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基于NDIR技术的超低功耗甲烷检测系统研究
赵庆川
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200140
[摘要](1317) [HTML全文](679)
为了满足低功耗甲烷检测技术的需要,基于甲烷气体分子在3.2~3.4 μm中红外波段具有主吸收峰的特性,研制了一种基于非色散红外光谱技术的超低功耗红外甲烷传感器及系统。在分析红外差分检测原理的基础上,重点研究了抗水汽干扰的LED、PD器件选型及光路设计。采用LED脉冲串电流驱动技术,将红外甲烷传感器的功耗降至10 mW。利用实验法研究了温度变化对传感器甲烷浓度测量结果的影响,通过数据分析及归一法线性拟合,得出了温度补偿算法公式。利用检测系统平台进行了性能实验,并给出了基本性能指标参数。该系统具有功耗低、抗水汽干扰、检测稳定性好的优点,具有重要推广应用价值。
基于无源光纤的2 kW高光束质量拉曼放大器
陈薏竹, 姚天甫, 肖虎, 冷进勇, 周朴
当前状态:
[摘要](3804) [HTML全文](1730)
径向偏振光的退偏特性及补偿方法
杨策, 彭红攀, 陈檬, 马宁, 薛瑶瑶, 杜鑫彪, 张携
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA202049.20200038
[摘要](2082) [HTML全文](2756)
研究了非均匀泵浦状态下径向偏振光束的退偏机理及补偿方法。理论分析表明非均匀泵浦条件下各向同性晶体横截面内由热致剪应力引起的剪切向热致双折射是导致径向偏振光退偏的主要原因。设计实验依次采用薄膜偏振片(TFP)测量法和纯度测量法评价了径向偏振光在非均匀泵浦条件下的退偏,其中TFP测量法用于检测径向偏振光的整体退偏,纯度测量法用于检测径向偏振光的局部退偏。在泵浦峰值功率1.1 kW下,两种评价方法测得的退偏量分别为2.34%和2.53%。基于理论分析和评价方法的结果,退偏补偿方案的设计中采用相位调制与空间模式匹配相结合的方式,将径向偏振光的退偏量优化了59%,并获得脉冲能量为19.36 mJ,纯度为90.13%的皮秒径向偏振光,光束质量因子M2为3.8。
高功率光纤激光器反向光放大和损伤特性数值分析
盛泉, 司汉英, 张海伟, 张钧翔, 丁宇, 史伟, 姚建铨
当前状态:
[摘要](5124) [HTML全文](2875)
利用速率方程模型分析主振-放大结构的高功率光纤激光器中反向信号光在放大级中的放大特性,结果显示连续波反向信号会被放大器所明显放大,同时严重影响激光器输出功率;而脉冲反向信号由于激光器稳态运转时不形成高储能,入射能量较高时放大效果并不明显。结合石英光纤和光纤端帽以及光纤光栅等器件的损伤阈值可知,连续波反向回光放大时系统中振荡器光纤光栅损伤风险较大,而脉冲能量毫焦量级的反向脉冲信号即可导致光纤损伤,另外端帽等器件在脉冲反向光作用下也存在损伤风险。
Thermal damage of monocrystalline silicon irradiated by long pulse laser
Guo Ming, Zhang Yongxiang, Zhang Wenying, Li Hong
当前状态:
[摘要](738) [HTML全文](506)
In view of the thermal damage law and mechanism of monocrystalline silicon for millisecond pulsed laser, the temperature of monocrystalline silicon irradiated by millisecond pulsed laser is measured by high precision point temperature meter and spectral inversion system. Then the temperature evolution process is analyzed. Also, the temperature state during the whole process of thermal damage of monocrystalline silicon irradiated by millisecond pulsed laser and the corresponding damage structure are studied. The results of this study show that the peak temperature of laser-induced monocrystalline silicon increases with the increase of energy density when the pulse width is fixed, When the pulse width is between 1.5 ms-3.0 ms, The temperature decreases with the increase of pulse width. Temperature rise curve shows inflection point when it is close to the melting point (1687 K), the reflection coefficient is from 0.33 to 0.72. During the gasification and solidification stages, it also shows the gasification and the solidification plateau periods. Thermal cleavage damage of monocrystalline silicon precedes thermal erosion damage. Stress damage dominates under low energy density laser irradiation, while thermal damage dominates under high energy density laser irradiation. The damage depth is proportional to the energy density and increases rapidly with the increase of the number of pulses.
