2023年 第52卷 第5期
2023, 52(5): 20230165.
doi: 10.3788/IRLA20230165
传统的红外探测主要基于铟镓砷、锑镉汞等半导体光子型探测器，然而这类探测器在常温下具有灵敏度低和噪声较大的缺点，高灵敏探测还需要深制冷，相对于成熟的硅探测器性能差距非常大。因此，将不易探测的红外波段转迁移至硅探测器的工作波段，并且利用高性能的硅基探测器进行有效探测是一种可行的路径。基于这种思想，目前发展了一种有效的频谱迁移探测方法，即通过非线性和频上转换过程将红外光子的频谱迁移到硅探测器的探测波段，从而实现高效的探测。文中系统介绍了基于频谱迁移红外探测的基本原理、主要参数和最新研究进展，最后对潜在的研究趋势和应用前景进行了展望。
2023, 52(5): 20230215.
doi: 10.3788/IRLA20230215
3~5 μm中红外波段是一个极特殊的电磁波谱区间，它不仅覆盖着众多分子与原子的本征吸收峰，同时还是大气透明窗口之一。此波段的激光器在气体探测、生物医疗、国防等众多领域都具有很大的应用前景。文中围绕常用于3~5 μm光纤激光产生的三种稀土离子（即Er3+、Ho3+和Dy3+），对基于这些离子掺杂的连续和脉冲中红外光纤激光器的发展现状进行了梳理，最后对3~5 μm掺稀土离子光纤激光器的发展进行了展望。
2023, 52(5): 20230097.
doi: 10.3788/IRLA20230097
自诺贝尔奖获得者高锟提出可用玻璃光纤代替传统电缆传输线，利用光波导传输光信号的方法来实现信息传输以来，人们就一直致力于优化现有光纤的性能和探索新的光纤激光介质材料。目前，用于光通信系统的光纤激光器和光放大器的增益光纤多见于稀土离子掺杂玻璃光纤，然而稀土离子固有的f-f跃迁导致较窄的传输带宽已经无法满足日益剧增的网络数据传输需求。铋（Bi）离子是继过渡金属离子、稀土离子后的第三类激活离子, 是激光材料领域发展的新方向。目前，Bi掺杂玻璃光纤已经在1150~1550 nm和1600~1800 nm范围内实现了激光输出和光信号放大。这充分说明了Bi掺杂玻璃光纤有望解决现有数据传输能力不足的问题，成为新一代光纤激光器和放大器的增益材料。因此，文中主要介绍Bi掺杂玻璃和光纤的研究进展，分析Bi掺杂玻璃及光纤材料目前存在的问题，并展望了未来的研究方向。
2023, 52(5): 20230132.
doi: 10.3788/IRLA20230132
中红外光纤作为中红外领域的重要器件，在中红外激光产生与传输、生物医学检测、环境检测等领域有着重要应用。然而中红外光纤长期存在制备困难、制备材料化学稳定性差等问题，限制了其发展。与实芯光纤相比，空芯光纤通过构建包层微结构将光波限制在空气中传输，可以大幅降低光纤光学性能对制备材料的依赖，从而为光波传输提供一个低损耗、低色散、低延迟、低非线性、高损伤阈值的理想传输通道，这为中红外光纤的发展拓宽了道路。文中从光纤结构、拉制方式、材料吸收、传输性能等方面分析了石英基和软玻璃基中红外空芯光纤的发展历程、研究现状和应用前景。并通过理论仿真分析了石英基单圈结构和嵌套管结构反谐振空芯光纤吸收损耗、限制损耗与纤芯、壁厚、波长之间的关系，为低损耗中红外反谐振空芯光纤的制备和应用提供了理论指引。
2023, 52(5): 20230101.
doi: 10.3788/IRLA20230101
中红外超荧光光源具有光谱范围宽、空间相干性好、时域稳定性高等特点，应用前景广泛，但受限于中红外侧面泵浦合束器，目前普遍利用空间结构泵浦产生。文中根据拉锥光纤侧面耦合的原理，在125 μm包层直径的无源双包层氟化物光纤上实现了中红外光纤侧面泵浦合束器的研制，该合束器泵浦光耦合效率达82.3%，可承受的最大泵浦功率达87.5 W。通过在中红外增益光纤上制得侧面泵浦合束器，实现了全光纤中红外超荧光光源产生，前后向输出的中红外超荧光最高功率和为91.09 mW （后向输出53.67 mW，前向输出37.42 mW），输出光谱范围从2702 nm覆盖至2830 nm。在中红外超荧光总输出功率为33.03 mW时，获得了108 nm的最宽20 dB带宽。文中实现的中红外全光纤超荧光光源克服了以往空间泵浦复杂度高、调节难的问题，对推动中红外超荧光光源的进一步功率放大具有重要意义。
2023, 52(5): 20230149.
doi: 10.3788/IRLA20230149
3~5 μm波段包含了大气的传输窗口和许多气体分子的吸收带，因而3~5 μm中红外光纤激光器在大气遥感、生物医学、材料加工等领域具有广阔的应用前景。近年来，中红外光纤激光器的输出波长不断向长波长扩展，而实现中红外光纤激光输出的关键在于增益光纤材料的选择。氟铟基玻璃具有较宽的中红外透过窗口和较低的声子能量，因而氟铟基玻璃可以作为增益光纤材料应用于中红外光纤激光器领域。文中综述了从20世纪80年代至今，稀土离子掺杂氟铟基玻璃及氟铟基光纤激光器的代表性研究成果，回顾了氟铟基玻璃组分和玻璃结构的研究历程，介绍了氟铟基光纤的制备工艺，简述了稀土离子掺杂氟铟基玻璃和稀土离子掺杂氟铟基光纤激光器的最新研究进展。2018年，加拿大拉瓦尔大学的Maes等人利用Ho3+掺杂氟铟基光纤作为增益介质，在中红外光纤激光器研究领域取得突破性进展，在室温下获得了输出功率接近200 mW的3.92 μm光纤激光输出。最近，利用1150 nm激光作为泵浦源以及自研的Ho3+/Pr3+共掺杂氟铟基光纤作为增益介质，实现了~2.9 μm波段中红外光纤激光输出，其最大输出功率为1.075 W，相应斜率效率为17.6%。未来，通过制备双包层氟铟基光纤和氟铟基光纤光栅，有望搭建全光纤化中红外光纤激光器，实现更高功率的3~4 μm波段中红外光纤激光输出。
2023, 52(5): 20230228.
