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2019年  第40卷  第6期

光电系统与工程
考虑太阳辐射影响的飞机实时红外探测成像仿真
张昊春, 曲博岩, 金亮
2019, 40(6): 929-936. doi: 10.5768/JAO201940.0601001
摘要:
针对飞行器红外探测过程的成像仿真,有助于红外隐身效能的评估,进而提高应对红外探测的反侦察能力。建立了飞机红外成像仿真模型,并针对不同的飞行姿态、速度以及不同的探测时间,求解其蒙皮温度与红外辐射亮度,结果表明当飞机从低速到高速运行时,太阳辐射条件与气动加热层温度分布分别成为影响其成像结果的主要因素。建模方法及仿真结果对飞行器的隐身设计具有指导意义,为飞机实时红外成像场景的生成提供理论基础
短波红外激光在光电侦察与反侦察中的应用
杨爱粉
2019, 40(6): 937-943. doi: 10.5768/JAO201940.0601002
摘要:
分析了磷化体半导体激光器、掺铒光纤激光器、掺铒固体激光器和基于光学参量振荡器的固体激光器等4种典型短波红外激光器的技术特点与现状,叙述了它们在光电主动侦察和反侦察中的应用。为了满足军用光电系统对激光设备的小型轻量化要求,如何提高半导体激光器、光纤激光器和掺铒固体激光器输出功率/能量,已经成为短波红外激光器发展的主流方向。指出基于光学参量振荡器的固体激光器在远距离选通观察、闪光成像雷达和激光损伤方面的优势依然非常明显,还应进一步提高激光输出能量和激光重复频率。
导引头性能可视化数据获取方法
张三喜, 张伟光, 张思琪, 吴海英
2019, 40(6): 944-950. doi: 10.5768/JAO201940.0601003
摘要:
目前,制导武器系统导引性能评估主要采用室内仿真和实弹射击方法。但是,受模拟条件的限制,室内仿真存在目标瞬变作用机理描述不足及过程复现可信度低等难题;而外场实弹射击则存在试验样本量有限,目标环境设定单一且射击条件无法保证一致性的问题,难以全面考核出武器系统对环境和干扰的适应性。针对这一问题,提出了一种介于室内仿真与外场实弹试验之间的中间验证考核方法,在接近真实复杂战场环境条件下,构建了制导武器系统的可视化动态测试平台,获取导引头探测、识别和跟踪目标过程的同步、实时可视化观瞄图像,提取目标信息并实现导引性能评估。这种方法在靶场环境下针对实际靶标目标进行静态、动态跟踪试验,能够为激光、毫米波、电视以及红外等不同制导模式的导引头系统进行集成试验与测试,可为室内仿真提供目标背景的直接驱动数据,提升仿真逼真度; 同时,也可多次重复考核导引环节的关键能力,弥补实弹射击试验数量的不足,为武器系统研制过程提供了一种全新的测试验证手段
高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨辐射定标
徐伟伟, 张黎明, 李鑫, 司孝龙, 杨宝云
2019, 40(6): 951-957. doi: 10.5768/JAO201940.0601004
摘要:
辐射定标是卫星遥感信息定量化的关键技术之一。高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨定标将目标反射率的现场测量转换为实验室高精度测量,以实际测量代替气溶胶散射特性假设,通过简化辐射传输计算获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度,根据遥感器系统PSF检测结果将小目标的辐射响应与背景辐射相分离,降低对场区背景环境要求的同时提高了绝对辐射定标精度。试验结果分析表明,高分辨率光学遥感卫星传感器小目标法在轨辐射定标不确定度优于3%,与大面积辐射校正场或灰阶靶标法的定标结果差异3.65%,小目标法有望在全谱段范围实现高分辨率光学遥感卫星传感器的全动态范围定标与几何检校。
地面小型无人侦察平台发展及关键技术探讨
侯军占, 张卫国, 庞澜, 杨光, 张夏疆, 徐晓枫, 黄维东
2019, 40(6): 958-964. doi: 10.5768/JAO201940.0601005
摘要:
地面小型无人侦察平台具有良好的便携性、隐蔽性、灵活性,在军民领域有着广泛的应用前景。尤其是在室内或受损建筑物等受限制空间和环境下,可执行地图构建、人员探测、武器攻击等任务,是一种多功能的无人作战平台。讨论了国内外地面小型无人平台的研究现状及应用情况,对比了该领域国内外的技术水平,分析了国内相比国外的差距。最后通过分析无人平台的应用需求、功能特点和发展趋势,探讨了目前无人平台面临的关键技术难题和重点研究领域,给出了地面小型无人平台的发展方向。
二次曲面共形整流罩像差影响因素分析
张运强, 常军, 潘国庆
2019, 40(6): 965-972. doi: 10.5768/JAO201940.0601006
摘要:
传统整流罩为半球形或半球形的一部分,产生的空气阻力较大,不利于武器飞行速度的提高。基于空气动力学性能的考虑,采用共形整流罩的光学技术被提出。文章描述了二次曲面共形整流罩外表面、内表面的设计方法及面型表达式,通过在CODEV中建立共形整流罩的扫描成像模型,应用Zernike多项式分解法研究了不同长径比、边缘斜率、口径比和回转中心位置对离焦像差(Z4)、像散(Z5)、彗差(Z8)和球差(Z9)的影响规律。研究结果表明:二次曲面共形整流罩引入的离焦像差、像散、彗差和球差均随着长径比、边缘斜率和口径比的增加而增大,但对成像系统回转中心的位置不敏感。因此,在满足武器的空气动力学性能条件下应尽量减小长径比、边缘斜率和口径比,回转中心的位置主要根据结构需要进行设计。
跟踪通信一体化接收光学系统设计
赵满, 谢洪波, 陈梦, 杨磊
2019, 40(6): 973-979. doi: 10.5768/JAO201940.0601007
摘要:
针对机载平台相对位姿变化快、机载设备日趋小型化轻量化等特点,基于大视场凝视扫描的方式,提出一种高帧频CMOS捕获、FSM调节跟踪、APD通信的同轴双光路跟踪通信一体化接收光学系统。介绍了系统的工作原理和方案;设计了一套验证系统,并对该系统的跟踪、瞄准性能进行了优化设计和分析。跟踪光路视场达到±175 mrad,90%能量光斑直径小于10 μm;通信光路视场达到±13 mrad,RMS直径小于3.5 μm。考虑到机载应用的特殊性,进一步分析了该系统杂散光特性和公差影响。分析结果表明:该方案同时满足高概率捕获、高精度跟踪、瞄准以及小型化的要求,对于机载激光通信具有一定借鉴意义。
大视场航空相机光学系统设计
刘海英, 王跃, 王英, 朱海滨, 孙洪宇, 姜彦名, 赵汉卿
2019, 40(6): 980-986. doi: 10.5768/JAO201940.0601008
摘要:
针对航空相机复杂的使用环境以及需在高速运动中进行高分辨率成像的特点, 设计了一种大视场航空照相机光学系统。该系统光学结构采用双高斯准对称结构形式,通过双成像模块光学拼接扩大视场角,调整最后一片透镜实现内置调焦,且通过控制地物反射镜的3种工作模式,分别实现航空相机垂直照相、自动调焦及前向像移补偿功能,避免了航拍过程中温度、气压、航高等环境条件变化时引起的图像质量大幅下降,确保整个视场内成像质量不受影响。该光学系统设计实现了全视场无渐晕, 全视场最大畸变<0.5‰,在91 lp/mm处MTF接近衍射极限,物镜在全视场范围内成像质量一致。通过实验室及航拍试验验证,该光学系统具有成像清晰、视场大、可靠性高、体积小、质量轻等优点,满足了航空相机在比较复杂环境下清晰成像的要求。
一种折反式红外/激光复合导引头光学系统设计
周晓斌, 孙浩, 原琦, 刘召庆, 张衡, 文江华, 吴妍
2019, 40(6): 987-992. doi: 10.5768/JAO201940.0601009
摘要:
设计了一种用于长波非制冷红外和半主动激光复合导引的共口径折反式光学系统。为了减小反射式系统的零件加工和装调难度,将卡塞格林系统次反射镜简化为平面反射镜,主反射镜采用金属抛物面,优化目镜组透镜尺寸,避免光路内部遮挡,利用反射式系统一次像面,配合红外材料选取实现红外通道的光学被动消热差设计;在平行光路中设置平板分光和激光窄带滤光片,提高系统分光效率和透过率。设计结果表明:红外通道特征频率35.7 lp/mm处MTF>0.2,激光线性区为2°,满足系统指标要求。
一种导引头性能可视化评估方法
胡小丽, 张伟光, 张思琪, 张三喜, 张玉伦, 王晓华
