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2017年  第46卷  第6期

邀请报告
用于目标识别的紧凑型仿生复眼光学系统设计
付跃刚, 赵宇, 刘智颖, 张凯, 朱启凡, 李亚红
2017, 46(6): 602001. doi: 10.3788/IRLA201746.0602001
[摘要](396) [PDF 1174KB](236)
大孔径仿生复眼光学系统兼顾了凝视大视场的同时,克服了生物复眼孔径小、视距短的缺陷。通过对仿生复眼视场拼接方法的分析,研究了实际阵列周期与理论计算周期数的关系,并提出了降低子眼系统密度的填补子眼法。通过研究球面固定本体设计中的几何关系,建立了本体径向半径d与曲率半径R的数学关系,提出了球面固定本体的设计方法,完善了之前提出的仿生复眼视场拼接理论。通过实际的装调实验,验证了设计方法的正确性。利用该方法可提高仿生复眼系统的集成性,减小系统尺寸,推动了仿生复眼光学系统的实际应用。
光学工程优秀博士论文
任意拓扑荷光学旋涡的产生及应用
步敬, 张莉超, 豆秀婕, 杨勇, 张聿全, 闵长俊
2017, 46(6): 634001. doi: 10.3788/IRLA201746.0634001
[摘要](400) [PDF 1128KB](198)
光学旋涡在很多领域开展了广泛的研究和应用。介绍了一种基于涡旋波片的光学旋涡产出方法,并通过波片组合的方法可以产生任意拓扑荷的光学旋涡,该方法具有很好的灵活性。同时由于波片的透过率非常高,实验中拓扑荷为3 的光学旋涡的产生效率高达93%以上。通过干涉产生的叉形光栅叉数和方向进一步检测了产生光学旋涡的拓扑荷。利用产生的光学旋涡还进行了初步的光学操控实验,验证了轨道角动量对于微颗粒的动态操控作用。该方法将在更多领域得到推广和应用。
白光干涉仪传递函数的成因分析及其非线性研究
刘乾, 袁道成, 何华彬, 吉方
2017, 46(6): 634002. doi: 10.3788/IRLA201746.0634002
[摘要](387) [PDF 1086KB](124)
为提高光学表面的功率谱密度检测精度,研究了白光干涉仪仪器传递函数(ITF)的产生机理和标定方法。将白光干涉仪作为非相干成像系统,对正弦表面干涉光强进行Bessel函数展开,通过干涉光强的频谱强度变化研究白光干涉仪对正弦表面高度的作用机理,利用数值仿真计算了白光干涉仪对正弦表面的衰减程度。采用30、80、120 nm高度的台阶标准板对商品白光干涉仪的传递函数进行标定,并提出了一种可靠的ITF计算方法。理论分析、数值仿真和实验结果表明:ITF随表面高度的增加而增大,此时白光干涉仪对表面高度的响应表现出明显的非线性;表面高度小于/10得到的ITF曲线与白光干涉仪光学系统调制传递函数非常接近,白光干涉仪对表面高度的响应接近线性。文中对于白光干涉仪频域传递特性研究和光学表面功率谱密度检测具有重要意义。
激光器技术
谐振腔失谐对二极管泵浦Nd:YAG激光器性能的影响
蒙裴贝, 史文宗, 颜凡江, 李旭
2017, 46(6): 605001. doi: 10.3788/IRLA201746.0605001
[摘要](397) [PDF 1153KB](151)
理论和实验研究了激光器谐振腔失谐对激光器性能的影响。一方面,理论上,基于准连续二极管泵浦、电光调Q固体激光器的特点,建立了包含谐振腔失谐修正函数的速率方程模型。通过数值仿真,模拟了不同激光模式、光斑半径、孔阑半径、孔阑位置情况下,谐振腔失谐对激光器损耗以及激光性能的影响。另一方面,实验测量了谐振腔失谐对激光器性能的影响。对于长250 mm、最小孔阑半径3.5 mm的凹凸非稳腔,凹面全反镜失谐比凸面输出镜失谐对激光器性能的影响大,当凹面全反镜水平方向失谐角度由0增加到490 rad时,激光能量由220 mJ下降到150.9 mJ,下降31.4%,脉冲宽度由5 ns增大到6.5 ns,实验结果和理论分析结果基本相符,说明激光模型的正确性。建立的模型与实验方法为预测激光器谐振腔失谐对激光器性能的影响提供了一种有效工具,为高可靠性激光器设计提供了依据。
环形激光陀螺放电管电学特性研究
樊振方, 卢广锋, 张斌, 汪之国, 罗晖
2017, 46(6): 605002. doi: 10.3788/IRLA201746.0605002
[摘要](259) [PDF 871KB](75)
