留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

当期目录

2021年 第50卷  第7期

特约专栏-微波光子技术$评论
微波光子与多学科交叉融合的前景展望(特邀)
李明, 郝腾飞, 李伟
2021, 50(7): 20211042.  doi: 10.3788/IRLA20211042
[摘要](7) [HTML全文](3) [PDF 1012KB](1)
微波光子学可借助光电子器件实现微波信号的产生、处理、接收和分配等功能,具有宽带、低传输损耗、轻重量、快速可重构及抗电磁干扰等优势。随着微波光子学的理论方法和技术应用的不断发展,微波光子与多学科交叉融合成为其核心发展方向。文中对微波光子与部分学科交叉融合的现状进行了总结,并对微波光子与激光技术、集成光电子学、量子技术和人工智能等前沿学科的交叉融合进行了展望。
面向信号与信息智能处理的光电融合与集成技术(特邀)
邹卫文, 马伯文, 徐绍夫, 邹秀婷
2021, 50(7): 20211043.  doi: 10.3788/IRLA20211043
[摘要](7) [HTML全文](3) [PDF 921KB](1)
传统的信号、信息处理流程相对独立且繁琐,人工智能(AI)技术通过引入“信号变换+信息识别”的处理策略,提升了整体处理的智能化水平。然而,未来应用中信号与信息高度密集,要求更高的系统能效、更灵活的决策能力。文中提出了通过光电融合与集成技术有望实现信号与信息兼容一体的新型处理范式:利用光子与电子技术在电磁尺度、物理性质、实现方法等层面的互补优势,针对信号与信息整体进行直接处理,并且具有融合深层智能技术的潜力。回顾了光电融合形式下的新兴信号与信息处理体制,指出了光电混合集成对光电融合处理技术的重要支撑意义。
微波光子检测 (特邀)
卢冰, 邹喜华
2021, 50(7): 20211044.  doi: 10.3788/IRLA20211044
[摘要](6) [HTML全文](3) [PDF 871KB](1)
微波信号检测是电子信息领域的关键技术,广泛应用于通信、雷达、电子战。随着新一代信息技术的快速发展,现有的微波测量系统面临着速率和带宽瓶颈。微波光子学技术融合了微波和光波技术各自优势,具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势,文中围绕微波光子检测,特别是微波光子信号的频率测量方案,如频率-幅度映射型、频率-时间映射型、光信道化型等,介绍与分析国内外现状与发展动态,并对现有微波光子测量面临的问题和下一步发展方向进行了简单总结。
特约专栏-微波光子技术$快报
硅基光子集成宽带大色散延时芯片(特邀)
陈宏伟, 杜振民, 符庭钊, 杨四刚, 陈明华
2021, 50(7): 20211045.  doi: 10.3788/IRLA20211045
[摘要](5) [HTML全文](4) [PDF 1133KB](0)
集成、宽带、大色散延时的器件在微波光子滤波、真延时相控阵天线等领域有着重要的应用,可以有效地降低系统尺寸和功耗。文中提出并实现了一种基于硅基光子集成的宽带大色散延时芯片,通过采用超低损耗波导结构和侧壁法向量调制结构实现了片上集成大色散波导光栅,色散值超过250 ps/nm, 最大群延时达到2440 ps,带宽大于9.4 nm,该芯片有望用于微波光子学、高速光纤通信系统等领域。
基于集成光频梳的新型微波光子应用 (特邀)
薛晓晓, 郑小平
2021, 50(7): 20211046.  doi: 10.3788/IRLA20211046
[摘要](7) [HTML全文](5) [PDF 1137KB](0)
基于光学微腔的集成光频梳具有光谱宽、谱线间隔大、体积小等优势,为微波光子系统带来了新的发展机遇。近年来涌现了多种基于微腔光梳的微波光子应用,包括高质量微波信号产生、微波光子信号处理、真延时微波波束形成等,具有相位噪声低、可重构能力强、奈奎斯特带宽大等优异性能,展现了集成微腔光梳在微波光子领域的广阔应用前景。
高性能硅和铌酸锂异质集成薄膜电光调制器 (特邀)
孙时豪, 蔡鑫伦
2021, 50(7): 20211047.  doi: 10.3788/IRLA20211047
[摘要](5) [HTML全文](3) [PDF 877KB](0)
