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2022年  第51卷  第6期

专家报告-刊庆50周年
微秒脉冲激光钠导引星星群技术研究(特邀)
卞奇, 薄勇, 彭钦军, 李敏, 魏凯, 张雨东, 冯麓, 薛随建
2022, 51(6): 20220321. doi: 10.3788/IRLA20220321
[摘要](227) [HTML全文] (55) [PDF 2859KB](75)
激光钠导引星被称为人造恒星,用于探测和校正光波经大气湍流引起的波前畸变,大幅度提高自适应光学望远镜的成像质量。采用单颗钠导引星探测的有效视场范围有限,通过多束黄激光分别激发大气电离层钠原子产生多颗钠导引星,能在较大视场内获得更清晰的目标成像,在精密天文观测、空间目标探测等领域具有重要应用。文中重点介绍了微秒脉冲激光钠导引星星群的产生,基于100 W级微秒脉冲激光,采用小角度精密偏振分光/并束调控的专利技术,在丽江天文台通过一台发射望远镜将四束20 W/束、重复频率kHz、脉冲宽度百微秒的钠激光发射到天空,在40"观测视场内生成四颗导引星,星群构型可调控,如线形、平行四边形、菱形和正方形等,每颗钠导引星亮度约为V波段8等星,光斑大小约3.25"。利用脉冲同步控制技术,钠导引星回波信号可以避免瑞利散射光的干扰,从而获得更高的空间分辨率。这为大口径天文望远镜多层共轭校正系统的研制提供技术参考。
基于神经网络的典型地物的偏振多光谱图像分类(特邀)
张颖, 李河申, 王昊, 孙军华, 张晞, 刘惠兰, 吕妍红
2022, 51(6): 20220249. doi: 10.3788/IRLA20220249
[摘要](306) [HTML全文] (83) [PDF 2757KB](56)
相比传统的多光谱成像探测,偏振多光谱成像探测方法可以探测目标表面的粗糙度、含水量等更多信息,给目标检测带来了很大便利,但目前主要用于目标探测,尚未广泛应用于目标分类。BP神经网络是目前常用的一种典型神经网络,可以建立从端到端的映射,在训练样本集足够大的前提下,训练完毕且效果良好的神经网络是一种高效、精确、快速的工具。首先,利用基于旋转偏振片和滤波片的偏振光谱成像探测系统获取了典型地物的偏振多光谱图像,对图像进行了预处理,建立了数据集;其次,在该数据集上进行了神经网络的训练,训练后的神经网络可以处理未知的偏振多光谱图像,并实现了对几种典型地物的分类;最后,对神经网络分类的效果进行了评价,并与其他几种典型分类方法的效果进行了对比,发现神经网络方法具有更好的分类精度和效果,相比典型的最大似然分类算法,其总体分类精度可从91.7%提升至94.2%,Kappa系数可从0.851提升至0.898。研究结果表明:基于神经网络的偏振光谱图像分类方法对于改进和优化现有的偏振多光谱图像数据处理方法具有一定的研究意义。
气海动态跨介质海面蓝绿激光下行传输链路上的散射特性(特邀)
张佳琳, 王明军, 刘永志, 王宇航, 王主玉, 成群
2022, 51(6): 20220274. doi: 10.3788/IRLA20220274
[摘要](298) [HTML全文] (72) [PDF 1757KB](59)
实现空天地海立体化光信息传输的技术瓶颈就是需要解决气海-海气跨介质动态海面条件下激光上下行传输问题。文中主要利用海水环境下蓝绿激光作为载波,提出了蓝绿激光通过气海动态跨介质海面的下行传输数值研究方法。详细讨论了近海面大气海雾、海面风速和海水中的粒子分布对蓝绿激光下行传输散射特性的影响。数值计算了不同风速下蓝绿激光透过率随透射角的变化以及不同近海面大气海雾能见度、不同叶绿素浓度、不同气泡浓度等条件下蓝绿激光下行传输的透过率。结果表明:蓝绿激光在海水中传输时,气泡对激光衰减的影响随着风速的增加而增加,随着传输深度的增加而减小;随着近海面大气中海雾能见度的增大,蓝绿激光通过大气海面和海水的透过率逐渐增大,随着传输距离的增加,叶绿素的影响逐渐增大,蓝绿激光的透过率减小。文中工作对气海-海气蓝绿激光跨介质上下行无线光传输和通信提供理论和技术支撑。
基于多特征自适应的单光子点云去噪算法
张帅台, 李国元, 周晓青, 么嘉棋, 郭金权, 唐新明
2022, 51(6): 20210949. doi: 10.3788/IRLA20210949
[摘要](416) [HTML全文] (135) [PDF 2409KB](56)
新型星载光子计数雷达可获取地面及地面目标的高精度三维信息,但是其测量精度受噪声影响较大。针对在背景噪声不一致及坡度较大区域自动化提取单光子激光数据信号较为困难的难题,文中提出基于多特征自适应的单光子点云去噪算法,有别于传统圆形或椭圆形滤波核,选择更加符合单光子点云数据特征的平行四边形滤波核,分别通过坡度、空间密度、噪声率等多特征自适应识别信号。选择位于青藏高原冰川区域坡度较大且地形破碎的ICESat-2单光子点云数据,开展点云去噪试验和验证,通过与ATL03、ATL08官方去噪结果对比,文中算法在背景噪声水平不一致和大坡度区域具有更优的性能。
特约专栏—单频激光技术
单频光纤激光技术的研究进展(特邀)
李灿, 周朴, 马鹏飞, 姜曼, 陶悦, 刘流
2022, 51(6): 20220237. doi: 10.3788/IRLA20220237
[摘要](746) [HTML全文] (168) [PDF 3250KB](199)
单频光纤激光具有单色性好、谱功率密度高等特点,在通信传感、雷达、引力波探测、非线性频率变换等领域有广泛的应用需求。目前单频光纤激光技术正朝着更高功率、更宽波段和更高性能等方向发展,是激光技术领域的研究前沿和热点。文中系统梳理了近年来单频光纤激光领域取得的重要进展,具体从单频激光实现方式、功率增长、波长拓展以及性能提升等方面对相关标志性工作进行了总结,讨论了单频光纤激光技术当前所面临的挑战,并展望了其未来发展趋势。
应用于下一代引力波探测器的超低噪声2 μm高功率单频光纤激光器(特邀)
侯玉斌, 卢向文, 张倩, 王璞
2022, 51(6): 20220400. doi: 10.3788/IRLA20220400
[摘要](495) [HTML全文] (120) [PDF 2489KB](112)
利用声光调制器(AOM)激光反馈回路对泵浦激光的强度噪声进行抑制,获得了5 dB以上的强度噪声抑制(@f=1 Hz~50 kHz)。2 μm单频光纤激光器的相对强度噪声获得3~15 dB的抑制(@f=1 Hz~50 kHz),且其强度噪声水平接近探测器极限(@f=40~400 Hz)。同时,其频率噪声也得到了3~8.4 dB的抑制。经过两级掺铥保偏光纤放大器后,2 μm单频激光的输出功率提升至5.2 W左右,其频率噪声几乎没有明显增加,并且频率噪声水平均在100 Hz/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $ (f>13 Hz)。实现了频率响应为45 MHz/V,频率漂移为41.4 MHz@1 h,功率波动<0.4%@1 h,线宽<5 kHz稳定的单频激光输出。该类超低噪声2 μm单频光纤激光器将成为下一代引力波探测器的候选光源。
单频连续波金刚石拉曼激光器研究进展(特邀)
李牧野, 杨学宗, 孙玉祥, 白振旭, 冯衍
2022, 51(6): 20210970. doi: 10.3788/IRLA20210970
[摘要](477) [HTML全文] (162) [PDF 6417KB](124)
受激拉曼散射增益具有无空间烧孔特性,通过简单的腔型设计,拉曼激光器即可实现稳定单纵模运转。同时拉曼激光波长灵活,因此拉曼激光器在特殊波长单频激光领域具有重要技术优势。近年来,随着金刚石合成技术的突破,以金刚石作为增益介质的单纵模、高功率拉曼激光器获得了快速发展。文中简要介绍了拉曼激光器的单纵模运行机制;总结了单纵模金刚石拉曼激光器的研究进展;并对单纵模金刚石拉曼激光器的发展趋势进行了展望。
基于Re:YAG-SiO2光纤的单频光纤激光器研究进展(特邀)
魏振帅, 谢永耀, 邵贤彬, 刘俊都, 赵微, 赵显, 张行愚, 赵智刚, 丛振华, 刘兆军
