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2019年  第48卷  第10期

专家报告
新型功能超颖表面波前调制技术的发展与应用(特邀)
黄玲玲, 魏群烁, 王涌天
2019, 48(10): 1002001. doi: 10.3788/IRLA201948.1002001
[摘要](861) [PDF 2102KB](331)
超颖表面作为一类智能表面,通常由特殊设计、加工而得到的特征尺寸接近或小于波长的亚波长纳米天线阵列构成。超颖表面能够实现光场的振幅、相位和偏振的人为调控,具有超薄、超小像素、宽带、低损耗、易加工等优势,设计灵活,功能强大。文中针对超颖表面在全息显示、波前调制和偏振转换、主动可调、非线性波前调控等方向进行综述,并展望未来发展趋势。超颖表面作为一种超薄的、微型化的波前调制器件,具有极大的信息容量,且更能适应未来高度集成的微型光电系统的发展要求,在全息显示、光束整形、涡旋光束的产生、数据存储、加密与防伪、超透镜与色散控制、彩色印刷、非对称传输、非线性光学、光的自旋霍尔效应、光通信与集成光电子学等应用领域提供了潜在的可行性和新的视角,有望取代传统光电器件,展现出了广阔的发展前景。
红外技术及应用
真空低背景红外高光谱亮温计量标准装置研制
宋健, 郝小鹏, 丁雷, 李凯, 孙建平
2019, 48(10): 1004001. doi: 10.3788/IRLA201948.1004001
[摘要](379) [PDF 1540KB](83)
为满足红外遥感载荷在辐射定标方面的量值溯源需求,中国计量科学研究院研制了真空低背景红外高光谱亮温计量标准研究装置。介绍了红外高光谱亮温计量标准装置的设计方案和高光谱分辨的量值传递方法和溯源链等。设计了用于放置用户被校黑体的模拟太空环境的真空低背景实验舱,建立了包含固定点黑体源和标准变温黑体源在内的标准器,通过傅里叶变换红外光谱仪将标准黑体源的量值传递给被校黑体辐射源。研制的标准变温黑体辐射源的温度范围覆盖125~500 K,口径为30 mm,空腔发射率为0.999 7,亮度温度标准不确定度优于0.026 K@300 K/10 m。真空固定点黑体包含汞固定点、镓固定点和铟固定点黑体,口径为25 mm,温度不确定度优于0.020 K@10 m。该装置具有高温度不确定度水平、高光谱分辨率和扩展性强等特点,能够满足大部分红外载荷量值的溯源需求。
Pb3O4/Mg/PTFE红外诱饵剂远红外辐射性能
王冰, 陈宗胜, 汪家春, 时家明, 陈旺
2019, 48(10): 1004002. doi: 10.3788/IRLA201948.1004002
[摘要](252) [PDF 1310KB](45)
为研究氧化剂和还原剂的配比对四氧化三铅/镁粉/聚四氟乙烯(Pb3O4/Mg/PTFE)混合诱饵剂效能的影响,保持氧化剂的配方不变,改变氧化剂和还原剂的比例,设计了5种不同的药剂配方。使用压片机将混合均匀的药剂粉末压制成药柱。用7.5~14 m远红外热像仪测量药柱燃烧过程,计算出每个样品的燃烧时间、质量燃速、辐射面积、辐射亮度、辐射强度。结果表明:随着还原剂的比例升高,样品质量燃速先变大后变小,当氧化剂与还原剂比例为1:1时,质量燃速最大,为5.03 g/s;样品燃烧的温度随着还原剂的比例升高先变高后降低,当氧化剂:还原剂=1:2时,样品燃烧的最高温度达到最小,为754.29℃;辐射亮度和强度随着还原剂的比例升高先变大后变小,且当氧化剂:还原剂=1:1时,辐射亮度最大,为1 869.21 Wm-2sr-1,辐射强度也达到最大,为97.61 Wsr-1,可见在7.5~14 m波段,当氧化剂:还原剂=1:1时,样品的远红外辐射特性最好。
热应力加速试验评定碲镉汞焦平面阵列像元储存寿命
李建林, 张绍裕, 孙娟, 谢刚, 周嘉鼎, 马颖婷
2019, 48(10): 1004003. doi: 10.3788/IRLA201948.1004003
[摘要](437) [PDF 1155KB](47)
高可靠性长寿命碲镉汞焦平面阵列像元性能参数慢慢变差退化失效,确定它的储存寿命要用B类试验缩短试验时间。有效加速寿命试验ALT或加速退化试验ADT的恒定热应力,应大于高温+90℃、2 160 h。定量加速试验前,应进行高加速应力筛选试验HASS迫使缺陷发展,以暴露可能存在的早期故障。根据碲镉汞红外焦平面探测器杜瓦组件高温储存试验性能退化测试数据,用统计模型对在恒定高温应力水平下获得的失效时间或退化特征性能参数进行转换,得到在+25℃额定应力水平下的储存寿命大于50年。超过3 000 h高温储存试验结果表明,残余工艺应力释放导致试验前1 500 h像元性能有向好的趋势,在高温+80℃的真空环境下烘烤20天不会造成明显的像元性能恶化。
飞机成像目标的红外隐身效果评估
王超哲, 李慎波, 黄聪会, 柴世杰, 贾文铜
2019, 48(10): 1004004. doi: 10.3788/IRLA201948.1004004
