红外与激光工程
2024, 53(2): 20230561
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室,上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室,上海 200083
3 中国科学院大学,北京 100049
4 上海科技大学,上海 201210
目前红外探测器采用传统读出方法很难通过一次积分实现其本身的动态范围。为实现红外探测器的大动态范围不换档读出,引入脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)结构,同时为保证弱信号时的注入效率,结合CTIA输入级,对红外探测器不换档大动态范围读出方法进行研究。提出一种CTIA输入级脉冲频率调制(PFM)读出方法,在系统级层面搭建实验系统并结合短波红外InGaAs单元探测器进行数字量化实验。详细分析了强信号时由系统结构延迟时间引起的转换线性度问题,并建立非理想条件下的数字量化转换模型。实验结果显示,提出的CTIA输入级PFM红外探测器读出方法动态范围达到97 dB,为红外探测器不换档大动态范围读出提供了一种可行方案,并为数字化读出电路设计奠定理论基础。
脉冲频率调制 CTIA输入级 大动态范围 铟镓砷 数字化读出 pulse frequency modulation CTIA input stage high dynamic range InGaAs digital readout circuit
1 中国计量大学计量测试工程学院,浙江 杭州 310018
2 亚利桑那大学光学科学学院,亚利桑那 图森 85721
光学偏折测量技术作为高精度的非接触式测量方式,可在不损伤被测元件表面的同时,具有较高的空间分辨率和较大的测量动态范围。光学偏折测量系统结构简单,在现今越来越注重高精度、高效率和高通用性的光学复杂自由曲面测量领域中有较好的应用前景。首先,回顾了近年来的复杂曲面测量方法,并分析其测量特点。然后,着重介绍了采用计算机辅助的光学偏折测量技术及其系统关键性能参数。接着,对光学偏折测量所涉及的测量模型的建立、结构误差的校正、相位的获取和曲面的重构等关键技术的研究进展进行了讨论。最后,总结了基于计算机辅助的光学偏折测量技术的几种典型应用。
测量 光学偏折术 光学检测 大动态范围 计算机辅助测量 光学学报
2022, 42(17): 1712001
张思韬 1,2,3,4汪鸿祎 1,2,3王绪泉 1,2,3黄松垒 1,2方家熊 1,2,*
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 上海科技大学 信息科学与技术学院, 上海 201210
针对短波红外焦平面的大动态范围需求, 设计了一种像素级脉冲频率调制(PFM)模数转换器(ADC)。传统PFM ADC采用DI输入级, 进行弱信号探测时, 注入效率会下降, 造成动态范围的损失。设计的PFM ADC采用CTIA输入级, 弱信号探测时仍能维持高注入效率; 同时采用两档增益和增益自选择技术, 使得每个像素都能够根据输入的光电流自动选择增益, 在提升动态范围的同时, 不增加额外的功耗。在0.18μm CMOS工艺模型下, 仿真结果表明该电路的动态范围达到100.1dB, 单元ADC功耗小于10.54μW, 并且基于所设计的改进型PFM ADC设计了规模为32×32、中心距为50μm的像素级数字化读出电路。
短波红外焦平面 大动态范围 脉冲频率调制 增益自选择 两档增益 short-wave IRFPA wide dynamic range PFM CTIA CTIA self-selected gain technology two levels of gain
1 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100876
2 北京邮电大学电子工程学院, 北京 100876
针对微波通信、超视距雷达和有线电视系统等军民应用需求,为了实现光载射频信号的大动态远距离传输,提出了基于光学锁相环与粒子群算法的零差相干微波光子传输链路技术。该链路前端采用零差光锁相环实现了本振光对信号光的相位跟踪锁定,抑制了锁相带宽内的激光器频率漂移和相位噪声以及长距离光纤导致的相噪恶化,同时平衡探测方式消除了直流分量相关相对强度噪声;通过分析链路前端非线性失真来源,在后端数字处理单元利用粒子群算法寻找最佳非线性失真纠正系数,并对I/Q两路数字信号进行延时匹配、幅相均衡以及线性相位解调,实现了100 MHz频段内射频信号的大动态远距离(≥120 dB·Hz 2/3和100.8 km)传输。
光通信 微波光子链路 大动态范围 光学锁相环 粒子群算法 零差相干探测
1 中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018
2 浙江大学温州研究院,浙江 温州 325006
针对大口径的高斜率动态范围光学元件的测量需求,提出了基于光学偏折技术的子孔径拼接测量方法。利用所搭建的条纹投影光学偏折测量系统,结合子孔径划分拼接方法,对各子孔径分别进行测量,并根据实际测量结果与测量系统模型光线追迹结果的偏差,高精度测得各个子孔径的面形数据,由此对各子孔径进行拼接来实现全口径面形测量。光学偏折测量技术相对干涉法具有很大的测量动态范围和视场,可极大降低所需的子孔径数量,由此大大提高了检测效率。同时提出了针对重叠区域的加权融合算法来实现拼接面形的平滑过渡。为验证所提出方案的可行性,分别进行了仿真分析以及实验验证。对一高斜率反光灯罩进行拼接测量实验,并将拼接测量与全口径测量结果进行对比。结果表明,利用所提出测量方法获得的拼接面形连续光滑,且与全口径测量面形RMS值偏差为0.0957 µm,优于微米量级。该测量具有较高的测量精度和大动态测量范围,并且系统结构简单,为各类复杂光学反射元件提供了一种有效可行的检测方法。
光学检测 条纹投影光学偏折 子孔径拼接 大动态范围 optical testing fringe-illumination deflectometry sub-aperture stitching large dynamic range 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210105
1 哈尔滨工业大学物理学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
激光吸收光谱 (LAS) 技术具有定量性好和操作便捷的优势, 已成为目前最为广泛使用的激光光谱气体检测技术, 但在许多实际应用中, 传统的 LAS 在光程精确测定、多点气体检测和大动态范围检测等方面的指标仍不能满足需求。介绍了一种基于光学调频连续波 (FMCW) 技术的气体光谱检测方法, 该方法将 FMCW 技术引入到 LAS 中, 在充分利用 FMCW 精确定位能力的同时, 挖掘光学 FMCW 信号中的吸收光谱信息。详细介绍了光学 FMCW 气体光谱检测技术的基本原理, 总结了本课题组采用该技术在多通池内气体吸收光谱和光程同步测量、多点式气体检测和大动态范围气体检测三个方面的最新研究进展, 并对下一步研究工作做了展望。
光谱学 吸收光谱 气体检测 调频连续波 多点式 大动态范围 spectroscopy absorption spectroscopy gas detection frequency-modulated continuous-wave multi-point large dynamic range
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 激光与光电子研究所,天津 300072
2 光电信息技术教育部重点实验室,天津大学,天津 300072
针对目前太赫兹频段雷达散射截面(RCS)测量动态范围较小的问题,提出了一种结构分段定标结合数据分段处理的大动态范围RCS获取方法。基于相对定标理论分析了单一定标测量方式对RCS测量范围与测量精度的限制,并通过对光滑金属球与圆柱的实验测量进行了验证。通过光滑金属平板的RCS测量讨论了衰减元件的引入对系统测量精度与测量范围的影响。在此基础上,利用结构分段定标结合数据分段处理对弹头模型的RCS进行了测量,成功获得了弹头模型的主要散射特征,实现了目前已知最高的63 dB动态范围,测量结果与仿真计算结果一致。
雷达散射截面 太赫兹 大动态范围 radar cross section terahertz large dynamic range
1 航天工程大学电子与光学工程系,北京 101416
2 航天工程大学研究生院,北京 101416
针对大动态范围下运动目标速度测量受限的问题,提出四光相干混频探测方法,通过提取多普勒频率以及移频量与多普勒差频可以实现更大动态范围的速度测量。在四光相干混频探测过程中,存在输出信号多和信号判别难度大的问题。为了解决以上问题,提出并设计空间偏振分光结构的四光相干混频探测结构,使用偏振分光技术实现四路输出信号的完全空间分离,可以避免信号之间的相互影响,降低信号处理的难度。从理论上对结构进行原理分析,并使用光学仿真软件对其进行仿真分析,验证理论和结构的可行性,同时可根据不同探测器输出信号判断目标的运动方向。
相干光学 四光相干 偏振分光 运动目标 大动态范围 多普勒频移 激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0303001