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2018年  第47卷  第5期

特约专栏—“红外半导体激光器”
2 μm InGaSb/AlGaAsSb量子阱激光器理想因子的研究
李翔, 汪宏, 乔忠良, 张宇, 徐应强, 牛智川, 佟存柱, 刘重阳
2018, 47(5): 503001. doi: 10.3788/IRLA201847.0503001
[摘要](312) [PDF 1032KB](67)
展示了一种低阈值(~131 A/cm2)2m InGaSb/AlGaAsSb单量子阱(Single Quantum Well,SQW)激光器,并对该激光器的理想因子n进行了研究。激光器的总体理想因子n由中央pn结的理想因子n和n型GaSb衬底与n型金属之间形成的整流结的理想因子n两部分组成。当温度从20℃升高到80℃时,激光器的总体理想因子n从4.0降低至3.3。该结果与所使用的理论模型以及独立的GaSb材料整流结(pn结、GaSb/金属结等)理想因子n的数值是相吻合的。
锑化物中红外单模半导体激光器研究进展
杨成奥, 谢圣文, 黄书山, 袁野, 张一, 尚金铭, 张宇, 徐应强, 牛智川
2018, 47(5): 503002. doi: 10.3788/IRLA201847.0503002
[摘要](294) [PDF 1495KB](60)
锑化物材料因为其天然的禁带宽度较小的优势,是2~4 m波段半导体光电材料和器件研究的理想体系。近年来,国内外在锑化物大功率半导体激光器方面的研究取得了很大的进展,实现了大功率单管、阵列激光器的室温工作。然而,由于锑化物材料与常见的半导体单模激光器制备工艺的不兼容性,只有少数几个研究单位和公司掌握了锑化物单模激光器的制备技术。文中介绍了锑化物单模激光器常用的侧向耦合分布反馈激光器的基本原理,分析了其设计的关键技术,回顾了锑化物单模激光器的设计方案和制备技术,并针对国内外锑化物单模激光器主要研究内容进行了总结。
2 μm GaSb基大功率半导体激光器研究进展
谢圣文, 杨成奥, 黄书山, 袁野, 邵福会, 张一, 尚金铭, 张宇, 徐应强, 倪海桥, 牛智川
2018, 47(5): 503003. doi: 10.3788/IRLA201847.0503003
[摘要](355) [PDF 1191KB](66)
2 m波段GaSb基大功率激光器在诸多领域具有广阔的应用前景,如气体探测、医疗美容、激光加工等。基于功率提升,综述和讨论了2 m波段GaSb基激光器结构的发展过程,介绍了目前国内外的研究状况,讨论和分析了GaSb基激光器提升功率、效率的主要技术问题。并详细介绍了该领域近年来在传统激光器中引入的两种新结构,分析了其技术优势。指出目前2 m波段GaSb基大功率激光器面临瓶颈,并讨论了其发展趋势。
邀请报告
空间编码复用散斑多信息融合关联成像(特邀)
时东锋, 黄见, 苑克娥, 王英俭, 谢晨波, 刘东, 朱文越
2018, 47(5): 502001. doi: 10.3788/IRLA201847.0502001
[摘要](309) [PDF 2332KB](90)
提出空间编码复用散斑技术来实现单个单像素探测器对多个物体信息的同时探测获取。使用空间编码复用散斑对多个物体信息进行照明,使用单像素探测器对回波信号进行探测,利用关联算法获取混叠多物体信息,然后用空间编码信息对随机采样的多个物体信息进行解码,最后采用压缩感知技术对完整的多个物体信息进行复原。使用该技术分别实现了对多空间、多光谱和多偏振信息的同时探测获取,实验结果证实了该技术的有效性,该技术可有效降低系统数据量,提高关联成像系统的成像效能。
红外技术及应用
甚高灵敏度长波红外相机测试技术
龙亮, 张丽莎, 吴立民
2018, 47(5): 504001. doi: 10.3788/IRLA201847.0504001
[摘要](242) [PDF 943KB](43)
