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Research on improving magnetic field adaptability of high-precision IFOG
XU Bao-xiang, XIONG Zhi, HUANG Ji-xun, YU Hai-cheng
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200239
[摘要](0) [HTML全文](0)
The magnetic non-reciprocity error is one of the main factors that restrict the application of high-precision IFOG, and the error is related to the strength of magnetic field and the twist rate of fiber. The magnetic field sensitivity of fiber coil is more than 10° / h / GS due to the twisting of the fiber, even if permalloy is used to shield the magnetic field, the shielding effectiveness can only reach about 30 dB, which cannot meet the requirements of high-precision IFOG. The influence of the connection gap between shielding materials on shielding effectiveness is analysed by an equivalent circuit model and finite element simulation, the influence of the twist rate on the magnetic field sensitivity is deduced by formula. Through these analyses, the improvements that changed the connection of shielding materials from screw connection to laser welding and made the fiber de-twist are proposed. Through the measure of fiber de-twist, the magnetic field sensitivity of the fiber coil is reduced by 89.3%; through the improvement of laser welding, the shielding effectiveness is improved from 31 dB to at least 64 dB, the magnetic field sensitivity is reduced from 0.0265°/h/Gs to less than 0.0004°/h/Gs, and the bias stability of the IFOG in different temperature is improved by more than 7.5%. These improvements can improve the precision of the fiber coil in the magnetic field and temperature environment.
基于单向传输的光纤时延波动测量
魏恒, 卢麟, 蒲涛, 郑吉林, 赵继勇, 张宝富, 吴传信
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200018
[摘要](45) [HTML全文](21)
为了与现有光纤通信网络兼容,研究了一种基于单纤单向传输的光纤时延波动测量方法。基于色散温变效应和Sellmeier等式,建立了利用温度的准确测量和双波长光信号传输时延差波动反推单向时延波动的比例模型。令模型中的比例系数是单波长时延波动和双波长时延差波动的比,仿真研究了温度和波长差对比例系数的影响。搭建了75 km光纤单向时延波动测量实验平台,实验结果表明:实测比例系数−258.4接近于理论比例系数−277.3,对应单向传输时延波动误差为660 ps,实验结果验证了模型的正确性和基于单向传输的光纤时延波动测量的可能性。
整形脉冲信号处理方法及低温辐射流偏差
杜华冰, 孙奥, 尚万里, 侯立飞, 车兴森, 杨轶濛, 杨国洪
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200181
[摘要](39) [HTML全文](28)
平响应X射线二极管目前已经广泛应用在国内外大型激光装置,用于角分布X射线辐射流的测量。在实际实验中,平响应X射线二极管会对整形脉冲驱动辐射源产生台阶变化的辐射流图像进行测量。为了保证信噪比良好,单一信号会接入示波器多通道,然后对不同通道信号进行数据处理,并且拼接得到最后信噪比很好的图像。本研究主要对这种数据处理方式进行了介绍并给出理论计算,同时对低温辐射流还原计算中的一种偏差做了理论近似和数值模拟,得到了偏差的相对不确定度。耦合所有因素的不确定度得到了平响应X射线二极管的整体不确定度随辐射温度的变化曲线,实现了精密化诊断,完成了实验对于诊断的需求。
光子晶体光纤载体中液晶随机激光辐射行为
乌日娜, 宋云鹤, 卢佳琦, 高芮, 李业秋, 岱钦
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200171
[摘要](37) [HTML全文](29)
将向列相液晶TEB30A、手性剂S-811、激光染料PM597的混合物填充空芯光子晶体光纤中,以Nd: YAG倍频532 nm激光作为泵浦光源,测量激光辐射谱,研究了光子晶体光纤载体中的随机激光辐射行为。泵浦激光侧面入射,侧面出射随机激光波长范围为590 nm至605 nm,半高全宽约为0.3 nm;辐射方向较广。泵浦光端面入射,端面出射随机激光波长范围为580 nm至605 nm,半高全宽约为0.3 nm。加热样品至各向同性温度时,端面和侧面激光辐射被关断。由实验结果得出,光子晶体中随机激光辐射源于微孔中填充的染料掺杂液晶混合物。手性向列相液晶中光子传输平均自由程和液晶分子介电张量的涨落随温度的变化,是影响出射激光强度的主要因素。
基于金刚石拉曼转换的光束亮度增强研究进展
白振旭, 陈晖, 李宇琪, 杨学宗, 齐瑶瑶, 丁洁, 王雨雷, 吕志伟
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200098
[摘要](647) [HTML全文](576)
具有不同波长的高亮度激光在军事、工业、生命科学等诸多领域发挥着重要作用。但是受限于现有工作物质固有的光谱特性和热物性,传统粒子数反转激光器的波长和输出功率难以兼顾,甚至导致激光在功率提升时的光束亮度不升反降。为了克服该难题,近几年人们利用非线性光学技术对光束净化开展了大量研究,即将粒子数反转激光器输出的低光束质量的光束,通过受激拉曼或受激布里渊散射等效应转变为高光束质量激光输出。其中,金刚石晶体以其高拉曼增益系数、极高的热导率和极宽的光谱透过范围等性质,在实现高效率拉曼波长转换的同时展现出优异的光束亮度增强特性,为人们获得高功率、高亮度激光光束提供了新的技术路径。文中对基于金刚石的一阶和级联拉曼转换的光束亮度增强研究进行了综述,并围绕其潜在的应用进行了探讨。
金属-无机半导体-金属光电探测器的研究进展
高琳华, 崔艳霞, 梁强兵, 刘艳珍, 李国辉, 范明明, 郝玉英
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20201025
[摘要](37) [HTML全文](39)
金属-半导体-金属光电探测器(MSM-PDs)本身固有的高速、高响应率、易集成等特性使其在光纤通信、传感、制导等多个领域受到广泛关注。文中围绕金属-无机半导体-金属光电探测器展开综述。首先介绍了MSM-PDs的基本结构,包含共面和垂直两种类型。紧接着,介绍了MSM-PDs具体的工作原理,除了常见的光电导型及肖特基型工作原理,还介绍了以金属作为吸光层的热载流子光电探测器的工作原理。随后,详细介绍了以GaAs、InGaAs、Si/Ge等无机材料作为半导体层的MSM-PDs在过去所取得的研究进展。此外,还介绍了利用金属微纳结构拓展较宽带隙半导体材料MSM-PDs在红外波段响应特性的研究进展。最后,总结全文并对MSM-PDs未来的发展做出了展望。
Development of Coaxiality Measurement System of Turbine Components and Stud Standard Parts
Zhang Bo, Zhang Wengjian, Lei Lihua
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200216
[摘要](41) [HTML全文](30)
Turbocharger and gearbox were widely used in the precision machinery manufacturing industry. The dimensional accuracy of Turbo parts and stud standard parts was an important guarantee for the assembly accuracy of Turbo parts and gearbox, among which coaxiality was a key parameter for the dimensional accuracy of Turbo parts and stud standard parts. According to the demands of coaxiality measurement for turbine components and stud standard parts, a set of checking fixture was developed, and a software based on LabVIEW was built for the measurement. The coaxiality of stud standard M12 was measured by experiment and the uncertainty of measurement was evaluated. The experimental results show that the coaxiality error obtained from the four measurements is 6.3–6.5 μm, and the extended uncertainty reaches 2.6 μm. The results show that the developed coaxiality measurement system is suitable for the high precision measurement of the coaxiality of turbine parts and stud standard parts.
