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2006年  第27卷  第6期

光电工程
可见光电视/红外成像复合寻的制导技术
刘松涛, 周晓东
2006, 27(6): 467-475.
摘要:
复合导引头技术是实现精确制导的一种新技术途径,它比单一体制的导引头具有更高的精度和抗干扰能力。成像制导技术可以直接获取目标外形或基本结构等丰富的目标信息,能抑制背景干扰,可靠识别目标,是复合导引头技术的重要发展方向。分析了可见光电视/红外成像复合寻的制导技术的特点,介绍了国内外的装备现状,重点阐述了系统组成及其关键技术。在此基础上,给出了可见光电视/红外成像复合寻的制导的设计实例,预测了该技术的发展趋势。
舰载光电系统高精度跟踪控制技术
陆培国, 寿少峻
2006, 27(6): 476-484.
摘要:
在舰船摇摆条件下提高光电跟踪系统对目标动态跟踪精度,其控制系统设计的关键技术是隔离扰动和减小高速跟踪时的动态滞后误差。对几种陀螺反馈惯性空间稳定技术进行了详细叙述和对比,得到了采用高测量带宽的陀螺反馈回路可以有效提高系统隔离度,并推导出系统隔离度的计算公式。同时,介绍了计算机辅助跟踪技术的原理以及在陀螺反馈惯性稳定技术的基础上结合计算机辅助跟踪的综合控制技术在舰载光电设备上的应用。以数据说明了这种综合控制技术的有效性和实用性。
自由曲面光学虚拟制造与检测系统的探讨
杜雪, 王尔祺, 李荣彬, 张志辉
2006, 27(6): 485-490.
摘要:
自由曲面光学产品设计、制造与检测的工艺流程,通常采取试凑法逐次逼近。由于加工检测再加工,循环往复,既费时,成本又高,产生了瓶颈问题。为了解决此弊端,本文运用虚拟制造技术,提出光学虚拟制造的基本构想,即虚拟制造系统结构模型,给出光学系统虚拟原型的构成和光学系统成像质量虚拟检测系统的构成,讨论光学成像质量的仿真检测以及敏度分析方法。研究结果表明:运用虚拟制造与检测技术,可缩短研发周期,降低成本,优化工艺并提高产品质量。
机载稳瞄控制系统模型及仿真分析
张璟玥, 纪明, 王惠林
2006, 27(6): 491-496.
摘要:
瞄准线高精度稳定是机载光电稳瞄系统的主要指标和关键技术。根据四框架稳瞄系统的工作原理,以手动跟踪模式为主要研究对象,建立了稳瞄伺服控制系统模型。考虑到直升机扰动特点,对线扰动、角速率扰动、摩擦力矩、弹性力矩等各种扰动因素也建立相应的数学模型,同时在各种扰动因素作用下利用Matlab对机载高精度稳瞄系统的手动跟踪控制模式进行了仿真设计分析和理论研究,设计出适合的控制器。此模型在实际系统中获得验证,对稳瞄伺服控制系统的设计具有参考意义。
光机系统分析方法
李福, 阮萍, 马小龙, 赵葆常
2006, 27(6): 497-501.
摘要:
为了使光学仪器能在恶劣的环境下正常工作,需要对其进行详尽的工程分析。对光机系统的分析方法,包括传统分析方法、集成分析方法和统一分析方法进行了研究,说明了它们的工作原理及实现的具体步骤,分别列举了它们的优缺点。进一步指出在集成分析中热弹性分析需要解决的问题及Zernike多项式拟合中需要注意的问题,归纳了使用统一分析方法时需要特别注意的问题。在比较了3种方法优缺点的基础上,对光机分析方法进行了展望,得出集成分析方法在很长一段时间内将是光机系统分析的主要方法的结论。
电接口以太网传输大气激光通信系统的研制
周燕, 范松涛, 江鹏飞, 何军, 曾华林, 谢福增
2006, 27(6): 502-505.
摘要:
介绍了基于电接口的大气激光通信系统的工作原理及各部分的组成,测试了光学天线的天线效率以及准直发散角的大小(天线效率约为35%,准直发散角为1.3mrad),并对系统进行了光功率链路的估算。计算结果表明:所设计的系统完全可以满足2km内大气传输的要求。在此基础上研制出基于电接口的通过以太网传输的大气激光通信系统。该系统由激光器收发子系统、光学天线子系统以及媒体传输子系统组成,其中为了避免大气湍流,光学天线采用了双路发射、双路接收的形式。此系统可以实现计算机和以太网之间以及2台计算机之间的通信。工作速率为10Mb/s和100Mb/s自适应,工作距离为500m。
光电经纬仪测量精度指标的确定
杜俊峰
2006, 27(6): 506-509.