特约专栏-荧光显微技术及应用
显微成像系统分辨率问题讨论(特邀)
党诗沛, 李润泽, 周美玲, 千佳, 但旦, 于湘华, 姚保利
2022, 51(11): 20220735.   doi: 10.3788/IRLA20220735
[摘要](1) [HTML全文](1) [PDF 6184KB](0)
空间分辨率是光学显微成像系统的核心指标,根据光学衍射理论,成像系统的空间分辨率由照明光波长与显微物镜的数值孔径共同决定。而在实际成像过程中,根据不同判据得出的显微成像系统分辨率略有差异,需要根据光源的相干性和被观测目标的结构等特征选择合适的判据来准确计算成像系统分辨率。通过理论分析和数值模拟,给出了不同情况下成像分辨率的计算方法,并对比了在相干光源和非相干光源照明下,对双缝目标和双点目标成像时成像分辨率的差异。
大视场双光子显微成像系统研究进展(特邀)
姚靖, 余志鹏, 高玉峰, 叶世蔚, 郑炜, 赖溥祥
2022, 51(11): 20220550.   doi: 10.3788/IRLA20220550
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 2977KB](0)
双光子显微成像具备高分辨率、天然层析能力和大穿透深度等特点,在活体动物成像中发挥着重要作用。然而,如何在维持高分辨率的条件下,扩大双光子的成像视场,来满足生物医学中对大规模动态反应的监测需求,一直以来都是光学显微成像领域的难点,也是科研关注的重点。综述了大视场双光子成像技术的研究进展。首先介绍了双光子显微成像系统的产生背景和设计原理,并从光学不变量的角度阐述了实现大视场双光子成像的理论基础。然后重点回顾了现有的几种大视场双光子成像方法,分别包括了扫描中继系统的边缘像差校准、高通量物镜的设计研发和自适应光学方法的使用。基于双光子成像的高时间和空间分辨特性,大视场双光子成像技术将成为一种在脑科学等需介观高分辨成像领域的应用中实现大区域动态监测的强有力的工具。
近红外二区共聚焦显微技术的进展及应用(特邀)
李怡霏, 何木斌, 吴天翔, 周静, 冯哲, 钱骏
2022, 51(11): 20220494.   doi: 10.3788/IRLA20220494
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 5679KB](0)
共聚焦显微镜具有较高的空间分辨率和信号背景比,能对生物样品进行三维层析成像,在医学与生物学领域有着广泛的应用。近红外二区(NIR-II,900~1 880 nm)波段的光在生物组织中具有适中的吸收、较低的散射,以及非常弱的生物组织自发荧光,因此,NIR-II荧光活体成像具有大深度、高对比度等优势。点激发、点探测的NIR-II共聚焦显微技术结合了上述二者的优势,在大深度生物成像中具有高空间分辨率和高信号背景比等优点,因此在生物医学领域得到了广泛应用。此综述将从NIR-II共聚焦显微技术的原理出发,阐述其发展进程、以及基于此项技术开展的生物医学成像应用,探讨NIR-II共聚焦显微技术未来的改进和发展方向。
荧光金纳米团簇探针的生物成像应用进展(特邀)
钟文成, 郭文锋, 尚利
2022, 51(11): 20220527.   doi: 10.3788/IRLA20220527
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 5808KB](0)
金纳米团簇(AuNCs)因兼具优异荧光特性、超小尺寸、精确化学组成及良好生物相容性等优势,使其成为近些年备受关注的新型荧光探针。为了推动荧光AuNCs在成像领域的应用,研究者们一直致力于发展高性能荧光AuNCs的设计与制备策略。基于对AuNCs结构与发光机制的理解,诸如提高荧光量子产率和细胞摄取率等策略陆续被提出以增强AuNCs的细胞成像效果,极大提升了其作为荧光成像探针的潜力,并将AuNCs的应用推广至荧光寿命成像、多光子成像等新兴荧光成像技术。近些年发展的具有近红外二区荧光的AuNCs进一步推动了其在活体成像的应用。文中概述了AuNCs的制备方法、提高AuNCs细胞荧光成像效果的各种策略,以及AuNCs荧光成像应用的最新进展,并对该领域的挑战和未来发展进行了展望。
超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用(特邀)
戴太强, 高晔, 马英, 蔡卜磊, 刘富伟, 何博聆, 禹洁, 侯燕, 郜鹏, 孔亮
2022, 51(11): 20220622.   doi: 10.3788/IRLA20220622
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 4868KB](0)
观察细胞器间动态相互作用,深入分析作用规律,对于揭示生理病理过程现象背后的机制具有十分重要的意义。传统光学显微镜受到由光波波长和孔径造成的衍射极限的限制,无法观测细胞器纳米级精细结构及细胞器间相互作用的动态变化规律。超分辨显微成像技术的出现为细胞器相互作用研究提供了重要手段,在深入揭示细胞器相互作用规律,阐明生理病理现象深层的机制研究中发挥了重要的作用。文中介绍了受激发射损耗(Stimulated emission depletion, STED)显微成像、结构光照明显微成像(Structured illumination microscopy, SIM)、单分子定位显微成像(Single molecule localization microscopy, SMLM)技术,并总结了这三类超分辨显微成像技术在细胞器相互作用中的应用与现状,为超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用提供思路拓展。最后,对超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的优势与不足进行分析总结,展望了超分辨显微成像技术在活细胞内细胞器相互作用成像中的需求发展趋势,为光学与医学及生物学的交叉融合发展提供一定的参考。
快速三维荧光显微成像技术的研究进展(特邀)
闫天宇, 何颖, 王鑫宇, 徐欣怡, 谢晖, 陈雪利