硅基光子集成平台因其高集成度、CMOS工艺兼容性等特点在光通信领域受到了广泛的关注,而电光调制器作为光通信系统中最为重要的器件之一,承担着将电信号加载至光信号上的关键作用,为打破硅基调制器的性能限制,可利用硅和铌酸锂的大面积键合技术以及铌酸锂低损耗波导刻蚀技术实现高性能硅和铌酸锂异质集成薄膜电光调制器,目前该类调制器的性能可达半波电压3 V,3 dB电光带宽超过70 GHz,插入损耗小于1.8 dB, 消光比大于40 dB。文中对比了硅和铌酸锂异质集成调制器的研究现状并介绍了该异质集成薄膜调制器的结构设计与工艺实现方法。
特约专栏-微波光子技术$综述论文
微波光子集成及前沿展望(特邀)
李明, 郝腾飞, 潘时龙, 邹喜华, 恽斌峰, 邹卫文, 李伟, 闫连山
2021, 50(7): 20211048.  doi: 10.3788/IRLA20211048
[摘要](6) [HTML全文](3) [PDF 2114KB](0)
微波光子学是一门融合了微波技术和光子技术的交叉学科,是研究光波和微波在媒质中的相互作用以及在光频域实现微波信号的产生、处理、传输及接收的微波光波融合系统。由于现有的微波光子系统大多由分立器件组成,在体积、功耗、稳定性、成本等方面仍有待提升,因此集成化是微波光子技术发展的必然趋势。文中探讨了微波光子集成技术面临的主要科学与技术问题,总结了该技术的发展现状和前沿研究进展,并对其未来发展前景进行了展望。
微波光子技术在电子战中的应用探讨(特邀)
周涛, 李涛, 谢爱平, 何梓昂, 徐嘉鑫, 李睿
2021, 50(7): 20211049.  doi: 10.3788/IRLA20211049
[摘要](5) [HTML全文](3) [PDF 1414KB](4)
电子战是夺取信息化战争的关键力量之一,而微波光子技术由于其宽带性、高速性、并行性、小巧性等特征与电子战能力提升的需求高度匹配,已经成功应用于信号产生、传输及处理等环节中。首先从电子战系统的作战要求和能力特征出发,分析了影响电子战效能的核心要素;进而探讨了微波光子的特点及其提升电子战能力的原因,并以光学波束形成为典型应用,分析了微波光子给电子战系统带来的能力提升优势;最后,面向电子战向电磁频谱战转型的发展需求,对微波光子的发展趋势进行了展望。
微波光子在高通量通信卫星中的探索及初步应用(特邀)
李立, 谭庆贵
2021, 50(7): 20211050.  doi: 10.3788/IRLA20211050
[摘要](3) [HTML全文](4) [PDF 1171KB](1)
高通量卫星是新一代宽带通信卫星的重要发展和应用方向,我国高通量卫星在国内与周边国家的市场需求旺盛,发展潜力巨大。文中介绍了高通量卫星的技术特点、国外发展动态和后续发展需求,以及国内高通量卫星最近进展。探索了微波光子在高通量通信卫星中的应用及国外微波光子在高通量通信卫星中的研究进展。研究了一种基于微波光子技术的宽带柔性高通量通信卫星载荷方案,验证了微波光子应用于高通量通信卫星的可行性和有效性。最后给出了基于微波光子技术的高通量通信卫星发展建议。
特约专栏-微波光子技术$研究论文
基于微波光子倍频与去斜接收的宽带阵列雷达 (特邀)
张方正, 高彬栋, 潘时龙
2021, 50(7): 20211051.  doi: 10.3788/IRLA20211051
[摘要](8) [HTML全文](3) [PDF 1741KB](2)
微波光子雷达利用光子学方法实现雷达信号的产生与处理,具有突出的宽带工作能力,能显著提升雷达距离分辨率。为了提升雷达角度分辨能力并实现灵活波束控制,将微波光子雷达技术与阵列技术相结合是必然的发展趋势。目前研究较多的宽带阵列雷达采用光真延时技术克服宽带波束倾斜问题,通常面临复杂度高、灵活性差、延时精度有限等问题。近年来,基于微波光子倍频与去斜接收的宽带雷达收发架构得到了广泛关注,基于此技术构建的阵列雷达,在实现宽带工作的同时具备实时数字补偿与处理功能,为宽带阵列雷达的发展提供了新的思路。文中针对作者在此方面的最新研究进展进行了综述,在阐明基于微波光子倍频与去斜接收实现宽带雷达收发机理的基础上,介绍了构建宽带相控阵雷达的方法以及实现数字波束扫描与成像的性能。然后,将阵列形式扩展至多输入多输出(MIMO)形式,介绍了基于光波分复用技术实现宽带微波光子MIMO雷达的方法,并分析了微波光子MIMO雷达在目标探测与成像方面的性能。
超宽带高饱和单行载流子光探测器研究 (特邀)
熊兵, 晁恩飞, 罗毅, 孙长征, 韩彦军, 王健, 郝智彪, 汪莱, 李洪涛
2021, 50(7): 20211052.  doi: 10.3788/IRLA20211052
[摘要](6) [HTML全文](2) [PDF 1531KB](1)
