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RSS2022年 46卷 第2期
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[摘要]
[PDF 264KB]
2022, 46(2): 149-154.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.001
[HTML全文]
摘要:
为了探索采用常规单模光纤制备弱反射光纤光栅的可行性，以降低材料成本和传输损耗，基于相位掩模板法，在常规单模光纤上刻制弱反射光纤布喇格光栅(WFBG)，并进行了实验验证。建立相位掩模板刻栅系统光场统一方程，分析光场分布对光纤布喇格光栅(FBG)中心波长和反射率的影响；采用传输矩阵法分析相位掩模板长度、平均折射率变化对FBG反射率和3dB带宽的影响，为WFBG刻制提供理论依据。采用248nm紫外准分子激光器在常规单模光纤上刻制WFBG，分析相位掩模板长度、曝光能量、曝光频率，曝光次数对WFBG中心波长、反射率和3dB带宽的影响，制备出反射率和3dB带宽分别约为0.0016，0.10nm和0.00006，0.34nm两种窄宽的WFBG。结果表明，基于相位掩模板法由紫外准分子激光对常规单模光纤多脉冲曝光，能够稳定刻制WFBG。该研究对WFBG制备的材料选型提供了参考。
为了探索采用常规单模光纤制备弱反射光纤光栅的可行性，以降低材料成本和传输损耗，基于相位掩模板法，在常规单模光纤上刻制弱反射光纤布喇格光栅(WFBG)，并进行了实验验证。建立相位掩模板刻栅系统光场统一方程，分析光场分布对光纤布喇格光栅(FBG)中心波长和反射率的影响；采用传输矩阵法分析相位掩模板长度、平均折射率变化对FBG反射率和3dB带宽的影响，为WFBG刻制提供理论依据。采用248nm紫外准分子激光器在常规单模光纤上刻制WFBG，分析相位掩模板长度、曝光能量、曝光频率，曝光次数对WFBG中心波长、反射率和3dB带宽的影响，制备出反射率和3dB带宽分别约为0.0016，0.10nm和0.00006，0.34nm两种窄宽的WFBG。结果表明，基于相位掩模板法由紫外准分子激光对常规单模光纤多脉冲曝光，能够稳定刻制WFBG。该研究对WFBG制备的材料选型提供了参考。
2022, 46(2): 288-292.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.022
摘要:
为了分析溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜的光学常数，采用旋涂法制备了多层TiO2薄膜，利用扫描电镜对表面形貌进行了分析，利用椭圆偏振光谱对薄膜的折射率色散和孔隙率进行了拟合分析，并利用原位共角反射光谱对拟合结果进行了验证，得到了TiO2薄膜厚度、孔隙率和折射率色散曲线。结果表明，TiO2薄膜厚度与旋涂层数成线性关系，薄膜孔隙率约为15%且与旋涂层数无关，New Amorphous色散模型可以较好地拟合溶胶-凝胶旋涂方法制备的TiO2薄膜在1.55eV~4.00eV波段的椭偏光谱。该研究为溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜的光学常数测量提供了参考。
为了分析溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜的光学常数，采用旋涂法制备了多层TiO2薄膜，利用扫描电镜对表面形貌进行了分析，利用椭圆偏振光谱对薄膜的折射率色散和孔隙率进行了拟合分析，并利用原位共角反射光谱对拟合结果进行了验证，得到了TiO2薄膜厚度、孔隙率和折射率色散曲线。结果表明，TiO2薄膜厚度与旋涂层数成线性关系，薄膜孔隙率约为15%且与旋涂层数无关，New Amorphous色散模型可以较好地拟合溶胶-凝胶旋涂方法制备的TiO2薄膜在1.55eV~4.00eV波段的椭偏光谱。该研究为溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜的光学常数测量提供了参考。
2022, 46(2): 155-162.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.002
摘要:
随着光纤通信和光网络技术的快速发展, 产生和控制色散在许多光学应用中都非常重要。着重介绍了3种产生色散的新型方法的原理、近期发展情况和优缺点, 包括基于模式色散的色散系统、基于电子诱导透明的色散系统和基于实时傅里叶变换的等效色散系统; 分析了目前产生色散技术所普遍存在的困难, 对其发展趋势进行了展望, 同时探讨了不同产生色散的技术在光信息处理技术的应用前景。
随着光纤通信和光网络技术的快速发展, 产生和控制色散在许多光学应用中都非常重要。着重介绍了3种产生色散的新型方法的原理、近期发展情况和优缺点, 包括基于模式色散的色散系统、基于电子诱导透明的色散系统和基于实时傅里叶变换的等效色散系统; 分析了目前产生色散技术所普遍存在的困难, 对其发展趋势进行了展望, 同时探讨了不同产生色散的技术在光信息处理技术的应用前景。
2022, 46(2): 175-181.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.005
摘要:
全光纤电流传感器作为智能电网中的重要设备之一, 具有比传统电磁式互感器更显著的优势, 在高压及超高压环境中有广阔的应用前景。首先阐明了影响全光纤电流传感器灵敏度的主要因素, 综述了近年来国内外学者提高电流传感灵敏度的解决方案和研究成果; 其次着重分析一些改进型结构的全光纤电流传感器消除温度、线性双折射等对传感灵敏度影响的工作原理, 并讨论了各自主要的优缺点; 最后, 结合高灵敏度全光纤电流传感器的研究现状, 指出了其未来发展趋势。
全光纤电流传感器作为智能电网中的重要设备之一, 具有比传统电磁式互感器更显著的优势, 在高压及超高压环境中有广阔的应用前景。首先阐明了影响全光纤电流传感器灵敏度的主要因素, 综述了近年来国内外学者提高电流传感灵敏度的解决方案和研究成果; 其次着重分析一些改进型结构的全光纤电流传感器消除温度、线性双折射等对传感灵敏度影响的工作原理, 并讨论了各自主要的优缺点; 最后, 结合高灵敏度全光纤电流传感器的研究现状, 指出了其未来发展趋势。
2022, 46(2): 163-168.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.003
摘要:
为了提高TiO2在太阳光下的催化性能, 采用真空蒸镀法在金属钛表面蒸镀Ag膜, 并结合飞秒激光做一步加工, 同步实现了微纳结构TiO2的生成与Ag粒子的复合, 取得了具有良好太阳光催化性能的掺Ag的TiO2表面。结果表明, 经300min模拟太阳光辐照, 掺杂Ag的TiO2微纳复合材料对亚甲基蓝的降解率为70%, 是具有同样结构的TiO2材料的1.5倍; 这种基于体材料直接加工的方法可以提高比表面积, 解决传统TiO2分散性高、难回收的问题; 利用这种方法制备的结构化掺杂Ag的TiO2材料在模拟太阳光照下光催化性能得到显著提升。这一结果对制备环保高效的TiO2光催化剂具有重要的潜在应用价值, 并有望应用于工厂大规模快速生产。
为了提高TiO2在太阳光下的催化性能, 采用真空蒸镀法在金属钛表面蒸镀Ag膜, 并结合飞秒激光做一步加工, 同步实现了微纳结构TiO2的生成与Ag粒子的复合, 取得了具有良好太阳光催化性能的掺Ag的TiO2表面。结果表明, 经300min模拟太阳光辐照, 掺杂Ag的TiO2微纳复合材料对亚甲基蓝的降解率为70%, 是具有同样结构的TiO2材料的1.5倍; 这种基于体材料直接加工的方法可以提高比表面积, 解决传统TiO2分散性高、难回收的问题; 利用这种方法制备的结构化掺杂Ag的TiO2材料在模拟太阳光照下光催化性能得到显著提升。这一结果对制备环保高效的TiO2光催化剂具有重要的潜在应用价值, 并有望应用于工厂大规模快速生产。
2022, 46(2): 169-174.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.004
摘要:
为了提高微型无人机(MUAV)的续航时间, 基于二轴扫描振镜的工作原理, 设计了一套激光对MUAV的远程实时跟瞄充电系统。系统采用硅光电池阵列作为光斑位置传感器, 其信号经扫描跟踪算法处理后, 在地面与MUAV间建立起无线数传反馈链路, 控制二轴扫描振镜改变激光发射方向, 实现激光束对MUAV的扫描与实时跟踪; 同时硅光电池阵列也作为充电器件, 实现对MUAV的实时充电。结果表明, 当MUAV在高度为80m、直径50m圆形区域内以低于2m/s速率飞行时, 可实现激光对MUAV的准确跟踪, 跟瞄精度小于0.63mrad。该系统具有跟踪速度快、瞄准精度高的特点, 为激光对移动目标的远程实时能量传输提供了一种有效的解决方案。
