基于YOLOv4的水下海参检测与计数算法

针对智慧水产养殖中海参自动采捕和高效计量应用需求,提出一种基于YOLOv4的水下海参检测与计数算法。该算法利用暗通道先验算法对数据集进行预处理,增强图像数据的可检测性;采用迁移学习方法训练YOLOv4网络,并用Swish函数替换骨干网络中的激活函数,提升自建数据集的海参检测性能;提出基于相近帧目标质心定位偏移的降重计数方法,优化目标计数结果。试验结果表明:该检测算法识别水下海参目标的平均检测精度的平均值mAP达91.0%,分别比原始YOLOv4、YOLOv3、Faster R-CNN和SDD高4.5%、6.9%、5.0%、29.9%;降重计数算法获得海参数量与人工计数结果间的均方根误差RMSE为29.8、平均计数精度ACP为95.8%、决定系数R2为0.998。

热管在LD端面泵浦固体激光器散热系统中的应用

基于热管的传热原理,计算了热管的等效导热系数.采用电加热器作为模拟热负载,在实验和数值计算上比较了热管散热器和水冷方式的散热效果;在激光二极管端面泵浦固体激光器中,模拟并比较了热管散热和水流散热方式对晶体温度分布以及热透镜焦距的影响.结果表明,使用热管散热器在该系统中具有一定的散热效果,而且它可以克服水冷方式带来的水流温度波动、设备复杂庞大等缺点,为激光二极管端面泵浦固体激光器中晶体散热提供了一种解决途径.最后,提出了一种热管式热沉设计方案,利用热管的高导热性,将其做成热沉取代铜直接用于夹持晶体和散热.

DPL中晶体散热效果的比较

采用有限元法,以光纤耦合LD端面泵浦Nd:YAG激光器为例,模拟了三种冷却方式下,激光晶体的温度分布;分析了不同冷却方式对晶体温度分布和端面形变的影响;计算了不同对流换热系数和冷却水温度对晶体温度的影响。结果表明:在晶体侧面水冷时,改变对流换热系数和液体温度只能改变晶体的整体温度,对温度分布的均匀性几乎没有影响;三种冷却方式中,泵浦端水冷情况下晶体温度最低,端面形变量最小。

一种测量激光光强按角度分布的新方法

提出了一种新的测量方法,用于测量近似点光源或线光源在相同半径处光强按角度的分布。测量系统由旋转装置、角度探测系统和光强探测系统三部分组成。利用该系统对多模光纤耦合激光器光强分布进行了实际测量。结果表明,采用高斯光束形式可以较好地描述该光束光强的远场分布,由拟合曲线得出的光强按角度分布规律与实验所用光纤数值孔径相符,进一步说明了该实验方法的可信性与可靠性。

基于改进YOLO v4的单环刺螠洞口识别方法

针对养殖池塘内单环刺螠自动采捕和产量预测应用需求,提出一种基于深度学习的单环刺螠洞口识别方法,以适用于自动采捕船的嵌入式设备。该方法通过将YOLO v4的主干网络CSPDarkNet53替换为轻量型网络Mobilenet v2,降低网络参数量,提升检测速度,并在此基础上使用深度可分离卷积块代替原网络中Neck和Detection Head部分的普通卷积块,进一步降低模型参数量;选取带色彩恢复的多尺度视网膜(Multi-scale retinex with color restoration,MSRCR)增强算法进行图像增强;利用K-means++算法对数据集进行重新聚类,对获得的新锚点框尺寸进行线性缩放优化,以提高目标检测效果。在嵌入式设备Jetson AGX Xavier上部署训练好的模型,对水下单环刺螠洞口检测的平均精度均值(Mean average precision,mAP)可达92.26%,检测速度为36 f/s,模型内存占用量仅为22.2 MB。实验结果表明,该方法实现了检测速度和精度的平衡,可满足实际应用场景下模型部署在单环刺螠采捕船嵌入式设备的需求。

DPL输出激光指向性研究

二极管泵浦固体激光器(DPL)输出光束的方向在某个微小范围内存在随机变化,这种光束指向性的波动在某种程度上严重制约了DPL的应用。针对DPL输出光束的方向性评价问题,提出了激光指向角及其偏移量的概念,以此作为衡量激光方向稳定性的指标。给出了指向角及其偏离量的测量方法。对于引起激光指向角度波动的原因进行了初步分析,结果表明激光介质热透镜的畸变是主要原因。

激光晶体热效应的阶梯泵浦技术

针对大功率固体激光器热效应纵向分布不均匀,提出分散热效应思路。根据激光晶体的吸收系数和掺杂浓度的关系设计了阶梯泵浦技术。以LD端面泵浦Nd∶YAG固体激光器为例,讨论了激光晶体的最佳分段数、每段晶体的最佳掺杂浓度和最佳长度,仿真分析了热效应的改善情况。结果表明,阶梯泵浦技术能有效降低激光晶体的温度,使泵浦光的吸收功率密度分布、热效应沿轴向分布更均匀。

二极管泵浦固体激光器热透镜焦距的数值模拟

理论分析了轴对称时,以泵浦光为标准高斯光束,在散热均匀情况下,激光晶体中的三维温度场分布,计算了热透镜焦距。利用Ansys数值,模拟了不同泵浦功率及不同泵浦光半径下,激光晶体中的三维温度场分布,并利用Matlab处理了温度数据,数值计算了热透镜对平行入射晶体端面的平面波产生相位畸变,描绘出热透镜焦距随半径的变化曲线。数值分析得出,热透镜焦距随径向发生变化,出射光波为非球面波,热透镜等效凹面镜不能用单一曲率半径描述,为非球面镜,并研究了泵浦功率和泵浦光半径对热透镜焦距的影响。

