当期目录

2020年 第49卷  第7期

专栏—红外消光技术
人工制备红外消光材料及其消光性能研究进展(特约)
顾有林, 陆卫, 方佳节, 郑超, 陈曦, 王新宇, 胡以华
2020, 49(7): 20201018.  doi: 10.3788/IRLA20201018
[摘要](2611) [HTML全文](3026) [PDF 1109KB](16)
作为消弱红外成像设备或系统性能的重要手段,人工制备的红外消光材料成为各国争相研究的对象,并取得了阶段性的研究成果。从金属材料、膨胀石墨、纳米材料、水基泡沫、生物材料和复合材料等方面介绍了人工制备红外消光材料的研究现状,阐述了粒子-团簇、团簇-团簇等消光材料粒子凝聚模型,介绍了Mie散射方法、离散偶极子近似方法、T矩阵方法和时域有限差分法等几种典型的消光性能计算方法。分析认为,未来人工制备的红外消光材料将朝着持续时间长、成本低、施放形式多样和环保无毒等方向发展。
抗红外烟幕材料及消光性能研究进展(特约)
王玄玉
2020, 49(7): 20201019.  doi: 10.3788/IRLA20201019
[摘要](13) [HTML全文](9) [PDF 973KB](7)
为了促进抗红外烟幕材料研究和应用转化,从抗红外烟幕材料研制和消光性能研究两个方面对研究现状、存在的主要问题和发展趋势进行了系统分析。研究结果表明:炭黑型、红磷基等热烟材料以改进配方研究为主,层状超分子、超细陶瓷粉体、纳米粉体以及生物材料等冷烟材料在结构设计、合成技术、消光性能评价等方面取得显著成果。当前研究主要存在环境友好型烟幕材料研究少、消光理论创新难等问题。低费效比、环境友好的抗红外烟幕材料将成为该领域的发展重点。
一锅水热法制备炭-铁磁体复合材料及红外消光性能研究(特约)
暴丽霞, 乔小晶, 杨铭
2020, 49(7): 20201020.  doi: 10.3788/IRLA20201020
[摘要](17) [HTML全文](9) [PDF 1939KB](5)
通过一锅水热法制备了炭包铁氧体前驱体,并在950 ℃氮气保护条件下焙烧得到了炭包铁磁体复合材料。通过XRD、FT-IR、SEM等方法,分析了复合材料的形貌、成分,研究了反应时间、淀粉和葡萄糖的配比等因素对复合材料形貌及红外消光性能的影响。采用傅里叶红外光谱仪的KBr压片法测试并计算了各材料在2.5~25 μm区间的红外消光系数。研究结果表明:反应时间为20 h和18 h,淀粉与葡萄糖的配比为9:3和6:10时,焙烧后样品的球形形貌较好,5号和7号样品在4~10 μm波段范围内消光性能较好,消光系数均大于0.3 m2/g,最高可达到0.37 m2/g。
典型气溶胶粉体红外消光性能研究(特约)
时家明, 李志刚, 陈宗胜, 吕相银
2020, 49(7): 20201021.  doi: 10.3788/IRLA20201021
[摘要](749) [HTML全文](441) [PDF 1305KB](16)
气溶胶粉体是烟幕弹药的核心组成部分,其红外消光性能直接决定了烟幕的红外遮蔽效果。选择石墨粉和铝粉两种典型的气溶胶粉体作为研究对象,通过烟箱实验,测量了不同粒径的两种材料的质量消光系数,分析了粉体粒径对气溶胶红外消光性能的影响,探讨了引起两者红外消光性能差异的原因,考察了在烟箱实验中目标温度等因素对测试结果的影响。结果表明:对于所测试的几种样品,在同等条件下,气溶胶粉体粒径越小,其质量消光系数越大,红外消光性能也就越好;铝粉的红外消光性能要好于石墨的,1 000目铝粉的中红外(3.7~4.8 μm)和远红外(7.5~14 μm)质量消光系数为分别为1.78 m2/g和2.01 m2/g,显著优于1 000目石墨粉体的值(1.02 m2/g和1.01 m2/g),石墨与铝粉之间的分散性、径厚比和折射率等特性的差异是导致这一现象的主要原因;烟箱实验中,目标和背景的初始温度对测试结果影响较大,应该对它们进行合理设置,以提高测量的准确性。
沙尘暴对红外辐射的消光特性分析(特约)
王红霞, 孙红辉, 张清华
2020, 49(7): 20201022.  doi: 10.3788/IRLA20201022
[摘要](15) [HTML全文](9) [PDF 1667KB](6)
基于Mie散射理论和Monte Carlo方法,分析了国内七种模态沙尘暴对0.86~20 μm波段红外辐射的消光和衰减特性。研究结果表明:对于小尺寸的沙尘粒子,在近、中波红外,消光效应主要是散射作用的结果;对于大尺寸的沙尘粒子,红外消光是吸收和散射共同作用的结果。比较了沙尘暴单次散射和多重散射产生的衰减率差异,多重散射的衰减率小于同一条件下的单次散射衰减率,差异随可见度的增大而减小,基于Monte Carlo方法计算的多重散射衰减率比消光系数更能全面反映沙尘暴对红外辐射强度衰减的影响。六种大颗粒模态沙尘暴比小颗粒模态沙尘暴的红外衰减强度大,衰减率基本随着波长的增大而增大;小颗粒模态沙尘暴的衰减率随波长的变化有明显的起伏,在7.9~12.5 μm范围内有峰值,在13~20 μm范围内衰减率对波长不敏感。
水基泡沫消光特性实验研究(特约)
潘功配, 杜雪峰, 赵军
2020, 49(7): 20201023.  doi: 10.3788/IRLA20201023
