2017年 10卷 第6期
2017, 10(6): 699-707.
doi:10.3788/CO.20171006.0699
摘要
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摘要:
介绍了双压电片镜自适应光学技术，同时为其在同步辐射光学领域中的应用与进一步发展提供前瞻性的思考与探索。根据目前已公开发表的相关文献资料，总结介绍了双压电片镜自适应光学技术，阐述了该技术的工作机理与关键参数，并对其在国际上具有代表性的同步辐射机构中的应用情况作出描述，并指出涉及的关键技术问题与未来的发展趋势：不仅要有效地解决"连接点效应"对双压电片镜技术的负面影响，还要实现亚微米乃至纳米级的聚焦光斑，这两项内容都是双压电片镜技术需要进一步解决的重要问题。未来，双压电片镜自适应光学技术可望在我国先进的第三代同步辐射装置-"上海光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF）"二期工程建设中得到应用。
介绍了双压电片镜自适应光学技术，同时为其在同步辐射光学领域中的应用与进一步发展提供前瞻性的思考与探索。根据目前已公开发表的相关文献资料，总结介绍了双压电片镜自适应光学技术，阐述了该技术的工作机理与关键参数，并对其在国际上具有代表性的同步辐射机构中的应用情况作出描述，并指出涉及的关键技术问题与未来的发展趋势：不仅要有效地解决"连接点效应"对双压电片镜技术的负面影响，还要实现亚微米乃至纳米级的聚焦光斑，这两项内容都是双压电片镜技术需要进一步解决的重要问题。未来，双压电片镜自适应光学技术可望在我国先进的第三代同步辐射装置-"上海光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF）"二期工程建设中得到应用。
2017, 10(6): 708-718.
doi:10.3788/CO.20171006.0708
摘要:
近年来，随着光谱成像技术的发展，机载成像光谱仪在海域军事目标的侦察中得到了新的应用。基于此，本文首先从高光谱成像仪的基本原理及特性出发，介绍了高光谱成像仪在海洋军事目标探测方面的应用现状。其次，分别从水面目标探测和水下目标探测两方面综合分析了光谱成像技术在海域目标探测中的应用。对于海面目标探测，多项关键技术获得突破，但当前算法仍然难以解决实时性问题；对于水下目标探测，本文主要以水下潜艇探测为例探讨了利用高光谱成像仪对水下目标进行探测的关键技术及相关可行性方案。分析可知，光谱成像技术用于海洋军事探测从技术上具有可行性且前景广阔，但仍需解决相关算法的效率及精度等关键问题，这对推动光谱成像技术在海域目标探测中的应用具有重要意义。
近年来，随着光谱成像技术的发展，机载成像光谱仪在海域军事目标的侦察中得到了新的应用。基于此，本文首先从高光谱成像仪的基本原理及特性出发，介绍了高光谱成像仪在海洋军事目标探测方面的应用现状。其次，分别从水面目标探测和水下目标探测两方面综合分析了光谱成像技术在海域目标探测中的应用。对于海面目标探测，多项关键技术获得突破，但当前算法仍然难以解决实时性问题；对于水下目标探测，本文主要以水下潜艇探测为例探讨了利用高光谱成像仪对水下目标进行探测的关键技术及相关可行性方案。分析可知，光谱成像技术用于海洋军事探测从技术上具有可行性且前景广阔，但仍需解决相关算法的效率及精度等关键问题，这对推动光谱成像技术在海域目标探测中的应用具有重要意义。
2017, 10(6): 719-725.
doi:10.3788/CO.20171006.0719
摘要:
为了提高加速鲁棒特征（SURF）算法的实时性和准确性，本文提出了一种结合AGAST角点检测和改进的SURF特征描绘算法。首先利用AGAST角点检测模板检测特征点，再使用增加对角信息的哈尔小波响应来生成特征点的描述子，之后利用特征袋对产生的描述子进行编码并生成新的特征向量，最后利用支持向量机（SVM）对特征向量进行分类，完成识别。本文以SIFT和SURF算法为对照，分别进行不同视角、光照和尺度的识别实验。实验结果表明，本文算法的平均识别率为98.0%、96.9%、97.1%，平均时间分别为66.1 ms、79.3 ms、41.0 ms，在识别率上较优于SURF算法，所耗时间约是SURF算法的1/3。
为了提高加速鲁棒特征（SURF）算法的实时性和准确性，本文提出了一种结合AGAST角点检测和改进的SURF特征描绘算法。首先利用AGAST角点检测模板检测特征点，再使用增加对角信息的哈尔小波响应来生成特征点的描述子，之后利用特征袋对产生的描述子进行编码并生成新的特征向量，最后利用支持向量机（SVM）对特征向量进行分类，完成识别。本文以SIFT和SURF算法为对照，分别进行不同视角、光照和尺度的识别实验。实验结果表明，本文算法的平均识别率为98.0%、96.9%、97.1%，平均时间分别为66.1 ms、79.3 ms、41.0 ms，在识别率上较优于SURF算法，所耗时间约是SURF算法的1/3。
2017, 10(6): 726-736.
