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2022年 第43卷  第6期

2022 年 6 期目录
2022, 43(6): 1-6.
摘要:
微光夜视系统及应用
基于LSTM的K2CsSb光阴极反射率预测模型
魏静雯, 钱芸生, 曹扬
2022, 43(6): 1037-1043. doi: 10.5768/JAO202243.0604001
摘要:
针对目前K2CsSb光阴极制备过程中无法预判光阴极生长状态的问题,提出一种基于长短期记忆(LSTM)循环神经网络的K2CsSb光阴极反射率预测模型。一维原始反射率数据集经过清洗、筛选、序列化等预处理手段后重构为二维数据输入模型。为充分利用反射率数据在时序上高度相关的特性,采用双层LSTM网络提取特征,预测结果通过全连接层输出,以均方误差(MSE)作为模型预测效果的评判标准。实验结果表明,该模型的网络结构合理且在不同数据集下的表现良好,预测准确率可达99.21%。该模型可运用在K2CsSb光阴极的制作过程中,通过反射率预测值反馈调节工艺参数以趋近目标走势,对提高光阴极性能具有促进作用。
基于三色LCTF的自然感彩色微光EBAPS成像系统
刘璇, 李瑞强, 李力, 金伟其, 程宏昌, 闫磊, 郑舟
2022, 43(6): 1044-1053. doi: 10.5768/JAO202243.0604002
摘要:
高灵敏度电子轰击有源像素传感器(electron bombarded active pixel sensor, EBAPS)既有真空成像器件的高增益、高灵敏度特性,又有固体成像器件的数字化特征,极大地提升了夜视成像水平。该文基于三色液晶可调制滤光片(liquid crystal tunable filter, LCTF)搭建了自然感彩色微光EBAPS成像系统,并根据微光图像特性,对系统获得的彩色图像进行了灰度拉伸、白平衡、色彩校正等色彩增强处理。实验结果表明:该系统可实现反映景物本身颜色特点且具有自然感的低照度彩色成像,有效提升夜间对目标景物特点的观察效果,可以在5×10−4 lx照度下实现彩色成像。
基于紫外差分-自适应干扰对消的NO浓度高精度检测技术
邓勤
2022, 43(6): 1054-1060. doi: 10.5768/JAO202243.0604003
摘要:
为实现机动车尾气高精度监测,提出一种高精度宽量程NO测量方法。针对尾气中SO2及NO在紫外波段存在吸收峰重合从而无法直接进行单组分气体反演问题,首先用紫外差分光学吸收光谱(ultra-violet differential optical absorption spectroscopy, UV-DOAS)法计算得到混合气体在NO敏感波段(200 nm~230 nm)的差分光学密度(differential optical density, DOD),并引入自适应干扰对消技术以实现混合气体DOD的快速分离,最终利用最小二乘法对分离出的NO进行浓度反演。该方法可实现100×10−6~3 000×10−6范围内NO浓度(气体的体积分数)快速反演,经测试,在100×10−6~200×10−6浓度范围内反演相对误差绝对值小于10%,在300×10−6~3000×10−6浓度范围内,反演相对误差绝对值小于5%。该方法具有测量量程大、速度快的特点,可满足汽车尾气中3 000×10−6范围内NO浓度测量要求。
基于LightTools软件的微光光学系统杂散光分析
朱佳丽, 张平, 李刚, 韦湘宜, 费程波, 干杰, 袁玉芬, 季亚萍
2022, 43(6): 1061-1065. doi: 10.5768/JAO202243.0604004
摘要:
为解决低照度微弱信号探测的微光光学系统杂散光问题,研究了杂散光的原理和特性。利用光学系统建模软件LightTools对微光光学系统进行仿真建模,并开展杂散光分析。为减少杂散光,在物镜筒的筒壁加工消光螺纹,并针对不同形式的消光螺纹,开展了能量仿真模拟。仿真结果表明,采用螺距0.35 mm的消光螺纹,能够将杂散光系数从7%降低到4%。仿真分析结果与实验结果一致,为其他微弱信号探测光学系统在设计阶段对杂散光进行消除提供了指导。
夜间装备运输中对光学侦拍装置的探测干扰实验
吴冠霖, 刘璇, 姜浩研, 金伟其, 赵益辉, 李瑞强
2022, 43(6): 1066-1074. doi: 10.5768/JAO202243.0604005
摘要:
针对装备运输过程中可能遭遇侦拍的风险,结合运输安全需求,分析市面上常见的4类消费级侦拍装置(手机、卡片数码相机、单反相机和数码摄像机)的光电可探测性,并实现对各装置的有效干扰。通过搭建“猫眼”激光探测、激光干扰及回波信号接收系统,重点突破典型小口径侦拍装置的探测与识别,以及“猫眼”探测端与目标端的双向成像等理论和关键技术。在此基础上分析不同距离、干扰波长和孔径情况下可见光波段激光对“猫眼”目标的探测及成像干扰效果,并提出一种图像干扰效果评价标准及不同光学侦拍装置的有效干扰阈值。实验结果表明:典型光学侦拍装置在实验距离内具有良好的光电可探测性,并且可被有效干扰;在激光束完全覆盖镜头通光孔径时,目标与装置距离越近,激光束散角越小,波段越接近人眼敏感程度最大波段(555 nm),激光光束产生的非伤害性成像干扰效果越好。
微光夜视图像处理
基于FPGA的低照度条件下EBAPS图像混合噪声去除算法
夏皓天, 钱芸生, 王逸伦, 郎怡政
2022, 43(6): 1075-1087. doi: 10.5768/JAO202243.0604006
摘要:
为了解决单一的中值滤波和高斯滤波算法对低照度图像中同时存在的脉冲噪声和泊松噪声抑制效果不佳、边缘细节保护不足的问题,提出一种基于可编程逻辑门阵列(field programmable gate array,FPGA)的开关中值-高斯融合(open and close mix-median-Gaussian,OCMMG)滤波算法。首先,利用最小四方向差值检测每个像素点的异常程度,根据脉冲噪声判别阈值分配权重,进行第1步滤波处理;然后,利用四方向边缘检测算法提取图像边缘,根据设置的边缘置信度表征值进行第2步滤波处理;最后,用电子轰击有源像素传感器(electron bombarded active pixel sensor,EBAPS)在1×10−3 lx照度条件下采集的图像,基于FPGA对其进行实时图像处理。实验结果表明,FPGA处理结果与软件仿真处理结果相符。该算法相比于中值滤波和高斯滤波算法,峰值信噪比分别提高了3.23%和16.34%,结构相似性分别提高了14.66%和33.86%,边缘保持指数分别提高了0.49%和4.21%,能够有效去除EBAPS图像的混合噪声,并满足实时性要求。
热成像特征中期融合夜视密集人群计数
任国印, 吕晓琪, 李宇豪
2022, 43(6): 1088-1096. doi: 10.5768/JAO202243.0604007
摘要:
为了提高人群计数模型对尺度和光噪声的鲁棒性,设计了一种多模态图像融合网络。提出了一种针对夜间人群统计模型,并设计了一个子网络Rgb-T-net,网络融合了热成像特征和可见光图像的特征,增强了网络对热成像和夜间人群特征的判断能力。模型采用自适应高斯核对密度图进行回归,在Rgb-T-CC数据集上完成了夜视训练和测试。经验证网络平均绝对误差为18.16,均方误差为32.14,目标检测召回率为97.65%,计数性能和检测表现优于当前最先进的双峰融合方法。实验结果表明,所提出的多模态特征融合网络能够解决夜视环境下的计数与检测问题,消融实验进一步证明了融合模型各部分参数的有效性。
基于子窗口盒式滤波的MPPC微光成像增强算法
