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2022年  第51卷  第3期

专家报告-刊庆 50 周年
2560×2048元短波红外InGaAs焦平面探测器(特邀)
于春蕾, 龚海梅, 李雪, 黄松垒, 杨波, 朱宪亮, 邵秀梅, 李淘, 顾溢
2022, 51(3): 20210941. doi: 10.3788/IRLA20210941
[摘要](836) [HTML全文] (151) [PDF 2456KB](249)
高性能大规模小像元短波红外InGaAs焦平面探测器是新一代航天遥感仪器向高空间分辨率、高能量分辨率、高时间分辨率发展需要的核心器件。文中报道了高密度InGaAs探测器阵列设计与制备,并与匹配的Si-CMOS读出电路倒焊互连形成焦平面的最新研究进展,重点突破了高密度小像素探测器的暗电流和噪声抑制、百万像素焦平面倒焊互连等关键技术,解决了高平整度芯片面形控制、In柱凸点形貌和高度一致性控制、高密度倒焊偏移控制等倒焊新工艺,研制了像元中心距10 μm的2560×2048元焦平面探测器,其峰值探测率优于1.0×1013 cm·Hz1/2/W,响应不均匀性优于3%,有效像元率优于99.7%,动态范围优于120 dB。采用该焦平面进行了实验室演示成像,图片清晰。
大动态范围、高灵敏度红外焦平面数字像元读出电路技术(特邀)
陈楠, 张济清, 毛文彪, 李雄军, 宋林伟, 高玲, 姚立斌
2022, 51(3): 20210821. doi: 10.3788/IRLA20210821
[摘要](558) [HTML全文] (164) [PDF 3733KB](179)
长波红外探测器一直以来受到读出电路电荷存储容量的限制,导致信噪比、动态范围和灵敏度都难以提升,制约了长波红外成像系统的发展和应用。文中对比分析了模拟像元和数字像元读出电路技术,介绍了数字像元焦平面的发展现状和主要架构。采用脉冲频率调制方案设计了384×288(25 µm)和256×256 (30 µm)两款数字像元读出电路,其中比较器设计提高了功耗效率和强壮性,并耦合碲镉汞探测器形成长波数字焦平面探测器组件进行测试,结果与国内外相关工作进行比较分析,峰值噪声等效温差分别达到3.4 mK和1.9 mK,动态范围达到96 dB。测试结果表明,数字像元技术显著提升了长波红外焦平面的灵敏度和动态范围,是提高红外探测器性能的有效途径。
特约专栏-中波红外集成光电子技术
高性能锑化物超晶格中红外探测器研究进展(特邀)
郝宏玥, 吴东海, 徐应强, 王国伟, 蒋洞微, 牛智川
2022, 51(3): 20220106. doi: 10.3788/IRLA20220106
[摘要](566) [HTML全文] (194) [PDF 1879KB](250)
中红外探测技术作为一种重要的被动探测手段,在各个领域都有着非常重要的作用。其中,以InAs/InAsSb超晶格材料为基础的无Ga型Sb化物II类超晶格探测器,由于去除了Ga原子的缺陷,具有更高的少子寿命,有利于提高探测器性能。此外,使用光子晶体结构,进行表面光学性能调控,可以提高器件的响应度,从而降低材料吸收区厚度,降低器件暗电流。暗电流的降低和响应度的提升,进一步优化了探测器的性能,进而提高器件工作温度,进一步降低探测系统的体积、重量和功耗。研究表明:使用光子晶体结构可以在不改变外延材料结构的前提下,提高器件量子效率,实现响应光谱的展宽,在实际应用中具有重要的意义。文中综述和讨论了InAs/InAsSb超晶格探测器和光子晶体结构探测器材料生长、结构设计的主要技术问题,详细介绍了两种提高中红外探测器性能的方案及国内外的研究进展。
硫系玻璃集成光子器件综述(特邀)
杨振, 王栎沣, 靳慧敏, 王志渊, 徐培鹏, 张巍, 陈伟伟, 戴世勋
2022, 51(3): 20220152. doi: 10.3788/IRLA20220152
[摘要](598) [HTML全文] (320) [PDF 6632KB](166)
硫系玻璃具有超宽的红外透过光谱范围、较高的线性折射率、极高的光学非线性和超快的非线性响应,近年来在集成光子器件研究领域备受关注。首先回顾了硫系玻璃集成光波导的制备,综述了硫系集成光子器件在红外传感和高性能非线性应用方面取得的进展,然后介绍了硫系相变光子器件在光开关、光存储和光计算等方面的前沿进展,最后对目前硫系玻璃光子器件研究存在的问题进行了归纳,并对未来的研究方向进行了展望。
中红外量子级联激光器的光子集成(特邀)
朱纯凡, 王贤耿, 汪祥, 王瑞军
2022, 51(3): 20220197. doi: 10.3788/IRLA20220197
[摘要](785) [HTML全文] (201) [PDF 1465KB](167)
中红外光子集成芯片在环保监测、医疗诊断和国防安全等领域具有广泛的应用前景,但激光光源与无源波导光路的片上集成仍是中红外集成光学需要攻克的关键难题之一。量子级联激光器(QCL)是中红外波段的重要半导体激光光源,文中介绍了近几年中红外QCL在光子集成方面的研究进展,包括InP基单片集成、硅基单片集成、硅基异质键合集成和III-V/锗混合外腔激光器。
中红外硅基调制器研究进展(特邀)
牛超群, 庞雅青, 刘智, 成步文
2022, 51(3): 20220021. doi: 10.3788/IRLA20220021
[摘要](404) [HTML全文] (132) [PDF 1965KB](110)
硅材料在1.1~8.5 μm有非常低的吸收损耗,因此硅基光电子学有望扩展到中红外波段。并且随着通信窗口扩展、气体分子检测、红外成像等应用需求的出现,硅基中红外波段器件研发工作的开展势在必行。在中红外波段硅基光电子器件中,硅基调制器有着举足轻重的地位:它是长波光通信链路中不可或缺的一环,还可以应用在片上传感系统中提高信噪比、实现光开关等功能。研究发现,相比于近红外波段,硅和锗材料在中红外波段有更强的自由载流子效应和热光效应,因此,基于硅基材料的中红外调制器具有独天得厚的优势。系统总结了中红外硅基调制器的发展趋势和研究现状,介绍了基于硅和锗材料的电光调制器以及热光调制器的工作原理和最新研究进展,最后对中红外硅基调制器进行了总结与展望。
中红外波段高速硅基电光调制器设计与优化(特邀)
刘雨菲, 李欣雨, 王书晓, 岳文成, 蔡艳, 余明斌
2022, 51(3): 20220092. doi: 10.3788/IRLA20220092
[摘要](459) [HTML全文] (126) [PDF 1836KB](103)
作为中红外波段中最接近O波段和C波段的波段,2 μm波段区域逐渐引起人们的广泛关注。主要对2 μm波段的马赫-增德尔型调制器进行优化设计和仿真,根据2 μm波长下光模场分布的特点,选用具有340 nm厚度顶层硅的SOI衬底,结合实际工艺中240 nm硅刻蚀深度,得到宽度为600 nm以及平板层厚度为100 nm的最优脊波导结构。通过优化掺杂浓度和掺杂区位置获得综合性能最优的调制器器件,在4 V反向偏压下器件光损耗为5.17 dB/cm,调制效率为2.86 V·cm,静态消光比为23.8 dB,3dB EO带宽为27.1 GHz。同时,与220 nm厚度顶层硅器件相比较,器件的综合性能更为优越。研究内容为后续器件实际制作提供了依据,也为后续2 μm波段光收发集成模块所需调制器设计提供了新的方向。
中红外光学频率梳:进展与应用(特邀)
杜俊廷, 常冰, 李照宇, 张浩, 秦琛烨, 耿勇, 谭腾, 周恒, 姚佰承
2022, 51(3): 20210969. doi: 10.3788/IRLA20210969
[摘要](901) [HTML全文] (222) [PDF 3603KB](273)
光学频率梳是一种宽谱的相干光源,由一系列等频率间隔的离散谱线组成,具有超高的时频精度。自诞生以来,光学频率梳为精密光谱学、光学测量、相干光通信、光时钟等多种应用的发展带来了革命性的变化。近年来,研究人员通过新型激光增益介质、非线性频率转换和微谐振腔等技术将频率梳扩展到中红外光谱区域(2~20 μm),进一步扩大了光频梳的应用范围。文中全面介绍了中红外光频率梳的产生机制、最新进展及应用。
2 μm波段片上光子集成器件的研究进展(特邀)
王希, 刘英杰, 张子萌, 王嘉宁, 姚勇, 宋清海, 徐科
2022, 51(3): 20220087. doi: 10.3788/IRLA20220087
[摘要](540) [HTML全文] (168) [PDF 1581KB](156)
随着大数据业务的迅速发展,为应对持续增长的带宽需求,光纤通信窗口逐渐从传统C波段向C+L波段拓展。探索新波段也成为了光通信领域迫切需要解决的关键问题。位于近红外与中红外之间的2 μm波段具有低传输损耗和宽增益谱范围等优势,有望成为下一个光纤通信和空间激光通信的窗口。在商用光电子器件尚不成熟的情况下,实验室条件下已实现单波100 Gbit/s光传输记录。与此同时,2 μm波段功能性器件的研究也成为备受关注的热点。文中重点介绍了2 μm波段硅光子器件的研究进展,以及基于III-V族、铌酸锂薄膜、氮化硅、硫系玻璃等其他材料的一系列功能性器件,最后对2 μm波段片上光子集成器的发展前景进行了展望。
短波中红外硅基光子学进展(特邀)
贺祺, 王亚茹, 陈威成, 万典, 陈斯, 高浩然, 郭荣翔, 高翊盛, 王佳琦, 程振洲, 余宇, 刘铁根
2022, 51(3): 20220043. doi: 10.3788/IRLA20220043
[摘要](760) [HTML全文] (222) [PDF 1983KB](177)
