超高速快轴旋转圆形弹光调制技术研究

针对目前广义椭偏测量速度受限问题,提出利用对称性更优的圆形弹光调制器代替机械旋转补偿器实现超高速测量。对弹光调制器内部受力进行理论研究,得到纯行波模式调制条件并利用COMSOL仿真验证。仿真结果表明,当弹光调制器处于纯行波调制模式时可视为一种快轴方向高速旋转的相位调制器。通过建立阻尼弦振动模型分析不同快轴方向下弹光晶体表面振动位移分布,提出一种弹光调制器在纯行波调制模式下的中心支撑方式用于实验。实验结果表明弹光调制器的快轴以f/2的角速率做圆周运动。同时验证了中心支撑方式可确保弹光调制器谐振后所受阻力均匀且最小,达到最佳支撑效果。研究结果可用于后续广义椭偏测量及各类高速偏振调制领域。

弹光调制器动态参数测量与高效驱动匹配研究

为了提高弹光调制器(photoelastic modulator,PEM)的驱动效率,提出了一种基于PEM动态参数测量的阻抗匹配参数计算方法。理论分析了PEM调制幅度与驱动电压大小的关系,建立了PEM及其谐振匹配网络的等效电路模型,在此基础上推导了PEM谐振驱动电压与各个参数的关系,并设计了针对PEM动态测试的测量系统与验证方法。对谐振频率为44.822 kHz的PEM进行各项特性曲线的理论仿真与试验比较,验证了动态测量系统的可靠性,并通过数值仿真得到PEM最优匹配参数。在最优匹配参数附近选取不同匹配参数,测量实际谐振驱动电压,测量结果与仿真曲线相关性达0.996 4,变化趋势在10μF前基本吻合,且在理论最优匹配参数下,实际谐振驱动电压峰值达510 V,优于其他驱动匹配方法,接近理论最大值,相对误差小于1.16%。通过PEM等效动态参数推算的最优匹配参数,可使PEM达到最大驱动效率。

光纤中拉曼散射回波超高灵敏度探测技术研究

与布里渊散射不同,石英光纤中斯托克斯拉曼散射与光纤所受应力无关,只是绝对温度的函数,而且其拉曼频移为1.395×1013Hz,比布里渊散射易于提取,作为分布式光纤温度传感器的传感信号有一定的优势,但斯托克斯拉曼散射信号比布里渊弱,其峰值功率在APD中产生的光电流在nA级,低于APD的噪声电流,经光电转换后信号的信噪比小于1,傅里叶变换以及小波变换都无法有效地处理这类信号。通过对斯托克斯拉曼散射信号进行特征分析后,采用累加与小波降噪的综合方法提取该信号,实现在APD噪声电流以下的超灵敏度探测,达到每度0.104nA的温度灵敏度,低于本系统所有APD噪声电流2.3nA的1个数量级。

弹光调制傅里叶变换光谱技术研究

为进一步提高弹光调制傅里叶变换光谱仪光谱分辨率,提出了一种折返式弹光调制干涉仪结构,该结构通过在弹光晶体前后表面镀制相互交错的的全反射膜,并让入射光线以约10°的倾斜角入射,使得被测光束在晶体内部产生多次反射,增大光在干涉仪中的传播距离并提高了调制光程差。建立了折返式弹光调制傅里叶变换光谱仪干涉-光谱反演数学模型,并在此基础上设计搭建了相应的前置收集光系统,并进行了激光光源和氙灯光源的遥测实验,实验所得干涉条纹清晰、稳定,结果表明,所设计的多次反射式弹光调制傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率达到13cm-1,且该方案使得光线在晶体内部产生反射,降低了光能损失,保证了系统性噪比。最后的光谱反演结果表明,所设计光谱系统的技术可行,为后续的样机研制以及光谱、辐射标定等工作奠定了基础。

双弹光拍频调制型Fourier-Bessel变换成像光谱技术研究

针对现有弹光调制器（photoelastic-modulator ，PEM ）的调制频率高（几十kHz以上），调制干涉信号频率更高，普通阵列探测器无法有效采集，提出了一种基于双弹光调制器拍频调制和傅里叶-贝塞尔（Fourier-Bessel）变换的光谱测量方法，并结合CCD成像技术构成新型双弹光调制成像光谱技术（dual-photo-elastic-modulator-based imaging spectrometer ，Dual-PEM-IS）。该方法将双弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率上，以对光进行拍频调制，并产生载有被测光的低频调制分量（比驱动频率小2～3个数量级，普通CCD可实现探测），通过对调制信号中的低频成分进行 Fourier-Bessel变换可得到目标光谱，使得弹光调制兼具了成像和光谱测量能力。介绍了其原理并推导出光谱反演公式，并通过仿真和实验验证其可行性，分析了光程差的微小偏差对反演光谱造成的影响，为进一步工程化实现提供了必要的理论基础。

