2023年 第52卷 第9期
2023, 52(9): 20230471.
doi: 10.3788/IRLA20230471
机器人辅助轮带磨削是一种基于计算机控制光学成形技术的确定性加工方法，具有成本低、柔性好、智能程度高且操作空间大的优点，因此机器人辅助轮带磨削作为一种较低成本的高精度、多自由度加工方法逐渐受到关注。文中介绍了所设计的机器人辅助轮带磨削系统结构及其加工原理，装置通过气动系统进行输出压力的柔顺控制。研究了任意加工姿态下机器人辅助轮带磨削中的恒力加载问题，分析了轮带磨削工具悬臂组件重力分量对其末端输出接触力的影响，建立了末端执行器的重力分量模型，并提出了基于姿态传感器的重力补偿控制方法，能够实现0~63 N范围内的恒力控制，并且最大压力波动小于1.82%，重力补偿系统的响应时间小于300 ms，实现了轮带磨削工具在任意姿态下的恒力加载。最后，根据Hertz接触理论和Preston方程完成了磨削工具在工件接触区域内的压强分布和速度分布分析，建立了轮带磨削工具的去除函数模型，并对碳化硅曲面与硫化锌非球面进行修形磨削实验，验证了装置加工的稳定性。
2023, 52(9): 20230454.
doi: 10.3788/IRLA20230454
大口径离轴非球面光学元件的应用需求呈大幅增长趋势，如空间/地基大口径望远镜、航空光电和地面跟踪瞄准装置等。同时，日益增大的元件口径和越来越短的加工周期使得高效高精度制造工艺成为大口径离轴非球面光学元件加工的核心问题。精密磨削作为大口径离轴非球面元件的材料高效去除工序，磨削面形精度(Peak-Valley, PV)和损伤层深度直接决定了后续的抛光难度与周期。因此，开展了大口径离轴非球面光学镜面的控形控性高精度磨削研究，即提升大口径离轴非球面光学元件的磨削面形精度的同时降低磨削损伤深度，实现二者在数值上的协同逼近。在控形方面，确立了机床结构方面影响低频面形形状与精度的主要影响因素，探究了A轴零位误差、Y轴对中误差、砂轮形状尺寸误差、磨削方法路径和Z轴面形补偿等因素对面形精度的影响规律以实现工艺参数的协同控制与精度优化。在控性方面，获得了磨削损伤深度随磨削参数的变化规律并建立了磨削损伤深度与磨削表面粗糙度的映射关系，提出针对大口径离轴非球面磨削亚表层损伤抑制策略。对640 mm口径离轴非球面镜进行形性控制磨削实验后，面形精度达到3 μm，表面粗糙度Ra小于24 nm，Rz小于0.2 μm，依照表面粗糙度与亚表面损伤层深度映射关系，亚表面损伤层深度5 μm左右，逼近面型精度。经验证后续抛光周期大幅缩短，对大口径光学元件的高效高精度加工具有重要参考价值。
2023, 52(9): 20230270.
doi: 10.3788/IRLA20230270
在分析了超轻量化大口径碳化硅(SiC)反射镜（轻量化率≥90%）表面去除原理和难点的基础上，为了实现此类型反射镜的快速加工，提出了一种采用有限元分析进行验证的五轴高效超精密铣磨方法。通过对反射镜铣磨过程中产生共振的机理进行分析，解释了共振的原因，利用有限元分析方法进行仿真模拟，验证了加工过程镜面不会被破坏且系统不发生共振，设计环形工装支撑并对口径Ф510 mm、壁厚 4 mm、轻量化率92%的SiC反射镜进行快速铣磨加工。反射镜初始面形峰谷(PV)值为956.1 μm，镜面去除量为1 mm，加工时间仅为48 h，相较于人工研磨研制周期降低了90%。通过检测，反射镜面形PV值为3.5 μm，满足反射镜抛光前面形精度优于4 μm的要求。
2023, 52(9): 20230476.
doi: 10.3788/IRLA20230476
同轴四反式光学系统的研制可采用非球面主镜和四镜一体化成型制造法，该方法极大地降低了系统零件复杂度，同时减轻了整机质量，提高了装机效率，但对后期光学系统装调的自由度产生了约束，因此，在镜面制造过程中，两者的光轴一致性需要精确测量及控制。在现有干涉测量法的基础上，提出了一种检测两面共体非球面镜光轴一致性的方法。在干涉检测光路中，两个非球面表面的光轴通过精密调整和严格标定后分别引出到两个计算全息片(CGH)补偿器上，CGH经过设计后，其特定区域可发出平行光，经另一片CGH反射后在干涉仪中形成表征两片CGH夹角的干涉条纹，解算干涉条纹的波前倾斜可得出两非球面的光轴偏差，对一两面共体待测非球面光学零件进行了CGH设计和检测光路的误差分析，显示测试精度可以达到1″。设计投产了CGH补偿器，搭建干涉检测光路，完成了光轴一致性的测量，数据处理解析出的波前倾斜为（1.544λ，0.441λ），计算出光轴夹角为(0.007 0°, 0.002 0°)，使用经纬仪复测的两片CGH的夹角为(0.007 1°, 0.001 9°)。使用轮廓仪法对干涉测量法结果进行了比对验证，分别扫描主镜和四镜的面形轮廓，统一坐标系后，主镜和四镜的光轴夹角为(0.007 1°, 0.002 0°)，三者显示出较高的一致性。该方法具有直观性强、检测精度高的优点。
2023, 52(9): 20230462.
