周豫 , 周雪芳 , 樊冰 , 李曾阳 , 胡淼 , 毕美华 , 杨国伟 , 王天枢
2020, 31(4):345-350.
摘要:近年来研究者借鉴游标卡尺和气压计中的游标(V ernier)结构,在多波长光纤激光传感器中使用双 干涉仪级联的方式产生Vernier效应,用来提升传感器的灵敏度。本文通过仿真与实验测试 ,对光纤Sagnac 干涉仪(FSI)和光纤法布里-佩罗干涉仪(FFPI)级联产生的Vernier效应进行了研究,设计 了两种不同结构 的温度传感器,研究了级联结构对传感器温度灵敏度的影响并进行了实验测试。结果表明, 温度灵敏度从 -1.7 nm/℃(FSI温度传感灵敏度)和0.008 nm/℃(FPI温度传感灵 敏度)分别提高到10.28 nm/℃和10.64 nm/℃ , 基于Vernier效应,温度传感器的灵敏度提升超过6倍,实验结果与理论分析基本一致(10.82 nm/℃)。
2020, 31(4):351-356.
摘要:为实现对高铁站房空间网架结构变形的监测,并 针对光纤布拉格光栅(FBG)对应钛合金TA2杨氏模量较小等材料特性,本文首次设计了一种 圆弧铰链式FBG双向倾角传感器,同时在此基 础上进行了理论分析、有限元模拟和传感器性能试验。并进行了结果对比与误差分析。 该传感器的敏感结构是双轴圆弧铰链 ,通过将预拉伸后的FBG粘贴在与圆弧铰链相连的上下基座的导纤槽,实现对被监测对象的 倾斜角度双向监测。实验 结果表明,该FBG双向倾角传感器的灵敏度为168.43 pm/deg,有效监 测范围为±15°,在监 测范围内线性相关度可达0.999,同时消除了 温度影响,适用于温度 变化较大且精度要求较高的工作环境,特别是高铁站房顶部网架结构变形的实时监测。
2020, 31(4):357-361.
摘要:热透镜是限制激光器功率提升的重要因素,薄片 结构在散热方面有一定的优势,但在 高功率泵浦下热透镜效应仍是不能回避的问题。本文从热传导方程出发,借助有限元软件, 构建了水冷薄片激光器的模型,在300 W的泵浦功率条件下对薄片晶 体的温度分布、端面变形 量和激光器整机结构的应力分布进行了详细分析,在此基础上,分析了薄片晶体安装时的机 械应力对晶体热透镜的改善作用。对比补偿前后的分析结果可知,当热沉盖板中产生100 N的 正压力对薄片晶体的热变形进行补偿时,其薄片晶体的端面变形量小于未补偿时的变形量, Yb:YAG水冷薄片激光器的热透镜效应有了明显改善。此外,适当增加薄片晶体安装时产生正 压力的大小可以更好地改善激光器的热透镜效应。
2020, 31(4):362-366.
摘要:自由空间激光与光纤的高效耦合可大幅降低激光 能量损耗。基于高斯光束通过透镜的传输规律,分 析经过单透镜变换后的激光光束特性,即像方激光光束特性。对自由空间激光与单模光纤的 优化耦合进行研究。通过分析匹配单透镜参数对像方光束的影响, 选择单透镜合适焦距参数,实现激光与光纤参数的高效匹配,满足激光光束的像方腰斑小于 10 μm且数值孔 径小于0.12。通过实例,分析采用焦距为5mm的单透镜对780 nm空间激光到单模光纤的耦合效 率,结果表明自由空间激光到单模光纤的耦合效率高达90%。该耦合 系统结构简单,可实现激光由自由空间到至光纤的高效率传输。
2020, 31(4):367-371.
摘要:提出了一种全空间标定方法,可用于快速高精度 的三维测量。液晶屏作为标准平面显 示二维光栅以及被投射一维光栅,通过固定在平移台上在测量空间Z方向进行 移动,相机抓 拍光栅,计算截断相位后,建立截断相位和三维空间的坐标关系。通过改变光栅频率可实现 空间尺寸的标定,从而实现全空间的标定。测量时,计算出截断相位,通过查表索引可快速 得到物体的空间坐标信息。搭建了标定系统,并用测量实验验证了标定算法的有效性。
2020, 31(4):372-379.