对于温度灵敏度优于10 mK的长波红外相机,如何精确测量表征其灵敏度的指标-噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference,NETD),是一项重要的工作。首先,依照尽量缩短标准辐射传递链路减少误差项的原则,对比不同的测量方法,选取黑体直接测量法;其次,基于相机噪声理论模型,对不同温度点下的实测噪声分析,提出噪声修正方法对噪声进行修正,以此减小环境影响带来的测量误差;最后,基于NETD测量计算公式及不确定度分析理论对测试结果的不确定度进行分析评定。结果表明:针对甚高灵敏度长波红外相机所采用的测试设备及方法,可满足测试要求,测试结果相对不确定度在7.7%左右。
涡流脉冲热像检测中疲劳裂纹的检出概率
孙吉伟, 冯辅周, 闵庆旭, 徐超, 黄楠
2018, 47(5): 504002. doi: 10.3788/IRLA201847.0504002
[摘要](239) [PDF 1111KB](29)
在涡流脉冲热像检测中,检出概率是评价检测可靠性的最重要的指标之一。通常,检出概率是指在特定检测条件下特定尺寸的缺陷被检出的概率。首先,以含有不同尺寸疲劳裂纹的金属平板试件为研究对象,通过正交试验方案设计,完成了对不同检测条件下不同尺寸裂纹试件表面热响应信号的提取;然后,采用线性回归模型建立了裂纹区域的热响应信号与裂纹尺寸的定量化关系,并采用极大似然估计法给出了裂纹检出概率模型中的具体参数;最后,基于Wald方法求得了检出概率的置信区间,并绘制了检出概率曲线。研究成果可为涡流脉冲热像检测的可靠性评估提供量化依据。
舰船湍流尾迹红外发射率计算方法
金方圆, 王运鹰, 郭媛媛, 齐异, 陈云飞
2018, 47(5): 504003. doi: 10.3788/IRLA201847.0504003
[摘要](261) [PDF 1142KB](39)
红外发射率的准确计算是舰船湍流尾迹红外仿真与特性分析的基础。文中以湍流尾迹对Cox-Munk海面坡度概率密度分布的调制模型为基础,结合海面双向反射分布函数,研究了典型环境下舰船湍流尾迹海面红外发射率的计算方法;研究了机载小天顶角、船载大天顶角观测时,舰船湍流尾迹长波8~9 m红外发射率的分布规律,得到了湍流尾迹与海面背景发射率的差别随观测天顶角的增大而增大的结论;仿真计算得到了秋季阴天船载式探测条件下,典型舰船湍流尾迹的红外辐射亮度,并与海上试验数据进行了对比,结果表明湍流尾迹的自发辐射亮度低于海面背景,表现为冷尾迹的特征。
正照射延伸波长In0.8Ga0.2As红外焦平面探测器
邓洪海, 杨波, 邵海宝, 王志亮, 黄静, 李雪, 龚海梅
2018, 47(5): 504004. doi: 10.3788/IRLA201847.0504004
[摘要](229) [PDF 994KB](52)
为了研究延伸波长In0.8Ga0.2As PIN短波红外探测器的温度响应光电特性,采用闭管扩散的平面型器件工艺,在金属有机化学气相外延(MOCVD)外延生长的NIN型InAs0.6P0.4/In0.8Ga0.2As/InAs0.6P0.4 buf./InP材料上制备了正照射延伸波长2561线列InGaAs红外焦平面探测器,研究了探测器在不同温度下的I-V特性、光谱响应特性和探测率。结果表明,随着温度的降低,在小偏压下,器件的正向暗电流由产生复合电流为主逐渐变为以扩散电流为主。在260~300 K温度范围内,反向电流主要由扩散电流和产生复合电流组成,当温度低于180 K时,器件的反向电流主要为隧穿电流。室温下器件响应截止波长和峰值波长分别为2.57 m和2.09 m,峰值探测率为7.25108 cmHz1/2/W,峰值响应率为0.95 A/W,量子效率为56.9%。焦平面的峰值探测率在153 K达到峰值,约为1.111011 cmHz1/2/W,响应非均匀性为5.28%。
红外光强与偏振图像多类拟态变元组合融合
吕胜, 杨风暴, 吉琳娜, 焦玉茜
2018, 47(5): 504005. doi: 10.3788/IRLA201847.0504005
[摘要](206) [PDF 1828KB](44)