doi: 10.3788/IRLA20230228
高功率中红外光纤激光光源在前沿科学研究、空间光通信、医学诊断与治疗、环境污染监测和光电对抗等领域有着重要应用。拉曼光纤激光光源输出波长灵活，原则上可以在光纤材料透过窗口范围内获得任意波长激光，是实现中红外激光输出的一种重要手段。目前，基于硫系玻璃光纤、氟化物玻璃光纤、碲酸盐玻璃光纤等中红外玻璃光纤材料，已实现工作波长位于3.77 μm的拉曼光纤激光器、平均输出功率为3.7 W的2231 nm拉曼光纤激光器和波长调谐范围覆盖2~4.3 μm的拉曼孤子激光光源。近期，笔者研究组制备出一种具有高热学和化学稳定性、高激光损伤阈值、大拉曼频移和高拉曼增益系数的氟碲酸盐玻璃光纤，并利用其作为非线性介质，先后实现了级联拉曼散射、级联拉曼光纤放大器、波长调谐范围覆盖1.96~2.82 μm的拉曼孤子激光以及波长为~4 μm的红移色散波，验证了氟碲酸盐玻璃光纤在中红外拉曼光纤激光光源研制方面的应用潜力。主要介绍了氟化物、硫化物及碲酸盐玻璃光纤材料的特点及相应的拉曼激光光源的相关研究进展，并对其未来发展趋势进行了展望。
2023, 52(5): 20230110.
doi: 10.3788/IRLA20230110
长波红外光纤传像束在军事、医疗以及环境监测等领域有着重要应用。当前，长波红外光纤高的光学损耗制约了红外光纤传像束的性能和应用。为了制备低损耗长波红外光纤，选择As-Se-Te硫系玻璃组分，首先对As、Se、Te高纯原料进行了提纯工艺研究，原料表面氧杂质含量分别由1.3 at%、0.46 at%、0.48 at%降至0 at% （未检出）、0.06 at%、0.15 at%，除氧效果显著。以As-Se-Te玻璃为基质组分，对比研究了制备工艺对玻璃红外透过谱段的影响，采用Al作为除氧剂结合蒸馏提纯工艺，制备出热学性能优异、长波红外谱段良好的红外硫系玻璃。采用棒管法拉制出丝径100 μm的光纤，弯曲半径小于5 mm，在长波红外波段损耗基线约为0.2 dB/m。采用叠片法制备出像元2.25万，单丝呈紧密排列的光纤传像束，断丝率小于3‰，传像束有效区域透过均匀，无黑丝、暗丝，对红外目标成像清晰，无明显畸变，综合成像质量良好。
2023, 52(5): 20230102.
doi: 10.3788/IRLA20230102
为了丰富当前可用红外材料的种类，满足新一代红外成像光学系统的轻薄化设计需求，充分利用硫系玻璃组分可调和色散参数可选两大特殊优势，开发了新型硫系玻璃材料，并且在同一系统指标要求下，分别对基于传统红外材料和基于新型硫系玻璃设计的红外光学系统进行了性能对比。基于高折射率硫系玻璃的中波双视场红外光学系统，有效实现了去锗化设计，与基于传统红外材料的红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了35%，长度减少了15%，透过率提高了10%。基于叠层梯度折射率(gradient refractive index, GRIN)硫系玻璃的共光路、共焦面双波段红外光学系统，在非制冷型中/短波红外成像光学系统中首次实现了胶合透镜的设计，与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了40%，长度减少了30%，透过率提高了15%；在制冷型中/长波红外光学系统中，具有不同折射率差值Δn的GRIN硫系玻璃展现出卓越的色差校正能力，与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了20%，长度减少了20%，透过率提高了18%。设计结果表明，新型硫系玻璃的出现，是对现有红外材料的有益补充，为新一代红外成像光学系统提供了更为丰富的材料选择和更多的设计自由度，是实现轻薄化透射式红外光学系统的重要技术途径。
2023, 52(5): 20220605.
doi: 10.3788/IRLA20220605
3~5 μm的中红外激光位于大气窗口，在环境监测、军事、医疗、遥感等诸多领域有着重要的应用。利用纳秒量级的1064 nm调Q激光器泵浦扇形掺氧化镁周期极化铌酸锂(MgO: PPLN)，设计了一种高效率、宽调谐纳秒中红外激光输出光学参量振荡器(Optical parametric oscillator, OPO)。通过降低泵浦光的重频，有效地减小了OPO的振荡阈值，在10 kHz的泵浦重频下，OPO阈值为0.4 W。在泵浦功率为4.68 W，晶体极化周期为30.47 μm的条件下，获得了0.833 W的3.4 μm中红外激光输出，对应的光光转换效率为17.8%。实验研究了不同极化周期下的输出波长，实验结果与理论模拟值较为吻合。通过横向移动MgO: PPLN晶体改变其极化周期，在31.05~28.8 μm的调节范围内获得了1 440.7~1607.0 nm的信号光及3 171.1~4 088.1 nm的闲频光输出，其中信号光的脉宽约为8.1 ns。
2023, 52(5): 20220609.
doi: 10.3788/IRLA20220609
研究了一种基于K-means算法和非线性偏振旋转谐振技术的自动锁模传统孤子光纤激光器。实验中通过K-means算法对电动偏振控制器进行调节，利用示波器实时采集数据，并基于脉冲判决算法将脉冲分为基频锁模态和其他状态。当泵浦驱动电流为230 mA时，实现了1 531 nm、脉宽为456 fs的基频传统孤子输出。然后，通过调节电动偏振控制器遍历激光器输出状态，并进行脉冲判决分类。最后，通过K-means算法将处于基频锁模态时电动偏振控制器旋转桨的角度按空间坐标系聚类分析。当光纤激光器处于非基频锁模态时，通过K-means算法调节电动偏振控制器，恢复到基频锁模状态。经过100次测试，从失锁或其他状态调节到基频锁模态点所需平均时间为0.25 s。该工作为实现高效、便捷的光纤激光器自动锁模提供了新的方案。
2023, 52(5): 20220592.
