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2019年  第48卷  第S1期

激光技术及应用
气动光学效应对激光扩束系统的影响
任晓坜, 王继红, 任戈, 翟嘉, 谭玉凤
2019, 48(S1): 1-5. doi: 10.3788/IRLA201948.S106001
[摘要](334) [PDF 878KB](35)
激光系统往往需要应对复杂的环境气流,同时由于激光扩束系统口径增大,其晶体窗口难以实现,环境气流更容易进入系统内部,从而影响光束质量。针对环境气流对激光扩束系统带来的气动光学效应问题,借助流体力学软件FLUENT对系统内部流场进行CFD求解,得到不同风力等级和进风角度下流场的各种参数分布,再通过Gladstone-Dale关系将流场密度场映射为折射率场,运用变折射率流场的光线追迹法,得到光束在该非均匀流场中的传输路径;最后结合数值分析方法,计算得到湍流场所带来的光学像差。结果表明,环境气流会给主次镜和反射镜周围引入较多涡流,因此不能忽略其光学效应,从而提出了一种增加扩束系统镜筒长度的方法来降低这一影响。镜筒加长0.5 m之后,扩束系统内部的涡流团可以避开光束传输的主要路径,其出口处波像差的RMS值从最初的0.317 m下降到0.078 m左右。研究证明了避免环境气流带来的气动光学效应的必要性,同时为扩束系统的流控和结构设计提供了参考数据和思路。
不规则目标旋转状态对激光烧蚀驱动冲量的影响
陈川, 龚自正, 杨武霖, 李明
2019, 48(S1): 6-14. doi: 10.3788/IRLA201948.S106002
[摘要](271) [PDF 1065KB](17)
激光烧蚀驱动技术是最有前途的空间碎片主动移除技术之一,但是在其移除过程中碎片的旋转状态会对激光驱动效果产生很大的影响,是该技术研究中需要解决的一个问题。通过理论计算分析了激光脉冲连续驱动旋转平板目标的冲量规律,及脉冲频率和目标旋转角速度对其的影响。并通过目标表面三角化三维重构计算的方法分析了不同脉冲频率和目标旋转角速度下,圆柱体、长方体、圆锥等典型外形目标和不规则目标自身旋转对激光脉冲连续辐照驱动产生冲量的影响规律。结果表明,目标自身旋转会使得脉冲激光连续作用的驱动效果随脉冲次数增多产生周期性变化,其大小和周期性变化规律受自转速度、脉冲频率及自身外形特点的影响;通过激光辐照策略的合理选择,可最小化甚至消除旋转对激光脉冲连续作用产生冲量方向的影响。
光吸收法控制核磁共振陀螺原子气室温度
许国伟, 张燚, 江奇渊, 汪之国, 夏涛, 杨开勇
2019, 48(S1): 15-20. doi: 10.3788/IRLA201948.S106003
[摘要](360) [PDF 939KB](36)
核磁共振陀螺系统中原子气室的温度稳定性对陀螺的性能有着十分重要的影响。介绍了一种利用核磁共振陀螺探测光透过气室的光强来控制原子气室温度的方法。首先,从理论上解释了核磁共振陀螺测试过程中发现的探测光透过光强与原子气室温度的负相关关系;进一步通过具体实验得到了探测光透过光强与原子气室内温度的拟合关系曲线。在此基础上,设计出利用探测光透过光强来反馈控制温度的LabView程序,实现原子气室温度的稳定控制。最后,通过实验验证了这种方法具有较好的控温效果(1 h内温度漂移约为0.02℃),同时还具有精确反映气室内温度、测温及时等优势。
面向LiDAR应用的APD单片前端读出电路设计
丁春楠, 叶茂, 夏显召, 谢绍禹, 李尧, 赵毅强
2019, 48(S1): 21-26. doi: 10.3788/IRLA201948.S106004
[摘要](408) [PDF 918KB](63)
