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专家报告
锋芒光束抑制大气湍流的研究进展与展望(封面文章·特邀)
刘超, 王熔, 兰斌, 李学莹, 张开河, 代天君, 张优
2024, 53(5): 20240098.   doi: 10.3788/IRLA20240098
[摘要](49) [HTML全文](3) [PDF 4433KB](23)
大气的随机起伏会引起光束的畸变、扩展、漂移和闪烁等湍流效应。常用的抑制方法主要有自适应光学技术、信号处理技术和无衍射光束传输技术等,这些技术存在系统复杂或者效果不理想等问题。近年来,一种名叫锋芒光束的特殊光束被提出并用于抑制大气湍流,受到学术界广泛关注。锋芒光束在传输过程中具有自聚焦的特点,经过焦点后退化为类贝塞尔光束继续向前传输。随着对锋芒光束的深入研究,为了适应多种复杂的应用环境,其衍生的锋芒涡旋光束和稳定光束也被发现具有极高的研究价值。经过同等强度的湍流传输,锋芒涡旋光束比起LG涡旋光束在质心偏移和抖动量改善了50%以上。稳定光束在20 mm的传输距离范围内,其参数积仅为高斯光束参数积的49.40%。锋芒光束被证明可以有效抑制大气湍流,并实现长距离稳定传输。使用锋芒光束进行大气传输,系统结构简单、成本低,抑制湍流实时性高、效果好。文中综述了锋芒光束的产生、传输特性和应用研究,并对其发展趋势和应用前景进行了展望。
自适应光学在超分辨显微成像技术中的应用(内封面文章·特邀)
王韵澎, 燕静, 郝翔
2024, 53(5): 20240011.   doi: 10.3788/IRLA20240011
[摘要](31) [HTML全文](4) [PDF 2822KB](17)
荧光显微镜是研究细胞结构和动态过程的最有力的工具之一,近年来发展的超分辨显微成像技术更是突破了传统衍射极限,能够在观测活体生物样本中达到纳米级的分辨率。但由于生物样品内部折射率变化的复杂性,进行超分辨观测时成像性能往往会因样品引起的像差而降低。自适应光学是一种矫正波前误差的技术,在超分辨显微成像技术中引入自适应光学技术可以显著提高超分辨系统的成像分辨率、成像深度、成像速度。为了进一步提高超分辨显微成像系统的成像性能,研究者不断创新自适应光学在超分辨技术的应用方法。介绍了自适应光学技术,阐述了其在显微成像中的应用;详细分析了近年来自适应光学在超分辨显微成像技术的应用,最终进行了总结,并对未来技术发展方向进行了展望。
激光器与激光光学
1 µm/1.5 µm基于非互易性相移器的高重频飞秒光纤激光器
刘扬眉, 侯月彰, 罗婷, 周渊珠, 孙钰淇, 李志莉, 王天枢, 潘新建
2024, 53(5): 20230703.   doi: 10.3788/IRLA20230703
[摘要](14) [HTML全文](3) [PDF 2407KB](13)
高重频的飞秒脉冲激光器在工业加工、医疗、精密测量等各个领域都有着重要应用。为了分析“9”字腔锁模激光器的自启动性能,利用琼斯矩阵建立了非线性放大环形镜的传输函数,分析了环形镜中不同波片角度对腔内往返传输函数的影响。搭建了基于非线性放大环形镜的光纤激光器,分别使用了掺镱光纤、掺铒光纤作为增益介质,在1 µm和1.5 µm波段分别实现了重复频率为600 MHz和280 MHz的基频锁模。所设计的激光器具有脉宽窄、光谱宽、稳定性好、自启动成功率高的特点,激光器完成了集成化封装,能够满足微纳加工、激光医疗、光频率梳等领域对飞秒激光的应用需求。
大功率脉冲量子级联激光器锥形波导光学与热学仿真设计
张程程, 张东亮, 王锐, 罗明馨, 林青华, 郑显通, 祝连庆, 王伟平
2024, 53(5): 20240015.   doi: 10.3788/IRLA20240015
[摘要](14) [HTML全文](5) [PDF 3181KB](11)