短波中红外光学(2~2.5 μm)在通信测距、卫星遥感、疾病诊断、军事国防等领域具有广泛的应用。作为短波中红外光学系统的关键核心部件,集成光电器件的开发一直都是重点的研究领域。得益于硅基材料超宽的光谱透明窗口,其在开发短波中红外集成光电子器件方面极具发展前景,近年来获得了广泛的关注。文中简要讨论了短波中红外硅基光子学的应用前景,从无源波导器件(包括波导、光栅耦合器、微型谐振腔、复用/解复用器等)、非线性光学波导器件和光电波导器件(包括调制器和探测器等)三方面综述了短波中红外硅基光子学的发展历史和前沿进展。
中红外集成光子传感系统研究进展(特邀)
夏利鹏, 刘昱恒, 周培基, 邹毅
2022, 51(3): 20220104. doi: 10.3788/IRLA20220104
[摘要](796) [HTML全文] (227) [PDF 2508KB](246)
近年来,中红外(波长范围2~20 μm)集成光子学因其潜在的应用场景如吸收光谱、热成像、自由空间光通信等而受到了广泛的关注。中红外波段包含了多个大气透明窗口,有着作为气体传感应用的先天优势,并且得益于近红外成熟的器件设计测试流程与微纳加工技术,一些近红外的应用也能够较快地拓展至中红外波段。此外,集成光子器件在一些传感应用中不仅可以做到媲美传统设备的灵敏度,同时还具有低功耗、低成本、结构紧凑,易于与其他设备集成的特点。因此,中红外集成光子传感器件在未来将会在工业检测、科学研究、医疗诊断、军事安防、民用生活等领域中不断发挥出重要的作用。文中对中红外传感系统的三个主要部分:传感单元、光谱仪和探测器做出了简要介绍,展示了目前中红外集成光子传感器件的研究进展,并对其未来发展做出了展望。
中红外超表面的成像和检测原理及应用进展(特邀)
雷姚远, 陈琦凯, 刘逸天, 马耀光
2022, 51(3): 20220082. doi: 10.3788/IRLA20220082
[摘要](1627) [HTML全文] (1285) [PDF 5571KB](334)
中红外波段包含两个大气窗口及分子指纹区,在红外成像与物质检测方面具有重要应用。传统中红外光学器件在成像方面受材料、加工等限制成本昂贵、加工复杂;在检测方面,受分子吸收截面小的限制,检测灵敏度低,对微量化学物质检测具有较大挑战。超表面是由亚波长尺度的人造单元构成的二维结构阵列,具有体积小、易集成、调控自由度高等特点,能够为制造低成本、轻型化、集成化的中红外光学器件提供一种新的实现方案。表面增强红外吸收能够有效增强分子振动信号,提高检测灵敏度。文章介绍了中红外超表面在电磁波调控方面的机理及其中红外检测应用的原理。着重整理了超表面结构在中红外波段的成像与检测领域的研究进展,包括偏振成像、可调及可重构超表面、其他特殊功能以及用于检测的基于等离子体激元或连续体束缚态原理的使用金、银、铝、石墨烯、硅、锗等材料的超表面结构。
光电测量
Improving the measurement accuracy of refractive index of GaAs and Sapphire Crystal by laser feedback interferometry
Yuan Chunyu, Cao Yang, Deng Yong, Zhang Shulian
2022, 51(3): 20210400. doi: 10.3788/IRLA20210400
[摘要](319) [HTML全文] (61) [PDF 1112KB](30)
GaAs and Sapphire Crystal has been widely used in infrared region, optoelectronics field and military equipment, so the measurement of refractive index of two materials is of great significance to optical design, metrological inspection and industrial application. To improve the measurement accuracy of refractive index of two materials, microchip laser feedback interferometer technology was used to simultaneously measure refractive index and thickness. The system combined heterodyne modulation and quasi-common path to compensate for airflow and vibration, so it has the characteristics of high sensitivity, high precision and high stability, especially the simultaneous measurement and only the material needs to be processed into flake rather than prism shape. The experimental results demonstrate that the measurement accuracy of refractive index of GaAs and Sapphire Crystal (under ordinary light) has been enhanced to 10−3 and 10−4 respectively and thickness is 10−4 mm.
Phase retrieval based on the transport of intensity equation under adaptive focus
Cheng Hong, Wang Li, Wang Rui, Xiang Xinyu, Zhang Quanbing, Zhu Xiaotian
2022, 51(3): 20210231. doi: 10.3788/IRLA20210231
[摘要](205) [HTML全文] (56) [PDF 1801KB](39)
The non-interference phase retrieval method based on the transport of intensity equation was a method to obtain the phase by solving the intensity images. In the process of image acquisition, the selection of in-focus image was very important. But it was usually determined by subjective methods, which led to inaccurate in-focus positioning, thus affecting the accuracy of phase results. Firstly, an phase retrieval method based on the transport of intensity equation under adaptive focus was proposed; Secondly, the edge duty ratio was used to locate the acquired images in this algorithm. After solving the phase, the optimal focus position was located when the edge duty ratio locating position kept unchanging by the circular angular spectrum propagation; Finally, the phase of the sample was solved by using the transport of intensity equation. The result show that this algorithm not only improved the accuracy of phase retrieval, but also reduced the time to obtain a large number of images. In the simulation experiment, the correlation coefficient between the retrieval phase and the original phase reached 0.9866, and the RMSE error is 0.3050. In the actual experiment of microlens array, the error between the true height of the microlens and the height solves by the phase retrieval method proposed is only 5.7%, which proves that the algorithm can locate the optimal focus position in the field of microscopic imaging. And the algorithm is conducive to the development of auto-focus technology and improves the accuracy of phase retrieval.