[摘要](541) [PDF 1532KB](109)
评估飞机成像目标的红外隐身效果,对飞机红外隐身技术的发展、隐身反隐身作战具有重要的意义。提出了一种飞机成像目标红外隐身效果的评估方法:结合成像探测器工作原理,考虑图像处理各个阶段的算法特点,基于多种图像特征,制定出能反映背景影响和诱饵干扰影响的飞机成像目标红外隐身效果评估指标;通过建立红外成像探测器仿真模型,验证了所制定的评估指标的合理性;最后依据评估指标评估了采用不同隐身技术和施放诱饵干扰对飞机隐身效果的影响,得到了一些对飞机隐身和反隐身具有指导意义的结论。
激光器与激光光学
PI参数优化实现CO2激光快速选线稳定输出
石佳俊, 郑义军, 谭荣清, 朱子任, 黄文武, 孙科, 李志永
2019, 48(10): 1005001. doi: 10.3788/IRLA201948.1005001
[摘要](309) [PDF 1152KB](23)
通过优化驱动光栅的电机PI控制器参数确定方法,加强了伺服电机的定位精度及稳定性,提升了单光路可调谐TEA CO2激光器的弱线输出稳定性并缩短了调谐间隔。该参数确定的方法基永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)的频域模型,推导出了伺服三环比例积分控制器(Proportional Integral,PI)的解析表达式,并根据工程实际需求设定超调量与峰值时间,求出截止频率,以此确定满足最大相位裕度的条件下的伺服三环PI控制器的参数。采用PML40-530B8ANL交流直驱电机及G-POLHOR10P100EE-E0驱动器搭建了光路实验装置对上述参数进行了验证,转台定位系统的超调量为4.86%,调节间隔为19.5 ms。基于该转台系统搭建了快调谐TEA CO2激光器,在20 ms调谐间隔下进行激光器弱线能量稳定性实验,9P(44)谱线的单脉冲能量小于74 mJ,能量波动范围小于3.35%,能量稳定度提高了3.62倍。
电激励重频HF激光器非稳腔设计及实验研究
周松青, 黄珂, 沈炎龙, 易爱平, 瞿谱波
2019, 48(10): 1005002. doi: 10.3788/IRLA201948.1005002
[摘要](409) [PDF 1116KB](26)
为实现电激励重频HF激光远距离传输,在较短的谐振腔内产生大模体积的高质量激光束,开展了激光器正支虚共焦非稳腔的结构设计、仿真计算和实验研究。仿真结果表明,随着放大率M的增大,远场光斑中心亮斑包含的能量逐渐增大,能量向中心转移,远场光斑尺寸和远场发散角也随放大率M增大而减小。实验结果表明:随着放大率M的增大,远场光强分布、光斑尺寸和发散角变化规律与仿真结果一致,但输出激光能量以先增大后降低的规律变化。综合考虑高光束质量和高能量的指标要求,在流场正常工作情况下,当放大率M为3.0时,获得了远场发散角为2.37倍衍射极限和激光能量稍低于稳定腔(约为稳定腔激光能量的94.6%)的重频激光输出,满足激光远距离传输需求。
电子束泵浦XeCl准分子激光器输出特性
黄超, 易爱平, 钱航, 安晓霞, 李高鹏
2019, 48(10): 1005003. doi: 10.3788/IRLA201948.1005003
[摘要](295) [PDF 1001KB](19)
为了确保窄脉宽XeCl准分子激光系统获得高峰值功率紫外激光脉冲,实验研究了紧凑型四向电子束泵浦XeCl准分子激光器的输出特性。通过调节激光腔室气体介质的总气压和气体摩尔比、激光器的充电电压、二极管阳极钛箔厚度等参数,发现了激光能量随以上条件的变化规律,分析得到了激光器运行的最佳条件。在最佳条件下XeCl准分子激光器的脉冲能量大于100 J、脉宽约200 ns,电光效率约为5.81。另外,通过改变激光器内部Marx发生器的开关气压,研究了紧凑型电子束泵浦XeCl准分子激光器输出激光脉冲的延迟抖动特性,发现激光脉冲的延迟抖动可优于20 ns。研究结果表明:紧凑型电子束泵浦XeCl准分子激光器可实现脉冲抖动小于20 ns、103 J的高能紫外激光输出,可满足窄脉宽XeCl准分子激光系统运行的需要。
半主动激光制导武器系统的高重频干扰有效概率研究
邱雄, 刘志国, 王仕成
2019, 48(10): 1005004. doi: 10.3788/IRLA201948.1005004
[摘要](409) [PDF 1007KB](42)
导引头波门内,制导信号能否进入以及高重频干扰是否超前均是概率问题,文中采用概率分析的方法,讨论了制导激光进入波门内的概率(制导概率)和高重频激光第一个脉冲超前制导激光的概率(超前概率)。通过研究制导概率与激光器出光时间标准差(激光时序标准差)的关系和制导概率与波门宽度的关系,得出了当波门宽度为激光时序标准差的6.18倍时,可认为制导激光完全进入波门内。基于制导概率研究超前概率得出了:超前概率与波门内高重频脉冲数的关系;不同高重频激光频率下超前概率与波门宽度的关系;当波门内出现4个高重频脉冲数时,超前概率为98.21%。所以从激光制导讲,可根据激光时序标准差选取导引头波门宽度,实现精确制导;从高重频干扰效果讲,可根据导引头波门宽度确定高重频干扰频率,从而达到有效干扰。
