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2022年  第51卷  第7期

专家报告-刊庆 50 周年
气溶胶沉降扩散研究进展(特邀)
顾有林, 陈国龙, 胡以华, 何海浩, 丁婉莹, 曹浩
2022, 51(7): 20220313. doi: 10.3788/IRLA20220313
[摘要](177) [HTML全文] (41) [PDF 1034KB](54)
气溶胶沉降扩散主要研究气溶胶粒子在大气中的运动状态、浓度迁移、表面沉积过程。表征物理量主要包括气溶胶粒子沉降通量、沉降速度、浓度分布、扩散速度等。开展相关研究可以为气溶胶生成方式优化、消光效果评估与预测等提供科学依据。文中概括了三种气溶胶生成方式,分析了气溶胶粒子在大气中沉降扩散过程机理,阐述了气溶胶沉降与扩散特性参量计算、仿真模拟和试验测定方法。结合目前气溶胶沉降扩散研究面临的挑战,对气溶胶沉降扩散理论分析、数值模拟、试验研究与综合运用进行了展望。
采用深度学习校正畸变涡旋光束的方法综述(特邀)
王佳琦, 付时尧, 李浪, 郭盈池, 李晨, 高春清
2022, 51(7): 20220221. doi: 10.3788/IRLA20220221
[摘要](185) [HTML全文] (37) [PDF 2436KB](75)
涡旋光束是一种携带轨道角动量的新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测等领域有着广阔的应用前景。涡旋光束在大气等非均匀介质中传输时会产生波前畸变,使得其携带的轨道角动量发生改变,对实际应用产生不利影响,因此需要引入自适应光学波前校正技术对其进行畸变校正。综述了近年来国内外学者在涡旋光束自适应畸变校正方面的研究进展,首先简要介绍了当前较为成熟的涡旋光束畸变校正技术,包括高斯光束探针与波前传感相结合、相位恢复算法与面阵探测技术相结合等技术方案;然后着重介绍了基于深度学习的新型涡旋光束畸变校正技术,包括泽尼克多项式系数反演、湍流相位屏反演等,同时讨论了将深度学习用于涡旋光束畸变校正的优势及局限性;最后展望了涡旋光束自适应畸变校正技术的发展趋势。
红外高光谱遥感成像的技术发展与气体探测应用(特邀)
李春来, 刘成玉, 金健, 徐睿, 吕刚, 谢嘉楠, 袁立银, 刘世界, 王建宇
2022, 51(7): 20210866. doi: 10.3788/IRLA20210866
[摘要](198) [HTML全文] (28) [PDF 4052KB](110)
相对可见光和短波红外谱段来说,在红外谱段进行高光谱遥感成像具有独特优势,特别是在资源勘查、地表环境监测、大气环境监测、军事侦察方面。尽管当前红外高光谱成像仪主要以机载为主,还未实现星载,然而国内外相关机构从未放弃推进红外高光谱遥感的星载化。文中首先分析了国内外典型的红外高光谱成像仪的设计、实现与技术指标,从光谱分辨率、空间分辨率、辐射分辨率三个核心指标总结了现有红外高光谱成像仪的技术特点、存在问题和解决途径。未来很长的一段时间内,红外精细分光、低暗电流焦平面探测器、低温光学与背景抑制仍然是红外高光谱成像仪研制所要解决的核心问题。在此基础上,文中重点介绍了在远距离气体探测方面的应用,并分析了其独特优势。最后,展望了红外高光谱成像技术的发展方向。
特约专栏—新型局域场调控红外探测技术
碲镉汞红外光电探测器局域场表征研究进展(特邀)
刘书宁, 唐倩莹, 李庆
2022, 51(7): 20220277. doi: 10.3788/IRLA20220277
[摘要](186) [HTML全文] (29) [PDF 2134KB](69)
碲镉汞材料 (HgCdTe) 是第三代红外探测系统中使用的重要探测材料,其发展水平能基本反映当前红外探测器最优性能指标。近年来,天文、遥感和民用设备对探测器性能提出了更高的要求,这对HgCdTe红外探测器的设计和制备提出了新的挑战。HgCdTe红外探测器更精细的设计和加工技术为提高HgCdTe红外探测器性能提供解决思路。抑制器件的有害局域场、调控器件的有益局域场可以实现器件性能进一步的突破。但是,如何对HgCdTe光电器件局域场进行表征与分析,澄清HgCdTe光电器件中局域场相关的噪声及暗电流起源,是推动器件性能突破需解决的重要关键科学与技术问题。文中将总结HgCdTe红外光电探测器局域场表征与分析的研究进展,为新一代HgCdTe红外光电探测器发展提供基础支撑。
铁电局域场增强低维材料光电探测器研究进展(特邀)
余晨辉, 沈倪明, 周勇, 成田恬, 秦嘉怡, 罗曼
2022, 51(7): 20220288. doi: 10.3788/IRLA20220288
[摘要](172) [HTML全文] (34) [PDF 3195KB](78)
光电探测器在通讯、环境、健康和国防等日常生活及国家安全等领域中应用广泛。随着时代的发展,对光电探测器在灵敏度、响应速度及波长范围等方面的性能要求与日俱增。低维材料独特的电学及光电特性使其在光电子器件领域具有重要的应用前景。为了充分利用低维材料的优势,克服其暗电流大、吸收率低的不足,研究人员提出将铁电材料与低维材料结合,利用铁电材料的剩余极化作用形成强局域场调控载流子浓度以提高低维材料的光电探测能力。文中总结了近年来铁电局域场增强低维材料光电探测器的研究成果,介绍了铁电材料对一维纳米线、二维材料以及低维结型器件的调控和性能提升方面的相关研究。最后,对铁电局域场增强低维材料光电探测器的发展趋势进行了简要的总结和展望。
二维材料在红外探测器中的应用最新进展(特邀)
贾欣宇, 兰长勇, 李春
2022, 51(7): 20220065. doi: 10.3788/IRLA20220065
[摘要](204) [HTML全文] (44) [PDF 4507KB](85)
二维材料,具有原子厚度,以其独特的物理、化学性质,吸引了广大研究人员的关注,成为了众多研究领域(如物理、材料、电子、光电子和化学等)的明星材料。因二维材料具有较高的载流子迁移率、强的光-物质相互作用、电/光学性质各向异性等,使其在光电子领域具有光明的应用前景。其中,窄带隙二维材料,如黑磷、黑磷砷等,在红外光电探测器中表现出巨大的应用潜力,成为了红外探测领域的新宠。文中将对二维材料在红外探测器中的应用,特别是光子型光电探测器的最新进展进行介绍。首先对二维材料的背景进行介绍;然后介绍表征光电探测器的关键参数;接着介绍二维材料在红外探测器中的最新进展,分别展示了单二维材料红外探测器、异质结红外探测器和光波导红外探测器方面的进展;最后对二维材料在红外探测器中的应用进行展望。
石墨烯摩尔超晶格的近场纳米成像(特邀)
孙侨东, 黄鑫宇, 林润峰, 彭追日, 徐浪浪, 叶镭
2022, 51(7): 20211118. doi: 10.3788/IRLA20211118
[摘要](81) [HTML全文] (21) [PDF 1834KB](33)
具有优异光电响应特性的二维材料,在新型红外探测技术中展现了极高的应用价值与潜力。对于由二维材料制备的红外探测器,通过引入局域场调控的方式能够显著提升其红外探测性能。一种基于光热电效应的局域温度场调控技术被研究人员报道,该技术结合了双层旋角石墨烯形成的摩尔超晶格结构。摩尔超晶格的形成使体系的塞贝克系数产生变化,从而使光照激发的热载流子浓度在空间上形成梯度变化,通过高分辨度的光电流显微镜探针可以探测双层石墨烯内单个摩尔晶胞的光电响应,从而获得体系的高分辨率光电流空间分布。该技术展示了旋角电子学在光电探测领域的前景,为未来的单光子探测器提供了设计思路。
中红外-甚长波多模式谐振三波段超材料吸波体(特邀)
秦正, 梁中翥, 史晓燕, 杨福明, 刘文军, 侯恩柱, 孟德佳
2022, 51(7): 20220224. doi: 10.3788/IRLA20220224
[摘要](80) [HTML全文] (13) [PDF 3089KB](48)
