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夜间动物图像自监督学习增强与检测方法
王驰, 沈晨, 黄庆, 张国峰, 卢汉, 陈金波
 doi: 10.37188/CO.2024-0011
摘要(3) HTML全文(2) PDF 16979KB(1)
摘要:
目的

为了解决动物夜间实时监测所面临的图像曝光度低、对比度低、特征提取困难等问题,通过研究轻量化自监督深度神经网络Zero-Denoise和改进型YOLOv8模型,来进行夜间动物目标的图像增强与精准识别。

方法

首先,通过轻量化的PDCE-Net进行第一阶段快速增强。提出了一个新的光照损失函数,并利用参数可调的Gamma校正的原图与快速增强图,在基于Retinex原理和最大熵理论的PRED-Net中进行第二阶段的重增强。然后,改进YOLOv8模型,并对重增强后的图像进行目标识别。最后,在LOL数据集与自建动物数据集进行实验分析,验证Zero-Denoise网络和改进型YOLOv8模型用于夜间动物目标监测的改善。

结果

试验结果显示,Zero-Denoise 网络在 LOL 数据集上的PSNR、SSIM与MAE指标达到28.53、0.76、26.15,结合改进型 YOLOv8 在自建动物数据集上比 YOLOv8 基线模型的mAP值提升7.1%。

结论

使用 Zero-Denoise和改进型YOLOv8能获得夜间动物目标的良好的图像质量,可用于夜间动物目标精确监测方法的进一步研究。

改进丰富卷积特征算法的液滴边缘检测模型
王慧, 曹召良, 王军
 doi: 10.37188/CO.2024-0019
摘要(53) HTML全文(30) PDF 2009KB(5)
摘要:

液滴图像边缘的高精度提取是测量水接触角较为关键的一环,针对常规边缘提取方法噪声鲁棒性差、边缘提取不完整、精度低的问题,本文提出了一种改进RCF的液滴边缘检测模型。首先,在深度特征提取阶段引入特征融合模块,使用多个特征让模型更加鲁棒,减少过拟合的风险;其次,设计多感受野模块代替RCF后边的contact层,通过多个感受野来提取更多的语义信息,使边缘细节更加丰富;然后,在模型每一层之前引入高效通道注意力机制,增强模型对图像中重要特征的关注程度;最后,设计并引入MaxBlurPool下采样技术,减少计算量和参数量,提高平移不变性。在自制液滴数据集上的实验结果表明,本文模型的固定轮廓阈值(ODS)值提高到0.816、单图像最佳阈值(OIS)提高到0.829、检测准确率高达90.17%,相较原模型提高了1.85个百分点,能够准确检测液滴边缘特征。

基于窄带成像及放大内镜的脂质分割方法
武治晟, 邹鸿博, 朱文武, 齐伟明, 王立强, 袁波, 杨青, 徐晓蓉, 严蕙蕙
 doi: 10.37188/CO.EN-2023-0024
摘要(50) HTML全文(8) PDF 4815KB(1)
摘要:

一种主要成分是脂质的白色不透明物质(WOS)会覆盖与癌症诊断有关的微观结构,但WOS的形态特征又与肿瘤分级有密切关系。为了给医生提供更多与脂质相关的可用信息,本文对脂质图像的分割方法进行了研究。首先,介绍了基于Retinex框架的脂质图像增强算法,并介绍了反光去除算法。然后,介绍了基于活动轮廓模型的脂质分割方法,该方法从校正后的色调值中提取局部信息,从强度值中提取全局信息,自适应地获得权重因子,并基于初始轮廓来分割脂质区域。最后,基于自研细胞内镜成像系统,设计了仿体实验来验证了该方法的有效性。实验结果表明,该分割方法的像素准确度、灵敏度、Dice系数均高于90%。该方法能够克服照明不均匀、反光等的影响,很好地反映脂质的形状,为医生提供可用的信息。

自注入锁定激光器的频率热调谐方法改进
王宇欣, 钟山, 梁伟, 赵峰, 詹志明, 阎柏屹, 康松柏
 doi: 10.37188/CO.2024-0025
摘要(43) HTML全文(10) PDF 1834KB(1)
摘要:
目的

为了提高自注入锁定激光器频率连续可调谐范围,对FP微腔在频率热调谐过程中注入锁定相位的变化关系进行研究。

方法

在传统频率热调谐的基础上,对自注入锁定激光器频率和相位等参数特性进行研究,提出一种在频率热调谐时加入自注入锁定相位补偿和DFB芯片电流补偿的改进算法,并在一台基于法布里-珀罗(FP)微腔自注入锁定激光器上对此算法进行验证实验。这台激光器波长为1550 nm,3 dB线宽为785 Hz,通过一对加热电阻对FP微腔进行频率热调谐。

结果

改进后的算法在激光器原有驱动控制电路的单片机程序中实现,激光器硬件部分未作任何修改,最终实现了6GHz的频率连续调谐范围。

结论

该工作为自注入锁定激光器提供一种简单高效且稳定性好的频率调谐方案,具有较高的实用性和市场前景。

应用于眼底成像的可见光瞳孔定位与对准方法
邢利娜, 孔文, 唐宁, 陈一巍, 史国华, 何益
 doi: 10.37188/CO.2024-0065
摘要(41) HTML全文(12) PDF 715KB(1)
摘要:

目的:为了降低眼底成像过程中对操作人员的依赖,采用可见光瞳孔成像,提出了一种人眼瞳孔自动快速定位与对准的方法。方法:首先采用可见光摄像模组和三维电动位移台,在实验室眼底成像系统上搭建瞳孔对准装置。其次,用霍夫梯度法提取图像的有效区域,得到眼底成像系统的中心;利用最大类间方差法和图像直方图特征得到了瞳孔区域;通过最小圆拟合方法,确定瞳孔的中心。最后,反馈控制电动位移台的移动,实现眼底成像系统中心与瞳孔中心对准。结果:实验结果表明:人眼瞳孔的平均识别速度0.11s,瞳孔中心的识别平均准确率达98.7%,中心偏差的欧氏距离平均为4.3个像素。结论:满足眼底成像系统的实时性和准确性的要求,为眼底成像系统提供了一种高效的自动瞳孔对准解决方案。

Dy3+,Tb3+共掺氮化铝薄膜结构与发光特性
罗璇, 孟河辰, 王晓丹, 陈子航, 曾雄辉, 高晓冬, 郑树楠, 毛红敏
 doi: 10.37188/CO.2023-0219
摘要(34) HTML全文(24) PDF 4846KB(5)
摘要:

通过离子注入方法,首次将Dy3+和Tb3+共掺入氮化铝(AlN)薄膜,并研究了其晶体结构、阴极荧光和能量传递机制。拉曼光谱(Raman)和X射线衍射(XRD)结果显示,在Tb3+剂量一定的情况下,Dy3+的注入会导致晶格内部压应力增大,随着Dy3+的持续注入,一部分点缺陷发生复合,内部部分压应力会得到释放。阴极荧光光谱(CL)显示,高剂量Tb3+注入下,随着Dy3+剂量的增加,Tb3+的发射强度与Dy3+的发射强度呈现出不同的变化趋势。进一步分析表明可能存在Tb3+5D47F6至Dy3+6H15/24F9/2的共振能量传递。通过研究发现在不同Tb3+和Dy3+注入剂量下,样品的发光颜色在黄绿色与橙黄色之间转变,色温在4042~5119K范围变化。由上述研究结果可知,通过改变Tb3+与Dy3+共注入的剂量比可以有效调控材料的发光色坐标与色温。

基于自适应红外多波段联合光谱分析的高精度气体浓度反演研究
王冠程, 赵百轩, 郑凯丰, 陈宇鹏, 赵莹泽, 秦余欣, 王惟彪, 刘国豪, 盛开洋, 吕金光, 梁静秋
 doi: 10.37188/CO.2024-0071
摘要(14) PDF 226KB(3)
摘要:
傅里叶变换光谱技术(FTS)是气体成分分析及浓度的精准测量的有效手段,但在分析过程中待测气体的饱和吸收与弱吸收使某些波段的透过率偏离稳定区间,导致光谱信噪比降低以及仪器的非线性响应,降低浓度反演精度。本文提出一种自适应多波段联合浓度反演算法,结合透过率稳定区间与谱宽阈值自适应选择待测气体的有效波段;采用非线性最小二乘拟合方法对各有效波段进行浓度反演并进行残差分析,获得各有效波段的浓度反演结果及其权重,通过加权平均实现待测气体浓度的精确定量分析。设计并进行了算法验证实验,结果表明,自适应多波段联合浓度反演算法的稳定系数达到了0.9976,相较于传统的单波段及多波段浓度反演算法,反演结果的均方根误差分别降低了64.44%、41.52%,平均相对误差分别降低了65.97%、46.72%,平均绝对误差分别降低了66.32%、47.74%,反演精度与稳定性得到了明显提升。
基于偏振特征重构的海面耀光抑制方法研究
宋明珠, 郭蓉, 李立洲, 陶淑苹, 陈彦彤, 王俊生
 doi: 10.37188/CO.2024-0008
摘要(35) HTML全文(10) PDF 6130KB(2)
摘要:

太阳耀光是海面目标探测过程中的重要影响因素,针对陆地观测平台,利用耀光的偏振特性,提出一种基于线偏振图像共有成分与特征成分重构的海面耀光抑制方法。该方法利用分焦平面偏振相机获取四通道线偏振辐射图像,计算场景的偏振度信息,生成耀光抑制图像。在以偏振信息抑制场景耀光的基础上,结合线偏振辐射图像的特点,将耀光抑制辐射图像的光强分量分解为共有成分与特征成分,重新赋予二者新的权重因子得到重构后的耀光抑制图像。开展外场偏振实验,结果表明,针对三组典型实验数据,重构耀光抑制图像较光强图像的饱和像素占比相对降低的最大值为79.07%,空间频率与对比度相对提升的最大值分别为73.77%和172.73%。本文所提方法有效的抑制了海面场景中的耀光噪声且在背景细节信息恢复方面具有良好表现。

大变倍比制冷型红外双波段变焦光学系统设计
耿海涛, 虞林瑶, 张葆
 doi: 10.37188/CO.2024-0007
摘要(49) HTML全文(17) PDF 5461KB(1)
摘要:

第三代红外焦平面探测器的不断发展使得探测器具备同时对两个不同波段的红外辐射进行响应的能力,输出双波段对应图像,双波段图像在目标探测和识别领域前景广阔。本文针对航空探测应用,采用320×256双色红外制冷型探测器,设计了一种工作波段在中波3.7~4.8 μm和长波7.7~9.5 μm的大变倍比制冷型红外双波段变焦光学系统,用于对目标的红外探测。该光学系统采用折射式和折反式结构相结合的方式,实现光学四视场切换式大范围变焦,采用二次成像以达到100%冷光阑效率。该光学系统四视场焦距分别为32 mm、200 mm、800 mm、1600 mm,变倍比为50×。实验结果表明,光学系统在双波段各变倍状态下,在调制传递函数特征频率为17 lp/mm时均接近衍射极限。该光学系统具有双波段、变倍范围大、大变倍比、快速切换多视场、结构简单紧凑、高质量成像等特征,将在搜索、侦察等安防领域中得到广泛应用。

折反式变形光学系统偏振像差分析及其对点扩散函数影响
马士杰, 吴洪波, 赵尚男, 吴庆, 张新
 doi: 10.37188/CO.2024-0010
摘要(44) HTML全文(18) PDF 2803KB(5)
摘要:
目的

变形光学系统是一种具有双平面对称性的相对特殊的光学系统,其结构引起了非旋转对称的偏振像差。本论文构建一个折反式变形光学系统,并对该系统的偏振像差及其对点扩散函数的影响进行系统分析,为后续变形光学系统的设计提供参考。

方法

基于三维偏振光线追迹对折反式变形光学系统进行仿真计算,获得偏振像差的详细数据,并计算各个表面的二向衰减、相位延迟分布特性以及系统的琼斯瞳、振幅响应矩阵、点扩散函数和偏振串扰对比度。

结果

最大二向衰减为0.145,最大相位延迟为1.46×10−2 rad,均出现在次镜位置。2∶1变形比的光学系统的振幅响应函数在长焦端和短焦端方向偏振串扰项存在40.6%的差异,偏振串扰对于该变形光学系统对比度限制在10−6量级。

结论

高精度变形光学系统中的偏振像差不可忽略,可采用膜层设计和折反式结构等方法降低偏振像差影响。该研究结论可为变形光学系统在深空探测、相干通信系统等领域的设计提供参考。

激光暗荧光光谱电场测量微扰计算与实验
王桢, 吕日毅, 李超, 陈俊锋, 张曼
 doi: 10.37188/CO.2024-0037
摘要(40) HTML全文(10) PDF 728KB(3)
摘要:

目的:为了实现强流脉冲电子束对材料表面改性的工业化应用,需要对电子束的作用过程进行实时微扰监测。电场强度是反映电子束特性的关键参数之一,基于Stark效应的激光暗荧光光谱可实现对环境电场的微扰测量。因此,开展激光功率密度对环境电场的影响研究,对此类电场测量方法的参数设置和结果判断具有重要的理论和应用价值。方法:通过理论分析和计算得出电场测量微扰状态下的激光功率密度与试验环境的关系模型;基于上述关系模型,搭建测试平台,实验验证激光功率密度对电场测量微扰的情况。结果:实验结果表明:在示踪气体氙气压强为\begin{document}$ 1.0\times {10}^{-4} $\end{document} mbar、电场强度在2 kV/cm及以下的条件下,对电场测量微扰的激光功率密度值为5 MW/cm2,与理论计算值基本一致。结论:研究结果填补了激光暗荧光光谱诊断方法中激光功率密度对电场影响定量分析方法的空白,可应用在同类电场测量方法中,为激光功率密度与实验参数的设置提供依据和参照,支撑电场测量实验的开展,有效提升电场测量的准确性。

基于图像块分解融合的水下标定图像增强
常志文, 王立忠, 梁晋, 李壮壮, 龚春园, 巫志辉, 徐建宁
 doi: 10.37188/CO.2023-0218
摘要(33) HTML全文(23) PDF 7400KB(5)
摘要:

针对水下视觉测量中相机标定采集的水下标定图像退化造成标志点信息缺损的问题,提出了一种基于图像块分解融合的水下标定图像增强算法。首先,针对水下标定图像光照不均匀造成图像去雾困难的问题,基于同态滤波实现图像分割并计算全局背景光强,以实现图像去雾。然后,针对水下图像去雾后仍然存在噪声、模糊、光照不均匀等问题,分别进行对比度增强与细节信息增强以获得两幅互补增强图像,将互补图像划分成多个图像块,将图像块分解为平均强度、信号强度和信号结构3个独立分量,3个分量分开融合并求解最终增强图像。最后,采用主客观评价及标志点检测实验评价水下标定图像增强后的质量。实验结果表明,本文方法的视觉效果及客观评价得分均高于UDCP、MSR及ACDC方法,浑浊度为7.6NTU、11.4NTU、15.7NTU、18.4NTU时,标志点检测数量分别提高了2.0%、2.3%、9.3%、21.2%。因此,本文方法可以有效提高水下标定图像质量,为水下视觉测量提供一种稳定可靠的水下标定图像增强方法。

ZnO微米棒基质中铕离子的偏振敏感发光特性
余超, 楚学影, 姜丽, 李金华
 doi: 10.37188/CO.2023-0236
摘要(49) HTML全文(31) PDF 2718KB(3)
摘要:

针对基质晶格各向异性对稀土离子偏振发光特性的影响,采用水热法制备了ZnO微米棒及铕掺杂ZnO微米棒。对照研究发现,掺杂后的样品长径比增加,形貌由哑铃型转变为直微米棒。光学性质分析表明,385 nm处的束缚激子发光使得ZnO微米棒的紫外发光呈明显不对称线形,550 nm处观测到一个较弱的可见区发光。掺杂铕离子后,可见区域发光明显增强。对于Eu3+离子掺杂ZnO微米棒,532 nm激发下可观测到窄半峰宽的Eu3+离子特征发光峰。调节入射激发光的偏振方向时,Eu3+离子发光峰强度随偏振光角度呈周期性变化,且发光偏振度随掺杂浓度的增加而增大。以上结果表明,借助ZnO微米棒基质晶格可获得对激发光偏振敏感的铕离子发光。掺杂ZnO微米棒能够将低维ZnO材料的紫外光吸收性能与稀土离子优异的可见发光特性进行整合,使其在偏振光谱探测等领域具有重要的应用价值。

