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2020年  第49卷  第10期

“自适应光学”专栏
流场测速中基于深度卷积神经网络的光学畸变校正技术
高泽宇, 李新阳, 叶红卫
2020, 49(10): 20200267. doi: 10.3788/IRLA20200267
[摘要](93) [HTML全文] (19) [PDF 1547KB](26)
基于光学成像的流场测量技术,如粒子图像测速技术(PIV),易受到因流体中折射率的不均匀性或晃动的介质边界引起的光学畸变而带来的影响。这些畸变会使得示踪粒子在图像上的位置分布产生误差且严重影响图像清晰度,从而增大流场速度测量的误差。为了提高光学流场速度测量的测量精度,自适应光学系统可以应用于其中去校正光学畸变。基于图像流场测量中的光学像差具有频率高,动态范围大,空间分辨率高等特点,对于这一应用场景,基于波前校正器件的自适应光学系统受到了器件本身性能的影响。基于深度学习的自适应光学技术在流场测量中的应用,建立了一种基于深度神经网络的无波前校正器件自适应光学校正技术,以深度神经网络代替传统的波前校正器件,用于粒子图像测速技术中的光学畸变校正。为了生成神经网络所需要的训练和测试数据集,搭建了可以实现波前测量的粒子图像测速实验平台,分析并建立了光学畸变在粒子图像上的图像退化模型。最后,以校正后PIV图像的校正效果和流场速度测量结果作为评价标准,对所建立神经网络的畸变校正性能进行了分析。
基于离焦光栅的单帧深度学习相位反演算法
邱学晶, 赵旺, 杨超, 程涛, 王帅, 许冰
2020, 49(10): 20200273. doi: 10.3788/IRLA20200273
[摘要](54) [HTML全文] (21) [PDF 1735KB](24)
针对目前相位差法收敛速度慢以及需要CCD在焦面以及离焦面多次测量的问题,提出了基于离焦光栅的单帧深度学习相位反演算法。该算法用离焦光栅对入射波前进行调制,可同时在透镜焦平面上获得正负离焦以及焦面远场光强分布;此外算法引入卷积神经网络替代原有的多次扰动寻优过程,波前复原算法耗时大大降低。仿真结果表明:算法可根据单帧透镜焦面远场光强分布实现高精度快速波前复原,残差波前的均方根为入射波前均方根的6.7%,算法进行一次波前复原所需时间可小于0.6 ms。
自适应增益的SPGD算法
方舟, 徐项项, 李鑫, 刘金龙, 杨慧珍, 龚成龙
2020, 49(10): 20200274. doi: 10.3788/IRLA20200274
[摘要](38) [HTML全文] (21) [PDF 1318KB](15)
SPGD算法是一种应用广泛的无波前探测自适应光学控制算法。传统SPGD算法中增益系数保持某一固定值不变,随着变形镜单元数的增加,这将导致算法收敛速度变慢及陷入局部极值的概率增大。Adam优化器是深度学习常用的一种优化随机梯度下降算法,它具有增益系数自适应性调整的特点。将Adam优化器自适应调整增益系数的优势与SPGD算法结合起来用于自适应光学系统控制。分别以32、61、97、127单元变形镜作为波前校正器件,不同湍流强度的波前像差作为校正对象,建立了无波前探测自适应光学系统模型。结果表明,优化后的算法收敛速度更快,而且陷入局部极值的概率降低,并且随着变形镜单元数的增加与湍流强度的增大,算法的优势更加明显。以上研究结果为基于Adam优化的SPGD算法的实际应用提供了理论基础。
自适应光学系统运行失稳检测方法
贾启旺, 李新阳, 罗曦
2020, 49(10): 20200299. doi: 10.3788/IRLA20200299
[摘要](41) [HTML全文] (10) [PDF 1517KB](6)
自适应光学(AO)系统校正像差是提高光学系统性能的有效技术手段。为了保证AO系统长时间安全、稳定地工作,需要对AO系统运行的数据进行监测,识别系统失稳状态以提供决策建议。基于以上目的,建立了一套127单元AO系统失稳数据仿真平台,通过该平台仿真得到了4种闭环失稳异常。基于变形镜控制电压RMS指标使用Kmeans聚类、K-NN分类和ARIMA预测3种机器学习方法进行识别检测。3种方法在不同类型异常数据中的检测结果有所不同,说明3种异常检测方法对系统失稳检测均有一定的效果和适用范围,在实际使用时,可以根据需要选择一种或综合多种方法进行检测。
光学相控阵技术发展概述
马阎星, 吴坚, 粟荣涛, 马鹏飞, 周朴, 许晓军, 赵伊君
2020, 49(10): 20201042. doi: 10.3788/IRLA20201042
[摘要](101) [HTML全文] (34) [PDF 2658KB](38)
截至目前,光学相控阵技术已经发展了70多年,针对不同的应用方向,发展出了液晶、MEMS、光波导、相干合成等多种器件和技术方案,在激光雷达、空间光通信、高亮度激光产生、合成孔径探测等应用领域获得了初步应用。光学相控阵技术通过对光束阵列中单元光束相位的控制,从而实现阵列光束等相面的重构或精密调控,具有系统体积质量小、响应速度快、光束质量好等优点。首先介绍了光学相控阵的工作原理,然后从激光发射和远距离成像两方面对几种主流相控阵技术的发展现状、应用方向及发展趋势进行了综述,最后给出了笔者的一些思考与建议。
基于光场相机结构的自适应光学系统仿真研究
