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2016年  第45卷  第2期

特约专栏
面阵凝视声光光谱成像技术及其轻小型无人机载应用探讨
何志平, 秦侠格, 徐映宇
2016, 45(2): 203001. doi: 10.3788/IRLA201645.0203001
[摘要](312) [PDF 1856KB](305)
近年来,轻小型无人机载光谱成像技术因航线自由,使用成本低等诸多优势在光谱遥感技术领域成为研究热点并得到广泛重视。基于面阵凝视的新型声光光谱成像技术的成熟运用为轻小型无人机遥感技术注入了新的活力。首先介绍了面阵凝视光谱成像技术途径,然后结合月球探测应用对声光光谱成像技术进行了论述。无人机载样机研制完成后开展无人机载应用试验,对试验数据进行分析和评价。最后,对基于声光光谱凝视成像技术的轻小型无人机载应用进行探讨及展望。
基底均匀掺杂下EBAPS电荷收集效率的模拟研究
宋德, 石峰, 李野
2016, 45(2): 203002. doi: 10.3788/IRLA201645.0203002
[摘要](349) [PDF 1462KB](194)
对P型基底均匀掺杂的情况下电子轰击有源像素传感器(EBAPS)的电荷收集效率进行了理论模拟研究,依据低能电子与固体的相互作用模型结合Monte-Carlo计算方法模拟了光电子入射到死层和倍增层中的运动轨迹,并分析了经过死层后的能量损失率所受影响因素;依据半导体理论研究了P型基底掺杂浓度、膜厚、入射电子能量对电荷收集效率的影响因素。最终获得的电荷收集效率理论模拟结果与已报道的(4 keV,均匀掺杂的EPAPS)实测的结果较为相符,表明此文的模拟结果可以为高增益的EBAPS的制作提供理论指导。
红外技术及应用
红外窗口气动热辐射效应评估方法
王亚辉, 王强, 张伯川, 郑文娟, 刘彦, 徐力
2016, 45(2): 204001. doi: 10.3788/IRLA201645.0204001
[摘要](315) [PDF 1243KB](357)
气动热辐射效应导致红外探测制导系统的性能降低甚至失效,而红外窗口是气动热辐射效应评估的关键因素。通过分析红外辐射在红外窗口中的传输特性,提出一种红外窗口气动热辐射效应评估方法,基于等温状态试验,评估了某超音速飞行器红外探测系统蓝宝石红外窗口在中波3.7~4.8m波段的气动热辐射效应。研究结果显示,红外窗口暴露于大气环境后,蓝宝石窗口导致的气动热辐射效应迅速上升,表现为红外窗口透过率下降约10%,仍然在0.9以上,而自辐射迅速增强约458倍,相当于约125℃黑体,在探测器获取总辐射中的比例大于78%。在对地探测应用中,对于厚度小于20 mm的蓝宝石红外窗口,窗口温度在100~350℃范围内,随着厚度增加,透过率下降,自辐射增强,总辐射也增强,自辐射在总辐射中的比例增加,易造成探测器饱和,对探测系统影响较大。
基于MEMS的红外动态图像生成技术
施蕊, 徐畅, 徐锐, 石诺, 杨扬, 钱丽勋, 王欣, 李卓
2016, 45(2): 204002. doi: 10.3788/IRLA201645.0204002
[摘要](291) [PDF 1577KB](214)
提出了一种基于MEMS技术的红外动态图像生成技术。利用热传导方程,建立了可见光/红外图像转换膜的理论模型;介绍了可见光/红外图像转换膜制作的工艺流程,制作了一张像元数为512512、像元尺寸为35m的可见光/红外图像转换膜。并利用转换膜构造了红外动态图像生成装置,通过实验对红外动态图像生成装置的性能进行了研究。利用MEMS技术制作的可见光/红外图像转换膜可以工作在红外3~5m和8~12m两个波段。根据实验测得红外图像生成装置的空间分辨率为14 lp/mm,在3~5m波段,所生成红外图像的温度范围为250~440 K,在8~12m波段,所生成红外图像的温度范围为250~400 K。
红外面阵旋转搜索系统下的恒虚警检测方法
费小亮, 任侃, 钱惟贤, 汪鹏程, 陈钱
2016, 45(2): 204003. doi: 10.3788/IRLA201645.0204003
[摘要](319) [PDF 1387KB](234)
红外面阵旋转搜索系统因其系统结构简单、灵活性高、成本较线阵低等优点备受关注。在红外面阵旋转搜索系统中,复杂背景下的弱小目标检测是一个难题。为了有效抑制背景干扰,降低复杂背景带来的虚警,针对红外面阵旋转扫描系统的成像特性,提出了基于线目标特征加权的恒虚警检测算法。首先,通过背景抑制和阈值分割初步得到离散的潜在目标点迹图。其次,研究分析了线目标的三类特征,并对各类特征进行量化和加权处理,从而得到总的加权值;最后,将加权值映射到离散的点迹图上,得到关于加权值的图像序列,再通过恒虚警检测方法得到新的分割阈值,达到二次分割的目的,从而抑制背景干扰、减少虚警和误判。实验结果表明:该方法可以显著地减少红外面阵旋转搜索系统中复杂背景造成的虚警,并保证能够有效检测出弱小目标。
8~14μm波段水性红外隐身涂料研究
叶圣天, 成声月, 刘朝辉, 王飞, 贾艺凡
2016, 45(2): 204004. doi: 10.3788/IRLA201645.0204004
[摘要](349) [PDF 1648KB](245)
