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2017年  第46卷  第2期

专家报告
涡旋光束的自适应光学波前校正技术
高春清, 张世坤, 付时尧, 胡新奇
2017, 46(2): 201001. doi: 10.3788/IRLA201746.0201001
[摘要](236) [PDF 1702KB](373)
涡旋光束是一种具有螺旋波前的光束,其特点是其光强分布为环形,携带有与螺旋波前结构相关的轨道角动量。由于涡旋光束的角量子数可取任意整数,同时不同角量子数的光束之间相互正交,因此可提高光通信系统的信道容量。但涡旋光束在自由空间传输时会受到大气湍流的影响,进而产生波前畸变,因此需要采用自适应波前校正技术对畸变后的光束进行校正。文中对现有的涡旋光束波前校正技术进行了概述,重点介绍了笔者课题组提出的应用GS相位恢复算法和高斯光束探针相结合对涡旋光束波前畸变校正的技术及应用SPGD算法和泽尼克多项式对涡旋光束波前畸变校正的研究工作。
基于随机采样的超高分辨率成像中快速压缩感知分析
王中阳, 周燕飞, 张小伟, 沈灏, 李恩荣, 韩申生, 宓现强, 田立君, 彭玉峰
2017, 46(2): 201002. doi: 10.3788/IRLA201746.0201002
[摘要](234) [PDF 1142KB](344)
随着近年来超分辨成像技术的发展,基于单分子拟合的超分辨成像方法能够实现纳米尺度的空间分辨率,但这种方法的耗时较长,时间分辨率较差。成像重构时间较长主要受制于成像过程中每帧图像较低的荧光分子密度,所以需要足够多的采样帧数来重构一张图像。文中提出一种利用随机采样的快速压缩感知算法,结合分块压缩感知重构算法,最终能够在高分子密度的条件下获得较快的重构速度及较高的定位精度。
燃烧场探测与分析
燃烧场波系显示及燃烧区域诊断研究
岳茂雄, 苏铁, 杨顺华, 袁强, 乐嘉陵
2017, 46(2): 239001. doi: 10.3788/IRLA201746.0239001
[摘要](219) [PDF 3308KB](134)
燃烧场的流场诊断研究,有利于燃烧室的结构设计和燃烧状态的组织。研究主要采用激光纹影/阴影和差分干涉方法显示燃烧场的波系结构,并用羟基平面激光诱导荧光(OH-PLIF)方法诊断燃烧边界和核心燃烧区域,得到了清晰的燃烧场波系显示结果和燃烧情况的PLIF显示结果。将差分干涉/激光阴影和PLIF方法结合,可以考察波系结构与燃料燃烧的关系。研究采用了一种新型消相干技术的激光纹影,可以像常规纹影一样用刀口切割光源像,不会产生明显的激光散斑和衍射现象;同时在工程上将波系结构显示和PLIF进行同步诊断,也是比较有意义的工作。该工作对于超声速燃烧流场的研究具有参考意义。
光腔衰荡光谱技术用于OH浓度测量的误差分析
涂晓波, 陈爽, 苏铁, 母金河, 杨富荣
2017, 46(2): 239002. doi: 10.3788/IRLA201746.0239002
[摘要](231) [PDF 1335KB](117)
光腔衰荡光谱技术(Cavity Ring Down Spectroscopy,CRDS)是一种高灵敏度的吸收光谱测量技术,在燃烧场激光光谱诊断领域里是一种十分重要的燃烧产物定量测量手段。文中研究了光腔衰荡光谱技术用于燃烧产物定量测量的原理,搭建了脉冲型光腔衰荡光谱技术实验系统,选取OHA2+-X2(0,0)电子跃迁带的P1(2)吸收线谱,在常压条件下对平面火焰的OH浓度进行了定量测量,并对激光器线宽及线型、激光器的频率稳定性、火焰温度、光腔参数等因素对测量误差的影响进行了分析讨论。误差分析给出了光腔衰荡光谱技术的几个关键注意事项,可为光腔衰荡光谱技术的应用提供指南。
用于化学激光器的腔增强吸收光谱测量
李留成, 多丽萍, 王元虎, 唐书凯, 于海军, 马艳华, 张治国, 金玉奇, 宫德宇
2017, 46(2): 239003. doi: 10.3788/IRLA201746.0239003
[摘要](221) [PDF 1116KB](128)
燃烧驱动氟化氢化学激光体系中有一些关键基态物种(如DF等)可用于表征燃烧室工作状态,为了控制HF振动激发态的弛豫过程还需要加入少量的碰撞伴侣物种(如SF6、NH3、H2O等),另一些关键物种(如NF(a)等)则可能会与HF振动激发态发生传能过程,然而不幸的是这些物种的吸收较小。为了利用吸收光谱对这些弱吸收的关键基态物种进行研究,建立了基于离轴式布局的腔增强吸收光谱装置,该装置由光源部分、谐振腔部分和光电接收部分组成,其中谐振腔部分处于真空仓内。为了验证该装置的性能,测量了痕量氨气和水汽的吸收光谱。实验结果表明:该装置的等噪声吸收系数达到了1.610-8 cm-1,表明该装置可以用于氟化氢化学激光器中关键痕量物种的测量诊断工作。
封闭空间中火焰-冲击波相互作用及缸内压力波动现象分析
高东志, 卫海桥, 周磊, 刘丽娜, 赵健福, 徐在龙
2017, 46(2): 239004. doi: 10.3788/IRLA201746.0239004
[摘要](173) [PDF 2543KB](123)
