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2020年  44卷  第2期

光通信与光信息技术
基于线性解混的高光谱图像目标检测研究
杨桄, 田张男, 李豪, 关世豪
2020, 44(2): 143-147. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.001
摘要:
高光谱图像的空间分辨率普遍较低,导致混合像元大量存在,为目标检测带来了一定困难。为了实现复杂背景下的高光谱图像目标检测,提出了一种去端元的目标检测方法。在光谱解混技术的基础上,建立了复杂背景下的光谱混合模型并加以改进,采用多次去端元的方法,取得了简化背景之后的高光谱图像。结果表明,与传统的RX目标检测算法相比,所提出的算法能够显著提升目标检测效果。在实际的军事运用中,为大尺幅图像的目标识别和揭露伪装提供了思路。
基于递推最小二乘算法的光纤振动定位系统
罗义军, 尹棋, 李劲
2020, 44(2): 161-166. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.004
摘要:
为了解决光纤振动定位算法中互相关稳定性差、最小均方收敛速度慢的问题,采用递推最小二乘算法、滑动平均原理、早迟门原理,设计了一套稳定且响应迅速的光纤振动定位系统。光路部分基于双马赫-曾德尔干涉结构,硬件平台以高速采集板结合现场可编程门阵列实现定位。在一段160m的光路上进行重复敲击实验,对取得的振动数据分多段分别计算定位结果,去除最大值、最小值后剩余定位结果取平均值以提高定位精度。结果表明,相对于互相关,递推最小二乘随着迭代次数增加,单次定位结果稳定不会发生偏移,且其定位收敛速度是最小均方的3倍左右;在采样率为10MHz时,系统实际响应时间约0.3s,定位误差范围在±6m,且定位稳定可靠。该研究对于光纤定位系统中定位算法的改进、定位精度的提高是有积极意义的。
基于灰度权重模型的激光条纹中心提取算法
黄凌锋, 刘光东, 张超, 甘宏, 罗文婷, 李林
2020, 44(2): 190-195. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.009
摘要:
为了在多噪声环境中精确提取激光条纹中心, 采用改进的灰度权重模型, 提取激光条纹的亚像素中心。通过均值阈值法以及改进的灰度权重模型对3维激光成像系统采集的图像进行了处理, 并与传统的算法进行对比。结果表明, 该算法能够较为完整地提取激光条纹区域, 并且其平均拟合相关系数为0.9809(最接近1), 平均列坐标最大差值为0.4518pixel(最接近0), 平均变异系数为0.0062(最接近0), 相对其它方法具有更优的结果, 能够抑制多噪声环境对于激光条纹提取的影响, 精确提取激光条纹的亚像素中心, 具有较好的鲁棒性。该算法为精确提取激光条纹的中心提供了参考。
压缩感知实现快速超分辨荧光显微成像
李文文, 刘书朋, 王中阳
2020, 44(2): 196-201. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.010
摘要:
为了发展能够同时兼顾超分辨、快速成像和视场的荧光显微镜, 以促进其在活细胞或微观动态过程成像的应用, 将压缩感知应用到超分辨荧光显微镜中, 利用投影梯度稀疏重构算法对单帧荧光宽场图像重构, 并进行了理论分析、仿真和实验验证。结果表明, 该方法能够突破光学衍射极限, 成像分辨率达到180nm, 相比衍射极限提高1.8倍。此结果说明压缩感知能够实现单帧宽场超分辨荧光显微成像, 相比现有的方法在成像速度上有巨大的提升。
数字图像相关法散斑图质量评价方法
俞海, 刘云鹏, 郭荣鑫, 夏海廷, 颜峰
2020, 44(2): 237-243. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.018
摘要:
为了研究数字图像相关方法中散斑图质量的有效评价问题, 采用散斑图质量表征参量——平均灰度2阶导数对散斑图质量进行了有效评价。通过分析图像插值误差与图像灰度信息分布形式之间关系, 指出散斑图平均灰度2阶导数与散斑图灰度信息分布形式之间的关系; 为了验证该散斑图质量表征参量的有效性, 利用傅里叶变换对散斑图进行平移实验, 通过Newton-Raphson(N-R)方法对平移前后的散斑图进行亚像素位移计算, 由位移计算结果可知, 具有低的平均灰度2阶导数的散斑图对应小的位移测量误差。结果表明, 平均灰度2阶导数在散斑图质量评价中具有一定的有效性; 在实际应用中, 应结合散斑图平均灰度2阶导数和平均灰度梯度对散斑图质量进行综合有效的评价。该研究为高质量散斑图的制备与选取提供了参考。