弹光调制干涉图最大光程差的稳定性及检测技术研究

为了提高弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTs)中复原光谱的准确度和稳定性,有必要对弹光调制干涉图的最大光程差的稳定性和检测技术进行研究。弹光调制干涉图的最大光程差是一个不确定量,与弹光调制器的谐振状态、频率温漂特性以及驱动电压等因素有关。因此,本课题在研究弹光调制干涉仪工作机理基础上,建立弹光调制器的频率温漂模型和光程差变化关系;提出以驱动信号为基准,对激光干涉信号过零计数的方式实现干涉图的最大光差检测,且将双通道的高速比较器与FPGA相结合,实现正弦波到方波转换、快速的过零计数和误差补偿。经试验验证,采用670.8nm的激光为参考光源,通过过零计数的方式,能实现最大光程差77.471μm的检测,其测量误差小于0.167nm,复原的红外黑体光谱的最大峰值波长偏差小于2nm。

FTIR单边干涉图相位校正技术的研究与改进

基于傅里叶变换红外光谱仪干涉图的单边过零采样和非对称性,对相位校正技术进行研究和改进。针对Mertz乘积法对切趾函数的匹配性要求高,干涉图非对称切趾旁瓣抑制效果差、光谱分辨率低的缺点,综合Mertz法和Forman法的特点提出一种改进的相位校正方法。采用对称化方法将单边干涉图变换为双边干涉图、对称切趾、傅里叶变换重建功率谱,并采用对称化的双边干涉图傅里叶变换求取高分辨率的相位谱,提高相位校正的精度。通过仿真分析了非对称窗函数较对称窗函数有比较宽的主瓣宽度、高的旁瓣幅值,分辨率降低;实验验证该改进的相位校正方法功率谱误差小、计算量少,且光谱分辨率比较高,达到2cm-1。

激光告警中近红外焦平面阵列探测器成像技术研究

为了提高激光探测的方位分辨率,实现对来袭激光的准确定位,选用了FPA-320x256-C型InGaAs焦平面阵列探测器作为光栅衍射型激光告警装置的核心元件。介绍了基于光栅衍射的激光波长和方向探测原理,在分析了探测器性能及参数的基础上设计了驱动电路。探测器在FPGA时序的控制下,输出模拟量通过高速AD进行采集,数据经缓存后存储在FPGA外扩的SRAM中,然后通过USB传送至PC机。上位机Labview采集原始数据,处理并显示。利用上述方法,完成了成像实验,采用波长为1 550和980 nm的激光器从不同角度进行入射,对探测得到的衍射图像进行分析,判断出零级和一级的位置,根据光栅衍射理论,计算出相应波长和二维方向入射角,结果显示波长误差小于10 nm,入射角误差小于1°。

光电被动测距技术进展与展望

测距系统作为光电对抗的支援系统,在军事应用领域具有重要的现实意义.光电被动测距技术主要有基于角度测量的几何测距法,基于图像处理的测距法,基于目标物体辐射和大气传输特征衰减的测距方法等.综述了国内外光电被动测距技术的原理、特点及应用领域,结果表明:随着目前光电技术的发展以及对红外大气传输特性研究的深入,基于目标物体辐射和大气传输特性的测距方法在测量精度上和测量距离上都有着较大的提升空间,将最终满足军事等应用领域的需求.

基于AOTF成像光谱精密测量技术的研究

声光可调滤波器(AOTF)作为光谱成像的一种新型分光元件,在运用其进行成像光谱时,一般选择入射光垂直于AOTF入射面时所对应的衍射中心波长为CCD的光谱测量波长。但在实际测量中,空间目标不同位置的光线总是以不同的角度进入到AOTF,这样就导致了CCD实际测量的光谱和以光垂直入射时所对应的光谱为测量光谱相比出现误差,影响了光谱的测量精度。采用的成像光谱系统的特点是目标光线经前置光学系统、AOTF和成像透镜后,聚焦成像于透镜的焦平面上,实现了目标光在整个系统的一次成像。此一次成像与传统的二次成像相比,能够有效的提高光能利用率和成像质量。由于AOTF的视场角为±3°,所以通过对AOTF视场角范围内衍射中心波长随入射角度变化的实际规律进行了分析研究,并对衍射波长随入射角度变化的实际测量值进行了拟合修正,得到了修正方程。实验结果表明用修正后的方程进行光谱测量,其相对误差值可以减小一个数量级。此方法可为今后提高AOTF成像光谱测量精度奠定基础。

