1 长春理工大学电子信息工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空间光电技术研究所，吉林 长春 130022
3 长春理工大学计算机科学技术学院，吉林 长春 130022
4 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
5 长春光客科技有限公司，吉林 长春 130022
为解决在卫星激光通信初始捕获阶段传统信标激光光斑检测算法容易受到复杂背景干扰的问题，基于YOLOv5s神经网络针对卫星平台初始指向场景进行优化、改进。选用平滑交并比（SIoU）损失函数替代原损失函数，将原本的上采样结构替换为轻量化的内容感知特征重组（CARAFE）上采样结构，为C3层增加卷积块注意力模块（CBAM）机制，使用SimSPPF替代原本结构，增加了利于感知位置信息的Coordconv结构。经过改进后的神经网络在精度上优于传统的信标光斑检测算法，能够在复杂背景下准确检测出光斑的位置，适合用于初始捕获阶段以及粗跟踪阶段进行信标光斑检测。优化后的YOLOv5s神经网络精确率达到99.7%，召回率达到99.3%，在平均精度（mAP）@0.5指标上超过99.7%，在mAP@0.5∶0.95指标上超过了74%。
激光通信 初始捕获 信标激光 复杂背景 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706008
长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
为提高星地激光通信地面接收端探测灵敏度和分辨能力，减少信标光捕获时间和难度，基于星地激光通信链路和设计方案，结合自适应光学（AO）技术，设计了一套500 mm口径的星地激光通信地面接收端系统。该系统采用库德光路、共口径分光探测形式，包含卡塞格林天线、倾斜镜精跟踪、AO超精跟踪、AO波前探测等4个单元。天线物镜组采用同轴卡塞格林结构，结合折射镜组构成开普勒望远结构，兼顾体积和长出瞳距的需求。在精跟踪倾斜镜和AO倾斜镜之间设计了4f系统，解决校正光轴时的瞳面漂移问题。在波前探测器和变形镜之间设计了双远心系统，构建两者共轭关系，降低波前探测的轴向误差影响。采用光学被动式方法对4个单元进行消热差设计，提高系统温度适应性。最终实验结果表明：在10 ℃~30 ℃范围内，各单元波像差均优于1/10λ（λ=632.8 nm），满足设计要求，具有一定借鉴价值和工程意义。
星地激光通信 库德光路 消热差 双远心光路 自适应光学 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706021
长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
三维姿态角的精确测量在航空、航天、**等领域应用广泛，为方便准确地实现三维姿态角的测量，本文设计了一种基于透镜阵列的测量系统，并建立了微小三维姿态角测量分析模型。系统中，准直平行光束通过4个排列成金字塔形的阵列透镜，在CCD上形成规则分布的阵列光斑。通过分析CCD成像光斑间的距离、透镜阵列上相邻孔径之间的距离以及透镜阵列与CCD之间的倾斜角，可以得到光束相对于接收系统俯仰角和偏摆角，利用阵列光斑连线相对水平或垂直面的夹角，可同时得到绕Z轴的滚转角。通过与高精度自准直仪测量结果进行比较，证明所提方法的测量精度可以达到RMS≤0.1″，表明该方法能够实现三维姿态角的测量。
激光 透镜阵列 角度测量 图像边缘检测 laser lens arrays angle measurement image edge detection
长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
信标光斑位置检测技术广泛应用于基于视觉的光通信粗对准领域中，而检测算法的优劣直接影响捕获定位的精度。针对基于阈值分割搜寻信标光斑的算法易受背景强光影响的缺陷，建立了基于深度学习算法的无人机光通信实时捕获定位系统。首先，改进了YOLOv4（You only look once，v4）网络，采用能增强浅层特征信息提取的特征图通道拼接方式设计了四个简化模块和一个上采样模块，极大提升了网络的速度。然后，用改进后的网络、原始YOLOv4网络及其简化网络在PASCAL VOC数据集上进行训练。最后，采集和训练信标光斑数据集，在无人机上运行改进YOLOv4网络并输出摄像头视频帧的信标光斑位置。基于比例积分微分算法调节云台进行位置闭环控制，从而实现光通信的实时捕获和定位对准。实验结果表明，改进YOLOv4网络在信标光斑测试集上的精确率为99.6%，召回率为99.8%，在NVIDIA Jetson Xavier NX嵌入式计算机平台上的帧率为42 frame/s，满足无人机光通信实时捕获定位的要求。
光通信 无人机 YOLOv4网络 比例积分微分算法 捕获定位 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1106006
1 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
2 中国人民解放军63867部队，吉林 白城 137000
3 吉林江机特种工业有限公司八分厂，吉林 吉林 132021
