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2018年  第47卷  第4期

院士报告
激光增材制造成形合金钢件质量特征及其检测评价技术现状(特邀)
徐滨士, 董世运, 门平, 闫世兴
2018, 47(4): 401001. doi: 10.3788/IRLA201847.0401001
[摘要](352) [PDF 2656KB](195)
无损检测技术是合金钢构件激光增材制造的重要技术支撑,是保证激光增材制造产品质量和在役安全性的关键技术,是贯穿产品全寿命安全保证的重要技术组成。金属激光增材制造合金钢件成形、组织和力学性能不同于传统技术制造构件性能,使得无损检测技术面临诸多挑战。综述了激光增材制造合金钢成形质量特性,包括成形缺陷和力学性能;基于无损检测技术,论述了无损检测技术在激光增材制造合金钢件质量评价中的应用,重点论述了无损检测技术在激光增材制造构件缺陷和力学性能中的应用现状;提出了基于超声和微磁检测技术评价材料力学性能的原理、标定方法和微磁传感器设计方案;最后总结了无损检测评价技术在激光增材制造合金钢件检测评价应用中面临的挑战和发展趋势。
光电测量
圆锥近似Wolter-I型X射线望远镜用柱面反射镜面形误差检测方法
刘娜, 沈正祥, 马彬, 魏振博, 徐旭东, 王占山
2018, 47(4): 417001. doi: 10.3788/IRLA201847.0417001
[摘要](253) [PDF 1399KB](79)
基于热弯玻璃的圆锥近似Wolter-I型X射线聚焦望远镜采用在凸柱面镜模具上热弯超薄玻璃的反射镜片制作方式,柱面镜低频面形误差和中频波纹度是影响望远镜聚焦性能的主要因素,因此高精度快速检测凹凸柱面镜中低频表面误差是研制中的关键技术。传统的柱面样板法无法检测超薄镜片,且只能检测对应样板半径的面形,检测效率低,无法满足要求。采用基于计算全息的零位补偿干涉检测法和激光扫描两种方法,对超光滑凸柱面模具和超薄凹柱面镜片进行快速定量检测,计算了两种检测方法的功率谱密度,通过表面的斜率误差拟合得到点扩散函数曲线和半功率直径。结果表明:两种方法都能够快速定量表征中低频表面误差对X射线望远镜角分辨率的影响,为提高反射镜制作精度和改善X射线望远镜聚焦性能提供了技术支撑。
2π空间全天空偏振观测系统研制与验证
柯子博, 李延飞, 吴水平, 王洪, 晏磊
2018, 47(4): 417002. doi: 10.3788/IRLA201847.0417002
[摘要](261) [PDF 1383KB](76)
在遥感观测中,天空偏振模式是大气效应的重要特征。它描述了全天空的偏振信息分布,大气效应对偏振观测的影响巨大,因此研究大气的偏振光效应是根本,它可以为减小大气效应对偏振图像的影响提供新思路。由于不同的区域和不同的观测条件对应于不同的天空偏振模式,研制天空偏振模式观测的仪器则成为了必要的前提。文中的重点在于设计一个全天空偏振观测仪器,通过精度测量,验证它的可用性。文中首先介绍了仪器的主要组成部分,包括仪器机械结构,光学设计以及电路控制,然后分析仪器的控制策略以及控制精度,最后通过对比试验,结果显示该天空偏振观测仪器可靠。
光学元件激光损伤在线检测装置
史亚莉, 陶显, 周信达, 张家斌, 丁磊, 张正涛
2018, 47(4): 417003. doi: 10.3788/IRLA201847.0417003
[摘要](239) [PDF 1556KB](72)
设计并搭建了一套光学元件表面损伤检测装置,用于激光损伤实验中光学元件表面损伤的自动化在线检测。装置主要由自动变倍显微相机、高精度位移传感器、两维扫描轴、调焦轴、快速复位平台和系统控制器组成。两维扫描轴按照规划好的弓形路径对光学元件表面激光辐照区域进行扫描,调焦轴对位移传感器反馈的离焦量进行实时修正,显微相机采集子图像并进行保存。首先,分析影响图像拼接精度的主要误差源并通过图像矫正等方法进行补偿;然后,利用图像拼接技术将矫正后的子图像矩阵进行高精度无缝拼接,得到大面积高分辨率的光学元件表面损伤图像;最后,对损伤图像进行后处理得到损伤个数和损伤面积等信息。实验结果表明:装置在5 min内实现了光学元件表面15 mm15 mm区域的扫描拼接和检测,成像系统分辨率优于228 lp/mm,图像拼接误差小于2 pixel。
应用OCT成像技术对海水珍珠的无损测量研究
董俊卿, 李青会
2018, 47(4): 417004. doi: 10.3788/IRLA201847.0417004
[摘要](322) [PDF 3535KB](64)
