当期目录
2023年 第44卷 第5期
2023,
44(5):
927-942. doi: 10.5768/JAO202344.0509001
摘要:
光斑检测技术在现代科学研究与应用中扮演着重要角色，四象限探测器由于其具有探测灵敏度高、信号处理简单和抗干扰能力强等优点，在光斑检测技术中得到了广泛的应用，是捕获、跟踪和瞄准系统中的关键器件。首先介绍了光斑检测中常用的光斑模型和四象限探测器检测光斑原理，然后分析了国内外在四象限探测器检测光斑方面的研究成果，以及影响四象限探测器检测光斑精度的因素和常用的光斑检测算法，同时介绍了四象限探测器的光斑检测系统,包括光束对准检测系统、四象限探测器跟踪通信复合系统和微纳激光通信系统。最后，展望了光斑检测技术的发展前景。
光斑检测技术在现代科学研究与应用中扮演着重要角色，四象限探测器由于其具有探测灵敏度高、信号处理简单和抗干扰能力强等优点，在光斑检测技术中得到了广泛的应用，是捕获、跟踪和瞄准系统中的关键器件。首先介绍了光斑检测中常用的光斑模型和四象限探测器检测光斑原理，然后分析了国内外在四象限探测器检测光斑方面的研究成果，以及影响四象限探测器检测光斑精度的因素和常用的光斑检测算法，同时介绍了四象限探测器的光斑检测系统,包括光束对准检测系统、四象限探测器跟踪通信复合系统和微纳激光通信系统。最后，展望了光斑检测技术的发展前景。
2023,
44(5):
943-951. doi: 10.5768/JAO202344.0501001
摘要:
自适应光学校正系统的主要功能是校正入射光的波前失真和补偿波前畸变，为了测量自适应光学系统的波前误差，采用非球面技术研制了一种工作波长为1 030 nm的波前检测装置。装置能够探测通光口径为200 mm×80 mm的大尺寸近红外矩形光束的波前，系统的中心视场PV值为0.123 λ，RMS值为0.036 1 λ，成像质量良好。在光学设计的基础上完成了结构设计，并在实验室环境下对该装置进行了组装和测试。测试结果表明，装置的光学参数和机械参数均满足设计的指标要求，可以完成自适应光学系统的波前检测任务。
自适应光学校正系统的主要功能是校正入射光的波前失真和补偿波前畸变，为了测量自适应光学系统的波前误差，采用非球面技术研制了一种工作波长为1 030 nm的波前检测装置。装置能够探测通光口径为200 mm×80 mm的大尺寸近红外矩形光束的波前，系统的中心视场PV值为0.123 λ，RMS值为0.036 1 λ，成像质量良好。在光学设计的基础上完成了结构设计，并在实验室环境下对该装置进行了组装和测试。测试结果表明，装置的光学参数和机械参数均满足设计的指标要求，可以完成自适应光学系统的波前检测任务。
2023,
44(5):
952-958. doi: 10.5768/JAO202344.0501002
摘要:
离轴反射系统具有不产生色差、无中心遮拦、结构紧凑等特点，但受其非对称结构影响，其视场常常为线视场。基于Zemax设计了一种大对称视场的离轴三反系统，视场为13°×13°，相对孔径为1/5，焦距为800 mm，波长为400 mm~1 000 mm，主镜和三镜为自由曲面，次镜为二次曲面。设计结果表明:对称视场离轴三反系统的点列图直径均方根小于5 μm，80%能量在一个像元内，光学传递函数接近衍射极限，各项指标满足应用要求。
离轴反射系统具有不产生色差、无中心遮拦、结构紧凑等特点，但受其非对称结构影响，其视场常常为线视场。基于Zemax设计了一种大对称视场的离轴三反系统，视场为13°×13°，相对孔径为1/5，焦距为800 mm，波长为400 mm~1 000 mm，主镜和三镜为自由曲面，次镜为二次曲面。设计结果表明:对称视场离轴三反系统的点列图直径均方根小于5 μm，80%能量在一个像元内，光学传递函数接近衍射极限，各项指标满足应用要求。
2023,
44(5):
959-966. doi: 10.5768/JAO202344.0501003
摘要:
在玻塑混合定焦安防镜头中塑胶镜片、玻璃镜片、镜框的材料性质差异较大，复杂温度环境下，镜头机械结构热变形与光学消热设计会共同影响像质。为保证镜头复杂温度环境下成像稳定，根据安防镜头−40 ℃~80 ℃的测试温度，对镜头进行光机热一体化分析。在Ansys workbench中建立镜头热结构有限元模型，计算镜头的热弹性变形;使用Zernike多项式拟合镜面的面型变化，将拟合结果导入Zemax中，判断温度载荷对像质的影响。光机热一体化分析结果表明：在极限测试温度载荷下，镜头底座的材料为聚碳酸酯混合20%玻璃纤维时，有效补偿了Zemax中模拟光学系统本身的热离焦量；镜框材料为聚碳酸酯混合30%玻璃纤维时，塑胶镜片所受挤压应变最大为2.36×10−3 mm；镜框材料为聚碳酸酯混合20%玻璃纤维时，塑胶镜片所受挤压应变最大为0.53×10−3 mm，第二种镜框材料可以使镜头像质保持稳定。最后通过对镜头高低温法兰焦距测量试验，验证了镜头的温度适应能力和光机热一体化分析的准确性。
在玻塑混合定焦安防镜头中塑胶镜片、玻璃镜片、镜框的材料性质差异较大，复杂温度环境下，镜头机械结构热变形与光学消热设计会共同影响像质。为保证镜头复杂温度环境下成像稳定，根据安防镜头−40 ℃~80 ℃的测试温度，对镜头进行光机热一体化分析。在Ansys workbench中建立镜头热结构有限元模型，计算镜头的热弹性变形;使用Zernike多项式拟合镜面的面型变化，将拟合结果导入Zemax中，判断温度载荷对像质的影响。光机热一体化分析结果表明：在极限测试温度载荷下，镜头底座的材料为聚碳酸酯混合20%玻璃纤维时，有效补偿了Zemax中模拟光学系统本身的热离焦量；镜框材料为聚碳酸酯混合30%玻璃纤维时，塑胶镜片所受挤压应变最大为2.36×10−3 mm；镜框材料为聚碳酸酯混合20%玻璃纤维时，塑胶镜片所受挤压应变最大为0.53×10−3 mm，第二种镜框材料可以使镜头像质保持稳定。最后通过对镜头高低温法兰焦距测量试验，验证了镜头的温度适应能力和光机热一体化分析的准确性。
2023,
44(5):
967-974. doi: 10.5768/JAO202344.0501004
摘要:
NaI(TI)探测器是典型的闪烁体辐射探测器，其探测过程涉及辐射能量沉积、可见光信号产生与输运、光电转换与信号处理等物理过程。首先利用蒙特卡罗方法、Birks公式及射线追迹程序，开展了射线粒子在晶体中转为可见光输出过程的计算分析，并结合光电倍增管和信号处理电路的指标参数进行模拟仿真，得出探测器最终输出的脉冲电压信号参数；然后，在137Cs源辐射场中采用Φ50 mm×50 mm NaI(TI)晶体耦合光电倍增管开展实验验证，实验测得探测器输出脉冲信号的上升/下降时间比为0.39，与模拟计算数值0.36相比，相差约7.69%，表明模拟计算模型的输出结果与实测数据基本符合，初步证明了论文的模拟计算模型及计算分析过程的正确性。论文提出的方法，对于深入理解辐射粒子激发的荧光可见光在晶体闪烁体中的传输规律和闪烁体辐射探测器系统的优化设计，具有一定参考意义。
