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    1. 光纤随机激光器及其应用研究进展(特邀综述)
    饶云江
    光子学报    2019, 48 (11): 1148002-1148002.   doi: 10.3788/gzxb20194811.1148002
    摘要592)      PDF (9893KB)(165)   

    光纤随机激光器是一种新型光纤激光器,与常规光纤激光器相比,得益于其无谐振模式、更好的稳定性、更高的可靠性、更简单的结构等优势,近年来在高功率/高效率、宽谱发射、低相干性等多类型新光源探索方面得到了长足的发展,产生了系列研究成果.作为国内最早开展全光纤随机激光器研究的团队负责人,本文作者首先系统回顾了光纤随机激光器的发展历程,然后重点介绍了近年来光纤随机激光器取得的重要研究进展和在光纤传感、光通信等领域的应用进展,最后对其未来发展提出了展望.

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    2. 基于表面图像锐度的LIBS自动对焦方法
    王华东, 付洪波, 贾军伟, 周琪琪, 倪志波, 董凤忠
    光子学报    2019, 48 (6): 630001-0630001.   doi: 10.3788/gzxb20194806.0630001
    摘要524)      PDF (3034KB)(177)   

    利用自行设计的集成微区成像激光诱导击穿光谱系统,分析了孔径光阑设定、目标区域大小以及样品表面反射率对表面图像位置敏感特性的影响.结果表明,表面图像锐度在大孔径设定下对位置更为敏感,适用于自动对焦过程;反射率对表面图像锐度的位置敏感特性影响较小,且部分表面图像的锐度也可用于辅助激光诱导击穿光谱对焦;不同样品不同目标区域大小,图像锐度最大值对应表面位置具有很好的重复性.在此基础上,建立了基于表面图像锐度的自动对焦方法.

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    3. 多模态融合的深度学习脑肿瘤检测方法
    姚红革, 沈新霞, 李宇, 喻钧, 雷松泽
    光子学报    2019, 48 (7): 717001-0717001.   doi: 10.3788/gzxb20194807.0717001
    摘要497)      PDF (5043KB)(267)   

    针对目前传统方法脑肿瘤检测准确率低的问题,提出一种基于深度学习的三维脑肿瘤检测方法.首先将不同模态的脑肿瘤磁共振成像影像进行融合,获取不同模态下的脑肿瘤病灶三维空间特征;然后在卷积层和池化层之间增加实列归一化层,提高网络的收敛速度,缓解过拟合的问题;并对损失函数进行改进,采用加权损失函数加强对病灶区域的特征学习;最后结合后处理方法解决假阳脑肿瘤病灶多的问题.实验结果表明:提出的脑肿瘤检测方法可有效进行肿瘤病灶定位;相关性系数、敏感性和特异性三种评价指标分别达到了0.926 7、0.928 1和0.997 7,与二维检测网络相比,提高了4.6%、3.96%和0.04%,较初始的单模态脑肿瘤检测方法提升了13.2%、10.42%和0.12%.

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    4. 微偏振片阵列型长波红外成像系统定标方法
    闫羽, 徐小红, 范之国, 张强, 金海红
    光子学报    2019, 48 (6): 611004-0611004.   doi: 10.3788/gzxb20194806.0611004
    摘要496)      PDF (2844KB)(188)   

    为了提升微偏振片阵列型长波红外成像系统精度,在误差分析的基础上,针对入射光偏振信息计算问题,提出了一种偏振定标方法.通过确定像元级响应值与入射光功率的关系,引入广义光学透过率,不依赖大规模方程组运算,实现了消光比、偏振方向的计算,获取了微偏振片穆勒矩阵内各元素值.用固定盲元干扰下的超级像元内偏振信息计算法完成入射光偏振信息计算.实验结果表明,该定标方法可有效降低误差干扰,提高微偏振片阵列型长波红外成像系统探测精度.

