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2021年 第50卷  第S2期

激光器与激光光学
纳秒激光脉冲辐照太阳能电池损伤特性及对光电转化的影响
常浩, 陈一夫, 周伟静, 郭威
2021, 50(S2): 20210296.  doi: 10.3788/IRLA20210296
[摘要](110) [HTML全文](38) [PDF 1480KB](28)
针对纳秒脉冲激光辐照三结GaAs太阳能电池损伤特性及对光电转化影响开展研究。从损伤形貌、伏安特性、电致发光三个方面建立实验系统,分别从材料烧蚀形貌、电性能输出、内部损伤情况来分析电池光电性能逐渐下降特性。在分析了激光能量密度影响的基础上,进一步分析了激光辐照部位的影响,如电池栅线与非栅线部位。纳秒脉冲激光由于峰值功率较高,能对电池产生明显损伤,激光辐照电池的栅线部位损伤效果强于辐照非栅线部位,主要由于栅线电极的作用是用于光生载流子的收集,激光辐照熔断电池栅线,降低电池输出功率。研究结论对于提高太阳能电池空间防护能力具有指导意义。
激光功率对选择性激光烧结尼龙12密度和绝缘性能的影响
罗兵, 李化, 王哲豪, 王婷婷, 李子建, 王佳昕
2021, 50(S2): 20200474.  doi: 10.3788/IRLA20200474
[摘要](85) [HTML全文](28) [PDF 1594KB](16)
选择性激光烧结技术(SLS)发展迅速,技术成熟度高,可以打印任意复杂形状的结构,而传统注塑工艺很难制备某些具有复杂结构的绝缘件,因此SLS技术在制作复杂的绝缘结构方面具有显著优势。然而不同的烧结工艺参数对烧结件的性能具有较大影响。研究了不同激光功率下尼龙12烧结件密度和绝缘性能的变化规律及成因。选取不同的激光功率进行测试,以烧结件的密度、击穿场强、电导率和相对介电常数为指标,综合选取最优的激光功率。分析了尼龙12在烧结过程中的热氧化降解机理,烧结件的热氧化降解是导致烧结件性能劣化的主要原因。结果表明:在激光功率变化范围内,烧结件的密度和绝缘性能呈先提升后稳定再劣化的规律;最优的激光功率为9 W,对应的扫描速度为3000 mm/s,扫描间距为0.1 mm,此时尼龙12烧结件的密度为1.0106 g/cm3,直流击穿场强为81.57 kV/mm,电导率为4×10−13 S/cm。
纳秒脉宽激光烧蚀典型金属推进性能实验研究
李明雨, 叶继飞, 于程浩, 杨青林, 孔红杰
2021, 50(S2): 20210277.  doi: 10.3788/IRLA20210277
[摘要](70) [HTML全文](31) [PDF 1352KB](13)
为研究不同金属材料的激光烧蚀推进性能,对常见的七种金属材料:Al,Fe,Ni,Cu,Y,Ag,Au,使用波长1 064 nm,脉宽8 ns的Nd:YAG激光器在大气下进行烧蚀,测量了烧蚀质量、冲量、冲量耦合系数、比冲和能量转化效率等推进性能参数,获得了激光功率密度对推进性能的影响规律。实验结果表明:相同激光功率密度下,Fe的烧蚀质量最大,Y的烧蚀质量最小;Al,Au,Cu的冲量较大,Ag的冲量最小;Au的冲量耦合系数和比冲均值在七种金属材料中最大,分别在激光功率密度为$1.72 \times {10^{10}}\;{\rm{W}}/{\rm{c}}{{\rm{m}}^2}$${{2}}{{.98}} \times {10^{10}}\;{\rm{W}}/{\rm{c}}{{\rm{m}}^2}$时达到40.7 μN/W和500 s的最大值,平均能量转化效率可达6%。
封闭料场斗轮机智能控制系统关键技术的研究
剪欣, 周泉, 杨天龙
