固体发动机外防护涂层紧贴型缺陷太赫兹成像实验研究

针对固体火箭发动机金属壳体外防护涂层紧贴型无黏结缺陷检测问题,采用反射式太赫兹时域光谱成像技术对标准涂层试件进行检测,实现对黏好区、紧密接触但是黏结失效区(无黏结区)、交界区和微小缺陷区分布情况判识。对比了不同原始信号预处理、不同降维处理和不同样本量分类识别处理对四类区域特征识别的效果。结果表明,采用主成分分析结合支持向量机方法,四类特征的预测分类区域图像与实际分类区域分布吻合,并且在较少样本量的情况下保持了稳定的预测分类结果,可靠性较高。证实了太赫兹技术用于对固体火箭发动机壳体与涂层的黏结结构进行非接触无损检测中,能够自动识别紧密接触型黏结失效缺陷和微小缺陷,为进一步的涂层质量控制提供了一种新的检测手段。

非线性拟合方法用于透射式脉冲红外技术测试碳/碳复合材料的热扩散系数

为了测试碳/碳复合材料的热扩散系数,本文提出了非线性拟合用于透射式脉冲红外检测的数据处理方法.非线性拟合通过循环迭代的方法持续调整拟合参数,让理论值不断逼近实验值,直至获得最佳结果.传统的透射式脉冲红外成像技术利用半高时间法测试材料的热扩散系数,但通常会受到采集时间不足和信噪比差的限制.本文提出的非线性拟合方法可以有效消除或减弱这两种影响.在使用该方法之前,首先选用常见的304不锈钢评估了该方法的测量精度及拟合长度对测试结果的影响.结果显示304不锈钢的测量精度达到0.3%,且当拟合长度不小于半高时间法采集时间的1/5时,拟合长度对非线性拟合结果影响很小.随后使用该拟合方法测试了不同厚度的碳/碳复合材料试件,并通过热扩散系数测量结果分析了试件之间的热参数差异性和材料自身的均匀性.

偏振光谱成像仪太阳与月球联合在轨标定技术研究

航天遥感器入轨及在轨运行期间,由于重力、应力释放、热以及元器件老化等因素的综合影响需要对其进行在轨标定.为了提高星上辐射标定精度,提出了对月标定和太阳标定相结合的在轨标定方法.通过对月成像实现中心场的在轨绝对辐射标定,标定仪器辐射特性的星地差异和在轨的变化情况.通过太阳标定获取探测器的非均匀性变化.对偏振光谱成像仪标定不确定度进行了分析,研究结果表明:绝对辐射标定总不确定度为3.77%,满足5%辐射标定精度要求.

夜视技术及其在中远距离的应用

在全天候无缝监控的新形势下,分析铁路视频监控需要解决的技术问题和技术需求;介绍微光夜视、激光夜视、红外夜视3种夜视技术及其产品,并进行对比分析;阐述夜视技术产品的环境适应性参数,以及夜视技术在中远距离的实际应用。

基于干涉法的非球面测量技术

随着光学精密加工技术的发展,非球面光学元件在各种光学系统中广泛应用,高精度非球面检测技术对非球面光学元件的发展意义重大。论述了基于干涉法的非球面面形误差检测技术。根据检测原理,分别对零位干涉检验法与非零位干涉检验法进行了详细介绍。概述了近年来主流的非球面检测技术现状,展望了非球面面形检测技术的发展趋势。

光场成像原理及应用技术

光场技术是从包括波长、位置、方向、偏振、时间等在内的光场全要素出发,获取及利用光场信息进行成像、三维测量或显示的一类技术。从光场的物理模型和数学表示、信息获取及处理方式、信息操作手段以及部分应用方向等角度对光场技术进行了系统分析和阐述。

