光学学报, 2019, 39 (8): 0801002, 网络出版: 2019-08-07  

基于卷积神经网络的大气中光路气流扰动实验研究 下载: 1376次

Atmospheric Optical Path Airflow Disturbance Analysis Method Based on Convolutional Neural Network
作者单位
上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室, 上海 200240
图 & 表

图 1. 受湍流影响的空间光光束示意图。(a) D?L;(b) D?L

Fig. 1. Schematic of space beam affected by turbulence. (a) D?L; (b) D?L

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图 2. 基于光斑畸变和CNN模型的湍流研究原理图

Fig. 2. Schematic of turbulence analysis based on spot distortion and CNN model

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图 3. 实验装置示意图

Fig. 3. Schematic of experimental setup

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图 4. 激光器光斑图。(a)近场;(b)远场

Fig. 4. Laser spot. (a) Near field; (b) far field

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图 5. 光束受到气流扰动时的远场光斑图案演化,对应风速大小为(a)小于5 km/h;(b)约10 km/h;(c)约15 km/h;(d)大于20 km/h

Fig. 5. Far-field spot evolution when the beam propagation is affected by the turbulence. Corresponding wind speed: (a) below 5 km/h; (b) near 10 km/h; (c) near 15 km/h; (d) over 20 km/h

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图 6. 基于阈值的图像主要部分提取流程。(a)原图;(b)灰度图;(c)二值轮廓图;(d)原图边界确定;(e)背景裁剪后的图像

Fig. 6. Extraction process of main part of the image based on threshold. (a) Original image; (b) gray-scale image; (c) binary image; (d) image border; (e) image after background removed

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图 7. 压缩到32 pixel×32 pixel的光斑图案。(a)弱湍流;(b)强湍流

Fig. 7. Beam spot patterns compressed to 32 pixel×32 pixel. (a) Weak turbulence; (b) strong turbulence

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图 8. CNN模型流程图

Fig. 8. Model flow chart of the CNN

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图 9. 弱湍流,强湍流,及中等强度湍流扰动下的光斑及三维能量分布。(a)(b)(c)光斑;(d)(e)(f)三维能量分布

Fig. 9. Light spot pattern and three-dimensional energy distribution under weak turbulence, strong turbulence, and moderate-intensity turbulence disturbances. (a)(b)(c) Light spot; (d)(e)(f) three-dimensional energy distribution

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图 10. 连续测量的约500组光斑图案数据的评估情况。(a) 0~500 s;(b) 0~40 s

Fig. 10. Evaluation of near 500 continuously measured beam spot image data. (a) 0-500 s; (b) 0-40 s

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图 11. 风速仪数据与CNN模型计算结果对比。(a)风速仪测量风速每16 s平均值与最大值比较;(b) CNN模型结果计算值P2 16 s平滑前后

Fig. 11. Comparisons between anemometer data and CNN model calculation results. (a) Comparison of the average and maximum wind velocity data from the anemometer every 16 s; (b) calculated values of CNN model results before and after 16 s smoothing

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图 12. 两测量风速和评估值P2的比较。(a) 2018年9月18日;(b) 2018年9月22日

Fig. 12. Comparison between wind speed and evaluation value P2. (a) On 18th September, 2018; (b) on 22nd September, 2018

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图 13. 强扰动下不同扰动位置处的评估值P2

Fig. 13. Evaluation value P2 when strong turbulence is applied at different locations

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表 1CNN方法与传统质心法的比较

Table1. Comparison between CNN-based method and traditional gravity center-based method

PropertyTraditional methodCNN-based method
Utilization rateLow, 3-channel transferred to 1 gray levelHigh, three channels can be used as input
Information of single patternFew, need serveral to obtain variance, etcMuch, feature extracted using CNN
Compressibility of picturesLow, background information needs to be retainedHigh
Response to turbulenceSlowFast, real-time

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刘一琛, 吴侃, 邱高峰, 陈建平. 基于卷积神经网络的大气中光路气流扰动实验研究[J]. 光学学报, 2019, 39(8): 0801002. Yichen Liu, Kan Wu, Gaofeng Qiu, Jianping Chen. Atmospheric Optical Path Airflow Disturbance Analysis Method Based on Convolutional Neural Network[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(8): 0801002.

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