2021, 50(S2): 20200099.  doi: 10.3788/IRLA20200099
[摘要](68) [HTML全文](31) [PDF 1704KB](13)
针对目前封闭式料场堆取料机工作环境恶劣、作业效率低、误差大、成本高等问题,设计了一套堆取料机智能控制系统,该系统基于LiDAR技术,通过扫描仪采集料堆表面点云数据,利用定位系统与扫描仪的联合标定,完成定位传感器反馈的姿态数据与扫描数据实时匹配,实现点云数据的处理和料三维重建,同时通过图像处理技术,提前预测作业路径来指导封闭料场中堆取料机完成自动作业。实验表明该控制系统控制提高了工作的效率,降低了作业成本。
基于深度学习的激光干扰效果评价方法
范有臣, 马旭, 马淑丽, 钱克昌, 郝红星
2021, 50(S2): 20210323.  doi: 10.3788/IRLA20210323
[摘要](72) [HTML全文](19) [PDF 1281KB](14)
针对激光干扰效果评估受主观经验较大、难以定量评估的问题,提出了一种基于深度学习的激光干扰效果评估方法。首先,对YOLOV5算法进行了整体介绍,其次制作了来自不同角度、不同距离的3 020张激光干扰图像;然后,对标注的数据集进行训练,得到了激光干扰效果评估模型;最后,分别在YOLOV5x、YOLOV5l、YOLOV5m、YOLOV5s网络模型下训练300次,实验验证了模型的正确性。实验结果表明:利用训练好的模型实现了对激光干扰图像的效果评估,该模型不仅可以自动标注激光干扰区域和进行干扰效果等级评估,同时还融入了传统策略,可以通过计算标注区域面积占整幅图像面积的大小作为辅助决策,实现自动标注激光干扰区域面积所占百分比,识别准确度在80%以上,对激光干扰效果评估具有重要意义。
毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的温度场应力场数值分析
夏盛强, 蔡继兴, 张潇允, 辛潮, 李婧祎, 金光勇
2021, 50(S2): 20200415.  doi: 10.3788/IRLA20200415
[摘要](60) [HTML全文](26) [PDF 1473KB](12)
为了研究毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的温度场和应力场特征,基于热传导理论和弹塑性力学理论建立了二维轴对称几何模型,利用有限元分析软件对毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英的过程进行了数值分析,得到了熔石英表面及内部的瞬态温度场和应力场的时空分布与变化规律。结果表明:组合脉冲激光中,毫秒激光脉宽为1 ms、能量为120 J,纳秒激光脉宽为10 ns、能量为80 mJ,Δt=1.0 ms条件下毫秒-纳秒组合脉冲激光辐照熔石英出现温度最佳延时。观察总能量相同的组合脉冲激光与毫秒脉冲激光致熔石英的热损伤结果,得到最佳能量配比。研究结果表明,组合脉冲激光中,毫秒脉冲激光对熔石英产生热效应,纳秒脉冲激光对熔石英产生应力效应。
2.79 μm Cr, Er: YSGG激光光纤耦合的实验探究
黄磊, 熊正东, 程庭清, 江海河
2021, 50(S2): 20210236.  doi: 10.3788/IRLA20210236
[摘要](90) [HTML全文](45) [PDF 1330KB](14)
采用传能光纤替代导光臂传输激光能量能够极大地改善医用手柄的灵活性、降低系统复杂程度、提高激光传输效率。设计研制了2.79 μm Er, Cr: YSGG激光器及其光纤耦合系统。分析了激光器谐振腔输出镜对输出高斯光束参数的影响,设计弯月型透镜作为激光器谐振腔输出镜减小激光光束发散角,并选择合适的耦合单透镜,满足了数值孔径为0.29、芯径为400 μm的ZBLAN玻璃光纤耦合条件。实验结果表明,在弯月型透镜作为激光输出镜,耦合透镜焦距为20 mm时,可实现激光传输耦合效率高达83%,最大传输功率6 W,满足了激光医疗仪器的临床应用需求。