激光反射层析成像相位恢复算法研究
赵楠翔, 胡以华
2019, 48(10): 1005005. doi: 10.3788/IRLA201948.1005005
[摘要](404) [PDF 1417KB](31)
针对激光反射层析成像中目标随机抖动与径向运动造成的投影中心失配问题,提出采用相位恢复算法对重构图像进行相位恢复重建,通过反复光强迭代消除目标随机运动造成的相位误差,达到减少重构误差、恢复目标图像的目的。为改进G-S算法收敛速度与恢复精度,提出频域模值加权方法进行投影数据相位迭代恢复,仿真实验表明,将算法收敛速度与收敛精度提高了1.2倍以上。通过对三组仿真实验处理,重构图像的平均相对均方误差由2.487 5下降到0.792 7,有效地恢复了目标图像轮廓。外场实验表明,该算法能够有效消除重构图像伪迹,改善激光反射层析成像系统成像质量。
大气颗粒物中重金属的双脉冲激光诱导击穿光谱研究
李业秋, 孙成林, 李倩, 岱钦, 乌日娜, 张善春, 杨帆, 乔红超
2019, 48(10): 1005006. doi: 10.3788/IRLA201948.1005006
[摘要](273) [PDF 1046KB](25)
为了对沈阳市某工业区附近大气中重金属等离子体光谱特性进行研究,采用双脉冲激光诱导击穿光谱技术(Double pulse laser induced breakdown spectroscopy,DP-LIBS)对样品中主要重金属等离子体光谱进行测量分析。通过比较单脉冲(SP)和双脉冲(DP)激发的样品等离子体光谱,发现采用DP-LIBS技术可以很好地增强等离子体光谱的强度。研究DP-LIBS光谱强度随两个脉冲激光的间隔时间变化,在脉冲间隔为15 s时样品中重金属等离子体光谱得到了最大的增强。同时DP-LIBS技术也会提高样品等离子体光谱的稳定性,谱线的相对标准偏差由6%降低为3%左右。最后对样品等离子体的电子温度及电子密度随双脉冲间隔时间的变化情况进行了研究。
公里级湍流大气环境下光纤激光高效相干合成
支冬, 马阎星, 马鹏飞, 粟荣涛, 陈子伦, 周朴, 司磊
2019, 48(10): 1005007. doi: 10.3788/IRLA201948.1005007
[摘要](655) [PDF 1252KB](78)
光纤激光阵列光束相干合成可在提升输出激光总功率的同时保持良好的光束质量,进而提升激光亮度,是激光技术领域的研究热点。目前光纤激光相干合成实验已在实验室内获得了大量、良好的验证,然而在真实湍流大气环境下的长距离传输实验却开展较少,相干合成技术对湍流大气引入的相位畸变的校正能力尚需实验验证。目标在回路技术是实现长距离湍流大气环境下阵列光束到靶相干合成的重要方案,是近年来国际上的重点研究方向。基于自适应光纤准直器阵列和共形发射系统,搭建了6路光纤激光目标在回路相干合成系统,成功校正了湍流大气带来的相位畸变,实现了公里级作用距离、湍流大气环境下阵列光束在目标表面的相干合成。
双激光雷达的水平风场估计方法
庄子波, 陈星, 台宏达, 宋德龙, 徐丰田, 邢志伟
2019, 48(10): 1005008. doi: 10.3788/IRLA201948.1005008
[摘要](374) [PDF 1865KB](35)
针对民航机场区域内单部激光雷达探测水平风场存在较大误差的问题,提出一种基于支持向量回归的双激光雷达水平风场估计模型。该模型以两部激光雷达重叠扫描区域风速为基础,对非重叠区雷达径向的其他数据点水平风速进行估计。首先,提取重叠区的径向风速、水平风速和距离三个特征,以重叠区域数据点为训练集,在同一维度规范化后设定惩罚因子和核函数参数,用支持向量回归得到初始估计值。然后,以单部激光雷达的径向风速为先验条件,估计出非重叠区相邻径向点水平风速。将估计的结果扩展为新的训练集,依次逐步扩大训练集进而估计出非重叠区的水平风速。最后,通过实测数据分析了该方法逐步估计的误差,分析了风速大小和回波信噪比对该方法估计性能的影响,结果表明该方法估计的风场的均方根误差较单部雷达的均方根误差更小,减小了水平风速误差,扩大了双激光雷达探测水平风场范围,提高了雷达的利用率。
基于可变分量的参数随机抽样的激光雷达脉冲波形分解
罗敏, 石岩, 周辉, 李松, 马跃, 张文豪, 张颖
2019, 48(10): 1005009. doi: 10.3788/IRLA201948.1005009
[摘要](310) [PDF 1345KB](38)
