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2017年  第38卷  第1期

光电系统与工程
基于姿态测量的光电桅杆侦察方法
刘宇, 谭鹏立, 郭城, 梁庆仟, 刘志东
2017, 38(1): 1-6. doi: 10.5768/JAO201738.0101001
摘要:
描述了一种用于桅杆式光电系统的侦察定位方法,采用单一陀螺和双轴倾角传感器组合,替代三轴正交的陀螺仪,对光电设备进行姿态测量;结合惯性导航设备获得的大地北向、激光测距机获得的目标相对距离、卫星定位设备获得的本地坐标,通过坐标系转换,能够准确获得目标的大地坐标。试验结果表明:通过该方法获得的系统定向精度达到0.3 mil,目标的定位精度优于10 m(CEP)。
可见光/红外双视场全景式航空侦查相机光学系统设计
朱海滨, 邵毓, 张远健, 周亮, 徐志刚, 朱大略, 山俊晶
2017, 38(1): 7-11. doi: 10.5768/JAO201738.0101002
摘要:
为提高航空侦查识别目标能力以及满足部队全天候作战需要,设计了一种应用于全景航空侦查相机的可见光/红外双视场成像光学系统。可见光光学系统焦距为165 mm/660 mm,相对孔径为1:8.8,视场角为9.1°×6.8°/2.3°×1.7°;红外光学系统焦距为75 mm/300 mm,相对孔径为1:4,视场角为8.3°×6.2°/2.1°×1.6°。采用有限焦距光学系统前面加一个望远系统的方法实现变倍,根据红外器件及可见光器件的像元尺寸计算出红外系统及可见光系统的奈奎斯特频率分别为33 lp/mm和91 lp/mm。在33 lp/mm处,红外光学系统大、小视场的MTF值分别为为0.35和0.37,在91 lp/mm处,可见光光学系统大、小视场MTF值分别为0.41和0.4,成像质量接近衍射极限,表明光学系统成像质量良好,满足实际工程使用要求。
红外折衍混合摄远光学系统无热化设计
张婉怡
2017, 38(1): 12-18. doi: 10.5768/JAO201738.0101003
摘要:
为了提高远距离红外目标的探测能力,针对640 pixel×512 pixel红外CCD探测器,分析温度变化对光学系统的影响,设计出一种波长范围为8 μm~12 μm红外摄远物镜。系统采用折衍混合结构形式,焦距为200 mm,相对孔径为1:2.2,视场角为7°,具有体积小,结构紧凑的优点。仅使用硫化锌、硒化锌和锗3种材料以及4片透镜实现了无热化设计。应用Zemax对设计结果进行像质评价,在-40 ℃~+60 ℃工作温度范围内,截止频率为17 lp/mm时各视场调制传递函数值超过0.4,达到衍射极限,像面稳定,80%的能量集中在1个像元内,满足光学系统的设计要求。
红外自适应系统中双波段望远镜与红外物镜设计
张宣智, 栾亚东, 李元, 孙婷, 杨华梅
2017, 38(1): 19-23. doi: 10.5768/JAO201738.0101004
摘要:
大孔径红外光学系统往往易受自重和环境温度影响造成像质恶化,引入自适应光学技术的红外自适应系统能够很好地解决该问题,为此设计了一个用于Hartmann-Shack波前检测的红外自适应光学系统。重点设计了10×可见光与中波红外双波段望远镜,物镜为卡赛格林反射物镜组,无需消色差,在可见光与中波红外2个波段实现了消色差目镜设计;还设计了红外成像中继光学系统,可实现100%冷光阑效率,并补偿望远镜在中波红外波段的残余像差,使最终设计的光学系统MTF接近衍射极限,达到了0.5以上,满足设计指标要求。
双光栅光谱仪波长扫描机构精度分析
许典, 林冠宇, 曹佃生, 薛庆生