基于迭代算法的半导体光放大器动态模型构建
徐贵勇, 胡立发, 邓灿冉, 张士勋, 楚广勇
2020, 44(2): 255-260. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.021
摘要:
为了分析并精确预测半导体光放大器的性能, 对InP-InGaAsP均匀掩埋的半导体光放大器建立了一种有效的数学模型, 考虑了自发辐射与受激辐射之间的关系, 实时模拟分析了偏置电流、输入功率对增益和噪声指数的影响。结果表明, 在偏置电流为120mA、输入功率为-10dBm时, 半导体光放大器的性能最佳。该模型能够对半导体光放大器的设计提供一定的借鉴。
基于小波变换的可见光OFDM通信系统性能优化
张雨桐, 赵黎, 张峰
2020, 44(2): 261-265. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.022
摘要:
在可见光通信中, 由于信道的多径效应和信道衰减在传统正交频分复用(OFDM)系统会产生符号间干扰, 从而降低系统的可靠性。为了保障通信质量, 采用带有循环前缀的OFDM系统来抵抗多径效应引起的符号干扰; 为了降低系统的误比特率和峰均比, 采用Haar小波来实现系统有效性、可靠性、峰均比等参量的性能优化, 并采用蒙特卡洛法进行了仿真验证。结果表明, 当系统的误比特率为10-4时, 离散小波变换OFDM系统较快速傅里叶变换OFDM(FFT-OFDM)系统的误码性能大约提高了5dB, 通信效率提高了大约11%;当系统的峰均比为5dB时, FFT-OFDM系统的互补累计分布函数(CCDF)值接近10-2, DWT-OFDM系统的CCDF值为0。该研究为可见光小波变换OFDM通信提供了参考。
激光物理、材料与器件
激光对羟基磷酸铜的还原机理研究
靳明明, 刘若钰, 项徽清, 刘建国, 曾晓雁
2020, 44(2): 148-155. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.002
摘要:
为了研究激光选区金属化技术中,激光与尖晶石型化合物的相互作用机理,选用质优价廉、具有尖晶石结构的可见光和近红外光敏催化物质羟基磷酸铜(Cu2(OH)PO4)作为研究对象,利用X射线光电子能谱技术,探讨了波长为1064nm纳秒脉冲光纤激光、连续光纤激光和波长为355nm的纳秒脉冲紫外激光与羟基磷酸铜的相互作用机理。结果表明,3种激光都能将羟基磷酸铜中的+2价铜元素(Cu2+)还原为+1价铜元素(Cu+),但还原过程随激光功率(0.13W~3.89W)或激光能量密度(2.76J/cm2~25.48J/cm2)的变化呈现不同的规律; 结合羟基磷酸铜的热性能分析和紫外可见光吸收光谱分析,初步判断,在上述还原过程中,可能同时存在光热反应和光化学反应。该研究为羟基磷酸铜作为一种新型的激光活性物质提供了理论基础。
激光与光电子技术应用
溶胶-凝胶膜光学表面激光清洗工艺研究
郭乃豪, 王静轩, 向霞
2020, 44(2): 156-160. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.003
摘要:
为了解决光学元件表面的颗粒污染问题,在单发次激光干式清洗的基础上,提出了气流置换系统辅助的激光清洗方法,使用波长为355nm的Nd:YAG激光器,针对镀溶胶-凝胶SiO2薄膜熔石英光学表面粒径为1μm~50μm的典型SiO2颗粒污染物,进行了理论分析和清洗实验,取得了可用于激光清洗的工艺参量。结果表明,对于镀溶胶-凝胶膜熔石英样品的单发激光干式清洗,最佳激光能量密度为2.29J/cm2,与未镀膜石英的激光清洗工艺参量存在一定差异;在最佳工艺参量下,单发次激光清洗对于粒径1μm以上的SiO2颗粒清洗效果明显,移除率可达82.96%;当污染密度过高时会导致清洗效果的减弱及对基底的损伤,而气流置换系统辅助的激光清洗方法可进一步增强对光学表面颗粒污染的去除效果。该研究对大型高功率固体激光装置中的光学元件在线清洗及清洗装备的设计具有重要的研究意义与实用价值。
激光冲击强化对黄铜耐蚀性能的影响
陈好学, 杨海峰, 满家祥, 刘坤, 熊飞
2020, 44(2): 167-172. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.005