针对基于雪崩光电二极管(avalanche photodiode,APD)的激光雷达(light laser detection and ranging,LiDAR)应用需求,设计并实现了一款具有高集成度的模拟前端读出电路芯片。该芯片集成了高增益宽带跨阻放大器(transimpedance amplifier,TIA)、固定增益电压放大器、高速实时比较器以及低压差分信号(low voltage differential signaling,LVDS)接口电路等。高增益宽带跨阻放大器采用电阻反馈式结构,电压信号以伪差分信号的形式输出,抗干扰能力较强。固定增益电压放大器采用电阻反馈同相放大器结构。比较器利用未经补偿的开环放大器实现。读出电路采用LVDS输出,实现了与后端FPGA的互连,进一步提高了系统集成度。该芯片采用chrt 0.18 m工艺设计,面积约为0.9 mm1.9 mm。在3.3 V供电电压下,测试结果显示跨阻增益为83.6 dB,带宽为120 MHz,整体链路能对脉宽为5 ns的脉冲作出有效响应,LVDS输出电压符合FPGA接口要求。
金属扇形层合板激光圆弧扫描变形特征研究
王焕捷, 王续跃
2019, 48(S1): 27-34. doi: 10.3788/IRLA201948.S106005
[摘要](220) [PDF 1064KB](20)
针对不锈钢-碳钢扇形层合板,采用激光同心圆弧扫描方式进行弯曲成形试验。用激光扫描仪对变形后的样件进行几何特征测量,分析激光扫描线各位置的弯曲角度及扫描线两侧曲面变形特征。研究激光加工参数和板材几何参数对扇形层合板激光圆弧扫描弯曲成形的影响。结果表明:经激光圆弧扫描后的扫描线变形区在空间呈三维曲线状,在扫描线处的弯曲角度各不相同,中线位置角度最小,并向板材左右两侧逐渐增大,于板材边缘处达到最大,关于扇形板中心线基本对称;扫描线径向两侧均产生明显曲面变形,扫描线至扇形板外圆线的区域沿y轴正向内凹,扫描线至扇形板内圆线的区域沿z轴正向外凸。研究结果为深入分析激光同心圆弧扫描三维变形机理提供试验依据。
线性和二次电光效应下小振幅相干耦合空间孤子对
郝利丽, 王强, 唐红霞, 牟海维, 赵远
2019, 48(S1): 35-42. doi: 10.3788/IRLA201948.S106006
[摘要](301) [PDF 1030KB](21)
研究了线性和二次电光效应共存的单光子光折变介质中小振幅情况下两个沿同一直线传播的空间光孤子间的相干耦合现象。研究结果表明在适当的条件下可以形成相干耦合暗-暗、亮-亮孤子对,得到了相干耦合孤子对的光场方程、解析解和孤子对宽度的表达式。线性和二次电光效应间的相互作用而产生相互增强、减弱甚至抵消的光折变效应对这些孤子对的形成、性质和传输规律具有重要的影响。另外,就两相干入射光的初始相位差、强度比和外加电场等三个因素对小振幅相干耦合孤子对的产生条件和性质的影响进行了详细的讨论。最后,采用微扰法分析了小振幅情况下亮-亮孤子对的自偏转效应。
利用CCD和后向散射激光雷达精确探测近地面气溶胶消光系数廓线
陶宗明, 施奇兵, 谢晨波, 刘东, 张帅
2019, 48(S1): 43-49. doi: 10.3788/IRLA201948.S106007
[摘要](336) [PDF 960KB](40)
大气气溶胶主要分布在边界层内,是大气污染的主要来源,精确探测其在空间的分布(特别是近地面层),具有重要的应用价值。后向散射激光雷达是探测大气气溶胶消光系数廓线的有力工具,但由于盲区和过渡区的存在,后向散射激光雷达在近距离处探测不到信号或信号较弱。把CCD探测与后向散射激光雷达(包括米散射和拉曼散射)联合在一起,就可以克服上述困难,同时通过增加拉曼通道,实现了大气气溶胶消光后向散射系数比(又称激光雷达比)的精确测量。为了验证CCD探测结果的正确性,对CCD不同位置距离间的探测结果进行了比对、CCD镜头不同焦距间的探测结果进行了比对,约在1.2 km高度以下,两者气溶胶消光系数的相对偏差都小于3%,表明两台CCD的探测结果一致性很好。探测个例表明近地面的气溶胶消光系数在空间上随高度分布是不均匀的;在时间方面有时随时间增加而增加、有时随时间增加而减少。
