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2021年 第50卷  第2期

专家报告
数字全息显微中自动调焦技术及其应用 (封面文章) (特邀)
王宇, 温凯, 张美玲, 马英, 刘旻, 郑娟娟, 郜鹏
2021, 50(2): 20200530.  doi: 10.3788/IRLA20200530
[摘要](99) [HTML全文](11) [PDF 5628KB](24)
数字全息显微技术(Digital Holographic Microscopy, DHM)将光学干涉和光学显微技术相结合,为微观物体的三维形貌、透明物体的厚度/折射率分布提供了一种快速、无损测量手段。数字全息显微可以通过计算机模拟物光波的衍射传播以实现对被测样品的数字调焦。然而,这一过程需要事先知道全息图到物体像面的距离(文中称为离焦距离)。如何自动获得离焦距离一直是数字全息显微技术中的研究热点。为此,文中着重介绍了基于锐度度量、能量集中度、振幅模量分析、稀疏度测量以及不同照明调制的离焦量获取方法。利用该离焦量可以实现对运动样品或动态过程的自动调焦,为运动物体或动态过程的跟踪观测和实时干预提供了有力手段。此外,文中还介绍了数字全息显微自动调焦技术在细胞、三维粒子场上成像、识别和追踪以及生物组织三维成像等方面的应用。
红外显微光学系统的小像差互补设计方法
刘智颖, 吕知洋, 高柳絮
2021, 50(2): 20200153.  doi: 10.3788/IRLA20200153
[摘要](39) [HTML全文](16) [PDF 1727KB](13)
针对显微系统具有高分辨率与高成像质量的要求,其系统一般片数多装调困难,导致系统存在实际的装调效果与设计结果之间难以匹配的问题,因此提出了小像差互补的方法对系统进行设计。首先,建立基于小像差互补设计方法的数学模型,然后将其编写为可用于控制ZEMAX软件的宏语言(ZPL),再对光学系统进行优化设计。最后以一红外显微光学系统为例,对比小像差互补设计方法使用前后的优化结果,对小像差互补设计方法进行了验证,发现应用小像差互补设计方法的光学系统,总体成像质量具有突出优势,各元件的公差敏感性明显降低,整体光学系统的稳定性得到了有效提高。
航空多光谱相机三坐标无源定位技术
董浩, 孙拓, 杨玉良
2021, 50(2): 20200498.  doi: 10.3788/IRLA20200498
[摘要](22) [HTML全文](8) [PDF 2485KB](6)
航空多光谱相机采用焦平面探测成像系统,可在全天时、准全天候作业的条件下对机下进行大幅宽高分辨率成像探测。针对航空多光谱相机的三坐标无源定位问题,简介了相机组成及无测距信息辅助情况下的三坐标无源定位原理,梳理了航空多光谱相机的三坐标无源定位关键技术。通过载体的位置姿态精确测量,测角电路设计、测角误差标定与补偿,多传感器安装姿态标定,时间同步设计四大关键技术保证相机的定位精度。飞行试验结果表明,图像拼接精度优于10″,验证了技术方法有效。
红外技术及应用
碲镉汞焦平面阵列无效像元(盲元)特征与成因
李建林, 谢刚, 刘炼, 陈晓燕, 董伟, 雷永畅
2021, 50(2): 20200202.  doi: 10.3788/IRLA20200202
[摘要](30) [HTML全文](11) [PDF 2160KB](11)
中波或长波红外焦平面阵列有效像元率递减的变化趋势,必然是由制造工艺缺陷、特定的工作应力或环境应力引起的某种机理造成。根据红外探测器输出信号电压的数学模型,通过信号传输分析、性能评价测试数据统计分析,运用统计图形、响应曲线及输出信号电压灰度图等可视化手段,直观地呈现无效像元的类型、数量、位置、分布,以及像元信号电压、噪声电压和响应电压等无效像元特性。统计分析显示,像元中心距15 μm的中波320×256探测器杜瓦制冷机组件,在使用过程中平均表观有效像元率相对于初始有效像元率减小1.07个百分点,平均有86.45%的表观无效像元为不稳定的闪元和漂移像元,设计和制造缺陷导致使用无效像元的响应直线呈水平状、响应电压趋于0,热适配引起的应力是造成线状分布使用无效像元簇的原因。提出用不同黑体温度条件下像元信号电压超出平均值±(6%~7.5%)的判别准则筛选识别无效像元的方法。
具有背景抑制功能的长波红外读出电路
张武康, 陈洪雷, 丁瑞军
2021, 50(2): 20200266.  doi: 10.3788/IRLA20200266
[摘要](43) [HTML全文](13) [PDF 4737KB](13)
