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期刊基本信息
红外与激光工程
(月刊,创刊于1972年)
主管单位:
中国航天科工集团有限公司
主办单位:
天津津航技术物理研究所
中国光学工程学会
主编:吕跃广
主要栏目
   » 红外技术及应用
   » 激光及光电子技术
   » 光学探测与成像技术
   » 光学系统设计
   » 精密光学加工
   » 微納光学
   » 太赫兹技术及应用
   » 光通信与光传感
   » 光电测量技术
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红外与激光工程  
  红外与激光工程—2018, 47 (2)   出版日期:2018-02-25
  本期栏目:激光雷达技术 信息获取与辨识 太赫兹技术及应用 红外技术及应用 光电器件与微系统 光电测量 光通信与光传感 激光技术及应用 特约专栏—“深度学习及其应用” 
特约专栏—“深度学习及其应用”

基于双模全卷积网络的行人检测算法(特邀)

罗海波, 何淼, 惠斌, 常铮
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 203001-0203001(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0203001
全文: HTML (1 KB)  PDF (999 KB)  ( 191 )
摘要 ( 27 ) 引用本文
在近距离行人检测任务中,平衡算法的检测精度与检测速度对于检测算法的实际应用有着重要意义。为了快速并准确地检测出近景行人目标,提出了一种基于模型融合全卷积网络的行人检测算法。首先,通过全卷积检测网络对图像中的目标进行检测,得到一系列候选框;其次,通过弱监督训练的语义分割网络得到图像的像素级分类结果;最后,将候选框与像素级分类结果融合,完成检测。实验结果表明:算法在检测速度与精度方面都具有较高的性能。

基于深度学习的图像描述研究

杨楠, 南琳, 张丁一, 库涛
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 203002-0203002(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0203002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1063 KB)  ( 156 )
摘要 ( 25 ) 引用本文
卷积神经网络(Convolution Neural Networks,CNN)和循环神经网络(Recurrent NeuralNetworks,RNN)在图像分类、计算机视觉、自然语言处理、语音识别、机器翻译、语义分析等领域取得了迅速的发展,引起了研究者对计算机自动生成图像描述的广泛关注。目前图像描述存在的主要问题有输入文本数据稀疏、模型存在过拟合、模型损失函数震荡难以收敛等问题。文中使用NIC作为基线模型,针对数据稀疏问题,改变了基线模型中的文本one-hot表示,使用word2vec对文本进行映射,为了防止过拟合,在模型中加入了正则项和使用Dropout技术,并在词序记忆方面取得创新,引入联想记忆单元GRU,用于文本生成。在试验中使用AdamOptimizer优化器进行参数迭代更新。实验结果表明:改进后的模型参数减少且收敛速度大幅加快,损失函数曲线更加平滑,损失最大降至2.91,模型的准确率比NIC提高了接近15%。实验有效地验证了在模型当中使用word2vec对文本进行映射可明显缓解数据稀疏问题,加入正则项和使用Dropout技术可有效防止模型过拟合,引入联想记忆单元GRU能够大幅减少模型训练参数,加快算法收敛速度,进而提高整个模型的准确率。

生成式对抗神经网络的多帧红外图像超分辨率重建

李方彪, 何昕, 魏仲慧, 何家维, 何丁龙
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 203003-0203003(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0203003
全文: HTML (1 KB)  PDF (944 KB)  ( 172 )
摘要 ( 31 ) 引用本文
生成式对抗神经网络在约束图像生成表现出了巨大潜力,使得其适合运用于图像超分辨率重建。但是使用生成式对抗神经网络重建后的超分辨率图像存在过度平滑,缺少高频细节信息的缺点。针对单帧图像超分辨率重建方法不能有效利用图像序列间的时间-空间相关性的问题,提出了一种基于生成式对抗神经网络的多帧红外图像超分辨率重建方法(M-GANs)。首先,对低分辨率图像序列进行运动补偿;其次,使用权值表示卷积层对运动补偿后的图像序列进行权值转换计算;最后,将其输入生成式对抗重建网络,输出重建后的高分辨率图像。实验结果表明:文中方法在主观及客观评价中均优于当前代表性的超分辨率重建方法。

基于多层次特征差异图的视觉场景识别

张国山, 张培崇, 王欣博
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 203004-0203004(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0203004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1159 KB)  ( 164 )
摘要 ( 18 ) 引用本文
场景外观剧烈变化引起的感知偏差和感知变异给视觉场景识别带来了很大的挑战。现有的利用卷积神经网络(CNN)的视觉场景识别方法大多数直接采用CNN特征的距离并设置阈值来衡量两幅图像之间的相似性,当场景外观剧烈变化时效果较差,为此提出了一种新的基于多层次特征差异图的视觉场景识别方法。首先,一个在场景侧重的数据集上预训练的CNN模型被用来对同一场景中感知变异的图像和不同场景中感知偏差的图像进行特征提取。然后,根据CNN不同层特征具有的不同特性,融合多层CNN特征构建多层次特征差异图来表征两幅图像之间的差异。最后,视觉场景识别被看作二分类问题,利用特征差异图训练一个新的CNN分类模型来判断两幅图像是否来自同一场景。实验结果表明,由多层CNN特征构建的特征差异图能很好地反映两幅图像之间的差异,文中提出的方法能有效地克服感知偏差和感知变异,在场景外观剧烈变化下取得很好的识别效果。

