• 2022年第4期文章目次
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    • >综述与评论
    • 电场及力场增强二维材料光电探测器的研究进展

      2022, 52(4):467-475. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.001

      摘要 (131) HTML (0) PDF 4.45 M (146) 评论 (0) 收藏

      摘要:二维材料光电探测器作为新型光电探测器,具有带隙可调、易于制备柔性器件等诸多优点。进一步丰富了光电探测器的应用前景。与此同时,二维材料光电探测器也需要一定程度的优化,例如解决二硫化钼难以实现双极性调控的问题。本文着重介绍科研人员通过利用离子导体,铁电材料,局域栅等电场方式以及施加应力的力场方式对二维材料光电探测器进行增强。从而解决二维材材制备的探测器存在的一些问题,并分析现有研究的不足之处,并对其未来发展进行展望。为相关研究人员提供一定程度的参考。

    • >激光应用技术
    • 飞秒激光加工镍基高温合金叶片气膜孔的试验研究

      2022, 52(4):476-482. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.002

      摘要 (83) HTML (0) PDF 3.65 M (129) 评论 (0) 收藏

      摘要:分析了飞秒激光与镍基高温合金的相互作用机理,对于飞秒激光加工的热影响区极小做出了理论解释;对单脉冲的激光光源项进行改进,使用螺旋加工法,进行了飞秒激光加工镍基高温合金气膜孔加工试验,得到了激光功率、离焦量、单层进给量、单层扫描时间对于加工质量的影响规律,找到了最优工艺参数,对设计激光加工工艺参数提供理论参考。

    • 纳秒激光微织构TC4表面的抑冰性能研究

      2022, 52(4):483-487. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.003

      摘要 (96) HTML (0) PDF 1.59 M (100) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对航空发动机进气道前缘唇口位置的结冰问题,利用纳秒激光对TC4进行表面微织构,通过扫描电镜观察不同扫描速度下的钛合金表面形貌以及EDS化学成分组成,结合接触角以及低温冷台水滴冻结的实验数据,分析了纳秒激光扫描速度对钛合金表面抑冰效果的影响。结果表明:在激光扫描速度较低的情况下,随着速度的增大,金属表面的粗糙度先增大,直到形成有序排布的凸起与凹陷后粗糙度开始下降,烧蚀效应逐渐减弱,激光加工时钛合金表面的氧化反应程度减轻;表面接触角随粗糙度的增大而增大,在扫描速度为100mm/s时接触角最大,钛合金表面的抑冰性能最好。

    • 一种基于激光雷达探测的风场多特征反演方法

      2022, 52(4):488-496. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.004

      摘要 (108) HTML (0) PDF 2.93 M (122) 评论 (0) 收藏

      摘要:在航空安全领域,准确掌握低空风切变、湍流、飞机尾流等精细的三维风场信息,能为飞机安全起降提供重要支撑,其中激光雷达是极具潜力的风场信息精细获取的传感器。本文提出一种基于激光雷达的体积扫描策略及多风场特征获取方法,采用交替多个特定高度角的圆锥扫描方式,通过一次体扫综合实现三维风场反演、风切变预警以及湍流强度特征参数反演等功能。仿真和机场实验验证了本方法对于机场周边风切变和湍流的探测反演具有较好的性能。

    • 飞秒激光制备表面微纳结构数值模拟与实验研究

      2022, 52(4):497-502. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.005

      摘要 (72) HTML (0) PDF 1.82 M (234) 评论 (0) 收藏

      摘要:微纳米尺度的表面结构在表面工程中有着许多特殊的性能和应用,为了研究飞秒激光制备不锈钢表面微纳结构的机理,基于经典双温模型理论对飞秒激光烧蚀304不锈钢的过程进行了数值模拟计算。经过计算得到了不同激光能量密度、不同烧蚀深度处电子与晶格系统温度的演化规律,确定了飞秒激光单脉冲作用下的烧蚀阈值,通过数值模拟得到飞秒激光烧蚀不锈钢只发生在材料的表面,对内部的材料影响很小。最后使用飞秒激光微纳加工系统在不锈钢表面制备了微纳结构,多边形微孔结构保持了高质量的边缘形貌,在孔的内壁出现了周期性结构。

    • 激光旋转切割石英管设备研制及其工艺研究

      2022, 52(4):503-507. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.006

      摘要 (90) HTML (0) PDF 2.24 M (97) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了实现将密封石英管内器件取出的目的,设计研制了一套激光旋转切割设备。由于石英管内密封晶圆类易碎器件,为了不产生振动将石英管内器件取出,利用激光非接触切割原理,以石英管为中心设计光学旋转切割系统,实现360°旋转切割石英管,并分析试验数据,通过优化的试验数据,最终实现高效、无损伤的石英管切割技术。

    • 高温合金GH4169水导激光钻孔工艺特性研究

      2022, 52(4):508-514. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.007

      摘要 (102) HTML (0) PDF 2.05 M (99) 评论 (0) 收藏

      摘要:为研究水导激光加工工艺参数对材料微孔成型质量的影响,本文以高温合金GH4169为实验材料,利用水导激光设备在不同激光功率和扫描速度下进行螺旋制孔实验。采用白光干涉仪、扫描电子显微镜和能谱仪分别对加工孔的微观形貌、组织结构以及加工前后的元素含量进行测量。实验结果表明,加工过程中产生了重铸层,其厚度在0~10μm之间,重铸层的氧元素含量(22.2)相比基体的氧元素含量(11)增加了102;粗糙度值Ra在实验范围内随着激光功率和扫描速度的增大而减小,在激光功率为41W扫描速度为1.8mm/s时,获得最小的Ra值为5μm;孔壁面切削形貌特征自上而下分成三层,即光滑细纹层、熔融物附着层、粗纹层。研究结果为进一步提高水导激光精密钻孔工艺提供了理论依据。

    • 激光退火硅晶圆温度场分布的数值模拟研究

      2022, 52(4):515-521. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.008

      摘要 (111) HTML (0) PDF 1.27 M (115) 评论 (0) 收藏

      摘要:目前,激光退火技术被广泛应用于半导体加工领域,但对如何选择激光条件进行相应的退火并没有系统清晰的准则可以参考,尤其是在硅的深注入杂质激活方面。本文通过对激光照射在硅晶圆上形成的温度场分布进行数值模拟研究,分析了激光波长和脉冲宽度对加热深度以及晶圆背面温度的影响。结果表明,延长激光波长或脉冲宽度,都有助于增加激光退火的加热深度。而对于特定的激活深度需求,存在着最优的激光波长和脉冲宽度组合,可以使退火所需要的激光脉冲能量最低,硅晶圆背面的温升最小。本文通过模拟仿真给出了激活深度在1~10μm范围内的最优波长和脉宽值,可为实现高效的深硅注入激光激活工艺提供重要的条件参考。

    • 复杂反射率物体三维测量方法研究

      2022, 52(4):522-529. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.009

      摘要 (147) HTML (0) PDF 2.21 M (203) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对复杂反射率物体在三维测量中,激光条纹图像曝光程度差异问题,提出一种自适应多曝光获取三维点云的方法。该方法根据所研制采集系统的成像原理,拟合出视觉传感器成像函数。将初始条纹几何中心反射率突变点设为基准点,并对复杂反射率物体上的条纹信息按基准点进行分段采集;根据各分段区域反射率均值计算相应自适应曝光参数;按基准点融合所采集的激光条纹信息。测量平台采用步进运动,实现物体整体扫描。应用二次拟合重心法提取条纹中心坐标,生成三维点云信息。经实验验证,自适应曝光准确率高于90,条纹能量集中度大于5,三维点云均方根误差低于0.3mm,该测量方法有效解决了条纹图像过曝光或欠曝光问题,可在动态下实现复杂反射率物体三维测量。

    • 基于二次相关法的非视域物体定位研究

      2022, 52(4):530-536. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.010

      摘要 (79) HTML (0) PDF 1.48 M (86) 评论 (0) 收藏

      摘要:非视域成像技术是对无法直接观测到的物体进行间接观测的一种技术,本文使用激光光源照射中间介质,光经过中间介质进行多次反射,再使用APD(Avalanche Photon Diode)阵列接收回波信号,最后使用二次相关法进行时间延迟估计,计算回波信号的返回时间,完成对非视域物体的定位。实验表明,该方法可以快速定位非视域物体的位置,在噪声比较大的环境下,比直接使用互相关法定位更加准确。

    • 基于阵列盖革探测器的激光测距信号处理

      2022, 52(4):537-542. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.011

      摘要 (83) HTML (0) PDF 1.76 M (105) 评论 (0) 收藏

      摘要:传统激光测距中最常用的方法是采用工作在线性模式的单元APD进行光子探测,而随着探测距离增加,线性增益不满足使用需求,盖革模式APD应运而生。阵列探测盖革模式APD是具有探测单光子能级信号能力的新型探测器件,具有1×106至1×107的内增益,响应度高,但其受背景光影响较大,因此这一器件的信号处理难度极大。本文提出基于光子计数法的阵列信号处理的三种思路,均能够大幅提升信号对比度。其中多通道累加算法简单便捷、可实现性高;空间卷积池化算法具有高信号散布灵敏性;阵列拓展算法具备高信号辨识度。

    • >红外技术及应用
    • 基于多尺度轮廓增强的RGB IR双波段图像语义分割算法

      2022, 52(4):543-551. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.012

      摘要 (123) HTML (0) PDF 3.21 M (91) 评论 (0) 收藏

      摘要:语义分割被广泛应用于机器人、医学成像和自动驾驶等领域,但当前语义分割主要针对可见光图像。可见光图像在光照不足或天气差的情况下成像效果较差,而红外图像受光照影响较小。因此,将可见光图像和红外图像联合使用可以有效提升模型的鲁棒性。本文针对可见光/红外(RGB IR)双波段图像语义分割任务中目标轮廓预测不准确的问题,提出一种基于多尺度轮廓增强的双波段语义分割算法。首先,本文提出一种新的位置和通道注意力模块EEFM,基于该模块可以高效地对多个尺度的融合特征分别进行轮廓预测。其次,本文将多尺度的预测结果用于对轮廓特征进行由高分辨率至低分辨率的逐步增强。最后,本文还提出了一种新的位置和通道注意力模块SAC对融合图像特征进行增强,以最终获得更准确的分割结果。实验在一个公开RGB IR数据集以及一个自建数据集上进行,本文所提出的模型使用较小的参数量在公开数据库上取得了57.2的分割精度,综合性能达到了最高水平。同时,消融实验也验证了所提出的各模块的有效性。

    • >红外材料与器件
    • 高性能石墨烯/金字塔硅异质结近红外光探测器

      2022, 52(4):552-558. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.013

      摘要 (81) HTML (0) PDF 2.20 M (98) 评论 (0) 收藏

      摘要:石墨烯具有优异的光学性质和电学性质,在快速宽光谱光电探测方面有极大的潜力。本文设计并制备一种高性能石墨烯/n型金字塔硅异质结近红外光探测器。高质量石墨烯是采用化学气相沉积法制备的,通过湿法转移将其转移到n型金字塔硅表面,从而获得具有垂直结构的石墨烯/金字塔硅异质结器件。测试结果表明,在无光照条件下,器件的整流比达到了6.9×105;在970nm近红外光的照射下,电流开关比高达5.3×104,电流响应度、外量子效率、光电压响应度和比探测率分别可达577.6mA·W-1、73.97、1.26×106V·W-1和4.92×1012Jones。此外,器件具有快的响应速度,上升和下降时间分别为22 μs和14.5 μs。最后,还对器件稳定性进行研究,在空气环境中放置3个月后,光电流基本没有衰减,表明了器件具有优异的空气稳定性。

    • >光电对抗
    • 光电成像系统“猫眼效应”目标回波特征研究

      2022, 52(4):559-563. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.014

      摘要 (84) HTML (0) PDF 1.32 M (112) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对基于“猫眼效应”的激光主动探测技术在光电对抗中的广泛应用,对激光主动照明光源波长,被探测光电成像系统“猫眼效应”及探测系统最大探测距离之间的关系进行了分析研究,修正了与入射波长相关的反光指数模型及最大探测距离数学模型,并模拟了入射波长与最大探测距离间的数值关系。为了验证建立的数学模型的正确性,利用已研制的激光主动探测装置,选用焦距可调的光电成像传感器,进行了光电成像系统实焦与虚焦时最大探测距离验证实验,模拟值分别为1445m与1751m,实验值分别达到1230m与1632m。结果表明:实焦与虚焦时最大探测距离模拟值与实验值有很好的一致性。

    • 基于卷积神经网络的末敏弹复合探测信号识别方法

      2022, 52(4):564-570. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.015

      摘要 (91) HTML (0) PDF 1.28 M (112) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了进一步提升末敏弹的目标识别性能,提出一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)的复合探测信号识别方法。首先针对毫米波辐射计、激光测距雷达和红外敏感器的复合探测信号特点,提出了3种构造输入样本的方法;然后根据不同的信息融合方式,提出了3种基本网络架构,分别构建了单通道、多通道CNN模型对输入信号进行特征提取和分类;最后通过高塔试验数据对模型进行训练和评估。测试结果表明,基于样本构造方案2和网络结构3的识别方法表现最佳,测试准确率达到了97.26,所提样本构造方法和识别方法能够有效提取复合探测信号的特征,具有较高的识别精度。