长焦距无热化星敏感器光学系统设计
伍雁雄, 乔健, 王丽萍
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200061
[摘要](66) [HTML全文](52)
光学系统是自主导航星敏感器实现恒星光信号收集以及高精度姿态测量的核心组件。研究分析了影响光学系统探测不同色温恒星精度的机理及评价方法,建立了光学系统设计波长权重分配模型。根据应用需求设计了一款基于航天卫星平台的长焦距星敏感器光学系统,焦距95 mm,相对孔径F/2.4,视场角8°×8°,探测光谱范围450~1 000 nm,3×3 pixels内能量集中度大于85%。基于常规玻璃材料校正了超宽谱段长焦距光学系统的倍率色差,全视场倍率色差不超过0.9 μm。精度分析结果表明:2 600~9 800 K范围内不同色温恒星的质心漂移量小于0.36 μm;在工作温度0~40°C范围内,焦距变化量小于2.7 μm,温度变化引起的质心漂移量小于0.45 μm。
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](32) [HTML全文](37)
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。
角锥阵列相位精密调整机构设计及锁相实验
余焘, 李新阳, 李枫, 耿超
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20190568
[摘要](2804) [HTML全文](733)
为了校正角锥棱镜阵列中子孔径的piston误差,设计了一种多单元一维相位精密调整机构,提出了一种基于相干合成原理的角锥棱镜阵列piston误差检测、调整方法。首先,设计了一种机械装置使单个角锥棱镜能够进行一维相位调整;其次,利用远场成像原理,分析了角锥阵列piston误差对远场衍射成像的影响;最后,基于远场光斑的不同,提出了一种角锥阵列piston误差的检测、调整方法。实验结果表明:角锥阵列相位精密调整机构能够达到0.1 μm级的调整精度,通过观测角锥棱镜阵列反射光束远场衍射图像,调整角锥棱镜单元相对位置,将反射光束PIB提升至0.49,远场图像接近仿真结果,基本实现了角锥棱镜阵列子孔径的piston误差的校正,提升了角锥棱镜阵列使用效率,扩展了角锥棱镜阵列使用场景。
运动物体大气扰流的可视化光学监测方法
张月, 苏云, 高鹏, 王旭, 董士奎, 张学敏, 赵号
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20190535
[摘要](33) [HTML全文](26)
建立了对运动物体在大气层内运动引发的大气扰流进行可视化光学监测的方法。监测方法包括大气扰流光传输方法、大气扰流光偏折监测方法,以及高精度扰动检出方法三个部分。在分析大气扰流引发光线偏折机理的基础上,研究了大气扰流区光线折射率、折射率梯度和光线偏折传输的计算方法,基于背景纹影成像原理的监测系统各参数对监测效能影响的分析方法,以及“整像素搜索+亚像素定位”的高精度扰动检出方法,建立了相关数学模型并开展了仿真分析。该方法为可视化监测航天飞行器返回大气层着陆减速、降落伞动力展开、客机超音速飞行等过程中与大气的相互作用,提供了一种重要的方法与途径,监测结果可为优化气动外形提供数据支撑。
芯片式光谱仪光束耦合与对准监测系统设计
刘智颖, 姜馨, 李明宇, 贾文波
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20190532
[摘要](22) [HTML全文](26)
针对芯片式光谱仪的光束耦合与对准监测难的问题,提出了一种集成光学系统,避免光纤与芯片式光谱仪接收端接触产生磨损;有效解决光纤遮挡导致无法监测耦合效果的问题。光学系统由耦合前部分系统、监测后部分系统和复合共用系统三部分组成,复合共用系统需同时配合耦合前部分系统与监测后部分系统分别完成光束耦合与对准监测的功能。采用多重组合方式对整体系统进行设计,针对6 μm入射光纤与20×20 μm的芯片式光谱仪接收端,在1 550±50 nm的工作谱段对光纤光束与芯片式光谱仪接收端耦合系统与监测系统进行了设计,并通过LightTools软件对耦合系统进行能量分析,计算耦合效率为0.733。整体系统结构简单且无需手动调节,可同时进行光束耦合与对准监测,为芯片式光谱仪的耦合及监测提供了一种新方法。
穆勒椭偏标定方法中LM算法研究
管钰晴, 傅云霞, 孙佳媛, 韩志国, 张波, 孔明, 曹程明, 雷李华
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200204
[摘要](23) [HTML全文](18)
依据穆勒椭偏测量方法中偏振光的传输方式,提出了一种椭偏系统中光学元件参数的定标方法。通过建立出射光强关于起偏器和检偏器透光轴方位角、旋转补偿器方位角和相位延迟的非线性最小二乘模型,用列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt,LM)算法对初始参数进行迭代。求解出光学元件参数的精确值,从而实现对元件的定标。通过仿真实验,利用已知穆勒(Muller)矩阵且标定值为(24.90±0.30) nm的SiO2/Si标准样片,基于LM算法迭代计算光强值的残差平方和。实验可得当迭代次数为50次时,残差平方和收敛到最小值0.24;与传统多点标定法进行对比试验,验证了基于LM算法求解光学参数的可行性;用标定值为(91.21±0.36) nm的SiO2/Si标准样片进行验证,得到膜厚的计算值为91.53 nm,相对误差为0.35%。结果表明:在穆勒椭偏系统参数标定中,LM算法具有收敛速度快,计算精度高等优点。
多鸽巢自适应排序的快速相位展开方法
魏鹏轩, 黄智, 郑晓, 刘海涛, 吴湘, 万勇健
