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2015年  第36卷  第3期

光电系统与工程
三维形貌测量激光雷达光学系统设计
张欣婷, 亢磊, 安志勇
2015, 36(3): 337-342. doi: 10.5768/JAO201536.0301001
摘要:
利用差频干涉原理设计了基于迈克尔逊干涉仪的激光雷达测距系统,该系统配合轴角编码器,可实现三维形貌测量。介绍了激光雷达发射系统和接收系统的设计,发射系统根据高斯光束准直理论,确定光学系统的相关参数,设计了可用于2 m~18 m范围内的激光测距系统,同时利用Zemax的宏语言编程,绘制出变倍曲线。接收系统根据激光雷达测距方程,确定目标的相关参数,以获取最大的回波能量,并通过光学系统将回波光束耦合进光纤。该系统实现了发射、接收共光路,可用于轨道客车的子弹头面型的非接触测量及其他复杂的三维面型,具有测量速度快、精度高的特点,有着很广阔的发展前景。
视觉技术辅助的无人机自主着陆组合导航研究
蔡鸣, 孙秀霞, 徐嵩, 刘希, 刘日
2015, 36(3): 343-350. doi: 10.5768/JAO201536.0301002
摘要:
为提高无人机自主着陆过程中导航系统的自主性与精确性,设计了一种视觉辅助惯导组合导航方法。该方法以惯导误差方程为过程方程,以着陆过程中单目摄像机2个时刻所得地面特征点投影之间的双视图几何约束为量测方程,构建了非线性滤波器;利用SR-UKF方法实现了惯导误差估计,提高算法效率的同时有效地避免了UKF中由于矩阵开方运算导致的滤波失效;最后根据估计结果校正了惯导导航数据。仿真结果表明:该方法能够提高导航系统精度,使误差降低到惯导系统的8%左右。
三轴光电侦查平台可周转指向光束姿态算法设计
尹剑, 高教波, 张琬琳, 陈红
2015, 36(3): 351-355. doi: 10.5768/JAO201536.0301003
摘要:
为解决某三轴可旋转光电侦查平台上光束旋转的姿态计算问题,分别利用了四元数算法和坐标变换算法对该问题算法进行了推算。经过仿真验证,这两种算法都能够得到正确结果。相比较而言,坐标变换算法形式简单,便于理解和实现。但是,坐标变换计算过程中大量使用的三角函数计算,计算量大,实时性差;四元数算法使用的三角函数计算很少,更易于工程应用。
散斑技术在激光寻的制导武器仿真系统中的应用
韩刚, 许亚娥, 沈阳, 王进, 王森
2015, 36(3): 356-361. doi: 10.5768/JAO201536.0301004
摘要:
通过对激光寻的制导武器发展现状的分析,以激光半主动寻的制导炮弹为例,在总结实际工作经验的基础上,创新性地利用激光散斑技术理论就如何正确调校激光寻的制导武器仿真系统中的光学系统进行了研究和分析,从理论上实现了仿真与实际工作环境的一致性,并经过生产实践和实际靶试验证是完全可行的,具有一定的现实意义和参考价值。
船载光电转台设计及特定环境下可行性分析
张雷, 邱亚峰, 曹源
2015, 36(3): 362-368. doi: 10.5768/JAO201536.0301005
摘要:
结合船载光电转台的技术要求,通过pro/E软件设计舰载光电转台的机械结构。根据转台的表面材料,运用ABAQUS软件对其在海洋的等价静力风载、极端温度场和海浪振动3种特殊环境下进行表面变形分析,校验结构的应力和应变,确保满足船载光电转台的设计精度要求;得到在等价静力风载作用下,光电转台的最大应力点大小为255 MPa,小于钢的屈服强度355 MPa;在温差作用下最大应力点分别为174.8 MPa、247.1 MPa,均小于铝合金的屈服强度274 MPa;在海浪振动作用下,1~5阶振型的最大形变位置均不在转轴附近。
玻璃质量在线视觉检测系统光源的设计
