Creation of Multiple Subwavelength Focal Spot Segments Using Phase Modulated Radially Polarized Multi Gaussian Beam

Based on the vector diffraction theory, the effect of complex phase filters on intensity distribution of a radially polarized multi Gaussian beam in the focal region of high NA lens is theoretically investigated. It is observed that a properly designed multi belt complex phase filter can generate subwavelength novel focal patterns including splitting of focal spots and generation of multiple focal spot segments such as eight, six and four focal spots along the optical axis are obtained. We expect that such an investigation is useful for optical manipulation and material processing, multiple high refractive index particle trapping technologies.

激光半主动制导中光斑对四象限探测器定位精度影响分析

针对激光半主动制导中,光斑的实际位置、大小及能量分布等因素影响探测器定位精度的问题,基于四象限探测器的光斑位置检测原理,建立了探测器检测位置与光斑实际位置的关系模型,在控制背景光为定值的条件下,通过弹目距离的变化改变光斑半径,仿真了激光传输距离和导引头光学系统焦距与定位误差之间的关系。仿真结果表明:激光远场传输条件下距离变化所引起的定位误差变化缓慢;在弹目距离一定时,短焦条件下焦距变化所引起的定位误差小于长焦条件下的焦距变化,且短焦条件下光斑的误差更容易控制在允许范围内。

梯度折射率介质对复变量sinh-Gaussian光束传输的影响

为了研究梯度折射率介质对复变量双曲正弦高斯光束的传输影响,利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法推导出了复变量双曲正弦高斯光束在梯度折射率介质中的传输场,运用空间二阶矩的定义解出了光斑尺寸及其变化率的表达式,并进行了数值模拟分析。结果表明,光斑尺寸及其变化率随传输距离的增加呈周期性变化,周期由折射率系数决定;随光束参量的改变,光斑位置不变,周期性不变,但是光斑尺寸的振荡幅度要发生改变;通过调整这些参量,可以改变光斑尺寸及其位置。此项研究对大功率半导体激光器等方面的开发应用有帮助。

法兰端面防松片焊点疲劳寿命及分布优化研究

关于法兰端面防松片焊点疲劳寿命与焊点布置问题,如果根据焊接标准对工件焊点布置方案进行设计,可能会导致工件材料的性能得不到完全发挥,若在一些危险区域的焊点过少,则会导致焊接失败,焊点过多则会导致材料性能的破坏,焊接成本增加。因此,根据防松片焊点疲劳寿命与个数之间的关系,对防松片焊点布置方案进行了优化设计,提高法兰端面防松片焊点疲劳寿命性能。首先,对法兰端面防松片焊点布置方案进行了设计;其次,基于ANSYS建立了防松片焊接有限元模型,通过对焊接过程中热流密度分布的分析,采用高斯热源模型作为防松片焊接模型热源;通过对防松片焊点模型分析求解出了法兰端面防松片不同焊点布置方案的最大应变;最后,建立了焊点疲劳寿命预测模型,根据应变进行疲劳寿命预测并进行求解,求解出不同分布方案下焊点的疲劳寿命,并对数据进行高斯曲线拟合建立优化函数关系,通过拟合优化结果表明当防松片内圈焊点24个、外圈焊点30个同时作用在防松片上时,其焊点疲劳寿命能够得到较好的保持。

基于紫外成像技术的彩色光斑映射识别算法研究

紫外成像检测是一种有效的非接触式放电检测方法,紫外放电图像中彩色光斑的准确分割直接关系到其后续诊断的准确性。因此,提出了一种基于灰度差异的紫外图像彩色光斑区域识别分割方法,旨在准确提取彩色的紫外光斑区域。首先,利用紫外成像仪采集了电气设备紫外放电视频,其中放电光斑区域颜色涵盖了目前紫外成像仪常用的色彩;其次,改进了紫外视频的处理方法,利用高斯函数对紫外图像进行预处理,将光斑区域像素与非光斑区域像素的灰度差异平均提高了2.18倍,进而可利用阈值分割算法对光斑区域进行更准确的分割;最后,提出精度和召回率作为算法应用效果评价指标,将算法应用于1000张紫外图像帧,其平均值分别为0.9632和0.9827。由此可知算法实现了紫外检测图像中彩色光斑区域的准确分割,能够满足后续对紫外放电图像进行可靠诊断的要求,为基于紫外成像的电气设备放电诊断提供了可靠保证。