摘要:
光电经纬仪测量元素误差是外弹道测量中最主要的误差源。为了保证外弹道的测量精度,就应对光电经纬仪的测量精度进行合理设计。通过数学解析的方法,推导建立了2个简洁的公式:1)单站定位体制下弹道点位精度和光电经纬仪测角、测距精度以及目标斜距、高角之间的数学表达式;2)对称交会测量体制下弹道点位精度和光电经纬仪测角精度以及目标斜距、交会角之间的数学表达式。这2个公式为光电经纬仪精度指标的设计论证提供了理论依据。
图像处理
红外目标湍流退化图像的优化复原算法
洪汉玉, 喻九阳, 陈以超, 易新建
2006, 27(6): 510-515.
摘要:
提出了基于最速下降法的湍流退化图像盲目复原算法。将图像转换到频域中,建立一个基于目标图像和点扩展函数频谱的目标函数,通过迭代方式采用最速下降优化方法来极小化该目标函数,并利用傅里叶变换和反变换将目标图像和点扩展函数在频域和空域之间进行变换,在每次迭代中交替加入约束条件进行反复修正,以便取得预期的图像恢复效果,增强算法的稳定性和抗噪能力。针对红外目标湍流退化图像,在微机上对算法进行了一系列复原验证实验。实验结果表明:该文算法复原效果稳定,抗噪能力强,具有实用价值。
书籍扫描图像畸变参数自动计算方法的研究
张全法, 杜丽丽, 申杰
2006, 27(6): 516-519.
摘要:
为实现书籍扫描图像的畸变自动校正,提出用多项式来描述各像素的理论灰度g(zi)与页面上对应点到扫描仪工作平面距离zi二者之间的关系。为确立该多项式,在畸变参数已知条件下扫描一幅图像,根据已知畸变参数求出zi,即可按最小二乘法原理由各像素灰度的实际值求出多项式的各个系数。实验证明,采用4阶多项式已能满足一般要求,并求出了各系数。对任意扫描图像,自动计算畸变参数的方法为:首先利用扫描图像上页边空白处各像素的灰度,对畸变参数进行估计,并求出zi的估计值;然后代入所确立的多项式,可求得g(zi);通过调整各畸变参数的估计值,直到g(zi)与gi最为接近,即得最佳畸变参数。用于图像校正实验,获得了较好的校正效果,最大误差由不校正时的41%下降到了6.9%。这使得无需用户测量并输入有关畸变参数即可进行自动校正。
基于退火遗传算法的少数投影CT图像重建
丁泽慧, 陈韶华
2006, 27(6): 520-524.
摘要:
不完全投影重建算法研究是当今图像重建算法中的一个难点问题,近年来,遗传算法在其中有一定的应用,但还存在一些问题。针对遗传算法在优化中的不足(如早熟收敛及易陷入局部最小等),将模拟退火机制引入到遗传算子中,提出一种新的算法;并通过选择测试函数,建立将该算法应用于不完全投影图像重建的优化模型,进行计算机模拟。通过对从投影角间距为15°的12个不同投影视角方向获取的投影数据进行分析,结果表明,该算法的重建图像具有较高的精度。
火焰长度的图像测量方法研究
巨新刚, 倪晋平
2006, 27(6): 524-527.
摘要:
提出了一种火焰长度的测量方法。该方法利用彩色面阵CCD相机获得火焰图像;根据火焰辐射强度和亮度之间的理论关系,提出了基于图像亮度来提取火焰图像;依据提取的火焰图像,提出了一种确定火焰边界和计算火焰长度的算法。最后用蜡烛在实验室进行了试验验证。利用Matlab提取火焰亮度图像,并进行了滤波处理;利用Visual C#编程技术,依据所提取的火焰边界和长度计算方法,得到火焰实际长度。该方法代替了传统的手工测量,操作方便、简单。试验表明该方法能达到理想的测量结果。
光学设计
衍射极限非球面准直透镜
勾志勇, 王江, 王磊, 王楚
2006, 27(6): 528-530.
