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2014年  7卷  第4期

综述
光纤光栅传感信号解调技术研究进展
吴晶, 吴晗平, 黄俊斌, 顾宏灿
2014, 7(4): 519-531. doi: 10.3788/CO.20140704.0519
摘要:
光纤光栅传感器是一种新型传感器,有着非常广泛的应用前景。限制光纤光栅传感器大量实际应用的主要障碍是传感信号解调,因而,光纤光栅传感信号解调是光纤光栅传感器应用的关键技术之一。本文对现有已报道的光纤光栅传感信号的解调方法进行综述,并归类为:边缘滤波法、匹配滤波法、可调谐滤波法、光源波长可调谐扫描法、射频探测法、光栅啁啾法、CCD分光仪法、干涉法。对各种方法的原理及相关改进方法进行了阐述,并对其优缺点做了比较分析,最后,对光纤光栅传感信号的解调技术发展进行了展望。
3.5 m口径空间望远镜单块式主镜技术展望
李宗轩, 金光, 张雷, 孔林
2014, 7(4): 532-541. doi: 10.3788/CO.20140704.0532
摘要:
主反射镜的口径大小与结构形式在极大程度上决定了空间望远镜的技术难度与经济成本。为了实现更高的空间分辨率与更强的信息收集能力,各国研制的空间望远镜主反射镜的口径朝着越来越大的趋势发展,从哈勃空间望远镜(HST)的2.4 m,到新世界观测者空间望远镜(NWO)的4 m,甚至到先进技术大口径空间望远镜(ATLAST)的8 m,无不体现了对超大口径空间观测能力的追求。而单块式主镜凭借其支撑技术的可靠性与经济性,正成为超大口径空间望远镜的首选。通过对国外研制的超大口径空间望远镜的论述与分析,探讨了目前空间望远镜中超大口径主反射镜的关键技术与发展方向。针对目前国内运载能力与光学制造加工能力的极限,提出了建造基于3.5 m口径主镜的空间望远镜设想。
航空成像系统检调焦技术分析与展望
黄厚田, 王德江, 沈宏海, 高玉军
2014, 7(4): 542-551. doi: 10.3788/CO.20140704.0542
摘要:
介绍了航空成像系统的特殊工作环境及应用需求对检调焦技术的要求,讨论了当前3种主要检调焦方法:程序标定法,光学自准直法及图像对比度法,总结并比较了3种方法的检调焦精度、检调焦时间等性能指标。最后着重讨论了基于光场成像理论与光学系统离焦深度之间的关系,对基于光场成像原理的快速检调焦技术进行了深入的分析、讨论,并对该技术在航空成像系统的应用前景进行了展望分析。
大口径轻质SiC反射镜的研究与应用
赵汝成, 包建勋
2014, 7(4): 552-558. doi: 10.3788/CO.20140704.0552
摘要:
介绍了大口径轻质碳化硅反射镜镜坯的基本结构、性能测试指标、国内应用及发展前景;阐述了碳化硅凝胶注模成型(Gel-casting)、反应烧结SiC(RB-SiC)与压力成型、常压烧结SiC(SSiC)两种国内主要制备大口径轻质碳化硅反射镜的方法;并对两种方法制备得到的1.45 m碳化硅镜坯的性能、测试数据及光学加工后的光学特性进行分析和比对,提出存在的问题,以供商榷,进而促进国内大口径轻质碳化硅反射镜的研究和发展。
信息光学
面向脑血管分割的改进型非局部均值滤波算法研究
陈星, 宋智洋, 周明全, 武仲科, 王醒策
2014, 7(4): 572-580. doi: 10.3788/CO.20140704.0572
摘要:
介绍了经典非局部均值滤波算法与Manjn非局部均值滤波算法,改进了非局部均值滤波方法的相似度权值,使算法在具有旋转平移不变性,保持时间复杂度的同时优化了视觉效果与信噪比。实验通过添加噪声标准差从10~100不等的高斯加性噪声,比较了改进后的算法与传统滤波算法以及Manjn非均值滤波算法,结果表明,改进后的算法无论从视觉上还是数值上都优于Manjn非均值滤波算法。
带噪声模拟仿真星图的实现
支帅, 张刘, 李欣璐
2014, 7(4): 581-587.
