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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](1356) [HTML全文](713)
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](3842) [HTML全文](1749)
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](2142) [HTML全文](2783)
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](5166) [HTML全文](2927)
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](760) [HTML全文](517)
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.
专家报告
全天时单光子激光雷达技术进展与系统评价
刘博, 蒋贇, 王瑞, 陈臻, 赵彬, 黄风云, 杨玉强
2023, 52(1): 20220748.   doi: 10.3788/IRLA20220748
[摘要](163) [HTML全文](33) [PDF 3125KB](58)
单光子激光雷达(又称光子计数激光雷达)具有单光子量级的探测灵敏度,相比于传统的线性探测激光雷达,能够获得更远的探测距离,已经成为激光雷达探测技术的前沿和发展趋势。然而,极高的探测灵敏度也使单光子激光雷达在探测中极易受到背景噪声光子的干扰,这在很大程度上降低了其在白天工作的性能,也极大地限制了其适用范围。文中从单光子激光雷达的探测原理出发,简要回顾了其技术发展,分析了全天时工作对单光子激光雷达探测系统的需求,在此基础上,采用一种新型的光谱滤波技术,极大地提升了单光子激光雷达在白天的探测性能。同时,还提出了一种普适性的评价模型,能够极为直观地对各种激光雷达系统的探测性能进行评价。
红外技术及应用
碲镉汞高温红外探测器组件进展
陈军, 习中立, 秦强, 邓功荣, 罗云, 赵鹏
2023, 52(1): 20220462.   doi: 10.3788/IRLA20220462
[摘要](61) [HTML全文](14) [PDF 2475KB](39)
高工作温度红外探测器组件是第三代红外探测器技术的重要发展方向,可用于高工作温度红外探测器的基础材料主要有锑基和碲镉汞两大类。介绍了昆明物理研究所在高工作温度红外焦平面探测器组件方面的最新研究进展,其中基于碲镉汞材料p-on-n技术研制的高工作温度中波640×512探测器组件在150 K温区性能优异,探测器的噪声等效温差(NETD)小于 20 mK,配置了高效动磁式线性制冷机的高温探测器组件(IDDCA结构),质量小于270 g,探测器组件光轴方向长度小于70 mm(F4),室温环境下组件稳态功耗小于2.5 Wdc,降温时间小于80 s,声学噪声小于27 dB,探测器光轴方向自身振动力最大约1.1 N。目前正在进行环境适应性和可靠性验证,完成后就可实现商用量产。
飞机红外辐射空间分布特性仿真研究
童忠诚, 王亮, 吴俊
2023, 52(1): 20220264.   doi: 10.3788/IRLA20220264
[摘要](49) [HTML全文](14) [PDF 5195KB](23)
为深入了解飞机在3~5 μm波段红外辐射的空间分布特性,在建立飞机尾焰红外辐射的椭圆体模型后,利用飞机蒙皮红外辐射模型和尾喷口红外辐射模型,仿真计算了飞机在不同方向上3~5 μm波段的红外辐射,给出了红外辐射的空间分布曲线。计算发现飞机的红外辐射关于机翼平面和机体纵向对称平面对称,在机尾和机头各有4个极值。其中在机尾辐射方向为($ \pm $150°,$ \pm $32°)时红外辐射的极大值达到5 177 W,在机头辐射方向为($ \pm $68°,$ \pm $64°)时红外辐射的极大值达到3 461 W。通过分析飞机红外辐射在机翼平面、机体纵向对称平面和极值平面的分布规律,发现在机头正向红外辐射非常小,但当辐射方向不在机轴正向时,随着辐射方向与机轴方向夹角的增大红外辐射急剧增加。还发现在机翼平面辐射方向投影与机轴夹角越小,在机体纵向对称面上红外辐射出现极值的方向越靠近机轴。同样在机体纵向对称面上辐射方向投影与机轴夹角越小,则在机翼平面上红外辐射出现极值的方向也越靠近机轴。
排放口结构对水下航行器热射流红外特征的影响
高程哲, 杜永成, 杨立
2023, 52(1): 20220333.   doi: 10.3788/IRLA20220333