超宽带单行载流子(UTC)光电探测器因其仅需快速的电子输运过程,较传统PIN探测器具有明显宽带优势,是6G宽带无线通信、太赫兹成像、超宽带噪声发生器等亚太赫兹频段系统中的核心光电子器件之一。面向亚太赫兹频段光电转换需求,针对UTC探测器中大带宽与高饱和功率之间的矛盾问题,分别研究并突破了光生载流子高速输运机理、感性共面波导器件(CPW)结构等关键技术,研制成功带宽106 GHz、饱和输出功率7.3 dBm的双漂移层结构MUTC探测器芯片,和带宽超过150 GHz的超宽带MUTC探测器芯片。
谐波锁模光电振荡器(特邀)
曾珍, 张旨遥, 章令杰, 张尚剑, 李和平, 刘永
2021, 50(7): 20211053.  doi: 10.3788/IRLA20211053
[摘要](8) [HTML全文](1) [PDF 1681KB](2)
提出了一种主动锁模光电振荡器(OEO)方案,可以实现高阶谐波锁模,从而产生具有高重复频率的微波脉冲信号。在所提方案中,通过在OEO腔内的电光强度调制器直流偏置端口引入一个正弦驱动信号,当该正弦信号的频率${f_{bias}}$为OEO环腔自由光谱范围的整数倍$N$时,实现基频($N = 1$)或谐波($N \geqslant 2$)锁模,输出重复频率为${f_{bias}}$的微波脉冲信号。实验中分别实现了10阶、50阶和100阶谐波锁模,输出微波脉冲信号的重复频率分别为360 kHz、1.8 MHz和3.6 MHz。该方案为脉冲多普勒雷达等系统应用提供了一种全新的、具备低相噪潜力的微波脉冲信号产生的技术途径。
基于双光学频梳的超宽带射频信号信道化合成技术研究(特邀)
尹飞飞, 尹子恺, 谢祥芝, 戴一堂, 徐坤
2021, 50(7): 20211054.  doi: 10.3788/IRLA20211054
[摘要](5) [HTML全文](2) [PDF 1236KB](1)
随着现代通信系统的发展,宽带和高频微波射频信号在雷达,通信和信号处理等领域的应用越来越广泛。基于微波光子信道化技术,文中通过两个自由频谱范围不同的光学频梳,实现了超宽带射频信号的信道化合成。在信道化合成系统中,多个独立的窄带信号输入各个信道进行上变频,并在多外差探测中被重组成为一个具有连续频谱的宽带射频信号。在多外差探测中,干扰抑制技术的使用提高了合成射频信号可达到的最高频率。在实验中,合成了一个覆盖频率范围8.4~12.4 GHz,瞬时带宽为4 GHz的宽带射频信号。实验结果显示,干扰的抑制率达到了21 dB,表明干扰抑制技术的使用提高了输出信号的最高频率的同时有效地提高了频谱利用率。
面向6G的全频段实时傅里叶变换技术研究(特邀)
李基隆, 段向阳, 范忱, 吕凯林, 宗柏青
2021, 50(7): 20211055.  doi: 10.3788/IRLA20211055
[摘要](6) [HTML全文](1) [PDF 1211KB](1)
面向未来6G无线通信技术中微波信号的时频信息分析问题,文中提出了一种基于光学离散色散器件的微波光子实时傅里叶变换系统。该离散色散器件在幅频特性上表现出周期性的窄带滤波性质,在相频特性上表现出离散的二次相位分布。利用该色散器件可以完成光载微波信号的频时映射,在此基础上,可以进一步实时连续地实现对非平稳信号的时间频率信息特征提取。由于只需要实现离散的相移而不是传统色散器件的真延时,所以可以在较小的体积内实现巨大的等效色散,从而减小系统的处理延时。文中设计了光纤微环级联方案实现离散色散,在此方案中单个光纤微环的环长为4 cm,并通过数值仿真实现了0.8 ps/MHz的频时映射斜率,等效于5800 km单模光纤的色散大小,频率分辨率达到了50 MHz,瞬时带宽为5 GHz。以6G感知通信一体化中经常用到的线性调频信号为例,仿真了系统的短时傅里叶变换功能以分析信号的时间和频率信息,其中,时间分辨率达到20 ns,频谱分析的速度高达$2.5\times {{{10}^{8}}}\;{\rm{FTs/s}}$,显著优于传统的数字分析方案。
基于光子芯片的微波光子混频器 (特邀)
李思敏, 丛榕, 姚笑笑, 冯靖, 唐震宙, 潘时龙
2021, 50(7): 20211056.  doi: 10.3788/IRLA20211056
[摘要](6) [HTML全文](1) [PDF 1504KB](1)
提出了一种由光生本振单元和波长分离调制单元组成的微波光子混频方法,并在绝缘体上硅材料上设计实现了上述波长分离调制芯片。该芯片集成了硅基相位调制器、微环滤波器、光电探测器、光耦合器和光栅耦合器。实验搭建了基于该波长分离调制芯片的微波光子次谐波混频系统,结果表明,该微波光子混频器可以将6~16 GHz的RF信号变频到33~23 GHz。此外,针对实验系统中残留的混频杂散,分别提出了增加微环滤波器抑制比降低泄露光生本振强度和引入光移相器修正泄漏光生本振相位两种解决方案。通过仿真验证可知,引入光移相器的方法更为简单,更适合于光子集成芯片。