研究了在自主设计的带孔板新型的定容燃烧弹中,采用氢气-空气作为燃料,得到不同强度的加速火焰和冲击波,证明了湍流火焰和冲击波的相互作用。利用高速纹影技术捕捉经过孔板之后产生的湍流火焰前锋和超声速传播的冲击波。分析孔径、孔隙率对火焰传播速度、冲击波强度以及缸内压力波动强度的影响规律。发现在一定的初始条件下,层流火焰经过孔板加速会产生清晰的冲击波,反射冲击波与火焰相互作用,会使得火焰发生往复传播。此时的缸内压力也会出现较大幅度的波动。这种火焰与冲击波的相互作用机理被认为是导致缸内压力大幅波动的原因。该研究为小型强化汽油机爆震现象的研究提供借鉴,也为DDT和脉冲爆轰现象的研究提供了一种新方法。
脉冲等离子体对超燃凹腔燃料喷流的影响
郑直, 聂万胜, 张政, 李金龙, 周思引
2017, 46(2): 239005. doi: 10.3788/IRLA201746.0239005
[摘要](179) [PDF 1580KB](90)
为了研究在脉冲控制方式下,准直流横向放电等离子体对超燃冲压发动机燃烧室燃料喷流流场的影响,构建了脉冲控制下准直流横向放电等离子体模型,分析了不同脉冲控制频率下等离子体对凹腔喷流流场特征结构、燃烧室总压损失、喷流下游掺混效率的影响。结果表明:脉冲控制模式下,等离子体能够有效控制喷流上游分离激波位置与强度、幅度,导致凹腔流场参数周期性波动,使得燃料与主流的掺混效率提高,与定常控制方式相比脉冲控制方式能够减小压力损失。
激光技术及应用
830 nm半导体微激光治疗背肌筋膜炎的临床研究
姜雪梅, 钟会清, 杨辉, 周艳, 刘智明, 赵仓焕, 晏锦胜, 叶丙刚, 苏成康, 吴秀丽, 侯雨晴, 姜万玲, 刘键雄, 王振, 林锦, 龙佳, 郭周义
2017, 46(2): 206001. doi: 10.3788/IRLA201746.0206001
[摘要](200) [PDF 1317KB](76)
探讨了830 nm半导体微激光光灸穴位和肌筋膜扳机点(MTrPs)治疗背肌筋膜炎患者的疗效。预实验收集背肌筋膜炎患者,分为光灸1组4例、光灸2组6例、光灸3组7例和针灸组6例,光灸组采用自主研发的半导体激光光灸仪治疗(中心波长为830 nm,功率密度0.335 W/cm2),时间分别为每次1、2和4 min对患者的养老穴、承山穴背部MTrPs进行照射;针刺组选用毫针对养老穴、承山穴常规针刺,MTrPs处斜刺进针贯穿结节得气后留针20 min,中间行针1次。光灸组和针刺组每周治疗3次,一周1个疗程,共治疗4个疗程。正式试验背肌筋膜炎患者38人,治疗方法如预实验光灸3组。采用视觉模糊量表评分(VAS)和简易麦吉尔量表-2(SFMPQ-2)对患者主观症状进行评定,手持式压力测痛仪测定MTrPs的压力疼痛阈值(PPT)。预实验VAS评分结果表明,除光灸1 min外,其他三组治疗后均有显著减低(P0.05),组间比较显示,针刺组疗效最好,其次为光灸3组;SFMPQ-评分显示,只有针刺组治疗后有显著减低(P0.05)。光灸组可显著提高MTrPs的PPT数值。正式试验结果发现,830 nm微激光可显著降低患者的VAS评分和SFMPQ-2评分,改善患者酸痛、轻压痛和疲惫无力感症状,且可提高肌筋膜扳机点的压力疼痛阈值。该课题组自主研发的半导体激光光灸仪对背肌筋膜炎患者无论从主观评分和半客观的压痛阈值改善方面均有良好的疗效,可被广泛应用于临床。
高重复率卫星激光测距中后向散射干扰及规避
吴志波, 邓华荣, 张海峰, 汤凯, 张忠萍
2017, 46(2): 206002. doi: 10.3788/IRLA201746.0206002
[摘要](191) [PDF 1513KB](140)
大气后向散射对高重复率卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)的回波接收产生干扰且随测量频率增加愈发严重,已成为制约SLR工作频率提升的关键因素之一。根据大气散射雷达探测方程,分析了探测系统接收到的大气后向散射光功率及对回波接收的影响,以上海天文台现有收发分离的SLR系统为平台,通过试验验证了分析的合理性;据此厘清后向散射干扰产生时序,给出基于激光发射时序控制的后向散射规避方法。通过在高重复率距离门控电路中添加激光点火信号产生模块,并实时判断后向散射干扰情况以控制点火信号是否延迟输出,基于FPGA(Field Programmable Gate Array)完成了后向散射自动规避电路,成功应用在上海天文台高重复率SLR的常规观测中,实现了对散射的完全规避,且对Lageos等重点激光卫星的平均点火频率下降率低于2%,具有很好的推广应用价值。
四象限探测器基于高斯分布的激光光斑中心定位算法
唐彦琴, 顾国华, 钱惟贤, 陈钱, 张骏
2017, 46(2): 206003. doi: 10.3788/IRLA201746.0206003
[摘要](217) [PDF 1666KB](157)
