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用于温度传感器原位在线校准的水三相点自动复现控制系统
乔志刚, 高德辛, 张牧子, 赵姗姗, 巫佳利, 苏娟, 陈胜功, 景超, 刘海玲, 杨博, 吴锜
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20240096
[摘要](17) [HTML全文](7) [PDF 599KB](5)
温度传感器在长时间温度测量中会出现性能漂移导致测量误差,为现场实时校准温度传感器实现长期稳定的高精度测量,需要基于国际温标ITS90规定的温度固定点,对传感器进行无人自主原位校准。水三相点是水、冰、气三相平衡共存的温度点,其温度为国际温标中的0.01 ℃固定点,是对传感器进行校准的最常用的固定温度点。水三相点瓶是再现水三相点的关键装置。相较于传统的玻璃外壳水三相点瓶,金属外壳的水三相点瓶更为耐用,更适用于自动原位校准。本研究中,为了实现水三相点的自动浮现,我们根据高纯水自发相变原理,设计了一种基于半导体帕尔贴效应快速稳定复现水三相点的自动控制系统及其控制方法。利用热电制冷器(TEC)和温度控制器为金属水三相点瓶提供过冷环境,在基于模型的制冷调度算法控制下,实现了较长时间保持稳定的水三相点状态。实验室测试表明,该控制系统可以在150 min内达到0.01度的温坪,并保持稳定的三相点温度20 min及温度波动度±1 mK。温度原位在线自动校准系统可以为深海、深空及偏远地区的高精度温度测量提供校准服务。
光学多普勒差分流速仪数据解调方法验证
张治军, 宋冉, 蒋莉莉, 张欣雨, 李冰冰, 陈胜功, 苏娟, 吴锜
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20240094
[摘要](15) [HTML全文](6) [PDF 720KB](2)
光学多普勒差分流速仪在测量海水流速时,由于信号微弱和噪声干扰,接收信号信噪比很低,信号解调面临挑战,可能导致较大的测量误差。为了准确解调埋藏在噪声中的信号并获取速度信息,需要对获取的海试测量数据进行进一步算法处理。本研究采用自适应滤波算法有效降低了多普勒信号中混杂的高频噪声干扰,提高了海试原始数据频域信号的信噪比,并利用寻峰算法更准确地获取了谱峰值。结果表明,与直接读取原始数据的谱峰值相比,经过本算法处理后,激光差分多普勒流速仪与声学多普勒流速仪比测的流速拟合度平均误差为0.2163 cm/s,误差降低了25.5%,表明本算法对激光多普勒测速信号解调是有帮助的。
专家报告
基于深度学习复杂环境的偏振成像技术研究进展(特邀)
胡浩丰, 黄一钊, 朱震, 马千文, 翟京生, 李校博
2024, 53(3): 20240057.   doi: 10.3788/IRLA20240057
[摘要](88) [HTML全文](9) [PDF 3058KB](49)
偏振成像技术通过偏振信息的获取和解译,可以有效抑制复杂环境干扰,提升成像质量,增强目标感知能力,对于复杂环境下的光学成像探测具有独特优势。然而,在散射、低照度等复杂环境下,偏振图像退化机理呈现非线性特征,偏振信息解译方法复杂度高。深度学习方法具有强大的特征提取和学习能力,通过学习大规模数据隐藏的映射规律获得偏振信息的复原效果,特别适合偏振成像这种多维度、相互关联的复杂信号处理问题。文中基于偏振成像的基本原理以及复杂环境偏振成像技术的范式,针对散射和噪声这两类典型的成像环境,介绍了深度学习偏振成像技术的研究进展,同时阐述了深度学习赋能复杂环境偏振成像任务的优势,最后对该领域的未来发展方向作以展望。
面向星地激光通信的大气湍流预报研究进展(特邀)
郭盈池, 李浪, 李晨, 高春清, 付时尧
2024, 53(3): 20230729.   doi: 10.3788/IRLA20230729
[摘要](14) [HTML全文](3) [PDF 3377KB](7)
激光通信系统在大气环境下应用的性能受到严重制约,当激光在大气湍流中传输时,其波面会发生畸变。在激光通信系统中,对大气湍流相关参数进行预报可以提前对星地数据传输链路进行调度,避免建立无效的通信任务。此外,大气湍流预报在天文选址、光学遥感等领域也有重要价值。随着国内外相关工作的长期积累以及算力、观测设备等硬件的能力提升,当前科研人员已经提出了一些大气湍流预报方案。文中主要综述了国内外学者在大气湍流预报方面的研究进展,首先详细介绍了目前应用比较广泛的中尺度数值预报技术,列举了使用中尺度数值预报方法对国内外典型区域的大气湍流进行预报的相关工作;然后介绍了深度学习方法在大气湍流预报中的应用情况,对其优势与局限性进行了讨论;最后介绍了一种面向星地激光通信的大气相干长度短时预报方法。
