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期刊基本信息
红外与激光工程
(月刊,创刊于1972年)
主管单位:
中国航天科工集团公司
主办单位:
天津津航技术物理研究所
中国光学工程学会
主编:张 锋
执行主编:卢 进
主要栏目
   » 红外技术及应用
   » 激光及光电子技术
   » 光学探测与成像技术
   » 光学系统设计
   » 精密光学加工
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   » 光电测量技术
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  《红外与激光工程》系中国光学工程学会会刊,由中国航天科工集团公司主管,天津津航技术物理研究所主办,创刊于1972年,月刊,是国家科委和国家新闻出版署批准的国内外公开发行的国家级学术刊物,国内刊号CN 12-1261/TN,国际刊号ISSN 1007-2276。
  本刊为中国科技论文统计源期刊,中文核心期刊,被美国“工程索引(EI)compendex”,英国 “科学文摘(SA)”,美国“剑桥科学文摘(CSA)”,俄罗斯“文摘杂志(AJ)”,日本“日本科学技术社数据库(JST)”,荷兰“斯高帕斯(Scopus)数据库”收录。
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  红外与激光工程—2017, 46 (7)   出版日期:2017-07-25
  本期栏目:空间碎片探测 海洋光学 激光雷达技术 信息获取与辨识 光学设计及仿真 光学工程优秀博士论文 激光器技术 红外技术及应用 光电器件与微系统 光电测量 光通信与光传感 激光技术及应用 
光学工程优秀博士论文
基于激光诱导击穿光谱的燃煤热值定量分析
李雄威, 王哲, 刘汉强, 郭桦
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 734001-0734001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0734001
全文: HTML (1 KB)  PDF (943 KB)  ( 54 )
摘要 ( 2 ) 引用本文
煤的热值是影响燃煤锅炉运行最重要的煤质特性之一。燃煤热值在线分析能够为实时优化调整锅炉运行提供重要依据。采用激光诱导击穿光谱技术对烟煤样品热值进行了定量分析。实验用Nd:YAG固体激光器1 064 nm激光脉冲在空气环境下烧蚀烟煤样品表面而形成等离子体。采用偏最小二乘法和基于主导因素的偏最小二乘法提高煤热值定量分析的准确性。对于基于主导因素的偏最小二乘法,利用碳双原子分子(C2)和碳氮双原子分子(CN)的谱线强度建立主导因素模型。采用偏最小二乘法建立的定标曲线拟合优度和预测均方根误差分别为0.94和1.46 MJ/kg;采用基于主导因素的偏最小二乘法建立的定标曲线拟合优度和预测均方根误差分别为0.99和1.18 MJ/kg。结果表明:激光诱导击穿光谱技术对燃煤热值在线分析具有很大的应用潜力。
激光技术及应用
准平行光干涉的激光干扰方案与实验研究
陈飞, 柴金华, 刘欣
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 706001-0706001(11). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0706001
全文: HTML (1 KB)  PDF (3121 KB)  ( 50 )
摘要 ( 6 ) 引用本文
提出一种利用准平行光干涉进行激光干扰的方案。在干涉理论分析的基础上,利用He-Ne激光实验得到2路、3路、4路的多光束准平行光干涉图像与干涉强度极大值,并仿真得出准平行光干涉图像和干涉光强分布。实验和仿真表明:准平行光干涉的图样的形状取决于光束的方向角。在某些方向角时,干涉视场的中央可出现干涉亮纹或亮斑。干涉条纹或干涉光斑之间的间距由两两光束之间的夹角所确定。在不大于0.5 mrad范围内,两两光束间夹角的实验数据与仿真数据近似一致,并且干涉亮纹或亮斑的强度极大值接近理论最大值,即2束、3束、4束准平行光的干涉强度最大值分别是单束光强的4倍、8倍、15倍。给出干扰方案的效果评估以及干扰有效性的验证。
相干激光探测中微动参数估计的克拉美-罗界
郭力仁, 胡以华, 王云鹏
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 706002-0706002(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0706002
全文: HTML (1 KB)  PDF (996 KB)  ( 17 )
摘要 ( 5 ) 引用本文
为选择最佳参数估计方法估计目标微多普勒特征,需要研究参数估计的克拉美-罗界,来评价各估计方法的性能。以相干激光探测为背景,考虑噪声方差未知的影响,严格推导了高斯白噪声环境下微动目标回波信号各参数估计的克拉美-罗界的闭合表达式,仿真分析了目标相对于雷达的位置信息、数据处理长度以及回波信噪比与参数估计方差下界的关系。结果表明,克拉美-罗界与噪声方差无关,目标相对于雷达的方位角、俯仰角越小,数据长度和信噪比越大,参数估计的方差下界越小。对目前常用的两种微动参数估计方法方差进行了计算,并与推导克拉美-罗界进行了对比。最后,与通过近似处理方法得到的克拉美-罗界进行了对比,指出了精确推导方差下界的意义。
激光近程探测中目标表面的散射特性
张祥金, 沈娜, 胡鑫, 宋健
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 706003-0706003(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0706003
全文: HTML (1 KB)  PDF (1360 KB)  ( 34 )
摘要 ( 4 ) 引用本文
在激光引信中,脉冲激光对目标的探测与识别是激光引信近程探测技术中的一个关键技术点,而目标的表面反射特性对探测的影响是激光近程探测高效毁伤与精确打击目标的主要研究关键。目标的表面粗糙度以及附着物对激光回波信号的强弱影响较大,因此,需对激光近程探测过程中不同粗糙度目标表面所表现的反射特性进行研究。首先通过仿真得到回波信号模型,再进行不同粗糙度表面回波功率实验对仿真结果进行验证。实验选用不同表面粗糙度的靶板,并采用了改变角度、改变距离并同时改变角度和距离的模式来观测得到的电压曲线,获得最终结果。