[摘要](34) [HTML全文](10) [PDF 0KB](18)
水下航行器动力系统循环冷却水经由排放口排出,与环境水体掺混换热形成热射流。热射流在环境水体中扩散、浮升并在水体表面形成红外特征。为探究排放口结构对水下航行器热射流红外特征的影响,文中采用仿真分析结合实验验证的方法进行研究。依托CFD计算软件平台建立水下航行器运动模型,设计不同半径比椭圆形排放口结构并对比热射流红外特征差异。通过缩比水池实验验证椭圆形排放口半径比对热射流红外特征的影响,同时验证仿真计算方法及设计参数的有效性。在椭圆形排放口的基础上,进一步设计排放口数量及分布位置,抑制热射流红外特征,提升水下航行器热隐身性能。根据仿真计算及实验结果可知,在排放流量相同的条件下,半径比越小的椭圆形排放口热射流掺混换热效果越好,红外特征越不明显。同时,增加排放口数量以及排放口分布位置采用两翼排列方式可以进一步加强热射流温度衰减,降低水面最高峰值温度。
微测辐射热计器件工艺开发和特性评估
刘伟, 何兵, 马特, 刘刚
2023, 52(1): 20220279.   doi: 10.3788/IRLA20220279
[摘要](37) [HTML全文](9) [PDF 2417KB](21)
依托半导体生产线开发了基于MEMS微桥结构的微测辐射热计(micro-bolometer)器件,其中,使用化学气相沉积(CVD)技术开发了非晶硅(α-Si)薄膜工艺,并将其用作微测辐射热计器件的敏感层材料,该材料在1000 Å厚度下的膜厚均匀性可以控制在2%以内(1-sigma,within wafer),电阻均匀性可以控制在2%以内(1-sigma,within wafer),其室温下的电阻温度系数(TCR)可以达到−2.5%左右;采用先刻沟槽工艺技术开发了MEMS微桥结构的接触模块,以无支撑柱结构实现了其支撑和电连接结构;使用Ti/TiN薄金属薄膜作为电极层,并利用电极层图形实现该敏感层电阻器件的电连接和图形定义;开发了高性能敏感层电阻工艺技术,实现了对敏感层材料工艺损失和电极层侧面腐蚀的良好工艺控制。在完成微测辐射热计器件工艺开发后,对其进行了器件级测试和评估,结果表明:该器件室温电阻值在250 kΩ左右,且具有优异的欧姆接触特性;室温下器件级TCR在−2%左右,略低于非晶硅薄膜材料TCR的测试值;同时,对该器件进行的升温和降温测试结果表明,文中开发的敏感层材料没有滞回效应。最后,对该器件进行释放工艺处理形成悬空的MEMS微桥结构,经扫描电镜(SEM)和光学显微镜测试评估,其微桥表面呈现良好的平坦度和均匀性,能够很好地满足微测辐射热计及相应的非制冷红外探测器产品的技术需求。
激光器与激光光学
国外新型电驱动高能激光技术现状与发展趋势
王辉华, 林龙信, 叶辛, 吕晓英
2023, 52(1): 20220283.   doi: 10.3788/IRLA20220283
[摘要](78) [HTML全文](24) [PDF 3053KB](36)
主要讨论了国外平面波导激光器、固体薄片激光器、浸入式液冷固体激光器、碱金属蒸汽激光器、相干合成光纤激光器等新型电驱动高能激光光源的技术发展现状、关键技术以及未来作为激光武器应用的潜力。它们至少在原理上可以解决当前高能固体激光或光纤激光面临的一些难题,但因为某些缺点或者面临一些待解决技术问题,使其输出功率、光束质量或体积、重量等指标暂时达不到典型高能固体激光或光纤激光的水平。详细讨论了这些新型电驱动高能激光的优缺点,并对其技术发展前景进行初步分析判断。
浑浊水体激光后向散射特性仿真与实验研究
张鑫, 宗思光, 李斌, 余扬
2023, 52(1): 20220280.   doi: 10.3788/IRLA20220280
[摘要](30) [HTML全文](8) [PDF 1892KB](21)
由于水体的吸收和散射作用,光束能量在传播的过程中会产生衰减,激光脉冲会被展宽,制约着水下激光雷达的探测范围和探测精度。文中以浑浊水体环境下水下弱小目标探测为应用背景,建立了水下光子传播的蒙特卡洛仿真模型,模拟了不同衰减系数和散射率的水体后向散射回波信号,并对相应的水体后向散射回波信号变化趋势进行了分析。仿真结果表明:随水体衰减系数的增加,近场水体激光回波信号接收光子数逐渐增多;随水体散射率的增加,回波信号光子消亡速度逐渐降低。开展了不同浊度下的激光雷达回波信号的测试实验,实验结果表明:随水体衰减系数的增加,水体激光后向散射回波幅度逐渐增高,脉冲宽度逐渐展宽。在进行浑浊水体水下弱小目标探测时,随水体衰减系数的增加,应通过逐渐减小激光器能量或接收系统增益来增强水体回波与目标回波之间的差异,以此提高浑浊水体水下弱小目标探测的信噪比。实验验证了理论与仿真结果,为浑浊水体环境下水下弱小目标激光探测系统在不同水质下的激光能量选取、接收系统增益设计等提供理论支撑。
