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2019年  第48卷  第12期

特约专栏-光波大气传输研究及其应用
大气参数模式及其在辐射大气传输计算中的应用
魏合理, 戴聪明, 唐朝礼, 武鹏飞, 黄宏华, 李学彬, 朱文越, 饶瑞中, 王英俭
2019, 48(12): 1203001. doi: 10.3788/IRLA201948.1203001
[摘要](612) [PDF 1103KB](75)
大气辐射传输的计算精度在很大程度上依赖于大气参数的精度。建立局地的大气参数模式在光电工程的大气传输计算中将有重要应用。利用目前可获得的探空数据、卫星观测数据、地面站点的观测数据初步建立了我国不同地域的大气参数模式,包括地面至120 km高度的温度、湿度、气压的逐日、逐月、逐年高度分布廓线、地面能见度的月平均分布,覆盖我国91个气象探空台站。并把这些大气参数模式用在通用大气辐射传输计算软件(CART)中计算大气透过率和大气背景辐射。文中展示了5个台站的大气参数时空分布以及用CART计算的大气窗口波段的透过率、大气热背景辐射逐月分布及其在我国地域的空间分布。
高能激光大气传输性能评估技术
朱文越, 钱仙妹, 饶瑞中, 王辉华
2019, 48(12): 1203002. doi: 10.3788/IRLA201948.1203002
[摘要](858) [PDF 1635KB](80)
激光在实际大气中的传输效果不仅与其自身传输机理有关,还与大气因素密切相关,因此,准确评估激光大气传输的效果,不仅需要开展激光传输机理的研究,建立激光大气传输数理模型,还需要对实际传输过程中的大气光学特性进行测量、分析和预测。鉴于实际大气环境的复杂性及多因素耦合的制约,激光大气传输的机理研究大都采用大气参数可控的物理实验平台和数值仿真软件平台进行研究,而大气光学特性的研究则在大量实地测量分析的基础上,重点发展基于物理相关性分析和数学模型构建的光学湍流模式化表征研究。简要介绍了国内外高能激光大气传输性能评估技术的发展情况,面向高能激光系统未来的实际应用,指出了其发展趋势。
基于正交匹配追踪的云检测算法研究
王毅, 何明元, 葛晶晶, 项杰
2019, 48(12): 1203003. doi: 10.3788/IRLA201948.1203003
[摘要](698) [PDF 1272KB](45)
云的定量识别在卫星数据反演中非常重要。云检测结果的质量直接影响各种反演产品的准确性。云检测实际上是一种目标识别和分类的过程,检测的目的是为了特征提取,因此,大量信号与系统中的新兴算法都被运用于云检测的技术研究中来。匹配追踪算法是近年来发展起来的非常有效的特征提取算法,而正交匹配追踪算法更能有效提高信噪比。因此文中利用正交匹配追踪算法与多通道阈值法相结合,进行了卫星云图云检测的相关研究。通过MODIS的云检测试验表明,将正交匹配追踪算法应用到多光谱云图的信息处理中可以有效提高云检测的精度。
整层大气透过率获取方法研究进展及相关问题探讨
曹振松, 黄印博, 魏合理, 朱文越, 饶瑞中, 王英俭
2019, 48(12): 1203004. doi: 10.3788/IRLA201948.1203004
[摘要](669) [PDF 1703KB](67)
整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参量,在大气辐射、地球资源遥感、空气质量监测、特别是光电工程等领域,都需要对大气透过率进行深入的研究。文中详细讨论了整层大气透过率的获取原理和方法,分析了不同获取方法的最新进展和存在的相关问题,对比分析了软件仿真计算和直接测量的优缺点,并对后续的研究工作进行了展望。
基于粒子群优化的近似散射相函数拟合方法
陈鹏, 赵继广, 杜小平, 宋一铄
2019, 48(12): 1203005. doi: 10.3788/IRLA201948.1203005
[摘要](443) [PDF 1488KB](31)
散射相函数是研究气溶胶中光传输特性的一个重要参量。对比了大气辐射传输中的蒙特卡罗仿真常用的4种近似散射相函数,针对二项Henyey-Greenstein(TTHG)相函数的参数不易确定的问题,提出了一种基于粒子群优化的TTHG散射相函数,该函数可以很好地拟合Mie散射相函数,尤其是在大于90的后向散射方向效果更加明显。相比于HG、HG*、RHG等相函数,文中提出的相函数可以更好地逼近实际散射情况,得到更精确的蒙特卡罗仿真结果。
基于辐射传输的M'波段大气透过率实测和误差分析
陈双远, 王飞翔, 许方宇, 郭杰, 肖建国, 贾钰超, 徐稚, 赵志军, 王远方舟
2019, 48(12): 1203006. doi: 10.3788/IRLA201948.1203006
