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2007年  第28卷  第5期

光电工程
一种基于正负差图像的运动目标检测新方法
王鲲鹏, 张小虎, 李立春, 于起峰
2007, 28(5): 521-525.
摘要:
运动目标检测领域中现有的差图像法是利用绝对值差图像检测差图像上运动目标区域,用现有方法检测时易受噪声干扰,而且当摄像机有自运动时需要进行背景运动补偿。因此,提出一种新算法,即首先分别计算正差图像与负差图像,然后利用运动目标区域在正差图像与负差图像中的幅值、形状以及运动等信息的对称性对其进行检测,最后给出针对飞机尾焰序列图像进行检测的结果。实验结果表明:该方法可提高运动目标检测的可靠性与效率。
基于小波阈值法和维纳滤波的稀疏孔径光学系统成像的恢复
朱锡芳, 吴峰
2007, 28(5): 526-530.
摘要:
在研究稀疏孔径理想衍射成像光学系统的基础上,提出基于改进小波阈值法和维纳滤波的稀疏孔径光学系统成像恢复算法。针对存在噪声干扰的稀疏孔径光学成像系统,设计并利用改进的小波阈值去噪算法,较好地去除了成像噪声,最大程度地得到较为理想的成像结果,然后利用维纳滤波方法实现成像恢复。在实验中,利用光学设计软件ZEMAX设计了不同填充因子的稀疏孔径光学系统,并用本算法进行了成像恢复。实验结果表明,该算法的结果优于单独使用维纳滤波方法所获得的结果。
基于哈特曼法球差自动测量系统的图像处理
李建新, 李聚春
2007, 28(5): 531-535.
摘要:
从基于哈特曼法自动测量球差所需解决的CCD图像传感和数字图像处理技术出发,提出将哈特曼光阑图像用于存储器中的目标识别与测量时,图像映像区搜索算法和哈特曼光阑图像中测量光斑距离的中心重叠算法,解决了在一维图像存储器中准确寻找二维图像目标,随后进行相关目标计算的技术。其中利用所有光斑的质心求解哈特曼光阑图像的中心,再由光斑质心关于光阑图像中心的对称性确定光斑质心距离的中心重叠算法可减少计算次数,大大降低了算法的时间复杂度和计算复杂度。
基于灰度相关的图像匹配算法的改进
刘莹, 曹剑中, 许朝晖, 田雁, 付同堂, 王锋
2007, 28(5): 536-540.
摘要:
针对目前图像匹配算法中存在的匹配精度不高和匹配速度慢的缺点,对基于灰度相关的2类匹配算法——最小误差法和相关系数法进行了改进。最小误差法采用新的ML距离法,提出动态调整阈值的方法,既保证了匹配精度,又避免了局部噪声的影响;相关系数法对相关系数的计算公式进行了简化,并采用三步搜索策略进行匹配,以达到减少计算量和搜索位置的目的。实验证明:改进后的算法,在保证一定匹配精度的条件下,匹配速度大大提高,能够满足实际应用中的实时性要求。
应用四元数方法对光存储光学系统的建模
闫霜, 程雪岷, 马建设, 潘龙法
2007, 28(5): 541-547.
摘要:
光存储中的光学系统是一种非同轴光学系统,其中各个光学元件的设计位置与装配精度是保证系统光线正常传输并获得准确信号的前提。四元数方法是一种可以方便地描述空间光线的传输计算与坐标变换的数学方法。通过将四元数引入到光学头光学系统的建模中,使用四元数法表征非同轴光学系统的传输方式,并给出建立光学元件的设计、安装参数与聚焦光斑、读出光斑之间关系的流程图。据此模型对各个独立的研究对象进行分析的结果,对光存储中光学系统的设计与生产装配工艺的制定有指导意义;同时,以此模型分析物镜的连续运动对光斑和读出信号的影响,对光学头中的可执行机构力矩器的设计有实践作用。
轻武器新型瞄准镜研究
刘光灿, 白廷柱, 王毫球, 周厚友
2007, 28(5): 548-552.
