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基于工业反光特征的高精度视觉SLAM方法

光学学报 2024年第11期44卷 85-96页

作者：郭朝杨泽任永杰孙岩标邾继贵天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

针对现有基于自然特征的视觉即时定位与地图构建(SLAM)精度无法满足工业级高精度测量定位需求的问题,提出一种基于工业反光特征的高精度实时视觉SLAM方法,将工业摄影测量使用的高反光特征引入到非结构化工厂场景中,利用图优化理论来实... 详细信息

针对现有基于自然特征的视觉即时定位与地图构建(SLAM)精度无法满足工业级高精度测量定位需求的问题,提出一种基于工业反光特征的高精度实时视觉SLAM方法,将工业摄影测量使用的高反光特征引入到非结构化工厂场景中,利用图优化理论来实现基于反光特征的实时高精度定位测量。先利用关键帧图像网络优化方法快速计算地图精确点坐标,再基于全局地图与辅助惯性里程计信息实时求解相机高精度六自由度位姿,最后将位姿测量结果与真值进行比较。实验结果表明,在缺少自然特征的场景中,反光特征的引入使得ORB-SLAM3算法的定位精度提高了74.5%。同时本文方法相较于采用反光特征的ORB-SLAM3、PnP算法在定位精度上平均提升了66.72%、12.93%。实验结果的绝对轨迹误差均小于2 mm,平均误差为1.5 mm,相对姿态误差则小于0.03°,实现了非结构化工业环境下的高精度实时定位。

关键词：测量反光特征关键帧图像网络优化全局信息辅助视觉惯性实时定位

基于电化学传感技术的血液pH和PCO_(2)连续检测芯片装置

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光学精密工程 2024年第11期32卷 1701-1712页

作者：于海霞刘家乐范译心谭志广郭庆天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

为了连续检测血液透析患者血液的酸碱度,降低血液透析患者的死亡率,基于电化学传感原理和微流控技术,研究了一种能够连续监测血液pH和PCO_(2)的芯片。芯片中pH电极和CO32-电极以共用参比电极的方式实现pH和PCO_(2)的联合检测,利用微型... 详细信息

为了连续检测血液透析患者血液的酸碱度,降低血液透析患者的死亡率,基于电化学传感原理和微流控技术,研究了一种能够连续监测血液pH和PCO_(2)的芯片。芯片中pH电极和CO32-电极以共用参比电极的方式实现pH和PCO_(2)的联合检测,利用微型化测试腔保证血液的连续流通和检测,并防止空气对血液检测的干扰,提高血液pH和PCO_(2)的检测精度。采用pH 6.00~9.00的Tris-HCl溶液测试芯片的pH检测性能,其检测灵敏度达到61.2 mV/pH,连续检测同一样品的标准差小于0.01(n=10),再现性测量的平均相对误差为0.46%(n=6),在pH 6.00~9.00内实现了样品溶液pH值的准确检测。利用联合传感芯片分别进行血气质控液和血液测试实验,在血气质控液中检测pH和PCO_(2)的绝对误差分别低于0.04和306.64 Pa(2.30 mmHg),平均相对误差分别为0.23%和1.94%;在血液中检测pH和PCO_(2)的绝对误差分别低于0.05和466.63 Pa(3.50 mmHg),平均相对误差分别为0.36%和2.60%。与血气分析仪相比,该芯片体积小,与血液透析管路连接可以实现血液中pH和PCO_(2)的连续在线检测。

关键词：微流控技术血液透析酸碱平衡电化学传感器连续血液检测

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基于非接触光声成像的碳纤维增强复合材料冲击损伤检测方法

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仪器仪表学报 2024年第4期45卷 37-45页

作者：丁凯旋陈冀景皮一涵李娇田震天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学佐治亚理工深圳学院深圳518067

为了探究碳纤维增强复合材料(CFRP)的损伤机制并对其制造过程进行质量监控,对CFRP的冲击损伤区域进行了高分辨无损检测。构建了全光式非接触光声显微(AONC-PAM)成像系统,利用自主开发的光学吸收结合背向散射的双对比度成像模式,对CFRP... 详细信息

为了探究碳纤维增强复合材料(CFRP)的损伤机制并对其制造过程进行质量监控,对CFRP的冲击损伤区域进行了高分辨无损检测。构建了全光式非接触光声显微(AONC-PAM)成像系统,利用自主开发的光学吸收结合背向散射的双对比度成像模式,对CFRP在不同冲击能量下的损伤区域进行高分辨率无损检测。实验结果显示,AONC-PAM系统的空间分辨率为2.9±0.5μm;双对比度成像策略能以2 s/帧的速率同时获得基于光学吸收和表面散射特性的图像及两者叠加的双对比度图像;AONC-PAM系统显示了比通用明场显微镜系统更多的成像细节,包括碳纤维分布和其他微观缺陷如纤维断裂、错位、缺束和褶皱,可检测的微观缺陷尺寸达10~20μm,并实现了损伤区域的精准量化。