为了提高微型无人机(MUAV)的续航时间, 基于二轴扫描振镜的工作原理, 设计了一套激光对MUAV的远程实时跟瞄充电系统。系统采用硅光电池阵列作为光斑位置传感器, 其信号经扫描跟踪算法处理后, 在地面与MUAV间建立起无线数传反馈链路, 控制二轴扫描振镜改变激光发射方向, 实现激光束对MUAV的扫描与实时跟踪; 同时硅光电池阵列也作为充电器件, 实现对MUAV的实时充电。结果表明, 当MUAV在高度为80m、直径50m圆形区域内以低于2m/s速率飞行时, 可实现激光对MUAV的准确跟踪, 跟瞄精度小于0.63mrad。该系统具有跟踪速度快、瞄准精度高的特点, 为激光对移动目标的远程实时能量传输提供了一种有效的解决方案。
2022, 46(2): 182-187.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.006
摘要:
为了研究脉冲能量和烧蚀坑重叠率对7075-T6铝基板粘接强度影响, 采用纳秒光纤脉冲激光在粘接区域加工烧蚀坑阵列微结构, 通过表面形貌、剪切强度和断裂模式等实验参量对粘接效果进行了分析。结果表明, 脉冲能量对表面形貌、剪切强度及断裂模式几乎无影响; 随着烧蚀坑重叠率的增加, 表面粗糙度先增加后减小, 表面面积增加比一直增加; 与原始材料相比, 激光处理后剪切强度至少提升150%;当烧蚀坑重叠率为30%时, 粘接区域发生内聚断裂的面积最大, 剪切强度提升最明显; 脉冲能量为880μJ、烧蚀坑重叠率为30%时, 剪切强度为27.76MPa, 提升最大。该研究对激光烧蚀提高7075-T6粘接强度是有帮助的。
为了研究脉冲能量和烧蚀坑重叠率对7075-T6铝基板粘接强度影响, 采用纳秒光纤脉冲激光在粘接区域加工烧蚀坑阵列微结构, 通过表面形貌、剪切强度和断裂模式等实验参量对粘接效果进行了分析。结果表明, 脉冲能量对表面形貌、剪切强度及断裂模式几乎无影响; 随着烧蚀坑重叠率的增加, 表面粗糙度先增加后减小, 表面面积增加比一直增加; 与原始材料相比, 激光处理后剪切强度至少提升150%;当烧蚀坑重叠率为30%时, 粘接区域发生内聚断裂的面积最大, 剪切强度提升最明显; 脉冲能量为880μJ、烧蚀坑重叠率为30%时, 剪切强度为27.76MPa, 提升最大。该研究对激光烧蚀提高7075-T6粘接强度是有帮助的。
2022, 46(2): 193-198.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.008
摘要:
为了研究不同激光功率对摆动焊接钢/铝材料的影响，采用大功率碟片激光器和PFO3D摆动接头相结合，对DP780双相钢和5083铝合金两种金属进行了搭接实验。结果表明, 1400W~1600W的功率区间内可有效实现板材焊接；激光功率为1400W时，焊接接头的金相组织为低碳马氏体，显微硬度的最低值和最高值分别位于热影响区和焊缝中心；随着激光功率的增加，焊缝内的铁素体增多，马氏体减少，接头显微硬度的最高值和最低值分别改为热影响区和焊缝中心；当激光功率为1400W时, 焊缝抗拉强度最高为2681MPa。此研究结果在船舶制造的领域应用具有较为重要的意义。
为了研究不同激光功率对摆动焊接钢/铝材料的影响，采用大功率碟片激光器和PFO3D摆动接头相结合，对DP780双相钢和5083铝合金两种金属进行了搭接实验。结果表明, 1400W~1600W的功率区间内可有效实现板材焊接；激光功率为1400W时，焊接接头的金相组织为低碳马氏体，显微硬度的最低值和最高值分别位于热影响区和焊缝中心；随着激光功率的增加，焊缝内的铁素体增多，马氏体减少，接头显微硬度的最高值和最低值分别改为热影响区和焊缝中心；当激光功率为1400W时, 焊缝抗拉强度最高为2681MPa。此研究结果在船舶制造的领域应用具有较为重要的意义。
2022, 46(2): 206-212.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.010
摘要:
低空风切变是航空安全的重大威胁，为了研究高原机场典型低空风切变精细结构和演变规律，针对西宁机场2020-02-13出现的两类低空风切变过程，利用FC-Ⅲ型激光测风雷达资料，结合地面实况和风廓线雷达资料进行了分析。结果表明，两类风切变成因和演变特征有所差异，顺风切变线呈“锥形”，由机场西侧向东“嵌入”跑道，而逆风辐合线则呈“弓状”，自东向西影响机场，最大风速均超过20m/s；风场垂直结构具有不同特征，超过15m/s风速带向下传播造成顺风切变，逆风切变时风向首先在近地面变化超过160°；两次过程下滑道模式相邻时刻风速差均超过15m/s。高时空分辨率激光测风雷达能较好地探测到风切变的演变过程和精细结构，这对提高航空安全保障具有重要意义。