为了提高四象限探测器在FPGA中实时激光光斑位置测量的精度,提出了一种基于高斯分布的光斑中心定位算法。首先,四象限探测器光敏面上分布的激光光斑采用高斯分布模型等效。结合探测器的工作原理,合理设置高斯积分区间,计算出呈高斯分布的光斑在探测器各象限内的光能量,从而对应各象限输出的光电流,得到包含光斑位置信息的正态分布关系式。再通过标准正态分布表查询快速求解出光斑中心位置,将算法在硬件上实时地实现。最后,分别对基于高斯分布的定位算法和基于圆模型的传统算法进行仿真与实验验证。结果表明,基于高斯分布的定位算法的测量精度相较于传统算法提高了43.8%。由此证明基于高斯分布的定位算法能有效提高激光光斑中心位置测量精度。
激光沉积修复某型飞机垂尾梁研究
杨光, 刘欢欢, 周佳平, 钦兰云, 王维, 任宇航
2017, 46(2): 206004. doi: 10.3788/IRLA201746.0206004
[摘要](183) [PDF 3269KB](99)
针对某型飞机垂尾梁误加工损伤进行了激光沉积修复研究,根据其服役时受力特点设计了力学性能试样,对不同沉积修复试样及同批锻件基材进行室温静载拉伸对比实验,同时对修复试样显微组织、硬度进行分析及测试。结果表明:沉积修复区组织为细小/片层组织,无明显缺陷,修复区与修复基体形成致密的冶金结合;修复区至修复基体显微硬度分布呈逐步降低的趋势,修复区显微硬度相对修复基体提高约12%;无论修复试样标距中心是否预制孔,修复试样室温静载抗拉强度均高于锻件基材,但塑性比锻件基材略低;同时,在优化垂尾梁修复工艺参数的基础上,对沉积修复试样侧边塌边缺陷产生的原因进行分析并给出解决措施,以期消除塌边缺陷提高修复质量。
干扰和噪声对激光制导性能及精度的影响
李慧, 梁巍巍, 殷瑞光, 王敏, 许振领, 王彦斌
2017, 46(2): 206005. doi: 10.3788/IRLA201746.0206005
[摘要](192) [PDF 1629KB](202)
针对某激光导引头检测中输出弹目视线角速度误差较大的情况,分析指出弹目视线角速度噪声是角跟踪回路中探测器噪声、弹体扰动和摩擦等干扰力矩共同作用产生的。根据导引头控制原理建立了其稳定跟踪回路模型,定量分析了这些误差因素对导引头稳定跟踪性能和弹目视线角速度输出指令的影响程度。然后实测分析了激光导引头输出弹目视线角速度噪声特性,建立了其与弹目距离的函数关系,并将其加入某制导武器制导模型中进行仿真。结果表明:加入弹目视线角速度噪声后,弹体滚转姿态角变化较大,舵偏角变化也较大,近距离时由于角速度指令噪声较小对全弹道及脱靶量的影响比较小,这与实际检测结果相符较好。但近距时当角速度指令处于噪声峰值处,弹偏离后来不及修正可能会对导弹的近距攻击区有影响,研究方法及结论对导引头的实际研究测试及弹的战术使用均有一定的参考价值。
基于三维激光扫描技术的路面断板深度检测
曹霆, 王卫星, 杨楠, 高婷, 王峰萍
2017, 46(2): 206006. doi: 10.3788/IRLA201746.0206006
[摘要](222) [PDF 1458KB](153)
针对传统的路面检测方法无法直接获得路面的深度信息,设计了一种基于三维激光扫描技术的路面断板深度检测方法。该方法首先通过三维激光扫描仪得到路面点云数据,其次将路面断板数据沿水平方向分为若干切片,然后对每一断板切片上下平面分别进行拟合,最终根据上下平面之间的距离确定断板的深度。根据实际工程需要,提出了一种基于动态阈值的平面拟合迭代算法,不仅可以有效地识别并去除断板点云数据中的无效点,而且可以在点云数据三个方向都存在误差的情况下实现平面计算。实验结果表明,该方法不仅能得到整个路面断板的深度信息,还能反映出断板深度沿水平方向的变化趋势。
HeNe激光双折射外腔回馈位移测量仪研究
邓勇, 马志强, 江奕, 张松, 蔡婷
2017, 46(2): 206007. doi: 10.3788/IRLA201746.0206007
[摘要](257) [PDF 1964KB](100)
基于单模激光器的双折射外腔回馈位移测量系统能输出两路回馈条纹信号,且条纹相位差不受回馈外腔长的影响,因此在研制大量程、高分辨位移测量系统方面极具潜力。开展了双折射外腔回馈的相关现象研究,研制了性能优良的位移测量仪器。稳频和回馈外腔扫描技术相结合,进一步提高了系统的频率稳定度(优于10-7)和抗干扰性能力。试验对系统进行了零漂、拍频和比对测试,其量程超过200 mm,分辨率为15.82 nm,线性度优于2.310-7。分析了系统的主要误差来源,估算了总的测量误差为0.21 m。回馈位移测量仪具有结构简单、分辨率高、线性度好以及测量范围大的优点,工业应用前景广阔。
激光器技术
双环功率控制的突发模式激光驱动器
朱铁柱, 莫太山, 叶甜春
2017, 46(2): 205001. doi: 10.3788/IRLA201746.0205001
[摘要](247) [PDF 1860KB](100)
设计了一款应用于无源光网络(PON)的突发模式激光驱动器及其双环功率控制电路。提出一种电荷补偿和动态偏置电路,减小了激光驱动器电流上升和下降时间,提高了输出电流能力;提出一种双环功率控制的反馈电路,解决了平均功率和消光比随温度变化的问题。基于0.18m RF CMOS工艺完成流片,激光驱动器芯片面积为1 600m800m。测试结果表明,激光驱动器的输出偏置电流和调制电流分别可达90 mA。激光驱动器突发响应开启时间小于2 ns,关断时间小于1 ns,发送数据速率高达2.5 Gbit/s,抖动大小为41 ps。激光驱动器输出平均光功率稳定性为0.26 dB,消光比稳定性为1 dB。该激光驱动器满足了PON系统对激光器的输出功率和稳定性要求。