从基体树脂、填料和涂层综合性能三方面对8~14m波段水性红外隐身涂料进行了研究。用红外发射率测量仪测量了涂层在8~14m波段的红外发射率,用红外光谱仪测量了树脂红外吸收图谱,用扫描电镜观察了涂层表面形貌。结果表明,丙烯酸树脂在8~14m波段有较高的红外透明性,适合做涂料基体树脂;铝银浆能在涂层中形成致密的反射层,适合做红外隐身涂料的填料;填料的粒径、含量和形态都对涂层的发射率有较大的影响;选用钢板为基材,以丙烯酸树脂为基体树脂,粒径2000目、浮铝百分比为50%的铝银浆为填料,当涂层中填料含量为15%时,测得其发射率为0.34。
超声红外热像检测条件的优化方法研究
张超省, 宋爱斌, 冯辅周, 闵庆旭, 朱俊臻
2016, 45(2): 204005. doi: 10.3788/IRLA201645.0204005
[摘要](294) [PDF 1684KB](138)
在超声红外热像检测中,激励强度、激励时间和工具杆与被测对象之间的预紧力等检测条件是影响缺陷热信号的重要因素。实验和仿真分析表明:激励时间和激励强度的增加将使裂纹生热增强,而预紧力的增加却使得裂纹生热呈现先增强后减弱的趋势,且检测条件对裂纹生热存在交互影响;另外,不恰当的检测条件将导致超声激励系统报警。基于检测条件对裂纹热信号和报警数据的影响分析,文中提出了采用多元非线性回归模型和Logistic回归模型以估算特定检测条件下裂纹检出概率和检测报警概率,最终确定了检测条件的选择范围。上述检测条件的优化方法能够为超声红外热像检测技术中检测方案的制定提供理论指导。
引入无量纲模型及弯曲系数的三波段红外测温优化研究
石东平, 吴超, 李孜军, 贾楠, 潘伟
2016, 45(2): 204006. doi: 10.3788/IRLA201645.0204006
[摘要](336) [PDF 1554KB](486)
以红外辐射基本理论为基础,将红外温度测量同被测物发射率相分离,构建未涉及发射率的红外三波段测温向量组,解决红外测温结果同发射率耦合度低的问题。进一步优化三波段向量组,提出无量纲发射率模型及适宜波段条件。通过对发射率线性函数进行优化,引入弯曲指数n,拓展发射率函数的应用范围。适宜波段条件的提出则保证了三波段测温向量组结果的精确性。对四个硫化矿样本应用三波段测温法同传统红外测温法进行实验测温对比研究,分析结果表明:三波段测温法同真实温度吻合度较常规红外测量好,且相对误差明显小于传统红外测温,验证了三波段测温法的可用性及精确性。三波段测温法在保证测量精度的同时拓宽了普通单波段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。
透射法的红外热波缺陷定量检测研究
华浩然, 袁丽华, 邬冠华, 吴伟
2016, 45(2): 204007. doi: 10.3788/IRLA201645.0204007
[摘要](257) [PDF 1667KB](184)
脉冲红外热波检测是一种新兴的无损检测技术,通常采用反射型激励方式。针对反射法缺陷深度检测误差大的不足,系统分析了透射法的红外脉冲热波定量检测缺陷深度。通过分析材料在脉冲热激励下的一维热传导模型,探讨了缺陷深度的红外测量原理。利用表面温度一阶微分峰值时间法建立特征时间与缺陷深度的关系,实现对缺陷深度的定量检测。以PVC板人工楔形槽缺陷为例,采用透射法与反射法对比实验分析缺陷深度的测量误差。结果表明,反射法在对缺陷进行定量计算时需要选取参考区域,而透射法对数据的处理不依赖参考区域,避免参考区域所带来的误差。透射法直接加热缺陷面,响应时间短,通过求解缺陷处的特征时间计算缺陷深度,检测精度得到大幅度提高。
激光技术及应用
LD横向泵浦铷蒸气激光器阈值特性理论研究
黄伟, 谭荣清, 李志永
2016, 45(2): 206001. doi: 10.3788/IRLA201645.0206001
[摘要](309) [PDF 1548KB](175)
基于三能级速率方程建立了横向泵浦铷蒸气激光器阈值计算模型,首次详细研究了横向泵浦铷蒸气激光器的泵浦阈值特性。论文结合实际参数,数值模拟了单Bar条半导体激光器横向泵浦铷蒸气的非线性吸收和泵浦光在蒸气室内的传播以及阈值工作状态下小信号增益的分布,仿真分析了蒸气室长度、温度、缓冲气体气压及组份配比、聚焦透镜焦距以及谐振腔诸参数对横向泵浦铷蒸气激光器出光阈值的影响。分析结果表明:对缓冲气体组份配比进行优化可以有效的降低泵浦阈值功率;蒸气室长度与温度共同影响阈值功率;较大的窗口片透过率和不大于70%的输出耦合率可以使泵浦阈值功率保持在较低的水平。文中对铷蒸气激光器等碱金属蒸气激光器的关键部件设计和系统优化可起到借鉴参考的作用。
基于频率补偿的窄脉冲量子级联激光器快速驱动技术
余兆安, 姚志宏, 梁圣法, 张锦川, 吕铁良
2016, 45(2): 206002. doi: 10.3788/IRLA201645.0206002
[摘要](415) [PDF 1293KB](197)
脉冲量子级联激光器(QCL)因自热效应会导致谱线展宽,故需极短的电流脉冲驱动。理论极限线宽所需的脉宽为5~15 ns,但由于环路寄生参数的影响,窄脉冲会引起信号过冲或振荡,因此目前商用的QCL驱动器无法满足这个要求。为获得更理想的激光器线宽,在常规脉冲恒流电路的基础上,采用频率补偿的方法来消除过冲和振荡,并设计了一款稳定的纳秒级激光器驱动电路。实验结果显示该驱动装置实现了峰值电流0~2 A、脉宽8.4~200 ns、上升时间4 ns、过冲1%的脉冲电流输出。使用中国科学院半导体研究所研制的波长4.6m激光器和傅里叶变换光谱仪进行测试,当驱动脉宽由100 ns减小到10 ns时,激光器线宽由0.35 cm-1线性递减到0.12 cm-1。综合验证表明,所设计的驱动装置实现了稳定的窄脉冲电流输出,尤其适用于量子级联激光器的窄线宽驱动及应用。
