期刊基本信息
创刊：
1981年 • 半月刊
名称：
光学学报
英文：
Acta Optica Sinica
主管单位：
中国科协
主办单位：
中国科学院上海光机所
中国光学学会
中国光学学会
出版单位：
中国激光杂志社
主编：
龚旗煌
执行主编：
赵建林
副主编：
邵建达 刘文清 华灯鑫 张旭苹 刘辉
ISSN：
0253-2239
刊号：
CN 31-1252/O4
电话：
021-69916837
邮箱：
地址：
上海市嘉定区清河路390号
邮编：
201800
定价：
150元/期
本期栏目 2021, 41(3)
光学学报 第41卷 第3期
基于单颗粒气溶胶吸湿增长模型,分别建立了亲水性和亲疏水性双颗粒凝聚气溶胶的吸湿增长模型,并利用离散偶极子近似方法计算了不同相对湿度时两种凝聚粒子的散射特性。结果表明: 在40%~90%湿度范围内,亲水性双颗粒凝聚气溶胶 [以氯化钠(NaCl)-硝酸钠(NaNO3)颗粒为例]的散射系数存在两次跃变,而散射系数跃变的位置和增幅与NaCl-NaNO3颗粒的体积比密切相关;二次潮解后,不同体积比的亲水性凝聚粒子的散射系数随相对湿度的增加均呈现出指数增长趋势,且NaNO3的体积分数越大,散射系数增长幅度越大。对于不同体积比的亲疏水性双颗粒凝聚粒子 (以NaCl-烟尘颗粒为例),散射系数随相对湿度的增加均呈现指数增长,NaCl的体积比越大,散射系数增长越快,而潮解后亲疏水性粒子的相对位置关系对凝聚粒子散射系数的影响较小。上述结果可为进一步研究多颗粒凝聚气溶胶的吸湿散射特性提供可靠的理论基础。
大气光学 光散射 双颗粒凝聚气溶胶 离散偶极子近似法 吸湿性 散射系数 
提出一种由石英和硅纳米束构成的周期性超表面结构。利用相位分布呈周期性梯度变化的特点,可实现垂直入射光的特定角度偏转,偏转角度可通过改变硅纳米束宽度和周期进行调节。仿真结果表明,当偏转角度在±45°范围内,偏转效率超过60%,远场发散角为3°左右。所提结构简单,结合可调激光器、波分复用器组成光束扫描装置并通过改变波长可实现光束角度扫描。所提结构可应用于大角度范围的固态光束扫描。
衍射 光束偏转 超表面 激光雷达 光纤传感技术的长距离传输和分布式检测的优势在电缆线路的状态监测领域具有很大的应用价值。利用相位敏感型光时域反射仪(Φ-OTDR)对电缆接头故障诊断中的局部放电进行研究。瑞利散射相干光信号具有随机特性,其方差变量可作为弱小超声信号的检测量。在电缆局部放电实验中,将5个光纤环传感器绕制在电缆接头上特定的超声监测点,以此来验证Φ-OTDR系统的分布式定位检测能力。实验同时对比了局部放电的电测法和光纤声测法的信号特征,并利用压电传感器来校正5个光纤环传感器的位置,以验证Φ-OTDR分布式光纤超声传感器在局部放电测量中的特性。
光纤光学 光纤传感器 光时域反射仪 瑞利散射 针对现有可见光隐式成像通信调制算法隐式效果差、算法复杂的问题,提出了一种基于蓝色通道拉普拉斯最高层金字塔的隐式信息调制算法。该算法利用人眼视觉系统对黄蓝分量不敏感的特性,仅对蓝色通道图像进行拉普拉斯金字塔分解,并在最高层嵌入隐式信息。此外,考虑到图像纹理差异对隐式效果的影响,采用图像熵作为衡量图像间纹理复杂程度的指标,设计了一种基于纹理复杂度的图像分类器,并对不同分类图像的隐式效果进行了分析。仿真结果显示,所提调制算法的峰值信噪比平均可达到40.46 dB,相较于一般拉普拉斯金字塔调制算法,性能提升了5 dB,可有效增强系统的隐式效果。