针对脊形波导结构的大功率脉冲量子级联激光器面临的光束质量差和热积累严重的问题,研究了一种新型锥形波导量子级联激光器结构设计方法。通过COMSOL软件仿真优化脉冲功率60 W,重复频率10 kHz输出的锥形量子级联激光器光学和热学特性,分析了不同几何参数对波导光场模式分布、传输特性和最大内部温度的影响以及不同热沉材料、热沉温度和脉冲宽度对核心层内部温度分布的影响。结果表明,在4.6 μm的波长下,直波导宽度为5 μm,在锥度角为1.9°,直波导/锥形波导长度比为1∶3,可以保证直波导产生TM基模输出,整个端口的透射率、反射率、损耗、光限制因子达到最好效果。在同脊宽条件下,对于3 mm腔长,该锥形波导结构激光器核心区的面积对比条形的脊波导结构大10倍左右,更有利于大功率输出。此外,基于该结构进行了不同脉冲模式下的热学仿真分析,为器件工作模式和封装方式的选择提供有益参考。文中研究相关结论可为后续工艺设计和实验验证提供数据支持。
中红外量子级联激光器1×16锁相阵列设计
王锐, 张东亮, 张程程, 林青华, 罗明馨, 郑显通, 祝连庆
2024, 53(5): 20240014.   doi: 10.3788/IRLA20240014
[摘要](20) [HTML全文](4) [PDF 3932KB](10)
针对中红外波段单管量子级联激光器存在输出功率有限的问题,提出相干阵列通过光放大后合束提升激光器功率的方法,研究波长为4.6 μm的1×16量子级联激光器锁相阵列的结构设计与优化。通过设计低传输损耗、高光限制因子的单模波导确定器件各层材料外延厚度;通过设计由100%反射率和50%反射率的布拉格反射镜组成的种子激光器实现4.6 μm单波长激光输出;通过设计由1×2多模干涉耦合器(MMI)和弯曲波导组成的1×16分束器实现低损耗均匀分束并锁相;通过设计输出端口的Al2O3增透膜厚度并利用电注入放大的方式实现激光器阵列的大功率输出。最终确定波导上GaInAs层厚度为0.25 μm,下GaInAs层厚度为0.1 μm,上包层InP厚度为3 μm,下包层InP厚度为1 μm。当单模波导宽度为5 μm时,波导损耗为0.055 dB·cm-1,光限制因子为0.733。100%反射镜刻蚀深度为0.2 μm,周期为728 nm,占空比为0.5,周期数为1000;50%反射镜刻蚀深度为0.2 μm,周期为727 nm,占空比为0.1,周期数为690;当阵列间距为35 μm时,分束器尺寸为3080 μm×605 μm,损耗为0.254 dB,其中MMI尺寸为19 μm×126 μm;出射端口采用0.7 μm的Al2O3增透膜,透射率达到0.975。最后比较了不同放大器阵列间距的温度与远场分布,相关研究结论可为量子级联激光器锁相阵列的研制提供设计参考。
KTiOPO4 晶体和光参量振荡技术产生900 nm波段激光
周权, 赵鑫强, 孔辉, 卞进田, 徐海萍, 舒涵, 邹杰瑞, 谢运涛
2024, 53(5): 20240060.   doi: 10.3788/IRLA20240060
[摘要](17) [HTML全文](3) [PDF 1789KB](9)
利用KTiOPO4(简称KTP)晶体和光参量振荡技术(Optical Parametric Oscillator,OPO),产生900 nm波段激光。利用成熟的1064 nm激光,通过LiB3O5(LBO)晶体倍频产生532 nm激光,再用532 nm激光泵浦KTP OPO产生调谐范围为898~911 nm,调谐分辨率优于1 nm,输出能量达1.85 mJ,重频1~10 Hz的近红外激光。利用该方案产生的900 nm波段激光,具有全固化、小型化、宽调谐、高调谐分辨率、高光束质量等优势,在光电对抗领域有着广泛的应用前景。
基于分子准直效应的超快脉冲Serrodyne非线性展宽与移频
刘大伟, 杨光, 罗代均, 达娜·加山尔, 范广宇, 刘一
2024, 53(5): 20240046.   doi: 10.3788/IRLA20240046
