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RSS2021年 45卷 第5期
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[摘要]
[PDF 270KB]
2021, 45(5): 541-547.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.001
[HTML全文]
摘要:
为了解决6061铝合金在激光焊接过程中出现的易变形、变形大的问题，采用施加超声波以辅助焊接的方法，以1mm厚的6061铝合金薄板为研究对象展开超声波辅助激光焊接试验，探究超声波对6061铝合金焊接变形的抑制作用；利用单因素试验方法分析了超声波功率对焊接变形的影响规律，设计包括超声波功率、激光功率、焊接速率、离焦量、保护气流量在内的五因素五水平正交试验，分析了超声波功率以及常规焊接参量分别对焊接变形的影响程度，并获得了能够得到最小变形的工艺参量组合。结果表明，焊接变形会随着超声波功率的增加而减小，超声波功率800W时较无超声情况下试件的挠曲变形及角变形分别减小了51.27%和51.46%；同时，当激光功率为1000W、焊接速率为5m/min、离焦量为+1mm、保护气流量为15L/min、超声波功率为800W时, 可以获得变形最小的试件，所得到的试件挠曲变形量为0.42mm，角变形量为0.26mm。此研究为超声波辅助焊接在控制薄板焊接变形方面的应用提供了一定的工艺和理论参考。
为了解决6061铝合金在激光焊接过程中出现的易变形、变形大的问题，采用施加超声波以辅助焊接的方法，以1mm厚的6061铝合金薄板为研究对象展开超声波辅助激光焊接试验，探究超声波对6061铝合金焊接变形的抑制作用；利用单因素试验方法分析了超声波功率对焊接变形的影响规律，设计包括超声波功率、激光功率、焊接速率、离焦量、保护气流量在内的五因素五水平正交试验，分析了超声波功率以及常规焊接参量分别对焊接变形的影响程度，并获得了能够得到最小变形的工艺参量组合。结果表明，焊接变形会随着超声波功率的增加而减小，超声波功率800W时较无超声情况下试件的挠曲变形及角变形分别减小了51.27%和51.46%；同时，当激光功率为1000W、焊接速率为5m/min、离焦量为+1mm、保护气流量为15L/min、超声波功率为800W时, 可以获得变形最小的试件，所得到的试件挠曲变形量为0.42mm，角变形量为0.26mm。此研究为超声波辅助焊接在控制薄板焊接变形方面的应用提供了一定的工艺和理论参考。
2021, 45(5): 548-553.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.002
摘要:
为了解决激光振镜加工中由于数据点集过于密集导致激光在单点停滞时间过长引起激光烧蚀问题，将原始数据点集经过稀疏化、曲线点集分段、三角二分法贝塞尔曲线拟合数据处理，转换成由少量直线和曲线构成的实体，在激光路径输出时，根据输出放大倍数的大小及曲线曲率大小对曲线进行整体的适应性插补，从而解决因放大倍数不同引起的数据点过密或过疏的问题，并通过对前后数据以不同的标刻分辨率进行标刻。结果表明，在保证拟合后的加工误差不超过2μm下，解决了数据过密引起的激光烧蚀问题；在高放大倍数下也具有平滑的加工效果，具有更高的加工效率和质量。此研究为高密集数据激光加工提供了参考，在高质量激光加工领域如激光精密刻蚀有良好的应用前景。
为了解决激光振镜加工中由于数据点集过于密集导致激光在单点停滞时间过长引起激光烧蚀问题，将原始数据点集经过稀疏化、曲线点集分段、三角二分法贝塞尔曲线拟合数据处理，转换成由少量直线和曲线构成的实体，在激光路径输出时，根据输出放大倍数的大小及曲线曲率大小对曲线进行整体的适应性插补，从而解决因放大倍数不同引起的数据点过密或过疏的问题，并通过对前后数据以不同的标刻分辨率进行标刻。结果表明，在保证拟合后的加工误差不超过2μm下，解决了数据过密引起的激光烧蚀问题；在高放大倍数下也具有平滑的加工效果，具有更高的加工效率和质量。此研究为高密集数据激光加工提供了参考，在高质量激光加工领域如激光精密刻蚀有良好的应用前景。
2021, 45(5): 554-560.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.003
摘要:
为了提高基于无人机机载激光雷达点云电力线提取与重建的精度和效率，采用了一种综合电力线点云分步提取、分段k均值聚类采样及结合直线和抛物线拟合的电力线点云提取与重建方法。在对电力线走廊点云进行预处理和改进滤波的基础上，先对其进行分段并根据电力线点云在高程方向的分布特征进行粗提取，再将粗提取得的电力线点投影到水平面上用Hough变换对其进行精提取，然后通过对精提取的电力线点进行分段k均值聚类采样, 从而完成电力线的单根分离，最后使用直线和抛物线结合的模型对电力线进行拟合重建。选取实测数据进行试验，通过电力线提取的完整率以及重建的精度和效率对本文中算法进行了评价。结果表明，利用该算法提取电力线点的综合完整率达到96%以上。这一结果对高效地提取和重建单档单根电力线具有一定帮助。
为了提高基于无人机机载激光雷达点云电力线提取与重建的精度和效率，采用了一种综合电力线点云分步提取、分段k均值聚类采样及结合直线和抛物线拟合的电力线点云提取与重建方法。在对电力线走廊点云进行预处理和改进滤波的基础上，先对其进行分段并根据电力线点云在高程方向的分布特征进行粗提取，再将粗提取得的电力线点投影到水平面上用Hough变换对其进行精提取，然后通过对精提取的电力线点进行分段k均值聚类采样, 从而完成电力线的单根分离，最后使用直线和抛物线结合的模型对电力线进行拟合重建。选取实测数据进行试验，通过电力线提取的完整率以及重建的精度和效率对本文中算法进行了评价。结果表明，利用该算法提取电力线点的综合完整率达到96%以上。这一结果对高效地提取和重建单档单根电力线具有一定帮助。
2021, 45(5): 561-565.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.004
摘要:
为了避免资源卫星激光测距仪地面真空收发光轴一致性测试过程中损伤雪崩光电二极管(APD)，采用一种新的适用于真空环境下测试方法，通过平行光管和激光光束分析仪建立测试系统，穿舱密封光缆连接器引入罐外的1064nm连续光源，在接收机焦面位置设计光纤匀光器，产生发散的均匀分布的照明光束，引出接收机视轴，多级衰减引出发射机光轴，对资源卫星激光测距仪真空下不同工况性能进行了实验验证。结果表明，此方法消除了真空环境下APD损伤风险，测量精度优于6.47μrad，满足激光测距仪的测试精度要求。该研究具有结构紧凑、测试链路少、测试精度高的优点，为高能激光测距仪真空测试提供了新思路，具有广泛的应用前景。
为了避免资源卫星激光测距仪地面真空收发光轴一致性测试过程中损伤雪崩光电二极管(APD)，采用一种新的适用于真空环境下测试方法，通过平行光管和激光光束分析仪建立测试系统，穿舱密封光缆连接器引入罐外的1064nm连续光源，在接收机焦面位置设计光纤匀光器，产生发散的均匀分布的照明光束，引出接收机视轴，多级衰减引出发射机光轴，对资源卫星激光测距仪真空下不同工况性能进行了实验验证。结果表明，此方法消除了真空环境下APD损伤风险，测量精度优于6.47μrad，满足激光测距仪的测试精度要求。该研究具有结构紧凑、测试链路少、测试精度高的优点，为高能激光测距仪真空测试提供了新思路，具有广泛的应用前景。
2021, 45(5): 571-575.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.006
摘要:
为了提高依据邻近点最大夹角提取边界点方法的提取效率，提出了一种层次化快速精确提取边界点的方法。先对任意采样点检索其R邻域内点集，依据R邻域内点集重心点坐标与采样点的距离粗提取边界点，然后将粗提取的边界点及其邻域点投影至微切平面，通过各邻近点与采样点的方向向量求取相邻向量间的最大夹角，再依据最大夹角精提取边界点。通过理论分析和点云数据实验验证了该算法的可行性。结果表明，该算法相较于传统的方法，能缩短22.11%的运行时间，但精度降低5.23%;相较于其它层次化提取方法，在缩短10.99%的运行时间的同时精度提高7.17%。该研究为点云3维重建中边界提取提供了参考。
为了提高依据邻近点最大夹角提取边界点方法的提取效率，提出了一种层次化快速精确提取边界点的方法。先对任意采样点检索其R邻域内点集，依据R邻域内点集重心点坐标与采样点的距离粗提取边界点，然后将粗提取的边界点及其邻域点投影至微切平面，通过各邻近点与采样点的方向向量求取相邻向量间的最大夹角，再依据最大夹角精提取边界点。通过理论分析和点云数据实验验证了该算法的可行性。结果表明，该算法相较于传统的方法，能缩短22.11%的运行时间，但精度降低5.23%;相较于其它层次化提取方法，在缩短10.99%的运行时间的同时精度提高7.17%。该研究为点云3维重建中边界提取提供了参考。
2021, 45(5): 576-584.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.007