低空风切变是航空安全的重大威胁，为了研究高原机场典型低空风切变精细结构和演变规律，针对西宁机场2020-02-13出现的两类低空风切变过程，利用FC-Ⅲ型激光测风雷达资料，结合地面实况和风廓线雷达资料进行了分析。结果表明，两类风切变成因和演变特征有所差异，顺风切变线呈“锥形”，由机场西侧向东“嵌入”跑道，而逆风辐合线则呈“弓状”，自东向西影响机场，最大风速均超过20m/s；风场垂直结构具有不同特征，超过15m/s风速带向下传播造成顺风切变，逆风切变时风向首先在近地面变化超过160°；两次过程下滑道模式相邻时刻风速差均超过15m/s。高时空分辨率激光测风雷达能较好地探测到风切变的演变过程和精细结构，这对提高航空安全保障具有重要意义。
2022, 46(2): 220-225.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.012
摘要:
为了对玉米种植株数进行无损的自动化识别，利用FARO focus s70地面激光扫描仪、采用四站式扫描方法，采集不同视角下的玉米田块点云数据。设计了一种基于标靶球自动提取的配准算法，对各站获取的点云数据进行精确配准，取得了完整的玉米田块点云数据，并以标靶球拟合误差和标准偏差分析配准精度。对于配准好的3维点云数据，利用采样一致性算法基于圆柱体特征从完整的玉米田块点云中精确分离出茎秆点云，统计玉米种植株数。结果表明，标靶球拟合标准偏差在0.1mm~0.7mm之间，满足仪器测量精度要求; 拟合误差总体在2mm~5mm之间，能满足大场景测量配准误差5mm的要求; 对玉米种植株数的识别率达到86.1%~92.1%。这一结果对于农田环境下玉米种植株数识别的实际应用方面是有帮助的，为作物的估产提供了数据基础，为智慧农业研究提供了理论方法。
为了对玉米种植株数进行无损的自动化识别，利用FARO focus s70地面激光扫描仪、采用四站式扫描方法，采集不同视角下的玉米田块点云数据。设计了一种基于标靶球自动提取的配准算法，对各站获取的点云数据进行精确配准，取得了完整的玉米田块点云数据，并以标靶球拟合误差和标准偏差分析配准精度。对于配准好的3维点云数据，利用采样一致性算法基于圆柱体特征从完整的玉米田块点云中精确分离出茎秆点云，统计玉米种植株数。结果表明，标靶球拟合标准偏差在0.1mm~0.7mm之间，满足仪器测量精度要求; 拟合误差总体在2mm~5mm之间，能满足大场景测量配准误差5mm的要求; 对玉米种植株数的识别率达到86.1%~92.1%。这一结果对于农田环境下玉米种植株数识别的实际应用方面是有帮助的，为作物的估产提供了数据基础，为智慧农业研究提供了理论方法。
2022, 46(2): 226-232.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.013
摘要:
为了研究单道激光熔覆薄板的温度场分布，采用仿真与实验对照的方法，利用ANSYS软件，通过高斯热源模型模拟激光光束能量，再采用非线性边界设定，对单道激光熔覆及冷却过程的温度场进行仿真；使用2kW光纤激光器将铁基(Fe60)粉末熔覆在2mm厚T9A钢板上，并用热成像仪测量多样点温度。结果表明, 激光熔覆薄板温度场的仿真符合实验验证结果，其最高温度的最大误差为8.31%。此研究结果对激光加工参量优化有一定指导作用。
为了研究单道激光熔覆薄板的温度场分布，采用仿真与实验对照的方法，利用ANSYS软件，通过高斯热源模型模拟激光光束能量，再采用非线性边界设定，对单道激光熔覆及冷却过程的温度场进行仿真；使用2kW光纤激光器将铁基(Fe60)粉末熔覆在2mm厚T9A钢板上，并用热成像仪测量多样点温度。结果表明, 激光熔覆薄板温度场的仿真符合实验验证结果，其最高温度的最大误差为8.31%。此研究结果对激光加工参量优化有一定指导作用。
2022, 46(2): 233-238.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.014
摘要:
为了解决目前机载激光雷达点云滤波算法中特征单一、运算效率低、植被覆盖区效果较差等问题，提出一种植被茂密地区的点云自适应双重滤波方法。首先利用回波分离方法，分别提取点云的单次回波和末次回波进行粗滤波处理；然后利用偏度平衡理论进行单次回波的强度阈值确定，同时利用最大类间方差法对首次回波和末次回波的高程差进行高差运算，实现末次回波高差阈值自动化，并融合粗滤波后单次回波和末次回波的点云数据；最后，利用不规则三角网渐进加密滤波算法对融合后的点云数据进行精滤波处理，并通过了实验验证。结果表明，3组数据集的Ⅱ类误差都相对较低，分别为1.06%, 1.64%, 1.34%。结合回波信息和高差信息的双重滤波方法不仅能较好地剔除植被，而且能较好地保留地形细节。
为了解决目前机载激光雷达点云滤波算法中特征单一、运算效率低、植被覆盖区效果较差等问题，提出一种植被茂密地区的点云自适应双重滤波方法。首先利用回波分离方法，分别提取点云的单次回波和末次回波进行粗滤波处理；然后利用偏度平衡理论进行单次回波的强度阈值确定，同时利用最大类间方差法对首次回波和末次回波的高程差进行高差运算，实现末次回波高差阈值自动化，并融合粗滤波后单次回波和末次回波的点云数据；最后，利用不规则三角网渐进加密滤波算法对融合后的点云数据进行精滤波处理，并通过了实验验证。结果表明，3组数据集的Ⅱ类误差都相对较低，分别为1.06%, 1.64%, 1.34%。结合回波信息和高差信息的双重滤波方法不仅能较好地剔除植被，而且能较好地保留地形细节。
2022, 46(2): 248-253.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.016
摘要:
为了解决激光除漆声学监测方法难以满足实际生产需要的问题，采用贝叶斯判别方法进行了理论分析和实验验证，将除漆过程分为正在清洗、清洗完成且基底无损伤、基底损伤3种类别，结合光声效应分析除漆声信号在清洗过程的变化，提取特征参量建立判别模型，实现了对激光除漆的定量判别。结果表明，训练样本准确率达到99%，测试样本准确率达到98.7%。该方法具有较高的准确性和实用性，可为激光清洗声学监测的研究提供借鉴。
为了解决激光除漆声学监测方法难以满足实际生产需要的问题，采用贝叶斯判别方法进行了理论分析和实验验证，将除漆过程分为正在清洗、清洗完成且基底无损伤、基底损伤3种类别，结合光声效应分析除漆声信号在清洗过程的变化，提取特征参量建立判别模型，实现了对激光除漆的定量判别。结果表明，训练样本准确率达到99%，测试样本准确率达到98.7%。该方法具有较高的准确性和实用性，可为激光清洗声学监测的研究提供借鉴。
2022, 46(2): 267-273.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.019
摘要:
为了解决殷瓦合金焊接中易出现的焊接缺陷问题，研究了液化天然气(LNG)船用薄板殷瓦合金搭接焊(上下板厚度均为1.5mm)工艺参量。通过设计制造气体保护盒，采用数值仿真分析和正交试验的方法，进行了理论分析和实验验证，取得了殷瓦合金搭接焊最优工艺参量。结果表明，气孔缺陷在完全保护气下得到有效抑制，殷瓦合金搭接焊的最优工艺参量为激光功率3.4kW、焊接速率1.3m/min、离焦量+20mm、激光入射角5°、激光光斑能量分布2∶1;在此最优工艺参量下，焊缝表面呈银白色，无气孔等缺陷，焊缝处硬度小于母材但大于热影响区，拉伸强度为417.16MPa，达到母材的94.8%，且仿真结果与试验结果误差较小，证明了本文中所建立的仿真模型的可靠性。这一结果对殷瓦合金激光搭接焊工艺参量数据库搭建是有帮助的。
为了解决殷瓦合金焊接中易出现的焊接缺陷问题，研究了液化天然气(LNG)船用薄板殷瓦合金搭接焊(上下板厚度均为1.5mm)工艺参量。通过设计制造气体保护盒，采用数值仿真分析和正交试验的方法，进行了理论分析和实验验证，取得了殷瓦合金搭接焊最优工艺参量。结果表明，气孔缺陷在完全保护气下得到有效抑制，殷瓦合金搭接焊的最优工艺参量为激光功率3.4kW、焊接速率1.3m/min、离焦量+20mm、激光入射角5°、激光光斑能量分布2∶1;在此最优工艺参量下，焊缝表面呈银白色，无气孔等缺陷，焊缝处硬度小于母材但大于热影响区，拉伸强度为417.16MPa，达到母材的94.8%，且仿真结果与试验结果误差较小，证明了本文中所建立的仿真模型的可靠性。这一结果对殷瓦合金激光搭接焊工艺参量数据库搭建是有帮助的。
2022, 46(2): 283-287.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.021
摘要:
为了满足现代军事装备中的侦查需求，提出了一种新型的红外共形成像光学系统，在消除光学头罩引入的复杂像差过程中，采用一对轴向移动的相位板来实现像差动态校正。给出了一个红外共形成像光学系统设计实例，其工作谱段为3.7μm~4.8μm，焦距为40mm，长径比为1.0，瞬时视场为2°，扫描视场为±15°。结果表明，在奈奎斯特频率17lp/mm处，各个扫描视场的调制传递函数均大于0.6，系统的光学传递函数接近衍射极限，各个扫描视场的弥散斑都小于30μm，适用于像元尺寸为30μm×30μm的中红外制冷型焦平面阵列探测器。该研究对于促进新型成像光学装备在军事领域中的进一步的发展、应用是有帮助的。
为了满足现代军事装备中的侦查需求，提出了一种新型的红外共形成像光学系统，在消除光学头罩引入的复杂像差过程中，采用一对轴向移动的相位板来实现像差动态校正。给出了一个红外共形成像光学系统设计实例，其工作谱段为3.7μm~4.8μm，焦距为40mm，长径比为1.0，瞬时视场为2°，扫描视场为±15°。结果表明，在奈奎斯特频率17lp/mm处，各个扫描视场的调制传递函数均大于0.6，系统的光学传递函数接近衍射极限，各个扫描视场的弥散斑都小于30μm，适用于像元尺寸为30μm×30μm的中红外制冷型焦平面阵列探测器。该研究对于促进新型成像光学装备在军事领域中的进一步的发展、应用是有帮助的。
2022, 46(2): 188-192.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.007
摘要:
为了实现大波束指向范围和精细步进调节的光波束形成网络, 采用了基于光学色散实现光真延时的方法。通过光开关实现N路高色散光纤路径切换获得大步进等延时差, 实现了波束指向的大范围和大步进调节; 通过调谐线性啁啾光纤光栅色散系数连续调谐获得小步进等延时差, 实现了波束指向的小范围和小步进调节。结果表明, 波束指向角度范围为-73.74°~+73.74°, 切换步进为0.458°, 基于光学色散原理可以实现光波束形成网络的大波束指向范围和精细步进调节。这一结果对优化相控阵天线系统设计是有帮助的。
为了实现大波束指向范围和精细步进调节的光波束形成网络, 采用了基于光学色散实现光真延时的方法。通过光开关实现N路高色散光纤路径切换获得大步进等延时差, 实现了波束指向的大范围和大步进调节; 通过调谐线性啁啾光纤光栅色散系数连续调谐获得小步进等延时差, 实现了波束指向的小范围和小步进调节。结果表明, 波束指向角度范围为-73.74°~+73.74°, 切换步进为0.458°, 基于光学色散原理可以实现光波束形成网络的大波束指向范围和精细步进调节。这一结果对优化相控阵天线系统设计是有帮助的。
2022, 46(2): 199-205.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.009
摘要:
为了克服经典协同稀疏解混算法的不足以及全变差正则项引起的边缘模糊问题，同时考虑到稀疏性和空间信息对解混精度提高的重要性，采用结合超像素和低秩的协同稀疏高光谱解混算法，进行了理论分析和实验验证。该算法对高光谱图像进行超像素分割，并对每个超像素施加协同稀疏性约束。此外使用低秩正则项代替传统的全变差正则项来利用空间信息，选取一组模拟数据和一组真实数据进行了实验。结果表明，模拟实验中信噪比为30dB时得到的信号重构误差为19.4，比经典的变量分裂增广拉格朗日全变差算法提高了35%左右；真实数据实验直观地反映出了该算法能有效地克服边缘模糊问题，具有更好的解混性能。该研究为如何综合利用稀疏性和空间信息提供了参考。
为了克服经典协同稀疏解混算法的不足以及全变差正则项引起的边缘模糊问题，同时考虑到稀疏性和空间信息对解混精度提高的重要性，采用结合超像素和低秩的协同稀疏高光谱解混算法，进行了理论分析和实验验证。该算法对高光谱图像进行超像素分割，并对每个超像素施加协同稀疏性约束。此外使用低秩正则项代替传统的全变差正则项来利用空间信息，选取一组模拟数据和一组真实数据进行了实验。结果表明，模拟实验中信噪比为30dB时得到的信号重构误差为19.4，比经典的变量分裂增广拉格朗日全变差算法提高了35%左右；真实数据实验直观地反映出了该算法能有效地克服边缘模糊问题，具有更好的解混性能。该研究为如何综合利用稀疏性和空间信息提供了参考。
2022, 46(2): 213-219.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.011
摘要:
为了解决传统的相位生成载波解调算法中由调制深度漂移引起的解调结果失真现象，采用微分交叉相除的信号解调方法进行了相关的理论分析及仿真验证，得到了一种不受调制深度限制的高性能相位生成载波解调方案。结果表明，在采用不同幅值和频率的待测信号进行仿真时，改进算法的解调性能始终十分优异；且当调制深度的值为典型值2.63rad和2.37rad以及非典型值1.5rad和3.0rad时，使用该算法得到的解调信号都没有发生失真；同时，当调制深度在0.5rad~3.5rad范围内变化时，与传统解调算法相比，改进算法中解调信号的幅值始终与待测信号保持一致, 且高次谐波分量始终非常小。该研究解决了传统解调算法中调制深度变化带来的失真现象，为光纤干涉型传感系统的解调方案提供了参考。
为了解决传统的相位生成载波解调算法中由调制深度漂移引起的解调结果失真现象，采用微分交叉相除的信号解调方法进行了相关的理论分析及仿真验证，得到了一种不受调制深度限制的高性能相位生成载波解调方案。结果表明，在采用不同幅值和频率的待测信号进行仿真时，改进算法的解调性能始终十分优异；且当调制深度的值为典型值2.63rad和2.37rad以及非典型值1.5rad和3.0rad时，使用该算法得到的解调信号都没有发生失真；同时，当调制深度在0.5rad~3.5rad范围内变化时，与传统解调算法相比，改进算法中解调信号的幅值始终与待测信号保持一致, 且高次谐波分量始终非常小。该研究解决了传统解调算法中调制深度变化带来的失真现象，为光纤干涉型传感系统的解调方案提供了参考。
2022, 46(2): 239-247.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.015
摘要:
为了减少有效卷积算子(ECO)跟踪算法的特征提取网络参数量和计算量，采用了一种基于端侧神经网络(GhostNet)改进的ECO目标跟踪算法。首先，采用GhostNet网络作为主干特征提取网络提取图像浅层与深层的卷积特征，运用全局平均池化对卷积特征下采样增加特征对图像的表征能力；其次，将卷积特征与手工特征插值后，与当前滤波器在傅里叶域进行卷积计算实现目标定位；最后，采用共轭梯度算法优化响应误差与惩罚项之和的损失函数实现滤波器更新。在上述提出的算法和OTB2015与VOT2018数据集上进行了理论分析和实验验证，取得了目标跟踪的对比实验数据。结果表明，相对于基于ResNet特征提取网络的ECO算法，该算法在实现高精度跟踪时，卷积特征提取过程计算量减少了95.75%，参数量减少了79.69%，跟踪过程速度提升了160%。这些结果为轻量级目标跟踪算法的研究提供了参考。
为了减少有效卷积算子(ECO)跟踪算法的特征提取网络参数量和计算量，采用了一种基于端侧神经网络(GhostNet)改进的ECO目标跟踪算法。首先，采用GhostNet网络作为主干特征提取网络提取图像浅层与深层的卷积特征，运用全局平均池化对卷积特征下采样增加特征对图像的表征能力；其次，将卷积特征与手工特征插值后，与当前滤波器在傅里叶域进行卷积计算实现目标定位；最后，采用共轭梯度算法优化响应误差与惩罚项之和的损失函数实现滤波器更新。在上述提出的算法和OTB2015与VOT2018数据集上进行了理论分析和实验验证，取得了目标跟踪的对比实验数据。结果表明，相对于基于ResNet特征提取网络的ECO算法，该算法在实现高精度跟踪时，卷积特征提取过程计算量减少了95.75%，参数量减少了79.69%，跟踪过程速度提升了160%。这些结果为轻量级目标跟踪算法的研究提供了参考。
2022, 46(2): 254-259.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.017
摘要:
为了提高基于布里渊散射的分布式光纤传感系统实时性，在分析经典基于洛伦兹和伪Voigt模型拟合法优缺点的基础上，将多层前馈神经网络方法用于布里渊频移的估算。确定了神经网络的结构、输入及输出量、激活函数和训练算法，采用不同信噪比(5dB~40dB)和布里渊频移(10.62GHz~10.82GHz)的布里渊谱训练该网络，训练完成后网络针对训练样本的布里渊频移预测误差仅约为1MHz，同时也训练了径向基函数神经网络。针对温度和应变沿线波动的布里渊谱分别采用以上训练得到的多层前馈神经网络、径向基函数神经网络、基于洛伦兹模型的谱拟合法和基于伪Voigt模型的谱拟合法估算光纤沿线的布里渊频移并解调获得光纤沿线的温度和应变。结果表明，多层前馈神经网络方法的准确性与经典的基于洛伦兹模型和伪Voigt模型的谱拟合法相似，但计算时间仅为后两者的1/947.16~1/470.95和1/784.56~1/532.88。该研究为基于布里渊散射的光纤温度和应变快速测量提供了参考。