[摘要](11) [HTML全文](1) [PDF 2005KB](3)
超快光学的发展推动了光-物质相互作用研究进入了强场、高能的极端光学条件。然而,许多创新和应用需要专用的激光参数,包括波长、强度、脉冲长度、重复频率等。尤其是波长,这是一个非常重要但调控不太灵活的参数。报告了分子准直效应导致的超快脉冲的Serrodyne非线性展宽与频率转换,实现了对光波长的精确移频。通过研究脉冲形状与瞬态频率的关系,解析了Serrodyne效应在引发非线性动力学过程中的作用机制。与克尔非线性不同,在分子准直体系下,光谱移频的大小受分子响应时间和脉宽的共同影响,为在超快光源调控中引入新的自由度提供了可能性。
红外技术及应用
冷光学用大口径2 k×2 k 红外探测器组件封装技术
朱海勇, 曾智江, 孙闻, 赵振力, 范广宇, 季鹏, 张启, 庄馥隆, 李雪
2024, 53(5): 20230634.   doi: 10.3788/IRLA20230634
[摘要](16) [HTML全文](2) [PDF 2627KB](12)
大面阵和长线列红外探测器已成为下一代红外探测器的发展方向之一,针对于大面阵探测器低温封装的难点,提出了一种大面阵探测器组件封装结构。对组件低形变窗口支撑结构、低噪声冷平台结构以及低漏热兼高可靠性的引线键合工艺等方面进行了研究,以中波红外2 k×2 k探测器组件为研究对象,通过200 K窗口低温光学设计和低形变窗口帽支撑方式实现组件低背景杂散光抑制设计和窗口形变控制。采用SiC基板实现探测器工作温度波动控制和噪声抑制,5 min内探测器温度波动小于0.1 K,噪声等效温差(NETD)小于20 mK。为了降低引线漏热和增强引线可靠性,采用铂铱丝键合工艺,引线漏热相较于金丝和硅铝丝下降至1/10,制冷机功率由72 W降至39 W。引线随组件通过随机和正弦力学试验考核。解决了大面阵探测器封装中杂散光、大口径窗口形变、探测器噪声、引线漏热和强度等一系列问题,该组件已成功运用于某项目2 k×2 k探测器封装中。
消除CDS折叠效应的增益自适应红外焦平面读出电路
吴双, 张健怡, 陈洪雷, 丁瑞军
2024, 53(5): 20230688.   doi: 10.3788/IRLA20230688
[摘要](21) [HTML全文](3) [PDF 3561KB](6)
高动态范围是红外焦平面探测技术的先进发展方向之一。高集成度像元读出电路的动态范围受到小电荷存储容量和噪声的限制。所设计的增益自适应像元读出电路,小信号下为电容反馈跨阻放大器(CTIA),大信号下自动转换为变阻抗电阻反馈跨阻放大器(RTIA),实现小信号大增益、大信号小增益的自动切换,将集成3.86 fF积分电容的CTIA电荷容量拓展到1.63 Me。在15 µm像元中心距的像元内集成相关双采样(CDS)结构,大幅减小噪声。对CDS大信号注入产生的折叠效应进行理论分析,并设计抗折叠结构。采用180 nm 3.3V CMOS工艺,完成640×512规模的读出电路的设计、仿真、流片、测试。测试结果显示,该电路可消除CDS折叠效应,噪声电子数17 e,动态范围拓展到99.66 dB。
光电测量
高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法
李凌, 张家福, 陶鑫, 于宗伟, 李梦旭, 王任远, 陈西, 崔程光, 王向东
2024, 53(5): 20240059.   doi: 10.3788/IRLA20240059
[摘要](14) [HTML全文](4) [PDF 3394KB](6)
为了实现应用于高能激光等领域对表面洁净度有着极高要求的超光滑非球面检测,排除检测人员带来的洁净度与空气扰动的影响,研究了高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法。通过建立补偿干涉法非球面失调量与波前像差之间的灵敏度矩阵,实现利用波前像差求解被测非球面失调量。以理想干涉系统的离焦、彗差与像散为优化目标,进行反馈控制,实现被测非球面的自动化调整,进而实现高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。实验结果表明,在干涉图可测范围内,利用灵敏度矩阵通过几步迭代即可实现非球面失调量的收敛。结合Stewart六自由度调整台,分别实现2 μm精度的平移误差调整、2" 精度的光轴自动化对准,最终完成被测非球面的精密调整,实现高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。采用灵敏度矩阵与六自由度调整的非球面自动化干涉检测方法可实现被测非球面失调量的快速求解与自动调整,降低人员和环境带来的扰动影响,提高了非球面的检测速度,并实现了高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。
基于PSD的六自由度位移测量解耦方法研究
付文江, 卢增雄, 吴晓斌, 黄宇峰, 高斌, 陈学同
2024, 53(5): 20240061.   doi: 10.3788/IRLA20240061
[摘要](16) [HTML全文](4) [PDF 4483KB](6)
基于位置敏感探测器(Position Sensitive Detector, PSD)的六自由度(6 Degree of Freedom, 6DOF)位移测量对紧凑空间内精密位移台初始位置和姿态的精密测量具有重要作用。精密位移台位移与PSD上光斑位移之间非线性关系的解耦是实现精密位移台亚微米及微弧度位移测量精度的关键。根据PSD与6DOF精密位移台上角锥棱镜之间的位置关系,构建了6DOF位移测量方案,建立了6DOF位移台位移与PSD上光斑位移之间的精确对应关系模型,采用数值计算法对该模型进行解耦求解,并与小角度近似法进行了对比分析。结果表明,当6DOF位移台单自由度位移范围为±10 mm和±10 mrad时,数值计算法引入的解算误差最大值为10−17 mm和10−15~10−16 mrad量级,而小角度近似法引入的解算误差最大值为5.39 μm和35.5 μrad;在此基础上,采用蒙特卡洛法以随机均匀分布方式产生10000组六自由度位移进行分析,表明数值计算法引入的解算误差平均值为10−17 mm和10−17 mrad量级,而小角度近似法引入的解算误差平均值为10−3~10−6 mm和10−5 mrad量级,其中z方向解算误差达到4.4 μm,RxRy方向解算误差达到28 μrad,故小角度近似法无法满足上述位移测量精度要求。所提出的基于数值计算法的解耦方法对实现6DOF位移台的高精度位移测量具有重要意义。
特征自适应的复杂曲面扫描路径生成方法
林雪竹, 王庭轩, 郭丽丽, 李丽娟
2024, 53(5): 20240009.   doi: 10.3788/IRLA20240009
[摘要](15) [HTML全文](4) [PDF 6057KB](4)
为了解决现有自动化扫描方法在面对复杂曲面时扫描完整性不足、普适性不佳等问题,提出了一种特征自适应的自动化扫描路径规划方法。首先,构建了激光扫描仪的扫描约束条件,分析其对扫描精度的影响,为特征自适应的复杂扫描路径规划提供理论支撑。其次,针对扫描仪姿态规划问题,提出了一种新的测量倾角约束聚类算法,对离散复杂曲面后获得的采样点进行聚类处理,实现扫描仪姿态的规划,并在此基础上获得扫描路径点。再次,针对扫描路径规划问题,引入法向矢量夹角矩阵作为惩罚矩阵,优化改进最近邻算法,实现符合需求的扫描路径规划。最后,为验证该方法可行有效,以汽车车门作为扫描对象,搭建了一个组合式自动化柔性测量系统,与传统行切扫描方法、手动扫描方法进行对比试验。试验结果表明,该方法相较于行切扫描方法在扫描仪姿态变换次数上减少了54%,测量精度提高了64.5%,降低了人工干预因素的影响,扫描完整性与手动扫描方法接近,可以实现针对复杂曲面的自动化扫描测量。
考虑传函零点的光电稳定平台抗扰控制设计
翟方超, 曾庆化, 张越杰, 王合龙, 李杰
2024, 53(5): 20240030.   doi: 10.3788/IRLA20240030
[摘要](17) [HTML全文](2) [PDF 2144KB](5)
针对当前光电稳定平台伺服系统中自抗扰控制设计方法未考虑系统零点的问题,文中提出一种考虑传函零点的光电稳定平台抗扰控制设计方法。该方法通过扰动设计的方法将有零点的传函转换为无零点传函,使用扰动分离状态观测设计技术对设计的扰动进行补偿。仿真实验结果表明:在控制器相同、扰动条件相同的情况下,相比模型辅助的自抗扰算法,文中提出的算法阶跃响应调节时间减少80.72%,超调量减少61.97%;在1V2Hz等效扰动下,系统稳态精度提高36.69%,系统性能提升效果明显。在实物验证实验中,对于1V2Hz等效扰动下,文中提出的算法系统稳态精度提高了27.41%,对于不同频率的等效扰动,稳态精度能够提升20%以上,有效的提高了光电稳定平台的稳态精度。
大频移范围光纤拉曼增益谱的测量
张扬, 何俊鸿, 柯延钊, 郭艺东, 梁峻锐, 马小雅, 叶俊, 许将明, 冷进勇, 周朴
2024, 53(5): 20240041.   doi: 10.3788/IRLA20240041
[摘要](19) [HTML全文](2) [PDF 3152KB](5)
光纤拉曼增益谱的测量对光纤激光器的设计与优化至关重要。当前光纤拉曼增益谱的测量主要是基于小信号增益法,但该方法测试时间较长,且可测量的频移范围受限于信号源的波长调谐范围,难以获得光纤在大频移范围内的拉曼增益谱。为此,提出了一种利用光纤的自发拉曼散射谱来反演光纤在大频移范围内拉曼增益谱的方法。利用该方法测量了两款光纤——掺磷光纤与掺锗光纤在1~42 THz频移范围内的拉曼增益谱。在1.6~22 THz频移范围内,基于该方法测得的拉曼增益系数与基于小信号增益法测得的结果基本一致。该工作为测量光纤在大频移范围内的拉曼增益谱提供了一种解决方案。
大气光学
大气多参数激光雷达在化工园区的安全环保和碳监测中的应用
夏秋炜, 章振, 余赛芬, 夏海云, 潘凡峰
2024, 53(5): 20240068.   doi: 10.3788/IRLA20240068
[摘要](9) [HTML全文](2) [PDF 4557KB](16)
化工产业是国家经济发展的基础,但其在促进经济发展的同时也面临着高碳排放、环境污染和安全风险等挑战。为了保障化工园区的平稳运行,团队研制了一套全光纤体制的1.5 μm大气多参数激光雷达系统,并应用于化工园区的污染强度、气体浓度、风场和降雨信息的监测和预警。该激光雷达系统集成了直接探测模块和相干探测模块,在直接探测模块中,基于扫描光源和超导纳米线单光子探测器进行气体浓度的监测。在相干探测模块中,基于对距离修正回波信号、载噪比和多普勒频移的分析获得颗粒物污染强度和风场分布;基于湍流动能耗散率和风廓线的速度梯度获得湍流和风切变信息;基于深度功率谱分析获得谱宽和偏度,用于区分风速和雨速,获得精准的降雨信息。大气多参数激光雷达分别在江苏省南京市江北新区和内蒙古自治区鄂尔多斯自治旗棋盘井镇进行外场实验,通过多次实验验证了该大气多参数激光雷达在化工园区进行环保、安全和精细化气象保障的能力。文中还进一步设计展望了该系统在化工园区探测多种危化气体浓度的潜力。
基于小波多尺度分析大气边界层高度提取方法研究
李猛, 李佳欣, 郭心骞, 吴德成, 刘苏悦
2024, 53(5): 20230677.   doi: 10.3788/IRLA20230677
[摘要](9) [HTML全文](2) [PDF 2826KB](3)
