光学信息处理技术范文
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篇1
doi:10.11772/j.issn.10019081.2013.07.1973
摘 要:
为补偿光学4f系统灰度误差，提出基于直方图匹配和径向基函数(RBF)神经网络的灰度误差补偿方法。首先利用径向基函数神经网络拟合经光学4f系统输出图像的直方图与对应输入图像的直方图之间的非线性变换，得到输出图像与输入图像的直方图匹配变换曲线的最优估计；再依据直方图匹配曲线的最优估计对经光学4f系统的输出图像进行直方图匹配，得到灰度误差补偿后的图像。利用实际的光学4f系统进行光学实验，灰度误差补偿后图像的信噪比平均提高了2.96dB，视觉效果明显改善。实验结果表明，该方法能有效补偿光学4f系统灰度误差，提高基于光学4f系统的光学信息处理的精度。
关键词:光学4f系统；灰度误差；径向基函数神经网络；直方图匹配
中图分类号: TN911.74文献标志码:A
英文标题
Implementation of gray level error conpensation for optical 4f system
英文作者名
HAN Liang*, JIANG Ziqi, PU Xiujuan
英文地址(
College of Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China英文摘要)
Abstract:
To compensate the gray level error in optical 4f system, a method for gray level error compensation based on histogram matching and Radial Basis Function (RBF) neural network was proposed. The nonlinear transformation of histogram between input and output images in optical 4fSystem was fitted by RBF neural network, then the optimal estimation of curve for histogram matching between input and output images was obtained. The gray level error compensation image was obtained by utilizing histogram matching according to the optimal estimation of curve for histogram matching. The average Peak SignaltoNoise Ratio (PSNR) gain achieved was 2.96dB and the visual effect of images processed was improved by utilizing the proposed method in actual optical 4f system. The experimental results show the gray level error in optical 4f system can be compensated effectively and the precision of optical information processing was improved by the proposed method.
To compensate the gray level error in optical 4f system, one method for gray level error compensation based on histogram matching and Radial Basis Function (RBF) neural network is proposed. The nonlinear transformation of histogram between input and output images in optical 4f System is fitted by RBF neural network, then the optimal estimation of curve for histogram matching between input and output images is obtained. The gray level error compensation image is obtained utilizing histogram matching according to the optimal estimation of curve for histogram matching. The averagely PSNR gain achieved is 2.96 dB and the visual effect of images processed is improved utilizing the proposed method in actual optical 4f system. The experimental results show the gray level error in optical 4f system can be compensated effectively and the precision on optical information processing is improved by the proposed method.
英文关键词Key words: optical 4f system; gray level error; Radial Basis Function (RBF) neural network; histogram matching
0 引言
篇2
关键词：高等农业院校，光电类课程，教学
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）04-0221-02
一、引言
针对光电技术在农业机械化工程及农村信息化工程技术中的应用覆盖范围日益扩大，但新能源人才缺口越来越大的现状，如何在高等农业院校中开展和普及光电技术的应用课程已经成为众多农业院校相关本科专业的新课程开设热点。例如，中国农业大学工学院的测控技术与仪器专业开设了光电技术原理、光电检测技术等必修课；华南农业大学工程学院电子科学与技术专业开设了光电类综合课程，另外，农业机械化及其自动化专业增设了光电子技术的必修课，其能源与环境系统工程专业开设了光伏科学技术的必选课；南京农业大学工学院电子科学与技术专业开设了光学信息处理必修课。为了提高光电类课程的教学质量，改进教学效果，提高学生分析和解决实际问题的能力，培养适应现代农业科学技术发展要求的高质量专业人才，同时，针对这些专业的面向农业特点以及课程组本科课堂教学实践的效果，课程组就如何在农业院校开展光电课程的课堂教学，提高课程教学质量方面进行了改革实践。
二、课程教学改革
针对面向农业类的特点，相比普通高校的光电类课程，农业院校光电类课程在教学内容、课堂教学组织以及实践教学方面都应有较大改动，充分体现课程在农业方向上的相关性和实用性。
1.教学内容的改革。现有的光电类课程包括《光电子技术》、《光电子器件》、《光电测试技术》、《光电显示技术》、《光电图像处理》、《光学信息处理》、《光伏科学技术》等。这些课程要求学生有一定的光学基础和电学基础，农业工程专业的学生在光学基础方面比较欠缺，课程架构中缺乏相应的前续课程。相比普通高校的光电类课程，农业院校开设光电类课程在教学内容中，首先一定要增大光学基础部分的讲授，同时，针对光学基础较弱的特点，侧重实用方向的重点和基础理论，避开偏向推导的公式运算，重点讲授公式的适用范围，同时，增加农业机械中光电设计的相关实例，帮助学生理解如何应用所学光学理论。其次，农业院校开设光电类课程的教学内容可以按照农业应用范围分为四大模块进行讲授，包括：光电检测系统、光电图像处理、光伏科学技术和光谱信息处理。光电检测系统侧重于光电直接测试系统的架构和设计；光电图像处理面向CCD和CMOS检测的信号的处理及分析；光伏太阳能发电则基于现有太阳能电池的选择和系统设计；光谱信息处理针对红外光谱在农业上的广泛应用，讲授如何处理不同状态下的红外光谱。课程组的老师针对这四方面对课程教学内容进行相应调整，确立基础及重点理论，选择适合的教材，挑选适当的实例，设计合理的思考题和作业题，引入对口的设计软件等，从而方便学生根据自己的兴趣选择部分模块做深入学习。
2.课堂教学的组织。课题组老师目前的课堂教学主要包含课堂理论教学以及课堂讨论教学两种形式，前者以实用性为教学目标，后者则以启发性为教学目标。①把握基础和重点内容做好课堂理论教学。首先，在四大模块中必有的基础光学内容，这部分内容从辐射度学和光度学的物理量的相互关系展开，教学中增加农业中常用光源的光学量的计算，教会学生如何阅读光学器件的性能参数图表，并根据这些光学参数，选择合适的光源。另外，讲授农业中常用光源，如LED和LD的发光特点以及如何选用合适的光源。最后，讲授光电检测器件的检测原理，并根据相应的光电转换公式选择合适的后续处理电路得到相应的电学物理量（电流或电压）。其次，根据农业院校光电类课程的四大模块的不同特点，确立每个模块的相应核心并围绕核心做好理论讲授，避开偏向推导的公式运算，重点讲授公式的表达意义及适用范围。光电直接测试系统设计适用于农业机械设计和小型农业传感器设计，其核心在于根据适用环境确定测试的对象的物理量，研究对象的农业特性对应的光学特性，找出两者的基本对应关系，选择适合的光电器件，加上相应的工作条件（主要包括电学条件和外界条件），设计出相应电路。光电图像处理面向农产品质量的无损检测以及农业的实时检测，其核心原理在于数字图像处理中取样（量化）、编码、灰度化和二值化、调整对比度、图像平滑度处理、图像增强和图像滤波的算法讲解。光伏太阳能发电可应用在农业灌溉系统以及智能化大棚和温室的能源系统，其核心知识在于根据现有太阳能阵列，根据产生的电能要求，计算出太阳能电池的数量及排列方式，从而选择或设计相应的充放电控制装置将太阳能转化为电能从而为蓄电池充电。光谱信息处理适用于农学信息的获取、作物长势评估、农业灾害监测和农业管理等领域，学习如何分析确定研究所需数据及其类型，设计光谱采集方案，分析并提取目标特征光谱、选择合适的算法对目标光谱进行预处理，建立定量化分析模型、最终对识别效果进行评价，确立模型适用条件和精度。四大模块中的理论知识各有侧重，相互之间没有较大关联，因此，在课堂教学组织中从各自的侧重点和实用性出发，讲解包括选用适合的硬件器件以及数据处理软件的使用。②根据实例组织课堂分析和讨论。首先，教师在实例选择中，应选择具有典型性和指导性的实例，每个实例都应有启发迁移作用，不同实例之间应各有侧重点。另外，教师要结合学生的知识结构，设计引导和启发问题，针对难点问题设计出讨论题目。其次，教师要组织好分析和讨论的环节，获取有效的信息反馈，发现学生学习中的难点问题。按照课前计划，以专题的形式引入讨论的题目，根据学生的课堂反应，给予适当的引导和启发，最好展示学生需要讨论的题目。较好的课堂讨论形式是将学生分成大组，每一组设计不同的实例，同时讨论交流。在给定讨论时间结束后，随即抽取学生代表其所在组回答题目，同时，给相应的点评和补充，并引导出此实例的适用条件和不适用条件。通过设计、引导和讨论，理论知识得到进一步的补充，并能很好地提高学生的学习兴趣，取得较好的教学效果。