面向中频误差的变距螺旋矩阵轨迹优化方法
杨航, 陈英, 黄文, 韩明, 张星兴, 贾阳, 李彬, 蒋蓉
2022, 51(3): 20210443. doi: 10.3788/IRLA20210443
[摘要](226) [HTML全文] (115) [PDF 2303KB](44)
磁流变抛光能够高效去除光学元件表面的低频误差,但同时也引入了中频误差,而中频误差的存在对光学系统的性能造成了严重影响,必须对其进行有效控制。对常用的光栅轨迹和螺旋轨迹进行了研究,发现规则的抛光轨迹导致卷积过程与实际去除过程不一致,会引入对称的迭代误差,而迭代误差是中频误差恶化的重要因素。基于对光栅轨迹和螺旋轨迹的研究,提出了一种变距螺旋矩阵轨迹优化方法,以降低光学元件中频误差。该轨迹通过打乱螺旋矩阵轨迹的螺距保留了光栅轨迹和螺旋轨迹简单易行的优点,同时也改变了轨迹线间的随机性。通过对加工前后的面形进行功率谱分析,验证了该轨迹能够有效降低其表面的中频误差,较光栅线和螺旋线中频收敛效率综合提高了26.59%。
基于最佳偏振角的线性位姿测量方法研究
王志武, 张子淼, 许凯, 张福民, 刘斌
2022, 51(3): 20210241. doi: 10.3788/IRLA20210241
[摘要](299) [HTML全文] (76) [PDF 2184KB](36)
在基于视觉图像的位姿测量中,非线性位姿测量算法的全局收敛存在不确定性,测量结果取决于初值的选取,不能保证位姿测量的鲁棒性。线性位姿测量算法对图像处理的要求比较高,如果定位特征点图像坐标提取不够精确,会导致位姿测量精度降低。在自然光条件下,相机采集定位特征点图像,图像中高亮度区域的存在对定位特征点提取精度产生影响,进而使有效定位特征点数量减少,影响位姿测量精度。针对上述问题,文中提出了一种基于最佳偏振角的线性位姿测量方法:在相机镜头前加装线偏振片,根据Stokes矢量建立偏振片最佳偏振角度求解模型,在使用最佳偏振角度的前提下采集定位特征点图像,提取图像坐标;建立线性位姿求解模型,计算被测物体位姿。实验结果表明,该方法能够有效减少图像中的高亮度区域,改善成像质量,提高线性位姿测量精度,在−60°~+60°的测量范围内,角度测量误差小于±0.16°,在0~20 mm的测量范围内,位移测量误差小于±0.05 mm。
星敏感器动态精度评价方法
任平川, 周琦, 金荷, 宋卿争, 缪鹏飞
2022, 51(3): 20210571. doi: 10.3788/IRLA20210571
[摘要](526) [HTML全文] (194) [PDF 2827KB](59)
针对现有精度评价方法无法有效计算星敏感器在大动态条件下精度的问题,基于星敏感器成像模型与星对角距的不变性,提出了一种星敏感器动态精度评价方法。阐明了该方法的原理,提出了计算流程和统计方法。基于风云卫星在轨数据,对比了该方法与常用的滑动窗口法的处理结果,分析了两种方法在小角速率条件下处理的等价性,验证了该方法的可行性。基于地面观星数据,分析了两型星敏感器在不同动态条件下的测量精度。与现有的动态精度评价方法相比,该方法可有效地剥离动态过程中测试系统引入的误差,更真实地反映动态条件下星敏感器的实际测量精度。
双光纤点衍射干涉投影系统误差校正及优化
朱其幸, 王道档, 卢毅伟, 孔明, 许新科
2022, 51(3): 20210140. doi: 10.3788/IRLA20210140
[摘要](363) [HTML全文] (91) [PDF 1640KB](32)
条纹投影测量技术为复杂曲面提供了一种大动态范围的非接触式三维形貌检测方式。在基于双光纤点衍射干涉的条纹投影检测系统中,系统结构参数对最终面形检测精度影响较大。通过建立系统结构几何分析模型,对系统结构参数进行了优化。针对双光纤点衍射探头投射角标定误差的影响,传统基于零级亮条纹定位的投射端投射角标定方法由于临近级次条纹光强较为接近难以区分而导致存在较大误差,为此提出了一种基于基准平面的投射角迭代校正方法,在原标定方法的基础上进一步提高了其标定精度,进而有效提高了面形检测精度。为验证所提出方法的可行性,搭建实验系统对不同斜率动态范围的待测物测量比对,结果表明校正前后的测量系统与三坐标测量机的测量结果偏差从0.418 2 mm减小至0.021 1 mm,实现了微米级的检测精度,为各类复杂曲面的高精度检测提供了一种可行的方法。
烟雾环境中532 nm/1550 nm线偏振光前向传输实验研究
曾祥伟, 李亚红, 张燕, 褚金奎
2022, 51(3): 20210157. doi: 10.3788/IRLA20210157
[摘要](294) [HTML全文] (77) [PDF 1104KB](46)
针对烟雾环境中偏振前向传输在短波红外波段是否具有偏振信号增强的问题,实验研究了烟雾环境中水平线偏振光在532 nm和1 550 nm波长下的前向传输偏振特性。烟雾环境由烟饼燃烧所制,其主要由悬浮氯化铵颗粒和水汽组成,且氯化铵颗粒在烟饼点燃7~16 min内稳定沉积。搭建了532 nm和1 550 nm两套单波长激光前向传输测试平台,用以测量水平线偏振光在烟雾环境中的前向传输偏振特性。分析测量误差主要由激光源的光强波动误差、测量时间变化误差、偏振器件的安装误差和转角误差引起,计算了532 nm和1 550 nm激光前向传输测试平台的测量误差峰值分别约为1.03%和0.89%。测试烟饼燃烧7~16 min时的偏振状态保持率RoPS,测试结果表明:相比532 nm波长,水平线偏振光在1 550 nm波长前向传输后具有更优异的偏振状态保持特性,且随着烟雾浓度降低,两者之间的偏振状态保持差异逐渐缩小。文中研究通过实验验证了所制烟雾环境中水平线偏振光在1 550 nm波长前向传输后具有优异的偏振信号,这可为短波红外偏振技术的实际应用提供一定的实验支撑。
CCD双站被动定位效能评估
曹海源, 黎伟, 陆益敏, 初华, 米朝伟
2022, 51(3): 20210148. doi: 10.3788/IRLA20210148
[摘要](267) [HTML全文] (67) [PDF 1336KB](34)
光电被动定位系统隐蔽性好,有利于提高复杂电磁环境中对抗作战的效能。建立基于CCD的双站被动定位系统模型,为提高测算精度,依据最小二乘法原理推导出静止目标坐标的求解方法。基于大气消光系数、目标背景亮度系数、CCD成像设备参数建立CCD侦察模型。以目标探测概率大于10%为标准,确定单个CCD的作用距离,并在此基础上分析CCD双站定位范围随双站间距的变化关系。在有效定位范围内抽取批量目标样本,计算双站定位误差,分析误差的均值和标准差随双站间距的变化规律。计算结果表明:对于确定的天气条件及CCD成像设备,当双站间距超过一定距离后,定位范围将逐步减小;定位误差及误差离散程度随着双站间距的增加先变小后变大。分析结果对于优化CCD设备参数、合理配置观测站位置具有一定的借鉴意义。
傅氏级数和多项式结合的图像灰度建模及位移测量
雷鹏, 胡金春, 朱煜, 杜胜武
2022, 51(3): 20210123. doi: 10.3788/IRLA20210123
[摘要](242) [HTML全文] (83) [PDF 1665KB](32)
利用图像传感器的成像灰度实现位移测量,需要在位移过程中用相机对靶标进行成像,进而建立位移值与成像灰度值之间的映射关系,即成像灰度模型,该方法的测量精度取决于成像灰度模型与灰度噪声水平。实际测量过程中,光照不均匀、靶标制造误差、相机成像系统畸变等外部误差源以及内部不同图像传感器单元之间成像特性的差异性均会使成像灰度模型偏离理想情况,从而影响测量结果。为了进一步提高测量精度,所提方法考虑了上述的非线性因素带来的建模误差,采用Fourier级数与高阶多项式结合构造成像灰度模型类,提高模型的泛化逼近能力进而提高建模精度,校正上述误差源导致的灰度畸变。在此基础上,采用基于位移连续性原理的顺序求解法解算位移,实验结果显示,使用该改进模型在10.46 mm行程下的位移测量误差标准差由校正前的56.4 μm降低至1.5 μm。
光学制造
基于碳化硅3D打印的遥感相机主承力结构设计与验证
张楠, 李庆林, 常君磊
2022, 51(3): 20210267. doi: 10.3788/IRLA20210267