为了提高红外焦平面检测目标的灵敏度,目标辐射产生的载流子应尽可能长时间保持,同时应尽可能减少热激发和背景辐射激发的比例。高背景条件下长波红外读出电路的积分电容较快饱和,且长波红外探测器暗电流的非均匀性会影响焦平面的固定图形噪声。基于共模背景抑制结构以及长波碲镉汞探测器暗电流分析的基础上,设计了具有非均匀性矫正的背景抑制电路。传统的背景抑制电路采用单一共模背景抑制或差模背景抑制。差模背景抑制模块的高精度背景记忆一般在小范围区间内。本文背景抑制结构采用共模背景抑制与差模背景抑制相结合,可以在较大的背景噪声范围内有效地降低固定图形噪声以及增大动态范围。该背景抑制结构中共模背景抑制采用电压-电流转换法,差模背景抑制采用电流存储型背景抑制结构。差模背景抑制通过背景记忆时信号放大,背景抑制时信号缩小来提高背景抑制精度。电路采用标准CMOS工艺流片。测试结果表明:读出电路的FPN值为2.08 mV。未开启背景抑制时,焦平面FPN值为48.25 mV。开启背景抑制后,焦平面FPN值降至5.8 mV。基于探测器的暗电流非均匀分布,计算其理论FPN值为40.9 mV。长波红外焦平面输出信号的RMS噪声在0.6 mV左右。
一种高性能氧化钒热敏薄膜的制备和应用
马占锋, 王颖, 汪超, 叶帆, 高健飞, 黄立
2021, 50(2): 20200349.  doi: 10.3788/IRLA20200349
[摘要](28) [HTML全文](8) [PDF 3470KB](9)
报道一种制备高性能氧化钒热敏薄膜的方法和其应用。采用反应磁控溅射薄膜沉积技术,通过改变氧化钒热敏薄膜沉积时溅射功率,从而调整钒原子在溅射出来之后接触到基片表面时的沉积速率,同时通过对设备进行改造升级,即在钒溅射腔腔外增加一个控制电源来精确控制溅射电压及氧气分压等参数来精确控制反应过程中电流密度,优化了氧化钒薄膜的制备工艺,制备出方块电阻为500 kΩ/□,电阻温度系数(TCR)为−2.7% K−1的氧化钒薄膜。实验测试结果表明,利用高性能氧化钒热敏薄膜制作的非制冷红外焦平面探测器,其噪声等效温差(NETD)降低30%,噪声降低28%,显著提升了非制冷焦平面探测器的综合性能。
激光器与激光光学
Principle and optimum analysis of small near-infrared spectrometers based on digital micromirror device
Liu Hongming, Liu Yujuan, Song Ying, Zhong Zhicheng, Kong Lingsheng, Liu Huaibin
2021, 50(2): 20200427.  doi: 10.3788/IRLA20200427
[摘要](38) [HTML全文](15) [PDF 1349KB](23)
The DMD small near-infrared spectroscopy instrument is widely used in chemical composition analysis and quality inspection for its advantages of fast detection speed, high sensitivity, no damage detection, and miniaturization of portable instruments. However, as the premise of instrument design, optical optimization design of the whole spectral range is the hard work of the system. In this paper, the theoretical design method of the spectroscopic imaging system based on the small near-infrared spectrometer of DMD was studied. The method was designed by using the double-dispensing anti-aberration lens and combining the geometric aberration theory to optimize the design of a small DMD near-infrared spectrometer to reduce the aberration of the entire system. Then, the optical simulation software was used to align the direct imaging system for optical simulation. And ultimately achieve the design simulation requirements. Simulation results indicate that the whole size of the spectrometer is less than 150 mm×150 mm×150 mm, and the resolution is better than 15 nm in the range of 1000-1700 nm in the working band. Therefore, the proposed method can meet the design requirements and has broad application prospects in practical applications.