基于图像的激光微尺度烧蚀质量估算方法
郭威, 常浩, 杜邦登, 于程浩
2021, 50(S2): 20210297.  doi: 10.3788/IRLA20210297
[摘要](73) [HTML全文](44) [PDF 2088KB](11)
激光微尺度烧蚀下的烧蚀质量是激光微推进系统中评估比冲等性能参数的重要物理量,文中在利用扫描电镜得到的烧蚀坑图像的基础上,基于灰度表面重构形貌方法,建立了微尺度烧蚀坑形貌三维模型重构算法;针对图像噪声影响,对图像进行分段平滑,有效地解决了量化误差和灰度模糊对重构形貌的影响,实现了烧蚀坑体积估算。结果表明:所提出的方法能够快速有效地重构激光微尺度烧蚀下烧蚀坑形貌的三维形状,进而计算其烧蚀质量。
高分七号卫星激光测高仪光斑质心位置变化分析
么嘉棋, 李国元, 陈继溢, 周晓青, 国爱燕, 黄庚华, 唐新明, 艾波
2021, 50(S2): 20210539.  doi: 10.3788/IRLA20210539
[摘要](81) [HTML全文](43) [PDF 1522KB](16)
高分七号卫星搭载了我国首个具备全波形记录能力的对地观测激光测高仪,可以大范围地获取高精度三维坐标,其定位精度高度依赖于激光指向角的测量精度。针对数据特点,提出了一种阈值约束的椭圆拟合光斑质心提取算法,并建立了长周期指向角稳定性监测与分析系统。首先,用阈值法确定激光光斑轮廓的边缘;其次,通过腐蚀操作消除孔隙、噪声的影响;然后,通过椭圆拟合进一步约束激光光斑的形状,保留光斑的特征参数;最后,通过灰度重心法提取质心坐标。实验结果表明:光斑的质心位置在1.4 pixel内变化,对应的指向角度每月在0.434″内变化,较为稳定。文中相关算法、结论对我国后续激光测高卫星研制、指向稳度监测具有一定的借鉴意义。
能量密度对毫秒脉宽激光烧蚀铝靶物质迁移机制的影响
高贺岩, 金星, 李兰, 姚猛, 王莹
2021, 50(S2): 20210264.  doi: 10.3788/IRLA20210264
[摘要](70) [HTML全文](45) [PDF 1693KB](8)
毫秒脉宽激光打孔过程中靶物质的迁移机制直接影响孔的形貌,因此靶物质的迁移机制研究对于激光加工参数优化具有重要意义。靶物质的迁移主要包括脱靶的气化产物、溅射的熔融物质和非脱靶的熔融物质迁移,熔融物质重新凝固形成重铸层。对于脱靶的物质,采用高速相机直接成像法观察运动规律;对于重铸层,采用金相显微镜观察其形貌;最后,使用分析天平测量烧蚀质量。结果表明:铝合金的相爆炸阈值为1 047.24 J/cm2,能量密度在相爆炸阈值以下时,脱靶的靶物质主要以气化形式迁移,重铸层内部会形成周向和径向的裂纹,而能量密度在相爆炸阈值以上时,熔融物质被冲刷出烧蚀坑,烧蚀坑内部几乎不存在重铸层;气化损失的质量占比很小,靶材的质量损失主要来自相爆炸驱动的熔体喷溅,相爆炸会使单脉冲烧蚀质量增加10.7倍;相爆炸和激光强度的下降均会导致靶材的气化速率下降。
自由振荡激光天基清扫空间碎片机理研究
魏靖松, 程勇, 朱孟真, 陈霞, 刘旭, 谭朝勇, 米朝伟
2021, 50(S2): 20200198.  doi: 10.3788/IRLA20200198
[摘要](63) [HTML全文](25) [PDF 1130KB](14)