苑玮琦, 毕天宇
2015, 36(3): 369-375. doi: 10.5768/JAO201536.0301006
摘要:
为了实现生产线上玻璃质量的自动检测,采用机器视觉的方法对生产线上的玻璃进行缺陷检测。采集图像过程中光照方式对图像质量影响很大,为了避免由光照效果不佳对玻璃质量判断造成的干扰,保证视觉检测系统可识别不同种类的裂痕,研究了机器视觉系统中光源系统相对于生产线上玻璃的位置和光强度,解决上述问题造成的影响。分析光源系统对拍摄玻璃图像中缺陷部分和质量合格部分的相关影响,提出了一种可以检测出不同种类裂痕的光源照射方式,使其能够拍摄满足条件的高质量玻璃图像。通过样本批量测试实验证明:该光源照射方式对玻璃质量在线检测的识别准确率均为90%以上,所采集图像质量满足要求,能够准确检测出不合格产品的缺陷位置、面积大小及缺陷深度。
广角大相对孔径f-θ透镜光学设计
苏阳, 安志勇, 李琦, 徐淼
2015, 36(3): 376-380. doi: 10.5768/JAO201536.0301007
摘要:
激光扫描系统中f-透镜是必不可少的部件,针对目前国内激光扫描系统工作面小、测量速度慢、测量精度低等缺点,设计出一种大视场大相对孔径f-透镜以改善以往系统的不足,提高工作效率。设计中透镜是一种负畸变透镜,属于像方远心光路,预期参数为2=60,D=120 mm,f=500 mm。经过计算后,利用Zemax软件对f-透镜模型进行了优化设计,得到艾里斑直径3.514 m,扫描范围为500 mm500 mm,相对孔径为6/25的大工作面大相对孔径的f-透镜,成像清晰,优化结果达到了预期的设计指标。
基于定抛物面调制的直下式匀光照明透镜设计
孟蝶, 张荣福, 郁浩
2015, 36(3): 381-385. doi: 10.5768/JAO201536.0301008
摘要:
对于近场大角度的匀光照明系统,透镜的一般设计方法是采用内表面为球形的自由曲面透镜设计,计算的自由曲面透镜只需考虑一次折射。但是当角度达到一定范围时,在透镜的内表面容易发生全反射,导致目标面照度不均匀。为了在近场照明系统中得到更大角度的配光,提出一种以合适的抛物面作为自由曲面透镜的内表面的设计方法,内抛物面先对光源的能量进行一次扩散,再计算自由曲面面型,通过模拟仿真,实现了在距离光源15 mm处形成半径40 mm的光斑,均匀度达到95%,能量利用率达到97.8%,相对于传统的直下式透镜,提高了照明的均匀度,同时减少了箱体的厚度。
光电信息获取与处理
一种基于数字图像的多目标检测方法
王超, 纪明, 王娇颖, 姜文涛, 解静, 李涛, 高雅
2015, 36(3): 386-390. doi: 10.5768/JAO201536.0302001
摘要:
为使武器系统具备同时对多个目标进行精确打击的能力,在光电系统中可采用多目标视频跟踪器辅助激光照射器、伺服稳定平台实现多个潜在目标同时捕获跟踪并打击。研究了一种运行于多目标视频跟踪器的目标检测方法,针对数字图像分辨率高、数据量大及难以在嵌入式系统中实时运行的难点,基于TMS320C6455 DSP处理器,提出基于小波金字塔的全局运动光流估计算法图像配准实现运动图像的背景补偿以获取差分图像,相比传统的块匹配、灰度投影配准及基于特征点的配准算法,具有配准精度高与可嵌入式系统实时处理等优点,在差分图像中采用区域生长结合管道滤波算法提取图像中多个运动目标。经实验验证,该方法在复杂地面场景对汽车、自行车及行人目标检出率可达95%,计算时间仅为25 ms,具有良好的实时性和检测效果。
基于背景加权空间直方图的目标跟踪
刘芳, 余旺盛
2015, 36(3): 391-397. doi: 10.5768/JAO201536.0302002
摘要:
针对传统目标跟踪算法中存在的特征鲁棒性不强的问题,提出了一种基于背景加权空间直方图的目标跟踪算法。算法通过综合背景加权直方图和空间直方图二者各自的优势,增强了特征描述的鲁棒性,进而在Mean Shift跟踪框架下实现了对运动目标的跟踪。仿真实验与定量分析表明,所提算法能够实现对目标的稳定跟踪,跟踪所得的平均中心位置误差较传统算法降低了80%以上。
基于液晶光阀的视频光学加解密技术研究
王洪伟
2015, 36(3): 398-402. doi: 10.5768/JAO201536.0302003
摘要:
高清监控视频的加密传输是一个重要的研究领域,但是随着监控图像清晰程度不断提高,现行视频加密算法的运行开支面临着严峻的考验。因此对视频传输过程中使用光学加解密的可行性进行了探索,提出了基于液晶光阀和双随机相位编码的单通道视频光学加解密技术。该技术的加解密耗时几乎为零,极大提高了视频的传输性能;同时由于光学加解密技术只用在现有视频传输链路的最前端以及末端,不涉及视频编码和传输,增强了系统可用性和通用性。利用Matlab对该方法进行了仿真计算。结果表明,加密后的各通道图像接近白噪声,通过破解的方法恢复原图像的可能性几乎为零;同时可以看到,经过该系统解密之后的图像基本能完全复原。因此该方法在高清化视频日益普及的未来有着广阔的推广价值和应用价值。
红外伪彩色图像的去彩化研究
杨晨, 张智勇, 王继红, 黄寓洋, 丁召
2015, 36(3): 403-407. doi: 10.5768/JAO201536.0302004
摘要:
为适应人眼的感知能力,伪彩色编码技术常被用于处理红外探测系统输出的灰度图像。较于灰度图像,计算机对彩色图像处理所需的存储量与计算量较大。鉴于某些红外设备只提供伪红外图像的输出,因此伪红外图像的去彩色化算法成为该文的主要研究目标。除利用最大值分解、平均值与光亮度法3种常见灰度化算法对伪红外图像的处理外,直接对伪彩色图像进行解码的方式也在文中被用于红外图像的去彩色化。实验基于上述两类方法,对线性与正弦非线性彩虹伪彩色图像的去彩色化进行了研究,并对处理后图像的质量进行了比较。实验结果表明,常规灰度算法处理后的伪彩色图像质量较差,而线性伪彩色图像经解码处理后可完全恢复出原图,实现0均方差;对于正弦非线性算法,虽然存在由量化误差引起的损失,但与原图像比仍有非常低的均方差(0.309 4)与高的峰值信噪比(101.356 0)。
光学计量与测试
低温辐射计的结构优化方案设计
庞伟伟, 郑小兵, 李健军, 吴浩宇, 史学舜
2015, 36(3): 408-414. doi: 10.5768/JAO201536.0303001
摘要:
传统低温辐射计的布儒斯特窗口会对传递探测器的绝对光谱响应率定标产生较大的影响。文中阐述了低温辐射计对传递探测器的传统定标过程;分析定标过程中因布儒斯特窗口及窗口复现导致定标精度降低的原因;提出一种新的定标结构。该结构中低温辐射计和传递探测器安置于同心弧形轨道上,二者通过精密电机的控制可以分时切入定标光路,实现传递探测器相对于低温辐射计的绝对定标。新的定标结构能够完全消除布儒斯特窗口在传递探测器定标过程中的影响,降低测量激光功率约50%的不确定度,可以进一步降低辐射定标溯源基准的不确定度,提高定标的精度。
双光束抽运对全光Cs原子磁力仪灵敏度的影响
刘强, 张晓雨, 刘超, 付天舒, 刘东明, 孙 鉴, 夏长超
2015, 36(3): 415-419. doi: 10.5768/JAO201536.0303002
摘要:
原子磁力仪的灵敏度直接取决于抽运光对原子的极化率。分析了Cs原子气室中充入13 332.2 Pa He缓冲气体,两束抽运光频率分别锁定在Cs原子D1线F=4F=3和F=3F=4共振跃迁线时,基态和激发态各磁子能级上粒子数变化的动力学过程,发现在抽运光的持续作用下Cs原子基态F=3和F=4各磁子能级上的粒子被完全抽运至|F=4,mF=4态,Cs原子极化率达到最大值。同时,实验结果证明双光束抽运有效提高了磁力仪响应特性曲线的信噪比,从而使原子磁力仪的灵敏度提高了34%。