摘要:
为了实现高效率激光无线能量传输系统的研究，基于Simulink建立了激光无线能量传输系统的闭环控制仿真模型，实现了激光光伏阵列的最大功率点追踪、降压电路搭建和锂电池智能充电控制，并结合激光光伏阵列的输出特性和锂电池多阶段恒流充电方法的特性，提出了一种基于激光功率密度闭环信号控制的新型锂电池多阶段恒流充电方法。结果表明，该方法不仅可以实现传统锂电池多阶段恒流充电效果，而且节省了62.9%的光能，系统转换效率提高了62.96%。该结果对研究高效率激光无线能量传输系统是有帮助的。
为了实现高效率激光无线能量传输系统的研究，基于Simulink建立了激光无线能量传输系统的闭环控制仿真模型，实现了激光光伏阵列的最大功率点追踪、降压电路搭建和锂电池智能充电控制，并结合激光光伏阵列的输出特性和锂电池多阶段恒流充电方法的特性，提出了一种基于激光功率密度闭环信号控制的新型锂电池多阶段恒流充电方法。结果表明，该方法不仅可以实现传统锂电池多阶段恒流充电效果，而且节省了62.9%的光能，系统转换效率提高了62.96%。该结果对研究高效率激光无线能量传输系统是有帮助的。
2021, 45(5): 585-589.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.008
摘要:
为了在TC4钛合金表面开发新型MAX相复合涂层，利用激光熔覆在TC4钛合金表面原位合成了含Ti2AlN MAX相的Ti-Al-N复合涂层, 分析了涂层的组织结构特征及硬度分布，研究了复合涂层的原位合成机理。结果表明，不同物质的量比粉体熔覆后的涂层与基体呈现良好的冶金结合，涂层由TiAl基体、Ti2AlN MAX相和TiN树枝晶组成，涂层平均硬度约为基体的2倍以上，涂层厚度在1mm~1.6mm之间；添加少量Al粉能够促进熔池中TiN和TiAl的反应，从而显著提高了涂层中Ti2AlN MAX相的含量。此研究结果在明晰MAX相原位合成机理的基础上，对采用激光熔覆技术制备MAX相复合涂层具有重要意义。
为了在TC4钛合金表面开发新型MAX相复合涂层，利用激光熔覆在TC4钛合金表面原位合成了含Ti2AlN MAX相的Ti-Al-N复合涂层, 分析了涂层的组织结构特征及硬度分布，研究了复合涂层的原位合成机理。结果表明，不同物质的量比粉体熔覆后的涂层与基体呈现良好的冶金结合，涂层由TiAl基体、Ti2AlN MAX相和TiN树枝晶组成，涂层平均硬度约为基体的2倍以上，涂层厚度在1mm~1.6mm之间；添加少量Al粉能够促进熔池中TiN和TiAl的反应，从而显著提高了涂层中Ti2AlN MAX相的含量。此研究结果在明晰MAX相原位合成机理的基础上，对采用激光熔覆技术制备MAX相复合涂层具有重要意义。
2021, 45(5): 590-595.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.009
摘要:
为了研究地铁车顶SUS301L不锈钢叠焊工艺中对熔宽熔深的技术需求, 运用数值模拟技术分析了各项焊接工艺参量对熔宽熔深的显著影响, 采用正交实验法则对工艺参量进行了优化设计, 取得了激光焊接SUS301L不锈钢薄板的工艺参量。结果表明, SUS301L不锈钢薄板激光焊接在激光焊接功率为1050W、焊接速率为36mm/s、离焦量为1mm、保护气体流量为25L/min时, 熔宽和下板熔深分别为1216.4μm和407.4μm; 在最优工艺参量条件下, 焊缝表面呈银白色, 连续且完整, 焊缝区为等轴晶与柱状晶, 焊缝平均拉剪强度为2559.96kN; 仿真结果与试验结果具有较好的一致性, 表明所建立仿真模型的正确性。该研究为后期工艺数据库的搭建提供了参考。
为了研究地铁车顶SUS301L不锈钢叠焊工艺中对熔宽熔深的技术需求, 运用数值模拟技术分析了各项焊接工艺参量对熔宽熔深的显著影响, 采用正交实验法则对工艺参量进行了优化设计, 取得了激光焊接SUS301L不锈钢薄板的工艺参量。结果表明, SUS301L不锈钢薄板激光焊接在激光焊接功率为1050W、焊接速率为36mm/s、离焦量为1mm、保护气体流量为25L/min时, 熔宽和下板熔深分别为1216.4μm和407.4μm; 在最优工艺参量条件下, 焊缝表面呈银白色, 连续且完整, 焊缝区为等轴晶与柱状晶, 焊缝平均拉剪强度为2559.96kN; 仿真结果与试验结果具有较好的一致性, 表明所建立仿真模型的正确性。该研究为后期工艺数据库的搭建提供了参考。
2021, 45(5): 596-600.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.010
