• 2021年第51卷第5期文章目次
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    • >综述与评论
    • 红外上转换成像技术研究进展

      2021, 51(5):539-547.

      摘要 (64) HTML (0) PDF 1.48 M (173) 评论 (0) 收藏

      摘要:综述了红外上转换成像技术的研究进展。与直接红外成像技术相比,红外上转换成像技术具有响应速度块、灵敏度高和噪声特性优良等一系列优点。红外上转换成像技术是结合频率上转换技术与可见光高性能探测器的一种具有巨大潜力的技术,随着近年来非线性频率转换取得的重大进步,人们对应用于红外或近红外光谱成像的上转换技术进行了大量的研究。本文首先对红外上转换成像技术的原理进行了简单叙述,随后分别介绍了提高红外上转换成像技术的转换效率、空间分辨率和视场的不同方法,并简单叙述了其他有关的红外上转换成像研究工作,最后展望了红外图像上转换技术的发展趋势。

    • Ⅱ类超晶格红外探测器技术概述(二)

      2021, 51(5):548-553.

      摘要 (91) HTML (0) PDF 2.88 M (243) 评论 (0) 收藏

      摘要:简要归纳总结了Ⅱ类超晶格材料的生长、器件制备方法以及最近新型Ⅱ类超晶格材料体系的演化。Ⅱ类超晶格理论和工艺技术不断取得进步和完善并呈现出材料体系多样化和更高的性能。虽然目前及今后较长时间内HgCdTe技术仍然是市场主流,但是Ⅱ类超晶格技术在整体系统性能和成本上可以挑战HgCdTe,Ⅱ类超晶格技术将在红外应用领域全方位替代HgCdTe技术的优势已经越来越清晰。

    • >激光应用技术
    • 相干多普勒测风激光雷达的频率估计算法

      2021, 51(5):554-558.

      摘要 (61) HTML (0) PDF 1.05 M (113) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用Welch谱估计结合自相关检测与能量重心法的频率估计算法,来提高淹没在噪声中的相干测风激光雷达多普勒信号频率估计的精度问题。通过将信号进行自相关预处理,然后由Welch谱分析获取功率谱进行频率的粗估计,最后由能量重心法进行频率校正来获取高精度的信号频率。仿真表明,本文算法有较低的平均绝对误差和均方根误差且性能稳定,并应用到相干测风激光雷达系统中与仿真一致。

    • 基于激光线阵的线阵相机在线畸变标定和校正

      2021, 51(5):559-566.

      摘要 (59) HTML (0) PDF 1.67 M (105) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了提高线阵相机畸变标定和校正的实时性和便捷性,研究并提出了一种基于激光线阵的线阵相机在线畸变标定和校正的方法。以一组相对间隔已知的激光线阵作为基准,根据其相对间隔的变化而实现相机的在线标定和校正,而无需已知相机和成像物体的相对位置,也无需其他设备,操作简单。该方法适用于成像过程中物距不变的情况。经实验证明,当激光线阵中激光线数量为41,且物距为0.25 m时,校正后影像点的位置偏差均方根为0.5685 pixel。

    • 6061铝水导激光加工工艺参数优化研究

      2021, 51(5):567-574.

      摘要 (44) HTML (0) PDF 4.07 M (105) 评论 (0) 收藏

      摘要:为研究水导激光加工关键工艺参数对6061铝切槽形状与组织性能的影响,利用自研的水导激光加工设备,对6061铝开展了包括激光功率、激光重复频率、进给速度及加工次数在内的多个关键工艺参数的多因素影响切槽实验。利用金相显微镜对加工沟槽的深宽比、侧壁锥度及组织变化情况进行了测量与分析。实验结果表明:激光重复频率对沟槽宽度有较明显影响;较高的激光功率、较低的激光重复频率有利于形成侧壁垂直的沟槽;较高的激光功率、较低的激光重复频率、较低的进给速度以及多次加工有利于形成大深宽比的沟槽结构;所有的工艺参数下加工沟槽附近均未发现有热影响区等组织变化。根据上述实验结果提出了使用水导激光加工技术进行大深宽比、低热影响区结构加工的工艺参数优化方法。

    • 基于移动高斯热源的激光抛光瞬态有限元三维数值模型

      2021, 51(5):575-583.

