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RSS2021年 45卷 第3期
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[摘要]
[PDF 269KB]
2021, 45(3): 271-279.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.001
[HTML全文]
摘要:
高重频中红外激光器在光电对抗及其它领域具有重要的应用价值, 其输出的激光波长覆盖了3μm~5μm, 主要包括直接抽运式高重频中红外固体激光器、高重频中红外光纤激光器和高重频中红外光学参量振荡器3种类型。介绍了产生高重频中红外激光的主要技术方案, 并讨论了上述3种类型激光器的相关进展状况。最后, 对各种技术所存在的问题和未来的发展方向进行了分析与展望。
高重频中红外激光器在光电对抗及其它领域具有重要的应用价值, 其输出的激光波长覆盖了3μm~5μm, 主要包括直接抽运式高重频中红外固体激光器、高重频中红外光纤激光器和高重频中红外光学参量振荡器3种类型。介绍了产生高重频中红外激光的主要技术方案, 并讨论了上述3种类型激光器的相关进展状况。最后, 对各种技术所存在的问题和未来的发展方向进行了分析与展望。
2021, 45(3): 280-285.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.002
摘要:
为了研究连续激光作用下层叠型碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)的铺层结构对材料温度的影响, 采用有限元软件COMSOL模拟连续激光辐照5种典型层叠型CFRP的烧蚀过程。通过材料表面的温度偏差, 获得了5种典型层叠型CFRP的温度分布和演化规律; 通过对材料整体温度分布进行统计分析, 获得了材料温度均匀性随激光辐照时间的变化规律。结果表明, 由单向层叠加而成的CFRP在材料表面光斑边缘附近温度对铺层结构最为敏感, 呈非单调变化; 在5种典型的结构中45°夹角铺层结构的CFRP整体温度分布最为均匀。此研究结果有助于进一步研究激光辐照下复合材料的热力学破坏。
为了研究连续激光作用下层叠型碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)的铺层结构对材料温度的影响, 采用有限元软件COMSOL模拟连续激光辐照5种典型层叠型CFRP的烧蚀过程。通过材料表面的温度偏差, 获得了5种典型层叠型CFRP的温度分布和演化规律; 通过对材料整体温度分布进行统计分析, 获得了材料温度均匀性随激光辐照时间的变化规律。结果表明, 由单向层叠加而成的CFRP在材料表面光斑边缘附近温度对铺层结构最为敏感, 呈非单调变化; 在5种典型的结构中45°夹角铺层结构的CFRP整体温度分布最为均匀。此研究结果有助于进一步研究激光辐照下复合材料的热力学破坏。
2021, 45(3): 286-291.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.003
摘要:
为了获得成形良好、气孔少的玻璃焊接焊缝, 采用在中间层添加对激光波长不透明玻璃料的方法, 对玻璃与玻璃激光焊接中出现的气孔问题进行了研究。以半导体激光作为热源, 搭建了用于玻璃与玻璃激光焊接的成套焊接设备, 对玻璃与玻璃激光焊接工艺进行了实验研究。通过分析气孔分布特征, 统计焊缝气孔率, 测量气孔尺寸, 对比焊缝正、反面形貌差异, 研究了激光平均功率、焊接速率等工艺参量对焊缝气孔产生的规律及表面形貌的影响。结果表明, 当激光功率过小、焊接速率过慢时, 不利于抑制焊缝中气孔的产生, 并且出现未焊上的情况; 随着激光功率、焊接速率的增加, 焊缝当中的气孔率显著上升; 在激光功率P=35W、焊接速率v＝0.1m/min、离焦量d=-15mm时, 可获得成形良好、气孔直径在3.696μm以下且分布均匀的焊缝, 连接强度高。此研究可为玻璃的激光封接制造提供理论依据, 具有广泛的工业应用前景。
为了获得成形良好、气孔少的玻璃焊接焊缝, 采用在中间层添加对激光波长不透明玻璃料的方法, 对玻璃与玻璃激光焊接中出现的气孔问题进行了研究。以半导体激光作为热源, 搭建了用于玻璃与玻璃激光焊接的成套焊接设备, 对玻璃与玻璃激光焊接工艺进行了实验研究。通过分析气孔分布特征, 统计焊缝气孔率, 测量气孔尺寸, 对比焊缝正、反面形貌差异, 研究了激光平均功率、焊接速率等工艺参量对焊缝气孔产生的规律及表面形貌的影响。结果表明, 当激光功率过小、焊接速率过慢时, 不利于抑制焊缝中气孔的产生, 并且出现未焊上的情况; 随着激光功率、焊接速率的增加, 焊缝当中的气孔率显著上升; 在激光功率P=35W、焊接速率v＝0.1m/min、离焦量d=-15mm时, 可获得成形良好、气孔直径在3.696μm以下且分布均匀的焊缝, 连接强度高。此研究可为玻璃的激光封接制造提供理论依据, 具有广泛的工业应用前景。
