2021年 第50卷 第10期
2021, 50(10): 20210311.
doi: 10.3788/IRLA20210311
研究了一种可用于植被日光诱导叶绿素荧光遥感的高光谱成像仪样机，用以满足对植被微弱荧光辐射探测的高信噪比、高光谱分辨率的科学探测需求。根据荧光与太阳夫琅禾费线的作用探测机理，结合探测科学需求分析完成了具备高性能的光学系统设计。系统工作波段为670~780 nm的可见-近红外谱段，可覆盖植物受太阳光照射而产生的荧光辐射特征波长；系统数值孔径为0.25，这种大通光能力可确保系统具备足够的信噪比；系统光谱分辨率优于0.3 nm，并同时具备良好的成像质量。样机的初步结果完全满足设计要求，该研究将为我国未来日光诱导叶绿素荧光高光谱成像探测提供一种有力的手段。
2021, 50(10): 20210520.
doi: 10.3788/IRLA20210520
为了解决大口径平面反射镜高精度检测问题，建立了一种基于全局优化的子孔径拼接检测数学模型，同时提出了一种拼接因子用于重叠区域取值。基于上述方法，结合工程实例，对一口径为120 mm的平面反射镜完成拼接检测，检测中共规划了四个待测子孔径，为了对比文中所述算法与传统最小二乘拟合拼接算法的拼接性能，分别利用两种算法完成了待测平面镜的面形重构。实验结果表明，两种算法所得拼接结果光滑、连续、无“拼痕”，同时分别将两种算法所得拼接结果与全口径检测结果进行了对比分析，从传统拼接算法残差图中可以看到明显的“拼痕”，而加权拼接方法得到的拼接结果光滑、连续，同时其残差图的PV与RMS值分别为0.012λ与0.002λ，小于传统算法残差图的PV与RMS值，验证了算法的可靠性与精度。
2021, 50(10): 20210224.
doi: 10.3788/IRLA20210224
为了保证外界环境剧烈变化下大口径巡天望远镜的成像质量以及实现系统的快速对准，其波前传感系统在保持像差检测精度的同时也需要具备较大动态范围。首先基于同侧离焦星点像光强分布与曲率传感技术建立了一套大动态范围的对准检测技术，分别使用解析式表达和机器学习方法实现离焦量以及系统其余低阶像差的解算。然后对不同类型像差的解算精度进行了理论分析，最后针对所提出方法进行实验验证，结果表明离焦检测误差(以波前RMS变化为准)分别小于5%，而失调检测误差小于15%，满足对准装调要求。
2021, 50(10): 20210476.
doi: 10.3788/IRLA20210476
由于空间环境变化，高分辨率空间光学载荷在轨会产生不同程度的离焦从而影响成像质量，因此需要进行在轨调焦。为了适应高分辨率、轻小型空间光学载荷发展需求，设计了一种集支撑功能、调焦功能为一体的结构，通过热控系统对支撑结构温度的精准控制来调整次镜组件在光轴方向的位置，从而使载荷具备调焦功能。首先，根据光学系统参数进行调焦精度分析，确定支撑结构的设计要求；然后，基于连续拓扑优化中的变密度法(SIMP)进行支撑结构的全局优化；最后，开展了热光学试验，验证支撑结构的热控调焦功能并测量热控调焦系数。试验结果表明：该光学载荷支撑结构热控调焦系数为0.071 mm/℃，可实现0.014 mm调焦精度和±0.385 mm调焦范围。基于该调焦方法设计的“吉林一号”高分03星已经完成在轨测试，调焦精度和调焦范围满足设计预期。
2021, 50(10): 20210213.
doi: 10.3788/IRLA20210213
可变智能桁架在光学设备装调与在轨组装与维护等方面均有着巨大的优势，针对可变智能桁架在大口径光学设备上的相关技术及应用进行了归纳总结，并对其未来发展趋势进行了展望。首先，针对少自由度串联构型的桁架论述了关于望远镜嵌合式可变智能桁架设计及其应用；之后，着重介绍了可变智能桁架在望远镜在轨组装、调节以及在轨服务中的应用。针对其自由度与定位精度高的特点，总结了智能桁架调节时可使用的反馈方法并对可变智能桁架的结构与控制算法进行了论述；最后，对目前应用于智能桁架的技术进行了总结，并对未来的发展趋势进行了展望。
2021, 50(10): 20210265.
doi: 10.3788/IRLA20210265
激光制导是当今最常用的制导方式之一，激光半主动光学系统性能的优劣直接影响其制导精度。提出了一种激光半主动光学系统像差优化设计方法，通过赋予不同的球差与离焦量实现激光半主动光学系统初始结构设计，通过对非对称像差优化实现光斑均匀化设计，设计并研制了折射式激光半主动光学镜头，光学系统工作波段1064 nm，视场为±9.2°，光斑大小5 mm，能量分布均匀；为解决激光半主动镜头不能单独检测的问题，提出了利用色差特性实现镜头低成本可视化检测的原理，并搭建了激光半主动光学镜头的可视化检测系统。镜头的测试结果表明，光斑大小满足设计要求，低成本可视化检测系统大幅提高了镜头检测效率，并易于工程化，批量化生产。
2021, 50(10): 20210477.