[摘要](632) [HTML全文](540) [PDF 2606KB](10)
水基泡沫在光电对抗隐身等领域有着广泛的应用,但现有光电干扰隐身技术存在作用时间短、干扰波段单一、污染环境等问题,难以有效对抗双模、多模精确制导武器。针对上述问题研究水基泡沫配方,开展了新型水基泡沫对可见光、红外(3~5 μm、8~14 μm)、激光(1.06 μm, 10.6 μm)、毫米波(3 mm, 8 mm)和厘米波(2 cm, 3 cm)的消光性能实验以及水基泡沫对8~14 μm波段热像遮蔽干扰效应测试,讨论了水基泡沫消光机理,指出以水基泡沫形成泡沫云或使之与人工雾复合构成幕障,有望获取一种“宽频谱”、“全波段”、“环保型”的新型烟幕武器装备。
专家报告
更新升级的通用大气辐射传输软件CART2(特约)
魏合理, 戴聪明, 武鹏飞, 唐超礼, 赵凤美, 吴欣, 饶瑞中, 王英俭
2020, 49(7): 20201024.  doi: 10.3788/IRLA20201024
[摘要](9) [HTML全文](12) [PDF 2500KB](3)
采用HITRAN2016数据库,研制了新的大气分子吸收系数数据库,应用于更新的第二版通用辐射大气传输软件CART2。增加了光谱分辨率为0.1 cm−1的CART2P1程序模块。相对于CART1.0,大气分子吸收考虑了更多的分子弱谱线的吸收,扩展了计算波段。计算结果与LBLRTM和MODTRAN5对比表明,CART2能够精确地模拟大气分子的吸收;计算结果与地基实际测量的红外高分辨率太阳光谱吻合的非常好。具备0.1 cm−1光谱分辨率的CART2计算的大气透过率和环境背景辐射可以分辨出分立的大气分子吸收谱线,能够在中高光谱分辨率的光学工程和有些激光工程的大气传输计算中得到应用。
红外技术及应用
640×512数字化InGaAs探测器组件
钟昇佑, 陈楠, 范明国, 张济清, 朱琴, 姚立斌
2020, 49(7): 20190495.  doi: 10.3788/IRLA20190495
[摘要](19) [HTML全文](8) [PDF 1539KB](4)
数字化InGaAs探测器是短波红外探测器技术发展的一个重要方向,它不仅可以提升系统的集成度,还可以提升成像系统的各项技术指标。通过将模拟-数字转换器(ADC)集成到读出电路中实现数字化读出电路是数字化InGaAs探测器的技术核心。文中介绍了640×512数字化读出电路的设计与实现,并与InGaAs探测器通过铟柱进行倒装互联形成了数字化InGaAs探测器组件。通过对探测器组件的测试得到读出噪声为230 μV,峰值量子效率为65%,在300 K温度下探测率为1.2×1012 cmHz1/2/W,在60 Hz帧频下功耗为94 mW。测试结果表明,数字化InGaAs探测器组件具有低读出噪声,高线性度,高传输带宽,高抗干扰性等特点。
防护罩气动热效应对玫瑰扫描系统的影响仿真分析
吕银环
2020, 49(7): 20190520.  doi: 10.3788/IRLA20190520
[摘要](533) [HTML全文](438) [PDF 1463KB](19)
针对高速飞行器气动加热效应对高速飞行器光学性能的影响,建立了防护罩热辐射模型。在此基础上,编写了仿真控制程序,利用TracePro软件,实现了光学自动追迹,动态模拟了防护罩热效应在整个光学系统扫描过程中产生的影响,以及在各光学运动部件单独扫描时的影响。通过对热效应引起的杂散光在玫瑰扫描过程中的传输路径分析,提出了建议改进措施,为高速飞行器光学性能分析及其环境失效研究提供了参考。
天气条件对车载红外辅助驾驶性能的影响
王红培, 栾光琦, 田超, 王佳笑, 杨鹏, 孙明昭
2020, 49(7): 20190507.  doi: 10.3788/IRLA20190507
[摘要](913) [HTML全文](655) [PDF 1504KB](7)
综合分析车载红外辅助驾驶安全制动过程、红外探测静态性能模型和动态性能模型,建立了辅助驾驶安全行车视距模型;分析了辅助驾驶最大安全车速与路况环境、红外探测性能之间的关系,发现其主要与滑动附着系数和探测距离相关;通过红外探测距离的修正计算,对夜间最大安全车速进行了仿真分析,结果表明良好天气条件下其主要受目标背景温差的影响;以雾天和雨天为重点进行了实例分析,结果表明:雾天主要对探测距离形成影响,特别是能见度小于1 km时影响加剧,能见度500 m时最大安全车速可控制在21 ~25 km/h,雨天对探测距离和滑动附着系数均会形成影响,辅助驾驶应以红外识别条件下的最大安全车速控制为主,降雨强度50 mm/h时最大安全车速可控制在12 ~14 km/h。
基于微场镜阵列的红外光场中继成像系统
王腾飞, 陈永和, 傅雨田
2020, 49(7): 20190548.  doi: 10.3788/IRLA20190548
[摘要](66) [HTML全文](32) [PDF 1173KB](13)