摘要:针对在透明光滑表面视觉检测中,商用照明系统 较难获取高对比度曲面瑕疵特征的局限性,论文提出了基于二 值条纹的动态背向照明方法。该照明投影出一组等间距位移量的动态二值条纹图案,将亮暗 条纹之间的过度区覆盖至整 个待测表面,最大化缺陷与光滑表面的透射光线方向性差异。对动态条纹照明后的透明曲面 序列图像均值处理后,获取 均一背景下的缺陷特征图像。之后结合小波变换边缘提取与直方图全局阈值分割的方法,极 大增强了光滑曲面与平面上的外观缺陷信息。基于3D曲面手机玻璃的测试结果表明,该方法 成功提取出透明光滑曲面上的低对比度缺陷,为缺陷的准确识别提供了可靠保障,具有良好的应用前景。
孙鑫蕾 , 刘刚 , 王晶 , 董长哲 , 赵星 , 肖流长 , 刘明铭 , 赵润翰 , 张楠 , 谢茂强 , 林列 , 刘永基 , 刘伟伟
2020, 31(4):380-387.
摘要:为了实现对拼接镜整体幅面的共相位误差的快速检 测,通过Zemax建立相位测量装置,数值模拟拼接镜 的倾斜误差检测过程。使用基于主成 分分析(PCA)、偏最小二乘回归(PLSR)的机器学习算法,替代传统的相位重建方法,从 探测面强度分布图中提取倾斜误差。预测结果表明,在单元情况下对12个样本的倾斜角进行 预测,倾斜角预测值与真实值间的均方根误差(RMSE)约为0.00029;在多元情况下,倾角的 RMSE均维持在0.0003以下。可见,在两种情况下,倾角的RMSE参量值 均小于倾斜步长。因此 ,利用机器学习算法可以实现对倾角步长为0.0005°的倾斜误差的预 测,与相位差波前检测 等传统方法相比,该方法能大幅提高预测速度,明显降低传统波前重建算法复杂度。
2020, 31(4):388-394.
摘要:利用NIR高光谱仪(光谱范围900~1700nm)对土壤含 盐量进行了无损检测,对比分析不同含盐量土壤的水分变化情况、不同时间下土壤光谱曲线 的差异。结果表明,随着土壤中含盐量的增加,土壤中水分蒸发情况受到的影响程度不同, 从而使得不同含盐量土壤的反射率存在明显的规律;在此基础上,对比分析了不同预处理方 法,优选出原始光谱;利用多元线性回归(multiple linear regression,MLR)、主成分回归 (principal component regression,PCR)与偏最小二乘回归(partial least squares regre ssion,PLSR)方法对900700 nm范围的特征波长建立模型,对比分析不同建模效果,优选β系数提取的特征波长的P LSR模型,特征波长为936、1016136、 1151186273395425458535642 nm,最优模型的预测相关系数为0.949,预测均方根误差为2.914 g/kg。因此,今后可采用 不同波段对土壤含盐量进行定量分析,为今后表层土壤含盐量遥感预测奠定基础。
2020, 31(4):395-400.
摘要:针对现场勘验中对潜指纹的无损采集和较低的检 测率的问题,本文设计了一种基于偏 振法的潜指纹检测方法。通过使用轻量化、小体积的便携式偏振相机在主动光源条件下获取 亚克力板样本上的指纹偏振图像,分别获取指纹样本的线偏振度、线偏振角、全色图像信息 ,在此基础上建立目标图像的偏振HSV模型图像信息并对全色可见光图像与偏振度图像进行 基于小波的图像融合处理,得到了较好的潜指纹匹配效果。
2020, 31(4):401-410.
摘要:为了进一步提高融合图像的对比度和清晰度,提 出一种基于RGF(Rolling Guidance Filter)和改进自适应Unit-Linking PCNN(Unit-Lin king Pulse Coupled Neural Net work)的红外与可见光图像融合方法。首先,源图像利用RGF和高斯滤波器进行多尺度分解。 然后,针对基础层通过计算其最大区域能量,提出了将最大区域能量与源图像相结合的融合 规则;针对细节层利用改进的自适应Unit-Linking PCNN进行处理,得到相应的神经元点火 频率图,计算每个像素点火频率图的边缘特征,并选择两者边缘特征较大的系数作为融合图 像系数。最后,利用多尺度重构融合图像。实验结果表明,本文融合算法能较好地突出图像 的目标信息,提供丰富的背景细节,在图像的清晰度和人眼视觉效果方面取得较好的融合效 果。
2020, 31(4):411-420.
摘要:利用扩展的Huygens-Fresnel原理以及维格纳分 布函数(WDF)的二阶矩理论,推导出电 磁空心光束(PCEHB)在非均匀湍流大气中传输的均方根空间扩展、均方根角扩展和M2因子的 解析式。并数值模拟和分析了天顶角、光束阶数、湍流内尺度、波长、束腰宽度、初始相干 长度和初始偏振度对光束质量的影响。研究结果表明,随着天顶角的减小和初始偏振度的增 加,PCEHB的相对均方根空间扩展、相对均方根角扩展和相对M 2因子越小,光束受湍流的影 响越小。且初始偏振度对相对M2因子的影响小于相对均方根空间扩展和均方根角扩展。M2因 子也随着天顶角的增加而增加,当天顶角大于1时对M2因子的影响迅速增加。研究还发现 , 相对M2因子随着光束阶数、湍流内尺寸、波长和束腰宽度的增加,相干长度的减小而减小 。相对M2因子受天顶角和束腰宽度的影响大于其他参数。
周华英 , 文化锋 , 胡帆 , 武晴涛 , 王红华 , 尹希雷 , 施锋
2020, 31(4):421-425.