高重频Nd:YVO4声光调Q与RTP电光调Q激光器实验对比分析
张健, 于永吉, 姜承尧, 王子健, 王彬, 陈薪羽, 金光勇
2017, 46(2): 205002. doi: 10.3788/IRLA201746.0205002
[摘要](237) [PDF 1801KB](145)
报道了相同实验条件下激光二极管端面抽运生长型复合Nd:YVO4晶体声光调Q和RTP电光调Q激光器。应用声光调Q和RTP电光调Q分别实现了最高重复频率200 kHz和500 kHz的TEM00模1 064 nm激光输出,输出平均功率分别达到12.13 W和13.56 W,脉冲宽度分别为16.65 ns和27.27 ns,并首次对比了两种调Q体制下的高重频激光输出特性。实验结果表明,RTP电光调Q具有更好的高重频关断能力,但由于受到高压驱动的限制,RTP电光调Q无法在更高重复频率下实现窄脉宽高峰值功率激光输出,而在更高重频下仍有较好输出性能的声光调Q将取代电光调Q成为几百千甚至上兆Hz高重频激光器的首选调Q机制。
脉冲半导体泵浦掠入射Nd:YVO4板条振荡器储能优化
李之通, 于灏洋, 程思齐, 姜梦华, 惠勇凌, 雷訇, 李强
2017, 46(2): 205003. doi: 10.3788/IRLA201746.0205003
[摘要](188) [PDF 1469KB](115)
板条放大器中寄生振荡的存在严重影响了激光放大器的效率,降低了板条晶体的储能。为抑制掠入射板条寄生振荡、提高晶体储能,对掠入射板条放大器的增益介质Nd:YVO4晶体进行了表面处理。该处理用离子溅射的方法,对板条的上下两个梯形面和梯形长边所在的矩形面镀锗,抑制板条内部的寄生振荡。通过实验对镀锗和未镀锗板条振荡器的自由振荡输出和调Q输出特性进行了对比,镀锗板条振荡器在调Q下的阈值电流降低了15%,晶体的储能提高了86.9%;而两种板条在调Q条件下输出的光束质量、脉宽大小、光斑形状基本一致。实验结果表明,板条表面镀锗是抑制其内部寄生振荡、提高储能的有效方法。
非链式DF激光器非稳腔数值仿真与实验
阮鹏, 潘其坤, 谢冀江, 刘春玲, 柴源
2017, 46(2): 205004. doi: 10.3788/IRLA201746.0205004
[摘要](189) [PDF 3521KB](66)
基于描述光束传播的菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论,运用快速傅里叶变换算法仿真了非稳腔DF激光的三维近场、远场光强分布。仿真结果显示:非稳腔的近场输出光斑形状为中心对称的空心圆环,远场输出光斑为具有中心亮斑的多级衍射环;大M数将导致近场光斑能量集中,大的Neq值将引起远场发散角变大。运用该算法研究了腔镜倾斜对近场光强分布的影响:腔镜倾斜使光束近场分布变差,倾斜角越大,光强的非对称分布越明显。开展了非链式DF激光器非稳腔实验研究,实验得到的近场、远场光强分布及腔镜失调下的近场光斑变化情况与数值模拟结果一致,实验测量的远场发散角为1.2 mrad。文中的仿真结果可为DF激光器腔镜失调诊断及调节提供依据。
大功率CO2激光器输出窗口热性能分析
张阔, 陈飞, 李若斓, 杨贵龙
2017, 46(2): 205005. doi: 10.3788/IRLA201645.0205005
[摘要](218) [PDF 1672KB](123)
为了研究大功率CO2激光发射过程中输出窗口吸收激光能量产生热性能变化的问题,建立了输出窗口传热学和结构力学耦合非稳态模型,通过对模型进行有限元分析得到表征输出窗口变化的温度、热变形和热应力等参数分布。首先,针对大功率CO2激光特点,讨论了输出窗口材料GaAs和ZnSe的物理特性。然后,基于10 kW级大功率CO2激光器光学谐振腔结构和输出窗口材料物理特性,建立了输出窗口传热学和结构力学的有限元模型。最后,利用COMSOL软件对该模型进行求解,得到以GaAs和ZnSe为材料的输出窗口的温度、热变形和热应力等参数分布,并对比分析不同窗口材料对参数的影响。研究表明:在10 kW级激光作用下,ZnSe窗口温升小于GaAs窗口;两种输出窗口产生m量级热变形;由于GaAs材料的热导率高,GaAs窗口的热变形和热应力分布更为均匀。
红外技术及应用
水面舰艇8~12μm波段红外辐射建模与实验研究
李伟, 邵利民, 李树军, 周红进
2017, 46(2): 204001. doi: 10.3788/IRLA201746.0204001
[摘要](194) [PDF 1201KB](132)
