散货堆体积的快速测量

针对现有散货测量系统对堆场环境适应性差、盘点时间长、效率低、操作复杂等不足,提出了一种散货堆体积快速测量方法。同时,利用二维激光扫描仪、差分GPS和姿态测量系统设计了一种体积测量系统。该系统用激光扫描仪动态测量堆体表面的几何信息,用姿态测量系统实时测量扫描仪的空间姿态数据,用GPS测出扫描仪在测量过程中的三维位置;最后通过数据融合计算形成堆体的三维点云,利用点云获得散货堆体积。文中基于单条堆体轮廓点云特征,提出快速堆体下边缘查找算法来去除扫描过程中地面点云的误差影响;采用投影剖分法完成完整堆体点云计算体积。实验显示,利用本文设计的测试系统可在30s内完成体积为69m3的标准堆体测量,平均相对误差为0.42%,重复测量误差为0.41%。在实际散货堆实验中,可在10min内完成大小约为31 500m3的散货堆测量,4个不同料堆体积测量的平均重复测量误差为0.74%。结果表明,本方法可在保证测量精度的同时,简单、高效地测量散货堆体积。     

光镊系统随机漂移建模和误差补偿

针对光镊系统本身噪声对测量精度的影响,提出了一种光镊系统随机漂移误差的有效补偿方法。首先,介绍了时间序列分析法和卡尔曼滤波技术,基于时间序列分析法建立了光镊的随机漂移误差模型;然后,用基于时间序列模型的卡尔曼滤波方法来减小该漂移误差。采用提出的方法对光镊设备实测数据的误差进行了补偿,结果表明：数据的误差方差由补偿前的188.90 nm²减小为8.41 nm²。计算补偿前后的艾伦方差可知,系统在平均时间为1 s时可使最小位移误差从 0.7 nm降低到0.1 nm。得到的结果显示：提出的滤波方法有效地抑制了光镊系统的漂移误差,将其用于双光镊对准可提高捕获光和探测光的对准精度,进而提高光镊系统的性能指标。     

基于3-CCD显微视觉的高精度靶位姿控制

针对高功率激光物理装置中的靶自动准直实验平台,提出了一种基于三路显微视觉的高精度靶位姿控制方法。该方法采用基于图像的显微视觉控制策略,通过对送靶机构的主动运动控制,实现了图像雅可比矩阵的在线自标定;利用增量式PI控制方法对送靶机构进行控制,实现靶的快速定位及姿态调整。本文对比了基于图像的显微视觉控制和之前研究中所提出的基于位置的显微视觉控制两种方法。其中,基于图像的控制方法靶的定位误差为0.07μm,姿态调整误差为0.02μrad;而基于位置的控制方法靶的定位误差为0.16μm,姿态调整误差为0.07μrad。实验结果表明:基于图像的显微视觉控制方法对系统中的运动学误差、视觉标定误差等因素具有较好的鲁棒性,靶定位及姿态调整的精度高且稳定性好。     

KDP\DKDP倍频晶体吸收系数的斜入射测量

考虑惯性约束聚变系统中的磷酸二氢钾/磷酸二氘钾(KDP\DKDP)的吸收系数直接影响系统的转换效率及最终输出能量,本文研究了KDP\DKDP倍频晶体吸收系数的测量方法。提出了新的基于朗伯定律的倍频晶体吸收系数斜入射测量法。建立了斜入射状态下入射光偏振态与晶体o光和e光的关系模型,推导了小角度入射下晶体e光折射率的迭代计算方法。采用该方法计算了晶体的e光折射率,通过测量得到的数据间接计算出了KDP\DKDP倍频晶体吸收系数。详细分析了该方法在测量过程中的各项误差来源,得出该方法测量误差优于0.000 2cm~(-1)。最后,对一块40mm×40mm×60mm的开关晶体元件进行测试并与分光光度法比对以验证提出方法的可行性,结果显示两种测量方法的偏差小于0.000 2cm~(-1),表明该方法可用于惯性约束聚变系统中倍频晶体吸收系数的测量。     

散斑运动模糊复原的直线电机动子位置检测

图像测量技术具有非接触性、抗干扰性等优点被越来越多地应用到双次级永磁直线电机动子位置检测中。针对图像采集过程中所产生的图像模糊问题,提出了一种精确辨识运动模糊参数的方法,实现了直线电机动子位置的精确测量。采用数字散斑图像作为原始拍摄面,通过相机获得包含动子位置信息的序列运动模糊图像。利用奇异值分解对运动模糊图像进行去噪重构预处理,降低噪声对运动模糊参数辨识精度的影响。求取预处理后图像的倒谱图,通过主成分分析找到倒谱图二值化后亮线的主矢量方向即为模糊方向;同时作出倒谱三维图,利用其负峰值中两个最小值坐标求出模糊长度。根据计算的模糊参数值复原模糊散斑图像,再利用图像亚像素测量方法获得动子位置。实验结果表明:本文算法的计算耗时比Radon算法缩短了5倍多,不同位移下的平均绝对误差仅为0.084 7mm,满足直线电机动子位置检测的实时性和高精度要求。     