基于旁瓣光束衍射反演的远场测量旁瓣波峰参数检测方法
王拯洲, 段亚轩, 王力, 李刚, 郭嘉富
2023, 52(1): 20220281.   doi: 10.3788/IRLA20220281
[摘要](30) [HTML全文](6) [PDF 12236KB](16)
针对强激光远场测量不能有效识别旁瓣光束任意方向各个旁瓣波峰参数的问题,提出了基于旁瓣光束衍射反演的远场测量旁瓣波峰参数的检测方法。对旁瓣光束图像按照选定的角度采样间隔进行量化,使用角度变换将二维旁瓣光束图像转化为全方向的一维旁瓣光束曲线集合,检测每一个角度的一维旁瓣光束曲线的各个旁瓣波峰参数,从而获得旁瓣光束任意方向各个旁瓣波峰的参数。主要优化措施为:(1)使用角度变换将二维旁瓣光束图像转化为全方向的一维旁瓣光束曲线集合;(2)检测每一个角度的一维旁瓣光束曲线的各个旁瓣波峰的参数,统计所有方向的各个旁瓣峰值,生成每个旁瓣波峰的极大值圆环;(3)统计每个旁瓣波峰极大值圆环的灰度均值,将各个旁瓣波峰极大值圆环的灰度均值与本底噪声进行比较,选择大于本底噪声1.5倍的最小波峰均值为整个旁瓣光束的最小可测旁瓣波峰信号。实验结果表明:该方法能够有效检测旁瓣光束任意方向各个旁瓣波峰的参数,任意方向上灰度极大值均值与理论值灰度极大值误差为0.477,5个波峰的极大值圆环半径均值与理论值半径之间误差小于1个像素。该方法提高了基于旁瓣光束衍射反演的远场测量的实验精度和可信度,为将来大科学装置强激光远场的精确测量奠定基础。
基于跨波长调制和直接吸收光谱的宽量程多气体检测方法
赵晓虎, 孙鹏帅, 张志荣, 王前进, 庞涛, 孙苗, 庄飞宇
2023, 52(1): 20220284.   doi: 10.3788/IRLA20220284
[摘要](44) [HTML全文](14) [PDF 4363KB](22)
针对可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时,遇到的高精度、宽动态范围需求,采用时分复用的方法,将直接吸收光谱技术(Direct Absorption Spectroscopy, DAS)和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spec-troscopy, WMS)技术的优势相结合,完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号,用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算,通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点,实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下,通过实验分别对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度进行检测,确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm−1。系统对CH4、CO和C2H2 三种气体体积浓度的检测量程分别为0~100%、0~5000×10−6和0~1000×10−6,其最小体积浓度检测限分别为2.27×10−4、0.21×10−6、1.68×10−6,且在量程内的测量结果准确度优于现行的煤矿行业标准。实验结果表明:该方法能够满足工业现场实际应用的需求,有利于拓展激光吸收光谱技术在工业过程、安全等领域的应用。
一种可降低Littman-Metcalf光栅外腔半导体激光器衍射损耗的结构设计
周平, 吴永前, 张蓉竹
2023, 52(1): 20220206.   doi: 10.3788/IRLA20220206
[摘要](24) [HTML全文](8) [PDF 1532KB](17)
基于原有Littman-Metcalf型光栅外腔半导体激光器的工作原理,设计了一种可以降低衍射损耗的外腔结构。在Littman-Metcalf结构的基础上增加一个反射镜,将闪耀光栅二次衍射产生的零级衍射光反馈回半导体激光器本征腔。推导了新结构模型外腔损耗的表达式,通过等效腔的概念对两种结构激光器的外腔损耗、阈值电流、输出线宽以及输出功率进行了仿真分析。结果表明:将二次衍射产生的零级光反馈回有源区可有效降低Littman-Metcalf结构激光器的外腔损耗,提高了系统的耦合效率,从而降低阈值电流,提高了激光器的输出功率。同时,由于提高了外腔反射效率,该外腔结构进一步压窄激光器的输出线宽。对影响低损耗Littman-Metcalf外腔激光器输出线宽以及输出功率的因素(端面反射率、内外腔长、闪耀光栅衍射效率以及反射镜反射率等)也进行了仿真分析,为后期激光器制作提高了理论指导。