[摘要](349) [HTML全文] (85) [PDF 1398KB](36)
3D打印快速成型技术不断趋于成熟,其应用范围越来越广泛。碳化硅材料具有较高的弹性模量、比刚度及较好的稳定性等物理性质。为了使遥感相机主承力结构突破传统工艺和设计思路的限制,在提高轻量化程度的同时获得更好的力、热稳定性,使用碳化硅作为原材料,采用3D打印的制造方式研制主承力结构。首先介绍了碳化硅3D打印技术的优势和特点;之后,根据技术特点梳理了主承力结构的设计方法;然后依据设计方法开展了结构设计、仿真以及优化工作;最终,主承力结构外包络为400 mm×370 mm×430 mm,一阶频率为639.9 Hz,质量仅为4.2 kg,与传统方案相比减重41.6%,具有良好的力、热稳定性,满足使用要求。经过力学试验验证,符合设计预期。
红外技术及应用
碳纤维粒子尺度对红外/毫米波复合干扰性能研究
孙悦悦, 王玄玉, 董文杰, 姚伟召, 刘志龙, 李凯
2022, 51(3): 20210254. doi: 10.3788/IRLA20210254
[摘要](376) [HTML全文] (99) [PDF 1107KB](45)
为了研究不同尺度碳纤维粒子对红外/毫米波的复合干扰性能,利用试验样板在静态测试条件下针对不同尺度碳纤维进行红外和毫米波衰减率测试,筛选出对两者分别具有最优衰减效果的碳纤维粒子尺度。在此基础上,选择远红外和8 mm波作为衰减对象,利用烟幕试验箱动态测试并分析了具有最佳尺度特征的碳纤维在不同配比条件下对红外/毫米波的复合干扰性能。实验结果表明:碳纤维粉体对红外具有更优异的衰减效果,短切碳纤维对毫米波的干扰性能更加显著,800目、1.5 mm和4 mm是碳纤维粒子衰减红外/毫米波的最佳尺度,对应配比为22%、4%和74%时各波段的复合干扰性能最优。
长线列长波红外探测器共面度评估模型
马军
2022, 51(3): 20210276. doi: 10.3788/IRLA20210276
[摘要](317) [HTML全文] (80) [PDF 1725KB](46)
受热应力和边界条件的影响,长线列长波红外探测器工作时会产生变形,这可能会对芯片造成损伤或使光敏面出现不共焦。对热、力耦合条件下探测器的共面度进行评估,这是长线列长波红外焦面组件设计的重要内容之一。对可能引起探测器变形的因素进行了分析,通过有限元仿真确定其中的主要因素。以这些主要因素为变量,基于层合板理论,建立了热、力耦合条件下的长线列长波红外探测器共面度评估模型。对共面度评估模型进行了误差分析,确定了其引进的误差在工程应用上可接受。使用共面度评估模型对焦面组件的结构进行了改进,通过有限元仿真和实物测试的方法对改进的有效性进行了验证。验证结果表明:结构改进后,当探测器工作时,光敏面平面度的变化量由改前的170 μm减少至10 μm,满足小于20 μm的设计要求。
具有温度补偿的非分光红外CO2传感器设计
刘灿, 靳长明, 谭秋林, 张磊, 张雅楠
2022, 51(3): 20210746. doi: 10.3788/IRLA20210746
[摘要](443) [HTML全文] (130) [PDF 1952KB](76)
近年来,温室效应愈发明显,环境二氧化碳(CO2)浓度增加带来的副作用严重影响了人们的生产生活。目前,商业化的CO2传感器体积较大,便携化、高精度、模块化等方面不尽人意,设计了一种基于热释电的非分光红外法(NDIR) CO2浓度测量系统,主要分为气室结构设计、信号电路设计、软件控制设计与数据处理四个部分。气室结构设计方面采用单通道结构设计,并对气室进行了光学仿真,最终确定了气室的尺寸,有效提高了系统的测量精度。信号电路设计方面设计了一种基于差分方式的小信号放大电路,将有效信号从噪声中提取并放大,提高分辨率。软件控制设计方面应用数字滤波算法,滤除干扰与杂波,提取数据中的有效值,提高信噪比。数据处理方面,搭建CO2气体测试平台,通过温湿度与峰峰值补偿公式补偿温度对峰峰值产生的影响,再使用25 ℃下曲线拟合法计算气体浓度值,最终通过串口输出。经过测试,该系统测量范围为5%,相对误差值在1500 ppm以内,能够满足防火报警、矿下监测等场合的安全测试需求。
InSb红外焦平面列阵探测器局部分层失效机理研究
张江风, 田笑含, 张晓玲, 孟庆端
2022, 51(3): 20210133. doi: 10.3788/IRLA20210133
[摘要](335) [HTML全文] (79) [PDF 1162KB](56)
批量生产中,锑化铟红外焦平面列阵探测器(InSb IRFPAs)局部分层失效现象已成为制约其成品率提升的瓶颈。为探究InSb IRFPAs局部分层诱因,借助内聚力模型,在InSb芯片与底充胶的界面处铺满内聚力单元,优选内聚力模型参数,建立InSb IRFPAs局部失效分析二维模型。模拟结果得到了实测局部分层分布特征的证实,即:(1) 局部分层大多出现在芯片周边区域,涵盖一定宽度;(2) InSb芯片与底充胶之间的界面局部脱开后,逐渐向两侧扩展。为剖析局部分层诱因,系统分析了张开型与滑开型裂纹扩展共同作用下混合模态比取不同值时局部分层分布特征的演化规律,认为当张开型和滑开型裂纹扩展的混合比取4: 6时,模拟结果与实测结果高度吻合。至此笔者认为InSb IRFPAs局部分层源于界面法向应力与面内剪切应力的共同作用,属于典型的混合型局部分层模式,其中滑开型局部分层模式占主导。
基于动态开窗的快速运动目标信息获取方法
张竞文, 李丽圆, 李潇雁, 苏晓锋, 胡亭亮, 陈凡胜
2022, 51(3): 20210164. doi: 10.3788/IRLA20210164
[摘要](325) [HTML全文] (86) [PDF 1741KB](49)
红外运动目标的轨迹预测在车辆、行人监控和天基遥感探测等军民用领域有着广泛的应用。当目标的相对运动速度较高时,受读出速率及积分时间固定的影响,传统全视场成像信息获取方法所得的目标轨迹点稀疏,难以满足目标轨迹预测的精度要求。针对以上问题,提出了一种基于动态开窗的快速运动目标信息获取方法。首先对观测区域进行全视场成像,捕获到运动目标后,对目标及其邻域开窗以提高成像帧频。通过分析探测场景辐射特性对系统工作参数的影响获取判别矩阵,实现开窗参数的动态调节,从而提升目标轨迹点密度。最后利用目标轨迹预测结果更新开窗位置以实现对单目标的全视场覆盖监测。实验结果表明,对于中波红外演示系统,与全视场成像信息获取方法相比,该方法将系统获取的目标轨迹点密度提高了16倍,系统轨迹预测精度提升了2.6倍,且所需的数据传输带宽降低了25%。该研究可为智能化红外感知系统的设计提供有益参考。
环境辐射对热像仪测温的影响
吕相银, 陈宗胜, 李志刚, 时家明
2022, 51(3): 20210159. doi: 10.3788/IRLA20210159
[摘要](363) [HTML全文] (66) [PDF 1324KB](79)
不同于传统的离散光谱测温,热像仪测温的实质是一种在一定波段范围内的基于探测器光谱响应的连续光谱测温。除了目标的发射率会影响热像仪所测温度与真实温度的关系外,反射的环境辐射也是热像仪测温结果的重要影响因素。目前的热像仪测温精度研究在对目标反射环境辐射的处理中,大都把环境辐射看做是均匀入射的或者是把目标看做了镜面反射体,这样做虽然可以大大简化模型,但是却远远不符合实际情况。针对这一现状,利用辐射度学原理和热像仪探测器的光谱响应特性,建立了在环境辐射非均匀入射条件下的热像仪对漫射目标的测温模型,结果表明:环境辐射对热像仪测温的影响,除了与目标的反射率和环境辐射源的温度有关外,还与环境辐射源对目标所张的投影立体角有关。根据所得模型,分析了热像仪测温的影响因素,重点对几种典型环境辐射条件下对热像仪测温的影响进行了定量计算和分析,并进行了实验验证。相关结果一方面可以为热像仪测温设计提供参考,另一方面可以为复杂环境条件下热像仪测温与真实温度的误差估算提供理论依据。
中长波双色目标和干扰模拟仿真技术
宋敏敏, 赫崇域, 吉亚平, 周泽亚, 桑学仪, 李建, 刘明娜
2022, 51(3): 20210208. doi: 10.3788/IRLA20210208
[摘要](275) [HTML全文] (93) [PDF 1482KB](46)
