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2022年  第51卷  第8期

特约专栏-散射成像与非视域成像
关于散射成像研究现状的一些思考(特邀)
刘红林
2022, 51(8): 20220261. doi: 10.3788/IRLA20220261
[摘要](173) [HTML全文] (26) [PDF 794KB](97)
透过散射介质的光学成像是人们长期追求但一直未能真正解决的问题。研究人员提出并发展了各种各样的方法和技术,从最早只利用弹道光的时间门和空间门技术,到后来利用了散射光的波前整形、散射矩阵测量和散斑自相关成像,再到近年热门的深度学习方法。尽管这些方法和技术都经过了毛玻璃、氧化锌薄膜、生物组织切片等薄散射介质的原理性验证,但随着介质厚度增加,所有方法和技术都迅速失效。厚度一直是难以克服的瓶颈。这篇评论归纳对比了散射成像的主要方法和技术,重新审视了经过散射介质波前被完全随机化等主流观点,分析了现有方法和技术无法透过厚散射介质成像的原因,并提出了未来有望真正解决问题的研究方向。
非视域成像技术分析与展望(特邀)
金欣, 杜东宇, 邓儒嘉
2022, 51(8): 20220305. doi: 10.3788/IRLA20220305
[摘要](252) [HTML全文] (43) [PDF 8112KB](125)
传统的光学成像技术受限于信息获取和处理方式,只能对视域范围内的目标进行成像。伴随着新型成像设备和高性能计算方法的发展,集光学成像、计算技术和图像处理于一体的非视域成像技术(none-line-of-sight,NLOS)使超越视域范围成像成为可能。文中依据成像机理的差异,将现有非视域成像技术分为三类:基于相干信息的方法、基于二维强度信息的方法和基于光子飞行时间的方法,详细分析了不同成像方法的原理及实现。同时将基于光子飞行时间的方法作为综述重点,在包含多类型目标和室内外场景的公共数据集中,定量比较了代表性方法的成像性能,并进一步设计搭建了阵列式非共焦瞬态成像装置,单曝光采集了真实场景中的非共焦瞬态图像,分析了典型非共焦成像方法在该成像架构下的重建能力。最后讨论了非视域成像技术的未来发展方向并展望了其应用前景。
基于光学相位共轭的数字化波前整形技术(特邀)
沈乐成, 梁瀚朋, 赵佳玉, 罗嘉伟
2022, 51(8): 20220256. doi: 10.3788/IRLA20220256
[摘要](186) [HTML全文] (41) [PDF 3084KB](70)
光在生物组织中传播时,会被微观尺度上不均匀的组织随机散射,这种现象严重制约了光学技术在生物医学中的应用。波前整形技术将散射过程当成一个确定性的过程,通过测量散射效应造成的相位延迟并利用空间光调制器进行逐点补偿,可以实现散射光的操控与重新聚焦。在各类波前整形技术中,基于光学相位共轭的数字化波前整形技术具有可调控自由度高、系统响应速度快等优点,最适宜与生物医学应用相结合,如生物活体成像、操控、治疗等。文中将重点关注基于光学相位共轭的数字化波前整形技术的发展,探讨该技术在应用研发中面临的主要技术瓶颈和挑战,并概述其应用开展情况。
基于散斑相关的宽视场成像技术研究进展(特邀)
席特立, 王毓植, 刘若玉, 赵梦泽, 樊增增, 梁文海, 孙杨帆, 刘金鹏, 相萌, 刘飞, 邵晓鹏
2022, 51(8): 20220322. doi: 10.3788/IRLA20220322
[摘要](124) [HTML全文] (47) [PDF 8558KB](82)
散射成像技术因具备透过生物组织等散射介质后清晰成像的能力而受到广泛关注。近年来,基于散斑自相关的成像方法以其非接触、无需先验信息且能够单帧成像的特点得到迅速发展。然而,散斑自相关成像受光学记忆效应的限制。当多个目标之间的距离在记忆效应范围之外时,基于散斑自相关的成像方法会导致目标自相关信息在相关域发生混叠,导致成像严重退化。文中在光学记忆效应及散斑自相关成像基本原理的基础上,首先介绍了基于散斑自相关和与散斑相关成像有关的其他散射成像技术。接着介绍了拓展光学记忆效应的主要技术及相关应用。最后总结了基于散斑相关的宽视场成像技术目前存在的问题,并对未来的发展应用进行了展望。
深度学习下的散射成像:物理与数据联合建模优化(特邀)
郭恩来, 师瑛杰, 朱硕, 程倩倩, 韦一, 苗金烨, 韩静
2022, 51(8): 20220563. doi: 10.3788/IRLA20220563
[摘要](337) [HTML全文] (104) [PDF 2627KB](92)
为了利用被散射的光信号实现成像,越来越多的散射成像方法被提出。其中深度学习以其强大的数据表征和信息提取能力在散射成像领域发挥着重要的作用。相较于传统散射成像方法,基于深度学习的散射成像方法在成像速度、质量、信息维度等方面都有着巨大的优势。但是,模型训练、模型泛化等问题也制约着该方法的发展。因此,越来越多的研究将物理过程与基于数据驱动的方法进行联合建模,利用物理先验指导神经网络优化。相较于单纯的数据驱动方法而言,物理-数据联合建模的方法对数据量、神经网络参数量的依赖程度大大降低,在保证成像质量的前提下有效降低数据获取难度及对实验环境的要求。联合建模优化的方式实现了介质、目标类型等散射成像中关键节点的泛化。同时在训练过程方面,实现了从有监督到半监督再到无监督的训练优化过程迭代,不同模型和监督方式的提出大大提升了基于深度学习方法的训练效率,在降低对硬件和时间成本的同时,提升了基于深度学习的散射成像方法在非实验室场景应用的可能性。
全息技术在散射成像领域中的研究及应用进展(特邀)
刘金鹏, 冯怡, 刘蕾, 相萌, 刘飞, 邵晓鹏
2022, 51(8): 20220307. doi: 10.3788/IRLA20220307
[摘要](105) [HTML全文] (18) [PDF 8019KB](65)
散射是光学成像中普遍存在的现象,成像路径中存在的烟雾、水体、生物组织等散射介质导致光束发生随机散射效应,使得像面处目标信息以杂乱无章的散斑形式存在,如何应对散射介质对成像的限制是当前光学成像领域的研究热点。全息技术能够记录和重建物体全部信息,是获取和解译光场信息的有力工具之一。近年来,传统全息以及相关全息理论被推广应用至散射成像领域,取得了一系列突破性成果,文中主要介绍与归纳了散射成像领域中应用全息技术的理论原理、发展历史及最新进展,并展望其发展前景。
基于相位共轭实现散射成像及光学幻像的双功能散射光调控方法(特邀)
和河向, 黎永耀, 黄锦圣
2022, 51(8): 20220266. doi: 10.3788/IRLA20220266
[摘要](107) [HTML全文] (19) [PDF 2978KB](49)
近年来,人们对散射光调控的研究取得了极大的进展,产生了许多有趣的应用。其中透过散射介质的成像和光学幻像是两个极为引人注目的方向,但它们不经常同时被研究。文中将深入探索散射光成像和光学幻像的内在联系,在此基础上提出一种新颖的双功能散射光调控方法以在同一实验装置中根据需求实现散射成像和光学幻像。通过优化光路,结合相位恢复技术检测散射波前,利用相位共轭技术和高分辨率的纯相位液晶空间光调制器可以实现补偿散射的影响或实现特定衍射波前的产生。该系统只需要数秒即可完成散射光调控,因此可以对变化缓慢的散射环境实现动态散射成像或对缓慢变化的物体实现稳定的动态光学幻像。理论分析和实验演示证实了该调控方法的可行性。这一散射光调控方法有望在浑浊介质中的光学成像、光学伪装、反侦察、复杂光场调控等领域找到潜在的应用。
浴帘效应的模型发展及应用扩展(特邀)
裴湘灿, 罗诗淇, 单浩铭, 谢向生
2022, 51(8): 20220299. doi: 10.3788/IRLA20220299
[摘要](117) [HTML全文] (21) [PDF 3046KB](55)