基于对抗生成网络的纹理合成方法

余思泉, 韩志, 唐延东, 吴成东
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 203005-0203005(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0203005
全文: HTML (1 KB)  PDF (686 KB)  ( 66 )
摘要 ( 13 ) 引用本文
纹理合成是计算机图形学、计算机视觉和图像处理领域的研究热点之一。传统的纹理合成方法往往通过提取有效的特征样式或统计量并在该特征信息的约束下生成随机图像来实现。对抗生成网络作为一种较新的深度网络形式,通过生成器和判别器的对抗训练能够随机生成与观测数据具有相同分布的新数据。鉴于此,提出了一种基于对抗生成网络的纹理合成方法。该算法的优点是不需要经过多次迭代就能够生成更真实纹理图像,且生成图像在视觉上与观测纹理图像一致的同时具有一定随机性。一系列针对随机纹理和结构性纹理的合成实验验证了该算法的有效性。

深度学习的MPCANet火灾图像识别模型设计

张秀玲, 侯代标, 张逞逞, 周凯旋, 魏其珺
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 203006-0203006(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0203006
全文: HTML (1 KB)  PDF (670 KB)  ( 76 )
摘要 ( 19 ) 引用本文
针对火灾发生时,火灾图像背景复杂、人工特征提取过程繁琐、对火灾图像的识别泛化能力不强、容易出现精度不高、误报和漏报等问题,提出了张量对象特征提取的多线性主成分分析(Multilinear Principal Component Analysis,MPCA)深度学习算法的火灾图像识别新方法。利用MPCANet建立火灾图像识别模型,通过MPCA算法学习滤波器作为深度学习网络卷积层卷积核,对张量对象的高维图像进行特征提取,并把蜡烛图像和烟花图像作为干扰。通过仿真实验并与其他火灾图像识别方法对比得到提出的图像识别方法识别精度达到了97.5%、误报率1.5%、漏报率1%。实验表明:该方法可以有效解决火灾图像识别存在的问题。

时空特征融合深度学习网络人体行为识别方法

裴晓敏, 范慧杰, 唐延东
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 203007-0203007(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0203007
全文: HTML (1 KB)  PDF (659 KB)  ( 124 )
摘要 ( 16 ) 引用本文
基于自然场景图像的人体行为识别方法中遮挡、背景干扰、光照不均匀等因素影响识别结果,利用人体三维骨架序列的行为识别方法可以克服上述缺点。首先,考虑人体行为的时空特性,提出一种时空特征融合深度学习网络人体骨架行为识别方法;其次,根据骨架几何特征建立视角不变性特征表示,CNN(Convolutional Neural Network)网络学习骨架的局部空域特征,作用于空域的LSTM(Long Short Term Memory)网络学习骨架空域节点之间的相关性特征,作用于时域的LSTM网络学习骨架序列时空关联性特征;最后,利用NTU RGB+D数据库验证文中算法。实验结果表明:算法识别精度有所提高,对于多视角骨架具有较强的鲁棒性。

基于混合卷积自编码极限学习机的RGB-D物体识别

殷云华, 李会方
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 203008-0203008(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0203008
全文: HTML (1 KB)  PDF (957 KB)  ( 57 )
摘要 ( 13 ) 引用本文
有效学习丰富的表征信息在RGB-D目标识别任务中至关重要,是实现高泛化性能的关键。针对卷积神经网络训练时间长的问题,提出了一种混合卷积自编码极限学习机(HCAE-ELM)结构,包括卷积神经网络(CNN)和自编码极限学习机(AE-ELM),该结构合并了CNN的有效性和AE-ELM快速性的优点。它使用卷积层和池化层分别从RGB和深度图来有效提取低阶特征,然后在共享层合并两种模型特征,输入到自编码极限学习机中以得到高层次的特征,最终的特征使用极限学习机(ELM)进行分类,以获得更好的快速泛化能力。文中在标准的RGB-D数据集上进行了评估测试,其实验结果表明,相比较深度学习和其他的ELM方法,文中的混合卷积自编码极限学习机模型取得了良好的测试准确率,并且有效地缩减了训练时间。

基于多形态红外特征与深度学习的实时驾驶员疲劳检测

耿磊, 梁晓昱, 肖志涛, 李月龙
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 203009-0203009(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0203009
全文: HTML (1 KB)  PDF (946 KB)  ( 89 )
摘要 ( 21 ) 引用本文
疲劳驾驶是导致车祸的重要诱因,严重危害道路交通安全,而车辆行驶过程中的光照条件变化、驾驶员姿态调整和眼镜遮挡等因素将对疲劳检测任务产生不利的影响。针对以上问题,提出了基于深度学习的驾驶员疲劳检测算法。首先,使用850nm红外光源补光,在复杂光照和遮挡形态下采集驾驶员的面部图像;其次,利用红外图像中的多种特征,通过级联CNN确定人脸边框和特征点位置,提取眼睛区域并识别眼睛的睁闭状态;最后,将眼睛状态识别结果和连续图像中的特征点坐标差值输出至LSTM网络,检测驾驶员疲劳状态。实验结果表明:该疲劳检测算法的准确率可达94.48%,平均检测时间为65.64ms。
红外技术及应用

