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2022年  第43卷  第4期

2022 年 4 期目录
2022, 43(4): 1-6.
摘要:
综述
舰载光电跟踪与火控系统发展
仲维彬
2022, 43(4): 557-564. doi: 10.5768/JAO202243.0409001
摘要:
舰载光电跟踪与火控系统是一种远距离监视、跟踪与火力打击装置,按照体系结构可以分为分立式和综合式两类。对比分析了德国MSP500、意大利“梅杜莎MK4”、英国2500型、以色列Toplite、美国SeaFLIR 280-HD和380-HD、瑞典EOS 500、法国EOMS NG和PASEO等典型光电指向器的结构形式、传感器配置、作用距离及与火控系统的关系。指出光电指向器的结构由“T型”逐渐发展为“U型”,光电传感器的波段由单一波段发展为多个波段,光电跟踪系统的功能由单一功能向综合多功能转变。随着现代海战对抗加剧,舰载光电跟踪与火控系统将朝着多传感器协同探测、信息融合、多目标识别、智能跟踪、使命任务多样化方向发展。
国防光学计量技术的发展与展望
俞兵
2022, 43(4): 565-576. doi: 10.5768/JAO202243.0409002
摘要:
随着光学理论的发展和科技的进步,光学技术得到了迅速发展,对光学计量技术提出了新的要求和挑战。针对光学计量在国防军事中的重要性,分析了我国装备保障的发展对国防光学计量的新要求,介绍了国防科技工业光学一级计量站在光学成像和光辐射基础物理量计量、武器光电装备综合参数计量保障、光学前沿技术计量以及军用光电测试仪器研发方面的发展现状,提出了国防光学计量面临的主要问题及未来的发展方向。
新型机载光电平台万向架及其关键技术
程刚, 杜言鲁, 齐媛, 王明超, 宁飞, 李冰崖
2022, 43(4): 577-582. doi: 10.5768/JAO202243.0409003
摘要:
介绍了国外新型机载光电平台万向架及其涉及的关键技术。结合机载光电系统装备产品发展趋势,叙述了机载光电系统万向架平台技术现状,从万向架平台配置、隔振形式以及稳定精度等方面做了介绍;从任务集成、高精度稳定以及运动补偿等方面分析了机载光电系统对万向架平台提出的更大任务传感器布局空间、更强的运动补偿功能以及更高的环架稳定性能等要求;研究了国外新型的无约束驱动-主动随动和并联式-主动随动机载光电万向架平台创新技术,结果表明,国外新型机载光电平台万向架在任务负载/万向架质量比大于1的基础上,实现了3轴优于5 μrad的稳定性能;最后提出了新型机载光电万向架平台关键支撑技术。
光电系统与工程
探测器像元尺寸对航空光电系统成像性能影响分析
王惠林, 吴雄雄, 蒋萧村
2022, 43(4): 583-591. doi: 10.5768/JAO202243.0401001
摘要:
针对航空光电系统成像性能要求,从探测器像元尺寸出发,研究了探测器像元尺寸对探测器动态范围、信噪比、调制传递函数等性能参数的影响,并分析了探测器像元尺寸对光电系统分辨率、信噪比、探测识别作用距离等总体性能参数的影响,最后列举了国外典型航空光电系统参数及其选用的探测器参数。通过分析探测器性能参数与系统总体性能参数之间的关系,给出探测器像元尺寸选型及航空光电系统/d典型值的建议,即一般情况下航空光电系统为了获得远距离高像质图像,优先选用大像元探测器,并综合权衡探测器像元尺寸与系统/d之间的关系,将/d控制在2以内。
巡飞弹目标定位精度分析
刘召庆, 张芳, 朱镭, 贾兆辉, 文江华, 秦川, 张兰兰
2022, 43(4): 592-598. doi: 10.5768/JAO202243.0401002
摘要:
不同于普通弹药,巡飞弹能够在目标上空进行“巡弋飞行”,获取目标位置信息,并传送至指挥中心,用于战场态势分析及火力布局。受限于巡飞弹载机负载能力和成本要求,巡飞弹光电系统目标定位能力无法与大型无人机媲美。为提高巡飞弹目标定位精度,从巡飞弹目标定位的原理和流程出发,分析影响目标定位精度的误差源。在典型工况下,研究了卫星定位系统经度和纬度误差、惯性导航系统(INS)航向误差、测角误差和测距机测量误差等主要影响因素对目标定位精度的影响程度,可作为提升目标定位精度的设计依据。针对卫星定位系统经度和纬度误差对目标定位精度的影响结果,进行外场试验,验证上述分析结论。试验结果表明:当卫星定位系统经度和纬度精度由5 m提升至1 m时,目标定位的圆概率误差(CEP)下降约31.5%,与理论分析基本吻合。
无人机光电设备对地目标单站无源定位方法
檀立刚, 骆明伟, 李捷, 高晓利, 王维
2022, 43(4): 599-610. doi: 10.5768/JAO202243.0401003
摘要:
光电侦察设备已广泛应用于中小型无人机对地侦察,为实现无激光测距信息的无人机光电设备对地目标单站无源定位,提出了基于虚拟椭球的单站无源定位方法,构建了对地目标单站无源定位模型。利用空间射线与虚拟椭球交汇原理,通过等效方位角和等效俯仰角解算、目标高度估计和目标定位解算等步骤,实时获取目标的大地坐标。仿真结果表明,高度估计误差低于500 m条件下,单站无源定位方法可实现经纬度定位精度为10−3 °、高度定位精度为150 m的三维目标定位,可实现高于50%置信度的优于10%R无源定位精度的相对定位。
机载光电稳瞄平台减振技术研究
齐媛, 王惠林, 黄维东, 曹尹琦, 麦玉莹, 张向明
2022, 43(4): 611-617. doi: 10.5768/JAO202243.0401004
摘要:
机载光电稳瞄平台受飞机作战环境的干扰因素,会引起设备环架的振动,对光电平台载荷视轴的稳定性及跟踪精度影响很大,减振的主要任务是有效隔离环境振动。与传统橡胶减振器比较,文章提出了一种新型机载光电稳瞄平台的柔性减振设计。并通过ANSYS仿真软件对新的减振模型进行了模态仿真分析,通过振动试验对设计的性能进行了有效评估,测试结果与仿真评估误差为0.56%,说明该设计对机载光电稳瞄平台具有减振性。
基于动基座自动调平控制策略研究
郭新胜, 韩伟, 陈洪彩, 赵青林, 张楠, 彭富伦, 寿少峻
2022, 43(4): 618-625. doi: 10.5768/JAO202243.0401005
摘要:
自动调平控制技术是为了解决动基座上的搜跟系统360°全域周扫过程中,俯仰与大地水平角度实时保持的问题。该系统是在速率闭环稳定的基础上,采用倾角传感器构成空间位置环,形成位置与速率双闭环,实现系统瞄准线的自动调平。针对平台控制的关键−自动调平技术,着重分析了倾角传感器与平台万向架角度构成的空间位置环,理论推导出搜跟系统的瞄准线与水平面夹角的关系,并进行系统控制分析和仿真。最终仿真分析结果与实际测试结果基本吻合,满足系统的指标要求。
柔性铰链结构特性对快速反射镜性能影响分析
姜世洲, 杜言鲁, 王惠林, 王明超, 巩全成, 徐飞飞
2022, 43(4): 626-634. doi: 10.5768/JAO202243.0401006
摘要:
柔性铰链作为快速反射镜(fast steering mirror,FSM)的关键部件之一,分析其结构特性对FSM性能的影响,用于指导FSM结构设计。通过将柔性铰链简化为弹性环节,等效为3轴的平动刚度和3轴的转动刚度,基于欧拉动力学,建立了两轴FSM的运动微分方程,搭建了FSM控制系统的Simulink仿真模型;在给定振动环境下,仿真分析了结构谐振频率对FSM性能的影响,指出平动固有频率越大,FSM锁零精度越高,平动固有频率选择在伺服系统增益交界频率2倍以上;考虑到锁零精度要求和电机力矩限制,转动固有频率选择在25 Hz~50 Hz。最后结合实物进行了振动试验,仿真结果与振动试验结果一致,验证了仿真模型的正确性。
多失效模式光电系统可靠性建模分析方法
赵志草, 吴辉, 郑凤翥, 张文博, 王冠