doi: 10.3788/IRLA20230462
由于仪器传递函数（Instrument Transfer Function, ITF）能准确反映仪器在空间频率上的响应特征，被广泛应用于仪器规范之中。目前多采用刻有单一台阶特征或不同周期正弦特征的平面测试板对干涉仪的ITF进行检测。针对平面测试板无法完成高陡度球面/非球面镜检测时ITF标定的问题，提出了根据球面台阶测试板标定高陡度镜面检测的子孔径拼接ITF的方法。通过超精密车削技术制作了球面台阶测试板，并对其进行拼接检测，根据梯度定位法和旋转矩阵完成检测孔径中台阶的定位及采样，利用傅里叶变换方法实现对台阶实测面形的功率谱密度求解，最后与理想面形功率谱密度做比获得ITF。对口径100 mm、曲率半径100 mm、带有同心圆环台阶结构的球面台阶测试板进行拼接检测以及数据分析，实验结果表明：在1 mm−1的空间频率范围内，各个子孔径对高陡度镜面的检测水平平均可达到82.72%，具有较好的检测精度，随后ITF逐渐衰减，当空间频率在1.5 mm−1左右时，仅能达到40%~60%。
2023, 52(9): 20230450.
doi: 10.3788/IRLA20230450
星敏感器在轨工作期间周期性地受到以太阳光为主要来源的杂散光干扰，导致恒星或感知目标捕获失效，轻者姿态数据无效，重者面临被非合作目标定向攻击。在杂散光抑制过程中，遮光罩可将太阳光消减至10−5~10−6量级，从而有效减少太阳光对像面的污染。然而，在遮光罩研制过程中，因散射模型精度不高、挡光环刃口厚度无法有效测量，导致实际遮光罩消光性能达不到预期设计要求。文中在粗糙度为1.0 μm铝合金基材上测量Magic black消光涂层，并拟合出偏差小于10%的散射模型；针对挡光环刃口的特殊构造，提出利用同轴远心光路检测刃口厚度，检测精度优于1.2 μm；最后以遮光罩消光比定量测试以及外场杂散光观星测试考核遮光罩杂散光抑制性能。结果表明，用拟合后的BRDF散射模型，比朗伯散射体精度提升40%；刃口检测可保障遮光罩消光性能，使得遮光罩消光比理论仿真与实际测试偏差小于12%；暗室杂散光测试使得在24°太阳光入射时像面平均灰度为55.80；外场观星杂散光测试时精度变化量不超过0.5″。该星敏感器遮光罩检测方法可为其他光电类敏感器提供理论基础与技术支持。
2023, 52(9): 20230470.
doi: 10.3788/IRLA20230470
为了满足半导体缺陷检测系统对成像系统高分辨的要求，依据系统的特点和设计指标，设计了一种近紫外-可见光大数值孔径折反式物镜。在近紫外-可见光波段对光学玻璃材料的色散特性进行分析，通过二级光谱理论计算，选择合适的玻璃材料，对光学系统的二级光谱进行了校正。该物镜使用11片球面透镜，结构紧凑。设计出一套光谱范围为360~520 nm、数值孔径为0.9、焦距为5.65 mm、视场大小为0.8 mm、工作距离为0.8 mm的物镜，采用无限远共轭折反式结构。设计结果表明：该物镜的MTF较好，全视场波像差小于0.09λ (λ=632.8 nm)，各种几何像差均得到了较好的校正，满足复消色差条件，并且结构简单，具有较长的工作距离，为实际的生产装配和应用提供了便利。
2023, 52(9): 20220890.
doi: 10.3788/IRLA20220890
红外探测器的光谱响应一致性影响高光谱成像仪器的动态范围，研究高光谱成像用拼接型短波红外探测器在同一光谱维的响应均匀性对提高高光谱成像性能有重要意义。通过测量相对光谱响应和窄带响应，对响应波段为1.0~2.5 μm、规格为2000×256的碲镉汞短波红外探测器光谱响应率进行测量和分析，提出用光谱响应非均匀性定量化分析光谱响应一致性。分析了在80 ℃和140 ℃不同的黑体温度下，窄带滤光片的中心波长和半带宽不同时，带外截止深度为OD3时，带外信号对窄带性能测试误差的影响。通过测量探测器模块的光谱响应率，计算拼接的2000×256探测器在1 μm、1.9 μm和2.5 μm处的响应非均匀性分别为6.23%、6.06%和4.07%。光谱响应率的准确测量实现了拼接型短波红外探测器的光谱响应一致性的定量化评价，有利于探测器在高光谱成像中的合理应用。
2023, 52(9): 20220837.