2021, 45(3): 292-297.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.004
摘要:
为了解决基于线激光视觉传感的焊缝中心位置定位精度不高的问题, 采用了一种基于改进跟踪-学习-检测(TLD)算法的焊缝跟踪方法。由激光视觉传感器实时获取焊缝图像, 采用将跟踪器与检测器结合的TLD算法实时跟踪焊缝特征点, 同时通过在线学习机制更新分类器参量。在此基础上对激光条纹图像截取感兴趣区域, 大幅减少检测器的搜索区域; 根据激光条纹光强分布特性, 结合纠偏方向选取跟踪器有效特征点, 以此提高算法效率, 对不锈钢板V型焊缝和搭接焊缝进行跟踪试验。结果表明, 跟踪与检测可实现共同定位焊缝中心位置, 其融合的焊缝跟踪方法能够准确地提取焊缝特征点, 两种焊缝跟踪平均绝对误差分别为0.062mm和0.052mm。此方法为提高焊缝跟踪精度提供了依据。
为了解决基于线激光视觉传感的焊缝中心位置定位精度不高的问题, 采用了一种基于改进跟踪-学习-检测(TLD)算法的焊缝跟踪方法。由激光视觉传感器实时获取焊缝图像, 采用将跟踪器与检测器结合的TLD算法实时跟踪焊缝特征点, 同时通过在线学习机制更新分类器参量。在此基础上对激光条纹图像截取感兴趣区域, 大幅减少检测器的搜索区域; 根据激光条纹光强分布特性, 结合纠偏方向选取跟踪器有效特征点, 以此提高算法效率, 对不锈钢板V型焊缝和搭接焊缝进行跟踪试验。结果表明, 跟踪与检测可实现共同定位焊缝中心位置, 其融合的焊缝跟踪方法能够准确地提取焊缝特征点, 两种焊缝跟踪平均绝对误差分别为0.062mm和0.052mm。此方法为提高焊缝跟踪精度提供了依据。
2021, 45(3): 298-302.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.005
摘要:
为了研究LD抽运的Nd∶YVO4的声光Q开关的射频功率对衍射效率、漏光功率与门信号开启后激光输出脉冲序列的时间特性的影响, 通过调节施加在Q开关上的射频功率, 取得了漏光与激光脉冲上升时间随之变化的趋势并加以分析。结果表明, 在射频功率增大到4.4 W时, 漏光完全消失; 在射频功率位于2W~3 W之间时, 漏光功率在500mW以下, 且激光脉冲上升时间是到达第一阈值所用时间的60%~70%;得到了既顾及门信号开启后激光输出脉冲序列的上升时间、又尽可能在Q开关处于hold-off状态时保持低的激光漏光功率的驱动射频信号的功率范围。该研究结果对构建适用于可快速开启的、热效应较为严重的声光调Q固体激光器具有较好的参考价值。
为了研究LD抽运的Nd∶YVO4的声光Q开关的射频功率对衍射效率、漏光功率与门信号开启后激光输出脉冲序列的时间特性的影响, 通过调节施加在Q开关上的射频功率, 取得了漏光与激光脉冲上升时间随之变化的趋势并加以分析。结果表明, 在射频功率增大到4.4 W时, 漏光完全消失; 在射频功率位于2W~3 W之间时, 漏光功率在500mW以下, 且激光脉冲上升时间是到达第一阈值所用时间的60%~70%;得到了既顾及门信号开启后激光输出脉冲序列的上升时间、又尽可能在Q开关处于hold-off状态时保持低的激光漏光功率的驱动射频信号的功率范围。该研究结果对构建适用于可快速开启的、热效应较为严重的声光调Q固体激光器具有较好的参考价值。
2021, 45(3): 303-306.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.006
摘要:
为了证明3维荧光光谱法对市面上的牛奶饮料进行快速分类的有效性, 采集了市面上购买的12个不同品牌的牛奶饮料的3维荧光光谱, 对光谱数据进行了预处理。采用主成分分析、因子分析结合聚类分析的方法对预处理后的光谱数据进行分类, 通过因子分析提取出8个因子代表 3维荧光光谱数据, 对降维后的数据进行了聚类分析。结果表明, 主成分分析保留前两个主成分的累积贡献率达到95.15%, 能较好地降低光谱数据的维数, 但是分类阈值不易确定; 选择2.5作为阈值距离, 可将含乳饮料分为配制型含乳饮料、发酵型含乳饮料和乳酸菌饮料, 分类准确率达到83%以上。该研究验证了3维荧光光谱结合因子分析对含乳饮料进行分类的可行性。
