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    25 April 2020, Volume 49 Issue 4
    Lasers and Laser Optics
    State-switchable Multi-wavelength and Dissipative Soliton Mode-locked Tm-doped Fiber Laser Based on a Combination of Nonlinear Amplifying Loop Mirror and Lyot Filter
    WANG Xiao-fa, LIU Jing-hui, JIN Zeng-gao
    2020, 49(4):  414001-0414001.  doi:10.3788/gzxb20204904.0414001
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    报道了一种基于非线性放大环镜和Lyot滤波器技术的态开关型掺铥光纤激光器.通过仔细调节偏振控制器和泵浦功率,掺铥光纤激光器可以分别在多波长态和耗散孤子锁模态运行,并且两种态之间可以相互切换.对于多波长态,在光谱半功率值范围内能生成8个稳定的波长;对于耗散孤子锁模态,在1 996 nm的中心波长处产生脉冲能量高达41.49 nJ,脉冲持续时间为2.4 ns,光谱带宽为29 nm的耗散孤子.不同运行态间的切换归因于偏振控制器导致的非线性放大环镜的功能的改变.
    Research on Heat Transfer Characteristics of Porous Foam Heat Sink for All Solid State Thin Disk Lasers
    LIU Rui, GONG Fa-quan, LI Xiang, DAI Long-hui, LI Gang, TAN Yong
    2020, 49(4):  414002-0414002.  doi:10.3788/gzxb20204904.0414002
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    高功率全固态碟片激光器在运行中产生的热透镜效应会引起激光器输出功率降低、光束质量退变,针对该问题本文将多孔碳化硅泡沫和毫米通道引入到全固态碟片激光器的换热热沉中,并将其应用于多冲程泵浦的全固态碟片激光器.利用有限元分析软件对其结构模型参数进行了优化,当碳化硅厚度为2 mm,孔隙率为40%,入水口压力为4 kg(0.4 MPa)时,系统理论换热系数为1.51×105 W/m2·K,实验测量结果为1.45×105 W/m2·K,理论和实验结果较为接近,验证了理论模型的正确性.最后利用该新型热沉搭建了基于Yb:YAG的24冲程全固态碟片激光器实验装置,获得输出功率为393 W,波长为1 030 nm的连续激光输出,光-光转换效率达到52%,光束参数乘积为5.918 mm·mrad.
    Experimental Research on Power-balanced Nd:YVO4/Nd:GdVO4 Dual-wavelength Laser
    XIA Meng-ying, HU Miao, ZHOU Hui-min, QIAN Zheng-feng, ZHOU Xue-fang, YANG Guo-wei, LU Yang, BI Mei-hua
    2020, 49(4):  414003-0414003.  doi:10.3788/gzxb20204904.0414003
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    实验研究了Nd:YVO4/Nd:GdVO4双波长激光器在不同抽运功率条件下,通过调节热沉温度达到功率均衡时的输出特性.实验结果表明:对于Nd:YVO4/Nd:GdVO4双波长激光器,当提高抽运功率,需要重新降低热沉温度达到功率均衡输出,降温幅度与抽运功率增加之比为11.23℃/W.与此同时,随着抽运功率和热沉温度的变化,双波长激光器的中心波长会出现小幅度的漂移,左峰波长随抽运功率增加的蓝移速率为0.056 nm/W,右峰波长随抽运功率增加的蓝移速率为0.054 nm/W.实验还发现功率均衡条件下激光器的输出总功率随抽运功率的增加而增加,拟合斜效率为8.7%,当抽运功率为5.58 W时,输出最大总功率达到115.7 mW.