doi: 10.3788/IRLA20220592
高可靠性已成为大功率半导体激光器实用化的重要指标之一，而寿命预测是大功率半导体激光器可靠性评估的首要环节。文中提出了一种双应力交叉步进加速退化的试验方法，对830 nm F-mount封装的大功率半导体激光器进行了四种不同的双应力条件A[22 ℃， 1.4 A]，B[42 ℃，1.4 A]，C[42 ℃，1.8 A]，D[62 ℃，1.8 A]下的电流-温度交叉步进加速退化试验研究，对光输出功率退化轨迹进行拟合，按照80%功率退化作为失效判据，结合修正后的艾琳模型和威布尔分布外推得到器件在正常工作条件下的平均失效时间（MTTF）为5 811 h。文中给出了完整的加速退化模型建立过程与详细的外推寿命计算方法，并对模型进行了准确性检验，误差不超过10%。该方法相比单应力恒定加速试验方法，可以大幅度节约试验时间和试验成本，这对于大功率半导体激光器的自主研制具有重要的指导意义。
2023, 52(5): 20220731.
doi: 10.3788/IRLA20220731
采用DZ125高温合金粉末对DD5合金进行激光沉积修复，通过正交试验的方法，研究了激光功率、扫描速度和送粉量对单道单层沉积区枝晶外延生长的影响，实现了沉积区枝晶外延生长的控制。在此基础上，进行单道多层沉积修复试验，分析测量了单道多层沉积区的显微组织和硬度。结果表明：较低的热输入量和送粉量可显著提高沉积区枝晶外延占比；当激光功率为420 W、扫描速度为6 mm/s、送粉量为1.5 g/min时，单道单层沉积区枝晶外延占比约为100%。单道多层沉积区中下部为平面晶、沿沉积方向外延生长的柱状晶，顶部为等轴晶；沉积区γ′相不均匀地分布在γ相中，枝晶间区域的γ′相尺寸大于枝晶干区域的γ′相尺寸；沉积区底部短棒状MC碳化物沿枝晶间分布，且Ta元素含量较高；沉积区顶部的小块状以及八面体状MC碳化物随机分布。DD5合金基体平均显微硬度为425 HV0.5，沉积区平均显微硬度略高于基体，为449 HV0.5；与沉积区中部相比，沉积区底部和顶部的显微硬度略高，沉积区底部显微硬度最高。
2023, 52(5): 20220642.
doi: 10.3788/IRLA20220642
准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点，为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求，设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器，完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计，采用收发合置的望远镜设计方案，无探测盲区，接收视场角较小，提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准，通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数，并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中，激光器的平均功率为500 mW，积分时间为10 s，距离分辨率为100 m，分析结果表明，风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s，计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下，其风向精度优于5°。
2023, 52(5): 20220679.
doi: 10.3788/IRLA20220679
对采用天基逆合成孔径雷达（ISAL）对300~2000 km轨道高度的低轨（LEO）目标的掠飞和绕飞成像模式进行了性能分析及可行性探究，分析了成像分辨率和成像时间、最小无模糊脉冲重复频率（PRF）和回波信噪比（SNR）等系统关键指标，并进行了对比。研究结果表明：绕飞成像模式相比于掠飞成像模式可以实现对于目标的多角度持续观测，且绕飞周期较短(1.5~2.1 h)，可以快速获取更为丰富的目标信息，具备进一步三维ISAL成像的潜力；脉冲积累时间虽然更长，但在300~2000 km轨道高度范围只有130~190 ms （掠飞成像为0.1~130 ms）；最小无模糊PRF （对于10 m转动直径的目标，约为15 Hz）减少一半（减少了对激光器高重频的要求）；由于更长的脉冲积累时间，绕飞模式的回波信噪比更高，通过后期处理可以获得更为清晰的图像结果；适用于对重要目标和高价值资产进行快速、高分辨率、全方位的持续观测。而掠飞模式适用于对相近轨道高度面的LEO目标进行遍历和成像，从而建立目标的特征库。
2023, 52(5): 20220573.
doi: 10.3788/IRLA20220573
提出了基于双级联法布里-珀罗干涉仪（FPI）的多纵模高光谱分辨率测温激光雷达技术。分析了该技术的温度探测原理，并据此构建温度探测的理论模型，导出了温度和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光发射源的纵模间隔与双级联FPI的自由谱间距相匹配，并将各纵模的中心频率锁定在前级FPI周期性频谱的峰值位置。详细分析了频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差，结果表明：后向散射比越大，相同的频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差就越大；频率匹配误差对温度测量的影响大，为保证低层大气温度测量准确，频率匹配误差和锁定误差应分别小于5 MHz和10 MHz。进一步给出了采用FPI腔长粗扫和细扫相结合的频率匹配校准方法和步骤。设定合理的系统参数，对基于双级联FPI的多纵模测温激光雷达系统的探测性能进行仿真分析。结果表明：在0~20 km高度范围内，通常匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差很小，在2 km以上可忽略不计；若出现云层、沙尘等，对应高度的温度测量偏差将会较大；垂直距离分辨率取30 m@0~12 km和60 m@12~20 km、时间分辨率取1 min时，白天和晚间由噪声引起的温度测量误差分别小于3.7 K和3.5 K，后向散射比相对测量误差分别小于0.40%和0.38%。
2023, 52(5): 20220691.
