基于高斯拟合的光纤型SPR信号的峰值检测算法

光纤型表面等离子共振光谱具有半峰宽较宽,共振峰不尖锐等特征,传统的针对棱镜型SPR光谱的峰值检测算法无法准确定位此类光谱的共振峰值。为了准确计算光纤型SPR光谱的共振波长,提出了一种基于信赖域算法的高斯拟合方法,在拟合的光谱曲线上利用一维搜索的方式确定峰值位置。通过对标准甘油光谱数据的处理,证明高斯拟合法能够适应光纤型SPR光谱的特征,波长计算准确。通过搭建的SPR系统,实验测量了不同浓度下蔗糖溶液的SPR光谱数据,并分别采用加权质心法,追踪质心法和该研究提出的高斯拟合法进行共振波长的计算。结果表明高斯拟合法能够有效提升分辨率,且运算速度较快,有利于工程集成。     

采用分离式差分标定靶的单摄像机标定方法

采用分离式差分标定方法实现对单摄像机的高精度标定。在摄像机的物面位置上放置多个小尺度的分离式标定靶,每个标定靶上有标准点阵列,对每个光点由高斯曲面拟合法得到其CCD像面上的位置,光点位置检测结果的稳定性(均方根)达到1μm(相当于CCD 0.0053 pixel)。利用同一标定靶上标准点之间的物面差分坐标,进行四次曲面拟合,建立摄像机的像面与物面之间的映射关系。该方法对各个标定靶之间的距离没有提出要求,采用多个小尺寸的差分标定靶代替整体式的大尺度标定靶,降低对大尺度标定靶的制作要求。实验表明,当各个标定靶之间的相对角度误差小于60″时,标定残差平均值可以达到4.8μm(相当于CCD 0.028 pixel)。     

二维高斯分布光斑中心快速提取算法研究

在深入分析二维高斯分布公式的基础上,通过将光斑中心整像素坐标和亚像素坐标进行分离,推导出一种无需求解广义逆矩阵的高斯曲面解析算法,该方法综合利用窗口内的所有像素灰度信息,通过解析表达式直接计算高斯分布光斑的亚像素中心位置;并且对传统高斯曲面拟合法求解过程进行了优化,提出一种更加高效的定参高斯拟合法。与传统高斯曲面拟合法相比,提出的两种方法具有基本相同的稳定性和定位精度,但运行效率分别提高了278倍和78倍以上。     

基于衍射光栅的FBG传感系统解调算法分析

研究并实现了一种基于衍射光栅的FBG解调系统,针对该解调系统从理论上分析了光纤内的模式分布,分析了由FBG引起的模式间耦合效应。根据高斯光束经过该系统后的空间光强分布,采用多项式拟合的方法实现了反射光谱峰值定位算法。通过与高精度光谱仪的测量结果对比表明,该解调方法具有较高的波长解调精度和稳定性。由于系统中不存在扫描机构,该技术可以实现较高的动态扫描频率。     

基于小波分析的气泡光散射空间谱强度分布的高斯拟合算法优化

将小波消噪方法应用在采用CCD器件作为光传感器的尾流气泡光散射空间谱强度分布检测技术中, 发现CCD输出经过消噪后的高斯拟合曲线比其直接进行高斯拟合的结果更逼近实际的气泡光散射谱强度分布,可以有效减小测量误差,使高斯拟合算法得以优化,从而解决了CCD饱和与测量噪音对散射谱强度分布半值宽度和峰值的影响,提高了用气泡光散射谱强度分布判断水中气泡存在和气泡大小的准确度.     

分布式反馈激光器动态扫描光纤布拉格光栅波长解调系统

通过对该系统采集到的法布里-珀罗(F-P)标准具透射谱和光纤布拉格光栅(FBG)传感器反射谱进行寻峰算法以及拟合算法的研究,采用C语言编程和LabVIEW编程相结合的方式,实现了FBG波长信号的解调。其中,由于系统采集到的F-P透射谱和FBG反射谱线时域信号数据都由离散点构成,且在3dB带宽内均符合高斯曲线分布,采用高斯拟合对采集到的信号数据进行寻峰处理,提高系统精度;又由于分布式反馈(DFB)激光器的波长扫描存在着一定的非线性,采用二项式拟合对DFB激光器的波长扫描曲线进行拟合,以降低其非线性导致的误差。另外,设置一路标准FBG传感通道用于波长校准。实验研究表明该系统稳定性良好,波长测量范围为1 550.012~1 554.812nm,分辨力为1pm,精度为±10pm,验证了该系统可用于FBG波长信号检测的可行性。     

