激光距离选通三维成像技术研究进展(特邀)

随着人工智能时代的到来,同时获得反映目标辐射特性和纹理特征的高分辨率强度图像以及反映目标和所处场景的三维空间信息的稠密点云数据/三维图像的激光相机雷达技术已成为激光雷达的发展趋势。传统的摄像机与激光雷达复合的技术方案存在异源数据融合问题,尤其是在雾雨雪天气条件下以及水下等传输链路中存在严重散射的情况时难以有效工作。激光距离选通三维成像技术利用单一门控成像器件可同时获得高质量二维强度图像和高分辨率三维图像,其二维图像中的像素和三维图像中的体素一一对应,并继承了激光距离选通成像透散射成像的技术优势,具有实现高性能激光相机雷达的技术潜力。论文系统综述了步进延时扫描、增益调制、距离能量相关等激光距离选通三维成像技术的研究进展,介绍了该类技术的国内外典型应用情况,最后分析了该领域所面临的挑战及进一步发展方向和应用前景。

基于微波光子的带内全双工自干扰消除系统

为了突破传统射频自干扰消除技术受频率、带宽、抗电磁干扰等电子瓶颈的限制,满足未来无线通信及雷达系统的发展需求,设计一种基于偏振复用马曾调制器(PDM-MZM)的微波光子自干扰消除方案,通过引入一个与自干扰信号同频、等幅、反相的参考信号在光域与自干扰信号直接抵消.除了具有自干扰消除和下变频功能外,该方案还可用于矢量信号的IQ解调,在IQ解调时灵活调整两路中的偏振控制器,可使IQ两路信号幅度严格相等,相位严格正交,进而消除IQ幅度不均衡对全双工系统接收端的影响.理论分析和仿真测试结果表明,自干扰信号的消除深度可达到72 dB以上,系统的三阶无杂散动态范围可达到95.2 dB·Hz^(2/3),增益为-16.2 dB.该方案具有大带宽、可调谐、抗电磁干扰能力强、体积小、损耗低等优势,在无线通信、雷达系统中具有较大的应用潜力.

智算数据中心光电交换技术综述(特邀)

近年来,由于人工智能现象级应用的出现,智算数据中心(AIDC)和超算数据中心(SCDC)网络演进成为研究热点。传统的3层全连接电交换架构已经不能很好地满足AIDC或SCDC高带宽、低时延、低功耗和低成本的需求,需要一种更为高效和易于扩容的电光融合交换或光交换方案来逐步替代传统纯电路包交换的策略。文章对近年来基于数据中心的光电融合交换技术方案进行了综述性介绍,对行业中率先进行光交换技术尝试的头部互联网企业的部署经验进行了分析,并结合电信行业需求,给出了AIDC和SCDC交换节点的推荐部署和演进方式。

光电量子器件研究进展(封面文章·特邀)

量子科技的发展多年来得到了光电技术的有力支撑,笔者团队由此进行了一系列光电量子器件的研究和开发。为在光纤量子通信中实现单光子信号的按需产生,笔者设计了几种微纳柱型光腔-量子点单光子源;发展了频分复用技术,研制了高纯度、高全同的宣布式单光子源;利用GaN缺陷的单光子特性,制备了室温量子随机数发生器。笔者优化周期极化铌酸锂的级联波导结构设计,大幅提升了通信波段量子纠缠光源性能,使保真度高于97%,噪声特性提高10倍;设计和制备Si3N4微环腔纠缠源器件,实现了99%的干涉可见度,展示了芯片集成量子光源的技术可行性;应用所制备的纠缠光源,实现了数十千米光纤基量子密钥分发和量子隐形传态。笔者发展了单光子探测器制造工程,研制了用于太阳光谱量子测量的低噪声高速雪崩单光子探测器和用于量子成像的128×32及以上规模的雪崩焦平面单光子探测器。笔者制备了光纤基量子存储器,实现了1 650个光子模式的有效存储;研究了光机械量子器件的原理机制,探索了纳米光机电系统用于量子精密测量的技术前景。希望以上综述为未来量子信息网络的发展提供研究参考和技术储备。

基于低空视觉的直升机旋翼轴心轨迹测量法

为满足直升机飞行状态旋翼轴心轨迹测量需求,提出了一种基于低空双目视觉的轴心轨迹测量方法。首先,针对高速旋转体的小量测量,基于立体视觉测量原理设计构建了以无人机为低空移动平台的旋翼轴心轨迹视觉测量系统。其次,针对动-动测量环境条件,提出了地面标定与空中动态实时标定联合的测量系统标定方法。然后,基于空间几何关系,论述了旋翼轴心静态估计与动态轨迹测量方法;最后,进行了测量系统地面精度验证试验与直升机地面开车状态的旋翼轴心轨迹测量试验。试验结果表明,该方法准确可靠,点间距离精度优于1‰,可实现轴心轨迹的非接触精确测量,还可推广应用于其他动态小量测量任务。

