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2022年  第43卷  第5期

2022 年 5 期目录
2022, 43(5): 1-6.
摘要:
本期重点推荐论文
2022, 43(5): 1-1.
摘要:
综述
航空光电侦察技术发展研究
王惠林, 宁飞, 刘吉龙
2022, 43(5): 825-832. doi: 10.5768/JAO202243.0509001
摘要:
航空光电侦察具有隐蔽性强、直观性好、分辨率高等优点,一直是各国军事侦察的重要手段。根据作战任务需求,将航空光电系统分为凝视观瞄、情报侦察监视、红外搜索与跟踪、告警与对抗四大类。列举了典型产品,分析其特点及技术途径,从光学实现、稳定平台演进、瞄准线稳定、态势感知、轻量化、多任务协同、开放式系统架构(open systems architecture, OSA)等多方面分析国内外航空光电侦察技术和装备的发展情况及趋势。
光电系统与工程
陀螺冗余安装在机载光电系统中的设计与应用
刘栋, 王惠林, 雷亮, 姜世洲, 王冠, 巩全成
2022, 43(5): 833-838. doi: 10.5768/JAO202243.0501001
摘要:
陀螺是光电系统瞄准线稳定的重要元器件,介绍了一种基于光电系统的光纤陀螺冗余安装方法。在冗余安装陀螺数量确定的前提下,考虑到工程实际应用的安装空间、体积、重量和成本等因素,设计了4个陀螺的八边形金字塔冗余安装方式,对此冗余安装方式的精度和可靠性进行了分析和仿真,并与无冗余安装进行了对比。同时,该安装方式可用于陀螺与磁流体动力学角速率传感器的冗余安装。结果表明,该方法使角速度测量的噪声标准差下降约25.3%,可靠性提升约1.75倍。该方法能有效解决某光电系统受安装空间限制而陀螺精度不够的问题,提升了光电系统可靠性;同时也可应用于三轴陀螺稳定光电系统中,对工程应用有一定的指导作用。
大孔径宽光谱变焦镜头设计
罗锐, 梁秀玲
2022, 43(5): 839-845. doi: 10.5768/JAO202243.0501002
摘要:
在高压电线运输电力过程中容易发生电晕放电现象,存在安全隐患,因此,进行电晕放电的检测十分必要。利用日盲紫外镜头进行电晕检测是检测手段之一。基于Zemax多重组态功能设计了一款大孔径宽光谱变焦镜头,目的是配合变焦范围为90 mm~165 mm变焦距紫外镜头应用,可在电晕放电信号检测时,全天候、快速准确找出损坏线路的位置。该镜头采用4组元、近对称结构型式,F数为1.4,可变焦范围在30 mm~55 mm,工作光谱波段为400 nm~850 nm,空间频率100 lp/mm处全视场MTF≥0.4,最大畸变≤±3 %,均采用标准球面设计,系统总长为110 mm,适用于0.847 cm(1/3英寸)CCD,能较好地矫正各类像差,满足各零件基本加工工艺要求。
用于偏振成像系统的20 mm~200 mm变焦物镜设计
陈鑫, 甄胜来, 方健, 陶善静, 俞本立
2022, 43(5): 846-852. doi: 10.5768/JAO202243.0501003
摘要:
变焦物镜是偏振成像系统的重要组成部分,目前因变焦物镜使用较多非球面而导致价格较为昂贵。为了降低偏振成像系统变焦物镜的加工成本,设计了一款用于偏振成像系统的20 mm~200 mm变焦物镜。采用正组补偿,利用Zemax优化变焦系统,最终系统仅使用7片球面透镜,并达到良好像质,系统调制传递函数(MTF)在120 lp/mm处大于0.3,畸变小于4%,系统凸轮曲线平滑无断点。系统公差分析结果表明,公差范围设置为:镜片表面光圈公差为2,镜片或空气中心厚度公差为±0.02 mm,透镜表面中心倾斜公差为±0.025°,透镜装调公差为±0.025 mm,透镜折射率偏差为0.002,公差设置符合元件加工和系统装调工艺,对降低偏振成像系统成本具有一定的参考价值。
光电系统伺服稳定平台可靠性定性分析
郑凤翥, 宁飞, 王惠林, 吴雄雄, 王冠, 赵志草, 周云, 王乐
