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    1. 基于YCbCr颜色空间的Retinex低照度图像增强方法研究
    田会娟, 蔡敏鹏, 关涛, 胡阳
    光子学报    2020, 49 (2): 210002-0210002.   doi: 10.3788/gzxb20204902.0210002
    摘要733)   HTML ( )      PDF (11452KB)(203)   
    针对Retinex理论的低照度图像增强算法中光照图像估计问题,提出一种基于YCbCr颜色空间的低照度图像增强方法.该方法将原始低照度图像从RGB(Red Green Blue)颜色空间转换到YCbCr颜色空间,提取该空间中Y分量构建为原始光照图像分量L1x,y),并对L1x,y)进行Gamma校正得到增强的光照图像分量L2x,y),经Retinex模型得到增强图像Rx,y),采用多尺度细节增强方法对图像Rx,y)进行细节增强,得到最终增强图像Rex,y).实验结果表明,所提方法不仅能有效提升亮度,避免亮度和色彩失真,增强了图像的细节信息并获得了更好的视觉效果,而且运行速度快.
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    2. 基于优势特征图像融合的水下光学图像增强
    林森, 迟凯晨, 李文涛, 唐延东
    光子学报    2020, 49 (3): 310003-0310003.   doi: 10.3788/gzxb20204903.0310003
    摘要533)   HTML ( )      PDF (30067KB)(172)   
    针对水下光学图像颜色失真、非均匀光照、对比度低的问题,提出基于优势特征图像融合的水下光学图像增强算法.首先,提出改进的暗通道先验算法去除退化图像中的不均匀浑浊并均衡色彩;其次,对颜色校正图像分别使用基于加权分布的自适应伽玛校正算法和限制对比度自适应直方图均衡-同态滤波算法,增强颜色校正图像对比度并使其亮度均衡;最后,定义三幅融合图像即颜色校正图像、亮度均衡图像、对比度增强图像的关联权重图,通过多尺度融合算法获得融合图像.与单一预处理算法只能解决对应的退化现象相比,该算法对单幅退化图像进行多算法处理,得到三幅优势特征图像,通过不同权重的组合最大程度地将各优势特征相结合,得到的综合效果远超各单一算法优化效果,不再局限于解决颜色失真等单一问题.将本文算法与现有算法在主观评价和客观评价两方面进行实验对比,结果表明,该算法可以有效平衡水下图像的色度、饱和度及清晰度,视觉效果接近自然场景下的图像.
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    3. 圆柱形光声池结构及环境因素对声学本征频率的影响
    程刚, 陈家金, 曹亚南, 田兴, 刘锟, 曹渊
    光子学报    2020, 49 (2): 230001-0230001.   doi: 10.3788/gzxb20204902.0230001
    摘要508)   HTML ( )      PDF (2756KB)(120)   
    以典型的圆柱形光声池为研究对象,建立光声池声学仿真有限元模型,并在此基础上,研究了光声池中谐振腔、缓冲腔、进出气孔结构参数以及温度、湿度因素对其声学本征频率的影响规律.研究结果表明:圆柱形光声池的进、出口孔对其声学本征频率影响极不敏感,设计计算中可以忽略不计,谐振腔的长度影响最为敏感,其次为谐振腔的直径.此外缓冲腔的长度与直径对其亦有一定影响,因而在准确计算时需要加以考虑.温度与湿度对光声池声学本征频率的影响均呈现正线性增长规律,温度的影响随着谐振腔长度的增大而减小,湿度的影响随着温度的升高而增大,仅计算光声池的声学本征频率时,湿度的影响在室温环境下且湿度变动较小的条件下可以忽略.
