2015年 第44卷 第8期
弹载激光主动成像制导技术是现代战争中最重要的精确制导技术之一。其中,弹载激光主动成像激光器的研制,是当前研究的热点和难点。报道了高光束质量弹载1 064 nm激光器,用于激光主动成像。采用二极管端面带内泵浦Nd:YAG晶体,光机电一体化设计,在重复频率100 Hz时,输出激光脉冲宽度为3.005 ns,最大输出单脉冲能量3.36 mJ,输出激光光谱宽度78 pm。带内泵浦和谐振腔的优化设计,保证了良好的光束质量,光束质量因子M2在X方向为1.327,Y方向为1.354。成像结果表明:该激光器的成功研制,对高光束质量一体化固体激光器的参数设计和弹载激光器在激光主动成像中的工程应用都具有一定的指导意义。
基于透明电介质的烧蚀率计算模型,建立了飞秒激光烧蚀石英玻璃的微槽截面形状仿真模型,并通过烧蚀实验验证了模型的可靠性。利用所建模型分析了光斑半径、脉冲能量和扫描速度等参数对微槽截面形状的影响规律。研究表明,减小光斑半径、提高脉冲能量或降低扫描速度均可以提高微槽的槽深和侧壁角;微槽的槽宽随脉冲能量的提高或扫描速度的降低而增大,但随光斑半径的增大,其呈现先增大后减小的规律,在脉冲能量为4 J、扫描速度为0.2 mm/s的条件下,槽宽在光斑半径为13 m时达到最大值8.13 m。
对LD端面泵浦分离型激光放大介质的热效应进行了分析和研究;建立了Cr,Yb:YAG/Yb:YAG复合结构的热传导模型。采用有限元分析方法得到了介质内部的温度分布,给出了介质折射率随温度变化的计算方法并得到了出射端面波前相位分布随温度变化的情况。计算结果表明:保持泵浦光功率密度不变,在不同的泵浦时长下,介质温度以及通光方向截面折射率变化也不同。随着泵浦时间的增长,介质的温度和折射率也增大,出射端面激光光束的相位畸变同样增大。当泵浦光功率密度增大时,温度与折射率的变化趋势与泵浦时间变化时的情况较为相似。热效应随着泵浦时间的增长和泵浦光功率的增大都变得越来越严重。
噪声是影响星载激光测高仪测距误差的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波和噪声的分布特点,推导出接收脉冲回波信号时间重心的方差的理论表达形式,建立了噪声对激光测距误差的影响模型。基于激光测距误差最小化的原则,提出了一种星载激光测高仪低通滤波器的优化设计方法。以Geosicence Laser Altimeter System(GLAS)激光测高仪基本测量参数为输入条件,仿真分析了激光测距误差和低通滤波器均方根脉宽的优化结果的分布规律。对于倾斜度为0~40且粗糙度为0~15 m范围内的目标而言,噪声所导致的激光测距误差范围为0.28~32.49 cm,相应地,低通滤波器均方根脉宽优化值的范围为1.4~57.4 ns。针对倾斜度在1范围内的目标,解算得到GLAS星载激光测高仪低通滤波器均方根脉宽为2.2 ns,这与其实际公布的2 ns很接近。同时,低通滤波器的优化结果所对应的激光测距误差发生大幅减小,其最大值减小至10.93 cm,减小幅度接近3倍。结果表明,噪声是影响星载激光测高仪测距误差的重要因素,合理设计低通滤波器的参数可以消除其部分影响,这对于星载激光测高仪的硬件设计和性能评估具有一定实际应用价值。
全波形激光雷达是遥感领域的新兴技术,相比传统激光雷达,它对后向散射回波进行全数字化的记录,通过分解返回波形能够得到更加丰富的地物属性信息,因此波形分解是激光雷达全波形数据处理的核心内容。针对传统LM算法容易陷入局部最优解的问题,提出一种全局收敛LM的激光雷达全波形数据分解方法。该方法引入全局收敛LM算法对波形进行拟合,获得波形分量参数的最优解,利用迭代的波峰检测策略实现复杂重叠波形分量的逐步分解。通过对GLAS、LVIS与Lite Mapper-5600的波形数据分解实验证明:该方法相比传统LM算法能够得到更具鲁棒性的波形分解结果,并且适用于星载波形数据、机载大光斑以及机载小光斑波形数据,具备较高实用价值。