doi: 10.3788/IRLA20220837
双波段红外探测可对复杂的红外背景进行抑制，在军用目标识别、医疗诊断和污染监测等方面有重要应用价值。基于二类超晶格的双波段红外探测器在成本和性能方面具有很大的优势，成为新型红外探测器领域的研究热点。然而其暗电流和串扰会极大地影响双波段红外探测器的性能。因此，设计了nBn结构的InAs/GaSb超晶格中/长波双波段红外探测器，通过仿真比较不同结构的器件在不同偏压下的中波/长波通道的响应率和暗电流大小，分析势垒层厚度、吸收层厚度、不同区域的掺杂对暗电流和串扰的影响，从而得到最佳的模型参数达到减小暗电流和降低串扰的效果。仿真结果显示：nBn结构的中/长波双波段红外探测器在77 K下，中波通道的暗电流密度为4.5×10−5 A·cm−2，在0.3 V偏压下，2 µm处的峰值量子效率为64%，探测率可以达到3.9×1011 cm·Hz1/2·W−1；长波通道的暗电流密度为1.3×10−4 A·cm−2，在−0.3 V的偏压下，5.6 µm处的峰值量子效率为48%，探测率可以达到4.1×1011 cm·Hz1/2·W−1。相关结论可为器件设计和加工提供参考。
2023, 52(9): 20220892.
doi: 10.3788/IRLA20220892
混合飞行时间测距基于间接飞行时间测距的原理，同时结合直接飞行时间测距的概念，可以实现高精度、高范围的脉冲激光测距。采用两相采集方式，建立了背景光抑制的两段两相混合测距模型，并通过对模型的误差分析确定了电路的相关参数。采用在线性模式下工作的雪崩光电二极管（Linear-Mode APD, LM-APD）作为探测器，设计了与混合测距模型适配的50 μm中心距的像素电路以及5×5阵列结构。电路输入级采用电容反馈跨阻放大器结构，输出信号包括模拟信号和低压差分信号。在对APD探测器20 MHz的调制频率下，输出电压达到99.8%以上的线性度，在108.75 m测距范围内达到4.415 cm的平均误差，11.355 cm的最大误差。仿真表明：混合测距兼顾精度和测量范围，适用于激光雷达三维成像领域。
2023, 52(9): 20220896.
doi: 10.3788/IRLA20220896
SPAD阵列的规模不断扩大对读出电路(Read-out Integrated Circuit, ROIC)提出了更高的要求，时间数字转换器(Time to Digital Converter, TDC)是ROIC的核心电路，完成对光子飞行时间(Time-of-Flight, TOF)高精度量化。为避免大规模阵列中高频时钟信号长距离走线而引起的串扰和噪声干扰，抑制初相误差引起的检测精度退化，设计了一种基于内置时钟的ROIC阵列电路，阵列像素间距均为100 µm，内置于各像素内的门控环形振荡器(Gated Ring Oscillator, GRO)独立提供像素TDC所需的高频分相时钟信号，各像素GRO均由像素外置锁相环(Phase Locked Loop, PLL)产生的压控信号控制。由于采用一种基于事件驱动的检测策略，只量化光子事件有效触发的TOF，有效降低了系统功耗。该芯片采用TSMC 0.18 µm 1.8 V标准CMOS工艺制造，测试结果表明：TDC的时间分辨率和量程分别为102 ps和100 ns，微分非线性DNL低于0.8 LSB，积分非线性INL低于1.3 LSB，系统功耗小于59.3 mW。
2023, 52(9): 20220831.
doi: 10.3788/IRLA20220831
载波调制水下探测激光雷达利用散射光和信号光在频域特性上的差异来抑制杂散光，而不同水质中的散射光的截止频率是载波调制水下探测激光雷达设计中的重要参数。测量散射杂波的频率响应需要将目标回波与散射杂波分开，尤其是前向散射，与目标回波空间上重合，不容易被分开。文中提出了一种在载波强度调制激光雷达中分别测量水下目标和散射杂波的频率响应方法，利用散射光和目标反射的信号光在空间相干性上的差异，在回波光路上使用螺旋相位板将其分开并分别采集，再通过傅里叶变换得到它们的频谱。实验结果表明，前向散射杂波具有低通特性，而目标回波的响应是平坦的。将信号与散射在频谱中调制频率处的幅度之比定义为“信杂比”，并且用其来表示探测的有效性：当信杂比大于1时，认为探测到了目标。在较浑浊的水中，为了获得大于1的信杂比，载波的调制频率需要更高，基于蒙特卡洛方法对光子在海水中的传播进行了仿真模拟，结果与实验相符。测距实验也证明了，提高调制频率可以减小浑浊水中的测距误差。当信杂比小于1时，提高调制频率，测距误差降低明显。
2023, 52(9): 20220913.
