2017年第6期文章目次

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  • 1  基于库德光路的小型激光定向发射装置设计
    罗威 董文锋 霍亮宇
    2017, 47(6):655-658.
    [摘要](646) [HTML](0) [PDF 1.16 M](419)
    摘要:
    根据激光发射与光学跟瞄一体化结构设计需求,本文基于库德光路设计加工了一套小型激光定向发射装置,其光学成像探测视场和激光发射共光轴,并开发了二维转台控制系统及软件,能够控制激光定向发射到指定空域内任意方位目标。利用激光定向发射装置和控制软件,完成了对实验室内目标手动光学瞄准和激光打击一体功能实验。
    2  脉冲压缩技术在相干激光雷达中的应用研究
    曹昌东 秦鹏,眭晓林 刘波 颜子恒 赵娟莹 吴姿研
    2017, 47(6):659-662.
    [摘要](764) [HTML](0) [PDF 909.29 K](519)
    摘要:
    脉冲压缩技术在微波雷达、无线通讯领域有着广泛的应用,但在相干激光雷达特别是相干激光测距领域应用较少。本文将脉冲压缩技术应用于相干激光雷达系统中,对脉冲压缩相干激光雷达进行理论分析和性能分析,分析可见脉冲压缩技术可显著提升相干激光雷达的性能。
    3  高空湍流影响下航空激光传输性能分析
    赵静 赵尚弘 李勇军 赵卫虎 刘韵 李轩
    2017, 47(6):663-668.
    [摘要](679) [HTML](0) [PDF 1.79 M](331)
    摘要:
    采用“Clear 1”折射率起伏湍流模型对高空大气湍流进行描述,通过仿真建立了高空湍流信道气动光学效应影响模型,分析了光斑尺寸与飞行高度、激光波长、传输距离的关系;研究了gamma-gamma大气湍流信道下光强闪烁因子随接收孔径尺寸、飞行参数的变化特征。结果表明:①光斑尺寸受气动光学影响而增大,低空传输条件下光斑尺寸大于高空;②光斑尺寸随波长增加而增大;在相同条件下,波长为800 nm激光的光斑尺寸受气动光学影响最大;③闪烁指数仅与接收孔径大小有关,并随着传输距离的增大而逐渐增加,当闪烁指数超过1,其增加幅度降低并逐渐达到最大值。
    4  激光瑞利波的时间依赖性探测表面缺陷深度
    刘辉 郑宾 王召巴 郭华玲
    2017, 47(6):669-673.
    [摘要](588) [HTML](0) [PDF 1.20 M](311)
    摘要:
    针对金属构件表面微小缺陷非接触式定量检测的难题,本文采用有限元法模拟了激光产生的瑞利波与不同深度的表面缺陷的相互作用,研究了瑞利反射波与表面缺陷深度的时间依赖关系。通过分析该时间依赖关系的产生机制,提取出能够定量表征表面缺陷深度的时域特征量,得出了该时域特征量与表面缺陷深度的数学关系表达式,并利用该数学关系表达式进行了激光超声表面缺陷检测实验中的深度计算。结果表明,实验结果与数值模拟结果具有良好的一致性,该时域特征量与缺陷深度呈线性关系,能够定量表征表面缺陷深度的范围为0.1~0.5 mm,最大误差≤0.06 mm。
    5  激光诱导Ti-6Al-4V钛合金表面着色研究
    李云龙 李建美 王爱群 陶亮
    2017, 47(6):674-679.
    [摘要](676) [HTML](0) [PDF 1.09 M](466)
    摘要:
    针对目前关于激光着色的呈色机理解释尚未形成统一定论,还存在些模糊的问题,拟进一步研究呈色机理。为此,本文基于Nd∶YAG纳秒激光器在钛合金表面进行激光着色试验,在不同扫描速度下得到了黄色、橙色、蓝色样本;利用构建的空气-氧化膜-钛合金基底的三层结构模型,从反射率及颜色参数两个方面分别对实验样本与理论模型的结果进行了对比,验证了不同颜色的形成是由于干涉作用引起的,而最外层氧化膜的厚度决定了干涉的效果;从着色机理方面对不同颜色样本的着色效果及三维微观形貌进行了分析;对钛合金激光着色加工,具有一定的指导意义。
    6  一种基于飞秒激光白内障手术的碎核轨迹设计
    张来峰 刘思奇 范立成 盛小明
    2017, 47(6):680-685.
