• 2017年第10期文章目次
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    • >综述与评论
    • 红外低温光学关键技术研究综述

      2017, 47(10):1195-1200.

      摘要 (177) HTML (0) PDF 1.05 M (520) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着红外探测技术的日趋成熟,以降低背景辐射为目的的低温光学技术已成为提高红外探测技术发展的主要途径。本文从工程应用的角度阐述了红外低温光学技术的各个要素,如低温光学系统构型选择、光学和机械结构设计、光学系统材料选择以及光学系统制冷方案设计等在低温光学处理中的设计要点。介绍了红外遥感相机和红外空间望远镜这两个红外低温光学的应用实例。最后对机载红外系统低温光学的应用提出了建议。

    • >激光应用技术
    • 数字激光散斑法测量杨氏弹性模量的实验设计

      2017, 47(10):1201-1204.

      摘要 (124) HTML (0) PDF 957.84 K (327) 评论 (0) 收藏

      摘要:激光散斑可以自由空间传播或成像的方式产生,数字激光散斑具有广泛的应用前景。本文着重阐述了利用数字激光散斑测量散射体位移的光路和方法,并给出了相关算法。随后设计了采用数字激光散斑测量杨氏弹性模量的实验系统,并给出了定标和测量方法。利用此方法,测量了钢丝的杨氏弹性模量,测量结果的精度和不确定度与光杠杆法相当。最后分析了误差的来源和测量中的关键因素。

    • 应力水平下的激光冲击小孔构件疲劳扩展研究

      2017, 47(10):1205-1209.

      摘要 (110) HTML (0) PDF 972.72 K (108) 评论 (0) 收藏

      摘要:激光冲击强化可以降低小孔构件裂纹扩展速率,提高疲劳寿命。疲劳扩展是疲劳寿命的主要组成部分,不同的应力水平会影响疲劳扩展,其对未强化试样和强化试样的影响是不同的。为此通过激光冲击强化TC4-DT钛合金双联小孔试样,然后进行疲劳试验,研究应力水平下的激光冲击小孔构件疲劳扩展。研究结果表明:应力水平提高会导致疲劳条带宽度增大,同时强化端同比增大尺寸大于未强化端,未强化端(I0)和强化端疲劳条带宽度(I1)差值(I0-I1)与未冲击端疲劳条带宽度(I0)的比值也有降低的趋势。因此,增大应力水平会增大疲劳条带宽度,应力水平的变化对激光冲击强化后试样的疲劳扩展影响更大,应力水平增大降低激光冲击强化疲劳寿命增益;在激光冲击强化参数一定时,应该规定适用的应力水平范围。

    • 基于Hough变换处理方法的光镊光阱刚度标定

      2017, 47(10):1210-1215.

      摘要 (117) HTML (0) PDF 962.68 K (92) 评论 (0) 收藏

      摘要:光阱刚度是描述光镊力学特性的一个重要指标,其标定的精确度直接决定了光镊测力的精确度。研究了一种基于Hough变换处理方法的光阱刚度标定方法。首先,介绍了基于均方位移法利用Hough变换求解位移实现刚度标定的基本原理;然后,搭建了光镊系统,进行了可行性分析。测量结果与传统的CCD相关算法进行了比较,当光的放大倍数为120时,Hough变换处理法标定的光阱刚度平均值为1.604±0.02,CCD相关算法标定的光阱刚度平均值为1.781±0.05,两种方法标定的结果基本相同。研究结果表明,Hough变化处理法具有一定的稳定性和可靠性,是标定光阱刚度可选择的方法之一。

    • 基于激光测振扫描的MVDR成像方法研究

      2017, 47(10):1216-1221.

      摘要 (82) HTML (0) PDF 1.22 M (129) 评论 (0) 收藏

      摘要:传统的“延迟-求和”成像方法,通过提取损伤信号幅值进行损伤定位成像,该方法存在信噪比低、定位精度不高的问题。本文结合激光测振技术,利用其检测精度高、检测模态较为单一的优点,提出一种最小方差不失真响应(MVDR)成像法。该方法在稀疏阵列中引入方向权矢量,提高损伤位置分辨能力。实验结果证实该方法能够快速高效地实现损伤的二维定位成像。

    • 飞秒激光加工织构及织构对磨损的影响研究

      2017, 47(10):1222-1227.