光电成像装备的猫眼效应使其易遭受激光主动侦察装备的探测,在光电装备成像质量变化允许的范围内,采用离焦的方式来减小猫眼目标的回波功率,可实现相应的隐身。在研究离焦对光电成像设备激光回波强度影响的基础上,利用实验的方法对猫眼目标隐身后的成像质量进行验证和评价,并对离焦后的图像进行清晰度增强。结果表明,通过离焦的方式可有效增大猫眼目标回波发散角,降低回波功率,并且离焦量越大,猫眼效应越弱。对离焦光电设备所采集的图像进行分析后发现,离焦量越大,图像高频分量越少,但是适当的离焦量所造成的成像质量下降在可接受范围内,并且通过采取相应的修复措施,光电成像设备的图像质量得到有效改善。
对渗铝、渗铝后强化、强化后渗铝的K417合金试件分别进行振动疲劳试验。试验结果表明,相对于渗铝处理,强化后渗铝试样的疲劳强度提高了50%,而渗铝后强化试样的疲劳强度提高了30%,这说明渗铝与激光喷丸强化复合工艺可以提高材料的疲劳性能,且强化后渗铝效果更好。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析激光喷丸强化与渗铝复合工艺顺序对材料力学性能的影响,讨论了疲劳性能的改善机理。结果表明,激光喷丸强化促进了渗铝过程,生成大量柱状晶,渗层厚度增加,渗层与基体的结合更加紧密,从而有效提升疲劳性能;而渗铝后强化主要对渗层表面进行了形变强化,疲劳性能的提升有限。
为满足13.5 nm极紫外光刻(EUVL)等领域的应用需求,研制了高重复频率、高稳定性的声光调Q CO2激光器。首先,对声光Q开关的工作原理进行了分析,并实验研究了调制信号电压与衍射效率的关系。接着,研究了调制信号占空比对脉冲波形的影响,通过选择适当的占空比消去了脉冲拖尾。然后,对不同重复频率下的脉冲宽度、功率和脉冲幅值稳定性进行了测量和分析。最后,对激光器的光束指向稳定性进行了测量。实验结果表明:该激光器实现了重复频率1~100 kHz连续可调的脉冲输出,在重复频率1 kHz时,获得最小脉冲宽度252 ns和最大峰值功率7 579 W的激光脉冲输出。通过设计以殷钢管为主体的支撑架,使得激光器的脉冲幅值不稳定性小于3%,光束指向稳定性为46.6 rad。该声光调Q CO2激光器可作为高性能种子源在EUVL等领域中得到应用。
在大功率激光远距离定向传输中,远场发散角是衡量其性能的一个重要参量。大功率TEA CO2激光具有功率高、光束直径大等特点,常规手段无法准确测量其远场发散角。为解决该难题,提出了一种利用激光光斑尺寸拟合分析法来评估大功率TEA CO2激光的远场发散角。首先,从理论上推导大Fresnel数多模高斯激光束远场发散角,分析了影响激光束发散角的主要因素;然后,采用光斑烧蚀法试验测量近场(20 m)光斑数据,基于光束质量(M2)因子理论拟合得出了激光光束质量和束腰大小,从而推导出激光束远场发散角;最后,对比分析了以上两种方法的计算结果,讨论了结果存在偏差的原因。结果表明,近场光斑数据拟合法可准确、便捷地测量大功率TEA CO2激光束远场发散角。
填充因子是探测器阵列设计的一个重要参数,因此有必要研究填充因子对微扫描系统成像质量的影响。以22微扫描方式为例,在详细分析微扫描技术能够减少由探测器欠采样造成的混淆效应的基础上,仿真了不同填充因子下的输出图像,引进结构相似度(SSIM)的评价指标,从图像质量评价的角度对仿真图像进行定量分析。仿真结果表明填充因子的增大能够减少混淆效应,提高成像质量。指出探测器填充因子的增大虽然能提高成像质量,但是对成像质量的影响是有限的,对图像的改善程度不大,并不是影响像质的主要因素,这对微扫描成像系统的设计提供了理论和应用参考。
为探讨水性红外迷彩在篷布上的实际应用,从颜填料和助剂两方面研制了发射率为0.589、0.761和0.953,颜色分别为土黄、翠绿和墨绿色的红外迷彩涂层材料;采用紫外-可见光-近红外分光光度计、红外热像仪、SEM、TG-DTG等手段对该红外迷彩涂料的可见光-近红外隐身性能、红外隐身性能、表面形貌、热稳定性、柔韧性等其他性能进行表征。结果表明:研制的红外迷彩可见光-近红外反射光谱曲线与背景相似,红外热图分割效果良好,涂层表面形貌、稳定性、柔韧性等性能满足篷布使用要求。