    • >光学技术
    • 拉盖尔-高斯光束入射石英基底石墨烯涂层的透射光强分布特性研究

      2022, 52(4):571-578. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.016

      摘要 (91) HTML (0) PDF 3.73 M (68) 评论 (0) 收藏

      摘要:石墨烯材料在光学领域的特性吸引了众多学者进行研究。本文基于角谱衍射理论建立了拉盖尔-高斯光束入射石英基底石墨烯涂层的双层结构模型,研究了拉盖尔-高斯光束通过该模型的透射光强分布特性,分析了改变石英基底的方向自相关长度、拉盖尔-高斯光束的拓扑荷数和石墨烯涂层的厚度对拉盖尔-高斯光束入射该模型的光强分布影响,且搭建了实验来进行验证,将其结果进行对比。结果表明:随着石墨烯涂层厚度增加,拉盖尔-高斯光束透过的光强随之减弱,当石墨烯涂层的厚度大于20nm时,光强强度明显减弱。当石英基底的方向自相关长度增大时,光束受粗糙面影响变大,光强分布中暗斑变多。本文研究结果可以为石墨烯材料光学特性的研究提供支撑。

    • 粗糙涂层材料的偏振反射特性分析

      2022, 52(4):579-585. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.017

      摘要 (111) HTML (0) PDF 2.53 M (86) 评论 (0) 收藏

      摘要:选取了三种不同粗糙度的绿色涂层材料开展偏振实验,探究了S偏振光照射涂层表面时,波长、入射角及探测角等因素对不同粗糙度涂层表面反射光的线偏振度影响,并且讨论了实验条件下的线偏振度峰值的变化规律。研究表明:(1)三种粗糙涂层在400~780nm波段的线偏振度明显大于780~1000nm处的线偏振度;(2)小角度照射粗糙涂层时,三种粗糙度样品表现出不同的偏振反射特性;(3)555nm或670nm处,粗糙涂层的线偏振度值随探测角的增大先变大后减小,而865nm处的线偏振度与探测角正相关;(4)555nm和670nm波长下,小粗糙度涂层的线偏振度峰值位置与入射角正相关,峰值大小与波长相关。本文对粗糙涂层的偏振反射特性研究、偏振双向反射分布函数模型构建及偏振图像探测等有一定的参考价值。

    • 基于2.32μmTDL的CO吸收光谱参数测量

      2022, 52(4):586-593. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.018

      摘要 (75) HTML (0) PDF 1.61 M (94) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用2.32μm的可调谐二极管激光器(TDL)测量了一氧化碳(CO)气体v(0→2)振动带R转动带从R(4)至R(12)9条谱线在N2为背景气下的碰撞展宽系数,且与HITRAN数据库对比并给出了谱线展宽系数随转动量子数的变化关系。本文通过采用WM DAS方法提高实验信噪比,在不同压力(1~100 kPa)下采用Voigt(VP),Rautian(RP),Galatry(GP)和Speed dependent Voigt(SDVP)模型对实验测量吸收率进行拟合并探究各类线型不同参数随压力的变化关系。本文还以R(10)谱线为例测量了该谱线在He,N2和Ar为背景气下的碰撞展宽系数和压力频移系数,并探究了Dicke收敛系数和速度依赖性系数随压力变化的非线性关系,且通过定义残差-吸收峰值比,分析了不同背景气下R(10)谱线的收敛效应。最后,本文结合该波长范围内CO谱线的吸收强度、展宽特性和抗H2O分子光谱干扰能力,推荐R(6)和R(10)两条谱线用于工业现场测量CO浓度。

    • >电子电路
    • 基于FPGA的宽带线性调频信号的产生与实现

      2022, 52(4):594-599. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.019

      摘要 (104) HTML (0) PDF 1.89 M (95) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着激光雷达技术的迅速发展,激光雷达的作用距离、分辨力和测量精度等性能指标不断提高。为了提升测量精度和距离分辨力,要求发射信号具有大的带宽。宽带线性调频信号有助于提高激光雷达的距离分辨力。针对远程测距中激光雷达测距精度低的问题,本文首先分析和比较了几种产生宽带线性调频信号的方法,针对远程测距的应用场景,提出并设计了一种宽带线性调频信号的实现方法。通过Matlab仿真实验,证明实验实现的可行性。最后在FPGA上进行实现,产生了带宽为150 MHz,距离分辨力为1m的宽带线性调频信号。

