• 2021年第51卷第4期文章目次
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    • >综述与评论
    • 长距离布里渊光时域反射光纤传感技术进展

      2021, 51(4):395-403.

      摘要 (91) HTML (0) PDF 1.25 M (120) 评论 (0) 收藏

      摘要:大型桥梁坍塌、建筑物倾斜、冰灾造成输电杆塔倒塌大范围停电等自然灾害新闻屡见不鲜,对类似这些设施的监测研究成为热点。布里渊光时域反射(BOTDR)光纤传感具有分布式温度/应变同时传感、单端注入与测量等优点而被人们广泛采用。本文针对长距离光纤传感应用场景,分析了BOTDR传感机理;综述了近20年以来10 km及以上长距离BOTDR光纤传感系统的发展和关键技术;总结了基于数据处理、脉冲编码、多波长探测、高消光比调制、拉曼、窄线宽光源、单光子探测技术改善BOTDR性能指标的基本原理及具体指标值。展望了进一步提高系统信噪比、空间分辨率、传感距离、缩短整个系统的测量时间,优化多个性能参数;进一步增加除温度/应变传感参量,提升系统功能;进一步解决温度/应变交叉敏感问题都将成为长距离BOTDR系统今后的发展方向。

    • 红外探测II类超晶格技术概述(一)

      2021, 51(4):404-414.

      摘要 (66) HTML (0) PDF 3.87 M (80) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文简单归纳总结了红外探测II类超晶格材料的发展历史、基本理论、相比MCT材料的优势和材料的基本结构。通过设计6.1系超晶格材料适当的层厚和不同层间应力匹配的界面可以构筑灵活合理的能带结构,打开设计各种符合器件性能要求的新材料结构的可能性(如各种同质结p-i-n结构,双异质结DH、异质结W、M、N、BIRD、CBIRD、p-π-M-N、pBiBn、nBn、XBp、pMp等结构),还可以在一个焦平面阵列(FPA)像元上集成吸收层堆栈实现集成多色/多带探测。T2SL探测器可以满足实现大面阵、高温工作、高性能、多带/多色探测的第三代红外探测器需求,尤其在长波红外(LWIR)和甚长波红外(VLWIR)及双色/多带探测上可以替代MCT。

    • >激光应用技术
    • 一种基于复数相位屏的强激光大气传输仿真方案

      2021, 51(4):415-420.

      摘要 (52) HTML (0) PDF 1.26 M (81) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对传统实数相位屏法中只能表征湍流扰动而不能综合表征强激光在大气传输时导致的能量衰减、湍流扰动和非线性热晕效应等困难,提出一种基于复数相位屏表征的强激光大气传输仿真方案。该方案采用复数相位屏的实部和虚部分别表征衰减和湍流、热晕作用,其中基于能见度特征综合描述大气吸收和散射的衰减作用(复数相位屏的虚部),基于流体力学的密度扰动方程描述湍流和热晕的联合作用(复数相位屏的实部)。本方案具有光场全路径跟踪、易参数控制的优点,能够为实现远场强激光传输特性的评估提供更加完善的理论基础。仿真结果表明,该方案与实际外场测量参数更加一致,具备半实物仿真及参数评估的可行性。

    • 基于激光视觉传感器的机器人实时焊缝跟踪方法

      2021, 51(4):421-427.

      摘要 (34) HTML (0) PDF 1.22 M (65) 评论 (0) 收藏

      摘要:为实现变姿态焊接过程的实时焊缝跟踪,提出基于机器人坐标系下绝对焊缝轨迹的实时跟踪算法。将线式激光传感器安装在机器人的法兰盘上,且位于焊枪运行的前方。焊接过程中,激光传感器连续采集焊缝位置信息,并结合手眼标定矩阵以及机器人实时姿态,将传感器采集的焊缝坐标转换到机器人基础坐标系下,从而形成空间绝对焊缝轨迹;再根据焊枪的当前位置与焊缝的空间绝对轨迹生成位置偏差。为了提高计算精度,提出采用三次非均匀有理B样条进行数据插值和检索;最后,将位置偏差变换到焊枪工具坐标系下进行实时修正。实验结果表明:该跟踪算法能够实现焊接机器人针对变姿态焊接过程的连续跟踪,跟踪过程平滑光顺,跟踪整体精度优于0.5 mm。基本满足焊缝实时跟踪应用的一般要求。

    • 基于激光雷达的有界区域快速全局定位算法

      2021, 51(4):428-434.