光波束形成中色散延时的非线性修正
邵光灏, 刘昂, 翟计全, 张国强
2021, 50(7): 20210235.  doi: 10.3788/IRLA20210235
[摘要](5) [HTML全文](3) [PDF 1166KB](0)
光波束形成网络是光控相控阵雷达中的重要组成部分,有助于提升系统的宽带宽角扫描能力。利用光开关的切换,改变各收发通道间的相对延时量,从而实现波束指向的变化。在常用的技术中,色散延时是一种简洁的光波束形成实现方法,而色散线性项仅适用于色散量小且通道数少的情况。随着延时量的增加,非线性色散延时积累,会引起波束畸变。因此引入相对色散斜率(RDS)作为其非线性因子,并通过调整商用激光器波长来抵消色散介质的非线性效应。当RDS为0.003 nm−1时,激光器阵列的最大波长间隔从0.796 nm “拉伸”到0.862 nm,波长也整体“平移”−0.31 nm,修正波长与商用激光器波长的最大调整量为0.2 nm,可满足商用波分复用器的通带带宽,大扫描角时主瓣与副瓣之比从5 dB提升至12.9 dB。通过分析,RDS数值越小,激光器波长的修正量越小。因此,RDS是选择色散介质和调整激光器波长的重要参数,从而能够恢复波束畸变,以提升相控阵系统的成像、识别能力。
红外技术及应用
红外量子点材料的远距离识别
耿蕊, 赵康, 陈青山
2021, 50(7): 20200436.  doi: 10.3788/IRLA20200436
[摘要](4) [HTML全文](1) [PDF 1515KB](1)
量子点分立的能级结构使其具有独特的光电性质,因而在激光能源、光电检测等领域应用广泛。其尺寸调谐的受激辐射特性与灵活多变的应用形态也使其成为一种理想的荧光标记材料,在生物医学、微观物质检测以及防伪与目标识别等领域备受关注。对于应用场景多为宏观自然环境的防伪与目标识别领域,不可避免地需要对红外波段的量子点荧光进行较远距离的检测与分析。因此,文中基于微弱信号检测技术设计构建了一套红外量子点荧光的远距离探测系统,并用其对PbS胶质量子点薄膜荧光进行了检测实验。实验结果及分析表明,波长~1300 nm的红外量子点荧光辐射可以在100~200 m距离之外被系统有效提取,从而实现红外量子点材料的远距离识别。系统对荧光特性的检测结果用于分析和指导不同红外量子点材料的制备过程,也将推动其远距离识别应用的多样性发展。
基于显著性与稠密光流的红外船只烟幕检测方法研究
杨子龙, 朱付平, 田金文, 田甜
2021, 50(7): 20200496.  doi: 10.3788/IRLA20200496
[摘要](4) [HTML全文](2) [PDF 1137KB](0)
船只目标是海上的一种重要目标。红外成像系统由于其可白天、夜间同时工作的特点已被广泛应用于船只检测系统中。但是,红外成像系统容易受到烟幕干扰,导致船只检测系统失效。因此及时有效地检测到红外船只图像中的烟幕干扰区域,对于提高船只目标检测系统的准确性具有重要意义。针对红外图像中船只释放的烟幕区域的检测问题,提出了一种基于显著性与稠密光流融合的烟幕检测方法。由于舰船释放的烟幕有明显区别于背景的特性,因此首先采用多尺度邻域滤波的AC算法对图像进行显著性区域检测,提取显著的烟幕区域;然后利用烟幕扩散的运动特点,对图像前后帧进行稠密光流计算得到图像的运动信息,通过设置阈值筛选得到明显的运动点、扩充运动点区域、合并分裂的运动区域,得到运动的烟幕区域;最后对显著性区域与运动烟幕区域进行合并得到最终的烟幕区域。实验结果表明,该方法能有效检测到烟幕区域,并且能够很好地适应烟幕反射光以及背景亮度的变化。
卫星观测火箭尾喷焰红外动态场景生成研究
刘浩, 刘栋, 毛宏霞, 肖志河
2021, 50(7): 20200519.  doi: 10.3788/IRLA20200519
[摘要](2) [HTML全文](0) [PDF 2460KB](1)
建立了一种星载吸收波段红外传感器连续观测助推段火箭飞行的场景生成模型。提出了一种基于神经网络生成MODIS数据中第22、23波段高分辨率地表发射率图像的方法,生成了分辨率达到百米量级的地表发射率图像,并利用谱段关联计算了4.18~4.5 μm的地表光谱发射率;同时采用Runge-Kutta法生成火箭助推段的飞行轨迹,利用LOS方法计算尾喷焰气体的辐射传输,生成火箭尾喷焰图像。建立了尾喷焰、地表点和传感器的几何关系,对尾喷焰和背景投影成像,合成了卫星观测火箭尾喷焰的动态场景。对辐亮度图像序列进行分析发现,地面背景的辐亮度得到了压制,同时结合轨迹数据对不同时刻的目标辐亮度对比度和所占像元数进行了分析。此外,分析了不同场景下尾喷焰总辐射强度曲线的差异。结果表明,场景生成方法准确可靠,可为基于卫星图像序列的目标检测跟踪等研究提供数据基础和目标特性支撑。