doi: 10.3788/IRLA20220913
自由空间激光时频传递是未来空间高精度时频传递的重要技术发展方向。高精度的事件计时器是实现自由空间激光时频传递的关键核心设备，提出了组合确定性因素和随机因素的性能评估模型，通过测量精密频率源的时序数据得到不同事件计时器基于最小二乘的频率准确度、频率漂移率，表征频率稳定度的时域方差包括Allan方差、Modified Allan方差、Time方差和Hadamard方差，依据幂律谱模型分离出事件计时器测量数据的随机游走噪声、调频白噪声、调频闪烁噪声、调相白噪声和调相闪烁噪声五种随机噪声。对比分析了性能处于同一量级的两种典型高精度事件计时器A033和GT668的性能差异，在频率测量准确度上，A033事件计时器优于${\text{7}} \times {\text{1}}{{\text{0}}^{{{ - 12}}}}$，而GT668事件计时器优于${\text{3}}{\text{.1}} \times $$ {\text{1}}{{\text{0}}^{{{ - 12}}}}$，频率漂移率A033为${\text{2}}{\text{.096}} \times {\text{1}}{{\text{0}}^{{{ - 15}}}}$，而GT668则是${{ - 1}}{\text{.071}} \times {\text{1}}{{\text{0}}^{{{ - 15}}}}$，短期（1 d）稳定性Allan标准差由${\text{7}} \times {\text{1}}{{\text{0}}^{{{ - 12}}}}$变化到${\text{4}} \times {\text{1}}{{\text{0}}^{{{ - 12}}}}$；GT668在随机游走噪声曲线走势上更为稳定，调频闪烁噪声和调频白噪声没有明显差异。实验表明，通过文中性能分析方法可以对高精度事件计时器性能进行评估分析，对其准确性和可靠性进行判定，为高精度事件计时器的使用提供分析依据。
2023, 52(9): 20220839.
doi: 10.3788/IRLA20220839
针对传统激光SLAM在长走廊、隧道等退化环境下系统精度低或算法失效，且存在常规环境下回环检测稳健性差等问题，提出一种面向未知环境的紧耦合激光SLAM方法。首先，采用紧耦合框架，融合LiDAR与IMU信息，修正IMU零偏，为LiDAR里程计提供高精度先验信息；其次，计算LiDAR里程计雅克比矩阵，实时检测环境几何信息维度，融合轮式里程计与IMU数据，补偿LiDAR里程计自由度；最后，构建变阈值回环搜索模型，采用不同配准方法分析对应阈值的关键帧信息，提高回环检测召回率。长走廊环境中，所提方法定位误差较A-LOAM、LIO-SAM分别降低了91.04%和97.37%；常规环境中，在满足回环检测准确率为100%的条件下，所提方法召回率较LIO-SAM提高了35%。实验结果表明，所提方法具有较高的鲁棒性与定位精度。
2023, 52(9): 20220916.
doi: 10.3788/IRLA20220916
为解决高速目标强尾焰弱本体精确探测问题，设计了单脉冲式激光玫瑰扫描系统。针对时间响应需求，设计高峰值功率和微小激光束散角，实现主动激光高空4 km以上的远距离探测，同时为弥补束散角不足，设计高动态压电式扫描机构行程以扩大激光探测视场达2°（1°行程）以上，并研究高速脉冲频率和扫描轨迹算法，评估目标在扫描投影视场内张角以及激光脉冲点张角的密度和均匀度，达到不低于1000 Hz的扫描闭环带宽和50 Hz的视场刷新率，实现高速目标单次视场刷新下100%的探测概率反馈，突破极限探测条件下（迎头或尾追）可探测区域占比55%以上，完成目标真实位置、角度回告，达到了精确瞄准目标本体的目的，验证了高速目标探测的可实现性，对高速目标末端精确探测的应用具有重要的意义。
2023, 52(9): 20220902.
doi: 10.3788/IRLA20220902
针对激光热成像技术定量检测铝合金表面微小裂纹宽度精度不足的问题，通过系统分析表面裂纹处热传导规律，并构建长脉冲激光激励条件下铝合金表面裂纹位置处准稳态温度场的温度分布模型，发现沿激光线方向的温度分布能够定量表征裂纹宽度。搭建了激光红外热成像试验平台并进行试验，获得了准稳态温度场下的温升分布规律，分析了不同宽度裂纹的温升分布特征和温升变化特征，基于温升分布特征参量和温升变化特征参量，采用比值定义法构建了不依赖激光功率的裂纹宽度综合指标。结果表明，所构建的空域特征参量综合指标显著提高了裂纹宽度检测的可靠性和准确性，能够实现50~700 μm宽度裂纹的定量检测，该结果能够为实现激光红外热成像技术在航空航天裂纹量化检测的应用奠定坚实基础。
2023, 52(9): 20230096.