NaI(TI)探测器是典型的闪烁体辐射探测器，其探测过程涉及辐射能量沉积、可见光信号产生与输运、光电转换与信号处理等物理过程。首先利用蒙特卡罗方法、Birks公式及射线追迹程序，开展了射线粒子在晶体中转为可见光输出过程的计算分析，并结合光电倍增管和信号处理电路的指标参数进行模拟仿真，得出探测器最终输出的脉冲电压信号参数；然后，在137Cs源辐射场中采用Φ50 mm×50 mm NaI(TI)晶体耦合光电倍增管开展实验验证，实验测得探测器输出脉冲信号的上升/下降时间比为0.39，与模拟计算数值0.36相比，相差约7.69%，表明模拟计算模型的输出结果与实测数据基本符合，初步证明了论文的模拟计算模型及计算分析过程的正确性。论文提出的方法，对于深入理解辐射粒子激发的荧光可见光在晶体闪烁体中的传输规律和闪烁体辐射探测器系统的优化设计，具有一定参考意义。
2023,
44(5):
975-981. doi: 10.5768/JAO202344.0501005
摘要:
为了减小激光通信终端体积与能耗，同时保证通光孔径和放大倍率，该文根据折反式望远镜的高斯光学及赛德尔像差理论设计了一款改进的Dall-Kirkham接收望远镜。该镜头由2片反射镜、5片透镜组成，接收信号光波长为974 nm和1550 nm，通光口径为60 mm，相对孔径为1/3.38，出瞳距为50 mm，视场角为6 mrad，总长为111.04 mm，工作温度为20 ℃±10 ℃。优化后镜头在0.5 mrad视场内波像差优于（1/40） λ，6 mrad视场内波像差优于（1/20） λ，能量集中。为了实现无热化设计，文中给出了结构材料的选取与设计方式，并分析了±10 ℃温差下光学系统的波像差变化，分析结果表明：镜头成像质量良好，满足应用需求。
为了减小激光通信终端体积与能耗，同时保证通光孔径和放大倍率，该文根据折反式望远镜的高斯光学及赛德尔像差理论设计了一款改进的Dall-Kirkham接收望远镜。该镜头由2片反射镜、5片透镜组成，接收信号光波长为974 nm和1550 nm，通光口径为60 mm，相对孔径为1/3.38，出瞳距为50 mm，视场角为6 mrad，总长为111.04 mm，工作温度为20 ℃±10 ℃。优化后镜头在0.5 mrad视场内波像差优于（1/40） λ，6 mrad视场内波像差优于（1/20） λ，能量集中。为了实现无热化设计，文中给出了结构材料的选取与设计方式，并分析了±10 ℃温差下光学系统的波像差变化，分析结果表明：镜头成像质量良好，满足应用需求。
2023,
44(5):
982-991. doi: 10.5768/JAO202344.0501006
摘要:
由于空间光环境的复杂性，抑制杂散光对保证空间相机成像性能尤其重要，该文针对宽光谱波段成像的空间探测相机光学系统进行杂散光分析和抑制优化设计。通过SOLIDWORKS和TracePro的无损式数据交互建立光机模型，并从光机材料的表面特性、机械结构、镜片透过率等多角度优化杂散光模型，再利用朗伯体光源分别对正反向进行光线追迹，然后结合光机模型的半剖图对系统关键表面进行重点取样分析。分析结果表明：优化后的光机系统在离轴角10.3°~15.4°内，点源透过率值与优化前的系统相比下降了66%~99.4%，在离轴角大于14.2°时点源透过率值接近10−4量级，在离轴角18.4°处杂散光的点源透过率约为10−4量级。最后通过鬼像实验，进一步证明了优化后的光机系统设计方法具有良好的杂散光抑制效果。
由于空间光环境的复杂性，抑制杂散光对保证空间相机成像性能尤其重要，该文针对宽光谱波段成像的空间探测相机光学系统进行杂散光分析和抑制优化设计。通过SOLIDWORKS和TracePro的无损式数据交互建立光机模型，并从光机材料的表面特性、机械结构、镜片透过率等多角度优化杂散光模型，再利用朗伯体光源分别对正反向进行光线追迹，然后结合光机模型的半剖图对系统关键表面进行重点取样分析。分析结果表明：优化后的光机系统在离轴角10.3°~15.4°内，点源透过率值与优化前的系统相比下降了66%~99.4%，在离轴角大于14.2°时点源透过率值接近10−4量级，在离轴角18.4°处杂散光的点源透过率约为10−4量级。最后通过鬼像实验，进一步证明了优化后的光机系统设计方法具有良好的杂散光抑制效果。
2023,
44(5):
992-997. doi: 10.5768/JAO202344.0501007
摘要:
白光共聚焦位移传感器在机车轮轴划痕深度测量中有很好的适用性，色散物镜是决定传感器检测范围与分辨率的关键器件。根据检测需求，结合白光共聚焦原理和线性色散条件选择合适的初始结构，利用Zemax光学设计软件对初始结构进行优化与分析，设计了一款高线性度短共轭距色散镜头，测量范围为1 mm，工作光谱范围为400 nm~700 nm，镜头球差小于1.7 μm，系统轴向位移分辨率为0.615 μm，色散线性判定系数R2为0.997 5，共轭距为104 mm，使镜头小型化的同时具有高分辨率和高线性度的优点。
白光共聚焦位移传感器在机车轮轴划痕深度测量中有很好的适用性，色散物镜是决定传感器检测范围与分辨率的关键器件。根据检测需求，结合白光共聚焦原理和线性色散条件选择合适的初始结构，利用Zemax光学设计软件对初始结构进行优化与分析，设计了一款高线性度短共轭距色散镜头，测量范围为1 mm，工作光谱范围为400 nm~700 nm，镜头球差小于1.7 μm，系统轴向位移分辨率为0.615 μm，色散线性判定系数R2为0.997 5，共轭距为104 mm，使镜头小型化的同时具有高分辨率和高线性度的优点。
2023,
44(5):
998-1009. doi: 10.5768/JAO202344.0501008
摘要:
主、次镜支撑技术是共光路光学系统的关键技术之一。针对在±60℃温度变化范围内工作的机载共光路光学系统，根据热膨胀系数匹配原则分别选择殷钢和ULE、钛合金和K9配对作为主、次镜及支撑结构的材料，并设计了高刚度无热化柔性支撑结构。最后，利用自研的光机联合仿真程序对主、次镜面型及整个光学系统的成像质量进行了光机一体化分析。分析结果表明：殷钢和ULE配对时，在±60 ℃均匀温差和10 ℃轴向、径向温度梯度下，主、次镜去除离焦后面型优于（1/100）λ，整个光学系统点列图RMS半径小于艾里斑半径，相面中心波前优于（1/50）λ，MTF@63 lp/mm优于0.45，无热化柔性支撑的一阶固有频率高达263 Hz；钛合金和K9配对时，60 ℃均匀温差下系统成像指标满足使用要求，10 ℃轴向、径向温度下成像质量无法满足使用要求。对装调完的殷钢和ULE配对光机系统进行了低温下分辨率测试，分辨率无明显变化，说明设计及分析可行。
主、次镜支撑技术是共光路光学系统的关键技术之一。针对在±60℃温度变化范围内工作的机载共光路光学系统，根据热膨胀系数匹配原则分别选择殷钢和ULE、钛合金和K9配对作为主、次镜及支撑结构的材料，并设计了高刚度无热化柔性支撑结构。最后，利用自研的光机联合仿真程序对主、次镜面型及整个光学系统的成像质量进行了光机一体化分析。分析结果表明：殷钢和ULE配对时，在±60 ℃均匀温差和10 ℃轴向、径向温度梯度下，主、次镜去除离焦后面型优于（1/100）λ，整个光学系统点列图RMS半径小于艾里斑半径，相面中心波前优于（1/50）λ，MTF@63 lp/mm优于0.45，无热化柔性支撑的一阶固有频率高达263 Hz；钛合金和K9配对时，60 ℃均匀温差下系统成像指标满足使用要求，10 ℃轴向、径向温度下成像质量无法满足使用要求。对装调完的殷钢和ULE配对光机系统进行了低温下分辨率测试，分辨率无明显变化，说明设计及分析可行。
2023,
44(5):
1010-1021. doi: 10.5768/JAO202344.0502001
摘要:
旋转目标检测是遥感图像处理领域中的重要任务，其存在的目标尺度变化大和目标方向任意等问题给自动目标检测带来了挑战。针对上述问题，提出了一种改进的RoI Transformer旋转目标检测框架：首先，利用RoI Transformer检测框架获取旋转的感兴趣区域特征(rotated region of interest, RRoI)用于鲁棒的几何特征提取；其次，在检测器中引入高分辨率网络(high-resolution network, HRNet)提取多分辨率特征图，在保持高分辨率特征同时适应目标的多尺度变化；最后，引入KLD(Kullback-Leibler divergence)损失，解决旋转目标表示的角度周期性的问题，提高检测方法对任意方向目标的适应性，并通过旋转目标边界框参数的联合优化提升目标定位精度。本文提出的旋转目标检测方法，即HRD-ROI Transformer (HRNet + KLD ROI Transformer)，在DOTAv1.0和DIOR-R两个公开数据集上与典型的旋转目标检测方法进行了比较。结果显示：相比于传统的RoI Transformer检测框架，本文方法在DOTAv1.0和DIOR-R数据集上检测结果的mAP(mean-average-precision)分别提高了3.7%和4%。
旋转目标检测是遥感图像处理领域中的重要任务，其存在的目标尺度变化大和目标方向任意等问题给自动目标检测带来了挑战。针对上述问题，提出了一种改进的RoI Transformer旋转目标检测框架：首先，利用RoI Transformer检测框架获取旋转的感兴趣区域特征(rotated region of interest, RRoI)用于鲁棒的几何特征提取；其次，在检测器中引入高分辨率网络(high-resolution network, HRNet)提取多分辨率特征图，在保持高分辨率特征同时适应目标的多尺度变化；最后，引入KLD(Kullback-Leibler divergence)损失，解决旋转目标表示的角度周期性的问题，提高检测方法对任意方向目标的适应性，并通过旋转目标边界框参数的联合优化提升目标定位精度。本文提出的旋转目标检测方法，即HRD-ROI Transformer (HRNet + KLD ROI Transformer)，在DOTAv1.0和DIOR-R两个公开数据集上与典型的旋转目标检测方法进行了比较。结果显示：相比于传统的RoI Transformer检测框架，本文方法在DOTAv1.0和DIOR-R数据集上检测结果的mAP(mean-average-precision)分别提高了3.7%和4%。
2023,
44(5):
1022-1029. doi: 10.5768/JAO202344.0502002
摘要:
表征和测量单晶硅位错密度是检测晶体生长品质和研究位错形成机制的重要参量。基于位错腐蚀坑形貌差异大、背景复杂等非典型性特征，以及传统人工光学显微检测准确度不高、效率低下等问题，提出一种改进的YOLOv5算法检测单晶硅位错腐蚀坑密度分布。在原始的YOLOv5算法基础上引入注意力机制，优化网络结构，加强模型推算能力；进一步通过强化特征融合，提升网络检测精度；优化损失函数增强定位准确率，提升训练速度。实验结果表明：改进后的算法，对两种不同腐蚀液的单晶硅位错腐蚀坑检测精度分别达到93.52%和98.82%，检测平均精确率均值(mAP)能够达到96.17%，帧率(FPS)能够达到47 帧/s，满足实时检测的需求。
表征和测量单晶硅位错密度是检测晶体生长品质和研究位错形成机制的重要参量。基于位错腐蚀坑形貌差异大、背景复杂等非典型性特征，以及传统人工光学显微检测准确度不高、效率低下等问题，提出一种改进的YOLOv5算法检测单晶硅位错腐蚀坑密度分布。在原始的YOLOv5算法基础上引入注意力机制，优化网络结构，加强模型推算能力；进一步通过强化特征融合，提升网络检测精度；优化损失函数增强定位准确率，提升训练速度。实验结果表明：改进后的算法，对两种不同腐蚀液的单晶硅位错腐蚀坑检测精度分别达到93.52%和98.82%，检测平均精确率均值(mAP)能够达到96.17%，帧率(FPS)能够达到47 帧/s，满足实时检测的需求。
2023,
44(5):
1030-1036. doi: 10.5768/JAO202344.0502003
摘要:
烧结火焰图像中具有细粒度的局部火焰状态特征信息和复杂多变的全局火焰状态特征信息，而传统的卷积神经网络往往对局部特征更加敏感，难以提取火焰状态的全局特征信息，从而制约烧结火焰特征的表达能力，导致烧结火焰状态分类识别精度低。针对此类问题，提出一种基于CNN-Transformer的双流网络特征融合分类方法，该方法包含CNN（convolutional neural networks）流和Transformer流两个模块，首先将CNN块和Transformer块并行设计，CNN流提取烧结火焰RGB图像中的局部特征信息，Transformer流提取烧结火焰GRAY图像的全局特征信息；然后，将双流网络分别提取的烧结火焰状态局部特征信息和全局特征信息进行级联交互特征融合；最后，利用softmax分类器实现烧结火焰状态的分类。实验结果表明，火焰分类准确率可达96.20%，与传统卷积神经网络相比提升6%~8%的识别准确率。