扫描速度对300M钢熔覆C276涂层组织及性能的影响
杨广峰, 郜峰, 崔静, 薛安源
2023, 52(1): 20220328.   doi: 10.3788/IRLA20220328
[摘要](20) [HTML全文](6) [PDF 6688KB](15)
为了提升300M超高强度钢表面的耐蚀性能,在300M钢表面通过激光熔覆技术制备出四组扫描速度分别为5 mm/s,8 mm/s,11 mm/s和14 mm/s的涂层试样,通过光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、EDS能谱仪、显微硬度仪、摩擦磨损机、电化学工作站仪器分别表征涂层的宏观形貌、显微组织、物相组成、元素分布、硬度性能、摩擦磨损性能和耐腐蚀性能。结果表明,300M钢熔覆C276后,涂层的耐蚀性和硬度都得到增强,但耐磨性能较原基体变差,涂层形貌受扫描速度的影响,扫描速度越大,平整度越趋于平整,且金属光泽也逐渐加深,同时在不同参数下的涂层物相种类未发生明显变化,主相均为Ni-Cr-Co-Mo,在扫描速度8 mm/s的参数下,涂层具有最高的硬度较基体提升约36.2%,同时也具有更佳的耐蚀性能与其他力学性能。
基于均匀化激光双面辐照的热力耦合测试方法研究
王家伟, 李斌, 张检民, 冯国斌, 刘卫平, 韦成华, 韩永超, 王娜
2023, 52(1): 20220329.   doi: 10.3788/IRLA20220329
[摘要](18) [HTML全文](8) [PDF 2018KB](15)
为了研究以激光为热源开展材料高温力学性能测试的可行性,建立理论模型与数值模型,分析了材料在双面均匀激光光斑加热下的表面及内部温升。结果表明,理想情况下采用均匀化激光双面辐照的加热方式可以在试件加热区域内形成较均匀的温度场。为验证上述结论,建立了光斑匀化度达92%的激光双面辐照热力耦合测试试验平台,并基于相关测试方法获取了传统加热方式难以快速加热的CFRP层合板高温拉伸强度。结果表明,试件在激光加热中心测试区域(10 mm×10 mm)内的温度均匀性良好。试件在均匀化激光双面辐照下可被快速加热至923 ℃,测试区域内的最大温度波动为6.8%。文中提出的基于均匀化激光双面辐照的热力耦合测试方法相比传统测试方法具有通用性好、温升率高、测试温度高、测试效率高等一系列的优点。该研究可为进一步研制通用型材料/结构高温升率、高温力学性能试验系统提供关键技术支撑。
单频光纤放大器中泵浦作用的相位噪声
段良友, 刘贞, 沈琪皓, 何幸锴, 周鼎富, 张永科
2023, 52(1): 20220332.   doi: 10.3788/IRLA20220332
[摘要](42) [HTML全文](12) [PDF 5345KB](20)
研究了铒镱共掺单频光纤放大器中100 Hz~1 kHz频段内的相位噪声,并通过实验证明该尖峰噪声为泵浦电源产生的相位噪声。从铒镱共掺光纤放大器的功率传输方程出发、结合泵浦激光的热传递函数,数值分析了泵浦功率、泵浦波长、增益光纤长度对100 Hz~1 kHz频段内相位噪声的影响。通过二级光放大结构对输出激光的相位噪声进行测量,并将实验结果与数值仿真结果进行对比,证明了理论模型的可靠性。该研究优化了主谐振功率放大结构铒镱共掺单频光纤放大器的相位噪声特性、并为提高相干合成时的合束效率提供指导。以上所得结果普遍适用于主谐振功率放大结构的光纤放大器。
激光致声混凝土内部空洞检测
邹锦阳, 张雅婷, 丁欣, 姚建铨
2023, 52(1): 20220306.   doi: 10.3788/IRLA20220306
[摘要](20) [HTML全文](7) [PDF 2406KB](17)
激光致声混凝土内部空洞检测技术是一种针对混凝土脱空鼓包现象的遥感检测技术,具有检测快速,非接触等特点,满足了在一些不方便进行接触式检测的场景下对混凝土内部空洞进行识别的需求。该技术的实现主要分为声波的激发以及声波的探测。文中聚焦声波激发这一部分,用加速度传感器替代激光测振仪,搭建了一套激光致声混凝土内部空洞检测系统,并对内部预制空洞的混凝土试块进行了检测。实验发现混凝土内部空洞的存在会改变空洞上方结构的抗弯刚度,当存在外部激励时,空洞上方的结构将会出现弯曲振动的现象,该振动的频率接近于振动结构的一阶固有频率。使用高功率密度的脉冲激光器可以方便地激发出缺陷区域的弯曲振动,当空洞缺陷较浅时,可以根据弯曲振动在频域的特征响应判断内部是否存在空洞。随着空洞深度的增加,空洞上方结构的抗弯刚度逐渐增强,弯曲振动的振幅减小,仅凭特征频率将难以实现内部空洞的识别。在这种情况下,可以利用表面振动信号的加速度能量谱来表征振动能量,通过振动能量的高低判断混凝土内部是否存在空洞。基于上述理论,成功探测到了混凝土内部深度为150 mm的空洞,验证了利用激光致声技术检测混凝土内部空洞的可行性。