基于多方向小波提升IRFPA盲元检测精度方法

张瞳, 林春, 陈洪雷, 周松敏
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 204001-0204001(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0204001
全文: HTML (1 KB)  PDF (734 KB)  ( 47 )
摘要 ( 18 ) 引用本文
红外焦平面成像质量受材料生长及器件制备工艺的影响,易出现盲元、条纹噪声等缺陷。条纹噪声经常会导致盲元的检测偏差,准确的盲元检测对于后续图像处理具有重要意义。利用双密度双树复数小波分解的多方向性小波系数,结合广义高斯分布将高频小波系数按照对条纹噪声影响程度分别赋予不同权值并进行单支重构,消除了条纹噪声对盲元检测的影响,得到初步“干净”的预处理图像,进而对预处理图像运用3σ准则进行盲元检测。通过短波HgCdTe红外焦平面成像的实践验证,该方法对具有条纹噪声特征的红外图像盲元检测更加准确。

红外多光谱技术在昼夜交替时段探测的应用

赵慧洁, 谷建荣, 籍征, 李娜, 李岩松
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 204002-0204002(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0204002
全文: HTML (1 KB)  PDF (827 KB)  ( 45 )
摘要 ( 12 ) 引用本文
当利用红外探测系统在昼夜热交替时段进行目标探测时,由于探测场景中目标和背景温度差会发生较大变化,使得目标和背景之间的红外辐射差异在这一阶段的某些时刻很可能接近于0,体现在热红外图像中即为目标与背景“融合”为一体,从而产生红外探测系统的“盲区”现象,导致在昼夜热交替时段传统热红外探测系统无法有效识别目标。针对这一问题,在分析热红外探测系统在昼夜热交替时段致盲原因的基础上,提出一种基于中红外多光谱的昼夜热交替时段探测方法并研制了原理样机,通过利用不同目标之间的红外光谱特性差异实现热交替时段目标的识别与区分。实验结果表明,红外多光谱技术能有效提高传统热红外探测系统在昼夜热交替时段的目标探测能力,相比同一时刻中波红外宽波段成像,红外多光谱成像中目标和背景的DN值比值平均提高了约18%,能够为全天时红外探测系统的实际应用提供很好的借鉴。

红外预警卫星直视地表波段选择及探测能力

刘尊洋, 叶庆, 李修和, 邵立, 孙晓泉
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 204003-0204003(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0204003
全文: HTML (1 KB)  PDF (672 KB)  ( 104 )
摘要 ( 14 ) 引用本文
建立了红外预警卫星直视地表(See-To-Ground,STG)波段探测能力计算模型,并仿真研究了STG最佳探测波段范围以及该波段在导弹预警中可能具备的能力。首先建立了固体、液体导弹尾焰红外辐射模型、地球/大气环境特性模型、点目标辐射通量表观对比度模型、预警卫星系统噪声模型和最低探测高度模型;其次,利用上述模型分析了固体和液体导弹尾焰的表观对比光谱分布规律,认为将STG波段选定为2.86~3.0 μm最具合理性;然后,通过分析液体和固体导弹尾焰在该波段的表观对比度光谱随高度的变化规律,初步探讨了STG波段的导弹探测能力;最后,通过分析不同条件下预警卫星对导弹的首次探测高度,系统研究了SBIRS-GEO预警卫星在STG波段的探测能力。研究结果表明:STG波段对固体导弹则具有较强的早期预警能力,而对液体导弹的早期预警能力则相对较弱。

整流罩层流换热瞬时温升计算及其结构改进

张代军, 罗海波, 常铮, 惠斌
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 204004-0204004(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0204004
全文: HTML (1 KB)  PDF (907 KB)  ( 24 )
摘要 ( 15 ) 引用本文
针对热障效应问题,采用流固耦合法计算了球形整流罩的瞬时温升,并对其进行了结构改进。首先,根据风洞及火箭撬实验,结合熵层涡干扰势分析,给出判别球型整流罩换热状态的临界来流雷诺数为2.7×106,并分析了Van Driest层流换热公式对大张角球面处的适用性;再以Van Driest换热系数为边界条件,利用有限元法进行球形整流罩瞬时温升计算,结果表明其温升较快,需合理轨迹规划以规避热障效应;针对高速长航时应用需求,利用多孔陶瓷材料的低热导率设计了新型复合整流罩,能有效延长制导系统飞行时间;复合整流罩还具有光学窗口处的气动热冲击应力小以及气动阻力小的优点,可应用于低空、高马赫数条件下的光学精确制导。

