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2020, 44(4): 0-0.
摘要:
光通信与光信息技术
莫尔条纹倾角快速求解算法及应用
陈好, 贾静, 王询, 何易德, 蒋泽伟
2020, 44(4): 399-403. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.001
摘要:
为了满足基于泰伯-莫尔条纹长焦距测量技术在测量激光材料热效应等效热焦距时对测量速度的需求,提出了一种莫尔条纹倾角快速求解算法。在对传统频域迭代法测量速度影响因素分析基础上,基于迭代运算坐标值相似性和离散傅里叶变换可分离性,将频谱值求解过程中包含小数值的坐标点进行公共项分离, 公共部分采用傅里叶变换指数项进行滤波,不同部分在提取相似项的基础上进行组合运算,将2维条纹图像傅里叶变换降为1维进行处理;同时相关指数项被限定在极小的可知范围,极大地方便了查表运算和位运算的采用。结果表明,采用相同配置计算机,在保证测量精度的前提下,将完成一次测量的测量时间从15s降低到0.4s,测量速度提高了38倍。该算法很好地满足了激光材料热效应等效热焦距参量快速测量的应用需求。
无人机山区环境激光扫描路径规划方法研究
彭赤, 杨磊, 周小红, 石书山, 陈科羽, 谢春
2020, 44(4): 441-446. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.008
摘要:
为了提升山区环境里无人机进行扫描时的飞行测量有效性和飞行效率,提出了一种结合传感器测量特性的路径规划方法,以激光传感器的最大测量距离和角度、飞行效率、巡检目标位置为约束,通过求解规划方程得到飞行的轨迹,从而保证无人机山区环境巡检的安全和效率。结果表明,结合Velodyne VLP-16,RS-LiDAR-16,HDL-32E 3种激光传感器的最大测量距离d以及测量角度θ等特性进行路径规划,规划优化效果分别达到了7.58%, 11.18%, 13.33%。该研究验证了山区激光扫描路径规划方法的有效性和正确性。
基于视觉图像的四旋翼无人机飞行控制研究
索文凯, 胡文刚, 班利明, 林源和, 钱乐
2020, 44(4): 451-458. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.010
摘要:
为了利用视觉图像中信息的无源性、实时性以及机载控制器的自创性等特性,解决无人机信源易干扰、有延时、受制约的问题,分析了“十”字型四旋翼无人机的动力结构、控制原理以及无人机飞行过程中位姿方程、动力方程之间的相互关系,完成了四旋翼无人机六自由度信息和飞行控制四元素输入信息之间的转换,设计了基于合作目标匹配的无人机视觉图像自主控制算法。结果表明,在实测值为零时,即可完成自主降落功能。该算法可以实现简单环境下四旋翼无人机的自主降落。这一研究对无人机的自主化、智能化发展具有一定的帮助作用。
基于密度聚类的光条中心线提取方法
梁宇龙, 段发阶
2020, 44(4): 459-465. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.011
摘要:
为了解决线结构光3维测量中噪声光斑对提取精度的影响,采用了密度聚类灰度重心提取算法提取激光光条中心线。该方法由中心线预提取以及中心线最终提取两阶段组成,预提取阶段实现对激光与光斑两者中心线的同时提取,最终提取阶段采用基于连通性的密度聚类算法完整保留激光中心线并剔除噪声光斑。在仿真实验阶段,对大小为600pixel×600pixel、含有激光中心线的图像进行了加噪处理,并使用提取结果与真实中心线之间各点的均方根误差以及运行时间作为考察标准进行了实验研究。结果表明,该方法与传统灰度重心法相比,在高亮度各向异性光斑、高亮度小面积光斑、高亮度点噪声图像的均方根误差分别降低了12.59pixel,15.12pixel和83.36pixel,时间复杂度分别提高了0.383s, 0.412s和0.416s。该方法与传统灰度重心法相比具有更高的提取精度、近似的时间复杂度,且对噪声光斑具有较好鲁棒性,可以在噪声光斑图像中完整提取出光条中心线。