环形孔径折叠成像系统的光-数联合无热化设计(封面文章·特邀)
马德超, 朴明旭, 谢亚峰, 赵渊明, 牛群, 张承然, 王喆, 张博
2024, 53(3): 20240013.   doi: 10.3788/IRLA20240013
[摘要](16) [HTML全文](4) [PDF 4660KB](4)
环形孔径折叠成像系统通过光路折叠可以实现光学系统的小型化。然而环形孔径折叠成像系统由于仅使用一块基底材料,且没有补偿镜,无法通过光学被动无热化实现宽温度范围的高质量成像。为了减小温度对成像质量影响的同时简化光学系统结构,引入波前编码的方法来设计光-数联合的环形孔径折叠成像系统。文中研究了光-数联合的环形孔径折叠成像系统设计原理,推导了遮拦比与相位掩膜板参数的关系,以实现离焦一致性。在图像解码部分,文中研究了不同权重下的点扩散函数(PSF)的图像复原效果,通过模拟退火算法构建了合成PSF模型。根据理论分析设计了光-数联合的环形孔径折叠成像系统,焦距为70 mm,系统总长为25 mm,F数为1,全视场8°。在−40~60 ℃范围内,高温和低温下的峰值信噪比(PSNR)比其他方法分别提高了4.709 0 dB和5.044 2 dB,实现了单一滤波器的图像复原。文中研究在简化红外成像光学系统的同时,采用光-数联合的方法克服了环形孔径折叠成像系统的温度限制,为宽温度范围红外系统小型化提供了新的思路。
红外技术及应用
40 K双波段长波探测器冷箱封装技术研究
王小坤, 陈俊林, 罗少博, 曾智江, 李雪
2024, 53(3): 20230654.   doi: 10.3788/IRLA20230654
[摘要](21) [HTML全文](4) [PDF 2390KB](8)
冷光学技术是弱目标及多光谱红外探测的重要支撑技术。为了实现低温光学系统温度精确控制和防污染,一般多将低温光学与探测器集成在冷箱内。某高光谱相机需要1个320×64量子阱探测器和1个320×64 II类超晶格探测器共面拼接,集成双波段微型滤光片,形成长波双波段探测杜瓦组件,探测器工作所需的40 K低温环境由脉管制冷机提供。杜瓦采用无窗口设计,并通过柔性波纹管将杜瓦外壳与冷箱外壳集成,以实现气密性集成和光校调节。针对40 K温区双波段探测器封装的三维拼接、探测器及滤光片的低应力封装、制冷机与探测器的高效热传输等难点,对探测器的三维拼接、40 K温区高效热传输、探测器低应力集成的热层结构、低应力滤光片支撑、杜瓦与制冷机耦合等进行研究,创新性提出了三点Z向调节拼接方法、探测器Al2O3载体复合钼基板和钼冷平台的热层结构、双波段滤光片集成的钼支撑结构、带应力隔离的冷平台与制冷机过盈装配的耦合方法,最终实现了40 K温区下双波段探测器平面度优于±2.06 µm(RMS)、探测器的低温应力小于22.06 MPa、双波段滤光片低温形变小于8.55 μm、探测器与制冷机温度梯度为2.6 K。40 K长波双波段红外探测器冷箱杜瓦组件经过2 000 h通电老练和300次开关机试验验证,试验前后组件性能未发生明显变化,满足工程化应用的要求。
基于啁啾极化晶体的中红外上转换成像研究
韩赵其智, 葛正, 王小骅, 周志远, 史保森
2024, 53(3): 20230585.   doi: 10.3788/IRLA20230585
[摘要](29) [HTML全文](4) [PDF 2089KB](11)
将物体辐射或反射的中红外波段光转换到可见光区域、再利用高性能的硅基器件探测是一种有效的目标识别手段,规避了传统半导体中红外探测器在灵敏度、深制冷和噪声等性能方面的不足。文中利用啁啾极化的非线性晶体,在强连续泵浦光作用下,将中红外波段的光场信息高效、高保真地迁移到可见光域进行探测。通过建立简单的物理模型,理论上讨论了啁啾极化晶体参数对上转换成像性能的影响,并进行了数值仿真;通过实验进一步研究了啁啾晶体上转换方法在转换带宽、成像视场等成像关键参数上的优势,实验结果与理论计算值吻合较好。通过上转换方法,演示了相干光与非相干光照明条件下目标探测,实现了相干光照明下的光学边缘增强成像和非相干照明下的热辐射目标识别。这一工作对基于啁啾晶体的上转换成像系统的理解、设计和实际应用具有重要参考价值。