高能激光能量直接测量技术及其发展趋势
魏继锋, 胡晓阳, 张凯, 孙利群
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 706004-0706004(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0706004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1513 KB)  ( 42 )
摘要 ( 3 ) 引用本文
高能激光功率高、能量大,造成激光能量计容易损坏和测量不确定度增加。围绕上述问题对国内外现有的几种高能激光能量直接测量方法进行了比较和归纳,对各种技术的优点和缺点作了深入的分析,在此基础上阐述了高能激光能量直接测量技术的发展趋势。研究表明,提高热交换效率是提升高能激光能量计测量能力最高效的措施,尤其是在采用体吸收模式和强制热交换模式的情况下这种效果更加明显;消除吸收体上温度梯度对吸收体材料比热和温度传感器响应时间的影响是提高被动吸收型高能激光能量计测量准确度的关键,在水流冷却型高能激光能量计和水流直接吸收型高能激光能量计中消除水流相变的影响和控制水流温度场不均匀造成的影响则是保证温度准确测量的关键。目前各种高热交换效率和新体制的测量方法得到快速发展和应用,系统的测量能力和测量准确度大幅提高,为了适应未来长时间测量需求,能量累积型高能激光能量计逐渐被功率平衡型高能激光能量计所替代。
激光多普勒测振仪对激光陀螺动态特性测试分析
张澍, 叶宗民
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 706005-0706005(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0706005
全文: HTML (1 KB)  PDF (982 KB)  ( 16 )
摘要 ( 1 ) 引用本文
为了研究激光陀螺动态响应的幅频特性,提出了一种利用激光多普勒测振仪对激光陀螺幅频特性测试的方法。由于激光陀螺角振动测量属于接触式测量,测量结果易受被测物体振动频率的影响,因此对其幅频特性的研究具有重要意义。实验中利用压电式角振动台产生正弦激励信号,通过比较激光陀螺和激光多普勒测振仪对角振动台角振幅的测量值,得到激光陀螺幅频特性曲线。实验结果表明:在角振动频率低于300 Hz时,激光陀螺测量值准确;角振动频率较高时,由于机械结构传递特性影响将导致激光陀螺对角振动台振幅测量失真。
激光雷达技术
多波束激光雷达的高精度收发配准方法的实验验证
李铭, 候佳, 周成林, 舒嵘
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 730001-0730001(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0730001
全文: HTML (1 KB)  PDF (2260 KB)  ( 41 )
摘要 ( 6 ) 引用本文
针对三维成像多波束激光雷达系统微弧度量级激光发散角和多元并行收发条件下极高配准精度要求,进行了收发配准技术的研究和验证。提出了多波束激光雷达系统收发配准的方法,实现了一套基于光纤光学的收发光学系统分离的高精度收发光学系统;发射激光的单元发散角达到了近衍射极限的20 μrad,接收视场达到60 μrad,实现了1 064 nm近红外波段51元的线列并行收发,收发配准精度达到10 μrad以下。实验验证结果显示,该收发配准的方法具有较好的可行性,配准的精度能达到理论分析要求。经过温度等环境因素的分析,系统在一定的温度范围内具有较好的稳定性,该温度范围较易控制,能够满足多波束激光雷达系统的工程应用要求。
压缩真空注入超灵敏干涉型量子激光雷达
张建东, 张子静, 赵远, 王峰, 苏建忠
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 730002-0730002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0730002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1406 KB)  ( 21 )
摘要 ( 4 ) 引用本文
干涉型激光雷达是通过相位干涉检测实现高精度目标距离探测的设备,传统干涉型激光雷达相位探测灵敏度受到标准量子极限的限制,从而限制了测距精度。为了进一步打破极限,提高精度,提出了基于压缩真空态注入的相位超灵敏度干涉型量子激光雷达方案,可以使相位灵敏度突破标准量子极限,并分别推导了Z探测法、强度差探测法和奇偶探测法情况下的相位灵敏度,随后,进行仿真计算,并对性能的提升进行比较与分析。最后,在灵敏度最好的奇偶探测法的基础上,建立了存在传输损耗时的相位灵敏度模型,讨论了实现超灵敏度允许的最大传输损耗。
合肥上空中层大气密度和温度的激光雷达探测
邓潘, 张天舒, 陈卫, 刘洋
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 730003-0730003(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0730003
全文: HTML (1 KB)  PDF (1183 KB)  ( 25 )
摘要 ( 3 ) 引用本文
为研究中层大气分布情况,采用自行研制的532 nm瑞利(Rayleigh)散射激光雷达,对合肥地区(31.90 °N,117.170 °E)25~40 km高度范围内的大气密度和温度廓线分布进行观测。将瑞利散射激光雷达所测结果与NRLMSISE-00大气模型数据进行对比,以验证瑞利散射激光雷达性能及数据处理方法的可靠性。通过数据对比得出,在25~40 km高度范围内,瑞利散射激光雷达获得的大气密度值与NRLMSISE-00大气模型密度值的比值为0.99~1.03;瑞利散射激光雷达所测温度值与NRLMSISE-00大气模型数据的温度偏差均值约为2.8 K,其中38 km以下两者温度偏差约为1.6 K。数据对比说明,瑞利散射激光雷达观测值与NRLMSISE-00大气模型数据具有较一致的密度分布特征和温度分布特征,瑞利散射激光雷达的观测结果能够较真实地反映合肥上空25~40 km高度范围内的大气密度和温度分布。
激光器技术
激光无线能量传输接收系统二次聚光研究
孟祥翔, 申景诗, 石德乐, 郭春辉, 吴世臣, 程坤, 徐波
