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光纤光栅链路反射谱强度自适应解调
秦根朝, 孟凡勇, 李红, 庄炜, 董明利
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200440
[摘要](178) [HTML全文](93)
针对解调仪单通道多光栅反射谱强度差异过大,导致无法有效寻峰或寻峰误差增大的问题,文中提出了利用不同曝光周期多次曝光解调的方法调整峰值,根据光谱数据直方图来确定寻峰阈值。文中分析了谱峰峰值对寻峰稳定性的影响,建立了曝光周期、寻峰阈值自适应调整规则,用LabVIEW软件实现了自适应寻峰解调算法。通过实际光纤光栅传感器测试,可完成差异过大反射光谱的自动曝光和寻峰解调处理,在保证寻峰稳定性的前提下,有效提高了谱峰识别数量、解调系统自适应能力和工作可靠性。通过实验发现,谱峰峰值在光强饱和值70%~90%范围内寻峰稳定性最高,寻峰得到的中心波长标准差在0.5 pm以内,稳定性比单次曝光解调提高了50%,程序运行时间在100 ms以内,可以实现快速解调。
基于NDIR技术的超低功耗甲烷检测系统研究
赵庆川
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200140
[摘要](335) [HTML全文](188)
为了满足低功耗甲烷检测技术的需要,基于甲烷气体分子在3.2~3.4 μm中红外波段具有主吸收峰的特性,研制了一种基于非色散红外光谱技术的超低功耗红外甲烷传感器及系统。在分析红外差分检测原理的基础上,重点研究了抗水汽干扰的LED、PD器件选型及光路设计。采用LED脉冲串电流驱动技术,将红外甲烷传感器的功耗降至10 mW。利用实验法研究了温度变化对传感器甲烷浓度测量结果的影响,通过数据分析及归一法线性拟合,得出了温度补偿算法公式。利用检测系统平台进行了性能实验,并给出了基本性能指标参数。该系统具有功耗低、抗水汽干扰、检测稳定性好的优点,具有重要推广应用价值。
基于无源光纤的2 kW高光束质量拉曼放大器
陈薏竹, 姚天甫, 肖虎, 冷进勇, 周朴
当前状态:
[摘要](3089) [HTML全文](1070)
径向偏振光的退偏特性及补偿方法
杨策, 彭红攀, 陈檬, 马宁, 薛瑶瑶, 杜鑫彪, 张携
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA202049.20200038
[摘要](1082) [HTML全文](1998)
研究了非均匀泵浦状态下径向偏振光束的退偏机理及补偿方法。理论分析表明非均匀泵浦条件下各向同性晶体横截面内由热致剪应力引起的剪切向热致双折射是导致径向偏振光退偏的主要原因。设计实验依次采用薄膜偏振片(TFP)测量法和纯度测量法评价了径向偏振光在非均匀泵浦条件下的退偏,其中TFP测量法用于检测径向偏振光的整体退偏,纯度测量法用于检测径向偏振光的局部退偏。在泵浦峰值功率1.1 kW下,两种评价方法测得的退偏量分别为2.34%和2.53%。基于理论分析和评价方法的结果,退偏补偿方案的设计中采用相位调制与空间模式匹配相结合的方式,将径向偏振光的退偏量优化了59%,并获得脉冲能量为19.36 mJ,纯度为90.13%的皮秒径向偏振光,光束质量因子M2为3.8。
高功率光纤激光器反向光放大和损伤特性数值分析
盛泉, 司汉英, 张海伟, 张钧翔, 丁宇, 史伟, 姚建铨
当前状态:
[摘要](4291) [HTML全文](2261)
利用速率方程模型分析主振-放大结构的高功率光纤激光器中反向信号光在放大级中的放大特性,结果显示连续波反向信号会被放大器所明显放大,同时严重影响激光器输出功率;而脉冲反向信号由于激光器稳态运转时不形成高储能,入射能量较高时放大效果并不明显。结合石英光纤和光纤端帽以及光纤光栅等器件的损伤阈值可知,连续波反向回光放大时系统中振荡器光纤光栅损伤风险较大,而脉冲能量毫焦量级的反向脉冲信号即可导致光纤损伤,另外端帽等器件在脉冲反向光作用下也存在损伤风险。
Thermal damage of monocrystalline silicon irradiated by long pulse laser
Guo Ming, Zhang Yongxiang, Zhang Wenying, Li Hong
当前状态:
[摘要](223) [HTML全文](161)
In view of the thermal damage law and mechanism of monocrystalline silicon for millisecond pulsed laser, the temperature of monocrystalline silicon irradiated by millisecond pulsed laser is measured by high precision point temperature meter and spectral inversion system. Then the temperature evolution process is analyzed. Also, the temperature state during the whole process of thermal damage of monocrystalline silicon irradiated by millisecond pulsed laser and the corresponding damage structure are studied. The results of this study show that the peak temperature of laser-induced monocrystalline silicon increases with the increase of energy density when the pulse width is fixed, When the pulse width is between 1.5 ms-3.0 ms, The temperature decreases with the increase of pulse width. Temperature rise curve shows inflection point when it is close to the melting point (1687 K), the reflection coefficient is from 0.33 to 0.72. During the gasification and solidification stages, it also shows the gasification and the solidification plateau periods. Thermal cleavage damage of monocrystalline silicon precedes thermal erosion damage. Stress damage dominates under low energy density laser irradiation, while thermal damage dominates under high energy density laser irradiation. The damage depth is proportional to the energy density and increases rapidly with the increase of the number of pulses.