为探明两种不同大小的海水珍珠的内部结构差异,利用一种新型扫频光学相干层析(OCT)成像系统和Raman光谱仪,无损分析了中国南珠和南洋珠两类海水珍珠。Raman光谱分析表明,这批海水珍珠主体物相皆为文石,未检测到人工有机染色物和添加物。基于该OCT成像系统的测量和图形处理功能,对这批海水珍珠珠层厚度进行了快速、有效的测量,并根据珠层厚度,将其质量等级分成五等。对比分析了这批海水珍珠样品的厚度与直径,除少数样品外,这批海水珠层厚度与珍珠直径呈弱正相关。此外,通过OCT二维图像的纹理特征,对这批海水珍珠的珍珠层、过渡层、珠核层组织的均匀性等进行了归类和评估。OCT成像技术可为珍珠的珠层厚度和均匀性质量分级提供重要依据。
基于灰阶靶标的高分辨光学卫星传感器在轨绝对辐射定标
徐伟伟, 张黎明, 李鑫, 杨宝云, 王戟翔
2018, 47(4): 417005. doi: 10.3788/IRLA201847.0417005
[摘要](317) [PDF 1342KB](29)
辐射定标是光学卫星传感器遥感信息定量化的关键技术之一。基于多灰阶靶标的星载多光谱相机在轨绝对辐射定标方法,以地面漫射辐射/总辐射比、大气光学厚度等参数的实际测量代替气溶胶散射特性假设,通过参照目标反射辐射与大气程辐射及地气耦合辐射的分离,简化定标流程,并突破大面积辐射校正场受时空条件的限制,实现高分辨率多光谱遥感器全动态范围内的高精度、高频次、业务化定标。试验结果表明:基于灰阶靶标的高分辨光学卫星传感器在轨绝对辐射定标不确定度优于3.5%,与反射率基法定标结果的差异优于5%,且适应于复杂环境条件下在轨定标的应用需求。
边缘恢复的大尺寸平面零件测量方法
李晓捷, 王佳, 耿磊, 叶琨
2018, 47(4): 417006. doi: 10.3788/IRLA201847.0417006
[摘要](248) [PDF 1735KB](41)
针对平面零件在背光源照射下成像存在伪边缘而造成测量精度下降的问题,提出了一种从被测物伪边缘中恢复准确边缘的测量方法。首先,采用Canny算子提取平面零件的像素边缘,在此基础上利用高斯曲面拟合算法实现亚像素边缘定位,得到伪边缘;然后,提出一种基于方向角差值的边缘点判别法从伪边缘中区分上下边缘点并提出欧氏距离平均值法获得被测物上边缘;最后,利用相似三角形法将上边缘转换到测量平面,结合摄像机标定参数求解平面零件的尺寸。实验结果表明,在1 200 mm800 mm的视野范围内,对不同厚度的平面零件进行尺寸测量,绝对误差小于0.08 mm,相对误差小于0.05%。
轨道角动量叠加态的产生及其检验
柯熙政, 薛璞
2018, 47(4): 417007. doi: 10.3788/IRLA201847.0417007
[摘要](344) [PDF 2403KB](102)
带有螺旋相位分布的波束都具有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM),其螺旋相位取决于OAM态拓扑荷数。理论分析了叠加涡旋光束的相位及光场分布,然后将叠加态涡旋光束的相位分布图加载到空间光调制器上产生了多态涡旋光束,讨论了不同拓扑荷数叠加时光场衍射图的分布情况。实验结果表明,叠加态的涡旋光束光场衍射图随着叠加光束拓扑荷数的正负以及数值而呈一定规律性变化,即当叠加的两束光拓扑荷数为异号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数绝对值之和;当叠加的两束光拓扑荷数为同号时,衍射产生的光斑数为两束光拓扑荷数之差的绝对值。通过此性质可以检验涡旋光束的拓扑荷数,为叠加涡旋光束在自由空间光复用通信系统的拓扑荷数检测提供了新的方法。
基于理想弹道的全捷联弹药视线角估计方法
刘振亚, 高敏, 许路铁
2018, 47(4): 417008. doi: 10.3788/IRLA201847.0417008
[摘要](278) [PDF 1264KB](44)
针对惯性测量元件不能满足低成本制导弹药作战需求问题,提出一种基于理想弹道的全捷联激光半主动末制导弹药视线角估计方法。该方法根据弹目相对运动模型及导引头量测模型建立非线性滤波系统;针对弹体运动参数在末制导段变化范围较小的特点,通过分析弹体运动参数对系统不确定性的影响,将理想弹道弹体运动参数标准值作为滤波系统参数;利用激光半主动导引头量测信息,结合容积卡尔曼滤波对弹目视线角进行估计。数字仿真实验结果表明:在小扰动条件下,弹目视线倾角与偏角末制导段的均方根误差分别为0.182与1.668,其最大估计误差分别为0.259与2.913,具有较好的估计精度与鲁棒性能。
红外技术及应用
基于一类支持向量机的盲元检测方法
张东阁, 傅雨田
2018, 47(4): 404001. doi: 10.3788/IRLA201847.0404001
[摘要](275) [PDF 1287KB](48)
