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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](1280) [HTML全文](659)
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](3784) [HTML全文](1710)
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](2031) [HTML全文](2736)
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](5100) [HTML全文](2841)
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](718) [HTML全文](494)
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—光学非球面超精加工与检测技术
非球面光学表面缺陷检测技术现状和发展趋势(特邀)
李明泽, 侯溪, 赵文川, 王洪, 李梦凡, 胡小川, 赵远程, 周杨
2022, 51(9): 20220457.   doi: 10.3788/IRLA20220457
[摘要](16) [HTML全文](2) [PDF 6734KB](2)
非球面光学元件具有更大的自由度和灵活性,广泛应用在航空航天、微电子装备、光学精密测量、激光光学等诸多领域。光学元件表面缺陷将影响光学系统性能,而表面缺陷控制需要相应检测手段,高分辨率、高精度、高效率光学表面缺陷检测仍存在技术挑战。文中综述了光学元件表面缺陷类别、评价标准及检测方法,重点探讨了非球面光学元件表面缺陷检测技术及其应用范围,分析比较了各种方法的优缺点,最后对表面缺陷检测技术发展趋势进行了展望。
充气平衡法减小超轻反射镜加工中的网格效应(特邀)
于秋跃, 周小华, 王国燕, 乔国宝, 吕天斌, 张兆健, 王经华, 邵建业, 程云涛
2022, 51(9): 20220389.   doi: 10.3788/IRLA20220389
[摘要](10) [HTML全文](3) [PDF 2764KB](0)
对于传统蜂窝夹芯结构的反射镜,因加工过程中网格效应的存在,反射镜的面板厚度和蜂窝尺寸之间彼此关联制约着,严重影响反射镜的轻量化设计。针对蜂窝夹芯结构的超轻ULE反射镜,提出了一种充气平衡式减小网格效应的加工方法,运用控制变量法,通过实验比对了正常加工和充气平衡式两种研抛状态下网格效应的变化。实验结果表明:当反射镜面形精度RMS达到1/10λλ=632.8 nm)以上时,正常加工的面形图存在明显的网格效应,而充气加工则没有,可见反射镜内部充气可有效平衡加工压力,使反射镜在加工过程中有筋区域和无筋区域的变形趋于一致,从而有效减小网格效应。
硒化锌晶体的高效率高质量组合抛光方法(特邀)
杨超, 张乃文, 白杨
2022, 51(9): 20220531.   doi: 10.3788/IRLA20220531
[摘要](1) [HTML全文](1) [PDF 1798KB](0)
硒化锌晶体作为常用的红外晶体材料,广泛应用于红外光学系统中。为了提高硒化锌晶体的加工质量及加工效率,提出了将磁流变抛光(MRF)与传统数控抛光(CCOS)技术相结合的方法,通过多组正交实验配置硒化锌晶体的磁流变抛光液,对一块口径为50 mm的硒化锌晶体展开磁流变抛光,再针对磁流变抛光后的表面痕迹进行传统数控抛光,在正压力为0.05~0.1 MPa范围内,经过30 min均匀抛光,硒化锌晶体的表面粗糙度由3.832 nm降低到1.57 nm,粗糙度得到明显改善。该方法有效提高了非球面硒化锌晶体的加工效率并改善了加工后的表面质量,对硒化锌晶体的非球面超精密加工具有重要的参考价值。
高次离轴凸非球面反射镜组合加工(特邀)
彭利荣, 程强, 曾雪锋, 周晓勤
2022, 51(9): 20220611.   doi: 10.3788/IRLA20220611
[摘要](2) [HTML全文](2) [PDF 2783KB](1)
为提高离轴三反消像散(TMA)光学系统中次镜的制造效率和精度,开展了离轴凸非球面反射镜组合加工和零位检测的研究工作。首先,介绍了方形(298 mm×264 mm)高次离轴凸非球面反射镜的光学参数、技术指标和总体加工路线;其次,提出了铣磨加工工艺策略以及基于气囊和沥青的小磨头组合加工工艺;最后,阐述了光学零件抛光阶段采用的背部透射零位补偿检测法和Offner型零位补偿器,并采用光线追迹法对镜片的零位补偿检验面形畸变进行了矫正,最终面形RMS值为0.025λ λ=632.8 nm),满足技术指标要求。上述组合加工工艺和背部透射零位补偿检测方案可以显著提升高次离轴凸非球面反射镜的加工精度和效率。
非球面光学元件面形误差边缘处理方法(特邀)
吴伦哲, 徐学科, 吴令奇, 王哲
2022, 51(9): 20220602.   doi: 10.3788/IRLA20220602
[摘要](2) [HTML全文](1) [PDF 2211KB](1)
计算机控制光学元件面形修复(Computer Control Optics Surfacing, CCOS)需要通过计算驻留时间,反复迭代,从而得到更小的误差。因为干涉测试过程中边缘面形测试的条件限制,只能得到更小孔径的误差分布图,所以面形的预测性延拓是磁流变抛光、离子束抛光等加工方式的基础技术。基于面形误差的相似性和边缘误差的连续性为出发点,开发了采用基于Zernike拟合和Laplace方程配合的方法进行光学元件面形误差边缘延拓技术。开展了相关理论分析,设计相关算法并实现了延拓过程,延拓结果符合面形相似形和连续性的加工要求,采用直接法和残余误差计算方法对延拓结果进行评估,结果证明了延拓方法的有效性。
熔石英元件小尺寸集群损伤修复及检测技术 (特邀)
石峰, 乔硕, 邓明杰, 宋辞, 铁贵鹏, 田野, 郝群, 王姗姗, 周海峰, 陈坚, 孙国燕, 申箫
2022, 51(9): 20220539.   doi: 10.3788/IRLA20220539
[摘要](7) [HTML全文](0) [PDF 4546KB](2)
针对现有小尺寸集群损伤修复及检测技术仍不完善的问题,重点研究亚表面缺陷多模态原位检测方法,从损伤样件表面损伤数量和尺寸、典型小尺寸损伤的形貌、光热吸收、荧光面积等多项指标进行了系统测量和分析,并开展了磁流变修复研究。研究结果表明:熔石英小尺寸损伤内部的吸收性杂质是影响元件性能的主要因素,在磁流变缎带接触到损伤底部前,损伤的整体吸收和荧光分布呈上升趋势;高重频激光对磁流变修复后的损伤辐照过程是一个由慢变快、由杂质到本体、由边缘逐渐向外扩张的过程,能够有效对磁流变修复后的表面进一步起到修复作用,可作为组合修复工艺的第三道工序。研究结果对光学元件检测表征体系的构建提供参考。
大口径硅基空间红外透镜的高精度加工与检测(特邀)
王国燕, 许瑞, 于秋跃, 王永刚, 孟晓辉
2022, 51(9): 20220427.   doi: 10.3788/IRLA20220427
[摘要](1) [HTML全文](0) [PDF 2548KB](1)
随着红外技术的不断发展,空间大口径红外光学元件的需求日益增长,其各项制造指标也逐渐接近可见光级光学元件的制造要求,由此对新型空间红外光学元件的加工和检测技术均提出了更高的挑战。针对大口径的高陡度超薄硅基红外透镜,提出了以超声铣磨-机器人研抛-离子束精抛为工艺链路的加工方案,改善了传统红外工艺路线存在的低效率、表面高频误差等问题。针对凸非球面轮廓检测中支撑引起的测试误差,在粗抛和精抛阶段分别采用了柔性缓冲支撑与三点强迫位移支撑方法,有效解决了大口径高陡度超薄透镜测试中的支撑变形问题。经过理论仿真与实验验证,证明该测试方法具有较好的一致性。通过改进的轮廓检测方法,实现了轮廓测试中支撑误差的准确分离,有效提升了加工的极限精度。最终大口径红外透镜凸非球面加工精度达RMS λ/50 (λ=632.8 nm),满足设计指标要求。