摘要:光子晶体是高集成光通信研究的热门研究对象, 广泛应用于全反射镜、滤波器、波导 等方面。为解决二维三角晶格光子晶体波导出射端的光场控制问题,本文基于表面波调制的 概念提出了一种二维三角晶格光子晶体定向辐射的结构。该结构由X方向 10层、Z方向29层圆 形介质柱周期排列而成,在Z=0上引入线缺陷形成波导。为了获得出射光高定向性,在波导 出射端表面引入一列类似微腔的结构,其表面层介质柱相对微腔结构表面层介质柱偏离0.35a(a为晶格常数)并且半径是其它介质柱半径的1.3倍。时域有限差分法分析结果表明,该 结构具有很好的定向性,辐射距离约为61.5μm,该辐 射距离约为单波导出射端结构的4倍,并且辐射发散角度很小。
2020, 31(4):426-433.
摘要:相干和相位是光波的基本特性,它们之间是相互影 响的。本文首先基于部分相干光束的模式分解理论,严格证明了谢尔模高斯阵列关联结构可 以携带扭曲相位,并提出了一种特殊关联阵列扭曲光束,且本文所用证明方法具有一定的普 适性。随后,针对光束在大气湍流传输中引起的光强闪烁,采用张量方法推导了特殊关联阵 列扭曲光束在大气湍流中的光强闪烁解析式,详细分析了光源各参数对光强闪烁指数的影响 ,研究表明增大光源的束腰宽度、增大扭曲因子、调控谢尔模高斯阵列关联结构可降低大气 湍流引起的光强闪烁。本文得到了一种有效抑制大气湍流光强闪烁的严格物理数学光束模型 ,研究结论有助于优化部分相干光束在大气湍流传输的整体性能,在自由空间光通讯、激光 雷达、遥感成像等领域具有潜在的应用价值。
2020, 31(4):434-440.
摘要:为了便捷和可靠的展开光栅投影相位轮廓术中的相位主值,提出一种基于规则化条形 图的相位展开方法。该方法将周期次数信息赋予规则化的辅助图像中,并投影到物体表面由 数字相机同步采集,再经过分析处理即可辅助相位主值展开。通过分析相位主值的跳变规则 来确定辅助图像的灰度分布,形成规则的条形辅助图,将其投影到物体表面,受到与相位场 相同的调制作用,再根据其灰度分布即可解出周期次数信息来引导相位主值展开,同时给出 了相位主值跳变位置附近周期次数的调整方法,整个测量过程仅需额外投影一幅预先编制的 条形辅助图像即可。仿真和真实实验证明了本方法的可行性和可靠性。与传统方法相比,本 文方法兼顾了相位展开的速度和可靠性。
2020, 31(4):441-446.
摘要:基于Wyner窃听信道模型,建立了光码分多址系 统(OCDMA)的窃听信道模型,并利用“信道容量”和“安全泄露因子”作为指标来定量地 评估系统的传输性能和安全性。基于此 ,本文分析了地址码的互相关特性对OCDMA系统性能的影响。结果表明:地址码的互相关特 性对OCDMA系统性能有着重要的影响,采用互相关性更好的地址码能够提高系统的传输性能 和安全性;增加 地址码的码字长度以及使用二维地址码或者双极性地址码都有利于改善系统的传输性能和安全性。
杨宇 , 樊琳琳 , 张峰 , 张书文 , 杨濠琨 , 张锦龙
2020, 31(4):447-452.
摘要:血红蛋白作为人体不可或缺的蛋白质,其含量是 反映人体血液健康状况的重要生理指标。为准确、 实时监测人体血红蛋白浓度变化,本文搭建了一种介入式血红蛋白浓度监测系统,采用微创 方式对人体血 红蛋白含量进行测量。为提高测量结果的准确度,分别对两个光电探测器的电压采集引入修 正系数:α1=0.934 ,α2=0.956,修正后的电压值更均匀稳定。对10名异性受试者的血 样均进行连续10 次测量,检测结果的均方差最大为σ=0.839,表明该血红蛋白浓度监测系统具有较好的稳定性;另外 50名受试者单次测量为一组样本,将测量值与医院检测的真实值进行数据分析,男性受试者 样本的相关系 数为R=0.887,女性受试者样本的相 关系数为R=0.900,测量结果具有较 高的可靠性以及有效性。对介入式测定体内局部血红蛋白浓度进行研究,将在临床医疗微创 手术中发挥重要的指导作用。