《计测技术》2025年第3期目录

单光子成像技术研究进展综述

王琴^{1, 2#}，赵铎涵^{1, 2#}，曹璐^{1, 2}，许韶峰^{1, 2}，刘家宁^{1, 2}，李剑^{1, 2}

（1. 南京邮电大学量子信息技术研究所，江苏南京 210003；2. 南京邮电大学宽带无线通信与传感网教育部重点实验室，江苏南京 210003）

摘  要：介绍了单光子成像技术的基本原理，分析了单光子成像技术高灵敏度、高时间分辨力与高光子利用率的优势。阐述了单点扫描单光子成像、多像素单光子成像的技术特点，论述了其在远距离成像、水下成像、复杂环境成像等领域的应用情况。介绍了传统单光子成像算法、基于深度学习的单光子成像算法的原理，对比分析了不同算法在稀疏回波、强噪声、多峰信号条件下的应用效果。对单光子成像技术的未来发展方向进行展望，指出可通过应用创新性硬件系统、优化成像算法与跨学科技术融合等手段，进一步推动单光子成像技术向高准确性、高效率、智能化方向发展。

关键词：单光子成像；计算成像；深度学习；三维重建

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http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250301&flag=1

高通量高重频单光子激光雷达及其波形校正方法

吕林杰^{1, 2}，李端¹，米庆改²，杨扬²，张磊²，武腾飞^{2, 3}，徐立军¹

（1. 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191；2. 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095；3. 北京理工大学光电学院，北京 100081）

摘  要：为了实现单光子激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）的快速高精度探测，设计了一种高通量高重频单光子LiDAR系统，并提出了一种适用于该系统的波形校正方法。该系统通过提高光子计数率，显著减少了单像素采集时间；同时，利用波形校正方法有效解决了在高通量高重频条件下，因单光子探测器死区时间导致的多周期耦合和波形畸变问题，从而有效提升了系统对目标信号强度和深度的反演精度。系统采用近红外波段自由运行单光子探测器（死区时间1 200 ns），激光重复频率为3 MHz，单像素采集时间为1 ms。仿真和实验结果表明：该方法的距离反演精度可达4. 9 mm，信号通量反演精度为0. 16个光子。在三维成像实验中，采用50 × 50的点对点扫描方式，成像平面拟合精度达到8 mm，能够实现近距离小型无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）的高精度三维成像。为单光子LiDAR在目标探测和资源测绘等快速成像领域的应用提供了新的技术手段。

关键词：激光雷达；单光子探测；三维成像；高通量；高重频；行走误差

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利特罗型光栅干涉仪的元件定位误差分析

赵金辉，胡源*

（长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林长春 130022）

摘  要：针对利特罗型光栅干涉仪的系统误差研究缺少更深入的量化数据的问题，对元件定位精度引起的利特罗型光栅干涉仪系统误差进行了研究，即分析光栅绕x、y、z轴旋转以及反射镜绕y轴旋转时导致的额外光程差所造成的系统误差对干涉仪的位移测量影响。建立光栅及反射镜绕轴旋转时的光程差变化引起的相关误差的数学模型，进行定量分析，并通过实验验证该数学模型的准确性。结果表明：光栅及反射镜绕x、z轴旋转时不会产生额外光程差；光栅绕y轴旋转时会产生系统误差，且误差会随着光栅常数和旋转角度的增大而增大；反射镜绕y轴旋转时，只有当两反射镜的旋转角度不同时才会产生误差，且误差会随着两反射镜旋转角度的增大而增大。对整个系统进行误差合成后得到：在高装配级别下，未定系统误差为± 3.12 μm；在一般级别下，未定系统误差为± 17.75 μm。通过该实验验证了理论仿真的正确性，为利特罗型光栅干涉仪的系统优化设计提供了技术参考与理论支持。

关键词：光栅干涉仪；利特罗型；误差分析；光程差；精密位移测量

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高精度激光自聚焦控制系统的设计与实现

王江萍，赵春播，张昱，马丹妮 

（中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术全国重点实验室，北京 100095）

摘  要：在非合作目标激光测距场景中，由于非合作目标表面特性复杂多样，对激光的反射率较低，且反射光向各个方向散射，导致返回测量系统的光能量较弱。为实现在非合作目标场景下对激光回光能量的有效收集和光斑的精确聚焦，设计了一种高精度激光变焦光机及自聚焦控制系统。该系统通过优化光学结构，采用准直镜组、前端镜组、动镜组、后置镜组和补偿镜组的组合设计，实现了光束的高效聚焦和能量最大化，提升了系统在不同测距范围内的信噪比和稳定性；同时，优化了光轴稳定性设计和机械结构布局，提高了聚焦一致性。在控制方法上，引入基于图像识别的自聚焦策略，借助高分辨力相机实时捕捉目标光斑，运用图像处理技术提取光斑直径、形状、清晰度等关键特征，动态计算最优焦距调整参数，通过步进电机实现自动闭环调焦。实验结果表明：该系统在0.5 ~ 30 m的工作距离内，光斑质心偏移量不超过65 μm，满足设计要求，并且能够有效实现光斑聚焦。

