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2020年  第49卷  第4期

特约专栏—近程激光探测
同步扫描周视脉冲激光引信多探测点最佳起爆建模及仿真
张合, 李红霞, 丁立波, 查冰婷
2020, 49(4): 0403001. doi: 10.3788.IRLA202049.0403001
[摘要](1180) [HTML全文] (535) [PDF 1300KB](67)

周视激光引信通常仅根据单次测量的目标方位和距离解算最佳起爆时间和起爆方位角,精度不高,另一方面,引信无法判别目标真伪,易发生“虚警”或误炸。基于同步扫描周视脉冲激光引信工作原理,分析了弹目交会过程中多个探测点的方位、距离及其位置坐标,建立了基于多探测点的目标速度模型,对目标速度进行计算以辨别目标真伪。解算了目标特征几何中心位置,建立了最佳起爆时间和方位角计算模型,使战斗部获得最大毁伤效能,并分析了最佳起爆时间和方位角的影响因素。研究可为周视激光引信目标真伪辨别和定向起爆控制提供参考。

激光引信在防空导弹高效引战配合中的应用研究
蔡克荣, 余曜, 高志林, 蒋涛, 申卫民, 高瑞林
2020, 49(4): 0403002. doi: 10.3788/IRLA202049.0403002
[摘要](951) [HTML全文] (459) [PDF 957KB](76)
激光引信通过周向多通道布局可以实现对导弹类目标的无盲区探测,以轮流主动窄脉冲探测方式,能够获得弹目距离、脱靶方位、目标类型等信息,同时因其窄波束、无旁瓣的特点具有较小的启动区散布,为防空导弹的高效引战配合提供了重要技术途径。在分析防空导弹引战配合影响因素的基础上,设计了一种基于八通道周视激光引信的引战系统总体方案,融合了激光引信测得的弹目距离、脱靶方位和目标类型等信息。典型弹道条件下的引战配合仿真计算结果表明,单发杀伤概率在有激光引信信息时最多可提升10%以上,可为防空导弹引战系统和激光引信总体设计提供借鉴。
激光引信12分元探测定向起爆控制建模及仿真
苏宏, 侯亚丽, 王刚, 李岗
2020, 49(4): 0403003. doi: 10.3788/IRLA202049.0403003
[摘要](801) [HTML全文] (375) [PDF 1061KB](50)
配合引信定向探测起爆控制参数选择问题,提出了一种定向战斗部激光引信12分元探测定向起爆控制建模方法。该方法基于建立的12分元激光探测模型,通过对目标方位的判别,实施对定向战斗部的起爆方位控制。结合目标易损性模型,通过仿真不同弹道及起爆时机对目标造成毁伤的效果,得到了定向战斗部激光引信延时时间与毁伤效果匹配关系。仿真结果表明,对于空中高速小目标,引信延时时间、脱靶量及破片飞散角等参数的匹配对毁伤效果非常重要,当延时时间不大于2 ms时,脱靶量小于8 m时平均毁伤概率达到0.6以上,脱靶量大于10 m时平均毁伤概率小于0.5。建立的模型可综合分析延迟时间、脱靶量等参数对定向战斗部毁伤效果的规律。
激光近距探测装置抗云雾干扰研究
任宏光, 张好军, 孙毓凯, 张韵雯
2020, 49(4): 0403004. doi: 10.3788/IRLA202049.0403004
[摘要](986) [HTML全文] (381) [PDF 1029KB](63)
激光近距探测装置(AOTD)在中低空和超低空使用时,云雾是一个重要干扰源,当飞行器略过云雾时,会导致AOTD虚警,甚至误输出执行信号。为了提高AOTD的在云雾中的工作能力,文中分析了AOTD工作原理和云雾的干扰原理。结合工程应用效果,总结了截止距离法、光学盲区法、光学抑制方法、视场对消法、参考视场法、形体识别法、激光/毫米波复合抗云雾干扰方法、窄脉冲/超窄脉冲激光探测法、激光成像法等。其中,激光/毫米波复合探测方法是更高效的方法。文末对各应用效果给出了初步的对比分析,有利于提高AOTD在云雾干扰环境中的工程应用性能,这些技术的综合应用,可以基本解决云雾干扰的问题,获得有效的抗干扰效果。
脉冲激光引信烟雾后向散射特性研究
陈慧敏, 马超, 齐斌, 郭鹏宇, 杨尚贤, 高丽娟, 霍健
2020, 49(4): 0403005. doi: 10.3788/IRLA202049.0403005
[摘要](998) [HTML全文] (357) [PDF 3112KB](47)
