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2019年  第48卷  第9期

专家报告
Visible light optical coherence tomography in biomedical imaging
Ji Yi
2019, 48(9): 902001. doi: 10.3788/IRLA201948.0902001
[摘要](383) [PDF 702KB](128)
Optical coherence tomography (OCT) is a widely used optical imaging modality for three-dimensional structural and functional imaging. The prevalent OCT systems use an invisible light laser source beyond 800 nm and up to 1 500 nm to allow deep image penetration in biological tissues. Recently, visible light OCT (vis-OCT) using a short wavelength range between 400 nm to 700 nm has gained significant progress and attracted interest in its unique capability of high resolution imaging and spatially-resolved spectroscopy. In this article, we will briefly review the recent advance of vis-OCT imaging and its potential biomedical applications.
红外技术及应用
星上红外遥感相机的辐射定标技术发展综述
盛一成, 顿雄, 金伟其, 郭一新, 周峰, 肖思
2019, 48(9): 904001. doi: 10.3788/IRLA201948.0904001
[摘要](729) [PDF 1951KB](108)
随着对天基对地以及临近空间目标探测的需求增大,高性能红外相机探测及海量数据定量化迫切需要高可靠性、高精度的辐射定标技术,因此,星上辐射定标装置已成为当前空间定量遥感技术发展的重要方向。在轨红外遥感相机的辐射定标主要校正探测器响应的不均匀性(相对辐射定标)和建立遥感相机输出信号与输入辐射量的函数关系(绝对辐射定标)。在介绍红外相机星上辐射定标基本原理的基础上,综述近年来几个国内外典型星上辐射定标装置及其特点,并介绍笔者所在课题组近年来基于内部定标源+天空星图的红外相机高动态范围(HDR)相对辐射定标方法的研究进展。论文对于红外辐射定标技术及星上辐射定标装置的发展具有参考意义。
微型近红外物联网节点的传感器输出数字化应用研究
魏杨, 王绪泉, 魏永畅, 刘煦, 黄张成, 黄松垒, 方家熊
2019, 48(9): 904002. doi: 10.3788/IRLA201948.0904002
[摘要](604) [PDF 1112KB](51)
物联网光谱分析技术的兴起,推动近红外光谱传感器向着微型化、数字化和智能化方向发展。针对InGaAs焦平面数字化、智能化的发展需求,研究InGaAs光谱组件输出数字化方案。设计一种集成自研ADC的数字化光谱传感电路,并研制了新型微型近红外光谱节点。该节点内部集成202个有效光谱通道,波长范围为900~1 700 nm,光谱分辨率优于16 nm,波长准确性小于1 nm,波长重复性优于0.3 nm,节点系统信噪比约为500:1,帧扫描时间约3 ms。研究结果表明:该微型物联网光谱节点满足近红外光谱分析实际应用需求,为传感器片上数字化输出发展和近红外光谱分析物联网应用提供技术支持。
高温窗口作用下红外导引头性能建模与评估
柴国贝, 赵晓宁, 刘玮, 鲍文卓, 谢晓阳, 李强
2019, 48(9): 904003. doi: 10.3788/IRLA201948.0904003
[摘要](498) [PDF 1352KB](54)
高超声速飞行器的高温窗口会对红外导引头成像性能产生严重影响。为了定量分析高温窗口效应,通过红外导引头信号响应特性和高温热辐射特性耦合的方法,建立了高温窗口作用下的红外导引头成像量化表征模型,并利用典型红外导引头系统高温窗口实验对该模型进行验证。基于量化表征模型,结合外场试验获取的船海辐射数据,实现了多种温度窗口作用下红外导引头成像结果计算,并对高温窗口作用下的红外导引头成像性能进行评估分析。分析结果表明:当窗口温度超过250℃时,肉眼基本无法通过图像分辨船只;当窗口温度超过300℃时,基本无法通过导引头识别算法实现目标的分辨和跟踪。
移动式雷达/红外辐射控制的调度方法
