2020年, 第19卷, 第1期　刊出日期：2020-02-05

  

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量子惯性与导航应用
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  冷原子干涉仪发展现状与应用分析

  陈福胜

  导航与控制. 2020, 19(1): 1-9. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.001

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  基于冷原子干涉仪的量子传感器具有极高的理论精度,在自然科学的各个领域特别是重力测量和惯性传感领域有着广泛的应用。首先介绍了原子干涉仪的基本原理,在此基础上给出了基于双光子受激Raman跃迁的脉冲式Mach-Zehnder原子干涉仪的干涉相位,描述了原子干涉仪在重力仪和陀螺上的应用及其发展历程,着重分析了当前发展最成熟的原子重力仪的发展历程和趋势,指出了原子干涉仪应用的发展方向。
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  冷原子干涉陀螺研究进展

  王杰英, 路想想, 王建龙, 孔德龙, 裴栋梁

  导航与控制. 2020, 19(1): 10-17. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.002

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  近年来,基于激光冷却与俘获的冷原子干涉技术得到了飞速的发展,这为精密转动测量提供了新的研究方向。相比于传统陀螺,冷原子干涉陀螺具有更高的灵敏度,是新一代的惯性测量仪器。从冷原子干涉陀螺的测量原理出发,介绍了近几年国内外干涉型冷原子陀螺的实现技术路线和研究现状,对比了各技术路线的优缺点,提炼出了最佳的研制冷原子干涉陀螺的总体技术方案,为高精度和高动态测量的陀螺样机研制提供了技术基础。
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  核磁共振陀螺信号仿真及噪声分析

  张燚, 汪之国, 江奇渊, 罗晖, 杨开勇

  导航与控制. 2020, 19(1): 18-26. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.003

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  核磁共振陀螺具有体积小、精度高、功耗低等优势,有望成为下一代惯性导航系统的核心部件,目前正受到人们的广泛关注。比较全面的介绍了核磁共振陀螺的基本理论,在此基础上利用时间离散化方法推导并建立了能够充分考虑核磁共振陀螺系统动态特性的仿真模型。利用该模型研究分析了锁相环相位、磁场、温度以及探测光强在1×10^-5 均方根幅度下均匀白噪声对陀螺信号的影响,发现它们对角随机游走、零偏不稳定性影响依次减小,且都具有自身独特的频率响应特性。其中,锁相环相位噪声引起的角随机游走与零偏不稳定性分别为5.1985×10²(°)/h^1/2、3.4593×10³(°)/h,而探测光强噪声引起的角随机游走与零偏不稳定性分别为3.1623×10^-1(°)/h^1/2、4.7603×10^-1(°)/h。该研究对深入分析核磁共振陀螺动力学机理、寻找主要噪声来源、提高陀螺性能具有重要意义。
量子成像与数据处理
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  非视域成像系统的研究现状和发展趋势

  李国栋, 刘月, 韩一菲, 孙志斌, 陈希浩

  导航与控制. 2020, 19(1): 27-33. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.004

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  非视域成像是一种新型针对视线外目标的计算成像技术,它以时间飞行探测技术为基础,通过探测被隐藏在视域之外的物体反射回来的光子利用重建算法来重建隐藏物体的像,在自动驾驶、灾难救援、医学成像和军事反恐等方面有着广阔的应用前景。首先介绍了近年来发展起来的主动和被动非视域成像系统的研究现状,从非视域成像系统的成像装置、分辨率和重建算法等几个方面分析各自的特点和发展趋势。最后,还讨论了非视域成像技术在实际场景应用中所需要解决的一些关键问题,并展望了非视域成像技术的未来发展方向。
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  基于主被动量子关联成像的超分辨抗干扰探测系统研制

  李旺, 杨照华, 陈香, 余远金, 李明飞, 吴令安

  导航与控制. 2020, 19(1): 34-39. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.005

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  针对大气湍流以及不同光照条件下难以成像的问题,提出了基于空间光场调制的主被动量子关联成像方案。研制了超分辨抗干扰的主被动量子关联成像原理样机,并完成了超分辨、抗大气湍流以及不同光照条件下的外场实验,验证了主被动量子关联成像原理样机的全天时抗干扰成像能力,实现了超分辨的远距离成像探测。本方案为远距离遥感、极弱背景探测提供了一种有效的成像技术手段。
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  基于Walsh基和二值离散余弦基单像素成像的对比分析

