1 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
2 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, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室,安徽 合肥 230031
3 合肥市农业行业首席专家工作室, 安徽 合肥 230031
4 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
太阳光在地球大气传输过程中产生的散射会呈现出固有的偏振特性，因此利用大气散射偏振态分布特性及其与太阳照射几何以及地表观测几何之间存在的对应关系，为地球大气层内导航提供了可能。然而因气象变化造成的大气组分改变会直接影响光散射分布，从而影响基于偏振态分布的方向定位精度，因此在偏振导航实际应用过程中，其方向指引精度受大气状况影响较大。为研究不同气象条件下天空偏振态变化内在机理，研制了一台天空可见-近红外光谱偏振态自动测量仪。该仪器可按需进行定时段、定天区、多天候天空光谱偏振态测量，采用分时偏振同时分谱非成像测量体制。仪器主要由偏振分析模块、偏振检测方位定位驱动电机、微型光谱仪、GPS定位模块、嵌入式采集控制模块、二维载重转台等部分组成，光谱范围为390～960 nm，光谱分辨率为1.5 nm，观测视场为3°，光谱线偏振度测量精度优于98.85%，偏振角测量精度优于0.1°，单点观测时间小于9 s。经实验室定标和外场测试，表明该仪器可在多种气象条件下稳定观测天空光谱偏振态，其测量数据可用于天空偏振态影响机理相关研究。
天空光 散射 偏振测量 气溶胶 光谱 skylight scattering polarimetry aerosol spectrum 大气与环境光学学报
2024, 19(1): 111
西安工业大学电子信息工程学院，陕西 西安 710021
针对传统天线选择算法在完全广义空间调制（FGSM）系统中运用会出现局限性且误码性能不理想等问题，提出一种基于皮尔逊（Pearson）相关系数的选择算法，其基本原理是根据不同位置的光电探测器与发光二极管组合之间的Pearson系数相关性进行天线选择，能够提升FGSM系统性能及扩大使用范围。结果表明：当误码率为10-3时，在发射天线数量为4、调制方式为脉幅调制的情况下，FGSM系统的传输速率相较于广义空间调制增加了1 bpcu（bit per channel use）；采用基于Pearson相关系数选择算法后的完全广义空间调制-多输入多输出（FGSM-MIMO）系统相较于随机选择算法所需信噪比改善了5.1 dB，相较于最大范数选择算法改善了0.8 dB。综上所述，在同一时刻发送相同信息的情况下，基于Pearson相关系数选择算法的FGSM-MIMO系统在光空间通信领域具有更好的发展前景。
光通信 多输入多输出 完全广义空间调制 天线选择算法 皮尔逊相关系数 误码率
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 甘肃康视达科技集团有限公司，甘肃 白银 730900
针对传统图像处理算法在检测隐形眼镜表面缺陷时存在精度低、耗时长、算法鲁棒性差、漏检多等问题，提出一种基于改进Faster R-CNN的隐形眼镜表面缺陷检测算法。首先，对比了3种特征提取网络的性能，选取ResNet50作为骨干网络；然后，引入特征金字塔网络（FPN），通过融合多层次的特征信息，提高Faster R-CNN的多尺度检测能力；最后，基于构建的隐形眼镜表面缺陷数据集，使用K-means++算法改进锚框的尺度和数量。实验结果表明：改进后的Faster R-CNN算法在测试集上的平均精度均值（mAP）达到了86.95%，相比于改进前的Faster R-CNN算法，提高了9.45个百分点，可以有效地检测出气泡、车削亮点、划痕、模具亮点等多种隐形眼镜典型缺陷。
智能检测 表面缺陷 Faster R-CNN 特征金字塔网络 聚类标注 激光与光电子学进展
2023, 60(20): 2015004
上海市胸科医院/上海交通大学医学院附属胸科医院 上海 200030
回顾性分析在上海市胸科医院已接受调强放射治疗（IMRT）的27例肺癌患者，根据四维CT（4DCT）图像获取患者自由呼吸运动状态下肿瘤在三维方向上的运动幅度及周期。基于以上呼吸运动参数，借助呼吸运动平台测量肿瘤在头脚和左右方向上呼吸运动状态下的剂量分布，采用二维γ分析方法比较呼吸运动状态和静止状态的剂量分布差异，并分析呼吸运动对患者实际治疗时剂量验证的影响。患者平均呼吸运动周期为3.3 s，头脚方向上平均肿瘤运动幅度（5.6 mm）大于左右方向（2.1 mm）和前后方向（2.3 mm），且最大为18 mm。头脚和左右方向的呼吸运动状态下的γ通过率都低于静止状态的γ通过率（p<0.001），且都随肿瘤运动幅度的增加呈逐渐减小趋势，当肿瘤运动幅度大于3 mm时，绝大多数γ通过率小于95%。按呼吸周期中位数分组后，左右方向上的运动状态下两组的γ通过率差异具有统计学意义。肿瘤运动幅度是影响肺癌IMRT剂量验证的主要因素，呼吸运动周期也影响剂量验证。对于呼吸运动幅度较大的患者建议采用呼吸运动管理技术以提高靶区剂量递送的准确性。
剂量验证 呼吸运动模型 肺癌 IMRT治疗计划 γ分析 Dose validation Respiratory motion model Lung cancer IMRT treatment planning Gamma analysis 辐射研究与辐射工艺学报
2023, 41(3): 030302
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 光子网络技术研究室，西安 710119
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安 710119
3 中国科学院大学，北京 100049
针对湍流对水下成像系统的影响，基于Yao折射率起伏功率谱，推导了平面波的波结构函数，完善了水下光学成像模型，其优势在于将难以测量的微观参量如动能耗散率和温度耗散率，用平均温度和平均盐度等宏观参量代替。数值仿真了不同平均温度与平均盐度条件下水下湍流通过改变波前，进而对成像系统调制传递函数产生影响。仿真结果表明，平均温度与平均盐度升高，均会造成系统成像质量下降，进一步研究发现平均盐度增加，不同空间频率的调制传递函数值均线性下降，且下降幅度基本一致；随着平均温度升高，调制传递函数值线性下降，且高频成分的调制传递函数值下降得更快。为验证成像模型的正确性，设计搭建了3 m长的水下光学成像实验平台，利用相机记录分辨率板透过湍流的成像情况，得到不同平均温度与平均盐度条件下的调制传递函数曲线。对比实验与仿真结果发现，在平均温度10 ℃~30 ℃与平均盐度0 ppt~30 ppt范围内，对比度随平均温度与平均盐度变化趋势相同。该研究对水下光学成像系统的设计优化及水下图像处理具有一定的参考价值。
水下湍流 折射率起伏功率谱 波结构函数 调制传递函数 温度 盐度 Underwater turbulence Power spectrum Wave structure function Modulation transfer function Temperature Salinity 光子学报
2022, 51(12): 1211004
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191
相比传统的多光谱成像探测，偏振多光谱成像探测方法可以探测目标表面的粗糙度、含水量等更多信息，给目标检测带来了很大便利，但目前主要用于目标探测，尚未广泛应用于目标分类。BP神经网络是目前常用的一种典型神经网络，可以建立从端到端的映射，在训练样本集足够大的前提下，训练完毕且效果良好的神经网络是一种高效、精确、快速的工具。首先，利用基于旋转偏振片和滤波片的偏振光谱成像探测系统获取了典型地物的偏振多光谱图像，对图像进行了预处理，建立了数据集；其次，在该数据集上进行了神经网络的训练，训练后的神经网络可以处理未知的偏振多光谱图像，并实现了对几种典型地物的分类；最后，对神经网络分类的效果进行了评价，并与其他几种典型分类方法的效果进行了对比，发现神经网络方法具有更好的分类精度和效果，相比典型的最大似然分类算法，其总体分类精度可从91.7%提升至94.2%，Kappa系数可从0.851提升至0.898。研究结果表明：基于神经网络的偏振光谱图像分类方法对于改进和优化现有的偏振多光谱图像数据处理方法具有一定的研究意义。
偏振多光谱图像 图像分类 BP神经网络 polarized multispectral image image classification BP neural network 红外与激光工程
2022, 51(6): 20220249
1 宁夏大学食品与葡萄酒学院, 宁夏 银川 750021
2 宁夏大学物理与电子电气工程学院, 宁夏 银川 750021
为了研究可见-近红外(Vis-NIR)高光谱成像对滩羊肉中总酚浓度(TPC)快速检测的可行性, 基于光谱信息融合图像纹理特征建立TPC含量的预测模型, 实现滩羊肉中TPC含量的可视化表达。 将样本集根据3∶1的比例划分成校正集和预测集, 采用多元散射校正(MSC)、 基线校准(Baseline)、 去趋势(De-trending)、 卷积平滑(S-G)、 标准正态变量变换(SNV)、 归一化(Normalize)等校正方法去除原始光谱中不良散射等干扰信息。 通过竞争性自适应加权抽样(CARS)、 引导软收缩(BOSS)、 区间变量迭代空间收缩法(iVISSA)和变量组成集群分析-迭代保留信息变量(VCPA-IRIV)提取TPC浓度的代表性特征光谱。 采用灰度共生矩阵(GLCM)算法依次提取肉样第1主成分图像中纹理特征。 基于特征光谱及图谱融合信息建立滩羊肉中TPC含量的偏最小二乘回归(PLSR)与最小二乘支持向量机(LSSVM)预测模型并进行对比分析。 