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2015年  第36卷  第6期

光电系统与工程
大俯仰角度的两轴两框架平台稳定技术
李红光, 纪明, 吴玉敬, 郭新胜, 彭侠
2015, 36(6): 823-828. doi: 10.5768/JAO201536.0601001
摘要:
为了解决大俯仰角度方位平台稳定性能降低的问题,利用两轴两框架稳定平台稳定原理,分析在传统方位陀螺安装方式下,大俯仰角度时方位平台稳定性能降低的原因以及正割补偿带来的噪声等问题,提出在方位平台上安装2个正交的方位、横滚陀螺,解算出瞄准线方位惯性角速度,从而实现大俯仰角度下的方位稳定控制方法。仿真实验验证了该方法可以提升大俯仰角度下两轴两框架平台的方位稳定控制性能,减小陀螺噪声对控制性能的影响,在同等条件下,方位稳定误差峰峰值由450 urad减小为250 urad。
光电伺服机构电机选型问题研究
吴海涛, 范大鹏
2015, 36(6): 829-835. doi: 10.5768/JAO201536.0601002
摘要:
在轻量化设计需求日益提升的环境下,驱动电机的选型直接影响系统整体尺寸和质量,传统的电机选型方法存在着载荷分析不全面、针对某些影响因素定量化程度不深等问题,因此对电机选型方法的研究和选型工具的开发对于伺服系统的轻量化设计有着较大的影响。对光电伺服系统的各种载荷进行定量化计算,对于难以精确计算的载荷,给出其估算方法,并对电机的动态特性进行校核,引入了置信度的概念辅助电机选型。基于Matlab/GUI编写了伺服电机选型软件,并针对某光电吊舱进行电机选型,最终选得置信度为0.79的直流电机。
空间光学遥感器次镜参数化设计
于跃, 李威
2015, 36(6): 836-840. doi: 10.5768/JAO201536.0601003
摘要:
根据某空间遥感器次镜设计指标要求,采用ANASYS多参数优化设计功能对次镜轻量化进行优化设计。利用UG软件建立反射镜体结构的参数化模型,在ANSYS中将有关结构参数变量指定为优化设计变量,以反射镜体在地面重力作用下的镜面变形误差以及反射镜支撑孔位移为零作为约束条件,结合有限元法对镜体轻量化结构的尺寸参数进行优化分析,得到了轻量化率达到80.635%,镜面面形精度RMS为6.953 nm,PV值为31.317 nm,满足设计要求的反射镜。
某型号周视镜总体设计技术分析
宋克洲, 何波, 赵臣俊, 魏前岗, 高向民, 张永奇, 付攀龙
2015, 36(6): 841-846. doi: 10.5768/JAO201536.0601004
摘要:
为了扩大观察范围,模块化结构单元,提高可靠性,设计了一款多功能周视镜。利用滚珠丝杠和直线轴承实现头部升降,扩大产品的观察范围;利用齿轮组差动技术实现上反射镜运动传输,保证系统可靠性;利用步进电机驱动道威棱镜及配合绝对值式光电编码器反馈角值位置信息,消除周视过程中的图像旋转,保证系统观瞄和测角精度。实验结果表明:周视镜可昼夜观瞄、昼间3~6连续变焦、头部升降300 mm、方位向全周视、测角精度在连续转动下不低于1 mard。
一种四波长轮换的表面形貌干涉测量系统
杨练根, 余再新, 何浪, 王选择
2015, 36(6): 847-851. doi: 10.5768/JAO201536.0601005
摘要:
针对相移干涉法测量表面三维形貌时深度测量范围受波长限制这一问题,提出一种四波长表面形貌干涉测量系统。通过滤波片的轮换,将白光LED光源的光切换出4个不同波长的光源,并依次进行单波长干涉。为解决多波长干涉图像数据处理,采用基于椭圆拟合的算法,在逐帧逐点的相位计算条件下,运用大小尺度相结合的算法实现高精度宽范围的表面形貌测量。实验结果表明:在深度测量范围扩大到约41倍的条件下,测量经中国计量科学研究院采用粗糙度国家基准校准的方波多刻线样板,得到的表面粗糙度数据与校准数据相比,相对误差为4.09%。说明在一定的深度范围内,该系统能够实现表面形貌的高精度测量。
