宋奇林 1,2,3,4李杨 1,3,4周子夜 1,3,4肖亚维 1,2,3,4[ ... ]饶长辉 1,2,3,4
1 自适应光学全国重点实验室,四川 成都 610209
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院光电技术研究所,四川 成都 610209
4 中国科学院自适应光学重点实验室,四川 成都 610209
Overview: Since the groundbreaking discovery of gravitational waves, the scientific community has fervently pursued the exploration of low-frequency gravitational waves to glean deeper insights into the cosmos. The inherent limitations of ground-based conditions, however, pose formidable challenges for detectors in capturing gravitational waves below the 1 Hz threshold. Consequently, the imperative has shifted toward the deployment of space-based gravitational wave detectors as the paramount solution for effective low-frequency gravitational wave detection. At the crux of space-based gravitational wave detection lies the pivotal role of spaceborne telescopes. Given the expansive transmission distances spanning magnitudes of 109 m between celestial constellations, the demand for nanoradian-level precision in telescope pointing accuracy becomes non-negotiable. The concomitant necessity for high-precision measurements and calibration emerges as a prerequisite for achieving the exacting standards of pointing accuracy in spaceborne telescopes dedicated to gravitational wave detection. To ameliorate the deleterious effects of pointing deviations on gravitational wave detection, this study strategically optimizes key parameters, including microlens structures, detector selection, and algorithmic frameworks, thereby achieving a breakthrough in high-precision pointing deviation measurements. Leveraging a low-density microlens array with extended sub-aperture focal lengths enhances the spatial scale of the light spot within each sub-aperture. This, coupled with detectors boasting a high signal-to-noise ratio, synergistically elevates the pointing detection accuracy of each discrete lens. Moreover, the paper introduces an innovative, Hartmann principle-based methodology for high-precision pointing deviation measurements, deploying a spatially reused paradigm across multiple sub-apertures. By aggregating measurement results from diverse sub-apertures, the approach effectively mitigates the influence of assorted random errors on measurement accuracy, thereby markedly enhancing the precision of pointing deviation measurements. Illustrating the efficacy of these methodologies, the paper exemplifies their application within the ambit of the "Tianqin Plan" for space-based gravitational wave detection. Employing numerical simulations and factoring in the design parameters of the Hartmann sensor, the study performs a meticulous analysis of pointing deviation measurement accuracy. Comparative analysis between single sub-aperture and sub-aperture correlation reuse technologies reveals a compelling enhancement in measurement accuracy, approximating a sevenfold improvement with the latter. The pointing deviation measurement accuracy achieved through sub-aperture correlation reuse technology is quantified at approximately 18.81 nanoradians. Considering the optical magnification inherent in spaceborne telescopes, estimated at around 30 times, the resultant pointing deviation measurement accuracy reaches an impressive 0.62 nanoradians. This design precision significantly surpasses the stipulated 1 nanoradian accuracy requirement for ground-based gravitational wave pointing deviation measurements. As a prudential measure, the proposed design incorporates a substantial margin to accommodate potential accuracy diminution attributable to external perturbations during empirical testing.
