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基于伺服控制的水下光动态通信捕获跟踪系统设计

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中国激光 2024年第2期51卷 144-153页

作者：刘旭钟昉如马薪柠张鹏长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心吉林长春130022

基于空间光通信捕获、对准、跟踪技术的基本理念,笔者设计了一套基于伺服控制的水下无线光动态通信捕获跟踪系统,提出了基于跟踪微分器的电机加减速控制技术,设计了转台粗、精跟踪策略。在此基础上,笔者开展仿真验证、室内模拟测试及水... 详细信息

基于空间光通信捕获、对准、跟踪技术的基本理念,笔者设计了一套基于伺服控制的水下无线光动态通信捕获跟踪系统,提出了基于跟踪微分器的电机加减速控制技术,设计了转台粗、精跟踪策略。在此基础上,笔者开展仿真验证、室内模拟测试及水下激光光斑捕获跟踪实验。仿真验证结果表明了该系统与算法策略在原理上的可行性;室内模拟测试方位、俯仰跟踪精度分别为0.08 mrad和0.27 mrad,这表明可将本系统应用于水下无线光动态通信;水下激光光斑捕获跟踪实验结果表明系统的捕获概率优于99%,捕获时间少于9 s,水箱施加扰动前后的跟踪精度分别为0.6 mrad和2 mrad。本文为后续开展水下无线光动态通信技术研究提供了一种技术方法和研究思路。

关键词：海洋光学捕获跟踪跟踪微分器伺服控制跟踪精度

高亮度低色差裸眼三维显示中的谐衍射结构设计

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红外与激光工程 2024年第6期53卷 125-134页

作者：吕富国霍富荣薛常喜长春理工大学先进光学设计与制造技术吉林省高校重点实验室吉林长春130022 长春理工大学光电工程学院吉林长春130022

目前,裸眼3D显示技术仍存在亮度低、清晰度差、结构复杂和制造难度高等缺点。为此,提出了一种可同时精确调制RGB像素光线的具有较大周期宽度的离散化谐衍射结构,四组交织排列的谐衍射结构子单元旋转对称分布组成调制三维光场的位相调制... 详细信息

目前,裸眼3D显示技术仍存在亮度低、清晰度差、结构复杂和制造难度高等缺点。为此,提出了一种可同时精确调制RGB像素光线的具有较大周期宽度的离散化谐衍射结构,四组交织排列的谐衍射结构子单元旋转对称分布组成调制三维光场的位相调制面板。使用Tracepro软件对水平方向上两个特定位置处的体像素进行了分光模拟实验。分析了不同台阶近似以及光源斜入射时的衍射效率与总光效的关系,得到16台阶近似时入射角应小于10°的结论。设计的谐衍射结构提升了显示亮度和清晰度,降低了设计与制造难度。得到了一种具有两个观看视角、分离角度为9.4°、最佳观看位置距离屏幕为384.2~402.8mm的裸眼3D显示方案。

关键词：光学设计裸眼3D显示谐衍射光学元件衍射效率体像素

基于PROA-BP的激光3D投影振镜偏转电压预测模型

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光子学报 2024年第3期53卷 49-61页

作者：林雪竹王海郭丽丽闫东明李丽娟刘悦孙静长春理工大学光电工程学院光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室长春130022 长春理工大学中山研究院中山528437

为减小激光3D投影系统振镜偏转角偏差与根据振镜偏转角标定的转轴公垂线长度e误差引起的投影系统综合非线性误差,实现激光3D投影系统高精度辅助装配,提出一种基于改进的?鱼优化算法-BP神经网络的激光3D投影振镜偏转电压预测模型,以激光... 详细信息

