1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
2 釜山国立大学物理系，韩国釜山 46241
光学轨道角动量（OAM）可以纵向OAM的形式存在于空间涡旋光束中，或以横向OAM的形式存在于时空光涡旋波包中。与涡旋光束不同，时空光涡旋波包在传播过程中同时受到衍射和色散效应的影响，造成波包在时空域内的展宽，并且时空光涡旋波包携带的横向OAM也会在传播过程中分裂。这两点限制了横向OAM在其他研究领域的应用。本文引入并研究了携带横向OAM的三维时空局域波包，此波包可以同时克服衍射与色散效应造成的时空域三维变化。在传播过程中，该时空局域波包的时空域分布不变，且在遇到障碍物后也能快速重新恢复到原有的状态，具有传播不变以及自恢复的特性。本文对时空局域波包的传播过程以及经过障碍物后的恢复过程进行了数值模拟仿真，证实了其传播不变特性和自恢复特性。这种携带横向OAM的三维时空局域波包为横向OAM未来的利用提供了新的机遇，有望应用于光通信、量子光学、光学成像等领域。
横向光学轨道角动量 三维时空局域波包 传播不变 自恢复 光学学报
2024, 44(10): 1026018
强激光与粒子束
2024, 36(1): 013010
1 中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
2 中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东 青岛 266555
采用光束传播法对双芯光子晶体光纤中光纤结构参数对纤芯间耦合效率的影响进行分析。首先，根据双芯耦合原理，使用最小二乘法对波导间的耦合系数等参数进行估计，明确孔间距、纤芯折射率差、中央空气孔直径比例、纤芯直径比例、空气孔直径比例和空气孔对称度等参数对双芯光子晶体光纤耦合比及耦合区长度的调节作用，提出一种基于双芯光子晶体光纤的耦合器性能粗调与微调设计方法。然后，根据这一耦合器设计方法，提出一种非对称的双芯光子晶体光纤宽带定向耦合器。该耦合器在1.31~1.55 μm区间实现了50%±5%的耦合比，带宽为240 nm，并具有3 mm的超短耦合长度。本研究成果可为光纤宽带定向耦合器的高效设计提供有意义的参考。
光纤光学 双芯光子晶体光纤 光束传播法 耦合效率 宽带耦合器
中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
为解决分布式相位敏感光时域反射计系统现有事件识别方法对于相似振动信号识别困难这一问题，提出了一种基于多尺度特征融合的相似信号识别方法。在该方法中，原始信号首先通过经验模态分解和小波包分解被分解为不同频率范围内的子信号。随后，分别提取原始信号和子信号的时频特征和近似熵特征，并利用主成分分析法对所提取的特征进行融合。最后，通过构建一个6层轻量反向传播（BP）神经网络分类器，训练分类模型并利用测试集验证模型分类度。该方法对小车经过和行走等相似信号的识别准确率可分别达到98.5%和98.0%，对于敲击和摇晃差异性大的信号的识别准确率可达100%。相比于直接从原始信号中提取特征并结合时频图的卷积神经网络方式，所提方法的综合识别准确率分别提高了8.4%与9.0%，相似信号的识别准确率分别提高了13.5%与12.4%。结果表明，该方法在保证差异性大的信号的高识别准确率的基础上，显著提高了相似信号的识别准确率，对于拓展分布式光纤传感的应用范围有重要的价值。
光通信 相位敏感光时域反射计 时频特征 近似熵 多尺度特征融合 反向传播神经网络
1 北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044
2 北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京 100044
掺铋光纤放大器有助于将光纤通信系统拓展至新的传输波段。然而，其增益和噪声性能存在相互制约的关系，提升增益往往会导致噪声性能的恶化，反之亦然。因此，提出一种结合反向传播神经网络（BPNN）和带精英保留策略的快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）的多目标优化方法，通过对两级掺铋光纤放大器结构进行设计，实现了增益和噪声性能的同时优化。使用经过训练的BPNN对增益和噪声系数预测的均方根误差分别为0.191和0.084，具有较高预测精度。以高增益和低噪声系数为目标，使用NSGA-Ⅱ算法进行优化，得到包含500个解的Pareto最优解集。优化后，放大器所能实现的平均增益范围为15~37 dB，相应的平均噪声系数范围为4.95~5.31 dB。利用BPNN代替求解耦合微分方程来评价个体适应度，使得优化时间较传统方法由106 s左右降低为80 s左右，大幅提升了优化效率。所提方法也为其他掺杂光纤放大器的高效率、多目标结构优化设计提供了一种新的思路。
光纤通信 掺铋光纤放大器 反向传播神经网络 多目标优化 带精英保留策略的快速非支配排序遗传算法
1 国防科技大学 前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
3 国防科技大学 空天科学学院，湖南 长沙 410073