[摘要](569) [PDF 1379KB](23)
采用自制的M'波段(4.605~4.755 m)红外辐射测量系统对阿里观测站、德令哈观测基地和怀柔观测基地的大气辐射进行实地测量,并对结果进行拟合和误差分析。首先,基于黑体定标结果和辐射传输方程,得到输出有效读数与平均大气透过率和天顶角的关系公式;在三个站点对不同天顶角下的大气红外辐射进行扫描测量,利用上述公式,拟合出M'波段平均大气透过率。结果表明,三地透过率的加权平均值分别为0.805、0.758、0.650,透过率随时间的起伏分别为0.081、0.250、0.073,高海拔的阿里观测站透过率最高。用MODTRAN软件模拟的平均透过率分别为0.851、0.805、0.615,与实测结果接近;误差分析表明:有效读数越大,传递误差越小,此方法的理论误差优于10%。文中提供了一种不依赖气象数据,实时获得大气透过率的方法。
红外预警卫星探测波段地球背景辐射仿真研究
李文杰, 闫世强, 王成良, 欧阳琰, 张松芝, 盖美庆
2019, 48(12): 1203007. doi: 10.3788/IRLA201948.1203007
[摘要](646) [PDF 1646KB](45)
针对红外预警卫星探测波段遥感数据难以获取的问题,研究了基于地表温度反演的红外预警卫星探测波段地球背景辐射仿真方法。采用了通用型单通道算法对FY-3/MERSI数据集进行地表温度反演,得到了全球地表温度分布图。在此基础上,构建了地表红外辐射模型,充分考虑了海拔、大气模式、地表类型等因素对地表辐射的影响,利用MATLAB与MODTRAN进行联合编程完成每个像元对应的地表辐射计算,实现了红外预警卫星探测波段地球背景辐射场景的图像生成。仿真结果表明:仿真图像分辨率高,能够准确反映红外预警卫星探测波段的地球背景辐射特性,可为研究红外预警卫星作战效能评估和目标识别技术提供场景数据支撑。
连续相干探测激光风速仪设计与测试
蒋杉, 孙东松, 韩於利, 韩飞, 周安然, 郑俊, 唐磊
2019, 48(12): 1203008. doi: 10.3788/IRLA201948.1203008
[摘要](676) [PDF 1568KB](46)
为实现近距离风场的精确实时观测,基于连续相干探测技术,选取人眼安全的1.55 m为工作波长,设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性,望远镜采用同轴透射式结构,有效口径为70 mm,测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号,并设计了谱质心算法估计径向风速,提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明,所设计激光风速仪输出信号稳定,时间分辨率为1 s,风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验,两设备测得风速数据相关系数为0.997,标准差为0.090 m/s,最大相差0.480 m/s。
0.94 μm差分吸收激光雷达地基工作的进展
洪光烈, 李嘉唐, 王建宇, 李虎, 王一楠, 孔伟
2019, 48(12): 1203009. doi: 10.3788/IRLA201948.1203009
[摘要](599) [PDF 1908KB](34)
为了更好地探测对流层大气水汽的垂直廓线,对已经建立的935 nm差分吸收激光雷达进行了部分改进。采取双通道接收的措施,近场通道望远镜同时也是发射激光的扩束器,近场通道采用偏振分束器加四分之一波片的方式隔离发射光和回波光,远场通道(主通道)采用平行旁轴的卡塞格林望远镜,从而减小激光雷达近地面盲区;发射机的双波长挪到936.0~936.5 nm之间,增加了注入种子激光的功率,提高发射光谱纯度,从而提高探测精度。探测范围从600~2 000 m,延展到250~3 000 m,随机误差5%。
国内典型天文台站大气红外背景辐射实测分析
&陈双远, &张芳, 齐琳琳, 韩成鸣, 曾丽, 许方宇
2019, 48(12): 1203010. doi: 10.3788/IRLA201948.1203010
[摘要](1008) [PDF 504KB](46)
大气背景辐射强弱决定了红外望远镜系统极限灵敏度,直接影响系统设计,背景辐射也是反映天文台站观测性能优劣与否的一项重要指标。实测了国内的阿里天文台、德令哈观测站、怀柔观测站等几个典型天文台站大气红外背景辐射,尤其是获得了阿里天文台大气红外背景辐射的一手资料。实测结果表明:阿里天文台大气红外背景辐射的强弱以及辐亮度均值的昼夜变化在几个台站中均最小,其最大辐亮度均值为1.3010-6 Wcm-2sr-1,辐亮度均值的最大昼夜变化仅为18%,其红外背景辐射限最优;其次是德令哈观测站。将扫天实测辐亮度与MODTRAN模拟辐亮度进行对比,发现对于国内如阿里等青藏高原高海拔地区无论是标准大气模式还是实际大气模式其模拟结果与实测间皆存在较大差异。