  李明飞, 袁梓豪, 赵琳琳, 孙晓洁

  导航与控制. 2020, 19(1): 40-47. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.006

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  为提升单像素成像的测量效率,对Walsh基和二值离散余弦基单像素成像进行了对比研究。针对Walsh变换和抖动二值化后的离散余弦变换,提出了一种借鉴机器学习的排序方法,即通过分别统计80000幅图像的Walsh测量基和离散余弦测量基各自相应测量权重绝对值,按权重由大到小排序得到了两种具有先验知识的测量基优化排序。按两种测量基优化排序,研究了在相同压缩采样下的单像素成像。利用随机选取的500幅图像,定量分析了成像的峰值信噪比和结构相似度。研究发现,两类测量基在压缩采样为5%时,500幅图像平均峰值信噪比可达20dB,平均结构相似度达0.5以上;在采样率1%~10%的区间,二值化的离散余弦基重建结果占优;在采样率10%~20%的区间,两种测量基效果相当;在采样率大于20%时,Walsh基占优。该结论为单像素成像技术实现快速、高信噪比成像提供了一种方法,对推进单像素成像测量基的选取具有较好的参考价值。
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  关联成像技术中调制光场优化研究进展

  宋立军, 周成, 赵希炜, 王雪

  导航与控制. 2020, 19(1): 48-66. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.007

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  关联成像技术作为一种全新的成像体制,具有非局域性、抗干扰能力强、探测灵敏度高和超分辨等优点,目前已经成为研究的热点。关联成像技术的实用化进程主要受成像质量和采样效率的限制,在相同重构算法条件下,成像系统的调制光场优劣直接决定了目标物体的重构质量。在简述关联成像技术原理的基础上,重点介绍了调制光场优化的国内外研究进展,并对其发展趋势进行了展望。
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  单光子激光雷达数据去噪与滤波算法

  李凯, 张永生, 童晓冲, 杨伟铭, 董鹏

  导航与控制. 2020, 19(1): 67-76. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.008

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  单光子激光雷达获取的点云数据存在大量噪声,这给数据的处理带来了挑战。基于局部距离统计提出了改进的点云去噪算法,对单光子激光雷达点云原始数据进行去噪。然后基于统计分析方法改进了点云滤波算法,对去噪后的点云数据进行滤波处理。利用新提出的算法与传统算法去噪和滤波后得到的点云进行比较,并与传统激光雷达的数字地形模型(DTM)数据进行对比。计算得到MABEL地面点云相对于传统激光雷达高程的均方根误差RMSE为2.98m,相关系数R²为0.9938。进一步对地面点云插值得到剖面数字高程模型(DEM)数据,其相对于传统激光雷达高程的均方根误差RMSE为2.85m,相关系数R²为0.9931。实验结果显示,提出的单光子激光雷达点云去噪和滤波算法优于传统算法,与传统激光雷达DTM数据具有较好的相关性,能够精确的恢复地形信息。
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  图像配准关键技术综述

  杨家俊, 丁祝顺, 陈昕

  导航与控制. 2020, 19(1): 77-84. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.009

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  图像采集设备的快速发展带来了图像种类和数量的迅速增加,图像拼接、融合等视觉系统提高了对图像配准的技术需求。图像配准利用原始图像数据或图像特征信息对输入图像的重叠区域进行变换和对齐,是为后续图像拼接、图像融合等图像处理任务提供操作基准的核心技术,是当前计算机视觉领域的热点研究问题。首先介绍了图像配准技术的主要应用领域及重大发展前景,然后说明了图像配准技术的基本框架和技术难点,详细阐述了基于特征以及基于区域的图像配准技术的实现算法及关键技术,分析了不同配准算法的优缺点及适用性,并对图像配准技术的发展前景进行了讨论和展望。
量子磁探与航迹规划
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  原子气室内自旋极化率的空间操控与测量

  董海峰, 陈静铃, 刘晨, 郭军

  导航与控制. 2020, 19(1): 85-96. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.010

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  目前,对原子气室内自旋极化率的空间操控与测量已有不少研究,但是对这类研究缺乏系统的分析、整理和综述。通过对文献的梳理,将现有的操控与测量方法分为三类,即光操控/磁测量方法、磁操控/光测量方法和光操控/光测量方法。分别对这三类方法进行了叙述,尤其是对笔者所在小组提出和研究的光操控/光测量方法进行了详细的介绍。该方法采用时空双重调制技术和正交隔离技术,实现了13.7μm线宽的自旋极化率空间操控与测量。此结果不仅远小于之前毫米量级的空间分辨率,而且突破了无扩散干扰距离的限制。基于上述实验进展,对原子气室内自旋极化率操控与测量的空间分辨率理论极限进行了初步分析。
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  磁场空间分布测量技术的发展