锑化物超晶格红外探测器研究进展与发展趋势
张杰, 黄敏, 党晓玲, 刘益新, 陈颖超, 陈建新
2024, 53(3): 20230153.   doi: 10.3788/IRLA20230153
[摘要](14) [HTML全文](4) [PDF 3184KB](9)
锑化物超晶格红外探测器具有均匀性好、暗电流低和量子效率较高等优点,其探测波长灵活可调,可以覆盖短波至甚长波整个红外谱段,是实现高均匀大面阵、长波、甚长波及双色红外探测器的优选技术,得到了国内外相关研究机构的关注和重视,近年来取得了突破性的进展。文中从锑化物超晶格的基本技术原理出发,梳理总结了超晶格红外探测器的发展历程和当前进展,结合超晶格技术特点的分析,初步探讨了超晶格红外焦平面后续发展趋势。
蜂窝夹层结构缺陷红外热成像检测及缺陷分类
唐庆菊, 谷卓妍, 卜红茹, 徐贵鹏
2024, 53(3): 20230631.   doi: 10.3788/IRLA20230631
[摘要](9) [HTML全文](4) [PDF 2949KB](5)
为实现GFRP/NOMEX蜂窝夹层结构常见缺陷的准确分类,基于红外热成像无损检测技术,采用卷积神经网络及迁移学习技术建立GFRP/NOMEX蜂窝夹层结构缺陷的分类模型,比较微调的VGG16、MobileNetV2、ResNet50、InceptionV3、DenseNet201模型对于缺陷的分类效果,结果表明以上模型针对GFRP/NOMEX蜂窝夹层结构蒙皮脱粘缺陷、夹层脱粘缺陷、积水缺陷、堵胶缺陷及健康区域均可实现准确的识别分类,其准确率均在94%以上。其中基于VGG16的两种迁移学习模型及ResNet50的迁移学习模型对于此数据集的分类效果优于其余几种经典模型的迁移学习网络,其准确率分别达到99.94%、99.10%、98.95%,五个类别$ \varphi $值得分均高于96%,可实现缺陷区域及健康区域的有效分类。
激光器与激光光学
飞秒激光烧蚀YAG晶体的阈值及孵化效应研究
商涛, 邓国亮, 王俊, 伍杰, 蔡睿, 陈茹波, 许云龙
2024, 53(3): 20230583.   doi: 10.3788/IRLA20230583
[摘要](17) [HTML全文](6) [PDF 1635KB](4)
孵化效应在超快激光烧蚀和加工的过程中起着重要作用。文中通过实验研究了波长为1030 nm的飞秒激光烧蚀YAG晶体的阈值和孵化效应。在单脉冲作用时,YAG表面发生“温和”烧蚀,具有较小的烧蚀孔径和深度;多脉冲作用时,由于孵化作用的影响,烧蚀阈值随着脉冲数的增加而显著降低。分别采用三种孵化模型,对比研究了其对YAG晶体烧蚀阈值的拟合效果。通过实验和拟合,得到单脉冲作用下烧蚀阈值为${{F}}_{\mathrm{t}\mathrm{h},1}$=(12.27±3.56) J/cm2;多脉冲作用下,饱和孵化阈值为${{F}}_{\mathrm{t}\mathrm{h},\mathrm{\infty }}=(1.82\pm 0.37)$ J/cm2。该研究为飞秒激光精密加工中的能量和脉冲数等参数的控制提供了参考。
基于声光调制器的光学锁相环He-Ne激光稳频方法研究
刘宇森, 王建波, 殷聪, 韩绍坤, 毕文文, 俞秋叶, 邹金澎
2024, 53(3): 20240003.   doi: 10.3788/IRLA20240003
[摘要](18) [HTML全文](5) [PDF 2431KB](3)
报道了一种基于声光调制器与光学锁相环相结合的高稳定度激光稳频方法,用于提高热稳频He-Ne激光器的频率稳定度和准确度。为了克服全内腔热稳频He-Ne激光精密调谐困难的缺点,发展了基于声光调制器两次移频的频率调谐光路,有效地消除声光调制器移频光束路径对衍射角$ \theta $的依赖。自行研制了具有高灵敏度与捕获带宽的光学锁相环系统,利用声光调制器的高频率响应特性实现热稳频He-Ne激光高速、准确的锁定。成功实现了热稳频He-Ne激光器偏频锁定至碘稳频He-Ne激光器。实验结果表明,环路锁定后拍频频率波动在±0.2 Hz范围内,频率抖动的标准差为0.04。偏置频率为30 MHz时,系统在1 s和1000 s积分时间的相对阿伦方差分别为$ 3.3\times {10}^{-9} $和$ 1.4\times {10}^{-12} $。系统锁定后,压缩后的拍频线宽小于2 kHz。该研究表明,采用基于声光调制器与光学锁相环相结合的激光稳频方法可以实现亚赫兹级的激光频差控制,通过将热稳频He-Ne激光器偏频锁定至高稳定度的参考激光源可以显著提升其频率稳定度和准确度。
