星载光电成像系统建模与性能评估

星载光电成像系统可实现对空间目标的有效探测,而探测距离是评价系统性能的重要指标。以太阳辐射特性和深空背景特性为基础,分别建立了几何成像因素、探测器灵敏度、信噪比和成像分辨率影响下的系统作用距离的数学物理模型,推导了系统作用距离的表达式,对作用距离与曝光时间、探测器像元尺寸、有效通光口径等影响因素之间的关系进行了数值模拟研究。研究结果表明,对于有效尺寸为2 m×4 m、平均反射率为0.3的平面目标,当光学系统口径为100 mm、焦距为500 mm、探测器像元尺寸为3.5μm时,系统对目标的最大作用距离为12 km,作用距离主要受成像分辨率的限制。研究结果可为星载光电成像系统的设计以及系统性能评估提供一定的基础。     

激光偏振拉曼的CVD多晶石墨烯表征

石墨烯具有优异的物理化学性质,在MEMS器件、光电检测材料、柔性显示屏、新能源电池、复合材料等方面成为研究热点。目前大面积石墨烯制备主要依赖于化学气相沉积技术(chemical vapor deposition, CVD),但其生长的晶体质量直接影响到电化学特性和实际应用,因此需要一种快速而准确的表征方法。实验利用背向散射的偏振激光散射装置测量CVD生长的石墨烯拉曼光谱。通过分析实验获得的300 nm SiO2/Si基底上的单层、五层和十层左右的石墨烯角分辨偏振拉曼光谱,发现单层生长的石墨烯偏振特性与机械剥离单晶石墨烯一致;随着层数的增加,G峰偏振响应差异更加明显,表现出明显的椭圆特性;在不同石墨烯层数上的D峰也呈现出一定的偏振响应差异性。偏振拉曼测试结果表明目前CVD生长的缺陷和多晶特性与石墨烯层数呈现正相关特征。     

利用平面透射光栅探测激光信息的理论研究

利用傅里叶变换理论研究了激光以任意角度入射平面透射光栅的夫琅和费衍射,并对衍射图像的相对光强分布进行了分析,得到了零级和各级明纹中心位置与入射激光信息之间的关系以及对应的明纹宽度。通过光学系统设计,只提取零级和正负一级明纹中心位置,进行数据处理后反向推导出了入射激光的波长和方向与明纹位置的关系,进而获得了计算入射激光参数的方法。根据计算结果提出了采用CCD观测衍射图像、利用高速信号处理数据系统的样机设计方案。在对样机各类参数进行了论证的基础上,推算了样机性能。     

基于面阵CCD的激光告警系统的图像采集与处理

光栅衍射型激光告警系统是一种基于光栅衍射效应、可实时探测来袭激光参量信息的光电对抗设备。为了获取入射激光的波长和入射角度,以光栅衍射效应为基本原理,采用面阵CCD进行图像采集、数字信号处理器进行图像处理,并依据信号特点开发了目标识别算法。通过理论分析和实验验证,设计出了一套基于面阵CCD的光栅衍射型激光告警系统的图像采集与处理系统,实现了对激光目标的探测。结果表明,该系统可有效地识别来袭激光并准确标记,具有良好的稳定性、实时性。     

利用光栅衍射缺级效应探测激光信息的研究

利用傅立叶变换理论研究了激光以任意角度入射平面透射光栅的夫琅和费衍射,通过分析衍射图像的相对光强分布,得到了零级和各级明纹中心位置与入射激光信息之间的关系以及明纹缺级情况。提出了通过增加光阑限制入射角范围,能够仅提取零级和正负一级明纹中心位置坐标,进行数据处理后反向推导出了入射激光的波长和方向与明纹位置的关系,进而获得了计算入射激光参数的方法。根据计算结果提出了采用CCD观测衍射图像、利用高速信号处理数据系统的样机设计方案。在对样机各类参数进行了论证的基础上,推算了样机性能。     

融合小波与非局部均值滤波的DSPI相位图去噪

相位图去噪是数字散斑干涉测量的关键技术，但现有以正余弦均值滤波与窗口傅立叶变换滤波为代表的去噪方法在相位保真、自适应降噪、操作简便等方面不能完全满足要求。提出了一种新的自适应相位图去噪方法，首先计算原始相位图的噪声方差，然后对图像分别进行正弦与余弦变换后得到两幅图像，再对这两幅图像进行小波同态阈值去噪与非局部均值滤波，最后将处理后的两幅相位图反正切运算并再次估计噪声方差，根据图像噪声方差的收敛情况判断是否继续迭代处理，以实现相位图的自适应降噪。实验结果表明：针对同一张含噪相位图与传统正余弦均值滤波相比，本文方法噪声方差减少了0.38、L算子和减少了0.2、SSIM提高了0.16，同时，图像信息熵仅相差0.1。该方法能够有效抑制相位图中的相干噪声，充分保留相位边缘信息，同时能够有效避免因不适当的迭代滤波次数所导致的相位失真或噪声残留。     

光阑偏心对数字散斑干涉空间频谱的影响研究

光阑在空间域内对成像光束起到限制的作用,在光学系统中的应用十分广泛。在数字散斑干涉测量系统中,通常采用光阑对物光空间频率进行限制,便于针对待测目标完成后续的信号解调。理想情况下,光阑的中心位置应与光轴重合、且表面与光轴垂直,但在实际过程中,经常由于调整精度问题使得光阑中心偏离光轴,或者由于结构设计问题采用偏心光阑。本文以空间光束的傅里叶变换特性为基础,研究了光阑中心偏离光轴位置对物光和数字散斑干涉空间频谱的影响,并进行了实验验证,理论与实验结果一致。本文对数字散斑干涉系统关键参数设计,具有理论指导意义。     

Bernal-Stacked双层石墨烯1.06μm谐振增强型光电探测器设计方法

石墨烯对光的吸收率较低,通过与光学谐振腔结合限制光场,可有效提高石墨烯探测器件对入射光的吸收.以电磁场传输理论为基础,推导了双层石墨烯光学谐振腔中的光场分布,建立了谐振增强型光电探测器传输矩阵数理模型,对Bernal-Stacked双层石墨烯的谐振增强型光电探测器结构参数进行数值计算,并对探测器性能进行分析.结果表明,设计的探测波长为1. 06μm谐振增强结构光电探测器,双层石墨烯的光吸收率达到96. 78%,大幅提升了对微弱光信号的探测能力.     

基于激光回馈效应的应力测量系统研究

玻璃材料的内应力直接影响玻璃零件加工质量和光学器件使用寿命,在航空航天、精密光学系统,精密加工等领域受到高度重视,高灵敏度,大测量范围的应力检测技术已经成为当前的研究热点。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法。激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成,待测样品放置在回馈外腔中。由于应力引起的双折射效应,带有应力的样品使外腔分裂为两个“物理长度”,不同的外腔长决定了不同偏振方向的回馈光相位,通过提取相位差信息,可获得应力的大小。从理论上分析了回馈系统中激光器的输出光在正交方向的相位与外腔应力双折射的关系；通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息；最后,采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量,并给出测量结果。该方法具有结构简单、精度高的优势,并且具有应用于玻璃材料生产线、改进制备工艺的潜力。     

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。