利用无监督学习的一类支持向量机(One Class Support Vector Machine,OCSVM)和随机场景图像序列,构造滚动更新的像元分类模型,实现红外焦平面盲元的在线检测。根据正常像元和异常像元数量和灰度特征的差异,以随机图像序列作为输入数据,使用OCSVM建立单一类别的像元分类模型,灰度变化的像元归为一类,其他像元不属于此类。由于随机图像序列的滚动更新,OCSVM模型及支持向量也随之更新。统计支持向量的频次,高频次支持向量对应的像元聚为一类,即为异常像元。以320256中波红外图像序列为例,说明了OCSVM模型进行盲元检测的过程,检测结果与黑体定标的结果一致。基于随机场景和OCSVM模型的盲元检测方法摆脱了定标黑体的约束,提高了盲元检测的灵活性。
双通道热红外标准辐亮度计定标方法研究
谢臣瑜, 李健军, 庞伟伟, 夏茂鹏, 郑小兵
2018, 47(4): 404002. doi: 10.3788/IRLA201847.0404002
[摘要](328) [PDF 1002KB](48)
黑体辐射源作为初级标准,其辐射特性的测量精度决定了整个标准传递链路的不确定度。为了提高黑体的辐亮度测量精度,研制了一台可直接观测黑体辐亮度的双通道热红外标准辐亮度计。根据仪器的工作原理,采用自行研制的高精度水浴黑体获取标准辐亮度计的定标系数。实验结果表明,该辐亮度计的1 h信号非稳定性优于0.3%,定标系数拟合不确定度优于1.23%,5 m通道整体不确定度为0.39%,10 m通道整体不确定度为1.3%。可实现黑体辐亮度与实验室辐射标准之间的传递。
光纤激光泵浦的多波长中红外光参量振荡器
余光其, 王鹏, 宋伟, 刘奎永
2018, 47(4): 404003. doi: 10.3788/IRLA201847.0404003
[摘要](461) [PDF 1287KB](54)
介绍了一种光纤激光泵浦的三波长中红外光参量振荡器。在最大泵浦功率70.7 W,泵浦波长为1 060、1 065、1 080 nm的情况下,实现了8.7 W的中红外闲频光输出,斜效率达到16%,闲频光三个波长分别为3 132、3 170、3 310 nm,但产生的信号光只有一个波长为1 604 nm。对实验结果进行了理论分析和实验测试,得出在谐振腔内1 060 nm泵浦光发生了光参量振荡,而1 065、1 080 nm泵浦光分别与1 604 nm信号光发生了差频过程,同时还利用差频转换效率理论对1 065、1 080 nm差频产生的闲频光强度的差异进行了分析和解释。
基于中波制冷型碲镉汞探测器的远距离探测/识别连续变焦热像仪
陈津津, 苏君红, 金宁, 浦恩昌, 张皓, 苏俊波, 周立钢, 明景谦, 徐曼, 杨开宇, 宋治航
2018, 47(4): 404004. doi: 10.3788/IRLA201847.0404004
[摘要](466) [PDF 2454KB](68)
基于中波制冷型640 pixel512 pixel(15m)凝视焦平面探测器,设计了远距离探测/识别的高清晰大变倍比连续变焦热像仪。该热像仪变倍比为35,长焦处瞬时视场(IFOV)为0.027 mrad/pixel,在标准大气环境中观察视场角为3528,能够对4 m3 m2.3 m尺寸的车辆进行55 km处探测、15 km处识别(识别概率为50%),满足现代光电武器系统的远距离作战需要。热像仪采用平滑的变倍-补偿曲线光学系统设计、单导轨/双滑块变焦结构技术、自适应伺服控制技术以及红外图像增强技术,获得了在整个大变倍比的连续变焦过程中图像始终清晰并且无间断点。在奈奎斯特频率处(18 cyc/mrad)进行最小可分辨温差(MRTD)测试,测试结果表明该热像仪性能优良,证明该热像仪的各项关键技术实现了从理论设计到整机系统的工程化研究。
中红外差分式CO检测仪的设计与实验
李国林, 季文海, 王一丁
2018, 47(4): 404005. doi: 10.3788/IRLA201847.0404005
[摘要](251) [PDF 1048KB](49)
CO分子在4.6 m具有最强吸收峰,以此作为气体吸收的中心波长,结合光源EMS200光源的发光特性,设计开放式的球面反射镜气室,采用单探测器双通的结构,研制了一种中红外差分式CO检测仪。利用模拟混合气站配备标准的CO气体浓度,对该仪器的相关性能开展研究。研究表明:仪器分辨率为20 ppm(1 ppm=10-6),最低检测下限为18 ppm。CO浓度在30~1 500 ppm范围内,其测量误差不超过8.5%。与激光光谱技术的CO检测仪相比,该系统采用脉冲红外热光源,其性价比高;采用开放球面反射镜气室,光路简单易于实现。所以该CO检测仪在煤矿开采、环境监测、石油化工等领域具有较高的实际应用价值。
红外光学薄膜材料折射率温度特性的研究方法
王多书, 李佑路, 李凯朋, 王济洲, 董茂进