doi: 10.3788/IRLA20230096
单频机载激光雷达测深系统凭借低成本、低负载、高采样率等优势成为大范围海岸带地形地貌探测的理想选择。然而如何解决单频局限，在不依赖辅助传感器情况下实现全波形数据的准确划分成为精确点位坐标解算的关键环节。目前基于全波形形态特征进行波形分类研究缺乏系统性评估分析和普遍性结论。该研究尝试从全波形空间形态入手，细化了波形类别（异常波形、过拟合波形、陆地波形、海面波形和测深波形），在已有波形特征基础上，系统分析了不同类别波形的形态特征差异，有针对性地提取了24维波形特征并基于随机森林特征选择和分类模型完成了各特征分类性能及最佳特征组合评估与定量分析。研究证明，包括相邻两点间振幅偏差、震荡主频等在内的6维特征组合对5种波形的分类效果最好，总体分类精度可达98.55%，Kappa系数为0.9820。为了验证特征的普适性，另外选取了一块实验区域进行验证，得到水陆分类的总体精度为96.81%。
2023, 52(9): 20230022.
doi: 10.3788/IRLA20230022
为了提高远距离、暗弱目标探测灵敏度，通常需要增大可见光相机口径，这会显著增加相机的质量和体积，无法适应卫星轻小型化要求。针对低轨探测地球同步轨道（GEO）目标需求，利用低轨零倾角卫星与GEO目标相对速度恒定，设计了面阵相机时间延迟积分（面阵TDI）成像模式。与自然交会模式、面阵凝视模式相比，在不增加相机口径的前提下，大幅提高了相机探测灵敏度。阐述了面阵探测器TDI成像原理，推导了相机信噪比计算模型，对目标运动、积分时间、探测灵敏度和信噪比等主要成像参数进行了计算，分析对点目标探测成像的影响。研制了一台原理样机，在暗室条件下的实测结果表明，相机TDI级数为96级，可实现对GEO轨道目标探测能力优于15星等，信噪比大于5。
2023, 52(9): 20230024.
doi: 10.3788/IRLA20230024
2.5 m大视场高分辨率望远镜消光筒会接收来自主焦点处的热辐射，加热镜筒内空气，产生随机湍流，降低视宁度，影响望远镜成像质量。为解决这一问题，满足2.5 m望远镜温控指标要求，设计Smith自抗扰控制器(ADRC-Smith)，利用自抗扰控制结合Smith预估算法实现对消光筒壁面温度的精确控制。首先，建立消光筒温控系统模型，给出ADRC-Smith控制器的结构和调参方法；其次，对消光筒温控系统进行仿真，分析控制器的可行性；最后，搭建消光筒温控系统，实验验证控制器的实用性。实验结果表明，ADRC-Smith控制器可以将消光筒壁面温度控制在环境温度2 ℃内，对应的响应时间和稳定时间分别约为59 s和173 s，跟随误差约为0.14 ℃。研究表明，ADRC-Smith控制器可以提高2.5 m大视场高分辨率望远镜消光筒温控系统的性能。
2023, 52(9): 20230259.
doi: 10.3788/IRLA20230259
吸热管表面能流密度分布的均匀性对线性菲涅耳式聚光器的光热性能及安全运行有着重要影响。基于Tonatiuh光学仿真软件构建了线性菲涅耳式聚光器模型，研究了圆柱面形反射镜焦距及瞄准点位置与光斑宽度之间的关系，在此基础上探讨了不同瞄准策略下线性菲涅耳式聚光器的光学效率及能流分布的均匀性。结果表明：采用瞄准点均匀分布的瞄准策略，聚光器在保持较高光学效率的同时能够提升集热管表面能流分布的均匀性。采用优化后的瞄准策略，线性菲涅耳式聚光器光学效率可达到87.4%，集热管表面能流密度标准差由45.3%降低到30.7%，集热管顶部能流密度提升了10.2%。集热管空管预热采用该优化瞄准策略，在变占空比跟踪模式下，集热管弯曲变形程度远小于现有瞄准策略。该结果可为线性菲涅耳式聚光集热系统的优化设计提供理论支撑。
2023, 52(9): 20230115.
doi: 10.3788/IRLA20230115
为了提升激光无线能量传输系统光能传输效率，避免使用准直镜头导致在数百米距离处接收端光斑边界模糊和照度均匀性差现象的发生，开展了基于共轭成像原理的可调焦发射光学系统研制。首先理论分析了准直法和共轭成像法的设计原理，然后针对光纤输出的808 nm半导体激光光源，采用共轭成像法设计了焦距550 mm、口径260 mm的发射光学系统，通过光纤端面的移动实现调焦设计，分析了不同调焦距离下光纤端面的移动量，并与准直法设计结果调焦后对比，在200 m~1 km处的波像差明显较小。利用Lighttools软件模拟对比了调焦前后的照射光斑，验证了调焦的作用。模拟结果显示，通过对基于共轭成像原理设计的发射光学系统增加调焦机构，可在不同距离处得到清晰的光斑边界。最后对激光发射光学系统进行了加工，经测试，波像差RMS为0.092λ (λ=632.8 nm)。结果表明：激光无线能量传输系统使用基于共轭成像原理设计的可调焦发射光学系统可获得边界清晰、更加均匀的照明光斑。
2023, 52(9): 20230030.
