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2023年  第52卷  第2期

专家报告—刊庆50周年
皮秒脉冲激光辐照太阳能电池损伤特性实验研究(特邀)
周伟静, 文明, 常浩, 陈一夫, 姬刚, 马英杰, 简智龙, 廖雨杰
2023, 52(2): 20210870. doi: 10.3788/IRLA20210870
[摘要](328) [HTML全文] (64) [PDF 2613KB](90)
以皮秒脉宽激光多脉冲损伤太阳能电池为背景,通过激光烧蚀电池前后表面形貌、电池伏安特性、电致发光特性获得损伤特性。采用脉宽15 ps、波长1 064 nm皮秒脉冲激光辐照三结GaAs太阳能电池进行实验。通过重频调节改变激光辐照功率,对太阳能电池栅线与非栅线部位在激光辐照下的损伤特性进行分析。实验发现辐照非栅线部位时,尽管激光光斑较小,但电池内部材料已经发生损伤,主要是由于电池内部材料有序结构的破坏逐渐增大,尤其是激光功率越高时,内部损伤面积越大。当激光辐照栅线部位时,栅线部位受热熔断会极大影响太阳能电池对载流子的吸收,从而降低电池的光电转换能力,进而影响太阳能电池的电性能,使得激光辐照栅线部位损伤效果强于辐照非栅线部位。
特约专栏——激光清洗技术
简讯
激光器工程化与清洗应用中的技术突破 (特邀)
刘丽飒, 林学春, 宋峰
2023, 52(2): 20230049. doi: 10.3788/IRLA20230049
[摘要](319) [HTML全文] (77) [PDF 2299KB](104)
文中介绍了千瓦级准连续全固态激光清洗样机研发的关键技术。激光清洗工程样机配合三维龙门运动平台形成激光清洗工业平台。简介针对钢轨表面除锈和飞机复合材料蒙皮除漆的激光清洗机制模型,从样品识别、过程监测、结果检测三方面介绍激光清洗监控方法。对60钢轨激光除锈和飞机铝制蒙皮光进行除漆,笔者课题组获得了激光清洗的最佳工艺参数,清洗效率指标通过专家测试。
大能量高重频脉冲激光智能清洗技术与装备 (特邀)
郭斌, 徐杰, 苏轩
2023, 52(2): 20230073. doi: 10.3788/IRLA20230073
[摘要](390) [HTML全文] (66) [PDF 1373KB](84)
高效、高质清洗是激光清洗的主要发展方向,也是实现激光清洗大规模工业应用的关键。国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项“大能量高重频脉冲激光智能清洗技术与装备”(共性关键技术类)针对航空和航天领域的装备制造和修护中,对精密、绿色、智能可控的新型清洗技术的迫切需求,解决多光束激光清洗多场耦合效应作用机制科学问题,突破大能量高重频纳秒激光器多维度增益协同调控、复杂曲面激光清洗残留物定位识别与路径规划和超宽幅面多光束联动拼接与能量控制等关键技术,开展大能量高重频纳秒脉冲激光器、激光高效高质清洗机制与关键技术和超宽幅面激光智能高效清洗成套工艺与装备研究。研究成果将在航天器表面热控涂层和飞机雷达罩表面除漆清洗去除中实现典型应用。
综述论文
激光清洗研究综述(特邀)
宋峰, 陈铭军, 陈晅, 赵泽家, 刘鑫, 姚建铨
2023, 52(2): 20220835. doi: 10.3788/IRLA20220835
[摘要](574) [HTML全文] (141) [PDF 2453KB](172)
激光清洗是通过把高亮度和方向性好的激光照射到物体待清洗的部位,使激光器发射的光束被污染层和/或基底吸收,通过光剥离、汽化等过程,克服污染物和基底之间的粘附力,使污染物离开物体表面,达到清洗目的,且不损伤物体本身的物理清洗技术。20世纪80年代以后,激光清洗技术得到了越来越多的关注。40年来,激光清洗作为一种新型高效的环保清洗技术,得到了飞速发展,在电子元器件清洗、文物保护和脱漆除锈等领域得到研究并获得了应用。2010年以后,对激光清洗研究进一步深入,在激光清洗的检测和智能控制方面取得较大成果,并且在激光清洗机理方面也取得了进展。中国科学家在这个过程中也做出了贡献。介绍了激光清洗原理、特点、源起,对40余年的激光清洗发展做了综述,并介绍了国内近年来激光清洗的研究动态。
激光清洗监测技术研究进展(特邀)
李悦, 吴卓颐, 储德谱, 杨火木, 邓国亮, 周寿桓
2023, 52(2): 20220784. doi: 10.3788/IRLA20220784
[摘要](321) [HTML全文] (91) [PDF 6914KB](90)
激光清洗技术具有非接触、精度高、对基材损伤小、绿色环保等众多优点,在智能制造中发挥越来越重要的作用。随着激光清洗技术的发展,对激光清洗质量的快速检测及精准评价的需求越来越迫切。在激光清洗过程中,激光与待清洗层、基底发生作用,通过采集分析激光与物质相互作用过程中产生的光、声等信号和表面特性变化,可以实现对清洗过程和清洗效果的实时表征,完成对激光清洗的监控,目前逐渐被广泛地应用到自动化激光精密清洗过程中。文中分析和总结了声波监测法、光谱监测法和图像监测法等激光清洗监测技术的工作原理及研究进展,展望了激光清洗监测技术的未来发展趋势。
飞机蒙皮激光除漆技术工程化应用的现状与展望(特邀)
江茫, 徐进军, 刘珂嘉, 高昆, 许文斌, 曾全胜
2023, 52(2): 20220780. doi: 10.3788/IRLA20220780
[摘要](357) [HTML全文] (70) [PDF 6369KB](76)
激光除漆技术具有高效环保、安全性高、可实时监测和易实现自动化除漆等优势,有望成为飞机整机除漆的主要途径之一。文中首先对激光除漆技术的主要方法和机理进行了分析。其次,总结了各工艺参数对飞机蒙皮激光除漆效果的影响规律,提出了工程化激光除漆工艺参数的设计思路,借助某型飞机金属蒙皮除漆结果验证了设计思路的效用性;并对激光除漆效果评价方法和现有技术标准情况进行了介绍。最后,归纳了飞机整机蒙皮激光除漆的应用实例,展望了激光除漆技术未来的研究方向和重点。
激光清洗技术规模化应用发展现状(特邀)
江宇宏, 何玉洋, 符永宏, 纪敬虎, 佟艳群
2023, 52(2): 20220753. doi: 10.3788/IRLA20220753
[摘要](420) [HTML全文] (73) [PDF 2266KB](111)
随着我国工业不断地转型升级,对工业清洗的质量、效率、服务也提出了更高的要求,传统清洗方式因其高污染、高能耗等缺陷已无法满足工业领域的应用需要。而激光清洗作为一种绿色、环保、无损的新型清洗方式,迅速成为工业清洗领域的热点技术。文中梳理了三种典型的激光清洗方法,总结了激光清洗相关的机理。同时,阐述了面向航天航空、船舶建造、轨道交通等领域开展的激光清洗应用进展。根据近年来国内外院校和企业在激光清洗系统、设备方面的科技成果,提出国内激光清洗推广应用所面临的瓶颈,展望了激光清洗技术在未来的发展方向。
