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RSS2018年 42卷 第6期
[摘要]
[PDF 283KB]
2018, 42(6): 727-732.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.001
[HTML全文]
摘要:
为了研究测污激光雷达对水平能见度和垂直气溶胶消光系数变化趋势的探测，采用污染气体探测激光雷达，以斜率法和Fernald方法，反演了301.5nm和446.6nm在水平及垂直方向的消光系数，以及波长的Ångström指数。结果表明，水平方向上，301.5nm和446.6nm的消光系数和能见度随时间变化均保持一致性；垂直方向上，301.5nm和446.6nm气溶胶消光系数随时空变化趋势相同，Ångström指数随着时间的推移有所变化，但空间变化趋势相同。该结果对分析差分吸收激光雷达修正气溶胶的影响是有所帮助的。
为了研究测污激光雷达对水平能见度和垂直气溶胶消光系数变化趋势的探测，采用污染气体探测激光雷达，以斜率法和Fernald方法，反演了301.5nm和446.6nm在水平及垂直方向的消光系数，以及波长的Ångström指数。结果表明，水平方向上，301.5nm和446.6nm的消光系数和能见度随时间变化均保持一致性；垂直方向上，301.5nm和446.6nm气溶胶消光系数随时空变化趋势相同，Ångström指数随着时间的推移有所变化，但空间变化趋势相同。该结果对分析差分吸收激光雷达修正气溶胶的影响是有所帮助的。
2018, 42(6): 739-744.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.003
摘要:
为了解决纳米复合电沉积加工速率慢、颗粒易团聚以及沉积层表面质量差等问题，采用构建高能脉冲激光辅助纳米复合电沉积的方法，利用激光辐照产生定域微区搅拌，缓解颗粒团聚现象，加速电化学反应速率，提高沉积层表面质量，并对加工过程进行了有限元仿真和实验验证。结果表明，激光与电化学复合能够明显的提高复合沉积速率，且激光的冲击作用能够提高晶粒的结合性，进而促进镀层的致密化；同时此冲击作用也能降低纳米粒子的团聚几率，细化镀层晶粒。此研究结果对电解加工技术的发展具有一定帮助。
为了解决纳米复合电沉积加工速率慢、颗粒易团聚以及沉积层表面质量差等问题，采用构建高能脉冲激光辅助纳米复合电沉积的方法，利用激光辐照产生定域微区搅拌，缓解颗粒团聚现象，加速电化学反应速率，提高沉积层表面质量，并对加工过程进行了有限元仿真和实验验证。结果表明，激光与电化学复合能够明显的提高复合沉积速率，且激光的冲击作用能够提高晶粒的结合性，进而促进镀层的致密化；同时此冲击作用也能降低纳米粒子的团聚几率，细化镀层晶粒。此研究结果对电解加工技术的发展具有一定帮助。
2018, 42(6): 745-750.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.004
摘要:
为了保持激光熔覆过程中熔池温度的相对稳定，采用比色测温与比例-积分-微分（PID）控制策略相结合的方法实现了熔池温度的闭环控制，搭建了一套基于双通道彩色CCD的激光熔覆成形熔池温度在线测控系统。将发射率ε纳入到待定系数K中，建立了灰度比值与K的对应关系，推导出了熔池温度的计算公式。基于Socket通信实现了温度在工控机与机器人控制器之间的信号传递，设计了基于激光功率变化的温度控制器算法。结果表明，此系统能实时准确地测量并控制熔池温度，控制精度在3%以内；将该系统运用于薄壁圆筒堆积成形实验中，能够有效消除激光熔覆成形过程中的温度累积效应；成形件底部与顶部外径仅相差0.9mm，成形件各处显微组织差异较小，组织致密均匀。该控制方案具有实时性好、成本较低、便于集成应用等优点。
为了保持激光熔覆过程中熔池温度的相对稳定，采用比色测温与比例-积分-微分（PID）控制策略相结合的方法实现了熔池温度的闭环控制，搭建了一套基于双通道彩色CCD的激光熔覆成形熔池温度在线测控系统。将发射率ε纳入到待定系数K中，建立了灰度比值与K的对应关系，推导出了熔池温度的计算公式。基于Socket通信实现了温度在工控机与机器人控制器之间的信号传递，设计了基于激光功率变化的温度控制器算法。结果表明，此系统能实时准确地测量并控制熔池温度，控制精度在3%以内；将该系统运用于薄壁圆筒堆积成形实验中，能够有效消除激光熔覆成形过程中的温度累积效应；成形件底部与顶部外径仅相差0.9mm，成形件各处显微组织差异较小，组织致密均匀。该控制方案具有实时性好、成本较低、便于集成应用等优点。
2018, 42(6): 758-763.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.006
摘要:
为了解决金属箔材微拉深工艺中高昂的微型模具设计制造成本问题，采用无模具激光冲击微成形方法，对脉宽5ns、直径50μm的高重复频率激光光斑微冲击成形20μm厚T2铜箔进行了理论分析和实验验证。结果表明，在约束层没有破损的情况下，凹坑深度h、凹坑底平面直径L1和凹坑壁倾斜程度（L-L1）随着单脉冲能量E及光斑搭接率增加线性增大；激光扫描内外圆周顺序对凹坑深度没有影响，但会对凹坑底平面直径有影响，先扫描外圆周时会形成更大的凹坑底平面直径，无需模具，凹坑形貌是可控的。这一结果对激光无模微拉深渐进成形的进一步研究是有帮助的。
