2020年第1期文章目次

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  • 1  级联光参量振荡与放大技术研究进展
    赵志刚 谢安宁 王德飞 吴志建
    2020, 50(1):3-8.
    [摘要](4) [HTML](0) [PDF 881.59 K](10)
    摘要:
    高性能中红外激光源在科研、民用及军事对抗等领域具有重要的应用价值。级联光参量振荡与放大技术可以显著提高抽运光子利用率,是获取高转换效率、高光束质量和系统高度集成中红外激光的有效方式。介绍了级联光参量振荡与放大技术的基础理论、典型结构以及常用非线性光学晶体,评述了级联光参量振荡与放大技术的研究进展,分析了级联光参量振荡与放大技术在非线性晶体制备、废热管理和镀膜工艺等方面面临的挑战,并对这项技术的发展趋势进行了展望。
    2  部分相干异常涡旋光束在大气湍流中的传输特性
    黎芳 刘慧
    2020, 50(1):9-12.
    [摘要](1) [HTML](0) [PDF 1.02 M](3)
    摘要:
    研究了部分相干异常涡旋光束在湍流大气中传输时的光强特性和有效光斑尺寸。利用广义惠更斯-菲涅尔积分式推导了部分相干异常涡旋光束的互相干函数的表达式,并在此基础之上得到部分相干异常涡旋光束的光强和有效光斑尺寸的表达式。通过数值模拟分析了部分相干异常涡旋光束的归一化光强分布和有效光斑尺寸随空间相干长度和折射率常数的变化情况。研究结果表明:部分相干异常涡旋光束比完全相干异常涡旋光束受大气湍流的影响更小。而且随着空间相干长度的减小和大气折射率常数的增加,异常涡旋光束光强的中心点强度和有效光斑尺寸逐渐增加。
    3  连续激光辅助热加工氧化铝陶瓷热效应分析
    李隆 薛彪 张春玲 耿鹰鸽 潘晓瑞 张秋娟
    2020, 50(1):13-16.
    [摘要](0) [HTML](0) [PDF 984.17 K](2)
    摘要:
    陶瓷材料的性能优越,其加工难度主要表现在加工硬度和加工脆性上,激光辅助热加工陶瓷材料能够有效避免加工时产生表面裂纹。本文采用半解析的方法对于激光加热氧化铝陶瓷材料时的温度变化进行了模拟,分析了不同方向上温度的变化情况,得出了温度场的分布;根据氧化铝陶瓷温度达到1000 K时即可达到软化效果的理论,探讨了不同参数时温度场的分布,以达到较好的软化效果。研究表明,通过对温度场的计算模拟,选取合适的激光参数对不同尺寸的材料进行软化加工,能够有效且高效的达到切割氧化铝硬性材料的工艺要求。
    4  基于激光点云NDT特征的两步回环检测
    柴梦娜 刘元盛 任丽军
    2020, 50(1):17-24.
    [摘要](1) [HTML](0) [PDF 1.40 M](1)
    摘要:
    针对传统激光雷达配准算法进行大规模同时定位与建图(SLAM)时,存在较大累计误差的问题,本文提出一种基于正态分布变换(NDT)的两步回环检测方法,充分利用NDT配准中点云均值与方差特征,并将所提方法加入SLAM完整框架。点云匹配中采用重叠网格,首先根据各网格特征值,构建点云外观描述,进行粗回环检测。符合粗回环条件后,计算点云网格均值到坐标原点距离的方法使点云具有旋转不变性,进行精确回环检测。本文提出算法在“小旋风”智能车平台进行验证,实验表明,所提算法可以有效减小大规模建图中的累计误差,系统的鲁棒性更强,跟踪性能更好。
    5  一种适用于相干激光雷达的下变频技术研究
    李瑞锋 刘波 颜子恒 王佳龙 霍陈思
    2020, 50(1):25-29.
    [摘要](1) [HTML](0) [PDF 1.29 M](2)
    摘要:
    相干激光雷达指的是采用具有相干光源的激光对探测目标发射,并采用激光外差接收,通过后置信号处理来获取目标信息的一种探测方法。本文针对相干激光雷达的回波信号经过光电探测器后输出频率较高、重频周期长、处理数据量大,提出了一种下变频技术来降低频率至零频,并采用梳状滤波器(CIC)和半带滤波器(HB)组成多级采样率转换来实现数据的滤波和抽取。最后通过实验表明,此方法能够在较低数据率下有效地实现高信噪比的采样进行测距。
    6  一种多线激光雷达与GNSS/INS系统标定方法
    叶珏磊 周志峰 王立端 庞正雅
    2020, 50(1):30-36.