激光器技术
1 mJ窄线宽掺镱脉冲光纤放大器
石锐, 丁欣, 刘简, 姜鹏波, 孙冰, 白云涛, 王靖博, 赵蕾, 张贵忠, 姚建铨
2019, 48(S1): 50-55. doi: 10.3788/IRLA201948.S105001
[摘要](299) [PDF 875KB](22)
通过将固体激光器种子源与光纤放大技术相结合的方式,报道了一个单脉冲能量约为1 mJ,同时窄线宽保持在约0.1 nm的大模场面积的掺镱脉冲光纤放大器。不同于传统固体种子源一级大芯径光纤放大结构,所采用的两级掺镱双包层光纤(YDCF)放大结构空间耦合调节更简单。放大过程中采用了多种非线性效应抑制方法,放大输出光中未出现明显的SBS、SRS等非线性效应,信噪比超过30 dB。放大后平均功率10.07 W,相比0.38 W的种子光提高了14.23 dB。在10 kHz重复频率下,单脉冲能量约1 mJ,输出光脉宽50 ns,放大输出光束质量M2=3.72。所实现的毫焦量级窄线宽脉冲光纤放大器可运用于激光遥感、激光测量及非线性频率变换等应用领域。
LD端面泵浦钾蒸气激光器阈值特性研究
宁方晋, 谭荣清, 王玉洁, 李志永
2019, 48(S1): 56-63. doi: 10.3788/IRLA201948.S105002
[摘要](360) [PDF 964KB](26)
基于三能级速率方程建立了端面泵浦钾蒸气激光器阈值理论计算模型,研究了半导体泵浦钾蒸气激光器阈值特性。利用模型分析了各种因素对阈值泵浦功率密度的影响,结果表明:蒸气室的温度与长度都是通过影响钾的各能级粒子数分布,进而共同影响阈值泵浦功率密度,并且存在最佳温度、最佳长度;阈值功率密度随泵浦光线宽增大基本呈线性增长;缓冲气体压强通过影响蒸气室对泵浦光的吸收效率,进而影响阈值功率密度;镀膜后高的蒸气室窗口透过率和低于70%的输出耦合率也可减小阈值泵浦功率密度。文中的工作可为实现LD泵浦钾蒸气激光输出以及实验系统的设计和优化提供参考。
基于韦布尔分布和对数正态分布的高功率半导体激光器寿命估计和失效分析研究
聂志强, 王明培, 孙玉博, 李小宁, 吴迪
2019, 48(S1): 64-71. doi: 10.3788/IRLA201948.S105003
[摘要](341) [PDF 945KB](36)
分别采用韦布尔分布和对数分布模型对额定功率60 W(CW条件下)的808 nm铟焊料封装的传导冷却型单巴高功率半导体激光器在恒定电流条件下进行的三个不同温度的加速老化试验数据进行分析并估计了常温下的寿命。在韦布尔分布统计分析中计算了各温度下器件的特征寿命和统计平均寿命,发现早期失效情况下形状参数小于1且数学平均寿命的计算方法误差加大,不如使用统计平均的方法。在对数分布统计分析中计算了各温度下器件的中位寿命和统计平均寿命,发现早期失效下的对数标准差较大且影响统计平均寿命的计算,这种情况不适合用对数正态分布估计寿命。最后对不同时期的加速寿命器件进行了失效分析。
光电测量
异型载荷适配器工艺方案及精度测量方法研究
杨自鹏, 刘敏, 周佑君, 董鹏, 杨传成
2019, 48(S1): 72-77. doi: 10.3788/IRLA201948.S117001
[摘要](259) [PDF 870KB](17)
为适应新型航天器的功能需要,载荷适配器的结构也越来越复杂。针对某航天器的结构特点进行异型载荷适配器设计,为抵消某再入航天器的质心大偏移量,实现分离设计的自调平。在分析铆接技术和增材制造技术特点的基础上,对铆接和增材制造两种不同的工艺方案进行对比分析。结合异型载荷适配器实际制造精度测量需要,选用激光跟踪测量技术作为精度测量的方法。通过在某型上面级发动机喷管安装后轴线测量的应用案例分析可知,基于激光跟踪仪及最小二乘法的测量及数据处理方法,可应用在异型载荷适配器的精度测量中,所得的精确数据可作为后续分离设计时分离弹簧选配的依据。