2017, 38(1): 24-30. doi: 10.5768/JAO201738.0101005
摘要:
光栅光谱仪作为研究太阳辐射的重要设备之一,其波长扫描机构的精度很大程度上决定了最终测量结果的准确性。从光机系统的光栅参量误差和机械结构误差两方面入手,对丝杠摆杆波长扫描机构展开综合精度分析,依据凹面光栅色散原理,推导出波长λ与摆杆末端沿丝杠方向位移x,摆杆长度l,光栅常数g和入射光线与出射光线夹角半值δ之间的关系。再对等式求导,依据误差叠加原理,计算出在红外工作波段650 nm~2 400 nm范围内,其波长定标误差应不超过±1.227 nm。在实验样机上进行验证,以汞灯为光源拟合出误差与波长的关系曲线,并以氦氖激光器为光源加以验证。实验结果证明了理论计算的正确性,该分析方法为双光栅光谱仪零部件精度指标的确定提供了依据。
基于数字微镜的快速轴向扫描系统
詹维纳, 卢景琦, 刘杨赞, 贾信庭, 陶珺
2017, 38(1): 31-36. doi: 10.5768/JAO201738.0101006
摘要:
为解决双光子荧光显微成像系统轴向扫描问题,提出一种基于数字微镜(DMD)的快速轴向扫描系统。该系统采用DMD选择光路,不同光路放置不同焦距的透镜组对光束发散角产生不同的改变,经物镜聚焦后得到不同深度的轴上扫描点。对该系统的轴向扫描距离、扫描点位置及衍射效率进行了理论计算仿真,结果表明:扫描系统采用4个模块以及5个模块时其轴向扫描距离均可达到1 mm,4模块系统中透镜的焦距为297.3 mm,5模块系统中透镜焦距为361.47 mm。轴向扫描点除边缘点外线性分布, 轴向扫描频率达到几十kHz,满足脑神经成像的要求。
光电信息获取与处理
海面弱小目标高光谱融合技术研究
朱院院, 慕巍, 李广良, 王虎, 刘彤, 高泽东
2017, 38(1): 37-41. doi: 10.5768/JAO201738.0102001
摘要:
海面目标受海水扰动影响,难以被宽波段光电传感器探测识别。高光谱传感器可以获取海面目标和水体的光谱数据,利用目标和海水的光谱特性差异可以有效抑制海面扰动影响,提高探测识别能力。针对高光谱数据降维融合容易丢失海面弱小目标问题,研究了弱小目标光谱数据融合方法。通过相似性分类产生类矩阵,由类矩阵主成分变换的降维投影矩阵来投影变换原有光谱数据,获得降维数据矩阵。降维矩阵通过空间变换转换到RGB彩色空间,生成伪彩色融合图像。通过远距离弱小目标和水中鱼群高光谱数据,验证了改进方法的融合性能。实验结果表明:相似性分类融合方法不仅能将高维光谱数据融合成一幅伪彩色图像,还能有效避免弱小目标融合丢失问题,提高了目标探测识别能力。
水面波动和水体湍流退化图像的复原方法
鲁啸天, 杨天鸣, 金伟其, 刘敬, 温仁杰
2017, 38(1): 42-55. doi: 10.5768/JAO201738.0102002
摘要:
水面波动对水下图像造成的畸变和水体湍流造成的模糊等严重制约了空中对水下目标探测、水下透空目标警戒、海上搜救等的应用,实现畸变和湍流校正具有重要的意义。综述了复原水面波动和水体湍流引起的图像失真的研究进展,给出了基于幸运块(lucky patch)选择的校正、基于图像配准的校正、基于水面波形估计的校正和基于图像退化模型的校正四大类方法的特点及典型的图像复原效果,并分析了复原水面波动和水体湍流退化图像复原方法进一步深入研究的内容。
基于增量光栅尺的纵横转换图像细分算法实现
蔡铁根, 杨志军, 陈超然, 刘杏明, 李彦锋
2017, 38(1): 56-61. doi: 10.5768/JAO201738.0102003
摘要:
针对现有光栅测量方法不能兼顾高速与高精度的问题,为适应电子制造装备高速运动和高精密定位的位移反馈要求,提出基于增量式光栅尺的纵横转换细分测量原理和相应的图像快速处理算法。为了提高光栅图像采集处理速度,搭建基于FPGA的硬件测试平台,先将采集到的图像进行滤波和二值化处理,然后对图像先进行纵横坐标相加,求取像素点最小值得到交点位移值。实验结果表明:应用纵横转换算法并搭载FPGA测试系统,能够达到0.029 μm的分辨率,精度达到0.3 μm。
光学计量与测试
形貌与微变形全场光学同时测量方法
蒋艳鹏, 吴思进, 杨连祥
2017, 38(1): 67-71. doi: 10.5768/JAO201738.0103002
摘要:
在实际工程应用中,对材料形貌和结构变形等参量的检测是必不可少的,而且往往需要进行多参量同时测量。针对该背景,采用数字散斑干涉与数字条纹投影相结合的测量方法, 设计了一种集成光路,通过在数字散斑干涉实验光路中引入一个投影设备,实现物体表面形貌和微变形的同时测量。所提出的方法具有全场非接触测量的优点,且测量光路简单、操作方便、效率高、可靠性强。该方法的形貌测量分辨率优于10 μm,形变测量分辨率优于30 nm。
激光双频率外差法精密位移测量研究
王凯, 张羽, 刘卓, 张娟, 冯晓强
2017, 38(1): 72-77. doi: 10.5768/JAO201738.0103003
摘要:
基于激光干涉的测量技术目前已在观测测量中被广泛应用,测量设备也向着便携化、智能化和集成化的方向发展。目前的激光干涉测量设备大多是利用迈克尔逊干涉仪的原理,然而,该方法通常是将干涉信息在空间域上进行处理,对实验平台搭建和测量环境的要求也较为苛刻,在工业生产环境中运用时易受工业设备位移时产生的高频震动影响。因此,提出一种基于激光双外差干涉的位移量精密测量系统,利用两组激光外差信号来构成两组干涉仪,探测器接收到回波拍频信号后进行时间域的平均与频域解调,提高测量系统的鲁棒性,使得测量系统的准确度达到0.01 mm。
光学器件与制造
微结构窄带滤光片设计及制备工艺研究
潘永强, 陈佳
2017, 38(1): 78-82. doi: 10.5768/JAO201738.0105001
摘要:
为了提升微结构窄带滤光片的光谱透过率,增大微结构单元的制备精度,提出一种新的膜系镀制方法和微结构单元的制备方法。基于法布里-珀罗(F-P)多光束干涉仪原理设计了3种不同中心波长的窄带滤光片,采用光化学掩模分离法和PECVD技术相结合,制备出3种中心波长分别为480 nm、520 nm和590 nm,峰值透过率均大于80%,半宽度30 nm~50 nm,微结构单元的通道面积为50 μm×50 μm的窄带滤光片。光谱透过率得到了提升的同时微结构单元边缘整齐、分界线清晰,精度也得到了有效地增加,达到μm量级。
基于塑料镜片防水加硬抗老化光学薄膜的研制
付秀华, 刘禹冰, 熊仕富, 郭贵新, 杨永亮
2017, 38(1): 83-88. doi: 10.5768/JAO201738.0105002
摘要:
为了解决现有光学塑料镜片表面易划伤、高温时容易发生膜裂的问题,选取机械性能稳定的Ti3O5、SiO2作为高、低折射率材料,依据光学薄膜理论,采用TFCalc软件设计膜系,通过电子束加热蒸发和离子源辅助沉积薄膜,在膜系的最外层用电阻加热法镀制防水膜。通过选择新材料SV-55作为连接层,增强了塑料镜片与膜层的附着力,解决了膜系与塑料镜片膨胀系数不匹配的问题,提高了塑料镜片的抗温能力。通过优化工艺参数,得到400 nm~700 nm反射率R≤1%的绿色减反膜。测试结果显示,研制的薄膜具有耐摩擦、抗老化、防水和防油污的特性。
基于散粒磨料振动抛光非球面加工技术研究
郭贵新, 贾宗合, 付秀华, 刘冬梅, 李晓
2017, 38(1): 89-93. doi: 10.5768/JAO201738.0105003