超低空状态下海面激光散射特性测试与分析
童广德, 王占山, 沈正祥
2016, 45(2): 206003. doi: 10.3788/IRLA201645.0206003
[摘要](260) [PDF 1493KB](134)
在海上使用的超低空雷达设计中,非常有必要了解不同海情下的海面激光散射特性。针对设计需求,在实验室内通过人工造波模拟海况,解决了实际海环境测试的困难,实现海面激光散射影响因素的定量控制。通过激光散射测试系统,获取各种状态和不同波束照射角情况下的近场激光散射数据,经过统计分析给出了规则正弦波海面和不规则(P-M谱)海面的激光散射特性。海面激光散射与漫反射板散射差异较大,海面散射以表面镜像散射分量为主。激光散射回波起伏随海表面波形空间波长而变化;散射回波大小随擦地角增大而增大;在固定的擦地角时,海情越高相应散射回波越强;当擦地角足够大时,散射回波大小随海情变化不大。
激光雷达测距系统光源驱动设计
熊显名, 李三龙, 张文涛, 张良, 李鹏飞
2016, 45(2): 206004. doi: 10.3788/IRLA201645.0206004
[摘要](443) [PDF 1640KB](704)
脉冲式激光雷达探测性能与激光光源发出的光脉冲密切相关,而激光二极管(LD)驱动电路性能直接决定了光脉冲的优劣。基于激光雷达系统要求,选用超快速金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)作为开关器件,建立驱动电路模型,对驱动电路设计与分析,经过多次试验,成功设计出最小脉宽10 ns,上升沿3.5 ns,重复频率可达50 kHz的LD驱动电路。驱动LD峰值功率将近60 W,成功用于激光雷达光源部分,测距精度达到3 cm/10.77 m,满足激光雷达系统要求。
激光透射焊接聚碳酸酯的有限元分析
Sekou Singare, 陈盛贵, 钟欢欢
2016, 45(2): 206005. doi: 10.3788/IRLA201645.0206005
[摘要](302) [PDF 1763KB](152)
为了研究激光透射焊接塑料过程中温度分布对焊接显微结构和强度的影响,采用ABAQUS软件,建立了使用激光透射焊接技术焊接聚碳酸酯(PC)的三维有限元热分析模型,通过子程序DFLUX和FORTRAN语言编程实现超高斯型热源的动态加载,有限元分析得到激光透射连接过程中温度场的分布。结果表明:当激光功率P=40 W,焊接速度v=40 mm/s时,焊接温度达到333.8℃,焊接强度最高(1.3 kN),焊接质量最好;当焊接速度v=10 mm/s时,最高温度达到589.5℃,拉伸强度为0.4 kN。当激光功率为40 W,焊接速度为100 mm/s时,焊接温度达到165.5℃,拉伸强度为0.74 kN。焊缝成形的好坏主要与焊接温度有关,可通过选择合适的工艺参数对这些缺陷进行控制。
激光沉积修复GH4169合金试验研究
卞宏友, 赵翔鹏, 李英, 杨光, 钦兰云, 王维, 任宇航
2016, 45(2): 206006. doi: 10.3788/IRLA201645.0206006
[摘要](260) [PDF 1488KB](175)
采用激光沉积修复技术对GH4169镍基高温合金贯通槽式损伤工件进行修复,分析了修复过程中气孔及熔合不良等缺陷的产生原因,通过优化工艺参数,获得了无缺陷的修复件;考察了修复件的微观组织及力学性能,并对修复件进行了局部热处理。结果表明:优化工艺参数后得到的修复区和基体形成了致密的冶金结合,采用局部热处理可明显提升修复件的抗拉强度。
脉冲激光对单晶硅打孔的研究
吴常顺, 冯国英, 刘彩飞
2016, 45(2): 206007. doi: 10.3788/IRLA201645.0206007
[摘要](351) [PDF 1518KB](197)
采用波长为1064 nm的重复脉冲激光对单晶硅进行打孔实验,观测了小孔烧蚀深度以及表面孔径大小随脉冲个数的变化规律,并对激光辐照单晶硅的热力学过程进行了理论分析。研究结果表明:入射激光在穿过等离子体到达单晶硅的表面时,光斑尺寸会有所增大,小孔孔径会大于聚焦光束尺寸。小孔内的等离子体本身具有很高的温度,高温等离子体在膨胀过程中会通过热辐射和热传导等过程向小孔周围传递热量,这也会对小孔孔径起到一定的拓展作用。当脉冲个数低于6个时,孔深随入射脉冲个数的增加近似线性增长,而后开始缓慢增长直至保持不变,这主要是由激光等离子体屏蔽效应决定的。
激光在高速钢表面加工沟槽表面织构的实验研究
武伟, 陈桂明, 赵娜, 樊博璇
2016, 45(2): 206008. doi: 10.3788/IRLA201645.0206008
[摘要](405) [PDF 1542KB](149)
沟槽状表面织构广泛应用于机械密封、缸套活塞环等机械摩擦部件,其性能取决于加工后的几何参数,因此高效准确地加工出理想尺寸的织构显得尤为重要。运用不同的激光输出功率、重复频率和扫描速度在高速钢表面加工沟槽状表面织构,设计了三水平三因素的全面实验,系统研究了加工参数与沟槽织构几何参数的关系。结果显示:随着激光重复频率的增加,沟槽织构深度和宽度均呈现先略微增大后减小的趋势。扫描速度增大使沟槽织构深度先增加后减小,而宽度均随着扫描速度的增大而变大。方差分析表明:较之激光输出功率,激光扫描速度、重复频率及其交互作用对织构加工深度和宽度的影响更显著。输出功率在10~14 W之间、重复频率在20~30 kHz之间、扫描速度1000 mm/s左右时,加工高速钢表面沟槽织构的质量较好。同时,压痕实验证明,在织构边缘区域硬度明显增加。
