2013年 6卷 第3期
2013, 6(3): 283-296.
doi: 10.3788/CO.20130603.0283
摘要
PDF 1350KB
摘要:
本文从制作方法、结构设计和材料选择几方面综述了超材料在太赫兹波段的电磁响应特性和潜在应用。首先,介绍了获得不同维度、具有特异电磁响应以及结构可调超材料的各种微加工制作方法,进而分析和讨论了超材料的电磁响应特性。文中指出,结构设计可以控制超材料的电磁响应特性,如各向异性、双各向异性、偏振调制、多频响应、宽带响应、不对称透射、旋光性和超吸收等。超材料的电磁响应依赖于周围微环境的介电性质,因而可用于制作对环境敏感的传感器件。此外,电光、磁光、相变、温度敏感等功能材料的引入可以获得光场、电场、磁场、温度等主动控制的太赫兹功能器件。最后,简单介绍了超材料在太赫兹波段进一步发展所面临的机遇和挑战。
本文从制作方法、结构设计和材料选择几方面综述了超材料在太赫兹波段的电磁响应特性和潜在应用。首先,介绍了获得不同维度、具有特异电磁响应以及结构可调超材料的各种微加工制作方法,进而分析和讨论了超材料的电磁响应特性。文中指出,结构设计可以控制超材料的电磁响应特性,如各向异性、双各向异性、偏振调制、多频响应、宽带响应、不对称透射、旋光性和超吸收等。超材料的电磁响应依赖于周围微环境的介电性质,因而可用于制作对环境敏感的传感器件。此外,电光、磁光、相变、温度敏感等功能材料的引入可以获得光场、电场、磁场、温度等主动控制的太赫兹功能器件。最后,简单介绍了超材料在太赫兹波段进一步发展所面临的机遇和挑战。
2013, 6(3): 297-305.
doi: 10.3788/CO.20130603.0297
摘要:
研究了应用于实时激光三维成像的焦平面阵列技术,介绍了目前国际上几种常用的焦平面阵列实现原理与技术特点,并对其优点与不足进行了分析,同时对表征焦平面阵列的主要性能指标以及其对最终成像系统的影响进行了定性分析。根据对现有技术的对比分析,提出基于雪崩光电二极管(APD)阵列和读出电路(ROIC)集成的探测器方案在灵敏度和作用距离等方面具有一定优势,是实现实时三维成像焦平面阵列较为理想的技术。作者认为在未来十几年内,激光三维成像焦平面阵列规模有望超过1 024 pixel1 024 pixel,像元尺寸可降低到15 m。
研究了应用于实时激光三维成像的焦平面阵列技术,介绍了目前国际上几种常用的焦平面阵列实现原理与技术特点,并对其优点与不足进行了分析,同时对表征焦平面阵列的主要性能指标以及其对最终成像系统的影响进行了定性分析。根据对现有技术的对比分析,提出基于雪崩光电二极管(APD)阵列和读出电路(ROIC)集成的探测器方案在灵敏度和作用距离等方面具有一定优势,是实现实时三维成像焦平面阵列较为理想的技术。作者认为在未来十几年内,激光三维成像焦平面阵列规模有望超过1 024 pixel1 024 pixel,像元尺寸可降低到15 m。
2013, 6(3): 306-317.
doi: 10.3788/CO.20130603.0306
摘要:
综述了光纤光栅传感器近年来在工程结构健康监测、石油产业、电力行业、岩土工程、航空航天、采矿、爆破、交通及医学等各个领域的应用情况。文章认为,限制光纤光栅传感器产业化和大规模应用的主要因素是缺乏统一的设计理论和制作方法,这使得不同厂家生产的传感器规格存在差异。另外,由于复杂的生产技术和精细的生产过程使传感器生产成本较高,而且能实际应用的光纤光栅传感器的解调产品并不多,且价格很高。根据上述分析,文中对该项技术未来的发展方向提出了展望。
综述了光纤光栅传感器近年来在工程结构健康监测、石油产业、电力行业、岩土工程、航空航天、采矿、爆破、交通及医学等各个领域的应用情况。文章认为,限制光纤光栅传感器产业化和大规模应用的主要因素是缺乏统一的设计理论和制作方法,这使得不同厂家生产的传感器规格存在差异。另外,由于复杂的生产技术和精细的生产过程使传感器生产成本较高,而且能实际应用的光纤光栅传感器的解调产品并不多,且价格很高。根据上述分析,文中对该项技术未来的发展方向提出了展望。
2013, 6(3): 318-324.
