1 中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
2 青岛理工大学信息与控制工程学院，山东 青岛 266520
谱图还原算法是中阶梯光栅光谱仪高分辨的保障，其精度和速度的优化是推动仪器发展的关键。提出一种基于全像面拟合的谱图还原算法，将光谱标定融入到建模过程中的方式同时解决了环境改变和仪器扰动对模型精度的影响问题。首先建立初始模型，利用光线追迹结果进行全像面拟合，获得标准模型。再利用Hg-Ar灯的特征谱线对标准模型进行二次拟合以修正偏差，从而完成光谱标定。最后采用多种元素灯的特征谱线对所提建模方法的精度进行验证。实验结果表明，所建立的谱图还原模型的全像面误差在2 pixel内，全波段波长平均提取误差为0.01 nm。所提方法将建模过程与标定技术相结合，使标定常态化，简化了建模流程，为中阶梯光栅光谱仪的应用推广提供了算法基础。
光谱学 中阶梯光栅光谱仪 谱图还原算法 全像面拟合 光谱标定
中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
中阶梯光栅光谱仪凭借高光谱分辨率在各领域应用日益广泛，已经成为主要的光谱分析仪器之一。谱图还原技术是中阶梯光栅光谱仪数据处理的核心，通过建立波长和成像位置间的对应关系实现二维图像到一维谱图的快速还原。谱图还原的精度直接决定了中阶梯光栅光谱仪的性能，是仪器开发的重点和难点。鉴于此，本文综述谱图还原技术的发展，将其演变过程归纳为光线追迹、模型化和标定法等3个阶段，重点介绍各阶段谱图还原算法的核心思路与代表方法的原理。最后针对中阶梯光栅光谱仪谱图还原技术，归纳其发展历程、预测其发展趋势、展望其发展方向。
中阶梯光栅光谱仪 谱图信息处理 谱图还原算法 光线追迹 光谱标定 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0330003
中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
塑料因其可塑性与低成本在日常生活与工业中被广泛使用，然而这也带来环境污染与资源浪费等问题，因此塑料分类成为重要研究课题。为验证高光谱成像技术在塑料分类中的可行性，采用近红外高光谱成像技术（NIR-HSI），比较了1100~1650 nm波段数据在9种常见塑料分类中的效果。涵盖K邻近法（K-NN）、支持向量机（SVM）、粒子群算法训练的SVM（PSO-SVM）、遗传算法优化的SVM（GA-SVM）等机器学习方法。通过验证数据筛选模型准确率后，将其应用于高光谱图像，通过可视化分类对比原始图像评估模型效果。结果显示，基于欧氏距离、余弦相似度的K-NN和GA-SVM分类效果最佳，验证数据的精度分别达到96.14%、96.21%和98.67%，在可视化分类上也呈现出良好效果。高光谱成像技术在塑料分选中具有很高的应用价值，只需获取特定塑料的光谱数据并进行适当处理，即可对不同颜色、形状、工艺的同类塑料制品进行有效区分。
近红外高光谱成像 塑料分类 机器学习 可视化分类 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211031
1 南京邮电大学通信与信息工程学院，南京 江苏 210023
2 固体微结构物理国家重点实验室，南京 江苏 210008
衍射深度神经网络（D2NN）通过无源衍射层的深度学习，可实现快速高效的深度学习功能。利用多组不同湍流强度干扰下的轨道角动量（OAM）态和目标OAM态组成的训练数据集对设计的D2NN网络组件进行训练，更新和优化组件中各参数，直到由D2NN输出的OAM态与目标OAM态的平方误差损失函数达到预定的阈值，便可获得实现高速、高精度的OAM波前校正的D2NN组件。测试结果表明：D2NN迭代次数、衍射层数、训练参数的选择会对组件的校正速度和准确度产生影响，通过D2NN可以实现受大气湍流干扰的OAM态的高精度校正；当大气湍流强度为10-14 m-2/3、D2NN网络层层数为8时，组件性能最佳，其损失函数相比5层网络层的D2NN降低超过45.45%；而对于更强大气湍流的干扰，可以通过增加网络训练时的迭代次数来提高校正的准确度，迭代20次后损失函数的值降低率达到98.03%；对于湍流强度较弱的干扰，训练时采用纯相位参数，组件的性能更优；而对于强湍流的干扰，训练时采用相位参数与振幅参数两者相结合的方法，组件的性能更优；除此之外，OAM态的拓扑荷值越小，校正后的失真度越小。
衍射深度神经网络 无源衍射层 轨道角动量态 大气湍流 相位屏 光学学报
2023, 43(24): 2401008
Author Affiliations
Abstract
1 College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China
2 Key Laboratory of Medical Electronics and Digital Health of Zhejiang Province, Jiaxing University, Jiaxing 314001, China
A simple quasi-distributed fiber sensing interrogation system based on random speckles is proposed for weak fiber Bragg gratings (WFBGs) in this work. Without using tunable lasers or spectrometers, a piece of multimode fiber is applied to interrogate the WFBGs relying on the wavelength sensitivity of speckles. Instead of the CCD sensor, an InGaAs quadrant detector serves as the receiver to capture the fast-changing speckle patterns. A supervised deep learning algorithm of the multilayer perceptron architecture is implemented to process speckle data and to interrogate temperature changes or dynamic strains. The proposed demodulation system is experimentally demonstrated for WFBGs with 0.1% reflectivity. The experimental results demonstrate that the new system is capable of measuring temperature change with an accuracy of 1°C and achieving dynamic frequency of 100 Hz. This speckle-based interrogation system paves a new way for distributed WFBGs sensing with a simple design.