3.实践教学的补充。目前，光电类课程在农业类学科课程中所占比例还较低，传统的课程实践时间分配较少，部分院校甚至没有对应的实践安排。解决理论学习远超过实践学习的现状，笔者提出以下解决方法。①邀请在校学生做相关专题讲座，这些学生都是参加过历次光电竞赛或电子设计大赛（光电类）项目的获奖者或优胜者。采用这种形式的实践活动，极大地增强学生的设计自信心，并能从实践中得到更多切实指导。②利用校内开放式专业实验室，开放式实验室不仅为学生们提供更多的实践机会，让学生更好地掌握和巩固专业知识，提高其动手能力和创新实践能力；同时也可充分发挥广大教师的能动作用，和学生一同探究课题，解决理论学习中的问题，增强教师的教学效能感。③参加高校或省内的面向本科生的实践类项目。例如，笔者所在的华南农业大学开展了面向优秀大学本科生的“红满堂计划”，大学生创新实验计划项目以及广东省开展了广东省高等学校大学生创新实验项目。从实验项目选题开始，学生将查找大量的相关文献，自行设计构想出项目基本方案；方案确立的过程实际上也是自我学习和突破的过程，同时，这种形式需要有相应辅导老师作为指导老师，结合指导老师的研究课题，就有很强的实用性，并能为下一步科学研究奠定基础，同时，为将来的科研工作储备了人才。
三、结束语
经过实践和听取学生的课下反映以及课堂评估成绩表，本文认真总结出在农业院校的农业相关专业开展光电类课程的教学应该在确保光学理论基础的情况下加强针对性的模块教学，以相关性和实用性为教学目标，课堂讲授结合理论讲授和实例讨论两部分，鼓励学生参与实践类项目，可以使大多数同学克服专业跨度较大的难题，从而较大程度地提高学生的学习兴趣并获得良好的教学效果。
参考文献：
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篇3
【关键词】电流互感器;OCT;继电保护
在电力系统中，对电力设备的运行情况进行监视和测量是保证各种电气设备的安全和有效运行的前提。电磁式电流互感器由于其简单的构造，稳定的运行，较低的成本，在电力系统中应用较广泛。但是，传统的电流互感器由于其工作原理的限制无法满足电力系统大容量和高电压的要求。
为了满足电力系统的发展提出的最新要求，新型的电流互感器的发展就变得格外重要，其中光学电流互感器（Optical Current Transducer，简称OCT）由于其独特的工作原理和良好的通讯能力逐渐的在电力系统中崭露头角。
1.OCT的基本原理
光学电流传感原理是基于法拉利磁光原理。由于电流在传输的过程中会在导线周围产生交变的磁场，通过对磁场强度的测量然后对其线积分就可得到电流的大小。根据法拉利磁光效应，线偏振光在与其传播方向平行的外界磁场的作用下通过晶体或光学玻璃时，其偏振面将发生偏转，偏转角H为：
其中，L是磁光材料的磁导率;V为磁光材料的Verdet常数;H磁光材料周围的磁场强度;L为通过磁光材料的偏振光的光程长度。当偏振光围绕i形成回路时，通过计算就可得出电流的大小。
其中，N为线偏振光围绕i的环路数。
2.光学电流互感器的构成
OCT数字信号处理单元先将光学电流传感器采样的模拟信号经光纤传输到DSP系统处理，最后传到继电保护单元，再判断是否有保护动作。由于光纤传输可以绝缘高低压系统和实现采样数据由高压向低压的高速传输，所以节约了大量的绝缘设备并且让高速数字信号处理器实现了信息处理的实时性，保护动作更加迅速和精确。
为了能与传统的模拟接口兼容，光学电流互感器需要一个模拟量输出接口。本文选用TMS320C32数字信号处理芯片。该芯片最高主频为O.1MHz，可实现16为采集信号的输入和输出;具有双路异步串行通讯功能和看门狗电路为未来硬件和软件的升级提供有效的支持;有较高的稳定性，能在恶劣环境下稳定工作。
在低压端安装功率放大器就可得到额定的电流和功率。同时要保证输出电流的相位、幅值等性质与传统电流互感器一样。这样，光学电流互感器系统可以实现与传统的电流互感器和电压互感器以及其他模拟仪表和装置的无缝连接。使得现场总线技术可以经由光学电流互感器实现点对点和多个点对点的高效通讯，大大的简化了复杂的二次接线，实现了信息的共享。
3.光学电流互感器与继电保护装置的连接
光传感头将检测的电流信号经过光纤传输系统传输到信号处理单元，再由信息合并单元将信息合并后，由主从中央处理器处理后送到各个终端。
传统的电磁互感器只能输出5A或1A的模拟量电流，由于现代的电力系统的微机保护系统需要数字信号的输入，传统的电磁互感器需要经过复杂的电路进行模数转换才能提供有效的信号给保护装置。这种复杂的二次接线不但降低了信号的精度而且使得微机保护的可靠性降低。
而拥有数字信号处理单元的光学电流互感器可以提供多种数字信号给控制单元，简化了电路，提高了检测、计量和控制系统的精确度和可靠性，减少了系统故障的误报警。与此同时，使得二次设备集成化，将改变电力保护设备的整体构造和保护方式。
（1）光接收模块
光接收模块实现光电信号的转换，将由光信号传感器传输来的信号转换为电信号，该模块可以处理6通道的信号，最后将信号传输到信号处理单元。光接收模块的技术要求主要是信号幅值的变化时间和时钟精度以及脉冲宽度失真的大小。
（2）中央处理单元
中央处理单元对传输来的信号进行处理和判断并发出控制信号，在整个继电保护系统中起到核心作用。为了保障处理信号的高效和稳定，该单元采用双中央处理器，其中主处理器采用具有以太网接口的MCF5272处理器。由于拥有以太网接口和较高容量的缓冲区，处理器可以接受完整的采样信号不会出现信号丢失的情况，从而实现高速的信号运算和控制信号传输的实时性，大大提高了继电保护系统的稳定性和可靠性。
从CPU采用型号为80C196KC的处理器，实现人机接口和通讯的任务和其他辅助的功能为未来模块的升级留有空间。双口RAM模块实现两个CPU之间数据的交换。
4.总结
由于光学电流互感器不存在饱和问题，杜绝了传统电磁式电流互感器经常出现的误动作。另外，光学电流互感器采用的高速的数字信号处理器和光学传感器提高了信息处理的精度。可以预见，光学电流互感器将在电力系统中得到广泛的应用。
参考文献
[1]李炜.基于自适应技术的组合式光学电流互感器的研究：（硕士学位论文）.北京：华北电力大学，2002.
篇4
中图分类号:TN919-34文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)18-0106-04
Design of Astronomical Image Acquisition and Processing System Based on USB
QI Rui, HAN Jian-tao, CHEN Zeng-ping
(ATR Key Lab, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
Abstract: Aiming at the real-time processing requirement of one detecting system for space targets, a high resolution astronomical image acquisition and real-time processing system based on USB 2.0 is designed combining with the interface form of CCD camera. Firstly it thoroughly analyzes the USB 2.0 protocol and realizes the data interface. Then a project of reconfigurable real-time processor based on DSP+FPGA is put forward combining with the flow of dim small target algorithm. The testing results show that the design can realize effective detection of dim small target with low SNR. Furthermore the real-time requirement is satisfied.Keywords: USB 2.0; high-resolution; astronomical image; data acquisition; real-time processing
0 引 言
电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)分为3个等级:商业级、工程级和科学级。3个级别的要求┮患丢比一级高。科学级CCD以其高光子转换效率、宽频谱响应、良好的线性度和宽动态范围等优点被广泛用于天文观测[1]。短短十几年来,各大天文台的主要望远镜均将CCD系统作为主探测器,CCD通常已成为天文观测必不可少的后端设备。而针对于空间目标监视的天文探测系统中,由于目标运动角速度快,要求尽可能快的检测到复杂背景中的弱小运动目标,这对高分辨天文图像的实时获取与实时处理提出了更高的要求。随着接口技术的发展,目前科学级CCD相机接口有Camlink、Ethernet、USB、1394等数据接口。而USB[2]接口是近几年来发展较快的接口技术之一。
由于利用通用计算机进行USB数据传输占用计算机的CPU资源,所以随着CCD像素数及相机帧频的增加,使用通用计算机进行数据获取并利用其进行数据处理已经无法满足探测系统的实时性能要求。本文结合实际光电探测系统的实时性要求及其所采用的USB接口高分辨CCD相机,在深入剖析USB 2.0协议的基础上,依据复杂背景下弱小目标的检测流程,设计并实现了基于USB 2.0的高分辨天文图像实时获取与处理系统。下面分别介绍该实时获取与处理系统的总体结构、硬件设计、DSP算法实现及系统性能测试。