      摘要 (34) HTML (0) PDF 1.14 M (181) 评论 (0) 收藏

      摘要:室内全局定位技术是自动驾驶车辆和机器人的核心组成部分,也是当今的研究热点。基于该时代背景,本文提出了一种基于激光雷达的有界区域快速全局定位算法,将全局地图与局部地图的特征向量进行对比匹配,实现了雷达在有界区域内的精确定位。利用仿真实验对算法的有效性和定位精度进行了分析,发现其平均位置误差比为0.791 %,平均朝向误差为0.3883°。结果表明,该算法可以较稳定且精确地获取静态雷达的位姿信息,是一种研究室内全局定位的有效方法。

    • 一种两阶段变量选择的LIBS定量分析方法

      2021, 51(4):435-440.

      摘要 (21) HTML (0) PDF 1.37 M (71) 评论 (0) 收藏

      摘要:使用机器学习方法结合激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)进行定量分析,变量选择的结果直接影响最终的定标模型。现有的变量选择方法多存在需要先验知识、计算量庞大等问题,因此提出一种两阶段变量选择方法。第一阶段为排序阶段,以皮尔逊相关系数r为排序准则快速排除与目标元素的浓度无关的变量,保留的变量集合记为S1。第二阶段为搜索阶段,使用近似马尔科夫毯(Approximate Markov Blanket,AMB)排除S1中的冗余变量,保留的变量集合记为S2。为了测试该方法的有效性,将该方法得到的变量集合S2,与偏最小二乘法-变量重要性投影(Partial Least Squares-Variable Importance Projection,PLS-VIP)得到的变量集合S3进行比较。S2和S3分别结合3种机器学习方法建立土壤中锶元素的定量分析模型,结果显示,变量集合S2的3种定标模型决定系数R2均大于0.99,RE均小于5 %,RMSE均小于22 ppm,RSD均小于20 %,显著优于S3的定标模型。表明这种两阶段变量选择方法不仅能够高效的进行变量筛选,也在结合不同机器学习算法进行LIBS定量分析时具有一定普适性。

    • 飞秒激光加工镍钛合金的烧蚀阈值实验研究

      2021, 51(4):441-446.

      摘要 (33) HTML (0) PDF 1.20 M (55) 评论 (0) 收藏

      摘要:利用飞秒激光微加工系统对镍钛合金的烧蚀阈值进行理论和试验研究。设计了不同功率和扫描速度下的镍钛合金多脉冲累积烧蚀实验,应用扫描电子显微镜观测并分析试件烧蚀区域的形貌特征,计算得到了不同扫描速度下的烧蚀阈值分别为2.02、2.40、3.04、5.46、15.44 J/cm2。然后分析了多脉冲的累计效应对镍钛合金烧蚀阈值的影响规律,结果表明:当有效脉冲个数小于220时,烧蚀阈值会随着有效脉冲个数的增加而快速减小。但当脉冲数大于220时,脉冲能量逐渐饱和,减小的趋势趋于平缓最终趋于稳定。最后通过对比分析热影响区产生的原因,得出扫描速度1.5 mm/s、激光平均功率0.8 W是相对最优的飞秒激光加工镍钛合金工艺参数。

    • 基于PCA-TrICP的多源点云无缝三维重建

      2021, 51(4):447-453.