研究论文
可在线应用的大口径溶胶-凝胶膜光学元件激光清洗工艺研究(特邀)
王静轩, 张继花, 李玉海, 廖威, 王成程, 袁晓东
2023, 52(2): 20220739. doi: 10.3788/IRLA20220739
[摘要](213) [HTML全文] (44) [PDF 2912KB](59)
在高功率激光装置中,光学元件表面的污染物会降低光束质量甚诱导光学元件损伤。针对装置中受污染的镀有SiO2溶胶-凝胶增透膜的大口径真空隔离片(430 mm×430 mm),使用波长为355 nm的Nd:YAG脉冲激光器模拟在线激光清洗实验。实验中采用了单发次激光干式清洗与气流置换系统辅助的激光清洗系统,研究了关键特征参数对激光在线清洗效果的影响规律,获得了可用于激光在线清洗的工艺参数。光学元件的处理采用光学显微镜、暗场成像法表征以及图像处理软件分析。实验结果表明,激光在线清洗光学元件存在最佳工艺窗口。通过气流置换辅助的激光清洗方法后,相较于单纯的单发干式激光清洗,激光清洗能力有大幅提升。因此,气流置换系统辅助单发激光清洗能有效提高其清洗能力,为高功率激光装置中大口径光学元件表面污染物在线去除提供了一种有效手段。
脉冲和连续模式下玻璃纤维复合材料激光脱漆技术研究(特邀)
李倩靓, 张润华, 何宗泰, 张骆, 杨奇彪, 夏建英, 刘顿
2023, 52(2): 20220836. doi: 10.3788/IRLA20220836
[摘要](269) [HTML全文] (48) [PDF 8490KB](72)
采用波长为1 064 nm的纳秒激光器脉冲模式和连续模式分别对玻璃纤维增强树脂基复合材料表面涂覆的浅灰色防雨蚀涂层和抗静电涂层进行激光清洗实验,研究不同模式下激光参数对清洗效果的影响规律。通过SEM观察清洗后材料表面及清洗产物的微观形貌,运用EDS、FTIR分别检测清洗前后材料表面元素含量与化学官能团,采用COMSOL Multiphysics对清洗过程中的温度场进行分析。结果表明:去除单层抗静电涂层时,脉冲激光能完全去除该涂层且防雨蚀涂层损伤较小;去除双层涂层时,脉冲激光作用下试板表面有残余涂层,且易损伤下层清漆、树脂和纤维,而连续激光则可完全去除表面双层涂层,获得清洁的清漆表面。脉冲模式的去除机制主要为热弹性振动效应,连续模式下涂层的去除机制主要为热烧蚀效应。研究结果可为航空复合材料表面激光脱漆技术的激光模式选择提供参考。
玻璃表面微颗粒的激光清洗研究(特邀)
佟艳群, 陆蒋毅, 叶云霞, 符永宏, 蒋滨, 丁柳馨, 任旭东
2023, 52(2): 20220782. doi: 10.3788/IRLA20220782
[摘要](233) [HTML全文] (48) [PDF 1927KB](65)
针对玻璃表面微颗粒的污染问题,文中研究了脉冲激光对颗粒污染物的清洗阈值和清洗效果。通过颗粒吸附和形变模型计算石英玻璃表面与颗粒间的吸附力,分析热应力与激光能量密度的关系。通过吸附力和热应力的对比分析得到颗粒污染物的清洗条件和理论阈值。实验对比石英玻璃表面颗粒的正面入射和反面入射的清洗效果,研究功率密度、扫描速度和清洗次数等参数对清洗率的影响。结果表明,大颗粒污染物的反面清洗可以完全去除,正面清洗小颗粒污染物的效果较好。单因素和三因素研究表明激光功率密度对清洗率的影响比扫描速度大,激光清洗次数对清洗率几乎没有影响。
声光复合的激光清洗飞机蒙皮实时监测 (特邀)
李世杰, 张丽君, 何佳, 何长涛, 韩敬华
2023, 52(2): 20220821. doi: 10.3788/IRLA20220821
[摘要](154) [HTML全文] (43) [PDF 2759KB](68)
飞机蒙皮的老化油漆去除是飞机保养维修的重要步骤。较传统的化学清洗方法,采用激光进行清洗具有效率高,污染小等优势,但较高能量的激光存在过度清洗导致基底损伤的问题,所以对清洗过程的实时监控以便及时对激光器做出反馈非常重要。针对此问题提出了基于声光复合法的实时监测方式,在清洗过程中分别对光和声信号进行采集分析。其中对于光谱检测法,采用了激光诱导击穿光谱对不同漆层的差异元素的不同特征峰进行标定,实现不同漆层的反演;声信号检测法是通过对比分析激光烧蚀不同漆层所产生声信号的强度和频率,进行对应漆层的确定,再通过两种方法的结合对比反推回漆层的清洗情况与去除效果,研究表明声光复合法可以实现激光除漆过程的准确实时监控。
铝合金车体焊接同步激光清洗技术研究 (特邀)
张月来, 龙维峰, 姚杞, 林吉, 刘泽辉, 刘博文
2023, 52(2): 20220534. doi: 10.3788/IRLA20220534
[摘要](327) [HTML全文] (52) [PDF 4099KB](51)
针对轨道交通车辆车体铝合金型材焊接同步激光清洗,开展了相关工艺、测试与应用技术研究。通过工艺研究得出铝合金氧化膜激光清洗工艺窗口,建立了匹配不同焊接速度的激光清洗参数预测模型,并分析了激光清洗对铝合金表面氧化膜的影响;针对实际工况,设计了激光清洗-电弧焊接同步清焊一体化装置,并开展焊接同步激光清洗工艺验证,实现了焊前高质高效去除氧化膜;通过分析焊接接头力学性能,检测焊缝缺陷,观测焊接接头截面微观组织,评判焊接同步激光清洗焊缝质量。研究表明,采用200 W脉冲激光,清洗速度0.5~1.1 m/min可调的情况下,可以实现线宽45 mm的焊接同步氧化膜的有效清洗,经激光清洗后,原生氧化膜被完全去除,且可避免再生氧化膜的影响。经激光清洗后的焊接接头剪切强度及应变相较未处理的接头分别提升了26.4%和9.98%,较人工打磨后的接头强度分别提升了3.53%和1.43%,焊缝中心组织主要由α基体和β (Mg2Al3)相组成,焊接性能满足轨道交通车辆车体制造要求,可有效替代人工打磨。
基于热烧蚀效应的激光清洗仿真模型研究(特邀)
郭嘉伟, 蔡和, 韩聚洪, 罗清, 杨蛟, 安国斐, 宋迪, 王佳琪, 王浟
2023, 52(2): 20220779. doi: 10.3788/IRLA20220779
[摘要](298) [HTML全文] (49) [PDF 1816KB](71)