2022, 43(4): 635-640. doi: 10.5768/JAO202243.0401007
摘要:
系统可靠性建模分析是开展可靠性分配、预计、故障树分析及可靠性优化设计的基础。介绍了一种光电系统可靠性建模分析方法,针对光电系统中部分分系统具有多种失效模式且各失效模式均服从指数分布的特点,依据齐次马尔科夫理论,采用马尔科夫状态转移图方法建立了产品的可靠性模型,并给出解析表达式、数值计算方法和Monte Carlo仿真方法。最后,将其应用于某机载光电系统供电回路的实例分析中。采用两种计算方法及Monte Carlo仿真方法分别进行计算,并将结果进行对比分析,证明了该方法的正确性及可行性。
机载光电系统目标定位大气折射修正研究
王冠, 王惠林, 骞琨, 沈宇, 边赟
2022, 43(4): 641-647. doi: 10.5768/JAO202243.0401008
摘要:
目标定位精度是评判机载光电系统性能的一项重要指标。对于高空机载光电系统,目标定位精度除受传感器、测距仪、载荷平台稳定精度、飞行平台稳定精度和位置精度等综合因素影响外,还受大气折射的影响,对于高空机载光电系统远距离对地观测,大气折射对目标定位的影响尤为严重。该文从大气折射对目标定位的影响机理出发,给出大气模型,分析大气折射的影响因素,并基于介于圆球体和参考旋转椭球体之间的地球模型给出了大气折射误差模型;基于该文提出的近似参考旋转椭球体地球模型,仿真分析了大气折射对目标定位的影响结果。分析结果对于机载光电系统远距离目标定位大气折射修正具有重要指导意义。
弹性力矩对光电平台稳定精度影响的定量研究
嵇婷, 刘宇, 王亚伟, 李磊, 李思众, 陈静, 王本国
2022, 43(4): 648-653. doi: 10.5768/JAO202243.0401009
摘要:
稳定精度是衡量光电平台性能的重要指标,干扰力矩是影响稳定精度的最主要因素,而线缆弹性力矩是扰动力矩的重要组成,因此减小线缆弹性力矩对提高光电平台的稳定精度具有重要意义。建立了光电稳定平台和线缆弹性力矩的数学模型,定量分析了弹性力矩对稳定精度的影响,并在该基础上提出了一种减小线缆弹性力矩的方法,通过将该方法应用于实际产品,证明了该方法可以使弹性力矩降低0.180 N·m,光轴角度变化减小了16.3%。
多波段共孔径离轴三反光学系统设计
张博, 张峰, 刘永强
2022, 43(4): 654-660. doi: 10.5768/JAO202243.0401010
摘要:
针对军用光电系统对视场范围、图像质量和系统小型化的迫切需求,根据指标要求设计了一种大口径离轴三反光学系统。采用离轴多反式结构消除系统遮拦,缩减结构尺寸,通过引入复杂面型实现大孔径设计,在保证足够分辨率的同时,增大光学系统的视场角,以获得更加丰富的目标特征,提高了系统的目标探测和识别能力。与透射式结构与折返式结构相比,大幅度减小了光电产品的体积和质量,有效减轻了伺服设计负荷,具备隐蔽性好、光谱覆盖范围广、透过率高、视场兼容性强的特点。设计结果表明:电视光路在120 lp/mm处全视场MTF>0.2,短波红外光路在60 lp/mm处全视场MTF>0.3,中波红外在30 lp/mm处全视场MTF>0.15,网格畸变小于0.5%,满足设计指标要求。
大口径、高精度二维快速控制平面反射镜系统设计
康登魁, 姜昌录, 刘力双, 赵俊成, 俞兵, 陈青山, 王生云, 王楠茜, 陈洁婧, 张云龙, 王雷
2022, 43(4): 661-668. doi: 10.5768/JAO202243.0401011
摘要:
为解决光电跟踪仪跟踪精度测量过程中光束大范围指向的模拟问题,设计了一种大口径、高精度二维快速控制反射镜(fast steering mirror, FSM)。采用微晶材料设计了长、短轴分别为230 mm和160 mm的椭圆形平面反射镜,面形精度优于λ/30。采用音圈电机驱动,通过柔性支撑铰链设计及DSP嵌入式控制系统,运动行程达到±30 mrad,运动控制精度达到5 μrad,运动控制线性度优于±0.20%,角分辨率优于1 μrad。通过软件控制,实现对入射光束圆形轨迹运动、直线轨迹运动、随机运动等形式的运动模拟。最后,对设计指标进行实际测试,可以满足跟踪精度光束动态模拟的测试需求。
