• 2023年第12期文章目次
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    • >综述与评论
    • 基于机器学习的地基云图分类研究进展

      2023, 53(12):1795-1809. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.001

      摘要 (198) HTML (0) PDF 2.80 M (487) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于机器学习的地基云图分类是光伏发电功率预测的关键技术。该技术主要通过传统机器学习和深度学习方法对地基云图特征提取提升地基云图分类准确率。全文归纳了地基云图分类标准和云图采集设备;简要介绍了地基云图分类数据集;从传统机器学习和深度学习两方面详细论述了典型的地基云图分类方法;比较了不同方法在Kiel F和MGCD地基云图分类数据集上的性能;最后对现有地基云图分类方法进行了总结,并针对目前地基云图分类面临的挑战进行了展望。

    • 超短脉冲激光加工碳纤维复合材料研究进展

      2023, 53(12):1810-1821. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.002

      摘要 (97) HTML (0) PDF 2.49 M (403) 评论 (0) 收藏

      摘要:超短脉冲激光加工作为一种非接触式的特种加工方法,利用高功率密度的聚焦激光束烧蚀碳纤维增强复合材料(CFRP)表面,实现高精密加工,有望解决传统机械加工工艺造成的刀具损坏、残余应力和表面质量差等问题。因此,本文综述了近些年超短脉冲激光加工CFRP的研究进展。首先梳理了超短脉冲激光加工CFRP的加工机理,其中包括了材料去除机理、相互作用过程机理和对激光的吸收与反射机理。其次,着重阐述了热影响区和锥度这两类缺陷,分析了缺陷的形成原因,并提出了相应抑制方法。本文对超短脉冲激光加工CFRP的理论研究具备一定借鉴意义。

    • >激光应用技术
    • CFRP硅油辅助皮秒激光低损伤制孔工艺

      2023, 53(12):1822-1827. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.003

      摘要 (92) HTML (0) PDF 3.02 M (362) 评论 (0) 收藏

      摘要:皮秒激光加工具有峰值能量高、脉冲作用时间短等特点,是碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)孔切割的重要手段。但是碳纤维和树脂基体的热物性存在较大差异,激光脉冲能量累积与传导行为,致使热损伤难以避免。本文提出一种CFRP硅油辅助皮秒激光制孔工艺,研究硅油对孔内部缺陷、热影响区(Heat affected Zone,HAZ)、孔圆度及锥度的影响。研究表明,与皮秒激光制孔相比,硅油辅助制孔质量显著提高:切口处无基体损伤,孔内壁面无裂纹,仍存在轻微的纤维裸露;孔表面HAZ减至41μm(重复频率200kHz、扫描速度1800mm/s);激光重复频率200kHz、扫描速度600mm/s时锥度减小1609。综上,硅油有助于调控CFRP激光制孔损伤:改善微观缺陷,抑制热影响区,降低锥度等。

    • 基于激光动态探测机理的目标回波特性

      2023, 53(12):1828-1833. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.004

      摘要 (121) HTML (0) PDF 1.56 M (411) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对激光近程全向动态探测问题,基于激光动态扫描探测机理,在激光近场探测理论基础上,推导出基于激光动态探测机理的目标回波轮廓波形方程,分别从理论推导和实验分析两方面入手,研究了目标回波特性影响机理。结果表明:随着发射功率的增加,回波信号幅值提升幅度较大,脉宽压缩;随着激光发射脉宽的增加,回波信号幅值呈现快速下降,且脉宽展宽;随着光束发散角的提高,回波幅值缓慢降低且脉宽展宽;随着目标距离的增加,回波信号幅值迅速降低且脉宽展宽。

    • 水下高重频激光测距系统设计与实现

      2023, 53(12):1834-1839. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.005

      摘要 (211) HTML (0) PDF 1.57 M (485) 评论 (0) 收藏

      摘要:高重频水下激光测量系统可实现对水下小目标高精度探测,是实现海底地形地貌测绘、无人潜航器避障的基础。为实现对水下渔网、三角锥等弱小目标的高精度探测,设计了一款小体积、高精度的高重频水下激光测距软硬件系统。通过对APD的实时信号响应能力、光谱灵敏度等重要性能参数的研究,设计并实现了基于SAE500VSM光电探测器的高增益激光接收硬件电路。开展了水下不同距离的激光测距探测实验,结果表明,高重频激光测距系统能够对水中小目标进行有效探测,探测精度为15cm。