为研究在基于热烧蚀效应的激光清洗中激光参数对清洗效果的影响,根据热烧蚀效应原理、傅里叶热传导方程以及能量守恒定理,使用有限元分析软件建立了热烧蚀动态能量守恒的二维激光清洗仿真模型。在该模型中使用了虚拟第三类边界条件,将薄层-基底系统中的激光烧蚀热功率密度与被烧蚀污渍层边界的法向移动速度进行关联,实现了污渍层烧蚀潜热消耗量与激光烧蚀能量之间的动态能量守恒,明确了质量损失与能量消耗的数学关系,使所建立的模型更加理论自恰和精确可靠。利用该模型理论分析了光斑吸收功率、光斑直径、扫描速度以及扫描能量密度对清洗效果的影响,结果表明:污渍平均残留厚度随光斑吸收功率和扫描能量密度增大而减小,且减小的速率会逐渐变慢,当激光功率过大时,基材会出现损伤;污渍平均残留厚度随光斑直径和扫描速度的增大而变大,但减小光斑直径和扫描速度会降低清洗效率。提出了根据污渍层物性参数与扫描能量密度的对应关系优化激光参数的方法,并对非平整表面污渍层进行了多次不间断扫描的仿真分析,得到了清洗效果随扫描次数的变化规律。该研究结果对激光清洗设备的方案设计、优化改进和使用选型具有一定的指导意义。
EH36钢激光清洗参数优化与表面性能评估
张若楠, 韦朋余, 郭鑫, 陈小平, 黄旭峰, 王连, 王若烨
2023, 52(2): 20220155. doi: 10.3788/IRLA20220155
[摘要](240) [HTML全文] (61) [PDF 2410KB](63)
针对船舶舱内复杂空间材料表面除锈需求,利用脉冲光纤激光清洗平台开展了EH36船用钢板激光清洗工艺参数优化与清洗后材料表面性能实验研究。通过宏观、微观形貌观测与表面化学成分分析,并结合船舶行业除锈标准规范,建立了船用钢激光除锈质量评价准则,以此确定了材料激光除锈最佳工艺参数。在此基础上开展激光除锈后材料表面质量、显微硬度、粗糙度及综合力学性能测试评估。研究结果表明:在最佳除锈工艺参数(平均功率210 W、重复频率250 kHz、脉冲宽度300 ns、扫描速度4000 mm/s)下,船用钢板表面质量达到Sa2.5等级,力学性能基本保持不变,能够满足船舶舱内复杂空间材料表面除锈工艺要求,在船舶修造材料表面除锈领域具有优良的适用性。
光斑搭接率对GH3030合金表面积碳及氧化物清洗质量的影响
王蔚, 王孝宇, 刘伟军, 邢飞, 王静
2023, 52(2): 20220164. doi: 10.3788/IRLA20220164
[摘要](260) [HTML全文] (57) [PDF 9439KB](55)
采用200 W的纳秒脉冲光纤激光器对GH3030镍基高温合金表面积碳及氧化物进行了激光清洗实验研究,分析了激光光斑搭接率对清洗表面形貌、元素成分、相组成、表面粗糙度以及显微硬度的影响。结果表明:随着激光光斑搭接率从58.33%增大至70.83%,碳元素和氧元素含量均呈现先降低后升高的趋势,镍元素含量则先升高后降低,表面粗糙度先减小后增加。当光斑搭接率为66.67%时,碳元素和氧元素含量均下降到最低值,分别为5.01 wt%和1.40 wt%。同时,镍元素含量达到峰值,为72.96 wt%,表面粗糙度Ra减小至0.229 μm,Rz减至1.47 μm。改变激光光斑搭接率不会对GH3030高温合金的表面显微硬度产生显著影响。
红外技术及应用
红外用制冷机高阶驱动下的优化驱动方法设计
诸经豪, 杨宝玉, 张家昆, 吴亦农
2023, 52(2): 20220369. doi: 10.3788/IRLA20220369
[摘要](208) [HTML全文] (65) [PDF 4164KB](55)
高阶主动振动抑制技术已逐渐应用于针对空间红外用机械制冷机的多阶次振动, 用以提升制冷机的工作寿命和红外载荷的工作性能。在对机械制冷机采用高阶次工作频率驱动时会产生很严重的谐波失真,从而影响对于高阶次振动的主动抑制效果。通过分析驱动电路的工作机理和负载的高频特性,针对性地提出了利用控制续流通路用于改善高阶驱动时谐波失真的方法,根据所需续流通路给出了相应的实现方法。并针对其中一种续流方法,通过仿真与实验验证了该方法可以有效地抑制波形畸变,使其各高阶次谐波失真下降了75%以上。
双向反射分布函数结合Bi-LSTM网络求解壁面发射率
傅莉, 樊金浩, 张兆义, 张磊
2023, 52(2): 20220355. doi: 10.3788/IRLA20220355
[摘要](212) [HTML全文] (61) [PDF 3501KB](46)
壁面光谱发射率求解是飞行器红外隐身的关键技术之一。首先设计了壁面反射光路和光源,通过光谱辐射计获取壁面反射的辐射亮度序列,为尽可能地消除外界干扰对于光谱发射率求解精度的影响,基于双向长短期记忆网络,设计了Bi-LSTM亮度回归网络模型,并对测试样本进行训练学习。基于BRDF的壁面发射率求解模型及基于Bi-LSTM网络的亮度回归模型求解壁面的发射率。计算结果显示,提出的基于双向反射分布函数的壁面发射率求解方法的相对误差为12.21%,满足工程测试需求。
石墨烯远红外消光性能测试研究
李慧莹, 王玄玉, 刘志龙, 孙淑宝, 董文杰
2023, 52(2): 20220263. doi: 10.3788/IRLA20220263
[摘要](223) [HTML全文] (47) [PDF 1788KB](55)
为了研究石墨烯的红外消光性能,采用氧化还原法制备了石墨烯,并通过扫描电镜图像、X射线衍射图谱确认了石墨烯的结构;利用烟幕箱实验和溴化钾压片法,测试了石墨烯的红外消光性能,并在同等条件下与石墨、碳纤维的消光性能进行了比较。结果表明:石墨烯在远红外波段的红外消光性能非常优异,对于8~14 μm远红外波段,其平均质量消光系数约为2.10 m2/g,是同等条件下石墨平均质量消光系数的2.39倍,碳纤维的3.56倍,比传统的碳材料烟幕具有更好的红外干扰能力;溴化钾压片测试也表明,石墨烯在中远红外波段均表现出非常好的红外消光能力,优于传统碳材料烟幕。
超大面阵红外探测器冷平台支撑结构研究
张阳, 莫德锋, 范崔, 石新民, 俞君, 龚海梅, 李雪
2023, 52(2): 20220445. doi: 10.3788/IRLA20220445
[摘要](260) [HTML全文] (64) [PDF 1809KB](90)
为满足拼接式超大面阵型红外探测器的空间应用需求,超大规模冷平台组件需要在低温下工作,冷平台支撑结构需要较高的刚度以满足组件的抗振动性能,又需要较高的结构热阻以降低其传导漏热。提出了对称式八杆结构作为冷平台支撑,该支撑结构采用新型的高强度、低热导率的氧化锆陶瓷材料。基于有限元软件分析了支撑结构的高度、安装倾斜角度、宽厚比和材料对于组件的模态基频、支撑结构热阻以及组件在30 g静力学载荷下的最大应力的影响,通过对比选取了其中一组参数设计了实际的测试组件,支撑的结构热阻达到了220 K/W,对组件进行了5~2 000 Hz的正弦扫频试验、总均方根为9 g RMS的XYZ三个方向的随机振动等力学环境试验,最终组件通过了空间环境适应性试验验证,组件的基频达到了560 Hz,并且测试结果与仿真结果趋势符合较好。结果表明:对称式八杆氧化锆支撑结构解决了超大面阵型红外探测器冷平台组件既需要高力学性能又需要低漏热的难题,满足工程化应用需求。