随着智能技术和设备的不断发展，精确定位技术在**领域的应用越来越广泛，其应用场景涵盖室外和室内环境。全球卫星导航系统定位技术在室外环境中定位精度高，提供信息丰富，应用十分普遍。然而，由于墙壁、树木、玻璃等障碍物的遮挡，其在室内环境中的定位精度明显下降。超宽带技术以其定位精度高、时空分辨率强、传输速率快、成本低而显示出明显的优势。在室内环境中，各种障碍物使超宽带系统的基站和标签之间的传播通道被阻挡，由于超宽带信号的非视距传播现象，超宽带系统的定位精度明显下降。文中基于深度学习技术，提出了一种深度神经网络用于超宽带非视距传播影响抑制，该深度神经网络兼具ResNet网络和Non-local模块的优点，既可防止网络层数增加时网络性能不升反降的问题，也可捕获输入数据的全局特征，建立超宽带系统原始信道脉冲响应和测距误差之间的映射关系。相关实验结果显示，该方法可将超宽带系统在非视距传播条件下的测距平均绝对误差从0.1242 m降低至0.0681 m。与传统方法相比，该方法可消除人工统计超宽带信号波形特征耗费大量时间的缺点，可进一步提高超宽带系统在非视距传播条件下的定位精度，具有鲁棒性强、应用范围广的优点，可为**领域室内高精度定位提供技术支撑。
超宽带技术 深度学习 非视距传播 ResNet网络 Non-local模块 Ultra-Wideband deep learning Non-Line-of-Sight ResNet Non-local 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230183
南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 211106
针对现有多阵列非圆(NC)信号直接定位方法(DPD)谱峰搜索计算复杂度高，对基站的位置比较敏感，没有考虑信号在空间中传播时的损耗差异，导致估计性能不稳定的问题，提出一种联合降维传播算子与泰勒补偿(JRT-PM)的非圆信号直接定位算法。首先根据非圆信号的椭圆协方差信息扩展阵列孔径，通过降维方法消除非圆相位搜索维度进行粗估计降低计算复杂度，然后联合所有基站的信息进行泰勒补偿提升算法估计性能。仿真实验表明，相比于传统到达角K 均值聚类(AOA-clustering)两步定位算法、最小均方无畸变响应(MVDR)直接定位算法、子空间数据融合(SDF)直接定位算法，所提算法在提升定位精确度的同时可以估计更多目标；与非圆传播算子(NC-PM)直接定位相比，所提算法在保证估计性能的同时显著降低了计算复杂度。
非圆信号 传播算子 降维 泰勒补偿 直接定位 Non-Circular signal propagator method dimension reduction Taylor Compensation Direct Position Determination 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(6): 725
针对无人机集群的协同导航问题, 提出了一种基于高斯置信传播的无人机集群协同导航算法。该算法通过概率图模型对无人机自身传感器信息和无人机机间测距信息进行建模, 引入高斯置信传播(GaBP)算法完成协同信息的有效融合。仿真实验结果表明, 新算法相较于传统协同扩展卡尔曼滤波导航算法将无卫星信号无人机定位精度从4.82 m提高到了1.97 m。同时, 在性能相近的情况下, 相较于传统的置信传播算法, 新算法的计算效率提升了近40倍。
无人机集群 协同导航 高斯置信传播(GaBP) 概率图模型 UAV swarm collaborative navigation Gaussian Belief Propagation (GaBP) probabilistic graphical model
1 国网福建省电力有限公司经济技术研究院，福建福州 350000
2 国网福建省电力有限公司，福建福州 350001
针对现有单星定位技术精确度不足问题，提出一种基于传播算子的卫星导航系统干扰源直接定位方法，解决现有技术无法快速有效地定位中高轨卫星干扰源的问题。对卫星接收信号建模，计算每个时刻的接收信号协方差矩阵，通过对协方差矩阵分块，计算得到传播算子，进而得到导向矢量正交投影子空间的估计；然后建立损失函数，通过搜索得到干扰源位置估计结果。理论分析和仿真结果证明，该算法在复杂度大大降低的同时，定位精确度与传统基于多重信号分类(MUSIC)的直接定位算法相当，远优于现有的测向定位技术，具有重要的工程应用价值。
导航卫星 传播算子 干扰源 直接定位 navigation satellite propagation operator interference source direct positioning 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(8): 985
中国船舶集团 国际工程有限公司, 北京 100121
为研究山体、坝体等自然环境下不同地应力水平对爆炸应力波传播的影响, 采用数值模拟技术对不同地应力条件下混凝土试件进行爆炸模拟试验。通过对混凝土试件边界处施加不同大小的应力, 观察了在不同地应力下试件承受爆炸荷载后的破坏现象; 通过改变模型单边地应力数值设置对照组, 随后对不同模型施加相同爆炸荷载, 得到了试件中各预设的4个测点的峰值应力及质点运动速度。借助试验中测点峰值应力与质点运动速度等爆炸波特征参数的变化, 进而分析了不同地应力大小对爆炸应力波传播的影响。结果表明: 地应力对爆炸应力波的影响主要表现为在高地应力水平下的“抑制传播”与低应力水平下的“促进传播”。爆炸过程中, 爆炸应力波与地应力的叠加耦合增大了测点峰值应力强度, 反之, 高地应力抑制了介质颗粒的位移, 从而降低了质点运动速度。研究从不同地应力水平对爆炸应力波的传播影响角度入手, 创新性地分析了地应力对应力波的抑制作用, 其结果可为深地下钻孔爆破过程中破坏区的预判, 地下结构抗爆防护等方面提供一定的理论依据。
岩体 地应力 爆炸应力波 传播 抑制 rock mass in-situ stress explosion stress wave propagation suppression