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 705001-0705001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0705001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1646 KB)  ( 13 )
摘要 ( 4 ) 引用本文
为了克服激光无线能量传输接收系统中聚焦光斑能量分布不均匀、光斑形状不匹配的缺陷,设计并加工了一种梯形二次聚光器。依据边缘光线理论分析了梯形二次激光器的设计原理,利用Tracepro软件进行了仿真,采用直角梯形拼接的方法加工成梯形二次聚光器。在激光无线传能系统中对梯形二次聚光器进行了实验研究,对比了菲涅耳透镜单次聚光和与梯形二次聚光器组合聚光时对激光电池效率的影响。实验得出,在激光电池接收功率一致的情况下,菲涅耳透镜与梯形二次聚光器组合产生的聚焦光斑能使激光电池的转换效率值提高6%~7%;在计入二次聚光器损耗后,激光电池的转换效率值提高2%~3%。结果表明:梯形二次聚光器的使用可以提升激光无线传能系统接收端的性能。
声光调Q CO2激光器波长调谐理论分析与实验研究
潘其坤, 陈飞, 石宁宁, 李殿军, 谢冀江, 何洋, 郭劲
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 705002-0705002(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0705002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1164 KB)  ( 11 )
摘要 ( 7 ) 引用本文
采用旋转光栅法实现了声光调Q CO2激光器可调谐脉冲激光输出。理论分析了CO2激光波长调谐特性,发现调节各支谱线腔内损耗是实现激光波长调谐的有效方法。进而理论计算了特定设计波长闪耀光栅的衍射效率与激光波长间的关系,结果显示光栅调谐的激光谱线自准直角与光栅闪耀角一致时具有最高的衍射效率。采用闪耀角分别为31.97°(闪耀波长10.59 μm)和28.71°(闪耀波长9.60 μm)的光栅实验研究了声光调Q CO2激光器波长调谐特性,分别获得了65条和75条激光谱线。实验结果显示:光栅设计闪耀波长处于弱激光增益分支时可获得更多条激光谱线,该实验与理论计算结果相符。在脉冲重复频率为1 kHz时,获得10.59 μm激光脉冲宽度为160 ns,平均功率4.2 W,脉冲峰值功率26.25 kW,且稳定性良好。
红外技术及应用
气体高温辐射特性窄谱带模型参数库构建
蔡红华, 聂万胜, 吴睿, 苏凌宇, 侯志勇
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 704001-0704001(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0704001
全文: HTML (1 KB)  PDF (2743 KB)  ( 19 )
摘要 ( 3 ) 引用本文
不同推进剂火箭发动机尾焰中主要辐射气体组分不同,采用谱带模型法精确快速求解不同推进剂火箭发动机尾焰红外辐射特性,需要构建描述气体辐射特性的谱带参数数据库。提出了一种谱带参数库构建方法并开发了计算程序,以HITEMP2010数据库为基础构建了波数间隔5 cm-1、温度间隔100 K的CO2和H2O谱带模型参数库,通过与实验测量对比吸收系数分布特性、与逐线计算法对比透过率分布特性验证了所提出模型和开发程序的准确性;在此基础上,分别以HITEMP2010和HITRAN2012数据库为基础构建了辐射气体CO、OH、NO和NO2的谱带模型参数数据库,并结合逐线计算法对比分析了不同温度下、不同光学行程下透过率分布特性。
InAlSb红外光电二极管性能研究
朱旭波, 李墨, 陈刚, 张利学, 曹先存, 吕衍秋
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 704002-0704002(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0704002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1107 KB)  ( 15 )
摘要 ( 8 ) 引用本文
在InSb衬底上利用分子束外延生长了p-i-n结构的InAlSb/InSb材料,通过在吸收层和接触层之间生长宽禁带的InAlSb势垒层,验证了势垒层对耗尽层中暗电流的抑制作用。分别基于外延生长的InAlSb材料和InSb体材料,借助标准工艺制备出二极管,并对其电性能进行测量分析,研究发现:77 K温度时,在-0.1 V的外偏电压下,p+-p+-n--n+结构和p+-n--n+结构InAlSb器件的反偏电流分别为3.4×10-6 A·cm-2和7.8×10-6 A·cm-2。基于p+-p+-n--n+结构研制的InAlSb二极管的暗电流保持在一个很低的水平,这为提高红外探测器的工作温度提供了重要基础。
热障涂层厚度激光透射法红外热波检测技术研究
李永君, 肖俊峰, 朱立春, 张炯, 高斯峰, 唐文书, 南晴
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 704003-0704003(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0704003
全文: HTML (1 KB)  PDF (2705 KB)  ( 13 )
摘要 ( 11 ) 引用本文
在传热学的基础上建立涂层试样的一维热传导模型,确立了涂层厚度与表面温度差值-帧数直线的斜率、截距以及涂层热扩散率之间的定量关系。以不同厚度的热障涂层试样为例,采用新型脉冲激光透射法激励,对热像仪采集到的不同激励功率下涂层表面温度差值-帧数曲线线性拟合,求得拟合直线的斜率和截距值,最后计算得到热障涂层厚度值,结果表明:激光透射法红外热波检测技术能很好地应用于热障涂层厚度的快速、精确、非接触检测。
超声红外锁相热像中金属疲劳裂纹的生热特性
冯辅周, 闵庆旭, 朱俊臻, 徐超, 曹维
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 704004-0704004(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0704004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1457 KB)  ( 13 )