    [摘要](1) [HTML](0) [PDF 1.00 M](1)
    摘要:
    对于车载激光雷达(LiDAR),惯导系统(INS)与卫星导航(GNSS)的组合导航定位系统,传感器数据融合之前需要对传感器安装位置进行标定。针对以上目标本文提出了一种基于分步迭代法与KD树优化的DBSCAN算法寻求最优安置参数的方法。对初始安置参数进行粗略测量后通过分步迭代法迭代初始参数附近的值,并基于KD树优化的密度聚类算法(DBSCAN)将转换到唯一坐标系下的相邻帧点云集位置重合度进行评价,择优得到最准确的安置参数。实验使用最近迭代点算法(ICP)对不同分步步长的标定参数结果进行对比,实验结果表明安置参数在缩小步长的情况下精度会得到略微提高;本文采用的方法相比初始估计外参提高了标定精度。Abstract:关键词:Keywords:
    7  基于激光自混合干涉的高精度角度测量方法
    朱均超 许虹虹 张海彤 左铭 赵岩
    2020, 50(1):37-41.
    [摘要](1) [HTML](0) [PDF 1.11 M](1)
    摘要:
    针对光学高精度角度测量技术的需求,基于激光自混合干涉技术提出一种高精度角度测量方法。建立了激光自混合干涉技术高精度测量角度的系统模型,利用干涉条纹计数法分析出目标物体具有角度变化时,外腔长度产生的变化量,并通过激光三角法测量原理计算出目标物体旋转的角度,从而构建出精确的角度测量系统。实验结果表明:该测量系统在±0.4°角度范围内测量精度可达(±3.1×10-3)°,具有精度高、速度快等显著优势,是对现有高精度角度测量技术的一种有益补充。
    8  复合Nd∶YAG晶体固体激光器热效应研究
    李萌萌 杨飞 赵上龙 高兰兰
    2020, 50(1):42-48.
    [摘要](0) [HTML](0) [PDF 1.34 M](2)
    摘要:
    通过使用Comsol有限元仿真软件中的热传导模块,对以下四种晶体在端面泵浦工作情况下晶体内部温度分布进行了模拟分析。其中包含:(1)3 mm×3 mm×10 mm均匀掺杂Nd∶YAG晶体;(2)两个端面分别键合3 mm长YAG晶体的3 mm×3 mm×10 mm Nd∶YAG复合晶体;(3)侧面键合厚度1 mm的YAG晶体5 mm×5 mm×10 mm 复合Nd∶YAG晶体;(4)四个侧面分别键合厚度1 mm的YAG晶体,两个端面分别键合3 mm长的YAG晶体的5 mm×5 mm×10 mm Nd∶YAG晶体。在泵浦功率为30 W时,四种晶体的最高工作温度分别为153 ℃,114 ℃,157 ℃,115 ℃。结果表明,与侧面键合结构相比,端面键合是降低激光晶体的工作温度,减小热效应的有效方法。为研究侧面键合结构的适用条件,论文降低了晶体侧面的导热系数,模拟了在同样的泵浦功率条件下四种晶体的最高温度,分别为212.014 ℃,149.158 ℃,186.741 ℃和134.410 ℃。模拟结果表明在侧面散热条件比较差的条件下,侧面与端面双重键合是降低激光晶体热效应的最佳选择。在实验方面,采用LDA作为泵浦源,在泵浦功率为18 W时,得到侧面与端面双重键合的Nd∶YAG的输出功率最高,为12.1 W,转换效率为67.2 %,实验结果与理论模拟结果相符合。
    9  无温控多波长LD泵浦方棒状Nd∶YAG固体激光器
    黄涛 王克强 罗旭 何利杰
    2020, 50(1):49-53.
