应用科学学报

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2022, 40(2): 1.

摘要 ( 1316 )

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基于数字全息显微技术的光聚合物折射率测量

李伟霞, 黄素娟, 闫成, 夏胜利, 尹伟豪

2022, 40(2): 179-189. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.001

摘要 ( 1539 )

PDF (10065KB) ( 128 )

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提出了一种基于数字全息显微技术（digital holographic microscopy，DHM）的光聚合物折射率测量方法。采用马赫-曾德尔离轴干涉系统记录光聚合物的数字全息图，用混合重建算法提取高精度的相位分布。结合光学轮廓仪测量的光聚合物的形貌分布，通过图像配准得到光聚合物的折射率分布。定量分析了光聚合物在紫外固化过程中的折射率变化，利用DHM获取光聚合物的动态相位分布，进而得到光聚合物的动态折射率分布，绘制了平均折射率随曝光时间的变化曲线。该方法可用于揭示微光学元件的光学性能，以设计高质量微光学系统。

微结构光纤分布式传感技术实现油井压裂监测

刘帅, 汪志, 王爱清, 李士建, 屠东升, 郑羽, 努尔买买提·吾买尔江

2022, 40(2): 190-203. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.002

摘要 ( 1603 )

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提出了一种使用聚酰亚胺涂敷、低羟基高纯石英玻璃微结构的散射增强型微结构光纤，用于监测和评估油井开采中水力压裂技术的过程与效果，该光纤对高温、高湿度、富氢环境有较好的耐受力。通过分布式传感系统测量了该光纤的散射增强效果，当光纤损耗为3 dB/km时，测量精度可以提高2~5倍，在实际油井压裂监测中，微结构光纤分布式传感系统数据结果显示，可以对压裂效果实现监测并进一步指导压裂和暂堵工作。

辐照对Bi/Er/La共掺有源光纤磁光特性的影响

叶乐, 文建湘, 曾嘉伟, 董艳华, 王廷云

2022, 40(2): 204-211. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.003

摘要 ( 1502 )

PDF (1263KB) ( 165 )

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针对标准单模石英光纤磁光特性弱的特点，利用改进化学气相沉积（modifiedchemical vapor deposition，MCVD）法结合原子层沉积（atomic layer deposition，ALD）技术制备了Bi/Er/La共掺有源光纤，并且用伽马射线辐照对该光纤进一步处理；搭建了光纤的费尔德常数测试系统，研究辐照前后Bi/Er/La共掺有源光纤的磁光特性。实验结果表明：在波长为1 310 nm处，Bi/Er/La共掺有源光纤的费尔德常数（1.02 rad/（T · m））比单模光纤（0.76 rad/（T · m））高约36.2%。经伽马射线辐照后，Bi/Er/La共掺有源光纤的费尔德常数随着辐照剂量的增加而增大，经3.0 kGy剂量处理后，其费尔德常数增加了54.90%，而单模光纤的费尔德常数仅增加了26.3%，且在1.0 kGy辐照处理已达到饱和。

直升机桨叶图像中圆形标记点圆心检测及修正方法

张育斌, 陈锋, 乐娟, 程起有

2022, 40(2): 212-223. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.004

摘要 ( 1604 )

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视觉测量直升机高速旋转桨叶形变常采用基于圆形标记点的测量方法，但该方法中圆形标记点具有低曝光、小目标和投影不对称等特点，极易产生标记点漏检和圆心坐标误差的问题。为减小漏检、修正圆心坐标误差，提出了一种直升机桨叶图像中圆形标记点圆心检测及修正方法。首先，提取图像中局部极值中心的像素坐标，并依据阵列排布结构滤除干扰，获得所有圆形标记点极值中心的像素坐标；其次，以各极值中心的像素坐标为圆心，与相邻极值的最小距离为直径，建立圆形ROI （region of interest）区域，在ROI区域内并行分水岭变换和最小二乘法圆拟合得到圆心；再次，采用透视变换建立该图像与垂直相机光轴的同相位桨叶图像（正面图像）的投影映射关系，再采用LM （levenberg-marquardt）优化求解投影映射矩阵；最后，将该图像转换为正面图像进行圆心检测，再将该圆心坐标逆变换得到精确圆心坐标。实验结果表明，本文检测方法准确率和精度分别达98.89%和0.191 mm，已应用于直升机高速旋转桨叶运动轨迹和形变的高精度视觉测量。

一种基于属性加权朴素贝叶斯算法的OTSU图像分割方法

马飞虎, 曾聪, 金依辰, 孙翠羽, 陈华鹏

2022, 40(2): 224-232. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.005

摘要 ( 1645 )

PDF (961KB) ( 71 )

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为了增强图像分割技术的准确性并优化图像分割技术的细节分割效果，提出了一种基于属性加权朴素贝叶斯算法的OTSU图像分割方法。将OTSU算法中依据图像灰度特征选取的图像中的前景和背景通过属性加权朴素贝叶斯算法进行分类处理，计算图像中前景和背景的概率，训练该模型以获得最佳阈值进行图像分割处理，优化图像分割的效果。利用无人机航拍采集的图像数据进行实验，结果显示基于属性加权朴素贝叶斯算法的OTSU图像分割方法优化了图像的分割效果，较完整地展示了分割后的图像细节，具有较好的应用价值。