doi:10.3788/CO.20171006.0726
摘要:
针对目前直方图均衡算法难以实现，且易造成亮度饱和等问题，本文提出了一种范围限制的自适应亮度保持多阈值直方图均衡算法。首先，对输入图像进行适当平滑，从而获得它的直方图峰值点个数（N+1）。然后，对Otsu算法进行N阈值扩展，并通过这种方法获得图像的N个分割阈值，从而按照此阈值对图像进行分割。为了能够最大程度地保持输入图像的亮度，利用输入图像和输出图像的均值亮度最小误差（AMBE）准则，重新计算了图像的均衡范围。最后，利用新的均衡范围分别对每一个子图像进行均衡。实验表明，使用本算法处理Lena图的绝对均值亮度误差为0.416 4，明显优于使用RLBHE算法的0.629 5。本算法能够获得更清晰的图像细节，同时图像的整体亮度保持的也较好。
针对目前直方图均衡算法难以实现，且易造成亮度饱和等问题，本文提出了一种范围限制的自适应亮度保持多阈值直方图均衡算法。首先，对输入图像进行适当平滑，从而获得它的直方图峰值点个数（N+1）。然后，对Otsu算法进行N阈值扩展，并通过这种方法获得图像的N个分割阈值，从而按照此阈值对图像进行分割。为了能够最大程度地保持输入图像的亮度，利用输入图像和输出图像的均值亮度最小误差（AMBE）准则，重新计算了图像的均衡范围。最后，利用新的均衡范围分别对每一个子图像进行均衡。实验表明，使用本算法处理Lena图的绝对均值亮度误差为0.416 4，明显优于使用RLBHE算法的0.629 5。本算法能够获得更清晰的图像细节，同时图像的整体亮度保持的也较好。
2017, 10(6): 737-743.
doi:10.3788/CO.20171006.0737
摘要:
Canny算法在PC机上的执行速度较慢，这极大地限制了其实用性。本文在前人的研究基础上对算法进行更深的优化和改进。首先在VS2012开发环境下利用数字图像处理技术对原算法进行原理上的改进，再利用GPU流处理器数量众多的优势以及强大的多线程并发执行能力对Canny算法进行并行加速。在500 pixel×500 pixel的图片上，对本文算法和原Canny算法进行了实验验证。实验结果表明，在4 096 pixel×4 096 pixel大小的图片上采用本文的GPU移植算法处理后，执行速度从80 ms降到了6 ms以内。在不影响边缘检测效果的前提下极大地提高了算法的实用性。
Canny算法在PC机上的执行速度较慢，这极大地限制了其实用性。本文在前人的研究基础上对算法进行更深的优化和改进。首先在VS2012开发环境下利用数字图像处理技术对原算法进行原理上的改进，再利用GPU流处理器数量众多的优势以及强大的多线程并发执行能力对Canny算法进行并行加速。在500 pixel×500 pixel的图片上，对本文算法和原Canny算法进行了实验验证。实验结果表明，在4 096 pixel×4 096 pixel大小的图片上采用本文的GPU移植算法处理后，执行速度从80 ms降到了6 ms以内。在不影响边缘检测效果的前提下极大地提高了算法的实用性。
2017, 10(6): 744-751.
