2022年 第51卷 第2期
2022, 51(2): 20220128.
doi: 10.3788/IRLA20220128
夜视成像技术是在低照度条件下，将不可见辐射加以转换或将微弱的夜天光进行增强，以实现人眼夜间隐蔽观察的一种成像技术，在夜间侦查瞄准、辅助驾驶、导航制导等现代军事应用中发挥着重要作用。为了确保“单向透明”，充分发挥“拥有黑夜”的技术优势，世界军事强国都投入大量人力、物力开展先进夜视成像技术研究，使夜视装备性能得以迅速发展。 本文作为本期《红外与激光工程》——“南京理工大学”专刊的引子，概要地介绍了夜视成像技术当前的进展与所面临的挑战，并对未来先进夜视成像技术的发展趋势——基于光电转换的光强直接成像与基于计算成像的信号反演成像分别进行了探讨与展望。
2022, 51(2): 20210901.
doi: 10.3788/IRLA20210901
提出了一种红外热成像视频中运动目标识别追踪以及轨迹重构的动态仿真方法。通过仿真环境中虚拟红外图像的生成方式与成像的基本模型，对得到的图像进行一系列预处理。以空对空场景搭建了基于Gazebo与OpenCV的动态仿真平台，利用平滑约束算法对追踪目标进行实时动态轨迹重构，提出了误差分析模型，并分析出轨迹重构算法的性能以及仿真平台的效能。实验结果表明，该方法针对空对空场景下的红外运动目标轨迹重构具有较好的精度与鲁棒性，对目标的运动模型基本没有约束，同时仿真平台具有较高的运行效能与实时性，普通家用电脑即可实现高于60 fps的实时动态仿真，满足轨迹重构算法性能测试与训练的需求，其核心算法亦可迁移至机载计算平台实现真实场景下的实时轨迹重构。所提出的单路热成像视频中运动目标轨迹重构动态仿真方法对空间目标三维轨迹重建与动态测距定位的研究具有重要意义。
2022, 51(2): 20210896.
doi: 10.3788/IRLA20210896
地球临边场景仿真是卫星红外探测领域的关键组成部分，是空中高速目标远距离探测场景模拟的重要基础。临边观测下的地球表面近似于球面，传统的基于海洋三维形态并计算表面辐射特性的海洋红外图像仿真方法不适用。云层的厚度和高度对红外辐射传输特性的计算有重要影响，视云层为粒子团的处理方法会大大降低仿真的计算速度。因此，研究了海洋和云的红外辐射模型、地球-空间坐标系与红外相机坐标系的转换关系和大气传输模型，提出地球临边场景红外遥感成像仿真方法。根据场景组分的差异，分别建立海洋分布模型、多层云分布模型，并根据海洋和云层的红外辐射与反射特性，构建地球临边场景红外辐射模型。通过地球-空间坐标系与相机坐标系的转换关系，利用大气传输理论和传感器效应仿真，计算各观测角度的地球临边场景卫星遥感红外仿真图像。实验结果表明：仿真得到的红外图像画质清晰，符合地球临边场景红外辐射特性，其平均拉普拉斯算子和可达0.15，平均灰度梯度可达0.70。
2022, 51(2): 20210844.
doi: 10.3788/IRLA20210844
中低空间分辨率的红外遥感图像中，海面上的舰船所占像素很少，目标的几何形状和具体的纹理结构等特征难以获取。为提升探测的极限信杂比，将呈现线状特征的舰船尾迹特征作为检测要素，对其进行数学表征。创新性地建立了Dot-Curve检测体系，以二维曲率滤波为基础进行初步的舰船检测和尾迹特征提取，建立特征集，从中选取与背景干扰项差异较大的包含尾迹灰度方差、尾迹两侧灰度斜率正负性、尾迹线性度、与船体检测结果距离在内的多项特征，鉴别候选目标的检测结果，去除干扰项，提取目标。结果表明，经过目标鉴别，在不同波段红外图像中，舰船误检率降低到8.40%以下，检测率得到提升，至少达到94.53%。该船只检测算法结合尾迹物理特性和图像特征，适用于多种场景和波段，算法精炼有效，物理规律清晰，所需样本少。
2022, 51(2): 20210885.
