上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240
为提高车载组合导航系统的导航精度和可靠性, 在全球导航卫星系统(GNSS)信号正常工作的情况下, 该文建立了一种双天线GNSS/微惯性测量单元(MIMU)/轮速里程计(OD)组合导航模型, 实现了对MIMU和OD传感器误差特性的在线估计。在GNSS信号短期失锁的情况下, 基于双OD轮速比例修正(WRC)算法建立了MIMU/双OD组合导航模型。车载实验结果表明, 与无WRC组合模型相比, 该文设计的组合导航模型在120 s的GNSS信号失锁路段, 最大定位误差减小了63.9%, 定位误差标准差减小了80.1%; 在200 s时GNSS信号频繁中断路段, 最大位置误差为0.55 m。验证了所建立的导航模型和算法在复杂路况下工作的有效性。
车载组合导航 双天线GNSS 轮速比例修正 双里程计 微惯性测量单元(MIMU) vehicle integrated navigation dual-antenna GNSS wheel speed ratio correction dual odometer miniature inertial measurement unit (MIMU)
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 吉林省智能波前传感与控制重点实验室，吉林 长春 130033
4 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163
5 济南国科医工科技发展有限公司，山东 济南 250102
为了解决传统激光差动共焦显微镜（LDCM）无法在测距的同时，进行高精度倾斜角度测量的问题，提出了一种基于差动共焦的倾角测量传感器。在对倾斜表面进行测量时，该传感器首先利用轴向扫描获取的差动响应信号精准定位其焦点位置，然后分析显微镜光瞳面场强分布并提取光斑图像的峰值位置，从而实现对倾角的精准测量。首先，建立聚焦光束经倾斜待测面反射后的光场分布模型，对不同倾斜角度下显微镜光瞳面的场强分布情况进行分析。然后，在分析倾斜光斑特征的基础上，提出了采用改进Meanshift算法进行光斑峰值位置提取的方法。最后，通过实验验证了传感器对倾角测量的有效性。实验结果表明，传感器对倾斜程度（0~8°）测量平均误差为0.011°，对倾斜方向（0~360°）的测量平均误差为0.128°，能够满足利用差动共焦非接触光学探针对三维表面进行检测的过程中，对待测表面倾斜角度测量的要求。该传感器为自由曲面的高精度轮廓测量提供了一种新的方法。
非接触光学探针 差动共焦 三维检测 倾斜测量 峰值提取 non-contact optical probe differential confocal 3D detection tilt measurement peak extraction 中国激光
2023, 50(23): 2304001
福州大学机械工程及自动化学院, 福建 福州 350116
赤潮是一种由海洋藻类引发的水质污染, 部分赤潮藻有毒性, 对海洋渔业发展有严重危害。 快速、 准确地鉴定赤潮藻种及其细胞浓度对污染的控制和治理具有重要意义。 传统的显微镜检测和基因测序等方法时效性低, 遥感检测易受到环境干扰导致精度低, 荧光光谱检测因设备昂贵无法大范围推广, 高光谱成像(HSI)技术为赤潮藻种提供了一种快速、 无损的检测方法。 搭建了HSI检测系统, 针对福建地区常见的甲藻(强壮前沟藻)、 硅藻(中肋骨条藻和三角褐指藻)和针胞藻(赤潮异湾藻)构建了大量高光谱样本库, 分别采用2种分类方法和3种回归方法建立藻种鉴别和细胞浓度测量模型, 并比较了7种光谱预处理(标准化、 归一化、 多元散射校正、 变量标准化、 Savitzky-Golay平滑、 基于SG的一阶导数、 基于SG的二阶导数)和2种波段提取方法(遗传算法和连续投影算法)对建模精度的影响。 结果表明： 基于SG的二阶导数(SG+2nd)预处理方法可以提高波段筛选和建模的准确率, 遗传算法(GA)所提取特征波段更具代表性和有效性。 SG+2nd-GA组合所提取特征波段(644.7、 547.8、 562.6、 829.4、 832 nm)与所选藻类中特定色素的吸收光谱波段相对应, 再结合支持向量机(SVM)或反向传播神经网络(BPNN)建模实现了利用高光谱成像技术有效鉴别强壮前沟藻、 赤潮异湾藻、 中肋骨条藻、 三角褐指藻。 在细胞浓度测量中, 支持向量回归(SVR)建模效果优于多元线性回归(MLR)和偏最小二乘算法(PLS), 四种藻SG+2nd-GA-SVR细胞浓度预测模型的决定系数(R2)均大于0.98。 其中强壮前沟藻和中肋骨条藻模型浓度预测范围分别在1.05×103~1.05×104和1.13×104~2.38×105 cells·mL-1, 最低测量浓度达到该藻种发生赤潮时的基准浓度。 三角褐指藻模型浓度预测范围为1.06×105~4.36×106 cells·mL-1, 最低测量浓度低于现有光谱技术对其测量的浓度。 本研究为快速、 准确、 无损探测赤潮提供了新方法。
赤潮 高光谱成像 藻种鉴别 浓度测量 Algal blooms Hyperspectral imaging Species identification Concentration measurement 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3629
1 北京理工大学 光电学院 信息光子技术工业与信息化部重点实验室, 北京 100081