摘要:
介绍了一种新的非球面透镜设计方法。通过非球面方程中二次曲面常数和非球面系数对光学系统像差的贡献来设计非球面透镜,并详细分析了非球面设计过程。设计了数值孔径NA=0.37, 纤芯Φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光器的非球面准直透镜,其焦距f=50mm。从像质评定可以看出, 非球面准直镜几乎接近衍射极限, 整个系统的波像差小于0.3λ。实验表明: 采用非球面准直系统能最大限度地利用光能率和提高光束准直性, 证明了设计方法基本正确。
梯度折射率透镜在口腔内窥镜中的设计与应用
张宇, 秦明新, 罗二平, 李志宏
2006, 27(6): 531-534.
摘要:
作为口腔内窥镜的摄像镜头,利用梯度折射率透镜质量轻、体积小、结构简单、分辨率高、成像景深大的优点,研制出一套适合医患交流及进行口腔检查与治疗的医疗装置。采用修正折射率剖面的梯度折射率透镜, 降低系统渐晕,减小畸变,获取口腔内部图像,经CCD光电转换装置转换成电信号,再将电信号经过数字信号处理以后,将该数字信息存储于计算机内部或在显示器上显示出来。口腔内窥镜是集梯度折射率透镜、光学原理、光学材料与加工、微电子、数字成像技术等为一体的新型医疗设备。特别是采用经修正的梯度折射率透镜制造的口腔内窥镜成像清晰, 在图像畸变、景深等方面优于现有产品,而且便于对患者的各种信息进行管理、查询、输出等。
理论研究
微通道板电子传输时间特性的理论分析
杨青, 陈烽, 侯洵
2006, 27(6): 535-538.
摘要:
电子在微通道内传输过程可以采用解析法和蒙特卡罗模拟进行研究,解析法的优点是物理图像更清晰,但对电子渡越时间的弥散特性不能给出满意的解释。采用统计学的方法对电子在微通道内传输过程的时间分布特性进行了讨论,得到了电子渡越时间的分布函数表达式,并据此可以得到时间弥散度与二次倍增次数的关系,即整个二次电子的渡越时间呈指数分布,且在最可机时间内集中了大量的二次电子。此外,由于碰撞次数对电子渡越时间弥散度的影响,因此在作为高时间分辨元件时应该考虑适当增加通道板两端的电压,以减少碰撞次数,从而降低渡越时间的弥散度和提高整个器件的时间分辨率。
大气泡散射的几何物理模型数值计算
李旭东, 杨鸿儒, 张郁, 吴磊, 宋一兵
2006, 27(6): 539-542.
摘要:
米氏模型和德拜级数展开模型在气泡尺寸达到μm量级时不能很好地解释海水中大尺寸空泡的后向散射现象,计算速度较慢且容易溢出。提出使用几何物理光学模型解释大尺寸空泡的后向散射现象,给出了一种基于几何物理光学模型的球形大气泡散射特性的数值计算方法,并与德拜级数展开式进行了比较,计算结果基本吻合。该方法在计算大尺寸空泡的后向散射时不受微粒尺寸参数和折射率的限制,且避免了复杂的级数形式,与基于米散射理论或德拜级数展开的算法相比,具有更快的运算速度。最后给出了一些计算实例。
微小颗粒的光散射数值模拟
邓志宏, 桂许春, 廖树帜
2006, 27(6): 543-545.
摘要:
简单介绍了以经典Mie理论为基础的光散射测量技术在颗粒直径和颗粒浓度测量中广泛的应用。分别以Mie理论和离散偶极子近似理论(DDA)为基础, 用数值计算方法分析了球型颗粒的光散射特性,给出了微小颗粒对平行入射光散射的强度函数和散射偏振度的数值计算方法。得到了强度函数和偏振度随相关物理参量变化的三维图,为微小颗粒散射研究提供了一种三维视图。计算结果表明:当尺度参量x<4时,2种方法所得结果差异不大;随尺度参量增大,2种方法所得结果出现较大差异。与经典Mie理论相比,由于离散偶极子近似理论可以解决各种形状的颗粒散射问题,其应用前景更广泛。
微光技术
用于微光夜视系统性能评估的新方法
刘磊, 李元, 钱芸生, 常本康
2006, 27(6): 546-551.
