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当期目录

2022年 第51卷  第4期

专家报告—刊庆50周年
1280 × 1024,10 μm数字红外焦平面读出电路设计(特邀)
钟昇佑, 姚立斌, 范明国, 李正芬
2022, 51(4): 20211113.  doi: 10.3788/IRLA20211113
[摘要](59) [HTML全文](9) [PDF 1413KB](30)
焦平面红外探测器的数字读出是其发展的一个重要方向,相比传统的模拟红外焦平面探测器,数字红外焦平面探测器具有诸多优势。数字红外焦平面探测器的核心在于数字读出电路。文中详细介绍了1280 × 1024, 10 μm数字焦平面读出电路的设计和实现。通过对读出电路的测试得到其噪声为157 μV,在50 Hz帧频下功耗为165 mW,列级固定图案噪声为0.1%。所设计的数字读出电路与短波红外探测器成功实现了倒装焊互连并完成了成像,所成图像清晰、细节丰富。测试结果和探测器成像效果表明,所设计的数字读出电路具有低噪声、高传输带宽、高抗干扰性等特点,有助于提升红外焦平面探测器的各项性能。
量子涡旋陀螺若干关键参数的仿真计算(特邀)
任元, 吴昊, 王琛, 刘政良, 刘通, 熊振宇
2022, 51(4): 20220004.  doi: 10.3788/IRLA20220004
[摘要](27) [HTML全文](3) [PDF 3395KB](2)
半导体微腔中由光驱动的激子极化激元体系是近年来热门的物理学、光学领域研究方向,而半导体微腔中由光驱动的玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-Einstein Condensates, BEC)的量子叠加态涡旋在量子传感领域具有颠覆性的潜在应用价值。通过Runge-Kutta差分和FDTD有限元方法构建了一个精确的数学模型来表征量子涡旋陀螺激子极化激元体系的时空演化规律。在此基础上,研究了泵浦光、信号光和与半导体微腔材料相关的一些关键参数对量子涡旋陀螺激子极化激元凝聚体演化特性的影响。其中泵浦光和信号光考虑了环形光斑的几何尺寸以及它们的光强,而微腔材料对激子极化激元体系的影响通过数学上的变换,折算为有效质量对BEC体系的影响。通过大量参数扫描,得到了影响量子涡旋陀螺性能的一些关键因素,包括泵浦光的几何参数和强度、泵浦光和信号光的相关影响以及半导体微腔的材料特性。通过表征不同微腔材料的有效质量与性能之间的关系,计算了材料性能与量子涡旋陀螺仪叠加态演化之间的关系,发现有效质量的合理值范围很窄。这些工作为量子涡旋陀螺的工程样机研发提供了重要参考。
弥散介质条件下辐射测温方法(特邀)
孙红胜, 梁新刚, 马维刚, 郭靖, 王加朋, 邱超, 黄亮
2022, 51(4): 20210985.  doi: 10.3788/IRLA20210985
[摘要](21) [HTML全文](2) [PDF 2089KB](4)
在航空航天、冶金铸造等各种工业现场高温热试验过程中,需要在高浓度弥散介质遮蔽物件表面的条件下,快速、准确地获取试验件表面的高温温度。传统的辐射测温方法包括波段辐射法、亮度法、比色测温法、多波长测温法等,是实现高温测量的一种主要测量方法。弥散介质由于介质粒子的作用会产生各种光谱散射、吸收和发射效应,给高温的准确测量带来了很大的干扰,导致测量结果产生偏差,必须要改进经典辐射测温方法。论述了弥散介质条件下几种主要的辐射测温方法,包括试验数据反推法、热辐射计算法、多通道分裂窗法、信息复原计算法、神经网络计算法等,分析了各种方法的优点和不足,总结了弥散介质条件下辐射测温方法面临的挑战和发展趋势。
太赫兹扫描成像在高通量测量铜合金薄膜电导中的应用(特邀)
朱煜, 颜识涵, 臧子漪, 宋盛星, 王洁, 茹占强, 崔洪亮, 宋贺伦
2022, 51(4): 20210942.  doi: 10.3788/IRLA20210942
[摘要](14) [HTML全文](2) [PDF 3738KB](1)
高通量制备与表征对将材料基因组方法应用于先进材料研发制造实践起着关键作用。针对基于材料基因工程的高通量实验技术应用,采用透射式太赫兹扫描成像方法,对样品密度为144个/片的铜合金薄膜材料芯片进行了高通量电导的快速、微区检测。基于Tinkham薄膜透射方程及Fresnel公式的太赫兹光谱成像表征技术,对不同组分含量铜合金薄膜的太赫兹测量结果与四探针测量数据比较,具有一致的趋势。通过太赫兹成像可以进行同一基底上 144个高通量组合铜合金样品点电导的半定量比较。对代表性样品点的电导变化趋势与合金组分含量变化趋势,以及微观组织形貌进行分析比较得到相关对应关系,显示出太赫兹检测方法用于微区高通量金属薄膜电导表征方面的巨大潜力,显著提升研发效率。
特约专栏—超高速流场条件下红外探测与识别技术
高动态条件下增量惯导信息辅助的空地红外弱小移动目标检测算法(特邀)
卢瑞涛, 申通, 杨小冈, 李清格, 陈璐, 朱正杰
2022, 51(4): 20220191.  doi: 10.3788/IRLA20220191
[摘要](54) [HTML全文](5) [PDF 2730KB](9)
红外弱小移动目标检测技术是计算机视觉的研究热点和难点。针对机载高动态条件下的空地目标检测存在的场景变化动态、背景干扰强度大、目标运动规律未知等挑战,提出了一种新型的基于增量惯导信息辅助的空地红外弱小移动目标检测算法。为了解决传统惯导信息预测的漂移误差问题,提出了增量惯导信息概念,设计了增量惯导信息的位置预测模型,实现了对目标点的准确预测。构建了基于增量惯导信息辅助与背景差分的移动目标检测框架,通过增量惯导信息对不同位姿下的成像进行校正,引入基于爬山法互相关匹配算法计算校正后图像的平移参数,采用高斯加权对背景图像进行估计,最后通过图像分割检测弱小移动目标。仿真实验验证了文中设计检测算法的有效性和精确性。
高超声速滑翔飞行器全程总红外辐射最小的轨迹优化(特邀)
徐慧, 蔡光斌, 穆朝絮, 张艳红, 李欣
2022, 51(4): 20220194.  doi: 10.3788/IRLA20220194
[摘要](37) [HTML全文](4) [PDF 6646KB](10)
为降低高超声速飞行器再入过程中,产生的气动热辐射对红外探测窗口性能的影响,从轨迹优化的角度,以再入飞行全程驻点总红外辐射为目标函数,提出了一种基于改进鲸鱼优化算法(Whale Optimization Algorithm,WOA)的高超声速飞行器轨迹优化算法。首先,通过Tent混沌映射和控制因子余弦变化改进WOA,改进算法位置更新时的位置指向性,增强算法全局搜索能力;同时,将再入轨迹优化问题转化为控制量剖面参数优化问题,采用倾侧角一次翻转策略,利用普朗克公式计算驻点红外辐射,并设计目标函数,利用阻力加速度再入走廊处理路径约束,采用罚函数法将终端约束同目标函数相结合;最后,利用改进的WOA对设计的控制量剖面进行参数寻优,获得使目标函数最优的解。仿真实验表明: 文中改进的WOA能够有效完成全程总红外辐射最小的再入轨迹优化任务,全局搜索能力强,且具有较好的鲁棒性。
高超声速飞行器红外波段及窗口选择(特邀)
刘蒙, 张伟科, 黄立, 胡磊, 苏伟, 许单洁, 李勋龙
2022, 51(4): 20220161.  doi: 10.3788/IRLA20220161
[摘要](78) [HTML全文](3) [PDF 3267KB](25)
