2021年 第50卷 第9期
2021, 50(9): 20210145.
doi: 10.3788/IRLA20210145
自Allen等证明具有螺旋相位波面的激光束携带有轨道角动量以来，对光束轨道角动量调控技术的研究取得了跨越式的发展，获得了包括相位涡旋光束、矢量涡旋光束、激光束阵列等多种新型结构光场，在超大容量光通信、遥感探测、激光加工、高分辨率成像等领域展现出广阔的应用前景。准确测量光束的轨道角动量是其应用的重要基础，早期人们更多地关注对待测光束所包含的轨道角动量成分分布的测量，后来逐步拓展至对各个轨道角动量成分的强度比重即轨道角动量谱的测量。文中系统地回顾并总结近年来光束轨道角动量谱测量技术的发展，主要介绍了包括基于衍射、模式分束等方法的新型光束轨道角动量谱测量技术。
2021, 50(9): 20200463.
doi: 10.3788/IRLA20200463
涡旋光束是一种携带轨道角动量且具有螺旋波振面的新型结构光场。自1992年Allen等首次证明了近轴条件下带有螺旋相位因子的光场具有轨道角动量以来，涡旋光束因其在光操控、光通信、光学测量和遥感等领域中的广泛应用而备受关注，特别是近年来涡旋光束在惯性测量领域的应用吸引了诸多学者的研究兴趣。文中主要涉及三个方面的内容：涡旋光束制备方法研究进展；涡旋光束在惯性测量领域中的关键应用，具体为基于涡旋光的旋转多普勒效应和量子陀螺；最后还就惯性测量对涡旋光束制备提出的新要求进行了讨论。
2021, 50(9): 20210408.
doi: 10.3788/IRLA20210408
涡旋光在光通信、量子纠缠、新的非线性光学效应、微纳机械加工、超分辨成像和光镊等领域具有重要的应用价值。涡旋光应用的前提条件是高质量涡旋光束的产生，将缺陷镜技术和固体激光谐振腔技术结合起来研究，对直接产生高光束质量、高稳定性和大拓扑荷数（高阶）的涡旋激光具有明显的优势。当前，该项技术多是用在简单的两镜线性腔中，且以连续波涡旋激光为主。文中使用紫外皮秒脉冲激光器制备了点缺陷镜，并采用LD端面泵浦Nd:YVO4晶体作为激光实验平台，构造了V型激光谐振腔，首次实现了复杂谐振腔内直接产生高阶涡旋激光输出。当吸收功率为11.46 W时，获得了最高输出功率为2.69 W的三阶涡旋激光，斜效率达到23.6%；进一步调节谐振腔及点缺陷尺寸，最高获得了13阶涡旋激光输出。该研究表明缺陷镜技术也可以用于复杂结构激光谐振腔，直接产生高阶涡旋激光，从而为其他运行模式（如调Q和锁模）的高阶涡旋激光研究提供了一定的依据。
2021, 50(9): 20210445.
doi: 10.3788/IRLA20210445
涡旋光场因其具有光学轨道角动量（Orbital angular momentum, OAM）而倍受关注。OAM这一独特物理特征赋予了涡旋光场一个无限高维的空间自由度，同时也引发了光场奇特的干涉、衍射、传输等性质。OAM识别和探测技术的发展是涡旋光从基础研究走向应用的关键。文中聚焦于OAM探测领域的一个重点研究方向——涡旋光几何坐标变换技术。详细介绍了该技术的基本原理、优势特点、研究进展和应用情况。涡旋光几何坐标变换是指通过特殊的调制相位设计，使涡旋光束的空间几何结构发生特殊的变化，从而可通过简单透镜聚焦等方法实现OAM模式的识别、分选等。相较于传统的涡旋光识别和探测技术，涡旋光的几何坐标变换这一新兴技术具有器件无源、无能量损耗、结构紧凑、价格低廉等突出优势，成为涡旋光的空间分离和解复用的高效有力工具，为涡旋光束在经典/量子态密度测量、OAM乘除法器、经典光通信和量子纠缠等前沿应用提供了全新的研究平台，蕴含巨大的发展潜力，具有广阔的发展空间。
2021, 50(9): 20210283.
doi: 10.3788/IRLA20210283
涡旋光束因为携带轨道角动量，在光通信、粒子操纵及量子信息等领域都具有重要的应用前景。目前有很多方法可用于产生涡旋光束，如利用螺旋相位板、模式转换、空间光调制器等。然而，传统的方法需要搭建体积相对较大的光学系统，限制了其在集成光学等领域中的应用。不同于传统方法中通过传输效应来获得相位变化，超表面可以通过纳米结构使入射光产生相位突变，在纳米尺度上独立控制动态或几何相位以产生涡旋。超表面具有强大光控制能力的同时，还具有体积小、易于集成等特点，因此成为了产生涡旋光的理想方法。文中在介绍产生涡旋光束基本原理的基础上，回顾了近年来利用超表面产生涡旋光束的研究进展。首先介绍了利用动力学相位、Pancharatnam-Berry (P-B)相位以及混合相位产生光学涡旋的方法。随后，对利用全息与编码超表面产生涡旋及通过多路复用产生多个涡旋等不同方法进行了综述。最后，对基于超表面产生涡旋的一些亟待解决的问题和应用前景作了简单总结与讨论。
2021, 50(9): 20210242.