超材料吸波体可以将入射电磁波集中在亚波长尺度内并进行高效吸收,因此在光电探测、热发射器、能量收集等领域具有广泛的应用前景。迄今报道的多波段超材料吸波体主要为某一波长范围内多个相近波长的完美吸收,想要实现大光谱范围内的多波长吸收则需要多个结构的联合工作。基于钛十字形谐振器-氮化硅介质层-钛反射层三层结构,设计并数值模拟了一种工作波长范围跨越中波红外、长波红外以及甚长波红外的三波段超材料吸波体。利用超材料吸波体激发的传播型表面等离激元谐振、局域型表面等离激元谐振以及氮化硅本征吸收模式,实现了4.8 μm、9.1 μm和18 μm三个波长处97.3%、94.4%和93.6%的高吸收率。超材料吸波体的工作波长可以通过改变其几何参数进行调节,且具有偏振和入射角不敏感性。该工作中所用材料均为现有工艺中的常用材料,在气体检测、红外成像等领域具有应用前景。
中红外4 μm波长下MgF2晶体脊形光波导的制备及特性研究(特邀)
李淑慧, 宋洪晓, 程亚洲
2022, 51(7): 20220441. doi: 10.3788/IRLA20220441
[摘要](72) [HTML全文] (12) [PDF 2045KB](23)
为了研究离子与中红外晶体相互作用的机理,探索中红外晶体光波导的制备和性能,采用离子辐照技术结合精密金刚石刀切割,在MgF2晶体材料中制备了深度17.5 μm、宽度14 μm的脊形光波导。采用SRIM软件模拟了C5+离子辐照MgF2晶体的电子能量损伤和核能量损伤的过程,分析了波导的形成机理;模拟了波导的折射率变化,并对波导的近场模式进行了实验测量和理论模拟;采用热退火处理来降低波导的传输损耗,将传输损耗降低为0.4 dB/cm;微拉曼光谱证明离子辐照过程并未对MgF2晶体波导区造成较大的晶格损伤。该工作表明,离子辐照技术结合划片机精密切割是一种十分成熟的脊形波导制备手段,制备的MgF2晶体脊形光波导在中红外集成光学和光通讯领域具有广泛的应用前景。
红外技术及应用
红外光场成像中的辐射定标与校正
王腾飞, 傅雨田
2022, 51(7): 20210646. doi: 10.3788/IRLA20210646
[摘要](109) [HTML全文] (28) [PDF 2820KB](55)
为了实现在长波红外波段应用光场成像技术,对红外光场成像中的辐射定标与非均匀性进行了研究。首先,根据光场成像和非均匀性校正的原理,提出了红外光场成像辐射定标模型,分析了响应漂移与非均匀性的关系。接着,设计标准黑体实验,记录两点校正法定标后30 h内的图像数据,对比了相同条件下光场数据和光场成像的非均匀性变化情况。实验结果表明:在10 min~30 h内,光场数据的非均匀性由0.062%增大到0.62%,光场成像的非均匀性由0.024%增大到0.27%。响应漂移对红外光场成像非均匀性的影响受到微透镜阵列渐晕和重聚焦计算的共同作用。重聚焦计算可有效抑制由响应漂移引起的非均匀性增长。
红外相机实时绝对辐射定标技术研究
吕原, 丛明煜, 赵旖旎, 牛凯庆, 路子威
2022, 51(7): 20220395. doi: 10.3788/IRLA20220395
[摘要](108) [HTML全文] (23) [PDF 2085KB](55)
辐射定标技术是实现定量遥感的关键环节。近年来,随着红外遥测技术愈发成熟,星上红外辐射定标已成为空间定量遥感技术的重要发展方向。文中从红外相机实时绝对辐射定标的背景出发,提出了半光路星上绝对辐射定标和基于多温度场的场地绝对辐射定标方法,结合实验数据,分别采用星上定标、场地定标、交叉定标三种方案进行在轨绝对辐射定标实验验证,并对其适用场景进行了分析。结果表明,通过结合半、全光路定标数据处理和转换技术,利用水面场和陆面场的场地绝对辐射定标方法,优选合适的定标场地,同时在陆面场中增加典型地物场景实现多温度场定标的方法,所提出的辐射定标方法实现了实时高精度绝对辐射定标,定标精度优于1.5 K。
基于假设气体法的燃气辐射特性计算模型
程稳, 孙啸林, 马姗
2022, 51(7): 20220286. doi: 10.3788/IRLA20220286
[摘要](69) [HTML全文] (10) [PDF 1793KB](28)
为了降低航空发动机排气系统高温燃气红外辐射特性的计算误差,发展了基于假设气体法的Malkmus统计窄谱带模型,并通过与逐线计算法的计算结果对比,验证了该模型的准确性。结果表明,基于假设气体法的Malkmus统计窄谱带模型能够显著降低非等温、非均匀高温燃气辐射特性参数的计算误差。在非等温、非均匀条件下,对CO2-H2O-N2混合气体谱带平均透过率的计算结果表明,传统的Malkmus统计窄谱带模型的均方根误差为0.018,而基于假设气体法的Malkmus统计窄谱带模型的均方根误差为0.012,后者的计算误差相对前者降低了33.3%。
红外制导空舰导弹最大攻击角解析计算方法
罗木生, 于凤全, 王俊敏, 黎漫斯
2022, 51(7): 20210558. doi: 10.3788/IRLA20210558
[摘要](99) [HTML全文] (19) [PDF 1434KB](36)
针对红外制导空舰导弹航路规划中的重要影响因素——攻击角,建立了航路点数量、相邻航路点间距、航路点转弯角和航路路程等约束条件模型;提出了最大攻击角的解析计算方法,并区分一个、两个和多个航路点等三种情况,运用几何学原理,分别给出了最大攻击角的定量计算模型。最后,对航路点数量、转弯角和导弹航程等因素影响下的最大攻击角进行了仿真计算。结果显示,最大攻击角随着航路点数量的增加而快速增大;航路点数量一定时,最大攻击角随着航路点转弯角的减小而增大;但应注意,攻击角的增加是以牺牲红外制导空舰导弹航程为代价的。
激光器与激光光学
1.7 μm全光纤锁模脉冲掺铥光纤激光器研究
高玉欣, 陈吉祥, 张泽贤, 战泽宇, 罗智超
2022, 51(7): 20220234. doi: 10.3788/IRLA20220234
[摘要](81) [HTML全文] (16) [PDF 1766KB](34)
1.7 μm超短脉冲光纤激光器在生物成像和材料加工等领域具有重要的应用前景,受到了科学家们的极大关注。基于非线性偏振旋转锁模技术,实验搭建了全光纤结构的1.7 μm锁模脉冲掺铥光纤激光器。通过在激光器内加入光纤滤波器抑制掺铥光纤中的长波激光发射,同时采用纤芯泵浦的方式有效获得了1.7 μm波段的增益。激光器输出脉冲的光谱中心波长为1733 nm,3 dB带宽为6.3 nm。锁模脉冲的重复频率为19.56 MHz,平均功率为1.4 mW。同时,数值模拟了脉冲在激光器的腔内演化。文中提出的1.7 μm全光纤锁模激光器有利于进一步提高1.7 μm激光源的稳定性和集成度,在生物成像等领域具有重要的应用价值。
1.5 μm DFB半导体激光器HCN吸收稳频技术
张明富, 杨天新, 葛春风
2022, 51(7): 20210435. doi: 10.3788/IRLA20210435
[摘要](85) [HTML全文] (16) [PDF 5679KB](34)
在远距离相干测量系统中,分布反馈式半导体激光器(DFB-LD)以其直接高速调制特性、低成本、可批量生产等优势成为精密遥测系统的核心光源,因此对DFB-LD的窄线宽和短时频率稳定性提出了更高的要求。为了实现DFB-LD的频率稳定,通过边频锁定与光电反馈回路的方法将激光频率锁定在H13C14N气体吸收谱线1548.956 nm的一侧。将光电探测模块、后续误差信号生成与处理模块和激光器驱动模块集成在一块模拟电路板上,从而有效地降低了系统的噪声;使用除法器代替减法器来产生鉴频信号,大大提高了系统灵敏度和稳频精度;通过这两项技术的改进,将DFB-LD的秒级频率稳定度提高了两个数量级,从稳频前的秒级频率稳定度3.67 × 10−8提高到稳频后的秒级频率稳定度2.34×10−10。实验结果表明,该DFB-LD稳频方案具有高的稳频精度,且系统结构简单、体积小、可批量生产,适合于无人机机载应用场景,是远距离相干测量系统的理想光源。
高转换效率单谐振连续波近红外光学参量振荡器
姚文明, 邓力华, 田玉冰, 常奥磊, 王鹏, 陈建生, 檀慧明, 高静
2022, 51(7): 20210654. doi: 10.3788/IRLA20210654
[摘要](68) [HTML全文] (16) [PDF 2062KB](31)
