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2020年  第49卷  第6期

特约专栏-“偏振探测与成像”
汗潜指纹紫外偏振反射特性研究(特约)
王峰, 贾镕, 刘晓, 翟昊, 王孙晨, 吴云智
2020, 49(6): 2020101. doi: 10.3788/IRLA20201011
[摘要](308) [HTML全文] (131) [PDF 2758KB](66)

汗潜指纹是犯罪现场最常见的指印类型,具有特征消失快且不易被检测等特点。根据其特点,使用紫外偏振成像探测技术进行目标检测,相比传统强度图像,偏振参量图像可以提高目标对比度,有助于辨别不同背景中的目标。但紫外偏振成像探测技术对角度、波段及客体材料等较为敏感,所以通过设计合理的实验,分析了汗潜指纹紫外偏振反射特性随角度、波段及客体材料的变化特点。结果表明:汗潜指纹在不同角度下表现出规律的偏振特性;在系统提供的四个光谱偏振通道中,近紫外波段相比之下有很好的可重复性和区分性;不同客体材料偏振特性差异变化较大,对比分析样本的紫外偏振反射特性能有效提高潜指纹的探测和识别性能,为汗潜指纹紫外偏振成像探测技术提供依据。

利用偏振成像在复杂现场快速识别金属碎屑(特约)
熊志航, 廖然, 曾亚光, 刘晋, 马辉
2020, 49(6): 20201012. doi: 10.3788/IRLA20201012
[摘要](504) [HTML全文] (141) [PDF 885KB](87)

爆炸犯罪杀伤群众,破坏公私财产,对公共安全造成危害。为快速侦破爆破案件,需要在爆炸现场众多残留物中识别金属,找出爆炸装置碎屑。针对在复杂背景中快速识别金属碎屑的需求,提出了一种基于线偏振成像增强金属对比的方法。基于偏振光成像的原理,搭建了两种多波长偏振图像采集装置。针对多种非金属和金属材料进行实验,发现调整入射光的线偏振角度和入射角,多波长偏振成像方法在复杂现场中可以对金属与非金属快速识别和分类。通过模拟研究了多波长下金属表面反射光的线偏振度和偏振角随入射角度变化的情况,给出识别不同金属的最佳角度和照明偏振光。进一步实验结果显示:多波长线偏振成像方法有区分不同种类金属的潜力。

偏振信息传输理论及应用进展(特约)
郭忠义, 汪信洋, 李德奎, 王鹏飞, 张宁, 胡天伟, 张曼, 高隽
2020, 49(6): 20201013. doi: 10.3788/IRLA20201013
[摘要](2830) [HTML全文] (1038) [PDF 2436KB](329)

光的偏振态是电磁波的基本属性,偏振信息是使用光的偏振态作为信息表现形式的工程科学应用技术,需要合适的表征方法对其进行描述。由于大气散射特性,光在地球表面存在一种特殊的偏振分布模式,可以用于近地空间自主导航,同时,不同的偏振态在各种散射介质中传输也具有特定的变化规律。因此,研究光的偏振信息在不同分散介质中的传输特性,对其在现代军事、航空、海洋等领域内的广泛应用具有重要的参考价值。近年来,偏振光学成像技术广泛应用于雾霾、水下及其他散射介质中的清晰成像,并取得了很多优秀的研究成果。文中主要介绍了光的偏振态的各种表征形式、偏振信息在不同分散介质中的传输特性、经过散射介质后的偏振信息恢复算法、以及偏振去雾技术的应用等,并在最后展望了偏振信息应用的未来发展趋势。

水下偏振清晰成像方法综述
赵永强, 戴慧敏, 申凌皓, 张景程
2020, 49(6): 20190574. doi: 10.3788/IRLA20190574
[摘要](1031) [HTML全文] (276) [PDF 10031KB](250)

水下成像环境复杂多变,在水下视觉的研究中会遇到许多典型的问题:在复杂的光学环境中,水下成像质量急剧下降,传统成像方法中常用的诸如颜色、亮度等特征衰减严重,难以有效地提高水下成像的质量。偏振成像可以对水下散射进行有效抑制,在水下成像环境中,分析目标信息光、后向散射光和前向散射光相应的偏振特性,针对性地解决不同分量对图像的影响进而实现图像质量的提高。基于水下成像物理模型、偏振成像原理详细阐述了水下偏振成像原理,着重论述了几种经典的水下偏振成像方法,总结了当前基于偏振特性的水下成像技术,并对其实际效果进行评价分析,依据现有的水下偏振成像技术的优缺点和实际成像效果对水下偏振成像技术的未来发展进行总结展望。

基于水面特征波纹的潜艇多波段光电偏振成像探测性仿真研究
吴恒泽, 王大成, 金伟其, 裘溯, 薛富铎, 杨洁
2020, 49(6): 20190547. doi: 10.3788/IRLA20190547
[摘要](4771) [HTML全文] (1255) [PDF 1302KB](124)