具有抗漂移特性的激光共焦拉曼光谱成像技术与系统

共焦拉曼技术结合了共焦显微技术和拉曼光谱技术,具有高分辨率、高灵敏度、可层析成像的优势,广泛应用于物理、材料科学、生物医学、文物鉴定以及刑侦等领域。由于拉曼光谱成像需要较长时间,测量中系统易受环境等因素影响产生漂移,造成离焦,而现有商用共焦拉曼光谱仪并无定焦能力,容易影响测量结果。针对此问题,研制了一种具有抗漂移能力的激光共焦拉曼光谱探测系统。在不改变共焦拉曼探测基本原理的基础上,利用拉曼轴向响应曲线最大值对应显微物镜焦面这一特性,对每个探测点进行轴向扫描,采集一定数量的轴向信号,通过曲线拟合寻找光谱强度极值位置,保证扫描过程中样品始终处于系统的焦点位置处,抑制离焦影响,改善拉曼光谱成像效果。以单层石墨烯样品进行单点测试,证明仪器在5μm离焦范围内可以实现实时定焦,定焦后采集到的拉曼光谱强度几乎不变,具有良好的抗漂移能力;对硅台阶样品进行成像测试,结果表明成像过程中,信号强度未发生明显变化,且横向分辨率有一定改善,效果明显优于普通共焦拉曼光谱探测系统。

基于焦平面探测器的红外相机成像模型和静态传函测试方法研究

建立了基于焦平面探测器的红外成像系统成像的空间域和频率域模型;并分析指出,由于背景辐射的存在和红外探测器明显的响应非均匀性,只有系统经过良好的辐射校正,方能使其成像过程符合线性和空间不变性条件,使得相机可以采用传递函数来评价其几何成像性能。提出了针对基于焦平面探测器的红外成像系统的传函测试方法,能够有效地处理背景辐射的影响而且不受系统不均匀性的影响,试验和应用实践显示了该方法的有效性。

基于虚像相位阵列共焦布里渊光谱技术的弹性模量测量

生物组织和材料的弹性模量是决定其力学性能的关键因素,对生物医学和材料监测等领域至关重要。提出了一种基于虚像相位阵列的弹性模量测量方法,虚像相位阵列与共聚焦显微系统相结合,能够快速获得生物组织和材料的布里渊光谱频移,从而计算得到其弹性模量。首先,理论上分析了材料的弹性模量和布里渊光谱频移之间的关系;然后,介绍了虚像相位阵列的原理及系统的各组成部分;最后,对样品材料进行光谱测试,分别测得了聚乙烯、二氧化硅玻璃和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的光谱,求得纵向弹性模量M分别为7.23 GPa、83.4 GPa和8.92 GPa,并且测得了PMMA的布里渊光谱图像。结果表明:虚像相位阵列与衍射光栅级联使用,能够改善标准具的级次重叠现象,提高布里渊光谱的分辨率和采集速率,该系统设计的激光和背向散色光抑制模块,显著提高了布里渊信号的对比度,在材料特性、结构监测和生物医学等方面具有重要意义。

球型惯性元件配合间隙差动共焦精密测量方法

配合间隙是决定球型惯性器件精度和可靠性的关键参数之一,针对球型惯性器球面元件表面有缺口且未完全抛光导致曲率半径难以精确测量,进而难以准确控制球碗、球冠配合间隙瓶颈问题,提出了一种球面惯性元件配合间隙激光差动共焦高精度方法。该方法利用抗散射的激光差动共焦曲率半径测量方法分别对球碗、球冠的曲率半径进行测量,然后利用差动共焦曲率半径测量系统测得的球碗和球冠的半径差来控制球型惯性器球面的配合间隙。理论分析与实验验证表明:该方法测量球冠和球碗配合间隙的相对扩展不确定度优于20×10^-6,其为惯性器件球冠和球碗配合间隙的高精度测量与控制提供了一种全新的技术手段。

硫汞族量子点红外光电探测技术

受限于复杂的分子束外延生长及倒装键合工艺,现有块体半导体红外探测器成本高昂、工艺复杂、极大制约了成像阵列规模和分辨率的进一步提升。胶体量子点作为一种新兴的半导体纳米晶体材料,因“量子限域”效应,能够实现宽谱段范围内的精准带隙调控。同时,胶体量子点可通过液相化学合成方法低成本大批量制备。此外,胶体量子点的液相加工工艺使得其可以与硅基读出电路进行直接片上电学耦合,突破了倒装键合工艺限制。因此,胶体量子点在红外探测及成像领域展现了巨大的应用前景。其中硫汞族量子点具有探测波段范围宽、物性调控易及便于硅基集成等优势,先后实现了中波红外背景限探测、双色探测及焦平面阵列成像等,在红外光电技术展示了巨大的潜力。本综述总结了近年来硫汞族胶体量子点红外光电探测技术的研究现状,并对其未来发展方向进行了展望。