提出了一种高功率及高转换效率的可调谐连续波近红外外腔单谐振光学参量振荡器。为了获得短波段近红外可调谐激光光源,基于准相位匹配晶体的光学参量振荡技术是其中一项有效的技术手段。光学参量振荡器采用连续波532 nm激光器作为泵浦源,掺杂氧化镁的周期性极化化学计量比钽酸锂(MgO:sPPLT)晶体作为准相位匹配晶体,通过在周期调谐的基础上再结合温度调谐的组合调谐方式,在8.3~8.6 μm的4个极化周期内实现了信号光807~879 nm和闲频光1352~1567 nm近红外宽波段的无跳模可调谐激光输出。通过闲频光单谐振设计,当泵浦功率5.4 W时,在8.6 μm周期处,获得了3.1 W的821 nm的近红外信号光输出,实现了57.4%的信号光光-光转换效率。当泵浦功率达到13.6 W时,在8.6 μm周期处,获得了6.8 W的高功率输出。
低频移拉曼模式多阶级联的1.7 μm激光器
鲍玉朔, 黄海涛, 陈海伟, 王飞, 李子涵
2022, 51(7): 20210507. doi: 10.3788/IRLA20210507
[摘要](45) [HTML全文] (11) [PDF 1120KB](26)
基于固体介质的拉曼频率变换是产生新波段激光的有效技术方案。利用1572 nm KTP光参量振荡器腔内泵浦KGW晶体,实现了1616 nm (2阶)、1638 nm (3阶)、1662 nm (4阶)、1686 nm (5阶)、1711 nm (6阶)拉曼激光输出,其中1711 nm占据主导地位。激光器最大总平均输出功率为1.13 W,最小脉冲宽度为20 ns。该多阶级联拉曼变频对应的单阶平均拉曼频移为86 cm−1,与文献报道的KGW晶体低频拉曼模式相吻合。采用1572 nm KTP光参量振荡器作为拉曼激光器的腔内泵浦源有两个优势,一方面可以有效拓展拉曼变频的输出波长,另一方面可以基于光参量振荡器的脉冲窄化特性为后续多阶拉曼转换提供高强度的泵浦光。通过引入多阶级联拉曼变频的方案,为有效利用固体介质非常规低频移拉曼模式提供了新思路。
耗散孤子和束缚态脉冲可切换的超连续谱产生
李颖奎, 任行, 李鑫, 杜垒, 王天枢, 姜会林
2022, 51(7): 20220035. doi: 10.3788/IRLA20220035
[摘要](63) [HTML全文] (13) [PDF 2182KB](28)
当超短脉冲进入高非线性光纤时,在色散和非线性效应的共同作用下,脉冲频谱中会产生一些新的频率分量,使得输出频谱比输入频谱宽得多。这种光谱被称为超连续谱。超连续谱光源具有光谱范围宽、方向性好、亮度高、空间相干性好等优点。在锁模激光器中,传统孤子、耗散孤子和类噪声脉冲可以作为种子源产生超连续谱。文中,笔者建立了一个NPR被动锁模光纤激光器来产生脉冲激光。然后,添加一段DCF以补偿腔中的色散,从而产生耗散孤子。同时,通过调节腔内PC,可以实现束缚态和耗散孤子的状态切换。输出脉冲经10 m单模光纤压缩后注入部分拉锥后的高非线性光纤以产生超连续谱。实验中,我们得到了脉宽为5.6 ps、重复频率为32 MHz、信噪比为52 dB的耗散孤子锁模脉冲,压缩后的脉冲宽度为868 fs,用作超连续谱产生。超连续谱的覆盖范围约为1200~2200 nm,其20 dB谱宽为357 nm。通过调节偏振控制器,实现耗散孤子脉冲与束缚态脉冲之间的切换,束缚态脉冲持续时间为1.4 ps,脉冲间隔为14 ps,信噪比为51 dB,产生1600~1870 nm的超连续光谱,20 dB的光谱宽度为135 nm。
双零色散介质中cosh-Airy脉冲超连续谱产生与操控
文兵, 邓杨保, 韦家谋, 张赛文, 陈德鹏, 邓曙光, 张光富
2022, 51(7): 20210618. doi: 10.3788/IRLA20210618
[摘要](46) [HTML全文] (20) [PDF 2004KB](17)
结合分步傅里叶方法和四阶Runge-Kutta积分法,研究了有限能量cosh-Airy脉冲在双零色散介质中的超连续谱产生与操控。首先,详细讨论了特征参数截断系数a、初始啁啾C和分布因子χ0对cosh-Airy脉冲在双零色散介质中的演化影响,并统计了aCχ0对超连续谱宽度的影响。然后,进一步研究了高阶非线性效应对cosh-Airy脉冲产生超连续谱的影响。结果表明:通过操控cosh-Airy脉冲的特征参数可以控制超连续谱的宽度;当存在高阶非线性效应时,超连续谱的平坦性会受到影响。研究结果为超连续谱的产生和操控以及宽带激光光源提供一些理论基础。
主被动双光复合系统平行度校正研究
刘飞, 陈秀芬, 李松山, 聂子晨
2022, 51(7): 20210771. doi: 10.3788/IRLA20210771
[摘要](59) [HTML全文] (15) [PDF 1261KB](24)
针对主被动双光复合系统中存在激光主动发射视场与红外被动成像视场平行度(一一对应位置)偏差问题,提出了主被动双光复合系统平行度校正方法,并开展了理论研究和实物仿真测试。首先,推导了激光主动发射视场与快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)角度对应关系;其次,根据激光发射视场与红外探测视场提出了一种基于多项式拟合的平行度修正校正方法;最后,通过构建实际测试平台,进行平行度标定、求解、修正。试验结果表明:在±1.4°的激光指示视场和±1.4°的红外中心视场中,经过系统平行度修正后,实际平行度偏差可由0.8 mrad降低至0.1 mrad,进一步提高激光对目标的指向精度。
基于有限元法的激光声磁检测系统优化研究
张鹏辉, 赵扬, 李鹏, 周志权, 白雪, 马健
2022, 51(7): 20210533. doi: 10.3788/IRLA20210533
[摘要](83) [HTML全文] (28) [PDF 2228KB](21)
针对激光超声和电磁超声两种非接触式检测方式在实验中操作复杂和灵敏度低,以及难以观察不同参数对相关物理场造成的影响等问题,文中将有限元法应用到激光声磁混合式检测当中,采用数值分析方法分析了脉冲激光与电磁超声换能器之间的匹配关系对检测灵敏度的影响,研究了激光声磁检测系统的优化设计依据。利用有限元软件建立了激光声磁检测系统的仿真模型,通过正交数值仿真分析了高斯激光脉冲激励超声的温度场和位移场特性,进而观测了电磁超声换能器参数变化对检测灵敏度的影响。结果表明:螺旋型线圈接收的电压信号能正确反应由入射激光在固体中发生热膨胀效应产生的超声位移场,当磁体的高宽比为 1.5 倍时,驱肤层处磁场强度分布最优,提离距离对换能效率的影响呈现负指数变化规律,评价了不同接收间距处电磁超声换能器的接收性能。
碟片式激光烧蚀微推力器靶盘利用率优化
祝超, 叶继飞, 王云萍
2022, 51(7): 20210497. doi: 10.3788/IRLA20210497
[摘要](51) [HTML全文] (15) [PDF 1751KB](20)
碟片式激光烧蚀推力器的总冲与靶盘上烧蚀点数量线性相关,提高靶盘利用率有利于在有限的靶面上得到更多的烧蚀点。为了优化靶盘利用率,文中首先对激光烧蚀微推力器进行了结构设计和分析,对靶盘上的烧蚀点分布问题进行了理论建模,提出了串珠法和套圈法两种分析方法,分别设计了圆圈路径、螺旋路径和六角密排三种实际烧蚀点分布方式。通过计算,分析比较了三种分布方式下,靶盘尺寸和烧蚀点尺寸对靶盘利用率的影响规律。结果表明,六角密排的靶盘利用率理论最高可达90.64%,圆圈路径和螺旋路径的靶盘利用率理论最高可达78.54%;靶盘利用率受到靶盘尺寸和烧蚀点尺寸的影响,靶盘尺寸较小时,圆圈路径的靶盘利用率相对较大,靶盘尺寸较大时,六角密排的靶盘利用率较大;三种分布方式各有特点,在应用上各有侧重。该研究为充分利用碟片式激光烧蚀推力器的靶盘提供了理论指导和设计参考,对推力器的工程化设计有一定借鉴意义。
基于体光栅窄带光学滤波的激光雷达收发波长动态匹配技术研究
范伟, 刘博, 蒋贇
2022, 51(7): 20210639. doi: 10.3788/IRLA20210639
[摘要](59) [HTML全文] (23) [PDF 1498KB](30)
激光雷达是一种可以精确、快速获取目标三维信息的主动探测技术。然而,激光雷达在白天工作时会受到强烈的太阳背景辐射噪声的影响。此时,一般需要采用窄线宽的激光器与滤波器件配合使用,从而达到背景光抑制的效果。当两者都是极窄线宽时,如果二者中心波长产生失配,即具有一定的误差,那么接收信号的信噪比将会受到显著影响。因此,文中从窄带滤波和接收信号对发射信号的波长跟踪的角度出发,利用体光栅的相关特性设计了激光雷达的可调谐滤波接收器和收发系统光路,实现了激光雷达在窄滤波带宽条件下接收波长对发射波长的跟踪。最后,在实验室实际搭建了整个系统,验证了系统设计的正确性。在固定波长条件下与可调谐波长条件下,跟踪精度均优于2.9 pm,此时,接收信号强度大于中心波长完全匹配条件下的99.97%。