光电信息获取与处理
基于深度聚类的目标细粒度分类方法
陆红强, 王俊林, 王亚楠, 安学智, 宁新潮, 骞琨
2022, 43(4): 669-675. doi: 10.5768/JAO202243.0402001
摘要:
为提高光电系统对弱小目标的识别和分类能力,降低算法对硬件平台和数据的依赖,提出一种无监督分类方法−基于目标深度特征聚类的细粒度分类方法。该方法通过轮廓、颜色、对比度等浅层特征提取提示目标,经超分辨处理后,利用卷积神经网络对目标的深层特征进行编码,进一步采用基于注意机制的主成分分析方法进行降维生成表征矩阵,最后利用聚类的方式实现目标细粒度分类。实验验证了基于不同神经网络的深度聚类方法在不同数据集上的分类性能,其中采用ResNet-34聚类方法在CIFAR-10测试集上细粒度分类性能达92.71%,结果表明,基于深度聚类的目标细粒度方法能够取得与强监督学习方法相当的目标分类效果。此外,还可以根据不同簇数和聚类等级的选择实现不同细粒度的分类效果。
多源图像融合算法实时优化方法
黄西莹, 王洁, 王娇颖, 闫丽, 陆阳, 李良福
2022, 43(4): 676-681. doi: 10.5768/JAO202243.0402002
摘要:
针对红外与可见光图像融合的实时性要求,介绍了一种解决目前高清或超高清多源图像拉普拉斯金字塔图像融合算法的实时实现方法。基于视频数据流设计了拉普拉斯金字塔并行流水线处理结构,分析了各流水线之间的时延及优化思路。通过片上缓存的方式补偿时延时间差,实现了算法的流水等长,保证了处理数据的完整性。该方法可以在赛灵思7系列及以上的可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)芯片上实现双通道1080×1920@60 Hz视频图像的5层拉普拉斯金字塔融合。实验结果显示,该实时并行处理方法融合效果良好,一帧图像的融合仅需10.535 ms,处理时延小于1 ms。
基于NPU的实时深度学习跟踪算法实现
何曦, 李良福, 王娇颖, 王洁, 卢晓燕, 钱钧, 杨一洲, 刘培桢
2022, 43(4): 682-692. doi: 10.5768/JAO202243.0402003
摘要:
深度学习在检测领域高速发展,但受限于训练数据和计算效率,在基于嵌入式平台的边缘计算领域,尤其是实时跟踪应用中深度学习的智能化算法应用并不广泛。针对这一现象,同时为满足现阶段国产化、智能化的技术需求,提出了一种改进的孪生网络深度学习跟踪算法。在特征网络加入微调网络,解决了网络模型无法在线更新的问题,提升了跟踪的准确性;在IoUNet损失函数中加入中心距离惩罚项,解决了IoUNet当IoU相同时位置跳跃,存在收敛盲区和收敛速度慢的问题;将训练后的网络通过通道剪枝,缩减网络模型尺寸,提升了模型加载和运行的速度。在华为Atlas200NPU平台上实现了实时运行,算法准确率高达0.90(IoU>0.7),帧率达到66 Hz。
光学计量与测试
基于时/频域分析的光电吊舱稳定精度测试方法研究
徐飞飞, 杜言鲁, 郑蕾, 姜世洲, 巩全成, 王明超
2022, 43(4): 693-700. doi: 10.5768/JAO202243.0403001
摘要:
稳定精度作为光电吊舱的关键性能指标之一,开展瞄准线稳定精度测试方法研究对于光电吊舱测试与验收具有重要意义。结合粗精组合稳定光电系统,提出一种基于时/频域分析的稳定精度测试方法。通过采集随机振动环境下惯性速率传感器和光学补偿元件的角位置信号,基于信号时域分析,得到图像漂移角速率、抖动及概率分布情况;基于信号频域分析,得到瞄准线角位置信号的功率谱密度。提出频段稳定精度贡献度,用于评估不同频段对稳定精度的影响程度;采用二级稳定效能提升度,评价二级稳定在不同频段对系统稳定性能的提升程度。该方法可以直观展示图像抖动及概率分布情况,同时给出影响瞄准线稳定精度的频率要素,对于指导机电系统设计具有重要的工程应用价值。