摘要:
为了全面、科学、合理地评价夜视系统的性能指标和作战效能,避免在野外实测微光夜视仪的过程中投入大量的人力、物力和财力,在微光成像夜视系统阈值探测理论和视景仿真技术的基础上,开发了一个集计算和仿真功能于一体的应用软件,提出了采用三维视景仿真软件作为夜视系统性能评估工具的新方法。该软件可以实现对微光夜视系统夜间成像的仿真和视距的评估。以三代微光夜视观瞄系统为试验对象,对其在不同夜间环境下进行了性能评估和野外测试。通过对结果的分析和比较,证实了该评估方法是实用的。
低噪声、高增益微通道板的研制
刘术林, 李翔, 邓广绪, 潘京生, 苏德坦, 严诚, 李军国
2006, 27(6): 552-557.
摘要:
降低微通道板噪声和增加其电子增益是改善微光像增强器信噪比、视场清晰度和亮度增益最好的技术途经之一。采用具有高而且稳定的二次电子发射系数的皮料玻璃和与皮料玻璃的热物理性能相匹配且化学腐蚀速率比皮料大4个数量级的芯料玻璃以及与两者在一切工艺过程相匹配的实体边玻璃,通过优化实体边实芯工艺制作出的高性能微通道板,其暗电流密度小于5×10-13A/cm2,固定图案噪声和闪烁噪声明显降低;在真空系统中,经40μAh电子清刷后,电子增益(800V)大于500。制管实验表明:这种微通道板达到了预期效果。
测试技术
扫描式法布里-珀罗干涉仪测量高空大气风速
赵正启, 周小珊, 艾勇
2006, 27(6): 558-562.
摘要:
为测量中低纬度地区250km高空大气风速,采用扫描式法布里珀罗干涉仪记录250km高度附近的OI630nm气辉辐射谱线的干涉图像。通过对观测图像分析处理,用高斯函数匹配干涉条纹强度分布以确定干涉条纹强度中心的精确位置,进而求出谱线的多普勒频移,反演出经向和纬向风速。经过理论推导,求出FP腔间距的漂移量对风速的影响,对反演风速进行修正。由风速随时间变化曲线得到在观测期间,经向风朝南,大小在4~67m/s间变化;纬向风朝东,大小在20~100m/s间变化,最小风速误差约为6m/s。
低仰角蒙气差精密修正的新方法
谭碧涛, 景春元, 朱启海, 王宝国, 袁尧臣
2006, 27(6): 563-566.
摘要:
由于蒙气差随着大气密度、温度和压力等条件的变化而变化,为降低蒙气差对光电测量设备测量精度的影响,提出了精密恒星回扫的新方法。在标准大气条件下,通过理论计算得到的蒙气差与实际测量值存在偏差,采用精密恒星星库,引导测量设备对观测目标附近的恒星进行事后回扫测量,对回扫测量数据进行拟合可以得到蒙气差的修正量。分析了恒星回扫方法中影响修正精度的轴系、编码器等因素,通过外场实验,在大气湍流变化均匀的情况下,采用该方法对20°仰角以下星体进行观测,测量精度可以达到1″。
“网格式平行线法”在螺纹参数测量中的应用
张涛, 杨树勋, 于飞
2006, 27(6): 567-570.
摘要:
在计算机视觉理论基础上发展起来的视觉检测(vision inspection)技术具有非接触、速度快、精度适中、可实现在线等优点,已广泛地应用于工业产品的在线检测。在计算机视觉检测技术中CCD摄像机是一个最关键的器件,其参数是否准确决定了检测的精度。所以,摄像机标定是视觉检测技术中最基本的也是最重要的一步。在比较其他标定方法的基础上,为了解决传统标定方法对螺纹图像测量系统所带来的一系列问题,采用了一种新的图像测量系统的标定方法——网格式平行线标定方法,该方法运用了CCD亚像素细分技术及调焦技术,可直接得到纵横2个方向的像素,经过理论分析及实验结果均表明,采用该方法具有标定简单、精度高、重复性好等优点,是一种较好的螺纹图像测量系统标定方法。
光纤技术
偏振模色散影响下飞秒孤子的传输特性研究
王志斌, 李志全, 闫利娟
2006, 27(6): 571-575.
摘要:
以Maxwell电磁场理论为基础,在综合考虑了高阶色散、高阶非线性、自相位调制、交叉相位调制、自变陡、脉冲内喇曼散射及偏振模色散等因素的基础上,推导了飞秒孤子脉冲在双折射光纤中传输的耦合非线性薛定谔方程,并利用分步傅里叶方法对该方程进行了数值计算,研究分析了偏振模色散对飞秒孤子传输的影响。结果发现:当Dp≤0.1ps/km1/2时,偏振模色散对系统的影响很小,随着偏振模色散值的增大,系统的传输性能迅速恶化,当偏振模色散值达到0.3ps/km1/2时,系统的传输距离已经不到无偏振模色散时的1/3;若同时考虑光纤的高阶效应,以飞秒孤子作为载体的系统已经不能实现高速长距离的传输。
倾斜Bragg光纤光栅反射谱特性理论和实验研究
周次明, 陈留勇
2006, 27(6): 576-580.