基于激光雷达的火箭主动漂移量测量技术
师恒, 高昕, 李希宇, 雷呈强, 胡蕾, 宗永红, 郑东昊, 唐嘉
2022, 51(7): 20210636. doi: 10.3788/IRLA20210636
[摘要](67) [HTML全文] (10) [PDF 1167KB](30)
针对现有高速电视交会测量火箭漂移量受外界环境影响大和测量数据不能实时获取等问题,提出了基于激光雷达的火箭实时起飞漂移量主动测量方法。首先将激光雷达通过安装台安装在二维精密转台,在火箭发射过程中,二维精密转台带动激光雷达持续高精度跟踪扫描火箭的目标点位置,获取目标点位置对应的激光点云数据。接着,数据处理系统接收激光点云数据,拟合每一帧数据的椭圆曲线及其圆心位置,以火箭静止时椭圆圆心位置为基准位置,计算每一帧数据的椭圆圆心位置与基准位置的相对差值,确定火箭在起飞阶段的实时漂移量。最后,通过火箭发射试验验证文中提出的测量系统及测量方法,试验结果表明:在有环境干扰条件下,实时漂移量测量精度可达到3.1 cm,是目前火箭漂移量测量中精度最高的测量方法,同时可保证数据的实时性。为火箭发射的安控台提供了实时判别数据,保证了发射过程的安全。
空间引力波探测激光外差干涉信号模拟系统
韩爽, 佟珺泽, 王振鹏, 于涛, 隋延林
2022, 51(7): 20210572. doi: 10.3788/IRLA20210572
[摘要](65) [HTML全文] (17) [PDF 2016KB](24)
由于激光外差干涉测量系统光机平台无法模拟多普勒频移,并且商用信号发生器无法实现多种类、高复杂度的星间外差干涉信号模拟,不能对空间引力波探测的相位计进行全面测试。通过分析外差干涉信号的特性,研究信号模拟系统的实现原理及方法,设计了空间引力波探测激光外差干涉信号模拟系统。首先,应用直接数字合成器(DDS)模拟外差干涉信号。其次,通过频率偏移方式模拟多普勒效应,应用混合同余算法生成散粒噪声并调制到外差干涉信号中。最后,基于FPGA搭建系统硬件平台,通过示波器及频谱分析仪分析生成信号的时频特性。实验结果表明,信号模拟系统在2~20 MHz的频率范围内杂波抑制度为−53 dBc,谐波(二次)抑制达到−47 dBc,生成信号的时频特性符合理论预期,满足空间引力波探测相位计的地面测试需求。
复合激光损伤CMOS图像传感器实验研究
朱孟真, 刘云, 米朝伟, 魏靖松, 陈霞, 田方涛, 冯苏茂, 王赛
2022, 51(7): 20210537. doi: 10.3788/IRLA20210537
[摘要](85) [HTML全文] (33) [PDF 1142KB](34)
激光是对抗光电侦察的有效方式。为了提高损伤效能,探索了复合激光损伤光电探测器的新思路。分别开展了波长1064 nm和532 nm、脉宽10 ns的激光及其双波长复合激光,以及波长1064 nm、脉宽0.4 ms和10 ns激光及其双脉宽复合激光对CMOS图像传感器的损伤效能实验。结果表明,双波长复合激光对CMOS造成严重损伤时的基频光能量是单独1064 nm激光的77.8%,是单独532 nm激光的62.5%;双脉宽复合激光损伤时,脉宽0.4 ms激光的能量密度降低为单独作用时的1.7%,脉宽10 ns激光的能量密度降低为单独作用时的76.4%。这一发现为多制式复合激光高效光电对抗提供了新的思路和参考。
光学设计
基于Offner凸面光栅星载CO2成像光谱仪光学系统设计
张刘, 李博楠, 卢勇男, 邹阳阳, 王泰雷
2022, 51(7): 20220431. doi: 10.3788/IRLA20220431
[摘要](70) [HTML全文] (10) [PDF 3085KB](31)
星载CO2成像光谱仪具有图谱合一、高空间分辨率、高时间分辨、非接触和长期监测的优点,已成为监测全球温室气体变化的重要手段之一。为解决大视场因入射狭缝较大,信噪比低,成像质量不佳的问题,文中对Offner成像光谱仪的光学系统初始结构设计提出了一种新方案。该方案基于在30 mm狭缝处发出的子午光线、弧矢光线在中心波长处相切,提高入射光线在整个光谱范围内的利用率。利用光学设计软件,设计在1594~1619 nm波段范围内,F数为2.5,光谱系统分辨率为0.1 nm的成像光谱仪。设计结果表明,点列图均方根(RMS)半径小于5 μm,系统在33 lp/mm处的传递函数优于0.7。此外,该系统采用像元合并(即扩展像元)的方法,进一步提高光谱信号的探测强度,该设计方案能够满足应用于星载CO2成像光谱仪大视场、高光谱分辨率和高信噪比的遥感探测需求。
长工作距的3D变倍外视镜光学系统设计
曹钟予, 向阳
2022, 51(7): 20210808. doi: 10.3788/IRLA20210808
[摘要](49) [HTML全文] (17) [PDF 2124KB](34)
针对现有显微外科手术中内窥镜工作距离短、不能实现光学变倍、无法获得立体图像的问题,提出了长工作距、可变档变倍的双光路3D外视镜光学系统设计方案,其中单条光路由前后两组变焦系统组成,前变焦组子系统采用光学补偿的三组元式结构,其作用是实现工作距离、物方视场可变的同时保持出射光线平行;后变焦组子系统采用机械补偿的四组元式结构,其作用是接收前组子系统的平行光并保持像面位置及像高不变,组合而成的整体光学系统共有三个运动组元,通过三组联动的形式可达到变倍效果,该方案类比于筒长无限的显微镜,中间光路平行使得安装方便且可灵活插入分光器件,并推导了前变焦组子系统焦距与物方工作距离的关系方程,依据选定像元数为1920×1200、像元尺寸为4.8 μm×4.8 μm的高清CMOS,优化设计了物方分辨率为6.8~31.8 μm、物方视场范围为Φ15~Φ70 mm、工作距为180~380 mm、整体缩小倍率1/β可实现分别为1.36×、2.36×,3.36×、4.36×、5.36×以及6.36×的六个档位变化的3D外视镜光学系统。通过给定合理的公差范围,仿真结果表明,六档倍率情况下的光学系统调制函数在105 lp/mm空间频率处优于0.15概率达到90%以上,变倍凸轮曲线平滑无拐点,可满足显微外科手术要求。
365 nm光刻照明系统中变焦系统的设计及公差分析
苏朋
2022, 51(7): 20210524. doi: 10.3788/IRLA20210524
[摘要](59) [HTML全文] (8) [PDF 1663KB](38)
照明系统是投影光刻曝光光学系统的重要组成部分,它实现的功能是为掩模面提供高均匀性照明、控制曝光剂量以及不同照明模式。变焦系统作为光刻照明系统的重要组成部分,对提高整个光刻机的性能起着至关重要的作用。文中针对紫外光刻照明系统的特点,采用CODE V软件完成了波长365 nm,入瞳直径Φ33 mm,像方远心度≤10 mrad,畸变≤±2%近紫外光刻照明系统中变焦系统的设计,分析了变焦系统的误差源对系统光瞳性能的影响,结合变焦系统的设计方案和实际加工能力,给出单面厚度公差需小于20 μm,动件移动精度小于0.5 nm,各透镜偏心公差小于0.02 mm,各透镜倾斜公差控制在1′之内。制定公差合理、可行,满足了紫外光刻照明系统高均匀性、高能量利用率的要求。
多波段光谱接收与可见光成像共孔径光学系统设计
彭礼威, 陈宇, 董大鹏, 谭勇
2022, 51(7): 20220142. doi: 10.3788/IRLA20220142
[摘要](83) [HTML全文] (23) [PDF 5109KB](47)
为满足对飞行目标的多维光谱探测和可见光成像需求,设计了一款基于卡塞格林望远镜结构的共孔径光学系统。系统前端由同轴两反系统组成,主镜为抛物面,次镜为双曲面,后端通过平板分光的方式由各子系统接收。在可见光成像端,利用两片柱面镜成功解决了分光平板引起的像散问题,并通过添加反向倾斜的补偿平板,校正了分光平板引起的光轴偏移问题,可实现对距离为0.5~1.5 km、直径为0.5 m的飞行目标进行可见光成像和多波段光谱接收(200~400 nm、400~760 nm及760~2 500 nm)。成像模块各视场在奈奎斯特频率35 lp/mm处均实现了MTF>0.5,趋近于衍射受限曲线,各光谱接收模块也均满足光纤耦合要求。通过无热化设计,该共孔径系统可实现在−20~50 ℃温度范围内正常工作。公差分析结果表明,该系统能够满足实际加工和装调要求。
