光学成像技术范文10篇

光学成像技术范文篇1

[关键词]光学生物成像技术；创新性；教学改革和实践

生物光子学是由生命科学和物理科学相互交叉所形成的一门新兴学科[1]。生物光子学是研究光子和生命体相互作用的微观机制和物理本质，涉及到生物医学，光子学，材料科学，成像技术等多学科内容，是近年来生物和医药领域研究的热点。其中光学生物成像技术是本文教学改革的重点。光学生物成像是利用生物体某些光学特性(反射、散射、吸收、荧光等)的空间、时间变化来获得光学图像。随便科学技术的不断发展，光学成像技术已经形成了荧光成像、激光共聚焦扫描成像、远场超分辨显微成像、多光子荧光成像、光学相干层析等不同技术[2-3]。光学生物成像由于其检测仪器发展成熟，操作简单，高灵敏度、高分辨率，成像速度快和结果直观等显著优点被广泛应用于医药研发、生命科学和环境领域[4-5]。因此光学生物成像技术对研究生或者本科生在今后的学习和工作中非常重要。接下来如何提高该课程的教学质量，培养学生的创新意识成为当务之急。本文是结合作者多年来的教学经验，对光学生物成像技术课程内容的教学改革和实践问题进行初步探索。

1升华光学生物成像技术教学理念

传统的光学生物成像技术教学过程中，重点传授已形成的知识理论体系，忽视对学生独立思考和创新能力的培养，与现代教育理念的热点“培养创新人才”相背[6]。在当今科技飞速发展的社会，各学科之间广泛的交融结合及知识更新周期的缩短，都要求老师转变教学思想，聚焦高质量教学，反对形式教学。1.1以学生为本，坚持素质教育。与重视知识传授、轻视实践能力、重视考试分数的传统教育相比，现代教育更注重知识向能力的转化，强调学生实践能力的锻造，激发学生的创造潜能，以帮助学生主动学习和强化素质为基本教育目标，旨在全面挖掘学生的自身素质潜能，使知识、能力、素质和谐发展，提高学生的整体发展水准。1.2提高教学质量，强调创新能力教育观。改变传统的授课模式，以师生互动的探究式教育思想，推进光学生物技术课堂教学的“质”与“量”的改革。教师将教学内容和前沿研究相结合，更好的提高学生的学习兴趣，培养学生严谨治学和独立思考的能力，激发学生的创新思维，有效地提高教学质量。1.3延伸教学课堂，尊重学生个体差异观。使教师由原来单纯讲课方式转化为师生共同参与和积极探索的模式，提高学生的主动性和能动性，培养他们独立思考和解决问题的能力。重视个体差异，让学生根据自己的学习兴趣和掌握光学生物技术的能力去探索，积极提出自己的新观点、新问题和新意图等。通过课堂的延伸教育，启发学生的各种潜力。

2强化光学生物成像技术教学内容

传统光学生物成像技术内容主要介绍了普通显微成像、激光显微成像、非线性光学显微成像、远场超分辨显微成像、层析成像、全身活体荧光成像的工作原理、各自特点和存在的问题，忽略了这些技术在医药和生物领域的应用。除了课本上知识的讲解，教学过程中还需要教师结合国际前沿研究在课堂上讲授，从光学生物成像技术课程的教学思想上抓住本质的内容，活化教学内容，激发学生的学习兴趣。2.1重视互动式、启发式教学。课堂是传授学生知识的主要途径，激发学生的学习兴趣成为重中之重。课堂上教师适时地提出结合实际又有一定深度的问题，让学生思考和讨论，提高学生在课堂上的参与感。例如：在讲解激光显微成像课程中，让学生思考如何解决激光扫描共聚焦显微镜光漂白严重的问题？在活体发光成像教学过程中，怎样解决发光信号弱时成像速度偏慢？这种提问的方式，让学生更加深刻地理解相关的理论知识，思维能力得到了锻炼。在教师授课环节，学生可以自由分组，授课结束后，每组向老师提出问题，由学生和老师共同讨论解决。在习题课教学环节，改变传统的习题课讲授方法，通过学生课上的讲解，再由教师补充、点评及总结的方法，使学生自主解决各种类型及各种难度的习题，深入发掘学生的潜力，发挥他们的主观能动性。2.2结合实例，引发学生思考。随着生物学和光学技术的发展，在体生物光学成像技术发展已比较成熟，在生物医学、药物研发及生命科学等领域得到广泛应用。教师在教学过程中适当的引入具体相关实例，使学生了解光学生物成像技术在现实生活的运用。例如：Yang等利用光学成像系统对表达绿色荧光蛋白的肿瘤实现了实时非侵入性成像，记录了肿瘤的转移过程。Jenkins等利用在体生物光学成像技术，将标记了荧光素酶基因的人类前列腺癌细胞注射到小鼠体内，实时、在体监测了前列腺癌细胞化疗后的复发和转移情况。教师将基础理论和实际应用相结合教学，激发学生的学习兴趣和探索精神，让学生学有所用，培养学生的创新创业意识。2.3关注光学生物成像技术的发展前沿，将基础理论与前沿进展相结合的教学。大多数基础理论的学习比较枯燥，适时讲述相关领域的最新研究动态，使学生的学习兴趣更浓。光声成像由于近几年的快速发展以及不同组织高分辨率图像的成功重建，其在临床医学被广泛应用。在荧光显微成像的教学中，结合荧光素酶或绿色荧光蛋白标记肿瘤细胞，揭示肿瘤发生发展的细胞和分子机制。在讲解光学相干层析(OpticalCoherenceTomography，OCT)课程中，给学生讲解OCT在人体组织成像和肿瘤细胞的微创内窥镜成像的应用，通过增加相关领域的研究动态的学习，提高学生思维能力。2.4注重理论知识和科研实验相结合教学。老师在讲解激光显微成像基础理论的同时可以适时向学生介绍自己使用激光共聚焦显微镜的过程，向学生展示显微镜的操作过程，三维图像的重建以及图片的分析结果。通过应用的仪器和成果介入，使相对较为枯燥的基础理论具体化、形象化，加深学生对基础概念的理解。将理论知识和科研实验相结合，培养学生发现问题、解决问题的能力。

3多元化教学方式

现代多媒体与传统教学相结合教学。以提高教学质量为目标，精心设计课堂教学内容，吸引学生注意力，启发他们的学习兴趣。应用动画和视屏把相对抽象的基础理论具体化，如光学仪器的结构，成像原理和操作过程等，将这些不易理解的内容转变成Flash动画视频，使抽象的知识变得生动有趣的，提升教学的效果。在讲解显微镜存在的缺点时，通过提问的方式，让学生积极思考用什么方法可以解决这些问题。在讲解OCT的数学分析时，选用传统黑板板书方式来教学，引入概念、计算公式推演过程，通过板书讲解，让学生有充分思考的时间，易于理解，实现师生互动。这样的授课方式使课堂变得更有活力，利于增加学生的学习兴趣。转变老师授课的传统方式，让学生作为课堂的主讲人。采用分组的方式，让学生自己查阅文献，制作ppt，上讲台展示和阐述自己所掌握某一光学仪器的理解和认识，其他学生可以就某一问题向主讲人提出自己的问题和看法，而教师作为辅助的身份，给予点评、积极启发、引导加强师生互动。这种讲课方式很好地培养了学生之间的合作研究与表达能力，激发他们的创新意识。围绕光学生物成像技术专题，课外积极开展研究性学习活动，撰写课程论文。随着生物科学的发展，光学生物成像技术广泛应用于医药研发和生命科学领域，其在探究疾病的发病机理、临床表现，疾病诊断等方面具有重要的实践意义和广泛的应用前景。由教师确定研究内容的范围，指导学生开展小课题研究，学生可以根据自己的兴趣和能力有选择地进行课外研究内容，主动去接触学科前沿，使学生通过研究性学习，提升自身综合素质，养成探究式的思维习惯，培养勇于创新的精神。在此基础上，学生根据自己查阅的相关书籍和文献，结合最新研究进展，通过独立思考，形成自己独到的见解，从而进行科学研究小论文的写作。此环节增加学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力，拓宽学生视野，激发学生研究和学习热情。

4注重实验内容的创新理念

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”随着光学新技术的发展，应将新技术引进到实验教学中，增加光学生物成像技术实验，提升学生的动手实践能力。考虑到各方面的原因，为了让所有学生的实践能力得到的提升，我们将实验内容分为三部分：基础性实验、综合性实验、设计性实验。4.1基础性实验。基础性实验内容是对学生掌握的实验基础知识的巩固和强化，使学生能够更进一步的理解所学的基本理论。这部分实验内容包括学习和掌握基本光学仪器的使用和调整，正确记录和分析数据，认真撰写实验报告。在实验过程中，要求学生重视对光学现象的观察，遇到不懂的现象和问题，要积极提问和认真思考。教师要不断巡视，认真观察学生的实验操作，针对学生普遍存在的问题和遇到的个别疑问，要及时给予纠正、指导，以培养学生认真严谨的科研态度，对于少数能力不足的学生要个别指导，避免学生多走错路、弯路，保证他们在有限的时间内完成相应的实验任务的要求。在实验结束后，认真撰写实验报告，并分析实验数据结果，在数据处理中培养逻辑思维和创造性思维。同时，鼓励学生对实验提出不同的见解和对实验方法的改进及实验心得体会。4.2综合性实验。综合性实验涉及的学科较多，知识面较广，是在掌握了基本实验方法和技能的基础上，使学生在学习光学仪器实验中的能力得到很大的提升。这部分实验内容可以结合教师科研课题内容开展实验教学，例如动物体内药代动力学和药理学过程的实时在体成像监测的相干域光学成像的研究，既提升了学生的实验操作能力，同时又锻炼了同学们做科研项目的思维，为培养学生未来从事重大科学研究项目的素质打下了基础。在实验过程中，将现代技术与数据采集、处理方面相结合，并引入计算机技术和传感技术到相关的实验中，充分体现出现代光学技术成就带有多种学科交叉和相互相渗透的特点，提高综合利用。在数据结果分析中，将利用多种学科知识和方法研究光学生物现象和规律，培养学生获取知识的能力、实验动手能力、综合分析能力、运用多学科知识解决实际问题的能力。教师要积极引导学生从学科交叉中得到创新的启发，将各科知识融会贯通，学会举一反三，培养和发展学生的创造性思维。4.3设计性实验。教师根据光学生物成像技术研究的热点和发展趋势，选择适合的实验内容的范围，提出实验目的与要求，让学生主动查阅相关文献，设计实验方案，记录实验数据，撰写实验报告。教师也可以让学生对感兴趣的课题做一些创新实验，如实验仪器和实验方法的改进，这类实验以建立创新理念为最低要求，对时间和研究成果没有严格的限制，学生可以自由组合，敢于提出自己的质疑和想法，但是无论最终实验结果如何，均要求学生记录实验过程和实验数据，撰写创新实验小论文。教师根据创新性的高低、数据的处理和分析、小论文的写作能力等综合评价，对成绩优异的学生给予表扬和适当的奖励。在设计性实验教学中，学生占主导地位，教师扮演引导和督促的角色，对学生的实验课题提出指导性的意见，向学生介绍科学的研究方法以及科研论文的写作要求。同时培养学生严谨求实的科学态度、勇于开拓的创新意识和相互协作的团队精神。

5总结

通过对光学生物成像技术教学内容的改革，教师在教学过程中极大激发学生的学习兴趣，营造了良好的学习和实验氛围，提高了学生的实际操作能力，培养学生实事求是的科研态度，增强他们综合应用能力和创新能力，为培养创新型和应用型人才打下坚实的基础。

参考文献

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光学成像技术范文篇2

关键词：分子影像学；光声层析成像；纳米生物学技术；化学交换饱和转移；类淋巴系统

分子影像学能为生物体的早期诊疗、疗效评价和药物开发提供技术支持，其发展在很大程度上取决于高度特异性成像剂以及高敏感度成像技术的研发。近几年，分子影像技术与材料学、化学、物理学、生物学和基因组学等多个学科紧密融合，涌现出许多新兴的成像剂和成像技术［1］，并在基础研究和临床转化领域取得一系列研究成果。同时，新一代人工智能（AI）技术的发展使得医工结合愈加紧密［2-3］，分子影像与人工智能的结合将是未来分子影像学重要的发展方向。本综述着重从光学及光声成像、MR分子影像和正电子发射断层扫描（PET）分子影像3个方面的前沿技术展开阐述，并列举这些技术在临床中的应用实例。