doi: 10.3788/IRLA20210242
Full Poincaré beams, as a more complicated class of novel structural beams, lead to impressive demonstrations recently in Free-Space Optical Communication (FSOC) due to the coupling of spin and orbital angular momentum in the cross section. However, a noteworthy limiting factor of FSOC system in this process is the varying atmospheric turbulence which results in beam expansion, drift, light intensity scintillation and other severe effects. Massive numerical simulations on turbulent atmospheric propagation of full Poincaré beams with C-point polarization, cylindrical vector beams with V-point polarization and homogeneous scalar polarized vortex beams through random phase screens were demonstrated. In this process, normalized correlation coefficient and mode purity were proposed to explore the robustness of full Poincaré beams on different locations of hybrid-order Poincaré sphere. The results show that full Poincaré beams with coordinates located in the southern hemisphere remain high robustness under weak and moderate turbulence (r0=0.5 m, 0.125 m) compared with cylindrical vector beams and scalar vortex beams with similar topological charges and intensity distribution. While the dominant area shrinks to 2σ∈[−5π/32, 0] (latitude coordinates) under strong turbulence (r0=0.056 m). These results will promote the selection of robust transmission media and the development of transmission quality in free-space communications with long-distance.
2021, 50(9): 20210451.
doi: 10.3788/IRLA20210451
涡旋光是一种携带轨道角动量的空间结构光束，照射到旋转的平板物体表面时频率会发生移动，这一现象被称为光学旋转多普勒效应，通过测量光束频移可获得平板物体的旋转速率。频移受光束入射条件的影响，通过揭示入射条件影响规律，可实现任意入射条件下的旋转物体转速测量。首先，建立了速度投影模型，分析了光学旋转多普勒效应的产生机理。其次，通过理论推导得出了涡旋光任意入射条件下的旋转多普勒频移分布规律，并提出了提取物体旋转频率的理论方法。最后，搭建了旋转多普勒效应的实验装置，采用拓扑荷数为$ \pm 18$ 的叠加态拉盖尔-高斯光束在四种不同入射条件下测量旋转多普勒频移谱，将实验频谱与理论频移曲线结合，测得物体的旋转频率，相对误差低于1%。
2021, 50(9): 20210428.
doi: 10.3788/IRLA20210428
涡旋光束携带了与其螺旋波前结构相关的轨道角动量，由于其在通信系统不增加带宽情形下可极大增加系统容量和频谱效率，引起了广泛关注。然而，自由空间中的湍流将导致涡旋光束的螺旋波前发生畸变，产生模间串扰，降低接收功率，从而削弱链路性能。自适应光学波前校正技术是克服干扰的有效手段之一。综述了涡旋光束的自适应光学波前校正技术的发展，阐述了Shack-Hartmann、随机并行梯度下降、Gerchberg-Saxton三种算法的校正原理，分析了深度学习在波前校正技术中的应用，并介绍了笔者课题组对水下湍流环境中波前校正技术的研究工作。
2021, 50(9): 20210380.
doi: 10.3788/IRLA20210380
轨道角动量（OAM）的发现为光镊的研究开辟了新的道路。但具有OAM的光束在操纵微粒时，由于生物细胞不可能大小形状完全相同，所以当其进行旋转等操作时，粒子运动速度的不均匀会导致粒子之间的间距不可控。针对该问题，首先通过任意曲线塑形技术，并为传统摆线公式附加曲率调控参数提出了一种调控模式丰富的摆线光束，理论分析了该光束的OAM和梯度力，证明了解决上述问题的可能性。最后在实验中实现了粒子在运动过程中的启停，且成功操纵三个粒子进行等间距旋转，实验测得三个微粒在整个旋转过程中间距变化的误差可以维持在纳米级。这项工作为未来光捕获和操纵多种微粒在其他领域的应用铺平了道路，特别是在生物科学领域。
2021, 50(9): 20210447.
doi: 10.3788/IRLA20210447
偏振是光场的一个重要矢量属性。依据空间偏振分布的不同，可以将光场分为标量光场和矢量光场。其中，非均匀偏振分布的矢量光场在光场传播、聚焦、非线性效应等方面表现出一系列有趣的行为，对其进行深入研究具有重要的科学意义和应用价值。一种在同一波阵面上包含不同偏振态的杂化矢量光场，因其比普通矢量光场具有更丰富的偏振特性，自2010年被发现以来，在光通信、光学操控、量子通信等领域中展现诸多诱人的前景，目前已成为光学领域的一个研究热点。综述着重介绍了杂化矢量光的制备以及其在聚焦、传播和非线性光学等方面中的特性和应用。
2021, 50(9): 20210450.
