留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2016年  第45卷  第10期

特约专栏
基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器
史伟, 付士杰, 房强, 盛泉, 张海伟, 白晓磊, 史冠男, 李锦辉, 姚建铨
2016, 45(10): 1003001. doi: 10.3788/IRLA201645.1003001
[摘要](381) [PDF 1791KB](289)
系统研究了利用稀土掺杂的石英光纤作为激光增益介质来实现分布布拉格反射式单频光纤激光器。实验中,分别将掺有Nd3+、Yb3+、Er3+/Yb3+和Tm3+的商用石英光纤,熔接到激光谐振腔中,实现了基于石英玻璃光纤的光纤激光系统在多波段的单纵模运转。对各光纤激光器的单频特性进行了研究,其中,激光器线宽可达几十千赫(特别是对于Er3+/Yb3+共掺光纤激光器,其线宽窄于7 kHz),激光系统的强度噪声接近于散粒噪声极限,实验中获得了激光波长由930 nm到2m的单频光纤激光器。实验结果证明:商用的稀土掺杂石英光纤能够作为有效的增益介质来实现短腔型单频光纤激光器。同时,通过进一步的系统集成,基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器将得到更加广泛的应用。
成像激光雷达的无人机载技术探讨
曹秋生
2016, 45(10): 1003002. doi: 10.3788/IRLA201645.1003002
[摘要](265) [PDF 1107KB](243)
成像激光雷达作为一种主动成像手段,具有在低照度、复杂背景条件下获取高分辨率远距离景物三维图像的能力,作为任务载荷应用于无人机系统领域已成为一种必然趋势,前景十分广阔。对成像激光雷达技术体制进行总结归类并对其国内外研究进展进行了技术分析,并在此基础上,结合无人机载环境特点,针对典型应用场景,综合考虑成像距离、成像分辨率、成像范围和成像速度(帧频)等多方面因素,从总体上探讨并提出无人机载成像激光雷达的一般结构形式、典型技术方案选择和平台适应性要求,以期对相关技术研究和设备研制起到一定参考作用。
多晶金刚石固结磨料研磨垫精研石英玻璃的性能探索
朱永伟, 沈琦, 王子琨, 凌顺志, 李军, 左敦稳
2016, 45(10): 1003003. doi: 10.3788/IRLA201645.1003003
[摘要](339) [PDF 3407KB](113)
通过粘结剂将单晶金刚石制成粒径更大的多晶金刚石。采用SEM观察了多晶金刚石的微观形貌,分别制备了单晶和多晶金刚石固结磨料研磨垫,比较了单晶与多晶金刚石固结磨料研磨垫的研磨性能。结果表明:单晶金刚石固结磨料垫与多晶金刚石固结磨料垫精研石英玻璃的表面粗糙度相似;但多晶金刚石固结磨料垫的材料去除率更高且稳定;多晶金刚石在研磨过程中的微破碎,确保了其自修整过程的实现。另外,多晶金刚石研结磨料垫研磨的石英玻璃亚表面损伤层深度小,约为原始单晶金刚石粒径的1/2。
红外技术及应用
基于参量下转换的3.39 μm中红外辐射源定标实验
盛文阳, 李健军, 夏茂鹏, 庞伟伟, 高冬阳, 郑小兵
2016, 45(10): 1004001. doi: 10.3788/IRLA201645.1004001
[摘要](342) [PDF 1009KB](116)
介绍了一种新型的基于参量下转换实现红外辐射源绝对辐亮度的定标方法。参量下转换过程产生0.631m和3.39m波段的一对相关光子,通过测量自发参量下转换和受激参量下转换两个过程中在0.631m波段光子的计数比值,可以获取3.39m的单位模式平均光子数,并进一步导出红外光源的辐亮度。介绍了定标原理、实验装置,分析了主要的测量不确定性因素,定标结果表明OPO激光器光谱辐亮度的合成标准不确定优于1.18%。初步证实了通过探测可见波段光子计数实现红外辐射源的辐亮度定标的原理可行性。研究结果将有望应用于基于受激参量下转换的红外波段高精度定标以及红外OPO激光器等领域。
弹道目标识别的红外辐射数据仿真研究
刘俊良, 陈尚锋, 卢焕章, 赵本东, 毋亚北
2016, 45(10): 1004002. doi: 10.3788/IRLA201645.1004002
[摘要](297) [PDF 1352KB](127)
充足的目标红外辐射数据集是研究弹道目标检测、跟踪与识别的必备前提,以往弹道目标红外数据仿真模型强调特定参数场景下的光学成像研究,以解决目标检测和关联跟踪等图像信息处理问题;而目标识别所需的数据仿真模型更注重在可能的动态参数范围内对目标辐射强度信号变化规律的探究。为了满足目标识别的数据仿真要求,着重探讨了目标场景参数和辐射强度信号动态变化特性;并根据仿真结果分析了影响数据差异特性的底层因素,为设计适合任意仿真场景数据的目标识别算法予以启示。
非制冷红外热像仪人体表面温度场测量及误差修正
张晓晔, 徐超, 何利民, 陈一鹤
2016, 45(10): 1004003. doi: 10.3788/IRLA201645.1004003
[摘要](331) [PDF 2175KB](186)