基于PbS量子点的可调谐高能量锁模光纤激光器
陈广伟, 赵悦, 胡国庆, 秦莹, 贾凯琳, 陈丽, 李慧宇, 贺敬文, 周哲海
2024, 53(3): 20230632.   doi: 10.3788/IRLA20230632
[摘要](13) [HTML全文](4) [PDF 1701KB](5)
基于低维纳米材料的飞秒光纤激光器在光学开关、光纤传感和光通信领域中发挥着重要的作用。然而,低损伤阈值限制了其在高能量激光领域的实际应用。为了解决这一问题,实验中基于PbS量子点饱和吸收体,在近零色散区研究掺铒光纤激光器的飞秒脉冲输出特性,脉冲中心波长为1 568.6 nm,光谱的3 dB带宽为11.4 nm,脉冲半高全宽为361 fs。利用多模光纤中的非线性多模干涉效应实现带宽可调的光谱滤波效应,调节偏振相关 “基模”引起的群时间延迟量调控腔内总色散量,升高泵浦驱动电流达到饱和吸收体的反饱和吸收特性区域,实现从展宽脉冲到高能量耗散孤子共振脉冲的切换。由于局部的非同步色散波与孤子之间的相消干涉效应,导致耗散孤子共振脉冲光谱出现了dip型边带和Kelly边带不对称地分布在光谱两边的现象。通过调谐腔内脉冲的偏振状态和泵浦功率,高能量脉冲的半高全宽可以在7.7~23 ns之间调谐。当泵浦驱动电流达到800 mA时,腔内激光脉冲能量为34.8 nJ,其损伤阈值大于60 mJ/cm2。该工作为实现高效、高能量飞秒光纤激光提供了新的解决方案。
激光二极管端泵Yb:YAG晶体的温度场及应力场
李昕阳, 李隆, 任嘉欣, 贺政隆, 石镨, 宁江浩, 张春玲
2024, 53(3): 20230683.   doi: 10.3788/IRLA20230683
[摘要](15) [HTML全文](5) [PDF 3421KB](2)
为了解决激光二极管端面泵浦Yb:YAG晶体引起的热效应问题,通过对晶体工作特点的分析,建立了周边冷却恒温、端面与空气存在热交换的有限元热模型。利用泊松方程,对Yb:YAG晶体的温度场、热应力场、热形变场和热透镜焦距进行了数值计算,并定量分析了激光二极管泵浦光的高斯阶次、光斑半径和泵浦功率对激光晶体温度场的影响。研究结果表明:若激光二极管泵浦功率为50 W,耦合到泵浦面的光斑半径为400 μm时,晶体尺寸为3 mm×3 mm×4 mm、掺杂浓度为5.0 at.%的Yb:YAG晶体端面的最高温升为59.2 K,最大热形变量为0.64567 μm,晶体内稳定时最大应力为2.380×108 N/m2,热透镜焦距为19.99 mm,该条件下激光器可正常运行。研究结果为全固态Yb:YAG激光器的设计提供了理论依据。
全天时便携式户外型红外探测气溶胶激光雷达系统设计及应用
庄鹏, 谢晨波, 康宝荣, 刘建明, 夏小维
2024, 53(3): 20230636.   doi: 10.3788/IRLA20230636
[摘要](17) [HTML全文](5) [PDF 2739KB](3)
介绍了全天时便携式户外型红外探测气溶胶激光雷达的工作原理、系统设计与多种场景应用分析。红外探测气溶胶激光雷达具有大气穿透性强,受天空背景光影响小、对大粒子敏感等特点,在大气气溶胶污染时空分布特征获取、水平能见度监测和垂直边界层监测的应用上取得较好的效果。系统水平扫描可获取大区域颗粒物分布图,及时发现污染源并联合近地面风速风向、颗粒物和一氧化碳浓度等数据评估污染源影响程度,同时能够准确地反演水平能见度,与标准能见度仪比对相对误差均小于20%。激光雷达反演边界层高度采用消光系数梯度法,实验结果与探空气球反演绝对偏差为200 m,能够准确反演边界层高度。该系统能够实时精确地捕获大气气溶胶分布与传输情况,准确反演水平能见度、边界层高度等信息,在大气监测领域具有广泛的应用场景。
激光二极管端泵方形Tm:YAG复合晶体的热效应
任嘉欣, 李隆, 李昕阳, 杨恒鑫, 纪玉潇, 张春玲
2024, 53(3): 20230717.   doi: 10.3788/IRLA20230717
[摘要](9) [HTML全文](2) [PDF 5165KB](4)