摘要:
为了测量微纳光纤直径, 采用了液体浸没强度检测法。首先对微纳光纤-液体圆柱形波导结构进行理论分析, 得到了整根微纳光纤附加损耗与外形参量的对应关系, 搭建了微纳光纤直径测试实验系统, 并对两组直径不同的微纳光纤进行了测试。结果表明, 直径为2.7μm时, 直径测试最小分辨率约为3nm, 4根微纳光纤的直径偏移量分别是40nm, 30nm, 80nm和20nm; 直径为4μm时, 直径测试最小分辨率约为12nm, 4根微纳光纤的直径偏移量分别是60nm, 90nm, 10nm和30nm, 有较好的直径一致性, 证明了液体浸没强度检测法的可行性。此研究对微纳光纤进一步走向实用提供了技术支持。
为了测量微纳光纤直径, 采用了液体浸没强度检测法。首先对微纳光纤-液体圆柱形波导结构进行理论分析, 得到了整根微纳光纤附加损耗与外形参量的对应关系, 搭建了微纳光纤直径测试实验系统, 并对两组直径不同的微纳光纤进行了测试。结果表明, 直径为2.7μm时, 直径测试最小分辨率约为3nm, 4根微纳光纤的直径偏移量分别是40nm, 30nm, 80nm和20nm; 直径为4μm时, 直径测试最小分辨率约为12nm, 4根微纳光纤的直径偏移量分别是60nm, 90nm, 10nm和30nm, 有较好的直径一致性, 证明了液体浸没强度检测法的可行性。此研究对微纳光纤进一步走向实用提供了技术支持。
2021, 45(5): 601-606.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.011
摘要:
为了解决光子计数激光雷达探测数据中噪声点云过多的问题, 采用结合基于密度的噪声空间聚类应用算法(DBSCAN)和统计滤波算法的单光子点云去噪方法, 以美国国家航空航天局提供的多波束试验激光雷达实际飞行数据为实验数据, 通过k维树求取点云密度进行粗去噪, 然后运用改进DBSCAN算法和统计滤波算法进行精去噪, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 实验区目标点云识别率在85%以上, 性能优于经典的半径滤波算法。这一结果对于光子数据去噪是有帮助的。
为了解决光子计数激光雷达探测数据中噪声点云过多的问题, 采用结合基于密度的噪声空间聚类应用算法(DBSCAN)和统计滤波算法的单光子点云去噪方法, 以美国国家航空航天局提供的多波束试验激光雷达实际飞行数据为实验数据, 通过k维树求取点云密度进行粗去噪, 然后运用改进DBSCAN算法和统计滤波算法进行精去噪, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 实验区目标点云识别率在85%以上, 性能优于经典的半径滤波算法。这一结果对于光子数据去噪是有帮助的。
2021, 45(5): 607-613.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.012
摘要:
为了能够准确地反映出激光雷达接收的光信号, 需要对其使用的光电倍增管的后脉冲特性进行校正和标定。采用后脉冲概率分布函数分别对波长为486nm和532nm的机载海洋激光雷达测深数据进行理论分析和实验验证, 并将校正结果与蒙特卡洛仿真模拟得到的数据进行比较。结果表明, 利用后脉冲概率分布函数校正后的数据与蒙特卡洛仿真模拟得到的数据相关性分别高达0.9689(486nm), 0.8648(532nm), 校正后的数据与校正前相比分别去除了约98m(486nm)和33m(532nm)的假信号, 有效地提高了海洋激光雷达测量的准确度。该研究对于准确测量海洋深度、海底地貌特征等海洋特性有一定的推动作用。
为了能够准确地反映出激光雷达接收的光信号, 需要对其使用的光电倍增管的后脉冲特性进行校正和标定。采用后脉冲概率分布函数分别对波长为486nm和532nm的机载海洋激光雷达测深数据进行理论分析和实验验证, 并将校正结果与蒙特卡洛仿真模拟得到的数据进行比较。结果表明, 利用后脉冲概率分布函数校正后的数据与蒙特卡洛仿真模拟得到的数据相关性分别高达0.9689(486nm), 0.8648(532nm), 校正后的数据与校正前相比分别去除了约98m(486nm)和33m(532nm)的假信号, 有效地提高了海洋激光雷达测量的准确度。该研究对于准确测量海洋深度、海底地貌特征等海洋特性有一定的推动作用。
2021, 45(5): 614-619.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.013
摘要:
为了对液晶空间光调制器进行高精度的校准, 使其满足线性相位调制的应用需求, 采用共路外差干涉法测量了液晶空间光调制器的相位调制特性, 分析了实验系统的测量原理, 取得了液晶空间光调制器相位调制量随输入灰度值变化的实验数据, 并进行了线性校准。结果表明, 实验中所用的液晶空间光调制器的最大相位调制量为2.55π, 利用反插值法对20~240灰度范围内的相位调制曲线进行线性校正后的理论相位调制曲线非常接近理想线性曲线, 相位调制曲线与理想线性调制曲线的相关系数可达0.9996;该测量方法可克服传统测量方法对图像处理的依赖性, 具有较高的测量精度, 相位调制量直接通过锁相放大器就可获得。该研究为基于液晶空间光调制器的高精度波前校正和精密测量提供了参考。
为了对液晶空间光调制器进行高精度的校准, 使其满足线性相位调制的应用需求, 采用共路外差干涉法测量了液晶空间光调制器的相位调制特性, 分析了实验系统的测量原理, 取得了液晶空间光调制器相位调制量随输入灰度值变化的实验数据, 并进行了线性校准。结果表明, 实验中所用的液晶空间光调制器的最大相位调制量为2.55π, 利用反插值法对20~240灰度范围内的相位调制曲线进行线性校正后的理论相位调制曲线非常接近理想线性曲线, 相位调制曲线与理想线性调制曲线的相关系数可达0.9996;该测量方法可克服传统测量方法对图像处理的依赖性, 具有较高的测量精度, 相位调制量直接通过锁相放大器就可获得。该研究为基于液晶空间光调制器的高精度波前校正和精密测量提供了参考。
2021, 45(5): 630-635.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.016
摘要:
为了解决地磅在煤矸石装载量称重中效率低、成本高等问题, 提出了一种基于激光三角法的非接触式煤矸石装载体积测量方法。首先通过CCD相机实时采集激光器投射在满载煤矸石的运动车厢表面的激光条纹信息, 并采用中值滤波和基于Otsu算法的阈值分割法对图像进行预处理, 实现图像有效区域的提取; 然后使用基于骨架的灰度重心法提取激光条纹的中心线; 最后采用黎曼积分计算车辆的煤矸石装载量。结果表明, 此系统结果误差控制在4%以内, 符合系统运行要求, 证实了该测量方法的可行性与实用性。该研究为复杂环境下公路运输管理的装载量测量提供了参考。
为了解决地磅在煤矸石装载量称重中效率低、成本高等问题, 提出了一种基于激光三角法的非接触式煤矸石装载体积测量方法。首先通过CCD相机实时采集激光器投射在满载煤矸石的运动车厢表面的激光条纹信息, 并采用中值滤波和基于Otsu算法的阈值分割法对图像进行预处理, 实现图像有效区域的提取; 然后使用基于骨架的灰度重心法提取激光条纹的中心线; 最后采用黎曼积分计算车辆的煤矸石装载量。结果表明, 此系统结果误差控制在4%以内, 符合系统运行要求, 证实了该测量方法的可行性与实用性。该研究为复杂环境下公路运输管理的装载量测量提供了参考。
2021, 45(5): 670-674.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.022
摘要:
为了给热电偶时间常数测试中提供更加准确的阶跃温升信号，优化控制效果，提高热电偶时间常数测量的准确性，采用Tornambe控制器来反馈控制半导体激光器的输出功率，在MATLAB下的Simulink模块中实现整个系统的搭建，并对系统进行同一输入信号下的仿真研究，通过实验来比较2阶Tornambe控制器与比例-积分-微分(PID)控制在系统运行过程中的控制效果。结果表明，采用PID控制器测得CO1-K型热电偶的时间常数为456.2ms，而采用Tornambe控制器测得的热电偶时间常数为284.6ms。2阶Tornambe控制器能够有效缩短热电偶达到平衡温度的时间，且在控制器结构参量整定上也更加简便，具有较强的实用价值。
为了给热电偶时间常数测试中提供更加准确的阶跃温升信号，优化控制效果，提高热电偶时间常数测量的准确性，采用Tornambe控制器来反馈控制半导体激光器的输出功率，在MATLAB下的Simulink模块中实现整个系统的搭建，并对系统进行同一输入信号下的仿真研究，通过实验来比较2阶Tornambe控制器与比例-积分-微分(PID)控制在系统运行过程中的控制效果。结果表明，采用PID控制器测得CO1-K型热电偶的时间常数为456.2ms，而采用Tornambe控制器测得的热电偶时间常数为284.6ms。2阶Tornambe控制器能够有效缩短热电偶达到平衡温度的时间，且在控制器结构参量整定上也更加简便，具有较强的实用价值。
2021, 45(5): 566-570.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.005
摘要:
为了获得高功率优质的超短脉冲光源，利用色散渐增光纤产生的强线性啁啾对自相似脉冲进行了啁啾补偿光纤设计。首先利用色散补偿光纤得到了半峰全宽为52.6fs、峰值功率为684.5W的超短脉冲输出。在此基础上研究了色散渐增的补偿光纤设计，讨论了色散线性渐增光纤和色散指数渐增光纤对自相似脉冲的压缩影响。当色散渐增系数取1km-1，5km-1，10km-1时，通过数值仿真得出了最短的输出脉宽、峰值功率以及所需的补偿光纤长度。结果表明，色散渐增光纤能缩短补偿光纤的长度，减小脉冲压缩时产生的损耗，得到半峰全宽为61.8fs和64.4fs的高功率超短脉冲输出。这一结果对自相似脉冲压缩光纤的设计是有帮助的。
为了获得高功率优质的超短脉冲光源，利用色散渐增光纤产生的强线性啁啾对自相似脉冲进行了啁啾补偿光纤设计。首先利用色散补偿光纤得到了半峰全宽为52.6fs、峰值功率为684.5W的超短脉冲输出。在此基础上研究了色散渐增的补偿光纤设计，讨论了色散线性渐增光纤和色散指数渐增光纤对自相似脉冲的压缩影响。当色散渐增系数取1km-1，5km-1，10km-1时，通过数值仿真得出了最短的输出脉宽、峰值功率以及所需的补偿光纤长度。结果表明，色散渐增光纤能缩短补偿光纤的长度，减小脉冲压缩时产生的损耗，得到半峰全宽为61.8fs和64.4fs的高功率超短脉冲输出。这一结果对自相似脉冲压缩光纤的设计是有帮助的。
2021, 45(5): 620-624.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.014
摘要:
为了使机械臂探头端在扫描过程中始终垂直于待测件表面, 提出了一种基于法向特征提取的曲面自适应检测算法。系统采用光学扫描的方法获取待测件表面3维数据, 再通过法向提取算法推导用于位姿校正的映射函数, 最后完成扫描路径的自适应规划。在MATLAB中对样件点云进行了杂散点剔除, 并通过QUALIFY软件完成待测件的3维重建; 对150mm×200mm×10mm的曲面样块进行了光学扫描与路径优化实验。结果表明, 位置测试精度在x轴、y轴、z轴方向上的最大偏差分别为0.5142mm, 0.2645mm和1.4265mm; 整体位置偏差最大值为1.1135mm, 平均值为0.5647mm; 在将该偏差作为补偿参量代入机械臂规划路径后, 可以实现扫描过程中探头位姿的在线调整。此研究对自动化测试系统中要求探头与待测件严格垂直的应用领域具有重要意义。
为了使机械臂探头端在扫描过程中始终垂直于待测件表面, 提出了一种基于法向特征提取的曲面自适应检测算法。系统采用光学扫描的方法获取待测件表面3维数据, 再通过法向提取算法推导用于位姿校正的映射函数, 最后完成扫描路径的自适应规划。在MATLAB中对样件点云进行了杂散点剔除, 并通过QUALIFY软件完成待测件的3维重建; 对150mm×200mm×10mm的曲面样块进行了光学扫描与路径优化实验。结果表明, 位置测试精度在x轴、y轴、z轴方向上的最大偏差分别为0.5142mm, 0.2645mm和1.4265mm; 整体位置偏差最大值为1.1135mm, 平均值为0.5647mm; 在将该偏差作为补偿参量代入机械臂规划路径后, 可以实现扫描过程中探头位姿的在线调整。此研究对自动化测试系统中要求探头与待测件严格垂直的应用领域具有重要意义。
2021, 45(5): 625-629.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.015
摘要:
为了解决现场指纹图像采集过程中指纹背景颜色复杂、导致对比度和采集效率较低的问题, 采用智能手机设计了便携式指纹图像采集装置。一方面将手机连接单片机, 电动切换不同波长光源, 获得多光谱图像; 另一方面自动采集不同光源下的指纹图像。为确保指纹图像质量满足后续识别需求, 采用多光谱融合及方向滤波技术对图像进行了增强处理。结果表明, 当光源数目为4时, 采集及处理时间低于1s, 满足现场采集需求; 装置能够有效采集指纹图像并融合增强。该装置具有低成本、自动化及便携性高的优点, 有望在刑侦领域取得广泛应用。
为了解决现场指纹图像采集过程中指纹背景颜色复杂、导致对比度和采集效率较低的问题, 采用智能手机设计了便携式指纹图像采集装置。一方面将手机连接单片机, 电动切换不同波长光源, 获得多光谱图像; 另一方面自动采集不同光源下的指纹图像。为确保指纹图像质量满足后续识别需求, 采用多光谱融合及方向滤波技术对图像进行了增强处理。结果表明, 当光源数目为4时, 采集及处理时间低于1s, 满足现场采集需求; 装置能够有效采集指纹图像并融合增强。该装置具有低成本、自动化及便携性高的优点, 有望在刑侦领域取得广泛应用。