光学设计
大型离轴三反相机主镜组件结构设计与验证
袁健, 张雷
2023, 52(1): 20220363.   doi: 10.3788/IRLA20220363
[摘要](44) [HTML全文](8) [PDF 3325KB](22)
大口径长条形反射镜是大型离轴三反相机的核心部件之一,针对“吉林一号”宽幅01C星中通光口径为1250 mm×460 mm的主反射镜,系统论述了1.2 m量级大长宽比反射镜组件的结构设计方法,并对所研制的主镜开展了详细的验证。从材料属性和现有工艺出发,镜体材料选择反应烧结碳化硅,采用半封闭式轻量化形式,通过二目标全局优化确定了镜体结构参数的最佳组合,最终镜体设计质量为41.8 kg,面板厚5 mm、最薄加强筋仅厚3 mm。采用经典背部三点支撑方案,优化柔性支撑中的双轴柔性铰链结构参数以兼顾组件基频和热稳定性,并与镜体质心位置进行匹配。提出了主镜组件的装配流程和相应的消应力措施。测试结果表明:主镜在装调重力工况下全口径面形精度均方根值为0.016λ (λ=632.8 nm),翻转180°后主镜全口径面形精度均方根值为0.019λ;实测主镜组件一阶基频为127.8 Hz,经大量级随机振动和高低温循环后,主镜面形精度均方根值基本不变。主镜组件具有良好的动、静力学特性,且面形精度高、稳定性良好,能够满足高性能空间光学系统的使用要求。
基于二维函数PST的离轴四反系统杂散光分析
杨开宇, 金宁, 杨丹, 普龙, 徐曼, 董树林, 苏雷
2023, 52(1): 20220330.   doi: 10.3788/IRLA20220330
[摘要](20) [HTML全文](6) [PDF 4025KB](15)
离轴四反系统是顺应多光合一机载观瞄系统未来发展的光机核心部件。该类型系统容易受到视场外部强杂散光的影响,系统杂散光的点源透射率(PST)一般要求不大于10−4量级,因此,对系统PST进行全方位扫描计算是分析和抑制其杂散光的关键。针对系统的非对称性,将PST作为随杂散光入射空间水平角和垂直角变化的二维函数,用以评价外部杂散光的影响,同时建立了水平角、垂直角与光机建模所需绕坐标轴旋转的过程量的对应转换关系,编制了仿真控制程序,通过调用LightTools软件实现杂散光的自动追迹和PST的二维扫描计算。对多光合一离轴四反系统,计算了整个入射半球空间内、所有方向的杂散光对应的PST分布情况,从而筛选出对机载观瞄应用影响较大的三路杂散光,寻找到其传输的路径和关键表面。基于此,设计了内部遮光罩和挡光环,优化系统内部的杂散光陷阱结构,使得系统的PST峰值由原来10−1量级降低至10−4量级,在规避角范围以外小于10−7,可满足机载光电观瞄系统的使用要求。为离轴四反系统杂散光分析及抑制提供了依据。
Buchdahl模型的无焦系统消色差方法
张继承, 付跃刚, 胡源, 刘唯奇
2023, 52(1): 20220374.   doi: 10.3788/IRLA20220374
[摘要](37) [HTML全文](8) [PDF 1518KB](15)
基于Buchdahl模型的色散向量分析法可以用于指导光学设计中的材料选择与替换,得到消色差效果良好的材料组合,但是目前该理论由于数学形式的限制,只应用于有焦系统设计中,并没有用于指导无焦系统设计的先例。针对此问题进一步探究该理论在无焦系统下的应用,提出适用于无焦系统的色散向量比例因子的变形表达,以该方法对一个七倍望远无焦系统进行材料的选取,优化后的系统在0.707孔径处最大色差值仅为2.705×10−5 D (屈光度),632.8 nm和1 064 nm两波长的焦移差为0.000 21 D,波段范围内最大焦移也仅为0.004 7 D,系统色差得到有效校正,各视场MTF完全达到衍射极限。研究成果使基于Buchdahl模型的色散向量分析法可以同样应用于无焦系统设计中,为无焦系统消色差材料组合的选择提供了一种新思路。
光电测量
集成AlGaN/GaN HEMT混频探测器的太赫兹矢量测量系统
刘一霆, 丁青峰, 冯伟, 朱一帆, 秦华, 孙建东, 程凯
2023, 52(1): 20220278.   doi: 10.3788/IRLA20220278
[摘要](37) [HTML全文](12) [PDF 2448KB](18)