    [摘要](0) [HTML](0) [PDF 1.05 M](1)
    摘要:
    报道了一种多波长LD泵浦方棒状Nd∶YAG无温控固体激光器。激光器采用LD侧面泵浦方式,LD泵浦模块由四种不同中心波长的LD组合而成,常温25 ℃时,各bar条中心波长分别为802 nm、804 nm、806 nm、808 nm,LD模块光谱半高全宽为7 nm左右;工作介质为侧面双通方棒状Nd∶YAG键合晶体,通过控制光路可以增加工作介质的有效吸收长度;调Q方式为电光调Q;得到一种无温控固体激光器。该激光器在-40~+60 ℃温度范围内,可以无温控稳定输出能量≥40 mJ;输出激光水平方向发散角θ2x=1.79 mrad,垂直方向发散角θ2y=1.36 mrad;光束质量:M2x=4.858,M2y=2.697。
    10  相位调制展宽激光的线宽压缩方法研究
    刘迎国 岳耀笠 朱尤智
    2020, 50(1):54-57.
    [摘要](0) [HTML](0) [PDF 852.04 K](1)
    摘要:
    单频激光通过相位调制可以进行光谱展宽、提高光纤放大器受激布里渊散射的阈值,从而可以提高光纤放大器的输出功率,但也破坏了单频激光的高相干性;本文根据相位调制光谱展宽的原理公式,提出了进行激光线宽压缩的思路,用于激光放大后恢复相干性能;根据线宽压缩的原理提出了线宽压缩装置的构造,即采用两个相位调制器,一个负责光谱展宽,另一个负责光纤放大后的线宽压缩,并提出了实现线宽压缩的相位差调节和幅度调节的控制条件;限于实验条件不足,本文仅对理论模型进行了分析。
    11  端面泵浦准三能级激光器的多物理场仿真研究
    程龙 刘洋 赵鸿 丁小康 王珂 王钢
    2020, 50(1):58-62.
    [摘要](0) [HTML](0) [PDF 1.40 M](1)
    摘要:
    针对准三能级板条激光器报道了一种新的多物理场仿真模型。该模型基于泵浦光的吸收特性、热力学以及激光的增益特性,对传统的准三能级计算模型进行补充。模型考虑到激光的产生对增益介质内部物理场的影响,并基于多物理场之间的耦合关系给出一种新的收敛仿真方法。该模型适用于单端、双端泵浦的激光谐振腔与放大器。
    12  基于NOAA/AVHRR数据信息的海陆边界大气校正方法探索
    李金萍 徐玮
    2020, 50(1):63-66.
    [摘要](0) [HTML](0) [PDF 856.76 K](1)
    摘要:
    考虑到同一幅NOAA卫星图像形成的条件和时间相同,本文尝试了选取临近海域大气辐射对海陆边界进行大气校正的方法,校正过程中,4和5通道辐射率分别采用海域水体值0.990和0.985,大气透过率采用两个经验公式并结合海陆边界实测大气水汽压计算得出,并选取NOAA卫星图像中台海边界区域对该方法进行反演试验,使用MODTRAN大气辐射传输模型软件进行了算法间的对比分析,得出试验结果与理论分析相符。
    13  电阻阵列非均匀测试与校正方法研究
    李赜浩 廖守亿 张作宇
    2020, 50(1):67-73.
    [摘要](1) [HTML](0) [PDF 1.40 M](1)
    摘要:
    红外图像生成技术是构建红外成像半实物仿真系统的关键技术之一,其中作为投射器件的电阻阵列一直以来是研究的热点,它存在非均匀性的固有不足。作为非均匀校正的测试手段,稀疏网格法和全屏测试法很早就已被国外研究者提出,取得了良好的校正效果。近来,随着我国电阻阵列研发脚步的跟进,校正方法也不断更新。本文针对国产电阻阵列响应曲线的特性,介绍分析了逆稀疏网格法并提出一种简化的校正流程。同时,针对数据处理方式的不同改进了插值校正方法,继而对比验证了两种校正方法,有效提升校正精度。
    14  坦克动力舱热流场及红外辐射特性分析
    骆清国 鲁俊 赵耀
    2020, 50(1):74-79.
    [摘要](0) [HTML](0) [PDF 1.31 M](1)
    摘要:
    为了更好地揭示坦克动力舱的热状态及红外辐射特性,提高坦克战场生存能力,以某型坦克为例,利用商业软件fluent建立了舱内空气与流动的CFD模型。对于动力舱内热边界条件,由汽车仿真分析软件GT-SUITE给出,装甲板的温度场计算采用流固耦合的方法,使其转化为系统内部的边界,并考虑了太阳辐射的影响。最后根据装甲板温度场建立红外辐射特性计算模型,得到了稳态工况下动力舱的热流场和装甲板红外辐射特性强度分布图,可为下一步动力舱内热流场优化和红外特性抑制提供依据。
    15  基于GWO-BP神经网络补偿的SF6红外气体传感器
    赵正杰 赵勇毅 孔春霞 佘明熹 常建华 沈婉
    2020, 50(1):80-86.