烧结火焰图像中具有细粒度的局部火焰状态特征信息和复杂多变的全局火焰状态特征信息，而传统的卷积神经网络往往对局部特征更加敏感，难以提取火焰状态的全局特征信息，从而制约烧结火焰特征的表达能力，导致烧结火焰状态分类识别精度低。针对此类问题，提出一种基于CNN-Transformer的双流网络特征融合分类方法，该方法包含CNN（convolutional neural networks）流和Transformer流两个模块，首先将CNN块和Transformer块并行设计，CNN流提取烧结火焰RGB图像中的局部特征信息，Transformer流提取烧结火焰GRAY图像的全局特征信息；然后，将双流网络分别提取的烧结火焰状态局部特征信息和全局特征信息进行级联交互特征融合；最后，利用softmax分类器实现烧结火焰状态的分类。实验结果表明，火焰分类准确率可达96.20%，与传统卷积神经网络相比提升6%~8%的识别准确率。
2023,
44(5):
1037-1044. doi: 10.5768/JAO202344.0502004
摘要:
为了实现夜间低照度图像的增强，提高目标检测模型在夜间低照度条件下的检测精度并减小模型的计算成本，提出了一种基于知识蒸馏和数据增强的夜间低照度图像增强以及目标检测多任务模型，基于高质量图像模型进行知识蒸馏，利用高质量图像的特征信息指导模型训练，从而使模型在夜间低照度图像中提取到与高质量图像类似的特征信息。利用这些特征信息可以实现图像的对比度增强、去噪以及目标检测。实验结果表明，提出的蒸馏方法可以提升16.58%的夜间低照度目标检测精度，且用该方法增强的图像可以达到主流的基于深度学习的图像增强的效果。
为了实现夜间低照度图像的增强，提高目标检测模型在夜间低照度条件下的检测精度并减小模型的计算成本，提出了一种基于知识蒸馏和数据增强的夜间低照度图像增强以及目标检测多任务模型，基于高质量图像模型进行知识蒸馏，利用高质量图像的特征信息指导模型训练，从而使模型在夜间低照度图像中提取到与高质量图像类似的特征信息。利用这些特征信息可以实现图像的对比度增强、去噪以及目标检测。实验结果表明，提出的蒸馏方法可以提升16.58%的夜间低照度目标检测精度，且用该方法增强的图像可以达到主流的基于深度学习的图像增强的效果。
2023,
44(5):
1045-1053. doi: 10.5768/JAO202344.0502005
摘要:
针对传统ViBe算法在复杂背景下检测运动目标时会出现鬼影、阴影、误检等问题，提出了一种改进的ViBe运动目标检测算法，称为GS-ViBe算法。在GS-ViBe背景模型初始化阶段，利用最大后验估计法确定每个像素点的最佳高斯分布数目，使其形成多帧融合背景来代替ViBe的单帧背景初始化方法，从而消除鬼影；在GS-ViBe前景检测阶段，增加多特征融合阴影检测过程，并将其检测结果和ViBe前景目标融合，得到消除阴影后的前景目标；最后，在GS-ViBe背景模型更新阶段，引入动态更新因子代替固定更新因子，使得背景可以自适应更新，从而降低目标的误检率。在多种复杂背景下与传统ViBe算法对比发现，GS-ViBe算法召回率提高了37.74%，准确率平均提高了19.83%，误检率平均降低了52.57%，表明GS-ViBe算法可以有效消除鬼影、阴影、误检的干扰，获取到完整的前景目标。
针对传统ViBe算法在复杂背景下检测运动目标时会出现鬼影、阴影、误检等问题，提出了一种改进的ViBe运动目标检测算法，称为GS-ViBe算法。在GS-ViBe背景模型初始化阶段，利用最大后验估计法确定每个像素点的最佳高斯分布数目，使其形成多帧融合背景来代替ViBe的单帧背景初始化方法，从而消除鬼影；在GS-ViBe前景检测阶段，增加多特征融合阴影检测过程，并将其检测结果和ViBe前景目标融合，得到消除阴影后的前景目标；最后，在GS-ViBe背景模型更新阶段，引入动态更新因子代替固定更新因子，使得背景可以自适应更新，从而降低目标的误检率。在多种复杂背景下与传统ViBe算法对比发现，GS-ViBe算法召回率提高了37.74%，准确率平均提高了19.83%，误检率平均降低了52.57%，表明GS-ViBe算法可以有效消除鬼影、阴影、误检的干扰，获取到完整的前景目标。
2023,
44(5):
1054-1060. doi: 10.5768/JAO202344.0502006
摘要:
红外舰船目标检测与识别技术是反舰导弹红外成像制导的关键，对于武器装备制导性能具有重大意义。针对在复杂环境下红外舰船目标检测的精度和速度问题，提出了改进YOLOX-S的红外舰船目标检测算法。首先引入深度可分离卷积(depthwise separable convolution)代替FPN(feature pyramid network)及YOLOHead残差结构中的传统卷积，降低模型的参数量；其次引入ECANet通道注意力机制，提高网络的注意力，降低舰船目标的虚检率和漏检率；最后使用CIoU损失函数，进一步提高网络的检测准确率。实验表明，改进后算法的检测平均精度(AP)达到98%，检测速度为56帧/s，对比改进前YOLOX-S算法，检测速度与平均精度分别提升6帧/s和3%，且模型更加轻量化。实验结果充分证明本文提出的算法能够有效完成红外舰船目标检测任务。
红外舰船目标检测与识别技术是反舰导弹红外成像制导的关键，对于武器装备制导性能具有重大意义。针对在复杂环境下红外舰船目标检测的精度和速度问题，提出了改进YOLOX-S的红外舰船目标检测算法。首先引入深度可分离卷积(depthwise separable convolution)代替FPN(feature pyramid network)及YOLOHead残差结构中的传统卷积，降低模型的参数量；其次引入ECANet通道注意力机制，提高网络的注意力，降低舰船目标的虚检率和漏检率；最后使用CIoU损失函数，进一步提高网络的检测准确率。实验表明，改进后算法的检测平均精度(AP)达到98%，检测速度为56帧/s，对比改进前YOLOX-S算法，检测速度与平均精度分别提升6帧/s和3%，且模型更加轻量化。实验结果充分证明本文提出的算法能够有效完成红外舰船目标检测任务。
2023,
44(5):
1061-1067. doi: 10.5768/JAO202344.0503001
摘要:
提出了一种基于傅里叶变换频谱分析技术的数字化、高精度、便携式液体折射率实时干涉测量系统。该系统以劈尖形液体容器构成的等厚干涉测量光路为基础，搭建了以CCD（charge coupled device）相机记录的共路干涉测量系统。以树莓派硬件系统为平台，Python语言为编程基础，通过傅里叶变换频谱分析和三次样条插值实现记录窗口内干涉条纹数的精确提取。设计了图形操作界面，实现了测量过程的动态可视，测量过程只需提前标定未注入液体时的初始干涉条纹数，无需额外预设参数即可实现流动液体折射率的实时测量。实验中分别测定了3种液体的折射率，并验证了测量系统的时间稳定性。结果表明，当初始干涉条纹数大于180条时，测量系统有较好的时间稳定性，且测量的相对误差均在0.754%以内。