      摘要 (63) HTML (0) PDF 2.20 M (129) 评论 (0) 收藏

      摘要:本研究模拟CO2连续激光器抛光Ti6Al4V材料的工艺过程,利用可移动的高斯热源模拟激光源,建立有限元三位数值瞬态模型进行模拟实验,来模拟TC4材料表面轮廓的融化与凝固过程,该数值模型耦合了温度场与速度场,研究由于表面张力温度系数而产生的表面张力对抛光熔池的影响,通过改变高斯光源的不同功率强度、扫描速度,来分析对抛光过程中形成的熔池的影响,模拟结果表明:当激光热源功率过大时,易造成熔池尺寸过大,不利于降低材料表面的粗糙度,适当降低扫描速度能有效的降低轮廓峰值的温度梯度大小,从而降低表面张力的作用大小,进而改善熔池尺寸与形状。通过实际抛光实验得出:激光的最佳扫描速度维持在20 mm/s左右,扫描速度过小或者过大都会使抛光样品的表面粗糙度值Ra增加,从而达不到理想抛光效果,且通过实验测试值与数值模型计算值相比较,发现两者数据大致吻合,从而证明了该数学模型的准确性。

    • 基于星载激光测高仪的森林植被高度估算

      2021, 51(5):584-591.

      摘要 (55) HTML (0) PDF 2.04 M (128) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了提高星载激光测高仪估算森林植被高度的精度,本文在处理星载激光森林地区回波波形时,提出了一种基于高斯混合函数模型的波形分解方法,充分保留了波形中有效峰值信息,提高了利用波形估算植被高度的精度。本文以GLAS过中国长白山地区的20个激光点为例,先后进行了自适应波形背景噪声滤除与高斯平滑滤波的波形预处理,对预处理后波形进行了高斯混合函数模型的波形分解,并利用分解后得到的首末子波形估算出激光光斑内的植被高度,对比该光斑样地实测植被高度,结果表明本文估算的植被高度精度为(0.3±1.4)m,其精度明显高于已有的相关算法,故该方法可用于已在轨的高分七号星载激光估算森林植被高度。

    • 基于小波分解表面波的涂层平板表面缺陷检测方法研究

      2021, 51(5):592-599.

      摘要 (55) HTML (0) PDF 1.62 M (115) 评论 (0) 收藏

      摘要:激光照射在涂层平板表面产生的超声表面波传播时会产生色散现象,该现象会影响表面缺陷检测精度。针对表面波的色散问题,采用有限元仿真分析表面波在涂层平板表面的传播规律,利用Morse小波分解多频表面波信号,提取最大幅值单一频率的缺陷时域信号从而确定表面缺陷位置。在此基础上通过扫描缺陷附近检测点的方式,分析缺陷前沿入射波和缺陷后沿透射波时域信号之间的关系构建缺陷深度量化公式。数值研究表明:采用小波分解多频表面波信号的方法有效避免了表面波的色散影响,提高了缺陷位置检测精度;当缺陷深度在1~2 mm范围时,根据缺陷深度量化公式计算得到的缺陷深度与实际缺陷深度较为吻合且误差百分比控制在8 %以内,验证了提出的缺陷深度量化公式的有效性,为应用表面波实现涂层平板表面缺陷检测提供了新的工具。

    • 光纤激光加工对Ti6Al4V粘接强度影响的研究

      2021, 51(5):600-606.