doi: 10.3788/IRLA20220691
大气风场是气象中十分关键的要素之一，星载多普勒测风激光雷达能够实现大范围、高精度、不间断的风场测量，对于数值天气预报精度提升、气候研究和环境保护都有重要的意义。星载测风激光雷达的研究自20世纪至今已经有近30余年，在这个过程中，Aeolus是目前唯一成功发射的星载测风卫星。文中从Aeolus计划的提出开始，回顾了Aeolus的有效载荷ALADIN原理样机的地面试验，机载原型研发和机载试验的过程；对卫星发射至今的主要数据验证活动以及结果进行了总结，阐述了Aeolus产品出现误差的原因；针对Aeolus数据产品的实际应用，总结了星载测风数据对于气象研究的重要性和必要性；结合Aeolus的方案进行优化和模拟仿真，展示了仿真的结果。最后分析了Aeolus的数据特点，结合我国星载测风研究进程和气象领域的测风需求，提出了几点可以参考的内容和需要提高的技术，同时分析了三种不同的星载测风体制，其中混合体制的星载测风激光雷达具有优势，可作为我国未来研制星载测风卫星的主要方向。
2023, 52(5): 20220579.
doi: 10.3788/IRLA20220579
为了研究潍坊市夏季臭氧的分布特征，使用差分吸收激光雷达在潍坊市进行观测，分析了晴天和雨天臭氧分布的差别，并统计了无降水日臭氧的垂直分布和日变化特征。结果表明：降水发生前强烈的对流运动和大风会使对流臭氧层变厚，臭氧浓度变低；降水发生在一天中的不同时段，对臭氧污染的影响差异很大；无降水日对流臭氧层主要分布在1500 m以下，呈现白天高、夜晚低的日变化特征，高浓度值常出现在12~18时；在垂直结构上呈现分层的特征，其中，300~500 m高度的臭氧浓度随着高度的增加而增大，且在500 m附近达到极大值，该高度和米散射激光雷达探测的边界层高度基本一致；1500 m高度各个时段的臭氧浓度趋于一致，且自该高度往上臭氧无明显日变化特征，可将该层臭氧浓度作为臭氧预报的大气背景值。
2023, 52(5): 20220682.
doi: 10.3788/IRLA20220682
光子计数激光雷达具有高灵敏度、高时间分辨率等优势，为了实现在大量回波数据及强噪声环境下目标信息的高效提取，提出一种自适应时空关联深度估计算法。首先，根据回波数据中信号光子和噪声光子与发射激光脉宽的关系，利用回波光子在时域上的统计差异，自适应重构具有不同时间分辨率的直方图，并结合邻域像素数据之间的空间关联性，自适应调整时间窗口的大小，寻找信号光子所在的时间区间并提取相应的数据，显著降低后续处理的数据量；其次，基于所提取的回波光子数据，设置滑动窗口初步估计各像素的时间值；最后，通过自适应均值滤波得到各像素的飞行时间，解算相应的距离信息。相较于峰值法和Chen算法，在起伏地形探测的仿真实验中，当信号光子数约为14、噪声强度小于6 MHz时，重建的均方误差至少降低了20%；在室内静态目标成像实验中，当噪声强度在5.08 MHz范围内，所提算法进行目标重建的最大均方误差为0.017 。仿真及实验结果表明，所提算法对强噪声下起伏地形和室内静态目标探测的回波数据均具有较好的滤波效果。
2023, 52(5): 20220715.
doi: 10.3788/IRLA20220715
海洋是全球碳循环过程中的重要环节，从浮游植物光合作用开始，碳在海洋中沿食物链传递，以颗粒有机碳（POC）形式存在。对海洋中颗粒有机碳含量的探测，将对海洋碳汇能力的评估起到重要作用。在干净大洋水体中，激光雷达可根据浮游植物引起的光学性质变化实现剖面信息的探测，因此对基于高光谱分辨率技术的海洋颗粒有机碳浓度剖面探测系统性能进行了仿真分析。利用激光雷达方程对探测系统在大洋水体的最大探测深度进行了仿真；利用碘分子吸收池作滤波器，并结合大洋水体的透射窗口和激光器的工程设计，分析了不同载荷平台下探测系统的最佳工作波长。仿真结果表明，在满足单次探测系统信噪比为5的探测要求时，大洋水体50 dB动态范围下的探测深度平均在80 m；船载、机载平台探测系统最佳工作波长为532.245 1 nm和532.292 8 nm。
2023, 52(5): 20220625.
doi: 10.3788/IRLA20220625
在脉冲激光探测中，常采用峰值检测电路获取强度信息。当激光通过部分反射或部分遮挡的空间多层物体时，会产生多个回波。传统峰值检测电路无法准确探测多回波峰值。因此，基于脉冲多回波峰值检测原理，设计了一种具有高集成度的新型脉冲多回波峰值检测电路芯片。该芯片以两级峰值采样保持电路结构为基础，通过采用交织采样和多路复用技术优化了电路结构，实现了对多回波信号的峰值检测。芯片采用CMOS 0.18 μm工艺设计，面积约为2.6 mm×0.48 mm，测试结果表明，所设计的芯片能够有效检测幅值范围50~500 mV、脉宽5 ns的多回波信号，峰值输出电压的最大误差为4.8%，通道间的输出电压最大相对偏差为5.7%，具有更精细的多回波探测能力，可集成应用于脉冲激光探测系统。
2023, 52(5): 20220606.
doi: 10.3788/IRLA20220606
烧蚀效应是高超声速飞行器目标特性分析评估中的重要问题之一。基于高温反应气体动力学方程与辐射输运方程，建立了飞行器表面防热材料热化学烧蚀流场及其红外辐射特性的计算模型和方法。以钝锥体弹头外形及其表面防热材料碳-碳为对象，研究了材料烧蚀效应对再入目标流场红外辐射特性的影响，分析了再入体烧蚀流场及尾流在不同波段红外辐射的分布特征和变化规律。研究发现：典型状态计算结果与试验测量及文献预测结果一致，表明烧蚀流场及红外辐射模型和方法的可行性；材料热化学烧蚀现象对再入流场红外辐射特性产生严重影响，使3~8 μm波段尾流积分辐射强度增加一个量级以上，并随着尾流长度增加而增大；烧蚀流场红外辐射主要来自CO、NO和CO2等化学组分，烧蚀对1~3 μm波段流场红外辐射影响相对较弱；再入速度不变情况下，烧蚀流场在3~8 μm波段红外辐射强度随再入高度降低而增强；再入高度不变情况下，烧蚀流场在同样波段红外辐射强度随着再入速度减小而减弱。
2023, 52(5): 20220741.