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    4. 基于表面等离激元的偏振态控制光开关
    李刚, 关文俊, 张彦军, 刘艳莉, 侯钰龙, 单彦虎, 张志东, 张斌珍, 薛晨阳
    光子学报    2020, 49 (3): 326001-0326001.   doi: 10.3788/gzxb20204903.0326001
    摘要494)   HTML ( )      PDF (18250KB)(150)   
    利用四个Au纳米棒组成的类矩形纳米棒四聚体结构设计了一种基于偏振态控制的光开关,并采用有限元法研究了该结构对入射光偏振态的响应特性.研究发现,该结构的透射光谱对入射光的偏振方向具有很强的依赖性,当入射光的偏振角度变化π/2时,其特征峰的开关比分别能达到27.81 dB和21.65 dB.分析表明,该结构的开关效应主要由不同偏振态下所导致的水平双纳米棒和竖直双纳米棒之间的近场耦合强度不同而实现,该结构透射系数与偏振角度的关系服从Malus law.此外,通过改变类矩形纳米棒阵列结构参数,研究了结构参数对其光开关响应特性的影响.在此基础上,通过改变阵列的周期参数,研究了入射光水平偏振和垂直偏振下周期参数对单元结构透射光谱的影响.该研究结果能够为可调谐双波长偏振光开关的设计提供理论依据.
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    5. 光学微球腔的热光效应用于温度传感器研究
    林晓鋆, 林德泉, 廖廷俤, 段亚凡, 黄衍堂
    光子学报    2020, 49 (3): 314004-0314004.   doi: 10.3788/gzxb20204903.0314004
    摘要481)   HTML ( )      PDF (5458KB)(127)   
    为研究光学微球腔的热光效应,采用1 550 nm波段可调谐激光器和宽带光源两种泵浦源,分别测量了二氧化硅、碲酸盐玻璃微球及其掺杂了稀土离子的微球在激励光功率、环境温度变化时其谐振峰波长的变化量,得到了二氧化硅微球激励功率灵敏度为32.4 pm/mW,温度灵敏度为13.4 pm/℃;铥离子的掺杂使激励功率灵敏度达到48.7 pm/mW,温度灵敏度达到15.2 pm/℃.相应的碲酸盐微球激励功率灵敏度为71.1 pm/mW,温度灵敏度为0.019 1 nm/℃,比光纤光栅温度传感器的灵敏度10 pm/℃大了将近1倍,若掺杂了稀土离子,则高1.1倍.本文研究对微腔在温度传感器方面的应用具有参考意义.
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    6. 基于去模糊空间变换RCNN的毫米波图像目标检测
    梁广宇, 程良伦, 黄国恒, 徐利民
    光子学报    2020, 49 (2): 210004-0210004.   doi: 10.3788/gzxb20204902.0210004
    摘要458)   HTML ( )      PDF (5115KB)(242)   
    提出一种包含去模糊的空间变换区域卷积神经网络的目标检测算法.首先,基于主动毫米波圆柱扫描成像原理对人体进行三维成像(频率24~30 GHz),建立毫米波图像数据集.然后,估计毫米波图像的模糊核,通过卷积去噪网络获得图像先验知识,将其集成到半二次分裂的优化方法中,以实现非盲目去模糊.最后,由定位网络、网格生成器和采样网络三部分组成空间变换网络,将它融入到特征提取网络中,在去模糊后实现目标检测.通过该非盲目去模糊算法得到的图像的峰值信噪比可达27.49 dB,目标检测算法的平均精度可达80.9%.实验结果表明,与现有的先进方法相比,该方法可以有效地提高图像质量和检测精度,为毫米波图像中隐藏危险品的目标检测提供了新的技术支持.
