基于彩色CCD像素点亮度的测温原理研究

推导出了CCD像素点亮度和具有实物面的高温辐射体温度之间的关系。结合比色测温法,提出了一种基于面阵CCD图像的温度场检测方法。分别在普通煤炉和黑体炉上用一套经黑体炉标定过的测温系统进行测温实验,取得良好效果。通过比较热电偶测量值和本算法计算温度值,分析了本测温方法的误差产生原因。     

弥散介质条件下辐射测温方法（特邀）

在航空航天、冶金铸造等各种工业现场高温热试验过程中,需要在高浓度弥散介质遮蔽物件表面的条件下,快速、准确地获取试验件表面的高温温度。传统的辐射测温方法包括波段辐射法、亮度法、比色测温法、多波长测温法等,是实现高温测量的一种主要测量方法。弥散介质由于介质粒子的作用会产生各种光谱散射、吸收和发射效应,给高温的准确测量带来了很大的干扰,导致测量结果产生偏差,必须要改进经典辐射测温方法。论述了弥散介质条件下几种主要的辐射测温方法,包括试验数据反推法、热辐射计算法、多通道分裂窗法、信息复原计算法、神经网络计算法等,分析了各种方法的优点和不足,总结了弥散介质条件下辐射测温方法面临的挑战和发展趋势。     

基于红外热图像灰度修正的辐射测温

基于红外热像仪的测温精度依赖于大气温度、相对湿度、大气透射率、翻转表像温度等参数的测量精度。为了减少这种依赖性和提高测量精度,提出了一种基于红外热图像灰度修正的辐射测温方法。首先基于高精度面源黑体建立了红外热图像灰度修正模型,然后通过灰度修正模型对实测的目标灰度进行修正,最后通过基于加权最小二乘法建立的热像仪辐射定标模型等计算出修正后的目标亮度和温度。在实验室环境下,分别基于红外热像灰度修正辐射测温法和直接用热像仪测温对目标进行了测量。结果表明,在实验室环境下,前者的平均测量精度较后者提高了3.6%。该方法对实验室环境下红外测温有较好的实用价值,对外场红外测温也有一定的借鉴意义。     

基于比色测温原理的动态辐射扫描测温仪研制

介绍了动态辐射扫描测温仪相应的硬件和软件设计。硬件设计主要是两部分:光学设计和电路设计。光学设计主要包括光学镜头、扫描镜、激光器、透镜组以及孔径光栏这五部分。电路设计由前置放大电路和数据处理电路组成。前置放大电路包括前置放大器AD820、反相放大器OP07 以及继电器三个部分;数据处理电路采用STC12C5A16S2 单片机最小系统,通讯采用MAX232 进行;并且将12864k12 作为液晶显示屏;其中,运用矩阵键盘,按键的功能包括发射率的设定、扫描频率的设定、测量键、通讯键和复位键,并且采用AC/DC 的电源模块。动态辐射扫描测温仪采用非接触法测量,这种测量方法的主要优点是测量精度高、响应速度快、测试方便、便于携带等,使得该测量仪能够在危险系数高、辐射强度大、具有腐蚀性等恶劣环境下进行测量,使用方便,因此在市场中有着广阔的应用前景。     

基于RBF网络的红外多光谱辐射测温

在目标发射率未知的情况下,建立一种基于RBF(radial basis function)神经网络的红外测温方法。首先推导出目标温度同辐射亮度峰值及其波长之间的强非线性关系,明确神经网络输入变量;然后基于RBF网络对样本数据进行充分学习,建立目标辐射测温模型,该模型不需要发射率输入。利用黑体和钢板目标分别作为测试目标源,验证这种方法,得到黑体测温最大相对误差为0.016%、钢板的最大相对误差为1.08%,验证了本文测温方法的合理性。     

瞬态光谱测量技术与多光谱辐射测温技术的巧妙结合——用于测定火工药剂的燃烧温度

为了准确测量火工药剂的燃烧温度,分析了火工药剂的燃烧辐射特性,利用瞬态光谱测量技术测定了几种典型火工药剂燃烧火焰的辐射光谱曲线.在分析典型火工药剂的燃烧辐射光谱曲线的基础上,根据多光谱辐射测温技术的工作原理设计和研制了一种具有12个测试通道的多光谱辐射测温系统.采用黑体炉对该系统的稳定性和准确性进行了验证.最后以某火工...     

基于方向感知网络的场景偏振三维成像技术（特邀）

针对场景偏振三维成像中光照不均匀、色彩、材料复杂和大视场下观测方向变化等原因造成的偏振法线梯度不准确和真实三维信息获取困难的问题,提出一种基于方向感知卷积神经网络的场景偏振三维成像新方法。首先,搭建具有方向感知能力的场景深度估计网络结构;其次,利用卷积神经网络所估计的场景深度对偏振法线梯度进行校正;最后,利用校正后的梯度通过基于梯度的积分算法进行三维重建。实验结果表明,所提方法解决了偏振固有的方位角模糊,提高了在光照不均匀、大视场范围场景条件下获取的法线梯度的准确性,最终在恢复场景真实三维形状的同时保留了丰富的纹理细节信息。实验结果证明了所提技术的有效性与优越性。     

基于小波变换的中红外多波长辐射测温的信号处理

介绍了用小波变换实现中红外多波长辐射测温信号的处理方法,该方法基于信号和白噪声在小波变换下具有不同的传播特性,采用软阈值方法有效地去除信号中的噪声,方便地用软件实现辐射测温信号的处理.为将小波变换引入辐射测温领域进行了探讨.     

预混燃烧火焰的光偏折层析三维动态可视化

使用光偏折层析(CT)方法研究了非稳态预混燃烧流 场的参数测量及火焰结构表征。建立了适用于瞬态流场层 析的叠栅光偏折投影条纹图有序阵列采样系统,实现了单光栅副、单CCD、多方向、同时和 同光路条件的动 态采样。构建适用于少数投影光偏折计算层析的混合正则化重建算法。实验测量中,对C 4H10/空气预混燃烧 流场进行6视角动态采样,使用混合正则化算法对燃烧流场进行截面二维温度分布重建,使 用Sobel梯度 算子进行火焰内外区域温度分布的阈值分割。对4个不同时刻共计150 条莫尔条纹进行信息提取并重建出 20个截面的温度分布,使用移动立方体面绘制算法和光线投射体绘制 算法对三维体数据进行 显示,实现了燃烧流场参量分布及火焰结构的三维动态可视化。     

基于红外光照明的数字全息粒子场成像（特邀）

在数字全息粒子场成像中,粒子衍射的孔径角很小,重构时具有很长的焦深,造成轴向定位精度远低于横向定位精度。增大照明波长,相当于增大粒子孔径角,因此可得到更高的轴向定位精度。采用红外相干光源照明粒子场,在不提升算法和系统复杂度的前提下提升数字全息粒子场重构的轴向定位精度。从理论上分析数字全息粒子场重构中焦深与轴向定位精度的关系,并分别仿真分析绿光、红光及红外光照明时的粒子场全息重构,分别开展了基于这3种光源的聚苯乙烯微球粒子场全息成像实验。仿真和实验结果研究表明,相比红光,红外光源使焦深减小了约19%,而相比绿光,焦深减小了约39%。增加波长可以减弱离焦像的层间干扰,从而提高了轴向定位精度。     

基于BOTDA的分布式光纤高温传感研究（特邀）

基于布里渊光时域分析（Brillouin optical time-domain analysis, BOTDA）测量技术分别研究了单模光纤、光子晶体光纤和镀金光纤在1100 ℃、1200 ℃和1000 ℃的高温传感特性,通过对石英光纤的布里渊频移（Brillouin frequency shift, BFS）跳跃现象和涂覆层燃烧现象进行研究,指出石英光纤均需要退火才能够达到热稳定状态。退火后,三种光纤的布里渊频移随温度呈非线性变化。其中,单模光纤和光子晶体光纤高温状态下涂覆层气化,二氧化硅发生晶化导致其机械强度大幅下降,因此仅能作为一次性高温传感器;镀金光纤由于金涂层具有较高的熔点和良好的气密性,高温退火后仍然能够保持良好的机械强度,因此可以作为一种重复使用的高温传感器。该研究有望为高温传感应用（如涡轮发动机内部温度监测）提供一种技术参考。     

铝合金车体焊接同步激光清洗技术研究(特邀)

针对轨道交通车辆车体铝合金型材焊接同步激光清洗,开展了相关工艺、测试与应用技术研究。通过工艺研究得出铝合金氧化膜激光清洗工艺窗口,建立了匹配不同焊接速度的激光清洗参数预测模型,并分析了激光清洗对铝合金表面氧化膜的影响;针对实际工况,设计了激光清洗-电弧焊接同步清焊一体化装置,并开展焊接同步激光清洗工艺验证,实现了焊前高质高效去除氧化膜;通过分析焊接接头力学性能,检测焊缝缺陷,观测焊接接头截面微观组织,评判焊接同步激光清洗焊缝质量。研究表明,采用200 W脉冲激光,清洗速度0.5～1.1 m/min可调的情况下,可以实现线宽45 mm的焊接同步氧化膜的有效清洗,经激光清洗后,原生氧化膜被完全去除,且可避免再生氧化膜的影响。经激光清洗后的焊接接头剪切强度及应变相较未处理的接头分别提升了26.4%和9.98%,较人工打磨后的接头强度分别提升了3.53%和1.43%,焊缝中心组织主要由α基体和β (Mg2Al3)相组成,焊接性能满足轨道交通车辆车体制造要求,可有效替代人工打磨。     