大气光学
中高层大气CO2临边辐射院模拟与观测对比分析
刘栋, 戴聪明, 魏合理
2016, 45(2): 211001. doi: 10.3788/IRLA201645.0211001
[摘要](322) [PDF 1937KB](183)
利用更新的高层大气辐射传输软件(SHARC)中的非局域热平衡辐射传输模式模拟了SABER传感器观测的CO2 15m、4.3m宽带通道临边辐亮度,并与相应的SABER实测数据进行了对比分析。讨论了CO2 non-LTE辐射传输的一般特性;验证了SHARC的可靠性,确定了其适用范围。在一定的精度要求下,利用SHARC模式可以较准确地模拟所有中纬度大气条件的CO2 15m、4.3m带临边辐射特性。而若要更精确地模拟中高层大气CO2 non-LTE辐射特性并应用到极地夏季等极端大气条件下,在提高该高度大气参数精度的同时,改进模式的算法也是必要的。
气溶胶粒子特性和垂直分布对辐射的影响
徐梦春, 徐青山
2016, 45(2): 211002. doi: 10.3788/IRLA201645.0211002
[摘要](327) [PDF 1610KB](191)
数值模拟了在给定条件下气溶胶粒子群平均有效半径和折射率虚部不同时大气层顶的反射强度和到达地面的透射强度,以及不同气溶胶垂直分布对各高度层的反射、透射强度和辐照度的影响。结果表明,当大气气溶胶光学厚度相同时,气溶胶垂直分布对15 km以下的反射和透射辐射影响较大;气溶胶粒子群平均有效半径和折射率虚部越小,大气层顶的反射强度和到达地面的透射强度越大。因此,对于准确地计算大气辐射不仅需要考虑气溶胶总光学厚度,还需考虑气溶胶粒子群的平均有效半径、复折射率和气溶胶垂直分布;计算中若只使用气溶胶模型中的经验值会带来较大误差。
利用CE318太阳光度计资料反演合肥气溶胶光学特性
牟福生, 李昂, 谢品华, 王杨, 徐晋, 陈浩, 张杰, 吴丰成
2016, 45(2): 211003. doi: 10.3788/IRLA201645.0211003
[摘要](287) [PDF 1753KB](230)
利用2012年9月~2014年8月年合肥市西北郊的CE318型太阳光度计观测资料,分析了合肥地区气溶胶光学厚度(AOD)和Angstrom波长指数()的时间变化特征。结果表明,合肥地区AOD全年较高,2012年9月~2013年8月和2013年9月~2014年8月两个时段的年平均值分别为0.600.15和0.730.23。春季受沙尘天气影响气溶胶波长指数最小,秋季受西北高空气团影响AOD最低。研究了AOD和大气水汽含量之间的关系,结果表明AOD和大气水汽含量呈正相关关系。利用Hysplit风场轨迹模型对各个季节的风场进行了研究,合肥春季主要受西北气流(约42%)影响,夏季风场主要受偏南风场(约50%)影响,秋季受北风风场(约39%)影响较大,冬季受西北高空气团影响较大。CE318和MODIS对比结果表明,两者具有较好的一致性,相关系数在0.7以上。
光电测量
单光子测距系统性能优化研究和实现
沈姗姗, 陈钱, 何伟基, 周萍, 顾国华
2016, 45(2): 217001. doi: 10.3788/IRLA201645.0217001
[摘要](328) [PDF 1467KB](200)
为了实现单光子测距系统的最佳性能接收,积分时间一定,分别研究激光功率对该系统的信噪比和距离精度的影响。首先,基于单光子探测机理,引入雪崩触发概率到固定频率的多脉冲累计探测系统线性信噪比模型中,蒙特卡洛仿真和理论模拟一致验证随着激光发送功率的增大,信噪比先增大再趋于稳定数值。其次,建立距离值的方差理论模型,蒙特卡洛仿真研究随着激光功率的增大,距离值精度提高并且趋于稳定数值,死时间增大可降低时间记录点的方差。实验结果表明,在积分时间50 ms和高背景噪声下,发射功率400W左右信噪比可达到最大值,距离精度可达到6 mm的最优值。最终,理论和实验共同验证该系统可以实现单光子测距系统的信噪比和距离精度的最佳性能接收。
莫尔条纹光电信号自动补偿系统
高旭, 万秋华, 卢新然, 杜颖财, 陈伟
2016, 45(2): 217002. doi: 10.3788/IRLA201645.0217002
[摘要](310) [PDF 1503KB](155)
为了保证高精度光电编码器在恶劣工作环境下的精确测量,建立一种基于高分辨力数字电位计+DSP+CPLD的莫尔条纹光电信号自动补偿系统。首先,介绍了自动补偿系统的工作原理及构成,并设计了系统使用过程中的工作模式;融合莫尔条纹信号各个偏差的补偿算法,建立了光电信号细分误差的综合补偿模型;然后,具体阐述了系统的硬件设计、相关软件设计,并分析了补偿系统自身存在的系统误差;最后,以24位光电编码器为实验对象,对该补偿系统进行测试分析,实验结果表明:自动补偿系统可实现编码器精码信号直流电平漂移、等幅性偏差、正交性偏差及二次、三次、五次谐波偏差的综合补偿,可使实际的静态细分误差减小0.61。该系统可用在编码器的工作现场,实现莫尔条纹信号细分误差的自动修正。
一种提高光电跟踪设备捕获概率的搜索方法
张海波, 马勇辉, 季东, 陈冬, 王华培
2016, 45(2): 217003. doi: 10.3788/IRLA201645.0217003
[摘要](274) [PDF 1629KB](182)
