1 复旦大学信息学院电磁波信息科学教育部重点实验室，上海 200433
2 鹏城实验室，广东 深圳 518055
3 上海低轨卫星通信与应用工程技术研究中心，上海 200433
4 上海市低轨卫星通信技术协同创新中心，上海 200433
可见光通信因其显著优势逐渐成为星间通信的研究热点。可见光通信能够提供丰富且无需授权的频谱资源，传输速率高，保密性强以及抗电磁干扰等。可见光激光通信器件发射功率较高、抗辐照能力强、激光束散角小，有望应用于星间大容量长距离通信链路传输。实现了集成的40路波分复用可见光激光通信系统，复用29个可见光波长，采用离散多音比特加载调制和Levin-Campello算法，达到了418.3 Gbit/s的总传输数据。针对可见光激光通信系统中的带宽受限和高频衰落的问题，该系统采用了数字预均衡技术，根据该系统的信号特点，设计了相应的佐贝尔网络，通过增强高频信号能量和减小低频信号能量实现整体通信性能的提升。实验表明，数字预均衡可显著提升可见光激光通信性能。该系统证明了可见光激光通信在星间大容量通信中的巨大潜力。
波分复用 激光通信 可见光通信 卫星通信 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706002
1 河北工业大学 先进激光技术研究中心，天津 300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401
金刚石晶体不仅具有极佳的光学性质，同时也拥有极高的热导率和低的热膨胀系数，这使得金刚石激光器成为实现不受热影响高功率激光输出的重要路径。但随着激光功率的进一步提升，金刚石拉曼激光器中仍然存在不可忽视的热效应等问题，这对金刚石激光器性能提升提出了挑战。针对高功率运转情况下金刚石拉曼激光器的热效应进行了理论研究，根据热传导方程并采用有限元分析方法，模拟了金刚石温度、热应力以及热形变分布，分析了泵浦参数、晶体参数对金刚石温度、热应力、热形变的影响。此外，基于石墨片横向导热特性，设计了一种新型的用于金刚石晶体的热沉结构。与传统单一铜片散热方式相比，在泵浦功率800 W、束腰半径40 μm条件下，金刚石中心温度下降了10.16 K，下表面平均应力降低了19.857 MPa，端面平均形变量减小了0.055 μm。数值模拟结果表明，该方法对缓解金刚石激光的热效应，实现金刚石拉曼激光器输出功率的进一步提升和高光束质量激光输出具有重要指导意义。
金刚石 拉曼激光器 高功率 热效应 数值仿真 热沉 diamond Raman laser high power thermal effect numerical simulation heat sink
1 中国科学院东北地理与农业生态研究所, 吉林 长春 130102中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院东北地理与农业生态研究所, 吉林 长春 130102
针对目前粮食产量定量评估模型泛化能力不足、 预测时间滞后以及早期估产时间窗口难以确定等问题, 以Sentinel-2遥感数据和实测玉米产量作为数据源, 开展县域尺度玉米估产及早期最优估产时间窗口确定研究。 基于玉米生长期内的时序影像数据集, 通过玉米产量实测数据与影像植被指数建立相关关系, 并采用MLRM（多元线性回归模型）, GPR（高斯过程回归模型）, LSTM（长短期记忆人工神经网络模型）, 建立玉米时序估产模型。 实验结果表明, 基于LSTM在NDVI、 GNDVI、 以及GN（NDVI与GNDVI组合）这三种植被指数作为参数建立的时序估产模型中, 无论在估产精度, 模型可靠性、 产量异常值捕捉、 以及早期最优估产时间窗口确定等方面均优于基于GPR、 MLRM建立的时序估产模型。 同时基于LSTM时序估产模型, 采用截止到抽雄期的NDVI时序影像数据作为参数, 其结果的决定系数R2可达0.83、 均方根误差RMSE为0.26 t·ha-1、 相对分析误差RPD为3.52; GNDVI时序影像数据作为参数, 其结果的决定系数R2为0.79、 均方根误差RMSE为0.30 t·ha-1、 相对分析误差RPD为2.87; 以GN时序影像数据作为参数, 其结果决定系数R2为0.83、 均方根误差RMSE为0.27 t·ha-1、 相对分析误差RPD为3.05; 以NDVI作为LSTM模型参数的估产效果最优, 相较于玉米收获期可提前2个月就能预测当年的玉米产量, 对于县域尺度玉米产量预报具有一定的现实意义, 同时也为类似作物的估产研究提供相关参考。