激光引信的探测性能容易受到烟雾的干扰,引起虚警和漏警。为研究脉冲激光引信在烟雾环境中的传输特性,基于Mie散射理论和Monte Carlo方法,建立脉冲激光引信烟雾后向散射模型,仿真905 nm脉冲激光在不同烟雾环境下的回波特性,进行相关试验,对比仿真归一化峰值强度与实测峰值电压,进行相关性分析,验证模型的准确性。分析不同烟雾质量浓度、烟筒长度与距离下脉冲激光引信在烟雾环境中的后向散射特性,得到不同条件对回波的影响规律,研究结果可为脉冲激光引信抗烟雾干扰提供支撑。
相干激光引信在云雾干扰下的回波特性研究
王凤杰, 刘锡民, 陆长平
2020, 49(4): 0403006. doi: 10.3788/IRLA202049.0403006
[摘要](978) [HTML全文] (448) [PDF 1078KB](42)
为分析相干激光引信在云雾干扰下的探测性能,基于Mie散射理论和Monte Carlo方法建立了相干激光引信在云雾中的探测模型,仿真获取相干激光引信在多种云雾干扰场景下的探测回波,分析回波信号的时域和频域特性,以及云雾能见度、探测位置和探测角度对回波特性的影响。研究结果表明,相干激光引信可利用回波频域特征准确探测和识别目标,且不易受云雾能见度、探测位置和探测角度等因素的影响。结果证明:相干激光引信在云雾干扰下具有优良的探测性能。
基于脉冲宽度调制技术的激光引信抗干扰方法
李京, 梅浩, 何成林, 左翼, 孙珞珂
2020, 49(4): 0403007. doi: 10.3788/IRLA202049.0403007
[摘要](707) [HTML全文] (452) [PDF 899KB](44)
针对激光引信易受云烟雾干扰的问题,提出了一种基于脉冲宽度调制技术的激光引信抗干扰方法。计算了不同脉冲宽度条件下的云烟雾后向散射回波功率,并给出了云烟雾后向散射回波功率随发射脉冲宽度的变化规律。分析了不同云烟雾条件下使用不同发射脉冲宽度探测时所得到的回波功率比。实验结果表明,在使用不同脉冲宽度激光探测条件下,云烟雾激光后向散射功率比大于3,使用该方法可有效提升激光引信抗干扰性能。
周视激光引信超低空探测地面回波特性研究
张伟, 李玉钊, 汪哲思, 刘岩
2020, 49(4): 0403008. doi: 10.3788/IRLA202049.0413008
[摘要](816) [HTML全文] (257) [PDF 1287KB](30)
周视激光引信在超低空探测中采用距离波门压缩技术实现抗地杂波能力。针对波门压缩技术需利用地面回波精确、稳定测高的需求,研究了周视激光引信超低空地面回波特性。建立了周视激光引信超低空对地探测模型,利用双向反射分布函数,推导了周视激光引信在时域上接收的地面回波功率方程。计算和分析了在导弹飞行高度、导弹俯仰姿态、地表反射特征等不同条件下的地面激光回波参数。结果表明,周视激光引信对地测高固有绝对误差随着探测距离的增加而逐渐变大,而测高固有相对误差逐渐变小。随着俯仰角的增大,激光回波脉冲的脉宽展宽率增大。地表双向反射分布函数镜面反射分量越大,地面回波功率对导弹俯仰角的变化越敏感。可为超低空条件下周视激光引信抗地杂波的研究提供理论支撑。
基于光谱特性的高判别准确度激光近场探测传感器研究
刘舒扬, 张晨, 赵安娜, 李奇峰, 贾晓东
2020, 49(4): 0403009. doi: 10.3788/IRLA202049.0403009
[摘要](808) [HTML全文] (402) [PDF 3122KB](46)
激光近场探测是激光测量重要的应用方向之一,尤其是基于距离信息的近场探测系统有着巨大的应用前景。传统的激光近场探测系统只依靠距离信息给出信号,而不判别反射距离信号的物体是否为目标,可能导致误报。基于光谱特性进行目标识别会大大减少激光近场测量系统的误报率,极大提高判别准确度。设计实现了一种单芯片的光谱分析器件,利用半导体技术将光谱元件和光电元件进行单芯片的集成,从而减小了传统光谱分析系统的体积和质量。实验结果表明,该微系统级的光谱分析芯片具有识别既定伪装物体的能力,使得该技术具有在激光近场探测中应用的前景。
激光多档定距引信系统参数综合优化
查冰婷, 周郁, 谭亚运
2020, 49(4): 0403010. doi: 10.3788/IRLA202049.0403010
[摘要](698) [HTML全文] (300) [PDF 960KB](38)
为配合多模战斗部的多位置点起爆要求,激光近炸引信需实现在1~25 m之间的多档定距,对于非同轴的激光引信,其探测距离范围与系统参数的选取密切相关。基于系统探测距离要求,建立非同轴系统工作距离计算模型,分析激光引信系统参数变化对最近工作点和最远工作点的影响,以接收偏角和发射接收中心距为变量,在满足约束条件的情况下,利用多岛遗传算法对变量进行优化。优化结果表明:在满足约束条件的情况下,接收偏角最小为90.97°,中心距为0.03 m。搭建激光多档定距实验平台对优化的系统参数进行验证,实验结果表明,设计系统参数能够满足多档定距要求。研究可为激光多档定距引信系统参数设计提供参考。