2022, 43(5): 853-858. doi: 10.5768/JAO202243.0501004
摘要:
以两轴四框架光电系统伺服稳定平台为研究对象,运用故障模式、影响及危害性分析(FMECA)以及模糊层次分析法,对伺服稳定平台的可靠性进行定性分析。在得到伺服稳定平台的关键故障模式和可靠性关重产品清单后,充分考虑人为主观判断的模糊性,继续深入分析关重产品对可靠性影响的重要度排序,以此作为后续可靠性设计和分配的重要参考。
一种适用于PWM驱动的滤波方法
刘长亮, 邓益, 王自成, 蒲培培, 李超, 吴玉敬, 张璟玥
2022, 43(5): 859-863. doi: 10.5768/JAO202243.0501005
摘要:
脉冲宽度调制 (pulse width modulation,PWM) 驱动是现有伺服控制系统的关键构成,因此在直流电机前端对脉宽信号进行差模滤波与共模滤波尤为重要。以某光电惯性稳定平台WSA38M功放模块为标的搭建滤波电路,分析PWM驱动开关频率导致电机发热和产生电磁耦合干扰的原因,运用公式计算LC滤波电路的电气参数,并进行优化仿真。测试和电磁兼容实验结果表明:优化后的电路性能优良,尤其是在22 kHz~53 kHz频段对系统干扰较小,容易满足整体指标要求,为控制系统设计提供了可靠的依据。
高分辨率光谱仪线阵CCD采集系统设计
康臻, 刘建平, 孙帅, 蒲培培, 牛静, 马世帮
2022, 43(5): 864-869. doi: 10.5768/JAO202243.0501006
摘要:
为了满足高分辨率光谱仪高灵敏度、高分辨率、低噪声的技术要求,设计了用于微光成像系统的背照式CCD驱动电路及主控电路。线阵CCD采集系统采用Altera公司的MAX X系列FPGA作为核心控制器件,为线阵CCD提供多路驱动信号;线阵CCD探测器输出模拟信号经过信号预处理及AD采样,变换为数字信号后通过USB接口模块发送给光谱仪。通过将线阵CCD采集系统安装到高分辨率光谱仪,对汞灯谱线进行特征峰测试,光谱分辨率可以达到0.062 nm,满足高分辨率光谱仪的探测要求。
FPSO原油外输光电辅助决策系统的设计与应用
朱进全, 杨学利, 孙恪成, 刘东辉, 牛志刚
2022, 43(5): 870-878. doi: 10.5768/JAO202243.0501007
摘要:
针对浮式生产储卸油装置(FPSO)串靠外输作业期间风浪流突变易造成FPSO与穿梭油轮发生大角度偏移,以及系泊大缆破损发生碰撞事故等问题,开发一套用于在FPSO外输作业期间实时监控风浪流、系泊大缆拉力、FPSO与穿梭油轮之间相对位置的系统。基于光学探测设备的监测数据,集成FPSO上已有的风浪流数据和系泊大缆拉力,采用数值模拟方法建立FPSO与穿梭油轮之间夹角的预测数学模型,实现系统实时监测、预测及预警等功能。现场测试结果表明:系统监测数据延迟≤0.5 s,距离测量误差≤0.4 m,夹角测量误差≤0.2°,120 s内夹角预测精度≥80%,满足工程应用需求,为实现FPSO外输作业智能化提供了技术参考。
光电信息获取与处理
基于遗传模拟退火算法的室内照明节能控制方法研究
郭敬, 张玉杰
2022, 43(5): 879-885. doi: 10.5768/JAO202243.0502001
摘要:
目前的节能照明控制算法仍有陷入局部最优的问题。为了寻求全局最优解,提高室内照明的节能效果,设计一种遗传模拟退火算法对照明系统的控制参数进行优化求解。该算法通过在遗传操作后对优秀个体进行模拟退火处理,增强了算法的局部搜索能力。根据迭代的次数和种群的适应度对遗传概率进行自适应调节,使得算法在前期丰富种群多样性,避免算法“早熟”。提出基于人工神经网络的照度模型来计算室内照度分布,对照明舒适度进行评估,为构造优化算法的适应函数提供了依据。通过仿真实验,在本文介绍的照明场景应用遗传模拟退火算法,并与传统粒子群算法和遗传算法进行比较,其照明节能性能分别高出5.30%和13.61%。
基于卫星高光谱遥感的水体和林木面积测绘
唐文睿, 马琳, 朱思祁, 林思凡, 贾龙泽
