基于衍射透镜接收的激光雷达特性分析及测试

在激光雷达系统设计中,光学系统的优化与设计是一个重要的研究方向,本文利用衍射光学元件(DOE)的设计自由度高和色散大等优势,将DOE用于激光雷达接收端,同时实现聚焦和滤光作用,降低了光学系统复杂度。本文基于DOE的原理,仿真分析了DOE的光学特性,并且以DOE作为激光雷达的光学接收端,完成了激光雷达测距实验,证明了DOE同时具有聚焦作用和窄带滤光作用,实验结果与仿真基本一致。本文利用DOE在激光雷达中的优势,实现激光雷达的轻量化、集成化和高效化。

图像引导和点云空间约束的公路洒落物检测定位方法

公路洒落物是影响交通安全的重要因素之一,为了解决中小尺度公路洒落物检测中的漏检、误检以及难以定位等问题,本文提出了一种图像引导和点云空间约束的公路洒落物检测定位方法。该方法使用改进的YOLOv7-OD网络处理图像数据获取二维目标预测框信息,将目标预测框投影到激光雷达坐标系下得到锥形感兴趣区域(region of interest,ROI)。在ROI区域内的点云空间约束下,联合点云聚类和点云生成算法获得不同尺度的洒落物在三维空间中的检测定位结果。实验表明:改进的YOLOv7-OD网络在中尺度目标上的召回率和平均精度分别为85.4%和82.0%,相比YOLOv7网络分别提升6.6和8.0个百分点;在小尺度目标上的召回率和平均精度分别为66.8%和57.3%,均提升5.3个百分点;洒落物定位方面,对于距离检测车辆30~40 m处的目标,深度定位误差为0.19 m,角度定位误差为0.082°,实现了多尺度公路洒落物的检测和定位。

局部和全局特征融合的太阳能电池片表面缺陷检测

太阳能电池片表面缺陷具有类内差异大、类间差异小和背景特征复杂等特点,因此,要实现高精度的太阳能电池片表面缺陷自动检测是一项富有挑战性的任务。针对此问题,该文提出融合局部和全局特征的卷积视觉Transformer网络(CViT-Net),首先采用Ghost聚焦(G-C2F)模块提取电池片缺陷局部特征;然后引进坐标注意力强调缺陷特征并抑制背景特征;最后构建Ghost视觉(G-ViT)模块融合电池片缺陷局部特征和全局特征。同时,针对不同检测精度和模型参数量,分别提供了CViT-Net-S和CViT-Net-L两种网络结构。实验结果表明,与经典MobileVit、MobileNetV3和GhostNet轻量级网络相比,CViT-Net-S对电池片分类准确率分别提升了1.4%、2.3%和1.3%,对电池片检测mAP50分别提升了2.7%、0.3%和0.8%;与ResNet50、RegNet网络相比,CViT-Net-L分类准确率分别提升了0.72%和0.7%,检测mAP50分别提升了3.9%、1.3%;与先进YOLOv6、YOLOv7和YOLOv8检测网络相比,作为骨干网络的CViT-Net-S、CViT-Net-L结构在mAP和mAP50指标上仍保持良好检测效果。结果证明本文算法在太阳能电池片表面缺陷检测领域具有应用价值。

激光雷达创新与应用专题导读

近年来,激光雷达技术发展迅猛,在科研与产业领域发挥出越来越重要的作用,赋予遥感、成像、环境感知等领域新的生命力。《光电工程》组织了“激光雷达创新与应用”专题,围绕单光子激光雷达、合成孔径激光雷达、调频连续波激光雷达、环境要素激光雷达、成像激光雷达,以及应用于激光雷达的新型精密测量技术等几个方面,介绍了近期的主要研究进展,为相关领域学者和专家提供技术研究的参考及合作交流的平台,积极推动我国激光雷达技术的研究进程。

核电站放射性污染金属部件激光复合去污技术研究

探究放射性污染金属部件的清洁解控或重新利用新技术,可用于减少核电站废金属产生量。本研究针对锈蚀的4140钢,提出激光复合去污技术,并与单一的干冰去污和激光去污进行对比试验。通过对基体试样的微观形貌、成分分布、金相组织、三维形貌进行测试,分析其表面粗糙度、显微硬度的变化趋势,以确定激光复合去污效果,最后在核电站中实现工程验证。测试和验证结果表明,激光复合去污技术可将4140钢表面的锈蚀层完全去除,获得最佳的去污效果,且不影响基体材料的成分、组织及力学性能。沾污电机叶轮去污后表面沾污水平均<0.4Bq/cm^(2),表面接触剂量率均<40nSv/h,达到核电站固体废物清洁解控标准。因此,激光复合去污技术可为核电站放射性污染金属部件的去污提供新方法,实现废物最小化。