    [摘要](0) [HTML](0) [PDF 1.54 M](1)
    摘要:
    为实现电力系统中SF6气体的有效监测与控制,本文基于非色散红外原理(NDIR),设计了一种SF6气体传感器。但是,在实际的测量中,环境的温度与气压差异性容易影响SF6气体浓度检测装置的检测精度,因此需要采取适当的方法消除环境引起的测量误差。本文采用灰狼智能优化算法—误差反向传播(GWO-BP)神经网络对环境温度与气压变化引起的测量误差进行了补偿,并与其他补偿方法作了比较。分析得出:进行补偿后的浓度数据在0~2000 ppm范围内误差为±15 ppm,满量程误差为0.75 %FS,有效提升了传感器的测量精度与稳定性。相较于电路补偿法,该方法有更高的测量精度,并且降低了传感器的体积和成本。
    16  红外产品用高洁高纯净高压氮气气源站设计
    史源源
    2020, 50(1):87-91.
    [摘要](1) [HTML](0) [PDF 993.49 K](1)
    摘要:
    在导引头、探测器、位标器等红外用产品的测试过程中,高度依赖高纯高洁净高压气源,尤其对氮气的需求量是最大的,并且随着技术的发展,氮气的需求朝着高压力、高洁净、高纯度、低露点等方向拓展。由于红外制导所采用3~5 μm、8~12 μm波段的探测器,探测器需在70~100 K范围内的低温下工作(一般为80 K),以获得足够的灵敏度,所以低温制冷是这一类红外探测器不可缺少的重要条件之一,这就要求红外制导技术所采用的节流制冷器对氮气纯度有很高的要求,纯度一般需满足99.999 %。本文针对氮气气源站的设计、气体纯化干燥、气源站监控、厂房建设、节能环保等方面,简要阐述了一套高纯高洁净红外用高压氮气气源站的设计方法,对各类气源站的设计提供了一定的指导意义。
    17  小型化锑化铟探测器制备
    李海燕 刘佳星 杜红燕 杜孟新
    2020, 50(1):92-95.
    [摘要](2) [HTML](0) [PDF 1.06 M](1)
    摘要:
    随着红外探测技术的不断发展,市场对红外探测器提出了越来越多的要求,如高分辨率、高工作稳定性、低成本、小型化等,红外探测器光敏芯片的制备技术随之向大面阵、小间距方向不断探索。基于市场需求,本文从技术发展的角度,研究采用离子注入技术、干法刻蚀技术制备台面结型焦平面阵列,实现高性能、窄间距、小型化光敏芯片的制备,为未来高分辨率芯片的制备奠定技术基础。文章介绍了128×128(15 μm)、128×128(10 μm)两款器件的制备,两款器件中测I-V性能良好,其中,128×128(15 μm)器件杜瓦封装组件后性能表现良好。
    18  火星车避障相机光学设计
    曹振 张永久 叶葳 赵晓雨
    2020, 50(1):96-100.
    [摘要](0) [HTML](0) [PDF 1.13 M](1)
    摘要:
    火星车避障相机设计不仅要在优化阶段尽可能减小残余像差,还必须考虑各类约束条件和制造公差。在考虑可制造性约束的情况下,采用4片分离的球面透镜,优化设计了F数15、物方视场角180°的避障相机。为了获得更优的像面照度一致性和成像质量,在初始结构基础上额外引入透镜,增加了系统优化自由度同时降低了像面上的光线入射角度。在光学系统优化时,将光学系统形态参数作为约束条件以推动停滞的优化过程,最终获得了接近衍射分辨极限的成像质量。在此基础上,分析了避障相机光学系统的制造公差。设计结果显示,相机的成像质量能够满足火星车探测和避障需求,其光学结构具有良好的可制造性。
    19  高灵敏度、大动态范围光电接收电路设计与实现
    高峰 杨存亮 贺伟炜 徐雅燕 高天宇 林瑜佳 陶坤宇
    2020, 50(1):101-106.