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200032
[摘要](26) [HTML全文](22)
为提升单目结构光测量系统的测量精度和效率,对结构光三维重建中最重要步骤相位展开算法进行了改进,提出一种多鸽巢自适应排序的相位展开算法,其有效的抑制了相位展开过程中的误差传递,并能显著提升计算效率。首先,根据像素的二阶差分定义像素的不可信函数,并将相邻像素组合成为像素组;然后,自适应构建具有不同不可信值范围的鸽巢使其满足误差传递要求,并依次将像素组放入对应参数的鸽巢中;最后,根据鸽巢的不可信值从小到大依次进行相位展开。在单目结构光系统中开展验证实验,实验结果显示:提出的相位展开算法相较原算法提速38.37%,且在点云求解精度上有较大提升,有效优化了测量系统相关性能。
高斯镜参数对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响
蒙裴贝, 史文宗, 蒋硕, 齐明, 邓永涛, 李旭
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200127
[摘要](26) [HTML全文](20)
实验研究了输出镜为不同参数高斯镜时,偏心对LD泵浦Nd:YAG激光器的影响及激光器的输出特性。仅当光轴与激光晶体中心轴、Q开关中心轴一致,且经过高斯镜反射率中心时,可同时实现最大能量、最窄脉冲宽度和最小发散角输出。存在偏心时,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越大,则能量下降越多,脉冲宽度和发散角增大越大。对于反射率半径为2.5 mm和中心反射率为30%的高斯输出镜,偏心0.5 mm时,能量降低7%,脉冲宽度增宽33%,发散角增大20%。激光性能方面,高斯镜反射率半径越小或中心反射率越小,光束质量越好,但效率低。综合考虑偏心影响和激光性能,反射率半径为2.75 mm和中心反射率为20%的高斯镜作为输出镜最佳。泵浦能量为984 mJ时,获得了能量128 mJ,脉冲宽度7.3 ns,光束质量M2因子约4.6的1064 nm激光输出,对应光光转换效率为13%。实验结果为激光器设计和装调提供了参考。
L2范式距离的星图识别方法
王泽文, 王广君, 刘小波, 佘锦华
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200040
[摘要](22) [HTML全文](26)
本文在Hausdroff距离的基础上,提出一种不依赖于星敏感器的旋转方向和焦距等因素的星图识别方法。在构造Hausdroff距离的数据点集合时,采用基于L2范数对应的相对欧氏距离作为集合元素,解决星敏感器滚动对星图识别的影响;另一方面,由于受星敏感器焦距的影响,星敏感器图像与标准参考图也会存在误差。在构造标准数据点元素时,考虑到如果一个数据点集包含另一个数据点集,在这两个数据点集之间至少有两个数据点之间的L2范式距离是相同的。对L2范式Hausdroff距离进行比例化处理,每个集合中的相对空间距离除以本集合中最小的相对空间距离,构成一种新的数据点集。这种方法不需要对星敏感器图像由于焦距不同进行标定,避免了星敏感器焦距对星图识别的影响。论文给出了距离的计算公式和实现步骤,并给出了实验结果。实验结果表明,在星敏感器转动、尺度变换等情况下,本算法可以正确得到星图识别结果,从而获得星敏感器的姿态信息。
非球型粒子对激光偏振特性影响研究
战俊彤, 张肃, 付强, 段锦, 李英超, JiangHui-lin
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200150
[摘要](9) [HTML全文](32)
球形粒子群的偏振散射特性已经通过研究获得,但是真实环境中粒子形状为非球形,非球型粒子的多次散射偏振特性规律尚未得到。文中基于T矩阵计算方法对非球型粒子散射模型进行改进,获得非球型粒子的散射振幅矩阵,对椭球形粒子,圆柱形粒子以及且切比雪夫粒子的偏振特性进行模拟,分析不同横纵轴比、形状、波长对粒子偏振特性的影响。研究结果表明:对于椭球形粒子而言偏心率由2变为3后偏振度最大值从散射角130°变为90°,450 nm、532 nm、671 nm的偏振度分别增大了50%、25%、24%;圆柱粒子长短轴互换对于偏振度的改变影响不大。切比雪夫粒子表面的不规则度由3变为8后,偏振度变大18%。研究结果为非球型粒子群的多次散射特性提供了理论基础,最终解决真实环境与理想环境之间的偏振传输特性差异的问题。
一种激光搜跟器的光学设计
纪小辉
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200088
[摘要](1165) [HTML全文](469)
为提高激光搜跟器对地目标的搜索范围和成像分辨率,提出了一种机载平台下的共孔径激光搜跟器扫搜和跟踪目标的方法,并进行了光学系统的设计。激光搜跟器采用捷联的方式固定于飞行器上,提高了其稳定性;激光的出射和回波的接收,采用共孔径的R-C式反射望远系统实现,缩小了其整体尺寸,并提高了成像分辨率;扫描搜索目标采用双光楔组件实现,并提高了搜索频率和扩大了搜索视场;给出了双光楔旋转角和出射光偏转角之间的关系。设计结果表明,当系统通光孔径为φ300 mm,焦距为2100 mm时,总体尺寸为685 mm,可扫描搜索视场为±5°,成像视场为±0.08°,成像点弥散斑最大为2.417 μm,系统MTF值在50 lp/mm时大于0.4,满足成像要求;当目标距离为3 km时,可搜索范围达到526 m,可实现对4 m大小目标的成像,成像分辨率为2″。
基于金纳米笼和MoS2的1 123 nm被动调Q Nd: YAG激光器
张斌, 李颖, 刘丙海
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200084