在绕地轨道上残留着大量的空间碎片,这些人类航天活动造成的太空污染已经严重威胁到太空飞行器的安全。其中,直径在1~10 cm之间的碎片具有致命的潜在危害,是急需解决的麻烦。激光清扫空间碎片也愈来愈引起科学领域的关注,其中天基脉冲激光是清扫这类小型空间碎片的有效技术途径之一。由于现有方案中的天基超短脉冲、超大能量、紧凑可靠的激光器在工程上难以实现,笔者创新提出了自由振荡脉冲激光天基清扫空间碎片的思想与方案。通过模拟分析发现自由振荡激光的脉冲持续时间是其产生大冲量的优势,从机理和效应上与纳秒激光进行了对比,证明了“热金属蒸气反喷”比“等离子反喷”的冲量增量与能量利用率更高。建立了激光消融金属的物理模型,模拟分析得到了当激光功率密度大于5×106 W/cm2时,金属液滴的直径一般不大于60 μm的结果,说明了激光清扫空间碎片过程中相伴产生的“微碎片”不会有“次生危害效应”,反而能在一定程度上加速碎片清扫。该文为自由振荡激光器在天基清扫碎片的领域应用奠定了基础。
皮秒激光辐照硅基PIN光电二极管的瞬态响应信号分析
姚猛, 叶继飞, 李兰, 高贺岩
2021, 50(S2): 20210305.  doi: 10.3788/IRLA20210305
[摘要](40) [HTML全文](14) [PDF 1226KB](7)
实验研究了超短脉冲皮秒激光辐照硅基PIN光电二极管的瞬态响应的规律特性,测量了在不同激光能量密度辐照下的脉冲响应信号。分析实验结果表明,随着激光能量密度的增大,器件出现了非线性饱和状态,半高宽从37.2 μs到113 μs,底宽从181 μs到322 μs,脉冲响应信号出现展宽现象,信号的展宽意味着器件的瞬态响应发生了退化,同时对于饱和前后的信号特征量的半高宽和底宽进行了分析,发现无论是绝对增幅还是相对增幅,可以看出饱和后有更为显著的展宽现象,并且主要由于器件饱和后的下降沿出现速度的衰减所致。通过理论分析发现,由于注入的光生载流子浓度变化对双极输运过程造成影响,从而改变其载流子输运过程中的速度,导致器件响应出现退化现象。
RF-CO2激光器射频电源监控平台
唐化江, 郑义军, 谭荣清, 黄文武, 刘峻曦, 李辉, 宁方晋, 卢越, 朱子任
2021, 50(S2): 20210035.  doi: 10.3788/IRLA20210035
[摘要](55) [HTML全文](28) [PDF 1789KB](4)
射频电源是RF-CO2激光器中的一个重要部件。在开发一个新的RF-CO2激光器时,由于激光器负载和射频电源匹配失调,在调试过程中容易造成射频功放功率管击穿、烧损。为解决这一问题,设计了一套集数据采集、自动保护控制和可视化技术为一体的RF-CO2激光器射频电源监控平台。平台采用软件和硬件相结合的方式,在射频电源中嵌入控制模块,搭建数据采集系统和自动保护系统,并结合电路设计软件平台完成对射频电源的数据信息采集和保护控制。经过实验测试,平台可以有效避免射频电源功率管的损坏,实现射频电源的自动保护,并完成射频电源系统的数据采集和远程保护控制,缩短了RF-CO2激光器的调试周期,提高了整机的开发效率。
光电测量
RLG INS/GNSS极区组合导航方法
张永健, 王林, 魏国, 高春峰, 罗晖
2021, 50(S2): 20210066.  doi: 10.3788/IRLA20210066
[摘要](89) [HTML全文](47) [PDF 1711KB](6)
针对航空飞行器跨极区飞行,导航坐标系转换导致滤波器结构变化,进而影响导航精度的问题,提出了基于协方差变换的环形激光陀螺惯导/全球导航卫星系统算法(Ring Laser Gyroscope Inertial Navigation System/Global Navigation Satellite System,RLG INS/GNSS)。通过建立地理坐标系、格网坐标系下系统误差状态及其协方差的转换关系,设计了具有全纬度适用性的组合导航滤波器,并通过跑车实验以及半实物仿真实验对算法的有效性进行了验证。实验结果表明,协方差变换算法可以有效解决导航坐标系转换导致的滤波不稳定问题,相较于无协方差变换,系统状态误差减小一个数量级。