散斑(自)相关和波前调制等成像技术是克服非均匀介质散射影响的高效并重要的光学成像手段。而该类技术依赖于光学记忆效应,因此视场有限且动态介质会退化其成像质量。浴帘效应是一种常见且不受散射介质动态变化和视场限制的效应。近年来,随着多种计算成像技术的发展,浴帘效应也被融合到其他克服散射的成像恢复技术中并应用于不同散射成像场合,已经展现出相较传统散射成像技术的独特优势。文中概括浴帘效应的物理模型演变,从调制传递函数出发,综述光学厚度、孔径大小等因素对浴帘效应的影响,介绍浴帘效应和傅里叶域浴帘效应在散射成像领域的应用。讨论傅里叶域浴帘效应与其他基于相位迭代算法成像技术的区别与联系,展望其与其他计算成像技术结合的可能。
基于时间相关单光子计数的穿透成像激光雷达研究(特邀)
乔凯, 杨杰, 靳辰飞
2022, 51(8): 20220404. doi: 10.3788/IRLA20220404
[摘要](93) [HTML全文] (19) [PDF 2976KB](76)
激光雷达是一种能够快速获取目标三维信息的光学传感器,凭借精确定位与高效识别能力,其在军事侦察、无人驾驶、空间交会对接等领域发挥着越来越重要的作用。然而在浓雾、烟尘、海水等复杂的气候或环境下,传输介质对光场的强烈散射作用会造成传统激光雷达接收信号的严重退化,致使其性能迅速降低,甚至根本无法正常使用。针对该类环境下接收信号的退化特性,首先建立了Monte Carlo的Mie散射瞬态光场传输模型,接着通过计算机模拟仿真了传输光场的时域分布规律,针对该规律研究了时域信号去散射效应的滤波算法,最后在实验室搭建了基于时间相关单光子计数的穿透成像激光雷达系统,开展了雾气模拟环境下的成像实验,结果验证了该穿透成像激光雷达系统的处理方法对目标图像重构质量的提高具有较好的效果。该研究为激光雷达在复杂散射环境中的进一步应用提供了基础。
基于深度学习实现透过浑浊介质图像重构(特邀)
王志远, 赖雪恬, 林惠川, 陈福昌, 曾峻, 陈子阳, 蒲继雄
2022, 51(8): 20220215. doi: 10.3788/IRLA20220215
[摘要](109) [HTML全文] (14) [PDF 6276KB](46)
不同于毛玻璃等固态散射介质静止不变的特点,浑浊介质对光束的散射作用同时体现在空间及时间上,当浑浊介质动态变化时,大多数的传统散射成像方法失效。针对以上问题,文中采用了一种基于深度学习恢复散斑图像的方法,研究了浑浊介质中,不同散射介质及散射介质浓度不同的条件下,神经网络的图像恢复效果,并利用不同浓度散射介质获得的散斑图像混合训练测试神经网络的泛化能力。实验结果表明,在不同散射介质及散射介质浓度不同的条件下,该网络均能够根据散斑图像获得较高保真度的恢复图像,且在不同浓度散射介质的散斑图像混合训练的情况下,网络泛化能力及鲁棒性强。
多模光纤远端光场重建的采样方案(特邀)
甘雨, 刘红林, 高敬敬, 宋纯元, 张栩瑜, 韩申生
2022, 51(8): 20220072. doi: 10.3788/IRLA20220072
[摘要](85) [HTML全文] (21) [PDF 1857KB](38)
利用相位恢复算法可以从光纤近端的光强分布求解光纤远端的场强分布。光纤的响应可以用传输矩阵描述。实验上则是在不同的输入情况下对输出端的光强分布进行足够数量的采样来测量传输矩阵。显然,采样点的位置分布,包括采样点数目和间隔,影响着传输矩阵的测量,而相位恢复算法的精度和效率与传输矩阵有关。文中提出采样间隔应该大于出射散斑大小,以满足传输矩阵不同行的统计独立性,在保证图像重建质量的条件下减少采样点数,提高重建效率。实验结果表明,当采样间隔小于散斑大小时,相同的图像重建质量下,随着采样间隔的增大,光场重建所需的采样点数量明显下降。当采样间隔大于散斑时,所需的采样点数量变化缓慢,约为输入图像像素数量的3.5倍。采样间隔固定时,随着采样点数的增加,相位恢复算法消耗的时间先减小后增大,因此存在一个最佳的采样间隔与采样点数。
强散射背景下的图像感知、融合与可视化技术
王婷, 税渝阳, 梁浩文, 刘忆琨, 周建英
2022, 51(8): 20220418. doi: 10.3788/IRLA20220418
[摘要](84) [HTML全文] (15) [PDF 2321KB](61)
视觉信息是人类对周边环境进行感知的重要手段,光学成像和图像处理技术能大大扩展人类“视域”,使得人们获取图像的方式不局限于眼睛能见范围。散射效应导致光学成像装置的作用距离大幅下降,难以对远距离目标进行有效观测。人类对图像信息的感知,通常由对焦、校正和立体视觉形成,三个步骤互相耦合完成。其中,对焦和双目图像信息校正过程可以通过光学系统和数字图像处理的方法进行优化,提高强散射背景下的图像对比度,进而使得散射条件下的图像信息得以被感知和分析。然而,在目前技术条件下,机器立体视觉仍难以达到人类视觉水平,而人类视觉系统仍然是图像感知和分析的重要终端。可以预见,在低能见度条件下实现光学图像信息的精确获取与分析,仍需要实现人类视觉系统和机器的双重结合,发展包含人类视觉在内的立体视觉全局优化技术。主要介绍了在大气和水下浑浊条件下实现光学成像和实现图像融合的物理极限和关键影响因素,并展望人类的立体视觉在提高光学成像能力方面的作用。
激光器与激光光学
双变形镜对Yb:YAG板条激光器光束质量校正技术
李国会, 杜应磊, 徐宏来, 向汝建, 吴晶, 谢川林, 周志强, 刘章文, 向振佼, 张秋实
2022, 51(8): 20210800. doi: 10.3788/IRLA20210800
[摘要](55) [HTML全文] (17) [PDF 7679KB](24)
分析了Yb:YAG板条激光器波前畸变的基本特征,结合光斑形态和功率密度,提出了采用水冷式13单元一维变形镜和95单元二维变形镜相结合的双变形镜组合模式对Yb:YAG板条激光器的波前畸变进行闭环校正。针对输出激光的特征进行了校正需求分析和校正能力分析,以此为基础开展了一维变形镜和二维变形镜的仿真及优化设计,同步开展了哈特曼和高压驱动系统等硬件的研制。研制出的变形镜经受了满功率出光考核,验证了内循环冷却装置对水冷式变形镜的冷却效果,随后在闭环校正实验中,将激光器的开环光束质量β=9.03提升至闭环的1.98,验证了双变形镜组合模式的自适应光学系统对Yb:YAG板条激光器光束质量校正的能力。
高次谐波锁模飞秒掺镱光纤激光器的噪声情况
柏汉泽, 钟艺峰, 任炽明, 黄俊杰, 田劲东, 熊德平, 孙敬华
2022, 51(8): 20210779. doi: 10.3788/IRLA20210779
[摘要](58) [HTML全文] (12) [PDF 1918KB](22)
高重复频率的飞秒激光在高速激光测距和三维成像等领域有着非常重要的作用。其中基于飞秒光纤激光器的高次谐波锁模是获得GHz量级以上高重复频率脉冲的重要手段之一。基于含腔内光栅对色散补偿的非线性偏振旋转(NPR)锁模的掺镱(Yb)光纤激光器,在180 mW泵浦光时获得了稳定的143 MHz基频锁模脉冲序列,当泵浦光功率升至1 W时获得了最高20次谐波(2.86 GHz)锁模脉冲序列输出。系统地对比研究了基频锁模与高次谐锁模状态下,脉冲重复频率精密锁定后的艾伦偏差和相位噪声,7次谐波锁模状态下重复频率锁定精度能够保持在10−13 Hz@1 s的稳定度,为高次谐波锁模飞秒激光脉冲序列用于精密测量提供了实验依据。
中红外量子级联激光器偏振合束实验研究
王珂, 蔡军, 丁宇, 胡启立, 张乐
2022, 51(8): 20210679. doi: 10.3788/IRLA20210679
[摘要](70) [HTML全文] (10) [PDF 1137KB](24)
合束是实现量子级联激光器高功率输出的关键技术,基于激光的偏振特性,研究了偏振合束的实验原理及实验方法。使用线栅偏振片和中波半波片组成偏振合束装置,对两路4.05 μm量子级联激光器进行偏振合束,测试了中波半波片对4.05 μm激光的透过率以及中波线栅偏振片对4.05 μm激光透射率和反射率与入射角的关系,通过实验研究,当透射路光束和反射路光束与线栅偏振片的夹角为30°时,透射路的透射率为81%,反射路反射率为91%,其光束合束效率达到约86%,并使用光束质量分析仪对合束之后的光束质量进行测试分析。结果表明:两路光束通过该合束装置合束之后,在保证合束效率的条件下,具有较好的光束质量。