大型光电跟踪设备跟踪测量精度高、惯量大、视场小,不具备大空域搜索目标能力,一般依靠雷达等设备提供的引导信息发现捕获目标,当目标引导误差超出光电设备视场后,光电跟踪设备难于发现目标。提出了一种在引导信息基础上的小空域快速螺旋搜索方法,通过系统建模仿真和外场试验验证,此方法适用于在目标引导信息误差超出视场情况下,快速搜索发现目标。在引导误差不超出两倍视场情况下,此方法可使捕获目标概率从20%左右提高到70%左右。此方法搜索过程中转台运动平稳,可根据不同光电设备系统性能、实际目标运动特征和引导误差灵活改变螺旋搜索参数,大大提高光电跟踪设备目标捕获概率,是大型光电跟踪设备小空域快速搜索发现目标的一种实用有效的方法,具有很高的通用性。
利用导通电压降监测SLD的输出光功率
王瑾, 李波, 郭志明, 李龙星, 王维
2016, 45(2): 217004. doi: 10.3788/IRLA201645.0217004
[摘要](243) [PDF 1241KB](145)
由于传统的光功率采集仪精度不高,在实验中无法明显地显示出光功率在短期内的变化,而采集电压的数据采集系统可以很好地解决这个问题。在分析1310 nm超辐射发光二极管(Super Luminescent Diode,SLD)光源的工作原理的基础上,设计了一种在恒温条件下控制驱动电流来使SLD稳定工作的驱动电路,进行了理论分析和实验验证,给出了利用SLD电压降监测输出光功率的新方法,取得了真实可靠的实验数据。通过SLD光源的驱动实验得出输出光功率与驱动电流和SLD两端电压降的相关关系,结果表明,输出光功率与电流具有良好的线性关系,与电压具有良好的正相关指数关系。利用采集电压降监测SLD的输出光功率,大大提高了测试精度和数据分辨率,同时为SLD退化寿命试验提供了新的电学参数。
火箭弹载捷联惯导简易标定路径设计
王志伟, 石志勇, 秦俊奇, 王风杰
2016, 45(2): 217005. doi: 10.3788/IRLA201645.0217005
[摘要](220) [PDF 1871KB](152)
捷联惯导误差标定中考虑的误差主要包括零偏误差、刻度系数误差、安装误差。标定的误差参数越多,难度越大,并且火箭炮在发射标定阶段无线运动,只能进行两自由度角运动,导致误差参数基本不可观测。如果能抓住影响导航精度的主要误差,将可简化标定算法,简化标定过程,提高标定效率。基于这样的思路,将旋转的弹丸类比为旋转惯导,从误差方程入手,采用提取误差直流分量的方法对飞行中的弹载惯导进行误差分析,得出影响导航精度的主要误差参数,然后提出了利用机动前后速度误差的变化的方法进行机动方式设计,该方法不需要求解微分方程,大大降低了计算量。仿真结果表明,所提出的简易标定方案解决了发射准备阶段激励不足,不能进行有效标定的问题。
下一代天文望远镜及巡天任务(上)
黄晨, 王建军, 薛莉, 赵琳峰
2016, 45(2): 217006. doi: 10.3788/IRLA201645.0217006
[摘要](378) [PDF 1196KB](206)
对国际上已完成的光学/红外天文望远镜进行了回顾和总结,详细论述了正在研制建设的下一代天文望远镜,主要包括科学目的、光学结构、搭载仪器、性能参数等。分析了下一代天文望远镜的技术特点、发展趋势。借鉴国外在计划制定、工程应用等方面的经验,结合中国实际提出几点思考和建议。
火星相机研制
张宇烽, 王红杰, 朱永红, 马军, 于生全, 满益云, 王海涛, 高龙
2016, 45(2): 217007. doi: 10.3788/IRLA201645.0217007
[摘要](292) [PDF 1878KB](199)
介绍了火星探测的进展及火星相机的科学目标,分析了空间相机及火星相机的特点,展现了课题组经过数年研究在火星相机工程样机的研制过程中取得的成果。研究内容包括:火星表面物质的光谱特性、火星探测光学遥感器的谱段设置、近火弧段星下点光照条件分析、近火点太阳高度角随时间变化规律、火星表面高程的直方图分布特性分析、考虑火星表面高程因素速高比误差造成的像移、火星相机工程样机研制、火星相机工程样机外景成像试验等。总结了过去的工作,为将来进一步研制火星相机打下基础。所研制的火星相机适用于在环火轨道对火星表面的观测成像。
光学设计及仿真
红外导引头稳定平台主框架拓朴优化设计
刘仲宇, 张涛, 王平, 王统军
2016, 45(2): 218001. doi: 10.3788/IRLA201645.0218001
[摘要](340) [PDF 1333KB](220)
为了提高红外导引头稳定平台动态性能,减小振动环境对其稳定精度和光电载荷成像质量的影响,采用基于变密度法的拓扑优化理论,利用NX/TOSCA软件,以刚度最大化为目标函数,以体积比约束为设计响应约束,对红外导引头稳定平台主框架进行了拓扑优化设计。对比分析了经优化设计和经验设计的主框架结构形式的刚度及模态振型。结果显示,经拓扑优化的主框架在动态性能有所提高的情况下,结构质量大幅地减小,最大变形量由3.2m减小到2.8m,一阶固有频率由1567 Hz提高到1953 Hz,质量减小32.4%,有利于导引头轻量化水平的提升和整机性能的提高。最后,通过振动试验和稳定精度的检测数据验证了主框架的动态性能,说明了拓扑优化结果的正确性,这种拓扑优化方法可为其他重要件结构设计提供帮助。
光电器件与微系统
氟化镁共形整流罩热障效应分析及试验验证
张天翼, 魏群, 王超, 虞林瑶, 朱瑞飞
2016, 45(2): 220001. doi: 10.3788/IRLA201645.0220001