      摘要 (36) HTML (0) PDF 1.24 M (53) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对三维重建时使用单一数据源的局限性问题,融合异源的倾斜影像和三维激光点云进行三维实景重建。在前期工作中,利用倾斜摄影技术对校园图书馆建立初始模型,生成影像点云,并使用三维激光扫描仪获取其立面数据,完成去噪及拼接等预处理工作。针对预处理过后的影像点云和激光点云数据的配准,首先使用主成分分析方法对数据降低维度,对齐跨源点云的姿态方向,并利用数据的空间几何中心匹配得到初始位姿;然后使用TrICP算法完成低重叠率的跨源点云的精确配准。实验结果表明,本文粗配准方法的精度达到0.32 m,远高于快速点特征直方图算法精度;在精配准的精度分析中,建筑物立面的独立精度为0.03 m、0.08 m、0.22 m,整体精度相对于传统ICP算法提高了53.5 %,达到了0.08m。

    • 一种单镜筒双光束激光通信方法及应用

      2021, 51(4):454-459.

      摘要 (30) HTML (0) PDF 1.28 M (73) 评论 (0) 收藏

      摘要:提出了一种单镜筒双光束激光通信方法及其在实兵对抗伤情模拟中的应用方案,设计了一种单镜筒双光束结构,激光器发出的光束被分成发散角不一样的内外两部分,内环光斑能量密度高于外环,再将接收探头连接到两个不同门限的电压比较器用来区分内外环光束的照射,同时设计合适的探头阵列,这样就可以根据比较器输出的高低电平组合以及探头的位置来判断光斑中心的位置,从而比较准确的判断伤情和识别近弹,在实兵训练伤情模拟中有重大意义。

    • 外接电容对脉冲激光辐照Si-APD时的温升影响

      2021, 51(4):460-464.

      摘要 (25) HTML (0) PDF 1.04 M (51) 评论 (0) 收藏

      摘要:硅基雪崩光电二极管(Si-APD)在实际应用中通常需要串联电容来滤除直流信号分量,以便于后续电路对脉冲信号进行提取和放大。另外,Si-APD吸收激光能量后往往导致自身的温升而影响了探测性能。基于此,本论文首次建立了毫秒脉冲激光辐照外接电容电路中Si-APD的热传导模型,并据此对Si-APD的表面温升特性开展了模拟仿真和实验研究。结果表明由于外接电容对回路中电流的阻碍作用,降低了Si-APD中p-n结内部的焦耳热,从而使得外接电容条件下的Si-APD表面温升小于无外接电容的情况,并且电容越小,Si-APD的温升越低。

    • >红外技术及应用
    • 基于显著性检测的不同视角下红外与可见光图像融合

      2021, 51(4):465-470.

      摘要 (37) HTML (0) PDF 1.04 M (62) 评论 (0) 收藏

      摘要:融合红外图像的热源目标和可见光图像的清晰背景可以实现低照度条件下与场景关联的异常行为识别。现有以特征匹配为主的融合方法,受监控场景下可见光与红外成像的尺度、视角、目标特性等差异影响,配准及融合效率及准确性受限。针对该问题,本文提出了基于显著性检测的不同视角下红外与可见光图像融合方法。通过预设热敏感目标,计算可见光与红外的视场转换模型,预先配准红外与可见光视场。使用Mask R-CNN网络提取红外图像中的行人目标显著性区域,根据视场转换模型点将每个目标区域与可见光图像局部融合。最后,通过违规入侵行为辨识为目标进行实验验证。实验表明,论文提出的融合方法能够有效地将红外图像的热敏目标信息与可见光的场景进行融合,可以准确地判断是否发生违规入侵行为。

    • 基于渐进式生成对抗网络的舰船红外图像仿真

      2021, 51(4):471-479.

      摘要 (27) HTML (0) PDF 1.73 M (45) 评论 (0) 收藏

      摘要:红外图像仿真在红外导引头设计、仿真训练中起到十分关键的作用。针对如何生成高分辨率、视觉特征可控的红外图像,提出了一种基于渐进式生成对抗网络的红外图像仿真方法。本文利用舰船模型的红外图像数据集训练了图像合成网络,输入随机特征向量,输出高分辨率的红外仿真图像;设计了图像编码网络,实现红外图像到特征向量的转换;利用Logistic回归方法,在特征向量域找到了控制红外图像角度特征的方向向量,并据此生成了不同角度的舰船模型仿真图像;最后通过均值哈希算法和平均结构相似性算法来定量评价仿真图像和真实图像的差异,实验结果表明仿真的红外图像和真实图像的相似度很高,可以为真实舰船的可控化红外图像仿真提供参考。

    • >光电技术与系统
    • 胶层厚度对多点支撑光窗面形的影响

      2021, 51(4):480-485.