    Experimental Study on Dislocation Configuration and Grain Refinement of 690 High Strength Steel Treated by Laser Shock Processing
    CAO Yu-peng, YANG Cong, SHI Wei-dong, HUA Guo-ran, LI Bin, LI Rong
    2020, 49(4):  414004-0414004.  doi:10.3788/gzxb20204904.0414004
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    为研究激光冲击材料内部位错组态和晶粒细化的关系,用脉冲激光对690高强钢试样进行了冲击强化处理,采用扫描电镜和透射电镜分别获得了冲击后试样的扫描电子显微像和透射电子显微像、高分辨电子显微像,并对高分辨电子显微像进行快速傅里叶逆变换,从位错组态角度建立了激光冲击690高强钢晶粒细化模型.结果表明,690高强钢试样经功率密度为5.09 GW/cm2的激光冲击加载后,其材料内部位错增殖、表层晶粒细化,截面晶粒尺寸大小分布在80~200 nm;析出相与基体保持半共格关系,基体中分布着众多刃型位错、位错偶以及扩展位错等缺陷,其中位错偶是由带割阶的螺型位错运动形成;通过由位错、扩展位错、空位等构成的几何位错界面扩展交汇把原始大晶粒分割成细小晶粒;激光冲击690高强钢晶粒细化模型可以描述激光冲击690高强钢位错运动主导的晶粒细化过程.
    Atmospheric and Oceanic Optics
    Lidar Inversion of PM2.5 Mass Concentration Vertical Distribution
    XIONG Xing-long, LI Yong-dong, FENG Shuai, WANG Jie, MA Yu-zhao
    2020, 49(4):  401001-0401001.  doi:10.3788/gzxb20204904.0401001
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    针对PM2.5质量浓度在空间不同高度上的分布测量较难这一问题,采用激光雷达和大气透射仪以及粒径谱仪进行联合探测,反演PM2.5质量浓度廓线.考虑相对湿度等因素的影响,通过大气透射仪和粒径谱仪建立地面PM2.5质量浓度与大气透过率之间的函数关系.以大气透射仪所测地面大气透过率值为基准,修正激光雷达大气透过率在高空的边界值,结合Fernald后向积分法反演出大气透过率的垂直分布.依据建立的函数关系和大气透过率垂直分布,得到PM2.5质量浓度廓线,并采用HYSPLIT后向轨迹分析不同高度层气溶胶的输送和动态变化.通过激光雷达、大气透射仪和粒径谱仪的联合探测实验,结果表明:经大气透射仪修正后,大气透过率垂直分布精度得到了提高,PM2.5质量浓度廓线很好的反映了气溶胶垂直分布的微物理变化特征.
    Echo Signals Analysis of Side-scattering LiDAR under Different Wind Speed Conditions
    SUN Jia-qi, HU Miao, LI Peng, HE Wen-di, OU Jun, ZHOU Xue-fang, YANG Guo-wei, LU Yang, BI Mei-hua
    2020, 49(4):  401002-0401002.  doi:10.3788/gzxb20204904.0401002
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    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.
    Imaging Systems
    An Improved Apparent Distance Model for Direct-viewlow-light-level Night Vision System
    JIN Wei-qi, ZHANG Qin, WANG Xia, LI Li, QIU Su
    2020, 49(4):  411001-0411001.  doi:10.3788/gzxb20204904.0411001
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    针对经典视距模型对于三代与超二代像增强器的直视型微光夜视系统评价方面缺乏差异性,模拟仿真结果在10-4 lx超低照度下不甚理想这一问题,对现有的经典视距模型进行了三个方面的优化:在系统的传递函数模型加入了人眼的传递函数;基于光阴极与景物的光谱匹配修正了景物在光阴极产生的平均光电子数和光电子对比度公式;在噪声来源中加入了背景噪声项.进而推导出改进的视距模型,并通过头盔系统的实际外场实验结果进行了验证.结果表明,改进的视距模型能有效分辨出超二代和三代夜视系统的识别距离的差异,计算结果更接近实际测量结果.