    [摘要](677) [HTML](0) [PDF 1.35 M](373)
    摘要:
    针对在飞秒激光辅助晶状体碎核中,需要根据白内障患者的晶状体浑浊等级选择不同的扫描方案,且其每一层的扫描轨迹不连续的问题,提出了一种参数化的螺旋形激光扫描碎核轨迹。对螺旋形扫描轨迹进行了整体参数化定义,解出了扫描轨迹的数学模型,并求解了轨迹中关键数据点的坐标值。最后对扫描轨迹数学模型建立了仿真,其仿真结果验证了所求解扫描轨迹数学模型的正确性。此种碎核方案的每一层轨迹连续,可通过改变相应参数实现不同的切割效果,为飞秒激光辅助白内障手术提供了一种新型的碎核方案,具有一定的实用价值。
    7  聚晶金刚石复合片激光切割工艺研究
    郭强 贾志新 高坚强 黄金刚 刘文彪 权万龙
    2017, 47(6):686-692.
    [摘要](523) [HTML](0) [PDF 1.13 M](446)
    摘要:
    聚晶金刚石(PCD)复合片因其硬度高、耐磨性好等性能在刀具行业应用广泛,为了探究PCD复合片的激光切割工艺特性,获取最优的切割质量和加工效率,减少磨削余量,采用Nd∶YAG激光器对1.6 mm厚PCD复合片进行切割工艺试验。利用数字显微镜和光学轮廓仪对材料切割表面及断面进行观测分析,系统研究了激光功率、切割速度、脉冲频率及离焦量等工艺参数对切割质量的影响。通过正交试验的直观分析与方差分析对工艺参数进行分析与优化设计,同时探究不同参数下激光能量对材料的作用机理。结果表明:材料表面能量密度的大小决定着激光切割质量,选用激光功率80 W,切割速度80 mm/min,脉冲频率60 Hz,零离焦量的切割参数,获得了切缝宽度为173.10 μm,切缝单边锥度为5.90°,表面粗糙度Ra=0.65 μm 的优良PCD复合片激光切割质量。
    8  1645 nm单纵模NPRO激光器短期频率稳定度的测量
    崔春旺 纳全鑫 张艺轩 王雨佳 高明伟 王庆 高春清
    2017, 47(6):693-697.
    [摘要](750) [HTML](0) [PDF 1.36 M](302)
    摘要:
    利用光纤延时自外差法对单块非平面Er∶YAG环形振荡器(NPRO)输出单纵模激光的短期频率稳定度进行了测量。激光器输出波长为1645 nm。测量了延时时间分别为0.25 μs,0.75 μs,1.25 μs,1.75 μs,2.25 μs,2.75 μs,5.25 μs,7.25 μs,9.75 μs,108.5 μs,166 μs 的输出激光的自外差拍频信号。设置频谱仪的span为20 kHz,扫描时间为10 s,Res BW为51 Hz,VBW为1 Hz,测量拍频信号的3 dB带宽。在延时时间0.25~9.75 μs范围内,通过线性拟合在不同延时下的3 dB带宽,得到单纵模NPRO激光器的短期频率稳定度为201 Hz/μs。光纤延时长度为21.7 km和33.2 km时,测量的3 dB带宽约为14 kHz。
    9  GaAs基大功率激光器静电失效现象的研究
    黄欣竹 崔碧峰 郭伟玲 李莎 孔真真 房天啸 郝帅
    2017, 47(6):698-702.
