西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010
宇称时间（PT）对称原理已经被验证可以作为提高无线电能传输系统自由度的有力工具，但基于PT对称的并联-并联（P-P）拓扑结构无线电能传输（WPT）系统的工作范围仍然受到限制。为解决这一问题，提出了一种基于PT对称原理的并联-串并联（P-SP）补偿WPT系统。通过等效电路法化简系统电路模型，并利用耦合模理论（CMT）分析电容分配比对振荡频率、临界耦合系数、满足系统进入PT对称区域的耦合系数和负载电阻值范围以及传输效率等工作性能的影响。构建样机开展实验，以检验所提方法的适用性，结果表明：可以在仅损失2%系统传输效率的情况下，将传输距离由110 mm扩大到210 mm，该操作可为扩大应用范围、增加应用场景、优化激光无线充电系统中发送模块单元和接收模块单元的工作性能做准备。
无线电能传输 宇称时间对称 耦合模理论 P-SP拓扑 距离扩展 wireless power transfer parity-time symmetry coupled mode theory P-SP topology distance extension 强激光与粒子束
2024, 36(3): 039001
1 中国科学院半导体研究所全固态光源实验室，北京 100083
2 北京市全固态激光先进制造工程技术研究中心，北京 100083
3 中央民族大学 理学院，北京 100081
4 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京 100049
透明硬脆材料由于其优异的力学性能、热稳定性、耐腐蚀性以及光电性能，广泛应用于半导体与电子领域。传统透明硬脆材料切片方法效率低、材料损耗大，制约了硬脆材料的推广应用。激光剥离技术是近年来新兴的一种透明硬脆材料切片新方法，较传统金刚线切割方法大幅提升硬脆材料的切片效率和材料利用率，目前已发展成为硬脆材料激光加工领域学术研究与产业应用的焦点。文中深入分析透明硬脆材料激光剥离物理过程，归纳激光剥离过程关键科学问题：透明硬脆材料对激光的非线性吸收、激光作用下材料内部微观结构演化与缺陷扩展规律，以及激光光场调控对材料改质影响机制等。基于这些科学问题，综述了近年来激光剥离不同类型透明硬脆材料的研究进展，目前用于激光剥离的材料已涵盖了SiC、Si、GaN、金刚石等半导体材料，蓝宝石、多晶Al2O3、氧化锆等陶瓷材料，激光剥离技术已发展出超快激光双脉冲诱导剥离、超快激光-化学辅助剥离、多激光复合剥离等。激光剥离物理过程是一个典型的激光-材料-热学-力学多学科交叉问题，尽管在实验结果方面获得了显著突破和迅猛发展，但目前对于工艺机理仍缺乏深入的理论与数值建模研究。未来透明硬脆材料激光剥离技术将会朝着百微米以下超薄厚度剥离、改质层低损伤、工艺自适应等方向发展，将为半导体与电子等领域快速发展提供更大的技术支撑。
超快激光 硬脆材料 剥离 非线性吸收 缺陷扩展 光场调控 ultrafast laser hard and brittle materials splitting nonlinear absorption defect extension optical field modulation 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230487
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
针对R矩阵光谱重构法面临的问题, 提出了一种基于相机响应特性的光谱分解方法, 对分解出的同色异谱黑的反演建立粒子群优化 BP 神经网络模型 (PSOBP) 以实现网络训练权重的优化, 并利用全局训练样本和局部训练样本的二次光谱重构方式进行了仿真实验。结果表明, 在D65光源下, 利用所提出的方法, RGB相机观测下重构两种测试集均方误差平均值分别至少降低了1.71%和0.51%, 色差最大值分别为3.5579和2.3776, 满足人眼辨别颜色阈值要求; WorldView3观测下光谱重构精度均方误差在410~510、555~565、590~685、705~740 nm波段内不超过2%, 适应度系数表示的可接受样本占比均为91.667%, 色差最大值分别为1.6002和1.1177, 其光谱重构精度以及色度精度较其他方法均有所提高, 且6通道多光谱相机已能满足较高精度光谱重构的要求。