基于多元线性阵列探测器的飞秒激光成丝光声图像重建
曾庆伟, 刘磊, 胡帅, 李书磊, 陈鸣
2022, 51(8): 20210774. doi: 10.3788/IRLA20210774
[摘要](57) [HTML全文] (8) [PDF 3938KB](23)
为了实现对飞秒光丝内部空间结构特征的精细化描述,通过对光丝诱导形成超声信号的正向传播过程进行精细化模拟,然后采用通用反投影算法(UBP)、延迟叠加算法(DAS)和超优光声非负重构算法(SPANNER)等多种光声层析图像重建算法进行反向重建,理论验证了利用多元线性阵列探测的方式重建飞秒单丝和多丝轴向r-z截面图像的可行性。结果表明,当探测距离为3 mm时,单丝和多丝诱导形成的超声信号最大频率约为5 MHz;光声层析法能够较为准确地实现对单丝位置、r-z截面轮廓等信息的反演,但是不同图像重建算法重建效果差异较大。UBP重建算法对单丝的重建存在较为明显的伪影现象;DAS重建算法由于受到“有限孔径效应”的影响,高估了光丝的直径;SPANNER重建算法由于使用最优理论来改进非线性共轭梯度算子,实现了非负性和各向异性总变分正则化,可有效避免噪声干扰,因而对多丝图像的重建效果最好。该研究结果对于揭示光丝结构特征和促进基于光丝的大气应用研究具有一定的参考价值。
一种适用于古建筑建模的全波形高光谱激光雷达设计与实现
邵慧, 撒贝宁, 李伟, 陈育伟, 刘璐, 陈杰, 孙龙, 胡玉霞
2022, 51(8): 20210786. doi: 10.3788/IRLA20210786
[摘要](117) [HTML全文] (24) [PDF 1679KB](31)
为了获取古建筑完整的空间结构、历史演进及其健康状态等特征信息,研制了一种全波形的高光谱激光雷达系统(HSL)。该系统同时获得目标的空间三维信息和光谱信息,用于古建筑空间和状态特征的建模。利用超连续谱激光器和声光可调滤波器(AOTF)作为发射单元,实现550~1050 nm的连续光谱波长范围内101个光谱通道采样,并利用5 GHz/s高速采集卡完成主波和回波全波形数据采集。设计了静态单点测试和zigzag单点扫描相结合的双模式分步扫描方案,保证三维空间和光谱信息的准确获取。在实验室环境下,对HSL系统反射率稳定性、信噪比以及扫描精度进行了分析测试。利用三维空间和超连续的高光谱信息对古建筑构件样本建模进行验证,并采用随机森林(RF)多分类方法实现不同古建筑构件木种材料的分类。结果表明,HSL系统能够同时获得空间三维信息和连续光谱信息,满足古建筑空间和状态特征建模的信息采集的需求。
基于视觉、LiDAR与IMU的实时无人车里程计研究
赵耀忠, 咸金龙, 高巍
2022, 51(8): 20210651. doi: 10.3788/IRLA20210651
[摘要](92) [HTML全文] (18) [PDF 1902KB](35)
视觉/LiDAR里程计可以根据传感器数据对无人车在多个自由度上运动的过程进行估计,是无人车定位建图系统的重要组成部分。文中提出了一种使用视觉、LiDAR和IMU进行信息融合的里程计,支持多种运行模式和初始化方式。前端部分采用了改进后的ICP CUDA算法进行激光点云配准,利用光流法对视觉特征进行跟踪,并利用激光点云数据对视觉特征的深度进行估计。后端部分采用了基于滑动窗口的图优化模型,并为视觉和LiDAR关键帧创建状态节点,以前端结果作为量测,将相邻状态节点通过预积分因子关联。文中方案实验结果表明:在城市场景系统平均相对位移精度为0.2%~0.5%,系统全量传感器运行模式(VLIO模式)整体要比关闭视觉的模式(LIO模式)和关闭LiDAR的模式(VIO模式)精度高。文中提出的方法对于提高无人车定位建图系统的精度有着积极意义。
基于摆镜技术提高测距成功概率的方法研究
李鹏飞, 翟东升, 李祝莲, 李语强
2022, 51(8): 20210732. doi: 10.3788/IRLA20210732
[摘要](61) [HTML全文] (8) [PDF 1995KB](28)
深空激光测距受距离遥远、大气损耗等因素影响,地面站接收到的回波光子数非常稀少,因此,研究增加回波光子数的方法对提高系统测距成功概率具有重要的意义。文中在云南天文台1.2 m望远镜激光测距系统发射光路中增加摆镜,通过快速高精度控制激光光束传播方向的方法搜索回波光子数较多的指向位置。首先设计了摆镜扫描系统,然后对系统进行仿真分析,模拟系统出射光束偏转角度和能量分布随摆镜偏转角度的变化情况以及利用摆镜进行搜索的效果,最后对测距卫星进行实际观测试验。测量得到系统使用的二维摆镜的最小分辨率为0.2″,经激光发射系统扩束后,可以实现最小0.005″的搜索步长,控制频率在100 Hz以上。实际观测结果表明,使用摆镜提高回波率的方法是有效的,并且目标轨道高度越高效果越明显,因此可应用于深空目标激光测距系统。
激光摆动路径对钢/铝点焊接头组织与性能的影响
巴一, 韩善果, 杨永强, 郑世达, 师文庆
2022, 51(8): 20210799. doi: 10.3788/IRLA20210799
[摘要](65) [HTML全文] (15) [PDF 3434KB](18)
钢、铝两种材料因为物理性能和化学成分上存在较大差异,导致钢铝焊接成为难点。为了得到高质量的钢/铝接头,采用7种激光扫描路径对DP780双相钢和5083铝合金两种金属进行搭接点焊试验。研究激光扫描路径对钢/铝接头宏观形貌、金相组织、显微硬度和剪切强度的影响。结果表明:扫描路径的变化对接头的影响较大,相比于常规焊接,摆动焊接的接头具备更好的连接质量,焊缝表面成形效果更好;钢/铝接头主要由马氏体和铁素体组成,使用激光摆动点焊的接头晶界明显,在马氏体和铁素体交界处有少量的片状珠光体,且焊缝各处的晶粒种类无较大差异,因此焊缝各处力学性能相同,减少受力后,出现应力集中的现象;摆动点焊钢/铝接头的力学性能得到提升,钢侧接头的最大显微硬度可达450 HV,是常规的1.06 倍,剪切强度为83 N/mm,是常规焊接的2.12 倍。
水下目标物三维激光重建方法研究
孙茜, 薛庆生, 张冬雪, 白皓轩
2022, 51(8): 20210693. doi: 10.3788/IRLA20210693
[摘要](107) [HTML全文] (13) [PDF 1689KB](40)
文中提出了一种水下线激光的三维重建系统,由相机、绿色线形激光器和转台组成,通过对系统扫描获得的图像进行分析与处理,实现对目标区域的三维重建。采用边缘检测算法与基于极值法的高斯拟合法相结合的条纹中心提取算法,利用坐标转换公式,得到相应的三维点云坐标。点云处理方面,将alpha shapes边界提取算法和Delaunay三角剖分相结合,实现对点云的滤波与重建。针对实验中由于光线在不同介质表面折射造成的视角误差问题,提出了一种折射校正算法,并用已知尺寸的标准球进行了误差实验。结果表明,在500~1200 mm的工作距离内,系统可以实现对水下目标物体及区域的三维形貌还原,重建误差小于0.6 mm,满足设计要求,为水下三维重建技术提供新的参考。
低气压下激光诱导击穿有机爆炸物的光谱特性
付林, 李业秋, 甄佳, 程德华, 李倩, 岱钦, 乌日娜
2022, 51(8): 20210720. doi: 10.3788/IRLA20210720
[摘要](41) [HTML全文] (5) [PDF 1306KB](17)
在恐怖袭击中,爆炸袭击为最常见的恐怖袭击方式,爆恐袭击已经严重威胁公众的日常生活,因此对爆炸物的检测越来越受到关注。通过激光诱导击穿光谱技术在空气和低气压条件下分别对RDX和TNT两种有机爆炸物进行检测,检测到原子谱线和分子谱线两种特征谱线,发现CN (421.3 nm)和C2 (516.2 nm)是有机爆炸物最有研究价值的两条谱线。研究结果表明:谱线强度与样品分子式比以及分子结构有关,分子谱线比原子谱线更具有研究价值。与空气条件相比,低气压环境下RDX的相对标准偏差由5.1 %降低到1.8 %,TNT的相对标准偏差由15.7 %降低到2.7 %,低压环境可以有效提高LIBS检测有机物光谱的分析精密度,增加光谱分析准确性,为LIBS对有机爆炸物的检测和分析精密度提高提供了帮助。