2022, 51(11): 20220546.   doi: 10.3788/IRLA20220546
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 3095KB](0)
荧光显微成像具有高分辨率、高灵敏度、高分子特异性以及非介入性的优点,可以在微米乃至纳米尺度下表征样本的形态学与分子功能学信息,成为了生命科学研究的重要工具。随着微观生物学研究的不断深入,荧光显微成像被期待能够动态且立体地观测微观生物结构与分子事件。文中系统性地梳理了近年来快速三维荧光显微成像技术的研究进展,包括点扫描式成像、宽场成像与投影断层成像在提高成像速度、拓展成像维度以及增强成像质量等方面的主要技术手段、改进策略与代表性研究成果,并展望了快速三维荧光显微成像技术的未来挑战与发展前景。
视场增强的平板艾里光片显微镜研究(特邀)
李宏伟, 陈虹宇, 石天泽, 赵蓉, 柳鹏飞
2022, 51(11): 20220354.   doi: 10.3788/IRLA20220354
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 2118KB](0)
光片显微镜是近些年来研究较多的生物成像技术,相较于传统的激光共聚焦扫描显微镜而言,光片显微镜能够实现快速、低光毒性的体积成像。光片显微镜的照明光束可以选择高斯光束或其他无衍射光束(如贝塞尔光束、艾里光束等)。艾里光片显微镜是目前研究较多的技术,但是普通的艾里光片显微镜存在一个较大的问题,艾里光束具有自弯曲的特性,导致艾里光片在视场的两端超出探测物镜的景深范围,无法发挥出最优的成像效果。将艾里光束旋转45°形成平板艾里光片,使艾里光片不超出探测物镜的景深,以增大光片显微镜的成像视场。并利用双光子荧光激发技术,免除图像的后处理过程,大大提高了成像的效率。利用Matlab进行光学仿真,得到平板艾里光片显微镜的成像视场(~900 μm)比普通艾里光片显微镜的成像视场(~600 μm)增加了50% 。搭建的平板艾里光片显微镜利用荧光微球进行校正实验,得到成像系统的横向分辨率为(1.93±0.17) μm,轴向分辨率为(3.19±0.41) μm。对斑马鱼脑出血模型的实时观测中,可以得到时间分辨率为x×y×z = 0.60 mm×0.60 mm×0.40 mm/60 s 的成像结果,并可以对局部血管的生长和发育进行实时监测,有利于脑出血疾病的机制探究。
光声技术在脑组织成像中的应用(特邀)
张振辉, 王尔褀, 石玉娇
2022, 51(11): 20220541.   doi: 10.3788/IRLA20220541
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 6787KB](0)
基于激光诱导超声机制的光声成像技术结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透性,能无标记、非侵入反映生命体内源性吸收物质的分布,适合啮齿类动物模型全脑的即时成像。为了证明光声技术在脑科学研究和脑疾病监测中的应用,搭建了光声显微成像系统,其空间分辨率可达几十微米,有效成像深度可达1 mm以上,并以APP/PS1转基因阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease, AD)模型小鼠和野生型WT小鼠为研究对象,从脑组织切片、离体全脑和活体全脑三个层面探究了光声成像在表征AD鼠和WT鼠脑结构变化和血管网络的能力,证明了光声技术在研究脑疾病发展过程中监控脑结构变化和脑血管网络特征的巨大潜力,可以为诸多脑科学研究和神经退行性疾病发展机制提供更深入的见解。
基于深度学习的荧光显微性能提升(特邀)
熊子涵, 宋良峰, 刘欣, 左超, 郜鹏
2022, 51(11): 20220536.   doi: 10.3788/IRLA20220536
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 8102KB](0)
荧光显微镜具有对样品损伤小、可特异性成像等优点,是生物医学研究的主流成像手段。随着人工智能技术的快速发展,深度学习在逆问题求解中取得了巨大成功,被广泛应用于诸多领域。近年来,深度学习在荧光显微成像中的应用掀起了一个研究热潮,为荧光显微技术发展提供了性能上的突破与新思路。基于此,首先介绍了深度学习的基本网络模型,然后对基于深度学习的荧光显微成像技术在荧光显微的空间分辨率、图像采集及重建速度、成像通量和成像质量提升方面的应用进行阐述。最后,对目前深度学习在荧光显微成像中的研究进行总结与展望。
相位恢复算法:原理、发展与应用(特邀)
王爱业, 潘安, 马彩文, 姚保利
2022, 51(11): 20220402.   doi: 10.3788/IRLA20220402
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 5522KB](0)
研究表明,由于相位比振幅包含更多关于场的信息,因此相位测量在现代科学和工程的诸多分支中始终是研究的热点问题。在可见的电磁波范围内,相位信息很难通过现有的光电探测器直接采集获取。相位恢复技术提供了一种从捕获的强度信息中将相位信息“计算”出来的有效手段,并已成功应用于天文观测、生物医学成像和数字信号复原等多个科学领域。算法是相位恢复技术的核心,也是该技术发展和应用的关键。文中结合物理学原理和信号处理方法对相位恢复算法的基本原理进行阐述,综述了各类相位恢复算法的发展历程及其优缺点,并简单概述了相位恢复算法在光学领域的典型应用,最终指明其面临的挑战和未来的发展趋势:更优异的收敛性能和噪声鲁棒性、恢复更复杂物体相位信息的能力、多目标多任务集成的兼容性。
CRISPR/Cas9系统活细胞成像技术进展(特邀)
康玥, 廖雪瑶, 谭向宇, 郭萍, 田训
2022, 51(11): 20220597.   doi: 10.3788/IRLA20220597
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 1427KB](0)
