中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018
针对共程Tolansky干涉测量中出现的干涉圆环嵌套问题，基于多光束反射原理建立了分析模型，通过将MATLAB的仿真实验和实体双臂Tolansky干涉系统相结合的方式进行交叉验证，结果显示嵌套环确实是由光束在干涉分光镜和干涉反射镜之间来回反射产生的多光束干涉造成的。由仿真和实验的验证显示可知，通过合理调整干涉分光镜的透射率、反射率和干涉反射镜的反射率可以对嵌套现象进行有效地抑制，为后续利用共程Tolansky干涉进行精密测量提供了理论和实验指导。
物理光学 Tolansky干涉 共程干涉 非定域 圆环嵌套
昆明理工大学理学院激光信息处理技术与应用重点实验室，云南 昆明 650500
基于轴锥镜和瑞利-索末菲矢量衍射理论，对无衍射光的产生及产生后的光场进行详细的理论分析。采用数值模拟对两束无衍射光的空间光场分布和轴上光强分布曲线进行仿真，基于锥镜加工工艺，对锥镜的锥角和第一、第二轴锥镜出射后的光束进行光场分析。结果表明：当第一轴锥镜的锥角小于第二轴锥镜时，出射光束在干涉重合区的光强为两部分光场的耦合叠加，并产生新的无衍射光束；反之，出射后的两束无衍射光不重合，继续保持各自的无衍射特性。其次，出射光束沿垂直于传输方向上的横截面上呈同心圆环分布，且同心圆环的半径随传输距离的改变而改变。从理论和模拟上均实现了两束无衍射光束的强度分布、光束分布及圆环环径的可调，这对无衍射光束应用于大尺度空间精密测量、粒子微操纵等领域具有重要的指导意义。
矢量衍射理论 双轴锥镜 无衍射光 圆环的半径 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0526001
1 中山大学 物理学院，广东 广州 510275
2 湛江幼儿师范专科学校（岭南师范学院基础教育学院），广东 湛江 524084
3 中山大学 电子与信息工程学院，广东 广州 510275
视觉定位和导航在物流仓储等领域具有广泛的应用前景，传统单目视觉难以实现准确的定位，而双目视觉虽能完成精确的定位和导航，但硬件成本高且影响车体尺寸。提出一种基于特征物形变的单目定位技术，利用单个相机对地面铺设的特征物（带编码的圆环图案）的畸变进行记录，以嵌入式图像处理单元（graphics processing unit,GPU）进行分析，实现端到端的单目视觉定位。其中嵌入式GPU对相机采集的图像通过深度学习目标检测算法识别特征圆环的编码图案，经传统图像处理获取图案物像的形变信息，将该形变信息输入至经极端梯度提升算法（extreme gradient boosting，XGBoost）训练好的回归模型，预测出相机相对图案中心的坐标，同时结合该特征圆环的绝对坐标，最终解算出相机的室内绝对坐标。实验结果表明：在2 m×2 m 的范围内定位平均误差仅为0.55 cm，优于文献报道1个数量级，且算法在电脑端和在嵌入式GPU上的定位解算帧率分别为20帧和4帧，具有实时性。
嵌入式GPU 室内定位 深度学习 回归模型 圆环编码图案 embedded GPU indoor positioning deep learning regression model ring encoded patterns
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院 江苏 南京 210094
2 中国科学院 声学研究所, 北京 100190
同心圆环传声器阵列广泛应用于声成像阵列系统, 能有效地抑制干扰并确定声源位置。在限定阵元数量、阵列最大孔径和最小阵元间距等条件下, 提出了一种利用粒子群算法设计宽带低旁瓣同心圆环传声器阵列的方法。该方法通过构造一个反映宽带信号在扫描区域内旁瓣水平的适应度函数, 以圆环半径和阵元偏转角作为联合优化参数, 基于粒子群优化算法实现了阵型的快速优化求解。仿真实验表明, 该方法获得的优化阵型在扫描范围内的整体旁瓣水平低于以最高旁瓣级为适应度函数得到的最优阵型, 也低于仅优化圆环半径获得的最优阵型, 这说明了该优化方法的可行性和有效性。
粒子群优化(PSO） 同心圆环阵 阵型优化 低旁瓣 宽带 particles swarm optimization(PSO) concentric ring array array optimization low side lobe broadband
1 云南师范大学信息学院，云南 昆明 650500
2 南通理工学院计算机与信息工程学院，江苏 南通 226004
受限于管道内环形焊缝缺少点和直线特征，单目视觉无损检测机器人自动定位管道中的焊缝仍然是一项充满挑战性的研究。研究机器人有左右摆动干扰运动下正环形焊缝定位问题，根据管道内壁圆形焊缝在检测机器人相机中的几何成像模型和机器人运动速度，建立定位正圆形焊缝至检测机器人距离的特殊同步定位与地图构建（SLAM）问题控制方程，并将求解该控制方程的问题转换成使损失函数达到最小的优化问题。针对该优化问题的高度非线性，采用遗传算法求解，实现了机器人有左右摆动干扰运动下的正环形焊缝定位。利用机器人在圆柱形管道内探测的正圆形焊缝的合成视频以及实际工作时所抓拍的视频，对所提定位方法进行实验，实验结果表明，所提定位方法可以获得良好的结果。
机器视觉 单目视觉 管道圆环焊缝定位 环形焊缝轮廓形状建模 管道焊缝SLAM 遗传算法 激光与光电子学进展
2022, 59(12): 1215007
1 上海大学理学院, 上海200444
2 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室, 上海 201800
3 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京100049
圆环达曼光栅(CDG)产生的贝塞尔光束照明可以扩展光学相干层析成像(OCT)系统的焦深,使得系统在较大成像深度范围均保持高的横向分辨率。但CDG一级衍射环的分裂效应会导致贝塞尔光束轴向能量分布出现凹陷,削弱了焦深扩展的效果。本研究团队在分析CDG衍射原理的基础上,优化设计了无一级衍射环分裂效应的CDG,并通过仿真证明了该CDG产生的贝塞尔光束不存在轴向能量凹陷,具有更好的焦深扩展效果;然后将优化设计的CDG应用于搭建的OCT系统中,采用该系统对聚苯乙烯微球琼脂凝胶、白胶带等样品进行成像。结果表明,该OCT系统可以在1.8 mm的焦深范围内获得优于3.9 μm的横向分辨率,有效扩展了系统焦深。
医用光学 光学相干层析成像 焦深扩展 贝塞尔光束 圆环达曼光栅 中国激光
2021, 48(20): 2007002
桂林电子科技大学机电工程学院, 桂林 541004
为衰减中低频振动噪声, 本文设计了一种非严格对称的开口圆环类声子晶体结构, 基于有限元法和弹性波理论分析了其禁带特性和各方向的振动衰减性能; 结合系统的振动模态解释了带隙打开和关闭的原因, 并分析了几何参数对带隙宽度的影响规律。结果表明: 由于晶体的非严格对称, 仅ΓX方向的传输损耗和禁带特性吻合, 且衰减性能优于MΓ方向, 禁带内平均衰减27.8 dB, 同比提升了5.5 dB。禁带内几乎没有产生位移变形量, 而通带因无法抑制弹性波传播导致变形量显著增大; 芯体的水平和旋转运动是带隙起始、截止的明显标志。以钨为芯体, 能获得起始频率和带宽均为500 Hz的低频带隙, 增大芯体的材料密度、填充率和晶格尺寸有助于获得较低频率的完整带隙。
圆环类声子晶体 带隙结构 方向传输损耗 几何尺寸 振动衰减性能 ring-like phononic crystal band gap structure directional transmission loss geometric size vibration attenuation performance
1 南京大学地球科学与工程学院, 江苏 南京 210023
2 南京大学(苏州)高新技术研究院, 江苏 苏州 215123
3 中建科技有限公司深圳分公司, 广东 深圳 518000
提出了一种基于分布式光纤应变感测的测力方法,开展了基于布拉格光纤光栅技术(FBG)和布里渊散射光时域分析技术(BOTDA)的薄壁圆环加载实验,详细阐述了分布式光纤传感器的原理、数据拟合及误差分析等问题。为了更进一步验证所提方法的可行性,实验中对FBG和BOTDA所获结果进行了对比分析。实验结果表明,通过BOTDA数据计算的作用力更加接近于实际测量值,证明了分布式光纤监测技术满足土工实验数据采集的精确性要求。
光纤光学 光纤布拉格光栅 布里渊光时域分析技术 分布式监测 薄壁圆环 数据处理 激光与光电子学进展
2019, 56(10): 100602
基于光束耦合分析了光波导端面光栅衍射原理。飞秒激光刻写一维正弦光栅并测量衍射光的强度, 测量结果与仿真实验基本一致。利用Matlab编程仿真研究了分布不同、排列有序的折射率正弦变化二维光栅的波束整形等效果。为刻写不同折射率变化图案控制衍射光的衍射强度与衍射方向提供了理论依据。
飞秒激光 端面光栅 波束整形 圆环光栅 femto-second laser end surface grating beam shaping circularity grating
1 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院理化技术研究所光化学转换与功能材料重点实验室, 北京 100190
微针经皮给药结合了注射和经皮给药两者的优势，可提高大分子药物的经皮吸收量，对皮肤几乎无损害，因此具有良好的应用前景。然而，此技术仍处于发展阶段，需要利用成像手段对微针刺入皮肤的深度、药物颗粒的吸收/释放行为等进行研究。利用圆环达曼光栅产生的贝塞尔光束照射样品，搭建了一套扫频光学相干层析成像(OCT)系统。该系统能够在更长的焦深范围内保持高的横向分辨率，实测系统的有效焦深为1.68 mm，共焦位置附近的横向分辨率为3.61 μm，满足微针经皮给药的成像要求。利用搭建的系统对可溶性微针刺入皮肤前后进行成像，能够清晰地看到微针的边缘、刺入深度和在皮肤上留下的微通道，并观察到了微针在皮肤内的溶解过程。
医用光学 扫频光学相干层析成像 微针经皮给药 贝塞尔光束 圆环达曼光栅