孙全, 李程, 何宇龙, 刘贺, 王静, 许晓军
2020, 49(10): 20201043. doi: 10.3788/IRLA20201043
[摘要](33) [HTML全文] (15) [PDF 1649KB](14)
在自适应光学系统中,采用传统的哈特曼波前传感器只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,而以光场相机作为波前探测器具有视场大、一次曝光可获得多视角方向湍流信息等特点,可以替代传统多层共轭自适应光学(MCAO)系统中的多个波前探测器,达到简化系统,节约成本的效果。文中采用自主研发的光学系统仿真软件Seelight中的光场相机模块,结合光场数字重聚焦技术、模式法大气层析技术,复原了大视场完整波前,并搭建了自适应光学仿真系统,模拟与89单元变形镜配合实现在闭环工作模式下对大视场的大气湍流引起波前畸变的有效校正。
自适应光学相干层析在视网膜高分辨成像中的应用
范文强, 王志臣, 陈宝刚, 陈涛, 安其昌
2020, 49(10): 20200333. doi: 10.3788/IRLA20200333
[摘要](60) [HTML全文] (15) [PDF 1368KB](20)
视网膜光学相干层析(OCT)技术利用外部低相干光源照射人眼眼底,并将人眼眼底散射信号进行干涉成像,获得人眼视网膜的断层图像信息,以实现人眼视网膜无创、实时、在体的光学活检。传统光学相干层析在视网膜成像时的轴向分辨率可达3 μm以上,但由于人眼个体差异和不可避免的像差限制了视网膜OCT的横向分辨率,只能达到约15~20 μm。而自适应光学作为一项波前校正的先进技术,可以校正OCT色差以及人眼有限视场和眼球运动导致的像差,将OCT横向分辨率提高到低于2 μm,以实现视网膜细胞及微细血管近衍射极限成像,及时发现患者眼底存在的早期病变。在介绍自适应光学和视网膜光学相干层析的技术特点基础上,对自适应光学在视网膜光学相干层析成像应用的国内外发展现状进行了论述,总结了自适应光学OCT视网膜高分辨成像在宽带光源色差校正、眼球运动伪影减少、自适应光学视场扩大和波前传感与校正系统简化的关键技术和未来发展趋势,以实现大视场、高效率、高灵敏度、高分辨率的高速人眼视网膜成像,为未来自适应光学OCT视网膜成像技术的研究和应用提供参考和借鉴。
红外技术及应用
天基红外探测载荷自适应调节方法研究
蔡萍, 李潇雁, 苏晓峰, 胡亭亮, 陈凡胜
2020, 49(10): 20200076. doi: 10.3788/IRLA20200076
[摘要](31) [HTML全文] (21) [PDF 1728KB](8)
在天基遥感探测应用中,动态范围、时空变化率是影响红外高温目标高精度探测与跟踪识别的重要因素。通常受探测器暗电流、电路噪声等因素的影响,探测系统的单景动态范围一般小于72 dB左右,难以覆盖动态范围达100 dB左右的超强目标,降低了目标的识别能力和定量化描述精度。针对以上问题,提出了一种探测载荷自适应参数调节技术,通过自适应双曝光策略调整积分时间,能够在最大化目标探测信噪比的同时实现对目标能量的精确描述。仿真实验结果表明:所提方法操作简单,且能有效地实现整个动态范围内对目标的探测与描述。该方法可为天基目标智能化探测研究提供有益参考。
低发射率材料涂敷区域对排气系统壁温和红外特性的影响
曹飞飞, 吉洪湖, 于明飞, 吴开军
2020, 49(10): 20190131. doi: 10.3788/IRLA20190131
[摘要](32) [HTML全文] (2) [PDF 1958KB](5)
为了研究红外低发射率材料涂敷区域对排气系统壁温和红外特性的影响,在相同实验工况下,实验测量了3种涂敷方案:(1)仅中心锥涂敷;(2)仅混合器内表面涂敷;(3)中心锥与混合器内表面同时涂敷。下轴对称和S弯二元排气系统壁温和红外辐射特性。结果表明:涂敷低发射率材料将导致表面温度升高,同时也影响排气系统非涂敷区域的壁面温度分布。高温部件涂敷低发射率材料时,在涂敷区域可被直接探测的角域内,可有效抑制排气系统的红外辐射,但在涂敷区域不能被直接探测的角域内其影响规律因涂敷方案而变,在3种涂敷方案中,S弯二元排气系统仅涂敷混合器内表面,轴对称排气系统中心锥和混合器内表面同时涂敷低发射率材料时整体红外抑制效果最好。
折衍混合红外双波段变焦光学系统设计
杨洪涛, 杨晓帆, 梅超, 陈卫宁
2020, 49(10): 20200036. doi: 10.3788/IRLA20200036
[摘要](596) [HTML全文] (450) [PDF 1723KB](31)
建立了不同类型衍射元件对衍射效率的影响模型,比较了单层衍射元件、谐衍射元件和双层衍射元件之间衍射效率的差异,重点分析在红外双波段光学系统中应用双层衍射元件的突出优势,计算不同材料组合情况下双层元件的平均衍射效率,以此为基础设计一款适合于高空机载平台的折衍混合红外双波段双视场光学系统。大视场对应的地物分辨率为1.5 m@16 km,长焦、短焦分别为960 mm和480 mm,通过切换反射镜改变光路来实现变焦功能,保证变焦过程中系统的光轴稳定性。仿真结果表明在−40~60 ℃的大温差环境下,系统的MTF曲线平滑且接近衍射极限,RMS半径位于艾里斑半径以内,二元衍射面的最小特征尺寸为6.9 μm,设计结果满足工程使用要求。