子孔径拼接和计算全息混合补偿检测大口径凸非球面(特邀)
苏航, 王孝坤, 程强, 李凌众, 王晶, 李雯研, 吴琼, 唐瓦, 罗霄, 张学军
2022, 51(9): 20220576.   doi: 10.3788/IRLA20220576
[摘要](13) [HTML全文](0) [PDF 4711KB](1)
为了实现大口径凸非球面的高精度检测,提出了将子孔径拼接检测法和计算全息补偿检测法相结合的检测方法。由于其中心的非球面度较小,采用球面波直接检测;而外圈的非球面度较大,采用子孔径拼接和计算全息混合补偿的方法进行测量,再通过拼接算法将中心检测数据和外圈检测数据进行拼接从而得到全口径面形。结合实例对一块口径为540 mm的大口径凸非球面进行测量,并将检测结果与Luphoscan 检测结果进行对比,两种方法检测面形残差的RMS值为0.019λ,自检验子孔径与拼接结果点对点相减后的RMS值为0.017λ。结果表明该方法能够实现大口径凸非球面的高精度检测。
小口径深度凸非球面的高精度面形检测
刘佳妮, 陈安和, 李智勇, 夏方园, 刘丙才, 李世杰
2022, 51(9): 20220190.   doi: 10.3788/IRLA20220190
[摘要](8) [HTML全文](1) [PDF 2868KB](3)
凸非球面反射镜在反射式光学系统中的应用非常广泛,但其面形高精度检测一直是光学制造领域的难题。为了实现小口径、深度凸非球面的面形高精度检测,提出了一种基于计算全息图(Computer Generated Hologram,CGH)的零位干涉检测技术。首先,详细阐述了该技术的检测原理和方法,给出了计算全息中补偿测试全息和对准标记全息设计过程中的技术要点;然后结合工程应用,针对口径15 mm、顶点曲率半径11.721 mm、非球面度达到72 μm的深度凸非球面,设计并制造了相应的CGH补偿元件,完成了相应零位干涉检测系统的搭建和检测实验;最后,与Luphoscan的检测结果交叉对比,验证了该检测方法的准确性。该技术为小口径凸非球面的高精度检测提供了一种有效的方法,具有显著的工程应用价值。
计算全息板干涉检测工业镜头凸自由曲面(特邀)
朱德燕, 唐骏伟, 国成立, 李元正, 赵烈烽
2022, 51(9): 20220456.   doi: 10.3788/IRLA20220456
[摘要](8) [HTML全文](0) [PDF 2468KB](1)
工业镜头元件口径小、数量多、精度要求高,将自由曲面用在镜头凸面上会导致面形复杂、偏离量大,对表面面形检测提出了很高的挑战。提出了基于计算全息板(Computer-Generated-Hologram, CGH)的干涉检测方法,并利用Zemax对光路进行优化设计,建立了镜头装夹误差对检测结果的影响分析模型,提出了镜头高精度干涉检测方案,并结合实验验证了分析模型和检测方案的可靠性。实验结果表明:利用CGH可实现凸自由曲面工业镜头的全口径干涉检测,检测结果为0.57 μm PV (满足镜头检测需求),并结合轮廓仪对比验证了干涉测量的可靠性。
结合CGH与辅助透镜的长焦距非球面反射镜检测(特邀)
张誉馨, 黎发志, 闫力松, 严冬, 王超凡, 张宇鹤, 张斌智, 张鑫, 蔡铭宣, 何俊超, 王孝坤
2022, 51(9): 20220384.   doi: 10.3788/IRLA20220384
[摘要](7) [HTML全文](0) [PDF 1830KB](0)
目前,一些大口径光学望远镜主镜的曲率半径已经达到了几十米量级,若单纯利用计算全息实现对镜面进行面形检测,则检测光路长度不低于其曲率半径长度。受场地大小及环境气流扰动等因素的限制,该条件下难以实现对镜面的高精度测量。为了解决大口径长焦距光学镜面的高精度面形检测问题,提出了一种混合补偿干涉检测方法。该混合补偿方法结合了计算全息图和辅助透镜,在有效地缩短检测光路长度的前提下,可以实现对非球面镜面的零位补偿干涉测量。在光路设计中,需要有效地实现混合补偿光路光学设计参数优化以及对CGH衍射级次的分离;同时,检测光路长度应小于非球面反射镜曲率半径大小,以实现缩短检测光路长度的目的。通过对EELT主镜镜面进行仿真检测,结果表明:该方法检测光路长度可缩短至镜面曲率半径长度的1/8以内,设计检测精度优于RMS λ/100 (λ=632.8 nm)。上述仿真结果证明了该方法可以在缩短检测光路长度的情况下实现对待测非球面反射镜的高精度面形检测。
混合型计算全息图检测低反射率非球面(特邀)
国成立, 郑德康, 朱德燕, 杨晓飞, 李元正, 张健, 赵烈烽
2022, 51(9): 20220547.   doi: 10.3788/IRLA20220547
[摘要](6) [HTML全文](0) [PDF 2237KB](0)
计算全息图被广泛应用于高精度离轴非球面面形检测,为提升低反射率材料检测过程中的条纹对比度,提出了一种混合型计算全息图,对准区域使用反射型全息图,基于衍射效率模型给出了最佳对比度对应的膜层反射率,主区域使用位相型全息图实现衍射效率的提升,从而提升检测区域的条纹对比度。通过多步半导体工艺实现混合全息图的加工,并对某微晶材料离轴非球面进行检测,实验结果表明:该混合型计算全息图可以获得清晰的条纹对比度,最终检测精度优于0.02λλ=632.8 nm),该混合型计算全息图可广泛应用于低反射率非球面检测。
猫眼波前定位虚实结合干涉非球面参数误差测量 (特邀)
胡摇, 陶鑫, 郝群
2022, 51(9): 20220497.   doi: 10.3788/IRLA20220497
[摘要](9) [HTML全文](0) [PDF 2425KB](0)
非球面广泛应用于光学系统中。表征非球面的基本参数包括顶点曲率半径、圆锥系数以及高阶非球面系数,它们贯穿了非球面的设计、制造、检测、装调过程。对非球面参数的高精度测量是加工和装调的前提。提出了一种基于虚实结合干涉仪的部分补偿非球面参数误差测量系统。在该系统中,采用部分补偿干涉法测量剩余波前,复用干涉仪利用轴向扫描透镜的猫眼波前定位法测量补偿镜与被测镜之间的间距,采用虚实结合迭代算法进行参数误差求解。该系统仅需在部分补偿干涉光路中引入会聚透镜,装调简单,测量精度高。通过一个四次非球面参数误差测量实验验证了该方法的有效性和精度。
高精度轴对称非球面反射镜轮廓测量方法(特邀)
范芯蕊, 刁晓飞, 吴剑威, 康岩辉
2022, 51(9): 20220500.   doi: 10.3788/IRLA20220500
[摘要](9) [HTML全文](0) [PDF 1829KB](0)
为实现轴对称非球面反射镜轮廓的高精度、可溯源测量,建立了非球面测量轨迹的数学模型,提出了一种基于独立计量回路的非接触式坐标扫描测量方法。该方法采用分离式计量框架结构,有效减少了跟踪扫描模块运动对测量精度的影响;测头采用集成阵列式波片的四象限干涉测量系统,保证测头精度的同时更有利于实现复杂面形轮廓的跟踪扫描运动;设计扫描执行机构与多路激光干涉系统共基准的运动模块,实时跟踪扫描运动机构的位置信息,提高测头空间定位精度并使其测量值能溯源到“米”定义。搭建测量装置测试该方法的准确测量精度,试验结果表明,测量误差小于0.2 μm,重复性精度为70 nm,测量精度达到亚微米级。
全视场外差移相双波长干涉面形检测技术
樊国翔, 李杨, 张文喜, 伍洲, 吕彤