为研究舰载红外传感器的有效作用距离,根据朗伯辐射源的定义和辐射特点,在对水面舰艇红外辐射特点进行科学分析的基础上,提出了水面舰艇特定波段、特定方向下的红外辐射功率计算模型。模型充分考虑到了舰艇作为点源与面源的双重属性,利用相对辐射度表给出了在不同方位的功率计算办法。为了验证模型的有效性,利用FLIR红外热像仪在相应波段进行了成像实验,结果表明:根据模型理论计算所得能见距离与实际能见距离吻合较好,为研究舰载红外传感器在不良气象条件下的工作情况提供了基本依据。
红外偏振成像系统高速处理模块设计
徐超, 何利民, 王霞, 金伟其
2017, 46(2): 204002. doi: 10.3788/IRLA201746.0204002
[摘要](237) [PDF 2686KB](145)
基于中波制冷320256红外焦平面探测器,设计了以FPGA为处理核心,集SDRAM存储器及其他功能模块电路为一体,适用于时间分割型偏振成像系统的高速成像处理模块。处理模块主要由前端与探测器相连的驱动板、以FPGA为核心的处理板和系统电源板等组成,实现了盲元补偿、非均匀性校正、平台直方图均衡、线性映射等算法和校正参数的在线计算,具有内外同步可切换、积分时间连续可调的功能,能够输出分辨率为320256像素、帧速为200 fps的高质量红外图像,满足偏振成像系统对运动目标的实时探测要求。采用旋转偏振片的方法对带凹槽塑料水杯开展偏振成像实验,提取出有效的Stokes参量图像,观察到显著的偏振特性。该处理模块可广泛用于空间目标探测、地雷探测、海上搜救及伪装目标的探测等领域。
基于红外技术的液体火箭发动机尾焰流场测量研究
王大锐, 张楠
2017, 46(2): 204003. doi: 10.3788/IRLA201746.0204003
[摘要](220) [PDF 1693KB](121)
利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)和热像仪对常规液体火箭发动机尾焰流场红外光谱和图像进行了测量研究。红外光谱检测出了尾焰流场中的主要燃烧产物H2O、CO2以及微量燃烧产物NO、N2O。红外图像捕捉到了尾焰流场结构,建立了图像特征与燃烧状态之间的关系。研究结果表明:红外光谱仪和红外热像仪可对尾焰特征燃烧产物、流场结构进行精确测量,红外技术的应用为发动机工作状态监测提供一种新的分析手段。
波瓣混合器对双S形二元排气系统红外特性的影响
王丁, 吉洪湖, 卢浩浩
2017, 46(2): 204004. doi: 10.3788/IRLA201746.0204004
[摘要](195) [PDF 2051KB](65)
为了研究波瓣混合器对排气系统红外特性的影响,设计了波瓣数分别为12、15、18的波瓣混合器双S形二元排气系统,通过数值计算研究了波瓣数对排气系统红外抑制效果的影响,并与相应的环形混合器双S形二元排气系统对比。研究结果表明,随着波瓣数的增加,排气系统的推力略微升高,最大差值在0.1%以内;波瓣数越少,排气系统内、外涵气流的热混合度越高,尾喷流的最高温度和红外辐射强度越低,波瓣数由18减少到12时,喷流辐射强度最大降低了18.1%;相比环形混合器双S形二元排气系统,在侧向和下方探测面上纯喷流辐射的90方位角,三种波瓣数的波瓣混合器双S形二元排气系统辐射强度分别降低了20.9%和26.9%以上。因此,为了得到更好的红外抑制效果,建议使用较少波瓣数的波瓣混合器。
滚仰式导引头红外光学系统设计
孙赤全, 赵侃, 孟军合, 穆郁
2017, 46(2): 204005. doi: 10.3788/IRLA201746.0204005
[摘要](258) [PDF 1751KB](241)
滚仰式红外光学系统由物镜前组、折转镜组和成像后组组成,其平台内框架俯仰范围可达到90,外框架可以实现360滚转,使光学系统观察视场覆盖整个前半球。光学系统实现了100%冷光阑效率。为适应较大的工作环境温度变化,对光学系统开展了被动无热化设计,给出了被动无热化实现的计算公式,并利用虚拟色差技术,快速确定了满足无热化条件的光学系统最优初始解。针对制冷型红外光学系统的冷反射效应,给出了冷反射诱导温差(NITD)的计算公式,并对敏感表面进行了优化控制。设计结果表明,光学系统焦距为58 mm,视场大小为4.0,F数为2.0,在-50~60℃工作温度范围内系统MTF值接近衍射极限,并对冷反射效应具有较好的抑制能力。经样机测试,光学系统成像清晰稳定,性能良好,满足设计及使用要求。
光学设计及仿真
多谱段共孔径跟踪/引导系统光学设计
贾冰, 曹国华, 吕琼莹, 丁红昌
2017, 46(2): 218001. doi: 10.3788/IRLA201746.0218001
[摘要](279) [PDF 1326KB](189)
共孔径光学结构可以充分利用长焦距、大孔径光学系统高分辨率的特点,是光学系统发展的重要方向之一。文中设计了一套可见光成像、激光成像和激光测高共孔径的跟踪引导系统。共孔径设计结合了高分辨率的可见光系统与高测量精度的激光系统,使系统既可以获得目标的高清图像,又可以得到目标的相对位置信息。同时,共孔径光学结构可以压缩系统尺寸,降低光学系统在跟踪过程中的转动惯量,有利于系统的整体实现。可见光子系统的焦距1 200 mm,F数6,视场1.2;1 064 nm激光成像子系统焦距1 500 mm,F数7.5。各系统的成像质量均接近衍射极限,并通过公差分析验证了系统的公差分配结果。