1 系统总体结构与功能
系统由大视场光学系统、科学级CCD相机、实时信息处理分系统、主控计算机、望远镜电机控制分系统、时统几大部分组成。其中,实时信息处理分系统通过USB 2.0接口与CCD相机连接,通过该接口实现相机的控制,如初始化、制冷、曝光等操作,同时通过该接口实现相机图像数据的获取,获取的图像数据在实时信息处理分系统中进行处理,把图像处理结果(弱小目标的检测结果)通过CPCI接口发送至主控计算机进行后续的处理。系统总体框图如图1所示。
系统整个工作流程规划为3个阶段:
(1) 系统准备阶段:各个分系统加电,初始化,故障自检。
(2) 目标检测阶段:本文所基于的观测系统没有伺服系统,根据地球的自转来对空域进行扫描。由于光学视场大,一般来说目标从进入视场到出视场需要10～20 s,实时信息采集与处理系统连续获取图像并进行实时处理,检测到复杂背景中的弱小运动目标及恒星目标,把检测结果传入主控计算机。
(3) 目标后续处理阶段:在系统检测到目标后,根据获取的时间信息、光学望远镜指向信息、测站地理位置、目标检测结果及星表数据来计算目标的天球坐标,进而进行定轨和编目等处理。
系统选用CPCI工业控制计算机为主机,实时信息处理分系统与主机之间通过高速CPCI总线进行通信,而实时信息处理分系统通过高速USB 2.0接口实现与CCD相机之间的通信与数据传输。
图1 系统总体结构
2 实时信息处理分系统硬件设计
实时信息处理机硬件平台是本系统的关键部分,它实现对高分辨天文图像数据的获取,并对图像中的目标进行实时检测,并将目标质心检测结果信息等传递给主机以进行后续的目标天文定位。由于实时信息采集与处理分系统的设计是针对该系统的,在设计之初必须研究系统所采用算法的流程及结构,分析其需要的运算量,在此基础上才能设计出高效、稳定且具有针对性的实时处理硬件平台。首先介绍该系统所采用的算法流程。
2.1 弱小目标检测算法流程
包含空间目标的CCD图像序列f(i, j, k)可以描述为:
f(i,j,k)=fT(i,j,k)+fS(i,j,k)+fB(i,j,k)+
n(i,j,k)(1)
式中:f(i, j, k)为像素点(i, j)的总灰度值;fT(i, j, k)为空间目标;fS(i, j, k)为恒星目标;fB(i, j, k)为背景图像;n(i, j, k)为噪声图像;k为图像序列中的帧序号。
空间目标fT(i, j, k)与恒星目标fS(i, j, k) 成像相似,在空域上均体现为单帧图像上灰度的局部奇异性,为一孤立的亮斑,两者的区别在于时域上恒星目标表现为相对静止,而空间目标表现为明显的运动特性。背景fB(i, j, k)具有时空域双重平稳性和时空域双重强相关性[3],占据了场景图像频率中的低频部分。噪声n(i, j, k)是CCD传感器及读出电路等产生的各类噪声的总和,噪声与背景像素和目标像素都不相关,它在空间分布是随机的,各帧之间的空间分布没有相关性。
基于上述分析,该系统采用一种基于时空域联合滤波的天文光电图像序列弱小目标实时检测算法,流程如图2所示。图像序列首先在空域背景抑制、噪声平滑、拖尾去除、目标增强;然后在时域上,根据恒星目标多帧之间相对静止的性质通过两帧相关对其进行检测,而对于空间目标,根据多帧之间目标的运动特性通过改进的三帧差分方法检测目标。最后再根据目标的统计信息,如位置、大小、亮度、信噪比等信息剔除虚假目标,空间目标还可以通过运动航迹的连续性和规则性,建立目标运动航迹,根据航迹预测来检测目标。
图2 天文光电图像序列弱小目标实时检测算法流程
2.2 实时信息处理分系统结构设计
CCD天文图像大小为2 048×2 048,帧频为1～5 f/s,其数据量大且图像处理算法运算量大,而系统对实时性的要求高,以上这些特点对硬件平台的设计提出了很高的要求。
国内外一些同行在实时图像处理机的设计中采用了DSP阵列结构[4-5],用多块DSP协同工作来提高处理机的实时处理能力。鉴于本文所涉及的目标实时信息获取与处理系统的目标检测要求,在对各方面因素进行综合考虑的基础上,结合处理算法的动态可变和可重构特点,根据上文目标检测算法的流程设计了基于2片DSP+FPGA的实时信息处理机硬件平台,发挥DSP和FPGA各自的优势,合理划分处理任务,使得效率和灵活性得到充分提高。
其结构框图如图3所示。
图3 实时信息处理机结构图
2.3 嵌入式USB 2.0主机控制器设计
在本系统中,USB 2.0接口是实时信息处理分系统与CCD相机的通信及数据接口,数据获取的速度取决于USB传输的速度,由于实时信息采集与处理分系统直接与CCD相机连接,不能使用相机厂商提供的相机驱动程序进行相机控制及数据获取,必须在实时信息处理机上实现嵌入式USB 2.0主机控制器的设计,同时根据相机控制协议完成对相机的控制及数据传输。
Philips公司ISP1760/1是目前业界惟一一款支持增强型主机控制器接口(enhanced host controller interface,EHCI)标准的主控芯片,主要由CPU接口、中断控制、USB SIE 、SRAM、从DMA控制器和根集线器等模块组成,具体各项性能可参加该主控芯片资料,这里不再详述。
本系统选择ISP1760直接与FPGA连接,通过FPGA内部PowPC[6]完成对USB 2.0主控制器内部寄存器和内部传输描述符PTD的配置,设置每次传输的传输类型、令牌包类型、传输方向、数据包大小、数据切换位、内存缓冲区位置、完成状态和传输描述符访问的设备端点及地址。
ISP1760硬件通过内部的EHCI操作寄存器和性能寄存器将要处理的传输链接到周期性数据帧列表和异步数据帧列表上,根据列表执行相应的传输,传输完成后根据中断控制寄存器的设置向FPGA递交中断,FPGA通过中断来处理已经完成的传输结果并设置新的传输。
2.4 CCD图像数据获取
本系统对CCD大批量数据读取是采用从DMA传输模式,ISP1760内置从DMA控制器使得FPGA可以直接搬移ISP1760内部60 KB的数据区的大容量数据。FPGA可通过设置ISP1760内部DMA控制寄存器读写类型、数据突发长度、传输数据长度和内存数据缓冲地址控制从DMA控制器传输数据,将ISP1760内存数据区域划分为2个24 KB的空间,分别用于异步PTD1和异步PTD2数据传输的存放,从DMA控制器乒乓式切换传输地址将相应数据缓存区的数据通过DMA传输到FPGA进行实时处理,如图4所示。
图4 从DMA传输设计
图像数据获取时传输速度高达42 MB/s,满足系统对CCD相机数据获取的要求。
2.5 DSP算法实现
DSP主要完成对图像的预处理以及后续的目标检测工作,由于图像背景复杂,而弱小目标一般信噪比很低,为此必须对图像进行有效的空域、时域背景抑制,并融合时空域背景抑制的结果来提高目标信噪比,从而提高目标的检测概率。在本系统中空域背景滤波[7]根据目标不同可选用数学形态学滤波、基于M估计[8]的自适应背景抑制等滤波方法。基于光学系统指向固定的特点,时域背景滤波[9]采用经典的帧间差方法来有效的检测弱小运动目标。其流程图如上文中的图2所示。DSP的软件结合C语言和汇编语言进行编写,使程序的效率和优化结果达到最佳,在开发过程中根据算法和硬件资源的关系以及数据的相关性最大限度提高操作并行度。
3 测试结果
实际探测系统采用的相机分辨率为2K×2K,帧频为1 Hz,所以系统的实时性要求为:信息采集与处理系统必须在1 s时间内完成8 MB图像数据的采集、自适应背景抑制及弱小目标检测。根据上述指标、结合上文实时处理系统设计方案,本文实现了基于CPCI的实时信息处理机,其实物图如图5所示。
图5 实时信息采集与处理机实物图
该处理机上采用嵌入式USB主控接口实现了对相机的有效控制和数据获取,数据速率可达42 MB/s,满足了系统对于数据获取的实时性要求。一个工业控制计算机中可内置4~6个该处理机,同时完成对4~6个相机的控制和数据获取。
为测试该实时信息处理机的性能,本文采用实测的分辨率为2k×2k的天文图像数据对系统进行了测试,同时利用相同的算法在配置为2 GB内存,intel(R)Core(TM)2Quad CPU,2.50 GHz的计算机上进行测试,测试结果如表1所示。
经过优化后的代码在实时处理机上所耗费的时间远小于PC机,且满足了实际探测系统对数据获取与处理实时性的要求。
表1 图像数据处理算法处理速度比较
PC机实时处理机
预处理725 ms
恒星检测224 ms70 ms
单帧检测方法>1 s210 ms
快速空间目标检测246 ms85 ms
4 结 语
本文针对高分辨天文CCD图像的实时获取与处理需求,设计并实现了基于USB 2.0的高速相机接口及基于双DSP+FPGA的实时处理机,该设计充分利用FPGA灵活、可编程特性和DSP在实现复杂运算方面的高速、程序动态可加载特性,使得该结构具有高速、灵活和可重构等优点,测试结果表明,该处理机的数据获取速度及处理速度满足天文观测系统要求,并优于同时期的高性能计算机,满足了实际探测系统对数据获取与处理的实时性要求。
参考文献
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篇5
北京工业大学2015年硕士研究生拟招生学科目录