      摘要 (135) HTML (0) PDF 1.32 M (98) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用自主搭建的飞秒激光平台,选用不同激光参数在铍青铜材质表面加工微凹坑织构,研究激光功率、激光脉冲数对织构直径和深度的影响规律;并采用摩擦磨损试验机销、盘摩擦副开展牙轮钻头滑动轴承模拟工况下的单元摩擦学实验,分析表面织构对滑动轴承润滑及摩擦学性能的影响。研究结果表明,随激光功率增加,织构直径逐渐增大,而织构深度则有相反的变化规律;激光脉冲数对织构直径无明显影响,织构深度则随脉冲数增加逐渐增大。此外,合理直径织构能有效减少牙轮钻头滑动轴承表面摩擦磨损,且随织构直径增加,摩擦副表面摩擦系数和磨损量呈现出先减小后增大的变化规律。

    • 变参数激光冲击TC17钛合金疲劳裂纹扩展特性

      2017, 47(10):1228-1233.

      摘要 (151) HTML (0) PDF 1.14 M (214) 评论 (0) 收藏

      摘要:研究采用两种不同变能量参数激光冲击TC17钛合金,通过疲劳试验分析变能量参数激光冲击对其疲劳裂纹扩展寿命和扩展速率的影响规律,通过X射线残余应力测试仪分析激光冲击后试件表面残余应力分布状态。结果表明:相比于未强化试件,在高数值残余压应力作用下的强化后试件疲劳寿命分别提高了2.14倍和1.74倍,稳定扩展初期疲劳裂纹扩展速率分别降低了21%和16%;在裂纹稳定扩展前期区域,LP-1试件扩展速率发生明显减小的现象,C′值最大,m值为最小,减为负数;LP-2试件C′值增大,m值减小。残余应力场分布是疲劳裂纹扩展的主要影响因素,两种强化方案对TC17钛合金疲劳裂纹扩展均产生抑制作用,激光能量越大,产生残余压应力值越大,激光冲击对裂纹扩展前期区域的强化作用大于对裂纹扩展中后期区域的强化作用。

    • 一种基于2D激光雷达的扫描系统标定方法

      2017, 47(10):1234-1237.

      摘要 (129) HTML (0) PDF 1.03 M (241) 评论 (0) 收藏

      摘要:利用二维激光雷达以及转轴搭建的快速三维扫描系统由于雷达光心点与系统转轴中心通常不重合,因此需要进行系统的标定。本文基于LMS500二维激光雷达搭建了一套三维激光扫描系统,在分析了核心部件LMS500激光传感器测量误差的基础上,采用一种简单易行的方法完成了三维系统主要参数的标定,获得了扫描系统的数据转换公式。最后进行了阶梯轴零件的扫描并获得了较好的实验结果。

    • >激光器技术
    • 非旋转对称光束的像散系数aZF

      2017, 47(10):1238-1244.

      摘要 (107) HTML (0) PDF 1.46 M (103) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于二阶矩定义,综合考虑像散光束的非旋转对称性,提出采用M4参数来描述光束的像散特性。推导出了在指定方位角上像散基模高斯光束、像散厄米高斯光束传输和像散光束的束腰、发散角的解析表达式,提出采用像散系数aZF表示光束的像散特性,最终给出了用像散系数aZF表达的M4参数(Mxx4、Myy4、Mxy4和Mr4)的解析表达式。另外,根据实测光束的M4参数反过来也可以求出光束的像散系数aZF及光束在主方向上的M4参数等。光束经过无像差旋转对称光学系统传输时,其传输不变量为aZF、JZF1和JZF2。本文所得结果对实际工作中激光器的设计、制造和应用有重要的参考价值。

    • 双波长钛氧磷酸钾内腔光学参量振荡激光器

      2017, 47(10):1245-1249.