2022, 51(6): 20220133. doi: 10.3788/IRLA20220133
[摘要](393) [HTML全文] (92) [PDF 3431KB](78)
Re:YAG-SiO2多组分玻璃光纤是以Re:YAG作为纤芯材料,以石英管作为包层材料,采用熔芯法利用拉丝塔在高温下拉制的特种光纤,具有掺杂浓度高、增益大、机械强度高、易与石英光纤熔接等优点,适用于短腔单频光纤激光器。文中介绍了Re:YAG-SiO2光纤的制备工艺,结合笔者课题组在该领域的研究工作,综述了近年来基于Re:YAG-SiO2光纤的单频激光技术在1.0 μm,1.5 μm及2.0 μm波段的研究进展,并对Re:YAG-SiO2光纤的制备及基于该类光纤单频激光器所存在的问题进行了归纳分析,对未来的发展进行了展望。
可调谐单频光纤激光器的研究进展(特邀)
段叶珍, 杨昌盛, 李佳龙, 蒋葵, 赵齐来, 冯洲明, 徐善辉
2022, 51(6): 20220119. doi: 10.3788/IRLA20220119
[摘要](276) [HTML全文] (259) [PDF 1951KB](151)
可调谐单频光纤激光器具有调谐范围宽、光信噪比高、线宽窄、噪声低和兼容性好等特点,在光谱学、光学探测、光学传感、光纤通信等领域有着重要的应用价值,引起了国内外研究者的广泛关注。简单介绍了可调谐单频光纤激光的调谐和选模关键技术,对1.0、1.5、2.0 μm和中红外等不同波段的可调谐单频光纤激光器进行了总结与归纳,综述了其国内外研究现状,并展示了其在调谐范围、激光线宽、光信噪比、输出功率、输出功率平坦度等性能指标方面取得的成果。此外,结合笔者课题组近年来在可调谐单频光纤激光器方面的研究工作,介绍了基于复合腔结构实现可调谐单频光纤激光的最新进展,并展望了可调谐单频光纤激光器的未来发展趋势。
高功率单频掺铒光纤激光技术研究进展(特邀)
程鑫, 姜华卫, 冯衍
2022, 51(6): 20220127. doi: 10.3788/IRLA20220127
[摘要](335) [HTML全文] (46) [PDF 1502KB](159)
近年来,在相干探测、激光雷达、激光冷却以及引力波探测等领域应用需求的驱动下,窄线宽、低噪声的高功率单频掺铒光纤激光技术成为国内外光纤激光技术领域的研究热点。简要介绍了近些年高功率单频掺铒光纤激光技术的研究进展,包括单频掺铒光纤激光器和高功率单频掺铒光纤放大器,分析了高功率单频掺铒光纤激光的发展趋势和面临的挑战,并对下一步的发展方向进行了展望。
面向空间引力波探测的低噪声平衡零拍探测系统研究(特邀)
王炜杰, 李番, 李健博, 鞠明健, 郑立昂, 田宇航, 尹王保, 田龙, 郑耀辉
2022, 51(6): 20220300. doi: 10.3788/IRLA20220300
[摘要](443) [HTML全文] (126) [PDF 1834KB](76)
空间引力波探测频段位于0.1 mHz~1 Hz范围内,在该频段内包含了更大特征质量和尺度的引力波波源信息。目前,基于不同尺寸及空间轨道的大型激光干涉空间引力波探测计划已经逐步实施,其中在干涉仪的激光光源系统中,需要抑制激光强度噪声及频率噪声等,光电探测作为激光噪声表征及抑制的第一级器件,其性能将直接影响激光噪声抑制效果。通过选定低噪声芯片、高稳定偏压系统的基础上,采用自减电路及跨阻放大电路进行整体电路设计;在电磁屏蔽、低温漂系数元件、低噪声供电以及主动温控等技术手段实现了高增益低噪声平衡零拍探测系统的研制;结合快速傅里叶变换法以及对数轴功率谱密度算法对其增益、带宽等性能进行评估测试,并进一步对激光的强度噪声在0.05 mHz~1 Hz频段进行探测表征。实验结果表明:所研发平衡零拍探测电子学噪声谱密度在1 mHz~1 Hz的频率范围内在3.6×10−5 V/Hz1/2以下,小于空间引力波探测对激光光源噪声要求;进一步当入射光功率为400 μW时,测量得到平衡零拍探测系统在0.1 mHz~1 Hz的频率范围内增益在20 dB以上;激光强度噪声谱密度在1 mHz处为3.6×10−2 V/Hz1/2,实现低噪声光电探测及激光强度噪声表征,为空间引力波探测中激光强度噪声表征及抑制等方面提供关键器件支撑。
波长可切换窄线宽单频掺镱光纤激光器(特邀)
孟祥瑞, 文瀚, 陈浩伟, 孙博, 陆宝乐, 白晋涛
2022, 51(6): 20220325. doi: 10.3788/IRLA20220325
[摘要](321) [HTML全文] (39) [PDF 4492KB](142)
基于光纤环形激光器,设计出由三端口环形器、偏振控制器、未泵浦保偏掺镱光纤和光纤布拉格光栅组成的滤波器件作为高精度滤波器对谐振腔内的模式个数进行抑制,通过调谐偏振控制器,在保偏掺镱光纤内形成的梳状光谱和动态光栅,实现了窄线宽、单、双波长可切换单频掺镱光纤激光器。单波长运行时,在1064.37 nm处测得激光器输出线宽346 Hz,光信噪比大于50 dB,30 min内该激光器波长及功率的不稳定性均在0.01 nm和0.2 dB范围内。通过调节偏振控制器,单波长和双波长可以实现互相切换,双波长分别位于1064.156 nm和1065.236 nm。该技术为超窄线宽激光器的双波长输出提供了新的途径。
基于四波混频效应的1.5 μm多波长单频光纤激光器(特邀)
张奕, 侯玉斌, 张倩, 王璞
2022, 51(6): 20220401. doi: 10.3788/IRLA20220401
[摘要](238) [HTML全文] (58) [PDF 2985KB](94)
利用笔者自主搭建的双波长单频光纤激光器作为种子,通过声光调制器以及多级光纤放大后,将激光注入至100 m长的高非线性光纤中,该光纤的零色散点在1 550 nm处。借助高非线性光纤的四波混频效应,最终在峰值功率13 W的泵浦下获得了一系列新的光谱成分,20 dB范围内共产生了46条新光谱。这些光谱跨越了1.337 THz,并且每条光谱中只包含一个纵模。由于新光谱基于四波混频效应产生,不同光谱之间不存在增益竞争等问题,因此,该激光器的多波长单频可以稳定存在,并且光谱强度接近。该多波长单频光纤激光器不仅具有线宽窄、相干性高、噪声低等优势,由于其还可以在全光纤结构下同时输出多个波长的单频激光,这使得其在波分复用光通信、光频率转换、激光雷达、微波光子学等领域具有十分重要的应用。
窄线宽光纤激光振荡器研究进展(特邀)
张万儒, 粟荣涛, 李灿, 张嵩, 姜曼, 马鹏飞, 马阎星, 吴坚, 周朴
2022, 51(6): 20210879. doi: 10.3788/IRLA20210879
[摘要](533) [HTML全文] (117) [PDF 2491KB](163)
窄线宽光纤激光器在遥感探测、非线性频率转换和光束合成等领域具有重要的应用价值。介绍了窄线宽光纤激光振荡器的典型谐振腔结构及其工作原理,从实现更窄线宽的角度梳理了单频选模技术,从获得更高功率的角度梳理了功率提升技术,综述了窄线宽光纤激光振荡器的研究现状,并对窄线宽光纤激光技术的发展进行了展望。
红外技术及应用
一种用于光学器械跟踪的近红外双目系统
王杰, 仲重亮, 朱伟东
2022, 51(6): 20210517. doi: 10.3788/IRLA20210517
[摘要](393) [HTML全文] (136) [PDF 2856KB](104)
近红外光学跟踪系统以其高精度、便捷的特点迅速发展成为手术导航中的重要组成部分。基于双目视觉设计了一套高精度、低成本的光学跟踪系统,该系统使用安装在器械上的被动标记球(NDI Passive Sphere)作为标记,并在双目相机镜头前添加近红外滤光片,以消除环境光的干扰。首先,采用轮廓过滤算法,用于标记轮廓的提取,使用最小二乘椭圆拟合算法获取标记投影中心的像素坐标;其次,设计了器械识别算法,使每个器械可以单独有序储存标记球的中心像素坐标,用于多个器械的分辨;最后,通过左右视图对应标记中心匹配,重建其空间坐标,进而推导出器械尖端在世界坐标系中的坐标。实验使用该系统跟踪器械,利用器械的无规则摆放实验验证了器械识别算法的准确性和鲁棒性,准确率达95%,平均识别时间仅需4 ms。并对系统进行了稳定性、静态定位精度、动态跟踪等测试。结果表明:稳定性误差可达0.13 mm,静态定位精度可达0.373 mm,所提出的近红外光学跟踪系统具有较高的精度和稳定性,可以满足手术导航的要求。