大气边界层物理演变特征及复杂边界层结构对大气污染过程的影响机制研究中,迫切需要边界层精细化结构的探测手段。通常使用梯度法和小波协方差变换法的方式进行边界层高度提取,但由于该方式容易受到噪声和气溶胶层结构的影响,实验误差较大。提出使用小波多尺度分析方法细化边界层特征结构,从而筛选出有效的细节信息,提高对探索边界层高度的准确性。此外,基于GBQ L-01激光雷达设备实测合肥地区全天气溶胶分布情况,使用小波多尺度分析方法分析对应的平行分量距离平方矫正信号、垂直分量距离平方矫正信号和退偏振比全天分布情况。实验结果表明,该方法准确性高,与梯度法、小波协方差法相比具有更高的稳定性与连续性。对特殊时间点进行数据分析,明确主要影响边界层高度的主要因素,并确定各个时间段的大气边界层高度值。
深度湍流条件下激光往返传输漂移特性的实验探究
李昕淼, 梅海平, 张骏昕, 李艳玲, 邓涵凌, 陶志炜
2024, 53(5): 20230719.   doi: 10.3788/IRLA20230719
[摘要](8) [HTML全文](16) [PDF 2035KB](9)
为探究深度湍流条件下激光往返传输的漂移特性,基于修正的Rytov理论,推导了深度湍流条件下光束漂移角方差表达式。搭建了折返路径激光成像探测系统,实验获取了1 km和7 km传输路径上不同时段激光光斑的回波图像和大气相干长度。利用回波图像计算了漂移角均方差及其各向异性因子并与理论对比。结果表明:漂移角均方差和大气相干长度随时间变化具有明显周期性,两者变化同步,但趋势相反。1 km传输路径上,漂移角均方差在2~24 μrad之间波动。而7 km传输路径上漂移角均方差在4~26 μrad之间波动。通过对比Kolmogorov 理论、Von Karman理论、Exponential理论和修正的Rytov理论模型下漂移角均方差与实测值的相对偏差发现:基于Von Karman理论的模型与1 km传输路径上漂移角均方差的实测值更为吻合,平均相对偏差约为18.20%,基于修正Rytov折射率功率谱理论的模型与7 km传输路径上漂移角均方差的实测值更为吻合,平均相对偏差约为21.09%。在1 km和7 km传输路径上,漂移特性均随着大气相干长度的减小而趋于各向同性。相关实验结果进一步揭示了深度湍流下往返路径传输激光漂移的机理,对于长距离空间光通信维持稳定通信链路具有一定参考价值。
光通信与光传感
基于有限元仿真和光纤传感的隧道损伤监测
常天英, 陈星, 于淼, 崔洪亮
2024, 53(5): 20230712.   doi: 10.3788/IRLA20230712
[摘要](13) [HTML全文](2) [PDF 3528KB](4)
对苏州四号线支线红庄站至蠡墅站段地铁进行隧道结构开展静力场和动力场有限元仿真分析,并根据仿真结果和现场勘察结果,成功设计并布设了能够对隧道结构水平位移、裂缝、沉降、结构应力、结构表面应变、振动等信息进行实时监测的光纤传感网络,实现了对隧道结构健康状态的实时监测,然后利用光纤传感网络反过来验证有限元模型可靠性,从而得到更准确的有限元仿真模型。最后,结合两种技术,针对该地铁中三种主要断面建立了二维有限元模型,研究了三种断面在隧道结构有损伤基础和无损伤基础的两种情况下,受到地铁列车振动荷载影响产生的混凝土结构损伤分布规律,从而更好地为地铁安全运营提供技术保障。
基于多窗口识别的多波长光信号峰值实时检测系统
张康, 姜海明, 谢康
2024, 53(5): 20240042.   doi: 10.3788/IRLA20240042
[摘要](11) [HTML全文](2) [PDF 2246KB](4)