doi: 10.3788/CO.20130603.0318
摘要:
研究了周期边界条件下,Tikhonov正则化的固定点算法,提出了变化正则化参数的方法。首先对正则化参数取较大值,抑制复原图像中的噪声,通过得出的收敛结果来修正初始梯度;然后对正则化参数取较小值,以增强复原图像中的细节。实验结果表明,与当前求解L1范数正则化函数和全变分正则化函数的流行算法比较,本文算法对于运动模糊与高斯模糊图像的复原效果更佳。
研究了周期边界条件下,Tikhonov正则化的固定点算法,提出了变化正则化参数的方法。首先对正则化参数取较大值,抑制复原图像中的噪声,通过得出的收敛结果来修正初始梯度;然后对正则化参数取较小值,以增强复原图像中的细节。实验结果表明,与当前求解L1范数正则化函数和全变分正则化函数的流行算法比较,本文算法对于运动模糊与高斯模糊图像的复原效果更佳。
2013, 6(3): 325-331.
doi: 10.3788/CO.20130603.0325
摘要:
针对传统方法中用作背景的像素中存在干扰像素的问题,提出一种基于光谱角累加的高光谱图像异常检测算法。通过计算测试区域待测像素光谱向量与其他光谱向量之间的夹角,并将其累加,得到图像中每个像素的异常程度;然后使用波段选择预处理方法进一步提高检测性能。HyMap高光谱数据验证表明,在虚警概率设为0.008时,检测概率达到0.73,即在提高异常检测可靠度的同时,降低了虚警概率。
针对传统方法中用作背景的像素中存在干扰像素的问题,提出一种基于光谱角累加的高光谱图像异常检测算法。通过计算测试区域待测像素光谱向量与其他光谱向量之间的夹角,并将其累加,得到图像中每个像素的异常程度;然后使用波段选择预处理方法进一步提高检测性能。HyMap高光谱数据验证表明,在虚警概率设为0.008时,检测概率达到0.73,即在提高异常检测可靠度的同时,降低了虚警概率。
2013, 6(3): 332-342.
doi: 10.3788/CO.20130603.0332
摘要:
针对切向气流加载导致激光加热金属板在熔化前的穿孔效应,利用金属薄板的弹性弯曲理论,推导出了两种典型光束(方形和圆形)照射下的弯曲挠度表达式,利用Mises理论给出了非熔化穿孔的破坏判据。研究结果表明:激光加热下材料强度降低是出现非熔化穿孔破坏的主要机理;薄板在光斑区的最大变形与气流速度、光斑直径、板厚与弹性模量(U2a4/Eh3)相关,穿孔破坏温度与气流速度、光斑直径及板厚(Ua/h)2相关;与方形光斑辐照相比,圆形光斑辐照的破坏阈值稍高一些。数值计算结果表明:0.8 Ma切向气流作用下,铝合金壳体的激光破坏能量阈值大大降低(可达40%~50%),典型不锈钢壳体的破坏阈值降低相对较小(20%左右),气流作用导致金属板破坏阈值的下降是需特别关注的问题。
针对切向气流加载导致激光加热金属板在熔化前的穿孔效应,利用金属薄板的弹性弯曲理论,推导出了两种典型光束(方形和圆形)照射下的弯曲挠度表达式,利用Mises理论给出了非熔化穿孔的破坏判据。研究结果表明:激光加热下材料强度降低是出现非熔化穿孔破坏的主要机理;薄板在光斑区的最大变形与气流速度、光斑直径、板厚与弹性模量(U2a4/Eh3)相关,穿孔破坏温度与气流速度、光斑直径及板厚(Ua/h)2相关;与方形光斑辐照相比,圆形光斑辐照的破坏阈值稍高一些。数值计算结果表明:0.8 Ma切向气流作用下,铝合金壳体的激光破坏能量阈值大大降低(可达40%~50%),典型不锈钢壳体的破坏阈值降低相对较小(20%左右),气流作用导致金属板破坏阈值的下降是需特别关注的问题。
2013, 6(3): 343-352.