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    5. 用于LiDAR的16×1列阵CMOS单光子TOF图像传感器
    曹静, 张钊, 祁楠, 刘力源, 吴南健
    光子学报    2019, 48 (7): 704001-0704001.   doi: 10.3788/gzxb20194807.0704001
    摘要495)      PDF (4881KB)(395)   

    设计了一款用于激光雷达的CMOS单光子飞行时间图像传感器.该传感器集成了16个结构优化的单光子雪崩二极管像素和一个双计数器结构的13-bit时间数字转换器电路.每个像素单元包括一个新型的主动淬灭-恢复电路.该设计通过优化器件的保护环来降低器件的暗噪声;带有反馈回路的主动淬灭-恢复电路用于降低死时间;时间数字转换器采用双计数器结构来避免计数器的亚稳态导致的计数错误.基于CMOS 180 nm标准工艺制作了该传感器.测试结果表明:在1 V的过偏压下,单光子雪崩二极管列阵的中值暗计数率为8 kHz;在550 nm波长光照下探测效率最高,为18%;设计的主动淬灭-恢复电路将死时间有效降低至8 ns;时间数字转换器的分辨率为416 ps,帮助整个系统实现厘米级距离分辨率.该传感器在0.5 m距离下实现了空间分辨率为320×160的深度图像,其测距的最大非线性误差为1.9%,准确度为3.8%.

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    6. 基于多特征融合与ROI预测的红外目标跟踪算法
    刘辉, 何勇, 何博侠, 刘志, 顾士晨
    光子学报    2019, 48 (7): 710004-0710004.   doi: 10.3788/gzxb20194807.0710004
    摘要487)      PDF (10701KB)(157)   

    针对当前红外目标检测与跟踪算法存在场景自适应能力弱、专用性强,以及在大视场条件下,首帧图像中小目标误检率高的问题,提出一种红外序列图像目标自适应阈值分割、检测与跟踪方法.选取目标移动速度、目标轮廓的面积和周长、以及自适应分割阈值与感兴趣区域位置为动态变量,建立动态决策准则.采用首帧目标检测算法计算出序列图像的第一帧图像目标的静态变量和部分动态变量,再采用改进的局部自适应阈值分割算法分割后续帧图像,然后利用静态与动态决策准则筛选出分割后的真实目标,最后计算并更新动态决策准则.红外靶标测试结果表明:该方法对不同场景具有较好的适应性,四个场景平均跟踪准确率为95.81%,微机平台平均每帧处理时间为10.93 ms,嵌入式平台为26.79 ms.

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    7. 不同偏振态光镊三维光阱刚度的比较研究
    曹志良, 梁言生, 严绍辉, 周源, 蔡亚楠, 雷铭, 李曼曼, 姚保利
    光子学报    2019, 48 (7): 726002-0726002.   doi: 10.3788/gzxb20194807.0726002
    摘要487)      PDF (6425KB)(151)   

    为了研究激光偏振态对光阱刚度的影响,本文比较了四种不同偏振态光场(方位角偏振光、径向偏振光、线偏振光、圆偏振光)捕获不同尺寸SiO2微粒的三维光阱刚度.研究结果表明:当SiO2微粒的尺寸和激光波长相近时,圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度大于径向偏振光和方位角偏振光的三维光阱刚度;而随着SiO2微粒尺寸的增加,方位角偏振光和径向偏振光的三维光阱刚度大于圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度.此外,实验也表明:使用浸油物镜捕获微粒时,物镜匹配油的折射率和水的折射率不一致引起的球差,会降低系统对物镜数值孔径的利用.通过这些研究工作,可以为不同偏振态光场的测力研究提供一定的指导和参考.

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    8. 融合暗通道先验和MSRCR的分块调节图像增强算法
    梅英杰, 宁媛, 陈进军
    光子学报    2019, 48 (7): 710005-0710005.   doi: 10.3788/gzxb20194807.0710005
    摘要472)      PDF (6041KB)(172)   

    针对雾霾天气图像中雾霾浓度分布不均以及色彩失衡等问题,提出一种将暗通道先验算法与带色彩恢复因子的多尺度Retinex算法相结合的分块调节图像增强算法.对大气散射模型以Retinex图像模型中的尺度进行线性映射,得到一个同时具有大气散射模型中的透射率和大气光照值以及Retinex图像模型中入射图像的多参数新模型.根据模型获取去除大气散射图的新原图,并利用不同尺度的引导滤波计算获得整幅图像的入射图像,再结合大气散射光图以及色彩恢复因子得到最终的高频细节图.针对图像中雾霾浓度分布不均的情况将整图划分为多个区域小块,用融合后的算法计算每个区域小块的动态截断值,根据不同的动态截断值可以对整幅图像的高频细节进行动态调整,从而得到多幅局部最优图像,将得到的图像进行像素级等权融合,最后可得到保证各局部细节的最优图像.将本文算法与现有算法在主观视觉和客观评价两方面进行了实验对比,结果表明,该方法可以有效解决图像雾气不均匀以及色彩失衡等问题,明显提高了去雾后图片的质量.