大型望远镜拼接弧线永磁电机电流谐波抑制
宋晓莉, 孙何敏, 汪达兴, 张驰
2021, 50(S2): 20200393.  doi: 10.3788/IRLA20200393
[摘要](61) [HTML全文](27) [PDF 1466KB](6)
望远镜口径的增加使得其轴系驱动电机越来越大,近年来拼接电机成为国际上研究的热点。拼接弧线永磁电机的电流谐波影响大型天文望远镜目标观测轴系跟踪精度,文中根据拼接弧线电机的数学模型及谐波分析,提出了一种基于准比例-谐振控制器的电流谐波抑制算法,并设计了单元拼接弧线电机相应的电流控制器。仿真和实验分别对比了PI和准比例谐振控制器对电流谐波的影响。实验结果表明,采用准比例谐振控制器时,拼接弧线电机定子电流中的5次谐波分量削弱了63.3%,7次谐波分量削弱了34.4%,11次谐波分量削弱了51%,13次谐波分量削弱了59.2%,大大降低了拼接弧线电机电流谐波,有助于提高望远镜跟踪精度。
基于预测算法的遥控机器人控制系统
刘逢刚, 丁磊, 肖利
2021, 50(S2): 20210109.  doi: 10.3788/IRLA20210109
[摘要](61) [HTML全文](33) [PDF 1777KB](8)
为了解决时滞环节给远程遥控系统带来的巨大影响,在非可视环境下提出了一种的新的遥控控制移动机器人的预测系统。采用移动机器人的动力学模型作为基础,利用史密斯预估器补偿控制器与移动机器人之间信号延迟,减少因为延时所引起的定位误差。利用灰色预测模型来预测移动机器人上传感器得到的数值,从而减少因为时间延迟给操纵者带来的遥控误操作。通过仿真证明了算法的可行性,又通过力反馈遥控设备与移动机器人在非可视环境下的控制实验,证明了系统的可行性。尽管有操纵者参与了远程控制实验,但补偿效果已经得到了明显的证明。
高能激光测量中的光强探测器面响应校正方法
薛芳, 陈永权, 段亚轩, 蔺辉, 达争尚
2021, 50(S2): 20210215.  doi: 10.3788/IRLA20210215
[摘要](37) [HTML全文](27) [PDF 1777KB](6)
为了降低光强探测器面响应非均匀性对高能激光惯性约束聚变(ICF)装置近场参数测量的影响,提出了一种高能激光近场参数测量中的光强探测器面响应非均匀性校正方法。理论方面推导了基于高能激光近场空域评价因子的多点线性定标校正模型,并设计及搭建了高均匀性线性输出的光强探测器面响应非均匀性自动校正装置。为了验证所提方法的有效性,对某型号科学级CCD的面响应非均匀性进行校正,探测器面响应调制度由1.42降至1.08,对比度由0.014降至0.004,相比两点定标方法,采用文中所提方法校正后光强探测器的均匀性大幅提高。结果表明,该方法可为高能激光ICF装置参数测量中的光强探测器面响应均匀性校正提供一种有效的技术手段。
波长1 064 nm和532 nm脉冲激光大动态范围能量的测试方法及实验
周国清, 谭逸之, 周祥, 李伟豪, 李先行, 林港超, 胡皓程, 张烈平, 农学勤, 杨家志
2021, 50(S2): 20200417.  doi: 10.3788/IRLA20200417
[摘要](62) [HTML全文](26) [PDF 1334KB](8)