关键词：无损检测非接触光声显微镜双对比度成像碳纤维增强复合材料冲击损伤

基于深度学习复杂环境的偏振成像技术研究进展(特邀)

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红外与激光工程 2024年第3期53卷 1-18页

作者：胡浩丰黄一钊朱震马千文翟京生李校博天津大学海洋科学与技术学院天津300072 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

偏振成像技术通过偏振信息的获取和解译,可以有效抑制复杂环境干扰,提升成像质量,增强目标感知能力,对于复杂环境下的光学成像探测具有独特优势。然而,在散射、低照度等复杂环境下,偏振图像退化机理呈现非线性特征,偏振信息解译方法复... 详细信息

偏振成像技术通过偏振信息的获取和解译,可以有效抑制复杂环境干扰,提升成像质量,增强目标感知能力,对于复杂环境下的光学成像探测具有独特优势。然而,在散射、低照度等复杂环境下,偏振图像退化机理呈现非线性特征,偏振信息解译方法复杂度高。深度学习方法具有强大的特征提取和学习能力,通过学习大规模数据隐藏的映射规律获得偏振信息的复原效果,特别适合偏振成像这种多维度、相互关联的复杂信号处理问题。文中基于偏振成像的基本原理以及复杂环境偏振成像技术的范式,针对散射和噪声这两类典型的成像环境,介绍了深度学习偏振成像技术的研究进展,同时阐述了深度学习赋能复杂环境偏振成像任务的优势,最后对该领域的未来发展方向作以展望。

关键词：偏振成像深度学习图像去散射图像去噪

基于深度神经网络的水下图像偏振信息复原方法

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光学学报 2024年第12期44卷 53-62页

作者：刘贺东韩宜霖李校博程振洲刘铁根翟京生胡浩丰天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学海洋科学与技术学院天津300072

偏振度和偏振角等偏振信息能够反映目标的偏振特性,根据偏振态的差异可以辨别目标,因此偏振信息在水下探测与识别等领域有重要应用。传统的水下偏振成像方法能够对水下图像进行散射抑制并复原光强图像,但这些方法忽略了对偏振信息的复原... 详细信息

偏振度和偏振角等偏振信息能够反映目标的偏振特性,根据偏振态的差异可以辨别目标,因此偏振信息在水下探测与识别等领域有重要应用。传统的水下偏振成像方法能够对水下图像进行散射抑制并复原光强图像,但这些方法忽略了对偏振信息的复原,造成偏振信息的丢失。因此,提出基于通道注意力机制的水下图像偏振信息复原神经网络,以拓展水下偏振成像的功能,将偏振度和偏振角信息进行复原。同时设计了基于偏振参量的内容与风格损失函数,进一步提升偏振复原效果。实验结果表明,该网络可有效地抑制水下图像的散射光,同时能较好地恢复线性偏振度和偏振角信息。所提方法对浑浊水下偏振成像技术的进一步应用具有重要意义。

关键词：偏振成像水下成像偏振信息复原深度学习注意力机制

一种基于反谐振结构的三能级掺钕激光光纤设计

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物理学报 2024年第14期73卷 121-126页

作者：许海琛付士杰田浩盛泉史伟姚建铨天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室天津300072

900 nm掺钕光纤激光器可广泛应用于生物医学诊断、激光检测和光谱分析等领域.钕离子在1060 nm波段四能级跃迁的增益竞争,严重限制了900 nm三能级掺钕光纤激光器输出功率的提升.本文设计了一种纤芯直径为27μm的大模场掺钕实芯双层反谐... 详细信息

900 nm掺钕光纤激光器可广泛应用于生物医学诊断、激光检测和光谱分析等领域.钕离子在1060 nm波段四能级跃迁的增益竞争,严重限制了900 nm三能级掺钕光纤激光器输出功率的提升.本文设计了一种纤芯直径为27μm的大模场掺钕实芯双层反谐振光纤,用于产生高功率900 nm激光.通过在有源光纤中引入双层反谐振单元结构,并对光纤结构参数和折射率分布进行优化,模拟结果表明光纤在880—913 nm波段基模损耗小于0.1 dB/m,高阶模式损耗大于10 dB/m,同时在1060 nm波段所有模式损耗达到100 dB/m.本文提出的掺钕实芯反谐振光纤在900 nm高功率光纤激光器和放大器等领域具有广泛的应用前景.