基于数学形态学的小孔径高斯光束光斑半径测量方法

为减小现有的激光光束光斑半径测量方法的测量误差,设计基于数学形态学的小孔径高斯光束光斑半径测量方法。对小孔径光斑几何特征进行划分,计算探测误差,获取光斑能量在探测器光敏面上的均匀分布函数,得到质心点到光斑轮廓点的距离。建立高斯光束光斑轮廓模型,获取位置轮廓的灵敏度,并计算其在某光斑点位的能量值,通过质心点的误差函数,得到光斑点的轮廓函数。基于数学形态学设计光斑半径测量方法,计算不同方向与尺度元素在对角线上的梯度幅值,得到激光光束光斑的半径长度。分析光照强度与发射角对测量精度的影响,实验结果显示:在该激光光束下,光照强度为80且发射角度为1.8时,测量误差最小。对比4种测量方法的测量误差,由数据可知,数学形态学的测量方法误差最小,可见该方法优于其他测量方法。

广州市中心城区公园可达性时空演变

随着城市化进程的不断推进,城市人口高速增长,公园供给与人口需求之间的矛盾日渐凸显,但公园布局均衡性在城市人口和居住空间动态变化过程中发生的变化尚未得到足够地关注。本研究通过改进高斯两步移动搜索法和热点分析法,分析2010和2020年广州市中心城区公园可达性的时空演变格局。研究发现:1)2010—2020年,广州公园可达性平均值提高,可达性改善的社区集中在环城高速内老城区及城市重点开发建设区域;随着出行范围扩大,公园供给盲区减少,在公交出行方式下,社区基本实现了15 min公园可达。2)在步行、骑行和公交3种出行方式下,公园可达性具有显著的空间集聚效应,热点区域主要集中在珠江沿岸;冷点区域主要集中在环城高速外的外围城区。经十年城市化建设后,热点区域减少;冷点区域扩大,低值集聚趋势显著。3)在城市规划政策、政府引导下,公园有序建设与人口流动综合形成公园空间分布公平区和不公平区,不公平区内有待适度布局公园、优化公园品质。

基于限定搜索高斯曲面拟合的星点质心提取算法

星点光斑图像目标识别技术对于空间监视装备和系统至关重要,由于星点图像中光斑成像的特点以及不同背景下图像噪声的干扰,目标光斑的自动识别和定位精度受限。高斯曲面拟合法与密度质心法是使用较为广泛的星点光斑目标定位算法,通过理论分析和实验表明传统方法对星点质心的定位存在一定误差。该文提出一种基于限定区域搜索的星点质心提取算法(LASACE),该算法首先通过中值滤波算法与最大熵阈值分割法对星点图像进行预处理,然后使用高斯曲面拟合算法获得星点光斑的像素分布。最后以星点中心建立目标搜索区域,采用距离强加权质心法提取出目标星点光斑的质心位置。实验结果表明,相较于密度质心法、高斯曲面拟合法和加权质心法,该文所提算法在降低星点光斑质心定位误差的同时提高了抗噪性,能够满足空间卫星的识别需求。

激光清洁在LNG模块建造中的应用效果研究

为验证激光清洁在LNG模块建造中的应用效果,采用较高功率的单模脉冲光纤激光器,对金属基体表面清洁,同时实现了一定的表面粗糙度,表面处理等级达到SSPC SP 10/SSPC SP 11,表面状态、涂层性能测试合格,满足LNG模块建造场地涂装要求。现场实验结果表明,激光清洁在LNG建造现场的涂层修补、清洁方面可有效代替喷砂/打磨。