摘要:
提出一种利用机电手轮和单片机完成准确测距和自动装定射表的新型轻武器瞄准镜方案,介绍这种新型轻武器瞄准镜的功能、原理和利用机电手轮测量目标距离的方法,分析了这种测距方法的误差和可行性,还给出武器射角计算公式和装定方式。设计方案既保留了普通光学瞄准镜和带激光测距仪的光电瞄准系统的优点,又具有带激光测距仪光电瞄准系统的测距、解算、装定一体的优点,且可同时采用多种计算和装定方式。
一种用于光机热集成分析的新方法——干涉图插值法
刘勺斌, 杨洪波
2007, 28(5): 553-558.
摘要:
Zernike多项式是光机热集成分析中实现光、机、热各分析软件之间数据传递的重要工具。许多光学元件表面形状并不满足Zernike多项式的正交性条件,使有限元分析不能精确拟合光学元件表面变形及变形产生的各项像差。讨论影响Zernike正交性的几个因素,详细介绍将有限元分析得到的光学表面变形数据导入光学分析软件的一种新方法——干涉图插值法。该方法避开Zernike多项式拟合,在去除镜面刚体位移后将镜面畸变精确地表示成干涉图数据,直接生成数据接口。
红外热波无损检测中材料表面下缺陷类型识别的有限元模拟及分析
赵石彬, 赵佳, 张存林, 丁友福, 李艳红
2007, 28(5): 559-563.
摘要:
鉴于红外热波无损检测中被检测物的形状、尺寸、材料和缺陷类型的不同,为给红外热波无损检测提供前期实验结果的预演,利用大型有限元分析软件ANSYS选择3种热特性差异较大的均匀材料,设计了三维模型。利用软件的前处理器和通用后处理器,绘出不同时刻模型表面的温度场分布,以此确定温度分布材料缺陷的类型。通过对模拟数据进行分析,绘出不同缺陷的温度变化曲线。根据曲线斜率的不同,可定性确定缺陷的类型。模拟结果说明:大型有限元分析软件ANSYS可用于红外热波无损检测实验过程的模拟,模拟结果与实验结果相符。该方法可用于其他不同缺陷类型的模拟及定量识别。
基于线阵CCD的小型光谱仪光度特性研究
黄振宇, 孙利群
2007, 28(5): 564-568.
摘要:
基于线阵电荷耦合器件(CCD)的小型光谱仪具有便于携带和快速探测的优点,故特别适于现场检测应用。介绍一种自行研制的小型光栅光谱仪,它采用Czerny-Turner式光学结构,并用线阵CCD作为探测器。该光谱仪光度特性的实验检测结果证明:实验样机的光度精密度优于±0.04Abs,光度准确度为±0.04Abs(0Abs~1Abs)。实验分析了光谱仪的杂散光、光度噪声和基线平直度等指标对仪器光度准确度的影响。最后针对小型光谱仪的特点提出改善其光度特性的措施。
光学设计
长焦距大口径连续变焦光学系统的设计
胡际先
2007, 28(5): 569-572.
摘要:
根据某探测设备可见光通道光学系统的特点和技术指标要求,详细介绍长焦距大口径连续变焦光学系统结构形式选择、初始结构参数计算及像差平衡的方法,给出运用该方法设计的采用正组机械补偿形式的长焦距大口径连续变焦光学系统的设计结果。对连续变焦光学系统进行了像质检测、实景成像及环境试验考核,其结果表明:该光学系统能满足某探测设备的性能要求。
稳瞄惯导周视观瞄镜的设计
陈文建, 梁庆仟, 蒋萧村
2007, 28(5): 573-577.
摘要:
介绍一种中精度、低成本周视观瞄镜的设计方法,其特点是用一个机械陀螺同时实现稳瞄和惯导2项功能。利用陀螺罗经原理,使机械陀螺的敏感轴快速收敛于子午面和水平面的交线上,并借助陀螺定轴性和2自由度环架,使陀螺隔离运动载体的扰动;通过环架上的光电传感器测出运动载体的姿态角,使观瞄镜的瞄准线随动于陀螺的敏感轴,实现间接稳定。在瞄准过程中,瞄准线的调转指令以随动修正量的形式加入,通过姿态矩阵的解算,可获得运动载体扰动量沿稳瞄坐标轴方向的投影,即瞄准线随动陀螺轴的输入量。最后综合运动载体的姿态和里程计信息,可以实现导航功能。
夜视技术
三代微光像增强器分辨力计算理论模型
程耀进, 向世明, 师宏立
2007, 28(5): 578-581.