weak fiber Bragg gratings random speckles deep learning time-division-multiplexing Chinese Optics Letters
2023, 21(12): 121601
1 中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
2 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
3 中国科学院大学光电学院，北京 100049
激光诱导损伤阈值（LIDT）是光学元件发展中不可或缺的一项重要指标，提高其测量结果的准确性仍是当前人们致力于研究的方向。基于蒙特卡罗法提出了一种损伤测试点优化分配方法，以提高LIDT拟合结果的准确性。针对测试样品有限的辐照测试面积及辐照光斑大小，模拟了一种非线性简并缺陷损伤模型，对不同通量水平下测试点变化对拟合LIDT结果的影响进行了敏感性分析。根据设定的损伤模型参数建立模型生成相关损伤数据，通过控制变量法对每次指定通量水平处的测试点数进行变更，在其余通量处测试点数不变的情况下，采用蒙特卡罗法对所有损伤数据进行多次模拟计算，绘制拟合结果均方根误差和测试点的关系曲线图。计算其相应测试点数对损伤阈值拟合结果标准差的敏感性。从而以此敏感性为权重对各通量下的测试点进行更合理的分配。结果表明，该敏感性权重法的拟合结果的标准差为0.272 J/cm2，相比于标准平均分配方法的标准差0.395 J/cm2减小了约31%。
激光诱导损伤阈值 蒙特卡罗 敏感性分析 非线性拟合 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2312004
南京邮电大学信号处理与传输研究院，江苏 南京 210003
提出了一种基于均值滤波的计算鬼成像（CGI）去噪方法，可以有效降低来自复杂环境的噪声干扰，提高CGI的成像质量。以尺寸为3×3的模板均值滤波器为例，设计了9组与均值滤波器相关的Hadamard移动散斑，并将各移动散斑依次照射到待测物体上，获得对应的桶探测器值。将9组桶探测值的累加值与散斑进行二阶关联，可获得被测物体去噪后的像。仿真和实验结果表明：在相同高斯和椒盐噪声环境下，所提方法获取的成像结果明显优于传统CGI的结果；所提方法具有较好的去噪能力，在不断变化的复杂环境中，有一定的应用优势。另外，所提方法将图像去噪中的均值滤波概念引入到关联成像中，提供了一种将信号处理方法用于CGI的新思路。
成像系统 计算鬼成像 均值滤波 移动散斑 去噪 光学学报
2022, 42(22): 2211002
中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
在波片相位测试中，引入涡旋相位板，通过构建波片相位延迟量和出射光的中空椭圆光斑方位角之间的函数关系，对相位延迟量进行仿真计算，实现对波片测试方法的论证分析。在理论上将波片相位延迟量的测量范围扩大到了，理论测量误差不超过。
仪器，测量与计量 波片 相位延迟量测量 涡旋相位编码 方位角 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2112001
以两轴四框架光电系统伺服稳定平台为研究对象，运用故障模式、影响及危害性分析（FMECA）以及模糊层次分析法，对伺服稳定平台的可靠性进行定性分析。在得到伺服稳定平台的关键故障模式和可靠性关重产品清单后，充分考虑人为主观判断的模糊性，继续深入分析关重产品对可靠性影响的重要度排序，以此作为后续可靠性设计和分配的重要参考。