张昀普, 徐公国, 单甘霖, 段修生
2019, 48(9): 904004. doi: 10.3788/IRLA201948.0904004
[摘要](526) [PDF 1500KB](25)
针对降低移动式雷达/红外协同跟踪时的辐射风险问题,提出了一种移动式雷达/红外辐射控制的调度方法。首先,结合平台和目标的运动状态建立了目标跟踪模型,利用容积卡尔曼滤波预测跟踪精度;并引入辐射度影响建立了雷达辐射模型,给出了雷达辐射状态和系统辐射代价的预测方法;然后,以跟踪精度满足任务要求为约束条件,以长期辐射代价最小化为优化目标,构建了长期调度的目标函数;最后,针对求解时计算复杂度高的难题,设计了一种决策树搜索算法。仿真结果表明,文中所提调度方法与短期调度相比,具有更好的辐射控制效果,在决策步长为3时,其辐射代价下降了26.5%;且与固定位置调度比,文中方法能在改善跟踪性能的同时,降低辐射代价,在跟踪低速目标时,其跟踪误差和辐射代价分别下降了29.9%和30.5%。
空间目标临边探测背景红外成像建模与图像仿真
于鲲, 郭彪, 丛明煜
2019, 48(9): 904005. doi: 10.3788/IRLA201948.0904005
[摘要](549) [PDF 1884KB](48)
临边红外观测是对辐射强度较弱空间目标的一种有效探测方式,探测临边背景的红外辐射分布规律直接影响目标检测跟踪的效果。通过实测图像对临边背景辐射统计特征进行建模:临边背景辐射亮度在地平线垂直和水平方向具有不同的分布规律,垂直分布与视线切线高度相关,水平方向可近似为正态分布,变异系数取值集中于[0.01,0.05]。基于建模成果提出了一种临边背景红外图像快速仿真方法,实验结果表明仿真图像与实测图像具有较高的一致性,验证了成像模型和仿真方法的有效性。同时,快速仿真方法耗时仅为常规逐像元仿真方法的1/200,能够满足实时仿真的需求。研究结果可应用于红外相机设计和目标检测算法测试等领域。
基于光线追迹的红外探测光学系统杂散辐射研究
张发强, 张维光, 万文博
2019, 48(9): 904006. doi: 10.3788/IRLA201948.0904006
[摘要](523) [PDF 1273KB](41)
杂散辐射分析与抑制是红外探测光学系统设计的重要环节,杂散辐射增加了系统的噪声,降低了红外探测系统对目标的探测能力。首先对红外探测系统杂散辐射源进行了分析,对基于光线追迹的杂散辐射分析理论进行了介绍,并结合具体的红外探测光学系统实例,提出了反向光线追迹的思路,分析系统关键表面的特性,提出了给机械表面涂覆吸收膜的方法来抑制系统的杂散辐射,分析结果满足杂散辐射抑制的要求。
红外成像制导导弹分布式协同制导律研究
高晔, 周军, 郭建国, 冀华
2019, 48(9): 904007. doi: 10.3788/IRLA201948.0904007
[摘要](386) [PDF 1563KB](47)
针对红外成像制导导弹协同攻击问题,基于网络同步原理,考虑导引头视场角、攻击时间协同及攻击角度协同约束条件,提出了一种面向协同探测的分布式协同制导律。建立了包含弹目距离、视线角等在内的弹目相对运动方程,并通过坐标转换将攻击时间及攻击角度协同问题转化为弹目距离及弹目视线角的一致性收敛问题。在一致性问题求解过程中,应用分布式一致性策略计算满足导引头视场角约束的纯比例导引的修正量及切向加速度,从而实现了红外成像制导导弹满足导引头视场角约束的攻击时间协同和攻击角度协同,并给出了制导律成立的充分条件与参数的规范化设计方法。设计的分布式制导律具有满足视场角约束、无中心节点、适应非定常导弹速度、通讯代价小的优点,可以有效适用于红外成像制导导弹进行分布式协同制导。
激光器与激光光学
抑制高峰值功率皮秒激光放大系统Nd:YAG中的自聚焦效应
吕思奇, 卢尚, 陈檬
2019, 48(9): 905001. doi: 10.3788/IRLA201948.0905001
[摘要](510) [PDF 1503KB](30)
全固态皮秒放大器的平均输出功率易受到增益晶体中自聚焦效应的影响。通过引入补偿元件砷化镓(GaAs)片可以避免自聚焦效应造成的损伤,关于砷化镓的抑制机理对高峰值功率Nd:YAG晶体皮秒放大器系统的进行理论分析和实验研究。以公式计算得到了GaAs材料的非线性折射率系数,并由数值模拟给出了在抑制自聚焦的最佳效果下GaAs片厚度与Nd:YAG棒长度的关系。在入射皮秒激光束中心波长为1 064 nm、重复频率为1 kHz、峰值功率密度为12 GW/cm2的条件下,进行了不同厚度(200 m和550 m) GaAs片对抑制Nd:YAG棒自聚焦损伤的实验研究。通过优化GaAs片的厚度,该补偿方法在高峰值功率皮秒脉冲条件下,特别是对于Nd:YAG放大器显示出较高的效率。关键词:自聚焦效应;非线性折射率系数;光学损伤; B积分
采用实时功率反馈的半导体激光器幅度调制方法
薛梦凡, 彭冬亮, 荣英佼, 申屠晗, 骆吉安, 陈志坤, 刘智惟