采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)生长GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱材料,制备300 m300 m台面,内电极压焊点面积为20 m20 m,外电极压焊点面积为80 m80 m单元量子阱器件两种。利用傅里叶光谱仪对1#,2#样品进行77K液氮温度光谱响应测试。实验结果显示1#,2#样品峰值响应波长分别为8.43 m,8.32 m,与根据薛定谔方程得到器件理论峰值波长8.5 m间误差分别为1.0%,2.1%。实验结果说明MOCVD技术可以满足QWIP生长制备工艺要求,且器件电极压焊点位置与面积大小对器件峰值波长影响不大,而对峰值电流有一定影响。
传统的比色测温法通常利用可见光和近红外波段,对距离较近的高温目标具有较高的测量精度,而对距离较远的中低温目标无法精确测量。针对传统比色方法适用局限性,提出考虑大气和环境影响的红外比色测温方法,建立基于中波红外相机的比色测温实验系统。首先使用标准黑体进行中波红外相机和比色系统单波段定标;然后推导加入环境辐射参数的比色测量模型,进而建立新的目标辐射亮度比值与目标温度间的函数关系;最后,进行了实验室内自制灰体目标温度测量实验,验证了提出方法的可行性。实验表明:在实验温度范围内,温度绝对误差和相对误差分别小于4 ℃和6.7%,目标辐射亮度测量精度高于10%,考虑大气与环境影响的比色测温方法可实现中低温目标温度精确测量。
随着半导体工艺的进展,长波非制冷红外成像器件灵敏度得到长足进步,作用距离日益提高,应用逐步成熟,国内外已在空地弹上应用,但在防空弹上未见报道;对于近程防空导弹,由于飞行距离和时间短,非制冷的应用条件基本满足,但对于一些应用上的具体问题需要深入探讨和研究。从空地弹上对非制冷研究,可以总结出非制冷在防空中应用的几个关键问题:首先,由于敏感的波段不一样,因此典型空中目标、天空(地物)背景的长波目标特性对目标的远距离识别和提取有影响,从而影响截获距离;其次,长波非制冷探测器的热时间常数较大,对于机动目标的跟踪有一定的问题,因此应用上可能有限制;并且,在中波段短时间飞行影响很小的头罩气动热问题在长波段可能有较大影响,需要进一步详细研究。若可以很好地解决上述几个问题,相信非制冷红外成像在防空导弹上的应用指日可待。文中对非制冷红外成像制导应用的几个关键问题进行了逐一分析,作为总体牵引研究。
以红外辐射理论及红外热像仪测温原理为基础,为解决环境高温物体对红外测温的影响,提出反射温度补偿和入射温度补偿两种方法。分析了两种温度补偿方法的理论可行性和实际操作方案并具体进行实验测温对比。对4个硫化矿样本分别应用两种补偿方法同未经补偿的红外测温进行实验测温对比研究,分析结果显示:经过温度补偿后,相对误差明显小于未经补偿的红外测温,且反射温度补偿法较入射温度补偿法更为精确,验证了两种温度补偿方法的可用性及精确性。两种补偿方法在保证测量精度的同时拓宽了普通红外热像仪的应用范围,保证了硫化矿自燃红外预测数值精度。
为精确求解发动机高温燃气红外辐射特性,需要调用描述气体辐射传输特性的谱带参数如光谱吸收系数或光谱透过率,而谱带参数随气体温度、波数变化而变化。首先采用逐线计算方法,比较分析了气体分子谱线参数HITRAN2008和其高温扩展版本HITEMP2010的适用范围;其次,针对逐线计算复杂且效率低的问题,提出了一种基于Malkmus统计窄谱带模型的谱带参数库构建方法并开发了计算程序,在此基础上,分别计算了CO2、H2O的均匀路径单组分光谱特性、非均匀路径单组分光谱特性,还计算了CO2、H2O、N2组合的非均匀路径多组分光谱特性。研究表明:计算结果和试验数据吻合较好,说明所提出的基于HITEMP2010的Malkmus统计窄谱带模型适用于高温燃气辐射传输特性计算。
反向蒙特卡罗(BMC)法的计算精度高、适应性强,是计算目标红外辐射特征的常用方法。基于CFD 和IR 综合计算分析的方法,研究了射线步长、射线数、射线携带能量方式等因素对BMC法计算航空发动机红外辐射强度的效率的影响。结果表明:射线步长与喷管出口当量直径比在0.05~0.1的范围内,射线数达到105量级时的计算效率较高;采用射线携带多个波段能量的方法,计算时间可缩短数十倍;通过MPI平台实现了并行计算,进一步缩短BMC法的计算时间,但并行效率随着计算核心的增加而下降。在保证计算精度的前提下,通过合理地选择参数、算法改进和并行计算,提高了计算效率。
