• 2020年第9期文章目次
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    • >综述与评论
    • 基于脉冲激光的铝靶碎片冲量耦合系数的研究进展

      2020, 50(9):1027-1034.

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      摘要:综述了冲量耦合系数的测量方法:冲击摆法、激光干涉法、激光结合冲击摆法、水平导轨测量方法、压力传感器法,介绍了冲量耦合系数的主要数值分析方法以及影响因素:激光波长、脉宽、重复频率、功率密度以及碎片材料特性等。在概括总结了激光烧蚀冲量耦合影响因素的基础上,总结了激光烧蚀冲量耦合系数测量实验装置需要改进的措施以及测量装置和激光发射器今后所需要研究的方向。

    • >激光应用技术
    • 飞秒激光诱导TC4表面微观组织研究

      2020, 50(9):1035-1042.

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      摘要:为探究超快激光对金属材料的烧蚀特性,利用飞秒脉冲激光加工TC4,研究加工后TC4表面的形貌特点,分析飞秒激光加工金属的作用机理。当激光能量密度为8.05 J/cm2时,用白光干涉和扫描电镜观察不同扫描速度下材料表面的形貌变化。随着扫描速度的降低,表面条纹变深,条纹上方的二级微纳凸起尺寸增大,粗糙度增加,条纹侧面出现经典低空间频率条纹。从高斯光束特点和光斑重叠率角度对各种形貌的形成机理进行分析,高斯光束光斑中心处能量密度高,条纹上方形成凸起,侧面形成经典条纹;当光斑重叠率越大,单位面积内能量密度就越大,表面微结构尺寸也随之增大。

    • 激光扫描弧形柱面聚焦系统的研究

      2020, 50(9):1043-1047.

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      摘要:为了解决在柱面等曲面上激光打孔的问题和提高打孔成型效果,提出了一种扫描弧形柱面聚焦方案,系统将CO2激光器发射的脉冲激光调制后,入射到柱面聚焦镜压缩为线性光斑,之后经由旋转反射棱镜实现激光扫描,线性扫描光斑在经过弧形柱面聚焦镜后在曲面上聚焦为圆形光斑,实现了对光束的整形和曲面打孔。结果表明实现了在曲面上0.15mm大小的光斑,满足了包括烟支在内的工业生产需求,与传统的平面聚焦打孔方式相比本方案有更大的应用空间。

    • 三维激光扫描定位光机系统优化设计

      2020, 50(9):1048-1056.

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      摘要:提出了一种三维激光扫描定位系统优化设计方案,主要对激光发射/接收光机系统进行了消热化设计,并构建了合理化选择弹性隔圈设计参数的数学模型;同时对U形运动框架进行了尺寸参数优化设计。分析结果表明,该光机结构在-10 ℃、50 ℃的两个极限温度下,镜组的最大轴向变形量均小于0.1 mm的装配误差;透镜的最大应力分布值为14.365 MPa,小于材料的屈服强度;优化后的运动框架一阶固有频率提高至2236.2 Hz,能够承受10 g加速度的冲击。测试结果表明,系统的最大测距误差为32.6 mm,小于0.1 mm的误差要求;重复性误差为±27 mm,满足技术指标要求。

    • 飞秒激光制备PMMA表面微结构的作用机理和润湿性研究

      2020, 50(9):1057-1064.

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      摘要:采用飞秒激光微加工技术对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面进行微加工,研究PMMA表面不同微结构的润湿性。首先对飞秒激光去除透明聚合物材料的机理进行研究并建立了材料去除模型,制备出PMMA表面光栅结构和方柱结构;采用超景深三维显微镜和接触角测量仪对微结构表面形貌和润湿性进行测量分析。结果表明:飞秒激光加工PMMA表面微结构可以将PMMA润湿性从亲水向疏水状态转变,微结构间距过小会导致激光加工时飞溅的熔融物堆积在结构通道。

    • >激光器技术
    • Yb∶YAG板条高亮度均匀泵浦耦合技术研究

      2020, 50(9):1065-1068.

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      摘要:针对Yb∶YAG板条增益模块的特性,开展了高亮度均匀泵浦耦合系统的设计与实验研究。通过理论计算发现泵浦的功率密度与Yb∶YAG的激光提取效率有关。为提高泵浦亮度,采用空间/偏振复合拼接方式实现将4个LD进行合束。实验获得合束后激光二极管的总功率为25 kW,合束效率约为90 %。证明的该结构有效的解决目前Yb∶YAG板条激光晶体因泵浦功率低下而导致的功率和效率下降的问题。

    • 基于粒子群优化算法的双向多泵浦光纤拉曼放大器增益研究

      2020, 50(9):1069-1074.

