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    25 February 2020, Volume 49 Issue 2
    Integrated Optics
    Simulation and Fabrication of Polymeric Slot Waveguide for Refractive Index Sensing
    Lü Huan-lin, LIANG Yu-xin, HAN Xiu-you, WU Zhen-lin, GU Yi-ying, ZHAO Ming-shan
    2020, 49(2):  213001-0213001.  doi:10.3788/gzxb20204902.0213001
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    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.
    Simultaneous Low Nonlinearity and High Power Confinement in Slot Waveguides
    HU Shu-bo, XU Ya-meng, LI Jia-xuan, KONG Mei
    2020, 49(2):  213002-0213002.  doi:10.3788/gzxb20204902.0213002
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    利用非线性效应的全矢量模型和狭缝波导的有限元模场求解法,系统地研究了狭缝波导结构和包层材料对其非线性和功率限制特性的影响.研究结果表明,狭缝波导的硅臂宽度、狭缝宽度、硅层高度和包层材料均影响其非线性和功率限制特性.对于空气包层狭缝波导,不同结构参数下的最高功率限制因子对应的非线性系数均高于20 W-1·m-1,而最低非线性系数6.5 W-1·m-1均出现在模式截止附近,泄露损耗较大,功率限制较弱,故空气包层狭缝波导无法同时实现低非线性和高功率限制;如果在狭缝波导上包覆二氧化硅,则可以同时获得低非线性和高功率限制,非线性系数可低至4.12 W-1·m-1,同时功率限制因子可达42%.
    Spectroscopy
    Influence of Cylindrical Photoacoustic Cell Structure and Environmental Factors on Acoustic Eigenfrequency
    CHENG Gang, CHEN Jia-jin, CAO Ya-nan, TIAN Xing, LIU Kun, CAO Yuan
    2020, 49(2):  230001-0230001.  doi:10.3788/gzxb20204902.0230001
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    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.
    Dynamic Simulation of Laser-produced Plasma under Plate Constraint
    LI Ji-long, WANG Ao-song, LIU Yan-zhang, HUANG Da-peng, QIU Yan, WU Jian
    2020, 49(2):  230002-0230002.  doi:10.3788/gzxb20204902.0230002
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    为深入认识空间约束增强的物理机理,采用二维可压缩流体模型,建立平板约束下激光诱导等离子体动力学行为的数值模拟模型,计算了平板约束下等离子体的演化过程,得到的一系列时间分辨的温度分布结果与实验结果基本一致.揭示了平板约束下,反射激波对等离子体的压缩作用导致等离子体温度升高的机理.对不同激光能量和不同约束板间距对等离子体温度增强效果和增强时刻的影响进行了研究,两板间距增加,增强时刻明显延迟,等离子体温度的增强效果削弱.
    Optical Devices
    Filtering Characteristics of an MIM Waveguide Filter Based on a Rectangular Cavity
    LONG Hu, CHEN Hong-yi, LU Xiao-wei, CAI Yi, ZENG Xuan-ke, LI Jing-zhen
    2020, 49(2):  223001-0223001.  doi:10.3788/gzxb20204902.0223001
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    理论提出并研究了一种基于矩形腔的窄带金属-介质-金属波导滤波器.建立滤波器内电场的传递矩阵模型,研究了矩形微腔与直通波导间耦合特性对器件滤波特性的影响.同时,研究了耦合长度、矩形微腔腔长、传输损耗等因素对滤波带宽的影响.研究结果表明,对于不同的矩形微腔腔长,存在一个可使器件滤波带宽达到最窄的耦合系数.此外,当微腔腔长越长且传输损耗越小时,滤波带宽也将越窄.该研究为表面等离子体波导的研究与设计提供了一定的参考.