激光器与激光光学
直接测风激光雷达频率跟踪技术及对流层平流层大气风场观测
方志远, 赵明, 杨昊, 邢昆明, 王邦新, 陈剑锋, 邓旭, 程亮亮, 谢晨波
2023, 52(2): 20220412. doi: 10.3788/IRLA20220412
[摘要](188) [HTML全文] (51) [PDF 1932KB](62)
为了实现高精度连续探测对流层和平流层大气风场,搭建了一台直接测风激光雷达系统对对流层和平流层大气风场进行探测。该系统基于双边缘法布里-珀罗标准具的瑞利散射多普勒测风原理,使用转台式探测结构,通过频率跟踪的手段对频率漂移进行跟踪,确保测风的精度。实验结果表明,该系统对对流层和平流层大气风场探测效果良好,频率跟踪的范围为±50 MHz,可以大大减小频率漂移带来的风速误差。经过系统的稳定运行和长时间的观测,在40 km处测得的径向风速随机误差为8 m/s。径向风速合成为水平风速后,随机误差在38 km处最大为10 m/s左右。该系统白天探测高度为25 km,夜晚探测高度为38 km。与探空数据对比,风速误差均小于10 m/s,其中风速误差在±5 m/s的范围内的数据量约占75.8%,探测的风向误差与探空气球的趋势基本一致,误差范围在10°~20°之间,在15°范围内的数据量约占58.6%。将实测数据与探空数据进行统计分析,结果具有良好的一致性。该系统可以为对流层和平流层大气风场的探测提供数据支撑。
ICESat-2激光雷达海面信号提取和海浪要素计算
周智标, 周辉, 马跃, 宋越, 李松
2023, 52(2): 20220366. doi: 10.3788/IRLA20220366
[摘要](349) [HTML全文] (130) [PDF 2594KB](65)
美国NASA于2018年发射的ICESat-2 (The Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2)卫星上搭载的ATLAS (Advanced Topographic Laser Altimeter System)是目前为止全球唯一一个对地观测的星载光子计数激光雷达,具有较高的轨向空间采样率,为用遥感的方法探测海浪要素提供了可能。光子计数激光雷达用于海浪探测的前提是能够准确地提取来自海面的信号光子,并确定瞬时的海面廓线。迄今为止,用星载光子计数激光雷达探测海面形态和海浪要素的研究鲜见报道,也缺少专门针对海面信号光子的提取方法。基于海面信号光子的分布特点,文中提出了一种新的信号提取算法:首先通过直方图统计及自适应的阈值选取完成对海面回波光子的粗去噪;然后基于激光雷达光斑尺寸和海面波动特点,选取合适的搜索邻域计算信号点和噪声点密度,根据两者点密度差异对信号光子和噪声光子分类;最后用高斯函数拟合的方法进一步去除密度较大的后向散射噪声光子,最终得到来自海面反射的信号光子。利用上述算法提取了太平洋7个不同海况区域的海面信号光子和瞬时海面廓线并进一步计算出当地海浪的峰值波长和周期。将计算结果与同期欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的全球大气再分析ERA5(ECMWF Re-Analysis5)数据作对比,在不同风速、水深的海域都获得了基本一致的结果,超过半数区域的海浪周期误差在5%以内,初步证明了星载光子计数激光雷达观测成果用于海浪要素计算的可行性。
非均匀转动空间目标天基逆合成孔径激光雷达成像
阮航, 张强, 杨雨昂, 徐灿
2023, 52(2): 20220406. doi: 10.3788/IRLA20220406
[摘要](153) [HTML全文] (44) [PDF 2236KB](58)
由于没有大气的影响,天基逆合成孔径激光雷达(ISAL)可在远距离上获取空间目标的高分辨率图像,因此具有重要的应用前景。建立了空间目标天基ISAL成像的方位向回波信号模型,在目标非均匀转动二阶近似下,即匀加速转动时,ISAL方位向回波信号可近似为调频斜率和起始频率各异的多分量线性调频(MLFM)信号,采用传统的FFT方法难以实现方位图像聚焦。提出了一种基于Radon-Wigner变换的方位快速成像算法,利用Radon-Wigner变换并结合逐次消去法,在每个距离单元对回波中的MLFM信号由强至弱逐个进行估计,将估计获取的峰值点直接提取并线性叠加,即得到该距离单元的方位像。通过对所有距离单元进行上述处理,即可获得二维ISAL图像。由于该方法在估计出MLFM信号后无需再进行瞬时多普勒成像处理,因此减少了处理流程,算法效率大幅提高。仿真试验表明,相比传统的距离瞬时多普勒成像算法,该算法平均处理时间从222.66 s降低至23.51 s,在低信噪比情况下图像中目标轮廓更显著,更易于检测识别。
向列相液晶激光器件侧面辐射谱研究
乌日娜, 宋云鹤, 高芮, 王萧, 鲁小鑫, 李业秋, 岱钦
2023, 52(2): 20220159. doi: 10.3788/IRLA20220159
[摘要](186) [HTML全文] (49) [PDF 4505KB](44)
研究了向列相液晶激光器件侧面激光辐射谱,并深入分析了激光辐射机制。分别制备了传统液晶盒和引入SU-8光栅结构的两种器件,并注入向列相液晶TEB30A和激光染料PM597的混合物。利用Nd:YAG固体脉冲激光器倍频出的532 nm激光作为泵浦源正面入射器件,侧面探测激光辐射谱。在传统液晶盒器件侧面,测得 575~600 nm范围的随机激光辐射谱。而具有周期100 μm和8 μm 的SU-8光栅结构器件侧面,获得了多波长激光辐射谱。随着泵浦能量增大,最高强度激光辐射峰波长位置出现在583~585 nm和588~592 nm附近,FWHM约0.3 nm。基于光波导理论结合器件结构分析得出,在传统液晶盒中引入SU-8光栅结构增强了液晶器件的光波导效应,是获得多波长激光辐射谱的主要原因。
2195-T8铝锂合金激光填丝双面焊熔池行为与接头力学性能研究
杨正伟, 陈金树, 田干, 张炜, 陈家威, 肖俊玲
2023, 52(2): 20220350. doi: 10.3788/IRLA20220350
[摘要](183) [HTML全文] (52) [PDF 14257KB](40)