加力型频率分裂激光器的频率差热漂移
王琦, 钱永明, 张书练
2021, 50(2): 20200392.  doi: 10.3788/IRLA20200392
[摘要](15) [HTML全文](7) [PDF 1818KB](3)
频率差可调的加力型频率分裂氦氖激光器具有广阔的应用前景,目前鲜有关于该激光器频率差热漂移的具体报道,但它是一个重要的应用指标,特别是在光刻机用干涉仪中需要重点关注。采用弹性加力法对双折射-塞曼氦氖双频激光器进行频率差赋值,详细观察了频率差在开机漂变阶段、过渡阶段及稳定阶段状态的变化过程, 给出了频率差对开机时间的曲线。实验表明稳频作用下的频率差的稳定性优于23 kHz/h,重复性优于130 kHz。此外还就不同结构或材料的弹性加力元件对频率差的影响进行了对比分析,实验表明系统温度分布的均匀性和稳定性对频率差热漂移起重要作用。
基于双色镜的2.3 kW光纤激光光束合成
何旭宝, 肖虎, 马鹏飞, 张汉伟, 王小林, 许晓军
2021, 50(2): 20200385.  doi: 10.3788/IRLA20200385
[摘要](41) [HTML全文](18) [PDF 1546KB](11)
基于双色镜的光谱合成技术可突破单个光纤激光器输出功率极限的限制,是获得高功率、高光束质量激光输出的有效技术手段。理论上,初步探究了参与合成的光束位置偏移及倾斜误差对合成光束质量的影响,结果表明光束倾斜误差对合成系统的输出特性影响显著。实验上,开展了两路窄线宽光纤激光器的合成实验,使用双色镜作为合成元件,获得了最大输出功率为2355 W的高光束质量共孔径合成输出,光束质量M2为1.9,合成效率大于99%,实验验证了双色镜在反射和透射情况下具有较高的效率。通过进一步提高单路光纤激光的输出功率或增加合成路数,可以实现更高功率和更好光束质量的共孔径激光输出。
Nonlinear optics and ultrafast dynamics characteristics of CdTe/CdS quantum dots with different core sizes and shell thickness
Chang Qing, Tan Hengyu, Meng Tianming
2021, 50(2): 20200342.  doi: 10.3788/IRLA20200342
[摘要](25) [HTML全文](14) [PDF 3079KB](6)
CdTe core-shell semiconductor quantum dots are being widely explored due to their special nonlinear optics and ultrafast dynamics characteristics that include solar cells, optoelectronic devices, biological labeling, and optics fiber sensing fields. In this work, the six kinds of CdTe/CdS core-shell quantum dots were researched in the different core sizes and shell thicknesses for the nonlinear optics and ultrafast dynamics characteristics. The nonlinear absorption and refraction coefficients of the samples were measured by using Z-scan technology under the action of 400 nm wavelength and 130 fs laser pulse width. The experimental results show that the shell thickness of CdTe/CdS core-shell quantum dots affects the nonlinear absorption and refraction characteristics, in which the nonlinear absorption and refraction coefficients increase with the shell thickness. And the core size mainly affects the nonlinear absorption characteristics, while the nonlinear absorption coefficient decreases with the increase of the core size. At the same time, femtosecond time-resolved transient absorption spectroscopy technology was used to measure the ultrafast dynamics characteristics of the samples under the conditions of 400 nm wavelength, 130 fs pulse width, 1 kHz frequency, and 400 nJ single-pulse energy. The transient absorption spectra and ultrafast dynamics curves were obtained. The results suggest that the rising time of bleaching signal increases with the shell thickness. The decay time of the fast process increases with the shell thickness and core size. The decay time of the slow process increases with the shell thickness. The research reveals the influence of the core size and shell thickness of CdTe core-shell quantum dots on the nonlinear optics and ultrafast dynamics, providing a theoretical basis for the preparation of core-shell quantum dots and the research of the photophysical properties.