院（所）、学科代码、名称 学科方向 招生人数 考试科目 备注 001 机械工程与应用电子技术学院 223 0801 力学 _ 01动力学与控制 _ 02固体力学 _ 03流体力学 _ 04工程力学 27 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④811理论力学或812材料力学I 080200 机械工程 _ 01数字化设计与制造技术 _ 02精密数控加工与自动化装备 _ 03现代焊接技术与自动化装备 _ 04机电系统控制及自动化 _ 05机构及机器人系统分析与控制 _ 06机械及微机电系统结构设计 78 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④811理论力学或812材料力学I或813电工学 0804 仪器科学与技术 _ 01精密测试技术与仪器 _ 02现代测控技术及方法 _ 03计算机测试与控制技术 _ 04智能仪器与虚拟仪器技术 23 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④803电子技术I或812材料力学I或813电工学 085201 机械工程（专业学位） _01数字化设计与制造及装备 _02现代机械系统设计 _03机电液一体化设计与制造 _04现代测控技术与仪器 _05高端装备强度与动态分析 95 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④809工程力学或813电工学 002 电子信息与控制工程学院 232 0809 电子科学与技术 _ 01信号处理与电路 _ 02数字多媒体信息技术 _ 03信息光电子学与光通信 _ 04超大规模集成电路设计与系统集成 _ 05电子器件、射频和功率集成电路及可靠性 58 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④822信号与系统或823半导体物理 1、01-02方向选822； 2、03-05方向选823。 0810 信息与通信工程 _ 01语音与音频信号处理 _ 02多媒体通信技术 _ 03信号处理理论与通信技术 _ 04图像与视频信号处理 30 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④822信号与系统 0811 控制科学与工程 _ 01自动控制理论及其应用 _ 02测控技术与自动化系统 _ 03智能系统与智能信息处理 _ 04信息融合与自主导航 _ 05计算机控制技术及其应用 63 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④821自动控制原理 085208 电子与通信工程（专业学位） _ 01信号与信息处理及其应用技术 _ 02图像处理与模式识别技术 _ 03多媒体通信技术 _ 04无线通信技术 _ 05嵌入式系统技术 35 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④822信号与系统 085210 控制工程（专业学位） _ 01工业过程的建模、控制与优化 _ 02系统工程（系统优化与决策） _ 03信息管理系统 _04生产过程综合自动化 _ 05智能控制与智能系统 30 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④821自动控制原理 085209 集成电路工程（专业学位） _ 01集成电路设计 _02集成电路制备工艺及相关技术研究 _03微电子器件检测与可靠性评价技术 16 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④823半导体物理 004 建筑工程学院 246 0814 土木工程 _01工程抗震减震与城市综合防灾减灾理论、方法和技术 _02结构新体系与高性能材料 _03结构全寿命设计、健康监测与可持续发展 _04岩土与地下工程安全风险分析、评价方法和技术 _05工程施工技术与风险管理 _06水环境恢复工程及水质处理保障技术 _07建筑环境控制及能源利用技术 119 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③301数学一 ④841结构力学 或833土力学与地基基础 或843钢筋混凝土结构 或 845水分析化学与水力学；或846传热学Ⅰ或867流体力学Ⅱ 1、土木工程（含工民建、道桥等）或相近专业考生报考方向可选01～05，考试科目可选841或833或843； 2、给排水或相近专业考生报考方向可选06，考试科目可选845； 3、暖通或相近专业考生报考方向可选07，考试科目应选846或867。 0823 交通运输工程 _ 01道路与铁道工程 _ 02交通运输规划与管理 _ 03交通信息工程及控制 4 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④848道路工程 或 849交通工程或832交通信息与控制 1、01方向选848； 2、02-03方向选849或832。 0815 水利工程 _ 01水文学及水资源 _ 02水力学及河流动力学 _ 03水工结构工程 _ 04水利水电工程 _ 05港口、海岸及近海工程 10 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③301数学一 ④841结构力学或844水力学Ⅱ 085213 建筑与土木工程（专业学位） _01工程抗震减震与城市综合防灾减灾理论、方法和技术 _02结构新体系与高性能材料 _03结构全寿命设计、健康监测与可持续发展 _04岩土与地下工程安全风险分析、评价方法和技术 _05工程施工技术与风险管理 _06工程项目管理及信息化 _07水环境恢复工程及水质处理保障技术 _08建筑环境与能源利用技术 100 ①101思想政治理论 ②204英语二或203日语 ③302数学二 ④841结构力学或833土力学与地基基础或845水分析化学与水力学 或846传热学Ⅰ或867流体力学Ⅱ 1、土木工程（含工民建、道桥等）或相近专业考生报考方向可选01～06，考试科目可选841或833或843； 2、给排水或相近专业考生报考方向可选07，考试科目可选845； 3、暖通或相近专业考生报考方向可选08，考试科目应选846或867。 085222 交通运输工程（专业学位） _01道路交通安全理论与道路工程技术 _02交通规划与交通控制理论及方法 _03智能交通、仿真与可持续发展整合体系 5 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④848道路工程或849交通工程或832交通信息与控制 1、01方向选848； 2、02-03方向选849或832。 1256 工程管理（专业学位） _ 00不区分研究方向 8 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二 005 环境与能源工程学院 152 070304 物理化学 _01能源材料物理化学 _02催化化学 _03纳米材料物理化学 _04界面物理化学与分离技术 11 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③684物理化学I ④887无机化学II · 0807 动力工程及工程热物理 _ 01可再生能源利用及先进环境能源理论与技术 _ 02强化传热传质理论与工程应用 _ 03制冷低温系统及其环保节能理论与技术 _ 04车辆及动力系统节能、净化与控制 23 · ①101思想政治理论 · ②201英语一 · ③301数学一 · ④851传热学Ⅱ或852工程热力学 0817 化学工程与技术 _ 01绿色化学与精细有机化工 _ 02工业催化与纳米科学 _ 03膜科学与化工分离技术 _ 04材料化学理论与应用 _ 05先进材料合成及催化应用 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③302数学二 ④814物理化学Ⅲ或820有机化学I或878化工原理 0830 环境科学与工程 _ 01环境规划与污染防治 _ 02污染控制化学 _ 03环境分析与监测 _ 04环境规划与管理 _ 05水污染控制工程 _ 06大气污染控制工程 28 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③302数学二 ④856环境影响评价或857微生物基础I或858环境工程学 1、只有05方向招日语考生； 2、01-04方向，选856； 3、05方向选857； 4、06方向选858。 085206 动力工程（专业学位） _01可再生能源利用与先进环境能源技术 _02能源动力系统优化及工程应用 _03制冷低温系统及其节能环保技术 _04动力机械及车辆动力系统节能、净化与控制 32 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④851传热学Ⅱ或852工程热力学
085229 环境工程（专业学位） _01水污染控制工程 _02大气污染控制工程 _03环境规划与管理 33 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④856环境影响评价或857微生物基础I或858环境工程学 1、01方向选857； 2、02方向选858； 3、03方向选856。 006 应用数理学院 98 0701 数学 _ 01基础数学 _ 02应用数学 _ 03运筹学与控制论 _ 04科学计算 35 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③663数学分析 ④865高等代数 0714 统计学 _ 01非参数统计与数据分析 _ 02应用统计 _ 03生物统计 _ 04金融工程与应用概率 _ 05经济统计 14 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③663 数学分析 ④865 高等代数 0702 物理学 _ 01理论物理 _ 02凝聚态物理 _ 03光学 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③662普通物理I ④861量子力学或863光学 1、01方向选861； 2、02方向选861或863； 3、03方向选863。 