基于以太网技术的光电信号检测系统

针对光信号检测传输速率低、传输距离短及检测成本高等问题,结合EP4CE115F29C7N型芯片,设计基于以太网的光电信号检测系统。该系统将光电信号采集模块采集到的信号通过AD7606采样并进行预处理后存储到片外SDRAM,同时在UDP/IP协议基础上设计以太网通信模块,将数据通过数据包的方式发送到上位机,并基于LabVIEW设计光信号采集监控系统,实现对上传数据的滤波和实时检测。通过对比输入信号和LabVIEW监控系统显示信号的一致性,验证了系统的正确性。实验结果表明:该系统可以减少光检测信号远距离传输的数据损耗,提高光电信号的检测效率,有较好的实时性和可读性,且程序移植灵活,节约并缩短了光电检测成本和系统开发时间。

多尺度粒子调控功能复合膜的数值计算

以聚碳酸酯基体与荧光粉粒子构成的功能复合膜为研究对象,结合实验和蒙特卡洛计算机数值计算方法,研究了荧光粉粒子粒径和含量对复合膜光通量与色温的影响。结果表明:荧光粉粒子含量相同时,随着粒径增大,光通量表现为先升高后降低的趋势,在粒径为4.0μm时均具有最大值,色温则表现为先降低后升高的趋势;荧光粉粒子粒径相同时,粒径为0.8~4.0μm,光通量与含量表现为正相关趋势,粒径为4.0~16.0μm,光通量与含量表现为负相关趋势;最优组合为原始掺杂荧光粉粒子粒径为8.0μm,质量分数为25%,搭配粒径为4.0μm,质量分数为75%,对应的光通量为139.81 lm,色温为4 257 K。

基于红外热成像的古建筑墙内暗柱材料缺失检测

【目的】墙内暗柱是木结构古建筑的重要承重构件之一,因其处于潮湿和缺乏通风的环境,故多存在腐朽及由严重腐朽导致的材料缺失等缺陷,容易失去原有的承载能力和稳定性。墙内暗柱自身构造导致现有的检测手段受限,易造成不可逆的损坏。故本研究基于红外热成像原理开展墙内暗柱材料缺失缺陷检测理论与试验研究,以期为基于红外热成像的墙内暗柱缺陷状况无损检查方法的建立奠定部分前期基础。【方法】首先,从理论角度探讨古建筑墙内暗柱传热过程,推导稳态下木柱区域与纯墙体区域的温度公式,分析影响木柱材料缺失缺陷区域温度变化的因素;然后,建立试验模型,进行墙内暗柱缺陷红外检查试验,采集红外图像;最后,通过分析所获得的红外热图,探讨墙内暗柱材料缺失缺陷大小与墙体表面温度分布之间的关系。【结果】(1)理论研究表明:由于木材的横向导热系数远小于墙体导热系数,加热面加热温度相同的情况下,木柱墙体外表面所对应的温度偏低;墙内暗柱的检测效果主要受到缺陷尺寸,即缺陷高度、缺陷深度的影响。(2)试验结果表明:在稳态热传导下,木柱处的墙体外表面温度要低于纯墙体,即木柱处红外图像的颜色更浅;木柱缺陷的存在会使缺陷处墙体表面温度变高,红外图像颜色变深;木柱缺陷高度越大,缺陷导致的高温范围越大;木柱缺陷深度越大,缺陷区域温度值越高。(3)在非稳态热传导下,木柱中线温差分别与木柱缺陷高度(R^(2)≥0.964)、深度(R^(2)≥0.951)呈极强的正相关。(4)在木柱缺陷较小的情况下,墙体表面温度不因缺陷的存在而发生明显改变。【结论】木柱的缺陷高度与深度是影响缺陷红外热成像检测效果的主要因素,红外热成像法应用于古建筑墙内暗柱材料缺失缺陷的筛查与评估是可行的。