现有红外光强与偏振图像融合算法不能根据图像差异特征变化动态调整融合算法,造成图像部分差异特征融合效果不理想甚至失效。根据拟态仿生学思想,借鉴拟态章鱼的多拟态过程,提出一种红外光强与偏振图像多类拟态变元组合融合方法。首先,分析拟态章鱼的多拟态过程,剖析其多拟态原因;其次,寻找多拟态过程与图像融合过程之间的对应关系,并确定图像融合过程的多类变元类型;最后,建立面向图像融合的多类变元组合关系并利用该关系进行图像融合。实验结果表明:所得融合图像的信息熵、标准差、边缘强度、平均梯度、清晰度方面平均提升1.16%、7.25%、3.00%、0.31%、10.18%。该方法的建立可以使融合算法内变元组内变元选择和组合根据原始图像差异特征变化而进行动态调整,从而得到具有针对性的融合算法。
激光器技术
高功率窄谱宽1 915 nm掺铥光纤激光器研究
张伟, 吴闻迪, 余婷, 孟佳, 杨中国, 陈晓龙, 刘超铭, 叶锡生
2018, 47(5): 505001. doi: 10.3788/IRLA201847.0505001
[摘要](374) [PDF 1039KB](58)
开展了1 915 nm高功率、高效率、窄谱宽输出的掺铥光纤激光器(TDFL)研究。基于全光纤主振荡功率放大(MOPA)结构,采用40 W的793 nm半导体激光器泵浦纤芯直径25 m的双包层大模场面积(LMA)掺铥光纤,获得了最高功率12.1 W的1 915 nm窄谱宽连续种子激光输出。将8 W种子光注入掺铥光纤放大器,在793 nm激光泵浦功率为142.9 W时,获得了平均功率90 W的激光输出,其中心波长为1 915.051 nm,3 dB谱宽仅为94 pm,斜率效率为60.2%,光-光转换效率达63.0%。该系统在40 min运行考核时间内输出激光稳定性良好。
双SESAM被动锁模超短脉冲光纤激光器
何广龙, 徐莉, 金亮, 马晓辉, 吴国盛, 隋庆学, 张志敏
2018, 47(5): 505002. doi: 10.3788/IRLA201847.0505002
[摘要](304) [PDF 1010KB](53)
针对基于半导体可饱和吸收体(Semiconductor Saturable Absorber Mirror,SESAM)被动锁模光纤激光器脉冲底座宽和脉冲能量小的问题展开研究,设计了一种线型腔结构的双SESAM锁模超短脉冲光纤激光器。首先,通过增加SESAM个数的方式使得光脉冲在谐振腔中的一个振荡周期内多次经过可饱和吸收体,有效增加了可饱和吸收体对光脉冲前后沿的吸收,抑制了因泵浦功率过大而产生的调Q锁模效应,有助于压缩脉冲宽度、提高单脉冲能量,摆脱了因SESAM调制深度较低而对压缩脉冲宽度和提高单脉冲能量造成的限制。其次,通过在系统中引入一段正色散光纤,降低了因峰值功率过高而引起的非线性效应,进一步提高了脉冲能量。最后,在相同调制深度及饱和通量条件下,与单SESAM锁模相比,双SESAM锁模光纤激光器输出脉冲宽度由693 fs降低到449 fs,缩短了35.2%,脉冲能量由2.92 nJ提高到5.31 nJ,上升45%。
2 μm波段Tm:YAP晶体半导体可饱和吸收镜连续波锁模激光器
张海鹍, 黄继阳, 周城, 夏伟, 何京良
2018, 47(5): 505003. doi: 10.3788/IRLA201847.0505003
[摘要](275) [PDF 853KB](38)
使用半导体可饱和吸收镜,实现了光纤耦合半导体激光抽运Tm:YAP晶体的全固态连续波锁模激光运转。根据ABCD矩阵理论设计激光器参数,通过控制谐振腔的像散和模式分布,获得了稳定的皮秒锁模激光输出。当最大抽运功率为7.96 W时,获得锁模激光的最大平均输出功率为0.73 W,相应的斜效率为15.6%。此时锁模脉冲宽度约为1.7 ps,对应的重复频率为88.7 MHz,中心谱线为1 982.4 nm。结果表明:Tm:YAP晶体是一种具有较好的热学、机械性能的2 m波段超快激光晶体。
用于红外气体检测的高稳定性DFB激光器驱动电源
蒋荣秋, 邓伟芬, 汪倩倩, 侯月, 陈晨
2018, 47(5): 505004. doi: 10.3788/IRLA201847.0505004
[摘要](336) [PDF 1375KB](33)