      摘要 (63) HTML (0) PDF 2.49 M (95) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了在Ti6Al4V表面加工不同的微结构,改变其表面形貌,从而提高其粘接接头的强度,采用纳秒光纤脉冲激光对Ti6Al4V表面进行了微加工,研究了脉冲能量和扫描间距对线阵及网格2种微结构的表面形貌及粘接接头强度的影响。结果表明:当脉冲能量和扫描间距相同时,网格结构比线阵结构能获得更大的粗糙度及表面积;激光加工能有效提高Ti6Al4V粘接接头的强度,线阵结构和网格结构分别在λ=50 %、ψ=100 %,λ=0 %、ψ=100 %时,接头有最大剪切强度,分别为25.2 MPa、 27.2 MPa,与未经激光处理的粘接接头相比,其强度分别提高50.5 %,62.5 %;当脉冲能量和扫描间距相同时,网格结构相比线阵结构更有利于提高接头的强度。该研究对改善Ti6Al4V粘接接头强度具有一定参考意义。

    • >激光器技术
    • 腔外倍频可调谐连续671 nm环形激光器

      2021, 51(5):607-611.

      摘要 (67) HTML (0) PDF 1.42 M (121) 评论 (0) 收藏

      摘要:描述了一种可调谐全固态腔外倍频连续671 nm环形激光器的结构参数设计和相关实验研究。采用“8”字环形腔的腔外谐振倍频结构,并基于PDH(Pound-Drever-Hall)锁频技术对外部谐振腔进行腔长锁定,实现激光腔外倍频输出。利用可调谐1342 nm连续光作为基频光光源,在1.3 W基频光输入时,获得650 mW的671 nm红光,光-光转化效率约为50.6 %。

    • >红外技术及应用
    • 基于FPGA的红外图像清晰化系统设计

      2021, 51(5):612-618.

      摘要 (51) HTML (0) PDF 2.60 M (141) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对红外图像普遍存在细节模糊、对比度低的问题,设计实现了基于FPGA的红外图像清晰化系统。首先对输入原始红外图像进行8×8窗口的平滑滤波,然后将滤波后的图像叠加拉普拉斯算子进行细节增强,以解决传统拉普拉斯增强产生的噪声放大问题。最后通过Gamma校正曲线调整增强后图像的灰度。硬件系统实现时采用串并行流水计算方式,仅占用2 %的Slice Register和5 %的LUT资源,工作频率最高达228 MHz,满足实时处理视频图像的需求。实验结果表明,系统能够有效提高图像的对比度,增强目标景物的细节。

    • 800~1160 K下钢的氧化特性对发射率的影响

      2021, 51(5):619-624.

      摘要 (51) HTML (0) PDF 780.17 K (112) 评论 (0) 收藏

      摘要:发射率是一项重要的表征物体表面辐射特性的热物性参数,与温度、测量波长、表面氧化、表面粗糙度等多种因素相关,研究其变化特征对红外测量有着重要意义。本文研究了在大气条件下,温度为800~1160 K范围内,测量波长为1.5 μm,带宽20 nm,钢SPHC样品的氧化特性对光谱发射率的影响。实验中每隔40 K为一个温度测量点,样品达到测量温度,持续加热3 h以上,每隔5 min记录一次光谱发射率的值。实验结果表明:①在相对低温阶段800 K、840 K铁与氧气生成三氧化二铁,该温度下氧化膜的增长主要来自这一反应过程;②在960 K左右三氧化二铁与铁反应生成氧化亚铁,这一阶段在测量温度下缓慢进行,需要较长时间样品表面光谱发射率才趋于稳定;③在1120 K以上,光谱发射率基本保持不变,样品表面氧化亚铁氧化膜快速形成。另一方面,我们拟合了在相同的加热时间里,温度对光谱发射率的影响,得出不同加热时间下温度与发射率之间的关系模型与实际模型之间描述非常准确一致。最后,实际应用中,在测量钢铁的温度时,应充分考虑由于空气中表面氧化对光谱发射率带来的影响。

    • >红外材料与器件
    • 分子束外延材料表面平整度的研究

      2021, 51(5):625-628.

      摘要 (58) HTML (0) PDF 825.73 K (139) 评论 (0) 收藏

      摘要:分子束外延Si基HgCdTe材料的表面平整度对红外焦平面组件的制备有重要的影响。分子束外延的Si基复合衬底作为HgCdTe分子束外延的衬底材料对最终外延材料的表面平整度的影响较大。本文通过研究工艺过程中各外延因素对Si片和衬底材料表面平整度的影响,通过实验发现脱氧工艺的高温影响最大,其次是Si片自身的表面平整度和外延膜层的厚度。因此要获得低表面平整度的Si基复合衬底必须满足以下三个条件:低Si片表面平整度,低脱附工艺温度,低外延膜厚。

    • >光电技术与系统
    • 弹载激光探测器加速寿命试验与评估研究

      2021, 51(5):629-633.

      摘要 (52) HTML (0) PDF 659.49 K (112) 评论 (0) 收藏

      摘要:为满足弹载激光探测器贮存寿命评估的实际需求,研究了适用于激光探测器的加速寿命试验与寿命评估方法。首先,研究影响激光探测器的贮存寿命的因素,提出加速试验方案中应力范围、寿命分布类型、应力施加方式、试验时间等因素设计准则,其次基于极大似然法计算加速模型参数,通过寿命分布类型检验判定加速试验方案的合理性,最后利用加速因子折合寿命试验数据,实现贮存寿命评估,本文研究内容为激光探测器贮存寿命评估提供借鉴。

    • 某机载光电系统主镜的轻量化设计与分析

      2021, 51(5):634-639.

      摘要 (68) HTML (0) PDF 2.64 M (131) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了达到某新型机载光电系统的轻小型化要求,对共孔径组件中ΦΦ445 mm的主镜开展了轻量化设计。首先,对比分析了多种轻量化形式特点,确定了主镜材料和结构形式。然后,以主镜轻量化率和面形精度为目标,综合理论计算与有限元分析手段,对相关参数进行迭代优化,确定出镜厚为68 mm,面板厚度为6 mm,筋板厚度为4 mm,优化后轻量化率达62 %。接着,对主镜开展工程分析,在1 g重力作用下,单一主镜光轴竖直时RMS达1.13 nm,光轴水平时RMS达0.23 nm,冲击振动下最大局部应力为0.19 MPa,组件状态下主镜RMS达11.67 nm,各项指标均满足设计要求。最后,借助干涉仪对实物主镜进行光学检测,面形精度RMS实测值为15.19 nm,进而验证了轻量化设计分析的准确性。

    • 机载激光测照器发射光轴不稳定度仿真分析

      2021, 51(5):640-645.

      摘要 (56) HTML (0) PDF 2.13 M (124) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对某型无人机机载激光测照器,分析了导致激光发射光轴产生偏离的原因,然后使用CAE软件ANSYSWorkbench分别对受安装力、热和振动等因素影响下的结构形变进行仿真,通过谐振腔光路和扩束光学相关公式计算得到激光发射光轴的最大综合偏转角,从而确定出激光测照器的发射光轴不稳定度,以验证设计是否满足相应可靠性指标要求。

    • >光纤传感及光通讯技术
    • 基于极化码的可见光通信自适应调光方法研究

      2021, 51(5):646-651.

      摘要 (48) HTML (0) PDF 801.64 K (101) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对在可见光通信的闪烁问题,提出了一种通过曼彻斯特编码级联极化码进行调光控制的自适应打孔方法。极化码与曼彻斯特编码级联以便于在可见光系通信统系统中提供50 %的调光,并且通过打孔和插入补偿比特的方式可以实现不等于50 %的调光值。常规打孔方案应将曼彻斯特编码符号的所有比特都打孔,本文提出的方法可以根据选定的极化码的预定冻结比特自适应地打孔,并插入相对应的补偿比特。因此,与常规打孔方法相比,所提出的方法可以对曼彻斯特编码符号的更少比特进行打孔并且需要更少的补偿比特。仿真结果表明,所提出的方法具有比参考方法更好的差错性能性能。

    • 基于聚合物填充的微结构光纤温度传感器

      2021, 51(5):652-656.