超低亮度测量技术研究
孙宇楠, 曹锋, 赵俊成, 刘瑞星, 王乐, 高婧, 杨科
2022, 43(4): 701-706. doi: 10.5768/JAO202243.0403002
摘要:
光亮度是表征发光体的重要光度特性参数。提出了一种超低亮度计的设计方法,描述了超低亮度计的工作原理和组成;利用微弱光信号处理技术、非线性校准技术、制冷散热技术等实现了超低亮度的自动测量;根据亮度计的测量原理,对仪器进行了标定,测量不确定度达到5%。超低亮度计可适用于实验室和现场等测试场所,为微光夜视装备、显示系统、特种光源、发光材料等的性能评估测试和校准提供计量保障。
大口径平面镜快速瑞奇-康芒测量法研究
刘昕, 王聪, 刘永强, 袁阳, 陈晓磊, 张瑜, 韩娟妮, 张超凡
2022, 43(4): 707-713. doi: 10.5768/JAO202243.0403003
摘要:
瑞奇-康芒法是用小口径干涉仪检测大口径平面镜的主要方法之一。通过分析瑞奇-康芒法中球面参考镜半径、平面镜位置和瑞奇角误差对测量精度的影响,给出了3个参数的选择方法。针对瑞奇-康芒法测量时误差分离导致的测量效率低的问题,提出适用于加工过程的快速瑞奇-康芒测量法,仿真模拟该方法下被测平面镜位置、角度等定位误差对测量结果的影响,并设计实验对比验证。该方法与直测法测量间的最大偏差峰-谷值(PV)为0.015 1 μm,均方根(RMS)为0.003 6 μm,能够有效满足加工过程中面形快速测量需求。
数字微镜器件反射效率测试方法及装置
高毅, 于瀛, 张靖
2022, 43(4): 714-718. doi: 10.5768/JAO202243.0403004
摘要:
为了获得数字微镜器件的真实光学特性,提出了其反射特性测试方法,并搭建实验装置对数字微镜器件的相对反射效率进行了测试,搭建了测试光路;利用该光路分别测得数字微镜器件和铝反射镜作为反射元件时相机接收到的光斑能量分布曲线,并对曲线进行积分;将2种测试条件下获得的积分值做除法,得到数字微镜器件的相对反射效率。测试结果表明,在使用632.8 nm波长激光器作为光源时数字微镜器件的相对反射效率为45.33%,在使用白光LED作为光源时数字微镜器件的相对反射效率为71.75%,经过多次测试发现2种测试模式下的重复精度均为±5%左右。上述测试结果可对今后使用数字微镜器件开发相关仪器时的能量传递效率计算以及器件选择起到一定参考作用。
夜视技术
基于识别距离的红外成像仿真验证方法
郭冰涛, 韩琪, 惠进, 张卫国
2022, 43(4): 719-725. doi: 10.5768/JAO202243.0404001
摘要:
随着红外成像技术的发展和应用,红外系统成像仿真及验证技术越来越受到重视。现有仿真模型验证方法没有考虑到人眼视觉的影响,可能导致严重后果,为了解决这一问题,提出了基于识别距离的红外系统成像仿真模型验证方法。以识别距离作为红外系统成像仿真模型的准确度评价因子,考评仿真图像与实测图像在灰度分布、信噪比、分辨率、成像大小、人眼视觉等方面的综合差异。
基于OptiCentric中心偏测量仪的红外光学镜组装调方法
韩颖, 项建胜
2022, 43(4): 726-731. doi: 10.5768/JAO202243.0404002
摘要:
在红外光学镜组装调过程中会产生光学中心偏,且红外材料对可见光不透明,不能使用传统的可见光装调模式,从而成为红外镜组装调的难点。论文提出了基于德国TRIOPTIC 公司的OptiCentric双光路中心偏测量仪的装调方案,详细介绍了无镜座定中法与镜座法以及非球面的装调方法,并对无镜座定中法与镜座法的优缺点进行分析;论文还指出使用OptiCentric中心偏测量仪在非球面定中时存在一定的局限性;最后使用光学传递函数测试仪对无镜座法和镜座法装调的镜头进行了测试。测试结果表明:使用中心偏测量仪装调的镜头能够满足技术指标要求。