激光陀螺通常采用高压直流来提供泵浦。放电管的负阻特性会引起稳流回路的不稳定或震荡。为了优化放电环路,研究了放电管的阻抗特性。测量了不同放电电流下的管压降,通过多项式拟合得到了放电管的伏安特性曲线。由于微变阻抗直接决定了环路的稳定性,重点分析了微变阻抗随着电流的变化规律。研究可以为镇流电阻的选择和放电环路的优化设计提供参考,可以降低功耗并提高电路的可靠性。多样本测试表明文中的结论具有普遍适用性。
基于Nd:YVO4/PPMgOLN的532nm紧凑型阵列激光器
刘玉良, 梁万国, 周煌, 陈立元, 鲁国志
2017, 46(6): 605003. doi: 10.3788/IRLA201746.0605003
[摘要](258) [PDF 1080KB](83)
为更适用于批量生产激光投影仪,需要一种具有结构紧凑、性能稳定与低成本等特点的绿色激光器作为绿光光源。采用光胶合的Nd:YVO4/PPMgOLN晶体棒作为增益介质和倍频晶体,结合一种新型焊接封装工艺,最终得到了一种紧凑型微片阵列激光器。该激光器3个激光光束共得到了223.7 mW的功率输出,每个激光光束都有良好的光斑分布和稳定性,且激光器包含两个内置TEC在内具有47 mm35 mm25 mm的紧凑尺寸。激光器连续工作2.5 h波动小于2.5%。各项性能可以充分满足激光投影仪绿光光源的要求,并便于低成本批量生产与后期维护。
高效率、高峰值功率351nm准连续紫外激光器
崔建丰, 高涛, 张亚男, 王迪, 姚俊, 岱钦
2017, 46(6): 605004. doi: 10.3788/IRLA201746.0605004
[摘要](294) [PDF 919KB](134)
报道了一台高效率、高峰值功率351 nm紫外激光器。采用激光二极管(LD)端面抽运Nd:YLF晶体声光调Q获得准连续窄脉宽1 053 nm基波振荡,腔外两块LiB3O5(LBO)晶体紧贴输出镜放置,对基频光进行二倍频和三倍频,获得了高峰值功率351 nm紫外激光输出。在LD抽运功率为14 W、声光调 Q 激光器的调制频率为1 kHz的工作条件下,基波平均输出功率为1.45 W时,得到351 nm紫外激光平均输出功率450 mW,1 053 nm基频光到351 nm紫外光转换效率高达31.04%,脉冲宽度为7.5 ns,峰值功率达60 kW,光束质量良好。
脉冲HF激光器预电离设计及效果评估
易爱平, 朱峰, 唐影, 马连英, 黄珂, 黄超, 于力, 刘晶儒
2017, 46(6): 605005. doi: 10.3788/IRLA201746.0605005
[摘要](314) [PDF 964KB](72)
气体介质稳定体放电是放电激励气体激光器高效输出的基础和前提,预电离是实现高压气体介质稳定体放电的有效技术途径之一。基于放电激励脉冲HF激光器电气结构总体设计要求设计了结构紧凑的紫外光自动预电离装置, 并对其在气体介质中预电离产生的初始电子数密度进行了数值模拟。模拟结果表明:在整个放电区域内初始电子数密度均在109/cm3左右,满足介质体放电要求。通过激光器能量输出实验评估了预电离效果,对SF6和H2混合气体介质,在充电电压较低时,输出能量有数倍的提高;对SF6和C2H6混合气体介质,在充电电压20 kV时激光器输出能量由200 mJ提高至297 mJ,提高了近50%。实验结果表明:该预电离装置对改善激光器能量输出特性有明显效果。
激光技术及应用
光强均匀度对GaAs电池组光电转换效率的影响
吴政南, 谢江容, 杨雁南
2017, 46(6): 606001. doi: 10.3788/IRLA201746.0606001
[摘要](339) [PDF 1001KB](65)
为了研究激光光强均匀度对GaAs电池转换效率的影响,基于单结GaAs电池的工作原理,利用等效电路对其在受到不同光强激光照射时的光电转换效率进行分析,并通过实验测量不同光强均匀度情况下GaAs串联电池组的光电转换效率。结果表明,光强均匀度对GaAs电池组的光电转换效率有很大影响。在极限条件下,由光强不匀均性引起的热斑效应还会造成电池片的损毁。
陶瓷涂层加固铝合金薄板的抗激光性能测试
张天宇, 孔斌, 陈敏孙, 杨军, 江厚满
2017, 46(6): 606002. doi: 10.3788/IRLA201746.0606002
[摘要](390) [PDF 1163KB](92)