doi: 10.3788/CO.20130603.0343
摘要:
提出了一种脱离国外模式的半导体激光耦合新方法,使用该方法既可以直接将半导体激光耦合成亮度均匀、光束参数积(BPP)值在两个方向相等的方形光斑,也可和光纤耦合得到一个圆形光斑,且只用球面镜和柱面镜两种光学元件,不需采用国外方法中用到的其它类型微光纤元件。将系统的出瞳作为光斑来解决亮度均匀分布问题;通过消除光源间隔对BPP值的影响来减小慢轴的BPP值;利用点光源的特点使快轴和慢轴的BPP值相等。采用该方法设计了各种要求和规格的半导体激光耦合光学系统,如本文设计实例中的参数为:巴条上的光源数为19个,巴条数为21个,故光源总数为399个。得到的方形光斑尺寸为0.6 mm0.6 mm,NA值为0.22。此外,和直径为1 mm 光纤耦合还得到了一圆形光斑。与国外方法比较,该方法结构简单,工艺要求低,更适用于高功率、低BPP值的半导体激光器。
提出了一种脱离国外模式的半导体激光耦合新方法,使用该方法既可以直接将半导体激光耦合成亮度均匀、光束参数积(BPP)值在两个方向相等的方形光斑,也可和光纤耦合得到一个圆形光斑,且只用球面镜和柱面镜两种光学元件,不需采用国外方法中用到的其它类型微光纤元件。将系统的出瞳作为光斑来解决亮度均匀分布问题;通过消除光源间隔对BPP值的影响来减小慢轴的BPP值;利用点光源的特点使快轴和慢轴的BPP值相等。采用该方法设计了各种要求和规格的半导体激光耦合光学系统,如本文设计实例中的参数为:巴条上的光源数为19个,巴条数为21个,故光源总数为399个。得到的方形光斑尺寸为0.6 mm0.6 mm,NA值为0.22。此外,和直径为1 mm 光纤耦合还得到了一圆形光斑。与国外方法比较,该方法结构简单,工艺要求低,更适用于高功率、低BPP值的半导体激光器。
2013, 6(3): 353-358.
doi: 10.3788/CO.20130603.0353
摘要:
介绍了车载激光测绘系统的组成和工作原理。对系统中的激光扫描仪增设了可见光源作为标校参考光,以便有效地确定激光测量中心和扫描方向,并直接测量部分标校参数。根据其特点,设计了基于可见参考光的标校方案。进行了静态标校试验和激光测绘系统动态精度测量试验,试验得到标定误差为0.028 1 m,系统平面定位误差为0.288 m。通过系统精度试验分析,进一步验证了标定方案的正确性和有效性。
介绍了车载激光测绘系统的组成和工作原理。对系统中的激光扫描仪增设了可见光源作为标校参考光,以便有效地确定激光测量中心和扫描方向,并直接测量部分标校参数。根据其特点,设计了基于可见参考光的标校方案。进行了静态标校试验和激光测绘系统动态精度测量试验,试验得到标定误差为0.028 1 m,系统平面定位误差为0.288 m。通过系统精度试验分析,进一步验证了标定方案的正确性和有效性。
2013, 6(3): 359-364.
doi: 10.3788/CO.20130603.0359
摘要:
分析了激励激光光强分布对平面激光诱导荧光(PLIF)实验中荧光强度的影响。基于柱面微透镜列阵设计了一套激光片状光束匀滑整形系统,并根据PLIF实验的具体要求,通过光线追迹方法优化了系统参数。建立了片状光束整形实验系统,对染料激光进行了匀滑整形,获得了不均匀性4%的均匀片状光束,满足了PLIF实验所需。在此基础上建立了PLIF实验系统,获得了酒精灯火焰和CH4/air预混火焰中OH的二维荧光分布。
分析了激励激光光强分布对平面激光诱导荧光(PLIF)实验中荧光强度的影响。基于柱面微透镜列阵设计了一套激光片状光束匀滑整形系统,并根据PLIF实验的具体要求,通过光线追迹方法优化了系统参数。建立了片状光束整形实验系统,对染料激光进行了匀滑整形,获得了不均匀性4%的均匀片状光束,满足了PLIF实验所需。在此基础上建立了PLIF实验系统,获得了酒精灯火焰和CH4/air预混火焰中OH的二维荧光分布。
2013, 6(3): 365-370.
