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RSS2015年 39卷 第4期
2015, 39(4): 437-442.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.001
[摘要]
[PDF 2921KB]
摘要:
焊缝质量在线检测是冷轧带钢激光拼焊过程中的重要关键技术之一。为了解决武钢TRUMPF12000 轴快流激光拼焊设备在焊接过程中出现的错边、拼缝、焊缝形态等问题,采用3个传感器分别采集焊前间隙图像信息、焊接过程图像信息以及焊后焊缝图像信息,利用OTSU 自动计算图像阈值、运用投影矩阵的方法将图像坐标转换到工件坐标,编写程序提取图像特征点的方式建立焊缝质量在线检测系统,并以5m/min焊接速率对3mm厚冷轧板进行焊接实验,测量焊接试样焊缝宽度相对误差在4.42%左右。结果表明,焊缝质量检测系统可以计算出较为准确的焊缝宽度、焊缝错边量等信息。
焊缝质量在线检测是冷轧带钢激光拼焊过程中的重要关键技术之一。为了解决武钢TRUMPF12000 轴快流激光拼焊设备在焊接过程中出现的错边、拼缝、焊缝形态等问题,采用3个传感器分别采集焊前间隙图像信息、焊接过程图像信息以及焊后焊缝图像信息,利用OTSU 自动计算图像阈值、运用投影矩阵的方法将图像坐标转换到工件坐标,编写程序提取图像特征点的方式建立焊缝质量在线检测系统,并以5m/min焊接速率对3mm厚冷轧板进行焊接实验,测量焊接试样焊缝宽度相对误差在4.42%左右。结果表明,焊缝质量检测系统可以计算出较为准确的焊缝宽度、焊缝错边量等信息。
2015, 39(4): 453-457.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.005
摘要:
为了提高视觉引导激光经纬仪自动测量技术中的测量效率,采用一种基于摄像机光轴的精确引导方法,在标定双经纬仪测量子系统及视觉引导子系统后,根据工件理论设计数模文件,对系统进行初始引导。随后利用数字图像处理技术,分辨出相机视场中的特征点中心,得到其与图像中心(即相机光轴)的关系,并引导视觉测量子系统精确瞄准特征点中心。最后根据标定关系得到双经纬仪偏转角度,并驱动双经纬仪精确交会在目标点。结果表明,该方法能保证系统自动测量准确度在0.3mm,同时还能提高测量效率。
为了提高视觉引导激光经纬仪自动测量技术中的测量效率,采用一种基于摄像机光轴的精确引导方法,在标定双经纬仪测量子系统及视觉引导子系统后,根据工件理论设计数模文件,对系统进行初始引导。随后利用数字图像处理技术,分辨出相机视场中的特征点中心,得到其与图像中心(即相机光轴)的关系,并引导视觉测量子系统精确瞄准特征点中心。最后根据标定关系得到双经纬仪偏转角度,并驱动双经纬仪精确交会在目标点。结果表明,该方法能保证系统自动测量准确度在0.3mm,同时还能提高测量效率。
2015, 39(4): 462-465.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.007
摘要:
为了提高材料的高温抗氧化性,采用激光原位合成的方法制备了TiC-TiB2/Fe复合涂层,并进行了理论分析和实验验证,取得了复合涂层的相组成、显微组织及抗氧化性能数据。结果表明,涂层物相主要由-Fe,TiC,TiB2和 (Fe,Cr)7C3等组成,细小的方块状TiC颗粒和长条状TiB2均匀弥散分布于涂层基体上。经600℃恒温氧化60h后,TiC-TiB2/Fe复合涂层表面形成了连续致密的氧化膜,其主要由细小的Fe2O3,FeCr2O4,(Cr,Fe)2O3、金红石型TiO2以及Al2O3等球状颗粒组成,颗粒排列紧密,各氧化物形成热力学条件是满足的。复合涂层在600℃的恒温氧化动力学曲线呈抛物线型,在最初的10h内氧化增重速度较快,之后曲线趋于平缓。60h后其增重仅为0.75mg/cm2,抗氧化性能约是半钢的15倍。此研究结果对提高材料高温抗氧化性有一定的指导意义。
为了提高材料的高温抗氧化性,采用激光原位合成的方法制备了TiC-TiB2/Fe复合涂层,并进行了理论分析和实验验证,取得了复合涂层的相组成、显微组织及抗氧化性能数据。结果表明,涂层物相主要由-Fe,TiC,TiB2和 (Fe,Cr)7C3等组成,细小的方块状TiC颗粒和长条状TiB2均匀弥散分布于涂层基体上。经600℃恒温氧化60h后,TiC-TiB2/Fe复合涂层表面形成了连续致密的氧化膜,其主要由细小的Fe2O3,FeCr2O4,(Cr,Fe)2O3、金红石型TiO2以及Al2O3等球状颗粒组成,颗粒排列紧密,各氧化物形成热力学条件是满足的。复合涂层在600℃的恒温氧化动力学曲线呈抛物线型,在最初的10h内氧化增重速度较快,之后曲线趋于平缓。60h后其增重仅为0.75mg/cm2,抗氧化性能约是半钢的15倍。此研究结果对提高材料高温抗氧化性有一定的指导意义。
2015, 39(4): 466-470.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.008
摘要:
为了研究激光冲击对镁合金表面抗腐蚀性能的影响,利用钕玻璃脉冲激光对AZ31镁合金表面进行不同次数的激光冲击处理,用透射电子显微镜观察镁合金表层的微观组织,并采用电化学测量技术在氯化钠溶液(质量分数为0.035)中测试其极化曲线和电化学交流阻抗谱的影响。结果表明,激光冲击波导致镁合金表面层产生超高应变速率的塑性变形;晶粒内部存在与孪晶相互交叉、相互缠结的高密度位错而导致晶粒细化;极化曲线和交流阻抗谱表明1次激光冲击后AZ31的自腐蚀电位提高约267mV;腐蚀电流稍有增大,反应电阻增大,抗腐蚀性明显提高;随着冲击次数的增多,腐蚀抗力未明显提高。其相应的交流阻抗谱也得出与极化曲线相同的结论。该研究对于激光冲击处理镁合金提高耐腐蚀性具有一定的参考价值。