2022, 51(9): 20220118.   doi: 10.3788/IRLA20220118
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 3936KB](0)
双波长干涉检测技术可以实现高动态范围与高测试精度的兼顾,是一种极具潜力的检测技术,用于干涉检测的压电位移机械移相技术存在着一些问题,使用全视场外差移相技术,低频差的外差光源与面阵探测器采集帧率相配合,相较于传统的压电位移机械移相技术,可以同时保证不同波长的移相精度,简化移相的复杂度,且可以方便实现多步移相。提出了全视场外差移相双波长干涉测量技术,并搭建了全视场外差移相双波长干涉测量系统,测试了在边缘最高偏离顶点球13 μm的非球面以及高度为(1.3±0.1) μm的台阶,经过实验验证其非球面面形PV测试精度为λ/3.53 (λ=633 nm),面形PV测试重复精度为λ/77.38,面形RMS测试精度为λ/14.16,面形RMS测试重复精度为λ/919.10,台阶高度测试精度为λ/16.19,测试重复精度为λ/311.85。
自由曲面干涉检测中的自适应循环补偿结构
刘仁虎, 吴金灵, 曹加全, 吴升阳, 周胜, 俞本立, 张磊
2022, 51(9): 20220157.   doi: 10.3788/IRLA20220157
[摘要](10) [HTML全文](0) [PDF 2123KB](0)
为缓解基于可变形镜(DM)的自适应自由曲面干涉仪存在的固有矛盾——不能同时兼顾大动态像差补偿与DM形变监测范围,前期提出了循环利用DM形变量去产生大畸变波前的自适应环形补偿器(ARCC),并得到了初步验证。为了推广其在自由曲面自适应检测中的应用,并结合校正光学系统的自由曲面多为低阶像差面的现实问题,对ARCC的低阶像差补偿特性做出了必要验证和研究。首先,通过Zemax建模对比了ARCC和传统单次往返补偿器(TSRC)对于像散、彗差和球差的补偿能力,得出ARCC补偿像散和彗差的能力近似为TSRC的2倍,补偿球差的能力也要显著大于TSRC,验证了ARCC的低阶像差补偿优势;其次,研究了ARCC的低阶像差类型补偿规律,得出ARCC结构中DM上的像差类型与补偿给被测面的像差类型是“一对多”或“多对一”的关系。结果证明:在实际中分别使用ARCC和TSRC对4块低阶像差自由曲面进行补偿验证,同样的DM形变量下,与传统补偿结构相比ARCC展现出更加出色的低阶像差补偿能力。
红外技术及应用
大面阵短波碲镉汞红外焦平面器件研究
龚晓丹, 李红福, 杨超伟, 袁绶章, 封远庆, 黄元晋, 胡旭, 李立华
2022, 51(9): 20220079.   doi: 10.3788/IRLA20220079
[摘要](19) [HTML全文](3) [PDF 1929KB](8)
随着红外焦平面技术的发展,大面阵红外焦平面器件在遥感、气象、资源普查和高分辨对地观测卫星上得到了广泛应用。因此,基于第三代红外焦平面技术的超大规模焦平面器件成为国内外研究热点。文中介绍了昆明物理研究所采用n-on-p技术路线成功研制的短波(Short Wave, SW) 2 k×2 k(18 μm,像元中心距)碲镉汞红外焦平面器件。短波2 k×2 k碲镉汞红外焦平面器件突破了大尺寸碲锌镉(CdZnTe)衬底制备和大面积液相外延薄膜材料生长技术,衬底尺寸由Φ75 mm增加到Φ90 mm,获得了高度均匀的大面积碲镉汞(HgCdTe)薄膜材料。通过大面阵器件工艺、大面阵倒装互连等技术攻关,最终获得了有效像元率大于99.9%、平均峰值探测率(D*)大于4×1012 (cm·Hz1/2)/W、暗电流密度在1 nA/cm2的高性能短波2 k×2 k(18 μm)碲镉汞红外焦平面器件。
中短波红外双带通低温滤光片的设计与制备
周晟, 刘定权, 王凯旋, 李耀鹏, 胡金超, 王曙光, 朱浩翔
2022, 51(9): 20210964.   doi: 10.3788/IRLA20210964
[摘要](12) [HTML全文](2) [PDF 2081KB](4)
双带通滤光片可以在元件的任意一个几何位置上同时透过两个光谱通道,从而实现双光谱通道的同时探测。文中研制了一种在100 K低温下使用的短波和中波红外双带通滤光片,选用Ge和SiO分别作为高低折射率膜层,在蓝宝石(Al2O3)基片上设计了具有Fabre-Perot(F-P)结构的短波通道滤光膜系和中波通道滤光膜系,它们在另一通带位置兼具增透能力,组合形成了包含短波通道(2.60~2.85 μm)和中波通道(4.10~4.40 μm)的双带通滤光片。Ge和SiO薄膜分别以电子束和电阻热蒸发的方式在高真空环境中完成沉积。测试结果显示,在100 K低温下,短波和中波通道的平均透射率分别达到91.2%和87.7%,顶部波纹幅度分别为2.1%和3.8%,波长3.00~3.95 μm光谱区域内的截止深度低于0.1%。该双带通滤光片在低温下的光学性能满足光学成像仪器的光谱应用要求,有利于更加精确的红外遥感和探测。
带全遮挡导流支板的二元排气系统与后体组合模型的流动传热与红外特性分析
程稳, 吉洪湖, 施小娟, 王浩
2022, 51(9): 20210965.   doi: 10.3788/IRLA20210965
[摘要](6) [HTML全文](1) [PDF 3412KB](2)
为了降低末级涡轮对排气系统尾向红外辐射贡献,通过设计导流支板实现对末级涡轮的全遮挡,运用数值模拟的方法研究了三种排气系统(基准轴对称排气系统、二元排气系统和带全遮挡导流支板的二元排气系统)与飞机后体组合模型的流动传热与红外特性,揭示了三种组合模型尾向3~5 μm波段的红外辐射特性的一般规律。结果表明,二元排气系统与飞机后体组合模型和带全遮挡导流支板的二元排气系统与飞机后体组合模型在尾向的红外辐射强度,相对基准轴对称排气系统与飞机后体组合模型,均有所降低,在0°观测方向降幅分别为22.1%和46.9%。若全遮挡导流支板采用冷却技术,只要冷却效果达到0.282和0.482,组合模型的红外辐射强度在0°观测方向相比支板未冷却状态的降幅分别为20.4%和35.45%。
风云四号A星红外高光谱大气垂直探测仪观测资料质量评估
王雨润, 官莉
2022, 51(9): 20210838.   doi: 10.3788/IRLA20210838
[摘要](6) [HTML全文](0) [PDF 1917KB](0)
评估星载红外高光谱仪器观测资料的质量可以推进其在数值天气预报中的应用。使用2020 年 7 月 FY-4A 红外高光谱干涉式大气垂直探测仪 (Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS)观测数据,分析GIIRS所有通道观测噪声随视场和纬度的变化、偏差 (观测亮温与辐射传输模式模拟亮温的差) 随时间、视场、纬度和天顶角的分布来评估 GIIRS 观测资料质量。研究结果表明:波段727.5~733.8 cm−1、1107.5~1130 cm−1和1650~1776.9 cm−1的观测噪声超出仪器灵敏度设计指标,且这些通道的偏差和偏差标准差明显大于其他通道;除了长波观测噪声大的通道外,其余通道噪声等效温差NEdT在32×4阵列上均呈“中间小,两边大”的特征,且NEdT的分布不随纬度带和FOR阵列而改变,在进行GIIRS资料同化或变分反演时,其观测误差只用考虑不同通道在32×4阵列内的NEdT分布;由于数值预报模式的地表温度在白天时值偏低,使得模拟辐射量偏低,造成偏差绝对值减小,使偏差有明显的日变化;中波通道偏差特征基本不随32×4面阵的列而改变,主要与阵列中的行有关,在中波通道进行偏差订正时可以针对32×4面阵中行开展,基本不需要纬度带和卫星天顶角的订正。
天基红外预警系统扫描相机预警探测能力研究