为减小激光3D投影系统振镜偏转角偏差与根据振镜偏转角标定的转轴公垂线长度e误差引起的投影系统综合非线性误差,实现激光3D投影系统高精度辅助装配,提出一种基于改进的?鱼优化算法-BP神经网络的激光3D投影振镜偏转电压预测模型,以激光出射方向单位矢量作为输入预测振镜偏转电压数值。将改进的?鱼算法与BP神经网络相结合,解决BP神经网络容易陷入局部最优解问题,并通过BP神经网络实现激光3D投影系统综合非线性误差的耦合与补偿。结果表明,改进的?鱼算法-BP神经网络训练10 000次后均方差误差和平均绝对误差均值分别是粒子群算法-BP神经网络的41.2%、62.4%,是BP神经网络的22.2%、50.7%。基于改进的?鱼算法-BP激光3D投影振镜偏转电压模型的投影定位精度为0.35 mm,与激光3D投影传统模型相比,投影定位精度提升了30%,可实现更高精度投影定位。

关键词：激光3D投影系统非线性误差 ?鱼优化算法 BP神经网络投影定位精度

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阵列激光辐照碳纤维复合材料温度场分析

中国激光 2024年第14期51卷 61-71页

作者：吴静田明王菲张承双包艳玲阮英波苏忠民长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学中山研究院广东中山528400 西安航天复合材料研究所陕西西安710065

阵列激光辐照技术是实现碳纤维复合材料(CFRP)快速高效固化的有效办法,辐照区域温度场的均匀性是影响构件质量的重要因素,因此对温度场均匀性进行量化分析具有重要意义。基于阵列激光辐照原理建立了CFRP的有限元温度场分析模型并完成了... 详细信息

阵列激光辐照技术是实现碳纤维复合材料(CFRP)快速高效固化的有效办法,辐照区域温度场的均匀性是影响构件质量的重要因素,因此对温度场均匀性进行量化分析具有重要意义。基于阵列激光辐照原理建立了CFRP的有限元温度场分析模型并完成了实验验证,通过计算辐照区域内温度场的均匀性指数,分析了不同激光光斑间距、不同激光光斑尺寸和不同激光功率条件下温度场的变化趋势。结果表明:在单个激光光斑边长为50 mm的条件下,当激光光斑中心间距从45.0 mm增加至55.0 mm时,热影响区面积逐渐增大,均匀性指数先增大后减小,当光斑中心间距与光斑边长相等时,均匀性指数最高为0.95;当激光光斑边长从40 mm增加至60 mm时,热影响区面积逐渐增大,均匀性指数从0.92增加至0.98;当激光功率从50 W增加至250 W时,热影响区面积几乎不变,均匀性指数从0.97减小至0.93。

关键词：碳纤维复合材料激光辐照有限元温度场均匀性评价

基于密度泛函理论的灭蝇胺分子的表面增强拉曼光谱特性

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光谱学与光谱分析 2024年第6期44卷 1566-1570页

作者：李长明顾一凡张红臣宋少忠高勋长春光华学院工程技术研发中心吉林长春130022 长春理工大学物理学院吉林长春130022 吉林工程技术师范学院信息工程学院吉林长春130052

灭蝇胺是一种白色结晶粉末状的应用于各种瓜果类、茄果类、豆类及多种叶菜类农业生产中的昆虫杀虫剂,广泛应用农业生产等领域。灭蝇胺的大量使用对生态环境有极强的破坏性,危害人类身体健康。因此,对蔬菜农业生产过程中的灭蝇胺农药残... 详细信息