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    7. 基于主动光照的深海图像增强算法
    邓翔宇, 王惠刚, 张永庆
    光子学报    2020, 49 (3): 310001-0310001.   doi: 10.3788/gzxb20204903.0310001
    摘要433)   HTML ( )      PDF (6265KB)(142)   
    为了改善主动光在水下传播过程中由散射与吸收效应导致的深海图像对比度低下以及颜色失真问题,提出一种水下图像增强算法.不同于传统方法利用最亮点的强度值作为背景光,提出基于物体与背景光非相关性的背景光估计方法,有效避免了前景处的亮像素或白色物体像素对背景光的误判,同时确保了去散射的精确性,提高水下图像的对比度;针对人造光源的颜色增益和光路衰减导致的图像色偏等问题,在去散射图像上选取离光源最近的灰色像素,利用其对光源的敏感性,将光照强度分离出来.最终,通过估计并去除光源本身的颜色增益,同时补偿光在传播过程中的损失,实现图像的颜色校正.实验结果表明,所提算法可以有效去除水下图像的散射效应,较好地恢复图像色彩,进而获得较优的增强图像.相比于其他算法,增强后的图像信息熵和水下图像质量评价指标值较高,说明该算法能显著提升水下图像的质量,同时保留图像有用信息.
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    8. 基于多通道盲识别的自适应光学图像事后处理
    李鑫, 吴阳, 方舟, 徐奇, 杨海波, 杨慧珍
    光子学报    2020, 49 (2): 201003-0201003.   doi: 10.3788/gzxb20204902.0201003
    摘要430)   HTML ( )      PDF (4345KB)(281)   
    为实时恢复天文或空间目标的湍流退化成像,提出一种适应大气湍流动态变化的多通道自适应光学图像恢复方法.以自适应光学校正后不同时刻的目标成像作为多个通道,建立求解系统点扩散函数的线性方程,根据解出的点扩散函数利用超拉普拉斯算法,求解待观测目标的估计值.结果表明:不同时刻的点扩散函数之间存在互质关系,满足多通道盲识别的理论要求.利用建立的线性方程求解出的点扩散函数与原点扩散函数的均方误差在10-30~10-27量级,采用超拉普拉斯算法恢复出的目标成像与原始目标之间的均方误差在10-5~10-4量级.本文研究为湍流退化图像的实时恢复提供了理论基础.
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    9. 用于折射率传感的聚合物基狭缝波导的模拟与制备
    吕桓林, 梁宇鑫, 韩秀友, 武震林, 谷一英, 赵明山
    光子学报    2020, 49 (2): 213001-0213001.   doi: 10.3788/gzxb20204902.0213001
    摘要418)   HTML ( )      PDF (4531KB)(371)   
    设计了在极近红外波段(890 nm)的聚合物基狭缝波导微环折射率传感器.分析了波导高度、宽度及狭缝宽度对灵敏度的影响,以找到最佳的设计标准用于折射率传感.采用电子束光刻工艺制备了硅母版模,并用独特的氟化聚合物PFPE从硅母版模上成功制备了柔性软模具.采用紫外软压印工艺制备了聚合物基狭缝波导.波导的宽度和高度以及狭缝波导的宽度分别约为510 nm、830 nm和234 nm,聚合物狭缝波导残留层的厚度约为350 nm.制备的狭缝波导具有高的高宽比并与低成本批量生产工艺相兼容.
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    10. 低散斑环形光束整形器件的设计及实验
    刘文静, 庞辉, 曹阿秀, 史立芳, 付永启, 邓启凌
    光子学报    2020, 49 (2): 222001-0222001.   doi: 10.3788/gzxb20204902.0222001
    摘要415)   HTML ( )      PDF (6312KB)(139)   
    提出一种可有效抑制散斑噪声的衍射元件设计方法.在传统Gerchberg-Saxton算法的基础上,通过选择一种特殊的初始相位,在不降低衍射效率的同时,有效提升光斑的均匀性.以将高斯光束整形成环形平顶光束为例,开展了数值仿真和光学实验.结果表明,利用该方法和传统Gerchberg-Saxton算法设计得到的环形平顶光束散斑对比度分别为11%和34%,验证了该方法可以获得低散斑噪声的环形平顶光束.