为了有效解决激光二极管端面泵浦激光晶体引起的热效应问题,引入复合晶体的概念,通过两种复合晶体模型(即单端键合和双端键合)来降低激光晶体的热效应。根据激光二极管端面泵浦激光晶体工作特点,建立端面泵浦方形 Tm:YAG复合晶体热模型,利用热传导理论,用有限元分析法对复合晶体的温度场、热应力场和形变量进行了数值计算,分析了单端/双端键合方式、未掺杂晶体长度、增益晶体长度对方形复合晶体内部温度场及形变量的影响。结果表明,平衡状态下,激光二极管泵浦功率为30 W、泵浦光斑半径为400 μm时,YAG晶体厚度c1为1 mm,增益晶体厚度c2为1.5 mm,方形单端键合和双端键合的Tm:YAG复合晶体内部最大温升分别为81.2、77.9 ℃;内部最大应力分别为146、104 MPa;热形变量为0.468、0.172 μm。可见,复合晶体能有效缓解晶体的温升和热形变,且双端键合的方式降低晶体热效应的效果更好。当增益晶体厚度为2.6 mm以上时,两种键合方式对复合晶体内部最大温升的影响基本保持一致。该研究为方形Tm:YAG复合晶体的增益晶体厚度、未掺杂晶体厚度的选择提供了参考依据,也为实现 Tm:YAG 激光器高功率输出目标提供了理论指导。
光学设计
面向光束指向调控的双快速反射镜偏转角快速解算方法
黄泽帆, 李延伟, 谢虹波, 杨睿, 谷佳荣, 谢新旺
2024, 53(3): 20230582.   doi: 10.3788/IRLA20230582
[摘要](19) [HTML全文](5) [PDF 2308KB](2)
基于双快速反射镜的光束指向调控系统可补偿光束位置偏差及角度偏差,双反射镜引入的耦合效应致使难以快速求解合适的镜面绕轴偏转角。为解决该问题,文中构建了双快速反射镜光束指向调控模型,分析了偏转角与光斑位移在小角度下的近似线性关系,提出了偏转角的快速解算方法,可在单次求解后获得适用的镜面偏转角。该方法采用迭代收敛算法解算抑制随机光束指向失调的偏转角并形成数据集,基于该数据集训练浅层神经网络,可根据当前光斑位置偏差直接解算快速反射镜偏转角。仿真实验结果表明,依据该方法解算的偏转角进行调控,相较于未调控前光束状态,在XZ方向的位置偏差分别减小99.32%、99.46%,角度偏差分别减小99.07%、98.98%,平均综合偏差减小99.16%,极大地抑制了光束指向失调。
地基光电成像系统中单芯轴的设计与优化
祝汉旺, 薛向尧, 邵明振, 张文豹, 李赏, 王秀硕, 王广义, 杨欣宇
2024, 53(3): 20230629.   doi: 10.3788/IRLA20230629
[摘要](6) [HTML全文](1) [PDF 3728KB](5)
在大俯仰角和极端温差条件下,保持地基光电成像系统主镜面形精度的稳定性是关键。文中提出了一种新型单芯轴支撑结构,旨在提高主镜在极端环境下的稳定性和热膨胀适应能力,从而保证面形精度。通过卡式第二定理深入分析单芯轴应力尺寸链参数对镜面误差的影响,并结合Isight平台和多岛遗传算法进行结构参数优化,实现了结构稳定性与面形精度的平衡。仿真结果表明,在不同环境条件下,主镜的均方根波前误差(RMS)均小于30 nm,峰值差(PV)小于120 nm,满足光学成像的高标准要求。此外,在ΔT=80 ℃、主镜光轴水平状态下,RMS和PV的优化率分别达到59.99%和23.2%,刚体位移的优化率高达21.96%,体现了设计的高效性。在20 ℃和40 ℃的控制室温条件下进行的激光干涉仪测试进一步证实了设计的有效性,以及与仿真结果的高度一致性。该研究为在大温差、大俯仰角条件下的地基光电成像系统中,中口径主镜的支撑结构设计提供了有力的参考,特别是在提高主镜面形精度方面具有重要意义。未来的研究将探讨该结构在更广泛温差和更大口径主镜下的应用,以及进一步优化其光学性能和结构稳定性。
光通信与光传感
高阶轨道角动量传输光纤设计及传输特性研究(内封底文章)
赵丽娟, 吴雨静, 徐志钮
2024, 53(3): 20240007.   doi: 10.3788/IRLA20240007
[摘要](12) [HTML全文](3) [PDF 7755KB](4)
