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Research on improving magnetic field adaptability of high-precision IFOG
XU Bao-xiang, XIONG Zhi, HUANG Ji-xun, YU Hai-cheng
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200239
[摘要](77) [HTML全文](35)
The magnetic non-reciprocity error is one of the main factors that restrict the application of high-precision IFOG, and the error is related to the strength of magnetic field and the twist rate of fiber. The magnetic field sensitivity of fiber coil is more than 10° / h / GS due to the twisting of the fiber, even if permalloy is used to shield the magnetic field, the shielding effectiveness can only reach about 30 dB, which cannot meet the requirements of high-precision IFOG. The influence of the connection gap between shielding materials on shielding effectiveness is analysed by an equivalent circuit model and finite element simulation, the influence of the twist rate on the magnetic field sensitivity is deduced by formula. Through these analyses, the improvements that changed the connection of shielding materials from screw connection to laser welding and made the fiber de-twist are proposed. Through the measure of fiber de-twist, the magnetic field sensitivity of the fiber coil is reduced by 89.3%; through the improvement of laser welding, the shielding effectiveness is improved from 31 dB to at least 64 dB, the magnetic field sensitivity is reduced from 0.0265°/h/Gs to less than 0.0004°/h/Gs, and the bias stability of the IFOG in different temperature is improved by more than 7.5%. These improvements can improve the precision of the fiber coil in the magnetic field and temperature environment.
光子晶体光纤载体中液晶随机激光辐射行为
乌日娜, 宋云鹤, 卢佳琦, 高芮, 李业秋, 岱钦
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200171
[摘要](104) [HTML全文](76)
将向列相液晶TEB30A、手性剂S-811、激光染料PM597的混合物填充空芯光子晶体光纤中,以Nd: YAG倍频532 nm激光作为泵浦光源,测量激光辐射谱,研究了光子晶体光纤载体中的随机激光辐射行为。泵浦激光侧面入射,侧面出射随机激光波长范围为590 nm至605 nm,半高全宽约为0.3 nm;辐射方向较广。泵浦光端面入射,端面出射随机激光波长范围为580 nm至605 nm,半高全宽约为0.3 nm。加热样品至各向同性温度时,端面和侧面激光辐射被关断。由实验结果得出,光子晶体中随机激光辐射源于微孔中填充的染料掺杂液晶混合物。手性向列相液晶中光子传输平均自由程和液晶分子介电张量的涨落随温度的变化,是影响出射激光强度的主要因素。
基于金刚石拉曼转换的光束亮度增强研究进展
白振旭, 陈晖, 李宇琪, 杨学宗, 齐瑶瑶, 丁洁, 王雨雷, 吕志伟
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200098
[摘要](766) [HTML全文](628)
具有不同波长的高亮度激光在军事、工业、生命科学等诸多领域发挥着重要作用。但是受限于现有工作物质固有的光谱特性和热物性,传统粒子数反转激光器的波长和输出功率难以兼顾,甚至导致激光在功率提升时的光束亮度不升反降。为了克服该难题,近几年人们利用非线性光学技术对光束净化开展了大量研究,即将粒子数反转激光器输出的低光束质量的光束,通过受激拉曼或受激布里渊散射等效应转变为高光束质量激光输出。其中,金刚石晶体以其高拉曼增益系数、极高的热导率和极宽的光谱透过范围等性质,在实现高效率拉曼波长转换的同时展现出优异的光束亮度增强特性,为人们获得高功率、高亮度激光光束提供了新的技术路径。文中对基于金刚石的一阶和级联拉曼转换的光束亮度增强研究进行了综述,并围绕其潜在的应用进行了探讨。
基于NDIR技术的超低功耗甲烷检测系统研究
赵庆川
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200140
[摘要](80) [HTML全文](59)
为了满足低功耗甲烷检测技术的需要,基于甲烷气体分子在3.2~3.4 μm中红外波段具有主吸收峰的特性,研制了一种基于非色散红外光谱技术的超低功耗红外甲烷传感器及系统。在分析红外差分检测原理的基础上,重点研究了抗水汽干扰的LED、PD器件选型及光路设计。采用LED脉冲串电流驱动技术,将红外甲烷传感器的功耗降至10 mW。利用实验法研究了温度变化对传感器甲烷浓度测量结果的影响,通过数据分析及归一法线性拟合,得出了温度补偿算法公式。利用检测系统平台进行了性能实验,并给出了基本性能指标参数。该系统具有功耗低、抗水汽干扰、检测稳定性好的优点,具有重要推广应用价值。
高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响
蒙裴贝, 史文宗, 蒋硕, 齐明, 邓永涛, 李旭
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200127
[摘要](53) [HTML全文](29)
实验研究了输出镜为不同参数高斯镜时,偏心对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响及激光器的输出特性。仅当光轴与激光晶体中心轴、Q开关中心轴一致,且经过高斯镜反射率中心时,可同时实现最大能量、最窄脉冲宽度和最小发散角输出。存在偏心时,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越大,则能量下降越多,脉冲宽度和发散角增大越大。对于反射率半径为2.5 mm和中心反射率为30%的高斯输出镜,偏心0.5 mm时,能量降低7%,脉冲宽度增宽33%,发散角增大20%。激光性能方面,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越小,光束质量越好,但效率低。综合考虑偏心影响和激光性能,反射率半径为2.75 mm和中心反射率为20%的高斯镜作为输出镜最佳。泵浦能量为984 mJ时,获得了能量128 mJ,脉冲宽度7.3 ns,光束质量M2因子约4.6的1064 nm激光输出,对应光光转换效率为13%。实验结果为激光器设计和装调提供了参考。
基于金纳米笼和MoS2的1 123 nm被动调Q Nd: YAG激光器
张斌, 李颖, 刘丙海
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200084
[摘要](373) [HTML全文](277)