红外技术及应用
挡板构型对直升机红外抑制器气动与红外辐射特性影响研究
陈苏麒, 单勇, 张靖周, 杨宗耀
2022, 51(8): 20210659. doi: 10.3788/IRLA20210659
[摘要](89) [HTML全文] (17) [PDF 3303KB](22)
设计了一种具有引射结构的挡板用以遮挡红外抑制器内部高温部件,同时挡板结构引射环境冷气对其自身表面降温,以大幅度降低红外抑制器红外辐射。采用数值模拟的方法研究了弓形挡板构型对红外抑制器气动性能、温度场与红外辐射强度空间分布的影响。结果表明:与无挡板结构(Case0)相比较,挡板结构将二元引射喷管的引射系数提高115%,红外抑制器的热混合效率增加273%,但红外抑制器总压恢复系数降低7%,红外抑制器3~5 μm波段壁面和气体辐射强度峰值分别降低46%和72%。与单层弓形挡板(Case1)结构相比,设计较优的双层弓形挡板(Case3)可以引射环境冷气,引射系数达到0.1左右,并将其冷端表面平均温度从638 K降低到415 K,红外抑制器3~5 μm波段壁面辐射强度峰值降低84%,气体辐射强度峰值降低80%。总体来看,弓形挡板冷端表面温度受双层弓形挡板内部引射气流、弓形挡板冷端下游滞止涡和二元混合管窄边出口附近的回流冷气三者共同影响。
点目标成像红外遥感器探测信噪比测试研究
李晓曼, 胡斌, 何嘉亮, 葛建云, 周吉, 徐冰
2022, 51(8): 20210929. doi: 10.3788/IRLA20210929
[摘要](77) [HTML全文] (4) [PDF 1283KB](57)
针对遥感器真空低温测试需求,设计并搭建了一套能够在低温真空环境中稳定工作的红外目标背景模拟器,模拟器主要由冷光阑、真空低温面源黑体、三维电移台三部分组成,冷光阑模拟探测背景,冷光阑上分布微孔用于模拟探测点目标。通过有效控制目标模拟器与背景模拟器间的隔热、控温以及背景模拟器与待测遥感器之间的隔热,实现稳定测试。另外,将仿真优化与实践经验相结合,通过仿真计算去除模拟器冷光阑板厚度、目标相位、平行光管等的影响,有效降低系统测量不确定度。文中的仿真分析方法和验证情况对于红外遥感器点目标探测信噪比检测试验具有参考意义。
自动目标识别在图像末制导中的应用
陈咸志, 罗镇宝, 李艺强, 陈陶
2022, 51(8): 20220391. doi: 10.3788/IRLA20220391
[摘要](127) [HTML全文] (36) [PDF 2996KB](55)
实现图像末制导导弹发射后不管和远程精确打击,自动目标识别的工程化应用是关键技术。概述了国内外精确制导武器自动目标识别的发展历程、识别方法、技术水平和应用效果等现状,分析了基于目标特征和模板匹配的识别方法与应用场景,指出了两类经工程化验证有效的自动目标识别方法,梳理了任务规划、主要执行内容、规划质量对不同识别方法的影响等自动目标识别流程。为了适应未来精确制导武器智能化发展需求,深度学习识别技术工程化应用成为了新趋势,针对解决好深度学习算法效率与应用精度的平衡问题,重点分析了网络剪枝、权值量化、低秩近似和知识蒸馏等实时加速推理关键技术;针对网络模型训练,提出了有效解决训练样本不足或军事目标样本获取困难等问题的思路。随着多波段、多模复合制导技术的广泛应用,信息融合为目标识别的工程化应用提供了新技术途径。如何适应各种复杂场景和人工主动干扰是图像末制导面临的重大挑战,阐述了在干扰条件下目标识别鲁棒性,是自动目标识别技术在图像末制导应用中需要迫切解决的工程化问题。
时序平滑多尺度叠加动态红外云场景仿真
吴双, 李超, 高传卫, 佟岐
2022, 51(8): 20220656. doi: 10.3788/IRLA20220656
[摘要](56) [HTML全文] (11) [PDF 2494KB](22)
天基红外观测场景中云场景具有几何结构动态变化复杂、尺度变化随机、辐射动态变化不确定的特点且与天基动态探测链路耦合,对系统探测效能造成极大影响。因此,开展云场景仿真方法研究对天基红外光学卫星系统设计具有非常重要的意义。针对传统仿真方法在大尺度动态云图像仿真应用中计算效率低、占用内存大的问题,提出了一种基于时序平滑多尺度叠加方法的动态云图像仿真方法,在基于多尺度叠加算法进行云层整体位置移动仿真的基础上,利用帧间插值的方法实现动态云层形状结构变化,计算效率提高10倍以上,真实模拟云场景的整体移动与内部变化,实现大尺度动态云图像的仿真。
基于分类器决策融合的红外图像目标识别方法
廖辉传, 赵海霞
2022, 51(8): 20210725. doi: 10.3788/IRLA20210725
[摘要](62) [HTML全文] (12) [PDF 1293KB](29)
提出基于分类器决策融合的红外图像目标识别问题。采用稀疏表示分类(Sparse representation-based classification,SRC)和卷积神经网络(Convolutional neural network,CNN)作为基础分类器。对于测试样本,首先基于SRC进行分类,并根据输出的决策变量判断决策可靠性。当判定识别结果可靠时,则识别过程结束,输出目标类别。反之,根据SRC的结果遴选部分置信度较高的候选类别,并在下一阶段针对这一步类别采用CNN进行确认分类。此外,将CNN的输出结果与SRC进行线性加权融合处理,根据融合结果做出最后的目标类别决策。提出方法通过综合SRC和CNN两者分类器的优点,综合提升红外目标识别性能。同时,这种层次化的决策融合方式避免了对所有样本的两次分类过程,整体上能够保证识别算法的效率。实验采用五类日常生活中常见的车辆目标红外图像进行,分别设置了原始样本条件、噪声样本条件以及遮挡样本条件。通过与部分现有方法进行对比,结果反映了提出方法的有效性和可靠性。
基于改进加权增强局部对比度测量的红外小目标检测方法
鲁晓锋, 柏晓飞, 李思训, 王轩, 黑新宏
2022, 51(8): 20210914. doi: 10.3788/IRLA20210914
[摘要](79) [HTML全文] (11) [PDF 2411KB](35)
红外弱小目标检测技术是红外搜索与跟踪系统的重要组成部分(IRST)。一般来说,在复杂背景环境下,红外弱小目标检测往往会有高虚警率和低检测率的问题。为了解决这一问题,提出一个改进的加权增强局部对比度测量(IWELCM)检测框架,具有重要意义。首先,通过将局部对比度机制与信杂比(SCR)的计算相结合,提出一个增强的局部对比度测量方法,在增强图像中疑似红外弱小目标区域的同时也提高图像的SCR。其次,通过利用红外图像中弱小目标的特性,以及目标与周围背景的统计差异,提出一个改进的加权函数来进一步增强目标和抑制背景。最后,采用一个自适应阈值分割的方法去获取检测的目标。在不同场景的数据集上的对比实验表明,与七种现有流行的方法相比,提出方法在复杂背景下能够有效地从干扰对象中提取真实的红外弱小目标,具有更好的检测性能。
并行多特征提取网络的红外图像增强方法
庞忠祥, 刘勰, 刘桂华, 龚泿军, 周晗, 罗洪伟
2022, 51(8): 20210957. doi: 10.3788/IRLA20210957
[摘要](92) [HTML全文] (23) [PDF 3585KB](40)
为解决低质量红外图像细节模糊、对比度低等问题,提出了并行多特征提取网络的红外图像增强方法,设计了结构特征映射网络和双尺度特征提取网络。结构特征映射网络用于建立全局结构特征权重,以保持原始图像的空间结构信息。双尺度特征提取网络采用多尺度卷积层和融合多空洞卷积的注意力,增强网络对上下文信息的关注力,提升网络对感兴趣区域的特征提取能力,同时学习不同尺度的特征信息,完成双尺度间信息的交换,生成目标增强映射,实现目标区域细节纹理自适应增强。实验证明,所提方法能有效提高对比度,避免过增强,丰富图像细节纹理,减少伪影和光晕现象,在BSD200数据集上的PSNR与SSIM较典型的传统方法和深度学习方法分别提升了约37.35%、2.1%与25.94%、3.15%,在真实红外数据集上分别提升了约30.62%、1.04%与24.83%、2.08%,且对不同对比度因子的低质量图像,文中方法也具有良好的增强效果。