为了解决金属箔材微拉深工艺中高昂的微型模具设计制造成本问题，采用无模具激光冲击微成形方法，对脉宽5ns、直径50μm的高重复频率激光光斑微冲击成形20μm厚T2铜箔进行了理论分析和实验验证。结果表明，在约束层没有破损的情况下，凹坑深度h、凹坑底平面直径L1和凹坑壁倾斜程度（L-L1）随着单脉冲能量E及光斑搭接率增加线性增大；激光扫描内外圆周顺序对凹坑深度没有影响，但会对凹坑底平面直径有影响，先扫描外圆周时会形成更大的凹坑底平面直径，无需模具，凹坑形貌是可控的。这一结果对激光无模微拉深渐进成形的进一步研究是有帮助的。
2018, 42(6): 764-768.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.007
摘要:
为了更准确地研究激光打孔相变过程，基于流体传热和流体力学理论，建立了GH4037镍基高温合金激光打孔相变模型。模型中考虑了重力、粘滞力、反冲压力的作用，以及材料的固-液相变和液-气相变过程，通过数值计算得到了激光打孔相变过程的温度场和速度场。结果表明，气化材料的反冲压力可以加快熔池的流动，在激光功率为2000W、脉宽为1.70ms时，材料最大气化蒸发速率可以达到250m/s。该模型为进一步开展激光打孔研究提供了理论基础。
为了更准确地研究激光打孔相变过程，基于流体传热和流体力学理论，建立了GH4037镍基高温合金激光打孔相变模型。模型中考虑了重力、粘滞力、反冲压力的作用，以及材料的固-液相变和液-气相变过程，通过数值计算得到了激光打孔相变过程的温度场和速度场。结果表明，气化材料的反冲压力可以加快熔池的流动，在激光功率为2000W、脉宽为1.70ms时，材料最大气化蒸发速率可以达到250m/s。该模型为进一步开展激光打孔研究提供了理论基础。
2018, 42(6): 775-779.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.009
摘要:
为了研究碳纤维环氧树脂在不同脉宽激光辐照下的损伤形貌，采用全自动变焦测量技术进行了实验验证，测量了碳纤维环氧树脂在毫秒/纳秒脉冲激光辐照下，损伤面积、损伤深度以及损伤形貌随激光能量密度的变化。结果表明，在毫秒脉冲激光作用下，材料损伤区域中心会产生一定的温度积累，损伤区域有一定的热效应，出现熔融、热解等现象，当激光能量密度为20.5J/cm2时，材料的损伤深度达到了47.3μm，材料表面析出的碳化物的高度为157.1μm，损伤深度以及表面碳化物的高度都随着能量密度的增大而增大；在纳秒激光作用下，光斑周围有明显的热反应区域，当能量密度大于47.3J/cm2时，表面的热反应区尤为明显，损伤面积随激光能量密度的增大明显增大，由于作用时间较短，损伤主要为表层损伤；树脂热解的气体向外膨胀，导致纤维结构断裂。研究结果为激光对碳纤维环氧树脂的损伤效果提供了实验依据。
为了研究碳纤维环氧树脂在不同脉宽激光辐照下的损伤形貌，采用全自动变焦测量技术进行了实验验证，测量了碳纤维环氧树脂在毫秒/纳秒脉冲激光辐照下，损伤面积、损伤深度以及损伤形貌随激光能量密度的变化。结果表明，在毫秒脉冲激光作用下，材料损伤区域中心会产生一定的温度积累，损伤区域有一定的热效应，出现熔融、热解等现象，当激光能量密度为20.5J/cm2时，材料的损伤深度达到了47.3μm，材料表面析出的碳化物的高度为157.1μm，损伤深度以及表面碳化物的高度都随着能量密度的增大而增大；在纳秒激光作用下，光斑周围有明显的热反应区域，当能量密度大于47.3J/cm2时，表面的热反应区尤为明显，损伤面积随激光能量密度的增大明显增大，由于作用时间较短，损伤主要为表层损伤；树脂热解的气体向外膨胀，导致纤维结构断裂。研究结果为激光对碳纤维环氧树脂的损伤效果提供了实验依据。
2018, 42(6): 780-784.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.010
摘要:
为了研究旋转磁场激励下焊接裂纹磁光成像规律，采用工频旋转磁场对焊接裂纹激励并由磁光传感器获取裂纹磁光图像的方法，进行了理论分析和实验验证，取得了工频旋转磁场不同励磁强度下的动态磁光图像。结合磁光成像原理和旋转磁场理论，对所获数据的灰度值进行了对比分析。结果表明，旋转磁场工频励磁下任意1帧磁光图随励磁时间的推移都会发生变化，并以初始3帧磁光图为一个循环周期依次向下一帧磁光图转换，经过885帧磁光图后回到初始状态。该规律的发现有利于减少有效励磁时间，提高焊接缺陷无损检测效果。
为了研究旋转磁场激励下焊接裂纹磁光成像规律，采用工频旋转磁场对焊接裂纹激励并由磁光传感器获取裂纹磁光图像的方法，进行了理论分析和实验验证，取得了工频旋转磁场不同励磁强度下的动态磁光图像。结合磁光成像原理和旋转磁场理论，对所获数据的灰度值进行了对比分析。结果表明，旋转磁场工频励磁下任意1帧磁光图随励磁时间的推移都会发生变化，并以初始3帧磁光图为一个循环周期依次向下一帧磁光图转换，经过885帧磁光图后回到初始状态。该规律的发现有利于减少有效励磁时间，提高焊接缺陷无损检测效果。