光场成像是一种通过采集光场信息和重聚焦计算而成像的方法。由于微透镜型光场相机的结构限制,为实现光学系统与探测器的耦合,一般采用改造探测器的方法,但不适用于红外光场相机。为此,提出了微场镜阵列结合中继透镜的新型结构。这种新型结构通过中继透镜对中间像面1:1成像,通过微场镜阵列改善中继透镜产生的渐晕。采用倾斜刃边法计算系统的调制传递函数曲线,对比直接耦合、中继透镜耦合以及新型结构耦合三种结构的像质。根据不同的重聚焦面,新型耦合结构在奈奎斯特频率下的曲线值相比于中继透镜耦合结构提升5%~240%,接近直接耦合结构。新型结构可在实现耦合的同时,避免系统像质的大幅度下降,可在红外光场相机中起到重要作用。
激光器与激光光学
高功率板条激光技术现状与发展趋势
王辉华, 林龙信, 叶辛
2020, 49(7): 20190456.  doi: 10.3788/IRLA20190456
[摘要](17) [HTML全文](11) [PDF 1518KB](5)
作为非常典型的高功率固体激光器,“之”字光路板条激光在过去二十年取得了重要的进展,相继发展提出了高平均功率面泵浦板条放大器、多段掺杂板条、高亮度泵浦Yb: YAG板条等新技术。文章对板条激光的技术发展历程进行了回顾、分析和评述,包括它的设计原则、传输功率放大规律以及为了优化性能而产生的各种改进方法。在对板条激光功率定标能力进行一般性讨论基础上,针对性地分析讨论了提高输出功率和改善光束质量的的技术发展趋势,预期高平均功率板条激光技术未来还有相当大的发展空间。
激光导引头四象限探测器测角精度的建模研究
邱雄, 王仕成, 刘志国, 徐炜波
2020, 49(7): 20190453.  doi: 10.3788/IRLA20190453
[摘要](14) [HTML全文](11) [PDF 1254KB](5)
四象限探测器对目标的测角精度直接影响激光制导武器的制导精度,因此研究四象限探测器测角精度十分重要。采用计算和仿真分析的方法,基于导引头入瞳处脉冲峰值功率密度服从均匀分布,噪声干扰电流服从高斯分布,建立了激光导引头光束偏转角误差模型;但由于噪声干扰使光束偏转角误差具有随机概率性,所以将光束偏转角误差的均值和标准差作为四象限探测器测角精度的衡量标准,分别建立了光束偏转角误差的均值和标准差与导引头光学系统参数、光斑半径、漫反射激光入射角、噪声干扰电流以及导引头入瞳处脉冲峰值功率密度之间的关系,并以导引头光束偏转角误差标准差为例,结合应用背景进行了仿真分析。
掺Tm光纤MOPA准相位匹配单程倍频的单频激光器
张鹏泉, 杜铁钧, 史屹君
2020, 49(7): 20200112.  doi: 10.3788/IRLA20200112
[摘要](334) [HTML全文](235) [PDF 1084KB](10)
为获得0.9 μm近红外波段连续波单频激光输出,用50 mm长的PPLN晶体对掺Tm光纤激光MOPA的连续波1 925.08 nm单频激光输出进行单程倍频,通过聚焦参数和准相位匹配温度优化,在43.4 W基频光功率实现了最高9.07 W的962.5 nm二次谐波输出,转换效率达到20.9%。二次谐波为单纵模运转,水平和竖直方向光束质量因子分别为1.36和1.52。实验中研究了聚焦因子和相位匹配温度对倍频转换效率的影响,并讨论了聚焦条件和准相位匹配温度带宽之间的相互关系。实验结果表明:Tm光纤激光准相位匹配单程倍频是获得0.9 μm波段连续波单频激光输出的有效方法。
VCSEL激光器抗干扰温度控制
韩天, 张雨霖, 缪存孝, 刘建丰, 薛帅
2020, 49(7): 20190461.  doi: 10.3788/IRLA20190461
[摘要](40) [HTML全文](21) [PDF 1933KB](7)
由于VCSEL具有低功耗、小体积、高调制频率和容易集成等特征,被广泛应用于磁探测领域之中。作为一种高精密的传感器,原子磁强计在测量磁场过程中由于激光器的输出不稳定导致测量精度下降。针对环境等干扰导致激光器的输出不稳定问题,设计了一种可以抵抗环境温度变化的控制器。首先,通过带DSP内核的ADAU1401A芯片与DPSD方法实现了高分辨率温度解算;然后,通过系统辨识的方式建立温控数学模型;最后,应用干扰观测器与内模控制原理设计出抗扰动、低超调、鲁棒性的控制器。实验结果表明:在70 ℃温度下, 存在干扰的控制精度为±0.003 ℃,常温下控制精度为±0.001 5 ℃,为激光器稳定输出与高精度磁场测量奠定了基础。
小型化高光束质量MgO: PPLN中红外光参量振荡器
白翔, 何洋, 于德洋, 张阔, 陈飞
2020, 49(7): 20190512.  doi: 10.3788/IRLA20190512
[摘要](13) [HTML全文](9) [PDF 1252KB](3)
为满足中红外激光的工程应用需求,研制了基于MgO: PPLN晶体的小型化高光束质量中红外光参量振荡器(MgO: PPLN-OPO)。泵浦源采用声光调Q Nd: YVO4激光器,通过泵浦MgO: PPLN晶体,获得了高效率、高峰值功率中红外激光输出,在MgO: PPLN-OPO谐振腔中加入光阑,有效提高了中红外激光光束质量,整个激光器采用热电制冷与风冷相结合的散热方式,实现了激光器的小型化。实验结果表明:采用无水冷的声光调Q Nd: YVO4激光器能够实现最高9.3 W的1.064 μm脉冲激光输出,光光转换效率为27.2%,峰值功率可达~27.5 kW;在Nd: YVO4激光器泵浦下,MgO: PPLN-OPO实现了3.765 μm脉冲激光输出,在谐振腔中加入光阑后,MgO: PPLN-OPO的最高输出功率由1.20 W略降至1.08 W,但光束质量有明显提高,Mx2My2因子分别从1.89和1.98优化至1.20和1.29,中红外激光脉冲宽度为8.4 ns,峰值功率达到~4.3 kW。
光电测量
多视点立体视觉测量网络组网方法
乔玉晶, 贾保明, 姜金刚, 王靖怡
2020, 49(7): 20190492.  doi: 10.3788/IRLA20190492
[摘要](1001) [HTML全文](1177) [PDF 1486KB](8)
立体视觉组网测量是三维测量得以实现的核心技术,在测量过程中,为了保证三维重构的全覆盖和重构精度,需要摄像机进行密集拍摄,因此产生了三维测量的速度慢,计算量较大等问题。针对上述问题,提出了一种多视点立体视觉测量网络组网方法。首先,通过SFM技术(运动恢复结构)获得待测物模型,建立椭球体基准坐标,估计相机与待测物的最佳距离,布置初始视点位置;然后,基于可视化约束条件对初始视点进行聚类分析和循环迭代,筛选出最少的相机数目实现全覆盖三维成像;最后,进行测量实验,布置以灯罩为待测物的椭球形测量网络,并在不同景深下进行相机数目、覆盖率和测量精度与球形测量网络的对比分析。实验结果表明:通过该方法最终迭代筛选出了22个视点,使得覆盖率达到100%,测量精度的标准差均值稳定到1.1 mm,测量效率较球形网络有明显提升,经三维重建出的灯罩效果图能够还原出待测物原貌,验证了所提出方法的可行性。
Design of a hybid ultrasound and digital holography imaging system for detection of internal micro-defects
Wang Xing, Gao Lei, Wang Yan, Wang Haitao
2020, 49(7): 20190518.  doi: 10.3788/IRLA20190518
[摘要](2525) [HTML全文](1361) [PDF 1613KB](9)
Non-contact detection of internal micro-defects of the micro-electro-mechanical system and minimechanism required a high accuracy and strong penetration test. The current detection methods were difficult to achieve high precision while also having strong penetrating power. In response to the above problems, a composite system of ultrasonic detection and digital holography imaging was designed. Ultrasonic detection technology had strong penetrating power, and digital holographic imaging had higher resolution. The composite system designed included a near-field ultrasonic subsystem, an digital holographic subsystem and a synchronous control subsystem. In the near-field ultrasonic subsystem, the generated near-field ultrasonic wavefields passed through the internal defect of the sample and formed the surface ultrasonic wavefield on the surface of the sample. The digital holographic subsystem mainly measured and analyzed the transient morphology of the surface ultrasonic wavefields, and the internal defect information contained in the surface ultrasonic wavefield could be analyzed. The experimental results show that the system can measure the transient 3D topography of the ultrasonic wavefield by analyzing the ultrasonic wavefield, and can effectively detect internal defects of 50 μm.