    • >图像与信号处理
    • 基于DDR CycleGAN的红外图像数据增强

      2022, 52(4):600-606. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.020

      摘要 (119) HTML (0) PDF 3.15 M (104) 评论 (0) 收藏

      摘要:提出了一种基于双鉴别器相对循环一致性生成对抗网络(DDR CycleGAN)的红外图像数据生成方法。针对双鉴别器监督机制易出现的过度优化造成的性能下降问题,该方法在双鉴别器循环一致性生成对抗网络(DD CycleGAN)中加入了相对概率的思想,采用鉴别器鉴别图像的相对真实概率替代绝对真实概率,使得生成图片更加接近真实图片。本文方法采用 FLIR 数据集进行训练和测试,实验结果表明本文方法相比 DD CycleGAN 在可见光图像生成红外图像的图像质量上,峰值信噪比提高了 3.91,FID(Frechet Inception Distancescore)降低了3.81。

    • 聚类分割的交互式遥感热红外图像模糊增强

      2022, 52(4):607-613. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.021

      摘要 (83) HTML (0) PDF 1.49 M (84) 评论 (0) 收藏

      摘要:交互式遥感热红外图像在边缘区域的像素呈现较强交互干扰,缺少必要区分过程,导致增强后的交互式遥感热红外图像视觉效果差、抗噪性能差、增强效率低。提出基于聚类分割的交互式遥感热红外图像模糊增强方法,采用模糊C均值聚类算法,对交互式遥感热红外图像聚类分割处理,对边缘区域特殊及弱小交互目标分割,进一步区分交互区域的干扰,缩短后期增强所用的时间。采用中值滤波方法去除交互式遥感热红外图像中存在的噪声,结合Sobel算子和二阶微分算子的拉普拉斯算子对去噪后的交互式遥感热红外图像进行锐化处理,通过图像去噪和图像锐化实现交互式遥感热红外图像的模糊增强。仿真实验可知,所提方法进行交互式遥感热红外图像模糊增强所获取的图像清晰度较高、抗噪性能较佳、增强效率较高。

    • 基于改进Faster R CNN的复杂背景红外车辆检测算法

      2022, 52(4):614-619. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.022

      摘要 (121) HTML (0) PDF 1.77 M (116) 评论 (0) 收藏

      摘要:红外背景下的车辆检测具有重要的应用意义,为了解决在复杂背景下红外视频的车辆检测时视野中的车辆目标像素差距过大以及目标重叠的问题,提出一种改进的Faster R CNN网络模型。针对视野内车辆目标重叠率较高的问题,设计了一种改进的soft NMS(Non Maximum Suppression)方法对RPN(Region Proposal Network)内的NMS方法进行优化。针对视野内目标像素差距过大问题,设计了三种不同尺度感受野并行检测,权重共享的特征提取结构Tri VGG网络,并设计出一种避免网络出现过拟合的训练策略,优化后的网络检测平均精确度(AP,Average Presion)达到8532,相较于仅采用soft NMS的Faster R CNN提高了301,相较于传统的Faster R CNN提高了586。

    • 远近场自适应激光光斑能量中心检测

      2022, 52(4):620-624. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2022.04.023

      摘要 (118) HTML (0) PDF 1.59 M (109) 评论 (0) 收藏

      摘要:某激光武器在研制过程中,需要对激光光斑进行中心校准,确保发射能量稳定汇聚于目标处。现有光斑中心检测算法无法满足远场不规则光斑的能量中心校准,为此本文提出了一种基于自适应disk掩膜的激光光斑中心检测算法,首先通过双边滤波、伽马拉伸等操作实现图像增强,然后用大津法进行图像阈值分割,通过二值化的面积确定掩膜半径,用掩膜与光斑原图做匹配从而进行光斑中心检测,确定能量中心。该方法在近场光斑与远场不规则光斑的中心检测均具有优异鲁棒性和准确性,可实现近场光斑±1个像素内误差,在0.8μm之内,远场±2个像素内,在1.6μm之内,以此用于激光类产品的实际工程设计,提升同类产品的性能。

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