红外技术及应用
基于受激参量下转换的红外标准传递辐射计定标技术
盛文阳, 夏茂鹏, 李健军, 翟文超, 郑小兵
2019, 48(12): 1204001. doi: 10.3788/IRLA201948.1204001
[摘要](426) [PDF 1855KB](24)
基于受激参量下转换过程产生光子的相关特性,构建了一套无需制冷且只利用可见光探测器即可实现红外标准传递辐射测量的系统。首先详细描述了该红外标准传递辐射计系统的工作原理,接着利用标准黑体拟合获取了该系统的定标系数,由此得到红外标准传递辐射计温度与待测黑体响应值的关系,最后通过与水浴黑体在相同温度点的响应值所反演获取的辐射温度作比较,进一步评估和验证了该红外标准传递辐射计系统的不确定度。实验结果表明:该红外标准传递辐射计测量水浴黑体辐亮度的联合不确定度为1.64%,表明该红外标准传递辐射计可作为标准黑体到用户传感器的传递标准。
复杂型面叶片裂纹的超声红外热成像检测
寇光杰, 杨正伟, 贾庸, 张炜, 杜莹
2019, 48(12): 1204002. doi: 10.3788/IRLA201948.1204002
[摘要](693) [PDF 2007KB](41)
复杂型面叶片由于其结构复杂,缺陷检测困难,针对这类叶片的无损检测研究一直是国内外关注的热点。文中基于超声激励下含缺陷介质的摩擦生热模型,分析缺陷处的热流传导,推导了含裂纹叶片简化模型的表面温度场。针对复杂型面叶片裂纹处的生热模型,应用有限元方法进行了数值仿真。仿真结果表明,激励时间越长,裂纹缺陷区域温升越大;温升速率随时间增加呈先上升后下降的趋势。利用超声红外热成像检测平台,对含裂纹的汽轮机叶片进行检测。实验结果表明,当预紧力处于100~150 N时,裂纹区域生热最明显,叶片裂纹检测效果最好。基于数值仿真和实验表明,超声红外热成像技术可以有效地检测出复杂型面叶片中的裂纹缺陷,具有一定的工程指导意义和广泛应用前景。
非制冷红外焦平面阵列器件的热时间常数测试方法
刘子骥, 赵晟晨, 赵征庭, 李聿达, 郑兴, 张磊
2019, 48(12): 1204003. doi: 10.3788/IRLA201948.1204003
[摘要](623) [PDF 2179KB](59)
热时间常数是基于微测辐射热计的非制冷红外探测器的关键指标参数,它与探测器的最高有效帧频直接相关,因此准确测量热时间常数对于器件设计和应用都有举足轻重的意义。但目前无论是探测器热时间常数的标称值还是基于单元的热时间常数现有方法的测试值,都无法建立与探测器的频率响应特性的直接定量函数关系,以确定探测器工作的最小帧间时间间隔。直接基于阵列器件测量热时间常数的方法,借助低于1/2帧频的斩波调制,通过变频时域采集,快速傅里叶变换(FFT)等常规测试手段,提取有效的电压响应信号,拟合频响曲线,能快速有效地提取热时间常数。通过实测分析,该测量方法具有准确度高、抗干扰能力强、稳定性高、测试用时短的特点,且均采用通用的测试仪器,无需单独制作测试样品,具有较高的推广价值。
红外诱饵对成像制导导弹影响规律研究
周卫文, 康美玲, 周泽强
2019, 48(12): 1204004. doi: 10.3788/IRLA201948.1204004
[摘要](787) [PDF 1961KB](52)
在复杂对抗环境下,目标通过投放红外诱饵干扰红外成像导引头的识别与跟踪,从而影响导弹的精确制导,通过对不同影响因素的分析,揭示红外诱饵对成像导弹的作用机理,总结红外诱饵对导弹制导导引的影响规律。首先建立了红外诱饵、目标及导弹制导的链路仿真模型,在分析总结红外诱饵的主要影响因素基础上,分别评估了红外诱饵的投放距离、导引头图像目标识别时间及多颗诱饵弹投放间隔等因素对导弹制导导引的影响,给出了各因素对制导系统及导引系统影响的仿真结果,总结分析红外诱饵对红外成像导弹的影响机理及影响规律。
激光器与激光光学
差分信号时刻鉴别法的脉冲激光测距技术分析
蔡贵霞, 钱惟贤, 杨锦清, 张骏, 高青松
2019, 48(12): 1205001. doi: 10.3788/IRLA201948.1205001
[摘要](524) [PDF 2071KB](44)
高精度的脉冲激光测距系统一直都是激光测距领域的研究热点之一。测距误差的存在直接影响了激光测距精度的结果,利用差分信号时刻鉴别法的研究未见报道,因此对差分时刻判别法的研究具有重要意义。为了研究这一问题,对影响脉冲激光测距精度的因素进行了分析,可以认为幅度时间游动效应和上升时间游动效应产生的时间晃动是影响测距精度最主要的因素。通过分析可以看出,所设计的差分信号时刻鉴别电路能够有效提高测距精度,达到了设计要求。在实验测试中,差分信号时刻鉴别电路对70 m内不同距离的单次测距误差保持在9 mm以内,相比之下单端信号时刻鉴别电路的单次测距精度范围为[-12 mm,11 mm]。实验结果表明同单端信号单次测距误差相比,测距精度有了明显的提高。该方法可以为现有的如何提高脉冲激光测距精度技术提供参考价值。