激光器与激光光学
1.5 kW级高功率随机光纤激光器
宋家鑫, 任帅, 刘伟, 李魏, 吴函烁, 马鹏飞, 张汉伟, 周朴
2021, 50(7): 20210347.  doi: 10.3788/IRLA20210347
[摘要](6) [HTML全文](4) [PDF 689KB](0)
L波段可切换双波长高能量脉冲光纤激光器
王丽莎, 孙松松, 闫炜, 瞿娇娇, 王勇
2021, 50(7): 20200370.  doi: 10.3788/IRLA20200370
[摘要](6) [HTML全文](3) [PDF 1259KB](0)
报道了一种基于主振荡功率放大(Master Oscillator Power Amplifier, MOPA)结构的L波段可切换双波长且频率稳定的高能量单频偏振脉冲光纤激光器,可作为探测大气CO2激光雷达系统的发射光源。该脉冲光纤激光器系统主要由两个单频窄线宽外腔半导体激光器、脉冲调制系统和多级光纤放大器组成。通过控制磁光开关,可以实现1572.018 nm和1572.480 nm双波长自由切换。采用闭环温度控制技术,实现了种子激光器的输出频率和功率锁定。采用数字和模拟声光调制器串联,实现了高达80 dB的通断消光比。通过对光纤施加非均匀应力,从而提高了受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)阈值。利用普通商用增益光纤及商业化保偏元器件,在波长1572 nm、重复频率10 kHz时,实现平均输出功率1.5 W,脉宽309 ns,峰值功率485 W,单脉冲能量大于150 μJ,信噪比大于25 dB的激光输出。整个激光器系统采用风冷散热且电功耗小于60 W。
基于全光纤光子计数激光雷达的高分辨率三维成像
郭静菁, 费晓燕, 葛鹏, 周安然, 王磊, 李正琦, 盛磊
2021, 50(7): 20210162.  doi: 10.3788/IRLA20210162
[摘要](4) [HTML全文](1) [PDF 2027KB](0)
为了实现全天时、高分辨率三维成像探测,文中提出了一种工作波长为1064 nm的光子计数激光雷达系统。其中,光学系统采用全光纤结构,增强了系统稳定性。雷达通过整机扫描方式对远距离目标进行成像探测,扩大扫描视场,水平方向达到360°,俯仰方向达到±30°,同时避免了由摆镜扫描引起的几何畸变;结合亚像素扫描方法,提高空间分辨率。最后通过自适应噪声阈值的多距离重建算法实现了目标的三维重建。实验结果表明,此系统在白天成功实现了3.1 km以外目标的三维重建,重建图像目标特征清晰,距离精度为0.11 m,空间分辨率为0.11 m,超过光学系统衍射极限。
高斯过程模型在SAR图像目标识别中的应用
尚珊珊, 余子开, 范涛, 金利民
2021, 50(7): 20200337.  doi: 10.3788/IRLA20200337
[摘要](2) [HTML全文](2) [PDF 1264KB](0)
将高斯过程模型应用于合成孔径雷达(SAR)图像目标识别。高斯过程模型是基于贝叶斯框架的统计学习算法,通过结合核函数和和概率判别构建分类模型。与传统分类模型相比,高斯过程模型可以获得更高的分类效率和精度。方法实施过程中,采用SAR图像的特征矢量作为输入,以目标类别标签作为输出训练高斯过程模型。对于待识别样本,通过计算其在高斯过程模型下属于各个类别的后验概率判定其目标类别。实验中,依托MSTAR数据集在典型条件下开展测试。根据实验结果,所提方法在标准操作条件下对10类目标识别精度达到99.28%;在30°和45°俯仰角下的平均识别率分别为98.04%和73.13%;在噪声干扰各个信噪比条件下均保持最高性能。实验结果验证了所提方法的有效性和稳健性。
新型多波束陆-海激光雷达探测卫星技术发展研究
汪自军, 张扬, 刘东, 王晓波, 袁金如, 潘超, 赵一鸣, 韩晓爽, 周雨迪, 刘群, 王成
2021, 50(7): 20211041.  doi: 10.3788/IRLA20211041
[摘要](6) [HTML全文](3) [PDF 1546KB](0)