红外技术及应用
多孔径分布式视场部分重叠仿生热成像理论与技术
罗琳, 杨建国, 裘溯, 金伟其, 李力
2021, 50(5): 20210062.   doi: 10.3788/IRLA20210062
[摘要](30) [HTML全文](10) [PDF 1684KB](11)
热成像系统视场与空间分辨率(作用距离)的矛盾是常规成像模式难以解决的问题。多孔径热成像技术主要分为低重叠率、高重叠率和中度重叠率部分重叠成像模式。文中研究了一种视场部分重叠仿生热成像理论,利用4组红外物镜及IRFPA机芯构成了中心变分辨率4孔径分布式热成像系统,各子孔径的“并集”视场构成系统成像大视场,“交集”视场特别是中心重叠视场具有超分辨能力,从而构成空间变分辨率视觉模式,可减缓传统单孔径热成像问题;利用重叠视场可构成4目和2目近场目标场景的体视成像;通过子孔径检偏偏振片,中心视场可构成全偏振热成像模式;对角探测器分别采用长波或中波红外焦平面探测器,则可构成双色热成像模式。分析表明:这种多孔径分布式视场部分重叠仿生热成像具有仿生智能的特性,可针对感兴趣目标进行智能观测,提高复杂背景条件下的目标探测和识别能力,具有广泛的应用前景。
零件表面钝化处理对杜瓦放气率的影响
张亚平, 张绍裕, 刘炼, 舒恂, 孔金丞, 徐世春, 徐冬梅, 龚晓丹, 邱杰
2021, 50(5): 20200321.   doi: 10.3788/IRLA20200321
[摘要](15) [HTML全文](6) [PDF 1389KB](7)
红外焦平面探测器杜瓦组件的真空绝热空间内存在多种气体来源,其中最大的气体来源是材料放气。文中针对制冷型红外焦平面探测器杜瓦组件真空绝热空间内表面吸附气体的解析、体扩散、渗透放气污染问题影响制冷启动时间,限制红外探测器组件的使用寿命,设计了一种用于红外探测器杜瓦内表面钝化处理方案,基于某型杜瓦产品实现了杜瓦内壁钝化膜的制备。采用压强上升法进行放气率对比测试, 并通过四极质谱仪进行了气体成分分析。放气率测试试验结果表明,钝化膜有效抑制了氢气的释放,杜瓦放气率降低一半以上。杜瓦内表面钝化膜处理方法简单有效,提升了真空寿命,具备工程化推广价值。
透射式低温光学红外相机全光路冷链热设计
王阳, 孟庆亮, 赵振明, 于峰, 赵宇
2021, 50(5): 20200345.   doi: 10.3788/IRLA20200345
[摘要](20) [HTML全文](4) [PDF 1260KB](13)
某透射式低温光学红外相机工作于倾斜地球同步轨道,所处空间热环境复杂多变,整个光学路径部组件属于低温光学系统,对温度梯度及温度稳定性要求较高,这对热控系统设计带来挑战。结合相机在轨成像温度需求及空间外热流特点,详细分析了相机热控设计的重点和难点,通过低温热管热量传输和辐射制冷的方式实现了低温光学系统的降温,通过高效热防护、热隔离及间接辐射控温技术实现了低温光学系统的高精度控温。热平衡试验温度数据表明:成像模式下,各光学部组件温度均满足指标要求,光学透镜温度均匀性和稳定性较高,光学透镜间最大温差小于1 K,最大温度波动小于±0.3 K,实现复杂内外热环境下光学透镜高精度控温;加热去污模式下,利用低温热管“热开关”的特点在常温下热阻增加,通过较小热控功耗实现光学透镜加热去污的需求。
低温红外镜头设计仿真方法及试验验证
高有道, 李福东, 沈正祥, 丁琳, 胡斌, 徐绍伟
2021, 50(5): 20200397.   doi: 10.3788/IRLA20200397
[摘要](14) [HTML全文](4) [PDF 1391KB](9)
在低温环境下镜头结构会产生热变形,对镜头光学传递函数(MTF)及离焦量均会产生影响,从而影响光学成像质量。在此基于某红外遥感器,针对210 K低温工作环境,设计了一套具备热卸载功能的透射式低温镜头。对其建立有限元模型,并加载模拟在轨工作环境温度场,得到热变形数据,最终计算出镜头MTF及离焦量变化,并通过该仿真分析手段对低温镜头结构进行优化设计。低温镜头装调完成后,将低温镜头及其他配合测试设备置于真空罐内,在常温与低温环境条件下,对光学系统MTF及最佳焦面位置进行测试标定。测试结果表明,各项偏差在可接受范围之内,MTF仅变化0.2%,说明使用的低温镜头多场耦合仿真方法是可靠的,能够对红外遥感器低温镜头设计进行指导。
无扫描宽范围多波长成像测温技术
孙红胜, 梁新刚, 马维刚, 邱超, 杨旺林
2021, 50(5): 20200394.   doi: 10.3788/IRLA20200394
[摘要](17) [HTML全文](5) [PDF 1347KB](6)
多波长测温是一种先进的辐射测温技术,其原理是假定发射率光谱模型,利用测得的多波长辐射与波长发射率函数关系,求得目标的真温和发射率。多波长成像测温技术通过探测目标的多波长辐射图像信息,反演计算得到目标的温场分布。针对基于彩色CCD的多波长成像测温不能适应非线性光谱发射率模型、测温动态范围较窄等不足,提出了一种基于光阑处非等比例滤色分光的四波长无扫描成像测温方法,有效压缩了波段成像带宽,形成了四个窄波段的成像探测,适用于非线性光谱发射率模型目标宽动态范围温场测量。根据提出的测温方法研制了四波长成像测温仪。测温仪主要由窗口、中性衰减片、四色滤光片、光学物镜镜头、可见/近红外集成传感器、测量控制单元及软件等部分组成。测温仪软件由目标四个波长的单色成像图像,得到目标的真温温场分布。在激光加热条件下对800~2500 ℃目标高温温场进行了试验测试,测量结果与热电偶数据比对表明误差小于1%,具有较高的准确度和较好的动态范围适应性。
激光器与激光光学
用于无线能量传输的高效率半导体激光器设计
李娟, 俞浩, 虞天成, 苟于单, 杨火木, 王俊
2021, 50(5): 20210147.   doi: 10.3788/IRLA20210147
[摘要](16) [HTML全文](8) [PDF 4866KB](5)
激光无线能量传输在无人机、卫星空间站和探月机器人供电等方面具有潜在应用前景,其系统效率成为了其应用的关键瓶颈。为了提高激光无线能量传输系统发射端激光器的电光转换效率、接收端光斑均匀性和有效窗口收光比,提出了用于激光无线能量传输发射端的高效率半导体激光器设计方案。基于合束效率较高的空间合束设计了一套高功率高效率半导体激光系统,接收端光斑不均匀度可优化至0.207,有效窗口内收光比大于94%。搭建了千瓦级激光无线能量传输实验装置,发射端半导体激光系统直接输出矩形光斑,与矩形光电池匹配,提高了电池阵布片率。利用多光束指向性可调节特点,优化了接收端光斑均匀度,有利于提高接收端电池的转换效率及简化电源管理。该设计与研究为激光无线能量传输的实际应用提供了借鉴意义。