基于热电效应的痕量气体检测技术研究

针对目前传统痕量气体检测技术的不足,利用痕量气体分子在远红外波段4 000～400 cm-1的吸收光谱特征,研究了一种基于红外热电效应的痕量气体检测技术.该技术采用热电堆作为探测器,不锈钢气体吸收腔兼作红外反射器,建立了探测器原型,并以甲烷气体作为样本气体进行了试验验证.结果表明:可通过选择不同中心波长的光学滤波器以探测不同的痕量气体,采用由滤波器和探测器组成的探测矩阵可以同时探测数种痕量气体.

高效率微结构光纤光栅写入技术研究

针对传统周期性气孔结构的微结构光纤光栅(MOFG)写入过程中的高写入散射问题,本文提出一种新型的大圆孔式微结构光纤光栅。其特点是用一填充适当折射率流体的大圆孔结构来代替部分周期性小气孔。当光束从外侧写入光栅时,一方面会避免传统周期性气孔结构带来的高写入散射问题;另一方面大圆孔也将起到一微透镜作用,有助于进一步提高光束写入纤芯区域的能量比例。仿真分析结果表明:新型大圆孔式微结构光纤光栅的写入效率可达到传统周期性光子晶体光纤光栅、单模光纤光栅写入效率的288%和206%左右。同时本文也提出利用对称角度写入方法来保证光栅写入场的对称性,从而改善单侧写入造成的写入场分布不均匀问题和写入致双折射问题。

宽光谱多参数激光告警探测研究

随着激光技术的发展,激光武器得到了快速发展,针对来袭激光的威胁,激光告警也成为目前各国发展的重点,不同的激光告警系统探测不同的参数,根据告警参数采取相应的躲避和反击措施;目前激光告警主要探测参数有来袭激光方位角、俯仰角、激光波长、激光脉冲宽度等,但现有激光告警系统无法实现多参数的同时探测,且光谱范围窄、视场小、探测俯仰角和方位角为相对角度、无法获得绝对来袭方向。为此本文提出宽光谱波段、大视场、多参数激光告警新方法,可实现450~1700 nm宽光谱来袭激光波长、绝对方位角、绝对俯仰角、脉冲宽度多参数的高精度综合测量,该方法主要由激光脉冲宽度测量、绝对角度及激光波长测量、控制及数据处理三大部分组成。其中脉冲宽度测量模块由光学镜头、多带通窄带滤光片、高速光电探测器组成,实现来袭脉冲激光的高速光电转换;绝对角度及激光波长测量模块由光栅、大视场宽波段消色差镜头、多带通窄带滤光片、宽波段面阵探测器、三维电子罗盘组成,通过一级和零级衍射光斑位置获得来袭激光波长、相对方位角和相对俯仰角信息,结合三维电子罗盘测得的方位角、俯仰角以及横滚角,进而获得来袭激光的三维绝对方位角和绝对俯仰角。多带通窄带滤光片主要是根据常用几个军用激光波长进行选通滤光,有效滤除背景光的影响,降低系统虚警、漏警。理论分析推导具体测量方法和参数,设计宽光谱多参数激光告警探测系统样机,并进行实验可行性验证。实验结果表明,该系统的方位角视场120°、俯仰角视场96°、角度测量精度优于1°、中心波长测量精度优于10 nm、脉宽测量精度优于3 ns。该技术将为海、陆、空、天领域对来袭激光的高精度多参数综合探测奠定基础,有望提高复杂战场的生存能力。

静态干涉型高温温度场成像探测方法研究

为了实现航空航天发动机尾焰、燃烧、爆炸等高温温度场的非接触高精度测量,对静态干涉型高温温度场探测方法展开研究。首先,设计静态干涉型高温温度场探测系统,理论分析高温温度场测量原理,研究高温干涉信号强度最低点光程差与温度的关系;其次,针对常用温度范围及可见光面阵探测器的响应波段,设计静态干涉具Savart棱镜,结合一维扫描实现温度场成像;最后,设计光学系统,拟合获得干涉最弱光程差与温度的对应关系,并获得线性拟合公式,仿真验证温度场经过系统后到达面阵探测器的干涉信号图像。结果表明,该静态干涉型高温温度场探测方法可实现1000 K−3000 K温度的高精度探测,且在线性区域,温度测量分辨率为1.4 K,温度测量相对误差优于0.8%。本文研究为军民领域的高精度高温温度场成像提供参考。