用于红外气体检测的多通池温度、压强控制系统研制
侯月, 黄克谨
2020, 49(10): 20190525. doi: 10.3788/IRLA20190525
[摘要](36) [HTML全文] (8) [PDF 1651KB](6)
为了实现CO2气体同位素的高性能检测,研制了高精度、高稳定性的多通池温度、压强控制系统。采用柔性PCB作为加热片包覆圆柱形多通池。考虑到温度控制系统的加热速率,外层包覆保温棉作为隔热装置,使得整个温度控制系统能实现快速加热,且能够保持温度的长时间稳定。采用铂电阻PT1000温度传感器对多通池温度进行精确采集,主控制器通过PWM信号,调控柔性PCB加热膜的发热功率,从而实现温度的闭环控制。压强控制系统方面,采用压强传感器连接于多通池前、后端,检测多通池内部气压,主控制器通过PWM信号,调控多通池前、后端比例阀导通状态,从而实现压强的闭环控制。结果表明,温度控制范围为18.48~42 ℃,温度控制精度为±0.08 ℃。多通池压强为60 Torr(1 Torr ≈ 133.322 Pa)时,控制精度为±0.04 Torr。该系统为红外CO2气体同位素的高性能检测提供可靠保障。
激光器与激光光学
高功率光纤激光器反向光放大和损伤特性数值分析
盛泉, 司汉英, 安建民, 张海伟, 张钧翔, 丁宇, 李升才, 史伟, 姚建铨
2020, 49(10): 20200009. doi: 10.3788/IRLA20200009
[摘要](35) [HTML全文] (5) [PDF 1243KB](5)
利用速率方程模型对主振荡−功率放大器结构的1 μm波段掺镱(Yb)高功率光纤激光器中存在连续波反向信号光时的功率特性进行了理论分析,结果显示反向信号光功率会被高功率激光放大器所明显放大,10 kW级的光纤激光器中,100 W的反向信号经过放大器后功率会被放大至kW量级;与此同时,反向信号放大过程对反转粒子数的消耗会导致激光器的正向输出功率的严重下降。另外,反向信号放大也会导致放大器输出端的激光功率过强,加剧泵浦吸收和受激发射过程,增加该处的热负载、导致温度大幅上升100 ℃以上,对稳定性产生潜在影响。反向信号导致振荡器提供的正向种子光功率波动和下降时,正向信号不能充分饱和有源光纤中的增益,会进一步加强反向信号在主放大级中的放大作用,进而对系统造成更严重的影响。提高正向种子光功率、增强正向信号对激光增益的饱和作用,有助于抑制反向信号的放大过程,但需综合考虑种子源稳定性、热负载、热致模式不稳定和受激拉曼散射等因素合理选择种子光功率。
Study on signal light transmission efficiency enhancement of backward pump-signal combiners in high-power fiber lasers
Fang Zeyuan, Yin Lu, Yan Mingjian, Han Zhigang, Shen Hua, Zhu Rihong
2020, 49(10): 20200014. doi: 10.3788/IRLA20200014
[摘要](20) [HTML全文] (6) [PDF 1765KB](6)
In the manufacturing process of the backward pump-signal combiner (BPSC) in high-power fiber lasers, the core diameter of the output signal fiber becomes thinner after being tapered, and the mode field mismatch occurs when splicing with the input signal fiber, which decreases the signal light transmission efficiency of BPSCs. To solve this problem, a simulation model was established to simplify the relationship between transmission efficiency and the mode field mismatch. A test system was built to measure the signal light transmission efficiency of backward pump-signal combiners. Finally, a method was proposed to enhance the signal power transmission efficiency of the BPSC through optimizing the parameters of its signal fiber. Accordingly, a (6+1)×1 BPSC using customized 25/400 double-cladding fibers was fabricated with a pre-tapering method, and its signal light transmission efficiency was better than 98% after being tested. Using this combiner, a bi-direction-pumping master oscillator power amplifier (MOPA) fiber laser system was built, achieving a stable output of 3 kW.