星载望远镜 指向偏差测量 哈特曼 多子孔径空间复用 spaceborne telescope pointing deviation measurement Hartmann multi-subaperture spatial multiplexing
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中航凯迈(上海)红外科技有限公司, 上海 201306
3 中国人民解放军32031部队, 河南 开封 475000
为了实现可见光波段多路不同波长激光的周期性闭环校正,设计了一种具有光束指向和位置偏差独立监测与调节的激光合束系统。首先,根据系统的应用需求,提出了合束系统的设计指标与整体合束方案。然后,在合束方案的基础上,建立了合束系统的光束控制模型,并通过数值仿真得到了合束系统光束控制的解算方法。闭环合束系统通过光束指向和位置监测装置分别实现合束激光指向偏差与位置偏差的独立监测,并根据监测结果进行光束调节装置控制量的解算;进而通过两维摆镜和一维平移台分别实现光束指向和位置偏差的独立高效调节。最后,采用两路不同波长的激光束,配合光束监测与调节装置,搭建了闭环合束模拟实验平台,对周期性闭环合束系统的合束效果进行了验证。实验结果表明:在长时间的工作过程中,两路激光均实现了与基准光路的精密合束,合束指向精度优于±7 μrad,位置精度优于±0.84 mm。本研究所组建的激光合束系统不仅具有合束精度高、校正速度快、光路扩展性强的优势,而且可实现激光束的周期性闭环校正,能够有效保证合束激光的长期工作稳定性。
激光合束 光束监测 光束控制 指向偏差 位置偏差 laser beam combining beam monitoring beam control beam direction deviation beam positional deviation
1 深圳技术大学 新材料与新能源学院,广东 深圳 518118
2 深圳盛方科技有限公司,广东 深圳 518173
为了获得稳定性更好、能量更大的准分子激光输出脉冲,对合束方式提高输出脉冲能量稳定性的可行性进行了理论推导、模拟实验以及合束实验研究。从理论推导得知,当激光输出脉冲能量符合正态分布时,多台激光器合束可以降低输出能量相对标准差。对三台输出脉冲能量分布特性符合正态分布的准分子激光器进行合束模拟实验研究,每台输出脉冲能量平均值约为153 mJ,脉冲能量相对标准差约为1%。两台准分子激光器合束时得到输出脉冲能量平均值为305 mJ、能量相对标准差为0.7%的准分子激光脉冲。三台准分子激光器合束时可以得到输出能量平均值为458 mJ、能量相对标准差为0.6%的准分子激光脉冲。使用两台准分子激光器进行三次实际合束实验,其中两台准分子激光器三次合束分别输出能量平均值约为355、350、330 mJ,相对标准差为1.3%、1.2%、1.4%的激光脉冲;三次合束后分别得到能量平均值为687、694、646 mJ,相对标准差为0.86%、0.79%、0.83%的激光脉冲。模拟实验以及合束实验都表明,合束后的能量相对标准差均小于单台能量相对标准差,即合束提高准分子输出脉冲的稳定性。因此,当单台准分子激光输出脉冲能量符合正态分布且平均能量相当时,多台合束可以有效提高激光输出脉冲的能量稳定性。
准分子激光 脉冲能量 稳定性 相对标准差 excimer laser pulse energy stability relative standard deviation 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230309
南京林业大学土木工程学院,江苏 南京 210037
针对PointNet++在特征提取阶段未能深层挖掘Lidar点云的语义特征及其在特征聚合阶段采用最大池化聚合导致特征丢失,进而导致点云分割精度下降的问题,通过改进PointNet++的特征提取及特征聚合模块,提出一种基于特征偏差值和注意力机制的点云分割模型。首先,利用球形采样获取不同的局部邻域,并采用K最近邻(KNN)算法筛选邻域点,计算不同邻域的特征偏差值,获取点云的深层语义信息,增强模型对不同局部邻域的识别能力;其次,利用基于注意力机制的特征聚合模块代替PointNet++中的最大池化模块,在聚合特征阶段学习不同特征的权重,从而提高模型对不同结构信息的筛选能力,增强模型的分割性能;最后,为了进一步优化模型架构,在全连接层中加入残差模块,共享权重,避免参数冗余,提升模型性能。基于ISPRS提供的Vaihingen数据集与斯坦福的S3DIS数据集进行实验验证,实验结果表明,所提模型总体精度达到86.69%,较PointNet++提高了5.49个百分点,同时平均F1得分达到了73.97%,较PointNet++提高了8.30个百分点。在S3DIS数据集上的实验结果表明,与PointNet++、RandLA-Net和ConvPoint等主流模型相比,所提模型结果较PointNet++也有提升,即相较于PointNet++的分割结果,改进后的模型能够充分提取点云的语义特征,有效提高模型分割精度。
点云分割 PointNet++ Lidar 特征偏差值 注意力机制 特征融合 残差结构 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411001
1 甘肃政法大学司法警察学院(公安分院),甘肃 兰州 730070
2 甘肃省兰州市公安局西固分局,甘肃 兰州 730060
3 铁道警察学院治安学系,河南 郑州 450053
探索利用可见激光无损提取粗糙纸张上尿渍足迹的可行性,定量比较足迹显现效果。利用3种可见激光,配合使用11种可见波段滤光镜,对4类20种常见类型纸张上的尿渍足迹样本进行可见激光荧光照相,观察足迹显现效果;创建Matlab程序,引入灰度荧光亮度标准差指标比较足迹显出程度。发现20个尿渍足迹样本显现效果最好时的波段组合几乎各不相同,但可利用445 nm蓝色激光作为激发光,配合使用570 nm接收滤光镜,对所有样本的尿渍足迹进行整体最大程度的显现,样本尿渍足迹发现率100%;除黑色打印纸、复杂彩色背景报纸上的尿渍足迹样本外,样本尿渍足迹有效显出率90%。表明可见激光荧光照相能够用来显现粗糙纸张上的尿渍足迹,灰度荧光亮度标准差可以用来衡量尿渍足迹显出程度。
可见激光荧光照相 粗糙纸张 尿渍足迹 无损提取 灰度荧光亮度标准差 visible laser fluorescence photography rough paper urine footprint non-destructive extract standard deviation of gray-scale fluorescence lumi
光学 精密工程
2023, 31(23): 3405
光子学报
2023, 52(11): 1110004
1 合肥工业大学 微电子学院, 合肥 230009
2 合肥工业大学 数学学院, 合肥 230009
在信息爆炸时代,信息的安全问题受到了广泛关注。在物联网设备的加密协议中,物理不可克隆函数(PUF)与真随机数发生器成为加密协议中基本的安全原语,提供了轻量级的解决方案。文章提出了一种熵源分离模型,能够分离环形振荡器中抖动(真随机数发生器的熵)和工艺偏差(PUF熵)引起的延时。基于该模型,在FPGA上设计了一种可重构的双工作模式电路,通过改变模式可分别生成PUF和真随机数。相较于FPGA上独立设计的PUF和真随机数发生器,该结构具有资源开销小、面积利用率高、功耗低等优势。实验结果表明,生成的PUF稳定性高、唯一性强、均匀性好;真随机数序列均通过了NIST测试,具有高随机性和不可预测性。
环形振荡器 抖动 工艺偏差 物理不可克隆函数 真随机数发生器 ring oscillator jitter process deviation physical unclonable function true random number generator
陆军工程大学通信工程学院,江苏 南京 210007
针对星地激光单向授时受大气色散影响而产生授时偏差的问题,利用气象实测数据建立大气折射率对星地激光单向授时偏差的影响模型。以该模型为基础,分别研究了单星对地授时和四星对地授时模式下,不同地区、不同月份、不同天顶角和激光波长对大气色散引入的单向授时偏差的量值范围和变化规律。结果表明:大气温度越高,大气压强越低,接收天顶角越小,大气色散引入的单向授时偏差越小;星地单向授时偏差在10 ns量级,通常大气色散导致授时偏差的全年波动峰峰值小于1 ns。
大气光学 星地激光单向授时 大气色散 单向授时偏差 光学学报
2023, 43(24): 2401005