doi: 10.3788/IRLA20210450
边缘增强作为一种图像处理技术，对于研究物体边界信息有着重要的应用。根据热光鬼成像的关联机制，将鬼成像与螺旋相衬成像技术相结合，把相位物体与涡旋滤光器非定域地放在热光鬼成像系统的探测光路和参考光路中，建立了相位物体边缘增强识别系统。实验结果表明，采用具有分数阶轨道角动量拓扑荷的涡旋滤波器可以实现轨道角动量值在0~1范围内的相位物体的边缘渐变性增强效果。随着轨道角动量拓扑荷数的增加，相位物体的边缘增强效果会越明显。非定域螺旋相衬成像相较于传统的螺旋相衬成像方案，突破了被测物体和涡旋滤波器在同一光路，并且滤波器必须放置在频谱面的空间局域性限制，解除了对主动照明光源相干性的要求，增强了涡旋滤波相衬成像系统的泛化能力。
2021, 50(9): 20210616.
doi: 10.3788/IRLA20210616
对于基于叠加态涡旋光和涡旋光零差探测等传统转速测量方式，光的远距离传输和发散等原因造成的信号光衰减会导致探测系统无法准确提取信号，而涡旋光平衡探测系统可以解决这一难题，但是以往的研究对该探测系统的精度和信噪比鲜有分析，这一定程度上限制了其工程化的进展。首先将零差探测系统作为对比项，通过分析不同转速下涡旋光平衡探测系统和零差探测系统测量精度的变化情况，证明了二者均可实现高精度测量，其次通过对比在不同信号光功率下二者的信噪比(SNR)，发现了在测量微弱信号时涡旋光平衡探测系统具有明显优势；最后，通过分析不同本振光功率对信噪比造成的影响，揭示了平衡探测信噪比和本振光功率之间的关系，阐明了信噪比随本振光功率变化的原因。
2021, 50(9): 20210526.
doi: 10.3788/IRLA20210526
为了适应具有太阳、干扰弹、火光等强辐射背景下的高性能热成像应用，可适应温差达1 000~5 000 ℃以上强辐射干扰场景的HDR热成像成为国内外发展的重要方向。虽然HDR热成像系统动态范围测试系统组成与传统测试系统没有明显的差异，但目前尚没有适宜的测试方法和仪器，其核心在于缺乏大动态范围动态红外辐射源靶标。研究了一种HDR热成像系统动态范围特性测试评价方法，设计了一种新型的HDR动态红外辐射源阵列靶标，可获得温差不低于1 000 ℃的HDR动态红外辐射，实现HDR热成像系统动态范围特性的客观测试。实验结果表明：HDR动态红外辐射源阵列靶标在温度范围、稳定性、精度、调制频率等方面满足测试评价的要求，可实现快速、可靠的HDR热成像系统动态范围特性测试，对于推进HDR热成像技术研究和系统测试评价具有指导意义。
2021, 50(9): 20200467.
doi: 10.3788/IRLA20200467
红外与可见光融合图像既具有红外的辐射信息又具有可见光的细节信息，在生产生活、军事监视等场景得到广泛应用，已然成为图像融合领域的重点研究方向。根据图像融合方法的核心思想、融合框架、研究进展对基于多尺度变换、稀疏表示、神经网络等融合方法进行详细阐述对比，并综述了红外与可见光图像融合在各领域内的应用现状，以及常用的评价指标。并选择具有代表性的多种融合方法与评价指标，应用于六个不同场景，验证各方法的优势与不足。最后，实验分析并总结现有红外与可见光图像融合方法存在的问题，对红外与可见光图像融合技术的发展趋势进行展望。
2021, 50(9): 20210056.
doi: 10.3788/IRLA20210056
随着相机分辨率的提升，相机光机主体温度水平及温度稳定性要求随之提高，且红外相机需要将探测器制冷到较低温度。工作于地球静止轨道的红外相机所处空间热环境复杂，相机光学系统会长时间受到太阳照射，且无长期背阴面，为相机的热控设计带来了很大的挑战。结合地球静止轨道空间热环境特点以及相机成像需求，采用遮光罩&热门的方式有效屏蔽外部热流的影响，将主光学系统温度控制在（20±3） ℃以内，为相机每天成像时间不少于20 h提供了温度保障；采用高效隔热技术以及高效热量排散技术将探测器控制在80 K以下，满足成像模式探测器温度需求。地面试验以及在轨飞行数据表明，相机的热控设计合理可行，为后续高轨红外相机的高精度控温提供了有力支撑。
2021, 50(9): 20210531.
doi: 10.3788/IRLA20210531
为了适应智能弹药应对复杂对抗作战的需求，随着高性能探测器和信息处理器等关键器件的更新换代，基于深度学习的目标识别技术工程化应用兴起，针对新一代光电导引头的未来发展趋势，阐述了多模复合制导体制、集成小型化、智能化实战应用和低成本设计等显著特点。分析了采用可见光、红外和激光等多模复合的光电导引头，在拓展导弹末制导作用距离、适应全天候全天时工作和提升抗干扰能力等方面的优点。指出了光机总体集成和信息处理系统集成是解决复合导引头小型化的关键技术。强调了自动目标识别和多弹协同等导引头智能化特征。提出了采用小型化共孔径多模光电复合探测、一体化集成信息处理、低成本技术体系、低成本制造工艺和低成本作战保障等技术实现光电导引头低成本工程应用的建议。
2021, 50(9): 20200424.