波长可切换可调谐耗散孤子锁模掺镱光纤激光器
杨思敏, 汪徐德, 孙梦秋, 梁勤妹
2020, 49(10): 20200026. doi: 10.3788/IRLA20200026
[摘要](28) [HTML全文] (5) [PDF 1429KB](3)
采用非线性偏振旋转(NPR)锁模技术,在全正色散掺镱光纤激光器中研究了波长可调谐可切换耗散孤子锁模现象。由于NPR所诱导的腔内梳状滤波效应,光纤激光器在中心波长1 042.8~1 050.2 nm以及1 040.9~1 048.1 nm处实现了波长可切换运作,可切换波长间隔分别为7.4 nm和7.2 nm,光谱宽度约为5.5 nm和2.7 nm。同时在1 042.77~1 045.33 nm之间观察到波长可调谐运作,调谐范围2.7 nm。另外在光纤激光器中还获得了稳定的双波长锁模和二阶谐波锁模。该实验的研究有利于加深人们对掺镱光纤激光器中锁模动力学行为的理解,并为多功能激光光源的设计提供了借鉴。
1 064 nm波长白天卫星激光测距试验
邓华荣, 龙明亮, 张海峰, 吴志波, 汤凯, 张忠萍
2020, 49(10): 20200021. doi: 10.3788/IRLA20200021
[摘要](41) [HTML全文] (19) [PDF 1207KB](7)
1 064 nm波长大气透过率高、天空背景辐射小,采用该波长激光开展卫星测距,有助于提升测距系统的探测能力,已成为国际测距技术的重要发展趋势之一。采用2.2 nm窄带滤光片,计算并测试了白天情况下1 064 nm波长测距系统的噪声,验证了该滤光片在白天对背景噪声的抑制效果。基于圆心光路调节方法,夜间借助红外相机实现了1 064 nm波长激光发射光路与机械轴的重合度调节,保证了全天区优于5″的激光指向精度,解决了白天观测条件下1 064 nm波长激光精确指向问题。采用重复频率为1 kHz、功率为5 W的1 064 nm激光器,建立了1 064 nm波长白天卫星激光测距试验系统,最远获得了地球同步轨道卫星的有效回波数据,实现了1 064 nm波长白天激光测距。试验研究将为我国1 064 nm在远距离卫星激光测距、空间碎片漫反射激光测距方面的应用与发展奠定了技术基础。
阵列探测技术在激光测距中的应用
张海涛, 李祝莲, 汤儒峰, 翟东升, 李荣旺, 皮晓宇, 伏红林, 李语强
2020, 49(10): 20200006. doi: 10.3788/IRLA20200006
[摘要](47) [HTML全文] (11) [PDF 1506KB](13)
高精度的空间碎片观测数据对航天器碰撞预警具有重要意义,激光测距技术是目前空间目标距离测量中精度最高的一种技术,但大多数空间碎片上并未携带角反射器装置,激光测距回波信号较弱。阵列探测技术可以提高回波信号较弱的空间碎片激光测距探测成功概率,中国科学院云南天文台2015年开始开展基于阵列探测技术的激光测距试验,2017年成功将阵列超导纳米线单光子探测器和多通道事件计时器等阵列探测技术应用于激光测距试验系统中,分别在2017年3月和2018年3月的激光测距试验中,成功采集2×2和4×4阵列激光测距数据。其中探测到最小目标为轨道高度约1 000 km、大小为雷达截面(Radar Cross Section,RCS ) 0.045 m2的空间碎片;探测到最远目标为斜距约5 000 km、大小为RCS 18.25 m2的空间碎片。
Restrain range walk error of Gm-APD lidar to acquire high-precision 3D image
Xu Lu, Yang Xu, Wu Long, Bao Xiaoan, Zhang Yijia
2020, 49(10): 20200218. doi: 10.3788/IRLA.20200218
[摘要](24) [HTML全文] (5) [PDF 1287KB](10)
Due to the first photon bias effect of Gm-APD, there exists range walk error in Gm-APD lidar, which will generate a distortion of depth image of the target. Two methods to restrain the range walk error were presented and verified by experiments. Signal restoration method was used to obtain signal photoelectron distribution histogram (SPDH) from the photon counting distribution histogram (PCDH). A sum of