2019, 40(6): 993-997. doi: 10.5768/JAO201940.0601010
摘要:
激光制导、微波制导的导引头由于不具备可视化功能,在实际环境中进行性能考核时,导引头是否成功截获指定目标、截获目标后的稳定跟踪过程是否正常以及在稳定跟踪过程中出现的问题都不易得到及时、准确的定位和分析。文中设计的可视化评估系统可有效解决上述问题,通过加装可见光成像系统同步伴随导引头运动的方法,将导引头搜索、跟踪目标的过程清晰成像,直观显示导引头的整个工作过程,同时利用图像跟踪系统和图像存储系统保存关键性能参数,试验完成后对导引头的输出参数及跟踪性能进行验证及处理,进而对导引头的性能参数进行分析和评估;通过动态跟踪或加载干扰源试验验证,该方法能利用可视化系统可靠同步跟随不可视导引头的运动,并对导引头跟踪过程进行定性观察及定量分析。该方法不仅可以克服室内仿真环境不太真实的缺点,又可进行多次重复性研究,性价比高,为导引头性能评估提供一种比较适用的研究手段。
高变倍比中波制冷型连续变焦光学系统设计
韩星, 芮涛, 于双双, 张振, 张晨钟
2019, 40(6): 998-1003. doi: 10.5768/JAO201940.0601011
摘要:
采用机械补偿法变焦型式,建立两组元连续变焦光学系统模型,在该模型的制导下,针对中波640×512、像素尺寸15 μm制冷型焦平面阵列探测器,设计了一款立体布局的高变倍比连续变焦光学系统。该系统工作波段为3.5 μm~4.8 μm,焦距范围覆盖30 mm~500 mm,工作温度范围覆盖-40℃~+60℃,变焦过程中F数恒定为4,系统变焦全过程具有100%冷光阑效应。设计过程中对系统冷反射进行了详细分析,对凸轮曲线进行优化设计。设计结果表明:该系统在0.8视场内,全温度范围的光学调制传递函数在33 lp/mm处大于0.25,在25 lp/mm处大于0.4;全视场公差作用下系统传递函数在33 lp/mm处大于0.13。该系统具有变焦轨迹平滑,冷反射抑制特性优良,成像质量佳,环境适应性好等优点。
基于激光光斑分时方法的弹目测角途径设计
陈文建, 孙卫平, 丁天宝, 雷俊杰, 段园园, 李刚, 韩耀锋
2019, 40(6): 1004-1007. doi: 10.5768/JAO201940.0601012
摘要:
提出了一种利用光电方法解决多发导弹测角的技术途径。示踪器向地面发射的脉冲光被跟踪目标的摄像机接收,解算出光斑和目标的偏角,形成制导修正依据;借助时序控制,使示踪器发光与相机曝光同步;设置各枚示踪器发光顺序,使摄像机每个曝光期内,只有目标或指定的导弹光斑进入,通过对像机视频图片的编组,可形成各枚导弹与目标的序列图片,实现各枚导弹独立制导。通过试验,在PM2.5指数为120的情况下,传输距离达到9 000 m,并实现100 Hz双光源切换,编码精度达到1 μs。该模式可满足探测距离和导弹区分。
基于红外图像的打击效能评估研究
顾捷, 仇杰, 曹奕涛, 邱亚峰
2019, 40(6): 1008-1014. doi: 10.5768/JAO201940.0601013
摘要:
开发新型智能化、模块化自动枪塔系统对于保护国家领土主权具有重要意义。针对现有枪塔打击效能评估系统过于复杂且不具有良好实时性等问题,提出基于红外图像分析的近距离、远距离打击效能评估准则,并通过计算机编程重点对远距离打击效能评估准则进行了数字实验验证。远距离评估准则是通过建立各种因素影响下的数字化模型,结合各种因素计算目标人群丧失战斗能力的概率值,最后将概率值转化为相应的打击效能评估值。针对3人目标群体的数字实验表明:0人丧失战斗力、1人丧失战斗力、2人丧失战斗力情况下的打击效能评估值分别为24.8、20.3、4.6,符合远距离打击效能评估准则,对实现自动打击具有一定的理论指导意义和工程应用价值。
多光电侦察设备综合网络体系方案研究
赵俊成, 刘建平
2019, 40(6): 1015-1021. doi: 10.5768/JAO201940.0601014
摘要:
针对单台光电侦察设备存在侦察范围小和跟踪目标单一等不足,使用阵列式光电侦察技术组成整体系统,提出布站组网方案,采用5×6阵列方阵布站并组网,前伸了警戒线,扩大了侦察区域,从前沿地带到中心保卫目标通过有序、接力探测,形成复合跟踪。研究了布站间距的方案设计,得出了最合理的布站区间。由综合光电组网覆盖区域内各单元的航迹可得到目标完整、连续的航迹,采用信息融合技术可获得精确的目标状态和属性估计,提高了目标的检测概率。最后完成了覆盖密度分析和目标发现概率的计算,计算结果显示,在单个光电侦察设备发现目标概率为90%的情况下,通过合理布站可使整个系统网络覆盖区域内目标综合发现概率提升至97.472%。实验结果表明:提出的光电组网技术能够大幅度增强目标的探测和跟踪能力。
Space-time characteristics of aero-optical effect around conformal turrets
LU Daju, ZHANG Kai, DONG Hang, XU Ming, SU Hua
2019, 40(6): 1022-1032. doi: 10.5768/JAO201940.0601015
摘要:
This study simulated the aero-optical effect of beams with different projection directions around conformal turrets with different radii(400 mm and 2 000 mm). The Mach number was fixed, and the Reynolds number remained similar in all cases. The space-time characteristic of beam quality factor and beam tilt angle caused by the aero-optical effect was comprehensively studied. The aero-optical effect was mainly determined based on the mean flow effect, and the characteristic frequency of the mean flow effect was determined based on that of the flow around the turret. The spatial characteristic of the aero-optical effect was accurately reproduced in the reduced-scale experiments; however, the temporal characteristic was poorly simulated. It is pointed out that the wavefront distortion statistics and fluctuation values caused by aero-optical effect aero-optical effect appear to be minimized at a projection direction of 40° zenith in the forward direction, and the increase of projection radius can result in fast increaseing of the mean flow effect while maintaining the turbulent effect almost constant.
基于非制冷红外探测技术的军用车辆驾驶员视觉增强系统研究
卢伟, 董金良, 张平, 沈昱, 严伟, 季中杰, 孟祥健, 林玲, 徐爱东, 周智慧
2019, 40(6): 1033-1038. doi: 10.5768/JAO201940.0601016
摘要:
为了提升军用车辆驾驶员环境感知能力,特别是在夜晚或烟、雾、雨、雪等不同天候条件下提供更有效的观察手段,增加远距离目标识别能力,提高驾驶安全性,作战部队对军用车辆驾驶员视觉增强系统提出了高效、灵活、精确的新要求。基于非制冷红外探测技术的军用车辆驾驶员视觉增强系统作为一类能够有效支持部队全天时、全天候作战的装备, 既增强了车辆夜间隐蔽通行能力,又有效保障了机械化部队的全天候机动能力。通过研究非制冷红外探测技术成像原理,设计出一款模块化、体积小、功耗低、可靠性高的军用车辆驾驶员视觉增强系统,有利于满足日益增长的陆军装备需求。其功能模块包括:红外探测器模块、信号处理模块、图像处理模块、电子稳像模块、行人识别模块、录像模块、控制模块、显示模块,各功能模块相对独立。