1光学和光声分子影像技术

光学分子影像技术是在现代光学技术的基础上，结合基因组学和蛋白质组学的新兴技术。自1960年世界首台激光器诞生，随后出现了激光共聚焦扫描显微镜、光学相干层析成像和双光子成像技术等技术。生物医学光学成像的发展经历了成像系统由简单到复杂，成像结果由粗略到精细，涉及的学科由单一到交叉的过程。光学相干层析成像技术作为一种高速的非侵袭性的生物组织的断层成像技术，其空间分辨力可达微米级别，并拥有实时诊断的优势，弥补了传统病理学的不足，早在20世纪90年代已活跃在生物光学成像领域，并应用于神经外科、血管外科等多个临床科室［4-5］。但光学相干层析成像系统在分辨力和探测深度等方面尚存在不足。近年来，以光声层析成像（PAT）技术为代表，生物医学光成像领域出现新兴的光声成像技术和造影剂［6-7］。

1.1PAT及其应用

PAT克服了生物组织中光学粒子的高度散射，理论上可达7cm的成像深度。PAT技术除了在重量、体积以及成本方面表现出极大的优越性之外，其空间分辨力和时间分辨力也较早前的光成像技术有所提升，被应用于肿瘤、心脑血管疾病、内分泌疾病和类风湿关节炎等疾病的成像研究及临床诊疗［8-10］。Qi等［11］采用等离子体掺杂铂聚多巴胺黑色素模拟纳米剂，提出运用光声计算机断层扫描技术可实现对原位肝细胞癌的光热消融治疗。

1.2近红外成像及其应用

随着成像仪器、算法和近红外（NIR）发射器技术的进步，涌现出一批新的光疗材料［12］，光学及光声成像有望快速推进到转化研究和临床应用中。有研究制备出红细胞膜伪装的半导体共轭聚合物纳米粒子用于近红外光声成像和光热治疗［13］；Gossé等［14］对采用功能性近红外光谱检查多动症患者执行功能神经相关性的改变有关的文献进行荟萃分析，得出功能性近红外光谱是一种很有前途的功能性脑成像技术，可用于检查多动症皮质活性的改变；Waksman等［15］通过近红外光谱血管内超声成像识别易受未来冠状动脉事件影响的患者，这项结果对后续的潜在高风险患者进行早期干预有重要意义。也有学者认为近红外光谱对冠状动脉疾病患者的不良心脏结果的检出有积极作用［16］。

2磁共振分子影像技术

MRI是一种高度通用的成像技术，除了具备较高的软组织和空间分辨力之外，它还有优异的组织对比度和组织穿透性、无电离辐射和无侵入性等优点。MR分子成像受到其较低敏感性的限制，需要设计优良的成像剂。随着多学科的融合日趋紧密，纳米显像剂应运而生［17］。同时，先进的MRI技术和计算分析技术正在进入临床领域，MR定量成像将成为可能［18］。

2.1磁共振纳米探针及其应用

随着分子生物学与纳米技术的发展和融合，纳米级的靶向造影剂日渐崛起。Liang等［19］采用超灵敏反铁磁纳米粒子探针进行超高频磁共振成像，能够灵敏地检测小鼠低于0.60mm的原发肿瘤和低于0.20mm的微小转移灶。新一代的分子成像探针将纳米颗粒与仿生细胞膜相结合，具有多种临床应用潜力，有学者将超灵敏纳米探针用于三阴性乳腺癌的PET/MRI多模态成像，这种新型探针是在癌细胞膜包覆上转换纳米粒子，用于对乳腺癌进行分子分型和早期诊断［20］；Yi等［21］构建了一种基于钆和CaCO3纳米粒子的高性能纳米智能探针，可用于深层组织成像，与Magnevist造影剂相比，该探针的体内肿瘤可视化性能增强约60倍；有研究使用pH敏感的纳米颗粒进行MRI，确定和可视化抗酸治疗过程中实体肿瘤的酸碱动态变化，进而指出MR在精确监测pH波动的相关应用具有巨大的潜力［22］。

2.2化学交换饱和转移（CEST）成像及其应用

CEST技术由磁化传递技术发展而来，具有无辐射、非侵入性等优势，已在蛋白质、糖胺聚糖、谷氨酸及葡萄糖等分子的检测中取得良好的实验结果［23-25］，并广泛应用于临床研究。近年来，CEST分子成像技术发展迅速，已研发出碳点等新型MRI造影剂［26］，进一步推动CEST技术的临床研究及转化应用。Ali等［27］利用两种CESTMRI造影剂进行分子成像，通过乳腺癌小鼠模型体内MRI研究，表明两种CEST试剂能实现快速检测和定量评估；Jia等［28］采用具有CEST效应的新型纳米药物用于乳腺癌的体内治疗，展示出CEST成像的纳米药物具有良好的应用潜力［29］；Chen等［30］使用肌酸CEST磁共振成像早期检测阿尔茨海默病，揭示了CEST技术在神经退行性疾病早期诊断中的巨大价值。

2.3磁共振成像技术在类淋巴系统中的研究及其应用

类淋巴系统于2012年发现［31］，随后被证实类淋巴系统参与中枢神经系统疾病的发生［32］。目前，类淋巴系统与各种疾病的关联尚未明朗［33］，多项研究表明淋巴系统在大脑中具有清除功能［34］，Nauen等［35］提出淋巴系统有助于清除存在于人类淋巴结中的β-淀粉样蛋白。因此，分子影像学技术对类淋巴系统的成像研究极具临床意义。有研究取用活体猪的淋巴液发现其1.0ppm处的相对自由水约有32%CEST效应，之后结扎大鼠的颈深淋巴结，发现大鼠脑实质中淋巴液CEST效应随时间延长逐渐增强，并与其行为学改变具有一致性，这项开创性的技术研究展示了MRI在类淋巴系统的研究有巨大潜力［36］。

3PET分子影像技术

分子生物学和放射化学的进步，涌现出多种具有高度特异性和亲和力的新型示踪剂和先进的图像处理技术［37-39］，推动了放射性核素及相关技术在疾病检测和治疗中的应用［40］。PET是目前临床常规中应用最广泛的分子成像方式。

3.1放射性示踪剂及其应用

近几年放射性示踪剂发展迅速，与抗体、蛋白质、多肽和其他生物学相关分子相比，纳米颗粒能将不同的成像方式、靶向配体和治疗载荷附着在单一载体上，代表分子成像探针设计的新前沿［41］。与此同时，氟化试剂［42］、放射性标记的生长抑素类似物［43］等新型示踪剂及其相关技术也日趋成熟，用于药物开发、PET成像和疾病治疗。

3.2正电子发射断层显像/X射线断层扫描及其应用

（PET/CT）PET/CT是一种通过正电子核素标记的分子示踪剂，提供病灶对显像剂的摄取、分布和代谢等信息，最终对疾病进行诊断、鉴别和疗效评估的技术。Cottereau等［44］采用PET/CT技术实现对弥漫大B细胞淋巴瘤的风险分层；Mu等［45］使用基于PET/CT的深度学习模型实现对非小细胞肺癌的非侵入性预测；Casas等［46］采用PET/CT对鼻咽炎进行诊断；Steinberg等［47］证实了18F-FDGPET/CT在COVID-19疫苗（mRNA-1273）接种后出现的全身炎症反应综合征中的应用价值，且PET/CT对疫苗免疫反应的评估结果与实验室检查结果高度一致。

3.3PET/MRI及其应用

PET/MRI是一项同时反映疾病形态和功能，并结合MRI多序列和PET代谢成像双重优势的技术。Miller等［48］证实了PET/MRI在非节律性二尖瓣脱垂风险分层和预后监测中的价值。

4分子影像学的展望

光学成像技术范文篇3

理及其被用于测距、测速、测角和姿态测量的具体实现方案。

关键词空间交会对接;激光雷达;激光应用;激光测量

在航天器与空间站的交会和对接过程中,一般将空间站称为“目标飞行器”,是被动的;将航天

器称为“追踪飞行器”,是主动的。交会对接过程分为如图1所示的三个阶段[1]。

图1交会对接飞行阶段的划分

追踪飞行器进入轨道后,在GPS导引和地面的遥控下,在距离目标飞行器约100km处捕获到

目标飞行器,并开始确定测量信息和与目标飞行器建立通信联系,转入自动寻的阶段。可见,飞行器

要进行空间对接必须先进行交会(100km～10m),然后进行对接(10～0m)。空间交会对接不仅

在理论上,而且在技术上都是相当复杂的。特别是交会对接测量系统和敏感器的研究在当前和今后

一段时间都是一个关键研究课题。

自主交会对接范围为100km～0m,国外通常的做法是采用微波雷达(100km～200m)、激光雷

达(20km～10m)、光学成象敏感器(200～3m)和对接敏感器(10～0m)四种不同敏感器完成全过

程交会对接测量任务。虽然这些敏感器在一定程度上互为备份,提高了测量系统的可*性。但是这

种测量系统结构复杂,在目标飞行器还必须装有应答机。为了捕获目标飞行器和测量相对姿态,一

般还装有多部天线,整个测量系统敏感器种类多、投资大,设备比较复杂,重量和体积较大,功耗较

高。所以美国、俄罗斯、欧洲空间局及日本等都在发展激光交会雷达,其中特别发展用于几十km至

0m的复合式激光雷达。这种交会雷达测量精度高、功耗小,体积也较小。

本文从理论和实验两方面入手,研究空间交会对接中的激光交会雷达系统,揭示应用于此领域

的微波和激光交会雷达的优缺点和差异,有助于系统的研制和提高交会对接的可*性。

1国外研究概况、水平和发展趋势

美国在60年代初期首次为“双子星座计划”研制微波交会雷达,作用范围为450km～150m,可

以测出目标航天器的方位角、仰角和距离与速率,并可以数字形式送入导航计算机。在阿波罗飞船

进行登月舱和指令服务舱交会对接时,采用X波段单脉冲比幅连续波雷达。美国航天飞机的交会雷

达是Ku波段脉冲多普勒雷达,并且具有通信收发功能,以时分方式工作。70年代美国成功研前已

经在进行激光交会雷达和光学敏感器等自主交会对接测量设备的研制。前苏联交会对接测量系统

基本上采用无线电测量设备———微波雷达,有时也采用闭路电视系统,能在屏幕上给出前方飞行器

沿滚动轴的方向图像。为使对接系统更加完善,并且具有更高技术性能,前苏联也将激光技术用于

空间交会对接,重点发展激光交会雷达。欧洲空间局虽至今尚未实现在轨交会对接,但从80年代初

就开始研究自主交会对接测量技术和敏感器,其中中短程采用激光雷达,目前正在研制激光交会雷

达。80年代后期日本也开始研制交会对接测量系统和敏感器,主要是扫描式激光雷达。可见,微波

雷达作为远距离交会测量手段比较适合,而在中近距离上采用激光交会雷达则优于微波雷达。

由于近期激光技术的继续发展,采用大功率半导体激光器和改进扫描机构性能,提高跟踪精度

以及在目标飞行器上设置协作目标,从而使复合式激光雷达作为交会对接全过程的测量敏感器成为

了可能。目前这些敏感器大部分还在试验和研制阶段。

表1给出了80年代以来交会对接激光雷达敏感器一览表。

表1激光雷达在空间交会对接中的应用一览表

系统名称报道时间作用距离工作方式

激光对接系统美国约翰逊空间中心1986

年报道

远距离

22km～110m

近距离

100～0m

CW半导体激光器作为光源,光

电二极管作为接收器件,检流计

式扫描装置,姿态测量由PSD和

Wallstion棱镜来完成

多目标和单目标定

向敏感器

NASA1986年报道

多目标100～6m

单目标测量6～0m

析象管为接收器件,相位式测

距,远距离用析象管测角

用于空间交会对接

的扫描激光雷达

日本东京宇航研究所1987

年报道

远距离

20km～200m

近距离

200～0m

CW-GaAlAs激光二极管作光

源,硅APD构成四象限检测器

用作接收器件,利用相位法测

距,用检流计扫描装置

用于自主交会对接

的光电敏感器

德MBB公司1983年报道

20km接近CW-GaAlAs半导体激光器作为

光源,硅APD作接收器件,检流计

扫描装置,姿态测量由CCD完成。

用于交会对接跟踪

激光雷达

日本电气、三菱电机公司

1989年报道

30km～0.2m

近距离CCD成象

GaAs激光二极管,四象限检测

器和CCD成象,音频测距。

交会对接光学敏感

器系统

日本NASDA公司1995年

报道

600～0.3m半导体激光连续测距

CCD成象

有源传感器用于空

间交会对接[2]