高斯拟合光斑定位算法推导及性能探讨

为了解决混凝土结构挠度测量中参考点精确定位的问题,推导了高斯光斑的拟合算法,证明了参数克拉美−罗下界的存在,并利用莱文贝格−马夸特方法优化了相应参数。实验结果表明,基于非线性参数优化的高斯拟合光斑定位算法在信噪比为40 dB时,其中心提取的均方根误差衰减为0。随着对比度的降低,3种测试方法的提取精度会变差。在对比度降至原图像的25%之前,基于非线性参数优化的高斯拟合光斑定位算法的鲁棒性优于其他算法,但当对比度继续下降时,这一优势将消失。因此,在对比度良好的情况下,该算法不仅可以保证精度而且可以较好地提高鲁棒性。

四象限探测器的特性测试

研究了用四象限探测器检测光斑中心位置时,入射光斑的各种特性和外部环境对象限探测器输出产生的影响。通过理论推导得出了入射椭圆高斯光斑时光斑中心位置与探测器输出的关系公式及检测灵敏度公式;搭建实验系统完成了室内及野外测试实验。实验结果表明,室内环境下探测器具有较高的检测精度与细分能力;在极限灵敏度下通过数字滤波可以使器件具有36细分的能力;测量了象限探测器的电压特性,完成了背景光特性、光斑大小特性、信噪比特性测试实验。野外实验表明,光强闪烁对探测器影响很大,当大气折射率结构常数为10-16时,距离在830 m时器件仅具有7细分能力,距离在12.5 km时基本没有细分能力,已经无法进行光斑检测。

点光源哈特曼最优阈值估计方法研究

针对夏克-哈特曼波前传感器探测系统中噪声随时间及空间变化频率较快的特点,为了准确估计系统的最优阈值,根据高斯光斑与噪声的分布特性,提出一种以滑动窗口内像素均值及图像信号的局部梯度作为参数,构造关于噪声权重函数的方法,由此获得子孔径阈值的最优估计值,并详细分析了算法的基本原理和实现过程.以典型处理方法获取的阈值与理论最优阈值的误差作为评价标准,仿真和实验结果表明本文提出的阈值估计方法在不同信噪比、不同光斑大小的条件下,均能取得优于典型阈值处理方法获得的结果,且与理论最优阈值的误差小于10%.

基于高斯拟合的激光光斑中心定位算法

激光光斑中心定位是光学测量中的关键技术之一。通过对常用定位算法的分析,给出利用光斑图像中的不饱和点对光斑进行高斯拟合,并以拟合函数的幅值点作为光斑中心的方法。利用人工光斑对该算法进行验证,结果表明该算法误差远小于0.1像素;利用一维高精度电动平移台、CCD相机、激光器等搭建测试系统,由计算机自动采集激光光斑图像并对其进行分析,实验结果表明该算法与理论分析结果的均方根误差仅为0.1像素。

四象限探测器基于高斯分布的激光光斑中心定位算法

为了提高四象限探测器在FPGA中实时激光光斑位置测量的精度,提出了一种基于高斯分布的光斑中心定位算法。首先,四象限探测器光敏面上分布的激光光斑采用高斯分布模型等效。结合探测器的工作原理,合理设置高斯积分区间,计算出呈高斯分布的光斑在探测器各象限内的光能量,从而对应各象限输出的光电流,得到包含光斑位置信息的正态分布关系式。再通过标准正态分布表查询快速求解出光斑中心位置,将算法在硬件上实时地实现。最后,分别对基于高斯分布的定位算法和基于圆模型的传统算法进行仿真与实验验证。结果表明,基于高斯分布的定位算法的测量精度相较于传统算法提高了43.8%。由此证明基于高斯分布的定位算法能有效提高激光光斑中心位置测量精度。