光电测量
基于3D打印技术的眼科OCT设备计量校准装置研制
段亮成, 刘文丽, 秦晓雯, 崔涛, 李修宇, 赵峻邦, 马祥, 胡志雄
2022, 51(8): 20210789. doi: 10.3788/IRLA20210789
[摘要](67) [HTML全文] (16) [PDF 1834KB](24)
为了评估眼科光学相干断层成像(OCT)设备的分辨率、视场角、图像匹配度、深度测量准确性等多个关键参数,确保设备输出量值的准确性与有效性,设计并研制了一种模拟真实人眼结构且参数可溯源的模拟眼,包含角膜和晶状体等人眼主要屈光结构。设计并依托3D打印技术加工了用于横向与轴向分辨率检测的三维分辨率板;设计加工了用于视场角检测的阶梯状同心圆环结构;同时设计加工了用于图像匹配度检测的交叉光纤组件和用于深度测量准确性参数检测的平行玻璃板组件,可适配于模拟眼眼底凹槽内。使用共焦拉曼显微镜对三维分辨率板尺寸溯源,横向和轴向最小可检测分辨率分别为9.7 μm和5.7 μm;使用尼康投影仪对同心圆环尺寸及光纤直径溯源,最大可检测视场角109.03°以及最小62.5 μm的图像匹配度检测;使用尼康高度计对平行玻璃板中心厚度溯源,其测量不确定度小于5 μm。经过对商用眼科OCT设备测试表明,结合微纳3D打印技术的计量校准用模拟眼具有精度高、集成度高、适用范围广、稳定性强等优点,适用于眼科OCT设备的计量校准。
基于最优背景估计的星敏感器抗杂散光星点提取方法
万晓伟, 王刚毅, 魏新国, 曹政, 张广军
2022, 51(8): 20210780. doi: 10.3788/IRLA20210780
[摘要](67) [HTML全文] (15) [PDF 1317KB](25)
研究了杂散光干扰下星敏感器星点提取问题。在杂散光干扰下,星点提取的效果会变差,这会使解算的姿态不准确和不可靠。为了抵抗杂散光干扰,提出了一种基于最优背景估计的抗杂散光星点提取方法。首先,分析了杂散光在星敏感器中的成像特点,构建了杂散光的具有闭合解的曲面模型;然后,设计了基于最优曲面的杂散光背景估计方法和星点提取方法;最后,采用仿真的杂散光图像和星敏感器采集的杂散光图像验证了算法的性能。实验结果表明:该方法得到的星点检测率、误检率和质心定位精度均优于现有基于背景和形态学的方法,该方法对杂散光有较好的抑制能力。
工业气体泄漏红外成像检测及差分光谱滤波检测方法研究
袁盼, 谭竹嫣, 张旭, 金伟其, 孙秉才, 翁静, 李力
2022, 51(8): 20210714. doi: 10.3788/IRLA20210714
[摘要](58) [HTML全文] (11) [PDF 4443KB](34)
以石油天然气为代表的工业气体已深入到人们生活和生产过程中,工业气体泄漏成为当前工业生产、交通运输等领域发生重大灾害的现象之一,同时甲烷排放也成为我国“碳排放”达标战略目标的主要指标,快速有效的气体泄漏检测技术和仪器成为当今国内外研究的重点。随着近年来非制冷红外焦平面探测器性能的提高,其低成本、长寿命和高可靠性能满足工业气体泄漏红外成像检测昼夜连续工作的应用需要,并发展出多种气体泄漏红外成像检测模式。在分析不同工业气体泄漏红外成像检测模式的基础上,设计并研制了基于差分光谱滤波的工业气体泄漏红外成像检测实验系统,分析提出了五个需要重点研究的视频图像处理方法,给出了相关的处理模型或典型处理示例。试验结果表明该成像检测模式具有较高的灵敏度,是一种有效的气体泄漏红外成像检测技术。
运动物体大气扰流可视化光学监测实验研究
张月, 王旭, 苏云, 张学敏, 郑国宪
2022, 51(8): 20210793. doi: 10.3788/IRLA20210793
[摘要](69) [HTML全文] (16) [PDF 1601KB](24)
利用运动物体高精度大气扰流检出方法,以散斑图像及多类卫星图像为背景,对高压气流冲击下飞机缩比模型形成的大气扰流情况开展了实验研究。验证了不同背景图像分辨率、不同背景类型条件下,大气扰流可视化光学监测方法可检出大气扰流折射率梯度为10−6。并通过可直接显示大气扰流信息的传统纹影成像实验,获得相同工况条件下大气扰流信息,通过对比分析,得出利用大气扰流可视化方法获取的大气扰流信息与直接显示的大气扰流信息分布及细节都相同,从而直接验证了卫星图像背景条件下大气扰流可视化光学监测方法检出大气扰流结果的正确性。文中成果验证了实验室条件下运动物体大气扰流可视化光学监测方法的正确性及大气扰流的检出精度。
激光雷达轴系摩擦力矩检测设备自更新控制算法及验证
杜玉红, 刘通, 李巍, 赵地
2022, 51(8): 20210591. doi: 10.3788/IRLA20210591
[摘要](69) [HTML全文] (10) [PDF 1349KB](20)
对测量激光雷达轴系动摩擦力矩数据波动较大、重复测量精度低等问题开展研究,将基于测试主轴控制系统构建的数据云与GA-BP算法进行融合,提出了激光雷达轴系摩擦力矩检测设备自更新控制算法。以测试主轴的实际转速、理想转速、转速误差和转速误差变化率构建数据云,使用密度及距离信息实现数据的添加和删除,通过GA-BP算法实现在线控制参数的整定。以激光雷达轴系摩擦力矩测量设备测试主轴和被测轴系为研究对象,通过仿真实验证明该方法与使用Z-N-PID算法的控制系统相比,提高了系统抗干扰性。通过激光雷达轴系动摩擦力矩检测设备进行摩擦力矩检测,实验结果表明,所提出的自更新控制算法相比于Z-N-PID算法平均过冲量降低了12.77%,稳定后数据标准差降低了5.00%~40.63%,重复测量误差降低了24.20%~71.66%。
智能化无人机入侵检测与跟踪拦截系统设计与实现
樊宽刚, 雷爽, 别同
2022, 51(8): 20210750. doi: 10.3788/IRLA20210750
[摘要](126) [HTML全文] (32) [PDF 2519KB](36)
近年来民用无人机领域发展迅猛,导致无人机“黑飞”事件频出,给国家安全及社会稳定带来了不小的挑战,迫切需要发展反无人机技术。对此,提出一种跟随式定向干扰方案,设计了一套基于视觉的无人机入侵检测与自动跟踪拦截系统。采用HOG+非线性SVM方案来识别无人机,加入ViBe运动目标检测算法来提高识别速度,并通过KCF算法实现无人机目标跟踪。设计制作无人机拦截系统的硬件设备主要包括跟踪伺服系统、底座和托盘等。实验表明,该系统的识别准确率达到90.54%,识别速度为20.56 fps,拦截平台能够在0.5 s内实现对目标无人机的瞄准,跟踪效果良好。在搭建的实物平台上进行系统测试,结果表明,该系统可实现对入侵无人机的运动检测、识别、跟踪与干扰,且识别准确率高,实时性好,能够对入侵的无人机进行自动拦截。
单目结构光测量中参数自适应标定方法
李茂月, 肖桂风, 蔡东辰, 赵伟翔
2022, 51(8): 20210778. doi: 10.3788/IRLA20210778
[摘要](81) [HTML全文] (25) [PDF 3218KB](27)
针对结构光测量时手工调节相机参数易导致图像质量的随机性,进而导致标定精度的下降及调参环节重复繁琐的问题,提出了一种结构光测量的相机标定自适应调参方法。首先,设计了一套相机自动调参装置,根据三个调参环调节时的图像变化机理,选取标定板面积占比、图像清晰度及图像对比度三个参数,分别定义焦距调节环、对焦环及光圈调节环。其次,为实现相机的高精度标定自适应参数调节,针对传统Brenner函数的缺陷,通过一种改进的Brenner自动阈值函数,实现对图像清晰度的精确快速对焦,并对标定板图像感兴趣区域的前景与背景进行分割,计算图像对比度,根据标定的重投影误差,确定标定相机的最优调节区间,以自适应调参搜索控制方法进行标定参数调节。最后,为提高自适应标定调参时电机的搜索定位速度,建立了调参函数模型,并通过物距及像素长度自适应计算焦距。三维测量调参实验表明,相比于手工标定,基于提出的调参方法能在5 s内实现自动调参,且重投影误差减少66.57%。