doi: 10.3788/IRLA20210477
针对20 kg级微纳光学遥感卫星微型化视频相机要求，详述了其光机系统的设计、装调和试验，以及所使用的集成优化设计技术。该相机采用卡塞格林结合校正镜的光学系统，包括两个反射镜和一个校正镜组，为了获得最优的力热稳定性，反射镜采用了碳化硅材料。首先，基于20 kg级微纳视频卫星的任务及总体设计，提出了其所搭载的视频相机的指标要求；然后，分别介绍了该视频相机光学和光机结构系统；为了进一步提高轻量化率，在满足光学性能要求的同时，利用光机集成优化方法进行了轻量化设计，优化后光机系统质量仅3.03 kg，整机质量仅4.76 kg，一阶基频120 Hz以上；最后，开展了系统装调和地面力学摸底试验，试验结果表明其动力学性能和稳定性良好。
2021, 50(10): 20210527.
doi: 10.3788/IRLA20210527
随着先进光学系统设计与制造的发展，大口径光学系统得到了广泛的应用。然而，大口径平面镜高精度面形的检测手段不足，限制了大口径平面镜的制造与应用。为实现大口径平面反射镜的高精度面形检测，提出一种夏克哈特曼扫描拼接检测平面镜面形的方法。对扫描拼接原理、波前重构算法进行了研究，建立了微透镜阵列成像的数学模型，验证了夏克哈特曼扫描拼接检测原理的可行性。针对一口径为150 mm的平面镜进行了扫描拼接检测实验，拼接得到的全口径面形为0.019λ RMS(λ=635 nm)；与干涉检测结果对比，检测精度为0.008λ RMS，结果表明该方法能够实现大口径平面反射镜的高精度检测。
2021, 50(10): 20210294.
doi: 10.3788/IRLA20210294
针对事件相机输出的事件流中存在大量噪声的问题，介绍了一种基于概率无向图模型的事件流去噪算法。算法基于目标变化在时间和空间上具有一定的规律性和相关性这一先验信息，通过将事件映射到极坐标时空邻域，建立事件的局部相关性，以此构建完整的概率图模型。同时，设计相应的能量函数将去噪问题转化为能量最小问题。此外，改进的条件迭代模式被用于优化模型的迭代求解。事件相机模拟器产生的仿真数据和DAVIS346录制的真实数据进行的去噪实验表明，该算法可有效地实现事件相机成像去噪。最后，通过和滤波算法进行对比，证明了该算法优于滤波算法。
2021, 50(10): 20210091.
doi: 10.3788/IRLA20210091
红外光谱成像系统、光场成像系统、光学显微系统、偏振干涉成像系统、复眼成像系统、环带式全景光学系统、多尺度成像系统及头戴式增强显示系统等光学系统中，通常需要中继光学系统来实现光路衔接、配曈、偏转等。研究了现有中继光学系统结构，介绍了光阑前置即具有实入曈的像方远心离轴三反光学系统的设计方法及自由曲面的描述方法，完成了满足设计参数的具有实入瞳的远心中继光学系统仿真设计，系统各镜采用XY多项式描述的自由曲面离轴三反光学系统结构。CODEV仿真设计结果表明，在工作谱段0.4~5.0 μm、焦距400 mm、F数3、视场角2ω=8°下，系统MTF(Modulation Transfer Function)接近于衍射极限，畸变小于1%，成像质量良好。
2021, 50(10): 20210118.
doi: 10.3788/IRLA20210118
针对提高激光武器系统光束指向控制稳定精度的战术需求，设计了一款适用于光束指向快速反射镜的单轴半蝶形柔性铰链。首先，根据快速反射镜系统运动形式及功能需求，推演单轴半蝶形柔性铰链的物理模型；然后，采用基于卡氏第二定理的卡氏法简化并求解数学模型，并优化模型参数；最后进行有限元仿真与实验测试，并对单轴半蝶形柔性铰链机械谐振频率的理论计算、仿真分析以及实验测试结果进行分析比较。实验结果表明：单轴半蝶形柔性铰链工作方向机械谐振频率为165.29 Hz，满足设计指标要求。理论计算与实验测试结果相差1.3%，有限元仿真与实验测试结果相差3.2%。从而证明了单轴半蝶形柔性铰链结构形式合理，数学建模准确，为提高激光武器系统光束指向控制稳定精度提供了有力的支撑。
2021, 50(10): 20200489.
doi: 10.3788/IRLA20200489
高功率GaN基激光二极管外延结构理论仿真对提高GaN基激光二极管的光电性能具有重要的指导意义。设计了一种n侧双波导结构的绿光激光二极管外延结构，讨论了激光器外延结构中n-InxGa1−xN波导层中铟组分对其光电性能的影响，揭示了n-InxGa1−xN波导层对激光二极管光电性能的影响机制。通过调控n-InxGa1−xN波导层中铟组分，调控外延层中的光场分布，使光场发生了偏移。结果表明，当n侧InxGa1−xN波导层中铟组分最佳值为0.07时，将光子损耗降低了0.2 cm−1，阈值电流由193.49 mA降低到115.98 mA，此外，器件的光子损耗最少，阈值电流最小，工作电压最低，从而提高了激光二极管的输出功率和电光转换效率。因此，当绿光激光二极管的注入电流密度为6 kA/cm2时，功率输出达234.95 mW。n侧双波导结构设计为制备高功率绿光激光二极管提供了理论指导和数据支撑。
2021, 50(10): 20200461.