      摘要 (129) HTML (0) PDF 1.12 M (97) 评论 (0) 收藏

      摘要:为实现1.06 μm波长激光向人眼安全1.57 μm激光的能量转移,同时在输出光束中保留原1.06 μm波长的泵浦光,以得到双波长激光的混合输出。本文从光参量振荡器(OPO)的基本原理出发,对磷酸氧钛钾(KTP)晶体的光学参量振荡(OPO)获得重频双波长激光输出的过程进行了理论分析和实验研究。采用内腔OPO(IOPO),工作在重频20 Hz下,获得了1.57 μm和1.06 μm双波长激光混合输出能量大于38 mJ,其中1.57 μm波长信号光20 mJ,脉宽5 ns;1.06 μm泵浦光18 mJ,脉宽6 ns,并且波形未出现外腔OPO所观察到的中央凹陷,实验结果与理论分析相吻合。

    • 浸入式板条激光器的ASE抑制研究

      2017, 47(10):1250-1253.

      摘要 (114) HTML (0) PDF 985.59 K (180) 评论 (0) 收藏

      摘要:放大自发辐射及其形成的寄生振荡对谐振腔中主激光的振荡产生了诸多不利的影响。分析了板条型增益介质中光束传输距离和表面反射率对放大自发辐射的影响,通过实验验证了端面键合Cr4+∶YAG晶体能够有效地抑制浸入式板条谐振腔中的放大自发辐射,从而提高谐振腔的输出能量。与端面抛光相比,其输出单脉冲能量提升了38.4%,并获得了32.3%的光-光转化效率。

    • >红外技术及应用
    • 海面目标天基红外探测概率研究与分析

      2017, 47(10):1254-1258.

      摘要 (140) HTML (0) PDF 1.08 M (208) 评论 (0) 收藏

      摘要:天基红外成像侦察有着常规空基、地基、海基军事侦察手段无法比拟的空间优势,业已成为世界上各大军事强国重点发展的一项重要的军事侦察技术。首先,从海面目标的天基红外探测条件出发,推导出极限探测条件下的阈值信噪比和目标等效条带数的数学表达式。然后,以此为基础得出海面目标天基红外探测的探测概率公式。最后,分析了噪声等效温差、探测器瞬时视场、卫星轨道高度、目标与背景的零视距的实际等效温差、目标临界尺度以及大气透射率对天基红外目标探测概率的影响。研究表明对于大温差、大尺度的海面目标,天基红外探测的探测概率相对较高,但在大气透射状况一般时,要通过天基红外观测平台探测小温差、小尺度海面目标较为困难。研究结果对天基红外探测器的研制与设计具有一定的借鉴意义。

    • 热成像系统自适应自动对焦算法

      2017, 47(10):1259-1263.

      摘要 (166) HTML (0) PDF 1.29 M (190) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了实现不同环境下热成像系统的准确对焦,本文针对现有自动对焦算法存在的问题开展研究,提出了一种热成像系统自适应自动对焦算法。通过对比实验系统采集图像的梯度算子评价函数曲线,确定最优最大梯度和清晰度评价函数,并以某一复杂场景为例,说明了最佳对焦位置搜索、对焦窗口选择和图像清晰度评价的具体实现方案。对多个复杂场景的自动对焦实验表明,本文提出的热成像系统自适应自动对焦算法能够有效解决复杂场景目标的准确对焦问题。

    • 半透明性对闪光灯激励红外热像检测的影响

      2017, 47(10):1264-1270.

      摘要 (161) HTML (0) PDF 1.58 M (163) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了揭示玻璃纤维增强复合材料层合板的半透明性对闪光灯激励红外热像检测的影响机制,本文首先对玻璃纤维增强复合材料层合板的光学特性进行了定量测量和研究,发现该类材料具有明显的半透明性,依据反射比和透射比的测量结果,推算出吸收比和全吸收厚度。然后,针对分层缺陷和脱粘缺陷进行半透明模型和常规模型的建模对比分析,依据仿真结果明确了半透明性有可能减弱可检缺陷信号的强度,改变其变化规律,导致漏检。

    • 基于视觉里程计的单目红外视频三维重建

      2017, 47(10):1271-1275.

      摘要 (127) HTML (0) PDF 892.16 K (82) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对红外视频的特点,提出了一种基于直接法和稀疏法视觉里程计的单目红外视频三维重建方法。该方法首先通过对红外热像仪标定获得热像仪内参,然后构建直接法和稀疏法视觉里程计模型,视觉里程计前端执行帧管理和点管理的任务,利用滑动窗口并借助高斯-牛顿迭代对总光度误差进行优化,计算出直接法和稀疏法视觉里程计模型所依赖的所有变量,完成定位热像仪和建图的任务。通过实验证明了该方法能够实时实现对单目红外视频进行三维重建。

    • >光电技术与系统
    • 基于MAX30102的穿戴式血氧饱和度检测系统

      2017, 47(10):1276-1280.