RGB图像高光谱重建的组织血氧饱和度评估

组织血氧饱和度(StO_(2))是检测组织和血液中血液灌注和血液氧合变化的重要指标,在临床及日常监测中具有重要意义。高光谱成像以其非接触、光谱信息丰富等优点,成为一种评估StO_(2)的新兴手段,然而高光谱成像设备造价昂贵且操作复杂,限制了其使用环境及发展。传统工业相机获取皮肤组织的RGB图像空间分辨率高、但其光谱分辨率低,若能提高光谱分辨,则其实现高精度生理参数测量成为可能。提出了一种基于RGB图像高光谱重建的StO_(2)评估方法。该方法基于深度学习方法构建了从RGB图像到皮肤组织高光谱图像的重建模型,获得了高物理可靠性皮肤组织高光谱图像,并利用改进的朗伯比尔模型,实现了区域StO_(2)评估。采用普通可见光相机与高光谱相机通过捆绑实验同时采集了49位受试者处于不同血液灌注状态下手部的RGB图像与高光谱图像作为数据集。在对高光谱图像进行降维去噪的基础上,根据含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白的特征光谱选取了450~600 nm(含31个光谱通道)波段作为重建光谱波段,构建了基于深度学习的皮肤组织高光谱重建神经网络模型。实验结果表明,重建模型获得的皮肤反射光谱与高光谱相机直接采集的反射光谱曲线具有较高的一致性,测试集中二者的平均绝对误差(MAE)为0.00938,均方误差(RMSE)为0.01481。之后对重建模型得到的区域StO_(2)测量结果与高光谱相机得到的测量结果二者的相似性进行了定量评估,测试集样本中两种方法生成StO_(2)空间分布图的二维相关系数均处于可靠范围内(大于94%),表明了本文提出的基于可见光图像高光谱重建的StO_(2)评估方法具有较高的可靠性。该研究利用普通彩色相机实现了区域StO_(2)评估,为各种疾病的临床诊断和监测提供了一种简单低成本的StO_(2)监测方法。

改性1-3型压电复合材料理论模型与仿真

针对高机电耦合系数和曲面换能器的应用需求,该文提出一种由压电陶瓷、环氧树脂和硅橡胶三相复合的改进1-3型压电复合材料,基于Newnhams串、并联分析对复合材料的理论模型进行了推导,并利用Matlab进行了数值计算,分析了改性1-3型复合材料的结构参数对厚度机电耦合系数、等效密度和厚度频率常数的影响。结果表明,陶瓷-环氧复合相的体积分数为0.2~0.5,陶瓷-环氧复合相中的压电陶瓷体积分数为0.6~0.7时,改性1-3型压电复合材料的性能参数较好;利用ANSYS软件对复合材料进行了有限元仿真,将仿真结果与理论计算进行了对比,二者具有较好的一致性,验证了理论模型评估材料性能的准确性。

强光元件逆向哈特曼在位检测装置误差敏感因素分析与验证

针对基于强光元件高精度面形在位检测需求,开展了面形测量误差敏感因素仿真分析,进行了系统结构误差和温度误差对测量结果的影响研究,分析各类误差对测量面形误差的具体影响,设计并搭建在位检测系统,开展系统温度变化、系统重复性、系统稳定性等测量实验。研究结果表明:所建立的逆向哈特曼仿真检测模型可用于平面、球面、非球面、自由曲面等各类型被测面,各类影响因素对测量结果的影响主要体现在低频误差上,对高频误差的影响相对较小,搭建的在位检测系统6 h内测量面形误差PV值最大不超过68 nm(约λ/10),RMS值最大不超过15 nm(约λ/40)。

响应性胶体晶体反射光谱预测模型及实验验证

建立了一种以面心立方三维光子晶体为基础的有限元预测模型,研究了纳米粒子折射率、溶剂折射率、粒子直径、粒子间距等参数对反射光谱的影响。根据预测结果制备了优化尺寸的Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)纳米粒子电调谐器件。结果表明,有限元模型预测的反射光谱中心波长在680 nm至455 nm范围内移动,与制备器件的测试光谱匹配性良好。与解析预测模型相比,建立的三维有限元预测模型得到的反射光谱中心波长的预测结果准确性更高。对于非核壳结构,两种模型的预测误差范围分别为0.49%~1.70%、0.82%~1.49%,表现相当;对于核壳结构,两种模型的预测误差范围分别为3.51%~6.11%、0.28%~1.34%。本文建立的三维有限元模型将预测误差典型值降低为原来的1/5.9。所提模型可用于准确预测胶体体系下自组装光子晶体反射光谱的动态调谐能力,弥补了解析预测模型在核壳结构光子晶体预测准确性方面的不足,可指导粒子材料参数和结构参数设计,以及可调谐范围的优化区间筛选。对反射光谱幅值和谱宽预测准确性的提升需进一步考虑短程有序结构等随机微扰特性的影响。