基于全变分正则和L_2,1范数的视频去雨张量模型

卢星含, 郑钰辉, 张建伟

2022, 40(2): 233-245. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.006

摘要 ( 1512 )

PDF (8321KB) ( 140 )

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提出了一种基于全变分正则与$L_{2，1}$范数的视频去雨张量模型用于解决雨线遮挡问题。首先，对雨线成分与视频背景先验信息进行预处理，获取相应正则化条件的构建依据以增强各部分稀疏性，便于促进雨线分离。其次，考虑到视频图像存在不规则动态对象，引入全变分正则项来抑制背景强度变化，缓解雨线的误判现象。采用交替方向乘子法（alternating direction method of multipliers，ADMM）可以有效地对所提出的张量模型进行求解，并在合成数据与真实数据集上开展大量实验。结果表明，所提方法在动态背景情况下有效去除视频图像雨线的同时，保留了更多背景细节信息。与相关先进方法相比，所提方法在峰值信噪比、结构相似性和残差三种综合性能量化指标上均具有较大的优势。

基于Lorenz混沌系统的红外图像ROI加密算法

王聪丽, 平西建, 张涛

2022, 40(2): 246-252. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.007

摘要 ( 1621 )

PDF (1397KB) ( 141 )

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为了提高重点区域的监控安全性，改善图像整体加密速度慢的缺陷，立足于图像局部加密的快速处理方法设计，提出了基于图像感兴趣区域（region of interest，ROI）加密的概念。通过OSTU算法对红外图像进行ROI提取来确定加密区域；然后对Lorenz混沌序列进行数据处理确保序列的随机性，并利用处理后的Lorenz混沌序列对红外图像的ROI进行加密；最后与传统矩阵变换加密进行了详细的加密性能比较，并与其他3种加密算法进行了运算速度比较。实验结果表明，所提加密算法属于局部加密，与整体加密相比，其加密速度大幅提高，同时具有较高的密钥敏感性和较大的密钥空间。

基于多对非对称直方图修改的可逆信息隐藏

何玉芬, 汤进, 殷赵霞

2022, 40(2): 253-265. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.008

摘要 ( 1573 )

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传统基于非对称直方图修改的图像可逆信息隐藏算法存在大量像素无效修改的问题。针对此问题，提出了一种基于多对非对称预测误差直方图修改的可逆信息隐藏方案。该方案结合了非对称直方图修改算法的优势和多直方图修改算法的特点，选择图像的平滑区域进行非对称直方图修改以嵌入信息。在达到发挥非对称直方图补偿还原效应的同时，能进一步减少像素的无效修改量，提高率失真性能。

一种基于四叉树划分的改进ORB算法

倪翠, 王朋, 孙浩, 李倩

2022, 40(2): 266-278. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.009

摘要 ( 1755 )

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原ORB （oriented FAST and rotated BRIEF）算法提取的图像特征点经常出现“扎堆重叠”现象，其分布较为密集且缺乏尺度不变性，因而容易造成图像特征点误匹配的问题。为了解决该问题，提出了一种基于四叉树划分的图像特征点提取算法。首先对图像建立尺度金字塔，然后使用四叉树划分图像并限制划分深度。用加速分段测试的特征（features fromaccelerated segment test，FAST）算法通过多个检测阈值对划分后的图像进行特征点检测。检测完毕后，根据划分出的子块总数和提取的特征点总数对划分出来的各个子块设置自适应阈值，提取ORB特征点。操作完成后通过采取非极大值抑制的方法筛选最佳特征点，并使用改良后的二元鲁棒独立基本特征（binary robust independent elementary features，BRIEF）算法计算得出特征点的描述符，最后进行特征点匹配。实验结果表明，本文算法提取的图像特征点较原ORB算法提取的效果在均匀程度上得到了明显地提升，冗余重叠的特征点数量减少，且在特征点提取速度方面较原ORB算法的提取速度提高了30%以上。

小波域内循环平移操作的图像高分辨率重建算法

阿卜杜如苏力·奥斯曼, 艾力米努·阿布力江, 祖丽哈也提·艾合买提

2022, 40(2): 279-287. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.010

摘要 ( 1515 )

PDF (1088KB) ( 141 )

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为解决传统的图像插值算法因具有全局性而不能较好地处理图像边缘细节信息，且易在细节区域产生锯齿线的问题，提出了一种图像分辨率和对比度增强算法。该算法先用小波零填充算法得到高分辨率图像，并通过纠正残差过程来弥补丢失的边缘和纹理特征，然后对其进行定向循环平移操作。考虑到图像小波分解后水平、垂直、对角方向的高频分量能够反映图像这3个方向的边缘变化情况，从而利用图像不同方向的高频分量来刻画图像像素点不同方向的突变程度。根据这个突变程度来实现循环平移操作的自适应融合过程，这样可以避免过度抑制边缘细节信息。最后对重建的高分辨率图像小波分解后的高频分量使用非线性增强函数，提高图像对比度，突出边缘和轮廓信息。实验结果表明，该算法在增强图像空间分辨率和对比度的同时，保留了原图像包含的边缘和轮廓信息，不仅有较好的视觉效果，还有一定的抗噪能力。

