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2021年  第42卷  第5期

2021 年 5 期目录
2021, (5): 1-6.
摘要:
光电系统与工程
紫外宽光谱大相对孔径光学系统设计
叶井飞, 朱润徽, 马梦聪, 丁天宇, 宋真真, 曹兆楼
2021, 42(5): 761-766. doi: 10.5768/JAO202142.0501001
摘要:
现有大部分紫外光学镜头的工作带宽较窄,紫外镜头的材料相对较少,镜头的紫外色差校正困难,导致其应用适应性降低。采用负正透镜交叠分布与类双高斯对称式结构形式,并利用熔石英材料和氟化钙材料本身的宽光谱透过性,设计了一种兼具大相对孔径、宽视场和高分辨率的紫外宽光谱光学系统。该系统的工作波长范围为240 nm~360 nm,紫外工作带宽高达120 nm,所有透镜均采用球面透镜,便于加工和检测。在全视场范围内,以中心波长300 nm为参考波长,系统横向色差最大值不超过1个像素,在截止频率50 lp·mm−1处的调制传递函数值优于0.4,并且各个视场的像点弥散斑半径均方根值均优于10 μm。设计结果表明:该紫外宽光谱光学系统的成像性能优良,分辨率高,色差小,满足设计要求。
大口径折反式中波红外衍射望远镜系统设计
周岩, 吴时彬, 汪利华, 李杰, 杜俊峰, 边疆
2021, 42(5): 767-774. doi: 10.5768/JAO202142.0501002
摘要:
为实现空间红外望远镜的高分辨率探测,基于Schupmann消色差理论,开展了大口径折反式中波红外衍射望远镜系统的设计及消热差模型研究。设计了口径1 m、F数为2、全视场0.12°、波段3.8 μm~4.2 μm的折反式中波红外衍射望远镜系统,其主镜及校正镜均为平面衍射透镜,中继系统采用卡塞格林折反式结构,再聚焦及三次成像系统均为折射式结构,对系统进行了公差、鬼像及冷反射分析。设计结果表明:在−20 ℃~60 ℃温度下,系统的MTF在16.7 lp/mm范围内均大于0.7,接近衍射极限,且具有100%冷屏效率,公差满足现有加工装配水平;鬼像能量为0.1%,对目标信号的影响较小;冷反射等效温差(NITD)随温度的变化量小于探测器噪声等效温差(NETD)。该系统可为更大口径红外衍射望远镜系统的设计提供参考。
宽谱段相移干涉多自由度采集系统设计与分析
蔡娅雯, 张庆君, 刘杰, 张玥, 刘久利
2021, 42(5): 775-781. doi: 10.5768/JAO202142.0501003
摘要:
为了满足现代工业领域中对复杂结构产品的高精度多自由度测量需求,构建了多自由度联合采集系统模型。建立了宽谱段相移干涉多自由度采集系统模型,并对系统中的光学部件进行了设计;以相移干涉技术为基础,提出了多自由度联合测量算法,并分析验证了所设计系统的合理性;根据仪器的物理和光学参数对算法进行了具体实现,基于Simulink的仿真试验结果表明:深度测量精度在μm级,测量范围在m级;光谱检测分辨率在nm级,测量带宽300 nm,覆盖整个可见光区域,光谱准确度为0.2 nm,误差率小于0.1%。该系统满足了现代工业精密测量中高深度分辨率、宽深度测量范围、高光谱准确度、高光谱分辨率的要求。
小型化宽谱段星敏感器光学系统设计
伍雁雄, 王丽萍
2021, 42(5): 782-789. doi: 10.5768/JAO202142.0501004
摘要:
星敏感器是航天飞行器实现姿态自主导航的关键测量设备,传统星敏感器由于体积与质量较大,难以满足微纳卫星的应用需求,光学系统是星敏感器小型化的核心及瓶颈技术。分析了实现全天恒星识别的星敏感器光学系统参数需求,完成一种基于全球面透镜的微小型宽谱段透射式光学系统设计,实现了光学系统焦距40 mm,视场角26.4°,相对孔径F/2.8,光谱范围为450 nm~1 000 nm,光学系统体积与质量大幅降低,可应用于微纳卫星星敏感器。