光通信 隐式成像 可见光 拉普拉斯金字塔 纹理复杂度 对基于微锥的侧抛光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构进行了理论和实验研究。与传统没有经过侧边抛磨的光纤MZI相比,可以看出控制光纤侧抛深度可以有效地提高MZI结构的折射率传感性能。研究结果表明:侧抛深度达41.7 μm时,折射率在1.34附近的传感灵敏度达-117.145 nm/RIU。利用侧抛光纤MZI结构结合亲水性材料氧化石墨烯(GO),通过将其沉积在侧抛光纤MZI表面,实现了对温度和湿度双参量的同时测量。温度和相对湿度(RH)的传感灵敏度分别达131.77 pm/℃和-76.1 pm/%RH。所提侧抛光纤MZI传感器结构具有灵敏度高、低成本和制备简单等优点,在生物化学传感领域具有广泛的应用前景。
光纤光学 马赫-曾德干涉仪 侧边抛磨 氧化石墨烯 温湿度传感 为了解决训练样本有限情况下高光谱图像分类精度低的问题,提出了一种结合扩张卷积与注意力机制的三维-二维串联卷积神经网络模型。首先,该模型以串联的三维-二维卷积神经网络作为基础结构,利用三维卷积同时提取高光谱图像的空谱特征,并采用二维卷积进一步提取高级空间语义信息;然后,通过引入扩张卷积增大卷积核感受野,构建了多尺度特征提取结构,实现了多尺度特征的融合;最后,利用注意力机制使网络关注重要的空谱特征,并抑制噪声和冗余信息。在两个常用数据集上对本文算法和四种基于深度学习的分类算法进行对比实验,结果表明,所提模型取得了最准确的分类结果,有效提高了训练样本有限条件下的分类精度。
图像处理 高光谱图像分类 卷积神经网络 扩张卷积 注意力机制 近几年,深度学习在生物医学图像处理中的应用得到了广泛关注。从深度学习的基本理论和医学领域应用出发,提出了一种改进的三维双路径脑肿瘤图像分割网络,用于提高核磁共振成像序列中对脑肿瘤各个区域的检测精度。所提算法以3D-UNet为基础架构,首先,使用改进的双路径网络单元构成类似于UNet的编码-解码器结构,该网络单元在保留原有特征的同时,还可以在脑肿瘤的纹理、形状和边缘等方面产生新特征,来提高网络分割精度;其次,在双路径网络模块中加入多纤结构,在保证分割精度的同时减少了参数量;最后,在每个网络模块中的组卷积之后加入通道随机混合模块来解决组卷积导致的精度下降问题,并使用加权Tversky损失函数替代Dice损失函数,提高了小目标的分割精度。所提模型的平均Dice_ET、Dice_WT和Dice_TC均优于3D-ESPNet、DeepMedic、DMFNet等算法。该研究结果具有一定的现实意义和应用前景。
图像处理 神经网络 双路径网络 脑肿瘤图像分割 加权损失函数 针对现有心理压力检测方法主观性强、准确率低,且无法连续监测的问题,提出了一种融合心率变异性(HRV)与人脸表情的非接触式心理压力检测方法。该方法通过成像式光电容积描记(IPPG)技术从视频图像中提取HRV信息,并通过VGG19网络建立表情识别模型,获得人脸表情。将HRV及表情共同作为特征输入,利用支持向量机进行训练分类,实现压力状态与非压力状态的检测。实验结果表明,本方法的压力分类准确率可达到81.4%,能有效提高心理压力检测的准确性,可应用于普通人群、运动员、犯罪人员心理测试等领域。
图像处理 图像分析 心理压力检测 心率变异性 人脸表情 针对大多数测量实施试验中测量条件的局限性,提出一种基于双相机联合无同名点的双目视觉运动参数测量方法,采用该方法计算位姿初值并采用全局正交迭代算法优化初值。该测量方法在实现过程中不需要同名点参与,只需要两台相机的视场内有6个以上的目标合作标志点,就可得到验证器在运动过程中的位置和姿态等参数。对航天器悬停、避障和着陆阶段进行试验,将该测量方法与同一工况试验下基于同名点的双目位姿测量方法、基于正交迭代的单目位姿测量方法获取的结果和全站仪打点获得的默认真值进行对比,得到姿态测量误差小于0.5°,位置测量误差小于0.01 m。
成像系统 摄影测量 非同名点 双目视觉测量 全局正交迭代 位姿测量 针对锥面折反射的全景成像系统采集的圆柱内壁全景图像存在畸变的问题,提出锥面双向投影模型下的圆柱内壁全景图像展开方法。建立含有畸变参数的正向和逆向投影模型,先将圆柱内壁全景图像的像素点逆向映射到展开图像,再将展开图像中缺失的像素点正向映射到原全景图像,通过全景图像和展开图像对应像素点的坐标映射关系,实现圆柱内壁全景图像的展开。实验结果表明:该方法较好地校正了圆柱内壁全景图像的切向和径向畸变,锥面双向投影模型定位精度为亚像素级,相比同心圆环近似展开法,信息熵和平均梯度均有不同程度的提高,能够有效应用于圆柱物体内壁全景图像的展开。
成像系统 锥面折反射全景成像 正向投影 逆向投影 全景图展开 飞机蒙皮表面平缓、光滑、特征少,在使用迭代最近点进行数模配准时会产生错位、局部最小值等问题,因此提出了一种基于轮廓约束的蒙皮点云配准方法。首先定义一种新的三维轮廓Cκ特征点描述方法,并基于距离约束对初始Cκ特征点进行聚类和过滤,实现对蒙皮点云特征的精确描述。其次,基于距离的快速点特征直方图(FPFH-d)特征相似度约束,寻找点云和数模特征点的对应点对,实现蒙皮轮廓的初始配准。最终基于迭代最近点算法,融合Cκ特征描述的轮廓约束,实现蒙皮的精配准。利用斯坦福公共数据库点云对算法的速度和精度进行测试,与点快速直方图算法(FPFH-SAC-IA)相比,初始配准精度分别提高了48.47%和77.29%,速度分别提高了70.35%和97.08%,证明了Cκ特征点提取算法的普适性和有效性。基于以上算法,对飞机蒙皮测量数据进行实验验证,配准准确度达到了100%,在12 m 3范围内全局误差优于3.5 mm。该方法有效解决了蒙皮配准时的错位和局部最小值问题。
测量 飞机蒙皮 点云配准 Cκ特征点; 轮廓约束 高精度偏振扫描仪(POSP)采用分孔径和分振幅的同时偏振测量技术,可获取目标的高精度多光谱偏振辐射信息,其测量精度是影响载荷在轨应用的关键指标之一。仪器研制完成后,实验室条件下完成偏振和辐射定标以及测量精度的评估。为检验实验室定标结果,开展自然目标探测下的地面验证实验,使用POSP在晴朗天气沿太阳主平面对天空进行扫描,将获取的天空辐亮度和偏振度数据与同时刻由CE318N太阳-天空偏振辐射计采集的数据进行对比,并讨论影响两台仪器数据的因素。实验结果表明,两台仪器的辐亮度一致性偏差小于4%,偏振度一致性偏差小于0.005,具有较好的一致性,验证POSP实验室定标的准确性及自然目标下的探测能力,可为后续星载数据的处理和应用提供依据。
在相移干涉测量中,为了在较短时间内实现较高的精度,提出了一系列基于快速最小二乘法的两步随机相移算法。以双滤波和差归一化算法、单滤波和差归一化算法和格兰-施密特正交化算法计算出来的相位作为迭代初始值,利用没有滤波的两幅相移干涉图进行最小二乘法运算以获取最终的相位,为了节省时间,只选取有限数量的像素来参与迭代运算。通过比较发现,基于单滤波和差归一化算法和快速最小二乘法的两步相移算法的综合性能最好,该算法在较短时间内能获得较高的准确度。