美国NASA

1997年报道

110～0m

仰角±8°

方位角±10.5°

850nm半导体激光器脉冲照射,目

标安装角反射器,CCD成象检测。

目前美、俄所实现的空间交会对接都需要宇航员的手动介入,而在未来的许多太空任务如卫星

服务计划、空间站自动补给、深空探索、无人飞船等,则需要无人式的自主交会对接[3]。因此美、俄、

日及欧洲空间局都在发展自主自动交会对接测量系统,特别是复合式激光雷达测量系统。

80年代以来,我国激光雷达技术获得了显著的发展,取得了许多科研成果,基本建立了激光测

距、测速、定位和成像等理论模型和实验系统,完全可以将激光技术应用于我国不久将进行的无人自

主空间交会对接。

448电子科技大学学报第28卷

2激光雷达在空间交会对接中的应用

在实际的空间交会对接中,当相对距离大于100m时,航天员可通过机载微波交会雷达和潜望

镜来获得两航天器之间的相对位置。随着两航天器的逼近,当相对距离小于100m时,由于硬件的

限制,微波雷达不能为最后逼近提供足够精度的测量信息。由于激光本身的波束窄、相干性好、工作

频率高等优点,激光雷达能在交会阶段直到对接的整个过程(20km～0m)中提供高精度的相对距

离、速度、角度和角速度的精确测量,因此它既能用于目前的自动寻的、接近和最后的手动逼近操作

过程,又能为未来无人交会对接任务提供自主导航的扩展功能。

2.1激光雷达系统的组成

激光雷达一般由下列部分组成:激光源、发射与接收光路、信号处理、扫描跟踪机构、目标反射器

和检测器等[4,6]。激光雷达系统的组成如图2所示。

图2激光雷达系统

扫描跟踪机构可完成大角度的光束偏转,从而使雷达能在较大范围内扫描、捕获、最后跟踪目标

飞行器。这种机构大都由两自由度框架组成,框架上固定了反射镜,使光束偏转。由于偏转对象是

光束,所以机构可作得十分精巧、细致,不象微波雷达随动跟踪天线那样笨重复杂。

目标反射器安装在目标飞行器上,一般用角反射器三个相互垂直的反射镜组成),从而使目标反

射器将雷达天线射出的光束按原方向反射回去。此时目标的位置和姿态信息由激光雷达光学接收

天线接收,然后进行检测和数据处理。

2.2在空间交会对接中的激光雷达工作原理

激光雷达的测距、测速和测角原理与微波雷达基本相同[6]。因此用于空间交会对接的激光雷达

包含连续波测距器和位置敏感器两个部分[4,7]。这两部分通过共用光学装置混合起来,其光学系统

工作原理和传输波形如图3所示。

图3距离敏感器的工作原理

用激光二极管分别发射测量距离和位置

的激光光束,经极化混合光学系统,进入目标

反射器,然后光束再反射出来,经分光到距离

和位置接收器。为了区别测距和测位置信

息,分别把光信号调制在f1和f2,其中测距

工作频率f1为几MHz到几百MHz,可以利

用边带频率的相位延迟之差测距。图4为其

实现结构图。

第4期杨春平等:激光雷达在空间交会对接中的应用449

图4距离敏感器技术实现结构

图中PD1、PD2和PD3为光电二极管,它

们把光信号转变为电信号。PD1检测连

续波测距基准信号,PD2检测目标反射器

反射回来的信号,两个信号相比可得出相

位差。

激光雷达比较可*和精确的测速方

法是测量回波信号的多普勒频移。该方

法有两种,第一种要求发射的激光束用几

kHz～1GHz的频率f0去调制,回波信号

的多普勒频率fd由下式表示

fd=

2v

c

f0

式中c为光速;v为距离变化率;f0为调制频率。只要测出fd,利用公式v=fdc/(2f0)即可测量

目标飞行器的相对速度,由于调制技术限制,此方法测量灵敏度不高。第二种方法采用激光光频的

多普勒频率,即上式f0用激光频率来代替,则可以进一步提高灵敏度和测速精度(优于1mm/s)。

激光雷达对目标的角跟踪可采用圆锥扫描法和单脉冲法。激光雷达向目标飞行器发射激光信

号,经目标反射回来,通过光学系统投射到四象限光电探测器上。如果目标反射回来的光信号与测

量光轴有一角偏差,则投射在光电探测器上的光斑在四个象限上的面积不同,经处理后得到相应角

误差信号,从而得到两个飞行器的相对方位角和仰角。

现在,激光雷达也能用于最后的手动逼近和对接阶段,此时主要用来测量相对姿态。激光测距

技术比较成熟,但是激光测量姿态角是一项技术难点。在近距离(约100m)一般采用光学成像敏感

器实现。

光学成像敏感器由安装在追踪飞行器上的成像装置(如CCD摄像机、红外摄像机)和安装在目

标器上的特征光点(如激光二极管或无源光点角反射器)两部分组成。根据安装在目标飞行器上特

征光点的数目和位置,有以下方法:1)三个特征光点在目标飞行器对接口平面内成等腰直角三角形

排列;2)三个特征光点在目标飞行器对接口平面内成等边三角形排列;3)三个特征光点在与目标飞

行器对接口垂直的平面内成等边三角形排列,其中一个安装在对接轴上;4)四个特征光点在目标飞

行器对接口平面内成正方形排列;5)四个特征光点,其中三个特征光点在目标飞行器对接口平面内

成等腰三角形排列,另一个安装在对接轴上[5];6)五个特征光点,其中四个特征光点在目标飞行器

对接口平面内成正方形排列,另一个安装在对接轴上;7)三个不在一条直线上的特征光点在目标飞

行器对接口处根据需要任意布局。

根据1997年NASA报道[5],美国马歇尔太空飞行中心用于近距离的自主交会对接系统的激光

雷达测量相对姿态的主要方法是直接照射法:在激光雷达上安装CCD照相机(响应波长为800nm

和850nm),采用宽发散角(29°)的800nm和850nm脉冲激光光束直接照射按照5)方式排列在目

标飞行器上的边角反射器阵列(吸收800nm,反射850nm),然后根据CCD相机上成像的光点或图

像,经数据处理成为相对距离和姿态[2]。随着CCD面阵的像素增多,数据处理和软件的改善,这种

方法可以获得较高精度。

影响光学成象敏感器姿态测量精度的主要因素有:1)特征光点数目和布局:原则上光点数目越

多和光点与摄像机构成的体积越大,测量精度越高;2)摄像机数目和安装位置:从原理上说摄象机

数目越多,测量精度越高。但通常采用双摄像机已足够,此时可以克服光点本身位置安装带来的误

差和避免算法多解。另外,从空间设备量来说,减少设备总会受到总体设计师的欢迎;3)镜头焦距

与几何失真、图像采集A/D误差与靶面分辨率和成像中心定位误差;4)不同算法与算法数值误差也

是影响测量结果的一个重要因素。

450电子科技大学学报第28卷

国外大量实验表明:相对距离越长,姿态测量误差越大;在长距离(>10m),测量姿态精度比测

量距离精度高;在短距离(<10m),测量距离精度比测量姿态精度高。

3结束语

激光雷达在空间交会对接应用方面,不仅可以作为远距离交会测量手段,也可以作为近距离交

会对接敏感器。与微波雷达相比,它具有以下特点:1)窄波束:用实际可实现的天线孔径,可得到极

窄的激光波束,从而提高测角分辨率;2)大宽带:高的工作频率使激光雷达能获得大信号带宽,从而

提高测距的精度和测角分辨率。3)测速灵敏度高:因激光雷达工作频率高,从而提高了多普勒测量

的灵敏度;4)固态化:采用固体激光器可获得高可*性,可使体积小、重量轻和功耗低;5)可以比较

方便地测量飞行器的相对姿态角。

另外,激光雷达还可以做到无机械运动机构,同时在空间基本上没有无线电传输损耗和衰减等。

因此激光雷达比较适用作为空间交会对接敏感器,特别在中、近距离更为突出。

参考文献

1林来兴.空间交会对接.北京:国防工业出版社,1995

2HowardRichardT.,ColeHelenJ.Automaticrendezvousanddockingsystemtestandevaluation.SPIE,

1997,3065:9～131

3林来兴.一种用于交会对接全过程的测量敏感器———复合式激光雷达.航天控制,1992,4:41～47

4KachmarPM,ChuW,PoluchkoRJ.激光导航敏感器在自动交会中的应用.控制工程,1996,4:26～29

5PhilipCalhoun.Asolutiontotheproblemofdeterminingtherelative6DOFstateforspacecraftautomated

rendezvousanddocking.SPIE,1995,2466:175～184

6吴健.激光雷达—机遇与挑战.电子科技大学学报,1994,23(增):1～7

7林来兴.自主交会对接测量系统和对接敏感器.航天控制,1991,4:40～45

ApplicationofLaserLadarinSpaceRendezvousandDocking

YangChunPingWuJianHeYi

(Inst.ofAppliedPhysics,UESTofChinaChengdu610054)

ZhangWei

AbstractInthispaper,theapplicationoflaserradarinspacerendezvousanddockingis

introduced,Theprincipleofhowalaserradarworksasarendezvousdetector,andthewayitis

implementdeindetectingrange,speedandanglearediscussed.

光学成像技术范文篇4

一、前期摄制设备的成像状态是控制画面质量的关键

控制一部影片的质量，一定要从最关键的前期拍摄抓起。从得到高质量的素材开始，控制好源头的质量，后面制作过程的施展才能有充分的用武之地。而对源头素材质量至关重要的摄影设备，是决定一部影片技术水准的关键。我们知道，一部典型的电影故事片的摄制，必然离不开摄影机、镜头，以及必要的灯光、云台、脚架等大量辅助设备，而决定画面质量的最关键因素，就是摄影机和镜头。对这两类设备的整备水平决定着其成像状态的优劣，将直接影响影片的拍摄质量。如果投入摄制的设备出现问题，画面的质量必然直线下降。摄影机的成像水平一定是创作人员最主要的考虑方向。从摄影师的创作习惯，到影片应该选用什么分辨率、什么数据格式、配合什么样的后期制作流程等，这些要素决定了对摄影机的选择方向。而这种选择对于制片方来说并不困难，设备租赁市场上能够找到的大部分摄影机，都有明确的市场定位，有经验的操作者可以轻松找到适合自己的拍摄设备。为配合选定的摄影机，同时根据对画面的构图预想，以及制片的预算水平，选择不同焦段和档次的镜头，看似更加司空见惯，没有什么值得注意的。但流于形式的拍摄前的设备整备及检查流程，会导致大量问题设备带病上战场的情况出现。