针对铝合金基材设计了ZrO2陶瓷涂层,采用976 nm连续波激光对样品的抗激光性能进行了测试。基材厚度为2.5 mm,涂层厚度为0.3 mm,实验测试时样品前表面加载了0.3 Ma切向空气流。记录了辐照区域后表面测点的温度变化情况,测量了未辐照区与辐照区的反射率谱,并进行了XPS成分分析。结果表明:平均功率密度700 W/cm2的激光辐照60 s样品没有熔化;辐照区域颜色变白,对近红外光的反射率变大。颜色变白的原因可能是涂层表面沾染的含碳化合物在激光辐照过程中被热解或气化,这与XPS检测结果相一致。
1064nm激光预处理对HfO2/SiO2反射膜损伤形态转化影响研究
刘志超, 郑轶, 潘峰, 王震, 王健, 许乔
2017, 46(6): 606003. doi: 10.3788/IRLA201746.0606003
[摘要](290) [PDF 1105KB](84)
实验研究了不同激光预处理参数对于纳秒激光多脉冲作用下HfO2/SiO2反射膜损伤形态转化的影响。通过对比两类损伤扩张性和对薄膜功能性破坏机制,提出激光预处理技术的重要意义在于抑制损伤形态转化过程。通过薄膜损伤形态分析揭示了激光预处理作用机制为节瘤缺陷的去除和亚表面吸收前驱体的形成两方面的综合作用。实验结果表明:预处理后薄膜损伤形态转化特征曲线向更高通量和更多发次方向平移。针对现有工艺下的薄膜,采用高通量、两台阶的预处理参数组合能够获得兼顾效率的最佳收益,其零几率损伤形态转化阈值最高可以提升140%。
红外技术及应用
电弧风洞模拟ZnS红外窗口表面温度响应
袁竭, 隆永胜, 赵顺洪, 周玮, 杨斌
2017, 46(6): 604001. doi: 10.3788/IRLA201746.0604001
[摘要](256) [PDF 1198KB](75)
为了开展红外窗口地面试验研究,需用电弧风洞准确模拟出红外窗口表面温度响应过程,ZnS具有红外透明性,地面流场模拟试验中,在不影响其流场状态情况下较难获得其表面温度,因此无法模拟出红外窗口的温度响应过程。介绍了在电弧风洞上模拟ZnS红外窗口表面温度响应的方法,首先使用与ZnS相似热物性参数的2Cr13获得表面温度,接着模拟出红外窗口流场状态及温度响应过程,最后通过电弧风洞流场试验进行验证。研究结果表明:在150~250℃温度区间,2Cr13与ZnS在电弧风洞流场试验中的温度响应一致。使用与ZnS相似热物性参数的2Cr13测试ZnS表面温度实现电弧风洞模拟ZnS表面温度响应具有一定可行性。
采用APD单光子阵列读出集成电路的红外测距技术
吴金, 俞向荣, 史书芳, 郑丽霞, 孙伟锋
2017, 46(6): 604002. doi: 10.3788/IRLA201746.0604002
[摘要](315) [PDF 1224KB](177)
红外单光子探测因其超高的检测灵敏度和信噪比,有效提升了弱光检测系统的性能水平。基于TSMC 0.35m CMOS工艺,提出了一种阵列型数字式红外读出电路及其应用系统的设计方法。采用由OSC多相时钟构成的低段全局共享TDC和高段像素独享TDC的两段式阵列结构,在170 MHz时钟频率下,实测获得了小于1 ns的时间分辨率和3s的量程,并在1 kHz的帧率下采用串行模式输出数据,经相关数据处理,最终实现测距轮廓成像的功能。
基于辐射散热的空间目标红外特性建模与研究
李文豪, 刘朝晖, 穆 猷, 梁冬生, 杨蕊
2017, 46(6): 604003. doi: 10.3788/IRLA201746.0604003
[摘要](319) [PDF 1497KB](92)
首先介绍了用于保证空间目标正常工作常用的辐射散热器分类,并阐述了其运行模式及使用条件。总结了现有的空间目标红外特性模型,并进一步分析,将空间目标外表面区域分为一般区域和辐射散热区域,建立不同的能量方程。以FY-1C为例,根据空间目标的轨道特性、材料特性和结构特性,使用有限单元法分析得到空间目标外表面的温度场分布,在散热功率为0 W和100 W的情况下,散热区域温差最大为51.49 ℃。结合温度场分布和轨道特性,进一步计算得到空间目标在距离5 km的探测系统入瞳处的辐射照度。当目标处于地球阴影区,目标散热区域接收到的地球自发辐射和地球反射辐射入射角很大,可以忽略不计,此时目标的辐射照度在两种散热功率下相差1~2个数量级。在日照区,由于目标反射辐射的影响,不同的散热功率只对长波波段的辐射特性有一定影响。
沙尘在FSO常用红外波段的散射特性研究
杨玉峰, 李挺, 李建勋, 王昭雷
2017, 46(6): 604004. doi: 10.3788/IRLA201746.0604004
[摘要](313) [PDF 946KB](98)