分别将金纳米笼和MoS2作为饱和吸收体,实现了中心波长为1 123 nm的Nd: YAG激光器的调Q运转。在金纳米笼为饱和吸收体的调Q激光器中,当泵浦功率为6.04 W时,得到的最大平均输出功率为221 mW,最短脉冲宽度为253 ns,最大脉冲重复率为326 kHz。与MoS2调Q激光器的实验结果相比,金纳米笼调Q激光器获得的输出功率和效率更高,脉冲宽度更窄,重复率更高。结果证明了金纳米笼在近红外波段激光器中用作饱和吸收体的巨大潜力。
高功率碘稳频He-Ne激光波长参考源
王建波, 殷聪, 石春英, 王捍平, 蔡山, 舒慧
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200111
[摘要](992) [HTML全文](433)
为满足精密测量对高稳定激光单色光源功率的要求,研制了全封闭、一体化结构的高功率碘稳频He-Ne激光系统。对该系统所采用的饱和光谱探测原理、吸收峰识别与锁定方法以及激光波长的稳频效果进行了研究。首先,介绍了三次谐波方法探测饱和吸收光谱的基本原理,分析了其消除功率背景的方法。接着,分析了碘稳频激光中一体化谐振腔的稳定性,详细讨论了谐振腔轴向膨胀和横向非对称形变对输出功率的影响。然后,分析了激光输出功率与碘分子饱和吸收峰之间的对应关系,介绍了利用二次谐波信号实现吸收峰识别的可行性,并展示了高稳定谐振腔的长时间锁定能力。最后,分析了高功率碘稳频He-Ne激光波长的稳定度与复现性。实验结果表明:高功率碘稳频He-Ne激光波长抖动标准差为33 kHz,1000 s稳定度达到4.1×10−13;三个月内激光波长的复现性达到3.3 kHz(7.0×10−12),与国际计量委员会推荐的频率差为3.0 kHz。
基于红外TDLAS技术的高精度CO2同位素检测系统的研制49
侯月, 张鹏泉, 于冠一, 黄克谨
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200083
[摘要](1000) [HTML全文](445)
对天然气分布监测,高精度地检测CO2同位素是非常重要的。文中采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,通过13CO2/12CO2在4.3 μm处的吸收谱线,实现高精度CO2同位素检测。该检测系统由工作在连续波模式下的中红外间带级联激光器(ICL)、长光程多通池(MPGC)和中红外碲化汞镉(MCT)探测器组成。针对13CO212CO2两条吸收谱线强度受温度影响的问题,研制了MPGC高精度温度控制系统。实验中,配置5种不同浓度的CO2气体对检测系统进行标定,响应线性度可达0.9996。结果表明,当积分时间为92 s时,同位素检测精度低至0.0139‰,具备实际应用价值。
基于无源光纤的2 kW高光束质量拉曼放大器
陈薏竹, 姚天甫, 肖虎, 冷进勇, 周朴
当前状态:
[摘要](2875) [HTML全文](852)
径向偏振光的退偏特性及补偿方法
杨策, 彭红攀, 陈檬, 马宁, 薛瑶瑶, 杜鑫彪, 张携
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA202049.20200038
[摘要](720) [HTML全文](1806)
研究了非均匀泵浦状态下径向偏振光束的退偏机理及补偿方法。理论分析表明非均匀泵浦条件下各向同性晶体横截面内由热致剪应力引起的剪切向热致双折射是导致径向偏振光退偏的主要原因。设计实验依次采用薄膜偏振片(TFP)测量法和纯度测量法评价了径向偏振光在非均匀泵浦条件下的退偏,其中TFP测量法用于检测径向偏振光的整体退偏,纯度测量法用于检测径向偏振光的局部退偏。在泵浦峰值功率1.1 kW下,两种评价方法测得的退偏量分别为2.34%和2.53%。基于理论分析和评价方法的结果,退偏补偿方案的设计中采用相位调制与空间模式匹配相结合的方式,将径向偏振光的退偏量优化了59%,并获得脉冲能量为19.36 mJ,纯度为90.13%的皮秒径向偏振光,光束质量因子M2为3.8。
高功率光纤激光器反向光放大和损伤特性数值分析
盛泉, 司汉英, 张海伟, 张钧翔, 丁宇, 史伟, 姚建铨
当前状态:
[摘要](3961) [HTML全文](2090)
利用速率方程模型分析主振-放大结构的高功率光纤激光器中反向信号光在放大级中的放大特性,结果显示连续波反向信号会被放大器所明显放大,同时严重影响激光器输出功率;而脉冲反向信号由于激光器稳态运转时不形成高储能,入射能量较高时放大效果并不明显。结合石英光纤和光纤端帽以及光纤光栅等器件的损伤阈值可知,连续波反向回光放大时系统中振荡器光纤光栅损伤风险较大,而脉冲能量毫焦量级的反向脉冲信号即可导致光纤损伤,另外端帽等器件在脉冲反向光作用下也存在损伤风险。
增益分布对皮秒脉冲自相似放大的影响
张韵, 刘博文, 宋寰宇, 李源, 柴路, 胡明列
当前状态:
[摘要](5087) [HTML全文](2224)
采用数值模拟的方法,研究了增益分布对皮秒脉冲自相似放大的影响。构建了掺镱光纤内超短激光脉冲自相似放大的理论模型,以不同的泵浦方式、光纤长度和总增益系数实现不同的增益分布,探究了不同增益分布对增益光纤中皮秒脉冲的自相似放大过程和结果的影响。结果表明,皮秒脉冲在不同的增益分布下存在最佳的自相似放大结果,可以得到近变换极限的百飞秒高质量脉冲输出。发现同一信号光脉冲在增益光纤中演化至自相似放大过程时,正向泵浦方式下的演化速度比反向泵浦快。对于不同的增益光纤长度和总增益系数,正向泵浦方式下的信号光自相似区域主要集中在低入射脉冲能量和长波长区域,反向泵浦方式下的信号光自相似区域主要集中在高入射脉冲能量和短波长区域。
Thermal damage of monocrystalline silicon irradiated by long pulse laser
Guo Ming, Zhang Yongxiang, Zhang Wenying, Li Hong
当前状态:
[摘要](70) [HTML全文](69)
In view of the thermal damage law and mechanism of monocrystalline silicon for millisecond pulsed laser, the temperature of monocrystalline silicon irradiated by millisecond pulsed laser is measured by high precision point temperature meter and spectral inversion system. Then the temperature evolution process is analyzed. Also, the temperature state during the whole process of thermal damage of monocrystalline silicon irradiated by millisecond pulsed laser and the corresponding damage structure are studied. The results of this study show that the peak temperature of laser-induced monocrystalline silicon increases with the increase of energy density when the pulse width is fixed, When the pulse width is between 1.5 ms-3.0 ms, The temperature decreases with the increase of pulse width. Temperature rise curve shows inflection point when it is close to the melting point (1687 K), the reflection coefficient is from 0.33 to 0.72. During the gasification and solidification stages, it also shows the gasification and the solidification plateau periods. Thermal cleavage damage of monocrystalline silicon precedes thermal erosion damage. Stress damage dominates under low energy density laser irradiation, while thermal damage dominates under high energy density laser irradiation. The damage depth is proportional to the energy density and increases rapidly with the increase of the number of pulses.
