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2021, 45(1): 0-0.
摘要:
激光物理、材料与器件
Ince-Gaussian矢量光场束腰位置对紧聚焦特性影响的研究
何金枫, 王吉明, 刘友文, 路元刚
2021, 45(1): 1-6. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.001
摘要:
为了获得Ince-Gasussian矢量光场束腰位置对紧聚焦特性的影响规律,采用正交偏振的奇偶模式叠加理论和Richards-Wolf矢量衍射积分理论,对不同束腰位置的Ince-Gaussian矢量光场紧聚焦特性进行了研究。结果表明,在高数值孔径聚焦条件下,入射Ince-Gaussian矢量场的束腰距离透镜位置zi在一定瑞利长度zR范围内(zi < 0.5zR)改变时,其聚焦场的横向场结构即光强与偏振态分布,依然可以保持稳定;通过聚焦场相位结构分析,给出了在束腰距离透镜位置zi超过一定瑞利长度zR范围(zi>0.5zR)时,影响横向场结构不稳定的原因;聚焦场纵向偏振分量作为聚焦场的一个自由度,被证明可以用来构建更加丰富的矢量结构光场。此研究结果对复杂结构矢量光场在光学微操控与光信息存储方面的研究有重要参考价值。
激光与光电子技术应用
基于MPSO-SVM的硫化橡胶及助剂的太赫兹光谱分类识别
殷贤华, 刘昱, 贺微, 奉慕霖, 石玉林
2021, 45(1): 7-12. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.002
摘要:
为了加强硫化橡胶及其助剂的检测分析,对外表、气味或者特性相似的橡胶及其助剂准确分类,将改进的粒子群优化支持向量机的建模方法引入到太赫兹光谱的定性分析中。结果表明,针对不同的数据集,本研究算法最低的综合分类正确率为81.25%;相较于传统粒子群优化的支持向量机算法,本算法在识别时间上也有所提高,时间耗费整体小于9.40s。该方法针对不同数据集可以稳定、准确地分类,为硫化橡胶及其助剂的定性分析提供了新的研究思路。
磁脉冲压缩电路的仿真分析
杨银辉, 郑义军, 谭荣清, 李庆轩
2021, 45(1): 13-18. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.003
摘要:
为了提高磁脉冲压缩电路效率并减小体积,使用PSPICE电路仿真软件,采用控制变量的方法,对影响磁脉冲压缩电路的各个因素进行了理论分析和仿真验证。在以纳米晶材料作为磁芯、总压缩比为100、两级磁脉冲压缩电路体积最小的情况下进行了仿真分析。结果表明,脉冲上升时间从6.7μs压缩到67ns,符合脉冲气体激光器对于快放电时间的要求;在负载电阻为250Ω、一级复位电流在1.09A~9.80A、二级复位电流在3.27A~14.50A时,系统效率的最大值为81.9%;负载电阻的取值以及复位电流过大过小都会对效率产生影响。该研究为激光器中磁脉冲压缩电路效率的进一步提升,以及体积的小型化提供了参考。
大型风电叶片动态摄影测量网络优化
丰伟, 董明利, 孙鹏
2021, 45(1): 19-24. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.004
摘要:
在大型风电叶片动态摄影测量中,为了对相机的站位进行优化,采用一种变异操作改进型遗传算法作为摄影测量网络优化方法,通过光线束前方交会的误差传递建立测量误差模型,以空间坐标测量误差的标准差为网络优化的目标,同时根据被测风电叶片几何结构和实际环境确定了相应的约束条件进行仿真实验,得到了最优的相机站位。结果表明,在以叶片长度为40m的风机为被测物的仿真实验中,最优站位的空间坐标测量误差标准差为2.7mm;通过对叶片长度为3.5m的风机模型进行实测实验验证,最优站位的相对测量误差为0.009%,最大误差为0.617mm。该研究为风电叶片摄影测量的网络优化提供了参考。
激光微加工对Ti6Al4V表面形貌及润湿性影响的研究
张冲, 王冠, 刘赞丰, 张雅文
2021, 45(1): 31-36. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.006
摘要:
为了在Ti6Al4V表面加工不同的微结构,改变其润湿性,使其表面具有超疏水性,采用纳秒光纤脉冲激光对Ti6Al4V表面进行了微加工,研究了脉冲能量密度和扫描间距对点阵、线阵及网格3种微结构的表面形貌及润湿性的影响,建立了接触角与表面特征参量Sa, Sd的关系。结果表明, 脉冲能量和扫描间距对点阵、线阵及网格结构的表面形貌参量Sa, Sd均有所影响,且对网格结构的SaSd的影响程度最大,线阵结构次之,点阵结构最小;激光加工Ti6Al4V后,其表面皆会发生从超亲水到疏水甚至超疏水的自发转变,不同的脉冲能量、扫描间距加工的微结构均对表面润湿性有不同程度的改善,其中网格结构对表面湿润性的改善最好,线阵次之,点阵最差;网格、线阵、点阵结构的最大及最小接触角分别为165°, 160.5°, 142.4°;132.9°, 97°, 94.6°,具有最大接触角的表面参量Sa, Sd分别为0.97μm, 1.38;1.62μm, 1.04;4.14μm, 2.39。该研究对改善Ti6Al4V表面润湿性具有一定参考意义。
粗糙球体和锥体目标激光散射非相干分量比
思黛蓉, 王明军, 刘永勤, 眭晓林
2021, 45(1): 37-43. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.007
摘要:
为了研究激光散斑对目标探测的影响,采用物理光学近似方法,进行了平面波激光照射在粗糙球体和圆锥体目标时对散射场统计特性的理论分析,推导了粗糙体目标散射场量的二阶统计矩, 数值计算了粗糙球体和锥体的非相干散射分量比随粗糙度、散射角、半径及目标材料的变化情况。结果表明,散射角的变化对粗糙球体散射非相干分量比有影响,粗糙度变大,目标的非相干分量占总散射分量的比重越大;随着粗糙球体半径变小,球体表面越粗糙;圆锥体目标散射非相干分量比的峰值位置随粗糙度变化而不同,但其峰值均位于镜反射方向上;金属类材料比非金属抛光铝材料的非相干分量比小,且半径变化与非相干分量比成正比。该研究结果可为更复杂目标激光散射特性和激光散斑探测、识别的研究提供一定的参考价值。
平面电容传感器液位检测系统设计
瞿惠琴, 谷永先, 吴孔培, 叶倩
2021, 45(1): 48-52. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.009
摘要:
为了对高度小于100mm的液位进行非接触式测量,采用液位变化改变平面电容边缘电场参量的方法,对平面电容传感器的工作原理进行了理论分析,研究了平面电容传感器的结构参量对其灵敏度、穿透深度的影响,并对传感器结构参量进行了优化, 基于平面电容传感器, 设计了非接触式低液位检测系统,通过对纯净水、洗洁精溶液和墨汁的实验验证,取得了0mm~100mm范围的液位测量数据。结果表明,该检测系统工作稳定,具有线性输出,重复性误差约为±0.28%,数据修正前的测量误差小于7.8%。这一结果对非接触式较低液位的检测是有帮助的。
差分喇曼光谱结合化学计量学检验烟用内衬纸
张进, 姜红, 刘峰, 段斌
2021, 45(1): 61-66. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.011
摘要:
为了建立一种检验现场残留烟用内衬纸的科学方法,采用最新的差分喇曼光谱技术对44个不同品牌、不同系列的样品进行了检验,依据样品中主要填料的不同对样品进行了分类。结合化学计量学,将经主成分分析降维后的数据用来聚类分析,用显著性P值和Pearson相关系数评价聚类结果的好坏,得出的最优聚类结果用来建立判别式。结果表明,经解析比对谱图后可将样品分为4类; 建立的判别式实现了对44个样品100%的准确分类,并对未知样本的判别提供了依据。该方法结合谱图分析和化学计量学,能快速、无损、准确地对样品做出客观检验,具有一定的普适性, 为公安实际办案提供了理论依据。
紫外荧光法SO2监测仪激发光光路的设计仿真
杨立洁, 邢鹤园, 王桂梅, 郭炜
2021, 45(1): 67-72. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.012
摘要:
为了解决国内传统的SO2检测仪存在气室的荧光检测区域荧光强度低、进而导致仪器监测精度低的问题,设计了新的激发光光路结构。在该光路结构中,点光源通过平凸透镜准直,利用一窄缝消除竖直方向上的远轴光线,通过一双凸透镜汇聚到气室荧光采集区域的中心,并利用光阑减小杂散光的干扰。采用射线追踪算法作为严格矢量分析的工具,对设计的光路进行仿真分析。结果表明,优化后的光路使得激发光的能量损失降到了10%,且弥散斑也大为减小;用该光路与传统结构的光路进行实验对比,其示值误差由0.34%满量程变为0.18%满量程,质量浓度为100μg/L时的精密度由1.13μg/L变为0.53μg/L,质量浓度为400μg/L时的精密度由2.26μg/L变为1.1μg/L,两项指标均得到了提高。所设计的激发光光路结构能够有效解决传统光路的不足之处。
基于增益控制电路的响应不一致性校正方法
李海廷, 胡鑫, 曾双, 李少波, 周国家, 隋峻, 鲁强, 付培志
2021, 45(1): 80-85. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.014
摘要:
为了研究半主动激光制导导引头信息处理电路中,4个采集通道响应不一致性导致的制导精度降低的问题,对造成采集通道间响应度存在差异的原因进行了理论分析和研究,研究了信息处理电路中的增益控制电路,分析了其设计要点,并给出了一种增益控制电路的设计原理图。采用一种基于该增益控制电路的通道间响应度不一致性校正方法,针对导弹(或者炸弹)实际飞行过程中使用的各个离散增益点,进行了不一致性校正;通过对比校正前后的线性区曲线和半实物仿真数据,验证了该校正方法的有益效果。结果表明,利用该校正方法校正后,导引头线性区曲线精度更高,并且可以将半实物仿真圆概率偏差数值降低约50%。该研究为提高半主动激光制导精度提供了一种有效的方法。
激光雷达测量系统的测量场规划研究
朱峻可, 李丽娟, 林雪竹
2021, 45(1): 99-104. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.017
摘要:
为了解决大尺寸空间测量场建立过程中会出现测量效率无法保证、精度不达标,以及测量过程中任务经常有遗漏等问题,对测量场的建立进行了规划研究。以激光雷达测量系统为载体,采用蒙特卡洛仿真方法对系统的测量模型进行分析,并对测量场全周期的建立过程,即系统站位配置、转站点布置优化、数据采集方式选择以及测量数据的预处理等进行了理论分析和实验验证。结果表明,经过规划的激光雷达测量场精度可以达到0.05mm以内,单点测量精度达到0.1mm以内,符合大尺寸空间测量场精度要求,实现了对测量场的规划评估。此研究对于大尺寸测量领域具有一定的意义。
朗缪尔探针诊断脉冲激光锡等离子体特性
孙秦, 田雷超, 武耀星, 尹培琪, 王均武, 王新兵, 左都罗
2021, 45(1): 109-114. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.019
摘要:
激光作用锡靶等离子体极紫外光转换效率与等离子体特性密切相关。为了对等离子体特性进行诊断,设计了一种用于激光等离子体诊断的朗缪尔探针,取得了不同激光能量下产生的锡等离子体电子温度与电子密度的时间演化。结果表明,能量为58.1mJ的激光产生的等离子体峰值电子密度约为4.5×1011cm-3,最大电子温度为16.5eV,均随激光能量减少而降低,与发射光谱法所测的电子温度演化趋势一致。该研究为激光等离子体极紫外光源提供了一种新的简单快速诊断方法,有利于对激光等离子体的极紫外光源的参量进行优化。
光电成像系统的绝对光谱响应效率测量及分析
陈均溢, 商思航, 苗丹, 江财俊, 曾延安
2021, 45(1): 121-125. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.021
摘要:
为了准确测量光电成像系统的绝对光谱响应效率,采用光学系统光能量传递公式以及图像传感器的物理模型,得到了光电成像系统绝对光谱响应效率的计算公式,在此基础上设计了基于积分球、多光谱发光二极管光源、标准探测器及透射式平行光管的光电成像系统绝对光谱响应效率测量装置,并对光谱响应效率已知的可见光数字相机进行实验测量和分析。结果表明,在380nm~1100nm波长范围内测量装置测得的可见光数字相机的绝对光谱响应效率与标准值具有较好的一致性,最大相对误差为1.7%,各波长点的测量不确定度在置信概率为95%时均小于0.2%,满足一般的测量要求。该装置能够准确地对光电成像系统的绝对光谱效应效率进行测量。