康普顿光源精密调节镜架机构的设计与分析
刘今越, 任东城, 张靓, 贾晓辉, 崔月盟
2017, 46(2): 218002. doi: 10.3788/IRLA201746.0218002
[摘要](237) [PDF 2745KB](84)
为弥补国内航天探测中用于探测器标定的源单色性差、能量覆盖范围小等缺陷,设计了一种康普顿光源精密调节镜架。该镜架由压电陶瓷电机驱动,通过柔性铰链的柔性变形传递运动,对激光入射角进行精密调节,实现激光束与高能电子束精确对撞,从而获得峰值能量连续变化的粒子。利用伪刚体模型理论对该镜架进行建模,分别得到了该机构沿纬度方向和经度方向的刚度模型和位移模型,结合有限元仿真,对位移理论模型和镜架中应力分布规律进行了分析,其结果验证了机构参数选择的合理性。最终得到了经度、纬度方向调节范围均为1.12、定位精度不小于610-4的精密调节镜架。
大气光学
双光程纹影在高超声速流场显示中的应用
李明, 祝智伟, 杨彦广, 谢爱民
2017, 46(2): 211001. doi: 10.3788/IRLA201746.0211001
[摘要](232) [PDF 1371KB](133)
为了解决单光程纹影系统在高马赫数、低静压流场显示中灵敏度低的问题,研制了国内首套最大口径为900 mm的双光程纹影系统。与单光程纹影系统相比,双光程纹影系统具有更高的灵敏度,能提供更多的流场细节,能拓宽纹影技术的应用范围。通过用LED四色光源代替常规的彩色刀口、增加补偿透镜、优化照相物镜和精细调节LED四色光源,较好地消除了试验流场重影。通过增加入射光阑,有效减弱了试验流场中出现的光源光斑。对单光程纹影流场图与双光程纹影流场图进行了比较。在马赫数Ma=10、试验总压为2.0 MPa、试验总温为1 100 K、攻角为0~15试验条件下,通过双光程纹影系统,获得了大钝头模型清晰的试验流场图像。最后分析了双光程纹影技术的优缺点及改进方向。
雷诺数对超声速气膜气动光学效应影响的实验研究
丁浩林, 易仕和, 付佳, 吴宇阳, 张锋, 赵鑫海
2017, 46(2): 211002. doi: 10.3788/IRLA201746.0211002
[摘要](175) [PDF 2312KB](107)
受到风洞实验能力的限制,高速飞行器气动光学效应实验很难与其实际飞行情况完全一致。雷诺数作为重要的相似准则数,在经典流体力学风洞实验中应用广泛,研究其对于气动光学效应的影响,对于建立气动光学相似准则具有重要意义。基于定理对可能影响气动光学效应的变量进行分析,证明了雷诺数是影响气动光学效应的一个相似准则数;通过创新性设计变雷诺数实验装置,可以实现喷流单位雷诺数在106~108 m-1范围内变化。通过选取八个典型的雷诺数,并利用BOS-WS(BOS-based Wavefront Sensor)技术测量了对应状态的光程差,通过函数拟合的方法得到了光程差的均方根值与雷诺数之间的幂函数关系式。通过对不同孔径下的测量结果进行对比和归一化处理可以发现,对于二维超声速气膜而言,观察孔径尺寸并不会对获取的规律产生影响。
微纳光学
米状银纳米颗粒对局域电场增强的理论模拟
王明利, 朱艳英, 魏勇, 张乐
2017, 46(2): 216001. doi: 10.3788/IRLA201746.0216001
[摘要](216) [PDF 1521KB](160)
为了提高表面增强拉曼散射技术中基底的增强效果,采用时域有限差分算法从理论上对不同入射光偏振方向下米状银纳米颗粒的电场增强进行了模拟分析,分别研究了单个银纳米颗粒和不同组合的二聚体以及三聚体的形状、间距对局域电场强度的影响,并且详细讨论了导致电场增强的原因。结果表明,当米状银纳米颗粒长度约为300 nm时,应控制其短轴约为36 nm,间距约为2 nm,且入射光偏振方向平行于长轴,此时在颗粒的尖端处均会产生最大电场增强,其中二聚体尖端对尖端情形下增强效果尤为明显。该结论为拉曼基底实验中纳米颗粒的制备提供了一定的理论基础。
光通信与光传感
一种利用布里渊谱宽确定光纤SBS阈值的新方法
李永倩, 李晓娟, 安琪, 张立欣
2017, 46(2): 222001. doi: 10.3788/IRLA201746.0222001
[摘要](212) [PDF 1354KB](135)
针对传统的通过功率信息测量所得受激布里渊散射阈值偏高的问题,提出了一种利用布里渊散射谱宽确定光纤受激布里渊散射阈值的新方法。分析了本地外差检测的原理及布里渊散射谱宽与入纤光功率的关系;设计了基于本地外差检测的布里渊散射谱测量系统,在常温下对不同长度标准单模光纤的受激布里渊散射阈值进行了测量。实验结果表明:当光纤长度分别为48.8 km和9.5 km时,根据功率信息获得的受激布里渊散射阈值对应的布里渊散射谱宽均接近恒定值10 MHz,此时已发生严重的泵浦耗尽效应。利用布里渊散射谱表现出的低入纤功率时谱宽的线性下降特性和高入纤功率时谱宽的功率无关特性确定的两种光纤长度下的受激布里渊散射阈值分别为1.12 mW和3.8 mW,对应的布里渊散射谱宽分别为24.86 MHz和23 MHz,其值近似等于布里渊自然线宽。文中的研究结果对布里渊光时域反射系统最大入纤光功率的确定具有重要的参考价值。