专栏-星载激光测高技术
空间激光测高技术发展及展望
舒嵘, 黄庚华, 孔伟
2020, 49(11): 20201047.   doi: 10.3788/IRLA20201047
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 6657KB](0)
空间激光测高技术通过在天基平台搭载脉冲激光测距仪,实现行星表面形貌信息获取,是开展对地和深空探测的重要手段。系统梳理了空间激光测高技术的发展历史和现状,提出应向多波束观测、近海及岛礁水下地形探测、激光主动多光谱探测这三个方向发展,建议开展近红外波段单光子探测、超窄带光学滤波、多光子分辨探测、单光子数据星上预处理、高转换效率激光及非线性光频变换关键技术研究,促进我国空间激光测高技术的进一步发展。
激光雷达测绘卫星发展及应用
方勇, 曹彬才, 高力, 胡海彦, 江振治
2020, 49(11): 20201044.   doi: 10.3788/IRLA20201044
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1677KB](0)
星载激光测绘技术的迅猛发展对传统卫星对地观测领域带来了新的突破,高精度对地观测数据有利于提升整体几何精度、高效率数据处理特性有利于实现快速应用,因此激光测绘卫星数据获取、处理和应用成为研究热点。首先介绍了激光测绘卫星原理特点和发展现状,然后以目前在轨激光雷达卫星ICESat-2为例,分析了载荷配置特点、数据处理方法以及在影像联合精确定位、多源地形融合、全球植被测量、浅海水深测绘等多个领域的测绘应用情况,最后就我国下一步发展激光测绘卫星谈一些思考。
海洋激光雷达探测卫星技术发展研究
张扬, 黄卫东, 董长哲, 袁金如, 贺岩, 万渊, 汪自军, 陈利平, 竹孝鹏, 臧华国, 卜令兵, 刘继桥
2020, 49(11): 20201045.   doi: 10.3788/IRLA20201045
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 2072KB](0)
从国家海洋战略需求出发,对我国发展海洋激光雷达必要性进行分析,对海洋激光雷达的特点,以及国内外发展情况进行梳理;分析了目前国内外激光雷达建设规划与已发射星载激光雷达的情况,提出未来星载海洋激光雷达的发展方向,以及在轨预期数据应用产品,讨论了星载海洋激光雷达关键技术,给出了“十四五”期间海洋激光雷达的发展前景。
发展三极观测激光测高卫星的探讨
高小明, 李国元, 郭金权, 欧阳斯达, 樊文锋
2020, 49(11): 20200233.   doi: 10.3788/IRLA20200233
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1390KB](0)
南极、北极和青藏高原素有地球三极之称, 正经历着巨大变化的“三极”区域既是影响研究全球气候变化的关键区,又是保障国家安全利益的重要战略特殊区。激光测高卫星具有快速获取全球地表高精度三维信息的特点,在极地区域相比其他类卫星其优势更加明显。为满足新形势下“三极”区域遥感观测研究的需求,立足于激光测高卫星,总结了国内外已有激光测高卫星在极地观测方面的现状,分析了激光测高卫星在极地区域的观测需求,探讨了激光测高卫星在极地区域的可观测要素,提出了我国发展极地观测激光测高卫星的相关建议,并对未来极地遥感卫星体系建设给出了初步设想及展望。
面向ICESat-2单光子激光雷达的陆地目标测距误差分析
李泓成, 周辉, 李松, 马跃, 王玥
2020, 49(11): 20200247.   doi: 10.3788/IRLA20200247
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1493KB](0)
单光子激光雷达所获取的光子事件存在随机分布的特点,使得其激光测距值出现不确定性,从而降低了单光子激光雷达的测距精度。在不减小采样分辨率的情况下,采用累积邻近多光斑的光子事件来构建光子累积直方图,并基于反算的目标响应函数的时间重心来确定激光测距值。针对ICESat-2单光子激光雷达,以测距均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)为性能指标,构建出一种综合考虑陆地地形、累积光斑数目和回波光子数等多因素对其测距误差影响的评估方法。同时,选取ICESat-2过境美国犹他州西瓦利城的某观测条带的随机地形数据进行验证分析。结果表明,所提出的激光测距值解算方法能够使该条带的测距RMSE值由114.25 cm降低到63.84 cm,MAE值由70.97 cm降低到48.52 cm,均优于ICESat-2数据产品提供的137.96 cm RMSE值和97.24 cm MAE值,这对提升单光子激光雷达在陆地区域的测距精度具有一定的借鉴作用。
星载激光测高仪固体激光器技术研究与发展
程勇, 刘旭, 谭朝勇, 王赛, 韦尚方
2020, 49(11): 20201046.   doi: 10.3788/IRLA20201046
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1601KB](0)
空间固体激光器是星载激光测高系统的重要载荷,也是先进激光器的典型代表。星载激光测高的应用需求和星载应用环境决定了空间激光器的技术特点和规律,使得空间固体激光器成为了先进性、可靠性、成熟性和小型轻量化的技术与工艺统一。分析了星载激光测高应用的空间固体激光器高可靠激光谐振腔技术、高重频窄脉宽微脉冲多光束激光器技术、LD/光纤/固体相融合技术等方面的发展现状,介绍了单光子阵列推扫式激光雷达用空间固体激光器的技术突破,并对卫星激光测高固体激光器技术发展进行了展望。
激光测高卫星大气散射延迟改正现状及展望
李国元, 么嘉棋, 赵一鸣, 李正强, 李旭, 唐洪钊
2020, 49(11): 20200234.   doi: 10.3788/IRLA20200234
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1424KB](0)
激光测高卫星可以在大范围内获得亚米甚至厘米级的地表高程信息,但不可避免受云、气溶胶等粒子引起的散射影响,其中前向散射引起的激光测距和最终测高误差不容忽视。文中系统梳理激光测高卫星大气散射误差改正技术,介绍了国内外卫星激光测高系统参数、大气探测及散射改正算法,有别于已有的蒙特卡洛模拟改正方法,提出了一种基于指数函数模型的大气散射改正算法,选择青海湖等区域的ICESat/GLAS开展试验,结果表明,光学厚度小于2时能有效提升受大气散射影响的数据精度,同时提升数据可利用率约9%,该算法更易于实现业务化应用。最后针对大气参数同步探测的必要性,结合星载大气参数探测设备对后续国产激光测高卫星大气散射改正提出了若干建议。
ICESat-2星载光子计数激光雷达数据处理与应用研究进展
朱笑笑, 王成, 习晓环, 聂胜, 杨学博, 黎东