doi: 10.3788/IRLA20210885
单光子激光雷达广泛应用于获得三维场景的深度和强度信息。对于多表面目标，如激光经过半透明表面上时，一个像素上探测到的回波信号可能包含多个峰。传统方法在低光子或相对较高的背景噪声水平下无法准确估计多深度图像。因此，提出了一种单光子激光雷达时间相关多深度估计方法。该方法利用信号响应的时间相关性，对点云数据进行多深度快速去噪，能够从背景噪声中识别每个像素上来自多个表面的信号响应。并基于该信号响应集合的泊松分布模型，通过全变分正则化引入像素之间的空间相关性，建立多深度估计成本函数。使用快速收敛的交替方向乘子算法从成本函数中估计深度图像。实验结果表明，所提方法在距离约为1 km处的多深度目标上，相较于常规方法估计深度图像的均方根误差减少了至少27.05%，信号重建误差比提高了至少18.39%，同时数据量减少至原来的4%。证明该方法能够以更小的内存需求和计算复杂度提高单光子激光雷达的多深度图像估计性能。
2022, 51(2): 20210871.
doi: 10.3788/IRLA20210871
激光雷达系统采用主动照明的方式，激光发射脉冲周期信号至目标场景，激光脉冲经目标表面漫反射，由单光子雪崩二极管（Single-Photon Avalanche Diode, SPAD）探测器记录回波光子的到达时间，获得场景的深度信息。然而在探测过程中，测量结果往往会遭到环境光的干扰。传感器融合是进行单光子成像的有效方法之一。最近提出的基于LiDAR和强度相机融合的数据驱动方法大多采用扫描式激光雷达，深度获取速度慢。SPAD阵列的出现打破了帧率的限制。SPAD阵列允许同时收集多个回波光子，加速了信息采集，但分辨率较低，在探测过程中还会受到环境光的干扰，因此需要通过算法打破SPAD阵列的固有限制，从噪声中分离深度信息。针对分辨率为32×32 pixel的SPAD阵列探测器，提出了一种卷积神经网络结构，旨在强度图的引导下，将低分辨率TCSPC直方图映射至高分辨率深度图。该网络采用多尺度方法提取输入特征，并基于注意力模型融合深度数据和强度数据。另外，设计了一个损失函数组合，适用于处理TCSPC直方图数据的网络。在采集数据上进行了验证，提出方法能成功将深度数据的空间分辨率提升4倍，并在质量和数据指标上都优于其他算法。
2022, 51(2): 20210864.
doi: 10.3788/IRLA20210864
目标跟踪作为计算机视觉的重要方向之一，在自动驾驶、安防监控等方面有着广泛的应用，但是目标跟踪算法还无法有效地运行在嵌入式设备上。针对目标跟踪算法计算量大、复杂度高，难以部署在资源受限的嵌入式设备的问题，提出了一种基于相关滤波目标跟踪的加速方案。首先采用自适应模糊算法优化了跟踪算法整体运算量，它可以根据目标跟踪框的尺寸判定是否降低图像质量。其次采用了跟踪响应结果的峰值旁瓣比与平均相关能量比判据来评估跟踪结果的可信度，从而实现跟踪模型的自适应更新以及目标位置的重搜索。最后基于FPGA并行实现相关运算和跟踪检测器训练阶段的矩阵相乘运算，以提升算法实时能效性。所提出的加速算法基于PYNQ-Z2进行硬件测试，并在OTB-2015跟踪数据集上进行验证，该算法的跟踪精度与跟踪实时性分别为65.8%，17.28 frame/s，相比于原始算法，跟踪精度、跟踪实时分别提高了9.12%、703.7%。
2022, 51(2): 20210455.
doi: 10.3788/IRLA20210455
制备一种红外/被动毫米波复合诱饵。研究基于MTV型烟火药，以超细红磷替代部分镁粉，短切碳纤维作为功能添加剂，制备了一种薄片型烟火材料，对该种材料的红外辐射和毫米波辐射性能进行了测试分析。研究结果显示：少量红磷的添加有利于提高烟火药辐射面积；红磷添加量大于10%时，火焰平均温度、红外辐射强度和毫米波辐射亮温随着红磷含量的增加持续降低，在添加适量碳纤维后燃速燃温增加，红外辐射增强；烟火药的毫米波辐射亮温随碳纤维含量增加持续提高，当红磷添加量为10%，碳纤维含量从0增加到1.75%时，毫米波辐射亮温从330 K增加到458 K，且亮温在400 K以上持续时间较长。
2022, 51(2): 20210908.
