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主 管 单 位 中国电子科技集团公司

主 办 单 位 华北光电技术研究所

编 辑 出 版 《激光与红外》编辑部

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国 外 发 行 中国国际图书贸易集团有限公司

期刊简介
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当期目录
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  • 单光子探测器研究现状与发展

    霍晓培1, 杨德振1, 喻松林1, 李丰君1, 蔡佳一2

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.001

    Abstract:

    单光子探测器的研制是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题。单光子探测器突破了传统探测器只针对振幅进行采样的局限,同时对光波或者光子的偏振、波矢、位相等特性进行探测,具有可保持测量信号完整性、理论量子效率高、工作电压低、探测灵敏度高等优点,同时具有室温单光子探测的潜力。为了深入了解单光子探测器的研究现状和发展前景,本文介绍了单光子探测器的工作机理,总结对比了光电倍增管、雪崩光电二极管等传统单光子探测器以及基于新型二维材料的雪崩光电二极管、超导纳米线单光子探测器等新型单光子光电探测器的优势与不足,并对其发展前景进行了展望。此外还介绍了单光子探测器在量子通信、激光测距和成像等领域的应用。

  • 基于剪切散斑干涉无损探伤的缺陷深度测量

    王硕1, 占明明2, 刘斌1, 简琦薇1, 张贵辉1

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.002

    Abstract:

    基于激光剪切散斑干涉技术构建了无损检测系统,通过对铝合金平板钻圆形盲孔覆橡胶层的方式制备了设有不同尺寸和深度的内部缺陷的复合材料粘接试件,利用施加负压激励研究了不同负压值下试件内部缺陷所在表面的散斑条纹和离面位移情况,并结合有限元计算验证了检测系统有效性。结果表明:相同缺陷深度和负压值下,缺陷尺寸越大,散斑条纹级数越多、离面位移越大;相同缺陷尺寸和负压值下,缺陷深度越深,散斑条纹级数越小、离面位移越小。在利用该剪切散斑干涉无损检测系统准确获取内部缺陷的形状、位置和尺寸等信息的基础上,进一步基于弹性薄板理论推导了缺陷深度。缺陷深度测量精度随缺陷尺寸增大而提高,同时随深度增大而降低,直径为20mm深度小于1mm的圆形缺陷深度测量误差值小于10。本文研究为复合材料粘接结构内部缺陷的深度检测提供了有效途径。

  • 激光抽运-检测型原子磁力仪对交变磁场的测量

    陈大勇, 史彦超, 缪培贤, 崔敬忠, 刘志栋

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.003

    Abstract:

    交变磁场作为磁场一种特殊的存在形式,有着广泛的应用和学术价值,而现阶段没有行之有效的方法对交变磁场进行绝对测量。抽运-检测型原子磁力仪具有量程宽、灵敏度高、能准确反映磁场真实特性,在磁场测量及标定中具有非常重要的意义。通过对抽运-检测型原子磁力仪在交变磁场激励下作用机理研究,对实验装置进行改进,实现抽运-检测型原子磁力仪对交变磁场的绝对测量,在Z轴方向上实现了背景磁场40000 nT,频率为100 Hz、磁场强度幅值为1000 nT的交变磁场测量;在Y轴方向上实现了背景磁场1000 nT,频率为20 Hz、磁场强度幅值为500 nT的交变磁场测量。测量结果表明该实验装置适用于低频、弱磁场强度交变磁场的测量,该方法为交变磁场的测量和标定提供一种切实可行的技术手段。

  • 能量注量对钛板激光着色的颜色变化影响研究

    殷延蕊, 王翰章, 卢景琦

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.004

    Abstract:

    各种激光工艺参数共同作用影响激光彩色打标的结果,不同参数之间相互关系比较复杂。为了获得更优质颜色和基于TA2钛板上更全的激光着色色谱,本实验选用波长为1064nm、最大输出功率为20W的MOPA光纤激光器进行试验,通过分光测色仪对彩色样品的色彩、可见光谱进行采集分析。结果表明,通过简化参数间关系,以能量累计注量的变化量dQ产生的色差为依据,调节扫描速度、线间距、功率变化量dP来改变dQ大小,能够获得更丰富的颜色。

  • 结合形态描述和直方图特征改进的点云配准

    黄鹏1, 丁海勇1, 刘春雷2

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.005

    Abstract:

    针对点云配准过程中配准效率和精度无法兼得的问题,提出一种将内部形态描述(ISS)特征点和二进制方向直方图(BSHOT)特征描述符相结合的改进的点云配准算法。该算法先采用体素格网下采样和ISS算法提取特征点;然后通过二进制的方向直方图(BSHOT)特征描述符结合汉明距离和随机采样一致性算法(RANSAC)进行粗配准;最终利用改进的ICP算法进行精确配准。利用多组点云数据对该方法进行验证。结果表明,在相同条件下,改进后的算法在配准时间和配准精度上均优于其他算法。说明所提出的方法具有较高的配准效率与精度,且随着点云数量的增多,配准精度的提高效果会增强。

  • 能量耦合模型的飞秒激光烧蚀面齿轮形貌研究

    明兴祖1, 2, 马玉龙1, 贾松权1, 周贤1, 刘克非1, 明瑞2

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.006

    Abstract:

    飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是去除材料的先进制造方法。本文依据烧蚀凹坑的深度与宽度和激光能量密度的关系得到材料的烧蚀阈值和影响重叠率的因素。考虑齿轮材料成分间互温感应效应与多脉冲激光累积效应,建立材料的能量复耦合模型。通过改变激光能量密度和脉冲数,研究飞秒激光烧蚀凹坑及齿面形貌表面的变化规律,得出脉冲数对烧蚀效果影响小,激光能量密度为1730J/cm2激光功率为19W脉冲数N=3000进行烧蚀效果最好可得到最优的实际烧蚀面深度为17604μm。

  • 顾及地物邻域特征的LiDAR点云布料模拟滤波优化

    宋晨洋, 王强, 高德涵, 庞家颖, 吴欣怡, 张虎

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.007

    Abstract:

    布料模拟滤波算法在LiDAR点云的地物分离中起到重要作用。但是,此方法得到的地面点云中往往含有残留的非地面点云,导致滤波分类结果不彻底、不准确。本文提出一种顾及地物邻域特征的布料模拟LiDAR点云滤波自动优化算法,可以快速精准地解决这一问题。首先,对LiDAR点云进行布料模拟滤波处理,在其分类结果的基础上对非地面点云进行组件分割,得到具有缓冲区域的一系列点云子集;其次,拟合子集所在地面点云得到主平面,对地面点云进行高程归一化处理;最后,利用第三势差算法对每块地面点云进行滤波优化处理。选取三组有代表性的实验数据进行测试,结果表明:相较于布料模拟滤波算法,本文方法整体精度得到提升,尤其是在布料模拟滤波算法的Ⅱ类误差上有着明显优化效果,Ⅱ类精度平均提升123,可有效解决布料模拟滤波算法分类结果中存在残留的问题。

  • 基于YOLOv5算法的红外图像行人检测研究

    王晓红, 陈哲奇

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.008

    Abstract:

    目标检测是自动驾驶的重要前提,是与外界信息交互的重要环节。针对夜间远处行人检测识别精度低、漏检的问题,提出一种针对检测小尺寸行人的YOLOv5 p4的夜间行人识别模型。首先,通过增加更小目标的检测层,引入BiFPN特征融合机制,防止小目标被噪声淹没,使网络模型可以更聚焦于物体的细小特征;同时使用Kmeans先验框聚类出更小目标的锚框,并且使用了多尺度的数据增强方法,增加模型的鲁棒性。使用了MetaAcon C激活函数与EIoU回归损失函数使模型收敛效果更好,提升了算法远距离行人的检测的准确率。最后在红外行人数据集FLIR上验证改进后的YOLOv5 p4模型对于行人的检测能力,实验结果表明该方法与传统方法相比,准确率从869提升到903,适合用于红外图像中的行人检测。

  • 基于红外热像法的金属裂纹扩展研究

    肖汉斌, 秦佳乐, 祝锋, 罗洋溢, 裴雪冬, 刘敏

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.009

    Abstract:

    疲劳裂纹是金属结构件在工程实际中常见的失效形式之一,裂纹的扩展则会导致大部分塑性功以热量的形式耗散,因此基于红外热像法的金属结构温度监测是实现裂纹扩展评估的有效方法之一。本文分析了金属裂纹扩展过程中材料的热耦合方程,使用ABAQUS软件进行直接热力耦合数值模拟,揭示了塑性功转化系数 、拉伸速度对单轴拉伸载荷下含裂纹的Q235试件表面温度变化的影响规律,并基于红外热像仪测量试验得到了同数值模拟吻合度较高的结果,以此验证了此规律的正确性。结果显示,拉伸过程中试件表面温度经过平稳阶段、稳步上升阶段。裂纹扩展过程中,试件表面温度最高点位于裂纹尖端前方。同时拉伸速度越大,试件断裂时间短,裂纹扩展过程中热损失越小,试件表面温升越大。该结果对金属结构的裂纹监测和预警具有重要意义。