2018, 42(6): 790-795.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.012
摘要:
激光打孔可以改善烟支的总通风率和吸阻等指标，满足消费者对烟支的感官质量体验。为了获得最佳的激光打孔参量组合，在吸阻指标固定的前提下，采用全因子试验方法，探究出激光打孔参量与吸阻的关系方程。结果表明，脉冲宽度较另外两个因子（功率与布孔偏量）对吸阻的影响更为显著；在3个因子同时变化一个单位的情况下，脉冲宽度对吸阻的影响最大，大约是功率和布孔偏量的10倍；为使吸阻变小，应该让3个主效应因子尽可能大；功率与布孔偏量的交互作用对于吸阻的影响相对于其它因子之间的交互效应要显著得多。该研究为吸阻的质量管控提供了统计学依据，这种试验分析问题的方法也为其它类似的试验提供了借鉴。
激光打孔可以改善烟支的总通风率和吸阻等指标，满足消费者对烟支的感官质量体验。为了获得最佳的激光打孔参量组合，在吸阻指标固定的前提下，采用全因子试验方法，探究出激光打孔参量与吸阻的关系方程。结果表明，脉冲宽度较另外两个因子（功率与布孔偏量）对吸阻的影响更为显著；在3个因子同时变化一个单位的情况下，脉冲宽度对吸阻的影响最大，大约是功率和布孔偏量的10倍；为使吸阻变小，应该让3个主效应因子尽可能大；功率与布孔偏量的交互作用对于吸阻的影响相对于其它因子之间的交互效应要显著得多。该研究为吸阻的质量管控提供了统计学依据，这种试验分析问题的方法也为其它类似的试验提供了借鉴。
2018, 42(6): 796-800.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.013
摘要:
为了研究C2的演化规律，采用增强型电荷耦合器件（ICDD）直接成像法，通过Nd:YAG激光器烧蚀石墨靶，使用窄带通滤波片分辨出C2和C+的发射位置，研究了在不同空气压力条件下，脉冲激光诱导石墨等离子体中C2和C+的发射特性。当空气气压为10-2Pa和3Pa时，C2发射峰值位于靶材附近，此时C2的形成主要为靶材的直接发射；气压增大至50Pa时，由于气相重组反应加强，等离子体前端出现另一个C2的发射峰值，其峰值位置与C+一致，并且其逐渐占C2发射的主导地位，此时C2的形成主要来源于重组反应，C+发射光强要大于C2；当气压进一步增大至130Pa时，气相重组反应增加，在等离子体前端出现C2的发射强度增强，在1.3μs之后，C2的发射强度大于C+。结果表明，随着气压的变化，C2的发射峰值位置和强度发生明显变化。这一结果对碳等离子体沉积碳纳米材料原理研究是有帮助的。
为了研究C2的演化规律，采用增强型电荷耦合器件（ICDD）直接成像法，通过Nd:YAG激光器烧蚀石墨靶，使用窄带通滤波片分辨出C2和C+的发射位置，研究了在不同空气压力条件下，脉冲激光诱导石墨等离子体中C2和C+的发射特性。当空气气压为10-2Pa和3Pa时，C2发射峰值位于靶材附近，此时C2的形成主要为靶材的直接发射；气压增大至50Pa时，由于气相重组反应加强，等离子体前端出现另一个C2的发射峰值，其峰值位置与C+一致，并且其逐渐占C2发射的主导地位，此时C2的形成主要来源于重组反应，C+发射光强要大于C2；当气压进一步增大至130Pa时，气相重组反应增加，在等离子体前端出现C2的发射强度增强，在1.3μs之后，C2的发射强度大于C+。结果表明，随着气压的变化，C2的发射峰值位置和强度发生明显变化。这一结果对碳等离子体沉积碳纳米材料原理研究是有帮助的。
2018, 42(6): 801-805.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.014
摘要:
为了研究线源脉冲激光激发的超声波在带涂层金属板表面裂纹检测方面的应用，采用有限元模拟的方法，分别建立了含有裂纹的带镍涂层和不带镍涂层金属板模型，并模拟出激光激发出的瑞利波以及瑞利波的传播过程。通过对接收点处的波形进行理论分析，得出了涂层厚度、裂纹深度与瑞利波时频域信号的关系。结果表明，瑞利波波速随着涂层厚度h的不同而不断变化；当表面存在裂纹时，不带涂层模型的反射瑞利波与剪切瑞利波的到达时间差Δt与裂纹深度hc成线性关系，带涂层模型的Δt与hc以涂层厚度为分界点成分段线性关系。此研究结果为实际测量带涂层金属板的表面裂纹深度提供了参考。
为了研究线源脉冲激光激发的超声波在带涂层金属板表面裂纹检测方面的应用，采用有限元模拟的方法，分别建立了含有裂纹的带镍涂层和不带镍涂层金属板模型，并模拟出激光激发出的瑞利波以及瑞利波的传播过程。通过对接收点处的波形进行理论分析，得出了涂层厚度、裂纹深度与瑞利波时频域信号的关系。结果表明，瑞利波波速随着涂层厚度h的不同而不断变化；当表面存在裂纹时，不带涂层模型的反射瑞利波与剪切瑞利波的到达时间差Δt与裂纹深度hc成线性关系，带涂层模型的Δt与hc以涂层厚度为分界点成分段线性关系。此研究结果为实际测量带涂层金属板的表面裂纹深度提供了参考。
2018, 42(6): 806-810.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.015