短中波红外长线阵拼接集成滤光片技术研究
王润福, 王多书, 范栋, 李晨, 王济洲, 董茂进
2022, 51(6): 20210463. doi: 10.3788/IRLA20210463
[摘要](304) [HTML全文] (93) [PDF 1357KB](59)
空间光谱成像技术的发展使得探测器阵列与分光元件的集成成为一种趋势,长线阵拼接集成滤光片是空间多光谱成像仪实现焦平面集成分光的关键器件,在我国空间多光谱成像光学系统中需求明显。设计了4通道短中波红外长线阵拼接集成滤光片,采用离子束辅助轰击的电子枪蒸发方法制备了各通道窄带滤光片,利用专门研制的工装探索了拼接工艺,研制出了短中波红外长线阵拼接集成滤光片。测试结果表明:集成滤光片各通道平均透射率达到90%,最小带宽为230 nm (中心波长为4.95 μm),光谱性能与设计结果吻合,满足性能指标要求。最小拼缝宽度仅为10 μm,拼缝不平行误差为1 μm,集成滤光片设计结构和拼接强度能够耐受抗振性试验。该集成滤光片已经在空间光学遥感仪器上成功应用。
SiCp/Al切削精确测温前红外热像仪发射率标定的实验研究
张淇, 李国和, 孙勇, 孙飞
2022, 51(6): 20210555. doi: 10.3788/IRLA20210555
[摘要](244) [HTML全文] (103) [PDF 1587KB](32)
发射率设定对红外热像仪测量结果的准确性具有决定性的影响,必须在测温前进行准确标定。首先通过热电偶标定试验研究了发射率设定对红外热像仪测温精度的影响。其次通过析因实验分析了设定发射率的影响因素。最后通过正交实验研究了各因素对设定发射率的影响程度,并进行了经验公式拟合和实验验证。结果表明:对于SiCp/Al复合材料,设定发射率在被测温度500 ℃前后有很大的差异,被测温度超过500 ℃时,采用推荐值作为设定方法则会产生较大误差。在[0°,45°]范围内测量角度对设定发射率几乎没有影响,但温度、表面粗糙度和观测距离都会影响设定发射率。多项式拟合获得的设定发射率经验公式预测结果的最大误差为2.76%。
激光器与激光光学
基于MOCVD生长的4.6 μm中红外量子级联激光器
庞磊, 程洋, 赵武, 谭少阳, 郭银涛, 李波, 王俊, 周大勇
2022, 51(6): 20210980. doi: 10.3788/IRLA20210980
[摘要](475) [HTML全文] (100) [PDF 2888KB](90)
中红外量子级联激光器在红外对抗、痕量气体检测、自由空间光通信等领域具有广阔的应用前景,采用MOCVD生长量子级联激光器的方法具有生产效率高、可做再生长、便于多组分生长等优点。报道了可室温连续波工作的中红外量子级联激光器,波长4.6 μm,采用MOCVD生长应变补偿的InGaAs/InAlAs材料。实验探究了不同掺杂对芯片性能的影响,通过优化掺杂浓度提升了器件性能。腔长3 mm,脊宽13 μm的芯片在288 K的温度下,脉冲模式下最大峰值功率达到722 mW,电光转换效率和阈值电流密度分别为6.3%和1.04 kA/cm2,在连续模式下功率输出达到364 mW。文中成功实现了用MOCVD生长中红外量子级联激光器,为中红外波段的激光应用提供了技术支撑。
1 015~1 046 nm可调谐飞秒掺镱光纤激光器
刘梦霖, 赵坤, 闫炜, 王丽莎, 刘民哲, 王勇, 孙松松
2022, 51(6): 20210444. doi: 10.3788/IRLA20210444
[摘要](284) [HTML全文] (87) [PDF 1589KB](36)
近年来,超快掺镱锁模光纤激光器由于其转换效率高、操作方便、免维护、尺寸紧凑等优点,被广泛应用于工业加工、医疗外科、多光子成像等领域。在激光器中补偿群速度色散是获得皮秒甚至飞秒脉冲的有效方法。通过利用光栅对与光谱滤波器,实现了对激光波长、腔内色散和光谱宽度的灵活调节。该激光器能输出稳定的锁模脉冲,对应的基本重复频率为19.41 MHz。在+ 0.0127 ps2色散时中心波长1015~1037 nm可调;在+0.007 ps2色散时中心波长1015~1045 nm可调以及在−0.0127 ps2色散时中心波长1020~1046 nm可调。同时,当净腔色散从反常色散到近零色散变化时,光谱带宽可从1.40 nm调到19.38 nm,对应的压缩后脉冲宽度可从1.03 ps调至175.9 fs。该方案具备连续调整激光器状态的能力,有望用于高功率大能量飞秒激光前端,可以满足对激光器有多种谱宽及波长的应用需求。
百瓦级1 030 nm光纤-固体混合放大激光器
徐岩, 彭志刚, 石宇航, 王贝贝, 程昭晨, 王璞
2022, 51(6): 20210442. doi: 10.3788/IRLA20210442
[摘要](474) [HTML全文] (94) [PDF 1753KB](76)
光纤-固体混合放大技术能够将光纤激光器和固体放大器的优势结合,获得结构紧凑、成本低廉的高功率超短脉冲激光。因此,实验设计了基于掺镱光纤-固体混合放大技术的高平均功率超短脉冲激光器。该激光器主要由全光纤结构激光器和两级固体放大器组成,第一级为基于Yb: YAG单晶光纤的固体放大器,第二级为基于无侧面抛光的棒状Yb: YAG晶体的主放大器。超短脉冲全光纤前端平均输出功率为6.5 W,重复频率52.9 MHz,脉冲宽度47.5 ps。第一级单晶光纤放大器采用单通放大形式,在反向泵浦功率182 W时获得40 W的平均功率。第二级固体放大器同样为单通放大,在反向泵浦功率307 W时获得平均功率122.9 W的超短脉冲激光输出,滤除热退偏激光后获得了107.3 W的线偏振超短脉冲激光,对应斜效率为26.1%。此时测得脉冲宽度为12.1 ps,中心波长为1 030.6 nm,光谱宽度为2.4 nm。在最大输出功率107.3 W时,测得水平和垂直方向的光束质量因子Mx2=1.45,My2=1.20。
纳秒脉冲掺镱全光纤激光器研究进展
曲研, 宁超宇, 邹淑珍, 于海娟, 陈雪纯, 许爽, 左杰希, 韩世飞, 李心瑶, 林学春
2022, 51(6): 20220055. doi: 10.3788/IRLA20220055
[摘要](445) [HTML全文] (193) [PDF 2427KB](100)
掺镱全光纤纳秒脉冲激光器发展迅猛,已经为诸多领域开辟了新的道路,特别是高平均功率、大脉冲能量的纳秒脉冲光纤激光器在激光清洗等领域得到了广泛应用。多路光纤激光合束是实现高平均功率、大脉冲能量激光输出的主要手段,其结构复杂程度取决于单模块激光器的输出特性,提升单模块纳秒脉冲全光纤激光器输出特性对于激光清洗等领域具有重要意义。文中总结了单模块掺镱全光纤纳秒脉冲激光器的研究进展,分析了当前限制其功率和能量进一步提升的主要因素。首先,从主动调Q、被动调Q以及增益开关技术三个层面回顾了纳秒脉冲掺镱全光纤振荡器的研究进展;其次,从大脉冲能量、高平均功率、两者协同发展三个指标层面总结了纳秒脉冲掺镱全光纤放大器的研究现状;最后,从限制高指标掺镱全光纤激光器输出特性的因素出发,展望了其在未来功率和能量提升上的发展趋势。
激光脉宽和功率密度对烧蚀性能影响研究
王思博, 蒋陆昀, 洪延姬, 杜邦登, 邢宝玉, 张腾飞, 高贺岩
2022, 51(6): 20210422. doi: 10.3788/IRLA20210422
[摘要](122) [HTML全文] (107) [PDF 1539KB](37)
微纳卫星的飞速发展对微推力器的性能提出了更高的的要求。激光推进微推力器因其比冲高、推力控制精确、能耗低等特点,为微纳卫星提供了一种性能优异的微推力器选择方案。文中在透射式烧蚀模式下,研究了半导体激光器的激光功率密度和脉宽对激光烧蚀性能的影响。结果表明,在工质厚度为200 μm的工况下,随着激光功率密度的增加,单脉冲冲量和比冲都逐渐增大,而冲量耦合系数和烧蚀效率都存在一个最优值。随着激光脉宽的增加,单脉冲冲量逐渐增加,比冲呈现出先增大后减小的趋势,在250 μs时,比冲达到最大值,约为221.8 s;冲量耦合系数和烧蚀效率都随着脉宽的增大而减小;脉宽超过一定的临界值时,会对激光烧蚀工质的靶坑产生不良影响,使得激光能量和工质严重浪费。激光参数的优化对于激光推进微推力器的工程化应用提供了参考。