自适应光学校正技术可有效提升固体板条激光器的光束质量，但随着激光器输出功率的提升，输出光束口径逐渐增加，系统体积逐渐增大，自适应光学校正系统的设计难度也增加了。因此，在满足自适应光学校正系统中共轭探测等需求的前提下，统筹优化系统的尺寸参数，同时实现波前相位、光束质量评估等多参数的检测具有一定的研究意义。本文在系统整体尺寸为350 mm×180 mm×220 mm（长×宽×高）的条件下，研究实现了板条激光器输出160 mm×120 mm矩形光束多参数的检测。针对探测口径大、筒长限制、长出瞳距等技术要求，首先，利用双高斯初始结构的消像差特点，结合非球面技术，采用大倍率光束压缩后分光探测的设计方案，实现多参数的同时探测。其次，基于摄远成像和共轭成像等原理，确定系统初始参数。接着，建立仿真模型分析系统的成像质量和公差，为实验的搭建提供依据。最后，搭建实验平台验证设计结果。结果表明：所设计系统可在满足物像共轭、尺寸约束等条件下，实现对大口径矩形光束的共轭波前探测、光强均匀度检测和光束质量评估。实验测得被测光束β因子为1.24倍衍射极限，均匀度为73.8%，满足技术指标要求。
板条激光器 自适应光学校正 矩形光束 共轭波前探测 光束质量评估 slab laser adaptive optical correction rectangular beam conjugate wavefront detection beam quality evaluation
1 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，长春 130022；长春光客科技有限公司，长春 130000
2 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，长春 130022
3 长春光客科技有限公司，长春 130000；长春理工大学 光电工程学院，长春 130022
4 长春理工大学 计算机科学技术学院，长春 130022
为了降低部分相干光光学系统设计的复杂度及成本，增加部分相干光应用的便捷性，提出了一种液晶空间光调制器的激光相干度及束散角复合控制方法。首先介绍了对激光光束进行相干度和束散角复合控制的基本理论和方法；然后分别设置了相干度和束散角检测实验，检测了本方法所调制激光光束的相干度和束散角的准确性。实验结果表明，采用液晶空间光调制器生成相干度为0.9 mm、束散角为7.5 mrad，以及相干度为1.5 mm、束散角为3.8 mrad的部分相干光束，其相干度与理论值相比误差在5%以内，其相干度均方根误差分别为0.027386和0.031314，峰谷值分别为0.084 658和0.089 103；其束散角与理论值相比误差在5%以内，其束散角均方根误差分别为0.022 478和0.023 186，峰谷值分别为0.081 201和0.092 130。可见，该方法可以实现高精度的相干度及束散角复合控制。
大气光学 相干 液晶空间光调制器 束散角 atmospheric optics coherence liquid crystal spatial light modulator divergence angle 强激光与粒子束
2020, 32(7): 071008
长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
随着激光二极管技术的发展, 以及一些先进热管理方案和新型加工工艺的涌现, 固体激光器的输出功率已达到百千瓦量级, 而光束质量的控制问题却日益凸显。本文归纳了板条激光器的光束质量控制技术, 对当前已经实现了的几种技术路线进行了深入细致的分析, 包括静态相位校正技术、非线性光学校正技术、自适应光学校正技术、几何光学校正技术等, 并分别介绍了其工作原理、研究进展以及优缺点。
板条激光器 热效应 波前畸变 像差校正 光束质量 slab lasers thermal effects wavefront aberrations aberration correction beam quality
1 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
高功率固体板条激光器的光束质量严重受限于增益介质热效应等多种因素。如何同时获得高平均功率和高光束质量是激光发展过程中面临的一个基本物理问题。自适应光学技术能够有效补偿固体板条激光系统输出光束的静态和动态像差，是改善光束质量的有效手段。近年来中国科学院光电技术研究所掌握了低阶像差补偿器、加权优化波前复原方法、通用波前处理机等关键技术，为国内多个固体板条激光系统研制了二十余套自适应光学光束净化系统，显著改善了光束质量，保障了上述激光系统的有效运用。
自适应光学 固体板条激光器 光束质量 adaptive optics solid-state slab laser beam quality
1 长春理工大学 光电工程学院,吉林 长春130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心,吉林 长春130022
地球模拟器是红外地球敏感器地面模拟试验与标定的重要设备,针对现有的圆锥扫描式地球模拟器无法提供可变地球张角的问题,提出了一种可变地球张角圆锥扫描式地球模拟器的设计方案,对冷板、热板等主要组成部分进行了详细的结构设计。根据两块活动冷板尺寸大且不易控制转动精度的特点,采用一个电动推杆通过两个连杆机构带动两片活动冷板同时转动的结构,建立三维仿真模型,并应用有限元ANSYS软件对支架进行应力分析和对冷板和热板进行热分析。经实验验证:该结构设计合理,能满足红外地球敏感器的测试与标定要求。
地球模拟器 红外地球敏感器 可变地球张角 活动冷板 有限元分析 earth simulator infrared earth sensor variable earth angle movable cold plate finite element analysis