2022, 43(5): 886-892. doi: 10.5768/JAO202243.0502002
摘要:
高光谱卫星的出现和发展为遥感测绘提供了新的技术手段。与传统卫星图像相比,高光谱卫星图像含有更为丰富的光谱信息,能够对目标物进行更为准确的鉴别、分类、定位和测绘。以“珠海1号”高光谱卫星(OHS-C)所提供的高光谱卫星图片为样本,利用地物反射光谱结合自适应算法实现了对林木和水体的精确鉴别、增强标记和面积测量。利用比值法对光谱进行处理,在无需复杂校准的情况下便可去除大气情况及时间季节对光谱的影响。实验结果表明林木和水体鉴别的特异性和灵敏度均高于97%。依据本文设计的鉴别模型,计算得西丽水库官方水域计算总面积数约为4.6 km2,与官方数据的误差仅约为0.1446 km2;计算得淇澳岛的绿化面积为22.1713 km2,该岛总占地面积为23.8 km2,按照90%绿化面积计算得误差小于0.7513 km2,且误差主要源于商用卫星的空间分辨率不足。
基于注意力和角度间隔损失的高光谱目标跟踪
施宗晗, 赵海涛
2022, 43(5): 893-903. doi: 10.5768/JAO202243.0502003
摘要:
随着计算机技术的发展,基于深度学习的目标跟踪方法已成为计算机视觉领域中重要的研究方向;但跟踪环境的复杂多变使得跟踪算法在背景干扰、颜色相近等问题上仍面临巨大挑战。相比于传统彩色图像,高光谱图像包含丰富的辐射、空间和光谱信息,能够有效提升目标跟踪的准确率。提出了将注意力机制(attention mechanism)和加性角度间隔损失(additive angular margin loss, AAML)相结合的方法来进行针对高光谱图像的目标跟踪。通过融合多域神经网络对不同波段组合进行特征提取,同时设计了融合的注意力机制模型,使得来自不同波段组合之间的相似特征进行整合和强化,在目标背景颜色相近的情况下,网络会更多地注意目标物体,使得跟踪结果更为准确。在此基础上为了使目标和背景的区分更具有判别性,网络使用加性角度间隔损失作为损失函数,在训练过程中可以有效减小同类样本的类内距离,增大正负类样本的类间距离,从而提高网络的准确性和稳定性。实验结果表明,本文方法可使两种跟踪精度评价指标精确率和成功率分别提升1.3%和0.3%,相较于其他方法更具优势。
机器视觉螺纹图像评价方法
汪杰, 陈曼龙, 李奎, 杨帆, 燕立志
2022, 43(5): 904-912. doi: 10.5768/JAO202243.0502004
摘要:
为了提高机器视觉螺纹的测量精度,建立了基于螺纹图像质量的评价方法。通过对螺纹灰度图像的行灰度分布情况和螺纹光学成像特点的分析,揭示出由于螺旋升角造成螺纹图像牙廓边缘失真的机理。在分析多种螺纹图像评价方法性能的基础上,采用基于螺纹边缘的评价算法L-yakuo,计算多幅不同物距螺纹图像的评价值。最后,通过对机器视觉求取的M14×2、M20×2.5牙型角和接触测量仪得到的牙型角进行实验对比分析。实验结果表明:采用L-yakuo算法得到最清晰的牙廓图像后再进行机器视觉螺纹牙型角求取,规格M14×2、M20×2.5的螺纹牙型角精度平均提高\begin{document}$ 9'33'' $\end{document}。借助L-yakuo算法能够灵敏地反映螺纹牙廓清晰度,基本满足了螺纹图像清晰度的评价需求,评价值的变化和牙型角相对误差的变化基本一致,且该评价值具有精度高、易计算的特点。
基于轻量级网络的光纤环图像超分辨率重建
张乾闯, 郭晨霞, 杨瑞峰, 陈晓乐
2022, 43(5): 913-920. doi: 10.5768/JAO202243.0502005
摘要:
为了提高光纤环绕制图像的分辨率并减轻深度学习模型带来的内存和计算开销,提出了一种能够同时提取梯度信息和图像信息的双分支网络,利用轻量级残差块快速轻量的优势来提取网络路径中的图像特征,还引入了多阶段残差特征迁移机制。在梯度信息和特征迁移的共同作用下,网络可以保留丰富的几何结构信息,使重构图像的边缘细节更加清晰。实验结果表明,该模型以较少的参数和0.018 s的运行时间实现了优越的性能,在2×、3×和4×的比例因子下,峰值信噪比分别为44.08 dB、41.35 dB和38.97 dB,结构相似性指数分别为0.9858、0.9793和0.9769,均优于其他现有方法,为后续的光纤环质量检测提供了强有力的保障。