3维卷积递归神经网络的高光谱图像分类方法
关世豪, 杨桄, 李豪, 付严宇
2020, 44(4): 485-491. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.015
摘要:
为了针对高光谱图像中空间信息与光谱信息的不同特性进行特征提取,提出一种3维卷积递归神经网络(3-D-CRNN)的高光谱图像分类方法。首先采用3维卷积神经网络提取目标像元的局部空间特征信息,然后利用双向循环神经网络对融合了局部空间信息的光谱数据进行训练,提取空谱联合特征,最后使用Softmax损失函数训练分类器实现分类。3-D-CRNN模型无需对高光谱图像进行复杂的预处理和后处理,可以实现端到端的训练,并且能够充分提取空间与光谱数据中的语义信息。结果表明,与其它基于深度学习的分类方法相比,本文中的方法在Pavia University与Indian Pines数据集上分别取得了99.94%和98.81%的总体分类精度,有效地提高了高光谱图像的分类精度与分类效果。该方法对高光谱图像的特征提取具有一定的启发意义。
基于主成分分析与曲面拟合的激光点云滤波去噪
柳赟, 孙淑艳
2020, 44(4): 497-502. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.017
摘要:
为了消除激光点云采集时点云中的噪声点,避免噪声尤其是一些孤立离群点对点云数据质量的影响,将散乱的、含有噪声点云变成规则的、高精度的点云,采用了基于主成分分析与曲面拟合进行点云去噪的方法,首先提出了点云区域的主成分分析计算方法,在主成分分析的法向量进行粗去噪,而后去噪后的点云进行曲面拟合,最后根据点到曲面的距离进行了点云的滤波,得到滤波后的点云。结果表明,该方法去噪效果精度高,尤其针对散乱点云,去噪效果明显,最佳滤波性能误差仅为0.018mm。该研究为散乱激光点云的去噪滤波提供了参考。
复杂环境中电力线激光点云的自动提取
吴华, 刘海燕, 丁高峰, 曹飞
2020, 44(4): 509-514. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.019
摘要:
为了解决目前复杂环境下电力线提取精度及鲁棒性低的问题,提出了一种基于激光点云的电力线自动提取方法。通过主成分分析确定输电线路的主方向,将长距离输电走廊划分为多个空间网格,以应对地形起伏变化时植被点云对提取算法的干扰;再通过一种自顶向下的全新滤波算法剔除每个空间网格的地物点,根据点云密度分布差异实现电力线和电塔的自动分离;另外, 提出半径搜索算法对分离后的结果进行处理,得到单条电力线的激光点云数据。结果表明,所提出的方法对电力线的提取精度高达99.69%,针对不同连接塔型和不同地形都具有很好的鲁棒性。该研究在输电通道空间结构的自动分析领域以及智能巡检领域具有良好的工程应用价值。
基于跟踪特征的目标模型逼真度评估方法
何易德, 朱斌, 王询, 陈好, 贾静
2020, 44(4): 515-519. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.020
摘要:
为了实现红外仿真目标模型逼真度评估的目的,采用了基于跟踪算法提取目标模型关键特征的方法,通过分析跟踪过程的重点,确定以目标为中心的局部视场区域图像来评估目标模型。在现有红外仿真目标模型评估现状的基础上,采用典型的跟踪算法来设计完成试验,并进行了理论分析和试验验证,取得了较好的试验结果。结果表明,基于关键特征提取的方法中相似目标模型是不相似目标模型的2倍以上,有些高达10倍差距,可以基于目标图像关键特征来验证目标模型的有效性。此研究算法为后续红外仿真目标模型逼真度的评估具有实际指导和扩展的意义。
一种基于多尺度点状目标建模的检测算法