人工制备生物消光材料空气动力学特性

黄宝锟, 胡以华, 顾有林, 赵义正, 李乐, 赵欣颖
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 204005-0204005(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0204005
全文: HTML (1 KB)  PDF (1132 KB)  ( 25 )
摘要 ( 13 ) 引用本文
人工制备的几种生物材料生产成本低、密度小、形态可控、安全环保,在可见光和红外等波段具有较好的消光能力,可作为一种新型消光材料,弥补无机消光材料的不足。针对当前军、民用领域对新型生物消光材料的需求,将生物消光材料中的絮状生物颗粒等效为子弹玫瑰花型粒子,根据牛顿第二定律和梯度-输运理论,建立生物消光材料沉降模型和扩散模型,并讨论絮状生物颗粒结构和风速、大气稳定度对生物消光材料空气动力学特性的影响。结果表明:分枝数目、长度、半径决定絮状生物颗粒结构;在某种特定条件下,絮状生物颗粒沉降速度较等体积球颗粒沉降速度降低了50%;烟团遮蔽面积可达20 m2以上。模型的构建将为生物消光材料发展及实际应用提供理论基础。
激光技术及应用

脉冲激光周向探测地面目标捕获建模与仿真

陈杉杉, 张合, 徐孝彬
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 206001-0206001(11). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0206001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1365 KB)  ( 41 )
摘要 ( 20 ) 引用本文
针对对地攻击火箭弹单发毁伤概率低的问题,设计了一种激光周向探测系统,旨在提高对地攻击火箭弹的目标捕获概率。推导了平面目标脉冲激光回波波形的解析式及最小可探测光功率,并结合对地攻击火箭弹的末端弹道特性,建立了激光周向探测系统的弹目交会模型。运用蒙特卡罗算法仿真分析了对地攻击火箭弹采用不同探测系统时目标捕获概率随脉冲激光重复频率和扫描转速的变化规律,探讨了弹速和命中精度对于目标捕获概率的影响,获得最佳激光重复频率与扫描转速。仿真结果表明:当脉冲激光重复频率为5 kHz,扫描转速为10000r/min时能实现目标的有效捕获;采用激光周向探测系统能有效提高目标捕获概率,提升单发毁伤效能,为激光周向探测系统在对地攻击火箭弹上的应用提供了理论依据。

飞秒光频梳基于鉴相信号处理实现速度测量

薛彬, 赵拓, 吴翰钟, 张凯, 王志洋, 游画
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 206002-0206002(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0206002
全文: HTML (1 KB)  PDF (932 KB)  ( 46 )
摘要 ( 20 ) 引用本文
以激光测速为基础,引入飞秒光频梳,通过鉴相信号处理,研究出了一种高精度的测速方法,理论测量下限低至μm/s量级。文中详细分析了飞秒光频梳经运动目标反射后梳齿相位发生变化的原理,建立了较为全面的数学模型并使用MATLAB软件进行了仿真。采用快速傅里叶变换方法对仿真测量信号相位信息进行提取并处理,分别对μm/s、mm/s和m/s量级速度值进行了测量,理想情况下测量误差在1 μm/s以下。同时,还对做任意运动的目标进行了测量仿真实验,结果表明文中方法还可以还原目标的运动状态。最后搭建了实验装置对mm/s量级的速度进行测量,测量相对误差均在4%以内,验证了此方法的可行性。

舰船气泡尾流散射光斯托克斯特征研究

田晶, 白光富, 江阳
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 206003-0206003(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0206003
全文: HTML (1 KB)  PDF (623 KB)  ( 38 )
摘要 ( 21 ) 引用本文
针对当前探测器距离尾流较近时目标回波信号淹没在水体散射信号中,以及对低密度、微小气泡群较难探测的问题,通过对尾流散射光的斯托克斯参量特征进行研究,可全面反映光经过尾流散射后的完全偏振光、部分偏振光全非偏振的特征。仿真计算了尾流中微小气泡在不同半径、不同散射角条件下斯托克斯散射矩阵的变化,并对比了水分子的散射特征,研究分析发现:(1)不同大小尾流微气泡的斯托克斯散射特征既有相似之处,也有一定的差异;(2)微气泡的散射参量,与水分子相对应参量比较,差异更加明显,水分子的散射参量不存在震荡现象且散射特征稳定。利用斯托克斯参量进行光尾流特征分析,信息量较全面,光散射特征差异明显,证实了其用于尾流信号分析、探测的可行性。

利用境内气象站观测数据的激光测高仪大气延迟改进算法

张文豪, 李松, 马跃, 周辉, 张智宇
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 206004-0206004(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0206004
全文: HTML (1 KB)  PDF (720 KB)  ( 26 )
摘要 ( 21 ) 引用本文
由大气层折射率分布不均匀引起的大气折射延迟是星载激光测高仪测距误差的主要来源之一,其主要受地表气压的影响。目前计算地表气压方法仅有美国GLAS系统使用的基于NCEP气象数据和时间空间的内插方法,GLAS系统观测相对平坦的南北极冰盖区域的精度足够,但观测地表起伏复杂的陆地目标的精度较低。文中利用国内气象站的观测数据,基于改进的反距离加权内插算法对大气折射延迟修正方法进行改进,并与传统GLAS方法的修正结果进行精度对比。在高原地区以及高纬度地区,采用国内气象数据和新的内插算法可以将修正残差由超过2 cm降低至小于0.5 cm,相对GLAS系统整体15 cm的测量精度,相当于整体精度提高10%,对于未来国产卫星激光测高仪测量精度的提高将有一定参考价值。