波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)作为光纤通信系统的核心技术之一,为多个波长光信号的复用和传输提供了强有力的解决方案,对复用光信号的解复用和识别是WDM系统需解决的重要问题之一。文中研制了一种针对多波长光信号峰值的实时检测系统,用于实时检测多波长光信号的峰值功率。首先,设计并研制了光纤法布里-珀罗可调谐滤波器(FFP-TF)的驱动控制器和微弱光信号探测器,分别控制FFP-TF的驱动电压使其滤出特定波长的光信号和对滤出光信号的功率进行实时探测;其次,对于光电探测器中实时探测的光信号功率,设计了一种基于多窗口识别的峰值检测方法,使用三个针对波形不同位置的数据筛选窗口,根据实时检测数据来识别波形的变化趋势从而得到峰值强度与位置,进而计算出对应的光信号峰值强度。实验结果显示,所研制的实时检测系统实现了对多波长光信号的实时检测以及峰值的识别,光信号检测强度范围为0~−60 dBm,识别速度较快,对于准周期或周期的多波长光信号的识别具有良好的识别效果。
光学设计
中间像面非理想成像的近红外折反射系统光学装调方法
陈太喜, 王金鑫, 黄贺, 张斌智, 李鑫, 丘敏艳, 张鑫
2024, 53(5): 20240089.   doi: 10.3788/IRLA20240089
[摘要](12) [HTML全文](3) [PDF 3118KB](4)
近年来,基于中间像面非理想成像的近红外折反射系统应用广泛,但由于该波段干涉仪的价格昂贵且难以维护,其应用并不普及,因此在该类系统集成阶段,通常只能采用传统的机械特征定位方式(例如采用中心偏测量仪辅助定位)进行装调。由于传统机械定位方法无法直接借助干涉仪对系统出瞳波像差进行实时高精度监测,即不能通过观察各视场像差变化规律来指导装调,导致系统的装调效率和精度通常难以保证。针对一个口径为150 mm、焦距为450 mm的中间像面非理想成像近红外折反射系统的高精度光学装调方法开展研究,通过对系统中继透镜组透镜薄膜进行包含常用干涉仪工作波长(λ@632.8 nm)的设计,来实现利用可见光激光干涉仪对系统波像差进行高精度检测的目的,然后研究了系统各装调自由度和系统初级波像差的敏感度关系,以失调敏感度单变量分析为基础,分析了各失调维度间的耦合作用特性,在此基础上提出了次镜和中继镜组相互反复迭代联调的光学装调方案。整机装调后,光学系统各视场波前误差(RMS)和设计仿真结果数值大小大致相同,方向一致,均达到成像质量要求。
图像处理
基于深度学习的红外成像退化模型辨识及超分辨率成像方法
曹军峰, 丁庆海, 邹德鹏, 秦恒加, 罗海波
2024, 53(5): 20240049.   doi: 10.3788/IRLA20240049
[摘要](12) [HTML全文](3) [PDF 5872KB](4)
红外成像系统由于制造工艺和成本制约,分辨率仍然较低。图像超分辨率重建技术是提高图像分辨率的有效方法,获得了广泛研究,并在仿真图像上获得了很好的效果,但应用于实际图像时效果不甚理想,主要原因是实际成像退化更加复杂,包括红外光学系统像差和装配误差引起的空间非一致模糊,以及受工作温度影响导致的模糊核变化。针对上述问题,提出一种基于深度学习的红外成像退化模型辨识方法和基于退化模型约束的超分辨率重建方法,通过在不同工作温度下采集标定靶标图像,标定不同工作温度、不同空间位置的模糊核;采用卷积神经网络建立成像退化模型,并利用定标数据进行模型参数求解,为超分辨率重建提供更多先验信息;设计迭代超分辨率重建网络,交替进行退化参数估计和超分辨率重建,经过多次迭代逐步提高重建效果。实验结果表明,采用卷积神经网络求解的成像退化模型可准确描述模糊核变化规律,基于退化模型约束和退化参数在线学习的超分辨率重建方法可显著提高红外超分辨率成像的效果,具有较高的工程应用价值。
注意力引导的多尺度红外行人车辆实时检测
张印辉, 计凯, 何自芬, 陈光晨
2024, 53(5): 20240063.   doi: 10.3788/IRLA20240063
[摘要](15) [HTML全文](2) [PDF 3399KB](4)