摘要:
本文对星敏感器的姿态参数进行仿真计算,实现了观测星的提取及星图模拟。根据二维高斯分布模型对星点进行灰度弥散;考虑了噪声等因素的影响,实时模拟星敏感器在轨状态下拍摄星空的真实星图。实验证明,通过仿真模拟在轨运行卫星所拍摄的星图,可以为星敏感器星点提取、星图识别、姿态解算等功能算法提供验证。
光谱学和光谱仪器
飞秒超快光谱技术及其互补使用
乔自文, 高炳荣, 陈岐岱, 王海宇, 王雷
2014, 7(4): 588-599. doi: 10.3788/CO.20140704.0588
摘要:
超快光谱技术是研究物质激发态过程的重要手段,本文对飞秒时间分辨荧光技术和飞秒泵浦探测技术这两个重要的超快光谱技术进行了详细介绍,阐述了系统的原理、光路及数据处理方法,给出了不同的实现方法并比较了其优缺点。最后通过一个实例说明这两个技术的互补性,通过结合使用两个系统,能够对科学问题进行更全面可靠的研究。
基于冷中子谱的紧凑型中子自旋倒相器设计
李新喜, 王燕, 王云, 黄朝强, 张莹
2014, 7(4): 600-607. doi: 10.3788/CO.20140704.0600
摘要:
为节省极化中子散射谱仪传输光路的空间,实现特定冷中子谱的极化中子高效率自旋翻转,使用在空间上自然衰减的前端多层膜极化器静磁场作为中子自旋倒相器的导向磁场,在空间上形成了紧凑型冷中子自旋倒相器设计模型。介绍了实际模型物理参数的计算方法。对前端极化器静磁场在空间上的自然衰减进行了实验测试,根据测试结果及拟使用冷中子波段,针对设计的紧凑型中子自旋倒相器的相关参数进行了优化计算。模拟了极化中子在实际复合磁场中的自旋翻转图像,计算了自旋倒相器的翻转效率。对设计的紧凑型中子自旋倒相器进行了翻转效率物理实验测试,测试结果表明:设计的中子自旋倒相器翻转效率可在99.2%以上,达到了预期设计指标,可用于极化冷中子散射谱仪。
光学功能材料
飞秒激光直写生物凝胶模板原位合成纳米粒子
刘东旭, 夏虹, 孙允陆, 陈岐岱, 董文飞
2014, 7(4): 608-615. doi: 10.3788/CO.20140704.0608
摘要:
为了制备具有可控复杂形状和特定化学性质的聚合物微结构,提出了一种飞秒激光直写生物凝胶模板原位合成纳米粒子的方法。首先,采用飞秒激光直写技术加工带有COOH基团的复杂三维结构的生物凝胶模板,用氢氧化钠处理使COOH基团离子化为COO-基团;然后,用金属盐溶液处理,使金属离子与COO-基团螯合,形成纳米粒子结晶核。通过多次循环盐溶液处理步骤,控制模板中纳米粒子的粒径与含量。实验结果表明:所制备的生物凝胶模板具有亚100 nm分辨率和10 m量级尺寸,纳米粒子含量高达9%。该法简单高效,具有很好的应用前景。
光学设计与工艺
纳米级面形精度光学平面镜加工
张峰
2014, 7(4): 616-621. doi: 10.3788/CO.20140704.0616
摘要:
为实现纳米级面形精度光学平面镜的高效精密抛光,提出了一种由传统环带抛光技术和先进离子束抛光技术相结合的组合式加工方法。介绍了环带抛光技术和离子束抛光技术的原理,通过实验研究了离子束抛光的材料去除函数,并采用这种组合抛光方法对口径为150 mm的平面镜进行抛光,抛光后平面镜的面形误差和表面粗糙度分别达到1.217 nm RMS和0.506 nm RMS。实验结果表明,这种组合抛光技术适合纳米级面形精度光学平面镜的加工。
高速切换紧凑型双视场无热化红外光学系统设计
曲贺盟, 张新
2014, 7(4): 622-630. doi: 10.3788/CO.20140704.0622
摘要:
采用透射二次成像光学系统结构形式,实现了远射比为1,F数为1.67,变倍比为4.6的红外双视场光学系统设计。采用光学元件切换变倍方式,配合电磁阀切换机构实现了60 ms的变倍速率;采用光学被动补偿方式,通过适当的光学和结构材料匹配,实现了-40~+50℃无热化设计。设计结果表明:光学系统在不同温度下各视场调制传递函数在特征频率为20 lp/mm时接近衍射极限,空间排布紧凑,视场切换速度快,该双视场红外光学系统满足应用需求。
超长焦距红外双视场光学系统设计
白玉琢, 木锐, 马琳, 贾钰超, 普群雁, 薛经纬
2014, 7(4): 631-637. doi: 10.3788/CO.20140704.0631
摘要:
设计了一种超长焦距中波红外双视场光学系统,该系统采用二次成像结构,通过透镜轴向移动实现变焦功能。设计结果表明,该系统可以实现超长焦距600~150 mm的变焦功能,且中心视场在探测器特征频率20 lp/mm处的光学传递函数值高于0.5,接近衍射极限,能够很好地满足军事侦察对远距离目标同时搜索和瞄准的要求。
用于图像拼接的电视摄像光学系统
史光辉, 杨威
2014, 7(4): 638-643. doi: 10.3788/CO.20140704.0638
摘要:
采用图像拼接的方法获得了大视场、高角分辨率的电视摄像。用单心球透镜将无穷远目标成一以球透镜球心为圆心的球面像,用围绕球透镜的中继物镜阵列中的每一个中继物镜,按各自对应的球面上的一部分,成像在面阵CCD像面上,最后经电视图像处理技术将这些图像合拼成一幅图像。本文还给出了一个中继物镜阵列最多可由2020个中继物镜组成的设计结果,焦距为457.9 mm,视场为 120104.8,像素达到85亿、角分辨率为8。用3个这样的系统,还可以实现360全景式高分辨率摄像。这是一个在军事侦查、机场安全监视、空中和地面预警、航天摄影以及体育报道等方面具有广泛应用前景的新型电视摄像技术。
高光谱成像仪等效焦面装调模组设计
高志良
2014, 7(4): 644-650. doi: 10.3788/CO.20140704.0644
摘要:
高光谱成像仪CCD组件在装调时,纵向需要满足20 m焦深要求,横向需要实现光谱维、空间维的对准。为了避免检测时对昂贵的CCD频繁安装、拆除,设计了一种等效焦面装调模组。等效模组按照CCD组件的实测尺寸精密制造,提供了可供显微镜观察的模拟光谱像。通过测量实际光谱像和模拟光谱像的位置差别能够获取修磨垫的修整量,并实现光谱像和CCD像元的横向对准。试验表明,存在工具显微镜测量误差、修磨垫加工误差、互换性误差时,光谱像面各处离焦量均小于焦深。试验中仅用3次迭代即达到MTF为0.3的要求,提高了装调效率和操作安全性。
光学仪器与测试
谐振式集成光学陀螺解调特性分析
郭丽君, 宁亮, 孔梅, 陈拓源
2014, 7(4): 651-656. doi: 10.3788/CO.20140704.0651
摘要:
基于激光器频率谱检测技术,沿着光的传输方向分析了光波在谐振式集成光学陀螺系统中的传播,结合输入信号特征,建立频域内的数学模型,通过数值仿真和实验得到了调频检测系统下的解调曲线。按照光的传输方向:激光器、声光晶体移频器、光波导环形谐振器、探测器,利用贝塞尔函数展开和光场耦合模理论分析了谐振式集成光学陀螺解调特性,及其调频调制检测系统解调输出信号与谐振频率偏差之间的关系。通过数值计算,分析了解调曲线的变化规律,得到了施加在激光器压电陶瓷驱动器上调制波形的最佳调制系数。在实验上搭建了激光器频率调制解调技术系统,得到了解调曲线。数值仿真和实验结果表明,当调制系数M=2时,线性工作区间斜率最大,解调曲线最好。实测形状与理论分析结果相符,从解调信号得到2103 rad/s的陀螺动态范围。
大面积准直型太阳模拟器的设计与研制
高雁, 刘洪波, 王丽, 顾国超
2014, 7(4): 657-664.
摘要:
设计并研制了一种大面积准直型太阳模拟器,其有效辐照面直径达到1 100 mm,平均辐照度达到1.3个太阳常数(AM0),光束准直角为1.59。首先给出了太阳模拟器的光学系统,分别从光源选择和布局,椭球镜设计和准直镜设计进行了阐述;介绍了太阳模拟器的光机结构;进行了系统的仿真和实现。实验表明,太阳模拟器的平均辐照度达到1 760 W/m2,辐照不均匀度达到4.6%,辐照体不均匀度达到5.96%,辐照不稳定度达到1.36%,光谱匹配在300~1 400 nm波长范围内满足ASTM E927-10中AM0 B级要求,为航天有效载荷的热真空试验和热平衡试验提供了一个准确可靠的平台。
扫描镜稳定度对TDI CCD测量精度的影响
贺小军, 曲宏松, 张贵祥, 王金玲
2014, 7(4): 665-671. doi: 10.3788/CO.20140704.0665
摘要:
利用TDI CCD成像数值仿真模型,研究了TDI CCD测量系统的测角精度随扫描镜速度稳定度的变化规律。首先根据TDI CCD推扫成像的物理过程,建立了数值仿真模型,设计了从光学像和扫描镜稳定度到数字图像的仿真链路;然后利用图像重心计算方法求取图像中心坐标并得到目标点的角位置坐标;通过蒙特卡诺法进行海量打靶试验,对结果进行统计得到扫描镜各稳定度水平上的测量精度值;最后将某工程样机的扫描镜速度稳定度带入仿真模型,仿真结果表明:测试误差增大5.67 rad,达到了像元角分辨率的1/4。在光学测量系统的系统设计时,需要考虑像元分辨率及扫描镜稳定度的综合影响,选用合适的扫描镜稳定度要求,使测量角分辨率满足用户需求。
自适应光学系统校正后实际分辨率评价指标
卫沛锋, 刘欣悦, 林旭东, 董磊, 王鸣浩
2014, 7(4): 672-678. doi: 10.3788/CO.20140704.0672
摘要:
为了评价地基大口径望远镜对空间目标自适应光学系统校正后的实际分辨率,提出了可分辨单元数比指标。结合1.23 m自适应光学望远镜的观测数据,对可分辨单元数比的物理意义、适用范围、误差影响因素以及大气弥散的影响进行了分析。结果表明:可分辨单元数比能全面反映望远镜系统对空间目标自适应校正后的实际分辨率,且物理意义更直观;适用于所有可获取波前特征的望远镜自适应校正后实际分辨率的评估;其误差主要依赖于波前探测器的测量误差;大气弥散对其影响可忽略。
微纳光学
蓝紫光氮化镓光子晶体面射型激光器
洪国彬, 杨钧杰, 卢廷昌
2014, 7(4): 559-571. doi: 10.3788/CO.20140704.0559
摘要:
设计、制作了蓝紫光氮化镓光子晶体面射型激光器结构,并测量其光学性质,探讨了光子晶体的晶格常数、边界形状及晶格种类对激光器特性的影响。激光器结构采用有机金属化学气相沉积法配合电子束光刻及感应耦合等离子体干蚀刻等技术制作。由角度解析光致发光系统测得绕射图案、激光发射光谱及发散角等光学性质。同时,使用平面波展开法及多重散射法计算光子晶体的能带结构与阈值增益。由实验结果得出,可由改变光子晶体的晶格常数达到调变激光器操作模态的目的。此外,光子晶体的边界形状对激光器波长及半高宽并无显著的影响,但圆形边界的阈值激发能量密度比六角形边界低0.3 mJ/cm2。另一方面,将六角晶格、四角晶格与蜂巢晶格的晶格种类进行比较,蜂巢晶格具有较小的激发能量密度(1.6 mJ/cm2)及发散角(1.3),而四角晶格的激发能量密度(3.8 mJ/cm2)及发散角(2.2)为三者之中最大。多重散射法求得的阈值增益与实验结果相吻合,可视为快速有效设计光子晶体激光器结构的工具。本文研究成果对今后发展高功率蓝紫光氮化镓光子晶体面射型激光器具有指导意义。
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