为了证明3维荧光光谱法对市面上的牛奶饮料进行快速分类的有效性, 采集了市面上购买的12个不同品牌的牛奶饮料的3维荧光光谱, 对光谱数据进行了预处理。采用主成分分析、因子分析结合聚类分析的方法对预处理后的光谱数据进行分类, 通过因子分析提取出8个因子代表 3维荧光光谱数据, 对降维后的数据进行了聚类分析。结果表明, 主成分分析保留前两个主成分的累积贡献率达到95.15%, 能较好地降低光谱数据的维数, 但是分类阈值不易确定; 选择2.5作为阈值距离, 可将含乳饮料分为配制型含乳饮料、发酵型含乳饮料和乳酸菌饮料, 分类准确率达到83%以上。该研究验证了3维荧光光谱结合因子分析对含乳饮料进行分类的可行性。
2021, 45(3): 307-312.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.007
摘要:
为了研究空心光束在非Kolmogorov湍流传输路径上的区域范围与各参量之间的关系及不同区域内光束的扩展情况, 采用广义惠更斯-菲涅耳原理推导了空心光束传输于非Kolmogorov湍流中的二阶矩宽度、瑞利区间及湍流距离的解析式, 并利用湍流距离把传输路径分割为3个区域进行数值分析。结果表明, 区域Ⅰ、区域Ⅱ的长度及区域Ⅲ的起始点都随湍流广义指数α的增大而先减小再增大(当α=3.11时出现一个极小值), 且随遮拦比η和光束阶数M(及N)的增大而增大; M(及N)取值较小时(M(及N) < 3), 湍流在瑞利区间内对光束扩展造成的影响不能忽略, M(及N)和η越大, 越容易忽略湍流在瑞利区间内对光束扩展所构成的影响; 光束在传输路径上依次进入区域Ⅰ、区域Ⅱ及区域Ⅲ, 其光束扩展逐渐变得更加剧烈, 且随着M(及N)和η的增加, 区域Ⅱ长度和区域Ⅲ的起始点相较于区域Ⅰ的长度增加更为显著。该研究结果为空心光束传输于湍流中的相关应用提供了参考。
为了研究空心光束在非Kolmogorov湍流传输路径上的区域范围与各参量之间的关系及不同区域内光束的扩展情况, 采用广义惠更斯-菲涅耳原理推导了空心光束传输于非Kolmogorov湍流中的二阶矩宽度、瑞利区间及湍流距离的解析式, 并利用湍流距离把传输路径分割为3个区域进行数值分析。结果表明, 区域Ⅰ、区域Ⅱ的长度及区域Ⅲ的起始点都随湍流广义指数α的增大而先减小再增大(当α=3.11时出现一个极小值), 且随遮拦比η和光束阶数M(及N)的增大而增大; M(及N)取值较小时(M(及N) < 3), 湍流在瑞利区间内对光束扩展造成的影响不能忽略, M(及N)和η越大, 越容易忽略湍流在瑞利区间内对光束扩展所构成的影响; 光束在传输路径上依次进入区域Ⅰ、区域Ⅱ及区域Ⅲ, 其光束扩展逐渐变得更加剧烈, 且随着M(及N)和η的增加, 区域Ⅱ长度和区域Ⅲ的起始点相较于区域Ⅰ的长度增加更为显著。该研究结果为空心光束传输于湍流中的相关应用提供了参考。
2021, 45(3): 313-317.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.008
摘要:
为了讨论1维光子晶体带隙的本质, 利用传输特征矩阵法分析了二次元多周期1维光子晶体的反射率, 并推导出等效折射率实部的表达式。以氟化镁(MgF2)和硫化锌(ZnS)构成的二次元多周期的1维光子晶体为例, 进行了数值计算, 绘制了反射率及等效折射率实部的曲线, 并进行了分析。结果表明, 反射率为1.0的波长区间与等效折射率实部为零的波长区间相同; 对于带隙范围内的光波而言, 1维光子晶体的等效折射率的实部等于或趋近于零时, 1维光子晶体是虚等效折射率材料。该研究对二次元多周期1维光子晶体的研究是有帮助的。
为了讨论1维光子晶体带隙的本质, 利用传输特征矩阵法分析了二次元多周期1维光子晶体的反射率, 并推导出等效折射率实部的表达式。以氟化镁(MgF2)和硫化锌(ZnS)构成的二次元多周期的1维光子晶体为例, 进行了数值计算, 绘制了反射率及等效折射率实部的曲线, 并进行了分析。结果表明, 反射率为1.0的波长区间与等效折射率实部为零的波长区间相同; 对于带隙范围内的光波而言, 1维光子晶体的等效折射率的实部等于或趋近于零时, 1维光子晶体是虚等效折射率材料。该研究对二次元多周期1维光子晶体的研究是有帮助的。
2021, 45(3): 318-321.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.009
摘要:
为了实现对案件现场残留的纸张灰烬样品快速、准确地检验与认定, 采用X射线荧光光谱法(XRF)结合多元统计学的系统聚类和主成分分析法测定32个不同来源、不同用途的纸张灰烬, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 根据样品所含元素种类和含量的不同, 可以准确地将样本进行区分; 同时, 将32个样本分为五大类, 两种分析方法所得到的分类结果基本一致, 其中主成分PC2的累计方差贡献率高达99.86%。该研究方法不破坏检材、重现性好, 所得结果科学理想, 为微量物证检验提供了一定的理论依据。
为了实现对案件现场残留的纸张灰烬样品快速、准确地检验与认定, 采用X射线荧光光谱法(XRF)结合多元统计学的系统聚类和主成分分析法测定32个不同来源、不同用途的纸张灰烬, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 根据样品所含元素种类和含量的不同, 可以准确地将样本进行区分; 同时, 将32个样本分为五大类, 两种分析方法所得到的分类结果基本一致, 其中主成分PC2的累计方差贡献率高达99.86%。该研究方法不破坏检材、重现性好, 所得结果科学理想, 为微量物证检验提供了一定的理论依据。
2021, 45(3): 322-325.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.010
摘要:
为了能够大范围准确获取井下环境参量并有效抑制噪声, 研究了基于新型光纤光栅(FBG)封装的光纤传感物联网系统。设计了一种可同时测试应变与温度的传感模块, 试制了新型FBG封装结构, 搭建了符合巷道结构的光纤应力监测分布网络。采用基于互相关差分计算的方法实现了对振动噪声的消除, 并对井下巷道的应力和温度进行了连续监测。结果表明, 拱段45°与60°的FBG可以准确记录应力、温度变化数据。该系统在大范围井下环境参量监测中具有更高的稳定性、更好的适应性。
为了能够大范围准确获取井下环境参量并有效抑制噪声, 研究了基于新型光纤光栅(FBG)封装的光纤传感物联网系统。设计了一种可同时测试应变与温度的传感模块, 试制了新型FBG封装结构, 搭建了符合巷道结构的光纤应力监测分布网络。采用基于互相关差分计算的方法实现了对振动噪声的消除, 并对井下巷道的应力和温度进行了连续监测。结果表明, 拱段45°与60°的FBG可以准确记录应力、温度变化数据。该系统在大范围井下环境参量监测中具有更高的稳定性、更好的适应性。
2021, 45(3): 326-330.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.011
摘要:
为了实现高精度温度传感的目的, 设计了一种新型双芯光子晶体光纤耦合微扰传感结构, 采用有限差分光束传播法对该结构的传感特性进行了分析。利用RSOFT软件的Beampronp模块对该传感器特性进行了仿真研究。结果表明, 在满足双芯耦合条件下, 折射率灵敏度可达7000nm/RUI; 耦合间距灵敏度可达2;在填充液体为乙醇时, 该传感结构可实现温度范围为278K~338K的检测, 在该范围内的灵敏度可达4nm/K。该传感器检测线性度高、工艺简单, 对其它相关传感器的研究有一定帮助和意义。
为了实现高精度温度传感的目的, 设计了一种新型双芯光子晶体光纤耦合微扰传感结构, 采用有限差分光束传播法对该结构的传感特性进行了分析。利用RSOFT软件的Beampronp模块对该传感器特性进行了仿真研究。结果表明, 在满足双芯耦合条件下, 折射率灵敏度可达7000nm/RUI; 耦合间距灵敏度可达2;在填充液体为乙醇时, 该传感结构可实现温度范围为278K~338K的检测, 在该范围内的灵敏度可达4nm/K。该传感器检测线性度高、工艺简单, 对其它相关传感器的研究有一定帮助和意义。
2021, 45(3): 331-335.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.012
摘要:
为了快速定量地分析待测样品中铀元素含量信息, 采用激光诱导击穿光谱技术结合内标法, 通过脉宽为7ns、输出能量为20mJ的纳秒激光脉冲诱导涂有硝酸双氧铀的石墨片产生等离子体光谱, 测量了波长范围为300nm~800nm的光谱数据, 对涂有不同浓度的铀样品进行了定量分析以及理论分析和实验验证, 取得了UⅡ 409.01nm和UⅡ 367.01nm谱线和CⅠ 373.72nm, CⅡ 383.57nm, CⅢ 378.94nm谱线数据。结果表明, 样品浓度低于5.0×10-3mol/m2(本文中研究的是面密度)时, 铀归一化强度与铀浓度存在较好的线性关系, 激光诱导击穿光谱技术与内标法结合可以用于快速定量分析待测样品中铀元素含量信息。该研究为核污染和铀矿中微量铀元素的快速检测分析提供了参考。
为了快速定量地分析待测样品中铀元素含量信息, 采用激光诱导击穿光谱技术结合内标法, 通过脉宽为7ns、输出能量为20mJ的纳秒激光脉冲诱导涂有硝酸双氧铀的石墨片产生等离子体光谱, 测量了波长范围为300nm~800nm的光谱数据, 对涂有不同浓度的铀样品进行了定量分析以及理论分析和实验验证, 取得了UⅡ 409.01nm和UⅡ 367.01nm谱线和CⅠ 373.72nm, CⅡ 383.57nm, CⅢ 378.94nm谱线数据。结果表明, 样品浓度低于5.0×10-3mol/m2(本文中研究的是面密度)时, 铀归一化强度与铀浓度存在较好的线性关系, 激光诱导击穿光谱技术与内标法结合可以用于快速定量分析待测样品中铀元素含量信息。该研究为核污染和铀矿中微量铀元素的快速检测分析提供了参考。