基于硫系玻璃的紧凑式大相对孔径长波红外光学系统无热化设计
张继艳, 林海峰, 黄章超
2021, 42(5): 790-795. doi: 10.5768/JAO202142.0501005
摘要:
硫系玻璃作为光学晶体的替代材料得到广泛关注,其具有光谱透过率高、热稳定性好、适合模压成型、价格便宜等特点。基于硫系玻璃的温度特性以及光学被动消热差理论,设计了工作波段为8 μm~12 μm、F#为1、视场角为38°、系统总长为16.7 mm红外消热差光学系统。系统采用三分离式结构,使用IRG202和IRG206两种硫系玻璃材料,仅引入2个偶次非球面,未使用衍射面,具有结构紧凑、成本低、光通量高等优点。系统适配像元数为384×288 的非制冷型红外面阵探测器,像元大小为17 μm。设计的镜头在−40 ℃~60 ℃温度范围内,各视场调制传递函数在奈奎斯特频率处均大于0.4,光学系统成像性能稳定。该系统可广泛应用于车载夜视和安防监控领域中。
两种玻璃微通道阵列的制作技术及比较
王亚丽, 崔开源, 刘术林, 张骞, 栗重浩, 李晓峰
2021, 42(5): 796-801. doi: 10.5768/JAO202142.0501006
摘要:
微孔玻璃阵列是采用原子层沉积技术制作微通道板的基底板,其微孔阵列的分布均匀性以及每个通道内壁的光滑程度,对其后续制作合格微通道板至关重要。分别采用空芯工艺和实芯腐蚀工艺来制作上述基底板,分析了两种技术的优缺点,阐述了两种方法中的关键技术,并对原子沉积技术制作的微通道板与常规工艺制作的微通道板进行了性能比较,前者的信噪比优于后者。
一种紧凑型光纤显微物镜的设计
任晓楠, 曹雨, 张伟
2021, 42(5): 802-809. doi: 10.5768/JAO202142.0501007
摘要:
针对光纤通信网络建设及运维任务对光纤接续机器提出的便携小巧、精准可靠的需求,开发了一种结构紧凑、成像清晰的光纤物镜。基于光学理论和实际使用要求对物镜的基本光学参数进行了分析,利用Zemax软件设计出一种紧凑型高分辨率的光纤显微物镜,该物镜包含5片常用牌号玻璃球面透镜,放大倍率为6×,数值孔径0.24,共轭距离47.3 mm。系统具有良好的成像质量,0.7视场内在奈奎斯特频率60 lp/mm处MTF大于0.36,在频率90 lp/mm处MTF大于0.15。对设计结果进行了蒙特卡罗公差分析,良品率超90%,装调较宽松,成本低廉,可进行批量生产。另外,针对设计好的物镜进行成像过程仿真,结果显示待接纤芯特征清晰锐利,有利于机器对准接续。
基于FPGA的自适应光学系统SPGD算法实现
徐项项, 吴阳, 苏杭, 刘金龙, 杨慧珍, 龚成龙
2021, 42(5): 810-816. doi: 10.5768/JAO202142.0501008
摘要:
FPGA(field programmable gate array)具有可重复编程、算法实现灵活等优势,以97单元变形镜为原型,提出基于FPGA的SPGD(stochastic parallel gradient descent algorithm)控制算法通用快速实现方案。采用TimeGen软件对SPGD算法进行时序分析,并采用Vivado软件分别对SPGD算法随机扰动电压生成、性能指标计算和控制电压的计算与输出进行FPGA配置和编程,将每个模块的计算结果与Matlab结果进行对比、分析。研究结果证明了该文所提方案的合理性和可行性,为下一步基于FPGA的SPGD算法硬件实现和应用提供基础。
光电信息获取与处理
航空光电侦察图像质量影响因素分析
王惠林, 刘吉龙, 吴雄雄, 栾亚东
2021, 42(5): 817-829. doi: 10.5768/JAO202142.0502001
摘要:
从航空光电侦察系统的实际需求,首先图像信息的角度研究图像质量优劣的定性和定量因素,提出一种基于相似特征区域提取的图像清晰度评价方法,使得图像清晰度的主观感受与客观评价相匹配。其次从成像系统的光学评价角度分析影响成像质量的光学传递函数、像差、透过率等因素及其相互关系,然后依据多波段长焦反射式光学系统进行试验结果验证。最后,结合工程实践提升成像质量的要求,指出光学成像系统研制中应重点关注的几个方面,并针对多波段长焦反射式光学系统,给出具体参数建议。
基于雪崩级联电路控制激光照明源的水下激光选通成像
何为, 谈宇光, 章逸舟, 陈良培, 于广文, 陈巍
2021, 42(5): 830-838. doi: 10.5768/JAO202142.0502002
摘要:
基于雪崩级联原理研发了用于水下激光选通成像的MARX级联电路激光照明源。相对于普通激光驱动器,该MARX级联电路有输出脉冲窄、峰值高、上升沿短、重复频率高、成本低、体积小、质量轻等优点。采用级联电路研发的脉冲激光照明光源在实现ns量级脉冲宽度性能的基础上保持了照光源系统体积的小型化。该脉冲照明源结合激光整形及匀化光学技术进行了水下选通成像验证实验,在10 ns的脉冲宽度下,实现水下7倍衰减长度范围内的选通成像。该文涉及的电路、光学方面的改进对降低激光选通成像系统的体积、成本及实际应用具有重要意义。
基于针孔成像像面参数提取的单板机镜头显微成像质量评价方法
李博, 王方, 吕浩文, 吴伟, 魏航信
2021, 42(5): 839-847. doi: 10.5768/JAO202142.0502003
摘要:
提出以针孔成像调制传递函数面积(MTFA)和MTFA相对变化率作为像面参数,定量评价单板机镜头的显微成像质量。采用针孔法获取不同视场位置的光斑图像,以提取单板机镜头显微成像系统的调制传递函数(MTF);建立单板机镜头透镜组的MTF数学模型,提取边缘视场弧矢方向与子午方向的MTFA和MTFA相对变化率,用于度量被测镜头显微成像清晰度与像面平整度。开展了单板机镜头测试实验,采用论文提出的模型方法定量评价被测镜头显微成像性能,结果表明,Lens2镜头可获得最佳显微成像质量。计算被测镜头RGB点阵图像的平均功率谱(APSV)、灰度平均梯度(GMG)及拉普拉斯算子和(LS),结果显示Lens2点阵图像的APSV、GMG及LS参数值最大分别为2.7202、17.0244及94.9212,且点阵图像清晰度最高,与像面参数评价结果相符,表明论文提出的方法用于定量评价单板机镜头显微成像性能是准确有效的,对提高在线图像可视铁谱(OLVF)探头设计具有重要意义和工程价值。
基于ChArUco平板的多目相机标定
赵子良, 张宗华, 高楠, 孟召宗
2021, 42(5): 848-852. doi: 10.5768/JAO202142.0502004
摘要:
针对有限或无重叠视场的多目相机系统,提出一种基于ChArUco(chess augmented reality university of cordoba)平板的多相机标定方法。采用ChArUco平板进行相机标定;基于双目重投影误差进行全局优化,为无重叠视场的相机间进行位姿传递提供精度保证;最后通过空间点重建进行性能测试。实验结果表明在点间距25 cm范围内平均测量误差为0.11%。
基于视觉的传感器位置记忆追踪方法
史勇民, 楼顺天, 安盼盼
2021, 42(5): 853-858. doi: 10.5768/JAO202142.0502005
摘要:
在采用某些特殊传感器测量参数时,需要在传感器移除后确定出原来的测量位置,比如采用穴位传感器测量出患者多个经络穴位的异常表现后,需要确定出异常穴位的实际位置,对其施加干预措施,缓解患者疼痛并改善身体状况。为此,研究了传感器的记忆追踪问题,提出了一种基于视觉的传感器位置记忆追踪方法,在传感器和被测对象上分别粘贴AprilTag,在测量过程中,采用AprilTag检测算法计算出传感器与被测对象之间的位置关系;在传感器移除后,利用这种位置关系和被测对象上的AprilTag追踪到传感器的测量位置,追踪精度达1 mm以内,为进一步处置提供参考。
