滚仰式光电吊舱地理导引实现与误差分析

为了提升地理导引精度和成功率,根据滚仰式光电吊舱的结构特点,通过建立坐标系统、目标坐标求解和框架角解算三个步骤,完整构建了地理导引的数学模型,并在此基础上引入了速度前馈和小区域搜索模式。同时,对受惯导测量误差和目标距离影响的框架角解算误差进行了数据仿真。结果表明:经纬误差和航向角误差对俯仰角的解算误差影响较大;而高程误差和水平姿态角误差则对横滚角的解算误差影响较大。提升惯导的定位精度,可进一步减小框架角解算误差,从而提升地理导引精度,而当航向角<0.1°,水平姿态角<0.05°时,姿态角误差的影响权重会变小,再通过减小姿态角误差提升导引精度的作用已不明显。随着目标距离的增大,框架角解算误差会急剧减小。最后进行了导引试验,其俯仰、横滚角均方差均小于0.12°,表明了算法的准确性和仿真分析的有效性。

以产业需求为导向的光电专业人才培养模式改革与实践

从光电产业面临的挑战和趋势出发,简述了地方高校光电专业人才培养现状,通过分析地方高校光电专业人才培养存在的问题及掣肘因素,探索突出特色定位、重构课程体系、企业深度参与的光电专业人才培养模式,为应用型创新人才培养提供了有效途径。

一种可调焦离轴两反光学系统精密调校工艺技术研究

针对可调焦离轴两反光学系统的精密装调,提出了一种共基准调校方法,使导轨导向与主镜和次镜光轴均以同一基准进行精确调校,实现导轨运动轴线与主镜和次镜光轴平行。主镜、次镜系统光轴一致性调试采用初调整和精调整两步完成,初调整实现主镜和次镜基本位于理论安装位置,降低装调误差,然后进行计算机辅助装调,实现主镜和次镜光轴一致性精调整,使系统波像差满足要求。实验结果表明:无穷远处系统波像差RMS达到(1/15)λ(λ=632.8 nm),系统衍射分辨率达到0.64″,系统调焦至10 mm处,实测主镜、次镜系统所成焦距为1608 mm,系统分辨率为2.6″,达到设计要求。

引入重要度修正因子的复杂光电系统可靠性分配研究

以某新型复杂光电系统为研究对像,针对传统评分分配法客观性差、分配偏差大的缺点,构建重要度修正因子,提出了一种引入重要度修正因子的可靠性评分分配法。首先,运用模糊层次分析法,得到功能单元对上级功能单元/系统可靠性影响的相对重要度;然后,基于相对重要度,按照专家评分规则,得到功能单元对上级功能单元/系统可靠性影响的绝对重要度;最后,基于相对重要度和绝对重要度,构建功能单元重要度修正因子,以此修正各功能单元的评分结果。经对比验证,关重功能单元可靠性分配值较传统评分分配值至少提高6%,引入重要度修正因子的评分分配法能有效削弱传统评分分配法的主观影响,释放关重功能单元可靠性余量,提高功能单元可靠性分配的科学性、合理性,进而提高复杂系统可靠性设计水平。

滚仰式光电吊舱对地目标的平移运动补偿

由于挂载于某无人飞行平台上的滚仰式光电吊舱具有极大的速高比,因此在对地观测时,会在光电传感器的曝光时间内产生较大像移,使图像变得模糊不清,从而影响成像质量;同时,快速刷新的视频场景使操作手很难发现感兴趣的目标,也给跟踪捕获带来困难。针对此情况,本文提出利用惯导及光电吊舱信息求取相对目标运动的角速度,并通过设备的反向运动补偿来消除载体平移运动的不利影响。同时,本文还给出了补偿的应用条件限制及误差分析,并就目标距离、补偿角速度与观测角度、飞行高度的关系进行了仿真,接着对惯导测量误差及框架角误差对补偿角速度误差的影响进行了仿真分析。经过实际的挂飞试验验证表明:在不考虑光电吊舱运动范围受限情况下,光电视轴可长时间持续稳定地指向任一目标区域,输出清晰稳定的图像而不受载体平移运动的影响,从而给操作手的观测及操作带来极大便利。

高重频飞秒激光高效加工太赫兹滤波器核心结构

高频太赫兹滤波器的核心结构具备跨尺度、大去除量、高精度等特点,为实现核心结构高效精密加工,加工技术的选择尤为重要。与常见的机械加工、光刻工艺、MEMS等技术相比,飞秒激光加工技术具有材料普适性强、流程简单、可实现薄壁结构精密加工等优点。以中心频率850 GHz的太赫兹滤波器核心结构设计为输入,利用飞秒激光加工技术开展太赫兹滤波器核心结构的加工实验研究。考虑到低重频飞秒激光不满足高效加工的实际要求,选择高重频飞秒激光作为加工光源,在加工策略精准设计和加工参数精准优化的条件下,实现了高频太赫兹滤波器核心结构的高效精密加工。研究结果表明,高重频飞秒激光加工的太赫兹滤波器,其中心频率测试值与设计值接近。因此,高重频飞秒激光加工技术成为太赫兹滤波器核心结构加工的可选手段。