摘要 ( 4 ) 引用本文
超声红外锁相热像技术是一种将调制激励和锁相技术应用于红外热像检测的新型无损检测技术。针对缺陷生热及传热研究中存在的摩擦生热过程难以有效模拟、缺陷内部生热机理不清等理论问题,采用电-力类比方法,建立了含疲劳裂纹金属平板与超声激励系统的有限元模型,研究了调制超声激励下裂纹区域和裂纹面的生热特点,结果表明:在调制超声激励下,裂纹区域生热呈现出周期性上升的特点,因预紧力的作用,靠近激励同侧的裂纹面区域生热更明显。基于仿真分析和Green函数,建立了裂纹摩擦生热的传热理论模型,进一步探究了裂纹区域温度分布规律;最后利用被测平板上下表面温度比值(P值)对热源深度进行了估计,证明了仿真结果与理论计算的一致性。研究成果将进一步丰富超声红外锁相热像技术的理论基础。
海洋光学
水下湍流连续相位屏生成的仿真研究
王翰韬, 王运鹰, 姚金任, 郭媛媛, 张宇
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 712001-0712001(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0712001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1461 KB)  ( 18 )
摘要 ( 3 ) 引用本文
建立水下湍流多层相位屏的理论和模型是开展水下湍流研究的主要问题。考虑水下湍流的统计特性,通过三维协方差矩阵预测的方法进行了水下湍流的统计特性和连续性的模拟。提出重叠分配矩阵的方法,优化多层相位屏的模拟,分析了计算效率和湍流统计特性表征之间的关系。结果表明:重叠分配矩阵方法能有效提高单层相位屏的生成效率。三维协方差矩阵预测方法可以使相位屏具有层间相关性,其在单层相位屏内的统计特性也与理论符合较好,但是在小尺度和大尺度下与理论值有一定偏差。该研究将传统的独立多层二维相位屏拓展到了空间相关的多层相位屏,使得利用多层相位屏描述水下湍流更加符合物理实际。
全光纤海洋温深剖面连续测量试验研究
张登攀, 冯盼, 王永杰
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 712002-0712002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0712002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1443 KB)  ( 3 )
摘要 ( 3 ) 引用本文
为了实现对海洋温度剖面进行高时空分辨率且连续测量的目的,研制出一种将船载拖曳应用与光纤传感技术相结合的新型测量系统。该系统首次将光纤布拉格光栅(FBG)压力传感器集成到温度拖曳链中,从而获得深度信息并判断拖曳链姿态。文中主要讨论了该拖曳温深链系统的研制及海试情况,包含系统装备,压力传感器的实验室标定,压力传感器的海上静态和动态比测试验。通过分析试验数据,压力传感器与ALEC Compact-TD的相关系数达到0.999 837,测量误差小于0.1 m,进一步验证了拖曳温深链系统已初步具备实用性。
光通信与光传感
超大电流量值传递用光纤电流传感技术
李传生, 邵海明, 赵伟, 王家福, 张煌辉
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 722001-0722001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0722001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1624 KB)  ( 4 )
摘要 ( 3 ) 引用本文
面向工业、国防及重大科学研究领域超大电流在线计量的迫切需求,提出基于光纤电流传感器量程自扩展特性实现超大电流计量标准的量值传递。基于微分琼斯矩阵方法,建立了光纤敏感环路的数学模型,揭示了线性双折射对传感器量程自扩展特性的影响机理,并证明了采用椭圆双折射光纤的电流传感器具有良好的量程自扩展能力,可通过光纤圈数对Faraday效应的比例放大作用,利用小电流实现传感器在超大电流下的等效校准。研制了干涉式数字闭环柔性光纤电流传感器,可在不断开载流母线的情况下直接形成敏感环路,实现在线计量。样机性能测试结果表明:在直流等效10~210 kA范围内,样机的测量准确度优于±0.1%;在工频额定等效25 kA条件下,样机的比差准确度满足IEC60044-8 0.2 S级要求;样机的带宽大于10 kHz。
光纤负压波管道泄漏监测系统
赵林, 王纪强, 李振
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 722002-0722002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0722002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1542 KB)  ( 6 )
摘要 ( 5 ) 引用本文
管道泄漏引发的负压波信号及其沿管道衰减程度与管道工况、长度及泄漏孔直径等因素有关。针对传统负压波监测方法定位精度低、可靠性差等问题,提出了一种光纤负压波管道泄漏监测方法。由泄漏负压波在管道中传播规律,通过提高传感器布设密度,降低信号衰减强度,得到了更清晰的负压波下降沿拐点信息。根据泄漏点所在传感器区间不同,提出了自适应负压波波速数值计算方法。在实验室分别对光纤与传统负压波泄漏监测方法进行对比分析,实验结果显示,在泄漏量为管道总运输量5%的工况下,光纤监测法泄漏定位误差小于1.6%,较传统的监测方法能获得更高的管道泄漏监测灵敏度及定位精度,具有更加广阔的应用前景。
部分相干光束在大气湍流中传输的散斑特性
王姣, 柯熙政
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 722003-0722003(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0722003
全文: HTML (1 KB)  PDF (1295 KB)  ( 19 )
摘要 ( 2 ) 引用本文