铝锂合金以其质轻、高强、耐腐蚀等优势成为新一代航空航天应用材料,与其他铝锂合金相比,2195-T8铝锂合金焊接性能最优。基于液体火箭贮箱连接处的焊接需求,采用激光填丝双面焊接可以获得质量较好的接头。针对焊接过程中熔池内流体流动与温度的变化,建立了热-流耦合数学模型,通过数值模拟的方法对2195-T8铝锂合金焊接过程进行了研究,而后开展了接头轴向拉伸强度测试实验,阐明了焊接速度与填丝速度对熔池成形、流动与热输入的影响,并得到了不同焊接工艺参数下的最高接头强度。研究结果表明:4组不同焊接工艺参数下,第一面焊接与第二面焊接的熔池内流体流动趋势基本一致,主要为熔池左侧的顺时针涡流与右侧的逆时针涡流;提高焊接速度或填丝速度可以改善熔池成形质量,降低熔池热输入,细化焊缝熔合区中以柱状晶为代表的晶粒,进而有效提升接头力学性能;通过对4组不同焊接工艺参数的数值模拟与实验结果进行对比分析,最终得到熔池成形质量最好、热输入最小的焊缝,其接头轴向拉伸强度高达426.4 MPa,为母材强度的72.6%,对应的焊接速度与填丝速度分别为50 cm/min、1.8 m/min。
光电测量
基于Transformer的复合材料多源图像实例分割网络
柯岩, 傅云, 周玮珠, 朱伟东
2023, 52(2): 20220338. doi: 10.3788/IRLA20220338
[摘要](210) [HTML全文] (59) [PDF 9962KB](52)
为提高复合材料铺放质量,辅助现场人员快速对缺陷进行检测,提出一种基于Transformer的复合材料多源图像实时实例分割网络Trans-Yolact,用来对复合材料缺陷进行检测、分类、分割。在Yolact网络框架基础上,针对复合材料缺陷特点,从空间域与通道域两个维度,增强网络对复合材料缺陷的检测能力。在空间域上,常规卷积核具有空间尺度的局限性,对狭长形、大尺寸缺陷的检测效果不佳。因此,采用CNN+Transformer架构的BoTNet作为基础主干网络;同时将Transformer引入Yolact网络的FPN结构中,增强网络从非局部空间中获取信息的能力。在通道域上,采用红外与可见光联立的检测方式,并改进主干网络浅层结构,将其分为可见光通道、红外通道、混合通道,混合通道中引入通道域注意力机制,进一步增强网络对红外与可见光图像的综合判断能力。实验结果表明:改进后Trans-Yolact对复合材料缺陷mAP为88.0%,较基准Yolact网络提高5.5%,缺丝、扭转等狭长形缺陷AP提高15.2%、5.1%,包含部分大尺寸缺陷的异物类缺陷AP提高9.1%。最终对Trans-Yolact网络进行结构化剪枝,剪枝后较基准Yolact网络减少26.5%的计算量(FLOPs)、减少44.7%的参数量;检测帧数提高58%,达到57.67 fps。并在大型龙门复合材料自动铺放设备上进行在线测试,可以满足生产过程最大铺放速度1.2 m/s下,复合材料缺陷的实时检测分割。
深度学习点衍射干涉三维坐标定位技术
卢毅伟, 骆永洁, 刘维, 孔明, 王道档
2023, 52(2): 20220593. doi: 10.3788/IRLA20220593
[摘要](192) [HTML全文] (57) [PDF 2099KB](59)
为了提高现有的三维坐标定位技术的测量精度、稳定性和测量效率,提出了基于深度学习的点衍射干涉三维坐标定位方法。该方法设计了一个深度神经网络用于点衍射干涉场的坐标重构,将相位差矩阵作为输入,构建训练数据集,将点衍射源坐标作为输出,训练神经网络模型。利用训练有素的神经网络对测量到的相位分布进行初步处理,将相位信息转换为点衍射源坐标,根据得到的点衍射源坐标进一步修改粒子群算法的初始粒子,进而重构出高精度的三维坐标值。该神经网络为建立干涉场相位分布与点衍射源坐标之间的非线性关系提供了一种可行的方法,显著提高了三维坐标定位的精度、稳定性和测量效率。为验证所提方法的可行性,进行了数值仿真和实验验证,采用不同的方法进行反复对比与分析。结果表明:所提方法的单次测量时间均在0.05 s左右,其实验精度能够达到亚微米量级,重复性实验的均值和RMS值分别为0.05 μm和0.05 μm,充分证明了该方法的可行性,并证明了其良好的测量精度和可重复性,为三维坐标定位提供了一种有效可行的方法。
大口径望远镜镜面视宁度检测方法综述
朱嘉康, 安其昌, 杨飞
2023, 52(2): 20220488. doi: 10.3788/IRLA20220488
[摘要](429) [HTML全文] (156) [PDF 5100KB](58)
望远镜分辨率和集光能力与其口径成正比。随着人类对于望远镜分辨力要求的日渐严格,望远镜的镜面尺寸也在不断的增加。镜面尺寸的不断加大,使镜面视宁度变得越来越重要。镜面视宁度主要是指由于镜面表面的湍流所导致的像质下降。当镜面尺寸超过当地大气湍流尺度时,就不得不考虑这一因素对于成像或者加工的影响。系统的工作环境在一定程度上会影响镜面视宁度,所以镜面视宁度对于集成检测过程也有重要的意义。因此,为了提高镜面加工的面形精度,检测系统的集成效果,必须精确测量仪器的镜面视宁度,从而为其加工检测和应用集成提供判断。文中从原理、研究现状以及在镜面视宁度上的应用三个方面出发,阐述了一维检测(自准直仪法等)、二维检测(斜率/曲率法、全息波前传感法和剪切干涉法等)、三维检测(全息粒子测速法与温度场法等)。通过介绍面向不同场景与检测要求的检测方法,对镜面视宁度的检测具有很好的指导意义。
空间位姿测量中面阵点云CPD方法的优化及验证
谭长生, 黄庚华, 王凤香, 孔伟, 舒嵘
2023, 52(2): 20220367. doi: 10.3788/IRLA20220367
[摘要](181) [HTML全文] (57) [PDF 4964KB](41)
面阵激光成像雷达可以实现瞬态三维探测,适用于运动平台及非合作目标的位姿测量。针对相邻像元间具有串扰特性的面阵非均匀格网型稀疏点云,提出了一种适用于空间非合作目标位姿测量的多视角点云自动配准方法。该方法基于改进的相干点漂移(Coherent Point Drift, CPD),将目标点云视为观测数据集,源点云视作为高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)的质心点集。利用贝叶斯后验概率公式及期望最大化(Expectation-Maximum, EM)方法,对构造的GMM模型似然函数进行求解,在寻优过程中通过点云重叠特性对运算点集的权值参数进行自适应调整。对单次EM迭代后源点云间距离残差进行排序,选取最优变换点云对使用最近邻方法建立局部扰动量,得到每次漂移迭代的空间变换矩阵。为了避免陷入局部解,通过监督点云均方误差更新率,对参与漂移运算的点集属性进行交替。针对空间配准目标,建立了两种近似运行下的阵列成像仿真工况。试验结果表明:在强背景及像元模糊干扰下,该配准框架具有鲁棒性优势,其结果平均最大公共点集测度相对于粗+精组合配准框架提升约61%,可应用于空间面阵平台下的非合作目标位姿测量。