2019, 48(9): 905002. doi: 10.3788/IRLA201948.0905002
[摘要](346) [PDF 1672KB](32)
针对现有半导体激光器(Laser Diode,LD)幅度调制电路具有调制幅度不稳定、调制波形存在非线性失真的缺点,提出采用实时功率反馈的幅度调制方法。通过光电二极管(Photodiode,PD)实时监测LD的输出功率,再根据LD的输出功率自动调整LD工作电流,使其输出功率随调制信号线性变化。最后根据提出的调制方法设计并实现了调制电路,实验结果表明:在温度20~40℃范围内,调制电路的-3 dB带宽达到20 MHz,调制功率的幅度稳定度优于4%,最大非线性误差为0.1%。该调制方法提高了半导体激光器的输出功率稳定性,减少了调制波形的非线性失真,拓宽了半导体激光器的线性工作范围。
准分子激光系统中模拟信号的传输方法
潘宁, 梁勖, 林颖, 潘冰冰, 方晓东
2019, 48(9): 905003. doi: 10.3788/IRLA201948.0905003
[摘要](332) [PDF 1478KB](16)
介绍了常见的强电磁干扰下的模拟信号传输方法,并改进了一种传输方案。首先,探测器一端将模拟信号转换为频率信号通过光纤发射器送出;其次,主控端接收光纤信号,在设置的读取时间内测量光信号的频率,计算获得相应的模拟量,代替传统上作频压转换后再作模数转换的做法,不仅节省了转换时间,提高了响应速度,而且可根据实际需求调整读取时间,从而获得不同的模拟量精度。在一台248 nm KrF准分子激光器上实际测试,实现了对变化较缓的气压信号的高精度在线监测,与传统方法对比更为准确,也可满足重复率0~90 Hz条件下激光脉冲能量检测信号的实时传输。通过计算皮尔森系数,该方案得到的采集值与原始信号趋于一致,满足应用需求。
高精度激光器电流驱动与交流温控系统设计
缪存孝, 邢国柱, 刘建丰, 万双爱, 杨竞, 闫晓强
2019, 48(9): 905004. doi: 10.3788/IRLA201948.0905004
[摘要](393) [PDF 1891KB](65)
半导体激光器作为原子磁强计的重要组成部分,其波长和功率主要由电流和温度决定,而传统的直流温控系统会对磁强计产生磁场干扰。针对高精度电流控制、温度控制和磁场干扰问题,设计了一种激光器恒流源驱动和交流控温系统。首先,设计基于功放的高精度激光器恒流源驱动系统;然后,设计交流温度调制解调检测和交流加热驱动系统;最后,采用STM32控制器、高精度AD采集和DA输出结合温度模糊自适应PID控制算法进行高精度温度控制。实验结果表明:在42℃温度下控制精度为0.005℃,在32 mA电流下稳定度为0.5 A,为激光器光功率和波长稳定性奠定基础。
热传递对异面腔四频差动激光陀螺温度漂移补偿的影响
赵洪常, 汪之国
2019, 48(9): 905005. doi: 10.3788/IRLA201948.0905005
[摘要](248) [PDF 1612KB](20)
为了减小四频激光陀螺零漂的温度敏感性,对数学补偿模型和安装结构热设计进行了研究。通过高低温实验研究了四频激光陀螺零漂与温度的关系。第一次采用普通铜支架将四频激光陀螺固定在屏蔽盒内,由于两放电支路的温度变化不对称,温度变化率是数学补偿模型的显著项。第二次设计了专用铜支架,使两放电支路的温度对称地变化,因而温度变化率在数学补偿模型中的重要性大大降低。改进支架之后,补偿后的零漂残差从0.018 Hz降低到0.01 Hz,即便采用温度多项式补偿模型也能达到0.012 Hz。这些结果表明:在设计四频激光陀螺系统时,安装结构热设计能够提高数学模型补偿的效果,温度补偿是提高四频激光陀螺的精度的有效方法,在-40~60℃温度范围内补偿后的百秒标准差达到0.013/(()h)。
Lyot型双折射滤波片在DF化学激光器中的应用研究
杨珍, 任晓明, 赵海涛, 刘现魁, 王杰, 郭建增
2019, 48(9): 905006. doi: 10.3788/IRLA201948.0905006
[摘要](298) [PDF 2090KB](20)
综合考虑调制深度、调谐率、自由光谱范围、走离角等各项因素,设计了一组Lyot型双折射滤波片,由三块厚度相同的白宝石晶体构成,每个滤波片厚度为9 mm,三块滤波片同光轴方向平行放置。为减小光在滤波片表面的反射损耗,光以布儒斯特角入射透过滤波片组。通过设计光轴与晶体表面的夹角为63,绕其面法线旋转滤波片组,可以实现从3.6~4.3 m不同波长的可调谐输出。考虑到滤波片的加工误差和入射角度的调节偏差,分别对不同光轴倾角和入射角度进行了计算,可以通过旋转双折射滤波片组实现输出波长的校正。Lyot型双折射滤波片插入损耗小,使用简单,操作方便,有较好的调谐和选频作用,对于研究DF化学激光器众多谱线中的单支或者多支有着十分重要的意义。
光学成像技术
像素偏振成像系统的耦合实现
李佳昕, 白廷柱, 崔志刚, 宋翠芬, 成泽明