基于自适应插值滤波的室内环境高速重建系统
刘今越, 马旭哲, 崔月盟, 薛路明, 李铁军
2022, 51(8): 20210625. doi: 10.3788/IRLA20210625
[摘要](45) [HTML全文] (5) [PDF 2404KB](15)
针对室内环境重建过程中的光源干扰,以及相移条纹投影过程中因产生Gamma变换造成相位展开时包裹相位周期与格雷码级次周期无法保持严格一致,从而出现相位值跳变的问题,提出一种基于自适应插值滤波的抗全局光照重建方法,并利用高速投影方式将光源干扰的影响程度降低。首先向被测环境表面投影二值离焦相移条纹与高频格雷码条纹,利用希尔伯特变换以及高频解码方法求解展开相位;其次运用自适应插值滤波算法对存在跳变的展开相位进行修复;最后还原被测物体的形貌特征。通过分析跳变点类型针对性地对其进行插值滤波,消除相位跳变、避免重复相位的产生。与传统全局中值滤波方法相比较,笔者的方法可以在精度更高的条件下同时将效率提高90%,达到了高速高质量室内环境重建的目的。
三轴机载光电系统的模糊滑模鲁棒控制方法
雷根平, 刘婷婷
2022, 51(8): 20210580. doi: 10.3788/IRLA20210580
[摘要](47) [HTML全文] (4) [PDF 1465KB](15)
为了克服机体振动和气流扰动对三轴机载光电系统对准精度的影响,提出了一种模糊滑模鲁棒控制方法。首先根据坐标转换关系建立了三轴机载光电系统的数学模型,然后引入模糊算法准确估计干扰大小,并设计了模糊滑模鲁棒控制律,最后给出了稳定性分析,能够确保三轴机载光电系统对目标方位的高精度跟踪。仿真结果表明:提出的方法与分数阶控制方法相比,表现出了更优的控制效果,可在300 ms内稳定跟踪指令信号,最大干扰估计误差仅为0.2 N·m,且具有更高的控制精度,对俯仰角、滚转角和航向角的最大跟踪误差分别仅为0.5°、0.7°和0.4°,大幅提高了三轴机载光电系统的对准精度。
光通信与光传感
线性啁啾光纤光栅局部点加热光谱特性的研究
任丽, 孙博, 马丽, 冯晓强, 白晋涛
2022, 51(8): 20210708. doi: 10.3788/IRLA20210708
[摘要](37) [HTML全文] (8) [PDF 2006KB](12)
对线性啁啾光纤光栅(LCFBG)进行局部点加热时,在不同加热温度、加热宽度和加热位置情况下的输出光谱特性进行了研究。通过数值模拟发现,改变栅区局部加热点的温度和宽度,对透射禁带中窄带透射峰的透射率有较为明显的影响,其透射峰的中心波长也将会发生一定的漂移;透射峰的中心波长与栅区局部加热点的位置存在线性对应关系,且透射峰波长变化范围可覆盖整个透射禁带;LCFBG啁啾系数的大小,决定了改变加热位置导致的透射峰波长的调谐速率。基于理论研究结果,以热敏打印头的加热阵列为加热源,对LCFBG栅区进行局部点加热时的输出光谱特性进行了实验研究,得到了重复性和稳定性都较好、可多波长调谐的窄带透射峰。在实验误差范围内,实验结果与数值模拟得到的结论较为一致。
基于光纤传感的智能安防报警系统设计与开发
管立伟, 卢宇, 何志杰, 陈曦
2022, 51(8): 20220028. doi: 10.3788/IRLA20220028
[摘要](66) [HTML全文] (15) [PDF 1592KB](16)
针对现有安防传感系统高能耗、易受电磁干扰、成本高和铺设困难等缺陷,提出了一种低能耗、高灵敏度、不受电磁干扰的智能光纤传感安防报警系统。系统传感器采用微弯型阶跃光纤结构,在分析微弯光纤传感器光能损耗与谐振频率相对折射率差函数关系的基础上,优化了传感单元的结构参数。实验首先对干扰抑制算法进行测试,从波形分布看出,采用本算法后噪声得到了大幅抑制。在此基础上,又采用系统对不同伪目标干扰进行了测试。选用功率为2.5 mW的650.0 nm激光器、光纤功率计、微弯光纤架和纤芯9 μm的微弯光纤传感器搭建了光纤微弯传感实验,对4种不同安防状态的光电响应特征进行了分析。结果表明,针对不同干扰类型只要采用相应的信号分析手段就能有效降低系统误识别的概率。由此可见,光纤微弯传感系统具有高灵敏、低能耗、抗干扰等优势,满足设计要求,在智能安防领域具有很好的应用前景。
基于Bragg光栅的超高消光比SOI波导偏振器设计
毛玉政, 陈亚婧, 朱京平
2022, 51(8): 20210713. doi: 10.3788/IRLA20210713
[摘要](63) [HTML全文] (12) [PDF 1834KB](19)
波导偏振器是片上集成相干光学系统中的关键器件之一,超高消光比、低损耗、紧凑型波导偏振器的设计一直是研究的热点。基于绝缘体上硅平台的倾斜Bragg光栅被用于实现超高消光比波导偏振器结构。利用一维光子晶体能带理论分别计算TE和TM模式光的能带结构分布,选择TE模式禁带与TM导带重叠带隙设计光栅,可实现TM模式低损传输,而TE模式被Bragg光栅高效反射,从而产生超高偏振消光比。3D FDTD仿真表明:16 μm倾斜Bragg光栅波导偏振器可在中心波长1550 nm附近70 nm的带宽内,实现大于37 dB的超高消光比,器件的损耗小于0.64 dB;进一步增加光栅周期数,当长度为25 μm时,消光比可提高至46 dB。Bragg光栅倾斜角与刻蚀宽度偏差仿真表明:设计的结构加工误差容限较大,同时该结构仅需一次曝光刻蚀,工艺流程简单。
空间光波前畸变校正中SPGD方法的自适应优化
赵辉, 邝凯达, 吕典楷, 余孟洁, 安静, 张天骐
2022, 51(8): 20210697. doi: 10.3788/IRLA20210697
[摘要](67) [HTML全文] (34) [PDF 2624KB](20)
为了提高传统随机并行梯度下降 (Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD) 算法校正波前畸变的性能,提出了一种基于AdaBelief优化器的新型SPGD优化算法。该算法将深度学习中AdaBelief优化器的一阶动量和二阶动量集成到SPGD算法中以提高算法的收敛速度,并使得算法能够自适应地调整增益系数。 此外,对实际增益系数进行自适应动态裁剪以避免因实际增益系数出现极端值而造成的震荡。仿真结果表明:在37单元变形镜 (Deformable Mirror, DM)下,新型SPGD优化算法能够对不同湍流强度下的波前畸变实现有效校正,不同波前畸变经过校正后的斯特列尔比(Strehl ratio, SR)分别提升至0.83、0.47和0.31。此外,该算法在不同湍流强度下的SR仅仅需要149、229和230次迭代达到阈值,与传统SPGD算法及其他优化算法相比有更快的收敛速度,且在稳定性和参数调节方面也具有一定的优越性。
基于Lissajous曲线拟合的EFPI光纤传感器腔长解调
王彦, 蒋超, 周子玮, 黄晨晨, 程东升
2022, 51(8): 20210765. doi: 10.3788/IRLA20210765
[摘要](46) [HTML全文] (5) [PDF 1929KB](13)
为提高非本征光纤珐珀传感器(Extrinsic Fabry-Perot Interferometric, EFPI)腔长解调的精度,基于EFPI传感器反射光谱近似余弦函数的特性,设计了一种基于李萨如图形(Lissajous-Figure)与标准形式椭圆曲线拟合的解调方法。将两组光强信号经过坐标变换拟合为标准椭圆曲线,以减少求解参数;并通过经验模态分解对数据进行分析,去余项后将得到的极值点代入椭圆曲线求解。将离散数据点分别移动5、10、15、20、25个点测试五组不同相移对解调结果的影响并选取其中误差最小的一组对EFPI传感器进行横向负载实验,分别施加5~25 N的应力,通过拟合椭圆曲线的解调方法将计算腔长差与理论腔长差相对比。结果表明,实际腔长差随负载成正比,平均误差值为5.690%左右,可以准确获取 EFPI 的腔长。
