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2018年  第39卷  第3期

光电系统与工程
一种微小型导引头视场下偏角的标定方法
万子敬, 王向军, 陈晓昀
2018, 39(3): 301-308. doi: 10.5768/JAO201839.0301001
摘要:
描述了一种应用于微小型光学导引头视场下偏角标定的方法,通过获得导引头绕自身回转轴线转动时拍摄的固定靶标图像计算不同旋转角度时导引头中心视线落点和摄像机坐标系原点在世界坐标系下的坐标,以拟合获得的这2组点的分布建立空间几何关系进而得出下偏角。给出了3组实验数据,分别检验该方法的标定误差、实际所需的采样点数并给出了实际工作中的应用效果。实验表明该方法可以快速标定导引头系统的下偏角,其标定绝对误差小于0.10°。
陆用高精度激光惯导装备使用维护问题研究
杨建强, 艾文宇, 刘洪良, 杨林
2018, 39(3): 309-315. doi: 10.5768/JAO201839.0301002
摘要:
目前国内装备应用单位对陆用高精度激光惯导装备的使用维护保养不当或不规范对惯性装备性能的影响尚无准确的理论分析,为此,以某型陆用高精度激光陀螺定位定向系统为研究对象,结合国内惯性传感器技术水平现状,详细分析了陆用高精度激光惯导装备对维护保养的需求以及规范维护保养作业的重要性。该型产品通过定期通电和系统定标维护,故障产品性能恢复,维护保养前后的水平定位精度典型实测数据分别为8.35 m(CEP)和2.9 m(CEP),以期为国内同类装备的设计、生产以及部队使用提供参考和理论支撑。
红外偏振成像系统光学设计
黄诗喆, 田继文, 薛庆增
2018, 39(3): 316-320. doi: 10.5768/JAO201839.0301003
摘要:
物体的光学信息除了常见的光谱信息还包括偏振信息。对偏振信息的采集能够实现复杂背景下对特定目标的信息提取,特别是金属目标的信息提取。结合偏振成像的原理、组成和特点,采用共孔径共探测器长波红外偏振成像系统对目标信息进行提取,通过仿真软件进行分析,系统可探测到3 km远的车辆目标, 且成像质量良好。
红外昼夜跟瞄系统工作波段选择与分析
徐胜, 王虎, 王明歆, 梁晓东, 刘彤
2018, 39(3): 321-325. doi: 10.5768/JAO201839.0301004
摘要:
针对红外系统设计中工作波段选择问题,从探测器性能、光学弥散斑、大气传输特性、目标与背景辐射特性、海杂波干扰等多个方面对中波和长波红外进行了对比分析;制定了详细的中波和长波红外热像仪昼夜探测效果摸底试验方案,得出在不同时间、不同气象条件下2种探测器对相同目标的探测试验数据。结合试验数据与理论分析,提出红外系统在用于对岸远程昼夜探测情况下波段选择的建议。
一种针对高速小目标的偏航角测算方法
张潇, 王灿召, 张兵, 蔡勇
2018, 39(3): 326-331. doi: 10.5768/JAO201839.0301005
摘要:
射弹偏航角是影响电磁轨道发射装置发射精度的关键参数,为实时、高精度测量射弹偏航角,提升电磁轨道发射装置发射精度,基于双目视觉原理提出一种无需目标速度的射弹偏航角测算方法。利用高速射弹轨迹图像,通过构建像机线性成像模型解算高速射弹图像坐标,实现目标偏航角的测量。分析了光学系统参数对测量精度的影响,理论误差约为14.5 μrad。偏航角测量实验结果表明该方法能够实时、准确测算射弹偏航角,测算量偏差平均值为0.58 mrad。
空间外差拉曼光谱仪成像镜头光机热集成分析
张纪承, 罗海燕, 胡广骁, 李志伟, 方雪静, 熊伟
2018, 39(3): 332-338. doi: 10.5768/JAO201839.0301006
摘要:
便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型;仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化;将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。
多光谱共孔径无穷远目标器设计
纪小辉, 孔巍