受激布里渊散射相位共轭镜在高功率纳秒激光器中的应用进展
王天齐, 康治军, 孟冬冬, 邱基斯, 刘昊
2021, 50(5): 20211024.   doi: 10.3788/IRLA20211024
[摘要](20) [HTML全文](8) [PDF 1554KB](4)
受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)是一种光学三阶非线性效应,其反射光具有相位共轭特性,在振幅、相位、偏振方面与入射光呈现时间反演关系,并保持与入射光相同的波前。在主振荡功率放大(Master Oscillator Power-Amplifier, MOPA)结构的纳秒激光器中,激光放大器中的热效应及光路中大量的光学元件使传输光束存在严重的波前畸变,在恶化光束质量的同时也限制了功率进一步提升的可能性。在此类激光器中使用基于受激布里渊散射的相位共轭镜(Stimulated Brillouin Scattering Phase Conjugate Mirror, SBS-PCM),使光束往返通过引入严重波前畸变的激光放大器能够实时补偿畸变,从而优化激光器的输出光束质量,并有利于功率的进一步提升,进而促进纳秒激光器向着兼顾高功率和高光束质量的方向发展,因此在高功率纳秒激光器中得到广泛应用。文中首先从理论方面简要介绍了SBS-PCM的基本原理及其相位共轭特性,其次对比了不同SBS-PCM介质的特点及适用范围,概述了国内外机构对SBS-PCM的研究进展及高功率纳秒激光器中SBS-PCM的典型应用情况及发展历程,并最终对SBS-PCM发展趋势进行了展望。
一种跨介质的空中-水下激光致声探测技术研究
李鹏, 赵扬, 周志权, 张鹏辉, 白雪, 马健
2021, 50(5): 20200310.   doi: 10.3788/IRLA20200310
[摘要](23) [HTML全文](10) [PDF 1844KB](6)
跨空水介质间的探测技术是世界主要海洋国家的热点研究问题。为研究空中平台与水下的激光致声探测技术,文中在光击穿机制下采用纳秒脉冲激光与水听器之间的光声信号转换来进行空-水跨介质探测模拟实验研究及验证工作。搭建了激光致声空气-水下实验测试系统,采集了激光声扫描探测数据,对典型实验数据在时域内进行分析得出了激光激励声波的传播特性,根据时间互易原理实现了水下激光声信号的三维探测成像。利用有限元法进行激光在水下激发声波及传播的数值仿真,据此对实验进行了验证。此外,从仿真中发现通过提高脉冲能量至2.8×1010 W/cm2所激励的声波在传播400 m后仍能观测出明显的信号,信噪比约为11.3 dB,证明了百米级传输及探测的可能性。此研究结果为采用激光致声技术进行跨空-水介质探测提供了依据。
Preparation and fluorescence characteristics of CdTe/CdS and CdTe/ZnS core-shell semiconductor quantum dots
Chang Qing, Meng Tianming, Tan Hengyu
2021, 50(5): 20200287.   doi: 10.3788/IRLA20200287
[摘要](8) [HTML全文](1) [PDF 947KB](2)
Core-shell semiconductor quantum dots materials are being investigated due to their special performance in repairing surface defects for the single quantum dots and greatly improving the optical performance of quantum dots. Instead of a traditional small flask as a reaction vessel to prepare NaHTe, the preparation of the CdTe core using a three-necked flask was achieved. 10 CdTe/CdS and CdTe/ZnS core-shell semiconductor quantum dots with different core sizes, shell thicknesses and shell materials were synthesized. The UV–visible absorption and fluorescence spectrum of 10 kinds of core-shell semiconductor quantum dots materials were measured and analyzed. The absorption spectrum of quantum dots in the UV-visible band shows that with the increase of quantum dots size, the absorption peak is red-shifted. The CdTe/CdS quantum dots differ in fluorescence lifetime and intensity due to the conversion of different core and shell sizes of quantum dots between types I and II. When the shell thickness of CdTe/ZnS increases, the shell thickness of ZnS reduces the number of dangling bonds and defect states on the core surface, which increases the probability of electron-hole pairs recombination and causes the fluorescence peak red-shift.