摘要:
为了研究激光技术应用于区分不同金相组织的可行性，采用不同的热处理方法分别得到珠光体+铁素体和马氏体这两种不同的金相组织的钢样，选择合适的激光脉冲能量，对比分析了激光诱导击穿光谱的谱线强度与金相组织的关系，用主成分分析法对不同金相组织进行了区分。结果表明，不同金相组织的谱线强度不同，其中珠光体+铁素体组织的谱线强度较大，基体元素Fe的谱线强度差异比合金元素Mn的谱线强度差异大；不同金相组织呈现一定分布特性，主成分分析法能对不同金相组织进行区分，其中在波长范围280nm~320nm内区分效果最好。该研究验证了激光技术具有区分不同金相组织的能力。
为了研究激光技术应用于区分不同金相组织的可行性，采用不同的热处理方法分别得到珠光体+铁素体和马氏体这两种不同的金相组织的钢样，选择合适的激光脉冲能量，对比分析了激光诱导击穿光谱的谱线强度与金相组织的关系，用主成分分析法对不同金相组织进行了区分。结果表明，不同金相组织的谱线强度不同，其中珠光体+铁素体组织的谱线强度较大，基体元素Fe的谱线强度差异比合金元素Mn的谱线强度差异大；不同金相组织呈现一定分布特性，主成分分析法能对不同金相组织进行区分，其中在波长范围280nm~320nm内区分效果最好。该研究验证了激光技术具有区分不同金相组织的能力。
2018, 42(6): 811-816.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.016
摘要:
为了提高机载远程激光测距机接收系统设计的可行性，从激光测距方程出发，分析了最小探测灵敏度与测程的关系。对回波频谱特性、探测模块带宽和放大器带宽进行了仿真，计算了回波信号的放大倍数，推算出主放大器输出信号的大小。依据高斯白噪声模型和主放大器输出信号值，推算了激光测距接收电路的最大允许输入噪声值。设计了电路并进行了试验测试。结果表明，激光接收灵敏度与理论值的偏差为5.7%，消光比法对应空中小目标最大测程与理论值的偏差仅为1.5%。该噪声分析方法对机载远程激光测距机的接收系统设计具有一定的指导意义。
为了提高机载远程激光测距机接收系统设计的可行性，从激光测距方程出发，分析了最小探测灵敏度与测程的关系。对回波频谱特性、探测模块带宽和放大器带宽进行了仿真，计算了回波信号的放大倍数，推算出主放大器输出信号的大小。依据高斯白噪声模型和主放大器输出信号值，推算了激光测距接收电路的最大允许输入噪声值。设计了电路并进行了试验测试。结果表明，激光接收灵敏度与理论值的偏差为5.7%，消光比法对应空中小目标最大测程与理论值的偏差仅为1.5%。该噪声分析方法对机载远程激光测距机的接收系统设计具有一定的指导意义。
2018, 42(6): 822-826.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.018
摘要:
为了实现空间中波束的动态扫描，设计了一款基于固态等离子体的超表面。采用阵列单元相位曲线拼接的技术，通过拼接介质基板厚度不同的阵列单元的相位曲线来实现0°~360°的相位补偿，并用数值插值的方式建立超表面参变量与相位补偿角之间的映射。结果表明，超表面的反射主波束方向θ分别为15°，25°和30°，计算结果与设计相符合，通过改变固态等离子体的激励区域来重构阵列单元，实现了空间中波束在θ为15°，25°和30°时的动态扫描。此反射型超表面阵列单元的普适性设计方法，降低了阵列单元的设计难度，并通过固态等离子体的可调谐特性实现了空间波束扫描超表面的设计。
为了实现空间中波束的动态扫描，设计了一款基于固态等离子体的超表面。采用阵列单元相位曲线拼接的技术，通过拼接介质基板厚度不同的阵列单元的相位曲线来实现0°~360°的相位补偿，并用数值插值的方式建立超表面参变量与相位补偿角之间的映射。结果表明，超表面的反射主波束方向θ分别为15°，25°和30°，计算结果与设计相符合，通过改变固态等离子体的激励区域来重构阵列单元，实现了空间中波束在θ为15°，25°和30°时的动态扫描。此反射型超表面阵列单元的普适性设计方法，降低了阵列单元的设计难度，并通过固态等离子体的可调谐特性实现了空间波束扫描超表面的设计。
2018, 42(6): 827-834.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.019
摘要:
为了解决激光透射难以实现连接聚苯乙烯与钛的问题，采用氧等离子体处理后的聚苯乙烯与经激光表面处理的薄钛进行了激光透射连接。建立了激光透射连接工艺参量的数学模型，分析了工艺参量对连接强度的交互式影响，得到了优化工艺参量。结果表明，经过处理后的聚苯乙烯与薄钛再进行激光连接时，其连接强度从0.5MPa提高到6.0MPa以上，有效解决了聚苯乙烯与钛的激光透射连接难题；通过优化工艺参量可获得最优的工艺参量组合。该研究为此工艺的工业应用奠定了基础。
为了解决激光透射难以实现连接聚苯乙烯与钛的问题，采用氧等离子体处理后的聚苯乙烯与经激光表面处理的薄钛进行了激光透射连接。建立了激光透射连接工艺参量的数学模型，分析了工艺参量对连接强度的交互式影响，得到了优化工艺参量。结果表明，经过处理后的聚苯乙烯与薄钛再进行激光连接时，其连接强度从0.5MPa提高到6.0MPa以上，有效解决了聚苯乙烯与钛的激光透射连接难题；通过优化工艺参量可获得最优的工艺参量组合。该研究为此工艺的工业应用奠定了基础。
