采用阵列波带片波前传感的激光波前重构
第16卷 第10期
强激光与粒子束Vol.16,No.10 2004年10月
HIGH POWER LASER AND PARTIC LE BE AMS Oct.,2004
文章编号:100124322(2004)1021250205采用阵列波带片波前传感的激光波前重构
X
陈怀新1, 伍 波1, 隋 展2, 丁 磊2
(1.四川大学电子信息学院,四川成都610064;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘 要: 在高功率激光系统,激光束小尺度相位畸变波前探测是实现激光束中频段波前补偿与控制的重
要前提。采用阵列菲涅耳波带片作为激光束波前传感的子孔径分割器,利用区域重构的S outhwell 模型进行波
前重构。并针对波前传感器子孔径数目、小尺度相位畸变波前的参数对波前重构精度影响进行分析与模拟计
算,给出了阵列菲涅耳波带片合理的子孔径数目,为20×20～30×30;对小尺度相位畸变,激光束波前的重构误
差小于十分之一波长。
关键词: 高功率激光; 小尺度相位畸变; 阵列菲涅耳波带片; 波前重构
中图分类号: O438; T N248 文献标识码: A
新型的高功率激光系统都采用逐级的多程式放大系统,控制、补偿激光束波前畸变是保证激光的高质量光束传输与功率有效提升的重要环节[1,2]。在激光束波前质量控制方面,一般对低频段、大尺度波前畸变相位误差的控制可采用夏克2哈特曼(Shack 2Hartmann ,S 2H )波前探测器与变形镜组成的自适应光学系统来实现,对高频段波前畸变相位误差的控制可采用空间滤波的方法进行,而中频段、小尺度波前畸变控制则主要采用被动式地提高种子光质量与提高系统中光学元件的加工精度来控制。目前,液晶空间光调制器(LCS LM )的分辨率、相位调制范围等指标的提高,为实现中频段小尺度波前畸变的补偿与控制提供了可行性,因此,研究与之相应的波前传感与重构方法十分必要。
S 2H 波前传感器具有结构紧凑、可靠、光能利用率高,且测量波前动态范围大,波前重构时不需解相位包裹算法等优点,因此,S 2H 波前传感器已用于高功率激光系统中光束波前质量探测研究[3～5]。S 2H 波前传感法是通过其阵列子孔径进行激光束波前分割,利用子孔径内的平均斜率来重构波前。通常自适应光学的S 2H 传感器中采用微透镜阵列进行波前分割,文献[5]采用简单的孔径阵列板来分割大光束口径激光束波前。为了适应高功率激光系统前端小孔径、小尺度相位畸变激光束的波前探测,本文提出阵列菲涅耳波带片作为波前分割器,它具有聚焦性能优良、制作方便,不存在微透镜加工精度高、几何尺寸小等问题,同时利用区域重构的S outhwell 模型进行激光束波前重构,并着重针对波前传感器子孔径数与小尺度相位畸变波前的参数对波前重构精度影响进行模拟研究。
1 波前传感与重构的基本原理
S 2H 波前传感法是通过其阵列子孔径进行激光束波前分割,通过各个子孔径内测试波前聚焦点与参考(平
面波)波前聚焦点的位置差值(Δx ,
Δy )来计算子孔径内的测试波前斜率。其采用阵列菲涅耳波带片的S 2H 波前传感器的原理装置如图1所示。
入射的波前在阵列菲涅耳波带片的后焦面上的聚焦点的光强分布为
I (x ,y )=
∑N k =1∑N l =1k T (u k ,v l )I (u k ,v l )exp [i2π<(u k ,v l )]exp [-i2π(f u u k +f v v l )]d u k d v l (1)
式中:I (u k ,v l ),<(u k ,v l )分别为子孔径(k ,l )内激光束的光强与波前相位分布;T (u k ,v l )为阵列菲涅耳波带片的子孔径(k ,l )的透射率函数。
子孔径(k ,l )的焦点质心位置为
x k ,l =
∑N x i =1∑N y j =1x i I ij ∑N x i =1∑N y j =1I ij y k ,l =∑N x i =1∑N y j =1y i I ij ∑N x i =1∑N y
j =1I ij (2)
X 收稿日期:2004201212; 修订日期:2004206221
基金项目:中国工程物理研究院2国家自然科学基金委联合资助课题(10176018)
作者简介:陈怀新(1963—
),男,重庆市人,教授,博士,从事光电信息探测与处理;E 2mail :chenhuaixin @https://www.wendangku.net/doc/368267263.html, 。
Fig.1 Principle of Shack 2Hartmann wavefront sensing
图1 S 2H 波前传感原理
子孔径(k ,l )的局部斜率为
g x k ,l =5 (3)式中:f 为菲涅耳波带片的焦距;测试波前与参考波前的焦点位移Δx k ,l =x t k ,l -x r k ,l ,Δy k ,l =y t k ,l -y r k ,l ,这里上标“t ”和“r ”分别代表测试波前与参考波前。 利用区域波前斜率来重构波前的S outhwell 模型[6,7],将一个完整的波前细分成(N -1)2个子区间(子孔径),然后利用子孔径边界上测量的波前斜率或相位差数据来重构波前相位,相邻栅格点的相位差是与邻栅格点间中点的斜率对应的,即 12(g x k +1,l +g x k ,l )=1h (φk +1,l -φk ,l ), k =1,…,(N -1), l =1,…,N (4)12(g y k +1,l +g y k ,l )=1h (φk +1,l -φk ,l ), k =1,…,(N -1), l =1,…,N (5) 对于光斑阵列中,不同栅格相位的一般表示式为 C k ,l φk ,l -(φk +1,l +φk -1,l +φk ,l +1+φk ,l )=h 2(g y k ,l -1-g y k ,l +g x k -1,l -g x k ,l )(6) C k ,l =2, k =1or N ;l =2,…,(N -1) 3, k =1or N ;l =2,…,(N -1) l =1or N ;k =2,…,(N -1)4, k =2,…,(N -1);l =2,…,(N -1) (7) 令 φk ,l =φk +1,l +φk -1,l +φk ,l +1+φk ,l (8)b k ,l =(g y k ,l -1-g y k ,l +g x k -1,l -g x k ,l )h 2 (9)则栅格的相位表示式为 φk ,l =(φk ,l +b k ,l )/C k ,l (10) 式中:h 为两相邻估计点的间距;φk ,l 为待估计点(k ,l )四邻位置的相位之和,其均值为φk ,l 的估计值;b k ,l 由斜率测量值决定;C k ,l 为第(k ,l )个栅格点的相邻栅格点数目。 为了提高计算收敛速度,采用松弛迭代法对公式(10)进行修正,第m +1次的迭代结果为 φm +1k ,l =[φm k ,l +ω(φm k ,l +b k ,l -φm k ,l )]/C k ,l (11) 对方形波前恢复区域,松弛因子可选为 ω=2/[1+sin (π/N +1)](12)2 仿真计算与结果分析 在高功率激光器的前端(预放级),激光束通过空间整形,可获得超高斯光强分布的方形光束[8,9]。因此,这里针对具有均匀光强分布、方形的小尺度相位畸变的激光束波前传感与波前重构进行数值仿真研究。 为了研究基于阵列菲涅耳波带片的激光束小尺度相位畸变波前传感与重构精度,本文对此进行了模拟计 1 521 陈怀新等:采用阵列波带片前传感的激光波前重构 算。