doi: 10.3788/IRLA20200424
具有高稀土离子掺杂浓度的有源光纤一直以来是高性能单频光纤激光器的核心，选用硅酸盐玻璃材料制作高掺杂有源光纤可以有效提升光纤增益。通过高温熔融工艺制备了铥离子掺杂浓度为8 wt.%的高掺杂硅酸盐玻璃，测试了其光谱特性和荧光寿命，并根据McCumber理论计算玻璃的受激发射截面。采用管棒法制备光纤预制棒，拉制出尺寸为7/125 μm的高掺铥硅酸盐玻璃光纤。基于低损耗的异质光纤熔接，测试了该光纤的增益特性，并分别采用2 cm和8 cm的新型掺铥光纤搭建线形腔光纤激光器，获得百毫瓦的1950 nm激光输出。研究表明，在8 wt.%的高浓度掺杂下，铥离子在文中的新型硅酸盐光纤基质中具备良好的发光能力，这种国产高掺杂玻璃光纤在实现高性能单频光纤激光器方面具有明显优势。
2021, 50(9): 20200410.
doi: 10.3788/IRLA20200410
太阳光背景辐射严重影响拉曼激光雷达白天探测的性能。为提高拉曼激光雷达白天探测的高度和精度，设计了激光波长为354.8 nm的拉曼激光雷达系统，讨论了354.8 nm和532 nm激光光源对拉曼激光雷达探测性能的影响，完成了系统的光路设计。偏振分光棱镜和1/4波片组成的光开关与收发合置的望远镜相结合，减小了系统的接收视场角，优化了白天探测的性能。以最小的温度不确定度为标准，通过仿真分析选取了转动拉曼通道干涉滤光片的各项参数，并对系统的探测性能进行了仿真。仿真过程中激光能量取200 mJ，频率50 Hz，积分时间20 min，距离分辨率105 m。收发合置的拉曼激光雷达系统在考虑退偏的情况下，白天探测的温度不确定度在3180 m以下小于1 K。白天探测水汽混合比的统计误差在2400 m以下，小于0.001 g/kg。仿真结果表明，白天探测的性能得到了一定程度的提高。
2021, 50(9): 20200441.
doi: 10.3788/IRLA20200441
燃煤飞灰碳含量是影响锅炉工作效率的重要特性指标之一，文中开展激光诱导击穿光谱技术（LIBS）实现飞灰未燃碳的定量分析方法研究，为LIBS应用于飞灰含碳量的快速/在线检测奠定基础。根据所探测的LIBS特征光谱，将线性和非线性化学计量学方法，包括多元线性回归（MLR）和偏最小二乘回归（PLSR）线性分析分析方法，以及非线性的极限学习机（ELM）和支持向量机回归（SVR）模型应用于飞灰未燃碳的预测分析中，结合交叉验证法对模型进行验证。对比线性和非线性模型的结果可以看出，非线性模型的预测结果明显优于线性模型，其中采用基于K-CV参数优化的非线性SVR模型具有比较理想的分析结果，有助于提高飞灰碳含量分析的精确度和准确度，采用三折叠交叉验证法对模型进行验证，得到模型的决定系数R2均为0.99，相对偏差的平均值ARD分别为1.54%、3.45%、3.51%，相对标准误差RSD的平均值分别为7.53%、2.89%、7.18%。
2021, 50(9): 20200425.
doi: 10.3788/IRLA20200425
建立了CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波探测系统，记录了CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波功率与猫眼回波偏振度数据并绘制了变化曲线，分析了猫眼回波特性的变化机理、CCD损伤状态与猫眼回波功率、偏振度变化之间的联系，研究得出：光学成像系统CCD探测器件受脉冲激光辐照产生点损伤、线损伤至全靶面损伤进程中，猫眼回波功率、偏振度变化与CCD损伤状态变化没有良好的相关性，提高损伤激光能量使CCD受到首个脉冲辐照时完全损伤，在0~8个脉冲损伤进程中，猫眼回波功率与偏振度先增大后减小，再增大最后不断减小，可以此规律对CCD是否完全损伤进行判断。
2021, 50(9): 20200369.
doi: 10.3788/IRLA20200369
现有机载激光雷达（LiDAR）点云滤波算法在简单地形下取得了较好的滤波效果，但普遍对陡坡地形适应性较差。为提高在不同地形下的滤波性能，提出了基于分块的多尺度表面插值滤波算法。该算法首先通过改进的区域增长分块算法将原始点云分为点云块集和散点集，然后通过构建的多尺度表面插值算法同时对点云块和散点进行分类。利用国际摄影测量与遥感学会(ISPRS)提供的基准数据验证表明，该方法在15个样本中有11个样本滤波效果优于现有滤波方法，对各类地形均有较强适应性，且该方法平均总误差最小。对三种不同地形特征的高密度数据滤波实验，也验证了该方法的良好性能。
2021, 50(9): 20210485.
