• 2024年第3期文章目次
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    • >综述与评论
    • 中红外腔衰荡光谱技术的研究进展及应用

      2024, 54(3):323-335. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.001

      摘要 (97) HTML (0) PDF 3.02 M (274) 评论 (0) 收藏

      摘要:中红外基频指纹吸收谱具有吸收强、谱线宽且密集的特点。通常吸收红外光谱的气体分子在3000cm-1附近的中红外基频吸收强度比近红外吸收高约2个数量级,因此逐渐成为腔衰荡光谱(CRDS)技术的研究热点。简述了CRDS技术的工作原理及技术优势,介绍了中波红外CRDS技术特点并分析对比了近红外与中红外波段的CRDS技术差异,论述了基于中红外波段的CRDS技术研究现状,最后基于应用研究进展对其前景进行了展望。

    • 雷神基于AIM 9X的DIRCM系统研究

      2024, 54(3):336-339. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.002

      摘要 (63) HTML (0) PDF 1.57 M (197) 评论 (0) 收藏

      摘要:以便携式防空系统(MANPADS)为典型代表的红外精确制导武器给军用和民用飞机带来巨大的威胁。目前最行之有效应对热寻的制导武器的方法便是以红外波段激光作为光源的定向红外干扰系统。本文主要介绍了美国雷神公司如何基于现有的AIM 9X导引头技术开发新一代定向红外对抗系统,该系统具备高效、可靠、紧凑、重量轻且价格低廉等诸多优点,并且通过功能扩展可以轻松应对从紫外到中红外等多种波段导弹威胁。

    • >激光器技术
    • 基于微通道散热的板条激光放大器热仿真分析

      2024, 54(3):340-345. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.003

      摘要 (82) HTML (0) PDF 1.80 M (201) 评论 (0) 收藏

      摘要:众所周知,热效应是限制大功率高能量激光器发展的一大瓶颈,在高能激光产生的过程中伴随着大量的废热产生,影响高能量激光器的光束质量甚至会影响其正常工作。为了保证高能量激光器的稳定运作并研究其工作物质的散热过程中的热分布状态,本文建立了一种用于高能Zig Zag板条激光放大器的双端入水微通道散热模型,利用CFD模拟仿真软件在额定工况下对微通道与空腔热沉进行散热对比,还研究了模型的可变参量:通道高度、翅片厚度,以及水流量对于散热性能的影响。模拟研究发现本文提出的微通道热沉冷却效果优于全腔水冷效果,微通道热沉将晶体表面最高温差控制在4℃以内,表面温度也降低了32;同时在压降允许范围内优化通道参数能再将冷却效果提升10,实现增益介质分布式高效散热。

    • 太赫兹波段下切比雪夫粒子散射特性研究

      2024, 54(3):346-354. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.004

      摘要 (52) HTML (0) PDF 2.38 M (206) 评论 (0) 收藏

      摘要:为探究太赫兹波段下沙尘粒子的散射特性,本文采用离散偶极子近似方法对不同切比雪夫模型(Chebyshev)的沙尘粒子散射特性进行研究。分别计算15 THz、2524 THz、3437 THz频率下的切比雪夫粒子不同物理性质如粒子尺寸、粒子形状,对其散射特性如后向散射截面(Cbak)、衰减截面(Cext)、散射截面(Csca)、单次散射反照率(ω)等的影响。结果表明:同一波纹参数下,15 THz时粒子尺寸对Cext和Csca的影响较大;2524 THz时粒子尺寸变化对Cbak影响较大;同一频率下,波形参数为2~5的粒子尺寸变化对各光学截面的影响较其他形状有明显不同;三个频率下,各波纹参数的粒子在有效半径大于10μm时单次散射反照率都大于095。

    • >激光应用技术
    • 基于激光雷达探测的飞机尾流融合预测方法

      2024, 54(3):355-363. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.005

      摘要 (71) HTML (0) PDF 1.50 M (175) 评论 (0) 收藏

      摘要:为提高基于激光雷达的飞机尾流探测反演精度,根据扫描出的径向风速数据,建立了基于Kolmogorov结构函数的大气背景湍流耗散率(EDR)估计方法;然后基于两阶段消散预测模型,计入湍流对尾流消散过程的影响,实现基于历史探测数据的尾涡强度环量和涡核运动趋势的预测;通过环境探测数据与预测模型的结合,提高尾涡特性参数的反演精度。研究表明,相较于反演算法,采用本文模型预测的尾涡轨迹在径向距离和角度的精度上分别提高了595、648。

    • 基于激光超声的钛合金裂纹合成孔径组合成像研究

      2024, 54(3):364-372. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.006

      摘要 (64) HTML (0) PDF 2.84 M (198) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对钛合金内部疲劳裂纹激光超声成像问题,提出了一种基于合成孔径聚焦技术的多模式组合成像方法。采用扫描激光源法,通过提取不同探测位置的时域模式回波信号,根据Bscan图中反射纵波与反射横波的幅值分布,将裂纹回波时域特征进行分区重组,对其进行反演聚焦完成了对内部裂纹的识别及图像重构。使用COMSOL Multiphysics对钛合金板材内部裂纹成像过程进行数值模拟并通过MATLAB图像算法验证了其可行性。与单一模式波成像相比,采用反射纵波与反射横波组合的成像方法有效减少了伪像,实现了对内部裂纹的定位及图像重构,重构裂纹位置〖WTBX〗X轴与Y〖WTBZ〗轴相对误差均在3以内。

    • 一种对高速运动目标的单光子测距方法

      2024, 54(3):373-379. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.007

      摘要 (38) HTML (0) PDF 1.76 M (166) 评论 (0) 收藏

      摘要:作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。

    • 基于卡尔曼融合的激光雷达特征匹配方法

      2024, 54(3):380-388. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.008

      摘要 (45) HTML (0) PDF 1.84 M (178) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对现有激光雷达特征匹配算法线段特征匹配定位不够准确的问题,提出了一种基于卡尔曼融合的激光雷达特征匹配算法。首先扫描一帧雷达数据,利用改进的激光雷达线段特征提取方法,提取出特征线段,得到局部地图。接着确定局部地图旋转、平移参数,再将局部与全局地图进行匹配,根据相对偏差得到匹配结果。然后基于卡尔曼,利用IMU数据作下一时刻的预测估计,利用激光雷达匹配结果作观测,两者融合得到最优估计。实验结果表明该方法相对现有特征匹配算法在特征线段的匹配准确性上更高,因此定位导航的精度和鲁棒性也更好。

    • 激光相干雷达中光单次下变频技术

      2024, 54(3):389-395. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.009

      摘要 (50) HTML (0) PDF 2.00 M (196) 评论 (0) 收藏

      摘要:在相干激光雷达远程测距中,为提高雷达的探测距离和距离分辨力,通常使用大时宽带宽积的信号如调频信号对光载波进行调制,并在接收端进行脉冲压缩处理,为降低接收端数字信号处理的数据量以提高运算的实时性,需要将接收信号下变频至合适的频段。传统的外差式雷达接收机需对光信号和电信号分别进行一次下变频,导致系统结构较复杂,且受器件非理想化的限制,下变频过程中会引入额外的噪声,此外还存在镜像频率噪声干扰的问题,导致解调信号信噪比降低。提出了一种将光信号直接下变频至脉冲压缩所需频段的方案,该方案使用正交解调的方式进行,能够简化系统结构同时抑制镜频噪声。首先将本振光进行频移并分为两束,通过控制相位使两本振光相互正交。将信号光分为两束并分别与两路本振光在光电探测器表面进行混频,接着对电信号进行采集,通过相关算法对幅相不平衡进行矫正。经仿真和实验,该方法能够在有效简化激光相干雷达接收机系统结构的同时避免镜频噪声干扰,在10 GSps采样率下,相较于外差式接收机,解调信号信噪比提高了约3dB。

    • 基于车载激光点云的城市道路标线提取方法

      2024, 54(3):396-403. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.010

      摘要 (68) HTML (0) PDF 2.52 M (188) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对车载激光点云道路标线反射强度特性,提出了一种基于车载激光点云的城市道路标线提取方法。具体而言,首先提出一种联合布料模拟滤波和高差偏度平衡的地面滤波方法,利用偏度平衡滤波的自适应性,剔除布料滤波后残留的低矮植被的问题;随后利用基于法向量密度聚类以提取路面点云,并通过反距离加权插值将路面点云转为强度特征图;为了缓解标线提取出的锯齿状现象,引入快速引导滤波来平滑道路标线的边缘信息;最后采用最大熵阈值分割和形态学比值滤波对道路标线进行精化处理。实验表明,该方法能够有效地提取出道路标线点云,提取的平均召回率为8098,平均准确率为9689,平均综合评定指标为8819,能够利用道路标线点云强度信息较为完整地提取出道路标线点云。

    • >红外材料与器件
    • 连续变焦红外热像仪结构设计及装调工艺研究

      2024, 54(3):404-410. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.011

      摘要 (72) HTML (0) PDF 2.68 M (193) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文研究了连续变焦红外热像仪的结构设计和装调工艺。在设计阶段进行了振动、冲击仿真分析。提出了连续变焦组件的光机装调工艺方法。搭建了小视场与安装基准偏轴度的测量方法。完成了该红外热像仪的光轴一致性检测和光轴稳定性验证试验。检测和试验验证结果表明各项关键机械性能指标优良,证明该红外热像仪的整机系统结构设计满足工程化应用需求。

    • 可对信号再处理的拼接红外探测器封装电学设计

      2024, 54(3):411-415. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.012

      摘要 (48) HTML (0) PDF 1.33 M (159) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着线列型红外探测器技术的发展,对超大视场扫描的需求是线列型红外测器应用的重要方向,超大视场扫描通常需要由多片线列型红外探测器拼接完成,而拼接设计的核心主要是封装结构设计。如何将探测器信号完整的引出到封装体外,就是封装结构设计中电学设计需要做的工作。文章介绍了一种线列型红外探测器拼接结构的封装电学设计,首先介绍该拼接结构的拼接方式,然后介绍为满足该种结构的电学结构设计方案,尤其是对信号二次处理部分的电学结构设计方案,最后介绍针对该种电学结构方案进行的电学布线设计方案。

    • >红外技术及应用
    • 结合WGAN GP与CNN SVM的滚动轴承故障红外诊断

      2024, 54(3):416-422. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.013

      摘要 (48) HTML (0) PDF 2.09 M (161) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对实际工程应用中由于滚动轴承故障状态出现的时间很短而导致数据集不平衡难以采用深度学习算法进行故障诊断的问题,提出了一种基于Wasserstein距离的梯度惩罚生成对抗网络(WGAN GP)和基于支持向量机分类的卷积神经网络(CNN SVM)相结合的滚动轴承故障红外诊断方法。从红外热像图中构建不平衡数据集,通过采用WGAN GP对不平衡数据扩充以达到数据集均衡,之后将CNN SVM模型应用于数据集,提取样本深度特征完成故障分类。实验表明,WGAN GP与CNN SVM相结合的模型在不平衡数据集下表现良好,相较于其他模型有更好的故障诊断能力,并且在故障分类阶段的用时可减少1689以上。

    • 多特征聚合表征的断路器热故障诊断评级方法

      2024, 54(3):423-430. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.014

      摘要 (42) HTML (0) PDF 1.25 M (167) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对电力设备红外热故障特征的准确评估需求,提出一种多特征聚合表征的断路器热故障诊断评级方法,并以高压断路器红外图像为实例进行数据测试。首先,在高压断路器红外图像背景分离的基础上,对设备进行精准的区域划分,提取各区域温度信息;然后运用 Meanshift和改进区域生长法融合,准确提取故障发热区域面积;其次,设计一种多维聚合表征矩阵,将同一设备发热面积、热点温度、热点温差、发热位置、两相同位温升等特征值聚合为多特征向量矩阵,并运用现场案例数据构建该向量矩阵与高压断路器故障类型、等级、处理意见的关联库;最后对350张高压断路器红外图像的1002组多特征向量进行训练测试。结果表明,该方法提取的多特征向量数据使用GWO SVM分类器测试的Fmeasure和Kappa系数分别为96和9543,能够实现高压断路器设备热故障的全类型诊断评级及精准定位。

    • 基于全局双线性注意力的红外视频行为识别

      2024, 54(3):431-439. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.015

      摘要 (78) HTML (0) PDF 8.33 M (200) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对红外视频缺少纹理细节特征以致在人体行为识别中难以兼顾计算复杂度与识别准确率的问题,提出一种基于全局双线性注意力的红外视频行为识别方法。为高效计算红外视频中的人体行为,设计基于两级检测网络的关节点提取模块来获得人体关节点信息,创新性地将所形成的关节点三维热图作为红外视频人体行为识别网络的输入特征;为了在轻量化计算的基础上进一步提升识别准确率,提出一种全局双线性注意力的三维卷积网络,从空间和通道两个维度提升注意力的建模能力,捕获全局结构信息。在InfAR和IITR IAR数据集上的实验结果表明,该方法在红外视频行为识别中的有效性。

    • >光学技术
    • 用于远距离高温目标辐射探测的光谱系统设计

      2024, 54(3):440-447. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.016

      摘要 (60) HTML (0) PDF 2.34 M (179) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对远距离高温目标多光谱辐射测温的需求,设计了一款多通道光谱探测系统。系统前端采用同轴两反卡塞格林式结构收集目标光谱辐射,后端包括用于目标定位的长波红外成像瞄准系统和分别工作在380~1050nm、980~2550nm双波段光谱系统。光谱系统采用Czerny Turner结构,在380~1050nm波段分辨率优于5nm,980~2550nm波段分辨率优于15nm,光谱通道数量大于220个。400m目标外场实验和700~2300℃高温黑体温度实验表明,多通道光谱探测系统能够进行远距离目标的瞄准和光谱探测。本文设计的多通道光谱探测系统有望用于地面、航空及航天等远距离的温度探测。

    • 扭曲的涡旋光束在海洋湍流中的传输因子

      2024, 54(3):448-456. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.017

      摘要 (54) HTML (0) PDF 2.35 M (168) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于扩展惠更斯-菲涅尔原理和维格纳分布函数(Wigner distribution function,WDF)二阶矩,推导了部分相干扭曲涡旋光束(partially coherent twisted vortex beam,PCTVB)在海洋湍流中传输时的M2因子和角扩展θ(z)。通过数值模拟方法详细研究了海洋湍流对光束M2因子和角扩展θ(z)的影响,结果表明温度方差耗散率ΧT和温度盐度贡献比w越大、动能耗散率ε和各向异性因子ξ越小时对PCTVB的M2因子和角扩展θ(z)的影响越大。此外研究发现,相较于非扭曲涡旋光束(PCVB),PCTVB有更好的抗海洋湍流的能力,且增大拓扑荷数m以及扭曲因子绝对值|μ|后,PCTVB的M2因子和角扩展θ(z)显著减小,光束的抗海洋湍流能力增强。并且增大束腰宽度w0和波长λ,以及减小初始相干长度δηη(η=x,y)同样可以增加光束抗海洋湍流的能力。本文的数值研究结果对海洋光通信具有重要意义。

    • >图像与信号处理
    • 基于Transformer和空间注意力的红外与可见光图像融合

      2024, 54(3):457-465. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.018

      摘要 (83) HTML (0) PDF 2.96 M (205) 评论 (0) 收藏

      摘要:目前,已经有很多研究人员将卷积神经网络应用到红外与可见光图像融合任务中,并取得了较好的融合效果。其中有很多方法是基于自编码器架构的网络模型,这类方法通过自监督方式进行训练,在测试阶段需要采用手工设计的融合策略对特征进行融合。但现有的基于自编码器网络的方法很少能够充分地利用浅层特征和深层特征,而且卷积神经网络受到感受野的限制,建立长距离依赖较为困难,因而丢失了全局信息。而Transformer借助于自注意力机制,可以建立长距离依赖,有效获取全局上下文信息。在融合策略方面,大多数方法设计的较为粗糙,没有专门考虑不同模态图像的特性。因此,在编码器中结合了CNN和Transformer,使编码器能够提取更加全面的特征。并将注意力模型应用到融合策略中,更精细化地优化特征。实验结果表明,该融合算法相较于其他图像融合算法在主观和客观评价上均取得了优秀的结果。

    • 轻量化卷积神经网络红外目标识别性能分析与FPGA实现

      2024, 54(3):466-472. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.019

      摘要 (59) HTML (0) PDF 1.10 M (200) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着深度学习应用于计算机视觉,其数据量大、网络层结构复杂,在硬件部署中存在资源不足、延时高等成为关键问题,本文通过分析五种较有代表性轻量化网络的优缺点,提出一种将轻量化网络应用到红外目标检测领域的基于MobileNet的轻量化网络改进,并以FPGA为硬件载体实现。该网络使用Tanh激活函数替代原有激活函数并简化网络层数,以适应红外目标的特征提取,针对深度学习目标检测算法在硬件实现方面存在的数据量大,资源占用大,运算延时高等问题,采用FPGA进行硬件实现。实验表明,在Xilinx Zynq 7020 XA开发板上,设定时钟频率100 MHz,输入图像大小为640×512,改进后的MobileNet在保证原相同精度情况下实现51ms每张图像。

    • >光纤传感及光通讯技术
    • 基于主动加热方法的隧道积水分布式光纤传感器

      2024, 54(3):473-480. DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2024.03.020

      摘要 (51) HTML (0) PDF 1.48 M (188) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对目前隧道积水事件及积水范围监测需求,研发了两种新型隧道积水传感器,提出了基于分布式温度传感(DTS)的隧道积水分布式感测方法。通过将传感光缆按二维平面螺旋封装方式提高了传感器的空间分辨率,利用主动加热方法,显著提高了水-气界面传感光缆的温度差异,进而实现对积水事件和积水范围的识别。通过室内模型试验,对传感光缆的性能及影响因素进行了研究。结果表明,研发的两种传感器均具有较高的空间分辨率,由于螺旋Ⅰ型的环间距更小,其空间分辨率及定位精度均高于螺旋Ⅱ型;在多种典型工况下两种传感器均可以准确识别积水的水-气界面,定位误差均小于10cm;适当增大加热温度可以提高传感器的定位精度,50℃加热工况时的定位精度明显优于35℃和20℃。

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