光学器件
非平行光束对窄带滤光片光谱性能的影响
何文彦, 孔明东, 任戈, 魏铭
2022, 51(8): 20210757. doi: 10.3788/IRLA20210757
[摘要](73) [HTML全文] (18) [PDF 2161KB](22)
因为发散角和线宽效应的存在,非平行光束入射窄带滤光片时,滤光片的透射特性会发生变化。特别是在斜入射时,窄带滤光膜透射通带波形更易从矩形向三角形退化,并且伴随峰值透过率降低等负面现象。虽然已知的卷积模型可以对非平行光束入射窄带滤光片的情况进行数值模拟,但是由于制备和测量误差的阻碍,其正确性和数值模拟的准确性没有严格的实验进行验证。通过膜系优化和测量误差修正降低相应误差及其影响,并通过等离子体辅助反应磁控溅射 (PARMS) 的方法制备了工作角度为17°的1 064 nm高性能窄带滤光片。滤光片的透射光谱分别由两款分光光度计Cary 7000和Lambda 1050测量得到。在不同条件下测得的光谱与数值模拟结果吻合得很好,充分验证了卷积模型的有效性和数值模拟的准确性。
深低温大功率电阻阵列封装结构研究
孙权, 莫德锋, 刘大福, 龚海梅
2022, 51(8): 20210721. doi: 10.3788/IRLA20210721
[摘要](37) [HTML全文] (7) [PDF 1653KB](14)
电阻阵列的封装需求向着集成度高、大功率、深低温方向发展。为了满足130 K以下低温工作、稳态功率100 W以上的深低温应用需求,提出了一种利用液氮进行制冷的集成封装结构,并利用有限元仿真和实测验证相结合的方法验证了装置的制冷能力。结果表明,热沉钼与陶瓷电极板的厚度均为2 mm的情况下,加热功率在0.1~192.76 W区间内,有限元仿真得到的温度与实测温度最大误差小于7.67%,引起误差的主要原因是封装结构件的体热阻及界面热阻随温度发生变化而仿真时采用恒定热阻。结构能够在加热功率小于211.90 W的工况下正常工作。在设计的100 W稳定加热工况下,芯片衬底温度不高于101.9 K,热应力为5.66 MPa,满足设计要求。
瞬态成像模式下高帧频CMOS图像传感器性能研究
严明, 白琼, 李刚, 李斌康, 杨少华, 郭明安, 张雪莹
2022, 51(8): 20210694. doi: 10.3788/IRLA20210694
[摘要](66) [HTML全文] (17) [PDF 1878KB](21)
高帧频CMOS图像传感器具有集成度高、帧频高、功耗低、抗干扰抗辐照能力强等特性,在科学实验中应用广泛。为提高外同步触发瞬态成像模式下的成像性能,首先介绍了基于高帧频CIS(5T像素,超大快门)的瞬态成像系统构成及其工作模式;从像素结构出发,对该款CIS在不同工作模式下的成像性能进行了理论分析;搭建了基于EMVA1288的标准化测试平台,对瞬态工作模式下的多项关键性能指标进行了测试,并与稳态工作模式下的性能进行了对比。分析结果表明:与稳态工作模式相比,瞬态成像模式下图像传感器具有更大的暗本底和固定模式噪声,但传感器的时序噪声、光响应非均匀性优于稳态工作模式,具有更高的信噪比和动态范围,与理论分析基本吻合。测试分析结果可用于指导科学成像系统设计与性能优化。
透射式GaAs光电阴极时间分辨特性研究
韩明, 郭欣, 邱洪金, 张若愚, 贾甜甜, 刘旭川, 胡轶轩
2022, 51(8): 20210761. doi: 10.3788/IRLA20210761
[摘要](89) [HTML全文] (17) [PDF 1160KB](22)
时间分辨特性是GaAs光电阴极应用于泵浦探测等领域的一种极为重要的性能参量。采用矩阵差分求解光电子扩散模型的方式计算了光电子连续性方程和出射光电子流密度方程,发现影响GaAs光电阴极时间分辨特性的因素包括GaAs/GaAlAs后界面复合速率、GaAs电子扩散系数和GaAs激活层厚度,之后较为系统地研究了这三种物理因素对GaAs光电阴极时间分辨特性的影响。研究结果表明,GaAs电子扩散系数和GaAs/GaAlAs后界面复合速率与光电阴极的响应速率存在非线性正比关系,且随着两者的增大,GaAs光电阴极将出现饱和响应速率。激活层厚度对GaAs光电阴极响应时间的影响最大,通过激活层厚度的适当减薄可以将GaAs光电阴极的响应时间缩短至20 ps,可满足绝大多数光子、粒子探测的快响应需求。该研究为快响应GaAs光电阴极的实验和应用提供了必要的理论支撑。
基于光线追迹法的低温辐射计光吸收腔设计
俞兵, 储隽伟, 范纪红, 腾国奇, 王曼, 杨传森, 郭磊, 袁林光, 李燕, 金伟其
2022, 51(8): 20210918. doi: 10.3788/IRLA20210918
[摘要](42) [HTML全文] (8) [PDF 1476KB](20)
当前,工作在液氦温度的低温辐射计可以有效规避电路系统中非自发加热带来的误差,是国际上精度最高的光功率计量设备。理想低温辐射计在工作过程中,其核心器件-吸收腔对相同的热功率与电功率应当表现出相同的温升。然而对于实际情况,由于吸收腔涂层中复杂的光-物质相互作用,系统的光-电加热路径难以重合,黑体腔热传导分布的梯度差异导致误差的产生。当前国际上对光电不等效性产生的影响仍缺乏直观清晰的认知。在此,利用蒙特卡洛光线追迹方法,文中对低温辐射计吸收腔辐照度的空间分布进行了仿真。计算表明:当吸收腔斜底角控制在60°,涂层吸收率达到0.95时,系统在激光进入的第一次与第二次反射中分别吸收了98%与1.9%的能量,比例约为51.2∶1。通过在吸收腔斜底板和下侧面同时布置加热器,可实现光加热、电加热路径的耦合。进一步地,通过分别计算单加热器与双加热器布置下系统温度随时间的变化,文中证明了加热路径的不同将引入约为0.005%的光电不等效性。
基于星载红外高光谱观测用机器学习算法反演大气温湿廓线
姚姝含, 官莉
2022, 51(8): 20210707. doi: 10.3788/IRLA20210707
[摘要](62) [HTML全文] (11) [PDF 1987KB](25)
星载红外高光谱垂直探测仪GIIRS (Geostationary Interferometric Infrared Sounder)能够实现大气温度和湿度参数高垂直分辨率的观测,为数值天气预报提供精度更高的初始场。基于GIIRS观测辐射值采用BP神经网络(Back Propagation Neural Network)法和深度学习的卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)法反演大气温度、湿度垂直廓线,重点在于CNN法模型的构建与参数的优化,得到反演精度最高的网络模型配置。将训练样本根据不同地表类型和是否有云的影响分为三种方案(方案一:不分类、方案二:陆地/洋面分类、方案三:晴空/有云分类),分别进行建模、反演和检验。结果表明两种反演算法都有较好的反演精度,相对而言CNN法在所有高度层上反演偏差、均方根误差和平均相对误差均较小,反演精度更高。CNN法温度反演在高层10~200 hPa改进较大,三种分类方案改进的最大值分别为1.15 K、1.06 K和1.02 K;湿度反演在对流层低层500~1000 hPa改进较大,三种分类方案分别平均改进了0.43 g/kg、0.41 g/kg和0.34 g/kg。BP神经网络法方案三时(即分晴空和云时)温度和水汽混合比廓线反演精度最好;CNN算法方案一时(即不对样本数据进行任何分类)反演精度最高。
图像处理
基于三角函数变换与IRDPSO优化的图像增强算法
张方, 肖辉
2022, 51(8): 20210709. doi: 10.3788/IRLA20210709
[摘要](57) [HTML全文] (9) [PDF 1348KB](25)