矢量测量是表征太赫兹波段天线与准光系统波束特性的主流技术。该文介绍了一种基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(High-electron-mobility transistor, HEMT)混频探测器的太赫兹矢量测量系统。该系统核心器件为以准光-波导为耦合方式的高灵敏度太赫兹混频探测器,在340 GHz频率外差模式下,其噪声等效功率达−113 dBm/Hz。为了抑制系统相位噪声,搭建了基于二次下变频原理的硬件电路。通过对固定位置天线的长时间测量,表明系统相位稳定度优于4°,系统最小可测功率达到119 nW。基于相干AlGaN/GaN HEMT混频探测器实现了太赫兹连续波幅度和相位分布测量,该工作为后续阵列化太赫兹矢量测量提供了基础。
新型紫外波段星载太阳定标板漫反射特性测量
曾杰雄, 黄煜, 李占峰, 林冠宇, 李元
2023, 52(1): 20220339.   doi: 10.3788/IRLA20220339
[摘要](30) [HTML全文](7) [PDF 2507KB](15)
星载太阳定标漫反板的漫反射朗伯特性及其辐照衰减特性直接决定了空间遥感仪器在轨辐射定标长期的精度和稳定性。为保证紫外高光谱探测仪的在轨辐射定标精度,在介绍目前常用太阳定标漫反板材料的基础上,提出了一种新型的紫外波段漫反板备选材料:高纯度不透明熔融石英材料HOD,并比对测试了该新型HOD漫反板与传统铝制漫反板的漫反射朗伯特性和辐照衰减特性。结果表明,32个等效太阳时(32ESH)的真空紫外辐照后,HOD漫反板在290 nm衰减为7.5%,优于传统铝制漫反板的10%。并且铝制漫反板在290 nm附近的朗伯特性最大余弦偏差约为40%,而HOD漫反板约为10%。因此,新型HOD漫反板在紫外波段的漫反射特性优于传统的铝制漫反板,可提高空间紫外遥感仪器的在轨辐射定标的长期精度。
冗余旋转惯导系统两位置初始对准方法
邹涛, 王丽芬, 任元, 朱挺
2023, 52(1): 20220414.   doi: 10.3788/IRLA20220414
[摘要](20) [HTML全文](9) [PDF 1708KB](20)
冗余旋转惯导系统(Redundant Rotating Inertial Navigation System, RRINS)可以在传统旋转惯导系统的基础上,进一步提高系统的可靠性。针对该类系统高精度初始对准需求,以正四面体冗余旋转惯导系统为例,研究了两位置初始对准方法。首先以每3个陀螺仪和3个加速度计构成一种组合方式,建立每种组合下惯性器件的零偏与冗余配置相关的解析表达式,并设计RRINS两位置转停方案以估计对应惯性器件的零偏,但是在某些特殊的情况下需要增加观测位置;然后将每个惯性器件在不同组合下得到的结果取均值,并利用该均值对相应惯性器件的测量信息做补偿;最后基于补偿后的惯性器件输出进行RRINS的初始对准。数学仿真和实验验证结果表明,该方法在不同两位置方案下均可有效估计出惯性器件的零偏。仿真中陀螺仪的零偏估计误差在4%以内,加速度计的零偏估计误差基本在2%以内,且相比无零偏补偿的情况,初始对准精度提高10倍以上。实验中水平和方位向的初始对准精度都有提高,航向角对准误差最大减小100倍左右。同时,该方法还可以推广到其他配置方案的冗余旋转惯导系统中,对该类惯导系统初始对准精度的提高具有一定借鉴意义。
材料与薄膜
微波与光通信用单晶Bi:YIG性能表征
章路, 杨剑波, 张紫燕, 蔡澎
2023, 52(1): 20210869.   doi: 10.3788/IRLA20210869
[摘要](37) [HTML全文](8) [PDF 1318KB](17)
通过液相外延方法制备出单晶Bi和Gd取代YIG薄膜,并研究了其微波铁磁共振特性与红外磁光性能。测试结果表明,样品结晶质量较好,无多余物相,平均表面粗糙度0.4 nm,比饱和磁化强度值25 emu/g,饱和外磁场650 Oe左右。在0~20 GHz的频率范围内,铁磁共振线宽ΔH小于8 Oe,且频率与共振线宽呈线性关系。在红外1550 nm波长下,饱和状态的比法拉第转角约为0.1 (°)/μm,两片叠加条件下可以实现±45°法拉第旋转。在1550 nm左右透过率接近90%,吸收系数低于16 cm−1。该材料在红外磁光器件、微波通信器件方面具有重要的应用价值。
光通信与光传感
混沌空间光通信研究进展
王超, 董怡泽, 王卉婷, 高冀, 田志新, 高建威, 江宁
2023, 52(1): 20220296.   doi: 10.3788/IRLA20220296
[摘要](65) [HTML全文](12) [PDF 1746KB](25)
随着空间通信技术的迅猛发展,人们对信息安全的需求愈发迫切。基于半导体激光器的空间激光通信凭借其终端体积小、功耗低、高带宽以及无电磁频谱约束等特点,已广泛应用于空间高速通信领域。激光混沌通信技术作为一种在物理层对空间光通信加密的安全技术手段,逐渐成为了空间光通信的研究热点。结合当前国内外自由空间光通信、混沌激光通信、混沌空间光通信的发展历程,介绍了近年来混沌空间光通信关键技术的研究进展,主要包括自由空间光通信快速跟瞄技术、混沌空间光通信大气湍流抑制技术和激光混沌空间同步技术。最后结合当前混沌空间光通信发展现状与不足,对混沌空间光通信的研究方向和可借鉴的关键技术进行了展望,旨在为该领域的进一步发展提供参考和借鉴。