[摘要](354) [HTML全文](269)
分别将金纳米笼和MoS2作为饱和吸收体,实现了中心波长为1 123 nm的Nd: YAG激光器的调Q运转。在金纳米笼为饱和吸收体的调Q激光器中,当泵浦功率为6.04 W时,得到的最大平均输出功率为221 mW,最短脉冲宽度为253 ns,最大脉冲重复率为326 kHz。与MoS2调Q激光器的实验结果相比,金纳米笼调Q激光器获得的输出功率和效率更高,脉冲宽度更窄,重复率更高。结果证明了金纳米笼在近红外波段激光器中用作饱和吸收体的巨大潜力。
高次谐波份额测量滤片法及其应用
孙奥, 杜华冰, 侯立飞, 尚万里, 车兴森, 张文海, 韦敏习, 杨国洪, 易荣清, 杨轶濛, 江少恩, 王峰, 杨家敏
当前状态:
[摘要](39) [HTML全文](51)
惯性约束聚变实验对数据测量精度有着很高的要求,诊断设备需要向绝对测量的方向发展,对标定提出了很高的要求。北京同步辐射装置提供了良好的标定光源,其光源特性,如高次谐波份额的数值研究,对标定工作和ICF精密诊断十分重要。本研究提出一种基于滤片的高次谐波份额测量方案,建立了相应的理论模型,并实验测量了北京同步辐射装置4B7B束线上的高次谐波。实验结果显示,二次谐波在软X射线能段主要集中在180-300 eV以及450 eV-800 eV,所占份额大部分在15%以下,最大可达到25%左右。利用测量的高次谐波份额,开展了对平响应滤片透过率以及X射线二极管灵敏度的修正工作,修正后的结果和理论相符,极大地提高了诊断设备精密诊断能力。完整的理论模型和实验相互验证,说明基于滤片的高次谐波份额测量技术目前已经成熟并且具有广阔的应用前景。
高功率碘稳频He-Ne激光波长参考源
王建波, 殷聪, 石春英, 王捍平, 蔡山, 舒慧
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200111
[摘要](958) [HTML全文](418)
为满足精密测量对高稳定激光单色光源功率的要求,研制了全封闭、一体化结构的高功率碘稳频He-Ne激光系统。对该系统所采用的饱和光谱探测原理、吸收峰识别与锁定方法以及激光波长的稳频效果进行了研究。首先,介绍了三次谐波方法探测饱和吸收光谱的基本原理,分析了其消除功率背景的方法。接着,分析了碘稳频激光中一体化谐振腔的稳定性,详细讨论了谐振腔轴向膨胀和横向非对称形变对输出功率的影响。然后,分析了激光输出功率与碘分子饱和吸收峰之间的对应关系,介绍了利用二次谐波信号实现吸收峰识别的可行性,并展示了高稳定谐振腔的长时间锁定能力。最后,分析了高功率碘稳频He-Ne激光波长的稳定度与复现性。实验结果表明:高功率碘稳频He-Ne激光波长抖动标准差为33 kHz,1000 s稳定度达到4.1×10−13;三个月内激光波长的复现性达到3.3 kHz(7.0×10−12),与国际计量委员会推荐的频率差为3.0 kHz。
高重频KrF准分子激光器能量特性控制
冯泽斌, 周翊, 江锐, 韩晓泉, 孙泽旭, 张华
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200043
[摘要](447) [HTML全文](304)
能量稳定性和剂量精度是半导体光刻用高重频准分子激光器的重要指标,必须采用高精度的控制算法对其进行控制。针对准分子激光器,首先对于准分子激光器的单脉冲能量特性进行了分析,并在分析的基础上建立了准分子激光器的出光能量仿真模型。然后,分别设计了能量稳定性控制算法,基于PID的双闭环剂量精度控制算法和基于决策算法的剂量精度控制算法,并通过在仿真模型上实验对于算法控制效果进行了分析,证明了基于决策算法的剂量精度控制算法的适应性更强。最后,将基于决策的控制算法在一台重频为4 KHz的KrF准分子激光器上进行了验证。该激光器在基于决策的控制算法的控制下,能量稳定性的3σ小于5%,剂量精度小于0.4%,满足半导体光刻的需求。在仿真实验和实际实验中都证明了研究中设计的能量特性控制算法的有效性。
脉冲气体激光器用固态高压开关的研制
杨银辉, 郑义军, 朱子任, 孙科, 唐化江, 谭荣清, 苏新军
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200045
[摘要](24) [HTML全文](24)
实验研制了基于磁脉冲压缩系统的脉冲气体激光器用固态高压开关,实验中通过调节复位电流大小,负载电阻大小等相关参数实现了磁压缩开关输出效率达到最大值。经两级磁开关压缩后脉宽约压缩为原来的5%。压缩后脉冲上升时间约为180 ns,幅值约为16 kV。其中第一级磁压缩效率为89.2%,第二级磁压缩效率达到97.7%,总的压缩效率达到87.2%。接激光器后测得输出激光脉冲能量约为20 mJ,输出激光脉冲半高宽约为85 ns。
基于红外TDLAS技术的高精度CO2同位素检测系统的研制49
侯月, 张鹏泉, 于冠一, 黄克谨
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200083
[摘要](975) [HTML全文](436)
对天然气分布监测,高精度地检测CO2同位素是非常重要的。文中采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,通过13CO2/12CO2在4.3 μm处的吸收谱线,实现高精度CO2同位素检测。该检测系统由工作在连续波模式下的中红外间带级联激光器(ICL)、长光程多通池(MPGC)和中红外碲化汞镉(MCT)探测器组成。针对13CO212CO2两条吸收谱线强度受温度影响的问题,研制了MPGC高精度温度控制系统。实验中,配置5种不同浓度的CO2气体对检测系统进行标定,响应线性度可达0.9996。结果表明,当积分时间为92 s时,同位素检测精度低至0.0139‰,具备实际应用价值。
光场相机在湍流下的清晰成像和点云计算