古建筑木结构无损检测内容与研究进展

中国拥有大量的木结构古建筑。合理有效地检测评估木结构的存在状况,是古建筑保护和修缮工作的重要需求。古建筑木结构无损检测是以无损检测和评估古建筑木结构安全性,以现场应用和实际需求为导向的木材材性检测评估技术,检测内容主要包括缺陷无损检测和木材物理力学性能无损检测两个方面。木结构、木构件隐藏缺陷的检测以及评估是古建筑木结构无损检测工作的重点和难点。本文首先介绍古建筑木结构的组成,总结其无损检测内容和目前常见无损检测方法;然后归纳总结古建筑木构件隐藏缺陷无损检测、古建筑木构件分等、腐朽对古建筑木材力学性能影响等应用和研究进展;最后归纳说明古建筑木材力学性能无损检测和自然老化对古建筑木材性质影响的研究状况。以期对从事木结构文物保护技术应用和科研工作的相关人员,有所启发和帮助。

基于PolM的微波光子线性优化链路

文中提出一种利用偏振调制器(PolM)提高系统无杂散动态范围(SFDR)的方案,并进行了仿真验证。实现线性优化的原理是通过对微波光子链路中上下两路光载波进行完全抑制和部分抑制,使生成不同来源的三阶交调失真(IMD3)在电域实现自抵消。仿真结果表明,IMD3的抑制比可达到61.9 dB,系统的三阶无杂散动态范围可达到107 dB·Hz^(2∕3)。该方案具有结构简单、实施难度低、大工作带宽和大动态范围的优势,在宽带无线通信、雷达、电子战系统中具有较大的应用潜力。

光电跟踪系统非均匀受力摩擦补偿研究

为了解决光电跟踪系统中摩擦扰动问题、进一步提高视轴稳定精度,采用了LuGre模型和终端滑模观测器(TSMO)融合的补偿方法(LuGre-TSMO),即在LuGre模型的基础上设计一种基于新型趋近率的终端滑模观测器,实现对系统摩擦的2次补偿。结果表明,相比于未补偿情况,LuGre-TSMO方法的速度跟踪均方根误差平均下降了65.38%,有效提高了实验平台视轴稳定精度;相比于LuGre模型方法和终端滑模观测器方法,LuGre-TSMO方法摩擦补偿效果最好。该方法在光电跟踪系统中是可行且有效的。

谐振式光学陀螺噪声抑制技术研究现状(特邀)

谐振式光学陀螺仪利用光学谐振腔在时空上对光波极强的局域增强效应,有望成为兼具高精度和小体积的光学陀螺。然而,谐振式陀螺转动产生的Sagnac效应相对微弱,容易受到陀螺系统内非互易性以及互易性噪声的干扰,成为其精度提升的瓶颈。在陀螺的小型化过程中这一问题更加凸显。因此,对谐振式光学陀螺仪进行噪声抑制显得尤为重要。本文详细综述了谐振式光学陀螺中非互易性和互易性两大类噪声的原理及其抑制方法,总结了该领域近来年的研究现状及未来挑战与发展趋势,为我国谐振式光学陀螺发展提供参考。

反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定误差分析

为满足各类装备平台对反射镜式光电系统光路内嵌复合轴高精度稳定的需求,针对实际研制中各类误差源相互耦合难以控制的难题,文中基于反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定的原理,从理论上分析了快速反射镜角度与瞄准线角度关系线性化、陀螺和快速反射镜安装正交性误差以及快速反射镜测角精度对系统瞄准线稳定误差的影响,建立了瞄准线稳定误差与上述影响因素之间量化数学模型,并根据量化模型开展了计算仿真实验。仿真结果表明,在瞄准线稳定误差要求为2μrad级别时,快速反射镜角度与瞄准线偏转角度关系不能采用简化的线性化处理,陀螺安装误差应小于0.005 mrad,快速反射镜的安装误差应小于0.003 mrad,快速反射镜的测角精度应达到0.001 mrad。在实际应用中,在保证快速反射镜测角精度的基础上,应对陀螺和快速反射镜安装误差进行校准补偿,确保陀螺和快速反射镜安装误差产生的瞄准线稳定误差绝对值之和小于瞄准线稳定精度要求。

门控激光相机雷达三边滤波平滑去噪算法研究

基于距离能量相关选通三维成像技术的门控激光相机雷达可以同时获取高水平分辨率的强度图像和三维图像,不存在激光雷达和摄像机复合技术方案中的异源数据融合问题。然而,与现有激光雷达一样,门控激光相机雷达输出的选通三维图像依然会受到器件噪声、时域特性、目标反射率和背景环境等因素影响,导致三维图像质量降低,最终影响实际应用,特别是高水平分辨率特点下的小尺度噪声问题。针对门控激光相机雷达小尺度噪声问题,文中提出三边滤波平滑去噪算法,该算法同时利用选通图像和深度图像对三维图像进行平滑。相比传统的双边滤波,该算法引入选通图像的灰度作为第三个权重,当物体边缘与其他物体或背景存在灰度差异时,该算法有很好的边缘保持效果。仿真实验使用两种不同噪声的金字塔靶,并通过双边滤波和三边滤波对噪声进行平滑,对于噪声标准差为0.2 m和0.3 m的金字塔,三边滤波后三维图像的峰值信噪比分别平均提高10.81 dB和6.76 dB。在物理实验中,对于含有噪声的标准靶,三边滤波后峰值信噪比平均提高8.47 dB。最后采集了真实复杂场景的选通图像,完成小尺度噪声的平滑和大尺度噪声的去除,验证了三边滤波结合统计学滤波方法的实用性。