two Gaussian functions were used to fit the SPDH through, and the peak position of the curve was found to calculate the distance. The center-of-mass algorithm method on the SPDH was used to calculate the distance through the second method. The high-precision 3D depth-intensity merged images was caputured using the two methods by experiments with a 6 ns width laser pulse. The relative accuracy of intensity measurement of the two methods were both less than 3%. The signal restoration & Gaussian functions fitting method has range precision of 1.2 cm. The signal restoration & center-of-mass algorithm method has range precision of 0.6 cm.
光电测量
基于二次修正提高宽动态红外辐射测量精度
李周, 李铭扬, 余毅, 何锋赟, 蔡立华
2020, 49(10): 20200142. doi: 10.3788/IRLA20200142
[摘要](34) [HTML全文] (3) [PDF 1243KB](6)
随着高超音速武器的出现,实现系统对目标从低温到高温宽动态的辐射测量是未来的发展趋势,而现在对辐射测量宽动态范围的研究相对较少。文中针对宽动态辐射测量中的平行光管和衰减片带来的误差提出了二次修正方法,进一步提高了高温红外辐射测量的目标反演的精度。为验证文中提出方法的实际效果,对基于600 mm口径的中波红外辐射测量系统进行了实验。并利用文中的方法对2%、10%、20%的辐射测量结果进行了修正,实验分析结果显示,该修正方法分别将原有的测量精度提高3.31%、3.27%、1.60%,证实修正方法可以有效地提高辐射测量的精度,具有一定的工程实践意义。
Development of coaxiality measurement system of turbine components and stud standard parts
Zhang Bo, Zhang Wengjian, Lei Lihua
2020, 49(10): 20200216. doi: 10.3788/IRLA20200216
[摘要](87) [HTML全文] (41) [PDF 1033KB](9)
Turbocharger and gearbox were widely used in the precision machinery manufacturing industry. The dimensional accuracy of turbine components and stud standard parts was an important guarantee for the assembly accuracy of turbine components and gearbox, among which coaxiality was a key parameter for the dimensional accuracy of turbine components and stud standard parts. According to the demands of coaxiality measurement for turbine components and stud standard parts, a set of checking fixture was developed, and a software based on LabVIEW was built for the measurement. The coaxiality of stud standard M12 was measured by experiment and the uncertainty of measurement was evaluated. The experimental results show that the coaxiality error obtained from the four measurements is 6.3–6.5 μm, and the extended uncertainty reaches 2.6 μm. The results show that the developed coaxiality measurement system is suitable for the high precision measurement of the coaxiality of turbine parts and stud standard parts.