随着技术发展,现代化战争对新型武器提出了更高的要求,高超声速飞行器的发展也备受关注,红外成像制导在高超声速飞行器的末制导领域中占有重要地位。红外成像设备易受到背景辐射和窗口热辐射带来的干扰,产生的背景噪声易造成图像饱和。通过试验对比中、长波热像仪对高温物体、太阳、云层、海面、干扰弹以及转动、高速、高动态条件下的成像效果,并且试验对比尖晶石、氧化钇、氧化锆以及硫化锌材料自身热辐射分别对中、长波热像仪成像的影响,通过测试得出各窗口在高温下透过率的相对衰减率。对比分析得出长波热像仪在抗干扰等方面占有优势,硫化锌材料具有低辐射、高透过率、以及耐压性能好等优势。中、长波对比试验对于工作波段选择以及窗口材料选择提供了参考与支持,对后续中-长波双色系统设计研究具有参考价值。
双邻域差值放大的高动态红外弱小目标检测方法(特邀)
袁帅, 延翔, 张昱赓, 秦翰林
2022, 51(4): 20220171.  doi: 10.3788/IRLA20220171
[摘要](56) [HTML全文](5) [PDF 4063KB](11)
针对现有红外弱小目标检测方法背景抑制不充分、计算复杂度高,导致红外侦察预警系统虚警率高、响应速度慢的问题,提出一种基于双邻域差值放大的高动态红外弱小目标检测方法。首先,分析真实红外图像中目标与邻域的均值特性;然后,计算出目标区域与内外双层邻域的差异,从而提升亮、暗弱小目标的局部对比度并抑制复杂背景和噪声;最后,利用自适应阈值分割算法获取目标的位置。针对信杂比增益和背景抑制因子难以客观评价红外图像序列的目标增强和背景抑制性能的问题,提出一种目标轨迹显著图评价方法,有效评价红外图像序列目标检测性能。实验结果表明:与同类检测方法相比,该方法的信杂比增益与背景抑制因子分别提高了12%与10%,运行时间约缩短了34 ms,是一种有效可行的高动态红外弱小目标检测方法。
基于深度空时域特征融合的高动态空中多形态目标检测方法(特邀)
孙鹏, 于跃, 陈嘉欣, 秦翰林
2022, 51(4): 20220167.  doi: 10.3788/IRLA20220167
[摘要](31) [HTML全文](2) [PDF 1543KB](14)
针对复杂背景下,依靠高超声速飞行器搭载的红外探测器对高动态空中目标的可靠探测和精确识别问题,提出了一种基于深度空时域特征融合的空中多形态目标检测方法。设计了加权双向循环特征金字塔结构提取多形态目标静态特征,并引入可切换空洞卷积,增大感受野的同时减少空域信息损失。对于时序运动特征的提取,为了抑制复杂背景噪声的同时将角点信息集中到运动区域中,通过特征点匹配法生成掩膜图,之后进行光流计算,根据计算结果设计稀疏光流特征图,利用3D卷积提取多个连续帧图像中包含的时序特征,生成三维时序运动特征图。最后,通过对图像静态特征与时序运动特征进行通道维度的拼接,实现深度空时域特征融合。大量的对比实验表明,文中方法可明显减少复杂背景下的虚假识别概率,具备高实时性的同时目标识别准确率达89.87%,满足高动态下的红外目标智能检测识别需求。
基于并行注意力机制的地面红外目标检测方法(特邀)
赵晓枫, 徐叶斌, 吴飞, 牛家辉, 蔡伟, 张志利
2022, 51(4): 20210290.  doi: 10.3788/IRLA20210290
[摘要](28) [HTML全文](2) [PDF 1485KB](12)
地面背景下的红外目标检测是伪装防护、精确制导等领域的关键技术。针对现有基于深度学习的目标检测模型对地面背景下红外目标进行检测时容易受到复杂背景干扰、对目标关注不足,从而导致检测准确率不高的问题,文中提出了一种基于并行注意力机制的地面红外目标检测方法。首先,利用卷积和注意力并行的下采样方式,在降低模型的空间复杂度和提升训练速度的同时,对目标特征进行聚焦和关注;其次,对主干网络提取的多尺度特征进行融合,通过不同尺度信息的复用与互补抑制背景信息的干扰,提升目标检测的准确率;最后,利用焦点损失函数和CIOU损失函数提高模型的分类与回归精度。实验结果表明,在Infrared-VOC数据集上该模型的平均检测精度为82.2%,比YOLOv3提高了6.9%,同时模型的空间复杂度仅为YOLOv3的32.6%,训练时间为YOLOv3的43.7%,实现了模型训练效率和检测精度的提升。
红外气动光学效应研究进展与思考(特邀)
邢占, 陈晓依, 彭志勇, 杨志旺, 张贺龙, 邢忠福, 张宁
2022, 51(4): 20220228.  doi: 10.3788/IRLA20220228
[摘要](30) [HTML全文](4) [PDF 5157KB](13)
红外成像探测技术是精确制导的重要手段,随着导弹武器向超音速、高超音速方向发展,红外成像探测装置的工作环境更为恶劣。高速飞行条件下恶劣的气动力热环境使红外窗口的结构安全面临极大挑战,激波、窗口等高温辐射源的辐射干扰严重影响红外探测能力,流场和窗口的传输效应降低了探测制导精度。气动光学效应是高速红外探测与传统红外探测的本质的区别,也是决定红外探测应用于高速导弹可行性的关键因素。文中主要介绍了高速红外成像探测的气动力热效应、热辐射效应和传输效应及其影响,阐述了气动光学效应在机理研究、试验研究、数值模拟和抑制校正技术方面的进展,最后给出了高速红外探测气动光学效应研究的思考与建议。
红外偏振摄像机动目标检测跟踪系统(特邀)
张景程, 乔新博, 赵永强
2022, 51(4): 20220233.  doi: 10.3788/IRLA20220233
[摘要](38) [HTML全文](3) [PDF 3948KB](9)
基于红外偏振摄像的机动目标检测跟踪系统对实时性要求较高,而且在野外场景下需要具备低功耗的特点。FPGA具有并行计算的特性,能够极大的提高系统吞吐量和处理数据速度,能够满足实时性的要求,因此一种基于FPGA的目标检测跟踪系统被设计出来并得以实现。在硬件开发平台上采用模块化以及软硬件协同设计的方式,将具有不同计算特点的任务分别在PS端(ARM)以及PL端(FPGA)实现,其中PL部分负责部分算法的加速、FPGA和ARM处理器之间数据传输以及HDMI等接口逻辑控制等,PS部分负责实现较为复杂的检测跟踪算法,以及负责控制FPGA端的各个模块。最后,对目标检测跟踪系统进行实验测试和分析,给出系统的硬件资源消耗及功耗,结果表明该目标检测跟踪系统能够满足实时性的要求,并且具备低功耗的特点。
Anchor-free轻量级红外目标检测方法(特邀)
高凡, 杨小冈, 卢瑞涛, 王思宇, 高久安, 夏海
2022, 51(4): 20220193.  doi: 10.3788/IRLA20220193
[摘要](25) [HTML全文](3) [PDF 3741KB](8)
针对红外目标的特点,提出了一种anchor-free轻量级红外目标检测方法,提高了嵌入式平台对红外目标的检测能力。针对计算资源有限的平台,提出了一种新的轻量级卷积结构,引入非对称卷积增强标准卷积的特征表达能力,同时有效减少参数和计算量。设计并行多路特征通道,经过通道拼接生成丰富的特征,结合注意力模块和Channel Shuffle构建轻量级特征提取单元。增加SkipBranch促进浅层信息向高层传递,进一步丰富高层特征。在FLIR数据集进行实验验证,设计的轻量级网络结构精度为81.7% ,超过了 YOLOv4-tiny,但模型参数量减少了75.0%、计算量下降了71.1%,并且推理时间压缩了91.3%,能够满足嵌入式平台红外目标的实时检测需求。
基于误差限制的神经网络混合精度量化方法(特邀)
李奕铎, 郭子博, 刘凯, 孙逍遥
2022, 51(4): 20220166.  doi: 10.3788/IRLA20220166
[摘要](22) [HTML全文](6) [PDF 3028KB](4)