光子神经网络研究进展

在数据海量化、信息化的时代,电子计算机处理系统所面临的算力和能耗等性能要求愈发严苛,传统冯·诺依曼架构存在“内存墙”和“功耗墙”瓶颈,加之摩尔定律放缓甚至失效,使得电子芯片在计算速度和功耗方面遇到极大挑战,利用光计算替代传统电子计算将是解决当前算力与功耗问题的极具潜力的途径之一。本文系统地梳理了片上集成和自由空间的光子神经网络架构与算法方面的研究进展,详细介绍了典型的研究工作,然后讨论并对比了这两种光子神经网络的优劣势,以及光子神经网络的训练策略等。最后探讨了光子神经网络面临的挑战,并对其未来发展进行了前瞻性的展望。

基于改进YOLOv5的交通标志识别方法

交通标志检测是自动驾驶领域重要的环节,针对当前交通标志的识别存在漏检、误检、模型参数多,以及常见且复杂的代表性真实环境情况,如雾天鲁棒性差的问题,提出一种改进YOLOv5的小目标交通标志识别算法。首先对数据集进行雾化操作以适应在雾天情况下的准确识别,使用更加轻量的部分卷积(partial convolution,PConv)构建PC3特征提取模块;随后在颈部网络中提出延伸的特征金字塔(extended feature pyramid network,EFPN),为小目标添加一个小目标检测头,同时删去原始颈部网络中针对大目标的检测头,提高小目标识别准确率的同时降低网络参数;最后引入Focal-EIOU替换CIOU作为损失函数,以此来解决小目标的误检和漏检问题,嵌入CBAM注意力机制,提升网络模型的特征提取能力。改进的模型性能在TT100K数据集上得到验证,与原YOLOv5算法相比,改进模型在精确率(P)、mAP0.5上分别提高了8.9%、4.4%,参数量降低了44.4%,在NVIDIA 3080设备上FPS值为151.5,可满足真实场景中交通标志的实时检测。

局部注意力引导下的全局池化残差分类网络

大部分注意力机制虽然能增强图像特征,但没有考虑局部特征的关联性影响特征整体的问题。针对以上问题,本文提出局部注意力引导下的全局池化残差分类网络(MSLENet)。MSLENet的基线网络为ResNet34,首先改变首层结构,保留图像重要信息;其次提出多分割局部增强注意力机制(MSLE)模块,MSLE模块将图像整体分割成多个小图像,增强每个小图像的局部特征,通过特征组交互的方式将局部重要特征引导到全局特征中;最后提出池化残差(PR)模块来处理ResNet残差结构丢失信息的问题,提高各层之间的信息利用率。实验结果表明,MSLENet通过增强局部特征的关联性,在多个数据集上均有良好的效果,有效地提高了网络的表达能力。

空间位置矫正的稀疏特征图像分类网络

为稀疏语义并加强对重点特征的关注,增强空间位置和局部特征的关联性,对特征空间位置进行约束,本文提出空间位置矫正的稀疏特征图像分类网络(SSCNet)。该网络以ResNet-34残差网络为基础,首先,提出稀疏语义强化特征模块(SSEF),SSEF模块将深度可分离卷积(DSC)和SE相融合,在稀疏语义的同时增强特征提取能力,并能够保持空间信息的完整性;然后,提出空间位置矫正对称注意力机制(SPCS),SPCS将对称全局坐标注意力机制加到网络特定位置中,能够加强特征之间的空间关系,对特征的空间位置进行约束和矫正,从而增强网路对全局细节特征的感知能力;最后,提出平均池化残差模块(APM),并将APM应用到网络的每个残差分支中,使网络能够更有效地捕捉全局特征信息,增强特征的平移不变性,延缓网络过拟合,提高网络的泛化能力。在多个数据集中,SSCNet相比于其它高性能网络在分类准确率上均有不同程度的提升,证明了其在兼顾全局信息的同时,能够更好地提取局部细节信息,具有较高的分类准确率和较强的泛化性能。

OCT图像多教师知识蒸馏超分辨率重建

光学相干断层成像(OCT)广泛应用于眼科诊断与辅助治疗,但其成像质量不可避免地受到散斑噪声和运动伪影影响。本文提出了一种针对OCT超分辨率任务的多教师知识蒸馏网络MK-OCT,使用不同优势的教师网络训练平衡、轻量级和高效的学生网络。MK-OCT中高效通道蒸馏方法ECD的使用也使得模型能够更好地保留视网膜图像的纹理信息,满足临床需要。实验结果表明,与经典超分辨率网络相比,本文所提模型在重建精度和感知质量两个方面均表现优异,模型尺寸更小,计算量更少。

激光束光斑漂移反演大气湍流各向异性实验研究

设计了两束正交激光束光斑漂移的实时影像记录系统,进行了一系列的激光束大气传输外场实验,对比研究大气湍流环境下两正交方向激光束的光斑漂移,反演研究大气湍流的各向异性。实验结果表明,近地面大气湍流具有各向异性且表现为:一、与风向相关,当激光传输路径与风向夹角很小时,其垂直和水平方向的光斑漂移量会出现较大的差异,当激光传输路径与风向正交时,其垂直和水平方向光斑漂移量基本一致。二、与实时气温相关,表现为两正交激光束的光斑漂移量统计值在垂直和水平方向的四个分量中的不均匀分配,且气温降低会使不均匀分配的强度增加。分析研究成果,本文提出大气湍流各向异性强度指数A的概念,该指数的大小可以综合性的表征大气湍流各向异性特征及其强度。

特征协同与细粒度感知的遥感图像小目标检测

针对遥感图像中小目标多、排列密集导致的漏检问题,提出一种特征协同与细粒度感知的遥感图像小目标检测算法。首先,构造精细特征协同策略,通过智能调整卷积核参数,优化了特征间的交互和整合过程;通过精确控制信息流,实现从粗糙到精细的渐进式特征精化。在此基础上,本文设计一个细粒度感知模块,将感知注意力与移动反向卷积结合形成一个增强型检测头,显著增强网络对于极小尺寸物体的感知能力。最后,为了提升模型训练的效率,采用MPDIoU和NWD作为回归损失函数,解决位置偏差,加快模型收敛。在DOTA1.0数据集和DOTA1.5数据集上的实验结果表明,改进后算法相比于基准方法,平均精度分别提高7.4%和6.1%,相较于其他算法具有明显优势,显著改善遥感图像中小目标的漏检情况。

一种多层线性融合的内窥镜图像增强算法

针对内窥镜图像中因光照不充分、不均匀而造成的细节模糊问题,提出了一种用于人体上消化道内窥镜图像对比度和亮度增强的算法。通过对自适应伽马校正亮度增强算法和有限对比度自适应直方图均衡化算法改进并进行线性融合。通过对输入图像分别进行亮度增强和对比度增强处理,最终得到线性融合增强图像。将提出的算法应用于开源数据集中的上消化道胃部组织图像,并与现有算法进行了对比,采用峰值信噪比(PSNR)、结构相似度(SSIM)和自然图像质量评价(NIQE)作为图像评价指标。实验结果表明,所提出的图像增强算法与现有算法相比,提高了图像质量,为医疗诊断提供更多的细节信息。

基于强化学习的空间引力波探测望远镜系统外杂光抑制研究

引力波望远镜其收集的空间目标光信号能量远小于杂散光能量,为了保证引力波望远镜的正常工作,需要保证较好的杂光抑制效果。又由于散射光线的不确定性,光机系统本身的复杂性,杂光抑制方案的确定往往需要复杂的数学公式计算以及丰富的经验与充足时间进行仿真迭代。本文提出了一种基于强化学习的杂光抑制策略,针对空间引力波探测望远镜系统中的环境杂光问题,采用蒙特卡洛光线追迹方法进行分析和处理。通过制定有效的杂光抑制措施,实现了对该系统中杂光的有效控制。仿真结果验证了该方法在空间引力波探测望远镜系统中杂光抑制方面的优异性能,展示了其具有良好杂光抑制效果的潜力。这一研究为解决空间引力波探测和其他高精度光学系统中的杂光问题提供了一种高效、灵活的新方法,具有广泛的应用潜力。

空间引力波探测干涉仪探测模式比较研究

为了实现毫赫兹频段的引力波信号测量,基于激光干涉体制的空间引力波探测计划要求干涉系统硬件本底噪声低于星间散粒噪声极限,这对光机设计及相应干涉载荷提出了严苛的工程指标。本文从探测模式选择的角度出发,推导了在单探测器模式和平衡模式下读出噪声和杂散光噪声在干涉信号中的表达形式,并就科学干涉仪的弱光干涉过程进行了详细讨论。结果表明,平衡模式可以跨量级的抑制激光功率涨落和后向杂散光引起的干涉相位噪声,但其抑制能力受限于合束器的不等比分光性质。为此引入相对增益因子来补偿合束器的不等比分光特性,进一步的分析表明,电子学手段的增益补偿只能消除不等比分光对两者之一的影响,不能同时兼顾,需要在激光功率涨落噪声和杂散光噪声的抑制之间平衡选择增益补偿。即便如此,平衡模式下的跨量级的噪声抑制能力,仍然可望降低对激光功率涨落和望远镜杂散光的工程指标要求。