潜艇探测技术是海疆国防急需的关键技术,潜艇的“直接”和“间接”成像探测往往都涉及到水面波纹的检测问题。基于偏振成像的探测方法能有效地探测水面的三维波纹面形,其中对水面偏振特性的检测与计算是面形重建的重要一环。建立了水面光电偏振模型,对不同气象条件、水温下昼夜可见光与红外波段水面偏振特性进行了仿真分析,结果显示水面可见光和短波红外波段偏振主要是s偏振,中波/长波红外波段偏振是p偏振;随着入射角的增大,偏振度先增大后减小,且水面红外偏振度随着温度的升高而增大。搭建了基于Stokes矢量的偏振成像检测系统,对可见光波段、中波红外和长波红外波段的水面偏振度进行了实验测量,仿真结果与测量结果基本一致,证明了光电偏振探测模型的有效性。分析了常见波段偏振成像探测的特点,可为水面偏振特性的分析及计算提供理论仿真和实验方法。

基于红外光谱偏振度对比度的涂层材质识别研究
陈伟力, 徐文斌, 王淑华, 陈艳, 张亚洲, 李军伟, 邓蓉
2020, 49(6): 20190445. doi: 10.3788/IRLA20190445
[摘要](1355) [HTML全文] (830) [PDF 1035KB](79)

为了降低材质红外识别的正确率,较常用的方法是通过在材质表面涂覆涂层,以改变材质的表面发射率。首先通过基于微面元理论的目标材质表面红外辐射偏振传输模型的Stokes表达式,推导分析了目标材质表面发射率对目标材质表面红外偏振特性的影响,结果表明:目标材质表面发射率的改变不影响其表面的红外线偏振度特征;其次,针对材质表面发射率与红外偏振特性的不相关性,文章提出基于光谱偏振度对比度检测涂层材质的方法,并通过相同基底不同表面发射率的涂层材质、不同基底相同发射率的涂层材质的红外高光谱偏振成像特性进行了验证分析,结果表明:改变涂覆材料表面发射率并不影响材质表面的红外光谱偏振度特征;基底材料不同,即使目标材质表面涂覆相同发射率涂层,其表面的光谱偏振度特性将比光谱辐射亮度具有更明显的差异性,研究成果可为红外伪装材质检测识别提供新的途径和方法。

特约专栏-“光学三维成像与传感”
Fast measurement of human body posture based on three-dimensional optical information
Song Limei, Huang Haozhen, Chen Yang, Zhu Xinjun, Yang Yangang, Guo Qinghua
2020, 49(6): 20200079. doi: 10.3788/IRLA20200079
[摘要](363) [HTML全文] (109) [PDF 1008KB](38)

The three-dimensional measurement of human body posture is of great significance to the comfort evaluation of car seat design. In order to acquire the 3D data of the human body in the car quickly and accurately, a method of 3D data acquisition based on binocular vision was adopted, which combined the structured light with the marked points, and realized the rapid reconstruction of 3D point cloud of the human body and the automatic and rapid measurement of 3D attitude (distance and angle). The experimental results show that when the distance is more than 2 m and the measuring range is 1.5 m × 2 m, the measurement accuracy of human body posture can reach 0.03 mm, which meets the demand of high-precision three-dimensional data acquisition of automobile human body posture. Compared with traditional three-dimensional measurement method, the three-dimensional automatic measurement method used in this paper not only has a high degree of automation, but also has the advantages of high accuracy, fast speed and strong robustness.

基于深度学习的散斑投影轮廓术
钟锦鑫, 尹维, 冯世杰, 陈钱, 左超
2020, 49(6): 20200011. doi: 10.3788/IRLA20200011
[摘要](693) [HTML全文] (206) [PDF 1202KB](142)

针对传统的单幅散斑图像匹配算法测量精度低且无法测量复杂面型物体等问题,提出了一种基于深度学习的散斑投影轮廓术,即通过深度学习的方法实现散斑图像的逐像素匹配。设计利用孪生卷积神经网络结构,将目标散斑图像和参考散斑图像以图像块的形式输入神经网络。通过卷积层运算提取散斑图像块的特征信息,进而将子网络得到的特征信息融合为两个图像块之间的匹配系数,以获得散斑图像的视差数据,并最终可将视差数据转化为物体的三维信息。实验结果表明,该方法可以通过单幅散斑图像实现精度约为290 μm的三维轮廓测量。

基于灰度拓展复合光栅的单帧三维测量方法
李红梅, 曹益平, 王亚品, 王璐, 李城梦, 安海华, 徐财
2020, 49(6): 20200034. doi: 10.3788/IRLA20200034
[摘要](311) [HTML全文] (142) [PDF 1136KB](40)

提出了一种基于灰度拓展的单帧正交复合光栅三维测量方法。由于受商用DLP最大灰阶动态范围256的标准限制,单帧复合光栅中的多张调制光栅共享256灰阶动态范围导致其对比度变小,其表征的三维物体的相位信息被压缩,解相过程出现相位断裂现象,测量误差增大。采用时分复用原理,将一具有766灰阶的正交复合光栅拆分为三幅不同的具有256灰阶的条纹图。依次序加载进循环播放的视频中投射至待测物体表面,当用曝光时间为3倍视频刷新周期的整数倍10 bit CCD采集时,就可采集到具有766灰阶动态范围的变形复合光栅像。通过滤波和灰度校准等计算后,物体的三维面形能够完整而精确的重建。经仿真和实验验证,所提方法打破了DLP256灰度投影的限制,有效提高了相移变形条纹的动态范围,增大了被测物体细节信息,避免了相位展开环节相位断裂而引起物体面形重构不完整的现象。