提出了一种基于傅里叶变换频谱分析技术的数字化、高精度、便携式液体折射率实时干涉测量系统。该系统以劈尖形液体容器构成的等厚干涉测量光路为基础，搭建了以CCD（charge coupled device）相机记录的共路干涉测量系统。以树莓派硬件系统为平台，Python语言为编程基础，通过傅里叶变换频谱分析和三次样条插值实现记录窗口内干涉条纹数的精确提取。设计了图形操作界面，实现了测量过程的动态可视，测量过程只需提前标定未注入液体时的初始干涉条纹数，无需额外预设参数即可实现流动液体折射率的实时测量。实验中分别测定了3种液体的折射率，并验证了测量系统的时间稳定性。结果表明，当初始干涉条纹数大于180条时，测量系统有较好的时间稳定性，且测量的相对误差均在0.754%以内。
2023,
44(5):
1068-1072. doi: 10.5768/JAO202344.0503002
摘要:
光谱范围和信噪比是评价太赫兹时域光谱仪性能的重要参数。为了解决太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比的校准问题，介绍了太赫兹时域光谱仪的构成及原理，比较了目前常用的光谱范围和时域信噪比校准方法的优缺点，并优选其中一种方法，设计了太赫兹时域频域信噪比参数校准方法。以空测时频域信号幅值最大值的1/M对应的频率范围作为光谱范围，研究了M取值对光谱范围的影响。M值越大，则光谱范围越宽。当M值≥50时，光谱范围变化不大。对空测时域信号的信号和噪声进行定义，并计算出时域信噪比。以空测时的频域功率谱作为信号，以金属板遮挡光路时的频域功率谱作为噪声，从而计算出频域信噪比。进行了光谱范围和信噪比校准实验，采用对照法研究了湿度变化对太赫兹时域光谱仪测量范围和信噪比参数的影响。当相对湿度≤50%时，对光谱范围和时域信噪比影响不大；当相对湿度＞50%时，因为空气中水蒸气对于太赫兹的吸收急剧增加，光谱范围和信噪比急剧缩小。
光谱范围和信噪比是评价太赫兹时域光谱仪性能的重要参数。为了解决太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比的校准问题，介绍了太赫兹时域光谱仪的构成及原理，比较了目前常用的光谱范围和时域信噪比校准方法的优缺点，并优选其中一种方法，设计了太赫兹时域频域信噪比参数校准方法。以空测时频域信号幅值最大值的1/M对应的频率范围作为光谱范围，研究了M取值对光谱范围的影响。M值越大，则光谱范围越宽。当M值≥50时，光谱范围变化不大。对空测时域信号的信号和噪声进行定义，并计算出时域信噪比。以空测时的频域功率谱作为信号，以金属板遮挡光路时的频域功率谱作为噪声，从而计算出频域信噪比。进行了光谱范围和信噪比校准实验，采用对照法研究了湿度变化对太赫兹时域光谱仪测量范围和信噪比参数的影响。当相对湿度≤50%时，对光谱范围和时域信噪比影响不大；当相对湿度＞50%时，因为空气中水蒸气对于太赫兹的吸收急剧增加，光谱范围和信噪比急剧缩小。
2023,
44(5):
1073-1079. doi: 10.5768/JAO202344.0503003
摘要:
为实现物体表面轮廓高精度三维测量，提出一种视场、物距、测量范围均较大的远心光路测量系统。介绍了系统组成及光三角测量原理，论述了投影与成像双光路均与被测表面法线呈45 °夹角的光路搭建方式可降低较大深度测量范围对成像物镜景深的要求；建立系统深度标定理论模型，获得CCD单位像素深度理论值为0.554 4 μm；计算出放大倍率、数值孔径等光路参数并完成光路搭建；通过实验对所搭建测量系统的分辨力、测量范围、光条最小宽度及其边缘质量进行分析。实验结果表明，投影条纹最长2 mm，最小线宽可达8.96 μm，条纹边缘清晰平滑。系统成像畸变小，可实现1.62 µm的光学分辨率及0.54 µm的深度像素分辨率，工作距离65 mm，深度测量范围不低于140 µm，具有良好的测量性能。
为实现物体表面轮廓高精度三维测量，提出一种视场、物距、测量范围均较大的远心光路测量系统。介绍了系统组成及光三角测量原理，论述了投影与成像双光路均与被测表面法线呈45 °夹角的光路搭建方式可降低较大深度测量范围对成像物镜景深的要求；建立系统深度标定理论模型，获得CCD单位像素深度理论值为0.554 4 μm；计算出放大倍率、数值孔径等光路参数并完成光路搭建；通过实验对所搭建测量系统的分辨力、测量范围、光条最小宽度及其边缘质量进行分析。实验结果表明，投影条纹最长2 mm，最小线宽可达8.96 μm，条纹边缘清晰平滑。系统成像畸变小，可实现1.62 µm的光学分辨率及0.54 µm的深度像素分辨率，工作距离65 mm，深度测量范围不低于140 µm，具有良好的测量性能。
2023,
44(5):
1080-1087. doi: 10.5768/JAO202344.0503004
摘要:
移相干涉术作为一种高灵敏度的非接触式光学测量方法，在精密测量领域得到了广泛的应用。时空移相方法（spatiotemporal phase-shifting method，ST-PSM）作为一种高精确度的移相算法，可避免传统移相算法的周期误差。这使得该算法适用于存在背景光强不均匀、调制度波动以及移相误差的情况，同时也能测量畸变的干涉条纹图像。然而，该方法中的插值拟合步骤要求干涉图呈矩形区域，对于非矩形孔径的光学元件，无法测量其面形全貌。为突破该局限性，提出将干涉图延拓技术与该方法结合，移相干涉图经延拓成矩形后，再使用时空移相方法进行相位提取，以获得完整的面形信息。数值模拟及实验结果显示，就相同形状下的干涉图，经延拓后使用时空移相方法相较于未延拓测得的波面峰谷值与均方根值更精确。以圆形为例，经延拓后峰谷值由0.1236 λ降至0.0446 λ，均方根值由0.0117 λ降至0.0109 λ(λ=633 nm)。结果表明该方法可用于非矩形光学元件的精确测量。
移相干涉术作为一种高灵敏度的非接触式光学测量方法，在精密测量领域得到了广泛的应用。时空移相方法（spatiotemporal phase-shifting method，ST-PSM）作为一种高精确度的移相算法，可避免传统移相算法的周期误差。这使得该算法适用于存在背景光强不均匀、调制度波动以及移相误差的情况，同时也能测量畸变的干涉条纹图像。然而，该方法中的插值拟合步骤要求干涉图呈矩形区域，对于非矩形孔径的光学元件，无法测量其面形全貌。为突破该局限性，提出将干涉图延拓技术与该方法结合，移相干涉图经延拓成矩形后，再使用时空移相方法进行相位提取，以获得完整的面形信息。数值模拟及实验结果显示，就相同形状下的干涉图，经延拓后使用时空移相方法相较于未延拓测得的波面峰谷值与均方根值更精确。以圆形为例，经延拓后峰谷值由0.1236 λ降至0.0446 λ，均方根值由0.0117 λ降至0.0109 λ(λ=633 nm)。结果表明该方法可用于非矩形光学元件的精确测量。
2023,
44(5):