2020, 49(11): 20200259.   doi: 10.3788/IRLA20200259
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 3245KB](0)
ICESat-2/ATLAS系统首次采用微脉冲多波束光子计数激光雷达技术,其在探测方式、数据处理方法、应用的广度和深度等方面与ICESat-1/GLAS存在明显差异。首先介绍了ICESat-2及ATLAS的性能指标、数据特点和产品信息,详细分析了光子点云去噪和分类两个关键技术,以及各算法的适应性及难点,总结了ICESat-2数据在冰盖和海冰高程测量及其变化监测、地面高程提取、森林高度提取和生物量估算、湖泊水位和蓄水量变化监测等方面的应用,最后展望了光子数据处理和应用的发展趋势和前景。
基于自然地表的星载光子计数激光雷达在轨标定
赵朴凡, 马跃, 伍煜, 余诗哲, 李松
2020, 49(11): 20200214.   doi: 10.3788/IRLA20200214
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 3718KB](0)
在轨标定技术是影响星载激光雷达光斑定位精度的核心技术之一。介绍了目前国内外星载激光雷达的在轨标定技术发展现状,分析了各类在轨标定技术的特点。针对新型的光子计数模式星载激光雷达的特性,提出了一种基于自然地表的星载光子计数激光雷达在轨标定新方法,使用仿真点云对标定算法的正确性进行了验证,并分别使用南极麦克莫多干谷和中国连云港地区的地表数据和美国ICESat-2卫星数据进行了交叉验证实验,实验结果表明:算法标定后的点云相对美国国家航空航天局提供的官方点云坐标平面偏移在3 m左右,高程偏移在厘米量级。文中还利用地面人工建筑等特征点对比了算法标定后的点云与官方点云之间的差异,最后对基于自然地表的在轨标定方法的精度以及标定场地形的影响进行了讨论。
高分七号激光测高中全波形回波数据的EMD降噪
刘向锋, 黄庚华, 张志杰, 王凤香, 舒嵘
2020, 49(11): 20200261.   doi: 10.3788/IRLA20200261
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针对具有多个高度层的复杂场景,全波形激光测高系统记录的回波信号中往往带有较高的噪声,采用合适的降噪方法将有助于提高计算激光测距的精确性、反演地物垂直结构和构建目标特征参数的准确性。根据高分七号激光测高在轨探测的低信噪比全波形数据的特性,采用经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)方法来构建典型的本征模函数(Intrinsic mode function, IMF),对于分解出多个不同尺度IMF的筛选,比较了使用去除高频分量,阈值选取、Wavelet选取和去趋势波动分析(Detrended fluctuation analysis, DFA)等方法与策略,通过降噪效果及定量评价,测试结果表明EMD-DFA1与EMD-1IMF对高分七号激光测高的全波形数据具有较好的降噪效果,其次为EMD-Wavelet和EMD-Threshold。另外通过EMD-DFA1对单个波峰、混叠波峰、多个波峰等不同情况的全波形数据测试,结果表明该方法具有较好的自适应性。
星载激光遥感林业应用发展研究
岳春宇, 郑永超, 邢艳秋, 庞勇, 李世明, 蔡龙涛, 何红艳
2020, 49(11): 20200235.   doi: 10.3788/IRLA20200235
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林业测量调查是星载激光遥感的重要应用方向。迄今为止,国外发展了多台套的星载激光载荷已经用于林业遥感。国内资源三号(02)星搭载的激光测距仪实验载荷实现了我国星载激光对地观测的突破,即将发射的陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达也将在林业遥感中取得重要应用。ICESAT-1/GLAS系统全波形数据成功用于全球林地垂直结构调查,ICESAT-2/ATLAS系统以光子探测的方式获取林地点云调查数据,星载激光遥感林业应用从实验、演示验证、进入实用阶段。这期间多型星载激光雷达经过了技术体制的选择、参数的优化,器件技术和处理技术的突破。本文综述了主要在轨服务林业遥感的星载激光雷达的配置和数据应用,研究了星载激光雷达林业遥感的探测机制、技术体制、应用现状、适用范围等,分析总结了各类星载激光雷达林业应用技术特点、发展演化趋势,提出星载激光雷达载荷研制应根据任务应用需求、科学和工程目标,充分发挥激光技术长项,与其他载荷手段优化配置,扬长补短,展望了星载激光雷达林业遥感技术和应用的发展趋势、研究热点及其应用拓展。
基于随机森林的ICESat-2卫星数据地表覆盖分类
李彬彬, 谢欢, 童小华, 叶丹, 孙凯鹏, 李铭
2020, 49(11): 20200292.   doi: 10.3788/IRLA20200292
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该研究将ICESat-2卫星激光测高数据作为地表覆盖分类的新数据源,提出了一种基于随机森林的ICESat-2卫星地表覆盖分类方法,探索了光子计数卫星激光测高在地表覆盖分类中的应用潜力。该方法采用光子数目、不同类型光子水平和垂直分布比例、信噪比、太阳条件、大气条件作为分类的输入,并在中国长三角地区开展了多类地表覆盖类型分类实验进行了验证。实验结果表明,ICESat-2卫星的强波束和弱波束的激光数据在水体、森林、低植被以及城市/裸地四类地表的总体分类精度均能达到优于85%;在水体、森林以及低植被/城市/裸地三类地表的总体分类精度能达到优于90%的水平。
ICESat-2/ATLAS数据反演林下地形精度验证
黄佳鹏, 邢艳秋, 秦磊, 夏婷婷
2020, 49(11): 20200237.   doi: 10.3788/IRLA20200237
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针对星载激光雷达数据反演林下数字地面模型(Digital Terrain Model,DTM)存在困难的问题,研究了冰云陆地高程卫星-2 (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite,ICESat-2)/先进地形激光高度计系统(Advanced Opographic Laser Altimeter System,ATLAS)的强弱光束数据反演林下地形的精度,并探究了冠层高度及植被覆盖率对于ICESat-2/ATLAS反演林下DTM精度的影响。研究结果表明:强波束反演林下DTM的精度为R2=1,RMSE=0.74 m,弱波束反演林下DTM的精度为R2=1,RMSE=0.76 m,强波束相对弱波束表现出更优的反演精度,但是,强光束与弱光束的光子云数据均可为反演林下DTM提供科学数据。从研究区植被的整体情况来看,随冠层高度及植被覆盖率的增加,不同激光类型数据均出现误差逐步增加的情况。