doi: 10.3788/IRLA20220741
针对传统机载红外探测潜艇热尾流的计算方法未考虑温度、密度分层海水等实际海况，难以精准分析潜艇热尾流红外探测性能的问题。文中基于有限元分析方法，结合海面红外辐射模型和大气传输模型，构建出尾迹从浮升扩散、大气衰减到传感器探测的全链路数理模型，并应用模型开展全尺寸潜艇模型的仿真，实现在温度、密度分层海水情况下对潜艇热尾流红外探测性能的精准分析。结果表明：海水温度、密度分层条件对于潜艇尾迹的仿真和反演精度至关重要，当其他条件都相同时，海水温度、密度分层与不分层仿真出了截然相反的结果，不分层条件下海面为热尾迹，而分层条件下海面却为冷尾迹，直接影响对潜艇热尾迹反演精度。相比于海水分层，不分层情况下潜艇的反演误差达到了238.2 m，水面的尾迹温差不但相差了0.152 K，还呈现出了冷尾迹的现象。文中的研究对机载红外设备发现潜艇航行尾流特性的高精度识别反演具有重要意义。
2023, 52(5): 20220725.
doi: 10.3788/IRLA20220725
人工智能技术是实现光电成像精确制导武器智能化、提升复杂作战环境作战性能的重要途径，研究与总结国外成像末制导智能化技术发展现状和趋势对我国精确制导武器智能化技术发展具有重要的指导意义。介绍了光电成像精确制导武器在当前局部冲突中的重要性、多模复合成像末制导及智能化技术发展的必然性。概述了全球主流对海、对地、对空等精确制导武器的成像末制导发展现状，分析总结了光电成像末制导不同阶段智能信息处理面临的关键问题、技术原理和智能化水平。总结了现役或在研的智能化武器装备所具有的智能化特征，并依据现有的人工智能技术分析了其智能技术原理与武器智能化功能实现。从作战目标、作战环境、对抗模式、新型作战样式等方面分析了成像制导导弹所面临的未来复杂战场环境与作战需求，以及对成像末制导智能化技术带来的挑战。依据人工智能与人脑视觉认知能力的对比，提出了未来成像末制导技术智能化的六个能力特征，以及将成像末制导智能化划分为功能级智能、系统级单体智能、体系级群体智能技术三个发展阶段，并分析了相应的技术内涵、关键技术与实现功能。
2023, 52(5): 20220763.
doi: 10.3788/IRLA20220763
为了提高同心透镜的轴外视场照度，通过在同心透镜内部设置一个基于全内反射的虚拟光阑，可使系统的能量分布更加均匀，进而改善同心透镜的成像性能。结合虚拟光阑的建立条件以及手机镜头要求，计算了一个基于反射式同心透镜手机镜头的初始结构，优化后的系统焦距2.7 mm，最大视场角±50°，系统F数1.8，总长2.7 mm。照度分析结果表明，利用传统孔径光阑的手机镜头相对照度随视场增大逐渐下降，最大视场仅为0.64；采用虚拟光阑的手机镜头在0°~28°视场的相对照度保持不变，全视场的相对照度在0.85以上。可见，采用虚拟光阑的手机镜头全视场照度的均匀性得到了明显改善，可有效提高系统的成像性能。
2023, 52(5): 20220709.
doi: 10.3788/IRLA20220709
天基光学相机是空间目标探测的重要手段，世界主要航天大国大力发展天基空间目标探测技术以确保空间态势感知能力。首先介绍了国外应用于微纳卫星平台的典型空间目标探测光学相机，分析了天基光学探测手段的优势。其次针对基于微纳卫星平台的空间目标探测应用需求，提出“高效率镜头结合高灵敏器件”解决方案，并对光学相机进行了性能评估与设计参数分解。最后针对应用指标要求开展了系统设计与相机研制，并通过地面试验进行了性能验证，达到了预期探测效果，实现了5 kg级光学相机优于13星等的探测能力，可广泛部署于微纳卫星平台，为我国空间碎片研究、航天器碰撞预警提供高实时性数据支撑。
2023, 52(5): 20220689.
doi: 10.3788/IRLA20220689
在面阵扫描成像激光雷达中，阵列光束照明与棱镜扫描相结合实现了高能量利用率、高分辨率和宽探测视场，但阵列子光束倾斜入射棱镜，破坏了光束传输的旋转对称性，棱镜对子光束偏转能力存在差异，规则光束阵列产生了形状畸变，导致光束指向误差，影响点云位置精度。首先，将阵列光束与棱镜结合的圆锥扫描方式分解为多角度入射多波束并行扫描，通过所有子光束的传输特征来综合表征阵列光束传输特征；然后，采用三维矢量光学方法推导了阵列光束在棱镜中的传输过程，建立了子光束指向变化与棱镜扫描角度的关系；最后，通过对机载激光雷达棱镜扫描成像过程的数值仿真，建立了光束指向变化与点云数据质量的联系。仿真结果表明：阵列光束(3×3)棱镜扫描系统在航高0.5 km时，光束阵列畸变导致平面误差RMS约为5 cm，并随航高呈线性变化；斜率约为0.1 m/km，并随着阵列光束规模和子光束角间距增加点云平面精度随之下降。通过对棱镜扫描过程中光束阵列畸变规律掌握，为后续机载飞行试验数据的校正、阵列光束结合多棱镜扫描系统的设计提供了基础。
2023, 52(5): 20220645.
doi: 10.3788/IRLA20220645
宽波段光谱成像系统(0.4~1.7 μm)在食品检测、农业生产、医学分析、刑事侦查等领域有广泛需求，光栅因其具有高色散本领和高环境稳定性的特点，成为宽波段光谱成像系统主流分光元件，但采用光栅分光的光谱成像系统存在多级次衍射光谱互相串扰问题，严重影响仪器的探测能力，为了得到准确的光谱信息，需对其进行有效的抑制。文中利用Tracepro光学分析软件对宽波段光谱成像系统的多级次衍射杂散光进行仿真分析，发展了利用分区域滤光片和线性渐变带通滤光片来抑制多级衍射杂散光的方法，并分析比较了它们对多级衍射杂散光的抑制效果。仿真分析结果表明：线性渐变带通滤光片能够有效地抑制多级次衍射带来的杂散光，光谱成像系统杂散光系数降低至10−4量级，满足宽波段光谱成像系统对杂散光抑制要求。
2023, 52(5): 20220767.