doi: 10.3788/IRLA20210908
目前光纤光栅在高功率连续光纤激光器中的应用主要有两个方面，一是作为谐振腔腔镜，二是用来抑制激光器的非线性效应。首先论述了光纤光栅作为腔镜技术的发展现状，然后着重论述了能够抑制光纤激光器中非线性效应的特殊光纤光栅的发展状况。并详细描述了倾斜布拉格光纤光栅抑制受激拉曼散射和受激布里渊散射、长周期光纤光栅抑制受激拉曼散射以及相移长周期光纤光栅抑制自相位调制或四波混频等非线性效应引起的光谱展宽的研究进展。最后展望了光纤光栅在高功率光纤激光器领域的发展趋势，认为光纤光栅将朝着更高承载功率与长波长方向发展，同时认为基于飞秒激光刻写的光纤光栅技术、能够同时抑制多种非线性效应的光纤光栅技术、以及基于光纤光栅的光纤激光器激光偏振控制技术等将成为新的研究热点。
2022, 51(2): 20210849.
doi: 10.3788/IRLA20210849
为了实现高功率光纤激光的窄线宽输出，研究了基于大模场三包层掺镱光纤（LMA-YTF）高功率窄线宽光纤激光的热效应和四波混频(FWM)效应。基于FWM效应模型，仿真分析了大模场三包层光纤(LMA-TCF)放大器光谱展宽的影响因素。建立了LMA-YTF的热分布模型，分析了大模场三包层光纤(LMA-YTF)中第二包层功率占比对光纤温度以及泵浦功率上限的影响，讨论了聚合物涂层导热系数和外部温度对光纤温度的影响，实验对比了不同反向合束器的泵浦功率上限，结果表明第二包层功率占比低的(6+1)×1合束器比(9+1)×1合束器拥有更高的泵浦功率上限。基于全国产化器件搭建了一台三包层光纤激光器，实现了输出功率6.7 kW、3 dB线宽为0.32 nm的激光输出。
2022, 51(2): 20220022.
doi: 10.3788/IRLA20220022
针对连续激光辐照硅太阳能电池的损伤特性，采用光束诱导电流(LBIC)成像方法进行表征，并对其毁伤特性进行了分析。首先采用波长为1 070 nm的连续激光聚焦在硅太阳能电池表面，诱导太阳能电池产生损伤，再通过LBIC系统扫描得到激光辐照区域的光电流分布图，进而分析太阳能电池的损伤情况。为了表征不同深度下太阳能电池的损伤情况，LBIC测量系统分别采用650 nm和980 nm波长激光作为探测光源。结果表明，1 070 nm连续激光辐照硅太阳能电池非栅线部位时，太阳能电池损伤首先发生在内部；随着功率密度的增加，在太阳能电池表面熔融前，电池内部已经产生了失效区域。当激光辐照太阳能电池栅线时，栅线会发生熔断，导致辐照位置远离电极引线一侧的光电流下降；严重时会使太阳能电池产生垂直于栅线的裂纹，使远离电极引线一侧的电池失效。该研究成果可为连续激光辐照太阳能电池损伤机理研究提供参考。
2022, 51(2): 20210911.
doi: 10.3788/IRLA20210911
采用波长为355 nm、脉宽为7 ns、重复频率为1 Hz的线性偏振激光在聚酰亚胺薄膜表面制备了微米量级的周期性表面结构，并讨论了激光参数对条纹形貌的影响。实验发现，周期性结构的产生存在一定的能量密度阈值和脉冲个数阈值，当激光能量密度范围在54~586 mJ/cm²，脉冲个数在1~50时，能在聚合物薄膜表面产生周期为4~6.65 μm的规整条纹结构。在保持激光能量密度不变的情况下，增加脉冲个数，或者保持脉冲个数不变，增大入射到材料表面的激光能量密度，都能引起条纹周期增大，并且根据实验结果，随着脉冲个数的增加，烧蚀坑的深度增加，LIPSS能持续出现在坑底。此外，为分析周期性结构形成的可能原因，通过对热传导模型的建立讨论了当周期性结构形成时材料历经的物理状态。文中的相关研究结果对基于LIPSS实现的材料表面润湿性、摩擦力学、光学特性的改善提供了一定的研究基础。
2022, 51(2): 20210909.