光通信与光信息技术
基于非对称3×3耦合器的光纤相位解调研究
梁育雄, 黄毓华, 王升, 宁娜
2021, 45(1): 25-30. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.005
摘要:
为了解决3×3耦合器相位解调中,输出的3路信号分光比不均匀和相位差不能严格满足120°的非对称问题,采用了一种新型的3×3耦合器解调方案,并进行了理论分析和实验验证。利用均值算法对输出的任意两路信号分别进行预处理,压缩原始3路输出信号之间的功率与相位的偏差,使经过矫正后新的3路信号近似为对称状态输出。根据仿真与实验的结果,分析了耦合器输出的对称性条件和新型解调方案的抗噪声能力。结果表明,该新型解调方案可以有效矫正3×3耦合器3路输出信号的非对称性,新方案的噪声水平约为10-4mW,信噪比约为50dB, 与传统的解调方案相比,可以得到准确度与信噪比更高的待测信号。这一结果对光纤相位解调领域有很好的指导作用,加速了光纤传感技术的实用化进程。
基于双通道深度密集特征融合的遥感影像分类
张艳月, 张宝华, 赵云飞, 吕晓琪, 谷宇, 李建军
2021, 45(1): 73-79. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.013
摘要:
为了提高遥感图像场景分类中特征有效利用率,进而提高遥感影像分类精度,采用基于双通道深度密集特征融合的遥感影像分类方法,进行了理论分析和实验验证。首先通过构建复合密集网络模型, 分别提取图像卷积层特征和全连接层特征;然后为挖掘、利用图像深层信息,通过视觉词袋模型将提取的深层卷积层特征进行重组编码,捕获图像深层局部特征;最后采用线性加权方式将局部和全局特征融合、分类。结果表明,选用数据集UC Merced Land-Use和NWPU-RESISC45进行实验,取得的分类精度分别为93.81%和92.62%。该方法充分利用局部特征和全局特征的互补性,能实现图像深层信息的充分利用和表达。
基于ShearLab 3D变换的3维PET/MRI图像融合
郑伟, 李涵, 安晓林, 刘帅奇, 张晓丹, 马泽鹏
2021, 45(1): 86-92. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.015
摘要:
为了解决阿尔茨海默病3维正电子发射断层成像(PET)与核磁共振成像(MRI)相同位置强度不同问题,同时保留MRI大脑皮质、脑回沟、海马体等的萎缩情况, 首先将两幅源图像在统计参量图(SPM)中预处理,再利用3维剪切波系统(ShearLab 3D)最优表达高维数据的能力对图像分解,生成低高频子带,并以方差作为阈值将高频子带分为中高频子带。低频子带使用3维扩展的加权局部能量与改进拉普拉斯算子的加权和加权的融合规则,并引入锐化矩阵为权重参量,使融合图像边缘清晰; 中频子带以绝对值为活动度量增强图像的边缘信息; 高频子带以3个3维底层特征加权融合规则增强图像的细节特征。最后,利用ShearLab 3D逆变换获得PET/MRI图像。结果表明,ShearLab 3D变换的融合结果整体优于空域和小波变换;ShearLab 3D方法中将不同融合规则对比分析,该算法融合结果的平均梯度、空间频率、边缘强度、综合熵分别提高了11.09%,22.58%,152.68%,0.58%,解决了边缘模糊、细节不清晰的问题。该研究为PET/MRI图像融合提供了参考。
基于时空域退偏的数字全息成像去噪研究
丁伟, 孔勇, 杜彤耀, 钱心磊, 王振伟
2021, 45(1): 115-120. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.020
摘要:
为了抑制全息记录过程中的散斑噪声,采用一种通过降低相干光源相干性的方法,并进行了理论分析和实验验证。利用旋转二元波片进行退偏,在10s内记录70幅全息图进行平均化降噪; 同时利用毛玻璃对相干光进行空间退相干,降低了光源的相干性从而降低了散斑噪声。将单独采用时间退偏操作的重建图像与单独采用空间退偏操作的重建图像以及两者相结合的重建图像进行了对比。通过实验验证了所提方法的可行性,通过分析频谱比较证实了几种方法,利用信噪比直观地证实了几种方法的有效性。结果表明,时间、空间退偏结合对散斑噪声的抑制有着明显的优势,空间退偏的重建像的信噪比为0.4459,时间退偏的重建像信噪比为1.5155,而两者结合后的信噪比为1.7162,采用时间退偏以及空间退偏叠加的方式有效地抑制了相干噪声。该实验为研究数字全息成像的过程中由于光源相干度过高带来的散斑噪声干扰的问题提供了一个有效的抑制方法。