2 北京理工大学 光电学院《光学技术》编辑部, 北京 100081
3 北京理工大学 长三角研究院（嘉兴）, 嘉兴 314011
多天线干涉阵利用多个远端天线同时接收信号以提升探测灵敏度和角分辨率,其多路信号干涉合成的特性要求不同路之间高精度的时间同步。本文提出一种复用型分布式多路时间同步方法,利用单个数字延迟脉冲发生器对时间信号进行再生和分配,并设计了相应测量及控制算法,在精确测量多路光纤传输延时的同时,向多个远端天线分配稳定的时间信号。实验结果表明,系统在25km传输链路下具有ps级传输延时测量精度和优于20ps的时间信号分配精度。方案可同时支持本地回传信号数字化和远端数字化两种信号接收汇聚方案,在保证时间同步精度的同时有效降低了分布式同步系统的成本。
分布式探测 时间信号分配 延时测量 微波光子 distributed detection time signal distribution delay measurement microwave photonics
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所精密仪器与装备研发中心， 长春 130033
2 中国科学院大学， 北京 100049
心率是人身体健康的一个重要指标，从人脸视频中检测心率是一种正在快速发展的非接触式检测方法，但该方法的结果准确性易受光照变化及受试者头部运动等噪声影响。为了消除噪声影响，提高心率检测准确性，文章创新性地提出了一种新的思路: 将光照变化和头部运动噪声作为目标进行趋势拟合并从相机原始信号中消除，以实现高信噪比的人体心率信号提取。为验证方法的可行性，以医用指夹式脉搏血氧仪的数值为参考心率，通过对比结果在参考心率处的平均信噪比和心率检测准确率，提出的方法相比POS方法提高了9.60%，37.19%; 相比于ICA算法提高了48.48%，51.75%。实验结果表明，提出的新方法具有较好的去噪能力和较高的精准度。
远程光电容积脉搏波 心率测量 多项式拟合 remote photoplethysmography heart rate measurement polynomial fitting
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
2 北京控制工程研究所，北京 100190
对稳频半导体激光器的频率进行在线实时监测的需求量和迫切性一直在不断增长。特别是近几年发展起来的连续波激光雷达通常以单频半导体激光器为种子源，并通过相干检测方式获得雷达信号的频率，从而获得目标物的距离信息，这就使得种子光源的频率精度直接与测距精度密切相关，因此，对光源的频率稳定性的表征也提出了新的要求：更关注短期（在相干时间内，亚微秒~数毫秒）的频率变化模式，对长时段内（数分钟~24 h）的绝对频率高精度监测的需求减弱；同时要求频率监测系统具有在线实时监测能力。针对这些需求，基于延时自外差原理，提出了一种表征稳频激光器的频率变化的方法，经过严谨的原理推导和算法编程，使得监测系统不仅结构简单，还实现了在线实时监测功能，并测量了一台利用氰化氢（H13C14N）气体吸收谱线基于边频锁定技术的稳频分布反馈式半导体激光器（DFB-LD）频率变化曲线。测量结果是：在10 ms内稳频激光器的最大频率变化约为25 MHz，并且清楚地观察到激光器的频率变化不是单向的漂移模式。为了进一步验证该方法的精度，采用主流的飞秒光频梳拍频法离线测量了同一台稳频DFB-LD的频率变化，实验结果是：在50 min内频率变化约为30 MHz。两种测量方法的测量结果均在相同的MHz量级，证明了该方法是一个快速可靠的光频率分析手段，可应用于实时调节稳频激光器的伺服回路系统。
半导体激光器 自外差探测 频率测量 稳频 semiconductor laser self-heterodyne detection frequency measurement frequency stabilization 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230063
1 中国科学院云南天文台，云南 昆明 650216
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室，江苏 南京 210023
4 云南省太阳物理与空间目标监测重点实验室，云南 昆明 650216
在激光测距过程中，实时获取激光发射功率数据可为后续数据精度处理分析及激光测距系统故障点排查提供重要依据。通过实时测量激光发射链路中的反射镜透射光，利用前期获取的反射镜透射光与反射镜反射光之间的对应关系，采取相对测量的方式获取实时的反射光功率，达到实时监测激光发射功率的效果，并基于中国科学院云南天文台53 cm双筒望远镜激光测距系统搭建实验平台进行验证。实验结果表明，该激光功率实时监测方法能够在激光发射链路无损耗的前提下实时获取激光发射功率；反射光功率与透射光功率具有良好的线性关系，其Spearman相关系数为0.9991，线性关系稳定可靠，满足长时间激光测距的需求；验证了该方法的可行性，可适用于各类空间目标激光测距的激光功率实时监测中。
激光测距 激光功率实时监测 相对测量 库德光路 laser ranging real-time laser power monitoring relative measurement Coude optical system 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230109