doi:10.3788/CO.20171006.0744
摘要:
在同一组件中多芯片多波段的应用中，由于芯片的中心距越来越小，导致某些相邻波段通常被集成制备到一个芯片上。为减小波段串扰，本文针对一体化双波段芯片集成封装组件的低温光谱定量化展开研究，通过制备一体化双波段芯片集成封装组件，并通过波段间物理隔离、金属区物理遮盖等措施将两波段的光束隔离。测试结果表明隔离前后，芯片间光谱串光现象有了明显改善，波段间串扰从8%降到了4%以内，光谱带外响应从6.5%降低至0.78%。为了避免低温工况下物理隔离条与芯片的热失配问题，隔离条采用与芯片衬底完全一致材料。双波段芯片集成封装组件的高低温冲击试验表明，其在有效抑制组件内串扰的同时，也解决了组件内关键部件的热失配问题。
在同一组件中多芯片多波段的应用中，由于芯片的中心距越来越小，导致某些相邻波段通常被集成制备到一个芯片上。为减小波段串扰，本文针对一体化双波段芯片集成封装组件的低温光谱定量化展开研究，通过制备一体化双波段芯片集成封装组件，并通过波段间物理隔离、金属区物理遮盖等措施将两波段的光束隔离。测试结果表明隔离前后，芯片间光谱串光现象有了明显改善，波段间串扰从8%降到了4%以内，光谱带外响应从6.5%降低至0.78%。为了避免低温工况下物理隔离条与芯片的热失配问题，隔离条采用与芯片衬底完全一致材料。双波段芯片集成封装组件的高低温冲击试验表明，其在有效抑制组件内串扰的同时，也解决了组件内关键部件的热失配问题。
2017, 10(6): 752-759.
doi:10.3788/CO.20171006.0752
摘要:
乙醇汽油是一种新型清洁燃料，燃料乙醇在乙醇汽油中的含量会影响发动机的性能。为了确保发动机的工作可靠性，需要对乙醇汽油中的乙醇含量进行快速精准检测。本文使用中红外光谱技术对采集到的乙醇汽油的光谱数据进行定量分析。首先对原始光谱数据使用多元散射校正、基线校正、一阶导数、二阶导数等预处理方法进行预处理。然后利用ELM、LSSVM、PLS对乙醇汽油中的乙醇含量建立预测模型，通过比较3种建模方法对乙醇含量的预测能力发现，PLS方法的精度比其余两种方法更高。模型决定因子R2为0.958，预测均方误差RMSEP为1.479%（V/V，体积比）。中红外光谱技术对乙醇汽油乙醇含量的快速准确检测提供了新的思路。
乙醇汽油是一种新型清洁燃料，燃料乙醇在乙醇汽油中的含量会影响发动机的性能。为了确保发动机的工作可靠性，需要对乙醇汽油中的乙醇含量进行快速精准检测。本文使用中红外光谱技术对采集到的乙醇汽油的光谱数据进行定量分析。首先对原始光谱数据使用多元散射校正、基线校正、一阶导数、二阶导数等预处理方法进行预处理。然后利用ELM、LSSVM、PLS对乙醇汽油中的乙醇含量建立预测模型，通过比较3种建模方法对乙醇含量的预测能力发现，PLS方法的精度比其余两种方法更高。模型决定因子R2为0.958，预测均方误差RMSEP为1.479%（V/V，体积比）。中红外光谱技术对乙醇汽油乙醇含量的快速准确检测提供了新的思路。
2017, 10(6): 760-767.
doi:10.3788/CO.20171006.0760
摘要:
本文采用常温络合-控制水解法，以TiCl4，有机羧酸，氨水，硝酸铕，D-山梨醇等为主要实验药品，制备了Eu掺杂纳米TiO2光触媒乳液。以酸性红3R染料为待降解物，分别考察了不同条件下制备的TiO2光触媒乳液在太阳光模拟器生成光照射下的光催化性能。此外，还考察了Eu掺杂纳米二氧化钛透明光触媒乳液对于不同浓度染料的光催化性能。通过酸性红3R染料的降解实验，研究了影响Eu掺杂纳米二氧化钛透明光触媒乳液光催化活性的因素。通过X射线衍射仪（XRD）、纳米 粒度分析仪、紫外可见分光光度计（UV-Vis）等对样品进行表征。结果表明：样品的平均粒度为4.1 nm左右，晶型为锐钛矿，样品的吸收光谱可拓宽至可见光区。当Eu掺杂量为0.3%，pH值为6，回流时间是15 min时，制备的Eu掺杂纳米二氧化钛光触媒乳液的光催化性能最佳。该光触媒乳液经太阳光照射1 h之后，对浓度为25 mg/L的酸性红3R模型反应物的降解效率最高，达到97%以上。
本文采用常温络合-控制水解法，以TiCl4，有机羧酸，氨水，硝酸铕，D-山梨醇等为主要实验药品，制备了Eu掺杂纳米TiO2光触媒乳液。以酸性红3R染料为待降解物，分别考察了不同条件下制备的TiO2光触媒乳液在太阳光模拟器生成光照射下的光催化性能。此外，还考察了Eu掺杂纳米二氧化钛透明光触媒乳液对于不同浓度染料的光催化性能。通过酸性红3R染料的降解实验，研究了影响Eu掺杂纳米二氧化钛透明光触媒乳液光催化活性的因素。通过X射线衍射仪（XRD）、纳米 粒度分析仪、紫外可见分光光度计（UV-Vis）等对样品进行表征。结果表明：样品的平均粒度为4.1 nm左右，晶型为锐钛矿，样品的吸收光谱可拓宽至可见光区。当Eu掺杂量为0.3%，pH值为6，回流时间是15 min时，制备的Eu掺杂纳米二氧化钛光触媒乳液的光催化性能最佳。该光触媒乳液经太阳光照射1 h之后，对浓度为25 mg/L的酸性红3R模型反应物的降解效率最高，达到97%以上。
2017, 10(6): 768-776.