脉冲激光引信烟尘环境回波模拟计算方法
包家倩, 查冰婷, 张合, 徐陈又诗
2021, 50(5): 20200319.   doi: 10.3788/IRLA20200319
[摘要](8) [HTML全文](4) [PDF 1799KB](4)
针对常用Henyey-Greenstein散射相函数(H-G散射相函数)在描述单个粒子前向及后向散射特性时的不准确性,提出将基于 T 矩阵法的散射相函数用于激光烟尘散射研究的方法。通过 T 矩阵法计算烟尘粒子单次散射特性,并提出基于离散散射相函数的散射角抽样方法,利用随机数描述多重散射的散射分布,结合光子的半解析接收方法,建立了激光引信在烟尘环境下发射及接收的理论模型。为验证理论模型的正确性,通过封闭烟尘环境实验室,对激光引信在实际烟尘环境下的接收能力进行测试,分析不同烟尘浓度及湿度条件对回波的影响,并与采用H-G散射相函数理论模型的计算结果进行对比。结果表明,随着烟尘浓度和湿度的增加,激光回波幅度也相应增大,且基于 T 矩阵散射相函数的回波仿真方法与实验结果更吻合,尤其是烟尘浓度较大的情况,实验与理论分析结果一致。
实时感知型激光雷达多通道数据采集系统设计
刘汝卿, 蒋衍, 李锋, 孟柘, 郭文举, 朱精果
2021, 50(5): 20200291.   doi: 10.3788/IRLA20200291
[摘要](16) [HTML全文](6) [PDF 1501KB](5)
激光雷达是实现环境实时感知的重要传感器,针对多通道感知激光雷达数据量大、数据传输解算实时性要求高及量体裁衣高效小型化的迫切需求,基于自研采用可靠的机械扫描、阵列探测和数据采集控制相结合的多通道激光雷达,设计实现了基于FPGA和DSP的多路并行信号采集处理系统,并在点云三维实时成像中得到了验证。该数据采集处理系统中的FPGA负责多通道激光雷达数据控制采集以及数据传输,DSP负责对数据进行解析处理并通过网口将点云数据上传到上位机,实现点云实时显示。实际测试结果表明,该数据采集处理系统能够满足多通道激光雷达2 Mpts/s的大数据量点云解析,并保证20 fps以上实时数据的可靠采集传输,实现周围环境和障碍物激光雷达点云的快速解算,可应用于自动驾驶、导航避障、周界安防等领域。
光学器件
电磁超表面透镜的前沿成像应用进展
王艺霖, 范庆斌, 徐挺
2021, 50(5): 20211026.   doi: 10.3788/IRLA20211026
[摘要](35) [HTML全文](20) [PDF 1923KB](19)
电磁超表面是电磁超材料的一种二维形式,它由许多亚波长结构单元按某种特定规律排列形成,可以实现对电磁波相位、偏振和振幅的任意调控。与传统光学器件相比,它具有超薄的厚度,其小型化、紧凑化、易于集成等优点在光学系统中具有广泛的应用前景,掀起了国内外的研究热潮。文中首先从超表面的波前调控原理入手,对电磁超表面透镜成像机理进行了阐述,接着介绍了电磁超表面透镜在成像应用中的一些前沿进展,最后进行了总结,并对其未来的发展方向进行了展望。
基于电介质超表面的双频带双偏振通道波前调控
刘淇, 刘文玮, 程化, 陈树琪
2021, 50(5): 20211027.   doi: 10.3788/IRLA20211027
[摘要](284) [HTML全文](24) [PDF 1158KB](17)
随着微纳加工技术的发展,超表面在亚波长尺度对电磁波的多维度调控展现出传统光学器件难以比拟的优势。基于电介质硅纳米柱结构构建了具有双频带响应的超表面,利用微结构对不同偏振入射光反射系数的差异,通过构建梯度几何相位实现了双波长下的异常反射;同时设计了超表面灰度成像阵列,在近红外波段实现了对正交偏振态和双波长入射具有不同响应的正负灰度图像。文中提出的超表面设计为基于超表面的多功能集成技术的发展奠定了基础。
采用红外快速热退火的晶体管TED效应与沟道尺寸的关系研究
任梦远, 陈霏
2021, 50(5): 20200306.   doi: 10.3788/IRLA20200306
[摘要](8) [HTML全文](6) [PDF 1697KB](2)
硼的瞬间增强扩散(transient enhanced diffusion, TED)导致MOS晶体管出现反短沟道效应,阈值电压异常升高,严重影响器件性能和良品率,不同的器件尺寸,阈值电压增量不同,为探究沟道内杂质离子分布情况和器件尺寸对TED效应的影响,在40 nm CMOS工艺平台下,对调阈值注入、低掺杂漏极(LDD)离子注入和碳离子协同注入工艺进行参数调整实验,测量不同工艺参数、不同尺寸的晶体管阈值电压,采用TCAD工具仿真沟道内硼离子和间隙原子的浓度分布。实验结果表明:沟道长度逐渐缩小,阈值电压先上升,在0.55 μm处达到最高后迅速下降,上升速率随着沟道宽度的减小而降低。当沟道长度不变时,阈值电压随沟道宽度一直下降,且下降得越来越快。间隙硅原子由LDD离子注入引入并向沟道扩散,而硼离子聚集在LDD-沟道边界位置,但是在LDD和沟道形成的角落会向浅沟槽隔离(STI)区域泄漏,聚集和泄漏作用共同控制沟道内硼离子的浓度分布。TED效应导致的阈值电压漂移是受器件尺寸调控的,另外,高能量的碳协同注入结合红外快速热退火技术可以有效地抑制TED效应。
引入曲率与角度校正的柔性机构三维形状多芯光纤重构方法
吕佳豪, 董明利, 何彦霖, 孙广开, 周康鹏
2021, 50(5): 20200453.   doi: 10.3788/IRLA20200453
[摘要](17) [HTML全文](9) [PDF 1649KB](3)
为提高柔性机构三维位形参数光纤测量精度,提出了基于曲率与角度校正的多芯光纤三维形状重构方法。通过引入方向角和曲率校正系数,改进了柔性三维形变多芯光纤重构算法;利用准分子激光器和相位掩膜法制备了多芯光纤光栅传感阵列,建立了多芯光纤三维形状重构实验系统;实验测量了不同曲率比例因子下的形状重构误差,分析了曲率与角度校正前后形状重构误差;通过对应变进行了三次样条插值,并对方向角和曲率进行了校正,得到了形状重构误差平均值为0.74 mm、最大值为1.64 mm;利用校正后的多芯光纤传感系统进行三维螺旋形变重构实验,得出重构精度提高了10.2%。研究结果表明,基于曲率与角度校正的多芯光纤三维形状重构方法具有更高精度,在柔性机构三维位形实时监测中具有应用前景。