红外热成像技术在炮膛测温中的应用
陈冉, 薛宇飞, 吴锦鹏, 邹曹, 解丰朝, 秦艳
2022, 43(4): 732-737. doi: 10.5768/JAO202243.0404003
摘要:
火炮在连续射击过程中,炮膛内壁温度持续积累升高,当其温度超过全可燃药筒燃点时具有较高的安全隐患。介绍了一种基于红外热成像技术的炮膛测温方法与装置。叙述了该装置的组成以及测温基本原理与流程;分析了火炮连续射击换弹的过程,炮膛测温装置利用边缘检测、轮廓提取与识别判断等图像处理技术,自动分析有效测温时间段与目标区域;利用根据最小二乘法标定好的解算曲线,实时确定目标区域的最高温度值与平均温度值,并将温度数据及时上传至火炮控制系统,以判断是否换弹或击发,可有效提高火炮连续射击过程中的安全性。
精密红外辐射计测量模块研究
杨科, 程刚, 郭羽, 周根东, 卢飞, 李辉, 刘建平, 孙宇楠, 宫经珠, 张旭, 吴李鹏, 张清, 孙帅, 郭建
2022, 43(4): 738-743. doi: 10.5768/JAO202243.0404004
摘要:
红外辐射计用于红外热像仪测试设备的校准。介绍了一种用于红外辐射计的测量模块及方法。设计了采样保持的测量方案,通过参考信号生成采样脉冲,并将采样点设置在每个信号周期的1/4相位处,能显著提高微弱信号的测量能力。对于35 ℃的黑体辐射信号,通过与现有方案的对比实验,测量信号强度可提高57.6%;在红外热像仪测试设备背景温度为22 ℃条件下,通过与现有仪器的对比测试,测量信号精度可提升50%以上。
光学器件与制造
主动式液晶超表面研究进展
彭畅, 李子乐, 贺志学, 郑国兴
2022, 43(4): 744-759. doi: 10.5768/JAO202243.0405001
摘要:
超表面具有亚波长尺度下精密高效的光波操控能力,但在其单独实现主动式调控方面,目前仍有诸多技术困难亟待克服。液晶与超表面的结合有望发挥各自的长处,实现一种分辨率高、衍射角大、超紧凑的新型主动式光调控器件。以液晶与超表面两部分功能设计的独立与否作为分类依据,回顾了近年来主动式液晶超表面的研究进展,具体包括液晶波片与偏振敏感超表面结合、液晶环境与共振型超表面结合、液晶与超表面光学性质互补等。最后对主动式液晶超表面所面临的挑战以及发展前景进行了讨论和展望。
衍射光学元件精密模压模具设计及预补偿
张云龙, 焦眀印, 汪志斌, 张峰, 张征
2022, 43(4): 760-765. doi: 10.5768/JAO202243.0405002
摘要:
衍射光学元件较球面、非球面光学元件在校正色差方面具备较大优势,尤其是在红外光学领域,应用衍射光学元件可进一步增加光学系统的设计自由度。随着红外光学市场的进一步增大,常规的衍射光学金刚石车削技术难以满足大规模需求,精密模压技术成为解决上述问题的关键技术。模具设计是实现精密模压的重点,为了缩减模具设计周期,该文采用有限元仿真方法对模具进行预先设计及补偿,并试加工。采用单站式精密模压机对设计的模具进行了精密模压试验。模压试验结果表明:采用合理的工艺参数,能够实现衍射光学元件面形精度PV达到0.56 μm,位置误差<0.011 mm,环带高度误差<0.12 μm,验证了仿真预先补偿在衍射光学模具设计中的有效性。
高陡度薄壁光学零件在位测量与评价方法研究
王贵林, 唐力, 黎寿山, 叶波
2022, 43(4): 766-771, 818. doi: 10.5768/JAO202243.0405003
摘要:
为了满足空气动力学要求,采用共形薄壁结构的整流罩或光学窗口成为未来高速飞行器的发展趋势。但是这类零件在加工过程中,切削力会随着轴向位置发生改变,一次加工难以达到精度要求,需要通过在位测量、补偿加工来控制切削力变化所引起的面形误差。以超精密车床作为运动平台,设计高陡度薄壁光学零件的在位检测系统,研究测点分布的优化算法,实现测量效率和测量精度的统一;建立热变形误差修正模型,提高高陡度薄壁光学零件在位测量的精度。针对某型高陡度薄壁头罩,通过在位测量为补偿加工提供指导,将头罩表面误差由峰谷比(peak-to-valley, PV)3.1 μm控制到PV 0.7 μm,将同轴度控制到1.02 μm,满足光学系统的性能要求。
光学元件抛光的PSD分析及控制策略
汪志斌, 田瑶, 孙鹏程, 张征, 张峰, 张云龙, 焦明印
2022, 43(4): 772-779. doi: 10.5768/JAO202243.0405004
摘要:
在光学加工领域,采用功率谱密度(power spectral density, PSD)对误差频谱方面信息进行表征,但是功率谱密度是表面误差统计信息,不如峰谷值 (peak-valley,PV)和均方根值(root mean square,RMS)直观。为了分析功率谱密度与工艺参数之间的关系,该文从PSD定义出发,分析了随机面形轮廓不同参数对光学PSD的影响规律,总结了PSD控制的要点,在平面玻璃上对数控抛光典型路径下加工的PSD曲线进行分析。分析结果表明:PSD与随机轮廓幅值、频率分布有关,相位对它几乎无影响;在RMS接近情况下,PSD线性拟合斜率和RMS Slope随随机轮廓的自相关长度增加而下降;短程加工路径相较于长程有序路径能够有效抑制PSD曲线峰值,使得光学元件符合频谱抑制要求。
两镜反射系统自适应装调技术研究
左晓舟, 王章利, 赵金, 苏瑛, 杨海成, 惠刚阳, 刘伟光, 王中强
2022, 43(4): 780-786. doi: 10.5768/JAO202243.0405005
摘要:
为了满足两镜反射系统对光学元件高精度的装调、定位要求,以及系统工程化应用对可靠性与装调效率的要求,提出了一种基于人工神经网络(ANN)的自适应装调技术。基于矢量波像差理论分析两镜系统波像差与失调量的映射关系,在Keras框架下搭建ANN,并以非解析思路构建了自适应装调模型,开发了自适应装调装置,使失调次镜的平移调校精度优于2 μm,倾斜调校精度优于2″,解决了算法设计与精度优化、反射镜组微应力固联等技术难题,并对某双抛无焦系统完成了自适应装调验证。试验结果表明:运用该装调技术,两镜反射系统装调后波像差优于λ/16、装调周期大幅缩短、装配可靠性通过环境试验考核,为该技术的工程化应用打下了基础。
一种用于跟踪精度检测的动态目标模拟器设计
姜昌录, 康臻, 康登魁, 李辉, 王楠茜, 陈洁婧, 张博妮, 王生云
2022, 43(4): 787-791. doi: 10.5768/JAO202243.0405006
摘要:
光电搜索跟踪系统是战场态势感知、信息获取、目标捕获、跟踪定位等武器装备的核心光电设备,其跟踪精度是表示光电搜索跟踪系统作战能力的关键参数。针对该参数的需求,提出了一种基于OLED发光的平行光管阵列式目标模拟器设计方案,其动态目标模拟角速度范围为1°/s~100°/s,角度定位精度为0.8″。对动态目标模拟器的角速度模拟进行了分析,得出角速度模拟的相对扩展不确定度可达0.6%~0.8%。
激光技术
高功率激光器的光谱合束技术研究
穆让修, 张佳, 龙井宇, 李刚, 卜英华, 韩耀锋, 寿少峻
2022, 43(4): 792-797. doi: 10.5768/JAO202243.0407001
摘要:
为了获得高功率激光束,提出利用双色镜对典型波长2种不同类型(脉冲、连续)的高能激光进行合束,以实现高功率高能量激光输出。通过对双色镜的热效应和合束光斑远场激光参数进行仿真分析计算,热效应仿真结果表明,在单束激光10 kW、光斑直径15 mm条件下,双色镜面型热形变量均方根值为0.004λλ=632.8 nm),满足光学元件面型小于0.03λ精度要求。搭建了一套基于双色镜的光谱合束系统,并分别进行了高功率连续激光与高功率连续激光、高功率连续激光与高能量脉冲激光的合束试验,合束效率高于95%。试验结果表明,光谱合束可有效应用于高能激光领域。