产量预测 玉米生育期 植被指数 长短期记忆人工神经网络模型 Yield forcasting Maize growth-satges Vegetation Index Sentinel-2 Sentinel-2 LSTM 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2627
1 河北工业大学 先进激光技术研究中心，天津 300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401
高功率特殊波段激光在钠信标、激光测距、激光雷达、自由空间通信等领域具有重要的应用价值。目前，基于受激拉曼散射（stimulated Raman scattering, SRS）的拉曼激光器及放大器已经被证实为拓展激光波段和功率的有效途径。不同于基于粒子数反转激光器在产生和放大过程中需匹配激光增益介质固有的吸收和发射谱，SRS过程理论上能够在其拉曼增益介质透过光谱的全范围内工作，故只需要相互作用光束的频率差满足拉曼增益介质的固有频移，便可实现光束之间的能量直接转移。因此，拉曼放大技术能够利用常规波段的泵浦光对特殊波段的种子光进行放大，从而实现高功率、大能量、高光束质量的特殊波段激光输出。该方法具备波长选择灵活、结构简单、功率拓展性强等优点，近年来已经在钠信标光源等领域得到了应用。文中综述了高功率自由空间拉曼放大技术的主要原理、特性和研究进展，并对其发展趋势和应用前景进行了展望。
受激拉曼散射 激光 放大器 脉冲 组束 stimulated Raman scattering laser amplifier pulse beam combination 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230337
红外与激光工程
2023, 52(8): 20230420
1 河北工业大学 先进激光技术研究中心，天津 300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401
3 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
全固态红光激光器在激光显示、全息存储以及医疗领域有着重要应用，其中多波长红光激光器还可用于差频产生太赫兹辐射。基于三阶非线性效应受激拉曼散射的拉曼激光器是一种突破粒子数反转激光器有限发射光谱制约进而拓展激光波长的有效手段，即能够将注入的单一波长泵浦光直接拓展至一个或几个全新波段。笔者团队研制了一台绿光泵浦的多波长级联金刚石拉曼激光器，利用波长为532 nm、脉冲宽度为11.43 ns的激光作为泵浦源，通过将一阶Stokes黄橙光（573 nm）锁定在振荡器中，实现了红光波段的二阶、三阶和四阶（620 nm、676 nm和743 nm）级联拉曼激光输出，对应三个波长的脉冲宽度分别为10.41、3.75、2.45 ns，总输出能量为0.6 mJ，光光转换效率为36.38%。结果表明，凭借金刚石晶体优异的光学特性和拉曼性质，可见光泵浦的金刚石拉曼激光器对于实现高功率全固态小型化多波长红光激光输出具有巨大潜力。
拉曼激光 金刚石 多波长 脉冲 高功率 Raman laser diamond multi-wavelength pulse high-power 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230329
1 上海电力大学自动化工程学院，上海 200090
2 国网安徽省电力有限公司长丰县供电公司，安徽 合肥 231100
现实中存在大量对称物体，利用三维激光扫描设备可获得对称物体的三维点云，但由于遮挡及设备本身等因素，三维点云会产生缺损。针对该问题，提出一种基于物体对称性的非完备激光三维点云分类补全方法。根据单幅二维图像中的对称关键点，建立对称平面的映射关系，根据对称平面在点云中的位置对非完备点云进行分类。针对半残缺点云，直接进行对称平面检测，然后做镜像补全；针对残缺未过半点云，与镜像点云融合后去除镜像点云中的重复数据点，完成补全；针对残缺过半点云，与镜像点云融合后利用孔洞直接修复方法补全缺失信息；针对极度残缺点云，考虑到缺失信息过多，将输入点云与镜像点云融合后再与完整的相似点云进行融合，去除冗余点完成缺失信息弥补。非完备三维点云的实际采集点云与公共数据库中点云的实验结果显示，所提补全方法能将不同类型的非完备点云补全为与完整点云极为相似的点云，验证了所提分类补全方法的有效性和可行性。