陈勤霞, 武文成, 艾斯卡尔·艾木都拉
2020, 44(4): 520-524. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.021
摘要:
为了解决点状小目标传统建模检测算法易受小目标自身暗淡呈点状的影响,在检测过程中小目标丢失或背景信息被误检成目标的问题,采用一种更加有效的多尺度点状小目标建模算法,对背景和可疑目标进行建模,得到了可疑目标图像。使用一种阈值分割算法,将真实目标从可疑目标中提取出来,进行了理论分析和实验验证。结果表明,该算法在同一数据集下,相对其它算法检测到点状小目标的轨迹更加接近真实轨迹。该研究对提高小目标检测效果的精度是有帮助的。
综述与评述
新型钠信标激光器研究进展
宗庆霜, 卞奇, 马浩达, 杨林, 左军卫, 薄勇, 彭钦军
2020, 44(4): 404-410. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.002
摘要:
自适应光学技术广泛应用于大型地基光学望远镜,以校正大气扰动造成的波前畸变,使望远镜达到近衍射极限分辨率,实现对观测目标的清晰成像。激光钠导引星作为自适应光学校正的信标源,是自适应光学望远镜的核心技术之一。介绍了589nm光抽运垂直外腔面发射半导体钠导引星激光器和掺Dy3+晶体作为增益介质直接发射589nm激光的固体激光器的最新研究进展。这些方案因其具有体积小、效率高、可靠性高、成本低、易维护等优势,被认为是新一代钠导引星激光器有潜力的发展方向。
光电对抗与强激光技术
激光辐照非制冷微测辐射热计的理论研究
周冰, 贺宣, 刘贺雄, 李秉璇, 张炎
2020, 44(4): 411-417. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.003
摘要:
为了研究非制冷微测辐射热计的激光损伤阈值,根据非制冷微测辐射热计的构造和成像原理,分析了像元温度响应机制,推导出了零偏置下和单次偏置时间内像元受到激光辐照的温度增量计算公式;建立了激光辐照非制冷微测辐射热计的有限元分析模型,结合实际工作条件加载热源载荷进行仿真,模拟了激光造成软损伤的过程。结果表明,激光软损伤阈值可按照零偏置条件下像元温度响应的公式近似计算,其对应的温度偏差不大于3%。该研究为激光压制干扰红外成像系统的损伤阈值计算提供了参考。
近红外激光对图像传感探测器的干扰研究
张亚男, 牛春晖, 赵爽, 吕勇
2020, 44(4): 418-423. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.004
摘要:
为了研究近红外激光对图像传感器的干扰机理,利用波长为1064nm的连续激光辐照黑白电荷耦合器件相机,观察激光对黑白相机的干扰现象, 将实验中采集到的数字图像进行处理,提取了黑白相机在不同激光功率下的干扰程度曲线,并进行了分析。结果表明, 图像传感器相机干扰包括干扰光斑和串音线,激光功率越高,干扰光斑半径越大,串音线缓慢变宽,相应干扰区域中饱和像元数越多,干扰程度越严重;对于1064nm激光对黑白相机的干扰过程,饱和像元数量正比于激光功率基本呈线性增长;对实验现象中出现的规律性点阵光斑和旁支串音线的新现象解释为与光学镜头的傅里叶频谱性质有关;利用相关公式推导得出一般干扰过程的拟合曲线,并根据图像传感器基本像元结构的电容势阱特点和载流子溢出方式来对干扰过程进行仿真模拟,仿真结果与实验数据基本相符。该结果有助于近红外激光对CCD的干扰研究。
激光物理、材料与器件
石墨烯-六方氮化硼结构的古斯-汉欣位移
何一凡, 刘晨晨, 蒋青云, 尹承平
2020, 44(4): 424-428. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.005
摘要:
为了研究由石墨烯覆盖半无限六方氮化硼结构中的古斯-汉欣位移性质,采用传输矩阵方法分析了结构参量对反射光古斯-汉欣位移的影响。结果表明, 通过合理调节石墨烯的化学势或层数,均可实现古斯-汉欣位移由正到负的一个转变;通过选取合适的参量,可实现较大的古斯-汉欣位移,其最大值约为波长的450倍。此研究结果对设计光开关、光学传感器件具有重要意义。
基于互耦合环形激光器获取高质量混沌信号
张定梅
2020, 44(4): 466-470. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.012
摘要:
为了满足混沌保密通信的需求,提出了一种基于两个半导体环形激光器互耦合产生高质量混沌光信号的方案,采用数值仿真的方法进行了理论分析,得到了各种参量情况下的时间序列、功率谱及自相关系数分布图。结果表明, 在一定的参量条件下,激光器能展现出单周期、多周期及混沌等动力态;在较大的频率失谐下,混沌信号的时延特征能够被较好地抑制;通过大范围扫描注入参量,可得到带宽最大为14.0GHz并且具有较低的时延特征的混沌信号,能显著提高混沌保密通信的传输速率及安全性。此研究结果可为环形激光器在混沌保密通信中的应用提供一定的理论参考。
激光与光电子技术应用
具有输入饱和的光电伺服平台的滑模控制
乔琦, 钟铭亮, 任维, 段倩文, 陈兴龙, 毛耀
2020, 44(4): 429-435. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.006
摘要:
为了解决光电伺服平台中的输入饱和问题,采用了基于过渡过程的滑模控制算法。过渡过程算法是基于时间最优理论设计的,将跳变的输入信号变为一个缓慢上升的信号,使系统的初始跟踪误差减小,从而避免了输入饱和现象,提高了系统的稳定性。结果表明,该方法可以有效消除输入饱和现象,适用于光电伺服平台的目标跟踪,具有重要研究与应用价值。
基于红外指纹光谱的快速鉴别黑色记号笔墨水
侯伟, 王继芬
2020, 44(4): 436-440. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.007
摘要:
为了实现对记号笔墨水的检验与认定,采集了广博等5种品牌共计40支黑色记号笔红外指纹图谱数据。采用了多元散射校正、峰面积归一化、自动基线校正和Savitzky-Golay平滑等技术,建立了基于多层感知器的黑色记号笔墨水分类模型,进行了理论分析和实验验证。结果表明,红外指纹图谱能反映分子结构的细微变化,可将水性与油性记号笔区分; 针对4种油性记号笔样本,发现模型在30维矩阵上特征提取最好,准确率为100%, 其中特征12、特征26和特征17对模型区分效果的贡献程度最高,分别为0.0355, 0.0347和0.0346;4种油性品牌记号笔样本均实现了100%的准确区分, 其中乐途品牌样本聚敛程度较高,分布集中,其墨水组分和含量差异较小,宝克品牌样本分布较为分散,其墨水组分和含量相对差异较大; 在验证性分析中,8个待判定样本均实现了100%的准确区分和归类,实验结果理想,利用红外指纹图谱结合多层感知器可实现黑色记号笔墨水品牌间的准确识别与分类。该方法提高了检验鉴定效率、降低了检验鉴定成本、可满足一线执法人员快速、准确的检验需求。研究结果具有一定的普适性和借鉴意义。
扫描路径对薄壁件激光熔覆涂层形变的影响
梁志刚, 战金明, 师文庆, 谢玉萍, 黄江, 安芬菊
2020, 44(4): 447-450. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.009
摘要:
为了改善收割机割刀等薄壁件在激光熔覆提升性能时容易产生形变的状况,采用Nd:YAG激光加工系统在Hilbert分形式、轮廓偏置式和光栅式的3种不同的扫描路径下分别制备不同的铁基合金熔覆涂层,并取得了基材形变量和熔池深度等相关数据。结果表明,轮廓偏置式扫描路径在中心处的熔池深度最大,为0.75mm,且试样形变量达到了0.30mm;激光熔覆过程中熔池与其附近区域的温度梯度和基材形变量有着正相关的关系,熔池深度越大,温度越高,不同区域之间的温度梯度越大,产生的热应力越大,进而形变的倾向也会越大;光栅式扫描路径熔池深度随时间递增,温度梯度较小,故对基材的形变倾向较弱,且所制备的熔覆涂层质量较好,是适合于薄壁件激光熔覆的扫描路径。此研究对薄壁件激光熔覆具有指导意义。
