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 中国科学院大学, 北京100049
3 许健民气象卫星创新中心, 北京 100081
常规成像光谱仪一般变倍比较低，不利于大视场长狭缝多通道光学系统的扩展应用，此外，空间遥感中紫外波段的辐射能量较低，需要成像光谱仪具有更小的F数。针对高光谱分辨率成像光谱仪小F数的探测需求，本文设计了一种具有高变倍的高光谱分辨率Offner紫外成像光谱仪。该成像光谱仪的后置分光系统采用了具有轻小型特点的改进型Offner结构。结合成像光谱仪对变倍比和小F数的需求，通过理论推导得到Offner初始结构参数。在像面前插入一块弯月透镜，增加系统的优化自由度，进而提升系统的成像质量。最终得到的成像光谱仪工作在270~300 nm波段时，具有40 mm的长狭缝，光谱分辨率优于0.6 nm，系统变倍比小于0.22，F数小于2，在截止频率为14 lp/mm 时，系统调制传递函数（MTF）均优于0.9，系统各波段各视场均方根半径（RMS）均小于12 μm。本文的研究对紫外波段高光谱探测成像光谱仪实现小F数、高变倍设计提供了一种设计方案。
光学设计 成像光谱仪 Offner系统 optical design imaging spectrometer Offner system
裂缝是路面最主要的病害之一，及时、有效地检测和评估裂缝对路面养护至关重要。为实现路面裂缝图像快速、准确的语义分割，提出一种基于DeepLabv3+模型的路面裂缝检测方法。为减小模型参数量、提高推理速度，采用MobileNetv3作为模型的主干特征提取网络，且在空洞空间金字塔池化模块中使用Ghost卷积代替普通卷积，使模型更加轻量化。为避免替换主干网络降低模型精度：首先，在空洞空间金字塔池化模块中使用条形池化模块代替全局平均池化，有效捕获裂缝结构的上下文信息，避免无关区域噪声的干扰；其次，引入轻量级通道注意力机制efficient channel attention（ECA）模块，增强特征的表达能力，并设计浅层特征融合结构丰富图像的细节信息，优化模型对裂缝的识别效果；最后，构造混合损失函数解决裂缝数据集类别不平衡而导致检测精度较低的问题，利用迁移学习的训练方式提高模型的泛化能力。实验结果表明：所提路面裂缝检测模型参数仅为14.53 MB，比原模型参数量减少93.04%，平均帧率达到47.18，满足实时检测的要求；在精度方面，该模型裂缝检测结果的交并比和F1值分别为57.21%和72.76%，优于经典的DeepLabv3+、PSPNet、U-Net模型和先进的FPBHN、ACNet等模型。所提方法可大幅减小模型参数量，在保证路面裂缝检测精度的同时满足实时性，为基于语义分割的路面裂缝在线检测奠定基础。
图像处理 路面裂缝检测 语义分割 DeepLabv3+ 轻量化 检测精度 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0812001
1 重庆理工大学智能光纤感知技术重庆市高校工程研究中心重庆市光纤传感与光电检测重点实验室，重庆 400054
2 眉山三苏祠博物馆，四川 眉山 620010
3 重庆自然博物馆，重庆 400711
为了实现相对湿度高灵敏、快速、准确的检测，本文提出了一种基于壳聚糖/聚乙烯醇/纳米碳粉复合物涂敷的光纤布拉格光栅湿度传感器。建立了传感器检测相对湿度的理论模型。实验研究了湿度敏感（简称湿敏）膜成分与厚度、温度及光辐射对传感器性能的影响。研究表明，当壳聚糖与聚乙烯醇中纳米碳粉掺杂的质量分数为10%、湿敏膜厚度为185 μm时，相对湿度在20%RH~90%RH（相对湿度单位）范围内传感器灵敏度达到57.7 pm/（%RH），响应时间为420 s，恢复时间为540 s。将传感器封装在黑色聚四氟乙烯毛细管内，且通过引入温度补偿光纤布拉格光栅（FBG-T）的方法对温度进行解耦后，在温度为5~65 ℃、光辐射波长为220~1200 nm、光辐射强度为50 mW/cm2时，传感器测量结果可免疫温度和光辐射的影响，测量结果准确性高、重复性好，且最大相对误差小于5.8%。
光纤布拉格光栅 湿度传感器 灵敏度 响应时间 准确度
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 中国科学院大学，北京 100049
随着搭载平台技术的不断进步，对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求，轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题，本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导，得到满足高光谱分辨率、小尺寸要求的自准直系统的初始结构，并逐步进行优化。同时，在狭缝处引入一块平面反射镜，对望远系统进行折叠，避免狭缝与探测器干涉，并进一步压缩系统的尺寸。最终设计的成像光谱仪工作波段为1610~1640 nm，F数优于3，在奈奎斯特频率为 20 lp/mm 时，调制传递函数（MTF）均优于0.8，全视场均方根半径（RMS）均小于7 μm，光谱分辨率均优于0.1 nm。光学系统尺寸优于460 mm×150 mm×150 mm。本文研究为短波红外波段高光谱探测成像光谱仪实现轻量化、小型化设计提供了一定的理论基础。