2018, 39(3): 339-342. doi: 10.5768/JAO201839.0301007
摘要:
为实现场外车载光电跟踪仪的各光轴一致性检校,提出一种利用多光谱共孔径无穷远目标器、转光管和移动机构来实现对各光轴检校的方法,并对目标器进行了光学设计和总体结构设计,对影响检校的主要误差进行了分析。目标器总体尺寸为750 mm×120 mm×100 mm,采用离轴双曲面反射式光学系统,焦距为1 200 mm,孔径为50 mm,视场2°,分划板采用ZnS材料,光源采用溴钨灯,利用Zemax光学设计软件优化系统,实现焦面最大弥散斑为RMS 35.766 μm, 在空间频率5 lp/mm处,OTF均高于0.3,各项指标满足检校要求。
基于结构光的植保无人机障碍物在线检测系统
陈念, 吴开华, 王文杰
2018, 39(3): 343-348. doi: 10.5768/JAO201839.0301008
摘要:
为了确保植保无人机在飞行作业过程中的安全,要求植保无人机具有自动避障能力,为此提出了基于结构光视觉的障碍物检测方法。为提高障碍物检测的实时性,重点研究了基于嵌入式平台的植保无人机障碍物检测系统,通过将障碍物图像处理算法的并行计算映射到GPU硬件资源上完成,大大提高了算法的运行效率。实验表明,在保证障碍物轮廓线完整的前提下,通过对比CPU和CPU-GPU实现处理算法,障碍物检测系统获得了约46.15的加速比,采集及处理时间约为48.985 ms。该系统具有处理效果明显与实时性好等优点,为植保无人机的实时障碍物检测和进一步实现自动避障奠定了基础。
光电信息获取与处理
应用形状因子特征的高效星图识别
陆壮志, 周鑫, 万志江, 王安迪
2018, 39(3): 349-354. doi: 10.5768/JAO201839.0302001
摘要:
针对传统的三角形星图识别算法存在冗余匹配多、抗噪声性能差的问题,提出了一种应用形状因子特征的高效星图识别算法。该算法在传统的三角形算法基础上,引入了形状因子特征参数和方向信息,并择优选择视场内4颗观测星,组成一对观测三角形,进行星点匹配识别。与传统的三角形算法相比,该算法增加了星图识别时图像的特征信息量,降低了匹配时的冗余度,具有导航特征库存储空间小、识别速度快等优点。实验表明,在星点位置噪声标准偏差为2个像素、星等噪声标准偏差为0.7星等的仿真条件下,该算法的识别率均在99%以上;通过地面实验的实物验证,在300 MHz的FT-C6713的DSP硬件平台上,全天自主识别的平均运行时间约为47 ms,具有明显的优势。
衍射光学元件检测及数据处理
张云龙, 汪志斌, 张峰, 郭小岗, 李军琪
2018, 39(3): 355-358. doi: 10.5768/JAO201839.0302002
摘要:
衍射光学元件以其优异的光学性能,能够调制出理想的波面,较球面、非球面光学系统在校正色差方面具有较大优势。衍射光学元件的加工难点在于其加工精度不仅要求非球面基底的面形满足精度要求,还需要衍射结构的相位突变点及高度满足要求。由于其面形非连续性,存在相位突变点,传统的检测方式难于满足要求。对轮廓仪检测误差来源进行分析,结合检测数据分析加工误差数据,在此基础上进行数据处理,并将该方法获得的误差数据应用于零件加工,实现口径120 mm衍射面加工面形误差为0.539 μm。
AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率研究
常凌颖, 郑爱国, 宋晶晶
2018, 39(3): 359-365. doi: 10.5768/JAO201839.0302003
摘要:
基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,由于声光晶体是其核心分光器件,它的性能将影响目标信息的获取能力。因此, 研究提高声光晶体衍射效率的方法是AOTF成像光谱仪研制的重点和关键。首先介绍了AOTF成像光谱仪的工作原理,基于耦合波理论推导了声光晶体衍射效率方程,然后对AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率的影响因素进行数值仿真分析,最后,用Tracepro软件对不同入射光进行了仿真计算。分析结果表明,当AOTF成像光谱仪工作波长范围在0.4 μm~0.9 μm时,为使衍射效率能达到最大值,各个影响因素的最优值是:换能器长度d为2.5 mm,光栅倾斜角φ选择在80°,入射光选择o光。