2018, 47(4): 404006. doi: 10.3788/IRLA201847.0404006
[摘要](310) [PDF 1203KB](56)
红外光学系统中靠近探测器的光学元件通常处于低温环境中,低温环境会使得光学元件表面薄膜的透射光谱发生漂移,进而严重影响红外光学系统的成像质量。研究发现光谱漂移是由于系统中红外光学薄膜的折射率发生了改变。论文针对红外光学薄膜材料折射率温度特性开展了研究,在光学薄膜理论基础上,通过分析几种波长色散模型的特点,提出了一种红外光学薄膜材料折射率温度特性的研究方法。该方法基于不同温度测得的透射率光谱,通过光谱反演得到不同温度条件下光学薄膜材料的折射率,并在Cauchy色散模型的基础上,通过数据拟合分析,能够得到红外光学薄膜材料的折射率温度/波长色散公式。采用该方法对PbTe、Ge两种典型红外光学薄膜材料折射率温度特性进行了分析研究,验证了该方法的可行性。
第二代静止轨道气象卫星用多波段红外探测器封装及性能
刘大福, 徐勤飞, 汪洋, 贾嘉, 袁洪辉
2018, 47(4): 404007. doi: 10.3788/IRLA201847.0404007
[摘要](267) [PDF 1419KB](60)
第二代地球静止轨道(GEO)气象卫星用于定量化气象预报,中国已经成功研制出该卫星。卫星上扫描辐射计的探测波段从第一代风云二号的四个增加到现在的十四个,十四个波段中有八个是红外波段,覆盖了短波到甚长波的红外波段。这八个红外波段由三个组件来实现,分别是短波双波段组件(MS-IR),水汽双波段组件(WV-IR)和长波四波段组件(LW-IR)。MS-IR组件内包含两个81光伏型的MCT探测器芯片,及相对应的两个用于光电输出的电压信号转换和放大的CMOS低温放大器。WV-IR包含两个41 MCT探测器芯片。LW-IR包含两个41和一个42 MCT探测器芯片。这些组件具有较高的电学和光学特性,如MS-IR的D*可达11012 cmHz1/2 W-1。WV-IR的D*优于81010 cmHz1/2 W-1。这八个波段的响应谱均实现了定量化控制,即响应谱控制在给定的内部和外部限制边内。对组件进行了狭缝扫描测试,结果表明组件内部没有明显的光学串扰。没两个波段间的配准精度优于0.01 mm。文中描述了这些组件的结构以及达到的性能,如电性能,芯片配准,光学串扰和光谱响应。
红外制导弹药协同定位跟踪方法研究
臧路尧, 林德福, 杨哲, 王武刚
2018, 47(4): 404008. doi: 10.3788/IRLA201847.0404008
[摘要](257) [PDF 1744KB](73)
针对红外制导导弹无法直接测量弹目距离、视线角速度及目标加速度等制导信息,且单枚导弹的可观测量少,目标定位误差大的问题,考虑红外导引头的测量特性,利用多枚导弹与目标的几何关系对目标进行协同定位。建立多枚导弹对目标的协同跟踪模型,通过计算导弹间相对运动关系估算弹目距离,并将其作为伪量测量,结合导引头测角信息构建新的量测方程,利用卡尔曼滤波估计出弹目距离和视线角速度等制导信息。针对机动目标,研究了一种基于交互式多模型滤波方法,利用多个目标机动模型加权融合的方法来估计真实目标机动模型。数学仿真表明该方法有效提高了对固定/机动目标的估计精度。
激光技术及应用
激光相控阵与微波相控阵发射天线技术体制的比较
慈明儒, 刘京郊, 姜东升, 韩龙, 刘金生
2018, 47(4): 406001. doi: 10.3788/IRLA201847.0406001
[摘要](281) [PDF 974KB](76)
借鉴微波相控阵雷达技术,有的放矢加快探测型激光相控阵雷达的技术发展与应用,从仿学微波相控阵雷达发射天线基础知识入手,提出微波相控阵雷达发射天线与光纤激光相控阵发射天线可比较的部分技术参数;分析了光纤激光相控阵发射天线的技术要点与潜在能力,并立足现有研发水平对其系统功能与规模进行了预测;尝试对光纤激光相控阵与微波相控阵天线的技术特点与面临主要问题进行了论述;提出两者体系内互相配置,不仅有助于提高微波相控阵雷达在复杂电磁环境下对中近程高速、隐身和多目标的探测、识别与定位能力;同时也可适当减少激光相控阵对目标大范围区域搜索的压力的观点。
APD探测器的性能对激光雷达反演CO2浓度误差影响研究
左维康, 朱亚丹, 邱敏, 刘继桥, 陈卫标
2018, 47(4): 406002. doi: 10.3788/IRLA201847.0406002
[摘要](266) [PDF 1198KB](46)