基于光压原理的大功率激光功率测量
于东钰, 俞兵, 吕春莉, 董再天, 杨科, 宫经珠, 段园园, 陈超, 张魁甲, 黎高平, 郑波
2022, 43(4): 798-802. doi: 10.5768/JAO202243.0407002
摘要:
大功率激光功率测量常用量热法,但溯源复杂。介绍了具有较高测量精度的基于光压原理的大功率激光功率测量方法,设计了利用1/105精度天平大功率激光测量实验,测试了基于GaAs半导体材料制作的反射镜的反射率及损伤阈值,确定了基于GaAs半导体材料反射镜的相关性能。得到了普通实验室条件下的功率测量重复性及线性,验证了1/105精度天平用于大功率激光测量的可行性。通过实验结果结合理论计算,得出利用1/105精度天平的光压测量功率的测量上限可以达到3×104 W以上。
百赫兹百毫焦全固态纳秒激光器技术研究
李刚, 卜英华, 李龙骧, 郭俊超, 王亮, 刘芳, 张佳, 杨华梅, 陈文建
2022, 43(4): 803-808. doi: 10.5768/JAO202243.0407003
摘要:
针对多目标和伪随机编码激光半主动末制导,以及快速目标测距等应用环境的需求,设计了百赫兹百毫焦全固态纳秒激光器,旨在实现一体化、小型化和实用化样机要求。基于模块分时泵浦方式,有效降低单位体积激光工作物质及其泵浦源的散热压力,同时采用非稳激光谐振腔技术,提升出射激光光束质量,最后将2路谐振激光通过偏振控制合为1束,实现了1束高光束质量的百赫兹百毫焦纳秒脉冲激光输出,一体化样机质量仅15.5 kg。在工作频率100 Hz时,输出激光平均能量112 mJ,能量稳定性优于±9%,脉冲宽度10.8 ns,光束质量达到了11 mm·mrad,满足多目标和伪随机编码激光半主动末制导,以及快速目标测距对激光光源的需求。
多波长激光探测微小摄像头机理研究
屈嘉惠, 张海洋, 范瑜, 汪林, 王鹤颖, 赵长明
2022, 43(4): 809-818. doi: 10.5768/JAO202243.0407004
摘要:
基于激光不同波段的探测传输特点,通过分析典型微小摄像头的回波传输特性,提出了一种针对多波长激光特征检测微小摄像头的研究方案。利用几何光学和波动光学理论,分析微小摄像头结构及其反射光谱特征,计算并仿真了一定探测距离下的回波光场,在此基础上搭建多波长激光检测系统。实验结果表明,在一定的景深范围内,具有红外截止滤光片的微小摄像头对可见光的回波光斑衍射环特征明显、条纹对比度高且可探测距离远;近红外波段的目标回波功率低、后向散射干扰严重,可探测距离近;短波红外波段几乎不受红外截止滤光片影响,且1 550 nm处于人眼安全波段。实验结果与数值分析、理论仿真结果一致,验证了短波红外激光用于探测微小摄像头的可行性。
激光辐照氮化硅陶瓷光谱信息研究
蔡鹏程, 闫佳, 孔鹏, 张卫国, 庞澜, 惠进, 蔡红星
2022, 43(4): 819-824. doi: 10.5768/JAO202243.0407005
摘要:
氮化硅陶瓷具备耐腐蚀、耐磨损和耐高低温冲击的优良性能,常用于高超声速飞行器的热防护材料,激光武器是未来高超声速目标拦截和打击的主要技术手段。采用Nd3+:YAG固体脉冲激光器作为辐照源,热压烧结氮化硅陶瓷为靶材,中阶梯光栅光谱仪为探测器搭建实验系统,采集激光波长1 064 nm,脉宽15 ns,不同能量(50 mJ~500 mJ)作用靶材的辐射光谱。基于美国标准技术与研究院原子光谱数据库对谱线指认,利用玻尔兹曼斜线法计算得到等离子体电子温度范围为6 203 K~6 826 K,斯塔克展宽法计算等离子体电子密度范围为8.40×1015 cm−3~1.14×1016 cm−3,等离子体电子振荡频率为8.23×1011 Hz~9.58×1011 Hz,随着激光能量增加电子温度整体呈上升趋势,电子密度变化存在波动。