测量 干涉 相移算法 迭代算法 快速最小二乘法 针对航天用三结砷化镓太阳电池的光电性能测量,介绍了太阳模拟器法和高空气球法两种方法。阐述了太阳模拟器法的测量原理和关键量值的溯源路径,基于双光源稳态太阳模拟器和光谱失配分析技术,对航天用三结砷化镓太阳电池的光电性能进行了测量,获得了短路电流、开路电压和最大发电功率等关键参数及相应的温度系数。介绍了高空气球法测量技术,高空氦气球将三结砷化镓太阳电池搭载至海拔35 km以上的高空中,在高空自然太阳光下进行光电性能测量,采集了伏安特性数据及实时温度数据。对高空自然太阳光条件下测得的数据执行温度修正后,与地面太阳模拟器法所得的数据进行对比。结果显示,两种测量方法在短路电流、开路电压和最大发电功率上的最大相对偏差分别为2.61%、2.13%和1.63%,结果具有较好的一致性。
测量 计量学 航天用多结太阳电池 光电性能 太阳模拟器 高空气球 为了保障太阳杂光干扰下星像点质心定位的精度,本文提出了一种去阈值和杂光斜面噪声的质心定位新方法。首先,在星像点窗口内将太阳杂光灰度噪声建模为一个斜面。针对质心定位新方法,推导关于杂光斜面模型各参数估计误差的质心定位误差分析公式,尤其是关于开窗大小的函数关系。然后,基于窗口边缘像素给出杂光斜面模型的最小二乘参数估计公式。最后,采用传统的灰度重心法、去阈值灰度重心法和所提方法进行质心定位仿真测试,结果表明,所提方法的精度比传统灰度重心法和去阈值质心法的精度分别提高了2倍和15倍,是太阳杂光干扰下星像点质心定位的有效方法,具有一定的工程应用价值。
测量 星敏感器 太阳杂光 阈值 星图预处理 质心定位 灰度重心法 最小二乘法 为了研究多层结构高铝组分AlGaN薄膜材料的光学性能,并计算得到相关光学参数,本文基于多层膜传输矩阵方法,对两个样品的透射光谱进行了拟合。根据AlGaN材料对不同波长入射光的吸收机制,并考虑了材料在带外的弱吸收,建立了全波段(200~800 nm)范围内的吸收系数模型,同时引入表面粗糙度均方根参数来表征材料表面粗糙度对透射谱的影响。采用所建模型对结构参数不同的两个Al0.65Ga0.35N样品的透射谱进行拟合,拟合结果与实验结果的一致性较好。本文得到的全波段范围内Al0.65Ga0.35N材料的吸收系数,为研究日盲紫外探测器的响应光谱提供了可靠的实验数据。同时,本文还得到了Al0.65Ga0.35N的膜层厚度、折射率、表面粗糙度等参数。
报道了第一个连续波全光纤气体拉曼激光光源。采用实芯单模光纤与带隙型空芯光纤熔接的方法,制备了长度为50 m、充高压氢气的全光纤结构气体腔,以一个高功率连续波1540 nm光纤放大器为泵浦源,利用氢气分子的纯转动受激拉曼散射有效实现了1693 nm 斯托克斯连续激光输出。进一步,通过在气体腔输出端熔接一个中心波长为1540 nm的高反射率光纤布拉格光栅,使得拉曼阈值降低了38.2%,斯托克斯光输出功率最大为2.15 W,腔内拉曼转换效率为72.2%,由于熔接损耗,相对总泵浦光功率的光光转换效率为31.7%。该研究结果为实现高效紧凑的高功率1.7 μm 光纤激光器提供了一条可行的技术方案。
激光器 光纤激光器 受激拉曼散射 拉曼激光器 空芯光纤 聚焦型光场相机在运动恢复结构(SFM)和场景重建等领域中的作用日益显现。但是传统SFM算法因聚焦型光场相机具有特殊的结构而难以直接应用。针对这一问题,提出一种完整的聚焦型光场相机等效多目相机模型。在此基础上,利用传统多目相机的SFM算法,给出了适用于聚焦型光场相机的位姿估计算法示例和点云三角化算法示例。最后,通过仿真实验和真实场景重建实验验证了本文等效多目相机模型和SFM算法的正确性,进而表明聚焦型光场相机的SFM问题可以等价为多目相机的SFM问题。
