1 中电科技集团重庆声光电有限公司, 重庆 401332
2 中国电子科技集团公司第二十四研究所, 重庆 400060
3 中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
温度测量在航空航天、公共安全、智能制造及智能家居等方面具有重要意义。基于超声波原理的测温技术是近年来发展起来的一种新型温度测量方式, 超声波测温技术具有非接触式, 温度测量范围广, 响应速度快和测量准确度高等特点, 在航空发动机、微波干燥等领域表现出了良好性能。该文面向三维球体空间温度场测量的需求背景, 基于超声波飞行速度与介质温度相关原理, 采用收发同体式超声波换能器, 设计了针对二维圆形平面的8换能器结构和针对三维球体空间的26换能器结构, 提出了分时轮训超声波换能器接收控制策略, 建立了基于径向基函数的空间温度重构算法, 并基于Matlab平台对测温方法进行仿真。仿真结果表明, 对于构建的对角偏斜和中心对称二维圆形平面温度场模型, 以及中心对称三维球体温度场模型均具有良好的重建效果, 同时在超声飞行时间的测量中还叠加了标准差分别为0.02%、0.03%和0.05%的三类高斯白噪声, 进一步验证了该文提出的对射式超声波温度场测量方法具有较好的鲁棒性。
超声换能器 温度测量 三维 球体 高斯白噪声 ultrasonic transducer temperature measurement three dimension sphere Gaussian white noise
1 浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
2 江西省交通高级技工学校, 江西 南昌 330105
激光器是现代光学中一种常用的光源, 分析其谱宽特性对于激光的研究具有重要意义。 由于高性能窄线宽激光的半高全宽通常在几十MHz以内, 难以直接满足宽光谱领域的应用需求, 因而无法发挥其在成本和性能方面的优势, 这在一定程度上限制了激光的发展。 如果在激光内部直接进行调制实现线宽展宽, 又会导致频率的严重漂移, 破坏稳频特性。 为了在激光器波长稳定性不变的前提下得到宽光谱, 提出了一种以高斯白噪声为驱动电信号的外部相位调制方法。 以激光相位噪声和光谱特征之间的关系为基础, 通过理论计算阐明了相位噪声对于光谱的展宽效应, 并基于OptiSystem光仿真软件和数值仿真分析了在不同白噪声参数下的光谱演变过程, 明确了要得到好的展宽和载波抑制效果需要高功率、 大带宽的噪声信号源。 搭建的外部相位调制系统采用10 GHz带宽的信号源, 通过两个前置预放大器以及一个高饱和输出功率放大器将噪声信号由-17 dBm最高提升至28 dBm, 以此驱动半波电压3.7 V的铌酸锂电光相位调制器, 并在放大链路中加入低通滤波器和可调衰减器调节信号参数。 研究对象为初始线宽20 kHz的分布式反馈半导体激光器, 通过光谱分析仪观测和对比调制前后的激光光谱, 得到了与理论及仿真相吻合的结果, 并拟合计算出展宽分量最高可达65 GHz, 且载波也得以明显地抑制; 此外, 基于扫描式法布里-珀罗共焦腔评估了激光频率的漂移情况, 证明外部调制并未对激光的波长稳定性造成影响, 综合论证了高斯白噪声的相位调制方案能够实现优越的光谱展宽效果。 由于调制后的光谱无边带和次峰, 且能实现数倍于调制带宽的展宽, 因此相较于正弦函数和伪随机编码等其他信号而言, 高斯白噪声具有明显的优势。 该调制方法不依赖于激光器的本征线宽, 具有广泛的应用前景, 为相位调制和光谱展宽的相关研究提供了参考依据。
激光器线宽 相位调制 光谱展宽 高斯白噪声 Laser linewidth Phase modulation Spectrum broadening Gaussian white noise
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