0803 光学工程 _ 01脉冲激光技术与应用 _ 02信息光学与应用 _ 03微纳光学 _ 04光电传感与检测技术 7 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④828激光原理 0252 应用统计（专业学位） _01生物医学统计 _02精算统计 _03数量金融 _04质量管理统计 17 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③303数学三 ④432统计学 007 计算机学院 151 0812 计算机科学与技术 _ 01 计算机系统结构 _ 02 计算机软件与理论 _ 03计算机应用技术 _ 04 信息安全 68 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④895 计算机学科专业基础 085211 计算机技术（专业学位） _ 01计算机网络技术 _ 02计算机软件技术 _ 03计算机应用技术 _ 04信息安全技术 83 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④896数据结构 009材料科学与工程学院 140 0805 材料科学与工程 _ 01生态环境材料与资源循环技术 _ 02稀土、难熔金属等功能材料 _ 03高性能结构材料技术 _ 04先进材料加工技术 _ 05光电信息与高效能源材料 80 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③302数学二 ④875材料科学基础 085204 材料工程（专业学位） _ 01生态环境材料与资源循环技术 _ 02稀土、难熔金属等功能材料 _ 03高性能结构材料技术 _ 04先进材料加工技术 _ 05光电信息与高效能源材料 60 ①101思想政治理论 ②204英语二或203日语 ③302数学二 ④875材料科学基础 011 经济与管理学院 182 1201 管理科学与工程 _ 01技术与项目管理 _ 02战略管理与社会网络 _ 03信息管理与信息系统 _ 04城市管理 _ 05运作管理与质量管理 _ 06金融工程 25 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③303数学三 ④801管理学或804经济学原理或805数据库技术与应用 0202 应用经济学 _01金融学 _02国际贸易学 _03产业经济学 _04区域经济学 _05数量经济学 _06统计学 _07劳动经济学 25 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③303数学三 ④804经济学原理 1202 工商管理 _ 01会计学 _ 02企业管理 _ 03旅游管理 _ 04技术经济及管理 13 ①101思想政治理论 ②201英语一或203日语 ③303数学三 ④801管理学或804经济学原理 1251 工商管理硕士（专业学位） _ 00不区分研究方向 99 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二 1252 公共管理硕士（专业学位） _ 00不区分研究方向 20 ①199管理类联考综合能力 ②204英语二 012 建筑与城市规划学院 60 0833 城乡规划学 _ 01城乡规划理论与方法 _ 02居住区规划与设计 _ 03城市设计与景观规划 _ 04历史城市与街区保护规划 _ 05城市防灾减灾规划 15 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③633城市规划原理 ④503城市规划与设计 接收建筑学、城市规划学(含园林景观)专业的考生报考。 0851 建筑学（专业学位） _01都市建筑设计及理论 _02历史建筑的保护与更新 _03建筑与城市绿色环境技术 _04城市设计方法及理论 40 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③355建筑学基础 ④504建筑快速设计 接收建筑学、城市规划学专业的考生报考。 085237 工业设计工程（专业学位） _ 00不区分研究方向 5 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③337工业设计基础 ④502产品设计 接收工业设计、产品设计、艺术设计专业等相关专业考生报考。
013 激光工程研究院 66 0803 光学工程 _ 01 激光先进制造技术 _ 02 非金属材料的激光加工技术 _ 03 先进光纤激光技术 _ 04 超短脉冲激光技术 _ 05 高功率固体激光技术 _ 06 高功率半导体激光技术 _ 07 微纳光学与微纳制造 _ 08 生物光子学 30 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④828激光原理或812材料力学I或875材料科学基础或886生物化学 0702 物理学 _ 01 激光与材料相互作用 _ 02 激光光电子学 _ 03 强场与超快光子学 6 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③662普通物理I ④828激光原理或864光电子学或861量子力学 085202 光学工程（专业学位） _ 01激光先进制造技术与工程 _ 02高功率激光技术与系统 _ 03激光3D打印技术 30 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④828激光原理或875材料科学基础或812材料力学I 014 人文社会科学学院 30 0303 社会学 _ 01社会学 _ 02人口学 _ 03社会工作 _ 04社会建设与社会管理 10 ①101思想政治理论 ②201英语一或202俄语或203日语 ③652社会学理论 ④877社会学方法 0352 社会工作（专业学位） _ 01社区工作与服务 _ 02社会服务管理 _ 03企业社会工作 20 ①101思想政治理论 ②201英语一或202俄语或203日语 ③331社会工作原理 ④437社会工作实务 015 生命科学与生物工程学院 74 0710 生物学 _ 01细胞生物学与基因工程 _ 02化学生物学与分子医学 _ 03天然产物与生物有机化学 _ 04生物信息学与系统生物学 _ 05分子检测与生物芯片 _ 06生物力学与生物电子学 30 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③621细胞生物学或683分析化学或662普通物理I ④854有机化学或886生物化学或806电子技术 1、01、05方向选621和886； 2、02-03方向选683和854或886； 3、04方向选662和854或886； 4、06方向选662和806。 0831 生物医学工程 _ 01生物医学电子与信息处理 _ 02生物力学及医学应用 _ 03化学生物学与分子检测 _ 04分子设计与生物信息学 _ 05药物合成工艺与新技术 11 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④806电子技术或812材料力学1或886生物化学 1、01方向选806； 2、02方向选806或812； 3、03-05方向选886。 085230 生物医学工程（专业学位） _ 01生物医学电子与医疗仪器 _ 02生物力学及医学应用 _ 03生物制药工程 _ 04分子医学工程 _ 05蛋白质组学与基因组学 33 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④806电子技术或854有机化学或886生物化学 1、01-02方向选806； 2、03-05方向选854或886。 018 外国语学院 8 0502 外国语言文学 _ 01应用语言学 _ 02英美文学 _ 03商务外语 8 ①101思想政治理论 ②261二外日语或262二外法语 ③610基础英语 ④816高级英语 025 软件学院 107 0835 软件工程 _ 01软件工程理论、技术与应用 _ 02嵌入式计算与物联网 _ 03数字媒体技术 15 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④893软件工程学科专业基础 085212 软件工程（专业学位） _ 01 物联网软件与系统 _ 02 软件工程技术与应用 _ 03 数字媒体技术与应用 _ 04 嵌入式软件与系统 _ 05 软件工程服务与应用 92 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④892软件专业基础综合 026 固体微结构与性能研究所 22 0702 物理学 _ 01研究及发展先进“显微学”表征技术、装置及设备 _ 02跨尺度先进材料显微结构与性能关系研究 _ 03研究发展新材料、新器件及新应用 11 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③662普通物理I ④862固体物理 0805 材料科学与工程 _ 01研究及发展先进“显微学”表征技术、装置及设备 _ 02跨尺度先进材料显微结构与性能关系研究 _ 03研究发展新材料、新器件及新应用 11 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③302数学二 ④875材料科学基础 028 高等教育研究所 16 0401 教育学 _ 01高等教育与大学管理 _ 02高等工程教育 _ 03学生事务管理 _ 04大学教学论 _ 05现代教育技术 8 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③630教育学专业基础综合 0451 教育硕士（专业学位） _ 01教育管理 _ 02心理健康教育 _ 03现代教育技术 8 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③333教育综合 ④教育管理与教学论 或 教育技术综合 1、01-02方向选教育管理与教学论； 2、03方向选教育技术综合。 029 循环经济研究院 12 020106 人口、资源与环境经济学 _ 01循环经济理论与模式 _ 02资源经济理论与应用 _ 03环境经济管理与评价 5 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③303数学三 ④810资源经济学 0202J1 资源环境与循环经济（交叉学科） _ 01循环经济理论与模式 _ 02资源经济理论与应用 _ 03“城市矿产”理论与应用 2 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③303数学三 ④815生态经济学 0805J2/0830J3 资源环境与循环经济（交叉学科） _ 01资源循环科学与技术 _ 02“城市矿产”开发与应用 _ 03环境污染防治与管理 5 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③302数学二 ④817环境材料基础 欢迎资源循环、材料、环境、生态类等相关理工科考生报考