基于RBF神经网络气压补偿的非色散红外SF6气体传感器
裴昱, 陈远鸣, 卞晓阳, 赵勇毅, 赵正杰, 常建华
2018, 39(3): 366-372. doi: 10.5768/JAO201839.0302004
摘要:
非色散红外SF6气体传感器具有测量范围广、灵敏度高、抗干扰能力强等优点,在电力系统中具有广泛的应用。在实际检测过程中,环境气压的变化对气体传感器的检测精度有较大的影响,提出利用RBF神经网络建立气体传感器气压补偿模型,运用其泛化和非线性映射能力对环境气压波动引起的测量误差进行补偿。实验结果表明:采用气压补偿模型后的气体传感器在气体浓度3 260 mg/m3~9 781 mg/m3,气压100 kPa~120 kPa范围内,最大测量误差由±646 mg/m3降为±52 mg/m3,测量精度为±0.53%FS。该方法相比于拟合法和硬件电路补偿法具有更高的测量精度和稳定性,降低了传感器的体积和成本。
光学计量与测试
基于自适应条纹投影的高反光物体三维面形测量
王柳, 陈超, 高楠, 张宗华
2018, 39(3): 373-378. doi: 10.5768/JAO201839.0303001
摘要:
结构光投影方法在三维形貌测量中应用广泛,但是由于被测物体表面反射率变化范围较大,过度曝光会导致相位信息无法获取。而传统的高动态范围扫描技术步骤复杂,耗时较长。文中提出一种自适应条纹投影技术,向待测物体表面投射较高灰度级的条纹图,判断并标记过度曝光点。降低投射强度后通过非线性最小二乘法拟合来确定每个饱和像素点最适合的最大输入灰度,用重新生成的自适应条纹图来采集图像并进行相位计算和三维形貌恢复。通过实验验证,该方法可以对物体表面的高反光区域进行有效测量,避免过度饱和,仿真误差在0.02 mm范围内,实测误差约为0.14 mm,实际实验对过曝点的补偿率可达到99%。
基于多视场拼接的飞机偏心定位距精确测量
张建花, 张杰
2018, 39(3): 379-384. doi: 10.5768/JAO201839.0303002
摘要:
针对某型飞机飞行试验中,无法采用常规机载影像测量方法精确计算飞机滑跑过程偏心定位距的问题,设计了一套基于地面多像机视场拼接的影像测量方案。通过在跑道边多点交错布设高速像机阵列,组成高速像机测量控制网,实现飞机滑跑过程影像的全覆盖;采用多摄像机交会接力测量以及数据拼接的方式,实现飞机偏心定位距的测量。实验仿真结果表明,采用该方案偏心定位距最大测量误差不大于3 cm,满足飞行试验精度要求。
三维形貌柔性测量系统标定方法及验证
侯茂盛, 王强, 马国庆, 刘流, 李丽娟
2018, 39(3): 385-391. doi: 10.5768/JAO201839.0303003
摘要:
为了避免机器人模型误差对三维形貌柔性测量系统手眼标定的影响,对手眼关系的标定方法进行了研究。提出了一种融合特征点拟合的手眼标定方法。将三维形貌扫描仪安装在工业机器人末端搭建三维形貌柔性测量系统。标定时,首先利用激光跟踪仪对工业机器人末端法兰盘坐标系进行测量,得到两者转换关系;然后,利用三维形貌扫描仪和激光跟踪仪对空间固定的特征点组进行测量,利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法求解两者转换关系即可间接地求解出手眼关系。基于ATOS三维扫描仪、安川HP20D机器人和API公司生产的激光跟踪仪进行了手眼标定实验,并进行了精度验证。结果表明:标定后的三维形貌柔性测量系统,其重复性测量精度(3σ)不超过0.1 mm,长度测量精度的均方根误差在0.2 mm以内,点云拼接精度优于±0.7 mm。该方法有效避免了传统手眼标定过程中会引入机器人模型误差的问题,在求解手眼关系解时采用了线性的解法,并且适用于三维形貌柔性测量系统。
全视角高精度三维测量仪光学系统误差分析研究
张建隆, 潘鑫, 贺磊, 杨振, 郭鑫民, 康为民
2018, 39(3): 392-399. doi: 10.5768/JAO201839.0303004
摘要:
大视角、高分辨率、低畸变光学成像系统是全视角高精度三维测量仪中最为关键的核心器件。现有三维测量仪实际使用过程中不可避免会产生各种误差,因此科学合理地评估和降低全视角高精度三维测量仪的测量误差具有十分重要的科学及工程应用意义。通过多角度、全方面分析定量研究了相机内方位元素标定误差对几何定位误差的影响,以及相机光学系统MTF分析、点扩散函数分析、波像差分析和公差分析对匹配误差产生的影响。研究结果表明,在各种影响三维测量仪光学成像系统测量误差的因素当中,相机的传递函数是影响系统三维定位误差最主要的因素,当系统MTFN值大于0.4 lp/mm、系统几何畸变小于1个像素,PSF能量集中在以3 μm为半径的圆环内(小于1个像素),且PSF峰值达到了0.9时,三维测量仪的定位误差可达到秒级精度。
二氧化钛薄膜表面粗糙度研究
潘永强, 杨琛
2018, 39(3): 400-404. doi: 10.5768/JAO201839.0303005
摘要:
为了探究二氧化钛(TiO2)薄膜表面粗糙度的影响因素, 利用离子束辅助沉积电子束热蒸发技术对不同基底粗糙度以及相同基底粗糙度的K9玻璃完成二氧化钛(TiO2)光学薄膜的沉积。采用TalySurf CCI非接触式表面轮廓仪分别对镀制前基底表面粗糙度和镀制后薄膜表面粗糙度进行测量。实验表明, TiO2薄膜表面粗糙度随着基底表面的增大而增大, 但始终小于基底表面粗糙度, 说明TiO2薄膜具有平滑基地表面粗糙的作用; 随着沉积速率的增大, 薄膜表面粗糙度先降低后趋于平缓; 对于粗糙度为2 nm的基底, 离子束能量大小的改变影响不大, 薄膜表面粗糙度均在1.5 nm左右; 随着膜层厚度的增大, 薄膜表面粗糙度先下降后升高。
光学器件与制造
大孔径变焦投影镜头设计
侯国柱, 吕丽军
2018, 39(3): 405-411. doi: 10.5768/JAO201839.0305001
摘要:
为了实现某一大孔径定焦投影镜头作为初始结构, 经过优化设计后成为大孔径变焦投影镜头, 根据设计目标的DMD对角线尺寸, 利用AUTOCAD对选择的定焦距系统的初始结构尺寸进行测绘, 初步选择各镜材料, 规划成5组元变焦系统, 利用各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 并合理利用2个非球面, 在光学设计软件Zemax与CODE V中往返优化, 得到一款在可见光波段内, 短焦距为14.61 mm、视场角为60°、F数为1.5, 长焦距为29.31 mm、视场角为30°、F数为1.6的变焦投影镜头。设计结果表明:各视场的传递函数(MTF)值在截至频率60 lp/mm处不低于0.46, 各焦距处的弥散角不超出1.6', 镜头具有良好的像质。该镜头系统由11块透镜和1块平行平板组成, 其中透镜2使用了非球面镜, 该镜头片数较少, 透镜折射率不高, 材料容易选择。
大孔径大视场变焦投影镜头设计
黄耀林, 王敏, 林正
2018, 39(3): 412-417. doi: 10.5768/JAO201839.0305002
摘要:
为了满足大孔径大视场变焦投影镜头的市场需求, 基于Zemax光学软件设计一款连续变焦的投影镜头, 变焦范围为16.27 mm~22.77 mm, 视场角为63.7°~47.8°, F数为1.75~1.95, 配合1.55 cm(0.61英寸)LCOS投影显示芯片使用, 在工作距离2 000 mm处可投射出190.5 cm(75英寸)画面, 光学系统总长小于160 mm, 由10片透镜组成, 其中包括8片玻璃透镜和2片塑料透镜。设计结果表明:镜头在空间极限频率71 lp/mm处, 各个焦段的MTF值均大于0.5, 场曲都在0.1 mm之内, 畸变小于3%, 成像质量良好。最后对光学系统进行了公差分析, 得出一组较宽松的公差。
微型光纤传像束内窥镜的物镜设计
朱晓冬, 叶兵, 李凯, 马伟东
2018, 39(3): 418-422. doi: 10.5768/JAO201839.0305003
摘要:
根据微型纤维软镜小尺寸、大视场的要求, 分析其设计准则, 采用"负-正"型反远距物镜作为初始结构, 确定其为像方远心光学系统。通过理论计算和Zemax光学仿真软件的不断优化, 最终设计出了一个工作波段在0.48 μm~0.65 μm, 焦距为0.37 mm, 全视场90°, 相对孔径为1:4的微型光纤传像束内窥镜物镜。该物镜由4片透镜组成, 包括1片负透镜、1片正透镜和1片双胶合透镜。设计结果表明:镜头总长3.89 mm, 最大横截面直径0.95 mm, 满足像方远心光学系统的初始设计要求, 在奈奎斯特空间频率77 lp/mm处的调制传递函数(MTF)近似为0.7, 接近衍射极限, 并且具有小尺寸、大视场、像质优良、结构合理、像面光照强度均匀等特点, 符合微型纤维式内窥镜的使用条件。
独立自由曲面LED汽车前雾灯的光学设计
姚红兵, 丁勇, 辛忠华, 刘敏
2018, 39(3): 423-428. doi: 10.5768/JAO201839.0305004
摘要:
为了使车辆驾驶员在雾、雪、雨或者尘埃等不同的恶劣气象条件下能够得到充分照明, 且避免造成对方会车司机炫目, 设计了具有明暗截止线的前雾灯系统。基于非成像光学理论, 采用照度优化设计法, 运用数值计算求解出自由曲面反射镜(FFR)各个点坐标的坐标值。合理划分基础面, 并调整各子块的扩散角度, 实现配光要求。通过蒙特卡洛模拟法进行追迹光线, 测试结果表明:配光效果满足机动车前雾灯配光性能(GB4660-2016)对各测试点的照度要求, 且明暗截止线清晰, 体积小, 边缘区域也有较高光能, 光线利用率达到52.7%。
激光技术
一种反激光窃听预警系统的窃听源定位研究
吕泽, 陈友华, 薛鹏, 王志斌, 陈媛媛, 李金瑜
2018, 39(3): 429-435. doi: 10.5768/JAO201839.0307001
摘要:
激光窃听技术通常不直接照射被窃听目标, 且由于玻璃散射的原因, 利用现有的拦截式激光预警技术无法获取其窃听源方位等信息, 针对该问题, 提出利用CCD相机结合滤光片的方案对窗户进行凝视成像的反激光窃听预警系统, 同时, 构建了窃听激光源、被照射玻璃上的散射激光光斑以及反激光窃听系统之间的空间几何模型, 结合边缘检测等图像特征提取算法以及最小二乘图像拟合算法对散射激光光斑轮廓进行拟合, 推导出窃听激光光源来袭方位的数学模型。实验结果表明:所搭建的激光窃听预警系统不但可以检测到照射到玻璃上的窃听光斑, 且可以有效地追溯到该激光束的方位角和俯仰角信息, 定位精度≤ 4°, 从而达到了对窃听源定位的目的, 有助于推动现有激光预警技术的进一步发展, 且在国防安全等领域发挥积极作用。
基于激光拉曼检测技术的输油管道原油鉴别方法
刘建美, 李存磊, 高鹏, 王瑞, 朱宁, 付洪涛
2018, 39(3): 436-441. doi: 10.5768/JAO201839.0307002
摘要:
为降低长距离原油输送过程中混油产生的损失, 需定时检测管线原油成分以确定是否出现混油事故。常规检测输油管线原油成分需从现场管线中取样后, 再进行室内检测, 该类技术操作复杂且易受环境因素的影响, 未能实时反映管道混油后油品成分变化。文中应用激光拉曼光谱对原油识别检测进行了实验研究, 试验选取辽河油田不同区块2种原油, 通过特征峰及图谱分析, 实现不同类型原油的识别。结果表明, 2 800 cm-1~3 000 cm-1区域特征峰是激光拉曼证明烷烃存在的重要标志, 该段拉曼谱图特征峰的不同代表了烷烃组分的差异性, 可以有效区分不同类型的原油。该方法的进一步研究, 有望形成一套油品快速、实时检测的技术方法。
飞秒激光直写PMMA制备微流道的工艺技术研究
刘方祥, 孙树峰, 王德祥, 江京亮
2018, 39(3): 442-446. doi: 10.5768/JAO201839.0307003
摘要:
针对目前PMMA微流道加工质量差和效率低的问题, 对飞秒激光直写PMMA制备微流道的工艺技术进行了研究。通过实验分析了不同激光参数对微流道的宽度、深度、粗糙度、微流道两侧堆积物火山口高度的影响及变化规律。实验结果表明, 当激光扫描速度为20 mm/s时, 激光功率为0.5 W时, 微流道粗糙度较低且变化幅度不明显; 激光能量从0.5 W增加到0.75 W时, 微流道的宽度、深度与激光能量呈线性关系增加; 激光功率大于0.5 W时, 随着激光功率以及加工次数的增加, 微流道宽度、深度、粗糙度以及堆积物火山口的高度逐渐增加。经过计算得出, PMMA的烧蚀阈值为0.357 J/cm2。通过优化工艺参数, 制备出粗糙度较低、表面光滑、深度为16 μm的微流道芯片。