      摘要 (24) HTML (0) PDF 1.65 M (42) 评论 (0) 收藏

      摘要:以某型战斗机光雷保护罩采用的多点支撑光窗为研究对象,建立胶层连接的多点边缘支撑结构模型,通过仿真分析胶层厚度对多点边缘支撑光窗面型的影响。建立“压块-胶层-光窗”有限元分析模型,在结构航向过载、航向随机振动、高低温冲击情况下,对不同胶层厚度仿真结果数据处理,分析胶层厚度对光窗面形变形的影响。结果可知:胶层在0.1~0.5 mm范围内,光窗表面PV值与RMS值,在过载冲击与随机振动仿真试验中,随着胶层厚度的增加呈现先减小后增加的趋势;在温度冲击仿真中,呈现逐渐减小的趋势。

    • >光纤及光通讯技术
    • Φ-OTDR光纤传感电缆防外破监测数据预处理方法

      2021, 51(4):486-492.

      摘要 (24) HTML (0) PDF 1.42 M (65) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对Φ-OTDR光纤传感电缆外破隐患监测原始数据信噪比低的问题,文章介绍了一种空间域去趋势化与时间域改进谱减法去噪的数据预处理方法。提取光功率距离衰减趋势基线,去除原始数据空间域的衰减趋势,消除Φ-OTDR系统光功率因距离衰减对信号幅度造成的影响,然后采用改进谱减法对时域进行去噪。所提方法应用于现场实测的信号进行了检验,分析结果表明:去趋势化和改进谱减法可有效提高外破监测数据的信噪比,且两者具有叠加效果;现场破碎机、挖掘机、打桩机信号预处理后信噪比分别提高了2.25 dB、6.11 dB、4.72 dB。该方法可为外破监测后续的定位与识别、减少误报率提供参考。

    • >光电对抗
    • 复杂环境背景下典型飞行器表面红外反射特性研究

      2021, 51(4):493-501.

      摘要 (20) HTML (0) PDF 1.54 M (45) 评论 (0) 收藏

      摘要:飞机蒙皮对于背景辐射的反射可以作为红外目标识别的辐射源,但背景辐射通常来源于太阳辐射和地面背景辐射等辐射的综合作用,其复杂性和多变性也可能使飞机的红外反射辐射严重干扰红外制导的准确性,因此,研究复杂环境背景下的飞机蒙皮红外反射特性对于红外目标识别和红外导弹制导等应用具有重要意义。本文基于Schlick双向反射分布函数(BRDF)模型,结合有限元方法,利用反向蒙特卡洛法计算辐射遮挡因子,在MODTRAN软件环境下计算大气光谱透过率,针对不同条件下的飞机红外反射辐射特性进行研究。结果表明,不同探测角度和探测波段对飞机红外反射特性具有很大影响,且飞机蒙皮的反射辐射具有分布非均一性特点。

    • >光学技术
    • 部分相干圆偏振反常涡旋光束的紧聚焦及辐射力研究

      2021, 51(4):502-508.

      摘要 (24) HTML (0) PDF 1.44 M (45) 评论 (0) 收藏

      摘要:根据矢量衍射理论和部分相干理论,推导了部分相干圆偏振反常涡旋光束经过高数值孔径聚焦透镜后的光强表达式。详细讨论了入射光束参数以及聚焦透镜的数值孔径大小对光束紧聚焦特性的影响。研究结果表明:自旋方向,拓扑荷数以及数值孔径大小对光强分布有影响,相干长度以及光束阶数仅改变光强值,光束经过紧聚焦后在轴向方向上自旋角动量可以转换为轨道角动量。此外,研究了紧聚焦后光束对金属瑞利粒子的辐射力。研究表明:低阶光学参数的部分相干左旋圆偏振反常涡旋光束形成的实心光强分布可对金属瑞利粒子捕获。研究结果对部分相干涡旋光束在光镊中的应用具有理论价值。

    • >光子晶体
    • 基元介质数对光子晶体光传输特性的调制

      2021, 51(4):509-514.