doi: 10.3788/IRLA20220767
伴随巡飞弹这一新型武器系统的快速发展，巡飞弹载光电载荷设计过程中关于小型化、轻量化、抗过载等多种要求的设计矛盾日益突出。为解决巡飞弹载光电系统小型化轻量化前提下的高效承载问题，建立了一种基于拓扑优化的巡飞弹载光电关键结构设计方法。该方法以结构低阶模态频率和过载工况下的结构柔顺度为设计约束，以质量最小为目标，建立了基于变密度法的拓扑优化设计模型，进而利用Altair HyperWorks软件求解得到关键结构的拓扑布局方案，之后综合弹载光电系统功能要求和零件加工工艺等要求，利用UG软件对拓扑优化结果进行几何模型重构并开展校核分析，最终完成关键结构的优化设计方案。在应用算例中，首先对某巡飞弹载光电关键结构零件光具座的经验设计方案进行了分析，然后利用该拓扑优化设计方法，在主要力学性能保持不变甚至部分性能有所提升的前提下，将该光具座结构成功减重22.4%，有效提高了该巡飞弹载光电系统的轻量化水平和结构承载效能，满足了系统设计要求，同时也表明了该优化设计方法的有效性和实用性,具有良好的推广性。
2023, 52(5): 20220697.
doi: 10.3788/IRLA20220697
相位测量轮廓术因其简单低廉的特点被广泛用于光学三维测量领域，高精度的相位获取是测量的关键步骤。多频外差是相位测量轮廓术中常用的解包裹相位算法，针对多频外差解相位后产生的相位跳跃性误差，提出一种基于多频外差原理的相位校正方法。利用传统相移法和多频外差求出包裹相位和展开相位，针对展开相位中出现的跳跃性误差，通过展开相位对误差产生原因和误差位置进行初步确定，将多个频率的包裹相位进行对比，确定误差是否真实存在，对出现误差的像素点进行修正得到新的展开相位。实验结果表明：在对表面形状规则的物体测试时，展开相位光滑无跳跃性误差，表面三维重建无异常凹凸区域，实现了对解相位中跳跃性误差的消除，验证了该校正方法的有效性。
2023, 52(5): 20220794.
doi: 10.3788/IRLA20220794
在激光通信和光电跟瞄系统中已经开始采用基于旋转光栅或光楔的指向-捕获-跟踪(Pointing, acquisition and tracking, PAT)机构对光轴进行角度调整，该结构质量轻、体积小，非常有利于系统的轻小型化。由于结构中两个旋转轴的平行度误差会严重影响PAT机构性能，因此在机械装配时需严格保证两轴平行度。针对旋转轴系轴线不易测量，传统测试方法精度不足，轴系晃动误差影响测量结果等问题，为了满足两轴平行度高精度检测的需求，文中提出基于自准直原理的旋转轴平行度测试方法，利用自准直光学特性，结合特殊设计的半反半透基准镜，采用数据拟合方法剔除轴系晃动的影响，得到旋转轴轴线空间位置，创新地实现了无需调整测试和被测设备即可在同一基准下测量两个平行轴系轴线角度和平行度。该方法只需一台测试设备，排除了传统多台测试设备联合测量时，基准传导与变换中的测量和变换误差，提高了测试精度和测试效率。首先，设计了基于自准直仪的测试系统，采用一台自准直仪测试两个轴系轴线空间位置，从而得到旋转轴同轴误差；然后，对测试结果不确定度进行了研究，分析了测试准确性及其影响因素；最后，采用该测试方法和测试系统，对某双液晶光栅跟瞄PAT机构的两轴平行度进行了测量，系统的实际测试表明两轴平行度测试误差小于10%，该方法可以有效地测量两个同轴旋转轴系的平行度，并且具有较高的测量精度和可信度。
2023, 52(5): 20220825.
doi: 10.3788/IRLA20220825
条纹投影轮廓术用于测量高反表面时，相机成像会出现饱和区域，区域内相位信息难以提取，进而造成三维重建错误。为此，文中提出了一种分块平滑自适应条纹投影方法。首先，通过投影少量均匀灰度图，对饱和区域进行分块，根据各块的饱和程度，计算相应的初始投影强度。随后，在不饱和情况下，投射亮暗两种强度的条纹图，通过在饱和区域融合两者相位信息，实现相机到投影仪的坐标匹配，获取初始映射投影强度；然后，对初始映射投影强度进行多项式拟合，构建平滑的投影强度曲线，用于逐像素获取最佳投影强度值，同步填补了因相机与投影机分辨率差异引起的映射孔洞，最终生成自适应条纹。最后，将生成的自适应条纹投射至被测物体，进行了相位解算和三维重建。实验结果表明：所提方法只需投影少量灰度图就能生成高动态范围的自适应条纹，实现了饱和区域相位信息的完整提取。相比于现有改进方法，面形三维重建的标准偏差分别减少了40%和28.6%，有效地提高了高反表面形貌测量精度。
2023, 52(5): 20220813.
doi: 10.3788/IRLA20220813
目前，移动测站以其高机动性正逐步成为空间目标监测网络重要的系统组成，应用于空间目标的共视观测与精密跟踪。针对移动测站光电望远镜由于工况的不稳定性以及装调过程中存在的指向误差，文中提出了一种基于星图匹配脱靶量标定的指向误差修正方法。首先，根据编码器轴系定位筛选出定标星群并进行资料归算；其次，采用面向脱靶量标定的快速星图匹配算法识别出与测量恒星相匹配的定标星坐标，并作为理论位置；最后，将多颗测量恒星坐标带入脱靶量标定指向修正数学模型对望远镜的指向进行拟合与标定。实验结果证明：采集一组序列图像对光心指向进行修正，单帧图像的修正周期约为2.2 s，从第10帧后修正量基本趋于稳定。对全天区典型分布的一批子天区进行指向修正，指向误差均值由修正前的124.24″提高至4.97″，标准差从41.50″提高至4.76″。综上所述，基于星图匹配脱靶量标定的指向误差修正方法对于提高测站望远镜的指向精度效果显著，且该方法的修正过程与望远镜机架结构无关，因此也可适用于不同机架结构的望远镜指向修正。
2023, 52(5): 20220671.