利用非制冷红外热像仪测量人体表面温度场,除具有快速、非接触和量程短等特点外,还对测温精度有较高要求。针对非制冷微测辐射热计热像仪测量精度受环境、机芯温度影响较大的问题,提出一种对热像仪使用温度与标定温度之差引起的测量误差进行修正的方法。即对分别测得的环境温度、机芯温度和灰度两组数据,由支持向量机拟合得到环境温度和机芯温度误差修正模型;实际测量时,分别由热电偶和置于热像仪中的传感器测得环境温度和机芯温度后,根据误差修正模型对环境和机芯温度变化引起的热像仪测量误差进行修正,获得较为准确的人体表面温度场数据。实验结果表明:该修正方法,与经标定的高精度热电偶测温相比,可使测量距离2 m时的测温误差减小50%。
激光技术及应用
激光近炸复合引信探测舰船目标的建模与仿真
姜易阳, 倪邦福, 钱红庆
2016, 45(10): 1006001. doi: 10.3788/IRLA201645.1006001
[摘要](451) [PDF 846KB](115)
针对采用激光近炸引信与触发引信体制的飞行器,研究了探测海面舰船雷达目标的建模分析方法,并进行了引战配合仿真及优化研究。通过建立激光近炸探测装置与目标间的空间交汇运动模型,可在激光近炸引信探测光束与飞行器空间运动强耦合,且舰船外型面复杂多样的情况下进行毁伤效率分析。采用同制导精度计算一致的误差干扰模型及蒙特卡罗打靶方法,统计了复合引信体制下不同引战配合方式对舰船雷达毁伤概率的影响,为优化引战配合效率、增大毁伤概率提供可靠依据。该方法可对任意支路激光近炸引信探测任何复杂舰船型面进行建模分析及毁伤概率计算,也可适用于针对其他类型目标的分析计算,具有良好的通用性和扩展性。
时间控制脉冲间隔激光编码方法研究
苗锡奎, 赵威, 张恒伟, 杨伟宏
2016, 45(10): 1006002. doi: 10.3788/IRLA201645.1006002
[摘要](243) [PDF 1617KB](99)
激光编码是激光半主动制导武器抵抗激光诱偏干扰的重要措施,现有激光编码具有一定的规律性,很容易被干扰系统所识别破解,而使激光半主动制导武器受到威胁。为此,提出了一种基于绝对精确时间控制的激光脉冲激光编码方法。首先利用北斗授时系统对激光编码端授时,以此得到精确时刻,以绝对精确整秒时刻为参数,根据编码基频大小,按照编码函数一次产生当前时刻所需数量的脉冲时间间隔;然后在后续时刻利用定时器在预产生的时间间隔处产生脉冲信号,并控制脉冲宽度;最后对该编码方法的有效性进行了仿真实验和实际实验验证。实验结果表明,授时精度20 ns,脉冲编码精度优于30 ns。该编码最大的特点是各编码脉冲时间间隔各不相同,无任何规律和周期,是一种准随机分布编码,而且编码函数运算量小,易于实现,具有较强的抗解码能力。
黄连中Pb的激光诱导击穿光谱测量分析
李占锋, 王芮雯, 邓琥, 尚丽平
2016, 45(10): 1006003. doi: 10.3788/IRLA201645.1006003
[摘要](363) [PDF 866KB](115)
黄连是一种清热解毒的传统中药,在生长过程中对重金属元素有较强的富集作用。为了能够对中药内重金属元素进行快速鉴别,以铅元素(Pb)为例,采用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)对其进行检测。实验以Nd:YAG固体脉冲激光器作为激发光源,八通道光谱仪进行光谱采集,选用特征谱线Pb 405.7 nm进行分析,得到了实验条件下的最佳激光能量为60 mJ,最佳延迟时间为1 s。对6种不同浓度的样品在最佳实验条件下进行定量分析,拟合出光谱强度和浓度的定标曲线,线性拟合度R2=0.976。计算出检测限为0.19%。通过实验结果可得出结论:LIBS可用于黄连Pb污染的快速判定,对于中药材重金属污染快速检测有极大潜力。
等效载荷法模拟激光超声微裂纹检测
战宇, 刘常升, 薛俊川
2016, 45(10): 1006004. doi: 10.3788/IRLA201645.1006004
[摘要](332) [PDF 746KB](143)
基于等效载荷法,应用有限元软件Abaqus模拟了脉冲激光激发的超声表面波在预加裂纹的半无限大弹性薄板内的传播,并探讨了微裂纹的尺寸对超声信号的影响。将脉冲激光激励等效为作用在薄板表面的在时间和空间上均满足高斯分布的脉冲载荷,并通过引入修正系数建立了激光的物理参数与峰值载荷的定量关系。在实验验证了有限元模型和等效载荷法正确性的基础上,探讨了裂纹的宽度、深度对反射波和透射波声学特性的影响。结果表明,所建立的等效载荷法能有效地模拟激光超声检测裂纹的实验过程,对激光超声的数值模拟研究以及在裂纹检测方面的应用具有重要的意义。
激光冲击304不锈钢微观组织和性能研究
李玉琴, 王学德, 宋飞龙, 柴艳
2016, 45(10): 1006005. doi: 10.3788/IRLA201645.1006005
[摘要](289) [PDF 875KB](152)
采用激光冲击强化改善304不锈钢耐磨性能。利用电子背散射衍射(EBSD)、显微硬度和球磨实验分析了激光冲击前后试样的微观组织和性能,探讨了激光冲击对其磨损性能的影响机理。结果表明,激光冲击304不锈钢后,其比磨损率下降,显微硬度从200 HV提高到260 HV。这是由于激光冲击强化304不锈钢使得材料表层晶粒碎化和大量亚结构形成,同时诱发马氏体相变的共同作用下,提高了304不锈钢的显微硬度,改善了其耐磨性能。