一种用于端面泵浦DPL的微通道热沉设计方案

讨论了在大功率泵浦条件下,有效控制固体激光器晶体的工作温度,介绍了串接扇形喷射式微通道散热系统,并对端面二级管泵浦固体激光器冷却系统进行了设计,该散热系统是半圆形金属中刻有微通道槽道,将传导冷却与流体冷却紧密结合的一种新型制冷器件。理论分析证明,该器件加强了热传导能力,提高了固体激光器的工作效率。

脉冲激光二极管端面抽运全固态激光器热效应瞬态过程

从圆柱状晶体热传导方程出发,采用有限元方法,对脉冲激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YAG激光器中激光晶体的瞬态温度场分布进行了计算.对单脉冲过程中,晶体升温和降温时端面温度的分布情况进行了计算;分析了束腰位置和束腰半径对单脉冲过程的影响,以及晶体热弛豫时间的影响因素;根据光线追迹理论,分析了激光晶体内温度分布达到动态平衡后,由温度梯度引起的中心与边缘相对光程差时变特性.结果表明,当束腰位于晶体抽运端面时,增大束腰半径晶体端面温度降低;当不改变束腰半径并且后移束腰位置时,晶体端面温度降低;增大冷却液对流换热系数或者空气流速、降低空气温度以及减小晶体半径都可不同程度地缩短热弛豫时间;当晶体温度分布达到动态平衡后,晶体内各点温度呈周期性变化;由晶体径向温度梯度引起的相对光程差(OPD)也随时间作周期性变化.

散热方式对激光晶体热畸变效应的影响

以激光二极管端面抽运Nd:YAG激光器为例,采用有限元法数值计算了不同散热条件下晶体的温度分布;比较了两种散热方法(铜热沉加半导体制冷(TEC)器散热法和晶体侧面水流散热法)对晶体温度分布的影响,并提出晶体热透镜球差效应。根据温度分布的结果,采用光线追迹理论,定量比较两种散热方式对晶体不同径向位置热透镜焦距的影响。结果表明,采用铜热沉加半导体制冷器散热法时,晶体不同径向位置热透镜焦距较短,焦距差较小,球差效应较弱;采用晶体侧面水流散热法时,不同径向位置热透镜焦距较长,不同径向位置焦距差也较大,球差效应明显。最后模拟了两种散热方式下,晶体散热不对称时热透镜畸变的结果。

脉冲激光二极管端面抽运固体激光器中晶体的热弛豫时间

在脉冲激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中,存在热效应瞬态过程,即晶体的温度分布具有时变性,晶体温度的时变过程受到热弛豫时间的影响.从热传导方程出发,采用解析法和数值法分别对晶体降温过程中温度的时变性进行计算;采用有限元方法,对晶体热弛豫时间及其影响因素进行数值计算,分析了晶体直径、密度、热传导系数和比热等热物性参数对热弛豫时间的影响;采用流体流动换热理论,充分考虑了冷却水流温度和速度对晶体温度分布的影响.结果表明,通过调整晶体尺寸、冷却系统可以实现对热弛豫时间的控制.根据有限元软件ANSYS的计算结果,分析了晶体抽运端面上径向温度的时变分布,晶体边缘与中心的温差和光程差;初步计算了晶体热透镜不同径向位置处的焦距差.结果表明,晶体冷却过程中,不同径向位置与中心的温差和相对光程差具有时变性,晶体热透镜的聚焦特性也是随时间变化的.

脉冲激光二极管侧面抽运Nd∶YAG激光器晶体时变热效应

采用数值计算的方法,对脉冲激光二极管三向侧面抽运固体激光器中,激光晶体的温度场时变分布进行了计算.分析了三向侧面抽运情况下晶体内光强分布,在此基础上,采用有限元法,以脉冲激光二极管侧面抽运Nd∶YAG激光器为例,对单脉冲过程中晶体温度分布及其影响因素进行分析.结果表明,晶体升温过程受到抽运条件以及散热条件的影响,但是主要受到抽运条件即抽运光强度和光束半径的影响,降温过程受到晶体热物性参数和晶体半径以及散热条件的影响.当晶体温度达到周期性分布后,由于晶体径向温度梯度的周期性变化,引起通过晶体的平面光波的中心和边缘光线相对光程差也随时间作周期性变化.

端面抽运固体激光器中抽运端面的直接散热

提出了一种用于激光二极管端面抽运固体激光器(DPSSL)中晶体端面直接散热的新方案——在传统的侧壁散热基础上采用金刚石薄片对晶体的抽运面进行散热。使用有限元方法(FEM)分析了该方案的散热效果,并与传统侧壁散热方案的散热效果作了比较,结果表明,使用晶体端面直接散热方案可以将集中于晶体端面的热量更为有效地抽出,大幅度降低晶体抽运端面内的温差,晶体温度最高点出现在晶体内部,降低了晶体抽运端面热损伤概率,显著减弱了晶体热效应;在相同注入功率条件下实验测量了两种散热方式下的输出功率,结果表明,晶体端面直接散热方案可以有效抑制晶体热效应对于输出功率的不良影响,该方案特别适合用于解决大功率端面抽运固体激光器的散热问题。