复眼系统的大视场平像面拼接方法
于金池, 胡源, 程彬鹏, 张磊
2022, 51(7): 20210848. doi: 10.3788/IRLA20210848
[摘要](55) [HTML全文] (16) [PDF 1666KB](44)
传统曲面仿生复眼中继系统需要承担大视场子眼拼接造成的弯曲像面转换成平像场的任务,给系统设计带来一定难度。针对上述问题提出一种大视场复眼平像面拼接排列的方法,并对该方法进行数学描述。通过构建子眼个数、系统总视场角以及后续合理选取光中继系统参数之间的平衡模型,重点分析中继系统景深与复眼拼接像面光程差之间的关系,得出复眼平像面的拼接方式产生的光程差在典型光中继系统的可接受景深范围内,可以有效地降低中继光学系统设计压力的结论。并基于上述理论设计一种单子眼的视场为16°、整体视场为96°的复眼光学系统进行实践验证。系统最终实现畸变小于2%,传递函数在中心视场达到衍射极限,边缘视场接近衍射极限的良好像质,证明了该拼接理论可行。
大气光学
大视场地表层自适应光学系统性能评估方法对比分析
杨颖, 张兰强, 饶长辉
2022, 51(7): 20210744. doi: 10.3788/IRLA20210744
[摘要](72) [HTML全文] (29) [PDF 1592KB](20)
在天文大视场高分辨率成像领域,对地表层自适应光学(Ground-Layer Adaptive Optics, GLAO)系统作出准确的理论评估是系统设计与优化的关键前提。在GLAO技术中,地表层湍流特性与导引星布局是影响系统性能的重要因素。针对不同湍流环境与导引星位置分布,基于空间频谱滤波理论和蒙特卡洛方法对GLAO系统进行理论分析与性能评价工作,从而验证两种方法的正确性与准确性。结果表明,两种模型得到的系统校正规律呈现明显的一致性。在一定条件下,两种方法数值模拟偏差最大不超过4.6%。空间频谱滤波原理将系统简化为线性模型,其计算速度更快,便于发现系统特征规律,但是该方法适用于导引星呈对称布局的系统性能分析,不适用于非对称排布的任意导星布局解析分析。蒙特卡洛方法结合真实系统的物理过程进行实时模拟,其导引星布局可以任意设置,对于系统实际运行状态的预测更加准确。在两种分析方法对比的基础上,进一步针对系统布局给出了初步的优化结果,相关工作对未来GLAO系统的设计与优化具有指导意义。
光电测量
捷联惯导系统复杂误差参数系统级标定方法
王子超, 范会迎, 谢元平, 罗晖, 于旭东
2022, 51(7): 20210499. doi: 10.3788/IRLA20210499
[摘要](65) [HTML全文] (21) [PDF 3205KB](20)
重点研究捷联惯导系统复杂误差模型的建立,提出了一种新的包含加速度计内杆臂参数和温度误差系数的系统级标定方法。该方法基于45维卡尔曼滤波器对误差参数进行辨识估计,并通过温度控制试验箱控制标定过程中的温度变化。仿真实验表明该方法能够同时标定出激光陀螺和加速度计的零偏、标度因数误差、安装误差以及加速度计的内杆臂参数和温度误差系数。导航实验结果表明,对标定参数进行多误差源补偿之后,10 h导航实验水平最大定位误差为0.6 n mile (1 n mile=1.852 km),相较于不经过补偿,导航精度提升了37.5%。
正四面体冗余惯导全参数现场快速标定方法
翟雪瑞, 任元, 王丽芬, 朱挺, 王琛
2022, 51(7): 20210784. doi: 10.3788/IRLA20210784
[摘要](61) [HTML全文] (15) [PDF 1502KB](20)
正四面体冗余惯导系统(RINS)具有高可靠性、高精度等特点,而误差标定是实现高精度导航解算的必要手段。当前正四面体RINS的误差标定均需要利用高精度转台实现,不仅标定成本高、标定时间长,而且在外场等硬件条件不足的情况下无法进行全误差参数的标定。针对这一问题,提出了一种无需高精度转台的正四面体RINS全误差参数现场快速标定方法。首先,建立了正四面体RINS的误差模型;然后,根据解析粗对准姿态误差矩阵与正四面体RINS零偏的关系提出了基于六位置的零偏标定方法;之后,设计三位置旋转方案进行陀螺仪的标度因数和安装误差标定;最后,利用零偏标定的六位置方案进行加速度计的标度因数和安装误差标定。仿真及试验结果表明,该方法能有效地标定出所有误差参数,在1 h静基座导航试验中,标定后北向定位精度从61.065 5 km提升至0.476 7 km,东向定位精度从161.202 7 km提升至4.842 2 km。
室内模拟环境下动态调制传递函数检测方法
张维光, 于洵, 韩峰, 张发强, 吴银花, 陈玉娇
2022, 51(7): 20210756. doi: 10.3788/IRLA20210756
[摘要](57) [HTML全文] (15) [PDF 1956KB](24)
针对车载视觉智能感知、低空区域防务等光电成像系统远距离观测动态性能测评需求,研制了室内运动目标模拟系统。基于线性移不变系统模型,分析了“三杆靶”、“四杆靶”靶标MTF测量原理,提出了一种基于变频栅条靶标的动态MTF检测方法,给出了变频靶标设计方案和MTF解算方法。完成了“三杆靶”和变频靶标测量方法的静态和动态MTF对比测试实验。实验结果表明:提出的变频靶标动态MTF检测方法与“三杆靶”测量方法相比,在静态MTF检测时测量数据的相对最大偏差比率为1.9%,动态MTF检测时测量数据相对最大偏差比率为2.8%,是一种高精度数字化动态MTF检测方法。该方法可以从一幅靶标图像中解算出MTF曲线,在动态MTF检测技术领域比“刀口法”、“三杆靶”、“四杆靶”等方法更具优势。
基于LED电流、温度光谱模型的照明系统研究
李剑飞, 周晓明
2022, 51(7): 20210727. doi: 10.3788/IRLA20210727
[摘要](41) [HTML全文] (8) [PDF 1741KB](27)
电流、温度的改变都会影响LED光谱分布,从而影响光源的视觉和非视觉参数。文中从基于LED芯片发光材料中光子能级分布规律的光谱模型出发,对RGBY四色LED建立电流、温度模型,拟合的R-square可达到0.99。在此基础上,通过遗传算法对昼夜节律因子和辐射发光效率进行多目标优化,在照度为300 lx时,设计8组兼顾视觉参数(显色指数和蓝光危害效率)以及非视觉参数(昼夜节律刺激)的照明方案,通过这些方案验证了该模型的可行性。接着,探究两种非视觉参数和温度的关系,结果表明昼夜节律因子均随温度的增加而升高,但昼夜节律刺激却随温度的增加而减小。这种情况的原因是两种参数受照度的影响不同,对照度补偿后,发现两种非视觉参数均随温度的升高而增大,二者呈现一定的正相关性。该研究从光源光谱的角度入手,为LED照明光源设计中非视觉效应的考量提供参考依据。
光学连续闭环光电编码器误差检测系统
李锟, 丁红昌, 曹国华, 侯翰
2022, 51(7): 20210715. doi: 10.3788/IRLA20210715
[摘要](58) [HTML全文] (11) [PDF 1568KB](40)
为了解决光电编码器误差检测精度低、光机结构复杂、检测周期长等问题,利用自准直仪与多面棱体的光学小角度测量原理及转角互逆双轴转台的连续误差检测方法,建立了光学连续闭环光电编码器误差检测系统;采用多体系统理论与相对位姿矩阵变换方法,建立了双轴转台全误差模型,分析了固定误差和可变误差对系统的影响;利用标定自准直仪与23面棱体对检测系统进行了校准,并利用高精度光电编码器与系统进行了精度对比验证。结果表明:检测系统的双轴回转精度满足数值仿真计算要求,系统精度可达0.38″,测量不确定度为0.2″(k=2),系统检测精度与实际编码器出厂时标定的准确度基本一致,验证了光学连续闭环光电编码器误差检测系统实现高精度和全圆周连续误差检测的可行性。
面向复杂机械零件形貌测量的高精度三维重建方法
王素琴, 陈太钦, 张峰, 石敏, 朱登明
2022, 51(7): 20210730. doi: 10.3788/IRLA20210730
[摘要](57) [HTML全文] (11) [PDF 2020KB](31)