doi: 10.3788/IRLA20210909
激光光闸可以将光纤激光器输出的单束激光通过多通道输出，实现激光器的“一机多用”，是现代化激光智能制造的关键性器件。由于光闸承载功率高达上万瓦，其耦合系统极易产生热效应，影响光闸使用性能。为解决万瓦级激光光闸热效应有效控制的难题，保证光闸的高效耦合与高质量光束输出，采用有限元分析法研究了光闸耦合系统的热效应物理机制，并提出一种基于水循环绕流冷却对光闸耦合系统进行热量管控的新方法。通过万瓦激光下的一系列实验验证，表明文中提出的热效应处理方法保证下，高功率激光光闸能长时间承载万瓦级功率，并保持98%以上的耦合效率，同时抑制了系统的热像差，保证了光闸输出激光的光束质量稳定性。该研究为高功率激光系统的热效应分析及处理提供了有效的手段。
2022, 51(2): 20210907.
doi: 10.3788/IRLA20210907
研究了从亚皮秒到皮秒范围内的不同脉宽和不同能量密度的激光作用下单晶硅材料表面瞬态光学性质的演化规律。这项工作基于考虑了相变潜热的双温方程、载流子数密度模型，通过计算激光辐照过程中的载流子温度、晶格温度和激发态载流子数密度和介电常数，模拟了光子到电子以及电子到声子的能量传递过程，最终得到了单晶硅表面折射率和消光系数的变化结果。有助于揭示亚皮秒到皮秒脉冲宽度范围的超短脉冲激光辐照下，单晶硅材料瞬态光学性质的演化机理。理论结果表明，若单个激光脉冲无法使单晶硅熔化，则不同的激光能量密度和不同的激光脉宽对最小折射率的影响非常有限，在0.3~0.4 J/cm2的激光能量密度范围内，每0.01 J/cm2的能量密度改变引起的最小折射率变化率小于0.5%。若单个激光脉冲能使单晶硅熔化，则不同能量密度和不同脉宽的激光对硅表面的折射率和消光系数有不同程度的影响。该研究结果可为基于超短脉冲激光的单晶硅材料加工和表面改性提供一定的理论指导。
2022, 51(2): 20210888.
doi: 10.3788/IRLA20210888
激光无线能量传输在为远距离设备供能方面有着潜在的应用前景，在激光无线传能的同时进行激光无线通讯，具有重要的应用价值。针对砷化镓太阳能电池，对激光传能系统在无线能量传输时激光无线通讯性能进行了测试。实验采用波长808 nm激光实现砷化镓太阳能电池的能量传输，采用波长650 nm激光作为信号的传输，分别对单能量传输、单信号传输以及能量和信号同步传输三种情况下的砷化镓太阳能电池的输出特性进行了测试。结果表明：当单能量传输时，太阳能电池的性能与激光功率密度的大小密切相关，激光功率密度在54.9~90 mW/cm2范围内光电转换效率最大值为46.6%；当单信号传输时，通过测量系统的频率响应得到砷化镓太阳能电池的3 dB带宽约为3.7 kHz，并通过设计放大电路提高系统的通信性能，优化输出波形，使得系统的通信速率从10 kbps提升至240 kbps，输出电压峰峰值达到7.2 V。最后实验测量了不同激光强度下可实现的通信速率，当激光功率密度为59.5 mW/cm2时可实现140 kbps的通信速率，使得激光充电系统在无线能量传输下可以进行信号的传输。
2022, 51(2): 20210883.
doi: 10.3788/IRLA20210883
不同气流速度作用下激光辐照靶材的穿孔效应不同。实验研究了亚音速气流（0~0.7 Ma）环境下，1 070 nm连续激光辐照7075铝合金的穿孔效应。对铝合金中心点温度历史、穿孔时间、穿孔孔径以及表面形貌变化进行了分析，结果表明：在相同气流速度下，随着入射激光功率密度的增加，铝合金表面温升速度加快且最终熔融层所达到的平衡温度增大；铝合金的穿孔时间呈指数减小；孔径增大速率呈指数减小。在相同激光功率密度下，随着气流速度的增加，铝合金穿孔时间总体呈先增大后减小至平稳之后再增大的趋势；熔融物移除速度和气流的冷却作用这两方面共同导致在0.1 Ma附近出现最长穿孔时间，在0.3 Ma附近出现最短穿孔时间，0.6 Ma的穿孔时间与0 Ma的穿孔时间大致相等在5.5 s左右；随着气流速度增大冷却效应增强，在0.7 Ma之后铝合金并未出现穿孔。对流冷却导致熔融物快速冷凝，被移除的熔融物集中在气流的下游区域。
2022, 51(2): 20210764.