鲸群优化的粒子滤波算法研究
武风波, 刘瑶, 朱代先, 王明博
2021, 42(5): 859-866. doi: 10.5768/JAO202142.0502006
摘要:
针对标准的粒子滤波存在粒子贫化问题,提出了一种鲸群优化的粒子滤波算法。用粒子表征鲸鱼个体, 模拟鲸鱼群体搜寻猎物的过程,引导粒子向高似然区域移动。将粒子滤波中粒子的状态值作为鲸鱼群的个体位置,将粒子的状态估计转化为对鲸鱼群的寻优;通过鲸群的螺旋运动方式优化粒子的重要性采样过程,使粒子分布更加合理,对鲸群算法中的全局最优值引入最优邻域随机扰动策略,并在鲸鱼位置更新过程中加入自适应权重因子;选用一种典型的单静态非增长模型进行仿真测试。测试结果表明:提出的方法与传统的粒子滤波以及引力场优化的粒子滤波相比,在保证相同粒子数的前提下,算法的均方误差分别降低了28%和9%,证明了鲸群优化的粒子滤波算法具有更高的估计精度,并且在粒子数较少的情况下,可实现更准确的状态估计。
基于音视频信息融合的目标检测与跟踪算法
黄战华, 陈智林, 张晗笑, 曹雨生, 申苜弘
2021, 42(5): 867-876. doi: 10.5768/JAO202142.0502007
摘要:
针对单一视觉跟踪算法易受遮挡影响的缺陷,提出一种基于音视频信息融合的目标检测与跟踪算法。整个算法框架包括视频检测与跟踪、声源定位、音视频信息融合跟踪3个模块。视频检测与跟踪模块采用YOLOv5m算法作为视觉检测的框架,使用无迹卡尔曼滤波和匈牙利算法实现多目标的跟踪与匹配;声源定位模块采用十字型麦克风阵列获取音频信息,结合各麦克风接收信号的时延计算声源方位;音视频信息融合跟踪模块构建音视频似然函数和音视频重要性采样函数,采用重要性粒子滤波作为音视频融合跟踪的算法,实现对目标的跟踪。在室内复杂环境下对算法性能进行测试,结果表明该算法跟踪准确率达到90.68%,相较于单一模态算法具有更好的性能。
光学计量与测试
基于交织序列的偏振方向映射方法
王霞, 苏子航, 赵家碧, 徐超, 金伟其
2021, 42(5): 877-883. doi: 10.5768/JAO202142.0503001
摘要:
偏振方向是偏振成像技术中的基本信息之一,能够反映出场景物体表面的方向信息,因此场景中偏振方向的分布对场景信息的解译有着重要的作用。传统的偏振方向表示方法存在着二维或三维信息映射方法的映射结果维度较高和由映射关系的距离相关性低而引起的映射方法噪声鲁棒性低问题。提出了具有距离保持特性的基于交织序列的偏振方向信息一维数值映射方法。选择从斯托克斯矢量分量中提取方向信息作为偏振方向的二维映射方法,再基于交织序列方法将二维数据映射为一维数值;之后研究了距离保持特性与映射方法对噪声鲁棒性的关系,并分析了该文所提出的偏振方向映射方法与传统偏振角映射方法的距离保持特性;进行了仿真实验与真实场景实验。仿真实验中,该文所提方法映射结果的PSNR均值相较于偏振映射方法提升了6%;真实场景实验中,该文方法映射结果相较于斯托克斯矢量映射方法降低了信息维度,相较于偏角映射方法,NMF特征的NRPSNR均值提升约14%,证明了所提出的映射方法具有低信息维度及较好的噪声鲁棒性。
一种基于机械式拼接的结构光扫描测量方法
武琼, 刘巍, 周志龙, 王钰鑫, 乐毅
2021, 42(5): 884-890. doi: 10.5768/JAO202142.0503002
摘要:
测量大尺寸零部件一般需要较大的测量范围,而高精密扫描传感器往往视野较小。为了解决该矛盾,提出了一种基于机械式拼接的结构光扫描测量方法,通过结构光扫描仪获取局部高精点云,并利用高精十字平移台实现数据拼接。分析了测量系统的组成和测量原理,提出了一种基于加权非线性优化的外参标定方法,求解出结构光扫描仪和十字平移台之间非实物坐标系的变换关系。在实验中验证了系统在300 mm的测量范围内球心距的均方根误差(root-mean-square error,RMSE)优于45 μm;同时对实物进行了测量,检验了测量系统的实用性。
通用工业相机的炸点瞬时位置测量模拟研究
黄战华, 张光, 曹雨生, 张晗笑, 申苜弘
2021, 42(5): 891-897. doi: 10.5768/JAO202142.0503003
摘要:
为解决当前已有炸点空间位置探测系统存在的结构复杂、成本昂贵的问题,进行了基于通用工业相机的炸点瞬时位置测量的模拟研究,设计了LED瞬态闪光单元,通过光电传感器探测LED产生的光信号并转换为电信号。经过信号处理,根据信号的幅值控制2台普通工业相机同时曝光进行抓拍,然后对采集的图像进行数字图像处理,获取2幅图像中爆炸光斑中心的位置坐标,再结合2个相机之间的相对位置关系,最终解算出炸点的空间位置坐标。实验结果表明:在距离测量系统24 m、32 m、48 m处,最大误差绝对值在水平\begin{document}$X$\end{document}方向为127 mm,在竖直\begin{document}$Y$\end{document}方向为68 mm,在深度\begin{document}$Z$\end{document}方向为279 mm。系统具有响应速度快、精度高、成本低等优点,满足系统探测要求。
基于阵列波导光栅的边缘滤波温度解调系统
李鸿强, 王润洁, 张美玲, 高倩, 张赛, 宋文超, 毛泉桦, 李恩邦, JuanDaniel Prades Garcia
2021, 42(5): 898-905. doi: 10.5768/JAO202142.0503004
摘要:
为克服传统阵列波导光栅解调系统体积大、价格昂贵等问题,提出了以窄带光源为输入光源,采用边缘滤波和阵列波导光栅相结合的解调方案,实现对增敏封装后的光纤光栅温度传感器进行温度解调实验。以窄带光源作为输入,通过边缘滤波的方法使得温度传感器反射谱的中心波长偏移程度与解调光路输出光强的变化相对应,利用阵列波导光栅的波分复用实现多传感器同时测量,实现了多传感器多通道的分布式测量,实验结果表明:解调系统的波长解调范围为1 545.30 nm~1 560.50 nm,对35 ℃~42 ℃的温度范围进行检测,波长解调精度为±5.34 pm,温度测量误差可达±0.1 ℃。
基于双经纬仪和弹孔屏的天幕立靶密集度现场校准方法
曹静, 陈俊彪, 田会, 王凡, 刘保炜
2021, 42(5): 906-912. doi: 10.5768/JAO202142.0503005
摘要:
射击密集度是评定速射武器射击效果的重要参数,而天幕立靶测试系统广泛用于速射武器的密集度测量。但是由于天幕立靶受到运输、反复安装和搬移、外场环境温度变化、长时间使用等因素影响,导致密集度测量误差变大。针对天幕立靶密集度现场校准问题,提出了一种基于双经纬仪和高精度弹孔屏配合的校准方法。该方法利用双经纬仪交会测量弹孔屏上的弹孔坐标,根据所测量的弹孔坐标利用密集度公式计算密集度参数,并与天幕立靶所测得的密集度参数进行对比,完成现场校准。开展实弹射击,并对基于双经纬仪配合弹孔屏方法测量所得的密集度进行不确定度评估,结果表明:该方法测量所得的密集度不确定度为1.6 mm,可用于天幕立靶密集度的现场校准。
激光技术
浮顶罐中央排水管泄漏油气扩散激光检测研究
李栋, 郭曦, 王迪, 马鹏博, 孙伟栋, 王明吉
2021, 42(5): 913-918. doi: 10.5768/JAO202142.0507001
摘要:
浮顶罐中央排水管油气泄漏研究对及时制定合理的应急措施、预防重大事故发生有重要意义。介绍了一种判断中央排水管泄漏的方法。通过数值模拟分析了不同泄漏位置对中央排水管泄漏后报警时间的影响,模拟发现3个泄漏位置的报警时间最大相差1 308 s,说明泄漏位置对报警时间的影响较大。采用浓度为10%的甲烷代替油气进行了中央排水管油气泄漏激光检测可行性的实验验证。结果表明:TDLAS技术可用于中央排水管泄漏报警系统中油气浓度的检测, 对浮顶罐中央排水管泄漏报警系统的设计有一定的参考意义。
基于激光和CCD组合的小孔转轮重复定位精度测量方法
梁为育, 叶超, 胡秋, 刘盛
2021, 42(5): 919-925. doi: 10.5768/JAO202142.0507002
摘要:
小孔转轮是某试验装置光路自动校准系统的关键器件,重复定位精度是其重要指标之一。为了有效测量运行于真空环境下的小孔转轮重复定位精度,提出了一种基于激光和CCD组合的测量方法,并以转轮滤波小孔光斑中心的位置重复性作为其重复定位精度的评价指标,搭建了一套完整的测量系统。利用CCD采集通过转轮滤波小孔的激光光斑,通过图像处理的方法对激光光斑图像进行滤波去噪、阈值分割、二值化、边缘检测等预处理,利用最小二乘法对激光光斑进行圆拟合,得到光斑中心坐标。在非真空环境下与激光干涉仪进行了对比实验,两者测量的角度偏差仅相差11″,表明了该测量方法具有较高的精度,可以满足测量要求。采用该测量方法对真空环境下的小孔转轮进行了约6 h正反往复各60次的重复性测量,结果表明,该测量方法能有效测量真空环境下小孔转轮的重复定位精度。
光纤传感与光通信
毛细管内嵌微球谐振腔的温度传感特性研究
孙航, 刘笑尘, 王梓杰, 余洋, 杨勇, 张小贝
2021, 42(5): 926-931. doi: 10.5768/JAO202142.0508001
摘要:
对基于毛细管的微球谐振腔耦合器件的耦合机理与温度传感特性进行了研究。微球支持较多的高阶模式,易与石英毛细管模式满足相位匹配条件,因此微球回音壁模式会被激发。使用钛酸钡微球进行了温度传感实验,为进一步提升传感的灵敏度,采用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)微球进行了温度传感实验。实验结果表明,PMMA微球温度传感灵敏度可达83.9 pm/℃,约为钛酸钡微球温度传感灵敏度的8倍,在提升温度传感灵敏度方面具有重要作用。
光纤布拉格光栅柔性传感器研究进展
徐小强, 杜阳, 冒燕, 宋子奇
2021, 42(5): 932-940. doi: 10.5768/JAO202142.0508002
摘要:
光纤光栅传感器具有质量轻、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,尤其具有良好的柔韧性和相容性,可通过特殊制备工艺将光纤光栅与柔性材料制作成高密度分布式感知的柔性传感器。介绍了光纤光栅的基本传感原理;详细介绍了分别采用硅橡胶、纺织品以及其他聚合物作为基底的光纤光栅柔性传感器,并分析了各类柔性传感器的制备工艺技术、结构特点和性能;最后讨论了柔性传感器存在的主要问题、应用领域和未来研究方向。
面向冰盖剖面的高空间分辨率分布式光纤测温系统设计
王玎睿, 邓霄, 张均, 卢新硕, 杜超, 张丽, 张琳
2021, 42(5): 941-948. doi: 10.5768/JAO202142.0508003
摘要:
针对现有冬季冰盖垂直剖面温度检测技术的不足,设计了一种具有高空间分辨率的分布式光纤测温系统,介绍了系统的测量原理和总体结构,提出使用反卷积校正算法,避免了因受系统有限带宽影响而导致的测温不准,从而提升空间分辨率。同时进行了相关测温实验。该算法可以在保证温度测量精度的前提下,将系统的空间分辨率从1.3 m提升至0.5 m。设计了一种具有垂直高分辨率的温度测量装置,可以精确检测冰盖内部垂直方向上的温度变化,实现对冰盖厚度的识别。