激光雷达技术
天基合成孔径激光雷达非合作目标成像系统设计与实验
李飞, 张鸿翼, 徐卫明, 舒嵘
2016, 45(10): 1030001. doi: 10.3788/IRLA201645.1030001
[摘要](262) [PDF 1506KB](155)
合成孔径激光雷达是合成孔径技术在激光相干探测雷达领域的推广,相比传统合成孔径雷达具有更高的分辨率。相比机载、陆基等应用环境,空间没有大气湍流和机械振动,非常适合合成孔径激光雷达应用,而合成孔径激光雷达本身分辨率不随距离变化的优点,也利于空间大尺度距离探测。建立了对非合作目标进行高分辨率成像监测天基合成孔径激光雷达成像模型,对系统中关键参数进行分析,针对地球静止轨道上的目标进行了系统设计,提出系统实现工程化需要进一步突破的关键技术。结合理论分析,设计了缩比模型验证实验,利用转台模拟空间卫星间运动,得到了方位向分辨率1 mm的目标图像,证明了系统分析的合理性和该系统的实用性,对天基合成孔径激光雷达技术的推广具有一定意义。
60 km瑞利多普勒激光雷达及其风场探测
郑俊, 孙东松, 窦贤康, 韩於利, 赵若灿, 李建阅, 周安然, 高健, 王国成
2016, 45(10): 1030002. doi: 10.3788/IRLA201645.1030002
[摘要](247) [PDF 1335KB](111)
临近空间风场的探测,在大气动力学研究和提高数值天气预报的准确性,以及航空航天保障等方面具有重要意义。研制基于瑞利散射双边缘技术的60 km多普勒激光雷达用于临近空间大气风场的测量。激光雷达主要分为垂直指向测量系统和两台斜指向测量系统。工作波长355 nm,探测距离15~60 km。为验证系统的可靠性和积累风场观测数据,于2014年下半年进行了外场实验,并与当地的探空气球数据进行对比,结果显示60 km瑞利多普勒激光雷达风场测量数据与探孔气球数据具有良好的一致性。
光波导相控阵激光雷达接收系统设计
吴超, 刘春波, 韩香娥
2016, 45(10): 1030003. doi: 10.3788/IRLA201645.1030003
[摘要](322) [PDF 851KB](233)
针对光波导相控阵扫描角度大、速度高的特点,设计了光波导相控阵激光雷达的接收系统。该系统采用大视场凝视型的单孔径接收望远镜和APD阵列探测器,进行目标信号的接收转换与目标角度测量;同时采用微透镜阵列(MLA)以弥补APD阵列产生的探测视场空白,提高回波信号能量利用率。首先给出了设计的总体方案,选择并设计了系统的具体参数;针对选择的器件参数,根据激光雷达方程对系统的性能进行了分析。研究结果表明:所设计的接收系统具有体积小、结构紧凑的特点,性能指标可满足相控阵激光雷达的探测需要。
大气重力波引起的偶发钠层研究
程永强, 胡雄, 闫召爱, 郭商勇, 王博
2016, 45(10): 1030004. doi: 10.3788/IRLA201645.1030004
[摘要](259) [PDF 2422KB](91)
利用了中国科学院临近空间环境野外综合探测站(廊坊,39N,116E)的钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的探测数据对廊坊上空大气重力波引起的偶发钠层(SSL)进行了研究。首先从大气重力波方程出发,计算分析了大气水平风剪切和垂直风场之间的相位关系;其次利用了钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的实测数据对大气重力波引起的偶发钠层进行了分析研究;经研究分析可知,由于大气重力波引起强的水平风切变和垂直风场风向反转的共同作用,其堆积效应使得钠原子密度增强,形成了偶发钠层。
基于激光成像雷达的空间非合作目标相对导航技术
陈凤, 朱洁, 顾冬晴, 王盈, 刘玉
2016, 45(10): 1030005. doi: 10.3788/IRLA201645.1030005
[摘要](259) [PDF 2394KB](116)
激光成像雷达具有工作距离长、工作频率高、波束窄,距离和角度测量精度高,受光照条件影响小等诸多优势,在空间应用上的需求越来越迫切。主要介绍了国内外激光成像雷达在轨应用现状,并介绍了基于激光成像雷达的空间非合作目标相对导航的主要关键技术,包括应用激光成像雷达的相对位姿测量技术和相对导航滤波技术,最后给出了应用激光成像雷达的相对位姿测量仿真结果。仿真实验结果表明:基于激光成像雷达的非合作目标相对导航技术具有受空间环境影响小、测量精度高的优势,方案合理可行,满足空间非合作目标相对导航任务需求,可应用于近距离空间目标的在轨维护与服务和空间操控,为我国后续开展相关工程应用提供技术参考。
光电器件与微系统
全内反射型太阳能聚光模块设计与研究
王骁, 曹秒, 安志勇, 曹维国, 尹鹏
2016, 45(10): 1020001. doi: 10.3788/IRLA201645.1020001
[摘要](342) [PDF 1110KB](172)