DVD光学头的RBF神经网络自适应PID控制器设计
张美凤, 蔡建文
2015, 36(6): 852-856. doi: 10.5768/JAO201536.0601006
摘要:
为了使三维光存储技术的应用水平得到提高,以DVD伺服技术、双光子吸收技术为基础组建了一套信息存储系统。针对DVD光学读取头系统,采用RBF神经网络自适应PID控制器进行控制,充分利用RBF神经网络的自学习和全局非线性逼近能力,在线调整修正PID控制器的3个参数,使其达到一种最优控制,并通过MATLAB软件进行了计算机仿真。由仿真结果可以得出:通过应用RBF神经网络自适应PID控制算法,系统单位阶跃响应的调整时间为0.25 s,并使系统的超调量降低到几乎为零。
红外变焦投影光学系统的设计
刘智颖, 栾晓宇, 付跃刚, 高子英
2015, 36(6): 857-863. doi: 10.5768/JAO201536.0601007
摘要:
根据外场测试要求,设计一套精确变焦的大口径投影光学系统,为系统性能测试评估提供远场至近场的目标成像模拟,系统由精确变焦系统和大口径投影系统两部分组成。根据被测系统口径及所成像点大小要求,在保证光瞳衔接和口径匹配的前提下,对大口径投影光学系统和精确变焦系统进行了光学参数计算和像质优化。变焦系统工作波段为8 m ~12 m,变倍比为16x,大口径投影光学系统口径为300 mm,模拟实验结果表明,该系统在变焦过程中像面稳定,各焦距位置MTF曲线接近衍射极限,满足外场测试实验要求。
用于折反式红外光学系统的辅助装调镜设计
胡博, 杨子建, 陈姣, 高婧, 腾国奇, 张博, 于跃
2015, 36(6): 864-867. doi: 10.5768/JAO201536.0601008
摘要:
针对大口径折反射红外光学系统设计过程中正主、次镜的像差为单独校正,无法实现高精度调试的问题,提出设计一套可见光波段辅助装调镜的方法,辅助镜用于补偿主次镜之间的像差,完成高精度装调。辅助透镜研制过程中,严格控制加工精度,减少对系统精度的影响。采用ZYGO干涉仪对系统进行了调试,波像差实际值为0.3,设计值0.14。最后,更换中继透镜组,光学系统成像质量达到红外搜索跟踪系统的要求。
基于碳纳米管手性指认的近红外荧光光谱仪的校准程序
田荣荣, 任玲玲, 姚雅萱, 张晴, 陶兴付, 唐宾
2015, 36(6): 868-872. doi: 10.5768/JAO201536.0601009
摘要:
手性指数是单壁碳纳米管(SWCNTs)亟待测量的重要参数之一,不仅直接反映了SWCNTs的直径和手性角,同时也反映了其电学特性。近红外荧光光谱法常用于指认碳纳米管的手性,而该类荧光光谱仪缺乏通用的校准方法,造成不同仪器测量结果缺乏可比性。面对该类荧光光谱仪,概括介绍设备的原理及结构,着重阐述了仪器的校准项目以及校准程序,主要包括激发光路校准(激发单色器的校准)和发射光路校准(发射单色器的校准),通过氙灯标准谱图和激光玻璃标准谱图分别将其校准至467 nm和1 053 nm波长位置。校准完成后,使用该类荧光光谱仪对单壁碳纳米管的手性进行指认,同时使用紫外-可见-近红外光谱仪对同一样品进行手性指认,两种方法的指认结果均为(11, 1)、(8, 7)、(10, 3)、(9,5)、(11, 3)、(8, 6)、(9,2)、(7, 6)、(8, 4)、(7, 5)、(10,2)。由手性指数指认结果的一致性可验证该校准程序准确可靠。
基于序列光线追迹原理的快速优化照明设计
李潇, 高培丽, 黄逸峰, 钱维莹, 苏宙平, 刘诚, 高淑梅
2015, 36(6): 873-879. doi: 10.5768/JAO201536.0601010
摘要:
为解决LED扩展光源照明系统设计时,优化时间较长且多软件数据传输繁琐等问题,提出了一种仅用Matlab软件进行快速优化设计的方法。该方法将成像设计中的序列光线追迹原理应用于照明设计中,并利用菲涅尔公式与照度补偿理论,提高了照度拟合速度。同时,通过该方法可将光线追迹与反馈优化紧密相连,实现对照明系统的一站式优化设计。以一紧凑型(h/d=2.5:1)匀光透镜设计为例进行试验,结果表明:给定光源和目标面的参数后,获得匀光透镜数值解的优化时间仅为8 min,优化时间缩短近一个数量级;经SolidWorks成型和TracePro仿真测试,目标面上的均匀度和光效分别达到86.75%和88.42%,照明效果提高明显。
基于特征匹配的快速鲁棒数字稳像
谢征, 崔少辉, 李金伦
2015, 36(6): 893-899. doi: 10.5768/JAO201536.0602003
摘要:
针对手持移动摄像装置拍摄视频序列相邻帧间存在平移、小角度旋转运动,而且易受噪声、光照变化的影响等问题,提出一种基于优化Oriented FAST and rotated BRIEF(ORB)特征匹配的实时鲁棒电子稳像算法。对相邻帧预处理后用Oriented FAST算子检测特征点,再用Rotated BRIEF描述提取的特征点并采用近邻汉明距离匹配特征点对,然后采用级联滤波去除误匹配点对,最后使用迭代最小二乘法(ILSM)拟合模型参量进行运动补偿实现稳像。图像匹配测试和稳像实验结果表明:基于改进的ORB算法的电子稳像方法补偿每一帧的时间均小于0.1 s,定位精度可达亚像素级,能有效补偿帧间平移旋转运动,而且对噪声和光照变化有较强鲁棒性。经稳像处理后,实拍视频质量明显提高,峰值信噪比(PSNR)平均提高了10 db。
光电信息获取与处理
基于随机背景建模的目标检测算法
杨恒, 王超, 姜文涛, 刘培桢, 孙小炜, 纪明
2015, 36(6): 880-887. doi: 10.5768/JAO201536.0602001
摘要:
运动目标检测是智能视频监控系统中的重要步骤和前提。提出了一种基于随机背景建模的非参数化建模算法,对场景中运动目标进行快速提取跟踪。在初始化阶段,从当前像素的邻域中随机抽取样本值作为背景模型;在模型更新阶段,引入了随机更新策略和背景传播机制,能够较好地抑制环境噪声;在后处理阶段,给出了一种基于积分图的前景滤波优化方法,进一步滤除噪声和填充前景空洞。实验结果表明,在复杂场景条件下,算法的目标检测性能明显优于其他几种同类算法,能够较好地抑制噪声干扰,具有较高的检测正确率。对于360288像素的测试视频,算法的计算速度高达120 f/s,完全可以满足实时应用。
一种基于Optisystem的静态与动态色散补偿相结合方案研究
毛昕蓉, 张建华, 赵谦
2015, 36(6): 888-892. doi: 10.5768/JAO201536.0602002
摘要:
介绍色散补偿光纤DCF及动态啁啾光纤光栅FBG的补偿技术并比较其优缺点,提出在传统光传输系统末端加入动态FBG的方案,通过Optisystem仿真软件搭建40 Gbit/s的光传输系统,用FBG仿真光传输400 km的Q值为3.745,误码率为7.419 42e-5,用DCF静态混合补偿和静态与动态相结合的补偿方案分别仿真并比较两种方案传输相同距离的Q值和误码率的大小,证明提出的静态加动态的方案提高了光传输性能。
轴对称二次非球面镜面几何参数的算法
杜建祥, 宗肖颖
2015, 36(6): 900-904. doi: 10.5768/JAO201536.0602004
摘要:
在现代的空间光学遥感器中,越来越多地使用二次非球面光学元件代替以往的球面光学元件,消除球面镜不能消除的像差。二次非球面的几何参数包括其顶点曲率半径和非球面系数,它们对相机的性能有着重要的影响。三座标仪的使用使得二次非球面几何参数的测量变得方便快捷。在三坐标测量数据基础上,给出了一种新型的二次非球面几何参数计算方法,通过采集座标点、寻找旋转轴、计算法线像差等步骤求解出顶点曲率半径和非球面系数。通过仿真分析和实验验证,顶点曲率半径的计算精度可达0.01%,非球面系数的精度可达0.0002。
光学计量与测试
消色差λ/4波片的系统级标定方法研究
陈立刚, 冯伟伟
2015, 36(6): 905-908. doi: 10.5768/JAO201536.0603001
摘要:
消色差/4波片具有一定的二向色性和相位延迟量误差,导致仪器偏振测量产生误差。从考虑全偏振CCD相机自身偏振效应的辐射模型入手,借助积分球辐射源和高精度辅助旋转偏振器,研究系统级非理想消色差/4波片的标定方法。结果发现:消色差/4波片的二向色性和相位延迟量参数随仪器的工作波长与带宽发生变化,波段650 nm(相位延迟量88.90)和750 nm(相位延迟量88.65)消色差效果相对较好,而波片在波段850 nm(相位延迟量84.33)相位量偏差较大;通过相位延迟量的标准误差分析,得出消色差/4波片的系统级标定方法精度优于0.8。
基于已知球面波前的Hartmann-Shack传感器结构参量标定
周晓斌, 栾亚东, 史雷蕾, 雷增强
2015, 36(6): 909-912. doi: 10.5768/JAO201536.0603002
摘要:
微透镜阵列到CCD的距离是影响Hartmann-Shack波前探测器精度的主要装配误差之一。对该平移装配误差的修正,能够有效减小波前探测误差。理论求解了球面波前通过微透镜引起的子孔径光斑质心移动量与波前探测器结构参数之间的关系,借助该关系能够求出微透镜到CCD之间的实际距离,以其改进波前斜率的计算。实验验证了理论推导的合理性,并对实际装配参数进行标定,得实际距离为24.2 mm。利用标定后的参数重建波前,其相对误差减小20.4%。实验表明该标定方法能够有效提高波前传感器测量准确性。
布拉格光栅应变测试系统的动态标定
王康, 顾金良, 罗红娥
2015, 36(6): 913-917. doi: 10.5768/JAO201536.0603003
摘要:
为了能够简单精确地标定出Bragg光栅应变测试系统的应变拉伸系数,通过分析测试系统的解调原理,提出了运用陶瓷制动器的逆压电效应标定该系统的方法。对系统的8路应变测试通道进行了标定实验,将每路通道的实验数据进行线性拟合,分别得到了Bragg光栅应变拉伸量与解调信号相位差的关系曲线,从而确定了每路通道的应变拉伸系数,分析表明系数的标定相对误差在0.002 m/()以内,标定结果具有较高的精度。
基于椭圆检测的离轴抛物镜定心装调方法
朱苗苗, 孙斌, 杨洪春, 孟炳寰, 洪津
2015, 36(6): 918-922. doi: 10.5768/JAO201536.0603004
摘要:
针对一种高精度线偏振辐射计的离轴抛物镜定心装调问题,提出了基于椭圆检测的定心装调方法。逆光路使视场光阑在相机焦面成像为光斑,采集视频图像,使用基于最小二乘拟合法的椭圆检测方法得到光斑中心运动轨迹,从而得到离轴抛物镜的光轴倾斜误差。编写装调专用辅助软件用于相机控制和图像的处理、显示,实现定心装调的定量化可视化。技师通过观察软件界面中的光斑中心轨迹的变化,判断装调的方向和力度。经验证,该方法使定心装调误差检测精度不再受限于人眼观察,有效地指导了技师装调,最终装调误差由1.33降到0.3,满足装调需求。
基于光干涉法的光学玻璃应力测量方法研究
郭长立, 杨曼, 郭朝霞, 王守全, 杨易
2015, 36(6): 923-930. doi: 10.5768/JAO201536.0603005
摘要:
以平板理论为基础,利用牛顿环应力变形导致干涉图样的微小变化,提出一种基于光干涉法测量玻璃体应力的无损测量方法。理论推导出牛顿环曲率半径与应力之间的变换关系,利用自行设计的可安装在牛顿环仪上的施压装置,实验研究了施加应力与干涉图样的变换关系,通过理论分析与实验比较,证明了用牛顿环干涉法测量应力的可行性。利用该装置及方法对光学玻璃试样的应力进行测量,测量结果与实际施加的应力进行比较,误差最小为0.8%。
机场跑道临时关闭警示装置可见性计算研究
侯启真, 李琪, 刘衍帆, 朱根武
2015, 36(6): 931-936. doi: 10.5768/JAO201536.0603006
摘要:
为了快速得到机场跑道临时关闭警示装置整体光强的准确值和该装置可见距离与空气浑浊度T的关系。提出了利用虚拟点计算装置整体光强的方法,得到了装置的整体光强。相对于叠加得到装置整体光强值的方法,该方法提高了计算的准确性。然后根据Rayleigh散射和Mie散射公式建立了空气浑浊度T与跑道视程(RVR)的关系,并修正了点光源视距公式。修正后的公式考虑的入射光波长的影响并与RVR联系起来,使公式更具有实际意义。通过计算可知,在满足机场最低运行标准的情况下,该装置的可见距离仍为280 m~370 m,该距离能使飞行员识别并安全复飞。该公式为判断机场跑道临时关闭警示装置在空中的可见性提供了计算方法,也从理论上验证了该装置可以满足可见性要求并通过实验初步验证了该计算方法的正确性。
光学元件与制造
Assessment of neutron-irradiated 3C-SiC implanted at 800 ℃
J. A. A. Engelbrecht, G. Deyzel, E. G. Minnaar, W. E. Goosen, I. J. Van Rooyen
2015, 36(6): 937-941. doi: 10.5768/JAO201536.0604001
摘要:
The favourable physical properties of SiC make it a potential material for use as containment layer in new generation nuclear reactors. The material will thus be exposed to high temperatures and fluences from fission products. The impact of increasing neutron fluence at constant irradiation temperature (800 ℃) on the properties of neutron-irradiated 3C-SiC was investigated, employing infrared reflectance spectroscopy and atomic force spectroscopy. A relation was found between the neutron fluence and the surface morphology of the irradiated 3C-SiC. The varying surface morphology also affected the dielectric parameters of the SiC.
FPC补强片贴片质量视觉检测系统设计
孙国栋, 张杨
2015, 36(6): 942-947. doi: 10.5768/JAO201536.0604002
摘要:
基于挠性印制电路板补强片贴装质量的检测要求,从硬件与软件系统设计出发,开发适用于FPC补强片的贴片质量视觉检测系统。采用自主设计的弧形机架简化标定过程并减少硬件设备对图像采集的影响。在激光三角测量法的基础上,引入高斯拉普拉斯算子和极限式阈值分割用以分离散射光斑的光心和散射光区域,同时采用形态学运算进一步分离出光心区域。运用矩的不变性进行椭圆拟合并将其中心位置的改变转换为补强片厚度的变化,更易于观测。实验结果表明,改变结构元素的大小,光斑中心位置的波动为1.15像素,且最大误差仅达0.82像素,若闭运算结构元素设定为8,能进一步提高检测精度与检测效率。
钛酸镧薄膜的制备及工艺优化
杭良毅, 徐均琪, 程耀进, 苏俊宏
2015, 36(6): 948-954. doi: 10.5768/JAO201536.0604003
摘要:
为了获得制备钛酸镧(LaTiO3)薄膜的最优工艺条件,采用电子束热蒸发技术在K9基底上制备了单层LaTiO3激光薄膜。研究了不同工艺条件对LaTiO3薄膜激光损伤特性的影响。研究结果表明,对LaTiO3薄膜激光损伤阈值(laser-induced damage threshold, LIDT)影响最大的工艺条件是沉积温度,其次是工作真空度,最后是蒸发束流。获得了制备单层LaTiO3激光薄膜的最优工艺条件:沉积温度175 ℃、工作真空度2.010-2 Pa、蒸发束流120 mA(8 keV);证明了最优工艺下制备的LaTiO3薄膜具有良好的激光损伤特性、稳定性以及重复性,所制备LaTiO3薄膜的激光损伤阈值为16.9 J/cm2(1 064 nm,10 ns)。
激光技术
基于激光火工系统的烟火泵浦激光技术
井波, 张蕊, 贺爱锋, 徐奉一, 王浩宇, 马玥
2015, 36(6): 955-958. doi: 10.5768/JAO201536.0605001
摘要:
为研究烟火泵浦激光输出性能,对烟火泵浦激光器中泵浦源与激光晶体棒进行匹配实验研究和烟火泵浦激光器出光实验研究,以及烟火泵浦激光器光纤耦合输出实验研究。实验结果表明:烟火泵浦激光器选用锆氧闪光灯作为泵浦源,与工作物质为Nd∶YAG激光工作物质是相匹配的,烟火泵浦激光器输出能量4.82 J,满足烟火泵浦激光火工系统的能量输出需要;烟火泵浦激光器光纤耦合输出能量2.87 J,光纤耦合装置耦合效率达到50%以上,为烟火泵浦激光器用于战斗机舱盖抛放、飞行员座椅弹射逃生等火工系统研究提供了重要的技术支持。
空间多普勒激光雷达海表面散射信号分析
李志刚, 田茂彬, 朱林伟
2015, 36(6): 959-964. doi: 10.5768/JAO201536.0605002
摘要:
为了验证受海表面风速驱动的海表面反射率模型和计算海表面信号进行零风速校准的精度,开展了激光雷达海表面散射信号强度和速度特征的分析。在强度特征信息方面,进行了海表面反射率仿真模型和机载激光雷达海面散射信号实测数据的对比,考虑激光水下散射,参考QuikSCAT的海表面风速大小,测量结果和模型曲线基本吻合。在速度特征方面,通过海表面运动波形的仿真和海表面速度信息的提取,考虑波面的垂直和水平运动,采用时间积分的海表面探测信号零风速校准误差小于0.2 m/s。
基于压电陶瓷的激光频率调谐技术
张欣婷, 安志勇, 亢磊
2015, 36(6): 965-970. doi: 10.5768/JAO201536.0605003
摘要:
在充分研究各种激光调谐方法优缺点的基础上,针对其调谐范围、调谐速率、调谐线性等方面存在的不足,提出一种基于压电陶瓷的激光频率调谐技术。该方法将压电陶瓷与光纤光栅激光器的布拉格光栅进行粘结,通过调整压电陶瓷的驱动电压来带动布拉格光栅的伸缩,实现波长(即频率)的调谐。同时,利用虚拟仪器中的计算机软件拟合技术,校正压电陶瓷输入电压与输出位移之间的非线性,使系统呈线性频率调谐,以提高测量精度。实验结果表明,当压电陶瓷的驱动电压变化126 V时,可实现0.8 nm(即100 GHz)的调谐范围。
激光辅助照明在电视观瞄具逆光成像上的应用
雷俊杰, 陈文建, 侯风乾, 段园园
2015, 36(6): 971-975. doi: 10.5768/JAO201536.0605004
摘要:
针对机载光电装备的电视观瞄具对逆光物体进行观瞄时,光亮度剧烈变化,会产生光晕,无法捕获有用细节这一问题,提出利用激光辅助照明成像方案提高物体在激光波段的照度。在观瞄逆光物体时,一方面通过降低相机的曝光时间降低相面照度,另一方面采用激光辅助照明,对逆光物体进行激光照射。通过实验,电视系统能够对激光的照射进行成像,逆光物体的图像边缘灰度差达到55,满足边缘检测的要求,能够分辨物体边缘信息。