天基合成孔径激光雷达成像参数分析
尹红飞, 郭亮, 荆丹, 邢孟道, 曾晓东, 胡以华
2021, 50(2): 20200144.  doi: 10.3788/IRLA20200144
[摘要](19) [HTML全文](8) [PDF 6176KB](6)
由于空间中没有大气,不存在大气湍流和大气衰减等问题,因此,相对于地基和机载合成孔径激光雷达(SAL),天基SAL有更好的应用前景。为验证中高低轨卫星间SAL成像的可行性,本文中建立了天基SAL成像模型,推导了星对星成像的相干积累时间和脉冲重复频率等参数。利用二体运动轨道外推法,建立了卫星轨道模型。并根据雷达天线波束宽度的限制,计算了激光雷达的收发天线方向图,提出利用目标增益曲线的3 dB波束宽度,获得最大合成孔径时间的方法。最后,通过仿真建立了六种天基SAL应用方式,并分析了不同应用方式下的成像参数,验证了天基SAL成像的可行性。本文的研究为天基SAL成像算法的研究奠定了基础。
星载海洋激光雷达叶绿素剖面探测能力估算
朱培志, 刘秉义, 孔晓娟, 杨倩
2021, 50(2): 20200164.  doi: 10.3788/IRLA20200164
[摘要](29) [HTML全文](12) [PDF 1911KB](7)
为了评估和分析星载海洋激光雷达探测全球海洋光学参数的性能,依据激光雷达方程和蒙特卡罗模型结果模拟计算激光传输信号,开发了星载海洋激光雷达仿真模拟系统。仿真模拟系统由正向模拟、数据反演与误差分析三部分组成,能够模拟激光发射、传输和探测的全过程。根据给定的激光雷达参数,模拟了443 nm、486.1 nm和532 nm波长在地中海、印度洋、南大洋与太平洋四个典型海区的探测信号。研究结果表明,443 nm和486 nm波长的探测深度在各个海区均比较接近,并且均比532 nm更深。在给定的激光雷达参数情况下,486.1 nm波长在太平洋和南大洋的探测深度分别为120 m和70 m,在地中海和印度洋的探测深度均为约100 m。叶绿素a浓度在以上海区的探测深度分别约为80 m、50 m和70 m。
材料与薄膜
超低面形宽带高反射薄膜设计及制备技术研究
白金林, 姜玉刚, 王利栓, 李子杨, 何家欢, 刘华松, 苏建忠
2021, 50(2): 20200413.  doi: 10.3788/IRLA20200413
[摘要](25) [HTML全文](9) [PDF 3779KB](5)
光学薄膜元件的面形偏差会导致高精度激光系统中传输光束发生波前畸变,严重影响光学设备的性能。传统的面形偏差控制技术是采用双面镀膜,但需要反复抛光基片以获得高精度面形,这会大大增加研制成本,限制该方法的使用。文中基于离子束溅射沉积技术,采用薄膜应力形变模型预测镀膜后面形变化情况,然后对待镀元件的镀膜面预加工出与变形方向相反的面形,来补偿镀膜后膜层应力造成的薄膜元件变形,最后在预加工好的基片上制备超低面形的宽带高反膜,实现了在550~750 nm的工作波长下反射率R≥99.5%,面形PV≤0.15λ@632.8 nm。此项技术是通过标定薄膜材料的力学参数,预测在相同工艺条件下任意多层膜的面形变化,实现在超宽光谱设计的同时引入力学同步设计,制备出满足光、力双重指标的高质量光学薄膜。
金刚石膜表面微结构红外增透性能研究
张朝阳, 魏俊俊, 邢忠福, 彭志勇, 刘金龙, 陈良贤, 李成明
2021, 50(2): 20200199.  doi: 10.3788/IRLA20200199
[摘要](26) [HTML全文](19) [PDF 4009KB](4)
CVD金刚石是一种性能优异的红外光学窗口材料,但其在红外波段的理论透过率仅能实现约71%。通过表面亚波长结构设计可进一步增强CVD金刚石膜的光学透过性能。该研究首先通过理论模拟,建立了金刚石微结构特征与光学增透之间的定量关系。基于此为指导,探讨了在具有微结构硅片表面,采用MPCVD方法复制生长出具有微结构的金刚石自支撑光学级薄膜,用于提升金刚石膜在红外波段的透过率。采用扫描电镜(SEM)观察了原始硅片和金刚石表面及微结构形貌,通过拉曼散射光谱评估了金刚石的生长质量及形核层影响,采用红外光谱仪测试了金刚石红外透过率。结果显示,单面构筑微结构后,金刚石膜在8~12 μm波段的透过率可从70%提升至76%,说明表面微结构能显著提升金刚石膜的光学透过性能。非金刚石形核层以及表面微结构的完整性不足可能是导致实验结果与理论模拟结果具有一定偏差的主要原因。
蓝宝石表面纳米结构随杂质靶距离的演化
毕倩, 陈智利, 刘雨昭, 唐黎, 惠迎雪, 刘卫国
2021, 50(2): 20200302.  doi: 10.3788/IRLA20200302
[摘要](46) [HTML全文](18) [PDF 3868KB](7)
使用微波回旋共振离子源刻蚀蓝宝石(C向)表面,引入金属不锈钢杂质,研究了不同靶距处蓝宝石表面自组织纳米结构的演化规律及光学性能。采用原子力显微镜来观察样品表面的形貌变化,Taylor Surf CCI 2000白光干涉表面测量仪测量蓝宝石样片表面的粗糙度;选择X射线光电子能谱对样品表面的化学成分进行了表征。实验结果表明:当离子束能量为1000 eV,束流密度为487 μA/cm2,入射角度为65°,刻蚀时间为60 min,蓝宝石样片与杂质靶距离从1 cm增加到4 cm时,样片表面出现岛状结构并逐渐演变为连续的条纹结构。同时,自组织纳米结构随靶距增加,有序性增加,纵向高度逐渐减小,空间频率基本不变。刻蚀后样品表面的金属杂质残留很少,微结构的形成对蓝宝石具有增透作用。在离子束溅射过程中,岛状结构的出现促进了样品表面条纹纳米结构的生长,破坏了纳米结构的有序性。
光学成像技术
共孔径主被动高光谱三维成像实时处理框架
贺文静, 胡坚, 陈育伟, 潘苗苗, 朱运维, 何锐斌, 李传荣
2021, 50(2): 20200249.  doi: 10.3788/IRLA20200249
[摘要](19) [HTML全文](14) [PDF 3525KB](5)
共孔径主被动高光谱三维成像技术是一种结合激光雷达主动探测和高光谱相机被动成像的新型遥感探测手段,通过共光路设计,降低了主被动数据配准难度,使得实时融合生成三维高光谱影像成为可能。三维高光谱成像实时处理兼具数据密集和运算密集的特点,可编程片上系统软硬件协同设计为其提供了解决方案。而目前软硬件划分多基于定性经验分析设计,难以实现定量化最优设计。针对该问题,提出了一种采用基于权重法的多目标规划模型的可编程片上系统处理框架。该处理框架利用图论模型Ncut准则开展高内聚度、低耦合度的单元分割,并对各单元的软件和硬件实现特性分别进行分析评估,最终面向应用需求,利用多目标规划模型求解最优的软硬件划分方案。利用该处理框架,针对速率优先和功耗优先两种高光谱三维实时成像应用场景,进行了软硬件划分方案的定量化求解与分析,结果表明,在速率优先设计中,相对于传统的设计,处理速率提升了43.4%,而功耗降低了53.5%。
基于成像时刻校准的混合域TDICMOS成像技术研究
梁楠, 翟立阳
2021, 50(2): 20200308.  doi: 10.3788/IRLA20200308
[摘要](20) [HTML全文](9) [PDF 1356KB](3)
随着航天遥感领域超高分辨率成像电子学中行频的不断提升,一个积分时间内光生电荷数量逐渐减少,弱光成像能力有所下降,电子学中需要采用增大时间延迟积分级数的方法弥补能量的不足。传统数字域累加探测器有着引入过多噪声与帧频受限的多项弊端,而电荷域探测器的超大级数累加会带来电荷转移效率的下降和图像的混叠。基于此,文章在采用低功耗、高集成度TDICMOS基础上,提出了一种基于电荷域和数字域混合的新型累加方式,并对影响弱光成像像质水平的主要指标进行分析。随后针对混合域累加方式下多感光单元间的像质退化,提出一种基于图像配准的成像时刻校准方法,通过多片感光单元间隔测量和成像时刻时序微调有效改善了大积分级数电荷运动与景物运动的失配程度。最后通过滚筒测试验证了成像时刻校准方法的有效性,通过性能测试验证了混合域成像在弱光照下探测能力的提升。结果表明,文中所提方法有效地解决了TDI型探测器的主要瓶颈,为超高分辨率遥感相机提供了有效的解决方案。
光学设计
大视场大相对孔径日盲紫外告警光学系统设计
郑国宪, 焦建超, 俞越, 苏云, 唐义, 粘伟, 刘剑峰
2021, 50(2): 20200260.  doi: 10.3788/IRLA20200260
[摘要](24) [HTML全文](8) [PDF 2385KB](15)
日盲紫外探测系统因其灵敏度极高、虚警率低、体积小、质量轻、结构简单、无需制冷等优点,在紫外制导、紫外通信等多个领域,尤其是导弹告警领域获得越来越多的应用。根据应用需求,设计了一种大视场大相对孔径日盲紫外告警光学系统。首先根据探测距离等任务要求,分析了告警系统光学口径等光学系统性能指标设计要求,结合实际情况进行光学系统选型与难点分析,综合采用三种方法解决了照度均匀性难题,并给出大视场大相对孔径日盲紫外光学系统设计结果,系统在工作谱段0.255~0.275 μm范围内具有优良的像质,且仅采用熔石英一种材料,所有镜面均为球面,公差较松,有利于加工和装调。
Optical design of freeform Fresnel TIR lens for LED uniform illumination
Hu Tiantian, Zeng Chunmei, Rui Congshan, Hong Yang, Ma Suodong
2021, 50(2): 20200183.  doi: 10.3788/IRLA20200183
[摘要](37) [HTML全文](14) [PDF 1637KB](14)
A new design of total internal reflection (TIR) lens was presented which had a freeform Fresnel surface in the central part of the front to improve the heat dissipation capability. Snell's law and the reflection law were applied to construct the freeform refractive surface and the freeform reflective surface for the TIR lens. The freeform refractive surface was transformed into the freeform Fresnel surface with universal design method of Fresnel lens. The simulation result for the freeform Fresnel TIR lens obtained by Monte Carlo ray tracing shows that the far field illumination uniformity of 82.0% and the luminous efficiency of 96.6% are achieved for the light source size of 2 mm×2 mm, in the meanwhile the lens weight is only 21.94 g. The freeform Fresnel TIR lens has nearly 20% reduction in lens weight and volume, only a 2% reduction in luminous efficiency, and no reduction in illumination uniformity compared to the TIR lens without the Fresnel surface. The result indicates that the Fresnelization for freeform surface of TIR lens can significantly reduce the volume and weight of TIR lens and shorten the optical path length, thus effectively improve its heat dissipation efficiency and service life while maintaining a high performance.
临近空间望远镜次镜优化设计
刘奉昌, 李威, 赵伟国, 王克军, 赵海波, 林冠宇
2021, 50(2): 20200178.  doi: 10.3788/IRLA20200178
[摘要](30) [HTML全文](12) [PDF 2093KB](9)
根据临近空间球载望远镜高力热稳定性、高性能的要求,对其次镜组件进行优化设计。临近空间球载望远镜虽然没有火箭发射力学环境严苛,但是其独特的飞行过程受到温度变化、加速度等影响,同时由气球搭载升空,质量要求较为严格。相比于传统反射镜设计方法,采用实体优化和基结构优化相结合的方法,集成优化对镜体进行设计,引入综合评价因子优化次镜综合性能,最终次镜组件性能良好,说明优化方法有效。通过有限元仿真分析得次镜组件在重力和±3 ℃均匀温变工况下刚体位移小于3 μm,面形精度优于λ/50,在0.02 mm装配误差下面形精度优于1 nm。次镜组件一阶频率为203.8 Hz,10 g加速度应力响应(35.4 MPa)远小于材料屈服应力。采用该方法优化可获得高力热稳定性、高性能的次镜组件。
Φ450 mm口径空间天文相机轻量化碳化硅主反射镜组件设计
凤良杰, 成鹏飞, 王炜
2021, 50(2): 20200175.  doi: 10.3788/IRLA20200175
[摘要](38) [HTML全文](14) [PDF 1736KB](13)
针对某空间天文相机对轻量化、光学效率、杂光抑制与探测能力的需求,设计Φ450 mm口径碳化硅主反射镜,镜体轻量化率超过70%;选取线膨胀系数匹配的殷钢材料,设计基于两脚架柔性结构的侧面支撑以消除装配应力和热应力,通过渗硅改性获取高反射率光学镜面。光学加工完成后反射镜质量7 kg,反射率优于98%。在严格的工艺条件控制下,对反射镜组件进行精密装配。光学检测结果表明,反射镜装配完成后面形误差优于0.02λ RMS,与分析结果吻合。证明了空间天文相机主反射镜组件结构设计方案与装调工艺的合理性,满足空间天文相机光学设计要求。
大视场间隔双焦面成像遥感相机焦面装调
钟卉
2021, 50(2): 20200172.  doi: 10.3788/IRLA20200172
[摘要](15) [HTML全文](7) [PDF 2665KB](4)
大视场间隔的双通道面阵焦面相机在以往的遥感相机中比较少见,其工作在近红外谱段,应用在可见谱段的多通道相机装调方法不再适用,对其装调方法进行了研究。首先,从光学角度分析装调原理,抽象出了数学模型进行了详细分析,得到系统误差公式。因为在以往的光学装调中,该系统误差很小而一直未被重视,但是对于此处涉及的遥感相机,其误差已严重影响测试精度。之后,进行了装调测试方案的详细分析,提出采用一维转台的测试方案,其相比二维转台方案的误差源更少,精度更高,且可节约资源。最后,进行了实际的装调测试和数据处理分析,从中剔除系统误差影响,焦面装调精度为1.0 μm,装调结果优于0.3个像元,得到的焦面的星点像曲线与理论设计结果基本一致。结果表明,提出的测试方法精度高,装调方案合理可行。
制冷型中波红外偏振成像光学系统设计
刘星洋, 翟尚礼, 李靖, 汪洋, 苗锋, 杜瀚宇, 邹超凡
2021, 50(2): 20200208.  doi: 10.3788/IRLA20200208
[摘要](29) [HTML全文](8) [PDF 4272KB](10)
除了具备作用距离远、可全天候工作、隐蔽性好等传统红外强度成像的优点外,基于目标与背景偏振特性差异的红外偏振成像技术能够有效减小背景干扰、抑制背景杂波、增强图像对比度、提高信噪比,应用前景广阔。为了有效抑制空中和海面目标探测过程的背景杂波干扰,增强雾、霾和烟尘以及小温差、低照度和复杂背景环境下的目标探测能力,采用分孔径同时偏振成像方式,完成了焦距为240 mm的四通道制冷型分孔径中波红外偏振成像光学系统的设计。利用蒙特卡洛法进行了公差分析,保证了光学系统加工和装调精度的合理性。像质分析结果表明,光学系统的MTF接近衍射极限,各类像差得到了有效校正,成像质量良好。通过冷反射分析验证了冷像对所设计制冷型红外光学系统成像质量的影响程度。此外,最终完成的光学系统结构紧凑,透过率高,避免了非球面的使用,具有良好的加工和装配工艺性。