红外超宽带分光镜研究

超宽带分光镜是光谱分析系统中不可缺少的光学元件,其性能直接影响傅里叶红外光谱仪的测试精度。依据光学薄膜理论,选用Ge、ZnSe和YbF_(3)作为镀膜材料,结合基板实际光谱曲线,通过光谱补偿设计方法,结合TFC软件完成膜系设计。采用电子束蒸发离子束辅助沉积技术进行薄膜制备,通过优化沉积工艺,解决了分光镜制备过程中膜厚控制误差大导致光谱差的问题。使用Spectrum Two傅里叶红外光谱仪进行检测,在45°入射时,2.5μm~20μm波段的平均分光比为52:45.5,且环境测试结果显示,分光镜具有良好的稳定性。

基于CMOS有源超材料的生物分子的自旋太赫兹传感

基于互补金属氧化物半导体(CMOS)有源超材料,通过结合自旋太赫兹源,对生物分子的太赫兹频段指纹谱进行传感检测。对比基于自旋太赫兹源和基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统测量的3种不同生物样品的指纹谱特征峰,验证了自旋太赫兹源测量生物样品的可行性。同时,提出一种基于CMOS有源超材料的生物分子太赫兹传感方案,仿真结果表明CMOS调控器件对生物样品的扫描测试表现为生物透射峰与器件谐振峰变化统一。当吸收峰位于器件的调控范围内时,随着加电压的增大,生物透射谱谐振频率减小,出现红移,最大红移量达到40 GHz。因为不同的生物样品有不同的吸收峰,根据不同的太赫兹指纹谱吸收峰的位置设计了5种对应中心频率的CMOS有源超材料,为实现生物分子太赫兹传感系统的小型化和集成化提供了理论及实验基础。

小型无人机载横滚-俯仰结构光电载荷前向对地扫描技术研究

针对小型无人机平台光电载荷的挂载方式以及应用需求,提出了基于横滚-俯仰结构光电载荷实现前向对地宽区域扫描的技术方案。构建了扫描状态数学模型,提出了光电载荷依据平台参数实现扫描幅宽最大化的控制参数寻优方法,通过算例数据分析了寻优方法的合理性,并测试了寻优方法的实时性特点;采用仿真方法和挂飞方法测试了光电载荷前向对地宽区域扫描的技术状态。测试结果表明:扫描控制参数寻优方法得到的参数是最优的,在目标嵌入式平台上运行耗时少于40 ms,具备在线实时优化能力;所提扫描方法在一定平台扰动下仍可以较好地实现前向对地连续覆盖,扫描中视场重叠率是动态变化的,越靠近扫描边缘区域相邻视场的重叠范围越小;扫描范围应选取横向两端扫描控制点间所夹区域,避免扫描边缘区域因重叠率过小而产生漏扫现象。

无人机载光电载荷自主侦察的参数计算与分析

自主侦察是无人机载光电载荷的一种自动化、智能化侦察模式,参数计算则是自主侦察应用的前提。首先介绍了无人机载光电载荷的自主侦察模式;然后对该模式无人机自动巡航飞行速度和飞行高度,光电载荷的传感器视场角、俯仰角、扫描角速度、扫描角度范围等参数进行了计算,并分析了各个参数的物理意义及相互关系,以及对目标识别率、侦察时间等自主侦察效果的影响;最后举例进行仿真计算和分析,并指出在实际应用中存在的问题,为该模式的实际应用提供了理论依据。

一种双视场电视/激光测距接收共光路一体化机设计

设计了一款双视场电视与激光测距接收共光路一体化机。根据应用需求,首先对CMOS、雪崩管器件选型;其次对光学、机械、电气部分进行设计,采用共用前物镜组,并利用镀有光谱分光膜的分光镜以及中继镜组,实现电视双视场与激光接收的共光路光学系统设计,电视大视场用于搜索目标,电视小视场用于跟踪目标,激光测距接收单元用于接收激光回波;然后采用主镜筒与整机壳体一体化设计,并以整体铸造方式进行加工,提高一体机整体结构强度;最后采用双H桥电机启动芯片并联设计,提高运行额定电流,并根据限位开关检测结果,实现电机对传动部件的精准限位控制。对设计结果进行分析,结果表明:设计的一体机大/小视场像质良好、像面稳定,激光测距接收单元工作状态良好。