基于深度学习的光纤麦克风频带扩展

光纤麦克风具有体积小、精度高、抗干扰能力强等优点,能在复杂环境下拾取目标语音.然而,在采集语音过程中,光纤麦克风受响应带宽限制,出现了高频成分缺失情况,进而降低语音短时客观可懂度(short-time objective intelligibility,简称STOI)和信噪比(signal-to-noise ratio,简称SNR).将时间卷积模块(temporal convolutional module,简称TCM)引入Wave-U-Net,提出TCM_Wave-U-Net.在此基础上,提出频域卷积递归神经网络(convolutional recurrent neural networks,简称CRN)与时域TCM_Wave-U-Net协同的网络(简称协同网络).实验结果表明:协同网络具有较强的泛化性和鲁棒性.该文研究结果为光纤麦克风的语音保真拾取奠定了基础.

基于多维参量分布式光纤传感的架空输电线路覆冰监测技术

对比总结了典型DOFS技术的基本原理与系统结构,对现有输电线路覆冰监测技术发展现状进行介绍。在此基础上提出了一种多维参量分布式光纤传感技术,能够实现对线路的应变、温度、振动、衰耗等状态参数进行分布式的实时监测。与现有的单参量、双参量传感监测方案相比,使用多维参量方案对线路进行融合感知,可以有效提高监测的准确度,降低误判率、误报率,为输电线路的安全稳定运行提供重要保障。

光栅干涉位移传感器信息解算方法研究

面向光栅干涉式位移传感器信号高精度解算的需求,提出了一种基于椭圆拟合补偿及反正切算法的位移解算改进方法。采用傅里叶变换及标准化椭圆参数拟合法对信号误差估计,通过构建线性误差补偿模型对带误差信号进行正交补偿,结合反正切算法对信号进行线性化处理,实现高精度位移解算读出。Matlab仿真结果表明,该方法对信号正交补偿效果显著,线性化处理算法解算位移最大相对误差小于0.2%。为提高光栅干涉式传感器位移解算精度提供了有效途径和方法。

计算成像技术中的点扩散函数工程

围绕光学成像中点扩散函数(Point spread function,PSF)在计算成像中的新内涵与应用,介绍了传统光学成像中PSF的概念以及PSF在光学系统设计中关键作用,并简要说明了几种利用PSF恢复图像算法以及图像评价指标。在此基础上以计算成像框架下信息传递的视角重新审视了PSF的内涵,从狭义、广义光学系统两个方面对计算成像领域中的相关研究进行了归纳总结,最后展望了PSF工程技术的应用前景及发展趋势。

拉曼光谱技术在脑胶质瘤检测中的应用研究

脑胶质瘤是一种常见的颅内原发性肿瘤,具有治愈率低、复发率高等特点。脑胶质瘤边界的精准识别是减少患者术后复发、改善愈后状况的重要前提。因此,发展快速、高灵敏度、无标记的脑胶质瘤诊断方法具有重要的临床意义。拉曼光谱技术作为一种指纹谱,能够在分子水平上反映物质的化学和结构信息,已经在脑胶质瘤的定性定位识别中表现出巨大的应用前景。本文首先介绍了不同种类的拉曼光谱技术,其次梳理了拉曼光谱技术在脑胶质瘤中的研究现状,最后对拉曼光谱技术在脑胶质瘤检测中的未来发展进行展望。

基于分布式应变测量的光纤形状还原算法研究

为了验证并行传输标架还原光纤传感器形状的可行性和准确性,设计了基于单模光纤的形状传感器,提出了利用有限元分析方法进行形状传感器建模和分布式应变信息的提取,对比分析了并行传输标架和弗莱纳标架在形状传感器不同弯曲形状和不同应变采样点数下的还原精度。结果表明:并行传输标架进行传感器形状还原时,不仅很好地还原了传感器的形状,而且弥补了在奇点位置前后弗莱纳标架方向发生突变,造成还原结果出现较大误差的不足。并行传输标架的远端位置误差低于光纤总长度的0.003 42%,相较弗莱纳标架,降低了10倍。