为了提高基于布里渊散射的分布式光纤传感系统实时性，在分析经典基于洛伦兹和伪Voigt模型拟合法优缺点的基础上，将多层前馈神经网络方法用于布里渊频移的估算。确定了神经网络的结构、输入及输出量、激活函数和训练算法，采用不同信噪比(5dB~40dB)和布里渊频移(10.62GHz~10.82GHz)的布里渊谱训练该网络，训练完成后网络针对训练样本的布里渊频移预测误差仅约为1MHz，同时也训练了径向基函数神经网络。针对温度和应变沿线波动的布里渊谱分别采用以上训练得到的多层前馈神经网络、径向基函数神经网络、基于洛伦兹模型的谱拟合法和基于伪Voigt模型的谱拟合法估算光纤沿线的布里渊频移并解调获得光纤沿线的温度和应变。结果表明，多层前馈神经网络方法的准确性与经典的基于洛伦兹模型和伪Voigt模型的谱拟合法相似，但计算时间仅为后两者的1/947.16~1/470.95和1/784.56~1/532.88。该研究为基于布里渊散射的光纤温度和应变快速测量提供了参考。
2022, 46(2): 260-266.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.018
摘要:
为了解决伪装效能评估手段单一、量化分析手段不足的问题，引入了余弦相似度原理开展模拟评估，对可见光伪装效能评估理论分析进行了优化。基于颜色光学数据特征，利用颜色直方图展现了目标与背景颜色频率分布，研究了样本目标与背景的颜色融合差异性；采用亮度空间分布图展现了亮度空间特征，探索了样本目标与背景的亮度差异性；并对目标和背景图像的像素数据进行采集和计算，量化研究了目标和背景的融合效果；以典型验证实例为依托，正反对比分析验证了评估方法的正确性。结果表明，用文中的评估方法对图像进行计算评估，目标与背景的图像特征向量之间的夹角余弦值达到了0.9982；正反对比得到目标与背景之间的余弦相似度0.9821和0.7324的融合效果。定性分析与定量计算表明余弦相似度理论能为伪装效能判定提供相关的算法支撑，具有一定的实用价值和使用价值。
为了解决伪装效能评估手段单一、量化分析手段不足的问题，引入了余弦相似度原理开展模拟评估，对可见光伪装效能评估理论分析进行了优化。基于颜色光学数据特征，利用颜色直方图展现了目标与背景颜色频率分布，研究了样本目标与背景的颜色融合差异性；采用亮度空间分布图展现了亮度空间特征，探索了样本目标与背景的亮度差异性；并对目标和背景图像的像素数据进行采集和计算，量化研究了目标和背景的融合效果；以典型验证实例为依托，正反对比分析验证了评估方法的正确性。结果表明，用文中的评估方法对图像进行计算评估，目标与背景的图像特征向量之间的夹角余弦值达到了0.9982；正反对比得到目标与背景之间的余弦相似度0.9821和0.7324的融合效果。定性分析与定量计算表明余弦相似度理论能为伪装效能判定提供相关的算法支撑，具有一定的实用价值和使用价值。
2022, 46(2): 274-282.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.02.020
摘要:
为了提高最大2维熵分割的性能，提出了基于改进麻雀算法的最大2维熵分割方法，可减小运算量并且缩短计算时间。首先，融合反向学习策略和自适应t分布变异，引入精英粒子，以扩大算法搜索范围，增加算法后期局部搜索能力; 其次，使用萤火虫机制，对最优解进行扰动变异，进一步增加种群多样性; 最后，采用提出的改进麻雀算法寻找图像最大2维熵，得到最优阈值分割图像。结果表明，4幅图像的平均运行时间为0.3695s, 远低于基础2维熵算法的1.7547s和基础2维Otsu算法的5.7936s。所提出的改进麻雀算法的全局搜索和局部寻优能力相比原麻雀算法有较大改善，缩短了传统最大2维熵图像分割方法的运行时间，在峰值信噪比和结构相似度指标上均得到提升，具有一定的应用价值。
为了提高最大2维熵分割的性能，提出了基于改进麻雀算法的最大2维熵分割方法，可减小运算量并且缩短计算时间。首先，融合反向学习策略和自适应t分布变异，引入精英粒子，以扩大算法搜索范围，增加算法后期局部搜索能力; 其次，使用萤火虫机制，对最优解进行扰动变异，进一步增加种群多样性; 最后，采用提出的改进麻雀算法寻找图像最大2维熵，得到最优阈值分割图像。结果表明，4幅图像的平均运行时间为0.3695s, 远低于基础2维熵算法的1.7547s和基础2维Otsu算法的5.7936s。所提出的改进麻雀算法的全局搜索和局部寻优能力相比原麻雀算法有较大改善，缩短了传统最大2维熵图像分割方法的运行时间，在峰值信噪比和结构相似度指标上均得到提升，具有一定的应用价值。