doi: 10.3788/IRLA20210764
为了应对带钢激光平直度测量仪中半导体激光器（LD）输出光功率稳定性对平直度测量精度的影响问题，设计了一款高稳定度的LD恒流驱动、温控电路以及保护电路。系统以现场可编程门阵列（FPGA）为控制核心，利用深度负反馈恒流驱动电路实现对LD驱动电流的精准控制；基于ADN8830温控电路实现了对LD工作温度的有效控制；改进后的慢启动电路可实现LD驱动电流缓慢地线性增加到设定值，且准确控制慢启动时间；限流及静电保护电路能够实现激光器过流保护、有效避免浪涌电流和高压静电的损坏。结果表明，该电路可实现激光器驱动电流在0~75 mA连续可调，电流调节精度达0.025 mA，电流短期稳定度达0.014%，长期稳定度达0.016%；在控制工作温度为25 ℃时，输出光功率稳定性为0.205%。
2022, 51(2): 20210878.
doi: 10.3788/IRLA20210878
近年来，太赫兹技术快速发展，基于超表面的太赫兹器件受到广泛关注，并已应用于太赫兹成像、光谱和生物传感等诸多领域。但太赫兹超表面器件的制备复杂且成本高，而静电喷印技术无需掩模版，成本低、精度高且易于在异形曲面上制作。基于静电喷印技术设计和制备了太赫兹吸波器，并利用太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）对样品进行了性能测试，实验与仿真结果基本相符，在0.098~0.353 THz频段内吸收大于90%。此外，还设计了太赫兹线极化转换器，在0.167~0.355 THz频段内的极化转换大于95%，相对带宽约72%，并分析了所设计样品的制备工艺条件，验证了静电喷印技术对于制备太赫兹极化转换器的可行性。研究成果表明，静电喷印技术在太赫兹超表面器件的制备中具有广泛的应用前景。
2022, 51(2): 20220110.
doi: 10.3788/IRLA20220110
计算光学成像是一种通过联合优化光学系统和信号处理以实现特定成像功能与特性的新兴研究领域。它并不是光学成像和数字图像处理的简单补充，而是前端（物理域）的光学调控与后端（数字域）信息处理的有机结合，通过对照明、成像系统进行光学编码与数学建模，以计算重构的方式获取图像与信息。这种新型的成像方式将有望突破传统光学成像技术对光学系统以及探测器制造工艺、工作条件、功耗成本等因素的限制，使其在功能（相位、光谱、偏振、光场、相干度、折射率、三维形貌、景深延拓、模糊复原、数字重聚焦，改变观测视角）、性能（空间分辨、时间分辨、光谱分辨、信息维度与探测灵敏度）、可靠性、可维护性等方面获得显著提高。现阶段，计算光学成像已发展为一门集几何光学、信息光学、计算光学、现代信号处理等理论于一体的新兴交叉技术研究领域，成为光学成像领域的国际研究重点和热点，代表了先进光学成像技术的未来发展方向。国内外众多高校与科研院所投身其中，使该领域全面进入了“百花齐放，百家争鸣”的繁荣发展局面。作为本期《红外与激光工程》——南京理工大学专刊“计算光学成像技术”专栏的首篇论文，本文概括性地综述了计算光学成像领域的历史沿革、发展现状、并展望其未来发展方向与所依赖的核心赋能技术，以求抛砖引玉。
2022, 51(2): 20210891.
doi: 10.3788/IRLA20210891
传统病理学检测中，由于复杂的染色流程和单一的观察形式等限制着病情的诊断速度，而染色过程实质上是将颜色信息与形态特征关联，效果等同于现代数字技术的生物医学图像的图义分割，这使得研究者们可以通过计算后处理的方式，大大降低生物医学成像处理样品的步骤，实现与传统医学染色金标准一致的成像效果。近些年人工智能深度学习领域的发展促成了计算机辅助分析领域与临床医疗的有效结合，人工智能色彩迁移技术在生物医学成像分析上也逐渐表现出较高的发展潜力。文中回顾了深度学习色彩迁移的技术原理，列举此类技术在生物医学成像领域中的部分应用，并展望了人工智能色彩迁移在生物医学成像领域的研究现状和可能的发展趋势。
2022, 51(2): 20220086.