2018, 42(6): 845-848.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.022
摘要:
为了提高材料表面强度和硬度，在材料的表面采用激光熔覆技术熔覆合金涂层以提高其表面性能。相同的激光功率下采用不同的激光扫描速率在材料表面激光熔覆制备镍基（Ni60）复合涂层，取得了在基材表面获得理想熔覆层的工艺参量，并对熔覆层的性能进行了检测。结果表明，随着激光扫描速率的增加，表面粗糙度变大，熔覆层的宽度、高度、基材的熔化深度都有一定程度的降低，裂纹出现增大趋势，熔覆层显微硬度高出基材显微硬度约500HV，激光熔覆技术在一定范围内可以实现对基材的表面硬化。该结果为材料表面强化的研究提供了参考。
为了提高材料表面强度和硬度，在材料的表面采用激光熔覆技术熔覆合金涂层以提高其表面性能。相同的激光功率下采用不同的激光扫描速率在材料表面激光熔覆制备镍基（Ni60）复合涂层，取得了在基材表面获得理想熔覆层的工艺参量，并对熔覆层的性能进行了检测。结果表明，随着激光扫描速率的增加，表面粗糙度变大，熔覆层的宽度、高度、基材的熔化深度都有一定程度的降低，裂纹出现增大趋势，熔覆层显微硬度高出基材显微硬度约500HV，激光熔覆技术在一定范围内可以实现对基材的表面硬化。该结果为材料表面强化的研究提供了参考。
2018, 42(6): 862-867.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.026
摘要:
为了研究噪声对雪崩二极管（APD）探测能力的影响，采用高光谱图像计算辐射功率的方法，对APD探测系统的各类噪声的成因及特点进行了分析，在此基础上归纳了影响系统探测能力的因素，并对白天状态下背景光功率与信噪比关系、倍增因子与温度关系进行了仿真，利用高光谱图像的光谱曲线计算背景辐射经大气湍流、大气分子和气溶胶影响后的功率，进而得到经大气传输后的背景辐射与APD噪声关系。结果表明，偏置电压为340V、背景光由0.07mW增强到0.35mW时，噪声有效值由108mW增强到150mW，表明同一偏压下，APD噪声有效值会随着自然背景光功率的增强而增强；背景光为0.35mW、偏置电压由320V增强到340V时，噪声有效值由23mW增强到150mW，表明同一背景光下，噪声有效值会随偏置电压升高而升高，且增长速率逐渐加快。此研究表明通过高光谱图像可得到特定区域的背景辐射功率，并明确了背景辐射对APD噪声特性造成的影响。
为了研究噪声对雪崩二极管（APD）探测能力的影响，采用高光谱图像计算辐射功率的方法，对APD探测系统的各类噪声的成因及特点进行了分析，在此基础上归纳了影响系统探测能力的因素，并对白天状态下背景光功率与信噪比关系、倍增因子与温度关系进行了仿真，利用高光谱图像的光谱曲线计算背景辐射经大气湍流、大气分子和气溶胶影响后的功率，进而得到经大气传输后的背景辐射与APD噪声关系。结果表明，偏置电压为340V、背景光由0.07mW增强到0.35mW时，噪声有效值由108mW增强到150mW，表明同一偏压下，APD噪声有效值会随着自然背景光功率的增强而增强；背景光为0.35mW、偏置电压由320V增强到340V时，噪声有效值由23mW增强到150mW，表明同一背景光下，噪声有效值会随偏置电压升高而升高，且增长速率逐渐加快。此研究表明通过高光谱图像可得到特定区域的背景辐射功率，并明确了背景辐射对APD噪声特性造成的影响。
2018, 42(6): 868-872.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.027
摘要:
为了解决传统比例-微分-积分（PID）控制器在精密光束指向系统（FPB）应用中存在的控制精度与超调量之间的矛盾，并使其可在现有控制系统硬件平台中应用，设计了一种数字复合PID控制器。该控制器采用了传统PID、前馈补偿以及抗积分饱和算法三部分综合而成，在控制器复杂性和处理时间不显著增加的前提下，缩短了调节时间及过冲，改善FPB系统的指向精度及动态特性；对该控制器的结构进行了分析，并与采用传统PID控制器的FPB进行了对比试验。结果表明，在相同的实验条件下，采用复合PID控制器的FPB系统与采用传统PID控制器的FPB系统相比，调整时间缩短了约11.4%，最大超调量从12.7%降至1.8%。在现有计算能力受限的控制系统平台上，可实现FPB系统性能的有效提升。
为了解决传统比例-微分-积分（PID）控制器在精密光束指向系统（FPB）应用中存在的控制精度与超调量之间的矛盾，并使其可在现有控制系统硬件平台中应用，设计了一种数字复合PID控制器。该控制器采用了传统PID、前馈补偿以及抗积分饱和算法三部分综合而成，在控制器复杂性和处理时间不显著增加的前提下，缩短了调节时间及过冲，改善FPB系统的指向精度及动态特性；对该控制器的结构进行了分析，并与采用传统PID控制器的FPB进行了对比试验。结果表明，在相同的实验条件下，采用复合PID控制器的FPB系统与采用传统PID控制器的FPB系统相比，调整时间缩短了约11.4%，最大超调量从12.7%降至1.8%。在现有计算能力受限的控制系统平台上，可实现FPB系统性能的有效提升。