高分七号卫星多源遥感数据精度优化与评估
胡柳茹, 唐新明, 张智, 李国元, 陈继溢, 田怀启, 张帅台, 乔俊平, 李昕
2022, 51(6): 20210458. doi: 10.3788/IRLA20210458
[摘要](321) [HTML全文] (77) [PDF 1332KB](42)
高分七号卫星是国内首个亚米级双线阵立体成像卫星,同时配有两套激光测高仪和激光足印相机,可同期获取多源遥感数据。文中采用高分七号卫星获取的多源遥感数据进行平面和高程精度优化,利用激光测高数据对立体影像密集匹配的DSM进行偏度、中值、线性和二阶多项式模型和高程优化评估,利用足印影像对DOM进行一阶仿射变换方法和平面优化评估,并利用外业控制点对无控平面高程、激光高程优化、足印-激光平面高程优化、外业-激光平面高程优化等不同优化模型的结果进行精度评估。实验结果表明,利用激光测高数据可明显优化DSM高程精度,无控DSM高程误差平均值为−4.268 m,中误差为4.518 m,经过中值模型优化后的DSM高程误差平均值提升为−0.272 m,中误差提升为1.508 m,经过线性模型优化后的DSM高程误差平均值提升为−0.320 m,中误差提升为1.351 m;利用足印影像可改善DOM的平面精度,平面误差平均值从13.606 m提升到5.341 m,中误差从13.626 m提升到5.495 m。
Nd:Y2O3透明陶瓷4F3/2-4I11/2跃迁光谱及高效激光输出
楼森豪, 黄运米, 王俊, 段延敏, 唐定远, 朱海永
2022, 51(6): 20210601. doi: 10.3788/IRLA20210601
[摘要](169) [HTML全文] (33) [PDF 1220KB](27)
报道了采用真空烧结法结合热等静压技术制备的Nd:Y2O3透明陶瓷的荧光光谱特性及相关激光输出。通过与Nd:YAG透明陶瓷的荧光光谱对比,表明Nd:Y2O3透明陶瓷的4F3/2-4I11/2跃迁光谱存在着多个增益相当的谱线,这更有利于实现同时双波长段激光振荡;不同斯塔克子跃迁光谱的离散特性有利于通过腔镜镀膜控制不同波长损耗,获得丰富的1.0~1.1 μm波段激光。利用简单的平平两镜腔结构完成进一步的实验,通过选择的输出镜片镀膜获得了输出功率3.62 W、转换效率40.4%的1074.6 nm和1078.8 nm的双波长输出和输出功率1.7 W、转换效率19.4%的1130.3 nm波长输出。
光学设计
基于刚体运动完备方程的光机热集成分析方法
王增伟, 赵知诚, 杨溢, 雷松涛, 丁雷
2022, 51(6): 20210617. doi: 10.3788/IRLA20210617
[摘要](100) [HTML全文] (39) [PDF 3418KB](49)
对于环境载荷恶劣、光学面变形复杂的光机系统,传统光机热集成分析方法的计算误差较大。提出了基于刚体运动完备方程的光机热集成分析方法,利用双立方样条插值法对光学面进行修正,然后建立光学面刚体运动完备方程,采用优化的求解方式分离光学镜面刚体运动,最后采用最小二乘方法求解Zernike多项式系数,实现对光学镜面弹性变形的表征。采用数值案例和工程案例验证了所提方法的有效性和正确性,定量分析了刚体运动方程、镜面修正方法、镜面点阵分布以及面形等关键因素对光机热分析结果的影响,结果表明,所提方法比传统方法更为精确地分离出光学面刚体运动和弹性变形量,且不依赖于光学面的解析方程,镜面变形的复杂程度对分析结果的影响较大。
渐进多焦点眼用镜片子午线的双向拟合设计
张慧星, 吴泉英, 唐运海, 吕轩之, 陈晓翌, 侯育炜
2022, 51(6): 20210630. doi: 10.3788/IRLA20210630
[摘要](239) [HTML全文] (30) [PDF 3449KB](43)
介绍了渐进多焦点眼用镜片的结构。提出了一种双向拟合设计渐进多焦点眼用镜片子午线的方法,采用两条多项式曲线从镜片视远点和视近点双向拟合,获得满足设计要求的子午线。在此基础上,选择与子午线正交、满足设计要求的曲线簇作为轮廓线,计算镜片上各个点的矢高数据,从而获得整个面形。设计结果表明,与只采用一条高阶多项式曲线描述子午线的方法相比较,双向拟合设计镜片子午线的方法可以灵活地调节子午线上光焦度增加的速率,从而控制镜片视远区、视近区以及渐进通道的光焦度和像散,设计满足眼镜佩戴者个性化需求的渐进多焦点眼用镜片,即当镜片参数相同时,双向拟合子午线不同,可以获得相应视觉需要的渐进多焦点眼用镜片。将设计的镜片进行实际加工,并检测加工结果,结果表明,加工获得的镜片性能与设计结果一致。
底发射VCSEL片上点阵结构光投影装置设计
阮仁杰, 曹银花, 王晓帆, 马艳红, 王智勇, 兰天
2022, 51(6): 20210640. doi: 10.3788/IRLA20210640
[摘要](405) [HTML全文] (114) [PDF 2970KB](52)
为解决现有点阵结构光投影装置中准直透镜会导致较强的零级衍射而造成投影点阵光强分布不均匀的问题,提出了一种基于底发射垂直腔面发射激光器的片上点阵光投影装置结构,并给出了衍射光学元件设计思路。首先对目标光场进行光强调整和坐标变换,在无准直透镜情况下利用基于瑞利-索末菲衍射积分的Gerchberg-Saxton改进算法获得片上衍射光学元件的相位分布,并最终对该点阵投影装置的投影效果进行评估。结果表明:在衍射光学元件设计过程中采用高斯光束作为光源时,该结构能更好地抑制零级衍射,获得光强分布更加均匀的投影点阵。此外,该结构不仅可省去透镜的安装,减小投影装置尺寸,还可通过流片工艺实现光源和衍射光学元件一体化集成。
大口径透镜混合柔性支撑结构优化设计
王晓迪, 曹玉岩, 王富国, 初宏亮, 李延伟
2022, 51(6): 20210670. doi: 10.3788/IRLA20210670
[摘要](303) [HTML全文] (110) [PDF 2905KB](59)
针对大口径透镜,提出了一种新型混合柔性支撑结构,能够使透镜同时满足面形精度及位置精度要求。首先利用卡氏第二定理对各柔性铰链进行分析,建立支撑组件整体柔度模型。然后以柔性支撑组件的总变形能为目标函数,以位置精度及实际使用空间要求为约束,建立结构优化设计模型。之后确定径向柔性支撑结构对组件整体柔度的敏感度最大并对其刚度进行验证。最后对优化后的透镜组件整体结构进行有限元分析,同时利用曲面拟合方法计算镜面面形精度。仿真结果表明,在该新型混合柔性支撑结构的作用下,透镜在各要求工况下的面形精度均优于λ/20 (λ=632.8 nm)。所设计的新型混合柔性支撑结构及其理论分析过程可为高精度大口径透镜的支撑技术提供参考。
太赫兹技术及应用
复合石墨烯/硅半球的宽带太赫兹超材料吸收器
孟宪睿, 张铭, 席宇鹏, 王如志, 王长昊, 王波
2022, 51(6): 20210648. doi: 10.3788/IRLA20210648
[摘要](334) [HTML全文] (114) [PDF 2124KB](44)
提出了一种性能可调的宽带、极化与入射角不敏感的超材料太赫兹吸收器,该吸收器自上而下分为四层结构,分别是:硅半椭球/半球体复合结构、连续石墨烯层、PDMS介质层和金属背板。通过在TE波垂直入射条件下仿真,在已知结果基础上,对不同石墨烯化学势和不同结构条件下的电场结果分析表明,在硅半椭球/半球体亚波长复合结构所形成的连续、多模法布里-珀罗共振,以及由石墨烯所激发的多个离散的等离子体共振的协同作用下,其吸收光谱得到平滑和扩展,使该结构可实现吸收率宽范围可调,以及接近100%吸收率的宽频带吸收特性。特别的,当石墨烯化学势分别为0.2与0.9 eV时,其分别可获得约5.7 THz与7 THz的宽带太赫兹波吸收(吸收率超过90%),且其最大吸收率接近完美吸收(约99.8%)。此外,该结构还具有360°极化不敏感和高于60°的入射角不敏感等优异特性,在以上角度范围内,吸收器吸收率仍可保持到90%以上。在太赫兹波探测、光谱成像以及隐身技术等方面具有潜在的应用前景。