二、国内前期摄影设备整备的现状

对于大部分摄影机常见的包括噪波、色差、坏点，以及丢素材等问题，相关整备和操作人员往往比较注意，常规的检查和测试后，这类问题也相对比较容易发现，尽管拍摄时偶发和突发的电子故障仍然难以完全避免，但大部分情况下，只有仔细检查之后未发现问题的机器才会被投入实战。摄影机出现的技术问题受到了特别关注，而安装在摄影机前面的各种镜头在挑选时接受的就是另一个待遇了，这是一个日趋严重却被经常忽视的问题。这种局面的成因一方面是检查手段受限，另一方面也跟整备人员的业务水平和经验相关。因为镜头问题并不像摄影机那样容易暴露出来，相比之下，不借助专业的相关设备，仅凭肉眼检查镜头缺陷非常困难。所以仅凭经验加上非常简单的目测观察就决定选用镜头的方式，成了目前国内摄制团队无奈的常态。其实刚刚出厂的专业电影镜头，质量都是比较可靠的，在出厂时所有厂家都会对其进行严格质量把关，全新镜头出现问题的情况微乎其微。但摄制现场使用的全新镜头毕竟是少数，电影镜头的精密性决定其不可能大规模生产，于是价格昂贵成了新镜头少见的原因之一。而且一支保养到位、状态良好的电影镜头，其使用寿命可以非常持久，没有必要经常更新。一些镜头的使用寿命甚至经常会超过作为配套设备的数字摄影机的换代周期，以至于我在走访一些镜头租赁服务供应商时，还会看到很古老的电影镜头。在一些电影设备生产厂家考察和培训时，我看到他们为关键测试设备上匹配的专用镜头，竟然是几十年前东、西两德合并之前的西德生产，足以见得，在良好的整备条件下，一支镜头的超长使用周期。但在国内的现实条件下，大量投入现场拍摄的电影镜头真的都是保养到位、状态良好吗？我们听到了很多在前期拍摄阶段产生的大量问题和矛盾，都指向了镜头的成像状态。这类问题的出现，应该与镜头在长期使用过程中缺乏正确整备和定期检测维护难脱干系。经过长期广泛走访和调研，以及与多家镜头维修机构的交流，我们发现目前国内电影镜头的使用情况普遍不乐观。广泛应用在国内电影摄制领域的大量光学镜头，缺乏质量监管和控制，成像质量完全靠肉眼简单判别，只要整备人员自认为看不出问题就认定其状态良好。而一只外表上看起来毫无问题的电影镜头，尽管外观干净整洁，但其内部到底经历过怎样的颠簸和错位，光学成像水平下降到了什么地步，仅从外表是根本无法判别出来的。造成这种情况最主要的原因是，在中国大陆，90％以上电影镜头的拥有者都是大大小小的私营租赁公司，他们缺乏专业的电影镜头检测手段，既没有专用仪器，也缺少具备光学知识的专职镜头整备人员。并且他们中也很少有人有动力，去聘请第三方做系统的镜头成像质量检测，因为那无疑会产生额外的支出，作为私营企业，压缩成本是很自然的经营策略。而没有机会发现问题，并不意味问题不存在。其实电影镜头上经常出现的种种问题，往往都是早已产生，并可以通过客观检测发现的。那些影响画面质量的关键问题，我们已经有充分的手段去诊断并排除。但是在很多情况下剧组摄制人员或租赁公司在挑选镜头时，相关工作人员一般仅凭肉眼查看前后外镜片的清洁情况，最多再拉个皮尺确认一下前、后焦距就草草结束，结果就是问题镜头被投入拍摄。这是为什么呢？一方面是大家想当然地认为，一支电影镜头只要外观上看起来没问题，成像质量就不会出现问题。另一方面也受制于器材租赁行业内普遍缺乏客观检测设备这一局限，没有手段去排查镜头的问题。由于国内的镜头检测与维修能力几乎全部掌握在极少数专业机构手中，租赁公司没有意愿投入资金去掌握相关技术和设备，也极少会配置专职的从业人员对镜头进行定期保养。即使有专职人员，也并不一定完全清楚手中镜头经过长期使用后的内部状态，只要没有摄影师或者剧组找上门来提出镜头质量问题，他们也不会主动花钱去做检测。由于以上原因，镜头的成像质量经常出现问题，导致剧组和器材供应方之间由此产生的纠纷不断出现，双方的争执只能根据厂商或者经销商出具的一纸维修单据来对峙。而且厂商能够提供原厂的损坏零部件更换业务，于是经由厂方进行的检测往往同时伴有维修操作，所以只检测不维修的情况很少出现。不损坏就不检测，成为了国内很多电影镜头提供方的常态。在胶片时代，国内曾经有拍摄电影之前先拍摄试片的传统，用以验证即将使用的胶片特性是否符合需要。这种试片的拍摄，实际上也是对拍摄设备的一种检测，成为预先控制影片画面质量的良方。尽管胶片的表面药剂配方、洗印工艺及显影特性早已成为定式，但为了追求更好的成像效果，大部分剧组的制片方都会在摄影师指导下去完成试片的拍摄，以确保质量可控。目前随着数字技术的进步，电影胶片退出历史舞台，所见即所得的数字拍摄手法，使得完全通过现场监视器把握画面质感成为了摄影现场的主流。摄影师们不再需要拍摄试片，制片方也乐得省下这一成本，于是，基本上摄影组的工作人员在开拍前草草完成试机工作后就直接开工了。由于省去了试片拍摄和洗印工序，摄影组里的每个人可能都不知道自己手中设备的实时状态，只要摄影机没出故障，监视器中画面大致表现尚可，就不会有人关注镜头实际成像水准的优劣。有时这些临时租来的镜头前一天刚从条件恶劣的沙漠外景片场上退下来，今天就直接投入广告影片精致的室内细节拍摄。镜头外部被清洁之后，看起来崭新如初，但内部的滑轨机构和带固定阻尼的润滑材料早已被难免的细沙进入所侵蚀，短暂的试机并不能及时发现镜头的缺陷。而且更重要的是，经过颠簸和反复使用，内部各镜组和复杂的各个环状旋转机构的相对位置经常会发生细微变化，导致成像质量下降。仅凭现场小小的监视器，很难发现今后呈现在大银幕上时凸显的成像问题。

三、电影镜头缺乏良好整备对成像质量的影响

电影镜头常见的色相差、球差以及慧差等问题，预先通过相对便利的投影检测手段是可以发现的，但很多情况下镜头的成像质量衰退，即使是专业的摄影器材整备人员都难以察觉。我们曾经检测过一批极少投入现场拍摄的德国产高端电影镜头，由于定期会做外部清洁，外表崭新，看起来非常光鲜，但从检测结果来看，大部分镜头的成像质量实际上都已经明显下降，有些甚至在德国原厂专家看来都已经到了完全不合格的地步。而这些镜头基本上长期处于良好的保管条件下，极少被投入嘈杂的户外片场拍摄使用，只是偶尔被用来完成基本无损的室内拍摄实验。但相对于其出厂时的状态而言，成像水平仍然出现了剧烈的偏差，质量下降非常明显。有时，甚至在投影检测时并没有发现明显的问题，但经过了调制传递函数检测仪检测之后发现，其成像质量早已下降到不可救药的程度。不仅是成像分辨率的衰退难以发现，有些镜头的相差问题同样非常难以察觉，尤其是场曲问题，经常容易被忽视。特别是在立体影片的拍摄时，双机的镜头根据所需瞳距设置好之后，如果其中一只镜头出现了场曲问题，则会使双画面组合观看时令人眩晕，因为那支镜头的像场角度发生了扭曲，使正确的双眼立体视夹角产生偏移。这在后期调整时是非常费时费力的，直接影响影片的制作周期，增加了成本。而且如果这组镜头被反复使用，甚至被随机调换了左、右机的位置，那么繁复的立体视角调整工作对后期制作人员来说无疑是一场噩梦。另外，我曾经见到一只很昂贵的高级电影镜头，因为在立体拍摄中突然变焦环完全卡死，只能停机将镜头送至指定的维修中心。剧组人员急迫地四处寻找同款镜头作为替代，所有演职人员都在片场焦急等待，而制片方和镜头提供方也为故障原因是使用问题还是镜头早已存在问题争论不休。这只镜头从外观上看来完全没有外力损坏的迹象，崭新如初，但随手举起时就会听见里面发出“哗啦哗啦”的零件掉落声音。经过拆解之后，发现变焦环卡住的原因居然异常简单，只是由于内部变焦游走环状机构上的两颗固定用螺丝全部脱落，卡在两组活动机构的间隙中所导致。维修人员在跟我交流时透露，这两颗固定螺丝同时脱落的几率极小。起因都是其中一颗螺丝首先松动，随后产生旷量，但由于没有被发现，逐渐因为外变焦环被继续正常使用，反复受力直至完全松脱。长此以往之后，最终导致另外一颗螺丝也随着长期受力过大而逐渐松脱。而这两颗螺丝的螺纹结合处往往都是要被专用的精密螺丝胶水覆盖，需要很长时间的受力才会松脱。也就是说，这颗镜头是在内部一颗螺丝已经松动的情况下，又被继续使用了很长时间之后，才完全脱落，随后又经过频繁的使用后，导致另一颗同样备了胶的螺丝也完全脱落。这些连锁反应是在很长时间内的颠簸和使用中才得以完成，而这一过程中，并没有被整备或者使用人员关注到。还有一些我亲手检测过的镜头，成像效果良好，焦距准确，几乎没有相差，分辨率也过关，但在光圈检测时，就暴露了问题。通过外光圈环设置的每档光圈值与实际曝光量严重不匹配，导致曝光结果失去控制。这样的问题，在常见的单机拍摄时还好解决，摄影师可以根据实际需要，不考虑数值而无级调整光圈来实现准确曝光。但在双机拍摄的立体影片设置时，就经常会增添许多麻烦。分别拍摄左、右眼画面的两只镜头通常会同时设定为同一档光圈，但如果拍摄时的双画面曝光量出现细微的差异，而在拍摄时并没有通过监视器及时发现，那么在制作时两幅画面素材的明暗也就无法实现默认一致，这就为后期制作平添了不少麻烦。而且一部影片通常并不会只用一对相同焦段的镜头拍摄，如果每对使用不同焦段镜头拍摄的素材不能分别统一曝光，那么无疑为后期制作时增加了巨大的调整工作量，不仅增加了成本，还导致成片的质量控制也更加困难。这就是我们现在经常使用的电影镜头的工作现状。而很多新片的创作就在这一现实基础上继续开展着。所谓从前期拍摄开始的影像质量控制，也就根本无法实现。

四、电影镜头的精密性决定其需要良好的整备条件

一只镜头，其内部运行如同普通的机械结构，必须进行定期的维护和保养，同时由于其作为光学系统的精密性，其内部光学组件的相对位置更容不得半点偏差，失之毫厘则效果错之千里。即使是内部任何一片镜片在其固定位置上向x、y、z轴任意方向产生任何微小的偏移，经过整组镜片对误差的传递和放大，最终的成像结果都可能会大相径庭。在德国某著名光学镜头生产厂家参加培训时，我有幸见识了高品质镜头为何如此优秀的原因，通过一系列参观和学习，我意识到精密电影镜头的生产确实绝非易事。一块块精挑细选的玻璃镜片首先在历史悠久的传统玻璃厂中被精雕细琢，随后经过层层精准研磨并镀膜，再送到工厂进行再处理和精确组装。经过几个世纪来日积月累的技术积累，主流电影镜头的生产者已经研发出一系列优秀的设计和加工工艺，通过注重玻璃的配方和制造细节，以及针对镀膜的大量研究和开发投入，加上高精度的组装和校准工作，最终才能通过严苛的质量检测，使一只如同工艺品般的电影镜头顺利过关下线，走进每个摄影师的手中。一支精密复杂的镜头组，在工厂近乎苛刻的稳定条件下加工和组装时，会尽量避免出现任何哪怕是极其细小的位置偏差，以免影响画面精度。所以，这种能够得到业界认可的电影镜头往往都是由具备多年生产经验的老牌专业厂家来生产的，虽然造价不菲，但质量极高，是很多高级摄影师钟爱的选择。每一支由大量微小部件精密组合而成的镜头，前后外镜片看起来一定是光亮通透，其内部一片片精心打磨的内镜片质量可靠，凝聚着厂家的核心科技，而且组装工艺也非常严格精准，每组镜片根据功能被精确排列成内镜组，安装在金属镜筒内的指定位置。内、外镜组之间装有复杂的联动机构，配合运动的过程不但需要柔滑顺畅、阻尼适当，而且成像结果的精度要与镜筒外的刻度保持一致。经过精心制作的内镜组，独立配置，自身很少出现问题，但其成像质量的关键还在于与机械部分配合的运动精度，机械部分的固定方位和运作角度是保证内镜组操作精度的关键和基础，只有机械部分运行精准，镜头光路操作的结果才有可能跟镜头外部操作环上的刻度保持一致。诚然，修理和保养如此复杂的专业电影镜头绝非易事，而且如果没有专业检测设备的辅助，即便只是想查出一支镜头存在什么样的具体问题，也不是一个普通整备人员就能轻易完成的。仅以常见的换油保养为例，不通过系统的专业培训根本无法实现。一只小小的电影镜头，可以拆解出多达近百个微小部件，每一个部件都缺一不可。其内部由复杂联动装置组成的每一个运动机构的接触面，都包覆着各种专用润滑脂，通过超声波清洗去除之后，还要再根据不同用途，来重新配置不同阻尼系数的特种润滑油。而且相关配套的垫圈、小螺钉更是不计其数，有些还需要化学溶胶和再封胶的工序。在拆解过程中，不仅要记住每一步动作的顺序，甚至还要记住某些关键内部组件的原始位置和状态，否则重组之后的镜头就无法正常运作。而且，在将每一个部件进行复杂的清洁和保养之后，每一独立内部镜组的组装过程都需要在不同的专用设备上完成测试和校准，确认无误之后才能全部归位重组，并通过最终的成像质量检测才算得以完成。这其中还有可能发现有些部件磨损严重需要更换，所以这一过程复杂、苛刻的程度可想而知。

五、结语

光学成像技术范文篇5

关键字：数字博物馆；实体博物馆；陈列设计；三维展品

博物馆是传播人类优秀文化遗产的重要场所，法国拥有1700个博物馆，平均三万人就有一个博物馆，陈列设计各具特色.我国文物资源丰富，但人均所享有的博物馆资源却十分有限而且分布不平衡，在科技信息高速发展的今天，依靠传统的博物馆显然已不能很好的承担教育、保存、研究以及资源共享的任务，数字博物馆作为传统博物馆功能的延伸，它为文物鉴赏和保护提供了跨越时空的全新方式，陈列展示是履行现代博物馆中心职能———教育职能的主要手段与方法[1].数字博物馆三维展品陈设形式并非以简单的二维、三维形式呈现，而是通过“数字化”的方式展现实体博物馆的文物展示、收藏、信息传播、教育、研究等功能，是运用数字技术手段对博物馆职能的再现、延伸与扩展.不同于将实体博物馆文物陈列展示数字化成照片、影像连接到互联网上展示，更不是将文物数据库的所有信息进行初级分类的罗列[2].相对于实体博物馆陈列语言，它以互联网作为展示平台，将展品数字化、动态化和互动化，是另一种新型的向观众传递信息的传播媒介.