CRISPR/Cas9系统因其高效、操作简便、物种适应性广等优势被广泛应用于基因编辑领域,该系统是由靶向目标DNA序列的引导RNA (sgRNA)和具有切割酶活性的Cas9蛋白组成。近年来,通过将核酸酶失活的Cas9突变体dCas9 (dead Cas9)或sgRNA与荧光蛋白(FPs)、有机染料、量子点(QDs)结合开发出一系列超分辨活细胞成像技术,该技术有助于在更高分辨率下研究不同基因、染色体以及基因与染色体之间的时空关系,对促进遗传学、细胞生物学和生物医学等领域的快速发展具有重要意义。文中主要总结基于CRISPR/Cas9系统的活细胞成像技术的最新进展,有望进一步扩大活细胞成像技术在生物医学领域的广泛应用。
红外技术及应用
机载末端红外对抗作战效能仿真研究
白杨, 张成, 王博宇, 李石川, 马榜
2022, 51(11): 20220105.   doi: 10.3788/IRLA20220105
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 7370KB](0)
为研究飞机末端红外对抗作战效能,通过建立红外对抗仿真系统,分别对飞机红外特性、诱饵干扰特性、激光定向干扰特性进行建模仿真,通过红外特征实时解算的方法建立红外对抗场景,结合不同作战环境、干扰场景的飞机末端防御,进行红外图像渲染和模型解算,为红外干扰效能评估提供实时的红外对抗场景。结合典型的作战态势和飞机机动方式,仿真分析了导引头视场内的目标与诱饵动态红外场景,进行飞机末端防御的不同干扰手段干扰效能评估和干扰使用策略研究。仿真结果表明,飞机红外对抗仿真系统能有效地对末端红外对抗作战效能和干扰策略想定进行研究。
基于引导滤波的多分支注意力残差红外图像去噪网络
张骏, 朱标, 沈玉真, 张鹏
2022, 51(11): 20220060.   doi: 10.3788/IRLA20220060
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 2396KB](0)
目前红外图像广泛应用于各个领域,但受限于探测单元的非均匀性,使得红外图像具有低信噪比、视觉效果模糊的缺点,严重影响其在高端领域中的应用。常用的去噪算法无法兼顾降噪平滑和边缘细节的保持,针对这一问题,文中提出了一种基于引导滤波的多分支注意力残差去噪网络。根据引导滤波原理设计一种引导卷积模块,同时为了兼顾提取浅层和深层特征设计了多分支注意力残差模组。通过实验证明加入新模块后的网络不仅可以有效地实现红外图像降噪,而且能最大程度地保持图像中的边缘细节信息,提升视觉效果,同时在PSRN和SSIM指标上也有良好的表现。
读出电路开窗技术研究
崔长坤, 陈楠, 钟昇佑, 张娟, 姚立斌
2022, 51(11): 20220100.   doi: 10.3788/IRLA20220100
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 2813KB](0)
读出电路开窗是红外焦平面和图像传感器读出电路中,用于提高图像帧频降低带宽的重要技术。该技术通过减小读出阵列的窗口尺寸,降低电路读出的数据量,从而提高帧频。介绍了两类主要的开窗模式:异步读出模式和同步读出模式。针对异步读出模式扩展性差、存在竞争冒险的问题,以及同步读出模式占用像元面积和窗口切换速度慢的问题,基于同步读出提出了一种行列控制字架构,并设计了一种用于该架构的可重复单元电路,提高了对不同面阵规格的扩展性。完成了所提出的开窗电路设计和版图设计,并对该电路进行了仿真验证。对比其他方案,文中设计实现了任意位置、最小1×1尺寸的开窗,同时解决了占用像元面积和竞争冒险问题,并提高了窗口切换速度。
基于改进的Deeplabv3+的红外航拍图像架空导线识别算法
李昭慧, 寇鸽子
2022, 51(11): 20220112.   doi: 10.3788/IRLA20220112
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 3267KB](0)
随着国家电网规模的不断扩大,架空导线作为电力系统的重要组成,对它的定期巡检变得极其重要,同时,随着低空飞行领域的开放,为了保证国家电网的正常运行及低空飞行的安全,架空导线的识别也变得极其重要。文中提出了一种使用Deeplabv3+语义分割网络模型对红外航拍图像架空导线进行识别的方法,并且针对红外架空导线图像目标的特征对该算法进行了改进。首先在原Deeplabv3+算法的特征提取主干网络ResNet50中加入注意力机制,使网络突出导线目标所在区域的特征,更加关注导线目标所在的位置,进而弱化背景等非主要区域的特征。然后对Deeplabv3+的编码器部分进行改进,在ResNet50模型中加入特征金字塔网络,可以将浅层和深层的特征进行融合,增强网络对不同大小目标属性的识别能力,及导线这种小目标的检测能力,进而提高网络的整体识别效果。实验结果表明:改进后的算法检测性能良好,均像素精度为93.52%,平均交并比为87.83%。
激光器与激光光学
百kHz重复频率卫星激光测距
程少宇, 龙明亮, 张海峰, 吴志波, 秦思, 张忠萍
2022, 51(11): 20220121.   doi: 10.3788/IRLA20220121
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 3104KB](0)
对卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)回波数与重复频率、脉冲能量及功率关系进行分析,表明单位时间内相同激光回波数,重复频率越高所需激光脉冲能量和平均功率越低;同时对SLR单次测量精度及标准点数据精度进行分析,表明标准点时长内测距点数越多,SLR标准点精度越高。提出点火脉冲群与门控脉冲群收发交替的工作模式,解决超高重复频率后向散射光噪声对激光回波干扰问题。开发多缓冲区存储模式,使测量软件数据实时处理与储存效率提升4~6倍。基于中国科学院上海天文台60 cm口径SLR系统,以快速事件计时器、脉冲群生成器、低噪声单光子探测器等,采用脉冲间隔5 μs、单脉冲能量80 μJ的皮秒激光,收发交替脉冲群模式下实现100 kHz重复频率低轨至高轨卫星的SLR测量,近地星Hy2b标准点精度达到28.55 μm,远地星Galileo218标准点精度达到136.51 μm,为发展更高重频和高精度空间目标激光测距提供了有效方法。