激光雷达脉冲回波的波形分解方法是提取其波形参数的重要手段,也为反演目标高度、倾斜度和粗糙度、反射率提供直接的参数来源。针对部分信噪比较差且具有一定混叠程度的脉冲回波,提出一种基于可变分量的参数随机抽样方法的波形分解算法(WDVCM)。该算法以高斯混合函数为优化模型,通过随机产生高斯分量的特征参数以及删减或生成高斯分量等操作,并分别基于能量函数和拟合标准差作为参数优化的判据,从而实现波形的分解及其参数提取。利用该算法对美国国家航空航天局(NASA)的对地观测星载激光雷达(GLAS)一个条带中的4584个原始波形进行了处理分析。结果发现,约99%的WDVCM和97%的NASA拟合波形结果的相关系数均超过0.95,其中两者相关系数差异不超过0.05占98%。同时,WDVCM和NASA拟合波形的标准差系数均值分别为2.21和3.28,约89%的WDVCM拟合波形的标准差系数均小于NASA拟合波形的标准差系数。所得结果表明,WDVCM对混叠高斯波形的拟合效果更好,适用性更强。
基于光场分布特性分析的高功率激光吸收体设计方法研究
郑天然, 王方, 孙喜博, 胡东霞
2019, 48(10): 1005010. doi: 10.3788/IRLA201948.1005010
[摘要](315) [PDF 2632KB](24)
高功率激光装置需要利用激光吸收体实现对杂散光的有效管控。然而吸收体受光面交界处极易发生激光损伤,可能导致激光装置内部的洁净环境受到污染。为了解决这一问题,基于有限元分析方法,模拟了高功率激光吸收体受光面交界处在包括无过渡、圆弧过渡和平面过渡等不同过渡条件下介质内部的光场分布,分析了吸收玻璃界面对光场的影响,得到了介质内部光场峰值强度及峰值位置的变化规律。结果显示:吸收体的损伤可能是由于过渡面为曲面导致的。研究工作为吸收玻璃的激光损伤研究和吸收体设计提供参考。
基于图像的水下三点激光测距方法研究
胡波, 张云菲, 吴超鹏, 杨永, 陈宗恒, 宋宏, 陶军
2019, 48(10): 1005011. doi: 10.3788/IRLA201948.1005011
[摘要](461) [PDF 2636KB](42)
基于光学成像原理和激光三角测距法,提出将三个点激光器与水下相机结合、根据水下光学图像对水下目标物距离进行测量的思路。建立了激光束与目标物垂直、与目标物之间存在旋转角、存在俯仰角三种情况下的三点激光测距理论模型,推导了目标物距离与水下激光光斑图像之间的数学关系,在此基础上得到了三种情况下的三点激光测距公式。研制了系统样机,并通过空气中和水下的距离测量实验,测试了测距模型和定标算法的误差。实验结果显示,在8.4 m范围内,使用统一测距公式对距离进行测量时,测距误差最大值约为35 cm,平均测量误差小于15 cm。研究成果可望用于水下目标较近距离的精确测距。
单脉冲能量3 mJ、重复频率1 kHz皮秒超高斯光束的实现
卢尚, 吕思奇, 陈檬, 彭红攀, 杨策, 张携
2019, 48(10): 1005012. doi: 10.3788/IRLA201948.1005012
[摘要](424) [PDF 1236KB](50)
采用圆孔光阑和空间滤波-像传递系统相结合,实现了高效率的皮秒高斯光束到超高斯光束的整形。通过研究其中空间滤波-像传递系统中滤波针孔大小对整形效果的影响,获得了整形效率大于32%、200~500 mm传播距离内保持超高斯光束填充因子大于0.76传输的实验结果。随后对获得的超高斯光束进行放大,放大过程中通过利用侧面泵浦Nd:YAG晶体的热透镜代替放大光路中4F系统像传递系统中的透镜,简化了超高斯皮秒激光放大系统的结构,同时经过一级双通放大后,获得了近场填充因子0.72,单脉冲能量3.0 mJ,脉冲宽度11 ps,重复频率1 kHz,峰值功率密度8 GW/cm2的超高斯光束皮秒激光放大输出。
用于油井激光射孔的10 kW激光19×1空间非相干合束
查榕威, 雷广智, 李建林, 陈浩伟, 白杨
2019, 48(10): 1005013. doi: 10.3788/IRLA201948.1005013
[摘要](385) [PDF 2679KB](32)
激光射孔是油井完井工程领域一项具有前瞻性的技术,对提高石油资源采收率具有重要的应用价值。为提高油井激光射孔所使用的激光功率和激光传输的安全性,利用19台光纤传输972 nm半导体激光器实现了10 kW级激光空间非相干合束。通过分析参与合束的准直激光束的半径、间距与合束激光的光斑重叠率之间的变化规律以及模拟合束激光横截面能量分布,完成激光空间非相干合束器的结构设计。在300 mm的合束长度内实现了具有单一光束形态且最大合束功率达到10.441 kW、焦斑直径21 mm、线宽2.46 nm的空间非相干合束激光输出,合束效率达到98.2%。利用10 kW空间非相干合束激光完成了针对砂岩和钢板的地面激光射孔实验,射孔深度分别达到570 mm和70 mm。
光电测量
光纤倾斜耦合角度的快速精密图像测量
田永胜, 侯金, 龙银福, 唐翠姣, 黄玉春, 杨春勇, 陈少平
2019, 48(10): 1013001. doi: 10.3788/IRLA201948.1013001
[摘要](391) [PDF 1640KB](33)