光束在大气湍流中传输时,大气湍流效应对光束进行强度和相位的随机调制,最终在远场处形成散斑。以部分相干高斯-谢尔模型(Gaussian-Schell Model,GSM)光束为研究对象,根据广义的Huygens-Fresnel原理、修正Von Karman谱模型,推导了GSM光束在大气湍流中传输时接收端光束的有效半径和平均散斑半径的表达式。利用数值计算对比分析光源相关参数和大气湍流对光束有效半径和平均散斑半径的影响。研究表明:光束的初始束腰半径越大、相干长度越小以及波长越小时,接收端光束的有效半径和平均散斑半径受湍流的影响越小;大气折射率结构常数越大,光束扩展越严重,此时平均散斑半径越小;光束有效半径和平均散斑半径随湍流外尺度增大几乎无变化,随湍流内尺度的增大而减小。所得出的结论对无线激光通信系统中光束的捕获、对准与跟踪(Acquisition,Pointing and Tracking,APT)系统的设计提供一个重要的参考价值。
改善OVT内电场分布的介质包裹法
黄奕钒, 徐启峰, 陈霖扬, 谭巧, 谢楠
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 722004-0722004(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0722004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1563 KB)  ( 5 )
摘要 ( 3 ) 引用本文
基于Pockels效应的光学电压传感器(Optical Voltage Transducer,OVT),运行中不可避免地存在震动、元器件连接的老化与热胀冷缩等问题,导致光学器件的相互位置产生偏移,进而影响电光晶体的内电场分布。文中以基于会聚偏光干涉原理的110 kV纵向调制的OVT为例,进行了仿真分析与实验研究,发现当入射光发生±0.5°的偏移或电光晶体发生±1°的偏移时,分别引入约0.107%和0.124%的电场积分误差。由于OVT必须满足0.2%的准确度要求,上述影响不容忽视。为此提出了介质包裹法,将Al2O3陶瓷包裹在电光晶体外部,使电场积分误差分别降低至0.001%和0.003%。实验与应用的情况表明,介质包裹法简单、实用、有效。
光学设计及仿真
切向双脚架-运动学支撑结构的柔度研究
安明鑫, 薛闯, 张立浩, 徐抒岩, 董吉洪
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 718001-0718001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0718001
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摘要 ( 5 ) 引用本文
为了实现高精度的运动学支撑结构的设计,研究了切向双脚架-运动学支撑结构的柔度。介绍了切向双脚架-运动学支撑结构的设计原理。根据单边直圆柔性铰链的柔度公式,推导了双脚架在XYZ轴方向的等效柔度Cx、Cy和Cz的解析式。采用有限元分析和试验验证的方法,对双脚架的柔度解析式进行了分析验证。结果表明:解析式结果与有限元结果、试验结果基本一致,且误差均小于9.8%。研究了单边直圆柔性铰链的柔槽深度R和最小厚度t对双脚架柔度Cx、Cy和Cz的影响,得到了双脚架的等效柔度均与柔槽深度R成正比,与最小厚度t成反比的结论。为空间相机上的科学仪器的切向双脚架-运动学支撑结构的设计提供理论参考。
基于多元约束的小型软X射线偏振望远镜光学设计及优化
张玲, 沈正祥, 刘娜, 余俊, 王占山
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 718002-0718002(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0718002
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摘要 ( 4 ) 引用本文
作为揭示物质在强磁场、强引力场中的行为方式以及天体辐射偏振产生原因的重要手段,X射线偏振探测在近40年来一直是高能天体物理的研究热点。小型软X射线天文偏振探测望远镜采用抛物面聚焦方式将X射线会聚至探测器处,通过在反射镜表面镀制多层膜实现高反射率和能量分辨。文中对小型天文偏振望远镜抛物面的两种空间布局方式,即中心环绕旋转式镜面布局和交叉对称式镜面布局进行了理论分析,构建了综合集光面积和制作难度的优化模型,基于多元约束方式进行了参数优化。结果显示,在系统口径受限、探测器有一定尺寸的实际应用环境中,参数优化后的交叉对称式镜面布局方案较常规中心环绕式设计更有优势,既能获得较大的集光面积,又能兼顾镜面加工的可行性。
中心支撑长条形反射镜轻型优化设计
包奇红, 沙巍, 陈长征, 任建岳
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 718003-0718003(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0718003
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摘要 ( 3 ) 引用本文
针对轻小卫星相机质量更轻、性能更好的设计要求,对空间某中等口径的长条形反射镜提出一种基于中心支撑形式的轻型优化设计方法。选用背部中心单点支撑形式,不仅从整体上减小了反射镜及其组件的质量,而且大大简化了支撑结构的设计。采用多目标集成优化的方法,提高了反射镜在Z向重力工况下的面形精度。设计了适用于中心支撑的柔性支撑结构,克服了中心支撑刚度低、动态可靠性差的缺点。仿真分析了反射镜及其组件的综合性能,并与背部三点支撑形式进行了比较。结果表明,中心支撑的反射镜质量更轻(3.36 kg),与实体反射镜相比,轻量化率达到了87%,组件质量也较三点支撑减小了24%;在XYZ三轴方向1 g重力工况下的面形精度RMS值分别达到2.2、2.1、7.5 nm,优于三点支撑形式;4℃均匀温升载荷工况下的面形精度RMS值为2.8 nm,远小于设计要求的RMS ≤ 12 nm;反射镜组件的一阶固有频率为135 Hz,重力作用下镜面的最大刚体位移为3.96 μm。该设计在极大地减小了反射镜及其组件质量的同时,保证了反射镜的面形精度和组件的动、静态刚度,满足设计要求,为同类型空间反射镜的轻型优化设计提供了一种新思路。
一种带有曲面底板的直下式LED平板灯设计
向昌明, 文尚胜, 史晨阳, 陈颖聪
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 718004-0718004(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0718004
全文: HTML (1 KB)  PDF (1460 KB)  ( 9 )
摘要 ( 3 ) 引用本文