平台转动对SAR成像的影响分析
许辉, 孙英钦, 安广锐, 张一军
2019, 40(6): 1039-1044. doi: 10.5768/JAO201940.0601017
摘要:
分析了合成孔径雷达(SAR)平台偏航、俯仰和横滚3个方向转动对成像的影响。建立了平台转动模型,从雷达照射区域的变化、回波的幅度调制和回波的相位调制等3个方面展开分析,定量分析了平台转动对成像幅宽和方位聚焦的影响。分析结果表明,平台转动会产生成像幅宽损失,影响方位聚焦,并会改变目标的方位位置。分析结果可以为SAR系统设计和算法论证提供一定的参考。
光电信息获取与处理
超表面图像显示技术研究
戴琦, 付娆, 邓联贵, 李嘉鑫, 郑国兴
2019, 40(6): 1045-1049. doi: 10.5768/JAO201940.0602001
摘要:
提出了一种通过超表面实现超高分辨率灰度图像的存储和显示方法。利用金属纳米砖阵列的偏振分光特性,结合马吕斯定律,将图像的灰度信息转换为纳米砖阵列中纳米砖的方向角排布,从而实现精确、连续的灰度调制。实验结果表明,可在该超表面的反射近场处观测到清晰的灰度图像,分辨率高达90 714ppi。这种基于超表面的图像显示技术设计方法简单灵活,且超表面具有体积小、重量轻、结构紧凑、易于集成等优势,因此可广泛应用于高密度光信息存储,高端产品防伪,信息加密等领域。
光学图像伪装效果评估研究现状及关键问题
甘源滢, 刘春桐, 李洪才, 马世欣
2019, 40(6): 1050-1058. doi: 10.5768/JAO201940.0602002
摘要:
基于光学图像分析的目标伪装效果评估对于提高现役主战装备在战场上的生存能力有重要的指导意义,是军事国防领域中研究的热点问题之一。为了给目标探测与识别、伪装方案设计等相关领域研究学者提供参考,对传统光学伪装效果评估模型、神经网络评估模型、基于人眼视觉注意机制模型以及多属性决策模型进行了介绍,阐述了目前国内外典型评估方法的基本思路及应用,分析了不同模型的特点和不足以及光学伪装效果评估面临的问题。在此基础上,指出模型训练样本的获取和模型参数的自适应性以及运动目标伪装评估的时效性是未来伪装效果评估的研究重点。
基于双鸟群优化的高光谱图像非线性解混
翁旭辉, 雷武虎, 任晓东
2019, 40(6): 1059-1066. doi: 10.5768/JAO201940.0602003
摘要:
针对高光谱图像像元中端元物质非线性混合的特点,借鉴生物群智能现象,提出一种基于双鸟群优化的高光谱图像非线性解混算法。为进一步提高非线性解混算法的精度,通过模拟鸟群中觅食、警惕以及飞行等行为得到非线性问题的最优解。算法通过双鸟群的迭代优化来交替更新目标函数中的最优解以及非线性模型参数,最终得到高光谱图像端元丰度的最佳估计。仿真实验和光谱数据实验结果表明:双鸟群优化算法迭代收敛,能克服局部最小值问题;相比于同类算法,该算法解混结果的丰度重建误差、平均光谱角距离和像元重建误差3项指标均较小,该算法解混精度高,像元重构效果好,能有效提高高光谱图像非线性解混的精度。
基于嵌入式GPU的运动目标分割算法并行优化
张刚, 马震环, 雷涛, 崔毅, 张三喜
2019, 40(6): 1067-1076. doi: 10.5768/JAO201940.0602004
摘要:
在光电监视系统中,广泛应用于运动目标分割的PBAS(pixel base adaptive segmenter)算法计算复杂、参数量大,难以达到实时分割的要求。针对PBAS算法是对图像中每个像素点进行独立处理,特别适合于GPU并行加速的特点,对其在嵌入式GPU平台Jetson TX2上进行了并行优化实现。在数据存储结构、共享内存使用、随机数产生机制3个方面对该算法进行了优化设计。实验结果表明,对于480×320像素分辨率的中波红外视频序列,该并行优化方法可以达到132 fps的处理速度,满足了实时处理的要求。