光纤与光芯片的上表面耦合的倾斜角度是影响光耦合效率的关键因素之一,针对传统角规测量法效率低、精度差和不稳定等问题,采用坐标系重构方法和图像处理技术实现了对光纤倾斜耦合角度的快速精密测量。首先,在常规图像角度测量的基础上引入棋盘靶标进行坐标系重构,降低了CCD在光学放大获取微小光纤的图像信息时光轴轻微转动引起的误差。然后,为了在降低噪声影响的同时保障光纤直线特征的检测精度,对比了Hough变换和图像细化两种提取光纤直线参数的算法,结合直线元素在投影面的三角关系获得了光纤倾斜角度。实验结果表明:基于Hough变换的直线提取算法误差在0.1,平均运算时间为0.370 s,实现了对微小尺寸下光纤倾斜耦合角度快速精确地测量。
基于有效信号提取的白光干涉信号快速处理方法
马龙, 贾竣, 裴昕, 胡艳敏, 周航, 孙凤鸣
2019, 48(10): 1013002. doi: 10.3788/IRLA201948.1013002
[摘要](375) [PDF 2733KB](39)
针对白光扫描干涉术在垂直大范围扫描过程中的测量效率问题,提出了一种基于有效信号提取的白光信号快速处理方法。使用白光LED光源,建立了双峰频谱分布模型,并使用该模型进行了仿真实验,给出了不同算法在特定采样步长下所需的最小采样区间长度确定方法,在不改变测量精度的条件下减少了解算所需的数据量,并使得轮廓解算可以在采样结束前开始。针对垂直大范围扫描过程中的背景值波动问题,给出了一种基于背景集合的白光干涉信号背景分离方法,并通过与几种常见信号处理方法的比较,证明了背景值提取的完整性,有效消除了背景值波动现象对测量精度造成的影响。最后将上述方法应用于自主设计开发的白光轮廓仪,使用傅里叶变换法精确测量了U盘接口表面形貌特征。测量结果表明:从扫描开始到获得表面高度信息的总时间减少了49.02%。
反作用轮实现微纳卫星光电跟踪物理仿真
陶俊明, 刘军, 李治国, 李昕, 程志远
2019, 48(10): 1013003. doi: 10.3788/IRLA201948.1013003
[摘要](298) [PDF 2135KB](20)
为了验证以反作用轮为执行机构实现姿态机动,完成微纳卫星对运动目标跟踪的可行性,设计了基于单轴气浮台的微纳卫星光电跟踪物理仿真系统。首先,为提高物理仿真系统的性能,分别对反作用轮和气浮台的干扰力矩进行分析;其次,针对反作用轮存在的干扰力矩和加、减速时间常数不对称的问题,设计了增益调度和力矩补偿相结合的反作用轮控制策略;再其次,采用双闭环-速度前馈的控制结构,完成了微纳卫星光电跟踪物理仿真系统的控制系统的设计;最后,为了验证仿真系统的跟踪性能,对作正弦运动的一维靶标进行跟踪。实验表明:对于跟踪最大速度为9()/s、最大角加速度为4.5()/s2的正弦运动靶标,物理仿真平台的跟踪精度达到0.4,从而说明以反作用轮为执行机构实现姿态机动,微纳卫星可以实现对运动目标的跟踪。
利用图像翻转和复域编码的离轴干涉载频消除
白鸿一, 杨自恒, 朱福珍
2019, 48(10): 1013004. doi: 10.3788/IRLA201948.1013004
[摘要](372) [PDF 1761KB](26)
提出一种利用图像翻转和复域编码消除离轴干涉载频影响,进而实现相位恢复的方法。方法通过旋转样品干涉图180,得到翻转干涉图。样品干涉图与翻转干涉图首先被复数域编码为一幅合成的干涉图。继而进行傅里叶变换,可通过带通滤波器提取频谱中相互分离的共轭项用于相位恢复。通过逆傅里叶变换,可以获得含有样品干涉图和翻转干涉图的相位分布、载频信息的结果。通过除法运算,载频得以在无需复杂运算、解包裹、系统先验信息的情况下被消除。通过仿真和实验验证了算法的可行性。实验结果表明该方法可获得精确的相位恢复结果。在恢复薄相位样品时,该方法的恢复时间仅为原图像翻转方法的23.32%。
基于LabVIEW的Xe核自旋横向弛豫时间自动测试系统
黄婷, 缪存孝, 万双爱, 田晓倩, 李瑞, 叶建川
2019, 48(10): 1013005. doi: 10.3788/IRLA201948.1013005
[摘要](352) [PDF 2107KB](29)
核磁共振陀螺仪是基于量子调控技术的前沿研究,具有高精度、小体积、低功耗等显著优点,是未来高精度微小型陀螺的主要发展方向之一。原子气室内Xe核自旋的横向弛豫时间是衡量原子气室性能的一个重要参数,直接影响陀螺的角随机游走,准确快速地测量横向弛豫时间有利于研制性能更优的原子气室。根据推导的核自旋横向弛豫时间测量原理,基于LabVIEW软件平台设计了一种气室核自旋横向弛豫时间的自动化测试系统,实现了温度控制、氙共振频率找寻、磁场控制及数据处理存储功能。实际应用表明,采用自动化测试系统工作稳定可靠、测量效率高、测试精度高、人机交互性好,为检验核磁共振陀螺仪原子气室的性能提供了有效测试手段。
多参量一体化光纤传感器及标校系统的研制与开发
杨洋, 赵勇, 吕日清, 刘兵, 郑洪坤, 王孟军, 崔盟军, 杨华丽
2019, 48(10): 1013006. doi: 10.3788/IRLA201948.1013006
[摘要](350) [PDF 1393KB](43)