    [摘要](0) [HTML](0) [PDF 1.49 M](3)
    摘要:
    无人机载的激光半主动导引头具有机动灵活、打击范围广、命中精度高等优点,在制导武器领域里占有重要的地位。为提高光电接收系统的灵敏度、动态范围和抗杂散光性能,通过对基于四象限雪崩光电二极管(QAPD)光电接收系统的分析,设计了前端信号调理电路与后端信号处理电路。试验结果表明,系统灵敏度达到了100nW,动态范围为45dB,峰值跟踪最大误差比例是1.06,在杂散光环境下可以工作正常,实现了闭环控制。研究结果对光电接收电路的设计具有一定的应用价值。
    20  基于STM32的高精度温度控制系统设计
    聂宵 徐广平 房孝俊
    2020, 50(1):107-110.
    [摘要](0) [HTML](0) [PDF 1.24 M](2)
    摘要:
    设计一种使用STM32单片机来控制半导体制冷器TEC实现高稳定度、高精度温度控制系统,整个温度控制系统主要包括:STM32单片机最小系统、温度控制模块、温度控制串口上位机、PID算法、TEC等。通过对温度控制模块进行改良,来降低开关损耗,提升电路的工作效率以及可靠性,同时将积分分离PID算法改进为变速积分PID算法,实现稳定、高精度的温度控制。
    21  红外小目标检测的滞后阈值分割法
    魏元 杨华 程正东 翟翔 张宏伟
    2020, 50(1):111-116.
    [摘要](2) [HTML](0) [PDF 1.14 M](1)
    摘要:
    为提高红外小目标检测的精度,针对小目标的阈值分割,提出滞后阈值分割法。通过快速非最大值抑制预提取红外小目标的中心像素,最大程度缩减前景像素数。利用邻域梯度方差判别小目标是否为杂波,自适应地调整灰度阈值,完成对小目标的低虚警分割。分析一般场景下分割所得前景、背景的组成,给出了滞后阈值分割的阈值取值方法。实验表明滞后阈值分割法将虚警概率限制在很小的范围内,并取得了优于其他分割法的检测概率。在小目标检测中,该算法具有较强的实用性。
    22  基于光斑图像特征的飞秒激光烧蚀功率分类模型研究
    王福斌 刘洋 霍晓彤 李占贤 潘兴辰
    2020, 50(1):117-123.
    [摘要](0) [HTML](0) [PDF 1.52 M](2)
    摘要:
    针对光晕导致的光斑图像边缘模糊的特点,采用Niblack局部阈值分割得到光斑目标区域,并提取光斑的几何特征;以Niblack分割得到的图像边缘对原始光斑图像进行裁剪,得到去除光晕影响的光斑目标灰度图像,在此基础上提取该区域光斑图像亮度,结合光斑几何特征构造6维特征矩阵。分别采用BP神经网络、线性局部切空间排列LLTSA-BP网络、局部保持投影LPP-BP模型对烧蚀功率进行识别;进一步采用极限学习机(ELM-Extreme Learning Machine)、LLTSA-ELM和LPP-ELM降维模型,基于降维后的特征矩阵进行烧蚀功率分类。对比研究发现BP神经网络在对6维特征矩阵分类时收敛时间比ELM分类模型短,所需隐含层神经元个数少。而流形学习-ELM模型则在对降维之后的数据分类时表现较优,所需时间远远小于BP神经网络模型的处理时间,其中LPP-ELM模型对光斑的分类效果最优。
    23  结合视觉特性的红外图像增强方法
    于天河 赵树梅 兰朝凤
    2020, 50(1):124-128.
    [摘要](4) [HTML](0) [PDF 1.20 M](1)
    摘要:
    为了增强红外图像的细节信息,改善图像视觉效果,将视觉特性与红外图像特征结合,提出了一种结合视觉特性的图像增强方法。首先,对图像运用Weber定律进行亮度处理,并在对数域角度,利用背景强度与光强梯度呈局部线性关系的特性,模拟视觉系统来分割图像。然后,分别对分割图像进行增强处理,过暗、过亮区域采用改进的自适应直方图均衡算法、Weber区域采用多尺度Retinex算法。最后,三区域构建图像,输出细节突出、亮度适中的红外图像。实验结果表明:本文算法增强了图像细节、缩短了运行时间、有效地消除“光晕”现象,改善了图像的视觉效果,具有较好的应用前景。

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