利用相移条纹相位解调的广角镜头畸变校正
周维帅, 翁嘉文, 彭军政, 钟金钢
2020, 49(6): 20200039. doi: 10.3788/IRLA20200039
[摘要](391) [HTML全文] (125) [PDF 13596KB](62)

文中提出了一种基于相移条纹图相位分析的广角镜头畸变校正方法。首先,用大尺寸液晶平板显示器显示四幅相移量为π/2的余弦条纹图作为校正模板。然后,用广角镜头相机拍摄该校正模板,获得四幅畸变条纹图,使用四步相移算法解调径向畸变条纹图的相位分布。由于经广角镜头成像的图像中心区域几乎无畸变,利用图像中心无畸变的相位值进行数值拟合得到径向无畸变条纹图的相位分布,作为求解径向畸变相位的基准,也就是径向畸变相位分布可以根据径向畸变条纹图的相位分布与径向无畸变条纹图相位分布相减得到,再将畸变相位转换成实际的畸变量。提出的方法不需要通过特征点或特征线确定畸变模型,可以直接计算畸变图像中每个像素点的畸变量。实验结果表明,提出的方法简单、有效,具有广泛应用价值。

噪声环境下基于单像素成像系统和深度学习的目标识别方法
石峰, 陆同希, 杨书宁, 苗壮, 杨晔, 张闻文, 何睿清
2020, 49(6): 20200010. doi: 10.3788/IRLA20200010
[摘要](700) [HTML全文] (92) [PDF 9000KB](114)

单像素成像系统由于其独特的成像方式受到广泛关注,但其在噪声环境中的目标识别方法并未得到深入研究。针对该问题,文中分别采用桶探测器获取的信号值和重构出的二维图像作为训练样本进行深度学习,并以此识别噪声环境中的目标。通过对比两者识别结果,发现在采样率较低时,前者即使在较强噪声环境中也可以获得较高的识别率;而后者的识别率虽然一直比较稳定,但其预处理时间较高,因此前者更适用于快速成像中的目标识别。此外,对于仅利用桶探测器信号进行训练的方法,文中还研究了目标稀疏度对其识别精度的影响,发现当外界噪声和采样率一定时,稀疏度越高的目标,其识别精度也越高。文中为噪声环境中单像素成像的目标识别方法提供了选择依据。

多阶段深度学习单帧条纹投影三维测量方法
张钊, 韩博文, 于浩天, 张毅, 郑东亮, 韩静
2020, 49(6): 20200023. doi: 10.3788/IRLA20200023
[摘要](530) [HTML全文] (110) [PDF 918KB](84)

深度学习的应用简化了数字条纹投影三维测量的过程,在传统数字条纹投影三维测量技术条纹投影、相位计算、相位展开、相位深度映射的流程中,研究者们已经成功证明了前三个环节以及整个流程结合深度神经网络的可行性。基于深度学习,PDNet (Phase to Depth Network)神经网络模型被提出,用于绝对相位到深度的映射。结合多阶段深度学习单帧条纹投影三维测量方法,通过分阶段学习方式依次获得物体的绝对相位与深度信息。实验结果表明,PDNet能较准确地测量出物体的深度信息,深度学习应用于相位深度映射步骤具有可行性。并且,相较于直接从条纹图像到三维形貌的单阶段深度学习单帧条纹投影三维测量方法,多阶段深度学习单帧条纹投影三维测量方法可以明显提升测量精度,仅需单帧条纹图像输入即可获得毫米级测量精度,且能适应具有复杂形貌物体的三维测量。

基于视差和条纹调制度分析的多物体场景分割
李小晗, 陈璐, 周翔
2020, 49(6): 20200085. doi: 10.3788/IRLA20200085
[摘要](428) [HTML全文] (112) [PDF 1350KB](44)

噪声是影响图像分割的重要因素,文中提出了一种能够在含噪声的真实场景中准确提取出多个物体区域的分割方案。利用基于正弦条纹投影的双目结构光系统,得到包含目标物体的相位图和视差图。将视差图映射到U-视差图中,利用物体和噪声区域在该视差空间的不同形态特征,采用闭合区域检测算法初步得到各个物体的分割区域,并结合条纹调制度阈值分析法进一步去除阴影区域的噪声,最终得到精确的分割结果。客观评价的数据分析表明,文中提出的分割算法,不仅对噪声的鲁棒性较好,还可以有效地将物体与水平支撑面分割开,在不同场景下具有计算复杂度低,抗干扰能力强的优势,分割准确率均在90%以上,最高可达到99.2%,平均运行时间为27 ms。

改进的双频几何约束条纹投影三维测量方法
王玉伟, 陈向成, 王亚军
2020, 49(6): 20200049. doi: 10.3788/IRLA20200049
[摘要](417) [HTML全文] (130) [PDF 15153KB](64)

双频条纹投影已经广泛应用于三维形貌测量,然而其相位展开的准确性受噪声影响较大。文中提出了一种改进的双频几何约束条纹,通过提高低频相位的频率,有效地提升了相位展开的鲁棒性。在三维测量过程中,首先,利用五步相移算法计算出双频条纹的高频相位和低频相位。然后,利用几何约束方法展开低频相位。最后,采用双频算法展开高频相位,进而重建出物体的三维形貌。仿真和实验结果均表明,相对于传统双频条纹,改进的双频条纹具有更高的鲁棒性和适用性。