摘要:
分辨力和传递函数MTF是微光像增强器的2个重要参数。长期以来,人们对于三代微光像增强器阴极发出的电子初能量分布没有统一的认识,从而没有一个公认的分辨力和MTF计算模型。通过理论分析和假设,给出一定条件下一个分辨力计算模型。把实际测得的第一近贴距、第二近贴距、阴极电压和荧光屏电压等数值代入分辨力计算模型中,可以得到分辨力理论值。经与实际测量值进行比对,发现二者偏差值在12.3%以内,此理论模型基本符合实际需求。该分析方法和所得结果有一定实用价值,可作为设计三代微光像增强器的技术参考。
微通道板(MCP)电子清刷用电子枪的设计
程宏昌, 石峰, 候志鹏, 师宏立, 史鹏飞
2007, 28(5): 582-586.
摘要:
为了满足Φ30mm MCP大束流短时间电子清刷新工艺要求,以轴向电子枪工作原理为基础,利用静电场对电子的作用理论,分析了电子的运动轨迹,并对电子的偏转进行了计算。根据计算结果,设计了电子枪的基本结构,确定了电子枪的各种参数:灯丝材料为Φ0.05mm的钨(75%)铼(25%)合金丝;灯丝形状为“∨”字型;电子枪外径为Φ35mm,高度为20mm,最大加热功率为12.6W时,电子发射电流密度达到1.26×10-5A/cm2。用该电子枪对4块性能相近的Φ30mm MCP电子清刷4h后,MCP的增益值达到500±50。这表明:用新电子枪可以代替原RUS-A型电子枪。
HgCdTe-IRFPA成像器件光谱响应率标定方法比较与误差分析
陶坤宇, 李福巍, 傅森, 周彦平
2007, 28(5): 587-592.
摘要:
红外焦平面成像器件的光谱响应率是天基红外遥感的基本物理指标。为了准确应用该项参数去除器件在制造工艺中的不均匀性对产品质量的影响,必须在系统使用之前对其重新标定,获取真实值。总结了目前较为普遍的IRPFA产品光谱响应率标定方法,通过比较选择标准代替法对产品进行标定。根据所得到测量数据,分析了其可能存在的误差,总结了在对IRPFA产品进行标定时应注意的问题。同时提出了一种调整积分时间的方法,以弥补有些波段标定黑体辐射功率过低带来误差过大的缺陷。
激光技术
组合抽运DPL声光调Q特性研究
杨爱粉, 过振, 王石语, 蔡德芳, 文建国
2007, 28(5): 593-597.
摘要:
端-侧面组合抽运方案是提高DPL调Q脉冲峰值功率和压缩脉冲宽度的有效技术途径。借助给出的一组端-侧面组合抽运DPL声光调Q实验结果,依据调Q速率方程,理论分析了组合抽运光的空间分布对调Q脉冲特性的影响,数值计算结果与实验结果一致。实验和理论研究发现:组合抽运时的脉冲宽度明显小于侧面抽运时的脉冲宽度,峰值功率明显高于侧面抽运时的峰值功率。实验和分析结果表明:在总抽运功率和抽运结构确定的情况下,端面抽运光功率在总抽运功率中的占有率越大,脉冲宽度越窄,脉冲峰值功率越高。通过调整端面抽运光功率占有率,改变组合抽运光的空间分布,可以实现对DPL调Q脉冲特性的控制。
固体浸没透镜用于飞秒三维光存储研究
贺锋涛, 程光华, 郝爱花, 时坚
2007, 28(5): 598-602.
摘要:
为进一步提高光存储密度,利用固体侵没透镜(SIL)与数值孔径为0.55的长工作距离物镜对飞秒激光脉冲进行聚焦,完成了PMMA及石英介质上的存储实验,并对聚焦物镜焦点与SIL底面离焦时的介质内焦点位置和系统的数值孔径进行了模拟。实验结果表明:当聚焦物镜焦点与SIL底面适当离焦时,实际聚焦在介质内的焦点深度不断加深,且系统的有效数值孔径不断增大。利用这一结果,在距PMMA表面20μm的地方得到了点间距1μm,层间距2.5μm的6层空间点阵;在距石英介质表面15μm的地方获得了点间距为0.6μm,层间距为2.5μm的5层空间点阵,其存储密度可达1.1×1012bits/cm3。
激光干涉技术在超声速气体喷嘴特性研究中的应用
吴玉迟, 张保汉, 谷渝秋, 杨朝文, 葛芳芳, 王磊, 王红斌, 刘红杰, 陈家斌, 何颖玲, 郑志坚
2007, 28(5): 603-607.