基于Mach-Zehnder干涉装置的散射体偏振特性研究

根据偏振度测量原理推导了相干矩阵中各个参数的测量公式,主要是复参量的实部与虚部.基于Mach-Zehnder干涉装置搭建了散射体偏振度测试平台,并对同一粒径不同浓度散射体的偏振特性进行了测试.结果表明:浓度为0.00625%的聚苯乙烯(Polystyrene,PS)散射介质光散射较弱,偏振度值高达0.992,散射体具有良好的保偏特性;随着聚苯乙烯散射介质浓度增大到0.025%,光散射增强,偏振度值降至0.545,散射体的退偏效果显著.

基于LED的小目标主动式三角对焦技术研究

主动式三角对焦法因其结构简单、测试速度快、使用方便灵活等优点,在自动化生产、工业测量等领域有着的巨大应用价值而受到广泛关注。但是在面对小目标被测物体或具有如曲率较大等非常规表面的物体时存在可能丢失目标的问题。针对这一问题,综合LED具有大照明视场的特点,本文提出了一种基于LED的小目标主动式三角对焦方法,从理论和实验两方面对该方法测量小目标和非常规表面物体距离的能力进行了验证。实验结果表明,该模型的实际测试值与理论分析值基本吻合,证明了该模型的实用性,拓宽了激光三角测距技术的应用范围。

基于AOTF高光谱成像系统的采集显示技术研究

为了提高声光可调谐滤波器(AOTF)与CMOS相机结合的新型成像光谱仪的图像采集与显示速率,提出了一种基于AOTF光谱成像的数据快捷处理技术。利用VC++编写的上位机通过USB的控制传输对光学探测接收元件MT9M001C12STM的积分时间、增益进行灵活的配置,并且实时的显示帧率,这样可以保证数据的传输速度和正确性。结果表明,该设计方法不仅可以快速准确的获取目标物进行实时的显示,而且成像质量良好。

边缘检测技术在光纤微加工系统中的应用研究

针对光纤成像的特殊性,提出了一种利用边缘检测算法来提取ROI区域作为对焦窗口的方法,该方法成功地消除了光纤图像中心亮带对清晰度评价值的影响,可准确判断光纤目标清晰的位置,结合显微视觉测量技术,将其应用于光纤侧面抛磨和拉锥系统中,经过亚像素边缘检测及尺寸计算后,对光纤参数的测量精度高于0.5μm,可提高光纤微加工系统的性能。

基于双弹光级联差频调制的波片参数测量研究

为了实现对波片快轴方位角和延迟量参数快速、高精度测试,提出了一种基于双弹光级联差频调制的波片参数测量方案。选用两个工作频率不相同的弹光调制器级联,构成偏振分析测量装置。波片的两个参数被加载到偏振分析装置的调制信号中,采用数字锁相技术同时提取调制信号的基频项和差频项,然后完成波片全部参数求解。按照原理分析,搭建了实验系统,并完成了系统初始偏移值定标,完成了632.8 nm的1/4波片,532 nm的1/4波片和1/2波片实验测量。实验结果表明,本文方案的快轴方位角测量最大偏差为0.2°,角度测量标准偏差为0.02°;波片的相位延迟量标准偏差优于5.64×10^(-4)rad,单点数据测量时间仅为200 ms。考虑到波片材料的双折射色散,根据检测激光波长下测量的相位延迟量,进一步计算出应用波长的波片延迟量。测量值与理论值最大偏差不超过1.17 nm,延迟精度优于λ/300。本文方案实现了高速、高精度和高灵敏的波片参数测量,可为波片加工测试和实验定标提供有效手段。

弹光调制器谐振特性研究及其谐振频率自跟踪

弹光调制器是一种由各向同性的弹光晶体和压电晶体组成的高品质因数热机电耦合器件,广泛用于偏振测量、光谱测量等诸多领域。但是在高压谐振状态下,其谐振频率会随着温度变化出现漂移,导致弹光调制器的相位调制幅值不稳定以及驱动效率降低。针对该问题,首先对弹光调制器谐振频率特性进行分析,建立了弹光调制器及其高压谐振驱动电路的复合谐振网络模型,提出了利用谐振网络的幅频特性进行频率跟踪的实现方法,并设计了基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的控制测试系统,实现了谐振频率跟踪以及调制幅度的测量。通过测试验证了该方案可有效进行谐振频率跟踪,提高了弹光调制器的稳定性以及驱动效率,测试时长大于90 min,相位调制幅度的标准偏差为0.83%rad。