图像处理
MEMS振镜扫描共聚焦图像畸变机理分析及校正
缪新, 李航锋, 张运海, 王发民, 施辛
2021, 50(2): 20200206.  doi: 10.3788/IRLA20200206
[摘要](23) [HTML全文](8) [PDF 5263KB](10)
在皮肤反射式共聚焦显微成像过程中,针对MEMS振镜二维扫描引起的共聚焦图像畸变,开展了光束偏转理论分析,得出了投影面扫描图像的具体形状表征,理论畸变图像与真实畸变图像一致,明确了畸变机理,提出一种有效的畸变校正算法,实现对图像二维畸变的校正。首先记录原始光栅畸变图像,然后基于Hessian矩阵提取光栅中心线,拾取特征点并设置基准参考线,通过基于最小二乘法的7次多项式插值法标定二维方向像素畸变校正量,采用加权平均法填补间隙像素灰度值,最终实现图像畸变校正。利用网格畸变测试靶实验得出7次多项式插值后的校正决定系数最高、均方根误差值最低,整幅512行图像在7次多项式插值后最优行数占379行,比例为74%,通过残差分析,二维方向上残差最大为4个像素,最小为0个像素,平均为1.15个像素,校正结果较为精确。皮肤在体实时成像实验显示,图像畸变校正后组织结构特征更加真实准确,表明这种校正算法有效可行,有助于皮肤疾病的准确诊断。
基于相关滤波的目标重检测跟踪
姜珊, 张超, 韩成, 底晓强
2021, 50(2): 20200182.  doi: 10.3788/IRLA20200182
[摘要](44) [HTML全文](27) [PDF 4022KB](9)
近年来,相关滤波方法由于具备运算速度快,鲁棒性强的优势,在目标跟踪领域发展迅速。然而,面对复杂场景时,现有模型难以满足实际需求。针对背景感知相关滤波方法(BACF)在目标发生自身旋转、尺度变换、运动出视野等挑战下,相关滤波器最大响应值减弱,造成跟踪精度下降的问题,提出了一种基于相关滤波的目标重检测跟踪方法。在原有背景感知相关滤波方法的基础上,引入滤波器响应检测机制,当判定到相关滤波跟踪结果不可信时,利用粒子滤波采样策略生成大量粒子,感知目标状态,重新确定目标中心位置。在此基础上,利用自适应尺度估计机制重新计算目标尺度信息,从而实现对目标的重新跟踪。为了验证改进算法的有效性,实验选取了OTB2013、OTB2015、VOT2016共3个公开数据集进行测试,同时与相关滤波及深度学习方法进行对比,从视频属性、跟踪精确度、算法鲁棒性等角度展示所有算法的性能。实验结果表明:基于相关滤波的目标重检测跟踪方法在3个公开数据集中取得较好的实验结果,并在目标发生旋转,尺度变换及运动超出视野的情况下,有效提高了BACF的准确率和成功率。
采用门控循环神经网络估计锂离子电池健康状态
张少宇, 伍春晖, 熊文渊
2021, 50(2): 20200339.  doi: 10.3788/IRLA20200339
[摘要](25) [HTML全文](10) [PDF 2662KB](6)
锂离子电池健康状态(State of Health,SOH)描述了电池当前老化程度,对于提前对电池的故障及失控做出预警避免电池的不安全行为具有重要意义。其估计难点在于难以确定数量合适、相关性高的估计输入以及设计合适的估计算法。通过对现有电池老化数据集的研究发现,电池充电过程中电压曲线数据相对稳定,且随着电池的老化出现规律性变化。因此,文中直接采用充电过程中电压数据作为估计SOH的输入,并在数据驱动的框架下,提出了一种基于门控循环神经网络(Recurrent Neural Networks with Gated Recurrent Unit, GRU-RNN)的锂电池SOH估计方法。该方法能够挖掘出一维电压数据中的时序特征和SOH之间的映射规律。在两个公开的电池老化数据集上的实验结果表明,提出的方法达到了1.25%的均方绝对误差和低于5.62%的最大误差,在估计精度上达到现有技术发展水平。
采用三层窗口局部对比度的红外小目标检测
韩金辉, 蒋亚伟, 张小件, 梁琨, 李知铮, 董兴浩, 李楠
2021, 50(2): 20200146.  doi: 10.3788/IRLA20200146
[摘要](40) [HTML全文](17) [PDF 2421KB](10)