2019, 48(9): 925001. doi: 10.3788/IRLA201948.0925001
[摘要](398) [PDF 1864KB](58)
通过将像素偏振片组阵列与CCD光敏元耦合对准,对像素偏振成像系统耦合技术进行了研究。针对偏振片组阵列与CCD尺寸不匹配的问题,采用多种工艺方法进行了加工处理,提出了完整的耦合对准工艺。文中研制的成像系统可以通过一片成像探测器同时获得4个不同偏振方向的斯托克斯分量,得到所拍摄物体的线偏振度图像和线偏振角图像,实现图像的偏振增强,经后处理形成所需要的偏振图像,有利于在复杂环境中获取目标信息。
水平大气环境34 km单像素成像实验
李明飞, 阚宝玺, 霍娟, 阎璐, 刘院省
2019, 48(9): 925002. doi: 10.3788/IRLA201948.0925002
[摘要](429) [PDF 1889KB](62)
搭建了远距离、高分辨率单像素成像实验装置,完成了白昼时段水平34 km距离、分辨率0.8 m的自然目标的单像素成像。单像素成像测量基采用多尺度排序的Hadamard矩阵,调制后经两个光电探测器进行差分来实现Hadamard调制测量,利用压缩率25%的测量信号和快速Walsh变换算法,实现了成像速度2帧/秒@128 pixel128 pixel。定义了一种人机交互的信噪比评价方法计算重建图像质量,研究了单像素成像积分时间与图像质量关系,评价结果与视觉效果相符合。提出的单像素成像方案在低成本的远距离红外成像方面有潜在应用价值。
太赫兹技术
蝶形天线增强的InP基室温HEMT太赫兹探测器研究
李金伦, 崔少辉, 张静, 张振伟, 张博文, 倪海桥, 牛智川
2019, 48(9): 919001. doi: 10.3788/IRLA201948.0919001
[摘要](309) [PDF 2108KB](35)
采用分子束外延技术制备了InP基HEMT样片,室温下样片迁移率达10 289 cm2/(Vs)。通过光刻、腐蚀、磁控溅射、点焊等工艺技术制备出了蝶形天线耦合的太赫兹探测器件。器件采用的蝶形天线经HFSS软件仿真优化后,天线S11参数为-40 dB,电压驻波比(VSWR)为1.15,增益可达6 dB,并与二维电子气沟道实现阻抗匹配。在VDI公司0.3 THz肖特基二极管太赫兹源辐照下进行器件测试,测试结果表明,室温下器件噪声等效功率(NEP)为40 nW/Hz1/2,探测响应度46 V/W,器件响应时间优于330 s。
高功率110 GHz平衡式肖特基二极管频率倍频器
田遥岭, 何月, 黄昆, 蒋均, 缪丽
2019, 48(9): 919002. doi: 10.3788/IRLA201948.0919002
[摘要](383) [PDF 1828KB](30)
高频段的太赫兹信号通常是由多个倍频器级联输出的,因此要求倍频链路的前级必须具备高输出功率的能力。为了提升太赫兹倍频器的功率容量和效率,结合高频特性下肖特基二极管有源区电气模型建模方法,采用高热导率的陶瓷基片,利用对称边界条件,在HFSS和ADS中实现对倍频器电路的分析和优化,研制出了高功率110 GHz平衡式倍频器。最终测试结果表明,驱动功率为28 dBm左右时,该倍频器在102~114.2 GHz的工作带宽内的最高输出功率和效率分别为108 mW和17.6%,为链路后续的二倍频和三倍频提供足够的驱动功率。
使用太赫兹快速探测器测量硅少数载流子寿命
张钊, 陈勰宇, 田震
2019, 48(9): 919003. doi: 10.3788/IRLA201948.0919003
[摘要](336) [PDF 1497KB](21)
利用脉冲触发信号在半导体中产生非平衡态载流子的方式,提出一种使用太赫兹连续源和超快速响应探头测量半导体少数载流子寿命的方法,用于表征半导体的瞬态载流子动力学过程。根据上述设计原理及思路,以泵浦光作为周期性激励信号,搭建出一套工作时间窗口为纳秒到秒量级,时间精度在纳秒量级的非接触式半导体少数载流子寿命测量系统,具有装置简单、操作方便、成本低廉等优点。使用搭建的系统对不同掺杂类型、不同掺杂浓度、不同厚度单晶硅的非平衡态少数载流子寿命进行测量。最后,通过改变泵浦光单脉冲能量,对单晶硅光生载流子寿命进行测量,结果表明单晶硅少数载流子寿命随着泵光能量的增大而变长。该系统所实现的宽工作窗口、高时间精度太赫兹快速过程的探测,可应用于太赫兹领域的快速成像和快速生物响应探测。
光通信与光传感
误差实时检测的水下LED光通信技术
叶德茂, 刘圆, 王彦涛, 王永进
2019, 48(9): 918001. doi: 10.3788/IRLA201948.0918001
[摘要](517) [PDF 1777KB](36)