随着红外焦平面阵列技术的发展,凝视红外成像系统在很多领域得到了大量的应用,在这些应用中,非均匀性噪声及其校正方法是人们主要关注的一个问题。为了解决这个问题,从凝视红外成像系统非均匀性噪声的来源和频域特性出发,综合考虑了当前几种典型的基于定标和基于场景的非均匀校正算法的优缺点,结合盲元检测和补偿算法,提出了一种联合非均匀校正算法,并进行了实验验证。实验结果表明,该算法能够较好地解决成像系统非均匀性噪声随时间和工作环境漂移的问题,又能够保持较高的精度和收敛速度,具有较大的工程应用价值。
红外双色比能够表征目标的温度信息,但点目标双色比受噪声、探测器盲闪元以及跨像元因素干扰,难以准确测量,影响测温精度。应用递归图法定性分析和判断了点目标双色比的非平稳性。针对这一特性,先对点目标信号应用移动平均滤波做预处理,再通过小波软阈值去噪对双色比进行降噪处理。试验结果表明,在信噪比大于12的条件下,该方法可以实现静态点目标1 K温度分辨率,慢速动态点目标2 K温度分辨率。
机器人位置精度检测为距离误差检测,检测末端位置指令距离和实际距离之间的误差。为达到提高机器人精度的目的,需对机器人运动学参数进行补偿。文中采用激光跟踪仪检测机器人距离误差,通过研究得出的机器人距离误差模型和实际的运动学参数的映射。Hayati提出的修正的机器人D-H运动学模型中某些参数是不可以辨识的,引入辨识距离误差矩阵的条件数,通过计算条件数,剔除了机器人距离误差运动学参数模型中不可辨识的参数。最后对机器人可辨识的运动学参数误差进行补偿,从而提高了机器人的精度。
为了实现对远近距离的物体进行三维测量,扩大系统的测量范围,建立了融合LIDAR的激光同步扫描三角测量系统。对该系统的原理、系统设计及器件选型进行研究。首先,根据同步扫描机制,在普通三角测量的基础上融合LIDAR技术,并推导出三维点的计算公式。接着,根据系统设计要求,介绍了激光器、接收透镜、反射镜、二向色镜、扫描伺服电机、LIDAR接收器以及相机的选型等。然后,根据选型的结果,设计机械结构。最后,通过Zemax对搭建的光学系统进行光路仿真,验证原理的可行性;并在现实环境中,对APD的回光量进行测试以及对实际物体进行扫描并获得三维点云。实验结果表明,该系统的设计是可行的。
为了确定三视场定位定向设备各个误差源对定位定向误差的影响,建立了定位定向的误差分析模型。首先,给出了三视场导航设备采用空间解析几何法进行定位定向的原理。其次,指出影响定位定向的各个误差源,归纳分析了误差源的特性、概率分布以及误差源对定位定向信息对的影响。然后,利用定位定向原理建立起定位定向误差分析模型。最后,利用蒙特卡罗法进行误差仿真分析。仿真结果表明系统的定位均值误差为121.0 m;定向均值误差为7.4,并指出定位定向主要的误差源是水平测量误差,其次是垂线偏差数据的误差。野外实验表明,该系统的定位均值误差为182.12 m;定向均值误差为9.3,水平测倾角的误差对定位定向结果的影响最大。
探测器暗电流及其测量不确定度是影响短波红外偏振测量仪器测量精度的最重要因素。首先,结合红外探测器的工作原理,分析并建立了暗电流影响下的红外探测系统噪声模型。根据分析结果设计实验获得短波红外探测器G5853-21暗电流与温度和反向偏压关系。然后,以分孔径偏振探测系统为例,推导了斯托克斯参数误差模型和偏振度误差模型。最后,重点分析空间环境应用背景下,针对暗电流影响的改进措施,提出了探测器精确温控的暗电流影响改进方案,并给出了短波红外探测器工作温度指标要求。结果表明:通过对探测器进行精确的温度控制以降低暗电流数值,可以将包含暗电流测量不确定度和其他噪声引起的偏振度测量误差控制在0.42%(=0.3时)以内。
如何提高机器人定位精度是机器人柔性化加工中重点研究的问题,而温度变化引起的机构热变形是影响定位精度的重要原因之一。分析了机器人自身发热及现场环境温度变化对各轴运动学参数及末端定位精度的影响,采用有限元原理构建机器人的温度分布及热变形模型。针对两种热影响模型提出了温度补偿的策略,重点对机器人自身发热情况下的运动学参数显著相关性进行了试验和理论分析。提出一种便捷的、适合工业现场环境的机器人自身发热影响动态补偿方法。综合以上原理实现的温度补偿策略,可以保证由温度变化引起的末端定位误差小于0.1 mm。