基于赋权连接图的增量式运动恢复结构算法
江滔, 马泳, 黄珺, 王贺松, 樊凡
2022, 43(5): 921-928, 1014. doi: 10.5768/JAO202243.0502006
摘要:
运动恢复结构算法(structure from motion, SfM)是一种通过计算图像匹配关系,恢复出相机位姿和目标三维结构的重建算法。提出一种基于赋权视角连接图的增量式运动恢复结构算法。首先建立基于图像对立体匹配质量的赋权连接图,量化了图像两两之间的匹配关系;其次在赋权连接图中边的权重的基础上,搜索度数感知的最佳初始种子对;最后根据已重建顶点的连通性构建下一张最佳图像候选集,设计了基于顶点度数与特征点分布的下一张最佳图像评价算法。在公开数据集上实验结果显示,本文算法在重建质量、相机校准率和点云生成数量的表现优于现有先进的运动恢复结构算法,相比基准对比算法,本文算法在不同数据集上平均重建耗时至少降低了19%,点云生成速率至少提升了21%。
光学计量与测试
基于灰度图差分梯度的雾化角测量方法
魏永杰, 李明凯, 王浩然, 张树日
2022, 43(5): 929-934. doi: 10.5768/JAO202243.0503001
摘要:
雾场边界及雾化角作为雾场的重要特性参数,主要通过图像法进行测量。在图像处理过程中,一般是将灰度图转化为二值化图像,然后依次针对二值化图像进行处理和计算。由于雾场的多相流特性,得到的二值化阈值和图像与实际雾场是否一致缺少评判依据。提出根据喷雾的灰度图像直接处理,得到掩模板并作用于灰度图像,采用图像形态学和迭代方法,计算灰度图像的梯度值。通过得到梯度值最大时的灰度图像,计算雾场边界和雾化角。实验表明,该方法提供了一种雾场边界的数值判断依据,通过梯度最大值判断并提取雾场边界,从而通过程序自动实现雾场边界提取与雾化角拟合测量。
利用反馈光路的弹光调制器定标及稳定控制
李克武, 王爽
2022, 43(5): 935-942. doi: 10.5768/JAO202243.0503002
摘要:
为了实现弹光调制器(photoelastic modulator,PEM)精确定标和长时间稳定工作,提出了一种利用反馈光路的相位延迟幅值定标及控制方案,理论计算并仿真分析了PEM通光孔径上相位延迟幅值的空间分布。在偏离PEM中心的位置设计了集成化的定标反馈光路;结合倍频项比值的相位延迟幅值定标方法,采用数字锁相技术同时提取反馈光路调制光强信号中倍频项,求解出PEM相位延迟幅值。按照上述方案加工制作了PEM实物,并进行了定标及稳定控制实验。实验结果表明,PEM中心相位延迟幅值的定标值与实测值相对偏差不超过0.22%;利用反馈光路控制约100 min,PEM相位延迟幅值标准偏差为0.001 8 rad,最大偏差低于0.42%,实现了PEM相位延迟幅值精确、实时定标,同时实现了PEM长时间稳定控制。
莫尔测量法中相位物体位置对结果的影响研究
陈雅宜, 陈云云, 张静云, 杨翠红
2022, 43(5): 943-949. doi: 10.5768/JAO202243.0503003
摘要:
莫尔测量法被广泛用于各类流场的结构显示和关键参量测量中,关于相位物体在光路中的放置位置已有不同的报道,针对该问题进行了理论和实验研究。理论分析表明,当相位物体放置于2个光栅前时,偏移量和相位主要取决于2个光栅之间的距离,偏折角取决于相位物体引起的相位扰动与2个光栅之间的间距的比值;而当相位物体放置于2个光栅之间时,偏移量和相位主要取决于相位物体到后面一个光栅之间的距离,偏折角则取决于相位物体引起的相位扰动与其到后面一个光栅之间的距离的比值。为了验证理论结果的正确性和合理性,实验中选取燃烧蜡烛火焰作为对象,对比发现在两种情况下,只要相应的距离选取适当,则相位物体的位置并不影响实验中重建的相位和偏折角等结果。相关研究成果可为莫尔测量法更好地用于各类流场的检测提供一定的参考。