为解决一般轨道角动量传输光纤传输轨道角动量模式数量少、质量差的问题,提出了一种基于正六边形空气孔排列的新型光子晶体光纤结构。该光纤引入了空气填充率高的矩形空气孔以及采用高折射率材料填充环形传输区域,能够有效提高环形传输区域和包层间的折射率差,且正六边形排列空气孔有利于提高模间有效折射率差。经过结构优化得到最优光纤结构,有限元法的分析结果表明,最优结构下,该光纤在常用波段S+C+L+U波段上能够支持142种轨道角动量模式的传输,最高阶数达到36阶。且所提出光纤具有良好的传输特性,本征模式的最高限制性损耗为10−9 dB/m量级,与典型轨道角动量传输光子晶体光纤相比至少降低了一个数量级;最大有效模场面积能够达到206.18 μm2,最小非线性系数低至0.397 W−1∙km−1;色散平坦且最小色散变化低至1.457 8 ps/(nm∙km);所有本征模式纯度均在93.4%~96.8%范围内。且该光纤具有较好的制备可行性,对制造精度要求不高。因此,该光纤在基于轨道角动量光纤的复用系统中具有广阔的应用前景,为提高通信容量提供了一种有效手段。
集成光学
基于无透镜散斑图像编码的集成式光谱检测
周天彪, 黄思远, 文龙, 陈沁
2024, 53(3): 20240010.   doi: 10.3788/IRLA20240010
[摘要](14) [HTML全文](4) [PDF 2798KB](3)
近年来,片上光谱检测技术由于其优异的集成特性在各种应用中引起了广泛的关注。得益于集成在各类便携式平台的低成本图像传感器,与波长相关的图像编码技术成为一种新兴的集成式光谱检测方法。为了准确地对图像中的光谱信息进行解码,通常需要物镜和较大的工作距离,这些都不可避免地增加了光学系统的复杂性和整个检测系统的尺寸。文中提出了一种基于卷积神经网络算法的新型散斑图像编码技术,通过将纳米散射结构直接集成到图像传感器表面进行散斑成像,实现了无需光学镜头的片上集成式光谱检测功能。这种高集成、低成本的光谱检测方法和器件利用先进算法克服了有限硬件资源造成的弱光谱检测能力,有望在现场快检和分布式传感网络等领域得到应用。
光学器件
等离子体增强型ZnO基纳米线异质结阵列光电探测器
吴茴, 彭嘉隆, 江金豹, 李晗升, 徐威, 郭楚才, 张检发, 朱志宏
2024, 53(3): 20240006.   doi: 10.3788/IRLA20240006
[摘要](16) [HTML全文](7) [PDF 1908KB](4)
低维ZnO基光电探测器具有高响应性和高光子吸收能力。然而,ZnO较窄的吸收范围以及较低的光生载流子寿命限制了低维ZnO材料在光电子学中的潜在应用。该研究展示了一种零维(0D)金属纳米等离子体增强氧化锌纳米线(ZnO)-硒化锌(ZnSe)异质结阵列的新型光电探测器。与基于单纯ZnO纳米线阵列的探测器件比较表明,该探测器具有优异的光电响应性能。在可见光作用下,该器件的响应度和平均上升(下降)时间分别为1.7 mA/W和1.812 ms (1.803 ms),在10 h连续测试中表现出优异的稳定性,为开发高性能光电探测器提供了一种低成本、可规模化的方法,有望在可穿戴设备、光通信系统、环境传感器等多方面得到应用。
光电测量
基于损伤程度量化评估的光学薄膜元件激光损伤阈值测量方法
辛磊, 杨忠明, 孟君, 刘兆军
2024, 53(3): 20230614.   doi: 10.3788/IRLA20230614
[摘要](7) [HTML全文](1) [PDF 2616KB](2)
光学薄膜元件是高功率激光器中的关键器件,其抗激光损伤的能力对整个激光系统的运行至关重要。精确测量薄膜元件激光诱导损伤阈值对提升激光器使用寿命与出光效率有着重要意义。提出一种新型激光损伤程度量化评估法,该方法对薄膜元件在不同能量密度下的激光损伤程度量化分析,通过损伤趋势拟合,评估激光损伤阈值。对激光损伤区域的量化采用图像超分辨白光显微干涉测量法,可实现纳米量级测量精度。通过仿真验证该测量方法可实现纳米量级损伤结构的三维重构,重构损伤区域误差小于0.01%。在实验部分,以激光谐振腔镜及窗口片为测试样品,无需大量重复性激光损伤实验,基于单片样品在一组不同能量密度激光束照射下产生的单次损伤结果实现测量,结果数据与S-on-1方法吻合,偏差小于0.5 J/cm2,两个样品多次测量结果的标准差分别为0.361 J/cm2和0.064 J/cm2
光学制造
光学元件磁流变加工不确定度误差工艺方法
高博, 范斌, 王佳, 吴湘, 辛强
2024, 53(3): 20230595.   doi: 10.3788/IRLA20230595
[摘要](16) [HTML全文](3) [PDF 5283KB](2)