2018, 42(6): 733-738.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.002
摘要:
为了解决多彩色图像加密后，解密图像质量不佳、数据量大以及传输时速率慢的问题，采用了一种基于小波变换和菲涅耳变换的多彩色图像加密方法，加密过程中，利用小波变换的多级分解特性提取每幅彩色图像的低频分量，将低频分量分别重组为三元组图像（R，G和B），并且依次将三元组图像（R，G和B）通过菲涅耳域中的衍射加密系统，对这3个三元组图像进一步加密，从而实现了多彩色图像的加密。结果表明，该方法不仅可以高质量地恢复原始彩色图像，而且可以同时对4幅彩色图像进行加密，提高了加密彩色图像的容量；原始图像经过小波变换，其数据量压缩到原来的1/4，有利于数据的传输和存储。该算法能够有效地同时对多幅色彩图像进行压缩和加密，不仅提高了解密图像的质量，并且具有较高的密钥敏感度和较好的鲁棒性。
为了解决多彩色图像加密后，解密图像质量不佳、数据量大以及传输时速率慢的问题，采用了一种基于小波变换和菲涅耳变换的多彩色图像加密方法，加密过程中，利用小波变换的多级分解特性提取每幅彩色图像的低频分量，将低频分量分别重组为三元组图像（R，G和B），并且依次将三元组图像（R，G和B）通过菲涅耳域中的衍射加密系统，对这3个三元组图像进一步加密，从而实现了多彩色图像的加密。结果表明，该方法不仅可以高质量地恢复原始彩色图像，而且可以同时对4幅彩色图像进行加密，提高了加密彩色图像的容量；原始图像经过小波变换，其数据量压缩到原来的1/4，有利于数据的传输和存储。该算法能够有效地同时对多幅色彩图像进行压缩和加密，不仅提高了解密图像的质量，并且具有较高的密钥敏感度和较好的鲁棒性。
2018, 42(6): 751-757.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.005
摘要:
为了适应生产线上不同摆放姿态下工件的视觉识别，实现基于视觉的机器人工件定位及抓取，构建了六自由度工件姿态变换模拟实验平台运动学模型及视觉系统模型，通过坐标变换实现工件姿态参量的测量。建立了六自由度姿态变换实验平台坐标系，通过3个滑动副、3个转动副，构建了基于Denavit-Hartenberg（D-H）方法的六自由度姿态变换实验平台运动学模型，并得到了D-H参量表、各个关节的变换矩阵及实验平台基座到末端的总变换矩阵。基于小孔成像原理，构建了姿态变换实验平台视觉系统的内、外参量模型，获得了工件表面点与图像点间的内参量关系矩阵及工件坐标系与相机坐标间的外关系矩阵。由激光环形光条图像，得到工件表面在摄像机坐标系中的法向量，并通过坐标系间的变换得到工件表面在世界坐标系中的法向量，进而推算出工件的姿态参量。结果表明，姿态参量的横滚角θ平均误差为0.373°，俯仰角φ平均误差为0.253°，偏转角ξ平均误差为0.673°。被测工件的姿态测量值与真实值基本吻合，满足不同姿态下的工件视觉测量要求。
为了适应生产线上不同摆放姿态下工件的视觉识别，实现基于视觉的机器人工件定位及抓取，构建了六自由度工件姿态变换模拟实验平台运动学模型及视觉系统模型，通过坐标变换实现工件姿态参量的测量。建立了六自由度姿态变换实验平台坐标系，通过3个滑动副、3个转动副，构建了基于Denavit-Hartenberg（D-H）方法的六自由度姿态变换实验平台运动学模型，并得到了D-H参量表、各个关节的变换矩阵及实验平台基座到末端的总变换矩阵。基于小孔成像原理，构建了姿态变换实验平台视觉系统的内、外参量模型，获得了工件表面点与图像点间的内参量关系矩阵及工件坐标系与相机坐标间的外关系矩阵。由激光环形光条图像，得到工件表面在摄像机坐标系中的法向量，并通过坐标系间的变换得到工件表面在世界坐标系中的法向量，进而推算出工件的姿态参量。结果表明，姿态参量的横滚角θ平均误差为0.373°，俯仰角φ平均误差为0.253°，偏转角ξ平均误差为0.673°。被测工件的姿态测量值与真实值基本吻合，满足不同姿态下的工件视觉测量要求。
2018, 42(6): 769-774.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.008
摘要:
为了获取作者所在实验室数字共焦显微镜光学系统实验3维点扩散函数，采用荧光微珠模拟点光源，利用该显微镜对荧光微珠不同散焦量的切片图像进行采集，采用多图像平均法对切片图像进行降噪处理，以此构建显微镜光学系统的实验3维点扩散函数。以该实验点扩散函数进行3维显微图像复原，并与理论点扩散函数的复原效果进行了比较。结果表明，两种点扩散函数对图像复原时均获得良好的复原效果，但是以正确实验方法获取的实验3维点扩散函数，更符合该光学系统的光学传递特性，复原效果更准确。所构建的实验3维点扩散函数，为下一步的生物显微图像复原处理提供了一种较好的选择，为数字共焦显微镜实验3维点扩散函数的构建提供了一种有效的方法。