离轴积分腔输出光谱技术是痕量气体检测的重要方法, 这种测量方法的检测限容易受到残余腔模式噪声和背景噪声的影响。 通过注入射频白噪声到激光器的调制电流中, 以减小离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式噪声, 同时利用波长调制技术抑制了背景信号的影响, 进一步提高了基于离轴积分腔输出光谱技术的甲烷传感系统的信噪比。 首先, 详细研究了不同功率射频白噪声对空气中甲烷吸收光谱的影响, 并对吸收谱的线宽进行了分析, 计算出了不同功率噪声扰动下的吸收谱对应的最佳调制幅度。 随后, 研究了不同功率的射频白噪声对2f信号的影响。 结果表明, 随着扰动噪声功率的增加, 基线噪声水平和2f信号幅值同时减小。 对几组2f信号的信噪比进行分析, 确定了射频白噪声提高系统信噪比的最佳功率为-25 dBm。 最后, 研究了0.05~2.2×10-6浓度范围内, 甲烷浓度与2f信号之间的对应关系, 结果表明: 在甲烷浓度小于1.0×10-6时, 甲烷浓度与2f信号之间的线性度为0.999 6; 在甲烷浓度为0.1~2.2×10-6时, 甲烷浓度与2f信号之间呈曲线关系, 二阶多项式拟合的相关度为0.999 89。 此外, 对浓度为2.2×10-6的甲烷气体进行了长时间的测量, 并利用Allan方差对系统的稳定性进行了分析, 分析结果表明系统的最佳积分时间为1 250 s, 系统的可探测极限约为1.2×10-9。 最后, 使用建立的甲烷气体探测系统, 对大气环境中的甲烷气体浓度进行了长达两个昼夜的检测, 结果显示甲烷浓度的昼夜变化规律是昼降夜升, 浓度昼夜波动范围在2.02~2.3×10-6范围内, 平均浓度为2.14×10-6。 本研究为离轴积分腔输出光谱技术在痕量气体测量方面的应用提供了一定的参考, 对高精密的原位痕量气体测量仪器的研发具有重要的指导价值。
离轴积分腔输出光谱 波长调制 射频白噪声 腔模噪声 检测极限 Off-axis integrated cavity output spectroscopy Wavelength modulation RF white noise Cavity mode noise Detection limit 光谱学与光谱分析
2020, 40(9): 2657
河北科技大学 信息科学与工程学院，河北 石家庄 050000
近年来全球导航卫星系统(GNSS)抗干扰技术逐渐成为研究热点，在抗干扰研究中，宽带干扰背景下的多阵元卫星导航信号模拟发挥着至关重要的作用。为了提高抗干扰研究效率，通过Matlab模拟的方法研究了卫星导航软件接收机入口数字中频信号的模拟问题。根据信干噪比进行功率控制，分别对卫星导航信号、干扰信号和噪声信号进行建模，计算阵列天线带来的延时，最后模拟了宽带干扰背景下阵列天线的卫星信号并设计了图形用户(GUI)界面。在模拟完成后，将信号输入到抗干扰算法的研究系统进行测试，解决了抗干扰研究中复杂的干扰信号源模拟问题，提高了抗干扰研究的工作效率，同时验证了本研究的实用性和正确性。
导航信号模拟 高斯白噪声 干扰信号 多阵元 信噪比 navigation signal simulation Gaussian white noise interference signal multiple array elements signal to noise ratio 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(2): 208
南充职业技术学院 电子信息工程系, 四川 南充 637000
实现数字图像中噪声参数的精确估计对提高图像处理的质量有重要意义。对被高斯白噪声所污染的图像进行稀疏主成分分析时, 其部分主成分的负载向量的均值与高斯白噪声标准差呈现一定的线性关系。基于此特征, 本文提出了一种快速精确的图像噪声估计方法。在该方法中, 通过对高斯白噪声污染图像添加多种已知标准差等级的新的高斯白噪声以产生多幅新图像, 然后对每幅图像进行稀疏主成分分析, 并求取多个主成分负载向量均值。最后, 通过求解一个超定方程组实现图像高斯噪声标准差等级的精确估计。实验结果表明, 本方法在低噪声(δ0=5)到高噪声(δ0=70)条件下均具有较高的估计精度和较强的鲁棒性, 在实际工程中具有一定的实用价值。
稀疏主成分分析 高斯白噪声 图像噪声估计 sparse principal component Gaussian white noise image noise estimation
1 成都理工大学核技术与自动化工程学院, 四川 成都 610059