1三维展品陈设是传统陈设的革新

传统博物馆陈设模式是简单的实物陈列、图文介绍，形式单一、片面.数字博物馆三维展品陈设是在继承传统博物馆陈设模式的基础上进行的革新，通过“数字化”的方式展现实体博物馆的文物展示、收藏、信息传播、教育、研究等功能，是运用数字技术对博物馆职能的再现、延伸与扩展.因此只有充分利用和发挥数字技术，将陈设模式以传统的“实物导向”向“信息导向”发展，即将展品三维化的基础上对展品的内涵作为展示的重点.从而突破传统博物馆陈设模式受时间和空间的局限（.见图1）

2三维展品陈设是数字化陈设的延展

数字博物馆展品陈设形式以投影、二维动画、三维静态模型展示为主要陈设形式，而数字博物馆三维展品陈设是在此基础上将三维展品动态化、全角度的展示，是以陈设形式为依托将一个展品由形式到内容，由外观到内涵，由个体折射时代特征、文化背景的延展.2.1360度全息成像展示360全息成像也称为全息三维成像、三维全息影像，由透明材料制成的四面锥体，从任何一面观众的视线都穿透它.通过透明材料表面镜射和反射，四个视频发射器将光信号发射到这个锥体中的特殊棱镜上，汇集到一起后形成具有真实维度空间的立体影像，观众能从锥形空间里看到自由飘浮的影像。

2.2多媒体4D影院展示

从视觉角度讲，摆脱了平面视觉束缚，采用180度的柱面环幕立体影像———它是指银幕保持在有相同圆心的一段弧度上，而不是一个平面（平幕）上.银幕的高宽比例为16:9，柱面环幕3D物体运动影视范围变广、视野开阔，影视空间和现实空间也更为接近，以产生横越、环绕等多种运动方式产生时空变换的感觉.

2.3幻影成像展示

幻影成像系统是由立体模型场景、造型灯光、光学成像、影视播放、计算机多媒体、音响及控制系统组成.将所拍摄的影像投射到布景箱中的主体模型景观中，把“实景造型”和“幻影”的光学成像结合，演示故事的发展过程，虚实融合，给人留下生动、直观的印象.

3数字博物馆三维展品陈设与实体博物馆陈设特点比较

3.1陈设载体不同

实体博物馆展品数字化的陈列展示，需要大型展厅或陈列室，一切与展览相关的实物要素都要通过组合构成体系化的陈列形式展现在参观者面前，而参观者也只能在此展览空间接受有限的信息，展厅承载了陈列展示的全部.数字博物馆的展示载体只需要一台电脑.所有数字化信息通过数字技术综合运用于电脑上进行呈现.它比实体博物馆更有开放、自由的优势，浏览者通过互联网就可以打开一个广阔空间的数字化信息展厅更便捷的从中获取信息.

3.2陈设形式不同

实体博物馆的陈设形式是在实体空间里进行实物展示，大都以静态形式展示，缺少“活”的气氛，文物被玻璃窗封闭与参观者产生距离感，观者被动接受有限信息.削弱参观者学习、交流的主动性.数字博物馆的数字化展厅是个虚拟的场所，陈设形式由数字技术通过电脑屏幕来实现静态、动态、二维、三维等功能展示，浏览者自由选择参观藏品种类从而获取藏品相关信息，增加了浏览者对文物参观的主动性.

3.3陈设内容不同

实体博物馆展出的实物藏品信息量仅限于文字、图片、视频影像介绍，内容过于简单，形式过于单一.数字博物馆藏品资源丰富，加以多种数字技术和艺术形式结合，能够挖掘出藏品自身及藏品间更多的内涵及其历史脉络.可以随时把新的信息、相关热点等时效性强的内容添加其中，让浏览者在把握前沿信息的同时感受到展品展示的不仅是过去的辉煌还有现代的精彩.

3.4陈设媒介不同

实体博物馆通过单体实物、展柜等客观媒介展示藏品，形式单一、展示效果不太理想.数字博物馆主要运用数字化陈设展示技术,包括文字、图片、超文本链接相互组合的二维和三维展示技术.把文物通过三维建模还原其真实面貌进行多角度的观察并利用有效地技术手段通过互动对其功能性展示.

3.5传播途径不同

实体博物馆在时间、空间及陈设形式上的局限性给观者带来不变.数字博物馆可以使浏览者在无需受时间、空间限制，通过互联网就可以到“故宫”“大英博物馆”“、巴黎卢浮宫”，实现高效、便捷的信息交流和传播，让浏览者尽情享受异国的文化和数字宝藏.

3.6信息载体不同

传统博物馆陈设模式是简单的实物陈列、图文介绍，形式单一、片面.浏览者获取信息量有限.数字博物馆三维展品陈设是以数字化形式存储、管理相关信息，通过数字化技术对文物进行综合展示.信息载体由传统博物馆的实体藏品变成计算机磁性介质上的电磁信号[3].把“实物展示”转换成“数字展示”，以静态转换为动态的陈设形式为浏览者提供便捷的服务.

4数字博物馆三维展品陈设应具备的条件

三维技术和虚拟技术在文物复原及交互方面都较为成熟，相关软件技术的发展和应用为数字博物馆三维展品新的陈设应用形式的探索提供了有力的技术保障.

4.1思维模式

思维模式贯穿整个展示构架，如何去表现主题和藏品信息，是所有类型博物馆必须涉及的首要问题.主要包括逻辑思维和形象思维的运用.逻辑思维主要展示信息的科学性、合理性，使展示内容符合客观规律.形象思维主要运用陈列语言对展品进行组织、展示.综合运用这两种思维，才能设计出既符合客观规律的又有展示特点的陈设形式.

4.2丰富的数字化藏品信息

以丰富的博物馆馆藏品、标本以及相关文化资源和信息作基础，还可以不断的进行资源的扩充和信息的更新，对藏品相关文字资料、图像资料、声音、配乐、视频、藏品三维模型及内在信息等内容进行全面的数字化展示.只有这样，数字博物馆才能起到较好的文化传播、研究、教育功能.

4.3辅助信息组织

辅助材料是为了帮助浏览者更好的了解主题、加深文物印象的一些非实物展示材料.如禹墟展厅三维展品陈设就是将复原场景作为祭器功能展示的“展厅”，目的就是让浏览者身临其境，通过互动让浏览者体验虚拟文物内涵展示和动态的情景模式带来的妙趣.从而达到丰富展示形式，完善整体展示效果.

4.4技术团队

拥有一批开发、设计数字博物馆三维展品陈设的计算机技术人员及一套多媒体数字系统软件.这样有利于数字博物馆陈设的建设更加科学化、艺术化和人性化.

4.5三维虚拟场景

虚拟场景是对文物当时所处的环境进行模拟，将场景作为“展厅”这种新的陈设形式应用是文物进行全方位展示的良好载体.

4.6立体仿真

通过数字技术制作，将文物复原，要做到尺寸、纹理、颜色和实体文物没有差别.将仿真的文物放置那个年代的虚拟环境中，可翻转欣赏、观察其细节，满足用户的好奇心，进一步增加了鉴赏文物的乐趣.浏览者从一个被动接收转为主动获取，感充分体现“以人为本”的陈设理念.

4.7集成展示

弥补传统陈设造成的内容分裂和时空限制.通过数字化实现文物的集成展示，可以梳理馆中繁杂的藏品信息，一是建立起藏品的关系.二是数字技术可以把这些出土的器物陈设在当时的时间、地点背景中统一展示祭器的实用功能，使祭器之间的关系以互动的形式变为“现实”.目前全国中小型博物馆面临较普遍的问题，文物藏品不够丰富、陈设形式不够新颖、文物研究不够深入、事业经费不够充裕、人才结构不够合理、观众参观不够踊跃.要摆脱困境，解决问题，首先要树立以人为本的思想，逐步推进数字化建设.因为一件文物不但能体现出制造者的思想和世界观，同时也能反映出当时的民俗风貌、工艺水平以及相应的生产消费能力、社会关系等具有艺术、实用价值的信息.因此，通过数字博物馆三维展品陈设来展示文物本身这件信息化了的历史见证物是非常有必要的.

参考文献：

〔1〕徐士进.数字博物馆概论[M].上海:上海科学技术出版社,2007.24.

光学成像技术范文篇6

关键词：高校光学超净实验室管理

1光学超净实验室简介

超净间（CleanRoom），也称为无尘室或洁净室。超净间是指经过特别设计，将室内空气中的微粒、有害空气、细菌、室内温度、洁净度、压力、气流速度与气流分布、噪音振动及照明、静电控制在某一需求范围内的房间，且不论外在空气条件如何变化，具有维持原先所设定要求的洁净度、温湿度及压力等性能的能力。超净间最主要的作用在于控制其内部存放物品所接触的大气洁净度及温湿度，使物品能在一个合适的环境中生产、制造、存放等，此空间称之为超净间。光学超净实验室主要是指环境空间条件可以满足光学研究要求的超净实验室，其中光学研究主要包括：光学器件制备、光学成像、光电检测等。

2光学超净实验室运行环境管理

超净室主要由空调机组、过滤系统、进排气通道等组成。其工作原理为：气流经过初效、中效和高效空气过滤处理，通过空调和风机送入超净室并将室内的尘埃经回风夹道带走。重复以上过程，即可达到超净室对空气的净化目的［1］。2．1光学超净实验室洁净度管理。洁净度是指单位体积空气中所含悬浮粒子数量的程度。根据不同的洁净度可以将超净室划分为不同的等级。按照我国超净室的标准（GB50073－2001）规定，超净实验室洁净度等级如表1所示［1］。超净实验室洁净度的监测是通过微粒计数仪对室内悬浮粒子的测试来完成的。通过控制室内的产尘活动、严格阻止灰尘进入室内和有效地将室内的灰尘排出这三大环节可以对超净室的洁净度加以控制［2］。室内产尘的主要源头是仪器设备机械摩擦，纸箱，人体行走等，为了减少上述产尘量，光学超净实验室需明确规定：（1）仪器进驻必须在室外拆箱，并擦拭干净方后才可允许进驻；（2）所有进出人员需穿防静电服；（3）室内操作需使用无尘布代替纸张；（4）此外还需控制一定时间内的进入人员及携带物品数量，避免短时间内洁净度超标；（5）为了保证超净实验室处于正压状态，进出人员需养成随手关门的习惯，且忌同时开启两扇门，以减少外界空气的进入。超净室采用不同的气流工作方式可获得不同的洁净度，超净室气流方式可分为层流式（Laminar）、乱流式（TurbulentFlow）、复合式（MixedType）三大类。层流式超净室是将室内的脏空气靠活塞推出作用沿整个断面被迅速排至室外，从而达到空气净化的目的，其超净室等级为百级。乱流式超净室是靠稀释作用把原来含尘浓度高的室内空气冲淡，从而达到净化的效果，其超净室等级通常为千级和万级。复合式超净室的气流运动即有乱流式超净室气流向四周扩散、混合的稀释作用，又有层流式超净室气流的推出作用，两者复合或并用，使得复合式超净室的局部可达到超洁净的空气［1］。为了确保实验室内的气流畅通，实验室管理人员需定期清洁和更换空调和空气的初效，中效和高效等过滤装置，保证其对灰尘的过滤效果。2．2光学超净实验室温湿度及压强管理。光学超净实验室对温湿度及压强有着较高的要求，超净实验室温度应保持在21摄氏度－24摄氏度之间，相对湿度应在50％～60％为宜。为了实时检测环境温湿度及压强，光学超净实验室应配备温湿度及压强感应计，实时监控室内温湿度及压强指标。如遇连续阴雨天气，为了降低室内湿度，需加开除湿机除湿，显微镜物镜镜头、透镜、相机镜头等需放干燥箱储存。2．3光学超净实验室安全管理。光学超净实验室是高校从事光学等相关专业研究的师生的重要工作场所，不仅存放大量重要的光学仪器设备、家具、实验用品等常规物品，还常常存有各种特殊设备，且其空间具有封闭性、设施结构复杂性等特点，人员进出光学超净实验室时需严格遵守实验室的安全管理制度，一旦疏忽大意，将给学校及师生带来巨大损失。因此，只有高度重视光学超净实验室的安全管理工作，才能更好地保障学校师生教学和科研的有序进行，有效保障师生的人身和财产安全［3］。2．3．1执行严格的安全准入制度。高校实验室安全管理是开展一切工作的前提。光学超净间内存放有大量的贵重精密仪器，其安全管理工作不容忽视。光学超净实验室必须执行严格的安全准入制度［4］，安全准入制度可总结为以下几点：（1）进入光学超净实验室前培训：所有需要进出光学超净实验室的师生需先提交培训申请表，由导师签字后交给实验室管理员，管理员根据需求审核后，通知符合培训要求的师生参加由超净实验室管理员组织的专业培训，培训内容包括光学超净实验室管理规章制度、光学仪器操作及维护、安全防护设施、事故应急预案等。（2）进入光学超净实验室前考核：所有经过培训的师生均需参加实验室管理员的考核，考核实行打分制度，根据考核结果，公布考核合格师生名单，未通过者需继续参加培训，考核成绩记录备案，建立光学超净实验室准入师生档案册。（3）门禁权限开通：门禁卡授权须由专人审核管理，参加培训师生根据考核结果，递交门禁开通申请表，经本人导师签字和实验室管理员签字授权，由门禁授权管理员审核后予以开通门禁卡权限，门禁与饭卡绑定，实行一人一卡，获得授权的师生，不得将门卡借与他人使用，否则将与借卡人一同被处罚。一旦发现有未经过培训考核擅自进入实验室的，永久性取消其准入资格。严格执行安全准入制度，将从源头上减少安全事故的发生，也能进一步强化师生的安全意识［5］。2．3．2建立严格的安全责任制度。当前高校实验室普遍存在安全责任不明确的问题，使得实验室安全问题处于无人管理状态。光学超净实验室需实行专人专管、分区分管制度，根据实验室安全管理需要设定一个总责任人，多个分管责任人。根据不同区域的不同用途设定区域负责人，该负责人应为课题组导师，采取学生使用，导师负责制，确切的把各项责任落实到各个导师，充分利用并调动老师们的积极性和自觉性，发挥各个老师的专业特长，将安全管理的成效和年终绩效考核挂钩，确保安全工作有序进行［5］。2．3．3建立健全的安全管理细则和监督制度。针对实验室管理的规章制度众多，但是实际适用于光学超净实验室管理的却很少，光学超净实验室总负责人应该在现有的实验室管理制度的基础上，完善安全管理细则和监督制度，制定出针对光学超净实验室管理的规章制度［6］。鉴于此，南京工业大学海外人才缓冲基地分析测试中心制定如下安全管理制度：（1）光学超净实验室安全管理总规章，包括允许进入超净前的培训内容、考核标准、门禁使用规章等。培训内容需包括实验室各项管理制度、仪器相关的管理制度及门禁使用制度等，考核采取逐条打分制，总分超过80分为合格。取得门禁权限后的进出穿戴、仪器使用、水、电、气、空调、卫生、安全防护、外来人员进出规定以及奖惩措施等，具体内容包括刷门禁卡进入超净实验室，根据管理员的分配，每个获得权限进出的课题组都将会拥有一个盛放衣物的柜子，并配备专门的钥匙，钥匙由课题组专人保管，柜子上需标明课题组名称，课题组人员进入后需穿戴标有自己课题组师生姓名的防静电服，戴无尘帽，穿无尘鞋或者鞋套，必要时需佩戴防护眼睛，在实验室进出登记本上记录进入人姓名、时间、目的等信息，实验开始前检查仪器状态并记录在仪器使用记录本上，待检查仪器状态良好方可开始操作仪器，操作过程中需牢记仪器操作注意事项谨慎操作，实验结束需检查仪器电源，室内水、电、气等的关闭情况，确保使用结束后皆处于关闭状态，按照规定整理好仪器桌面、给仪器做好防尘措施，检查实验室地面等卫生情况，确保卫生整洁干净，最后在仪器使用记录本上登记仪器使用结束后的状态以及开始和结束时间等信息，准备离开超净实验室时需脱掉穿戴，整理整齐后存放课题组衣柜，并在实验室进出记录本上记录离开时间，离开时实验室状态等信息。（2）光学超净实验室仪器安全管理规章，包括仪器使用注意事项、仪器操作规程、仪器维护维修、奖惩措施等；仪器使用前的准备工作，如开机顺序，仪器状态检查记录备案情况。使用仪器过程中遇到仪器故障的处理方法，紧急安全事故联系人及联系方式，各种安全防护设施的使用方法，危险实验需遵循的安全准则［7］等。（3）实验样品相关的安全管理，包括样品制备、样品储存、回收处理等。制样需严格按照实验室管理规定在专门的制样区制样，实验结束需带走样品及与其相关的所有物品，不得随便丢进垃圾箱，更不能随意乱扔，需带回自己课题组废弃物收集处，避免污染光学超净实验室环境。（4）光学超净实验室管理员负责定期检查实验室安全落实情况，并记录公示，进出超净实验室的师生相互监督举报，制定严格的惩罚措施，使其与学生奖学金挂钩。以上制度的实施，为光学超净实验室的高效运行提供了强有力的制度保障。2．3．4建立有效可行的事故应急预案。针对现阶段高校安全事故频发的问题，各个高校实验室需制定具体可行的事故应急预案，针对光学超净实验室，事故应急预案应该包括：（1）危险源与风险评估，如激光灼伤，气体泄露，电磁辐射，触电危险等；（2）要制定详细的事故预防措施，如避免激光伤眼需佩戴防护眼镜，防毒面具，防静电服，烟雾报警器，氧含量报警器，消防设施等；（3）明确事故应急机构组成及分工，如抢险人员，救护人员，警戒人员，通讯联络人员等；（4）事故发生后的预警机制与信息报告，如火警电话，医疗救助电话，校园安全部门电话，等；（5）制定详细的事故处理方案，包括火灾处置方案，爆炸处理方案，泄漏处理方案，触电处理方案等［8］。通过建立有效可行的应急预案，可进一步减少实验人员人身和财产损失。

3光学超净实验室光学设备运行管理

南京工业大学海外人才缓冲基地分析测试中心光学超净实验室主要用于与光学相关的科学研究工作，包括光电检测，光学成像，光电材料制备等，因此我们配备了荧光光学显微镜，激光共聚焦显微拉曼光谱仪，瞬态荧光光谱仪，光刻蚀机，光学显微镜，纳米压印机，椭偏仪，原子力显微镜及各个类型的激光器等光学仪器。为了保障这些光学仪器能够高效率低故障运行，对这些光学仪器的管理和维护显得尤为重要。针对上述光学仪器，光学超净实验室管理员要根据环境条件及保养周期［9］等因素对它们进行分类存放，分别管理，预先规划好每间超净实验室具体存放哪些类型仪器以及每个仪器适合存放的具体位置，提前设定好超净实验室的温湿度指标等。显微镜，刻蚀机，单色仪，光谱仪，激光器，椭偏仪，光谱光度色度仪等，这些光学仪器主要由透镜、棱镜、平面镜、球面镜、光栅等光学元件组成，此外一些光学仪器还包括机械部分和电［10］的部分，管理者还需要根据天气变化，注意实验室温湿度、洁净度变化，根据需要检查并维护仪器，发现问题及时排除，以避免或减少故障发生率。

4结语

综上所述，高校光学超净实验室管理和维护是搞好光学相关专业教学和科研的基础，是建设双一流大学的重要保障，光学超净实验室作为高校实验室的重要组成部分，对其的管理和维护不容忽视。本文参考南京工业大学海外人才缓冲基地分析测试中心光学超净实验室的管理模式，对光学超净实验室的管理进行了探究性讨论，希望从事光学超净实验室的管理人员通过这些方法可以进一步提升光学超净实验室的管理水平，更好地为教学和科研服务。

参考文献

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［2］李华，周保范，郭党委，等．高校超净实验室环境维护及设备运行管理探讨［J］．高校实验室工作研究，2018（1）：25．

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［4］柏玲，黄镇东．高校实验室安全教育重要意义及安全教育体系［J］．实验室科学，2019，22（1）：218－220．

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［8］宋阳．关于高校实验室安全管理工作的探讨［J］．教育现代化，2017（8）：31．

［9］赵阳．试论新时期高校实验室科学管理与维护［J］．实验室科学，2018，21（3）：156－162．

光学成像技术范文篇7

关键词：工民建；地质勘查

1引言

地质勘查是工民建施工设计阶段的重要环节，直接关系到项目施工的经济效益。随着各种科学技术在不断的进步，工程地质中勘查技术也在不断的进步与创新。在各种先进的勘查技术应用到我国的地质勘查中，使得我国的地质勘查事业得到了巨大的发展。但是随着世界经济建设的不断发展，各种资源正以最大速度在开发，这就导致了能源问题的供应问题逐渐的突出，所以地质勘查的重要性越来越明显。

2工民建地质勘察的特点

在城市之中除了居民的居住区之外﹐还有公共设施区、文化设施区、交通线路、城市枢纽等﹐多种不同的使用需求也就需要大量的不同类型、功能不同的建筑。地质勘察工作主要具有以下几个方面的特征﹕第一﹐勘察工作的主要对象包含有土质的力学性质、土质的物理学性质、周边环境的地形地貌特征、土层剖面、地下水的分布状况、地下水的深度、地下水的动态特征以及主要化学成分﹔第二﹐在进行工民建地质勘察的工作之中﹐需要仔细的进行勘探﹐勘探形式为浅孔勘探﹐并且通过此技术对地下水的基本状况进行分析﹐对土质和土壤的样本进行观测﹔第三﹐在一般的情况之下﹐按照方格网状形式进行孔洞布置、按照基本的勘探路线进行坑孔的勘察﹐具体的勘察深度需要结合工程的实际状况﹐通常需要以穿过整个地面表层的活动层为基本要求。

3工民建中地质勘查的方法手段

3.1工程地质测绘及素描

对于每一项工民建项目，在进行设计过程中，都需要进行实地的工程地质测绘来确定工程地面的地质情况，并作为勘探论证的有效依据。对于一些较难分辨的岩石，更需借助偏光显微镜等设备来追索其接线。这样缺乏对工程要求的实际把握，所得到的原始资料也体现不出科学性要求。而基于大比例尺航测摄影、遥感成像以及光学电子处理设备等，通过其高速度、整体把握的优点而解决地质图像的处理难题，充分体现出了其优越性。同时，对于岩石层软弱层带的研究深度与精度都有了质的提高，不仅能够关注到地面形貌的特点，同时能够从空间分布规律来进行定量化处理。

3.2工民建中地质勘查的井酮探技术

对于一些山地、沼泽地地区等一些复杂地基工程项目，井酮探由于其具有直观的优点因而广泛的应用于地质勘查工作时。但是，对于井酮探的效益以及施工的盲目性是制约井酮探应用的迫切问题井酮探的工作量由于离散型很大，这在一方面是由于地质因素的影响作用，而另一方面，也与井酮探的不合理布局以及规津性的把握不确定有关系根据实践表明，在对一些拱坝两岸的岩体结构以及建筑物地区岩体和平缓夹层地区的测试方面，采用井酮探能够得到优异的效果。

3.3工民建中地质勘查的钻探技术

作为探查地质基本情况的常规手段，钻探在工民建施工中的地质勘查具有非常重要的作用，而不同的岩体与地质类型又造成钻孔网的设计工作的不同根据图1为某工程项目的钻探工作量与大坝规模的关系示意图所示，简单条件下钻探工作量占大坝总工作量约为0.13左右；中等条件为0.3；复杂条件下为0.37相对于国外简单条件下的0.03相比，表明我国在钻探工作中还存在着不合理的现象。常规的钻探手段都是直接对岩心进行观察，并辅助以孔内水文、施工经验来进行取样作为资料的收集手段这样受取心工具以及钻进方法的影响较大。对于岩石层的断层带、软弱夹层等地质较为复杂的地段并不能得到很好的效果近些年发展起来的孔内成像、电视技术弥补了这一缺点，有效的提高了钻孔成像的质量要求同时，对岩体特征进行过了量化处理，例如井温、电阻率、动弹模，穿透波衰减等，使的钻孔技术提高到三维空间勘查阶段。