    • 激光振镜直写光栅误差分析及校正方法

      2023, 53(12):1840-1845. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.006

      摘要 (82) HTML (0) PDF 2.01 M (404) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对振镜式激光直写光栅系统中存在的扫描畸变的问题,提出了一种内部转角优化和外部扫描误差补偿相结合的校正方法。以光栅栅距10μm为目标,建立了振镜系统的几何光学模型,对扫描误差进行了分析,然后对振镜转角进行了优化,进一步对振镜进行了曲线拟合补偿,坐标点(100,10)处误差从0936mm,1912mm降低到0148μm,00296μm。结果表明,这种方法能够满足振镜式激光直写光栅在短距离刻划的精度要求。

    • 基于频域衰减系数的Al Cu Mg铝合金激光超声评价

      2023, 53(12):1846-1854. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.007

      摘要 (104) HTML (0) PDF 3.39 M (369) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文采用激光超声无损检测技术对Al Cu Mg铝合金进行检测,通过变分模态分解法(Variational Modal Decomposition,VMD)提取了激光超声信号的频域衰减系数,并通过扫面电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、拉伸试验和显微硬度试验等实验方法对Al Cu Mg铝合金的微观组织和力学性能进行检测,将激光超声频域衰减系数和Al Cu Mg铝合金的微观组织和力学性能进行耦合。结果表明:衰减系数与析出相含量、平均晶粒尺寸力学性能均有一定的相关性,激光超声检测方法可以识别Al Cu Mg铝合金微观组织和力学性能变化趋势,这为Al Cu Mg铝合金微观组织和力学性能的非接触、快速无损评价提供了一个新方法。

    • 纳秒激光诱导黄铜超疏水光滑涂层的抗盐腐蚀性能研究

      2023, 53(12):1855-1860. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.008

      摘要 (132) HTML (0) PDF 2.23 M (336) 评论 (0) 收藏

      摘要:黄铜是工业产品的重要基础性材料之一,其抗盐腐蚀性能的提升问题,近年来受到工业界和科研界的广泛关注。本文提出一种制备黄铜抗盐腐蚀涂层方法。首先,利用纳秒激光诱导出了具有微纳织构的黄铜超疏水表面,并用氟硅烷进行修饰增强其稳定性;然后在制备的超疏水性基体中注入硅油,获得超疏水光滑涂层表面;最后,浸入35wt% NaCl溶液中进行PDP和EIS测试,结果表明光滑表面的抗盐腐蚀性能优于普通超疏水表面,更优于原始黄铜表面。本研究可对金属防腐涂层发展起到一定的促进作用,对于激光诱导制备超疏水光滑表面具有重要意义,为工业领域的金属防腐蚀途径提供了方便和有效的手段。

    • >激光器技术
    • 微型人眼安全固体激光器技术

      2023, 53(12):1861-1865. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.009

      摘要 (83) HTML (0) PDF 2.38 M (358) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文报道了一种高峰值功率(≥2 MW)、高重复频率(≥20 Hz)的157μm人眼安全微型固体激光器,具有体积小、重量轻、结构紧凑、环境适应性强等优点。激光器采用新型微型设计、LD侧面泵浦、被动调Q、高效OPO等技术。在工作频率20 Hz时,获得了脉冲宽度≤5ns,单脉冲能量≥10mJ、光束发散角≤5mrad、中心波长1572μm的人眼安全激光输出。