基于灭点理论的目标姿态角单站测量
张颂, 谢永杰, 张华良, 赵岩
2015, 36(3): 420-423. doi: 10.5768/JAO201536.0303003
摘要:
提出了一种基于灭点理论的目标姿态角单站测量方法,利用单台光测设备的参数信息和目标在图像上的灭点位置计算目标特征直线的方向,从而获得目标的姿态信息。同时给出了灭点精度评价指标,可作为姿态测量精度的评价标准和加权融合时的权重因子。通过模拟实验和实物实验验证了方法的可行性和准确性。该方法与中轴线法测量偏差均值为0.2,表明所给出的方法对类柱状目标的姿态测量具有精度高、易于实现的特点。
基于支持向量机的分布式光纤泄漏检测定位系统及实验分析
黄悦, 王强, 韩玲娟, 朱俊
2015, 36(3): 424-429. doi: 10.5768/JAO201536.0303004
摘要:
针对基于Sagnac和Mach-Zehnder混合干涉仪的分布式光纤管道泄漏检测定位系统进行了泄漏实验,采用在1 km~9 km之间的20组泄漏点样本,依据支持向量机建立样本数据的回归模型,对支持向量机的相关调整参数进行了优化,对系统的灵敏度进行了分析。实验结果表明,经SVM回归分析可得,处理后样本比实验所得泄漏点位置更接近实际泄漏点位置,传统定位方法得到的泄漏点位置平均绝对误差为118.85 m,经过回归分析后样本的平均绝对误差为92.01 m,定位精确度达99.85%,定位精度提高;当泄漏点距法拉第旋转镜的距离越远,检测系统的灵敏度越小,当泄漏点位置超过10 km时,系统的灵敏度低于0.5 Hz/m。
微光夜视器件与成像
三波段微光彩色夜视方法研究
陈一超, 胡文刚, 武东生, 何永强, 张东晓, 李晓明
2015, 36(3): 430-434. doi: 10.5768/JAO201536.0304001
摘要:
为克服夜视设备产生单色图像的缺陷,得到更符合人眼视觉的彩色夜视图像。根据RGB理论模型以及滤光片的分谱作用原理,基于第二代像增强器设计出一种彩色夜视方案,通过测量滤光片的光谱透过率,得出滤光片对像增强器信噪比的影响;提出利用全波图像的四帧融合解决像增强器信噪比低的问题,并进行实验验证。实验结果显示室内和室外情况下四帧融合彩色图像熵和方差分别达到6.8、35.39及7.0、45.07,均优于三帧融合时对应值,说明提出的四帧融合方法能够克服信噪比降低的缺陷,得到清晰且信息量丰富的夜视图像。
基于微光像增强器的偏振成像系统设计与实验
茹志兵, 刘冰, 李双全, 张晓亮, 邹程帅, 张奇贤
2015, 36(3): 435-441. doi: 10.5768/JAO201536.0304002
摘要:
为验证用微光像增强器实现偏振成像的可行性,根据偏振成像原理,设计了基于分时型偏振成像技术的微光偏振检偏器。选用三代像增强器和高动态范围数字CCD,设计了相应大口径成像物镜和中继光学耦合透镜,获得了高透过率、高调制函数(MTF)的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡,编写了相应图像处理软件,实现了实验室和野外微光条件下的人造目标和自然景物的偏振探测成像。结果表明,原始图像中目标与背景对比度之比为1.35,基于微光像增强器的偏振成像系统的目标与背景对比度之比为2.35,微光偏振成像能够提高夜间环境下人造目标和自然背景的对比度。
用于枪击探测的紫外光传感器技术指标分析
刘振吉, 楚盛, 杨永辉, 刘金, 袁小兵
2015, 36(3): 442-447. doi: 10.5768/JAO201536.0304003
摘要:
利用一款标准的日盲型紫外探测传感器对枪击火焰进行了探测实验,结合紫外光传输特性,对实验数据进行分析,提出了探测枪击火焰紫外光谱的传感器技术指标。不考虑入射角度和响应时间的影响,1 km处要检测到步枪击发,传感器响应电流达到能明显检出的100 nA,则传感器的响应率和响应面积乘积至少达到0.002 AW-1m2。根据一种枪击探测装置原型方案,对紫外探测传感器的透光性、日盲特性、对紫外光的响应率、入射角和短路电流等技术指标进行了分析。采用分子束外延法制备了一种MgZnO紫外探测传感器,对其紫外光谱透光率、响应率和响应时间进行了测量,进一步优化性能后有望满足枪击探测要求。
光学元件与制造
基于数字光刻投影系统的快速微加工技术
张雅雅, 崔建国
2015, 36(3): 448-453. doi: 10.5768/JAO201536.0305001
摘要:
设计一种经济有效的微流体芯片加工方法,可以快速地在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面加工出不同尺寸的微流路。 利用商用数字投影仪的成像原理,对其进行简单的改装,得到成缩小像的数字光刻投影系统(DLPS),并利用该系统在PDMS表面加工微流路;同时通过荷叶效应和毛细吸附效应两组实验,对DLPS的加工性能进行了验证和应用。 该DLPS可在PDMS表面加工微结构,最小稳定加工精度可达40 m,通过模仿荷叶效应获得的材料表面,其疏水角增加到1233。 该DLPS系统可用于快速加工微流体芯片,当流路尺寸要求不是很严格时,低成本和高效率等优点使该系统完全适合在普通实验室开展微流体技术的研究。
基于超分辨率快速测量的切边冲孔机误差补偿方法
叶溯, 叶玉堂, 刘娟秀, 刘霖, 杜春雷
2015, 36(3): 454-459. doi: 10.5768/JAO201536.0305002
摘要:
在切边冲孔机长时间生产中,为了减小菲林形变引起的柔性电路板(FPC)冲切位置误差,利用目标冲切完成后的图像信息,测量金手指与冲切边缘间的距离,计算出系统误差并进行误差补偿。结果显示,经过误差补偿后,系统的冲切位置均方根误差在X与Y方向分别减小了41.6%与17.0%,系统的制程能力指数(CPK)达到1.611 8。利用菲林加大了FPC产品的外围尺寸,提高了产品的可利用面积,降低了生产成本。提出的超分辨率快速测量方法不需要对图像进行配准,可以将边缘位置定位误差由0.5个像素降低为0.25个像素。使用的误差补偿方法能够减小长时间生产所引起的冲切位置误差,设计的系统满足FPC的冲切精度要求。
摆镜扫描傅里叶变换光谱仪光程差计算
刘日龙, 刘木华
2015, 36(3): 460-462. doi: 10.5768/JAO201536.0305003
摘要:
摆镜扫描傅里叶变换光谱仪利用摆动扫描方式产生光程差,减小了因动镜倾斜带来的误差影响。从摆扫干涉光谱技术原理出发,对摆镜扫描傅里叶变换光谱仪的光程差进行理论分析,给出了光程差计算表达式,实验结果表明:该光谱仪光程差近似正比于摆动角度。分析了轴外光线因不同入射角所产生的附加光程差,为傅里叶变换光谱仪的指标确定和优化设计提供了理论依据。
倍频激光器中KTP晶体失调研究
李晓明, 沈学举, 李刚, 刘恂
2015, 36(3): 463-468. doi: 10.5768/JAO201536.0305004
摘要:
针对目前常用的KTP晶体,研究其倾斜失调和旋转失调对倍频激光器转换效率的影响。基于主轴坐标系变换,建立KTP晶体倾斜失调理论模型,对倾斜失调和旋转失调时激光非线性频率变换过程进行理论分析并设计实验验证。结果表明,倾斜失调时,转换效率会随着倾斜失调方向的变化出现2个大小不同的窄峰值,且倾斜角度越大,两峰值所在方向夹角越小,其余方向转换效率为零,与理论计算一致;对于旋转失调,Ⅰ和Ⅱ类相位匹配转换效率随失调角度分别呈和/2周期变化。该结果可用于倍频激光器设计。