激光点云 对称平面 点云补全 镜像对称 激光与光电子学进展
2023, 60(20): 2010004
1 上海电力大学自动化工程学院，上海 200090
2 浙江正泰仪器仪表有限责任公司杭州分公司，浙江 杭州 310052
3 上海明华电力科技有限公司，上海 200437
非球类物体形状结构复杂，利用点云直接进行配准易出现误匹配现象。针对该问题，引入流形上的测地距离结合物体的实际几何形状，将三维点云配准问题转换为聚类问题，提出一种基于流形聚类的多站点云配准方法。首先，将经粗配准后的三维点云划分为若干个聚类；然后，以测地距离作为聚类划分的依据更新聚类中心，同时更新刚性变换，再循环迭代此过程以获得最终配准结果；最后，由于在配准过程中计算测地距离矩阵时易产生计算消耗，引入热梯度法将点集在空间中的遍历过程转换为泊松方程的求解过程以提升效率，完成多站点云配准。在斯坦福大学公共数据集中的Bunny、Dragon等点云数据上的实验结果表明，所提方法可有效将非球类物体的配准精度整体提升20%∼30%。
机器视觉 点云配准 多站点云 流形聚类 测地距离 热梯度 激光与光电子学进展
2023, 60(16): 1615005
1 武汉科技大学耐火材料与冶金省部共建国家重点实验室, 武汉 430081
2 清华大学张家港氢能与先进锂电技术联合研究中心, 北京 100000
在质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行过程中, 产生的自由基会攻击质子交换膜, 使其开裂或形成孔洞, 导致电池失效。常见的改性方法是在质子交换膜(PEM)中添加自由基清除剂材料。基于此, 本文合成了Sn掺杂CeO2自由基清除剂, 通过提高Ce3+浓度来增强其在PEMFC中自由基清除性能, 避免PEM厚度迅速减薄, 从而提高质子PEMFC的耐久性。密度泛函理论计算和试验结果表明, Sn掺杂会引起CeO2产生晶格畸变, 降低氧空位形成能, 促进CeO2中Ce3+的形成。同时, Sn2+的加入可将CeO2-Sn样品中的Ce4+还原为Ce3+, 提升Ce3+的浓度, 从而提高PEM的耐久性。单电池测试结果表明, 经70 h的开路电压衰减测试, CeO2-Sn-5%改性后的质子交换膜组装的单电池电压衰减率最低(18%), 且功率保留率(56%)比其他样品更高, 表明该样品具有更优异的耐久性。
Sn掺杂 密度泛函理论计算 氧空位 质子交换膜燃料电池 耐久性 CeO2 CeO2 Sn-doping density functional theory calculation oxygen vacancy PEMFC durability
1 生态环境部卫星环境应用中心, 北京 100094
2 鄂尔多斯市生态环境局鄂托克旗分局, 内蒙古 鄂尔多斯 016100
3 中国科学技术大学工程科学学院, 安徽 合肥 230026
4 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
5 中国地质大学 (武汉), 湖北 武汉 430074
6 国家航天局对地观测与数据中心成果转化部, 北京 100101
“五基”协同天空地一体化生态环境立体遥感监测体系，是一种综合天基卫星、空基遥感、航空无人机、移动巡护监测车和地面观测五种技术手段为一体的监测体系。“五基”协同大气环境立体遥感监测系统是该体系的重要组成部分，其核心是运用协同联动机制和技术方法，构建数据协同融合的核心算法模型，以期弥补常规遥感手段在监测时效、精度、周期等方面的短板。以棋盘井工业园区为示范区域，重点介绍了“五基”协同监测体系中五种不同技术手段的组成架构，展示了多技术手段协同监测以及应用分析成效，并讨论了该协同监测体系在解决大气污染防治工作关键技术问题上的效果。通过“五基”协同联动、多源数据融合，获得了本地污染排放特征及区域污染物传输的定量化贡献，实现精准溯源及执法，最终形成针对性的大气污染全面治理方案建议，有效支撑了当地大气污染防治工作。
“五基”协同 大气环境监测系统 立体遥感 multilevel platform atmospheric environmental monitoring system stereoscopic remote sensing 大气与环境光学学报
2023, 18(3): 214