红外热像下激光熔丝成形过程冷却速率实时监测
宋栓军, 邱成鸿, 徐微, 任晓飞, 张安莉
2022, 51(11): 20220074.   doi: 10.3788/IRLA20220074
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 2059KB](0)
激光熔丝增材制造技术是一种具备成形精度高和加工余量小的一体化制造技术,但由于其非平衡态凝固和复杂的传热传质等物理现象,使得很难通过常规手段监测得到其冷却速率。针对这一问题,提出了一种利用红外热像技术的熔池温度和冷却速率实时监测算法。该算法利用FLIR X6520sc型红外热像仪实时捕获增材制造过程中的温度场信号,通过定位温度场中心位置得到熔覆道各点的实时冷却速率,实现了熔覆道冷却速率的全过程实时监测。在此基础上,研究了不同工艺参数对熔池温度和冷却速率的影响规律。最后,探讨不同冷却速率对凝固组织的影响。研究结果发现:在其他工艺参数不变的情况下,扫描速度从60 mm/min上升到300 mm/min,熔池温度减少了339 ℃,冷却速率却增加了1741 ℃/s;激光功率从200 W降低到100 W,冷却速率和熔池温度分别降低了264 ℃/s和420 ℃;随着送丝速度从120 mm/min升高到600 mm/min,熔池温度和冷却速率分别降低195 ℃和224 ℃/s;扫描速度是对冷却速率影响最大的因素,为后期研究闭环控制系统提供了基础。此外,随着冷却速率的增加,熔覆道经过快速凝固,其凝固组织得到显著细化。
云雾干扰条件下激光引信高斯分解测距方法
刘学, 顾宏, 陈皓辉, 张勇, 杨振, 张建隆
2022, 51(11): 20220090.   doi: 10.3788/IRLA20220090
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在云雾影响下,脉冲激光引信存在着虚警概率高、测距精度差的问题,这些问题是制约激光引信全天候工作的主要问题。为了降低云雾对于全波形采样激光引信的影响,提出一种基于高斯分解的回波脉冲处理方法,采用高斯模型将回波信号分解成单独高斯脉冲的形式,根据波形特征分辨出真实目标回波与云雾后向散射回波。从理论仿真和实验上对比了该方法与数字互相关方法的性能差异,结果表明:在能见度小于4 m的云雾条件下,数字互相关法测距精度恶化到1.6 m,而高斯分解法能够实现0.18 m的测距精度,优于互相关处理方式。该方法为激光引信在云雾环境下高精度测距提供了新的数据处理思路。
光学设计
机载红外成像系统主支撑结构新型轻量化设计方法与应用
李延伟, 殷龙海, 李玉龙, 谢新旺, 张景国, 谢虹波
2022, 51(11): 20220232.   doi: 10.3788/IRLA20220232
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由于载机负载有限,质量一直是机载成像系统结构设计时的关键指标。主支撑结构作为机载成像系统中光学系统的主承力结构,必须进行轻量化设计。但是,以往机载成像系统主支撑结构轻量化设计方法主要包括选择比刚度高的金属材料、优化框架结构布局、调整壁厚、增加减重槽等具体措施。由于金属材料的密度和线膨胀系数较高,这种轻量化设计方法的轻量化程度不高,且有时无法满足高精度光学系统无热化设计的要求。因此,提出了一种复合材料与金属材料相结合的新型轻量化设计方法,利用更低密度、更低线膨胀系数的碳纤维复合材料作为主支撑结构成型材料,钛合金作为对外接口材料,并以质量最轻为目标、基频为约束进行了参数优化设计,最后采用预浸料制造与铺放方法获得了更高轻量化、更优尺寸稳定性的主支撑结构。通过数值计算、仿真分析与振动试验对新方法的有效性进行了验证,结果表明:新型轻量化主支撑系统基频为425 Hz;质量为10.5 kg,轻量化率为33.5%;60 ℃均匀温升时轴向光学间隔变化量为0.021 mm,降低了84.9%。研究结果表明:新型轻量化设计方法合理、有效,解决了结构轻量化与光学无热化设计的难题,并应用到长焦距大口径机载红外成像系统中。
空间相机波像差灵敏度及集成仿真方法
薛志鹏, 丛杉珊, 孙美娇, 张雷, 刘金全, 于鑫
2022, 51(11): 20220109.   doi: 10.3788/IRLA20220109
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针对一种空间相机新型单杆主承力结构,采用波像差灵敏度模型和集成仿真分析两种方法,实现光机结构轻量化设计过程中的系统波像差评价,以保证在力学条件下的成像质量。所提出的波像差灵敏度方法能够基于波像差与失调量的线性关系进行构建,对于以相机成像质量为约束条件指导光机结构的优化设计具有重要意义。首先,基于光学系统的失调原理,推导了光学元件失调量与系统波像差的灵敏度模型。然后,采用有限元方法获取力学工况下的节点位移量,并基于最佳拟合(best-fit)方法计算主、次镜的失调量,对失调后的系统进行光学分析得到系统的波像差。最后,针对5 kg级空间光学相机,采用所提出的两种方法进行了建模与分析,并开展了相应的重力工况分析与试验。灵敏度分析方法相对于光机集成软件仿真方法误差为16.8%,所提出的方法能够应用于设计阶段对系统成像性能的快速评估。
自旋依赖强度可调谐的相变超构透镜
李洁, 田喜敏, 许军伟, 武婷, 陈霆枫, 旷金芝
2022, 51(11): 20220398.   doi: 10.3788/IRLA20220398