激光能量测量中能量计的量程受限,无法兼顾大动态范围能量的测量。在光电法测量的基础上,提出了一种基于APD和PMT光电探测器的激光能量测量方法,该方法通过分析光电探测器的探测性能及其与后续处理电路之间的相互作用关系,可以完成对1 064 nm和532 nm波段的激光能量测量。通过改变可调激光光源的脉宽、重频、泵浦功率,观察电压信号变化,根据跨阻放大电路的放大倍数测试出光电流大小,利用光电探测器灵敏度与激光波长的关系找到对应的探测器灵敏度和光电转换增益以及激光的衰减倍数,测试出激光能量值,同时对比发射激光的脉宽、重频、泵浦功率值,确保该计算方法的真实性。实验证明,所提出的方法可以完成动态范围为nJ~mJ的激光能量测试,且与使用能量计测试误差在nJ以内。
热固性/热塑性复合材料分层损伤红外热波检测能力评估
杨正伟, 赵志彬, 高建国, 寇光杰, 张炜
2021, 50(S2): 20210304.  doi: 10.3788/IRLA20210304
[摘要](46) [HTML全文](23) [PDF 5606KB](6)
主动红外热成像技术在不同基体复合材料分层损伤中的检测能力尚未被评估。文中通过设计制作两种典型热固性/热塑性复合材料层压板,分别采用脉冲红外热成像、超声红外热成像、超声C扫描三种方法对不同冲击能量下的分层损伤进行了检测研究。以超声C扫描结果为参照,对比了两种红外热成像技术的检测结果,同时针对热图序列损伤区域的阈值分割提取开发了基于图像强度值相似性理论的区域生长算法。损伤的定量识别结果表明:脉冲热成像对热固性复合材料的分层损伤检测效果较好,但其不适用于热塑性复合材料损伤检测,超声热成像对于两类复合材料分层损伤均有较好的检测能力且整体检测精度优于脉冲热成像。期间对不同损伤检测效果的深层次机理进行了分析,并提出了分别针对两种基体类型复合材料的红外热成像技术评估流程和标准。
图像处理
采用深度学习的小语种舆情监控方法
宋千里, 赖华
2021, 50(S2): 20210298.  doi: 10.3788/IRLA20210298
[摘要](73) [HTML全文](29) [PDF 1130KB](10)
在小语种舆情监控领域,由于小语种的标注语料难以获取,导致深度学习的训练效果较差。对于民间及媒体发表的新闻内容很难准确抽取其核心观点句,从而影响了进一步的舆情分析效果。为了将研究问题具体化,以越南语为例,提出一种融入共享主题特征的汉越跨语言新闻观点句的抽取方法,可以借助充足的汉语标注语料解决小语种资源稀缺问题,并利用双语可比语料间可共享的主题信息来优化抽取效果,进而提升舆情监控效果。具体方法为,提取汉越可比新闻的隐含狄利克雷分布(Latent Dirichlet Allocation, LDA)主题来构建共享主题特征,借助共享主题词典和情感词典训练双语词嵌入模型来共享汉越语义空间表征,将特征融入词向量,通过将语义信息与主题、情感、位置信息相结合来提升抽取效果。在汉越可比新闻数据集里进行的实验结果表明,融入共享主题特征能够提升小语种新闻观点句的抽取效果,F1值达到0.721,对小语种舆情监控起到支撑作用。
基于Mask-RCNN海上升压站数字式仪表读数的自动识别算法
汤鹏, 刘毅, 魏宏光, 董秀芬, 严国斌, 张迎宾, 袁亚君, 王增光, 范亚南, 马鹏阁
2021, 50(S2): 20211057.  doi: 10.3788/IRLA20211057
[摘要](97) [HTML全文](39) [PDF 1504KB](16)
海上升压站采用挂轨机器人开展巡检作业,利用机器视觉手段自动识别数字式仪表读数,替代人工记录。提出了一种基于 Mask-RCNN深度学习方法的数字仪表读数自动识别算法。将不同类型的数字仪表原始图像制作成数据集,利用深度学习算法进行训练,根据损失函数变化曲线对算法进行参数优化得到训练后的模型,再进行数字仪表图像的识别分析。采用灰度世界算法和霍夫变换等算法进行图像预处理,可有效改善数字识别的准确度。最后,实验对比了YOLOv3和Mask-RCNN深度学习算法的识别性能,结果表明前者具有较高的检测速度,后者具有更高的准确率。后者的识别率为99.52%,满足海上升压站远程监控对数字仪表读数正确率高的要求。