星载积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达是全天时全球范围内探测CO2浓度的一种有效的方法,而作为接收系统关键元件的光电探测器对激光雷达系统性能有着较大的影响。雪崩光电二极管(APD)有着较大的动态范围与高的响应度,因此它在星载激光雷达中广泛应用。介绍了IPDA激光雷达和APD探测器的工作原理,并根据实际工作条件,测试了一款APD探测单元的响应度、动态范围、不同光功率下的信噪比等主要性能参数,分析了这些性能参数对星载激光雷达CO2浓度的反演带来的影响。结果表明,在CO2浓度为400 ppm(1 ppm=10-6),吸收波段信号的探测器输出电压在280~980 mV范围内时,APD探测器本身的非线性和噪声造成的误差小于0.8 ppm。
周视激光成像引信设计及仿真
刘博虎, 宋承天, 段亚博
2018, 47(4): 406003. doi: 10.3788/IRLA201847.0406003
[摘要](288) [PDF 1495KB](74)
激光成像探测是引信技术发展中一个重要方向,周视成像探测技术可以有效提高引信系统的探测能力。文中首先提出一种简易周视激光成像引信原理和结构,在弹目交会过程中可实现360周视探测的目标成像;其次建立弹目交会模型和目标3D模型,模拟简易周视激光成像引信对空和对地面目标成像探测的过程;最后设计简易周视激光成像引信的仿真软件,用于生成引信在不同弹目交会条件下的仿真数据,包括目标灰度图像、二值图像、回波信号等,可为周视成像引信的图像识别电路设计和最终的工程化实现提供可靠依据。
大能量长脉冲激光能量计吸收体温度特性
李南, 乔春红, 范承玉, 杨高潮
2018, 47(4): 406004. doi: 10.3788/IRLA201847.0406004
[摘要](263) [PDF 1233KB](28)
以大能量长脉冲激光能量的准确测量需求为牵引,针对激光能量计吸收体温度特性进行了数值分析研究。结果表明:吸收体内壁温度随脉冲结构呈周期性振荡,随着壁深的增加,震荡幅度迅速地降低,吸收体外壁温度周期性消失。单脉冲能量相同时,脉宽越短,吸收体内壁温升越高;重复频率越高,吸收体内壁温升越高。而总能量相同时,重复频率越高,内壁温升越低。通过对吸收体结构的优化设计,不仅能够获得序列长脉冲激光的总能量,而且可以获得低重频(一般不大于10 Hz)序列脉冲激光的每个脉冲能量,从而为长脉冲激光能量计的设计及应用等提供参考依据。
无保护层激光冲击对GH3044涡轮机匣围观组织和性能的影响
谢孟芸, 汪诚, 张佩宇, 明继青, 陈辉
2018, 47(4): 406005. doi: 10.3788/IRLA201847.0406005
[摘要](314) [PDF 2114KB](30)
针对激光冲击强化涡轮机匣部件难以贴覆吸收保护涂层的问题,提出无保护层激光冲击(LSPwC)+水砂纸磨除烧蚀层的复合工艺,研究LSPwC对GH3044合金微观组织和力学性能的影响,验证复合工艺的可行性。采用能谱仪(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)和金相显微镜分析试样表层元素组成和微观组织,通过测试残余应力和高周疲劳寿命表征其力学性能。结果表明,LSPwC在试样表层产生约10~15 m的烧蚀层,烧蚀层内碳、氧元素富集且残余拉、压应力交替存在,烧蚀层以下晶粒和碳化物不同程度地均匀细化;相比原始试样,LSPwC对GH3044合金疲劳寿命提升不明显;水砂纸磨除烧蚀层后,试样表面残余压应力约510 MPa,影响深度层达1 mm,疲劳寿命提高到原始试样的3倍。
航天器用内螺纹的气体湍流激光多普勒式检测
王涛, 昝占华, 张翠亭, 姚建铨, 马俊杰, 蔡军, 李玉翔
2018, 47(4): 406006. doi: 10.3788/IRLA201847.0406006
[摘要](260) [PDF 1124KB](30)
为了解决航天器操纵旋转套筒内螺纹的自动检测问题,特别是在内螺纹件表面有油污与锈蚀时,单纯地利用光学图像检测的方法很难更好地解决问题,利用平流气体吹向内螺纹,从而形成了映射着内螺纹形貌的湍流输出,然后利用多普勒激光测量内螺纹的湍流特性。研究了内螺纹气体湍流的拉伸与压缩过程的数据特性,利用箱线图的方法处理内螺纹湍流数据,建立了内螺纹湍流箱线图的标准样板库,将检测数据与标准样板对比检测,结果表明:当异常值阈值设为7%时,检测准确率为99.3%。气体湍流激光多普勒式检测内螺纹方法可行,克服了表面油污等难点,完全满足检测的要求。
拉曼激光光学锁相环参数设计及仿真
李丁, 马慧娟, 茹宁, 王宇
2018, 47(4): 406007. doi: 10.3788/IRLA201847.0406007
[摘要](331) [PDF 1471KB](59)