2021, 45(3): 336-343.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.013
摘要:
为了研究激光调制参量对二次谐波信号峰值、信噪比、峰宽、对称性以及信号完整性的影响, 基于硬件实验系统与Simulink仿真模型进行分析, 验证了理论模拟结果与此硬件系统下信号变化趋势的一致性, 同时确定了CO2检测系统的最佳调制参量。通过实验系统对不同体积分数的CO2在1432.04nm处的吸收光谱进行了测量, 建立主吸收峰处信号强度与不同体积分数CO2的反演模型, 分析了系统性能及测量精度。结果表明, 线性拟合系数R2=0.9998, 气体体积分数反演最大相对误差为0.7333%, 系统检测限为0.0074%;通过调制参量的优化选择可以获得较为理想的二次谐波信号, 从而实现待测气体体积分数的精确反演。该研究为检测系统中调制参量的优化提供了重要参考, 为系统测量精度的改善提供了指导。
为了研究激光调制参量对二次谐波信号峰值、信噪比、峰宽、对称性以及信号完整性的影响, 基于硬件实验系统与Simulink仿真模型进行分析, 验证了理论模拟结果与此硬件系统下信号变化趋势的一致性, 同时确定了CO2检测系统的最佳调制参量。通过实验系统对不同体积分数的CO2在1432.04nm处的吸收光谱进行了测量, 建立主吸收峰处信号强度与不同体积分数CO2的反演模型, 分析了系统性能及测量精度。结果表明, 线性拟合系数R2=0.9998, 气体体积分数反演最大相对误差为0.7333%, 系统检测限为0.0074%;通过调制参量的优化选择可以获得较为理想的二次谐波信号, 从而实现待测气体体积分数的精确反演。该研究为检测系统中调制参量的优化提供了重要参考, 为系统测量精度的改善提供了指导。
2021, 45(3): 344-349.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.014
摘要:
为了通过激光散射特性识别不同粗糙程度水泥路面, 设计了路面粗糙度测量系统。使用千分表测量水泥路面高度分布, 计算高度均方根与相关长度。根据以上参量采用功率谱频域滤波生成随机粗糙表面以模拟水泥路面, 通过切平面近似将粗糙面离散为大量微面元, 由菲涅耳公式计算本地场, 利用蒙特卡罗方法获取不同偏振光入射条件下粗糙面双向与后向散射光强度统计平均值。基于虚拟仪器技术进行高精度自动化激光散射测量, 并根据实验数据对理论模型进行了验证。结果表明, 双向散射小粗糙度水泥路面散射光强度在镜像方向散射角40°附近具有峰值90lx, 在镜像方向两侧逐步递减, 大粗糙度水泥路面光学特性近似为朗伯体, 散射光强度在各散射角方向变化不大; 后向散射在垂直入射时, 小粗糙度水泥路面散射光强度峰值为103lx, 随散射角增大逐渐递减, 大粗糙度水泥路面具有朗伯体散射特征。此研究结果可为车辆自主驾驶方案路面信息感知提供参考。
为了通过激光散射特性识别不同粗糙程度水泥路面, 设计了路面粗糙度测量系统。使用千分表测量水泥路面高度分布, 计算高度均方根与相关长度。根据以上参量采用功率谱频域滤波生成随机粗糙表面以模拟水泥路面, 通过切平面近似将粗糙面离散为大量微面元, 由菲涅耳公式计算本地场, 利用蒙特卡罗方法获取不同偏振光入射条件下粗糙面双向与后向散射光强度统计平均值。基于虚拟仪器技术进行高精度自动化激光散射测量, 并根据实验数据对理论模型进行了验证。结果表明, 双向散射小粗糙度水泥路面散射光强度在镜像方向散射角40°附近具有峰值90lx, 在镜像方向两侧逐步递减, 大粗糙度水泥路面光学特性近似为朗伯体, 散射光强度在各散射角方向变化不大; 后向散射在垂直入射时, 小粗糙度水泥路面散射光强度峰值为103lx, 随散射角增大逐渐递减, 大粗糙度水泥路面具有朗伯体散射特征。此研究结果可为车辆自主驾驶方案路面信息感知提供参考。
2021, 45(3): 350-356.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.015
摘要:
为了解决传统条纹中心提取算法对物体材质及噪声敏感问题, 采用自适应结构光条纹中心提取算法来提取条纹亚像素坐标。该算法首先对图像进行预处理, 利用图像掩模操作提取条纹图像感兴趣区域, 通过自适应卷积模板消除噪声干扰, 得到条纹区域截面宽度及条纹中心坐标的像素集合; 其次根据中心坐标的像素集合采用二次加权灰度重心法求取条纹中心初始坐标值, 将此作为种子点进行区域生长运算, 并结合主成分分析分解特征矩阵; 最终得到线结构光中心的亚像素坐标点。结果表明, 该算法能够有效快速地获取结构光条纹中心亚像素坐标, 相比灰度重心法, 所提算法实验结果波动性较小且标准误差也相对较小, 提取速度相比基于Hessian矩阵的Steger法提高近4倍, 满足工业测量系统实时性要求。所提出的结构光条纹中心提取算法具有较高的提取精度和良好的稳健性, 计算复杂度低, 具有较高的实时性, 可为后续3维视觉测量系统提供良好的精度保障。