关键词：非合作目标；变焦光机；自聚焦算法

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重型丝杠副行程测量仪的研制

焦圣松^1*，焦洁，高敏¹，郑凌²

（1. 北京机床研究所有限公司，北京 101500；2. 山西航天清华装备有限责任公司，山西长治 046100）

摘  要：为解决关键行业中直径100 ~ 300 mm的重型丝杠副的行程误差测量难题，基于中小型丝杠检测仪器的研发经验，创新仪器整体构型，对关键部件和测控系统进行优化，探索加工装配工艺，研制出重型丝杠副测量仪器，实现了重型丝杠导程误差和重型丝杠副行程误差的动态测量。经检测，在4 m行程内，仪器光轴分别在距丝杠中心线50 mm和150 mm附近时，最大示值误差分别为0.5 μm和1.3 μm；对于被测丝杠副样件，各项指标的最大值与最小值之差不超过P1级丝杠副相应允差的1/3。检测结果表明：该重型丝杠副行程测量仪的测量精度能满足P1级要求。该仪器的成功研制，为促进重型丝杠副、丝杠检测领域的发展起到重要作用。

关键词：测量仪器；滚珠丝杠副；行程误差；动态测量；制造技术

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法布里⁃珀罗游标光谱信号的深度学习解调

王桧¹，赵起超²，王昊琦¹，邵志强³，肖爽¹，刘彬^1*

（1. 哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨 150001；2. 上海机电工程研究所，上海 201109；3. 中国电子科技集团公司第四十九所，黑龙江哈尔滨 150028）

摘  要：为提升法布里⁃珀罗（Fabry⁃Pérot，F⁃P）传感器游标光谱信号解调的准确性，提出基于深度学习的光谱数据直接解调方法。首先对光谱数据进行预处理，将复杂的游标光谱信息转化为卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）可以处理的数据格式，然后采用深度学习模型对预处理后的完整光谱数据进行训练和测试，并利用卷积神经网络对光谱数据进行特征提取和分类，最终实现待测信号的准确解调。使用灵敏度为112.5 nm / MPa的双腔法布里⁃珀罗传感器采集光谱数据，并开展信号解调实验，结果表明：CNN模型对未知光谱进行10折（fold）交叉验证的平均准确率为92.49%，均方根 差RRMSE（Root Mean Square Error，RMSE）为0.039 2 MPa，相对误差的平均值为3.31%；卷积神经网络⁃长短期记忆（Convolutional Neural Network⁃Long Short Term Memory，CNN⁃LSTM））模型对未知光谱进行10折交叉验证的平均准确率为 96.98%，RRMSE为0. 039 0 MPa，相对误差的平均值为3.28%。基于CNN⁃LSTM模型的方法仅通过解调256个采样点的数据就实现了较高准确度，具有便捷、高效的优点，为推动光谱信号解调领域发展提供了有效的技术途径，为开发智能光学传感系统提供了重要参考。

关键词：光纤传感器；法布里⁃珀罗干涉仪；光谱解调；深度学习；游标效应

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基于PSO⁃BP的石英挠性加速度计静态模型辨识

史有志^1*，冯仁剑¹，李晓婷²

（1. 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191；2. 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京100095）

摘  要：为提升石英挠性加速度计静态模型的辨识精度，提出基于粒子群优化⁃反向传播（Particle Swarm Optimization⁃Back Propagation，PSO⁃BP）神经网络的静态模型辨识方法。通过PSO改进BP神经网络易陷入局部最优的缺陷，根据加速度计的输入和输出维度完成神经网络模型构建，利用PSO的全局搜索能力实现BP神经网络初始权重的优化。利用精密离心机开展实验，对该方法的应用效果进行验证，结果表明：与基于BP神经网络的石英挠性加速度计静态模型辨识方法相比，基于PSO⁃BP神经网络的石英挠性加速度计静态模型辨识方法具有更优的非线性系数解析能力，辨识均方误差MMSE（Mean Squared Error，MSE）降低2个数量级，为推动高精度机载惯性导航系统发展提供了技术支撑。

关键词：石英挠性加速度计；静态模型辨识；粒子群优化⁃反向传播神经网络；均方误差

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http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250307&flag=1