摘要:
鉴于非球面光学元件的应用日益广泛,非球面加工技术成为研究热点,提出一种基于散粒磨料振动抛光非球面的加工方法。非球面元件待抛光表面与磨粒均匀接触,通过振动抛光装置为游离磨粒提供抛光作用力,使材料去除均匀,降低表面粗糙度。以材料为ZK-10L、尺寸为Φ55 mm的光学元件为实验对象,分析了振动幅度、抛光液浓度、磨粒粒径和抛光时间对抛光效果的影响,当振动幅度为5 mm、抛光液浓度为80 g/L、磨粒粒径为1 mm时,振动抛光8 h后试件的表面粗糙度从84.4 nm降低到9.4 nm,而试件的面形精度基本不变,从而在保证面形的前提下达到抛光的目的。
微磨削斜面光纤透镜平面度试验研究
刘新伟, 吕玉山, 殷际东, 李伟凡, 李雨菲, 赵国伟
2017, 38(1): 94-98. doi: 10.5768/JAO201738.0105004
摘要:
为了研究微磨削参数对斜面光纤透镜平面度的影响,减小微磨削方法加工斜面光纤透镜的平面度误差,采用正交试验法对直径Ф125 μm单模光纤的30°斜面光纤透镜的微磨削进行了试验。结合微磨削的磨削力模型和材料力学弹性梁变形理论, 分析微磨削过程中随着磨削用量的变化所导致的光纤透镜被磨削斜面的平面度的变化规律。理论分析和实验结果表明:光纤悬伸长度对斜面光纤透镜平面度的影响最大,增大光纤悬伸长度将导致较大的斜面光纤透镜平面度的轮廓误差,恰当的磨削用量组合能够获得较小的平面轮廓误差。通过试验磨削出了平面度误差为3 μm的30°斜面光纤透镜。
红外技术
基于加权LoG算子的红外弱小目标检测方法研究
周苑, 张健民, 林晓
2017, 38(1): 114-119. doi: 10.5768/JAO201738.0106003
摘要:
提出一种基于加权LoG算子及形态学运算的方法来提高远距离红外弱目标检测效率。通过不同尺度的加权LoG算子对图像进行运算,提取响应值最大的特征图。对图像进行形态学运算去噪,并进行Otsu二值分割聚类。输出目标点在图像上的位置坐标。实验结果表明:该方法与传统滤波方法相比,信噪比增益为36.9,杂波抑制因子为4.7,均比传统滤波方法要好。
激光技术
热透镜控制激光光束质量技术研究
屈鹏飞, 王石语, 过振, 蔡德芳, 李兵斌
2017, 38(1): 120-125. doi: 10.5768/JAO201738.0107001
摘要:
在端面抽运固体激光器中,就如何改善在高抽运功率时输出激光的光束质量,提出一种激光器的设计方法。在激光器谐振腔中放入多根掺杂浓度不同的激光介质,利用激光介质内部产生的热透镜控制抽运光和基模振荡光的空间分布,并且最大限度地使抽运光的分布区和基模振荡光分布区重叠,实现抽运光与基模振荡光在空间上高度匹配,进而提高抽运光能量的利用效率和振荡光的光束质量。实验表明,在不同抽运功率下,抽运光和基模振荡光在晶体内部的光斑的空间分布可通过热透镜加以控制。在端面抽运功率200 W附近时,实现了抽运光与基模振荡光较高程度匹配,光束质量因子M2由14.7改善为4.1。
基于摄像机的多投影屏幕激光笔跟随演示方法
李伟仙
2017, 38(1): 126-130. doi: 10.5768/JAO201738.0107002
摘要:
大中型会议中心在多投影仪屏幕的演示过程中,由于主次屏幕间缺乏联系,主屏幕的激光笔光点无法显示在次屏幕,演示效果不佳。因此,提出了一种基于摄像机的多投影屏幕激光笔跟随演示方法,通过摄像机建立主投影区域和计算机显示器之间的联系,实现激光笔光点从主投影区域变换到计算机显示器,从而控制光标移动,使得次投影屏幕也有计算机光标跟随演示的效果。主要步骤包括:基于单色投影标定主投影区域相对计算机显示器的射影变换矩阵H;利用实时采集的主屏幕图像提取激光笔光点;基于射影变换矩阵H计算激光笔光点在计算机显示器的坐标,并控制计算机光标跟随到达指示位置。实验表明该跟随演示方法在计算机显示器上的横向和纵向跟随误差都在5个像素之内,可以在次屏幕中很好地跟踪激光笔光点位置,达到既解放演讲空间,又能与全体观众沟通的目的。