从国家未来战略需求出发,对发展陆海激光雷达需求进行了分析,介绍了陆海激光雷达的特点和国内外星载激光雷达卫星发展的现状,提出了未来星载陆海激光雷达卫星的发展方向,以及在轨预期数据的应用产品,给出了星载海洋激光雷达关键技术及解决途径,阐述了“十四五期间”陆海激光雷达的应用前景。
激光预热/流体冷却辅助激光金属沉积AlSi10Mg成形
万乐, 石世宏, 夏志新, 张孝足, 傅戈雁, 张荣伟, 李宽
2021, 50(7): 20200365.  doi: 10.3788/IRLA20200365
[摘要](3) [HTML全文](1) [PDF 2377KB](0)
铝合金导热率高、激光吸收率低、热累积效应显著,难以稳定形成激光金属沉积(LMD)。为实现自动精确预热、消除热累积、分析预热影响并提升AlSi10Mg铝合金LMD成形能力,采用“光内送粉”Ar送气保护式激光金属沉积技术,设计激光预热与流体冷却温控系统并建立预热与冷却温控模型,进行AlSi10Mg 铝合金LMD成形实验研究,系统分析预热对激光吸收率、表面质量、截面形貌、温度场和材料组织性能的影响。结果表明:激光预热与流体冷却温控系统可实现精确预热并消除热累积,获得表面粗糙度Ra为2.6 μm的单熔道,实现AlSi10Mg搭接、块体和薄壁的高精高效稳定LMD成形。预热提高激光吸收率,使熔道扁平化,增大了晶粒尺寸。该辅助系统和方法能够有效解决铝合金LMD成形稳定性差的难题,为成形质量控制与熔池温控提供了新思路新工艺。
激光/毫米波双模融合近炸探测目标检测技术
贺其恭, 贾晓东
2021, 50(7): 20200361.  doi: 10.3788/IRLA20200361
[摘要](4) [HTML全文](1) [PDF 1547KB](0)
针对引信系统存在的复杂背景和强对抗环境适应性问题,以新一代反舰导弹海面目标方位识别和抗干扰为应用背景,提出了一种激光与毫米波融合的近程探测方法。首先从激光、毫米波在引信上的应用现状出发,介绍了单模探测体制的不足。针对该不足,提出了基于激光与毫米波的复合探测方案,研究了探测系统构成、动态场景下脉冲激光精确时刻鉴别算法和融合检测方法。该方法实现了复杂场景下激光探测性能的一致性、稳定性,通过将激光探测获得的距离信息引入到毫米波目标检测算法中,有效提高了目标检测算法的效率和可靠性。通过理论仿真分析,结果表明,文中的方法能够弥补单一探测体制在抗干扰方面的不足,有效提高目标探测的效率和可靠性,可为后续近炸引信抗干扰系统的设计提供参考。
战术激光武器反无人机发展现状和关键技术分析
朱孟真, 陈霞, 刘旭, 谭朝勇, 黎伟
2021, 50(7): 20200230.  doi: 10.3788/IRLA20200230
[摘要](0) [HTML全文](0) [PDF 2776KB](0)
无人机技术的发展和肇事事件的日益增多,对国防和社会安全构成了巨大的威胁,其防控已成为世界性难题。由于常规武器的局限性,难以对其实施有效防御。战术激光武器技术日趋成熟,在反无人机方面具有巨大的优势。文中梳理了战术激光武器反无人机的进展和现状,并对包括高能高功率激光器和光束合成技术的高能激光源、跟瞄发射、高效毁伤三个方面的关键技术进行了分析总结,指出了优缺点,明确了发展方向,为激光防御低慢小目标的发展提供借鉴。
应用于环形激光束的低阶哈特曼波前传感器设计
冯亚飞, 韦承甫, 刘现魁, 任晓明, 王振华, 孟昭荣
2021, 50(7): 20210016.  doi: 10.3788/IRLA20210016
[摘要](3) [HTML全文](2) [PDF 1072KB](0)
针对高能化学激光器出光过程中存在着大比例、大PV值低阶像差这一现象,设计了专用于前5项Zernike像差检测的低阶哈特曼波前传感器。该传感器的透镜部分采用呈环形分布的6单元微透镜阵列与凸透镜组合的方法,且均用CaF2材料制作。该方法不仅可以同时用于可见光和红外光的低阶像差测量,还具有成本低、光路结构简单、探测范围大等优点,适用于环形激光束的大PV值低阶像差检测。之后还搭建了测试光路系统,测试结果表明,该低阶哈特曼波前传感器的波面测量PV值量程为±8λλ=3.39 μm),测量精度优于λ/10 (λ=3.39 μm)。
光通信与光传感
基于MEEMD-HHT的分布式光纤振动传感系统信号特征提取方法
于淼, 张耀鲁, 徐泽辰, 何禹潼
2021, 50(7): 20210223.  doi: 10.3788/IRLA20210223
[摘要](1) [HTML全文](0) [PDF 17207KB](0)