水下目标激光周向扫描探测模型与仿真分析
彭波, 钟昆, 赵慧, 李中云
2019, 48(12): 1205002. doi: 10.3788/IRLA201948.1205002
[摘要](581) [PDF 2067KB](34)
蓝绿激光在水下目标精细探测中具有重要的应用前景。基于端面圆周的快速数值遍历算法,通过建立扫描光束与运动目标的交会方程,对水下目标的激光扫描探测过程进行了数值建模。结果表明:目标穿越光束扫描区的最短时间并非出现在迎头相遇的交会情况中。其次,通过采用蒙特卡罗模拟,仿真分析了脉冲频率、扫描频率、扫描半角以及目标距离对探测概率的影响,并得出扫描参数的最优设计。文中建立的数值模型可为水下激光探测系统的合理设计提供理论依据。
半导体激光器光束匀化系统的光学设计
孙玉博, 熊玲玲, 张普, 王明培, 刘兴胜
2019, 48(12): 1205003. doi: 10.3788/IRLA201948.1205003
[摘要](816) [PDF 2047KB](77)
为了提高半导体激光器光束的均匀性,设计了非球面与微柱透镜阵列相结合的匀光系统。快轴方向利用光线追迹设计非球面匀化透镜;慢轴方向采用微柱透镜阵列对光束进行分割叠加。半导体激光器输出光束通过该匀光系统,在目标面上可以得到能量匀化的方形光斑。利用Zemax光学软件对半导体激光器单管和阵列进行匀化仿真,验证了该匀化系统应用于半导体激光器整形的可行性,得到了目标面动态范围变化对均匀度的影响程度,研究了微柱透镜阵列间距变化及快轴匀化透镜旋转对光斑均匀度的影响。单管和阵列在输出面上的光斑均匀度均大于90%,能量传输效率分别为95.4%和96.2%。该设计结果对半导体激光器光束匀化具有一定的参考价值。
基于地形相关和最小二乘曲线拟合的单光子激光数据处理技术
许艺腾, 李国元, 邱春霞, 薛玉彩
2019, 48(12): 1205004. doi: 10.3788/IRLA201948.1205004
[摘要](698) [PDF 2258KB](48)
单光子激光测高已然成为激光测高领域的发展趋势。面对高重频、剖面式单光子激光数据,在参考国内外激光点云数据处理算法和对单光子激光数据特点精确分析的基础上,提出了一种基于地形相关和最小二乘曲线拟合的单光子激光数据处理方法。使用NASA(National Aeronautics and Space Administration)的机载激光雷达MABEL(Multiple Altimeter Beam Experimental LiDAR)的实际飞行数据进行了实验,并通过模拟仿真的方法对实验结果做了验证。结果表明,此方法能有效地剔除噪声,试验区的整体精度能达到97.8%。
基于大气湍流传输激光散斑的真随机数提取研究
刘中辉, 陈纯毅, 姚海峰, 潘石, 向磊, 娄岩, 倪小龙
2019, 48(12): 1205005. doi: 10.3788/IRLA201948.1205005
[摘要](527) [PDF 2175KB](24)
为生成真随机数序列,提出了先将大气湍流传输中激光散斑图像作为随机数发生器的熵源,再采用变帧频采样方法进行提取随机数的算法。首先,为降低相邻激光散斑图像间高相关性对随机性的影响,提出了变帧频采样方法。其次,对实验数据进行处理,根据大气湍流造成激光光斑质心的随机抖动特征,对散斑图像划分灰度等级,编码和后处理等操作,从而提取随机数。最后,利用NIST测试工具对提取的随机序列进行实验分析,结果表明:该序列不仅达到真随机数的标准,而且序列的数量和随机性均高于等帧频采样方法生成的随机序列。此外,对激光散斑视频归一化方差与最优采样区间之间的关系进行分析,为进一步的研究提供重要依据。
太赫兹技术
ZnTe晶体对太赫兹波的电光响应及极化匹配
孙金海, 蔡禾, 张旭涛, 张景, 刘永强, 巢增明
2019, 48(12): 1219001. doi: 10.3788/IRLA201948.1219001
[摘要](530) [PDF 1843KB](46)
给出了ZnTe电光晶体折射率和吸收系数随太赫兹波频率而变化的计算曲线,比较了太赫兹波在ZnTe中传播时的相速度和群速度。通过与太赫兹频率和晶体厚度相关的电光效率响应函数,理论计算了ZnTe电光晶体对太赫兹脉冲的探测电光响应,得到了晶体厚度与探测到的太赫兹频谱宽度的定性关系,从计算结果中找到了ZnTe电光晶体在5.3 THz和6.2 THz等多个频点的探测盲点,这些探测盲点来自于ZnTe电光晶体与相应频点太赫兹波的栅格共振吸收。结合自制的大口径太赫兹光导天线和1 kHz脉冲重复频率的太赫兹时域光谱实验系统,通过差分探测技术,从实验上得到了太赫兹波极化方向与〈110〉型ZnTe晶体晶轴方向的六个最佳匹配角度,给出了太赫兹电场最大值随晶轴与太赫兹波极化方向之间夹角变化的曲线及经验公式,这将有利于在实践中对该现象的深入理解和对探测灵敏度的有效提高。