太赫兹双磁矩环偶极子传感芯片及其在原油检测中的应用
吴毅萍, 陈晟皓, 刘仕龙, 古诗怡, 徐金金, 姜去寒, 庄松林, 陈麟
2022, 51(6): 20210338. doi: 10.3788/IRLA20210338
[摘要](288) [HTML全文] (75) [PDF 2157KB](31)
原油样品中主要成分的快速检测及产地溯源对国防安全及生态环境等领域意义重大。现阶段的原油成分检测操作复杂、成本高且检测时间较长,无法满足对原油成分的快速检测及原油产地快速溯源的需求。文中结合高灵敏太赫兹检测芯片(基于双磁矩环偶极子)和时域太赫兹波谱系统,测试了不同产地原油样品的太赫兹光谱,发现芯片谐振峰频移呈现不同的规律。且对于原油中两个最主要的指标硫含量和残碳量,可分别根据它们的频移规律进行定量分析。实验数据计算表明:相同产地的原油的谐振频率平均值相对差值平均为4.63%,不同产地的原油的谐振频率平均值的相对差值平均为56.53%,可明显区分出原油的产地。设计的超表面芯片激发了电磁新模式,提供了一种高灵敏度的检测技术,可广泛应用于生物分子实时监测或探测化学物质(如原油)成分检测、产地溯源等领域。
多层胶接结构胶层均匀性的太赫兹时域表征方法
王家天, 刘闯, 任姣姣, 张丹丹, 顾健
2022, 51(6): 20210430. doi: 10.3788/IRLA20210430
[摘要](94) [HTML全文] (49) [PDF 1665KB](32)
多层胶接结构广泛应用于航空航天领域中,其粘接强度是保障工程安全的关键因素。采用飞行时间、能量、幅值等不同的太赫兹时域光谱参数表征多层胶接结构胶层的均匀性,进而评价多层胶接结构材料的胶接质量。采用太赫兹时域光谱飞行时间成像法对胶层区域的均匀性进行定性分析,通过计算获得4块实验样件的飞行时间相对标准差分别为8.78%、8.09%、7.30%和9.57%,实现了胶层均匀性的定量评价;利用太赫兹时域光谱能量积分信息,分别采用能量积分曲线的峰度和偏度定性分析胶层均匀性,通过计算获得4块实验样件能量标准偏差分别为0.95、0.9、0.71和1.01,实现了胶层均匀性的定量评价;此外,根据太赫兹时域光谱的幅值特征信息,以幅值离散系数定量地表征胶层均匀性。研究结果表明:太赫兹时域光谱的飞行时间、能量积分及幅值3种特征参数均能够实现多层胶接结构胶层均匀性的定量评价,该方法能够为多层胶接结构粘接强度的评估提供可靠的手段。
光电测量
面向机器视觉测量的液体透镜调焦系统标定方法
李洋, 王国名, 王颖, 程智, 周维虎, 崔成君
2022, 51(6): 20210472. doi: 10.3788/IRLA20210472
[摘要](414) [HTML全文] (91) [PDF 2258KB](58)
高性能光学成像器件是机器视觉测量的重要基础,液体透镜作为一种结构紧凑的快速电控调焦器件,在机器视觉测量领域中具有明确的应用前景。针对液体透镜调焦器件在视觉测量中性能易受环境干扰、系统内参难以准确标定的问题开展研究。首先,构建了基于Optotune液体透镜器件的机器视觉测量系统,分析了液体透镜器件电控调焦工作机理,提出了调焦系统的电流-焦距数学模型,研究了影响液体透镜调焦系统参数的温度、重力因素作用机理,分别提出了温度-焦距、重力-主点位置影响量传递与补偿数学模型;然后,将上述各系统模型与针孔相机成像模型相结合,提出了液体透镜调焦系统的函数化内参表达式,设计了求取表达式全部系数的标定装置与标定流程,并进行了系统内参标定实验,验证了文中内参标定方法的可行性;最后,利用标定所得的内参对边长30 mm的棋盘格靶标进行了测量实验,通过尺寸测量精度反映内参标定精度。实验结果表明,文中方法能够得到比现有插值法更准确的内参标定结果,其中图像角点空间映射位置误差均值为0.10 mm,棋盘格边长测量结果最大相对误差为0.68%,两项误差比插值法所得内参的测量结果分别减小了27.2%和54.4%。
正交条纹级次分区域预编码校正Gamma非线性方法
王鹏, 刘佳琪, 孙长库, 张宝尚
2022, 51(6): 20210503. doi: 10.3788/IRLA20210503
[摘要](121) [HTML全文] (27) [PDF 1560KB](33)
数字投影仪的非线性响应是近年来研究的热点问题,因为数字投影仪虽然能避免物理光栅投影的各种缺陷,但其自身的非线性直接影响了输出信息,是相位误差的主要来源,进而影响了测量精度。针对数字条纹投影三维测量中存在的Gamma非线性和不同区域Gamma值并不一致的问题,提出一种通过正交条纹级次分区域预编码校正Gamma非线性方法,通过正交条纹划分区域,对每个区域使用多项式拟合计算预编码值校正该区域条纹图像。使用该方法校正后相位误差减少了82.24%,适用于任意投影仪与相机之间的位置关系,只需要精细化计算一套分区域预编码系数并由此生成编码条纹图,即可满足该系统此后的测量需求,该方法灵活性强、精确度高。
全局可观测性分析的SINS/CNS快速标定方法
徐志浩, 周召发, 徐梓皓, 常振军, 冯磊
2022, 51(6): 20210641. doi: 10.3788/IRLA20210641
[摘要](312) [HTML全文] (70) [PDF 1729KB](22)
星敏感器安装误差是制约SINS/CNS导航精度的主要因素之一,有必要在使用前对其进行标定,特别是小视场星敏感器无法根据单幅星图得到姿态信息。文中提出了一种SINS/CNS组合导航系统的快速高精度标定方法,利用惯导输出的姿态、速度以及星敏感器测量的矢量信息构造量测,建立卡尔曼滤波模型,实现安装误差和惯性器件常值误差的地面标定。通过全局可观测性分析,详细给出了系统在不同的姿态和观测星点的情况下的可观测性并进行了验证。仿真结果证明:至少需要进行两个轴向的转动、三次观星且需避免将星点位于星敏测量原点,才能高精度估计出星敏感器三轴安装误差,而对于大视场星敏感器来说部分惯组姿态不利于提高系统可观测度,该方法对姿态和星敏感器安装误差的估计精度均在0.5″内,陀螺和加速度计的常值误差分别小于0.000 7 (°)/h和$0.3\;{\text{μg}}$,无需精密的外部设备和人工参考即可实现高精度标定,对SINS/CNS组合导航系统的观星方案设计有一定意义。
大气同步校正仪卷云识别波段稳定性测试方法
李孟凡, 厉卓然, 裘桢炜, 张爱文, 胡亚东, 王改
2022, 51(6): 20210647. doi: 10.3788/IRLA20210647
[摘要](272) [HTML全文] (81) [PDF 1179KB](26)
大气同步校正仪(Synchronous Monitoring Atmospheric Corrector, SMAC)是高分辨率多模综合成像卫星的业务载荷之一,为卫星主相机提供时空一致的大气观测数据,实现基于辐射传输模型的高分辨率遥感图像大气校正。SMAC设置了专用于卷云识别的水汽强吸收波段,该波段特点使其稳定性测试极易受到实验室水汽波动影响,难以真实反映该波段性能。采用水汽波动控制、探测器同步监测等措施抑制水汽波动对测试数据的影响,结果显示采取措施后SMAC的稳定性误差由4.08%降低至0.23%,表明SMAC卷云识别波段稳定性测试方法合理有效,能够体现产品自身稳定性能,对后续同类产品的稳定性测试具有重要的参考价值。
基于自适应卡尔曼算法的单探测器解耦控制技术研究
董全睿, 王伟国, 陈飞, 陈涛, 张振东, 刘廷霞
2022, 51(6): 20210375. doi: 10.3788/IRLA20210375
[摘要](339) [HTML全文] (98) [PDF 2197KB](39)