为减少磁流变抛光过程中误差对加工精度的影响,实现光学元件磁流变高精度加工,采用一种不确定度误差工艺方法对加工中的误差进行抑制。通过对磁流变加工过程中的位置误差和去除函数误差进行不确定度分析,在理论分析与实验分析的基础上进行验证实验。由仿真与实验结果可知,加工中面形误差与中频误差均存在3.5 nm的不确定度误差值,通过验证实验,得到了加工后的面形误差RMS值为20 nm,中频误差RMS值为14 nm。结果表明,采用误差不确定度的方法可优化加工工艺流程,减少误差对加工过程的影响,可以达到不确定度下的面形精度。该方法为磁流变高精度确定性加工以及面形误差与中频误差的抑制问题提供了一种解决方案。
海洋光学
蓝绿光双波长船载海洋激光雷达系统设计与海上测试
纪鲁峰, 刘秉义, 朱培志, 刘金涛, 张凯临, 吴松华, 唐军武
2024, 53(3): 20230597.   doi: 10.3788/IRLA20230597
[摘要](14) [HTML全文](4) [PDF 3815KB](3)
海洋水体的光学特性参数是海洋研究关注的重点之一,大部分光学特性具有随深度变化的特征,而海洋激光雷达是有效探测水体剖面信息的技术手段之一。基于水体光学特性参数剖面探测的需求,研制了蓝绿光双波长船载海洋激光雷达系统,光源采用在水体中衰减系数较小的蓝绿波长以获取更大的探测深度。该系统具备双波长和偏振探测通道,用于同步获取水体后向散射回波信号和偏振信号,可实现近岸和大洋水体的连续探测。文中首先介绍了激光雷达系统的设计方案,包括发射、接收、采集及控制子系统以及辅助设施,随后对数据预处理方法进行了阐述,包括质量控制、峰值位置对齐、去除背景噪声及退卷积等。系统于近海进行探测实验,验证了激光雷达系统的可靠性。结果显示:在清洁大洋水域,486 nm的激光雷达衰减系数小于532 nm,意味着在开阔水域486 nm具有更好的探测性能。
空间光学
空间天文紫外偏振探测技术研究进展
单睿䶮, 董联庆, 李康, 张牧尧, 郑国宪, 张琢, 杨立欣, 邵俊杰
2024, 53(3): 20230547.   doi: 10.3788/IRLA20230547
[摘要](16) [HTML全文](5) [PDF 2288KB](7)
新型空间天文探测技术在科学进步和国家发展方面起着至关重要的作用。其高精度的观测提供了独特的机遇,深化了人们对宇宙的理解,同时推动了天体物理学和宇宙学的前沿研究。这些探测不仅为理论模型的验证与发展提供了不可或缺的数据,还在基础物理学领域催生了新理论。在国家层面,拥有先进的空间天文探测技术不仅凸显了国家在科研领域的实力,同时为培养高水平的科研人才提供了重要平台,有助于国家在全球科研舞台上赢得竞争优势。因此,对新型空间天文探测技术的研究和发展显得十分紧迫。天文紫外偏振作为一种创新的空间天文探测手段,相较于传统探测手段,紫外偏振测量技术能够提供多维度的观测数据,进而实现全方位的宇宙感知能力,具备巨大地应用潜力。鉴于目前尚未有关于空间天文紫外偏振探测的系统性综述报告和文章,因此,文中从紫外偏振科学研究的角度出发,总结已有的紫外偏振载荷,挖掘这一领域技术发展的思路和途径,最后对该技术未来发展方向进行展望与总结,为我国在该领域的未来研究提供有益参考。
图像处理
干涉式闭环光纤陀螺仪的PSO-PID控制优化方法
刘尚波, 丹泽升, 廉保旺, 徐金涛, 曹辉
2024, 53(3): 20230626.   doi: 10.3788/IRLA20230626
[摘要](9) [HTML全文](2) [PDF 2486KB](3)
控制系统的设计会对响应速度快且应用范围较广的数字干涉式闭环光纤陀螺(ICFOG)动态性能产生影响。通过分析ICFOG的工作原理,推导出闭环离散控制系统,并利用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)对传统的PID控制器参数进行优化。基于这个优化过程,设计一种新型的PSO-PID复合控制器,以取代传统的PID控制器。通过与其他BP神经网络、模糊控制等方法进行对比凸显该控制方法的优越。通过数字仿真分析显示,跟踪速度相较于BP-PID控制方法提高了1.91倍,相对于PID控制方法提高了3.5倍,相对于F-PID控制方法提高了1.75倍。同时,控制精度相对于BP-PID控制方法提高了46.03%,相对于PID控制方法提高了66.30%,相对于F-PID控制方法提高了45.27%。结果显示,采用PSO-PID控制器能够快速达到控制目标且具有较小的超调量。
基于并行多轴自注意力的图像去高光算法
李鹏越, 续欣莹, 唐延东, 张朝霞, 韩晓霞, 岳海峰
2024, 53(3): 20230538.   doi: 10.3788/IRLA20230538