面向航空骨干网的大型无人机光通信技术应用
薛凤凤, 赵尚弘, 李勇军, 田琴, 付浩通
2023, 52(1): 20220331.   doi: 10.3788/IRLA20220331
[摘要](25) [HTML全文](9) [PDF 1400KB](17)
目前,航空骨干网络各平台间采用射频技术,存在传输速率较低、频带资源受限、易受电磁干扰等不足,难以满足航空安全、作战指挥等军事和民用领域对航空数据安全高速传输的要求。而光通信在航空信息高速可靠传输方面具有显著优势,具有超高速率、超大带宽、抗干扰能力强、保密性好等优点。为进一步提高航空骨干网络机间无线通信能力,立足于大型无人机在航空领域的具体应用和机载光通信技术的发展,首先在分析总结国内外机载光通信关键技术的研究现状、已进行试验情况的基础上,针对大型无人机作为骨干网移动中继在当前航空领域的应用场景做出了设想与描述;然后对航空大型无人机机载光通信的需求进行了深入分析;最后系统总结了航空大型无人机激光通信的关键技术、未来发展趋势等。这为机载光通信技术在当前航空领域大型无人机上的应用与发展提供了一定的理论借鉴与依据。
大气信道下窄线宽激光器对相干通信系统性能影响研究
傅万旺, 郭优, 张越行, 陈纪笋, 姜义君, 李密
2023, 52(1): 20220219.   doi: 10.3788/IRLA20220219
[摘要](20) [HTML全文](6) [PDF 2516KB](17)
在空间下行相干激光通信系统中,激光器的线宽大小会影响通信系统的性能,而窄线宽激光器能有效降低激光器线宽引起的激光器相位噪声,目前已经成为相干激光通信系统的首选。光信号在大气信道传输时,大气湍流会引起光信号强度和相位的波动,从而进一步影响系统的通信性能。针对上述问题,基于四相移键控(Quadri Phase Shift Keying, QPSK)通信系统的工作原理,进一步考虑窄线宽激光器线宽和大气湍流引起的光信号强度和相位的波动,给出了空间下行QPSK通信系统误码率模型。并基于该模型,数值仿真分析了窄线宽激光器对空间下行相干激光通信系统性能的影响。结果表明:大气湍流不仅严重影响系统性能,也会弱化激光器线宽对系统性能的影响。而对于大气湍流影响而言,其引起的相位波动要大于光强波动的影响。此外,随着通信速率增大,激光器线宽对于系统性能影响也会随之降低。文中对于空间下行相干激光通信系统的优化设计和调试具有一定的实际参考意义。
大气光学
大气模式对气溶胶光学参量反演及分类的影响研究
王元祖, 孙东松, 韩於利, 郑俊, 赵一鸣
2023, 52(1): 20220262.   doi: 10.3788/IRLA20220262
[摘要](31) [HTML全文](9) [PDF 2095KB](16)
气溶胶对全球生态系统、物质循环具有重要影响,研究气溶胶光学参量等基础数据反演的准确性意义重大。利用来自欧洲气溶胶研究激光雷达网的4个观测站点(波坦察、莱比锡、里尔、埃武拉)在两次集中观测任务中的数据,对使用不同大气模式的温度、压强数据在反演气溶胶光学参量(消光和后向散射系数)及气溶胶分类中所产生的影响进行研究。结果表明:选用不同的大气模式对气溶胶光学参量进行反演会导致计算结果出现偏差,其中对于Raman法获取气溶胶消光系数的影响较大,在355 nm和532 nm处的最大偏差均可达到~20%。大气气溶胶浓度也会对不同模式的气溶胶光学参量反演结果产生影响,并且随观测波长的不同而有所差异。此外,不同大气模式会使气溶胶激光雷达比以及Ångström指数等与气溶胶类型相关的参量反演结果产生偏差,并最终影响气溶胶的分类。文中研究结果对于揭示大气模式的选取在反演气溶胶光学参量中的重要性以及对于气溶胶分类乃至大气科学的相关研究都具有重要的参考价值。
光学成像技术
光场相机建模与畸变校正改进方法
杨守瑞, 段婉莹, 艾文宇, 陈胜勇
2023, 52(1): 20220326.   doi: 10.3788/IRLA20220326
[摘要](40) [HTML全文](13) [PDF 3279KB](23)