为了提高激光通信跟瞄系统的跟踪性能,增强系统的抗扰动能力,提出基于卡尔曼滤波的单探测器复合轴控制方法。首先,对单探测器复合轴系统原理进行分析,通过误差传递函数验证了解耦算法的可行性;其次,为了改善脱靶量迟滞的影响,同时降低探测器实时处理的要求,提出一种自适应卡尔曼滤波算法;最后,根据探测器坐标系与快速反射镜坐标系之间的旋转变换关系,计算出粗精系统的解耦矩阵,并搭建一套桌面实验系统进行原理验证。实验结果表明:单探测器复合轴在0.1 Hz低频扰动条件下,精跟踪系统的相对位移不会超出反射镜偏转角度的临界值,跟踪误差由2.54 μrad下降到0.86 μrad。解耦控制能够提高系统跟踪精度并增强抗扰动能力。对于以后工程中的实际应用具有一定的指导意义。
基于加权最小二乘的激光跟踪姿态角测量方法
许航, 熊芝, 张刘港, 冯维, 翟中生, 周维虎, 董登峰
2022, 51(6): 20210675. doi: 10.3788/IRLA20210675
[摘要](262) [HTML全文] (62) [PDF 1144KB](30)
针对现代工业生产中大型装备的生产、制造和装配对于姿态精准测量提出的需求,提出了一种基于加权最小二乘的激光跟踪姿态角测量方法。首先,阐述了姿态测量系统的组成,并对姿态测量系统中使用的坐标系进行定义;其次,建立了姿态测量数学模型,在此基础上利用加权最小二乘法对冗余角度信息进行数据融合,并采用蒙特卡洛法对融合方法进行了仿真分析;最后,搭建了姿态测量实验平台,利用精密二维转台对系统姿态角测量精度进行了评定。实验结果表明:在[−30°, 30°]角度范围内,测量距离为3 m时姿态角测量精度为0.28°,测量距离为8 m时姿态角测量精度为1.76°;与单目视觉法相比,姿态角测量精度在3 m时提升了6.7%,在8 m时提升了18.8%。文中提出的数据融合方法对姿态角测量精度的提升具有较好效果。
光电探测器表面损伤状态偏振成像式探测系统
胡玮娜, 吕勇, 耿蕊, 李宇海, 牛春晖
2022, 51(6): 20210629. doi: 10.3788/IRLA20210629
[摘要](194) [HTML全文] (48) [PDF 2134KB](44)
针对在外场实现探测器损伤状态实时探测的需求,研发了光电探测器表面损伤状态偏振成像式探测系统。理论推导了“猫眼”目标回波偏振特性参数DP和回波偏振度DOP的表达式,利用MATLAB软件仿真绘制了表面粗糙度、回波偏振度以及偏振特性的关系曲线;设计了一套同时偏振成像光学系统,开展了671 nm连续激光对电荷耦合器件(CCD)表面损伤状态的实时探测外场实验,编制了基于MATLAB GUI的回波图像可视化实时采集系统,得到了回波图像强度、偏振特性以及光斑尺寸等信息;通过光学显微镜和白光干涉仪对探测器表面损伤处和未损伤处形貌图像分析,发现探测器损伤表面可见硅基底且粗糙度参数Sq值较大;结果表明,仿真结果与实验测试结果具有良好一致性。光电探测器被损伤后,其表面粗糙度增大,回波偏振特性参数DP减小,退偏特性明显,偏振度DOP减小。偏振成像技术可有效对光电探测器表面损伤状态进行实时探测,该研究提供了一种外场条件下实时探测的好方法。
视频监控下利用记忆力增强自编码的行人异常行为检测
孙敬波, 季节
2022, 51(6): 20210680. doi: 10.3788/IRLA20210680
[摘要](376) [HTML全文] (120) [PDF 1610KB](33)
随着视频监控数据的快速增长,对大规模视频数据的自动异常检测的需求越来越大,基于深度自编码器重构误差检测方法已经被广泛探讨。但是,有时自编码器“泛化”得很好,能够很好地重建异常并导致漏检。为了解决这个问题,提出了采用记忆力模块来增强自动编码器,称为记忆力增强自编码(Memory-augmented autoencoder, Memory AE)方法。给定输入,Memory AE首先从编码器获取编码,然后将其用作查询以检索最相关的记忆项来进行重建。在训练阶段,记忆内容被更新以表示正常数据的原型元素。在测试阶段,将学习到的记忆元素固定下来,从正常数据的几个选定的记忆记录中获得重建,因此重建将趋向于接近正常样本。因此,将加强对异常的重构误差以进行异常检测。对两个公共视频异常检测数据集,即Avenue数据集和ShanghaiTech数据集的研究证明了所提出方法的有效性。
基于深度自编码-高斯混合模型的视频异常检测方法
钟友坤, 莫海宁
2022, 51(6): 20210547. doi: 10.3788/IRLA20210547
[摘要](354) [HTML全文] (84) [PDF 1328KB](29)
由于异常定义的模糊性和真实数据的复杂性,视频异常检测是智能视频监控中最具挑战性的问题之一。基于自动编码器(AE)的帧重建(当前或未来帧)是一种流行的视频异常检测方法。使用在正常数据上训练的模型,异常场景的重建误差通常比正常场景的重建误差大得多。但是,这类方法忽略了正常数据本身的内部结构,效率较低。基于此,提出了一种深度自动编码高斯混合模型(DAGMM)。首先利用深度自动编码器获得输入视频片段的生成低维表示和重构误差,并将其进一步输入高斯混合模型(GMM)。而估计网络则通过高斯混合模型预测能量概率,然后通过能量密度概率判断异常。DAGMM以端到端的方式同时联合优化深度自动编码器和GMM的参数,能够平衡自动编码重建、低维表示的密度估计和正则化,泛化能力强。在两个公共基准数据集上的实验结果表明,DAGMM达到了现有最高技术发展水平,在UCSD Ped2和ShanghaiTech两个数据集上分别取得了95.7%和72.9%的帧级AUC。
基于光学多传感器场景信息的视觉辅助驾驶技术
张芳, 寿少峻, 刘冰, 张兰兰, 冯颖, 高珊
2022, 51(6): 20210632. doi: 10.3788/IRLA20210632
[摘要](257) [HTML全文] (87) [PDF 5118KB](34)
为满足坦克、装甲车辆等军用车辆的闭舱、无窗驾驶需求,研制了一套新型辅助驾驶系统。系统将分布于车辆四周的多路光学传感器获取车辆近身场景,通过全景拼接算法得到车辆近身360°的全景鸟瞰视频,该视频显示于车载显示屏,用于车辆通过窄道、有障碍物等特殊路段,或倒车时,驾驶员观看。同时,在车辆通过常规路段时,上述视频可根据驾驶员头部扭转角度,裁选出符合人眼观察视角的车外场景视频,传输至驾驶员显示头盔上,供驾驶员观看。如遇特殊情况,车载显示屏会报警,驾驶员将回归车载显示屏的观看。其中,驾驶员头部位置确定方法采用了红外LED光源图像定位技术和MEMS惯性器件定位技术。在实验室,搭建模型小车,验证全景鸟瞰视频生成技术和头盔自由视点观察技术。此外,还使用真实车辆进行了跑车实验。实验结果表明,上述系统可满足闭舱无窗车辆在常规路况下行驶,速度可达40 km/h,同时可辅助车辆窄道行车、障碍物绕行和倒车等事项顺利进行。
光通信与光传感
有偏压光伏光折变晶体中自加速光束交互效应的理论研究
母一宁, 李彦正, 陈卫军
2022, 51(6): 20220096. doi: 10.3788/IRLA20220096
[摘要](264) [HTML全文] (57) [PDF 6859KB](27)
采用分步傅里叶法理论探究了有限能量艾里光束和非线性加速光束在有偏压光伏光折变介质中的交互效应。结果表明:调节光束初始间隔和入射角度可使同相位或反相位有限能量艾里光束相互吸引或排斥。同相位时不仅产生呼吸孤子和孤子对,在适当参数条件下还可形成分叉孤子;反相位时仅有孤子对产生;同相位非线性切趾加速光束交互可以产生奇数个呼吸孤子,反相位非线性切趾加速光束交互可以产生偶数个呼吸孤子对。此外,呼吸孤子的峰值强度、呼吸周期和相互作用力的大小均可以通过外部偏压和入射角度进行有效调控。研究结果可为艾里光束交互调控提供理论基础,同时在全光信息处理和光学网络器件制备等领域具有潜在的应用前景。
空基激光通信研究进展和趋势以及关键技术
郑运强, 刘欢, 孟佳成, 王宇飞, 聂文超, 武军霞, 蔚停停, 魏森涛, 袁站朝, 汪伟, 谢小平
2022, 51(6): 20210475. doi: 10.3788/IRLA20210475
[摘要](831) [HTML全文] (179) [PDF 3463KB](199)