光电测量
采用萨格纳克干涉仪与螺旋相位片生成矢量光束
辛璟焘, 李凯, 张雯, 娄小平, 祝连庆
2017, 46(2): 217001. doi: 10.3788/IRLA201746.0217001
[摘要](240) [PDF 1601KB](234)
萨格纳克干涉仪中传播的两束光具有相同的光程,因而适合用于高稳定的合束系统,螺旋相位片作为无源、分离器件具有螺旋光束转化效率高、工作环境适用条件低等优点。研究将萨格纳克干涉仪和螺旋相位片结合起来生成矢量光束的方法具有重要的研究意义。通过分析光束的轨道角动量态和偏振态在萨格纳克干涉仪中的演化规律,优化设计出了等腰直角三角形的合束光路结构。合束装置可以不使用1/2波片进行光束偏振态调制,因此光路结构更紧凑和稳定。通过旋转检偏器方法测量了生成矢量光束的阶数。实验结果证实了合束方法的高稳定性和高效率。
GSSM系统抖动测量误差分析
安其昌, 张景旭, 杨飞, 孙敬伟
2017, 46(2): 217002. doi: 10.3788/IRLA201746.0217002
[摘要](184) [PDF 1549KB](90)
30 m望远镜三镜是世界上最大的平面镜,由于其复杂的功能,又被称作大型科学可控反射镜(Giant Steering Science Mirror,GSSM)。为了更好地分析与抑制GSSM在实现光线中继功能时的抖动,需要对抖动有精确的测量。由于GSSM抖动的要求特殊且严格,在测量之前,需要对抖动测量的误差进行仔细地分析与理解,才可以更好地完成检测任务。首先,文中针对使用编码器进行抖动测量的情况,在不同的测量方案以及相对距离下,通过蒙特卡洛方法可以得到由激光跟踪仪进行标定的误差:俯仰轴线的定位误差,在轴上测量的期望为1 m,小于轴外测量的3 m;方位轴线的定位误差在激光跟踪仪偏离两米的情况下为4.6 m。之后对加速度计测量抖动的误差进行了考虑,首先推导了使用功率谱方法的完备性条件;之后使用累积功率谱对于333B32的标定结果进行处理,得到当采样频率为2 048 Hz,0.05 Hz以外的频段,其精度为0.6 m。抖动的测量以及误差分析,不仅是GSSM建设过程中十分重要的环节,同时,它可以为大口径望远镜建设提供宝贵的统计学先验知识,并对于系统工程的发展是一种很好的推动。
光电跟踪自抗扰控制技术研究
王婉婷, 郭劲, 姜振华, 王挺峰
2017, 46(2): 217003. doi: 10.3788/IRLA201746.0217003
[摘要](198) [PDF 1374KB](157)
为了实现对快速运动目标高精度跟踪,对光电跟踪系统中的自抗扰控制技术进行了研究。根据速度闭环传递函数,利用三阶非线性扩张观测器估计系统状态变量,实现对不确定性因素的补偿,通过改变位置环被控对象传递函数提高系统的跟踪精度。对系统进行仿真与实验研究,分析自抗扰控制对光电跟踪系统动态和稳态性能的影响,与PI控制相对比,结果表明:对于高速运动目标,利用自抗扰控制技术可以将系统的跟踪精度提高7倍左右;对于低速运动目标,由于摩擦和系统噪声的影响,系统的跟踪精度仅提高了4倍左右。若在控制回路中引入相位超前环节,可以将系统的超调量降低40%,进一步改善了系统的动态性能,该技术的实现对于高精度跟踪控制的研究具有重要的应用价值。
光学像差对星点质心定位误差的影响分析
谭迪, 张新, 伍雁雄, 刘涛
2017, 46(2): 217004. doi: 10.3788/IRLA201746.0217004
[摘要](179) [PDF 1508KB](98)
星点质心定位精度直接决定了星敏感器姿态测量精度的极限,其误差源之一是弥散斑模型的选取。星敏感器光学系统像差无法完全消除,必然影响弥散斑分布,研究光学像差对星点质心定位误差的影响对工程应用具有重要意义。文中以Gauss弥散斑模型为比较,研究了离焦等4种光学像差对星点质心定位的影响机理和分布规律,结合质心定位的物理过程推得光学像差影响下的误差解析式,并实现数值仿真,结果表明:光学像差形成不同的弥散斑模型,导致不同的星点质心定位误差分布;星点弥散斑边缘能量减弱趋势对质心定位误差影响较大,若控制光学像差使相应弥散斑边缘能量呈缓慢趋势减弱,则有利于定位误差的减小。光学像差影响下的星点质心定位误差分析对相应的误差补偿具有指导意义,提出的各光学像差的控制意见有利于指导星敏感器光学系统设计。
光谱探测与分析
对数变换-波长调制光谱在气体检测中的应用
丛梦龙, 孙丹丹, 王一丁
2017, 46(2): 223001. doi: 10.3788/IRLA201746.0223001
[摘要](270) [PDF 1226KB](119)
为了提高痕量气体检测的稳定性并扩大动态范围,引入对数变换方法和差分检测电路,对常规波长调制光谱技术进行了改良。在使用锁相放大器提取与气体吸收相关的谐波信号之前,由自制的接收器完成对数变换和差分检测功能。通过对数变换,使激光强度调制与气体吸收引起的光功率衰减量实现了分离,再利用差分检测消除前者。受益于此双管齐下的策略,理论上可以捕捉吸收光谱的任意阶谐波分量,并且免受剩余幅度调制和谐波畸变的影响。为了验证理论,对NH3的P(6)吸收谱线的二次谐波进行了采集。在296 K的环境温度、1.01105 Pa的总压力和24.5 cm的有效光程下,假设信噪比降低为1时推导得到的理论检测下限为0.7 ppm(1 ppm=10-6)。以上结果表明该方案是痕量气体检测应用的一种理想选择。