机械零件的精确测量可为零件的加工制造、虚拟仿真、缺陷检测等应用提供依据,基于条纹投影的双目视觉方法由于其高精度的特点广泛应用于机械零件的形貌测量中。在该方法中,绝对相位曲线的质量决定着三维重建的最终精度。由于环境噪声、场景不连续或零件表面复杂结构等的影响,绝对相位曲线往往存在着大量的噪声点和不同程度的形变。为了提高重建精度,针对绝对相位曲线存在的问题提出了相应的改进方法;针对难以去除的远离相位曲线的噪声点,提出逐区域相位校正方法,该方法将每一行的相位曲线分为若干区域,以区域内相位值的中位数为阈值,去除此类噪声点;针对相位曲线的形变区域,在基于点基元的立体匹配方法的基础上引入曲线拟合方法,并对匹配后得到的视差图进行精化,能够改善相位曲线形变区域立体匹配结果不佳的情况,提高了匹配方法的鲁棒性与精度。使用该方法对复杂零件FSW逆变器进行重建,标准偏差可降至0.1 mm以内。实验结果表明:所提方法重建精度更高,对于表面结构复杂的机械零件,能够实现精确测量。
白光显微干涉三维形貌测量中的移相误差校正方法
张超, 袁群, 张佳乐, 冀翼, 高志山, 闫钧华
2022, 51(7): 20220050. doi: 10.3788/IRLA20220050
[摘要](68) [HTML全文] (30) [PDF 1631KB](33)
白光显微干涉术通过驱动干涉显微物镜垂直扫描移相,采集低相干干涉图序列,定位干涉包络中的零光程差位置,获取待测表面的三维形貌。微观形貌的计算由获取粗略形貌的垂直扫描(VSI)算法和获取精细形貌的移相(PSI)算法两部分组成。通常情况下,设置垂直扫描移相的步长为八分之一中心波长,但移相器误差和干涉显微物镜数值孔径效应等都会使得移相量偏离π/2。文中采用基于对比度变化重心提取的VSI算法,4M幅法和7幅法两种PSI算法,分别讨论了两种类型移相误差对形貌计算的影响。理论和数值分析结果表明,在宽带光作用下,7幅法仍对移相误差不敏感,4M幅法产生的精细相位误差形式恰好与干涉物镜数值孔径效应对条纹展宽的影响相一致,在从精细相位转换为精细形貌时相互抵消。因而,采用基于对比度变化重心提取的VSI算法和4M幅PSI算法计算形貌数据,干涉物镜数值孔径效应造成的移相误差无影响,移相器误差造成的形貌复原误差可以通过预先测量已知高度的标准台阶进行标定去除。应用上述移相误差校正方法测量了高度为460 nm的台阶,形貌测试结果正确且鲁棒。
光学器件
外延电阻淬灭型硅光电倍增器的最新研究进展
张琳, 谢港, 刘宇霄, 张慧霞, 梁琨, 杨茹, 韩德俊
2022, 51(7): 20210587. doi: 10.3788/IRLA20210587
[摘要](64) [HTML全文] (23) [PDF 1519KB](27)
北京师范大学新器件实验室(NDL)一直致力于研制结构紧凑、工艺相对简单的外延电阻淬灭型硅光电倍增器(silicon photomultiplier with epitaxial quenching resistor, EQR SiPM)。近期为了满足硅光电倍增器(silicon photomultiplier, SiPM)在核医学成像方面的需要,NDL通过优化器件设计和制作工艺,成功研制出微单元尺寸为15 μm、有效面积为9 mm2的EQR SiPM。相较以往同类型器件,实现了器件暗计数率(dark count rate, DCR)的进一步降低同时保持了较高的光子探测效率(photon detection efficiency, PDE),在环境温度为20 ℃、过偏压为7 V时,DCR的典型值为226 kHz/mm2、峰值PDE为46%。另外,为了进一步提升EQR SiPM的动态范围,NDL还研制出微单元尺寸为6 μm、有效面积为9 mm2、微单元数目为244720的EQR SiPM,在环境温度为20 ℃、过偏压为7 V时,DCR的典型值为240 kHz/mm2、峰值PDE为28%,其较大的动态范围特别适合高能宇宙射线的测量、强子量能器等应用。
斜入射下液晶偏振光栅衍射特性研究
郑青泉, 王春阳, 王子硕, 王增, 康丁
2022, 51(7): 20210511. doi: 10.3788/IRLA20210511
[摘要](72) [HTML全文] (23) [PDF 1578KB](25)
为了表征光束倾斜入射下液晶偏振光栅的衍射特性,提出了液晶偏振光栅斜入射角度-驱动电压-衍射效率的三维模型建模方法。该方法利用吉布斯自由能方程,求解液晶分子指向矢,得到驱动电压与液晶分子倾斜角的表达式,推导出斜入射角度与相位延迟量之间的关系,结合扩展琼斯矩阵表征不同入射角度下液晶偏振光栅的透过率,通过矢量衍射理论,建立了斜入射角度-驱动电压-衍射效率的三维模型。该模型不仅可以定量求解不同斜入射角度下液晶偏振光栅衍射效率,而且能够实现衍射效率最优时驱动电压的标定。通过仿真分析和实验对该模型的有效性进行了验证,结果表明:光束入射角度从0°倾斜到10°时,最优驱动电压由2.2 V降低到2.0 V,液晶偏振光栅衍射效率从85%下降到78%;光束入射角度从0°倾斜到−10°时,最优驱动电压由2.2 V升高到2.4 V,液晶偏振光栅衍射效率从85%下降到74%。
光学胶膜液体可变焦微透镜阵列
郭凯, 彭旷, 王文峰, 赵江, 李志彬
2022, 51(7): 20210958. doi: 10.3788/IRLA20210958
[摘要](33) [HTML全文] (8) [PDF 3424KB](26)
微透镜阵列在光束匀化、波前测量、集成成像等领域有广泛应用。设计了一种基于光学胶膜(Optically Clear Adhesive, OCA)的液体可变焦微透镜阵列。采用矩形排列的硅微孔阵列控制单个透镜的孔径和排布,并以OCA光学胶膜和去离子水作为微透镜阵列的塑形材料。通过调整微流体腔内液体注入的体积实现对透镜焦距从1.46~10.44 mm的调整。依据聚焦与成像实验证实了微透镜阵列具有良好的均匀性。最后,将该微透镜阵列应用于激光光束匀化整形,通过一对微透镜阵列实现了光束匀化整形。进一步通过固定一对微透镜阵列的间距实现匀化光斑尺寸在7.2~8.4 mm内可调,为匀化光斑尺寸可调提供了新思路。
AOTF后楔角对光谱图像像质的影响
徐泽夫, 赵慧洁, 贾国瑞
2022, 51(7): 20210590. doi: 10.3788/IRLA20210590
[摘要](43) [HTML全文] (10) [PDF 1327KB](16)
针对AOTF成像光谱仪的光谱图像退化程度难以定量化评价的问题,提出了包含后楔角影响的AOTF器件调制传递函数(MTF)定量计算方法。该方法通过建立AOTF的光谱-空间维响应模型获取AOTF器件的线扩散函数(LSF),然后通过线扩散函数傅里叶变换得到理论MTF。在验证实验中,截止频率内的MTF理论值与实测值相对偏差小于15%,可以为AOTF的像质评估提供理论依据。进而,通过该定量计算方法讨论不同AOTF后楔角对光谱图像像质的影响。通过仿真分析得出,AOTF的后楔角难以同时满足横向色差校正与图像退化抑制,需要根据实际应用对于空间分辨率以及横向色差的要求进行取舍。所以,针对AOTF不同后楔角进行光谱图像像质的定量分析对于评估AOTF光谱图像像质具有重要意义,为AOTF器件设计提供了理论依据。
光学制造
X射线反射镜NiP芯模超精密车削技术研究
黎月明, 杨健, 左富昌, 梅志武, 张向阳, 李连升, 申坤
2022, 51(7): 2021G005. doi: 10.3788/IRLA2021G005
[摘要](80) [HTML全文] (22) [PDF 4452KB](30)
以聚焦型X射线反射镜的镍磷合金芯模为研究对象, 研究了单点金刚石超精密车削的切削深度、主轴转速、进给量等工艺参数对表面粗糙度的影响关系。结果表明,进给量对加工表面粗糙度影响相对最大,主轴转速、切削深度的影响呈弱相关关系。开展了NiP合金超精密车削工艺试验,得到切削深度、主轴转速、进给量的优化工艺参数,并初步建立了表面粗糙度预测模型。在此基础上,对Φ110 mm×140 mm的X射线反射镜镍磷合金芯模进行加工验证,获得了PV61.37~83.47 nm、RMS7.952~10.326 nm、Ra6.379~8.332 nm的表面粗糙度,圆度误差0.39 μm、斜率误差均方根值0.42 μm,满足X射线反射镜对芯模超精密车削需求,为后续大规格X射线反射镜超精密制造奠定了技术基础。
硅基非球面柱面微透镜阵列制备方法