光学锁相环(Optical Phase-locked Loop,OPLL)技术是实现激光相位相干的有效方法。鉴于环路滤波器参数直接影响光学锁相环系统的整体性能,提出了一种二阶无源环路滤波器参数的优化方法。首先,根据相角裕度定义及系统开环传递函数的数学模型,推导出环路滤波器参数设计的公式,并设计了一种基于MATLAB的参数优化算法。然后,为精确地设计拉曼激光光学锁相环参数,设计了消多普勒饱和吸收谱实验,并对激光器的压电陶瓷端口反馈增益参数进行测量。在锁相环闭环控制系统性能仿真中,得到了单位阶跃响应的超调量为6.53%,调节时间为0.584s。最后,对拉曼激光光学锁相环各个模块进行Simulink建模并仿真,仿真结果表明锁相环能够实现对拉曼光相位锁定且锁定时间为2s,因此,验证了锁相环参数设计方法的正确性。在工程应用中,为光学锁相环的参数设计提供了重要参考价值。
全息打印技术研究进展
黄应清, 苏健, 陈祎贝, 闫兴鹏, 蒋晓瑜
2018, 47(4): 406008. doi: 10.3788/IRLA201847.0406008
[摘要](329) [PDF 3781KB](106)
全息打印技术可以实现场景的真三维显示,根据干涉纹样的不同来源及不同记录方式,可将其归类为合成全息体视图打印、计算全息图打印与全息波前打印。合成全息体视图打印无法准确记录三维场景的深度信息,因而全息图再现时存在会聚-调节矛盾;计算全息图打印能够准确记录与再现场景的深度信息,继而解决会聚-调节矛盾,然而仅能得到薄的透射型全息图,因而无法实现白光再现;全息波前打印既可以解决会聚-调节矛盾,又可以得到厚的反射型全息图,实现具有良好观察效果的白光再现。首先介绍了各类全息打印技术的基本原理,着重分析了各自的研究现状,然后讨论了它们的优缺点,以说明各类全息打印技术的特性。
光学设计及仿真
紧凑型红外成像光谱仪光学设计
袁立银, 谢佳楠, 侯佳, 吕刚, 何志平
2018, 47(4): 418001. doi: 10.3788/IRLA201847.0418001
[摘要](343) [PDF 1507KB](120)
为降低成像光谱仪对工作平台体积质量的需求,优化光路布局,提高系统的热适应性,阐述了一种紧凑型红外成像光谱仪的光学系统设计。考虑结构尺寸和像差平衡,光学设计中引入了扩展多项式面型。系统光谱范围为1~3.4 m,F/数为2.86,光谱采样间隔为7.5 nm。光学系统由一个自由曲面三反射镜望远镜和一个基于平面光栅的自由曲面光谱仪组成。望远镜准远心设计,与后方远心光谱仪光瞳匹配,无畸变且像方空间便于其他结构模块布局。光谱仪像质优良,光谱畸变校正良好,像面倾斜得到改善便于探测器布局。从光栅衍射效率设计、杂散光抑制和光机一体化集成镜件设计三方面对该系统作了分析,结果表明系统具有工程可行性。
X射线聚焦望远镜的支撑结构设计与力学实验分析
谢文亮, 沈正祥, 余俊, 王占山, 黄帆, 陈昌亚, 范峰
2018, 47(4): 418002. doi: 10.3788/IRLA201847.0418002
[摘要](292) [PDF 2171KB](39)
掠入射X射线聚焦望远镜的支撑框架结构设计是望远镜研制的关键技术之一。国内规划中的XTP卫星低能聚焦望远镜拟采用基于超薄玻璃的X射线聚焦望远镜方案,针对望远镜样机严苛的光学和力学性能要求,经过结构选型优化,设计了一种一体化的六边形桶式望远镜支撑结构。利用有限元软件对支撑结构进行了模态分析和频率响应分析,并与力学实验进行了对比验证。结果表明,该支撑结构具有较大的结构刚度,望远镜结构在发射环境下不会发生破坏性改变,满足力学性能要求。该支撑框架结构简洁、装配精度高,具有良好的工艺性,为望远镜的研制提供了参考。
基于BOS技术的气动光学流场传输效应成像偏移校正方法研究
丁浩林, 易仕和, 吴宇阳, 张锋, 何霖
2018, 47(4): 418003. doi: 10.3788/IRLA201847.0418003
[摘要](266) [PDF 2741KB](47)
高速成像制导导弹在大气中飞行时,受到气动光学效应的影响,目标成像位置与其实际位置之间出现偏差。实现对气动光学效应成像偏移校正,对于提高制导精度意义重大。气动光学效应成像偏移具有很强的随机性和非线性,校正起来十分困难。通过利用背景纹影技术测量光线穿过变折射率场后的光线偏移量,建立畸变图像与参考图像之间的控制点对,采用局部加权平均拟合方法构建用于图像校正的映射函数,利用双三次卷积方法对图像灰度值进行重采样处理,完成对畸变图像的校正。分别对固定相位物(透镜)和喷流马赫数3.0的超声速气膜引起的成像偏移进行校正,实验结果验证了校正方法的有效性。
远程激光拉曼光谱探测系统前置光学系统设计
王帅, 夏嘉斌, 姚齐峰, 董明利, 祝连庆
2018, 47(4): 418004. doi: 10.3788/IRLA201847.0418004
[摘要](314) [PDF 1770KB](84)