doi: 10.3788/IRLA20230030
水中悬浮颗粒是水体物质的重要成分，因此监测它们的种类和浓度对研究和保护水生态系统具有重要科学意义和实用价值。文中研制了一种水中悬浮颗粒分类仪（Suspended Particle Classifier, SPC），旨在现场检测野外采集的水样，快速得出水中悬浮颗粒的种类、数量和比例。SPC采用引流管将颗粒输送至散射体积内，通过同时探测单个颗粒的散射光偏振态和荧光信号，结合机器学习算法对颗粒分类。对沉积物、微塑料和微藻的标准样品做了数据集并训练分类器，SPC能以大于95%的预测正确率对它们进行分类。接着，将SPC和商业水质多参数监测仪（QWA）同时在崖门水道连续布放25个小时。SPC能快速测量现场采集的水样，获取不同水层的沉积物、微塑料和微藻的数量随时间的变化情况。SPC给出的微藻数量与QWA测得的叶绿素a浓度以及藻红蛋白浓度之间存在显著的相关性；此外，SPC给出的沉积物等效时间截面和QWA测得的浊度值也呈现出明显的相关性，由此可以证明SPC分类结果的可靠性。结果表明：SPC能够对水中的悬浮颗粒进行现场快速分类检测，有望成为探索水生态系统的关键技术。
2023, 52(9): 20220802.
doi: 10.3788/IRLA20220802
天文导航是一种重要的飞行器自主导航手段。在高速飞行器上进行的观测，不可避免地会受到窗口外侧高速流场的扰动，使得星敏感器捕获的星点图像出现偏移、模糊等退化现象，影响天文定位定姿精度。对星图退化的计算和校正的研究多基于计算机仿真结果。文中建成了一座可在实验段中生成马赫2.5/3.5混合层结构的小型静风洞，以直径10 m的室内穹顶上的仿真星点为观测对象，透过实验段中不同位置的流场进行了星点观测和中心点解算，获得了星点图像受到流场扰动的数据，并将其与计算机仿真结果进行对比。结果表明：导航星光偏折量高于计算机仿真的估计值。在喷口近端，高速混合流场对星光偏折的扰动较大，垂直流场方向的偏折均值小于0.5″，沿流场方向偏离均值为3.85″，最大接近4.89″；在喷口远端，垂直方向星光偏折均值为−1.36″，沿流场方向偏折均值约−0.49″，最高达−2.69″。近端星光偏折变化幅度较小，稳定性较远端更强，有利于建模校正。该实验对校正仿真模型、优化高速流场下的天文定姿精度有着重要的意义。
2023, 52(9): 20230179.
doi: 10.3788/IRLA20230179
快速反射镜（Fast Steering Mirror, FSM）具有响应快、精度高、分辨率高等优势，被广泛应用于卫星激光通信、超分辨率成像、高精度激光瞄准等领域，是捕获、跟踪和瞄准(Acquisition Tracking and Pointing, ATP)系统中的核心部件。传统快反镜主要由压电陶瓷和音圈电机驱动，而基于微机电(Micro Electro Mechanical System, MEMS)技术制备的快反镜具有小型化及批量化等优势，是技术发展的趋势，但其应用于卫星激光通信领域的可靠性尚未进行全面论证。文中介绍了快反镜的工作原理、环境适应性要求以及国内外快反镜的可靠性水平，结合致动原理和结构分析了现有快反镜的失效机理、评估方法和可靠性加固技术，最后指出了高可靠性快反镜的结构和加固技术发展方向，并通过综合分析与仿真验证了MEMS快反镜应用于卫星激光通信的可行性。
2023, 52(9): 20220814.
doi: 10.3788/IRLA20220814
针对水下高速无线激光通信发射功率较低，通信距离受限的问题，该研究采用非线性光学中二次谐波理论，将1064 nm的高速外调制与放大技术和非线性晶体的准相位匹配技术相结合，通过光学设计和系统参数研究，设计了一种532 nm的高速大功率无线激光调制发射系统，并建立了基于温度和角度变换的波长转换效率模型。然后通过仿真分析的方法得到了不同温度下，最大转换效率对应的角度范围。最后对系统的性能进行了系统搭建和实验分析，验证了该系统在常温下可实现1 W大功率532 nm绿光无线输出，且频率大于1 GHz的模拟信号和速率大于500 Mbps的数字信号调制。实验结果表明：常温下，该系统输出的光斑光强分布均匀，光束质量显著好于调制后的基频光模式。系统输出的方波信号上升沿宽度和下降沿宽度会发生压缩，但随着脉冲宽度的减小压缩现象会发生收敛，上升沿宽度收敛于0.27，下降沿宽度收敛于0.06，系统输出的正弦信号随着频率的增加没有发生明显的畸变。研究结果可以为未来水下长距离高速无线光通信应用提供理论和技术支撑。
2023, 52(9): 20220851.