为了能评估中长波红外双色探测系统抗干扰性能,对双色目标和干扰模拟仿真技术开展了研究。基于多波段红外目标以及干扰生成技术,建立多波段目标和干扰光谱辐射模型、运动模型。同时,基于中长波双色半实物仿真系统,通过MOS电阻阵+DMD目标模拟器构成的中长波红外图像模拟器,多通道复合定向光学系统以及安装被测探测系统的弹目姿态模拟系统,将目标模拟器生成的中长双色图像经多通道复合定向光学系统复合、准直、扩束后提供给被测双色探测系统,验证仿真模拟效果。
光通信与光传感
光纤感知阵列在线滑觉测试系统
刘春辉, 刘智超, 殷礼鑫
2022, 51(3): 20210278. doi: 10.3788/IRLA20210278
[摘要](264) [HTML全文] (60) [PDF 1237KB](34)
针对智能柔性滑觉传感中位置与速度的实时监测问题,设计了一种监测目标位移与速度的光纤感知模块。首先,采用温度补偿模块解决温度交叉敏感问题;然后,在分析传感单元应力分布仿真结果的基础上提出了“米”型FBG组网结构;最后,采用标准压力计与小球完成了位置方向与速度状态的测试,并提出了适用该结构的目标状态解算模型。仿真结果显示,目标轨迹平均形变量约为0.32 μm,衰减距离宽度约为3.0 mm。实验针对0.255 kg钢制小球进行滑动测试,FBG应力灵敏度均优于0.0206 nm/N,FBG中心波长偏移量可以准确确定物体所在区域位置和物体运动方向。传感模块能够实时监测物体运动状态,智能调整物体施力大小及位姿。结果显示,该滑觉感知系统的平面定位精度、运动角度与速度换算均符合设计要求。并且根据模型函数关系可知,在调整传感网络中 FBG总量时可以实现对位置、角度及速度精度的控制。综上所述,该系统具有对检测区域内目标位置、运动状态实时监测的能力,适用于柔性智能装配、智能仿生皮肤等技术领域。
激光通信与成像卡塞格林形式收发光学天线结构初解
毛玉林, 舒仕江, 吴艳锋, 张国亮, 马骁, 任晓东
2022, 51(3): 20210173. doi: 10.3788/IRLA20210173
[摘要](267) [HTML全文] (120) [PDF 1497KB](68)
在激光通信和成像系统中,卡塞格林形式的光学天线不论作为激光信号收发装置还是光学成像装置,像差的存在必然会降低其信号强度和成像质量等性能。通过分析三级像差理论和光学天线微扰理论,依据天线增益因子与遮挡比之间的关系,提出一种方便快捷求解卡塞格林式光学天线结构的方法。此方法在考虑光学天线效率的同时,也可以满足光学系统设计的体积尺寸、像差的要求,在仅知道光学系统焦距、主次镜间距和遮挡比的情况下,可以快捷求出光学天线结构参数。不但给出了四类卡塞格林式光学天线的光学结构参数计算公式,并且结合实际使用对不同的适用场合进行说明及优缺点对比。通过四种典型光学天线的实例计算结果和最优结果比对,表明此方法是一种方便快捷精准求解卡塞格林式的光学天线结构的方法,在工程上具实际指导意义。
光学成像技术
偏振纯度指数理论及应用研究进展
李德奎, 徐陈祥, 林冰, 郭凯, 张宁, 高隽, 郭忠义
2022, 51(3): 20210373. doi: 10.3788/IRLA20210373
[摘要](334) [HTML全文] (104) [PDF 1941KB](77)
光信息在散射介质中传播时会发生散射现象,从而导致其强度和偏振信息发生变化。利用出射光的偏振状态可以间接表征散射介质的退偏特性,并对散射介质进行分类和识别。理论上穆勒矩阵( Mueller Matrix, MM)可以描述散射介质的全部偏振属性,对分析散射介质的退偏特性起到至关重要的作用,但是MM参数过多,较为复杂。然而,根据MM推导所得到的偏振纯度指数(Index of Polarization Purities,IPPs)结构简单,并可以更为直接的描述散射介质的退偏特性。IPPs由${P_1}$${P_2}$${P_3}$组成,代表退偏系统等效分解成的四个非退偏纯系统之间的权重差异。以${P_1}$${P_2}$, ${P_3}$为坐标轴可构建出纯度空间,纯度空间中不同的点代表不同的退偏系统,利用纯度空间可以对不同的退偏系统进行分辨。相比较于传统偏振表征指标,IPPs可以表征散射介质及目标更多维度的信息。近年来,IPPs在生物医学和目标检测等诸多方面的研究取得了重要的研究成果。文章主要介绍了IPPs的理论,综述并讨论了其在分析不同分散体系的退偏特性、生物组织成像、医学监测和目标识别等方面的研究进展。
星载斜视等距扫描成像
王浩, 石志城, 宫辉, 王军, 唐绍凡
2022, 51(3): 20210390. doi: 10.3788/IRLA20210390
[摘要](347) [HTML全文] (68) [PDF 2718KB](37)
针对传统穿轨扫描成像方式存在的随扫描角度增大分辨率退化严重、大气程辐射差异大影响定量化应用等问题,提出了一种基于斜视等距扫描的成像方法。首先,介绍了该成像方法的原理,根据几何光学理论建立了几何成像模型。然后,基于几何成像模型,给出了大幅宽斜视等距扫描成像过程中扫描方向与垂直扫描方向空间分辨率随扫描角度的关系式,以及幅宽与扫描角度的关系式;进一步给出了该成像体制,通过卫星平台俯仰机动,实现多角度观测时分辨率、幅宽等关系式。最后,结合某预研星载相机进行了仿真分析。结果表明:分辨率退化大幅减小,在扫描角度60°时边缘分辨率退化相比穿轨扫描成像体制的9.3倍降低为2.5倍。为大幅宽成像边缘视场分辨率退化严重的问题提供了一种新的解决途径,对推动超大幅宽、高分辨率、多角度星载遥感的发展具有一定参考意义。
生物组织单像素成像重构的散射干扰抑制
陆秋萍, 石岩, 戴晟昕, 陈义, 赵春柳, 赵天琦, 金尚忠, 牛海彬
2022, 51(3): 20210722. doi: 10.3788/IRLA20210722
[摘要](293) [HTML全文] (96) [PDF 1360KB](61)
针对单像素成像重构中的散射介质影响而导致重构图像无法达到最佳效果的问题,研究了有无散射介质的情况下,关联算法和压缩感知算法的图像重构适用性。分析了散射介质在成像光路造成的调制信息空间结构变化和在探测光路造成的信号损耗对成像的影响,建立了近红外单像素成像系统,使用CGI算法和TVAL3算法实现了穿透生物组织散射介质的单像素成像实验。实验发现,在无散射介质时,TVAL3算法的重构时间、峰值信噪比和相似度等均优于CGI算法;而在有散射介质时,CGI算法的三项数值中有两项优于TVAL3算法,其最大重构时间(0.304091 s)小于TVAL3算法最小时间(1.766299 s),其最小峰值信噪比(9.9831 dB)高于TVAL3算法的最大值(9.170456 dB),其相似度(0.0982、0.1178)则位于TVAL3算法的范围内(0.099258~0.497622)。结果表明,基于关联成像理论的CGI算法较适合散射介质成像,基于压缩感知理论的TVAL3算法更适合无散射介质成像。
激光器与激光光学
分布式猫眼腔免调试激光器发射端视场的优化
刘俊杰, 齐岳, 盛泉, 王思佳, 王盟, 徐德刚, 史伟, 姚建铨
2022, 51(3): 20211108. doi: 10.3788/IRLA20211108
[摘要](306) [HTML全文] (93) [PDF 1167KB](38)
为实现面向自适应激光无线传能应用的大范围免调试激光器,对基于猫眼逆反射器的端面泵浦Nd: GdVO4激光器开展实验研究;在补偿接收端的球差和场曲、优化激光器工作距离和接收端视场的基础上,分析发现发射端各透镜的场曲所导致的猫眼逆反射器离焦是限制其视场角度(接收端离轴量容限)的主要因素。基于Zemax软件对发射端场曲进行分析计算,并设计加工了矫正场曲的非球面透镜以避免接收端离轴情况下的发射端离焦,实现优化发射端视场的目的。使用优化设计的非球面透镜后,在5 m的长工作距离下激光器4.6°发射端视场内的输出功率均在其最高输出功率的50%以上,相比使用普通球面透镜时的结果得到显著的提升。对比理论设计和实验结果仍有一定差距,认为补偿激光晶体热透镜的像差是进一步优化发射端视场的关键。
基于激光谐波调制的深孔内壁三维面型分析系统
李耀明, 陈淑琴, 张煌