激光通信以其带宽大、保密性好、无频谱限制等特点成为构建空天地海全域网络高速通信有效技术途径。相较天基而言,搭载在气球、飞艇、无人机、飞机等平台的空基激光通信系统以其灵活性好、成本低、可维修等特点,成为高保密军用战术网络、救灾应急网络、商用低成本网络的首选。详细介绍了美国、德国、法国、中国等空基激光通信技术最新研究进展和主要项目的参数指标,总结了一对多、轻量化、高带宽等发展趋势和面临的大气信道复杂、背景噪声严重等技术挑战,提出了高动态捕跟、高密度集成、高灵敏度接收等关键技术措施,为空基激光通信技术研究和工程项目研制提供参考。
水下复合信道对GMSK无线光通信系统性能的影响
杨祎, 刘妍, 王艺龙, 张建磊, 杨方明
2022, 51(6): 20210622. doi: 10.3788/IRLA20210622
[摘要](130) [HTML全文] (41) [PDF 3412KB](42)
海水信道对光的吸收和散射造成信号衰减,海水湍流造成信号幅度起伏变化,两者都会降低水下无线光通信(UWOC)系统误码率(BER)性能。将两个信道特性对信号性能的影响综合考虑,提出了一种将传输距离和湍流概率密度函数等效为系统信噪比(SNR)和湍流噪声的方法,然后将信号衰减和湍流噪声同时作用在信号波形中,建立水下复合信道信号传输模型。依据实验系统参数,模拟复合信道下高斯最小频移键控(GMSK)调制的信号传输波形,采用一比特差分解调算法,对比解调波形与原始波形,分析复合信道对系统误码率性能的影响关系。模拟实验结果显示,与开关键控调制(OOK)、脉冲位置调制(PPM)相比,仅在海水衰减系数为${\text{0}}{\text{.151}}\;{{\text{m}}^{-1}}$的衰减信道下,GMSK系统分别可获得${\text{4}}{\text{.8}}$$ 3.3{\text{ dB}} $的信噪比增益。在复合信道下,GMSK调制性能明显优于OOK调制和PPM调制,当海水衰减系数为${\text{0}}{\text{.151}}\;{{\text{m}}^{-1}}$、湍流对数强度方差小于0.16时,GMSK调制系统无误码率极限,系统误码率由信道的衰减、湍流特性和高斯噪声共同决定,GMSK调制相比于PPM调制获得$4.35{\text{ dB}}$的信噪比增益;当湍流对数强度方差大于0.16时,系统存在误码率极限,极限值由湍流对数强度方差决定,且随着湍流对数强度方差的增加,系统极限误码率非线性递增。
CMOS有源电感并联的前馈共栅跨阻放大电路
俸志富, 张家洪, 李英娜, 赵振刚
2022, 51(6): 20210386. doi: 10.3788/IRLA20210386
[摘要](284) [HTML全文] (88) [PDF 1680KB](35)
设计了一种改进的前馈共栅(Modified Feedforward Common Gate, MFCG)跨阻放大电路,通过使用CMOS有源电感与前馈共栅(Feedforward Common Gate, FCG)跨阻放大电路中的共源放大级并联,使跨阻放大电路的带宽和跨阻增益均得到有效提升。基于TSMC 60 nm CMOS工艺在Cadence软件平台对MFCG跨阻放大电路进行仿真分析和版图设计。仿真结果表明在电源电压为1.8 V,光电二极管结电容为200 fF的情况下,放大电路的−3 dB带宽为17.2 GHz,跨阻增益为55 dBΩ,在带宽内等效输入噪声电流谱密度小于55 pA/$ \sqrt {{\rm{Hz}}} $,电路功耗为3.7 mW,电路版图面积为0.0029 mm2。结果表明:所设计的MFCG跨阻放大电路具有跨阻增益高、带宽大、版图面积小等优点,可用于20 Gb/s光纤通信系统的光接收机电路。
无信标星间激光通信系统粗精复合扫描方法
梅博, 杨中华, 李梦男
2022, 51(6): 20210434. doi: 10.3788/IRLA20210434
[摘要](328) [HTML全文] (76) [PDF 2811KB](65)
无信标星间激光通信系统无需额外设置信标光组件,直接采用小束散角的信号光进行瞄准捕获跟踪,有利于降低终端的质量、体积、功耗和制造成本等重要指标,满足商业航天和低轨卫星空间激光网络的发展要求。为了克服现有无信标激光通信系统扫描时间长、捕获难度大的问题,综合考虑星上姿态变化、测量精度和终端安装定位误差等因素,对扫描不确定域进行了数值计算,设计了无信标扫描捕获流程,定量分析了粗精扫描机构控制带宽、扫描步长、规划路径与光束覆盖面积的耦合关系,提出了一种简单可靠的无信标粗精复合螺旋扫描方法。典型环境仿真结果表明,采用所提方法平均扫描捕获时长小于20 s,捕获概率大于95%,有效提升了无信标系统的扫描效率,可满足未来低轨卫星空间激光网络的快速建链要求。
Research of adaptive modulation STBC-OCT precoding in MIMO-OFDM VLC system
Zhang Na, Ke Xizheng, Yuan Xunfeng, Li Lijun
2022, 51(6): 20210652. doi: 10.3788/IRLA20210652
[摘要](211) [HTML全文] (57) [PDF 1239KB](27)
An efficient precoding scheme combing adaptive modulation, space-time block code (STBC) and orthogonal circulant matrix transform (OCT) is proposed to improve the performance of multiple input-multiple output-orthogonal frequency division multiplexing (MIMO-OFDM) based visible light communication (VLC) systems in this work. A 2×2 MIMO-OFDM VLC system is designed and established to evaluate the performance of the proposed adaptive modulation STBC-OCT precoding scheme. The performances of bit error rate (BER), peak-to-average power ratio (PAPR) are investigated experimentally for different modulation and coding schemes. The performances of BER are studied in different direct current bias (DC) and driving peak-to-peak voltages (VPP) offsets. The experimental results show that the system using proposed adaptive modulated STBC-OCT precoding obtains a relatively flat and higher signal-to-noise ratio (SNR) values, lower PAPR compared with other precoding methods. The proposed scheme can obtain the best BER performance, and it is always lower than the 7% pre-forward error correction (pre-FEC) threshold of 3.8×10−3with the transmission distance is 0.5 m, DC is set to 2.7 V and VPP is 2.7-2.8 V, it can effectively overcome the bandwidth limitation of MIMO-OFDM VLC system and provide the best reliability.