典型立体目标等效BRDF测试方法
王伟, 李铁, 侯亚丽
2020, 49(4): 0403011. doi: 10.3788/IRLA202049.0403011
[摘要](673) [HTML全文] (427) [PDF 1049KB](37)
针对现有BRDF测试大多针对平面目标开展,缺乏有效立体目标测试手段,提出了一种典型立体目标等效BRDF测试方法,该方法利用不同反射率涂层的子块,通过不同子块组合成母块,等效相应典型立体目标光散射空间分布,利用BRDF测试系统获取了轴对称圆柱体目标和等效母块的BRDF数据,完成了两者之间测试结果曲线相关性分析。测试结果表明:该测试方法可测量入射角小于30°范围内轴对称立体目标BRDF,完成了小角度入射情况下典型立体目标等效BRDF测试。该方法通过平面目标构型,实现了轴对称立体目标的等效测试。
红外技术及应用
基于波前编码的大焦深弹载双色红外探测系统
周军, 陈守谦, 甄政, 欧文, 熊健
2020, 49(4): 0404001. doi: 10.3788/IRLA202049.0404001
[摘要](4109) [HTML全文] (1223) [PDF 963KB](101)
波前编码技术通过在光学系统光瞳位置加入特殊的相位掩模板,对目标信号光波进行编码调制,并在图像处理端对该编码信号进行解码而恢复原图像,由于被编码调制后的波前对离焦等像差的不敏感度扩大了十数倍,能显著扩大光学系统焦深。因此,波前编码技术能在编码与解码之间解决恶劣力热条件或多色制导体制对弹载红外探测系统带来的离焦和对准误差。文中基于波前编码扩大焦深基本原理,对一长长双色红外光学系统进行了10倍焦深扩大的波前编码像差钝化设计。集成样机后,进行了波前编码成像实验。以小孔点靶编码像作为PSF解码10倍离焦位置处的十字靶和四条靶图像,十字靶和四条靶解码图像清晰可辨,证明波前编码技术对于系统像差或离焦像差的抑制是有效的。最后,对波前编码成像效果进行了分析:解码图像的水波纹是由于空间采样PSF不足导致的,可提取不同视场位置PSF,使用空间变化解码算法实现条纹消除;由于解码图像会在放大信号的同时放大噪声,因此,解码算法需要进一步研究噪声抑制算法,以期满足弹载高能量、高信噪比应用的要求。
高超声速飞行器红外探测窗口辐射透射特性研究
李一涵, 胡海洋, 王强
2020, 49(4): 0404002. doi: 10.3788/IRLA202049.0404002
[摘要](1054) [HTML全文] (488) [PDF 1738KB](85)
高超声速飞行器在飞行过程中受到强烈的气动加热,位于头部的红外探测窗口温度上升显著,辐射透过率下降的同时自身发射辐射大幅增强,致使内部的红外探测器信噪比下降,严重情况下可能失效。对超声速弹头弹道末端蓝宝石红外探测窗口的气动加热-非稳态温升过程及其3.7-4.8 μm波段红外辐射透射特性进行数值模拟,结果表明:平均温度已经不能准确反映蓝宝石窗口的红外透射特性及其对红外探测器灵敏度的影响;存在一个最优的红外探测窗口厚度,该厚度下红外探测器在弹道末端的灵敏度达到最佳。
基于CUDA并行计算的空中目标红外辐射成像计算
刘连伟, 董士奎, 陈前荣, 邹前进, 樊宏杰, 屈东胜
2020, 49(4): 0404003. doi: 10.3788/IRLA202049.0404003
[摘要](4365) [HTML全文] (1516) [PDF 1025KB](511)
建立了一种包含蒙皮和尾焰的空中目标红外辐射成像GPU并行计算方法。采用SLG模型计算尾焰辐射气体的红外特性,采用LOS方法求解尾焰红外辐射传输方程,根据本体与三维尾焰的成像几何关系,采用正向光线追迹方法计算蒙皮辐射成像,采用反向光线追迹方法计算尾焰辐射成像,建立了目标投影算法,并在蒙皮投影计算模块和尾焰辐射计算模块采用CUDA并行提高计算速度,实现了探测器入瞳处目标红外光谱图像的快速计算。结果表明:投影成像算法可准确生成设定条件下的目标图像,目标红外图像辐射分布与温度分布一致,尾焰辐射强度计算结果与实验结果符合较好,CUDA并行算法可有效提高程序的计算效率,当计算量较大时,蒙皮投影模块的计算加速可达百倍以上。
红外焦平面列级ADC数字读出电路测试技术研究
岑懿群, 张君玲, 陈洪雷, 丁瑞军
2020, 49(4): 0404004. doi: 10.3788/IRLA202049.0404004