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    11. 电子束泵浦钙钛矿纳米晶随机激射的瞬态发光特性
    杜鹏, 母一宁, 任航, 樊海波, 朱焱, 李彦正, IDELFONSO Monroy
    光子学报    2020, 49 (4): 404001-0404001.   doi: 10.3788/gzxb20204904.0404001
    摘要395)   HTML ( )      PDF (4463KB)(184)   
    为了满足瞬态光学系统对瞬时显像技术的要求,提出了一种基于钙钛矿纳米晶随机激射的瞬时发光方法.从CsPbBr3纳米晶薄膜的制备与表征出发,分析了该类有源薄膜的制备方法与手段.结合应用需要,设计了以微通道板为核心的电子束泵浦结构,并通过实验验证了CsPbBr3纳米晶薄膜在电子束泵浦下的激射效果,分析了其激射原理与物理现象.最后通过瞬时光泵浦的方法验证了CsPbBr3纳米晶薄膜的瞬时优势.该新型显像薄膜的瞬时探测系统中,不但具有较好的瞬态特性与时间分辨率,而且还可以利用电子束泵浦诱发激射来形成第二级的光放大,进而提升器件的整体探测能力.
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    12. 不同风速下侧向散射激光雷达的回波信号分析
    孙佳琦, 胡淼, 李鹏, 贺文迪, 欧军, 周雪芳, 杨国伟, 卢旸, 毕美华
    光子学报    2020, 49 (4): 401002-0401002.   doi: 10.3788/gzxb20204904.0401002
    摘要392)   HTML ( )      PDF (2466KB)(102)   
    对不同风速条件下,CCD侧向散射激光雷达的回波信号进行了分析.根据Mie散射原理及侧向散射激光雷达工作原理,确定了大气气溶胶浓度与激光雷达侧向散射光强的相关性;进一步考虑气溶胶浓度与风速的关联,利用实验装置获取了激光雷达侧向散射光强与风速的关系,分析了不同风速条件下侧向散射激光雷达的回波信号.在轴流风机以及自然风两种条件下进行对比实验发现,当风速范围在1~4.5 m/s时,侧向散射光强随风速的增加而增加;当风速范围在4.5~6.0 m/s时,光强随风速的增加较少.对实验结果归一化处理,得到风速范围在1~4.5 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强在轴流风机及自然风的实验条件下分别增加了3.7%和3.9%;风速范围在4.5~6.0 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强分别减少了3.1%和3.8%,在自然风况的各个风向上都基本符合这一变化趋势.
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    13. 基于少模光纤被动调Q柱矢量光光纤激光器
    王承鑫, 陆宝乐, 罗敏, 陈浩伟, 白晋涛
    光子学报    2020, 49 (3): 314003-0314003.   doi: 10.3788/gzxb20204903.0314003
    摘要391)   HTML ( )      PDF (3778KB)(143)   
    通过单模光纤和少模光纤熔融拉锥耦合的方法制备出模式转换器,而后将一层多壁的碳纳米管薄膜作为可饱和吸收体覆盖到拉锥光纤的锥区,形成一种可饱和吸收体柱矢量光器件.结合调Q光纤激光器和模式转换器件的优势,可以简单高效地产生脉冲柱矢量光束,并得到具有峰值功率高、模式纯度高等特点的脉冲高阶模式激光输出.通过实验实现了中心波长为1 560 nm、最大单脉冲能量和最大峰值功率分别为116 nJ和57 mW的稳定调Q脉冲输出.通过调节光路中的偏振控制器,可以分别实现径向和角向偏振的调Q脉冲激光的输出.