[摘要](253) [PDF 1328KB](145)
围绕氟化镁共形整流罩的热障效应展开分析,模拟了真实飞行状态,建立了整流罩气动加热及其内部传热过程的有限元分析模型,计算不同飞行速度下整流罩的气动热载荷及平均温度;再根据红外探测基本原理,分析各个温度下整流罩的热辐射及其对探测系统成像质量的影响,计算探测器达到饱和状态时整流罩的临界温度,即研究热障效应产生机制;最后用成像试验对分析结果加以验证。分析结果表明,对于该红外成像探测系统,氟化镁共形整流罩的临界温度约为460 K,即在Ma=3的末制导阶段及Ma=4的情形下,热障效应显著,若想进一步加快红外成像制导武器的飞行速度,必须对热障效应加以抑制和校正。各项结论对认识热障效应机理及其校正方法有一定借鉴意义。
电脉冲处理对钛合金超精密切削的影响
吴红兵, 史云龙, 杜雪, 熊瑞斌, 石松
2016, 45(2): 220002. doi: 10.3788/IRLA201645.0220002
[摘要](242) [PDF 1493KB](152)
钛合金材料由于难加工性限制其在各种工业领域的应用。为了改善钛合金材料Ti6Al4V在超精密切削过程中的加工性能,采用电脉冲处理的方法对钛合金材料进行了处理。电脉冲处理改变了钛合金的微结构和力学性能,经其处理后的钛合金材料弹性模量、硬度及塑性等均有一定程度的降低。对电脉冲处理后的钛合金材料进行超精密切削实验,结果表明电脉冲处理能够降低钛合金超精密切削过程中的切削力,同时还可以提高钛合金材料在超精密切削后的表面质量。研究结果证明了电脉冲处理可以作为一种有效改善钛合金加工性能的处理方法。
精密数控抛光碳化硅表面去除特性研究
李卓霖, 李荣彬
2016, 45(2): 220003. doi: 10.3788/IRLA201645.0220003
[摘要](289) [PDF 2058KB](225)
计算机数控精密机械抛光技术是制造高精度、高质量光学元件表面的主要技术之一。然而,对于碳化硅材料表面去除特性方面的研究却相对较少。在航天航空领域中,陶瓷类材料碳化硅的应用较为广泛。针对计算机数控精密机械抛光技术,根据一系列的抛光实验,研究并总结出碳化硅材料表面的去除机理。基于选择不同等级的四种变量参数:抛光磨头转速、抛光压力、磨头补偿量和抛光头角度,分析碳化硅材料表面的去除趋势。采用Taguchi方法可以有效优化实验设计参数、减少实验整体次数。结果表明:文中总结出对应的抛光参数组合和材料表面的去除特性,确保加工出高质量表面的碳化硅材料。
光通信与光传感
基于相移超结构光栅的ROF单边带调制系统
张婵, 宁提纲, 李晶, 李超, 郑晶晶, 马少朔
2016, 45(2): 222001. doi: 10.3788/IRLA201645.0222001
[摘要](343) [PDF 1374KB](166)
提出了一个利用相移超结构光栅构建的典型ROF单边带调制系统。改变倾斜角,光栅就会呈现不同的传播特性。将不同的相移插入光栅的不同位置就会得到不同的透射谱特性。因此该光栅可视为滤波器应用于单边带调制系统中。反射谱的负斜率特性使得低阶边带会经历更高的衰减。所以,仅仅使用一个相移超结构光栅就可以简单地实现双边带到载波单边带的转换。与此同时,还可以通过改变光栅的倾斜角优化光载波抑制比。在实验中,60 GHz的毫米波信号产生的同时光载波抑制比也由33.02 dB优化到1.31 dB,经过30 km光纤传输后的最小误码率可以达到1.966e-44,所以仅仅通过一个相移超结构光栅就可以大大提高链路性能。
空间相干光通信中本振光功率对信噪比的影响
孔英秀, 柯熙政, 杨媛
2016, 45(2): 222002. doi: 10.3788/IRLA201645.0222002
[摘要](401) [PDF 1519KB](225)
为研究空间相干光通信的信噪比受本振光功率、探测器特性和光波偏振态的影响,对探测器在不同工作状态下以及光波偏振态变化时的信噪比进行了研究,讨论了在不同工作状态下探测器特性参数和本振光功率对信噪比的影响,并通过实验验证了本振光功率和光波偏振态对信噪比的影响。结果证明空间相干光通信中探测器特性参数限制了本振光功率的取值,实际最大信噪比小于理论值,最佳本振光功率大于理论值,且两光束的偏振方向越接近,输出信噪比越大,最佳本振光功率越小。
双向多泵浦光纤拉曼放大器偏振相关增益研究
王丹燕, 姜海明, 谢康
2016, 45(2): 222003. doi: 10.3788/IRLA201645.0222003
[摘要](318) [PDF 1370KB](160)
基于光纤拉曼放大器(FRA)的非线性耦合方程,采用数值计算的方法首次系统分析了双向多泵浦FRA系统中的偏振相关增益(PDG)特性。根据4个泵浦光源配置的不同,FRA有14种结构。首先整体分析了这14种不同FRA结构中PDG的特点;然后对其中一种结构FRA系统中PDG的特性进行了更具体的分析,包括泵浦-信号、泵浦-泵浦以及信号-信号拉曼相互作用所产生的PDG。研究结果表明,当泵浦总数目一定时,反向泵浦数目越多,其PDG均值越小;当泵浦总数目和反向泵浦数目都一定时,PDG的大小与反向泵浦光波长关系不大;双向多泵浦FRA系统中的PDG主要由泵浦-信号拉曼相互作用所产生的PDG决定。以上结果对有效降低双向多泵浦FRA系统中的PDG有重要的参考价值。
基于环行腔光纤激光器的应力传感器
余少伟, 裴丽, 温晓东, 刘超, 李超
