1 信息工程大学，河南 郑州 450001
2 西安卫星测控中心，陕西 西安 710043
天文导航是一种重要的飞行器自主导航手段。在高速飞行器上进行的观测，不可避免地会受到窗口外侧高速流场的扰动，使得星敏感器捕获的星点图像出现偏移、模糊等退化现象，影响天文定位定姿精度。对星图退化的计算和校正的研究多基于计算机仿真结果。文中建成了一座可在实验段中生成马赫2.5/3.5混合层结构的小型静风洞，以直径10 m的室内穹顶上的仿真星点为观测对象，透过实验段中不同位置的流场进行了星点观测和中心点解算，获得了星点图像受到流场扰动的数据，并将其与计算机仿真结果进行对比。结果表明：导航星光偏折量高于计算机仿真的估计值。在喷口近端，高速混合流场对星光偏折的扰动较大，垂直流场方向的偏折均值小于0.5″，沿流场方向偏离均值为3.85″，最大接近4.89″；在喷口远端，垂直方向星光偏折均值为−1.36″，沿流场方向偏折均值约−0.49″，最高达−2.69″。近端星光偏折变化幅度较小，稳定性较远端更强，有利于建模校正。该实验对校正仿真模型、优化高速流场下的天文定姿精度有着重要的意义。
高速流场 马赫2.5/3.5混合层 小型风洞 室内穹顶 星光偏折 high-speed flow Mach 2.5/3.5 mixing layer small wind tunnel indoor doom star-light deflection 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220802
1 武汉科技大学 理学院,武汉 430065
2 湖北省智能爆破工程技术研究中心, 武汉 430065
3 中铁广州工程局 武科大爆破技术研究中心, 武汉 430065
4 武汉科技大学 城市建设学院,武汉 430065
针对普通钢筋混凝土板和碳纤维布加固混凝土板(CFRP)进行爆破试验, 比较了不同TNT炸药当量下CFRP加固板的破坏机理和动态响应。实验采用嵌入式压电智能骨料监测混凝土板的内部损伤状况, 利用小波包能量分析理论计算损伤指数, 并通过加速度和应变片监测混凝土板在爆炸荷载作用下的动态响应。实验结果表明: 在药量较小(10 g、20 g、40 g)时, 经过CFRP加固的混凝土板在相同爆破荷载作用下损伤指数相比于普通板分别降低了29.05%、27.44%、15.85%, 表明粘贴于结构背部的CFRP材料分摊了拉伸波所携带的部分能量, 延缓了混凝土的开裂, 提高了混凝土的抗爆性能; 但当药量较大(80g、160 g)时, CFRP加固板损伤指数相比于普通板降低了仅为8.69%、0.35%, CFRP材料对提高混凝土板抗爆性能不明显。
爆炸荷载 损伤监测 智能骨料(SA) CFRP加固混凝土板 explosion load damage detection smart aggregate(SA) CFRP reinforced concrete slabs
1 中国科学院微小卫星创新研究院, 上海 201203
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 国科学院微小卫星重点实验室, 上海 201203
激光雷达和双目相机作为无人驾驶领域中重要的环境感知设备,两者之间的外参配准是其联合应用的重要基础,然而两种信息的融合意味着繁琐的校准过程。基于此,提出一种基于特征点对匹配求解的方法,采用两块矩形木板,分别提取双目相机与激光雷达坐标系下的木板边缘3D点云,拟合空间直线求取角点坐标,最后利用Kabsch算法求解配对的特征点之间的坐标转换,利用聚类法去除多次测量结果中的异常值,并求取平均值。通过搭建实验,所提算法可在Nvidia Jetson Tx2嵌入式开发板上实现,获得了准确的配准参数,验证了理论方法的可行性。此配准方法简单易行,可自动完成多次测量,相比于同类方法精度也有所提高。