为降低水下作业环境通信终端安装误差和机动目标指向误差的影响,给出了水下光通信系统架构,提出了一种基于气泡智能剔除的光斑识别定位算法,较好地解决了气泡对水下光通信链路稳定的影响,仿真结果显示该算法具有较好的鲁棒性。结合水下蓝绿光衰减较小的特点,设计了一种6个蓝光450 nm灯珠合束发射方案,提出了一种基于误差参量的链路模型;并在纯海水模拟信道环境下,通过仿真及等效实验表明:对于发射光强为平顶分布,偏轴误差在发散角10以内情况下,经过50 m信道衰减后,接收端接收功率-20 dBm,眼图张开良好;反之,通信性能急剧下降。
微环谐振器中各参数对光速控制输出脉冲畸变的影响仿真分析
刘鑫, 孔梅, 徐亚萌, 王雪萍
2019, 48(9): 918002. doi: 10.3788/IRLA201948.0918002
[摘要](543) [PDF 2221KB](19)
利用微环谐振器进行光速控制时,各参数对光脉冲传输的影响是不可忽略的,它除了导致光脉冲展宽,还引起脉冲的畸变。基于微环谐振器的传输特性,推导了单环谐振器的二阶色散和三阶色散表达式,针对无损耗/增益情形,分析了利用微环谐振器进行光速控制时,高阶色散和输入脉冲中心波长对输出脉冲畸变的影响,分析了损耗/增益对单环谐振器输出脉冲畸变的影响。结果表明,二阶色散导致脉冲展宽,三阶色散导致脉冲畸变,输入脉冲中心波长位置影响脉冲分裂谷底的深浅,而损耗和增益影响脉冲畸变情况。为利用微环谐振器实现光速控制的应用提供了设计优化依据。
空间激光通信网络中的全光相位再生技术
孙悦, 黄新宁, 温钰, 谢小平
2019, 48(9): 918003. doi: 10.3788/IRLA201948.0918003
[摘要](577) [PDF 1835KB](25)
围绕空间激光通信网络中高速数据多跳传输应用需求,针对相位调制激光链路经过空间长距离传输后信号质量劣化的问题,研究了基于相位敏感四波混频参量效应实现二进制相位调制高速激光信号的全光相位再生技术。利用Matlab软件数值分析了全光相位再生系统的影响因素,并基于OptiSystem仿真平台搭建了全光相位再生系统。结合高轨-地面站空间激光通信系统链路预算,对速率为10 Gbit/s的DPSK信号光经背靠背、相位噪声劣化以及劣化后全光相位再生处理三种传输场景进了对比分析。模拟仿真结果与数值分析结果均表明,与劣化后未经再生处理的系统相比,全光相位再生处理后的系统误码率平均优化4个数量级,信噪比提升约3 dB,表明该空间激光通信全光相位再生技术可实现相位调制信号的全光相位再生,能够有效提升空间相干激光通信系统的性能,可以应用于空间高速激光通信网络中继节点处的全光数据中继等方向。
基于Raptor10码的自由空间光通信系统设计
敖珺, 谈新园, 马春波, 唐承鹏
2019, 48(9): 918004. doi: 10.3788/IRLA201948.0918004
[摘要](498) [PDF 2340KB](38)
大气湍流是自由空间光通信系统的主要限制因素,会造成光束的强度闪烁和相位起伏。为了应对大气湍流及背景光对无线激光通信的影响,设计并实现了一套无线激光通信系统。该系统采用数字喷泉码Raptor10码来提高通信系统的可靠性及抗干扰能力。此外还使用了巴克码作为帧头以及脉冲位置调制(PPM)方式,并以现场可编程门阵列(FPGA)为核心完成了数据的编码、调制、帧同步、解调及译码。其发射光源为波长532 nm激光,探测器采用Silicon Sensor公司的单点APD。最后在2 km的自由空间对整个无线激光通信系统进行测试,测试结果稳定可靠。
梳状大模场光纤结构的优化设计
苗效方, 吴鹏, 赵保银
2019, 48(9): 918005. doi: 10.3788/IRLA201948.0918005
[摘要](455) [PDF 1964KB](21)
通过在周期性梳状折射率结构的最外层增加一个高折射率平台的方法,对梳状折射率分布大模场光纤的波导结构进行了优化,使其在模场面积、模场分布及抗弯曲性能方面都有明显提升。模拟研究结果表明,与已有单一梳状折射率分布的光纤相比,优化后的大模场光纤的模场面积提高了700 m2以上,且在相同弯曲半径下,基模弯曲损耗由6 dB/m降低为0.1 dB/m。此外,通过对最外层高折射率平台的参数进行调制可实现不同的模场分布,包括高斯分布、平坦化分布和环状分布,满足特殊激光加工工业的应用需求。
超低损耗孔助光纤弯曲性能优化设计
佘雨来, 周德俭, 陈小勇
2019, 48(9): 918006. doi: 10.3788/IRLA201948.0918006
[摘要](454) [PDF 1953KB](41)
建立了弯曲光纤的二维轴对称有限元分析模型,对初始光纤弯曲性能进行了有限元分析,分别计算其弯曲损耗,有效模场面积和连接损耗;选取芯层到下陷层距离b,下陷层宽度c,下陷层深度t,空气孔孔径r为设计变量,以弯曲损耗和连接损耗最小为目标,利用正交试验和灰度关联分析相结合的方法对光纤弯曲性能进行了多因素多目标优化设计。研究结果表明:优化后光纤弯曲损耗从0.127 8 dB/m减小到1.749 810-4 dB/m;有效模场面积从94.741 m2减小到82.37 m2;连接损耗由0.174 3 dB减小到5.80510-4 dB。与标准单模光纤对比发现,新型光纤在弯曲半径为3 mm的情况下,有效模场面积从209.21 m2减小到82.3 m2,连接损耗从7.535 8 dB减小到5.80510-4 dB,大大地降低了光纤的连接损耗。新型光纤在小半径弯曲情况下,也能保证系统的传输质量。