针对直下式LED平板灯均匀度低且厚度大的缺点,提出了一种带有曲面底板的直下式LED平板灯,采用Taguchi方法设计,并通过TracePro软件进行仿真模拟,对影响直下式LED平板灯照度均匀度和平均照度的参数因子进行分析,并运用ANOVA理论分析出各因子对品质的影响程度,优化各项结构参数,以设计出符合要求的产品,并通过实验对模拟结果进行验证。结果表明:LED芯片排布方式对照度均匀度和平均照度的影响程度都最大,分别有47.4%和50.2%的贡献度。当芯片选择正六边形排布,倾斜角度为30°,平板灯无微结构,混光距离为25 mm,得到最优化照明效果。扩散板照度均匀度达到88.3%,与实验结果基本一致,厚度相对于目前直下式平板灯减少37.5%以上。模拟得到的会议室照明效果满足国家建筑照明设计标准,所得结果为设计直下式平板灯提供理论依据。
空间遥感器Ф2 m量级大口径SiC反射镜镜坯结构设计
王克军, 董吉洪
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 718005-0718005(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0718005
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摘要 ( 5 ) 引用本文
空间遥感器的大口径反射镜的设计目标是高比刚度。为限制发射成本,尽可能降低镜体质量;为保证反射镜的功能需求,尽可能提高镜体自身的刚度,随着反射镜口径的增大,反射镜的轻量化设计更加重要。针对某Ф2 m口径天基大口径反射镜镜体的轻量化设计,采用了传统经验设计、拓扑优化设计和尺寸参数优化设计相结合的综合优化设计方法,相对大口径反射镜镜体的传统轻量化设计方法,这种综合优化设计方法可使设计结果快速收敛,获得最优化的设计结构。采用综合优化设计方法完成镜体的优化设计后,Ф2 m口径天基大口径反射镜镜体的质量为326 kg,镜体轻量化率高达82.5%,单镜在光轴竖直状态,在1 g重力载荷作用下,取决于镜体刚度的评价镜体成像质量的镜面面形精度RMS值的变化量优于4.9 nm,单镜在光轴水平状态,在1 g重力载荷作用下,镜面面形精度RMS值的变化量优于4.3 nm。结果表明,镜体质量优于设计要求的340 kg;镜面面形精度RMS值变化量优于设计要求的5 nm,满足了镜体要求的高比刚度要求。
近红外大数值孔径平场显微物镜设计
周恩源, 刘丽辉, 刘岩, 曹振
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 718006-0718006(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0718006
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摘要 ( 4 ) 引用本文
为满足飞秒激光微纳加工系统对高加工精度和大加工范围的需求,首先确定了该系统的重要组成部分-无限共轭距显微物镜所需具备的特性及设计指标。依据薄透镜组的初级像差理论,针对飞秒激光波长推导出光学系统为校正匹兹凡场曲和二级光谱所需满足的条件。该镜头由11片球面透镜构成,所选用材料皆为国产玻璃,同时避免三胶合结构的使用。设计了一套工作波长为785~815 nm,数值孔径为0.9,像方视场为22.5 mm,放大倍率为40×的近红外平场复消色差显微物镜。设计结果表明:该镜头的MTF良好,全视场波像差均小于0.08λ,各种几何像差均远小于公差且满足平场和复消色差条件,能量集中度高。使用补偿器放松材料公差、加工公差和装调公差,公差分配后全视场RMS波像差小于0.09λ,满足实际应用要求。
光电测量
回转内圆柱面的非拼接干涉测量方法
孙昊, 韩森, 唐寿鸿, 王芳
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 717001-0717001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0717001
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摘要 ( 4 ) 引用本文
介绍了一个特殊结构的干涉测试方法和系统,基于Fizeau(菲索)干涉原理,通过一高精度直角圆锥镜来实现圆柱坐标系与直角坐标的转换。该系统可以用来测量360°回转圆柱的表面形貌,并且无需图像拼接,可一次性获取整周的面形数据。通过对系统主成分误差的计算分析,及Matlab软件数值仿真,建立了圆柱坐标系下的误差校正矩阵。并针对一环形样品进行实际测量,测试结果经过主成分误差校正后,与Taylor Hobson接触式圆柱度仪的测量结果一致,通过最小二乘圆(LSC)的圆度评定方法计算得到的圆度误差值十分接近。实验结果表明:该测量方法可有效地实现圆柱体整周表面形貌的测量,解决了目前回转光学元件的测量难度大、测试效率低等问题。
真空低温环境下超大面源黑体现场校准技术
张玉国, 孙红胜, 魏树弟, 杨旺林, 任小婉, 孙广尉, 张林军
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 717002-0717002(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0717002
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摘要 ( 5 ) 引用本文
红外辐射面源黑体应用于特定红外特性目标的模拟,各种红外探测、制导系统的外场测试。随着空间应用的红外成像器的口径的增大,红外辐射面源的口径也相应增大,为了保证超大辐射面黑体的性能指标满足要求,必须对其在真空低温条件下进行性能校准。但目前国内还没有相应计量标准,无法保证测试结果的准确可靠。设计了一种真空低温环境下超大面源黑体现场校准装置,实现对超大面源黑体的发射率、辐射温度、温场均匀性、温度稳定性等性能参数的校准,并取得了较好的试验结果,实现了真空低温环境下超大面源黑体的参数校准。
基于变速扫描技术的大尺寸台阶测量
雷李华, 李源, 蔡潇雨, 魏佳斯, 傅云霞, 邵力
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 717003-0717003(8). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0717003
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摘要 ( 7 ) 引用本文