      摘要 (56) HTML (0) PDF 1.35 M (99) 评论 (0) 收藏

      摘要:温度作为环境变化的重要基本参数,其快速精确的检测方法备受科学界及工业界的关注。本文提出并验证了一种基于聚合物微腔的Fabry-Perot干涉结构的单模光纤温度传感器。该传感器使用质量分数为40 %的氢氟酸(HF)溶液在单模光纤(SMF)末端端面腐蚀一定深度的凹型槽,然后将一定浓度的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液转移到腐蚀完成的光纤凹槽部位,并在真空环境下固化,从而制成聚合物F-P微腔传感结构。实验研究了凹槽腐蚀深度,宽度与腐蚀时间之间的规律,并证明了该结构在温度测量中的应用。实验结果表明,当腐蚀深度为8~9 μm时,传感器在温度为70~86 ℃的范围内,实现温度灵敏度为182.5 pm/℃,具有良好的线性响应(0.9588)。该传感器制作工艺简单、紧凑、成本低,具有批量生产的潜力。

    • >光电对抗
    • 新型仿形多频谱复合伪装材料的研究

      2021, 51(5):657-662.

      摘要 (49) HTML (0) PDF 2.62 M (115) 评论 (0) 收藏

      摘要:为满足信息化作战条件下多频谱兼容伪装的需求,采用多种材料合理匹配与多功能层结构组合的方法,研制了一种可见光、红外和雷达多频谱兼容的新型仿形复合伪装材料,研究了吸波材料中碳含量与铁含量的质量比对雷达波吸波性能的影响。采用雷达波屏蔽效能和反射率实验测试了伪装材料的吸波性能,采用成像法检测了伪装材料的可见光和热红外伪装性能。结果表明,当吸波材料中碳含量与铁含量的质量比为1∶2时,伪装材料的雷达波衰减性能最好,大于5 dB的吸收频宽最高可达4.7 GHz。研制的仿形伪装材料的表面纹理、颜色、亮度、热图与背景环境较为接近,隔热效果较好,具有良好的可见光和红外伪装效果。

    • >图像与信号处理
    • 基于改进型正则化算法的图像融合优化研究

      2021, 51(5):663-668.

      摘要 (56) HTML (0) PDF 1.41 M (120) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了提高激光雷达融合图像的图像质量,设计了一种改进型正则化算法。该算法将稀疏表示加权编码以参数形式引入正则化算法,用于合理分配抑制噪声类型的权重以及提高算法鲁棒性。推导了包含迭代系数h与正则项参数λ的目标函数,给出了算法实现的具体流程步骤。实验对包含散粒噪声的融合图像进行优化,结果显示,随着h的增大图像质量提高,当h达到40后图像质量趋于稳定。当λ∈(0,0.5),随着λ的增大图像质量提高,当λ∈(0.5,1.0),随着λ的增大,图像质量下降。由此可见,本算法在h=40,λ=0.5时达到最优解,并且其时效性优于传统算法。由此可见,本算法在融合图像的图像质量增强方面具有一定的应用价值。

    • 基于局部相似的红外小目标跟踪算法

      2021, 51(5):668-674.

      摘要 (59) HTML (0) PDF 2.21 M (113) 评论 (0) 收藏

      摘要:连续图片序列中的运动对象与其局部背景保持相对稳定。相邻图像序列的目标局部灰度分布具有相似性。针对红外小目标跟踪杂波干扰与运动模糊问题,设计了基于局部相似的目标增强方法,并提出一种基于局部相似和运动估计的跟踪算法。该算法根据目标的局部相似性构建搜索空间,采用运动估计机制缩小搜索域,然后利用时空上下文学习跟踪算法产生跟踪结果。实验表明,本文方法能够有效应对杂波干扰和运动模糊情况,实现红外小目标的稳健跟踪,且具有较好的实时性。

    • 基于多信息深度学习的3D点云语义分割

      2021, 51(5):675-680.

      摘要 (90) HTML (0) PDF 1.52 M (136) 评论 (0) 收藏

      摘要:点云语义分割是三维点云数据处理的基础步骤,是三维场景理解分析、重建和目标识别的关键环节。针对目前对三维点云进行语义分割使用的点云信息少和精度不高的问题,本文在利用点云三维坐标信息的基础上,增加了点云RGB信息和所属房间的归一化坐标信息,从而丰富了神经网络输入端的信息量,进一步提高了模型的分割精度,最后利用PointNet++对改进后的三维点云语义分割效果进行检验,实验表明:在丰富了网络输入端的数据信息后,模型的总体准确度提高了6.65 %。

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