doi: 10.3788/IRLA20200461
介绍了用于惯性约束聚变研究高功率激光驱动装置400 mm口径片状放大器系统的JG2钕玻璃片激光增益与激光输出性能等实验研究结果。利用一组三片长的400 mm口径4×2组合式片状放大器系统开展的增益性能实验结果表明，系统工作电压31 kV时小信号净增益系数达到5.37%/cm，小信号增益倍数为1.284倍/片/程，发次运行完成后利用0.3 m/s的洁净干燥气体进行冷却，热恢复时间约为2 h；利用大口径高通量验证实验平台开展的实验结果表明，基于JG2与N41钕玻璃片的优化组合使用最高输出能量达到21.3 kJ/1053 nm，目前已稳定运行500余发，未出现包边胶层异常与材料体损伤等故障。
2021, 50(10): 20210023.
doi: 10.3788/IRLA20210023
为研究多脉冲激光的热累积效应对硼掺杂纳米硅薄膜熔覆过程的影响，采用单温模型，利用三维有限元方法对激光与硅薄膜的相互作用过程中温度场的分布进行了数值模拟，得到了多脉冲激光耦合情况下的温度场变化规律。仿真结果表明：与单脉冲相比，在多脉冲激光作用下，峰值温度增加了3.2%，熔池尺寸扩大了18.75%，同时热影响区范围也明显增加；激光辐照后，熔覆层表面温度下降，但基体温度仍会继续上升，多脉冲热累积效应为纳米硅薄膜中硼元素扩散提供了有利条件。最后，通过单脉冲及多脉冲激光熔覆实验，分析了熔覆硅薄膜后的熔覆层表面状况的差异，并获得了激光熔覆辅助硼元素扩散的一般规律，为硼掺杂纳米硅薄膜的激光辅助扩散技术在半导体器件中的应用提供了条件。
2021, 50(10): 20200451.
doi: 10.3788/IRLA20200451
为了实现枝切法在激光散斑干涉相位图解包裹中工程化的应用，解决由于外来光线干扰、激光器性能下降、相机拍照局部点欠采样等原因出现的枝切线密集、计算速度慢等问题，在Goldstein枝切法的基础上提出了优化改进方案。将残差点当作带着正负单位电量的“电子”，利用电磁力导引通过相位平滑或增加相位跳变处理消除残差点，减少枝切线数量，同时采用GPU并行计算技术提高图像处理速度。仿真实验和实际测量数据表明优化后 的枝切法解包裹图像质量更好，对于500万像素散斑相位图，通过电磁力引导可消除98%以上的残差点，减少90%以上的枝切线，处理时间可由以往15 s压缩至1.5 s，满足了枝切法高质量快速解包裹的工程化应用要求。
2021, 50(10): 20200473.
doi: 10.3788/IRLA20200473
我国空间站即将首次开展高重复率（~kHz）星地激光时间比对，搭载的星载探测器拟采用固定门控开启模式，对地面激光发射时序的控制提出了高实时、高重复率和高精度等要求。基于卫星激光测距（SLR）的距离门控原理，提出高重复率激光时间比对地面激光点火信号精确产生方法，以使上行激光脉冲能在门控信号之后短时间内到达星载探测器，极大减少噪声干扰。该方法可在单片可编程门阵列FPGA中实现，具有重复率大于10 kHz、控制精度5 ns以及软件交互简单等优势，结合方法计算精度和半导体泵浦激光器的纳秒级触发抖动，预计地面激光发射时刻精度最终控制在10 ns以内，满足空间站激光时间比对激光发射时序的控制需求，并可为其他激光时间比对工程的实施提供技术支持。
2021, 50(10): 20200446.
doi: 10.3788/IRLA20200446
利用飞秒激光微纳加工系统开展环切加工喷油器微孔的理论和实验研究。以06Cr19Ni10不锈钢为靶材，选取影响飞秒激光环切制孔过程的主要参数，基于L25(55)的正交表设计了5因素5水平的正交实验，分析激光功率、重复频率、离焦量、扫描速度和扫描次数对微孔加工影响的显著性水平，探究微孔的成形演化规律以及各参数对微孔几何精度和形貌的影响，最终得到相对最优的参数水平组合为：激光功率 1.0 W，重复频率 9.0 kHz，离焦量200 μm，扫描速度1.0 mm/s，扫描次数40次；基于BP神经网络建立关于上述5个参数为输入，微孔出入口孔径为输出的映射模型，通过对正交实验数据的迭代训练以及验证，最终建立出相对误差保持在7.6%以内的神经网络预测模型。
2021, 50(10): 20200518.