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      摘要:基于石英光纤作为增益介质,采用龙格-库塔法、打靶法求解多波长双向泵浦光纤拉曼放大器的功率耦合波方程,得到拉曼放大器的增益带宽,平均增益,增益平坦度以及泵浦光和信号光沿光纤的分布。再通过粒子群优化算法对同一数量泵浦光不同排列双向系统进行逐个优化分析,在14种双向泵浦结构中选出性能较优的三种结构,再对它们优化参数设置,最终得到性能最优的双向泵浦结构BBFF。研究结果表明:在仅有四个泵浦光的情况下,双向多泵浦结构BBFF具有最优的平均增益和增益平坦度,并且得到了开关增益为23.1665 dB,增益平坦度为0.794 dB的双向泵浦结构。

    • 信号对单模激光损失模型输出特性的影响

      2020, 50(9):1075-1080.

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      摘要:为了更好地优化激光通讯系统和激光信号输出稳定性,运用线性化近似方法,采用色泵噪声和实虚部间关联的量子噪声驱动的单模激光损失模型,计算了周期信号加性输入时激光系统的光强关联函数和输出信噪比,用物理量K来描述激光系统的优化选择,发现:K与激光系统的净增益系数存在双极大值;与自饱和系数存在单极大值;与泵噪声自关联时间呈现单调递增的现象,峰值即表示激光通讯系统出现最佳匹配状态。同时,分析了系统的输入信号对优化激光系统的性质的影响。

    • >红外技术及应用
    • 随机森林结合直接正交信号校正的模型传递方法

      2020, 50(9):1081-1087.

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      摘要:为增强近红外光谱模型通用性,解决直接正交信号校正算法在光谱处理过程中可能出现过拟合、模型不稳定的现象,提出一种将随机森林与直接正交信号校正算法相结合的模型传递方法(Random Forest-Direct Orthogonal Signal Correction,RF-DOSC)。该方法首先利用随机森林算法进行近红外光谱波长点筛选,然后采用直接正交信号校正方法进行光谱处理并建立回归方程,由PLS计算回归系数求得模型传递矩阵。实验使用三台光谱仪(S,S1,S2)测得的玉米近红外光谱数据集建立传递模型,数据集1(D1)水分、油分、蛋白质、淀粉成分预测标准偏差(SEP)分别为0.1267、0.0982、0.1569和0.4051,数据集2(D2)四种成分的SEP分别为0.1548、0.0819、0.1366和0.3836,均小于传统方法。实验结果表明本文所提模型传递方法能有效消除光谱噪声,减小主仪器和从仪器光谱之间的差异,提高模型的稳定性和准确性,实现不同仪器之间模型的共享。

    • 石墨膜热导率测试中热像仪测温不确定度传递

      2020, 50(9):1088-1094.

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      摘要:导热石墨膜是多层薄膜复合材料,等效面向导热系数是表征其性能的关键参数。基于热流环路积分的无损测试方法依赖于热像仪测温,但目前对热像仪测温引起的不确定度传递缺乏深入研究。通过测温模型分析,提出热像仪增益系数标定和偏置系数非均匀性是主要不确定度来源,且二者均受时变特性影响。基于两个恒温辐射源对热像仪时变特性实验分析,认为增益系数均匀且稳定,而偏置系数时变且非均匀,为不确定度的主要来源。因此提出使用外部合作黑体在20 s内进行实时偏置系数校正的措施,校正后偏置系数非均匀性引入的影响降低至0.37 %,增益系数标定结果相对标准差为0.99 %。测温影响传递到导热系数测试的不确定度为1.03 %。本文工作对其他定量热成像应用不确定度分析具借鉴意义。

    • 环境温度对中波热成像设备信号传递函数的影响研究

      2020, 50(9):1095-1098.