固体微片激光回馈技术在远程振动测量中的研究

吴鹏, 秦水介
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 206005-0206005(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0206005
全文: HTML (1 KB)  PDF (677 KB)  ( 29 )
摘要 ( 14 ) 引用本文
激光回馈技术具有极高的测量灵敏度,在振动测量中具有突出的优势。在激光回馈理论和技术的基础上,研究并提出了基于激光回馈技术的远程振动测量方法,构建了完整的固体微片激光远程振动测量系统,详细分析了系统各个部分的基本结构及其工作原理,并在实验中很好地实现了不同频率振动信号的测量及恢复。该研究将振动测量的工作距离提高到25 m以上,实现了远程微振动的非接触测量,拓展了激光回馈技术的应用。实验系统具有较大的振幅与频率测量范围,在振动测量方面具有突出的性能,能够适用于多种场合和目标的振动测量需求。
光电测量

光电编码器与棱体轴线平行度对转角误差的影响

王涛, 赵建科, 田留德, 周艳, 杨利红, 陈琛, 段亚轩, 潘亮, 赵怀学, 刘锴, 万伟, 刘艺宁
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 217001-0217001(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0217001
全文: HTML (1 KB)  PDF (796 KB)  ( 39 )
摘要 ( 18 ) 引用本文
光电轴角编码器轴线与棱体轴线不平行会降低转角误差测试结果的置信度,为了减小光电轴角编码器转角测试误差,将由光电轴角编码器轴线与棱体轴线不平行引入的转角测试误差控制在光电轴角编码器转角误差的1/3~1/5以内,建立了由光电轴角编码器轴线和棱体轴线平行度引入的转角测试误差数学模型及Y向偏置数学模型。由仿真结果可知,光电轴角编码器转角测试误差和Y向偏置随转角的增大呈现周期性变化,周期分别为π和2π,棱体轴线倾斜方向相同时,两轴线夹角越大,转角测试误差峰值和Y向偏置峰值越大,两轴线夹角相同时,棱体轴线倾斜方向大小只会改变转角测试误差曲线和Y向偏置曲线相位,不会改变曲线形状。根据多面棱体-自准直仪法对建立的数学模型进行了实验验证。实验结果表明:测试结果与数学模型具很好的自洽性。在实际测试中,对转角误差进行预先测试,绘制偏置曲线并对曲线进行最小二乘法拟合,求取平行度与倾斜方向,根据倾斜方向调整两轴线平行度大小,直到误差峰值满足测试要求。

倾斜状态下数字天顶仪快速定位方法分析

张西辉, 周召发, 刘先一, 朱文勇
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 217002-0217002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0217002
全文: HTML (1 KB)  PDF (624 KB)  ( 21 )
摘要 ( 20 ) 引用本文
针对数字天顶仪在精确调平状态下进行天文定位时存在耗费时间长,定位速度慢的缺点,从数字天顶仪的定位原理出发,采用方向余弦矩阵转换原理建立了倾斜角的修正模型,分析和推导了经过倾斜角修正之后的定位方法,改进了倾斜状态下数字天顶仪的切平面和球面三角形两种定位算法。实现定位时设备不经精调平,加快定位速度的目的。通过实验比较了在倾斜状态下经过改进后两种类型定位算法的定位精度。实验表明:球面三角形法的定位精度相对较高,经纬度计算精度能够达到0.5″以内。

摆臂式轮廓测量不同母线条数的敏感性分析

熊玲, 罗霄, 戚二辉, 张峰, 薛栋林, 张学军
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 217003-0217003(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0217003
全文: HTML (1 KB)  PDF (789 KB)  ( 11 )
摘要 ( 16 ) 引用本文
为了确定摆臂式轮廓检测大口径离轴非球面采用不同扫描线数时系统检测误差的敏感性,文中提出采用蒙特卡洛方法,建立了仿真分析的模型。对母线条数分别为8~120条的模式进行模拟检测,对系统噪声引入的面形误差进行Zernike多项式项拟合,统计分析得母线条数为8~39条时,系统噪声引入的低阶项检测误差随母线条数的增加而迅速降低;母线条数为40~70条时,引入低阶项检测误差降低缓慢;71~120条时,引入的低阶项检测误差几乎保持不变。结合实例,对一口径1 500 mm的离轴非球面反射镜进行实验,分别采用36条、72条和96条母线进行面形检测。36条母线检测误差相对较大,检测结果为7.73 μm PV和0.68 μm RMS;72条母线和96条母线检测结果十分接近,分别为5.755 μm PV,0.568 μm RMS和5.612 μm PV,0.569 μm RMS。验证了仿真分析结果的准确性,为摆臂式轮廓检测大口径离轴非球面中母线条数的优化选择提供了理论指导。