    • >红外技术及应用
    • 基于图像灰度的大范围辐射温度反演

      2023, 53(12):1866-1870. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.012

      摘要 (201) HTML (0) PDF 1000.91 K (378) 评论 (0) 收藏

      摘要:为解决高温辐射源和环境温度对红外测温的影响,提高极端工况下红外热像仪的测温精度,以红外辐射理论以及红外热像仪测温原理为基础,提出了一种将红外图像灰度与目标温度、环境温度和积分时间相结合的综合辐射温度反演方法,该方法实现了环境(镜头)温度与场景温度参量解耦,可以独立预估各参量变化所产生的探测器响应变化。首先对红外热像仪进行数据标定,标定时一般采用高精度面源黑体,之后通过计算面源黑体辐射亮度,利用黑体辐亮度和黑体灰度的线性关系,对黑体温度与黑体图像灰度值两组数据之间关系进行拟合,建立全环境温度和全积分时间的大范围温度反演匹配模型。最后在实验室环境下,分别用热像仪和基于灰度的温度反演模型对探测目标进行测温。经过实验验证,该反演模型在实验室环境下取得了较为良好的效果。

    • 比色测温法的最优波段及测温精度的研究

      2023, 53(12):1871-1876. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.013

      摘要 (85) HTML (0) PDF 1.14 M (368) 评论 (0) 收藏

      摘要:目前火炮膛温测试存在测试难度大、精准度低和条件恶劣等问题。针对此类问题,本文设计了基于比色测温的火炮膛温测试系统。论证了波长的选择和标定误差是影响比色测温精度的两大重要因素,并通过分析波长与采集电压之间的灵敏度关系,得出最优波段为0960μm和1000μm,提高了比色测温法的测温精度。分别使用最小二乘法和遗传算法(GA)对实验数据进行拟合,对系统进行测试验证。结果表明:选择最优波长能够提高测温精度,遗传算法在精度上对比最小二乘法有明显提高,整体测量误差小于4 ‰。

    • 航空机载红外图像的车辆目标自主检测识别

      2023, 53(12):1877-1884. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.014

      摘要 (140) HTML (0) PDF 2.51 M (431) 评论 (0) 收藏

      摘要:红外光学成像载荷利用目标的热辐射强度特性成像,具有一定的揭伪能力,可规避可见光成像装备无法在夜间和恶劣气象条件下成像的限制,但红外图像对比度低、边缘不清晰,大大降低了成像目标识别的准确率。本文提出一种基于YOLOv5的红外车辆目标检测算法,在浅层特征层引入RFBs模块,以提高小目标的感受野及检测效果,在颈部网络(Neck)部分,使用BiFPN结构,实现对底层特征的再次利用,以融合更多的特征,并添加CBAM注意力机制以提升检测精度。实验结果表明:在DroneVehicle 数据集上的检测效果要优于原始网络,精确率(Precision)提升28,召回率(Recall)提升16,平均精度(mAP)提升23。结论:可有效应用于航空红外图像的车辆自主检测识别。

    • >红外材料与器件
    • 长波红外高透射率二维光子晶体设计及应用研究

      2023, 53(12):1885-1891. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.010

      摘要 (81) HTML (0) PDF 1.64 M (336) 评论 (0) 收藏

      摘要:近年来,如何提高红外探测器的光子吸收率是目前红外探测的重点研究之一,增加入射光的透射率是其中重要的一环。传统的多层减反膜受到粘附性,热失配和稳定性不足等问题在应用上受到一定限制。光子晶体是一种直接在光学表面加工微结构实现增透效果,不存在上述等问题,并且表现出较好的增透效果。但目前光子晶体设计结构复杂,对工艺加工带来困难。基于此本文设计了几种简单的ZnS光子晶体几何结构,包括长方体、圆柱体、六棱柱体和金字塔结构,在长波红外8~10μm波段内每种光子晶体结构的最佳平均透射率均在90以上,其中金字塔的增透效果最好。设计了金字塔阵列结构,透射率仿真结果表明金字塔阵列间隙在一定范围内均能保持98以上的透射率。最后探究了不同基底材料碲镉汞厚度和温度对光子晶体透射率的影响。本文研究可为光子晶体增透研究和微纳光学器件设计提供一定的借鉴意义。

    • 大电荷处理能力红外探测器读出电路像素设计

      2023, 53(12):1892-1896. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.011

      摘要 (194) HTML (0) PDF 2.65 M (350) 评论 (0) 收藏

      摘要:读出电路将红外探测器二极管激发产生的光电子收集、积分成为电压信号并按序读出,使其变成后端系统可读的电信号,是红外焦平面探测器的重要组成部分。电荷处理能力作为衡量读出电路的一项重要指标,探测器的性能以及某些应用条件下要求读出电路具有大的电荷处理能力,本文介绍一种具备大电荷处理能力的模拟读出电路像素级设计,在15μm像元间距内最大积分电容达到832 fF,最大电荷处理能达到10.92 Me-,且具备良好的线性度。

    • >光纤传感及光通讯技术
    • 基于拓扑优化的光纤束端面超构透镜研究

      2023, 53(12):1897-1902. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.015

      摘要 (200) HTML (0) PDF 1.52 M (365) 评论 (0) 收藏

      摘要:超构透镜作为目前纳米光学领域的研究热点,与光纤束集成可充分体现其轻薄的特点,二者的结合有利于推动成像系统的小型化。本文利用拓扑优化方法设计了一种新型的同心环结构超构透镜,并利用纳米3D打印技术完成超构透镜与光纤传像束的集成。该超构透镜直径为3047μm,数值孔径(NA)为08,使用白光LED光源进行成像实验,结果表明该超构透镜具有良好的成像性能。本文提出的超构透镜与光纤束集成的小型化成像系统可应用于医疗、工业、军事等多个领域。

    • >光学技术
    • 光阑偏心对数字散斑干涉空间频谱的影响研究

      2023, 53(12):1903-1907. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.016

      摘要 (76) HTML (0) PDF 2.02 M (410) 评论 (0) 收藏

      摘要:光阑在空间域内对成像光束起到限制的作用,在光学系统中的应用十分广泛。在数字散斑干涉测量系统中,通常采用光阑对物光空间频率进行限制,便于针对待测目标完成后续的信号解调。理想情况下,光阑的中心位置应与光轴重合、且表面与光轴垂直,但在实际过程中,经常由于调整精度问题使得光阑中心偏离光轴,或者由于结构设计问题采用偏心光阑。本文以空间光束的傅里叶变换特性为基础,研究了光阑中心偏离光轴位置对物光和数字散斑干涉空间频谱的影响,并进行了实验验证,理论与实验结果一致。本文对数字散斑干涉系统关键参数设计,具有理论指导意义。

    • AO算法改善波前整形技术

      2023, 53(12):1908-1915. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.017

      摘要 (62) HTML (0) PDF 1.90 M (328) 评论 (0) 收藏

      摘要:光场调控中的波前整形技术解决了相干光透过无序散射介质聚焦问题,以迭代优化方法简化实验装置,以达到加强对漫射光的控制目的。引入AO算法对入射波前进行处理,实现对波前整形技术的改善。实验中进行了与标准粒子群算法(PSO)、灰狼算法(GWO)这类群体智能优化算法的比较,AO算法改善后的波前整形技术具备更佳光学聚焦能力。研究表明,与标准粒子群算法和灰狼算法相比,经过AO算法改善后波前整形技术可得到更高的目标光强值,取得更好的散斑聚焦效果。

    • 空间光学遥感系统设计及反射膜的研制

      2023, 53(12):1916-1920. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.018

      摘要 (194) HTML (0) PDF 1.20 M (348) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文采用Code V软件设计一种空间光学遥感系统,该系统的F数为2,入瞳直径为125mm,出瞳直径为39mm,畸变小于05,点列图均方根直径小于5μm。根据光学薄膜基础理论,设计出铝基碳化硅的表面镀镍后,波长1064±5nm处R>985%的反射膜。选择铝基碳化硅作为反射镜的基底材料,采用改性的镍层再镀反射膜的方法,在OZZSQ900型箱式真空镀膜机上完成了铝基碳化硅基底镀镍层铝膜的制备。采用岛津UV 2600i光谱仪对镀膜样品的反射光谱进行测试,测试结果满足设计要求。该研究具有重要的实际意义和工程价值。

