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RSS2024年 48卷 第1期
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[摘要]
[PDF 253KB]
2024, 48(1): 34-39.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.006
[HTML全文]
摘要:
为了研制工作波长为1310 nm的保偏光纤，采用改进的化学气相沉积工艺制备了保偏光纤预制捧和应力棒，经加工、拼接、清洗、拉丝工艺后，得到几何尺寸精确的高质量保偏光纤；同时搭建了高效测试系统，采用折射近场法、远场扫描法、视频灰度技术(传输近场)，分别测量了预制棒的折射率分布和几何尺寸，保偏光纤模场直径、数值孔径、几何尺寸等关键参数。结果表明，此标准化测试系统操作流程简单、结果精确；模场直径为6.26 μm，数值孔径为0.23，包涂直径80 μm/135 μm/165 μm(精度±0.7 μm)；终检测试合格的光纤成品随机抽样16.25%，高低温老化实验后拍长、串音变化小。所研制的保偏光纤性能稳定，几何尺寸精确、结构均匀、损耗低，具有优良保偏性能，已广泛应用于实际生产中。
为了研制工作波长为1310 nm的保偏光纤，采用改进的化学气相沉积工艺制备了保偏光纤预制捧和应力棒，经加工、拼接、清洗、拉丝工艺后，得到几何尺寸精确的高质量保偏光纤；同时搭建了高效测试系统，采用折射近场法、远场扫描法、视频灰度技术(传输近场)，分别测量了预制棒的折射率分布和几何尺寸，保偏光纤模场直径、数值孔径、几何尺寸等关键参数。结果表明，此标准化测试系统操作流程简单、结果精确；模场直径为6.26 μm，数值孔径为0.23，包涂直径80 μm/135 μm/165 μm(精度±0.7 μm)；终检测试合格的光纤成品随机抽样16.25%，高低温老化实验后拍长、串音变化小。所研制的保偏光纤性能稳定，几何尺寸精确、结构均匀、损耗低，具有优良保偏性能，已广泛应用于实际生产中。
2024, 48(1): 97-104.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.016
摘要:
为了控制2-D Airy光束阵列在焦点的强度, 利用高斯光束在频域移动可以进行调控的原理, 对其在大气湍流中的效果进行了仿真。结果表明, 通过高斯光束在频域的位移, 实现了2-D Airy光束阵列焦点处强度从0.85增强到1.1, 且操作灵活方便, 不需要通过重复编码相位图增加光束数目就可增强光束在焦点的强度; 在中等湍流强度下, 光束强度可从0.85增强到1.03。该研究对激光在大气中抵抗大气湍流、提高激光通信的质量, 具有一定的参考意义。
为了控制2-D Airy光束阵列在焦点的强度, 利用高斯光束在频域移动可以进行调控的原理, 对其在大气湍流中的效果进行了仿真。结果表明, 通过高斯光束在频域的位移, 实现了2-D Airy光束阵列焦点处强度从0.85增强到1.1, 且操作灵活方便, 不需要通过重复编码相位图增加光束数目就可增强光束在焦点的强度; 在中等湍流强度下, 光束强度可从0.85增强到1.03。该研究对激光在大气中抵抗大气湍流、提高激光通信的质量, 具有一定的参考意义。
2024, 48(1): 1-7.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.001
摘要:
为了清除在轨航天器临近空间碎片, 建立了天基激光系统仿真模型, 并对比分析了两种典型尺寸下的天基激光清除空间碎片方法下的仿真结果; 同时在系统设计过程中采用太阳能板与大口径可折叠发射望远镜的设计理念, 降低了发射成本并提高效费比。结果表明, 10 cm尺寸的空间碎片可以采用烧蚀反喷模式, 而1 cm尺寸的空间碎片在直接烧蚀模式下则更具优势。此研究为后续天基激光系统清除空间碎片提供了技术参考。
为了清除在轨航天器临近空间碎片, 建立了天基激光系统仿真模型, 并对比分析了两种典型尺寸下的天基激光清除空间碎片方法下的仿真结果; 同时在系统设计过程中采用太阳能板与大口径可折叠发射望远镜的设计理念, 降低了发射成本并提高效费比。结果表明, 10 cm尺寸的空间碎片可以采用烧蚀反喷模式, 而1 cm尺寸的空间碎片在直接烧蚀模式下则更具优势。此研究为后续天基激光系统清除空间碎片提供了技术参考。
2024, 48(1): 14-19.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.003
摘要:
为了解决在高真空环境下, 等离子体膨胀迅速、外围羽流引起的条纹偏移小、单幅干涉条纹图难以检出的问题, 采用同步移相干涉测试技术得到了1. 333×10-4 Pa和1. 333×10-3 Pa真空度下激光诱导铝等离子体电子密度分布; 同时采用2维轴对称流体动力学模型, 对高真空环境下激光诱导等离子体的膨胀过程进行了数值仿真, 得到了电子密度的2维分布, 并分析了数值仿真结果存在偏差的原因及改进方法。结果表明, 等离子体的中心电子密度在50 ns时下降至1. 4×1020 cm-3; 数值仿真结果与实验结果吻合较好, 验证了模型的正确性。该研究为高真空下激光等离子体的研究提供了一定的参考。
为了解决在高真空环境下, 等离子体膨胀迅速、外围羽流引起的条纹偏移小、单幅干涉条纹图难以检出的问题, 采用同步移相干涉测试技术得到了1. 333×10-4 Pa和1. 333×10-3 Pa真空度下激光诱导铝等离子体电子密度分布; 同时采用2维轴对称流体动力学模型, 对高真空环境下激光诱导等离子体的膨胀过程进行了数值仿真, 得到了电子密度的2维分布, 并分析了数值仿真结果存在偏差的原因及改进方法。结果表明, 等离子体的中心电子密度在50 ns时下降至1. 4×1020 cm-3; 数值仿真结果与实验结果吻合较好, 验证了模型的正确性。该研究为高真空下激光等离子体的研究提供了一定的参考。
2024, 48(1): 27-33.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.005
摘要:
为了解决基于车载激光雷达(LiDAR)点云数据中的道路标识线提取完整度与提取精确度方面数值偏低等问题, 提出了一种基于点云多元特征的道路标识线快速提取方法。在城市道路标识线的强度信息、几何信息和语义信息基础上, 结合路面点云的强度特征、高程特征和点密度特征, 生成多个地理参考图像, 对多元特征图像进行特征提取与填充, 再利用Ostu算法以及Alpha shapes算法实现道路标识线点云精提取, 并根据标识线的几何、语义信息和模型匹配方案实现标识线的细分类, 进行了理论分析和实验验证, 取得了澳大利亚某城市道路的点云数据。结果表明, 提取的短虚线、斑马线、单向转向箭头、长虚线的准确率均高于96%, 召回率均达到91%及以上, 综合评价指标均达到94%及以上。这些结果对无人驾驶领域研究起到了添砖加瓦的作用, 也为城市数字化建设提供了一定的参考价值。
为了解决基于车载激光雷达(LiDAR)点云数据中的道路标识线提取完整度与提取精确度方面数值偏低等问题, 提出了一种基于点云多元特征的道路标识线快速提取方法。在城市道路标识线的强度信息、几何信息和语义信息基础上, 结合路面点云的强度特征、高程特征和点密度特征, 生成多个地理参考图像, 对多元特征图像进行特征提取与填充, 再利用Ostu算法以及Alpha shapes算法实现道路标识线点云精提取, 并根据标识线的几何、语义信息和模型匹配方案实现标识线的细分类, 进行了理论分析和实验验证, 取得了澳大利亚某城市道路的点云数据。结果表明, 提取的短虚线、斑马线、单向转向箭头、长虚线的准确率均高于96%, 召回率均达到91%及以上, 综合评价指标均达到94%及以上。这些结果对无人驾驶领域研究起到了添砖加瓦的作用, 也为城市数字化建设提供了一定的参考价值。
2024, 48(1): 40-47.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.007
摘要:
为了解析大气瑞利-布里渊散射光谱并获取0 km~16 km的大气垂直温度廓线，采用基于菲索干涉仪结合光电倍增管阵列的高光谱分辨率测温激光雷达(HSRL)对不同季节环境下的温度反演能力及系统误差进行了理论分析，得到了利用大气瑞利-布里渊散射光谱在结合Tenti S6模型进行拟合的情况下，不同的大气模型对温度廓线拟合的影响结果。结果表明，使用US76大气模型结合Tenti S6模型，经10000次脉冲积分后，在0 km~16 km范围内的最大随机误差为1.1 K；使用天气预报模式(WRF)提供的温压场代替US76模型的温压场进行模拟，随机误差随季节略有不同，春季不超过0.65 K，夏季不超过0.98 K，秋季不超过0.59 K，冬季不超过0.63 K；使用WRF模式进行HSRL系统探测能力评估结果优于使用US76的评估结果，若精选不同天气类型，该方法还可以拓展到评估不同季节下HSRL的随机误差，体现了将WRF模式用于HSRL评估的优势。该研究为HSRL测温系统在不同季节下的工作能力评估提供了参考。