邻图配对式运动恢复结构的欧式三维重建
汪侃, 龚俊, 魏敬和, 朱策, 刘凯
2020, 49(6): 20200078. doi: 10.3788/IRLA20200078
[摘要](253) [HTML全文] (88) [PDF 989KB](56)

传统增量式运动恢复结构重建易受到尺度变化的影响,重建出的点云存在分层现象,并且不存在量纲。通过改进重建拓扑结构和尺度迭代最近点算法,提出了一种新的欧式三维重建方法。首先,设计了两两相邻图片重建点云后并入主点云的重建拓扑结构;然后,建立了对应表,旨在找到同一世界点在新建点云和主点云下的对应三维点对;接着,结合Geman-McClure范数,提出了抗噪声的尺度迭代最近点求解算法;最后,设置地面控制点,为重建出的点云引入尺度。实验结果表明,提出方法重建出的点云比传统增量式运动恢复结构重建出的点云更精确,并且点云长度的测量绝对误差在1%~2%左右。提出方法适用于近场景物体较精确的欧式三维重建。

激光器与激光光学
光学探测系统电磁屏蔽设计与应用
卓红艳, 刘志强, 彭文, 叶鹏, 刘志辉
2020, 49(6): 20190412. doi: 10.3788/IRLA20190412
[摘要](1466) [HTML全文] (614) [PDF 1060KB](52)
光学探测系统在高功率微波系统运行造成的强辐射、强电磁干扰环境下工作,HPM产生的强电磁脉冲会通过后门耦合的方式由探测器前端光学镜头进入内部的电路系统造成光学探测系统瞬间黑屏、图像抖动、器件毁坏等现象,通过采用光学玻璃金属丝夹层的方法研制光窗,在2.4 GHz±100 MHz频段内电磁屏蔽性能达到了65 dB,同时满足探测目标的光窗透过率的要求。经过应用后表明:加载了这种电磁屏蔽光窗的光学探测系统在HPM工作时图像稳定,未受到干扰。
光纤饱和吸收体掺镱全光纤化激光器
祖嘉琦, 武帅, 张海涛, 耿东晛, 卢姁
2020, 49(6): 20190382. doi: 10.3788/IRLA20190382
[摘要](1305) [HTML全文] (519) [PDF 4096KB](48)
报道了一种基于光纤饱和吸收体的掺镱全光纤调Q激光器,为了获得较高峰值功率较窄脉宽的激光脉冲输出,利用掺镱光纤的可饱和吸收效应,以20/130 μm规格的大模场双包层掺镱光纤作为增益光纤,以10/130 μm规格的单模双包层掺镱光纤作为可饱和吸收体来实现被动调Q。该激光器采用全光纤化的结构,结构紧凑,以较低的成本获得了较为高效的脉冲输出。最终获得了平均功率最高为3 W,直线效率约为30%,重复频率为10~100 kHz可调,脉宽最窄为344 ns,光谱宽度为0.05 nm、中心波长为1 064 nm的激光输出。
纳秒半导体激光器的时间抖动和触发同步特性
刘如军, 马成, 施卫, 惠兆宇, 杭玉桦
2020, 49(6): 20200147. doi: 10.3788/IRLA20200147
[摘要](243) [HTML全文] (91) [PDF 1189KB](27)
纳秒半导体激光器(LD)的时间抖动和多个LD并联触发的时间同步性是各类超快光电过程及应用中的重要参数。研究了纳秒脉冲LD(包括LD触发电路)的时间抖动特性以及2个LD的触发同步性。结果表明:纳秒LD(包括LD触发电路)的时间抖动与其驱动电路的驱动电压有关,均在亚纳秒量级范围。单只纳秒LD的时间抖动为72 ps,当1个LD驱动电路同时触发2个并联的纳秒LD时,每个纳秒LD的时间抖动增至约200 ps,2个并联纳秒LD的触发时间同步性近300 ps。
半导体激光器驱动电路设计及环路噪声抑制分析
吴涛, 庞涛, 汤玉泉, 孙鹏帅, 张志荣, 徐启铭
2020, 49(6): 20190386. doi: 10.3788/IRLA20190386
[摘要](373) [HTML全文] (116) [PDF 13316KB](69)
为了防止驱动电流的波动会影响半导体激光器激射波长及发光功率,设计了一款具有较强抗干扰能力的半导体激光器驱动电路。该驱动电路以深度负反馈架构为核心,通过STM32控制器调节输出电流直流信号的大小以及调制波信号的频率与幅值。对整个环路进行一阶人工分析,并且结合Tina-TI仿真引入参数可调的噪声抑制网络,保证目标设置频率下环路响应能力的同时具有较强的抗干扰能力。实验表明,该激光器电流驱动电路对目标频率10 倍频程以上环路噪声的抑制可达到20 dB以上,并且对目标频率的调制波响应良好,频率的输出值与设定值最大偏差为0.001 Hz,控制线性度为0.999 9,直流偏置下驱动电流2 h短期稳定度优于0.005 6%,63 h长期稳定度优于0.011%,激光器功率控制线性度为0.999 4,标准误差为0.092 87。
BaGa4Se7与KTiOAsO4光参量振荡产生中红外激光性能对比
孔辉, 卞进田, 叶庆, 姚吉勇, 吴昌, 孙晓泉
2020, 49(6): 20190423. doi: 10.3788/IRLA20190423
[摘要](479) [HTML全文] (100) [PDF 823KB](27)
BaGa4Se7(硒镓钡,简称BGSe)与KTiOAsO4(砷酸氧钛钾,简称KTA)均可在1.06 μm激光泵浦下产生中红外激光。首先仿真计算出两种非线性晶体的相位匹配曲线,结果显示:切割角为(56.3°, 0°)的BGSe晶体在I类相位匹配条件下和切割角为(90°, 0°)的KTA在II-A类相位匹配条件下均可产生~3.5 μm的闲频光。然后理论计算出BGSe (56.3°, 0°, I类)的有效非线性系数为−11.9 pm/V,KTA(90°, 0°,II-A类)的有效非线性系数为−3.2 pm/V;在其他条件相同的情况下,15 mm长BGSe (56.3°, 0°, I类) 的OPO振荡阈值是20 mm长KTA (90°, 0°, II-A类) OPO振荡阈值的35.11%。最后通过实验验证BGSe (56.3°, 0°, I类, 15 mm) 的振荡阈值小于KTA(90°, 0°, II-A类, 20 mm),输出的中红外激光能量大于KTA。因此,BGSe是一种极具应用前景的中红外非线性晶体。