汤祥裕, 尹丽菊, 周辉, 邹国锋, 崔玉敏, 邓玉林, 张言华
2022, 43(6): 1097-1106. doi: 10.5768/JAO202243.0604008
摘要:
针对多像素光子计数器(MPPC)进行微光成像时,图像受光照不足和噪声影响出现的图像亮度低、对比度差、边缘模糊等问题,提出一种基于子窗口盒式滤波的自适应微光图像处理算法。为了减少算法运行时间的同时突出图像的边缘细节信息,利用子窗口盒式滤波器对图像进行分层得到基础层和细节层;对基础层图像采用自适应阈值直方图均衡化拉伸对比度,细节层图像采用自适应增益控制方式进行增强;根据基础层图像中有效灰度值个数占总灰度的比值自适应确定融合系数,将基础层图像与细节层图像融合得到增强后图像。通过微光实验平台设置3组不同照度的微光环境进行实验仿真,验证了本文算法在保持边缘信息和增强细节方面获得了更好的效果。实验结果表明本文算法在标准差、信息熵、平均梯度等客观评价方面优于改进前算法,提升了微光图像的成像效果。
微光器件与系统测试
电子倍增器脉冲信号图形化离线分析软件
彭华兴, 闫保军, 刘术林, 张斌婷, 韦雯露
2022, 43(6): 1107-1116. doi: 10.5768/JAO202243.0604009
摘要:
电子倍增器(electron multiplier,EM)工作于脉冲状态下,其阳极上输出离散的信号,考虑到电子倍增过程具有一定的统计性规律,研究EM在脉冲状态下的性能参数,需要对阳极输出的脉冲信号进行大量测试和分析。以基于打拿极电子倍增器的光电倍增管(photomultiplier tubes,PMT)为例,通过改变入射光强度使其工作在脉冲状态,利用高带宽、高采样率示波器采集其阳极输出信号。基于Python开发了一种图形化数据分析软件,用来对示波器采集的大量脉冲信号数据进行离线分析,从中可以获得PMT的电荷积分谱、增益、分辨率、后脉冲率、前沿时间等性能参数,软件采用模块化结构,根据不同的测试需求各个模块可以单独工作。该软件可以快速实现EM在脉冲状态下的性能参数分析,为EM制作工艺的优化及其在微弱信号探测领域中的应用提供了一种便利的分析手段。
打拿极光电倍增管逐级增益自动测试系统
刘欣妍, 钱芸生, 魏静雯
2022, 43(6): 1117-1123. doi: 10.5768/JAO202243.0604010
摘要:
逐级增益是评价打拿极光电倍增管(photomultiplier tube, PMT)性能的重要参数之一,目前国内仅有一台逐级增益测试系统,依靠人工操作,测试效率不高。为提高逐级增益测试效率,设计了一套打拿极PMT逐级增益自动测试系统。该系统使用由可控光阑、电动挡板等组成的自动光源实现光源输出强度连续可调,并通过控制高压模块、分压器模块和继电器模块实现逐级电压的通断。利用精度为0.01 nA的电流计模块完成信号的采集、处理和传输,实现对逐级增益的自动测量。实验证明,该系统可有效测量打拿极PMT的逐级增益特性,测试重复性在2%以内,满足测试需求。
便携式微光夜视仪分辨力测试系统设计方法
解琪, 赵俊成, 董再天, 李宏光, 马世帮, 孙宇楠, 蒲培培
2022, 43(6): 1124-1129. doi: 10.5768/JAO202243.0604011
摘要:
微光夜视仪是信息化战争夜战中必备的一种仪器,广泛应用于夜视单兵侦察、枪瞄、车载、机载等作战领域。分辨力是衡量微光夜视仪探测能力的重要参数,是反映其综合性能的关键指标之一。为了解决现场使用、保养和维修等全寿命周期的各个环节中微光夜视仪的性能保障难题,研制了便携式微光夜视仪分辨力测试系统,主要组成部分包括光源组件、供电电池、靶标转轮、成像物镜、照度计、电池电压测量反馈模块、适配器和触摸显示屏等,实现了对微光夜视仪分辨力的测试,可在现场替代实验室测试系统,弥补其体积大、不便携带等缺陷。