GF-7星载激光测高仪全波形自适应高斯滤波
左志强, 唐新明, 李国元, 李松
2020, 49(11): 20200251.   doi: 10.3788/IRLA20200251
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1552KB](1)
全波形星载激光测高仪通过向地表发射激光,获得目标表面的后向散射完整波形,可用于地表剖面高程信息及目标表面几何物理参数的反演。GF-7星载激光测高仪部分原始波形存在噪声显著、波峰左偏/右偏和非饱和平峰等情况,对提取有效信息造成干扰。针对GF-7星载激光测高仪全波形数据,首先提出了一种波形背景噪声迭代去除方法,然后对波形噪声特点及几何结构进行分析,并进行定量化描述,最终设计了一种顾及波形噪声与结构异构的自适应高斯滤波器。在实验中,将文中方法与已有经典波形滤波算法进行比较,最终验证了文中方法在噪声去除、有效信号保留及非饱和平峰波形处理上的有效性。使用文中方法进行波形滤波后,波形信噪比更高,同时波形幅值下降量均在3倍的噪声标准差以内,非饱和平峰波形滤波后波形高斯分解参数振幅、均值和标准差的分解精度分别为(0.69 ± 2.34) mV, (0.007 ± 0.024) ns和(0.026 ± 0.069) ns。
基于遗传算法的星载激光全波形分解
谢俊峰, 杨晨晨, 梅永康, 韩保民
2020, 49(11): 20200245.   doi: 10.3788/IRLA20200245
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1289KB](0)
全波形激光雷达的回波中包含着地物目标的垂直结构特征信息,传统的全波形数据处理方法在提取这些信息时过于依赖初始参数,导致地形复杂地区的数据可利用率低、准确率低。针对这一问题,提出了一种基于遗传算法的波形分解方法。改进后的处理算法无需提供精确的初始参数,用概率性传递规则代替确定性规则,具有全局寻优特点。并以高分七号卫星激光全波形数据进行试验。结果证明,基于改进后的波形处理方法拟合的回波波形与预处理后波形的相关系数在99%以上。文中对森林地区最大树高的反演与ICESat-2的ATL08产品中的森林冠层高度参数进行对比,两者相关系数为0.85,中误差为1.1 m,表明该方法可以较准确地提取复杂波形的特征信息。
激光器与激光光学
非球型粒子对激光偏振特性的影响
战俊彤, 张肃, 付强, 段锦, 李英超
2020, 49(11): 20200150.   doi: 10.3788/IRLA20200150
[摘要](31) [HTML全文](50) [PDF 1321KB](2)
球形粒子群的偏振散射特性已经通过研究获得,但是真实环境中粒子形状为非球形,非球型粒子的多次散射偏振特性规律尚未得到。基于T矩阵计算方法对非球型粒子散射模型进行了改进,获得了非球型粒子的散射振幅矩阵,对椭球形粒子,圆柱形粒子以及且切比雪夫粒子的偏振特性进行了模拟,分析了不同横纵轴比、形状、波长对粒子偏振特性的影响。研究结果表明:对于椭球形粒子而言,偏心率由2变为3后偏振度最大值从散射角130°变为90°,450、532、671 nm的偏振度分别增大了50%、25%、24%;圆柱粒子长短轴互换对于偏振度的改变影响不大。切比雪夫粒子表面的不规则度由3变为8后,偏振度增大了18%。研究结果为非球型粒子群的多次散射特性提供了理论基础,最终解决了真实环境与理想环境之间的偏振传输特性差异的问题。
纳秒激光诱导透射元件粒子喷射的分布特征
王可, 秦艳, 韩佳岐, 管爽, 马彬
2020, 49(11): 20200065.   doi: 10.3788/IRLA20200065
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 2962KB](0)
光学元件在高能量激光辐照下将发生激光损伤,损伤过程伴随着材料破裂、结构崩塌和粒子喷射,而向外喷出的粒子将影响周围光学元件的激光损伤性能。搭建了双光束泵浦探测成像系统,获得了激光诱导透射元件粒子喷射的瞬态图像,并根据粒子接收板的统计数据,获得了喷射粒子的空间分布、粒子尺寸和出射角度特征。同时,针对不同激光能量、不同的粒子接收距离以及真空度,对喷射粒子分布的影响因素进行了研究;此外,还结合能谱仪对激光诱导金属膜喷发后的分布规律、不同金属元素在大气与真空环境中的喷射行为进行了对比分析。实验结果表明:透射元件在激光作用下喷发出微米尺寸的粒子形态,金属膜的喷发主要以原子态或熔融液滴为主;粒子在最终接收板上的分布特征主要受初始条件的影响,而真空环境影响相对较小;不同薄膜制备工艺对金属膜的喷发特征影响较为明显。
高重频KrF准分子激光器能量特性控制
冯泽斌, 周翊, 江锐, 韩晓泉, 孙泽旭, 张华
2020, 49(11): 20200043.   doi: 10.3788/IRLA20200043
[摘要](476) [HTML全文](329) [PDF 12249KB](38)
能量稳定性和剂量精度是半导体光刻用高重频准分子激光器的重要指标,必须采用高精度的控制算法对其进行控制。针对准分子激光器,首先对准分子激光器的单脉冲能量特性进行了分析,并在分析的基础上建立了准分子激光器的出光能量仿真模型。然后,分别设计了能量稳定性控制算法,基于PID的双闭环剂量精度控制算法和基于决策算法的剂量精度控制算法,并通过在仿真模型上实验对于算法控制效果进行了分析,证明了基于决策算法的剂量精度控制算法的适应性更强。最后,将基于决策的控制算法在一台重频为4 kHz的KrF准分子激光器上进行了验证。该激光器在基于决策的控制算法的控制下,能量稳定性的3σ小于5%,剂量精度小于0.4%,满足半导体光刻的需求。在仿真实验和实际实验中都证明了研究中设计的能量特性控制算法的有效性。
Picosecond multi-pulse burst pump KGW infrared multi-wavelength Raman laser
Yang Ce, Chen Meng, Ma Ning, Xue Yaoyao, Du Xinbiao, Ji Lingfei
2020, 49(11): 20200044.   doi: 10.3788/IRLA20200044
[摘要](2901) [HTML全文](804) [PDF 1959KB](35)