doi: 10.3788/IRLA20200518
Safety is essential to deep mining operations. To monitor and detect the safety condition of surrounding rock of roadway and deep coal mining site, many methods obtain competitive results by monitoring targets situation based on laser scanning spacial information. The Hyperspectral LiDAR (HSL) technology can acquire spacial and spectral data for deep mine safety detection and further fine structure analysis. The exact coal/rock classification is the basis of detection and analysis. While, in on-site operation, HSL signals are susceptible to instrument attributes and environmental factors, and need calibration for further classification application. However, due to serious dust pollution in deep coal mines, conventional calibrations are hard to achieve the desired results. To address this issue, a new method was proposed to classify coal/rock without calibration. First, the new feature values, waveform entropy (WE) and joint skewness-kurtosis figure (JSKF), were extracted from coal/rock samples based on HSL measurements. Then, the coal/rock classification tests were conducted with random forest (RF) and support vector machine (SVM) classifiers. Additionally, the spectral properties of different wavebands were evaluated by spectral segmentation test and the classification performances were optimized further by selecting specific channels. The results show that the proposed method can achieve excellent classification accuracy for coal/rock without calibration.
2021, 50(10): 20200481.
doi: 10.3788/IRLA20200481
激光发射二轴转台是以转台为主体，承载激光传输及发射功能的设备。转台要求在温度指标范围−40~55 ℃内具有良好的使用性能，为更好地了解环境温度对转台性能的影响，引出了激光发射二轴转台结构，并采用有限单元法对不同环境温度下转台静动态特性进行分析研究，由静力学分析后的转台变形量结果得到环境温度对轴系精度的影响。分析得到，以22 ℃转台性能参数为基准，在温度指标范围内，室温22 ℃时，转台静态特性与轴系精度最优，环境温度偏离22 ℃越远，静态特性与轴系精度越差。当温度每变化10 ℃，转台最大变形量变化约0.529 mm，最大应力值变化约18.418 MPa；方位轴系与俯仰轴系垂直度误差变化约4.715″，方位轴系与底座支撑面垂直度误差变化约4.649″；方位轴系晃动误差变化约0.22″，俯仰轴系晃动误差：(1)温度低于22 ℃，变化约0.33″；(2)温度高于22 ℃，变化约0.569″。转台前6阶模态频率随温度变化具有不同的规律，但频率变化率最大不超过2%。分析结果表明，环境温度对此类转台静态特性与轴系精度影响较大，但对动态特性影响较小，结论与工程经验基本吻合。
2021, 50(10): 20210516.
doi: 10.3788/IRLA20210516
为满足红外遥感器高精度等效噪声光谱辐亮度的定标要求，在原有的设计基础上改进了红外积分球辐射源研制制造工艺，满足真空低温使用要求。该积分球辐射源采用8组碳纤维石英电热管作为红外辐射介质，实现工作波段覆盖3~15 μm，可调辐射动态范围提升1倍。设计了辐射定标与测量光路，通过比对测量标准腔式黑体辐射源，实现红外积分球辐射源真空低温条件下的辐射定标。定标结果表明：红外积分球辐射源出光口法线Ф200 mm范围内的面均匀性为99.75%，±10°范围内的角度均匀性为99.81%，非稳定性为0.05%。实现了红外积分球辐射源光谱辐亮度输出等色温近线性可调功能，5 μm和10 μm辐亮度可调范围分别达到12.8 μW/(cm2·sr·nm)和1.6 μW/(cm2·sr·nm)。
2021, 50(10): 20210004.
doi: 10.3788/IRLA20210004
红外热像仪可在全天候条件下实现目标识别，在安防、夜视辅助及红外测温系统等领域应用广泛，但红外热像仪成像质量和效果受制于ZnS红外光学镜头的品质和性能。文中采用自主研制的三温区梯度化学气相沉积（TTG-CVD）及退火热处理制备ZnS块体。采用X射线衍射表征出ZnS块体是立方闪锌矿结构，具有光学各向同性，可以满足后续在红外光学镜头中的设计需求。结合红外透过光谱获得ZnS块体在8~12 μm 长波红外波段的平均透过率达71.6%。ZnS块体在1.06 μm处的折射率均匀性为1.94×10−5。进一步采用光学冷加工和单点金刚石车削等工艺，制作出ZnS红外光学透镜和红外镜头。红外光学镜头在空间频率为20 lp/mm时，在半视场（0.5视场）和0.707视场的调制传递函数（MTF）接近衍射极限。红外成像系统在中心视场、0.707视场由像差引起的弥散斑均方根值（RMS）均小于像元尺寸20 μm，系统畸变小于1%，各项指标均达到实际使用要求。
2021, 50(10): 20210050.