为了解析大气瑞利-布里渊散射光谱并获取0 km~16 km的大气垂直温度廓线，采用基于菲索干涉仪结合光电倍增管阵列的高光谱分辨率测温激光雷达(HSRL)对不同季节环境下的温度反演能力及系统误差进行了理论分析，得到了利用大气瑞利-布里渊散射光谱在结合Tenti S6模型进行拟合的情况下，不同的大气模型对温度廓线拟合的影响结果。结果表明，使用US76大气模型结合Tenti S6模型，经10000次脉冲积分后，在0 km~16 km范围内的最大随机误差为1.1 K；使用天气预报模式(WRF)提供的温压场代替US76模型的温压场进行模拟，随机误差随季节略有不同，春季不超过0.65 K，夏季不超过0.98 K，秋季不超过0.59 K，冬季不超过0.63 K；使用WRF模式进行HSRL系统探测能力评估结果优于使用US76的评估结果，若精选不同天气类型，该方法还可以拓展到评估不同季节下HSRL的随机误差，体现了将WRF模式用于HSRL评估的优势。该研究为HSRL测温系统在不同季节下的工作能力评估提供了参考。
2024, 48(1): 54-59.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.009
摘要:
为了提高球墨铸铁和低碳钢焊接接头力学性能, 解决容易开裂的问题, 采用激光焊接的方法对球墨铸铁和低碳钢进行焊接, 研究了工艺参数对其焊接接头的组织和性能影响。结果表明, 随着激光功率逐渐增加或焊接速率的逐渐变缓, 试验件抗拉强度呈现出先增大后减小的变化趋势; 当焊接功率为4250 W和焊接速率为2.4 m/min时, 试样件焊接接头的强度处于极值400 MPa; 在球墨铸铁侧热影响区内形成3种壳体结构(双壳结构、单壳结构和无核结构); 焊缝区组织主要由树枝晶组织、少量的马氏体和莱氏体组织构成; 焊缝区存在微裂纹, 通过添加镍基材料可获得无裂纹焊缝, 并提升抗拉强度约40 MPa, 达到母材的95%。该研究对后续球墨铸铁与低碳钢高功率激光焊接工艺优化是有帮助的。
为了提高球墨铸铁和低碳钢焊接接头力学性能, 解决容易开裂的问题, 采用激光焊接的方法对球墨铸铁和低碳钢进行焊接, 研究了工艺参数对其焊接接头的组织和性能影响。结果表明, 随着激光功率逐渐增加或焊接速率的逐渐变缓, 试验件抗拉强度呈现出先增大后减小的变化趋势; 当焊接功率为4250 W和焊接速率为2.4 m/min时, 试样件焊接接头的强度处于极值400 MPa; 在球墨铸铁侧热影响区内形成3种壳体结构(双壳结构、单壳结构和无核结构); 焊缝区组织主要由树枝晶组织、少量的马氏体和莱氏体组织构成; 焊缝区存在微裂纹, 通过添加镍基材料可获得无裂纹焊缝, 并提升抗拉强度约40 MPa, 达到母材的95%。该研究对后续球墨铸铁与低碳钢高功率激光焊接工艺优化是有帮助的。
2024, 48(1): 71-76.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.012
摘要:
为了解决现有光谱穆勒矩阵椭偏检测仪的测量功能固定、不能根据实验需求满足更多物理量测量的问题, 提出了结合多物理场光学仿真与宽光谱穆勒矩阵椭偏测量数据, 以实现更多参数测量的新方案。以膜厚测量为实例, 通过比较硅基底上不同厚度、不同入射角下, 二氧化硅薄膜仿真值与椭偏仪实验测量值所得穆勒矩阵的匹配度, 得到均方误差值相对最小时的二氧化硅薄膜厚度值。结果表明, 所得膜厚结果与实际值符合得较好。该研究验证了光谱穆勒矩阵椭偏测量与仿真模拟相结合方法的可行性和有效性。
为了解决现有光谱穆勒矩阵椭偏检测仪的测量功能固定、不能根据实验需求满足更多物理量测量的问题, 提出了结合多物理场光学仿真与宽光谱穆勒矩阵椭偏测量数据, 以实现更多参数测量的新方案。以膜厚测量为实例, 通过比较硅基底上不同厚度、不同入射角下, 二氧化硅薄膜仿真值与椭偏仪实验测量值所得穆勒矩阵的匹配度, 得到均方误差值相对最小时的二氧化硅薄膜厚度值。结果表明, 所得膜厚结果与实际值符合得较好。该研究验证了光谱穆勒矩阵椭偏测量与仿真模拟相结合方法的可行性和有效性。
2024, 48(1): 83-91.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.014
摘要:
为了研究20 W纳秒激光对碳纤维复合材料(CFRP)烧蚀的工艺质量, 采用单因素实验方法及光切法进行了理论分析和实验验证, 得到了扫描速率、峰值功率、离焦量对材料表面加工质量的影响规律, 并对0.5 mm CFRP材料板进行了烧蚀实验。结果表明, 调整激光器的离焦量, 让激光的焦点与材料平面在同一高度, 可使扫描线宽最小, 减少了材料烧蚀的热影响区, 提高了激光能量利用率; 设定激光扫描速率为220 mm/s和峰值功率为10 W, 可得到大小为3.50 μm的CFRP最小表面粗糙度平均值, 其中粗糙度数据稳定性样本方差最佳, 约为0.133 μm2, 在此条件下可得到良好的加工表现。此研究为脉冲激光加工CFRP材料工艺研究提供一定参考, 并为脉冲激光加工复合材料工艺应用打下了一定的实践基础。