实际应用中,分布式光纤振动传感系统所测信号多为非平稳随机信号,对其进行模式识别的关键是准确获取信号的幅值-时间-频率瞬时特征。现有的相关研究表明,经验模态分解EMD方法结合希尔伯特变换可获得所测信号中固有模态分量的瞬时能量和瞬时频率,但存在模态混叠问题,后续改进的总体经验模态分解EEMD方法存在伪分量,重构误差大,互补经验模态分解CEEMD方法减小了重构误差的同时增加了运算量,无法保证特征提取与分类的效率与准确性。文中基于改进型经验模态分解方法结合希尔伯特变换MEEMD-HHT方法实现分布式光纤振动传感系统的特征提取,引入的排列熵的评价机制优化了分解过程中随机噪声迭代次数,通过仿真分析与实验对比,验证了该方法可有效解决上述方法中存在的问题,使系统在处理时间、特征准确度等性能皆有提高。实验结果表明,所提出的方法对于单频振动信号平均特征提取准确率达99.2%;对于混频振动信号平均特征提取准确率达98.1%,相对于EMD和CEEMD分别提高15.6%和7%,算法平均耗时最短,为3.8259 s,为分布式光纤振动传感系统的信号特征提取提供了一种可靠、高效的方法。
基于光纤光栅的软体机器人末端力测量方法研究
汤晨, 何彦霖, 祝连庆, 孙广开
2021, 50(7): 20200386.  doi: 10.3788/IRLA20200386
[摘要](3) [HTML全文](2) [PDF 1574KB](1)
手术机器人的末端操作力测量是实现机器人精准控制的关键,对保证手术操作的安全性至关重要。文中针对微创手术软体机器人末端三维力测量的实际需求,提出一种基于光纤光栅的微创软体机器人末端三维力的测量方法。基于光纤光栅传感原理,分析光纤传感器植入在软体机器人中的传感特性,建立基于最小二乘法线性标定和基于伯恩斯坦多项式非线性补偿的软体机器人末端力解耦模型,研究光纤光栅中心波长漂移量和软体机器人末端三维力之间的关系。并通过实验测试和对比分析验证了基于线性标定和非线性解耦算法的光纤传感软体机器人末端力测量性能研究结果表明:光纤光栅传感的可重复性平均为1.5 pm,末端力在XYZ三个方向上的测量精度误差均低于满量程的5%,且残差分布大部分集中在可靠区间,具有良好的重复性。所提出的基于光纤光栅的软体机器人末端力解耦算法为微创手术软体机器人的末端力精确测量提供了有效的方法,在生物医学等软体机器人的末端力测量中具有应用前景。
高隔离度激光通信终端光学系统设计
王晓艳, 徐高魁
2021, 50(7): 20200521.  doi: 10.3788/IRLA20200521
[摘要](2) [HTML全文](1) [PDF 1323KB](0)
激光通信具有信息容量大、光学增益高、高度抗干扰和抗截获能力等突出优点,是解决高速通信问题的重要技术手段。根据激光通信中收发一体、双向双工工作模式对收发隔离度的要求,通过对不同光学结构隔离度仿真分析后,提出采用离轴三反光学天线降低后向散射从而实现高收发隔离度,在光学设计时,通过迭代优化控制光学表面上最小入射角,以及对光学表面精细加工工艺提出了明确的指标要求,最终实现了隔离度≥70 dB。仿真分析得出物方视场角5 mrad隔离度为73.7 dB,实测Φ150 mm离轴三反光学天线的隔离度可达73 dB,与仿真分析的结果一致,满足卫星激光通信系统捕跟和通信对光线天线隔离度的要求,可用于星间激光通信。
光学设计
水下大视场连续变焦光学系统设计
曲锐, 杨建峰, 曹剑中, 刘博
2021, 50(7): 20200468.  doi: 10.3788/IRLA20200468
[摘要](3) [HTML全文](2) [PDF 1478KB](0)
针对现有水下光学系统中存在的主要不足,就某大视场水下连续变焦光系统指标要求,从水下光窗选型、光窗畸变、色差等的影响入手,分析了水下平板光窗引入的相对畸变和倍率色差特性,给出了相应的应对措施。结合水下工况对包络和工作距的要求,给出了一种三组联动的变焦系统设计模型和相应调跟焦组件的设计方法;通过在PNNP型结构中引入像差稳定镜组,对动态像差做稳定和补偿,改善了光学结构的像差校正能力,同时规避了凸轮曲线断点问题;通过在物方侧镜组中设置调跟焦镜组,保证了变焦全程对近景目标的清晰成像。完成了一个4 K水下大视场连续变焦光学系统设计,该系统工作距为0.5 m~inf,设计波段为0.48~0.64 μm,采用3840×2160高灵敏CMOS面阵探测器,像元大小为2 μm,变焦全程F数最大恒定为2.8,可实现全视场5.9°~62°、10倍以上连续变焦功能,具有较短的变焦行程、平滑的变焦轨迹、优良的成像性能等优点。
基于曲率/斜率混合传感的镜面视宁度检测方法
安其昌, 吴小霞, 张景旭, 李洪文, 陈璐
2021, 50(7): 20200419.  doi: 10.3788/IRLA20200419