飞秒等离子体间非线性作用对超高频电磁波影响的研究
赵骥, 杜晓琳, 聂秀丽, 焦美, 李燕, 张亮亮, 张存林
2021, 50(5): 20210108.   doi: 10.3788/IRLA20210108
[摘要](13) [HTML全文](6) [PDF 1245KB](4)
主要研究了飞秒等离子间相互的非线性作用对超高频电磁波——太赫兹波产生的影响。国内外许多研究机构已经证实,在太赫兹波产生的过程中,等离子体间的相互非线性作用会对太赫兹波产生影响。笔者结合理论分析设计并搭建一种了双束等离子体重合产生太赫兹波的测试系统,研究发现等离子体间相互非线性作用时,会产生三阶非线性光学效应,等离子体的折射率和相位发生变化形成非均匀场导致了太赫兹波辐射能量的降低,并在实验测量研究中发现随着等离子体波长双束等离子波长的增加,等离子体密度增加,导致太赫兹波的辐射能量的降低现象更加明显,另外,等离子体功率越大,太赫兹波吸收越大。同时,研究发现等离子体周围惰性气体分子质量影响太赫兹降低程度,气体分子质量决定着飞秒激光聚焦空气电离出的等离子体所形成的电场强度,分子质量越高,所形成的电场强度越强,双束等离子体重合时对太赫兹波降低的辐值越大。这些为研究等离子体间非线性作用对太赫兹波的影响提供了更加全面的理论支撑,有助于推动太赫兹波技术在军事及民用领域的快速发展。
基于AlGaN/GaN HEMT太赫兹探测器的340 GHz无线通信接收前端
廉宇轩, 冯伟, 丁青峰, 朱一帆, 孙建东, 秦华, 程凯
2021, 50(5): 20210202.   doi: 10.3788/IRLA20210202
[摘要](41) [HTML全文](12) [PDF 1516KB](7)
利用天线耦合AlGaN/GaN HEMT太赫兹探测器的自混频和外差混频效应,分别设计并测试了340 GHz频段直接检波式和外差混频式接收机前端。通过接收机信噪比的测量和接收功率的定标,得到了两种接收机的等效噪声功率。直接检波模式下探测器的响应度约为20 mA/W,直接检波模式和外差混频模式下接收机的等效噪声功率分别约为−64.6 dBm/Hz1/2和−114.79 dBm/Hz。在相同的载波功率和接收信号带宽条件下,当本振太赫兹波功率大于−7 dBm时,外差混频接收的信噪比优于直接检波的信噪比。当本振功率大于0 dBm时,外差混频接收机表现出优良的解调特性,其信噪比高出直接检波接收机的信噪比10 dB以上。
光学设计
宽视场航天相机像面测量技术
胡凯, 丛海佳, 陈凡胜, 金钢
2021, 50(5): 20200336.   doi: 10.3788/IRLA20200336
[摘要](13) [HTML全文](4) [PDF 1282KB](6)
宽视场高质量的航天相机是未来有效载荷的发展方向,基于宽视场航天相机的装调需求,提出了一种干涉测量与几何量测量相结合的像面测量方法。搭建了宽视场航天相机像面测量平台,利用激光干涉仪确定各视场的焦点位置,激光跟踪仪获取各焦点位置坐标,通过坐标换算和拟合完成像面的绘制,像面测量误差可控制在0.01 mm内。通过该方法,完成了一款离轴三反航天相机的像面绘制,系统焦距1200 mm,相对孔径1∶2.4,视场角10°×1°。测试的像面与光学设计软件ZEMAX输出的理想像面进行比对,像面形状及位置基本吻合,平面度偏差0.009 mm。测试结果表明光学系统装调到位,为探测器配准工序的完成提供了重要依据。
某低轨倾斜轨道相机热控系统设计与验证
于志, 孟庆亮, 于峰, 聂云松, 赵振明, 郭楠
2021, 50(5): 20200332.   doi: 10.3788/IRLA20200332
[摘要](13) [HTML全文](5) [PDF 1308KB](7)
某新型对地观测空间相机已随新技术试验星成功发射入轨。相机运行于低轨倾斜圆轨道为非太阳同步轨道,其面临的空间外热流变化非常复杂。为了保证相机在轨稳定工作,光学系统和承力结构需要具有较高的温度稳定性,低温红外探测器需要配备大功率制冷机。复杂的外热流环境和高稳定度的指标要求给热控系统的设计研制带来了极大的挑战。根据任务特点和需求,对热控研制任务展开了分析,提出了借助卫星平台姿态规避,间接辐射控温以及±X侧耦合散热面等热控措施。热平衡试验与在轨飞行实测数据表明,相机光学系统的温度水平保持在(18±2) ℃范围内,稳定度优于±0.3 ℃/轨,满足相机各项温度指标,证明相机热控设计方案合理可行,相机在轨工作条件良好。
机载双波段共口径光电瞄准光学系统设计
陈晓阳, 高明
2021, 50(5): 20200322.   doi: 10.3788/IRLA20200322
[摘要](9) [HTML全文](5) [PDF 2108KB](5)
针对机载双波段共口径光电瞄准系统反射式成像存在中心遮拦与装配难度大的问题,设计了一种前置光路折射式成像的共口径光学系统。应用二组元变焦理论对光学系统的初始结构进行了计算。基于最小可分辨温差(MRTD)模型分析了红外系统的作用距离,根据瑞利判据对系统前向像移进行了补偿残差分析。机载双波段共口径光电瞄准光学系统工作在0.38~0.76 μm的波段内,实现了36~180 mm的5×连续变焦,工作在3~5 μm的波段内,实现了三视场变换,三视场三档焦距之比为3,F数为4。设计结果表明,在−40~60 ℃的工作环境中,光学系统经过光学被动式无热化处理,满足系统成像质量要求。
柔性支撑快速反射镜伺服机构的参数辨识
方连伟, 史守峡, 蒋志勇
2021, 50(5): 20200303.   doi: 10.3788/IRLA20200303
[摘要](18) [HTML全文](5) [PDF 2129KB](5)
