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2013年  6卷  第2期

综述
空间太阳能电站发展及研究
闫勇, 金光
2013, 6(2): 129-135. doi: 10.3788/CO.20130602.0129
摘要:
随着国际能源危机的日益紧迫,空间太阳能电站(SPS)概念受到了世界各国的广泛关注,发展SPS,优化能源结构也成为我国解决能源需要的可靠途径。本文对SPS的起源、概念和发展历程进行了阐述,针对当前SPS典型系统模型,分析和总结了SPS的关键技术。结合我国当前的技术水平和未来科技发展的进步,对我国发展SPS提出了设想,采用先进的轻型薄膜聚光设计概念初步提出了一种新型SPS构型,并介绍了该构型的组成、功能及光路设计。该结构大大减小了系统质量,降低了运载的发射成本和发射难度,可为未来我国SPS的发展提供有益补充和借鉴。
旋转双棱镜光束指向控制技术综述
范大鹏, 周远, 鲁亚飞, 黑墨, 熊飞湍, 李凯
2013, 6(2): 136-150. doi: 10.3788/CO.20130602.0136
摘要:
旋转双棱镜系统通过两棱镜的共轴独立旋转改变光的传播方向,可用于调整光束或视轴指向。与传统的两轴、三轴式光电平台相比,基于旋转双棱镜设计的光束或视轴调整装置具有精度高、结构紧凑、动态性能好等优点,已成为传统光电平台的有益补充。本文分析了双棱镜系统的光束指向调整机制;介绍了国内外相关基础研究的热点问题,主要涉及光束转向机制、光束扫描模式、棱镜回转控制以及棱镜引起的光束变形、成像色差、成像畸变的研究。文中描述了该项技术的应用进展,给出了利用该项技术开发的典型产品以及该项技术在激光光束指向调整和目标搜索、识别与跟踪成像方面的应用。最后,探讨了旋转棱镜在扫描模式、光束质量、成像色差与畸变、回转控制等方面面临的技术难题,并对其发展趋势进行了展望。
舰载激光武器的发展历程及趋势分析
赵建川, 郭汝海, 孙涛
2013, 6(2): 151-155. doi: 10.3788/CO.20130602.0151
摘要:
舰载激光武器作为常规舰载武器的有益补充,已经受到世界各国的普遍关注。本文介绍了舰载激光武器的发展历程,系统阐述了舰载激光武器系统的组成及功能,并分析了它们的主要技术特点及关键技术。最后,论述了舰载激光武器的发展动向,指出自由电子激光器和光纤激光器是未来舰载激光武器的发展重点,而低能、小体积重量的激光器也会逐步用于舰载激光武器,未来舰载激光武器会向小型化、高效率方向发展。
大气痕量气体遥感探测仪发展现状和趋势
赵其昌, 杨勇, 李叶飞, 董长哲
2013, 6(2): 156-162. doi: 10.3788/CO.20130602.0156
摘要:
阐述了大气痕量气体探测技术的发展历程;详细介绍了几种国外先进的大气痕量气体遥感探测仪器的设计理念、工作原理和功能、工作模式、谱段设置和主要技术指标。讨论了我国遥感用星载大气痕量气体探测仪器的发展现状,给出了两种典型探测仪器的工作模式、谱段设置和主要性能指标。指出了未来星载大气痕量气体探测仪器的发展方向是提高遥感仪器的光谱分辨率、空间分辨率、灵敏度和定标精度以及发展主动遥感技术等,意在为我国今后这一领域的发展提供借鉴。
信息光学
多特征融合匹配的多目标跟踪
闫辉, 许廷发, 吴青青, 徐磊, 吴威
2013, 6(2): 163-170. doi: 10.3788/CO.20130602.0163
摘要:
针对复杂背景的视频图像多目标跟踪遮挡问题,提出了一种多特征融合匹配的多目标跟踪方法。基于自适应高斯混合背景模型重构和更新背景策略,实现当前帧背景减除和多目标检测;采用目标的颜色特征、质心位置、运动速度等特征进行融合匹配跟踪;最后,通过区域辅助判定策略将场景下的目标状态分为目标进入场景、目标退出场景、目标暂消、目标重现、目标融合和分裂5种状态,用质心预测方法和遮挡因子辅助匹配来提高匹配正确率。仿真实验结果表明:采用该方法跟踪同一目标和不同目标的相似度平均值分别为0.949 71和0.505 73,优于单一颜色特征信息匹配;目标遮挡结束后重新匹配相似度为0.972 83,实现了复杂背景下具有表面相似性的多目标实时跟踪。