4工民建中的地质勘查的技术发展

4.1基于信息化对工程地质的测绘

工民建中对地质勘查作为一下基础性的工作，通过先进的地理信息系统、遥感系统、定位系统来实现对地质勘查的飞跃式发展。基于全球定位系统能够精度的进行测量点的三维空间定位，提高了勘查精度和效率。全球定位系统将观测到的数量导入到先进计算机中进行数据分析与处理，地质测绘人员根据获得的计算机数据能够对地质勘查内容进行精确分析。地理信息系统中的工程软件，可以对工程中的地质图件，图形图像以及空间数据进行数据化管理、并进行空间分析。

4.2物探技术的应用

物探技术是采用观测仪器来对工民建的被勘探区进行地球物理场的勘测，通过对测量后获得的数据进行处理来推断出被勘查区的地质构造、局部地质体以及属性，具体的物探方法主要包括地震勘探、电磁勘探、电法勘探等。（1）地震勘探作为地质勘查领域发展较快的技术手段，地质勘查是通过人工技术手段来激发震源的一种勘探手段，并采用先进的水平地震剖面发、长距离超前预报法等先进技术实现了对由于反射波地震勘探而造成的隧道超前预报的困难。同时，采用地震CT成像技术，利用边坡、探孔等进行平面或立体的成像，是工民建中的地质勘查朝着定量化发展不断迈进。（2）电磁勘探电磁勘探包括基于天然场源以及人工场源的地刺测探法。随着近些年的技术不断发展与不断成熟，获得了较为广发的应用。例如多场源、多维空间电阻率成像灯，在工民建工程中对于推测深埋长隧道的围岩介质的结构特征、破碎带以及隐伏断层等方面的应用取得了显著的经济效益。（3）电法勘探电法勘探主要包括基于电阻率、自然电场、电磁感应、激发极化的方法。近些年来，随着高密度电法勘探技术与地震勘探数据采集技术的融合，实现了对地质勘查数据的自动化、快速采集，通过二维手段来对数据进行实时显示出勘探结果，并发展成基于多点、多源、多线方式的测量技术，实现了对工民建中的三维勘查。5结语地质勘察是工程建设的重要组成部分，它关系到建筑的结构安全和群众的生命财产安全。在工民建工程项目建设过程中，地质勘察是一项重要的基础性工作，是工民建工程施工设计的前提，对于工民建工程质量具有重要影响。因此，在地质勘察工作中，需要运用合理的勘察技术与方法以，强化技术投入，提升勘察效率与质量，为工民建工程提供可靠的工程资料与地质参数。

作者:牛中元 单位:山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司

参考文献:

光学成像技术范文篇8

1.增加实验项目。

（1）浏览名校网页。从北京大学、清华大学、上海复旦大学、浙江大学、东南大学等十几所著名大学物理实验室网页，下载物理实验室基本情况、课程表及开出的实验项目项，预选出包括基础、综合、设计性项目共47项。（2）查阅名校教材。实验室建设中我们积累许多各高校及各类出版社出版教材，例如：清华大学、北京交通大学、东南大学、华中科技大学、大连理工大学等15所高校的物理实验教材，从中挑出需增设基础、综合实验项目共27项。（3）实地走访区内、外高校。实地走访北方交大、清华大学、内蒙古大学、内蒙古工业大学、内蒙古农业大学、内蒙古师范大学等高校。了解名校实验教学基本情况，由名校教师为我们推荐实验效果好、实验仪器先进的基础和综合实验项目共17项。（4）实验项目汇总。通过以上三种方式，调研实验项目汇总39项，每项都标注出处（校名）、实验类别（基础、综合、近代、设计）。经课题成员多次讨论，联系我校实际情况，从中精心挑选可增设实验项目19项目作为备增实验项目，安排每位老师负责3个实验项目，认真学习实验内容，下载实验讲义，做PPT为大家讲解项目内容；大家共同学习研究新增实验项目。

2.分专业划分实验模块。

（1）按专业确定实验模块。从实验教学要求出发，根据不同专业大类的特点，体现实验内容的差异性和可选择性从而更有针对性地改善教学内容，更好地提高实验课时效益和教学质量。复合专业一：材料与冶金专业、稀土专业；复合专业二：建筑土木程工专业、能源与环境专业、矿业工程专业；复合专业三：信息工程专业、机械工程专业；复合专业四：数理生物工程专业、化学与化工专业、经济与管理专业。实验项目足够多时还可以增加模块数量，使模块划分得更加细致，使模块划分具有持续性、灵活性、多样性。（2）科学合理编排实验项目。选做实验模块化教学：并本着循序渐进、分层次的教学思路，目前设计了各具教学重点的四个模块，每个模块中的实验项目均含有基础、综合、设计三个层次的实验项目。模块1实验题目：实验1温度传感器特性；实验2磁化曲线；实验3导热系数测定；实验4高温超导材料特性测定；实验5非平衡电桥测量铂电阻温度；实验6半导体温差电偶；实验7硅光电池光照特性的研究；实验8光学成像系统的分辨本领等实验项目。模块2实验题目：实验1固体线胀系数的测定；实验2螺线管测磁场；实验3导热系数测定；实验4测定冰的熔化热；实验5测定液体的粘滞系数；实验6光纤的传输技术实验；实验7超声波探测实验。实验8压力传感器的特性研究等实验项目。模块3实验题目：实验1惠斯登电桥；实验2电表改装；实验3双桥测低电阻；实验4示波器原理使用；实验5RC和RL串联电路稳态特性；实验6温差电偶定标及电动势测量；实验7交流电桥；实验8音频信号的光纤传输等实验项目。模块4实验题目：实验1光强分布；实验2电子逸出功；实验3夫兰克-赫兹；实验4旋光仪测溶液浓度；实验5气垫导轨实验；实验6光学成像系统的分辨本领；实验7微波的布拉格衍射；实验8液晶的电光效应；实验9P-N结温度特性的测量；实验10高温超导材料特性测定等实验项目。一个复合专业选择一个项目模块，每个模块有基础实验、综合性实验、研究性实验等三层次类型。不同模块内的实验项目可以重复，使得模块内实验项目数增加，学生有更多的选择机会。（3）教学实施，网络选课。开放物理实验室：做到实验时间、实验项目全面开放。学生可根据所学专业选择实验模块，由兴趣爱好选择模块内实验项目。实现以学生为主体的“分专业模块化教学”指导思想。

3.撰写模块化教学新大纲、编写配套的实验教材。

从实验教学整体要求出发，根据不同专业大类的特点，体现实验内容的差异性和可选择性从而更有针对性地安排教学内容，更好地提高实验课时效益和教学质量。将现有实验项目和预增的实验项目合在一起，组成提供大学物理实验课的模块化教学的实验项目，实验项目的增加及实施教学的模式的变化，需要我们撰写模块化教学新大纲。编写特色实验教学讲义。

二、跟踪评估

对模块化实验教学效果进行评估：通过考试成绩的对比、教改实施前后师生座谈、调查问卷、后续专业课学习的跟踪反馈等多种形式，进行对比分析，改进、完善模块化教学。四、工作体会

1.本项目主要任务是调研、收集新的实验项目；在走访参观北京以及区内高校的物理实验室同时，对这些高校的实验教学模式、教学特色、实验室基本情况、管理手段、学生人数等多方面都作了了解，收获颇大。

2.多方征求划分实验项目模块建议，我们采取第一：由教研室教师集体讨论确定模块划分初步方案。第二：院教授委员会论证把关，提出改进建议。第三：泛征求外院教学负责人及教师的意见，使模块的划分更加趋于科学合理，为学生后续专业课的学习打好基础，避免闭门造车。

3.新增实验项目使我们学习新的实验知识，提高了业务水平，开阔眼界；明确了实验室工作还有许多有待于提高方面。

4.教师观念明显变化，教改工作积极性明显提高。老师们对实验室工作有了新的认识，整体意识得到了提高。这实际上也是理科教学基地建设的基本目标，也是我们模块化教改项目的要达到的主要目的之一。

光学成像技术范文篇9

关键词：摄影专业；仿真实验室；设计；研究

1概述

虚拟现实技术，即VR技术，最早出现于上世纪八十年代，近年来其在计算机网络技术的支持下取得了突破性的进展，在军事、教育、建筑以及影视摄像领域发挥了不可替代的作用。尤其在教育领域，在虚拟现实技术的基础上，大量专业仿真实验室被建立，开启了教育模式新纪元：一方面利用虚拟现实技术，教学成本大幅度下降，从根本上弥补了教育资源不足的问题，另一方面提升了学生实验课程质量，提高了学校教学效率，因此这种仿真实验室受到了国内各大高校的欢迎。本文以高校摄影专业为例，将虚拟现实技术融入到高校摄影专业课程中，对摄影专业仿真实验室的建设与开发进行了一定的研究，在一定程度上推动了高校摄影专业的教学质量发展。

2仿真实验室建设的背景

便携性、实用性以及高效性是数字摄影所特有的优势，它在摄影产业中有着重要的作用，但是不可避免的数字摄影教学也存在着一些急需解决的问题，具体分析起来主要包括以下几个方面：首先，数字设备成本高昂且产品更新换代速度极快，如果购买一整套数字摄影设备会花费很多的资金，教学成本直接提升，给学校造成较大的经济压力。通常情况下，高校的摄影课程根据学生的专业情况可以分为专业类教学和选修类教学，专业类教学的数字设备支出是一个很庞大的组成，众所周知，摄影设备类别多种多样，相机、镜头、闪光灯、三脚架等都是摄影过程中必不可少的组成构建，而每个组成种类下又可以分为很多种不同的类型，例如相机镜头可以分为拍摄风景或者专业大场景的广角镜头、拍摄局部特写的微距镜头、拍摄远处细节的远射镜头等，学校为了保证教学的全面性必须将各种类别的镜头全部购买下来，这无疑是一笔巨大的费用支出。另外，数字设备的更新速度极快，学校在购买一套设备后可能在仅使用一段时间后，市场上又出现了新型的摄影设备，如果学校不进行设备更新，学生的技能无法得到保障，如果及时进行设备更新，学校的投入和产出必然出现失衡。其次，数字摄像设备具有较高的损坏率，各个零件如果操作或者保护不当都可能出现故障，而针对于高校初学者来说，这种情况发生的可能性则更大。第三，学校仅使用数字设备进行教学，在理论课程上会缺乏直观的操作效果，课程教学效果也会受到一定影响。尤其对于摄影课程这种理论和实践结合度较高的学科来说，一旦理论和实践脱节就会严重影响学生的综合学习能力。最后，学校每年设备采购经费都有一定的限制，导致很多学校摄影设备使用年限和购买周期都过长，实践课程很难及时获得新型设备。

3建设仿真实验室对摄影专业教学的帮助

3.1有效降低摄影专业教学成本。建立摄影专业仿真实验室能够有效降低专业教学成本，传统的数字设备配件多且各个部件都属于精密仪器，因此需要花费人员去进行维护保养，同时设备昂贵又容易过时也导致摄影专业教学成本过高。但是如果能够利用虚拟技术建立仿真实验室，就能够建立大量虚拟的摄影材料库，例如虚拟相机、虚拟镜头、虚拟闪光灯等，这样能够有效缓解学校教学资金压力，从而降低专业教学成本。3.2能够更好的实现资源共享。当今社会，可以说很多行业都离不开摄影技术的支持，因此如果能建立虚拟仿真实验室就能够更好的实现不同学科甚至不同行业之间的资源共享。例如建立虚拟仿真实验室，艺术设计专业可以使用，数字媒体专业可以使用，另外建筑专业建筑摄影教学也可以使用。从一般高等院校的教学资源配置方面来看，数字摄影专业学生的摄影实践课程设计的较为丰富，学生使用器材的配备也较齐全，但是对于其他专业来说，教学设备问题就相对较多，不光学生使用的相机型号较单一，其功能模式也相对不够新颖健全，另外相机镜头通常只配备最基础的型号，接触的其他硬件设备也十分有限，导致实践效果和理论效果都难以符合教学要求。但是如果能够建立虚拟仿真实验室，则能够很好的解决这类问题，不但设备资源能够实现跨专业共享，学生还能够通过虚拟环境、模拟实验，获得最直观的感受。3.3实验项目多样化，实验不受制约。建立虚拟仿真实验室，学生在进行实验教学时受到的限制就会相对较少。举例来说，当采用传统实验室进行实验教学时，由于受到实验设备的限制，通常要进行分组式教学，且学生实验时间受实验室开放时间限制程度也较大，因此每个同学的实践参与度相对较低，实验教学效果较差。但是如果建立并使用虚拟仿真实验室，由于实验室主要依托于计算机网络平台，因此只要计算机网络方面允许，就能够让多组学生同时进行实验项目操作，甚至可以实现不同专业教师同时进行实验教学的效果。3.4更加符合教学规律。虚拟仿真实验室的建立更加符合现代社会的教学规律，当前的大学生多为95后甚至00后，他们对枯燥的理论知识和单调的实践课程已提不起兴趣，因此再采取传统的教学实验方式很难达到既定的教学效果。但是如果能运用虚拟仿真实验室进行教学，不但能够提升教师和学生之间的交互性，还能提升课程的娱乐性，显然这种教学方式更加符合当前的教学规律。