[摘要](1340) [HTML全文] (637) [PDF 16461KB](81)
数字化红外焦平面器件是焦平面发展的重要方向,其核心是读出电路集成高性能模数转换器(ADC)。分析了读出电路数字化输出后焦平面性能参数的评价方法,阐述了红外焦平面列级ADC的静态测试和动态测试方法,提出了基于斜坡电压输入的过采样原理测试ADC静态性能,提升无误码分辨率测试正确性。针对ADC静态测试和动态测试要求,结合Labview软件和数字采集卡搭建了软硬件测试平台,并通过一款数字焦平面芯片的测试,验证了测试方法和平台适用于行列级ADC数字化读出电路的测试评价。
太赫兹被动成像系统性能研究
李雅尚, 赵国忠, 韦青云, 刘宇洋, 阚晨, 李帅
2020, 49(4): 0404005. doi: 10.3788/IRLA202049.0404005
[摘要](1434) [HTML全文] (338) [PDF 1805KB](65)
太赫兹被动成像技术具有很多独特的优势,已经成为安全检查领域的重要研究方向。为了进一步提高太赫兹被动成像系统的成像性能和实用性,研究了实验室自研的一套基于光机扫描的太赫兹被动成像系统的性能。通过探索不同系统参数和实验条件,包括成像距离、成像速度以及探测器状态,对背景噪声以及分辨率等图像性能的影响,获得了系统优化的性能参数,同时探究了该系统探测人体隐藏物品的能力,说明该系统可以有效地对人体进行安全检查。实验结果表明:该太赫兹被动成像系统的成像距离在机器前面1.5~2.5 m的范围内,即在大约1 m的景深内,能够显示清晰的太赫兹图像;该系统的成像速度为每帧1~2 s;探测器工作电平和增益对图像清晰度和系统噪声有较大的影响,存在一个优化的探测器工作状态,在该条件下可以获得清晰的太赫兹图像。在各项参数优化的条件下,该太赫兹成像系统可以达到的目标分辨率为1.5~2 cm,能够清晰地探测隐藏在人体衣服之下的金属物品和对太赫兹波有较强吸收的物质。
激光器与激光光学
弱导阶跃折射率光纤中的模式简并问题
韩凯, 崔文达, 奚小明, 李志鸿
2020, 49(4): 0405001. doi: 10.3788/IRLA202049.0405001
[摘要](2135) [HTML全文] (478) [PDF 8450KB](46)
模式是光纤光学中的基本概念,也是光纤激光器研究中最关注的问题之一。在一般的教材、文献中对模式的简并问题涉及较少,没有给出清晰、直观的物理图像。文中采用经典的电磁场理论,阐明了矢量模的简并度、标量模的简并度以及矢量模和标量模之间的简并关系。在弱导阶跃折射率光纤中,矢量模和标量模都是描述光场的正交完备基,矢量模[HE1n(o)、HE1n(e)]与标量模[LP0n(ye)、LP0n(xe)]描述的光场空间是2维的,矢量模[TE0n、HE2n(o)、HE2n(e)、TM0n]与标量模[LP1n(yo)、LP1n(ye)、LP1n(xo)、LP1n(xe)]描述的光场空间是4维的,矢量模[EHm-1, n(o)、EHm-1, n(e)、HEm+1, n(o)、HEm+1, n(e)]与标量模[LPmn(yo)、LPmn(ye)、LPmn(xo)、LPmn(xe)]描述的光场空间也是4维的。
采用VCSEL激光光源的TDLAS甲烷检测系统的研制
王彪, 鹿洪飞, 李奥奇, 陈越, 戴童欣, 黄硕, 连厚泉
2020, 49(4): 0405002. doi: 10.3788/IRLA202049.0405002
[摘要](915) [HTML全文] (394) [PDF 1051KB](60)
相比于使用DFB边发射激光器,采用VCSEL激光器作为检测光源的TDLAS激光气体检测系统,具有功耗低的优点。针对低功率下的TDLAS气体检测信号特点,结合VCSEL激光光源调制特性,自主开发了VCSEL激光器驱动模块、信号采集及处理模块,采用波长调制光谱(WMS)技术研制出了一套低功率甲烷(CH4)气体检测系统。选择了1653.7 nm附近CH4分子的吸收峰作为吸收谱线,采用锁相放大器提取二次谐波(2f)信号。实验研究了不同浓度的CH4检测的响应情况,记录2f信号的峰峰值并进行线性拟合,线性度为0.999 8。该检测系统在50 ~ 500 ppmv范围内,检测精度优于10%,检测下限为10 ppmv。对250 ppmv的CH4持续检测10 h,数值波动小于±2.4%。引入Allan偏差分析,初始积分时间为1 s时,Allan偏差为9.9 ppmv;积分时间达到359 s时,Allan偏差为0.06 ppmv,表征了系统良好的稳定度。