张畅达, 高明友, 周岩, 邓晓洲, 熊欣, 刘风雷, 张为国
2022, 51(7): 20210688. doi: 10.3788/IRLA20210688
[摘要](73) [HTML全文] (11) [PDF 2423KB](32)
非球面柱面微透镜是一种重要的微光学元件,具有激光准直、聚焦、匀化等功能,在激光通信、光纤传感、激光雷达测距、激光泵浦等系统中具有广泛的应用。为了减小光电系统的体积、提升光纤性能,增大透镜数值孔径是一种常用的解决方案。提出采用折射率更大的硅作为低折射率石英基底的替代材料,使得微透镜在相同体积下数值孔径大幅提升,同时可以降低加工量从而提升制备效率。针对传统石英微透镜的制备方法不再适用硅基微透镜的问题,提出基于掩模移动曝光方法制备光刻胶非球面图案,使用多次涂胶和循环曝光方法,分别解决厚胶涂覆均匀性差及曝光掩模痕迹明显等问题,最终利用等离子体刻蚀技术进行图案转移传递,从而实现微透镜的制备。以数值孔径2.9的硅基非球面柱面透镜阵列为例开展实际制备工艺实验,所制备的微透镜列阵面型精度PV为0.766 μm,表面粗糙度Ra为3.4 nm,表面光洁与设计值符合较好,验证了制备方法的可行性。该方法有望促进非球面柱面微透镜列阵在紧凑化红外光电系统中的大规模应用。
材料与薄膜
基于不同晶粒尺寸的PVDZnSe红外光学材料制备工艺研究
张高峰, 张荣实, 刘孟寅, 廉伟艳, 甘硕文, 李特, 张彤, 高原
2022, 51(7): 20210565. doi: 10.3788/IRLA20210565
[摘要](73) [HTML全文] (14) [PDF 6961KB](24)
ZnSe以其优异的光学性能与机械性能,一直是光学零件的首选材料之一。光学窗口、光学透镜等光学零件的制作成本很大程度上取决于光学材料的可加工性,加工成本占制作总成本的50%以上。从微观结构上来看,光学晶体材料的可加工性又与晶粒尺寸相关。文中采用物理气相沉积(PVD)法制备了PVDZnSe红外光学材料,并从沉积温度与原料性能两个方面研究了PVDZnSe制备工艺对其晶粒尺寸和可加工性的影响。研究表明:在920、960、1 000 ℃三个温度条件下,随着沉积温度升高,PVDZnSe材料晶粒呈现增加的趋势,其尺寸范围分别为20~180 μm、300~2000 μm和1 200~2 800 μm。在相同工艺参数条件下,选用粒径分别为2~10 μm、10~20 μm和300~2 000 μm的三种ZnSe原料制备PVDZnSe。随着原料ZnSe晶粒尺寸的增加,所得PVDZnSe的晶粒尺寸显著增大。结果表明,随着晶粒尺寸增加,脆性指数也相应增加,即PVDZnSe可加工性能在逐渐变差。研究还发现,在一定的晶粒尺寸范围内,材料的透过率差别不大,在2~14 μm波长范围内,PVDZnSe材料的平均透过率均能达到70%以上。该研究为PVDZnSe材料在光学零件领域的应用提供了实践经验和有力的技术支撑。
硫系玻璃Ge28Sb12Se60薄膜光学非线性增强色散特性
孙旭, 赵建行, 周姚, 曹英浩, 周见红
2022, 51(7): 20210609. doi: 10.3788/IRLA20210609
[摘要](33) [HTML全文] (9) [PDF 1382KB](19)
采用真空热蒸发以及退火工艺制备了支持局域表面等离激元的微纳结构薄膜,在此薄膜上蒸镀了硫系玻璃Ge28Sb12Se60薄膜。应用Z-扫描技术,在飞秒激光脉冲激发下研究其光学非线性增强的色散特性,在650 nm和850 nm波段观察到了非线性吸收增强;非线性折射率随着波长的增加由负变正。通过扫描电子显微镜和透过光谱表征和分析了硫系玻璃Ge28Sb12Se60薄膜非线性吸收增强的原理,非线性吸收随着波长的增加由单光子吸收为主逐渐转变为双光子吸收为主;银膜的微纳结构导致硫系玻璃薄膜的共振中心频率发生了偏移。实验制备的用于增强硫系玻璃非线性的微纳结构制作简单,无需复杂光刻工艺,为非线性光子学器件的设计提供了新的思路。
高压调控手性二维钙钛矿光学性质
赵帅, 戴深宇
2022, 51(7): 20220211. doi: 10.3788/IRLA20220211
[摘要](73) [HTML全文] (25) [PDF 2226KB](25)
手性二维钙钛矿是一类具有非中心对称结构的低维钙钛矿材料,兼具低维钙钛矿和手性材料的优点,可用于产生非线性光学效应。通过高压技术可以实现低维钙钛矿各种光学性质的调控,然而目前对手性二维钙钛矿高压光学性质,特别是高压下非线性光学效应的研究则鲜有报道。利用金刚石对顶砧技术研究了高压对手性二维钙钛矿材料(R-, S-)ClPEA2PbI4的PL光谱、吸收光谱和二次谐波效应的影响。结果表明,随着压强的增大,材料的PL光谱强度先增大到1 GPa的峰值,随后逐渐减弱直至6 GPa左右消失,同时峰值波长507 nm红移到568 nm。高压吸收谱表明手性钙钛矿在6 GPa附近吸收边存在突变。高压下激光二次谐波信号强度随压强的增大而逐渐减小,在6 GPa附近明显减弱。这些结果表明高压是一种调控二维手性钙钛矿光学性质的有效手段,对其未来在发光和近红外频率转换等器件中的应用提供了基础。
光通信与光传感
基于相位型空间光调制器的光束控制技术研究
杨裕, 谷一英, 胡晶晶, 邓鹏程, 钱坤
2022, 51(7): 20210743. doi: 10.3788/IRLA20210743
[摘要](59) [HTML全文] (17) [PDF 2560KB](31)
非机械伺服控制的液晶空间光调制器(LCSLM )通过控制加载在每个像素上的电压能够实时调制波前相位实现光束偏转,基于菲涅耳透镜模型和闪耀光栅模型验证了光束偏转控制能力,包括偏转距离、衍射效率与不同模型参数之间的关系,入射光波长为1550 nm时,x轴或y轴可实现的最大偏转角度为6.96°(±3.48°),光束能够在光轴方向与二维平面偏移。针对光束的高速灵敏、精准和大角度的扫描应用需求,提出了基于LCSLM的光波前相位调控算法,通过计算需要补偿的相位建立相位变换模型并满足光束控制流程,设计并构建了基于LCSLM的光束偏转及扫描实验系统,实验结果表明光场中任意位置的光斑可在接收视场360°范围内灵活偏移控制。该研究对于自由空间无线光通信、光束敏捷控制、非机械式光束的捕获瞄准跟踪等领域具有重要的应用价值。
数字闭环光纤电流传感器暂态特性仿真研究
曹辉, 许慎诺, 马建刚, 石念宝, 徐金涛
2022, 51(7): 20210615. doi: 10.3788/IRLA20210615
[摘要](39) [HTML全文] (9) [PDF 1547KB](19)
数字闭环光纤电流传感器暂态特性主要包含频率响应与阶跃响应,对于电力系统的继电保护控制、故障录波等应用领域至关重要。在工程应用中,传统的测试方法由于其测试系统复杂、测试电流信号小等问题,不利于评估光纤电流传感器的暂态特性。利用数字闭环光纤电流传感器的闭环控制机理,提出一种在数字闭环光纤电流传感器反馈回路中添加相位调制激励的方法。首先,分析数字闭环光纤电流传感器的相位调制原理,通过建立数学模型验证相位调制激励的等效性;其次,根据数字闭环光纤电流传感器闭环控制算法,提出频率响应与阶跃响应的调制激励产生方法;最后,利用现有数字闭环光纤电流传感器产品平台完成频率响应与阶跃响应的仿真与测试。结果表明:采用相位调制激励的仿真数据与试验数据最大误差为0.12%,该调制激励方法不需要搭建复杂的测试系统,在现有硬件平台中即可实现不同电流信号的仿真测试。
空间光波前畸变校正中的元启发式SPGD算法
赵辉, 吕典楷, 安静, 邝凯达, 余孟洁, 张天骐
2022, 51(7): 20210759. doi: 10.3788/IRLA20210759
[摘要](40) [HTML全文] (8) [PDF 1996KB](22)
