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基于超构透镜的微型头戴式荧光显微镜设计

中国光学（中英文） 2024年第3期17卷 512-520页

作者：张智淼王承邈谢冕林雨韩业明邓永波郭长亮付强中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049 清华大学生命学院北京100084 北京大学未来技术学院北京100871

微型头戴式荧光显微镜可以对自由移动活体动物大脑中的神经活动进行实时成像,是近些年兴起的脑科学研究新仪器。然而,目前大多数微型荧光显微镜为了做到更小巧、更轻便,视场都比较小,这使得可用于观测的神经细胞数量受限,虽然有大视场... 详细信息

微型头戴式荧光显微镜可以对自由移动活体动物大脑中的神经活动进行实时成像,是近些年兴起的脑科学研究新仪器。然而,目前大多数微型荧光显微镜为了做到更小巧、更轻便,视场都比较小,这使得可用于观测的神经细胞数量受限,虽然有大视场系统的报道,但重量都比较大,对动物的自由行为会产生一定的影响。为了提高微型荧光显微镜成像性能,同时降低其重量,光学系统采用超轻、超薄、成像质量高的超构透镜。本文首先推导了双曲相位超构透镜的像差公式,并以此为指导,完成了一款视场为4 mm×4 mm、NA为0.14的微型荧光显微镜设计,实现了7种初级像差的校正。装配完成的样机重量仅为4.11 g,全视场范围内分辨率为7.8μm,对自由移动小鼠大脑中的神经活动进行成像观测能够达到单细胞分辨率。

关键词：微型荧光显微镜超构透镜光学设计神经科学像差理论

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基于改进储备池计算的高精度扭秤动力学状态预测方法

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中国惯性技术学报 2024年第6期32卷 604-612页

作者：徐鹏姚镇东强丽娥王智李华东国科大杭州高等研究院基础物理与数学科学学院杭州310024 中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049 中国科学院力学研究所引力波实验中心北京100190 兰州大学兰州理论物理中心兰州730000 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033

在空间引力波探测任务中,超高精度惯性传感器在入轨之前必须经过地面测试与评价,悬丝扭秤是地面测试的首选装置。为了获得悬丝扭秤的精确动力学模型,以减小其固有系统误差,提出了一种基于改进储备池计算(RC)的扭秤动力学预测模型。所提... 详细信息

在空间引力波探测任务中,超高精度惯性传感器在入轨之前必须经过地面测试与评价,悬丝扭秤是地面测试的首选装置。为了获得悬丝扭秤的精确动力学模型,以减小其固有系统误差,提出了一种基于改进储备池计算(RC)的扭秤动力学预测模型。所提模型利用注意力机制强化时间序列数据的长期依赖特征,并通过贝叶斯优化算法定位模型最优超参数空间,提高了动力学模型的预测精度。在实验室收集的扭秤转角时序数据上验证了所提方法的有效性,相较于传统RC的模型预测误差平均降低40%以上,可以为惯性传感器的地面测试提供可靠的动力学参考。

关键词：惯性传感器扭秤数据处理储备池计算时间序列预测

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基于双特征的短波红外星图识别算法

电光与控制 2024年第6期31卷 56-61页

作者：廖屹张磊中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130000 中国科学院大学北京100000

在短波红外波段进行昼夜测星有望实现近地空间全天时自动导航,其中,星图识别算法是实现全天时导航的关键技术之一。传统的三角形算法在导航星数增多的情况下,由于其匹配特征维度低,在识别时容易出现冗余匹配、误匹配的情况。针对这一问... 详细信息

在短波红外波段进行昼夜测星有望实现近地空间全天时自动导航,其中,星图识别算法是实现全天时导航的关键技术之一。传统的三角形算法在导航星数增多的情况下,由于其匹配特征维度低,在识别时容易出现冗余匹配、误匹配的情况。针对这一问题,提出了一种基于双特征的短波红外星图识别算法,该算法选取三角形的面积与外切圆半径双高维特征作为匹配特征,通过构建面积特征的K矢量索引,应用K矢量查找法降低匹配识别的计算复杂度。此外,还提出一种优化的观测三角形的选择策略,减少了匹配过程中的计算量,提高算法的识别速度。实验表明,星点位置噪声低于2像素时,算法的平均识别率优于95%;伪星数未超过50%时,平均识别率可达87.6%;并通过实际观星试验验证了所提算法的可行性,与改进的三角形算法相比,该算法在识别速度、识别率以及抗噪声能力等方面都有明显优势。

关键词：短波红外星敏感器星图识别三角形算法 K矢量查找

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基于区域加权的图像清晰度评价算法

电子测量技术 2024年第11期47卷 44-50页

作者：郑博文刘绍锦沈铖武谢忠旭刘旭中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 中国科学院大学北京100049

针对光电成像系统对焦过程中清晰度评价函数的灵敏度低、局部极值点较多的问题,在对传统清晰度评价函数研究的基础上,提出一种基于区域加权的图像清晰度评价算法。此算法首先在传统Laplacian评价函数基础上引入了阈值,提升算法的抗噪性... 详细信息

针对光电成像系统对焦过程中清晰度评价函数的灵敏度低、局部极值点较多的问题,在对传统清晰度评价函数研究的基础上,提出一种基于区域加权的图像清晰度评价算法。此算法首先在传统Laplacian评价函数基础上引入了阈值,提升算法的抗噪性及清晰度比率,其次利用图像梯度图计算区域清晰度加权因子,优化算法的平缓区波动量。实验结果表明,与大多数传统清晰度评价函数相比,该算法清晰度比率提升约2.7倍,灵敏度提升约1.9倍,平缓区波动量可以减少为传统Laplacian评价函数的1/6,并且在图像内容复杂时的评价性能更加可靠,具有清晰度比率与灵敏度高、局部极值点少的优点。

关键词：成像系统清晰度评价自动对焦区域加权图像梯度

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基于超像素分割的图注意力网络的高光谱图像分类

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吉林大学学报（理学版） 2024年第2期62卷 357-368页

作者：高路尧胡长虹肖树林中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 中国科学院大学北京100049

针对卷积神经网络(CNN)仅能应用于欧氏数据,无法有效获取像素间的全局关系特征以及长距离上下文信息的问题,构建一个基于超像素分割的图注意力网络SSGAT.该网络将超像素分割后的超像素块视为图结构中的图节点,有效减少了图结构的复杂度... 详细信息

针对卷积神经网络(CNN)仅能应用于欧氏数据,无法有效获取像素间的全局关系特征以及长距离上下文信息的问题,构建一个基于超像素分割的图注意力网络SSGAT.该网络将超像素分割后的超像素块视为图结构中的图节点,有效减少了图结构的复杂度,并降低了分类图的噪声.在3个数据集上对SSGAT及对比算法的分类精度进行测试,分别获得了94.11%,95.22%,96.37%的总体分类精度.结果表明该方法性能优异,在处理大尺度区域的分类问题时优势明显.

关键词：高光谱图像图注意力网络残差机制超像素分割

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惯性空间TDI相机长弧段星源主动扫描设计

光学精密工程 2024年第11期32卷 1686-1700页

作者：闫安东付宗强曾疏桐常琳杨秀彬中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100039 中国科学院天基动态快速光学成像技术重点实验室吉林长春130033 山东大学物理学院山东济南250100

为了有效扩大惯性空间观测的幅宽范围和成像信噪比,提出了一种基于星等与光学多参量的映射函数的卫星与载荷姿频协同补偿的TDI相机长弧段星源主动扫描设计方法。首先,基于黑体辐射能量密度公式,构造TDI光学参量与极限探测星等之间的映... 详细信息

为了有效扩大惯性空间观测的幅宽范围和成像信噪比,提出了一种基于星等与光学多参量的映射函数的卫星与载荷姿频协同补偿的TDI相机长弧段星源主动扫描设计方法。首先,基于黑体辐射能量密度公式,构造TDI光学参量与极限探测星等之间的映射函数;然后,采用齐次坐标变换和欧拉轴最优路径规划方法,建立惯性空间卫星恒速机动和载荷动态实时补偿的长弧段星源扫描成像模型,完成动态星源无拖尾高信噪比成像。最后,基于平行实验理论,搭建由TDI相机和动态星源模拟器组成的实验系统,并完成了扫描成像实验和误差分析。实验结果表明,本体坐标系相对惯性坐标系的欧拉角速率为8.5(°)/s时,积分级数为96,TDI相机行频为1 kHz,成像时长10 s,TDI相机成像过程中星图成像信噪比最大值为7.325,扫描区域立体角为5.4232 rad。惯性空间TDI相机长弧段星源主动扫描可实现对星源高信噪比成像,并大幅拓展了成像观测范围。

关键词：空间遥感 TDI相机信噪比长弧段欧拉轴主动扫描

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基于FEM的引力参考传感器自引力计算与补偿

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中国空间科学技术（中英文） 2024年第2期44卷 89-97页

作者：高志勇王上王智国科大杭州高等研究院基础物理与数学科学学院杭州310012 中国科学院大学北京100049 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033

空间引力波探测太极计划将利用激光干涉的方法,测量两个检验质量之间的距离变化反演引力波信息。在0.1 mHz处,要求检验质量在敏感轴方向的总残余加速度保持在3×10^(-15)m·s^(-2)/√Hz以下。由航天器载荷静引力、热形变和质量波动引起... 详细信息

空间引力波探测太极计划将利用激光干涉的方法,测量两个检验质量之间的距离变化反演引力波信息。在0.1 mHz处,要求检验质量在敏感轴方向的总残余加速度保持在3×10^(-15)m·s^(-2)/√Hz以下。由航天器载荷静引力、热形变和质量波动引起的自引力噪声是检验质量的残余加速度噪声主要来源之一,要求检验质量在敏感轴方向的自引力加速度小于1×10^(-10)m/s^(2),引力梯度小于5×10^(-8)s^(-2)。为了计算检验质量处的自引力大小和引力梯度,针对检验质量与引力源几何形状的不规则性,基于有限元法编写程序计算了引力参考传感器中的引力源作用在检验质量上的线加速度、角加速度和引力梯度。为了缩短计算时间,提出“类自适应”网格划分方法以减小网格数量,并设计了配重以补偿自引力。计算结果显示,经过补偿后的检验质量在敏感轴方向的自引力加速度为9.2377×10^(-12)m/s^(2),引力梯度为-2.5691×10^(-8)s^(-2),满足设计要求。本研究能够为航天器和引力参考传感器的设计与引力补偿提供参考与指导。

关键词：空间引力波探测引力参考传感器自引力引力梯度引力补偿有限元法

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红外与可见光双模导引头光学系统设计

红外技术 2024年第1期46卷 27-30页

作者：吕阳辛宏伟康玉思贺玉坤陈长征中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

为了提升导弹在复杂环境下的寻的制导能力,设计了一种红外与可见光双模式导引头光学系统。该方案中采用分光镜透射红外光反射可见光,使结构布局更加紧凑,实现红外与可见光共口径,同时配合红外材料选取,实现光学被动消热差设计。中红外... 详细信息

为了提升导弹在复杂环境下的寻的制导能力,设计了一种红外与可见光双模式导引头光学系统。该方案中采用分光镜透射红外光反射可见光,使结构布局更加紧凑,实现红外与可见光共口径,同时配合红外材料选取,实现光学被动消热差设计。中红外模式视场角3°×2.3°,可见光模式视场角5°×4°,工作温度20℃条件下,双模式在截止频率处,MTF(Modulation Transfer Function)值均大于0.4。红外与可见光双模式光学系统适合应用于复杂环境的导弹制导,对温度有良好的适应性,具有较好的成像质量,满足系统的性能要求。

关键词：光学系统可见光长波红外消热差

基于混合灵敏度的在轨组装望远镜CMOS组件热设计

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红外技术 2024年第8期46卷 853-857页

作者：田德福郭亮熊琰吴清文中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

针对某在轨组装望远镜CMOS组件与其他模块间存在复杂热耦合,且外热流变化剧烈,导致CMOS组件热设计难以确定最优参数的问题,本文提出了一种基于平均影响值(mean impact value,MIV)算法并结合传统回归分析Pearson和Spearman算法相互对比... 详细信息

针对某在轨组装望远镜CMOS组件与其他模块间存在复杂热耦合,且外热流变化剧烈,导致CMOS组件热设计难以确定最优参数的问题,本文提出了一种基于平均影响值(mean impact value,MIV)算法并结合传统回归分析Pearson和Spearman算法相互对比验证的混合灵敏度分析方法,开展CMOS组件热设计参数灵敏度分析,得到关键参数并完成热设计优化。相较传统遍历选取热设计参数方法,热设计参数数量由原始10个减少为2个重要及5个次要参数,参数选取更具有目的性,提升了热设计效率。仿真分析结果表明,CMOS轨道周期内温度波动1.6℃~25.4℃,热设计满足工作温度,验证了基于混合灵敏度分析方法的热设计可行性。

关键词：热设计灵敏度分析望远镜神经网络