基于全相位滤波技术的FBG降噪解调算法

提出一种基于全相位滤波技术的光纤布喇格光栅降噪解调算法,该算法根据信号的数字频率特征快速配置适应于该信号的滤波器系数,由传感信号的数字截止频率控制滤波器边界,有效滤除混杂在光纤布喇格光栅信号中的高频分量.推导了滤波器解析表达式,结合光纤布喇格光栅信号的数字频率特征分析了滤波器幅频特性.实验结果表明,该算法对不同采样间隔下的传感信号能够实现适应性降噪;与高斯拟合法相比,解调波长稳定性相近,但平均解调时间缩短了10倍,与质心法相比,解调波长稳定性提高了30%.     

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为:3.4pm、13.0 pm和2.6 pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46％.     

天文导航中星体高精度细分定位方法研究

介绍了一种从星体图像中高精度提取恒星位置的方法.这种方法把星光成像看成是高斯点扩散函数模型,利用线性内插和最小二乘法拟合得到高斯曲面参数,从高斯曲面模型中得到亚像素级的恒星位置.由于直接进行高斯曲面拟合计算非常复杂,将二维曲面拟合转化为两个方向上的一维曲线拟合,分别得到不同的曲面系数.仿真结果表明当信噪比小于0.05时,定位精度能达到1/20像素,与质心法比较,高斯曲面拟合法精度高,抗噪声能力强.     

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为: 3.4 pm、13.0 pm和2.6 pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46%.     

LAMOST光纤定位单元定位精度检测技术研究

对 L AMOST光纤定位系统光纤定位单元提出了单元定位精度非接触检测的装置。检测装置采用面阵CCD传感器 ,通过检测光纤端部出射光斑的特征点以表征定位单元上光纤端部位置。检测算法采用灰度加权平均法 ,可以达到亚像素级的检测精度。介绍了提高检测精度的主要措施 ,装置选用白光照明 ,对所采集的图像采用多次平均的方法 ,提高了装置的稳定性。     

基于EKF的水下LD通信精对准控制算法

高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.     

Investigation of positioning algorithm and method for increasing the linear measurement range for four-quadrant detector

The paper studied the relationship between the light spot position and the output voltage in the case of laser spot which is in the four-quadrant (4Q) detector whose shape is circle or elliptic, energy distribution uniform or Gaussian. The study is based on add–subtract algorithm, diagonal algorithm and difference over sum (Δ/∑) algorithm. By using methods of polynomial fitting it can get a simple polynomial expression to enhance measuring speed and the simulation error is given. A method of using Binary Optics Elements (BOE) to shape the laser beam in the 4Q detector to square light spot with uniform intensity distribution is proposed to expand linear measurement range. The simulation result is verified for a circular spot with Gaussian energy distribution.     

基于高斯拟合的激光光斑中心定位算法

激光光斑中心定位是光学测量中的关键技术之一。通过对常用定位算法的分析,给出利用光斑图像中的不饱和点对光斑进行高斯拟合,并以拟合函数的幅值点作为光斑中心的方法。利用人工光斑对该算法进行验证,结果表明该算法误差远小于0.1 像素;利用一维高精度电动平移台、CCD相机、激光器等搭建测试系统,由计算机自动采集激光光斑图像并对其进行分析,实验结果表明该算法与理论分析结果的均方根误差仅为0.1 像素。     

三维高斯拟合激光光强快速衰减算法

为缩短衰减倍率调整的时间,提高激光参数测试的效率,提出激光光强快速衰减算法。衰减倍率精确调整量由当前衰减倍率和采集到的光斑光强真实的最大灰度值共同决定。当因光电接收器件(CCD)饱和造成采集光斑图像失真时,即衰减倍率过小时,由于激光光斑的光强通常满足高斯分布,通过对光斑图像进行处理,去除饱和部分光强信息,对剩余部分光强信息利用最小二乘法进行三维高斯拟合,还原出激光光斑光强的真实分布并获得最大灰度值;当衰减倍率过大时,根据采集光斑图像可以直接获得当前最大灰度值,最后通过计算获得最佳的衰减倍率调整值,实现了激光光强快速准确的调整。算法的有效性通过步进电机带动的双轮可变衰减器及CCD配合得到验证。     