1088-1094. doi: 10.5768/JAO202344.0503005
摘要:
When the size of the detection target is small and is in the far distance, due to the small field of view of the photoelectric system, the effective pre-stage target guidance is the premise for the photoelectric system to track and point the target. The essence of target guidance is converting the target point under the geodetic coordinate system into the local coordinate system of the photoelectric system. Since a series of rotational and translational parameters will be introduced in this conversion process, the accuracy of these parameters will determine the ultimate target guidance accuracy. A guidance error correction method was proposed for the photoelectric system, namely acquisition-tracking-pointing (ATP) system, based on unmanned aerial vehicle (UAV) track, which used the track data around ATP system to solve optimal parameters for coordinate conversion in the process of computing target guidance data, thereby to improve the target guidance accuracy. Experimental device built for this project achieves the following results: the azimuth guidance standard variance is better than 0.052°, the elevation guidance standard variance is better than 0.04°, and the maximum error does not exceed 0.7°. The results also show that the higher the accuracy of pre-stage guidance, the faster the target acquisition speed of ATP system, which is of great significance for improving the corresponding speed of the target disposal.
When the size of the detection target is small and is in the far distance, due to the small field of view of the photoelectric system, the effective pre-stage target guidance is the premise for the photoelectric system to track and point the target. The essence of target guidance is converting the target point under the geodetic coordinate system into the local coordinate system of the photoelectric system. Since a series of rotational and translational parameters will be introduced in this conversion process, the accuracy of these parameters will determine the ultimate target guidance accuracy. A guidance error correction method was proposed for the photoelectric system, namely acquisition-tracking-pointing (ATP) system, based on unmanned aerial vehicle (UAV) track, which used the track data around ATP system to solve optimal parameters for coordinate conversion in the process of computing target guidance data, thereby to improve the target guidance accuracy. Experimental device built for this project achieves the following results: the azimuth guidance standard variance is better than 0.052°, the elevation guidance standard variance is better than 0.04°, and the maximum error does not exceed 0.7°. The results also show that the higher the accuracy of pre-stage guidance, the faster the target acquisition speed of ATP system, which is of great significance for improving the corresponding speed of the target disposal.