激光雷达电力巡线点云自动分类方法研究
游安清, 潘旭东, 赵平, 潘文武
2019, 40(6): 1077-1083. doi: 10.5768/JAO201940.0602005
摘要:
针对机载激光雷达电力巡线的三维点云,设计一种全自动的电线、电塔和地面点云分类方法,为输电系统净空排查提供必需的前提。方法的核心是充分利用激光点云走向的全局统计特征,最大限度减少对局部特征的依赖,以免造成适用局限性。通过国家电网十几段电力巡线数据的应用测试,显示该方法的自动化程度和普适性都很好,大大减少了以往通过商业软件人工交互式分类的工作量,对同样的数据集和分类结果,处理时间由平均1 h缩短到一两秒钟,大大提高了作业效率和用户体验。
光学计量与测试
激光辐照下红外测温的误差补偿方法研究
苏成志, 晏春, 王菲, 张承双, 包艳玲, 阮英波
2019, 40(6): 1084-1090. doi: 10.5768/JAO201940.0603001
摘要:
为了提高激光辐照下加热点处红外测温精度,建立了多变量测温补偿模型,研究了测量距离、测量角度与测量精度的关系。采用单一变量与正交变量结合的方法,建立关于测量距离与测量角度的二元变量补偿模型,并进行误差补偿模型验证实验。结果表明:补偿模型与实际测量结果可以较好地匹配,补偿后测量误差为±1.25%,与补偿之前相比测量精度提高64.25%,验证了补偿模型的正确性,为激光辐照下加热点温度红外测量提供理论指导。
空间非合作目标自旋速率测量方法与实验
王立, 顾营迎, 郭绍刚, 李涛, 储怡
2019, 40(6): 1091-1096. doi: 10.5768/JAO201940.0603002
摘要:
为了实现对失稳、快旋空间非合作目标运动状态的测量,提出一种基于单目相机序列图像的测量方法。根据目标与探测器的投影几何关系,推导和证明了测量方法的可行性。根据空间光照环境的特点,给出一种基于MSER特征的图像处理方法,用于稳定提取目标在图像中的投影角。根据获得的多帧序列投影角值,通过设定合理的多项式拟合模型,计算非合作目标的自旋速率。最后通过在轨图像数据,进一步验证了方法的有效性和测量精度。实验结果表明:对于某60°/s的快旋非合作目标,用1 Hz帧频的单目相机观测150 s,该方法对目标的测量均值为60.07°,测量标准偏差为0.05°/s,实现了稳定可靠、高精度的空间非合作目标运动状态测量。
基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法研究
徐成强, 王营博, 曹杰, 郝群, 袁诗翥, 姜雅慧
2019, 40(6): 1097-1102. doi: 10.5768/JAO201940.0603003
摘要:
针对传统光学成像测量方法对高速运动目标成像帧频低、像质模糊,难以满足对目标形变高精度测量的缺点,提出一种基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法。该方法利用线阵CCD高分辨率、高帧频等优势,通过提取线阵CCD输出目标强度——像素曲线斜率变化率最大点来获取目标所占像素数N的像素数提取方法,同时采用DMD模拟高速运动目标形变过程,配合基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法进行形变测量实验验证。实验结果显示采用该方法对V=450 km/h的高速运动目标进行形变量测量时,可以满足目标形变测量偏差小于0.3 mm,标准差小于0.5 mm,相对误差最低0.01%。实现了高速运动目标形变量的准确测量,为高速磨损测试、高温形变测试、高压形态测试等奠定了基础。
低温真空红外傅里叶光谱仪噪声等效辐亮度定标系统
黄思佳, 夏茂鹏, 李健军, 郑小兵, 雷正刚
2019, 40(6): 1103-1108. doi: 10.5768/JAO201940.0603004
摘要:
红外傅里叶光谱的等效噪声辐亮度(NESR)是反映其对红外目标信号的极限探测能力,也是仪器的主要技术指标。受限于我国当前的技术条件,尚无相关能力的测试定标系统和检定规范。通过借鉴当前国内外的红外辐射计量装置的标准传递思路,提出了一种NESR高精度测试装置方案。给出了该装置的溯源链路,描述了其整体和光路结构,并设计了低温真空背景抑制模块。着重介绍了宽动态范围红外积分球辐射源设计、等效光路设计和真空低温环境模块等设计方案。提出的设计方案为NESR高精度测量提供基本的参考依据,为我国傅里叶光谱的NESR的量值溯源提供支撑条件。