2022, 51(3): 20210862. doi: 10.3788/IRLA20210862
[摘要](278) [HTML全文] (88) [PDF 1316KB](29)
为了快速精确地获取深孔结构内壁三维面型,从而分析深孔加工质量,提出了一种基于激光谐波调制的线型扫描系统,设计了可深入深孔结构的反射式光学系统。研究了通过时间窗滤波的谐波匹配点云优化算法,该算法利用谐波调制相位范围对近轴线扫描区域进行阈值分离,从而完成点云数据的滤波。实验针对三种不同类型的深孔进行了测试,并采用Handyscan三维成像仪进行了点云数据对比。文中对5 cm×5 cm的内壁区域进行了量化分析, 对比了优化前后的三维点云图像。优化前的点云中明显包含很多杂散点,综合平均偏差为0.53 mm,而采用优化后,噪声被有效抑制,综合平均偏差降为0.12 mm。在x轴方向上,系统位置偏差均值为0.240 mm,在y轴方向上,系统位置偏差均值为0.228 mm。由于优化后降低了需要计算的点云总量,故其收敛速度也有一定的改善,在3000点以上趋于稳定,约为优化前用时的65.8%。可见该系统适用于深孔内壁三维面型检测,为深孔测试与数据降噪提供了新的思路。
采用滑模观测器的机载激光通信视轴精度控制
王东辉, 孔国利, 陈书立
2022, 51(3): 20210460. doi: 10.3788/IRLA20210460
[摘要](356) [HTML全文] (78) [PDF 1701KB](28)
为了提高机载激光通信系统在机体振动和机械摩擦等扰动下的视轴对准精度,提出了一种基于滑模观测器的反步滑模控制方法。首先建立了机载激光通信系统的数学模型,然后通过设计的滑模观测器对扰动值进行估计,同时针对指令转换模块、激光通信模块和电机模块逐步设计了反步滑模控制律,实现对机载激光通信系统视轴的高精度控制。实验结果表明:提出的方法与分数阶PID控制方法相比突出了更优的快速性和准确性,响应时间仅为0.4 s,最大空间对准误差仅为0.3 m,设计的滑模观测器能够快速、准确地估计出扰动值,响应时间仅为0.3 s,最大估计误差分别仅为0.1 m/s、0.06 (°)/s2 和0.07 A/s,大幅提高了机载激光通信系统中视轴的对准精度。
基于腔体约束激光诱导击穿铝土矿光谱的参数优化
杨彦伟, 郝晓剑, 潘保武, 张瑞忠, 刘烨坤, 孙鹏, 郝文渊
2022, 51(3): 20210661. doi: 10.3788/IRLA20210661
[摘要](425) [HTML全文] (102) [PDF 1447KB](42)
基于外加腔体约束方法,对铝土矿中Al、Si两种元素的激光诱导击穿光谱(LIBS)实验参数进行了优化研究。通过设置压强、激光能量、延迟时间等参数,使用传统LIBS和外加腔体约束LIBS(CC-LIBS)分别对铝土矿样品进行激光烧蚀,选择Si Ⅰ 288.15 nm和Al Ⅰ 308.21 nm作为特征谱线对最优实验条件进行了分析。结果表明:压强为150 MPa时,谱线强度偏差最小;能量为80 mJ时,采集到的特征谱线信噪比(SNR)最大;延迟时间为1 μs时,Al、Si两种元素得到的SNR最优,从而确定了最佳实验条件。与传统的LIBS相比,CC-LIBS采集到的特征谱线强度、SNR都有所提高,为铝土矿中Al、Si元素的检测提供了新的实验依据与思路,具有一定的参考价值。
非视域三维成像激光雷达的研究进展
靳辰飞, 田小芮, 唐勐, 王峰, 杨杰, 乔凯, 史晓洁, 张思琦
2022, 51(3): 20210471. doi: 10.3788/IRLA20210471
[摘要](636) [HTML全文] (282) [PDF 3332KB](161)
综述了非视域三维成像激光雷达技术的研究现状及进展。首先介绍了非视域成像技术的产生背景和基本概念,从多种实现技术中选出最接近激光雷达构型的基于激光脉冲飞行时间测量的非视域成像技术作为文中的综述重点。然后分别从成像系统和成像算法两个方面对国内外的研究进展进行了分析总结,可以看出,未来采用SPAD面阵进行无扫描阵列式非视域成像已成为必然的趋势,而能够适配SPAD面阵的非共焦重构算法也将成为研究重点。这种激光成像雷达新体制未来在军事侦察、安防反恐、无人驾驶、灾难救援等领域将有着极其广泛的应用前景。
脉冲调制激光雷达水下成像系统
徐国权, 李广英, 万建伟, 许可, 董光焰, 程光华, 王兴, 韩文杰, 马燕新
2022, 51(3): 20210204. doi: 10.3788/IRLA20210204
[摘要](571) [HTML全文] (87) [PDF 1543KB](140)
针对水下目标探测应用场景,给出了相应的532 nm波长激光雷达系统参数,结合条纹管激光雷达和载波调制激光雷达的优点,设计研制了一套水下三维成像增程激光雷达原理样机。相对于常见的微波调制激光产生高频脉冲的方案,该原理样机采取调Q技术压缩激光脉冲,再结合F-P腔的特性产生高频激光脉冲,具有峰值功率高和输出能量高的优点。实验结果表明,该原理样机在清水环境中成像距离优于20 m,能够捕捉到13 m处直径9 mm的目标细节;在浊水环境中的信号处理增程能力达到81.4%,相对距离分辨误差为0.01 m。所获得的实验结果为进一步提升水下激光雷达的成像距离和分辨率进而发展水下成像装备奠定了基础。
伪随机码调制的高精度星载激光测距雷达
韩旭, 李志, 吴耀军, 张志民, 黄剑斌, 黄龙飞
2022, 51(3): 20210250. doi: 10.3788/IRLA20210250
[摘要](367) [HTML全文] (135) [PDF 1600KB](73)
伪随机码调制激光测距系统通过发射高阶调制激光,实现高频率、低峰值功率探测,利用高频率探测和统计实现高信噪比,具有系统体积小、质量轻的特点,是一种适合远距离的激光雷达系统。但是测距精度与调制频率有关,以往研究中通常使用高调制频率实现高精度测量。文中研制了一台伪随机码调制的激光雷达样机,采用调制重复频率100 MHz、入瞳直径0.1 m的光学天线,通过对周期内回波信号进行高斯统计,在信噪比为5时的实验室环境下实现了0.1 m的高精度测距。通过理论和试验分析证明了通过提高时钟频率和信噪比可以有效提高测距精度。
光学设计
带摆镜的二维扫描制冷红外光学系统设计
许敏达, 田雪, 姚睿, 肖昊苏, 陈澄
2022, 51(3): 20210407. doi: 10.3788/IRLA20210407
[摘要](335) [HTML全文] (74) [PDF 1887KB](76)
带摆镜的像方扫描光学系统通常只在一维方向扫描成像,当摆镜在二维方向摆扫成像时,摆镜方位俯仰耦合运动带来的对光轴指向、光斑尺寸、成像性能等影响不能忽略。分析了不同的摆镜扫描光学系统的基本形式,并对像方摆镜扫描光学系统二维摆扫带来的影响进行了分析。对内轴为方位、外轴为俯仰的像方摆镜在不同的二维摆扫角度下的入射光轴指向和窗口处光斑尺寸进行了理论计算,提出了二维像方摆镜扫描光学系统设计与分析方法。利用Zemax建立了二维像方摆镜扫描光学系统模型,仿真分析了不同方位俯仰摆扫角度下的成像性能、光轴指向以及窗口挡光情况。在不同方位俯仰角度下,光学系统在17 lp/mm处MTF均大于0.4,窗口极限挡光小于21.4%。
固体浸没式红外超表面透镜设计
邓三泳, 岳嵩, 张东亮, 刘昭君, 李慧宇, 柳渊, 张紫辰, 祝连庆
2022, 51(3): 20210360. doi: 10.3788/IRLA20210360
[摘要](463) [HTML全文] (144) [PDF 2081KB](108)
红外焦平面阵列在各类红外成像系统中发挥着巨大的作用。为提升红外焦平面的工作温度、量子效率和灵敏度,通常使用微透镜阵列作为红外焦平面的聚光器。当前微透镜阵列的制作材料通常与红外探测器材料不同,因此在集成装配时需要额外的工艺手段,工艺难度较大且效率较低。利用微纳光学超表面技术体系,可以在红外探测器衬底材料上直接制作平面式的固体浸没型微透镜阵列,实现前置微透镜与红外焦平面的单片集成。文中以红外探测领域最有潜力的锑化物Ⅱ类超晶格红外探测器为应用目标,设计了一种基于GaSb衬底的固体浸没式红外超表面透镜。设计的超表面透镜在中波红外波段工作,能适用于所有入射偏振。器件设计焦距为100 μm,理论上在目标波长下的最高聚焦效率达到70.7%,数值孔径(NA)达到1.15。该设计可以推动微透镜阵列向扁平、超薄、轻量的方向发展,简化微透镜阵列与红外焦平面阵列的集成工艺,有望提升红外焦平面的探测效率,并降低制造成本。