为了解决传统条纹中心提取算法对物体材质及噪声敏感问题, 采用自适应结构光条纹中心提取算法来提取条纹亚像素坐标。该算法首先对图像进行预处理, 利用图像掩模操作提取条纹图像感兴趣区域, 通过自适应卷积模板消除噪声干扰, 得到条纹区域截面宽度及条纹中心坐标的像素集合; 其次根据中心坐标的像素集合采用二次加权灰度重心法求取条纹中心初始坐标值, 将此作为种子点进行区域生长运算, 并结合主成分分析分解特征矩阵; 最终得到线结构光中心的亚像素坐标点。结果表明, 该算法能够有效快速地获取结构光条纹中心亚像素坐标, 相比灰度重心法, 所提算法实验结果波动性较小且标准误差也相对较小, 提取速度相比基于Hessian矩阵的Steger法提高近4倍, 满足工业测量系统实时性要求。所提出的结构光条纹中心提取算法具有较高的提取精度和良好的稳健性, 计算复杂度低, 具有较高的实时性, 可为后续3维视觉测量系统提供良好的精度保障。
2021, 45(3): 357-361.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.016
摘要:
为了获得高均匀性、对称性及一些特殊形状强度分布的白光发光二极管(LED)光束以满足某些特定的需求, 基于白光LED光源为朗伯光源的特性, 运用自由曲面透镜的方法对LED光束进行了光束整形, 分别采用单一自由曲面透镜以及全内反射(TIR)透镜与微透镜阵列组合两种不同的整形结构, 进行了加工工艺和原理理论分析, 并通过了实验验证。结果表明, 实验得到的圆形均匀光斑, 其总光线利用率高达96%, 有效面积光线利用率为88.4%;得到的矩形均匀光斑, 总光线利用率为91%, 有效面积光线利用率为78.7%, 光束均匀度均在60%以上; 通过自由曲面透镜方法进行白光LED光束整形效果极佳。该整形方法为白光LED光源的进一步广泛应用提供了重要的指导。
为了获得高均匀性、对称性及一些特殊形状强度分布的白光发光二极管(LED)光束以满足某些特定的需求, 基于白光LED光源为朗伯光源的特性, 运用自由曲面透镜的方法对LED光束进行了光束整形, 分别采用单一自由曲面透镜以及全内反射(TIR)透镜与微透镜阵列组合两种不同的整形结构, 进行了加工工艺和原理理论分析, 并通过了实验验证。结果表明, 实验得到的圆形均匀光斑, 其总光线利用率高达96%, 有效面积光线利用率为88.4%;得到的矩形均匀光斑, 总光线利用率为91%, 有效面积光线利用率为78.7%, 光束均匀度均在60%以上; 通过自由曲面透镜方法进行白光LED光束整形效果极佳。该整形方法为白光LED光源的进一步广泛应用提供了重要的指导。
2021, 45(3): 362-366.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.017
摘要:
为了解决地形、走向复杂、点云密度不均匀的输电线路的电力线提取精度低的问题, 提出了一种高效的电力线自动提取和重建方法。首先通过空间分割和点云密度分析方法改进高程滤波算法实现电力线粗提取; 采用基于点云间倾斜角度平均值的滤波算法精提取电力线; 使用统计滤波算法完成电力线整体点云提取; 通过基于随机采样一致性算法的电力线分条提取算法分离电力线, 最后采用直线和抛物线结合的模型完成电力线重建。结果表明, 该方法电力线总的提取精度为99.342%, 单条电力线重建精度最低为0.042m, 对地形、线路走向和点云密度等因素具有较好的鲁棒性。该研究为复杂场景下大规模输电线路的电力线提取和3维重建提供了参考。
为了解决地形、走向复杂、点云密度不均匀的输电线路的电力线提取精度低的问题, 提出了一种高效的电力线自动提取和重建方法。首先通过空间分割和点云密度分析方法改进高程滤波算法实现电力线粗提取; 采用基于点云间倾斜角度平均值的滤波算法精提取电力线; 使用统计滤波算法完成电力线整体点云提取; 通过基于随机采样一致性算法的电力线分条提取算法分离电力线, 最后采用直线和抛物线结合的模型完成电力线重建。结果表明, 该方法电力线总的提取精度为99.342%, 单条电力线重建精度最低为0.042m, 对地形、线路走向和点云密度等因素具有较好的鲁棒性。该研究为复杂场景下大规模输电线路的电力线提取和3维重建提供了参考。
2021, 45(3): 367-372.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.018
摘要:
为了解决传统的杆塔点云提取算法对地面起伏较为敏感, 以及提取出的杆塔点云难以剔除地面点的问题, 提出了一种直接以原始点云数据为输入来实现杆塔提取的轻量级网络。将原始点云数据划分为若干大小相等的体素格, 利用特征学习网络及卷积网络提取体素格内的空间、结构特征; 并结合传统方法中的相对高度差以及点密度的特征, 从而判别该体素格为杆塔点云或非杆塔点云; 最后采用聚类算法剔除孤立的体素格以提高杆塔点云提取的准确率, 得到杆塔的激光点云数据。结果表明, 所提出的方法对于不同地形以及不同干扰因素情况下的杆塔, 提取精度能达到95%左右。该算法能有效地提取杆塔点云, 相对于格网法, 其稳定性及精确度有一定提升, 且对于高大树木、垂直遮挡等其它因素也有较好的抗干扰效果。
为了解决传统的杆塔点云提取算法对地面起伏较为敏感, 以及提取出的杆塔点云难以剔除地面点的问题, 提出了一种直接以原始点云数据为输入来实现杆塔提取的轻量级网络。将原始点云数据划分为若干大小相等的体素格, 利用特征学习网络及卷积网络提取体素格内的空间、结构特征; 并结合传统方法中的相对高度差以及点密度的特征, 从而判别该体素格为杆塔点云或非杆塔点云; 最后采用聚类算法剔除孤立的体素格以提高杆塔点云提取的准确率, 得到杆塔的激光点云数据。结果表明, 所提出的方法对于不同地形以及不同干扰因素情况下的杆塔, 提取精度能达到95%左右。该算法能有效地提取杆塔点云, 相对于格网法, 其稳定性及精确度有一定提升, 且对于高大树木、垂直遮挡等其它因素也有较好的抗干扰效果。
2021, 45(3): 373-377.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.019
摘要:
为了提高皮革缺陷检测效率, 提出了一种基于改进双边滤波的皮革缺陷检测算法。通过搭建机器视觉检测平台, 完成不同种类缺陷的皮革样本的图像采集, 采用改进的双边滤波算法处理样本图像, 模糊皮革背景纹理并保留缺陷边缘轮廓, 在此基础上, 计算各类缺陷的4种特征参量作为输入向量, 构建了最小二乘支持向量机自动识别模型。结果表明, 与聚类分析算法、阈值分割法和小波分析法相比, 本文中采用的算法能更高效地检测出皮革多种缺陷, 检测平均用时0.83s, 缺陷检测准确率为93.3%。此研究结果为皮革的实时检测提供了有效途径。
为了提高皮革缺陷检测效率, 提出了一种基于改进双边滤波的皮革缺陷检测算法。通过搭建机器视觉检测平台, 完成不同种类缺陷的皮革样本的图像采集, 采用改进的双边滤波算法处理样本图像, 模糊皮革背景纹理并保留缺陷边缘轮廓, 在此基础上, 计算各类缺陷的4种特征参量作为输入向量, 构建了最小二乘支持向量机自动识别模型。结果表明, 与聚类分析算法、阈值分割法和小波分析法相比, 本文中采用的算法能更高效地检测出皮革多种缺陷, 检测平均用时0.83s, 缺陷检测准确率为93.3%。此研究结果为皮革的实时检测提供了有效途径。
2021, 45(3): 378-385.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.020
摘要:
为了避免原鲸鱼优化算法早熟收敛、易陷入局部最优等缺陷, 首先在原鲸鱼优化算法初始化过程中采用了猫映射产生混沌序列结合反向解方法取代随机产生初始种群; 其次在位置更新机制上采用了疯狂算子和黄金正弦算法的方法; 最后将改进鲸鱼优化算法用于寻求图像2维最大熵来确定图像分割最佳阈值的选取。对10个经典基准函数进行了试验仿真验证, 得到了原鲸鱼优化算法在初始种群多样性及寻解遍历性上有所增加, 全局搜索能力提高和摆脱局部最优的结果。结果表明, 改进算法能得到函数最优值0, 0.00030, -3.32;改进算法在寻优能力和稳定性等方面有较大提升, 能实现对目标图像精确分割且耗时少。该研究为群智能算法应用于图像分割提供了参考。
为了避免原鲸鱼优化算法早熟收敛、易陷入局部最优等缺陷, 首先在原鲸鱼优化算法初始化过程中采用了猫映射产生混沌序列结合反向解方法取代随机产生初始种群; 其次在位置更新机制上采用了疯狂算子和黄金正弦算法的方法; 最后将改进鲸鱼优化算法用于寻求图像2维最大熵来确定图像分割最佳阈值的选取。对10个经典基准函数进行了试验仿真验证, 得到了原鲸鱼优化算法在初始种群多样性及寻解遍历性上有所增加, 全局搜索能力提高和摆脱局部最优的结果。结果表明, 改进算法能得到函数最优值0, 0.00030, -3.32;改进算法在寻优能力和稳定性等方面有较大提升, 能实现对目标图像精确分割且耗时少。该研究为群智能算法应用于图像分割提供了参考。
2021, 45(3): 386-389.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.021
摘要:
为了研究宽带TEM22模厄米-高斯光束通过受光阑限制色散会聚透镜系统的微米焦开关现象, 采用数值计算方法对TEM22模厄米-高斯光束的光强分布进行了分析, 取得了传输轴上光强分布的数据。结果表明, 带宽变化引起轴上TEM22模厄米-高斯光束两个光强极大的相对大小改变, 结果导致光强主极大位置跃变; 当相对带宽γ=0.231且菲涅耳数Fw=100时, 光强主极大位置跃变距离为2.5μm, 出现微米焦开关现象; 带宽和菲涅耳数是影响光束微米焦开关的重要因素; 菲涅耳数较大时, 较窄的带宽就可以诱导微米焦开关, 反之则需要较宽的带宽。此研究结果有助于光通信技术中微纳光学器件的设计和制作。
为了研究宽带TEM22模厄米-高斯光束通过受光阑限制色散会聚透镜系统的微米焦开关现象, 采用数值计算方法对TEM22模厄米-高斯光束的光强分布进行了分析, 取得了传输轴上光强分布的数据。结果表明, 带宽变化引起轴上TEM22模厄米-高斯光束两个光强极大的相对大小改变, 结果导致光强主极大位置跃变; 当相对带宽γ=0.231且菲涅耳数Fw=100时, 光强主极大位置跃变距离为2.5μm, 出现微米焦开关现象; 带宽和菲涅耳数是影响光束微米焦开关的重要因素; 菲涅耳数较大时, 较窄的带宽就可以诱导微米焦开关, 反之则需要较宽的带宽。此研究结果有助于光通信技术中微纳光学器件的设计和制作。
2021, 45(3): 390-395.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.022
摘要:
为了研究角向偏振艾里光束的紧聚焦特性，采用理查德-沃夫矢量衍射理论分析优化了艾里光束的指数衰减因子、主环半径与比例因子对其入射光场分布的影响；分别研究了角向偏振艾里光束聚焦场分布与涡旋滤波器调制的角向偏振艾里光束的聚焦场分布，得到亚波长的角向中空场分布与亮场分布，实验结果与理论模拟基本一致。进一步利用粒子群算法设计多环涡旋相位滤波器调制角向偏振艾里光束，紧聚焦后得到了超长无衍射超分辨的横向偏振光针。结果表明，光针的半峰全宽为0.395λ，聚焦深度为37.432λ，纵横比达到94.788；通过计算斯托克斯参量分析聚焦光场的偏振分布，发现聚焦光场在径向偏振与角向偏振之间交替变化，且光束中心奇异点消失，实现了横向偏振的亮场分布。该研究在高密度的磁光存储、超分辨的光学成像、纳米光刻与粒子操作等领域具有广泛的应用。
为了研究角向偏振艾里光束的紧聚焦特性，采用理查德-沃夫矢量衍射理论分析优化了艾里光束的指数衰减因子、主环半径与比例因子对其入射光场分布的影响；分别研究了角向偏振艾里光束聚焦场分布与涡旋滤波器调制的角向偏振艾里光束的聚焦场分布，得到亚波长的角向中空场分布与亮场分布，实验结果与理论模拟基本一致。进一步利用粒子群算法设计多环涡旋相位滤波器调制角向偏振艾里光束，紧聚焦后得到了超长无衍射超分辨的横向偏振光针。结果表明，光针的半峰全宽为0.395λ，聚焦深度为37.432λ，纵横比达到94.788；通过计算斯托克斯参量分析聚焦光场的偏振分布，发现聚焦光场在径向偏振与角向偏振之间交替变化，且光束中心奇异点消失，实现了横向偏振的亮场分布。该研究在高密度的磁光存储、超分辨的光学成像、纳米光刻与粒子操作等领域具有广泛的应用。
2021, 45(3): 396-404.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2021.03.023
摘要:
为了在研究红外弱小点状目标的特征基础上有效解决训练数据不足的问题, 采用了基于改进的元学习红外点状目标跟踪算法。首先将元学习通过预训练跟踪模型运用到卷积神经网络中, 采用离线训练的方式在静态红外图像数据集上训练得到目标的通用表示, 再通过在线训练的方式利用初始帧的目标位置学习得到目标的特定表示; 通过卡尔曼滤波算法预测目标运动模型, 得到最优的搜索区域。此外, 为了解决遮挡造成的目标丢失问题, 研究了重检测机制, 并进行了理论分析和实验验证, 取得了较好的跟踪结果, 跟踪精度达到了90%。结果表明, 该方法在同一数据集下相对其它跟踪算法实现了更精确地跟踪红外弱小点状目标的效果。该研究为机器学习算法在红外弱小点状目标跟踪中的应用提供了参考。
为了在研究红外弱小点状目标的特征基础上有效解决训练数据不足的问题, 采用了基于改进的元学习红外点状目标跟踪算法。首先将元学习通过预训练跟踪模型运用到卷积神经网络中, 采用离线训练的方式在静态红外图像数据集上训练得到目标的通用表示, 再通过在线训练的方式利用初始帧的目标位置学习得到目标的特定表示; 通过卡尔曼滤波算法预测目标运动模型, 得到最优的搜索区域。此外, 为了解决遮挡造成的目标丢失问题, 研究了重检测机制, 并进行了理论分析和实验验证, 取得了较好的跟踪结果, 跟踪精度达到了90%。结果表明, 该方法在同一数据集下相对其它跟踪算法实现了更精确地跟踪红外弱小点状目标的效果。该研究为机器学习算法在红外弱小点状目标跟踪中的应用提供了参考。