为了研究激光冲击对镁合金表面抗腐蚀性能的影响,利用钕玻璃脉冲激光对AZ31镁合金表面进行不同次数的激光冲击处理,用透射电子显微镜观察镁合金表层的微观组织,并采用电化学测量技术在氯化钠溶液(质量分数为0.035)中测试其极化曲线和电化学交流阻抗谱的影响。结果表明,激光冲击波导致镁合金表面层产生超高应变速率的塑性变形;晶粒内部存在与孪晶相互交叉、相互缠结的高密度位错而导致晶粒细化;极化曲线和交流阻抗谱表明1次激光冲击后AZ31的自腐蚀电位提高约267mV;腐蚀电流稍有增大,反应电阻增大,抗腐蚀性明显提高;随着冲击次数的增多,腐蚀抗力未明显提高。其相应的交流阻抗谱也得出与极化曲线相同的结论。该研究对于激光冲击处理镁合金提高耐腐蚀性具有一定的参考价值。
2015, 39(4): 480-483.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.011
摘要:
为了减小激光雷达散射截面(LRCS)测量过程中激光能量和大气状态不稳定带来的测量误差,提高LRCS测量准确度,采用基于多个探测单元同时测量的多站对比误差校正方法,推导了一个新的LRCS计算公式,讨论了传统对比方法测量LRCS的适用范围和局限性,分析了在非理想条件下激光器的能量起伏和大气状态的变化对LRCS计算带来的误差,并通过实验对两种方法的测量结果进行了分析比对。结果表明,设计的多站比对测量方法科学可行,采用多站对比公式计算的LRCS值准确度高,可以有效减小或消除测量过程中激光能量和大气状态的不稳定带来的测量误差。
为了减小激光雷达散射截面(LRCS)测量过程中激光能量和大气状态不稳定带来的测量误差,提高LRCS测量准确度,采用基于多个探测单元同时测量的多站对比误差校正方法,推导了一个新的LRCS计算公式,讨论了传统对比方法测量LRCS的适用范围和局限性,分析了在非理想条件下激光器的能量起伏和大气状态的变化对LRCS计算带来的误差,并通过实验对两种方法的测量结果进行了分析比对。结果表明,设计的多站比对测量方法科学可行,采用多站对比公式计算的LRCS值准确度高,可以有效减小或消除测量过程中激光能量和大气状态的不稳定带来的测量误差。
2015, 39(4): 497-500.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.015
摘要:
为了完成对精密机械表面粗糙度的精确测量,基于远场角度散斑强度的相关理论,采用激光散斑方法设计了表面粗糙度测量的实验光路。在实验光路中,将平面镜与待测粗糙表面固锁在一起,当转动待测粗糙表面时,平面镜与分束镜、接收屏组成了测量转动角度的光指针,提高了转动角度的测量准确度。在数据处理中,提出了基于MATLAB软件的角度散斑相关度峰值的计算方法,简化了测量步骤,提高了测量速度,进而利用相关度峰值计算求得表面粗糙度。利用设计和组建的系统对平铣表面粗糙度标准模块的表面粗糙度进行了实际测量,并对测量结果与标准样块的标称值进行比较,取得了较高的测量准确度。结果表明,此研究验证了激光散斑方法测量表面粗糙度的可行性,对进一步完善表面粗糙度的精密测量是有帮助的。
为了完成对精密机械表面粗糙度的精确测量,基于远场角度散斑强度的相关理论,采用激光散斑方法设计了表面粗糙度测量的实验光路。在实验光路中,将平面镜与待测粗糙表面固锁在一起,当转动待测粗糙表面时,平面镜与分束镜、接收屏组成了测量转动角度的光指针,提高了转动角度的测量准确度。在数据处理中,提出了基于MATLAB软件的角度散斑相关度峰值的计算方法,简化了测量步骤,提高了测量速度,进而利用相关度峰值计算求得表面粗糙度。利用设计和组建的系统对平铣表面粗糙度标准模块的表面粗糙度进行了实际测量,并对测量结果与标准样块的标称值进行比较,取得了较高的测量准确度。结果表明,此研究验证了激光散斑方法测量表面粗糙度的可行性,对进一步完善表面粗糙度的精密测量是有帮助的。
2015, 39(4): 506-509.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.017
摘要:
为了研究表面织构化对端面密封材料摩擦性能的影响,采用Nd:YAG固体脉冲激光对GCr15钢盘表面进行了织构化处理,形成了微孔型和凹槽型两种表面形貌。在摩擦试验机上模拟端面密封形式对聚四氟乙烯环/GCr15盘进行摩擦学性能测试,并对试样表面的磨损形貌进行了分析。结果表明,在油润滑条件下,织构化试样的摩擦因数和磨损量均低于光滑试样的,且微孔型织构的耐磨性优于凹槽形的,因为凹槽型织构排列使油膜厚度不均匀,摩擦因数波动大;在干摩擦条件下,适当的织构形貌对转移膜的保持有利,同时可以捕获磨屑,减少磨粒磨损的作用。与光滑配副相比,表面织构降低了配副双方的磨损率。
为了研究表面织构化对端面密封材料摩擦性能的影响,采用Nd:YAG固体脉冲激光对GCr15钢盘表面进行了织构化处理,形成了微孔型和凹槽型两种表面形貌。在摩擦试验机上模拟端面密封形式对聚四氟乙烯环/GCr15盘进行摩擦学性能测试,并对试样表面的磨损形貌进行了分析。结果表明,在油润滑条件下,织构化试样的摩擦因数和磨损量均低于光滑试样的,且微孔型织构的耐磨性优于凹槽形的,因为凹槽型织构排列使油膜厚度不均匀,摩擦因数波动大;在干摩擦条件下,适当的织构形貌对转移膜的保持有利,同时可以捕获磨屑,减少磨粒磨损的作用。与光滑配副相比,表面织构降低了配副双方的磨损率。
2015, 39(4): 537-540.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.024
摘要:
为了实现含铅污泥中Pb的快速定量反演分析,选取PbⅠ:405.78nm为分析线,从谱线强度、信背比以及信号的相对标准偏差三方面研究了激光能量对含铅污泥中铅的激光诱导击穿光谱特性的影响。在23.1mJ~135.4mJ范围内,谱线强度随激光能量线性增加,信背比先增加后降低最终趋于稳定,信号的相对标准偏差随着激光能量的增加先减小后趋于稳定。配制了不同质量分数含铅污泥的样品,获得了铅的定标曲线。结果表明,在质量分数为0.001118~0.020115范围内,谱线强度与Pb含量之间有较好的线性关系,相关系数达到0.991;在此方法下,得到含铅污泥的Pb含量测量值与实际值之间的相对误差为8.72%。此方法能够实现含铅污泥中Pb的快速定量反演检测。
为了实现含铅污泥中Pb的快速定量反演分析,选取PbⅠ:405.78nm为分析线,从谱线强度、信背比以及信号的相对标准偏差三方面研究了激光能量对含铅污泥中铅的激光诱导击穿光谱特性的影响。在23.1mJ~135.4mJ范围内,谱线强度随激光能量线性增加,信背比先增加后降低最终趋于稳定,信号的相对标准偏差随着激光能量的增加先减小后趋于稳定。配制了不同质量分数含铅污泥的样品,获得了铅的定标曲线。结果表明,在质量分数为0.001118~0.020115范围内,谱线强度与Pb含量之间有较好的线性关系,相关系数达到0.991;在此方法下,得到含铅污泥的Pb含量测量值与实际值之间的相对误差为8.72%。此方法能够实现含铅污泥中Pb的快速定量反演检测。
2015, 39(4): 552-556.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.028
摘要:
为了提高轧辊表面涂层的抗热冲击性能、延长其高温条件下的使用寿命,采用5kW CO2激光器,对轧辊表面等离子喷涂热障涂层进行了重熔处理。利用扫描电镜和能量色散谱仪,观察激光重熔涂层的涂层形貌和微观结构, 对分界面元素进行了微区成分分析。将试样在1000℃下保温10min后,放入常温(25℃)水中激冷,探究其抗热冲击性能,并与等离子喷涂涂层进行了对比。结果表明,经激光重熔后,涂层孔隙、裂纹明显减少,涂层质量明显提高;涂层与基体之间在一定程度上实现了冶金结合,结合强度明显提高;开始出现裂纹以及最终失效时的冲击循环次数由原来的14次和32次分别提高到43次和94次。该激光重熔工艺有助于提高涂层的热冲击性能,可延长轧辊的使用寿命。
为了提高轧辊表面涂层的抗热冲击性能、延长其高温条件下的使用寿命,采用5kW CO2激光器,对轧辊表面等离子喷涂热障涂层进行了重熔处理。利用扫描电镜和能量色散谱仪,观察激光重熔涂层的涂层形貌和微观结构, 对分界面元素进行了微区成分分析。将试样在1000℃下保温10min后,放入常温(25℃)水中激冷,探究其抗热冲击性能,并与等离子喷涂涂层进行了对比。结果表明,经激光重熔后,涂层孔隙、裂纹明显减少,涂层质量明显提高;涂层与基体之间在一定程度上实现了冶金结合,结合强度明显提高;开始出现裂纹以及最终失效时的冲击循环次数由原来的14次和32次分别提高到43次和94次。该激光重熔工艺有助于提高涂层的热冲击性能,可延长轧辊的使用寿命。
2015, 39(4): 557-561.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.029
摘要:
为了研究大功率半导体激光加工过程中,光致等离子体对激光光束显著的屏蔽作用,以波长为976nm、光斑尺寸为0.5mm1mm、最大功率为4kW的半导体激光加工系统为实验基础,采用了与实际相符的光致等离子体电子密度数学模型和几何光学ABCD矩阵算法,从吸收和折射两方面对光致等离子体的屏蔽作用进行了理论分析和实验研究,得到了在光致等离子体电子密度ne1.01018/cm3的条件下,光致等离子体的折射效应才是引起半导体激光光束屏蔽的主要原因这一结果。结果表明,光致等离子体改变了聚焦光束的形态,使其焦点下移、光斑变大、能量密度变小,其效果类似于一个非线性梯度折射率的负透镜。
为了研究大功率半导体激光加工过程中,光致等离子体对激光光束显著的屏蔽作用,以波长为976nm、光斑尺寸为0.5mm1mm、最大功率为4kW的半导体激光加工系统为实验基础,采用了与实际相符的光致等离子体电子密度数学模型和几何光学ABCD矩阵算法,从吸收和折射两方面对光致等离子体的屏蔽作用进行了理论分析和实验研究,得到了在光致等离子体电子密度ne1.01018/cm3的条件下,光致等离子体的折射效应才是引起半导体激光光束屏蔽的主要原因这一结果。结果表明,光致等离子体改变了聚焦光束的形态,使其焦点下移、光斑变大、能量密度变小,其效果类似于一个非线性梯度折射率的负透镜。
2015, 39(4): 446-449.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.003
摘要:
为了验证薄膜振动模式的有效性,采用正弦条纹投影和傅里叶条纹分析的方法进行薄膜振动模式分析和振幅重建,并进行了理论分析和实验研究。在基于结构光的主动3维传感技术中,傅里叶变换轮廓术具有单帧获取、高分辨率、全场可实时测量等优势,成为可测量动态3维面形的一种实用方法。正弦光栅条纹被投影到振动中的薄膜表面,采用低帧频的CCD相机采集由薄膜振动导致条纹局部模糊的一系列变形条纹图。通过傅里叶变换轮廓术方法进行处理,最终得到不同频率下实际测量的薄膜振动模式结果。给出了理论计算结果与实测结果的验证比较。结果表明,该方法测量的振动模式结果准确反映了薄膜振动情况。3维面形测量结果和实验验证了该方法的可行性。
为了验证薄膜振动模式的有效性,采用正弦条纹投影和傅里叶条纹分析的方法进行薄膜振动模式分析和振幅重建,并进行了理论分析和实验研究。在基于结构光的主动3维传感技术中,傅里叶变换轮廓术具有单帧获取、高分辨率、全场可实时测量等优势,成为可测量动态3维面形的一种实用方法。正弦光栅条纹被投影到振动中的薄膜表面,采用低帧频的CCD相机采集由薄膜振动导致条纹局部模糊的一系列变形条纹图。通过傅里叶变换轮廓术方法进行处理,最终得到不同频率下实际测量的薄膜振动模式结果。给出了理论计算结果与实测结果的验证比较。结果表明,该方法测量的振动模式结果准确反映了薄膜振动情况。3维面形测量结果和实验验证了该方法的可行性。