应用特征轮廓四边形的热红外图与可见光图配准
职玉, 朱娟娟, 刘锐, 张海东
2021, 50(S2): 20200520.  doi: 10.3788/IRLA20200520
[摘要](66) [HTML全文](42) [PDF 1688KB](12)
热红外图与可见光图的融合分析在智能安防和故障检测中应用广泛。针对同一场景下两图像在融合过程中难以匹配的问题,提出了一种基于特征轮廓四边形的图像配准方法。首先通过分割算法分别对热红外图和可见光图进行过滤;再进行边缘轮廓点的检测和轮廓的重新绘制;然后通过算法筛选出特征轮廓并进行多边形近似,生成特征轮廓的外接四边形;将此四边形顶点代入改进的单应性变换模型计算参数,其中加入了位移变量偏差值可中和80%的误差;最后,通过单应性变换模型对热红外图进行变换配准。实验结果表明,该方法使轮廓定位更加精确,有效减少了匹配误差,能够实现图像的高精度快速配准。
大视场视频图像采集及SDI显示设计
张永康, 陈萍, 孟祥笙, 田雁
2021, 50(S2): 20200211.  doi: 10.3788/IRLA20200211
[摘要](55) [HTML全文](38) [PDF 1046KB](11)
针对Camera Link接口的大视场高速相机的图像实时存储显示及实时跟踪显示的实际需求,设计了一种基于FPGA的大视场视频图像采集及SDI显示系统。采用了Altera公司的FPGA EP2S90F1020为核心处理器件,外接两片SDRAM MT48LC4M32的硬件系统。提出了基于FPGA的图像实时缩放、Bayer格式彩色图像实时转换为SDI显示的方法,实现了将Camera Link接口的大视场彩色视频图像在SDI视频图像上的实时显示。实验结果表明,该设计方法能将Camera Link接口$2\;048 \times 2\;048$、100 Hz的视频图像实时转换为$1\;920 \times1\;080$、25 Hz,$1\;280 \times 720$、25 Hz或$720 \times 576$、50 Hz三种SDI制式显示。在FPGA环境下,采用该设计方法,整幅图像处理时间为$8.7$ ms,满足系统的实时性要求,为大视场视频图像在嵌入式系统的实时显示提供了一种有效的实现方法。
激光雷达测风系统信号采集处理研究
李光福, 南钢洋, 潘冬阳, 白雪, 刘帅, 孙志慧
2021, 50(S2): 20210467.  doi: 10.3788/IRLA20210467
[摘要](65) [HTML全文](32) [PDF 1409KB](11)
为满足风场对风速测量的需求,研制了基于FPGA的激光雷达测风系统高速信号采集处理模块,负责对激光雷达回波信号采集、快速傅里叶变换(FFT)及频谱数据累加平均运算。将采集到的1 024点回波数据通过流模式、块浮点结构FFT运算,分别得到单次频谱数据和1 024次累加平均频谱数据,并利用数据传输模块可靠传输至上位机进行显示与分析。通过搭建工作波长为1 550 nm的连续相干激光雷达测风系统,对信号采集处理模块进行指标测试和累加平均滤波算法验证。测试结果表明:该采集处理模块能够在100 MHz时钟下对回波信号实时采集处理,频谱分辨率达到97.66 kHz,将风速测量精度提升至7.57 cm/s。
海洋光学
基于PANS方法的水下热射流数值仿真与试验验证
毛德龙, 王康硕, 何凛, 沙江, 王奔, 王怡豪