  范晓婷, 何娇, 刘院省

  导航与控制. 2020, 19(1): 97-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.011

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  随着科技进步和精密测量技术的发展,传感技术正在从光学仪表时代向量子仪表时代过渡,磁场空间分布测量对于研制高性能量子仪表具有重要意义。同时,惯性器件微小型化的研发对于小范围磁场空间分布测量技术的发展提出了要求。介绍了磁场空间分布测量技术的工作原理、性能特点和发展现状,重点阐述了几种用于小尺度磁场空间分布测量的技术途径,分析了磁场空间分布测量技术的发展趋势。
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  无人艇航行规则及运动学约束下的改进RRT轨迹规划方法

  文龙贻彬, 刘友, 穆京京, 胡常青, 唐军武

  导航与控制. 2020, 19(1): 105-115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.012

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  现有的RRT算法没有考虑无人艇的运动特性,难以解决无人艇轨迹规划问题,也没有基于无人艇航行规则来考虑无人艇的动态避碰。针对上述问题,在无人艇航行规则及运动学约束下,提出了改进的双层RRT动态轨迹规划方法。在第一层框架中,改进了探索点及步长选择策略,并结合国际海上避碰规则公约与最短会遇时间建立最优位置窗口来构造四向扩展随机树,从而可以在考虑海事规则的前提下快速搜索出联通路径。在第二层框架中,考虑到无人艇的运动学约束,将上一层的联通路径点作为分段启发点,然后结合速度运动模型来限制无人艇的拐角与转弯半径,并基于速度运动模型得到的弧长计算出每一个节点的代价值,最终在动态障碍物环境中得到一条可行平滑轨迹。仿真与实船实验均验证了该改进算法的有效性,实验表明该改进算法可以有效地解决传统RRT算法离障碍物过近、路径不平滑、不符合无人艇运动学与无人艇航行规则等问题。其中,轨迹转折数目为0,与障碍物最近距离是传统RRT算法的两倍以上,最大转折角度指标远好于传统RRT算法。
量子器件与材料进展
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  原子传感用垂直腔面发射激光器研究进展

  张星, 张建伟, 张建, 宁永强, 王立军

  导航与控制. 2020, 19(1): 116-124. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.013

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  垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity Surface-emitting Laser,VCSEL)是半导体激光器家族中的最重要成员之一,因其具有单纵模、低功耗、光束易整形等一系列独特优势,是多种微型化原子传感器的理想光源。围绕原子传感这一应用需求,国内外多个科研机构和企业对Rb原子和Cs原子传感用VCSEL开展了不同层次的研究,主要对其中的代表性研究进展进行综述。
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  碱金属原子气室研究进展

  李新坤, 蔡玉珍, 郑建朋, 王风娇, 刘院省

  导航与控制. 2020, 19(1): 125-132. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.014

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  碱金属原子气室是原子陀螺、原子磁力仪和原子钟等量子仪表的核心部件,高性能微小型原子气室是制约上述量子仪表性能的重要因素之一。从理论基础、制造工艺和材料等方面回顾了原子气室的研究进展,对微型气室玻壳精密加工技术、原子气室精确充制技术、耐高温抗弛豫镀膜技术、原子气室后烘处理工艺等相应关键技术进行了分析和讨论,并针对量子仪表微小型、高精度、集成化的发展需求,分析了碱金属原子气室的发展趋势。
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  量子惯性仪表用磁屏蔽材料进展

  杨锋, 胡健, 李冉, 朱弢, 李海鹏

  导航与控制. 2020, 19(1): 133-137. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.01.015

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  量子惯性仪表是利用光场和磁场等手段操控原子、电子等微观粒子实现载体运动信息测量的新型惯性设备,量子惯性仪表对外界磁场的大小、稳定性和均匀性等提出了很高的要求,需要高性能的磁屏蔽技术与之相匹配。回顾了目前常用的磁屏蔽方式,针对最常用的被动型磁屏蔽所涉及的材料铁镍合金、非晶合金和软磁铁氧体等进行了梳理和总结,阐述了上述三种材料的优缺点以及适用范围,并展望了量子惯性仪表用磁屏蔽材料的发展趋势。