基于卷积神经网络的深度学习算法展现出卓越性能的同时也带来了冗杂的数据量和计算量,大量的存储与计算开销也成了该类算法在硬件平台部署过程中的最大阻碍。而神经网络模型量化使用低精度定点数代替原始模型中的高精度浮点数,在损失较小精度的前提下可有效压缩模型大小,减少硬件资源开销,提高模型推理速度。现有的量化方法大多将模型各层数据量化至相同精度,混合精度量化则根据不同层的数据分布设置不同的量化精度,旨在相同压缩比下达到更高的模型准确率,但寻找合适的混合精度量化策略仍十分困难。因此,提出一种基于误差限制的混合精度量化策略,通过对神经网络卷积层中的放缩因子进行统一等比限制,确定各层的量化精度,并使用截断方法线性量化权重和激活至低精度定点数,在相同压缩比下,相比统一精度量化方法有更高的准确率。其次,将卷积神经网络的经典目标检测算法YOLOV5s作为基准模型,测试了方法的效果。在COCO数据集和VOC数据集上,该方法与统一精度量化相比,压缩到5位的模型平均精度均值(mean Average Precision, mAP)分别提高了6%和24.9%。
红外焦平面探测器杜瓦组件的热致破坏及其环境试验
李建林, 刘卓林, 陈晓燕, 雷永畅, 董伟, 钱昆伦
2022, 51(4): 20210337.  doi: 10.3788/IRLA20210337
[摘要](33) [HTML全文](3) [PDF 1418KB](14)
红外探测器的环境耐受能力取决于设计和制造中完整有效的环境耐受措施,环境试验与评价验证了其在极端环境作用下能正常工作的能力。研制、生产和使用各阶段的试验目的不同,试验施加应力的大小不同,必须进行环境自然条件和诱发条件测量、温度响应特性调查和试验环境分析,选择正确、合理和必要的设计与试验环境条件,以尽可能产生最适合的试验数据,保证顾客所需的质量水平和有价格竞争力的可用性。运用288×4红外焦平面杜瓦组件温度响应试验实测数据和时间常数方法,计算分析它的温度稳定时间,指出空气介质温度循环筛选或温度冲击试验,不能在红外探测器的功能部件上施加大于10 ℃/min的温度急剧变化应力,高温工作状态的温度变化速率大于50 ℃/min对冷头部分的缺陷筛选效果更好。试验结果表明,真空完好性恒定高温试验应力量值大于+90 ℃、2160 h。能够通过高温+71 ℃、低温−54 ℃无故障环境试验考核的产品具有全世界贮存、运输和使用的潜力。
红外光学材料胶粘剂力学性能研究与试验
张楠, 王跃, 张志飞, 李庆林, 常君磊
2022, 51(4): 20210295.  doi: 10.3788/IRLA20210295
[摘要](21) [HTML全文](2) [PDF 1841KB](10)
胶接是一种较为常用的支撑方式,经常被用于红外透镜和镜框之间的连接,因此研究胶粘剂在各种环境下的力学性能对提高红外光学遥感器的环境适应能力具有极其重要的价值。选择锗和钛合金、硅和殷钢作为两组研究对象,使用环氧胶进行胶接,通过拉伸和剪切测试试验研究其力学性能。首先,介绍了力学性能的测试方法和流程。之后,在仿真分析的基础上,在三种不同环境下对两组测试对象分别进行拉伸和剪切强度测试,试验数据离散性较小,可信度较高。最后,对试验数据进行总结,发现环氧胶拉伸强度是剪切强度的1.4倍,可满足不同材料间胶接固定,具有良好环境适应性。所得到测试数据可作为红外光学遥感器的设计依据使用,应用价值较高。
高温激波层CO2辐射与传输特性数值计算研究
庞明琪, 刘海峥, 张代军, 史泽林
2022, 51(4): 20210376.  doi: 10.3788/IRLA20210376
[摘要](32) [HTML全文](2) [PDF 1898KB](5)
CO2是中、短波红外探测的主要辐射噪声源,目前针对高温CO2辐射和传输特性的研究尚不明晰。重点研究了激波层中CO2的吸收作用,并对CO2热辐射及光敏面各辐射分量占比进行了计算与分析。采用改进的切线平板法求解辐射传输方程,并考虑了目标与窗口辐射对激波层内辐射场分布的影响,据此推导了激波层红外辐射和传输特性计算模型,最后给出了探测器光敏面各辐射分量及占比计算模型。对某型超声速红外制导导弹飞行高度h=1 km、飞行速度Ma=3~5时激波层特性进行仿真计算,结果表明:中波波段激波层透过率低于短波波段,但总体来说可忽略激波层吸收作用;飞行速度增加导致CO2辐射噪声区间向长波方向拓宽,Ma≥4、h=1 km时,4.4 μm以上波段有严重的CO2辐射噪声淹没目标信号,截止波长为4.4 μm的滤波器无法适用。
InAs/GaSb超晶格长波红外探测器暗电流特性分析
李俊斌, 刘爱民, 蒋志, 杨晋, 杨雯, 孔金丞, 李东升, 李艳辉, 周旭昌
2022, 51(4): 20210399.  doi: 10.3788/IRLA20210399
[摘要](32) [HTML全文](4) [PDF 1504KB](13)
利用二极管电流解析模型分析了InAs/GaSb超晶格长波红外探测器暗电流的主导机制。首先,通过变面积二极管I-V测试证实77 K下采用阳极硫化加SiO2复合钝化的InAs/GaSb超晶格长波红探测器的暗电流主要来自于体电流,而非侧壁漏电流;然后,利用扩散电流、产生复合电流、直接隧穿电流和陷阱辅助隧穿电流模型对InAs/GaSb超晶格长波红外探测器的暗电流进行拟合分析。结果表明:在小的反向偏压下(≤60 mV),器件暗电流主要由产生复合电流主导,而在高偏压下(>60 mV),器件暗电流则主要由缺陷陷阱辅助隧穿电流主导。并分析了吸收层掺杂浓度对这两种电流的影响,证实5×1015~1×1016 cm−3是优化的掺杂浓度。
激光器与激光光学
准直透镜失调对Littman-Metcalf光栅外腔激光器线宽的影响
周平, 吴永前, 张蓉竹
2022, 51(4): 20210168.  doi: 10.3788/IRLA20210168
[摘要](27) [HTML全文](2) [PDF 1672KB](4)
以光栅外腔半导体激光器的理论知识为基础,对Littman-Metcalf型外腔半导体激光器的工作原理进行了说明,并详细地讨论了外腔半导体激光器的线宽压窄以及模式选择机制,采用严格的耦合理论和光线变换矩阵推导了系统结构参数对光场耦合效率影响的计算公式。同时,对影响Littman-Metcalf外腔激光器输出激光线宽的几个重要因素进行了分析,重点讨论了系统中准直透镜位置失调导致的线宽变化规律。计算结果表明:合理地控制Littman-Metcalf光栅外腔半导体激光器的外腔参数可以将中心波长为785 nm半导体激光器的本征线宽压窄四个数量级,该外腔系统中准直透镜位置失调会影响系统出射光场与经外腔反馈光场之间的耦合效率,进而影响光栅外腔半导体激光器的输出线宽。
不同泵浦波长光纤激光器模式不稳定效应对比
万颖超, 杨保来, 奚小明, 张汉伟, 叶云, 王小林
2022, 51(4): 20210256.  doi: 10.3788/IRLA20210256
[摘要](24) [HTML全文](5) [PDF 1803KB](10)
一般认为,光纤激光器模式不稳定效应主要来自于泵浦源量子亏损和增益光纤泵浦吸收所产生的热效应。理论分析了光纤中的热源,发现诱发模式不稳定的热效应主要来源于泵浦吸收、其次是量子亏损;利用课题组开发的仿真软件SeeFiberLaser对该结论进行仿真。仿真结果表明:泵浦吸收系数越低,光纤中的最高温度和温度梯度越低,越有利于抑制热致折射率光栅的形成,提高模式不稳定阈值。搭建了纤芯/包层直径为30/400 μm的前向泵浦掺镱光纤激光振荡器,对比研究了中心波长为976 nm 、915 nm和940 nm的泵浦源泵浦时激光器的模式不稳定阈值特性。结果表明,分别采用中心波长为976 nm 、915 nm和940 nm 的半导体激光器作为泵浦源时,激光器模式不稳定阈值分别为279 W、502 W和697 W,光光转化效率分别为67.7%、61%和63%。由此可以发现,泵浦吸收系数对模式不稳定阈值的影响大于量子亏损对模式不稳定阈值的影响,通过改变泵浦波长降低泵浦吸收系数可以有效提升模式不稳定阈值。优化泵浦波长,兼顾量子效率和泵浦吸收系数,是光纤激光器实现高光束质量高模式不稳定阈值的重要技术路线之一。