doi: 10.3788/IRLA20210050
CFRP/Al蜂窝板构件长期服役于恶劣环境，易引发脱粘和积水等涉及运行安全的缺陷。以同时含有脱粘和积水缺陷的CFRP/Al蜂窝复合板材为检测试件，运用巴克编码调制脉冲压缩信号驱动卤素灯作为外部激励源，用红外热像仪采集试件表面的红外热图序列。设计并运用三维匹配滤波器对所采集的图像序列进行处理，在4种不同量化方式的条件下，获得有关脱粘和积水缺陷的8个热波响应结果，并对这些结果进行多角度对比分析及信噪比评估。结果表明：巴克编码激励具有调制简单、易实现等优势，结合三维匹配滤波器可有效抑制红外热图背景噪声和提高信噪比，能实现在低功率热激励条件下对复合材料内部脱粘和积水缺陷的有效检测。
2021, 50(10): 20200458.
doi: 10.3788/IRLA20200458
The method of active image quality reconstruction adaptive camouflage based on flexible display technology is to use flexible display devices to combine spectrum transfer technology and active image quality reconstruction technology to achieve the change, transfer and selective distribution of the target surface spectral radiation characteristics. In this design, the optical characteristics of the target could be changed by modulating the optical characteristic parameters of the target surface, and the background image could be captured in real time during the activity of the target and displayed on the flexible display. The use of active image quality reconstruction, flexible display and emissivity control layer achieves the purpose of modulating the infrared radiation intensity of the target and effectively segmenting the target heat map, so as to achieve a high degree of integration with the surrounding natural environment throughout the weather and the whole process, and the spectrum of the target surface. The distribution characteristics do not change with the change of the detection direction, achieve the effect of target camouflage. Compared with the method of changing the physical structure characteristics of the target surface, this technique makes the target environment more adaptable and more survivability, and easy to implement.
2021, 50(10): 20210043.
doi: 10.3788/IRLA20210043
红外热像仪能够监测目标温度从而起到事故预警与位置确认、大规模人体表面温度筛查等作用。由于环境温度变化与红外辐射吸收产生的温度漂移现象，目前大部分测温红外热像仪需要采用黑体进行实时校正，但是基于黑体的红外热像仪架设场景固定，便携性差。针对以上问题提出了一种无黑体式红外热像仪测温标定和温度补偿技术，通过对红外测温原理进行推导，采用多黑体标定获得目标温度与辐射量的先验关系，针对探测器内部结构引起温度漂移，由牛顿冷却定律进行非线性建模实现实时温度补偿。通过实验验证，所提出的测温标定技术可将测温平均相对误差长时稳定保持在0.9%以内，相比于标定前平均相对误差有效降低64%，从而实现小型化红外热像仪便携、实时、稳定高精度测温。
2021, 50(10): 20210011.
doi: 10.3788/IRLA20210011
针对利用可见光图像检测AFP铺层表面缺陷受光源条件差、预浸纱纹理对比度低等因素影响，检测结果不理想，提出一种基于改进CenterNet的AFP铺层表面红外图像缺陷检测方法，提高AFP铺层表面缺陷检测性能。首先，针对CenterNet模型参数数量过多而工控机硬件配置有限的问题，提出利用基于ASFF的轻量级MobileNetV3作为骨干网络，构建轻量级anchor-free检测模型AFP-CenterNet，减少网络参数数量的同时降低计算机存储资源占用率。然后，针对高斯核函数带宽参数的求解，提出一种根据ground-truth bounding box长宽比自适应调整带宽参数的方法，减小负样本数量，降低网络模型的损失误差。实验结果表明，改进后的AFP-CenterNet在AFP红外数据集上的AP为90.2%，模型内存容量为12.9 MB，使用GPU加速时单张检测时间为52 ms。和原有的CenterNet骨干网络相比，AFP-CenterNet检测精度略差于DLA-34，和ResNet-101相当，比ResNet-18高7.7%，内存占用率和DLA-34、ResNet-101、ResNet-18相比分别降低83.2%、93.6%和78.6%。和SSD、YOLOv3相比，AFP-CenterNet模型的AP分别提升9.6%和8.3%，内存占用量降低85.1%和94.5%。在不使用GPU加速的条件下，改进后的AFP-CenterNet的检测速度和CenterNet、SSD、YOLOv3相比提高近一倍，具有明显的检测优势。
2021, 50(10): 20200454.
doi: 10.3788/IRLA20200454
为了减小探测器离焦问题对激光测距系统的影响，设计了一种基于裂像镜的主动型测距机探测器装调系统。首先，分析了裂像镜的成像原理，并对其检测精度进行了理论分析，构建了裂像离焦数学模型；其次，针对影响检测的误差因素，给出了不同取值下的误差曲线，得到了检测精度影响的变化趋势；最后，设计完成理论样机并进行实验验证。实验结果表明：理论样机在离焦量为0~6 mm时，检测精度可以达到0.07 mm, 较为接近理想值，且离焦量越小离焦检测精度越高，符合装调测量习惯。该离焦检测系统为非成像型光电探测器装调提供了一种新方法，能够进一步提高激光测距系统的测量精度。
2021, 50(10): 20200480.