为实现远程物质高空间分辨力的拉曼光谱探测,设计了共孔径远程激光拉曼光谱探测系统的前置光学系统。光学系统采用共孔径结构,实现了激光发射系统、拉曼光收集系统及微区成像系统的共孔径、共光轴。设计的光学系统能够对激光进行聚焦以缩小激光光斑尺寸,使系统具有优于0.125 mrad的空间分辨率。该拉曼光收集透镜有效通光口径为50 mm,拉曼散射光在耦合透镜焦平面上的像高小于25m,可以与50m狭缝宽度的光谱仪进行空间光耦合,也可使用50m芯径的光纤来耦合光学系统与光谱仪。该系统可用于远距离物质的激光聚焦、拉曼光谱探测及微区成像。
大光斑高均匀度发散式太阳模拟器设计
刘石, 张利云, 孙高飞, 张国玉, 张健, 王凌云, 王文鹏
2018, 47(4): 418005. doi: 10.3788/IRLA201847.0418005
[摘要](259) [PDF 2129KB](52)
为了实现大光斑直径高均匀度太阳辐照模拟,设计了大光斑发散式太阳模拟器。根据太阳光谱分布特性选取短弧氙灯作为光源,建立光源功率计算模型;基于成像倍率和氙弧峰值点离焦量之间的关系,优化设计聚光系统和光学积分器,提高太阳模拟器的辐照均匀度;同时,结合短弧氙灯的光谱特性,建立光谱匹配模型,设计光学滤光片在不同波长的透过率。实验结果表明:设计的发散式太阳模拟器辐照面积为2 m,当工作距离为6、8、10 m时,辐照不均匀度分别优于3.33%、3.51%和4.3%,且光谱与AM1.5太阳光谱A级标准相匹配。
小口径双非球面硫系玻璃镜片精密模压成型实验研究
唐昆, 孔明慧, 朱勇建, 陈逢军, 毛聪, 张明军
2018, 47(4): 418006. doi: 10.3788/IRLA201847.0418006
[摘要](333) [PDF 3994KB](69)
为实现小口径双非球面硫系玻璃镜片的精密模压成型制造,通过正交模压成型实验,研究了相关工艺参数对成型镜片质量的影响规律。首先,介绍了模压成型过程和用于实验的PFLF7-60A型多工位模压成型机床,并根据非球面曲线公式设计了目标镜片。然后,选定了一种环保型硫系玻璃IRG205,通过VFT方程拟合了玻璃粘度与温度之间的关系,确定了模压温度,并对各工位实验参数进行了设置。最后,利用无镀膜模具及球形预形体进行了正交模压成型实验,分析了实验条件下模压温度、加压载荷及保持压力等成型工艺参数对镜片成型质量(形状精度PV、表面粗糙度Ra及轮廓偏移量)的影响规律,并获得了优化的成型工艺参数。结果显示:在优化的工艺参数下,成型镜片ASP1和ASP2的PV值分别为129.2 nm和174.8 nm,Ra值分别为19.6 nm和25.6 nm,轮廓偏移量分别为0.614 m和2.682 m,基本满足镜片高精度应用的要求,为小口径双非球面硫系玻璃镜片的高精度批量制造提供了参考和依据。
二维多项式位相光瞳滤波实现超分辨望远成像
刘显著, 王超, 江伦, 刘壮, 杨进华, 姜会林
2018, 47(4): 418007. doi: 10.3788/IRLA201847.0418007
[摘要](249) [PDF 1540KB](42)
为了对望远光学系统实现横向超分辨成像,设计了一种高斯特列尔比的二维多项式函数形式的位相型光瞳滤波器,分析了其对光学系统焦点附近光强分布的有益影响。理论分析表明,加入滤波器之后,与无滤波器时相比系统横向光学分辨率提升了1.33倍,同时斯特列尔比为无滤波器时的0.75倍。给出了该种滤波器与典型的三区型、四区型和一维多项式位相型光瞳滤波器的对比,从对比结果可知,二维多项式型滤波器的斯特列尔比为几种滤波器中的最优,且其横向分辨倍率仅次于四区型滤波器,但四区型滤波器的斯特列尔比过低,不适合应用于望远系统。研究了入射光视场角对应用该种滤波器的望远光学系统成像效果的影响,视场角不大于4时,具有较佳的超分辨效果。
光通信与光传感
全双工光载无线隧道通信系统
王侯军, 闫连山, 叶佳, 潘炜, 邹喜华, 罗斌, 李沛轩
2018, 47(4): 422001. doi: 10.3788/IRLA201847.0422001
[摘要](333) [PDF 1621KB](54)
鉴于长距离隧道内复杂的无线传输环境,传统通信技术不能满足旅客高质量的通信需求,提出了一种基于波分复用无源光网络的光载无线(RoF)分布式隧道通信系统。采用波分复用技术实现不同业务在光域的物理隔离,协同分布式天线技术,在隧道内部提供高频无线接入,提升系统带宽的同时解决了隧道内部信号急剧衰减的问题。通过实验搭建了全双工的光载无线试验平台,实现了用光学的方法产生和传输载频为24 GHz的16/64QAM矢量信号,并且通过测量上下行链路的EVM值验证了方案的可行性。
基于差压原理的矿用光纤光栅风速传感器
李振, 王纪强, 赵林, 张华文, 刘统玉
2018, 47(4): 422002. doi: 10.3788/IRLA201847.0422002