雷萍, 邢晖, 王娟锋, 王冰, 黄丽刚, 王金锁
2022, 51(9): 20210977.   doi: 10.3788/IRLA20210977
[摘要](11) [HTML全文](1) [PDF 1241KB](5)
随着2021年5月第5颗地球静止轨道卫星完成部署,整个天基红外系统所有卫星接近部署完成,其对地的监视能力有了大幅提升。文中在大量查阅有关文献和公开报道的基础上,对天基红外系统所有9颗在轨卫星的扫描相机进行了综合性能分析。首先,根据扫描相机的探测器体制以及飞行轨道特性,对其扫描成像体制进行分析,计算获得了所有9颗在轨卫星扫描相机的光学系统参数、探测器参数、地面分辨率、灵敏度等关键参数的估计值。其次,对天基红外系统大椭圆轨道卫星的飞行特性及其对地监视任务的综合分析研究表明,其最优在轨运行方式为两两同步,且单个轨道两颗卫星相差1/4周期;对天基红外系统地球静止轨道卫星的飞行特性及其对地监视任务的综合分析研究表明,东北半球中纬度地区至少有两颗卫星处于优良对地观测位置。最后,根据弹道导弹尾焰辐射特性以及天基红外系统扫描相机的探测参数,计算分析了所有在轨卫星对导弹尾焰最低观测高度,结果表明:东半球北纬40°地区,可同时被4颗以上卫星监视,且部分星载相机具备弹道导弹的点火时刻探测能力。
激光器与激光光学
窄线宽1064 nm掺镱光纤激光器泵浦MgO:PPLN中红外光学参量振荡器研究
李炳阳, 于永吉, 王子健, 王宇恒, 姚晓岱, 赵锐, 金光勇
2022, 51(9): 20210898.   doi: 10.3788/IRLA20210898
[摘要](8) [HTML全文](0) [PDF 1804KB](2)
提出了一种基于1064 nm掺镱光纤激光器泵浦MgO:PPLN的3.83 μm中红外光学参量振荡器。基于单谐振光学参量振荡器的阈值理论和线宽压窄前后的光束能量集中性理论,分析了不同泵浦光束聚焦深度下,谐振腔内光束分布情况以及线宽调制前后能量的不同集中程度对阈值和光-光转换效率所产生的影响。通过采用单个光纤布拉格光栅的方式压窄了泵浦光线宽,对比分析了在不同占空比下,泵浦光线宽压窄前后对中红外光学参量振荡器输出特性的影响。当泵浦功率为18 W,脉冲激光占空比为0.2%,脉宽为100 ns,泵浦光线宽为2.5 nm时,MgO:PPLN中红外光学参量振荡器获得功率为1.42 W的3.83 μm激光输出,光-光转换效率为7.9%。将线宽压窄到0.1 nm后,脉宽为2 ns,MgO:PPLN中红外光学参量振荡器获得最高功率为1.98 W的3.83 μm激光输出,光-光转换效率为11%,光束质量M2=1.89;同时相比于线宽压窄前激光输出效率提高了39.2%。
基于光参量振荡的35 kHz中红外激光器研究
蒋星晨, 程德华, 李业秋, 崔建丰, 岱钦
2022, 51(9): 20210817.   doi: 10.3788/IRLA20210817
[摘要](3) [HTML全文](0) [PDF 1451KB](4)
研究了基于高重频1064 nm激光泵浦的3.8 μm周期性极化铌酸锂(periodically poled LiNbO3, PPLN)光参量振荡器(optical parametric oscillator, OPO)。采用Nd :YVO4声光调Q激光器,获得了光束质量良好,重复频率25~35 kHz,最大平均输出功率6.1 W,脉冲宽度59.1 ns的1064 nm基频激光。模拟分析了在1064 nm激光泵浦下,极化周期Λ=29.5 μm MgO:PPLN晶体的温度调谐特性。通过实验,在25~200 ℃的温度范围内,获得了3599.6~3845.5 nm连续变化的中红外激光。当PPLN晶体温度为30 ℃,基频光功率为6.1 W时,得到了最大输出功率0.45 W ,重复频率为35 kHz的3845.5 nm中红外光输出。
星载多普勒测风激光雷达小型化光学接收机
储嘉齐, 韩於利, 孙东松, 赵一鸣, 刘恒嘉
2022, 51(9): 20210831.   doi: 10.3788/IRLA20210831
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 3367KB](1)
星载测风激光雷达可以提供全球范围高实时性、高精度、高分辨率的大气风场信息,已经被认为是解决全球化风场观测的最佳手段。我国也在积极开展星载多普勒测风激光雷达相关研究工作。针对400 km高度的卫星轨道,设计并研制了一套多普勒直接测风激光雷达光学接收机,结合双边缘检测原理和星载平台相关技术参数,对Fabry-Perot标准具的主要参数进行设计。为了满足星载平台对稳定性和小型化的需求,接收机中主要光学元件之间采用分子粘接方式紧密连接。整个光学接收机集成在450 mm×300 mm×80 mm密闭箱体中,内部光学元件采用倒插方式沉入接收机壳体的凹槽内,整体结构稳定可靠,集成度高。通过改变激光波长的方式扫描Fabry-Perot标准具的透过率曲线,对所研制的接收机进行了性能测试。并由透过率曲线的实测参数对接收机的测风性能进行仿真,仿真结果显示在30 km处的最大风速误差为2.94 m/s。并进一步分析了接收机带宽增宽对测风精度的影响,分析结果显示带宽偏差为0.43 pm时,会引起1 m/s的风速误差增量。
基于阵列激光波形特征识别的激光引信抗干扰方法
孟祥盛, 李京, 李乐堃, 李铁
2022, 51(9): 20210837.   doi: 10.3788/IRLA20210837
[摘要](6) [HTML全文](0) [PDF 6873KB](2)
针对激光引信易受云雾等气溶胶环境的干扰问题,提出了一种基于阵列激光波形特征识别的抗干扰方法。根据脉冲激光在气溶胶环境的散射特性,理论分析了发射脉冲宽度以及视场角对系统在干扰环境中目标识别的影响,仿真了目标处于干扰环境中的波形时域特征,并通过实验样机对仿真结果进行实测验证。基于回波波形特征,设计了一种窄视场阵列激光回波特征数字化识别的探测系统方案,并通过虚拟样机仿真技术获取了2°分辨率的目标和云雾的回波阵列数据。数据分析结果表明,由于目标形体和云雾弥散体的物理差异,目标回波阵列的能量方差极值及均值都大于云雾,通过设定帧内回波阵列的能量方差的阈值和帧间方差累计的方法能有效提升激光引信抗干扰性能。文中的仿真和实测结果都为基于阵列激光波形识别的抗干扰方法的有效性提供了理论和实验依据。
激光诱导击穿光谱在铅堆杂质测量的应用研究
孙兆轩, 胡宸, 曾献, 高鑫鑫, 张勇, 王玺, 王庆胜
2022, 51(9): 20210855.   doi: 10.3788/IRLA20210855
[摘要](6) [HTML全文](0) [PDF 2164KB](0)
铅基堆被第四代核能系统国际论坛组织评定为有望首个实现商业应用的第四代堆,铅基堆冷却剂中杂质的存在会严重影响铅反应堆的安全运行。基于此,文中开展了脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)在铅铋合金中杂质测量中的应用研究。研究了激光聚焦位置、激光能量和延迟时间对Ni元素光谱信号的影响,获取了LIBS测量铅铋合金中杂质的最佳实验参数。同时使用不同Ni含量的实验样品完成了LIBS对铅铋合金中Ni元素的定量研究,获得了定量标准曲线,相关指数R2达到0.967,质量含量的探测限为0.0287%。结果表明:使用激光诱导击穿光谱技术进行铅铋合金中的杂质测量是可行的。可以推测,LIBS技术在先进核能领域有比较高的应用研究价值。
激光模拟单粒子效应中单光子与双光子吸收诱导电荷量对比
张晨光, 安恒, 王鷁, 曹洲
2022, 51(9): 20210954.   doi: 10.3788/IRLA20210954