飞秒激光系统相位延迟反射镜的研制
牛鸿琨, 张静, 付秀华, 马国水, 金海俊, 杨飞
 doi: 10.37188/CO.2024-0015
摘要(43) HTML全文(22) PDF 739KB(3)
摘要:

为了能对飞秒激光系统的群延迟色散(group-delay dispersion,GDD)进行调控,设计并制备了相位延迟反射镜。本文系统的研究了相位延迟反射镜补偿群延迟色散的原理,使用Nb2O5和SiO2作为高低折射率材料,并通过将相位延迟反射镜与其互补镜配对的方式平缓了群延迟色散曲线。最后,制备出了相位调控数据为−800 fs2GDD的相位延迟的反射镜,在900 nm−1100 nm范围内,反射率达到99%以上。解决了飞秒激光系统带宽调节的问题,满足飞秒激光器的使用要求。

弱特征共焦通道调控水下声呐目标检测
何梦云, 何自芬, 张印辉, 陈光晨, 张枫
 doi: 10.37188/CO.2024-0031
摘要(53) HTML全文(20) PDF 10118KB(5)
摘要:

声呐图像视觉检测是复杂水域资源勘探和水下异物目标探测领域的重要技术之一。针对声呐图像中小目标存在特征微弱和背景信息干扰问题,本文提出弱特征共焦通道调控水下声呐目标检测算法。首先,为提高模型对弱小目标信息捕获和表征能力,设计弱小目标特征激活策略并引入先验框尺度校准机制匹配底层语义特征检测分支以提高小目标检测精度;其次,应用全局信息聚合模块深入挖掘弱小目标全局特征,避免冗余信息覆盖小目标微弱关键特征;最后,为解决传统空间金字塔池化易忽视通道信息的问题,提出共焦通道调控池化模块,保留有效通道域小目标信息并克服复杂背景信息干扰。实验表明,本文模型在水下声呐数据集的九类弱小目标识别上平均检测精度达到83.3%,相较基准提高5.5%,其中铁桶、人体模型和立方体检测精度得到显著提高,分别提高24%、8.6%和7.3%,有效改善水下复杂环境中弱小目标漏检和误检问题。

基于PbS量子点光电探测器的脉搏检测系统研究
李力, 耿会娟, 张天昊, 朱建平, ZHUJian-ping
 doi: 10.37188/CO.2024-0018
摘要(48) HTML全文(18) PDF 8534KB(3)
摘要:

脉搏蕴含人体丰富的血流信息,检测脉搏并推导出人体心血管系统健康状态正成为研究的热点。本文利用热注射法合成得到尺寸为3 nm的PbS量子点,在金叉指电极表面通过旋涂的方法构筑PbS量子点光电探测器。基于已制备的PbS量子点光电探测器研制了数据可视化的脉搏检测系统。运用光电容积脉搏波描记法,我们对同一测试者不同运动状态以及不同测试者同一运动状态进行测量,经过电路处理将测得数据显示在电子显示屏上。结果表明,探测器在15.2 μW cm−2光强度照射下,其响应度(R)和探测率(D*)在−3 V偏压下分别为0.33 A/W和1.33×1012 Jones。将其用于测量脉搏电路中,系统能够有效接收并测得人体脉搏信号,表明基于PbS量子点光电探测器的脉搏检测系统在灵敏度、稳定性以及可靠性均满足应用要求。

基于同轴柯勒照明的大变倍比紧凑型显微镜设计
王起, 张国芳
 doi: 10.37188/CO.2023-0240
摘要(53) HTML全文(18) PDF 5957KB(6)
摘要:

为了实现大靶面、大变倍比显微成像并解决同轴柯勒照明高集成度设计的问题,本文提出了一种基于同轴柯勒照明的大变倍比紧凑型显微镜光学系统的设计方法。首先,对望远镜和显微镜连续变倍光学系统的成像原理进行了分析,并对正组补偿式变倍显微镜光学系统的设计原理进行了理论分析。然后,我们提出把前固定组分解为准直组和汇聚组并在两镜组间设计分光镜,并通过共用透镜组实现同轴柯勒照明系统的紧凑型设计。最后,对大靶面连续变倍显微镜系统和与之匹配的同轴柯勒照明光学系统进行了设计,设计结果表明显微成像光学系统的变倍比为10×,工作距离为60 mm,物方最高分辨率为1.75 µm,同轴照明均匀性为94.3%。该系统具有成像质量好、畸变小、变倍曲线平滑、体积小巧等特点,从而验证了该设计方法的可行性。

头部动态场景下非接触式血氧饱和度测量
刘涛, 张亚莉
 doi: 10.37188/CO.2024-0034
摘要(63) HTML全文(28) PDF 3155KB(6)
摘要:

针对现有非接触式血氧饱和度测量方法在头部动态场景下准确性低的问题,提出一种基于改进的自适应噪声完全集合经验模态分解与小波阈值相结合的去噪方法,用于提取高信噪比的脉搏波信号。首先,为解决自适应噪声完全经验模态分解在分解重构早期产生虚假分量和模态混叠的问题,在分解过程中加入高斯白噪声,使其成为改进的自适应噪声完全集合经验模态分解(ICEEMDAN),从而减少模态分量中残余噪声问题。然后,使用ICEEMDAN对红蓝色通道的脉搏波信号进行模态分解,并使用db8小波基函数对符合血氧频谱范围的分量进行3级分解和重构,将重构后的信号用于后续血氧值的计算。最后,将不同头部动态场景下测量的血氧饱和度结果进行实验对比分析,结果表明:不同头部场景下得到的血氧饱和度平均误差为0.73%,相较于其他算法平均误差降低1.93%。本文提出的去噪方法在不同头部场景下具有较好的稳定性,可满足日常血氧饱和度测量的需求。

模型自适应的扫描视点自动规划
杨国庆, 王立忠, 任茂栋, 徐建宁, 赵建博, 王森, 李壮壮
 doi: 10.37188/CO.2024-0022
摘要(59) HTML全文(24) PDF 6489KB(4)
摘要:

当进行扫描重建时,示教扫描繁琐且通用性差,目前视点规划的重点依然是自动获取覆盖模型的最少视点集。本文为了实现对不同复杂程度零部件的自动化三维扫描重建,对视点规划过程中可能发生的视点冗余、视点遮挡、双目重建约束等问题进行研究。首先,针对现有视点规划难以对模型完整扫描的问题,通过分析面结构光扫描的特性,对Lloyd’s算法进行改进,提出使用欧式距离和法向量偏差的能量函数对模型进行Voronoi划分,生成初始扫描视点。接着,针对视点冗余问题,提出了对初始扫描视点进行分裂的迭代算法。最后,针对生成的视点容易产生遮挡的问题,提出了一种视线去遮挡策略,并以提高模型覆盖率为目的,提出了使用追扫视点的方法。实验结果表明:在最佳视点数量下,对于汽车铸件和壳体的覆盖率达到了94%以上,对于简单曲面汽车钣金的覆盖率达到了99.5%以上,并实现了汽车转向节的自动规划扫描,满足视点自动规划的覆盖率和效率以及对不同复杂程度零件的适应性要求。

面向机械零件三角网格模型自动配准中增强特征的分割方法
巫志辉, 王立忠, 梁晋, 龚春园, 朱峰, 常志文, 徐建宁
 doi: 10.37188/CO.2023-0225
摘要(36) HTML全文(17) PDF 6095KB(1)
摘要:

三角网格模型配准是工业自动化检测软件中重要的一环,配准精度对检测机械零件的形位公差有重要影响。针对三角网格模型的自动配准的精度低、鲁棒性差的问题,本文提出一种面向机械零件三角网格模型自动配准中增强特征的分割方法。首先,确定三角网格模型特征分割的K值,通过拉普拉斯矩阵确定种子点进行迭代初始化。其次本文采用合适的区域形状代理和代价函数加速该过程,并进行多源迭代聚类得到特征分割结果。最终,在三角网格模型特征分割结果的基础上进行基于奇异值分解法的粗配准,根据EM-ICP进行精配准。与传统的特征描述子粗配准再ICP精配准的方法进行对比,实验结果表明本文方法的配准误差下降了25.2%,自动配准时间缩短了62.6%,有效地提高了三角网格模型自动配准的精度和效率。

双有源区结构4.7 μm中波红外量子级联激光器
王渝沛, 章宇航, 罗晓玥, 钱晨灏, 程洋, 赵武, 魏志祥, 韩迪仪, 孙方圆, 王俊, 周大勇
 doi: 10.37188/CO.2023-0239
摘要(55) HTML全文(19) PDF 1755KB(9)
摘要:

本文报道了基于双有源区的4.7 μm中波红外量子级联激光器,脊宽9.5 μm,可实现室温连续基横模工作。通过在单有源区中心插入0.8 μm InP间隔层,将原有的单有源区转变成双有源区结构,可显著降低器件有源区的峰值温度,同时抑制高阶横模的产生。在288 K温度下,腔长为5 mm的双有源区器件阈值电流密度为1.14 kA/cm2,连续输出功率为0.71 W,快轴发散角为27.3°,慢轴发散角为18.1°。同常规单有源区结构的器件相比,采用双有源区结构的器件,其最大光输出功率未出现退化,同时器件慢轴方向由多模变化为基横模,光束质量得到了显著改善。本工作为改善高功率中波量子级联激光器的慢轴光束质量提供了一种解决思路。

伽利略型同心阵列系统的设计与分析
刘松昆, 刘智颖
 doi: 10.37188/CO.2023-0238
摘要(40) HTML全文(25) PDF 4600KB(4)
摘要:

同心阵列系统具有小型化与大视场的优势,通过探测器的拼接可实现更大视场高分成像。为了进一步实现大视场系统结构的小型化与轻量化,本文采用伽利略型同心阵列系统结构形式,设计了一款工作在可见光波段,全视场大小为65°,焦距为19 mm,F数为4.7,总长为44.3 mm的同心阵列系统。系统的调制传递函数曲线在特征频率208 lp/mm处调制传递函数大于0.3,全视场弥散斑均方根半径均小于探测器像元尺寸2.4 \begin{document}$ \mathrm{\mu } $\end{document}m,成像质量接近衍射极限。由于同心阵列系统结构的特殊性,其中继系统排布紧密,各中继系统间的串扰杂散光严重影响成像质量,本文采用内置消杂光光阑的方法抑制串扰杂散光,对光学系统的杂散光进行了仿真分析,分析结果表明,在加入消杂光光阑后,杂光系数均降低至1×10−6以下,验证了串扰杂光抑制方法的有效性。为同心阵列系统的设计与分析提供了参考依据。

光纤布拉格光栅长外腔反馈半导体激光器特性研究
张云豪, 刘奎, 郜江瑞, 王军民
 doi: 10.37188/CO.2024-0016
摘要(61) HTML全文(28) PDF 899KB(10)
摘要:

窄线宽激光器是光谱学和精密计量学等实验的基本组成部分。由于半导体激光器对外部光学反馈十分敏感,所以可以利用光反馈的高带宽抑制半导体激光器的相位噪声,进而压窄线宽。于是我们采用光纤布拉格光栅作为反馈元件,搭建了长外腔反馈回路。为了降低了外界环境的温度起伏和气流扰动的影响,我们对反馈光路的光纤控温,使得1小时内最大温度起伏从0.039 °C降低到0.003 °C,并且温度起伏的方差降低了两个数量级。此外我们也测试了反馈带宽对激光线宽的影响,尽管我们实验所用光纤布拉格光栅的带宽远大于自由运转的激光线宽,但我们仍然观察到激光线宽被压窄,且光纤光栅的带宽越小,激光线宽越窄。对于此现象,我们认为在反馈回路中应该存在一种负反馈机制,可以将激光线宽稳定到反馈光谱的某个斜率处,所以光纤光栅的反馈带宽越窄,反馈光谱的斜率越大,反馈越灵敏。另外我们通过在0~1 mW范围内改变光纤光栅的反馈功率,观察到在反射功率0.8 mW时,光反馈将激光线宽从自由运转的100.5 kHz压窄到最窄11.5 kHz,在反射功率1 mW时,0.2 kHz~2 MHz范围内的相位噪声得到了大概22 dB的抑制。

光轴稳定探测系统无热化光机结构设计
宋长孝, 于信, 白素平, 姜冬旭, 刘才, 关淼心, 韩佳昊
 doi: 10.37188/CO.2023-0226
摘要(36) HTML全文(16) PDF 1221KB(2)
摘要:

星地领域中激光通讯设备的发射光轴和接收光轴对准度至关重要,温度变化会导致光学元件和机械结构变形,影响光轴对准度,使系统的探测精度降低。本文设计了一种用于探测的高精度光轴稳定系统,根据宽波段和共轭成像的技术要求,使用具有像传递的离轴反射式开普勒望远系统压缩光束,经过分光镜后分别进入到探测子单元中,设计了长焦距光轴稳定探测系统提高探测精度;为校正反射系统的热差,根据光学被动无热化技术利用折射镜组补偿反射镜组的热致像差;设计机械结构并进行有限元分析;对有限元数据进行处理并带回到光学软件中仿真温度变化引起的光轴偏移角度;最后搭建实验进行验证。结果表明:光轴稳定探测系统在−10 °C时光轴偏移角度为3.90″,在45 °C时光轴偏移角度为4.23″,降低了温度变化对光轴偏移的影响。

基于逐点前进法的改进型点云配准方法
李茂月, 许圣博, 孟令强, 刘志诚
 doi: 10.37188/CO.2023-0166
摘要(170) HTML全文(88) PDF 5812KB(23)
摘要:

点云配准是获取三维点云模型空间姿态的关键步骤,为了进一步提高点云配准的效率和准确性,提出了一种基于逐点前进法特征点提取的改进型点云配准方法。首先,利用逐点前进法快速提取点云特征点,在保留点云模型特征的同时大幅精简点云数量。然后,通过使用法向量约束改进的KN-4PCS算法进行粗配准,以实现源点云与目标点云的初步配准。最后,使用双向Kd-tree优化的LM-ICP算法完成精配准。实验结果表明,本文方法具有较高的精度和效率,同时具有较好的鲁棒性,在斯坦福大学开放点云数据配准实验中,其平均误差较SAC-IA+ICP算法减少了约70.2%,较NDT+ICP算法减少了约49.6%,配准耗时分别减少约86.2%和81.9%,同时在引入不同程度的高斯噪声后仍能保持较高的精度和较低的耗时。在真实室内物体点云配准实验中,其平均配准误差为0.0742 mm,算法耗时平均为0.572 s。通过斯坦福开放数据与真实室内场景物体点云数据对比分析表明,本方法能够有效地提高点云配准的效率、准确性和鲁棒性,为基于点云的室内目标识别与位姿估计奠定了良好的基础。

多普勒外差干涉仪的光机热集成分析
王锦疆, 江伦, 佟首峰, 裴惠熠, 崔勇, 郭名航
 doi: 10.37188/CO.2023-0234
摘要(42) HTML全文(24) PDF 7254KB(12)
摘要:

为提高地基多普勒非对称空间外差(DASH)干涉仪在恶劣温度下的探测精度,对系统进行了光机热集成分析。首先,依据干涉仪的工作原理和相位算法建立了相位与温度的关联依据。其次,设计了光机热分析模型和热变形数据获取模型,采用温度负载仿真分析给出了干涉模块和成像光学系统在不同温度下的变形数据,拟合得出热变形所导致的相位误差。最后,基于各部件热变形造成的风速误差,给出合理的温控方案。结果表明,干涉模块占据主因,必须确保温度控制在20±0.05 °C内,并针对温度敏感部件进行温度控制,此时该部件造成的风速误差为3.8 m/s。成像光学系统放大倍数的热漂移、成像光学系统和探测器相对位置的热漂移占据次因,应将其控制在20±2 °C以内,此时该部件造成的风速误差为3.05 m/s,综上可以将干涉模块、成像光学系统、成像光学系统与探测器相对位置三者共同造成的风速测量误差控制在6.85 m/s内。本文的分析方案和温控措施可以为DASH干涉仪工程应用提供理论依据。

用于高压测量的MEMS硅-玻光纤FP压力传感器
付雨薇, 王睿楠, 唐文婷, 杜喜昭, 王伟, 陈海滨
 doi: 10.37188/CO.2023-0224
摘要(35) HTML全文(33) PDF 683KB(12)
摘要:

研究了一种基于微机电系统(MEMS)技术的用于高压测量的硅-玻光纤法布里-珀罗(FP)压力传感器,以硅材料作为敏感元件,将电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀后的单晶硅膜片和高硼硅玻璃阳极键合构成FP腔。传感头使用MEMS技术批量制造,结构稳定、抗过载能力强、在高压环境下不容易失效。实验结果表明,该传感器能够实现30 MPa的高压压力测量,灵敏度为46.94 nm/MPa,线性拟合度为0.99897,测量结果具有较好的一致性和可靠性,所设计的压力传感器在高压检测方面有很强的应用前景。

 doi: 10.37188/CO.2024-0012
摘要(36) PDF 3163KB(0)
摘要:
星载二维转台U型架结构轻量化与优化设计
魏钰轩, 王振宇, 李治国, 黄乐弘, 杨凯, 马玉宝
 doi: 10.37188/CO.2023-0227
摘要(35) HTML全文(19) PDF 5070KB(6)
摘要:

星载二维转台是空间相机等光电设备的主要承载机构,U型架是转台的关键支撑部件。为了对星载二维转台U型架进行结构优化与轻量化设计,研制高承载比和轻量化的星载二维转台,本文设计了一种用于星载二维转台的碳纤维复合材料U型架。首先,利用碳纤维复合材料代替钛合金材料,结合考虑工艺性,设计了一种变截面管状结构U型架。接着,按照基于铺层工艺的有限元建模方法对碳纤维U型架进行有限元建模与仿真分析。然后,试制U型架样机并通过模态试验验证有限元模型的准确性。最后,提出一种理论分析法、遗传算法、有限元法结合的三级优化方法对碳纤维U型架铺层角度、铺层厚度与铺层顺序进行优化设计。结果表明:模态试验与仿真得到的U型架振型完全一致,频率相差5%以内。初始设计的碳纤维U型架比钛合金U型架质量减少45.7%,通过对复合材料铺层的优化设计,使U型架质量进一步减少13.8%,固有频率提升10.14%。本文所采用的复合材料建模与优化方法正确,设计的碳纤维U型架满足星载二维转台轻量化设计需求。

大口径多波段光束质量检测系统设计
刘才, 于信, 潘国涛, 贺国强, 倪小龙, 白素平
 doi: 10.37188/CO.2023-0228
摘要(29) HTML全文(16) PDF 8469KB(3)
摘要:

光谱合成技术是实现高能激光输出的重要技术途径,如何在高功率输出的前提下,保证高光束质量的激光输出已成为当前光谱合成技术最迫切的目标。本文针对155 mm×140 mm矩形口径、1 064±3 nm、1030±3 nm和635±5 nm波段光束的参数探测问题,设计了大口径多波段多参数检测系统。波前检测单元基于开普勒的望远结构,在构建变形镜与微透镜共轭关系的同时,压缩光束匹配探测器尺寸。前组物镜采用卡塞格林结构,解决大口径、多波段的色差校正难题;后组镜采用三片式复消色差折射镜组,补偿色差的同时,兼顾无热化设计,补偿前组物镜的残余热差和后组镜热差。经波前检测单元后进行分光探测,实现光束质量和光束均匀性的检测。且为了提高系统的环境适应性,采用光学被动无热化的方法对系统进行了20 °C±10 °C的无热化设计。最后,对系统进行装调测试,采用泽尼克波前复原方法对波前探测相机采集的光斑图像进行波前复原,测得10 °C~30 °C下系统波前的RMS值优于0.0524λ(λ=632.8 nm),光束均匀性优于0.893,光束质量β因子优于1.26倍衍射极限。

基于插值超分辨的双目三维重建方法
刘宇豪, 吴福培, 吴树壮, 王瑞
 doi: 10.37188/CO.2023-0214
摘要(38) HTML全文(19) PDF 4854KB(6)
摘要:

基于双目立体匹配重建物体表面三维形貌,其匹配精度往往受限于传感器尺寸、镜头焦距和光源环境等物理条件。针对此问题,论文提出了一种基于插值超分辨的双目表面三维重建方法。首先,在图像预处理阶段,建立基于小波变换与双直方图均衡融合的图像增强方法,克服传统双目视觉受限于复杂环境光干扰等问题;其次,构建基于拉格朗日与三次多项式插值的超分辨算法,提升图像像素密度,为双目匹配代价计算阶段增加图像细节,从而提高匹配精度;最后,基于SLIC算法对目标图像进行分割,并分别针对各分割区域做二次曲面拟合,进而获得与物体实际表面更为贴合的高度曲线,可降低重建误差并可提高重建精度。实验结果表明:5组测量样品的全局高度测量平均相对误差为±2.3%,实验平均测量时长为1.8828s,最大时长1.9362s,较传统方法有明显提升。实验分析结果检验了论文所提方法的有效性。

内腔式非稳腔DF激光光束质量研究
阮鹏, 汪玉海, 潘其坤, 邵春雷, 陈飞, 郭劲
 doi: 10.37188/CO.2023-0210
摘要(31) HTML全文(18) PDF 1803KB(4)
摘要:

激光光束质量是衡量激光器应用性能的重要指标之一,面向远距离光电对抗应用场景,本文开展了非链式脉冲氟化氘(DF)激光器非稳腔设计和光束质量提升技术研究。设计了三组不同放大倍率的正分支虚共焦非稳腔,搭建了凸面腔镜横向和轴向两种支撑结构的非稳腔实验装置,其中横向支撑结构内置循环水冷却通道。以86.5%环围能量定义激光光斑大小,选用β因子评价激光光束质量,比较两种支撑方式下的输出能量和光束质量。研究发现:相同条件下,轴向支撑结构的非稳腔输出能量较横向支撑结构高6%,但远场发散角较横向支撑大9%。水冷横向支撑结构虽有能量遮挡,但其较好的热稳定性显著提升了激光光束质量。在M=2.25的横向支撑内腔式非稳腔条件下获得光束质量因子β=1.83发散角θ0.865=0.63 mrad的激光光束,该条件下的激光单脉冲能量为2.34 J,激光脉宽88.2 ns,峰值功率达到26.5 MW。

大气MIMO光信道共享密钥提取研究
陈纯毅, 蔡锦湘, 李琼
 doi: 10.37188/CO.2023-0202
摘要(75) HTML全文(22) PDF 2380KB(6)
摘要:

基于信道随机特征的共享密钥提取是实现大气光信道物理层安全的一种有效手段。密钥生成速率和不一致率是关注焦点。利用大气湍流光信道随机特征作为共享随机源,提出多输入-多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)大气光信道环境下的密钥提取方案;采用另类奇异值分解法来分解信道矩阵,通过简单移动平均提升合法双方获得的信道特征序列间的相关性,并对移动平均后的信道特征序列进行单门限交错量化;合法双方基于分集差分值生成编码映射控制随机序列,实现对信道特征序列的单门限交错量化结果的编码映射。实验结果表明,本文方案的原始密钥不一致率在信噪比为30 dB时能够达到5.2×10−4,且生成的随机比特序列可通过美国国家标准与技术研究院(NIST)的随机性测试。本文结果对MIMO大气光信道密钥提取有一定参考价值。

实时双环谐振腔光谱包络拟合
赵凯浩, 李明宇, 王朝宇, 陈鑫, 关博仁, 何建军, 林初月, 董文飞
 doi: 10.37188/CO.2023-0195
摘要(34) HTML全文(21) PDF 4850KB(2)
摘要:

双环级联谐振腔(Cascaded Microring Resonators, CMRR)传感器作为一种新型的光学传感器,因其具有高灵敏度,易于集成,功耗小等优点被广泛应于与生物、医学等领域。本文为了实现CMRR传感器输出光谱的实时数据分析处理,提出了一种基于Python的实时CMRR传感器输出光谱包络拟合方法。首先,利用不同的拟合模型对CMRR传感器输出光谱进行拟合,接着,通过灵敏度误差百分比对不同拟合模型的拟合误差进行比较,得出平滑样条拟合法在实时处理CMRR传感器输出光谱过程中表现最佳,最后利用不同浓度的NaCl溶液进行实时输出光谱采集处理,验证了CMRR传感器输出光谱实时采集处理程序的可靠性。实验结果表明,CMRR传感器的波长飘移量与溶液浓度呈线性关系。通过计算可知CMRR传感器对于盐水的灵敏度约为671.03529 nm/RIU。

 doi: 10.37188/CO.2024-0006
摘要(42) PDF 184KB(5)
摘要:
燃煤锅炉高温腐蚀气体激光在线监测设备研究
李龙, 师帅, 宫廷, 田亚莉, 郭古青, 邱选兵, 熊小鹤, 李传亮
 doi: 10.37188/CO.2023-0209
摘要(42) HTML全文(20) PDF 3557KB(7)
摘要:

燃煤锅炉燃烧场的经济性、安全性和环保性对于智慧电厂建设具有重要意义。H2S和CO是燃煤锅炉燃烧场两种主要高温腐蚀气体,不仅腐蚀锅炉近壁面,其尾气对大气环境的危害都是极其严重的。基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术,结合波长调制光谱技术和频分复用技术,研制了一款无人值守的燃煤锅炉主燃区H2S和CO气体浓度在线实时监测设备。仿真模拟了6335−6341 cm−1范围内气体吸收光谱,选定1.5 μm附近的近红外激光器作为激光光源;研制了一套耐高温耐腐蚀的Herriott型多光程池,实现激光与气体相互作用的效光程达15 m;开发了硬件电路及相应的固件程序,实现了H2S和CO吸收光谱信号的二次解调信号与浓度反演。线性度和Allan方差实验表明,其线性拟合相关系数分别为0.9998和0.9995,在73 s和53 s的积分时间下,H2S和CO最低检测极限分别为0.2×10−6 mol/mol和0.344×10−6 mol/mol。最后,将研制的设备在某300 MW电负荷的四角切圆燃煤锅炉主燃区燃烧气氛场进行应用示范,对水冷壁附近的H2S和CO进行了同步测量。结果表明,锅炉中H2S和CO的浓度呈正相关,厌氧燃烧会导致两种气体的含量增加,造成对水冷壁的腐蚀。

插损鲁棒性的全复值光学神经网络
陈慧彬, 汤凯飞, 游振宇
 doi: 10.37188/CO.2023-0198
摘要(48) HTML全文(23) PDF 4941KB(9)
摘要:

基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI: Mach-Zehnder Interferometer)级联拓扑结构的线性光学处理器被证明是实现光学神经网络(ONN: optical neural network)的重要途径,但还有不少实际问题有待解决。针对芯片制造、测试过程中可能导致的相位误差和插入损耗等问题,我们通过实验和理论仿真了几种基于MZI结构的可重构光学处理器。发现可以通过单个N×N的Clements阵列结构来实现任意酉矩阵的权重,构建稀疏连接的全复值光学神经网络,将光学深度大大降低,以实现较高的插入损耗鲁棒性。此外,对于多层光学神经网络来说,由于构建该任意酉矩阵的自由度有限,我们设计在每一层Clements结构前面加一个相移器层,有助于将分类数据映射到更高的数据维度,能实现神经网络更快速的收敛。

电泵浦有机发光二极管衬底侧向辐射研究
赵变丽, 王晶, 李文文, 张静, 孙宁, 王登科, 江楠
 doi: 10.37188/CO.2023-0190
摘要(26) HTML全文(21) PDF 4177KB(8)
摘要:

有机发光二极管衬底侧向辐射光谱与正向辐射光谱相比,存在明显的窄化现象。研究影响器件侧向辐射光谱窄化的因素,进一步减小辐射光谱的线宽,可为电泵浦有机发光二极管激光辐射的研究打下基础。本文研究了随有机发光二极管空穴传输层 NPB 厚度的变化,器件衬底侧向辐射光谱的半高宽、峰位以及偏振特性的变化情况。比较了有机发光二极管衬底边缘两侧蒸镀银膜与未蒸镀银膜的衬底侧向辐射光谱。发现蒸镀银膜时有机发光二极管的衬底侧向辐射光谱半高宽变窄,并且当空穴传输层 NPB 的厚度为 130 nm 时,器件衬底侧向辐射光谱半高宽低至 14 nm。说明器件衬底两侧存在银膜作为反射镜的情况下,衬底中侧向传播的光将受到光学谐振腔的作用。论文的研究结果为有机发光二极管幅射光谱的窄化和幅射光放大提供了一种新思路。

调制转移光谱对激光频率起伏分辨率的影响因素及优化
王越伟, 卢飞飞, 侯晓凯, 王军民
 doi: 10.37188/CO.2023-0191
摘要(56) HTML全文(33) PDF 14044KB(7)
摘要:

基于非线性近简并四波混频过程的调制转移光谱可以从根本上消除谱线的多普勒背景,且具有高灵敏度、高分辨率等优点,其类色散线型具有良好的鉴频特性,调制转移光谱在激光稳频方面具有广泛的应用。一束弱探测光与一束受到频率调制的强泵浦光在原子(分子)气室内相向传输,被调制的泵浦光其频率成分中有泵浦光中心频率以及经过调制产生的正负一阶边带。原子(分子)样品的三阶非线性效应可以产生近简并四波混频,泵浦光的频率调制可以转移到未调制的探测光上,并且这种调制转移仅在满足亚多普勒共振条件时发生。在本实验中,我们采用电光位相调制器对泵浦光进行位相调制,得到射频调制转移光谱 (MTS),并研究MTS光谱的类色散信号中心过零点斜率优化问题,利用MTS光谱信号进行激光稳频时,其信号幅度和过零点斜率越大,MTS光谱信号对激光频率起伏分辨率的灵敏度越高。通过改变泵浦光的调制频率,泵浦光与探测光的光斑大小,研究MTS光谱信号过零点斜率与二者之间的参数依赖关系,在泵浦光调制频率为~3.6 MHz(大约是自然线宽的0.69倍)时,得到最佳的MTS光谱信号。最后利用最优的MTS光谱,将DL Pro @ 852 nm 激光频率锁定到铯原子D2线(F = 4) − (F = 5’)循环跃迁,在60分钟采样时间内激光频率起伏约为170 kHz,与自由运转时激光器~11 MHz的频率起伏相比,激光器的频率起伏得到了显著改善。

光子集成干涉阵列视场拼接子孔径光路设计
韩耀辉, 王鹍, 朱友强, 刘欣悦
 doi: 10.37188/CO.2024-0030
摘要(38) HTML全文(26) PDF 5250KB(5)
摘要:

光子集成干涉成像系统一般在子孔径焦平面处加单模光纤阵列,通过接收不同视场角的光束完成大视场拼接成像,但直接采用光纤阵列会导致成像视场不连续,子孔径焦距变长,厚度大幅度增加。针对以上问题,本文提出了一种结合微透镜阵列和光纤阵列对子孔径像面细分的方法实现视场无缝拼接,并通过摄远物镜和三透镜空间压缩板组合大幅度降低了子孔径阵列的整体厚度。设计结果表明,通过在光纤阵列前加65*65微透镜阵列对光束二次聚焦能够实现系统视场无缝拼接,视场扩大65倍后,全视场为0.0489°,可见光入射时单模光纤阵列中各光纤中心空间光耦合效率不低于40%,在加入空间压缩板压缩自由空间光路后,系统的整体厚度实现了1个数量级的压缩。该系统在实现光子集成干涉成像系统大视场无缝拼接成像的同时,为解决超长焦距镜头厚度过大的问题提供了新的思路。

 doi: 10.37188/CO.EN.2024-0004
摘要(28) PDF 616KB(0)
摘要:
数字光栅调焦调平传感器的工艺适应性
曾海峰
 doi: 10.37188/CO.2024-0021
摘要(44) PDF 1699KB(6)
摘要:
数字光栅位移测量技术将CMOS相机像素阵列当作一个“数字化”的光栅,通过构造光学光栅像和数字光栅的周期差,利用微米级的光学光栅像,实现纳米级的位移测量。可以应用于光刻机的调焦调平传感器中,结合倾斜入射的检测光路,对晶圆表面高度进行精确测量。在实际测量中,晶圆表面意外出现的图形会干扰光学光栅的反射成像,进而影响图像处理的结果。本文提出一种数字光栅位移测量的工艺适应性方法,以数字光栅周期为单位,对存在干扰图案时的CMOS图像进行光强的重建和光强曲线的恢复,能在晶圆基底出现较大面积图案时表现出很好的稳定性,且该方法可以适应多种表面缺陷,如划痕、颗粒、污渍和沟槽等。实验结果表明,图像光强的重建后,光强曲线的均方误差大幅减小,修正后的Z向测量误差在±33nm(±3σ=±41.2nm)以内。该方法能增强数字光栅调焦调平传感器的工艺适应性,为调焦调平方法提供技术参考。
云地闪电通道的径向结构及光辐射特征
刘国荣, 代炎炎, 朱维君, 褚润通, 袁萍, 孙对兄, 马云云
 doi: 10.37188/CO.2024-0017
摘要(27) PDF 557KB(4)
摘要:
研究云地闪电通道的径向结构及光辐射特征,可为揭示云地闪电通道形成和发展过程的微观物理机制提供参考依据,为闪电防护提供科学指导。研究小组利用无狭缝高速摄谱仪,在青海高原地区实施野外观测试验。在一次云地闪电中记录到了清晰可见的通道核心,而且在通道核心的外边缘和外部发光通道之间发现有一个较弱的发光区。基于光谱观测,对比分析了首次回击和第三次继后回击的光辐射特征。在实验上验证了闪电通道电晕鞘模型,确定了连接点的位置,估算得到两个回击的闪击距离分别为57m和53m,并证实了回击放电最强的点在连接点处。从而推断,在回击初期,云地闪电回击通道沿径向由内到外依次为通道核心-弱发光区-电晕鞘外层,即闪电通道内沿通道径向的电荷分布是不均匀的;闪电通道的光辐射特征与放电的强度和持续时间密切相关。
拉曼光谱技术在脑胶质瘤检测中的应用研究
葛梅兰, 王与烨, 李海滨, 徐德刚, 姚建铨
 doi: 10.37188/CO.2024-0003
摘要(46) PDF 2449KB(6)
摘要:
脑胶质瘤是一种常见的颅内原发性肿瘤,具有治愈率低以及复发率高的特点。脑胶质瘤边界的精准识别是减少复发、改善预后的重要前提。因此,发展快速、高灵敏度且无标记的脑胶质瘤诊断方法具有重要的临床意义。拉曼光谱技术作为一种指纹谱,能够在分子水平上反映物质的化学和结构信息,已经在脑胶质瘤的定性定位识别中表现出巨大的应用前景。本文首先介绍了不同种类的拉曼光谱技术,其次梳理了拉曼光谱技术在脑胶质瘤中的研究现状,最后对拉曼光谱技术在脑胶质瘤检测中的未来发展进行展望。
冷轧钢表面与内部缺陷检测研究
陈名渝, 谢玥辰, 吕雄涛, 郭建荣, 贾国军, 许志鹏, 王狮凌, 项震, 刘东
 doi: 10.37188/CO.2023-0189
摘要(52) HTML全文(31) PDF 5436KB(13)
摘要:

为实现冷轧钢缺陷全面检测,本文针对其表面和内部缺陷检测进行研究。表面缺陷检测中,提出双侧线光源照明方案,并与常规线光源作对比。内部缺陷检测中,从检测分辨率和缺陷边缘特征两方面,分析X射线、超声以及红外热波成像等金属内部检测技术的适用性。经实验验证,双侧线光源照明不仅使YOLOv5目标检测算法模型总体平均精度mAP:0.5达到90.16%,相比线光源提升15.46%,还可优化模型分类和提高训练效率。X射线和超声波检测法可检测直径0.25 mm盲孔,而红外热波成像技术则可有效识别出直径1 mm盲孔。在缺陷边缘特征评估中,X射线检测法的最小盲孔边缘灰度差值为145,超声波为89,红外热波成像为30。本研究为冷轧钢表面缺陷检测改进需求,并为内部缺陷检测研究提供了思路。

基于特征图金字塔的冠脉造影图像血管分割方法
郭昊虎, 高若谦, 葛明锋, 董文飞, 刘炎, 赵旭峰
 doi: 10.37188/CO.2023-0186
摘要(67) HTML全文(14) PDF 4842KB(7)
摘要:

针对冠脉造影图像照明不均,血管结构与背景区域对比度低,冠脉血管拓扑结构复杂等分割难点,建立了一个冠脉造影血管分割标注数据集,提出了一种基于特征图金字塔的冠脉造影图像血管分割模型。本文模型以U-Net网络为基础进行改进和优化,首先,将U-Net编码部分的第一个卷积层修改为一个7×7的卷积层,提高每一层的感受野,在编解码层中引入修改后的ConvNeXt block,提升网络提取更深层次特征的能力;其次,设计分组注意力机制模块GA引入到U-Net跨连接处,对编码部分提取的特征进行增强,弥补编解码器间的存在语义差距;最后,在U-Net解码器处设计了一个特征图金字塔级联模块PFC,融合各尺度的特征图,并在PFC中每一层加入SE注意力机制模块筛选特征图中有效信息,网络的损失函数为PFC模块各层输出的加权,以监督网络各层的特征提取。本文模型在测试集上的测试结果如下:Dice系数为0.8843,Jaccard系数为0.7926。实验结果表明,相比其他对比方法,本文模型在冠脉血管分割上具有较强的鲁棒性,在低对比度下能够有效抑制噪声,对冠脉血管具有更好的分割效果。

基于改进型Blinn遮蔽函数的目标材料表面可见光偏振反射研究
刘承麟, 战俊彤, 张肃, 王超, 付强, 李英超, 段锦, 姜会林
 doi: 10.37188/CO.2023-0217
摘要(23) HTML全文(10) PDF 9917KB(5)
摘要:

为了研究典型目标材料表面的可见光偏振反射特性,本文针对传统“V”型表面结构缺陷,引入改进Blinn型阴影遮蔽函数,综合考虑镜面反射、漫反射和体散射影响,建立典型目标材料表面偏振六参量二向反射分布函数模型。对不同材料(聚丙烯塑料板、99氧化铝陶瓷板、铁板、绿漆铝板)目标样板进行可见光600nm波段的偏振特性测试实验,并采用遗传算法进行参数反演。实验与仿真结果表明:与传统“V”型遮蔽模型相比,在入射角为50°,相对方位角为180°,0°~60°观测角对目标材料表面偏振特性的影响中,聚丙烯塑料板模型精度提升达到最大,RMSE百分比提升了70.61%,在入射角为50°,观测角为50°,DoLP随90°~270°相对方位角变化中,与两种参考模型相比,模型精度至少提升了24.73%个百分点。线偏振度最小均方根误差值仅为1.29%。对于本文材料而言,偏振特性取决于其复折射率的值,当入射角确定,观测角为0°~60°,相对方位角0°~360°内,n/k比值越大,线偏振度峰值越大。在可见光波段,波长对线偏振度的影响不大。

基于阵列光学的快速多维度成像制导光学系统设计
史浩东, 卢琦, 赵义武, 王稼禹, 赵晓, 李英超, 付强
 doi: 10.37188/CO.2023-0206
摘要(60) HTML全文(21) PDF 6324KB(9)
摘要:

针对传统偏振光谱成像方法难以适用于弹载平台的瓶颈,提出基于阵列光学的快速多维度成像制导光学方案;构建了通道分辨率与望远放大倍率的关联模型,实现了微透镜阵列、光谱滤光阵列和微纳偏振阵列探测器参数的精准匹配和高效利用;基于常规导引头和工业偏振探测器,设计了包含球形整流罩的多维度成像制导光学系统;系统采用4×4光场分割布局,在可见光波段内形成16个光谱通道,光谱分辨率16 nm,实现单光路、单探测器条件下0°、45°、90°、135°等四个偏振方向的偏振光谱图像数据立方体同时高效获取;系统整体焦距150 mm,筒长145 mm。仿真结果表明,系统16个通道下全视场调制传递函数在奈奎斯特频率处均接近衍射极限,成像质量良好,满足弹载目标多维度探测与识别需求。

太赫兹混频器噪声系数测量
陶星宇, 刘文杰, 孙粤辉, 秦菲菲, 宋青娥, 赵泽宇, 刘丽娟, 陈天香, 王云才
 doi: 10.37188/CO.2023-0193
摘要(37) HTML全文(26) PDF 4441KB(7)
摘要:
目的

噪声系数是评价高频电子器件传输信号性能的重要参数,随着工作频率的增加,高频电子器件的噪声系数通常会增大,现有噪声源的超噪比无法满足测量需求,为了实现高频电子器件噪声系数的测量。

方法

基于非相干光混频技术,将三束非相干光耦合进入单行载流子光电二极管,研制了220~325 GHz高超噪比且可调谐的太赫兹光子噪声源,超噪比可调谐至45 dB。通过Y因子法将其应用于大噪声系数、负变频增益太赫兹混频器噪声系数的测量。

结果

测量得到太赫兹混频器噪声系数的范围为16~32 dB,变频增益约为−13 dB,测量不确定度为0.43 dB。

结论

研制的高超噪比且可调谐的太赫兹光子噪声源,能够满足大噪声系数太赫兹电子器件的测量需求,对太赫兹电子器件噪声系数的测量和指导器件的进一步优化有着重要的作用。

双波长纳秒激光清洗技术在大理石上的应用
李晨毓, 胡文哲, 张雪雁, 刘瀚文, 刘晓龙, 曲亮, 祝萌, 段鸿莺
 doi: 10.37188/CO.2024-0002
摘要(44) HTML全文(25) PDF 4442KB(6)
摘要:

传统的清洗方法不能对文物表面较小污染颗粒进行清洗,并且容易造成文物表面不可逆的损伤。为提高清洗污染物的能力,激光清洗技术逐渐应用于不同类型文物的清洗。研制纳秒激光清洗系统并对故宫博物院的大理石模拟样品和大理石碎片进行清洗,清洗的对象是黑色结壳污染物。为了避免变黄效应,采用波长1064 nm近红外光与355 nm紫外相结合的方法对大理石模拟样本进行激光清洗。当两者的能量密度比值为3∶2时,根据显微观测系统的照片,显示有较好的清洗效果,并将此比值应用于大理石碎片样本,利用显微拉曼对清洗效果进行分析。实验结果证实了激光清洗的优势,也为激光清洗大理石表面污染物提供参数和评价方法参考。同时也为激光清洗技术在其他石质文物表面的清洗提供借鉴。

强大气湍流下扩展信标波前重建方法研究
毛浩迪, 李远洋, 郭劲
 doi: 10.37188/CO.2023-0213
摘要(41) HTML全文(16) PDF 9867KB(8)
摘要:

为解决强湍流环境下自适应光学系统无理想点信标波前探测的难题,本文提出了利用光场传感器(Plenoptic sensor)对扩展信标的光场信息探测的方法,对扩展信标的光场成像原理、波前位相重建算法、误差影响规律进行研究,利用等效法将扩展信标看做数个离散点的集合,简化扩展信标在光场传感器上的成像过程,然后将光场图像按照特定的方式重新排列组合,通过图像互相关法和Zernike模式法实现0°视场的波前重建。针对不同输入像差系数、单列微透镜单元数和噪声等误差影响因素进行仿真研究,结果表明:当输入像差在6.5λ以内时,波前重建精度约为0.08λ,对于图像分辨率为1080×1080、像元尺寸5.5 μm的图像探测器,单列微透镜单元数在40到50之间时波前重建精度最高,系统噪声则几乎不影响精度。最后,搭建扩展信标波前探测系统,通过探测扩展信标对0°视场的四种像差波前进行重建,实验系统的波前重建精度约0.04λ,基本满足自适应光学系统的波前检测要求。

基于紫外激光的羟基-平面激光诱导荧光探测研究进展
张仲磷, 杨岸龙, 王江, 程光华
 doi: 10.37188/CO.2024-0013
摘要(87) HTML全文(55) PDF 7391KB(16)
摘要:

羟基(OH)是一种广泛存在于燃烧反应过程中的产物,在燃烧诊断技术中,基于羟基的二维空间分布常用于表征火焰的锋面结构,同时羟基是表征火焰温度、火焰面密度和热释放速率等特征的重要参数。对燃烧火焰中的羟基进行有效探测是探究燃烧动力学演变过程,揭示火焰随机事件产生机理的重要支撑。平面激光诱导荧光(PLIF)技术作为一种光学测量方法具有时空分辨率高、无干扰、组份选择等优点,已成功对本生灯火焰、湍流火焰、旋流火焰和超声速火焰等多种燃烧火焰进行了结构观测,为建立燃烧模型提供了重要参考。本文从PLIF探测的基本原理开始,梳理了PLIF技术在燃烧诊断领域的发展历程和研究现状,介绍了基于染料激光、光参量振荡和钛宝石三倍频方式实现的PLIF紫外光源技术,并对不同技术路线的特点进行了讨论,最后对用于OH-PLIF的紫外激光技术发展进行了展望。

基于同步累积法的舰船尾流微弱信号检测方法研究
宗思光, 段子科, 张鑫, 余扬, 王柏雄
 doi: 10.3788/IRLA2022
摘要(65) HTML全文(37) PDF 4625KB(8)
摘要:
目的

为适应复杂动态变化尾流气泡场环境,提高水下探测装置对舰船尾流微弱信号探测信噪比与检出率。

方法

本文提出了一种基于同步累积法的舰船尾流微弱信号检测方法,利用周期信号的重复性与噪声的随机性,对连续多个周期信号做累积归一化处理,降低随机噪声对探测性能的干扰,提升了探测信噪比;建立了针对舰船尾流微弱信号多时间尺度检测能力评估模型,评估本方法在多参量耦合下的探测性能。

结果

通过在室内水池、室外湖泊条件下开展大量模拟舰船尾流探测实验,验证了该方法适配稀疏微小的远场尾流气泡至高湍流扰动下的大尺度近场气泡检测,

结论

可实现全时域舰船尾流跟踪检测,有效提升水下兵器打击能力,为舰船尾流激光探测识别工程实践提供支撑。

基于实虚交替导频的CO-OFDM-OQAM通信系统激光器相位噪声抑制方法
赵航宇, 王道斌, 张硕, 黄全盛, 温坤, 李广富, 元丽华
 doi: 10.37188/CO.2023-0230
摘要(57) HTML全文(30) PDF 5027KB(7)
摘要:

针对偏移正交幅度调制的相干光正交频分复用(CO-OFDM-OQAM)通信系统,本文提出了一种基于实虚交替导频的相位噪声抑制算法。该算法利用激光器相位噪声的性质和固有虚部干扰(IMI)系数的对称性规律设计全新的实虚交替导频,结合线性拟合,能够准确估计每个频域符号的公共相位误差(CPE)。由于是在频域进行补偿,与时域相位噪声抑制算法相比较,计算复杂度大幅下降。我们搭建了有效速率为65 GBits/s的偏振复用CO-OFDM-OQAM系统的数值仿真平台,研究了不同激光器线宽和子载波个数下系统的传输性能,考察了所提方法对相位噪声的抑制效果。获得的结果证实:OSNR固定为25 dB,子载波总数为256、512和1024时,误码率达到FEC极限时所需要的线宽分别等于801.1、349和138.4 KHz。对于使用16-QAM调制格式、子载波个数为256或512的系统,能较好补偿激光器相位噪声,而且不会影响功率峰均比。

 doi: 10.37188/CO.EN.2024-0005
摘要(50) PDF 743KB(6)
摘要:
正弦型中频面形误差对光学传递函数的影响
陈建军, 王琳琳, 霍立民, 匡翠方, 毛磊, 郑驰, 尹禄
 doi: 10.37188/CO.2023-0229
摘要(67) HTML全文(51) PDF 4711KB(7)
摘要:
目的

中频面形误差(MSFSE)会导致光学系统发生小角度散射,影响系统性能。为了在光学设计和光学加工中制定合理的中频面形误差公差,就中频面形误差对光学系统光学传递函数(MTF)的影响进行了量化研究。在衍射受限条件下,推导出正弦型中频面形误差对光学系统MTF的影响的表达式并对其进行分析,然后通过光学设计软件仿真验证理论推导结果。

方法

假设光学系统光瞳上带有正弦型中频面形误差,对光瞳函数进行傅里叶变换,然后平方得到点扩散函数(PSF),再对PSF进行傅里叶变换得到光学系统的光学传递函数(OTF),对OTF取模,即可得到中频误差影响下的MTF的表达式。该式与衍射受限条件下无中频误差的光学系统MTF对比,得到中频误差对光学系统MTF的量化影响。

结果

理论计算结果表明:正弦型中频误差使光学系统的MTF在不同空间频率处产生不同的损失,损失值随空间频率周期性变化;峰谷值(PV)为0.030 μm、0.095 μm、0.159 μm和0.223 μm的中频面形误差,造成光学系统MTF的最大损失比例分别为0.89%、8.80%、23.48%和43.31%;随着中频误差PV的增加,MTF的损失值非线性快速增加。软件仿真结果与理论计算结果吻合。

结论

研究结果能够为光学设计与加工的技术人员,确定光学成像系统中光学元件的中频面形误差的公差范围提供理论指导。

 doi: 10.37188/CO.EN.2024-0003
摘要(59) PDF 557KB(0)
摘要:
快速反射镜的复合快速非奇异终端滑模控制
李智斌, 李亮, 张建强
 doi: 10.37188/CO.2023-0203
摘要(120) HTML全文(57) PDF 9740KB(22)
摘要:

为进一步提升激光通信精跟踪系统的控制性能,本文对音圈电机驱动的快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)控制方法进行了研究。针对FSM中存在的强轴间耦合与外部扰动问题,提出了融合前馈解耦补偿与固定时间扩张状态观测器的复合快速非奇异终端滑模控制策略。首先,采用系统辨识方法建立FSM的双输入双输出耦合传递函数矩阵模型,并设计前馈解耦补偿器补偿耦合分量,以实现X轴和Y轴之间的运动解耦。其次,针对解耦后的各单轴模型,设计固定时间扩张状态观测器,同时实现对角速度和外部干扰的固定时间估计。随后,构建快速非奇异终端滑模面,并在控制律设计中采用指数幂函数取代符号函数,以提高系统收敛速度并抑制控制抖振,基于Lyapunov方法证明所提控制系统的稳定性和跟踪误差有限时间内收敛。最后,通过对比实验,验证提出的复合控制策略的有效性。实验结果表明,FSM在100 Hz强扰动存在的情况下,跟踪60 Hz和120 Hz圆形轨迹,其轨迹跟踪误差的平均绝对值分别为0.0036°和0.0131°,系统能够保持良好的跟踪性能,验证了所提复合控制策略是有效的,满足激光通信FSM的高精度和强抗扰等要求。

类H型结构的太赫兹带阻滤波器
陈祥雪, 付子亲, 王凤超, 陈进, 杨晶
 doi: 10.37188/CO.2023-0179
摘要(102) HTML全文(55) PDF 3966KB(12)
摘要:

本文基于对称的类H型结构设计了一种超材料太赫兹带阻滤波器,这种H型结构的连续金属臂可以流通电流,能为拓展超材料滤波器在电子应用领域提供有效参考。利用电磁仿真软件CST Microwave Studio 2021研究了该滤波器的滤波特性,通过改变H型双臂间距臂长、周期长度、双H间距离等,确定了滤波器的几何参数。结果表明,该结构可实现偏振选择的功能,在y偏振条件下,滤波器在0.2~2.3 THz范围内没有明显谐振峰,但透过率范围在−15到−3 dB之间。而在x偏振条件下,可在中心频率1.34 THz处可获得FWHM带宽为0.15 THz的一个阻带,传输参数约为−30 dB。为了验证仿真结果,采用微加工工艺制备了超材料滤波器样品,使用透射式太赫兹时域光谱系统对样品进行测试,测试结果与仿真结果吻合较好。

面向微光学元件表面形貌测量的涡旋相移数字全息技术
薛一梦, 刘丙才, 潘永强, 房鑫萌, 田爱玲, 张瑞轩
 doi: 10.37188/CO.2023-0180
摘要(142) HTML全文(58) PDF 5987KB(29)
摘要:

非接触、无损害的相移数字全息技术对微光学元件的检测具有独特优势。因传统的相移数字全息技术需要对相移器进行精细控制和繁琐校准,同时其光路易受到机械振动干扰,降低全息再现像的质量。本文借助涡旋光特殊的相位分布,提出了一种基于涡旋相移数字全息的微光学元件表面形貌测量方法。该方法利用螺旋相位板调制涡旋相位,引入高精度相移;基于构建的涡旋相移数字全息显微实验装置,采用干涉极值法确定了相移干涉图之间的真实相移量,并对螺旋相位板的旋转角度与相移量的关系进行标定,实验验证了涡旋相移的可行性;对微透镜阵列进行了重复测量实验,将测试结果与ZYGO白光干涉仪的测试结果进行了比较。结果表明:测量得到单个微透镜的平均纵向矢高为12.897 μm,平均相对误差为0.155%。所提方法可以实现对被测微光学元件表面形貌的高精度测量,具有易于操作、稳定可靠、准确性高等优点。

基于外差相敏色散光谱技术的宽动态范围甲烷气体检测
周晨, 马柳昊, 王宇
 doi: 10.37188/CO.2023-0177
摘要(156) HTML全文(69) PDF 4644KB(34)
摘要:
目的

为实现痕量甲烷气体的宽动态范围高灵敏度检测,本文发展了双边带拍频抑制模式的外差相敏色散光谱技术,探索了电光调制器工作特性以及偏置电压调控方法,对比了抑制与非抑制模式下的色散相位谱轮廓与信噪比,并对检测性能(如线性动态检测范围)进行了系统研究。

方法

基于近红外分布式反馈激光器和电光调制器,搭建了外差相敏色散甲烷气体检测系统,通过探索和分析电光调制器的最佳工作区间,实现了双边带拍频抑制进而得到了大幅值、高信噪比的色散相位信号。测量了典型高频(1.2 GHz)强度调制下甲烷/氮气标气的色散相位信号,获取了色散相位信号峰峰值随气体浓度变化规律。同时开展了波长调制光谱技术实验,对两种技术的线性度,检测动态范围和对光功率波动的抗干扰性能进行对比研究。最后,通过测量不同浓度的标气验证了该系统在宽动态,快速时间响应下的性能。

结果

所开发基于外差相敏色散光谱技术的甲烷检测系统具有线性度高(R2 = 0.9999),检测动态范围宽(38.5 ppm~40%),且对光功率波动免疫性高的显著优势。

结论

本文研发的基于外差相敏色散光谱技术的气体检测技术在宽动态范围检测和实际现场检测应用领域具有广阔的前景。

空间激光通信组网技术与应用研究进展
刘智, 蒋青芳, 刘树通, 田少乾, 刘显著, 于佳鑫, 赵建彤, 姚海峰, 董科研
 doi: 10.37188/CO.2023-0140
摘要(143) HTML全文(315) PDF 9778KB(93)
摘要:

激光通信是以光波为载体实现信息传输的通信技术,具有高速率、高带宽、小尺寸、抗干扰和保密性好等优势,具备实现空间信息网络高速传输和安全运行的关键能力。本世纪以来,国内外主要研究机构致力于研究激光通信技术在实现组网过程中所需要解决的一系列问题,包括一点对多点同时激光通信、节点内多路信号全光交换与转发、节点动态随遇接入、网络动态拓扑结构设计等关键技术,并开展了众多演示验证实验,部分研究成果已经投入应用。本文在对空间激光通信组网技术进行分析探讨的基础上,概述了国内外的激光通信组网技术的发展现状,重点对卫星星座、卫星中继和航空网络等领域中激光通信组网技术的应用情况和发展现状进行了分析和总结,对国内相关研究技术方案、实验验证情况等进行了综述,最后对激光通信组网技术与应用的发展趋势进行了预测。

面向地物混杂背景的偏振光谱图像融合方法
李英超, 赵喆浩, 王祺, 刘嘉楠, 史浩东, 付强, 孙洪宇
 doi: 10.37188/CO.2023-0185
摘要(79) HTML全文(40) PDF 8706KB(15)
摘要:

针对偏振光谱图像融合方法在地物混杂背景遥感探测中多尺度变换融合图像边缘轮廓细节模糊、对比度不佳的问题,采用一种基于非下采样轮廓波变换的稀疏表示与引导滤波器相结合的图像融合方法,以改善融合图像的质量和视觉效果。首先,该方法通过非下采样轮廓波变换对光谱图像和偏振图像进行多尺度多方向分解,进而将图像分解成不同子带内的特征信息。其次,低频子带采用稀疏表示融合,从而降低融合图像中物体对比度损失。此外,采用引导滤波器融合高频子带,达到增强图像轮廓细节信息的效果。最后,对低频与高频融合系数进行非下采样轮廓波逆变换最终得出融合图像。分析表明融合图像对比度相对于原始光谱图像与偏振度图像分别提升了54.5%和15.4%,更容易区分混杂背景下阴影中的物体。基于此方法对偏振光谱成像仪所采集的不同波长下的光谱与偏振图像进行融合,并实现真彩还原。真彩还原图像证明此融合方法在保留混杂背景下的环境信息的同时实现物体和背景区分,有效提高了偏振光谱遥感探测成像的图像质量,有助于提升偏振光谱遥感探测成像中图像信息的完整性和真实性,扩大其在复杂环境遥感探测和图像识别中的应用范围。

基于注意力残差网络的快照式多光谱相机图像重构
闫纲琦, 梁宗林, 宋延嵩, 董科研, 张博, 刘天赐, 张雷, 王岩柏
 doi: 10.37188/CO.2023-0196
摘要(81) HTML全文(45) PDF 8459KB(13)
摘要:

随着光谱成像技术的飞速发展,使用多光谱滤光片阵列(Multispectral filter array,MSFA)采集多光谱图像的空间和光谱信息已经成为研究热点。如何利用低采样率且强频谱互相关性的原始数据进行重构成为了瓶颈和制约。因此基于一种含有全通波段的8波段4×4MSFA,提出了空谱联合的多分支注意力残差网络模型。首先使用多分支模型对各个波段插值后的图像特征进行学习。其次八个波段和全通波段的特征信息联合通过本文设计的空间通道注意力模型,应用多层卷积和卷积注意力模块并使用残差补偿的方式可以有效的弥补各波段的颜色差异和丰富边缘纹理相关特征信息。最后初步插值的全通波段和其余波段特征信息通过无需进行批量归一化的残差密集块对多光谱图像空间和光谱相关性进行特征学习以匹配各个波段的光谱信息。实验结果表明,本文对于在D65光源下测试图像的峰值信噪比、结构相似度和光谱角相似度分别优于最先进深度学习方法3.46%、0.27%和6%,并且此方法不仅减少了伪影还获得更多的纹理细节。

基于贝叶斯神经网络的相位梯度计算方法
张康洋, 倪梓浩, 董博, 白玉磊
 doi: 10.37188/CO.2023-0168
摘要(111) HTML全文(38) PDF 7531KB(11)
摘要:
目的

应变重构是相衬光学相干层析力学性能表征中的关键步骤,其需要准确计算出差分包裹相位的梯度分布。为了能够解决强噪声干扰下的相位梯度重构信噪比低难题,提出了一种基于贝叶斯神经网络的相位梯度计算方法。

方法

首先,通过计算机模拟不同散斑噪声等级下的包裹相位图,并生成相应的理想相位梯度,以构建网络的训练集。其次,基于网络训练集采用贝叶斯推断理论学习强噪声环境下的包裹相位与相位梯度的“端到端”映射关系。最后,将相衬光学相干层析测量的差分包裹相位结果送入贝叶斯神经网络进行处理,实现高信噪比相位梯度预测。此外,通过借助贝叶斯神经网络的统计特性,以模型不确定度来定量评估相位梯度预测结果的可靠性。

结果

数值实验和三点弯曲力学加载实验对比了本文方法和主流的矢量方法,实验结果表明:在噪声较小条件下,本文方法重构的相位梯度信噪比可提升8%;在噪声较强条件下,本文方法能成功恢复因相位条纹难以分辨而无法计算的相位梯度。此外,模型不确定度能够定量分析网络的相位梯度预测误差。

结论

可以预见,在样品形变复杂且先验信息未知条件下,本工作为相衬光学相干层析提供了一种有效的应变重构方法,从而能实现高质量和高可靠的内部力学性能表征。

同带泵浦的Tm:CYA调Q锁模激光器
孙堂正, 李云飞, 谭晶荣, 杜晓娟, 丁嘉宇, 任舒婷, 许浩, 王翀, 杨金芳, 张明霞, 朱永乐, 董忠, 令维军
 doi: 10.37188/CO.2023-0162
摘要(131) HTML全文(46) PDF 2637KB(17)
摘要:

以半导体可饱和吸收镜SESAM作为锁模启动元件,利用同带泵浦技术首次在Tm:CaYALO4(Tm:CYA)激光器实现了被动调Q锁模运转。光路采用X型四镜腔结构,泵浦源采用Er:Y3Al5O12(Er:YAG)固体激光器,其中心波长为1650 nm。分别采用0.5%、1.5%、3%和5%透过率的输出耦合镜,对激光器连续光输出和锁模输出特性进行研究,实验结果表明,当采用5%透过率的输出耦合镜时,激光器的输出特性最好。当激光器在连续光运转情况下,得到了894 mW的最高功率和16%的最大斜效率输出。将连续光功率优化至最高,在光路中加入SESAM锁模元件后,当吸收泵浦功率大于1.86 W时,激光运转进入不稳定的调Q状态;当吸收泵浦功率提高到5.7 W时,实现了稳定的被动调Q锁模运转;吸收泵浦功率达到6.99 W时,采用5%的输出镜,获得了最高输出功率为399 mW的锁模脉冲激光。此时调Q包络下重复频率为98.11 MHz,脉冲宽度为619.4 ps,对应最大单脉冲能量为4.07 nJ。调Q包络中锁模脉冲调制深度接近100%。实验结果表明,同带泵浦技术可以用于激光器以实现调Q锁模脉冲的产生,为超短脉冲激光的产生提供了一种新的泵浦方式。

强光背景下主动偏振成像方法研究
史浩东, 许家伟, 张健, 吴洪波, 王超, 刘壮, 战俊彤, 李英超, 付强
 doi: 10.37188/CO.2023-0151
摘要(152) HTML全文(85) PDF 5740KB(32)
摘要:

针对传统光电探测手段在强光背景下目标探测对比度低的问题,提出一种基于激光照明的主动偏振成像方法。通过构建激光入射双向反射分布模型、激光入射偏振双向反射分布模型以及激光照明的目标表面偏振度模型,分析三种典型目标材料偏振特性与束散角之间的耦合关系;在暗室可控条件下开展逆光观测实验,验证目标偏振特性受激光束散角的影响。实验结果表明:强光背景下主动偏振成像目标对比度与传统被动强度成像相比提升86.11%,不同束散角下不同目标材料的可见光偏振特性存在差异,金属材质相对于非金属材质线偏振度提升更高,实验结果与理论分析具有较好的一致性。在室外开展太阳逆光观测实验,验证了研究方法在室外高强光、远距离下依旧具有适用性。本研究可为提升强光背景下目标精准感知能力奠定理论基础。

大孔径太赫兹波成像光学系统设计
曹一青, 沈志娟
 doi: 10.37188/CO.2023-0175
摘要(88) HTML全文(60) PDF 2929KB(12)
摘要:

太赫兹波具有高穿透性、低能性及指纹谱性等特征,在探测领域被广泛应用,因此设计太赫兹波成像光学系统具有重要的意义和广泛的应用前景。首先,以四块透镜构成的天塞物镜为参考结构,应用近轴光学系统像差理论构建系统像差平衡方程,给出了系统初始结构参数求解函数和方法,再结合光学设计软件对系统像差进一步校正,最终设计了一种用于太赫兹波探测的大孔径光学成像系统。该光学系统由四块同轴折射透镜构成,焦距70 mm,F数为1.4,全视场角为8°,在奈奎斯特频率10 lp/mm处全视场角范围内的调制传递函数(MTF)值均大于0.32,各视场内的弥散斑均方根(RMS)半径均小于艾里斑半径,最后对系统各种公差进行分析和讨论。设计结果表明,本文设计的太赫兹波探测光学成像系统具有孔径大、结构简单且紧凑、成像质量较好且加工性易于实现等特点,满足设计要求,它在太赫兹波段高分辨率探测领域具有重要应用价值。

鬼像影响下的调制传递函数计算模型
肖鹏益, 刘铭鑫, 闫磊, 胡铭钰, 张新
 doi: 10.37188/CO.2023-0121
摘要(107) HTML全文(60) PDF 4772KB(15)
摘要:

鬼像是由于镜面间的残余反射所产生的一种杂散光。鬼像会降低光学系统的成像清晰度,湮灭目标,严重影响光学系统的性能。为了探究鬼像对成像系统性能的影响,构建了二次反射产生的鬼像影响下的调制传递函数(MTF)的计算模型。本文首先介绍了在近轴近似下的鬼像分析与描述的方法。接着,从调制传递函数的定义出发,考虑鬼像在像面处的照度对像面调制度的影响,构建了鬼像影响下的MTF计算模型。通过对一系统进行实例计算,并与仿真结果进行比对得到均方误差最大不超过0.049373,进而验证了该模型的准确性。同时针对误差较大的结果进行了详细分析,明确了该计算方法的适用范围。研究结果表明,利用近轴近似的方法计算鬼像影响下的MTF在大多数情况下是真实准确的,该研究为光学系统的鬼像分析方面做出了有益探索。

用于单切片双模态光学关联成像的肾脏组织样本处理方法
高歌, 郭晓光, 吴俊楠, 陈海龙, 史冰, 黄振立
 doi: 10.37188/CO.2023-0105
摘要(104) HTML全文(63) PDF 2106KB(31)
摘要:

明场成像能够提供细胞或组织的形态学信息,荧光成像可以获取关键蛋白的表达信息,基于两者的双模态关联成像是目前医学和科研中常用的组织样本检查方式。然而,在临床检查时通常利用基于邻近切片之间的关联成像进行观察。此时,组织结构和细胞层次均会有或多或少的改变,这在样本量不足、切片上的细胞有限或需要获得点对点精准形态学信息的情景下显得十分不利。因此,发展单切片双模态光学关联成像技术,在单张切片上同时提供组织形态和多个目标蛋白的分布及表达,有助于更准确地描述肿瘤及其微环境。在样本量稀缺的肾脏病理检测中,该技术显得尤为重要:肾脏病理需要利用明场成像获取苏木素-伊红染色后组织和细胞的病理形态学信息,而利用荧光成像来获取多个目标蛋白的分布及表达情况则是肾脏免疫病理筛查的必检分子项目。本文重点研究了将苏木素-伊红染色和免疫荧光染色在同一张肾脏切片上实现的组织样本处理方法,对染色、褪色及复染的流程进行改良和效果对比,并探索将单切片双模态图像进行创新性融合。

小闪耀角单晶硅光栅结构参数优化及制备工艺
徐昊宇, 姜岩秀, 陈星硕, 王瑞鹏, 张靖, 巴音贺希格
 doi: 10.37188/CO.2023-0056
摘要(207) HTML全文(37) PDF 6667KB(57)
摘要:

为了满足国家同步辐射光源的需要,对单晶硅小闪耀角光栅的各向异性湿法刻蚀制备工艺展开了研究,制备适用于软X射线中波波段的闪耀光栅。首先基于严格耦合波法对小闪耀角光栅进行了结构参数优化及工艺容差分析。在晶向对准过程中,先通过环形预刻蚀确定硅片晶向,再基于倍频调整法实现光栅掩模与单晶硅<111>晶向的对准。同时研究了光刻胶灰化技术及活性剂对光栅槽形质量的影响,并通过单晶硅各向异性湿法刻蚀工艺成功制备了接近于理想锯齿槽形的闪耀光栅。实验结果证明:所制备光栅闪耀角为1°,刻线密度为1200 gr/mm,闪耀面均方根粗糙度在0.5 nm以内。此方法可以应用于软X射线中波波段闪耀光栅的制作,在获得较高衍射效率的同时可以大大减少其制作难度及成本。

综述
天基空间态势感知数据仿真研究进展
罗秀娟, 郝伟
2024, 17(3): 501-511.   doi: 10.37188/CO.2023-0156
摘要(328) HTML全文(134) PDF 3788KB(103)
摘要:

空间态势感知(Space Situational Awareness, SSA)数据仿真可以为空间监测设备及态势感知算法(包括空间目标检测、跟踪、识别和表征)的开发、测试和验证提供关键性数据支持,在空间态势感知能力建设中发挥重要作用。本文以天基空间态势感知光学数据仿真为研究对象,给出了SSA数据仿真的研究目的和主要研究内容,详述了SSA光学成像仿真的典型研究方法与过程。介绍了国内外相关工作的研究现状与工作进展,涵盖双目视觉传感器、激光雷达、红外传感器、可见光望远镜和恒星敏感器等不同光学传感系统的成像建模与仿真工作成果。分析了空间态势感知数据仿真研究的发展趋势,为未来SSA数据仿真研究思路与方法提供参考。

原创文章
基于超构透镜的微型头戴式荧光显微镜设计
张智淼, 王承邈, 谢冕, 林雨, 韩业明, 邓永波, 郭长亮, 付强
2024, 17(3): 512-520.   doi: 10.37188/CO.2023-0237
摘要(156) HTML全文(85) PDF 25553KB(40)
摘要:

微型头戴式荧光显微镜可以对自由移动活体动物大脑中的神经活动进行实时成像,是近些年兴起的脑科学研究新仪器。然而,目前大多数微型荧光显微镜为了做到更小巧、更轻便,视场都比较小,这使得可用于观测的神经细胞数量受限,虽然有大视场系统的报道,但重量都比较大,对动物的自由行为会产生一定的影响。为了提高微型荧光显微镜成像性能,同时降低其重量,光学系统采用超轻、超薄、成像质量高的超构透镜。本文首先推导了双曲相位超构透镜的像差公式,并以此为指导,完成了一款视场为4 mm×4 mm、NA为0.14的微型荧光显微镜设计,实现了7种初级像差的校正。装配完成的样机重量仅为4.11 g,全视场范围内分辨率为7.8 μm,对自由移动小鼠大脑中的神经活动进行成像观测能够达到单细胞分辨率。

哈特曼-夏克波前传感器高精度球面波标定方法研究
包明帝, 史国华, 邢利娜, 何益
2024, 17(3): 521-527.   doi: 10.37188/CO.2023-0148
摘要(209) HTML全文(119) PDF 4629KB(54)
摘要:

为解决哈特曼-夏克波前传感器传统标定方法存在的测量精度低、稳定性不足等问题,提出了一种基于球面波的哈特曼-夏克波前传感器高精度绝对标定方法。通过理论推导获取了球面波的高精度标定方法,结合搭建的球面波标定实验装置,对子孔径数为128×128的哈特曼-夏克波前传感器完成高精度标定。该方法计算得到了哈特曼-夏克波前传感器结构参数fw以及L0的精确值。对标定后的哈特曼-夏克波前传感器的测量精度进行测试,实验结果表明,经本文方法标定后的哈特曼-夏克波前传感器的波前复原精度达到了PV=1.376×10−2λ,RMS=4×10−3λ(λ=625 nm),重复性精度为PV=3.2×10−3λ,RMS=9.76×10−4λ(λ=625 nm)。该方法可以为大口径的SHWFS完成高精度标定,提升测量精度。

基于荧光强度比的毛细管液芯光纤温度传感器
张烨禹, 刘婷, 黄建伟, 黄学智, 陈明杰
2024, 17(3): 528-537.   doi: 10.37188/CO.2023-0160
摘要(157) HTML全文(68) PDF 3436KB(36)
摘要:

针对现有光纤荧光温度传感探头制备复杂的问题,本文提出了一种制备简单、成本低廉且性能优异的基于毛细管液芯的光纤荧光温度传感器。首先将对温度敏感的罗丹明B和对温度不敏感的罗丹明123的混合溶液作为温敏材料封装在不锈钢毛细管中制备成传感探头,利用两者荧光发射峰强度的比值进行温度传感。之后对传感探头中混合溶液的浓度和毛细管的结构参数进行了优化,并对传感器的性能进行了测试,最终将其应用于实际生活温度检测中。实验结果表明:该传感器的温度响应范围为30~70 °C,荧光强度比与温度之间呈二次相关,拟合相关系数高达0.9984,且具有很好的准确性、重复性和稳定性,使用时间可达3个月以上,能很好地应用于对日常生活中温度的检测。该光纤荧光温度传感器在实时监测和远端探测方面具有很大的潜力。

难点注意力感知红外小目标检测网络
王伯霄, 宋延嵩, 董小娜
2024, 17(3): 538-547.   doi: 10.37188/CO.2023-0178
摘要(262) HTML全文(104) PDF 4195KB(41)
摘要:

随着飞行器机动性能的提升,多帧红外小目标检测方法不足以满足检测要求。近年来,基于深度学习的单帧红外小目标检测方法取得了巨大成功。然而,红外小目标通常缺少形状特征,而且边界与背景模糊不清,给准确分割带来了一定的挑战。针对上述问题,本文提出难点注意力感知红外小目标检测网络。通过基于点的区域建议模块获取目标潜在区域,同时滤除多余背景。为实现高质量分割、细化掩码边界模块、判断粗掩码中无序、非局部难以分辨点,融合这些难点的多尺度特征,进行逐像素注意力建模。最后,由点检测头对难点注意力感知特征重新预测,生成精细分割掩码。在公开数据集NUDT-SIRST和IRDST上进行测试,平均精度均值mAP达到87.4和63.4,F值达到0.8935和0.7056。本文提出的难点注意力感知红外小目标检测网络可在多检测场景、多目标形态下实现准确分割,抑制误报信息,同时控制计算开销。

仿生偏振光罗盘太阳位置检测方法
杨江涛, 王明凯, 刘思拓, 梁磊, 刘志, 郭越
2024, 17(3): 548-559.   doi: 10.37188/CO.2023-0192
摘要(144) HTML全文(56) PDF 6092KB(24)
摘要:

针对偏振光导航对天空中特征点精确位置信息的需求,提出一种基于全天域偏振模式成像系统对太阳位置进行精确检测的方法。与传统的基于光斑的太阳位置检测方法相比,该方法利用大气中固有的偏振信息完成对太阳位置的精确测量,具有检测方法简单、精度高且适用范围广等特点。搭建的光学采集系统由三个微小型的大视场摄像头模组和偏振片构成,使得结构更加紧凑,体积更小,高度更低。从原理出发,仿真分析太阳位置求解算法,采用搭建的光学采集系统对本算法在3种天气(晴天、遮挡、气溶胶)环境下进行验证。结果显示:当天气晴朗时,在同一天不同时刻,测量的太阳高度角和方位角的精度分别为0.024°和0.03°;当太阳被高层建筑物遮挡时,太阳的高度角和方位角的测量精度分别为0.08°和0.05°;当太阳被树木的枝叶遮挡时,太阳的高度角和方位角的测量精度分别为0.3°和0.1°。研究发现当气溶胶的浓度超过一定量时就会破坏偏振光的Rayleigh分布模式,进而会影响太阳位置的检测精度。实验结果表明,这种新型的检测方法不仅能够满足偏振光导航对太阳位置精确信息的需求,还能为喜欢探索宇宙奥秘的爱好者提供一种新的探索思路。

复杂水文微弱多目标激光探测仿真与实验
宗思光, 杨劭鹏, 张鑫, 彭丹, 段子科, 陈报
2024, 17(3): 560-571.   doi: 10.37188/CO.2023-0141
摘要(173) HTML全文(114) PDF 5827KB(38)
摘要:

为了探究在近岸复杂水体中激光探测对微弱目标的探测能力,研究水质、目标特征、目标距离对水下激光探测的影响具有重要理论和应用价值。论文建立了水下微弱目标激光探测模型,采用蒙特卡洛仿真验证了不同浊度微弱多目标激光探测性能,模拟了不同距离下微弱目标的激光后向散射回波信号,对多个不同反射系数的目标后向散射回波特性进行了分析。同时设计并研制了灵巧便携式水下微弱目标激光探测系统,进行了实验室及外场湖泊环境下的多目标探测、测距测试验证。在浊度为12.87 NTU的近岸湖泊水域,该系统可在10 m范围内对3~4个直径为80~400 μm的不同低反射系数的混合小目标进行有效探测,平均测量误差为±0.11 m,与理论仿真结果一致。本文研究结果可为蓝绿激光水下多微弱目标探测链路计算、系统设计及参数优化提供参考,可以支撑近海浑浊水体下水下障碍物激光探测工程实践。

基于曲率特征的文物点云分类降采样与配准方法
朱婧怡, 杨鹏程, 孟杰, 张津京, 崔嘉宝, 代阳
2024, 17(3): 572-579.   doi: 10.37188/CO.2023-0115
摘要(215) HTML全文(77) PDF 3396KB(33)
摘要:

三维重构是文物数字化的关键技术,其中三维点云配准精度是评估重构质量优劣的重要指标之一。实际采样中,文物点云细节信息繁多,传统降采样后易出现细节缺失从而影响配准精度。为了解决这一问题,本文提出了一种基于曲率特征的文物点云分类降采样与配准方法。首先,通过线性矩阵激光测量获取文物的三维点云数据。其次,计算所有点的曲率值,并设置曲率阈值进行点云分类,不同点集按照其特征属性进行不同权重的降采样,从而最大限度地保留点云的形态特征和细节信息。最后,通过求解刚性变换模型实现点云配准。点云配准前的降采样处理后点云数据降至原始点云的1/3,与传统的整体降采样ICP方法相比,平均距离从0.89 mm约降至0.59 mm,标准偏差从0.29 mm约降至0.18 mm。在降低点云数据的同时也保证了配准的精度,适用于不同类型的文物点云数据。

可见光波段高温标定的简化方法
李云龙, 李周, 孙志远, 杨国庆
2024, 17(3): 580-585.   doi: 10.37188/CO.2023-0122
摘要(225) HTML全文(150) PDF 2273KB(38)
摘要:

为了提高可见光波段(0.3 μm~0.9 μm)高温标定的效率,提出了可见光波段高温标定的简化方法。本文提出了带有曝光时间变量的可见光波段的高温标定模型,通过大量实验发现,RGB相机各个通道的灰度值不仅随曝光时间递增呈线性变化,且随黑体辐射亮度的递增也呈线性变化,进而确定了可见光波段高温标定模型的具体形式。为了求解简化后的可见光波段高温标定模型中的未知数,在两个黑体辐射亮度下,分别采集两个曝光时间下的图像数据,接着,对图像数据进行处理,便可以得到任意曝光时间下的RGB相机高温标定曲线。最后,对本文提出的简化可见光波段高温标定方法与常规按曝光时间进行可见光波段高温标定法进行比较。实验结果表明:R、G、B通道计算值与标定值的相对误差最大值分别为3.38%、2.56%和−1.14%,且各通道的计算值与标定值的相对误差均未超过3.50%。本文提出的数学模型可以有效地简化传统的高温标定法,进而大大缩短了高温标定时间,提高了高温标定的标定效率。

并联结构轴系回转误差建模及装配优化
董一鸣, 江波, 李翔宇, 谢友金, 吕涛, 阮萍
2024, 17(3): 586-594.   doi: 10.37188/CO.2023-0171
摘要(173) HTML全文(56) PDF 2873KB(28)
摘要:

为提高光电经纬仪等二维转台的轴系运动精度,本文基于雅可比旋量理论建立了一种可考虑零件结构误差及其耦合放大效应的数学模型。针对“一端固定、一端游动”的轴系结构,提出了局部并联结构的分析方法。通过数值仿真分析,获得了各零件结构误差对轴系运动精度的影响以及最优的轴系装配方案。光学口径为650 mm的光电经纬仪的装调结果表明:装配优化后的轴系运动精度较优化前提高了32.1%。所构造的轴系运动精度模型及优化方法为指导光电经纬仪等二维转台的轴系装调以及公差设计提供了一定的理论根据。

改进鲸鱼优化算法的壁面红外反射特性求解
张潞, 樊金浩, 鲁宇轩, 张磊, 傅莉
2024, 17(3): 595-604.   doi: 10.37188/CO.2023-0095
摘要(131) HTML全文(61) PDF 4610KB(19)
摘要:

壁面的红外反射特性由双向反射分布函数(BRDF)表征和求解。目前BRDF测量需要大量实验数据,同时存在精度不高的问题。通过构建壁面反射特性测试平台,使用MR170型傅立叶红外光谱辐射计获取2~15 μm波段下入射角度和各个反射角度的目标辐射亮度。针对隐身目标,应用RBF网络对3~5 μm以及8~14 μm波段的辐射亮度曲线进行拟合,排除大气干扰,进而求解出上述两个波段隐身目标的BRDF值。为了解决BRDF模型精度不高的问题,提出了改进的鲸鱼优化算法(IWOA),对BRDF模型参数进行反演,并设计了基于BRDF的反射率求解方法。IWOA对BRDF计算模型参数反演有良好的效果。根据反射法,应用所得到的BRDF数据求解得到的反射率为0.5496,相对误差为6.17%,满足工程需求。

基于双自由度转台的全向空间单目视觉室内定位测量方法
吴军, 王豪爽, 单腾飞, 郭润夏, 张晓瑜, 陈玖圣
2024, 17(3): 605-616.   doi: 10.37188/CO.2023-0106
摘要(161) HTML全文(94) PDF 3471KB(34)
摘要:

针对传统单目视觉测量系统测量视场有限的问题,本文提出一种基于双自由度旋转平台的全向空间单目视觉测量方法。首先,对双自由度旋转平台的转轴参数进行标定,用副相机拍摄固定在双自由度转台上的棋盘格标定板,提取棋盘格角点的位置坐标,并将其转化到同一相机坐标系下。利用PCA(主成分分析)平面拟合得到初始位置转轴参数中的方向向量,使用空间最小二乘圆拟合方法得到初始位置下转轴参数中的位置参数。然后,通过转台转动的角度以及罗德里格斯公式将不同位置下相机获取的数据进行坐标系统一,实现水平和竖直方向全向空间下的目标测量。最后,通过高精度激光测距仪验证了本方法的测量精度,并通过与双目视觉测量系统、wMPS测量系统进行比对实验,验证了本方法的全向空间测量能力。实验结果表明,本方法测量精度基本达到双目视觉测量系统水平,但测量范围远大于双目视觉测量,可以满足全向空间测量要求。