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    14. 基于高斯核主成分分析的多通道拉曼光谱重建
    王昕, 康哲铭, 刘龙, 范贤光
    光子学报    2020, 49 (3): 330001-0330001.   doi: 10.3788/gzxb20204903.0330001
    摘要388)   HTML ( )      PDF (10625KB)(79)   
    针对多通道拉曼成像系统常会受荧光背景、噪声等非线性因素的影响而导致拉曼光谱重建结果一般的问题,提出了一种基于高斯核主成分分析的拉曼光谱重建算法.首先利用相似度因子对标定样本数据集进行预处理,其次通过高斯核函数将标定样本以非线性形式映射至高维特征空间,接着在特征空间中对映射后的数据集提取基函数并通过伪逆法求得与之对应的基函数系数.使用聚甲基丙烯酸甲酯作为测试样本,并引入均方根误差来评估拉曼光谱重建结果的准确性.实验结果表明,相比传统的伪逆法与维纳估计法,该算法具有更高的重建精度及抗噪能力,且能有效降低标定样本中不良数据和成像系统中非线性因素对拉曼光谱重建的影响.因此,该算法可以为多通道拉曼快速成像提供一种有效的拉曼光谱重建算法.
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    15. 高精度千赫兹流动激光测距系统中国西部地区实测结果分析
    李欣, 朱威, 罗青山, 邹彤, 郭唐永
    光子学报    2020, 49 (2): 228001-0228001.   doi: 10.3788/gzxb20204902.0228001
    摘要386)   HTML ( )      PDF (6286KB)(95)   
    为了解决人造卫星激光测距观测站在我国东西部地区分布不均衡的现状,中国地震局地震研究所采用方便运输的载车结构和皮秒级千赫兹半导体激光器,结合自行研制的皮秒级事件计数器和纳秒级距离门,研制了新一代的大口径流动卫星激光测距系统TROS1000.TROS1000具备千赫兹流动激光测距的能力,并且具有机动灵活、架设周期短等特点.2019年9月,TROS1000抵达中国科学院新疆天文台南山观测站,在我国西部地区首次获取千赫兹激光观测数据.经过数据预处理,中低轨卫星的单次精度优于14 mm,高轨卫星的单次精度优于19 mm,与上一代流动激光测距系统相比,其单次精度更高,有效回波信号更多,目标探测能力更强.
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    16. 基于中心点的遥感图像多方向舰船目标检测
    张筱晗, 姚力波, 吕亚飞, 韩鹏, 李健伟
    光子学报    2020, 49 (4): 410005-0410005.   doi: 10.3788/gzxb20204904.0410005
    摘要384)   HTML ( )      PDF (4521KB)(161)   
    针对目前基于深度学习的舰船目标斜框检测方法存在计算量大、效率低的问题,提出一种基于目标中心点的单阶段检测模型.由于舰船中心点不受舰船分布方向影响,模型主要思想是以目标中心点检测为基础,回归中心点处目标斜框的尺度和方向.首先设计特征提取网络,将卷积神经网络细节信息丰富的底层特征与语义信息丰富的高层特征融合起来形成特征图;然后将特征图输入到三个检测分支,分别预测目标中心点、中心点偏移值以及斜框的尺度与方向;设计组合损失函数对网络进行训练,并改进非极大值抑制算法以适应目标斜框检测的需要.在公开的SAR图像舰船目标检测数据集与光学遥感图像上进行了实验,实验结果表明,测试集平均准确率达0.906,检测精度与速度均优于其它检测模型,充分验证了所提算法的有效性.
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    17. 曲面相机阵列多分辨成像方法
    曹杰, 崔焕, 孟令通, 郝群, 唐鸣元
    光子学报    2020, 49 (4): 411003-0411003.   doi: 10.3788/gzxb20204904.0411003
    摘要384)   HTML ( )      PDF (7034KB)(113)   
    针对现有成像系统因数据冗余而无法兼顾大视场、高分辨、高效性的问题,结合人眼视网膜变分辨成像和并列式复眼成像原理,设计一种多分辨率成像的复合仿生成像系统.该成像系统按照球面和平面兼顾的曲面布局方式,利用11个相机镜头构建相机阵列,组成了四个等级分辨率的子眼拍摄模块.通过物距100 m的远景实验和物距10 m的近景实验发现,该系统在实现高分辨成像的同时,获得总视场达150.8°×37.8°.多分辨率成像实验结果表明,该系统获取的图像的分辨率从中心视场到边缘视场逐渐降低,并且相较于中心清晰全视场成像,四级分辨率成像的拼接图像数据量减少了17.2倍的数据冗余.