摘要:
为了提高黄铜表面的力学性能和耐蚀性,采用纳秒脉冲激光(波长1064nm, 脉宽7ns)冲击强化(LSP)黄铜表面。通过分析激光冲击强化黄铜样品表面的残余应力、横截面金相组织和硬度、表面形貌等力学性能,研究了其对耐蚀性能的影响。结果表明,与未经LSP处理的黄铜样品相比,LSP处理后黄铜样品的电化学腐蚀电位增加,空蚀损失质量降低,仅为原来的1/4,空蚀孕育期时间延长了2倍,空蚀速率降低,从而LSP处理提高了黄铜样品的耐蚀性能。该研究对普通黄铜应用在具有腐蚀性的工作环境中是有帮助的。
激光诱导放电等离子体羽辉的研究
王均武, 王新兵, 左都罗
2020, 44(2): 173-177. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.006
摘要:
为了研究激光诱导放电等离子体的膨胀特性,建立了一套基于脉冲CO2激光诱导锡靶放电等离子体极紫外光源装置,采用增强型电荷耦合器件对羽辉进行拍摄,并采用1维真空电弧模型对实验结果进行了理论说明。实验中改变放电电压和激光能量,得到了不同条件下时间分辨的羽辉图像。结果表明,在激光能量140mJ、放电电压10kV的条件下,获得了稳定的放电等离子体;等离子体的羽辉形态与电流存在对应关系,经历了形成、膨胀、收缩、再次膨胀和消散的不同阶段,放电电压和诱导激光能量对羽辉大小、稳定性和形成时间有影响。此研究有助于提高激光诱导放电等离子体光源的稳定性以及极紫外光的输出功率。
激光功率对激光-MIG复合焊焊缝成型影响研究
高健, 陈淑梅, 王克鸿, 伍道亮, 王磊
2020, 44(2): 178-182. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.007
摘要:
为了研究激光功率对船舶钢激光-熔化极惰性气体复合焊焊缝成型的影响,采用不同激光功率在7mm AH36船舶钢板上进行对接工艺试验,并进行了微观组织观测和力学性能测试,通过理论分析和实验验证,取得了焊缝成型最佳的工艺参量、焊缝接头不同区域微观组织、力学性能等数据。结果表明,在激光功率为6kW、电流为220A、焊接速率为1.2m/min时焊接,焊缝成型最好,焊缝区组织为板条马氏体及少量铁素体,其抗拉强度为545MPa,力学性能符合国家标准和中国船级社材料与焊接规范要求。这对于船舶钢的激光复合焊接具有一定的指导意义。
基于位置敏感探测器的轨距在线监测系统研究
刘子英, 张靖, 邓芳明
2020, 44(2): 183-189. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.008
摘要:
为了实时了解铁路轨道的轨距变化情况,研制了一种实时在线监测轨距变化的测量系统。采用位置敏感探测器和激光发射器作为测量元件实时采集轨距的变化信息,建立数学模型计算轨距的偏移量,通过组合算法来获取两根钢轨移动状态后的偏移量,并通过二次插值算法对位置敏感探测器进行非线性补偿以提高位置敏感探测器的精度和准确度;采用控制器局域网络总线和通用分组无线服务技术将一定区域内的轨距变化信息发送到监控中心进行显示;通过和现有二级铁路轨距尺分别对同一模拟轨道进行了测量实验。结果表明,该系统的测量精度为0.32mm,达到了目前轨道检测行业所规定的1mm精度要求。
Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金激光熔凝的热效应模拟
陈星, 葛亚琼
2020, 44(2): 202-205. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.011
摘要:
为了研究激光增材制备非晶合金过程中熔池和热影响区的成形机制, 利用有限元软件ANSYS, 对激光增材制造技术的基础过程-激光快速熔凝Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金的热效应进行了数值模拟分析。结果表明, 激光单点熔凝时, 熔池的平均冷却速率为6.3×104K/s, 热影响区的平均冷却速率为1.4×104K/s, 远高于Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金的临界冷却速率1.5K/s, 说明激光单点熔凝的热变化满足非晶合金的生长条件; 激光单道熔凝过程中, 熔池的平均冷却速率仍比较高, 为2.11×102K/s, 但热影响区的平均冷却速率较低, 为74K/s, 且热影响区会产生弛豫累积, 可能造成一定程度的晶化。此研究为激光增材制备非晶合金材料提供热效应的理论基础。