2015, 39(4): 450-452.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.004
摘要:
为了能高精度测量小曲率,采用单模-鼓包-保偏光子晶体光纤-多模-单模光纤组成的结构,其中多模光纤和单模光纤之间错位熔接。通过理论分析和实验验证得到在0.04582m-1~0.054776m-1及0.054776m-1~0.06929m-1曲率范围内,谐振波长漂移与曲率变化之间分别存在着线性关系。结果表明,该曲率传感器灵敏度值分别为93.95nm/m-1和30.89nm/m-1,可以应用于健康监测等需要测量小曲率的场合。
为了能高精度测量小曲率,采用单模-鼓包-保偏光子晶体光纤-多模-单模光纤组成的结构,其中多模光纤和单模光纤之间错位熔接。通过理论分析和实验验证得到在0.04582m-1~0.054776m-1及0.054776m-1~0.06929m-1曲率范围内,谐振波长漂移与曲率变化之间分别存在着线性关系。结果表明,该曲率传感器灵敏度值分别为93.95nm/m-1和30.89nm/m-1,可以应用于健康监测等需要测量小曲率的场合。
2015, 39(4): 476-479.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.010
摘要:
为了满足平台漂移测量系统中平台漂移角速度高精度测量的要求,基于傅里叶级数,提出了一种改进的激光光斑中心高斯拟合定位方法。该方法在简化高斯拟合模型的同时保证了相对较高的激光光斑中心定位精度。结果表明,改进的高斯定位算法中心定位精度为0.01pixel,明显优于传统质心法和带阈值质心法的0.1pixel。改进后的算法具有较好的算法稳定性。
为了满足平台漂移测量系统中平台漂移角速度高精度测量的要求,基于傅里叶级数,提出了一种改进的激光光斑中心高斯拟合定位方法。该方法在简化高斯拟合模型的同时保证了相对较高的激光光斑中心定位精度。结果表明,改进的高斯定位算法中心定位精度为0.01pixel,明显优于传统质心法和带阈值质心法的0.1pixel。改进后的算法具有较好的算法稳定性。
2015, 39(4): 501-505.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.016
摘要:
为了进一步减小基于相位凝固技术的激光反馈干涉系统测量运动物体微位移时的测量误差,采用MATLAB数值仿真及曲线拟合的方法,对移相间隔和外腔反射面振动幅度引起的系统误差进行了理论分析。在系统实验中依据相位凝固原理对物体运动产生的干涉信号进行采样,获取多组光功率曲线,在光功率曲线上实时判向并标记特征点。根据特征点重构被测物体的微位移曲线,对重构得到的微位移台阶曲线进行多项式拟合以提高测量精度。结果表明,在固定移相间隔为/5、激光器波长为1550nm的情况下,测量分辨率优于/20(77.5nm),实际测量的绝对误差最大值为47.98nm,峰峰值误差平均值小于1nm。相位凝固技术调制解调干涉信号为微位移的方向辨识和高精度测量提供了新的解决方案。
为了进一步减小基于相位凝固技术的激光反馈干涉系统测量运动物体微位移时的测量误差,采用MATLAB数值仿真及曲线拟合的方法,对移相间隔和外腔反射面振动幅度引起的系统误差进行了理论分析。在系统实验中依据相位凝固原理对物体运动产生的干涉信号进行采样,获取多组光功率曲线,在光功率曲线上实时判向并标记特征点。根据特征点重构被测物体的微位移曲线,对重构得到的微位移台阶曲线进行多项式拟合以提高测量精度。结果表明,在固定移相间隔为/5、激光器波长为1550nm的情况下,测量分辨率优于/20(77.5nm),实际测量的绝对误差最大值为47.98nm,峰峰值误差平均值小于1nm。相位凝固技术调制解调干涉信号为微位移的方向辨识和高精度测量提供了新的解决方案。
2015, 39(4): 510-514.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.018
摘要:
为了压缩水下无线光通信系统中接收光信号的动态范围、提高有效通信距离,从自动增益控制技术的基础理论入手,利用光电倍增管增益可随工作电压改变的特性,设计出基于光电倍增管实现的自动增益控制电路,其数字控制部分以单片机为核心,并在空气中模拟水下实验。结果表明,该电路可以对接收光信号实现40dB的压缩,提高了水下无线光通信的有效范围。
为了压缩水下无线光通信系统中接收光信号的动态范围、提高有效通信距离,从自动增益控制技术的基础理论入手,利用光电倍增管增益可随工作电压改变的特性,设计出基于光电倍增管实现的自动增益控制电路,其数字控制部分以单片机为核心,并在空气中模拟水下实验。结果表明,该电路可以对接收光信号实现40dB的压缩,提高了水下无线光通信的有效范围。
2015, 39(4): 533-536.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.023
摘要:
为了实现激光通信系统对信标光的捕获、跟踪与瞄准,采用嵌入式图像处理技术设计了基于现场可编程门阵列器件的高速激光光斑检测系统,对分辨率为300pixel300pixel、帧频1000Hz序列图像中的激光光斑目标进行了提取操作。采用1维滤波算子构造方位滤波器进行图像预处理,同时便于硬件实现,滤波后经阈值分割、形态学开运算与连通域分析,最后提取了激光光斑的形心位置信息。结果表明,所设计系统能够对包含激光光斑目标的高帧频图像进行实时处理。目标形心提取频率可以满足激光通信系统在动态链路建立方面的要求。
为了实现激光通信系统对信标光的捕获、跟踪与瞄准,采用嵌入式图像处理技术设计了基于现场可编程门阵列器件的高速激光光斑检测系统,对分辨率为300pixel300pixel、帧频1000Hz序列图像中的激光光斑目标进行了提取操作。采用1维滤波算子构造方位滤波器进行图像预处理,同时便于硬件实现,滤波后经阈值分割、形态学开运算与连通域分析,最后提取了激光光斑的形心位置信息。结果表明,所设计系统能够对包含激光光斑目标的高帧频图像进行实时处理。目标形心提取频率可以满足激光通信系统在动态链路建立方面的要求。