  • 气象条件对红外热像仪作用距离影响分析

    王东, 刘小虎, 路亚旭

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.010

    Abstract:

    利用Lowtran计算了温度、湿度、大气压、能见度、大气路径等气象条件对大气透过率的影响。经分析,给定条件下,温度由10℃上升到20℃,中波、长波波段大气透过率分别下降了206和615;湿度由30上升到50,中波、长波波段大气透过率分别下降了266和753;能见度从14km下降到8km,中波、长波波段大气透过率分别下降了652、667;能见度8km条件下,大气路径由50km增加到60km,中波、长波波段大气透过率分别下降了477、600,表明气象条件会显著影响大气透过率,进而影响红外热像仪作用距离,中波红外热像仪适应复杂气象条件的能力优于长波红外热像仪。

  • 机载红外图像转换生成卫星仿真图像的大气修正方法研究

    李金萍

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.011

    Abstract:

    基于机载红外热像仪测量的8~12μm波段图像,根据大气的吸收和热辐射影响红外成像仿真的理论,结合MODTRAN软件,采用“机—地—星法”和“机—星法”两种方法进行飞机平台到卫星平台间的大气修正。通过仿真数据和仿真图像两个方面的比较得出:两种大气修正方法得到的仿真图像效果较好;“机—星法”运算量小便于实时操作、“机—地—星法”更接近真实情况可用性强。

  • CdZnTe衬底的退火改性技术研究

    范叶霞, 周振奇, 刘江高, 李振兴, 侯晓敏, 折伟林, 王丛

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.012

    Abstract:

    针对高性能碲镉汞红外探测器对碲锌镉(CdZnTe)衬底质量需求的不断提升,采用高温-真空退火方式,对碲锌镉衬底进行退火改性研究。结果发现:碲锌镉衬底的红外透过率得到明显地改善,在红外波段(25~25μm)均达到60以上;晶片中的第二相夹杂得到极大地改善,可实现无大于1μm的第二相夹杂,即可实现红外显微镜下夹杂不可见;Zn组分分布均匀性得到极大地改善,通过退火分压的调节,可实现衬底中Zn组分可调和Zn值的组分均匀分布,其中Zn组分可控制在0044~0051范围内,成分标准偏差可控制在0001以下,衬底的组分可控和均匀分布为大面阵碲镉汞红外探测器的质量提升奠定了坚实的材料基础。

  • 光电设备伺服系统机械谐振检测和抑制

    杨松涛, 和丽清

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.013

    Abstract:

    在现代国防军工领域,光电系统被广泛应用于火控、侦察、制导等武器系统中。随着目标机动性能的提升,光电武器系统对其伺服系统动态性能的需求也不断提高,光电伺服系统的带宽也要随之拓展。但机械系统固有特征不会改变,接近或者超过自然机械共振频率的驱动能量就会引起机械谐振。为了提高光电伺服系统性能,需对检测和抑制机械谐振的问题进行研究。首先通过激励信号性质分析,选取性质优良、计算简单的激励信号对光电伺服系统的机械谐振进行参数辨识,然后设计可参数化的陷波滤波器进行在线参数调整,就可实现快速有效地机械谐振抑制。实验结果表明,该机械谐振检测和抑制的方案能够精确地检测机械谐振频率,很好地抑制机械谐振产生的影响,提高光电伺服系统的动态性能。

  • 基于分布式光纤传感的合成气管道温度在线监测研究

    胡子昂1, 王强2, 谷小红1, 朱凯2, 徐晓萌2, 吴琳琳2, 胡栋3

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.014

    Abstract:

    针对现有煤气化工艺中合成气管道温度监测问题,研究基于拉曼散射的分布式光纤测温系统,研制了带不锈钢套管的耐高温传感光纤,模拟合成气管道周围温度分布,在合成气管道现场铺设4346m的分布式耐高温光纤进行实验研究。实验结果表明:基于拉曼散射的分布式光纤测温系统测温范围为0~350℃,测温误差为±2℃,空间分辨率05m,系统能够完成对煤气化合成气管道温度的在线监测,同时可以对温度异常点进行空间定位。