2023,
44(5):
1095-1101. doi: 10.5768/JAO202344.0503006
摘要:
结合频分复用技术与扫频光学相干测振仪，提出一种基于光学相干多点测振仪（swept-source optical coherence multi-point vibrometer, SSOCMV）的转轴轴心轨迹监测方法和系统，其具有非接触式、非侵入式、高精度以及多点振动同步测量的优点。首先，对SSOCMV的系统组成和测量原理进行了介绍与分析；其次，搭建实验对比系统以验证SSOCMV系统的测量准确性，在SSOCMV系统探头的对称位置安装电涡流传感器以同步监测转轴轴心轨迹，便于对比两个系统的测量结果。实验结果表明，基于光学相干多点测振仪的转轴轴心轨迹监系统比电涡流传感器具有更高的位移分辨率和更好的信噪比。因此，SSOCMV系统在旋转机械状态监测、参数识别和故障诊断等方面具有良好的应用前景。
结合频分复用技术与扫频光学相干测振仪，提出一种基于光学相干多点测振仪（swept-source optical coherence multi-point vibrometer, SSOCMV）的转轴轴心轨迹监测方法和系统，其具有非接触式、非侵入式、高精度以及多点振动同步测量的优点。首先，对SSOCMV的系统组成和测量原理进行了介绍与分析；其次，搭建实验对比系统以验证SSOCMV系统的测量准确性，在SSOCMV系统探头的对称位置安装电涡流传感器以同步监测转轴轴心轨迹，便于对比两个系统的测量结果。实验结果表明，基于光学相干多点测振仪的转轴轴心轨迹监系统比电涡流传感器具有更高的位移分辨率和更好的信噪比。因此，SSOCMV系统在旋转机械状态监测、参数识别和故障诊断等方面具有良好的应用前景。
2023,
44(5):
1102-1108. doi: 10.5768/JAO202344.0507001
摘要:
构建了被动锁模光纤激光器的理论模型，通过数值仿真从时域和频域两个方面研究了高阶色散对输出脉冲特性的影响，在时域方面，三阶色散导致脉冲形状发生畸变，脉冲时域轮廓不对称，时域偏移等现象；在频域方面，三阶色散导致边带位置及强度发生变化。同时，研究发现四阶色散可以展宽脉冲，改变脉冲的边带强度。本文的研究结果对被动锁模掺镱光纤激光器的实际应用具有指导意义。
构建了被动锁模光纤激光器的理论模型，通过数值仿真从时域和频域两个方面研究了高阶色散对输出脉冲特性的影响，在时域方面，三阶色散导致脉冲形状发生畸变，脉冲时域轮廓不对称，时域偏移等现象；在频域方面，三阶色散导致边带位置及强度发生变化。同时，研究发现四阶色散可以展宽脉冲，改变脉冲的边带强度。本文的研究结果对被动锁模掺镱光纤激光器的实际应用具有指导意义。
2023,
44(5):
1109-1117. doi: 10.5768/JAO202344.0507002
摘要:
研制了全光纤相干激光测风雷达系统，该激光雷达系统采用光纤激光器同步触发并发射人眼安全的1.5 μm激光信号，通过全光纤环形链路设计、高像质收发镜头与光楔垂直向上可扫描空间圆锥45°范围，采用双通道高可靠数据采集与处理模块实现对中低空三维矢量风场处理与反演。为满足激光雷达在户外高低温环境（−25 ℃～40 ℃）工作的适应性，对激光雷达系统热源模块进行了系统模型仿真，通过设计并研制热控模块和制冷模块，实现高低温环境工作的可行性。通过激光雷达在室内实验与室外风场标定实验，该激光雷达可测量最高风场高度3 km，风速精度优于0.36 m/s，风向精度优于±5°。
研制了全光纤相干激光测风雷达系统，该激光雷达系统采用光纤激光器同步触发并发射人眼安全的1.5 μm激光信号，通过全光纤环形链路设计、高像质收发镜头与光楔垂直向上可扫描空间圆锥45°范围，采用双通道高可靠数据采集与处理模块实现对中低空三维矢量风场处理与反演。为满足激光雷达在户外高低温环境（−25 ℃～40 ℃）工作的适应性，对激光雷达系统热源模块进行了系统模型仿真，通过设计并研制热控模块和制冷模块，实现高低温环境工作的可行性。通过激光雷达在室内实验与室外风场标定实验，该激光雷达可测量最高风场高度3 km，风速精度优于0.36 m/s，风向精度优于±5°。
2023,
44(5):
1118-1124. doi: 10.5768/JAO202344.0507003
摘要:
设计了一种OPO激光测距机发射端变倍扩束系统。该系统采用两级激光扩束，将OPO（optical parametric oscillation）激光器出射光束发散角二次压缩，一级激光扩束为变倍扩束，二级激光扩束为定倍扩束，使出射光束发散角可连续调节，以实现激光测距机大范围测距，提高了激光测距过程的人眼安全性。OPO激光器出射光束发散角为6 mrad，出射光束直径为ϕ7 mm，扩束倍率6~12倍，其中，一级激光变倍扩束倍率为2~4倍，二级激光扩束倍率为3倍。设计的光学系统满足较大口径光束入射，且具有变倍扩束功能，突破了现有变倍扩束系统仅能实现小口径光束入射的限制。最终设计的变倍扩束系统总长度为285 mm，结构简单，利于工程化。
设计了一种OPO激光测距机发射端变倍扩束系统。该系统采用两级激光扩束，将OPO（optical parametric oscillation）激光器出射光束发散角二次压缩，一级激光扩束为变倍扩束，二级激光扩束为定倍扩束，使出射光束发散角可连续调节，以实现激光测距机大范围测距，提高了激光测距过程的人眼安全性。OPO激光器出射光束发散角为6 mrad，出射光束直径为ϕ7 mm，扩束倍率6~12倍，其中，一级激光变倍扩束倍率为2~4倍，二级激光扩束倍率为3倍。设计的光学系统满足较大口径光束入射，且具有变倍扩束功能，突破了现有变倍扩束系统仅能实现小口径光束入射的限制。最终设计的变倍扩束系统总长度为285 mm，结构简单，利于工程化。
2023,
44(5):
1125-1132. doi: 10.5768/JAO202344.0508001
摘要:
为了更准确地监测电力系统的运行状况，提出了一种应用于电力变压器局部放电（partial discharge，PD）检测的分立式多点检测方案。该方案基于光纤外差式干涉原理，传感系统由4个传感头构成，以实现多点检测和局部放电声源的定位。通过优化设计传感头的结构提高了传感器的灵敏度，同时传感器紧凑型的封装方式使其能够安装在电力变压器内部，提高检测结果的准确度。实验结果表明，该传感方案的单通道分辨率可达4 mrad，同时对构造的三相电力变压器模型进行了实验演示和分析，在对150 kHz局部放电超声多通道测量时，可实现声源定位的分辨率为 1 cm。由于该方案结构小巧、分辨率高及成本低廉，其在电力系统安全检测中有着巨大的应用潜力。
为了更准确地监测电力系统的运行状况，提出了一种应用于电力变压器局部放电（partial discharge，PD）检测的分立式多点检测方案。该方案基于光纤外差式干涉原理，传感系统由4个传感头构成，以实现多点检测和局部放电声源的定位。通过优化设计传感头的结构提高了传感器的灵敏度，同时传感器紧凑型的封装方式使其能够安装在电力变压器内部，提高检测结果的准确度。实验结果表明，该传感方案的单通道分辨率可达4 mrad，同时对构造的三相电力变压器模型进行了实验演示和分析，在对150 kHz局部放电超声多通道测量时，可实现声源定位的分辨率为 1 cm。由于该方案结构小巧、分辨率高及成本低廉，其在电力系统安全检测中有着巨大的应用潜力。
2023,
44(5):
1133-1141. doi: 10.5768/JAO202344.0508002
摘要:
以发光二极管(LED)为发射端的水下可见光通信(UVLC)系统因器件带宽所限其传输速率较低，且受水质环境影响较大，致使通信综合性能不佳。为提高信道容量与通信质量，将信道复用技术应用在LED-UVLC系统中，以现场可编程门阵列(FPGA)为数据处理核心，搭建LED蓝绿光发射阵列以及雪崩光电二极管(APD)接收阵列，设计出了一个4×4的多信道UVLC系统。我们将系统置于长20 m的水下环境中，以26.7 Mbit/s的通信速率，完成了误码率(BER)约为10−7的双向传输。实验数据表明，当传输不同大小的数据文件时，对比传统的单输入单输出水下可见光通信(SISO-UVLC)系统，节省了约4倍的通信时间，且与仿真的信道容量增益一致。另外，在水质和通信距离相同的条件下，本系统能获得更优的BER性能。
以发光二极管(LED)为发射端的水下可见光通信(UVLC)系统因器件带宽所限其传输速率较低，且受水质环境影响较大，致使通信综合性能不佳。为提高信道容量与通信质量，将信道复用技术应用在LED-UVLC系统中，以现场可编程门阵列(FPGA)为数据处理核心，搭建LED蓝绿光发射阵列以及雪崩光电二极管(APD)接收阵列，设计出了一个4×4的多信道UVLC系统。我们将系统置于长20 m的水下环境中，以26.7 Mbit/s的通信速率，完成了误码率(BER)约为10−7的双向传输。实验数据表明，当传输不同大小的数据文件时，对比传统的单输入单输出水下可见光通信(SISO-UVLC)系统，节省了约4倍的通信时间，且与仿真的信道容量增益一致。另外，在水质和通信距离相同的条件下，本系统能获得更优的BER性能。
2023,
44(5):
1142-1152. doi: 10.5768/JAO202344.0508003
摘要:
针对FSO(free space optica)链路和RF(ratio frequency)链路之间通信速率不匹配以及由地面多用户移动所带来的通信服务状态变化问题，提出了无人机自由空间光通信/射频（FSO/RF）混合中继链路传输速率优化方法。以用户公平性、最低服务质量以及无人机总功率为约束，建立了无人机中继协作的FSO/RF混合通信下行链路模型，提出了一种基于无人机动态轨迹和发射功率联合优化算法。利用连续凸逼近及拉格朗日对偶函数法，将原非凸模型转化为凸优化问题进行求解。对不同能见度下链路传输速率进行分析，结果表明，能见度为1.7 km时，FSO链路和RF链路均达到全速传输。所提算法相较固定式中继平均通信速率有了447.5%的提升，相较非功率优化算法链路平均通信速率提升32.5%。
针对FSO(free space optica)链路和RF(ratio frequency)链路之间通信速率不匹配以及由地面多用户移动所带来的通信服务状态变化问题，提出了无人机自由空间光通信/射频（FSO/RF）混合中继链路传输速率优化方法。以用户公平性、最低服务质量以及无人机总功率为约束，建立了无人机中继协作的FSO/RF混合通信下行链路模型，提出了一种基于无人机动态轨迹和发射功率联合优化算法。利用连续凸逼近及拉格朗日对偶函数法，将原非凸模型转化为凸优化问题进行求解。对不同能见度下链路传输速率进行分析，结果表明，能见度为1.7 km时，FSO链路和RF链路均达到全速传输。所提算法相较固定式中继平均通信速率有了447.5%的提升，相较非功率优化算法链路平均通信速率提升32.5%。
2023,
44(5):
1153-1156. doi: 10.5768/JAO202344.0508004
摘要:
光纤陀螺工作温度的提升主要受制于光路系统，通过控制方案的优化可以提高光纤陀螺的工作温度。通过对光纤陀螺光路系统进行理论分析，提出了基于动态温控的光纤陀螺控制方案，通过试验验证了该方案的改进效果。光纤陀螺采用动态温度控制方案，一方面能够降低高温工作时的功耗，提高高温工作温度；另一方面可以降低光纤陀螺标度因数由于温度波动而引起的变化。
光纤陀螺工作温度的提升主要受制于光路系统，通过控制方案的优化可以提高光纤陀螺的工作温度。通过对光纤陀螺光路系统进行理论分析，提出了基于动态温控的光纤陀螺控制方案，通过试验验证了该方案的改进效果。光纤陀螺采用动态温度控制方案，一方面能够降低高温工作时的功耗，提高高温工作温度；另一方面可以降低光纤陀螺标度因数由于温度波动而引起的变化。
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