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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](2630) [HTML全文] (3037) [PDF 1109KB](23)
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](46) [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](34) [HTML全文] (19) [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](765) [HTML全文] (448) [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](30) [HTML全文] (18) [PDF 1667KB](10)
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](17) [HTML全文] (24) [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](36) [HTML全文] (19) [PDF 1539KB](6)
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](539) [HTML全文] (442) [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](917) [HTML全文] (658) [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](85) [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](28) [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] (19) [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](338) [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。