doi:10.3788/CO.20171006.0768
摘要:
为了研究大气湍流对高斯涡旋光束传递信息的影响，理论分析了经过大气湍流的高斯涡旋光束轨道角动量（OAM）模式的径向平均功率和归一化平均功率分布、固有模式指数、初始光束半径和湍流强度；采用纯相位扰动逼近的有效性，数值模拟高斯涡旋光束在传输中的OAM模式径向平均功率分布的变化。建立传输模型并进行外场 大气传输实验，对比分析了模拟和实测的OAM归一化平均功率分布，结果表明在弱湍流条件下，OAM模式的径向平均功率随着接收器孔径尺寸的增加而变化，逐渐趋于稳定值。对于一般常用的接收孔径，在强湍流或较小的初始光束半径条件下对OAM模式干扰十分严重。验证了用数值方法模拟OAM在湍流介质中的模式变化过程的可靠性。
为了研究大气湍流对高斯涡旋光束传递信息的影响，理论分析了经过大气湍流的高斯涡旋光束轨道角动量（OAM）模式的径向平均功率和归一化平均功率分布、固有模式指数、初始光束半径和湍流强度；采用纯相位扰动逼近的有效性，数值模拟高斯涡旋光束在传输中的OAM模式径向平均功率分布的变化。建立传输模型并进行外场 大气传输实验，对比分析了模拟和实测的OAM归一化平均功率分布，结果表明在弱湍流条件下，OAM模式的径向平均功率随着接收器孔径尺寸的增加而变化，逐渐趋于稳定值。对于一般常用的接收孔径，在强湍流或较小的初始光束半径条件下对OAM模式干扰十分严重。验证了用数值方法模拟OAM在湍流介质中的模式变化过程的可靠性。
2017, 10(6): 777-782.
doi:10.3788/CO.20171006.0777
摘要:
光电瞄准系统（EOTS）将前视红外和红外搜索跟踪进行了综合，进而可以获得高分辨率图像，实现自动跟踪、红外搜索跟踪、 指示、 测距和 点跟踪。本文针对美国研制的EOTS的工作原理展开分析和研究，概述了EOTS的概念和技术特点，显示了其作为新一代机载光电瞄准系统的先进性。对EOTS多功能系统、光学元件、红外搜索跟踪、维护和研制规划进行了介绍，着重分析了EOTS的自动视轴校准系统，主要包括自动视轴校准系统的工作原理和工作步骤。最后，本文对EOTS系统的性能进行了总结。
光电瞄准系统（EOTS）将前视红外和红外搜索跟踪进行了综合，进而可以获得高分辨率图像，实现自动跟踪、红外搜索跟踪、 指示、 测距和 点跟踪。本文针对美国研制的EOTS的工作原理展开分析和研究，概述了EOTS的概念和技术特点，显示了其作为新一代机载光电瞄准系统的先进性。对EOTS多功能系统、光学元件、红外搜索跟踪、维护和研制规划进行了介绍，着重分析了EOTS的自动视轴校准系统，主要包括自动视轴校准系统的工作原理和工作步骤。最后，本文对EOTS系统的性能进行了总结。
2017, 10(6): 783-789.