2021, 50(S2): 20210104.  doi: 10.3788/IRLA20210104
[摘要](40) [HTML全文](28) [PDF 2490KB](8)
随着水下热射流的浮升,其动量逐渐衰减进而演变为羽流,采用常规的雷诺时均方法进行模拟容易出现涡粘过大导致仿真结果失真的问题。针对这一问题,文中以水下热射流出口为研究对象,运用PANS (Partially-Averaged Navier-Stokes)方法改进了水下热射流的计算模型,对其在静止和运动工况下的浮升扩散过程进行数值模拟,分析了水下热射流的浮升扩散规律。然后搭建了全透明的拖曳式试验水槽,采用平面激光诱导荧光(PLIF)方法测得的热射流在静止和运动工况下的浮升扩散图像与数值仿真结果进行对比验证。结果表明:基于PANS方法的水下热射流预测模型精度较高,所有误差均在15%以内,且绝大部分误差控制在10%以内。
光学器件
两端对称复缺陷对光子晶体透射特性的激活效应
王波, 黄育飞, 苏安, 高英俊
2021, 50(S2): 20200356.  doi: 10.3788/IRLA20200356
[摘要](42) [HTML全文](25) [PDF 1053KB](5)
为研究和设计高品质、高性能的光学滤波、光学放大、光学衰减和全反射镜等器件,通过计算模拟的方式,研究两端对称复缺陷对光子晶体C(AB)n(BAB)(BA)nC光传输特性的激活效应,研究表明:在对称结构光子晶体的两端置入缺陷C,当缺陷C为实介质时,光子晶体透射谱中出现多条透射率为100%的分立透射峰。当C中掺入具有增益放大效应的杂质形成含负虚部的复折射率缺陷时,透射谱中各分立透射峰的透射率均出现增益放大现象,而且缺陷层复折射率的虚部或实部对透射峰的增益放大倍数均具有调制作用,随着缺陷层复折射率的负虚部或实部增大,透射增益放大倍数先增大,达到极大值后再减小,增益放大倍数最高达可达104数量级。当C中掺入具有衰减效应的杂质形成含正虚部的复折射率缺陷时,透射谱中各分立透射峰均出现透射率衰减现象,而且缺陷层复折射率的虚部或实部对透射峰的衰减倍数也具有调制作用,随着缺陷层复折射率的正虚部增大,各分立透射峰的透射率不断衰减,直至透射率趋于零,出现全反射或全吸收现象。两端对称复缺陷对光子晶体光传输特性的调制规律,可为新型光学器件的研究与设计提供理论参考。
光谱学
平行因子法因子数目选择流程改进设计与验证
刘文雅, 田兆硕, 崔子浩, 毕宗杰, 付石友
2021, 50(S2): 20210362.  doi: 10.3788/IRLA20210362
[摘要](66) [HTML全文](34) [PDF 1268KB](8)
针对平行因子算法在分解三维荧光光谱中存在的模型因子数目选择流程不明确的问题,提出了核心对角矩阵-核一致函数-恒波长残差图这一改进因子数目选择流程。自行编写改进平行因子分析算法,以腐植酸作为检测物质验证该因子数目选择流程的准确性。结果表明,结合改进流程,在激发光和发射光分别在350~450 nm/350 ~620 nm、因子数为4时,核心对角矩阵分布满足需求,核一致函数为52%,在标准区间内,拟合图残差最小,分解效果最优。相较于使用单一方法进行判断,上述组合选择流程逻辑性更强,准确性更高,在实际应用中可以快速确定因子数目。4个因子分别是两个位于为360~370 nm/450~500 nm和350~360 nm/450~500 nm的类腐植酸A类因子、一个位于365~375 nm/475~525 nm的类腐植酸C类因子、一个位于380~390 nm/475~525 nm处的土壤富里酸因子,同时通过分析不同浓度腐植酸的溶液,发现当浓度由20 mg/L增至200 mg/L时,因子的组成和贡献率差别不大,即浓度变化并未改变溶液性质。