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超表面是一种基于亚波长各向异性单元结构的超薄平面光学器件,能够在微观尺度下调制电磁波相位、偏振和振幅等,从而实现波前的任意调控。超构透镜作为超表面走向实用化的重要代表,凭借其超强的光波操控能力、超紧凑结构、多功能性及与半导体工艺兼容等突出优点,引起了研究学者的极大兴趣。然而,已报道的超构透镜受限于相位分布设计,难以同时实现偏振复用及强度可调谐聚焦功能;且结构一旦确定,其电磁性能就被锁定,在灵活调制电磁波方面受到很大限制。为此,文中从各向异性单元结构的设计和优化入手,协同PB相位和传输相位,设计了两种能够在不同空间取向(横向和纵向)上实现自旋分裂的Ge2Sb2Se4Te1 (GSST) 相变超构透镜。通过改变入射圆偏振光的椭偏度,两超构透镜均可实现强度可调谐聚焦性能;通过调控相变材料Ge2Sb2Se4Te1从非晶态逐渐转变为结晶态,两超构透镜均可实现聚焦性能的连续调谐并最终达到“ON”和“OFF”的动态切换。所设计的自旋依赖强度可调谐相变超构透镜有望在多成像系统、机器视觉和显微成像等领域发挥重要作用。
长波红外鱼眼凝视光学系统设计
张继艳, 孙丽婷, 秦腾
2022, 51(11): 20220430.   doi: 10.3788/IRLA20220430
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提出了一种新型的长波红外鱼眼镜头设计方法,基于高斯光学和三级像差理论,在传统的反远距的广角镜头的基础上,增加一片负弯月型透镜的前组,使其半视场角由原来的$\pm {70^\circ }$ 增加到$\pm {100^\circ }$。采用等距离投影成像方法,系统 fθ 畸变小于6%,焦距为1.97 mm,相对孔径为1∶1,采用像方远心的成像设计,边缘视场相对照度达到80%。为了增大孔径,消除轴外像差,采用五片非球面设计,成像质量接近衍射极限,全视场的调制传递函数大于0.37@42 lp/mm,采用机械被动式的无热化设计方法可以满足较宽的温度范围内系统成像质量稳定。设计结果对长波红外鱼眼光学系统设计具有一定的参考价值。
光电测量
双光梳重复频率差异步锁定技术研究
容驷驹, 陈新度, 孙敬华, 梅领亮, 柏汉泽, 何鹏, 练彬
2022, 51(11): 20220108.   doi: 10.3788/IRLA20220108
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双光梳系统在高精度绝对距离测量、三维成像以及光谱测量等领域有着其独特的优势和广阔的发展前景。文中提出一种基于锁相环原理的异步锁定技术,可以对双光梳系统中的重复频率差进行精密锁定。实验中,采用了重复频率约为155.711 MHz和155.714 MHz的双光梳系统,通过反馈控制压电陶瓷(PZT)驱动电压从而控制激光器谐振腔腔长来实现重复频率差的锁定,并利用频率计数器采集锁定后双光梳重复频率差的数据,使用Allan方差和标准差作为频率稳定度的评价指标。最终在1 s的平均时间内,得到重复频率差的Allan偏差为1.8×10−13,抖动标准差为40.689 μHz。结果表明,该技术可以对双光梳系统的重复频率差进行灵活调整,并具有锁定精度高、抗扰能力强等优点。
基于虚拟双目的条纹结构光三维重建
朱新军, 侯林鹏, 宋丽梅, 袁梦凯, 王红一, 武志超
2022, 51(11): 20210955.   doi: 10.3788/IRLA20210955
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为解决传统双目条纹结构光三维重建存在的同步性和成本高等问题,提出了基于虚拟双目的条纹结构光三维重建方法。采用单相机和两块双棱镜及投影仪设计了具有双目视觉功能的虚拟双目条纹结构光三维重建系统。通过双棱镜折射和分光改变被测对象表面反射光的路径,使用一个相机同时完成多视角的图像采集。通过多频外差法和立体匹配、双目标定得到被测对象的深度信息并重建点云。实验表明,文中提出的方法和真实双目结构光方法测量标准球的均方根误差分别为0.037 9 mm和0.030 5 mm。文中提出的方法可促进双目条纹结构光技术在快速、低成本、小型化等方面发展,同时该方法可推广到彩色相机条纹结构光三维重建及投影散斑结构光三维重建。
微型星敏热控设计及仿真
吕建伟, 王领华, 苏生, 宋馨, 刘欣, 宋博旸
2022, 51(11): 20220116.   doi: 10.3788/IRLA20220116
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为了保证应用平台在轨任务期间的星敏感器正常工作,需要对其进行热设计。结合微型星敏感器组件的空间环境外热流、安装布局以及工作模式等条件,在热分析优化的流程上考虑了光机热等多种因素影响,设计了微型星敏感器组件的热控方案。该热控方案提出采用主动电加热以及遮光罩与星敏本体均温化的设计思路,解决了微型星敏感器组件在轨期间的空间热环境复杂、温度控制要求高、散热途径受限于安装结构等问题,保障了微型星敏感器组件有效、可靠的工作。建立了I-DEAS /TMG 有限元分析模型,开展了高、低温工况下的星敏感器组件的热控仿真,分析了星敏感器组件的温度分布以及均匀性等仿真结果,最后进行了地面试验,验证了热控方案的正确性,满足星敏感器组件热设计要求。文中工作可为后续在轨平台的微型星敏热设计提供参考。
基于轨迹一致性检测的空间碎片天基识别方法
雷韫璠, 王龙, 钟红军, 张辉, 武延鹏
2022, 51(11): 20220076.   doi: 10.3788/IRLA20220076
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针对空间碎片天基观测量与编目数据库在轨关联难题,建立天基光学相机对空间碎片的观测模型,分析在轨应用环境对观测信息的影响,基于碎片轨迹一致性检测设计识别方法。为适应在轨应用的需求,提出了DTW与轨迹形貌差异量化检验融合的空间碎片识别方法。首先,依据DTW原理筛选出与待检测真实轨迹形貌最接近的预报轨迹;进一步,将初选相似轨迹之间的形貌差异量化为轨迹间总误差的标准差;最后,通过统计量检验实现轨迹一致性确认,轨迹一致则碎片成功识别。对所提出方法与轨迹直线拟合参数误差检验识别法进行碎片识别稳定性的仿真与实验对比。结果表明:DTW与轨迹形貌差异量化检验融合识别法是一种更稳定的碎片识别方法,对仿真及实验中的全部碎片及低轨卫星均能实现稳定识别,较轨迹直线拟合参数误差检验识别法稳定性明显提升。文中提出方法具有不受碎片运动特性、观测环境等因素影响的特点,可在卫星感知与防护领域广泛应用。