张烜喆, 王彦, 王佳华, 侯再红, 杜少军
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200053
[摘要](1112) [HTML全文](562)
基于相空间光学原理改进了光场相机的信息提取算法,在湍流条件下完成了清晰成像和点云计算。这种算法使用四维密度函数来描述复眼结构,对原始数据的使用更加充分,能够提取物点完整的低阶相位信息,因而可以抵抗湍流对局部子孔径的影响稳健的获取目标点云,解算深度图并得到全聚焦清晰成像。根据这一原理设计了光场相机系统,探测室内湍流池后方的目标以及室外湍流下500 m处目标,均获得了4 k以上个物点的准确低阶相位分布,给出了目标的三维点云图和清晰成像。
不同湿度环境下可见光波段激光偏振特性研究
战俊彤, 张肃, 付强, 段锦, 李英超, 姜会林
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200057
[摘要](818) [HTML全文](715)
为了实现偏振探测效率的提升,获得可见光偏振特性规律,本文分析了环境湿度对偏振特性的影响。采用改进蒙特卡罗方法建立了偏振传输模型,并建立了接近真实水雾环境,通过室内实验对偏振模型进行验证,对不同湿度环境下的450 nm,532 nm,671 nm线偏振光与圆偏振光的偏振度与偏振态改变进行了比较与分析,仿真模型置信度>60%。研究结果表明,偏振光的偏振度随水雾环境湿度是呈下降趋势。当激光波长为450 nm,532 nm,671 nm时,偏振度下降点的湿度值分别为50%,70%,90%;对于水雾这种容易受湿度影响较大的环境而言,在可见光波段,应该尽量选择较长波长的偏振光进行传输探测。
Hybrid phase retrieval with chromatic dispersion in single-lens system
Cheng Hong, Liu Yong, Hu Jiajie, Zhang Xiaolong, Deng Huilong, Wei Sui
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200017
[摘要](579) [HTML全文](539)
Phase retrieval is to recover the original phase information by using the intensity information obtained from observation. Transport of intensity equation (TIE), as a traditional non-interference phase retrieval technique, can compute the losing phase information from only a minimum of two intensity measurements at closely spaced planes by solving the equation. This method usually requires the acquisition of intensity images by moving the object to be tested or CCD, which inevitably results in mechanical errors. A new phase retrieval method called chromatic dispersion-hybrid phase retrieval(CD-HPR) is proposed. The object is imaged at the same position by setting different wavelengths of light after passing through the single-lens system, in-focus and defocus intensity images are obtained without mechanical movement, and the initial phase information of an object is calculated from the phase retrieval technique based on TIE by combining the relationship between the defocus amount and the wavelength. Next angular spectrum iteration is used to improve the initial phase information. In this simulation, the RMSE between the phase recovered by this method and the original phase is 0.1076. At the same time, the phase of the lens array was restored by experiment. The error between the experimental result and the real parameter is 3.4%, which proves the correctness and effectiveness of the proposed method. This method extends the limitation of the traditional method that requires the light source to be monochromatic and improves the calculation accuracy.