强度调制532 nm激光水下测距

激光水下探测在水下目标搜寻、资源勘探等领域具有重要的应用,而散射是激光水下探测面临的主要挑战.载波调制激光雷达具有抗散射、抗干扰的优点,本文利用自行研制的532 nm强度调制激光源,在3 m长的水箱中搭建激光水下探测系统. 532 nm激光源最大输出功率为2.56 W,强度调制范围为10.0 MHz—2.1 GHz,光束发散角约0.5 mrad.通过在水箱中添加氢氧化镁(Mg(OH)_2)粉末,测量了不同浑浊度下水的衰减系数.采用相位测距的方法,目标反射光的调制信号为探测信号,对激光源进行调制的电信号作为参考信号,利用相关运算获得激光的延时时间,进而可以获得水下目标的距离.最大调制频率为500 MHz时,实现了距离为4.3个衰减长度目标的探测,测距误差约12 cm.探测距离越远,测距误差越大,调制频率越高,测距精度越高.

光栅尺测长式激光差动共焦曲率半径测量系统

为了增强高精度曲率半径测量仪器的抗环境干扰能力,满足现场使用需求,研制了一套基于光栅尺测长的激光差动共焦曲率半径测量系统。该系统利用差动共焦轴向光强响应曲线的过零点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,对被测样品的猫眼位置及共焦位置进行精确瞄准定位,并借助光栅尺测长得到透镜猫眼位置与共焦位置之间的距离,实现曲率半径的测量。实验表明,该系统相对测量精度优于5×10-6,满足高精度曲率半径测量的精度需求。

高功率宽带射频调制连续激光源

射频强度调制激光作为激光雷达系统的载波可以有效提高系统的抗干扰和抗散射能力,高功率宽带射频强度调制光源是实现高分辨率远距离探测的关键.本文采用在Nd:YAG激光器的耦合腔中插入一对四分之一波片的方法实现了频差调谐范围为30 MHz—1.5 GHz的双频激光输出,结合光纤振荡功率放大技术,将双频信号光功率放大为50 W.耦合腔双频种子源具有良好的功率和频率稳定性,输出功率为9.5 mW时,功率标准差为0.145 mW,稳定性为1.52%,输出双频激光的频差为250 MHz时,拍频的标准差为1.6144 MHz.种子光进行三级光纤功率放大,得到50 W双频激光输出.放大后的双频激光功率波动范围小于0.1 W,双频拍频的标准差为1.777 MHz,很好地保持了放大之前的功率稳定性和双频频差稳定性.

猫眼波前定位虚实结合干涉非球面参数误差测量(特邀)

非球面广泛应用于光学系统中。表征非球面的基本参数包括顶点曲率半径、圆锥系数以及高阶非球面系数,它们贯穿了非球面的设计、制造、检测、装调过程。对非球面参数的高精度测量是加工和装调的前提。提出了一种基于虚实结合干涉仪的部分补偿非球面参数误差测量系统。在该系统中,采用部分补偿干涉法测量剩余波前,复用干涉仪利用轴向扫描透镜的猫眼波前定位法测量补偿镜与被测镜之间的间距,采用虚实结合迭代算法进行参数误差求解。该系统仅需在部分补偿干涉光路中引入会聚透镜,装调简单,测量精度高。通过一个四次非球面参数误差测量实验验证了该方法的有效性和精度。

基于单谐振光参量振荡器产生可调谐中红外双频激光的研究

采用1 064 nm双频连续激光泵浦基于周期极化铌酸锂晶体的单谐振光参量振荡器实现了双频中红外激光输出,通过调节晶体的温度和极化周期,实现了输出波长在3～3. 8μm范围可调谐.双频中红外激光的拍频与泵浦光拍频相同,调谐范围为125～175 MHz.在泵浦光功率为6. 9 W,晶体极化周期30μm,晶体温度75℃时实现了1. 25W的双频中红外激光输出,泵浦光-闲频光的最高转换效率为18. 2%.通过调节双频激光的功率比,可以改变输出中红外双频激光的调制深度.