倾斜安装的光管焦距标定方法研究
王涛, 田留德, 赵建科, 周艳, 鄂可伟, 刘锴, 刘尚阔, 刘飞, 杨利红, 刘艺宁, 薛勋, 赵怀学
2022, 51(11): 20220124.   doi: 10.3788/IRLA20220124
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平行光管水平放置和倾斜安装时由于受力状态不同其光学参数会有较大差异,为了精准评价平行光管的焦距,根据平行光管焦面上的点与全站仪角度之间的映射关系,建立了倾斜安装条件下光管焦距与全站仪角度关系的精确数学模型,修正了全站仪垂直轴轴系转动时产生的原理性投影误差。使用全站仪采集了多组数据并进行了实验验证:修正畸变后由焦面目标与竖丝平行时的各测试点解算的焦距值分别为1980.03、1983.45、1982.79 mm,焦距平均值即真值为1982.09 mm。修正畸变但未修正投影误差的情况下由焦面目标与分划板横丝平行时的各测试点解算的焦距值分别为996.42、995.23、995.22 mm,焦距平均值相对误差为50.2%。修正投影误差和畸变后由焦面目标位于不同象限及与分划板横丝平行时的各测试点解算的焦距值极差为4.74 mm,焦距平均值为1982.69 mm,与真值差值为0.6 mm。测量结果的展伸不确定度与焦距真值的最大相对误差为0.36%,该值远小于GB/T 9917.1—2002 照相镜头中实测焦距对名义焦距的相对误差不超过±5%的规定。实验结果表明:该模型具有较高的解算精度,目标狭缝在分划板中的相位可以是随机值,对于倾斜安装条件下平行光管焦距的原位检测具有极大的工程应用价值。
光谱域编码的压缩光谱测量技术
徐亦静, 吴志鹏, 王琦龙
2022, 51(11): 20220093.   doi: 10.3788/IRLA20220093
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光谱测量技术在生物医药、国防、安检、生产监控、地质勘测、物质分析、环境保护和减灾防灾等方面有着广泛的应用。但受制于现有探测器件和应用的技术条件,传统类型光谱仪在上述领域的应用灵活性和适用性的限制较多,光谱系统微型化和可集成化是确定发展的趋势之一。光谱成像系统有着向微型化、芯片化和智能化发展的迫切需求,且伴随相关计算光谱成像理论的成熟完善,计算型光谱仪有望在减少器件或系统重量与尺寸的同时,大幅提升光谱分辨能力。基于压缩感知理论的计算型光谱仪具有实时性好、适用范围广、结构调整灵活、成本低廉等诸多优势。文中参考压缩感知理论的基础框架,详细对比多种分光结构的设计方法,分析光谱域直接编码的压缩光谱测量技术,归纳总结具有压缩感知功能的智能芯片化光谱仪的发展趋势和技术问题。
迈克尔逊干涉仪在相位相干成像测量系统中的应用
沙金巧, 杨俊义, 范君柳, 王军
2022, 51(11): 20220396.   doi: 10.3788/IRLA20220396
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传统4f相位相干成像测量技术中,利用相位物体使测量材料产生的相位变化转换为可直接观察的振幅变化,实现材料光学非线性折射率的测量。然而相位物体的厚度是固定不变的,相位延迟会随激光波长的改变而改变,测量中需要更换合适的相位物体。理论分析了不同激光波长对相位物体相移大小的影响,详细讨论了不同形状光束下相位物体的半径和相移的大小对4f相位相干成像系统灵敏度的影响。利用了迈克尔逊干涉仪中两束光的相位延迟替代传统相位物体的功能,实现了一种相位可调的相位物体。因为迈克尔逊干涉仪两束光的相位延迟连续可调,使得在不同形状光束及不同波长激光下的测量灵敏度达到最优。该方法进一步完善了4f相位相干成像测量技术,不仅解决了传统相位物体的不足,而且提高了系统测量的精度。
条纹投影用于不同景深物体的三维测量
吴荣, 赵世丽, 赵洋, 谢锋云
2022, 51(11): 20220088.   doi: 10.3788/IRLA20220088
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条纹投影轮廓术(Fringe Projection Profilometry, FPP)由于其非接触、测量精度高等特点被广泛应用于缺陷检测、逆向工程、计算机视觉等领域中。然而,传统的FPP单次测量只能获得有限景深范围内的被测物体的三维轮廓,无法完成视场范围内不同景深的多个被测物体的同时精确测量。文中在传统FPP系统的基础上增加两面反射镜和两个三棱镜,搭建了一种镜面辅助的FPP系统。所提出的方法能将摄像机不同景深范围内的被测物体转换到同一景深范围内,从而实现不同景深的多个被测物体的三维轮廓高精度测量。实验通过6层标准石膏阶梯模型验证了景深对三维轮廓测量结果的影响;同时分别采用传统FPP和提出的FPP系统对不同景深范围内两个标准乒乓球同时进行了轮廓测量,传统FPP测得的摄像机聚焦点处和未聚焦的乒乓球的拟合半径相对误差分别为2.9%、34.3%,而镜面辅助的FPP测得的相对误差分别为2.7%、5.3%。结果表明:文中提出的方法能补偿由于景深引起的误差,从而验证了该方法在不同景深物体三维测量中的可行性。
基于离散化路径与拼接的高精度光学检测方法
沈正祥, 王旭, 余俊
2022, 51(11): 20210144.   doi: 10.3788/IRLA20210144
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在超精密光学元件制造中,高精度光学检测技术是进一步提升光学加工精度和表征评价光学表面形貌的基础关键。非接触式光学检测方法凭借高效和无损伤检测的特点,取得广泛应用。但外界环境扰动容易对光学检测探针产生影响,降低检测精度。为此,文中提出了一种离散化检测路径与拼接方法,将传统螺旋线路径离散为多圆周和多径向路径,并通过路径间数据的相互拼接,减小了环境扰动误差。分析了离散化检测路径的参数设置,给出了一种均匀化的圆周路径分布策略。最后,基于自行搭建的光学检测平台,进行了环境误差抑制方法的验证实验。相较于抑制前的面形,抑制后的测量相对误差从24.3%降到了4.3%。