激光诱导荧光雷达探测系统仿真研究
景敏, 华灯鑫, 乐静
2017, 38(1): 131-135. doi: 10.5768/JAO201738.0107003
摘要:
激光诱导荧光技术是一种应用广泛的新型遥测技术,为了指导实际激光诱导荧光探测系统的搭建,介绍了荧光检测原理,设计了激光诱导荧光雷达探测系统。以测量水面石油类污染物为例,通过分析激光诱导荧光雷达探测系统中发射系统及接收系统主要参数对系统信噪比的影响,可根据测量条件选择合适的系统参数。在实验室条件下,选用单脉冲能量为50 μJ的Nd:YAG激光器,接收视场角0.1 mrad,滤光片带宽60 nm的接收系统,可以检验浓度为10个/L的粒子。
基于密集波分复用的20 Gbit/s大气激光通信
苏煜炜, 毕明喆, 刘鹏, 张岩, 冯湘莲, 吴志航, 李晓燕, 张鹏, 王天枢, 王舰, 吴琦, 王小婷
2017, 38(1): 136-139. doi: 10.5768/JAO201738.0107004
摘要:
针对目前高速率信息传输的迫切需求,设计并实验了两路数字信号密集波分复用(DWDM)的大气激光通信结构。两路激光波长分别为1 539.76 nm和1 540.55 nm,采用强度调制,光信号经复用和放大后,由光学天线发射,经1 km大气信道传输,在接收端对光谱、波形和眼图进行了测量。实验结果显示,在弱湍流情况下,实现了两路光信号的解复用,并得到了较为清晰的波形图和眼图。两路数字信号的传输速率为20 Gbit/s时,Q因子仍达到5以上。
光纤传感与光通信
基于倏逝波的锥形光纤马赫-曾德尔湿度传感器
蒋友华, 傅海威, 丁继军, 张静乐, 乔学光
2017, 38(1): 140-146. doi: 10.5768/JAO201738.0108001
摘要:
提出了一种基于倏逝波原理的光纤马赫-曾德尔湿度传感器,传感器是在2个单模光纤粗锥的传感臂中心通过绝热火焰熔融拉锥处理而成。光由传感器输入端传入,经过第1个粗锥时,将激发出若干高阶模,各模式光传输经过细锥区进入第2个粗锥时被耦合进入传感器输出端。当外界湿度变化时,细锥区倏逝场随之变化,最终导致透射谱能量变化。通过测量透射谱能量变化,可以实现环境湿度传感测量。实验结果表明,在35%~85%RH的湿度变化范围内,透射谱的能量具有相同变化趋势,处于水蒸气吸收峰附近的干涉谷湿度响应灵敏度可达0.157 dBm/%RH,温度交叉灵敏度仅为0.014 %RH/ ℃。该传感器因其制作简单、灵敏度高,温度交叉敏感小等特点,具有很好的应用前景。
基于三角波驱动法珀可调谐滤波器的光纤光栅解调偏差校正算法
鲁闯, 赵美蓉, 王双, 刘铁根, 江俊峰, 闫金玲, 郑叶龙
2017, 38(1): 147-152. doi: 10.5768/JAO201738.0108002
摘要:
为了校正解调系统在三角波上升行程和下降行程对光纤布拉格光栅(FBG)波长解调结果出现的偏差,提出一种采样点相对位置的校正算法。将三角波2个扫描行程的FBG波峰分别映射到相应的标准具原始数据中,再对2个映射波峰在标准具光谱中的相对位置偏差进行校正,达到减小解调偏差的目的。实验采用2支不同波长的FBG进行验证,结果显示,经过校正,FBG1将三角波上下扫描行程的解调偏差从12.053 pm减小到了0.476 pm,FBG2将该解调偏差从12.101 pm减小到了0.427 pm,2支传感器的解调偏差相比校正前分别减小了25.3倍和28.3倍。