摘要:
在激光与物质相互作用的实验中,气体靶通常由超声速喷嘴在高背压下向真空中高速喷射气体产生。激光与气体靶相互作用时确定打靶条件对整个实验有着十分重要的意义。为了得到不同实验条件下气体靶密度的分布特性,采用马赫-曾德尔干涉法测量了气体靶密度分布,获取了干涉图样。使用基于傅里叶变换的条纹处理方法测得的干涉图样,得到不同实验条件下气体分子密度的全空间分布。实验表明:用M-Z干涉仪测量超声速气体喷嘴产生的气体靶密度分布十分有效。基于傅里叶变换的条纹处理方法具有精度高、实时性好的优点,为打靶时气体靶密度的实时测量提供了可能。
光纤技术
光纤通信中有色散影响的受激喇曼散射信道特性研究
刘毓, 方强, 靳鑫玉
2007, 28(5): 608-613.
摘要:
提出了在波分复用光纤通信系统中,考虑光纤色散“走离”时受激喇曼散射(SRS)信道的新模型,给出了计算中距离步长的选取公式。根据该模型,数值计算了各信道在随机数字序列调制下和在受激喇曼散射(SRS)非线性效应作用下经过有色散“走离”的波分复用光纤系统的传输功率。得出光纤色散会降低SRS效应引起的输出功率波动的结论,画出了在SRS效应作用下输出功率标准差随色散系数变化的曲线,并对产生该现象的机理进行了定性分析。该模型适合于任意光纤色散、任意输入功率和任意信道数目。
光纤光栅传感器交叉敏感问题研究
张博, 严高师, 邓义君
2007, 28(5): 614-618.
摘要:
交叉敏感问题是光纤光栅传感器在实际应用中需面对的一个关键问题。从光纤Bragg光栅的传感理论出发,分析了光纤光栅在同时测量应变和温度时引起交叉敏感的物理机理,建立了带有温度-应变交叉灵敏度系数的光纤Bragg光栅反射波长方程。利用双波长矩阵算法针对上述建立的光纤光栅方程进行了误差分析,获取了在交叉敏感情况下温度和应变的相对误差曲线图。结合相对误差表达式和曲线图分析讨论了交叉敏感对测量带来的影响。结果表明在温度和应力测量中随着测量温度或者应变变化量的增大,忽略交叉敏感项而带来的测量误差越来越明显。
埋入式光纤光栅应变测量系统的设计
程淑红, 李志全
2007, 28(5): 619-622.
摘要:
埋入式光纤光栅应变传感器作为大型土木结构健康监测的智能元件具有很好的发展前景。讨论了埋入式光纤光栅应变传感器的传感机理,设计了埋入式光纤光栅应变测量系统。从力学角度阐述了光栅传感探头的结构和制作工艺。采用可调谐F-P滤波器对光栅信号进行解调,解决了应变与温度交叉敏感问题。系统对应变的测量范围为0~1500με。通过理论分析证实了系统方案的可行性。
光学工艺
用二氧化钛、二氧化硅和氟化镁膜料镀制0.4μm~1.1μm超宽带增透膜
谭宇, 梁宏军, 刘永强, 赵兴梅
2007, 28(5): 623-626.
摘要:
对0.4μm~1.1μm超宽带增透膜的镀制工艺进行了研究。根据长期从事该工作的经验和对膜料性能的研究,结合国产设备的实际情况,在膜料的选取上主要考虑其透明光谱区域、折射率、材料的蒸发方式、机械特性、化学稳定性及抗高能辐射等因素;最终选择用二氧化钛、二氧化硅和氟化镁3种常用膜料镀制0.4μm~1.1μm超宽带增透膜。涉及该膜系的膜层共有8层,结构为:|玻璃|H|M|H|M|H|M|H|L|空气|。制作工艺方便简单、稳定,制做的膜层具有较好的光谱和机械性能,满足光电仪器实际使用要求。
理论研究
圆锥透镜对偏轴球面波光束的衍射模式
王中宇, 张朵, 李萌, 高晓颖
2007, 28(5): 627-631.
摘要:
球面波入射圆锥透镜产生的出射光束中心光斑直径较小且焦深长,适合通讯领域长距离测量和准直。针对实际操作中球面波光束入射时很可能与圆锥透镜的中心轴线发生偏移或倾斜,使衍射光场发生变化,着重研究圆锥透镜对偏轴球面波光束的衍射模式,并通过衍射理论和稳相法分析,研究其径向衍射光场的分布特性。使用半径为15mm,底角为1°的圆锥透镜进行计算机仿真和实验,最后将实验结果与理论分析和仿真结果相比较,证明球面波的曲率半径和出射光束的传输距离越小,偏轴对衍射模式的影响越小。该研究结果表明:在激光通讯等长距离通信中,使用曲率半径小的球面波光束代替平面波入射圆锥透镜,不仅可以扩展焦深,还可以降低偏轴对测量的影响。
相位互异散斑校正技术研究
张爱红, 王婷婷, 范志刚, 张亚萍
2007, 28(5): 632-635.
摘要:
相位互异散斑(PDS)是一种新颖的成像技术,可用来克服由于未知相差(如大气扰动)带来的图像退化。利用泽尼克多项式拟合未知扰动造成的相位失真,并用一对图像求得波前相位。从分析相位互异散斑技术的机理出发,使用遗传算法作为迭代算法,基于仿真实验数据验证了该技术的可行性,并在仿真实验中分析影响该技术性能的一些因素,如泽尼克多项式模式和湍流大小的影响等。这些研究结果为探索模糊图像恢复提供了新的途径。
用于微观场小应变测量的云纹干涉载波条纹法
曹宇东, 王世斌, 祁双喜
2007, 28(5): 636-640.
摘要:
在云纹干涉法的基础上,研究了一种新的测量方法——云纹干涉载波条纹法,利用初始载波条纹根据物体变形前后的变化对应变进行分析。实验证明:在结合适当的数字图像处理技术情况下,应用频率为1200lp/mm的试件栅,测量试件(微观场)变形产生的应变时,精度基本控制在±10με的范围内。对该方法的研究表明:其灵敏度可在1με以下。方法可给出U场诸行、V场诸列的平均应变值,使研究微观场小应变及微观场临近区域微小应变的不同成为可能。这一技术为MEMS研究中对相关力学内容的分析提供了技术支持。
超视力人眼模型的研究
李新华, 高志山, 孔梅梅
2007, 28(5): 641-644.
摘要:
超视力人眼模型对充分发掘人眼视力达到“鹰视”具有重要意义。用Zernike多项式描述角膜前表面,用渐变折射率描述晶状体的折射率分布,同时考虑人眼视轴和光轴的夹角对成像的影响,利用光学设计软件Zemax建立了人眼超视力模型。将Zernike条纹矢高面应用到人眼模型中,能有效改变视轴方向(即5°视场)的成像质量,提高点扩散函数(PSF)值。采用晶状体渐变折射率符合人眼的实际解剖结构,可有效减小人眼像差。通过分析人眼极限分辨能力和人眼模型波像差,得出当空间频率为60周期/度时,该模型对目标高频细节感知的调制度可达到0.55。
计量测试
激光干涉法测量硅高温环境下的线膨胀系数的实验研究
王建华, 范开果, 刘志锋, 孙建平, 张金涛, 王哲
2007, 28(5): 645-648.
摘要:
利用中国计量科学研究院自行设计的基于激光干涉法的材料线膨胀系数测量装置进行了材料线膨胀系数测量试验。该装置采用单频激光干涉,对称光路设计,其干涉仪分辨率小于1nm。实验过程中改进并完善了该装置,重新设计了加热炉,改进了实验方法,使该装置在800K以上的高温环境下能进行材料线膨胀系数的测量。在800K到1200K温度范围内,对单晶硅试样采用分段加热进行测量,并对样品变化过程及测量结果作了分析,得到了单晶硅线膨胀系数的曲线,实现了在1200K环境下采用激光干涉法材料线膨胀系数的纳米级测量。
用ZEMAX模拟五棱镜误差对平行度检测的影响
闫亚东, 何俊华, 仓玉萍, 陈良益
2007, 28(5): 649-653.