      摘要 (20) HTML (0) PDF 1.17 M (53) 评论 (0) 收藏

      摘要:运用传输矩阵法理论,通过计算机计算模拟,研究基元介质数对光子晶体光传输特性的调制规律,结果表明:无论是标准结构还是对称结构光子晶体,透射谱中均出现一条带宽很宽的主禁带,而且不同基元介质数光子晶体的主禁带带宽不一样。对于标准周期结构光子晶体(AB)m、(ABC)m和(ABCD)m,主禁带中不出现透射峰,但随着基元介质数增加,主禁带的带宽发生变化,而且主禁带两侧会出现若干条分立透射峰。对于对称结构光子晶体(AB)m(BA)m、(ABC)m(CBA)m和(ABCD)m(DCBA)m,主禁带中恒定出现一条透射率为100 %的窄透射峰,随着基元介质数增加,主禁带中窄透射峰条数及其透射率保持不变,但主禁带及其中窄透射峰的带宽会变窄,同时主禁带两侧会出现若干条分立透射峰,而且分立透射峰的条数多于标准周期结构光子晶体主禁带两侧的透射峰条数。基元介质数对标准周期结构和对称结构光子晶体透射能带谱的调制规律,对新型光学滤波器、光学开关等器件的研究和设计具有一定的理论参考价值。

    • >图像与信号处理
    • 变形L1正则化的高光谱图像稀疏解混

      2021, 51(4):515-522.

      摘要 (31) HTML (0) PDF 1.56 M (61) 评论 (0) 收藏

      摘要:如何准确地刻画易于求解的稀疏正则化函数是高光谱图像稀疏解混的难点。变形L1正则化函数是一类由绝对值函数组成的双线性变换的单参数族,类似于Lpp∈0,1范数,通过调整参数a∈0,可以准确表征L0和L1之间的任意范数,并具有无偏、稀疏和Lipschitz连续性。论文首先研究变形L1正则化函数,然后提出变形L1正则化的高光谱稀疏解混变分模型,最后提出变形L1正则化高光谱稀疏解混模型的凸函数差分求解算法。通过模拟和真实的高光谱数据实验,与经典的SUnSAL算法相比,表明提出的算法能够更准确地刻画丰度系数的稀疏性,并获得更高的解混精度。

    • 一种联合雾线和凸优化的单幅图像去雾算法

      2021, 51(4):523-529.

      摘要 (54) HTML (0) PDF 1.13 M (57) 评论 (0) 收藏

      摘要:为解决传统去雾算法容易在天空区域出现光晕效应和复原后的图像颜色过饱和等问题,提出了一种联合雾线和凸优化的单幅图像去雾算法。该算法使用雾线先验来估计大气光值,并通过离散小波变换构建了一个降维的子带雾图模型,进一步将双线性耦合项和大气光传输分布作为线性优化变量进行凸优化求解来得到透射率,最后通过大气散射模型恢复出无雾图像。实验结果表明该算法在大多数情况下恢复的图像清晰自然,与其他几种常用的图像去雾算法的客观对比,也证实了该算法的可行性和有效性。

    • 基于热成像技术的电气设备目标检测方法

      2021, 51(4):530-536.

      摘要 (29) HTML (0) PDF 1.33 M (59) 评论 (0) 收藏

      摘要:红外热像仪具有高精度、非接触等特点,在电力系统设备检测中得到了广泛的应用。检测热图像中的设备是自动检测和诊断的基础。为此,本文提出了一种基于深度学习的设备元件实时检测方法,采用一个深度卷积神经网络来预测每个设备部件的坐标、方位角和类别类型。为了提高预测结果的准确性,在模型中加入了零件间方向一致性的先验知识。为了进行评价,构造了一个包含各种场景的大图像集,实验结果表明,该方法对噪声具有很强的鲁棒性,当过并集阈值为0.5时,平均精度达到93.7 %。

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