研究红外波段沙尘的散射特性对自由空间光通信(FSO)具有重要的理论意义。针对FSO常用的几个红外波长,采用Mie理论对激光在不同沙尘粒径下的散射特性进行了分析;基于粒子尺寸的对数正态分布模型,计算了沙尘条件下红外波段(0.76~10.6 m)激光的传输衰减率。结果表明:在沙尘条件下,7.4~8.0 m这一波段附近的传输衰减最小,并且明显低于其他波段。因此,可以选用7.4~8.0 m这一波段的激光进行沙尘条件下的激光通信,其传输性能会明显优于其他波段。最后,以波长1.064 m为例,分析了能见度随粒子浓度的变化关系,并与蒙特卡罗方法的计算结果进行了比较。
基于视觉显著性和目标置信度的红外车辆检测技术
齐楠楠, 姜鹏飞, 李彦胜, 谭毅华
2017, 46(6): 604005. doi: 10.3788/IRLA201746.0604005
[摘要](323) [PDF 1846KB](135)
提出了一种复杂地面背景下的红外车辆检测算法。首先,提出一种新的自适应分段线性灰度拉伸方法来增强当图像整体亮度偏低时的目标信息。其次,利用拉伸后图像的显著性图生成目标潜在的兴趣区。再次,利用平均梯度法在兴趣区内进行目标的边缘再分割,完成目标精确分割检测。最后,利用车辆的红外融合特征计算目标置信度,对目标进行评估和确认。实验结果表明:对实际拍摄的红外图像进行检测的算法可有效地检测出地面车辆目标。
光电器件与微系统
“猫眼”逆反射器的偏振特性分析
李亚红, 付跃刚, 贺文俊, 刘智颖, 赵宇
2017, 46(6): 620001. doi: 10.3788/IRLA201746.0620001
[摘要](504) [PDF 1175KB](135)
根据矢量场的光线追迹方法和光路的几何关系,推导得出入射高度(归一化)、折射率和逆反发散角之间的变化关系,以逆反发散角最小为目的,得出猫眼逆反射器的最佳设计参数,并利用ZEMAX进行光学设计。基于三维琼斯矩阵法对所设计的猫眼逆反射器进行了偏振光线追迹和偏振特性研究,重点分析了猫眼逆反射器的位相延迟和二向衰减特性及其对光束偏振态的影响,理论计算表明:猫眼逆反射器在出瞳面上的位相延迟最大不超过0.3,二向衰减均低于0.027,且线偏振态入射猫眼逆反射器,出射仍为线偏振态,即偏振方向保持不变。对此,利用FRED对所设计的猫眼逆反射器进行了以水平、45、圆、椭圆偏振态入射的仿真模拟,验证其理论分析的正确性。结果表明:经猫眼逆反射器逆反后的偏振态仍与入射偏振态相同,偏振方向不发生改变,这与理论计算结果相一致,即猫眼逆反射器具有保偏振态不变的效应,这对猫眼逆反射器的推广应用具有重要意义。
多通道可调谐1.55μm光子晶体滤波器
毛红敏, 马锡英, 王晓丹, 徐国定
2017, 46(6): 620002. doi: 10.3788/IRLA201746.0620002
[摘要](391) [PDF 979KB](79)
建立了(AB)N型一维光子晶体结构多通道可调谐滤波器模型,其中A层是砷化镓(GaAs)材料,B层是由掺铝的氧化锌层和氧化锌层(AZO/ZnO)交替排列构成的具有人工周期结构的各项异性材料。根据电磁波的传输矩阵理论,推导了光子晶体的透射率公式。数值模拟表明:此结构光子晶体透射中心波长是1.55 m,对应于光子通带;透射峰的数量由光子晶体的周期N决定;B层中填充因子h从2/3增加到11/12,峰值波长蓝移且移动范围超过200 nm;A和B层厚度增加,透射峰中心波长发生红移;而入射角度的增加将使透射峰中心波长蓝移;在各参数的调控范围内,光子晶体均保持较高的透射率不变。这些现象为光通信波段多通道可调谐高性能滤波器的设计提供了理论参考。
一种新型的光波导光学相控阵的特性研究
叶佳雨, 李立京, 陈文, 郑月, 孙鸣捷
2017, 46(6): 620003. doi: 10.3788/IRLA201746.0620003
[摘要](359) [PDF 1138KB](138)
采用光纤作为传输链路,将光子晶体光纤作为系统的输出阵列,LiNbO3波导作为相位调制器,构建了一种基于光纤光路的光波导光学相控阵。根据光学相控阵理论和LiNbO3波导的电光效应,分析了系统的可行性, 并研究了这种新型结构下的光波导光学相控阵的输出衍射特性和光子晶体光纤阵列结构参数的关系。研究结果表明通过控制施加在LiNbO3波导上的电压可以改变出射光束的附加相位从而实现光束的偏转;光子晶体光纤阵列上的纤芯数量、纤芯间距以及纤芯的排列方式等结构参量会对系统的输出光束的光强分布、半峰值全宽度(FWHM)和归一化的振幅分布产生影响。随着光子晶体光纤制作工艺的不断发展,系统的光束扫描质量将会逐渐提高并且色散特性和传输特性将会获得改善,为今后这种光学相控阵系统的设计提供了理论基础和技术依据。