036 学院 10 010108 科学技术哲学 _ 01科学技术与社会研究 _ 02工程伦理学 _ 03生态哲学与可持续发展问题研究 5 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③620科学技术史 ④825哲学 0305 理论 _ 01基本原理 _ 02中国化研究 _ 03思想政治教育 5 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③651基本原理 ④883思想政治教育基本原理 035 艺术设计学院 22 1305 设计学 _ 01 产品设计 _ 02 环境设计 _ 03 服装与服饰设计 _ 04 工艺美术 _ 05 数字媒体艺术 _ 06 视觉传达设计 7 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③622设计史论 ④505快题设计 505考试为6小时。 1351 艺术（专业学位） _ 01 产品设计 _ 02 环境设计 _ 03 服装与服饰设计 _ 04 工艺美术 _ 05 数字媒体艺术 _ 06 视觉传达设计 _ 07 动画 _ 08 绘画 _ 09 雕塑 8 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③622设计史论 或 619美术史论 ④505快题设计 或 506专业创作 1、01-04方向选622和505。 2、05-09方向选619和506。 3、506和505考试时间为6小时。 085237 工业设计工程 _01 工业设计 _02 设计管理 _03 交互设计 7 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③337工业设计基础 ④502产品设计 报考02设计管理的考生须有两年以上工作经验，专业不限。 039 城市交通学院 87 0823 交通运输工程 _ 01交通规划理论与方法 _ 02道路与交通工程设计方法 _ 03交通安全理论与技术 _ 04智能交通控制与信息处理 _ 05路基路面结构与材料 _ 06道路养护与运营管理 23 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④848道路工程 或 849交通工程或832交通信息与控制 1、01-04方向选849或832； 2、05-06方向选848。 085222 交通运输工程（专业学位） _01交通规划技术 _02交通管理与工程设计 _03交通信息与控制技术 _04道路设施设计与施工技术 _05道路养护与管理 23 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④848道路工程或849交通工程或832交通信息与控制 1、01-03方向选849或832； 2、04-05方向选848。 0812 计算机科学与技术 _ 01智能交通信息处理 _ 02虚拟现实与交通仿真 _ 03物联网信息感知与智能处理 _ 04智能人机交互与多媒体技术 _ 05交通大数据智能处理技术 21 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④895 计算机学科专业基础 085211 计算机技术（专业学位） _ 01智能交通信息处理 _ 02虚拟现实与交通仿真 _ 03物联网信息感知与智能处理 _ 04智能人机交互与多媒体技术 _ 05交通大数据智能处理技术 5 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④896数据结构 0811 控制科学与工程 _ 01智能交通系统控制 _ 02自主车辆与车路协同 _ 03交通图像与视频信号处理与分析 _ 04交通信息智能化处理 8 ①101思想政治理论 ②201英语一 ③301数学一 ④821自动控制原理 085210 控制工程（专业学位） _ 01智能交通系统管理与控制技术 _ 02智能车辆与车路协同控制技术 _ 03交通信息处理方法与应用 _ 04交通图像与视频信号处理技术 7 ①101思想政治理论 ②204英语二 ③302数学二 ④821自动控制原理
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关键词：自动识别；技术；发展
中图分类号：F4 文献标识码：A
收录日期：2012年5月31日
自动识别技术由于能够自动完成原始数据的采集工作，解决了人工数据输入速度慢、误码率高、劳动强度大、工作简单重复性高等问题，为计算机信息处理提供了快速、准确地进行数据采集输入的有效手段。
一、自动识别技术的定义
自动识别技术是以计算机技术和通信技术的发展为基础的综合性科学技术，它将数据自动识别、自动采集并且自动输入计算机进行处理。自动识别技术近年来的发展可以称得上是日新月异，它已成为集计算机、光、机电、通信技术为一体的高新技术学科。
二、自动识别技术体系结构
自动识别技术就是一个以信息处理为主的技术系统，最主要的目的是提供一个快速、准确地获得信息的有效手段，其处理的结果可作为管理的决策信息或自动化装置等技术系统的控制信息。
自动识别技术的出现解决了计算机数据输入速度慢、错误率高等瓶颈问题。计算机与传感器等技术的不断进步和自动识别技术自身的研究向着深度和广度发展，推动自动识别技术装备向多功能、小型化、软硬件并举、识别准确、传递快速、安全可靠且经济适用等方向发展。因此，自动识别技术极大地提高了数据输入工作效率，同时使得数据输入技术的自动化水平和智能化程度不断提高。而自动识别系统输出结果是意义十分明确的可用信息，此信息可以作为操作者正确决策的基础。
自动识别系统是一个以信息处理为主的技术系统，它的输入端是将被识别的信息，输出端是已识别的信息。信息处理泛指为达到各种目的而对信息所进行的变换和加工，如为提高信息传递的抗干扰性而进行的检错和纠错编码处理，为提高信息传递的有效性而进行的信息压缩编码处理，为改善信息与信道的匹配而进行的调制与均衡处理，为改善信息的安全性而进行的信息加密处理，为发挥信息的最大效用而进行的信息分析计算、搜索与决策等。利用各种先进的识别技术对海量信息进行加工处理，从而促进信息化水平的提高，必须对信息进行编码，并转换为人或机器易于处理的形式，以利于信息的传输与保密。
三、自动识别技术和原理
根据自动识别工作原理，自动识别技术有条码识别、射频识别、语音识别、磁条识别技术、光学字符（0CR）识别技术和生物特征识别等技术。
条码识别和射频识别是其中应用最广泛的两种。条码识别是将信息用条码来表示，并把条码所表示的数据转换为计算机可识别的数据。条码按其所能装载的信息容量的不同，可分为一维条码和二维条码。条码是一种由一组排列规则的条、空及对应字符组成的标记，用以表示一定的信息。射频识别系统，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。通常由标签、读写器、计算机通信网络三部分组成。它的标签安装在被识别对象上，存储被识别对象相关信息的电子装置，标签存储器中的信息可由读写器进行非接触读/写。射频读写器是利用射频技术读取射频识别标签信息或将信息写入标签的设备。读写器读出的标签的信息通过计算机及网络系统进行管理和信息传输。
四、自动识别技术发展趋势
自动识别技术是为各行业、各领域用户提供以自动识别技术与数据采集为主的信息化产品与服务的现代高新技术，它作为网络信息技术的一个重要分支，已成为推动国民经济信息化发展的重要基础和手段之一。
1、自动识别技术应用于企业生产过程，可提高企业的自动化水平，提高工作效率，创造更多的价值。优化企业的工作流程，降低运营成本。通过建立合理的识别加密方式，保护个人隐私和商业隐私，提高安全性。
2、自动识别技术将越来越多地应用于各种控制，智能化水平不断提高自动识别技术需要与人工智能技术紧密结合，从而使机器不仅具备处理语法信息的能力，还具备处理语义信息和自学习、记忆的能力，模拟人类大脑神经网络的结构和行为。因此，提高对自动识别系统信息的理解能力，是自动识别技术发展的一个重要趋势。
3、自动识别与无线通信相结合是未来自动识别产业发展的一个重要趋势。利用计算机互联网、无线数据通讯等技术，实现物品中的自动识别与信息交换和共享，从而实现对物品的透明化管理和便利，对人们的日常生活和工作带来巨大而深远的影响。
4、高新的自动识别技术标准不断涌现，标准体系日趋完善。随着信息社会的高速发展，我国自动识别技术产业，将朝着集群化、规模化和国际化的方向快速发展，同时采用科学技术不断地完善自动识别技术系统。全球已形成标准化组织与企业共同制定国际自动识别技术标准。
5、自动识别技术的应用领域将继续拓宽，将条码识别技术和射频识别技术相结合，改变效率低、落后的现状，产生巨大的经济效益，并且促进国际贸易流通，推进国民经济效益增长，改变人们生活品质，提高人们工作效率，获得舒适便利服务的有利工具和手段。
6、自动识别与嵌入式系统、互联网相结合，将是未来的重要发展方向。随着自动识别技术的日趋成熟，性能越来越稳定，作用和效果已被社会所公认。目前，自动识别技术已广泛应用于身份识别、零售、物流运输、邮政通讯、电子政务、工业制造、军事、畜牧管理等各个领域，在我国经济发展中发挥着越来越重要的作用。物联网时代的来临，给自动识别技术带来新的发展机遇和挑战。随着进一步的推广和应用，自动识别技术将在人们未来日常生活的各个方面都会得到具体的应用，将会发展成为未来信息社会建设的一项基础技术，具有良好的发展前景。
主要参考文献：
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【关键词】AO；可视化；气溶胶
【Abstract】Particulate matter has become the primary pollutant of the province’s major cities. As an aerosol substance， it has been a main target of ambient air quality monitoring. The technology of the satellite remote sensing can dynamic monitor the aerosol optical depth and other key index factors to further monitor the haze， dust and other air pollution phenomena. Complexed remote sensing technology and ground data， this paper gives the visualization of the process of air quality in the form of distribution and change of status API index， through the GIS secondary development tools， reaching the goal of macroscale reflect the regional distribution of the province’s air quality and pollution.