为了改善传统随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD)算法收敛速度慢且容易陷入局部极值的问题,提出了一种元启发式随机并行梯度下降(Meta-Heuristic SPGD, MHSPGD)算法。该算法将SPGD算法和元启发式算法的开发与探索两步结合,首先利用SPGD算法的梯度下降搜索得到局部最优解,然后进行邻域搜索得到局部最优区域以外的可能最优解,通过所有解性能指标的比较来确定新的迭代起点。随着搜索范围的自适应扩展,该算法能够避免陷入局部极值并趋向收敛于全局最优。同时,为了避免重复搜索,建立了记忆表来记录迭代过程中产生的次最优解。搭建了无波前探测器自适应光学系统模型,运用所提算法对不同湍流强度下的波前畸变进行了仿真校正,并针对不同Zernike阶数的像差进行了仿真实验。在三种湍流强度下,MHSPGD算法所能达到的斯特列尔比(Strehl Ratio, SR)分别为0.7621、0.6554、0.3749,相比于SPGD算法分别提升了0.1%、2%和18.6%。此外,当畸变中含有较多高阶成分时,文中所提优化算法相比传统的SPGD算法,SR收敛到0.6所需的迭代次数减少了约47%,且SR收敛极限值也提升了约9.4%。结果表明:与三种主流优化算法相比,MHSPGD在保持较快收敛速度的同时,能够在各种湍流强度下达到更高的收敛极限,有效地解决了算法的局部收敛问题。
基于EMD-CF的级联光栅微振动传感器光谱优化算法
陆锋, 张俊生, 赵永强
2022, 51(7): 20210645. doi: 10.3788/IRLA20210645
[摘要](58) [HTML全文] (15) [PDF 1534KB](18)
基于级联光栅的微振动传感器是一种典型的微振动信号测量方案,然而由于光信号在级联光栅中经过多次透射和反射,导致光谱信噪比差、成分复杂等问题。基于此,文中提出一种结合经验模态分解和切比雪夫滤波技术的光谱信号优化算法。首先,将传感器原始光谱通过经验模态分解得到一系列本征模函数;其次,利用所提出的自适应滤波方法,确定包含反射峰成分的本征模函数阶数,并对其进行切比雪夫低通滤波;最后,将滤波器输出进行重构,即得到优化后的传感器光谱。使用振幅为±8 mV、频率为500 Hz的微振动激励信号进行实验验证。结果表明:文中所提出算法可以较好地还原激励源发出的微振动信号,相比传统方法精度提高87.5%以上。
图像处理
频域内面向目标检测的领域自适应
李岳楠, 徐浩宇, 董浩
2022, 51(7): 20210638. doi: 10.3788/IRLA20210638
[摘要](52) [HTML全文] (19) [PDF 2346KB](21)
近年来,基于深度学习的目标检测技术在机器人、自动驾驶和交通监控等领域有着广泛的应用。然而,由于训练集和测试集样本分布偏差的原因,将现成的预训练检测器应用到实际开放场景时通常会出现明显性能下降。针对该问题提出了一种频域内的领域自适应方法,利用离散余弦变换的频域能量集中特性,通过在频域内对少数重要频率系数进行处理,实现了面向目标检测的领域自适应,降低了对存储和计算资源的要求并减少了领域差异。该方法可以分为两个阶段:第一阶段使用无监督图像转换方式,将源域已标注的训练数据向目标域作转换;第二阶段采用基于对抗的领域自适应方法训练目标检测模型,对转换后的训练数据与目标域内的数据作特征适配。针对不同天气场景的目标识别实验表明:所提的频域内领域自适应方法在4种领域自适应对比算法中排名第一,与仅用源域数据训练的模型相比,mAP值提升了33.9%。
非一致重叠率大批量航拍远红外图像拼接方法研究
高琰, 肖小月, 李小虎, 朱洪, 唐琎, 郭璠
2022, 51(7): 20210611. doi: 10.3788/IRLA20210611
[摘要](54) [HTML全文] (15) [PDF 5009KB](25)
由于远红外图像存在分辨率低、具有大量重复结构和稀疏结构等问题,大批量远红外图像的拼接工作面临很多挑战。文中针对航空场景下的远红外图像拼接,将图像对齐过程分为顺序图像序列对齐和多列图像对齐。单列图像基于非极大值抑制求取单应性矩阵,并推导传递关系进行拼接。列间图像通过划分网格,结合区域相似变换和局部单应变换逐网格优化变换矩阵的权重,并通过网格变换的递推实现拼接。文中所述的拼接方法能够避免连续多张远红外图像拼接时导致的特征消失问题,同时适应多列图像拼接时上下重叠率不一致的问题,最终实现了大批量远红外图像的拼接。
基于时空推理网络的空中红外目标抗干扰识别算法
张良, 田晓倩, 李少毅, 杨曦
2022, 51(7): 20210614. doi: 10.3788/IRLA20210614
[摘要](79) [HTML全文] (12) [PDF 1242KB](32)
复杂空战背景下的抗红外诱饵干扰技术是红外空空导弹的核心技术之一。针对传统静态贝叶斯网络不能表达序列图像中特征变量在时序上动态变化关系,提出了一种符合人类视觉推理识别过程的时空关联推理网络抗干扰识别算法。首先,提出的时空关联推理网络在考虑特征空间约束关系的基础上,引入了特征变量时间约束的先验知识,建立表达特征时空关联的目标推理网络识别模型,从而增强了序列图像目标识别的稳定性;其次,通过仿真数据构建样本集,离线训练学习时空关联推理网络结构及特征跳转概率参数,确定概率推理网络识别离线模型;最后,依据测试数据,结合推理识别网络模型进行概率推理,实现对目标的识别分类。实验结果表明,在伴随红外诱饵干扰投放的条件下,基于时空关联推理网络的抗干扰识别率达到94%,比静态贝叶斯网络抗干扰识别算法高3%,有效提升了目标识别的稳定性。
面向嵌入式平台的车道线检测方法
杜中强, 唐林波, 韩煜祺
2022, 51(7): 20210753. doi: 10.3788/IRLA20210753
[摘要](71) [HTML全文] (23) [PDF 1771KB](22)
车道线检测在自动驾驶和高级辅助驾驶中起着举足轻重的作用,然而,传统的车道线检测技术鲁棒性较差,而大多数基于深度学习的方法复杂度又较高,难以在嵌入式平台实时应用。提出一种面向嵌入式平台的轻量级车道线检测网络,将车道线检测转化为语义分割问题,该网络借鉴U-Net与Segnet网络结构,使用了小尺度卷积等轻量化组件设计计算高效的语义分割网络。在检测车道线的基础上,计算车辆距离两侧车道线的距离,以及车道线的曲率,同时当车辆偏离车道线或检测出现异常时进行预警,最后将整个系统移植到海思平台。实验结果表明:该系统具有较高的检测精度以及检测速度,准确率达到97.5%,速度达到50 FPS,满足实时性要求,因此该系统能够用于面向嵌入式平台的实时车道线的检测、测距、曲率计算以及预警。
基于增强卷积神经网络的尺度不变人脸检测方法
李保华, 王海星
2022, 51(7): 20210586. doi: 10.3788/IRLA20210586
[摘要](91) [HTML全文] (20) [PDF 1595KB](29)
针对非约束场景下小尺寸人脸检测困难的问题,提出了一种基于增强卷积神经网络的尺度不变人脸检测方法。首先,在SSD基础检测网络的两个浅层特征图上,通过协调聚合当前层特征图和前后两层特征图的特征信息,对当前层特征图的鉴别性和稳健性进行增强。然后,对两个增强特征图进行负样本筛选,通过增加分类的难度来降低由小尺寸锚框引起的人脸检测假正率上升。最后,为原始特征图和增强特征图设置了两种基于锚框尺寸的损失函数,并通过加权求和的方式对其进行融合。在FDDB和WIDER FACE数据集上的测试结果表明,文中所提方法比目前主流人脸检测方法具有更高的检测精度。
基于深度学习的室内照明智能调节系统
陈寒梅, 于春荣, 刘智超
2022, 51(7): 20210829. doi: 10.3788/IRLA20210829
[摘要](51) [HTML全文] (13) [PDF 1492KB](20)
为了实现室内照明的智能控制,根据室内人员实时位置进行跟踪式照明,通过人员覆盖区域完成自适应亮度调节,达到总体节能且局部照明舒适的目的。设计了基于光纤传感网络的智能照明系统,提出了基于深度学习的照明区块化设计与人员实时定位的照明调节算法。区块化设计将照明区域划分成多个等尺寸子区域,划分尺度由光源覆盖间距决定,实现对照明区域的离散处理。再通过状态采集模块对每个子区域进行照度量化分析,将检测结果作为卷积网络输入层的控制参数导入分析模型中。结合封闭体人员定位算法实现对照明子区域定位及照度调节。实验测试了100 m2照明范围内的四种典型情况,获得了各LED对测试位置的照度权值,并测试了不同高度对照度值的影响程度。区域内在x轴方向的人员定位精度最大误差为−96 cm,在y轴方向为91 cm,均小于预设照明区块的最小单元。文中算法在LED个数递增时,收敛时间略优于ANN算法,与对应LED体量的照明空间相比,收敛时间满足应用需求,验证了其具有大范围照明智能调节的能力。