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      摘要:信号传递函数(SiTF)是评价热成像设备性能的重要指标,其与噪声之比为NETD,NETD可用于预测热成像设备的外场性能。根据红外成像测试理论,SiTF与环境温度相关,而外场环境温度变化范围大,在宽温度范围内SiTF变化很大,在预测热成像设备的外场性能时,应依据当前环境温度下的SiTF指标,但由于测试宽温度范围下SiTF指标的全军温红外整机测试系统并不普及,热成像设备在出厂时一般只测试室温SiTF值,用户不能获得宽温度范围内的SiTF值,因此当使用室温SiTF值预测设备在外场环境下的性能时由于外场温度与室温相差较大,导致预测结果偏差较大。本文通过分析SiTF随温度的变化规律,建立其随温度的变化关系,基于室温SiTF预测其他不同温度下的SiTF,从而解决采用室温SiTF预测外场环境下热成像设备外场性能时预测偏差较大的问题。

    • >红外材料与器件
    • HgCdTe外延材料批量化生产及其质量控制

      2020, 50(9):1099-1103.

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      摘要:经过多年研发,我司的碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面探测器已达到批量生产的水平。优异性能的红外探测器离不开高质量的HgCdTe外延材料,外延材料的厚度及组分均匀性、表面缺陷的控制以及HgCdTe外延/CdZnTe衬底晶格匹配度是批量化生产中需要控制的关键性因素,红外探测器的批量化生产也给HgCdTe外延材料质量稳定性以及一致性的控制提出了更高的要求。本文介绍了HgCdTe外延材料批量化生产中这几项关键指标的控制,以及外延质量优化后红外焦平面性能的提升。Abstract:关键词:

    • 碲镉汞集成偏振探测器应力分析

      2020, 50(9):1104-1108.

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      摘要:红外碲镉汞集成偏振探测器的结构是采用多个芯片叠层的方式,由于各层的材料不同,热膨胀系数不同,在低温下工作时各层界面之间存在应力,应力控制的不好会造成芯片裂片等情况,导致探测器性能劣化或无法使用。本文对长波320×256碲镉汞集成偏振探测器的裂片现象进行了分析,对存在的应力运用软件进行了仿真,得到了碲镉汞芯片上的应力值及减小应力的方向。针对仿真分析的结果进行了相应的铟柱降低、碲锌镉衬底减薄的试验,解决了碲镉汞集成偏振探测器的裂片现象。

    • >光电技术与系统
    • 激光损伤测试系统衰减片参数的改进遗传算法优化

      2020, 50(9):1109-1113.

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      摘要:光学元件激光损伤测试系统中的轮盘式衰减器衰减片参数的选取直接影响测试精度。本文采用遗传算法,采用实数编码的参数编码方式,适应度值排序和随机选取结合选择算子,杂交算子中选择随机交叉两个必然产生交叉的个体的部分基因,变异算子根据交叉概率的大小对个体进行位操作,经此改进的算法对激光损伤测试系统中的机械式激光能量衰减器的3组15片衰减片进行了参数优化。优化结果表明:15片衰减片中选取8种不同衰减率,经优化后输出的能量衰减率间隔小于测试激光能量的3 %,线性度误差为12.4 %。

    • 多物理场下望远镜主次镜失调分析研究

      2020, 50(9):1114-1119.

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      摘要:为满足光电跟踪设备的设计精度要求,减小并评估主镜筒变形对主、次镜位置相对变化的影响,利用Ansys Workbench有限元分析软件对主镜筒进行了热稳态分析、静力学分析以及多物理场耦合分析。分析出了主镜与次镜的偏转角,对主镜筒结构提出了相关修改意见。通过仿真所得的结果可知,主镜筒因太阳照射不均而产生的弯曲变形对反射镜的偏转影响最大。为减小反射镜的偏转,将次镜由镜筒支撑改为由次镜支撑架支撑,并加固次镜与调焦机构间的支撑连接。再次对修改后的主镜筒进行了处于水平、上仰45°、上仰90°时的静力学分析,对主镜筒进行了温度场与重力场耦合的多物理场分析。仿真所得的反射镜偏转角度数据将为光电跟踪设备的实验标校提供一定的参考依据。

    • >光纤及光通讯技术
    • 用于光纤传感的可调半软阈值小波去噪算法

      2020, 50(9):1120-1125.