RS码仿真与基于RiBM算法的硬件实现
张绍练, 高世杰, 吴志勇
2013, 6(2): 171-178. doi: 10.3788/CO.20130602.0171
摘要:
分析了里德-所罗门码(RS码)的误码率性能,提出了一种基于RiBM算法的RS(15,9)译码器。该译码器采用流水线结构,通过RiBM算法求解关键方程,在此基础上将高斯加性白噪声(AWGN)引入光纤模拟大气激光通信系统,并在现场可编程门阵列(FPGA)平台上完成了测试。测试结果表明:提出的译码器译码速率达到1.11 Gbit/s,为Altera IP核的3.54倍。RiBM算法具有硬件复杂度低、关键路径延时短的优点,能满足系统译码的要求。
光谱学和光学仪器
声光调制光谱相机的成像漂移
任玉, 蔡红星, 谭见瑶, 谭勇, 张喜和, 郑峰, 马文联
2013, 6(2): 179-186. doi: 10.3788/CO.20130602.0179
摘要:
研究了基于声光可调滤波机理的光谱相机在成像时由声光晶体的色散而产生的图像漂移现象。利用色散补偿法和图像位移补偿法,理论计算并实验测量了声光可调滤波器(AOTF)在可见光(488~644 nm)波段内由晶体外衍射角所引起的图像漂移,并进行了优化实验。采用色散补偿法,调整入射光为准平行光,入射光波长为488~644 nm时,在晶体出射面添加0.6的光楔,晶体外衍射角的变化量可由0.066 50降低到0.004 2,即图像漂移量由162.1 m降低到10.9 m;采用图像位移补偿法,不添加光楔,入射光波长为488~644 nm时,图像水平漂移量可从468 m降低到0.658 m,漂移量在一个像元内。实验表明:基于提出的两种方法可忽略成像漂移对图像的影响,有效提高了基于AOTF机理的光谱相机的成像分辨率。
激光技术与应用
用于空间碎片清除的高功率激光器
APOLLONOV V V
2013, 6(2): 187-195. doi: 10.3788/CO.20130602.0187
摘要:
虽然人类的太空活动已经考虑了尽量减少空间碎片的措施,但近地轨道碎片的数量仍呈指数增长,特别是中小型碎片的现有数量已对在轨卫星构成了实质性的威胁。作为具有较高期待的消除碎片办法,用地基DF激光器和空基Nd:YAG激光器消除碎片的方案令人关注,它们可以以低成本和非破坏性的方式清除空间轨道的危险碎片。本文介绍了使用平均功率为100 kW的高功率、高重复频率P-P Nd:YAG激光器和平均功率约为1.5 MW的DF激光器来保护在轨飞行器和清除直径为1~10 cm空间轨道危险碎片涉及的相关工作。
高重复频率脉冲激光能量测量
冯刚, 冯国斌, 邵碧波, 闫燕, 王振宝
2013, 6(2): 196-200. doi: 10.3788/CO.20130602.0196
摘要:
设计了一种用于高重复频率脉冲激光能量测量的峰值保持电路。电路由电荷积分器、2阶低通滤波器、时间延迟触发器和峰值保持器组成,通过将光电流脉冲转换成电压脉冲,电压脉冲的峰值与对应电流脉冲所包含的能量成正比。实验测量结果表明:该电路可以测量脉宽10 ns,重复频率2 kHz的重频窄脉冲激光的脉冲能量,且工作稳定,其线性动态范围140倍。该电路可应用于光电阵列探测系统中,能实现较高的空间分辨力。
850 nm锥形半导体激光器的温度特性
黄海华, 刘云, 杨晔, 秦莉, 宁永强, 王立军
2013, 6(2): 201-207. doi: 10.3788/CO.20130602.0201
摘要:
采用激射波长为850 nm的AlGaInAs/AlGaAs梯度折射率波导分别限制增益量子阱结构的外延片,分别制备了具有锥形结构和条形结构的半导体激光器,并对比分析了两者的温度特性。结果显示,测试温度为20~70 ℃时,锥形结构器件的特征温度为164 K,远高于条形结构器件的96 K;占空比为0.5%(t=50 s, f=100 Hz),1 000 mA脉冲电流注入条件下,锥形激光器和条形激光器的波长漂移系数分别为0.25和0.28 nm/K;测试温度50 ℃时,锥形激光器和条形激光器的光谱半高宽分别约为1.12和1.24 nm。实验结果表明:相同外延层结构条件下,锥形激光器比条形激光器拥有更高的特征温度。