乙酸乙酯溶液的时间分辨荧光光谱研究
方梓秋, 陈国庆, 吴亚敏
2020, 44(2): 206-211. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.012
摘要:
为了研究模拟白酒环境中乙酸乙酯荧光衰减的影响, 采用测得不同体积分数的乙酸乙酯乙醇水溶液的稳态及时间分辨荧光光谱结合量子化学计算的方法, 进行了实验测量和理论分析。结果表明, 乙酸乙酯的荧光峰值分别在407nm和431nm, 荧光寿命均约为1.4ns; 不同体积分数乙酸乙酯乙醇水溶液衰减过程中有两种荧光寿命, 其中短寿命成分为乙酸乙酯, 长寿命成分为乙酸乙酯和乙醇、水分子形成的多聚体结构; 多聚体结构中分子间相互作用使得乙酸乙酯的平面性提高, 这有利于辐射跃迁; 水分子通过氢键和范德华力连接乙酸乙酯和乙醇的二聚体形成层状结构, 阻碍了荧光体的运动, 从而减少非辐射跃迁, 使得荧光寿命延长。这一结果有助于丰富白酒中有机物的检测方法, 也为研究溶剂环境对分子构象及光谱特性变化提供了一定的帮助。
激光冲击对AISI430铁素体不锈钢抗蚀性影响
金成嘉, 陈炳泉, 李纬, 焦加飞, 任旭东
2020, 44(2): 212-216. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.013
摘要:
为了提升AISI430铁素体不锈钢的表面抗腐蚀性能, 采用激光冲击的方法强化了AISI430铁素体不锈钢。通过极化曲线及电化学阻抗谱等电化学实验方法, 结合试样表面残余应力及腐蚀形貌, 研究了激光冲击工艺对AISI430铁素体不锈钢的抗腐蚀能力的影响。结果表明, 强化处理后试样表面出现残余压应力层, 残余应力最大幅值高达-339MPa, 并以近乎递减的方式延深度方向达到900μm; 激光冲击强化使试样在NaCl溶液中的自腐蚀电位由-251mV最大提升至-192mV, 腐蚀电流密度最多降低28.18μA/cm-2, 使阻抗谱的容抗弧的半径变大, 腐蚀凹坑和条带状腐蚀减少。激光冲击强化了AISI430铁素体不锈钢在NaCl溶液中的抗腐蚀性能。
蓝紫光的腔增强空气喇曼光谱
姚中一, 熊东升, 白玉思, 王新兵, 左都罗
2020, 44(2): 217-220. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.014
摘要:
喇曼光谱是一种无损、快速检测物质成分的方法。为了提高监测灵敏度, 对408nm波段半导体激光器的腔增强自发喇曼散射进行了研究。利用输出功率500mW、线宽0.9nm的408nm半导体激光器作激发光, 把激光耦合入共焦球面镜腔, 两面共焦球面镜的反射率分别为96.5%和99.5%, 部分激光返回半导体激光器形成光反馈, 半导体激光器与共焦腔形成共振。对装置的光反馈过程进行了探讨, 并对外腔的模式匹配和频率匹配分别进行了分析。结果表明, 共焦腔内功率达到15W, 功率增强了30倍; 用90°探测构型收集喇曼信号, 完成了空气喇曼信号检测; 1s积分时间, 获得N2信号900个计数。此共振增强腔大大增强了喇曼散射信号, 有潜力应用于多种气体的在线检测或高灵敏度检测。
基于ZEMAX二氧化硫荧光采集光路的设计仿真
刘杰辉, 李鑫
2020, 44(2): 221-225. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.015
摘要:
为了实现二氧化硫分析仪精确连续地检测空气中低含量SO2, 针对传统二氧化硫检测仪在荧光汇聚时存在光线汇聚效果弱、像差大且由于透镜的焦距长增大了荧光采集光路长度等问题, 在传统仪器的基础上对荧光采集光路重新进行了设计优化。采用分解光焦度的方法改善系统的球差问题, 进行了理论分析和实验验证。改进后对其进行ZEMAX仿真并运用正交法对新光路进行修正。通过仿真两种光路的非序列结构阴影模型图、探测查看器的光照图以及点列图, 取得了光强以及光斑直径的实验数据。结果表明, 优化后的光路系统峰辐强度达到了219.41W/cm2, 弥散斑直径减少了17%。该方案能够有效解决传统光路中的不足之处, 成像质量效果更佳。
激光焊接裂纹磁光成像频域特征分析
杜亮亮, 高向东, 张南峰, 季玉坤
2020, 44(2): 226-231. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.016
摘要:
为了研究旋转磁场激励下激光焊接裂纹磁光成像在频域内的特征, 采用对激光焊接裂纹磁光图像进行2维离散傅里叶变换的方法, 进行了理论分析和实验验证, 取得了旋转磁场不同励磁强度下激光焊接裂纹的频谱图数据。结合裂纹磁光图的空域特征, 对所获裂纹频谱图灰度值为255的点进行统计分析。结果表明, 激光焊接裂纹磁光图像的频域特征和空域特征有一定的对应关系; 在一个变化周期内(885帧磁光图), 对应频谱图上会出现先变小再变大、再变小再变大或相反的变化过程, 最终回到初始状态。这一结果验证了旋转磁场下裂纹磁光成像规律的正确性, 对激光焊接缺陷的无损检测是有帮助的。
煤中激光诱导击穿光谱的碳元素定量分析
郝晓剑, 任龙, 杨彦伟, 孙永凯
2020, 44(2): 232-236. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.017
摘要:
在定量分析煤样品中碳元素含量时, 为了克服受基体效应影响较大且预测精度低的问题, 在最优实验条件下, 获得14个标准煤样品经激光诱导击穿光谱(LIBS)试验后的光谱数据, 并选取独立性好、不受相邻谱线干扰的C Ⅰ 193.09nm波长, 将积分强度作为输入变量, 采用基本曲线定标法以及神经网络定标法, 对煤样品进行定量分析。结果表明, 当采用基本定标曲线法时, 受噪声干扰以及基体效应的影响较大, 平均相对误差为15.39%;当采用神经网络定标法时, 验证样品的相对误差平均降低了7.54%;采用神经网络定标法能有效减小定量分析误差, 提高LIBS对煤中碳元素含量的预测能力。该研究可为定量分析煤中碳元素含量提供指导。
基于点云数据特征的电力线快速提取和重建
徐梁刚, 虢韬, 吴绍华, 王坤辉, 赵健, 杨龙, 王迪
2020, 44(2): 244-249. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.019
摘要:
为了解决电力线点云可能存在交跨线点云较难处理、绝缘子点云较难分割、现有算法模型研究不完整问题, 采用了基于点云数据特征的电力线快速提取和重建方法, 首先通过输电线路体素栅格高程特征进行点云快速粗分类, 然后运用随机一致性算法进行点云快速精化, 采用顾及交跨线的滤波算法高效准确提取电力线点云, 针对电力线局部线性模型分割出绝缘子, 最后采用局部加权质心的方式提取电力线关键点, 实现电力线的快速重建, 并进行了理论分析和实验验证, 取得了较好的实验结果。结果表明, 电力线提取与重建综合准确率95.3%, 总体耗时2.5s以内, 验证了算法的快速性、准确性和鲁棒性。这一结果对电力线点云提取和重建有一定帮助。
连续激光辐照三结GaAs太阳电池热应力场研究
谭宇, 陆健
2020, 44(2): 250-254. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.020
摘要:
为了研究1070nm光纤连续激光对三结GaAs太阳电池的热力作用, 使用COMSOL软件建立物理模型进行了数值仿真, 得到了不同激光功率密度激光作用下的热应力场。为了验证了热应力计算方法的正确性, 利用栅线投影法测量了功率为16.7W、辐照半径为1mm、辐照时间为10s的激光作用下电池表面的形变, 实验结果与模拟结果基本吻合。结果表明, 辐照半径为1.5cm、功率密度为16.7W/cm2的激光辐照20s时, 底电池中心温度刚好超过电池使用温度; 底电池中心等效应力为96.6MPa, 刚好超过底电池材料的屈服极限; 根据这一结果可推测电池失效与热应力导致的结构损伤有关。该数值模拟结果与实验结果为激光辐照太阳电池的热力效应研究提供了一定的理论依据。
大气SO2检测模块的光路研究
苏杭, 王桂梅, 张振兴, 郭炜
2020, 44(2): 266-270. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.023
摘要:
为了适应当下网格化大气监测中低体积分数的SO2气体检测需要, 针对紫外荧光法模块化应用的光路关键性问题, 将物远心光学系统与双平凸组合光学系统相结合, 应用于SO2检测模块的激发光路和采集光路上。采用多光学系统优势互补的方法, 进行了理论分析和实验验证。通过模型的建立, 分析了光路系统对反应室信噪比的影响, 结合ZEMAX软件仿真、蒙特卡洛法公差评价分析与整个光学系统的间接实验验证, 取得了该优化光路系统应用。结果表明, 其仪器线性度的相关系数的平方能够达到0.9999。该光学系统具有较强的应用价值, 能够为紫外荧光法模块化光路系统设计提供理论依据与实验数据支持。