基于线激光正交扫描的电感微裂纹热成像检测
王晓娜, 张亦舒, 侯德鑫, 叶树亮
2020, 49(7): 20190522.  doi: 10.3788/IRLA20190522
[摘要](603) [HTML全文](470) [PDF 16690KB](17)
在检测铁氧体电感表面微裂纹时,传统机器视觉检测存在裂纹成像信噪比不高、准确率低等问题。为此文中搭建了一套基于线激光正交扫描的微裂纹热成像检测系统。通过热像仪记录试样表面温度变化并成像;采用次最大值滤波消除热成像图的非均匀性和边缘轮廓干扰,再利用多方向扇形滤波得到试样在不同方向上的灰度图;最后通过BP神经网络和形态学处理实现对电感表面微裂纹的定性检测。结果表明:基于两种规格共610个样品测试,所有裂纹和隐裂均正确成像;自动识别算法误检率5%,裂纹漏检率6%,隐裂漏检率10%。系统每5 s检测20~35个电感,可应用于生产中自动化品质检测。
基于参考面约束的车载移动测量系统安置参数检校方法
俞家勇, 程烺, 田茂义, 卢秀山, 马龙称, 周茂伦, 曹岳飞, 李国玉
2020, 49(7): 20190524.  doi: 10.3788/IRLA20190524
[摘要](2987) [HTML全文](1555) [PDF 1579KB](18)
车载移动测量系统是一种多传感器高度集成的测量设备,系统精度不仅取决于集成的传感器精度,还受激光扫描仪与组合导航系统之间安置参数检校的准确度影响。考虑到安置参数检校方法的便捷、有效性以及系统最终精度评估,提出一种基于参考面特征约束的车载移动测量系统安置参数检校方法。该方法根据包含系统安置参数的激光扫描点定位方程,利用参考面上的激光扫描点到参考面方程距离偏差最小作为约束条件,同时考虑到安置参数旋转量与偏移量间存在相关性,采用分步解算方法将旋转和平移量进行分开求解。最后,通过采集检校场和外场数据进行系统内符合和外符合精度评估。实验结果表明:该方法能够有效的消除安置误差影响,检校后内符合精度为0.007 m,外符合精度为0.024 m。
深度学习精确相位获取的离焦投影三维测量
赵洋, 傅佳安, 于浩天, 韩静, 郑东亮
2020, 49(7): 20200012.  doi: 10.3788/IRLA20200012
[摘要](31) [HTML全文](20) [PDF 1454KB](10)
数字光栅投影三维测量技术,通过离焦投影二值光栅条纹,生成三维测量所需正弦光栅条纹,能够实现超高投影速度,在快速三维测量领域具有极大潜力。但是,二值光栅条纹不可避免地包含高次谐波,导致计算所得相位包含相位误差,进而降低了快速三维测量精度。提出了一种基于深度学习精确相位获取的离焦投影三维测量方法,通过构建含噪声相位到精确相位的端到端深度卷积神经网络,降低高次谐波引入的相位误差,进而实现快速精确三维测量。首先,以理论分析证明所提方法的可行性,并以仿真和实验进一步验证了所提方法的有效性和精确性。与现有快速三维测量方法相比,所提方法在保证测量速度的同时保证测量精度。
光学器件
应用于光栅光谱仪的消偏器研究
谈婷, 吴同舟
2020, 49(7): 20190544.  doi: 10.3788/IRLA20190544
[摘要](9) [HTML全文](8) [PDF 4122KB](0)
光栅光谱仪的像质会受到入射光偏振特性的影响,为解决这一问题,通常在系统中加入消偏器来减小仪器的偏振响应。晶体材料的双折射特性在光学原理上可产生消偏效果,常被用来加工成各种类型的消偏器。基于矩阵光学原理对H-V消偏器及双巴比涅消偏器的Muller矩阵及残余偏振度理论表达式做了分析,给出了残余偏振度与工作波长、消偏器楔角、入射光瞳面积及入射光偏振角等参量之间的关系,在此基础上研制了一款应用于某光栅光谱仪的双巴比涅消偏器,经过计算,当楔角0.6°,入射光瞳直径20.6 mm时,双巴比涅消偏器在0.4 ~0.9 μm波长范围内残余偏振度优于3%,并且像分离满足使用要求,具有很强的工程实践性。
0.18 μm CMOS有源像素图像传感器质子辐照效应
蔡毓龙, 李豫东, 文林, 冯婕, 郭旗
2020, 49(7): 20190433.  doi: 10.3788/IRLA20190433
[摘要](43) [HTML全文](40) [PDF 1229KB](8)
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器应用于空间时容易受到空间质子辐照影响。在地面对某国产商用CMOS图像传感器开展质子辐照试验,试验中通过离线和在线采集图像两种方法研究其累积辐射效应和单粒子效应。通过分析辐照后暗信号变化研究质子诱导累积辐射效应,并从总剂量和位移损伤两方面分析了暗信号分布规律和产生机理。在线采集图像表明:质子诱导CMOS图像传感器像素单元单粒子现象包括瞬态亮点、瞬态亮斑和瞬态亮线。结合质子和CMOS图像传感器相互作用物理过程解释上述不同形状单粒子瞬态现象产生机理。试验中没有观察到CMOS图像传感器外围电路出现质子诱导的单粒子闩锁和单粒子功能中断现象。