光通信与光传感
光纤干涉式海底地震海啸监测系统的研制与布放
于淼, 何禹潼, 杨悦, 张崇富, 吴崇坚, 程立耀, 孔谦
2022, 51(11): 20220111.   doi: 10.3788/IRLA20220111
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研制了基于光纤干涉技术的海底地震海啸监测系统,并布放在海南省万宁市的国家海洋局乌场海洋环境监测站附近海域。研制的三分量光纤干涉地震计谐振频率大约250 Hz,灵敏度达到57 dB(0 dB代表1 rad/g),工作频率范围0.005~50 Hz,最小可探测振动加速度43.4 ng/$\sqrt{{\rm{Hz}}} $;光纤干涉水位计测量精度达到±1 cm,测量范围0~110 m。系统自2017年10月完成布放,已经连续工作超过4年,并在长期运行过程中记录地震和实时水位数据。从2018年1月到2021年12月,在系统运行期间,东北亚地区发生里氏6.0级以上地震共计60余次,其中39次被系统成功监测,例如,给出了印度尼西亚苏拉威西附近海域发生的里氏6.8级以上地震的详细测量结果。文中报告了与这项工作相关的规划、设计、制造、实验室测试、海上安装、观测、数据采集和分析。介绍了系统布放过程,描述了地震计和水位计的工作原理,给出并分析了典型的地震记录和同期的水位监测记录。
基于强化学习的光传送网路由波长优化
孔英会, 杨佳治, 高会生, 胡正伟
2022, 51(11): 20220084.   doi: 10.3788/IRLA20220084
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针对光传送网中动态业务的路由和波长问题,提出一种基于强化学习的深度路由波长分配算法DeepRWA。算法基于软件定义网络架构,通过强化学习灵活地调整控制光传送网,实现光网络路由波长分配策略优化。针对路由选择问题,结合链路上的波长使用情况,使用A3C算法选择合适的路由,使得阻塞率最小;针对波长分配问题,使用首次命中算法选择波长。考虑阻塞率、资源利用率、策略熵、价值损失、运行时间及收敛速度等多个指标,利用14节点NSFNET网络拓扑仿真实验。结果表明:当信道中包含18个波长时,与传统KSP-FF算法相比,所提出的路由波长分配算法的阻塞率降低了0.06,资源利用率提高了0.02,但运行时间有增加;在波长数超过45以后,与传统KSP-FF算法相比,所提算法保持阻塞率和资源利用率的同时,运行时间开始降低;当信道中包含波长数为58时,与传统KSP-FF算法相比,所提算法运行时间减少了0.07 ms。由此可见,提出的算法使路由选择和波长分配得到了优化。
光学制造
基于改进遗传算法的虚拟制造单元继承性重构调度技术
赵霖, 王爱民, 王崑声, 于成龙
2022, 51(11): 20220510.   doi: 10.3788/IRLA20220510
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针对多品种变批量生产下效率与柔性兼顾的需求以及既有制造单元难以支持碎片化订单下的关键零件高质量一致性和高效率生产的问题,建立了以最小化$ {C}_{max} $和最小化重构前后的虚拟制造单元构成差异性为目标的数学模型,提出了一种基于继承性重构解码策略的改进的遗传算法,同时设计了一种已知单元构型下的订单与原制造单元之间的相似性计算方法,并通过量化对原制造单元重构的继承程度,保证了制造单元的最大化的继承原制造单元的构型而进行重构,最后结合某光电观测产品零件的实际生产数据,验证了所提模型与算法的有效性与可行性。
材料与薄膜
紫外光催化振动复合抛光
于保军, 郭桌一, 卢发祥, 谷岩, 林洁琼
2022, 51(11): 20220138.   doi: 10.3788/IRLA20220138
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为了满足工业领域的不同要求,研究了碳化硅(SiC)陶瓷超光滑表面且无表面损伤的抛光工艺,提出了一种紫外光催化振动复合抛光新方法。基于紫外光催化反应理论,论述了光催化振动复合抛光的加工机理,进行了不同的实验。首先进行了甲基橙降解实验,研究了光催化振动复合抛光氧化性对振动的依赖关系;接着进行了紫外光催化振动复合抛光对比实验,研究了振动前后SiC的抛光效果,验证了新抛光方法的有效性。实验结果表明,光催化反应生成的强氧化性羟基自由基能够将高硬度的SiC氧化成质地较软的二氧化硅,振动的引入减少了光催化反应中光催化剂的团聚,提高了抛光过程中氧化和去除的均匀性,从而提高了抛光过程中SiC的表面质量,最终获得了粗糙度为31~39 nm的光滑表面。
微纳光学
基于计算全息的斜面和曲面光刻
王虎, 何渝
2022, 51(11): 20220136.   doi: 10.3788/IRLA20220136
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斜面和曲面微结构元件在微电子学、微光学、微流体学等领域有着重要的应用,为了实现快速、低成本的斜面和曲面光刻,提出了利用基于液晶空间光调制器的纯相位计算全息技术投影目标图案到斜面和曲面进行曝光的方法。生成了斜面和球面全息光场,对光场进行消散斑和杂散光去除的处理,完成了斜面和球面光刻实验验证。实验结果表明:该方法加工效率高、设计灵活多变,不受单一结构限制,是一种极具潜力的三维微纳加工方法。
简讯
金刚石拉曼振荡器实现级联布里渊激光输出
白振旭, 陈晖, 蔡云鹏, 丁洁, 齐瑶瑶, 颜秉政, 崔璨, 王雨雷, 吕志伟
2022, 51(11): 20220660.   doi: 10.3788/IRLA20220660
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