    Liquid-core, Thin-wall Microcapillary Electric Field Sensor with High Quality Factor
    ZHOU Quan, CHEN Yao, HAN Feng-kai, SHEN Zhi-ping, ZHANG Zu-xing, WAN Hong-dan
    2020, 49(2):  223002-0223002.  doi:10.3788/gzxb20204902.0223002
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    为提高电场传感器的抗电磁干扰能力、灵敏度和稳定性,将高Q值薄壁液芯毛细管微腔和电泳效应结合,增强回音壁模共振微腔对外加电场的感知能力,并进行了实验验证.基于时域有限差分法得到了液芯毛细管微腔回音壁模式共振特性随毛细管直径、壁厚等结构参数的变化规律,发现随着壁厚变薄灵敏度增加.采用熔融拉锥法制备了直径为86 μm,壁厚约为2 μm的薄壁毛细管微腔,通过高精度位移平台实现了锥形光纤和毛细管微腔的高效率耦合,测得回音壁模式Q值为2.8×106.毛细管微腔内注入不同浓度的蛋白质溶液,利用电泳原理和蛋白质分子在缓冲溶液里带电的特性,实现的最大电场传感灵敏度为10.6 pm/(kV/m).
    Atmospheric and Oceanic Optics
    Aerosols Scattering Polarization Characteristics Based on Different Surface Reflection Type
    MA Yu-zhao, GAO Chen, CHENG Fei-fan, LI Meng, XIONG Xing-long
    2020, 49(2):  201001-0201001.  doi:10.3788/gzxb20204902.0201001
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    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.
    Sensitivity Study of Aerosol Parameters from Observations of O4 Absorption by MAX-DOAS
    MOU Fu-sheng, LUO Jing, LI Su-wen
    2020, 49(2):  201002-0201002.  doi:10.3788/gzxb20204902.0201002
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    研究了基于地基差分吸收光谱技术观测的O4吸收反演气溶胶光学参量的敏感性.利用大气辐射传输模型McArtim分析了不同波长、不同气溶胶光学参量(光学厚度、边界层高度、单次散射反照率、非对称因子)对O4吸收(大气质量因子)的影响.结果表明,大气质量因子对中心波长变化不敏感,气溶胶光学厚度和边界层高度对O4吸收具有重要影响,气溶胶光学厚度从0.1增加到1时,3°仰角测量的大气质量因子减少了28%,边界层高度从0.1 km增加到1 km,3°仰角测量的大气质量因子增加了9.2%.平纬圈观测模式下O4吸收对单次散射反照率和非对称因子具有较好的灵敏度,提供了一种基于地基MAX-DOAS观测O4吸收反演气溶胶光学参量的新方法.
    Post Processing for Adaptive Optics Imaging Based on Multi-channel Blind Recognition
    LI Xin, WU Yang, FANG Zhou, XU Qi, YANG Hai-bo, YANG Hui-zhen
    2020, 49(2):  201003-0201003.  doi:10.3788/gzxb20204902.0201003
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    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.
    Quantum Optics
    Geometrical Quantum Discord in a Coupled Cavities System with a Center
    FAN You-ji, LU Dao-ming
    2020, 49(2):  227001-0227001.  doi:10.3788/gzxb20204902.0227001
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    引入了由N+1个单模腔构成的有心结构耦合腔物理模型.其中,中心腔起耦合器作用,其余N个腔通过N条光纤与中心腔耦合,并且每个腔囚禁1个二能级原子.在系统激发数等于1的情况下,给出了系统态矢的演化规律,研究了两原子间和两腔场间的几何量子失谐.通过数值计算,讨论了耦合腔数目和原子与腔场间耦合强度对几何量子失谐的影响.研究结果表明:随着腔数目的增加两原子间和两腔场间的几何量子失谐都减弱;随着原子与腔场间耦合系数增大,两原子间几何量子失谐减弱,但两腔场间几何量子失谐却加强.
    Plasmon Induced Transparency Effect Based on Two Stub Cavities Side-coupled Waveguide
    WANG Bo-yun, CHENG Jia-bao, ZHU Yue-hong, LING Yong-hong, ZENG Qing-dong, XIONG Liang-bin, DU Jun, WANG Tao, YU Hua-qing
    2020, 49(2):  227002-0227002.  doi:10.3788/gzxb20204902.0227002
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    为了降低功耗、实现超快速响应,设计了一种基于双矩形腔边耦合等离子体波导系统,并研究了其等离子体诱导透明效应.采用光学Kerr效应超快调控石墨烯-Ag复合材料波导结构,实现1 ps量级的超快响应时间.动态调控等离子体波导的传输相移,当泵浦光强为5.83 MW/cm2时,等离子体诱导透明系统能够实现透射光谱π相移,这是因为基于石墨烯-Ag复合材料结构等离子体波导具有大的等效光学Kerr非线性系数,表面等离子体激元局域光场和等离子体诱导透明效应慢光对光学Kerr效应产生了协同增强作用,大大降低了系统获得透射光谱π相移的泵浦光强.等离子体诱导透明效应透明窗口的可调谐带宽为40 nm,系统的群延时控制在0.15 ps到0.85 ps之间,并且光波通过间接耦合或者相位耦合机制实现了等离子体诱导透明效应相移倍增效应.耦合模式理论计算结果很好地吻合了时域有限差分法仿真模拟结果,研究结果对于低功耗、超快速非线性响应和紧凑型光子器件的设计和制作具有一定的参考意义.
    Optical Design and Fabrication
    Design and Experiments of Annular Beam Shaping Device with Low Speckle Noise
    LIU Wen-jing, PANG Hui, CAO A-xiu, SHI Li-fang, FU Yong-qi, DENG Qi-ling
    2020, 49(2):  222001-0222001.  doi:10.3788/gzxb20204902.0222001
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    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.
    Design of Video Display Driving System for Low-power Electrowetting Display
    CHEN Zhe-liang, LIN Shan-ling, LIN Zhi-xian, LIAO Qin-kai, LI Tian-tian, TANG Biao
    2020, 49(2):  222002-0222002.  doi:10.3788/gzxb20204902.0222002
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    针对电润湿显示器在播放视频时功耗较大的问题,设计了一套基于人眼视觉特性的低功耗视频显示驱动系统。该系统采用直方图修正与直方图匹配的方法,结合人眼视觉特性设定阈值,减少显示图像中高亮像素的数量从而降低系统功耗;同时提出一种低功耗多灰度驱动波形,结合电润湿显示器的光电特性,在实现灰度精准调制的同时进一步降低系统的功耗。实验结果表明:该系统改善了油墨分裂、油墨回流等问题,成功驱动了1 024×768分辨率的电润湿显示器且视频显示效果良好,像素的最高灰度等级达到16阶,在测量同一段视频时,平均功率降低至1.75 W,功耗减少约20%.
    Remote Sensing and Sensors
    kHz Repetition Rate Mobile Laser Ranging System with High Precision and Measuring Results Analysis in Western China
    LI Xin, ZHU Wei, LUO Qing-shan, ZOU Tong, GUO Tang-yong
    2020, 49(2):  228001-0228001.  doi:10.3788/gzxb20204902.0228001
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    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.
    Calibration Method of Smear in the Sun Glint Region of Directional Polarization Camera Remote Sensing Images
    WENG Jian-wen, YUAN Yin-lin, KANG Qing, TU Bi-hai, XIA Mao-peng, HUANG Dong, HONG Jin, ZHENG Xiao-bing
    2020, 49(2):  228002-0228002.  doi:10.3788/gzxb20204902.0228002
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    为了有效校正星载偏振相机成像时太阳耀斑区产生的拖尾,以高分五号卫星多角度偏振成像仪为例,结合多角度偏振成像仪在轨成像特点,理论分析了图像获取过程中拖尾产生的机理.建立了光斑区不含饱和像元情况下能够有效对漏光拖尾进行校正的矩阵法与暗行法校正模型,以及光斑区全像元饱和情况下结合矩阵法与暗行法估计光斑区饱和像元强度的遗留拖尾校正模型,该算法充分考虑了强光饱和条件下太阳耀斑区产生的漏光拖尾与遗留拖尾.利用实验室积分球光源成像光斑模拟在轨运行时遥感图像太阳耀斑开展拖尾校正方法可行性验证实验.实验结果表明,该方法不仅能有效去除图像中的拖尾噪声,提高图像质量,而且能够对光斑饱和像元强度进行有效估计.最后,分析多角度偏振成像仪在轨成像图中耀斑区拖尾对其辐亮度测量精度的影响,分析结果表明,拖尾校正前后,灰度方差由202.69×106下降至2.32×106,平均梯度由5.08×10-1下降至2.26×10-1.
    Machine Vision
    Perceptive Distance Estimating Based on Comfort Information for Stereo Images
    ZHAO Yun-xiu, QUAN Wei, HAN Cheng, LI Hua, ZHANG Chao, LIU Yi
    2020, 49(2):  215001-0215001.  doi:10.3788/gzxb20204902.0215001
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    提出了一种基于立体舒适度的双目图像感知距离估计方法.首先,推导双目立体图像的立体深度;然后进行主观实验获取实际人眼感知到的深度,分析其与立体深度间的差异;最后,将立体舒适度作为生理因素,建立感知距离、立体深度与视觉舒适度之间的关联关系,并得出感知距离的计算模型.在IVY公共数据集上进行实验验证,结果表明:当视觉舒适度值较高时,模型预测值的平均绝对值误差与均方根误差较主观评测值分别减少了0.004 9、0.007 3;而当视觉舒适度值较低时,平均绝对值误差与均方根误差分别减少了0.072 1、0.059 4.本模型结果更接近人类主观感知到的深度.
    Coaxiality Error Measurement Technology for GNSS Antenna Connector
    SU Guo-ying, ZHANG Fu-min, HAN Yong, LI Wen-yi
    2020, 49(2):  215002-0215002.  doi:10.3788/gzxb20204902.0215002
    Asbtract ( 149 )   HTML ( )   PDF (3716KB) ( 30 )  
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    为测量GNSS天线连接器同轴度误差,构建了连接器分段旋转数学模型,提出了一种水平转台和机器视觉结合的非接触式测量方法,搭建测量装置并进行了测量实验.分析连接器运动方式和同轴度误差测量方法,确定各轴线之间的偏移关系,建立同轴度误差数学模型和测量模型.搭建测量装置,相机安装在水平转台上方,光轴平行于水平转台轴线.旋转水平转台,使用相机捕捉转接螺杆端面圆心位置并拟合轨迹,完成测量装置同轴度误差自标定.将连接器安置在水平转台上,旋转水平转台,测量连接器顶部螺纹杆轴线相对水平转台轴线的偏移.旋转连接器的承载器,测量连接器顶部螺纹杆轴线相对承载器轴线的偏移.最终,综合各轴线的偏移关系得到连接器同轴度误差的最大值.实验结果表明,测量装置对GNSS天线连接器同轴度误差的测量标准差为9 μm,单次测量结果的扩展不确定度U=30 μm(k=2),满足GNSS天线连接器0.1 mm至1 mm量级的同轴度误差的测量需求,使用连接器同轴度误差修正GNSS超短基线测量结果,可以显著提升基线测量精度.
    Image Processing
    Sparse Prior-based Space Objects Image Blind Inversion Algorithm
    LI Zheng-zhou, QING Lin, LI Bo, CHEN Cheng, QI Bo
    2020, 49(2):  210001-0210001.  doi:10.3788/gzxb20204902.0210001
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    针对图像盲反演算法未考虑空间目标图像自身特性,致使对空间目标图像细节信息恢复不理想、重构图像中易产生边界伪像等不足之处,提出了一种基于稀疏表示的联合稀疏先验约束盲反演算法.首先,结合空间目标图像梯度的稀疏特性,采用图像梯度的L0范数提取有利于模糊核估计的图像显著边缘信息;其次,采用Lp范数和L0范数对图像的梯度分布和空间域进行稀疏约束,以保证反演图像的像素点间具有显著的对比度,同时保证图像中包含边缘和纹理等细节信息;最后,采用拉普拉斯分布先验对模糊核进行约束,以保证模糊核的稀疏特性.采取交替迭代策略对所提出的模型进行优化求解,从而得到模糊核和空间目标图像的估计值.实验结果表明,相比于几种具有代表性的盲反演算法,提出的方法能估计出更准确的模糊核,对图像边缘和纹理等细节信息具有更好的恢复能力,在主观评价和客观评价方面均取得了较好的反演性能.