利用球-旋转椭球模型研究上皮组织散射特性

李华贵, 李艳秋, 郑猛
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 217004-0217004(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0217004
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摘要 ( 16 ) 引用本文
组织模型在组织成像机理及光学疾病诊断技术的研究和改进中发挥着重要作用。然而上皮组织细胞中不仅包含球形散射体,往往还包含椭球形散射体。目前对包含椭球散射体的上皮组织模型的研究还鲜有报道。建立了上皮组织的球-旋转椭球散射模型,利用Monte Carlo算法仿真分析了模型参数的变化对前向散射光强分布及穆勒矩阵极分解参量的影响。结果表明,旋转椭球散射系数、体积和长短轴比的增大均会导致组织模型的去偏作用增强,其中散射系数对去偏的影响最显著;各向异性分布的旋转椭球具有相位延迟作用,且相位延迟随椭球散射系数及长短轴比的增大而增大,随椭球体积的增大而减小。该研究对早期癌变诊断技术的研究具有一定指导意义。
光电器件与微系统

采用短相干光源的动态斐索干涉仪

孙沁园, 陈磊, 郑东晖, 朱文华, 张瑞, 丁煜
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 220001-0220001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0220001
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摘要 ( 17 ) 引用本文
为了实现斐索型干涉仪的动态干涉测试,研究了一种采用短相干光源的动态斐索干涉仪。以中心波长为638 nm、带宽为0.1 nm的二极管泵浦固体激光器作为光源,与偏振延迟装置结合得到一对短相干正交线偏振光,通过调节光源模块中两支线偏振光的光程差来匹配斐索干涉腔的长度,从而获取一对光程差为0的相干光束。使用偏振相机采集得到四幅位相依次相差π/2的移相干涉图,按照四步移相算法解算相位,恢复待测元件的表面面形。采用光强归一化算法有效地抑制了偏振态误差导致的移相干涉图光强不一致在最终恢复波面中引入的一倍频波纹误差。采用琼斯矢量和琼斯矩阵分析了干涉图对比度与s光和p光光强比值的关系,并分析了1/4波片方位角误差对最终恢复波面的影响。利用该装置和Zygo GPI XP型干涉仪测量了同一块光学平晶,其均方根值相差0.024λ,峰谷值相差0.026λ。

偏轴式扫描三光栅单色仪

陈建军, 崔继承, 刘嘉楠, 杨晋, 孙慈
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 220002-0220002(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0220002
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摘要 ( 11 ) 引用本文
为了获得宽波段高分辨率的单色光,对成像光谱仪进行了波长标定,设计了一款扫描式三光栅单色仪。光栅扫描系统采用蜗轮蜗杆机构,针对传统安装方式带来的光栅有效口径损失及杂散光等问题,创造性地提出了蜗轮蜗杆转台偏轴安装的方法,通过蜗轮蜗杆转台初始位置的偏移,有效抑制了扫描过程中光栅实际有效口径的减小和仪器杂散光增加等问题。单色仪光学系统采用水平式C-T结构,通过三块光栅实现280~2 240 nm的宽波段输出,保证整个波段内的高衍射效率和光谱分辨率;并针对蜗轮蜗杆的非线性扫描,使用多种数学模型对单色仪系统进行了光谱定标。最终的实验和测量证明,仪器在280~560 nm、560~1120 nm、1 120~2 240 nm三个波段的光谱分辨率分别为0.1、0.2、0.4 nm,波长重复性分别为0.094、0.186、0.372 nm,波长准确度分别为0.096、0.191、0.382 nm,达到了设计目标,满足成像光谱仪波长定标的使用要求。

基于分数泰伯效应的双波长微距分束的研究

杨磊, 江敏, 赵宁波, 谢洪波
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 220003-0220003(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0220003
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摘要 ( 19 ) 引用本文
微距光谱分束是红外领域小型双波段成像系统的关键技术之一。利用菲涅耳衍射理论和角谱理论,研究了双波长和宽角度入射光场通过阶梯光栅在分数泰伯距离下的衍射特性。建立了基于阶梯光栅的双探测阵列成像模型,数值模拟了入射波长分别为4 μm和4.5 μm的光束在-30°~30°入射角度范围的光栅分束结果,获取了探测面上的发光强度、能量和信噪比等参数值。此文的研究成果可为构建微型双波段成像装置及设计精密光谱分束器件提供理论支持。
光通信与光传感

室内可见光通信中的自适应STBC MIMO-OFDM系统设计

郭心悦, 李双双, 郭阳, 肖江南
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 222001-0222001(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0222001
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摘要 ( 18 ) 引用本文
提出基于空时块码(STBC)调制的自适应多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM)可见光通信(VLC)系统,该系统能够克服MIMO信道相关性并实现可靠通信。同时,引入功率比特分配(PBA)与OFDM相结合,以适应信道传输条件从而有效提高频谱效率。通过搭建一个2×2的MIMOOFDM VLC演示系统,实现了80 cm距离的传输,实验中测得的误码率始终保持在7%的前向纠错阈值3.8×10-3之下。实验结果表明,STBC MIMO-OFDM系统对MIMO信道相关性鲁棒,且PBA的应用能够大幅度提高数据速率。