首先提出了基于柔性支撑的双轴快速反射镜存在的问题;简要介绍了一种基于柔性支撑的双轴快速反射镜系统伺服机构的结构形式,给出了伺服机构的脉冲传递函数;讨论了基于相关-辅助变量递推最小二乘法的多输入多输出系统参数辨识原理与辨识方法,在此基础上提出了基于柔性支撑的双轴快速反射镜系统伺服机构的参数辨识算法,并对该方法进行了数值仿真;设计伺服机构参数辨识实验验证算法的可行性,并将实验结果与仿真结果进行对比。结果表明基于相关-辅助变量递推最小二乘法的多输入多输出系统参数辨识算法有效,辨识精度在预期的范围内,可以为快速反射镜系统的自适应控制提供数据支撑。
大口径离轴反射镜四点热锁辅助支撑设计与验证
王春雨, 伏瑞敏, 王聪, 牛锦川, 张超, 赵英龙, 张生杰, 黄阳, 崔程光
2021, 50(5): 20210007.   doi: 10.3788/IRLA20210007
[摘要](7) [HTML全文](0) [PDF 1574KB](6)
针对大口径离轴反射镜组件高面形精度、高可靠性和高稳定性支撑的要求,设计了一种中心筒支撑配合四点可自由加、解热锁辅助支撑的离轴反射镜新型复合支撑方案,热锁部件在力学试验和发射过程中锁紧,地面测试及在轨时释放,在保证面形的同时,有效提升了反射镜组件基频及抗力学性能,并在某空间遥感器706 mm×560 mm口径离轴反射镜组件研制中进行了验证,结果表明采用四点热锁辅助支撑的反射镜组件在加锁后动态性能优良,满足基频大于120 Hz、静载30 g条件下胶应力≤3 MPa的要求,且加锁前及解锁后面形均满足RMS优于λ/40 (λ=632.8 nm)的要求,验证了该设计的有效性。
帧间角点匹配的积分时间实时测算方法
王旭明, 黄伟, 张炳先, 魏久哲, 庄绪霞, 吕秋峰, 姜海滨
2021, 50(5): 20200492.   doi: 10.3788/IRLA20200492
[摘要](12) [HTML全文](5) [PDF 1506KB](2)
在阐述积分时间测算原理基础上,对测算算法的误差源及残差进行了分析,并定量分析了残差对成像质量的影响,利用50组样本数据通过MATLAB仿真验证了采用Harris角点特征检测算法来实现帧间图像像移$ \Delta {{L}}$的亚像元精确计算的有效性,采用角点阈值优化及先验知识剔除误匹配点相结合的策略,有效降低特征角点检测及匹配计算时效,减少了运算数据量,对已匹配角点亚像元定位计算,仿真结果表明$ \Delta {{L}}$计算精度优于0.2个像元可满足测算方法在轨使用需求。最后结合实时测算方法应用特点给出了TDI探测器型高分辨率空间遥感相机成像参数的建议,为测算方法的在轨应用提供设计参考。采用高频面阵CMOS测速相机进行积分时间实时测算的方法能有效解决目标高程数据未知情况下,摄影点斜距无法精确获得的问题,方法具备低成本及星上可行性,同时能够弥补像移失配所导致的像质下降现象,有利于TDI探测器型高分辨率空间遥感相机成像性能的提升。
光电测量
Research on angle setting error of diameter measurement based on laser displacement sensors
Ma Jinyu, Chen Xin, Ding Guoqing, Chen Jigang
2021, 50(5): 20200316.   doi: 10.3788/IRLA20200316
[摘要](8) [HTML全文](5) [PDF 1153KB](4)
The diameter and roundness measurement of ring workpieces based on the laser displacement sensors is widely used in the measuring process of the product quality in the industrial site. The effect of angle setting errors of laser displacement sensors on the measurement of the workpiece’s diameter was studied, and the calibration method of them was proposed. Firstly, the relationship between angle setting errors of displacement sensors and calculated errors of the diameter was analyzed quantitatively. Secondly, a calibration method was proposed, which could calculate the angle setting errors of the sensors in accordance with the measurement data of three displacement sensors, and the diameter of the standard circle was unknown. The modeling process of the calibration method was illustrated and the effectiveness of the method through simulations was confirmed. Finally, the angle setting errors were calibrated by using coordinate measuring machine. The experiment result shows that the absolute errors of diameter are improved from 20 μm to 1.5 μm after calibration.