在模拟计算中,先设定一个具有相位畸变的入射测试波前,根据菲涅耳波带片的尺度划分的子区间(子孔径)进行波前抽样得到其标准波前W s ;其次,对相位畸变的入射波前与参考平面波前,分别采用公式(1)和公式(2)求出波前的焦点强度分布与对应聚焦点阵的质心位置,再由公式(3)求出每子孔径内的畸变波前平均斜率;根据波前重构计算公式(6)～(12),计算得到测试重构波前W m ;然后,通过标准波前W s 与测试波前W m 比较,计算其波前差的峰谷值误差(σP 2V ),均方根误差(σrms ),并采用波前误差σrms 来评价激光束波前的重构精度。 高功率激光器前端的方形激光束口径为20mm ×20mm ,波长λ=1.054μm ,典型的小尺度相位畸变的波前 空间周期Λ为1.0～10.0mm 。仿真中,阵列菲涅耳波带片的口径尺度设置为20mm ×20mm ,阵列数20×20,子孔径焦长f =50mm ,激光束小尺度相位畸变波前分别选为球面波面和具有多峰结构的PE AK 函数型波面,其波 前的相位变化范围为5.4πrad (2.7λ )。两波前的传感与重构结果分别如图2和图3所示,从图可以看出波前恢复的效果较好。数值计算得到:对于相位畸变为球面的波前,其恢复波前的σrms =0.265rad (0.042λ),σP 2V =0. 550rad (0.088λ);对于相位畸变为PE AK 的波前,其恢复波前的σrms =0.201rad (0.032λ),σP 2V =0.144rad (0. 907λ)。两波前的恢复误差σrms <λ /10,说明本文提出方法对小尺度相位畸变光束具有较好的波前传感与波前重构性能。 从图2和图3的波前重构误差σrms 图示也可看出,光束波前空间频率变化大的区域,如球面波口径的边缘处与PE AK 波面的峰值处,对应的波前恢复误差相对大些,这是区域波前恢复的算法误差,即由子孔径的平均斜率来近似代替该区域的所有点波前斜率而引入的误差 。 Fig.2 W avefront detecting and reconstruction for sphere 2wave with array FZP 图2 球面波前的传感与重构 其次,本文讨论波前重构精度与波前传感子孔径阵列数目的关系。以多峰结构的PE AK 波前来表征具有小尺度相位畸变的激光束波前,并作为仿真测试波前;阵列菲涅耳波带片的口径为20mm ,阵列数取N ×N =10×10～40×40时,计算了测试光束的波前传感、重构精度。图4直观地表示出了具体的波前重构的均方根误差σrms 、峰谷值误差σP 2V 与阵列数N 的对应关系。 从图4可以总结出以下特点:(1)波前重构误差σrms ,σP 2V 与子孔径阵列数目N 密切相关,一般说来,随着阵 列数目的增加,波前重构误差随之降低。(2)子孔径阵列数目N 取20～40时,波前重构误差相对下降较慢,且当N >20时,波前重构误差σrms <λ /10,满足激光系统前端激光束的探测精度需要。 进一步讨论激光束小尺度波前的相位畸变大小(相位变化的动态范围)与波前重构精度的关系。仿真计算中,取阵列菲涅耳波带片的子孔径阵列数目N =20。由于高功率激光器前端激光束的波前相位畸变大小以及 2521强激光与粒子束第16卷 Fig.3 W avefront measuring and reconstruction for PE AK 2wave with array FZP 图3 PE AK 波前的传感与重构 对后放大级补偿的相位畸变不会太大,可设相位畸变幅度小于6πrad (3.0λ )。图5直观地表示出了相位畸变大小与波前重构的均方根误差σrms 、峰谷值误差σP 2V 的对应数值关系 。 Fig.4 Error of wave 2front reconstruction vs array number of FZP 图4 波前传感重构误差与波带片阵列数的变化关系曲线Fig.5 Error of wave 2front reconstruction vs variation of distorted phase 图5 波前传感重构误差与波前相位变化范围的关系曲线 从图5可以总结出以下特点:(1)波前重构误差σrms 与波前相位畸变大小相关,即随着相位畸变的增加,波前重构误差随之增加。(2)从波前重构误差的变化范围来看,波前重构误差σrms 及其变化都较小,说明波前传感与重构方法对波前相位畸变不敏感,具有稳定性。 3 结 论 针对高功率激光器前端的激光束小尺度相位畸变的波前传感与重构,本文提出基于阵列菲涅耳波带片波前分割与S outhwell 模型的波前重构的新方法,给出了其基本理论与处理方法。仿真结果表明:波前传感探测器的阵列菲涅耳波带片的子孔径数取20×20～30×30时,计算量较小;光束小尺度相位畸变波前的重构误差σrms <λ /10,满足激光系统前端激光束的探测与重构精度,并且波前传感与重构方法对光束波前相位畸变大小不敏感,具有较好的稳定性。采用计算全息方法,易于制作满足激光束小尺度相位畸变波前探测要求的阵列菲涅耳波带片。结合液晶空间光调制器高分辨率的相位调制功能,可实现对激光束小尺度畸变相位的有效补偿。 3 521 陈怀新等:采用阵列波带片前传感的激光波前重构 4521强激光与粒子束第16卷 参考文献: [1] M anassah J T.C ollapse of the tw o2dimensional spatial s oliton in a parabolic2index material[J].Opt Lett,1992,17(18):1258—1265. 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[7] 张强,姜文汉,许冰.用于Hartmann2Shack波前探测器的区域法算法研究[J].强激光与粒子束,1998,10(3),229—233.(Zhang Q,Jiang W H, Xu B.S tudy of z onal wavefront reconstruction adapting for Hartmann2Shack wavefront sens or.High Power Laser and Particle Beams,1998,18(10):229—233) [8] 陈怀新,隋展,陈祯培,等.采用液晶空间光调制器进行激光光束的空间整形[J].光学学报,2001,21(9):1107—1111.(Chen H X,Sui Z,Chen Z P,et https://www.wendangku.net/doc/368267263.html,ser beam shaping using liquid crystal spatial light m odulator.Acta Optica Sinica,2001,21(9):1107—1111) [9] 王成程,郑万国,於海武,等.4×2×3阵列式放大器参数测量系统优化设计[J].强激光与粒子束,2002,14(5):689—692.(W ang C C,Zheng W G,Y u H W,et al.Design optimization of the characters measurement system of4×2×3multi2slab2am plifier.High Power Laser and Particle Beams,2002, 14(5):689—692) W avefront reconstruction based on array Fresnel zone plates CHE N Huai2xin1, W U Bo1, S UI Zhan2, DI NGLei2 (1.School o f Electronics and Information,Sichuan Univer sity,Chengdu610064,China; 2.Research Center o f Laser Fusion,C AEP,P.O.Box9192988,Mianyang621900,China) Abstract: In high power laser system,a small size phase2distortion wavefront measure is necessary to compensate and control the wave2 front of laser beam with intermediate frequency.Array Fresnel zone plates splitting wavefront and the S outhwell m odel of zonal wavefront recon2 struction arithmetic are presented,the effect of the sub2apertures of wavefront sens or and variation range of distorted phase on wavefront recon2 struction are analyzed in detail,and a suitable number20×20～30×30of array Fresnel zone plates is given.S imulation results show the error of wavefront reconstruction with this method is small than one2tenth wavelength. K ey w ords: High power laser; Small size phase2distortion; Array Fresnel zone plates; Wavefront reconstruction 分别列举10种接触、非接触传感器种类及原理 接触式位移传感器： 1位移传感器及其原理：计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。 “莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。如图 1，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移x的函数。每当x变化一个光栅栅距W，信号就变化一个周期，信号由b点变化到b’点。由于bb’=W，故b’点的状态与b点状态完全一样，只是在相位上增加了2π。 （上海德测电子科技有限公司产品） 2螺杆式空压机压力传感器螺杆式空压机压力传感器:是工业实践中最为常用 的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压力传感器。 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石 实验3 均匀间距线列阵波束形成器 姓名：逯仁杰 班级：20120001（12级赓1班） 学号：2012011112 1.实验目的 通过本实验的学习，加深对《声纳技术》中波束形成和方位估计的概念理解，理解声纳信号处理的基本过程，为今后声纳信号处理的工作和学习建立概念、奠定坚实的基础。 2.实验原理 波束形成器的本质是一个空间滤波器。当对基阵各基元接收信号作补偿处理，使得各基元对某个特定方向上的信号能够同相相加，获得一个最大的响应输出（幅度相加）；相应的各基元对其它方向的信号非同相相加，产生一定的相消效果的响应输出（对于各基元噪声相互独立的情况时功率相加）。这就是波束形成的工作原理。 常用的波束形成方法主要有时延波束形成法和频域波束形成法。在此基础上针对不同的阵形、设计要求以及背景噪声特性下还发展了许多波束形成算法。针对不同的阵形时的波束形成方法是指依赖于阵形的特殊性（如直线阵、圆阵、体积阵等）而得到的波束形成算法：如直线阵波束形成法、圆阵波束形成法，体积阵波束形成法等。 针对不同的设计要求也衍生出多种新型的波束形成算法。当对不同的频率响应要求相同的波束宽度时有恒定束宽波束形成法，当对波束的旁瓣级有要求时可采用切比雪夫加权波束形成法。当要求对阵列误差具有宽容性响应时失配条件下的波束形成器[6,362-382]。 如果利用噪声干扰的统计特性有高分辨最小方差无畸变响应（MVDR）波束形成法，线性约束最小方差（LCMV）波束形成法，线性约束最小功率（LCMP）波束形成法，自适应波束形成法等。 但不管是何种波束形成方法，其目的均是在干扰背景下获取某个方向的信号或估计信号的方位。下面仅给出时延波束形成和相移波束形成的基本原理。 时延波束形成法（时域） 4.菲涅尔波带片 （1）偶数波带片：将波带片所在屏幕分为1001*1001个点，依次求出各点处的半波带数，为奇数则涂黑，为偶数则不涂黑表示透光。设波带片中心为原点。clear; lam=600e-6; %设置波长为600nm R=3; %设置菲涅尔波带片半径为3mm f=1000; %设置焦距1m ym=R; xm=R; y=linspace(-ym,ym,1001); x=linspace(-xm,xm,1010); %设置程序中x，y向量，将屏幕分为1001*1001个点 for m=1:1001 for n=1:1001 %设置二重循环依次求菲涅尔波带片屏幕上各点p=sqrt(x(m).^2+y(n).^2); %求各点所在圆半径 k=fix(p.^2./(lam.*f)); %求各点半波点数 if p>R %如果屏幕上点大于波带片半径 I(m,n)=0; % 则用灰色表示背景，不是波带片部分else if mod(k,2)==1 %判断半波带数奇偶，为奇数则涂黑 I(m,n)=0; else I(m,n)=1; %为偶数则不涂黑表示透光 end end end end colormap(gray(255)) N=255; %设置灰度等级 Ir=I*N; image(Ir); %绘制波带片图像 运行程序得到如下图像，为菲涅尔偶数波带片： （2）奇数波带片：将波带片所在屏幕分为1001*1001个点，依次求出各点处的半波带数，为偶数则涂黑，为奇数则不涂黑表示透光。设波带片中心为原点。clear; %设置波长为600nm lam=600e-6; %设置波长为600nm R=3; %设置菲涅尔波带片半径为3mm f=1000; %设置焦距1m ym=R; xm=R; y=linspace(-ym,ym,1001); x=linspace(-xm,xm,1010); %设置程序中x，y向量，将屏幕分为1001*1001个点 for m=1:1001 for n=1:1001 %设置二重循环依次求菲涅尔波带片屏幕上各点p=sqrt(x(m).^2+y(n).^2); %求各点所在圆半径 k=fix(p.^2./(lam.*f)); %求各点半波点数 3.5 两种特殊的波束形成技术 3.5.1协方差矩阵对角加载波束形成技术 常规波束形成算法中，在计算自适应权值时用XX R ∧ 代替其中的X X R 。由于采样快拍数是有限的，则通过估计过程得到的协方差矩阵会产生一定误差，这样会引起特征值扩散。从特征值分解方向来看，自适应波束畸变的原因是协方差矩阵的噪声特征值扩散。自适应波束可以认为是从静态波束图中减去特征向量对应的 特征波束图，即:m in 1 ()()( )()(()())N i V V iv iv V i i G Q E E Q λλθθθθθλ* =-=-∑,其中()V G θ是 是自适应波束图，()V Q θ是静态波束图，即没有来波干扰信号而只有内部白噪声时的波束状态。i λ是矩阵X X R 的特征值。()iv E θ是对应i λ的特征波束图。 由于X X R 是 Hermite 矩阵，则所有的特征值均为实数，并且其特征向量正交，特征向量对应的特征波束正交。而最优权值的求解表达其中的X X R 是通过采样数据估计得到的，当采样快拍数很少时，对协方差矩阵的估计存在误差，小特征值及对应的特征向量扰动都参与了自适应权值的计算，结果导致自适应波束整体性能的下降。鉴于项目中的阵列形式，相对的阵元数较少，采样数据比较少，很容易在估计协方差矩阵的时候产生大的扰动，导致波束的性能下降，所以采用对角加载技术来保持波束性能的稳定及降低波束的旁瓣有比较好的效果。 （1）对角加载常数λ 当采样数据很少时，自适应波束副瓣很高，SINR 性能降低。对因采样快拍数较少引起自相关矩阵估计误差而导致的波束方向图畸变，可以采用对角加载技术对采样协方差矩阵进行修正。修正后的协方差矩阵为:XX XX R R I λ∧ =+ 。 自适应旁瓣抬高的主要原因是对阵列天线噪声估计不足，造成协方差矩阵特征值分散。通过对角加载，选择合适对角加载λ ，则对于强干扰的大特征值不会受到很大影响，而与噪声相对应的小特征值加大并压缩在λ附近，于是可以得到很好的旁瓣抑制效果。对于以上介绍的通过 LCMV 准则求得的权值o p t w 经过对角加载后的最优权值为：111()(())H opt XX XX w R I A A R I A f λλ---=++ （2）广义线性组合加载技术 对角加载常数λ 来修正采样协方差矩阵，能够有效实现波束旁瓣降低的同时提高波束的稳健性。但是对加载值λ 的确定有一定难度，目前还是使用经验值较多。于是，来考虑另外一种能够有效实现协方差矩阵的修正，而且组合参数 压力传感器综述 压力传感器是在压力测量系统中，用来感应压力并将压力转换成与压力值成一定关系的电信号输出的敏感元件。根据工作原理不同压力传感器有压阻式、压电式、电容式、应变式、压磁式等类型；由于测量压力高低的不同，压力传感器有高压、中压、低压、微压和负压传感器等；由于用途不同，又有压差传感器、深度传感器、液面传感器、医用传感器以及应用在特殊场合的特种压力传感器；由于应用环境不同，又有一般型、防腐型、防高温型等压力传感器。为了输出标准直流电信号，便于计算机采集及与二次仪表规范配置，压力敏感元件可以与集成运算放大电路组成压力变送器。 1 压力传感器研究现状及发展趋势 传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，从宇宙开发到海底探秘，从生产的过程控制到现代文明生活，几乎每一项技术都离不开传感器，因此，许多国家对传感器技术的发展十分重视，如日本把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器)之一。在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。除此以外，还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。由于该技术是平面工艺与立体加工相结合，又便于集成化，所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。因此对于从事现代测量与自动控制专业的技术人员必须了解和熟识国内外压力传感器的研究现状和发展趋势。 1.1 压力传感器的发展历程 现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，而半导体传感器的发展可以分为四个阶段： (1)发明阶段(1945-1960年)：这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志。此后，半导体材料的这一特性得到较广泛应用。史密斯(CS。Smith)与1945发现了硅与锗的压阻效应，即当有外力作用于半导体材料时，其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。 (2)技术发展阶段(1960-1970年)：随着硅扩散技术的发展，技术人员在硅的(001)或(110)晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后在背面加工成凹形，形成较薄的硅弹性膜片，称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点实现了金属-硅共晶体，为商业化发展提供了可能。 (3)商业化集成加工阶段(1970-1980年)：在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术，主要有V形槽法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀，数千个硅压力膜可以同时生产，实现了集成化的工厂加工模式，成本进一步降低。 (4)微机械加工阶段(1980年-今)：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺成为可能。通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感器，其线度可以控制 CAPON 波束形成器仿真 1．实验原理 波束形成就是从传感器阵列重构源信号。（1）、通过增加期望信源的贡献来实现；（2）、通过抑制掉干扰源来实现。经典的波束形成需要观测方向(期望信源的方向)的知识。盲波束形成试图在没有期望信源方向信息的情况下进行信源的恢复。 波束形成技术的基本思想是：通过将各阵元输出进行加权求和，在一时间内将天线阵列波束“导向”到一个方向上，对期望信号得到最大输出功率的导向位置即给出DOA 估计。 虽然阵列天线的方向图是全方向的，但阵列的输出经过加权求和后，却可以被调整到阵列接收的方向增益聚集在一个方向上，相当于形成了一个”波束”。这就是波束形成的物理意义所在。 在智能天线中，波束形成是关键技术之一，是提高信噪比、增加用户容量的保证，能够成倍地提高通信系统的容量，有效地抑制各种干扰，并改善通信质量。 波束形成器的最佳权向量w 取决于阵列方向向量)(a k θ ，而在移动通信里用户的方向向量一般未知，需要估计(称之为DOA 估计)。因此，在计算波束形成的最佳权向量之前，必须在已知阵列几何结构的前提下先估计期望信号的波达方向。 Capon 波束形成器求解的优化问题可表述为 w arg min P(w)θ= 其约束条件为 1)(a w H =θ Capon 波束形成器在使噪声和干扰所贡献的功率为最小的同时，保持了期 望信号的功率不变。因此，它可以看作是一个尖锐的空间带通滤波器。最优加 权向量w 可以利用Lagrange 乘子法求解，其结果为 )(a R ?)(a )(a R ?w 1H 1CAP θθθ--= 当μ不取常数，而取作 )(a R ?)(a 11H θθμ-=时，最佳权向量就转变成Capon 波束形成器的权向量。空间谱为 )(a R ?)(a 1)(P 1-H CAP θθθ= 2．变量定义 M ：均匀线阵列数目 P ：信号源个数 nn ：快拍数 angle1、angle2、angle3：信号来波角度 u ：复高斯噪声 Ps ：信号能量 refp ：信噪比（实值） X ：接收信号 Rxx ：接收信号的相关矩阵 doa ：波达方向估计 3．仿真结果 采用上述算法进行仿真，结果如图所示。 在本仿真程序中，我们采用16个均匀线阵列，3个信号源，来波角度分别为5?、45?、20-?，信噪比均为10dB ，噪声为复高斯白噪声，快拍数1000。 由仿真结果看出，capon 波束形成器较好的给出了信号的doa 估计，但是在仿真的过程中，我们发现，capon 算法具有很大的局限性，其对扰和噪声是比较敏感的。 4．程序 clear all i=sqrt(-1); j=i; M=16; %均匀线阵列数目 P=3; %信号源数目 f0=10;f1=50;f2=100;%信号频率 nn=1000; %快拍数 菲涅尔透镜的原理及应用 （国防科大理学院光学小组第六组） [摘要] 菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。菲涅尔透镜可按照光学设计或结构进行分类。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。 [关键词] 菲涅尔透镜；原理；分类；应用；研究与发展状况 本文主要从菲涅尔透镜的历史，基本原理，分类，作用，应用以及国内外的研究与发展状况等方面完整介绍了菲涅尔透镜的相关知识。 1.简介 菲涅尔透镜 (Fresnel lens)，又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔（Augustin·Fresnel)发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。 菲涅尔透镜 菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。 2.菲涅尔透镜的历史 通过将数个独立的截面安装在一个框架上从而制作出更轻更薄的透镜，这一想法常被认为是由布封伯爵提出的。孔多塞(1743-1794)提议用单片薄玻璃来研磨出这样的透镜。而法国物理学家兼工程师菲涅尔亦对这种透镜在灯塔上的应用寄予厚望。根据史密森学会的描述，1823年，第一枚菲涅尔透镜被用在了吉伦特河口的哥杜昂灯塔（Phare de Cordouan）上；透过它发射的光线可以在20英里（32千米）以外看到。苏格兰物理学家大卫·布儒斯特爵士被看作是促使英国在灯塔中使用这种透镜的推动者。 3.菲涅尔透镜的基本原理 菲涅尔透镜的工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。 航天器环境工程第26卷增刊112 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2009年12月柔性阵列式压力传感器的发展现状简介 杨 敏，陈 洪，李明海 （中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳 621900） 摘要：文章在介绍柔性阵列式压力传感器工作原理的基础上，概述了其国内外发展现状。着重介绍了美国Tekscan公司开发的基于矩阵的传感器技术和应用实例，以及中科院合肥智能机械研究所有关柔性传感器的研究现状、产品的性能指标等。文章的工作旨在为层合结构预紧接触压力/间隙测量选择有效、可行的测量系统。 关键词：压力传感器；柔性阵列；接触压力测量 中图分类号：V416.2 文献标识码：A 1 引言 物体间接触应力的测量与分析在许多行业的研究和发展中起着极其重要的作用，接触应力的理论与试验研究也一直是工程和力学的热门课题[1]。由于接触应力的理论分析很难准确，定量地应用于实际问题也有难度, 因而研制设计一种能直接测定接触界面力学参数的装置，实时地测量2个物体在接触面上的压力和应力的分布信息具有重要的意义。 柔性阵列式压力传感器，可用于任意2个柔性或柔/刚接触面表面作用力的分布检测，一般为平面结构。它不仅具有普通阵列式传感器的优点，还具有良好的柔韧性，可以自由弯曲甚至折叠，能够方便地对复杂表面形状的零件进行检测，广泛应用于接触式测量、无损检测、机器人、生物力学等领域[2]。 2 柔性阵列式压力传感器工作原理 柔性阵列式压力传感器属于电阻式传感器，其工作原理与普通电阻式传感器基本相同。即接触力作用在力敏电阻元件上，力敏电阻元件将物理量转化为电阻变化，通过变换电路又转换为电压变化从而得到相关的力信息[3]。现以美国Tekscan公司所研制的柔性阵列式压力传感器为例，对其工作原理进行简单介绍。标准的Tekscan压力传感器由2片很薄的聚酯薄膜组成，一片薄膜的内表面铺设若干行的带状导体，另一片内表面铺设若干列的带状导体；导体本身的宽度以及行间距可以根据不同的测量需要而设计；导体外表有特殊的压敏半导体材料涂层。当2片薄膜合为一体时，大量的横向导体和纵向导体的交叉点就形成了压力感应点阵列。当外力作用到这些感应点上时，半导体的阻值会随外力的变化而成比例变化，由此来反映感应点的压力值。当压力为0时，阻值最大；压力越大，阻值越小，从而可以反映出两接触面间的压力分布情况。通过扫描和测量每一个施力单元的电阻变化，确定表面力的幅值和时间特征，使用Tekscan的配套分析软件，得到实时二维或三维图像。传感器结构见图1，测量电路见图2[4]。 图1 Tekscan传感器结构 图2 测量电路简图 龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/368267263.html, 大规模MIMO阵列波束形成 作者：阮西玥杨鑫贾曼华 来源：《科技视界》2019年第15期 【摘要】毫米波通信凭借通信容量大、传输质量高等优点被5G系统采用，并且其中的大规模天线阵列和波束形成技术已经成为5G系统中的关键组成部分。本文主要研究了毫米波通信系统中的波束形成技术。首先研究IEEE 802.15.3c标准规定的3c码本和N相位码本。并针对基于以上两种码本产生的波束旁瓣电平过高的问题，本文提出将均匀窗、二项式窗、汉明窗和高斯窗等6种常见的窗函数应用在码本矩阵中的方法，由此获得更优的波束性能。除此之外，还深入研究了3c码本和圆阵码本两种码本的训练机制。 【关键词】毫米波通信;大规模天线阵列;波束形成 中图分类号： U216.6 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）15-0004-002 DOI：10.19694/https://www.wendangku.net/doc/368267263.html,ki.issn2095-2457.2019.15.002 Large-Scale MIMO Array Beamforming RUAN Xi-yue YANG Xin JIA Man-hua （Nanjing university of aeronautics and astronautics， Nanjing Jiangsu 210000， China） 【Abstract】Millimeter wave communication is adopted by 5G systems due to its large communication capacity and high transmission quality， and its large-scale antenna array and beamforming technology have become a key component in 5G systems. This paper mainly studies the beamforming technology in millimeter wave communication systems. First， study the 3c codebook and N-phase codebook specified in the IEEE 802.15.3c standard. For the problem that the beam sidelobe level generated by the above two codebooks is too high， this paper proposes to apply six common window functions such as uniform window， binomial window， Hamming window and Gaussian window to the codebook matrix. The method in which the better beam performance is obtained. In addition， the training mechanism of the 3c codebook and the circular matrix codebook is studied in depth. 【Key words】Millimeter-wave communications;Large-scale antenna arrays;Beamforming 1 波束基本概念 Open Journal of Transportation Technologies 交通技术, 2019, 8(6), 387-392 Published Online November 2019 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/368267263.html,/journal/ojtt https://https://www.wendangku.net/doc/368267263.html,/10.12677/ojtt.2019.86047 Subway Station Passenger Flow Induction System Based on Pressure Sensor Array Pingchong Wei, Hao Li, Yangkun Dong, Yuhang Wang, Longwei Dong, Chun Wang, Yuanye Zhang School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong Received: Oct. 22nd, 2019; accepted: Nov. 1st, 2019; published: Nov. 8th, 2019 Abstract According to the research on the behavior of waiting passengers on subway platform, it is found that the distribution of waiting passengers is closely related to the location of platform entrance and exit, and passengers are more likely to stay in the entrance position. In addition, the distribu-tion of waiting passengers often does not match the passenger density of the corresponding car-riage because of the opaque information of the subway carriage. With the rapid growth of subway passenger flow, the problems of traffic congestion and waste of space-time resources become in-creasingly prominent. In order to solve the above problems, this paper proposes a method to detect the passenger density in real time by using pressure sensors arranged in array. The system first collects the passenger pressure in each compartment of the train in real time, then judges the congestion level of each compartment by establishing the model of passenger pressure and the congestion degree of the compartment, and informs the waiting passengers of the congestion de-gree in each compartment by using the guidance display screen and the indicator lamp, so as to make the waiting passengers choose the reasonable boarding position. Finally, the system realizes the effective induction of waiting passenger flow, thus alleviating the problem of waiting conges-tion and improving the efficiency of subway operation. Keywords Metro Platform, Pressure Sensor, Passenger Distribution, Passenger Flow Induction 基于压力传感器阵列的地铁站台客流诱导系统 魏平冲，李皓，董洋鲲，王雨航，董龙威，王淳，张媛烨 山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 收稿日期：2019年10月22日；录用日期：2019年11月1日；发布日期：2019年11月8日 触觉传感器 触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。按功能可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器。 触觉传感器- 触觉传感器 触觉传感器- 正文 用于机器人中模仿触觉功能的传感器。触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。触觉传感器按功能大致可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。 接触觉传感器用以判断机器人(主要指四肢)是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器。接触觉传感器有微动开关、导电橡胶、含碳海绵、碳素纤维、气动复位式装置等类型。①微动开关：由弹簧和触头构成。触头接触外界物体后离开基板，造成信号通路断开，从而测到与外界物体的接触。这种常闭式（未接触时一直接通）微动开关的优点是使用方便、结构简单，缺点是易产生机械振荡和触头易氧化。②导电橡胶式：它以导电橡胶为敏感元件。当触头接触外界物体受压后，压迫导电橡胶，使它的电阻发生改变，从而使流经导电橡胶的电流发生变化。这种传感器的缺点是由于导电橡胶的材料配方存在差异，出现的漂移和滞后特性也不一致，优点是具有柔性。③含碳海绵式：它在基板上装有海绵构成的弹性体，在海绵中按阵列布以含碳海绵。接触物体受压后,含碳海绵的电阻减小,测量流经含碳海绵电流的大小，可确定受压程度。这种传感器也可用作压力觉传感器。优点是结构简单、弹性好、使用方便。缺点是碳素分布均匀性直接影响测量结果和受压后恢复能力较差。④碳素纤维式：以碳素纤维为上表层，下表层为基板，中间装以氨基甲酸酯和金属电极。接触外界物体时碳素纤维受压与电极接触导电。优点是柔性好，可装于机械手臂曲面处，但滞后较大。⑤气动复位式：它有柔性绝缘表面，受压时变形，脱离接触时则由压缩空气作为复位的动力。与外界物体接触时其内部的弹性圆泡(铍铜箔)与下部触点接触而导电。优点是柔性好、可靠性高，但需要压缩空气源。 MVDR自适应波束形成算法研究 摘要 波束形成技术和信号空间波数谱估计是自由空间信号阵列处理的两个主要研究方面。MVDR是一种基于最大信干噪比（SINR）准则的自适应波束形成算法。MVDR算法可以自适应的使阵列输出在期望方向上功率最小同时信干噪比最大。将其应用于空间波数谱估计上可以在很大程度上提高分辨率和噪声抑制性能。本文将在深入分析MVDR算法原理的基础上，通过计算机仿真和海上试验数据处理的结果，分析了MVDR算法在高分辨率空间波数谱估计应用中的性能。同时通过比较对角加载前后的数据处理结果，分析对角加载对MVDR的改进效果。 关键词：波束形成；空间波数谱估计；MVDR；对角加载 Study of MVDR Self-adapting Beam-forming Algorism Abstract Beamforming technology and signal special beam-number spectral estimation are the two major researching emphasis in array signal processing. MVDR is a self-adapting algorism based on the maximal SINR principle. It can self-adaptingly make the array output reach maximum on the expected direction with the lowest SINR. Applying this algorism to special beam-number spectral estimation can to great extent increase the resolution and the inhibition capability. This paper makes a further analysis of MVDR algorism with the result of computer emulation and the processing of experimental data. Furthermore, this paper also shows the improvement of diagonal-loading technology to MVER algorism. Keywords: Beam-forming ；Spatial Wave-number spectral estimation；MVDR；Diagonal loading 触觉传感器 用于机器人中模仿触觉功能的传感器。触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。触觉传感器按功能大致可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。 接触觉传感器用以判断机器人(主要指四肢)是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器。接触觉传感器有微动开关、导电橡胶、含碳海绵、碳素纤维、气动复位式装置等类型。 ①微动开关：由弹簧和触头构成。触头接触外界物体后离开基板，造成信号通路断开，从而测到与外界物体的接触。这种常闭式（未接触时一直接通）微动开关的优点是使用方便、结构简单，缺点是易产生机械振荡和触头易氧化。 ②导电橡胶式：它以导电橡胶为敏感元件。当触头接触外界物体受压后，压迫导电橡胶，使它的电阻发生改变，从而使流经导电橡胶的电流发生变化。这种传感器的缺点是由于导电橡胶的材料配方存在差异，出现的漂移和滞后特性也不一致，优点是具有柔性。 ③含碳海绵式：它在基板上装有海绵构成的弹性体，在海绵中按阵列布以含碳海绵。接触物体受压后,含碳海绵的电阻减小,测量流经含碳海绵电流的大小，可确定受压程度。这种传感器也可用作压力觉传感器。优点是结构简单、弹性好、使用方便。缺点是碳素分布均匀性直接影响测量结果和受压后恢复能力较差。 ④碳素纤维式：以碳素纤维为上表层，下表层为基板，中间装以氨基甲酸酯和金属电极。接触外界物体时碳素纤维受压与电极接触导电。优点是柔性好，可装于机械手臂曲面处，但滞后较大。 ⑤气动复位式：它有柔性绝缘表面，受压时变形，脱离接触时则由压缩空气作为复位的动力。与外界物体接触时其内部的弹性圆泡(铍铜箔)与下部触点接触而导电。优点是柔性好、可靠性高，但需要压缩空气源。 第三章波束形成算法 3.1 波束形成的发展 近年来，阵列信号处理在无线通信系统中得到了广泛应用。在蜂窝移动通信中，通信信道的需求急剧增长，使提高频谱复用技术显得日益重要。这就是通常说的空分多址（SDMA）。其中一个重要部分便是波束形成。 自适应波束形成（ADBF）亦称空域滤波，是阵列处理的一个主要方面，逐步成为阵列信号处理的标志之一，其实质是通过对各阵元加权进行空域滤波，来达到增强期望信号、抑制干扰的目的；而且可以根据信号环境的变化自适应地改变各阵元的加权因子。 自从1959年Van Atta提出自适应天线这个术语以来，自适应天线发展至今已经40多年了，自适应研究的重点一直是自适应波束形成算法，而且经过前人的努力，已经总结出许多好的算法比如SMI算法，ESB算法等等。但理论与实际总是有差距的，因为实际系统存在误差，这使得实际阵列流形与理想阵列会把期望信号当干扰进行一直，造成输出信号干扰噪声比下降和副瓣电平升高，当输入信号的信噪比（SNR）较大时，这种现象尤为明显。面对误差，传统自适应波束形成算法的效果很不理想，所以，研究实际环境下稳健的自适应波束形成算法具有重要的理论意义和军事，民用应用价值。 自适应波束形成常用协方差矩阵求逆（SMI）算法，该算法具有较快的信号干扰噪声比（SINR）意义下的收敛速度。从协方差矩阵分解的角度，自适应波束形成是协方差矩阵特征值分散，小特征值对应的特征矢量扰动，并参与自适应权值计算所致。针对这一问题，基于协方差矩阵非线性处理和对角线加载波束保形方法，对协方差矩阵非线性处理的加权因子的选取只能通过经验来取得；而在不同的干扰和噪声环境下对角线加载量的选取，至今没有很好的解决方法。 文献[3]提出了利用投影算子对阵列数据进行降维处理,在一定程度上降低了运算量,同时提高了自适应波束的稳健性,其投影算子是根据目标和干扰的粗略估计,以及不完全的阵列流形知识得到的。当相关矩阵中含有期望信号时,导致输出SINR下降,波形畸变较严重,另外,当存在系统误差和背景噪声为色噪声时,该方法虽然能够减小协方差中的扰动量,但副瓣电平还会出现一定程度的升高以及主瓣发生偏离现象。