doi: 10.3788/IRLA20220671
飞行器在高速飞行过程中，头部产生湍流流场，该流场使机载光学系统接收的目标图像发生偏移、模糊和抖动，这种气体流场对光学传播和光学成像的影响或作用称为气动光学效应。文中研究了典型钝头飞行器在不同高度对0°~15°攻角气动光学成像偏移的影响。使用软件对一种典型的钝头飞行器进行了建模和网格划分，基于计算流体力学使用Fluent作了大量的模拟计算，获得了飞行器不同工况下的周围的流场密度。通过密度和折射率的对应关系，得到了飞行器周围相应的折射率分布。使用反向光线追迹和停止准则，获得了成像偏移数据。结果表明：随着高度的增加，飞行器周围的大气密度减小。尽管不同高度的光线传播路径折射率分布图有着相同的变化趋势，但却有着不一样的变化程度。高度越大，光线传播路径上的折射率分布越平坦，成像偏移越小。从成像偏移斜率来看，随着高度的增加，成像偏移斜率越接近于0；随着攻角的增加，成像偏移斜率在往0的负方向增大。从成像偏移斜率的角度分析，低高度和大攻角都会引起较大的成像偏移值的变化。
2023, 52(5): 20220582.
doi: 10.3788/IRLA20220582
绝对距离测量在基础科学和技术研发领域的重要性日益彰显。由于传统的光学干涉绝对距离测量方法存在测量距离较短、“位相模糊”、易受噪声干扰等问题，计量学领域提出利用频率合成激光开展非光学干涉的绝对距离测量研究。尽管该方法实验装置简单、具有较强的抗噪声干扰能力、适用于大尺寸测量等优点，然而它对实验装置的工作频率带宽、精度具有较高的要求，先前的工作受限于以上条件，绝对距离测量精度为厘米量级。为进一步提高测距精度，提出一种溯源北斗时间基准的非光学干涉激光扫频测距方法。采用光纤电光调制器，代替空间声光调制器，激光频率扫描范围从10 MHz提高到100 MHz；采用北斗/GPS时钟作为信号源的外部基准，频率精度达到0.03 ppm (1 ppm=10−6)；采用电子学外差探测与自混频相结合的方案，将高频交流光电流信号解调出低频绝对距离信息，降低了环境噪声和电子学噪声。实验得到绝对距离测量结果9.8436 m，测量精度1.25 mm。该方法减小了设备时基频率误差对测量结果的影响，实现大尺度测量同时测距精度比先前的工作提高了一个数量级，具有广泛的应用前景。
2023, 52(5): 20220745.
doi: 10.3788/IRLA20220745
基于无波分裂脉冲产生的平坦超连续谱被报道。笔者采用非线性偏振旋转（NPR）作为锁模方法来实现耗散孤子脉冲和无波分裂脉冲的切换输出。在0.3 W的泵浦功率下，获得了耗散孤子脉冲。脉冲宽度为5.8 ps，脉冲间隔为54 ns，与11.05 m的腔长一致，信噪比为55 dB，压缩后的脉冲宽度为0.61 ps。值功率可以被提升到1.18 kW。通过适当调整腔偏振态和增加泵浦功率，耗散孤子可以演化为无波分裂脉冲。随着泵浦功率的提高，脉冲宽度从11.7 ps增加到20.2 ps，几乎增加了两倍。经过计算，时间带宽积从23.9增加到53.43。较大的啁啾可以抵抗非线性相移的影响，从而避免脉冲分裂。无波分裂脉冲的脉冲能量可以提高到3.89 nJ，是耗散孤子脉冲能量的五倍。随后，使用耗散孤子和无波分裂脉冲作为种子源去获得超连续谱。结果表明，在锥形高非线性光纤中，无波分裂脉冲产生的超连续谱范围和平坦度均优于耗散孤子脉冲。基于耗散孤子脉冲和无波分裂脉冲产生的超连续谱范围为1 400~2 000 nm，覆盖了S波段、C波段、L波段三个主要通信波段，20 dB带宽分别为310.3 nm和426.4 nm。这项工作将有助于高能量脉冲光纤激光器的发展，并提高其在超连续谱产生和光通信领域的潜在应用。
2023, 52(5): 20220756.
doi: 10.3788/IRLA20220756
光学频率梳在光通信、光谱学等领域有广泛的应用。平坦度是光学频率梳重要的性能指标。使用级联相位调制器和强度调制器产生光学频率梳的方法，是让叠加的谐波驱动调制器，通过调节驱动电信号的幅度和相位以及强度调制器的偏置电压，可以实现平坦度好的光学频率梳。首先，建立光学频率梳的优化问题模型，通过差分进化算法得到上述各个参数，并得到在不同叠加微波驱动信号下的平坦光学频率梳。其次，固定某一微波驱动信号的相位，在同一优化问题下使用同样方法得到微波驱动信号的其他参数，并分析生成的平坦光学频率梳性能。最后，搭建实验系统，根据仿真得到的优化参数确定实验参数，并得到相应的光学频率梳。研究表明，当采用基频和三次谐波驱动相位调制器、采用四次谐波驱动强度调制器时，可以产生13根谱线的光学频率梳，仿真和实验时的平坦度分别为0.27 dB和0.83 dB。当采用基频、三次谐波和五次谐波同时驱动相位调制器和强度调制器时，可以产生19根谱线的光学频率梳，仿真显示其平坦度为0.56 dB。以上仿真和实验结果证明了所提方法的可行性和鲁棒性。
2023, 52(5): 20220705.