摘要:
光纤Bragg光栅在通信和传感领域有着广泛的应用。根据倾斜光纤Bragg光栅的结构特点,利用耦合模原理,运用传输矩阵法,模拟分析了倾斜角度对光纤Bragg光栅反射特性的影响,并用实验对模拟结果进行了验证。实验和模拟结果表明:随着倾斜角的增大,中心反射波长向长波方向移动,反射带宽变窄,反射率减小。这个结论对倾斜Bragg光纤光栅的生产和应用有一定的指导作用。
双边缘均值光纤Bragg光栅波长解调技术
高雪清, 姜德生
2006, 27(6): 581-584.
摘要:
光纤Bragg光栅(FBG)传感器是一种波长调制型传感器,波长解调技术是FBG传感系统的关键,通常是对FBG反射谱进行波形采样,得到反射谱的峰值信号,以此作为FBG中心波长的特征值。这种方法需要实时采集大量数据,所以影响解调速度。通过对FBG反射谱的分析,得出FBG反射谱具有很好的对称性。在此基础上提出了采用反射波双边缘均值的方法测算中心波长。实验证明,采用这种方法进行波长解调,可以使FBG信号处理简单、动、静态波长时测算精度高,可以极大地提高解调系统处理FBG传感信号的速度。
准光孤子特性及其通信技术研究
卢洵, 赵朝锋, 徐振启
2006, 27(6): 585-587.
摘要:
对准光孤子理论进行了研究,用一个合适的、持续的色散管理方法,从一个修正的非线性薛定谔方程得到一个精确解,用这个解构造一个非线性稳定的准光孤子脉冲。用数值模拟的方法得出了准光孤子和光孤子的波形。结果表明:准光孤子几乎具有光孤子的全部优点,其脉冲宽度比光孤子要小很多,并且准光孤子的脉冲宽度可以通过调节光纤的结构参数来进行调整,准孤子能够在光纤中稳定地实现长距离传输,而且能够很好地克服由孤子的固有特性造成的对通信容量的限制,所以准光孤子有望成为下一代通信系统的最佳信号载体。
宽温度范围光纤传输性能温度适应性试验与评价
王宝珠, 赵生禄, 陈炜, 邓宏林
2006, 27(6): 588-593.
摘要:
通过高低温湿热交变试验箱模拟外界温度环境,利用OTDR和CD300色散仪监测光纤传输性能随温度的变化情况,对相同工艺生产的同类型的不同批次的单模光纤进行温度循环试验。试验表明:在-60℃~140℃宽温度范围内,光纤的传输性能均随温度发生波动——在1310nm和1550nm波长处光纤温度附加衰减不超过0.05dB/km;在1550nm处光纤的色散系数随温度升高而降低;PMD随温度的升高有所增加。在该试验的基础上,利用质量管理中的“3σ”控制原理,以现有通信系统标准作为判据,讨论了温度变化时光纤传输性能对通信系统的适应性,推断出在-60℃~140℃温度范围,G.652光纤的衰减、色散和PMD性能均满足10Gbit/s以下的通信系统使用;对于高于10Gbit/s的高速通信系统,应采用适当的措施,尽可能减小拉丝过程中光纤的PMD,这样才能保证PMD指标完全满足高速通信系统要求。
在线滤波技术在光纤马赫-德尔交叉复用器中的应用
张梅
2006, 27(6): 594-597.
摘要:
为构造出与理想梯形滤波器接近的滤波形状,在单级光纤马赫-德尔交叉复用器的基础上,引入在线滤波技术;通过增加干涉级数和调整2对干涉臂的干涉长度和耦合器的耦合比,实现了逼近宽带陡沿的滤波输出。通过与梯形滤波器傅里叶展开式的比较,计算得到了器件的最佳参数,器件的滤波性能以及温度稳定性相对于单级结构得到了明显提高。根据理论计算,成功制作出通道间隔为50GHz的样品器件。其输出为-0.5dB,带宽大于0.185nm,相邻通道隔离度大于30dB,满足了DWDM系统指标要求。