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](2816) [HTML全文](789)
不同浓度TI:Bi2Te3的调Q光纤激光器
潘伟, 陈华龙, 王铁斌, 张宏伟, 金亮, 张贺, 徐英添, 邹永刚, 石琳琳, 马晓辉
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[摘要](4691) [HTML全文](1468)
基于二维材料的非线性光开关是调Q光纤激光器的核心器件,二维材料光开关的浓度会直接影响其非线性光学吸收特性,从而改变脉冲的时域特性。因此针对二维材料浓度对调Q光脉冲的影响进行了研究,并通过实验制作了基于不同浓度TI: Bi2Te3可饱和吸收光开关,分析了TI: Bi2Te3浓度对非线性光学吸收特性的影响,获得了调Q光脉冲的调制深度、脉冲宽度、重复频率和单脉冲能量随不同浓度Bi2Te3的变化关系。最终,针对谐振腔参数对TI:Bi2Te3浓度进行优化,在泵浦功率为71 mW时,获得了中心波长1560 nm,脉冲宽度为8 μs,重复频率为14.2 kHz,平均输出功率2.15 mW, 对应单脉冲能量为151.4 nJ脉冲输出。
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](614) [HTML全文](1774)
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。
南极大型望远镜主镜运输的抗振缓冲系统
乐中宇, 崔向群, 顾伯忠
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[摘要](26) [HTML全文](37)
我国南极天文台规划有一台主镜口径2.5米的光学红外望远镜,这台望远镜需要用雪橇车从中山站运到昆仑站,运输振动剧烈。文中以这台望远镜主镜运输的抗振缓冲系统为研究目标,首先研究了隔振系统理论模型,用四端参数法分析了双层隔振系统的传输特性,然后研究了科考队运输实测振动数据和主镜运输许用动力学条件,提出了一种包含杠杆式缓冲结构和聚乙烯泡沫塑料结构的双层隔振系统,最后对这种隔振系统的性能进行了仿真研究。结果表明:文中提出的抗振缓冲系统在实测得到的最极端冲击信号的作用下可以满足主镜模块最大加速度不大于5 g的要求,此时主镜模块的Z向运动范围约1.2米,该缓冲系统可以在南极2.5米望远镜主镜的整体运输中使用。文中提出的方法对其他脆弱结构的缓冲系统设计有参考价值。
Picosecond multi-pulse burst pump KGW infrared multi-wavelength Raman generator
YANG Ce, CHEN Meng, MA Ning, XUE Yaoyao, DU Xinbiao, JI Lingfei
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[摘要](2792) [HTML全文](736)
Picosecond infrared multi-wavelength Raman generator which adopted multi-pulse pumped KGW scheme was reported. A mathematical model was developed to investigate the effect of multi-pulse burst pumping regime on the vibrational mode of the Raman active molecule. The simulated results show that the response oscillation of the Raman active molecule to the multi-pulse burst pumping regime is more active and durable compared with the traditional single pulse pumping regime, which promotes the weakened molecule oscillation to return the natural frequency multiple times. The enhancement effect is beneficial to improve the Raman gain, reduce the Raman threshold, and increase the Raman conversion efficiency. During the experiment of picosecond multi-pulse pump KGW Raman crystal, the three-pulse burst pumping regime improves the Raman gain more than two times, reduces the threshold of stimulated Raman scattering more than 50%, and increases the Raman conversion efficiency more than 16% for 768 cm–1 Raman mode and 22% for 901 cm–1 Raman mode. Based on the three-pulse burst pumping regime, a 1 kHz mJ-level picosecond infrared multi-wavelength Raman generator was designed, which achieved the pulse energy of 1.39 mJ, the maximum Raman conversion efficiency of 29.6% for the 768 cm–1 vibrational mode of KGW, and the pulse energy of 1.38 mJ, the maximum Raman conversion efficiency of 25.7% for the 901 cm–1 vibrational mode of KGW. In addition, the Raman laser can radiate up to eight infrared Raman lines simultaneously for both the two vibrational modes of the KGW crystal, which covers the range of 800–1 700 nm.
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](3868) [HTML全文](2028)
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。
增益分布对皮秒脉冲自相似放大的影响
张韵, 刘博文, 宋寰宇, 李源, 柴路, 胡明列
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[摘要](5016) [HTML全文](2182)
采用数值模拟的方法,研究了增益分布对皮秒脉冲自相似放大的影响。构建了掺镱光纤内超短激光脉冲自相似放大的理论模型,以不同的泵浦方式、光纤长度和总增益系数实现不同的增益分布,探究了不同增益分布对增益光纤中皮秒脉冲的自相似放大过程和结果的影响。结果表明,皮秒脉冲在不同的增益分布下存在最佳的自相似放大结果,可以得到近变换极限的百飞秒高质量脉冲输出。发现同一信号光脉冲在增益光纤中演化至自相似放大过程时,正向泵浦方式下的演化速度比反向泵浦快。对于不同的增益光纤长度和总增益系数,正向泵浦方式下的信号光自相似区域主要集中在低入射脉冲能量和长波长区域,反向泵浦方式下的信号光自相似区域主要集中在高入射脉冲能量和短波长区域。
Thermal damage of monocrystalline silicon irradiated by long pulse laser
Guo Ming, Zhang Yongxiang, Zhang Wenying, Li Hong
当前状态:
[摘要](16) [HTML全文](35)
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.
高功率板条激光介质的纵向强制对流换热技术
何建国, 李明, 貊泽强, 王金舵, 余锦, 代守军, 陈艳中, 葛文琦, 刘洋, 凡炼文
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[摘要](6200) [HTML全文](1394)