大气光学 激光雷达 双目相机 配准参数 刚体转换 激光与光电子学进展
2020, 57(3): 030102
1 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室, 北京 100029
在低轨道空间站和伴飞卫星上分别安置激光发射机和接收机,同时发射和接收935 nm短波红外水汽探测激光束脉冲对和765 nm(位于氧气的A吸收带)近红外激光束脉冲对。935 nm波段激光脉冲的一个探测波长对水汽的吸收较强,另一个参考波长对水汽的吸收相对较弱;765 nm波段激光脉冲的一个波长对氧气的吸收较强和另一个波长对氧气的吸收较弱。光连线全程的双波长差分光学厚度和连线切点处的差分消光系数之间存在Abel变换关系。基于Abel积分变换,利用理想气体状态定律和大气准静态方程,用大气模式作为初值条件,进行数值计算。765 nm波长对用来反演大气的压强和温度,935 nm波长对用来反演大气水汽的密度。获得的水汽廓线分布的仿真结果以及误差分布表明,激光掩星具有探测对流层上-平流层下这一高度(5~14 km)的水汽含量的潜力。
大气光学 水汽混合比 差分光学厚度 差分消光系数 Abel变换
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
简述了空间激光通信中精跟踪系统的组成和控制结构，分析了捕获、跟踪、瞄准系统精跟踪探测器使用质心算法进行信标光斑定位时的误差来源，对精跟踪探测器信标光斑定位过程进行傅里叶频域分析.推导得到消除质心算法系统误差的理论方案，即信标光波长和精跟踪系统的F数乘积需大于精跟踪探测器的像元尺寸.分析了精跟踪系统实现过程中关键参数的选取过程，结合精跟踪系统的系统参数耦合关系，为了不损失精跟踪视场，在精跟踪探测器镜头前添加孔径光阑进行精跟踪系统优化，以消除精跟踪探测器光斑定位时的系统误差.理论计算和实验证明：当孔径光阑的直径小于9.32 mm时，精跟踪系统的相对孔径小于0.045，精跟踪误差仅为0.03 pixel，相比优化前的精跟踪系统，跟踪精度提高了1.9倍.
光通信 捕获、跟踪、瞄准 定位精度 质心算法 系统误差 optical communications acquisition tracking pointing positioning accuracy centroid algorithm systematic error
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
在介绍捕获、跟踪、瞄准(ATP)精跟踪子系统结构、控制原理及控制算法的基础上, 通过搭建半物理模型来分析不同分辨率数模转换器对应的跟踪性能, 分别对同一位置光束与加入扰动后的光束进行跟踪对比实验。结合精跟踪控制系统的信号传输, 分析不同分辨率的数模转换器对ATP系统跟踪精度的影响。实验结果表明, 数模转换器的分辨率越高, ATP系统的跟踪性能就越好; 使用14位数模转换器时, 继续增加分辨率, ATP系统的跟踪精度没有得到显著提升。对跟踪后的光斑质心信号进行频谱分量统计,得出干扰抑制带宽之外的频段内数模转换器的分辨率与对应的频谱分量成正比, 因此需要进一步提高精跟踪系统的干扰抑制带宽来实现更高精度的跟踪。
光通信 捕获 跟踪 瞄准 跟踪精度 数模转换器
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
捕获、跟踪、瞄准系统精跟踪探测器在不同噪声下对精跟踪系统进行光斑位置定位的影响不同。分析了探测器条状噪声的来源, 理论推导了条状噪声对质心算法的影响。采用阈值质心算法对含有条状噪声和椒盐噪声的图像进行光斑定位, 仿真分析了不同阈值、不同光斑图像信噪比下X轴和Y轴的光斑定位偏差, 对比了X轴和Y轴的光斑定位精度。仿真结果表明, 沿Y轴方向延伸的条状噪声使得X轴光斑定位精度优于Y轴。实验分别测试了不同系统配置、不同干扰幅度下精跟踪系统X轴和Y轴的跟踪精度。实验结果表明, 对于两个正交轴对称的精跟踪系统, X轴的跟踪精度优于Y轴, 从而验证了条状噪声的存在使得X轴的光斑定位精度优于Y轴的结论, 实验结果和仿真分析结果相符。
光通信 捕获、跟踪、瞄准系统 条状噪声 质心算法 定位精度
南京理工大学 化工学院, 江苏 南京 210094
针对目前VISAR等测速仪在测量瞬态高速小飞片速度时调试复杂、测试成功率低等问题, 基于光子多普勒效应和自混频原理, 采用1 550 nm单模激光, 成功研制了一套光子多普勒测速系统。使用该系统测量了不同激光能量密度下的复合飞片瞬时速度, 结果显示: 该系统测试成功率高, 响应速度快, 获得的速度曲线完整而清晰。与传统的VISAR和F-P干涉测速仪相比, 具有操作简单、测试成功率高、便于携带等非常明显的优势。该系统适用于速度在几百米/s～几千米/s的微小飞片或者微区爆轰的速度测量, 也可应用于常规爆炸流场的测试。
多普勒效应 飞片速度 光纤激光器 PDV photonic Doppler velocimetry Doppler effect flyer′s velocity fiber laser 红外与激光工程
2016, 45(12): 1217001
1 西南交通大学 机械工程学院，成都 610031
2 中国科学院 光电技术研究所, 成都 610209
为了提高光学零件表面划痕定位测量和宽度测量的精度，采用基于离散正交多项式曲面拟合的亚像素边缘检测与宽度测量的算法，通过对边缘点及其邻域进行曲面拟合代替了只对边缘点梯度方向进行曲线拟合，实现了亚像素边缘检测；采取感兴趣区域加速策略与基于离散正交多项式曲面方程参量快速求解方法串联进行的加速方案，大大减少处理时间；在宽度计算方面，根据划痕长度自适应分段，分别计算每段分段点之间欧氏距离并作为其宽度，比较后取最大宽度作为划痕宽度。结果表明，该算法测量精度较高且具有较强的鲁棒性，同一划痕在不同视窗下测得宽度误差均值不超过5.2%，且标准差不超过0.3；在求解曲面模型参量的时间方面，该方法计算时间约为最小二方法的7.35%，处理效率显著提高。该方法能够满足工程应用中快速、高精度的测量要求。
测量与计量 划痕检测 曲面拟合 亚像素边缘提取 宽度测量 masurement and metrology scratch detection surface fitting sub-pixel edge detection width measurement
采用真空磁控溅射方法制备了CuO/Al2O3/Al,(CuO/Al)Ⅱ/CuO/Al2O3/Al,(CuO/Al)Ⅷ/Al2O3/Al三种复合飞片, 利用激光共聚焦显微镜和扫描电镜对复合飞片进行表征, 结果表明,不同材料膜层的分界面清晰可见, 复合薄膜的表面结构致密, 颗粒基本尺寸可以达到nm级, 均匀性好。利用光子多普勒测速技术对三种复合飞片速度进行测量, 结果表明: 将飞片靶放置在空气电离点偏前的位置(入射激光方向), 增大聚焦光斑, 能改善激光电离空气引起的能量屏蔽作用；含能烧蚀层CuO/Al的存在, 有助于提高飞片速度。在含能薄膜烧蚀层厚度一定的情况下, 增大周期、减小每层薄膜厚度, 有助于提高含能薄膜反应程度, 减小飞片上升沿时间。在同等激光能量密度下, (CuO/Al)Ⅷ/Al2O3/Al的上升沿时间低于(CuO/Al)Ⅱ/CuO/Al2O3/Al。
磁控溅射 激光驱动 复合飞片 光子多普勒测速 magnetron sputtering laser-driven composite flyer photonic Doppler velocimetry 强激光与粒子束
2015, 27(1): 011006