doi:10.3788/CO.20171006.0783
摘要:
本文设计了一种单端面长周期光栅透射模式折射率传感器。首先，将2×2单模光纤耦合器输入端的一个光纤接头与光源相连接、输出端的两个光纤接头分别与光谱分析仪和长周期光栅的一个光纤接头相连接。然后，在包含长周期光栅的光纤另一个端面溅射反射银膜。最后，以一系列不同折射率的甘油水溶液为待测液体介质研究了直接透射模式与单端面镀银膜模式下长周期光栅的响应光谱的异同。实验结果表明：单端面镀银膜的长周期光栅的响应光谱仍然以透射谱的形式出现。对于同一种液体，单端面镀银膜的长周期光栅与直接透射模式的长周期光栅的响应光谱有着近乎相同的谐振波长值，但它们的光损耗存在一定的差异。在0~80%的甘油溶液中，直接透射模式下的光损耗从-12.92 dB变为-16.28 dB，再逐渐变到-13.22 dB；单端面镀银膜模式下的光损耗从-13.13 dB变为-13.74 dB，再逐渐变到-11.45 dB。与直接透射模式相比，单端面镀银膜的长周期光栅的相对光损耗与甘油浓度的线性关系更加良好。本研究设计的长周期光栅测量系统采用单端面探头的方式检测环境介质，因而在测量中操作更加灵活方便，非常适合于远距离、恶劣环境或深层液体环境中的折射率测量。
本文设计了一种单端面长周期光栅透射模式折射率传感器。首先，将2×2单模光纤耦合器输入端的一个光纤接头与光源相连接、输出端的两个光纤接头分别与光谱分析仪和长周期光栅的一个光纤接头相连接。然后，在包含长周期光栅的光纤另一个端面溅射反射银膜。最后，以一系列不同折射率的甘油水溶液为待测液体介质研究了直接透射模式与单端面镀银膜模式下长周期光栅的响应光谱的异同。实验结果表明：单端面镀银膜的长周期光栅的响应光谱仍然以透射谱的形式出现。对于同一种液体，单端面镀银膜的长周期光栅与直接透射模式的长周期光栅的响应光谱有着近乎相同的谐振波长值，但它们的光损耗存在一定的差异。在0~80%的甘油溶液中，直接透射模式下的光损耗从-12.92 dB变为-16.28 dB，再逐渐变到-13.22 dB；单端面镀银膜模式下的光损耗从-13.13 dB变为-13.74 dB，再逐渐变到-11.45 dB。与直接透射模式相比，单端面镀银膜的长周期光栅的相对光损耗与甘油浓度的线性关系更加良好。本研究设计的长周期光栅测量系统采用单端面探头的方式检测环境介质，因而在测量中操作更加灵活方便，非常适合于远距离、恶劣环境或深层液体环境中的折射率测量。
2017, 10(6): 790-797.
doi:10.3788/CO.20171006.0790
摘要:
设计了一种狭缝柔性结构的光学元件调节机构，使光学元件在具备较高调节精度的同时，保持较高的导向精度。采用弹性力学应力函数法分析了狭缝柔性结构的刚度，以径向刚度与轴向刚度的比值为目标函数，对狭缝柔性结构尺寸参数进行了优化，在不超过柔性结构材料屈服应力等约束条件下，刚度比最优值达到1 573.6，较大的刚度比值可以减小调节机构的耦合位移，从而提高机构的导向精度。该结构加工装配方便，可实现三自由度（θx-θy-Z）调节。对优化后的柔性结构进行仿真分析，结果表明：径向刚度与轴向刚度比值的仿真值为1 660.4，解析值与仿真值误差为5.23%，证明了刚度分析方法的有效性。优化后的结构，轴向调节行程为2.09 mm，绕x轴偏转角度调节行程为±16.6 mrad，绕y轴偏转角度调节行程可达到±14.4 mrad，满足光学元件调节的大行程要求。
设计了一种狭缝柔性结构的光学元件调节机构，使光学元件在具备较高调节精度的同时，保持较高的导向精度。采用弹性力学应力函数法分析了狭缝柔性结构的刚度，以径向刚度与轴向刚度的比值为目标函数，对狭缝柔性结构尺寸参数进行了优化，在不超过柔性结构材料屈服应力等约束条件下，刚度比最优值达到1 573.6，较大的刚度比值可以减小调节机构的耦合位移，从而提高机构的导向精度。该结构加工装配方便，可实现三自由度（θx-θy-Z）调节。对优化后的柔性结构进行仿真分析，结果表明：径向刚度与轴向刚度比值的仿真值为1 660.4，解析值与仿真值误差为5.23%，证明了刚度分析方法的有效性。优化后的结构，轴向调节行程为2.09 mm，绕x轴偏转角度调节行程为±16.6 mrad，绕y轴偏转角度调节行程可达到±14.4 mrad，满足光学元件调节的大行程要求。