  • 激光半主动制导半实物仿真系统零位标定方法

    郝燕云1, 赵松庆1, 2, 吴根水1, 2, 陈海燕1, 李睿1

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.015

    Abstract:

    基于漫反射屏的激光半主动制导半实物仿真系统由漫反射屏、激光目标特性模拟激光器、二自由度目标视线运动模拟反光镜、激光干扰特性模拟激光器、二自由度干扰视线运动模拟反光镜、三自由度导弹飞行姿态模拟转台、仿真计算机和仿真总控系统等组成,各分系统工程研制完成后,需要确定各分系统的安装位置和方向。本文主要总结了各分系统安装定位方法和零位标定方法,对类似系统的建设具有指导意义。

  • 大型空间望远镜次镜背板的优化设计

    程明星1, 2, 李威1, 2, 赵伟国1, 赵海波1

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.016

    Abstract:

    针对2m量级大型离轴三反空间相机,采用并联机构作为次镜的调整机构。并且将调整机构动平台直接作为次镜支撑背板使用,增加了结构刚度,同时也使整机结构更加紧凑。因此,背板是次镜组件的核心零件。背板的材料采用具有良好尺寸稳定性、比刚度高的60 SiC/Al。由于背板承上启下的重要性,决定了背板对自身重量及刚度有很高的要求,因此采用以刚度为目标对其进行拓扑优化设计,并且以背板质量和基频作为目标对背板面板与加强筋的尺寸进行多目标尺寸优化;最终优化后的背板质量为142 kg,基频达到954 Hz。最后对次镜组件进行静力学分析及动力学分析,结果表明:重力与4℃温升耦合工况下重力方向位移与面形RMS值最大:最大位移为9651μm,面形RMS值为7535nm;次镜组件约束状态下的一阶固有频率为115 Hz,满足大型空间望远镜在轨成像要求。

  • 无限远像距中波显微光学系统设计

    孙浩, 武淑明, 邓岩, 于兴, 马宇轩, 梁进智

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.017

    Abstract:

    随着红外技术的发展,高性能红外显微系统在热物理化学、微生物及MEMS优化设计等科技领域起到了非常重要的作用,本文讨论了一种无限远像距显微系统的结构形式及设计方法,针对阵列规模320×256,像元尺寸30μm相对孔径为2的中波制冷型红外探测器,设计了一款无限远像距中波显微光学系统,放大倍率为3×,工作距离35mm,数值孔径(NA)075,适合于高帧频下红外显微探测的需求以及类似显微物镜产品的系列化。

  • 面向近红外成像超透镜的设计与仿真

    王杰1, 黎相孟1, 2, 吉卓琪1, 祝锡晶1

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.018

    Abstract:

    由亚波长单元结构组成的超表面是近年来平面光学透镜的重点研究对象,而由超表面组成的平面超透镜与传统透镜相比,在相位调控、偏振操控、全息成像、负折射率隐身等领域有显著优势。鉴于平面超透镜的微型化、轻量化和易集成化等方面的优势,而传输型相位调控原理更加适于近红外波段的应用,且对入射光偏振态无特殊要求,本文采用时域有限差分方法(FDTD)设计并优化了一种硅基的近红外波段的超透镜。所设计的超透镜焦距为15μm,直径为20μm,所达到的数值孔径(NA)为056,聚焦效率为683,适用于所有入射偏振且在目标波长为700nm范围内聚焦性能优良。本文研究结果为实现近红外超透镜轻薄化和平整化提供了新思路,有望优化红外探测器镜头的设计,提高红外探测的效率。

  • 山区高速公路隧道出入口视觉融合技术研究

    马庆禄1, 2, 马恋1, 王江华3, 孔国英3

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.019

    Abstract:

    针对红外非可见光与可见光视觉在成像过程中不同的感光特性,面向隧道典型的“黑洞”和“白洞”问题,从自动驾驶车辆视角研究光照环境突变条件下的视觉辨识以及融合感知技术。分别选取低照度车辆进入隧道以及弱光线条件下车辆驶离隧道两种情形,利用局部能量、卷积稀疏表示算法(CSR)对两种图像进行融合实验,结合MI、SF、AG、QAB/F、SSIM、PSNR六种评价指标进行评价。实验结果表明,在隧道入口处图像CSR E算法对比Curvelet、NSCT、NSCT T、SR C&L、SF Energy Q五种算法,边缘信息传递因子(QAB/F)提高了1414,隧道出口处图像运行平均时间减少117ms,结构相似性(SSIM)提高了338,所提出的红外非可见光与可见光视觉融合成像方法弥补单一传感器针对特定场景表达的不全面,实现对场景全面清晰准确的表达,有效解决了源图像的边缘信息丢失,增强图像的光谱信息。

  • 基于模糊算子的红外图像去模糊研究

    张锦航1, 孙立辉1, 姜军强2

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.020

    Abstract:

    针对镜头抖动,目标移动等因素引起的图像运动模糊问题,本文提出了一种基于模糊算子的红外图像去模糊算法,使用深度自编码网络对数据集中的模糊算子进行编码,通过编码后的模糊算子去逼近一个未知的模糊算子并搜索对应的清晰图像,从而实现真实场景下红外图像去模糊,弥补了现有基于深度学习的图像去模糊模型在跨域应用时对真实场景下运动模糊图像去模糊效果较差的不足。在红外图像上的实验结果表明,相比于其他去模糊算法,本文提出的去模糊算法取得了更高的性能指标,恢复出的图像有着清晰的边缘轮廓和局部细节,显著提升了红外图像的清晰度。

  • 基于点云空间分布特征的多级索引结构

    杨丽娟1, 2, 崔钰琳1, 2, 杨紫骞1, 2, 翟光杰1, 2, 王超1, 2

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.021

    Abstract:

    为解决点云数据分布不规则、非均匀产生的查询效率低下的问题,提出了一种基于三维点云数据空间分布特征的多级索引结构。将点云空间信息引入传统八叉树,形成一种新的数据结构——方向八叉树,用于点云空间的全局划分。在每次划分空间之前,先对点云数据进行主成分分析,形成节点的方向包围盒,再进一步将空间划分为八个子空间。为了实现数据的快速调度与查询,在局部,使用KD树对方向八叉树的叶子节点进行二次组织构建。实验结果表明,方向八叉树能有效减少节点总数和冗余节点数量;方向八叉树和KD树的组合嵌套结构可以有效划分海量点云数据,实现点云数据的高效检索,对点云数据进行有效管理。

  • 低频重分布与边缘增强的红外图像增强算法

    邓春华1, 周勇2

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.022

    Abstract:

    针对现有的红外图像增强方法存在欠增强、过增强以及微小细节丢失等缺陷,提出了低频重分布与边缘增强的红外图像增强算法。用基于改进引导滤波的Retinex将红外图像分解为低频和高频图像。为了充分利用像素级的动态空间,对低频图像进行均匀重分布,以提升图像的亮度和清晰度;用提出的方向梯度算子对高频图像进行边缘提取,再对高频图像进行边缘增强,进一步提升图像的对比度。将经增强处理的低频和高频图像作Retinex反变换,得到增强效果的红外图像。实验结果显示,相对于部分现有方法,本文方法的增强图像的信息熵和Brenner指数更高,而NIQE指数更小,因此本文方法能更有效地提升红外图像的对比度,在增强图像纹理细节的同时更好地保持图像的自然度。

  • 基于Deeplabv3+与Otsu模型的输电线电晕放电紫外图像分割方法

    田晨1, 许志浩1, 李强2, 宋云海2, 康兵1, 丁贵立1, 王宗耀1

    2023, Doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.01.023

    Abstract:

    电晕放电严重威胁输电线路的安全运行,如何提高其放电区域识别分割准确率是一个亟待解决的问题。而因环境影响及设备性能限制,夜间型紫外成像仪常出现成像不清晰、放电区域对比度不明显等特征,导致难以有效实现电晕放电区域的分割,从而影响放电故障的判定。为此提出了基于Deeplabv3+与Otsu模型的输电线电晕放电紫外图像精确分割方法,首先构建基于Deeplabv3+语义分割模型,对放电区域进行类别分割得到大致区域;然后,利用改进Otsu算法对语义分割结果中放电目标区域方差自适应加权,使得分割阈值近似理想阈值,从而实现电晕放电区域的精确分割。实验结果表明,本文提出的分割方法在测试集中平均像素精度为9397%,平均交并比为 9085%,分割性能良好。

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