灭蝇胺是一种白色结晶粉末状的应用于各种瓜果类、茄果类、豆类及多种叶菜类农业生产中的昆虫杀虫剂,广泛应用农业生产等领域。灭蝇胺的大量使用对生态环境有极强的破坏性,危害人类身体健康。因此,对蔬菜农业生产过程中的灭蝇胺农药残留的快速检测技术的需求十分迫切。表面增强拉曼光谱技术(SERS)具有高灵敏度、高准确度以及样品准备简单等优点,已经成为农药残留检测领域的热点研究技术;密度泛函理论(DFT)可用于分子结构与性质的理论模拟及拉曼光谱的计算。基于密度泛函理论对引入金纳米团簇基底灭蝇胺分子的表面增强拉曼光谱进行计算,采用Multiwfn软件结合VMD软件探究了灭蝇胺分子表面静电势分布,基于B3LYP/6-31++G(d,p)基组对结合4个Au原子团簇形成的灭蝇胺—金纳米团簇复合物采用B3LYP方法,对灭蝇胺分子中与Au纳米团簇可能配位的原子使用6-31++G(d,p)基组,Au原子团簇使用LANL2DZ赝式基组,进行灭蝇胺—金纳米团簇复合物的结构优化与表面增强拉曼光谱计算,获得灭蝇胺分子的拉曼散射光谱和灭蝇胺分子与Au 4聚体吸附的表面增强拉曼光谱,并进行特征峰指认和比较。由分子静电势分布可知,Au纳米团簇可能与灭蝇胺分子中的N_(1)、N_(3)和N 5原子位置处形成配位,与C_(6)H_(10)N_(6)分子形成C_(6)H_(10)N_(6)-4Au纳米团簇化合物。计算对比分析了N_(1)、N_(3)和N_(5)原子配位形成的C_(6)H_(10)N_(6)-4Au的拉曼光谱,由于Au原子团簇的侵入,Au原子团簇与N 1、N 3和N 5配位形成的C_(6)H_(10)N_(6)-4Au分子Raman光谱特征峰最大增强分别达到4.0倍、1.4倍和3.2倍,且Raman谱峰出现了选择增强,并且谱峰位置发生一定程度的红移或者蓝移。研究结果为SERS技术用于蔬菜表面农药残留的快速检测奠定了理论基础。

关键词：表面增强拉曼光谱密度泛函理论光谱增强因子灭蝇胺分子

500 mm口径星地激光通信地面接收端系统设计

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激光与光电子学进展 2024年第7期61卷 202-211页

作者：李聪倪小龙于信刘骏白素平石利霞长春理工大学光电工程学院吉林长春130022

为提高星地激光通信地面接收端探测灵敏度和分辨能力,减少信标光捕获时间和难度,基于星地激光通信链路和设计方案,结合自适应光学(AO)技术,设计了一套500 mm口径的星地激光通信地面接收端系统。该系统采用库德光路、共口径分光探测形式... 详细信息

为提高星地激光通信地面接收端探测灵敏度和分辨能力,减少信标光捕获时间和难度,基于星地激光通信链路和设计方案,结合自适应光学(AO)技术,设计了一套500 mm口径的星地激光通信地面接收端系统。该系统采用库德光路、共口径分光探测形式,包含卡塞格林天线、倾斜镜精跟踪、AO超精跟踪、AO波前探测等4个单元。天线物镜组采用同轴卡塞格林结构,结合折射镜组构成开普勒望远结构,兼顾体积和长出瞳距的需求。在精跟踪倾斜镜和AO倾斜镜之间设计了4f系统,解决校正光轴时的瞳面漂移问题。在波前探测器和变形镜之间设计了双远心系统,构建两者共轭关系,降低波前探测的轴向误差影响。采用光学被动式方法对4个单元进行消热差设计,提高系统温度适应性。最终实验结果表明:在10℃~30℃范围内,各单元波像差均优于1/10λ(λ=632.8 nm),满足设计要求,具有一定借鉴价值和工程意义。

关键词：星地激光通信库德光路消热差双远心光路自适应光学

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视觉显著性驱动的全景渲染图非局部降噪

中国图象图形学报 2024年第4期29卷 939-952页

作者：韩鲁光陈纯毅申忠业胡小娟于海洋长春理工大学计算机科学技术学院长春130022

目的传统降噪方法通常忽视人眼感知因素,对不同区域的图像块都进行同等处理。当使用传统降噪算法对全景画面滤波处理时,全景画面两极区域容易产生模糊问题,尤其是通过视口观察时,该问题更加明显。针对此问题,提出一种视觉显著性驱动的... 详细信息