面向超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统设计及应用
高德辛, 吕昶见, 吕东明, 于旺, 秦伟平
2022, 51(4): 20210153.  doi: 10.3788/IRLA20210153
[摘要](15) [HTML全文](3) [PDF 1864KB](5)
设计并实现了一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统。该系统可以同时为五路半导体激光器提供高精度、高稳定度、高灵活性的恒温控制和恒流驱动。为了提高驱动系统的灵活性和可集成度,硬件部分采用上位机、控制、驱动、供电分开的模块化设计方案;基于嵌入式实时操作系统μC/OS-III开发了系统驱动程序,提高了实时性和扩展性,输出校正部分采用遗传算法优化的增量式PID算法,减少了系统的超调量和到达动态平衡的时间;驱动系统具有完备的保护措施,如软启动和关闭、驱动回路检测、过温保护等功能,确保了泵浦源的稳定运行。在实际应用中,半导体激光器温度稳定度优于0.035%,驱动系统输出电流稳定度优于0.001%。将研制的驱动系统集成到1.5 μm飞秒光纤激光器中驱动五路半导体激光泵浦源,获得的种子激光、放大器的输出激光脉冲光谱、脉冲序列和单脉冲均可稳定运行;经过连续3 h的测试,1.5 μm飞秒光纤激光器的输出功率稳定度为0.16%。
基于亚纳秒微片激光器的能量放大器的研究
唐瑞鑫, 段存丽
2022, 51(4): 20210200.  doi: 10.3788/IRLA20210200
[摘要](17) [HTML全文](2) [PDF 1549KB](2)
高脉冲能量和窄脉冲宽度的激光放大器可以应用在诸多领域,例如激光加工、激光医疗美容和激光雷达。种子源激光器与行波放大结构相结合的主振荡功率放大(MOPA)技术,既能保证输出的脉冲激光相关特性(如脉宽和重复频率等)与种子源特性一致,又能实现激光输出能量的放大。因此MOPA技术成为激光放大器工程应用中的主要技术。本课题针对医疗美容对亚纳秒级大能量激光放大器的需求,研制了一台基于亚纳秒微片固体激光器的激光放大器。首先,采用亚纳秒被动调Q微片固体激光器作为种子源。种子源激光器在重复频率为10 Hz,脉冲宽度为487.3 ps时输出能量为190 μJ的1064 nm种子光。然后,利用自制的两个氙灯泵浦Nd: YAG模块作为主放大器对亚纳秒激光脉冲能量进行放大,对放大过程自激振荡产生的能量实现了抑制,有效地提高了放大过程中的能量转换效率。最终,得到了波长1064 nm和532 nm可切换输出,在重复频率为10 Hz时,获得了脉冲宽度496.4 ps,脉冲能量561 mJ@1064 nm,330 mJ@532 nm,能量稳定性2%且光斑均匀的亚纳秒激光输出。
充单同位素Ne的HeNe激光器的一种模式竞争与跳变
王琦, 钱永明, 张书练
2022, 51(4): 20210237.  doi: 10.3788/IRLA20210237
[摘要](21) [HTML全文](2) [PDF 1145KB](1)
在一支HeNe激光器腔长增大的过程中观察了其偏振态的变化,发现它的一种偏振态表现为常亮,另一种偏振态表现为常暗,只有换模时,后者才有机会振荡但又会迅速熄灭,同时它们的光强功率也呈反向变化,这说明两种偏振态的模存在强烈的竞争,且在换模过程中发生了模式跳变,目前尚无对这种现象的具体报道。研究了激光器两种正交模式在腔长调谐时的纵模特性及两种偏振态的光强调谐曲线在频差调整前后的变化,由分析可知:增益介质仅为单同位素Ne是引起两种正交模式偏振异常的原因,并阐述了单同位素Ne对模式竞争的影响。
高功率矩形光斑激光非相干空间合束
王艺, 雷广智, 余立冬,  查榕威, 周井峰, 白杨
2022, 51(4): 20210268.  doi: 10.3788/IRLA20210268
[摘要](19) [HTML全文](2) [PDF 2149KB](6)
激光表面热处理技术是进行金属材料表面强化和改性的最有效手段之一。为实现高速、柔性激光表面热处理,按照矩阵平行排列18束光纤输出的972 nm半导体激光束,通过光束准直和空间非相干合束,获得了具有矩形光斑特征的10 kW级合束激光。在理论分析准直激光束的半径、相邻光束间距与合束激光的光斑搭接率之间变化规律、采用Code V光学设计软件建立合束器结构模型及TracePro光学仿真软件模拟合束激光光斑能量分布的基础上,完成了10 kW级18×1矩形光斑激光非相干空间合束器的研制。在200 mm的合束长度内实现了具有单一矩形光斑形貌、最大合束功率10.249 kW、焦斑尺寸31 mm×11 mm、中心波长972.34 nm、谱线宽度2.27 nm的合束激光输出。
基于卷积神经网络的激光雷达湍流预警
庄子波, 邱岳恒, 林家泉, 宋德龙
2022, 51(4): 20210320.  doi: 10.3788/IRLA20210320
[摘要](17) [HTML全文](2) [PDF 1775KB](3)
为实现湍流的自动化预警,提出了一种基于卷积神经网络的激光雷达湍流预警算法。首先,该方法将激光雷达获取的风速数据进行速度结构函数的构建;然后,拟合出涡流耗散率,进而将涡流耗散率构建为像素数据集。将数据集输入一种由两个卷积层、两个全连接层、一个softmax层、若干激活函数组成的卷积神经网络分类模型进行湍流识别;最后,采用学习率递减的方法来调整模型的参数对网络进行训练,网络收敛后,其损失度低至3%,通过对比实验表明网络的准确度可达到85%。运用中川机场2016年机组报告进行对比分析,结果表明:文中方法对大气湍流的预警命中率可达80%、误报率为13.3%、虚警率为6.7%,该方法与Hog-SVM分类方法相比,命中率显著提高,从而证明了该卷积网络模型在湍流预警中泛化能力强,提高了预警效率,能够为管制员和气象预报人员提供一种判断依据。
采样频率和激光脉宽对全波形激光雷达测距精度的影响
周昊, 毛庆洲, 李清泉
2022, 51(4): 20210363.  doi: 10.3788/IRLA20210363
[摘要](24) [HTML全文](2) [PDF 1106KB](2)
全波形激光雷达测距精度,又称测距重复精度或测距标准差,受激光器出光稳定性、激光脉宽、探测器响应时间抖动、电路噪声、波形形态、波形采样频率和波形处理算法等因素影响。理论分析了不同采样频率和不同脉宽对全波形激光雷达测距精度的影响,并采集不同的采样频率(1.25、2.5、5 GHz)和不同脉宽(1、2、3、···、10 ns)条件下的波形数据,经滤波、插值、波形提取等预处理后,利用线性高斯拟合、加权线性高斯拟合、迭代加权线性高斯拟合、期望最大化算法、和Levenberg Marquardt算法共5种算法计算测距值并统计测距精度。实验结果表明,EM算法获得的测距精度相比其他4种算法受到波形畸变的影响最小;加权线性高斯拟合算法获得的测距精度受采样频率变化的影响最小;相同波形幅值条件下,实际脉宽增加2.47倍,利用EM算法获得的测距精度从0.97 mm下降至1.18 mm,因此增加脉宽会降低测距精度;在光脉宽为4 ns的情况下,5 GHz采样频率数据在EM算法获得的测距精度分别为2.5 GHz、1.25 GHz采样频率数据的测距精度的1.71倍和3.07倍,而当2.5 GHz和1.25 GHz采样频率数据分别插值2倍和4倍至5 GHz后,仅为1.17倍和1.29倍,因此提高采样频率能够提高测距精度,而对低采样频率数据进行插值能够获得接近高采样频率数据的测距精度。