doi: 10.3788/CO.20130603.0365
摘要:
设计并制作了一种基于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)基片的可变焦微型柱透镜。这种柱透镜主要由一根埋入PDMS基片中的玻璃毛细管构成,通过选择毛细管内液体的折射率实现变焦功能。液体折射率为1.451 8~1.550 2时,柱透镜焦距可由21.369 mm减小到3.362 mm,变焦倍数达到6.4倍。用散射光成像方法观察并拍摄了平行光通过这种可变焦柱透镜后的光线轨迹图;用ZEMAX光学设计软件摸拟了成像过程,模拟结果和实验图像相符;用高斯光学的逐次成像方法推导出了这种柱透镜的焦距公式,焦距的计算结果和实验以及模拟结果吻合。PDMS基片中可变焦微型柱透镜的成功制作,为芯片上的实验室提供了一种重要的光学成像元件。
设计并制作了一种基于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)基片的可变焦微型柱透镜。这种柱透镜主要由一根埋入PDMS基片中的玻璃毛细管构成,通过选择毛细管内液体的折射率实现变焦功能。液体折射率为1.451 8~1.550 2时,柱透镜焦距可由21.369 mm减小到3.362 mm,变焦倍数达到6.4倍。用散射光成像方法观察并拍摄了平行光通过这种可变焦柱透镜后的光线轨迹图;用ZEMAX光学设计软件摸拟了成像过程,模拟结果和实验图像相符;用高斯光学的逐次成像方法推导出了这种柱透镜的焦距公式,焦距的计算结果和实验以及模拟结果吻合。PDMS基片中可变焦微型柱透镜的成功制作,为芯片上的实验室提供了一种重要的光学成像元件。
2013, 6(3): 371-377.
doi: 10.3788/CO.20130603.0371
摘要:
建立了大气湍流模拟的时域模型,用于在自适应光学系统的测试中模拟大气湍流的时域变化。讨论了时域模型下随机相位屏平滑帧数和刷新频率与平均风速的关系。结果表明:对表征随机波前的随机相位屏进行时域平滑可使随机波前的变化更符合大气湍流对入射波前连续平滑渐变的影响;随机相位屏的平滑帧数仅与系统口径和大气相干长度相关,而与风速无关;随机相位屏的刷新频率与平均风速成正比,平滑后的刷新频率还与平滑帧数成正比。最后,构造了一套大气湍流模拟装置,应用功率谱分析法对时域模型的有效性进行了验证。
建立了大气湍流模拟的时域模型,用于在自适应光学系统的测试中模拟大气湍流的时域变化。讨论了时域模型下随机相位屏平滑帧数和刷新频率与平均风速的关系。结果表明:对表征随机波前的随机相位屏进行时域平滑可使随机波前的变化更符合大气湍流对入射波前连续平滑渐变的影响;随机相位屏的平滑帧数仅与系统口径和大气相干长度相关,而与风速无关;随机相位屏的刷新频率与平均风速成正比,平滑后的刷新频率还与平滑帧数成正比。最后,构造了一套大气湍流模拟装置,应用功率谱分析法对时域模型的有效性进行了验证。
2013, 6(3): 378-385.