基于全光衍射深度神经网络的矿物拉曼光谱识别方法
张旭, 于明鑫, 祝连庆, 何彦霖, 孙广开
2020, 49(10): 20200221. doi: 10.3788/IRLA20200221
[摘要](37) [HTML全文] (8) [PDF 1562KB](13)
提出了一种基于全光衍射神经网络的矿物拉曼光谱识别方法。首先,分析矿物拉曼光谱的数据结构特征,对比分析了传统神经网络与光学衍射神经网络的异同,根据预处理后的数据构建光学衍射神经网络;然后,采用交叉熵损失函数和Adam算法对光学衍射神经网络进行训练,得到优化的网络参数;最后,在仿真条件下,验证和分析不同栅格高度精度对矿物识别正确率的影响,给出了不同栅格高度精度对应的网络正确率及正确率损失。该方法在RRUFF矿物拉曼光谱数据库上的测试结果显示:五类矿物识别正确率为94.2%,证明利用光学衍射神经网络进行拉曼光谱分类具有可行性,为光学衍射神经网络的应用提供参考;栅格高度在6 bit精度条件下,五类矿物正确率为93.6%,证明栅格高度离散化能够在保证网络正确率的同时极大降低光栅制作难度,为光栅制备提供理论支撑。
大型空间相机主承力板检测结构设计及误差分析
高超, 陈芳, 孙海洋
2020, 49(10): 20200046. doi: 10.3788/IRLA20200046
[摘要](25) [HTML全文] (6) [PDF 3121KB](8)
主承力板作为空间相机的核心承力部件,需要具备极高的尺寸精度和结构稳定性,常规的检测方法和装夹方式无法满足产品使用要求。根据某大口径相机主承力板的结构形式和指标要求,结合现有测量设备的容纳能力,选择了卧式放置的方式进行关键部位的平面度检测;引入准运动学支撑概念,主承力板使用3个逆Bipod支撑以避免装夹变形及装配变形,设计并制造了专用检测结构;以主承力板基准面PV值为评价指标,使用ABAQUS有限元软件和Matlab软件进行仿真计算,确定检测时的卸载力位置和大小。实验结果表明,使用检测结构得出的基准面平面度检测误差小于2 μm,提升了三坐标设备的检测能力,有广泛的应用前景。
Hybrid phase retrieval with chromatic dispersion in single-lens system
Cheng Hong, Liu Yong, Hu Jiajie, Zhang Xiaolong, Deng Huilong, Wei Sui
2020, 49(10): 20200017. doi: 10.3788/IRLA20200017
[摘要](612) [HTML全文] (550) [PDF 19276KB](67)
Phase retrieval is to recover the original phase information by using the intensity information obtained from observation. Transport of intensity equation (TIE), as a traditional non-interference phase retrieval technique, can compute the losing phase information from only a minimum of two intensity measurements at closely spaced planes by solving the equation. This method usually requires the acquisition of intensity images by moving the object to be tested or CCD, which inevitably results in mechanical errors. A new phase retrieval method called chromatic dispersion-hybrid phase retrieval (CD-HPR) was proposed. The object was imaged at the same position by setting different wavelengths of light after passing through the single-lens system, in-focus and defocus intensity images were obtained without mechanical movement, and the initial phase information of an object was calculated from the phase retrieval technique based on TIE by combining the relationship between the defocus amount and the wavelength. Next angular spectrum iteration was used to improve the initial phase information. In this simulation, the RMSE between the phase recovered by this method and the original phase was 0.1076. At the same time, the phase of the lens array was restored by experiment. The error between the experimental result and the real parameter is 3.4%, which proves the correctness and effectiveness of the proposed method. This method extends the limitation of the traditional method that requires the light source to be monochromatic and improves the calculation accuracy.