为了满足红外气体检测对高性能激光器驱动电源的要求,文中采用PID控制算法,设计并研制了一款高稳定的DFB激光器驱动电源。其硬件主要包括信号产生模块、压控恒流源模块、电路保护模块,具备输出电流保护功能。信号产生模块主要通过DDS产生正弦波,再通过比较器产生方波,同时采用DA转换技术实现直流波、三角波、锯齿波的输出。控制方案上采用PID算法,通过深度负反馈控制,实现高稳定电流输出。利用此驱动电源对中心波长为1 563.09 nm的DFB激光器进行驱动实验。结果表明,所研制的驱动电源具有输出波形类型、幅度和频率三者数控可调的功能,电流幅度范围为0~1 A;正弦、方波频率范围为1 Hz~1 MHz,三角、锯齿、直流波频率范围为1 Hz~100 Hz,频率分辨率为1 Hz;输出电流线性度为99.93%,长时间输出电流稳定度为0.019 7%。
激光技术及应用
单结GaAs太阳电池连续激光辐照热损伤机理
李云鹏, 张检民, 窦鹏程, 师宇斌, 冯国斌
2018, 47(5): 506001. doi: 10.3788/IRLA201847.0506001
[摘要](280) [PDF 1396KB](38)
开展了单结GaAs太阳电池808 nm、10.6 m连续激光辐照实验研究,结果显示,相同激光耦合强度下两种激光对电池的损伤模式相似,且随着激光耦合强度逐渐提高,电池最大输出功率呈现阶梯状下降。通过对比辐照过程中温升速率、温度峰值以及高温持续时间对损伤结果的影响,结合能谱仪和扫描电子显微镜的测量结果以及方差分析结果对损伤机理进行了分析和验证。认为高温导致GaAs分解、电极氧化是单结GaAs太阳电池性能退化的主因。
云雾后向散射激光回波特性研究
王凤杰, 陈慧敏, 马超, 龙胤宇
2018, 47(5): 506002. doi: 10.3788/IRLA201847.0506002
[摘要](280) [PDF 944KB](55)
气溶胶后向散射激光回波在气溶胶内部的散射特性对其波形特征有着重要影响。为获取气溶胶后向散射激光回波的散射特性,文中以云雾为研究对象,建立激光云雾传输模型,仿真云雾后向散射激光回波在云雾内部的多次散射过程,统计不同云雾质量浓度和云雾距离条件下的激光回波的散射次数和传输时间,得到激光回波的散射次数范围和同次散射回波特征,以及云雾质量浓度和云雾距离对散射次数的影响规律。文中研究结果可为分析气溶胶后向散射激光回波特征提供重要支撑。
电调谐波长移相干涉术
丁煜, 陈磊, 王志华, 朱文华, 刘致远
2018, 47(5): 506003. doi: 10.3788/IRLA201847.0506003
[摘要](300) [PDF 1237KB](28)
为了实现一体化结构干涉仪的现场数字化检测,提出了一种电调谐波长移相干涉术,通过控制注入电流,调制半导体激光器(LD)的波长,从而实现时域移相干涉。通过优化传统的随机移相干涉模型,采用最小二乘求解线性回归模型迭代算法求解相位,抑制了电调谐的控制精度有限、LD非线性引起的不等间隔移相,以及环境震动引起的各采样点位相变化不同步的干扰。将该方法应用于现场检测的便携式斐索干涉仪上,利用其与Zygo GPI XP/D型干涉仪测量同一块光学平晶,测量结果的峰谷值偏差为9.91 nm,均方根值偏差为5.22 nm,能满足现场定量检测的精度要求。该方法还可以应用于其他类型的激光干涉仪中。
金属复合板激光弯曲过程中翘曲变形数值模拟
李紫慧, 王续跃
2018, 47(5): 506004. doi: 10.3788/IRLA201847.0506004
[摘要](268) [PDF 1098KB](27)
翘曲变形是影响复合板激光弯曲成形精度的重要因素。基于ANSYS软件和电子探针面扫描实验,建立了含结合面的不锈钢-碳钢复合板激光弯曲有限元模型,对一次扫描过程中产生的翘曲变形进行数值模拟。通过模拟激光作用下复合板的温度场、应力场及残余应力分布,结合自由端的变形,分析了翘曲变形产生的过程及原因。模拟结果表明:激光扫描过程中,受初始温度及边界效应的影响,扫描线上各点最高温度分布的不均匀百分比为18.33%。经0.2 s热传导及热量散失的共同作用后,扫描线中间区域出现热累积现象,热应力增大,产生了翘曲变形。对扫描线到自由端整体区域进行残余应力模拟分析可知,板材在其区域内部产生了翘曲作用力与区域周边约束反作用力,其大小和方向与翘曲的变形吻合。对比实验数据和模拟结果,翘曲线最大误差为3.90%,其中,弦高误差为3.33%,为复合板激光弯曲成形的角度控制提供了计算依据。
基于半解析模型的激光测高回波海水海冰波形分类方法
马跃, 张文豪, 张智宇, 马昕, 李松
2018, 47(5): 506005. doi: 10.3788/IRLA201847.0506005
[摘要](300) [PDF 1802KB](30)
现有利用激光测高波形的地物分类方法绝大多数基于机器学习的分类原理,是一种基于经验的分类方法。从激光回波的理论模型出发,通过推导纯海水表面回波和含有海冰的表面回波的解析模型,对纯海水回波和含有海冰回波逐个采样点按时域距离加权计算总振幅差异值,以该差异值作为依据建立一种半解析型的海水、海冰分类方法;通过机载LiDAR将在格陵兰北部海冰区的实测点云数据判断GLAS激光脚点对应的地面类型,对GLAS在该区域实测波形进行基于论文方法的分类准确性验证;结果显示,在剔除饱和波形影响后,分类总体精度OA大于95%,Kappa系数接近0.89,具有非常好的分类效果。论文将使得激光测高仪地物类型分类方法由基于机器学习为依据向半理论解析模型为依据的分类方向延伸,为后续基于激光回波数据的地物分类方法提供重要的参考思路。
光通信与光传感
采用后向瑞利散射空间差分的周界安防分布式振动监测
尚盈, 王晨, 王昌, 刘小会, 孙志慧, 倪家升, 彭刚定
2018, 47(5): 522001. doi: 10.3788/IRLA201847.0522001
[摘要](362) [PDF 1452KB](53)
提出了应用于周界安防的基于后向瑞利散射光空间差分干涉的光纤分布式振动传感监测方案。环境振动信号引起传感光纤的相位变化,含有相位信息的后向瑞利散射信号注入到非平衡迈克尔逊干涉仪,实现了后向瑞利散射信号的空间差分干涉,光纤分布式振动传感监测完成相位信号的解调,提高了系统的灵敏度。该系统能够实时监测入侵者的行走路线和速率以及模拟挖掘的距离的判断,实现了15 dB的信噪比以及35 m的探测距离。
IMDD OFDM无源光网中的非线性分析和信号失真消除
光富, 胡林, 江阳, 田晶, 訾月姣
2018, 47(5): 522002. doi: 10.3788/IRLA201847.0522002
[摘要](248) [PDF 2091KB](35)
提出一种子载波演化方法分析基于强度调制直接探测的正交频分复用无源光网络中的非线性。该无源光网络中的非线性主要来源于调制过程中的子载波混合干扰和啁啾。传输过程的光纤色散会导致调制时的各子载波最佳相位匹配条件不能维持,进一步导致信号恶化。设计了一种新的Volterra数字滤波器除信号失真。修正的Volterra数字滤波器不仅包含相同的采样点,还包括了不同的采样点。通过实验验证了该滤波器去除信号失真的效果;在FEC为10-3的情况下,实验结果与已经报道的结果相比提升3 dB了功率效益;传输25 km光纤与背对背相比,FEC为10-3时的功率亏损小于0.5 dB;系统的数据传输速率达到24.5 Gbps,频谱效率达到7 bits/s/Hz。实验结果表明提出的方法可以有效地消除信号的线性和非线性失真,能够有效地恢复信号。
改进支持向量机的光纤陀螺温度漂移补偿方法
吴军伟, 缪玲娟, 李福胜, 沈军
2018, 47(5): 522003. doi: 10.3788/IRLA201847.0522003
[摘要](219) [PDF 1087KB](24)
温度漂移是影响光纤陀螺精度的主要因素之一,温度漂移建模和补偿是消除和减小温度漂移的有效方法。首先分析了影响光纤陀螺温度漂移的关键因素,同时进行了光纤陀螺温度漂移测试实验。然后采用泛化能力较神经网络更好的支持向量机对光纤陀螺温度漂移进行回归、建模,其中支持向量机的核函数采用了具有更好数据集适应性的径向基核函数。为了提高支持向量机的建模精度,引入人工鱼群算法对支持向量机的核心参数C(惩罚系数)和核函数的参数进行寻优。最后,使用实际的光纤陀螺温度漂移数据对提出的补偿方法进行实验验证,结果表明采用该方法补偿后的剩余光纤陀螺误差较采用线性回归方法减小了四五个数量级。
信息获取与辨识
基于深度学习物体检测的视觉跟踪方法
唐聪, 凌永顺, 杨华, 杨星, 郑超
2018, 47(5): 526001. doi: 10.3788/IRLA201847.0526001
[摘要](394) [PDF 2458KB](142)
提出了一种基于深度学习物体检测的视觉跟踪方法。该方法利用深度学习在特征表达上的优势,采用基于回归的深度检测模型SSD (Single Shot Multibox Detector)提取候选目标,并结合颜色直方图特征和HOG (Histogram of Oriented Gradient)特征进行目标筛选,实现目标跟踪。为了提升深度检测模型的物体检测性能,文中构建了多尺度目标搜索图,可在一张图上实现不同尺度的目标检测。在标准跟踪测试库上选取八个具有代表性的跟踪视频序列,并选取六种具有代表性的跟踪方法进行了对比测试。结果表明,文中所提方法在跟踪效果上,整体优于参与对比的其他算法,且对于物体姿态变化、尺寸变化、旋转变化、光照变化、复杂背景杂波等影响因素具有较好的鲁棒性。
多参数亮度值重映射的颜色传递方法
仲红玉, 尹丽菊, 高明亮, 邹国锋, 申晋, 王炫
2018, 47(5): 526002. doi: 10.3788/IRLA201847.0526002
[摘要](294) [PDF 1341KB](28)
为了提高灰度图像中人眼视觉的情景感知和目标的识别率,提出了多参数亮度值重映射的颜色传递方法,将灰度图像赋予色彩。该方法首先将灰度目标图像和彩色参考图像由RGB颜色空间转换到亮度与色彩分离的YCbCr颜色空间。然后,引入由彩色参考图像和灰度目标图像的列数和亮度共同决定的参数,对彩色参考图像的亮度值进行运算,使彩色参考图像与灰度目标图像具有相同的亮度值动态范围。最后,根据目标像素和它周围的像素存在相关性,进行灰度目标图像与彩色参考图像的像素匹配后,将得到的结果再逆变至可以表示出各种色彩的RGB颜色空间。该颜色传递方法降低了色彩误传现象,提高了颜色传递的准确度并缩短了程序的运行时间。
红外与激光融合目标识别方法
仝选悦, 吴冉, 杨新锋, 滕书华, 庄祉昀
2018, 47(5): 526003. doi: 10.3788/IRLA201847.0526003
[摘要](313) [PDF 1103KB](65)
针对自动目标识别需求,提出了一种激光与红外融合目标识别方法。首先分别对激光与红外两类单源数据分别提取小波矩和投影轮廓特征来表征目标;其次,将两类单源特征进行组合,并对组合后的特征进行约简。考虑到组合多个约简在进行分类时将产生互补信息,基于三种不同观点的约简提出了一种差异性组合分类器的构建方法,对约简后的激光和红外复合数据进行融合识别。最后,通过对激光与红外仿真数据的实验,验证了文中方法的有效性。
基于误差分析的岩芯高光谱数据几何校正方法
姜宇, 李娜, 孟令杰, 蔡辉, 巩学美, 赵慧洁
2018, 47(5): 526004. doi: 10.3788/IRLA201847.0526004
[摘要](265) [PDF 1366KB](26)
南京地质调查中心研制的推扫式岩芯成像光谱仪由可见近红外成像光谱仪、短波红外成像光谱仪以及载有岩芯盘的导轨构成。导轨匀速运动的控制误差、两台独立成像光谱仪不同的空间分辨率不同以及不重合的视场范围,导致所获得的数据存在几何畸变,无法直接进行应用处理。针对上述问题,在分析了畸变产生机理的基础上,提出了基于三角形靶标的拉伸压缩畸变校正方法以及像元级与亚像元级联合配准方法。通过在岩芯盘一侧布设等腰直角三角形靶标,实现无位置姿态参数下的几何拉伸压缩畸变检测与校正;同时将尺度不便特征变化与扩展的相位相关方法相结合进行图像配准,提高图像配准的精度。实验结果表明,利用南京地质调查中心研制的岩芯成像光谱仪的实测高光谱数据进行方法性能验证,经过几何校正处理后的岩芯高光谱数据,拉伸压缩畸变校正精度为0.28个像元,配准精度优于0.1个像元。
光学设计及仿真
激光引信大视场小型化发射光学系统设计
高洁, 张大庆, 陆长平, 刘锡民
2018, 47(5): 518001. doi: 10.3788/IRLA201847.0518001
[摘要](297) [PDF 1378KB](67)
由于受系统体积限制,目前激光引信大视场探测方式无法满足小型化结构简单的需求。针对激光引信弧矢方向无漏探测、子午方向窄视场探测的技术要求,提出了一种小型化大视场激光引信发射光学系统的设计方法,采用由三个管芯线型阵列排布的隧道结半导体激光器作为发射光源,合理选择光学视场空间布局方式,设计了三象限扇形轮流发射方式激光引信发射光学系统,其特点在于体积小、视场大、结构合理,装调简单,单路发射光学系统体积为8 mm8.2 mm15 mm,单路弧矢方向探测视场达120。设计的发射光学系统能够满足弹径为70 mm的便携式防空导弹激光引信大视场目标探测要求,解决了周视激光引信小型化的需求问题。
空间相机次镜调整机构的改进布谷鸟标定方法
王瀚, 曹小涛, 赵伟国, 赵海波, 杨维帆, 张博威
2018, 47(5): 518002. doi: 10.3788/IRLA201847.0518002
[摘要](240) [PDF 1522KB](46)
为了提高空间相机次镜Stewart型调整机构的定位精度,需要完成机构的精密标定。针对6-PSS Stewart机构,首先依据最小二乘原则,利用驱动残差构建了参数标定模型。其次为提高标定优化问题的全局求解精度,采用自适应路径(Variable Step Adaptive,VSA)及限界处理对单纯形布谷鸟算法进行改进,并应用于标定优化问题求解。数值仿真表明其求解能力并优于单纯型布谷鸟算法。最后,为保证标定的全行程有效性,规划了包含位姿六元素的试验数据采样方法。实验结果表明,经过该方法标定后,位姿采样点处最大位移误差由19.97 m降为9.68 m,最大转角误差由123.84降为最大8.86,在非采样点处最大误差与采样点处在同一量级水平。基于上述模型、算法和采样位姿规划的标定方法可有效提高定位精度,且标定结果在全行程区域内有效。
光电器件与应用
用于高速CIS的12-bit紧凑型多列共享并行pipeline-SAR ADC
郭志强, 刘力源, 吴南健
2018, 47(5): 520001. doi: 10.3788/IRLA201847.0520001
[摘要](499) [PDF 1342KB](45)
设计了一款用于高速CMOS图像传感器的多列共享列并行流水线逐次逼近模数转换器。八列像素共享一路pipeline-SAR ADC,从而使得ADC的版图不再局限于二列像素的宽度,可以在16列像素宽度内实现。该模数转换器采用了异步控制逻辑电路来提高转换速度。半增益数模混合单元电路被用于对第一级子ADC的余差信号放大,同时被用于降低对增益数模混合单元电路中运放性能的要求。相关电平位移技术也被用于对余差信号进行更精确的放大。整个pipeline-SAR ADC第一级子ADC精度为6-bit,第二级子ADC为7-bit,两级之间存在1-bit冗余校准,最终实现12-bit精度。输入信号满幅电压为1 V。该8列共享并行处理的pipeline-SAR ADC在0.18 m 1P4M工艺下制造实现,芯片面积为0.204 mm2。仿真结果显示,在采样频率为8.33 Msps,输入信号频率为229.7 kHz时,该ADC的信噪失真比为72.6 dB;在采样频率为8.33 Msps,输入信号频率为4.16 MHz时,该ADC的信噪失真比为71.7 dB。该pipeline-SAR ADC的电源电压为1.8 V,功耗为4.95 mW,功耗品质因子(FoM)为172.5 fJ/conversion-step。由于像素尺寸只有7.5 m,工艺只有四层金属,因此这款12-bit多列共享列并行流水线逐次逼近模数转换器非常适用于高速CMOS图像传感器系统。
频率可调太赫兹微结构光电导天线
夏祖学, 刘发林, 邓琥, 陈俊学, 刘泉澄
2018, 47(5): 520002. doi: 10.3788/IRLA201847.0520002
[摘要](338) [PDF 1095KB](55)
太赫兹波低频段辐射计在地球大气和分子探测中的需求不断增加。在微波电开口谐振环等效电路模型及其谐振特性仿真设计的基础上,将微波谐振结构和传统带状线偶极子光电导天线结合,提出了新型微结构光电导天线,具有频率调节灵敏度高、谐振特性明显的优点。加工了不同尺寸的新型光电导天线和常规的带状线偶极子光电导天线实物,并进行了实验对比研究。两种类型的太赫兹辐射频谱明显不同,新型光电导天线由于微结构电开口谐振环的双频谐振特性出现了两个谐振峰,3 dB相对带宽约为50%,得到了窄带特性;而传统光电导天线只有单峰,3 dB相对带宽为93.07%,显然为宽谱特性。对于新型光电导天线的仿真和实测吻合较好,调节微结构天线的谐振环臂长可以获得较大的峰值频率移动相对值,从而也验证了理论模型、谐振单元仿真结果的有效性。
双层石墨烯电控开关设计
史叶欣, 李九生
2018, 47(5): 520003. doi: 10.3788/IRLA201847.0520003
[摘要](287) [PDF 1029KB](52)
提出并设计了一种基于双层石墨烯结构的电控太赫兹波开关。该开关结构由棱镜-石墨烯-二氧化硅-石墨烯-锑化铟组成。太赫兹波从棱镜左侧以特定角度入射,棱镜右侧固定有太赫兹波探测器,通过外加电场改变石墨烯介电常数,影响等离子体波矢匹配,进而控制太赫兹波反射率,实现太赫兹开关目的。实验运用COMSOL软件对双层石墨烯电控开关进行仿真模拟,将1 THz的太赫兹波以35.42从棱镜左上方入射,在无外加电场时,太赫兹波反射率为2.63%,此时为太赫兹波开关的关状态。施加外加电场时,石墨烯的介电常数发生变化,太赫兹波反射率改变并达到93.01%,棱镜结构接近全反射,此时为太赫兹波开关的开状态。研究结果表明该结构具有良好的太赫兹波强度控制性能,电控太赫兹波开关消光比为15.5 dB。
光谱探测与分析
Relief-F筛选波段的小麦白粉病早期诊断研究
黄林生, 张庆, 张东彦, 林芬芳, 徐超, 赵晋陵
2018, 47(5): 523001. doi: 10.3788/IRLA201847.0523001
[摘要](201) [PDF 1368KB](24)
为了准确监测小麦白粉病染病早期病情,给喷药防治提供技术指导,论文将染病初期的小麦叶片作为研究对象。首先,利用高光谱图像数据,通过图像特征分割出叶片区域和病斑区域,定量计算病情严重度;其次引入Relief-F算法提取染病早期最敏感波段和波段差,计算出白粉病病害指数PMDI (Powdery mildew disease index);并通过分析病情指数DI (Disease index)与11种植被指数(含PMDI指数)的相关性及线性模型,得出PMDI模型有最高的决定系数(R2=0.839 9)和最低的均方根误差(RMSE=4.522 0),效果优于其他病害植被指数的结果(其中,Normalized Difference Vegetation Index,NDVI的模型决定系数最高,R2=0.777 1,RMSE=5.336 4);最后,选择PMDI和NDVI植被指数分别构建小麦白粉病染病早期病情严重度的支持向量回归模型。结果表明:经敏感波段筛选构建的PMDI指数的预测结果更好,预测模型的R2=0.886 3,RMSE=3.553 2,可以实现小麦白粉病早期无损诊断,这为指导作物病害喷药防治提供重要的技术支撑。
光电导航与控制
基于寄生回路的导引头传递函数及测试方法
刘石祥, 尹健, 杜肖, 陈思远
2018, 47(5): 531001. doi: 10.3788/IRLA201847.0531001
[摘要](230) [PDF 1347KB](26)
为了反应真实导引头在隔离度作用下的输出特性,提出了一种基于隔离度寄生回路的导引头传递函数概念及测试方法。通过建立导引头隔离度模型,推导了不同干扰力矩作用下的隔离度传递函数,对隔离度寄生回路稳定域进行分析,并得到了寄生回路失稳频率变化规律。建立了包含寄生回路的真实导引头传递函数模型,对真实导引头传递函数的频域特性和时域特性进行了仿真分析。最后,提出了基于寄生回路的导引头传递函数半实物仿真测试方法,通过测试从而得到真实导引头模型,提高导引头系统建模的准确性。