激光准直高斯光斑中心位置计算方法分析

结合一种用于大孔同轴度测量的激光准直系统,分析高斯光斑能量中心坐标的几种常用计算方法:对称法、曲线拟合法和重心法。准直系统用单模尾纤半导体激光器作光源,用CCD探测器接收激光光斑。重心法计算时该实验装置实验室内6m距离上的方向稳定性达到1 5×10-6的量级。实验表明重心法有效利用光斑全场数据,对光强分布缺陷不敏感,分辨率和示值重复性都优于对称法和曲线拟合法。

强噪声下激光光斑尺寸的估计

提出了加门限的滑动窗口一阶矩质心计算方法。该方法利用目标光斑与周围背景及噪声在形态分布以及灰度分布上的不同而提出的。从总光电子数、读出噪声方差、光斑尺寸和信号光斑质心与暗背景质心位置的距离四个方面将该算法与传统一阶矩质心计算方法进行了计算精度的对比。仿真和实验结果都表明,本文的算法较传统一阶矩方法在质心计算精度上有较大的提高。

90／10刀口法测量激光高斯光束束腰的实验研究

利用90/10刀口法测量高斯激光光斑尺寸及光束束腰尺寸,克服了传统方法过程繁杂的缺点,精度高、效率高,操作简单。

基于虚拟仪器的激光光斑自动采集与分析系统

为了得到激光光束的某些参量,为设计和改进激光器提供依据,建立了一套激光光斑自动采集与分析系统,搭建了实验平台,并编写了一套基于虚拟仪器开发平台LabVIEW及其图像处理软件包NI Vision的用于采集和分析激光光斑的软件。该软件能实时显示光斑中心位置的漂移轨迹、在x方向和y方向漂移的标准差及其随时间变化的趋势等,同时,还能对基模高斯光束进行分析。经过去噪处理的光斑图样能以3维灰度图的形式显示出来,得到任意剖面的光强信息,并以此进行高斯曲线拟合,得出拟合参量以判断光强曲线接近高斯曲线的程度。结果表明,这种系统可以动态地采集光斑信息并进行处理,具有实时性。

光栅衍射型超广角激光告警系统光斑定位方法

成像光斑中心精确定位是光栅衍射型超广角激光告警系统具有高定向准确度和高波长分辨能力的基础.本文分析了光栅衍射型超广角激光告警系统成像光斑特点.针对随激光入射角增大,系统成像光斑畸变为强度近似高斯分布倾斜光斑的问题,提出一种改进型高斯拟合法计算光斑中心,通过仿真模拟和实验测试研究了新方法的定位性能.模拟结果表明,高斯噪音标准差为0.01情况下,光斑长轴与x轴夹角由0°逐渐增大为90°过程中,本文方法的定位误差平均值小于0.005像素,误差标准差小于0.02像素.实验测试表明,实验图像经帧相减和高斯平滑滤波预处理后,光斑长轴与坐标轴方向一致时,本文方法与高斯拟合法的定位结果非常接近,明显优于灰度重心法.光斑倾斜时,本文方法求得的激光入射方向角的误差均值和标准差明显小于灰度重心法和普通高斯拟法.

强激光辐照低慢小目标抖动光斑功率密度估计

针对激光毁伤低慢小目标ATP系统跟瞄误差造成的光斑抖动问题,建立激光斜程辐照低慢小目标的高斯分布等效光斑模型。通过仿真,得到特定大气能见度条件下瞄准误差角度、目标天顶角和目标高度的关系曲线,及不同初始天顶角条件下到达目标表面光斑形态及功率密度,并分析辐照天顶角及目标飞行高度对目标表面归一化功率密度的影响,得到了典型低慢小目标尼龙材料激光防御过程中对ATP系统跟瞄误差的要求,为激光防御低慢小目标各项参数设定及自适应系统的完善提供了依据。