Picosecond infrared multi-wavelength Raman laser which adopted multi-pulse pumped KGW crystal was reported. A mathematical model was developed to investigate the effect of multi-pulse burst pumping regime on the vibrational mode of the Raman active molecule. The simulated results show that the response oscillation of the Raman active molecule to the multi-pulse burst pumping regime is more active and durable compared with the traditional single pulse pumping regime, which promotes the weakened molecule oscillation to return the natural frequency multiple times. The enhancement effect is beneficial to improve the Raman gain, reduce the Raman threshold, and increase the Raman conversion efficiency. During the experiment of picosecond multi-pulse pump KGW Raman crystal, the three-pulse burst pumping regime improves the Raman gain more than two times, reduces the threshold of stimulated Raman scattering more than 50%, and increases the Raman conversion efficiency more than 16% for 768 cm–1 Raman mode and 22% for 901 cm–1 Raman mode. Based on the three-pulse burst pumping regime, a 1 kHz mJ-level picosecond infrared multi-wavelength Raman laser was designed, which achieved the pulse energy of 1.39 mJ, the maximum Raman conversion efficiency of 29.6% for the 768 cm–1 vibrational mode of KGW, and the pulse energy of 1.38 mJ, the maximum Raman conversion efficiency of 25.7% for the 901 cm–1 vibrational mode of KGW. In addition, the Raman laser can radiate up to eight infrared Raman lines simultaneously for both the two vibrational modes of the KGW crystal, which covers the range of 800–1 700 nm.
采用双Sagnac环滤波器的可切换多波长光纤激光器
朱可, 裴丽, 赵琦, 解宇恒, 常彦彪
2020, 49(11): 20200047.   doi: 10.3788/IRLA20200047
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1675KB](0)
提出了一种基于双Sagnac环滤波器的可切换多波长掺铒光纤激光器,该滤波器由基于保偏光纤和少模光纤的Sagnac环并联构成,结构简单,利用其梳状滤波特性,实现了掺铒光纤激光器的多波长输出。采用传输矩阵法详细分析了双Sagnac环的传输特性,进一步搭建了线性腔掺铒光纤激光器,实验中通过调节偏振控制器,改变腔内偏振态,在室温下得到稳定可切换的单、双、三波长激光输出,且激光器输出波长的位置可调。研究结果表明,输出激光波长的边模抑制比大于34 dB,稳定性测量中波长漂移量小于0.05 nm,具有良好的稳定性,可应用于波分复用及全光通信系统等领域。
绿光泵浦的黄光波段可调谐窄线宽光学参量振荡器
张鹏泉, 项铁铭, 史屹君
2020, 49(11): 20200275.   doi: 10.3788/IRLA20200275
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 2160KB](0)
为实现波长可调谐的窄线宽黄光波段激光输出,设计搭建了以倍频声光调Q Nd:YAG激光器的532 nm脉冲绿光输出为泵浦源、以II类相位匹配磷酸钛氧钾(KTP)晶体为非线性介质的折叠腔光学参量振荡器(OPO)。首先产生腔内振荡的近红外可调谐闲频光,在此基础上基于LBO晶体I类非临界相位匹配方式对OPO的闲频光进行内腔倍频,得到波长调谐范围587.2~595.2 nm的黄光波段输出。为改善OPO光谱特性,在OPO闲频光谐振腔内插入熔融石英标准具,有效压缩了OPO输出黄光的光谱线宽。绿光泵浦源脉冲重复频率10 kHz、平均功率24.0 W下在波长591.2 nm处获得了最高黄光输出功率2.89 W,光束质量因子M2=3.4,从532 nm泵浦光到黄光输出的转换效率为12.0%,脉冲宽度37 ns,对应峰值功率7.8 kW。此时黄光光谱半高全宽为0.15 nm,相比未在OPO腔内插入标准具自由运转状态下的光谱得到明显改善。
脉冲气体激光器用固态高压开关的研制
杨银辉, 郑义军, 朱子任, 孙科, 唐化江, 谭荣清, 苏新军
2020, 49(11): 20200045.   doi: 10.3788/IRLA20200045
[摘要](44) [HTML全文](34) [PDF 6649KB](2)
实验研制了基于磁脉冲压缩系统的脉冲气体激光器用固态高压开关,实验中通过调节复位电流大小,负载电阻大小等相关参数实现了磁压缩开关输出效率达到最大值。经两级磁开关压缩后脉宽约压缩为原来的5%。压缩后脉冲上升时间约为180 ns,幅值约为16 kV。其中第一级磁压缩效率为89.2%,第二级磁压缩效率达到97.7%,总的压缩效率达到87.2%。接激光器后测得输出激光脉冲能量约为20 mJ,输出激光脉冲半高宽约为85 ns。
一种激光搜跟器的光学设计
纪小辉
2020, 49(11): 20200088.   doi: 10.3788/IRLA20200088
[摘要](1214) [HTML全文](490) [PDF 1669KB](53)
为提高激光搜跟器对地目标的搜索范围和成像分辨率,提出了一种机载平台下的共孔径激光搜跟器扫搜和跟踪目标的方法,并进行了光学系统的设计。激光搜跟器采用捷联的方式固定于飞行器上,提高了其稳定性;激光的出射和回波的接收,采用共孔径的R-C式反射望远系统实现,缩小了其整体尺寸,并提高了成像分辨率;扫描搜索目标采用双光楔组件实现,并提高了搜索频率和扩大了搜索视场;给出了双光楔旋转角和出射光偏转角之间的关系。设计结果表明,当系统通光孔径为φ300 mm,焦距为2 100 mm时,总体尺寸为685 mm,可扫描搜索视场为±5°,成像视场为±0.08°,成像点弥散斑最大为2.417 μm,系统MTF值在50 lp/mm时大于0.4,满足成像要求;当目标距离为3 km时,可搜索范围达到526 m,可实现对4 m大小目标的成像,成像分辨率为2″。