【Key words】Arc Object； Visualization； Aerosol
1 研究背景
近年来，尤其是秋冬季节我省绝大多数城市的首要污染物是颗粒物，其作为气溶胶物质的一种长期以来一直是空气环境质量监测的主要对象，同时也是空气污染指数评价的重要因子。利用卫星遥感技术通过动态监测气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，简称AOD）等关键指标因子，能够有效解决地面固定观测站空间覆盖度不够等问题[1]，并可进一步辅助监控灰霾、沙尘等空气污染现象。
气溶胶光学厚度（AOD）被定义为介质的消光系数在垂直方向上的积分，是描述气溶胶对光的衰减作用的主要因子。它是目前可以得到的气溶胶数据中覆盖范围最广、较准确的一种数据，也是推算气溶胶含量、评估大气污染程度、确定气溶胶气候效应的关键因子[2-3]。
GIS可视化技术（GIS Visualization）是目前信息领域中广泛应用的一项技术，它通过强大、有效的地图系统将复杂的空间数据和属性数据以地图学的形式进行描述，兼具人性化的界面风格设计，实现了文本、图形和图像信息相结合的定位、查询、检索模式，信息表达形象直观，使用操作简单便捷[4]。
通过遥感解译数据与地面数据相结合的方式，环境空气质量分布进行模型拟合利用ArcGIS平台展示API指数拟合结果，在抽象的数值与具体的地理位置之间建立联系，以特定的符号、颜色、图表显示在地图上，实现卫星遥感环境空气质量的可视化表达。同时基于地图的可视化信息，查询、统计功能也将变得更加简单、直观，通过可视化的查询语言，实现对AOD、API数据的图表化查询展现；通过建立专题地图，帮助用户加深理解，从而有助于发掘数据、信息间的内在规律，实现辅助决策。
2 需求分析
通过提取美国对地观测系统EOS-MODIS卫星遥感数据中的气溶胶信息，结合地面数据及其他气象资料，依据建立的线性回归拟合模型演算出空气污染指数API及对应的环境空气质量等级，并提供可视化表达界面，最终达到利用气溶胶光学厚度AOD等遥感技术监测数据实时反映宏观尺度全省各地区空气质量与污染分布状况的目的。
2.1 数据需求
拟合模型所涉及的数据主要由三部分组成，其中输入数据包括：①卫星遥感气溶胶光学厚度数据，数据格式为栅格型，②相对空气湿度数据，可转化为空间点图层，数据格式为矢量型；输出数据为空气污染指数API，数据格式为栅格型。
2.2 业务需求
结合环境监测具体业务需求，力求通过遥感技术与地面数据相结合的方式，将模型拟合后的环境空气质量分布与变化状况以API指数的形式进行可视化表达，从而达到实时反映宏观尺度全省各地区空气质量与污染分布的目的。
3 设计思路
3.1 模块框架设计
以江苏省作为主要研究区域，以气溶胶光学厚度AOD影像、相对空气湿度RH数据为基础，参照遥感AOD数据处理流程，利用ArcObject组件库实现实时高效地遥感数据解析，并引入研究构建的AOD-API回归统计模型，拟合计算得到全省各地区的API数值，同时利用ArcGIS软件展现模拟结果，不仅大大提高了数据的处理效率，而且能够直观形象地表达全省范围内的空气状况模拟结果，并与自动站实测数据进行比对。
可视化模块的总体架构分为界面层、业务逻辑层和数据访问层三个层次。界面层用于采集用户输入的相关信息，展示地理信息和模拟结果。该层利用ArcGIS软件界面，同时调用.Net定制的WinForm界面。业务逻辑层在模块运行提供地理信息处理功能，根据具体业务需求，业务层把界面上用户输入的信息通过业务规则分解，需要进行地理信息处理的，把参数推送给AO组件的接口，并接受运行结果再传递给界面显示；需要与属性信息之间进行交互的，通过适配器读取属性信息进行运算，业务层起到承上启下的作用。数据访问层主要用于模块运行时所要涉及的空间数据与属性数据，提供接口供业务逻辑层访问调用。
3.2 模块开发环境
气溶胶数据反演模块采用.Net开发平台，利用ArcGIS平台提供的ArcObject接口进行二次开发，实现AOD影像数据解析、回归模型拟合、结果统计渲染等功能。
ArcObject（简称AO）是ESRI公司ArcGIS家族中应用程序ArcMap、ArcCatalog和ArcScene的开发平台，它是基于COM（Components object Model 对象组件模型）技术所构建的一系列COM组件集，具有很强的GIS功能和制图功能，有1800多个组件、几百个具有良好文档说明的接口和数千个方法组成，作为ArcGIS可重用的通用二次开发组件集，以其强大的功能类库，对地理信息系统（GIS）的功能实现和扩展表现得十分出色[5]。
3.3 模块数据来源
1）空间数据
采用的是1：250，000江苏省行政区划图、江苏省省辖市行政区划图等。
2）湿度数据
模型构建中涉及的湿度（RH）数据是由省气象局提供，时间跨度由2008年7月1日至2009年6月30日共计一年。在模块计算过程中通过Excel适配器读取Excel固定格式的湿度数据，根据时间、省辖市名称获得相应值。
4 开发过程
根据课题的研究结果，设计参数的设置界面，在界面上选择待处理的AOD数据、研究区域、工作路径等参数，根据参数首先对AOD数据名称进行解析，得出具体AOD数据日期，同时进行格式转换，剔除异常值并获取研究区域内的AOD点图层，通过IDW插值补全全省AOD数据。另一方面读取Excel统计表中各相关监测点位的空气相对湿度数据，根据样本日期提取出当日的相对湿度值，生成相对湿度点图层，再通过IDW插值方法生成全省湿度数据。之后，根据样本日期所处的季节选择相应的AOD-API回归统计模型，进行气溶胶光学厚度AOD与相对空气湿度RH的公式拟合计算，得到全省范围内各地区的API估算值，并与实测数据进行比对，分别利用分层设色渲染，可视化展现模拟结果。
5 关键技术应用
1）删-矢数据转换技术
气溶胶光学厚度（AOD）数据是栅格格式，其中包含异常值，不利于进一步的空间分析，利用GIS平台提供的数据格式转换Conversion工具，将栅格数据转换成矢量数据，在剔除异常值后，进行插值，获得研究区域内较为完整的数据分布。
在多个图层参与计算时，栅格数据较为简便，此时将插值后的AOD数据和湿度数据都转换成栅格数据格式，利用Raster Calculator工具，对独立两个栅格图层进行空间数值计算，得到最终模型拟合结果。
2）GIS插值技术
气溶胶光学厚度（AOD）数据解译后，为了展示整个区域的空气质量状况，需要将未知数据地区的污染物浓度值利用插值方法得出。ArcGIS提供了反距离权重插值法、样条函数法、克里金法等一些特定用途的空间插值函数。经过优化模拟可知，反距离权重插值法的结果能更好地反映江苏省地区的实际污染情况。反距离权重插值以插值点与实际观测样本点之间的距离为权重。
反距离权重插值法要求对受影响的局部控制点有清楚的认识，且其结论直接受到采样点数值的影响，采样点越多，对局部的真实反映越强，利用反距离权重插值法所确定的污染范围就越准确。
3）分层设色渲染技术
平台的空间渲染模块为管理人员提供区域空气质量空间分析动态插值与渲染功能，直观地展示空气质量实时空间分布特征，实现对监测因子的空气质量空间分析动态插值渲染功能，直观地展示了区域空气质量实时空间分布特征。平台的空间渲染模块需要根据各站点的小时值、日均值等实时生成污染物浓度空间渲染图，利用GIS技术实现这一目标。
6 可视化模块展示
1）加载预处理后的MODIS气溶胶光学厚度AOD栅格数据图层。
2）参数调整设置
选择气溶胶模拟模块，根据主要参数设置窗体的提示设置运算所需的参数。主要包括，待解析的遥感AOD数据、参与运算的江苏省行政区划面状图层、根据选择AOD数据的名称模块会自动解析出AOD数据所处的日期、确定运算过程中是否考虑湿度因子、根据解析时间和是否考虑湿度因子自动显示模块运算的公式、参与模块运算的外部数据（xls格式）的位置和模块运行时产生中间和结果数据存储的文件夹路径。
3）过程演算与专题制图
开始计算后，经过后台的数据转换、IDW插值、栅格运算、图层渲染、结果输出等步骤，最终生成一个系列图层，主要包括AOD参照图层、API拟合图层等。
7 结论
基于ArcGIS平台二次开发了AOD-API拟合与可视化表达模块，实现遥感AOD数据和RH数据自动推演出API数据的计算过程，并实现运行结果表明，RS/GIS可视化技术支持下的全省空气状况及变化趋势模拟与传统表征手段相比，能够更好的体现不同地区空气环境质量的区域分异性，更为准确地显示颗粒物污染的程度和变化情况。
【参考文献】
[1]王家成，朱成杰，等.北京地区多气溶胶遥感参量与PM2.5相关性研究[J].中国环境科学，2015，35（7）：1947-1956.
[2]单楠，杨晓晖，等.基于MODIS的中国陆地气溶胶光学厚度时空分布特征[J].中国水土保持科学，2010，10（5）：24-30.
[3]李成才，毛节泰，等.利用MODIS研究中国东部地区气溶胶光学厚度的分布和季节变化[J].科学通报，2003，48（19）：2094-2100.
篇8
【关键词】光栅 多普勒效应 光拍
随着工业水平的提高，仪器的精度要求也越来越高，但我国在物体微小振动方面的技术还没完善，因此大部分企业选择国外仪器。目前，市场上以双光路和时间序列散斑三维面型两种办法为代表。但在这一方面，现有技术仍然存在一些缺陷，因此本文提出利用单光栅多普勒效应测量微小振动的设计。多普勒效应作为光学应用的基础，它的应用推进了光学的研究，有利于光学应有到工业生产中来。利用单光栅多普勒效应测量微小振动的设计是通过测出光栅的光拍频率等参数，实现多普勒效应的演示和微小振动测量等功能，该方法有利于工业、生产的发展需求。
5 结论
本文研究的单光栅多普勒效应测量微小振动系统设计在多普勒效应的基础上，通过振动光栅实现激光的入射光束发生频移，使其产生光拍信号，利用检测技术对产生频移的光信号进行检测，再进一步对光拍信号处理，最后计算出光栅振动的位移，并通过示波器显示实验现象，实现了本设计系统的目的。本文介绍的单光栅多普勒效应测量微小振动系统只采用一块光栅，不会产生双光栅多普勒效应测量微小振动系统中的两块光栅之间的组合限制和缺陷所带来的误差。因此，单光栅的系统比双光栅系统具有较高的测量精度，并且造价要比双光栅系统低，操作方便，具有较好的应用前景。
参考文献
[1]王亮，李庆祥，李玉和，陈张伟.基于强度干涉原理的双光路动态测量方法[J].光学技术，2006，32（4）：618-620.
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[6]黄壮雄，潘永华，宋伟等.激光双光栅法测微小位移中光拍信号波形改进[J].大学物理，2004，23：19-24.
[7]钟会林，吴福根.编程软件MATLAB在大学物理实验教学中的应用探讨[J].广东工业大学学报，2006，（6）：95-97.
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作者简介
梁佩莹（1975-），女， 广东省佛山市人。博士学位。现为佛山科学技术学院讲师。主要研究方向为光信息处理与光电检测。
篇9
关键词：非线性光学；发展；应用
美籍华人学者、非线性光学专家沈元壤先生用这样一句话来叙述非线性光学：“混沌初开，世界就是非线性的。线性化简化了复杂的世界，把世界线性化损失了许多有趣的现象 ，而非线性现象是世界进展的因素”。
非线性光学是现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下出现的与介质的非线性极化相联系的各种光学效应，以及如何利用这些效应的学科。
过去的光学理论认为，介质的极化强度与入射光波的场强成正比。于是，表征物质光学性质的许多参数，如折射率、吸收系数等都是与光强无关的常量。普遍的光学实验证实，单一频率的光通过透明介质后频率不会发生任何变化，不同频率的光之间不会发生相互耦合作用。激光出现后的短短的几年内，人们观察到许多用过去的光学理论无法解释的新效应。为了解释这些新效应，产生了非线性光学理论。
非线性光学不仅从理论上丰富了人们对光与物质相互作用的认识，而且已经得到广泛的实际应用。非线性光学的研究在激光技术、光通信、信息和图像的处理与存储、光计算等方面有着重要的应用 ，具有重大的应用价值和深远的科学意义。例如，光倍频、光参量振荡、受激喇曼散射已成为产生新频率相干辐射的一种有效方法；利用非线性饱和吸收已制成染料Q开关和被动锁模元件。此外，它在激光光谱学、同位素分离、光控化学反应、核聚变、集成光学、信息光学、光学计算机等方面都有重要的作用。
人们一般认为最早的非线性光学现象是1961 年被Franken 等人在 Michigen 大学观察到的。随后，又发现了许多非线性光学的现象：如包括上述光倍频现象在内的、不同频率的光波之间可以产生能量交换，因而引起频率转换的各种混频现象；物质的折射率和吸收系数等光学参量与入射光强有关，因而可产生光束的自聚焦、自散焦、自相位调 制 、自感应透明等一系列自作用；使各种散射过程转变为相应的受激光散射，如受激拉曼散射、受激布里渊散射。激光出现后 ， 10 9 W/ cm 2 以上的光强可对应 10 6 V/ cm 的光电场，使得电极化的高次项不能忽略。当时将非线性光学称为强光光学，并把这种影响一直延续到现在。非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始的。激光的出现为人们提供了强度高和相干性好的光束。而这样的光束正是发现各种非线性光学效应所必需的。
激光作为一种强光光源，其电场强度可以达到或超过介质分子、原子内部的电场强度。在这种强光场的作用下，介质分子、原子的状态发生改变，使介质对光场呈现出了非线性响应，因而，表现出各种非线性光学现象。
常见非线性光学现象有：
一、光学整流
E2项的存在将引起介质的恒定极化项，产生恒定的极化电荷和相应的电势差，电势差与光强成正比而与频率无关，类似于交流电经整流管整流后得到直流电压。
二、产生高次谐波
弱光进入介质后频率保持不变。强光进入介质后，由于介质的非线性效应，除原来的频率ω外，还将出现2ω、3ω、……等的高次谐波。
三、光学混频
当两束频率为ω1和 ω2（ω1>ω2）的激光同时射入介质时，如果只考虑极化强度P的二次项，将产生频率为ω1+ω2的和频项和频率为ω1-ω2的差频项。利用光学混频效应可制作光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，可发射从红外到紫外的相干辐射。
四、受激拉曼散射
普通光源产生的拉曼散射是自发拉曼散射，散射光是不相干的。当入射光采用很强的激光时，由于激光辐射与物质分子的强烈作用，使散射过程具有受激辐射的性质，称受激拉曼散射。所产生的拉曼散射光具有很高的相干性，其强度也比自发拉曼散射光强得多。利用受激拉曼散射可获得多种新波长的相干辐射，并为深入研究强光与物质相互作用的规律提供手段。
五、自聚焦
介质在强光作用下折射率将随光强的增加而增大。激光束的强度具有高斯分布，光强在中轴处最大，并向递减，于是激光束的轴线附近有较大的折射率，像凸透镜一样光束将向轴线自动会聚，直到光束达到一细丝极限（直径约5×10-6米），并可在这细丝范围内产生全反射，犹如光在光学纤维内传播一样。
六、光致透明
弱光下介质的吸收系数（见光的吸收）与光强无关，但对很强的激光，介质的吸收系数与光强有依赖关系，某些本来不透明的介质在强光作用下吸收系数会变为零。
目前在非线性光学的研究热点包括：研究及寻找新的非线性光学材料例如有机高分子或有机晶体等。常用的二阶非线性光学晶体有磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氢铵（ADP）、磷酸二氘钾（KD*P）、铌酸钡钠等。此外还发现了许多三阶非线性光学材料。
从技术领域到研究领域，非线性光学的应用都是十分广泛的。例如，利用各种非线性晶体做成电光开关和实现激光的调制。利用二次及三次谐波的产生、二阶及三阶光学和频与差频实现激光频率的转换，获得短至紫外、真空紫外，长至远红外的各种激光；同时，可通过实现红外频率的上转换来克服目前在红外接收方面的困难。利用光学参量振荡实现激光频率的调谐。目前，与倍频、混频技术相结合已可实现从中红外一直到真空紫外宽广范围内调谐。利用一些非线性光学效应中输出光束所具有的位相共轭特征，进行光学信息处理、改善成像质量和光束质量。利用折射率随光强变化的性质做成非线性标准具和各种双稳器件。利用各种非线性光学效应，特别是共振非线性光学效应及各种瞬态相干光学效应，研究物质的高激发态及高分辨率光谱以及物质内部能量和激发的转移过程及其他弛豫过程等。
非线性光学不仅是强光光学。在低功率激光、非相干光作用下 ，仍存在丰富多彩的非线性光学现象。
非线性光学是现代光学的前沿知识，随着超快激光器的飞速发展使得利用超快脉冲进行非线性光学的研究得到重大推进。对非线性光学的了解必将促进其在更大范围内的应用。
参考文献：
[1] 张粉英 张勇.非线性光学效应及其应用.物理与工程.2004.02期
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【关键词】 ：机电一体化；技术原理；发展方向
[Abstract] in: with the rapid development and wide application of computer technology, electromechanical integration technology have hitherto unknown development, become an integrated computer and information technology, automatic control technology, sensor technology, servo drive technology and mechanical technology, cross system technology, is currently the light mechanical and electrical integration of technology development, application range and more extensive. This paper introduces the principle of the electromechanical integration technology, constitute the five elements of mechatronic system and four principles, development direction of electromechanical integration technology and prospects of the comprehensive exposition.
[keyword]: in mechanical and electrical integration; technology; development direction
中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
机电一体化又称机械电子学，英语名称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。
机电一体化技术是在以微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展向机械工业领域迅猛渗透并与机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统理论出发根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理，接口耦合，运动传递，物质运动，能量变换进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下，形成物质的和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗等诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。
随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术，目前正向光机电一体化技术方向发展，应用范围愈来愈广，现代化的自动生产设备几乎可说都是机电一体化的设备。
一、机电一体化系统的五大组成要素
机电一体化系统一般可分为机械本体、动力驱动部分、检测传感部分、控制及信息处理部分和执行机构五个组成部分，即一个机电一体化系统中一般由结构组成要素、动力组成要素、感知组成要素、职能组成要素、运动组成要素五大组成要素有机结合而成。
1、机械本体（结构组成要素）是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括机身、框架、支撑、联接等。
2、动力驱动部分（动力组成要素）依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。
3、检测传感部分（感知组成要素）对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。
4、控制及信息处理部分（职能组成要素）将来自检测传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。
5、执行机构（运动组成要素）根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能。
二、机电一体化技术的四大原则
构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循接口耦合、能量转换、运动传递与信息控制四大原则。
1、接口耦合：两个需要进行信息交换和传递的环节之间，由于信息模式不同（数字量与模拟量，串行码与并行码，连续脉冲与序列脉冲等）无法直接传递和交换，必须通过接口耦合来实现。而两个信号强弱相差悬殊的环节之间，也必须通过接口耦合后，才能匹配。变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确的交换、传递，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行，因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定的模式进行交换与传递。
2、能量转换：两个需要进行传输和交换的环节之间，由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流，必须进行能量的转换，能量的转换包括执行器，驱动器和他们的不同类型能量的最优转换方法及原理。
3、运动传递：运动传递使构成机电一体化系统各组成要素之间，不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。
4、信息控制：在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策，以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的信息控制系统还包含了知识获得、推理机制以及自学习功能等知识驱动功能。
三、机电一体化技术的发展方向
20世纪90年代后期，各主要发达国家开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面，对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地，也为产业化发展提供了坚实的基础。机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。未来机电一体化的主要发展方向有：
（一）智能化。智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化的研究中日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而必要的。
（二）模块化。模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。这样，可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。
（三）网络化。20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育及人们的日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势，利用家庭网络将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统，使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑将朝着网络化方向发展。
（四）微型化。微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统，泛指几何尺寸不超过1立方厘米的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。
（五）系统化。系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，特别是“人格化”发展引人注目，即未来的机电一体化更加注重产品与人的关系。机电一体化的人格化有两层含义。一是机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。另一层含义是模仿生物机理，研制各种机电一体化产品。