4高校摄影专业仿真实验室系统模块构建概述

4.1建立虚拟基础实验设计。对摄影基础操作部分进行的实验教学可以归集为虚拟基础实验设计模块之中，这一教学内容主要包括：小孔成像实验和曝光控制实验。小孔成像的原理主要基于光线的直线传播原理，当小孔足够小，只能让一线光源通过时，投光屏上只能呈现出一根光束投射的像，而对整个光源来说，光源上任意一点都有一根光束通过小孔投射在投光屏上，投光屏上就会呈现一组光源的像。屏幕与小孔之间的距离就是像距，要想改变投光屏上呈像的大小就可以通过调节像距的大小得以实现。如果小孔的直径增加，光源上某一点发出的光线就会通过小孔形成较大的光斑，同样光源上每一点都会透过小孔在屏幕上形成较大的光斑，这种光斑就会相互重叠，从而在屏幕上无法形成清晰的呈像。由此可以得知，选择适当的小孔大小，是得到清晰图像的决定性因素。相机镜头中可调节大小的孔洞即是相机的光圈，如果想要对进入镜头的光线数量进行调节掌控，就可以通过调节光圈大小来实现，通常情况下，相机光圈开的越大，进入相机镜头内的光就越多。快门是控制光线进入的闸门，快门速度越高，进入的光线就越少，反之亦然。ISO是感光材料的感光速度，通常来说，ISO值越低，照片的质量就会越高。虚拟基础实验设计模块就是通过虚拟仿真技术来对曝光三要素加以展示的过程。4.2建立虚拟灯光系统与拍摄效果。摄影专业除了普通摄影学习外，还有广告摄影、商业摄影等课程，其中商业摄影主要是在闪光灯的作用下，对商业标的进行的高品质拍摄，因此为了提升学生商业摄影水平，就需要让他们进行充分的虚拟灯光系统实践。闪光灯主要包括以下几个特点：光位、光质（即光的属性分为柔光和硬光）、光型、光度、光色和光比。

5高校摄影专业仿真实验室的开发与实现

5.1虚拟仿真相机设备库的开发与实现。虚拟仿真相机设备库与传统数字相机设备库一样，主要由相机、镜头、三脚架、云台、闪光灯和储存卡组成，要想开发虚拟仿真相机设备库首先要设计制作相关结构的三维模型，并运用3dmax，C4D三维软件进行后期处理。5.2虚拟仿真基础技术实验的开发与实现。相机光圈、快门的控制，ISO、曝光技术的处理等都可以划分到虚拟仿真基础技术实验当中，为了保证实验的精确性和有效性，相机各个构件参数都要有一个严格而又精确的数值设置。在实验过程中要想获得不同的实验效果，就可以对数值进行不同的设置。以上内容同样可以使用C4D软件建立三维模型，也可以采用flash的ActionScript语言对教学模块进行虚拟演示。

6结束语

综上所述，本文通过对摄影实验课现状进行分析，展现了建立虚拟仿真实验室的重要性和必要性。虚拟仿真实验室是高校实验室教学的一个发展趋势，在虚拟实践中不仅能节约一定的物力财力，更能在参与实践过程中提高学生摄影学习的积极性，增强摄影动手能力，树立更强的自信心。

参考文献：

[1]白易梅.摄影技术与项目实训[M].合肥:合肥工业大学出版社，2018.

[2]陈振宇.虚拟现实在技能教学中的应用[J].电脑编程技巧与维护，2012（12）：134-135.

光学成像技术范文篇10

关键词：机器视觉；螺栓；气门

1机器视觉检测系统的设计分析

1.1机器视觉检测系统组成结构

为实现对零部件质量的准确检测，机器视觉检测系统通常由图像采集模块、光学成像模块、机械运动模块以及图像处理模块四个部分组成。其中，图像采集模块的主要功能是以电信号的形式将被检测零部件的质量信息反馈给计算机。图像处理模块通过预先设计好的算法程序实现对图像的预处理，从而提高视觉检测系统的检测精度，机器视觉检测系统的结果可以通过计算机的通讯接口直接输出。机器视觉检测系统在检测零部件质量时，会有电机驱动机构零部件送到预先设置的位置，相机对零部件进行图像采集并将结果送到计算机中，图像处理模块对零部件的质量缺陷进行识别。

1.2机器视觉检测系统相机与镜头的选择

图像传感器及工业相机的设计是整个检测系统的重要部分，目前常用的工业相机传感器包括CCD和CMOS两种。两种相机均利用了光电效应实现光信号与电信号之间的转换，并将零部件的质量信息存储在计算机中。CCD相机与CMOS相机相比，具有更好的输出信号一致性，这是由于CCD相机只有少数几个输出节点，而CMOS相机需要对每个像素都应用放大器并需要电压电荷转换，因此输出信号的一致性降低。CMOS相机由于对信号带宽要求不高，较CCD相机具有更长的使用寿命。CCD相机需要更加复杂的加工工艺，而集成度低，同时也增加了生产成本。CMOS相机不仅具有更高的集成度，而且具备更高的成本优势。镜头是图像采集过程中的重要器件，高质量的镜头才能获取更加清晰的零器件信息，方便后续过程的操作。在进行镜头选择时，需要考虑到相机以及被检测器件的尺寸，当镜头尺寸选择为1/2时，就可满足镜头成像遮住镜头传感器，从而满足图像的清晰度要求。

1.3机器视觉检测系统光源的设计

对系统光源的设计是机器视觉检测系统的另一个重要内容，设计科学合理的照明系统可以保证图像具有更加明显的信息特征，可确保后续检测流程的顺利进行。在进行照明系统设计过程中，主要需要考虑到被检测零部件是否在检测过程中处于均匀的光照环境中，确保零部件的轮廓信息的准确提取。若零部件处于不均匀的光照环境中，直接导致机器视觉检测系统检测成功率的下降。在诸多光源中，LED光源具有使用寿命长、抗抖性能高以及造价成本低等特点，因此采取LED环形光作为机器视觉检测系统的光源。此外，当光源被安置到不同位置时，相机也会拍出不同的图像特征，若是光源位置设计不合理，直接导致成像的偏差，为后期的图像处理环节增加困难，因此需要根据零部件的结构特点合理安排光源位置。

2对螺栓表面的螺纹缺陷检测

2.1螺栓表面的螺纹缺陷检测方案

螺栓是工业生产过程中广泛应用的零部件，其质量直接影响到机构的正常功能。螺栓在生产加工过程中，会出现卷纹或划伤等缺陷，加强对螺栓表面缺陷的检查，才能保证零部件的使用质量和使用寿命。在设计螺栓表面的螺纹缺陷检测方案时，将螺纹表面定义为正常、卷纹及划伤三种状态，加工好的螺栓被运送到运动圆盘的中部，并由LED环形光源提供照明环境，由工业相机对螺栓表面的状态进行识别，最后由贝叶斯判别函数或神经网络算法来判别被检测零部件的状态。当检测到零部件存在缺陷时，则停止检测；若不存在缺陷，则改变零部件位置对另一面进行缺陷检测。

2.2图像预处理

机器视觉检测系统在实际工作中，工业相机提取的图像信息可能会出现缺失或模糊，因此需要对所获取的图像进行预处理，从而提高图像质量。图像预处理主要任务包括突出有用信息和弱化无用信息两部分，为提高图像的可读性。常用的图像预处理手段包括去噪、增强、分割和二值化等步骤。在对螺栓表面缺陷进行检测过程中，图像预处理包括灰度变换和图像去噪两个操作，其中灰度变换是将校正彩图转化为灰度图，从而提高螺纹的特征值。由于光源或成像时存在灰度，导致图像变得模糊，通过灰度处理实现拉伸变换，获得更加清晰的图像。此外，图像在采集和传输过程中受到外界干扰，从而导致图像品质降低，通过滤波操作可以减少噪声，进而提高图像质量。

2.3对螺栓表面纹理的特征提取

基于机器视觉系统对螺栓表面缺陷的识别，其重要工作是对螺栓表面的纹理特征进行提取，零部件的纹理信息通常由图像上的局部不规律颜色或灰度变化反映出来，进而在宏观上呈现出规律性的特性。由于零部件在成像后的纹理信息固定，因此可以反映出零部件的质量信息。图像纹理主要具有规则性、方向性及粗糙度等特性，可用来直接描述图像的空间信息。基于图像纹理的机器视觉系统已经成为零部件质量检测的重要发展方向，特别是对于缺陷或模糊的零部件图像具有更好的检测效果，在具有大量相近像素的图像中采取表面纹理分析，经验证可以取得更好的识别效果。

3气门关键部分的几何尺寸检测

在零部件检测过程中，零部件的尺寸是衡量零部件是否合格的重要标准。根据尺寸的检测结果可以预判生产的零部件是否合格；同时对检测的零部件进行数据分析，得到零部件的生产规律，如生产多少个零部件后精度达不到标准需要重新调试设备等问题，提高了企业的生产效率并预防质量不合格问题的发生。探讨如何检测零部件中气门的长度与直径尺寸.

3.1长度的测量

检测气门长度的方法是通过检测气门两端平行直线的距离来测量出气门的长度。测量气门两端平行直线的方法如下：首先确立气门两端的平行直线，获得直线方程，最后测量两条平行于气门始末段直线上水平点两点之间的距离，确定气门的长度。确立直线的过程中有很多方法，如最小二乘法、霍夫变换方法等。研究选用最小二乘法进行直线的拟合，确立直线方程。测量的具体过程如下：首先，确立检测的范围，并用坎尼算子进行边缘的大致定位，通过二项式插值法确定边缘的具体定位，获得亚像素级的边缘坐标；其次，采用最小二乘法对亚像素级边缘左边进行处理，获得直线拟合方程，根据直线拟合方程计算平行于顶端面上多点到平行于底端直线多点之间距离，根据水平多点间的距离去除异常数据，再取多个测量直线距离的平均值为气门总长的像素数；最后，将所得到的像素数乘以标定系数就可以得到气门的长度，判断是否合乎工程要求。

3.2直径的测量

气门的直径检测分为杆端直径、近杆直径与杆径等，根据检测对象的不同可以选择不同的检测方法。被测零部件的直径有气门的杆端直径、近杆端直径和杆径等，以及气门的盘径和槽径，根据直径的不同可以选择不同的测量方法。研究仅讨论杆端直径、近杆端直径与杆径这一类直径测量的问题。杆端直径、近杆端直径与杆径这一类直径的测量要求检测精度较高，直线拟合与最小外接矩形方法较为粗劣，达不到检测目标。因此，杆端直径、近杆端直径与杆径这一类直径的测量方法如下：首先，选取测量的范围，用坎尼算子进行粗劣定位，再应用改进二项式插值法进行直径边缘精准定位，获得亚像素级边缘坐标；其次，选取边缘直径上的多对两点坐标，并取其平均值为直径像素数后再乘以标定系数，可得到气门的测量直径。

4结束语

机器视觉技术目前已经应用到多个领域，机器视觉技术能够替代人工，提高企业自动化程度。探析了机器视觉的基本理论及基本概念，说明了螺栓表面欠缺检测技术、气缸的长度及直径检测案例，希望能够为机器视觉技术进一步落实及深入研究略尽绵薄之力。

参考文献：

［1］吴荥荥.基于机器视觉的零部件质量检测研究［D］.镇江:江苏大学,2017.

［2］苍立凤.水下图像光斑去除方法的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

［3］王宇晨,雷腾,胡晓伟,等.组网雷达下的弹道目标三维微动识别［J］.太赫兹科学与电子信息学报,2017,15(2):206~210.