微环差分光子生物传感器的传感性能

管磊, 王卓然, 袁国慧, 陈昱任, 董礼, 彭真明
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 222002-0222002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0222002
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摘要 ( 12 ) 引用本文
通过模拟仿真,研究了基于绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator,SOI)的微环生物传感器的传感性能,得出其体传感灵敏度为38.71 nm/RIU,探测极限为1.8×10-3 RIU,Q值为2.22×104。基于该结构,分析了噪声对传感器性能的影响,包括光源噪声和温度噪声。为了降低噪声影响,设计了具有参考和探测通道的双微环差分传感器,通过差分运算扣除噪声引起的谐振波长漂移,从而可以有效降低噪声对传感器探测结果的影响。通过数值模拟和计算,其被探测物的折射率变化的相对误差减小了15.85%,表明微环差分传感器可以有效降低噪声的影响,对提高微环生物传感器的性能将有极大的促进作用。

一种基于径向偏振解调的线性光学电流传感器

谭巧, 徐启峰, 黄奕钒, 项宇锴
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 222003-0222003(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0222003
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摘要 ( 15 ) 引用本文
提出了一种基于径向偏振解调的线性光学电流传感器。采用集磁式传感头,由两块导磁板将气隙磁场引出,直通式光路由通光孔经过气隙磁场,不需要反射棱镜,根除了反射相移,有利于改善传感器的稳定性。采用径向偏振光栅将法拉第旋转角转换为环形光斑的同步转动,由四象限探测器对光斑定位得到待测电流。经理论分析和实验验证,传感器的测量模式与光强无关,法拉第旋转角测量范围为±43°,测量准确度0.2S级。
太赫兹技术及应用

3.11THz标准体雷达散射截面测量

王茂榕, 钟凯, 刘楚, 徐德刚, 姚建铨
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 225001-0225001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0225001
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摘要 ( 14 ) 引用本文
针对太赫兹近场散射特性测量特点,基于CO2激光抽运的太赫兹激光器和双层独立转动平台搭建了一套高频段太赫兹雷达散射截面(RCS)测量系统。利用不锈钢光滑金属球体作为标准定标体验证了系统的可靠性,测量结果与理论值误差小于3 dBsm,系统的信噪比优于24 dB。首次利用该系统开展了3.11 THz频点处不同材料及涂覆层圆形金属平板及不同底面直径圆锥体RCS的测量。通过比较分析发现了表面阳极氧化和喷漆处理的航空铝及P304不锈钢与纯航空铝平板的RCS区别,以及不同底面直径的圆锥体RCS差异,为太赫兹频段复杂目标体RCS的研究奠定基础。

太赫兹时域光谱反射式层析成像技术

任姣姣, 李丽娟, 张丹丹, 乔晓利
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 225002-0225002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0225002
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摘要 ( 17 ) 引用本文
改性聚丙烯(PP)材料由于其阻燃、高抗冲性能等特点被广泛应用在汽车仪表板、保险杠等汽车配件中,采用无损探伤技术对改性PP材料进行检测是汽车配件质量保证的必要手段。搭建了透射式太赫兹时域光谱系统及反射式太赫兹时域光谱成像系统,采用透射式THz-TDS系统对改性PP材料的光学参数进行了检测,测定了该材料在太赫兹波段的折射率,其数值为1.53。设计了一种改性PP材料平底洞样品,采用反射式THz-TDS成像系统对其进行成像,采用了反卷积滤波技术对THz信号进行处理,提高了信号的信噪比,提出了一种基于飞行时间的太赫兹时域光谱层析成像技术,采用已测定的改性PP材料的折射率,通过飞行时间层析成像技术对该样品的太赫兹检测结果进行了三维重构,厚度测量精度为0.01mm。
信息获取与辨识

曲率滤波-经验模式分解的运动人体目标检测预处理

叶华, 谭冠政, 胡长坤, 戴正科
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 226001-0226001(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0226001
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摘要 ( 14 ) 引用本文
利用曲率滤波-经验模式分解预处理检测并提取人体目标特征,以降低图像分解运算复杂度,同步增强边缘和纹理特征,提高特征区分性。表现在:(1)在第一层经验模态分解中,以曲率滤波曲面映射原图像的连续平滑曲面,形成包络曲面及均值面,首层分解图像纹理特征显著,以下各层凸显边缘与结构特征;(2)从低分辨率到高分辨率尺度图像匹配出相邻层强边缘区域,易于人体目标轮廓候选区域的提取;(3)以首层分解图纹理特征筛分背景,在相邻层中匹配前景特征区域,形成人体姿态特征的轨迹图,易于判别人体姿态及行为。在人体行为识别实验中,采用曲率滤波-经验模式分解预处理提取的轮廓特征与人体行为典型数据库ground truth对比,在UIUC示例数据的轮廓提取的精度和召回率都达到90%以上。对人体姿态及行为做识别处理,验证了预处理方法的有效性。