为了研究20 W纳秒激光对碳纤维复合材料(CFRP)烧蚀的工艺质量, 采用单因素实验方法及光切法进行了理论分析和实验验证, 得到了扫描速率、峰值功率、离焦量对材料表面加工质量的影响规律, 并对0.5 mm CFRP材料板进行了烧蚀实验。结果表明, 调整激光器的离焦量, 让激光的焦点与材料平面在同一高度, 可使扫描线宽最小, 减少了材料烧蚀的热影响区, 提高了激光能量利用率; 设定激光扫描速率为220 mm/s和峰值功率为10 W, 可得到大小为3.50 μm的CFRP最小表面粗糙度平均值, 其中粗糙度数据稳定性样本方差最佳, 约为0.133 μm2, 在此条件下可得到良好的加工表现。此研究为脉冲激光加工CFRP材料工艺研究提供一定参考, 并为脉冲激光加工复合材料工艺应用打下了一定的实践基础。
2024, 48(1): 105-113.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.017
摘要:
为了解决传统神经网络技术过于依赖数据资源, 同时也无法运用数据中暗含的物理先验知识等局限性问题, 采用物理信息神经网络(PINN)、基于超声传播的波动方程, 利用数值计算实验的数据训练出了正向激光超声单模态(表面波)波场的PINN模型; 建立了反向求解激光超声单模态波场参数的PINN模型, 并对激光超声波场进行了正向成像和反向参数推演。结果表明, 当探测点不包含激发点时, 正向PINN在数据量仅为10%的情况下可得到高精度的波场图像, 相比于原波场下降了一个数量级; 即使在包含激发点时, 反向PINN利用25%的波场数据不仅可以重建波场, 且不需要人为地分析就可以求解控制方程的参数, 与原波场数据的参数误差均在5%以内; 与传统神经网络相比, PINN通过加入符合激光超声特性的控制方程, 降低了神经网络对于训练数据稀疏性的依赖; 与传统的激光超声波场建模相比, PINN构建的物理模型更简单, 可自动求得控制方程的参数, 有着更好的鲁棒性。该研究可为波场重建和参数反演激光超声无损检测技术提供参考, 在激光超声领域有着广泛的应用前景。
为了解决传统神经网络技术过于依赖数据资源, 同时也无法运用数据中暗含的物理先验知识等局限性问题, 采用物理信息神经网络(PINN)、基于超声传播的波动方程, 利用数值计算实验的数据训练出了正向激光超声单模态(表面波)波场的PINN模型; 建立了反向求解激光超声单模态波场参数的PINN模型, 并对激光超声波场进行了正向成像和反向参数推演。结果表明, 当探测点不包含激发点时, 正向PINN在数据量仅为10%的情况下可得到高精度的波场图像, 相比于原波场下降了一个数量级; 即使在包含激发点时, 反向PINN利用25%的波场数据不仅可以重建波场, 且不需要人为地分析就可以求解控制方程的参数, 与原波场数据的参数误差均在5%以内; 与传统神经网络相比, PINN通过加入符合激光超声特性的控制方程, 降低了神经网络对于训练数据稀疏性的依赖; 与传统的激光超声波场建模相比, PINN构建的物理模型更简单, 可自动求得控制方程的参数, 有着更好的鲁棒性。该研究可为波场重建和参数反演激光超声无损检测技术提供参考, 在激光超声领域有着广泛的应用前景。
2024, 48(1): 8-13.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.002
摘要:
为了改善空中平台和水下目标之间的激光致声通信技术, 采用了一种多进制多频移键控(n-MFSK)调制方式来提升激光致声空-水跨介质通信速率的方法。在借助激光致声热膨胀效应实现空-水界面处的光声转换基础上, 分别采用长脉冲法和重复频率法进行了调制及仿真验证, 得到了在调制频率数量为2的情况下, 2-MFSK调制可在2-FSK调制基础上将通信速率提高1倍的结果。结果表明, 长脉冲法主要通过激光阵列结合频率叠加的方式实现n-MFSK调制, 重复频率法则通过控制激光器频率变化进而在时域上以分配时间段的方式实现n-MFSK调制; 随着调制频率数量增加, 相对于n-FSK调制, n-MFSK调制下通信速率更高, 并可改善频带利用率, 但声压级和水中传输距离会随符号码元持续时间内调制频率数量增加而减小。该研究为未来激光致声空-水跨介质通信实际应用提供了参考。
为了改善空中平台和水下目标之间的激光致声通信技术, 采用了一种多进制多频移键控(n-MFSK)调制方式来提升激光致声空-水跨介质通信速率的方法。在借助激光致声热膨胀效应实现空-水界面处的光声转换基础上, 分别采用长脉冲法和重复频率法进行了调制及仿真验证, 得到了在调制频率数量为2的情况下, 2-MFSK调制可在2-FSK调制基础上将通信速率提高1倍的结果。结果表明, 长脉冲法主要通过激光阵列结合频率叠加的方式实现n-MFSK调制, 重复频率法则通过控制激光器频率变化进而在时域上以分配时间段的方式实现n-MFSK调制; 随着调制频率数量增加, 相对于n-FSK调制, n-MFSK调制下通信速率更高, 并可改善频带利用率, 但声压级和水中传输距离会随符号码元持续时间内调制频率数量增加而减小。该研究为未来激光致声空-水跨介质通信实际应用提供了参考。