用于亚公里级三维成像的全光相机主物镜设计
冀鹏州, 穆郁, 张晨钟, 孟军合, 赵侃, 徐大维
2022, 51(3): 20210493. doi: 10.3788/IRLA20210493
[摘要](290) [HTML全文] (76) [PDF 1624KB](38)
全光相机可以在成像后进行重聚焦,并且一次曝光就可以同时获取目标的位置信息和方向信息。相较于主动测距方法和传统的被动测距方法,基于全光相机的深度测量方法具有不易被侦查和易于标定的优势。基于全光相机的三维成像技术是集前端光学系统与后端信息处理为一体的计算成像技术,目前的研究工作主要集中于后端信息处理算法,对前端光学系统的研究鲜有报道,因此对前端光学系统设计进行研究。首先,建立基于多目视觉全光相机深度分辨率计算模型并分析焦距、F#等光学系统性能参数对物方深度分辨率的影响;然后,分析两反光学系统的遮拦比、次镜的放大倍率等因素对系统参数的影响;最后,综合考虑设计、加工、装调以及测距性能等方面,设计了一款用于亚公里级三维成像的全光相机主物镜光学系统,系统焦距为$500\;{\rm{mm}}$,系统总长小于${\text{163}}\;{\rm{mm}}$,摄远比小于${1 / 3}$,工作温度范围为−40~70 ℃。不同温度下全视场MTF在$80\;{{{\rm{lp}}}/{\rm{{mm}}}}$处优于0.3,使用此物镜的全光相机配合${1 / 8}$像素的亚像元识别精度的算法,在0.5 km处可获得$ < 5\;{\rm{m}}$的深度分辨率。
图像处理
基于时空统计特征的缺陷像元动态实时修复算法
杨德振, 喻松林, 冯进军
2022, 51(3): 20210798. doi: 10.3788/IRLA20210798
[摘要](261) [HTML全文] (60) [PDF 1962KB](35)
受红外焦平面工艺和材料的限制,红外探测器不可避免存在盲元、闪元等缺陷像元。盲闪元与红外点目标在灰度分布和尺度上一致,易造成远程红外探测系统的虚警和漏检。为此,提出了一种面向红外点目标检测的基于时空统计特征的缺陷元动态实时修复算法。在深入剖析缺陷元的基础上,构造空间极值滤波算子提取当前帧特征掩码,在时间域对历史掩码值进行累加、结合概率动态统计进行多维判定,同时引入图像金字塔对盲元、闪元、缺陷元簇进行提取,最终采用多尺度中值滤波对缺陷元进行剔除。实验将DDR3作为片外存储进行FPGA的硬件移植,结果表明:所提算法可适用于各类需要执行点目标检测的场景,能动态更新并修复新增缺陷像元,计算复杂度低实时性强,缺陷率从6‰降为0.046‰,检测准确率达到98%。
基于CNN的金属疲劳裂纹超声红外热像检测与识别方法研究
林丽, 刘新, 朱俊臻, 冯辅周
2022, 51(3): 20210227. doi: 10.3788/IRLA20210227
[摘要](338) [HTML全文] (109) [PDF 11474KB](55)
传统超声红外热像检测与识别金属疲劳裂纹主要是通过图像处理算法提取红外热图像的相关热特征,并与裂纹特征进行匹配,其过程过于繁琐,识别率较低且需要人工筛选有效特征。结合主动红外热成像技术以及卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)在金属结构无损检测与缺陷自动识别中的优势,提出了一种基于CNN的金属疲劳裂纹超声红外热像检测与识别方法。通过超声红外热成像装置对实验对象(文中为金属平板试件)进行检测,获取红外热图像并制作图像数据集。运用设计的卷积神经网络对不同尺寸裂纹的超声红外热图像进行特征提取与识别分类。此外,对所提出的方法与两种常见图像分类网络模型以及支持向量机的分类结果进行对比。实验结果表明,设计的卷积神经网络在该数据集上识别分类准确率为100%,优于其他网络模型和支持向量机的识别分类,可以有效检测与识别金属疲劳裂纹。
基于改进样本驱动的高光谱矿物识别模型压缩方法
邓可望, 赵慧洁, 李娜, 蔡辉
2022, 51(3): 20210252. doi: 10.3788/IRLA20210252
[摘要](310) [HTML全文] (104) [PDF 1926KB](33)
针对机载成像高光谱遥感仪器获得的大批量高光谱数据很难实现高效快速的矿物信息提取和识别的问题,提出了一种基于改进样本驱动的高光谱矿物识别模型压缩方法,对神经网络中的冗余神经元进行剪枝,从而获取高效的矿物识别模型。首先,以验证数据集中的正确识别样本为数据驱动,计算各神经元经激活函数后的输出零值频率,并将其作为该神经元重要性判据,探讨各神经元对神经网络正确识别样本的贡献;其次,通过设置重要性阈值对冗余神经元进行剪枝,并对剪枝网络进行再训练,在保留原网络正确识别特性的基础上,提升压缩模型识别精度;最终通过多次迭代剪枝获得高效的压缩矿物识别模型。利用基于改进样本驱动的模型压缩方法对基于多层感知机的矿物识别模型进行压缩改进,并以美国内华达州Cuprite矿区的机载可见光/红外成像光谱仪的高光谱数据作为测试数据,获得了压缩比3.33、矿物识别精度94.35%的高效矿物识别模型。
面向CNN模型图像分类任务的高效激活函数设计
杜圣杰, 贾晓芬, 黄友锐, 郭永存, 赵佰亭
2022, 51(3): 20210253. doi: 10.3788/IRLA20210253
[摘要](296) [HTML全文] (83) [PDF 1326KB](46)
激活函数(Activation Functions,AF)对于卷积神经网络学习、拟合复杂函数模型来说具有十分重要的作用,为了使神经网络能更好更快的完成各类学习任务,设计了一种新型高效激活函数EReLU。EReLU通过引入自然对数函数有效缓解了神经元“坏死”和梯度弥散问题,通过分析激活函数及其导函数在前馈和反馈过程中的作用对EReLU函数的数学模型探索设计,经测试确定EReLU函数的具体设计方案,最终实现了提升精度和加速训练的效果;随后在不同网络和数据集上对EReLU进行测试,结果显示EReLU相较于ReLU及其改进函数精度提升0.12%~6.61%,训练效率提升1.02%~6.52%,这有力地证明了EReLU函数在加速训练和提升精度方面的优越性。
基于YOLO-IDSTD算法的红外弱小目标检测
蒋昕昊, 蔡伟, 杨志勇, 徐佩伟, 姜波
2022, 51(3): 20210106. doi: 10.3788/IRLA20210106
[摘要](803) [HTML全文] (216) [PDF 1710KB](190)
针对复杂背景下红外弱小目标难以准确快速检测的问题,提出了一种红外弱小目标轻量化实时检测网络模型YOLO-IDSTD。首先,为提高检测速度,重新设计了特征提取部分的网络结构,并在输入层后使用Focus模块以减少推理时间;其次,为增强检测能力,特征融合部分采用路径聚合网络,添加了改进的感受野增强模块;最后,目标检测部分增加至四尺度检测。在红外弱小目标数据集上进行的对比实验表明,相较于经典轻量化模型YOLOv3-tiny,文中提出的模型召回率提升了7.57%,平均检测精度提高了1.92%,CPU推理速度提升了36.1%,可较好地兼顾精度和速度,计算量与参数量明显减少,模型尺寸压缩至7.27 MB,减少了对硬件平台运算能力的依赖,实现了红外弱小目标准确又快速的检测。
卷积神经网络结合NSST的红外与可见光图像融合
宦克为, 李向阳, 曹宇彤, 陈笑
2022, 51(3): 20210139. doi: 10.3788/IRLA20210139
[摘要](504) [HTML全文] (213) [PDF 2230KB](60)