采用线性自抗扰技术的高精度温度控制系统研制
姜炎坤, 朴亨, 王鹏, 李恒宽, 李峥, 王彪, 白晖峰, 陈晨
2023, 52(2): 20210813. doi: 10.3788/IRLA20210813
[摘要](197) [HTML全文] (42) [PDF 1880KB](56)
随着光电检测技术的发展,红外气体检测技术在诸多领域有着广泛的应用。温度对于气体浓度及同位素丰度检测有着重要影响,采用比例-积分-微分(PID)控制算法的传统温度控制系统存在超调、响应时间慢和精度低的缺点。针对上述问题,首先使用COMSOL软件进行有限元分析,确定加热结构;然后以STM32单片机作为主控器件,通过16位AD芯片LTC1864进行实时温度数据采集;最后采用线性自抗扰算法(LADRC)算法调节PWM波,实现控制半导体制冷器(TEC)对系统温度的高精度实时动态调节。在19.8 ℃的环境温度下,进行目标温度为32 ℃的温控实验。结果表明,采用LADRC算法的温度控制系统在稳定工作时,温度波动标准差为0.0357 ℃,相比于采用PID算法的温度控制系统,具有无超调、响应时间快和高精度的优点。
二维划分反馈控制的星模拟器光源光谱匹配精度提升方法
王智勇, 张晶晶, 孙浩, 刘石神
2023, 52(2): 20220451. doi: 10.3788/IRLA20220451
[摘要](326) [HTML全文] (112) [PDF 3767KB](38)
为提高星模拟器光源系统光谱匹配精度,首先设计并搭建了基于数字微镜的星模拟器光源系统;其次,根据按波长标定的区域光谱进行遗传算法的光谱拟合,结果表明该方案拟合光谱与目标光谱存在一定匹配误差;最后,为提高光谱匹配的精度,提出了按波长和能量二维划分区域的误差反馈及精度提升方法。实验模拟了色温为2550、4766、6576、8910 K 光源,结果表明相较于波长方向一维划分的反馈方法,光谱匹配最大误差分别下降了55.7%、50.6%、45.2%、42.2%,极大地提升了星模拟器光源系统的光谱匹配精度。该研究旨在补偿该类色温匹配误差所引入的星敏感器角检测误差,达到高精度星敏感器的定标精度要求。
基于瑞利分布的弱小目标能量计算方法研究
李霁, 贾海萨, 李周
2023, 52(2): 20220408. doi: 10.3788/IRLA20220408
[摘要](272) [HTML全文] (101) [PDF 2287KB](58)
随着科学技术的不断进步,军事目标也向着小型化、超高速、低可探测度的趋势发展,因而对目标的探测与识别能力也提出了更高的要求。文中在深入分析点目标成像过程及其能量分布的基础上,提出基于偏态瑞利分布点目标能量计算方法,并通过红外辐射特性测量精度对比实验进行验证,得出应用该方法的辐射强度测量偏差可控制在8%以下,而且测量离散程度更小,可有效区分弥散点目标和背景灰度值,证明该方法具有良好的工程适用性,较高的测量精度且广泛的应用前景。
光学器件
基于相位梯度光栅介电超表面的高效太赫兹波异常反射器
苏英蔚, 田震
2023, 52(2): 20220304. doi: 10.3788/IRLA20220304
[摘要](189) [HTML全文] (94) [PDF 3419KB](59)
太赫兹(THz)波由于其诸多独特的性质,有着广泛的应用前景。然而由于相关材料和器件的发展相对滞后,太赫兹技术在实际中的应用尚有诸多限制。超材料和超表面概念的提出,能够对太赫兹波的相位、振幅、偏振进行有效操控,为太赫兹技术的发展提供了许多新的思路。其重要的功能之一是依靠相位不连续将入射波反射到非镜面方向,即通称的广义斯涅尔定律。然而,此前报道的大多数异常反射装置的效率都相对较低,在实际应用中存在局限性。针对这一问题,文中提出了一种太赫兹超表面异常反射器,将法向入射光反射到 40° 方向且不改变其偏振,并从理论上阐述了提高效率的思路,且通过数值模拟展示其有效性。通过使用全介质材料构建超表面从而消除材料损耗,并利用不同布洛赫波的耦合以提供非局部响应,令器件的工作效率超过99%。此外,这一设计理念可以推广到偏振无关器件中,并且对其他类似的器件也有一定参考意义。这一工作有潜力被应用于太赫兹波激光器、太赫兹波腔谐振器等太赫兹波实际器件中。
面向毫米波遥感成像的双极化毫米波探测器
安德越, 赵超颖, 刘畅, 高炳西
2023, 52(2): 20220471. doi: 10.3788/IRLA20220471
[摘要](195) [HTML全文] (61) [PDF 6145KB](48)
针对多极化毫米波遥感成像重大需求,报道了一种高集成度双极化毫米波探测器。探测器采用固态电子学方案,通过喇叭天线接收毫米波信号,利用正交模耦合器进行极化信号分离,采用两级低噪放芯片放大信号,通过肖特基二极管实现功率检测。每支探测器集成两路接收通道,每个接收通道可同时探测水平与竖直两个极化方向信号。经测量,探测器探测频段为W波段(75~110 GHz),平均等效噪声温差达到0.3 K(@10 ms),尺寸不足155 mm×15 mm×20 mm,质量<0.3 kg。利用该探测器实现城市环境双极化毫米波遥感成像,成像结果表明,相比于单极化遥感成像,双极化遥感成像可以获得更多极化信息,可对城市环境下常见物品进行突出显示,这有助于今后进行自动物品识别、轮廓提取与远程物质成分识别。
基于几何相位超表面的高效独立双频点圆偏振太赫兹波束调控
刘佳琪, 程用志, 陈浮, 罗辉, 李享成
2023, 52(2): 20220377. doi: 10.3788/IRLA20220377
[摘要](352) [HTML全文] (62) [PDF 4526KB](65)
为了克服超表面普遍具有的波长依赖性,提出了一种基于几何相位的多功能超薄超表面,在双频点处对透射圆偏振太赫兹波实现独立波前调控。该超表面单元由表层金属层和中间介质层组成,其中表层金属图案相同,均是由双C型开口环谐振器、中间金属圆环和长方形金属片谐振器构成。通过分别旋转表层金属谐振器,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位。将单元结构按照特定的规律排列,可对入射波的波前实现任意调控,例如,在低频f1 = 0.701 THz,分别实现了携带拓扑电荷数+1、+2、+3、+4的涡旋波束,其纯度均在60%以上;在高频f2 = 1.663 THz,实现了对入射圆偏振波的汇聚,且焦距误差仅为0.04。仿真结果表明,设计的超表面在双频点处对电磁波具有良好的调控。
铋烯材料生长控制及光电子器件应用研究进展
詹燕燕, 李冰雪, 闫昊, 方铉, 王登魁, 房丹, 楚学影, 翟英娇, 李金华, 王晓华