紫外激光探测灰霾的后向散射回波特性
赵太飞, 王世奇, 刘昆, 李星善
2020, 49(6): 20190414. doi: 10.3788/IRLA20190414
[摘要](158) [HTML全文] (80) [PDF 1125KB](17)
为了研究紫外激光探测灰霾的后向散射特性,基于Mie散射理论和蒙特卡洛方法,建立紫外激光后向散射探测灰霾模型,仿真灰霾条件下紫外激光的后向散射过程,并分析了不同宽度紫外激光脉冲后向散射回波的峰值功率、波峰时延和半高全宽等特征。研究结果表明,在一定灰霾浓度范围内,灰霾浓度越低,发射脉冲越窄时,激光回波畸变越明显,当发射脉冲宽度大于10 ns,激光回波近似呈高斯分布;在发射脉冲宽度相同的条件下,激光回波峰值功率和回波波峰时延随着灰霾浓度的增大而增大,回波半高全宽随着灰霾浓度的增大而减小,当发射脉冲宽度大于32 ns,回波峰值功率趋于平缓。文中研究成果可为紫外激光探测灰霾浓度及分析灰霾后向散射激光回波特性提供依据。
气溶胶环境下FMCW与脉冲激光探测性能对比
陈鹏, 赵继广, 宋一铄, 王燊
2020, 49(6): 20190399. doi: 10.3788/IRLA20190399
[摘要](453) [HTML全文] (222) [PDF 1124KB](40)
研究了气溶胶干扰的情况下调频连续波(FMCW)和脉冲激光探测体制的探测性能,并进行两种体制探测性能的量化对比。基于蒙特卡罗方法建立了气溶胶干扰下的目标探测模型,研究了不同距离目标的探测结果,论证了FMCW与脉冲两种体制进行比较的可行性,并量化对比了二者的探测性能。以沙尘气溶胶为例进行了仿真和实验室环境内的测距实验,结果表明:FMCW激光探测系统可以通过提高调制频率来得到更好的探测性能;在气溶胶环境下,FMCW激光探测比脉冲体制有更高的信号杂波比(SCR),意味着更好的探测性能和更强的抗后向散射干扰能力。在气溶胶能见度较低且距离分辨力相同的条件下,400 MHz初始调制频率的FMCW系统探测性能较脉冲体制探测性能提升约8~10 dB。
Propagation characteristics of non-uniformly Sinc-correlated blue-green laser beam through oceanic turbulence
Wang Mingjun, Zhang Jialin, Wang Jiao
2020, 49(6): 20190370. doi: 10.3788/IRLA20190370
[摘要](246) [HTML全文] (112) [PDF 4449KB](19)
The propagation model of non-uniformly Sinc-correlated blue-green laser beam in oceanic turbulence was developed according to generalized Huygens-Fresnel principles. Based on the cross-spectral density, intensity variations in different propagation distances were discussed. When the oceanic turbulence parameters were varied, intensity and lateral shifted intensity maximum were numerically simulated. The results show that the propagation distance and ocean turbulence parameters have a certain influence on the intensity self-focusing effect of the non-uniformly Sinc-correlated blue-green laser beam. When the propagation distance is certain, the effect of the rate of dissipation of mean-square temperature on the intensity self-focusing is greater than the rate of dissipation of kinetic energy and the relative strength of temperature and salinity fluctuations.
熔滴填充位置对激光焊接熔池动态行为的影响
彭进, 王星星, 许红巧, 杨嘉佳, 张芙蓉
2020, 49(6): 20200025. doi: 10.3788/IRLA20200025
[摘要](183) [HTML全文] (64) [PDF 1394KB](17)
借助熔滴作用下的三维瞬态激光焊接热-流耦合有限元模型,对不同的熔滴填充位置下熔滴进入熔池过程的匙孔三维形貌、熔池金属流动特性进行研究。数值模拟计算结果表明,熔滴填充位置对激光焊接过程中匙孔三维形貌及熔池液态金属的流动行为的影响较大。当熔滴填充位置由0.5 mm增大到1.8 mm时,对匙孔三维形貌变化的影响减弱,熔池内部挤压匙孔前壁和后壁驱使匙孔闭合的流动趋势减弱而维持匙孔壁张开的流动趋势增强,匙孔底部液态金属流动速度的波动幅度减弱。