为了获取作者所在实验室数字共焦显微镜光学系统实验3维点扩散函数，采用荧光微珠模拟点光源，利用该显微镜对荧光微珠不同散焦量的切片图像进行采集，采用多图像平均法对切片图像进行降噪处理，以此构建显微镜光学系统的实验3维点扩散函数。以该实验点扩散函数进行3维显微图像复原，并与理论点扩散函数的复原效果进行了比较。结果表明，两种点扩散函数对图像复原时均获得良好的复原效果，但是以正确实验方法获取的实验3维点扩散函数，更符合该光学系统的光学传递特性，复原效果更准确。所构建的实验3维点扩散函数，为下一步的生物显微图像复原处理提供了一种较好的选择，为数字共焦显微镜实验3维点扩散函数的构建提供了一种有效的方法。
2018, 42(6): 785-789.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.011
摘要:
现有保偏光纤侧视成像法多依赖于某特定形貌光强分布，对成像面位置调整要求高、通用性差。为了提高保偏光纤定轴灵敏度、增加方法的通用性、提高定轴稳定性，采用双光束光源取代单光束光源对保偏光纤进行侧视成像的方法，改变了以往通过调整成像面寻找特定形貌光强分布的思路，并进行了理论分析、仿真模拟和实验验证。结果表明，采用双光束光源进行侧视成像时，光强分布成双峰型，选择双峰光强值之和为特征值，建立特征值与偏转角度的对应关系，利用互相关分析可对偏转角进行确定，该方法不仅保持了透镜效应侧视法适用成像面范围广的优点，而且定轴灵敏度平均优于单光束光源侧视成像定轴法11.88%。该研究具有良好的实用前景。
现有保偏光纤侧视成像法多依赖于某特定形貌光强分布，对成像面位置调整要求高、通用性差。为了提高保偏光纤定轴灵敏度、增加方法的通用性、提高定轴稳定性，采用双光束光源取代单光束光源对保偏光纤进行侧视成像的方法，改变了以往通过调整成像面寻找特定形貌光强分布的思路，并进行了理论分析、仿真模拟和实验验证。结果表明，采用双光束光源进行侧视成像时，光强分布成双峰型，选择双峰光强值之和为特征值，建立特征值与偏转角度的对应关系，利用互相关分析可对偏转角进行确定，该方法不仅保持了透镜效应侧视法适用成像面范围广的优点，而且定轴灵敏度平均优于单光束光源侧视成像定轴法11.88%。该研究具有良好的实用前景。
2018, 42(6): 817-821.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.017
摘要:
为了实现对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶胚壁厚实时、高效、高精度的测量，采用理论仿真结合实验验证的方法，以标称3.5mm厚型的PET瓶胚为例给出设计实例，建立了PET瓶胚壁厚测量的光学模型，根据光线追迹原理分析验证反射式光纤位移传感器在测量PET瓶胚壁厚中应用的可行性，并利用LIGHTTOOLS软件进行仿真模拟，最终设计出一种基于反射式光纤位移传感器对PET瓶胚壁厚实时测量的装置，并进行了实验验证。结果表明，实验装置的测量量程为3.20mm~3.80mm，线性度为15.8%，灵敏度为0.8448mV/μm，该装置相比传统测量效率提高了30%以上。这对提高实际检测效率和精度具有参考应用价值。
为了实现对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶胚壁厚实时、高效、高精度的测量，采用理论仿真结合实验验证的方法，以标称3.5mm厚型的PET瓶胚为例给出设计实例，建立了PET瓶胚壁厚测量的光学模型，根据光线追迹原理分析验证反射式光纤位移传感器在测量PET瓶胚壁厚中应用的可行性，并利用LIGHTTOOLS软件进行仿真模拟，最终设计出一种基于反射式光纤位移传感器对PET瓶胚壁厚实时测量的装置，并进行了实验验证。结果表明，实验装置的测量量程为3.20mm~3.80mm，线性度为15.8%，灵敏度为0.8448mV/μm，该装置相比传统测量效率提高了30%以上。这对提高实际检测效率和精度具有参考应用价值。
2018, 42(6): 840-844.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.021
摘要:
为了实现高Q值低模式体积的最佳传感特性微瓶设计，采用有限元数值分析方法研究了石英毛细管微瓶回音壁模式特性及其折射率传感性能，计算分析了当膨胀半径和赤道面处壁厚为定值时，不同表面曲率对空芯和液芯微瓶回音壁模式特性的影响，包括品质因子、核芯能量百分比等，并探讨了在折射率传感应用中谐振波长随表面曲率变化规律。结果表明，切向二阶模受曲率影响更为明显，内壁曲率平方Δk22=0.008时Q值高达108，内壁表面曲率越小，核芯百分比所占能量越大，且在内壁表面曲率较小时可实现高灵敏度折射率传感。该研究对进一步高Q值微泡的实验研制及应用于传感领域提供了有效依据，具有一定的理论参考价值。
为了实现高Q值低模式体积的最佳传感特性微瓶设计，采用有限元数值分析方法研究了石英毛细管微瓶回音壁模式特性及其折射率传感性能，计算分析了当膨胀半径和赤道面处壁厚为定值时，不同表面曲率对空芯和液芯微瓶回音壁模式特性的影响，包括品质因子、核芯能量百分比等，并探讨了在折射率传感应用中谐振波长随表面曲率变化规律。结果表明，切向二阶模受曲率影响更为明显，内壁曲率平方Δk22=0.008时Q值高达108，内壁表面曲率越小，核芯百分比所占能量越大，且在内壁表面曲率较小时可实现高灵敏度折射率传感。该研究对进一步高Q值微泡的实验研制及应用于传感领域提供了有效依据，具有一定的理论参考价值。
2018, 42(6): 849-853.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.023
摘要:
为了实现对光纤光栅温度传感器的高速解调，采用了一种基于现场可编程门阵列和小型光谱仪模块的光纤光栅温度传感器高速解调系统，利用放大自发辐射光源产生的近红外宽带光辐射，照射光纤光栅温度传感器，对其反射光通过高斯拟合寻峰算法确定中心波长，并由中心波长偏移量判定环境温度的解调方法，进行了理论分析和实验验证。结果表明，在30℃~60℃温度范围内，完成了解调速率达20kHz、温度灵敏度为12.49pm/℃的高速温度测量，实现了对光纤光栅温度传感器的高速解调。
为了实现对光纤光栅温度传感器的高速解调，采用了一种基于现场可编程门阵列和小型光谱仪模块的光纤光栅温度传感器高速解调系统，利用放大自发辐射光源产生的近红外宽带光辐射，照射光纤光栅温度传感器，对其反射光通过高斯拟合寻峰算法确定中心波长，并由中心波长偏移量判定环境温度的解调方法，进行了理论分析和实验验证。结果表明，在30℃~60℃温度范围内，完成了解调速率达20kHz、温度灵敏度为12.49pm/℃的高速温度测量，实现了对光纤光栅温度传感器的高速解调。
2018, 42(6): 854-858.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.024
摘要:
为了减少背景对红外小目标检测结果的影响，同时降低检测虚警率，采用了基于引导滤波和模糊算法的红外背景抑制算法，利用非下采样轮廓波多尺度、多方向的分解机制，将红外序列图像分解为低通子带和带通子带；再利用引导滤波对低通子带处理，以平滑图像、抑制噪声、增强背景细节；带通子带则采用模糊算法处理，实现目标和残留背景分离；最后将各子带图像通过非下采样轮廓波逆变换，得到了背景抑制图像。结果表明，该方法可以将均方误差降至5~10，有效抑制了背景，突出了目标。该研究为提高复杂背景下的红外小目标检测精度提供了支持。
为了减少背景对红外小目标检测结果的影响，同时降低检测虚警率，采用了基于引导滤波和模糊算法的红外背景抑制算法，利用非下采样轮廓波多尺度、多方向的分解机制，将红外序列图像分解为低通子带和带通子带；再利用引导滤波对低通子带处理，以平滑图像、抑制噪声、增强背景细节；带通子带则采用模糊算法处理，实现目标和残留背景分离；最后将各子带图像通过非下采样轮廓波逆变换，得到了背景抑制图像。结果表明，该方法可以将均方误差降至5~10，有效抑制了背景，突出了目标。该研究为提高复杂背景下的红外小目标检测精度提供了支持。
2018, 42(6): 835-839.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.020
摘要:
为了解决光纤激光器外腔光谱组束中存在像差以及发光单元反馈不足等问题，采用将组束系统中单个传输透镜准直和聚焦功能分离的方法，搭建了光纤激光外腔反馈系统，实现了激光波长的锁定。结果表明，该系统光光转换效率为91.5%，反馈输出线宽为0.16nm，输出功率为29.7W，组束方向M2=1.241，非组束方向M2=1.171，实验结果同理论分析相符。该外腔反馈方案可以应用于光纤激光器光谱组束。
为了解决光纤激光器外腔光谱组束中存在像差以及发光单元反馈不足等问题，采用将组束系统中单个传输透镜准直和聚焦功能分离的方法，搭建了光纤激光外腔反馈系统，实现了激光波长的锁定。结果表明，该系统光光转换效率为91.5%，反馈输出线宽为0.16nm，输出功率为29.7W，组束方向M2=1.241，非组束方向M2=1.171，实验结果同理论分析相符。该外腔反馈方案可以应用于光纤激光器光谱组束。
2018, 42(6): 859-861.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.06.025
摘要:
为了解决传统方法中用光束参量积来评估激光光束质量的不足，基于半导体激光器的光束特性，采用了光束参量积Mq2因子来评估半导体激光器光束质量，进行了理论分析和实验验证，取得了快轴准直焦距（FAC）分别为1100μm和600μm的各6个组合光束以及FAC为600μm的10个组合光束的有效焦距长度数据。结果表明，L//和θ⊥的变化越明显，光束质量参量积Mq2因子的变化越明显；测量值和计算值之间的误差小于5%。这一结果对高能激光的光束质量评估是有帮助的。
为了解决传统方法中用光束参量积来评估激光光束质量的不足，基于半导体激光器的光束特性，采用了光束参量积Mq2因子来评估半导体激光器光束质量，进行了理论分析和实验验证，取得了快轴准直焦距（FAC）分别为1100μm和600μm的各6个组合光束以及FAC为600μm的10个组合光束的有效焦距长度数据。结果表明，L//和θ⊥的变化越明显，光束质量参量积Mq2因子的变化越明显；测量值和计算值之间的误差小于5%。这一结果对高能激光的光束质量评估是有帮助的。