2016, 45(2): 222004. doi: 10.3788/IRLA201645.0222004
[摘要](269) [PDF 1189KB](233)
提出并演示了一种基于大直径光纤锥的马赫曾德尔干涉仪应力传感器。以锥形光纤马赫曾德尔干涉仪作为滤波器,对掺铒光纤的增益谱进行梳状滤波,最终在环行光纤谐振腔中实现激光的产生并输出。所采用的马赫曾德尔干涉仪在作为滤波器件的同时也能够对光纤轴向应力进行传感,最终实现激光器输出波长随应力增加而向短波长方向漂移,实验结果显示其在波长1557 nm附近传感的敏感度达到了3 pm/。基于该锥形光纤的马赫曾德尔干涉仪具有成本低、制作简便和机械强度高的优点,使其更有利于商业化规模制作。
景象信息处理
动目标多视角观测图像的三维去模糊方法
洪汉玉, 范艳, 邓哲煜, 时愈
2016, 45(2): 228001. doi: 10.3788/IRLA201645.0228001
[摘要](500) [PDF 2022KB](151)
当目标在多视角观测成像系统中有相对运动时,所获取的多观测点图像是模糊的且各视角图像的模糊是不一样的,模糊核长度和方向都不同。针对这一问题,提出了多视角观测图像的三维去模糊方法。现有的图像去模糊方法主要是对单视角观测图像进行二维去模糊的,没有考虑目标多视角观测图像的模糊核之间的对应关系。文中从三维空间到二维观测面的映射关系出发,建立多视角观测图像的模糊路径之间的对应关系。先采用单观测图像去模糊的方法获取两视角观测图像的模糊核,并对模糊核进行精确化处理,得到单像素点宽的模糊核路径。再通过多视角观测图像模糊核路径之间的对应关系,估计其它观测图像的模糊核路径。最后,对多视角观测图像进行统一去模糊,并对去模糊后的多视角观测图像进行三维重建。实验结果表明,文中方法能较好地去除目标多视角观测图像的三维模糊,提高了目标的三维重建质量。
基于SWAD算法的空间面目标高精度跟踪技术研究
杨明冬, 王建宇, 贾建军, 张亮, 强佳
2016, 45(2): 228002. doi: 10.3788/IRLA201645.0228002
[摘要](339) [PDF 1705KB](156)
针对空间面目标的高精度跟踪问题,提出一种面目标高精度跟踪方法,该方法利用SWAD模板匹配算法和亚像素拟合算法提取目标精确的位置信息,并在跟踪过程中对模板进行实时更新。对传统的无限冲击响应滤波模板更新方法进行了改进,提出一种变系数模板更新方法,该方法计算量小,不需要经过复杂的置信度判断,模板更新系数由当前模板图像和当前最佳匹配区域图像的灰度值决定;利用不同亮度的目标,以及对目标图像进行尺度变换模拟姿态变化的目标,比较了该模板更新算法和传统算法的匹配误差,结果表明:该算法能够更好地适应目标姿态的变化;最后通过平行光管和靶标板模拟远场非合作目标,搭建了室内演示试验,证明了利用模板匹配进行高精度目标跟踪的可行性。
基于分类的高光谱图像压缩算法
杨新锋, 胡旭诺, 粘永健
2016, 45(2): 228003. doi: 10.3788/IRLA201645.0228003
[摘要](333) [PDF 1071KB](198)
高光谱图像庞大的数据量给存储与传输带来巨大挑战,必须采用有效的压缩算法对其进行压缩。提出了一种基于分类的高光谱图像有损压缩算法。首先利用C均值算法对高光谱图像进行无监督光谱分类。根据分类图,针对每一类数据分别采用自适应KLT(Karhunen-Love transform)进行谱间去相关;然后对每个主成分分别进行二维小波变换。为了获得最佳的率失真性能,采用EBCOT(Embedded Block Coding with Optimized Truncation)算法对所有的主成分进行联合率失真编码。实验结果表明,所提出算法的有损压缩性能优于其它经典的压缩算法。
基于KL与小波联合变换的多光谱图像压缩
纪强, 石文轩, 田茂, 常帅
2016, 45(2): 228004. doi: 10.3788/IRLA201645.0228004
[摘要](335) [PDF 1669KB](165)
鉴于卫星拍摄的遥感图像的空间分辨率和光谱分辨率越来越高,在一些应用中,常会对多光谱图像进行压缩。为了提高多光谱图像的压缩质量,提出了联合相位相关和仿射变换的图像配准方法,有效提高了图像谱段之间的相关性。针对多光谱图像压缩,提出了结合Karhunen-Love,KL变换去除谱间相关和嵌入式二维小波编码方法。相比JPEG2000谱段图像独立压缩方法,提出方法解压图像的Peak Signal to Noise Ratio,PSNR值平均提高2.1 dB。实验结果表明:所提出的方法能在相同的压缩率下获得比JPEG2000谱段图像独立压缩方法更好的图像质量。
基于压缩感知的偏振光成像技术研究
王朋, 荣志斌, 何俊华, 吕沛
2016, 45(2): 228005. doi: 10.3788/IRLA201645.0228005
[摘要](307) [PDF 2207KB](287)
偏振成像技术是一种基于目标自身辐射或反射信号中所包含的偏振信息获取物体图像的方法,尤其在人工目标的探测和表面识别方面,相对光强度探测方式具有独特的优势。针对传统的偏振成像技术在复杂的成像环境中成像距离短和成像质量差的缺点,提出了一种基于压缩感知的新型偏振光成像技术。阐述了压缩感知理论的基本原理,构造了合适的采样矩阵和重构算法,设计了具体的成像系统,并通过压缩感知偏振成像实验证明了该成像技术的可行性。空气中实验结果表明,该成像系统能够重构出预先放置目标靶的偏振图像。此外在现有的实验条件基础上讨论并提出了几种改进系统成像质量的措施。