doi: 10.3788/IRLA20210485
激光语音探测是一种非接触远距离信息获取技术，具有灵敏度高、探测距离远、抗干扰等优点被广泛应用。但是，在目标物的后向光散射特性的影响下，该技术探测性能受到机位角度、目标材料、表面粗糙度影响，严重者有效信号将湮灭到噪声里致使系统探测失效。针对此，结合传统的微分交叉相乘解调（PGC-DCM）算法，开展归一化自相除相位载波解调算法研究，解决目标物后向光散射特性差异所带来的光强扰动问题。首先，建立消光强扰动算法数学模型，利用LabView构建仿真模型，通过该模型进行新算法的频谱响应与消光强能力的仿真分析，发现该算法可实现对干涉信号中B值，一倍频G、二倍频H以及一阶贝塞尔函数J1和二阶贝塞尔函数J2影响的消除；其次，针对不同光强度B值，进行了PGC-DCM和新算法性能对比分析，结果表明新算法可以解调出语音信号，在弱光环境下，优势更加明显；而PGC-DCM解调方法在光强度较小情况下时(例如B=0.5 mW)，语音信号湮灭，无法还原出信号；最后，建立了远距离光强扰动抑制实验系统，进行了光强扰动消除能力实验。实验结果表明：该算法在探测光功率为10、20、30、40 mW条件下，系统解调输出语音信号幅度一致，消除了光强不同对信号探测的影响。
2021, 50(9): 20210008.
doi: 10.3788/IRLA20210008
针对目前激光角度欺骗干扰效果评估中存在的实时性差、可视化程度不高等问题，构建了激光角度欺骗假目标干扰空域评估系统。首先依据透视投影原理求解漫反射板假目标的距离及姿态参数，然后通过分析漫反射板假目标的干扰机理，以干扰距离为基础，推导出了漫反射板假目标干扰空域评估模型，最后依托系统设计了相关实验。实验中，分别对相对设备0°、120°和240°三个方向上布设的漫反射板用不同功率激光进行照射，然后用评估系统设备对三个漫反射板进行参数测量，最终得到系统接收的能量密度平均值分别2.70×10−13 J/mm2, 2.17×10−13 J/mm2和4.08×10−13 J/mm2，通过假目标干扰空域评估模型计算出在45°威胁角下的干扰最大距离分别为2045.6 m、1860.4 m和2470.0 m。最终分析了干扰空域大小与武器威胁角的关系，得到在20°、45°和70°威胁角下的假目标干扰空域的态势图。实验结果表明：在实验条件下，漫反射板假目标的干扰空域范围随系统接收能量增大而增大；武器来袭方向与漫反射板法线方向夹角越小，漫反射板假目标的干扰空域越大。以干扰距离作为评价指标，对漫反射板假目标干扰空域进行评估，可为假目标干扰效果评估提供技术支持。
2021, 50(9): 20200435.
doi: 10.3788/IRLA20200435
为了实现复眼系统小型化、轻量化，提出一种基于相机外凸式的安装结构。基于该种结构，首先分析了子眼系统视场角之和与光轴夹角之间的关系，通过两子眼系统视场边缘点之间的坐标关系，建立了与子眼间光轴夹角、子眼系统视场角、观测距离相关的视场重叠率计算模型。通过对此模型分析，复眼系统中子眼间光轴夹角应当小于子眼视场角之和，且大于子眼视场角之差；在上千米的观测距离下，子眼间的视场重叠率随观测距离的变化趋向于定值。依据此模型设计了一款19孔径的复眼系统。针对3 km外目标搭建了实验，采集了子眼图像数据，实验结果表明，复眼系统实现了79.23°全视场的无盲区监测，1级阵列间子眼的实际重叠率在X、Y方向分别为71.16%、45.99%；1级与2级阵列间子眼在X、Y方向同时存在重叠时的实际重叠率分别为43.00%、18.36%，只在X方向存在重叠时的实际重叠率为14.62%；2级阵列间子眼的实际重叠率在X、Y方向分别为66.58%、24.6%。理论重叠量分别为75%、40%；40%、20%；15%；70%、30%。通过子眼实际重叠量与理论重叠量的对比分析，验证了该视场重叠计算模型的可行性。
2021, 50(9): 20210090.
doi: 10.3788/IRLA20210090
变焦系统中，动组间相对位置的变化会导致各镜组的初级像差特性发生变化，环境温度的变化还会导致各焦距位置热差的改变，给无热化连续变焦系统的设计造成较大困难。针对该问题，从光学系统像差模型出发，将变焦系统像差分为定组像差、动组内像差和动组间像差三类，并结合变焦系统的消色差和消热差模型，讨论了无热化连续变焦光学系统的设计原则，及变焦系统设计中各组元的光焦度分配和材料选用方法，给出了一个宽波段连续变焦光学系统设计实例，该系统F数为5、焦距范围为8~120 mm、焦面对角线长6.2 mm、波长范围为0.48~0.68 μm和0.7~0.9 μm。所述系统仅采用了七种普通光学玻璃材料，透镜总数12组16片，总长仅90 mm，在−40~60 ℃范围内，变焦全程均具有较好的成像质量和公差特性。
2021, 50(9): 20210015.