[摘要](15) [HTML全文](3) [PDF 7138KB](4)
图像高光层模型的模糊性和高光动态范围大的特点,使得图像去高光成为了一个挑战性的视觉任务。纯局部性方法容易导致图像高光区出现伪影,纯全局性方法容易使图像非高光区色彩失真。针对图像去高光中局部和全局特征不平衡导致的上述问题,以及高光层建模的模糊性,提出了基于并行多轴自注意力机制的门限融合U型深度网络图像去高光算法。该方法通过隐式建模避免了高光层模型模糊引入的问题,利用U型网络结构将上下文信息与低层信息融合对无高光图像进行估计,并在U型结构编码器和解码器之间引入门限融合结构进一步提升网络模型的特征表达能力。此外,U型网络的单元结构通过融合局部和全局自注意力平衡了局部和全局特征的编码和解码。定性实验结果表明,文中方法可以更有效地去除图像中的高光,其他对比算法在高光处容易产生伪影和失真。定量实验结果表明,文中方法在PSNR和SSIM指标上优于其他五种典型的图像去高光方法,在三个数据集上,PSNR值分别高于次优方法4.10、7.09、6.58 dB,SSIM值分别取得了4%、9%和3%的增量。
漫反射与非漫反射表面间的辐射传递系数快速计算
厉夫兵, 游啟, 冷俊敏, 杨林昊
2024, 53(3): 20230611.   doi: 10.3788/IRLA20230611
[摘要](7) [HTML全文](2) [PDF 2327KB](6)
针对蒙特卡洛方法计算目标表面间辐射传递系数耗时过长的问题,提出了一种计算漫反射灰体与非漫反射灰体表面间辐射传递系数的快速方法。首先,利用蒙特卡洛方法在漫反射表面生成发射光束集并进行射线追踪,计算漫反射表面对目标表面的辐射传递系数;然后,在非漫反射表面生成发射光束并进行射线追踪,如果射线在多次反射过程中击中任意漫反射表面,则利用反射光束的漫反射特性,直接调用漫反射表面的辐射传递系数对反射能量进行分配,并停止射线追踪。对正六面体模型内表面(两个漫反射面元、四个镜反射面元)的辐射传递系数进行仿真,结果表明,当表面反射率ρ=0.4时,镜反射表面的辐射传递系数计算时间仅为蒙特卡洛方法的1/3;ρ=0.8时,相应的计算时间占比低于1/10,并且保持良好的计算精度。理论推导并分析了影响该方法计算速度的模型参数,结果表明:表面反射率越高,系统中漫反射表面占比越大,快速方法中单束光线的平均追踪次数较蒙特卡洛方法越少,非漫反射表面的辐射传递系数计算优势越明显。
简讯
632 nm FMCW激光雷达在水汽环境中测速与测距的应用
张欣雨, 蒋莉莉, 宋冉, 张治军, 李冰冰, 苏娟, 吴锜
2024, 53(3): 20240093.   doi: 10.3788/IRLA20240093
[摘要](13) [HTML全文](6) [PDF 1090KB](2)
在高海况及复杂环境下,面向无人机和无人艇协同精准降落的需求,在水汽环境中同时精确测量彼此的距离和速度对于无人机的安全着艇很有必要。针对这一需求,提出了一种基于可见光波长、调频连续波(FMCW)原理的同时测速和测距的激光雷达系统并开展了实验验证。该系统采用了三角波电流调制信号直接注入调制激光器,利用激光入射到被测目标物上产生的散射信号光与本振光发生干涉产生拍频信号,解调出被测目标物的速度和距离信息。实验结果显示,该技术可以实现距离测量范围10~130 cm,分辨率1.5 cm,最大相对标准偏差1.5%;速度测量范围10~125 cm/s,速度分辨率0.5 cm/s,最大相对标准偏差0.6%。
硝酸盐传感器在深海压力下的校准方法
张乃心, 朱星玥, 单保一, 徐鉴, 吴锜
2024, 53(3): 20240095.   doi: 10.3788/IRLA20240095
[摘要](14) [HTML全文](4) [PDF 1147KB](2)
研究表明,海水中溴化物的紫外吸收光谱受到深海压力的影响会影响海水中硝酸盐的测量准确度。现有的水下硝酸盐传感器已暴露出测量误差大,环境适应性差、无法应用于2 000 m以下的深海探测等问题。因此,为了更准确地计算硝酸盐浓度,有必要开展深海压力对海水紫外吸收光谱的校正研究。实验室对模拟深海压力环境中的硝酸盐进行测试试验,提出了两种算法用来矫正压力下的紫外光谱,通过实验验证了这两种压力校正算法对硝酸盐计算的预测准确性。结果表明,多元散射校正-偏最小二乘法回归校正算法具有最好的测量效果,R²为0.997,平均绝对误差(MAE)为1.294 μmol/L,平均偏差误差(MBE)为0.037 μmol/L。