随着光学投影光刻分辨力的提高,投影物镜的焦深在逐渐缩短。为充分利用物镜有限的焦深,一般采用调焦技术来调整硅片位置。作为调焦的关键,检焦技术的研究尤为热门。现有的检焦方法多采用四象限探测器或者面阵CCD采集携带有硅片离焦量信息的光强信号,并在计算机上进行图像处理完成检焦。该方法处理速度慢,难以满足实时调焦的要求。鉴于此,提出了一种用线阵CCD采集图像,以FPGA为处理器的检焦方法。该方法利用线阵CCD的高速性和FPGA的并行性,结合多项式插值的亚像素边缘检测算法,能够高速实时检测硅片离焦量;同时, FPGA通过驱动电机控制工件台运动对离焦量进行补偿,形成一个实时闭环的调焦系统,减少了原有的计算机环节,具有高速度、高分辨率、低功耗、低成本的特点。
常规伺服系统根据电机轴系转动进行模型分析,以轴系所在的基座空间作为参照系。稳定平台的被控量以惯性空间作为参照系,因此不适合用常规伺服系统模型来建模。针对稳定平台的多参照系问题,文章采用以惯性空间作为电机轴系转动参照系的多空间分析模型,并将改进粒子群算法应用于该模型。粒子群算法作为一种群智能算法,广泛应用于参数优化。文中通过惯性权重改进和越界改进,利用改进后的粒子群算法进行稳定平台PID参数的优化和整定。通过仿真和硬件实验平台验证,结果表明:在稳定平台多空间分析模型基础之上,采用改进粒子群算法优化后的PID控制器可以使稳定平台有更高的稳定精度、更好的鲁棒性,有效地隔离了外部的震动和干扰。
星载激光测高仪通过接收经地表反射的微弱激光脉冲回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星位置和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果。对于高程精度10 cm量级的对地观测激光测高仪,必须对影响严重的姿态角系统误差进行标定和校正。文中推导得出星载激光测高仪姿态角误差与已知地表先验信息相关联的数学模型,设计了利用大洋表面作为地表标定场,通过卫星姿态机动方式,最小二乘估计算法校正卫星在轨系统误差的具体方法。仿真结果表明,所设计的方法能够准确估计存在的姿态系统误差,即使大规模观测值丢失,估计偏差也小于5%。这种在轨运行系统误差的标定方法对于对地观测星载激光测高仪的姿态误差检校具有参考意义。
由于相移式横向剪切干涉不需要标准参考波面,因此它可以缩小干涉腔长、甚至实现绝对的共光路干涉,从而最大程度上降低了空气扰动和振动的影响,但实验室设计的相移式横向剪切干涉测量装置中的分束棱镜、剪切平板和五棱镜的制造误差仍然造成了发生错位的两波面间产生非共光路误差。通过剪切干涉测量装置中调整误差和非共光路误差的对比分析,提出了非共光路误差的计算方法,并在测试结果中进行非共光路误差的补偿。实验结果发现补偿非共光路误差后的面形误差与ZYGO干涉仪的测量结果非常接近。
对太阳能聚光光伏发电技术中的聚光系统进行了研究,分析了菲涅耳透镜应用于太阳能聚光器的优点、聚光特性以及光学效率,推导并获得了平面向外、菲涅耳面向太阳电池的点聚焦菲涅耳透镜的设计公式。在ZEMAX软件的非序列模式中实现了基于非成像光学理论的光线追迹仿真,对某一尺寸的菲涅耳透镜的焦平面上光斑能量分布情况进行了分析与模拟。研究结果表明,利用通常的菲涅尔透镜实现聚光作用的聚焦光斑的光能量主要集中在太阳电池的中心部位,呈现为从中心往外围能量越来越弱的同心圆环。要使太阳电池接收到的光能量尽可能均匀,则需要增加二次聚光元件。
热学特性是影响功率型LED光学和电学特性的主要因素之一,设计了一套基于脉冲式U-I特性的功率型LED热学特性测试系统,可以测试在不同结温下LED工作电流与正向电压的关系,从而获得LED的热学特性参数。该系统通过产生窄脉冲电流来驱动LED,对其峰值时的电压电流进行采样,同时控制和采集LED的热沉温度,从而获得不同温度下LED的U-I特性曲线。与其他U-I测试系统相比,文中采用了窄脉冲(1 s)工作电流,LED器件PN结区处于发热与散热的交替过程,不会造成大的热积累,大大提高了测量精度。实验中,对某功率型LED进行了测试,获得了该器件的电压、电流和结温特性曲线,并利用B样条建立该器件的U-I-T模型,进而实现了对其结温的实时在线检测。