红外成像技术通过捕捉目标热辐射特征进行成像,能实现复杂道路场景下的目标监测和道路冗杂信息滤除。针对红外行人和车辆目标检测模型参数量大、依赖高性能GPU资源和检测速度慢等问题,提出了一种注意力引导的多尺度红外行人车辆实时检测模型。首先,为精确匹配校准红外行人和车辆目标尺度与锚框尺寸,利用K-Means++算法对红外行人和车辆目标尺度进行先验框预置参数重聚类生成,并设计128×128精细尺度检测层;其次,设计注意力引导广域特征提取模块增强模型特征提取能力和空间及通道信息聚焦能力;随后,构建跨空间感知模块引入空间信息感知,强化不同尺度空间下的目标的特征表达能力;最后,针对资源受限设备,通过4倍通道剪枝方法降低模型参数量,增强移动端算法部署适应性。实验结果表明:所提IRDet算法与基准方法相比,模型平均检测精度提升4.3%,达到87.4%,模型权重值压缩60.4%,降至5.7 MB。
基于红外影像层次旋转匹配的飞行器定位方法
李清格, 杨小冈, 卢瑞涛, 范继伟, 唐彬, 张震宇, 王思宇, 宿爽
2024, 53(5): 20240086.   doi: 10.3788/IRLA20240086
[摘要](12) [HTML全文](2) [PDF 8010KB](3)
基于图像匹配的飞行器自主视觉定位技术是飞行器导航制导、态势感知和自主决策的关键技术之一。针对红外遥感影像在大角度旋转下飞行器匹配定位失效的问题,提出了一种基于层次结构强化的特征点旋转匹配定位方法。该方法通过融合深度特征点提取与层次结构强化的旋转匹配定位技术,有效实现了飞行器匹配定位。首先设计了一个集成残差连接编码器的RBN-SuperPoint深度特征点提取模型,用于检测和描述待匹配图像中的深度特征点。其次构建了基于线性注意力和置信度分类器的L-LightGlue自适应匹配算法,利用L-LightGlue进行特征点粗匹配,生成单应性变换矩阵。随后采用层次结构强化的旋转匹配策略,根据粗匹配得到的单应性变换矩阵对图像进行旋转处理,消除图像间的角度差异,并进行精确匹配。再通过将结果映射至原图像,得到旋转校正后的特征点匹配结果和对应的单应性变换矩阵。最后利用图像间变换关系确定飞行器在图像中的位置,完成视觉定位。实验结果表明:RBN-SuperPoint可以高效提取大量均匀分布的特征点,所提基于L-LightGlue的匹配定位算法的匹配准确率最高可达98.57%,平均定位误差仅为4.08 pixel。
多模态融合的三维语义分割算法研究
晁琪, 赵燕东, 刘圣波
2024, 53(5): 20240026.   doi: 10.3788/IRLA20240026
[摘要](10) [HTML全文](3) [PDF 5764KB](3)
如何高效提取稠密感知的图像特征信息以及真实三维感知的点云特征信息并充分利用其各自优势进行信息互补是提升三维目标识别的关键。本文提出了一种图像和点云融合的多模态框架用于三维语义分割任务。图像与点云特征提取分支相互独立,设计深度估计融合网络用于图像分支,将稠密感知的图像语义信息与真值显式监督的深度特征信息有效融合,对点云的无序及稀疏性进行补偿。并改进体素特征提取方法,减少点云体素化带来的信息损失。图像、点云分支提取多尺度特征后通过动态特征融合模块提升网络对关键特征的提取能力,更有效的获取全局特征。同时本文提出点级的多模态融合数据增强策略,提升样本多样性的同时有效缓解样本不均衡问题。在Pandaset公开数据集上进行对比实验,本文的多模态融合框架展现出更优的性能和更强的鲁棒性,尤其在小样本小目标上性能提升更为明显。
简讯
全光纤结构拉曼振荡器实现近1.8 kW激光输出
范晨晨, 付敏, 郝修路, 黄善旻, 李阳, 陈子伦, 冷进勇, 姚天甫, 周朴
2024, 53(5): 20240031.   doi: 10.3788/IRLA20240031
[摘要](9) [HTML全文](4) [PDF 867KB](5)
拉曼光纤激光器在实现高功率特殊波长激光方面具有独特优势,受到了广泛关注和研究。近年来,随着渐变折射率多模光纤在拉曼激光器中的运用,不仅提高了可注入的泵浦功率,还通过光束净化特性实现了激光亮度增强。