反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定误差分析

为满足各类装备平台对反射镜式光电系统光路内嵌复合轴高精度稳定的需求,针对实际研制中各类误差源相互耦合难以控制的难题,文中基于反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定的原理,从理论上分析了快速反射镜角度与瞄准线角度关系线性化、陀螺和快速反射镜安装正交性误差以及快速反射镜测角精度对系统瞄准线稳定误差的影响,建立了瞄准线稳定误差与上述影响因素之间量化数学模型,并根据量化模型开展了计算仿真实验。仿真结果表明,在瞄准线稳定误差要求为2μrad级别时,快速反射镜角度与瞄准线偏转角度关系不能采用简化的线性化处理,陀螺安装误差应小于0.005 mrad,快速反射镜的安装误差应小于0.003 mrad,快速反射镜的测角精度应达到0.001 mrad。在实际应用中,在保证快速反射镜测角精度的基础上,应对陀螺和快速反射镜安装误差进行校准补偿,确保陀螺和快速反射镜安装误差产生的瞄准线稳定误差绝对值之和小于瞄准线稳定精度要求。

基于改进U^(2)-Net网络的金属涂层剥落与腐蚀图像分割方法

针对金属涂层缺陷图像分割中存在特征提取能力弱和分割精度低的问题,提出了一种改进的U^(2)-Net分割模型。首先,在U型残差块(RSU)中嵌入改进的增大感受野模块(receptive field block light,RFB_l),组成新的特征提取层,增强对细节特征的学习能力,解决了网络由于感受野受限造成分割精度低的问题;其次,在U^(2)-Net分割模型的解码阶段引入有效的边缘增强注意力机制(contour enhanced attention,CEA),抑制网络中的冗余特征,获取具有详细位置信息的特征注意力图,增强了边界与背景信息的差异性,从而达到更精确的分割效果。实验结果表明,该模型在两个金属涂层剥落与腐蚀数据集上的平均交并比、准确率、查准率、召回率和F_1-measure分别达到80.36%、96.29%、87.43%、84.61%和86.00%,相比于常用的SegNet、U-Net以及U^(2)-Net分割网络的性能都有较大提升。

基于L-DeepLabv3+的轻量化光学遥感图像道路提取

针对DeepLabv3+在进行光学遥感图像道路提取任务时,存在模型参数量大、细节提取效果差等问题,提出一种改进DeepLabv3+的轻量化道路提取模型L-DeepLabv3+。首先通过将主干网络替换为MobileNetv2来减少模型参数量;其次,在编码层中设计一个改进的空洞空间卷积池化金字塔模块。该模块通过嵌入一个通道空间并联注意力模块和YOLOF模块来增强模型特征表达能力,并且将普通卷积替换为深度可分离卷积进一步减少模型参数量;最后组合采用Dice_loss和Focal_loss作为损失函数来解决正负样本不均衡问题。实验结果表明:L-DeepLabv3+在DeepGlobe Road数据集上进行道路提取的交并比达到68.40%,像素准确率达到82.67%,且模型参数量仅为5.63 MB,FPS达到72.3,与其他模型相比具有明显提升,实现了模型精度与轻量化之间更好的平衡。

美国定向能机动近程防空计划进展分析

美国定向能机动近程防空(directed energy maneuver-short range air defense,DE M-SHORAD)计划通过击伤、摧毁或压制旋转翼无人机、固定翼无人机以及火箭弹、火炮炮弹、迫击炮弹(rockets,artillery and mortar,RAM)等威胁目标,为机动部队提供伴随防空,对抗新兴威胁,属于美国陆军防空反导现代化的优先项目之一。首先介绍了DE M-SHORAD研制计划;其次详细分析了系统结构,并由系统参数评估了系统的作战性能;最后梳理了系统的研制进展。通过综合分析可知,DE M-SHORAD系统采用最佳组件,通过快速原型方法实现激光武器系统在装甲车上的集成;为降低技术风险,该计划在发展方式上分为两个阶段,首先集成、测试2 kW~5 kW机动实验型高能激光器(mobile experimental high-energy laser,MEHEL),然后再研制50 kW级的多任务高能激光器(multi-mission high-energy laser,MMHEL)。经计算可得:MEHEL和MMHEL对无人机的最大射程分别约为0.77 km、4.8 km。

高边缘视场光学效率的衍射波导准直投影镜头设计

随着微型发光二极管(micro-light emitting diode,Micro-LED)微型图像源被应用于增强现实(augmented reality,AR)显示技术,AR显示系统朝着超小型化方向发展。然而Micro-LED图像源发光角度大,准直投影镜头要求体积小且像质高,其产生的渐晕现象也导致视场(field of view,FOV)边缘处光学效率低、照度不均匀,这对AR光学系统设计造成了挑战。为了解决上述问题,该文基于增加计算得到的非球面场镜,设计了一种照度均匀性高、边缘视场光学效率较高的衍射光栅波导准直投影镜头。对场镜理论进行详细分析,从而确定焦距区间,最终求解其面型参数,设计出照度相对均匀的镜头。设计的新型准直投影镜头对角线FOV为41.2°,F#为1.87,调制传递函数在125 lp/mm处大于0.5。仿真结果表明,系统照度均匀性相对提高了14%,边缘FOV的光学效率相对提高了15%,具有良好的成像性能,该镜头可应用于超小型AR衍射光栅波导头戴显示系统中。

用于地表温度探测10μm~11μm带通滤波器的研制

多谱段光谱成像仪搭载长波红外探测器可以提供空间高分辨率的地表温度信息,研究地表温度在全球能量平衡和气候变化中具有重要意义。本文采用10μm~11μm滤波器作为红外探测器的窗口进行地表温度探测,分别采用Ge和ZnS作为高低折射率材料,在Ge基板上设计一种宽截止、高透射的长波红外带通滤光膜;采用真空镀膜技术在Ge板两面分别制备长波通和短波通滤光膜以实现带通,其中Ge和ZnS薄膜分别以电子束和电阻热蒸发的方式沉积,膜厚采用晶控仪控制,通过Matlab软件建立膜厚沉积数学模型,模拟并修正多层膜的Tooling以减少厚度误差。测试结果表明:10μm~11μm波段平均透射率达到94.3%,透射区波纹幅度为1.6%;4μm~9.5μm和11.5μm~16μm波段平均透射率小于0.1%,各项耐环境测试表明滤波器满足使用要求。

基于实测数据的机动目标探测性能评估研究

基于TTP准则的静目标鉴别性能理论模型评估方法具有环境适应性强、性能预测准确、系统参数优化便利等优点,但此方法对动目标探测性能评估的准确性还需展开进一步研究。为了准确评估动目标的探测性能,文中搭建了靶标运动系统、红外目标生成系统和目标采集及储存系统;采用人眼阈值判断实验方法实现不同成像作用距离、不同运动速度、不同靶标尺寸下的目标探测性能评估,获得了目标探测概率性能曲线;结合NVThermIP现场性能评估理论模型,在系统性能参数输入一致时计算目标探测性能。实验结果表明:NVThermIP现场性能预测模型对于动目标探测性能的预测存在一定偏差,在实验测量的目标运动速率范围内,随着目标运动速率的提升,目标更易被探测。实验结果为动目标性能评估理论模型的修正提供了数据支持。

基于深度神经网络的多聚焦红外图像非线性增强

当红外图像中含有多个聚焦目标主体时,会导致红外图像质量下降,部分区域出现模糊,因此,提出基于深度神经网络的多聚焦红外图像非线性增强方法。在引导滤波的作用下,从红外图像中获取细节层图像和背景层图像,在细节层图像中建立局部清晰度评价函数,得到清晰的细节层和背景层并融合二者。利用构建的深度神经网络结构,建立非线性增益函数,通过设定阈值和调整子带系数,实现对多聚焦红外图像的非线性增强。测试结果表明,所提方法在增强图像过程中,并没有改变原始图像的亮度和纹理波动;增强后的图像信息熵比原图像提高了57%左右,图像抗噪性能值更高,平均为7.4 dB,图像更清晰,SSIM值更趋近于1,平均为0.98,增强后的图片与原图片图像相似度更高,更接近于真实图像。

基于QEPAS技术的痕量气体高灵敏度检测系统研究

搭建了一种用于乙炔痕量气体高灵敏度探测的全光式石英音叉增强型光声光谱系统。为了提高系统探测灵敏度,采用光功率放大技术提高激励光源功率,采用直角棱镜使激光束穿过两个共振管,采用光纤珐珀传感技术测量音叉叉股面外单向振动代替面内对称振动;同时利用自稳定技术提高系统的稳定性。采用有限元分析方法对传统商用石英音叉的振动进行了模拟和分析。在对激光调制深度、微共振管结构尺寸和激光输出功率等参数优化基础上,得到了2.9 ppb的系统检测极限,归一化等效噪声系数为2.4×10^(-9)cm^(-1)·W·Hz^(-1/2);二次谐波信号幅值与C_(2)H_(2)浓度呈现良好的线性关系,其线性相关系数达到0.999。最后经过1小时的连续实验验证了通过自稳定技术可以有效提高系统的稳定性。