2 四川大学电气信息学院, 四川 成都 610065
针对数据排列无序、随机缺失及伴随白噪声等问题,提出一种基于因子分析法的三维点云配准方法。将点云数学模型扩展为正交因子模型,从而将点云的配准问题转换为对模型参数的求解问题;采用高斯混合模型对点云进行拟合,并通过最大期望算法(EMA)求解出正交因子模型的因子载荷矩阵;利用因子载荷矩阵完成对点云的配准。在仿真实验中,因子分析算法对随机丢失和带噪声的点云的配准情况,与经典迭代最近点(ICP)算法的配准精度相当,配准效率相比于ICP算法提升了70%以上。因子分析算法不会陷入局部最小值,在快速精确配准和稳定性方面有明显的改进和提高。
机器视觉 点云配准 因子分析 白噪声 极大似然估计 激光与光电子学进展
2019, 56(19): 191503
分布式光纤测温系统中不仅有白噪声干扰, 还有周期性噪声干扰, 而传统的采样累加平均方法仅能消除白噪声干扰。提出一种在采样累加过程中对采样周期内各点累加的方法, 判断和滤除采样周期内的周期性信号。测温实验结果表明, 通过在累加过程中设置判据消除周期性噪声, 分布式光纤测温系统的精度得到了大幅提高。
分布式光纤测温系统 分布式光纤温度传感器 周期性噪声 白噪声 解调 distributed optical fiber temperature measurement distributed fiber temperature sensor periodic noise white noise demodulation
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
通过设计成像激光雷达的各种参数, 结合一种大气模式模拟得到了一维激光雷达信号, 并根据高斯分布的特点和实测的光束宽度还原了二维光柱图像。对该原始图像加入不同强度的高斯白噪声和一定强度的平均背景,生成类似于成像激光雷达实测信号的染噪图像。使用二维小波变换的方法对染噪的激光雷达光柱图像进行去噪, 获得了较好的去噪效果。去噪后的回波信号与原始回波信号之间的相对误差均在±12%以内。利用去噪的激光雷达信号反演出气溶胶的消光系数。将反演出的气溶胶消光系数与输入的大气模式下气溶胶的消光系数进行对比, 结果表明二者的相对误差在±15%之内, 并且总体变化趋势一致, 由此验证了所提出的利用小波对激光雷达染噪图像进行去噪的可行性。
大气光学 成像激光雷达 白噪声 小波变换 消光系数 激光与光电子学进展
2017, 54(9): 090102
宁波大学 信息科学与工程学院, 浙江 宁波 315211
针对传感器模式噪声易受CFA插值噪声和JPEG压缩噪声污染，提出一种基于空域平滑滤波的传感器模式噪声预处理方法，去除干扰噪声，从而提高数字照片图像来源检测准确率.假设传感器模式噪声是一种类似高斯白噪声的随机信号，其在频域具有与高斯白噪声相似的平坦频谱; 基于此，在空域采用高斯白噪声对传感器模式噪声进行引导滤波，其空域平滑效果使传感器模式噪声在保持自身性质的同时，拥有与高斯白噪声相似的特性.手机相机照片图像库的评估实验结果表明，与现有预处理方法相比，所提算法在图像来源检测准确度上Kappa统计系数提高了0.026以上，同时算法对JPEG压缩的鲁棒性也明显优于其他算法.
数字图像取证 来源检测 平滑滤波 传感器模式噪声 高斯白噪声 Digital image forensics Source detection Smoothing filter Sensor pattern noise White Gaussian noise
为解决地气光对星敏感器星提取精度影响问题，采用微元法建立了地气光对星敏感器的辐照度影响模型，并对影响辐照度大小的各变量进行了分析。阐释了地气光的影响机理，通过不同方差的高斯白噪声来对不同辐射照度的地气光进行散焦模拟，并对不同时刻不同位置地气光影响条件下的星提取精度进行仿真对比。仿真结果表明：地气光会导致星提取过程中星提取精度降低。该结果可用来对星敏感器遮光罩的抗地球反照干扰性能进行评估。
星敏感器 地气光 高斯白噪声 星提取精度 star sensor earth and atmosphere radiation White Gaussian Noise (WGN) accuracy of star extraction