提出一种集温度、压力和流量多参数同时测量的新型光纤传感器,并对其原理和结构、工艺设计展开研究工作。采用靶式与悬臂梁结构相结合的机敏结构、薄壁压力应变筒结构等集成在同一传感器探头上,并利用四只光纤光栅使得温度、压力和流量三个参数得以同时检测。利用光纤光栅两两之间波长移动量相差或相和,使温度与流量、压力交叉敏感问题得以解决。同时开发了光纤传感器标校系统,这一系统可以较准确实现对所研发的多参量一体化传感器的测试结果进行检测和标校。
一种机载红外光谱相机的角位置误差补偿技术
董浩, 孙拓, 吴丽娜, 唐帅, 刘晓波
2019, 48(10): 1013007. doi: 10.3788/IRLA201948.1013007
[摘要](370) [PDF 1161KB](24)
机载红外多光谱扫描仪采用摆扫扫描成像机制,解决了红外光谱相机的光谱分辨率、高空间分辨率和大成像幅宽之间的矛盾,可实现下视和远距离侧视成像。为了实现采集图像无缝拼接的像元级对准,需保证红外光谱仪的角位置信息准确。本文针对机载扫描成像光谱仪的几何定位问题进行分析,指出角位置误差是影响相机几何定位的主要因素,进而采用一种角位置误差的长短周期双重补偿方法,对角位置误差进行补偿。地面测试结果表明,补偿后相机角位置精度提高10倍,且经环境试验验证,角位置误差仍保持稳定。由机载挂飞试验结果表明,后图像相对几何精度优于一个像元(10),满足图像拼接的几何定位需求。
气流扰动下光电系统高精度稳像控制方法
张伟明, 史泽林, 马德鹏
2019, 48(10): 1013008. doi: 10.3788/IRLA201948.1013008
[摘要](354) [PDF 1615KB](42)
气流随机冲击引起的姿态扰动是飞行器光电系统的主要扰动源,在系统自身转轴摩擦和质量不平衡等因素的作用下,严重影响了光电系统视轴稳定性。为了有效抑制扰动力矩的影响,建立了外俯仰、内方位两轴光电系统动力学模型,给出了扰动因素和运动耦合综合作用下的扰动传递关系。根据系统动力学模型,提出了扩展卡尔曼滤波扰动力矩估计方法,并构建扰动力矩前馈控制回路,实现了对扰动力矩的实时补偿,大大提高了光电系统的稳像控制精度。利用飞行模拟转台对某两轴光电系统进行了半实物仿真实验,结果表明:在幅值为1、频率为2 Hz的载体扰动条件下,采用前馈补偿方法系统俯仰和方位框架的视轴稳定精度均方根值分别达到0.026 4 mrad和0.029 0 mrad,相比扰动观测器控制方法分别提高了64.1%和69.6%。
光学设计
灯光干扰对微光成像系统性能的影响
荆卫国, 王红培, 栾光琦, 孙明昭, 田超, 王佳笑
2019, 48(10): 1014001. doi: 10.3788/IRLA201948.1014001
[摘要](482) [PDF 2226KB](32)
根据灯光干扰源作用微光成像系统的两种途径,建立了灯光干扰辐射传输模型;分析了灯光干扰对微光成像系统响应特性的影响,建立了灯光干扰辐射能量与系统响应特性的量化关系模型;以实测和理论计算数据为基础构建了仿真平台,实现了灯光干扰下微光成像的模拟仿真,并对仿真图像的灰度均值、均方误差和相关函数进行了计算,结果表明微光成像质量与灯光干扰源位置和亮度有直接关系,且灯光干扰源位置的不同会导致灰度相关函数变化趋势的差异;进行了灯光干扰实验,实验结果和模拟结果的成像质量变化趋势基本一致,同时实验结果表明灯光干扰会导致目标与背景成像对比度增大,且随着干扰距离增大到一定距离后,逐渐减小至小于无干扰时。
材料与薄膜
短中波红外探测系统宽波段高透过率薄膜
付秀华, 张功, 张静, 刘冬梅, 杨伟声, 木锐
2019, 48(10): 1017001. doi: 10.3788/IRLA201948.1017001
[摘要](422) [PDF 1087KB](39)
短中波红外探测系统能够同时响应短波红外及中波红外两个波段,可以满足复杂探测环境的使用要求,在军用及民用方面获得了广泛应用。为提高红外探测器的精度,缩短响应时间,需要研制满足系统要求的宽波段高透过率薄膜。结合Baumesiter减反射膜设计理论,对变尺度算法的评价函数进行了优化,建立了新型加权评价函数模型,在2.6~3.3 m的水吸收波段,根据模型设计了低敏感度高容差的膜系结构。并针对水吸收波段优化制备技术,研究了不同离子源辅助沉积参数对MgF2光谱特性的影响,同时采用阶梯性退火工艺,得到了一种有效降低水吸收的方法。最终所制备的薄膜在1.5~5 m波段范围内光谱透过率大于96.5%。
Ⅲ族氮化物光电阴极原位程序升温脱附
成伟, 石峰, 杨书宁, 周玉鉴, 任彬
2019, 48(10): 1017002. doi: 10.3788/IRLA201948.1017002
[摘要](335) [PDF 1489KB](24)