微光像增强器纳秒级荧光屏余辉时间测试系统
卢杰, 常乐, 陈益新, 姜云龙, 苏天宁, 刘倍宏, 赵航, 钱芸生, 刘健
2022, 43(6): 1130-1137. doi: 10.5768/JAO202243.0604012
摘要:
荧光屏时间特性是评价像增强器性能的重要参数之一。微光像增强器纳秒级荧光屏余辉时间目前尚缺乏测试手段,基于传统像增强器余辉时间的测试方案,研制了纳秒级荧光屏余辉时间测试系统。该系统通过采样速率250 MHz的高速信号发生器完成对激光二极管光脉冲的激励,经由下降时间为0.57 ns的光电倍增管完成对荧光屏光信号的光电转换,µA量级的微弱光电流信号经放大及单端转差分电路,在AD9684中完成AD转换,随后荧光屏数字亮度信息经现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)后存储至DDR(double data rate)单元内,经上位机发出指令实现DDR内存的读取,通过USB3.0高速传输协议至上位机中。在数据处理中采用卡尔曼滤波及快速寻找下降沿算法,实现对采集数据的噪声滤波和余辉时间的准确测量。测试结果表明,该纳秒级荧光屏余辉时间测试系统可对具有超快光学特性的像增强器进行有效测试,P47型荧光粉的余辉测试结果达到118. 094 4 ns,重复度为2.08%。
真空紫外光谱辐射亮度测试技术
刘豪, 赵天琦, 占春连, 邹艳霞, 金尚忠
2022, 43(6): 1138-1144. doi: 10.5768/JAO202243.0604013
摘要:
真空紫外目标的光谱辐射亮度对于深空空间探测、航天器损伤测试等空间科学研究具有重要意义。研究了2种用于针对真空紫外光源的测试系统及其方法,通过对真空紫外光谱辐射亮度测试方法开展研究,研制了真空紫外光谱辐射亮度测试系统,测试系统包括真空紫外标准光源、光学成像系统、分光模块、真空紫外探测器模块、真空舱以及数据处理系统等。利用测试系统根据直接测量法和比较法对氘灯的光谱辐射亮度进行了测试分析,并讨论了真空紫外光谱辐射亮度影响因素及相对示值误差,实现了真空紫外光谱辐射亮度在121.2 nm、135.6 nm、160 nm、180 nm、200 nm五个波长范围 0.01 μW/cm2·nm·sr~1 μW/ cm2·nm·sr的精确测量。测量的重复性为0.001 34。这表明测试系统可以实现真空紫外波段信号的测试。
基于光晕的微通道板黑点检测方法
丁姝晨, 钱芸生, 林焱剑, 赵慧民
2022, 43(6): 1145-1152. doi: 10.5768/JAO202243.0604014
摘要:
根据微通道板黑点检测原理与黑点光晕特征设计了一种检测方法,该方法利用圆提取技术实现荧光屏图像的半径和圆心提取,通过高斯拉普拉斯算子实现目标黑点粗检测。基于黑点在不同电压下外围呈现光晕的特征,利用对比度受限的直方图均衡化并结合阈值分割的光晕检测法实现黑点光晕的提取。测试结果表明,该方法可以将荧光屏划痕、灰尘与微通道板黑点有效区分,从而实现黑点的自动提取。
浅析光纤倒像器固有误差对应用的影响
郝芳, 张平, 杨海金, 王瑶, 卞臻臻, 詹江, 郑伟, 梁琦
2022, 43(6): 1153-1157. doi: 10.5768/JAO202243.0604015
摘要:
微光像增强器是夜视领域重要的光电探测和成像器件,它在头戴显示、手持观测和夜间瞄准等方面应用广泛。带有光纤倒像器的超二代倒像式微光像增强器在夜间瞄准系统中应用较为广泛,根据实际应用需求情况,分析倒像式微光像增强器像固有误差中翻转角误差和蛇形畸变对应用中瞄准、行程差测量误差的影响。通过分析说明,像翻转角误差小于30',蛇形畸变小于30 μm时能够满足中近程瞄准和行程差测量的需求,并研制了检测装置对其误差进行质量控制,解决该问题的同时对该类应用的像增强器生产制造提出了相关质控点。