doi: 10.3788/IRLA20220086
微球超分辨显微成像技术能够突破衍射极限并成倍提高传统光学显微镜的成像分辨率。因其具有成像系统简单，可实时成像，无需荧光染料标记，能在白光照明条件下工作，且可与市场上成熟的显微镜产品相兼容等优点，具有重要研究价值与广阔应用前景，发展潜力巨大。该技术发展至今已取得了众多令人瞩目的研究成果，但现阶段的研究主要集中在微球超分辨成像规律、成像质量的提高、微球的操控方法上。而针对微球透镜的超分辨成像机理与模型，目前尚未形成完善统一的认知与可靠一致的解释。在此背景下，文中梳理归纳了微球透镜近场聚焦及远场成像机理、数学模型、仿真技术等方面的研究工作，分析现有工作的意义与所存在的不足，指出该领域需要着重解决的问题，并对微球成像技术未来的发展方向给予展望。
2022, 51(2): 20220095.
doi: 10.3788/IRLA20220095
计算光学显微成像技术将光学编码和计算解码相结合，通过光学操作和图像算法重建来恢复微观物体的多维信息，为显微成像技术突破传统成像能力提供了强大的助力。这项技术的发展得益于现代光学系统、图像传感器以及高性能数据处理设备的优化，同时也被先进的通信技术和设备的发展所赋能。智能手机平台作为高度集成化的电子设备，具有先进的图像传感器和高性能的处理器，可以采集光学系统的图像并运行图像处理算法，为计算光学显微成像技术的实现创造了全新的方式。进一步地，作为可移动通信终端，智能手机平台开放的操作系统和多样的无线网络接入方法，赋予了显微镜灵活智能化操控能力与丰富的显示和处理分析功能，可用于实现各种复杂环境下多样化的生物学检测应用。文中从四个方面综述了基于智能手机平台的计算光学显微成像技术，首先综述了智能手机平台作为光学成像器件的新型显微成像光路设计，接下来介绍了基于智能手机平台先进传感器的计算光学高通量显微成像技术，然后介绍了智能手机平台的数据处理能力和互联能力在计算显微成像中的应用，最后讨论了这项技术现存在的一些问题及解决方向。
2022, 51(2): 20220006.
doi: 10.3788/IRLA20220006
基于条纹投影的三维形貌测量广泛应用于工业制造、质量检测、生物医疗、航空航天等领域。然而在高速测量的场景下，由于光栅图像的采集过程曝光时间短，三维重建结果通常会受到较为严重的图像噪声干扰。近年来，深度学习技术在计算机视觉等领域得到了广泛应用，并且取得了巨大的成功。受此启发，提出了一种基于学习的光栅图像噪声抑制方法。首先构建了一个基于U-net的卷积神经网络。其次在训练过程中，构建的神经网络学习从含有噪声的条纹图像到对应高质量包裹相位之间的映射关系。当经过适当训练，该网络可从含有噪声的条纹图像中准确恢复相位信息。实验结果表明：针对离线的快速运动场景三维测量，该方法仅利用一幅光栅图像可恢复高精度的相位信息，且相位精度优于传统的三步相移方法。该方法可为提升运动高速场景三维测量的精度提供切实可靠的解决方案。
2022, 51(2): 20210889.
doi: 10.3788/IRLA20210889
透过散射介质对目标进行准确的重建仍然是阻碍人们对深层生物组织成像分析和深空天文观测的主要挑战之一。基于深度学习的散射计算成像方法虽然在成像质量和效率等方面取得了很大的进展，但是针对实际系统中散射介质状态不固定，目标结构具有较高复杂度以及可获取的训练散射数据有限的情况下，单纯利用数据驱动的方法已无法进行准确高效的重建。将散斑相关原理和卷积神经网络强大的数据挖掘和映射能力进行有效的结合，进一步挖掘和利用散斑所包含的冗余信息，实现了仅利用一块薄散射介质对应的散斑数据即可实现透过具有不同统计特性散射介质的复杂目标重构。该方法针对实际散射场景复杂多变和训练样本数据有限的情况，实现了对复杂目标的高质量恢复，有力地推动了基于物理感知的学习方法在实际散射场景中的应用。
2022, 51(2): 20210887.
doi: 10.3788/IRLA20210887
卷积作为一种简单的线性平移不变运算，被广泛应用于图像处理的各个领域，其衍生出的卷积神经网络更是在人工智能领域中大放异彩。为了应对后摩尔时代AI推理芯片算力受限的问题，光学神经网络应运而生。光学卷积神经网络作为其中一个重要的研究热点对光学神经网络的发展起到了重要的推动作用。设计了一种光学卷积系统，基于微透镜阵列与透镜组成的匀光光路对光场所携带的图像做二维卷积，该系统可以光学实现图像平滑和锐化。当使用空间光调制器来投影卷积核和输入图像时，系统可以实现各种步长的三种卷积形式，也可以通过多次投影/平铺实现多通道的三维卷积，进而为实现光学卷积神经网络用于复杂的图像处理任务奠定基础。
2022, 51(2): 20210895.
doi: 10.3788/IRLA20210895
利用红外超快涡旋激光脉冲与气体介质相互作用可以产生携带轨道角动量的极紫外高次谐波。采用含有径向节点的拉盖尔-高斯（LG）光束作为驱动光，利用定量重散射模型计算单原子响应，通过求解谐波场在介质中传播的三维麦克斯韦方程以及在傍轴近似下的惠更斯积分，分别获得近场和远场高次谐波的强度和相位分布。结果表明：随着驱动光的径向节点数增加，高次谐波的强度分布呈现多环结构，相位分布上出现节点结构，强度分布的空间范围在近场减小，而在远场增大。相位匹配分析显示，短轨道和长轨道高次谐波的空间相干长度分布图对驱动激光的模式非常敏感，与高次谐波场在气体介质内的演化图像定性一致，解释了有径向节点的LG光束作用下产生的涡旋高次谐波的特征。
2022, 51(2): 20210892.
doi: 10.3788/IRLA20210892
双脉冲激光诱导等离子体在激光加工、元素检测、材料去除等领域有广阔的应用前景和发展空间，对其进行诊断具有重要意义。针对延迟双脉冲激光诱导铝等离子体的作用效果和影响机理，采用双波长干涉法对其时间演化规律展开研究。基于马赫-曾德尔干涉仪搭建了双波长干涉诊断系统，得到了双脉冲激光诱导等离子体干涉图。通过对干涉图的处理和分析，得到了等离子体电子密度随双脉冲激光延迟时间的变化规律。结果表明，随着双脉冲激光延迟时间的增加，第二束脉冲激光对等离子体电子密度的增强效果先加强后减弱。其中，双脉冲激光延迟时间为10 ns时，对等离子体电子密度的增强效果最强，在30 ns时刻，其中心区域平均电子密度可达6.49×1019 cm−3，相较于同等能量单脉冲激光诱导等离子体提升了26%。同时研究了延迟时间对第二束脉冲激光作用机制的影响。研究结果为双脉冲激光诱导等离子体的优化方向提供了参考。
2022, 51(2): 20210880.
doi: 10.3788/IRLA20210880
在高精度的干涉检测中，干涉仪系统误差的标定越来越重要。根据立式斐索干涉仪的结构特点，采用液面作为平面基准，对参考平晶的自重变形量以及夹持形变进行补偿校准，对其系统误差进行标定。理论上，液面和地球半径的曲率相同，可认作平面基准对立式结构干涉仪的系统误差进行标定。针对Φ300 mm立式斐索干涉仪，研究了不同的液体粘度、液体厚度、干涉腔长和环境温度对液面测量的影响，构建了可靠的液面基准。通过液面基准，指导干涉仪参考平晶的装调校准，对其系统误差进行补偿，干涉仪精度达到0.035λ，优于λ/25。为了进一步验证液面基准的可靠性与准确性，进行了重复性实验，并且采用Φ400 mm的液面和Φ450 mm的液面进行比对测试，两次标定结果的偏差优于λ/100（6 nm），验证了液面基准的可靠性与准确性。
2022, 51(2): 20210852.
doi: 10.3788/IRLA20210852
自由曲面设计自由度多、面型表征能力强等优势使成像光学系统突破了传统面型表征和系统结构的限制，在进一步提高成像质量的同时可以实现大视场、大孔径、小型化、轻量化等设计目标。良好的初始结构可以充分发挥自由曲面对像差的校正能力，提高系统设计效率。与共轴光学系统相比，自由曲面成像光学系统设计存在可参考样例少、像差理论尚不完善等问题，其初始结构的构造与求解仍然是先进光学设计领域的前沿热点问题之一。结合课题组多年的研究心得，探讨了现有的自由曲面成像光学系统初始结构设计方法，依据自由曲面构造原理将其分为同轴系统离轴化法、直接设计法、视场孔径扩展法和分段拼接融合设计方法，并分别介绍其设计原理和思路。最后对自由曲面成像光学系统初始结构设计中亟待解决的问题进行了分析总结。
2022, 51(2): 20210894.
doi: 10.3788/IRLA20210894
非接触式三维视觉测量广泛应用在工业制造质量检测中。针对工业金属零部件检测的应用场景，提出了一种基于线结构光旋转扫描和光条纹修复的三维视觉测量方案。首先，通过基于线结构光投影的计算机视觉技术，设计了线结构光旋转扫描视觉子系统，并对工业相机、线结构光平面和旋转扫描中心轴进行标定；然后，针对采集到的光条纹图像存在低灰度区域缺失数据的问题，提出了基于缺失区域自适应灰度增强的光条纹中心线提取算法，有效修复了被测零部件的线结构光投影条纹；同时，利用文中提出的线结构光三维视觉测量方案，通过重建标准球棒的表面点云计算两球直径和球间距来评价测量系统的精度，测量系统精度优于0.06 mm；最后，进行金属轮毂外轮廓形貌测量，通过重复性实验计算轮毂外轮廓最大半径，验证重复性误差优于0.03%。实验结果表明：该方法可以无损伤、高效率、高精度地实现工业金属零部件三维测量，弥补了接触式三维测量方法的缺陷。
2022, 51(2): 20210810.
doi: 10.3788/IRLA20210810
激光超声检测技术由于其非接触、高灵敏度和高空间分辨率特点，在无损检测领域具有广阔的应用前景。但其在高空间分辨率下进行大面积扫查需要花费较长的扫描时间，实用性受到制约。针对上述问题，文中提出使用二分搜索方法提高了检测速度，并使用压缩感知算法将所探测到的激光超声信号表示为小波基的线性加权组合，最终从二分搜索获得的较少实测激光超声信号中还原出整个待测范围内的信号。进一步，搭建了内部缺陷的激光超声扫描检测装置，使用脉冲激光实现超声的激光激发，多普勒测振仪实现超声的非接触探测，通过固定激发探测距离移动样品的方式实现了基于二分搜索和压缩感知的激光超声内部缺陷快速检测。文中提出的技术不但具有非接触、高灵敏度和高空间分辨率等激光超声的特点，还能提高检测效率。实验结果表明，在120 mm×30 mm×8 mm的铝板上确定缺陷位置需6 min，相比于逐点扫查需要14 min，缩短了体内缺陷定位所需要时间。
2022, 51(2): 20210890.
doi: 10.3788/IRLA20210890
为了快速、准确地测量半透明涂层的厚度，提出了一种基于脉冲红外热波的测量方法。建立了半透明涂层半无限大脉冲热传导简化理论模型和半透明涂层的脉冲红外加热双层物理模型，理论分析和数值计算结果表明：半透明涂层的厚度与表面温度的峰值时刻在对数坐标上呈现线性关系，利用这种线性关系可以直接测量半透明涂层的厚度，而不再需要在样品表面喷涂黑漆以避免半透明性的影响。实验上建立脉冲红外热波系统并制作了厚度连续变化的半透明涂层试件，得到的厚度误差小于5%。结果显示该技术具有快速和非接触式测量半透明涂层厚度的潜力。
2022, 51(2): 20210902.
doi: 10.3788/IRLA20210902
为应对积分球辐射定标光源系统中LED阵列的电流稳定可控性对积分球开口处光谱匹配度的影响，设计了一款多通道、高精度以及高稳定性的LED电流驱动电路。该电路是一种压控恒流驱动电路，可通过模拟调光的方式实现对LED阵列驱动电流的线性控制，其以FPGA为控制核心，通过SPI接口对AD5371芯片寄存器进行读写操作，通过AD5371数模转换电路实现对LED驱动电流的高精确度控制。基于循环液体制冷设备和水槽制冷底座实现对LED阵列的温度控制。实验结果表明，该电路可实现LED阵列驱动电流在0~1050 mA连续线性可调，电流调节精度可达量程的0.14%。在控制LED灯座温度为10 ℃时，LED输出光光谱稳定度为0.2%。