doi: 10.3788/IRLA20200480
罐道在煤矿生产中发挥着重要作用，因此，必须对煤矿罐道进行安全检测，保证其形变范围在正常范围内，避免影响煤矿的安全生产。为了解决目前我国煤矿罐道检测方法中存在的精度不高，操作繁琐的问题, 研究了一种基于二维激光扫描技术的罐道检测算法，可以通过该算法计算出两根罐道之间的缝隙、错位，以及单根罐道的磨损，并将此算法写入进上位机软件中。在实验室的环境下，该算法的可重复性较好，同时在实际煤矿的实验中，该算法的识别准确率达到了62.5%，对算法进行改进后，识别率提高到了87.5%，验证了该算法具有较好的实用性与可靠性。相比于传统方法，该方法操作简单，同时具有较高的测量精度，将该方法应用于煤矿罐道检测中，将有效提高煤矿的生产安全性，具有较大的推广应用价值。
2021, 50(10): 20210063.
doi: 10.3788/IRLA20210063
超燃冲压发动机激光吸收光谱测量系统目前主要采用分立式光学探头形式与发动机机体固定，但是受到探头尺寸的限制，无法获得高分辨率的流场信息。文中设计了一种基于自由曲面透镜和透镜阵列相结合的燃烧场高密度光学测量环。该测量环采用两层结构，发射端分别位于每条边最边缘位置，激光准直透镜和自由曲面透镜形成扇形光束，扇形光束穿过被测流场后，经过楔形镜偏转和聚焦透镜聚焦，进入接收光纤后传送至探测器。测量环接收单元最小间隔为5 mm，实现了在5 cm×7 cm空间内88条光线的密集排列。重点讨论光学系统光线分布设计方案，并给出收发端结构设计方案，实验结果表明，光线利用效率大于50%，光线总传输效率大于55%。设计的高密度光学测量环可以直接与发动机机体相衔接，避免环境因素干扰，可以实现对超燃冲压发动机隔离段、燃烧室出口等处温度、组分浓度的二维分布测量。
2021, 50(10): 20210068.
doi: 10.3788/IRLA20210068
针对当前光电稳定平台伺服系统中扰动抑制能力不足的问题，提出一种扰动分离自抗扰控制（DSADRC）算法。扰动分离自抗扰控制充分利用工程实际中可获取到的部分已知的光电稳定平台模型信息及经典控制中的控制器信息，并将其加入到自抗扰控制的设计中。该算法通过减少光电稳定平台系统中的总扰动量，增加系统的扰动观测精度及扰动抑制能力。同时，通过算法设计实现了经典控制器的复用，减少了设计工作量。仿真实验结果表明：在控制器相同、扰动条件相同的情况下，扰动分离自抗扰控制阶跃响应调节时间减少58.8%，上升时间减少26.5%，且无超调量；在1V2Hz等效扰动下，系统稳态精度提高51.5%，系统性能提升效果明显。在实物验证实验中，对于不同频率的等效扰动，相比PID控制，扰动分离自抗扰控制稳态精度提升50%以上，有效地提高了光电稳定平台的稳态精度。
2021, 50(10): 2021G004.
doi: 10.3788/IRLA2021G004
With the development of metal powder 3D printing technology, how to accurately extract the particle size and spheroidization rate information of powder particles from microscopic images has gained much more importance. In this paper, a particle auto-statistics and measurement system on microscopic imaging of the spherical powder was presented, based on one deep learning framework—Mask R-CNN. The proposed model can efficiently detect more than 1 000 particles in a microscopy image, even under the existence of many occlusion particles, and provide statistical results of particle size distribution, degree of sphericity and spheroidization ratio, simultaneously. Compared with traditional image segmentation method, the particle recognition accuracy was improved by 23.6%. Moreover, smaller particles that stuck on big particles can be recognized, according to the comparison in particle size distribution between proposed method and the laser diffraction technique.
2021, 50(10): 20200482.
doi: 10.3788/IRLA20200482
随着激光雷达等三维点云获取工具的快速发展，点云的语义信息在计算机视觉、智能驾驶、遥感测绘、智慧城市等领域更具重要意义。针对基于分割块特征匹配的点云语义分割方法无法处理过分割和欠分割点云块、行道树和杆状物的语义分割精度低等问题，提出了一种基于分割块合并策略的行道树和杆状物点云语义分割方法，该方法可对聚类分割后感兴趣的分割块进行合并，通过计算其多维几何特征实现对合并后的物体分类，并使用插值优化算法对分割结果进行优化，最终实现城市道路环境下行道树和杆状物的语义分割。实验结果表明，所提方法可将城市道路环境下的行道树、杆状物等点云数据的召回率和语义分割精度平均提升至89.9%以上。基于分割块合并的语义分割方法，可以很好地解决城市道路下行道树和杆状物语义分割精度低等问题，该方法对于三维场景感知等问题的研究具有重要意义。
2021, 50(10): 20200466.