doi: 10.3788/IRLA20210015
在星敏感器实际应用中，光学系统杂散光的存在会引起星点模糊或者被遮挡。文中根据星敏感器对口径、视场、光谱范围和探测能力的要求，采用Code V软件完成了星敏感器光学系统的设计，最终设计参数为口径15 mm、视场18°、光谱范围400~750 nm、探测能力5等星，并利用CAD画图软件设计了锥形结构遮光罩，遮光罩叶片视场边界为19°，共9片挡光环，最前端面距离窗口玻璃190.76 mm，最前端面口径108.76 mm，太阳规避角25°，同时利用ASAP软件分析了光学系统对杂散光的抑制能力，根据杂散光评价指标点源透射比(PST)，在25°太阳规避角时，系统满足5等星探测能力需求，验证了杂散光分析方法、分析模型的正确性。
2021, 50(9): 20200525.
doi: 10.3788/IRLA20200525
在空间站机械臂中，双目视觉系统作为其重要组成部分，能够引导机械臂自主完成对目标的定位和捕获。内外参标定技术是双目相机高精度获取合作目标位置、方向等运动信息进而进行三维重建的首要前提和重要保障。文中提出了一种基于光束法平差算法的双目视觉系统内外参标定技术，采用三维靶标场作为标定目标，并将高精度测角设备经纬仪作为精测基准，通过坐标转换解算分步得到相机的内、外参数。实验表明，该方法标定的相机内参重投影误差小于0.5个像元，外参测试误差为±0.19 mm，有较高的测试精度和鲁棒性，为机械臂实施视觉闭环自主捕获合作目标提供可靠依据。
2021, 50(9): 20200528.
doi: 10.3788/IRLA20200528
采用滤光片进行带通滤光是航天遥感相机实现多谱段成像的主要手段。滤光片一般使用平板玻璃作为基体，在平板玻璃两个通光表面镀带通的光学膜层，实现滤光的作用。所以对于滤光片而言，可以使用平面波透射波前评价其成像性能。干涉仪使用的测量光为单波长，无法实现全谱段覆盖。随着滤光片使用谱段数量的不断增加，干涉仪激光波长将不在滤光片的带通范围内，导致无法对其透射波前进行测试。为了解决滤光片带通谱段不包含干涉仪使用波长下的透射波前评价难题，提出了一种解决方案，使用单谱段干涉仪，结合滤光片镀膜前的前、后表面面形和透射波前、镀膜后的前后表面面形数据，研发了一种平面波透射波前的计算算法，得到仿真的镀膜后滤光片的透射波前数据，并以此来评价滤光片的成像性能。给出了透射波前仿真算法的详细理论推导。试验数据表明，在使用632.8 nm干涉仪波长下，滤光片镀膜后透射波前RMS的仿真精度小于0.004λ。该方法能够扩展应用在红外滤光片的测试中，实验使用3.39 μm的干涉仪测试，得到仿真误差约为0.002λ，均能实现较高精度。且在满足测试精度的前提下，有效降低了测试成本。
2021, 50(9): 20200456.
doi: 10.3788/IRLA20200456
煤粉细度是燃煤电厂运行过程中的关键参数之一，与锅炉燃烧效率、制粉系统功耗以及设备磨损等问题息息相关。文中对数字全息技术在线监测电厂煤粉细度进行了试验研究。搭建了基于脉冲数字同轴全息的在线测量系统，系统包括取样、测量、收集和数据处理四个主要部分。将测量系统应用于某300 MW机组两根一次风管道内的煤粉细度监测，两根管道内煤粉流来源于不同的两台磨煤机，采用自行开发的重建软件对煤粉全息图进行实时处理并输出煤粉细度结果。对系统收集的经过系统测量后的煤粉样品进行实验室筛分，将筛分结果与现场全息结果进行对比，以验证测量系统的可行性和准确性。结果表明，采用面积分布的全息结果与筛分结果基本一致，平均绝对细度偏差在4%以内。同时诊断出了一台磨煤机煤粉细度与设计值偏离较大，证明所建测量系统用于燃煤电厂煤粉细度的在线监测有较大的应用潜力。
2021, 50(9): 20200402.
doi: 10.3788/IRLA20200402
地靶测量是获取SLR系统时延值、校准系统误差的重要手段，对提高系统测距精度具有重要意义。基于SLR系统地靶测量原理，采用蒙特卡洛方法，建立了地靶测距模型，实现了SLR地靶测距仿真。同时，从噪声的角度出发，提出了一种自适应噪声相关性匹配(ANCM)算法对地靶测距数据进行去噪，利用短时静态实测背景噪声和随机噪声阈值构建了回波噪声模板，结合SLR地靶数值仿真模型产生的模拟测距数据，通过优化回波选取区间、算法迭代次数等参数，完成了地靶有效信号的提取。与传统地靶数据处理算法相比，利用ANCM算法得到的中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站SLR地靶数据有效点数增加了30%以上，数据处理精度提高2倍左右，数据处理的效率得到明显改善，为准确地获取SLR系统时延值提供了新的思路。
2021, 50(9): 20200484.