基于相位调制器(PM)级联高斯带通滤波器,提出了一种超宽带(UWB)多功能调制方案,可以实现通断键控(OOK)、脉冲极性调制(PBM)和脉冲形状调制(PSM)。该方案结构简单,只需单个光源,利用率较高,仅改变比特序列发生器(BSG)的编码就可实现三种UWB调制格式间的灵活切换;产生的三种信号只包含一个波长,在光纤中传输时无需复杂的非线性控制和色散管理。使用光通信软件Optisystem进行模拟,研究了光源功率、调制速率以及两支路PM和滤波器系统误差的影响,对OOK、PBM和PSM信号的传输性能进行了分析。结果表明,光源功率和调制速率在一定范围内变化时,可以获得性能最佳的UWB调制信号。
研究了GaAs工型偶极子光电导天线(PCA)结构参数对THz辐射特性的影响。首先利用DL(Drude-Lorentz)模型得到了光电导天线的电流解析解,结合时域有限差分(FDTD)进行半解析半数值仿真,有效地解决了纯解析解(通过光电流对时间求导数可以得到辐射的THz的相对强度)无法和PCA结构直接对应的仿真问题,也较直接全波FDTD方法计算效率高。接着,利用偶极子光电导天线的等效电路模型和等效源阻抗公式,结合实际的PCA参数,分别得到了PCA阻抗和源阻抗,说明了由于源阻抗很低,导致匹配效率较低。最后,综合考虑数值仿真结果和理论计算结果可证明,工型偶极子光电导天线的辐射效率会随着其长宽比的增加而相应增加,该结论与相关文献实测结果吻合,从而也验证了文中FDTD仿真结果、理论模型及计算结果的有效性。
硫化锌(ZnS)是一种重要的红外光学材料,在8～10 m波段范围内拥有较高的透过率,广泛应用于导弹整流罩、红外天文卫星、红外光谱仪、测量仪和热像仪等领域。采用高温后处理工艺方法可促进晶粒生长,并起到消除热压多晶ZnS内部的残余六方相和气孔的作用,进而可提升材料光学透过性能。对于厚度5 mm的热压ZnS试验片,1.064 m处透过率达到60%,2～10 m平均透过率达到73%。经后处理的光学窗口其抗冲击性能测试结果表明,材料保留了原有热压ZnS材料的力学特性,且在400 ℃的条件下能够满足光电探测系统清晰成像的要求。
为满足4 m望远镜底座结构高刚度和轻量化的需求,研究了考虑结构变形和模态约束下的拓扑优化问题。首先,基于连续体结构拓扑优化的思想,以单元虚拟密度为设计变量,以位移变形和一阶频率及质量为优化约束,应变能最小为优化目标,建立了底座设计的拓扑优化数学模型,并详细推导目标函数及约束条件的灵敏度;然后,对底座结构应用拓扑优化设计,并以所得的理想概念构型为基础,进行底座结构的详细设计;最后,采用有限元法对优化模型进行静刚度和动刚度的分析与校核。设计结果表明,底座质量从27.66 t减至22.15 t;最大变形量由0.0377 mm减小为0.014 mm;一阶频率从217.1 Hz提高至247.45 Hz;在减小质量的同时,有效提高了底座结构的静刚度和动刚度,验证了拓扑优化方法的有效性。该方法将对4 m望远镜跟踪架的其他部件设计提供帮助。
利用公共环形腔耦合实现了两路光纤激光器的无源相位锁定,研究了激光器之间耦合强度对锁相性能的影响。环形耦合腔主要由两个22的光纤耦合器组成,其构成了激光器之间能量相互注入耦合的公共通道,并使它们获得了初步的相位同步。考虑到耦合强度主要由成环光纤耦合器的耦合比决定,建立了分析耦合强度影响的理论模型,并从理论上研究了耦合比的大小和差异对环内光强和输出光强的影响。此外,实验上实现了两路掺铒光纤激光器的有效相位锁定,并通过分析远场干涉光斑和输出功率研究了锁相阵列输出激光束的相干性和合成效率。研究结果表明:足够的能量耦合强度是获得有效相位锁定的必要条件,通过增加耦合比来增大耦合强度可以提高锁相阵列的相干性,但会略微降低合成效率。
利用Landsat8-OLI时间序列图像数据对高分一号(GF-1)的16 m宽覆盖多光谱传感器进行交叉定标。试验首先通过安排GF-1夜间深海成像,确定GF-1传感器的定标公式的截距,再选取定标靶标场的双星同步观测数据,利用回归分析得到定标公式的增益。利用交叉定标系数结果计算的GF-1辐亮度值与同步观测的Landsat8的辐亮度值相关性在95%以上,4个波段定标精度相对误差分别是4.25%、6.21%、5.83%和5.66%。结果表明该方法获得的定标系数精度与Landsat8定标数据辐射定标精度相当,GF-1卫星可以满足定量化应用的要求。
研究了1 064 nm HfO2/SiO2偏振分光膜中节瘤的损伤特性。为了研究偏振分光膜中节瘤缺陷种子源粒径大小与损伤阈值之间的关系,在熔石英基板上植入了尺寸和密度可控的单分散性的SiO2小球,并采用电子束蒸发技术在熔石英基板上制备了1 064 nm HfO2/SiO2偏振分光膜。为了便于损伤测试,节瘤缺陷密度控制在20~40 mm2左右,并采取旋涂的措施防止了SiO2小球团聚的现象。为了获得人工节瘤损伤能量的统计值,用脉宽为10 ns的1 064 nm脉冲激光进行了光栅扫描式损伤测试。实验结果表明在偏振分光膜中节瘤缺陷的损伤阈值随着种子源粒径的增大而单调下降。
文中进行了一种新型三维全息图的制作方法研究,该方法基于计算全息原理,与合成全息相结合,实现激光三维全息图的直写打印制作。首先进行了菲涅耳计算全息图的实验,表明计算全息与合成全息结合的可行性与合理性。然后根据合成全息原理与计算全息原理对三维模型进行采样和图像变换处理,再计算出相应的菲涅耳计算全息图,借助数字全息激光打印系统完成三维全息图的拍摄,在激光下进行光学再现,最后对再现结果进行了分析与讨论。
传统的数字光处理(DLP)技术无法收集利用数字微镜(DMD)芯片上微镜处于 OFF态时反射的光线,针对这种缺陷,提出一种基于新型导光管的微型DLP投影光学系统的设计方案,该系统包括LED、导光管、色轮、准直系统和投影透镜。提出在锥形导光管的基础上加上一根弯型的导光管和复合抛物面聚光器(CPC)用来收集被DMD反射的多余的光线。先用非成像光学的理论分析和计算出各部分的相关参数,再用ZEMAX软件对准直系统和投影透镜进行结构优化,最后用TracePro软件建立模型并仿真,仿真结果表明:随着OFF态微镜数量的增加,收集光管提高系统光能利用率的能力先增加后减小。相比没有收集光管的情况,当DMD芯片上处于OFF态微镜数量为50%时,导光管提高的光能利用率最多,为5.91%。
航空推扫成像时,由载机的姿态变化产生的像移是影响光学成像质量的主要因素之一,可由稳定平台进行补偿。基于某机载成像光谱仪系统,首先利用齐次坐标变换法建立像移速度矢量的精确计算模型,分析了成像质量对飞行姿态精度的要求,从而选定稳定平台参数。接着,分析了姿态补偿残差对成像质量的影响,得出引起的相对像移速度偏差仅为10-1,为后续光谱定标和几何校正提供了参考。再次,研究了给定成像要求的飞行参数指标的分配问题,进行了像移速度误差分析。最后,开展了飞行成像试验。结果表明所选的PAV30稳定平台能够确保成像期间的姿态稳定,验证了上述分析正确合理。所提出的方法简单,易于实现,具有一定的工程应用价值。
常规反射镜平台采用方位/俯仰型两框架结构形式,探测器视轴平行于外框架旋转轴。区别于常规反射镜平台,偏轴反射镜平台不再遵循探测器视轴与外框架旋转轴平行的原则,其视轴角速度具有强耦合和非线性的特点。主要研究了这类偏轴反射镜平台的运动学、动力学建模和视轴稳定机理。首先,采用虚拟整体稳定平台技术推导平台运动学方程,并确定了虚拟平台框架类型的选取原则。在此基础上推导了完整的视轴坐标系动力学模型。然后,对载体运动耦合机制进行了分析并给出了控制框图。最后,对视轴运动特性进行仿真分析。仿真结果表明,该平台在视轴指向、力矩耦合等方面具有不同于常规反射镜平台的特性,且由视轴运动非线性引起的视轴交叉耦合力矩大于惯量耦合力矩。
针对目前激光对红外光电传感器的威胁,为满足红外传感器在可见光与3~5 m波段高透射,低于3 m波段高反射的使用要求,采用光学金刚石作为红外窗口材料,采用具有热致相变特性的V2O5薄膜作为激光防护涂层,采用ZnS和YbF3作为高低折射率材料,依据膜系设计理论设计具有抗激光致盲能力的红外增透膜并采用TFCalc优化膜系。采用离子辅助法制备增透膜,采用磁控溅射法在实验制备增透膜上制备V2O5涂层。采用扫描探针显微镜对光学薄膜的表面三维形貌及粗糙度进行测试分析,对薄膜进行红外光谱测试分析,结果满足使用设计要求。
白光LED灯几MHz到几百MHz的调制带宽使其在照明的同时兼具通信功能。首先提出了照度均方差最小化准则来设计LED灯在室内的布局问题,分别考虑了不包含墙壁反射和包含墙壁反射两种情况下对室内照度分布的影响,分别给出了两种情况下白光LED灯的最优布局。然后分析了室内视距链路(不包含墙壁反射)和非视距链路(包含墙壁反射)下的室内照度分布、接收功率分布以及信噪比分布。非视距链路相对于视距链路来说,室内照度分布和接收功率分布明显增加,但是信噪比明显下降,这主要是由于非视距链路下墙壁反射产生的码间干扰所致。
空间激光通信终端通常依靠光学天线提高整个通信系统的发射及接收效率。提出了一种空间激光通信系统的离轴天线系统,以克服传统卡塞格林两镜系统存在接收视场小、发射效率低等缺点。设计了一个通光孔径为150 mm,放大倍率为15,满足0.85、1.064、1.55 m多个通信波段光学天线系统。计算了初始结构参数,利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光学天线系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。分析结果表明:在整个工作波段(0.85、1.064、1.55 m)内,点列图半径几何值小于10 rad,实现了高放大倍率、宽波段像散同时校正,在宽波段内均达到衍射极限,满足设计指标要求,能够满足高性能空间激光通信系统的要求。
基于逆向调制反射器(MRR)的空间光通信系统因其结构紧凑、可免去链路一端的捕跟(APT)系统、功耗低等优点,是空间光通信系统研究热点之一。提出采用双波长激光发射实现全双工逆向调制回复空间光通信结构,并基于该结构对强度调制解调模式,通信距离为300 km,通信速率为1 GHz下的地面站对近地小卫星全双工通信链路进行了链路计算及通信误码率的分析。当MRR端口径为0.1 m时,通信链路余量大于5 dB,通信误码率优于10-15,满足通信链路的要求。并进一步分析了仿真结果存在的缺陷。结果表明所提出的空间光通信结构在小卫星对地面站全双工激光通信是可行的,是未来空间光通信系统发展趋势之一。
研究了基于双电极马赫曾德尔干涉仪(DE-MZM)的星上微波信号光学调制方法,获得了单频段微波信号输入时的调制器输出光场表达式,推导了载噪比、射频增益、噪声系数及无杂散动态范围四个参数的解析表达式,建立了星上微波光子链路传输方程。利用OptiSystem仿真软件,搭建了单频段微波信号输入时的星上微波光子链路仿真系统,对链路性能进行了仿真研究。研究结果表明,调制器直流偏置点在正交点时,射频信号增益最高;直流偏置点在低偏置点时,载噪比、噪声系数和无杂散动态范围三个性能指标最优。
基于空间和频谱分辨测量法研究了光纤中的激发模式。利用光纤中激发模式的群时延表达式,理论上推导了基模与高阶模以及高阶模之间的群时延差异导致的光谱干涉公式,进行了相应的模拟计算与分析。对标准通信单模光纤和大模场双包层光纤进行模式测量实验研究,利用单模光纤探针与光谱分析仪扫描探测光谱干涉信号,通过傅里叶变换得到频谱分布,分析得到光纤中激发模式的横向分布和相对功率成分。结果表明,采用空间和频谱分辨测量法可以得到光纤中激发模式的横向分布和相对功率水平,当高阶模相对基模的功率较小时,可以忽略高阶模间的干涉。
为了探究信道相关性对无线光通信中空间分集接收信号闪烁的影响,给采用空间分集接收技术的通信端的各子孔径大小与分布设计提供参考,理论推导了弱起伏条件下空间分集接收信道相关系数的表达式,给出了信道相关系数与分集接收信号闪烁的关系;数值研究了水平湍流均匀路径与整层大气湍流非均匀下行传输路径下的信道相关系数。结果表明,对于平面波,湍流非均匀路径下孔径接收时信道间存在明显的负相关特性。对于球面波,湍流非均匀路径下孔径接收时的信道相关性与湍流均匀路径情况类似,负相关特性都不明显。
文中基于Gamma-Gamma光强起伏分布大气湍流信道模型,对无线光副载波相移键控调制系统进行了子空间盲均衡算法的研究。对比分析了经过大气湍流信道盲均衡前后的副载波调制信号星座图聚敛性,给出了均衡后不同光强起伏方差下的误码率曲线,当R2=0.1,信噪比为20 dB时,误码率从4.710-1降低到1.5610-3,均衡后误码率明显改善。同时采用两种典型实测天气数据(阴、中雨)模拟大气信道进行了子空间盲均衡实验,均衡后调制信号星座图聚敛性与相位可识别性明显优于均衡前。仿真结果表明,子空间盲均衡算法对大气湍流信道下的副载波调制信号有良好的均衡效果。