[摘要](2) [HTML全文](0) [PDF 1552KB](0)
随着光学元件的口径增加,无论是在加工检测还是在站址观测过程中,镜面视宁度的影响已经越来越难以忽略。在此情况下,研究可以定量测量镜面视宁度的方法与设备就显得十分重要。基于曲率/斜率混合传感策略,结合冷冻湍流假设实现镜面视宁度评价在时-空域上的转化,实现对镜面视宁度大动态范围的检测。首先,对曲率/斜率混合传感的基本方法进行了理论推导,并以标准化点源敏感性作为评价指标进一步分析了检测过程中的镜面视宁度变化。实验结果显示,在热扰动流场较为均匀时,镜面视宁度的影响较流场反复变化时小,由于湍流不稳定所引入点源敏感性(PSSn)为0.971 8。实验结果证明基于曲率/斜率混合传感的方法可以定量分析大口径光学元件镜面视宁度,对于后续开展的大口径系统设计优化与检测加工具有很好的指导意义。
空间碎片探测与测距复合系统光学望远镜
李响, 白东伟, 孟立新, 高亮, 安岩
2021, 50(7): 20200464.  doi: 10.3788/IRLA20200464
[摘要](6) [HTML全文](1) [PDF 1829KB](0)
针对空间碎片探测与测距复合系统地面验证演示实验中,工作环境10~30 ℃、光学基台的尺寸限制(不超过450 mm×400 mm)以及光学望远镜尾部安装导致重心远离安装面的问题,提出了空间碎片探测与测距复合系统光学望远镜的设计。使用ANSYS有限元分析软件对光学望远镜建立了有限元模型,针对环境温度10~30 ℃、尾部安装状态下、光轴方向和垂直光轴方向1 gg=9.8 m/s2)重力加速度工况下进行了分析。分析结果表明:光学望远镜整机一阶模态为133 Hz动态刚度较好,重力为光轴方向时主次镜间距最大变化量0.01 mm,重力为垂直光轴方向时主次镜间距最大为0.007 mm,光学望远镜系统波像差RMS值为λ/15,次镜最大倾角1.93″,具有较好的力、热稳定性,可以满足光学天线装校、检测以及外场实验验证过程中的指标要求。在光学望远镜装校完成后,使用ZYGO干涉仪对其像质进行检测,在重力垂直于光轴方向、环境温度10、20、30 ℃条件下进行检测,结果显示:系统波像差RMS值分别为0.097λ、0.075λ及0.1λ,整机光学望远镜系统波像差RMS值在最低温与最高温度时均优于λ/10均满足系统使用要求。
硅基光学相控阵扇形天线优化设计
张耀元, 王锐, 姜瑞韬, 杜坤阳, 李远洋
2021, 50(7): 20210013.  doi: 10.3788/IRLA20210013
[摘要](3) [HTML全文](2) [PDF 1568KB](0)
在光学相控阵芯片中,天线单元的性能直接决定了波导中光波能量向外辐射的效率。在此基础上,主要针对扇形结构天线进行优化设计,通过对扇形天线增加浅刻蚀区域和硅薄带的设计,对天线向下衍射损失以及背反射损失进行了抑制,大幅提高了天线向上衍射效率。此外,分别对提高向上衍射效率和减小设计尺寸的设计要求制定了设计方案,对于高衍射效率方案,天线向上衍射效率达到81.6%,向下衍射减少到4%,背反射减少到1.4%;对于小型化方案,天线向上衍射效率达到67.2%,向下衍射减少到5.6%,背反射减少到1.2%,大幅提高了光学相控阵芯片集成度及发射效率。
光学成像技术
基于相位调制的运动目标多光谱关联成像研究
李美萱, 王红, 刘小涵, 刘明, 宋立军
2021, 50(7): 20210184.  doi: 10.3788/IRLA20210184
[摘要](2) [HTML全文](3) [PDF 1576KB](0)
为克服扫描方式多光谱成像无法捕获动态场景下的多光谱数据,提出了一种基于相位调制实现运动目标单次曝光多光谱成像方法。该方法将关联成像技术、压缩感知技术与光谱成像相结合,在成像光路中引入空间随机相位调制器,对运动目标物体三维图谱信息数据进行调制和压缩,然后利用探测器获取二维混叠信号,实现单次曝光获取运动目标的三维图谱信息重构,具有光能利用率高、成像时间短、系统结构简单等优点。实验结果表明:单帧CCD探测信号的电子数均值从200 e按100 e的间隔增加到1300 e时,随着电子数均值增加,重构图像相对均方根误差rRMSE值对应减小,重构图像质量提高;当步进电机以30 Hz速度带动目标物体连续运动时,可获得较好质量运动物体的多光谱重构图像;采用光谱仪对目标物体中不同谱段的光谱分布曲线进行测试,所得结果与重构图像的光谱分布曲线相吻合,证明了该方法的有效性。研究结果对多光谱关联成像技术在无人机平台、动态监测等领域的应用提供了有益借鉴。