基于深度学习视觉和激光辅助的盾构管片自动拼装定位方法
吴志洋, 王双, 刘铁根, 靳党鹏
2022, 51(4): 20210183.  doi: 10.3788/IRLA20210183
[摘要](19) [HTML全文](2) [PDF 1716KB](4)
隧道管片定位是实现盾构管片自动拼装的关键。文中提出了一种基于深度学习视觉和激光辅助相结合的盾构管片自动拼装定位方法,分别利用视觉系统和激光测距系统计算待拼装管片的平面位姿和深度位姿信息。其中,视觉系统基于特殊设计的双阶段卷积神经网络可以实现管片表面定位标志轮廓特征的有效提取,提取精度和识别率相比于现有算法具有明显的提高。实验表明所提出的盾构管片自动拼装定位方法能够满足盾构管片自动拼装定位需求。
Ge-As-Se-Te硫系玻璃的飞秒激光损伤特性
周伟杰, 马文强, 李娆, 褚珞耀, 宋宝安, 戴世勋, 徐铁峰, 张培晴
2022, 51(4): 20210222.  doi: 10.3788/IRLA20210222
[摘要](20) [HTML全文](4) [PDF 1577KB](2)
Ge-As-Se-Te(GAST)硫族化物玻璃拥有超过20 μm的超宽透射范围,是一种可应用于中红外(MIR)和远红外(FIR)波段的优良光学材料。通过熔融淬火法制备了GexAs40−xSe40Te20x = 0、10、20、30、40 mol%)系列硫系玻璃,采用不同波长(800 nm,3 μm和4 μm)、功率和重复频率的飞秒激光辐照硫系玻璃,利用扫描电子显微镜(SEM)和拉曼光谱等手段研究了GAST的激光损伤特性。研究结果发现,GexAs40-xSe40Te20玻璃的激光诱导损伤阈值(LIDT)随着样品中Ge含量的增加而增加,在800 nm下Ge30As10Se40Te20玻璃的LIDT达到最高40.16 mJ/cm2。随着飞秒激光波长增加,系列玻璃的LIDT也逐步增加,Ge30As10Se40Te20在4 μm激光辐照下LIDT达到81.09 mJ/cm2。此外,研究结果表明样品LIDT随着激光的脉冲辐照数量和重复率的增加将逐渐减小。
矢量内积法高速相位式激光测距技术
潘映伶, 纪荣祎, 高超, 周维虎
2022, 51(4): 20210186.  doi: 10.3788/IRLA20210186
[摘要](17) [HTML全文](2) [PDF 1350KB](3)
测量速度和测量精度是相位式激光测距系统的两个重要指标。针对高速高精度测距需求,研究了基于矢量内积(Vector Inner Product, VIP)法的高速数字鉴相方法,从鉴相计算的点数、鉴相计算速度和鉴相精度等方面对VIP法的鉴相性能进行了仿真分析和实验测试,并与传统的数字频域鉴相法(Discrete Fourier Transform, DFT)进行了性能对比。仿真和实验结果表明,VIP法具有更高的鉴相速度和鉴相精度,当信号调制频率为50 MHz时,基于高速采样板卡实测得到的鉴相精度优于0.1°,测距精度0.2 mm以内,相同计算点数VIP法的鉴相处理速度是DFT法的3倍。研究结果表明,VIP法具有鉴相精度高、鉴相速度快的优点,适用于高速高精度激光测距系统。
乙醇辅助激光烧蚀切割硅晶圆工艺
田文涛, 刘炜程, 孙旭辉, 郑宏宇, 王志文
2022, 51(4): 20210333.  doi: 10.3788/IRLA20210333
[摘要](15) [HTML全文](2) [PDF 1844KB](2)
为了减小激光切割硅晶圆时的热效应,选择去离子水作为辅助液体进行激光切割实验,研究了水下切割时激光烧蚀激发气泡对硅片表面造成的不良影响。为解决水下激光切割进程中诱导气泡大面积粘结在硅片表面的问题,提出了去离子水混入乙醇溶液的实验方案,分析了水下激光切割中激光参数和乙醇浓度对切割质量的影响。实验结果表明,采用乙醇溶液作为辅助介质能明显减少粘结气泡的数量,减轻气泡破溃冲击带来的负面影响。实验采用乙醇浓度5 wt.%时切割得到的硅片比纯水中切割得到的硅表面影响区减小50%以上、切缝宽减幅约20%,有效提升了激光切割质量。
Simulation study of smoke screen jamming laser terminal guidance projectile
Guo Aiqiang, Li Tianpeng, Li Xiaonan, Gao Xinbao
2022, 51(4): 20210225.  doi: 10.3788/IRLA20210225
[摘要](21) [HTML全文](2) [PDF 3447KB](3)
With the large-scale application of precision guided weapons, it has realized the transition from conventional ammunition cluster attack mode to guided munition precision strike mode, thus achieving the best combat cost performance. Its laser weapons are widely used in the military field to effectively combat laser weapons. Smoke screen bombs are favored by all countries due to their high cost-effective advantages. In this study, taking the smoke screen interferes with laser terminal guided projectiles as an example, the guidance principle of laser terminal guided projectiles, and the principle of smoke screen interference with laser terminal guided projectiles were studied. The shielding effect of the smoke screen on the laser seeker was introduced into the simulation process of external ballistic. Taking miss distance as an indicator, the jamming system simulation model was established, and the simulation research of smoke screen against laser terminal guided projectiles was realized. The research results show that the simulation system can provide the best jamming strategy for smoke screens against laser terminal guided projectiles, and can provide auxiliary decision-making for combat training and effectiveness evaluation of typical smoke munitions.