Terahertz vertical transition structure based on coupling cavity
Wang Xudong, Lv Xin, Cheng Gong
2020, 49(6): 20190566. doi: 10.3788/IRLA20190566
[摘要](4481) [HTML全文] (1294) [PDF 835KB](51)
The paper proposed a cavity-coupled vertical transition structure working at 110 GHz. Two mode-transition units were fabricated at ends of a vertical metal cavity symmetrically, acting as two excitation ports of a waveguide. The proposed mode-transition unit was realized on a 50-μm thick quartz-substrate with via holes and double-side patterned. In this way, the vertical transition structure presented a low insertion loss at terahertz frequency. Good agreement between simulated and measured results was obtained. The simulated S21 of the mode-transition unit was −0.7 dB, the measured S21 was less than −1.3 dB. The bandwidth from 105 GHz to 116 GHz was obtained for reflection level lower than −10 dB.
光电测量
新型光电探测技术在精确制导武器上的应用研究(特约)
宋闯, 姜鹏, 段磊, 孙剑峰, 范之国
2020, 49(6): 20201015. doi: 10.3788/IRLA20201015
[摘要](747) [HTML全文] (164) [PDF 1338KB](140)
精确制导武器是现代战争中的主战武器,采用光电制导的精导武器具有分辨能力强、命中精度高的优势,在对地对海、防空反导、空间攻防等领域得到广泛应用。随着光电制导武器在现代战争中的作用愈发突出,其相应的对抗手段也在不断发展,使其面临的作战环境日趋复杂,光电制导系统需不断增强对复杂作战环境的适应能力。在对红外、可见光、激光半主动等光电探测技术在制导武器中的应用现状总结基础上,分析了当前技术对抗恶劣自然天气、复杂背景、人为干扰等作战环境能力的不足。针对当前发展的多光谱探测、偏振成像、激光三维成像、量子探测等新型技术,介绍目前研究进展和成果,主要包括多光谱/多谱段成像对抗真假目标和识别伪装、偏振成像对抗雨雾等恶劣自然天气、激光三维成像在对抗复杂背景和穿透遮蔽等方面的应用优势和研究进展。最后,系统分析了当前新型探测技术应用存在的问题和需要突破的关键技术,并建议从基础器件研发、信息处理和目标特性研究等方面着力,通过基础技术和应用技术的联合攻关,推进新型探测技术的制导应用取得突破。
高速飞行器成像探测气动光学效应研究(特约)
张丽琴, 费锦东
2020, 49(6): 20201016. doi: 10.3788/IRLA20201016
[摘要](271) [HTML全文] (146) [PDF 651KB](56)
随着各种飞行器对信息获取的精确性和实效性依赖程度的大幅度提高,采用光学成像探测技术和追求高速飞行已成为各种飞行器发展的趋势。光学成像制导飞行器在大气层内高速飞行时,光学头罩与来流之间发生剧烈的相互作用,光学头罩与来流之间形成复杂的流场,在光学窗口中产生复杂的热响应,给头罩内的光学成像探测系统带来气动热辐射噪声,带来目标图像的偏移、抖动、模糊等气动光学效应。文中针对高速飞行器成像探测面临的气动光学效应,从机理、工程和应用三个层次,提出了气动光学研究思路和后续工作展望,旨在为气动光学效应研究提供参考思路。
采用双窗口红外探测器的道面温度遥测系统
程寅, 刘建国, 桂华侨, 陆亦怀, 魏秀丽
2020, 49(6): 20190455. doi: 10.3788/IRLA20190455
[摘要](195) [HTML全文] (63) [PDF 1597KB](21)
在外场应用环境中,红外道面温度遥测系统的自身温度会发生较大幅度的变化,引起的内部杂散辐射变化会导致较大的系统测量误差。设计了采用双窗口红外探测器的红外道面温度遥测系统,同时对目标物辐射和内部杂散辐射进行实时测量,并在考虑探测器温度效应的基础上,建立了扣除内部杂散辐射影响的道面温度计算模型;标定实验结果表明:当探测器工作温度和测量目标温度分别在−10~40 ℃、−10~60 ℃范围时,探测器温度效应和辐射定标函数均可以做线性化处理,并呈线性叠加效果,验证了道面温度计算模型的合理性;经过标定后,红外道面温度遥测系统与Pt100接触式温度传感器进行了外场比对测试,得到测量系统与Pt100接触式温度传感器的测量数据相关性达到98.7%,其中夜间测量误差低于2.78%,表明了系统可在环境温度变化的外场条件下准确测量道面温度。
用于在线检测的紧凑型多测量模式干涉仪
王道档, 相超, 朱其幸, 孔明, 许新科