0.2 THz二倍频器研究
谢文青, 胡南, 刘建睿, 赵丽新, 曾庆生, 罗彦彬, 周平, 刘爽, 袁昌勇
2019, 48(12): 1219002. doi: 10.3788/IRLA201948.1219002
[摘要](658) [PDF 1757KB](19)
基于六阳极结反向串联型GaAs平面肖特基二极管,设计并实现了0.2 THz大功率二倍频器。肖特基二极管倒装焊接在50m石英电路上。采用电磁场和电路联合设计仿真获得了二倍频器的倍频效率。当入射功率在100 mW时,输出频率在190~225 GHz带内效率大于5%。在小功率(Pin100 mW)和大功率(Pin300 mW)注入条件下,测试了倍频电路的输出功率和倍频效率。在100 mW驱动功率下采用自偏压测试,最大输出功率为14.5 mW@193 GHz,对应倍频效率为14%;在300 mW驱动功率下采用自偏压测试,在188~195 GHz,输出功率大于10 mW,最大输出功率为35 mW@192.8 GHz,对应倍频效率为11%。
光通信与光传感
激光通信中马赫曾德调制器无抖动偏置控制技术
丁良, 吴志勇, 李学良, 谷雨聪, 胡金田, 尹景隆
2019, 48(12): 1218001. doi: 10.3788/IRLA201948.1218001
[摘要](917) [PDF 2106KB](83)
为实现马赫曾德调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)工作时偏置点的稳定控制,提出了一种基于平均光功率斜率值检测的简单有效的控制方案。首先,分析了MZM工作时偏置点稳定控制技术的重要性,从理论上研究了控制算法的可行性,然后,利用Matlab进行了仿真验证,最后在搭建的实验平台上进行了MZM工作偏置点稳定控制系统的实验验证。结果表明该控制方法是一种适用于多种调制格式的简单有效的无抖动偏置控制技术,并且实验观察结果表明系统误码率性能在72 h内没有下降,能稳定在10-9附近,有效地保证了激光通信调制系统工作的可靠性。
光纤干涉型光学相控阵扫描角度的模拟实验
任远中, 柴金华
2019, 48(12): 1218002. doi: 10.3788/IRLA201948.1218002
[摘要](565) [PDF 2202KB](18)
理论分析了光纤干涉型光学相控阵扫描角度与扫描控制电压的关系,提出了扫描角度与电压关系的实验方法,即按照场点定点的光强间接测定一定扫描控制电压对应的扫描角度;采用M-Z型干涉光路来模拟2光路的光纤干涉型相控阵进行模拟实验,通过改变相位调制器上的控制电压,对场点定点接收到的光强大小进行测试,反演出光纤干涉型相控阵实际的扫描角度。实验结果表明:扫描控制电压在相位调制的半波电压范围内,扫描控制电压要比集成波导阵列的控制电压小得多,扫描角度为0~6.2 mrad,在此范围内,扫描角度的实验值与理论值较好吻合。该模拟实验研究可以为光纤干涉型光学相控阵的远场扫描特性的进一步研究提供参考。
光学制造
工件台振动低敏感光刻系统协同优化方法
盛乃援, 李艳秋, 韦鹏志, 刘丽辉
2019, 48(12): 1215001. doi: 10.3788/IRLA201948.1215001
[摘要](611) [PDF 2284KB](20)
计算光刻是提高光刻成像性能的有效方法。但是,大多数计算光刻技术建立在理想光刻系统下而忽略了系统误差的影响。系统误差中的工件台振动会导致光刻图形误差增大和工艺窗口下降。因此,必须要降低工件台振动对光刻性能的影响。建立了一种对工件台振动低敏感的光刻系统协同优化方法。首先利用Zernike多项式表征光源来降低算法计算量并提高光源优化自由度。然后创建一项涵盖工件台振动影响的综合评价函数。最后采用基于梯度的统计优化算法建立优化流程。14 nm节点一维掩模图形仿真表明极端工件台振动下,该方法的特征尺寸误差降低28.7%,工艺窗口增大67.3%。结果证明该方法可以有效降低工件台振动敏感度并提高光刻工艺稳定性。
化学机械抛光的钛宝石晶体低损伤加工
金寿平, 童宏伟, 张玉慧, 付跃刚
2019, 48(12): 1215002. doi: 10.3788/IRLA201948.1215002
[摘要](516) [PDF 2044KB](22)