建立了理论热脱附和原位程序升温脱附方法研究III族氮化物光电阴极部件的热除气过程。基于Malev吸附-扩散除气理论搭建了光电阴极的平板模型,利用Fick第一和第二定理计算得到了除气过程中样品吸附气体浓度、瞬时除气速率以及总的气体脱附量随时间变化的表达式。为便于直观研究,通过截取四阶近似给出不同扩散系数量级下的以上参量随时间的变化曲线。在III族氮化物光电阴极TPD动态法实验中,研究并分析了光电阴极部件在不同恒温除气阶段的残余气体谱图,由此得出进入真空中的脱附气体种类。采用最小二乘法拟合得到:恒温1 000 K的条件下,N2的扩散系数为510-5 cm2/s。通过理论分析结合TPD实验,III族氮化物光电阴极部件热清洗的有效去除污染加热温度得到了有效的评估和验证。
基于高光谱成像芯片中布拉格反射镜的设计和制备
王天鹤, 刘舒扬, 张晨, 贾晓东
2019, 48(10): 1017003. doi: 10.3788/IRLA201948.1017003
[摘要](386) [PDF 2175KB](77)
针对传统高光谱成像系统体积质量大、光机结构复杂、成本高等缺点,亟待微小型化的需求,开展高光谱成像芯片中布拉格反射镜设计和制备的研究,根据布拉格分布膜系理论开发的多层膜系结构的模拟器,并根据结构设计完成了5层和7层膜系布拉格反射镜的制作,利用可见/近红外分光光度计,对布拉格反射镜的反射率进行测量,与模拟器进行对比,由于布拉格镜的实际制备存在瑕疵,导致误差 3%,多层膜系结构模拟器可以指导实际布拉格反射镜的制备,为高光谱成像芯片化奠定基础。
真核微生物与原核微生物气溶胶0.25~15 μm光学特性
赵欣颖, 胡以华, 顾有林, 陈曦, 王新宇, 王鹏
2019, 48(10): 1017004. doi: 10.3788/IRLA201948.1017004
[摘要](356) [PDF 2421KB](28)
微生物气溶胶作为大气气溶胶的重要组成部分,可以通过吸收或散射影响大气辐射特性。当前对于微生物气溶胶光学特性的研究,多局限于单波段或单种质,无法归纳出微生物气溶胶光学特性的一般性和特殊性,不利于全面分析微生物气溶胶对大气辐射特性的影响。测量了三种真核孢子微生物和三种原核杆菌微生物材料在0.25~15 m波段的光谱反射率,结合K-K算法计算复折射率m,并对微生物FTIR光谱进行分析,比较了真核与原核微生物0.25~15 m波段光学特性的相同与相异之处。研究结果可以帮助全面理解和定量计算大气辐射特性,为微生物气溶胶遥感探测和类型鉴别提供理论支撑,为开发新型功能性材料提供了新思路。
光诱导氧化钒薄膜原位太赫兹波调制特性研究
韦晓莹, 李心元, 吴环宝, 王天鹤, 贾晓东
2019, 48(10): 1017005. doi: 10.3788/IRLA201948.1017005
[摘要](430) [PDF 2001KB](33)
采用磁控溅射及快速热氧化法在c-Al2O3基底制备出高质量的氧化钒薄膜。首先,分析结果表明所制备的氧化钒薄膜表面颗粒大小均匀,表面均方根粗糙度约为16.75 nm,主要成分为VO2和V2O5,V4+离子的含量为78.59%,所制备的氧化钒薄膜具有稳定的热致相变特性;其次,光诱导下薄膜的THz波调制特性研究结果显示,随着激励光功率增大,薄膜的THz透过率逐渐减小;最后,经过多次原位反复测试结果表明所制备的氧化钒薄膜具有稳定可逆的THz波调制特性,可应用于太赫兹开关和调制器等集成式太赫兹功能器件。
光学器件
温度对碲锌镉光子计数探测器计数性能的影响及机理研究
李颖锐, 吴森, 郭玉, 席守智, 符旭, 查钢强, 介万奇
2019, 48(10): 1016001. doi: 10.3788/IRLA201948.1016001
[摘要](653) [PDF 1226KB](46)
基于线阵光子计数探测器模块,实现了碲锌镉探测器的光子计数应用。研究了大剂量X射线下碲锌镉探测器的计数性能,发现碲锌镉光子计数探测器根据其典型计数性能可分为两类:C1,C2。分析了这两类典型的光子计数探测器的计数性能与X射线能谱响应特性、前放脉冲信号上升时间以及碲锌镉探测器缺陷水平的内在联系,在此基础上研究了温度对C2类碲锌镉光子计数探测器计数性能的影响规律,升高温度可以抑制探测器的极化失效,提高计数率,且当温度升高至33℃时,探测器计数性能可得到显著改善。最后利用线阵光子计数探测器模块,获得了不同温度下C2类碲锌镉光子计数探测器的多能区成像结果,升高温度可以显著增加其图像衬度,提高成像质量。该研究为通过控制外部条件提高碲锌镉光子计数探测器性能提供了有效手段。
微通道波导栅型复合探测信号提取方法与验证
刘德兴, 母一宁, 曹喆, 樊海波, 郝国印
2019, 48(10): 1016002. doi: 10.3788/IRLA201948.1016002
[摘要](384) [PDF 1950KB](29)
为改善波导栅型薄膜复合探测器件位敏阳极读出光电信号质量,降低栅型薄膜引起的电子束多径展宽对阳极探测信号的影响,研究了微通道板波导栅型复合探测信号在阳极的直接耦合提取方法。根据低能电子束在多元介质中的散射模型,利用蒙特卡洛统计方法对入射到栅型薄膜中的低能电子束轨迹进行模拟,并分析均匀分布和高斯分布下波导栅极引入噪声和透射电子束径向偏移对阳极信号提取精度的影响。对透射过栅型薄膜到达阳极的微弱光电脉冲信号的前置放大和串联压控多级级联放大模式,给出适用于加性高斯分布噪声叠加下基于Sallen-Key拓扑结构的四阶切比雪夫低通滤波和峰值保持电路的专用提取方案,减小波导栅型薄膜对信号信噪比和频响特性的影响。搭建专用波导栅型复合探测位敏信号读出平台,结合系统并行单点接地的连接模式和楔条形阳极位敏电荷直接耦合提取方式,验证器件阳极信号提取方法,获得2 s脉宽,200 kHz频率的准高斯脉冲提取信号。