液体强制对流换热因具有较高的可靠性和性能稳定性而被广泛使用于高功率板条激光介质介质的制冷,但沿流场方向产生的温度梯度会显著改变激光介质的热应力状态而带来不良影响。提出了基于冷却流场与目标温度匹配控制思路的双大面侧泵激光介质纵向强制对流冷却方案,利用非定常边界条件的流-固耦合有限元仿真方法对比了全浸泡对流冷却、微通道传导冷却技术方案,针对入口流量、流场状态、流道壁面条件等因素进行了详细研究。在30 L/min入口流量下,该方案热交换区域固液界面平均对流换热系数达104 W/m2/K量级,且均匀分布。此外,通过改变壁面粗糙程度能够获得更高的对流换热系数。根据设计结果研制了一套板条激光放大器,实验监测点的温度结果与模拟仿真预测结果相吻合,冷却性能达到预期。
大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构设计
陈芳, 高超, 罗世魁
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200060
[摘要](401) [HTML全文](344)
空间红外相机为提高成像质量,采用脉冲管制冷机对大面阵红外探测器进行制冷和杜瓦封装,形成杜瓦组件,使探测器工作在深低温环境下。冷指与热端之间仅靠脉冲管的薄壁结构连接,径向支撑刚度偏低,无法承受卫星发射阶段的振动,需对冷指增加支撑结构;但为提高制冷效率,又需要尽量增大连接探测器的冷指与制冷机热端之间的结构热阻,以减少结构间漏热。传统的方案是在冷指与热端之间增加金属支撑柱,但该结构会带来附加的漏热,且因为连接刚度较大,会由于装配及加工误差在脉冲管焊缝处产生较大的结构应力,影响组件性能。提出一种基于玻璃纤维束的冷指支撑结构,利用玻璃纤维束的高抗拉刚度及低抗弯刚度提高冷指径向支撑刚度的同时减小其在轴向上的结构应力;同时,玻璃纤维束的超低导热系数和小截面面积可以极大的提高结构热阻,显著减小附加漏热。与传统方案相比,玻璃纤维束支撑加强结构在提高冷指支撑刚度同时,将冷指与热端之间的结构热阻增大为原来的3730倍,解决了冷指支撑加强结构既要求抗振性能好、又要求漏热小的难题,可适用于各种类型的大面阵红外探测器的杜瓦冷指支撑结构。
折衍混合红外双波段变焦光学系统设计
杨洪涛, 杨晓帆, 梅超, 陈卫宁
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200036
[摘要](499) [HTML全文](413)
本文建立不同类型衍射元件对衍射效率的影响模型,比较了单层衍射元件、谐衍射元件和双层衍射元件之间衍射效率的差异,重点分析在红外双波段光学系统中应用双层衍射元件的突出优势,计算不同材料组合情况下双层元件的平均衍射效率,以此为基础设计一款适合于高空机载平台的折衍混合红外双波段双视场光学系统。大视场对应的地物分辨率为1.5 m@16 km,长焦、短焦分别为960 mm和480 mm,通过切换反射镜改变光路来实现变焦功能,保证变焦过程中系统的光轴稳定性。仿真结果表明在−40 ℃~60 ℃的大温差环境下,系统的MTF曲线平滑且接近衍射极限,RMS半径位于艾里斑半径以内,二元衍射面的最小特征尺寸为6.9 μm,设计结果满足工程使用要求。
高图像配准精度的非相干数字全息彩色成像
任宏, 卜远壮, 王茜, 李玉, 杜艳丽, 弓巧侠, 李金海, 马凤英, 苏建坡
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200022
[摘要](902) [HTML全文](851)
菲涅耳非相干相关全息是一种能记录非相干物体全息图的新型技术,在生物医学成像和三维遥感领域具有重要应用前景。针对高光谱成像过程中图像融合配准困难的问题,文中利用空间光调制器的可编程特性,设计并制作了波长分别为492 nm、562 nm和672 nm的三组焦距恒定的双透镜相位掩模,依次调用三种波长的掩模并记录对应波长下物体的全息图。由于三色记录光经对应波长掩模调制后在CCD表面汇聚的光斑位置及尺寸均相同,因此全息图重建后获得的重建图像具有相同的横向放大率,可提高图像融合时的配准精度,免去繁杂的光谱图像空间配准算法,真正实现了全息彩色成像的高精度配准和实时融合。采用该系统记录骰子的全息图,经数值重建及色彩融合后得到了颜色重建性较好的彩色三维像。
红外焦平面阵列读出电路非均匀性研究
尚超, 王锦春, 张晓兵
当前状态:
[摘要](1705) [HTML全文](936)
读出电路对红外焦平面阵列成像系统的非均匀性有重要影响,采用动态非线性系统函数的泰勒级数建立功能电路单元的通用非均匀性模型,按照模拟型读出电路的一般结构建立读出电路的非均匀性模型,利用高斯噪声和柏林噪声模拟读出电路参数的空间随机分布,采用三维噪声的空间分量量化评估非均匀性,采用等长的矩阵模型简化阵列信号串行读出的时空转换过程,分析了噪声模型、多通道缓冲和响应非线性的非均匀特性,并指导某320×256阵列读出电路进行了非均匀特性仿真和优化。该方法能够对读出电路的非均匀性进行系统级仿真评估,并为其工程优化提供指导。
两档变焦面阵扫描红外光学系统设计
丁学专, 周潘伟, 王世勇, 于洋, 李范鸣
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA20200007
[摘要](411) [HTML全文](328)
提出了一种三次成像红外两档变焦面阵扫描光学系统,在传统红外二次成像光学的基础上,增加了两档变焦的前置望远系统,通过变焦组单一组元沿光轴方向移动,来实现两档焦距切换。变焦组沿光轴方向的微调,可实现不同工作温度的补偿与不同物距的清晰成像。在中间平行光路中,引入振镜,通过振镜以特定频率进行相应角度范围的往返扫描,来补偿由于扫描平台转动带来的曝光时间内的物面的移动,保持系统在旋转扫描时成像清晰与稳定,没有拖影。系统结构紧凑,可实用于两档变焦搜索与跟踪一体的红外系统中。
湍流脉动对圆射流红外辐射特性的影响研究
罗蕾, 吉洪湖, 卢浩浩, 张晨
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA202049.20200030
[摘要](918) [HTML全文](987)
为研究湍流脉动对高温燃气圆射流红外辐射强度的影响,利用大涡模拟方法计算了高温圆射流流场的温度和组分浓度等的瞬时值和平均值,在此基础上分别采用平均温度-辐射法和瞬时温度-辐射法计算了射流场的红外辐射特性。计算结果表明:瞬时温度-辐射法计算的平均光谱辐射强度、平均积分辐射强度和平均辐射亮度均高于平均温度-辐射法计算的结果;湍流脉动越大,掺混区越厚,两种方法的计算结果之间的差值以及射流场红外辐射的脉动幅值均越大,其中射流高温核心区尾缘附近是受湍流影响最强的区域;两种方法计算的平均红外辐射亮度之间的差值沿着径向逐渐降低。对于Re=86 000,环境温度与进口温度之比为0.35的圆射流,在90°探测方向上,瞬时温度-辐射法计算的总的平均积分辐射强度比平均温度-辐射法的计算结果高23.6%左右。
大视场大相对孔径自由曲面成像系统设计
陈炳旭, 廖志远, 操超, 白瑜, 牟达
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA202049.20200005
[摘要](926) [HTML全文](827)
近年来,自由曲面在高性能离轴反射成像系统中应用越来越广泛。文中基于矢量像差理论和遗传算法求解初始结构,采用视场离轴和孔径离轴相结合的方式,利用XY多项式描述的自由曲面增大自由度校正离轴像差,设计了一个大视场大相对孔径的制冷型离轴反射光学系统。系统工作波段为长波红外8~12 μm,焦距400 mm,F数2,视场角\begin{document}$ 8^{\circ} \times 5^{\circ} $\end{document},平均RMS波像差为0.037054λ(λ=9 μm)。探测器冷光阑和光学系统出瞳相匹配,实现100%冷光阑效率,系统能量集中度较高,成像质量良好。
连续变焦偏振视频显微物镜设计
刘鑫, 常军, 陈蔚霖, 杜杉, 武楚晗, 许祥馨, 朱懿
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA202049.20200003
[摘要](613) [HTML全文](496)
针对传统显微镜在低照度环境时成像对比度低、识别难度大等问题,本文提出结合分焦平面偏振成像技术,设计了一款含三个移动组的五组元连续变焦偏振视频显微物镜。该物镜工作在可见光波段,变倍范围为1×−6.5×,物方线视场1.70 mm−11.1 mm,全长220 mm,工作距离为22 mm,后截距为14 mm,后接偏振探测器获得目标的偏振信息。经仿真分析,该系统在变焦范围内像面稳定,在各个变焦状态下成像质量接近衍射极限。本系统不仅可以在显示屏上获得目标的不同放大倍率的像,缓解视疲劳,还可以获得目标的偏振信息,提高目标的识别概率、观察效率和低照度情况下的成像效果。
大口径多光谱通道波前测量系统设计
张禹, 杨忠明, 刘兆军, 王继红
当前状态:  doi: 10.3788/IRLA202049.20190559