142 W高峰值功率窄线宽线偏振脉冲光纤激光器
张昆, 周寿桓, 李尧, 张利明, 余洋, 张浩彬, 朱辰, 张大勇, 赵鸿
2020, 49(4): 0405003. doi: 10.3788/IRLA202049.0405003
[摘要](905) [HTML全文] (392) [PDF 819KB](49)
报道了一种基于主振荡功率放大(MOPA)结构工作的全光纤窄线宽线偏振纳秒脉冲光纤激光器。脉冲种子源是由一个分布反馈直腔型(DFB)单频光纤激光器被光电调制器进行强度调制后产生的。为了抑制受激布里渊散射(SBS)效应,脉宽被调节为3 ns,并且种子源线宽被相位调制器展宽为2.9 GHz。经两级保偏掺Yb3+光纤放大器放大后,获得了平均功率142 W,重复频率1 MHz,脉冲宽度2.88 ns,峰值功率49.3 kW的脉冲激光输出。在最大输出功率时,激光光束质量因子M2约为1.15,偏振消光比(PER)大于15.4 dB。
光电测量
极线和级次双约束的光栅投影测量方法
王鹏, 张宇倩, 孙长库, 周舵
2020, 49(4): 0413001. doi: 10.3788/IRLA202049.0413001
[摘要](774) [HTML全文] (416) [PDF 1224KB](32)
利用结构光辅助立体视觉技术在三维测量领域可以很好地解决被测物特征稀疏的问题,从而实现对物体几何尺寸的高精度测量。提出了利用极线和条纹级次双约束的方式,通过双目相机中的极线约束原理和多频外差法得到的光栅条纹级次进行混合约束,降低了立体匹配的待匹配区域。立体匹配过程中设计了一种带权值的窗口模板,利用相位信息配合模板匹配的方式确定初始匹配点,并通过初始匹配点与附近点的相位差值利用二次曲线拟合方法实现亚像素级匹配。实验表明:该方法在较小视场测量中应用良好,对直径10 mm大小的球体可以实现快速、准确的测量。
激光测距仪与相机信息融合过程中位姿标定方法
王鹤, 李泽明
2020, 49(4): 0413002. doi: 10.3788/IRLA202049.0413002
[摘要](921) [HTML全文] (348) [PDF 1045KB](40)
激光测距仪与视觉图像的融合研究在最近的工业机器人等应用领域中受到越来越多的关注,其中对这两种仪器的位姿标定有利于对二者信息的有效融合。以单点激光测距仪和相机的位姿融合为主要研究内容,提出两种确定两者相对位置和方向的标定方法,在建立光斑相机坐标的基础上分别以可见光斑和不可见光斑为研究内容,分别通过光斑的坐标和平面约束对两种情况建立标定方程,并结合实验验证两种标定方法的有效性和可靠性,实验结果表明:在有限次测量次数的情况下标定结果能够使重投影误差达到3个像素以内,而且运算时间大大减小。
基于图模型的小尺寸飞行器地面试验中位姿估计方法
李云辉, 霍炬, 杨明
2020, 49(4): 0413003. doi: 10.3788/IRLA202049.0413003
[摘要](770) [HTML全文] (252) [PDF 1672KB](17)
在多飞行器地面试验位姿估计中,由于跟踪算法导致的跟踪轨迹不连续会使得位姿估计产生累积误差,为了实现位姿的精确估计,提出了一种基于图模型的全局位姿估计非线性优化方法。首先,建立了一个飞行器地面视觉位姿估计系统。然后根据飞行器上特征点的数目提出了一种向量交叉式的飞行器位姿解算方法,求解得到数据已关联飞行器位姿估计值。利用中介坐标系法求解得到轨迹段初始位姿节点在测量坐标系下的值,最后,在图模型基础上下,对整个量测过程中飞行器的位姿估计结果进行非线性全局优化减小线性算法的累积误差,并通过仿真与实际实验对飞行器位姿估计算法的可行性与精度进行验证。实验结果表明:在测量范围为6 000 mm×6 000 mm×3 000 mm的范围内,飞行器尺寸约为400 mm,特征点三维定位精度为2.9 mm的条件下,基于非线性优化的飞行器位姿估计算法的理论精度分别可达0.5° (3σ)与3 mm (3σ),实际绝对测量精度分别可达1.3°(3σ)与4 mm (3σ),基本满足地面试验对多飞行器编队算法开发以及制导控制系统性能长时间评估稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。
基于视觉测量的回转轴线标定方法研究
毕超, 郝雪, 刘孟晨, 房建国
2020, 49(4): 0413004. doi: 10.3788/IRLA202049.0413004
[摘要](1253) [HTML全文] (417) [PDF 975KB](28)