为了提高大尺寸台阶结构的单边测量精度、缩短测量时间,基于变速扫描技术,并利用傅里叶变换提取法及单边台阶评价算法进行扫描干涉信号的处理,提出并搭建了具有变速扫描功能的白光干涉测量系统。并且利用该系统对标称值为9.976±0.028 μm的台阶标准样板进行了测量,10次重复性测量结果为9.971 μm,标准偏差量为0.007 μm,测量时间仅为35 s,远小于常规扫描方法的222 s,大大缩短了测量时间,因此说明了该系统在大尺寸台阶结构测量中,具有较高的精确性与高效性。
归一化等相面的在线三维测量像素匹配方法
许幸芬, 曹益平, 付光凯, 陈澄, 王亚品
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 717004-0717004(9). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0717004
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摘要 ( 3 ) 引用本文
像素匹配是在线三维测量中的关键技术之一,提出了基于归一化等相面的在线三维测量像素匹配方法。仅投一帧正弦光栅条纹到在线运动的物体上,由CCD再依次移动相同步距时刻同步采集受物体调制的变形条纹图。利用FTP方法预测物体不同位置的相位信息并进行归一化,再以二值化等相面协助像素匹配,不仅实现了物体在各帧条纹图中的像素坐标一一对应,而且归一化减少了由于物体运动产生的不同位置相位展开起始点不一致导致的不同位置相位展开的差异性而引入的误差,同时节省了像素匹配计算量。对最大高度为8 mm的peaks函数型物体的模拟结果表明:均方差为0.021 mm,像素匹配时间上,该方法较直接用FTP方法预测得到的相位为模板进行像素匹配缩短了近2倍,同是实物测量也验证了该方法的有效性和可行性。所提方法不仅可以保证在线三维测量的精度,而且有效地提高了测量速度。
微波光子技术相控阵雷达天线现场校准系统
张业斌, 盛永鑫, 田晓光
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 717005-0717005(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0717005
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摘要 ( 7 ) 引用本文
研究了基于微波光子技术的相控阵雷达天线现场校准技术。介绍了微波光子技术进行相控阵天线现场校准的基本原理,通过利用架设在相控阵天线阵面上的光学探针中的电光晶体的泡克尔斯效应,使得自探针反射的光学信号携带有天线单元的近场辐射信息,在将其进行光电转换后采用外差相干检测的方法来获得信号中所携带的天线单元的幅相信息,便可实现对天线阵面天线单元辐射场信息的快速检测,实验验证系统的电场幅度和相位测量精度可以分别达到0.3 dB和2°,同时该方法对被测天线单元具有侵入性低、抗干扰能力强、体积小等优点,满足相控阵天线现场校准的实际需要,具有很强的工程实用价值。
基于亚像元坐标的像素频率误差补偿方法
胡雄超, 毛晓楠, 吴永康, 闫晓军, 余路伟, 王兆龙
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 717006-0717006(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0717006
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摘要 ( 6 ) 引用本文
详细介绍了一种星敏感器像素频率误差补偿方法并结合实际实验数据对其补偿效果进行验证。首先依据阈值分割的星点提取算法,分析了像素频率误差产生的几个主要原因。然后改进原有的星点质心定位点扩散函数,提出了一种基于亚像元坐标的像素频率误差补偿方法。最后通过星敏感器微步距实验,与正弦曲线法比较。实验结果表明:在视场中心区域,使用该方法对采样点补偿后像素频率误差减少了65.2%,优于正弦曲线法的52.7%;使用视场中心的误差补偿公式对视场边缘的采样点补偿,像素频率误差减少58.7%,优于正弦曲线法的41.9%。由实验结果可得:较之于正弦曲线法,该误差修正方法不仅具有更好的误差补偿效果,而且在视场范围内具有较强的通用性。
光电器件与微系统
基于FPGA的干涉式红外成像光谱仪实时光谱复原研究
殷世民, 高丽伟, 梁永波, 朱健铭, 梁晋涛, 陈真诚
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 720001-0720001(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0720001
全文: HTML (1 KB)  PDF (1490 KB)  ( 14 )
摘要 ( 4 ) 引用本文
对目标的实时探测与识别是当前干涉式红外成像光谱仪领域研究的热点问题,而光谱仪实时光谱复原是有效解决该问题的前提。利用可见光相机模拟干涉仪而得到干涉图信号,利用高速大容量FPGA芯片设计了一种干涉式红外成像光谱仪实时光谱复原系统。系统主要由干涉图数据预处理、实时光谱复原以及光谱显示等模块组成,以流水线方式运行,能够实时输出目标的光谱信息,具有运算速度快、体积小、便于算法升级等优点,为光谱仪对目标的实时探测与识别研究奠定了良好的技术基础。
中红外Ge20As20Se15Te45硫系玻璃光纤光栅光开关
张倩, 张培晴, 曾江辉, 戴世勋, 王训四
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 720002-0720002(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0720002
全文: HTML (1 KB)  PDF (1128 KB)  ( 7 )
摘要 ( 3 ) 引用本文
利用熔融淬冷法制备了Ge20As20Se15Te45硫系玻璃,测试结果表明该玻璃在中红外波段具有良好的红外透过特性和极高的非线性,采用Z-扫描技术测试其中红外三阶非线性系数高达n2=6.72×10-18 m2/W @ 4 μm。以此材料为基质,设计了两种工作在中红外波段的硫系玻璃光纤光栅光开关。利用分布时域传递矩阵法(TD-TMM)和非线性耦合方程模拟计算了光栅光开关的反射谱和波长偏移特性。研究结果表明,通过调节输入光强可以灵活调节光纤光栅的中心波长向短波或长波方向移动,进而可以获得光开关。在调制深度为1×10-3的均匀硫系光纤光栅,获得光开关的功率阈值约为1.6 GW/cm2,当引入相移光栅后,调制深度可以降低为3×10-4,并且其光开关的功率阈值也降低到210 MW/cm2
