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2020年  第41卷  第1期

2020-01ml 目录
2020, 41(1): 1-6.
摘要:
光电系统与工程
编码曝光相机系统设计
李响, 李明伟, 孙怡
2020, 41(1): 1-9. doi: 10.5768/JAO202041.0101001
摘要:
在研究编码曝光理论基础上,设计了应用型嵌入式编码曝光相机系统。在采集运动目标图像时,按照预设的编码时序控制曝光快门,得到了光生电荷多次叠加一次转移的图像。该图像为具有编码曝光信息的运动模糊图像,有更多的图像细节信息。编码曝光图像信号经过AD转换后将数据暂存在数据存储器,再经核心器件解码模块输出复原图像。实验结果证明,编码曝光相机能有效解决线性运动模糊问题。在相同测试条件下,利用无参考图像评价指标测试,编码曝光条件下复原图像质量的指标平均值均比一般单次曝光条件下复原图像质量提高了近2倍。
基于粒子滤波的运动目标光电定位仿真研究
秦川, 陶忠, 桑蔚, 张鹏, 海云波, 梅甫麟
2020, 41(1): 10-17. doi: 10.5768/JAO202041.0101002
摘要:
运动目标的光电定位不能像静止目标那样简单做均值滤波,鉴于此,引入粒子滤波算法,它不仅可以应用于线性系统,而且还适用于非线性系统。结合光电定位需求,详细推导了计算公式及初值和参数选取公式,对只含测量噪声以及含有测量和运动噪声等的海面运动目标光电无源定位算法进行了仿真计算,验证了算法的有效性,讨论了噪声强度对滤波效果的影响,滤波参数选择对滤波效果的影响,目标运动方式对滤波跟随性的影响,重采样算法对滤波效果的影响等。所得结论为:粒子滤波可用于运动目标光电定位过程,可有效降低定位误差;粒子滤波算法具有较强鲁棒性,适用于噪声较大、目标运动形态变化大等情况。
用于激光测距的小F数接收光学系统设计
潘俊旭, 谢洪波, 马骏, 陈悦, 杨磊
2020, 41(1): 18-23. doi: 10.5768/JAO202041.0101003
摘要:
为解决远距离漫反射激光测距系统能量损耗严重问题,并提高测距系统的响应速度,设计了一种小探测靶面大通光孔径的接收镜头。以3组4片式Petzval结构作为接收镜头的初始原型,将孔径光阑前移放置在第一面,同时增大其孔径以提高接收效率,最后一片引入非球面,以减小球差并使系统小型化;靶面采用直径为75 μm的雪崩光电二极管探测器,保证响应速度小于45 ns。经过优化设计得到通光孔径为120 mm的接收镜头,F数为0.6,可用于远距离漫反射激光测距领域。
基于红外和可见光图像逐级自适应融合的场景深度估计
李宇琦, 赵海涛
2020, 41(1): 24-32. doi: 10.5768/JAO202041.0101004
摘要:
从图像中恢复场景的深度是计算机视觉领域中的一个关键问题。考虑到单一类型图像在深度估计中受场景不同光照的限制,提出了基于红外和可见光图像逐级自适应融合的场景深度估计方法(PF-CNN)。该方法包括双流滤波器部分耦合网络、自适应多模态特征融合网络以及自适应逐级特征融合网络。在双流卷积中红外和可见光图像的滤波器部分耦合使两者特征得到增强;自适应多模态特征融合网络学习红外和可见光图像的残差特征并将两者自适应加权融合,充分利用两者的互补信息;逐级特征融合网络学习多层融合特征的结合,充分利用不同卷积层的不同特征。实验结果表明:PF-CNN在测试集上获得了较好的效果,将阈值指标提高了5%,明显优于其他方法。
一种胶片式的静态光学目标模拟器
吕涛, 孙海江, 付东辉, 陈小云
2020, 41(1): 33-36. doi: 10.5768/JAO202041.0101005
摘要:
光学成像敏感器是卫星姿态控制分系统的重要组成部分,用于月面景象的获取,可为月面着陆器完成障碍识别、路径规划和安全区域选取等功能提供图像信息来源。为实现光学成像敏感器装星后设备功能和性能的检测,需要一种可在室内为光学成像敏感器提供月面场景信息的光学仪器。设计和研制了一种胶片式的静态光学目标模拟器,该目标模拟器以胶片作为图像源,通过积分球均匀照明系统将胶片照亮,并经由光学镜头将胶片图像投射至无穷远处,从而供光学成像敏感器接收。设计完成的静态光学目标模拟器视场≥30°×30°,入瞳直径Φ5 mm,入瞳距离为41 mm,镜头焦距44.78 mm,图像像素分辨率≤1 024×1 024,各项指标均达到了光学成像敏感器装星后光闭路试验的要求。
手机虹膜识别镜头设计
黄峰, 邓玉澎
2020, 41(1): 37-42. doi: 10.5768/JAO202041.0101006
摘要:
随着近年来图像传感器的快速商用化以及生物识别算法的发展,虹膜识别功能得以应用于移动终端设备。获取虹膜图像是虹膜识别的关键一步,运用ZEMAX光学设计软件设计了一款适用于手机的虹膜识别镜头。该镜头采用豪威科技公司OmniVision_OV2281传感器,采用三片式非球面光学塑料设计,F数为2.3,全视场角为34°,在1/2奈奎斯特频率220 lp/mm处MTF值均大于0.39,且系统总长仅3 mm。根据ZEMAX像质评价方法以及公差分析结果可知,该镜头各项光学指标优良,具有像质好、体积小,质量轻、价格低、容易加工等特点。
基于离焦图像复原的光学设备实时视频对焦方法
武拥军, 武鹏, 方俊彬, 陈哲
2020, 41(1): 43-54. doi: 10.5768/JAO202041.0101007
摘要:
针对大口径光学设备使用过程中因传感器靶面离焦导致的图像模糊问题,从图像复原方法入手,推导光学设备的离焦点扩散函数和离焦传递函数,提出图像离焦程度判断方法,运用爬山法、逆滤波方法,寻找最佳离焦量值和方向,复原模糊图像为清晰图像,给出了大口径光学设备的实时视频对焦方法,并进行实验验证。结果表明该方法在外场光学设备的自动调焦中具有重要的推广应用价值。
光学窗口电磁屏蔽性能分析与验证
马礼举, 胡博, 张翔
2020, 41(1): 55-59. doi: 10.5768/JAO202041.0101008
摘要:
为分析不同基底材料光学窗口电磁屏蔽性能,以Kohin的等效薄膜模型为基础,考虑电磁波在材料2个界面中的多次反射和折射,得到电磁波界面反射系数,利用matlab编写程序计算相同网栅、不同厚度、不同材料的屏蔽效率曲线,分析了厚度和材料对光窗屏蔽效率的影响。为验证仿真数据的准确性,在ZnS基底上制作了周期为500 μm、线宽为15 μm,电阻≤20 Ω的测试样片,测试其在8 GHz~18 GHz频段的电磁屏蔽效能。通过对比可看出:测试与理论计算数据较符合,误差约为2 dB~4 dB,计算数据可以预估光学窗口电磁屏蔽性能,为后续的设计工作提供参考。
同质材料反射系统热特性研究
徐思华, 彭小强, 铁贵鹏, 陈善勇, 熊玉朋
2020, 41(1): 60-66. doi: 10.5768/JAO202041.0101009
摘要:
为从原理上阐述同质材料反射系统的温度特性,并为光学系统设计提供依据。以热变形特征及其计算方法为基础,以光学系统焦点为研究对象,依次介绍单反射镜、共轴多反、离轴反射系统的温度特性,并建立了相应热差模型。仿真结果表明,离轴三反系统后焦距随温度的变化情况与对应镜筒的热变形量完全一致,其在较大温差范围内具有良好的成像质量。由温度变化引起的热离焦可被镜筒补偿,验证了理论模型的正确性,得出在均匀温度场条件下同质材料反射系统无热差的结论。因此,当光学系统尤其是热差效应明显的红外系统采用同质材料反射系统时具有良好的温度适应性。
光电信息获取与处理
基于波长移相剪切干涉的准直波前重构技术
单小琴, 韩志刚, 朱日宏
2020, 41(1): 67-73. doi: 10.5768/JAO202041.0102001
摘要:
为了实现干涉仪出射准直波前的重构,提出了基于波长调谐移相的横向剪切干涉技术。干涉仪出射波前分别经楔板的前后表面反射,通过角锥棱镜返回后在干涉仪CCD上形成剪切干涉条纹。采用波长移相方法提取剪切干涉条纹的相位信息从而实现准直波前重构。分析相对剪切比对波面重构精度的影响,推导相对剪切比和其影响因素间的关系公式,给出波长移相中光程差常数分量的估算方法。测量干涉仪的三组出射波前,波前的峰谷值分别为3.22λ、2.10λ、0.83λ。该方法简化了传统测量干涉仪准直波前的横向剪切干涉装置,提高了测量精度,特别适合于测量波长移相干涉仪的出射波前。
不均匀光照和重影的仪表图像二值化方法
孙国栋, 徐昀, 徐亮, 张航, 柳晨康
2020, 41(1): 74-78. doi: 10.5768/JAO202041.0102002
摘要:
高压计量仪表识别过程中需要对图像进行二值化操作,然而拍摄的仪表图像多出现光照不均和数字重影现象,导致传统方法对仪表图像的二值化困难。为此,提出一种基于卷积神经网络的二值化方法,用于对复杂光照下含数字重影的仪表图像二值化。该网络使用的数据集为真实环境下的仪表图像,首先对输入的图像进行降维提取特征,然后反卷积重建图像前景,最后输出二值图。将设计的网络与传统的二值化方法进行对比,实验结果表明,经该网络训练得到的二值图数字清晰且无重影,且测得的交并比(IoU)平均值为95.12,与样本标签图像的相似度最高,能够有效解决复杂环境下有重影的仪表图像二值化问题。
基于Census变换和引导滤波的立体匹配算法
周喆, 沈建新, 韩鹏, 江俊佳
2020, 41(1): 79-85. doi: 10.5768/JAO202041.0102003
摘要:
在双目立体视觉系统中,立体匹配是关键步骤之一,其精度对后续的研究有着重大影响。Census算法由于具有简单明晰、运行效果好、实时性强等优点,被广泛采用。但Census立体匹配算法存在变换窗口中心点易受外界条件干扰、深度不连续区域匹配精度低等缺点,由此提出了一种新型的基于Census变换及引导滤波器的立体匹配算法。在Census变换阶段通过计算变换窗口周围的像素的平均值,降低了外界干扰的影响,同时在代价聚合阶段引入具有包边特性且计算量不依赖于滤波核大小的引导滤波器作为自适应权重。实验结果表明:所提算法在Middlebury测试平台上平均误匹配误差为6.03%,相较于目前Census立体匹配算法16.2%的平均误匹配率,匹配效果明显提高,且算法效率较高,具有较好的辐射不变性。
基于FPGA的图像畸变矫正算法研究
毛昕蓉, 刘铠铭, 汪乐意, 韩晓冰
2020, 41(1): 86-93. doi: 10.5768/JAO202041.0102004
摘要:
在机器视觉中需要对采集到的带有畸变的图像进行矫正。为了提高对畸变图像校正的实时性,针对使用FPGA实现图像畸变矫正算法时,存在的在线计算逆向映射坐标复杂和片上ROM容量不够问题,压缩了逆向映射表,并在FPGA上利用插值方法在线重建了逆向映射表。通过查找重建的逆向映射表来获取逆向映射坐标,从而降低了FPGA的在线计算量和片上ROM的容量需求。MATLAB仿真结果显示,当压缩参数n分别取4、8、16时都能够对畸变图像进行较好的矫正,并且图像信息不会丢失。仿真结果验证了算法的有效性,该算法可用于基于FPGA的图像畸变矫正。
基于对偶学习的图像去雾网络
丛晓峰, 章军, 胡强
2020, 41(1): 94-99. doi: 10.5768/JAO202041.0102005
摘要:
针对光学成像设备在雾天搜集到的图像存在的降质问题,提出了一种基于对偶学习的从源域到目标域转换的对偶去雾网络以实现图像去雾功能。网络首先采用对偶生成对抗网络直接学习有雾图像与无雾图像之间的双向映射关系,并将有雾到无雾图像的映射作为初步的去雾结果,随后采用预训练模型在特征空间计算去雾图像与真实无雾图像的特征向量,运用欧式距离作为损失函数最小化特征向量之间的距离,以保证去雾图像在特征层面与真实无雾图像接近。实验结果表明,对偶去雾网络得到的去雾结果具有较高的峰值信噪比和较低的色差值,并能够有效保留图像的结构信息。
结合Lab空间和单尺度Retinex的自适应图像去雾算法
马文君, 刘金虎, 王小鹏, 孙士伟
2020, 41(1): 100-106. doi: 10.5768/JAO202041.0102006
摘要:
针对暗通道先验算法在大片天空区域透射率估计过小及景深突变处出现Halo效应的问题,提出一种结合Lab空间和单尺度Retinex的图像去雾算法。将RGB图像转换至Lab空间提取出亮度分量,利用Canny算子对亮度分量提取边缘信息,丰富恢复图像细节;利用单尺度Retinex对非边缘区域进行高斯自适应滤波估计出优化后的亮度分量,获得“伪”去雾图像,得到粗略的透射率;利用交叉双边滤波优化透射率消除Halo效应;最后根据大气散射模型恢复出无雾图像。实验结果表明,该方法恢复出的图像细节明显,整体平滑,且对含大片天空区域的图像也有较好的恢复效果。
一种全局参数估计的水下主动偏振去雾算法
于洪志, 孙春生, 胡艺铭
2020, 41(1): 107-113, 194. doi: 10.5768/JAO202041.0102007
摘要:
为改善水下主动光照明条件下后向散射光对成像的影响,通过分析水下主动偏振成像模型,提出一种基于拟合函数的全局参数估计的水下主动偏振去雾算法。该算法结合图像增强作为图像预处理,再设定二元多项式函数,利用最小二乘法进行后向散射光偏振度变量的拟合求解,得到对比度更高、信息更丰富的水下复原图像。实验结果表明:该算法可有效改善主动光照明条件下的水下图像质量,提高图像对比度,复原被淹没的细节信息,复原图像的图像增强测量值较以往算法相比提升70%,且能适用于不同浓度介质的情况。
基于线性模型的自适应优化去雾算法
孙士伟, 刘金虎, 马文君, 王小鹏
2020, 41(1): 114-119. doi: 10.5768/JAO202041.0102008
摘要:
针对线性传输算法中透射率和大气光估计不足问题,提出一种基于线性模型的自适应优化去雾算法。利用边缘信息模型来增强初始透射率图的细节信息,使得复原后图像边缘区域细节更丰富;根据暗通道先验,得到自适应优化透射率,更好地处理包含景深区域图像;采用局部大气光估计方法代替四叉树方法,避免大气光估计不准确问题,并结合物理模型恢复图像。仿真实验在matlab2014中进行,实验结果表明,该算法具有较好的有效性和时效性。
一种基于GAN和自适应迁移学习的样本生成方法
周立君, 刘宇, 白璐, 茹志兵, 于帅
2020, 41(1): 120-126. doi: 10.5768/JAO202041.0102009
摘要:
研究了基于生成式对抗网络(GAN)和跨域自适应迁移学习的样本生成和自动标注方法。该方法利用自适应迁移学习网络,基于已有的少量可见光图像样本集,挖掘目标在红外和可见光图像中特征内在相关性,构建自适应的转换迁移学习网络模型,生成标注好的目标图像。提出的方法解决了红外图像样本数量少且标注费时的问题,为后续多频段协同目标检测和识别获得了足够的样本数据。实验结果表明:自动标注算法对实际采集的装甲目标图像和生成的装甲目标图像各1 000张进行自动标注测试,对实际装甲目标图像的标注准确率达到95%以上,对生成的装甲目标标注准确率达到83%以上;利用真实图像和生成图像的混合数据集训练的分类器的性能和使用纯真实图像时基本一致。
基于质心Voronoi图重构的UDSM边折叠简化
刘盛恩, 陈向宁, 王得成
2020, 41(1): 127-133. doi: 10.5768/JAO202041.0102010
摘要:
城市数字表面模型网格(UDSM)的相邻网格常常出现曲率剧变,而这些位置是UDSM的细节部分,简化过程中应当尽量保持。针对该情况,引入了质心Voronoi图重划分网格,将曲率较小的表面的点云密度大大降低。重划分的网格表面细节与周围的平滑表面的三角网格尺寸悬殊,在该基础上使用二次误差矩阵边折叠进行LOD构建时网格发生明显变化,范围大大减少。算法在时间性能与网格误差与直接边折叠相近的前提下,更多地保存简化后的网格细节。
光学计量与测试
可见光电视摄像机整机MTF测量装置及方法
康登魁, 杨鸿儒, 袁良, 姜昌录, 王雷, 陈洁婧, 王生云
2020, 41(1): 134-139. doi: 10.5768/JAO202041.0103001
摘要:
调制传递函数(MTF)是评价电视摄像机成像质量的重要参数。介绍了一种用于可见光电视摄像机整机MTF测量装置及方法。设计了三积分球目标发生器系统,通过电动衰减器实现了目标和背景亮度的独立可控,其出口不均匀性为4.1%。采用基于倾斜狭缝法的亚像元自动插值与匹配算法以及线扩散函数(LSF)的最小二乘拟合分析法,实现了倾斜角度的自动计算以及MTF的精确测量,测量装置的重复性为0.007。通过与国外先进仪器的比对实验,表明建立的电视摄像机整机性能测量装置可以有效解决电视摄像机整机成像质量性能评价问题。
星载微光遥感器外场辐射定标光源的研制和检测
甘涛, 袁银麟, 翟文超, 郑小兵, 孟凡刚, 吴浩宇
2020, 41(1): 140-144. doi: 10.5768/JAO202041.0103002
摘要:
LED外场辐射定标积分球光源基于辐射通量等效理论,用于星载微光遥感器的在轨辐射定标。该定标光源采用12组峰值波长670 nm的LED密集阵列发光单元,每组最大电功率300 W,辐亮度输出达到5.2×10−2 W·cm−2·sr−1,通过等效辐射通量面积校正后,能够适用于10−9 W·cm−2·sr−1量级的微光通道在轨定标。光源的参数检测结果表明:定标光源角度均匀性在±30°以内优于99.6%,平面均匀性优于99.7%,1 h内稳定性优于99.9%,具有优良的辐射特性。在敦煌中国遥感卫星辐射校正场对VIIRS微光通道进行了在轨实测试验,在轨响应结果为8.27×10−9 W·cm−2·sr−1(含月光贡献和大气影响),证明了该外场微光定标光源辐射量值设计的合理性。
某型机进近段高精度相对姿态实时测量技术
李宁宁, 冯一鸣, 陈海洋
2020, 41(1): 145-149. doi: 10.5768/JAO202041.0103003
摘要:
某型机在飞行训练过程中,进近段的二维相对姿态数据对于该型机安全着陆有着至关重要的作用。基于无线网络电台的双向数据传输系统能够实时获取进近段飞机相对理想着陆点的水平、垂直相对位置数据。通过上行链路上传着陆点的姿态数据,下行链路实时下传动动差分后的差分数据,最后在中心控制站进行二次数据处理。该技术获得的进近段二维相对姿态精度达到厘米级,满足飞行训练的需求。同时结合飞机显控数据以及视景图,以多角化动态关联的方式将实时获取的姿态数据等呈现给指挥员,更好地辅助指挥员进行着陆指挥工作。
基于改进SSD的车辆小目标检测方法
李小宁, 雷涛, 钟剑丹, 唐自力, 蒋平
2020, 41(1): 150-155. doi: 10.5768/JAO202041.0103004
摘要:
地面车辆目标检测问题中由于目标尺寸较小,目标外观信息较少,且易受背景干扰等的原因,较难精确检测到目标。围绕地面小尺寸目标精准检测的问题,从目标特征提取的角度提出了一种特征融合的子网络。该子网络引入了重要的局部细节信息,有效地提升了小目标检测效果。针对尺度、角度等的变换问题,设计了基于融合层的扩展层预测子网络,在扩展层的多个尺度空间内匹配目标,生成目标预测框对目标定位。在车辆小目标VEDAI(vehicle detection in aerial imagery)数据集上的实验表明,算法保留传统SSD(single-shot multibox detector)检测速度优势的同时,在精度方面有了明显提升,大幅提升了算法的实用性。
光学器件与制造
基于二维MEMS器件的微型投影技术
江伦, 宋志化, 安岩
2020, 41(1): 156-162. doi: 10.5768/JAO202041.0105001
摘要:
利用微机电器件的二维偏转特性,以激光二极管为光源,通过二者结合来实现激光扫描微机电器件的投影系统。和传统微型投影技术相比,基于微机电器件的微型投影显示系统具有尺寸小、能耗低、图像对比度高等优点。根据元器件特性,对激光光束进行准直、汇聚、匀化处理,并借助二维微机电器件的反射偏转特性设计了物镜后扫描系统,再对扫描方法、像素排列等进行优化分析。设计结果显示:系统像面尺寸为104 mm×59 mm,包含80%能量时单像素点几何半径在186 μm以内,系统分辨率可以达到558×314 pixel,刷新率为30 Hz。设计的投影系统可用在车载平视显示系统等小型投影系统中,也可为类似设计提供参考。
FFT动态相位重建算法的滤波窗影响分析
陈瑜, 潘永强, 刘丙才, 田爱玲
2020, 41(1): 163-169. doi: 10.5768/JAO202041.0105002
摘要:
为了优化相位重建算法,针对波面干涉图的傅里叶频谱,分析了不同滤波窗口的分布特征和频谱响应,通过计算机仿真和实验测试,确定了FFT动态相位重建算法的最佳滤波窗口类型。其中处理仿真干涉图重建的波面与原始波面的波面峰谷值残差为0.008 5λ,波面均方根值残差为0.000 1λ;处理实验干涉图获得的波面与移相干涉测量法获得的波面峰谷值残差为0.009 3λ,波面均方根值残差为0.000 5λ。结果表明:选取Hamming窗进行滤波处理并重建的相位经拟合后得到的波面较参考波面的面形残差最小,相位重建精度优于0.01λ,可进一步应用于大口径光学元件的测量中。
新型LED太阳模拟器光学系统设计及仿真
张新强, 张庆茂, 郭亮, 张志清, 许毅钦
2020, 41(1): 170-175. doi: 10.5768/JAO202041.0105003
摘要:
针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题,基于光电一体化二次光学设计,提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源,通过混光棒和微结构进行匀光,最后利用抛物面镜实现光线的准直输出,基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统进行模拟仿真与分析优化,实验结果表明:在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。
红外技术
基于双层金属光栅的中波红外多通道滤光片结构
刘永强, 金柯, 王慧娜, 杨崇民, 韩俊, 王颖辉, 张建付
2020, 41(1): 176-179. doi: 10.5768/JAO202041.0106001
摘要:
提出一种多通道平面窄带滤光片阵列结构,该结构由双层金属光栅及其两侧的分布式布拉格反射器(DBRs)组成。所设计的多通道滤光片中心波长范围超过200 nm,每一个通道的中心波长可以通过调节光栅狭缝宽度来调节,从而实现多通道窄带滤光阵列。该结果为中波红外多通道窄带滤光片的设计提供了一条新的路径。
基于改进DeepLabv3+的无人车夜间红外图像语义分割
刘致驿, 孙韶媛, 任正云, 刘训华, 卜德飞
2020, 41(1): 180-185. doi: 10.5768/JAO202041.0106002
摘要:
为了增强无人车对夜间场景的理解能力,针对无人车在夜间获取的红外图像,提出了一种基于改进DeepLabv3+网络的无人车夜间红外图像语义分割算法。由于自动驾驶场景中的对象往往显示出非常大的尺度变化,该算法在DeepLabv3+网络的基础上,通过引入密集连接的空洞卷积空间金字塔模块,使网络生成的多尺度特征能覆盖更大的尺度范围。此外,该算法将编码器模块的多层结果拼接在译码器模块中,以恢复更多在降采样过程中丢失的空间信息和低级特征。通过端到端的学习和训练,可直接用于对夜间红外图像的语义分割。实验结果表明,该算法在红外数据集上的分割精度优于原DeepLabv3+算法,平均交并比达到80.42,具有良好的实时性和准确性。
激光技术
基于FFP-TF2滤波器的可调谐激光器
谭超, 万生鹏, 宋早标, 刘恒, 肖登
2020, 41(1): 186-193. doi: 10.5768/JAO202041.0107001
摘要:
可调谐激光器在光纤传感和光纤通信中有着广泛的应用,引起了人们的广泛重视。设计并搭建了基于FFP-TF2滤波器的可调谐激光器系统。通过FPGA设计的基于DDS (direct digital frequency synthesis)函数信号发生器与模拟放大电路结合产生的驱动电压,调节FFP-TF2腔长的变化,进而改变激光器的输出波长。该系统可以实现对FFP-TF2单点电压和扫描电压的驱动,从而激光器可以输出单波长激光和多波长扫描激光,在激光器输出波长1 532 nm~1 568 nm范围内,可以调节单波长输出,也可以调节多波长扫描范围,且两种模式可以切换使用。实验结果表明,激光器输出3 dB线宽基本保持在0.01 nm左右,激光器输出中心波长与驱动电压线性拟合度为99.934%,灵敏度为3.915 nm/V,而FFP-TF2输出中心波长与驱动电压线性拟合度为99.986%,灵敏度为4.021 nm/V,激光器输出中心波长相对FFP-TF2的误差为2.6%,说明该激光器系统输出波长具有线宽窄、稳定性好、灵活性高等优点。
激光供能无人机的一种优化跟踪算法
袁建华, 黄开, 洪沪生, 陈庆, 李尚
2020, 41(1): 194-201. doi: 10.5768/JAO202041.0107002
摘要:
航天事业的发展以及新能源技术的开发,使得小型电动无人机在现代战争、科学研究等方面具有较高的应用价值。激光无线能量传输技术能有效解决小型电动无人机续航时间短的问题,极大提高了无人机的工作能效。以无人机激光供能系统结构原理为基础,针对小型电动无人机激光无线供能的特点,提出了一种最大功率点优化跟踪方法:即采用恒定电压法(CV法)和萤火虫算法(FA法)相结合的优化控制算法,在激光投射到无人机上的光伏电池板上后,通过对无人机激光无线充电过程中最大功率点的跟踪,提高激光利用率及充电稳定性。并且通过数值仿真,验证了所提算法的准确性和适用性。
高精度半导体激光打标机F-θ镜头设计
李圆圆, 王春艳, 王志强
2020, 41(1): 202-208. doi: 10.5768/JAO202041.0107003
摘要:
为保证半导体激光打标机F-θ镜头的扫描质量,实现系统像高与扫描角的线性变化,需对F-θ镜头给予一定的畸变量,并使其满足等晕条件。分析F-θ镜头工作原理及像差要求,根据1 064 nm半导体激光打标机的光源成像要求选择合适的玻璃材料,合理分配每片透镜的光焦度,以保证等晕成像;根据F-θ镜头线性成像要求,计算系统总畸变量为1.6%,系统总畸变量为系统的实际桶形畸变与相对畸变量之和;在光学系统优化设计时,引入这两项优化参数,优化过程中观察系统成像变化情况。设计结果表明:系统MTF曲线接近衍射极限,F-θ镜头相对畸变小于0.36%,各视场均方根半径均小于艾里斑直径,并且整个系统70%的能量集中在直径为16 μm的圆内,系统总畸变量为1.58%,满足设计指标要求。
激光雷达辅助驾驶道路参数计算方法研究
游安清, 潘旭东, 赵平, 潘文武
2020, 41(1): 209-213. doi: 10.5768/JAO202041.0107004
摘要:
针对特定场景辅助驾驶的需求,构建道路场景车载激光雷达三维扫描系统,并设计基于三维激光点云的道路参数提取与计算方法,包括路面宽度、横杆或桥梁或隧道限高、拐弯半径等等,为辅助判断道路的可通过性提供决策依据。测试和对比实验表明,所设计算法效果稳定、精度良好,在效率和自动化程度上有一定优势,可为辅助驾驶提供非常有益的决策参数。
激光超声检测带过渡圆角平板表面缺陷的数值研究
徐志祥, 王铮恭, 黄义敏, 王雨
2020, 41(1): 214-219. doi: 10.5768/JAO202041.0107005
摘要:
为了研究激光激发出的超声波在带过渡圆角的金属平板上的传播规律和检测表面缺陷的方法,采用有限元法模拟了该类平板中的激光超声现象,分析了表面波在圆角区域的传播规律和与表面缺陷的作用过程。数值结果表明:激光激发出纵波、横波和Rayleigh波等,其中Rayleigh波主要存在于表面mm量级,并且在过渡圆角处发生模式转换生成了直达波R′和模式转换波RR等多种表面波;经过过渡区域后的声波在表面缺陷处发生了反射和透射现象,通过B扫图可以检测缺陷的位置。随着缺陷深度的增加,表面波的透射系数不断减小,且透射波RtRst存在0.5 μs左右的到达时间差,该时间差与缺陷深度近似成线性正相关。数值结果为激光超声检测带过渡圆角的平板表面缺陷提供了有价值的参考。
光纤传感与光通信
高精度光纤陀螺零位误差的磁温特性研究
周闻青, 费宇明, 洪桂杰, 应光耀, 叶欣
2020, 41(1): 220-227. doi: 10.5768/JAO202041.0108001
摘要:
介绍了高精度光纤陀螺零位误差的形成原理,并就温度和磁场对高精度光纤陀螺零位误差的影响进行了详细的理论分析。仿真结果表明:由于温度引起的零偏峰值漂移为0.06°/h。最后,对交变温度场和径向静磁场交联作用下的情况建立了理论模型并进行了实验研究,实验结果表明:在径向磁场和不同温度作用下,光纤陀螺由于交联耦合效应产生的径向磁场灵敏度变化,即交联耦合度<1%,这和理论模型具有较高的一致性。
基于分布式光纤的埋地自来水管多点泄漏定位方法分析
张智望, 王强, 谷小红, 赵亚, 吴琳琳, 朱凯
2020, 41(1): 228-234. doi: 10.5768/JAO202041.0108002
摘要:
基于拉曼散射测温原理,利用分布式光纤对UPVC(硬脂聚氯乙烯)和铸铁自来水管道进行模拟泄漏点定位实验。首先对采集到的原始Anti-Stokes光信号进行滤波平滑处理,再利用相关系数法对温度检测信号进行分类分析,识别自来水管有无泄漏发生,最后通过选择性阈值法识别出UVPC管以及铸铁管中的泄漏点位置。实验结果表明,该系统运行稳定且能够准确识别自来水管泄漏情况。选择性平均阈值法的使用,能够对200 m的埋地自来水管道准确地进行泄漏点的定位,定位误差为0.25 m~0.65 m。