结果表明, (1)利用De-trending+SNV预处理后的光谱数据建立的PLSR预测模型性能较好, 其RC2=0.874 9, RP2=0.793 2; (2)采用CARS, BOSS, iVISSA和VCPA-IRIV分别提取出了23, 35, 57和43个特征波长, 占全光谱的18.4%, 28%, 45.6%和16.8%; (3)采用BOSS法提取的关键性波长建立的LSSVM模型性能较好, 其RC2=0.851 3, RP2=0.745 9, RMSEC=0.116 8和RMSEP=0.155 0; (4)与基于特征波长建立的预测模型相比, BOSS-ASM-ENT-CON-LSSVM模型为滩羊肉中TPC浓度的最佳图谱融合预测模型(RC2=0.850 0, RP2=0.770 9, RMSEC=0.116 0, RMSEP=0.144 7); (5)利用BOSS-PLSR简化模型将TPC浓度反演到样本的高光谱图像上, 通过色彩直观化形式展现出来, 实现TPC含量的可视化表达。
滩羊肉 高光谱 总酚浓度 图谱融合 可视化 Tan mutton Hyperspectral imaging Total phenol concentration Fusion of spectra and texture feature Visualization 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3631
西安工业大学电子信息工程学院，陕西 西安 710021
针对传统光空间调制(OSM)传输速率低、发射天线数必须是2的整数次幂等缺陷，提出了一种光广义空间调制(OGSM)方案。该方案通过同时激活多根发射天线并结合多相制调制方式来提高传输速率。在此基础上引入基于范数的天线选择算法，在可见光通信(VLC)情形下，通过选取信道范数最大的子信道传输信息，降低了信号间干扰，改善了误码性能。利用分段式界理论推出了多输入多输出(MIMO)信道下的误码率理论上界。结果表明：当误码率达到10－4时，采用基于范数的天线选择算法，光广义空间调制系统信噪比提升了3.1 dB；与3根接收天线的方案相比，4根接收天线的方案信噪比减少了8.4 dB。当误码率达到10－3、激活天线数为2根时，正交振幅调制、脉冲振幅调制、正交相移键控与二进制相移键控相比，传输速率按每信道比特数计都增加了2，信噪比分别增加了0.7 dB、3.2 dB、5.1 dB。总之，通过增加调制阶数和接收天线数，光广义空间调制系统提升了传输速率，改善了误码性能。
光通信 光空间调制 光广义空间调制 信道范数 分段式界理论 误码率 中国激光
2022, 49(23): 2306001
1 兰州交通大学测绘与地理信息学院，甘肃 兰州 730070
2 地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心，甘肃 兰州 730070
3 甘肃省地理国情监测工程实验室，甘肃 兰州 730070
交换密码水印是一种新兴的加密技术与数字水印技术相结合的方法，具有数据安全传输和版权追踪双重保护能力，这类方法在多媒体数据安全领域得到了广泛的应用。然而已有算法没有顾及高分辨率遥感影像的敏感性和特殊性，无法为高分辨率遥感影像提供完全保护。为解决这一问题，运用同态加密技术提出了一种适用于高分辨率遥感影像的交换密码水印算法。首先对原始影像进行分块处理；然后运用整数小波变换提取每个子块的低频系数和高频系数；最后利用Paillier算法加密每个子块的低频系数和高频系数，同时基于Paillier算法的加法同态特性，将水印信息嵌入到低频系数。实验结果表明，所提算法实现了加密操作和水印操作之间的可交换性，在明文数据和密文数据中均能成功重构原始水印，并且具有较高的加密安全性和良好的水印鲁棒性。
遥感影像 交换密码水印 Paillier加密 安全分发 版权保护 激光与光电子学进展
2022, 59(18): 1815012
中国民用航空飞行学院空中交通管理学院, 四川 广汉 618307
为明确ARJ21飞机近地阶段的尾涡观测效率及演化过程, 基于在双流机场开展的尾涡实地探测, 提出一种基于相关多普勒激光雷达径向风速的尾涡快速识别方法, 并基于此方法分析ARJ21飞机起降阶段的尾涡演化过程。结果显示, ARJ21飞机的尾涡在近地面处产生, 然后向下、向外扩散, 尾涡环量随时间变化逐渐减小, 但在特定的近地效应影响下, 会发生二次涡诱导主涡反弹现象, 涡核高度由13 m处上升至18 m处。同时, 侧风条件会加速ARJ21飞机的尾涡耗散, 并使其平移至跑道外, 尾涡持续时间由非侧向风下的约70 s缩减至侧风条件下的约42 s。
相关多普勒激光雷达 尾涡识别 近地效应 尾涡耗散 coherent doppler lidar wake vortex detection ARJ21 ARJ21 near-ground effect wake vortex dissipation