光电器件与微系统
掺铒镉铝硅酸盐玻璃的Judd-Ofelt理论分析与光谱特性
宋昭远, 邵秋峰, 冯伟健, 黄艳茹, 张雷, 张磊磊
2017, 46(2): 220001. doi: 10.3788/IRLA201746.0220001
[摘要](219) [PDF 991KB](130)
以掺杂光子晶体光纤为介质的光纤激光器一直受到科研工作者的广泛关注,应用于光子晶体光纤纤芯的掺稀土元素玻璃的制备成为研制掺杂光子晶体光纤的关键问题。利用高温熔融工艺制备掺铒镉铝重金属硅酸盐玻璃样品,测试了其吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命。采用Judd-Ofelt理论,计算了样品的强度参数t(t=2,4,6)以及铒离子的理论和实验振子强度、自发辐射几率、荧光分支比和荧光辐射寿命等参数,利用测得的荧光光谱计算了铒离子能级4I13/24I15/2的受激发射截面及荧光半高宽。结果表明:掺铒镉铝重金属硅酸盐玻璃具有较大的受激发射截面和比较宽的荧光半高宽,量子效率较高,达92.6%,与相关文献中的铒掺杂玻璃相比,具有良好的激光激发性能,有望在研制掺杂光子晶体光纤中得到应用。
使用梯度折射率液晶微透镜阵列的光场成像
雷宇, 佟庆, 张新宇
2017, 46(2): 220002. doi: 10.3788/IRLA201746.0220002
[摘要](259) [PDF 1723KB](108)
光场成像可以获取场景的三维信息。通过在主透镜和图像传感器之间插入一个微透镜阵列,不仅可以记录光线的辐射度,还记录了光线入射的方向。提出了使用梯度折射率液晶微透镜阵列进行光场成像的方法。该阵列基于向列相液晶材料,利用其各向异性和双折射的特点,通过紫外光刻技术和湿法刻蚀技术制作,具有圆孔阵列图案。在该阵列的上下电极之间加载一个交流电压信号后,每个微透镜可以有效会聚入射光,搭建了测试系统来测试该阵列的聚焦特性和焦距。将该阵列与一个主透镜和一片图像传感器耦合得到一个光场成像相机,并使用该相机采集了图像。
信息获取与辨识
实现弱星提取及质心定位的帧间窗口移位灰度叠加法
高自谦, 王海涌, 高洪民, 秦天沐, 李晶津
2017, 46(2): 226001. doi: 10.3788/IRLA201746.0226001
[摘要](216) [PDF 1327KB](109)
星敏感器在动态跟踪模式下,移位星像的信噪比衰减,弱星难以提取,当探测星数降为2颗时,定姿误差加大。鉴于对齐灰度叠加不能显著提高动态星像的信噪比,故提出一种帧间窗口移位灰度叠加法。通过对备选弱星窗口灰度数据进行流水缓存并移位叠加,增强弱星灰度及信噪比,使其满足探测阈值条件,确保星敏感器视场中始终保持不少于3颗星。仿真结果表明:4帧灰度叠加后弱星信噪比较单帧星图提高了1倍多,增加一颗观测星后定姿精度更高。
应用SVM的PM2.5未来一小时浓度动态预报模型
张长江, 戴李杰, 马雷鸣
2017, 46(2): 226002. doi: 10.3788/IRLA201746.0226002
[摘要](205) [PDF 1453KB](146)
目前现有的PM2.5模式预报值偏离实况观测值较大。针对上述问题,从上海浦东气象局获得2012年11月~2013年11月的PM2.5实况观测浓度、PM2.5模式预报(WRF-CHEM)浓度和主要气象影响因子的模式预报数据资料,在PM2.5模式预报数据的基础上,加入另外5个主要气象影响因子的模式预报数据,应用支持向量机(SVM)建立动态预报模型,提高PM2.5未来一小时浓度预报的精度,并且与径向基神经网络(RBFNN)、多元线性回归法(MLR)、WRF-CHEM作对比。实验结果表明:该算法较大提高了PM2.5未来一小时浓度预报的精度,预报精度优于RBFNN、MLR和WRF-CHEM,并且对PM2.5浓度变化剧烈的情况具有较好地预报能力。
基于仿生视觉的海面船只检测方法
胡晓光, 高树辉, 李卉, 钟成, 程承旗
2017, 46(2): 226003. doi: 10.3788/IRLA201746.0226003
[摘要](173) [PDF 1247KB](204)
对地观测系统可以快速检测大面积区域,为世界各沿海国家的船只监测任务带来了极大便利。针对遥感影像中的船只自动化检测问题,利用船只相对于海面呈现明显的视觉显著特性,提出了一种基于船只与海面反差特性的船只检测方法,将对船只的检测定位转变为对场景中显著目标的发现与分割问题。方法以视网膜到初级视觉皮层V1这一视觉通路的生理过程为指导,模拟了其中视觉信号的产生机制以获得场景的显著图。以光学影像为例进行的实验结果显示,在没有目标先验知识的前提下,基于反差特性的方法能有效地将视觉注意力集中于海面船只目标,取得了较好的检测结果。