遥感 光谱重构 同色异谱黑 粒子群优化 神经网络 齐次非线性扩展 remote sensing spectral reconstruction metamerism black particle swarm optimization neural network homogeneous nonlinear extension
1 中国科学技术大学生物医学工程学院（苏州）生命科学与医学部，安徽 合肥 230026
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所康复工程技术研究室，江苏 苏州 215163
针对传统2D激光雷达建图存在空间环境信息获取不完全的问题，提出一种基于Gmapping算法融合固态激光雷达和2D激光雷达的建图策略。首先，对固态激光雷达点云数据进行平面投影，利用生成的激光数据结合Gmapping算法中最优粒子轨迹建立栅格地图后，再与最优粒子携带的栅格地图融合生成的融合地图，实现对空间障碍物的识别。其次，为提升建图精度，使用扩展卡尔曼滤波（EKF）对轮式里程计（WO）、激光里程计（LO）和惯性测量单元（IMU）进行动态权重融合，解决因车轮打滑或激光里程计在低特征环境下特征匹配失败等因素造成的融合里程计精度下降问题。最后，对融合地图和融合里程计算法进行测试实验。实验结果表明，融合地图可以正确识别空间障碍物，融合里程计在平均定位精度上相较于传统方法提升17.0%。
激光雷达 固态激光雷达 扩展卡尔曼滤波 激光里程计 动态融合 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0828006
1 中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国-俄罗斯激光科学“一带一路”联合实验室，上海 201800
激光干涉仪中光学元件表面划痕和灰尘等会在干涉图中形成衍射环状相干噪声，极大影响测量精度。为了消除此类相干噪声，提出了一种基于多模光纤耦合角度变化的扩展光源方法，控制平行光束经过旋转毛玻璃耦合进入多模光纤的角度，达到抑制散斑和相干噪声的效果。通过理论推导和仿真模型构建，基于纤芯直径为1 mm的多模光纤扩展光源，在直径为25.4 mm的泰曼-格林干涉仪上进行了实验验证。结果表明：通过改变入射角度可以控制扩展光源的形态，在-3°~2°的入射角度范围内，干涉仪的信噪比最大值与正入射时相比提高了40.3%，此时入射角度处于纤端光斑形态发生变化的临界角度与正入射角度中间，且该临界值与理论推导和仿真结果一致。实验证明了所提方法可以抑制干涉仪的相干噪声。
光纤光学 干涉测量 扩展光源 相干噪声 信噪比
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心，北京 100081
为扩大体全息光栅波导的出瞳直径和视场，提出了二维扩瞳和视场扩展的两重体全息光栅波导设计方法。该波导结构的出耦合光栅由两个两重体全息光栅构成，用于实现二维扩瞳。将入射视场分为两条路径传播，每条路径负责一半的视场，最后将两部分视场拼接形成完整视场。该方法不仅扩大了出瞳直径，还有利于增大全息波导系统的视场角。介绍了二维扩瞳视场扩展的光学原理和设计方法，最终实现的系统水平视场为48°，垂直视场为27°，出瞳尺寸为16 mm×13 mm。实验结果验证了所提方法的可行性。该方法在扩瞳的同时有助于扩展视场角，为头戴近眼显示设备提供了具有前景的有效方案。
全息 两重体全息光栅波导 二维扩瞳 视场扩展
贵州民族大学 物理与机电工程学院，贵州 贵阳 550025
利用基于光学记忆效应的单帧散斑自相关方法，研究了光透过随机散射介质的快速成像。短的相机曝光时间内的高质量快速成像需要尽可能消除影响成像质量的因素。通过引入旋转散射片来消除光束的空间相干性，避免相干噪声对成像质量的影响。光斑对比度可衡量光束的空间相干性被消除的效果，影响光斑对比度数值的主要因素有三个：旋转散射片介质颗粒度即目数、转速、相机曝光时间。实验分析了220目数和600目数两种旋转散射片和不同转速、相机不同曝光时间的情况。结果表明，转速提高和相机曝光时间的增加均使得光斑对比度下降并提升散斑相关成像质量，相机曝光时间超过一定值后，光斑对比度和成像相关系数随散射片转速和曝光时间的变化相对较小。因此对于相机曝光时间短的单帧散斑快速成像，选择最合适的散射片转速对高质量成像非常重要。通过优化算法来提升成像质量。根据对光学传递函数约束的迭代算法，无需利用目标的先验信息即可恢复系统的点扩展函数，该点扩展函数适用于不同形状、不同大小的目标，结合单帧散斑自相关算法可实现快速成像，与仅使用单帧散斑自相关算法的情况相比成像质量显著提升。
散射成像 快速成像 点扩展函数 相位恢复算法 旋转漫射器 scattering imaging rapid imaging point spread function phase retrieval algorithm rotating diffuser 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230345
兰州交通大学电子与信息工程学院, 甘肃兰州 730070
随着无线通信用户数量的指数性增长, 宏小区用户数量超负荷, 边缘用户受邻近微小区的干扰逐步加剧, 导致整个小区的通信服务质量降低。为解决这些问题, 针对双层无线异构网络场景, 结合粒子群优化算法和小区范围扩展技术动态地调整微小区服务区域, 寻找出小区范围扩展最优偏置值, 缓解宏小区高热点区域负载压力并提高系统用户平均传输速率。仿真结果表明, 相比静态小区范围扩展偏置值算法, 利用动态小区范围扩展偏置选择的宏小区用户数量下降了近 10%, 即卸载了部分宏用户使其接入微小区, 达到为宏小区减负的效果; 微小区边缘用户的信干噪比相应提高了约 2 dB, 系统用户平均传输速率提高, 整个小区的通信服务质量有较大提升。
干扰抑制 无线异构网络 负载均衡 小区范围扩展 粒子群优化 interference suppression wireless heterogeneous network load balancing Cell Range Expansion Particle Swarm Optimization 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(12): 1447
中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院,北京 100083
为了探究不同高度条形缺陷的梁构件动态裂纹扩展规律, 在三点弯曲梁中设计高度分别为22 mm、28.5 mm、35 mm的条形缺陷, 通过数字激光动态焦散线实验系统和落锤冲击试验系统进行研究。结果表明: 不同高度条形缺陷的三点弯曲梁在落锤冲击实验中, 裂纹扩展速度和应力强度因子受缺陷高度影响分两个阶段。第一阶段随着缺陷高度的增加, 裂纹最大扩展速度分别为247.49 m/s、292.49 m/s与284.99 m/s, 呈现先上升后趋于稳定的态势, 起裂应力强度因子随着缺陷高度的增加而变大, 分别为1.480 MPa/m3/2、1.665 MPa/m3/2、1.812 MPa/m3/2; 第二阶段随着缺陷高度的增加,裂纹起裂扩展速度逐步减小分别为634.42 m/s、524.97 m/s、377.67 m/s, KⅠ型起裂应力强度因子逐步减小分别为3.281 MPa/m3/2、3.192 MPa/m3/2、2.876 MPa/m3/2, KⅡ型起裂应力强度因子逐步增大分别为1.254 MPa/m3/2、1.319 MPa/m3/2、1.398 MPa/m3/2, KⅠ-KⅡ复合型应力强度因子经偏转化为KⅠ型应力强度因子。研究结果可为不同形状和不同位置的缺陷构件的动态响应问题提供理论参考。
焦散线实验系统 条形缺陷 裂纹扩展速度 应力强度因子 caustic line experiment system stripy flaw crack propagation speed stress intensity factor
1 中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060
2 重庆大学 航空航天学院，重庆 400044
在应急救援和单兵作战等GNSS信号受限且无法建立导航定位基础设施的情况下，提出了基于惯性测量单元(IMU)的行人航位推算技术(PDR)测量行人步态信息，并结合此类任务多人行动的编队特点，利用超宽带(UWB)技术实施编队自组网与网内相互测距，建立PDR/UWB多行人扩展卡尔曼滤波模型(EKF)。通过测距信息对PDR进行约束，有效减缓了PDR定位精度随时间发散问题，实现了多人协同导航。试验表明，基于超宽带的集中式协同导航系统在不依靠基础设施的情况下，编队整体定位性能可提高30%。
集中式 协同导航 行人航位推算 超宽带 扩展卡尔曼滤波 centralized cooperative navigation PDR UWB EKF