    • >图像与信号处理
    • 基于FGF与VGGNet19的红外可见光图像融合

      2023, 53(12):1921-1927. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.019

      摘要 (92) HTML (0) PDF 3.15 M (293) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对红外与可见光图像融合中出现红外目标不够突出以及边缘模糊等问题,本文提出了一种基于FGF(快速引导滤波)和VGGNet19的红外与可见光图像融合方法。首先,通过FGF将源图像进行双尺度分解;然后,利用VGGNet19网络得到初步融合权重图;其次,利用OTSU(最大类间方差法)来提取初步融合权重图的前景与背景,进行二值化;然后,对得到的二值图像使用FGF得到最终融合权重图;最后,相加再经过FGF和图像增强实现图像融合。实验结果表明,本文方法能够有效保留显著热目标,边缘细节清晰,在主观评价以及客观评价指标中均取得了更好的效果。

    • 基于生成对抗网络的盾构隧道渗漏水检测

      2023, 53(12):1928-1934. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.020

      摘要 (120) HTML (0) PDF 1.73 M (343) 评论 (0) 收藏

      摘要:渗漏水是盾构隧道安全危害最大的病害之一,对盾构隧道渗漏水快速精准的检测,是有效控制及整治盾构隧道渗漏水的基础。现有的渗漏水检测方法在自动化程度方面均取得一定的成效,但存在数据采集效率低、现场采集环境要求高、训练数据样本量大等问题。针对上述问题,文章将移动LiDAR采集的盾构隧道强度图像作为数据源,提出了基于生成对抗网络的盾构隧道渗漏水检测方法,从现有的生成对抗网络V GAN模型出发,在标注少量样本的基础上,建立了Dense块作为编码器,残差块作为解码器的Unet模型作为生成器网络,运用改进的深度残差Unet(Improve ResUnet)作为判别器网络,组成DRUnet IRUnet GAN生成对抗网络用于盾构隧道LiDAR强度图像渗漏水检测。实验结果表明,当输入500张、200张、100张少量样本时,文章构建的DRUnet IRUnet GAN生成对抗网络能够达到优于V GAN的盾构隧道强度图像渗漏水检测效果,表明了所改进的网络具有良好的性能。

    • 基于WHI及ICP的点云配准算法

      2023, 53(12):1935-1943. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.021

      摘要 (196) HTML (0) PDF 1.50 M (297) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对两步点云配准中精度差、计算效率低、易受噪声干扰的问题,提出一种基于WHI特征描述符结合改进的ICP点云配准算法。首先,对大数据量的点云通过ISS算法提取特征点集作为配准点云;然后,计算特征点云的WHI特征描述符,利用随机采样一致性算法完成粗配准;最后,基于安德森加速迭代ICP算法对粗配准点云进行精确配准。通过多组点云数据集对所提算法进行验证,实验表明,该算法配准精度高、速度快,在含有噪声数据集的优势更明显。在不同的点云模型下,所提算法的配准效率提高2倍以上,在噪声环境下具有一定的鲁棒性。

    • 基于语义特征传播图神经网络的小样本图像分类算法

      2023, 53(12):1944-1952. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.022

      摘要 (182) HTML (0) PDF 3.92 M (297) 评论 (0) 收藏

      摘要:使用少量样本进行学习和概括的能力是人工智能和人类之间主要的区别。在小样本学习领域,大多数图神经网络专注于将标记的样本信息传递给未标记的查询样本,而忽略了语义特征在分类过程中的重要作用。为此构建了语义特征传播图神经网络,首先将语义特征嵌入到图神经网络中,解决了细粒度图像特征相似性带来的分类准确率低的问题,然后将注意力机制与骨干网络合并达到强化前景并提高特征提取质量的目的,利用马氏距离计算类的相似度得到更好的分类性能,最后使用Funnel ReLU函数作为激活函数进一步提高分类准确率。在基准数据集上实验表明,所提算法相比于基线算法在5类1/2/5样本任务上的准确率分别提高了903%、456%和415%。

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