光子晶体二元缺陷微腔的光传输特性
苏安, 王高峰, 蒙成举, 唐秀福, 高英俊
2017, 46(6): 620004. doi: 10.3788/IRLA201746.0620004
[摘要](409) [PDF 1125KB](84)
构造和研究了光子晶体插入式二元缺陷和替代式二元缺陷微腔的光学传输特性,结果表明:随着二元缺陷自身周期数增大,微腔透射谱中分立缺陷模的数目增加,且替代式二元缺陷微腔分立缺陷模多于插入式二元缺陷微腔;随着缺陷高折射率介质厚度的增大,二元缺陷微腔的缺陷模向中间靠拢呈现简并趋势,同时禁带两侧出现多组双缺陷模,且高频一侧出现双缺陷模多于低频一侧,但替代式二元缺陷微腔出现的双缺陷模数目多于插入式二元缺陷微腔;随着缺陷低折射率介质厚度增大,插入式二元缺陷微腔的缺陷模向低频方向移动同时呈现耦合分开趋势,且透射率逐渐降低,而替代式二元缺陷微腔的缺陷模则向中间靠拢呈现简并趋势,同时缺陷模整体向高频方向缓慢移动,而透射率保持100%不变。光子晶体二元缺陷微腔的光传输特性为光学滤波器、光学开关和激光器等的设计提供了参考。
亥姆霍兹光声光谱多气体检测器设计和优化
赵彦东, 方勇华, 李扬裕, 李大成
2017, 46(6): 620005. doi: 10.3788/IRLA201746.0620005
[摘要](355) [PDF 1454KB](89)
光声光谱技术作为一种先进的光学检测技术,已成功应用于各种痕量气体检测场合。实现多气体的光声光谱检测,同时保证高的检测灵敏度是检测器设计的核心目标。针对测量需求设计,优化了一种基于亥姆霍兹共振的光声光谱多气体检测器,使用有限元分析方法对检测器进行了设计和仿真分析,对光声池的结构参数以及温度和压力特性进行了优化和分析。仿真结果表明:对光声池结构参数进行优化和对温度压力进行控制可以提高检测器检测灵敏度;采用光源IR-19时,激发腔38 mm9 mm,连接管5.9 mm10.2 mm和探测腔30 mm5.8 mm为光声光谱检测器的最优化参数。经实验验证,检测器对CO气体的检测精度达到5.08 ppm(1 ppm=10-6)。研究结果为痕量多气体的光声光谱检测提供了设计参考。
LED产生局域空心光束的数值分析与实验
王硕琛, 吴逢铁, 朱清智
2017, 46(6): 620006. doi: 10.3788/IRLA201746.0620006
[摘要](348) [PDF 1071KB](95)
首次使用了离散傅里叶方法数值分析局域空心光束。用离散傅里叶方法描述单色平面波产生局域空心光束(bottle beam)的光强分布,引入色散公式使得一定频谱宽度的LED光源同样适用。讨论抽样要求并对变量进行离散化,导出LED产生bottle beam的离散化傅里叶公式。最后代入相关参数并用MATLAB进行数值模拟,得到了在不同距离处光束的强度分布。设计实验进行验证,实验结果表明:使用LED也能够产生高质量的bottle beam。数值模拟与实验结果基本吻合,证明了采用傅里叶方法可以精确地分析非相干光源产生bottle beam,并且相较于传统的标量衍射理论,它更加简洁、快速,是研究bottle beam的一种全新又可靠的方法。
光电测量
广义最小二乘法在主动光学模式定标中的应用
兰斌, 吴小霞, 杨洪波, 蒋权, 张正铎
2017, 46(6): 617001. doi: 10.3788/IRLA201746.0617001
[摘要](472) [PDF 1191KB](60)
为了解除4 m轻量化反射镜支撑系统间存在的相互耦合作用,提出了采用广义最小二乘法进行主动光学的模式定标计算。首先,介绍了4 m轻量化反射镜的支撑系统,推导出液压Whiffletree支撑系统工作下主动光学校正力组满足解耦条件的等式约束方程,将节点面积加权因子修正后的Zernike多项式面形拟合过程作为有限元分析前处理,建立主动光学的响应矩阵。其次,采用广义最小二乘法求解同时满足等式和不等式约束下的最佳校正力组。最后,将提出的方法应用于重力印透效应产生的镜面变形主动力解算,分析不同阻尼因子对解算结果的影响。结果表明:阻尼因子取7.4e-9时,达到了满足约束条件的最佳校正效果,镜面面形均方根由最初的271.5 nm通过校正后变为8.3 nm。验证了广义最小二乘法应用于4 m轻量化反射镜主动光学校正力组解算的可行性。