光学制造
单点金刚石车削刀痕的螺旋正弦轨迹气囊抛光去除
王朋, 张昊, 贾亚鹏, 杨坤, 李伟皓
2020, 49(7): 20200212.  doi: 10.3788/IRLA20200212
[摘要](26) [HTML全文](12) [PDF 1814KB](6)
单点金刚石车削技术已经广泛应用于高精度光学表面的制造,然而其残留在被加工表面的微纳织构将会影响部分光学系统的性能,需要光滑去除。文中对单点金刚石车削刀痕的抛光去除技术进行了研究,发现抛光方向与刀痕垂直时刀痕去除效率最高。基于此,提出了一种螺旋正弦抛光运动轨迹,介绍了螺旋正弦运动轨迹的设计原则,并应用气囊抛光的方式与螺旋式和光栅式运动轨迹进行了对比抛光实验,证明此运动轨迹下微纳织构的改善效果明显优于其他两种方式。最后应用螺旋正弦运动轨迹对一锗材料单点金刚石车削非球面进行了抛光光滑处理,在保持了面形精度的前提下,表面糙度Ra由1.28 nm降低到0.4 nm,规律性微纳刀痕变为随机织构,达到了表面织构改善的目的。
车削加工硫化锌晶体工艺
李世杰, 徐超, 黄岳田, 王守义, 刘卫国
2020, 49(7): 20190567.  doi: 10.3788/IRLA20190567
[摘要](13) [HTML全文](3) [PDF 1689KB](5)
随着硫化锌晶体光学元件在红外光学系统中的广泛应用,对其表面质量的要求越来越高,但由于该材料的脆性特点,很难获得高质量的表面粗糙度。为了获得高质量的硫化锌晶体表面,首先,介绍了基于单点金刚石车床的车削加工与飞切加工的技术原理,以及影响表面粗糙度的因素。然后,通过工艺实验,采用单一变量法,研究了不同参数的金刚石刀具和不同的加工参数对硫化锌平面元件的表面粗糙度的影响。采用显微镜和白光干涉仪对加工表面的质量进行了检测,并反馈了优化加工参数。最后,基于最优加工参数,采用两种加工方式均获得了表面粗糙度Sa为1 nm左右的高质量硫化锌平面光学元件。该研究结果对高质量硫化锌光学元件的研制提供了技术支持,具有广泛的工程应用价值。
光学设计
Design of zoom fish-eye lens systems
Hou Guozhu, Lu Lijun
2020, 49(7): 20190519.  doi: 10.3788/IRLA20190519
[摘要](2731) [HTML全文](1169) [PDF 1320KB](27)
The zoom fish-eye lens had the characteristics of much larger field-of-view angle, much larger relative aperture, and much larger anti-far ratio. In the work described in this paper, the initial structure of a fish-eye lens with fixed focal length was firstly designed using the theory of a plane symmetric optical system. And then the initial structure components of the fish-eye lens were divided into two groups, the former-group and the rear-group, and then the entire zoom fish-eye lens system was optimized using Gaussian optical theory. Finally, a zoom fish-eye lens system with good imaging quality was obtained. This fish-eye lens system had a field-of-view angle of 180° with an 8 mm short focal length and a field-of-view angle of 90° with a 16 mm long focal length. Its relative aperture was 1/3.5. The design results show that the modulation transfer function of this zoom lens system at different focal lengths is no less than 0.45 when the spatial frequency is 50 lp/mm. This zoom fish-eye photographic objective lens had higher imaging quality than other zoom fish-eye lenses.