光电测量
Enhanced Gray-code method for three-dimensional shape measurement
Liu Lu, Xi Dongdong, Cheng Lei, Wang Yuwei, Cai Bolin, Zhou Huiyu
2020, 49(11): 20200314.   doi: 10.3788/IRLA20200314
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Conventional Gray-code (GC) plus phase-shifting methods have been extensively utilized for three-dimensional (3D) shape measurements. Nevertheless, how to achieve fast and accurate measurement remains challenging because multiple GC patterns are necessary for absolute phase recovery. An enhanced GC method based on geometric constraint was proposed, which would decrease the number of fringe patterns. The 8-bit phase-shifting patterns could be transferred into 1-bit binary ones by using the binary dithering approach to realize high-speed projection. Specifically, a total of six binary patterns including three phase-shifting patterns and three GC patterns were employed in the proposed method. The phase-shifting patterns were adopted to compute the wrapped phase, and then the GC patterns could be utilized to unwrap the wrapped phase to obtain a pseudo unwrapped phase. In the end, the absolute phase would be reconstructed after using the geometric constraint to unwrap the pseudo unwrapped one. The experiments demonstrate that the enhanced GC method is an effective way to reconstruct the 3D shapes of measured objects.
螺旋型光纤传感软体操作臂状态测量及特性分析
祝航威, 何彦霖, 孙广开, 宋言明, 祝连庆
2020, 49(11): 20200276.   doi: 10.3788/IRLA20200276
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1609KB](0)
微创手术软体操作臂是微创外科和机器人领域的科学前沿和研究热点,对提升微创手术水平至关重要。现有视觉、电子和光电等传感方法尚未解决软体操作臂的状态测量问题,以直线型布设在软体操作臂中的光纤传感器,在柔性操作臂伸展和弯曲等运动时存在易断裂和可重复性差等问题,未能实现手术操作臂的闭环控制,限制了其手术应用。为此,提出了一种基于螺旋型光纤传感的软体操作臂状态测量方法,并对其传感特性进行了研究。不同于直线布设光纤的传感方法,螺旋型布设光纤的传感方法可以实现可伸缩软体操作臂的测量,防止光纤在软体操作臂中的错位,满足可伸缩弯曲软体操作臂的测量需求。通过理论分析气动驱动软体操作臂伸缩和弯曲的运动特性,利用光纤上刻写的布拉格光栅传感点,建立软体操作臂中螺旋型光纤光栅的传感模型,推导出光纤光栅中心波长漂移量和软体操作臂弯曲曲率之间的关系。最后,为了验证螺旋型光纤光栅在软体操作臂中的传感性能,对其传感灵敏度和稳定性等进行了实验测试。实验结果表明:提出的螺旋型光纤传感方法可实现操作臂伸长10%、弯曲角度达到180°时的状态测量,且操作臂理论弯曲角度和光纤传感的误差最大为9%,传感灵敏度可达12.55 pm/(°),满足软体操作臂伸缩和各向弯曲操作时的测量需求。
空间光学
太阳磁场探测现状与展望
邓元勇, 甘为群, 颜毅华, 杨尚斌, 白先勇, 侯俊峰, 陈洁
2020, 49(11): 20200278.   doi: 10.3788/IRLA20200278
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磁场是当今太阳物理最重要的观测量,与太阳磁场观测研究相关的科学问题是当今太阳物理、日地物理的前沿和热点。文中简要回顾了太阳磁场观测的发展历程、现状以及面临的困难,并结合国内在太阳磁场观测研究中取得的成就,探讨了国内在未来的竞争中可能的突破口。基于空间探测的优势,笔者认为深空探测将在有关太阳磁场的重大科学难题的突破方面发挥决定性作用。
光学成像技术
光场相机在湍流下的清晰成像和点云计算
张烜喆, 王彦, 王佳华, 侯再红, 杜少军
2020, 49(11): 20200053.   doi: 10.3788/IRLA20200053
[摘要](1140) [HTML全文](572) [PDF 14348KB](100)
无变形镜条件下抵抗大气湍流影响获取几百米至几十公里外目标的清晰成像和点云数据具有重要意义。光场相机是清晰成像和点云计算领域的有力工具,但是它在湍流条件下无法正常工作。同时光场相机技术的主要研究方向集中在如何提高点云的精度和密度,暂无人将其应用于湍流清晰成像。基于相空间光学原理改进了光场相机的信息提取算法,在湍流条件下完成了清晰成像和点云计算。这种算法使用四维密度函数来描述复眼结构,对原始数据的使用更加充分,能够提取物点完整的低阶相位信息,因而,可以抵抗湍流对局部子孔径的影响,稳健地获取目标点云,解算深度图并得到全聚焦清晰成像。根据这一原理设计了光场相机系统,探测室内湍流池后方的目标以及室外湍流下500 m处目标,均获得了4 k以上个物点的准确低阶相位分布,给出了目标的三维点云图和清晰成像。结果表明,该方法无需变形镜系统,也不需要先验信息,是一种稳定工作的解析算法。