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      摘要:针对大容量超弱FBG传感网络解调系统的干涉噪声和固有电子学噪声,基于传统小波阈值算法去噪时软、硬阈值函数存在恒定偏差及连续性差的缺点,提出一种改进的小波阈值去噪算法。该算法引入了调解因子和半软阈值因子,完成向软、硬阈值函数的转变,保证了连续性且降低重构误差。仿真结果表明,该函数不仅在连续性上优于传统的阈值函数,重构时对信号的还原度较高,信噪比(SNR)相比于软、硬阈值函数均有所提高,平均提升了0.1034 dB、2.4327 dB,而均方根误差(RMSE)相比于软硬阈值函数均有所降低,平均降低了0.1665、0.1687。新阈值函数相比于传统阈值算法能够获得更优良的去噪效果,可为光纤布拉格光栅传感网络高精度寻峰解调去噪提供参考。

    • 基于单MZM和FBG的10倍频抑制载波RoF系统

      2020, 50(9):1126-1130.

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      摘要:为优化光载无线通信系统(RoF)结构,提出了一种基于单马赫曾德尔外调制器(MZM)和光纤布拉格光栅(FBG)的10倍频抑制载波RoF系统实现方案。通过设置射频驱动信号幅度和MZM偏置电压抑制主载波和偶数阶边带,结合FBG滤波功能,最终实现10倍频RoF毫米波信号。理论推导了10倍频毫米波信号实现机理,优化了FBG带宽及反射率,实验结果表明该新型RoF系统传输20 km后功率代价为1.66 dB。

    • 改进型对称四级光纤环及其制备方法

      2020, 50(9):1131-1137.

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      摘要:光纤陀螺是一种重要的导航装置,光纤环(FOC)作为其敏感核心元件决定了光纤陀螺的精度和稳定性。本文针对FOC绕制过程中,边缘光纤匝易产生挤压变形,出现叠丝、塌陷等绕制缺陷,以及FOC绕制效率低等问题,构建了FOC三维仿真模型、分析了边缘非对称四级结构FOC在不同温度载荷下的SHUP误差、优化了光纤环换层绕纤边缘自动控制方法。最后,实际绕纤实验验证了所述方法的有效性。

    • >光学技术
    • 真空远紫外波段铝基漫反射板BRDF特性研究

      2020, 50(9):1138-1144.

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      摘要:利用铝基漫反射板可以实现在真空紫外波段对星载光谱仪器的在轨辐射定标,通过大气外太阳辐照度与漫反射板的BRDF特性可以对探测器进行标定,漫反射板在这个过程中起到标准传递的作用。为了研究铝基漫反射板在真空远紫外波段的BDRF特性,通过对光源进行监测和补偿,使用相对测量的方式,减少了探测器响应不线性和光源不稳定性带来的误差。使用BRDF测量设备对漫反射板在110 nm、150 nm和200 nm三个波长下以正入射和30°斜入射的组合进行BRDF测量,实验结果表明,BRDF值与波长、入射角度和天顶角等因素相关,在正入射时,110 nm和150 nm波长的BRDF峰值比200 nm时分别下降26.10 %和11.94 %,斜入射时,110 nm和150 nm波长的BRDF峰值比200 nm时分别下降31.04 %和16.04 %;在正入射和斜入射时,BDRF值均随方位角的增加而减少,但是正入射时漫反板的散射相对比较均匀,斜入射时的镜面反射现象明显;随入射角度的增加,BRDF值随天顶角的增加下降趋势更快。实验结果可以为铝基漫反射板在远紫外波段的BRDF特性提供数据参考,为星上定标提供依据。

    • >图像与信号处理
    • 基于双树复小波变换的红外小目标检测算法

      2020, 50(9):1145-1152.

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      摘要:双树复小波分析是一种有效的图像处理方法,但是将其直接应用于红外小目标检测时,由于其对图像中的高频信息特别敏感,无法在保留目标的同时有效地滤除噪声。论文充分利用双树复小波方法方向性好的优点,并针对其高频敏感问题,提出了一种基于双树复小波变换与图像熵的红外小目标检测算法,从而能够有效去除图像中的杂波,同时凸显出小目标。该算法首先对原始图像进行双树复小波分解,将其低频子带置零,并利用高频子带进行双树复小波重构;接着,对重构后的图像进行二次双树复小波分解,并采用改进的Top-Hat算子对分解后的低频子带进行滤波,同时保留分解后±15°方向的子带,并通过高通滤波对其进行处理;之后,将滤波后的低频子带图像与原低频子带图像进行差分,得到低频差分图像;最后,利用低频差分图像与滤波后的高频子带图像进行红外图像重构,并通过局部图像熵进行加权,从而提取出红外小目标。实验结果表明,与对比算法相比,本文算法在BSF与SCRG方面表现优越,可以有效抑制背景中的杂波并提高小目标的信杂比。

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