针对钛宝石晶体表面低损伤加工进行了系统研究,在CCOS数控小磨头抛光机上进行了正交实验,选用不同的抛光液对钛宝石进行化学机械抛光,有效去除精磨阶段的亚表面损伤,实验证明SiO2硅溶液作为磨料的抛光效果好,适合作为钛宝石加工的抛光液。研究了抛光盘种类、抛光盘压力、抛光盘速度、硅溶胶稀释浓度这四个因素和钛宝石晶体表面粗糙度和表面疵病的关系,并获得钛宝石低缺陷加工过程中工艺参数的影响规律。按照优化后的工艺参数进行实验,获得了低缺陷、高精度的钛宝石表面。运用灰色关联分析法对抛光参数进行优化,在最佳加工工艺组合条件下,得到钛宝石表面粗糙度为0.262 nm,表面疵病率为1.410-3 mm-1。
光学设计
超大口径在轨组装红外望远镜遮阳罩热设计
王洪亮, 郭亮, 熊琰, 许博谦, 于夫男, 高燕, 石启龙
2019, 48(12): 1214001. doi: 10.3788/IRLA201948.1214001
[摘要](678) [PDF 2035KB](41)
超大口径在轨组装红外望远镜体积大、工作温度低,各组装模块间存在相互干扰,传统热控手段不能完全满足其热控需求。为达到热控指标,分析、利用日地-L2点轨道外部热环境特性,设计了一个面向超大口径在轨组装红外望远镜的五层遮阳罩。使用UG软件建立了该望远镜有限元模型,并进行了仿真分析。结果显示:来自太阳的1 296 W/m2的热辐射经过遮阳罩的遮挡后,到达低温区的辐射强度降低到0.036 W/m2,望远镜在遮阳罩展开后约210天时通过辐射被动制冷降温至50 K以下,满足热控需求。该设计为未来我国建造超大口径空间望远镜进行了热控技术探索,具有一定的参考价值。
地基光学望远镜对目标飞行器成像的仿真与验证
韩意, 陈明, 谢剑锋, 段成林
2019, 48(12): 1214002. doi: 10.3788/IRLA201948.1214002
[摘要](545) [PDF 2261KB](24)
以目标飞行器地基光学观测与姿态监测需求为背景,研究了地基光学望远镜成像仿真模型与方法,通过目标建模、轨道确定和光学成像建模,结合目标表面材质光散射特性和望远镜成像性能,基于OpenGL(Open Graphics Library)仿真生成目标飞行器在轨飞行光学图像序列。根据理论分析比对、第三方仿真软件STK(Satellite Tool Kit)比对、实测光学图像序列比对多种途径,验证了仿真方法和结果的正确性。可为目标飞行器观测任务制定与在轨姿态监控、空间目标姿态判别和目标识别提供参考和依据。
深空探测相机超轻主支撑结构优化设计
刘奉昌, 李威, 董吉洪, 赵伟国, 赵海波, 李晓波
2019, 48(12): 1214003. doi: 10.3788/IRLA201948.1214003
[摘要](570) [PDF 2618KB](37)
根据深空探测相机轻质高刚度、高性能的要求,设计了一种超轻主支撑结构。深空探测相比于地球探测环境更加严苛,主支撑结构作为主承力结构,其在发射、在轨环绕阶段都应具有高稳定性,来保持各光学元件之间的相对位置不变。与传统方法相比,文中采用拓扑优化得到清晰的主支撑结构的最佳传力路径,然后通过尺寸优化来提高主支撑结构基频。最后进行轻量化设计,其前后框架结构轻量化率达到90%以上。仿真分析和试验结果表明,主支撑结构满足公差要求且基频(80.264 Hz)远远高于整星一阶频率,应用光学测量的方法振前、振后前框架相对于后框架倾角为3、0.3,满足光学系统的公差要求,具有较好的稳定性。大量级力学试验后系统的波像差/14,满足光学系统成像质量要求。
空间相机次镜调整机构的性能评价及参数优化
刘宇哲, 张新宇, 张群, 杨勇, 彭慧莲, 杨自鹏
2019, 48(12): 1214004. doi: 10.3788/IRLA201948.1214004
[摘要](394) [PDF 2264KB](30)
针对空间相机次镜调整机构的复杂设计约束要求,提出一组评价调整机构运行效率的指标体系,并基于这组指标评价体系,优化得到一组综合约束下效率性能较高的机构尺寸参数。通过建立机构的运动学模型、运动误差模型、静力学模型和动力学模型,针对运载过程和在轨运行期间的约束要求,提出了空间利用效率指标、误差传递效率指标、质量受力效率指标和运动能耗效率指标,基于四个效率性能评价指标,利用性能图谱法,分别得到了四个效率指标的性能图谱,并进一步优化得到了一组效率性能全面的机构尺寸参数(a,b,l)=(197 mm,643 mm,1 260 mm),研究成果为后续该机构的空间工程应用奠定了良好的理论基础。
空间相机快速反射镜的两轴柔性支撑结构设计
汪奎, 辛宏伟, 曹乃亮, 石震
2019, 48(12): 1214005. doi: 10.3788/IRLA201948.1214005
[摘要](499) [PDF 2302KB](41)