doi: 10.3788/IRLA20200466
基于改进的球谐离散坐标法建立了飞行器尾焰的紫外辐射亮度仿真模型。在尾焰羽流的热辐射基础上，重点考虑了尾焰中气体分子的化学荧光辐射源及由尾焰中三氧化二铝簇团粒子的平均光学特性带来的多重散射源效应。基于辐射传输方程，在球谐离散坐标系中，对尾焰在不同观测角度、不同介质分布的紫外辐射亮度进行了数值计算，实现了高分辨的三维尾焰辐射亮度的空间分布图像仿真。同时，采用灰度共生矩阵算法获得尾焰辐射亮度分级分布的灰度图，结合二维超分辨旋转不变子空间算法、α-shape方法和橡皮筋算法，提出了尾焰辐射中心位置和辐射亮度峰值轮廓曲线提取的新方法，得到了尾焰辐亮度特征的准确提取，为飞行器目标和尾焰的高分辨辐射图像特征识别提供了重要的参考依据和途径。
2021, 50(10): 20200500.
doi: 10.3788/IRLA20200500
针对激光雷达点云的稀疏性和空间离散分布的特点，通过结合体素划分和图表示方法设计了新的图卷积特征提取模块，提出一种基于体素化图卷积神经网络的激光雷达三维点云目标检测算法。该方法通过消除传统3D卷积神经网络的计算冗余性，不仅提升了网络的目标检测能力，并且提高了点云拓扑信息的分析能力。文中设计的方法在KITTI公开数据集的车辆、行人、骑行者的3D目标检测和鸟瞰图目标检测任务的检测性能相比基准网络均有了有效提升，尤其在车辆3D目标检测任务上最高提升了13.75%。实验表明：该方法采用图卷积特征提取模块有效提高了网络整体检测性能和数据拓扑关系的学习能力，为三维点云目标检测任务提供了新的方法。
2021, 50(10): 20210120.
doi: 10.3788/IRLA20210120
提出基于分块匹配的合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）目标识别方法。对待识别SAR图像进行4分块处理，每个分块描述目标的局部区域。对于每个分块，基于单演信号构造特征矢量，描述其时频分布以及局部细节信息。单演信号从幅度、相位以及局部方位3个层次对图像进行分解，可有效描述图像的局部变化情况，对于扩展操作条件下的目标变化分析具有重要的参考意义。对于构造得到的4个特征矢量，分别采用稀疏表示分类（Sparse Representation-based Classification，SRC）分别进行分类，获得相应的重构误差矢量。在此基础上，按照线性加权融合的基本思想，通过构造随机权值矩阵进行分析。对于不同权值矢量下获得的结果，经统计分析构造有效的决策变量，通过比较不同训练类别的结果，判定测试样本的类别。所提方法在特征提取和分类决策过程中充分考虑SAR图像获取条件的不确定，通过统计分析获得最优决策结果。实验在MSTAR数据集上设置和开展，包含了1类标准操作条件和3类扩展操作条件。通过与现有几类方法对比，有效证明了所提方法的有效性。
2021, 50(10): 20200501.
doi: 10.3788/IRLA20200501
为了提高激光雷达点云滤波算法的精度和自适应性，对移动曲面滤波算法进行改进。采用格网边界点构建曲面约束条件，检验格网内是否全部为建筑物点。利用区域拟合求解地形的起伏，引入机器学习中高斯混合模型(GMM)对地形起伏进行滤波分类，将移动曲面中的种子点作为聚类算法中的靶向点参与分类学习。实验数据为雷达飞行的自测区，对于自测区采用随机抽样的方式，检验判断滤波效果。同时为检验GMM算法的准确性，在三类误差检验方式的基础上，增加了Kappa系数作为检验方式。通过与谱系聚类分类算法对比，证明所提算法能取得较好的滤波效果。
2021, 50(10): 20200483.
doi: 10.3788/IRLA20200483
激光点云常规匹配算法是迭代最近点(Iterative Closest Point, ICP)算法，但其收敛速度慢、鲁棒性差，因此，提出一种融合多种优化算法的激光点云高效ICP配准方法。首先对点云体素滤波降采样，通过ISS算子提取关键点，采用快速点特征直方图(Fast Point Feature Histograms, FPFH)提取关键点特征，嵌入多核多线程并行处理模式 (OpenMP)提高特征提取速度；然后基于提取的FPFH特征，使用采样一致性初始配准算法(Sample Consensus Initial Alignment, SAC-IA)进行相似特征点粗配准，获取点云集间的初始旋转平移变换矩阵；最后采用ICP算法进行精配准，同时采用最优节点优先(Best Bin First, BBF)优化K-D tree近邻搜索法来加速对应关系点对的搜索，并设定动态阈值消除错误对应点对，提高配准快速性和准确性。对两个实例的配准点云进行了实验验证，结果表明，提出的优化配准算法具有明显速度优势和精度优势。
2021, 50(10): 20210074.
doi: 10.3788/IRLA20210074
为了在较低泵浦功率下实现单纵模双波长激光信号的输出，进而获得窄线宽的高频微波信号，设计并实验了一种基于复合滤波结构的窄线宽高频微波信号产生装置。通过8字腔结构布里渊增益腔和反射式光纤光栅构成的波长选择滤波器实现了4倍布里渊频移间隔的双波长斯托克斯光信号输出，采用200 m长单模光纤作为增益介质，同时与50 m长单模光纤构成级联光纤环结构，采用三端口耦合器与2 m长未泵浦的保偏掺铒光纤构成萨格纳克环结构，利用级联光纤环结构和萨格纳克环结构的复合滤波作用实现了斯托克斯光信号模式的选择，使输出的斯托克斯光信号由多纵模运行状态变为单纵模运行状态。实验证明：通过对输出的单纵模双波长斯托克斯光信号进行拍频检测可得42.85 GHz的高频微波信号产生，线宽为38 kHz；通过改变可调谐泵浦激光器的输出波长，可实现42.25~43.51 GHz范围内的频率调谐；通过稳定性测试，产生的42.85 GHz高频微波信号的频率变化在0.83 MHz内，峰值功率变化在±0.8 dB内，稳定性良好，满足实际应用需求。
2021, 50(10): 20210078.