光子学前沿技术
可用于激光雷达的量子光学技术
徐强, 沈思, 谢修敏, 吴鹏, 周强, 邓光伟, 王浟, 宋海智
2021, 45(1): 44-47. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.008
摘要:
为了研究量子关联测量和Hong-Ou-Mandel干涉测量在激光雷达探测上的潜在应用,采用基于色散位移光纤制备关联双光子源的方法和全同光子的Hong-Ou-Mandel干涉原理,搭建了关联双光子产生平台和Hong-Ou-Mandel干涉平台,进行了理论分析和实验检测。结果表明,制备出的关联双光子源,其双光子产生率最高约8kHz,符合/偶然符合计数比最大值约为15,验证了双光子源的量子关联特性;测试了两路弱相干-单光子源的Hong-Ou-Mandel干涉,干涉可见度为0.41±0.01,若将一路光子信号作为激光雷达的回波信号,Hong-Ou-Mandel干涉测量可以将激光雷达的时间测量精度提升到0.95ps±0.03ps,对应空间分辨率为284.06μm±9.94μm。相关实验结果为后续研究不同体制的量子光学-激光雷达技术奠定了基础。
综述与评述
基于差分吸收激光雷达有毒有害气体遥测进展
梁晓峰, 杨泽后, 王顺艳, 陈涌, 陈春利, 李晓锋, 李晶, 周鼎富
2021, 45(1): 53-60. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.010
摘要:
差分吸收激光雷达具有探测距离远、灵敏度高、响应时间快等特点,可用于大范围大气有毒有害气体的遥感监测,成为近年来大气有毒有害气体激光遥测技术发展的重点。首先阐述了差分吸收激光雷达大气遥测基本原理,其次从激光器应用和系统平台发展两个方面分析了该技术的技术发展现状,最后提出了宽光谱、多波长、新探测体制的激光雷达、多平台应用、复合系统将成为未来基于差分吸收激光雷达有毒有害气体遥测发展方向。
InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器发展研究
张伟, 徐强, 谢修敏, 邓杰, 覃文治, 胡卫英, 陈剑, 宋海智
2021, 45(1): 105-108. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.018
摘要:
基于InGaAs纳米线的光电探测器,由于其优异的性能而受到广泛的关注和研究。综述了InGaAs纳米线光电探测器的探测机理、材料结构、器件性能和当前的研究现状。讨论了InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器结构设计、纳米线材料精密生长、纳米线材料的界面与缺陷控制、纳米线雪崩焦平面器件制备工艺等关键技术。对发展高光子探测效率、低噪声、高增益InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器的前景进行了展望。
国外地面激光测距目标指示器的发展现状
张德斌, 江清波, 王晔, 缪欣, 宋余华, 张新兴, 芮大庆, 周文春
2021, 45(1): 126-130. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.01.022
摘要:
激光制导武器具有命中精度高、可实施远程精确打击、作战效能高、抗干扰能力强等特点,逐渐成为现代战争武器的主角。激光测距目标指示器作为激光制导武器系统的重要组成部分,受到了国外各国军方的重视,研制并装备了多型激光测距目标指示器。为了便于国内开展类似产品研究,对国外地面激光测距目标指示器的发展历程进行了概述,介绍了激光制导武器以及激光测距目标指示器的基本工作原理,并结合发展现状对地面激光测距目标指示器的发展趋势进行了分析,为国内研制类似产品及光电对抗研究提供参考。