等光程干涉仪中参考镜楔角最优补偿方式研究
朱怀康, 张齐元, 韩森
2022, 43(5): 950-958. doi: 10.5768/JAO202243.0503004
摘要:
在测量多表面平行样品时,多面干涉会影响测量结果。为了能改善多面干涉问题,介绍了等光程干涉仪,并研究了参考镜楔角的最佳补偿方式。在等光程干涉仪中,由于参考镜和分光镜的楔角和倾角的存在,测量结果中会带有回程误差。根据参考镜楔角的不同情况采用了不同的补偿,理论分析并确定了各种补偿的放置方式和补偿量,同时研究了倾角和楔角的大小对于要被遮拦光束高度和像方数值孔径NA的影响。再利用Zemax进行不同补偿方式下的干涉仪仿真,并根据仿真得到的干涉图PV值分析回程误差的大小。分析表明:选用最佳补偿方式,参考镜楔角为1′,回程误差优于0.003个波长。
傅里叶变换光谱仪角镜二面角误差分析研究
胡景森, 黄旻, 高寒
2022, 43(5): 959-966. doi: 10.5768/JAO202243.0503005
摘要:
傅里叶变换光谱仪是重要的光谱分析仪器。为探究角反射镜的二面角装调误差对角镜摆臂傅里叶变换光谱仪干涉质量的影响,进行了理论分析和计算机仿真。根据角镜摆臂傅里叶变换光谱仪模型,推导出角反射镜存在二面角误差时干涉强度和调制度的数学表达式,并根据调制度判据确定了二面角公差;利用Zemax光学设计软件建立模型进行仿真,验证理论推导的结果。根据调制度判据,理论模型得到的二面角公差为2.52 ″,Zemax仿真求得的二面角公差为2.38 ″,误差为0.14 ″,属于可接受范围。分析结果表明,建立的理论模型合理,对角镜摆臂傅里叶变换光谱仪的设计和装调有一定的参考价值。
一种分焦平面偏振成像系统光源标定方法
赵永刚, 孙春生
2022, 43(5): 967-972. doi: 10.5768/JAO202243.0503006
摘要:
水下偏振成像技术是目前水下成像研究的热点,由于自然光在水中衰减大,水下成像系统多采用主动照明方式。针对分焦平面偏振成像系统中偏振照明光源与偏振探测像元偏振方向不匹配引起采集图像偏振信息存在的偏差,进而影响目标图像增强质量的问题,提出了一种分焦平面偏振成像系统光源标定方法。阐述了偏振光源的标定原理,然后给出偏振光源标定的实施步骤,最后采用偏振去雾算法和图像质量评价方法对标定前后的水下目标图像进行了图像增强和图像质量评价。评价结果表明,标定后的增强图像质量优于未标定的增强图像质量,平均梯度最大提升了2.48倍。该标定方法简单有效,实用性强,适用于分焦平面偏振成像系统偏振光源标定。
光学器件与制造
基于格拉斯曼光学模型的PWM调光应用研究
李宗骞, 石艳, 廖映华, 罗一
2022, 43(5): 973-979. doi: 10.5768/JAO202243.0505001
摘要:
针对发光二极管(light-emitting diode,LED)光源颜色和光通量精准调控难度高,在生产应用中,调控操作需在电脑等设备上进行的问题,基于格拉斯曼颜色混合定律,结合脉宽调制(pulse width modulation,PWM)调控LED的特性,建立表示PWM与LED照度关系的数学模型,以STM 32微控制器为核心设计了三基色LED调光调色系统。对系统分别进行单色、双色和3色的混光照度实验,数字照度计的测量值与光照数学模型的理论值对比结果表明,该系统在0~370 lx区间内系统的光源照度误差≤4%,合成光色共16 777 216种,且对光源颜色和光通量的调控操作可直接在系统上完成,无需接入其他设备,减少了操作流程,满足工业视觉检测、农作物补光照明和文化旅游对光源颜色和照度的需求。
基于铝浸润层的超薄银透明导电薄膜研究
李栋, 潘永强, 刘欢, 郑志奇, 周泽林
2022, 43(5): 980-985. doi: 10.5768/JAO202243.0505002