doi: 10.3788/IRLA20210078
在220 GHz二次谐波混频器的设计基础上，提出中频传输波导的垂直转换结构，实现了四通道混频器集成模块方案，缩短了混频器单通道的横向尺寸，为太赫兹接收机系统多通道线阵列集成提供了可行性方案。为优化系统模型的准确性，基于TCAD对肖特基势垒二极管进行三维半导体器件建模计算，依据提取的关键特性参数进行混频器的高频电磁波仿真。通过对该设计方案进行测试，结果表明：当本振频率为110 GHz，功率为7 dBm，射频输入200~240 GHz，混频器的单边带变频损耗为8.6~13 dB，在204~238 GHz的单边带变频损耗为8.6~11.3 dB。当本振频率为108 GHz时，驱动功率仅需3 dBm。此外，基于该混频器模块构建的220 GHz接收机系统，积分时间为700 μs时其温度灵敏度为1.3 K。
2021, 50(10): 20200476.
doi: 10.3788/IRLA20200476
微透镜阵列是一种被广泛应用于光信息处理、光传感、光计算、光通信和高灵敏度成像等领域的精密光学元器件之一。通过一些先进的制造技术已经可以制造出不同几何形状、轮廓和光学特性的微透镜阵列。然而，由于三维微制造工艺的难度，使得高填充因子微透镜阵列中的微透镜很难实现紧密排列。提出了一种快速、低成本的微流体操纵技术，用于制备高填充因子微透镜阵列，且对其制备工艺进行了初步的演示。这种易于操作的制造技术适用于微透镜阵列的大批量生产，极大地提高了生产效率。通过预先制备出的三种不同尺寸(微柱直径分别为300、500、700 μm)的微柱，实现了与其对应不同形状和尺寸的微透镜阵列的制备，并搭建了一套光学成像系统以对这些微透镜阵列进行成像性能的评估。主要对微透镜阵列的焦距、成像精度和每个微透镜阵列中各个微透镜子单元成像的均一性进行测试，利用所提出的微流体操控技术制备的微透镜阵列具有良好的成像性能，有望能够被应用到三维成像、光均匀化等诸多应用中。
2021, 50(10): 20210185.
doi: 10.3788/IRLA20210185
针对光纤网络通信中数据流传输路径质量影响网络资源利用率的问题，提出了一种改进的数据传输路径优化机器学习算法。首先,利用机器学习完成对初始数据的预处理，获取数据特征信息，完成数据流分类。基于对光纤跨度内数据流的分析，构建集群组完成数据路径的调整，实现网络资源的充分利用。其次，以包含特征参数的相似矩阵为约束条件，完成聚类分析的优化。根据数据特征参数建立相似矩阵，并在特征参数与通信路径的数据流类型之间建立函数映射关系。最后利用核函数对传输路径进行优化，实现网络传输路径的优化。实验针对包含多个光纤跨度的网络进行路径优化，并与传统的K-means聚类算法对比。测试中6种不同数据流的比例可以充分反映不同条件下的数据通信状态。实验结果表明：该算法的分类准确率为94.6%，平均执行时间为12.8 s，平均聚类变化度为31.3%。传统的K-means聚类算法分类准确率为84.6%，平均执行时间为20.8 s，平均聚类变化为46.2%。该算法的收敛时间也优于传统算法，其在网络数据传输中具有更高的准确性和实时性。
2021, 50(10): 20200457.
doi: 10.3788/IRLA20200457
为实现具有高频谱纯度、低相位噪声的宽带可调谐微波信号生成，提出并通过实验验证了一种次谐波信号调制下光注入半导体激光器结构的光电振荡器，其原理为通过利用光注入半导体激光器的单周期（P1）振荡工作状态和波长选择放大特性实现可调微波信号生成，并进一步通过在光电振荡环路中引入次谐波信号调制对系统生成微波信号的频率稳定性、边模抑制比与频谱纯度进行优化。实验结果表明，文中方案提出的光电振荡器可以生成输出功率大于5 dBm，频率调谐范围为12~18 GHz的微波信号。同时，系统生成的微波信号的3 dB带宽为100 kHz，边模抑制比可达 51 dB，且信号在频偏量为100 Hz和10 kHz处的相位噪声分别为−78 dBc/Hz和−109 dBc/Hz。此外，光电振荡器生成微波信号的频率调谐范围只受系统中使用的各类光电器件工作带宽的限制，通过采用具有更大带宽的光电器件可以实现更高频率的微波信号生成。