2015, 39(4): 541-544.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.025
摘要:
双曝光全息术因可输出直观反映波面畸变的无限宽条纹而广泛应用于温度场的可视化。为了获取水平圆管周围的温度场,采用双曝光全息术记录了直径25mm、长350mm自然对流水平圆管壁温从72℃降至22℃的简单干涉条纹。采用条纹中心法提取不同周向角的条纹位移量,通过干涉图中R分量的峰、谷极值点来识别明、暗条纹中心,确定级数分布,最后反演温度场。壁面反演温度值与热电偶测量值的最大相对误差为0.059。结果表明,双曝光全息术获取的数据真实可靠。该项研究对简单快速反演温度场是有帮助的。
双曝光全息术因可输出直观反映波面畸变的无限宽条纹而广泛应用于温度场的可视化。为了获取水平圆管周围的温度场,采用双曝光全息术记录了直径25mm、长350mm自然对流水平圆管壁温从72℃降至22℃的简单干涉条纹。采用条纹中心法提取不同周向角的条纹位移量,通过干涉图中R分量的峰、谷极值点来识别明、暗条纹中心,确定级数分布,最后反演温度场。壁面反演温度值与热电偶测量值的最大相对误差为0.059。结果表明,双曝光全息术获取的数据真实可靠。该项研究对简单快速反演温度场是有帮助的。
2015, 39(4): 545-548.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.026
摘要:
为了有效抑制红外图像中的随机噪声,采用一种基于提升小波变换的双重滤波算法来进行处理。该算法对含有噪声的红外图像实现第1次提升小波分解,然后对获得的低频和高频分解系数再次实现提升小波变换,舍弃由低频系数经过第2次提升小波变换后获得的低频系数以及由高频系数经过第2次提升小波变换后获得的高频系数。对剩余的高频系数和低频系数分别采用改进阈值函数模型以及改进非局部均值滤波算法进行处理,在此基础上实现小波系数重构。为了改善滤波后图像视觉效果,再引入直方图均衡化算法进行处理。通过理论分析和实验验证,获得了相关的标准测试图像和红外图像测试结果以及峰值信噪比和结构相似度测试数据。结果表明,该滤算法对于高质量地去除红外图像中的噪声是有帮助的。
为了有效抑制红外图像中的随机噪声,采用一种基于提升小波变换的双重滤波算法来进行处理。该算法对含有噪声的红外图像实现第1次提升小波分解,然后对获得的低频和高频分解系数再次实现提升小波变换,舍弃由低频系数经过第2次提升小波变换后获得的低频系数以及由高频系数经过第2次提升小波变换后获得的高频系数。对剩余的高频系数和低频系数分别采用改进阈值函数模型以及改进非局部均值滤波算法进行处理,在此基础上实现小波系数重构。为了改善滤波后图像视觉效果,再引入直方图均衡化算法进行处理。通过理论分析和实验验证,获得了相关的标准测试图像和红外图像测试结果以及峰值信噪比和结构相似度测试数据。结果表明,该滤算法对于高质量地去除红外图像中的噪声是有帮助的。
2015, 39(4): 562-565.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.030
摘要:
为了实现对凹凸透镜焦距的精准测量,采用彩色数字全息方法进行理论分析和实验验证,取得了与标称值相差1%的数据结果。结果表明,采用数字全息干涉测量方法是可靠的,可以获得与用透镜标称值重构相同的效果。该研究对数字全息波前的重建有帮助。
为了实现对凹凸透镜焦距的精准测量,采用彩色数字全息方法进行理论分析和实验验证,取得了与标称值相差1%的数据结果。结果表明,采用数字全息干涉测量方法是可靠的,可以获得与用透镜标称值重构相同的效果。该研究对数字全息波前的重建有帮助。
2015, 39(4): 571-575.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.032
摘要:
为了研究弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器谐振波长漂移量与光栅弯曲形变的关系,采用耦合模理论和计算机模拟方法进行了理论计算和仿真研究,推导出弯曲光子晶体光纤长周期光栅谐振波长表达式,设计了一般弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器系统模型,分析了弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器的基本工作原理,并计算了长周期光子晶体光纤光栅弯曲曲率、光栅有效折射率和谐振波长与弯曲应变的关系。结果表明,随着光栅弯曲形变的增加,光栅的曲率会增加,光栅传感器的谐振波长漂移量会增加,光栅每发生1变化,光栅谐振波长的漂移量变化0.014nm。
为了研究弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器谐振波长漂移量与光栅弯曲形变的关系,采用耦合模理论和计算机模拟方法进行了理论计算和仿真研究,推导出弯曲光子晶体光纤长周期光栅谐振波长表达式,设计了一般弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器系统模型,分析了弯曲长周期光子晶体光纤光栅传感器的基本工作原理,并计算了长周期光子晶体光纤光栅弯曲曲率、光栅有效折射率和谐振波长与弯曲应变的关系。结果表明,随着光栅弯曲形变的增加,光栅的曲率会增加,光栅传感器的谐振波长漂移量会增加,光栅每发生1变化,光栅谐振波长的漂移量变化0.014nm。
2015, 39(4): 576-580.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.033
摘要:
为了得到性能较为良好的正交码,采用没有重复数字的全间隔集,进行了地址码的设计和系统仿真验证,设计出的正交码具有理想的相关性和灵活的码字容量。分析整个系统,在考虑各种噪声和多址干扰的影响下,推导出正交码的误比特率公式。自行设计并搭建了采用光纤延时线作为编解码器的异步光码多分址系统。结果表明,该正交码能够适应更多用户的需求,通过误比特率公式计算和系统仿真得到的结果都较为理想,此研究对需要大容量的光码多分址系统的进一步发展具有一定的帮助。
为了得到性能较为良好的正交码,采用没有重复数字的全间隔集,进行了地址码的设计和系统仿真验证,设计出的正交码具有理想的相关性和灵活的码字容量。分析整个系统,在考虑各种噪声和多址干扰的影响下,推导出正交码的误比特率公式。自行设计并搭建了采用光纤延时线作为编解码器的异步光码多分址系统。结果表明,该正交码能够适应更多用户的需求,通过误比特率公式计算和系统仿真得到的结果都较为理想,此研究对需要大容量的光码多分址系统的进一步发展具有一定的帮助。
2015, 39(4): 458-461.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.006
摘要:
为了实现半导体激光器的光束准直,分析了半导体激光器光束沿快、慢轴方向的准直原理。采用单个半导体激光器作为被准直单元,提出了基于像散曲面微透镜的半导体激光器光束准直方法。讨论了半导体激光器填充因子对像散曲面微透镜准直性能的影响。对填充因子0.5的半导体激光器进行模拟验证。准直后,快轴方向剩余发散角约为0.34,慢轴方向剩余发散角约为2.69。结果表明,像散曲面微透镜不但可以对高填充因子的半导体激光器光束进行准直,而且准直后出射光斑面积小。该研究为高功率半导体激光器堆栈光束的准直提供了可行性方案。
为了实现半导体激光器的光束准直,分析了半导体激光器光束沿快、慢轴方向的准直原理。采用单个半导体激光器作为被准直单元,提出了基于像散曲面微透镜的半导体激光器光束准直方法。讨论了半导体激光器填充因子对像散曲面微透镜准直性能的影响。对填充因子0.5的半导体激光器进行模拟验证。准直后,快轴方向剩余发散角约为0.34,慢轴方向剩余发散角约为2.69。结果表明,像散曲面微透镜不但可以对高填充因子的半导体激光器光束进行准直,而且准直后出射光斑面积小。该研究为高功率半导体激光器堆栈光束的准直提供了可行性方案。
2015, 39(4): 471-475.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.009
摘要:
为了解决射频板条CO2激光器因安装或腔镜热畸变造成的光路偏移问题,采用外光路偏移补偿的方法对其进行校正。研究了基于压电陶瓷的偏移补偿装置,设计了压电陶瓷驱动电路,并分析了控制精度和自适应控制方法。结果表明,通过偏移补偿装置,激光输出功率在任何占空比下均可达到或超过标准参考功率值,并通过对比有无自适应调节,激光输出功率最大相差100W,且可保持激光输出功率在2h运行中波动小于2%。此项研究可保证激光器高效运行,提高激光器的输出功率和模式的稳定性,具有较大的实用价值。
为了解决射频板条CO2激光器因安装或腔镜热畸变造成的光路偏移问题,采用外光路偏移补偿的方法对其进行校正。研究了基于压电陶瓷的偏移补偿装置,设计了压电陶瓷驱动电路,并分析了控制精度和自适应控制方法。结果表明,通过偏移补偿装置,激光输出功率在任何占空比下均可达到或超过标准参考功率值,并通过对比有无自适应调节,激光输出功率最大相差100W,且可保持激光输出功率在2h运行中波动小于2%。此项研究可保证激光器高效运行,提高激光器的输出功率和模式的稳定性,具有较大的实用价值。
2015, 39(4): 488-491.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.013
摘要:
为了研究锑化铟(InSb)半导体材料光电导太赫兹辐射过程,用数值计算方法分析材料内载流子迁移率和表面电流,以及不同性质抽运激光器对太赫兹波近场强度的影响,用宏观电磁场理论和微观半导体理论分析材料表面电流,比较了InSb和GaAs材料的太赫兹波功率谱曲线。结果表明,InSb材料载流子弛豫时间越长,载流子迁移率越大;表面电流与载流子寿命和弛豫时间成正比;宏观电磁场理论更适于分析表面电流;抽运激光饱和能量密度越大,太赫兹近场辐射强度越强;抽运激光脉冲宽度越短,太赫兹近场辐射强度越强;InSb光电导辐射太赫兹波功率比GaAs高。该结果为基于InSb光电导太赫兹辐射源的研究奠定了一定的基础。
为了研究锑化铟(InSb)半导体材料光电导太赫兹辐射过程,用数值计算方法分析材料内载流子迁移率和表面电流,以及不同性质抽运激光器对太赫兹波近场强度的影响,用宏观电磁场理论和微观半导体理论分析材料表面电流,比较了InSb和GaAs材料的太赫兹波功率谱曲线。结果表明,InSb材料载流子弛豫时间越长,载流子迁移率越大;表面电流与载流子寿命和弛豫时间成正比;宏观电磁场理论更适于分析表面电流;抽运激光饱和能量密度越大,太赫兹近场辐射强度越强;抽运激光脉冲宽度越短,太赫兹近场辐射强度越强;InSb光电导辐射太赫兹波功率比GaAs高。该结果为基于InSb光电导太赫兹辐射源的研究奠定了一定的基础。
2015, 39(4): 515-519.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.019
摘要:
为了研究垂直腔面发射激光器偏振转换特性,基于自旋反转模型,数值研究了正交光注入下1550nm垂直腔面发射激光器频率诱导偏振开关及双稳特性。结果表明,在正交光注入下,连续改变注入光与激光器光场内x线性极化模的频率失谐可诱导产生两类偏振开关和偏振双稳现象,且注入光强与偏振电流的变化都显著影响双稳宽度和激光器的输出特性;合理选择操作条件,可实现对1550nm垂直腔面发射激光器频率诱导偏振开关及双稳的控制。这一结果对垂直腔面发射激光器在全光开关和全光存储等领域的应用具有参考价值。
为了研究垂直腔面发射激光器偏振转换特性,基于自旋反转模型,数值研究了正交光注入下1550nm垂直腔面发射激光器频率诱导偏振开关及双稳特性。结果表明,在正交光注入下,连续改变注入光与激光器光场内x线性极化模的频率失谐可诱导产生两类偏振开关和偏振双稳现象,且注入光强与偏振电流的变化都显著影响双稳宽度和激光器的输出特性;合理选择操作条件,可实现对1550nm垂直腔面发射激光器频率诱导偏振开关及双稳的控制。这一结果对垂直腔面发射激光器在全光开关和全光存储等领域的应用具有参考价值。
2015, 39(4): 520-524.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.020
摘要:
为了克服线性模型在描述高功率运转的激光晶体时,热焦距和热致双折射计算值与实测值不符的缺点,采用非线性热传导模型,计算了常用[111]切割方向Nd:YAG激光晶体的热致双折射椭圆分布以及径向和切向热焦距。进行了平均热焦距数据测量和旋转线偏振光干涉实验,实验结果与理论分析吻合。结果表明,非线性模型对Nd:YAG激光晶体在高功率运转时的描述更符合实际情况,普适性更强。这一结果对于设计高功率径向或切向偏振固体激光器是有帮助的。
为了克服线性模型在描述高功率运转的激光晶体时,热焦距和热致双折射计算值与实测值不符的缺点,采用非线性热传导模型,计算了常用[111]切割方向Nd:YAG激光晶体的热致双折射椭圆分布以及径向和切向热焦距。进行了平均热焦距数据测量和旋转线偏振光干涉实验,实验结果与理论分析吻合。结果表明,非线性模型对Nd:YAG激光晶体在高功率运转时的描述更符合实际情况,普适性更强。这一结果对于设计高功率径向或切向偏振固体激光器是有帮助的。
2015, 39(4): 566-570.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.031
摘要:
为了研究气体配比、抽运电子密度、腔长对脉冲横向激励大气压CO2激光器输出功率的影响,采用了六温度模型的方法,对工作气体中不同分子振动模式间的能量转移和激光输出功率进行了理论分析和模拟。当CO2,N2,He的体积比由4:30:65上升到6:30:65时,脉冲功率增加,输出延迟时间变短;当CO2,N2,He的体积比由5:15:65上升到5:35:65时,脉冲功率按先增加后减小的趋势变化,在N2比例约为25时达到最大;当CO2,N2,He的体积比为5:30:65、最大抽运电子密度由41012/cm3增加到61012/cm3、腔长由2m增加到4m时,脉冲功率都会逐渐增加;脉冲功率越大时,输出延迟时间越短,但有更长的拖尾现象。结果表明,气体配比、抽运电子密度、腔长对脉冲输出功率有影响,该研究为设计和优化激光器提供了参考。
为了研究气体配比、抽运电子密度、腔长对脉冲横向激励大气压CO2激光器输出功率的影响,采用了六温度模型的方法,对工作气体中不同分子振动模式间的能量转移和激光输出功率进行了理论分析和模拟。当CO2,N2,He的体积比由4:30:65上升到6:30:65时,脉冲功率增加,输出延迟时间变短;当CO2,N2,He的体积比由5:15:65上升到5:35:65时,脉冲功率按先增加后减小的趋势变化,在N2比例约为25时达到最大;当CO2,N2,He的体积比为5:30:65、最大抽运电子密度由41012/cm3增加到61012/cm3、腔长由2m增加到4m时,脉冲功率都会逐渐增加;脉冲功率越大时,输出延迟时间越短,但有更长的拖尾现象。结果表明,气体配比、抽运电子密度、腔长对脉冲输出功率有影响,该研究为设计和优化激光器提供了参考。
2015, 39(4): 581-584.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.034
摘要:
为了研究双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的扩展,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离zt的解析表达式。对湍流参量(广义指数、内尺度l0、外尺度L0)和光束参量(相干参量、离心参量)对湍流距离的影响进行了理论分析。结果表明,zt随的增大而先减小后增大,且在=3.11处存在zt极小值;zt随l0和的增大而增大,随L0(仅当3.64时)和的增大而减小。这一结果对双曲余弦高斯光束在实际湍流中传输的相关应用是有帮助的。
为了研究双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的扩展,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离zt的解析表达式。对湍流参量(广义指数、内尺度l0、外尺度L0)和光束参量(相干参量、离心参量)对湍流距离的影响进行了理论分析。结果表明,zt随的增大而先减小后增大,且在=3.11处存在zt极小值;zt随l0和的增大而增大,随L0(仅当3.64时)和的增大而减小。这一结果对双曲余弦高斯光束在实际湍流中传输的相关应用是有帮助的。
2015, 39(4): 484-487.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.012
摘要:
为了实现一次性在八芯带纤上不同波长阵列光纤光栅刻写,采用专门设计的带纤夹具夹持光纤,使用电控位移平台对带状光纤整体施加拉力,利用相位掩膜工艺对光纤逐根曝光,采用扫描写入的方法进行汉明切趾,仅用单一相位模板就实现了八芯带纤上不同波长阵列布喇格光纤光栅刻写。刻栅过程由电脑编程控制,中心波长、波长间隔以及切趾方式可以灵活调整。结果表明,获得的光栅其3dB带宽为0.2nm、波长间隔为0.5nm、波长偏差小于50pm、反射率达到80%~85%。此种带状光纤多波长阵列光栅刻写工艺是完全可行的。
为了实现一次性在八芯带纤上不同波长阵列光纤光栅刻写,采用专门设计的带纤夹具夹持光纤,使用电控位移平台对带状光纤整体施加拉力,利用相位掩膜工艺对光纤逐根曝光,采用扫描写入的方法进行汉明切趾,仅用单一相位模板就实现了八芯带纤上不同波长阵列布喇格光纤光栅刻写。刻栅过程由电脑编程控制,中心波长、波长间隔以及切趾方式可以灵活调整。结果表明,获得的光栅其3dB带宽为0.2nm、波长间隔为0.5nm、波长偏差小于50pm、反射率达到80%~85%。此种带状光纤多波长阵列光栅刻写工艺是完全可行的。
2015, 39(4): 492-496.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.014
摘要:
超分辨率图像重构复眼成像将超分辨率重构技术与复眼成像技术相结合。复眼成像系统获取低分辨率图像,超分辨率重构算法计算获取高分辨率图像。总结了超分辨率图像重构复眼成像的研究现状,介绍了复眼图像超分辨率重构的基本原理和现阶段主要成像系统。结合成像模型角度,分析了常用的复眼图像超分辨率重构算法,以及定量测试评价与视觉角度评价的主要方法。为深入研究超分辨率图像重构复眼成像提供了参考。
超分辨率图像重构复眼成像将超分辨率重构技术与复眼成像技术相结合。复眼成像系统获取低分辨率图像,超分辨率重构算法计算获取高分辨率图像。总结了超分辨率图像重构复眼成像的研究现状,介绍了复眼图像超分辨率重构的基本原理和现阶段主要成像系统。结合成像模型角度,分析了常用的复眼图像超分辨率重构算法,以及定量测试评价与视觉角度评价的主要方法。为深入研究超分辨率图像重构复眼成像提供了参考。
2015, 39(4): 525-527.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.021
摘要:
为了分析研究1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响,并把这种影响作用应用到滤波器的设计中,采用传输矩阵法、利用MATLAB仿真软件,对不同结构参量的1维光子晶体的能带结构进行了计算仿真,分别得到了不同周期数、不同介质层厚度、不同介质折射率的1维光子晶体的能带分布图,进一步分析比较,得出了1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响。结果表明,较大的周期数可以使1维光子晶体的禁带边缘更加陡峭,通带透射性增强,能带分布更加分明;介质层厚度可以调节光子晶体的能带分布情况及能带宽度;介质折射率比值可以改变禁带宽度,禁带宽度随介质折射率比值的增大而增大。这些结果对宽带带阻滤波器的设计是有帮助的。
为了分析研究1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响,并把这种影响作用应用到滤波器的设计中,采用传输矩阵法、利用MATLAB仿真软件,对不同结构参量的1维光子晶体的能带结构进行了计算仿真,分别得到了不同周期数、不同介质层厚度、不同介质折射率的1维光子晶体的能带分布图,进一步分析比较,得出了1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响。结果表明,较大的周期数可以使1维光子晶体的禁带边缘更加陡峭,通带透射性增强,能带分布更加分明;介质层厚度可以调节光子晶体的能带分布情况及能带宽度;介质折射率比值可以改变禁带宽度,禁带宽度随介质折射率比值的增大而增大。这些结果对宽带带阻滤波器的设计是有帮助的。
2015, 39(4): 528-532.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.022
摘要:
为了研究纤芯掺杂低折射率材料后三芯光子晶体光纤中任意两超模之间的模间色散特性,采用全矢量有限元法进行了仿真,取得了模间色散系数、零模间色散波长随纤芯折射率和结构参量变化的数据。结果表明,通过调节纤芯折射率、纤芯直径、空气孔直径以及孔间距这4个结构参量,可以使任意两超模间的模间色散在两个常用波段1.31m和1.55m处为0。该结果对于消除基于模分复用的光纤不同模式间因为模间色散导致的脉冲失真和实现零模间色散的模分复用技术是有帮助的。
为了研究纤芯掺杂低折射率材料后三芯光子晶体光纤中任意两超模之间的模间色散特性,采用全矢量有限元法进行了仿真,取得了模间色散系数、零模间色散波长随纤芯折射率和结构参量变化的数据。结果表明,通过调节纤芯折射率、纤芯直径、空气孔直径以及孔间距这4个结构参量,可以使任意两超模间的模间色散在两个常用波段1.31m和1.55m处为0。该结果对于消除基于模分复用的光纤不同模式间因为模间色散导致的脉冲失真和实现零模间色散的模分复用技术是有帮助的。
2015, 39(4): 549-551.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.04.027
摘要:
为了分析三元波片复合退偏器对单色光的退偏性能的影响,利用穆勒矩阵和斯托克斯矢量对三元波片复合退偏器的退偏效应进行了理论分析,推导出了单色线偏振光经过三元波片复合退偏器后出射光偏振度的表达式,并对出射光的偏振度与各个参量的关系进行了讨论。结果表明,这种结构能够对线偏振光实现理想退偏。当=0rad,25rad/s时,退偏度P1%。这一结果对退偏器的设计研究有重要的参考价值。
为了分析三元波片复合退偏器对单色光的退偏性能的影响,利用穆勒矩阵和斯托克斯矢量对三元波片复合退偏器的退偏效应进行了理论分析,推导出了单色线偏振光经过三元波片复合退偏器后出射光偏振度的表达式,并对出射光的偏振度与各个参量的关系进行了讨论。结果表明,这种结构能够对线偏振光实现理想退偏。当=0rad,25rad/s时,退偏度P1%。这一结果对退偏器的设计研究有重要的参考价值。