doi: 10.3788/IRLA20220851
面向毛细管微反应器固相状态检测需求，提出了一种激发微管腔回音壁谐振的光纤楔形端面耦合器。建立了光纤楔形端面耦合模型，通过理论研究楔形端面与微管腔倏逝场耦合原理，仿真模拟楔形端面光场分布情况，并分析了光纤楔形端面与微管腔耦合谐振的光谱特征。研磨制备耦合器件，搭建实验系统进行实验验证。实验采集到洛伦兹凹谷型耦合谐振谱，与理论仿真分析相一致。谐振谱1563.074 nm波长附近的自由光谱范围约为1.734 nm，Q值约为6.15×103。所提出的光纤楔形端面耦合器具有较好的器件鲁棒性，耦合谐振结构简单，易于器件集成和小型化。
2023, 52(9): 20220881.
doi: 10.3788/IRLA20220881
光子集成芯片将多种功能器件进行片上集成，具有损耗低、带宽大、抗电磁干扰等优势，是当前光电领域发展的主流方向。集成光学器件的温度稳定性是影响其光学性能的重要因素之一。为了提高集成光学器件温度稳定性，提出了基于氮化硅（Si3N4）和长程表面等离激元（Long-Range Surface Plasmon Polariton，LRSPP）波导的温度不敏感结构，对器件性能随温度的漂移进行抑制和补偿。首先，分析了Si3N4波导和LRSPP波导对接的模式耦合效率，当满足最佳匹配条件时，可实现耦合效率99.9%以上的高效耦合。对混合波导的温度特性进行了分析，结果表明，当LRSPP波导和Si3N4波导的最佳长度比为 0.077，相位不随温度的变化而发生漂移，实现了温度不敏感的波导。当波导不能满足最佳长度比时，对LRSPP波导芯层施加电压实现主动补偿，亦可实现温度不敏感。此外，对LRSPP波导的传输特性进行了测试，测得偏振消光比为64 dB，具有良好的单偏振特性。文中提出的温度不敏感结构具有可主动调谐、损耗低、单偏振、普适性高等优点，能有效地解决Si3N4波导性能随温度变化发生漂移的问题，在Si3N4基光子集成芯片中具有广泛的应用前景。
2023, 52(9): 20220915.
doi: 10.3788/IRLA20220915
为了适应滤波、波分复用等不同的应用场景，光子滤波器需要具备可调谐以及滤波形状可变的功能。提出一种集成光子储备池结构的新型可调谐光滤波器。该结构由输入层、储层、读出层三部分组成，输入层由2×1多模干涉仪组成，储层由定向耦合器以及波导组成，按螺旋拓扑规律相互连接组成梅花型网格，匹配粒子群寻优算法进行全光域训练，利用读出层的热光调制器和相移器对光信号的幅度和相位进行调整，实现无限冲激响应型与有限冲激响应型可调谐光滤波器。以无限冲激响应型光滤波器仿真结果为例，分析其自由光谱范围与储层中波导长度的关系，以及定向耦合器分光比对透射端透过率的影响。通过设置储层中波导的相位在0~3/2π范围内变化，实现了光滤波器中心波长在一个自由光谱范围（1.18 nm）内的连续可调。该滤波器采用集成光子储备池与粒子群算法结合方案设计，无需考虑储层光网络传输路径的权重配置，仅对读出层权重进行训练，大大简化了网络训练过程。同时，该滤波器具有尺寸小、功耗低、灵活性高、算法可控滤波参数的优势，广泛应用于集成微波光子学和光通信领域中。
2023, 52(9): 20220897.
doi: 10.3788/IRLA20220897
铌酸锂薄膜光子集成技术在高速光电子领域不断凸显，被广泛用于各种片上功能实现，如电光调制、光频梳、滤波器、非线性光学频率转换器、非线性量子光源、激光器等。在铌酸锂薄膜光子集成技术发展过程中，目前面临的一个重要的技术瓶颈就是铌酸锂薄膜纳米波导与单模光纤的高效耦合。针对这一问题，设计了一种基于SiO2、SiON锥形结构以及双层铌酸锂锥形结构的模斑转换器，实现铌酸锂薄膜纳米波导与单模光纤之间模式和能量的高效传递与转换。采用三维有限差分光束传播法对器件结构进行了模拟仿真，并优化了结构参数，可实现与铌酸锂薄膜波导与单模光纤的高效耦合，耦合效率在82.2%~89.0%之间，同时，得到了±1.8 µm光纤耦合对准容差，可为下一步制备出高效耦合的铌酸锂薄膜光子器件提供参考。
2023, 52(9): 20230045.