文献[4～5]提出的基于特征空间(ESB)的自适应波束形成算法,其权向量是在线性约束最小方差准则(LCMV)下的最优化权,向信号相关矩阵的 机器人触觉传感器行业 传感器作为一种检测装置，通过接收被测量的信息，按一定规律变换成电信号或其他方式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化；它是实现自动检测和自动控制的首要环节。因为传感器的存在，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等器官。随着物联网技术的发展，传感器在物联网发展中所扮演的角色越来越重要，目前传感器产品需求大幅增加，并且重心逐渐转向技术含量较高的MEMS 传感器领域，MEMS 传感器的精确度决定了所收集信息的品质。物联网2017 市场规模为1.16 万亿，同比增长26%；预计物联网的高增长将带来传感器市场的行业景气，2017 年传感器销售额125.71亿元，同比增长16%；预计2018 年传感器销售额将达到133.06 亿元。 触觉传感器的主要功能 检测功能 检测功能包括对操作对象的状态、机械手与操作对象的接触状态、操作对象的物理性质进行检测。 识别功能 识别功能是在检测的基础上提取操作对象的形状、大小、刚度等特征，以进行分类和目标识别。 触觉传感器的发展历程 70 年代国外的机器人研究已成热点，但触觉技术的研究才开始且很少。当时对触觉的研究仅限于与对象的接触与否接触力大小，虽有一些好的设想但研制出的传感器少且简陋。 80 年代是机器人触觉传感技术研究、发展的快速增长期，此期间对传感器设计、原理和方法作了大量研究，主要有电阻、电容、压电、热电磁、磁电、力、光、超声和电阻应变等原理和方法。从总体上看80 年代的研究可分为传感器研制、触觉数据处理、主动触觉感知三部分，其突出特点是以传感器装置研究为中心主要面向工业自动化。 90年代对触觉传感技术的研究继续保持增长并多方向发展。按宽的分类法，有关触觉研究的文献可分为：传感技术与传感器设计、触觉图像处理、形状辨识、主动触觉感知、结构与集成。 2002年，美国科研人员在内窥镜手术的导管顶部安装触觉传感器，可检测疾病组织的刚度，根据组织柔软度施加合适的力度，保证手术操作的安全。 2008年，日本Kazuto T akashima等人设计了压电三维力触觉传感器，将其安装在机器人灵巧手指端，并建立了肝脏模拟界面，外科医生可以通过对机器人灵巧手的控制，感受肝脏病变部位的信息，进行封闭式手术。 2009年，德国菲劳恩霍夫制造技术和应用材料研究院的马库斯-梅瓦尔研制出新型触觉系统的章鱼水下机器人，可精确地感知障碍物状况，可以自动完成海底环境的勘测工作。 触觉传感器分类 机器人感知能力的技术研究中，触觉类传感器极其重要。触觉类的传感器研究有广义和狭义之分。广义的触觉包括触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等。狭义的触觉包括机械手与 机器人触觉传感器概况 姓名：徐乾荣学号：140231 1.1背景介绍 触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。 现代工业的高度自动化以及电子工业的迅猛发展，使得机器人在各领域的应用更加广泛和深入。实现机器人智能化的关键是模拟人类五官感知功能的传感器的研究设计。触觉传感技术作为实现智能机器人技术的关键因素之一，不仅仅是视觉的一种补充，它与视觉一样，都是模拟人的感觉，是实现机器人与环境直接作用的必须媒介。 1.2机器人触觉传感器国外研究现状 国外学者对机器人触觉传感技术较系统的研究开始于上世纪70年代，目前国外触觉传感技术研究已经取得很大成果。 2002年，美国科研人员在内窥镜手术的导管顶部安装触觉传感器，可检测疾病组织的刚度，根据组织柔软度施加合适的力度，保证手术操作的安全。2008年，日本Kazuto Takashima等人设计了压电三维力触觉传感器，将其安装在机器人灵巧手指端，并建立了肝脏模拟界面，外科医生可以通过对机器人灵巧手的控制，感受肝脏病变部位的信息，进行封闭式手术。2009年，德国菲劳恩霍夫制造技术和应用材料研究院的马库斯-梅瓦尔研制出新型触觉系统的章鱼水下机器人，可精确地感知障碍物状况，可以自动完成海底环境的勘测工作。 1.3机器人触觉传感器国内研究现状 国内对机器人触觉传感技术的研究起步较晚，受到客观条件的限制，在1987年国家863计划开始实施以后才加快研究步伐。在863计划的支持下，东南大学、北京理工大学，中科院合肥智能所等单位在90年代初相继开展了各有特色的研究，并取得了一定的成果。1.4触觉传感器分类 机器人感知能力的技术研究中，触觉类传感器极其重要。触觉类的传感器研究有广义和狭义之分。广义的触觉包括触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等。狭义的触觉包括机械手与对象接触面上的力感觉。从功能的角度分类，触觉传感器大致可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。 光学 赵凯华 半波带法求解圆孔衍射： 如图，设顶点与0P 的距离为b ，将波前∑分割为一系列的环形带，使之每个代的边缘点 12,,, O M M 到0P 的距离分别相差半个波长，古称之为半波带。用()()1020,, U P U P ??代表各个半波带发出的次波在0P 点产生的复振幅，由于相邻半波带贡献的复振幅中相位相差π，则 ()()()()()()()() 1131010202023030,,, j j j U P A P e U P A P e U P A P e ??π?π++?=?=?= 则0P 点合成的复振幅为， ()()()()()() () ()1 00010203001 1n n k n k A P U P U P A P A P A P A P +=== ?=-++-∑ 考虑各个波带的振幅大小，由惠更斯—菲涅尔原理可知， () k k k k A f r θ?∑∝ k ?∑是第k 个波带的面积，k r 是其到0P 的距离，()k f θ是倾斜因子。 求 k k r ?∑，如图所示，首先求球冠的面积为， ()221cos R πα∑=- 其中() () 2 22 cos 2 R R b r R R b α ++- = + 将两式进行微分得， () 2 2sin sin d R d rdr d R R b παα αα ∑= = + 则有， () () 2 /2 2 2dr rdr d R R R b d Rdr R r R b R b λ π ππλ ≈ ∑= + ∑ =≈ ++ 可见，k k r ?∑ 与k无关，由此可知， k A只随着()k fθ缓慢减小，如图所示， 则合成的振幅为， ()()1 01 1 1 2 n n A P A A + ?? =+- ?? 此时看圆孔衍射，若圆孔的孔径挡住了奇数个半波带时，屏的中心呈现暗点，挡住偶数个半波带时，屏的中心呈现亮点。 菲涅尔波带片： 首先计算半波带的半径 k ρ，令/2 k r b kλ =+，忽略2λ，可以导出， 1 k Rb k k R b ρλρ == + 可以作一块板，如图所示，(整理)分别列举10种接触、非接触传感器种类及原理
均匀间距线列阵波束形成器
matlab模拟菲涅尔波带片
波束形成
压力传感器
CAPON波束形成_Matlab程序
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