空间引力波探测望远镜指向偏差地面高精度测量技术研究

星载望远镜是实现空间引力波探测的核心组成部分。由于各星座之间传输距离达到109 m量级,对望远镜指向精度提出了nrad量级的严苛要求,而指向偏差高精度测量和定标就成为实现空间引力波探测星载望远镜高精度指向的前提。为实现星载望远镜指向偏差地面测试及传感器定标需求,本文提出基于哈特曼原理的新型指向偏差高精度测量方法,采用多子孔径空间复用思想降低各类随机误差对测量精度的影响,显著提升了指向偏差测量精度。本文根据传感器参数与指向偏差测量精度之间的定量关系,对哈特曼传感器参数进行了分析优化,并分析了星载望远镜指向偏差测量精度。研究结果表明:采用基于哈特曼原理的多子孔径空间复用方法,可以实现对星载望远镜指向偏差0.62nrad的高精度测量,为空间引力波探测望远镜地面测试及在轨传感器定标提供了可行途径和参考。

空间引力波星载望远镜测试与评估技术研究进展

在空间引力波探测任务中,星载望远镜承担太空超长干涉光路双向光束准直的重要作用。空间引力波探测对星载望远镜提出了pm级光程稳定性和低于10^(-10)级后向杂散光水平的极高要求。超高水平指标要求超过了当前测试技术的精度极限,因此,针对星载望远镜发展测试与评估技术并开展系统超高精度测试是空间引力波探测计划成功的重要前提。本文在概述国内外在研的空间引力波探测星载望远镜研制情况的基础上,重点围绕星载望远镜的核心技术指标——光程稳定性和后向杂散光,介绍了在研望远镜的测试技术发展现状和已经取得的部分测试成果,以及各研究单位进一步的测试计划,为我国的空间引力波探测的星载望远镜测试与评估技术发展提供参考。

超长空间激光传输数值模拟研究进展

文章主要围绕空间引力波探测中超长空间链路传输部分进行介绍,概述了目前国内外星间传输仿真时采用的计算方法,以及指向抖动引起的相位噪声分析方法。相较于地基引力波探测,空间引力波探测可以有效降低噪声,增加干涉臂长度,从而实现更高精度、更低频率的探测。在长达数百万公里的传输距离,以及皮米量级数值模拟的精度要求下,需要考虑指向角变化引起的相位噪声。研究表明,在2.5×10~9 m的传输距离下,离焦和像散是影响指向抖动噪声的主要像差。通常情况下,相位驻点位置与原点位置存在一定偏离,需要对望远镜角度进行调整,才能使相位噪声最小化。在相位驻点位置进行引力波探测,可以有效降低相位噪声,并降低望远镜出瞳波前的质量要求。而大的离焦像差与小的彗差可以使相位驻点接近光轴,提高接收到的激光功率。

用于超构表面衍射光帆光力测量的扭秤设计

基于超构表面技术的衍射光帆在矢量光场的作用下,其最大加速度、自稳定推进力和姿态可控性可以得到提高。在真空环境中,精确测量衍射光帆在矢量光场作用下产生的光力对建立完整的空间动力学模型至关重要。基于扭秤弱力测量技术,本文分别设计了面向形状规则与不规则的衍射光帆的光力测量扭秤。对于形状规则的光帆,可通过严格控制扭秤的尺寸及各部件相对位置误差等方法提高测量精度,该扭秤理论测量误差为0.55‰。形状不规则光帆样品的转动惯量及误差难以精确计算,通过在扭秤上增加可随时取放的标准球,标准球的转动惯量可以通过其几何尺寸及位置严格计算,测量扭秤在有无标准球的状态下的周期即可以给出其受到的光力大小。本研究提升了光力测量实验的效率和灵活性,为光帆推进、空间碎片轨道操控等应用提供数据支撑。

星载望远镜消光材料积分散射特性测试研究(英文)

在散射理论的基础上,介绍了一种星载望远镜消光材料积分散射特性测试装置,实现对星载望远镜消光材料散射特性更为全面的测量。对积分散射理论、系统构造、系统性能进行了阐述。对系统进行建模仿真分析,得到结论:消光材料的散射特性在不同点位和入射角下存在明显差异,系统能够测量多种条件下消光材料的散射特性,并得到消光材料全面的散射特性分布。研究结果为根据消光材料特性进行针对性设计提供了更全面、更准确的散射特性分布,为杂散光的测量与抑制、高性能光学仪器的研制与装调以及计算光学等领域的研究提供了参考。为空间引力波探测星载望远镜系统的材料选型、特性研究、杂散光分析与抑制提供了基础。