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    9. 蓝宝石光纤及其高温传感器(特邀综述)
    庞拂飞, 王之凤, 刘奂奂, 马章微, 陈振宜, 王廷云
    光子学报    2019, 48 (11): 1148004-1148004.   doi: 10.3788/gzxb20194811.1148004
    摘要459)      PDF (3332KB)(148)   

    单晶蓝宝石光纤具有热稳定性好、机械性能强、化学性能稳定等优点,在高温、高压等恶劣环境中的应用受到广泛关注.介绍了单晶蓝宝石光纤的制备方法、基本特性及高温传输特性.重点讨论了目前基于单晶蓝宝石光纤制备的高温传感器件,包括法布里-珀罗干涉仪、布拉格光栅、以及迈克尔逊干涉仪,并分析了这些传感器的制备方法和工作原理.最后针对单晶蓝宝石光纤与传统单模光纤难兼容的问题,介绍了蓝宝石衍生光纤的制备及其传感器的最新进展,并展望了未来蓝宝石光纤的发展方向.

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    10. 光学玻璃超声振动维氏压痕中位裂纹的实验研究
    姜晨, 高睿, 姜臻禹, 郝宇
    光子学报    2019, 48 (7): 722001-0722001.   doi: 10.3788/gzxb20194807.0722001
    摘要452)      PDF (3483KB)(195)   

    为了进一步掌握光学玻璃材料超声振动辅助磨削亚表面损伤机理,设计常规和超声振动条件下维氏压痕实验,调查两种情况下K9光学玻璃压痕形貌特征;采用磁性复合流体抛光方法检测K9光学玻璃压痕区域的中位裂纹深度,对常规压痕系统中位裂纹模型进行两次系数修正,获得超声振动条件下的维氏压痕系统中位裂纹深度模型.通过超声振动维氏压痕实验计算静态和动态断裂韧性,得到两种加载条件的一次修正系数分别为0.08和0.06;结合检测中位裂纹深度实验结果拟合获得的两种条件下二次修正系数数值接近,分别为94.75和94.50.结果表明该模型对超声振动和加工条件具有良好的识别度.

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    11. 一种软X射线荧光吸收谱探测器
    李顺, 赵彬豪, 刘晨, 王嘉鸥, 钱海杰
    光子学报    2019, 48 (6): 604001-0604001.   doi: 10.3788/gzxb20194806.0604001
    摘要451)      PDF (4520KB)(156)   

    以微通道板为光电转换元件,以光子计数法为读出方式设计制作了一种实用的荧光强度探测器,结合北京同步辐射装置4B9B光电子能谱实验站特点,在样品架加载正偏压的方法减少杂散电子对荧光探测信号的影响,有效提高了荧光探测器的信噪比.搭建的软X射线全荧光产额吸收谱探测器有独立的真空系统,可方便与实验站分析腔体对接,也可将探测器安装于其他束线,具备良好的移植性和便捷性.利用该探测设备成功获取了表面覆盖ZnS薄膜材料的SrTiO3晶体Ti L边特征吸收谱,与全电子产额模式模式吸收谱相比显示出探测设备对绝缘样品和深层次体相探测的优势.该探测器已在北京同步辐射4B9B光电子能谱实验站使用,拓展了实验站软X射线吸收谱的功能,在表面催化,电极材料,薄膜衬底的研究中,为实验用户增加了一个新的表征手段.

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    12. 基于五氧化二钽集成非线性光波导的高重复频率宽带平坦相干光频率梳的产生
    吴春将, 冯素春
    光子学报    2019, 48 (10): 1048003-1048003.   doi: 10.3788/gzxb20194810.1048003
    摘要444)      PDF (6293KB)(195)   

    通过波导结构设计以及色散调控,基于孤子脉冲压缩、自相位调制和光波分裂效应,用0.22 m反常色散五氧化二钽波导级联0.9 m正常色散五氧化二钽波导产生在1 520~1 580 nm波段具有4 dB平坦度、60 nm带宽的平坦光频率梳.利用X-Frog技术分析了脉冲在传输过程中的时谱演化,并且研究了产生光频率梳的相干性.时谱演化指出自相位调制和光波分裂的共同作用使得光频率梳的光谱包络变宽,并且具有良好的平坦度.一阶复互相干度计算指出光频率梳具有较好的相干性.仿真结果表明,五氧化二钽集成非线性光波导在产生高重复频率平坦相干宽带光频率梳方面具有较好的前景.

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    13. 基于有限元仿真的硅基纳米光镊结构的设计
    高奎, 宋五洲, 朱晨俊, 夏蒙柔
    光子学报    2019, 48 (9): 926001-0926001.   doi: 10.3788/gzxb20194809.0926001
    摘要431)      PDF (4487KB)(195)   

    针对金属表面等离激元光镊热损耗问题,设计了一种硅基双纳米柱加纳米环的光镊结构.通过有限元仿真在1 064 nm入射光场下计算了三种不同硅基纳米结构(硅基纳米球、纳米柱、纳米环)的场增强效果.利用硅基纳米结构光学共振机理,设计了一种电场增强倍数达到7.39倍的硅基双纳米柱光镊结构.在此基础上,增加纳米环使光镊结构的环中心与双纳米柱间隙产生光学共振耦合现象,得到的电场增强倍数高达11.9倍,形成了稳定的光学势阱.最后采用麦克斯韦应力张量法对硅基光镊中不同直径的聚苯乙烯小球进行了捕获分析,并在xyz方向上计算分析了直径为25 nm的聚苯乙烯小球在不同位置的捕获力、捕获势能以及捕获刚度.设计的硅基纳米双圆柱加纳米环的光镊结构能够对聚苯乙烯小球起到良好的捕获效果.

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    14. 基于旋转不变特征的遥感图像飞机目标检测方法
    林亿, 赵明, 潘胜达, 安博文
    光子学报    2019, 48 (6): 610002-0610002.   doi: 10.3788/gzxb20194806.0610002
    摘要429)      PDF (3340KB)(169)   

    为了解决在动态飞机监管系统中,遥感图像飞机多目标检测准确率低的问题,提出一种目标检测方法.首先引入两种全新的旋转不变性特征,中心质点角与H向量;接着对遥感飞机图像进行滑窗检测,分别计算每一重叠块的中心质点角集、H向量相关系数;根据模板特征匹配度设计了相应的得分系统,再结合非极大值抑制等算法确定检测窗口内是否存在飞机.用不同场景下的遥感图像飞机进行多目标检测实验,结果表明该方法平均F1分数达到90%以上,相比传统方法,召回率与查准率更高,且适用范围更为广泛.

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    15. 基于几何约束的自适应相位解包裹算法
    李雯, 蔡宁, 林斌, 曹向群
    光子学报    2019, 48 (8): 810001-0810001.   doi: 10.3788/gzxb20194808.0810001
    摘要424)      PDF (2804KB)(138)   

    提出一种通过相机和投影仪的空间几何约束来展开相位包裹的方法,只需要对结构光投影测量系统进行标定,不需要进行传统的时间或空间相位展开.通过投影单周期条纹得到物体的大致高度信息以确定虚拟深度平面,在虚拟平面zmin0处,根据结构光系统的标定参数创建最小绝对相位图,物体的包裹相位逐像素与进行比较,即确定条纹级数,实现相位解包裹.该方法具有良好的鲁棒性,对硬件要求低,采集图像少并且不需要额外的物体来获得zmin0,能够实现自适应动态测量.实验结果表明,在同等条件下,与传统时间相位展开方法相比,该方法的相对误差降低了14.33%,同时简化了测量方法,能够有效实现物体的三维形貌测量.

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    16. 小型无人机载大视场复眼相机光学系统设计
    于晓丹, 张远杰, 王元元, 许黄蓉, 鱼卫星
    光子学报    2019, 48 (7): 722003-0722003.   doi: 10.3788/gzxb20194807.0722003
    摘要422)      PDF (4150KB)(259)   

    针对小型无人机载大视场光学成像观测需求,设计了一款仿生复眼大视场微小型相机.该相机光学系统总焦距为4 mm,F数为4,视场角可达106°,在500 m的飞行高度分辨率可达0.5 m.所设计系统由曲面排布的微透镜阵列、光学像面变换子系统、图像接收和数据采集处理单元三部分组成.仿生复眼中的子透镜采用双胶合透镜组合以减小系统像差,相邻子透镜在满足视场一定重叠率的前提下,可允许相邻多达7个子透镜同时对地面目标进行成像,达到目标定位和测速的目的.仿真结果表明无人机载大视场复眼相机系统在给定的公差范围内像质满足要求,每个通道的光学畸变可控制在1.2%以下.