2021, 45(5): 647-653.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.019
摘要:
在水下直流偏置光无线通信正交频分复用(UOWC-DCO-OFDM)系统中, 为了保证光信号在发射端具有较低峰均比(PAPR)并在水下可进行远距离低误比特率传输，采用了子载波预留、最小二乘算法(TR-LSA)与压扩变换相结合的方法，同时运用优化的神经网络对水下环境进行信道估计，并基于该方法在接收端设计信道均衡器，以应对水下环境对光信号的强衰减。结果表明，UOWC-DCO-OFDM系统的PAPR降低9dB，且在信噪比为10dB时误比特率低于10-3，达到水下无线光通信的误比特率标准。该系统可实现光信号水下远距离、低误比特率传输。
在水下直流偏置光无线通信正交频分复用(UOWC-DCO-OFDM)系统中, 为了保证光信号在发射端具有较低峰均比(PAPR)并在水下可进行远距离低误比特率传输，采用了子载波预留、最小二乘算法(TR-LSA)与压扩变换相结合的方法，同时运用优化的神经网络对水下环境进行信道估计，并基于该方法在接收端设计信道均衡器，以应对水下环境对光信号的强衰减。结果表明，UOWC-DCO-OFDM系统的PAPR降低9dB，且在信噪比为10dB时误比特率低于10-3，达到水下无线光通信的误比特率标准。该系统可实现光信号水下远距离、低误比特率传输。
2021, 45(5): 662-669.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.021
摘要:
为了提升系统误比特率，减小基线漂移以及海水信道的吸收散射等特性对光信号产生的影响，采用了基于水下发光二极管(LED)光通信系统的低密度奇偶校验码(LDPC)-里所(RS)级联交织码方案，在模拟水下LED光通信实验系统的情况下，分析码字方案中RS码、LDPC码以及交织参量对系统误比特率性能的影响，得到了级联交织码方案的优化参量，并进行了实验模拟验证。结果表明，优化后的级联交织码系统与未编码系统、RS码系统、LDPC码系统相比分别可获得3.8dB，2dB，1.2dB的增益，可有效提高系统的误比特率性能。该研究为提高水下无线光通信系统的可靠性提供了参考。
为了提升系统误比特率，减小基线漂移以及海水信道的吸收散射等特性对光信号产生的影响，采用了基于水下发光二极管(LED)光通信系统的低密度奇偶校验码(LDPC)-里所(RS)级联交织码方案，在模拟水下LED光通信实验系统的情况下，分析码字方案中RS码、LDPC码以及交织参量对系统误比特率性能的影响，得到了级联交织码方案的优化参量，并进行了实验模拟验证。结果表明，优化后的级联交织码系统与未编码系统、RS码系统、LDPC码系统相比分别可获得3.8dB，2dB，1.2dB的增益，可有效提高系统的误比特率性能。该研究为提高水下无线光通信系统的可靠性提供了参考。
2021, 45(5): 675-680.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.023
摘要:
为了避免传统羊群计数任务中，羊只之间相互遮挡带来的干扰，提高羊群计数的准确度，采用了视觉几何群(VGG-16)与空洞卷积(DC)相结合的VDNet神经网络羊群计数方法。该方法在网络前端采用去除了全连接层的VGG-16网络提取2-D特征，后端采用6层具有不同空洞率的DC提取更多的高级特征；DC在保持分辨率不变的同时扩大了感受野，替代池化操作，降低了网络的复杂性；最后用一层卷积核大小为1×1的卷积层输出高质量的密度图，通过对密度图像素积分得出输入图片中羊的数量，并进行了理论分析和实验验证。结果表明，VDNet的平均绝对误差为2.51，均方误差为3.74，平均准确率为93%。这一结果对羊群计数任务是有帮助的。
为了避免传统羊群计数任务中，羊只之间相互遮挡带来的干扰，提高羊群计数的准确度，采用了视觉几何群(VGG-16)与空洞卷积(DC)相结合的VDNet神经网络羊群计数方法。该方法在网络前端采用去除了全连接层的VGG-16网络提取2-D特征，后端采用6层具有不同空洞率的DC提取更多的高级特征；DC在保持分辨率不变的同时扩大了感受野，替代池化操作，降低了网络的复杂性；最后用一层卷积核大小为1×1的卷积层输出高质量的密度图，通过对密度图像素积分得出输入图片中羊的数量，并进行了理论分析和实验验证。结果表明，VDNet的平均绝对误差为2.51，均方误差为3.74，平均准确率为93%。这一结果对羊群计数任务是有帮助的。