      摘要 (153) HTML (0) PDF 1.18 M (188) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文设计了一种以MAX30102血氧饱和度和心率的集成芯片为传感器,nRF52832为微处理器的穿戴式血氧饱和度检测系统。系统设计过程中充分利用MAX30102光电反射式血氧传感器集光电发射接收、数模转换、数据滤波为一体,nRF52832 Cortex-M4F微处理器集成硬FPU单元和多种无线通信协议的优点,提高了检测模块的抗干扰能力和系统的运行速度及信号处理能力,降低了系统的开发时间和系统功耗,为系统的智能化提供多平台支持。在系统的信号处理算法上,设计了多种滤波算法进行比较,并选择了性能较优适合本系统的Dtrend去趋势算法虑除基线漂移和运动伪差干扰,以实现了更为精准的穿戴式血氧饱和度检测系统的设计。

    • >红外材料与器件
    • 数字化红外焦平面噪声分析研究

      2017, 47(10):1281-1285.

      摘要 (202) HTML (0) PDF 1.30 M (209) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于自行设计的TDI线列红外焦平面数字化读出电路,设计一款带有驱动IRFPA器件和数字化数据采集功能的红外焦平面测试系统,分别进行数字化线列读出电路电注入方式、中波红外焦平面和长波红外焦平面的噪声分析以及红外探测器比较关心的NETD的分析,并对积分时间、焦平面阵列注入区和偏置电压对红外探测性能的影响做了区分论证。

    • 冷屏对红外探测器组件降温影响研究

      2017, 47(10):1286-1289.

      摘要 (214) HTML (0) PDF 878.00 K (266) 评论 (0) 收藏

      摘要:冷屏是制冷型红外探测器组件的重要组成部分并伴随探测器一起降温,所以不同技术状态冷屏对红外探测器组件降温会有影响。本文针对320×256 30 μm规模红外探测器用F2冷屏,通过对不同技术状态冷屏在相同冷平台下的降温实验,研究对应技术状态冷屏对降温过程的影响情况,并获得了各冷屏技术状态对应的影响量。本文结果对优化冷屏热学设计有一定借鉴意义。

    • >光电对抗
    • 反舰导弹红外复合制导电子干扰评估方法研究

      2017, 47(10):1290-1294.

      摘要 (183) HTML (0) PDF 843.00 K (253) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文首先分析了电子干扰对抗反舰导弹的工作原理及方法,在分析红外复合制导反舰导弹作战使用的基础上,通过建立多维度指标体系描述电子干扰对反舰导弹干扰能力。采用综合评估方法对电子干扰对抗红外复合制导进行评估,给出的相关结论对提高电子干扰对抗反舰导弹作战能力具有指导意义。

    • >光学技术
    • 高视放大率军用瞄准目镜的设计

      2017, 47(10):1295-1298.

      摘要 (213) HTML (0) PDF 1.03 M (285) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了满足现代军事对于瞄准镜的需求,设计了一种高视放大率军用瞄准目镜,分析了大倍率目镜的像差特性和设计难点,选择使用正-正-负的结构形式。在Code V软件中进行了仿真和优化,最终设计的系统视放大率为16×,焦距为15.62 mm,出瞳直径为6 mm,出瞳距离为25 mm,靶面尺寸为1/3″,系统总长40.4 mm。结果表明,系统在40 lp/mm处的MTF均达到0.2以上,全视场内的畸变小于5%,满足目镜光学系统像质要求。

    • 消热差红外镜头热光学特性分析

      2017, 47(10):1299-1304.

      摘要 (211) HTML (0) PDF 1.23 M (325) 评论 (0) 收藏

      摘要:机械被动式消热差红外镜头的诞生解决了传统红外镜头在高低温下,由于温差原因产生不同的离焦量导致镜头成像质量下降的问题。本文以某款机械被动式消热差红外镜头为研究对象,对其进行了热光学特性分析。首先,在ANSYS中建立有限元模型,通过齐次坐标变化运用最小二乘法得出刚体位移。然后,通过Fringe Zernike多项式拟合得到面形变化。最后,在MATLAB平台下编写了基于施密特正交化法的接口程序,将37项Fringe Zernike系数导入到Zemax中进行分析。分析结果表明:在高低温时,由于补偿组的作用,镜头的轴向离焦量得到良好的补偿。高低温时镜片面形会发生变化,在低温时,镜头的成像质量略差于高温。镜头总体成像质量符合使用要求。

    • >电子电路
    • 基于FPGA的光弹调制器用高压驱动电路设计

      2017, 47(10):1305-1309.