摘要:
超薄银薄膜具有高柔韧性和优良的光电性能,是用于透明导电电极的潜在材料。通过电阻热蒸发技术以金属铝作为浸润层制备超薄银透明导电薄膜。引入铝浸润层降低银薄膜的阈值厚度,使银薄膜在K9 玻璃基底上以尽可能低的厚度达到连续。对不同厚度铝浸润层上银薄膜方块电阻进行测试,经SEM 图像验证后得出,1 nm铝浸润层对银薄膜具有较好的浸润效果。随后采用相同的工艺在1 nm铝浸润层上制备了不同厚度的银薄膜,透过率和方阻测试结果表明,1 nm铝浸润层上制备的10 nm银薄膜方阻值可达到13 Ω/□,其在0.4 μm~2.5 μm波段内透过率可达到50% 以上。
一种光可调的多功能太赫兹几何相位超表面
樊俊鹏, 王小召, 张建新, 张震, 孙偲, 胡启勇
2022, 43(5): 986-993. doi: 10.5768/JAO202243.0505003
摘要:
基于金属-光敏硅组合圆环提出了一种光可调太赫兹超表面,可用于实现多功能的波前操控。该超表面单元由正反两面的结构层和中间介质层组成,其中结构层是开口方向相反的金属环,开口处由光敏硅进行填充。在光照强度较低时,超表面可以将入射的圆极化波转换为交叉极化的透射波;随着光照强度升高,透射波将逐渐被完全抑制。根据几何相位原理,通过旋转金属-光敏硅组合圆环,透射的交叉极化波会携带额外的相位因子,并可实现完全的2π范围相位覆盖。通过合理排列超表面单元结构,可以对透射波的波前实现任意操控。利用提出的光可调超表面,在较低光照条件下实现了高效的异常折射、透镜以及轨道角动量产生器;在较高光照条件下,抑制了其透射效率,可有条件地选择应用功能,表现出较好的灵活性。提出的光可调超表面在太赫兹成像、通信、雷达等方面具有较大的潜在应用价值。
光纤传感与光通信
基于光纤相干背向瑞利散射的列车实时定位技术
张訢炜, 李俊, 张鼎博, 严瑞锦, 田彪, 丁国绅, 殷和宜, 马天, 王伟峰, 翟小伟
2022, 43(5): 994-1000. doi: 10.5768/JAO202243.0508001
摘要:
随着中国铁路里程跨越式增长,铁路货车重载化程度不断提高。利用铁路沿线既有通信光缆提出了一种基于光纤中背向瑞利散射信号干涉技术,光纤发生细微振动时,会导致扰动位置的光纤相位及折射率发生变化从而产生背向瑞利散射光。对前后时刻瑞利信号曲线进行差值运算,差分曲线上干涉光强信号发生变化的位置,对应扰动发生的位置,从而实现对铁路车辆的识别和定位,通过采集振动信号的时频特性域信号进行分析,提取信号强度、列车长度和车厢个数等特征,对车型进行精确识别。该技术与传统定位技术相比,可以实现长距离监测,且传感光纤埋藏于铁路两旁的地下,有利于光纤的隐蔽和保护。实验测试结果表明,系统对列车位置的定位误差在±10 m内,可以实现25 km内对列车速度以及位置的监测。
空心微瓶谐振腔的封装及折射率传感特性研究
赵帅昌, 王梓杰, 刘笑尘, 汪柯红, 陈溢琦, 杨勇, 张琦, 张小贝
2022, 43(5): 1001-1006. doi: 10.5768/JAO202243.0508002
摘要:
为提高传感器的稳定性和便携性,提出一种基于空心微瓶谐振腔的折射率传感器,对系统进行封装并对其折射率传感特性进行研究。仿真分析不同壁厚下空心微瓶谐振腔径向回音壁模式的光场分布,光场在微瓶内部的占比随着器件壁厚的减少而增加,有利于提高传感灵敏度。为减小空心微瓶谐振腔的壁厚,利用氢氟酸对石英毛细管进行腐蚀,使用光纤熔接机制备了薄壁空心微瓶谐振腔。采用紫外胶将耦合系统封装固定在载玻片上,器件稳定性和便携性得到提升。研究了封装器件在不同折射率匹配液下的传感特性,器件传感灵敏度为26.50 nm/RIU。该传感器具有稳定性强、灵活性高、损耗小等优点,在光微流控折射率检测方面拥有很大的应用潜力。
基于光纤光栅传感器的体外血管模型应力测量
张妍, 张帆, 赵冠棋, 初大平
2022, 43(5): 1007-1014. doi: 10.5768/JAO202243.0508003
摘要:
血管中的血液流动会对血管壁产生周向应力,周向应力与血管的结构及功能变化密切相关,测量体外血管模型的周向应力是生物力学研究中较重要的问题。提出了利用光纤光栅测量血管周向应力的方法,基于微流控技术利用钢针模具建立了集成光纤光栅的三维圆形血管模型,通过仿真研究了不同流动速度与应力的关系。仿真结果得到流速在8 mm/s~75 mm/s范围内,应力随速度的改变呈线性变化。利用光纤光栅传感器测量了流体流动时产生的周向应力,根据实验得到了光栅波长改变量与速度的关系,流速范围在8 mm/s~75 mm/s之间变化时,速度引起波长的变化为0.173 nm。结合仿真实验得到了应力与光栅波长改变量的关系,为血液流动时产生周向应力的体外测量提供了新思路。
基于粒子群优化算法的宽带混合光纤放大器的设计
巩译, 刘芳, 孟繁轲
2022, 43(5): 1015-1021. doi: 10.5768/JAO202243.0508004
摘要:
基于铒/镱共掺光纤放大器(erbium-ytterbium doped fiber amplifier, EYDFA)的理论模型和受激拉曼散射效应的分析理论,利用EYDFA和拉曼光纤放大器(Raman fiber amplifier, RFA)的增益谱互补特性,研究并设计了EYDFA与二阶多泵浦RFA相结合的混合放大器结构。为了得到高增益和低平坦度的混合放大器,引入了粒子群算法优化泵浦光波长和功率。仿真结果表明:在不使用增益均衡器的条件下,所设计的混合光纤放大器在输出端得到了近似相等的输出光功率,在90 nm的带宽范围内平均增益为38.78 dB,增益平坦度为1.1 dB,为混合放大器的设计和优化提供了参考。
填充ENZ材料的太赫兹高双折射及近零平坦色散微结构光纤
卫较霞, 王豆豆, 张悦, 田江锟, 岳帅
2022, 43(5): 1022-1029. doi: 10.5768/JAO202243.0508005
摘要:
为了实现太赫兹波的保偏波导传输,设计了一种含有纤芯缺陷孔和椭圆形包层空气孔的高双折射微结构光纤。通过在包层空气孔中选择性地填充太赫兹近零介电常量(epsilon-near-zero, ENZ)材料,引入了几何结构和材料分布的双重不对称性,破坏了2个偏振基模的简并以获得高双折射特性。应用有限元方法研究了光纤的双折射、损耗和色散等传输特性随结构参数的变化规律。在0.5 THz~2 THz的宽频段范围内获得了大于0.01的高双折射。xy偏振基模的损耗在0.8 THz附近具有最小值,分别为0.903 dB·cm−1和0.851 dB·cm−1。纤芯缺陷孔可以有效调节色散特性,y偏振基模在1 THz~1.8 THz范围内具有 (0±0.054) ps·THz−1·cm−1近零平坦色散特性。光纤的传输特性对ENZ材料的折射率变化不敏感。研究结论为研制太赫兹保偏光纤提供了理论参考。
基于MIMO的无人机斜程激光通信性能分析
唐翰玲, 李勇军, 李怡, 赵尚弘
2022, 43(5): 1030-1036. doi: 10.5768/JAO202243.0508006
摘要:
研究了大气湍流信道下无人机“空-地”斜程激光通信的下行链路单输入多输出(single input multiple output, SIMO)和上行链路多输入单输出(multiple input single output, MISO)技术。基于双伽马(Gamma-Gamma)分布的大气湍流模型,利用Meijer函数推导了大气湍流和指向误差联合影响下的SIMO下行链路误码率闭合表达式;利用\begin{document}$ \alpha - \mu $\end{document}分布建立了Gamma-Gamma湍流模型的MISO上行链路误码率性能近似表达式。系统研究了天线数、天顶角和指向误差对系统的影响,研究结果表明,空间分集技术可以有效改善系统的误码率性能,当束散角为500 μrad、下行链路接收器和上行链路发射器为3时就可以得到超过10 dB的性能优化;天顶角对“空-地”斜程激光通信误码率性能影响显著,要达到系统误码率10−6的性能要求,天顶角需控制在30°左右的较小范围内。