基于3D激光扫描技术的绕腰法采空区资源回收方法研究

针对大多数矿山采空区残留资源回收探测中存在人员、设备进入难,精度低、危险高等问题,我们通过采用三维激光扫描技术恰恰克服了以上困难。应用三维激光自动扫描新技术对采空区进行精密探测,能够安全准确地获取采空区的三维形态和矿石空间分布位置,再通过三维建模软件Surpac建立三维可视化实体模型,为回收残留矿石资源提供重要依据;最后通过应用绕腰法综合回收残留矿石,不仅能够减少采准工程量,并把采准与采矿工作很好地结合起来,而且达到了能够高效安全地回采采空区残留矿石目的。工程实例的成功应用,表明此方法在给矿山和国家带来良好的经济社会效益的同时,能够在同类矿山中推广应用。

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展(特邀)

雪崩光电二极管(APD)是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管(SPAD)。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。

开放式仪器分析教学实验设计——基于LEGO积木的模块化激光诱导荧光检测系统的构建

基于市售乐高(LEGO)积木和3D打印积木构建的光学模块,发展了适用于本科生仪器分析教学实验的模块化激光诱导荧光(Laserinducedfluorescence,LIF)检测系统。将该系统的构建过程引入本科生仪器分析的实验教学中,指导学生基于不同功能的积木块,实现LIF系统的组装和搭建,并应用于对荧光素钠溶液浓度的测定。该系统具有成本低、易构建、操作灵活等特点,模块化的构建形式大大降低了仪器搭建门槛,即使没有前期经验的本科生也可在3 h内搭建完成。将模块化构建思想引入开放式教学环节,可激发学生对仪器分析课程的兴趣和热情,同时有助于加深学生对荧光分析原理和LIF检测系统结构的理解,在系统构建过程中还能锻炼学生的动手能力,提高学生发现问题和和解决问题的能力。

基于光子计数激光雷达的时域去噪

激光雷达传统的成像方法需要经过长时间积分探测生成光子计数统计直方图的方式来减少背景噪声的影响,获得目标场景的深度估计信息。为了快速准确地获取目标场景的3D图像,提出基于光子计数激光雷达的三维距离图像时域去噪算法。该算法不需要生成光子计数统计直方图,利用信号和噪声在时间轴上不同的分布特性,结合了泊松过程统计规律。此算法提高了信号的探测概率,能够在低信噪比的环境下将信号和噪声分离,获得目标场景准确的3D图像。实验结果表明在低信噪比的条件下,此算法获得深度图像的RMSE与传统基于最大似然估计成像方法相比成像精度至少提高了3倍。有利于激光雷达三维成像在高背景噪声环境下的使用,拓宽了激光雷达的应用范围。

使用PSD的高精度三维测量探头的研究

在三维测量领域中,作为后起之秀的光学式非接触测量,与传统的接触式测量相比,具有测量速度快,工作距离大,受环境电磁场影响小等缺点,但同时也暴露出精度不高,易受被测物体表面影响等缺点。在分析其原理的基础上,提出一套新的方案,将使用位置敏感探测器的光学式三维测量探头的检测与光源控制集成为一个联系紧密的系统。利用这种方法可以在很大程度上克服光学式非接触测量探头在实际应用中遇到的困难。

阵列分束激光三维成像技术

针对现有激光三维成像中使用的面阵APD探测器相邻像元间隔较大,导致激光利用率低从而影响探测距离的缺点,提出阵列分束激光三维成像技术。该技术对激光发射源采用液晶空间光调制器进行衍射阵列分束,将一束激光分成与阵列APD探测器相应的阵列子光束,调整激光发射子光束和阵列APD探测器的位置,使得子光束照射目标后聚焦到阵列APD探测器的像元上,提高了整束激光的利用效率。介绍了阵列分束激光三维成像技术系统组成和工作原理,提出采用液晶空间光调制器的方法实现阵列分束的方案,研制了阵列分束激光三维成像原理样机,利用研制的原理样机对采用阵列分束后的效果进行了验证。实验结果表明,采用该技术后,采用峰值功率10 k W、脉宽8 ns的激光源,填充因子2/3的8×8 APD,三维成像作用距离达到510 m,同等条件下与不分束相比,作用距离提升39.1%。

激光成像技术的新发展

激光三维成像技术具有有别于其它光学成像技术的许多特点,在侦察、测绘、制导和导航等领域有着广泛的应用前景,是激光应用领域的一个研究热点。随着激光技术和探测器技术的发展,近些年来,一种以三维探测器阵列为核心的新型体制的激光三维成像技术得到了迅速的发展,该体制的激光三维成像系统包含了单光子三维雪崩探测器阵列、半导体泵浦微片激光器、衍射光学元素微光机电系统等诸多前言技术,是激光三维成像技术的一种发展方向。本文对该技术的特点、应用、关键技术和发展状况等情况作一简要介绍。

基于压缩感知的非视域物体激光三维成像系统

以提升非视域物体激光三维成像的图像质量为目的,设计基于压缩感知的非视域物体激光三维成像系统。系统整体结构主要包括激光发射模块、探测器模块、AD转换器、数据采集卡以及计算机等。激光发射模块中激光发射器发射激光脉冲,该脉冲通过准直透镜的整形处理后能够抑制光束扩散的影响。激光反射透射至非视域目标物体上形成光束散射;探测器模块采集非视域目标物体表层返回的光子信号,并将其转换为电压信号传输至AD转换模块内转换为数字信号,数字信号进入数据采集卡内,基于压缩感知原理完成激光图像重建,图像重建结果通过计算机呈现给用户。实验结果显示系统所得成像的灰度标准差最高达到0.35、边缘强度最高为0.7、信息饱和度最高为0.85,均优于两个对比系统,所设计系统能够准确标定目标空间坐标,成像结果特征描述能力与视觉效果较好。

基于红外检测仪的三维激光扫描成像输入系统

为强化三维激光扫描系统的目标描述能力,提出构建一种基于红外检测仪的三维激光扫描成像输入系统。利用红外检测仪探测物体表面温度分布,以色彩形式描述目标辐射信号;以三角测距法得到三维激光扫描仪与目标物体间全方位距离,输入至图像处理软件生成红外三维图像;通过激光信号发射单元、控制系统单元、回波信号检测单元、激光扫描单元以及三维成像输入单元,实现整体扫描输入系统的构建。实验证明:采用标准圆柱体作为扫描目标,成像输入系统得到圆柱体横截半径内外侧的偏差都保持在0.04 cm以内,倾斜度最大数值为0.168°,均处于设定范围内,证明扫描数据结果精准有效。