传统的多尺度红外与可见光图像融合方法,所提取的图像特征固定,并不能很好的应用于各类复杂的图像环境,而深度学习可以自主选择合适图像特征,改良特征提取单一性问题,因此提出一种基于卷积神经网络与非下采样剪切波变换(NSST)相结合的红外与可见光图像融合方法。首先,用卷积神经网络提取红外目标与背景的二分类图,利用调频(FT)显著性检测算法对分类图进行精准分割,同时,利用NSST将源图像多尺度、多方向进行分解;其次,利用目标显著性结合自适应模糊逻辑算法进行低频子带融合,利用高频系数局部方差对比度方法进行高频子带融合;最后,通过NSST逆变换得到融合后图像。实验结果表明:相比于传统图像融合算法,该方法在信息熵、平均梯度、空间频率、互信息和交叉熵等多个客观评价指标上至少分别提高了0.01%、0.30%、1.43%、2.32%、1.14%。一定程度提高了融合图像对比度,丰富了背景细节信息,更有利于人眼识别,可以广泛的应用于光电侦察、光电告警、多传感器信息融合等光电信息领域。
融合CNN和SRC决策的SAR图像目标识别方法
陆建华
2022, 51(3): 20210421. doi: 10.3788/IRLA20210421
[摘要](241) [HTML全文] (55) [PDF 1055KB](33)
提出基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)与稀疏表示分类(Sparse Representation-based Classification,SRC)联合决策的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)目标识别方法。CNN通过深度网络学习SAR图像的多层次特征,进而对其所属的目标类别进行判决。研究表明,CNN在训练样本充足的条件下可以取得很好的识别性能。然而,对于训练样本未能包含的条件,CNN的分类性能通常会出现明显下降。因此,先采用CNN对待识别的测试样本进行分类,再根据输出的决策值(即,各个训练类别对应的后验概率)计算当前分类结果的可靠性。当分类结果判定可靠时,则直接采信CNN的决策,输出测试样本的目标类别。反之,则根据CNN输出的决策值筛选若干候选类别,然后基于它们的训练样本构建全局字典用于SRC分类。对于SRC的分类结果,进一步采用Bayesian融合算法将其与CNN的分类结果进行融合。最终,根据融合后的结果判定测试样本的目标类别。提出方法通过层次化的思路融合CNN和SRC的优势,有利于发挥两者对不同测试条件的优势,达到提高识别稳健性的目的。实验中,基于MSTAR数据集开展测试分析,结果验证了提出方法的有效性。
基于改进稀疏表示正则化的SR重建算法
谢冰, 万淑慧, 殷云华
2022, 51(3): 20210468. doi: 10.3788/IRLA20210468
[摘要](252) [HTML全文] (57) [PDF 1873KB](26)
基于视觉的无人机自主导航过程中,对航路点进行准确识别是引导无人机朝着航路点方向精确飞行的关键。然而,当无人机到达航路点识别距离后,由于机载图像传感器受天气因素及成像过程中的脱焦、衍射等现象影响,常导致获取到的航拍图像模糊、空间分辨率较低,从而直接影响了后续航路点识别的精度。针对这一问题,提出了一种改进稀疏表示正则化的航拍图像超分辨率重建算法。首先,基于稀疏表示正则化框架,利用自回归和非局部相似约束构建目标函数的正则化项;其次,根据图像局部方差能有效区分图像的边缘区域和平滑区域这一特性,自适应地选取正则化参数得到超分辨率重建模型中的目标函数;最后,使用MM (Majorization-Minorization) 算法求解目标函数的凸优化问题,得到重建后的高分辨率图像。实验结果表明:与传统的正则化SR重建算法相比,文中算法能够有效的提高航拍图像的空间分辨率,使得重建后的图像包含了更多的特征细节信息,这为航路点识别提供了帮助。
快讯
高光束质量6 kW级窄线宽光纤激光
吴函烁, 宋家鑫, 马鹏飞, 任帅, 王广建, 肖虎, 黄良金, 冷进勇, 潘志勇, 周朴
2022, 51(3): 20210859. doi: 10.3788/IRLA20210859
[摘要](252) [HTML全文] (46) [PDF 803KB](73)
材料与薄膜
激光/长波红外双谱段减反射薄膜设计与制备
李子杨, 刘华松, 孙鹏, 杨霄, 白金林, 徐颖, 杨仕琪, 季一勤, 苏建忠
2022, 51(3): 20210944. doi: 10.3788/IRLA20210944
[摘要](361) [HTML全文] (108) [PDF 1390KB](43)
在氟化钡光学元件上设计并制备多谱段减反射薄膜是提升光电系统探测性能的关键。在氟化钡基底上设计并制备了1064 nm激光/长波红外双谱段减反射薄膜。基于周期对称结构膜系导纳计算方法,以及拟合膜层周期数与参考波长的优化算法,开展了复合谱段减反射薄膜初始膜系的设计方法研究。使用热蒸发离子束辅助沉积方法制备了多层减反射薄膜。测试结果表明,该薄膜在1064 nm处透射率为94.0%,在8~12 μm长波红外谱段平均透射率为96.3%,在8.2 μm处的透射率高达99.4%。该激光/长波红外双谱段减反射薄膜具有良好的光学性能,可以应用于多模复合精确探测光电装备之中,对于提升探测系统的工作性能具有重大意义。
光学器件
全光纤微型土壤水分含量传感器
王佳敏, 李振, 王纪强
2022, 51(3): 20210299. doi: 10.3788/IRLA20210299
[摘要](281) [HTML全文] (122) [PDF 2311KB](48)
基于掺杂光纤光热转换效应和光纤光栅测温原理研发了一种全光纤微型土壤水分含量传感器。利用1480 nm泵浦激光对埋设在土壤中的掺钴光纤加热,同时利用刻写在掺钴光纤上的布拉格光栅测定其温度变化,根据加热过程中温度特征值与含水率之间存在的线性关系实现土壤水分含量的原位测量。为了验证该方法的可行性和传感器准确度,搭建了土壤水分含量测试平台并进行实验,实验表明温度特征值与土壤含水率之间存在线性关系;且研发的全光纤微型土壤水分含量传感器所测土壤含水率与烘干法有较好的一致性,最大误差−1.41%,明显优于电导率法。这种新型的土壤水分含量测量方法具有微型化、低功耗的特点。
星载偏振相机模拟前端单粒子锁定及损伤机理
姚萍萍, 涂碧海, 邹征宇, 许智龙, 张爱文, 孙亮, 骆冬根, 洪津
2022, 51(3): 20210226. doi: 10.3788/IRLA20210226
[摘要](258) [HTML全文] (71) [PDF 1425KB](27)
单粒子锁定效应容易引起星载遥感仪器产生故障。针对空间高能粒子辐射环境诱发的偏振遥感相机性能退化问题,利用高能重离子和皮秒脉冲激光对星载偏振成像仪选用的模拟前端信号处理器开展了试验研究,获得了此类器件的单粒子锁定特点,为工程设计及试验评估提供了参考。试验结果显示:偏振成像仪选用的模拟前端信号处理器对重离子诱发的单粒子锁定比较敏感,单粒子锁定LET阈值处于4.4~13.4 MeV·cm2·mg−1之间。针对模拟前端芯片LET阈值偏低的问题,提出了一种模拟供电端和数字供电端串联大功率防闩锁限流电阻和在轨定时开关机的设计方法。试验结果表明,该方法可有效避免器件单粒子锁定造成的器件过流烧毁及仪器失效等故障。研究结果可为星载偏振相机用模拟前端信号处理器抗辐射加固设计和单粒子地面模拟实验方法的建立提供技术基础与保障。
编码孔径光谱成像仪中凸面闪耀光栅的研制
赵雨时, 贺文俊, 刘智颖, 付跃刚
2022, 51(3): 20220007. doi: 10.3788/IRLA20220007
[摘要](338) [HTML全文] (99) [PDF 2162KB](39)
针对一款基于DMD的光谱维编码Offner光谱成像仪对凸面闪耀光栅的性能要求,提出了一种凸面闪耀光栅的宏观-微观一体化优化设计方法,利用三维偏振光追迹算法有机融合了宏观层面的Offner光学系统设计与微观层面的凸面闪耀光栅槽型设计。介绍了编码孔径Offner光谱成像系统的组成和工作原理,并结合系统的使用要求设计了一款平均衍射效率为85.47%的中波红外凸面闪耀光栅。在此基础上,采用超精密单点金刚石车床成功制备了曲率半径为120 mm、周期为99.945 μm、闪耀角为1.1783°、槽深为1.834 μm的凸面闪耀光栅。测试结果表明,在3~5 μm光谱范围内,最大衍射效率为93.46%,平均衍射效率为84.29%,与理论设计值较为吻合,验证了凸面闪耀光栅设计方法的有效性。