使用无人机和计算机视觉对FAST的反射器表面进行自动光学检查

五百米口径球面射电望远镜(FAST)又称中国天眼，是世界上最大的单口径射电望远镜。它的反射器是一个半径为R=300m的部分球体。反射镜的平面部分球冠直径为519.6米，是以往最大射电望远镜直径的1.7倍。

大反射面使FAST成为世界上最灵敏的射电望远镜。它被天文学家首次用于观测银河系中的快速射电暴，并识别出500多颗新脉冲星，是全球其他望远镜识别出的脉冲星总数的四倍。使用FAST可能会发现更多有趣和奇特的物体。

然而，较大的反射面更容易因环境因素而受到外部损坏。FAST反射器由总共4,450个拼接的三角形面板组成，由铝制成，具有均匀的穿孔以减轻重量和风的影响。坠落的物体(例如，在诸如落石、强风暴和冰雹等极端事件期间)可能会导致面板出现严重的凹痕和孔洞。这些缺陷对小波长无线电波的研究产生不利影响，这需要完美的碟形表面。抛物线中的任何不规则都会将这些小波从焦点散射开，从而导致信息丢失。

因此，快速检测表面缺陷并及时修复对于维持FAST的正常运行至关重要。传统上，这是通过直接目视检查来完成的。熟练的检查员爬上反射器并目视检查整个表面，寻找并更换任何显示凹痕和孔洞的面板。

但是，此过程有几个限制。首先，进入高处难以到达的地方存在危险。其次，仔细检查数千个面板既费力又费时。第三，该程序严重依赖检查员的专业知识，容易出现人为错误和不一致。

FAST对人工检查缺点的补救措施是自动检查。在Light:AdvancedManufacturing上发表的一篇新论文中，由北京理工大学李建安教授和徐廷发教授领导的科学家团队通过将深度学习技术与无人机技术相结合，迈出了实现FAST检查自动化的第一步。

作为第一步，研究团队将深度学习技术与无人机相结合，自动检测反射器表面的缺陷。具体来说，他们首先手动控制配备高分辨率RGB摄像头的无人机沿着预定路线飞越地面。在飞行过程中，相机捕捉并记录了地面状况的视频。

无人机先进的飞行稳定性的一个好处是录制的视频可以捕获有关表面细节的大量信息。此外，得益于无人机平台上的GPS设备和RTK模块，每个视频帧都可以以厘米级精度标记相应的无人机位置。因此可以很容易地确定出现在每个帧中的面板的物理位置。

为了解决在表现出大规模变化和高类间相似性的无人机图像中发现表面缺陷的挑战，他们为深度检测器引入了一种简单而有效的交叉融合操作，以逐点选择性的方式聚合多级特征帮助检测各种规模和类型的缺陷。交叉融合方法重量轻且计算效率高，对于机载无人机应用特别有价值。

未来的工作将在嵌入式硬件平台上实施该算法，以处理无人机上捕获的视频，使检查系统更加自主和稳健。

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