纳秒脉冲激光对金属丝电爆炸过程的瞬态测量方法研究
位永辉, 王石语, 吴梦瑶, 蔡德芳, 过振
2019, 40(6): 1109-1114. doi: 10.5768/JAO201940.0603005
摘要:
金属丝电爆炸是获取金属纳米级粉粒的有效途径,电爆炸的演绎过程直接影响金属粉颗粒的尺度范围。采用纳秒级脉冲激光对爆炸过程的瞬态进行观察,以激光干涉条纹为背景,依据电爆炸过程中,对条纹的扰动获取具有清晰边缘的爆炸区图像;再根据激光穿过爆炸云团的透过率计算出不同时刻粉尘体浓度的三维分布图。测量结果表明:通电后0.5 μs,金属丝直径由0.3 mm扩展为4.7 mm, 直到18 μs时扩展为28 mm,而粒子的最大浓度由3×1021/cm3减小为1.1×1020/cm3。整个扩展过程中,粒子浓度沿径向呈现多个环带的分布形态。
APD探测器模块性能及噪声检测
李永亮, 余健辉, 张军
2019, 40(6): 1115-1119. doi: 10.5768/JAO201940.0603006
摘要:
为了实现可见光通信系统的探测器模块微小型化,设计并制作了一款50 cm3的温控APD探测器模块,并对模块的稳定性、温控效果和噪声特性进行了检测。结果表明,APD探测器模块的光电流测量平均相对偏差为0.795%;APD探测器的雪崩增益和响应度随着温度的降低而提高;APD探测器电阻的变化影响负载电阻分压,使得过剩噪声因子的测量值远大于真实值,且会随着入射光功率的增大而增大。可以得出结论:提高反向偏置电压与降低温控温度相配合,更有利于弱光信号检测;检测电路中的负载电阻影响APD探测器噪声特性。
一种基于结构光条纹投影的微小物体测量系统
史耀群, 邓林嘉, 王朝旭, 伏燕军, 钟可君, 管炳良
2019, 40(6): 1120-1125. doi: 10.5768/JAO201940.0603007
摘要:
为了通过结构光投影的方法测量微小物体,构建了一套微小物体三维形貌测量系统,视场范围可达1.8 cm×1.6 cm。这套测量系统利用了Light Crafter 4500数字投影组件的高速投影、立体显微镜的低畸变缩放、远心镜头的大景深与低畸变成像的特性。先利用立体显微镜对Light Crafter 4500投影的相移条纹图进行低畸变缩小,再投影到待测物体表面,采用配有远心镜头的相机同步记录受到物体表面形貌调制而发生形变的条纹,利用三步相移法计算出条纹对应的截断相位图,再根据可靠路径跟踪相位展开算法求取连续的相位分布,重建被测物体的三维表面形貌。实验成功重建了以BGA芯片为代表的微小物体表面三维形貌。实验结果表明,系统测量精度达到11 μm,系统的有效深度测量范围为700 μm。
光学器件与制造
液态透镜研究现状与发展分析
顾海鹏, 洪华杰, 范纪红
2019, 40(6): 1126-1138. doi: 10.5768/JAO201940.0605001
摘要:
当前的光电侦察领域设备不断地向轻、小型化发展,而传统变焦光学系统的体积与质量往往达不到微小型光电侦察平台的载荷要求,因此小型无人机等侦查平台只能搭载定焦镜头,制约了分辨率与侦查距离的提升,限制了侦查能力。液态透镜技术利用单片透镜即可实现透镜焦距的调节,大大减小了光学系统的体积,且其变焦响应速度快、变焦范围大,由液态透镜组合的光学系统可以在固定的小体积内实现快速变焦,在军民领域都有广阔的应用前景。该文对前人的理论基础与研究方法进行了调研与综述,简述了液态透镜的5种基本原理,并分析了各自的特点,分别介绍了国内外液态透镜的研究现状,指出了不同液态透镜的优缺点及未来的发展与研究方向。
微球透镜超分辨显微成像与检测技术综述
徐伟, 袁群, 高志山, 于颢彪, 孙一峰, 屈艺
2019, 40(6): 1139-1151. doi: 10.5768/JAO201940.0605002
摘要:
受衍射极限的影响,传统光学显微镜的分辨率最高约为波长的一半,突破衍射极限,获得更高的成像分辨率是近年来显微成像领域的研究热点。相比于其他超分辨显微成像方式,基于微球透镜的超分辨显微成像方式具有简单直接、免标记等优点。主要介绍国内外研究团队将微球与传统的光学显微镜结合实现超分辨显微成像的研究进展,从微球透镜参数选择、成像方案、成像分辨率、成像视场及成像机理等多角度进行总结与比对;并结合课题组工作,介绍了将微球透镜与干涉显微技术相结合的三维超分辨检测技术,阐述了Linnik型与Mirau型两种检测光路原理,分析了三维超分辨检测的效果;展望了微球透镜超分辨显微技术在显微成像与显微干涉检测两个方面待解决的问题与发展方向。
光声光谱气体传感技术研究进展
曹渊, 解颖超, 王瑞峰, 刘锟, 高晓明, 张为俊
2019, 40(6): 1152-1159. doi: 10.5768/JAO201940.0605003
摘要:
光声光谱是通过光声效应把样品吸收光谱转换成声波探测,实现样品成分、浓度分析检测的一种光谱传感技术,是光谱学的一个重要分支。光声光谱除了具有吸收光谱的高选择性、高灵敏度外,还具有信号只跟样品光吸收有关,不受散射光影响,零背景, 信号与光功率成正比以及信号探测器不受光波长影响等诸多优点。在环境监测、工业过程控制与检测、医学诊断和国防危化品检测等领域得到了越来越多的应用,呈现出快速发展的趋势。除了传统的共振光声光谱技术,近年来先后出现了悬臂增强型光声光谱、石英音叉谐振增强型光声光谱、多通道光声光谱等各具特色的新技术。对光声光谱气体传感技术的研究进展进行了介绍,并分析了其应用前景和未来发展趋势。
基于有限元分析的小口径离轴抛物面反射镜支撑结构设计
邢明慧, 李健军, 翟文超, 汤琪, 郑小兵
2019, 40(6): 1160-1166. doi: 10.5768/JAO201940.0605004
摘要:
为降低小口径反射镜在复杂环境下的面形误差,满足其动静态刚度和热稳定性要求,通过选用合适的空间载荷材料,对反射镜进行轻量化设计,合理设计可装调的反射镜挠性支撑组件,采用ANSYS对反射镜组件进行有限元分析。分析结果表明:组件一阶固有频率是3 168.5 Hz,在1 g重力作用下反射镜面形误差RMS值可达8.06 nm,在10℃温升载荷作用下RMS可达5.58 nm,在1 g重力和10℃温升载荷耦合作用下RMS值可达11.05 nm,组件在10 g加速度作用下最大应力是2.109 8 MPa,简谐激励作用下最薄弱环节最大响应应力为1.284 6 MPa,均完全满足反射镜组件设计指标要求,验证了支撑结构设计的合理性。
大口径光学元件表面疵病在位检测与评价研究
王贵林, 朱俊辉, 李嘉祥, 李治斌
2019, 40(6): 1167-1173. doi: 10.5768/JAO201940.0605005
摘要:
精密光学元件在加工过程中如果工艺控制不当,产生的划痕、麻点等疵病分布范围虽然较小,但对整个光学系统的性能影响却很大,破坏力非常强,目前的表面疵病检测仪基本上针对平面或球面光学元件进行离线检测。文章以光学加工机床为运动平台,采用暗场散射成像方法,设计多光束均匀照明系统,研究表面疵病微细特征的识别算法,实现大口径光学表面疵病的在位检测与评价;标定结果表明,表面疵病宽度偏差为2.05%,长度偏差为2.39%,满足指标要求;在此基础上针对Φ280 mm平面硅镜进行自动化在位检测,给出了不同类型疵病的统计数据,解决了离线检测中非加工时间长与多次装夹引起定位误差等问题。
基于可拉伸材料的动态调谐彩色滤波器
冯延, 田楠, 王继成, 桑田
2019, 40(6): 1174-1180. doi: 10.5768/JAO201940.0605006
摘要:
可动态调谐的集成光学器件在成像、显示等领域拥有良好的应用前景。提出一种新颖的基于可拉伸衬底的动态调谐氧化钛-聚合物微纳结构滤波器,该结构表面可利用电子束蒸发沉积与剥离技术制作, 使用时域有限差分法(FDTD)模拟优化结构参数, 分析了滤波效果及其物理规律。分析结果表明:通过拉伸衬底,所设计的滤波器结构能够在可见光波段上实现全波段滤波,并且具有超高反射率,反射率大部分处于95%以上,最高可达99.1%。这为利用沉积剥离技术制备动态调谐滤波器阵列的实验提供了理论支持。相较于静态调谐的滤波器一旦定型即结构无法更改的缺点,提出的动态调谐结构在器件定型后依然可以进行实时调控。