大动态范围微光相机的辐射定标
李永强, 赵占平, 徐彭梅, 王静怡, 郭永祥
2019, 48(S1): 78-82. doi: 10.3788/IRLA201948.S117002
[摘要](299) [PDF 840KB](28)
微光相机可以获取从白天到夜晚星光照明条件下的大动态范围可见光目标的图像,辐射定标是确定微光相机辐射性能的关键环节,对于微光相机获取的遥感图像的定标化应用有十分重要的意义。对微光相机进行辐射定标的均匀辐射定标源的输出辐亮度范围需要覆盖110-9~310-2 W/(cm2sr)。为了实现在如此大动态范围内对微光相机的高精度辐射定标,设计了在每一个输出辐亮度级次均具有不变光谱分布的均匀辐射定标源。介绍了微光辐射定标光源的设计,采用三积分球级联式的设计方式,解决了在跨越多个数量级的大动态范围情况下,辐射定标源各辐亮度级次仍能保持一致光谱分布的难题。另外,如此大动态范围内保证各个辐亮度级次下光谱辐亮度的测量精度具有很大难度,通过传递测量的方法解决了微光各级次下光谱辐亮度测量的问题,给出了大动态范围微光相机的辐射定标结果,微光相机辐射定标的不确定度达到了18%(k=2)。
相对湿度和风速对海洋大气气溶胶粒子谱的影响
王菲菲, 李学彬, 郑显明, 张文忠, 罗涛, 朱文越, 成巍, 邓志武
2019, 48(S1): 83-88. doi: 10.3788/IRLA201948.S117003
[摘要](242) [PDF 907KB](17)
利用2004年8月~2016年12月期间海上测量的气溶胶数据,研究了海洋大气气溶胶粒子数浓度和粒子谱受气象条件影响的变化规律。气溶胶数据所得地点为广东茂名近海、太平洋以及印度洋海域。数据内容包含两个部分:(1)利用光学粒子计数器(OPC)测得的大气气溶胶的粒子数;(2)由自动气象站等设备测得的大气温度、相对湿度、气压、风速等气象参数。分析了不同气象条件下的粒子谱变化特征,即利用理论模型模拟了不同相对湿度和不同风速条件下粒子谱的变化规律,并将该理论模拟值与与实际测量值进行对比。其结果表明:使用r(RH)/r=(1-RH)-1/3.9模型来模拟相对湿度对粒子谱的影响比较符合实际,使用lgN=aU+b模型来模拟风速对粒子谱的影响比较合理,这对于建立海洋大气气溶胶模式有着重要的指导意义。
惯性稳定平台固有特性参数辨识
李明, 张晓光, 李璞
2019, 48(S1): 89-96. doi: 10.3788/IRLA201948.S117004
[摘要](255) [PDF 915KB](20)
转动惯量、阻尼系数和刚度与惯性稳定平台的固有特性密切相关,将采用遗传算法对这三个参数进行辨识。从理论出发,建立惯性稳定平台的模型,基于遗传算法设计参数辨识的整个过程。通过仿真对基于遗传算法的参数辨识精度进行验证,结果表明辨识出来的参数值与设定值的偏差较小,与现阶段参数辨识所能达到精度相近。再通过实验对基于遗传算法的参数辨识精度进行验证,实验结果表明该方法可以较高精度的辨识出惯性稳定平台的转动惯量、阻尼系数和刚度,证实了所提出的辨识方法的有效性和工程实用意义。
用于脉冲微推力器的枢轴式微冲量测量系统设计方法
金星, 吴文堂, 周伟静, 常浩
2019, 48(S1): 97-103. doi: 10.3788/IRLA201948.S117005
[摘要](227) [PDF 897KB](34)
微冲量测量系统是研究脉冲微推力器推进性能的必备试验手段。提出了一种用于冲量测量的、通用的枢轴式扭摆测量系统的设计方法。首先,基于二阶振动系统微冲量测量模型,提出将冲量量程和误差限、测量噪声误差限、位移传感器量程和误差限作为基本设计条件;其次,根据冲量与系统响应之间关系、位移传感器测量扭转角方法以及冲量瞬间作用模型,提出了测量臂、力臂、扭转刚度系数、转动惯量等关键测量系统参数的约束条件;最后,通过建立基本设计条件与关键系统参数之间关系,给出了设计步骤。该设计方法可以用于星载脉冲微推力器冲量性能测量装置的设计,有很好的通用性和实用性。