doi: 10.3788/IRLA20200484
In response to the increasingly complex indoor environments where a single positioning system is no longer able to satisfy positioning precision demands, an indoor positioning method applying Ultra-Wide Band (UWB) ranging and inertial navigation fusion was proposed. First, the problem that UWB ranging results were proved to be affected by the environment was given, UWB ranging calibration was carried out in the experimental environment. Thereafter, the outliers in the ranging process were eliminated by applying the modified Mahalanobis distance outliers detection method. Then, a tightly coupled Kalman filter was adopted, where UWB ranging values were taken as the extended Kalman filter observation quantity, the position and attitude of the inertial navigation were taken as the extended Kalman filter prediction value, and UWB ranging values were used to constantly correct the position and attitude data of the inertial navigation solution. Finally, to verify the feasibility and effectiveness of the proposed method, trolley-mounted rectangular motion experiments were conducted with UWB positioning alone, as well as positioning by UWB and inertial navigation fusion. According to the comparison of experimental data, in interfered rectangular trajectory positioning experiments, when UWB was combined with inertial navigation positioning, the average precision was increased by 36.6% than that with UWB positioning alone; The comparison of the error results show that the error fluctuation of the fusion positioning using UWB and inertial navigation is smaller, but with higher robustness; The results indicate that, compared with algorithms utilizing the UWB technology alone for positioning, such fusion positioning algorithm can effectively suppress interferences in the positioning process. Furthermore, the robustness and positioning precision of the positioning system in indoor environments can be significantly improved.
2021, 50(9): 20210076.
doi: 10.3788/IRLA20210076
设计了一种大面积、高响应度的硅基PIN探测器，PIN探测器的表面积为4.1 mm×13.8 mm，整体厚度为420 μm左右。PIN探测器的光敏面采用环形Al电极将光电流信号引出，通过在波长为860 nm的恒定激光光源下进行测试，其响应度为0.6 A/W。提出了一种全新的光电单片集成的可行性方法，即利用PIN探测器非光照区的本征I层面积，设计了一种与PIN探测器结构和工艺兼容的跨阻放大器，在保证了PIN探测器结构和性能没有发生改变的前提下，实现了PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成。最后在波长为860 nm、脉冲宽度为100 ns、工作频率为10 kHz的实际脉冲激光信号下对流片成功的PIN探测器和光电单片集成芯片的脉冲响应进行了对比测试。结果表明：在脉冲宽度基本没有发生变化的同时，光电单片集成芯片的脉冲电压信号相比于PIN探测器的脉冲光电流信号放大了1000倍，放大倍数和理论的跨阻阻值1000 Ω一致。该集成光电芯片应用在激光引信系统的激光接收模块中，通过光电单片集成可以提高PIN探测器上输出端信号的信噪比，增强系统的稳定性，同时也可以满足激光引信系统小型化发展的需要。
2021, 50(9): 20200448.
doi: 10.3788/IRLA20200448
To solve the problem that ZnO ultraviolet photosensors is poor in detecting deep ultraviolet light, a method of fabricating Mg doped ZnO nanowires was proposed to adjust the ZnO energy band, so as to improve the sensitivity of ZnO ultraviolet photosensors in detecting deep ultraviolet light. The MgZnO nanowires were characterized by scanning electron microscope(SEM), energy spectrum analysis(EDS), transmission electron microscope(TEM) and other characterization methods. The results show that MgZnO nanowires were successfully prepared. The ZnO nanowire detector and the Mg doped ZnO nanowire detector were test with the 254 nm deep ultraviolet light, and the test results show that the photoresponse of the Mg doped ZnO detector to the 254 nm deep ultraviolet light was enhanced, the photocurrent increased from 0.02 μA to 0.57 μA. The detector is prepared by Mg doped ZnO nanowires, which can effectively improve the ZnO nanowires detectability in detecting deep ultraviolet light. It will provide beneficial reference for the design and preparation of deep ultraviolet detectors.
2021, 50(9): 20200445.
doi: 10.3788/IRLA20200445
随着海洋探测研究的不断深入，水下无线通信技术已成为制约其发展的关键。针对水下高速、远距离无线通信的需求，设计了一种面向海洋商用的水下双向链路通信系统。系统在发射端采用激光LD及LED双发射源，提出了双发射光源的系统设计方案，并通过设计相应的驱动电路验证了方案的可行性；在接收端利用5 mm大面积APD及高灵敏度PMT双接收探测器接收光信号，适用于远距离、高速通信；系统的信息处理部分由FPGA完成，通过网络通讯方式与PC端进行信息交互；最后完成整个系统设计并进行了商用工程化。开展的水下模拟实验表明，系统在通信距离5 m、误码率10−7时，通信速率可达60 Mbps；在远距离通信60 m、误码率10−7时，通信速率达10 Mbps。
2021, 50(9): 20200514.