doi: 10.3788/CO.20130603.0378
摘要:
针对摄像机拍摄目标过程中自身的随机抖动造成的视频序列不稳定,以及稳像补偿过程中边缘信息的丢失,提出了基于SURF(Speed-up Robust Feature)算法的全景电子稳像方法。首先,运用SURF算法提取当前帧图像和参考帧图像的兴趣点,将两幅图像的兴趣点进行匹配,建立两帧的对应关系。针对兴趣点数目较少及场景中部分区域特征相似的情况,引入了兴趣点位移一致性抑制策略,改进了RANSAC(RANdom SAmple Consensus)误匹配的剔除算法,使得运动矢量的精确度小于1 pixel。然后,判定参考帧的更新策略,获取平滑的运动变量。最后,进行运动补偿,运用图像镶嵌技术对丢失的边缘区域信息进行全景补偿,得到了高精度的全景稳像结果,实验得到的输出视频峰值信噪比(PSNR)提高了33.1%。
针对摄像机拍摄目标过程中自身的随机抖动造成的视频序列不稳定,以及稳像补偿过程中边缘信息的丢失,提出了基于SURF(Speed-up Robust Feature)算法的全景电子稳像方法。首先,运用SURF算法提取当前帧图像和参考帧图像的兴趣点,将两幅图像的兴趣点进行匹配,建立两帧的对应关系。针对兴趣点数目较少及场景中部分区域特征相似的情况,引入了兴趣点位移一致性抑制策略,改进了RANSAC(RANdom SAmple Consensus)误匹配的剔除算法,使得运动矢量的精确度小于1 pixel。然后,判定参考帧的更新策略,获取平滑的运动变量。最后,进行运动补偿,运用图像镶嵌技术对丢失的边缘区域信息进行全景补偿,得到了高精度的全景稳像结果,实验得到的输出视频峰值信噪比(PSNR)提高了33.1%。
2013, 6(3): 386-394.
doi: 10.3788/CO.20130603.0386
摘要:
为了解决光学TDICCD成像系统在拼接模式下的像元响应非均匀性问题,研究了TDICCD像元校正的原理和实现方法。提出了视频处理器在不同增益、不同偏置和TDICCD在不同积分时间下进行像元校正的方法,设计了在现场可编程门阵列(FPGA)平台下进行了程序实现和验证的方法。实验数据分析表明:成像系统单片TDICCD的非均匀性由4.72%降低到0.27%,恶劣环境下TDICCD成像系统的图像非均匀性可以降低2.55%。该像元级校正算法简单,可靠性高,能够满足星上成像的要求;在不同的增益、偏置和积分时间下能够很好地解决TDICCD成像系统的像元响应非均匀性问题。
为了解决光学TDICCD成像系统在拼接模式下的像元响应非均匀性问题,研究了TDICCD像元校正的原理和实现方法。提出了视频处理器在不同增益、不同偏置和TDICCD在不同积分时间下进行像元校正的方法,设计了在现场可编程门阵列(FPGA)平台下进行了程序实现和验证的方法。实验数据分析表明:成像系统单片TDICCD的非均匀性由4.72%降低到0.27%,恶劣环境下TDICCD成像系统的图像非均匀性可以降低2.55%。该像元级校正算法简单,可靠性高,能够满足星上成像的要求;在不同的增益、偏置和积分时间下能够很好地解决TDICCD成像系统的像元响应非均匀性问题。
2013, 6(3): 395-401.
doi: 10.3788/CO.20130603.0395
摘要:
为了在低信噪比条件下清晰重构深空暗弱目标,提出了一种基于非均匀周期采样(NUPS)的傅里叶望远镜(FT)时域信号采集方法。对提出的方法进行了模拟实验并与均匀采样方法重构的图像进行了对比。基于NUPS方法,用1 MHz和5 MHz的采样频率分别采集100个点,对两个序列信号分别进行快速傅里叶变换,并对关心频率信息进行平均;传统的均匀采样方法则分别用1 MHz和5 MHz的采样频率采集200个点,再进行解调平均。对比结果显示:当信噪比(SNR)为50时,本文重构图像与衍射极限图像的斯托里尔比(Strehl)相比原方法提升了0.03,SNR为20时,Strehl比为0.531 1,较均匀采样提高了0.223 3。实验结果表明:NUPS方法在低信噪比条件下成像质量较高,可降低对激光功率的要求,为FT工程系统的实施奠定了技术基础。
为了在低信噪比条件下清晰重构深空暗弱目标,提出了一种基于非均匀周期采样(NUPS)的傅里叶望远镜(FT)时域信号采集方法。对提出的方法进行了模拟实验并与均匀采样方法重构的图像进行了对比。基于NUPS方法,用1 MHz和5 MHz的采样频率分别采集100个点,对两个序列信号分别进行快速傅里叶变换,并对关心频率信息进行平均;传统的均匀采样方法则分别用1 MHz和5 MHz的采样频率采集200个点,再进行解调平均。对比结果显示:当信噪比(SNR)为50时,本文重构图像与衍射极限图像的斯托里尔比(Strehl)相比原方法提升了0.03,SNR为20时,Strehl比为0.531 1,较均匀采样提高了0.223 3。实验结果表明:NUPS方法在低信噪比条件下成像质量较高,可降低对激光功率的要求,为FT工程系统的实施奠定了技术基础。
2013, 6(3): 402-407.