[摘要](6) [HTML全文](0) [PDF 1347KB](0)
通过理论推导和模拟试验,研究了单光子和双光子吸收分别占主导时,脉冲激光模拟试验中电荷收集效率之间的定量关系。分析不同光学参数对模拟试验中电离电荷浓度影响,确定具体激光波长、脉宽、能量及束斑等参数。根据脉冲激光在硅中单光子线性吸收和双光子非线性吸收的特点,推导单光子与双光子吸收产生电荷量比值的定量公式。通过1064 nm和1200 nm波长激光的验证试验,发现了响应脉冲及产生电荷量与脉冲激光能量或能量平方具有良好的线性关系,且在单光子吸收和双光子吸收各自占主导时,单光子吸收产生电荷率明显高于双光子吸收,证明了两种波长激光产生电荷量的比值近似等于公式计算结果。结果表明,1200 nm脉冲激光 1 nJ2 诱导电荷量等同于1064 nm脉冲激光 0.039 nJ诱导电荷量。
激光窗口杂散光固气耦合热效应对光束质量的影响
张玥婷, 谭毅, 王继红, 彭起, 杨智焜
2022, 51(9): 20210966.   doi: 10.3788/IRLA20210966
[摘要](5) [HTML全文](0) [PDF 2898KB](0)
为实现激光传输内通道密封,会在末端加装带倾斜角的窗口,但窗口的回射杂散光辐照管壁会引起结构温升,加热通道内气体引起热效应。针对密封窗口的回射杂散光辐照加热直管道问题,建立了直管道部分结构场-气体密度场-光场的耦合仿真模型,分析了不同管道材料、管壁厚度、管道结构形式对光束波前畸变的影响。分析结果表明:等质量的铝、铜、钢三种材料中,铝管道引起的光束波前畸变最小,仅为钢、铜的约50%;通过管道外侧增加散热翅片以及高导热碳膜的方式来降低壁温、改善波前畸变的效果并不理想,波前RMS值下降不超过3%;增加受辐照段管道壁厚、提升管道热沉是降低光束波前畸变最有效的方案,铝管壁厚由8 mm增加至16 mm可使管道出口处的波像差RMS值从36.1 nm下降到21.4 nm,各阶像差均得到改善。研究结果能够为内通道部分管道设计和热效应评估提供一定的参考。
多特征参数约束的星载激光高程控制点提取
梅永康, 谢俊峰, 陈伟, 刘仁
2022, 51(9): 20210997.   doi: 10.3788/IRLA20210997
[摘要](6) [HTML全文](0) [PDF 2929KB](0)
星载激光点位高程精度是其辅助光学立体影像复合测绘的基础。针对光学影像立体测绘对激光高程控制点精度的需求,提出了一种基于多特征参数约束的星载激光高程控制点提取方法。该方法利用全波形数据包含的目标地物垂直结构信息,分析高精度激光高程控制点特征,基于数据的有效性、波形的峰值个数、回波特征参数实现逐级约束筛选。选取信噪比、峰度和偏度作为评价指标,通过全波形数据回波特征参数的计算、统计与分析,确定其信噪比、峰度和偏度阈值,最终高效提取出可用于星载激光高程控制点的有效波形数据。以我国高分七号数据为试验对象,选取草地、戈壁、道路、水体、沙地、耕地六种典型地物样本,确定适用于提取高分七号高程控制点的信噪比、峰度与偏度的阈值。以江苏地区机载LiDAR点云数据为参考,验证分析高程控制点提取和阈值设定的准确性,试验结果表明:基于多特征参数约束算法,利用设定的适用于GF-7卫星的参数阈值,可以高效、准确地从原始波形数据中提取出有效波形用于高精度高程控制点生产。以与参考数据高程差0.32 m为高程精度要求,提取准确性平均为90.34%,所提取的激光高程平均测量精度优于0.5 m。
基于样条插值的液晶空间光调制器衍射效率优化方法研究
康丁, 王春阳, 王子硕, 王增, 郑青泉
2022, 51(9): 20210827.   doi: 10.3788/IRLA20210827
[摘要](4) [HTML全文](0) [PDF 1956KB](0)
针对液晶空间光调制器阵元间相位调制量偏差降低光束衍射效率的问题,提出基于样条插值的液晶空间光调制器衍射效率优化方法。依据泰曼-格林干涉原理,搭建了相位调制系统。对调制器加载阶梯变化的灰度图,通过计算干涉条纹移动量,绘制液晶空间光调制器相位调制曲线。采用三次样条反插值法对相位调制曲线进行校正,实现对相位调制量的相位补偿。搭建液晶空间光调制器衍射效率测试系统,对所提优化方法进行实验验证,并与随机梯度下降法进行了对比。结果表明:当光束偏转角度为1.56°、0.78°、0.39°、0.19°时,文中所提方法提高了30%~40%的光束衍射效率,相较于随机并行梯度下降法,衍射效率提高了2%~8%。该方法有效抑制了栅瓣能量,提升了主瓣光束衍射效率,克服了随机并行梯度下降法迭代次数多,优化速度慢,易陷入局部最优的缺点。
甲醛气体探测的DIAL波长选择及探测性能
辛文辉, 毕元硕, 李仕春, 李耀飞, 华灯鑫
2022, 51(9): 20210925.   doi: 10.3788/IRLA20210925
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 2523KB](0)
为了对重化工污染区甲醛气体进行探测,开展了差分吸收激光雷达甲醛气体浓度探测研究。基于差分吸收激光雷达原理,针对甲醛气体在中红外波段有较强的吸收波段,并考虑开放光程下大气干扰气体的影响,选择了系统的探测波长${\lambda _{\rm on}}$${\lambda _{\rm off}}$;依据差分吸收激光雷达浓度反演方法,结合系统参数,对设计的DIAL系统的探测距离、气体浓度及干扰气体的可能影响进行了仿真研究。结果表明,该系统有望对浓度为0.017~1.5 ppm (1 ppm=10−6),距离为0.4~1.1 km范围内的甲醛气体进行探测,相对误差小于5%,可满足对重化工污染区甲醛气体浓度探测需求。文中的研究可为应用于化工重污染区域甲醛气体无组织排放监测的中红外差分吸收激光雷达系统的研制提供理论依据和技术基础。
光电测量
基于面结构光的工件内壁点云旋转拼接研究
刘今越, 翟志国, 贾晓辉, 薛路明, 李铁军
2022, 51(9): 20210952.   doi: 10.3788/IRLA20210952
[摘要](8) [HTML全文](1) [PDF 1564KB](2)
针对某些工件内部空间有限、测量困难的问题,提出了一种基于面结构光的点云旋转拼接方法。介绍了面结构光单一视野的重建方法,采用四步相移与互补格雷码结合的方法获取绝对相位值,通过多项式拟合法对相机、投影仪进行标定。基于机械臂末端腕关节旋转平面(简称:旋转平面)对点云的配准进行了研究,提出了基于辅助相机的标定方法,给出了相机成像坐标系和旋转平面坐标系之间的变换关系。实验结果表明:该方法适用于工件内壁测量,拼接平均误差不大于0.05 mm,满足实际应用需求。
基于单光子探测的目标光学散射特性研究
李致廷, 刘长明, 王与烨, 常继英, 陈锴, 李吉宁, 钟凯, 徐德刚, 姚建铨
2022, 51(9): 20210825.   doi: 10.3788/IRLA20210825
[摘要](3) [HTML全文](3) [PDF 1764KB](3)
研究了目标物体的单光子散射回波特性,基于红外单光子探测器和皮秒激光器搭建了目标光学散射特性测量系统,以回波光子数作为单光子条件下目标光学散射特性的表征。实验研究了不同形状(球体、立方体、圆柱体、圆锥体)目标物体的单光子散射特性,并利用双向反射分布函数模型对实验结果进行拟合,理论拟合结果与实验测量结果能够很好地吻合。进一步对不同材质(瓷砖、木材、外墙砖)目标物体的单光子散射特性进行了研究,并将实验结果与传统波动散射特性进行了对比分析。该研究为单光子激光雷达远距离目标识别与探测的相关工作提供了参考。
采用张量分解的四摄像机测量系统标定方法
李云辉, 安东阳, 苗中华
2022, 51(9): 20220103.   doi: 10.3788/IRLA20220103
[摘要](2) [HTML全文](1) [PDF 2969KB](2)
摄像机标定是精密三维视觉测量的关键,为了实现对多摄像机测量系统的精确标定,首先分析了现有基于一维靶标的多摄像机标定方法的优缺点,并针对其不足,提出了一种基于张量分解的多相机标定方法,该方法主要包括以下三个方面的内容:(1) 利用透视投影成像模型和刚体变换理论建立多摄像机测量的数学模型;(2) 分析现有基于基本矩阵的多摄像机标定方法存在标定结果之间相互耦合的问题;(3) 将四摄像机测量系统的四焦张量引入标定过程中,利用一维标定靶标的成像点坐标求解的四摄像机测量系统的四焦张量,并根据四焦张量的简化求解方法来精炼获取摄像机矩阵。最后,通过实验验证了该方法的有效性和准确性,实验结果表明:(1) 四摄像机三维测量系统的标定可仅通过三组标定靶标图像即可实现,且标定操作效率相对于基本矩阵法更高;(2) 在4000 mm×4000 mm×2000 mm范围内,多摄像机测量系统的精度达到4 mm (3σ),相比于传统方法具有更精确的标定结果。满足室内运动目标位姿精确测量的要求。
漫反射成像法的激光参数测量系统设计
程乙轮, 谭逢富, 何枫, 侯再红, 秦来安, 王浩, 黄志刚, 吴德成
2022, 51(9): 20210921.   doi: 10.3788/IRLA20210921
[摘要](2) [HTML全文](1) [PDF 1415KB](2)
精确地测量激光在大气传输后的光斑参数,是研究激光大气传播效应和分析激光发射系统性能的关键技术手段。测量激光远场参数的方法主要包括阵列探测法和相机成像法,目前在激光大气传输效应的测量评估中大都采用阵列探测法。由于探测器阵列靶受物理空间和研发成本等因素的限制不能均匀且高分辨率紧密排布,将造成采样光斑的失真,难以精确地测量远场光斑参数。针对此问题,利用相机分辨率高的特点,设计了一套基于漫反射屏成像法的激光参数测量系统。该系统最小测量分辨力小于0.39 mm,质心位置平均偏差为0.05 mm,测量光斑到靶功率不确定度优于10%。该系统能有效地测量激光发射系统的跟瞄精度和到靶功率,为分析激光大气传输效应和分析激光发射系统性能提供有效手段。
面向直线顶管机的双屏视觉标靶标定方法与精度评价
黄喆, 燕庆德, 李倩, 程二静, 沈小玲, 徐叶倩
2022, 51(9): 20210933.   doi: 10.3788/IRLA20210933
[摘要](8) [HTML全文](1) [PDF 1619KB](2)
针对双屏视觉标靶前、后感光成像屏位姿关系难以标定的问题,提出一种基于坐标点云的感光成像屏位姿标定方法。该方法分别将前、后感光成像屏划分为nn列的网格阵列,通过全站仪测量感光成像屏上每个网格角点的空间三维坐标,并利用工业相机实时获取感光成像屏上每个网格角点的图像二维坐标,结合图像二维坐标和空间三维坐标获得2D-3D映射关系,从而得到坐标点云数据。根据三公共点坐标系转换算法将坐标点云数据中的三维坐标统一到标靶坐标系下,进而确定相机与前、后感光成像屏的位姿关系,再通过网格索引方法对前、后感光成像屏的位姿关系进行求解。为评价标靶位姿测量精度,设计了静态测量重复性精度评定实验和绝对测量精度评定实验。实验结果表明:该标定方法的坐标静态测量重复性精度为0.13 mm、绝对测量精度为0.93 mm;方位角静态测量重复性精度优于0.01°、绝对测量精度优于0.05°。因此,该标定方法可以实现两个空间平面位姿关系的精确标定,且具有操作简便、精度高等特点,可用于双屏视觉标靶的标定。
时间拉伸光子多普勒测速技术研究
吕林杰, 武腾飞, 韩继博, 赵力杰, 马鹏谋, 陈相淼
2022, 51(9): 20210809.   doi: 10.3788/IRLA20210809
[摘要](2) [HTML全文](1) [PDF 1650KB](2)
在瞬态高速测速场景中,目标物体在几十ns时间内能加速到几~几十km/s,因此光子多普勒测速系统中电学数模转换器件带宽要求达到GHz甚至上百GHz。时间拉伸光子多普勒测速系统利用飞秒激光时间拉伸特性,在光域中完成信号降频处理,降低了光电信号探测器件和电学数模转换器件带宽压力。提出了改进的时间拉伸光子多普勒测速系统,飞秒脉冲经过第一级色散器件充分展宽铺满整个时域,避免了速度信号的采样间断;信号解调上采用误差补偿算法对频移信号进行补偿,减小了因为位移引入的系统误差,从而增加了有效记录时间。实验使用纳秒激光驱动铝膜产生高速飞片,测试了文中测速系统在记录时间1.2 µs内的实验效果。实验使用重频50 MHz飞秒光源,第一级和第二级色散器件分别使用200 km和100 km单模光纤,构成比例因子2/3。最终实验表明系统将3.6 GHz的多普勒频移信号降低为2.4 GHz,通过与光子多普勒测速系统进行结果比对,实验动态误差小于5%。该系统将能够应用于多种动高压技术加载飞片场景下的速度进行测量,为瞬态高速测量领域提供了新的测量手段。
星敏感器支架的指向性标定及校正
李元鹏, 郭疆
2022, 51(9): 20210875.   doi: 10.3788/IRLA20210875
[摘要](10) [HTML全文](1) [PDF 1827KB](2)
为保证星敏感器支架安装后具有高精度的指向性,提出了一种星敏感器支架定量修研的技术方法,首先通过构造虚拟水平轴建立星敏感器支架坐标系,然后利用经纬仪交互测量和逐级求解方法获得星敏感器支架和相机任意两坐标轴的夹角关系。根据该结果进行了星敏感器支架实际坐标系与相机坐标系姿态变换矩阵的求解,利用星敏感器支架与相机坐标系的技术指标要求,进行了星敏感器支架理论坐标系与航天相机坐标系的姿态变换矩阵求解。然后以相机坐标系进行中间传递,获得了星敏感器支架实际坐标系到理论坐标系的姿态变换矩阵。根据该结果精确求解了星敏感器支架的修调量。通过试验研究表明利用该方法装调完成的星敏感器支架,经过两次修研迭代,其指向精度由最初的760″提升至10″以内。证明了该方法的有效性,同时星敏感器支架的指向性标定及校正也可指导其他有空间自由角度关系的两部件的精密装调。
好奇号火星车ChemCam-LIBS 光谱数据的定量分析研究
张鹏飞, 周婷, 夏道华, 张立
2022, 51(9): 20210962.   doi: 10.3788/IRLA20210962
[摘要](6) [HTML全文](1) [PDF 3018KB](4)
传统的偏最小二乘法和支持向量机回归等方法在预测光谱对应的火星车地面标样成分元素含量时往往难以获得较高的精度,并难于进一步优化。针对上述问题,在研究中对高维度光谱信息进行三通道折叠以消除其基体效应,并引入在计算机视觉领域表现不俗的ResNet残差网络结构来提取光谱特征并预测对应主成分含量值。文中将ResNet网络结构中的全连接层去除以避免模型参数快速增长,并将网络最后的Softmax分类子层改为线性整流层以便于进行预测,同时添加了指数学习率衰减和Dropout机制以使模型预测结果具备更高的精度与泛化能力。模型各主要元素含量的预测均方根误差相对于线性支持向量机LinearSVR和深度可分离卷积网络Xception分别平均下降了30%和17%。实验结果表明:采用LIBS技术对ChemCam光谱数据进行主成分元素定量分析时,基于ResNet网络建立的回归模型表现出良好的预测特性。
4 K低温辐射计的吸收腔吸收率测试技术研究
俞兵, 范纪红, 袁林光, 李燕, 郭磊, 王啸, 储隽伟, 秦艳, 孙宇楠, 张灯, 尤越, 金伟其
2022, 51(9): 20210984.   doi: 10.3788/IRLA20210984
[摘要](10) [HTML全文](1) [PDF 1292KB](3)
为了实现低温辐射计工作温度4 K条件下吸收腔吸收率的测量,研究了变温条件下吸收腔吸收率的测量方法。通过在低温辐射计布儒斯特窗口前设计反射监测组件,并控制低温辐射计工作在10−6 Pa的真空环境下,调节低温辐射计制冷温度,分别测量室温条件和不同温度条件下低温辐射计吸收腔在632.8 nm处的反射信号,结合利用传统积分球法在室温条件下低温辐射计吸收腔632.8 nm处反射率的测量结果,通过计算可精确得到不同温度条件下低温辐射计吸收腔的吸收率。实验测量吸收腔在室温条件和4 K温度条件下的吸收率,分别为0.99976和0.99971,对4 K条件下低温辐射计吸收腔吸收率的测量不确定度进行评定,得到的结果显示其相对扩展不确定度为0.005%(k=2)。
微流控芯片通道的全息显微检测方法
徐佳男, 孔明, 刘维, 王道档, 谢中思
2022, 51(9): 20210915.   doi: 10.3788/IRLA20210915
[摘要](2) [HTML全文](1) [PDF 2218KB](2)
针对微流控芯片通道和缺陷的检测要求,设计构建了一套基于预放大离轴光路的反射式像面数字全息显微实验系统。探讨了数字全息显微测量中横向尺寸在视场占比较大的低空间频率物体的相位畸变矫正方法,提出两步相位相减法更适用于该类型物体的相位畸变矫正。通过宽度为55 μm、高度为65 nm的台阶标准样板实验对两步相位相减法、一般多项式曲面拟合法和Zernike高阶多项式曲面拟合法在相位畸变矫正效果上进行对比分析,分析结果表明两步相位相减法矫正畸变后的台阶平均高度相对误差为1.1%,较其他方法的误差更小,畸变矫正效果更好。另外,实验以通道宽度为80 μm的微流控芯片为被测样件,实现了芯片通道以及通道表面断裂型和缺损型缺陷的三维形貌检测,并得到定量结果:断裂型缺陷的宽度为14.1 μm,深度为431.7 nm;缺损型缺陷的宽度为33.6 μm,深度为295.1 nm。实验结果表明:像面数字全息显微实验系统为微流控芯片通道及表面缺陷的快速无损测量提供了新的途径,对于微流控实验系统质量评价具有重要意义。
对光学侦察卫星的地面探测模型与试验研究
邢晖, 张岩岫, 雷萍, 马娜, 王娟锋, 康大勇
2022, 51(9): 20210978.   doi: 10.3788/IRLA20210978
[摘要](9) [HTML全文](1) [PDF 1470KB](3)
在空间光电对抗领域,地面光电跟踪设备对卫星的实时在轨跟踪是实施干扰对抗的前提,光学侦查卫星多运行在太阳同步轨道上。首先,根据光学侦查卫星对地观测多为垂直下视或者侧摆下视,以及地面光电干扰设备必须位于光学侦查卫星视场内的特点,经独立数学推导,获得了卫星与地面设备相互位置关系的数学模型,包括地面光电设备对光学侦查卫星的观测距离和观测角度的数学表达式;其次,根据卫星星体及其太阳能电池板的辐射散射特性,以及地球大气环境和地物背景的可见光散射传输特性,推导获得了星体及观测路径的散射辐射传输数学模型,以及地面光电设备探测器靶面目标与背景光辐射照度的数学表达式;最后,根据侦查卫星散射辐射的大气闪烁特性,应用概率统计理论与工程经验分析,指出影响探测概率的决定因素为大气闪烁引起的目标背景对比度变化,据此提出了一种新的地面光电设备对光学侦查卫星的探测概率模型。经实测试验数据验证,文中模型的计算结果与实际测量数据的吻合度较高。
材料与薄膜
离轴三反光学系统中反射膜的研制
张鹏泉, 陈佳琪, 史屹君
2022, 51(9): 20210900.   doi: 10.3788/IRLA20210900
[摘要](6) [HTML全文](0) [PDF 1234KB](0)
离轴三反光学系统由于具有工作波段宽,像质优良且杂散光易于控制等优势,因而被广泛用作光谱成像系统的设计方案。文中采用Code V软件,对光学系统进行了设计,基于光的偏振理论,推导出薄膜样品和系统的偏振保真度与相位差之间的换算关系,选择铝材料作为基底材料,银(Ag)、三氧化二铝(Al2O3)和二氧化钛(TiO2)为镀膜材料。根据光学薄膜基础理论,设计出光线38.5°入射,在1 545~1 555 nm处RS>99.96%,RP>99.8%,P光和S光相位延迟小于1°的反射膜。结合膜系设计软件进行膜系设计和模拟分析,在德国莱宝光学公司设计生产的高性能光学镀膜机上完成了离轴三反光学系统中铝合金表面反射膜的制备。采用Lamda1050光谱仪对镀膜样品的S光、P光反射光谱和相位进行测试,测试结果满足设计要求。该研究具有重要的实际意义和工程价值。
图像处理
Depth-rectified statistical scattering modeling for deep-sea video descattering
Fan Yihui, Jin Xin, Deng Rujia, Xie Jiayu, Sun Kelin, Yang Jingchuan, Zhang Bing
2022, 51(9): 20210919.   doi: 10.3788/IRLA20210919
[摘要](4) [HTML全文](1) [PDF 2011KB](3)
Deep-sea exploration is widely used in fields of environment and structural monitoring as well as exploration for oil and gas, which has attracted more attention in many countries of the world. In deep-sea exploration, the scattering phenomenon seriously reduces the visual image quality. Existing methods are limited in deep-sea scattering environments with multi-depth or non-uniform illumination. Thus, a deep-sea descattering method based on a depth-rectified statistical scattering model is proposed. The model proposed uses the transmission map to model the depth-constant scattered image, and uses the Gaussian statistical model to estimate the local scattering to obtain the depth-rectified scattering map in each color channel, so as to achieve the accurate modeling of scattering at multi-depth and non-uniform illumination scenarios. In order to demonstrate the effectiveness and robustness of proposed algorithm, we conducted tests on images of different scenes in shallow sea and deep sea, as well as on video sequences in deep-sea. Experimental results show that the proposed method outperforms existing methods in subjective quality and objective evaluation.
语义增强引导特征重建的遮挡行人检测
孙旭旦, 吴清, 赵春艳, 张满囤
2022, 51(9): 20210924.   doi: 10.3788/IRLA20210924
[摘要](2) [HTML全文](1) [PDF 1330KB](3)
行人被严重遮挡导致无法提取有效特征是行人检测中出现漏检的一个主要原因。为了解决该问题,提出一种语义增强引导特征重建的遮挡行人检测算法。首先,利用空间和通道之间的依赖性设计了语义特征增强模块,建立全局上下文信息用以增强遮挡行人特征。其次,为关注行人的可见区域,通过自适应特征重建模块生成语义分割图,自适应调整通道的有效权重,增强行人和背景的可判别性。最后,通过多层次级联语义特征增强和自适应特征重建两个模块得到多层次特征图,融合多特征用以最终的行人解析。实验结果表明,该方法在具有挑战性的行人检测基准CityPersons和Caltech上,对严重遮挡目标的漏检率分别实现了47.28%和44.04%,在遮挡行人的检测上相较于其他方法具有较好的鲁棒性。
环境扰动下空中动目标探测技术综述
任维贺, 张月, 苏云, 张学敏, 邓红艳, 柳祎
2022, 51(9): 20210843.   doi: 10.3788/IRLA20210843
[摘要](7) [HTML全文](2) [PDF 2706KB](3)
空中动目标如空中隐身动目标以及高速飞行器对世界各国的国家安全产生了严重威胁,对空中隐身动目标与高速飞行器的探测问题也是世界各国目标探测技术发展的热点方向。文中阐述了一种对空中动目标具有较好探测能力的新型目标探测技术——空中动目标环境扰动探测技术,介绍了现阶段主要研究的四种空中动目标环境扰动现象及其探测方法,即大气扰动场、等离子鞘套、大气偏振模式以及尾流,研究了上述四种环境扰动探测技术的探测原理以及发展现状,分析现阶段四种环境扰动空中动目标探测技术存在的问题,最后对四种技术未来的发展方向进行展望并进行总结。
船载太阳光度计图像跟踪系统
朱海, 李建玉, 黄宏华, 徐刚, 孙风萤, 魏合理
2022, 51(9): 20210824.   doi: 10.3788/IRLA20210824
[摘要](2) [HTML全文](1) [PDF 2987KB](3)
传统太阳光度计在海上移动平台上不能精准跟踪太阳。为了解决船舶在移动过程当中实现对太阳高精度跟踪的问题,利用鱼眼镜头、陀螺稳定平台、小视场CCD图像传感器等构建了船载型太阳光度计的图像跟踪系统。文中详细地描述了图像跟踪系统的整体结构和单臂探头的光路设计,介绍了时钟法与鱼眼成像系统相结合的方式在全天空大视场范围下进行太阳的粗跟踪,然后通过小视场的CCD图像处理技术来提高跟踪精度。此外,给出了系统的软件跟踪算法和流程,分析了系统跟踪的可靠性。该系统实现了在海上移动平台下的全自动跟踪测量,综合跟踪精度优于1′。与日本POM-01MKⅢ船用太阳光度计进行透过率与水汽的数据对比表明:在940 nm波段的大气透过率最大相对误差不超过7.6%,水汽含量最大相对误差不超过6.1%。该系统可以应用于船载太阳光度计测量海上整层大气透过率以及水汽数据,也可应用于其他对移动非稳定平台下太阳的跟踪。
基于坐标注意力机制融合的反无人机系统图像识别方法
薛珊, 陈宇超, 吕琼莹, 曹国华
2022, 51(9): 20211101.   doi: 10.3788/IRLA20211101
[摘要](5) [HTML全文](2) [PDF 2409KB](5)
反无人机系统是识别和打击“黑飞”无人机的有效手段,图像识别无人机是反无人机系统的关键之一。针对采集的无人机样本属于小样本、提取特征不够多,识别准确率不够高的问题,提出了一种基于迁移学习、密集卷积网络和坐标注意力机制融合的反无人机系统图像识别方法。首先,运用自制设备采集了多种无人机在不同背景下的图片,建立数据样本;其次,设计针对无人机小样本识别的基于迁移学习、坐标注意力机制和密集卷积网络融合的网络TL-CA4-DenseNet-121、基于通道注意力机制融合的网络TL-SE4-DenseNet-121等网络,运用设计的网络对小样本进行识别,并进行对比,然后分别进行了基于不同位置和不同个数的坐标注意力模块和通道注意力模块的网络识别实验;最后,将识别效果最优的网络与经典卷积神经网络模型进行对比实验。实验结果表明,提出的TL-CA4-DenseNet-121网络识别效果优于其他网络,识别的平均准确率为97.93%,F1-Score为0.9826,网络训练时间为6832 s。结果表明了该网络在识别小样本无人机方面的优越性和可行性。
改进的U-Net算法在遥感图像典型农作物分类研究
李安琦, 马丽, 于合龙, 张涵博
2022, 51(9): 20210868.   doi: 10.3788/IRLA20210868
[摘要](9) [HTML全文](1) [PDF 1325KB](2)
针对传统算法提取遥感图像分类特征不全,及识别农作物分类准确率不高的问题,以无人机遥感图像为数据源,提出改进U-Net模型对研究区域薏仁米、玉米等农作物进行分类识别。实验中首先对遥感影像进行预处理,并进行数据集标注与增强;其次通过加深U-Net网络结构、引入SFAM模块和ASPP模块,多级多尺度特征聚合金字塔方法等对算进行法改进,构建改进的U-Net算法,最后进行模型训练与改进修正。实验结果表明:总体分类精度OA达到88.83%,均交并比MIoU达到0.52,较传统U-Net模型、FCN模型和SegNet模,在分类指标和精度上都有明显的提升。
基于非线性抗噪声估计的视觉显著性弱小目标检测
陈世琼
2022, 51(9): 20210939.   doi: 10.3788/IRLA20210939
[摘要](8) [HTML全文](1) [PDF 1400KB](3)
针对红外图像处理技术中弱小目标检测的重要性及关键性,提出一种基于非线性抗噪声估计的检测算法来解决高可靠性、高鲁棒性的弱小目标检测问题。提出的方法基于传统视觉显著度算法及空间距离处理方法,对目标及背景区域采用非线性加权方法进行估计,在不显著降低目标信号信噪比的基础上,削弱孤立微小噪声点对检测算法性能的影响,可提高抗噪性能。首先,采用模块化及非线性映射方式预测背景;然后,融入距离相关因子滤除噪声干扰;最后,在处理结束的图像上进行二值化阈值分割,自动检测并向下一级处理软件输出目标位置信息。实验结果表明:提出的算法与近年来先进的弱小目标检测算法相比,在受试者测试曲线上,在相同的虚警率下,可获得更高的检测率,对背景噪声的抑制很明显;在局部信噪比及背景抑制因子的测试比对数据上,提出的算法可获得更高的检测指标。缺点是算法采用了非线性处理技术,运算效率较低,需进一步优化算法以提高计算速度,实现算法的实时目标检测。
基于深度神经网络的光纤传感识别算法
李东亮, 卢贝
2022, 51(9): 20210971.   doi: 10.3788/IRLA20210971
[摘要](9) [HTML全文](1) [PDF 1414KB](3)
为解决光纤传感过程中不同类型事件信号混叠造成识别概率降低的问题,搭建了一种采用差分相关计算的双光纤传感结构,并在此基础上提出了基于深度神经网络的信号识别算法。首先利用双光纤回波信号计算相关系数,再通过不同事件类型信号特征设置阈值范围,从而通过相关计算与阈值滤波提高信噪比。设计了包含三个隐藏层的深度神经网络模型,以分离输入层与相关运算层的形式完成低频噪声抑制与信号混叠解调的目的。实验分别对三种常见入侵事件进行测试,并在此基础上分析了不同算法对组合事件的识别概率。结果显示三种事件的回波谱形具有显著特征。三种算法对单一触发事件的识别概率均在95%以上,该算法的识别均值为98.5%。当两个事件同时触发时,三种算法的平均识别概率分别为73.4%、 84.5%和96.4%。当三个事件同时触发时,三种算法的平均识别概率分别为65.2%、78.3%和93.5%。可见,该算法在光纤传感中信号存在干扰及混叠时具有更好的识别效果。
基于立体视觉与特征匹配的点云目标识别算法
王晓艳, 徐高魁
2022, 51(9): 20210596.   doi: 10.3788/IRLA20210596
[摘要](9) [HTML全文](1) [PDF 1190KB](3)
准确提取三维点云数据中待测目标的点云集合是三维点云目标识别技术的一个关键问题,也是近年来目标识别领域从二维向三维拓展的一个重要挑战,其主要难点在于快速寻找离散点云之间的相关函数关系。结合立体视觉与特征匹配构建了可以表征不同视场条件下的目标点云约束的机制,通过采用立体视觉作为约束条件完成了对原有特征匹配算法的优化。设计了基于立体视觉的估计算法,通过训练学习获得了不同选取比例条件下的识别规则。实验采用ARIES激光雷达采集点云,并通过MATLAB选取三种典型目标状态。当目标区分度高时,优化前后的目标识别率都在98%以上;当目标区分度低时,优化后对目标边界的限定条件可以很好地提高识别概率。采用优化的点云数据位置偏差量可达到0.55 mm,相比未优化的0.74 mm提高了0.19 mm。同时,优化后算法的收敛时间曲线要优于未优化的,3000点以上的收敛时间均值约为8.33 s,优于未优化的12.76 s。综上所述,优化后的算法具有更好的识别效率。