空间激光与单模光纤和光子晶体光纤的耦合效率
陈雪坤, 张璐, 吴志勇
2013, 6(2): 208-215. doi: 10.3788/CO.20130602.0208
摘要:
为了设计最优光纤耦合系统,利用高斯模场近似单模阶跃光纤的模场和大模面积光子晶体光纤的模场,推导出了理想情况下空间激光与这两种光纤的耦合效率解析表达式以及光纤端面相对于耦合系统存在横向偏移和端面倾斜时的耦合效率解析表达式。基于上述理论表达式计算了空间激光与光纤的耦合效率,并通过实验验证了此理论表达式的有效性。理论计算和实验均证实了单模阶跃光纤对于横向偏移更敏感,当横向偏移量等于单模光纤的纤芯半径时所对应的耦合效率只有20.25%,为理论最大值的1/4;而大模面积光子晶体光纤对于端面倾斜更加敏感,当端面倾斜2时对应的耦合效率只有40.5%,为理论最大值的1/2。所提出理论表达式和实验方法完全可以为设计光纤耦合系统提供准确的参数。
光学功能材料
纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟
彭国良, 闫辉, 刘峰, 杜太焦, 王玉恒
2013, 6(2): 216-222. doi: 10.3788/CO.20130602.0216
摘要:
考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程,给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例,编程计算了材料的激光烧蚀过程,计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明:考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确;较强功率密度激光辐照时,氧化对烧蚀的贡献可以忽略;功率密度一定时,烧蚀质量随时间近似为线性变化,功率密度越高,烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量,对烧蚀过程做了参数敏感性分析,结果表明:热容及热导率对背表面温度的影响较大;树脂含量对烧蚀质量的影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降;激光功率密度超过1 kW/cm2时,辐射系数对烧蚀质量影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。
光学设计与工艺
便携式双波段荧光眼底血管造影仪的光学设计
葛婧菁
2013, 6(2): 223-230. doi: 10.3788/CO.20130602.0223
摘要:
基于Gullstrand-Le Grand眼模型设计了一款便携式双波段眼底造影仪的光学结构。考虑人眼光学系统的像差并使用共轴式照明,设计了在主波段525和826 nm下全视场200万像素高清晰成像的光学系统,该系统可实现吲哚菁绿血管造影和荧光眼底血管造影两种方式成像。为了避免角膜中心具有大曲率而引入杂散光,照明系统采用环形光阑、中空反射镜和共轴式照明相结合的方法。为了达到系统的便携性和成像清晰性,在摄影系统中加入两个非球面结构。实验结果表明:本系统具有较大的调节能力,对-10 m-1~+8 m-1人眼普遍适用,系统可实现30的眼底拍摄,眼底分辨率108 lp/mm,畸变10%,达到了便携式双波段眼底造影仪的使用要求。
内掩式透射地基日冕仪中杂光鬼像的消除
卜和阳, 卢振武, 张红鑫, 孙明哲
2013, 6(2): 231-236. doi: 10.3788/CO.20130602.0231
摘要:
为了消除杂散光对日冕仪成像质量的影响,分析了工作波段为530~555 nm的内掩式透射地基日冕仪(其视场为1.1~3R⊙,分辨率为13.5 m,口径为120 mm,系统F数为8.2)物镜的多次反射形成的鬼像。基于鬼像形成原理,完成建模模拟,提出了结构性遮拦措施,并通过实验论证了遮拦结构对鬼像有良好的遮拦效果,同时验证了鬼像的光强和物镜边缘衍射光基本一致。实验还显示:鬼像的尺寸和模拟基本一致,直径均约为0.9 mm。消除鬼像后,内掩式透射日冕仪消杂光能力和成像质量进一步提高,实现了对日冕的有效观测。
大气与空间光学
低轨道轻质星载一体化空间光学遥感器的热设计
江帆, 吴清文, 刘巨, 李志来, 杨献伟, 于善猛
2013, 6(2): 237-243. doi: 10.3788/CO.20130602.0237
摘要:
根据空间光学遥感器的轨道特点和任务需求,通过仿真分析对其进行了热设计。考虑近地空间环境的特殊性,选择防原子氧布作为多层隔热材料的面膜。为减小遥感器框架上安装的星上设备对遥感器温度的影响,设计了大热阻安装结构并使用了聚酰亚胺隔热垫。根据离轴三反光学遥感器及星载一体化卫星的结构特点,划分了主动加热区域,分配了加热功耗。由于遥感器对地观测频率低、工作功耗小、工作时间短,CCD焦面组件不设置散热面。根据遥感器的轨道参数和姿态,确定了3个典型工况并对其进行了仿真分析和热平衡试验。结果显示,遥感器本体温度为(184) ℃、光学元件温度为(182) ℃、CCD温度30 ℃,得到的仿真分析结果和试验数据验证了遥感器热设计的有效性。
光学仪器与测试
菲索干涉仪中精确移相的实现
苏志德, 史振广, 彭吉, 隋永新, 杨怀江
2013, 6(2): 244-250. doi: 10.3788/CO.20130602.0244
摘要:
为了实现移相式菲索干涉仪对光学元件面形的高精度测量,建立了干涉仪同步采集移相系统,并对精确移相方法进行了研究。介绍了移相系统的构成和工作原理,计算了测量过程中移相器的速度。针对PZT移相器在移相过程中会引入离焦误差,并存在加速段和减速段的问题,详细设计了移相器的行进过程。最后,对移相器的性能进行了标定。在改造后的干涉仪上开展了重复性验证实验,结果表明:干涉仪可以获得/11 340的RMS测量重复性。对改造后干涉仪与Zygo公司生产的Verifire XP/D干涉仪的测量精度做了比对实验,结果显示:相同元件下两者测量结果的面形RMS之差约为0.9 nm,表明提出的移相系统及移相方法在重复性和准确度方面都能满足纳米级面形测量的要求,为研制高精度移相干涉仪奠定了基础。
扫描式测风激光雷达的风场反演
李丽, 王灿召, 谢亚峰, 董光焰
2013, 6(2): 251-258. doi: 10.3788/CO.20130602.0251
摘要:
为了解决扫描式测风激光雷达斜上方空域三维风场分布探测的难题,提出采用多点规则采集、四波束分组结算、多区域融和的方式进行观测区域的风场反演。以速度可控的硬目标作为研究对象,通过比较合成后的风速大小与控制速度的差异验证了该反演方式的有效性。通过设计精度试验,对实际风场进行测量。对雷达测量结果与三维超声波风速风向仪测量数据进行对比,结果表明:采用该风场反演技术对距离400 m内的风场进行推算,风向精度优于5,风速精度优于2 m/s,能够准确描绘探测区域的风场信息。
用表面等离子体共振传感器检测纳米间距
王二伟, 鱼卫星, 王成, 卢振武
2013, 6(2): 259-266. doi: 10.3788/CO.20130602.0259
摘要:
结合物理光学原理和表面等离子体共振(SPR)角度传感器,提出了可以突破衍射极限的纳米间距检测方法。在理论上建立起纳米间距和位相改变量之间的函数关系,借助于SPR角度传感器的高灵敏性,提出通过检测出射光束振动方向的p分量和s分量的位相差值来实现纳米间距的实时检测。模拟结果显示:纳米间距改变量从-0.5~0.5 m变化时,位相改变量可实现-150~150的变化,检测灵敏度1 nm。该检测方法能够实现10 nm以下间距的灵敏检测,且具有结构简单,易于操作,实时检测的特点。
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