doi: 10.3788/CO.20130603.0402
摘要:
为了满足三线阵CCD相机对刚度和稳定性的要求,提高相机测绘精度,本文在有限元优化分析的基础上完成了相机测绘基座的结构设计。对测绘基座的模态以及承受载荷情况下的自重变形以及自重变形引起的各相机光轴的变化量进行了分析。基于得到的测绘基座关键技术指标,研制了测绘基座专用的垂直度检测工具。对加工过程中测绘基座进行了跟踪检测,验证了该检测工具的可用性,确保测绘基座的几何精度。
为了满足三线阵CCD相机对刚度和稳定性的要求,提高相机测绘精度,本文在有限元优化分析的基础上完成了相机测绘基座的结构设计。对测绘基座的模态以及承受载荷情况下的自重变形以及自重变形引起的各相机光轴的变化量进行了分析。基于得到的测绘基座关键技术指标,研制了测绘基座专用的垂直度检测工具。对加工过程中测绘基座进行了跟踪检测,验证了该检测工具的可用性,确保测绘基座的几何精度。
2013, 6(3): 408-414.
doi: 10.3788/CO.20130603.0408
摘要:
针对利用传统数字粒子图像测速(DPIV)法测量水雾粒径时粒子影像拉长对测试结果的影响,提出了基于DPIV建立的改进图像法(IIM)。设计了水雾粒径测量试验系统,对细水雾进行实时测试,并对比了采用本文算法与直接等效法测试水雾粒径子半径的差异。结果表明:采用本文的IIM得到的测试结果更为准确。通过最小二乘法对粒径分布进行拟合,发现对数正态分布函数和威布尔函数都可以较好地描述粒径分布。
针对利用传统数字粒子图像测速(DPIV)法测量水雾粒径时粒子影像拉长对测试结果的影响,提出了基于DPIV建立的改进图像法(IIM)。设计了水雾粒径测量试验系统,对细水雾进行实时测试,并对比了采用本文算法与直接等效法测试水雾粒径子半径的差异。结果表明:采用本文的IIM得到的测试结果更为准确。通过最小二乘法对粒径分布进行拟合,发现对数正态分布函数和威布尔函数都可以较好地描述粒径分布。
2013, 6(3): 415-420.
doi: 10.3788/CO.20130603.0415
摘要:
为了实现对固体目标微小振动参数的测量,建立了微小振动的激光多普勒信号模型。采用希尔伯特数字运算,将激光多普勒振动信号的即时信号采样转化为信号的谱采样。通过频谱计算得到每个振动周期中瞬时频率的平均数,应用差值采样序列积分计算得到振动频率,最后根据振动信号频率变化与振幅的关系得到振幅。采用希尔伯特方法对实验测试结果进行处理验证,并分析了误差来源。实验结果表明:实验测量目标的振动振幅约为1.8510-4 m,转动的圆频率约为170 Hz。因此,应用希尔伯特变换方法处理测量的目标微小振动信号,获取目标运动的参数是可行的。
为了实现对固体目标微小振动参数的测量,建立了微小振动的激光多普勒信号模型。采用希尔伯特数字运算,将激光多普勒振动信号的即时信号采样转化为信号的谱采样。通过频谱计算得到每个振动周期中瞬时频率的平均数,应用差值采样序列积分计算得到振动频率,最后根据振动信号频率变化与振幅的关系得到振幅。采用希尔伯特方法对实验测试结果进行处理验证,并分析了误差来源。实验结果表明:实验测量目标的振动振幅约为1.8510-4 m,转动的圆频率约为170 Hz。因此,应用希尔伯特变换方法处理测量的目标微小振动信号,获取目标运动的参数是可行的。