光电测量
Method for phase-height mapping calibration based on fringe projection profilometry
Fu Yanjun, Cai Xiaoqi, Zhong Kejun, Ma Baiheng, Yan Zhanjun
2022, 51(4): 20210403.  doi: 10.3788/IRLA20210403
[摘要](10) [HTML全文](1) [PDF 1449KB](4)
For a $ {\text{36}}{{\text{0}}^ \circ } $ 3D shape measurement based on fringe projection profilometry with turntable assistance, calibrating the system’s geometric parameters with a moving stage has the problems of complicated operation and inconvenient carrying. A novel flexible technique was presented to calibrate the monocular system of the panoramic 3D shape measurement based on a turntable consisting of a camera, projector, computer and turntable. The proposed algorithm mainly uses the turntable and marker point to complete the system geometric parameter calibration. For the complete calibration procedure, this method only requires the camera to capture the deformed fringe image of the reference plane, deformed fringe image on the calibration plane after rotation, and marker point image after rotation. In contrast with the traditional method, the proposed method is more convenient and time-saving. The new phase height mapping calibration method was used to reconstruct the calibration plane with a height of 10.000 mm, the result was 10.047 mm. Experiments have been performed to validate the performance of the proposed technique.
改进的三频三步相移结构光三维重建方法
刘飞, 罗惠方, 江翰立, 张茵楠, 严谨
2022, 51(4): 20210179.  doi: 10.3788/IRLA20210179
[摘要](15) [HTML全文](2) [PDF 2528KB](3)
针对结构光三维重建中的传统三频三步相移方法需要投影过多编码图像、效率低的问题,提出了改进的三频三步相移结构光三维重建方法。该方法与传统三频三步方法均需要3种频率的正弦条纹图,但条纹图数量只需5张,即最高频率的条纹图3张,但初始相位不同,剩余频率的条纹图各1张。较传统方法的9张条纹图投影效率提高44.44%。随后推导了该方法的求解原理,由最高频的3张条纹图直接求得重建所需包裹相位,另外两张条纹图用于对包裹相位进行展开,理论上该方法与传统三频三步算法具有相同的精度。最后进行了4组实验,验证了该方法的重建精度、复杂不连续模型重建能力、不同光照环境中的重建稳定性以及对彩色物体重建能力。结果证明该方法在有效提高测量速度的同时保证了和传统三频三步方法一致的精度和适应性。
光学锁相环的研究进展
张超超, 王建波, 殷聪, 张宝武, 刘若男, 席路, 李孟瑶
2022, 51(4): 20210156.  doi: 10.3788/IRLA20210156
[摘要](19) [HTML全文](2) [PDF 2066KB](6)
光学锁相环(OPLL)根据其锁定的两束激光间是否存在频差可分为零差光学锁相环和外差光学锁相环。主要介绍了外差光学锁相环的研究进展,它是一种通过鉴频鉴相方式使激光间的频率差保持相对稳定的偏频锁定方法。相较于其他激光偏频锁定方法,光学锁相环具有结构简单、伺服频率带宽大、频率偏置范围宽、锁定准确度高等优势,在原子相干、冷原子系统、相干功率合成以及外差干涉测量等领域都得到了越来越广泛的应用。首先介绍了激光偏频锁定的主要方法及光学锁相环的特点;其次介绍了光学锁相环的基本模型,分析了光学锁相环的误差反馈过程,并按照光学锁相环实现方法的不同详细介绍了其采用的关键技术和研究进展,对近年来光学锁相环在不同领域的应用进展做了简要介绍;最后对该方法的发展路线进行了总结和展望。
线激光传感器的边缘偏差修正方法
赵洪楠, 江文松, 杨力, 罗哉, 李泓洋
2022, 51(4): 20210317.  doi: 10.3788/IRLA20210317
[摘要](24) [HTML全文](4) [PDF 1595KB](3)
为了修正线激光传感器在轮廓测量中的边缘偏差,提出了一种边缘偏差修正方法。该方法通过分析边缘偏差的主要误差来源,建立一种基于曼哈顿距离和切比雪夫距离的混合去噪模型,实现杂散噪声的滤除;采用最小二乘法对线激光轮廓测量误差模型进行补偿。为了验证该方法的有效性,以量块的标称尺寸作为评价指标进行测量校准实验。实验结果表明:该修正方法对杂散噪声的滤除效果显著;其中,未经补偿的尺寸测量误差为0.43 mm,经修正方法补偿后的尺寸测量误差最小达0.04 mm,比前者降低了一个数量级。因此,该方法可有效修正边缘偏差,提高线激光传感器的轮廓测量精度。
二维纳米材料磁性探测的双臂微悬臂梁设计
种波, 陈博杨, 陈长城, 田东平
2022, 51(4): 20210198.  doi: 10.3788/IRLA20210198
[摘要](13) [HTML全文](2) [PDF 1045KB](1)
磁共振弱力探测技术能够对物质实现非破坏性的高精度结构信息探测,在物理、生物、医学等领域有着非常重要的应用。该技术中,超灵敏悬臂梁是实现弱力探测的核心组成之一。近年来,二维纳米材料由于其奇特的物理特性得到了越来越多的关注。为实现对二维纳米材料磁性的探测,基于单臂微悬臂梁模型,利用差动放大的方法,提出了双臂微悬臂梁的设计,并分析了双臂微悬臂梁中上下球形磁探针内外部的磁场分布,最后以单晶硅悬臂梁和钐钴合金磁球探针为例,对该悬臂梁进行数值模拟,发现该方案能够显著提高悬臂梁的探测灵敏度。
光学设计
柔性支撑式空间反射镜胶接应力分析与消除
武永见, 刘涌, 孙欣
2022, 51(4): 20210496.  doi: 10.3788/IRLA20210496
[摘要](20) [HTML全文](2) [PDF 1268KB](6)
空间光学遥感器不断朝着更高轻量化率的方向发展,传统的装框支撑难以满足系统要求。基于运动学原理的Bipod柔性支撑结构具有良好的力热环境适应能力,在空间光学遥感器的反射镜支撑中得到越来越多的应用。为了有效卸载装配应力,Bipod柔性支撑结构一般通过光学胶与反射镜进行连接,但是光学胶在固化过程中不可避免地存在收缩应力。此外,环境温度的波动以及热真空试验也有可能导致胶接应力的变化,严重时会对反射镜面形造成不利影响。文中针对某Bipod柔性支撑式次镜组件,分析了胶缩对面形的影响,并针对真空放气试验后的面形下降问题,采用消应力与热浸泡相结合的方式有效解决了面形下降的问题,为该类光学胶的空间环境应用提供技术支撑。