基于光学相位共轭的数字化波前整形技术（特邀）

光在生物组织中传播时,会被微观尺度上不均匀的组织随机散射,这种现象严重制约了光学技术在生物医学中的应用。波前整形技术将散射过程当成一个确定性的过程,通过测量散射效应造成的相位延迟并利用空间光调制器进行逐点补偿,可以实现散射光的操控与重新聚焦。在各类波前整形技术中,基于光学相位共轭的数字化波前整形技术具有可调控自由度高、系统响应速度快等优点,最适宜与生物医学应用相结合,如生物活体成像、操控、治疗等。文中将重点关注基于光学相位共轭的数字化波前整形技术的发展,探讨该技术在应用研发中面临的主要技术瓶颈和挑战,并概述其应用开展情况。     

基于聚合物微球腔的高灵敏温度传感器（特邀）

提出了一种基于聚合物微球腔的温度传感器,该温度传感器利用微球腔谐振波长漂移量测量外界环境温度变化量,兼具结构紧凑和高度灵敏的特点。首先利用有限时域差分法对拉锥光纤耦合聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的谐振结构进行了仿真分析,验证了拉锥光纤激发聚合物微球腔中回音壁模式的可行性。实验结果表明,束腰直径为1.8 μm的拉锥光纤与直径为数十微米的聚合物微球之间通过消逝场耦合的方式能够激发品质因子为104量级的回音壁模式。利用点式封装和全包裹封装相结合的方式将拉锥光纤和聚合物微球封装一体,一方面可保持两者之间稳定的耦合状态,另一方面保护拉锥光纤和微球腔免受外界污染。由于聚合物微球腔的负热光系数大于其热膨胀系数,其谐振光谱随外界温度降低发生红移。当外界环境温度在20~30 ℃范围内变化时,聚合物微球腔温度灵敏度为68 pm/℃。与传统光纤温度传感器相比,该传感器的高品质因子使其具有更低的探测极限,在受限空间内的原位温度精密测量中具有潜在的应用前景。     

基于InGaAs NFAD的集成型低噪声近红外单光子探测器

近年来,单光子探测技术在激光雷达等方面的应用越来越受到研究人员的关注。研制了基于InGaAs负反馈雪崩二极管(Negative Feedback Avalanche Diode, NFAD)的自由运转式集成型近红外单光子探测器。设计将被动淬灭原理的NFAD与主动淬灭技术结合,针对NFAD的信号读出电路易受电磁干扰的问题,创新地提出了无前级放大器的雪崩信号高阻抗差分提取电路,并采用吸波材料对关键电路部分进行了屏蔽,同时提高了淬灭性能和稳定性。此外,为了降低暗噪声计数率,针对集成制冷型NFAD器件的散热进行了详细的热设计,对集成热电制冷的NFAD器件和高速淬灭电路发热量较大的特点进行了电路和散热结构设计优化。通过实验对淬灭电路性能、散热设计和抗干扰设计进行了验证。结果表明：无前置放大器设计的探测器性能稳定,对1 550 nm波长光子的最高探测效率可达33%,在-50℃、10%探测效率时可用死时间低至120 ns,此时暗计数率890 Hz,后脉冲概率10.6%。探测器散热性能良好,环境20℃风冷下的最低制冷温度可稳定在-58℃。上述结果表明这一低噪声计数、高集成度的通信波段近红外单光子探测器...     

视场增强的平板艾里光片显微镜研究（特邀）

光片显微镜是近些年来研究较多的生物成像技术,相较于传统的激光共聚焦扫描显微镜而言,光片显微镜能够实现快速、低光毒性的体积成像。光片显微镜的照明光束可以选择高斯光束或其他无衍射光束（如贝塞尔光束、艾里光束等）。艾里光片显微镜是目前研究较多的技术,但是普通的艾里光片显微镜存在一个较大的问题,艾里光束具有自弯曲的特性,导致艾里光片在视场的两端超出探测物镜的景深范围,无法发挥出最优的成像效果。将艾里光束旋转45°形成平板艾里光片,使艾里光片不超出探测物镜的景深,以增大光片显微镜的成像视场。并利用双光子荧光激发技术,免除图像的后处理过程,大大提高了成像的效率。利用Matlab进行光学仿真,得到平板艾里光片显微镜的成像视场（~900 μm）比普通艾里光片显微镜的成像视场（~600 μm）增加了50% 。搭建的平板艾里光片显微镜利用荧光微球进行校正实验,得到成像系统的横向分辨率为(1.93±0.17) μm,轴向分辨率为(3.19±0.41) μm。对斑马鱼脑出血模型的实时观测中,可以得到时间分辨率为x×y×z = 0.60 mm×0.60 mm×0.40 mm/60 s 的成像结果,并可以对局部血管的生长和发育进行实时监测,有利于脑出血疾病的机制探究。     