设计了用于太阳能聚集的全内反射(Total-internal-reflection,TIR)聚光器并采取措施进行优化,将多个TIR聚光器进行叠加放置在光波导板组成波导聚光模块。太阳光线经TIR聚光器阵列收集后照射到光波导板上并在其内部传播,由末端的光伏电池吸收。由实验结果可知,在光波导板长度为400 mm增至4 800 mm的过程中,光学效率由88.6%降低为40.2%,而辐照度由212 W/m2增长为980 W/m2。这样根据不同需求选取不同长度的光波导板,并在保证较高的输出功率的前提下大大减少所需使用的光伏电池面积,同时TIR聚光器只需水平放置在光波导板上,避免了透镜阵列与光波导板的严格对准要求,降低了制造与装配成本。
MEMS开关宽频程控步进衰减器设计与实现
南雪莉, 张斌珍, 杨昕, 崔建利, 葛少雷
2016, 45(10): 1020002. doi: 10.3788/IRLA201645.1020002
[摘要](334) [PDF 1368KB](127)
提出了一种基于MEMS开关的射频衰减器设计方案。首先对整体电路的基础结构进行了设计,选择以CPW(共面波导)为传输线,接触式MEMS开关作控制器件,同时以开关中的电容作为断路时的平衡电容进行Q值匹配;其次,通过理论推导与计算得到了波导的截面尺寸;然后按所需衰减量计算T型网络各个电阻的阻值大小。再按照计算值在CST微波工作室中建模仿真,对比单级衰减和展频二级衰减的S参数,可以发现,在Q值匹配后的电路中,射频信号可以在更宽的频段内保持稳定衰减。最后通过UV-LIGA技术结合氧化钽电阻工艺对衰减器进行了样片试制与结果测试。结果表明,通过Q值匹配可以扩展衰减器的工作频段,为高频信号的稳定衰减提出了一种可行性方案。
星载激光器电源遥控遥测系统的设计与实现
宋博, 郑伟, 李明山, 冯文
2016, 45(10): 1020003. doi: 10.3788/IRLA201645.1020003
[摘要](252) [PDF 4869KB](91)
星载激光测距通过发射机射出稳定度较高的脉冲激光实现对目标物的距离测量,其中涉及到激光器的设计与应用,尤以激光器电源功能和性能的实现最为重要。因此,实现星载激光器电源的外部控制和实时状态量的采集变得尤为重要。在基于FPGA技术基础上,利用AC/DC电源组件、遥控遥测组件和显示控制组件,设计出一种可以对激光器电源提供外时统信号、调Q信号、AD/DA控制信号,从而实现激光器电源状态量的实时遥测和LD电流信号、调Q信号的实时调节控制的系统,该系统可以设置激光重频和控制激光出射时刻,也可以实时显示激光脉冲次数和激光器电源的相关遥测量,同时对该系统涉及到的设计与实现进行了详细阐述,并对高可靠性的激光器电源遥控遥测系统性能和功能的进一步提升提出了改进方案。
基于二维激光告警的闪耀光栅设计
张瑞, 王志斌, 温廷敦, 张敏娟, 李克武
2016, 45(10): 1020004. doi: 10.3788/IRLA201645.1020004
[摘要](291) [PDF 1316KB](130)
现有光栅衍射型激光告警中,正弦光栅存在1级衍射效率较低,闪耀光栅在闪耀波长附近0级和-1级衍射效率很低,这两种光栅的缺点都降低了激光告警的可靠性。为此文中提出了一种改进型闪耀光栅。将两闪耀光栅反相对接,并且中间留一定无光栅空间,此改进可提高波长在闪耀波长附近0级和-1级的衍射效率,将有效克服传统闪耀光栅的漏报警现象。设计加工了闪耀波长为800 nm的改进型闪耀光栅,理论分析了0级和1级衍射效率;采用波长为808 nm和850 nm的光,对改进型闪耀光栅进行二维激光告警实验测试,实验结果表明,在波长为闪耀波长附近光入射时,改进型较普通闪耀光栅的0级和-1级衍射强度有很大提高,能够被CCD有效探测。该改进型闪耀光栅可有效提高二维激光告警系统的可靠性。
脊背型介质加载表面等离子体波导传输特性研究
郑洪全, 宁海春
2016, 45(10): 1020005. doi: 10.3788/IRLA201645.1020005
[摘要](293) [PDF 895KB](97)
为降低传输过程中的损耗,加强介质加载等离子体波导的模式场约束,并且优化等离子体波导的传输性能,对基于介质加载的表面等离子体波导的传输特性做了进一步的研究,设计了一种脊背型介质加载等离子体波导,并对其模式场分布及其传输参数随波导中的几何参数与电磁参数的变化关系做了相应的研究。仿真结果得出:基模的电场分量主要分布在该结构的金属/介质层1界面。该模式的传输特性,随着该波导的几何参数的变化而发生相应改变,因而可以通过改变这种结构的几何参数,对场实现有效控制,使其局域性明显增强。
先进光学材料
多层GaN外延片表面热应力分布及影响因素
陈靖, 程宏昌, 吴玲玲, 冯刘, 苗壮
2016, 45(10): 1021001. doi: 10.3788/IRLA201645.1021001
[摘要](276) [PDF 755KB](92)
为了研究蓝宝石/AlN/GaN外延片表面层热应力分布及影响因素,以直径d为40 mm的外延片为研究对象,利用有限元分析法对其表面热应力分布进行了理论计算和仿真,验证了仿真模型的合理性。分析了外延片生长温度、蓝宝石衬底和AlN过渡层厚度对表面热应力的影响。结果显示:在1 200℃的生长温度下,外延片径向应力比轴向应力大一个量级;在径向(d32 mm)区域内的热应力分布比较均匀,热应力变化范围为0.38%;生长温度在600~1 200℃范围内,外延层表面应力与生长温度呈近似正比关系。研究成果可为该类外延片生长工艺研究和低应力外延片的筛选标准制定提供借鉴。