光学设计 成像光谱仪 自准直 轻小型
1 1.南京理工大学 材料科学与工程学院, 南京 210094
2 2.罗斯国家科学院 材料科学与应用研究中心, 明斯克 220072, 白俄罗斯
BiFeO3是一种非常有前途的无铅铁电材料, 与大多数传统铁电材料相比, 它具有更大的极化和更高的居里温度, 为高温应用提供了可能。受到衬底强烈的夹持效应、较大的矫顽场和漏电流的影响, BiFeO3薄膜难以被极化。自极化是解决这一问题的可行方法。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上生长了BiFeO3薄膜, 向上梯度薄膜(从衬底BiFeO3过渡到薄膜表面Bi0.80Ca0.20FeO2.90)以及向下梯度薄膜(从衬底Bi0.80Ca0.20FeO2.90过渡到薄膜表面BiFeO3)。通过细致地调控薄膜内部缺陷的定向分布形成内置电场，从而导致薄膜具有自极化特性。压电力显微镜结果表明：在BiFeO3薄膜中, Ca的梯度方向可以调控自极化的方向。此外, 类似二极管的单向导通特性验证了薄膜的自极化是由Ca的浓度梯度掺杂导致。X射线光电子能谱结果表明, 氧空位的梯度分布导致的内置电场可能是造成自极化现象的原因。本研究为实现铁电薄膜的自极化提供了一种新的策略, 并在以自极化的内置电场为驱动, 提高光伏或光敏器件性能方面具有潜在的应用前景。
自极化 梯度掺杂 铁酸铋薄膜 溶胶-凝胶法 self-polarization gradient doping bismuth ferrite film Sol-Gel method
针对无法实现先验的边缘检测场景，并解决边缘提取效率过低的问题，提出一种更高效的基于傅里叶单像素成像的亚像素级边缘检测方法。该方法结合快速傅里叶单像素成像，减少图像算法的相移步数，在原有四步相移的基础上分别实现了三步相移与两步相移边缘检测。该算法上的改进能够在同等采样数下扩大参与边缘提取的频谱宽度，从而提升边缘提取效率。数值仿真结果表明，与四步相移亚像素级边缘检测相比，无噪声条件下两步相移在 655~13100次左右的采样数区间内峰值信噪比增长幅度高出 2.27dB，噪声条件下低于 0.054噪声浮动比率时两步相移方法可以获得比四步相移更高的边缘提取质量。该方法可以一定程度上提升边缘提取效率，同时促进单像素成像领域与图像处理方向的技术交叉和应用化发展。
单像素成像 边缘检测 傅里叶变换 相移算法 亚像素平 single pixel imaging edge detection Fourier transform phase shift algorithm sub-pixel translation
1 辽宁工程技术大学 矿业学院, 阜新 123000
2 中煤能源研究院有限责任公司, 西安 710054
为解决冲击地压矿井承载区段煤柱的冲击危险问题, 以兴隆庄煤矿B4328工作面的实际开采情况为例, 采用理论分析法在工作面掘进和回采期间对煤柱进行了稳定性力学分析, 计算了合理煤柱宽度; 建立了Phase2数值计算模型, 得到该煤柱在不同采掘状态下的应力分布规律; 根据应力集中程度在巷道两帮及底板实施大直径钻孔预卸压方案, 同时制定了在工作面回采前运输顺槽支护的补强措施。研究结果表明: 运顺掘出后巷道侧煤柱塑性区宽度为4.71 m, 采空区侧塑性区宽度为14.45 m, 认为煤柱仅受单侧的采动影响和掘巷应力重新分布影响, 25 m煤柱处于相对稳定状态; 同时模拟计算表明运顺开挖区域处于采空区支承压力峰值下降但数值仍较高的位置, 且外帮冲击危险大于内帮, 需要加强支护且对煤柱弹性核区域采取预卸压措施, 由于承载区段煤柱在采掘期间受扰动较小, 卸压后煤柱两侧将基本处于塑性状态, 弹性区开始产生塑性变形, 弹性能缓慢释放, 冲击危险程度降低。冲击地压危险监测数据表明防冲效果较好, 研究结论可为相似条件下较大尺寸的承载区段煤柱防冲问题提供理论与实践依据。
承载区段煤柱 力学分析 冲击地压 数值模拟 防治措施 bearing coal pillar mechanical analysis rock burst numerical simulation prevention measures
Author Affiliations
Abstract
Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