光电编码器动态误差评估系统
周子云, 于海
2017, 46(6): 617002. doi: 10.3788/IRLA201746.0617002
[摘要](242) [PDF 1146KB](62)
在批量生产小型光电编码器的过程中,出厂检验不仅要对光电编码器动态误差进行检测,也要对不达标编码器进行误差溯源及修正。在实现对光电编码器高、低转速下的动态误差检测的同时,需要快速的定位光电编码器动态误差超标的原因,使生产者能够根据误差超标原因对编码器进行调校。为此,提出了光电编码器检测方法及评估方法,设计了小型光电编码器动态误差检测及评估系统。首先,从低、中、高频率方面对光电编码器误差组成分析,明确了各频率误差的产生原因;然后,提出了采用AR模型谱估计法对动态误差进行评估的方法,并根据误差评估结果给出误差产生因素判定;最后,设计了小型光电编码器动态误差评估系统,实现了对光电编码器的动态误差检测,并给出误差评估结果。所设计的检测系统工作转速范围为0.5~8 r/s,检测精度优于2;误差评估系统能够清晰的显示出动态误差在各频率下的均方值,使生产者能够轻易地找到不达标编码器的调校方法。该系统准确可靠、显示直观,为批量生产光电编码器提供了简单有效的检测评估手段
宽动态范围红外辐射测量系统快速定标算法
李周, 乔彦峰, 常松涛, 何锋赟
2017, 46(6): 617003. doi: 10.3788/IRLA201746.0617003
[摘要](327) [PDF 1124KB](85)
红外辐射测量系统的宽动态范围定标通常是在多个温度点下,设置多个积分时间并适当加入衰减片的方式实现的。其不仅效率低、耗时长、成本高且影响整个红外辐射测量系统实时性和机动性。对此,在考虑积分时间的定标模型基础上,提出宽动态范围快速定标方法。只需调节一次积分时间和一次温度即得到宽动态范围任意积分时间的定标方程。利用400 mm红外辐射测量系统对快速定标方法的定标精度、测量精度进行验证。实验结果表明:快速定标方法与直接定标结果之间最大误差为2.75%,该方法外场测量时最大辐射测量误差为11.69%,相比传统辐射测量最大误差不超过1.52%。说明快速定标方法能有效地保证系统辐射定标精度,提高辐射测量系统的定标效率,缩短定标时间,实现对系统宽动态范围任意积分时间的定标。整个辐射测量过程实时性好,操作简单、易实现且可靠性高,适应针对外场条件下红外辐射特性测量系统的要求,外场测量结果也说明快速定标可以直接应用于靶场目标的红外辐射测量任务中。
位置信息约束的SMT料盘X射线图像检测方法
耿磊, 彭晓帅, 肖志涛, 李秀艳, 荣锋, 马潇
2017, 46(6): 617004. doi: 10.3788/IRLA201746.0617004
[摘要](281) [PDF 977KB](57)
SMT封装物料盘的X射线透视图像发生局部粘连,导致分割准确性降低影响物料的检测与计数统计。提出了基于位置信息约束的分割检测方法,利用器件位置信息对分割区域进行约束提高分割与检测的准确率。首先依据元器件呈螺旋状排列规则,拟合物料盘中心点并计算最内环排列中起点器件位置信息;然后基于中心点与各元器件的位置约束模型,进行法向位置信息与先验位置信息双重约束,对目标器件所在区域进行限定;最后划分分割界限,完成对粘连目标的分割和对元器件的检测与统计。实验结果表明:该方法能够提高物料盘X射线透视图像粘连区域分割与检测的准确率,在有效像元素9 216 pixel,细节解析度110 1p/cm成像环境之下,对不同规格物料盘进行实测,检测误差率控制在0.15%之内。
夜间整层大气透过率测量技术研究
冯全全, 詹杰, 刘庆, 李学彬, 朱文越
2017, 46(6): 617005. doi: 10.3788/IRLA201746.0617005
[摘要](336) [PDF 1211KB](99)
分析了夜间利用恒星测量整层大气透过率的原理,研制了用于夜间整层大气透过率测量的设备,该设备能够对高度角大于15 的任意天区内的0~5等恒星在400~750 nm分波段弱辐射大气透过率测量,测量带宽为30 nm。采用自动控制CCD曝光时间的方法获取分波段恒星的弱辐射信号,利用图像反馈模式纠正望远镜追星的误差,实现无人值守自动连续整夜观测。设备定标采用Langley-plot定标方法与多目标星定标方法相结合。测量结果分别与CART和Modtran理论计算值进行了比较,比较结果证明了测量方法的可行性和设备的可靠性。
光通信与光传感