快速反射镜是空间相机中常用的像移补偿装置,而支撑结构的机械特性将直接影响快速反射镜系统的响应速度及闭环带宽。以某近地轨道空间相机中的音圈电机驱动型快速反射镜为研究对象,设计了基于十字型柔性铰链的两轴柔性支撑结构,该结构具有空间利用率高、中心漂移小等优点。根据悬臂梁的挠曲线近似微分方程,建立了柔性支撑结构两轴转动刚度的数学模型,针对快速反射镜机构的谐振频率要求,选择了柔性铰链的主要结构参数,并利用有限元软件MSC.Patran对机构进行了模态分析,分析结果表明,快速反射镜机构在两个工作方向上的谐振频率分别为18.6 Hz和18.7 Hz,而其他非工作方向上的谐振频率均在292.2 Hz以上,证明了柔性铰链结构参数的选择具有合理性。为了检验理论模型的准确性,加工了快速反射镜的样机并搭建实验平台,对机构的转动刚度和谐振频率进行了检测,检测结果与理论分析得到的结果在允许的误差范围内具有一致性。
光电测量
光阱中微粒位置高精度检测技术
缪立军, 闫景涛, 胡慧珠, 应光耀, 黄腾超, 车双良, 舒晓武
2019, 48(12): 1213001. doi: 10.3788/IRLA201948.1213001
[摘要](528) [PDF 2318KB](29)
基于光阱技术的精密传感和测量是光力效应应用由微观精确操控向物理量精确测量的创新和深化,对光阱中微粒位置信息进行高精度测量是实现精密传感和测量的核心;提出了一种采用数字图像处理和曲线拟合相结合进行光阱微粒位置检测的方法,通过数字图像相关方法获得表征微粒位置的归一化自相关函数,并对归一化自相关函数曲线采用最小二乘法进行二次曲线拟合,由此实现亚像素级的微粒位置检测。实验表明,所述方法可以有效抑制硬件量化效应,实现光阱微粒位置的快速高精度检测,相较于直接相关方法,检测精度可至少提升一个数量级,达0.03 pixel。
机载光电稳瞄平台的线性自抗扰控制
王春阳, 赵尚起, 史红伟, 刘雪莲
2019, 48(12): 1213002. doi: 10.3788/IRLA201948.1213002
[摘要](635) [PDF 2262KB](23)
为了提高机载光电稳瞄平台的抗扰动能力和动态响应特性,在平台上进行了基于线性自抗扰控制的改进控制方法研究。改进的线性自抗扰控制器采用模型辅助的降阶线性扩张状态观测器以及采用系统输出量和输出量微分来产生控制量,不仅可以减小观测器的相位滞后和观测负担,提高观测器对扰动的估计能力,还可以减小观测器滞后和估计误差对控制律的影响。仿真实验结果表明:改进的线性自抗扰控制器在低中频段具有更好的频域特性,阶跃响应实验中表现出更好的动态响应特性,在系统输入为零的条件下,给系统施加幅值为、频率为2.5 Hz的正弦波力矩扰动和正弦波角速度扰动,基于线性自抗扰控制器的系统输出残差峰值分别为0.175()/s与0.566()/s,基于改进的线性自抗扰控制器的系统输出残差峰值分别为0.155()/s与0.030()/s,实验结果验证了改进方法的有效性。
地形条件对空间目标细致光谱辐射特性的影响
陈博, 穆磊, 张彪, 许传龙
2019, 48(12): 1213003. doi: 10.3788/IRLA201948.1213003
[摘要](482) [PDF 2444KB](14)
随着多光谱、高光谱和超光谱探测技术的发展,探测识别目标发出的细致光谱辐射特性技术日益成熟。建立了一种空间目标细致光谱有效辐射的计算模型,考虑了地形条件和大气环境对目标的光谱有效辐射影响,分别计算了传统方法和两种设置的典型地形条件下空间目标各表面的温度和细致光谱有效辐射,分析了3~5 m和8~14 m波段下导致目标有效辐射强度随波长变化的主要影响因素,最后分析了在不同地形条件下空间目标在8.69~9.00 m探测波段内的辐射特性。结果表明,地形条件对空间目标的温度和有效辐射有较大影响,尤其是地表反照率对地球反射太阳辐射的影响较大,特别是空间目标朝向地球的面,在两种典型条件下的最大温差可以达到69.2 K,光谱有效辐射出射度偏差达到7.002 W/(m2m)。
TOF相机实时高精度深度误差补偿方法
李占利, 周康, 牟琦, 李洪安
2019, 48(12): 1213004. doi: 10.3788/IRLA201948.1213004
[摘要](875) [PDF 2598KB](72)
TOF(Time-Of-Flight)相机获取的深度值存在着边角畸变和精度偏移,目前主要是通过误差查找表或曲线拟合等技术进行误差补偿,计算量大且补偿速度慢。通过对TOF相机在不同距离的深度误差分布规律的分析,提出了一种实时、高精度的误差补偿方法。该方法利用TOF深度图像的旋转对称性以及误差分布的特性,简化了误差补偿模型、降低参数数量级,有效提升了补偿的精度和速度。将算法应用于基于TOF原理的Kinect v2深度传感器进行深度补偿,使得有效距离内平面度误差下降到0.63 mm内,平均误差下降到0.704 0 mm内,单帧数据补偿时间在90 ms内。由于该算法仅基于光径差进行补偿,因此适用于所有TOF原理的相机。实验结果表明,该算法能够快速有效减少TOF相机的深度误差,适用于实时、高精度的大视场三维重建。