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    18. 光子晶体光纤温度压力传感器
    刘天沐, 江毅, 崔洋
    光子学报    2020, 49 (4): 406001-0406001.   doi: 10.3788/gzxb20204904.0406001
    摘要382)   HTML ( )      PDF (3356KB)(203)   
    提出了一种在高温环境下同时测量温度和气压的光子晶体光纤温度压力传感器.在普通单模光纤和光子晶体光纤之间熔接一段空心光纤构成干涉结构.空心光纤段构成非本征法布里-珀罗干涉仪,利用光子晶体光纤的微孔与外界相通,通过气体折射率变化来测量环境中的气压变化;光子晶体光纤段构成本征法布里-珀罗干涉仪,利用热膨胀效应和热光效应来测量环境中的温度.传感器的解调通过自制的白光干涉解调仪实现,实验通过测量腔长得到被测环境的温度和气压.在不同温度和气压环境下,对腔长分别为306 μm和1 535 μm的温度压力光纤传感器进行连续测量.实验结果表明,传感器能够在28~800℃的温度下和0~10 MPa的气压下稳定工作,测量范围内温度灵敏度可达17.4 nm/℃,压力灵敏度随温度增加而降低,在28℃时可达1 460.5 nm/MPa.
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    19. 考虑地表反射类型的气溶胶散射偏振特性
    马愈昭, 高晨, 程飞帆, 李猛, 熊兴隆
    光子学报    2020, 49 (2): 201001-0201001.   doi: 10.3788/gzxb20204902.0201001
    摘要380)   HTML ( )      PDF (5379KB)(88)   
    采用逐次阶散射法求解矢量辐射传输方程来研究气溶胶在不同地表反射模型下的散射偏振特性.首先,选取单一地表反射模型和耦合地表反射模型两种地表反射模型.然后,根据地表反射模型计算得到相应的地表反射率,进而采用逐次阶散射法对矢量辐射传输方程进行求解,得到散射光的Stokes矢量.最后,由Stokes矢量计算得出散射光的偏振度.仿真结果表明,两种地表反射模型下气溶胶单次散射的散射辐射强度和线偏振度均相等;耦合地表反射模型的总散射辐射强度和线偏振度总是大于单一地表反射模型;单一地表反射模型的气溶胶单次散射相对总散射的贡献总是大于耦合地表反射模型.研究结果对气溶胶光学特性的反演具有一定意义.
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    20. 一种八谱段滤光片成像系统设计
    孙帮勇, 袁年曾, 胡炳樑
    光子学报    2020, 49 (5): 511001-0511001.   doi: 10.3788/gzxb20204905.0511001
    摘要377)   HTML ( )      PDF (4935KB)(139)   
    针对多光谱滤光片阵列成像采样率低,原始(Raw)数据稀疏所导致的重建图像模糊,高频信息丢失等问题,提出了一种新八谱段滤光片阵列分布方案,利用基于邻域梯度延伸方法对光谱Raw图像进行重建.首先基于二叉树生成法,在重复排列的4×4阵列中设计了一种等空间概率比的八谱段滤光片分布方案;然后针对传感器直接获取的稀疏Raw图像,计算各谱段采样点的梯度信息,在保持图像结构特征和纹理信息的基础上,利用邻域采样点的像素值和梯度值对未采样点进行重建,从而获得完整的光谱图像信息;最后,基于已重建的八谱段光谱图像,采用伪逆矩阵法重构各像素位置的31波段光谱值.结果表明,相对于主流图像重建方法,本文算法提高了重建八谱段光谱图像的峰值信噪比、复合峰值信噪比,降低了光谱均方差,更好地保留了图像的纹理和边缘,有效降低了多光谱滤光片阵列成像中的颜色伪影和图像模糊等现象.
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