采用辅助靶标的移动机器人立体视觉定位
李鹏, 张洋洋
2019, 48(S1): 104-113. doi: 10.3788/IRLA201948.S117006
[摘要](323) [PDF 1179KB](29)
在自动化工厂中,为高效率、低成本地实现对移动机器人的立体视觉定位,提出了一种基于辅助靶标的移动机器人立体视觉定位方法。首先,基于高斯混合模型的背景减除法和形态学方法实现对视频图像中移动机器人运动区域的检测;其次,使用FAST算法对移动机器人运动区域进行特征点提取,进一步通过分析特征点邻域像素的三通道颜色特性,筛选出固定在移动机器人上的正方形辅助靶标的四个顶点;最后结合双目摄像机内、外参数的标定结果,计算出移动机器人上定位点的三维坐标,通过实验和分析验证了该方法的有效性。该方法具有算法复杂度小,实时性高等优点。
应用于天然气的近红外CO气体分析系统的实验研究
李国林, 刘文雅, 季文海
2019, 48(S1): 114-119. doi: 10.3788/IRLA201948.S117007
[摘要](262) [PDF 928KB](21)
基于CO气体分子在1.56 m处的泛频吸收带,结合波长调制技术和谐波检测技术,采用长光程气体吸收池,研制了一种应用于天然气的CO浓度分析系统。该系统主要由激光器驱动模块(压控恒流源和温度控制电路)、Herriot型气体吸收池气室、锁相放大电路等信号处理模块构成。利用混合模拟气站模拟天然气环境,配备不同标准浓度的CO气体,经实验验证,该分析系统的最低检测下限5.6 ppm(1 ppm=10-6),浓度为0.05%的CO气体的相对误差小于2%;对于10%浓度的标准CO气体的相对误差小于1.8%。当被测CO气体浓度在0~100 ppm范围时,其系统检测灵敏度为0.09 mV/ppm;同采用QCL(Quantum Cascade Laser)的CO检测系统相比,该系统具有性价比高、适用于复杂油气开发场合等优势,在石油化工天然气领域具有很大的应用价值。
激光微推力器作用下纳星轨道半长轴简化计算方法
周伟静, 叶继飞, 常浩, 李南雷
2019, 48(S1): 120-125. doi: 10.3788/IRLA201947.S117008
[摘要](205) [PDF 863KB](19)
针对激光微推力器微小推力作用下纳星轨道转移问题,利用摄动方程提出一种切向推力同面轨道转移的半长轴简化计算方法。分析了地球非球形、大气阻力和太阳光压等主要摄动因素对该方法的影响,并与各种摄动下纳星运动方程直接积分的轨道变化情况进行了对比,验证了简化计算方法的有效性和应用条件。仿真对比结果表明:在轨道高度300 km以上,纳星在百微牛量级的切向推力作用下,可以采用简化计算方法获得轨道高度机动能力;对于纳星任务设计阶段,太阳光压摄动可以忽略,大气阻力摄动在500 km以上可以不予考虑,地球非球形摄动影响特性与其他卫星类似。
ICESat/GLAS回波能量数据的云光学厚度反演
么嘉棋, 高小明, 李国元, 杨雄丹, 禄競, 李参海
2019, 48(S1): 126-134. doi: 10.3788/IRLA201948.S117009
[摘要](287) [PDF 1017KB](25)
星载激光测高仪能够有效获取地面点的三维坐标信息且具有较高的高程精度,但是在大气传输中激光不可避免会受到云的影响。首先,根据GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)地学激光测高系统记录的大气传输过程中的回波能量数据拟合回波波形;其次,采用微分零交叉法和Fernald法分别实现了云检测和云光学厚度的反演;最后,利用广东省MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)数据以及北京地区AERONET(Aerosol Robotic Network)地面观测站实测数据进行了验证分析。结果表明:文中方法在激光测高卫星云光学厚度反演上具有较高的可信度,在实际情况下云光学厚度反演误差小于0.1,且云光学厚度小于1时,相对误差远远小于0.01,相关结论对国产卫星激光测高数据质量控制具有参考价值。