摘要:
介绍了用五棱镜法检测大口径光束平行度的原理。分析了五棱镜加工的角度误差及面形误差对检测结果的影响,得出了五棱镜角度误差不影响检测结果,2个折射面的面形误差对检测结果的影响较小,2个反射面的面形误差对检测结果影响最大的结论。介绍了选择五棱镜的方法和减小面形误差影响的方法。最后,给出了用五棱镜法检测单星模拟器出射光束平行度的应用实例。
一种利用散斑干涉和灰度等级测量纳米级位移的新方法
李林森, 忽满利, 贾昉, 郝劲波, 林巧文, 周景会
2007, 28(5): 654-658.
摘要:
为了解决散斑干涉计量中亚波长位移测量的困难,相移技术被广泛使用,但相移技术有其固有缺点,应用非常麻烦。这里提出一种不同于已往相移技术的全新微小位移测量方法。即把灰度等级法和散斑干涉计量相结合以实现对亚波长位移或变形的测量。克服了散斑干涉计量中变形或位移小于半个波长不产生完整条纹时计量困难的缺点,论述了其测量原理并进行了实验。实验结果很好地证明了上述方法的可行性。为精密散斑干涉计量提供了一种更简单有效的方法。
体吸收型激光能量计能量损失补偿方法的研究
于帅, 黎高平, 杨照金, 吴遥, 桑鹏, 郭羽
2007, 28(5): 659-662.
摘要:
借助传热学基本理论对体吸收型激光能量计因热辐射、热对流和热传导造成的热能损失进行了分析,在此基础上建立了能量计热能损失的数学模型。根据数学模型采用最小二乘法对测量数据进行了曲线拟合,得到与实际降温曲线非常接近的拟合曲线。利用拟合曲线对测量数据进行补偿修正后使得能量计的测量重复性得到了很大提高。该方法对于体吸收型激光能量计的研制具有一定的理论意义。
室内多波段光轴一致性测试系统的设计
黄静, 刘朝晖, 折文集, 郭创成
2007, 28(5): 663-666.
摘要:
介绍用于室内检测多波段光电设备光轴一致性的测试系统。该系统采用准直平行光管为测试系统提供无穷远目标。为满足全波段测试,光束无中心遮拦,系统选用离轴抛物面全反射光学系统。采用多光谱分光镜为激光光斑提供瞄准基准,带温控热十字丝的高斯目镜为红外和可见光波段提供瞄准基准,实现了光电设备之间可见与红外、可见与激光、激光与红外光轴的一致性测试。系统具有测试精度高、测试结果可靠等特点。根据初步估算,可见与红外、可见与激光、红外与激光之间的光轴一致性测试精度分别达到了4.01″, 1.08″和 4.05″的水平。该系统有效解决了多波段光测设备光轴间的一致性测试问题。
光束漂移的莫尔条纹检测原理
白宏, 荣健, 王秀
2007, 28(5): 667-670.
摘要:
针对大气湍流光束漂移,设计了一套使用莫尔条纹进行检测的系统,该系统具有检测微小长度和角度的特点,它是将光束漂移的微小角度借助条纹的方式进行放大。分析大气湍流条件下可能获得的最大条纹宽度,然后将条纹宽度和现有较好的CCD分辨率作比较。在CCD分辨率不足的情况下,采用莫尔条纹细分技术,通过适当的电路,将条纹的光信号转换成电信号,使相位变化转换为脉宽的变化,并在形成的方波中内插高频脉冲,通过测量脉冲数目可进一步实现高倍率细分,从而达到较高的分辨率,理论上系统的检测精度可达到0.025μrad。
标准园地
数字式激光平面干涉仪校准规范介绍
王生云, 杨红, 张玫, 姜昌录
2007, 28(5): 671-674.
摘要:
数字式激光平面干涉仪是用于测量光学元件面形和无焦光学系统波像差的光学仪器。为了统一数字式激光平面干涉仪测量量值,保证其测量结果的准确性和溯源性,编写数字式激光平面干涉仪校准规范。简要介绍了数字式激光平面干涉仪校准规范的构成,被校仪器的技术指标和校准方法等。