    [摘要](613) [HTML](0) [PDF 1.10 M](495)
    摘要:
    为了判别大功率半导体激光器是否为静电损毁失效,对大功率半导体激光器进行了静电损毁机制的研究。通过测量和表征大功率半导体激光器静电损毁现象,为判别其失效提供有效判据。首先,对GaAs基980 nm大功率半导体激光器(HPLD)分别施加了-200 V,-600 V,-800 V,-1200 V以及+5000 V的静电打击(ESD),每次打击后,测量样品电学参数和光学参数。其次,对打击后的器件进行腐蚀并显微观察其打击后损伤现象。反相ESD后,半导体激光器I-V曲线有明显的软击穿现象,在反向4 V电压下反向1200 V静电打击后漏电为打击的5883854.92倍。正向5000 V静电打击后器件没有明显的软击穿现象,且功率下降很小。在反向ESD后器件腐蚀金电极后表面有明显熔毁现象,正向静电打击后则没有此现象。通过正向静电打击和反向静电打击下器件反应的不同I-V特性和损伤表征,推测正向瞬时大电压大电流下,器件的I-V特性无明显变化,而反向大电压大电流打击会导致I-V曲线出现明显软击穿,功率下降和表面熔毁现象,为判别静电损毁提出了有效判据。
    10  一种8字腔结构激光器中的双脉冲现象
    王贵兰 许慧娟 李树元
    2017, 47(6):703-705.
    [摘要](506) [HTML](0) [PDF 986.16 K](471)
    摘要:
    设计了一种8字腔结构的激光器,用980 nm的泵浦源泵浦保偏掺铒光纤,得到了重复频率约是10 MHz双脉冲的输出,为了检验双脉冲的组成,在激光器的输出放置一个掺铒光纤放大器、偏振控制器和偏振分束,在不同的偏振态下获得了单脉冲的输出,证明双脉冲是偏振态不同的两个单脉冲组成的。
    11  二极管抽运Nd∶YAG薄片激光器研究
    王超 石晓军 唐晓军 刘洋 王文涛 梁兴波
    2017, 47(6):706-709.
    [摘要](615) [HTML](0) [PDF 1.37 M](440)
    摘要:
    报道了采用脉冲二极管抽运的高功率薄片激光器。通过合理设计泵浦光四通薄片增益介质面泵浦耦合系统,实现了泵浦光在薄片增益介质的均匀泵浦;通过实验实现了1.2 kW的激光输出,光-光转换效率25%。
    12  基于横向热传导的下表面缺陷检测
    邢晓军 左宪章 沈思
    2017, 47(6):710-716.
    [摘要](593) [HTML](0) [PDF 1.35 M](372)
    摘要:
    脉冲涡流热成像缺陷检测技术可以对铁磁性材料试件进行快速准确地检测。针对下表面裂纹检测比较困难的问题,本文利用横向热传导的方法检测缺陷。结果表明,下表面裂纹能阻碍热量的横向传递,深度越大阻碍作用越强。通过对采样温度进行标准化处理,试件内部初始温度不同对检测结果带来的影响得到抑制,提高了缺陷检测效率。横向热传导是检测下表面缺陷的一种有效方法。
    13  红外热像仪的空间噪声和时间噪声分析
    马宁 刘莎 李江勇
    2017, 47(6):717-721.
    [摘要](641) [HTML](0) [PDF 925.95 K](477)
    摘要:
    噪声特性是衡量红外热像仪的一个重要指标。本文对热像仪的噪声来源和影响因素进行了分析,并通过实验分别计算了实测图像的空间噪声和时间噪声。实验结果表明了在实际观测过程中,图像的空间噪声通常要大于时间噪声,而且空间噪声在热像仪经过非均匀性校正之后的一段时间内会逐渐增大,而时间噪声不会有明显变化。基于时间噪声小于空间噪声且不随时间变化的特点,为红外图像中的目标检测提出了新的思路。
    14  基于空间金字塔匹配的单目热成像深度估计
    单妍妍 谷小婧 顾幸生
    2017, 47(6):722-727.