FSO-OFDM系统中峰均比控制方法的实验研究
柯熙政, 亢烨, 刘娟
2017, 46(6): 622001. doi: 10.3788/IRLA201746.0622001
[摘要](274) [PDF 1178KB](65)
自由空间光通信正交频分复用(Free Space Optical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,FSO-OFDM)系统面对的主要问题是峰均比(PAPR)高而导致的信号失真。而选择性映射(Selected Mapping,SLM)算法可以有效解决FSO-OFDM系统中的峰均比问题。目前,对峰均比抑制算法的研究还主要集中在理论方面,而且主要在发端研究降低峰均比的方法,而很少有文献将其应用于实际的信道传输。所以对FSO-OFDM系统中峰均比抑制算法的具体实现,尤其是在接收端进行实际验证的方法就显得意义重大。文中通过仿真信道传输和硬件实验都验证了采用SLM算法后FSO-OFDM系统的抗噪声干扰性能增加,并验证了SLM算法应用于实际的有效性,且该实验结果也为降低PAPR的后续研究奠定了实验基础。
自噪声抑制Gardner算法及位同步环路设计
王磊, 隋强, 杜昌澔, 刘昊
2017, 46(6): 622002. doi: 10.3788/IRLA201746.0622002
[摘要](382) [PDF 977KB](87)
位同步技术是空间激光通信和测控一体化的关键技术之一,位同步的精确与否直接影响整个系统的性能。针对空间激光通信位同步技术中基于Gardner定时误差估计算法易受系统自噪声干扰,提出了一种自噪声抑制Gardner算法,同时基于此算法提出一种位同步环路。通过对算法理论分析与环路建模仿真结果表明,在Eb/N0大于9 dB情况下,提出自噪声抑制Gardner算法与位同步环路能够有效地降低同步过程中由于系统自噪声引起的定时抖动,并且拥有更快的位同步建立的时间。
HAP-GEO-HAP全光中继放大链路模型及其误码性能
丁西峰, 马赛, 赵尚弘, 王翔, 郑永兴, 温泉, 林涛
2017, 46(6): 622003. doi: 10.3788/IRLA201746.0622003
[摘要](316) [PDF 851KB](57)
针对几何传播损耗和指向误差联合效应对空间激光链路性能的影响,研究了HAP-GEO-HAP全光中继放大链路通信模型的误码性能。建立了基于GEO卫星全光中继放大转发的高空平台激光链路通信模型,在考虑背景光辐射与放大器引入的自发辐射等因素的条件下,研究了信道衰减系数的统计特性和各类噪声的强度,获得链路模型的Q因子,推导出误码率表达式。仿真分析了在不同发射功率、抖动标准差和波束宽度等参数条件下,链路误码率与比特速率的关系。研究结果表明:当比特速率较低时,增大发射功率、降低抖动标准差或减小波束宽度,对链路误码率性能的改善程度较为明显;当比特速率大于4 Gbps时,上述措施对链路误码性能的改善程度较为缓慢。
高功率双包层掺铥光纤放大器温度分布特性
张海伟, 盛泉, 史伟, 白晓磊, 付士杰, 姚建铨
2017, 46(6): 622004. doi: 10.3788/IRLA201746.062200
[摘要](426) [PDF 1445KB](90)
通过对普适于不同内包层边界条件下的热传导方程进行推导和求解,得到了不同内包层形状的双包层增益光纤所对应的掺铥光纤放大器的三维热分布。计算结果表明,双包层光纤不同内包层形状可导致纤芯处的温度差高达107 K。同时,信号光与泵浦光功率的比值决定了温度最高点和熔接点的距离,在泵浦光功率为100 W、信号光功率为10 mW的情况下,两者之间的距离可达30 cm。通过分析不同内包层形状的双包层光纤的径向与轴向的热分布情况发现,相较于其他内包层形状的双包层光纤,偏芯型双包层掺铥光纤因其具有较低的最高温度、较高的泵浦效率和高斯型横截面热分布而较适用于掺铥光纤放大器。
景象信息处理
基于SOPC的红外图像自适应非均匀性校正设计
王明昌, 樊养余, 陈宝国, 雷伟, 周波
2017, 46(6): 628001. doi: 10.3788/IRLA201746.0628001
[摘要](364) [PDF 1006KB](135)