流道结构对半导体泵浦流动铷蒸气激光器特性影响
潘丽, 何洋, 马利国, 季艳慧, 刘金岱, 陈飞
2024, 17(3): 617-629.   doi: 10.37188/CO.2023-0174
摘要(154) HTML全文(87) PDF 3903KB(37)
摘要:

为研究气体流道结构对半导体泵浦流动碱金属蒸气激光器(FDPAL)输出性能的影响,本文结合FDPAL中气体传热、流体力学和激光动力学过程建立了FDPAL理论模型,以侧面泵浦Rb蒸气FDPAL(Rb-FDPAL)为仿真对象,分析气体流动方向、流道横截面积和流道形状等对Rb-FDPAL输出性能的影响。结果表明,采用横流方式,通过提高流道横截面积并将气体流道与蒸气池连接部位设置为砌体结构时,蒸气内涡流得到有效抑制,气体流速增加,蒸气池内热效应更小,Rb-FDPAL的激光输出功率和斜率效率更高,仿真结果与实验相符。

滚仰式光电吊舱地理导引实现与误差分析
董期林, 张卫国, 赵创社, 王超, 袁屹杰, 伊兴国, 刘万刚, 程勇栋
2024, 17(3): 630-639.   doi: 10.37188/CO.2023-0188
摘要(168) HTML全文(90) PDF 4352KB(30)
摘要:

为了提升地理导引精度和成功率,根据滚仰式光电吊舱的结构特点,通过建立坐标系统、目标坐标求解和框架角解算三个步骤,完整构建了地理导引的数学模型,并在此基础上引入了速度前馈和小区域搜索模式。同时,对受惯导测量误差和目标距离影响的框架角解算误差进行了数据仿真。结果表明:经纬误差和航向角误差对俯仰角的解算误差影响较大;而高程误差和水平姿态角误差则对横滚角的解算误差影响较大。提升惯导的定位精度,可进一步减小框架角解算误差,从而提升地理导引精度,而当航向角<0.1°,水平姿态角<0.05°时,姿态角误差的影响权重会变小,再通过减小姿态角误差提升导引精度的作用已不明显。随着目标距离的增大,框架角解算误差会急剧减小。最后进行了导引试验,其俯仰、横滚角均方差均小于0.12°,表明了算法的准确性和仿真分析的有效性。

同步相移横向剪切干涉中偏振器件的误差建模
张郁文, 刘丙才, 王红军, 田爱玲, 任柯鑫, 王凯
2024, 17(3): 640-647.   doi: 10.37188/CO.2023-0152
摘要(143) HTML全文(75) PDF 2748KB(20)
摘要:

为了对同步相移横向剪切干涉系统中偏振器件的选型、装调以及误差补偿提供可靠的理论依据,本文根据琼斯矩阵原理,构建了系统中1/4波片和偏振片阵列误差对测量结果影响程度的误差模型,对四分之一波片的相位延迟误差、快轴方位角误差以及偏振片阵列透光轴方位角误差对测量结果的影响进行了定量分析。仿真结果表明:1/4波片的相位延迟误差在±1°以内时,波面测量误差为0.00002λ(PV)和0.000062λ(RMS);1/4波片的调整精度在±2°以内时,波面测量误差为0.0001λ(PV)和0.00006λ(RMS);偏振片阵列方位角误差在±1°以内时,测量误差为0.003λ(PV)和0.001λ(RMS)。根据仿真结果对测量系统中偏振元器件进行选型,同时选择两种不同精度的偏振元器件进行对比实验。实验结果的残差值与仿真结果的残差值的PV以及RMS值偏差均小于λ/20,可以在一定程度上验证模型的有效性。本文提出的数学模型可以为同步相移横向剪切干涉系统中偏振器件的选型提供可靠的理论依据。

基于Philips棱镜3CMOS相机的光学设计及其光谱优化
陈塑淏, 吕博, 刘伟奇
2024, 17(3): 648-660.   doi: 10.37188/CO.2023-0155
摘要(212) HTML全文(93) PDF 4709KB(54)
摘要:

针对彩色数字相机高成像质量以及高色准的需求,本文研究了基于Philips棱镜的3CMOS相机的光学系统设计以及相机光谱优化方法。通过对Philips棱镜进行光路建模,优化了棱镜的结构参数。在保证全内反射以及出射窗口大小的条件下,减小了系统的体积,并由此设计了Philips棱镜3CMOS相机光学系统。其视场角为45°,相对孔径为1/2.8,在110 lp/mm的奈奎斯特采样频率下,系统的MTF全视场全波段均大于0.4。基于色度学基本原理建立了Philips棱镜相机的矢量成像模型,分析了由光线入射角度变化造成的薄膜光谱偏移,提出了宽光束下光谱偏移的修正模型。利用该模型设计并优化了相机中的4组光学薄膜。通过光路仿真实验以及色差分析,基于优化后的相机光学系统的平均色差降低了15.8%,像面颜色不均匀性降低了60%。结果表明:本文设计的光学系统拥有良好的成像质量,优化后的相机光谱实现了良好的颜色性能以及颜色均匀性。

痕量气体掩星探测高光谱成像光谱仪光学系统设计
孔相金, 李博, 李寒霜, 王晓旭, 顾国超, 蒋雪
2024, 17(3): 661-673.   doi: 10.37188/CO.2023-0153
摘要(156) HTML全文(128) PDF 5376KB(38)
摘要:

痕量气体作为大气的重要成份,对地球的生态起着重要作用。为了实现宽波段、高光谱全天时连续测量,本文设计了一款在掩星探测模式下工作的高光谱成像光谱仪。该系统为共狭缝的双通道结构,紫外-可见光通道采用单凹面光栅结构、红外通道采用利特罗与浸没光栅结合结构,有效地减小了体积。利用软件对光学结构进行优化,优化结果表明:光谱仪在250~952 nm波段范围内工作,其中紫外-可见光通道工作波段为250~675 nm、光谱分辨率优于1 nm、MTF在奈奎斯特频率为20 lp/mm处均高于0.58、全视场各波长处RMS值均小于21 μm;红外通道工作波段为756~952 nm、光谱分辨率优于0.2 nm、MTF在奈奎斯特频率为20 lp/mm处均高于0.76、全视场各波长处RMS值均小于6 μm,均满足设计要求。结果表明该高光谱成像光谱仪系统可以实现对痕量气体的掩星探测。

基于光纤U形腔的马赫-曾德尔干涉仪的磁场传感器
范鹏程, 蒋学寨, 田德强, 张光强
2024, 17(3): 674-682.   doi: 10.37188/CO.EN-2023-0015
摘要(275) HTML全文(86) PDF 3888KB(51)
摘要:

本文研制了一种光纤磁场传感器,使用涂有磁流体(MF)的全光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的U形腔体进行实验验证。光纤磁场传感器是在两段单模光纤(SMF)之间拼接一段单模光纤形成U型光学腔制造而成的,该设计具有光纤几何关系。由于几何对称性MZI对周围折射率(RI)具有很强的敏感性,灵敏度高达−13588 nm/RIU,且磁流体的折射率对磁场敏感,因此所提结构实现了磁场传感功能。实验结果表明,该传感器磁场灵敏度高达137 pm/Oe,磁场范围从0~250 Oe几乎呈线性。本文所设计的光纤磁场传感器具有体积小、成本低、易于制造、坚固耐用、灵敏度高、重复性好、易于与光纤系统集成等相关优势。

可实现宽带吸波稳定性提升的新型电阻等离子吸波结构
沈杨, 芦志峰, 郭亚坤, 龙云飞, 何睿, 张哲瑞
2024, 17(3): 683-692.   doi: 10.37188/CO.EN-2023-0022
摘要(131) HTML全文(53) PDF 2764KB(23)
摘要:

电阻型吸波结构具有优异的宽带电磁吸波性能,但电阻片方阻值对吸波结构宽带电磁吸波性能影响较大,且在样品制备过程中较难精确控制。本文通过在电阻型吸波结构表面加载周期性人工等离子结构,利用宽频带内激发的多重等离子谐振,实现高效宽带色散调控,进而获得电阻型吸波材料表面局域场增强效应,提升宽带电磁吸波的稳定性。仿真与试验结果表明,当电阻片方阻值在100~250 Ω/sq内变化时,该电阻型等离子吸波结构在7.8~40.0 GHz频段内的吸收效率高于90%以上,具有连续宽带电磁吸波能力。该设计方案提供了一种加载人工等离子结构用于强化吸波超材料综合性能的设计思路,对复合型吸波超材料设计具有一定的启发。

CCD/EMCCD光电参数测试系统的设计与应用
沈吉, VIACHESLAV V. Zabudsky, 常维静, 那启跃, 简云飞, OLEG V. Rikhalsky, OLEKSANDR G. Golenkov, VOLODYMYR P. Reva
2024, 17(3): 693-703.   doi: 10.37188/CO.EN-2023-0016
摘要(277) HTML全文(84) PDF 5156KB(55)
摘要:

本文开发了一种用于测量CCD和EMCCD(电子倍增CCD)芯片光电参数的测试系统。该测试系统通过自动模式或手动模式间的切换,测量器件的暗电流、读出放大器的响应度、电荷转移效率、电荷容量和其他参数。该测试系统可以针对不同规格和结构的CCD/EMCCD器件,实现CCD晶圆或封装好的成品的参数测试,实现576×288、640×512、768×576、1024×1024、1280×1024 CCD/EMCCD的测试和筛选。

调整彩色滤光膜的致密性和疏水性以减少TFT-LCD制造中的气体释放
李吉, 张霞, 冯翊, 廖昌, 张杰, 尹勇明, 孟鸿
2024, 17(3): 704-713.   doi: 10.37188/CO.EN-2023-0029
摘要(138) HTML全文(89) PDF 5237KB(30)
摘要:

TFT-LCD产业正朝着高效率、低成本的方向发展。在TFT-LCD制造过程中,发现不同的光刻胶需要不同的真空干燥时间。为了减少制造时间,提高面板成品率,有必要明确影响真空时间的因素。本文探讨了抽运时间与光刻胶材料性能的关系。发现光刻胶的热稳定性与抽运时间的关系可以忽略不计。光刻胶的致密性和疏水性与真空干燥时间密切相关。致密性和高疏水性可以有效避免水蒸气在制造过程中侵入和储存在光刻胶中,减少泵送次数。总的来说,这项工作可以为未来TFT-LCD工业新型光刻胶的开发提供一定的参考。

饱和吸收体恢复时间对正交偏振耗散孤子的影响
何晓颖, 张川, 张银东, 饶岚
2024, 17(3): 714-723.   doi: 10.37188/CO.EN-2023-0032
摘要(76) HTML全文(46) PDF 3935KB(24)
摘要:

偏振在脉冲锁模时,对其塑形和稳定起着至关重要的作用。本研究开发了一种用于产生正交偏振耗散孤子的被动锁模石墨烯光纤激光器的正交偏振数值模拟。重点是分析由偏振依赖的石墨烯微光纤饱和吸收体引起的净正常色散双折射腔对正交偏振孤子的影响。研究结果表明,这种饱和吸收体的恢复时间显著影响正交偏振耗散脉冲的特性,如能量、脉宽、时间带宽乘积和啁啾。结果显示,其恢复时间为120飞秒时最佳,产生两个具有大啁啾的正交偏振的窄耗散孤子脉冲,分别约为7.47 ps和8.06 ps。这对于开发紧凑、高功率、偏振耗散孤子光纤激光系统具有重要意义。

天基空间态势感知数据仿真研究进展
罗秀娟, 郝伟
2024, 17(3): 501-511.   doi: 10.37188/CO.2023-0156
摘要(328) HTML全文(134) PDF 3788KB(103)
摘要:

空间态势感知(Space Situational Awareness, SSA)数据仿真可以为空间监测设备及态势感知算法(包括空间目标检测、跟踪、识别和表征)的开发、测试和验证提供关键性数据支持,在空间态势感知能力建设中发挥重要作用。本文以天基空间态势感知光学数据仿真为研究对象,给出了SSA数据仿真的研究目的和主要研究内容,详述了SSA光学成像仿真的典型研究方法与过程。介绍了国内外相关工作的研究现状与工作进展,涵盖双目视觉传感器、激光雷达、红外传感器、可见光望远镜和恒星敏感器等不同光学传感系统的成像建模与仿真工作成果。分析了空间态势感知数据仿真研究的发展趋势,为未来SSA数据仿真研究思路与方法提供参考。

高动态范围条纹结构光在机检测技术及应用进展
刘泽隆, 李茂月, 卢新元, 张明垒
2024, 17(1): 1-18.   doi: 10.37188/CO.2023-0068
摘要(513) HTML全文(151) PDF 6064KB(290)
摘要:

条纹结构光技术是近年来发展迅速的非接触式测量方法,为机械加工在机检测提供了新的解决方案。由于加工环境光线复杂且金属零件本身具有高反光的特性,造成结构光在机检测的精度降低。将高动态范围(High Dynamic Range,HDR)技术应用于结构光检测中,可抑制高反光的影响,实现金属零件在复杂场景的测量。本文首先介绍了结构光测量原理,总结出HDR结构光在机检测面临的难点;其次,对HDR结构光技术进行了全面综述,以机械加工在机检测为背景,对基于硬件设备的HDR技术和基于条纹算法的HDR技术分别进行了归纳分析;然后,根据在机检测的条件需求,对各类技术进行总结,并比较不同方法的优缺点和在机检测的适用性;最后,结合近年来先进制造技术和精密测量的研究热点,对潜在应用进行分析,提出技术展望。

激光诱导击穿光谱技术相关物理机制研究进展
刘瑞斌, 殷允嵩
2024, 17(1): 19-37.   doi: 10.37188/CO.2023-0019
摘要(421) HTML全文(112) PDF 1508KB(243)
摘要:

激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是利用强脉冲激光与物质相互作用所产生的等离子体光谱来实现对物质组成元素定性和定量分析的一种新方法。在脉冲激光诱导等离子体的过程中,不同的激光参数(能量、脉宽、波长)、检测过程中的环境条件以及材料本身的特性等,对激光诱导等离子体的物理机制都有不同程度的影响,进而影响LIBS定量分析的结果。本文综述了现阶段LIBS技术中包括LIBS基本原理、激光参数区别、环境和材料特性差异所涉及的物理机制。为深入理解激光与物质相互作用、提升LIBS检测能力提供了依据。

基于多纵模振荡种子源的高功率窄线宽光纤激光器关键技术分析及研究现状
孙仕豪, 郑也, 于淼, 李思源, 曹镱, 王军龙, 王学锋
2024, 17(1): 38-51.   doi: 10.37188/CO.2023-0074
摘要(281) HTML全文(96) PDF 8949KB(211)
摘要:

基于多纵模振荡种子源的窄线宽光纤激光器具有光路简单、结构紧凑、可靠性高、成本低等特点,在实际工程应用以及在空间受限的载荷平台上有着显著优势,是高功率光谱合成的理想子束模块。受自脉冲效应的影响,多纵模振荡种子源的时域特性较差,导致放大过程中会产生较强的光谱展宽与受激拉曼散射效应。这限制了其输出功率的进一步提升并降低了其光谱纯度。本文首先介绍了4种常见的窄线宽种子源,并重点分析了多纵模振荡种子源中自脉冲效应产生的机理及抑制方法,对优化多纵模振荡种子源和放大器的关键技术进行了详细介绍,归纳总结了近几年的技术突破与研究成果,对未来的发展方向进行了展望分析。本文研究对基于多纵模振荡种子源的窄线宽激光器的功率提升和光谱优化提供一定思路。

增强吸收光谱技术的研究进展及展望
任颐杰, 颜昌翔, 徐嘉蔚
2023, 16(6): 1273-1292.   doi: 10.37188/CO.2022-0246
摘要(1112) HTML全文(477) PDF 4881KB(442)
摘要:

光程吸收光谱技术是吸收光谱技术发展中的一个重要分支,近年来基于不同光源技术、吸收腔技术、探测方式的光程吸收光谱技术大量涌现。随着对探测灵敏度和吸收光程长度需求的提高,出现了基于增强吸收原理的光程吸收光谱技术,包括:积分腔光谱(ICOS)、腔增强吸收光谱(CEAS)和腔衰荡光谱(CRDS)。增强吸收光谱技术具有高光谱分辨率、高灵敏度、快速响应、便携等优势,但至今缺乏统一的概念和明确的分类依据。本文梳理了吸收光谱技术的发展历程,明确了多光程吸收光谱技术的概念。依据吸收腔内是否发生谐振吸收,提出了基于谐振原理的吸收光谱技术这一概念,分析总结了谐振吸收光谱技术的研究现状,并对这些技术在各领域的应用进行概述。最后,对谐振吸收光谱技术中关键技术的未来发展进行了展望。