    [摘要](725) [HTML](0) [PDF 1.12 M](379)
    摘要:
    热成像能够反映场景的温度分布,对热成像进行深度估计,可以恢复出场景的三维温度场,在故障诊断、夜视导航等领域具有重要意义。本文提出一种面向单目热成像深度估计的非参深度采样方法。为了克服热像纹理缺乏、轮廓模糊的缺点,使用了空间金字塔匹配(Spatial Pyramid Matching,SPM)来进行热像的特征分析。首先,基于SPM特征匹配,从数据库中筛选出与待估计深度的热像具有相似场景的候选热像;然后,采用SIFT Flow变形算法对候选热像的深度图进行采样,并将深度信息传递给待估计的热像。实验结果表明,这种方法能够对单目热像进行有效的深度估计,与同类算法相比具有明显优势。
    15  飞机红外辐射计算及图像仿真
    孙卫 王彪
    2017, 47(6):728-735.
    [摘要](667) [HTML](0) [PDF 1.08 M](526)
    摘要:
    针对红外对抗与空战仿真的研究需要,对空中飞机红外图像的生成方法进行研究。从红外探测器的成像机理出发,建立了一种空中飞机红外成像仿真模型。首先分别建立机体与尾焰流场计算域的几何模型,并通过Fluent软件计算得到机体与尾焰的温度场,计算中重点考虑了外部热环境与舱内传热对机体温度场的影响;然后建立视线方程与亮度矩阵,计算探测器每个像素点接收的红外辐射亮度大小,经过灰度量化将辐射亮度值转化成灰度级别;最后通过VC++与OpenGL编程生成了飞机的红外灰度图像,并对比分析了不同波段、不同方位下飞机红外图像及红外辐射强度的差异。研究成果可为红外成像导弹的目标识别研究提供目标源。
    16  多谱段线列红外探测器读出电路设计优化
    王成刚 刘泽巍 袁媛 李冬冰 喻松林
    2017, 47(6):736-739.
    [摘要](618) [HTML](0) [PDF 1.12 M](523)
    摘要:
    集成电路制造技术的发展使单芯片集成多谱段红外探测器成为可能,其中长线列红外探测器读出电路设计遇到的挑战之一就是寄生效应。针对一款多谱段长线列用读出电路在最小积分电容时行间输出电平差异显著,导致成像出现明暗条纹的现象进行了测试分析,得出复杂的电路版图寄生效应是主要原因。通过优化设计及流片验证,解决了寄生效应导致的成像明暗条纹问题。
    17  中波红外双通道带通滤光片的研制
    王松林 米高园 张建付 杨崇民 刘青龙 王颖辉 韩俊
    2017, 47(6):740-744.
    [摘要](650) [HTML](0) [PDF 1.21 M](526)
    摘要:
    采用在单晶锗基底的两面分别设计中波红外带通滤光膜和中波红外负滤光膜的方法,设计了一种光谱性能优良的中波红外双通道带通滤光片。以适当的工艺技术完成了膜层的制备,并测试了实验样片的红外透射率光谱。结果显示,制备的中波红外双通道带通滤光片的通带透过率以及截止带截止深度均良好。由实验结果分析可知,镀膜材料蒸发角的变化和各层膜厚误差的累积,是导致实验片的测试光谱在截止带内出现两个较强的次峰,以及中间截止带略微偏移的主要原因。
    18  衬底表面状态对碲镉汞薄膜表面起伏的影响
    杨海燕 胡尚正 郭明珠
    2017, 47(6):745-749.
    [摘要](717) [HTML](0) [PDF 1.12 M](389)
    摘要:
    通过改变碲锌镉衬底的表面加工方法及溴-甲醇腐蚀液的浓度,研究衬底的表面状态对碲镉汞薄膜表面起伏情况的影响。利用傅里叶红外透射(FTIR)光谱议、晶片扫描成像系统、光学显微镜等工具对不同条件下的碲镉汞薄膜的表面起伏情况进行观察和比较。研究初步发现碲锌镉衬底不经过化学抛光,以及不经过腐蚀直接进行外延的情况下得到的碲镉汞薄膜的表面起伏状况会得到一定程度的改善,但是考虑溴-甲醇腐蚀液对机械抛光造成的表面应力的释放作用以及外延过程中的衬底回熔的相互作用会使得外延所得碲镉汞薄膜表面起伏情况更加复杂。因此,仍需要对衬底使用前的化学抛光对薄膜表面起伏的作用以及确定合适的溴-甲醇腐蚀液的浓度进行进一步的研究。
    19  机载激光通信的重复自抗扰视轴稳定控制
    曹阳 刘世涛 彭小峰 张勋 任发韬
    2017, 47(6):750-754.
    [摘要](864) [HTML](0) [PDF 1.12 M](559)
    摘要:
    机载激光通信的视轴稳定是建立激光通信链路的前提。针对通信终端载体的非线性扰动和扰动模型未知造成视轴稳态误差较大的问题,结合自抗扰控制与重复控制,提出了重复控制补偿自抗扰算法,以完全消除周期性稳态跟踪误差。仿真实验结果表明,与自适应PID控制方法相比,重复控制补偿自抗扰算法可以有效抑制平台的非线性扰动,提高了系统的稳态精度,并且具有较快的响应速度与较强的鲁棒性。
    20  原子磁力仪系统高增益平衡光电探测器的设计
    张鹏 陈洪娟 桂永雷 孙立凯
    2017, 47(6):755-760.
    [摘要](767) [HTML](0) [PDF 1.15 M](507)
    摘要:
    为了实现对原子磁力仪系统中微弱、发散、快速调制的光信号的精密检测,克服传统平衡探测器接光面积小、增益小、光电管间距不可调及与自由空间光信号探测不兼容等缺点,采用基于基尔霍夫定律的平衡差分放大法和基于平行轨道焊盘的精调方法,设计并制作了高增益平衡光电探测器,并介绍了其工作原理和结构组成。首先,针对光斑发散大和调制速率快的特点确定了具有10 mm×10 mm大接光面积的高速光电管;然后设计了双管中心间距从20~60 mm连续可调的平行轨道焊盘,增强其对各种光学系统的兼容性;最后,利用两级放大电路设计实现了高增益特性。实验结果表明,该探测器-3 dB带宽达到800 kHz,信号跨阻增益达0.91 MΩ,在70 kHz 时的信噪比为38.5 dB,能够满足原子磁力仪系统光信号检测的要求。
    21  一种全谱段多光谱遥感器的星上信息处理系统
    戴立群 徐丽娜 周建勇
    2017, 47(6):761-766.
    [摘要](499) [HTML](0) [PDF 1.23 M](320)
    摘要:
    全谱段多光谱星上信息处理系统应用于某型号多光谱遥感器,由可见光信息处理电路及红外信息处理电路构成。该系统基于推扫成像的遥感器设计方案,通过外同步控制方式,完成了可见光、短中波红外、长波红外探测器的时序控制与驱动、模拟信号采集与处理、数字信号整合与格式编排等功能,具有多焦面同步工作、采集模拟通道多、信噪比高的特点。最终系统共采集32路模拟图像信号,输出量化位数为14 bit,五路串行LVDS输出,单路数据率为30 Mbps。在给定的测试条件下,实验室环境实测可见光通道、短波红外通道信噪比分别达到307和422,中波红外通道、长波红外通道NETD分别达到0.14 K和0.16 K。并使用可见光通道进行了外景成像,得到了良好的图像数据。通过实验室测试及外景成像验证了本系统能够满足遥感器使用需求。
    22  斜端面光纤不同倾斜角度下出射光的研究
    张恩隆 韦锦 赵霞 徐国庆
    2017, 47(6):767-772.