[摘要](868) [HTML全文](663)
随着波前测量技术的发展,具有多光谱通道的大口径波前测量系统成为波前测量领域的研究热点。设计了一种大口径多光谱通道波前测量系统,主要由前置RC缩束系统、调光组件、分光组件和波前传感器等组成,有效口径为450 mm,工作波段为0.5~0.8 μm、0.9~1.7 μm和3~5 μm的。给出了光学系统的设计参数,描述了系统中光学元件的参数选择,运用Zemax软件完成了光学系统的建模和仿真。进行了机械系统的方案设计,并完成了系统的光机热集成分析。测试了大口径多光谱通道波前测量系统的各项参数,结果表明:该波前测量系统的有效口径大于450 mm,在−10 ℃~50 ℃工作环境下,对可见光、近红外、中红外波段的波前均可实现高精度实时稳定测量,系统的波前测量稳定性优于0.05λ(RMS,λ=532 nm)。
基于像差共轭组合模型的自适应光学系统控制方法
雍佳伟, 郭友明, 饶长辉
当前状态:
[摘要](4314) [HTML全文](1167)
在单位圆的同心孔径圆域内,某些Zernike模式间具有一定的耦合性,对应的耦合像差相叠加后在一定的同心孔径内会发生相互抵消。文中用Zernike多项式对变形镜的校正残差进行了分解,通过分析首次发现残差的主要模式项间存在着以上描述的耦合关系,并且耦合项的系数会随着变形镜控制信号的调整体现出有规律的变化,从而呈现出耦合项之间不同的组合方式。文中提出通过优化变形镜控制电压向量来调整镜面面型,使得残差中的共轭像差组合实现最佳系数匹配,从而降低光瞳同心孔径圆域内的像差均方根值(RMS),最终实现系统成像质量的提升。分别针对点目标成像和扩展目标成像进行了仿真,结果表明该方法相比于传统方法,能够得到质量更好的光学成像。这种控制方法在变形镜有较大拟合残差的场合具有很好的应用前景。
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](2625) [HTML全文](3037) [PDF 1109KB](21)
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](44) [HTML全文](17) [PDF 973KB](13)
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](31) [HTML全文](18) [PDF 1939KB](6)
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](761) [HTML全文](446) [PDF 1305KB](18)
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](25) [HTML全文](15) [PDF 1667KB](9)
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](636) [HTML全文](541) [PDF 2606KB](11)
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](16) [HTML全文](22) [PDF 2500KB](9)
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](34) [HTML全文](18) [PDF 1539KB](5)
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](538) [HTML全文](440) [PDF 1463KB](23)
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](916) [HTML全文](657) [PDF 1504KB](10)
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](84) [HTML全文](40) [PDF 1173KB](19)
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](27) [HTML全文](16) [PDF 1518KB](14)
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](22) [HTML全文](18) [PDF 1254KB](8)
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](337) [HTML全文](238) [PDF 1084KB](11)
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](47) [HTML全文](30) [PDF 1933KB](11)
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](21) [HTML全文](11) [PDF 1252KB](6)
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](1003) [HTML全文](1181) [PDF 1486KB](10)
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](2528) [HTML全文](1365) [PDF 1613KB](14)
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](612) [HTML全文](472) [PDF 16690KB](19)
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](2989) [HTML全文](1566) [PDF 1579KB](20)
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](42) [HTML全文](27) [PDF 1454KB](17)
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](13) [HTML全文](14) [PDF 4122KB](1)
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](49) [HTML全文](47) [PDF 1229KB](10)
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](31) [HTML全文](17) [PDF 1814KB](8)
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](21) [HTML全文](9) [PDF 1689KB](6)
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](2735) [HTML全文](1177) [PDF 1320KB](31)
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](19) [HTML全文](9) [PDF 1579KB](6)
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](57) [HTML全文](38) [PDF 2281KB](11)
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](43) [HTML全文](32) [PDF 1345KB](6)
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](13) [HTML全文](9) [PDF 1848KB](5)
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](10) [HTML全文](3) [PDF 1262KB](1)
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](29) [HTML全文](15) [PDF 2583KB](9)
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](2729) [HTML全文](1607) [PDF 7038KB](20)
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](20) [HTML全文](12) [PDF 1678KB](5)
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。