高光谱图像Pareto优化稀疏解混

徐夏, 张宁, 史振威, 谢少彪, 齐乃明
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 226002-0226002(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0226002
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摘要 ( 13 ) 引用本文
高光谱解混是学术界的一个难题,稀疏高光谱解混指的是利用已知光谱库进行解混,旨在从先验光谱库中找到一些可以表征图像的数个纯光谱向量作为高光谱图像的端元,并利用这些端元求解相应的端元丰度,这是一个NP难的组合优化问题。目前多通过将L0范数凸松弛为L1范数进行稀疏解混,但该方法得到的仅仅是近似解。文中提出了一种基于Pareto优化的稀疏解混算法(ParetoSU),将稀疏解混问题转化为一个两目标优化问题,其中一个优化目标是建模误差,另一个目标是端元稀疏度。ParetoSU直接解决稀疏解混中的组合优化问题,不需要对L0范数进行近似。最后利用仿真数据验证了该解混算法的有效性。
激光雷达技术

多普勒激光雷达中种子激光注入的一种鉴别方法

高健, 周安然, 孙东松, 郑俊, 李梓霂, 韩於利
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 230001-0230001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0230001
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摘要 ( 17 ) 引用本文
多普勒测风激光雷达以其高分辨率、高精度、大探测范围、能提供三维风场信息的能力,吸引了多国学者的关注,并投入了大量的人力、物力进行研究。所研究的多普勒测风激光雷达采用种子注入的方式获得单纵模、窄线宽、高功率的激光输出。激光器中心频率的缓慢漂移、环境噪音、激光棒温度变化或者振动干扰都有可能导致激光器种子光的注入不成功,出射激光光谱由注入成功时的单纵模输出变为多纵模输出。激光单纵模输出时线宽约为200 MHz,而多纵模时激光线宽很宽。而种子注入不成功时所出射的多纵模激光脉冲将导致瑞利后向散射谱变宽,会增加风速测量误差。该脉冲筛选电路在数据采集环节实现对多纵模激光脉冲的筛选,有效降低了风速测量误差,提高测风准确度。

相干测风激光雷达VAD风场反演的数据质量控制方法

王贵宁, 刘秉义, 冯长中, 吴松华, 刘金涛, 王希涛, 李荣忠
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 230002-0230002(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0230002
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摘要 ( 28 ) 引用本文
相干测风激光雷达扫描测量模式下使用速度方位显示(VAD)方法反演水平风场时,若不进行质量控制,会使拟合数据精度大幅降低。基于最小二乘VAD拟合算法,通过分析相干测风激光雷达扫描测量模式中的多种误差源,设置了信噪比、数据残差、扫描区间有效数据、数据有效率四个判据对参与拟合的数据质量进行控制,进而提出了基于以上判据的VAD逐级拟合质量控制方案,设计了数据质量控制流程,并对该方法进行了实验验证。通过对2 955组10 min平均激光雷达测风数据与高精度风杯数据进行对比分析,结果表明:经VAD逐级拟合质量控制流程后,风速均方根偏差从0.97 m/s降低到0.54 m/s,比对偏差降低约44%,风向均方根偏差从7.47°降低到5.55°,比对偏差降低约26%。

空间在轨激光成像雷达指标优选宏模型

李荣华, 温帅方, 肖余之, 李金明
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 230003-0230003(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0230003
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摘要 ( 12 ) 引用本文
凝视成像激光雷达技术是空间非合作目标位姿测量重要手段。激光雷达指标选取极大影响航天器载荷,优化选取激光雷达指标,使之既能满足空间任务需求,又能有效减少航天器载荷,减少能源消耗,意义重大。传统解决此问题的方法是通过经验选取,激光雷达指标与目标属性相容性宏模型的提出,可以为激光雷达激光输出功率、分辨率、视场角和测距精度四项指标选取提供理论依据。具体的,利用目标尺度和雷达目标距离计算雷达分辨率和视场角初值,对雷达最大可测距离进行迭代求解,为优化激光雷达发射功率提供依据。充分利用深度共生矩阵二阶参数迭代优化,确定雷达最优分辨率和视场角。最后,通过点云配准算法迭代得出测量该目标的合适的测距精度。实验结果表明,激光雷达宏模型优化选取的雷达指标满足雷达指标选择的需求。

用于条纹像距离提取的迭代加权质心方法

叶光超, 李旭东, 董志伟, 樊荣伟, 陈德应
红外与激光工程. 2018, 47 (2): 230004-0230004(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201847.0230004
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摘要 ( 13 ) 引用本文
条纹阵列探测激光雷达具有测距精度高、作用距离远、探测景深宽和数据更新率高等显著优点,已被广泛应用于地形测绘、海岸带监测、城市三维重构、森林生态研究等领域中。传统的信号鉴别方法在回波信号距离提取过程中存在一定的局限性,影响了条纹阵列探测激光雷达的距离分辨能力和目标识别能力。针对这一问题在处理条纹图像时引入了一种迭代加权质心算法,讨论了该算法在质心定位中的独特优越性,结合条纹阵列探测激光雷达的信号分布特征确定了该算法中关键参数的选取。利用该算法在1.4 km的作用距离下获得了具有清晰边界特征的目标距离像,有效抑制了距离提取过程中产生的边界模糊效应,显著提升了系统的细节分辨能力,相比于传统的质心算法,测距精度提高了17%。
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