[摘要](273) [PDF 1404KB](38)
设计了一种新型的矿用光纤光栅风速传感器,利用差压原理实现风速转化,由波纹管、等强度悬臂梁和双光纤光栅组成差分敏感机构,并通过算法进一步进行温度补偿,有效克服了温度交叉敏感问题,提高了应变测量的灵敏度。文中推导了光纤光栅中心波长变化量与风速的关系,同时对敏感机构进行了水压模拟试验,得到传感器敏感机构的灵敏度为0.703 pm/Pa,与理论值具有很好的吻合度;对风速传感器样机进行风洞试验测试,结果表明风速在0.2~20 m/s的情况下,传感器测量误差可基本控制在0.3 m/s以内,并具有良好的线性关系。
液氮温区集成式数字温度传感器设计
张昌锋, 毛文彪, 张济清, 郭强, 钟昇佑, 姚立斌
2018, 47(4): 422003. doi: 10.3788/IRLA201847.0422003
[摘要](293) [PDF 1651KB](34)
温度传感器是制冷型红外焦平面探测器的重要组成部分,它用于测量探测器工作温度,其输出用于制冷机控制,从而控制探测器温度。探测器的工作温度将直接影响探测器的性能,如信噪比、探测率和盲元率等。针对传统PN结温度传感器需要模拟信号处理电路及易受电磁干扰的弊端,设计了一种基于CMOS工艺的集成式数字温度传感器,可以集成到红外焦平面探测器读出电路中,直接通过SPI接口输出数字测温值。设计的集成式数字温度传感器采用0.35 m CMOS工艺流片,芯片面积为380 m500 m(不包含PAD),在电源电压2.5 V和采样频率6.1次/s条件下,功耗为300 W,分辨率0.061 6 K。在77 K温度下输出的RMS噪声为0.148 K。测试结果表明,集成式数字温度传感器可以应用于制冷型红外焦平面探测器温度测量。
光电器件及应用
1 550 nm宽光谱超辐射发光二极管的研制
訾慧, 薛正群, 王凌华, 林中晞, 苏辉
2018, 47(4): 420001. doi: 10.3788/IRLA201847.0420001
[摘要](379) [PDF 1367KB](58)
超辐射发光二极管因其宽光谱低抖动的光谱特点以及输出光为非相干光的特性,在光学相干层析成像技术、光处理技术等领域具有重要应用。为获得宽光谱低抖动的超辐射输出光,设计并制备了一种1 550 nm AlGaInAs多量子阱超辐射发光二极管。采取倾斜12波导并增加隔离区,结合抗反射薄膜,最终实现宽光谱输出的超辐射发光二极管,并比较了有无隔离区对器件性能的影响。实验结果表明,制得的超辐射发光二极管3 dB光谱宽度可拓宽至83 nm,光谱纹波小于0.1 dB,在200 mA工作电流下,出光功率大于1.5 mW。
亮白光LED结合古典音乐疗法的抗抑郁效果
王丹妮, 代玉环, 程静, 张大伟, 王成, 庄松林
2018, 47(4): 420002. doi: 10.3788/IRLA201847.0420002
[摘要](232) [PDF 927KB](44)
通过小鼠实验提出了一种亮白光LED联合古典音乐疗法。遭受过慢性不可预知性应激的小鼠被随机分成3组,均饲养在350 lx、光周期为12小时明亮12小时黑暗的环境中。对照组(C):不做任何处理。五行音乐组(M):每天播放2个小时古典音乐。五行音乐+光照组(M+B):每天播放2小时古典音乐并采用5 000 lx的白光LED照射。30天后用糖水偏爱度测试和强迫游泳实验来评估抑郁程度。与C组相比,M和M+B组的小鼠表现出更短的游泳不动时间和更长的游泳和攀爬时间(p0.001)。M+B组小鼠的游泳不动时间(52.325.18 s)要短于M组(78.914.82 s),且差异存在统计学意义(t(9)=3.414,p=0.0080.05)。亮白光LED联合古典音乐疗法能够提高应激小鼠的活力,具有一定的抗抑郁作用。
锗酸铋电光晶体的半波电压调控
谢楠, 邱鑫茂, 徐启峰, 谭巧, 马靖
2018, 47(4): 420003. doi: 10.3788/IRLA201847.0420003
[摘要](273) [PDF 1295KB](25)
提出了一种通过改变晶体切割方向,调控和提高锗酸铋晶体半波电压的方法,可以显著扩大光学电压传感器的测量范围。使用电光效应耦合波理论,分析了半波电压对晶体切割方向的依赖关系。晶体切割方向决定了锗酸铋晶体的通光方向和电场方向。分析结果表明,当晶体沿[-2-0.5,2-0.5,0]和[0.219,0.219,0.951]方向切割时,可使半波电压提高为标准切割方向的5倍;当晶体沿[0.140,0.275,0.951]和[2-0.5,2-0.5,0]方向切割时,半波电压可提高至12倍。讨论了光传播方向对半波电压的影响,锗酸铋晶体采用标准切割方向,光路角度偏移在0.05范围内时,半波电压的变化量小于0.06%。该半波电压调控方法同样适用于其它电光晶体。