为了实现高压涡轮叶片上的气膜孔特征的高精高效测量,设计并搭建了一套非接触式的四轴视觉坐标测量系统。针对其中的回转轴线的空间位置标定难题,结合工业影像测头的成像特点,提出了一种基于视觉测量的回转轴线标定方法。在标定过程中,采用了定制的长方体标定块,并通过回转工作台与三坐标测量机之间的配合,使工业影像测头对焦于标定块的表面并采集到其锋利棱边的图像,而后再通过边缘提取、像素距离计算、物理距离转化和代数运算等步骤,最终确定了回转工作台的轴线在机器坐标系中的空间方位。最后,选用一个标称尺寸为80 mm的标准量块作为被测物体,以对标定方法及标定结果进行验证,各次测量结果的误差均小于±0.01 mm,并进行了合成标准不确定度的分析。实验结果表明:文中所提出的回转轴线标定方法能够达到较高的标定精度和较好的重复性,能够满足气膜孔形位参数的检测要求。
基于涡旋光与球面波干涉的微位移测量研究
赵冬娥, 王思育, 马亚云, 张斌, 李诺伦, 李沅, 褚文博
2020, 49(4): 0413005. doi: 10.3788/IRLA202049.0413005
[摘要](1920) [HTML全文] (385) [PDF 859KB](79)
基于涡旋光与球面波的干涉原理,提出一种物体微位移的光学测量方法。改进马赫泽德干涉光路,其中一束光照射至空间光调制器产生涡旋光束作为参考光,另一束光经透镜变为球面波后照射至物体上,两束光干涉后干涉条纹呈螺旋状分布。当物体发生微小位移时两束光的光程差改变,螺旋干涉条纹发生旋转,通过干涉条纹的旋转角度可以确定物体的微位移量。经理论分析、仿真和实验证明:基于涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化能够实时监测物体位移量的变化,同时可以有效计算物体的微位移。实验中,测量物体的产生位移量为27 nm,通过涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化实际测得物体的位移为25.75 nm,误差为1.25 nm。
眼轴及眼前节SS-OCT一体化成像系统
蔡怀宇, 张玮茜, 韩晓艳, 汪毅, 陈文光, 陈晓冬
2020, 49(4): 0413006. doi: 10.3788/IRLA202049.0413006
[摘要](1936) [HTML全文] (402) [PDF 1314KB](44)
针对现有眼轴测量仪器无法同时实现大量程眼轴测量及眼前节成像的功能,设计了眼轴和眼前节同步测量的大量程扫频光学相干层析成像系统。该系统通过设计大量程扫频光源增加成像深度,并在外部设计搭建标定光路进行k域重采样以提高大量程干涉范围内的成像质量,从而在获取高精度眼轴信息的同时对眼前节成像;针对该系统OCT图像信噪比较低的问题,文中采用基于各向异性滤波的保边去噪算法对图像中的散斑噪声进行抑制以提高图像对比度。系统分别使用等比例人眼模型和离体鱼眼进行成像实验,实验结果表明:该系统成像深度可达到69 mm,在精准测量眼轴纵向五层结构的同时完成12 mm范围内的眼前节横向扫描,眼轴长度平均测量误差0.04 mm,成像时间约为0.45 s,满足临床医学应用中实时性的要求。
某空间气体监测仪热设计及试验验证
申春梅, 于峰, 刘文凯
2020, 49(4): 0413007. doi: 10.3788/IRLA202049.0413007
[摘要](538) [HTML全文] (289) [PDF 1296KB](16)
某空间气体监测仪结构布局紧凑,在较小尺寸空间内交错布置有8个镜头组件、11台电子设备内热源和2个电机。内热源数量众多,工作时间长,与镜头控温要求差别大,且1个电机为二维转动热源,这些特点给热设计带来挑战。为有效解决热控难题,采用了多种设计思路组合。基于热管理思路对监测仪各部组件热行为进行系统管理,以节省热控资源;基于间接热控思路对所处热环境复杂的光学镜头组件进行控温,提高其控温精度和温度稳定度;对转动电机则进行辐射冷却,避免在传热路径中引入挠性转动环节,以提高热控系统可靠性;并基于结构热控一体化设计,在结构上充分保证热设计各项需求。热平衡试验结果表明:高低温工况下,监测仪各部组件温度均满足指标要求,且整个寿命周期内,光学镜头温度稳定度较高,同一工况下光学镜头最大温度波动在1 ℃以内,实现了多热源复杂工作机制下光学镜头的高精度精密热控。
光学设计
轻小型掩膜式光谱光学系统
李鹏达, 胡源, 钟晓明, 王旭, 王月旗, 李轶庭, 骆强
2020, 49(4): 0414001. doi: 10.3788/IRLA202049.0414001