Two-stage focus-hold system for rapid ultra-sensitive read-out of large-area biochips

We report here the development of a method for holding the focal plane in a fluorescence-based biochip scanner. The fast read-out of large (multiple cm²) glass slides as used in modern chip technology imposes severe constraints on the focal system. The limited focal depth of high-NA objectives together with the demand for single-molecule sensitivity challenges traditional focus-hold systems. Various long- and short-term effects disturb the often multiple hour-long data-acquisitioning process and cause blurred or unusable image data. Traditional focus-hold systems were often limited in terms of range, reaction time, sensitivity or demanded a large number of additional components. Our system uses the back-reflected illumination beam always present in total internal reflection fluorescence microscopy to generate an error proportional electrical signal, which in turn drives an actuator correcting the objective–sample distance. The latter consists of a fast but range-limited piezo drive attached to the objective and a slower motor coupled to the microscope's z-drive. With this combination, fast reaction times and virtually unlimited correction distances are possible. We show the applicability by scanning DNA microarrays on 27 × 18-mm² glass slides with single-molecule sensitivity over the whole array. Single-fluorescence dyes are imaged as diffraction-limited spots.     

Two-photon image correlation spectroscopy and image cross-correlation spectroscopy

We introduce two-photon image correlation spectroscopy (ICS) using a video rate capable multiphoton microscope. We demonstrate how video rate two-photon microscopic imaging and image correlation analysis may be combined to measure molecular transport properties over ranges typical of biomolecules in membrane environments. Using two-photon ICS, we measured diffusion coefficients as large as 10⁻⁸ cm² s⁻¹ that matched theoretical predictions for samples of fluorescent microspheres suspended in aqueous sucrose solutions. We also show the sensitivity of the method for measuring microscopic flow using analogous test samples. We demonstrate explicitly the advantages of the image correlation approach for measurement of correlation functions with high signal-to-noise in relatively short time periods and discuss situations when these methods represent improvements over non-imaging fluorescence correlation spectroscopy. We present the first demonstration of two-photon image cross-correlation spectroscopy where we simultaneously excite (via two-photon absorption) non-identical fluorophores with a single pulsed laser. We also demonstrate cellular application of two-photon ICS for measurements of slow diffusion of green fluorescent protein/adhesion receptor constructs within the basal membrane of live CHO fibroblast cells.     

检校场标定长焦航测相机参数

为实现长焦航测相机内参数及畸变参数标定,提出利用室外检校场对相机进行标定的方法。介绍了该方法由初值到精确值的两步法的求解步骤、计算过程及实验过程。首先通过给定已知特征点位置信息以及不同角度不同位置下拍摄的影像,通过特征点提取及匹配,根据像点坐标与世界坐标的线性对应关系,基于直接线性变换算法建立约束方程求取相机参数初值,进而通过混合LMQN(Levenberg-Marquardt与Qusai-Newton)迭代优化加速求解精确值。与精密测角法比无需精密设备的操作及记录,只需不同位置不同姿态拍摄多张包含精确位置信息的检校场影像即可。最后进行标定实验并对结果分析,基于检校场的标定方法在参数解算中特征点最大投影误差为2.471pixel,标定参数主点精度为9.7μm(2pixel),主距精度为4.3μm(1pixel),解算相机拍摄位置精度0.035m,满足测绘应用的精度需求。     

改进的各向异性扩散方程的超声图像滤波方法

针对传统各项异性扩散模型容易产生板块分区,模糊图像细节等问题,提出一种改进的各项异性滤波算法。该方法引用双曲正切函数构造扩散模型的扩散系数,避免了传统各项异性扩散模型在均匀区域产生的板块分区问题;并通过使用衰减因子提高在非均匀区域的扩散敏感性,能够更好地保留图像的边缘细节信息;同时引入相对平滑增量,自适应监控图像的滤波程度,并自动终止迭代过程。仿真实验表明,提出的滤波方法能够有效滤除超声图像斑点噪声,并消除传统各项异性扩散模型产生的板块分区问题,提高了对图像细节信息的保留能力,并增强了与原图像的结构相似度,是一种有效的斑点噪声降噪方法。     

航天密封圈智能测量与检测系统的集成

为了实现航天用O形密封圈的智能化全自动测量与检测,建立了双工位智能测量与检测系统,研究了大量程测量与曲面缺陷检测系统集成方案以及测量路径自主规划技术。首先,针对O形圈的柔性结构、曲面外形以及内径与截面直径之比跨度大的特点,提出基于多视场协同的双工位智能测量与检测方案,介绍了系统集成方法及其工作原理。然后,根据密封圈在大视场中的全景图信息及检测路径规划基本准则,导出了通用的小视场图像采集路径计算方法。最后,建立了密封圈检测路径的物理坐标与大视场图像坐标的映射关系,实现了系统的智能化全自动检测。实验结果表明:本集成方案能够对外形尺寸为Φ5.4~Φ140mm的O形圈进行智能化自主测量与检测,实际检测路径的位置与理想位置之间的平均误差为0.086mm;与手工测量和检测相比,效率提高了20倍以上,能够满足航天用精密密封圈的智能、高效、全自动测量与检测要求。