光通信与光传感
基于脉冲调制的Φ-OTDR研究综述
钟翔, 赵世松, 邓华夏, 张进, 马孟超
2020, 49(10): 20200166. doi: 10.3788/IRLA20200166
[摘要](34) [HTML全文] (25) [PDF 1815KB](8)
基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统向传感光纤中注入探测光脉冲,通过测量光脉冲传输过程中产生的背向瑞利散射光的波动实现对入侵扰动的识别和定位,故探测光脉冲对Φ-OTDR系统性能有重要影响。介绍了Φ-OTDR基于光脉冲调制方面的研究进展,其中包括光脉冲的宽度、频率、形状以及消光比等参数对Φ-OTDR系统性能影响机理,以及通过脉冲调制优化Φ-OTDR系统信噪比、报警率、空间分辨率、响应带宽等参数以及恢复振动信号波形方面的研究进展。旨在通过光脉冲调制实现Φ-OTDR系统多项性能指标同步提升提供新思路,进一步推动Φ-OTDR的工程应用。
基于迭代学习控制的潜望式激光通信终端系统的动态跟踪设计
张敏, 李勃, 滕云杰
2020, 49(10): 20200056. doi: 10.3788/IRLA20200056
[摘要](23) [HTML全文] (6) [PDF 1507KB](4)
为提高潜望式激光通信终端伺服系统的动态跟踪性能,针对基于永磁同步电机的二维伺服转台的控制系统进行了设计。通过采取空间矢量控制方法实现电机的解耦控制,建立控制模型并完成了各控制回路的设计。针对动目标跟踪设计了迭代学习控制方法以提高通信终端的动态跟踪性能,并对控制系统的速度阶跃响应进行测试,分析通信终端系统的低速平稳性。最后,搭建了4.62 km激光通信的动态跟踪实验,利用六自由度转台模拟平台抖动,为动态跟踪验证实验创造外部平台扰动条件。实验结果表明:通信终端系统速度阶跃响应的稳态误差为±0.02 (°)/s,表明伺服系统速度回路具有较快的动态响应特性和较高的稳态精度,在最大加速度为0.219 (°)/s2的正弦波扰动条件,二维伺服转台的动态粗跟踪精度可以达到62 μrad,粗精复合跟踪精度优于2 μrad,验证了通信终端伺服系统的有效性及其动态跟踪性能,为进一步提高终端系统的跟踪精度奠定基础。
软件定义卫星光网络蚁群优化波长路由技术
石晓东, 李勇军, 赵尚弘, 王蔚龙
2020, 49(10): 20200125. doi: 10.3788/IRLA20200125
[摘要](20) [HTML全文] (12) [PDF 1300KB](5)
针对卫星光网络中网络拓扑动态时变和业务类型多样化的问题,研究了在软件定义网络架构下保障服务质量的路由技术,提出了一种基于多业务的卫星光网络蚁群优化波长路由算法。通过改进蚁群算法的启发函数,将波长空闲率、时延、时延抖动、丢包率作为蚂蚁选路的重要依据,为业务选择了满足多种服务质量的最优路径;采用分组波长分配方法对不同等级的业务进行了区分服务,为不同业务分配了不同的波长集。仿真结果表明:与CL-ACRWA算法和Dijkstra算法相比,降低了卫星光网络的平均时延、平均时延抖动、平均丢包率,提高了波长利用率,同时也降低了高优先级业务的网络拥塞概率。
弹光调制器的频率漂移特性及其傅里叶变换光谱的稳定性研究
张敏娟, 刘文敬, 王志斌, 徐美芳, 张瑞, 李春阳
2020, 49(10): 20200019. doi: 10.3788/IRLA20200019
[摘要](35) [HTML全文] (10) [PDF 1451KB](6)
弹光调制器作为高Q值的谐振器件,在高压谐振下,其谐振频率将随着自身温度升高漂移,影响了弹光调制干涉仪的稳定性和重建光谱的准确性。在建立弹光调制器振动模型和频率温漂模型的基础上,提出了基于频率跟踪和幅值调节的弹光调制器双闭环自适应驱动控制方法。在该方法中,采用数字锁相技术的频率自扫描方法实现驱动频率对弹光调制器谐振频率的跟踪;基于检测参考激光干涉图的最大光程差的变化调节驱动信号的幅值,以实现重建光谱的稳定控制,同时基于参考激光的最大光程差参数实现重建光谱的定标。在实验中该驱动控制方法应用到弹光调制傅里叶变换光谱仪中,实现了驱动频率对弹光调制器谐振频率的实时跟踪和高压功放电路的幅值调节,使得干涉图的最大光程差稳定在0.236 nm左右,其精密度为3.3%;重建光谱的最大相对误差为2.5%。此实验验证了该方法能有效稳定弹光调制傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率。