[摘要](820) [HTML全文] (306) [PDF 4400KB](44)
掩膜式光谱仪通过分光镜,将入射场景分为空间维和光谱维两路分别采集,然后对其进行信息融合,实现光谱高动态视频信号的获取,在动态高光谱成像领域具有广泛的应用价值。为了解决掩膜式光谱仪轻小型化问题,针对光谱光学系统部分,进行镜片数量的精简化设计,采用光栅替换传统棱镜,在实现线性色散的同时使结构进一步紧凑。并针对光栅无用级次产生的杂散光问题进行分析,论证了系统设计的可行性。最终设计的系统在400~1 000 nm范围内,光谱分辨率均小于4 nm,全视场奈奎斯特频率处平均调制传递函数(MTF)均大于0.4,像面照度均匀性高于0.9,实现良好像质;同时杂散光产生的信噪比为0.06,不影响光谱信息的采集。
空间红外大口径折射式低温镜头设计与验证
行麦玲, 刘义良, 裴景洋, 胡斌, 杨天远
2020, 49(4): 0414002. doi: 10.3788/IRLA202049.0414002
[摘要](969) [HTML全文] (418) [PDF 1034KB](71)
针对目标探测类空间红外相机大范围成像、高灵敏度探测、高精度定位等应用需求,文中提出采用像方远心光路和低温光学技术结合的解决方案,设计了物方视场角8°×8°、入瞳口径265 mm、工作温度200 K的像方远心折射式光学系统。镜头最大口径280 mm,采用多级分散的弹性支撑设计,解决大口径低温透镜装框、透镜组件支撑和镜头整体安装各环节的热应力卸载问题。在保证高刚度和低漏热的情况下,使低温下透镜的热应力对镜头能量集中度的影响降低到可接受范围内。镜头完成装调及室温下像质确认后,进行了力学振动试验,并将其制冷到200 K水平测试像质,测试结果表明,镜头能量集中度达到轴上75%,边缘视场72%。
单反式光端机反射镜柔性支撑参数化设计与试验
李小明, 王桂冰, 张立中, 王天宇, 张天硕
2020, 49(4): 0414003. doi: 10.3788/IRLA202049.0414003
[摘要](826) [HTML全文] (332) [PDF 1294KB](29)
为保证单反式光端机指向捕获跟踪(Pointing, acquisition and tracking, PAT)时反射镜在恶劣空间环境下的面形精度,设计了一种底面开槽的柔性支撑结构。由于柔性支撑结构参数较多,为避免各参数之间严重耦合,采用正交优化方法对柔性支撑结构进行参数优化设计,再利用有限元方法对反射镜组件进行热力学特性分析。仿真分析结果表明,反射镜组件一阶频率为352.61 Hz,在1g重力和10 ℃温升(温降)共同作用下的最大面形误差RMS为λ/54.79(λ=623.8 nm),能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。使用ZYGO干涉仪在(20±10) ℃温度范围内对反射镜面形进行检测,结果表明,反射镜面形PV值优于λ/6,RMS优于λ/43,满足RMS≤λ/40的指标要求。实验结果表明,柔性支撑参数设计可靠,满足使用要求。
光学镜面污染颗粒吸收特性的影响分析
王翔, 张科鹏, 陈壮, 张彬, 陈坚, 赵建华
2020, 49(4): 0414004. doi: 10.3788/IRLA202049.0414004
[摘要](1052) [HTML全文] (327) [PDF 1269KB](32)
针对实际工作中的光学元件表面粒子污染,以米氏理论为基础,分析了在风沙地区空气中污染颗粒(以SiO2为主)对入射激光能量的吸收效应。此外,进一步分析空气洁净度、元件工作面的朝向以及放置时间等对光学元件表面吸收特性的影响。结果表明,空气洁净度等级越高、元件工作面朝上、放置时间越久,光学元件的表面吸收能力越强。研究成果可为实际应用中光学系统的镜面污染控制提供理论参考。
光通信与光传感
新型长波红外非线性晶体PbIn6Te10的生长
姜鹏飞, 吴海信, 倪友保, 黄昌保, 王振友
2020, 49(4): 0418001. doi: 10.3788/IRLA202049.0418001
[摘要](942) [HTML全文] (366) [PDF 850KB](31)
新型长波红外非线性晶体PbIn6Te10具有透光波段宽(1.3~31 μm)、非线性系数大(d11=51 pm/V),双折射适宜(~0.05)等优点,在14~25 μm乃至25 μm以上波段具有较大应用潜力。文中通过相图分析结合具体实验,筛选出较合适的组分配比,并采用高温单温区法合成多晶,布里奇曼法生长出尺寸φ11 mm×55 mm的单晶棒。对生长的PbIn6Te10晶体进行X射线衍射、摇摆曲线、透过率等测试,结果表明,晶体为三方结构,晶格常格为a=b=1.496 1 nm,c=1.825 7 nm,生长出的单晶结晶性较好,半高宽(FHWM)约0.253°,2.5~25 μm波段晶体的平均透过率在50%以上,对应收系数处于0.3~0.6 cm−1之间。