光场相机作为一种新型的成像系统,可以直接从一次曝光的图像中得到三维信息。为了能够更充分有效地利用光场数据包含的角度和位置信息,完成更加精准的场景深度计算,从而提升光场相机的三维重建的精度,需要实现精确的几何建模,并精确标定其模型参数。该方法从薄透镜模型和小孔成像模型出发,将主透镜建模为薄透镜模型,将微透镜建模为小孔成像模型,结合光场相机双平面模型,将每个提取到的特征点与其在三维空间中的射线建立联系,详细解释了内参矩阵中每个参数的物理意义,以及标定过程中初值确定的过程,并在镜头径向畸变模型的基础上进一步应用了相机镜头的切向畸变模型以及基于射线重投影误差的非线性优化方法,改进了光场相机的标定方法。实验显示,该方法的RMS射线重投影误差为0.332 mm,与经典的Dansereau标定方法相比,进行非线性优化后得到的射线重投影误差精度提升了8%。该方法详细分析的场景点与特定像素索引的推导过程对光场相机的标定具有重要的研究意义,为光场相机光学模型的建立与初始化标定奠定了基础。
图像清晰度评价与变步长融合调焦方法
潘宏亮, 孙金霞, 韩希珍
2023, 52(1): 20220342.   doi: 10.3788/IRLA20220342
[摘要](30) [HTML全文](11) [PDF 1627KB](18)
十字丝目标在CCD上的成像,一般受到环境光和光路的影响,不同位置的焦距产生的十字丝图像会存在边缘模糊和离焦的情况,使十字目标的中心点位置提取受到严重影响,传统的Sobel算法忽视边缘信息,并且容易受噪声影响,因此提出改进Sobel算子图像清晰度评价函数与粗细调焦结合的变步长两段式快速搜索自动调焦的方法。该方法首先利用图像的空间域评价图像清晰度,其次利用根据光学设计选用的两段式调焦方式。第一步进行粗调,先快速找到正焦位置附近,然后进行细调,直至找到正焦的位置。实验表明,该方法与其他算法相比,自动调焦失败率为2%,调焦时间为1242 ms,调焦行程在−25~+30 mm之间。通过该算法将图像清晰度评价函数与两段式调焦方式结合进行自动调焦,准确性高,实时性好。
Hα太阳空间望远镜热设计
关洪宇, 王蕾, 冯琨程, 许艳军, 江帆, 韩诚山
2023, 52(1): 20221395.   doi: 10.3788/IRLA20221395
[摘要](31) [HTML全文](6) [PDF 2155KB](18)
Hα太阳空间望远镜具有对日光谱成像及全日面成像功能,具有多功能、高度集成化的特点。它位于卫星载荷舱内,在轨姿态多变,并且具有连续观测的工作模式,焦平面组件及电单机工作热环境苛刻,对热设计提出较高要求。通过星载一体化设计及相机结构合理布局,在卫星舱板靠近相机处预留辐射散热通道,合理设计散热面将工作热耗快速导出,保证各部组件温度满足指标要求。搭建热平衡试验平台,对高低温工况下的热分析和热平衡试验及在轨数据进行对比,同一工况下各电单机最大温差≤4 ℃,对热设计的正确性进行了验证。保证了Hα太阳空间望远镜在复杂空间环境下的正常工作,对此类空间太阳望远镜热控设计具有一定的借鉴意义。
图像处理
边缘信息引导多级尺度特征融合的显著性目标检测方法
王向军, 李名洋, 王霖, 刘峰, 王玮
2023, 52(1): 20220344.   doi: 10.3788/IRLA20220344
[摘要](45) [HTML全文](14) [PDF 2878KB](26)
针对基于FCN和U型网络架构的深度学习显著性目标检测方法提取的显著性图存在边界不清晰和结构不完整的问题,文中提出了一种基于边缘信息引导多级尺度特征融合网络(EGMFNet)。EGMFNet使用多通道融合残差块(RCFBlock)以嵌套的U型网络架构作为主干模型。同时,在网络的较低层级引入具有边缘信息引导的全局空间注意力模块(EGSAM)以增强空间特征及边缘特征。此外,在损失函数中引入了图像边界损失,用于提升显著性图的质量并在学习过程中保留更加清晰的边界。在四个基准数据集上进行实验,实验结果表明,文中方法的F值较典型方法提升1.5%、2.7%、1.8%和1.6%,验证了EGMFNet网络模型的有效性。
连续波太赫兹成像系统的单幅图像超分辨重建
王欢, 郎利影, 庞亚军, 张雷, 郑伟, 席思星
2023, 52(1): 20220292.   doi: 10.3788/IRLA20220292
[摘要](50) [HTML全文](15) [PDF 1503KB](25)
针对现有的太赫兹成像系统所需硬件设备复杂且昂贵的问题,设计了基于单幅图像超分辨重建的连续波太赫兹成像系统,降低设备复杂度和硬件成本。通过对该成像系统生成的太赫兹图像进行双维度预处理,降低图像处理的占用内存,提高后续处理速度。引入限制对比度自适应直方图均衡方法对太赫兹图像进行分区域对比度提升,有效解决太赫兹图像对比度低的问题。利用稀疏表示和字典学习实现太赫兹图像的超分辨重建,提出了反余割拟牛顿平滑零范数的算法解决零范数优化问题,提高了重建精度。通过对该成像系统采集的单幅太赫兹图像进行超分辨重建,在边缘强度上提高了3.232,在平均梯度对比中提高了0.300,验证了对单幅太赫兹图像超分辨重建的有效性与优越性。