石墨烯涂覆锥形光纤的快速生物检测研究

刘忍，王晶晶，冯吉军*

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093）

摘  要：为响应快速、高灵敏度检测结核病抗原及新型冠状病毒蛋白的需求，研发了一种检测结核病抗原（MPT64蛋白、Ag85B蛋白）和严重急性呼吸综合症冠状病毒2 （Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2，SARS‐CoV‐2）中核衣壳（Nucleocapsid，N）蛋白的高灵敏度光学微纤传感器。该光学微纤传感器通过具有极高表面积和优异光学特性，并能显著增强锥形光纤固定能力的氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）进行涂覆；然后采用能够在体外有效捕获目标蛋白，并实现实时检测的适配体单链DNA（Single‐stranded DNA，ssDNA）对GO涂覆的锥形光纤进行修饰。采用制备好的传感器对目标物质进行检测。实验结果显示：该传感器能够在复杂样本中快速检测MPT64和Ag85B，检测时间仅为10 s，检测限（Limit of Detection，LOD）分别为4.23 × 10⁻²⁰ M和3.11 × 10⁻¹⁹ M；另外，对SARS‐CoV‐2中N蛋白的LOD为6.25 × 10⁻¹⁹ M。该光学微纤传感器具备高灵敏度和快速检测的优势，有望在诸如结核病诊断和冠状病毒检测等医学领域发挥重要的作用。

关键词：激光测距；台阶测量；电光采样；光学频率梳

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低空飞行器导航系统测试技术发展现状与趋势

樊哲，于丰源，赵剑波

（中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

摘  要：介绍了低空飞行器导航的关键技术，包括基础导航技术和综合增强技术；分析了低空飞行器导航系统测试技术的发展现状；梳理了各类导航参数的测试方法，包括位置与速度测试、航向测试、姿态测试、以及综合增强技术测试方法。指出了测试技术面临复杂场景适应性与抗干扰能力验证、标准化与监管滞后、测试成本与规模化矛盾等挑战，并呈现出智能化、标准化与全球化、场景化、低碳与可持续等走向，为低空飞行器导航系统测试技术的进一步发展提供了参考。

关键词：低空飞行器；导航系统；测试技术；综合测试；标准化

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基于卷积神经网络的压力仪表OCR系统

王晶星，陈诗琳，李一鸣，王丽*，石伟，刘芳 

（中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

摘  要：为了解决压力仪表传统人工抄表效率低、易出错且存在安全风险以及基于传感器和三维视觉的自动抄表技术适应性不足的问题，结合计算机视觉与人工智能技术，构建了融合数据采集、实时监控和数据分析功能的计量系统。通过改进快速区域卷积神经网络（Fast Region⁃Convolutional Neural Network，Fast R⁃CNN）算法，引入数据增强和轻量化特征提取网络，提高复杂环境下的仪表定位准确度；在DeepLabv3+模型中融合通道注意力机制与空间注意力机制，结合混合损失函数，提升字符分割效率。实验表明：改进算法在复杂工业环境中的仪表表盘定位平均准确度达84%，字符分割平均交并比为78.6%，单次计量耗时较人工抄表缩短85%，验证了系统的高效性与强适应性。本研究为工业设备智能监测提供了可扩展的技术框架，对推动计量数字化、智能化具有实践价值。

关键词：光学字符识别；设备现场计量；深度学习；仪表定位；字符分割

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相干多普勒测风激光雷达校准方法研究

陈朝勇，魏瑗瑗*，邢帅，佟梓慷，武腾飞 

（中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

摘  要：针对相干多普勒测风激光雷达需要校准的参数多、涉及计量专业多、校准方法不全的问题，充分考虑激光测风非接触、高时空分辨、大探测量程的特性，采用“特征分析⁃多手段融合”的方法体系，突破了风速、风向、最大测量距离、探测盲区等争议性参数的量化评价难点。分析定标转盘、射频信号模拟多普勒频移、标准风速仪3种不同风速校准方法的优缺点和适用条件，并对定标转盘风速校准法进行改进，提升风速参数校准的数据可靠性。针对风向校准难题，辩证性地给出了不同扫描模式下的校准方法，提升校准普适性。基于具体测量案例给出了风速、风向的校准结果，并对风速、风向参数进行不确定度分析，有效地说明了校准方法的可行性。研究成果为气象观测、航空安全、新能源等领域的风场精准探测提供了标准化技术支撑，对于推动大气遥感计量技术发展具有积极意义。

关键词：相干多普勒探测；测风激光雷达；特征分析；多手段融合；校准方法；不确定度分析

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http://www.jicejishu.net/jcjs/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20250311&flag=1

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