耐酸不锈钢表面激光熔覆层耐腐蚀研究

本文研究了在耐酸不锈钢基体上采用激光熔覆和等离子喷焊二种工艺形成的涂层对耐腐蚀性的影响。使用５ｋＷ横流ＣＯ２激光器对预置在基体上的Ｃｏ基自熔合金粉末进行熔覆加工,得到的熔层与等离子焊层对比：激光熔层缺陷率低,被机体稀释率更小,成品率更高。其组织致密均匀,晶粒细小,熔层硬度与强韧性更高。性能试验证明：激光熔层有更好的耐腐蚀性能。     

基于白光扫描干涉法的光纤折射率分布的测量

提出了一种光纤折射率分布的测量方法,采用白光扫描干涉技术,并在参考镜上构造与光纤样品相同的结构来克服白光相干长度短的限制,优化了光路,提高了干涉条纹间的对比度。采用与白光干涉信号的包络线呈高斯分布的Morlet小波作为小波变换的母小波进行拟合处理,得到光纤与已知折射率的匹配液之间的相对高度。通过计算获得光纤的折射率分布,并对获得的数据采用光纤折射率分布的经典函数进行拟合,得到多模光纤和单模光纤的决定系数分别为0.997 2和0.996 4。最后将实验获得的结果与官方参数进行比较,误差为0.01%,表明该种方法测量的精度较高,完全可以用来测量光纤的折射率。     

FBG测温系统的光谱校正算法的研究

为了解决在大范围、多点位温度实时监测过程中温度传感器铺设工程复杂、维护成本高等问题,研究开发了基于光纤布拉格光栅结构的温度监测系统。利用光纤光栅衍射对波长的选择性,建立了温度与波长的函数关系,通过计算波长变化量反演被测位置的温度信息。由于环境、材料等因素,光谱分布与温度变化并不满足线性变化,所以设计了光谱校正算法完成波长与温度函数的曲线拟合,曲线拟合度大于99.7%。实验采用FB136L-IAC型防爆干燥箱、LPT-200型二极管,1 550 nm光纤等对20～280 ℃范围内温度进行多点位实时检测,实验结果显示,当防爆干燥箱中的温度每改变1 ℃时,对应的中心波长向长波方向偏移大约0.04 nm,与标准温度测试数据进行对比,误差低于±0.3 ℃。由于系统采用光纤传感网络,所以具有很强的抗电磁干扰能力,而光纤光栅衍射可实现精密测量,动态响应范围大、精度高。系统的新颖之处在保证高精度测量的同时,仍满足大范围、多点位、高抗干扰能力的快速铺设,具有很强的实际应用价值。     

基于自适应变异果蝇优化算法和广义回归神经网络的布里渊散射谱特征提取

针对布里渊光时域反射光纤传感系统散射谱的高精度特征提取的要求,提出了一种基于自适应变异果蝇优化算法和广义回归神经网络的布里渊散射谱特征提取算法。不仅利用了广义回归神经网络在逼近能力、学习速度、模型的泛化等方面具有的优势,而且采用搜索能力较强的自适应变异果蝇优化算法进一步增强了神经网络的学习能力,从而提高了布里渊散射谱的拟合度和频移提取的准确度。在布里渊散射谱中心频率为11.213 GHz,线宽为40～50,30～60和20～70 MHz的散射谱白噪声实验模型中,将新算法分别与基于有限元分析的Levenberg-Marquardt拟合法、粒子群优化和拉凡格式混合拟合法、最小二乘法进行预测比较,新算法获得的最大拟合频移误差为0.4 MHz,平均拟合度为0.991 2,均方根误差为0.024 1。仿真结果表明所提出的算法拟合度较好,绝对误差小。因此,将此算法用于基于布里渊光时域反射的分布式光纤传感系统,可有效提高布里渊散射谱的拟合度和频移提取的准确度。     

A center detection algorithm for Shack–Hartmann wavefront sensor

A modified center position detection algorithm of the spot image for the Shack–Hartmann wavefront sensor was experimentally investigated. The modified center of weight algorithm uses some power from the gray level intensity of the spot images instead of the gray level intensity itself. From the experiments, the repeatability and accuracy of the center position detection of the spot images which used the algorithm were improved when compared with those using the conventional center of weight algorithm. Applications of the algorithm to the measurement of the displacement of the spot images of the Shack–Hartmann wavefront sensor and the experimental results of the closed-loop wavefront correction are described in this paper.