空间碎片探测
天基平台激光清除厘米级空间碎片关键问题探讨
洪延姬, 金星, 常浩
2016, 45(2): 229001. doi: 10.3788/IRLA201645.0229001
[摘要](381) [PDF 1165KB](205)
利用激光方式清除低轨大量的厘米级空间碎片已经成为国际上的研究热点。激光清除空间碎片是巧妙地利用了碎片在激光辐照下的冲量耦合特性和冲量作用下的减速降轨特性。围绕着冲量耦合和减速降轨特性,讨论了激光辐照下空间碎片等离子体羽流喷射、激光辐照空间碎片冲量耦合效应测试、天基平台激光辐照下空间碎片轨道预测以及用于碎片清除的天基平台激光器参数设计四个关键问题,分析了涉及的技术难点,可采用的研究方法,以及能够实现的技术水平。通过对关键技术问题的探讨,为进一步开展天基激光清除碎片技术工程化奠定基础。
地基激光辐照近地轨道小尺度空间碎片作用规律研究
方英武, 赵尚弘, 杨丽薇, 王轶, 楚兴春, 蒙文, 林宝勤
2016, 45(2): 229002. doi: 10.3788/IRLA201645.0229002
[摘要](368) [PDF 1289KB](133)
通过研究脉冲激光与铝靶碎片的膨胀运动以及冲量耦合的相互作用,仿真分析了铝靶碎片在等离子体作用下的速度和压力时空分布规律以及冲量耦合系数与激光功率密度之间的定量关系;在此基础上,建立了基于地基的脉冲激光辐照近地轨道小尺度空间碎片动力学变轨仿真模型,模拟研究了近地轨道小尺度空间碎片移除过程中轨道偏心率与近地点高度随激光脉冲数目变化的影响规律。结果表明:在最优冲量耦合系数作用下,当脉冲数目达到180次轨道偏心率为0.071时,基于此文的条件可实现近地轨道小尺度空间碎片的有效移除。预期成果可为高能激光移除近地空间碎片技术的应用提供技术指导。
曲靖非相干散射雷达探测空间碎片初步成果
金旺, 刘拥军, 孙明国, 吴健
2016, 45(2): 229003. doi: 10.3788/IRLA201645.0229003
[摘要](313) [PDF 1046KB](196)
在介绍曲靖非相干散射雷达的基本情况和工作参量的基础上,给出了雷达探测空间碎片的灵敏度,报道了2014年11月18日空间碎片探测的实验结果,与理论轨道计算值比较,目标的距离值有很好的一致性,确认了7个编目碎片,证实了利用曲靖非相干散射雷达开展空间碎片探测的可行性。经过进一步的技术革新,曲靖非相干散射雷达有望观测直径为5 cm左右的空间碎片,并通过组网等技术手段进一步扩充空间碎片和其他自然天体目标的跟踪能力。
空间碎片精密测角和测距仿真数据定轨性能分析
杜建丽, 李彬, 陈立娟, 雷祥旭, 吴满意, 桑吉章
2016, 45(2): 229004. doi: 10.3788/IRLA201645.0229004
[摘要](388) [PDF 1283KB](194)
目前空间碎片精密跟踪数据可以通过光学测角和激光测距两种手段获取。文中旨在通过大量的仿真实验来分析上述两种手段获取的数据对碎片定轨及预报性能的影响,以期根据各自的特点更好地利用稀缺的数据资源。首先利用了2015年1月Starlette和Larets卫星CPF精密预报轨道作为参考轨道,仿真生成基于国内区域内4个观测站精度1的测角数据和精度1 m的测距数据,然后,利用仿真数据生成单站和双站算例并进行定轨,得到完整弧段及部分弧段的测角、测距数据定轨预报结果。结果表明:在上述观测数据精度基础上,测角数据较测距数据在定轨中的表现更加稳定,将完整通过弧段缩短至90 s时,约75%的角度定轨算例的短期(1~2天)预报轨道仍能够满足20精度要求。实验结果同时表明:单站、双站定轨预报误差分布相似。
区域观测卫星激光反射器有效反射面积的设计
程志恩, 张忠萍, 张海峰, 李朴, 汤凯, 孙建锋
2016, 45(2): 229005. doi: 10.3788/IRLA201645.0229005
[摘要](297) [PDF 1288KB](146)
卫星激光反射器阵列结构决定有效反射面积分布,进而影响激光回波强度。在某些小型卫星应用中,地面台站只需对卫星局部天区过境观测,但激光反射器需数十平方厘米的有效反射面积,且对质量和尺寸有限制,需合理设计激光反射器阵列排布指向以满足大的有效反射面积应用需求。推导了不同指向角反射器有效反射面积计算模型,并以某一局部天区观测的低轨卫星激光反射器为例,给出了有效反射面积的仿真结果,并进行了实验室测试。结果表明,局部天区观测卫星激光反射器的有效反射面积设计与测试结果相符,为区域观测卫星激光反射器应用奠定了基础。
使用区域重构技术的路径无关相位解包方法
李博, 马锁冬
2016, 45(2): 229006. doi: 10.3788/IRLA201645.0229006
[摘要](282) [PDF 2249KB](199)
相位解包在光学测量领域有着广泛的应用,其中路径相关类解包方法通常计算速度较快,但抗噪声能力较弱;而路径无关类方法的鲁棒性好,但大多存在迭代收敛慢、计算量大的问题。因此,将区域重构技术引入解包运算中,得到一种新的路径无关类解包方法。该方法对于矩形区域数据能够直接求解解包相位,无需迭代过程;设计了采样-重组加速方法使运算量大幅减小,计算速度优于同类解包方法;使用Gerchberg式迭代过程能够解决不规则孔径内的数据解包问题,可在少量迭代后收敛。通过仿真验证了该方法在矩形区域内的直接求解精度和加速法的效能,通过对实验数据的解包验证了算法处理不规则孔径数据的能力。