Underwater Fourier single pixel imaging based on water degradation function compensation method
Yang Xu, Jiang Pengfei, Wu Long, Xu Lu, Zhang Jianlong, Hu Haili, Liu Yuehao, Zhang Yong
2020, 49(11): 20200281.   doi: 10.3788/IRLA20200281
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1456KB](0)
The detection environment of underwater optical imaging is relatively complex. The forward scattering, back scattering and absorption greatly reduce the imaging quality of underwater optical imaging. Single pixel imaging is considered to be a suitable technique for underwater optical imaging because of its high noise resistance. The serious problem of underwater single pixel imaging system is that the structural light is required for illumination, and the forward scattering distorts the pre-generated speckle, when the speckle travels underwater. Therefore, the resolution of the reconstruction results decreases, making the reconstruction results blurry. In order to reduce the influence of the forward scattering on single pixel system, the reconstruction process of Fourier single pixel imaging should be improved. Underwater degradation function of Fourier single pixel imaging system was estimated in the spectrum domain, and then target spatial spectrum inversion was implemented based on the estimated degradation function. The image of the target can be obtained by transforming the target spatial spectrum with Fourier transform. The validity of the proposed method was proved by theoretical analysis and experimental results. Utilizing the proposed method, the influence of the forward scattering was reduced and the quality of reconstruction results of underwater Fourier single pixel imaging was improved.
图像处理
整形脉冲信号处理方法及低温辐射流偏差
杜华冰, 孙奥, 尚万里, 侯立飞, 车兴森, 杨轶濛, 杨国洪
2020, 49(11): 20200181.   doi: 10.3788/IRLA20200181
[摘要](105) [HTML全文](60) [PDF 1768KB](9)
平响应X射线二极管目前已经广泛应用在国内外大型激光装置,用于角分布X射线辐射流的测量。在实际实验中,平响应X射线二极管会对整形脉冲驱动辐射源产生台阶变化的辐射流图像进行测量。为了保证信噪比良好,单一信号会接入示波器多通道,然后对不同通道信号进行数据处理,并且拼接得到最后信噪比很好的图像。该研究主要对这种数据处理方式进行了介绍,并给出了理论计算,同时对低温辐射流还原计算中的一种偏差做了理论近似和数值模拟,得到了偏差的相对不确定度。耦合所有因素的不确定度,得到了平响应X射线二极管的整体不确定度随辐射温度的变化曲线,实现了精密化诊断,完成了实验对于诊断的需求。
深度学习结构优化的图像情感分类
盛家川, 陈雅琦, 王君, 韩亚洪
2020, 49(11): 20200269.   doi: 10.3788/IRLA20200269
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1602KB](0)
自然图像情感分类在分析用户需求、监控网络舆情等方面具有重要意义。然而基于深度学习的分类算法存在训练过程难以控制、分类结果缺乏解释的问题。为此提出一种人类知识驱动的深度学习结构优化算法。首先通过特征可视化显示卷积神经网络提取的情感特征;其次结合人类对图像情感可视化结果的感知来优化网络结构,利用人类知识驱动网络,重点学习情感信息更明显的特征;最后对所构建网络的参数进行微调,使其更适用于自然图像情感分类任务。在Twitter情感图像数据集上与其他分类方法的对比实验表明,所提出的算法获得了88.1%的分类准确率,优于其他方法。消融实验证明网络优化结果比未优化提高了8.1%。类激活图、空间位置和神经元组特征可视化直观解释了模型运作的过程与原因,进一步证实算法识别自然图像情感的能力。
基于运动分组的空间密集群目标跟踪
张磊, 朱帅, 刘天宇, 王岳环
2020, 49(11): 20200284.   doi: 10.3788/IRLA20200284
[摘要](73) [HTML全文](56) [PDF 1526KB](4)
针对空间目标检测跟踪中可能存在大量伴飞干扰的问题,提出了一种基于密集多目标运动分组的空间目标快速检测跟踪方法。首先,在传感器分辨率允许的范围内,通过稀疏光流提取目标群体内个体的运动信息,然后利用母函数正则化来整合运动路径之间的相似性,以“集体合并”的思路,从密集随机运动中检测有序群集运动,在空间上将群目标划分为若干个具有相似运动模式的稀疏群组,并以稀疏群组间的拓扑关系构建图模型,筛选出目标群中的疑似目标,最后利用帧间相关性抑制虚警。仿真实验结果表明:对于空间中不同群目标分布场景,该方法具有良好的鲁棒性和实时性。