在红外制导、预警等领域,高检测率、低虚警率和高实时性地检测出红外小目标具有重大的理论和实际意义。提出了一种采用三层窗口局部对比度的红外小目标检测方法,该三层窗口可以通过单尺度计算解决不同尺度小目标的检测难题,提高检测的实时性。同时,通过在对比度计算前、对比度计算中和对比度计算后等环节中分别对真实目标进行增强、对复杂背景进行抑制,实现提高检测率、降低虚警率的目的。在若干红外序列和图像中进行实验验证表明,相比8种现有算法而言,该方法可以取得更好的检测率和虚警率,其平均耗时仅为某些多尺度算法的1/3~1/2左右。
伯努利滤波器在纯角度跟踪场景中的应用
时国平, 钱叶册
2021, 50(2): 20200343.  doi: 10.3788/IRLA20200343
[摘要](42) [HTML全文](20) [PDF 1467KB](8)
所获得信息只包含角度信息的传感器被称为纯角度传感器,基于纯角度传感器的目标跟踪被称之为纯角度跟踪(Bearings-only Tracking,BOT)。BOT是目标跟踪领域的重要课题,在被动目标跟踪场景中能够发挥重要作用。伯努利滤波器(Bernoulli Filter,BF)是贝叶斯框架内的最优单目标滤波器,可以求得目标的存在概率和完整的后验概率密度函数,并判断目标出现和消失。作者将伯努利滤波器应用于纯角度跟踪场景下的单目标跟踪问题,提出了一种纯角度跟踪伯努利滤波器。在所提出的滤波器中,将目标相对于传感器的角度及其变化率作为状态矢量,用于估计目标是否存在;若目标存在,估计其状态信息。同时,还给出了所提出滤波器的粒子滤波(Particle Filter,PF)实现方法。仿真结果显示,与普通伯努利滤波器相比,所提出的纯角度跟踪伯努利滤波器能够更好地判断目标是否存在,同时滤波器对于目标估计的误差也更小。因此,所提出的滤波器具有更好的跟踪性能和更高的跟踪精度,能够有效应用于被动跟踪场景中。
光电测量
基于法化矩阵降维的多相机快速光束法平差算法
朱子健, 张贵阳, 杨明, 霍炬, 薛牧遥
2021, 50(2): 20200156.  doi: 10.3788/IRLA20200156
[摘要](37) [HTML全文](15) [PDF 1699KB](6)
针对多相机系统的高精度快速光束法平差问题,提出一种采用法化矩阵降维的多相机快速光束法平差新算法。充分考虑多相机系统中主从相机间的固定位姿参数关系,设置维数为3N (相机个数)×4的系统位姿变换矩阵,根据此矩阵可快速由主相机参数得到每个从相机的参数,并将此变换关系带入光束法平差算法中完成为对从相机位姿的求取。从相机的外参优化算法中便只需要对主相机的外参变化进行更新,由此将所有相机捆绑为一个整体,使雅可比矩阵与法化矩阵的维数相对下降,在一次迭代更新中可以完成对多个相机特征图像的运算,因此算法的精度与速度得到了大幅提高。根据仿真实验与实测实验表明,文中算法的优化精度比传统的光束法平差精度提高到了15.5%,运算效率提升了7.8%,能够满足实际工程的应用需求。
利伐沙班的定量检测:拉曼光谱法与远红外吸收光谱法
吕嘉明
2021, 50(2): 20210038.  doi: 10.3788/IRLA20210038
[摘要](36) [HTML全文](16) [PDF 2080KB](4)
利伐沙班是一种新型口服抗凝药,它具有疗效确切、安全性好、使用方便等优点,所以经常用于静脉血栓栓塞性疾病的预防与治疗,以及非瓣膜性房颤的卒中预防。由于利伐沙班在患者体内的浓度会影响其对凝血因子Xa的抑制作用,这导致患者的临床反应有个体差异,影响最终治疗效果。为了更加合理地使用利伐沙班,临床上需要监测人体血液或尿液中利伐沙班的浓度。针对该临床需求,文中基于远红外指纹谱和拉曼特征谱在物质有效识别和定量分析的优势,采用傅里叶变换红外光谱仪和激光共聚焦拉曼光谱系统,针对液体状态下利伐沙班进行识别并定量检测。文中先通过傅里叶变换红外光谱仪检测利伐沙班的远红外吸收谱随其浓度发生的变化,再通过激光共聚焦拉曼光谱系统检测了利伐沙班的拉曼光谱随其浓度发生的变化,最后比较了远红外光谱法与拉曼法的准确率。经过比较,远红外检测的精度比拉曼光谱检测的精度提升2倍。这些结果对临床医学中利伐沙班的使用具有重要意义。