doi: 10.3788/IRLA20230045
提出一种石墨烯-金属超材料复合太赫兹传感器，充分利用石墨烯能带Dirac点附近费米能级对样品的灵敏响应结合超材料表面强局域电场实现了对谷氨酸溶液浓度的多维超灵敏传感。实验结果表明，传感器在频率f =0.58 THz处存在一个明显的透射峰，且该透射峰幅值随谷氨酸溶液浓度的增加先升高后降低。若以透射峰幅值作为传感指标，器件能够探测到的最低浓度在10−1 fg/mL量级。另外，从传感器的透射波相位差-频率关系曲线中提取的斜率与浓度具有类线性关联，这意味着相位差信息也可以作为有效的传感指标。结合透射幅值和相位差两个传感指标，器件可以实现对谷氨酸溶液浓度的超灵敏精确检测。文中提出的器件为发展基于太赫兹超材料的超灵敏氨基酸传感器提供了帮助。
2023, 52(9): 20220808.
doi: 10.3788/IRLA20220808
偏振成像技术作为一种新型的光学成像技术，可以实现抑制背景噪声、提高探测距离、获取目标细节特征和识别伪装目标等功能。由于成像空间维度的不同，偏振二维成像和偏振三维成像在不同领域中具有良好的应用前景。文中从偏振光的表示与传播方式入手，先后对偏振成像系统、偏振二维成像技术、偏振三维成像技术和基于超表面偏振器件的偏振探测及成像的研究展开综述。首先，根据偏振成像系统结构的不同，偏振成像系统可分为分时型、分振幅型、分孔径型和分焦平面型四种，并对以上偏振成像系统分别进行详细介绍和比较分析。其次，阐述了基于图像增强技术的偏振二维成像。图像增强技术分为偏振差分算法和图像融合两种。对于偏振三维成像，根据所处理反射光成分的不同，分为基于镜面反射光和漫反射光的偏振三维成像。综述了三维形貌重建过程中天顶角和方位角多值性问题的解决办法。为了高效准确地获取偏振信息，基于超表面结构的偏振器件成为当前研究的热点。进一步介绍了基于超表面偏振器件的偏振探测及成像技术。最后，总结全文并对偏振成像技术的发展前景进行展望。
2023, 52(9): 20220905.
doi: 10.3788/IRLA20220905
由于复杂度较高的跟踪算法多数采用国外芯片实现，基于国产FPGA的跟踪方法得到了研究。针对易于FPGA设计的模板匹配算法鲁棒性不足的问题，基于绝对差和(SAD)相似性度量方法，提出了求窗口内最小绝对差和(SMAD)的方法。利用最大值和最小值滤波预先处理窗口内图像数据，再求最小绝对差，将SMAD算法的加减法器资源消耗降低为原来的31.8%。提出的类金字塔的方法在节省逻辑资源的同时，提高了对目标尺度变化的适应性。OTB数据集的实验表明：提出的方法与鲁棒性较高的DDIS算法相比，跟踪成功率和平均重叠率分别提高了1.18%、0.13%，又有易于流水线设计的优势。利用国产FPGA实现了帧率可达100 fps的实验系统并验证其跟踪性能，为在国产FPGA上实现高帧率目标跟踪系统提供了解决方案。
2023, 52(9): 20220824.
doi: 10.3788/IRLA20220824
针对事件相机探测空间目标时输出大量噪声的问题，提出基于事件相机的空间目标事件流降噪算法。首先，考虑到事件流的时空相关性和异步特性，提出基于邻域密度的时空相关性事件流滤波器（Neighborhood Density-based Spatiotemporal Event Filter，NDSEF），以帧的形式在时间维度累积事件并计算邻域密度，达到降噪的目的。然后，提出基于NDSEF的级联滤波器，通过增加像素维度窗口累积实现算法的高度优化，达到细化滤波的目的。最后，在公共数据集和仿真数据集实验中实现滤波算法的高速与高泛化能力，该滤波器在信噪比和噪声比两项指标上均超过了经典滤波器，事件处理速度可达10 μs，对于多目标空间事件流可以有效处理噪声事件。实验结果表明该滤波器在低信噪比空间场景中保证了降噪算法的准确性和时效性。
2023, 52(9): 20220876.
doi: 10.3788/IRLA20220876
目前红外时敏目标检测技术在无人巡航、精确打击、战场侦察等领域应用广泛，但有些高价值目标图像的获取难度高且成本昂贵。针对红外时敏目标图像数据匮乏、缺少用于训练的多场景多目标数据、检测效果不佳等问题，文中提出一种基于跨模态数据增强的红外时敏目标检测技术，跨模态数据增强方法为两阶段模型。首先在第一阶段通过基于CUT网络的模态转换模型将包含时敏目标的可见光图像转换为红外图像，其次在第二阶段模型中引入coordinate attention注意力机制，随机生成大量红外目标图像，实现了数据增强效果。最后提出一种基于SE模块和CBAM模块改进的Yolov5目标检测架构，实验结果表明，文中提出的Yolov5（CSP-A）目标检测技术与原网络相比，准确率提升了7.36%，召回率提升了5.43%，平均精度提升了2.74%。有效提高了红外时敏目标的检测精度，实现了红外时敏目标精确检测。