基于热烧蚀效应的激光清洗仿真模型研究(特邀)

为研究在基于热烧蚀效应的激光清洗中激光参数对清洗效果的影响,根据热烧蚀效应原理、傅里叶热传导方程以及能量守恒定理,使用有限元分析软件建立了热烧蚀动态能量守恒的二维激光清洗仿真模型。在该模型中使用了虚拟第三类边界条件,将薄层-基底系统中的激光烧蚀热功率密度与被烧蚀污渍层边界的法向移动速度进行关联,实现了污渍层烧蚀潜热消耗量与激光烧蚀能量之间的动态能量守恒,明确了质量损失与能量消耗的数学关系,使所建立的模型更加理论自恰和精确可靠。利用该模型理论分析了光斑吸收功率、光斑直径、扫描速度以及扫描能量密度对清洗效果的影响,结果表明：污渍平均残留厚度随光斑吸收功率和扫描能量密度增大而减小,且减小的速率会逐渐变慢,当激光功率过大时,基材会出现损伤;污渍平均残留厚度随光斑直径和扫描速度的增大而变大,但减小光斑直径和扫描速度会降低清洗效率。提出了根据污渍层物性参数与扫描能量密度的对应关系优化激光参数的方法,并对非平整表面污渍层进行了多次不间断扫描的仿真分析,得到了清洗效果随扫描次数的变化规律。该研究结果对激光清洗设备的方案设计、优化改进和使用选型具有一定的指导意义。     

基于时间相关单光子计数的穿透成像激光雷达研究（特邀）

激光雷达是一种能够快速获取目标三维信息的光学传感器,凭借精确定位与高效识别能力,其在军事侦察、无人驾驶、空间交会对接等领域发挥着越来越重要的作用。然而在浓雾、烟尘、海水等复杂的气候或环境下,传输介质对光场的强烈散射作用会造成传统激光雷达接收信号的严重退化,致使其性能迅速降低,甚至根本无法正常使用。针对该类环境下接收信号的退化特性,首先建立了Monte Carlo的Mie散射瞬态光场传输模型,接着通过计算机模拟仿真了传输光场的时域分布规律,针对该规律研究了时域信号去散射效应的滤波算法,最后在实验室搭建了基于时间相关单光子计数的穿透成像激光雷达系统,开展了雾气模拟环境下的成像实验,结果验证了该穿透成像激光雷达系统的处理方法对目标图像重构质量的提高具有较好的效果。该研究为激光雷达在复杂散射环境中的进一步应用提供了基础。     

碲镉汞红外光电探测器局域场表征研究进展（特邀）

碲镉汞材料 (HgCdTe) 是第三代红外探测系统中使用的重要探测材料,其发展水平能基本反映当前红外探测器最优性能指标。近年来,天文、遥感和民用设备对探测器性能提出了更高的要求,这对HgCdTe红外探测器的设计和制备提出了新的挑战。HgCdTe红外探测器更精细的设计和加工技术为提高HgCdTe红外探测器性能提供解决思路。抑制器件的有害局域场、调控器件的有益局域场可以实现器件性能进一步的突破。但是,如何对HgCdTe光电器件局域场进行表征与分析,澄清HgCdTe光电器件中局域场相关的噪声及暗电流起源,是推动器件性能突破需解决的重要关键科学与技术问题。文中将总结HgCdTe红外光电探测器局域场表征与分析的研究进展,为新一代HgCdTe红外光电探测器发展提供基础支撑。     

激光清洗研究综述(特邀)

激光清洗是通过把高亮度和方向性好的激光照射到物体待清洗的部位,使激光器发射的光束被污染层和/或基底吸收,通过光剥离、汽化等过程,克服污染物和基底之间的粘附力,使污染物离开物体表面,达到清洗目的,且不损伤物体本身的物理清洗技术。20世纪80年代以后,激光清洗技术得到了越来越多的关注。40年来,激光清洗作为一种新型高效的环保清洗技术,得到了飞速发展,在电子元器件清洗、文物保护和脱漆除锈等领域得到研究并获得了应用。2010年以后,对激光清洗研究进一步深入,在激光清洗的检测和智能控制方面取得较大成果,并且在激光清洗机理方面也取得了进展。中国科学家在这个过程中也做出了贡献。介绍了激光清洗原理、特点、源起,对40余年的激光清洗发展做了综述,并介绍了国内近年来激光清洗的研究动态。