小型化复合孔径双波段观瞄系统设计
李晓蕾, 高明
2022, 51(4): 20210549.  doi: 10.3788/IRLA20210549
[摘要](20) [HTML全文](3) [PDF 3085KB](5)
针对单一波段生物复眼孔径小、视距短、接收光谱窄等不足,设计了一种大孔径接收可见光、中波红外仿生复眼光学系统。由于集成光路体积大,子眼系统选择共光路的结构形式。基于入射窗和出射窗的物像共轭关系建立了子眼系统拼接的几何模型。通过设计中继转像系统,将子眼阵列所成的曲面像转换成平面像,解决了平面探测器接收曲面像的问题。整个复眼由37个子眼构成,子眼的焦距为30 mm,视场为20°,入瞳为10 mm,相邻子眼光轴夹角为16°,合并后的视场为116°。相对微透镜阵列式的复眼系统而言,该曲面仿生复眼系统探测距离更远、获取目标信息更全。子眼系统和接收系统的成像质量良好,在−40~+60 ℃温度范围内无热差影响。
光通信与光传感
近红外波长扫描激光高精度FBG解调系统
吕沛桐, 宋凯文, 孙铭阳, 王浩然, 陈晨, 张天瑜
2022, 51(4): 20210230.  doi: 10.3788/IRLA20210230
[摘要](18) [HTML全文](2) [PDF 1591KB](3)
光纤布拉格光栅(FBG)由于其轻巧、规模小、不受电磁干扰和复用能力的影响等优点,广泛用于监视结构健康、机械运行、航空航天和其他领域。引入可调谐扫描激光(TSL)来研制近红外(NIR)范围内的精确光纤布拉格光栅(FBG)波长解调系统,实现高速度、宽范围、高精度的解调。采用一种光纤法布里-珀罗标准具(FFPE)用作波长标记以提取波长在细分波长扫描范围内实现分段线性解调,解决可调扫描激光器带来的非线性问题。引入了另一种光纤法布里–珀罗标准具,实现解调的高精度校准。提出一种多项式最小二乘曲线拟合算法,进一步提高解调的准确性和稳定性,利用了波长范围为1525~1565 nm的近红外波长扫频激光器,得到了非常优异的结果,解调系统的精度为±0.5 pm,实现了高精度、简易化和小型化。
在役光纤应变监测系统性能的在线评价方法
荆根强, 段发阶, 彭璐
2022, 51(4): 20210259.  doi: 10.3788/IRLA20210259
[摘要](16) [HTML全文](2) [PDF 2195KB](3)
结构监测系统的计量性能是结构安全状态评估的关键。针对在役结构监测系统长期、连续使用过程中的在线性能评价难题,依托光纤式结构应变监测系统的数据分析试验,提出了基于序列特征分析的结构监测系统性能评价方法。该方法以参考系统建立测量数据的动态比较基准,通过自然激励条件下的匹配数据序列的结构特征分析,建立性能评价模型。针对不同形态、尺度数据序列的匹配难题,提出了基于字符化表征的匹配方法。现场试验验证表明:该方法具备多尺度、大范围数据序列匹配的适应性,所提评价指标对于不同样本的计算偏差不大于±1%,具有监测系统长期量化评价的实用性。
材料与薄膜
炭基/锌掺杂铁磁体复合材料制备及其消光性能研究
暴丽霞, 李江存, 贾启才
2022, 51(4): 20210378.  doi: 10.3788/IRLA20210378
[摘要](31) [HTML全文](2) [PDF 3223KB](1)
为了实现抗红外烟幕高效环保的要求,同时实现质轻、宽波段吸波性能,采用一步水热法制备了炭基-锰锌铁氧体/镍锌铁氧体/钴锌铁氧体复合材料的前驱体,并在500~900 ℃的温度区间进行焙烧得到了炭基/锌掺杂铁磁体复合材料。通过X射线粉末衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)等表征方法,分析了复合材料的物相和形貌。根据朗伯比尔定律,采用傅里叶红外光谱仪的KBr压片法测试并计算了各材料在2.5~25 μm区间的红外消光系数,并且研究了焙烧温度对材料消光性能的影响。研究结果表明:炭基/锌掺杂铁氧体前驱体焙烧后生成的炭基/锌掺杂铁磁体复合材料的红外消光性能均有所增强,经过700 ℃焙烧后的炭/钴锌铁磁体红外消光系数最大,为0.25 m2/g,具有较好的红外消光性能。
石英玻璃光纤金属涂层在线制备工艺
李好, 贺红磊, 刘念, 代江云, 王建军, 景峰, 高聪
2022, 51(4): 20210269.  doi: 10.3788/IRLA20210269
[摘要](22) [HTML全文](2) [PDF 1601KB](3)
金属涂层光纤较传统有机涂层光纤具有高热稳定性、抗振动干扰等显著优势,但金属涂层光纤的连续在线制备技术在国内仍处于探索研发阶段,这也直接导致金属涂层光纤无法大批量连续生产,一定程度制约了我国高功率光纤激光器的飞速发展。提出并研制了一种基于熔融金属冷凝涂覆法的金属涂层光纤在线制备装置,经与光纤拉丝塔耦合,能够实现边拉丝边涂覆金属,并且涂层厚度可控。基于该工艺成功拉制了涂层均匀、涂层表面质量良好、直径稳定的铝涂层光纤。通过实验和模拟计算,探讨了影响光纤金属涂覆层质量的影响因素,主要包括了光纤入口温度、液铝温度、模具孔径、接触距离等。通过研究,确定了最佳铝液温度为663~690 ℃,且发现涂覆厚度与铝液温度的线性递减关系;计算了拉丝速度与冷却距离的关系;给出了陶瓷上下模具螺丝的孔径大小、光纤与液态铝接触深度的最佳值。研究成果为金属涂覆光纤的批量生产问题提供了解决方案,为打破国际技术垄断奠定了基础。
图像处理
TDI遥感图像中畸变像移模糊的去除
薛素梅, 汤瑜瑜, 黄小仙, 危峻
2022, 51(4): 20210392.  doi: 10.3788/IRLA20210392
[摘要](19) [HTML全文](2) [PDF 1924KB](3)
采用离轴三反射结构的大视场空间相机存在较大的光学畸变,导致引入时间延迟积分(Time Delay Integration, TDI)技术的面阵探测器在推扫成像时产生像移模糊。根据畸变引起的TDI成像退化原理,将畸变像移模糊转化为非均匀运动模糊,通过求解像移路径计算初始模糊核,将其作为先验信息,建立半盲复原模型进一步细化模糊核。利用初始模糊核复原的粗略图像边缘指导模糊核的细化,提出一种多方向权重异性的全变差模型提取图像结构信息。为了增强先验信息对模糊核细化的约束,构建了含有初始模糊核的正则项,使模糊核的估计不过度依赖于图像内容,采用多尺度迭代方法求解。最后用正则化约束的非盲反卷积方法去除图像模糊。实验结果表明:与现有的几种去模糊算法相比,所提方法的去模糊效果不仅清晰自然且对不同样本图像的模糊核估计更稳定。
基于热释电红外传感器的人体动作识别方法
徐晓冰, 左涛涛, 孙百顺, 李奇越, 吴刚
2022, 51(4): 20210188.  doi: 10.3788/IRLA20210188
[摘要](18) [HTML全文](1) [PDF 1909KB](2)
针对目前人体动作识别技术中存在的隐私暴露、技术复杂度高和识别精度低等相关问题,提出了一种基于热释电红外(PIR)传感器的人体动作识别方法。首先,采用一组安置在天花板上经过视场调制的PIR传感器采集人体运动时散发的红外热辐射信号,将传感器输出的电压模拟信号进行滤波放大后通过ZigBee无线模块传送到PC端打包成原始数据集;其次,将原始数据的两路传感器输出数据进行特征融合,对融合后的数据做标准化处理封装为训练集和测试集;然后,基于数据的特征提出一种两层级联的混合深度学习网络模型作为人体动作的分类算法,第一层采用一维卷积神经网络(1DCNN)对数据进行特征提取,第二层采用门控循环单元(GRU)保存历史输入信息防止丢失有效特征;最后,利用训练集来训练该网络模型得出参数最优的分类模型,通过测试集验证模型的正确性。实验结果表明,提出的该动作识别技术模型对基本动作分类的准确率高于98%,与图像动作识别或穿戴式设备动作识别相比,实现了实时、便捷、低成本和高保密性的高精度人体动作识别。