光学成像技术
大视场微球透镜超分辨显微成像技术的研究进展
胡春光, 李恩赐, 翟聪, 高晓晴, 陈雨露, 郭梦迪
2022, 51(6): 20210438. doi: 10.3788/IRLA20210438
[摘要](467) [HTML全文] (126) [PDF 3094KB](94)
光学显微镜是人类探索微观世界的重要工具,在生物学、医学、材料学、精密测量学等领域发挥重要作用。由于衍射极限的存在,发展更高质量、更高空间分辨率的超分辨光学显微成像技术成为当下研究的前沿热点。基于微球透镜的超分辨显微成像技术有着易于实现、简单直接和免标记的显著优点,发展潜力巨大。但是单个微球的视野有限,且难以进行精确定位。提高微球的可操控性,拓展超分辨显微成像视场的范围,已成为该技术突破发展的核心关键。文中在介绍微球超分辨的成像原理,分析影响成像质量主要因素的基础上,重点总结了国内外团队在拓展微球透镜超分辨显微成像视场方面的最新研究进展。根据微球的操控方式,将研究工作总结为机械接触控制、微球辅助增强层、非接触控制和微球物镜一体化四类进行介绍,探讨其技术特点,并对大视场成像、图像拼接等面向视场拓展的图像处理技术进行论述。最后,提出微球透镜超分辨显微成像技术亟待解决的关键问题、存在的难点与挑战,以及未来开展研究工作的突破点,展望了该技术的发展与应用拓展方向。
图像处理
多尺度循环注意力网络运动模糊图像复原方法
王向军, 欧阳文森
2022, 51(6): 20210605. doi: 10.3788/IRLA20210605
[摘要](114) [HTML全文] (34) [PDF 1366KB](36)
在图像采集过程中,由于拍摄对象运动或相机自身运动造成的图像模糊对于后续的高级视觉任务会产生很不利的影响。针对当前深度学习图像去模糊方法不能兼顾去模糊效果和效率的问题,提出了一种多尺度循环注意力网络,使用深度可分离卷积降低参数量,改进注意力模块合理分配计算资源,对卷积层进行密集型连接提高参数利用效率,引入边缘损失提升生成图像边缘细节信息。经过实验验证,所提方法具有良好的泛化性能和鲁棒性,在Lai数据集和Köhler数据集上的SSIM和PSNR较近年典型方法的最佳效果分别提升了约1.15%、0.86%和0.91%、1.04%,在GoPro数据集上的平均单帧运行速度较同类方法提升约2.5倍。
基于IVCCS的三维点云配准算法
王春阳, 李国瑞, 刘雪莲, 施春皓, 丘文乾
2022, 51(6): 20210491. doi: 10.3788/IRLA20210491
[摘要](402) [HTML全文] (97) [PDF 3508KB](38)
针对传统迭代最近点(ICP)算法在数据丢失以及存在噪声点的情况下配准时间过长、精度较低等问题,提出了一种基于改进的体素云连通性分割(IVCCS)与加权最近邻距离比相结合的配准算法。利用双阈值体素去噪剔除初始种子体素中的噪声体素,解决原本体素云连通性分割算法(VCCS)中因单一约束条件导致种子体素错误剔除的问题,同时将体素云分层去噪来加快配准的运算速度;利用流约束聚类提取点云中的特征点,并依据最近邻距离比验证特征点是否为重合点,赋予不同的权重优化ICP最小目标函数,从而加快配准速度。实验结果表明,该算法相对于传统ICP算法迭代次数减少,在精度与速度方面均有显著提升,相比于基于快速点特征直方图(FPFH)的ICP算法配准精度提高了8.5%~24.7%,速度上提高了65.6%~92.3%,迭代次数减少了16.6%~38%。
基于方向选择性机制的图像背景杂波建模方法
苗锡奎, 张岩岫, 张恒伟, 刘小虎, 邹前进
2022, 51(6): 20210532. doi: 10.3788/IRLA20210532
[摘要](292) [HTML全文] (72) [PDF 3683KB](28)
受视觉系统方向选择性机制启发,提出了种新的图像杂波建模方法,并将其应用于成像系统目标获取性能评估中。首先,利用像素的梯度方向模拟视觉系统局部感受野中神经元的响应方向,通过比较中心像素与邻域像素之间的梯度方向相似性模拟神经元“兴奋”与“抑制”响应之间的关系,设计了一种方向选择性视觉模式。其次,考虑到人眼视觉系统对亮度对比度敏感,将亮度对比度作为权重因子对视觉模式直方图加权,在加权直方图空间中对背景杂波建模。最后,推导了背景杂波与目标获取性能之间的关系,建立了光电成像系统目标获取性能评估模型。利用公开数据集对模型进行了验证,实验结果表明,提出的方法所评估的目标获取性能与外场实际目标获取性能具有较高的一致性,而且在均方根误差、相关性方面优于现有的性能评估方法。
采用SURF特征和局部互相关信息的图像配准算法
王中军, 晁艳锋
2022, 51(6): 20210950. doi: 10.3788/IRLA20210950
[摘要](320) [HTML全文] (126) [PDF 1293KB](34)
针对现有图像配准方法中存在的鲁棒性与配准精度难以兼容的问题,提出了一种采用SURF特征和局部互相关信息的图像配准算法。首先通过SURF特征提取方法进行初步粗配准以提升配准鲁棒性,然后利用图像中局部关键区域的互相关系数计算出单应矩阵,最后将单应矩阵应用于粗配准结果,对粗配准后的图像进行旋转变换,从而实现高精度和高鲁棒性的图像配准。实验结果表明:提出的配准方法与基于SIFT、ORB、SURF、互相关信息的图像配准方法在多组数据上进行了对比,不仅表现出了较高的配准精度和配准效率,也表现出了更优的鲁棒性。
多传感器信息融合的前方车辆检测
贾鹏飞, 刘全周, 彭凯, 李占旗, 王启配, 华一丁
2022, 51(6): 20210446. doi: 10.3788/IRLA20210446
[摘要](285) [HTML全文] (107) [PDF 1371KB](36)
为提升辅助驾驶系统对于道路环境中车辆的感知能力,通过机器视觉与毫米波雷达信息融合技术对前方车辆进行了检测。融合系统中对摄像头和毫米波雷达进行了联合标定,借助三坐标测量仪确定两者的数据转换的关系,优化了深度学习算法SSD的候选框,提高了车辆的检测速度,选用长焦和短焦两种摄像头进行前方图像采集,并将两者重合图像进行融合,提升了前方小目标图像的清晰度,同时对毫米波雷达数据进行了处理,借助雷达模拟器确定合适阈值参数实现对车辆目标的有效提取,根据雷达有效目标数据对摄像头采集的图像进行选择与建立感兴趣区域,通过改进的SSD车辆识别算法对区域中的车辆进行检测,经过测试,车辆的检测准确率最高达到95.3%,单帧图像平均处理总时间为32 ms,该算法提升系统前方车辆检测的实时性和环境适应性。
结合多特征融合和极限学习机的红外图像目标分类方法
王鹏翔, 张兆基, 杨怀
2022, 51(6): 20210597. doi: 10.3788/IRLA20210597
[摘要](326) [HTML全文] (99) [PDF 1087KB](51)
针对红外图像目标分类问题,提出了结合多特征融合和极限学习机(extreme learning machine,ELM)的方法。采用主成分分析(principal component analysis,PCA)、局部二值模式(local binary pattern,LBP)以及尺度不变特征变换(scale-invariant feature transform,SIFT)三类特征分别描述红外图像中目标的像素分布、局部纹理以及特征点信息。三类特征从不同侧面反映红外图像目标特性,因此具有互为补充的优势。在此基础上,基于多重集典型相关分析(multiset canonical correlations analysis,MCCA)对三类特征进行融合处理,获得统一的特征矢量。融合后的特征不仅继承了原始三类特征的鉴别特性,还有效去除了冗余信息。分类过程中,采用极限学习机作为基础分类器对融合特征矢量进行分类。极限学习机具有参数少、效率高、精度高和稳健性强等显著特点,有利于提高红外目标分类的整体性能。因此,所提出的方法通过结合多特征和极限学习机的优势综合提升了目标识别性能。在实验过程中,采用四类飞机目标的红外图像对所提出方法进行了性能测试。根据与现有几类方法的对比,实验结果证明了提出方法的性能优势。
简讯
近衍射极限4 kW级线偏振窄线宽光纤放大器
任帅, 马鹏飞, 李魏, 王广建, 陈益沙, 宋家鑫, 刘伟, 周朴
2022, 51(6): 20220032. doi: 10.3788/IRLA20220032
[摘要](201) [HTML全文] (47) [PDF 742KB](58)
LD泵浦拉曼光纤放大器首次实现高亮度激光输出
姚天甫, 范晨晨, 肖虎, 黄良金, 冷进勇, 周朴
2022, 51(6): 20220293. doi: 10.3788/IRLA20220293
[摘要](214) [HTML全文] (37) [PDF 3367KB](49)