2023, 52(2): 20220371. doi: 10.3788/IRLA20220371
[摘要](231) [HTML全文] (65) [PDF 5063KB](47)
石墨烯和其他二维材料凭借其自身独特的物理和化学性能,引起了科学和工程领域的广泛关注。探索新型二维材料体系并扩展其应用范围是研究人员的热点研究内容。其中,第五主族单元素二维烯(二维磷烯、二维砷烯、二维锑烯、二维铋烯)具有较窄的且可调节的能带宽度、高的载流子迁移率、良好的透光性和优异的光电子学性能,成为二维材料及其在光电子应用领域的新的研究对象。鉴于此方面,从基本物理结构、材料的制备方法和在光电子方面的应用深入分析二维铋烯的相关理论以及实验研究的工作进展。在材料的可控制备方面,重点围绕二维铋烯的电化学剥离法展开相应论述。最后讨论了二维铋烯在光电子学应用领域的现状,包括在超快光电子学器件的应用,并且对二维铋烯未来的发展进行了展望。
光通信与光传感
级联光栅硅胶封装的脉象传感器研究
陆锋, 陈亮, 张俊生
2023, 52(2): 20220324. doi: 10.3788/IRLA20220324
[摘要](104) [HTML全文] (23) [PDF 1448KB](38)
提出了一种基于级联光栅的脉象波传感器。相同参数的两个光纤光栅组成级联光栅并植入硅胶腕带中,其中一个光栅作为传感光栅被用于感知脉搏信号,另一个光栅作为匹配光栅被用于解调。由于两个光栅参数完全相同,其反射峰重叠,传感器反射光谱表现为单个反射峰。脉搏搏动产生的应变变化对传感光栅进行调制,导致传感光栅反射峰的中心波长产生偏移,进而导致传感器反射光的强度变化。通过对反射光的强度进行监测,即实现了脉象信息的测量和提取。实验中分别测试了健康男性青年和老年受试者,以及同一个健康男性受试者上午8时和下午8时的脉象信息。结果显示,传感器可有效提取不同受试者的脉象特征点,测试结果符合中医脉象理论。当环境温度变化时,级联光栅中两个光栅的反射峰以相同速率向同一方向偏移,传感器反射光谱的强度不变,因此该传感器不受环境温度影响。此外,该传感器具有结构简单、解调方便、成本较低等优点,在脉象测试中具有一定的应用潜力。
铌酸锂晶体结构对电场传感器灵敏度影响分析
雷鸿毅, 张家洪, 张元英, 王新宇, 陈志炎
2023, 52(2): 20220370. doi: 10.3788/IRLA20220370
[摘要](236) [HTML全文] (44) [PDF 1724KB](45)
铌酸锂晶体光学电场传感器为全介质结构,具有宽带宽、对被测电场干扰小的优点,但其灵敏度较低。因此,分析了晶体几何尺寸对传感器灵敏度的影响机理,得出通过增加沿外加电场方向的晶体尺寸同时减少晶体横截面上沿外加电场垂直方向的晶体尺寸来提高传感器的灵敏度。使用COMSOL仿真分析了铌酸锂晶体不同厚度、宽度、长度对晶体内部电场强度的影响,得出晶体厚度从15 mm减小到3 mm和宽度从3 mm增加到22 mm时,晶体内部电场强度分别提高约5.1倍和12.3倍;晶体长度从15 mm变化到55 mm时,晶体内部的电场强度变化仅约为5%。设计并研制出晶体尺寸分别为3 mm×3 mm×42.2 mm (x×y×z),3 mm×6 mm×42.2 mm (x×y×z),6 mm×6 mm×42.2 mm(x×y×z)的三只铌酸锂晶体电场传感器,并搭建工频电场测试平台,测试得出三只电场传感器的灵敏度分别为0.243 mV/(kV·m−1)、0.758 mV/(kV·m−1)、0.150 mV/(kV·m−1)。当晶体厚度和长度一定且晶体宽度从3 mm增加到6 mm时,传感器灵敏度提高3倍。当晶体宽度和长度一定且晶体厚度从6 mm减小到3 mm时,传感器灵敏度提高5倍。结合仿真与实验结果得出:在晶体长度一定时,可以通过设计使用宽度更宽、厚度更薄的晶体,研制出高灵敏度的电场传感器。
光学成像技术
Time-of-Flight透散射介质成像技术综述
王霞, 张艺馨, 赵雨薇, 金伟其
2023, 52(2): 20220318. doi: 10.3788/IRLA20220318
[摘要](296) [HTML全文] (94) [PDF 5798KB](111)
Time-of-Flight (ToF)成像是利用光在目标和相机之间的飞行时间来获取场景的深度信息,具有体积小、成本低、实时成像等优势。在散射环境中,由于散射介质对光的散射作用,ToF成像受到多径干扰的影响,深度测量误差较大,限制了ToF相机在散射场景中的应用。ToF透散射介质成像技术是校正因散射光引起的多径干扰效应,从传感器接收到的混叠信号中分离出目标分量,实现散射场景中的深度信息恢复,其在雾天自动驾驶、水下勘测、生物医学等领域具有广阔的应用前景。依据ToF成像系统的不同,详细介绍了PL-ToF和CW-ToF成像的基本原理,阐述和分析了散射场景中ToF稳态成像和瞬态成像的机理和特点,分别回顾和总结了ToF稳态成像和瞬态成像的透散射介质成像研究现状,并介绍了ToF透散射介质成像的应用前景,最后依据现有ToF透散射介质成像技术的优缺点,对未来发展趋势进行了展望。
星载遥感短波红外高速高光谱成像仪坏像元识别
刘永征, 杜剑, 安秦宇宁, 杨凡超, 张昕, 李洪波
2023, 52(2): 20220308. doi: 10.3788/IRLA20220308
[摘要](139) [HTML全文] (52) [PDF 2892KB](53)
为改善干涉成像短波红外高速高光谱成像仪的坏像元对复原光谱的影响,利用高光谱成像仪测试流程建立了坏像元识别模板,以提高坏像元识别效率。首先,按照高光谱成像仪测试流程设置增益模板和帧频模板并采集图像数据,依据正常像元增益响应设定合理判定阈值Th1,识别不同增益下异常像元并记录对应坐标值;再依据正常像元帧频响应灰度值设定合理判定阈值Th2,识别不同帧频下异常像元并记录坐标值。最后,对比增益模板和帧频模板判定的异常像元,融合确定坏像元。实验结果表明基于增益模板和帧频模板的识别方法在不增加设备研制测试成本的同时有效识别出短波红外高光谱成像仪探测器的坏像元,为可靠识别短波红外高光谱成像仪坏像元提供了一种低成本、高效可靠的新方法,提高了干涉成像高光谱成像仪光谱反演准确性。
光学设计
激光/红外双模环形孔径导引头光学系统设计
谢亚峰, 朴明旭, 唐金力, 赵渊明, 连文泽, 范杰平, 张博
2023, 52(2): 20220442. doi: 10.3788/IRLA20220442
[摘要](312) [HTML全文] (89) [PDF 2340KB](92)