    Low-light Image Enhancement Method Using Retinex Method Based on YCbCr Color Space
    TIAN Hui-juan, CAI Min-peng, GUAN Tao, HU Yang
    2020, 49(2):  210002-0210002.  doi:10.3788/gzxb20204902.0210002
    Asbtract ( 426 )   HTML ( )   PDF (11452KB) ( 95 )  
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    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.
    Blind Watermarking Method Based on Binarized Computational Ghost Imaging
    YUAN Sheng, WANG Zhen, ZHOU Xin, BING Pi-bin
    2020, 49(2):  210003-0210003.  doi:10.3788/gzxb20204902.0210003
    Asbtract ( 180 )   HTML ( )   PDF (6084KB) ( 77 )  
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    提出了一种基于二值化计算鬼成像的盲水印方法.首先将水印图像经计算关联成像加密系统加密,并将加密数据二值化,然后将其隐藏到宿主图像的离散余弦变换域,实现水印信息的嵌入.水印信息的提取和重建是隐藏和加密的逆过程,分别借助提取密钥和解密密钥获取水印信息.仿真实验证明,该方法具有很好的隐蔽性,在嵌入因子α=10时,嵌入水印仍具有较好的不可感知性,含水印图像的峰值信噪比在38 dB以上;另外,该方法也具有一定的容错能力,提取的加密数据错误率达20%时,重建的水印信息仍能分辨和识别;与传统的计算鬼成像相比,加密数据的二值化为水印嵌入提供了方便,但是并未对重建图像带来严重恶化,其相关系数相差不足0.1;水印信息的提取无需借助原始宿主图像,是一种盲提取方法.
    Object Detection of Millimeter-wave Image Based on Spatial-transformer RCNN with Deblurring
    LIANG Guang-yu, CHENG Liang-lun, HUANG Guo-heng, XU Li-min
    2020, 49(2):  210004-0210004.  doi:10.3788/gzxb20204902.0210004
    Asbtract ( 286 )   HTML ( )   PDF (5115KB) ( 66 )  
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    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.
    Materials
    Preparation and Mid-infrared Luminescence Properties of Transition Metal Co2+ Doped ZnS Sulfide Nanocrystals
    WEN Chang-xiu, SHI Hua-wei, CHEN Mei-ling, XIAO Xu-sheng, GUO Hai-tao, CUI Xiao-xia
    2020, 49(2):  216001-0216001.  doi:10.3788/gzxb20204902.0216001
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    利用不含有机相的简单水热法制备了Co2+:ZnS纳米晶,纳米晶具有立方闪锌矿结构,平均晶粒尺寸约为8.3 nm,在808 nm激光泵浦下具有2~5 μm波段的中红外荧光发射,中心波长位于3 400 nm和4 700 nm,分别对应Co2+离子的4T2(F)→4A1(F)和4T1(F)→4T2(F)的能级跃迁.进一步将制备的纳米晶在还原气氛下进行800℃热处理,获得立方闪锌矿和纤锌矿混合晶型的纳米晶,平均晶粒尺寸增大到22.5 nm左右,热处理后的纳米晶表面羟基含量更低,中红外荧光发射强度显著提高.该Co2+:ZnS纳米晶的制备方法简单、在制备过程中不引入有机相等荧光淬灭中心,同时证明通过后热处理过程可以进一步减少表面缺陷及羟基含量,使荧光强度得到大幅提升.