2021, 45(5): 636-641.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.017
摘要:
为了研究高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤规律，采用COMSOL软件对多层结构的碳纤维/环氧树脂复合材料的热应力进行模拟计算，取得了不同功率密度激光辐照复合材料的瞬态温度场与应力场的时空分布及变化规律。测量得到不同功率密度的激光作用碳纤维/环氧树脂后的损伤面积和损伤形貌，与数值模拟结果的趋势吻合。结果表明，靶材表面辐照中心点温度在872K时出现温度平台，即相变潜热期与逆相变潜热期，并随着激光功率密度变化；激光辐照靶材对上表面碳纤维产生了极大的轴向压应力，功率密度为293W/cm2时，压应力差值约为1.87MPa；功率密度为3453W/cm2时, 压应力差值约为1.42MPa。这一结果对高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤研究提供了理论基础。
为了研究高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤规律，采用COMSOL软件对多层结构的碳纤维/环氧树脂复合材料的热应力进行模拟计算，取得了不同功率密度激光辐照复合材料的瞬态温度场与应力场的时空分布及变化规律。测量得到不同功率密度的激光作用碳纤维/环氧树脂后的损伤面积和损伤形貌，与数值模拟结果的趋势吻合。结果表明，靶材表面辐照中心点温度在872K时出现温度平台，即相变潜热期与逆相变潜热期，并随着激光功率密度变化；激光辐照靶材对上表面碳纤维产生了极大的轴向压应力，功率密度为293W/cm2时，压应力差值约为1.87MPa；功率密度为3453W/cm2时, 压应力差值约为1.42MPa。这一结果对高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤研究提供了理论基础。
2021, 45(5): 642-646.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.018
摘要:
为了提高光学器件的传输性能，推动微型光学器件及大规模集成光路的发展，提出了一种新型2-D石墨烯等离子体光子晶体结构。通过周期性排列蜂窝状的石墨烯盘，调整一个周期内两个石墨烯圆盘的直径，打开狄拉克点；基于有限元法，运用COMSOL仿真光场传播、计算光子带隙，打破时间反演对称性，实现能带拓扑效应。结果表明，该设计的晶格常数等均处于纳米量级，相较于自由空间波长减小近30倍，具有小型化、高集成化等优势；该结构可在15.3THz~15.8THz频段范围进行动态调制。此研究为设计具有鲁棒性的纳米量级光子器件提供了参考，有望在波导频率的调控、光开关等领域拓展应用。
为了提高光学器件的传输性能，推动微型光学器件及大规模集成光路的发展，提出了一种新型2-D石墨烯等离子体光子晶体结构。通过周期性排列蜂窝状的石墨烯盘，调整一个周期内两个石墨烯圆盘的直径，打开狄拉克点；基于有限元法，运用COMSOL仿真光场传播、计算光子带隙，打破时间反演对称性，实现能带拓扑效应。结果表明，该设计的晶格常数等均处于纳米量级，相较于自由空间波长减小近30倍，具有小型化、高集成化等优势；该结构可在15.3THz~15.8THz频段范围进行动态调制。此研究为设计具有鲁棒性的纳米量级光子器件提供了参考，有望在波导频率的调控、光开关等领域拓展应用。
2021, 45(5): 654-661.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.05.020
摘要:
近年来，激光清洗技术的应用范围不断扩大，取得了微粒清洗、模具清洗、交通工具清洗等全新的研究成果，但也存在着设备价格昂贵、测试时间冗长等缺点。为了了解激光清洗的研究现状，总结了激光清洗技术的清洗机理、应用领域、发展现状以及存在的问题，介绍了新型激光复合清洗技术在绿色制造中的优势及其未来发展的潜力。
近年来，激光清洗技术的应用范围不断扩大，取得了微粒清洗、模具清洗、交通工具清洗等全新的研究成果，但也存在着设备价格昂贵、测试时间冗长等缺点。为了了解激光清洗的研究现状，总结了激光清洗技术的清洗机理、应用领域、发展现状以及存在的问题，介绍了新型激光复合清洗技术在绿色制造中的优势及其未来发展的潜力。