2024, 48(1): 20-26.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.004
摘要:
为了进一步提升显示系统的颜色显示能力, 并解决三基色显示系统理论对多基色显示系统不兼容的问题, 采用参数不等式的方法进行了理论分析, 基于多基色显示系统和三基色显示系统的差异, 求解出多基色显示系统的峰值亮度所对应的解空间, 从理论上推导了多基色显示系统中基色峰值亮度的设置, 并对解空间的等价性和完备性进行了模拟实验验证。结果表明, 四基色、五基色和六基色激光显示系统对应的理论最大色域体积分别是2185100, 2258400和2395800。该方案对多基色显示系统的理论模拟具有重要的指导意义。
为了进一步提升显示系统的颜色显示能力, 并解决三基色显示系统理论对多基色显示系统不兼容的问题, 采用参数不等式的方法进行了理论分析, 基于多基色显示系统和三基色显示系统的差异, 求解出多基色显示系统的峰值亮度所对应的解空间, 从理论上推导了多基色显示系统中基色峰值亮度的设置, 并对解空间的等价性和完备性进行了模拟实验验证。结果表明, 四基色、五基色和六基色激光显示系统对应的理论最大色域体积分别是2185100, 2258400和2395800。该方案对多基色显示系统的理论模拟具有重要的指导意义。
2024, 48(1): 48-53.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.008
摘要:
恒模算法(CMA)是一种广泛应用于模分复用系统的算法, 可对系统中模式耦合、差分模式群时延和色散等损伤因素进行均衡补偿, 进而得到理想信号。为了研究CMA算法在强耦合模分复用系统中的均衡性能, 采用功率耦合理论搭建6×6模分复用系统模型, 并在接收端使用CMA和修正的恒定模数算法(MCMA)对系统输出信号进行均衡, 获得了星座图、均方根误差(RMSE)值和误比特率(BER)。结果表明, 在星座图方面, MCMA可以减少散点, 使星座点更紧凑; 在RMSE方面, MCMA均衡后的信号的RMSE值小于CMA均衡后得到的RMSE值, 说明MCMA均衡后的数据离散程度较低; 在BER方面, 当BER为10-3时, MCMA要求的光信噪比比CMA低1.0 dB, 因此, MCMA的均衡效果优于CMA。该研究结果为强耦合模分复用系统中的均衡算法提供了一些参考。
恒模算法(CMA)是一种广泛应用于模分复用系统的算法, 可对系统中模式耦合、差分模式群时延和色散等损伤因素进行均衡补偿, 进而得到理想信号。为了研究CMA算法在强耦合模分复用系统中的均衡性能, 采用功率耦合理论搭建6×6模分复用系统模型, 并在接收端使用CMA和修正的恒定模数算法(MCMA)对系统输出信号进行均衡, 获得了星座图、均方根误差(RMSE)值和误比特率(BER)。结果表明, 在星座图方面, MCMA可以减少散点, 使星座点更紧凑; 在RMSE方面, MCMA均衡后的信号的RMSE值小于CMA均衡后得到的RMSE值, 说明MCMA均衡后的数据离散程度较低; 在BER方面, 当BER为10-3时, MCMA要求的光信噪比比CMA低1.0 dB, 因此, MCMA的均衡效果优于CMA。该研究结果为强耦合模分复用系统中的均衡算法提供了一些参考。
2024, 48(1): 60-64.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.010
摘要:
为了降低模间串扰, 提出了一种耦合环辅助多模光纤结构, 通过仿真软件对其结构进行建模, 并建立了其受激布里渊散射增益谱的数学模型; 理论分析了耦合环辅助多模光纤的受激布里渊散射阈值以及光纤参量和模式对受激布里渊散射光谱阈值的影响, 并通过了仿真实验验证。结果表明, 耦合环辅助多模光纤增大关键模式有效折射率差值为原来的1.75倍, 可有效抑制模间串扰; 受激布里渊散射光谱阈值跟随光纤长度的增加, 从急剧下降变至缓慢, 最终在18 km处趋于定值30 dBm; 在其它条件不变的情况下, 阈值随着衰减系数、纤芯的有效截面积和光纤模式阶数的增加呈线性关系增加, 随着纤芯半径的增加呈指数形式增长。该研究为提升光纤通信系统的传输距离和信道容量提供了理论参考。
为了降低模间串扰, 提出了一种耦合环辅助多模光纤结构, 通过仿真软件对其结构进行建模, 并建立了其受激布里渊散射增益谱的数学模型; 理论分析了耦合环辅助多模光纤的受激布里渊散射阈值以及光纤参量和模式对受激布里渊散射光谱阈值的影响, 并通过了仿真实验验证。结果表明, 耦合环辅助多模光纤增大关键模式有效折射率差值为原来的1.75倍, 可有效抑制模间串扰; 受激布里渊散射光谱阈值跟随光纤长度的增加, 从急剧下降变至缓慢, 最终在18 km处趋于定值30 dBm; 在其它条件不变的情况下, 阈值随着衰减系数、纤芯的有效截面积和光纤模式阶数的增加呈线性关系增加, 随着纤芯半径的增加呈指数形式增长。该研究为提升光纤通信系统的传输距离和信道容量提供了理论参考。
2024, 48(1): 65-70.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.011
摘要:
为了使光纤光栅传感器在光纤传感系统的应用中同时具有温度应力双参量传感和通信传输的功能, 提出了一种由啁啾长周期光纤光栅(CLPG)和啁啾光纤布喇格光栅(CFBG)组成的平顶型光纤光栅传感器结构。采用测量中心波长位移的方法, 建立了传感器温度和应力灵敏度系数矩阵, 进行了理论分析和仿真验证。结果表明, CLPG的温度和应力灵敏度大小分别为2660 pm/℃和132 pm/με; CFBG的温度和应力灵敏度大小分别为12.6 pm/℃和0.8 pm/με, 且CLPG和CFBG同时都具有平顶输出光谱, 平顶光谱带宽分别达到了13.8 nm和5.6 nm, 该传感器可以实现温度应力双参量同时传感, 具有稳定的通信传输波段。该研究为光纤光栅传感器在光纤传感系统中的应用提供了参考。
为了使光纤光栅传感器在光纤传感系统的应用中同时具有温度应力双参量传感和通信传输的功能, 提出了一种由啁啾长周期光纤光栅(CLPG)和啁啾光纤布喇格光栅(CFBG)组成的平顶型光纤光栅传感器结构。采用测量中心波长位移的方法, 建立了传感器温度和应力灵敏度系数矩阵, 进行了理论分析和仿真验证。结果表明, CLPG的温度和应力灵敏度大小分别为2660 pm/℃和132 pm/με; CFBG的温度和应力灵敏度大小分别为12.6 pm/℃和0.8 pm/με, 且CLPG和CFBG同时都具有平顶输出光谱, 平顶光谱带宽分别达到了13.8 nm和5.6 nm, 该传感器可以实现温度应力双参量同时传感, 具有稳定的通信传输波段。该研究为光纤光栅传感器在光纤传感系统中的应用提供了参考。
2024, 48(1): 77-82.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.013
摘要:
为了解决目标在大视场鱼眼成像系统中定位精度低的问题, 采用了一种基于相机移动标定鱼眼成像系统的研究方法。以固定不动的单个点光源作为标定物, 通过电动高精度2维旋转位移台驱动鱼眼成像系统移动, 分别记录点光源在鱼眼成像系统中的方位角度和光点在图像中的像素位置, 构建鱼眼成像系统标定模型, 使点光源成像在图像中的各位置; 利用图像有效区域的边缘拟合圆计算出光学中心, 并采用分区域标定的方式计算出畸变参数, 减小标定误差。结果表明, 当划分为三区域标定时, 该方法在中心成像区域的标定误差为0.06°, 精度较高。此研究可应用于红外地球敏感器、广角成像侦查系统等领域中对大视场鱼眼成像系统的标定。
为了解决目标在大视场鱼眼成像系统中定位精度低的问题, 采用了一种基于相机移动标定鱼眼成像系统的研究方法。以固定不动的单个点光源作为标定物, 通过电动高精度2维旋转位移台驱动鱼眼成像系统移动, 分别记录点光源在鱼眼成像系统中的方位角度和光点在图像中的像素位置, 构建鱼眼成像系统标定模型, 使点光源成像在图像中的各位置; 利用图像有效区域的边缘拟合圆计算出光学中心, 并采用分区域标定的方式计算出畸变参数, 减小标定误差。结果表明, 当划分为三区域标定时, 该方法在中心成像区域的标定误差为0.06°, 精度较高。此研究可应用于红外地球敏感器、广角成像侦查系统等领域中对大视场鱼眼成像系统的标定。
2024, 48(1): 114-120.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.018
摘要:
为了解决无人机探测系统中目标检测算法在不同场景下适用性差、虚警率高的问题, 采用可应用于不同复杂背景的红外小目标检测算法, 设计了一种基于现场可编程门阵列与数字信号处理器架构的无人机探测系统。首先利用双边滤波算法平滑背景, 保留目标区域边缘; 再使用改进的多尺度顶帽算法进行目标增强和背景抑制, 来提高目标区域与周围区域的差异对比; 最后使用基于最大值和平均值的自适应阈值分割方法提取目标。结果表明, 实验测得系统的检测率为98.15%, 整体时延为33.33 ms, 与现有典型红外小目标检测算法相比, 该算法的信噪比增益和背景抑制因子分别平均提高6.8倍和7.44倍, 有效地抑制了背景, 增强了目标。该算法能有效解决复杂背景下的红外小目标检测问题, 对提高无人机探测系统在不同场景下的适用能力与检测能力是有帮助的。
为了解决无人机探测系统中目标检测算法在不同场景下适用性差、虚警率高的问题, 采用可应用于不同复杂背景的红外小目标检测算法, 设计了一种基于现场可编程门阵列与数字信号处理器架构的无人机探测系统。首先利用双边滤波算法平滑背景, 保留目标区域边缘; 再使用改进的多尺度顶帽算法进行目标增强和背景抑制, 来提高目标区域与周围区域的差异对比; 最后使用基于最大值和平均值的自适应阈值分割方法提取目标。结果表明, 实验测得系统的检测率为98.15%, 整体时延为33.33 ms, 与现有典型红外小目标检测算法相比, 该算法的信噪比增益和背景抑制因子分别平均提高6.8倍和7.44倍, 有效地抑制了背景, 增强了目标。该算法能有效解决复杂背景下的红外小目标检测问题, 对提高无人机探测系统在不同场景下的适用能力与检测能力是有帮助的。
2024, 48(1): 121-126.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.019
摘要:
为了解决回扫补偿型红外成像系统图像退化程度在线评价问题, 采用了基于红外图像梯度相似度的质量评价方法。在结构相似度算法思想的基础上, 针对回扫补偿型红外成像系统的特点, 提取出能有效度量图像失真变化程度的梯度特征, 计算出各子图像块的梯度相似度均值, 由此获得整幅图像的梯度相似度。结果表明, 对于退化程度相同的图像, 测得结构相似度算法的评价数值从0.772下降到0.705, 梯度相似度算法的评价数值由0.700下降到0.543。梯度相似度算法对不同退化程度的红外周扫图像的质量变化比常用的结构相似度算法更为灵敏, 且不需要平行光管等外部测试设备, 这为回扫补偿型红外成像系统在线图像质量评价及优化提供了一种新的方法。
为了解决回扫补偿型红外成像系统图像退化程度在线评价问题, 采用了基于红外图像梯度相似度的质量评价方法。在结构相似度算法思想的基础上, 针对回扫补偿型红外成像系统的特点, 提取出能有效度量图像失真变化程度的梯度特征, 计算出各子图像块的梯度相似度均值, 由此获得整幅图像的梯度相似度。结果表明, 对于退化程度相同的图像, 测得结构相似度算法的评价数值从0.772下降到0.705, 梯度相似度算法的评价数值由0.700下降到0.543。梯度相似度算法对不同退化程度的红外周扫图像的质量变化比常用的结构相似度算法更为灵敏, 且不需要平行光管等外部测试设备, 这为回扫补偿型红外成像系统在线图像质量评价及优化提供了一种新的方法。
2024, 48(1): 127-134.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.020
摘要:
为了降低基于张量低秩稀疏分解的红外弱小目标检测算法的计算复杂度, 提升红外弱小目标的检测性能, 将图像时空张量与随机化算法进行结合, 提出了一种基于随机化张量算法的红外弱小目标检测算法。首先将红外图像序列构造成时空张量作为张量优化模型的输入, 然后使用随机化张量算法求解张量优化模型, 最后将计算得到的稀疏张量还原为图像, 获得目标图像。结果表明, 相比于传统基于低秩稀疏分解的算法, 所提出的算法不仅计算速度快, 而且具有较好的弱小目标检测性能。该研究为提升基于张量低秩稀疏分解的红外弱小目标检测算法的运算速度提供了参考。
为了降低基于张量低秩稀疏分解的红外弱小目标检测算法的计算复杂度, 提升红外弱小目标的检测性能, 将图像时空张量与随机化算法进行结合, 提出了一种基于随机化张量算法的红外弱小目标检测算法。首先将红外图像序列构造成时空张量作为张量优化模型的输入, 然后使用随机化张量算法求解张量优化模型, 最后将计算得到的稀疏张量还原为图像, 获得目标图像。结果表明, 相比于传统基于低秩稀疏分解的算法, 所提出的算法不仅计算速度快, 而且具有较好的弱小目标检测性能。该研究为提升基于张量低秩稀疏分解的红外弱小目标检测算法的运算速度提供了参考。
2024, 48(1): 135-139.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.021
摘要:
为了解决非定域干涉同心圆环图像的圆心和半径的精确提取问题, 提出了一种基于图像取反的暗亮环兼顾的算法, 以点光源非定域干涉同心圆环为对象, 在平滑降噪预处理基础上, 利用霍夫圆变换获得参考圆心, 以参考圆心为基础分别在其x方向和y方向上[-50, 50]像素范围内每隔5 pixel取一条强度轮廓线, 每一条强度轮廓线取反后, 分别实现暗环和亮环峰位坐标的精确识别, 再利用圆回归拟合得到系列圆心和半径, 通过系列圆心和半径的平均运算实现图像最终圆心和半径的精确提取。结果表明, 靠近中心的3个亮环和3个暗环各自的圆心坐标非常接近, 相对于总平均值的最大偏差为-3.7 pixel, 即相对于总平均值的最大相对偏差为-0.15%, 重复性很好; 相邻两个圆环半径平方比值相对于实际比值的误差在-4.18%~0.36%之间变化, 验证了算法的可行性。该研究对实现自动化检测、提高测量精度是有帮助的。
为了解决非定域干涉同心圆环图像的圆心和半径的精确提取问题, 提出了一种基于图像取反的暗亮环兼顾的算法, 以点光源非定域干涉同心圆环为对象, 在平滑降噪预处理基础上, 利用霍夫圆变换获得参考圆心, 以参考圆心为基础分别在其x方向和y方向上[-50, 50]像素范围内每隔5 pixel取一条强度轮廓线, 每一条强度轮廓线取反后, 分别实现暗环和亮环峰位坐标的精确识别, 再利用圆回归拟合得到系列圆心和半径, 通过系列圆心和半径的平均运算实现图像最终圆心和半径的精确提取。结果表明, 靠近中心的3个亮环和3个暗环各自的圆心坐标非常接近, 相对于总平均值的最大偏差为-3.7 pixel, 即相对于总平均值的最大相对偏差为-0.15%, 重复性很好; 相邻两个圆环半径平方比值相对于实际比值的误差在-4.18%~0.36%之间变化, 验证了算法的可行性。该研究对实现自动化检测、提高测量精度是有帮助的。
2024, 48(1): 140-144.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.022
摘要:
为了实现农田玉米株数的快速无损自动化识别, 提出一种利用同时定位与地图构建(SLAM)点云的农田玉米株数自动识别方法。借助飞马SLAM100手持扫描仪进行玉米田块点云数据采集, 充分利用SLAM点云中玉米植株的竖直度特征和扫描过程中植株的先验纹理特征, 进行玉米植株顶部的自动提取, 引入密度聚类算法进行玉米植株的区分与株数自动识别, 并通过农田实测数据进行实验。结果表明, 所设计的方法能够实现玉米植株的自动识别, 对玉米种植株数的识别率达到92.53%。该研究在玉米植株自动识别、作物估产以及智慧农业研究领域具有良好的工程应用价值。
为了实现农田玉米株数的快速无损自动化识别, 提出一种利用同时定位与地图构建(SLAM)点云的农田玉米株数自动识别方法。借助飞马SLAM100手持扫描仪进行玉米田块点云数据采集, 充分利用SLAM点云中玉米植株的竖直度特征和扫描过程中植株的先验纹理特征, 进行玉米植株顶部的自动提取, 引入密度聚类算法进行玉米植株的区分与株数自动识别, 并通过农田实测数据进行实验。结果表明, 所设计的方法能够实现玉米植株的自动识别, 对玉米种植株数的识别率达到92.53%。该研究在玉米植株自动识别、作物估产以及智慧农业研究领域具有良好的工程应用价值。
2024, 48(1): 92-96.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2024.01.015
摘要:
为了得到激光对红外成像系统可视化、场景化的干扰效果, 采用虚幻引擎搭建了红外成像激光对抗模拟系统。利用虚幻引擎的模型与场景编辑功能构建对抗场景, 并模拟红外成像; 构建了激光干扰数学模型, 以此生成模拟激光干扰光斑, 实现了不同距离、不同红外成像视场以及不同激光入射角的对抗模拟, 并对干扰前后的图像进行了对比分析。结果表明, 当红外成像视场保持不变、干扰距离由3.7 km减小为2.9 km和2 km时, 干扰光斑面积在成像中的占比均逐渐增大; 当干扰距离保持不变、红外成像视场由8°缩小为6°和4°时, 干扰光斑面积在成像中的占比也逐渐增大; 当红外成像视场与干扰距离不变, 激光入射角度在±4°范围内调整, 干扰光斑面积几乎没有变化。该模拟系统能较真实地对红外成像及激光对抗效果进行模拟, 可作为红外成像激光对抗效能评估研究的基础工具。
为了得到激光对红外成像系统可视化、场景化的干扰效果, 采用虚幻引擎搭建了红外成像激光对抗模拟系统。利用虚幻引擎的模型与场景编辑功能构建对抗场景, 并模拟红外成像; 构建了激光干扰数学模型, 以此生成模拟激光干扰光斑, 实现了不同距离、不同红外成像视场以及不同激光入射角的对抗模拟, 并对干扰前后的图像进行了对比分析。结果表明, 当红外成像视场保持不变、干扰距离由3.7 km减小为2.9 km和2 km时, 干扰光斑面积在成像中的占比均逐渐增大; 当干扰距离保持不变、红外成像视场由8°缩小为6°和4°时, 干扰光斑面积在成像中的占比也逐渐增大; 当红外成像视场与干扰距离不变, 激光入射角度在±4°范围内调整, 干扰光斑面积几乎没有变化。该模拟系统能较真实地对红外成像及激光对抗效果进行模拟, 可作为红外成像激光对抗效能评估研究的基础工具。