改进Stacking算法的光伏发电功率预测

李鹏钦, 张长胜, 李英娜, 李川

2022, 40(2): 288-301. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.011

摘要 ( 1547 )

PDF (839KB) ( 106 )

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针对Stacking算法计算时间较长和样本数据较少的问题，提出了一种基于新向量表示和交叉验证精度加权的改进Stacking算法。采用三层算法结构，第1、2层为初级层，使用随机森林、SVR、XGBoost 3个学习器；第3层为次级层，使用LightGBM对第2层输出再次学习以减弱噪声。用一种新的向量表示法来增大层级之间输入输出数据的样本规模和样本分布密度，来保证数据维度不会随着初级层学习器数目的增多而增大；根据在交叉验证下初级层不同预测模型表现出预测准确度的差异性对结果进行加权处理。利用某光伏电站的发电数据进行实际算例分析，提出的模型在MAE、MSE及$R^2$指标上，相比随机森林和Stacking等模型其预测性能有很大的提升。

基于MLP&ST模型的空气质量预测

郑红, 程云辉, 胡阳生, 黄建华

2022, 40(2): 302-315. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.012

摘要 ( 1531 )

PDF (1266KB) ( 174 )

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针对目前大多数模型均为对已监测区域的空气质量进行预测，而少有对未监测区域进行预测的问题，综合考虑气象因素、空间相关性和时间依赖性对空气质量的影响，提出了一种联合训练模型MLP&ST （MLP&spatial-temporal），模拟预测北京市未监测区域未来时刻的空气质量指数（air quality index，AQI）。通过实验结果对比确定最佳历史时间步长P值为29；然后将模型与其他空气质量预测模型进行对比。实验结果表明，MLP&ST模型在3种评价指标下（RMSE，MAE，MAPE）皆优于其他对比模型，验证了所提出模型具有良好的预测效果。

DOS攻击下不确定双边遥操作系统的控制

郑凯中, 樊春霞

2022, 40(2): 316-327. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.013

摘要 ( 1448 )

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研究了存在定常时延和模型参数不确定的双边遥操作系统在受到拒绝服务攻击（denial of service，DOS）时的稳定性问题。利用位置误差结构，设计了基于事件触发的控制器，并利用自适应律估计机械臂模型中的未知参数。通过Lyapunov函数理论证明了双边遥操作系统的稳定性，并证明了基于事件触发的控制器不存在Zeno行为。通过数值仿真验证了基于事件触发的自适应控制器能够使遥操作系统在DOS攻击下保持稳定。

基于强化局部特征的3D点云分类与分割网络

陈丽芳, 魏梦如

2022, 40(2): 328-337. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.014

摘要 ( 1530 )

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在点云的处理过程中，许多深度学习网络未能充分考虑局部点之间的复杂关系，导致大量空间几何信息丢失。针对该问题，提出了一个强化局部特征的网络，用于点云的目标分类和语义分割。该网络通过设计编码单元对点的多方向信息进行编码；通过注意力机制学习采样分组后形成局部点云的特征。同时提出了一种新的多维损失函数，结合使用交叉熵损失函数与中心损失函数作用于分类任务。在数据集ModelNet40和ScanNet上进行了大量实验，结果表明：该网络在点云的目标分类和语义分割任务上表现出较好的性能。

支付视角下疫情对消费经济的影响效应

潘婧, 柴洪峰, 覃正, 孙权, 高鹏飞, 郑建宾

2022, 40(2): 338-348. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.015

摘要 ( 1422 )

PDF (627KB) ( 78 )

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新冠肺炎疫情对中国经济社会发展造成了前所未有的冲击，消费经济也受到了较大的影响。支付是与消费者最息息相关的经济活动，支付数据能够精准地捕获消费经济的特点。鉴于此，本文基于银联网络交易数据，量化了疫情对消费经济的影响，并对不同省份及行业进行了对比分析。同时，通过进一步分析疫情期间消费数据与疫情进展数据，定量揭示了疫情进展显著牵动消费信心，影响消费经济发展。若疫情得不到有效控制，复工复产则难以有效推进。本研究从支付的角度对后续疫情防控和经济全面复苏政策提出了相关建议。

基于剪枝优化的多变邻域节能调度算法

仇宾, 孙曼曼, 崔素丽

2022, 40(2): 349-360. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2022.02.016

摘要 ( 1318 )

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为了提高异构计算机系统中任务调度的节能水平，提出了融合剪枝优化的多变邻域节能调度算法。算法构建处理机约束和时间约束两个邻域结构，借助处理机约束邻域减少冗余处理机量，从而降低整体能耗；利用时间约束邻域有效缩减关键路径长度，实现了任务调度对时间的要求。提出了基于时间和能耗的剪枝优化策略，以提高局部寻优效率。通过仿真实验和实际问题求解对比可知，所提算法在不同问题规模、处理机量和通信比下，都取得了较好的节能效果。

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