    Deviation Correction of Laser Scanning Projection Image Based on Time Compensation
    HOU Mao-sheng, CHEN Yu-qing, LIU Da-li, SUN Ming-li, SHI Zheng-xue, LI Li-juan
    2020, 49(4):  411002-0411002.  doi:10.3788/gzxb20204904.0411002
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    为了解决自研的激光扫描投影系统在实际扫描投影零部件外形轮廓时会存在拖尾、缺失和非预期的圆角过渡等图形偏差,严重影响投影出零部件外形轮廓的形状准确度的问题.通过分析拖尾和缺失偏差、转角偏差产生的原因,研究了基于时间补偿的激光扫描投影图形偏差校正方法,得出了补偿时间与采样率间的关系,建立了时间补偿与投影图形转角角度间的数学模型.应用所研究方法在自主搭建的激光扫描投影系统中进行验证实验,并与国外FARO激光扫描投影系统的投影图形进行对比.实验结果表明:对优化投影路径后的5行5列棋盘格图形进行投影时,比较偏差补偿前后实际投影图形效果,补偿后的投影图形形状准确度优于0.5 mm.基于时间补偿的激光扫描投影偏差校正方法可以有效地补偿拖尾和缺失偏差、能够优化非预期的转角偏差,该方法应用于自主研发的激光扫描投影系统能够显著提高投影图形准确度,具有良好的实际应用价值.
    Multi-resolution Imaging with Camera Arrays on Curved Surface
    CAO Jie, CUI Huan, MENG Ling-tong, HAO Qun, TANG Ming-yuan
    2020, 49(4):  411003-0411003.  doi:10.3788/gzxb20204904.0411003
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    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.
    Optical Devices
    Near-infrared Properties of Optical Planar Waveguides Formed by H+ Ion Implantation in Yb3+-doped Phosphate Glasses
    Lü Jing-yan, GUO Hai-tao, XU Jun, LIU Chun-xiao
    2020, 49(4):  423001-0423001.  doi:10.3788/gzxb20204904.0423001
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    在能量为(0.5+0.55)MeV和剂量为(1.0+2.0)×1016 ions/cm2的条件下,通过氢离子注入制备了掺Yb3+磷酸盐玻璃波导,并研究了该波导在近红外波段的特性.棱镜耦合法测量的离子注入波导的导模的有效折射率与反射计算法计算的有效折射率基本吻合.通过模拟辐照引起的空位分布,探讨了离子注入平面波导的形成理论.利用FD-BPM对波导中的传播模式进行了模拟,结果表明高能量的氢离子注入掺Yb3+磷酸盐玻璃能够制备出近红外波导结构.
    Orthogonal Phase Detection Method of Light-addressable Potentiometric Sensor
    TONG Xing-yuan, YAN Xiao-guang, CHEN Dong
    2020, 49(4):  423002-0423002.  doi:10.3788/gzxb20204904.0423002
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    光寻址电位传感器的幅度检测方法易受噪声干扰,灵敏度差,信噪比和精度低,且受调制光源的影响较大,影响检测结果的准确性.为此提出了一种基于正交相位检波的光寻址电位传感器检测方法.该方法是将光寻址电位传感器的输出光电流信号分别与两路正交信号相乘,通过低通滤波提取直流分量并相除,即可得到光寻址电位传感器的输出信号相位信息.与已有的光寻址电位传感器相位检测方法相比,该方法具有算法复杂度低、实时性高的优点.实验研究了调制光源光强对光寻址电位传感器幅度检测和相位检测的影响,对比分析了光寻址电位传感器的传统幅度检测方法与正交相位检波检测方法对pH检测的灵敏度、线性度及信噪比.结果表明,相比于幅度检测方法,调制光源光强对光寻址电位传感器的相位检测影响更小,在频率为10 kHz,pH的范围为1.68~10.01的情况下,相位检测方法比幅度检测方法测得的灵敏度增加了7 mV/pH,精度提高了14.9 mpH,非线性误差减小了0.003%,均方差减少了0.105 1×10-5,信噪比增加了8.282 7 dB.该方法特别适用于弱光下的光寻址电位传感器检测.
    Physical Optics
    Interaction of Dark Rogue Waves
    GAO Ren, WANG Juan-fen, ZHANG Xuan, YANG Ling-zhen, ZHANG Zhao-xia
    2020, 49(4):  426001-0426001.  doi:10.3788/gzxb20204904.0426001
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    以耦合非线性薛定谔方程为理论模型,数值研究了两个一阶暗怪波在正常色散单模光纤中的相互作用.基于一阶暗怪波精确解,采用分步傅里叶数值模拟法,从间距、相位差和振幅系数比方面讨论相邻两个一阶暗怪波之间的相互作用.基于二阶暗怪波精确解,讨论了两个一阶暗怪波的非线性相互作用.研究结果表明:同相位情况下,间距参数T1为0、5、20时,相邻两个一阶暗怪波相互作用激发产生“扭结型”暗怪波.相比较于单个暗怪波发生能量的弥散,“扭结型”暗怪波分裂形成多个次暗怪波.反相位情况下,间距参数T1为2、7、12时,相邻两个一阶暗怪波相互作用也可以激发产生“扭结型”暗怪波.并且“扭结型”暗怪波初始激发的空间位置偏离原始单个暗怪波的位置5.振幅系数比越大,该空间位置越接近5.二阶暗怪波可以看作是两个一阶暗怪波的非线性叠加,复合型和三组分型二阶暗怪波与相邻两个一阶暗怪波的相互作用略有相似.
    Tightly Focusing Property of Off-axial Vector Beams
    LI Yu, LI Peng, WU Dong-jing, ZHAO Jian-lin
    2020, 49(4):  426002-0426002.  doi:10.3788/gzxb20204904.0426002
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    基于理查德-沃尔夫矢量衍射积分理论,数值研究了离轴矢量光束经过高数值孔径透镜后的紧聚焦特性.通过对比分析偏振奇点离轴的径向、角向矢量光束紧聚焦后,焦点附近的强度和相位分布规律,提出了一种由广义柱矢量光束设计紧聚焦场的方法.此外,通过分析矢量光束自旋分量的聚焦行为和自旋轨道耦合所诱导的自旋角动量分布变化,讨论了偏振奇点离轴对称破缺对高阶矢量光束紧聚焦场空间结构,特别是其自旋角动量空间分布的影响.该研究结果不仅对矢量光场的紧聚焦特性进行了补充,也为改进和完善焦场分布提供了理论参考.
    Fiber Optics and Optical Communications
    Photonic Crystal Fiber Temperature and Pressure Sensor
    LIU Tian-mu, JIANG Yi, CUI Yang
    2020, 49(4):  406001-0406001.  doi:10.3788/gzxb20204904.0406001
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    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.
    Photonic Generation of Filterless Frequency Multiple Tupling Optical Millimeter-wave Signal
    XUE Zhuang-zhuang, PEI Li, LIU Ting-ting, XIE Yu-heng, LI Jing
    2020, 49(4):  406002-0406002.  doi:10.3788/gzxb20204904.0406002
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    提出了一种无滤波的高倍频光载毫米波生成方案.该方案未使用相关的光/电滤波器就可16倍频的毫米波信号.整个系统采用三平行的马赫-曾德尔调制器结构和单个马赫-曾德尔调制器级联,通过调整系统的参数可以很好地抑制所有冗余光边带,只留下高质量的8阶光边带,无需任何光/电滤波器就能够得到16倍频的高质量毫米波信号.另外,详细分析了系统的工作原理,并通过仿真验证了调制深度、消光比、移相器偏移以及调制器偏压对系统的影响.研究结果表明将2 Gbit/s的非归零码型数据与10 GHz的射频信号混频后作为马赫-曾德尔调制器的驱动信号,系统经过50 km光纤传输后的链路功率代价为1.0 dB,具有良好的传输性能.该方案对于无滤波的高倍频毫米波生成有一定的参考价值.
    Alignment Control Algorithm of Underwater LD Communication Based on EKF
    LIU Hao, YANG Yi, YIN Ya-fang, ZHANG Jian-lei, LI Si-jing
    2020, 49(4):  406003-0406003.  doi:10.3788/gzxb20204904.0406003
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    高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.
    Detectors
    Transient Luminescence Characteristics of Random Laser Emission Based on Electron Beam Pumping Perovskite Nanocrystals
    DU Peng, MU Yi-ning, REN Hang, FAN Hai-bo, ZHU Yan, LI Yan-zheng, IDELFONSO Monroy
    2020, 49(4):  404001-0404001.  doi:10.3788/gzxb20204904.0404001
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    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.
    Remote Sensing and Monitoring of Industrial SO2 and Carbon Black Particles with Ultraviolet Imaging Technology
    DUAN Wei-min, XIONG Yuan-hui, CHEN Zhen-wei, YU Guang-bao, LIU Lin-mei, LI Fa-quan, WU Kui-jun
    2020, 49(4):  404002-0404002.  doi:10.3788/gzxb20204904.0404002
    Asbtract ( 114 )   HTML ( )   PDF (2670KB) ( 126 )  
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    为了准确有效监测工业烟囱排放,基于SO2及碳黑颗粒物的光学特性,设计并研制出一套双通道紫外成像遥感监测系统.该成像系统的两个光谱通道的中心波长分别定于310 nm和330 nm,利用两个通道的光学厚度之差反演SO2浓度图像,颗粒物浓度图像由330 nm通道获取,根据浓度图像结合光流法获取烟羽运动速度,进而计算得出SO2和碳黑颗粒物的排放速率.结果表明,该工业烟囱的SO2及碳黑颗粒物排放速率分别为72.48±3.16 kg/h和6.33±1.18 kg/h.实验采用紫外相机同时对工业烟囱排放的SO2及碳黑颗粒物进行监测,实验表明双通道紫外成像遥感监测兼具高时间分辨率与高空间分辨率,测量结果准确直观,在工业废气污染、船舶尾气污染以及火山喷发污染排放遥感监测中具有非常明显的技术优势及巨大的应用前景.
    Image Processing
    Infrared and Low-light-level Visible Light Enhancement Image Fusion Method Based on Latent Low-rank Representation and Composite Filtering
    JIANG Ze-tao, JIANG Qi, HUANG Yong-song, ZHANG Shao-qin
    2020, 49(4):  410001-0410001.  doi:10.3788/gzxb20204904.0410001
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    针对传统红外与弱可见光图像融合算法中存在的亮度与对比度低、细节轮廓信息缺失、可视性差等问题,提出一种基于潜在低秩表示与复合滤波的红外与弱可见光增强图像融合方法.该方法首先利用改进的高动态范围压缩增强方法增强可见光图像提高亮度;然后利用基于潜在低秩表示与复合滤波的分解方法分别对红外与增强后的弱可见光图像进行分解,得到相应的低频和高频层;再分别使用改进的对比度增强视觉显著图融合方法与改进的加权最小二乘优化融合方法对得到的低频和高频层进行融合;最后将得到的低频和高频融合层进行线性叠加得到最终的融合图像.与其他方法的对比实验结果表明,用该方法得到的融合图像细节信息丰富,清晰度高,具有良好的可视性.
    Multiple-image Encryption Based on Image Recombination and Bit Scrambling
    GUO Yuan, ZHOU Yan-yan, JING Shi-wei
    2020, 49(4):  410002-0410002.  doi:10.3788/gzxb20204904.0410002
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    针对现有多图像加密算法只能同时加密多张同类型同大小的图像,适用范围不广、实用性差等问题,提出一种基于图像重组和比特置乱的多图像加密算法.该算法通过将任意数量、不同大小和不同类型的图像重新组合成新多灰度图,一次完成同时加密,极大提高了加密效率和适用范围.首先,依次提取所有待加密图像像素值重新组合出Nm×n新灰度图,并将其转化成m×n×8N二进制矩阵.然后,采用3D比特置乱方式,对高位页进行行列比特置乱,低位页进行整页比特置乱.最后,进行异或扩散操作,得到密文图像.高低位分开置乱提高了算法的抗噪声能力,最终密文信息熵达到7.999以上,很好地掩盖了明文的统计特性.构造一种新型Logistic与广义三阶Fibonacci级联的混沌系统产生随机序列,增加了初值和控制参数范围,扩大了密钥空间,使其达到8×1084以上,极大地提高了抗穷举攻击能力.既提高了序列随机性,又同时保留了低维混沌系统的快速性.结合明文哈希值(SHA-256)产生密钥,明文像素值发生微小改变后密文像素值变化率达到0.996以上,极大地提高了的明文敏感性和算法抗选择明文攻击的能力.实验分析表明,提出的多图像加密算法安全性高、实用性强.
    Infrared Image Enhancement Based on Retinex and Probability Nonlocal Means Filtering
    LI Jia, LI Shao-juan, DUAN Xiao-hu, YAO Yuan, LI Ji-yang, WANG Li-zhi
    2020, 49(4):  410003-0410003.  doi:10.3788/gzxb20204904.0410003
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    针对传统红外图像增强算法中细节模糊及过度增强的问题,提出了一种基于Retinex理论与概率非局部均值相结合的红外图像增强方法.首先通过单尺度Retinex方法调整图像中过暗与过亮部分的灰度级;然后利用概率非局部均值对图像进行分解处理得到基本层与细节层,对基本层采用直方图均衡化拉伸对比度,对细节层采用非线性函数进行增强;最后,将不同层次的结果融合得到对比度与细节增强的红外图像.用该方法对多组不同场景的红外图像进行仿真实验,并将其与多种增强方法进行主、客观对比分析,结果表明所提方法在红外图像的细节及对比度增强方面都获得了更好的效果.
    Hyperspectral Image Classification Based on Hierarchical Guidance Filtering and Nearest Regularized Subspace
    XU Dong-dong, CHENG De-qiang, CHEN Liang-liang, KOU Qi-qi, TANG Shou-feng
    2020, 49(4):  410004-0410004.  doi:10.3788/gzxb20204904.0410004
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    针对高光谱图像中同质异谱现象造成的分类精度较低以及边缘像元在联合空间光谱信息分类时特征易混淆的问题,提出了基于分层引导滤波与最近邻正则化子空间的分类方法.利用主成分分析获得高光谱图像的第一主成分.以第一主成分为引导图像对高光谱图像执行分层引导滤波操作,引导滤波的边缘保护特性,有效阻隔了边缘处类间光谱信息的混淆,并减小了局部区域类内光谱的差异,最后将预处理后的高光谱图像送至最近邻正则化子空间分类器进行分类识别.在Indian Pines, Salinas以及GRSS_DFC_2013高光谱数据集上与现有的方法进行对比实验.结果表明,本文提出的方法在三个数据集上分别取得了98.63%,99.13%与99.42%的总体分类准确率,有着更优的分类精度与可视化效果.
    Center Based Model for Arbitrary-oriented Ship Detection in Remote Sensing Images
    ZHANG Xiao-han, YAO Li-bo, Lü Ya-fei, HAN Peng, LI Jian-wei
    2020, 49(4):  410005-0410005.  doi:10.3788/gzxb20204904.0410005
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    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.
    Restoration Method of Atomic Force Microscopy Image Based on Transfer Learning
    HU Jia-cheng, YAN Di-xin, SHI Yu-shu, HUANG Lu, LI Dong-sheng
    2020, 49(4):  410006-0410006.  doi:10.3788/gzxb20204904.0410006
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    受限于探针针尖结构尺寸,用原子力显微镜进行微纳测量时会产生图像边缘失真.提出了一种基于迁移学习的原子力显微镜成像恢复方法,通过迁移学习训练源模型和靶模型实现一维栅格成像恢复.该方法采用数学形态法中的腐蚀算法生成栅格点云数据,通过U-Net网络源模型从点云中提取针尖卷积效应的特征向量,将权重参数迁移至U-Net网络靶模型,靶模型在自适应正则化方法下进行监督学习.实验结果表明,该方法能有效恢复一维栅格的原子力显微镜测量图像,提高横向分辨力,可用于纳米栅格的线宽检测上.
    Instrumentation, Measurement and Metrology
    A Specular Stepped Surface Profile Measurement System Based on Fringe Reflection Principle with Micrometer-level Height Resolution
    WAN Xin-jun, Lü Song, SONG Ke, XIE Shu-ping
    2020, 49(4):  412001-0412001.  doi:10.3788/gzxb20204904.0412001
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    提出了一种检测微米级高度衍射台阶结构的条纹反射三维检测方法.对条纹反射光路的理论分析表明,合理选择入射光线角度和液晶屏放置角度以及液晶屏像素尺寸等系统参数,条纹反射系统能够分辨微米乃至亚微米级的镜面台阶.实际构建了一套微米级台阶镜面条纹反射测量实验装置;采用四步相移法进行条纹相位解算,运用移动屏幕方法确定反射光线方程,结合三角交汇原理,对待测台阶镜面进行三维重构.实际测量了名义值为5 μm和10 μm的台阶镜面,测量结果不确定度在0.5 μm内,和商业仪器测量结果的偏差<0.5 μm,证明了设计方法的可行性.本文结果对于包含衍射台阶结构的光学元件三维测量研究具有一定的借鉴意义.
    Specular Normal Calibration Technology of Point Source
    LI Rui-jin, ZHANG Li-ming, LI Xin, WANG Wei, LI Jia-wei, HAO Jun
    2020, 49(4):  412002-0412002.  doi:10.3788/gzxb20204904.0412002
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    针对基于反射式点光源进行在轨辐射定标过程中反射镜法向标校建模不够完善的问题,提出基于反射镜与相机几何模型的反射镜法向标校及矢量控制算法.通过解算模型求解相机与反射镜间的几何误差,建立了太阳图像质心坐标与反射镜法向之间的关系,可实现多点自动化标校反射镜法向,提高镜法向标校及系统指向精度.实验结果表明,利用解算后的几何模型反解不同时刻质心坐标进行多点反射镜法向标校,相机观测太阳像素角分辨率标准误差分别为:X轴方向0.021 65°、Y轴方向0.019 82°,综合角分辨率误差为0.029 36°,优于太阳观测器对反射镜法向标校精度.实现了相机观测太阳取代人工借助太阳观测器观测太阳的自动化镜法向标校,扩展了标校灵活度,系统综合指向精度优于0.1°,为固定实验场联网自动化集中控制不同能级梯度的点光源阵列在轨辐射定标和调制传递函数检测奠定基础.
    Quantum Optics
    Non-classical Properties of Laguerre Polynomial's Photon Added Coherent State
    LU Dao-ming
    2020, 49(4):  427001-0427001.  doi:10.3788/gzxb20204904.0427001
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    将拉盖尔多项式算符作用在相干态上,构造了拉盖尔多项式算符激发相干态.利用有序算符积分技术,导出了它的归一化系数以及〈ala+m〉的计算表达式.采用数值计算方法,讨论了相干态相位角和平均光子数对它的非经典性质的影响.研究结果表明:一阶拉盖尔多项式算符激发相干态呈现出压缩效应、反聚束效应、亚泊松分布和Wigner函数负性等量子特性,并且相干态的相位角对它的量子特性有重要影响;另一方面,随相干态平均光子数增大,它的反聚束效应和亚泊松分布性质逐渐减弱,压缩效应和Wigner函数的负性却先增强,而后又逐渐减弱.
    Machine Vision
    Point Cloud Registration Based on Neighborhood Characteristic Point Extraction and Matching
    LI Xin-chun, YAN Zhen-yu, LIN Sen, JIA Di
    2020, 49(4):  415001-0415001.  doi:10.3788/gzxb20204904.0415001
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    为解决噪声干扰、数据丢失情况下迭代最近点算法的鲁棒性差、配准精度低等问题,提出一种基于邻域特征点提取和匹配的点云配准方法.首先定义一个由点的k邻域曲率、点与邻近点的法向量内积均值以及邻近点与邻域拟合平面的欧氏距离方差等三部分组成的邻域特征参数,结合在移动最小二乘表面构造的曲率特征参数对点云进行两次特征点提取;其次依据直方图特征定义三个匹配条件,并用双重约束获得正确的匹配点对;最后在配准阶段,采用双向构建k维树的迭代最近点算法实现精确配准.实验结果表明,该算法的配准精度较迭代最近点算法提高了90%以上,并且能够在噪声环境下有效地完成缺失点云的配准,在鲁棒性和精确配准方面有明显优势.