为了实现激光/红外双模导引头成像系统的小型化,简化光学系统结构,设计了四次反射的双模共光路环形孔径超薄成像系统,研究了该系统的分光路设计原理,给出了遮拦比与视场角的关系,实现了仅有单一光学元件的长波红外7.7~9.5 μm和激光1.064 μm双模导引头成像系统。双模环形孔径系统在长波红外波段的焦距为70 mm、等效F数为1.3、全视场为8°、空间频率为41.7 lp/mm时各视场MTF值均大于0.136。双模环形孔径系统在激光波长的焦距为53.8 mm、等效F数为1、全视场为10°、全视场范围内的光斑分布均匀。在环境温度范围为−40~80 ℃时,长波红外波段各视场MTF值均大于0.13,激光波长的弥散斑形状和能量分布基本不变,实现了光学被动无热化。通过公差分析可知双模环形孔径系统具备可加工性。
利用水下平行光管测量水下相机成像分辨率
丁喆, 吴国俊, 吴亚风, 封斐, 刘博
2023, 52(2): 20220397. doi: 10.3788/IRLA20220397
[摘要](311) [HTML全文] (57) [PDF 1732KB](52)
水下光学成像是重要的水下探测方式。现有水下相机成像检测方法受到水体本身以及测量方法的影响,难以准确进行成像分辨率检测。提出了基于水下平行光管的水下相机成像分辨率检测技术,通过在水中产生平行光束,直接对水下相机成像分辨率进行检测。通过仿真得出:水下平行光管在水中可见光和空气中单波长的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)基本一致。利用这一结论,提出了水下平行光管空气中装调检测的方法。针对实验室所研制的一款水下相机开展实验测试,其在水中可见光与空气中635 m光源照明条件下的分辨率相同。实验结果表明,所提出的基于水下平行光管的水下相机成像分辨率检测方法可有效消除水体对分辨率测量的影响,实现水下相机成像分辨率的准确测量。
图像处理
附加增值条件的移动最小二乘法的点云孔洞修补
兰猗令, 康传利, 王宁, 杨佳乐, 陈进启
2023, 52(2): 20220390. doi: 10.3788/IRLA20220390
[摘要](159) [HTML全文] (55) [PDF 5391KB](43)
由于扫描设备局限或模型结构复杂等因素导致点云模型出现孔洞,这严重影响模型的后续处理。针对点云孔洞的修补问题,文中提出了一种附加增值条件移动最小二乘法的点云孔洞修补方法。首先提取封闭的孔洞边界,通过密度分析进行迭代切片,不仅削弱点云分布不均的影响,还提高模型细节特征的保留程度;再将离散群点投影至拟合曲面,投影点集二次拟合以获取拟合面节点,保证有足够的边界邻域节点为基础进行孔洞修补;最后利用附加增值条件移动最小二乘法对孔洞进行迭代修补,并对增值点云进行曲率约束,从而达到契合原始模型空间特征的重建。实验采用人为在四个点云模型上制造不同类型的孔洞,并与现有的四种方法进行对比,验证所提方法的有效性,结果表明,文中方法相较于现有的四种方法,完整率、准确率提高了1.83%以上,配准均方根误差与平均曲率均方根降低了68%以上,对比证明了文中方法对于点云模型孔洞具有较强的适用性,可为重建三维点云模型提供可靠信息。
倾斜影像辅助的无人机载LiDAR高陡边坡形变监测
杨耘, 江万成, 任超锋, 马正龙, 蒲禹池, 焦宇航
2023, 52(2): 20220373. doi: 10.3788/IRLA20220373
[摘要](222) [HTML全文] (59) [PDF 3546KB](53)
针对高海拔峡域地形地貌环境下基于轻小型无人机载LiDAR对高陡边坡激光点云扫描数据缺失导致DEM重建及形变分析精度低的问题,优化设计了一种垂直于山脊线、变高飞行的无人机点云/多视影像数据采集,以及影像密集匹配点云辅助下LiDAR三维激光点云的滑坡群DEM重建方案,实现了复杂地形地貌下LiDAR点云数据安全、高效的采集,改善了高陡边坡DEM重建及形变监测的精度和完整性。该方法基于迭代最邻近点算法,将倾斜影像生成的点云数据与同期获取的LiDAR点云数据配准和融合,实现了LiDAR点云数据缺失补偿,进而构建出完整、高精度的DEM,并与往期倾斜影像生成的DEM进行差分,对三个典型滑坡体进行了高程形变分析。以青海龙羊峡水电站的高陡边坡滑坡群为研究区,利用实测的GNSS地面控制点进行实验验证,得出结论:融合后的LiDAR点云精度为0.063 m,比融合前提高了0.018 m;重建的三个典型滑坡体的DEM高程精度为0.08 m,提升了边坡DEM重建的完整性和精度;对三个典型滑坡体2018、2021年两期高程形变分析,表明:滑坡群中多个边坡发生不同程度的土体滑动,高程方向的形变高达50多米,滑坡群形变量大。
联合NDRI特征和空间相关性的机载MS-LiDAR数据分类
王丽英, 有泽, 吴际, CAMARA Mahamadou
2023, 52(2): 20220376. doi: 10.3788/IRLA20220376
[摘要](149) [HTML全文] (49) [PDF 3007KB](36)
对比仅包含多光谱信息、仅可实现二维土地覆盖分类的传统光学遥感数据,机载多光谱激光雷达(multispectral light detection and ranging,MS-LiDAR)的优势在于同时包含多光谱和空间信息、可实现三维土地覆盖分类,但现有的机载MS-LiDAR数据的土地覆盖分类研究所需特征维度过高、算法复杂度高。因此,提出了一种整合空间相关性和归一化差分比率指数(Normalized Difference Ratio Index,NDRI)特征的逐步分类算法。该算法首先融合机载MS-LiDAR数据的多波段独立点云,获取兼具空间位置及其多光谱信息的单一点云数据;然后利用空间邻域增长下的地面滤波算法分离地面和非地面点;接着基于不同目标的激光反射特性差异设计将草地(树木)自地面(非地面)中分离的NDRI指数,并利用类间方差最大原则下的自适应最优NDRI指数实现地面和非地面点的精细分类;最后利用3D多数投票法优化分类结果。采用加拿大Optech Titan实测MS-LiDAR数据测试提出算法的有效性及可行性,实验结果表明:算法的平均总体精度和Kappa系数分别可达90.17%和0.861,可有效实现城区MS-LiDAR数据的三维土地覆盖分类;分步处理的方式更有利于针对具体的分离目标的特点设计简单且有效的规则,算法设计更简单、复杂度低;NDRI可为其他机器学习算法的显著性特征的设计和选择提供理论支撑。
简讯
国产保偏光纤实现5 kW级窄线宽激光输出
任帅, 马鹏飞, 陈益沙, 李魏, 王广建, 刘伟, 黄良金, 潘志勇, 姚天甫, 周朴
2023, 52(2): 20220900. doi: 10.3788/IRLA20220900
[摘要](296) [HTML全文] (76) [PDF 828KB](113)