光学器件
γ辐照导致中波碲镉汞光伏器件暗电流退化的机理研究
王志铭, 周东, 郭旗, 李豫东, 文林, 马林东, 张翔, 蔡毓龙, 刘炳凯
2019, 48(9): 916001. doi: 10.3788/IRLA201948.0916001
[摘要](397) [PDF 1985KB](39)
针对红外探测器在空间应用中受到高能粒子辐照后暗电流退化的问题,开展射线对中波碲镉汞(HgCdTe)光伏器件暗电流影响的研究。在室温和77 K温度下,利用60Co-射线对HgCdTe器件进行辐照试验,辐照试验结束后对低温辐照器件进行77 K低温退火和室温退火。通过比较辐照前后和退火后器件的I-V特性、R-V特性和零偏动态电阻R0参数,分析了辐照对HgCdTe器件暗电流的影响机制。试验结果表明:在总剂量为7 Mrad(Si)照条件下,器件暗电流未出现明显的退化;在77 K温度辐照条件下,器件暗电流随着总剂量的增加而增加,且暗电流退化幅度与辐照过程中的偏置有关。研究表明暗电流的退化源于辐照在器件中造成电离损伤,导致器件HgCdTe化层中的界面态和空穴陷阱电荷密度增加。
薄膜残余应力和表面杂质对变形镜疲劳寿命的影响
余霞, 王家秋, 张彬
2019, 48(9): 916002. doi: 10.3788/IRLA201948.0916002
[摘要](368) [PDF 2271KB](33)
文中综合考虑变形镜(DM)薄膜残余应力和表面杂质的影响,采用ANSYS有限元分析软件建立了镀高反射膜系的变形镜应力分析模型,进而基于应力-寿命(S-N)曲线和Miner累积损伤理论,分析了波前校正过程中变形镜的疲劳损伤特性,并详细讨论了变形镜薄膜残余应力和不同尺寸的表面杂质对变形镜疲劳寿命的影响。研究结果表明,在热-机械耦合作用下,热效应的存在会加速变形镜的疲劳损伤。对于给定的待校正畸变波前,随着变形镜薄膜残余应力的增大,变形镜承受的动态循环载荷越强,其疲劳寿命越短,且残余应力主要对变形镜镜面疲劳寿命影响较大;而当变形镜薄膜残余应力一定时,畸变波前PV值越大,其表面应力越大,致使疲劳寿命也随之缩短。在强激光连续辐照下,当表面杂质大于一定尺寸时,变形镜疲劳寿命随着杂质粒子尺寸的增大而减小,而当杂质粒子尺寸较小时,则对变形镜的疲劳寿命影响不大。此外,薄膜残余应力的存在将进一步加剧表面杂质对变形镜的疲劳损伤。
温度梯度对大口径反射镜热稳定性公差的影响
杨勋, 徐抒岩, 李晓波, 张旭升, 马宏财
2019, 48(9): 916003. doi: 10.3788/IRLA201948.0916003
[摘要](278) [PDF 2159KB](20)
为了研究温度对大口径SiC反射镜镜面曲率半径和面形RMS值的影响,针对某空间相机2 m口径SiC主反射镜建立了有限元模型,分析了均匀温度场、轴向温度梯度以及径向温度梯度对反射镜曲率半径变化量和面形RMS值的影响程度和规律,通过理论分析和试验验证了仿真结果的准确性。结果表明:温度梯度对反射镜曲率半径和面形RMS值的影响远远大于均匀温度对其的影响,曲率半径变化对轴向温度梯度最为敏感,面形RMS值对径向温度梯度最为敏感。1℃轴向温度梯度引起的曲率半径变化比相同均匀温升引起的曲率半径变化量大48倍。1℃径向温度梯度引起的面形RMS值可比相同均匀温升引起的面形RMS值大202倍。在确定反射镜热控指标时,必须考虑轴向温度梯度和径向温度梯度对稳定性公差的影响。
基于离散抽样加密算法的衍射光学元件设计
李美萱, 李宏, 张斯淇, 张文颖, 郭明
2019, 48(9): 916004. doi: 10.3788/IRLA201948.0916004
[摘要](262) [PDF 2845KB](13)
为满足浸没式光刻照明系统对掩模面高均匀性和不同照明模式的要求,对照明系统中的照明模式变换器进行了研究。采用衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)来产生各种照明模式,从光栅结构出发,经两步变换分析了光栅转变为DOE的过程。并提出一种离散抽样加密算法,以抽样线宽1~5 m的四极照明DOE为例,揭示了DOE特征尺寸、衍射效率和光强分布非均匀性的实际对应关系。设计结果表明:随着抽样线宽的减小,整形光束的衍射效率和均匀性将得到较大提高。利用接触式光刻工艺完成了特征尺寸为1.76 m1.76 m的16台阶照明模式变换DOE的制作,通过搭建光学测试平台对不同照明模式下DOE的光强非均匀性和衍射效率进行了测试,结果满足设计要求,验证了离散抽样加密算法能够有效指导照明模式变换系统DOE的设计。
基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅设计与制备