光谱学
基于小型化便携式光谱成像技术的分类识别系统研究
张晨, 刘舒扬, 赵安娜, 王天鹤, 贾晓东
2019, 48(10): 1023001. doi: 10.3788/IRLA201948.1023001
[摘要](523) [PDF 1662KB](64)
小型化便携式光谱成像越来越多应用于日常生活中,给人们的生活提供了更多的便利。柑橘属水果是人们日常生活中经常食用和储存的水果之一,在智能冰箱中,柑橘由于品种相似等原因不利于识别和分类,光谱成像技术利用其物质不同的特征波长实现其识别。采用新型的单芯片式光谱成像芯片搭建小型化便携式的光谱成像系统,利用光谱成像技术实现对柑橘属水果的分类识别,并通过分批次样本进行交叉验证,同时建立光谱分辨率与准确度关系,通过约束光谱分辨率,有效提高了柑橘属水果分类识别的准确度,光谱分辨率小于20 nm,识别准确度可达到95%以上。
图像处理
时空自适应的分焦平面偏振视频PCA去噪
李宁, 赵永强, 潘泉
2019, 48(10): 1026001. doi: 10.3788/IRLA201948.1026001
[摘要](415) [PDF 2927KB](65)
分焦平面式(DoFP)偏振成像探测器通过集成式微偏振阵列实现偏振信息的实时获取。然而由于成像过程中存在噪声,对后续的偏振图像去马赛克超分辨、场景偏振信息解算产生了严重影响。基于主成分分析(PCA)提出一种时空自适应DoFP视频数据去噪算法,对于每个待去噪的DoFP图像块,在其局部时空邻域内选取相似的图像块,然后利用主成分分析对其去噪。该算法充分利用DoFP视频数据的时空信息构建训练样本,且块匹配过程无需采用运动估计,可直接用于DoFP视频数据去噪。进一步提出基于双边滤波的残余噪声去除算法,从而得到更好的去噪效果。通过模拟与真实数据对所提算法进行实验验证,结果证明:所提算法可有效抑制噪声,在相同测试条件下,所提算法优于现有算法。
基于高阶非线性模型的多目标高光谱图像解混算法
甘士忠, 肖志涛, 陈雷, 南瑞杰
2019, 48(10): 1026002. doi: 10.3788/IRLA201948.1026002
[摘要](394) [PDF 1126KB](39)
在高阶非线性混合模型的基础上,提出一种多目标高光谱图像解混算法,解决传统方法受高光谱数据异常值影响而解混精度不高的问题。该算法以重构误差与光谱角分布为目标函数建立优化模型,并同时优化两目标函数以减少数据异常值对模型求解的影响,使解混结果在两个评价指标上得到提升;最后采用差分搜索算法求解多目标优化模型,解决梯度类优化方法易陷入局部极值的问题,从而进一步提升解混精度。实验结果表明,文中算法与传统高光谱解混算法相比,具有更精确的端元丰度估计结果和更高的解混精度。
灾情侦测无人机动态航迹规划算法设计
秦玉鑫, 陈宇, 乔恒恒, 车子琪, 张公平
2019, 48(10): 1026003. doi: 10.3788/IRLA201948.1026003
[摘要](372) [PDF 1346KB](44)
提出了一种应用于灾情侦测无人机的动态航迹规划算法。当突发地震、洪水等重大灾害时,可第一时间获取灾情环境信息,并利用无人机携带侦测设备对灾害现场信息、图像进行探测和实时传送。提出了一种基于文化算法框架下的动态航迹规划算法,首先针对环境中的不同地形进行模型构建,对丘陵、山峰等障碍物设计相应的函数模型,构建数字地图,在该地图模型上进行动态航迹规划,该航迹规划算法可使无人机在飞行过程中自主规划航迹,实现超低空飞行,使信息采集更准确,有效的辅助救援策略的制定。通过仿真验证,并与多种算法进行比较,证明了该算法的可行性与有效性。
梯度纹理直方图与多层感知器船舶快速检测
董超, 冯俊健, 田联房, 郑兵
2019, 48(10): 1026004. doi: 10.3788/IRLA201948.1026004
[摘要](328) [PDF 2029KB](50)
在动态的复杂环境中,受背景建模失效影响,传统船舶目标检测方法的精度较低。针对该问题,提出一种基于梯度纹理直方图特征与多层感知器的船舶快速检测算法。该算法利用多层感知器将目标的梯度与纹理的直方图进行特征融合,为船舶目标构建特征空间。首先,基于二值梯度的特征训练船舶候选区模型,以快速生成具有高召回率的少量船舶候选窗口,并在每个候选窗口提取梯度纹理直方图特征;其次,设计一个多层感知器作为船舶分类器,对提取到的梯度纹理直方图特征进行判别。实验结果表明,该算法在多个海上场景中船舶检测平均精确率达90.0%,平均执行时间为20.4 ms/frame,有效实现海上船舶精确与快速的检测。