关键词：实芯反谐振光纤掺钕光纤大模场面积光纤单模光纤

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基于静电力的非接触式微悬臂梁刚度标定方法

仪器仪表学报 2024年第6期45卷 256-265页

作者：张世玉赵聆喆于枚可赵美蓉郑叶龙天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

微悬臂梁刚度的标定在工业和学术研究中有重要的意义。传统微悬臂梁标定方法存在粘附摩擦、接触磨损等缺点。为了有效解决传统刚度标定中接触摩擦的难题,本文提出一种基于静电力的非接触式微悬臂梁刚度标定方法。该方法将静电力作为标... 详细信息

微悬臂梁刚度的标定在工业和学术研究中有重要的意义。传统微悬臂梁标定方法存在粘附摩擦、接触磨损等缺点。为了有效解决传统刚度标定中接触摩擦的难题,本文提出一种基于静电力的非接触式微悬臂梁刚度标定方法。该方法将静电力作为标准载荷施加于微悬臂梁末端,基于胡克定律计算微悬臂梁刚度。对平行极板结构进行了数值模拟,结果显示微悬臂梁与参考极板的相对位置存在较小的偏差时,静电力偏差小于5%。静电力标定实验结果显示微悬臂梁刚度为0.344 N/m,相对测量不确定度为1.86%。该方法适用于微悬臂梁的刚度标定,对微纳力值研究领域具有重大意义。

关键词：微悬臂梁刚度标定静电力不确定度

痕量N_(2)O气体检测中数字锁相放大器的设计

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电子测量与仪器学报 2024年第7期38卷 116-122页

作者：杨云鹏刘新楠贾俊杰郜峰夏华李奇峰马翔云天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

针对笑气(N_(2)O)等气态物质的滥用,基于量子级联激光器与波长调制技术相结合的检测方法,可以对吸食人员呼出笑气浓度进行检测,实现吸食人员的现场快速鉴定。针对检测过程中激光器光强抖动带来的测量误差,提出一种适用于痕量N_(2)O气体... 详细信息

针对笑气(N_(2)O)等气态物质的滥用,基于量子级联激光器与波长调制技术相结合的检测方法,可以对吸食人员呼出笑气浓度进行检测,实现吸食人员的现场快速鉴定。针对检测过程中激光器光强抖动带来的测量误差,提出一种适用于痕量N_(2)O气体检测中数字锁相放大器的设计。该锁相放大器中集成了激光器光强调制模块,当碲镉汞探测器接收到吸收后的光强信号后,同时在FPGA中进行一次和二次谐波的解调,并对二次谐波进行归一化处理,避免光强抖动对测量的影响。使用该锁相放大器对检测系统的性能进行评估,通过质量流量控制器配置不同浓度N_(2)O气体,当激光器调制频率为5kHz,测得归一化二次谐波峰值平均值与N_(2)O气体浓度值之间的线性拟合度为0.992 1。使用Allan方差对检测系统的检出限进行评估,当系统的积分时间为0.1 s时,N_(2)O气体的检出限为17.7×10^(-9);积分时间为6.3 s时,N_(2)O气体的检出限达到最低为8.9×10^(-9)。该锁相放大器具有集成度高、检测速度快、信噪比高等优点,适用于痕量N_(2)O气体的现场快速检测。

关键词：笑气量子级联激光器波长调制技术 FPGA

基于“十字”标志物的红外图像与三维点云融合方法

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第10期57卷 1090-1099页

作者：郑叶龙李长勇夏宁宁李玲一张国民赵美蓉天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

红外热成像技术广泛应用于多个领域,建立含有空间和温度信息的三维温度场模型具有十分重要的意义,可以将该技术扩展到更多应用领域.为此,本文提出一种异源空间数据融合方法,融合红外图像和三维点云,得到三维温度场模型.针对红外相机与... 详细信息

红外热成像技术广泛应用于多个领域,建立含有空间和温度信息的三维温度场模型具有十分重要的意义,可以将该技术扩展到更多应用领域.为此,本文提出一种异源空间数据融合方法,融合红外图像和三维点云,得到三维温度场模型.针对红外相机与可见光相机成像原理存在差异,难以通过常用标定板进行内参标定的问题,基于红外相机成像特性设计并制作镂空圆孔标定板用于内参标定,所得内参平均重投影误差为0.03像素.针对红外相机与结构光相机的成像原理不同,现有标志物制作复杂、外参精度低的问题,基于不同材料的辐射度差异,设计制作“十字”标志物并将其用于联合标定.为解决同名特征点难以识别的问题,针对红外图像和三维点云分别设计了同名特征点提取方法,配合“十字”标志物进行同名特征点提取.红外图像和三维点云特征点提取方法的检测重复率分别为75%和92%,与传统方法相比两者的检测重复率均有所提升.利用该方法建立纸杯、工件和人脸的三维温度场模型.实验结果表明,使用镂空圆孔标定板能实现红外相机的内参标定,对“十字”标志物采用同名特征点提取方法能完成红外相机与结构光相机的联合标定.最终所得三维温度场模型的平均重投影误差为1.70像素,与现有方法相比模型精度有所提升.

关键词：红外图像三维点云标志物同名特征点系统标定异源空间数据融合