目的传统降噪方法通常忽视人眼感知因素,对不同区域的图像块都进行同等处理。当使用传统降噪算法对全景画面滤波处理时,全景画面两极区域容易产生模糊问题,尤其是通过视口观察时,该问题更加明显。针对此问题,提出一种视觉显著性驱动的蒙特卡洛渲染生成全景图非局部均值(visual saliency driven non-local means,VSD-NLM)滤波降噪算法。方法在VSD-NLM算法中首先使用全景图显著区域检测算法获取全景画面的显著区域;然后使用梯度幅值相似性偏差辅助的非局部均值(gradient magnitude similarity deviation assisted non-local means,GMSDA-NLM)滤波算法,降低显著区域的噪声;同时设计并行非局部均值(parallel non-local means,P-NLM)滤波算法,加快降噪处理速度,降低非显著区域噪声;最后利用改进的Canny算法提取梯度特征,同时结合各向异性扩散引导滤波来优化降噪结果。结果采用结构相似度(structural similarity,SSIM)和FLIP作为评价指标,来对比VSDNLM算法与非局部均值滤波算法、多特征非局部均值滤波算法以及渐进式去噪算法等其他算法的性能。实验结果表明,VSD-NLM算法的降噪结果在客观评价指标上均优于对比算法,SSIM值比其他算法平均提高14.7%,FLIP值比其他算法平均降低15.2%。在视觉效果方面,VSD-NLM算法能够减轻全景画面模糊,提升视觉感知质量。本文对GMSDA-NLM和P-NLM算法的有效性进行了实验验证,相较于非局部均值滤波算法,GMSDA-NLM算法能够有效去除噪声并保持图像细节的完整性。P-NLM算法在运行速度方面相较对比算法平均提高约6倍,与串行算法生成的图像之间的SSIM值可达到0.996。结论本文算法能够更好地用于全景图降噪,滤波效果更佳,对全景电影制作应用有重要的理论和实际意义。

关键词：全景图像非局部均值滤波梯度幅值相似性偏差(GMSD) 引导滤波图像降噪

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伽利略型同心阵列系统的设计与分析

中国光学（中英文） 2024年第5期17卷 1192-1198页

作者：刘松昆刘智颖长春理工大学光电工程学院吉林长春130022

同心阵列系统具有小型化与大视场的优势,通过探测器的拼接可实现更大视场高分成像。为了进一步实现大视场系统结构的小型化与轻量化,本文采用伽利略型同心阵列结构形式,设计了一款工作在可见光波段,全视场大小为65°,焦距为19 mm,F数为4... 详细信息

同心阵列系统具有小型化与大视场的优势,通过探测器的拼接可实现更大视场高分成像。为了进一步实现大视场系统结构的小型化与轻量化,本文采用伽利略型同心阵列结构形式,设计了一款工作在可见光波段,全视场大小为65°,焦距为19 mm,F数为4.7,总长为44.3 mm的同心阵列系统。在特征频率208 lp/mm处,系统的调制传递函数大于0.3,全视场弥散斑均方根半径均小于探测器像元尺寸2.4μm,成像质量接近衍射极限。由于同心阵列系统结构的特殊性,其中继系统排布紧密,导致各中继系统间的串扰杂散光严重影响成像质量。针对该问题,本文采用内置消杂光光阑方法抑制串扰杂散光,并对光学系统的杂散光进行仿真分析。分析结果表明,在加入消杂光光阑后,杂光系数均降低至1×10^(-6)以下,验证了串扰杂光抑制方法的有效性。

关键词：同心阵列系统中继系统串扰杂散光消杂光光阑

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液体透镜研究现状与发展综述

激光与光电子学进展 2024年第9期61卷 54-64页

作者：刘海渤胡源李雨哲赵金辉长春理工大学光电工程学院吉林长春130022

与传统光学透镜相比,液体透镜具有响应速度快、变焦范围大以及可控性高等优势,在视力校正、显微镜、手机相机、内窥镜和仿生光学等领域获得了广泛应用。本文主要对液体透镜的技术发展动态进行归纳总结,简述了国内外液体透镜的工作原理,... 详细信息

与传统光学透镜相比,液体透镜具有响应速度快、变焦范围大以及可控性高等优势,在视力校正、显微镜、手机相机、内窥镜和仿生光学等领域获得了广泛应用。本文主要对液体透镜的技术发展动态进行归纳总结,简述了国内外液体透镜的工作原理,分析了部分典型液体透镜的加工方法、性能指标以及应用前景,并对未来发展趋势进行展望,为液体透镜相关领域研究提供有益参考。

关键词：液体透镜液晶型电润湿型充液型