针对复杂环境下如阴天、雾天、夜晚、光照较弱等条件下拍摄的图像存在对比度不足、整体偏暗等问题,提出了一种基于三角函数变换与改进随机漂移粒子群算法的图像增强算法。该图像增强方法主要包括四个步骤,首先将彩色图像转换为灰度图像,然后对灰度图像利用三角函数变换提高对比度,然后再对图像进行拉布拉斯算子增强,最后再对图像进行色彩恢复。为了提高算法的自适应性,针对三角函数变换中的参数、以及拉布拉斯算子模板的参数选择问题,将改进随机漂移粒子群算法(IRDPSO)与图像增强算法结合,利用信息熵和图像标准差构造适应度函数,对参数进行寻优。将该方法与其他四种算法进行比较。实验结果表明:文中算法简单,增强后的图像信息熵值、标准差值均较大,图像颜色失真度小,增强效果均比其他几种算法好,提高了图像的质量和对比度。
烟花算法在SAR图像属性散射中心参数估计中的应用
周志洪, 陈秀真, 马进, 夏正敏
2022, 51(8): 20210581. doi: 10.3788/IRLA20210581
[摘要](67) [HTML全文] (11) [PDF 1166KB](13)
针对合成孔径雷达(SAR)属性散射中心估计问题,提出基于烟花算法的方法。首先,在图像域对SAR图像中高能量区域进行分割解耦,获得单个独立散射中心在图像域的表现形式。在此基础上,以属性散射中心参数化模型为基础,构建优化问题,对分离出来的单个散射中心进行最优参数的搜索。在此阶段,引入烟花算法进行参数寻优。该算法具有强大的全局和局部搜索能力,在保证优化精度的条件下避免陷入局部最优,从而保证散射中心参数估计的可靠性。在原始图像中剔除求解后的单个散射中心,对残余图像进行高能量区域分割,序惯估计下一个散射中心的属性参数。最终,获取输入SAR图像上所有散射中心的参数集。实验中,首先基于MSTAR数据集中的SAR图像进行参数估计验证,通过参数估计结果与原始图像的对比以及基于估计参数集对原始图像进行重构,反映了提出算法的有效性。此外,实验还基于估计得到的属性参数进行SAR目标识别算法验证,通过与其他参数估计算法在相同条件下进行识别性能的对比,进一步体现了提出方法在属性散射中心参数估计上的性能优势。
RBCC动力飞行器上升段轨迹优化设计
罗哲, 王舒眉, 闫循良, 李新三
2022, 51(8): 20210956. doi: 10.3788/IRLA20210956
[摘要](60) [HTML全文] (16) [PDF 1552KB](15)
针对火箭基组合循环(Rocket Based Combined Cycle,RBCC)动力系统工作模态复杂、与飞行状态耦合程度高的特性,建立了一种适用于RBCC动力高超声速飞行器的动力段轨迹优化模型。同时,针对RBCC动力飞行器,基于凸优化理论建立了上升段轨迹优化设计框架和求解策略。在此基础上,进行了上升段末端机械能最大算例仿真。仿真结果表明,相关模型和轨迹优化方法具备良好的可行性,优化结果符合RBCC动力系统工作特点。论文提出的轨迹优化方法可有效处理复杂工作模态下RBCC助推飞行器上升段轨迹优化问题,为未来关于这一类轨迹设计与优化的工作提供了一些新的思路。
基于多层级图像分解的图像融合算法
谭威, 宋闯, 赵佳佳, 梁欣凯
2022, 51(8): 20210681. doi: 10.3788/IRLA20210681
[摘要](80) [HTML全文] (17) [PDF 1915KB](24)
不同类型的探测器在成像机理上有不同的侧重点,使得成像图像表征的信息也有所不同,导致单幅图像不能完整地反映场景的有效信息。因此,提取多源图像的互补信息,并去除其中的冗余信息,合成一幅能准确、完整表达场景的复合图像的技术成为了图像处理领域中一项非常重要的技术,图像融合正是这类问题的一种有效解决方法。针对传统多尺度分解的图像融合方法易产生噪声和信息缺失的现象,文中提出了一种基于多层级图像分解的红外与可见光图像融合算法。首先,利用加权平均曲率滤波的边缘保持特性与高斯滤波的平滑特性,构建了多层级图像分解模型。在利用该模型将源图像分解为小尺度层、大尺度层和基层等3个不同层级。然后,针对基层,采用能量属性融合策略进行融合;针对大尺度层,采用复合融合策略进行融合;针对小尺度层,采用最大值融合策略。最后,将融合后的层级进行加和,以重构出最终的融合图像。实验结果表明:文中提出的基于多层级图像分解的图像融合算法能够有效降低噪声产生的概率,同时减少了融合后的信息缺失。
基于语义信息补偿全局特征的物体点云分类分割
林森, 赵振禹, 任晓奎, 陶志勇
2022, 51(8): 20210702. doi: 10.3788/IRLA20210702
[摘要](52) [HTML全文] (9) [PDF 2430KB](16)
3D点云数据处理在物体分割、医学图像分割和虚拟现实等领域起到了重要作用。然而现有3D点云学习网络全局特征提取范围小,难以描述局部高级语义信息,进而导致点云特征表述不完整。针对这些问题,提出一种基于语义信息补偿全局特征的物体点云分类分割网络。首先,将输入的点云数据对齐到规范空间,进行数据的输入转换预处理。然后,利用扩张边缘卷积模块提取转换后数据的每一层特征,并叠加生成全局特征。而在局部特征提取时,利用提取到的低级语义信息来描述高级语义信息和有效几何特征,用于补偿全局特征中遗漏的点云特征。最后,融合全局特征和局部高级语义信息得到点云的整体特征。实验结果表明,文中方法在分类和分割性能上优于目前经典和新颖的算法。
光学成像技术
单像素高效感知方法概述
边丽蘅, 詹昕蕊, 王华依, 刘海燕, 索津莉
2022, 51(8): 20220231. doi: 10.3788/IRLA20220231
[摘要](157) [HTML全文] (22) [PDF 8736KB](58)
资源受限平台的高效率视觉感知是信息领域的瓶颈难题。不同于传统阵列探测成像,单像素成像基于压缩感知原理将多维图像编码为一维采集数据,有效提升了数据压缩率,且灵敏度高、工作波段宽,逐渐成为研究热点。然而,单像素成像重建的图像中仍包含大量对高层语义理解无关的信息,导致传输、存储、计算的资源浪费。单像素感知是一种直接从一维采集数据解耦高级语义推断结果的新型感知技术,无需重建多维图像,相较传统先成像-后感知的技术路径大幅提升了感知效率,在遥感探测、智慧交通、生物医学、国防军事等众多领域具有广阔的应用前景。文中重点梳理了单像素感知技术的发展历程,详细介绍了单像素感知技术的方法架构以及在视觉应用中的研究进展,最后对其未来发展趋势进行了展望。
太赫兹技术
太赫兹矩形波导与共面波导耦合结构设计
杨恒泽, 刘川玉, 武京治, 王艳红
2022, 51(8): 20210733. doi: 10.3788/IRLA20210733
[摘要](92) [HTML全文] (27) [PDF 1489KB](24)
太赫兹(THz)波位于微波与红外光波之间,现有微波和光波段波导技术应用正在向THz波段拓展。但是,由于水汽对THz波的强吸收及制造工艺等原因,THz器件主要是平面结构,而THz源及其传输需要用矩形波导。因此,矩形波导与共面波导之间的转换结构成为决定元件和系统性能的关键部分。该设计利用脊波导进行阻抗匹配及电磁场模式转换,实现THz波矩形波导到共面波导的高效率耦合。结果表明,在0.2~0.4 THz频段内,该转换结构的传输系数(S21)高于−3 dB,可以对THz电磁场进行高效率转换。该结果可用于太赫兹分子探测、太赫兹通信等领域,为0.2 THz以上太赫兹的模式转换提供了一种可行方案。
简讯
混合增益2 kW输出随机光纤激光器
叶俊, 张扬, 梁峻锐, 马小雅, 许将明, 周朴
2022, 51(8): 20220453. doi: 10.3788/IRLA20220453
[摘要](72) [HTML全文] (9) [PDF 866KB](27)
2 μm锑化物半导体激光器光纤输出模块
李森森, 张 宇, 徐应强, 牛智川, 闫秀生
2022, 51(8): 20220493. doi: 10.3788/IRLA20220493
[摘要](81) [HTML全文] (10) [PDF 1034KB](22)