浮空器柔性复合蒙皮形变光纤布拉格光栅传感器应变传递特性
刘炳锋, 董明利, 孙广开, 何彦霖, 祝连庆
2021, 50(5): 20200315.   doi: 10.3788/IRLA20200315
[摘要](17) [HTML全文](8) [PDF 1717KB](5)
为提高浮空器气囊蒙皮形变光纤布拉格光栅监测的应变传递效率,研究了柔性复合蒙皮光纤光栅应变传递特性。针对柔性复合蒙皮材料结构特征,建立了“光纤光栅—粘贴层—蒙皮结构”三层应变传递模型,推导出应变传递变化函数,通过解析方法和有限元方法对光纤光栅传感器各点应变传递率进行了计算,并分析了粘贴层及蒙皮结构相关参数对应变传递率的影响,得出表面粘贴式光纤光栅传感结构最佳封装参数。研究结果表明,对于传感器中部的应变传递效率,解析和数值方法计算误差小于5%,当粘贴层弹性模量为0.5 GPa、粘贴长度为40 mm、粘贴宽度为6 mm、上下粘贴层厚度分别为0.2 mm和0.1 mm时,光纤光栅应变传递模型封装参数优化后的应变传递率可达97.04%,可满足浮空器气囊形变监测的灵敏度要求。
基于高频方差熵清晰度评价函数的聚焦三维测量方法
刘斌, 谯倩, 赵静, 张子淼, 李志伟, 张宝峰
2021, 50(5): 20200326.   doi: 10.3788/IRLA20200326
[摘要](10) [HTML全文](7) [PDF 1777KB](4)
图像清晰度评价函数是聚焦恢复深度法(Depth from Focus, DFF)实现三维形貌测量的核心,直接决定了深度方向的测量精度。文中提出了一种基于高频方差熵的图像清晰度评价函数,与常用函数对比了清晰度比率、灵敏度因子两个定量指标,结果表明所提函数优于常用函数。通过对所提函数获得的清晰度评价曲线进行高斯曲线拟合,实现了深度方向聚焦位置的精确计算。对文中方法开展了聚焦重复性与标准台阶高度测量测试,重复性聚焦实验的测量标准差为2.82 μm,台阶高度测量标准差为12 μm,验证了文中方法用于高精度非接触三维测量的可行性。
超连续谱激光-单色仪在偏振遥感器定标中的影响因素分析
谢臣瑜, 翟文超, 郝小鹏, 谢琳琳, 刘延, 李健军, 郑小兵
2021, 50(5): 20200313.   doi: 10.3788/IRLA20200313
[摘要](8) [HTML全文](3) [PDF 1620KB](3)
偏振遥感器的相对光谱响应度和带内光谱响应非一致性是遥感器实验室定标的基本参数。文中利用新型的超连续谱激光作为单色仪的前置照明光源,搭建了一套基于超连续谱激光-单色仪的细分光谱扫描定标装置,可用于偏振遥感器的相对光谱响应度定标。实验中以490 、670、910 nm三个偏振通道作为例,分别在单色仪直接输出光和单色光导入积分球两种状态下,得到通道式偏振遥感器的相对光谱响应度结果,并对两种状态下定标光源的偏振特性进行了测量。实验结果表明,单色仪直接输出光模式下,光源存在明显的偏振度和偏振方位角变化,三个偏振通道的带内光谱响应非一致性分别为0.91%、4.25%和1.06%;而在单色光导入积分球后,光源的偏振度明显降低,此时带内光谱响应非一致性结果分别为0.15%、0.47%和0.57%,说明消偏后的光源能有效适用偏振遥感器的光谱响应度定标,基于超连续谱激光-单色仪的系统级定标装置在偏振遥感器的定标中具有广泛应用前景。
光通信与光传感
相位敏感光时域反射系统相位模糊及解卷绕
于淼, 孙铭阳, 张耀鲁, 何禹潼, 郑志丰
2021, 50(5): 20200437.   doi: 10.3788/IRLA20200437
[摘要](24) [HTML全文](10) [PDF 1548KB](13)
对相位敏感光时域反射系统相位模糊问题和解卷绕进行了研究,推导了系统中扰动引入的相位变化的整个过程,分析了相位敏感光时域反射系统相位解调过程中产生相位模糊的原因。实验采用压电陶瓷作为扰动源,通过数字相干解调方法进行了相位解调。实验结果表明,相位模糊同时存在于每条相位解调曲线上和曲线之间,因此需要进行两次相位解卷绕消除相位模糊现象;同时,对实验中产生的相位错乱进行了分析,指出相位解卷绕阈值和扰动位置相位的剧烈变化导致了扰动位置相位解卷绕结果不准确,提出了采用相位差变化峰之后的临近位置处的相位变化来还原扰动。实验表明,这种方法能够正确还原扰动信号,能够对10 Hz~1.5 kHz范围内的扰动信号进行准确解调,可同时响应并解调光纤沿线多点扰动,且相位变化幅值与扰动强度具有良好的线性关系。
XY-2号卫星激光通信载荷PAT在轨测试
余辉龙, 鲍智康, 王璇, 查日东, 杨云霞, 何睿清
2021, 50(5): 20200327.   doi: 10.3788/IRLA20200327
[摘要](21) [HTML全文](7) [PDF 1611KB](8)
针对低轨小卫星星座的通信需求,设计了基于双棱镜和四象限雪崩光电二极管(QAPD)结构收发同轴的激光通信载荷,该方案是无信标光体制,具有体积小、轻量化和大视场的特点。文中针对双棱镜结构,给出了双棱镜输入输出光线的计算模型,在此基础上,提出了星间指向、捕获和跟踪的实现方式,并在XY-2号卫星上进行了在轨测试和验证,进行指向测试时,更新了指向偏移量,标定了QAPD跟踪点,并进行了双向建链测试。进行了15次双向建链测试表明,该激光通信载荷捕获时间小于20 s,捕获成功率达到100%,捕获后双星建链时间优于2 s,建链测试成功率达到了93%,建链后跟踪精度RMS值小于30 μrad。
图像处理
复数二维经验模态分解在SAR目标识别中的应用
刘志超, 屈百达
2021, 50(5): 20200309.   doi: 10.3788/IRLA20200309
[摘要](11) [HTML全文](3) [PDF 1484KB](4)
提出基于复数二维经验模态分解(C-BEMD)的合成孔径雷达(SAR)图像目标识别。C-BEMD作为传统BEMD的复数域推广,能直接处理原始SAR图像(包含幅度和相位信息)。采用C-BEMD对原始SAR图像进行分解,获得多层次复数内蕴模函数(BIMF),反映目标时频二维特性。各层次BIMF既有独立描述能力,反映目标不同类型的特征;同时也具有内在关联性,即反映同一目标的固有属性。为此,分类算法基于联合稀疏表示设计,可利用内在关联性约束提高各层次BIMF的表征精度。利用MSTAR数据集中的多类目标SAR图像对方法进行测试验证,结果反映其在标准操作条件(SOC)和扩展操作条件(EOC)均可保持可靠的识别性能。
Infrared-visible image patches matching via convolutional neural networks
Mao Yuanhong, Ma Zhong, He Zhanzhuang
2021, 50(5): 20200364.   doi: 10.3788/IRLA20200364
[摘要](14) [HTML全文](4) [PDF 1302KB](3)
Infrared-visible image patches matching is widely used in many applications, such as vision-based navigation and target recognition. As infrared and visible sensors have different imaging principles, it is a challenge for the infrared-visible image patches matching. The deep learning has achieved state-of-the-art performance in patch-based image matching. However, it mainly focuses on visible image patches matching, which is rarely involved in the infrared-visible image patches. An infrared-visible image patch matching network (InViNet) based on convolutional neural networks (CNNs) was proposed. It consisted of two parts: feature extraction and feature matching. It focused more on images content themselves contrast, rather than imaging differences in infrared-visible images. In feature extraction, the contrastive loss and the triplet loss function could maximize the inter-class feature distance and reduce the intra-class distance. In this way, infrared-visible image features for matching were more distinguishable. Besides, the multi-scale spatial feature could provide region and shape information of infrared-visible images. The integration of low-level features and high-level features in InViNet could enhance the feature representation and facilitate subsequent image patches matching. With the improvements above, the accuracy of InViNet increased by 9.8%, compared with the state-of-the-art image matching networks.
光谱学
基于时序Sentinel-2影像的现代农业园区作物分类研究
张东彦, 戴震, 徐新刚, 杨贵军, 孟炀, 冯海宽, 洪琪, 姜飞
2021, 50(5): 20200318.   doi: 10.3788/IRLA20200318
[摘要](14) [HTML全文](12) [PDF 1339KB](3)
快速、准确地掌握作物空间分布,估算不同作物种植面积及范围,这对制定宏观农业政策并指导农民进行农业生产具有重要意义。以我国内蒙古自治区扎赉特旗现代农业示范园区为研究区域,基于2019年5月至10月共9景多时相Sentinel-2卫星遥感影像,通过计算并分析不同作物归一化差值植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)、增强型植被指数(EVI)等多种典型植被指数和近红外波段Ref(NIR)的时序变化特征,采用随机森林(Random Forest, RF)、决策树(Decision Tree, DT)、支持向量机(Support Vector Machine, SVM)和最大似然法(Maximum Likelihood, ML)4种分类方法对研究区多种作物进行分类识别,成功提取园区内主要作物(水稻、玉米、甜叶菊、旱稻和大豆等)空间分布情况。将RF结果与DT、SVM和ML分类结果对比,结果显示,RF总体分类精度最高,达到95.8%,Kappa系数为0.944;DT、SVM和ML分类精度分别为92.2%、91.6%和86.5%。上述研究结果表明,多时相Sentinel-2遥感影像经过光谱指数时序变化特征提取后,利用随机森林算法进行作物分类可得到精度较高的结果,这为精细指导规模化园区农业生产提供了有效的技术支持。
机器学习结合激光诱导击穿光谱技术铁矿石分类方法
杨彦伟, 张丽丽, 郝晓剑, 张瑞忠
2021, 50(5): 20200490.   doi: 10.3788/IRLA20200490
[摘要](18) [HTML全文](11) [PDF 1368KB](5)
铁矿石是非常重要的矿产资源,它的开发利用对钢铁产业的发展有很大的影响,铁矿石的选检与分类是冶金行业必不可少的环节,不同种类的铁矿石及其品质会直接影响与其他物质的配比,因此对铁矿石的选检分类研究在冶金行业具有重要意义。激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是近年来发展起来的一项成分检测技术,具有无损、快速、原位在线检测等优点,在化学成分检测及样品分类领域有一定的优势。为了提高铁矿石的分类精度,提出将激光诱导击穿光谱技术与机器学习相结合对赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、云母赤铁矿、磁铁矿、磁赤铁矿、鲕状赤铁矿、黄铁矿、钴磁铁矿、磁黄铁矿等10种天然铁矿石进行分类研究。在研究中,首先通过激光诱导击穿光谱技术烧蚀10种天然铁矿石样品获得其对应的光谱数据;然后通过设定阈值的方法选定最大光谱强度对应的10个光谱特征;最后通过KNN、RF、SVM机器学习模型对选定的特征光谱进行分类训练及测试。结果表明:KNN、RF、SVM三种机器学习模型的分类准确度分别为83.0%、80.7%、90.3%。从分类准确度可以看出,激光诱导击穿光谱技术与机器学习相结合可以实现对铁矿石的快速、精确分类,这将为冶金行业的铁矿石选检分类提供一种全新的方法。
简讯
新型功能化光纤微腔光频梳
谭腾, 姚佰承
2021, 50(5): 20211025.   doi: 10.3788/IRLA20211025
[摘要](20) [HTML全文](6) [PDF 903KB](10)
微腔光频梳以其独特的时频输出特性和集成化优势,正逐渐成为当代信息系统的基石。近期,全光纤的微腔光频梳迎来了新的进展。来自电子科技大学和南京大学的研究者们,以超高Q值光纤法珀谐振腔为载体,实现了激光、克尔和布里渊光频梳的产生。凭借其低损耗、可调谐、强稳定的独特优势,将有望在服务光纤系统的正时、通信、微波和感知应用中发挥新的潜力。
基于全局拓扑优化深度学习模型的超构光栅分束器
邓人隽, 史坦, 李向平, 邓子岚
2021, 50(5): 20211028.   doi: 10.3788/IRLA20211028
[摘要](50) [HTML全文](11) [PDF 1061KB](13)
将深度学习模型应用于超构光栅分束器的逆向设计,可以在全局范围内获得具有良好均匀性和高衍射效率的结构。利用基于全局拓扑优化的深度学习模型,围绕超构光栅分束器的结构设计和衍射效率及均匀性等光学性能展开了一系列的研究。在波长为900 nm的入射光下,基于全局拓扑优化深度学习模型设计出大角度高衍射效率超构光栅分束器,设计的分束角为120°与150°时衍射效率分别达到95%与85%。