基于k最近邻的激光雷达飞机尾涡识别
潘卫军, 吴郑源, 张晓磊
2020, 44(4): 471-477. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.013
摘要:
为了对脉冲多普勒激光雷达探测径向速度场进行识别,建立了基于k最近邻(KNN)方法的分类模型。结合飞机尾涡Hallock-Burnham模型和脉冲多普勒激光雷达特性,提取脉冲多普勒激光雷达探测径向速度场的特征参量。基于现有测试数据,在非均匀背景风场下利用KNN方法对飞机尾涡进行识别。结果表明,以准确率(ACC)和ROC曲线下的面积(AUC)作为评估标准,所提出的方法对尾流识别所获得的ACC和AUC分别为0.772和0.855。该方法可有效地识别飞机尾涡并具备较好的鲁棒性。
玉米粉中苯甲酸的太赫兹光谱定量检测研究
欧阳爱国, 蔡会周, 李斌, 刘刚
2020, 44(4): 478-484. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.014
摘要:
为了检测玉米粉中苯甲酸的含量,控制苯甲酸在玉米粉中使用量,提高食品安全等级,采用太赫兹光谱技术对玉米粉中苯甲酸含量进行定量研究,获得了玉米粉中不同质量分数的苯甲酸在0.5THz~3THz的光谱数据。采用偏最小二乘、最小二乘支持向量机和多元线性回归构建光谱模型,未参与建模的样品用来进行模型评估, 并利用预测集相关系数Rp和预测集均方根误差eRMSEP对模型进行了评价。结果表明, 最小二乘支持向量机模型评价能力最强,预测集相关系数Rp=0.9958,预测集均方根误差eRMSEP=0.0057。说明太赫兹技术结合化学计量学方法可以用于定量检测玉米粉中苯甲酸的含量。
活性激光焊接304不锈钢温度场的数值与试验研究
梅丽芳, 秦建红, 严东兵
2020, 44(4): 492-496. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.016
摘要:
为了研究活性剂对激光焊接试样熔池温度的影响,以304不锈钢厚板为对象,建立了活性激光焊接的ANSYS 3维有限元模型,数值模拟其焊接温度场,并采用红外热像仪同步监测熔池温度变化情况。综合数值计算与试验检测数据,对比分析了涂覆不同活性剂及未涂敷活性剂的试件在激光焊接过程中的温度变化趋势。结果表明, 数值模拟结果与试验结果基本吻合,活性剂涂敷并未对温度场分布造成明显影响,但对熔池的峰值温度略有改变,相比未涂敷活性剂焊接试件,SiO2和TiO2活性剂使熔池峰值温度升高约7%~9%,NaF活性剂使熔池峰值温度降低约5%。此研究将丰富和发展活性激光焊接厚板的基础理论,为活性激光焊的推广应用提供重要理论和试验基础。
雾天多次散射对激光透射仪能见度测量的影响
李蒙, 刘文荣
2020, 44(4): 503-508. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.04.018
摘要:
为了分析雾天多次散射引起的激光透射仪能见度测量误差,结合激光大气透射仪的系统参量,基于平流雾和辐射雾分布模型,采用蒙特卡洛法对激光在雾中的传输特性进行了理论分析和数值模拟,获得了雾天透过率数据,并计算得到了多次散射引起的能见度误差。结果表明,在雾天气下随着空气中含水量的增多,多次散射越明显,透过率测量误差越大,辐射雾的透过率相对误差高达116.76%;同等条件下,当接收机直径为100cm时,辐射雾多次散射引起的能见度测量误差为19.30%;同时选取较小的接收机直径可以减小多次散射引起的能见度测量误差。因此, 在雾天应用激光透射仪进行能见度测量时,需考虑多次散射的影响。此研究结果对实际雾天气下激光大气透射仪能见度的测量具有重要的指导意义。