Indoor organic and perovskite photovoltaics (PVs) have been attracting great interest in recent years. The theoretical limit of indoor PVs has been calculated based on the detailed balance method developed by Shockley–Queisser. However, realistic losses of the organic and perovskite PVs under indoor illumination are to be understood for further efficiency improvement. In this work, the efficiency limit of indoor PVs is calculated to 55.33% under indoor illumination (2700 K, 1000 lux) when the bandgap (Eg) of the semiconductor is 1.77 eV. The efficiency limit was obtained on the basis of assuming 100% photovoltaic external quantum efficiency (EQEPV) when E ≥ Eg, there was no nonradiative recombination, and there were no resistance losses. In reality, the maximum EQEPV reported in the literature is 0.80–0.90. The proportion of radiative recombination in realistic devices is only 10-5–10-2, which causes the open-circuit voltage loss (ΔVloss) of 0.12–0.3 V. The fill factor (FF) of the indoor PVs is sensitive to the shunt resistance (Rsh). The realistic losses of EQEPV, nonradiative recombination, and resistance cause the large efficiency gap between the realistic values (excellent perovskite indoor PV, 32.4%; superior organic indoor PV, 30.2%) and the theoretical limit of 55.33%. In reality, it is feasible to reach the efficiency of 47.4% at 1.77 eV for organic and perovskite photovoltaics under indoor light (1000 lux, 2700 K) with VOC = 1.299 V, JSC = 125.33 µA/cm2, and FF = 0.903 when EQEPV = 0.9, EQEEL = 10-1, Rs = 0.5 Ω cm2, and Rsh = 104 kΩ cm2.
theoretical efficiency limit realistic efficiency losses organic photovoltaics perovskite photovoltaics indoor photovoltaics Chinese Optics Letters
2023, 21(12): 120031
1 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026
2 合肥中科环境监测技术国家工程实验室有限公司，安徽 合肥 230088
3 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230039
4 中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
针对激光雷达信号中含有的噪声，提出一种将数据分区使用小波包变换分解和重构算法的信号降噪方法，该方法能为下一级消光系数反演提供高质量数据。为了验证该方法的有效性，比较雷达原始数据、小波包处理后反演的消光系数、分区小波包处理后反演的消光系数的差异，并进一步使用Bump、Block测试信号进行数值模拟，定量分析了分区小波包算法的去噪效果。分区小波包算法处理的Bump、Block测试信号评价函数的均方误差（MSE）和R值均优于一般小波包结果。结果表明，分区小波包降噪方法能通过降噪改善下一级反演消光系数结果，有效保护低空的激光雷达消光廓线的细节结构并抑制高空的信号噪声。空气气溶胶消光系数随时间和空间变化的伪彩图表明了所提方法的可行性和实用性。
信号 小波变换 降噪 消光系数 激光与光电子学进展
2023, 60(20): 2028011