激光技术
反射式可调激光衰减器的研究
薛战理, 俞兵, 吴沛, 韩占锁, 秦艳, 陈娟, 李宏光
2015, 36(3): 469-474. doi: 10.5768/JAO201536.0307001
摘要:
针对1 064 nm激光波长,设计出一种基于斜入射时偏振光在介质分界面上不同反射率原理的连续可调激光衰减器,角度控制精度为6、损伤阈值为100 W/cm2(连续)、0.1 J/cm2(10 ns脉冲)。实际测量了衰减器的透过率,透过率范围为8.510-5~1。分析了衰减器对传输光束质量的影响,并针对衰减器的性能改善进行了探讨。
连续波CO2激光对多晶硅探测器干扰损伤实验研究
王东, 张恒伟, 覃小虎, 张岩岫, 王非
2015, 36(3): 475-479. doi: 10.5768/JAO201536.0307002
摘要:
为进一步研究激光对光电探测器的干扰及损伤,利用10.6 m连续CO2激光辐照多晶硅光电探测器,进行了干扰与损伤阈值实验研究,得到了对多晶硅探测器的饱和干扰、损伤干扰阈值分别为5.5510-4 W/cm2、0.48 W/cm2;分析了不同干扰功率、不同干扰时间的干扰效果,依据探测器受干扰程度提出了将干扰等级划分为点饱和、中度饱和、重度饱和与点损伤4个等级;通过干扰激光功率与干扰光斑面积的变化关系,得到两者按幂函数y=76.3x0.29关系变化,并依据该变化关系探讨了10.6 m脉冲激光对红外成像系统的干扰效果。
光纤传感和光通信
光纤数据链路模拟器设计
殷洪波, 林小娟, 王振兴, 尹海林, 王 兵, 刘 丹, 王小婷
2015, 36(3): 480-485. doi: 10.5768/JAO201536.0308001
摘要:
为分析光纤制导导弹飞行中光纤信道变化情况,满足导弹动静态仿真需求,设计了一种能够模拟光纤数据链路传输损耗特性的装置。研究内容包括建立系统传输损耗的动态、静态模型。利用光模拟器实现导弹飞行中可能遇到的信道干扰、数据延迟、动态损耗等情况。实验结果表明,光信号干扰的变化范围达到-50 dBm~-40 dBm,光信号的传输延迟范围为16.65 s~99.9 s,模拟器动态损耗调整范围为0 dBm~50 dBm,可用于验证导弹光纤传输系统的性能。
分布式反向抽运光纤拉曼放大器的功率转换效率分析
龙青云, 胡素梅, 彭志平
2015, 36(3): 486-491. doi: 10.5768/JAO201536.0308002
摘要:
为了对反向抽运光纤拉曼放大器的功率转换效率进行研究,由耦合方程出发,采用龙格库塔算法和打靶法相结合的数值模拟方法,详细分析所有物理因素对反向抽运光纤拉曼放大器功率转换效率的影响。结果表明:功率转换效率先随着光纤长度增加而增加,当增加到最大值时保持数值不变;功率转换效率随着初始信号光功率、光纤拉曼增益系数、信号光损耗系数增加而增加,随着光纤有效面积、抽运光损耗系数、抽运光与信号光的频率比增加而减小;功率转换效率和初始抽运光功率呈抛物线曲线关系。所得结论对反向抽运光纤拉曼放大器功率转换效率的进一步研究以及光纤拉曼放大器的其他相关研究有重要参考意义。
基于熔融拉锥技术的双折射晶体包层型光纤偏振器的研究
赵海军, 谢良平, 曹阳, 董彩霞, 王少华, 张佳全
2015, 36(3): 492-496. doi: 10.5768/JAO201536.0308003
摘要:
建立简单模型,推导了晶体包层型光纤偏振器消光比的表达式,分析了消光比随锥腰直径和晶体包层长度的变化关系。兼顾锥腰光纤强度要求,对偏振器制作参数进行优化分析,并进行相应的实验研究。实验结果表明选择合适参数制作的偏振器,消光比优于30 dB,损耗小于0.5 dB,在-50 ℃~+70 ℃温度范围内消光比变化小于1.5 dB,损耗变化小于0.5 dB,具有很好的温度性能和稳定性