      摘要 (156) HTML (0) PDF 1005.14 K (99) 评论 (0) 收藏

      摘要:为满足光弹调制器对高电压、高稳定和精确易控制的驱动电压需求,设计了一种基于FPGA控制、全桥结构LC谐振升压的高压驱动电路。该电路与传统的光弹调制器驱动控制电路相比,大幅降低了直流电源的电压输入要求,通过DDS调节方波频率来控制光弹调制器工作频率,调节方波占空比来控制输出电压。该电路应用于光弹调制器实验,结果表明在光弹调制器的谐振频率下,外部直流电压为5 V时,方波占空比范围为0~50%,对应电压峰-峰值可调节范围为0~840 V。电路具有稳定可靠、操控方便、带负载能力较强等优点,能够实现光弹调制器驱动电压实时精确的控制。

    • >图像与信号处理
    • 一种改进的红外弱小目标快速检测方法

      2017, 47(10):1310-1315.

      摘要 (690) HTML (0) PDF 1.06 M (367) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对复杂背景下红外弱小目标检测率低、目标跟踪困难的问题,提出一种改进的红外弱小目标快速检测方法。该方法采用改进的形态学滤波抑制背景噪声,对处理后的多帧图像进行方差估计初步突出目标像素,然后对其进行信噪比估计得到整个图像序列像素得分,图像中像素信噪比高的被标记为目标像素,再对标记过的图像进行分块分析,最终准确提取出连续图像序列中的目标像素。检测出的目标像素作为Hough变换的目标跟踪算法的输入,设置双阈值实现目标的有效跟踪。实验结果表明,在复杂背景下的红外弱小目标提取中,基于噪声方差估计的目标检测拥有较高的检测概率和较低的虚警概率,将其获得的目标像素作为Hough变换的输入,不仅可以有效跟踪目标,而且简化了算法的复杂度,实现目标的快速提取和跟踪,具有很高的应用价值。

    • 基于DSP的两帧差分和改进半因果弱小目标检测

      2017, 47(10):1316-1320.

      摘要 (172) HTML (0) PDF 928.76 K (165) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对工业现场镁熔液中弱小目标实时检测的难题,提出一种基于DSP的两帧差分和改进半因果支持域相结合的弱小目标检测新方法。该方法以DSP图像处理平台为核心,DSP集成开发软件Code Composer Studio 3.3为辅助,首先采用改进的半因果支持域模型对两帧原始图像进行背景预测,背景预测图像与原始图像相减得到残差图像;其次残差图采用两帧差分和自适应阈值分割处理得到二值图像;最后对二值图像形态学处理,获得真实弱小目标。实验结果表明:在相同实验条件下,该方法对序列图像的检测性能与已有文献进行对比,可以快速有效地检测到弱小目标,同时检测到的目标面积增大1.3倍,预处理时间减少34%,检测总时间减少20%,为工业现场镁熔液弱小目标实时检测奠定了基础。

    • School of Optical and Electronic Information,HUST,Wuhan 430074,China

      2017, 47(10):1321-1324.

      摘要 (178) HTML (0) PDF 1.13 M (230) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于水下距离选通激光成像技术,提出了一种可用于长距离下的水下线状目标检测算法。该算法针对水下成像中低对比度、模糊和噪声等特性,首先采用对比度拉升、中值滤波、小波变换等方法对图像进行增强处理;然后利用Canny边缘检测算子提取出目标的边缘特征;最后针对边缘特征中出现的噪声边缘问题,选用了鲁棒性强的随机抽样一致性参数估计算法从边缘特征中检测出线状目标,并计算得到目标的位置和方向等相关参数。实验结果表明,该算法可以有效地检测出水下曲线状目标,弥补现有方法只能检测直线目标的不足,检测率可以达到93%,有效检测距离能达到5倍水下衰减长度。

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