特种芯光纤光镊技术研究进展
李红, 朱应鑫, 周雅妮, 王海波, 董明利, 祝连庆
2023, 16(6): 1293-1304.   doi: 10.37188/CO.2023-0016
摘要(491) HTML全文(238) PDF 6097KB(218)
摘要:

光纤光镊具有结构简单、操作灵活、尺寸小的特点,在生化分析、生命科学等领域有广泛应用。特殊纤芯结构的光纤探针在近场倏逝波光阱力、纤芯光束耦合传输、微流控技术交叉协同应用等方面具有天然优势,能实现细胞、亚细胞级微粒收集、输运等功能,可以显著提升微粒的三维捕获能力以及动态操纵水平。本文综述了不同纤芯结构光纤光镊的结构特点与应用技术研究进展,对特种芯光纤光镊系统中探针制备、激光光源、耦合方式等关键技术进行了梳理和对比,总结与展望了不同结构特种芯光纤在光纤光镊中的作用与发展。

氮化镓基Micro-LED侧壁对外量子效率的影响及侧壁处理技术综述
邝海, 黄振, 熊志华, 刘丽
2023, 16(6): 1305-1317.   doi: 10.37188/CO.2023-0091
摘要(481) HTML全文(83) PDF 4670KB(179)
摘要:

氮化镓基Micro-LED具备高亮度、高响应频率、低功耗等优点,是未来显示技术和可见光通信系统的理想选择,但是目前外量子效率(EQE)低下这一问题严重影响其规模化量产及进一步应用。为了突破EQE低下这一瓶颈,通过分析Micro-LED外量子效率的影响因素,得知EQE下降的主要原因包括侧壁缺陷引起的载流子损耗及非辐射复合。总结了侧壁缺陷对载流子输运及复合的影响。综述了目前常用的侧壁处理技术及修复方法,指出现有侧壁处理方法较为笼统、针对性不足且载流子与侧壁缺陷的作用机理并不十分清楚。提出应深入系统地研究侧壁缺陷种类和分布、载流子与侧壁缺陷作用机制及侧壁处理过程中的缺陷修复模式。本文为提高外量子效率、加快Micro-LED商业化量产进程提供设计思路和理论依据。

面向偏振成像的超构表面研究进展
周俊焯, 郝佳, 余晓畅, 周健, 邓宸伟, 虞益挺
2023, 16(5): 973-995.   doi: 10.37188/CO.2022-0234
摘要(1870) HTML全文(783) PDF 6268KB(988)
摘要:

作为一种新型光电探测技术,偏振成像可同时获取场景的空间分布和偏振特征,针对特定应用场景具有优异的材质区分及轮廓辨识能力,广泛应用于目标探测、生命科学、环境监测、三维成像等领域。偏振分光或滤光器件是偏振成像系统的核心元件,然而该类传统器件受限于体积庞大、性能不佳、易受干扰等问题,难以满足高集成、高性能、高可靠性偏振成像系统的要求。超构表面是一种结构单元以亚波长间隔准周期排列而成的二维平面器件,可在不同偏振方向对光场的振幅、相位进行精细操纵。基于超构表面的偏振器件具有体积小、重量轻、维度高等特点,为集成化偏振成像系统提供了新的解决方案。本文针对偏振成像,综述相关超构表面的功能原理、发展脉络和未来趋势,讨论并展望其在成像应用和系统集成方面所面临的挑战与机遇。

大能量碟片激光多通放大器腔体设计研究综述
陈毅, 孙俊杰, 于晶华, 姚志焕, 张逸文, 于德洋, 何洋, 张阔, 潘其坤, 陈飞
2023, 16(5): 996-1009.   doi: 10.37188/CO.2023-0009
摘要(649) HTML全文(356) PDF 6648KB(334)
摘要:

为了明晰碟片多通放大器的腔体设计方法,本文对不同类型的碟片多通放大器做归纳与总结,共归纳出4f中继成像、谐振腔设计/光学傅立叶变换、近准直光束传输与其他共4种设计理念的多通放大器。介绍了每种放大器的设计方法并详尽列举了研究现状。通过对比4种类型的碟片多通放大器,发现不同种类的多通放大器各有优缺点。4f中继成像需要真空环境以避免焦点处的气体电离,因此机械装置与调试难度较大;谐振腔设计/光学傅立叶变换概念多通放大器的镜片处存在较小光斑,因此较适用于较低能量的多通放大器;近准直光束传输方法由于不需要真空环境,具备很大的发展潜力,但需要精准控制激光运转状态下的碟片面形,难度也较大。因此,从激光器设计角度来看,需要对碟片多通放大器继续进行优化设计,从而同时实现使用场景的多元化与输出能量的可持续拓展。

微型头戴式单光子荧光显微成像技术研究进展
付强, 张智淼, 赵尚男, 刘洋, 董洋
2023, 16(5): 1010-1021.   doi: 10.37188/CO.2023-0007
摘要(551) HTML全文(206) PDF 8052KB(235)
摘要:

微型头戴式单光子荧光显微成像技术是近些年出现的用于神经科学研究的一种突破性方法,可以对自由移动活体动物的神经活动进行实时成像,提供了一种前所未有的方式来访问神经信号,增强了对大脑如何工作的理解。在脑科学研究需求的推动下,目前已经出现了许多种类型的微型头戴式单光子荧光显微镜,如高分辨率成像、无线记录、三维成像、双区域成像和双色成像等。为了更加全面地了解和认识这种新兴的光学神经成像技术,本文按成像视场进行分类,对目前报道的不同类型微型头戴式单光子荧光显微镜所具有的特点进行了介绍,重点讨论了其所采用的光学系统方案和光学性能参数,分析对比了不同方案的优缺点,以及未来的改进方向,以便为脑科学研究人员的实际应用提供参考。

典型成像模式下非视域成像重建算法研究现状
赵禄达, 董骁, 徐世龙, 胡以华, 张鑫源, 钟易成
2023, 16(3): 479-499.   doi: 10.37188/CO.2022-0186
摘要(1353) HTML全文(508) PDF 11662KB(549)
摘要:

非视域(Non-Line-of-Sight, NLoS)成像是近年来发展起来的一项新兴技术,其通过分析成像场景中的中介面信息来重建隐藏场景,实现了“拐弯成像”的效果,在多个领域有巨大的应用价值。本文主要针对NLoS成像重建算法进行综述性研究。考虑到目前NLoS成像分类存在交叉和非独立现象,本文基于物理成像模式和算法模型的不同特点,对其进行了独立的重新分类。根据提出的分类标准分别对传统和基于深度学习的NLoS成像重建算法进行了归纳总结,对代表性算法的发展现状进行了概述,推导了典型方法的实现原理,并对比了传统重建方法和基于深度学习的NLoS成像重建算法的重建应用结果。总结了NLoS成像目前存在的挑战和未来的发展方向。该研究对不同类型的NLoS成像进行了较为全面的梳理,对NLoS成像重建算法在内的一系列研究的进一步发展有着一定的支撑和推动作用。

光致热弹光谱气体检测技术研究进展
娄存广, 代佳亮, 李瑞凯, 刘秀玲, 姚建铨
2023, 16(2): 229-242.   doi: 10.37188/CO.2022-0137
摘要(950) HTML全文(506) PDF 7682KB(567)
摘要:

光致热弹光谱是一种基于石英音叉热弹效应的新型气体检测技术,具有成本低、体积小、灵敏度高及光谱响应范围宽等优点,是目前一种重要的痕量气体检测方法。本文首先分析了基于光致热弹光谱的气体浓度测量原理,其次,从提高检测系统灵敏度的各种技术方法角度出发,介绍了近年来开发的提高石英音叉热弹光谱系统检测灵敏度的技术方法,从信号幅值、信噪比、最小检出限和归一化噪声等效吸收系数等方面,对系统的性能改进提升效果进行评估。最后,简要评述了光致热弹光谱在现场气体检测中的应用研究进展,对进一步提高检测系统灵敏度的方法进行了总结与展望。

拉曼激光雷达大气温湿压探测技术研究进展
刘东, 姚清睿, 张思诺, 高佳欣, 王南朝, 吴疆, 刘崇
2023, 16(2): 243-257.   doi: 10.37188/CO.2022-0145
摘要(1190) HTML全文(578) PDF 4220KB(580)
摘要:

温度、湿度、压强是3个重要的大气参数。快速、准确地了解大气的温度、湿度和压强信息及其变化趋势,对天气、气候、人工影响天气等研究有重要意义。拉曼激光雷达通过分离拉曼散射信号反演得到各种大气环境相关参数,可实现对大气参数廓线信息的高精度探测,在大气温湿压探测中独具优势与潜力。本文介绍了拉曼激光雷达对大气温度、湿度和压强的探测原理与反演方法,着重介绍了拉曼激光雷达中滤光片、标准具、光栅等常用分光器件的优缺点及其进展,以及拉曼激光雷达中涉及到的探测技术。最后例举了利用拉曼激光雷达对气象参数测量的典型应用。

航天高分辨率对地光学遥感载荷研究进展
苏云, 葛婧菁, 王业超, 王乐然, 王钰, 郑子熙, 邵晓鹏
2023, 16(2): 258-282.   doi: 10.37188/CO.2022-0085
摘要(1793) HTML全文(721) PDF 10445KB(761)
摘要:

随着光学成像技术的不断发展和遥感应用需求的日益增长,跨尺度高分辨率光学技术在遥感领域得到广泛应用。为了获得更多的目标细节信息,国内外研究学者在不同技术方向开展了相关研究。本文对遥感成像技术进行了总结分类,介绍了具有代表性的航天高分辨率对地光学遥感载荷技术,重点关注单体结构主镜、可展开分块拼接主镜、光学干涉主镜、光栅衍射主镜、虚拟合成孔径、光子型综合孔径成像、计算超分辨成像、编队合成孔径等成像模式,为高分辨率对地光学遥感载荷发展提供新的发展思路。

激光在医疗领域中的应用
顾勇刚, 牛健, 杨坚, 徐红星
2023, 16(2): 283-295.   doi: 10.37188/CO.2023-0017
摘要(1556) HTML全文(709) PDF 3656KB(558)
摘要:

随着激光技术的飞速发展,激光在医疗领域中的应用得到了日益广泛的关注。由于其具有无接触、精度高、损伤小、便携性和操作灵活等优点,激光医疗极大地丰富了临床医疗的技术手段,在部分疾病的治疗中逐渐取代了传统方法,提升了医疗行业整体的技术水平。当前,激光医疗的市场占有率不断增加,发展前景十分广阔。本文介绍了激光医疗技术和医用激光系统的要求,重点对激光医疗在各临床科室中的应用研究现状进行了全面阐述,最后针对我国激光医疗领域存在的问题给出了建议。

周期光学系统中的连续域束缚态
姚建铨, 李继涛, 张雅婷, 李杰, 岳震, 徐航, 杨帆
2023, 16(1): 1-23.   doi: 10.37188/CO.2022-0189
摘要(3358) HTML全文(788) PDF 7237KB(1248)
摘要:

周期光学系统,如光子晶体和光学超材料,可以在亚波长尺度形成高密度的电磁场能量局域,并获得极小的模式体积,在光操控领域具有巨大的应用潜力。近年来,研究人员在周期光学系统中发现一种光与物质的强相互作用,其被称为连续域束缚态。它是一类频率位于辐射连续域内但被完全局域的特殊电磁本征态,具有诸多有趣的物理特性和丰富的应用场景。本文系统性综述了周期光学系统中连续域束缚态的分类及其理论体系,并总结了其基本物理特性和最新应用发展。周期光学系统中的连续域束缚态正在为集成光学、信息光学、生物光学、拓扑光学以及非线性光学等领域注入新的发展动力。

二维Bi2O2Se的制备与光学表征研究进展
谢兵, 安旭红, 赵伟玮, 倪振华
2023, 16(1): 24-43.   doi: 10.37188/CO.2022-0071
摘要(1196) HTML全文(551) PDF 12124KB(606)
摘要:

二维(2D)半导体材料Bi2O2Se由于具有独特的晶体结构与能带结构、超高的载流子迁移率和优异的稳定性,在紫外-可见-近红外光谱区的高性能电子与光电应用领域有着广阔的前景。本文综述了Bi2O2Se的材料制备与光学表征最新研究进展:首先,介绍了2D Bi2O2Se的制备方法及生长机理,包括化学气相沉积法(CVD)、湿化学工艺、分子束外延法(MBE)和脉冲激光沉积法(PLD)等;其次,介绍了其晶体结构和电子能带结构的基本性质;接下来,通过稳态光谱的研究,可以对2D Bi2O2Se随厚度变化的带隙等物理性质进行研究;通过研究其晶体振动模式,可进一步研究2D Bi2O2Se材料的缺陷形态、温度系数与热导率;此外,超快光谱技术也可以帮助研究2D Bi2O2Se材料内部载流子的弛豫过程与输运性能;最后,简述了当前Bi2O2Se研究面临的挑战与应用的前景。

全景内窥成像技术及应用
霍嘉燚, 李冕豪, 王子川, 袁波, 杨青, 王立强
2023, 16(1): 44-60.   doi: 10.37188/CO.2022-0074
摘要(1244) HTML全文(673) PDF 5785KB(701)
摘要:

全景内窥成像技术可有效减小体内器官的观察盲区,具有缩短手术时间、降低术中出血风险、改善手术预后、缩短术后恢复时间等多种优点,在微创手术和术前检查中有重要应用价值,是近年来的研究热点。本文从原理和产品应用两个方面对全景内窥成像技术进行了梳理。首先,综述了基于二维和三维成像的各种全景内窥成像技术,阐述了它们各自的实现方式,并分析了其关键指标和性能。其次,对比分析了由全景内窥成像技术衍生出来的胶囊内窥镜、全景结直肠镜等多种不同类型的产品,并展望了全景内窥成像技术的发展趋势和应用前景。

单片集成式主振荡功率放大器研究进展
谭满清, 游道明, 郭文涛, 刘维华
2023, 16(1): 61-75.   doi: 10.37188/CO.2022-0022
摘要(882) HTML全文(420) PDF 6306KB(540)
摘要:

单片集成式主振荡功率放大器(MOPA)具有体积小、功率大、光束质量高等优势,通过集成布拉格光栅,还能够实现窄线宽和动态单模,在倍频、泵浦、光通信和传感等领域具有重要应用价值,是近年来半导体光电子器件的研究热点。本文梳理了单片集成式MOPA的主流结构,包括锥形、脊型、布拉格光栅型和三段式MOPA,以各自的工作原理和性能特征为出发点,介绍其主要的研究方向,并结合它们各自面临的问题介绍最新的发展趋势。针对单片集成式MOPA中普遍存在的高功率下光束质量退化的问题,梳理了近年在外延层结构、腔面光学薄膜和电极设置等方面的优化设计,重点总结了单片集成式MOPA在提高光束质量及高功率、容线宽及高亮度方面的重要进展。围绕不同领域的应用需求,整理了具备高功率、窄线宽、高光束质量和高亮度等性能特征的单片集成式MOPA的研究进展,最后展望了单片集成式MOPA的发展趋势。

正交激发发射上转换纳米材料的设计、制备与应用
贾恒, 冯晓锐, 李大光, 秦伟平, 杨龙, 何伟艳, 马惠言, 滕英跃
2023, 16(1): 76-93.   doi: 10.37188/CO.2022-0134
摘要(1549) HTML全文(690) PDF 6214KB(571)
摘要:

稀土掺杂的上转换发光纳米材料在信息安全、生物医学、光纤通信、显示和能源等众多领域有着巨大的应用潜力,受到了相关各领域研究人员的广泛关注。特别是近年来发展起来的具有正交激发发射特性的上转换发光纳米颗粒,其可在不同的激发条件下产生动态变化的光色输出,因而具备一系列新的特性与功能,大大地扩展了应用范围。本文综述稀土离子正交上转换发光的发展历程,系统论述了基于核壳结构的正交激发发射体系的设计原理和构建方法,介绍了其在信息存储、安全防伪、显示、传感、生物成像及治疗等领域的最新研究进展,并探讨了未来相关研究中可能面临的机遇和挑战。

主管: 中国科学院

主办:  中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

主编: 王家骐 院士

ISSN 2097-1842

CN 22-1431/O4

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2024年2月16日科睿唯安通过Blog宣布,2024年将要发布的JCR2023中,229个自然科学和社会科学学科将SCI/SSCI和ESCI期刊一起进行排名!《中国光学(中英文)》作为ESCI期刊将与全球SCI期刊共同排名!