场景非均匀校正和基于本底信息无快门校正等红外图像自适应非均匀性无快门校正算法不需要中断探测过程,克服了定标类校正算法需要周期性定标的不足,目前日趋受到重视。相对于场景无快门校正算法,基于本底信息的自适应无快门校正算法具有复杂度低、易于实现的特点,正逐步从理论研究走向具体工程应用,通过硬件系统实现该校正算法具有重要的应用价值。根据自适应无快门校正算法理论特点,采用基于FPGA构建SOPC系统的方法进行了硬件实现,主要由校正参数计算、本底采集、校正模型等模块组成。校正参数计算部分根据自适应拉格朗日插值计算和更新校正参数,本底采集模块用于采集均匀本底信息,为图像校正提供一系列本底信息,校正模块完成红外图像的实时非均匀性校正。实验结果表明:实现的非均匀性无快门校正系统具有占用硬件资源少、延迟短和图像效果好的优点,能够广泛应用在红外成像系统中,具有较强的研究价值和现实意义。
无人机红外辐射建模与图像仿真
刘连伟, 杨淼淼, 邹前进, 姚梅, 王敏, 许振领
2017, 46(6): 628002. doi: 10.3788/IRLA201746.0628002
[摘要](384) [PDF 1007KB](201)
无人机红外辐射特性建模及图像仿真计算具有重要意义。利用CFD软件计算无人机温度分布,建立了蒙皮稳态温度数据库和满足精度需求的温度插值算法,实现了无人机蒙皮温度的插值计算;提出网格编号投影思想,改进基于深度缓存的正交投影方法,建立了适于红外图像的二维投影算法;基于无人机辐射、大气传输和探测器响应的光谱特性,采用光谱积分方式计算无人机光谱及波段红外特性和图像序列,建立了无人机红外辐射计算模型。对无人机红外辐射特性和模型计算速度进行了分析,并与某型无人机实测数据进行了比对,结果表明:模型计算误差小于20%,可用于仿真实验测试与分析。
微纳光学
柱面光学微结构用于红外激光防护研究
孙艳军, 刘顺瑞, 吴博奇, 王丽, 王君
2017, 46(6): 616001. doi: 10.3788/IRLA201746.0616001
[摘要](329) [PDF 1314KB](97)
激光防护是一种可广泛应用的技术,论文针对目前红外激光防护技术中存在的可见光波段吸收强、镜面反射造成设备或人员损伤等问题,提出一种形成于光学窗口表面的红外激光非镜面反射光学微结构,具有对可见光透过率影响小,同时对1 064 nm红外激光大角度散射的功能,从而实现激光防护。文中采用光线追迹方法设计具有移位结构的双面微柱透镜阵列,阵列周期T与透镜单元曲率半径R之间需满足0 T R/27的关系。应用Virtual-Lab光学建模软件对设计的柱面微结构进行模拟,模拟结果为:可见光平均透过率下降7%,对实用结果影响很小,并可以通过可见波段镀制增透膜进行弥补;1 064 nm红外激光反射率约为75%,发散角大于30。采用数字掩模光刻技术完成微柱透镜阵列实验,实验结果与模拟结果趋势相同,最终得出结论:微柱透镜阵列能实现大角度散射,能够极大降低激光单一方向反射回波能量,从而达到了激光防护的目的。
先进光学材料
生物消光材料的扩散特性
李乐, 胡以华, 王枭, 顾有林, 赵义正, 于磊
2017, 46(6): 621001. doi: 10.3788/IRLA201746.0621001
[摘要](260) [PDF 986KB](69)
生物材料具有形态丰富、粒径分布广、培养周期短、质量密度低等特点,研究其性能特点对发展新型消光材料具有重要意义。针对生物消光材料在实际应用中的扩散特性,根据莱赫特曼扩散理论,建立了生物消光材料扩散模型,然后对典型自然环境下的生物材料扩散进行了模拟仿真,并定量讨论了风速、地面粗糙度等因素对生物材料扩散的影响。结果表明,受风速以及地面粗糙度等原因的影响,参考点高度的生物材料浓度的最大值不断减小,其空间位置也随着时间的变化不断移动。风速越大,地面粗糙度越高,生物消光材料扩散速率越大。
高光谱成像遥感
基于回溯优化的非线性高光谱图像解混
陈雷, 甘士忠, 孙茜
2017, 46(6): 638001. doi: 10.3788/IRLA201746.0638001
[摘要](325) [PDF 1241KB](107)
为了进一步提升高光谱图像的解混精度,提出一种基于回溯优化的高光谱图像后非线性解混算法。在后非线性混合模型的基础上,以观测图像与重构图像之间的重构误差为目标函数,使用回溯搜索算法在解空间搜索使目标函数取得极小值的最优解。在搜索过程中,利用回溯搜索算法的边界控制机制有效保证了高光谱图像解混过程中的约束条件,进而有效实现了对解混丰度值和非线性参数的精确估计。针对合成高光谱图像和真实高光谱遥感图像的解混实验表明,文中算法具有优异的解混性能,所达到的解混精度显著优于现有非线性高光谱图像解混算法。