机器视觉 聚焦型光场相机 多目相机模型 运动恢复结构 场景重建 位姿估计 三角化 从空间目标的观测图像中自动感知其类别及工作状态对****及空间探测等具有重要意义。为实现对空间目标图像信息的自动化精确感知,提出了一种数据驱动的空间目标图像信息感知技术。所提技术以深度卷积神经网络为基础,利用海量的模拟数据和少量的真实数据训练神经网络,训练后的神经网络能够直接从空间目标图像中感知空间目标的载荷及工作状态等信息。以两个空间目标图像信息感知任务为例,对技术实用性进行了测试。在空间目标载荷识别任务中,所提技术可以对不同模糊程度及不同噪声水平条件下的未知空间目标图像进行载荷识别。结果表明,对于不同的空间目标载荷,所提技术的平均识别准确率超过80%,检测速度可达50 frame/s。在空间目标状态感知任务中,采用模型组合方法搭建了空间目标工作状态感知专家系统。根据空间目标图像,实现了对空间目标工作状态信息的感知,验证了数据驱动的空间目标图像信息感知技术的有效性。
机器视觉 信息感知 深度卷积神经网络 空间目标 为了研究Angel型平面龙虾眼光学器件微孔统计特性对聚焦成像性能的影响,研发了一套点对点的真空X射线束流测试装置,采用微焦斑X射线束对研制的光学器件进行了聚焦成像测试。通过利用刀口狭缝系统对平面龙虾眼光学器件进行二维扫描测试,发现光学器件的不同区域存在不同程度的Tilt型工艺缺陷;基于蒙特卡罗软件模拟了Tilt工艺缺陷对聚焦成像的影响。实验结果表明:实验所采用的平面龙虾眼光学器件能在3650 mm焦距处将入射的X射线束会聚成清晰的十字图像,焦斑最大半峰全宽约为4.63 mm,对应的角分辨率最大约为4.36',点扩展函数的不均匀性约为33.7%。模拟结果表明:Tilt型工艺缺陷会导致中心亮斑强度下降,十字线弥散、不连续,二次焦斑畸变,成像质量变差。
光学设计 平面龙虾眼光学器件 聚焦成像 Tilt型缺陷 角分辨率 用有限元计算方法仿真了MgF2楔形腔中的色散情况,并研究半径、楔角大小、楔角位置三个参数对整个腔在通讯波段的色散影响。通过从蓝失谐到红失谐的调谐过程,利用得到的色散曲线,根据Lugiato-Lefever方程和热偏移公式仿真孤子的频域和时域图。并且研究了扫描速度、品质因子、泵浦功率等对孤子产生的影响。在结合以往实验和理论基础的情况下,探讨了利用MgF2晶体腔产生孤子的一些重要参数。数据结果对制备低反常色散MgF2楔形腔及在此腔中产生孤子梳具有指导意义。
光学器件 回音壁模式 光频梳 楔形腔 腔孤子 为衡量国产主流2 m分辨率光学卫星的几何定位精度,本文在有理多项式(RPC)模型与区域网平差的基础上,针对不同卫星在不同地区表现出的几何定位精度的差异,提出了一种利用相同控制基准测评多星几何定位精度的方法。以河北省沽源县平坦地区作为控制区域,采用高分一号系列卫星(GF1、GF1-B、GF1-C、GF1-D)、资源三号系列卫星(ZY3-1、ZY3-2)以及天绘一号卫星(TH-1)的多幅不同高分辨率卫星影像进行单景与立体影像几何精度的评估试验。研究结果表明:在无控制点条件下,高分一号系列卫星单景影像的平面精度大都优于42 m;TH-1单景影像的平面精度约为6.36 m;ZY3-1立体影像的精度较高,平面精度约为11.29 m,高程精度约为3.43 m。在有控制点条件下,高分一号系列卫星单景影像的平面精度均优于13.3 m,ZY3-1、ZY3-2和TH-1单景影像的平面精度均优于5.46 m,ZY3-1、ZY3-2立体影像的平面精度分别约为4.01 m和4.29 m,高程精度分别约为1.71 m和1.61 m。本文方法对多颗高分辨率国产光学卫星几何定位精度的评估是合理可行的。