基于块稀疏贝叶斯学习的SAR图像目标方位角估计方法
游丽
2022, 51(4): 20210282.  doi: 10.3788/IRLA20210282
[摘要](14) [HTML全文](2) [PDF 1034KB](2)
提出了一种基于块稀疏贝叶斯学习的合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,SAR)图像目标方位角估计方法。SAR图像具有较强的方位角敏感性,因此对于具有某一方位角的SAR图像仅能与其具有相近方位角的样本具有较高的相关性。方法基于稀疏表示的基本思想,首先对所有训练样本按照方位角顺序排列为全局字典。在此条件下,待估计样本在该字典上的线性表示系数具有块稀疏特性,即非零表示系数主要聚集在字典上的某一局部区域。求解得到的块稀疏位置包含的训练样本可以有效地反映待估计样本的方位角信息。采用块稀疏贝叶斯学习(Block sparse Bayesian learning, BSBL)算法求解全局字典上的稀疏表示系数,并根据具有最小重构误差的原则获得最佳的局部分块。在获取最佳分块的基础上,方位角计算方法采用线性加权的方式综合了该分块区间内所有训练样本的方位角信息从而获得更为稳健的估计结果。所提出的方法在充分考察SAR图像方位角敏感性的基础上,综合运用局部区间内样本的有效信息,避免了基于单一样本估计的不确定性。为了验证所提出方法的有效性,基于Moving and stationary target acquisition and recognition (MSTAR)数据集进行了方位角估计实验并与几类经典方法进行对比分析。实验结果验证了所提出方法的性能优势。
改进生成对抗网络实现红外与可见光图像融合
闵莉, 曹思健, 赵怀慈, 刘鹏飞
2022, 51(4): 20210291.  doi: 10.3788/IRLA20210291
[摘要](22) [HTML全文](2) [PDF 2094KB](6)
红外与可见光图像融合技术能够同时提供红外图像的热辐射信息和可见光图像的纹理细节信息,在智能监控、目标探测和跟踪等领域具有广泛的应用。两种图像基于不同的成像原理,如何融合各自图像的优点并保证图像不失真是融合技术的关键,传统融合算法只是叠加图像信息而忽略了图像的语义信息。针对该问题,提出了一种改进的生成对抗网络,生成器设计了局部细节特征和全局语义特征两路分支捕获源图像的细节和语义信息;在判别器中引入谱归一化模块,解决传统生成对抗网络不易训练的问题,加速网络收敛;引入了感知损失,保持融合图像与源图像的结构相似性,进一步提升了融合精度。实验结果表明,提出的方法在主观评价与客观指标上均优于其他代表性方法,对比基于全变分模型方法,平均梯度和空间频率分别提升了55.84%和49.95%。
基于LGBM的Zernike特征选取及红外图像目标识别方法
杨棉绒, 牛丽平
2022, 51(4): 20210309.  doi: 10.3788/IRLA20210309
[摘要](12) [HTML全文](2) [PDF 1162KB](4)
红外传感技术有效解决了夜间观测的难题,成为现代战场侦察的重要手段之一。不断提升基于红外图像的目标识别能力是实施精确打击、态势感知的有力途径。针对红外图像识别问题,提出基于轻量级梯度提升机(Light Gradient Boosting Machine, LGBM)的Zernike特征选取算法,并结合稀疏表示分类器(Sparse Representation-based Classification, SRC)完成目标类别确认。首先,基于红外图像中的目标区域提取多阶Zernike矩特征,表征待识别目标的本质特性;其次,采用LGBM特征选择算法对多阶矩特征进行二次筛选,减少冗余的同时提高特征的针对性;最后,基于SRC对最终选择的Zernike矩特征矢量进行分类。该方法通过LGBM的特征选择有效提高了最终特征的有效性,同时降低了分类的计算复杂度,有利于提高整体识别性能。采用公开的中波红外目标图像数据集(MWIR)开展验证实验,对10类典型军事目标进行区分识别。实验分别在原始样本、噪声干扰样本以及部分缺失样本三种条件下进行并与几类现有红外目标识别方法进行对比讨论。结果表明:所提方法可取得更优性能,证明其有效性。
改进PCNN与平均能量对比度的图像融合算法
高红霞, 魏涛
2022, 51(4): 20210996.  doi: 10.3788/IRLA20210996
[摘要](24) [HTML全文](2) [PDF 1393KB](4)
为了改善红外光和可见光图像融合的视觉效果和运算时效性,借助有限离散剪切波变换(Finite discrete shearlet transform, FDST)将源图像分解一系列大小相同尺度不同的高低频子带;然后,在低频子带的融合过程中采用改进的空间频率作为脉冲耦合人工神经网络(Pulse Coupled Neural Network,PCNN)的输入激励,动态调节链接强度的大小,以便根据图像的特征自适应变化,充分保留了图像轮廓和边缘等特征信息。在高频子带的融合中,采用区域平均能量对比度的策略进行融合,尽可能突出了纹理和细节等信息;最后,对处理得到的高低频子带采取FDST逆变换,重构得到背景清晰和目标突出的图像。实验结果表明:提出的改进融合方法能够更加清晰和全面地呈现出图像中的背景和目标,与其他几种算法相比,主观视觉与客观指标均表现的最优,且具有更高的运算效率。
基于去雾增强和张量恢复的红外小目标检测
王亚平, 周裕丰, 张宝华
2022, 51(4): 20210417.  doi: 10.3788/IRLA20210417
[摘要](20) [HTML全文](5) [PDF 1979KB](5)
为解决红外块张量模型中利用核范数难以找到张量秩的非凸逼近,得到的非最优解进而影响红外小目标检测,提出了一种基于去雾增强和张量恢复的红外小目标检测算法。首先,利用改进后的暗通道算法对红外图像去雾增强,提高清晰度的同时间接增强了红外图像中背景的低秩性;其次,筛选匹配的张量正面切片去构建红外块张量模型,在张量奇异值分解的框架下,将检测任务转化为张量恢复问题;最后,设计一种快速算法恢复出红外图像中的低秩成分和稀疏成分,运算简单降低算法复杂度。相较于滤波和人类视觉系统的方法,该算法在复杂背景下的误检率平均下降16.6%,在常见的高亮背景区域中检测性能良好,误检率可降低33%。实验结果表明:该算法可以适用于复杂场景,剔除潜在的虚警点。
红外弱小目标检测方法综述
韩金辉, 魏艳涛, 彭真明, 赵骞, 陈耀弘, 覃尧, 李楠
2022, 51(4): 20210393.  doi: 10.3788/IRLA20210393
[摘要](41) [HTML全文](13) [PDF 2368KB](19)
红外弱小目标检测系统可灵活部署在不同的平台中,在红外预警、制导等领域具有重要实用价值。但是,由于复杂场景下存在信噪比低、背景变化剧烈等问题,导致复杂背景下的红外弱小目标检测非常困难,一直是目标探测领域的研究难点和研究热点。根据红外图像数据使用方式的不同,将现有目标检测方法划分为单帧型(含局部信息类与非局部信息类等)和多帧型(含关联校验类与直接求取类等)两大类,并分别进行了简要梳理,分析了不同方法的原理、优势及不足。最后,对本领域的发展趋势做出了预测。该工作既可以帮助初学者快速了解本领域的研究现状和发展趋势,也可作为其他研究者的参考资料。
简讯
单频布里渊光纤激光器实现近5 W功率输出
陶悦, 姜曼, 刘流, 李灿, 周朴, 姜宗福
2022, 51(4): 20211103.  doi: 10.3788/IRLA20211103
[摘要](23) [HTML全文](6) [PDF 880KB](9)