纳米银立方体与银膜耦合结构的电场特性
易明芳, 祝祖送, 李伶利
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 720003-0720003(6). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0720003
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摘要 ( 6 ) 引用本文
纳米金属颗粒及其与金属膜的耦合结构具有比单元结构更优越的物理性质。为了给实验研究纳米银立方体和银膜耦合结构在传感中的应用提供理论依据,运用FDTD方法数值分析了纳米银立方体与银膜耦合体系在波长为514.5 nm的激光激发下的电场性质。结果表明,耦合结构的电场分布与纳米银立方体的大小、及其与银膜间的介质层厚度有关;纳米银立方体与银膜耦合结构局域电场比纳米银立方体的局域电场强;当其间没有介质层时,局域电场主要分布在纳米银立方体的上表面顶点;当有介质层时,局域电场会有部分转向高折射率介质层中。因此,可根据需要,通过调控纳米银立方体的大小及其与银膜间的介质厚度来获得理想的局域电场。
用于实时微型多光谱荧光成像方法的二维点阵式多通道窄带滤镜
易定容, 孔令华, 刘婷, 王梓, 赵艳丽, 沈嘉浩
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 720004-0720004(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0720004
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摘要 ( 4 ) 引用本文
实时微型多光谱成像方法能够在零机械运动下,单次曝光同时获取目标对应于几个不同特征波段的多幅二维空间光谱图像,具有效率高、体积小、抗震等优点。具有高光密度值的二维点阵式窄带微滤片(简称微滤片)是用于活体荧光成像的实时微型多光谱荧光成像技术的核心部件。首先对微滤片进行优化设计及关键参数的确定,其次研制了既具有二维空间分辨、又有高光学密度值的微滤片。实测结果显示所研制微滤片基本周期单元具有52 μm×52 μm空间分辨率、透过带带宽为24 nm、光密度值高达4、不同光波段通道之间图像信号串扰微弱。该二维点阵式窄带微滤片的成功研制为实时微型多光谱荧光成像技术的应用扫清了障碍,对医疗活体光学病理诊断及使用多荧光探针来探索生命过程的研究有重要意义。
信息获取与辨识
基于局部信息熵最大的多曝光控制方法
侯幸林, 罗海波, 周培培
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 726001-0726001(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0726001
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摘要 ( 6 ) 引用本文
基于融合多幅低动态图像来获取高动态图像的过程中,传统方法中低动态图像获取时对曝光时间选取的策略简单,使拍摄的多幅图像信息冗余较多,严重影响融合效率。提出了一种基于局部信息熵最大准则的多曝光控制方法。讨论了低动态场景图像信息熵与曝光时间的关系,得出了低动态范围场景的图像信息熵随曝光时间的增加呈现先增加后减小的规律,并在某个曝光时间处信息熵最大。对于高动态场景,首先,利用图像平均灰度响应与曝光时间的近似线性关系确定场景的曝光时间范围;然后,根据图像直方图将高动态场景分成若干个低动态范围场景区域;最后,以信息熵最大为优化目标,设计一维搜索算法,搜索各个低动态范围区域的最优曝光时间,直到所有区域都搜索到最优曝光时间。此方法将场景的局部信息熵与曝光时间联系起来,能针对不同的区域进行曝光时间优化,目的性强,有效地避免了传统曝光控制中的缺点,实验证明:用该方法获取的图像进行融合获得了良好的效果。
基于改进LCM的红外小目标检测算法
张祥越, 丁庆海, 罗海波, 惠斌, 常铮, 张俊超
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 726002-0726002(7). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0726002
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摘要 ( 5 ) 引用本文
如何在复杂背景和低信杂比条件下准确检测到小目标对于精确制导武器的发展和红外预警等具有重要意义。为了在复杂背景条件下提高图像信杂比并有效地检测出小目标,提出一种基于中心域与邻域灰度对比度的红外小目标检测方法。通过计算输入图像的对比度图和显著度图,提高了目标对比度同时抑制背景杂波;在此基础上自适应设定阈值分离出小目标。实验结果表明:与传统LCM(Local Contrast Measure)方法相比,所提出的方法能够取得更高的检测率和较低的虚警率,尤其是对于复杂背景下的弱小目标检测,相对于对比算法,优势更明显。
空间碎片探测
53 cm双筒望远镜高重频空间碎片激光测距系统
李祝莲, 张海涛, 李语强, 伏红林, 翟东升
红外与激光工程. 2017, 46 (7): 729001-0729001(5). ;  doi: 10.3788/IRLA201746.0729001
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摘要 ( 4 ) 引用本文
空间碎片的存在对在轨运行航天器的安全构成严重的威胁,同时空间碎片的不断产生对有限的轨道资源也将构成严重威胁。采用激光测距技术可实现空间碎片的实时高精度定轨,从而可有效规避其对航天器的撞击。为了开展高精度小尺寸空间碎片激光测距,研制了可快速平稳跟踪400 km以上空间目标的53 cm双筒望远镜,然后结合低功率高重频亚纳秒激光器和单光子探测技术,在该望远镜上研究和实现了空间碎片激光测距技术。结合激光测距方程,分析研究系统的空间碎片探测能力,当碎片距离为1 000 km时,能探测到回波光子的碎片最小尺寸约为478.5 cm。实际观测表明:该激光测距系统具有探测米级空间碎片(约1 000 km远)的能力。
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