袁配, 王玥, 吴远大, 安俊明, 张家顺, 祝连庆
2019, 48(9): 916005. doi: 10.3788/IRLA201948.0916005
[摘要](372) [PDF 2878KB](29)
刻蚀衍射光栅作为波分复用/解复用器件,有望在光通信系统中得到广泛应用。在基于顶层硅厚度为220 nm的绝缘体上硅材料上设计并制作了一种新型刻蚀衍射光栅,该刻蚀衍射光栅引入六角晶格空气孔型光子晶体作为其反射镜。模拟结果显示,相较于传统的阶梯光栅反射镜的刻蚀衍射光栅,光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅在理论上可有效降低器件的制作工艺难度以及插入损耗,同时可以实现器件偏振的保持。随后仅利用一步电子束光刻工艺及一步电感耦合等离子体刻蚀工艺制作了该光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅。测试结果表明:该光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅片上损耗为9.51~11.86 dB,串扰为5.87~8.72 dB,后续可通过优化工艺条件和优化输出波导布局,进一步提高器件的性能。
光电测量
激光引力波望远镜镜面杂散光测试方法
徐节速, 胡中文, 徐腾, 厉宏兰, 李倩, 姚梦远
2019, 48(9): 913001. doi: 10.3788/IRLA201948.0913001
[摘要](355) [PDF 2041KB](25)
激光引力波望远镜的杂散光来源主要是细光束入射到镜面产生的反射杂散光。1 W的激光入射产生的杂散光需抑制到10-10 W以下,否则将严重影响主要参数光程差的测量精度。针对该应用背景,考虑了在细光束入射到镜面条件下由杂散光测试数据重构表征镜面反射特性的双向反射分布函数(BRDF)参数的可行性。传统方法测量BRDF需要4个转角,系统复杂不便于实时应用。为此基于光学元件各向同性和镜面杂散光模型的对称性,综合考虑了平面镜、曲面镜以及光束衍射效应、测量误差等因素,提出了一种仅利用子午面内一维测量若干个点的散射数据即可重构得到BRDF参数的方法,并用数值方法对其可行性和测量精度进行了验证。
基于位置域迭代学习的激光导引头测试系统时变周期干扰抑制
霍鑫, 吴瑷菁, 王孟渝, 邢宝祥
2019, 48(9): 913002. doi: 10.3788/IRLA201948.0913002
[摘要](274) [PDF 2298KB](27)
激光导引头测试系统是对激光导引头进行参数标定及性能测试的专用测试设备,其性能和精度决定了导引头的品质。为了提高某激光导引头测试系统的性能,抑制时变周期干扰对测试系统的影响,提出一种基于位置域的迭代学习控制方法。通过对不同转速下干扰成分的时域/位置域频谱分析,得到时变周期干扰具有角位置定周期的特征,基于迭代学习的思想提出一种位置域的迭代学习控制结构,依据算法的收敛性条件和滤波器的相位延迟特性,给出控制参数的整定准则和相位补偿方法,并对其应用效果进行了实验验证。在最大转速指令下的实验表明,采用位置域迭代学习控制方法后,角位置稳态跟踪精度提高了65.8%,在此基础上,对位置域迭代周期进行修正,角位置稳态跟踪精度进一步提高了61.5%。
双频外差结合相位编码的相位解包裹方法
韩旭, 王霖, 伏燕军
2019, 48(9): 913003. doi: 10.3788/IRLA201948.0913003
[摘要](586) [PDF 2421KB](37)
为了使用高频条纹进行一次外差完成相位解包裹,实现高精度测量,提出了双频外差结合相位编码的相位解包裹方法。首先,用两组正弦条纹获得两个包裹相位,进行外差处理得到外差相位;其次,相位编码条纹得到条纹级次后对外差相位展开;最后,由连续的外差相位对两个包裹相位进行展开,用最高频率的连续相位求得物体的相位信息。实验结果表明:RMS误差为0.038 mm。双频外差合成的周期不需要覆盖整个视场,打破了传统双频外差方法对频率选择的限制,可以用更高频率的条纹进行高精度测量。克服了相位主值误差对使用更高频率条纹进行高精度测量的局限性。
基于包-全法的红外滤光片光学参数测量方法
李凯朋, 王济洲, 王多书, 王云飞, 董茂进
2019, 48(9): 913004. doi: 10.3788/IRLA201948.0913004
[摘要](272) [PDF 2819KB](21)
为了研究准确性更高的复杂多层膜光学参数测量方法,测量实际镀制红外带通滤光片的光学参数,对红外滤光片研制过程的设计优化与工艺的改进具有重要的指导作用。首先,在研究传统薄膜光学参数光谱测量方法的基础上,提出了包-全法,并研究了该方法的基本思想、物理模型以及优化算法;其次,设计制备了2 000~8 000 nm谱段内膜料单层膜和高透射率、宽截止中波带通红外滤光片,通过对比测量单层膜光学参数反演计算光谱与实测光谱的差异,验证了包-全法测量膜料单层膜光学参数的准确度及有效性,依据测量结果确定了膜料色散关系,甄别了膜层工艺的优劣;最后,采用包-全法与全光谱拟合反演法对红外滤光片的光学参数作了对比测量验证。结果证明:该方法能够准确测量红外滤光片的光学参数,测量结果可用于指导修正设计与工艺之间的匹配性,进而研制了性能更好的红外滤光片。
图像处理
场景采样率与推扫方向对亚像元线目标仿真的影响
李毓伦, 杨震, 马晓珊, 李海涛
2019, 48(9): 926001. doi: 10.3788/IRLA201948.0926001
[摘要](337) [PDF 2183KB](25)
为准确模拟星载光学遥感图像中的亚像素线目标,分析了场景采样率、传感器推扫方向对仿真结果的影响。针对两种因素进行理论分析、仿真试验,推导星地点坐标对应关系,使用Hough变换描述线目标的显著程度和空间分布,利用数据框架分析结果。结论表明:当推扫方向与线目标夹角在0、90附近变化时,混叠误差明显增大导致线的显著度下降、伪线数增加;夹角在45附近仍存在混叠,但结果相比更具鲁棒性;采样率增加可以一定范围内提升线的显著度,但不能改变降质模糊引起的空间分布误差。结果可用于仿真置信度评估,并为模型设计提供参考。
鱼眼镜头图像畸变的校正方法
吕丽军, 刘盟, 侍业
2019, 48(9): 926002. doi: 10.3788/IRLA201948.0926002
[摘要](706) [PDF 2289KB](72)
提出了一种校正鱼眼镜头图像畸变的新方法。通过追迹光学系统的主光线,获得它在投影平面上的径向位置与它在像平面上位置之间的关系曲线;然后用傅立叶级数拟合该关系曲线;并求出该级数的逆函数,结果就可以根据畸变图像复原没有畸变的图像。用该方法数值模拟两个鱼眼镜头系统的图像畸变校正;并用其中一个鱼眼镜头(尼康16 mm/F2.8)拍摄的两张图像进行了畸变校正实验。结果表明,当设置投影平面和物平面重合时,恢复的图像相对于物体的残余径向高度误差非常小(小于0.25%)。实验证明了该方法是可行的。
空间失稳目标线阵成像畸变校正方法
孙日明, 李江道, 林婷婷, 李荣华, 季霖
2019, 48(9): 926003. doi: 10.3788/IRLA201948.0926003
[摘要](364) [PDF 2469KB](23)
空间失稳目标的非合作性和运动状态不确定性使得线阵式测量无法直接获取其真实三维形貌。通过连续多帧线阵图像同一角点的时空位置关系,提出了一种特征驱动的空间失稳目标线阵成像畸变矫正方法。该方法根据线阵激光雷达的成像机理及空间失稳目标的运动规律建立了基于运动参数的线阵成像畸变数学模型,然后依据运动具有局部一致性和全局连续性分层次对空间失稳目标的局部自旋和全局章动进行运动估计,最后利用估算出的运动参数对采集的线阵图像逐列进行畸变矫正,从而获得了测量目标的真实三维形貌。实验结果展示了该方法在非合作单载荷下对不同运动状态空间目标线阵成像畸变矫正的有效性,并数值论证了帧数选取以自旋轴绕章动轴旋转一周为宜的条件稳定性,为该方法在其他运动目标线阵式测量的应用提供指导和参考。
大气光学
临近空间星光掩星技术的初步应用
孙明晨, 涂翠, 胡雄, 宫晓艳, 郭文杰
2019, 48(9): 909001. doi: 10.3788/IRLA201948.0909001
[摘要](350) [PDF 2581KB](34)
大气星光掩星技术可以探测获得行星大气多种痕量成分密度等信息,该技术基于大气光谱透过率来进行探测。根据星光掩星探测原理建立了掩星工作模型,初步分析了气体分子光谱吸收特征,获得了多种大气成分的透过率,利用大气透过率反演得到了大气成分密度,并与大气模式MSISE-00结果进行比较验证。进一步对光谱的信噪比和相对误差进行了估计,并讨论了恒星的不同视星等对探测信噪比和相对误差的影响,由此给出目标星视星等的范围。初步结果表明:利用视星等在-1.45~3.55范围内的目标星作为光源进行探测,信噪比在100以上,且测量的相对误差最小可达到1%。以上结果为地球临近空间高度上星光掩星探测的开展提供了初步的理论指导。
海洋光学
水下光源主光轴光谱辐照度分布模型
胡波, 吴超鹏, 杨永, 张旭, 宋宏, 陶军
2019, 48(9): 910001. doi: 10.3788/IRLA201948.0910001
[摘要](340) [PDF 2429KB](27)
根据光传输理论和水体光学衰减规律,提出了水下光源主光轴上光谱辐照度随距离分布的理论模型,确定了模型结构。在此基础上,采用数值计算的方法对模型中各待定参数进行求解,根据模型结构特点提出了对不同参数进行分步拟合的思路并给出了具体的参数求解方法。为了验证建模方法的准确性和可行性,根据水下光源实测数据进行建模并对模型的精度进行了评估。结果显示:模型拟合数据与水下实测数据吻合程度较高,拟合误差的方均根值仅为实测数据方均根值的4%,说明模型拟合精度较高。该方法有望用于水下光场建模、水下图像处理等应用领域。