表面钝化膜对BCMOS传感器电子敏感特性影响的实验研究
乔凯, 王生凯, 程宏昌, 靳川, 张太民, 杨晓军, 任彬
2020, 49(4): 0418002. doi: 10.3788/IRLA202049.0418002
[摘要](1111) [HTML全文] (288) [PDF 902KB](28)
基于硅表面的薄膜钝化原理,开展了不同厚度的表面钝化膜对背减薄CMOS(Back-thinned CMOS,BCMOS)传感器电子敏感特性影响的实验研究。首先,对CMOS传感器进行背减薄处理后,对背减薄CMOS进行电子轰击测试,由测试结果可知,电子图像灰度随入射电子能量的变化呈现出线性关系。然后,采用电子束蒸镀法在BCMOS传感器表面镀制了不同厚度的氧化铝薄膜,并进行了电子轰击测试。研究发现,当表面氧化铝薄膜厚度为20 nm时,可以将BCMOS传感器的二次电子收集效率提高14.9%,通过表面薄膜钝化实现了电子敏感性的提升,同时,随着薄膜厚度的增加,BCMOS暗电流由1510 e-/s/pix减小至678 e-/s/pix。上述结果说明,氧化铝薄膜对BCMOS背减薄表面具有良好的钝化作用,可以提高BCMOS传感器的二次电子收集效率、降低暗电流,为将来高灵敏度EBCMOS器件的研制提供了技术支撑。
图像处理
基于矢量分解和相位剪切的非对称光学图像加密
郭媛, 敬世伟, 许鑫, 魏连锁
2020, 49(4): 0426001. doi: 10.3788/IRLA202049.0426001
[摘要](2081) [HTML全文] (635) [PDF 2963KB](26)
结合矢量分解和相位剪切提出一种新的非对称光学图像加密算法,明文经过4个密钥加密得到分布均匀的密文和3个解密密钥。解密密钥在加密过程中产生,不同于加密密钥,实现了非对称加密,增加了系统的安全性。在矢量分解过程中产生的解密密钥与明文关联强,比现有光学非对称加密算法中明文对密文和解密密钥更为敏感,抵御选择明文攻击能力更强,同时也提高了解密密钥的敏感性。相位剪切的引入扩大了密钥空间,增强算法安全性,产生实数密文更便于传输。实验分析表明:该算法密文分布均匀、相邻像素相关性低,解密密钥、明文对解密密钥和密文敏感性高,抵御各种攻击能力强,有更好光学图像加密效果。
海面油膜的偏振反射特性仿真实验
陆敏, 王治乐, 高萍萍, 王华林
2020, 49(4): 0426002. doi: 10.3788/IRLA202049.0426002
[摘要](856) [HTML全文] (972) [PDF 1342KB](32)
为了给海面溢油污染识别检测提供理论基础,根据菲涅尔反射公式的偏振反射系数,结合偏振双向反射率因子和粗糙海面的概率密度分布函数,建立了完善的pBRDF模型,仿真在不同太阳入射角度、不同探测器观测角度以及不同海面风速风向等条件下海水和油膜的偏振反射分布函数。结果表明:海水和油膜太阳天顶角为53°和56°时P偏振反射率分别为1.0×10−5和2.5×10−5S偏振反射率随着太阳天顶角的增加而增加;海面风速越大偏振反射率峰值越小;海面风向只改变pBRDF的空间位置;海水和油膜线偏振度空间分布有明显差异。搭建实验平台相机以40°拍摄时,得出海水和油膜的线偏振度分别在0.2~0.4, 0.5~0.7之间,同时表明利用偏振探测获取目标场景的偏振度和偏振角图可提高图像质量。
红外图像自适应逆直方图增强技术
曹海杰, 刘宁, 许吉, 彭杰, 刘宇昕
2020, 49(4): 0426003. doi: 10.3788/IRLA202049.0426003
[摘要](2935) [HTML全文] (1087) [PDF 985KB](117)
在红外图像中,传统直方图均衡图像时细节像素容易被大量的背景像素淹没,导致图像产生过亮、过暗等现象。基于这样的状况,提出一种自适应逆直方图均衡化细节增强算法。该算法通过逆向统计、自适应选取阈值以及分段映射来增强图像细节。相比于传统直方图均衡化算法,逆直方图均衡化算法明显改善了图像在不同灰度层分布的视觉效果,使图像的不同区域亮度得到不同程度的增强。而且该算法在能够达到更好的图像处理效果的前提下仍然能够通过优化计算方法保证实时性,高效性,并且适合在FPGA硬件移植中采用。