2020, 49(6): 20190472. doi: 10.3788/IRLA20190472
[摘要](318) [HTML全文] (152) [PDF 1286KB](25)
光学干涉仪由于高精度、全口径、非接触特点在光学元件的检测中具有极其广泛的应用。针对光学元件加工在线检测需要,提出了一种紧凑型的多测量模式瞬态干涉仪。该系统可同时实现单波长激光干涉、多波长激光干涉以及LED干涉显微测量等多种工作模式,以分别满足不同动态范围宏观面形以及表面粗糙度等显微结构的干涉检测。针对在线检测应用中复杂的环境振动影响,系统采用偏振相机来实现瞬态的偏振移相波前检测。为验证系统方案的可行性,对测量系统的主要误差因素进行了分析,并对不同工作模式下的金刚石车削机床在线检测结果与Zygo激光干涉仪和Zygo光学轮廓仪进行了比对实验,同时也利用多波长技术对自由曲面进行了在线检测。结果表明该系统可实现高精度的多测量模式,并且还可以满足大动态范围波前测量要求。该系统结构紧凑,整体尺寸仅为195 mm×160 mm×65 mm,极其适合车削机床的在线安装及检测。同时系统基于瞬态波前检测,具有对环境扰动不敏感的特点,在机床对中工具在线调整以及加工元件等在线检测中具有广泛的应用前景。
新型光室结构的主流式NDIR呼吸CO2监测系统
熊涛, 高明, DesGibson, DavidHutson
2020, 49(6): 20190575. doi: 10.3788/IRLA20190575
[摘要](491) [HTML全文] (134) [PDF 1479KB](39)
针对主流式非分散红外(NDIR)呼吸CO2监测系统灵敏度及信噪比低下的问题,提出利用复合抛物面聚光器(CPC)提升监测系统性能的方法。利用ZEMAX模拟光室并优化CPC和常用的圆管聚光器以及锥形聚光器,采用单光源双光路的主流式一体化方法进行监测系统的气室设计,以STM32F100为主控芯片实现硬件系统控制,对具有不同光室结构的监测系统进行CO2浓度标定和实时人体呼吸检测实验,获取其CO2浓度与系统输出信号的对应关系和CO2波形图。结果表明,CPC光室其模拟光学效率为4.3%,比常用的聚光器最高可提升89.77倍;装有CPC的监测系统其灵敏度与信噪比为8.940 7、24.65,比装有常用聚光器的系统的灵敏度最高可提升3.811倍、信噪比提升1.926倍;并且安装CPC的系统运行稳定,响应快,能够实时的反应出被测者的呼吸CO2波形图。
太阳光度计定标方法和西安地区气溶胶光学特征的研究
刘晶晶, 王国英, 徐梓翔, 刘芸, 王骏, 闫庆, 华灯鑫
2020, 49(6): 20190404. doi: 10.3788/IRLA20190404
[摘要](263) [HTML全文] (58) [PDF 1269KB](26)
利用西安理工大学2015~2018年的太阳光度计观测资料,在传统Langley法定标的基础上,利用期望平均法和拟合平均法获得了更为稳定的仪器定标系数,分析了西安地区气溶胶光学厚度和Ångström波长指数的变化特征。研究结果表明:(1)仅用Langley法对仪器进行定标带来的误差较大,引入期望平均法与拟合平均法后,得到的仪器定标值更合理,有效解决了Langley法定标值波动较大的问题;(2)西安地区气溶胶光学厚度日变化呈现5种特征:平稳型、上升型、下降型、凹型和凸型,其中平缓型出现频率最低(3.55%),凸型出现频率最高(34.25%);(3) 500 nm气溶胶光学厚度季节均值为0.60±0.36,0.59±0.33,0.62±0.40,0.68±0.36,呈春夏低、秋冬高的季节变化趋势。Ångström波长指数季节均值在夏季最大(1.06±0.33),春季最小(0.81±0.32)。
中心开孔型四象限探测器光纤定位闭环控制方法
王淋正, 邹华, 黄硕, 张航, 赵世宇
2020, 49(6): 20190466. doi: 10.3788/IRLA20190466
[摘要](404) [HTML全文] (97) [PDF 1777KB](20)
光纤定位技术是多目标光纤光谱望远镜中的关键技术,光纤定位精度是影响望远镜观测效率的重要因素,随着光谱巡天项目的开展,光纤定位单元的小型化、高密度化、集成化和高精度定位要求成为普遍趋势,这对光纤定位系统提出了更高技术要求和挑战。光纤定位技术也期望实现高精度的实时监测和反馈系统,形成有效的闭环控制。基于此提出了一种中心开孔型四象限探测器光纤定位技术,并利用二维高斯模型对中心开孔型四象限探测器定位算法进行了设计,该算法对单元光斑束腰单次标定,可实现高精度的多次实时光斑位置确定和光纤位置调整。利用光纤光谱仪望远镜原理搭建了模拟实验对此装置和算法的性能进行了模拟,应用此闭环控制方法,在四象限探测器零点偏置直径为4 mm、光纤截面积达到1 000 μm2情况下,绝对定位误差可以控制在6 μm之内,相对误差可控制在0.15%范围内,可以有效提高望远镜星象和光纤的耦合效率。
Design of polarization-independent reflective metalens in near infrared waveband
Zhang Yuhui, Yang Bowei, Li Yiting, Zhao Yuanzhi, Fu Yuegang
2020, 49(6): 20200048. doi: 10.3788/IRLA20200048
[摘要](271) [HTML全文] (185) [PDF 976KB](41)
Metalens has received extensive concern in recent years. Design of a polarization-independent reflective metalens was proposed baesd on Au in infrared waveband. MgF2 was chosen as the dielectric spacer of the metalens. All simulations were carried out by using the finite-difference time-domain(FDTD) software. Results show that the proposed metalens has the same effect on different polarized light and can work well in the range of 700 - 850 nm and one-focus works best in the range of 750 - 800 nm. When the incidence wavelength is chosen as 800 nm, the proposed metalens can also work well for one-focus and multi-focus. At that time, the focal length of one focus, dual focus and three focus are 9.6, 6.6 and 4.7 μm, respectively. Different focus requirements can be realized according to the characteristics of the metalens.
光学设计
多波段共孔径光学成像系统的几种实现途径(特约)
邓键, 曲锐, 黄建兵
2020, 49(6): 20201017. doi: 10.3788/IRLA20201017
[摘要](1218) [HTML全文] (424) [PDF 2148KB](156)
借助微分方法,提出光学系统内的消波段间色差和波段内色差条件,建立了扩展的复消色差理论,通过对比各自波段和全波段的折射率-色差系数,进行材料配对,并迭代优化校正各类像差。由此介绍了几种多波段共孔径光学系统的实现途径和具体设计实例,包括:透射式结构的宽波段及多波段成像物镜光学系统;透射式结构的中波/近红外二次成像变焦系统;透射式结构的中/长波红外二次成像变焦系统;通过反求工程(Reverse Engineering)设计了AN/AAQ-33“狙击手XR”吊舱采用的中波/近红外共孔径透射式前置望远系统主光路;AN/ASQ-228 ATFLIR吊舱采用的共孔径离轴三反射式消像散前置望远系统主光路;AN/AAS-52 MTS-B吊舱采用的同轴偏视场三反前置望远系统主光路;EKV采用的同轴四反二次成像系统;拓展介绍了采用同轴折反式前置望远+后置成像结构的光路结构,包括同轴折反式中波/短波/近红外和长/中/短波红外望远系统+后置分光成像系统的设计;以及一些典型弹载光学系统共孔径或共光路的设计。
超大视场红外光学镜头设计
陈建发, 潘枝峰, 王合龙
2020, 49(6): 20190443. doi: 10.3788/IRLA20190443
[摘要](487) [HTML全文] (184) [PDF 1261KB](104)
超大视场红外光学镜头在军事上主要用于对来袭目标进行告警,相比于常规红外光学系统,其设计具有许多不同的特点。结合实际工程应用,在投影方式、光学构型、像面照度、视场、无热化、评价方式等方面对超大视场红外光学系统设计的特点进行分析。给出了一个具体的设计实例,所用探测器采用1 024×1 024@15 μm制冷型中波红外探测器,光学系统工作波段3.7~4.95 μm,焦距9.6 mm,视场116°,仅采用4片透镜实现无热化设计,不含衍射面,工作温度覆盖范围−55~+70 ℃,镜头结构紧凑,总长度小于70 mm。像质评价结果表明:全视场单个像元角分辨率均匀性95%以上,单个像元能量集中度在75%以上,光学系统边缘视场照度为中心视场照度的90%以上。
大口径空间红外相机铍铝合金反射镜组件材料选择与设计
翟岩, 姜会林, 梅贵, 江帆
2020, 49(6): 20190390. doi: 10.3788/IRLA20190390
[摘要](292) [HTML全文] (89) [PDF 8141KB](39)
针对某空间摆扫相机系统,为了保证空间红外相机获得轻质、可靠的摆扫头部,且各反射镜均具有良好的面形精度及较高的一阶固有频率,对其摆扫部分的结构进行了针对性研究。选择了铍铝合金材料作为Φ750 mm口径主反射镜材料,以钛合金材料的柔性支撑结构支撑,安装在铍铝合金材料的主镜室内。包含次镜组件、次镜支撑和遮光筒,整个摆动部分总质量为17.5 kg。采用有限元方法对反射镜组件在力热耦合状态下进行了仿真分析,结果表明反射镜全口径最大面形误差RMS值为27.04 nm,满足全口径范围内面形误差不低于λ/20(λ=632.8 nm) 的要求。摆动部分一阶谐振频率为122 Hz,为控制系统预留了较大的带宽。实体模型的力学试验结果与有限元分析结果接近,表明满足总体对摆扫部分的设计要求。
光电子创新技术系列论坛
第六届空间光通信与组网技术学术研讨会
2020, 49(6).
[摘要](192) [HTML全文] (98) [PDF 131KB](8)
第四届国际光电子与微电子技术及应用大会
2020, 49(6).
[摘要](224) [HTML全文] (136) [PDF 237KB](8)
第五届高光谱技术及其应用研讨会
2020, 49(6): 1-2.
[摘要](272) [HTML全文] (132) [PDF 262KB](10)