图像处理
高图像配准精度的非相干数字全息彩色成像
任宏, 卜远壮, 王茜, 李玉, 杜艳丽, 弓巧侠, 李金海, 马凤英, 苏建坡
2020, 49(10): 20200022. doi: 10.3788/IRLA20200022
[摘要](979) [HTML全文] (874) [PDF 1808KB](33)
菲涅耳非相干相关全息是一种能记录非相干物体全息图的新型技术,在生物医学成像和三维遥感领域具有重要应用前景。针对高光谱成像过程中图像融合配准困难的问题,文中利用空间光调制器的可编程特性,设计并制作了波长分别为492、562、672 nm的三组焦距恒定的双透镜相位掩模,依次调用三种波长的掩模并记录对应波长下物体的全息图。由于三色记录光经对应波长掩模调制后在CCD表面汇聚的光斑位置及尺寸均相同,因此,全息图重建后获得的重建图像具有相同的横向放大率,可提高图像融合时的配准精度,免去繁杂的光谱图像空间配准算法,真正实现了全息彩色成像的高精度配准和实时融合。采用该系统记录骰子的全息图,经数值重建及色彩融合后得到了颜色重建性较好的彩色三维像。
位移矢量一致下的多飞行器三维轨迹跟踪识别
霍炬, 何明轩, 李云辉, 薛牧遥
2020, 49(10): 20200141. doi: 10.3788/IRLA20200141
[摘要](30) [HTML全文] (4) [PDF 1646KB](10)
合作靶标点三维轨迹的跟踪识别是实现室内环境中多飞行器位姿估计的关键,为此,提出了一种基于时空一致条件下的多目标三维轨迹跟踪识别算法。该方法包括运动轨迹跟踪与识别两部分,对于合作靶标点三维轨迹跟踪,提出了一种基于运动目标位移矢量一致的数据关联方法,该方法首先利用运动平滑性假设计算得到的数据关联概率值,结合匈牙利算法求解得到目标的数据关联关系,然后在贝叶斯滤波框架下实现合作靶标点的三维轨迹跟踪。对于合作靶标点的三维轨迹识别,又可以分为粗细两部分,利用运动轨迹Hankel矩阵的秩实现运动轨迹的粗识别,利用运动轨迹之间的Hausdorff距离实现运动轨迹的细识别,最终实现对每一个飞行器的轨迹识别与注册。实验结果表明,在三维测量手段为机器视觉,测量空间大小为2 m×2 m×2 m,提出的多目标跟踪算法的三维轨迹跟踪误差小于4 mm(3σ)时,轨迹识别正确率为100%。因此,所提出的算法可以有效地实现多飞行器上合作靶标点三维轨迹的跟踪识别。
L2范式距离的星图识别方法
王泽文, 王广君, 刘小波, 佘锦华
2020, 49(10): 20200040. doi: 10.3788/IRLA20200040
[摘要](56) [HTML全文] (34) [PDF 1359KB](10)
在Hausdorff距离的基础上,提出一种不依赖于星敏感器的旋转方向和焦距等因素的星图识别方法。在构造Hausdorff距离的数据点集合时,采用基于L2范数对应的相对欧氏距离作为集合元素,解决星敏感器滚动对星图识别的影响;另一方面,由于受星敏感器焦距的影响,星敏感器图像与标准参考图也会存在误差。在构造标准数据点元素时,考虑到如果一个数据点集包含另一个数据点集,在这两个数据点集之间至少有两个数据点之间的L2范式距离是相同的。对L2范式Hausdorff距离进行比例化处理,每个集合中的相对空间距离除以本集合中最小的相对空间距离,构成一种新的数据点集。这种方法不需要对星敏感器图像由于焦距不同进行标定,避免了星敏感器焦距对星图识别的影响。给出了距离的计算公式和实现步骤,并给出了实验结果。结果表明:在星敏感器转动、尺度变换等情况下,该算法可以正确得到星图识别结果,从而获得星敏感器的姿态信息。