图像处理
基于嵌入式平台的低时间复杂度目标跟踪算法
王向军, 郭志翼, 王欢欢
2019, 48(12): 1226001. doi: 10.3788/IRLA201948.1226001
[摘要](637) [PDF 2590KB](26)
针对嵌入式平台往往算力受限的应用背景,提出了一种低时间复杂度的、适用于复杂场景的目标跟踪算法CTSTC算法。算法由自适应更新的时空上下文目标跟踪环节和自适应更新的压缩感知目标辅助定位环节两部分构成,当时空上下文跟踪结果不可靠时,启动压缩感知目标辅助定位环节,如果辅助定位后的结果可靠,则采用辅助定位结果校正时空上下文跟踪环节。算法运行速度与时空上下文算法(STC)接近,I5CPU下测试可达每秒1 577帧,远高于其他常用算法,是一种运算速度极高的目标跟踪算法,但算法在复杂环境下的鲁棒性却有所提升。使用OTB2013数据集进行测试,较STC算法,CTSTC精度提升12.8%,成功率提升27.5%。算法在以DM6437为核心的小型目标跟踪系统上进行测试,可以实现实时稳定跟踪。
基于回路的MOS电阻阵单像素红外模型建模方法研究
孙嗣良, 黄勇, 马斌, 陈韧, 孙力
2019, 48(12): 1226002. doi: 10.3788/IRLA201948.1226002
[摘要](514) [PDF 2743KB](16)
MOS电阻阵目前在红外仿真领域有着广泛的应用和重要的作用。作为红外半实物仿真链路中的核心器件,其成像效果直接关系到最终仿真结果的准确度和置信度。目前的红外仿真数字信号进入电阻阵后会产生一系列图像退化和耦合失真问题,因此需要从MOS电阻阵的成像机理出发,分析其成像原理及能量传递过程,针对单个像元建立符合其自身物理特性的过程及辐射模型。通过输入信号与输出信号的函数关系来量化和验证模型的准确度和置信度。这个模型作为MOS电阻阵的基础模型对未来研究更大规模电阻阵的耦合特性、反向模型及非均匀性校正均有重要的理论基础和实际工程应用价值和意义。
一种基于分块特征的交互式图像色彩编辑方法
李洪安, 张敏, 杜卓明, 李占利, 康宝生
2019, 48(12): 1226003. doi: 10.3788/IRLA201948.1226003
[摘要](525) [PDF 2243KB](13)
针对交互式图像色彩编辑对交互采样数据量要求较高的问题,提出了一种基于分块特征的交互式图像色彩编辑方法。图像色彩的变化是由于原始图像中每一分块的特征的变化所致,首先,将图像分块,以图像块在LUV坐标基下,UV与L存在线性关系且在小的分块内UV与L存在相同的线性关系系数为基础,将此线性系数作为分块图像的特征建立图像色彩扩散优化模型。其次,利用图像变换前后内容的结构不变性,通过LLE简化优化模型,最后,利用稀疏线性代数方程组进行求解。实验结果表明,文中方法在用户低采样的条件下较好地保持了图像结构,自然渲染了图像色彩。
深度学习算法及其在光学的应用
周宏强, 黄玲玲, 王涌天
2019, 48(12): 1226004. doi: 10.3788/IRLA201948.1226004
[摘要](2553) [PDF 4285KB](346)
深度学习作为机器学习的重要分支,自出现之初就掀起了机器学习的又一次高潮。深度学习在诸如图像识别与分类、语义分割、智能驾驶等多个领域有着优异的表现。同时,深度学习算法以其抽象特征识别和提取特性,极强的模型构建和泛化推广能力,被广泛应用于光学领域,如计算全息图产生与成像、数字全息的无参数重建和光谱共振曲线预测等方面。详细介绍了深度学习的基本原理及在图像分类、超分辨成像、计算全息和数字全息、表面等离激元共振曲线预测、超表面的结构设计等方面的典型应用研究,并探讨了深度学习在物理光学领域未来值得研究的方向。
全息
非相干光自干涉数字全息成像技术研究
张敏敏, 田珍耘, 熊元康, 马凤英, 弓巧侠, 潘志峰, 杜艳丽
2019, 48(12): 1224001. doi: 10.3788/IRLA201948.1224001
[摘要](846) [PDF 2370KB](41)
采用了一种基于Michelson干涉仪的非相干光自干涉数字全息成像系统,利用该系统记录了USAF1951分辨率板、洋葱表皮细胞、草本植物茎横切的全息图,采用三步广义相移法对所记录的全息图进行数值重建,消除零级像和共轭像后,获得了高分辨率的重建像。重建后的USAF1951分辨率板的第九组第三线对可以清晰地被看到,分辨率可达645 lp/mm。通过分析重建图像质量与衍射距离的关系,研究衍射距离对重建图像质量的影响。通过对头发全息图的重建,证明了该系统可以实现对三维物体全息图的记录和重建。