doi: 10.3788/IRLA20220705
为了测试高速通信光模块在极端环境下的工作性能，并提升其出厂测试效率，设计了高速通信光模块热控系统。使用该系统不仅可以实现单独测试QSFP-DD封装模式的光模块，还可以实现双通道并行测试QSFP-28封装模式的光模块，成功使光模块测试效率提升一倍。首先，根据半导体制冷器的特性设计了待测试件热电制冷器组件，Flotherm的仿真结果表明热电制冷器组件可用。接着，根据半导体制冷器的原理及特性，设计了热排散系统。最后，将热控系统与水冷机的控温效率和效果做对比。实验结果表明：热控系统可以在110 s内实现光模块壳温在0~65 ℃之间的快速调控。热控系统基本满足对常用封装方式的高速通信光模块的控温需求，且相对于水冷机而言，具有小型化、低噪音、零震动的优势，更利于光模块集成化测试。
2023, 52(5): 20220742.
doi: 10.3788/IRLA20220742
为了减小弹载光学系统支撑结构在服役温度下的热膨胀变形，选用纤维方向热膨胀系数小、可设计性强、比重小的碳纤维复合材料代替钛合金作为支撑结构主体材料。首先测定复合材料沿纤维方向和垂直纤维方向的线热膨胀系数，并在此基础上建立复合材料层合结构热膨胀仿真分析方法，然后以轴向前端热膨胀变形量最小为目标、质量与基频为约束进行复合材料支撑结构优化设计，通过有限元数值仿真验证设计方法的有效性。结果表明：碳纤维复合材料支撑结构相较于钛合金支撑结构在50 ℃的均匀温升区间内轴向前端热膨胀变形减小87.8%，质量减小63.2%，基频提升了24.4%，满足了支撑结构对超低热膨胀、轻量化和动态特性的要求。
2023, 52(5): 20220838.
doi: 10.3788/IRLA20220838
随着新能源、特高压需求爆发，以单晶碳化硅为代表的第三代半导体技术近几年得到了飞速发展，大口径单晶碳化硅材料制备已经成为现实，相比于目前已成熟应用的RB-SiC材料，单晶碳化硅不需要通过CVD或PVD改性就可以获得1 nm甚至更优的表面粗糙度，在光学元件领域的应用具有广阔前景，但同时加工难度高是亟待解决的问题。为了解决单晶碳化硅材料在光学加工过程中的粗糙度问题，提出了一种基于PSD评价及熵增理论的伪随机轨迹加工改善粗糙度的方法。相较于传统单一的Ra值评价方法，通过引入PSD曲线丰富了粗糙度评价的维度；利用对熵增理论的分析，从理论上讨论了确定性抛光轨迹和伪随机轨迹对粗糙度尺度下累计误差影响的区别。通过对6 in (1 in=2.54 cm)单晶碳化硅进行多轮抛光实验，结果表明：在相同初始粗糙度情况下，确定性轨迹与伪随机轨迹虽均得到了Ra约1 nm的粗糙度值，但PSD曲线可以明显看出确定性轨迹出现了尖峰，而伪随机轨迹则更为平滑。验证了特定采样区间下的PSD曲线作为粗糙度评价手段的有效性，同时论证了伪随机轨迹相较于确定性轨迹在单晶碳化硅材料抛光上的优势。
2023, 52(5): 20220537.
doi: 10.3788/IRLA20220537
CCD损伤状态与“猫眼”回波强度和偏振度为复杂非线性关系，无法单独根据强度或偏振度数值正确评估CCD损伤与否。结合多源信息融合技术与机器学习，利用适合非线性数据分类判别的KNN、K-SVM和PNN三种方法对CCD损伤状态评估方法进行研究。分别进行了近、远距离“猫眼”回波探测实验，以回波强度、偏振度信息和CCD实际损伤信息作为输入数据，分别对三种方法进行了训练，对比了训练的三种方法的评估测试结果，包括评估点的错误数量、错误率及评估时间，发现室外复杂环境时通过选择最优平滑因子$ \sigma $ 的PNN方法错误率最低，在考虑实际评估允许时间范围内，PNN方法最适合用于基于“猫眼”回波信息的CCD损伤状态评估应用。
2023, 52(5): 20220665.
doi: 10.3788/IRLA20220665
针对光电跟踪系统中CCD相机反馈帧率较低，延迟较大导致跟踪高速目标能力差、响应能力差的问题，提出一种基于传感器融合预测的改进跟踪前馈控制方法。为减小融合获得目标高阶运动状态噪声大的问题，提出一种基于微分跟踪的传感器融合策略；针对图像反馈延迟问题，提出一种降阶匀加速Kalman模型，根据融合获得的运动学信息，结合Kalman滤波进行预测跟踪，补偿脱靶量的时间延迟，得到近似真实的目标位置和速度、加速度信息；针对低频输入信号引入闭环扰动问题，提出一种快速数据扩展方法，实现低频信号到高频信号的扩展；根据传感器融合预测结果，设计跟踪前馈控制器，提高系统的响应速度。仿真结果和实验结果均表明该前馈方法能够对CCD反馈延迟导致的跟踪误差进行补偿。实验结果表明：该方法能够大幅提高系统对高速目标的跟踪性能，在目标运动状态相同条件下，相比补偿前跟踪误差减小约83.67%。
2023, 52(5): 20220711.
doi: 10.3788/IRLA20220711
计算机控制光学表面成形技术(CCOS)广泛应用于反射镜的研抛过程，其去除函数通常选用去除效率高、去除稳定的近高斯形函数，但在加工过程中容易出现边缘翘边现象，严重影响反射镜的加工效率和面形收敛率。针对CCOS研磨过程中出现的边缘效应问题，提出一种应用于多自由度机械手的无偏心加工技术，对无偏心工具头的去除函数进行了分析，采用控制变量法研究加工压力、磨头转速和驻留时间等工艺参数对去除效率的影响，并对无偏心盘修边效果进行了试验验证。结果表明，通过对加工压力、磨头转速、磨盘悬挂比以及加工区域等加工参数进行合理调控，无偏心盘可以对翘边进行有效去除，且加工后面形平坦，可以很好地解决边缘效应问题。最后，针对研磨阶段提出了新的工艺流程：采用有偏心修形和无偏心修边相结合的工艺加工方式，可以快速提高反射镜面形加工的收敛效率，实现高效、高精度加工。