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    17. 薄膜微结构的近红外透射诱导增强特性
    葛少博, 刘卫国, 周顺, 杨鹏飞, 李世杰, 黄岳田, 孙雪平, 林大斌, 张进
    光子学报    2019, 48 (7): 731001-0731001.   doi: 10.3788/gzxb20194807.0731001
    摘要413)      PDF (7413KB)(346)   

    在SiNx薄膜中引入微金字塔结构,综合利用包含界面的薄膜光学微结构的折射、衍射与干涉现象,实现透反射的调控.通过单点金刚石切削与纳米压印、等离子体各向异性刻蚀技术相结合,将大面积、高效率、低成本的微结构制备方法推广至光学薄膜中,实现了多种尺寸的金字塔薄膜微结构的制备,结构单元尺寸可以在1.5~10 μm之间进行调控.光谱特性检测结果表明,SiNx薄膜微金字塔结构阵列在近红外至长波红外波段,表现出超宽波段的减反射特性;在0.8~2.5 μm的近红外波段,反射率低于1.0%;在3~5 μm的中红外波段,反射率小于2.5%;在10~12 μm长波红外波段,平均反射率低于5%;与传统的四分之一波长抗反射膜系相比,SiNx薄膜微金字塔结构阵列的减反射效果的实现,无需膜系设计时的折射率匹配,简化了膜系结构.研究发现SiNx薄膜微金字塔结构阵列的近红外透射诱导增强特性,高度为2~4 μm的SiNx薄膜微金字塔结构阵列,均在2.1μm波长处出现明显的透射诱导增强效应,且高为4 μm,底宽为8 μm的微金字塔结构阵列的透射增强作用最为明显,透射率达到了96%以上.实验检测与仿真分析证明,透射增强的位置和强度由微结构的形貌尺寸及其结构比例关系决定.

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    18. 采用块材料展宽器的紧凑型飞秒掺钛蓝宝石激光再生放大研究
    秦爽, 宁笑楠, 陈九成
    光子学报    2019, 48 (9): 914001-0914001.   doi: 10.3788/gzxb20194809.0914001
    摘要413)      PDF (3091KB)(213)   

    采用特殊结构的块材料作为脉冲展宽器的紧凑型掺钛蓝宝石再生放大器设计,相对传统设计展宽器结构更加简洁可靠,利用棱栅对结构进行脉冲压缩,在25 W,527 nm,1 kHz的激光泵浦条件下,输出单脉冲能量为3.5 mJ,重复频率1 kHz,脉冲宽度为30 fs的超快激光脉冲.稳定性测试发现,8 h功率抖动性小于0.7%.

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    19. 基于相位差异法的简易光学系统的图像复原方法
    景文博, 邹欢欢, 张家铭, 赵致远, 王彩霞
    光子学报    2019, 48 (9): 911001-0911001.   doi: 10.3788/gzxb20194809.0911001
    摘要413)      PDF (6699KB)(115)   

    简易光学系统因系统结构简单而存在严重像差,导致所成图像出现模糊、失真等问题.对简易光学系统的成像特性进行分析,在已知光学系统焦距和光瞳孔径的条件下,建立含有像差的点扩散函数模型和图像复原模型,根据焦面和离焦面图像以及精确的离焦量,无需点扩散函数的先验信息,采用相位差异法对简易光学系统所成图像进行重构.实验结果表明:单透镜、双透镜和三透镜系统复原图像质量评价指标提升率分别达到24.96%、24.80%和42.04%,重构后图像质量均有明显提升.

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    20. 用于弹载线阵激光雷达的卷积神经网络目标识别
    武军安, 郭锐, 刘荣忠, 柯尊贵
    光子学报    2019, 48 (7): 701002-0701002.   doi: 10.3788/gzxb20194807.0701002
    摘要407)      PDF (4214KB)(296)   

    为了提高末敏弹在复杂背景条件下对装甲目标的识别能力,将线阵激光雷达作为探测器,结合卷积神经网络对线阵激光雷达距离像进行目标分类与识别.利用末敏弹边旋转边下降的运动特点,实现对扫描区域的距离成像,并通过采样率控制及插值等算法将原始距离像构造成适用于卷积神经网络的灰度像.针对弹载高实时性、小体积和低功耗的要求,建立了由两层卷积层和一层全链接层构成的浅层卷积网络,选用Xilinx ZYNQSoC芯片作为硬件平台,通过基于HLS技术和SDSoC开发环境将卷积操作放在端进行硬件并行加速.缩比模拟试验结果验证了该方法具有较高的目标识别精度,对复杂背景下的装甲目标也能有效识别.ZYNQSoC的PL硬件相较于普通CPU方案,加速性能提升了5倍,能够满足弹载的要求.

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