空间遥感相机大口径变方位反射镜设计
张凤芹, 窦莲英, 庞寿成, 李庆林
2020, 49(7): 20200008.  doi: 10.3788/IRLA20200008
[摘要](9) [HTML全文](6) [PDF 1579KB](1)
随着遥感技术的发展,新型相机对变方位反射镜提出了口径更大,精度更高的需要。针对1 000 mm×700 mm大口径变方位反射镜提出了一种新式背部高稳定支撑设计,相对于常规变方位反射镜设计,具有体积包络小、重量轻、适应性广的特点。反射镜采用ULE材料,蜂窝夹层的轻量化结构形式,通过背部三点关节球铰卸载了反射镜的装配应力和在轨热变形应力,达到反射镜的无应力静定支撑。通过重力卸载结构的设计和卸载力的优化,解决了光学反射镜地面测试结果天地一致性问题。仿真分析表明地面重力环境下,在90°反射镜面型测试方位时,面型为0.006λ(λ=632.8 nm);在75°整机成像方位Ⅰ测试时,面型为0.005λ;在45°整机成像方位Ⅱ测试时,反射镜面型为0.011λ。反射镜组件的一阶频率达到83.2 Hz,具有较高的刚度,能够满足发射时力学环境要求。这种大口径变方位反射镜组件设计能够满足新型遥感相机的需求,也可为同类反射镜的设计提供参考。
空间引力波望远镜主反射镜系统的结构设计优化
王辰忠, 胡中文, 陈忆, 许明明, 陈力斯
2020, 49(7): 20190469.  doi: 10.3788/IRLA20190469
[摘要](50) [HTML全文](36) [PDF 2281KB](9)
针对空间引力波望远镜主反射镜系统的结构及支撑组件进行了设计与优化。主反射镜运用了侧面3点支撑对镜体进行约束,并对支撑点的选取与布局进行了研究。反射镜采用能够实现较大弯曲刚度的背部钻孔式半封闭构型,通过有限元计算结合多目标遗传算法对反射镜轻量化结构进行了参数优化,在不降低面形精度的条件下使镜体结构轻量化率达到74%。设计了一种由两个无阻隔串联式柔度单元组合而成的可调节双轴连杆型Bipod柔性铰链结构,其可对反射镜面形误差进行补偿。建立了柔性铰链并联机构作用于反射镜的数学模型,对其进行了基于MATLAB的参数取值分析,并通过有限元方法完成了对参数取值的修正。最后进行了空间热载荷条件下的反射镜面形分析,结果表明反射镜面形误差优于λ/60,满足设计要求。
红外双波段/双视场导引头的光学设计
毛延凯, 赵振宇, 张国华, 时光煜
2020, 49(7): 20190490.  doi: 10.3788/IRLA20190490
[摘要](37) [HTML全文](31) [PDF 1345KB](4)
现有对地捷联导引头多数采用红外单波段和单视场相结合的方式对目标进行匹配和截获,然而该种方式在日益复杂的战场环境下易受目标/背景特性复杂程度、探测器性能、视场大小限制等因素的影响。在保留了某型捷联导引头原有单一的中波红外大视场的基础上,加入了长波红外大小两个视场,提出了一种新型的红外双波段/双视场导引头。通过利用中长波双波段的图像融合和长波红外下的双视场切换,突出目标与背景特征信息差异,可以有效提高导弹对目标的截获概率。采用CODE V软件设计了光学系统。整个系统采用共孔径式光学设计,具有较好的成像质量,满足系统要求。
两轴柔性支承快速反射镜结构控制一体化设计
艾志伟, 嵇建波, 王鹏举, 李静, 周皓阳
2020, 49(7): 20190479.  doi: 10.3788/IRLA20190479
[摘要](11) [HTML全文](5) [PDF 1848KB](3)
为了预测并确认结构设计阶段快速反射镜系统的频率特性和时域性能,对一种两轴柔性支承快速反射镜进行了结构控制一体化研究和测试。提出了一种新型柔性支承结构,根据激光系统光束传输要求的快速反射镜指标,设计了快速反射镜系统的主要结构参数;研究了系统的动态数学模型,确定了闭环系统的控制方式和控制参数;建立了系统摆动部分的刚柔耦合模型,获得了结构非线性模型,基于非线性模型对控制系统和运动系统进行了联合仿真测试。联合仿真结果显示,系统在运动方向的谐振频率为54 Hz,与有限元和理论计算结果的误差均为3.8%,系统位置闭环带宽为203 Hz,符合设计要求。时域输出结果显示,系统的超调量为3.5%,调节时间为10 ms,与理论计算结果的偏差分别为3%和5 ms。
光通信光传感
Validity of beam propagation characteristics through oceanic turbulence simulated by phase screen method
Niu Chaojun, Wang Xiaobin, Lu Fang, Han Xiang’e
2020, 49(7): 20190452.  doi: 10.3788/IRLA20190452
[摘要](8) [HTML全文](3) [PDF 1262KB](0)