doi: 10.3788/IRLA20200514
海洋背景的仿真是海面目标场景仿真的关键环节，是海洋目标-背景耦合作用模拟的重要基础，决定了仿真图像中目标与背景差异特征的正确性和真实性。高分辨率遥感成像下，海面细节特征突显，以往视海表为均匀辐射面的处理方法给高分辨率海洋场景仿真造成较大误差。重点研究了海面三维形态、多组分分布与海水方向反射特性的耦合作用和辐射模型，提出了海面高分辨率遥感成像仿真方法。通过频谱分析的方法构建海面三维模型，根据海面组分分布的不同及不同位置海面法向的不同，修正了低分辨率下的海洋BRDF模型，使其满足高分辨率卫星图像的仿真应用，计算出不同组分的海面的方向反射数据，并将其与海面三维模型关联，构建了亚米级海面三维辐射模型，通过光线追踪方法建立海面零视距辐射场，并经过大气影响和传感器效应，模拟不同海况条件下卫星遥感图像。结果表明：将ZY3-02卫星实测海面图像与相同成像条件下的仿真图像对比，图像均值的误差为3.7%，标准差误差为9.9%，可以较真实地模拟高分辨率卫星成像下的海洋背景。
2021, 50(9): 20200491.
doi: 10.3788/IRLA20200491
深度学习技术使目标跟踪的精度和鲁棒性得到了很大提高，基于孪生网络的跟踪方法通过在大规模数据集上进行训练，使模型能应对目标的各种形变，缺点是无法排除相似目标的干扰。为此，提出了一种基于孪生网络的两阶段目标跟踪方法。首先，采用修改后的残差网络提取性能更优的深度特征。区域建议网络通过相关滤波调制自适应更新模板，结合时域信息过滤掉易区分的负样本；然后，通过感兴趣池化层提取候选区域固定尺度的特征，并馈送到验证网络进行更精细的分类与回归。为了提升网络对高难度样本的区分能力，采用正负样本对联合训练的方式提高特征匹配的性能。在OTB100、VOT标准测试集和UAV123无人机航拍数据集上进行了评测，实验结果表明：所提方法能明显改进基准算法的性能。
2021, 50(9): 20200529.
doi: 10.3788/IRLA20200529
针对航空面阵遥感图像拼接算法一般存在误差累积的问题，提出了航空面阵图像拼接的累积误差消除方法。首先，利用航空遥感平台位置信息与姿态信息完成每幅图像投影变换与粗拼接，确保了每幅投影变换后图像拼接误差的独立性，从而避免了误差累积现象；然后，采用SIFT算法提取粗拼接相邻图像重叠区域的同名像点对，并根据同名像点对的位置差异，按照误差均分的原则，逐张独立地进行坐标微调及坐标精调，直到满足一定精度为止，以提高图像拼接精度，同时避免坐标调整时产生的误差累积。最后，通过主观评价（对比校正后卫星图像和文中拼接效果图像的地理对应关系）和客观评价（SSIM算法）对图像拼接质量进行评价。理论分析与实验结果表明：该方法能有效规避图像拼接中的误差累积问题，相对当前主要拼接方法，能够很好地与地理空间二维坐标保持一致性，且具有很好的实用价值和应用前景。
2021, 50(9): 20200431.
doi: 10.3788/IRLA20200431
空间非合作目标的相对位姿测量问题成为空间在轨操作任务的重难点，通过对激光雷达获取的目标三维点云进行聚类，得到小规模、特征明显的聚类点云，有效提高了配准效率和精度。针对基于区域生长的聚类算法在对可视点云进行聚类时，特征相似部分无法聚类识别的问题，提出了二维图像优化三维点云聚类的方法。该方法将深度值信息和RGB颜色值建立数学映射关系，点云降维后，利用颜色梯度突变进行边界提取，将边界内的点逆向恢复到原始点云，最后将各个类的点云进行合并，得到易于识别的显著特征点云。实验结果表明，在配准角度误差为±5°的条件下，可有效地缩减点云规模并保留了显著特征，提高ICP配准算法的计算效率，为解决空间非合作目标相对位姿实时测量提供技术支持和解决思路。
2021, 50(9): 20210094.
doi: 10.3788/IRLA20210094
由于异常定义的模糊性，异常数据的稀少性，以及复杂的环境背景和人类行为，视频异常检测是计算机视觉领域中一大难题。现有基于深度学习的异常检测方法往往是利用训练好的网络提取特征或者是基于现有网络结构的，而并非针对于异常检测这个目标而设计网络的。提出一种基于深度支持向量数据描述（Deep Support Vector Data Description, DSVDD）的方法，通过学习一个深度神经网络，使得输入的正常样本空间能够映射到最小超球面。通过DSVDD，不仅能找到最小尺寸的数据超球面以建立SVDD，而且可以学习有用的数据特征表示以及正常模型。在测试时，映射在超球面内的样本被判别为正常，而映射在超球面外的样例判别为异常。提出的方法在CUHK Avenue和ShanghaiTech Campus数据集上分别取得了87.4%和74.5%的帧级AUC，检测结果优于现有的最新方法。