光学设计及仿真
反射式自由曲面头盔显示器光学系统设计
刘军, 黄玮
2016, 45(10): 1018001. doi: 10.3788/IRLA201645.1018001
[摘要](365) [PDF 1444KB](221)
头盔显示器(HMD)作为一种头戴目视设备,具有小型化、轻量化的特点,同时为了获得良好的佩戴体验,要求合理的出瞳距、出瞳直径以及视场。为了同时满足头盔显示器的上述要求,采用紧凑的双反射镜结构来满足头盔显示器对体积和重量的要求,应用自由曲面增加设计自由度来校正大视场和非旋转对称结构引入的像差,并阐述了自由曲面补偿非旋转对称光学系统像差的基本原理以及该光学系统的设计方法与过程。该光学系统无色差,视场为5025,出瞳大小为8 mm,出瞳距大于27 mm。在奈奎斯特频率处全视场的调制传递函数大于0.4,可应用于新一代头盔显示技术。
大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计
孟庆宇, 汪洪源, 王严, 纪振华, 王栋
2016, 45(10): 1018002. doi: 10.3788/IRLA201645.1018002
[摘要](280) [PDF 1646KB](162)
设计了一款大线视场离轴三反光学系统,系统焦距1 200 mm,相对孔径1:12,视场角301。设计中,第三反射镜应用了x-y多项式光学自由曲面提升系统设计自由度,为便于装调,保证关于子午面像质对称,对x-y多项式自由曲面表达式进行了修正。设计结果得出,该系统光学传递函数均优于0.45@50 lp/mm,工作视场内,系统最大波像差为0.056,平均波像差RMS值为0.036,最大畸变值为0.8%,像质相对于子午面完全对称。系统进行了合理的公差分配,蒙特卡罗分析结果显示,该光学系统最终可实现平均波像差优于/14的成像质量。该系统的设计对空间遥感器光学系统的设计具有一定的参考价值,适合作为大幅宽推扫成像系统。
大视场可见红外一体化光学系统设计
王臣臣, 邹刚毅, 庞志海, 李瑞昌, 樊学武
2016, 45(10): 1018003. doi: 10.3788/IRLA201645.1018003
[摘要](405) [PDF 1109KB](185)
使用光学设计软件设计了一种大视场可见红外一体化反射式光学系统,可见光和红外视场的大小分别为5.2和5.12。在光学系统的轨道高度为675 km的情况下,可对地面目标进行61.3 km和60.36 km的大幅宽观测。在光学系统采用偏视场设计将可见光和红外光的视场进行分离,可以实现双光路、双波段、双视场同时成像观测,避免了使用分光装置对光能量吸收造成损失,提高了光能利用率。可见光系统选用一个焦距为9 000 mm的三反系统,红外光学系统选用两个三反系统,后置三反系统的入瞳与前置三反系统的出瞳位置重合,系统总焦距为2 025 mm。经过优化,可见光系统的MTF在50 lp/mm达到0.45以上,红外系统的MTF在25 lp/mm达到0.65以上,成像质量均达到衍射极限。
适用于FSM系统的菱形微位移放大机构设计
方楚, 郭劲, 徐新行, 姜振华, 王挺峰
2016, 45(10): 1018004. doi: 10.3788/IRLA201645.1018004
[摘要](252) [PDF 1384KB](127)
为了增加压电陶瓷驱动快速反射镜的偏摆范围,对菱形微位移放大机构进行了研究设计。首先介绍了菱形结构的放大原理并利用变形能法分析了影响菱形结构性能的关键参数,然后建立了快速反射镜系统要求与菱形结构设计要求之间的联系,并根据自行设计的快速反射镜系统选择了菱形结构的关键参数,最后通过有限元仿真对菱形结构和快速反射镜系统进行了模态分析并对快速反射镜的偏摆范围进行了实验测试。仿真与实验结果表明,快速反射镜的偏摆范围大于6',低阶谐振频率约为400 Hz,满足了快速反射镜的系统要求。文中研究得出,菱形结构的位移放大倍率与最大驱动力是此消彼长的两个性能,可以通过合理调整菱形长轴与菱形边夹角以及菱形边宽度使两个性能同时满足系统设计要求。
基于响应面法的交叉簧片铰链微位移机构优化设计
魏传新, 陈洪达, 尹达一
2016, 45(10): 1018005. doi: 10.3788/IRLA201645.1018005
[摘要](221) [PDF 1608KB](108)
为提升一种新型交叉簧片柔性微位移机构的动力学性能,采用响应曲面优化分析对微位移结构参数进行多目标优化设计。首先建立机构的FEA参数化模型,分析机构的工作原理,利用ANSYS对微位移机构进行动力学分析;确定微位移机构的性能指标参数;采用内切中心复合设计法建立响应曲面模型,确定优化设计参数;以交叉铰链簧片厚度作为优化设计变量,前三阶频率作为目标函数,微位移刚度作为约束函数,采用非线性二次规划算法建立多目标参数优化模型,在优化推荐的三个最优解中进行修正,得到最终的设计方案。比较优化前后微位移机构的性能指标,在机构刚度不变的情况下,一阶频率提升80%,二、三阶频率提升4%。研究得出以下结论,簧片厚度对微位移机构动力学性能影响呈正相关,且不同节点处簧片厚度影响不同,采用该优化设计方案有效提升了机构的动力学性能。
高集成度多光谱TDI CCD焦平面系统
张达, 李巍
2016, 45(10): 1018006. doi: 10.3788/IRLA201645.1018006
[摘要](278) [PDF 1942KB](117)
提出了一种高集成度TDI CCD焦平面系统,成功应用TDI CCD驱动单元厚膜集成模块完成了具有16路CCD信号输出、像元读出频率20 MHz的高集成度高速多光谱TDI CCD焦平面系统的研制。通过采用双通道CCD信号处理模拟前端、厚膜集成驱动单元模块、高速LVDS图像数据传输接口以及机、电、热一体化仿真设计方法,极大提高了TDI CCD焦平面系统的集成度,降低了系统互连的复杂程度。系统共有4路图像数据传输接口,单路传输能力达到1.6~2.5 Gbps,最高可实现10 Gbps的图像数据带宽,在保证高数据率的同时,提高了数据传输的抗干扰能力。阐述了系统设计方案及多光谱TDI CCD探测器工作原理,并对其中的机电集成设计、驱动单元厚膜集成技术以及高速串行传输总线等关键技术进行了分析描述。通过采用TDI CCD传函测试片对系统进行了测试,焦平面全系统调制传函平均为0.511。
超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究
丁浩林, 易仕和, 付佳, 朱杨柱, 何霖
2016, 45(10): 1018007. doi: 10.3788/IRLA201645.1018007
[摘要](306) [PDF 1814KB](140)
当光线穿过超声速湍流边界层时受到湍流密度脉动的影响,其传播方向和相位会发生变化,使得目标图像出现模糊、偏移和抖动等现象,给目标识别带来困难。利用基于背景导向纹影(Background Oriented Schlieren,BOS)原理开发的基于BOS的波前传感(BOS-based Wavefront Sensor,BOS-WS)技术获得了光波通过马赫数Ma=3.0的超声速湍流边界层后的波前。基于波动光学原理计算出相应的点扩散函数(Point Spread Function,PSF)分布以及退化图像,研究结果表明:测量得到的波前结果对应的PSF与理想平面波前对应的PSF相比,在峰值的大小、所在位置及形态上变化较大,PSF峰值出现衰减,PSF峰值位置出现较为明显的偏移,PSF形态出现多峰现象,湍流边界层内密度分布较强的空间随机性得到体现,经此PSF处理后的图像出现一定程度的退化。
微小卫星天线与飞轮共支撑结构优化设计与试验
李林, 王栋, 谭陆洋, 孔林, 杨洪波
2016, 45(10): 1018008. doi: 10.3788/IRLA201645.1018008
[摘要](255) [PDF 2538KB](98)
针对基于星载一体化理念设计的某微小卫星星载天线与S飞轮支撑结构随机振动响应不满足总体设计指标的问题,将星载天线与飞轮进行共支撑结构设计,提出以随机振动加速度响应为目标的优化设计方法。以支撑结构敏感点随机响应RMS值为优化目标,体积分数和基频为约束条件,建立数学模型,对结构进行优化设计;对优化后的支撑结构工程分析,基频达到200 Hz以上,质量由1.9 kg减少到0.65 kg,降低65.6%;开展了力学环境试验对支撑结构性能进行验证,支撑结构基频210 Hz,加速度响应RMS值最大相对放大率为0.54,满足总体基频大于185 Hz和相对放大率小于等于0.6的要求。结果表明,该优化方法有效可行,支撑结构动力学参数较好地满足了微小卫星总体设计要求。
自适应光学
基于相关波前探测算法校正热晕的数值模拟
闫伟, 陈志华, 杜太焦, 关奇
2016, 45(10): 1032001. doi: 10.3788/IRLA201645.1032001
[摘要](339) [PDF 1072KB](94)
建立了采用相关波前探测算法(Correlation wave-front sensing algorithm,COR)的自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统的数值模型,对准直光束大气传输自适应光学校正进行了数值模拟,分析了不同热晕强度条件下光子噪声和读出噪声对系统校正效果的影响,并与质心(Center of Gravity,COG)算法和阈值质心(Threshold Center of Gravity,TCOG)算法进行了对比。数值模拟结果表明,COR算法对噪声和热晕强度的变化具有更好的鲁棒性,可以提高夏克-哈特曼波前探测器(Shack-Hartmann Wave-front Sensor,SH-WFS)在低信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)条件下的波前探测精度,同时还可以较好地抑制噪声诱发的相位补偿不稳定性(Phase Compensation Instability,PCI),改善低信噪比条件下大气热晕校正的稳定性。
太赫兹技术及应用
OH1晶体中级联光学差频效应产生太赫兹波
李忠洋, 谭联, 邴丕彬, 袁胜
2016, 45(10): 1025001. doi: 10.3788/IRLA201645.1025001
[摘要](255) [PDF 332KB](608)
理论分析了有机晶体2-[3-(4-hydroxystyryl)-5,5-dimethylcyclohex-2-enylidene]malononitrile(OH1)中基于共线相位匹配级联光学差频产生太赫兹波的物理过程。从耦合波方程出发分析了级联斯托克斯过程和级联反斯托克斯过程,计算了太赫兹波的强度和量子转换效率。相对于非级联光学差频过程,13阶级联光学差频产生的太赫兹波强度增大了15.96倍。13阶级联光学差频中太赫兹波的量子转换效率为1377%,超过了Manley-Rowe关系的限制。
光电导航与控制
全捷联图像导引头隔离度辨识及其抑制技术应用
胡欧磊, 王江, 王庆权, 林德福, 雷红波
2016, 45(10): 1031001. doi: 10.3788/IRLA201645.1031001
[摘要](267) [PDF 1561KB](130)
针对全捷联图像导引头中传感器刻度尺误差与动力学偏差引起的隔离度问题,阐述了隔离度寄生回路产生的机理,并提出在线辨识探测器及角速率陀螺刻度尺系数与补偿导引头动力学延迟的隔离度抑制方案。建立导引头数字平台的等效模型,基于无迹卡尔曼滤波算法(UKF),对传感器刻度尺系数以及真实弹目视线角速率进行辨识;运用匹配滤波器补偿导引头探测器动力学滞后。最后进行数学仿真,从稳定弹体飞行姿态与提升制导精度两个方面,对各方案的可行性进行了论证。结果表明:UKF滤波算法与匹配滤波器可以有效地对隔离度进行抑制并提升制导系统性能。
光电测量
新型混合柔性铰链柔度研究
倪迎雪, 伞晓刚, 高世杰, 王晶, 王涛, 吴佳彬, 桑志昕, 张楠
2016, 45(10): 1017001. doi: 10.3788/IRLA201645.1017001
[摘要](252) [PDF 1070KB](111)
提出了一种新型双曲线直圆混合柔性铰链。利用卡氏第二定理推导出双曲线直圆混合柔性铰链的柔度计算公式,并根据所推导的公式,分析了直圆半径、最小厚度和切割深度对其柔度的影响。同时采用实体单元建立双曲线直圆混合柔性铰链的有限元模型,对不同几何参数的铰链进行仿真分析,并对仿真解与解析解进行对比。结果表明:仿真解与解析解的最大误差在8%以内,证明了所推导公式的正确性;与不同形状的柔性铰链对比得出,双曲线直圆混合柔性铰链具有更好的转动能力和对载荷较高的敏感性。所设计的新型双曲线直圆混合柔性铰链更适用于快速反射镜支撑结构中,同时也为混合型柔性铰链的设计和优化提供了理论依据。
近红外谱域显微干涉仪的位移传感特性研究
郑权, 韩志刚, 陈磊
2016, 45(10): 1017002. doi: 10.3788/IRLA201645.1017002
[摘要](257) [PDF 2296KB](88)
为研究近红外谱域显微干涉仪在近红外波段的位移传感特性,分析了条纹载频对位移量提取的影响,建立了测量光谱中心波长与干涉仪位移传感范围之间关系公式,讨论了光源可见光分量对近红外光栅光谱仪所记录条纹的串扰现象并提出抑制方法。构建近红外迈克尔逊型谱域显微干涉实验系统,单次测量位移量传感精度优于0.02 m。测量标准台阶板的台阶高度(其标称值为7.732 m),测量偏差为0.044 m。采用近红外谱域显微干涉装置,无需轴向扫描即可实现位移量测量,将光谱仪记录的谱域干涉信号转换为随波数线性变化信号处理能有效提高位移传感精度,增大中心波长能够有效提高位移传感范围,在系统中加入短波截止滤光片则能有效抑制可见光分量对近红外光谱域条纹造成的串扰。
偏振变换法测量固体激光器的动态热焦距
罗宽, 王菲, 车英, 张国玉
2016, 45(10): 1017003. doi: 10.3788/IRLA201645.1017003
[摘要](261) [PDF 958KB](76)
为了精确测量激光晶体的动态热焦距,提出了一种指示光偏振变换测量方法。基于几何光学成像理论,建立了热透镜动态热焦距的表达式。将准直的指示光往返两次通过具有热透镜效应的激光晶体,利用偏振变换的方法使测量光束有效的从光路中分离出来,采用CCD相机对被测光束进行探测。搭建了激光晶体的动态热焦距的实验测量装置,分别测量了端面泵浦和侧面泵浦两种工作状态激光晶体的动态热焦距,最后分析了实验测量的误差。结果表明:利用指示光偏振变换法测量激光晶体的热焦距,测量误差仅为0.8 mm,能够满足激光器谐振腔设计要求。
线激光平行检测阵列弹幕武器弹着点测试方法
何凯平, 徐达, 李华
2016, 45(10): 1017004. doi: 10.3788/IRLA201645.1017004
[摘要](500) [PDF 1257KB](114)
针对弹幕武器的立靶密集度测试难题,提出了一种基于线激光平行检测阵列组合的测试方法。研究了在平行检测阵列结构下实现弹丸定位的测量原理,推导了弹着点坐标解算公式,给出了弹着点坐标解算的程序流程,并分析了检测阵列精度导致的输出误差,研究了坐标计算误差与坐标位置及靶面大小的分布关系。当规则靶面面积从3 m3 m扩展到10 m10 m时,排除极小部分高误差区域后的x坐标固有误差绝对值从1.56 mm变成5 mm,增加了3.44 mm,y坐标测量固有误差为2 mm。对规则靶面面积为1 m1 m样机的模拟坐标测试结果表明,当采用的阵列精度为1.6 mm时,x坐标最大误差为3.6 mm,y坐标最大误差为2.8 mm。该测试方法有效光幕面积大、测量精度高、布靶难度小。
信息获取与辨识
基于PCA的相机响应函数模型标定算法
都琳, 孙华燕, 张廷华, 王帅
2016, 45(10): 1026001. doi: 10.3788/IRLA201645.1026001
[摘要](376) [PDF 3806KB](156)
许多计算机视觉应用的算法都需要对拍摄场景高动态范围的幅亮度信息进行精确的测量,成像系统的相机响应函数能够建立拍摄图像强度信息与场景辐亮度之间的严格映射关系,是高动态范围图像融合的关键技术。文中分析相机响应曲线的共同特点,结合相机响应函数固有的约束条件,建立相机响应函数的理论空间模型。首先,利用主成分分析法对已有的相机响应数据库进行分析,结合相机响应函数的约束条件建立响应函数的低参数经验模型;然后,根据输入图像选择合适的参数数量;最后,利用不同曝光量的输入图像通过最小二乘法求解建立响应函数模型的系数,从而对相机响应函数进行标定。该算法能够通过对少量的采样点进行插值获得精确的相机响应函数,同时能够对任意的场景通过拍摄多曝光量图像精确地标定相机响应函数。通过对实际拍摄的图像进行相机响应函数标定实验,验证了该算法的有效性,并证明该算法保持高精度的同时计算效率也较高。
PIR单节点阵列目标轨迹预测和定位技术
卢云, 杨卫, 赵俊江, 郑建生, 邓立齐
2016, 45(10): 1026002. doi: 10.3788/IRLA201645.1026002
[摘要](262) [PDF 1232KB](118)
针对提高单节点PIR阵列探测和感知能力,减少网域探测成本投入,提出了利用PIR单节点阵列实现对目标轨迹预推。在该研究中,为了简化结构,同时提高单节点功能,仅使用四个双元热释电红外传感器组成一个单节点阵列,同时,利用PIR处于静止状态,测得目标的运动方向及目标距节点距离,并在PIR转动状态,测得运动目标被探测到时的角度和时间,利用测得数据便可实现单节点目标运动轨迹的预推,并经过该节点对目标的不断探测,得到新数据,从而对轨迹进行逐步修正,增加轨迹预推的可靠性。经实验证明,该方法突破已往多节点定位和轨迹预推,同时创新地提出了仅使用四个PIR传感器的单节点阵列,代替先前四动四静共八个PIR传感器,极大降低探测成本的投入,具有很高的实用价值及可靠性。
景象信息处理
一种覆盖范围可调的变频梯度自动对焦评价函数
王烨茹, 冯华君, 徐之海, 李奇, 陈跃庭
2016, 45(10): 1028001. doi: 10.3788/IRLA201645.1028001
[摘要](289) [PDF 1672KB](108)
针对传统调焦函数对噪声敏感和调焦范围小从而影响自动对焦准确性的问题,提出了一种基于变频梯度的自动对焦评价函数。解决了由于离焦量过大而引起的评价函数调焦范围小的问题,通过改变采样频率实现了评价函数调焦范围的可调性。其中,评价函数采用了带有阈值选取的梯度绝对值算子,提高了评价函数的抗噪性,降低了时间复杂度。分别利用仿真实验和实拍实验对该方法进行验证,实验表明:采用不同采样频率的梯度算子能够兼顾调焦范围广以及灵敏度高的两种特性,并与现有的对焦评价函数进行了比较,通过量化指标说明了该评价函数的运算速度较现有评价函数有较大的提升,证明了所提出方法抗噪性与实时性更好、灵敏度更高、调焦范围可调,同时能够准确评价离焦图像清晰度。
水质浊度红外光检测及聚类灰色融合预测模型
杜玉红, 魏坤鹏, 史屹君, 刘恩华, 酆启胤, 董广宇
2016, 45(10): 1028002. doi: 10.3788/IRLA201645.1028002
[摘要](216) [PDF 915KB](95)
为了对水处理过程中水质浊度进行实时、准确检测,设计了基于红外光的散射浊度检测系统,并提出一种聚类灰色融合的预测模型对水质浊度的变化趋势进行有效预测。利用890 nm波长的红外发光二极管作为发光器件,光敏二极管作为接收器,检测装置响应时间短,零点误差小。采用灰色预测算法和聚类融合的方法对传感器所采集的数据进行处理,将聚类融合处理后的数据作为灰色预测控制的输入数据,灰色预测控制的输出数据与融合数据进行对比分析,确定预测浊度值。通过实际项目进行了数据跟踪和运算,聚类灰色融合算法的浊度预测输出值和实测值的平均误差值为0.008 7 NTU,聚类灰色融合算法预测性能优于单一的灰色预测算法,能够保证水质浊度参数的平稳,满足了水质的要求。
应用监督近邻重构分析的高光谱遥感数据特征提取
方敏, 王君, 王红艳, 李天涯
2016, 45(10): 1028003. doi: 10.3788/IRLA201645.1028003
[摘要](253) [PDF 1585KB](98)
针对高光谱遥感数据特征提取方法的研究,提出了一种新的监督近邻重构分析(Supervised Neighbor Reconstruction Analysis,SNRA)算法。该方法首先利用同一类别的近邻数据点对各数据点进行重构;然后在低维嵌入空间中保持该重构关系不变,尽可能地分离开非同类数据点,并利用总体散度矩阵来约束数据间的相关性;最后求解得到一个最佳投影矩阵,进而提取出鉴别特征。SNRA算法不仅保持了同类数据的局部结构而且增强了非同类数据的可分性,同时减少了数据的冗余信息。在Indian Pine和KSC高光谱遥感数据集上的实验结果表明:提出的方法能更好地揭示出高光谱遥感数据的内在特性,提取出更有效的鉴别特征,改善分类效果。