    [摘要](613) [HTML](0) [PDF 1.09 M](590)
    摘要:
    斜端面光纤的一端为平端面,另一端为斜端面,光从平端面输入,若斜端面的倾斜角度大于某一数值,光线将不再从斜端面出射,而是会经斜端面反射后从光纤表面出射,但此时的出射光斑严重变形,为此提出了在光纤斜端面部分套上一个空心玻璃管的结构。用LightTools的光线追迹功能进行仿真分析,仿真结果表明,当斜端面的倾斜角度在48°~54°的范围内时,光纤的传输效率均能超过75%,并且具有较为理想的出射光斑分布。最后,研制出了倾斜角为45°和53°的斜端面光纤,并分别在裸斜端面光纤和带有空心玻璃管的斜端面光纤下对传输效率和出射光斑分布进行了实验验证。
    23  金属化封装光纤光栅传感器超低温特性研究
    丁旭东 张钰民 夏嘉斌 张雯 祝连庆
    2017, 47(6):773-777.
    [摘要](531) [HTML](0) [PDF 1.13 M](356)
    摘要:
    传统胶封光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器的胶黏剂在超低温环境中存在着板结、与基体间热失配等问题。针对胶封光纤光栅传感器在超低温条件下进行测量的局限性,本文设计一种全金属化封装结构,并采用超声焊接的方法将光纤光栅封装固定于特种铝合金基底表面。在-160~0 ℃环境下,对两支FBG温度传感器的超低温传感特性进行了实验测试。结果表明,该封装形式的FBG传感器的线性度较好,相关系数均在0.99以上。它们的温度灵敏度系数在线性变化区间平均值分别为27.88 pm/℃和26.17 pm/℃,分别是封装前裸光纤光栅的2.75倍和2.58倍左右,提高了温度灵敏度。此金属化封装的FBG温度传感器的工艺简单,易于实现,可用于超低温恶劣环境下的温度测量。
    24  基于半监督协同训练的无人机对地目标跟踪
    毛盾 邢昌风 满欣 付峰
    2017, 47(6):778-782.
    [摘要](586) [HTML](0) [PDF 1.04 M](304)
    摘要:
    由于目标小、可区分性差,无人机对地目标跟踪较传统视频目标跟踪更容易丢失目标,提出一种基于l1图半监督协同训练的目标跟踪算法。算法首先提取样本的颜色和纹理特征构建两个充分冗余的视图,再以基于l1图的半监督学习算法取代传统协同训练中的监督学习方法构建单视图中的分类器,提高有限标记样本条件下的分类正确率,然后通过基于负类学习的协同训练算法协同更新两个视图的分类器,最后根据不同视图的相似度分布熵融合各分类器的分类结果实现目标跟踪。实验结果表明,该算法能够有效提高分类器的判别能力,具有良好的跟踪性能。
    25  应用空间金字塔池化LBP特征的舰船检测识别
    郭少军 陆斌 娄树理
    2017, 47(6):783-788.
    [摘要](495) [HTML](0) [PDF 1.25 M](370)
    摘要:
    传统LBP特征进行目标识别主要依靠局部图像LBP特征直方图来实现,通常只能满足小邻域内小量采样点计算LBP特征的情况。当需要计算像素在更大空间邻域更多采样点的对比纹理特征时,直方图特征的维度将会造成维数灾难。本文提出应用空间金字塔池化方式对LBP特征进行池化,并在LBP特征计算过程中采用多种邻域尺度和不同采样点数量,充分挖掘不同尺度下图像的纹理特征,从而建立完备的图像描述特征。在利用支持向量机或其他训练网络进行识别模板训练时,需要输入特征集具有相同的维度,传统LBP算法首先对图像按一定尺寸重构/裁切,时常会发生畸变而与现实出现偏离和信息丢失,对识别正确率存在影响。本文通过空间金字塔尺度对任意大小图像的LBP特征进行池化,输出特征维度为固定长度,有效避免了图像畸变与信息丢失的情况。实验证明,本文方法不仅避免了维度灾难的发生,同时能够更高效地提高目标检测率和识别正确率。

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