Oceanic turbulence is an important factor to restrict the application of underwater optical communication. Phase screen method is a simple and effective way to simulate the propagation process of complex beams through turbulence. The constraints of parameter setting for phase screen simulated oceanic turbulence based on the sampling principle and turbulence effects were firstly discussed here. Furthermore, the theoretical expressions of propagation characteristics of Gaussian beam through oceanic turbulence from weak to strong fluctuation regime were derived. Our goal in this research was to testify the validity of phase screen method in oceanic turbulence by comparison of major statistical characteristics of Gaussian beam propagating in oceanic turbulence simulated by phase screen method and the theoretical expressions derived. Results show good match between simulation results and theory formulas for long exposure beam radius and centroid displacement under different turbulence conditions, as well as the scintillation index under weak fluctuation regime. However, results show significant mismatch between numerically estimated and theoretically predicted values for the on-axis scintillation index in strong fluctuation regime.
图像处理
基于卷积神经网络的反无人机系统图像识别方法
薛珊, 张振, 吕琼莹, 曹国华, 毛逸维
2020, 49(7): 20200154.  doi: 10.3788/IRLA20200154
[摘要](18) [HTML全文](9) [PDF 2583KB](4)
针对无人机的无证飞行和随意飞行严重影响和威胁公共安全的问题,提出了反无人机系统。识别无人机是反无人机系统实现的关键之一,为此提出了一种基于卷积神经网络的图像识别无人机方法。运用自制光学系统采集设备采集了不同型号的无人机图片以及鸟类图片,设计了针对无人机小样本识别的卷积神经网络和支持向量机。运用设计的卷积神经网络分别对MNIST数据集、无人机图片以及鸟的图片进行了识别,同时也运用支持向量机识别无人机和鸟的图片,进行了对比实验。实验结果表明,设计的卷积神经网络在MNIST数据集上识别准确率为91.3%,识别无人机准确率为95.9%,支持向量机识别准确率为88.4%。对比实验表明,提出的方法可以识别无人机和鸟以及不同类型的无人机并且识别结果优于支持向量机,可用于反无人机系统识别无人机,给同类研究提供了借鉴。
信赖域方法在红外图像序列处理中的应用
万李涛, 熊楠菲, 王栋, 汪子君
2020, 49(7): 20190505.  doi: 10.3788/IRLA20190505
[摘要](2726) [HTML全文](1594) [PDF 7038KB](19)
在以光源为激励的红外无损检测图像序列采集过程中,由于受到不均匀加热、环境辐射等因素影响,采集到的图像序列存在着背景噪声大、对比度低、缺陷显示效果差等问题,易造成缺陷的漏检。为提高缺陷检出率,提出了基于信赖域反射算法的红外图像序列处理技术。通过算法对加热不均造成的背景噪声进行快速曲面拟合,并将拟合得到的背景曲面从原始图像中减去,从而去除加热不均的背景噪声。利用主成分分析算法对去除背景后的图像序列进行缺陷特征信息提取,进一步提高红外图像的信噪比。结合区域生长算法对缺陷区域进行分割,以提取缺陷区域。实验结果表明:采用上述方法,能够有效地改善红外图像的信噪比,进而达到提高缺陷检出率的目的。
非合作目标局部特征识别轻量化特征融合网络设计
徐云飞, 张笃周, 王立, 华宝成
2020, 49(7): 20200170.  doi: 10.3788/IRLA20200170
[摘要](15) [HTML全文](8) [PDF 1678KB](2)
给出一种基于轻量化卷积神经网络的空间非合作目标局部特征检测网络,即NCDN模型。在SSD模型中引入特征融合策略以适应不同距离下的检测需求,提高模型对图像尺度变换引起局部特征分辨率降低的鲁棒性;并采用不同压缩比例对MobileNetV2内部卷积通道数量做压缩,从而得到轻量化特征提取网络;对SPEED数据集进行局部特征标注与训练以验证NCDN适用的距离范围。实验结果表明,该模型能够在45 m内距离范围保证mAP达到0.90,同时通道压缩节省75%计算量后模型精度损失仅为5%。满足在轨检测精度和计算量需求。