遥感 传感器 国产高分辨率卫星 有理多项式模型 区域网平差 几何定位精度评估 为了满足压力测量中的高灵敏度、高分辨率、高可靠性等要求,本文提出了一种基于调频连续波激光干涉解调原理的高精度膜片式珐珀腔光纤压力传感器。首先推导了基于该原理的压力测量模型,然后搭建了一套测量装置,通过气泵向SUS631不锈钢膜片组成的密封腔连续给压,得出气压在0~600 kPa范围内变化时膜片中心(即珐珀腔腔长变化量)随气压变化的特性曲线;之后,测试25 ℃环境条件下不同压力测量值的稳定性,讨论引起腔长变化量漂移的原因;最后,在消除系统误差后得出了压力测量的分辨率。结果表明:该传感器的灵敏度为286.55 nm/kPa,分辨率为0.287 nm/Pa,压力传感器的测量随机误差呈正态分布。该调频连续波光纤压力传感器可以进行高灵敏度、高分辨率和高稳定性测量。
测量 调频连续波激光干涉 珐珀腔干涉仪 膜片压力原理 压力传感头 影响水下成像质量的核心因素是后向散射光的干扰。偏振差分水下成像技术能够显著抑制后向散射光,是在水下散射环境中获取清晰图像的有效方法。传统的偏振差分方法是基于两个正交偏振方向上的偏振图像进行差分的,该方法虽然对后向散射光有明显的抑制效果,但其调制自由度低,限制了成像质量的进一步提升。针对这一问题,提出一种改进型偏振差分水下成像方法,该方法基于两个最优偏振方向的偏振图像进行差分,并通过引入差分项的权重系数,最终实现具有三个自由度的偏振差分水下成像。实验结果显示,该方法相对于传统的偏振差分成像方法,可更好地抑制后向散射光、凸显物体信号光,最终实现了更高质量的水下清晰成像。
散射 偏振 后向散射光 偏振差分 三自由度 Head-Mounted Display(HMD)是实现虚拟现实 (VR)的主要技术形式,而可视化VR图像的色温还原还有待解决。为了消除HMD干扰源的感知差异,基于色度学理论分析了OLED(Organic Light-Emitting Diode)光源下的色温与光谱面积比例的关系,研制出了性别差异下补偿色温偏好的光学滤光膜。结合Matlab工程计算软件,利用最小二乘法-高斯牛顿迭代法进行光谱数据离散点函数的曲线拟合,逆向推导出OLED光源下的色温与光谱面积比例之间的转换关系。通过分析材料的光学特性,结合光学薄膜理论,利用Essential Macleod薄膜设计软件对膜层敏感度进行了分析;通过减小误差并优化膜系结构,实现了色温滤光膜的制备。采用电子束加热蒸发的方法制备薄膜,通过晶控精确控制薄层及敏感层的沉积厚度,减小了实验误差。分别对两种膜系进行了光谱、表面粗糙度及环境检测,结果表明,所提滤光片可以将OLED光源下的色温调整至4876 K及9333 K,解决了性别差异下HMD中的色温偏好问题,还原了VR可视化色彩。
薄膜 性别色温偏好 曲线拟合 HMD 图像色彩还原 实验研究了基于超连续谱滤波的可调谐双色同步皮秒脉冲产生技术,将全保偏掺铒锁模光纤激光器输出的脉冲分为两路,其中一路耦合到高非线性光纤,获得了覆盖掺镱光纤发射谱带的超连续谱,通过结合窄带可调谐滤波器和全保偏掺镱放大器,实现了平均功率为70 mW,脉冲宽度为4.0 ps,中心波长为1025~1055 nm的可调谐脉冲。掺铒光纤激光器的另一路输出光经过窄带滤波器和掺铒光纤放大器,实现了中心波长为1580 nm,平均功率为200 mW,脉冲宽度为4.2 ps的激光输出。上述基于超连续谱滤波的可调谐双色皮秒脉冲具有良好的同步特性,可以作为相干反斯托克斯拉曼散射的泵浦光和斯托克斯光。研究发现,选取超连续谱平坦位置的光谱成分作为掺镱放大器的种子光时,脉冲幅值及平均功率抖动更小,相对强度噪声更低。
光谱学 超连续谱产生 相干反斯托克斯拉曼散射 激光同步