航天级反射式光电编码器信号处理系统设计
韩庆阳, 陈赟, 张红胜, 高胜英, 张晰
2019, 48(S1): 135-141. doi: 10.3788/IRLA201948.S117010
[摘要](338) [PDF 887KB](24)
为了满足航天级光电编码器的小型化、高精度和高可靠性要求,设计了反射式光电编码器的信号处理系统。首先,概述航天级反射式光电编码器信号处理系统的总体设计;然后,给出粗码与精码的处理方法,并将数据处理集成到主系统FPGA中,减小尺寸,同时处理电路具备主、备冷备份的功能,提高电路可靠性;最后,通过自准直光管和23面体检测精度。结果表明:应用该信号处理系统的反射式光电编码器分辨力为0.3(22位),精度主编码器=2.22(3=6.65),备编码器=2.69(3=8.07)。该系统已经在工程系统中应用,满足航天设备的技术要求。
用于微推力测量的电磁恒力特性研究
常浩, 叶继飞, 陈粤, 周伟静
2019, 48(S1): 142-146. doi: 10.3788/IRLA201948.S117011
[摘要](233) [PDF 912KB](19)
基于扭摆结构的微推力测量装置是空间微推力器微推力测量的常用方法,稳定、准确的标定力是标定微推力测量系统的关键。利用音圈电机能够产生较长行程恒定电磁力的特点,研究基于音圈电机的电磁力恒力特性。介绍了基于音圈电机的电磁力装置组成及在基于扭摆结构的微推力测量装置中的标定应用;仿真分析了音圈电机中的磁场分布情况,以及线圈电流、线圈与磁轭磁铁相对距离等控制因素下的电磁力变化特性;在此基础上,通过搭建微小电磁力恒力特性实验系统,采用高精度电子天平称重方式,获得了精确的电磁力变化特性;以电磁力误差小于等于5%作为判断标准,获得了音圈电机的稳定力输出行程,为应用于扭摆的微推力标定奠定基础。
用于光学定位的近红外LED筛选检测系统设计
史风栋, 刘文皓, 史屹君, 李键
2019, 48(S1): 147-151. doi: 10.3788/IRLA201948.S117012
[摘要](215) [PDF 824KB](27)
光学定位技术在手术导航、目标追踪和虚拟现实等系统中都有广泛的应用,为了提高定位的精度,在信号测量和定位算法方面都进行了大量的研究。设计的系统从作为发光源的近红外LED出发,通过有针对性的筛选,为保证光学定位的准确性创造良好的条件。筛选检测系统由光学性能检测部分和高低温试验部分组成。通过控制转台中俯仰轴和滚动轴的转动角度,使用光电探测器可以连续测量出发光元件的辐射强度,得到近红外LED不同旋转面和不同纵向角度的辐射特性,并计算出半功率角值。根据发光强度和半功率角这两个重要指标,先去除待选组中有明显变化的极值数据,然后选取两个相对偏差都在5%以内的近红外LED,最后对其进行高低温冲击试验。筛选出的近红外LED性能稳定,发光一致性好,可以成组使用。
先进光学材料
对称双缺陷对光子晶体光传输特性的调制
潘继环, 苏安, 赵宏斌, 韦永相, 高英俊
2019, 48(S1): 152-157. doi: 10.3788/IRLA201948.S121001
[摘要](274) [PDF 901KB](28)
为研究和设计高性能、高品质的新型光学滤波和光学开关等器件,利用传输矩阵法理论,研究了对称双缺陷对光子晶体(AB)5ACn(BABAB)CnA(BA)5光传输特性的调制规律。结果发现,对称双缺陷一维光子晶体(AB)5ACn(BABAB)CnA(BA)5可实现高透射率高品质的光学滤波和光学开关功能。随着缺陷周期数n和光波入射角的增大,双滤波通道向短波方向移动产生蓝移现象,且两滤波通道之间的距离变短,但两滤波通道蓝移的速度和双通道间距变小速度不一样。随着缺陷物理厚度dC和折射率nC的增大,光子晶体双滤波通道向长波方向移动产生红移现象,两滤波通道之间的距离变大,但两滤波通道红移速度和双通道间距变大的速度不同。随着缺陷周期数n、物理厚度dC、折射率nC和光波入射角的增大,双通道滤波的透射率保持100%不变。对称双缺陷光子晶体的光传输特性,可指导高透射率、高性能和高品质的双通道光学滤波器件,以及高灵敏度的光学开关的研究和设计。
景象信息处理
基于改进非局部均值的红外图像混合噪声去除方法
李方舟, 赵耀宏, 向伟, 刘海峥
2019, 48(S1): 163-173. doi: 10.3788/IRLA201948.S128001
[摘要](331) [PDF 1214KB](82)
传统的去噪算法无法有效去除红外图像中的条纹与随机混合噪声。针对这一问题,提出了一种改进的基于非局部均值(NL-means)的混合噪声去除方法。首先,分析了非局部均值算法处理混合噪声的问题,并用一组实验分析了红外图像块中混合噪声的特性。根据实验结果,文中用有色高斯模型对混合噪声进行建模,并基于Mahalanobis距离改进了传统的基于欧氏距离的块相似性度量方法,使之对图像中不同复杂程度的区域进行自适应。仿真和真实数据实验均表明:文中算法相比于传统的图像去噪算法,能较好地去除条纹与随机混合噪声。
基于邻域特征的红外低慢小目标检测
南天章, 耿建君, 陈旭, 陈颖
2019, 48(S1): 174-180. doi: 10.3788/IRLA201948.S128002
[摘要](356) [PDF 954KB](46)
红外搜索系统具有不发射电磁波、抗电磁干扰能力强、目标指示精度高等优势,在低慢小目标探测领域有很好的应用前景。目前国内外基于红外搜索系统的目标检测算法通常利用当前图像与背景图像配准、差分的手段提取疑似目标,往往需要较大的存储空间保存周视背景图像,高精度实时图像配准算法的工程化应用也有较大难度。针对以上问题,设计了一种基于邻域特征的红外低慢小目标检测方法。通过高通滤波、边缘检测法提取疑似目标、目标邻域特征值统计法剔除背景干扰、多帧图像目标信息相关等处理过程,可在有效排除地物、云层及飞鸟等多种干扰的同时,准确地检测图像中的无人机目标。试验结果表明,该方法相比传统LCM算法目标检测概率更高、虚警率更低,且不涉及图像差分,具有对硬件资源要求低、实时性好等优点,有较高的工程应用价值。
基于谱间相似性的高光谱图像稀疏超分辨率算法
刘永峰, 王年, 王峰, 李从利, 刘晓, 徐国明
2019, 48(S1): 181-192. doi: 10.3788/IRLA201948.S128003
[摘要](279) [PDF 1250KB](19)
为解决高光谱图像空间分辨率较低的问题,文中提出了一种基于谱间相似性的高光谱图像稀疏超分辨率算法。该算法在最大似然估计准则下,构建了基于混合高斯的稀疏超分辨率编码模型,针对不同的分解残差自适应分配权重,提高了重建图像的空间分辨率和算法对噪声的鲁棒性;该算法构建了基于谱间相似性的图像超分辨率模型,将高光谱图像中普遍存在的像元光谱相关性作为稀疏约束项,保证了图像重建时光谱信息的准确性。实验表明,与Bicubic、Yang、Pan算法相比,文中算法在主观视觉效果、客观评价指标等方面均具有一定优势,验证了算法的有效性。最后将算法各项参数对重建效果的影响进行了分析,为图像检测、分类等应用提供了有效前提。
基于临近时空帧间信息的空间目标图像增强方法
张智, 孙权森, 林栩凌, 韩明亮
2019, 48(S1): 193-197. doi: 10.3788/IRLA201948.S128004
[摘要](226) [PDF 837KB](32)
在轨空间目标观测阶段,空间光学相机的成像性能通常都会受到很多因素的影响。一般包括平台运动、姿态变化、颤振、偏流角等方面。仅依赖地面测试得到的参数,如采用地面测到的红外CCD相机的点响应函数进行图像增强,已经不能有效改善图像质量了。因此,提出了一种结合相邻时空帧信息的用于空间目标观测的仿真和图像增强方法。对多次曝光时间内的系统动态点响应函数进行建模、仿真。同时,提出一种基于相邻时空帧间相关信息频域范数优化的图像增强方法。实验中对空间运动目标红外观测系统的动态点响应函数进行仿真。通过实验结果表明:与传统方法相比,所提方法处理后结果的各项质量评价指标更高,处理后的图像更清晰。
光学设计及仿真
多节点激光通信天线“一体式”SiC/Al轻量化摆镜
李响, 李小明, 张家齐, 柳鸣, 孟立新, 张立中
2019, 48(S1): 198-204. doi: 10.3788/IRLA201948.S118001
[摘要](379) [PDF 1034KB](25)
为了降低多节点激光通信天线的工作包络尺寸、提高二维摆镜的运动控制精度,避免镜体材料与支撑材料性能差异引起的面形改变,提出了一种包含支撑结构的一体式轻量化摆镜。采用高体分SiC/Al作为材料,进行了摆镜以及支撑结构的一体化设计,提高了摆镜面形的力、热稳定性,可直接连接转台俯仰轴座,使摆镜回转中心距镜面的距离缩短至20 mm。有限元分析表明,一体式摆镜基频为1 337 Hz,在(205)℃工作温度范围内,面形误差峰谷值(PV)优于0.121,面形误差均方根值(RMS)优于0.031。使用ZYGO干涉仪对摆镜的面形进行检测,结果表明在(205)℃温度范围内摆镜面形PV值优于0.163,RMS值优于0.029,满足激光通信天线对于摆镜面形/25(RMS)的指标要求。
3 m口径空间反射镜的参数优化
王小勇, 张博文, 郭崇岭, 刘湃
2019, 48(S1): 205-210. doi: 10.3788/IRLA201948.S118002
[摘要](299) [PDF 887KB](42)
重力作用下的面形精度是空间反射镜性能的重要方面。以重力作用下的面形RMS为目标函数,基于反射镜结构和支撑点分布的参数化模型对某3 m口径空间反射镜进行了优化。首先,利用经典理论公式确定了支撑点数量和位置,进行了反射镜结构初步设计;其次,根据反射镜轻量化特征和支撑系统运动学设计建立了反射镜结构和支撑点分布的参数化模型;最后,采用Isight软件实现反射镜优化的过程集成和流程自动化,研究了重力作用下面形精度与各参数间的关系。结果表明,优化后反射镜面形RMS值为86.7 nm,相比初步设计的259.4 nm减小了66.6%,满足了项目指标要求。所提出的优化方法结合了支撑系统运动学模型,为采用相似轻量化结构和支撑方案的大口径反射镜优化提供了一种全面、高效的新思路。
太赫兹技术及应用
利用循环移频环路产生的倍频因子可调谐太赫兹信号
解陶然, 王肇颖, 袁泉, 蒋振坤, 葛春风
2019, 48(S1): 211-216. doi: 10.3788/IRLA201948.S125001
[摘要](388) [PDF 899KB](26)
太赫兹(THz)波在电磁波频谱中占有很重要的地位,THz技术是国际科技界公认的一个非常重要的交叉前沿领域。因此,提出了一种以循环移频环路(RFSL)为基础产生THz信号的微波光子学系统。输入光信号经由RFSL多次移频后在高速光电探测器中拍频产生THz信号。在RFSL中,基于射频(RF)控制的单边带(SSB)调制器是光信号移频的主要器件,每经过一次SSB调制器,光信号将产生一个与RF信号频率相等的移频间隔。THz信号的倍频因子由光在环路中循环的圈数控制。THz信号的频率随着倍频因子的增加而增加,频率大小为倍频因子与移频间隔的乘积。实验上实现了THz信号的倍频因子从1~25可调谐,测量了拍频获得的5~20 GHz微波信号光谱和电谱,测量了20 GHz信号功率以及中心频率的稳定性,并最终实验获得了0.25 THz的信号。