微光器件工艺
微通道板输入电极对开口面积比的影响及改进研究
王鹏飞, 邱祥彪, 邵爱飞, 孙赛林, 丛晓庆, 金戈, 孙建宁, 王健, 乔芳建, 高鹏, 赵胜, 陈坤杨
2022, 43(6): 1158-1164. doi: 10.5768/JAO202243.0604016
摘要:
微通道板作为一种关键的电子倍增器件,广泛应用于诸多领域。分析了NiCr膜层作为微通道板的输入端电极时,对微通道板开口面积比的影响,建立了理论模型,计算了膜层厚度、镀膜深度等参数对开口面积比的影响。开展了2种减小开口面积比损失的镀膜研究:一是进行工艺调整,减弱合金蒸发的分馏效应,降低电极膜层的电阻率,开口面积比损失量降低约2%;二是改变镀膜方式,使用Ni、Cr金属单质镀制叠层薄膜,在镀膜过程中调控镍、铬的比例,将输入端电极中镍比例升高,同样可以降低电极膜层的电阻率,在满足面电阻要求的前提下,可减薄输入端膜层至86 nm,与300 nm厚度的常规镍铬合金膜层相比,MCP输入端的开口面积比损失量降低3%~4%,MCP增益提升6%。
MCP成像探测器前端电子学增益补偿
窦双团, 付利平, 贾楠, 王天放
2022, 43(6): 1165-1174. doi: 10.5768/JAO202243.0604017
摘要:
基于微通道板电子倍增电荷分割型阳极的成像探测器常用于行星大气、气辉等微弱信号探测。针对探测器读出电路增益不相等导致探测器成像产生畸变的问题,利用理论分析结合MATLAB仿真揭示了不同畸变图像的形成机制,在该基础上提出了一种探测器读出电路增益补偿方法减小探测器成像畸变。通过MATLAB仿真和实验测试结果表明该文提出的方法能够有效减小由于读出电路增益不相等导致的探测器成像畸变。
防离子反馈膜缺陷对像增强器视场的影响
郝子恒, 孙超, 李阳, 杨凯莉, 张妮, 朱宇峰, 李朋博, 殷万鹏
2022, 43(6): 1175-1180. doi: 10.5768/JAO202243.0604018
摘要:
防离子反馈膜是三代微光像增强器的重要组成部分,其质量对像增强器的寿命和视场起着至关重要的作用。研究了防离子反馈膜质量对像增强器视场的影响。选取具有典型缺陷的防离子反馈微通道板(micro-channel plate,MCP),对防离子反馈微通道板在工作时的视场和防离子反馈膜质量进行分析,获得了防离子反馈膜的缺陷对微光像增强器工作时视场的影响。分析得到防离子反馈膜制备过程中缺陷产生的原因,并初步提出缺陷的解决方案,对后续制备出高质量防离子反馈膜有着非常积极的作用。
电子敏感CMOS部件除气方法
李桐桐, 肖超, 焦岗成, 闫磊, 樊海波, 马靖, 李成林
2022, 43(6): 1181-1186. doi: 10.5768/JAO202243.0604019
摘要:
电子轰击有源像素传感器(electron bombarded active pixel sensor, EBAPS)作为真空-固体混合型微光器件,其性能和工作寿命一定程度上取决于器件内部真空度保持情况。分析造成EBAPS器件真空度下降的原因,推断出真空度恶化的严重后果,提出提高和保持EBAPS器件内部真空度的手段,通过搭建超高真空除气系统对EBAPS器件中核心部件电子敏感CMOS部件的放气特性进行了研究,并根据研究结果得到最佳的除气工艺参数,为EBAPS数字化微光器件的制备提供了技术基础。
一种像增强器阴极高重频选通电路的设计
宋海浩, 延波, 倪小兵, 智强, 李梦依, 刘佳音, 任莹楠, 司可, 张琳琳
2022, 43(6): 1187-1195. doi: 10.5768/JAO202243.0604020
摘要:
就距离选通技术对阴极选通信号要求重复频率高、边沿速度快、脉冲宽度小,提出了一种利用分阶段、多级加速工作的阴极高重频选通电路。通过将RC电路与高速门电路组合构成的时间偏置电路单元相互级联产生不同时序的逻辑脉冲,分别控制中间级驱动金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)产生3个阶段性的驱动信号,中间级驱动的输出作为输出级MOSFET的栅极输入,控制其通断过程的加速与保持。利用软件仿真以及板级测试的方式进行了验证,试验结果表明,提出的选通电路可将输出脉冲的边沿时间由μs级提升至2 ns,可提供+50 V/−200 V的阴极关闭/开启电压,实现0~350 kHz的重复频率,0~100%的占空比,3.7 ns的最小脉冲宽度,脉冲输出延时时间抖动在0.1 ns左右。对于提升高速高压选通电源的最小脉冲宽度性能、最高工作重复频率以及降低器件功率损耗具有重要的指导意义。
微通道板碘化铯膜层抗潮解超薄保护膜层
赵胜, 邱祥彪, 金戈, 李婧雯, 张正君, 孙赛林, 林焱剑, 胡泽训, 王鹏飞, 高鹏, 郭燕
2022, 43(6): 1196-1201. doi: 10.5768/JAO202243.0604021
摘要:
碘化铯膜层对紫外光以及X射线具有很高的光电转换效率,但在空气中容易发生潮解。介绍了微通道板碘化铯膜层抗潮解超薄保护膜层的制备与保护效果。使用扫描式电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)对碘化铯薄膜光阴极微通道板的镀膜深度和厚度进行测试,采用氧化铝作为碘化铯薄膜光阴极的保护膜层,并分别制备了厚度为2 nm、5 nm和10 nm的氧化铝保护膜层。在空气中存放不同时间后,碘化铯薄膜光阴极微通道板表面未发生明显潮解变化,其增益约为8 800,暗计数率约为4.1 counts·s−1·cm−2。试验证明,氧化铝能够作为微通道板碘化铯膜层抗潮解超薄保护膜层。
像增强管激光封接过程中的气密性研究
李阳, 朱宇峰, 来悦颖, 杜金娟, 郝子恒, 徐志锋, 邬昊宇, 干林于, 陈鹏
2022, 43(6): 1202-1206. doi: 10.5768/JAO202243.0604022
摘要:
采用高功率YAG激光焊接机对高性能三代像管管壳后端(4J34可伐合金)与荧光屏屏环(4J49可伐合金)进行封接试验。研究了激光功率、脉冲宽度对焊接接头成型及表面热扩散的影响规律。研究表明:4J34合金与4J49合金表面成型质量在设备最大工作电流100 A,激光功率195 W及脉宽1.7 ms时最好,相对于激光功率,脉冲宽度对焊缝熔宽和熔深的影响更加显著,接头焊接中心区硬化最为严重,其硬度最大,热影响区次之。
微光像增强器常用荧光粉性能研究
杨武丽, 来悦颖, 张晓辉, 焦岗成, 李世龙, 郭欣, 贾甜甜
2022, 43(6): 1207-1216. doi: 10.5768/JAO202243.0604023
摘要:
荧光粉是微光像增强器荧光屏的关键材料,可将电子图像转换为可见光学图像,其性能对像增强器的分辨力、发光光谱、调制传递函数、余辉等性能有重要影响。针对国内外目前像增强器的发展情况,就国内外像增强器荧光屏常用的P20((Zn,Cd)S∶Ag)、P22(ZnS∶Cu,Al)、P31(ZnS∶Cu)、P43(Gd2O2S∶Tb)和P45(Y2O2S∶Tb)开展相应的性能对比研究,分别对这5种荧光粉的物相结构、光谱特性、发光效率及分辨力等性能进行了表征,分析了不同种类荧光粉的适用条件。结果表明:这5类常用荧光粉对于像增强器的不同性能提升各有贡献,其中分辨力较高的为P43荧光粉,发光效率较高的为P22荧光粉,而人眼观测舒适度最好的则为P45荧光粉。鉴于对微光像增强器高性能的要求,在选用微光像增强器用荧光粉时可选用综合性能较为优越的P22和P43荧光粉,也可根据像增强器的具体性能要求及实际使用需求选用合适的荧光粉种类。
总目录
2022 年总目录
2022, (6): 1217-1217.
摘要: