2009年 2卷 第2期
2009, 2(2): 71-78.
摘要
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摘要:
SiC材料具有良好的物理特性和机械特性，是制备大口径空间反射镜的主要候选材料之一，而SiC反射镜的制备、加工及其表面改性技术是推动高水平空间光学系统应用的重要条件。本文从实际工程应用的角度出发，分析了几种常用SiC基底反射镜材料的特性，介绍了4种SiC的制备工艺。研究了目前国内外SiC基底反射镜的应用现状及其表面改性情况，对改性层的性能指标、制备工艺和发展趋势进行了深入讨论。针对目前国内反射镜材料应用现状，认为加快高性能SiC基底材料研发工作步伐，并找到一种利用现有大口径PVD设备低温制备优质SiC改性层的方法是今后工程应用的发展方向。
SiC材料具有良好的物理特性和机械特性，是制备大口径空间反射镜的主要候选材料之一，而SiC反射镜的制备、加工及其表面改性技术是推动高水平空间光学系统应用的重要条件。本文从实际工程应用的角度出发，分析了几种常用SiC基底反射镜材料的特性，介绍了4种SiC的制备工艺。研究了目前国内外SiC基底反射镜的应用现状及其表面改性情况，对改性层的性能指标、制备工艺和发展趋势进行了深入讨论。针对目前国内反射镜材料应用现状，认为加快高性能SiC基底材料研发工作步伐，并找到一种利用现有大口径PVD设备低温制备优质SiC改性层的方法是今后工程应用的发展方向。
2009, 2(2): 79-84.
摘要:
为了满足航天有效载荷轻型化、高比强度、高比模量的要求，分析了航天有效载荷支撑结构常用工程材料的优缺点；阐述了碳/环氧复合材料在航天有效载荷承力支撑结构中应用的可行性；介绍了该材料在航天有效载荷中的实际工程应用及相关设计方法。用优化设计后的碳/环氧复合材料支撑机构支撑80 kg重的有效载荷，在正弦振动和随机振动试验过程中碳纤支撑座没有发生破坏，而质量相对于铝合金结构降低了近30%。结果表明，碳/环氧复合材料应用于航天有效载荷支撑结构中是可行的。
为了满足航天有效载荷轻型化、高比强度、高比模量的要求，分析了航天有效载荷支撑结构常用工程材料的优缺点；阐述了碳/环氧复合材料在航天有效载荷承力支撑结构中应用的可行性；介绍了该材料在航天有效载荷中的实际工程应用及相关设计方法。用优化设计后的碳/环氧复合材料支撑机构支撑80 kg重的有效载荷，在正弦振动和随机振动试验过程中碳纤支撑座没有发生破坏，而质量相对于铝合金结构降低了近30%。结果表明，碳/环氧复合材料应用于航天有效载荷支撑结构中是可行的。
2009, 2(2): 85-90.
摘要:
采用带状弹簧构造的可折叠多杆并联结构对卡塞格林型望远镜的次镜进行支撑，并结合在轨调节，可以实现口径＜1 m的可展开空间望远镜。描述了基于带状弹簧的可展开空间望远镜的结构特点，介绍了近年来发表的四杆支撑、八杆支撑、三杆支撑和六杆支撑等4种基于带状弹簧的空间望远镜精密展开技术的研究进展。建议针对带状弹簧空间望远镜的精密展开技术，应进一步开展结构动力学建模、结构优化以及误差的光电测量和校正等方面的研究。此外，在模拟微重力环境下展开实验也有助于推动展开动力学和展开精度的研究，而非对称展开结构将是今后该项技术的研究方向之一。认为开展基于带状弹簧的空间望远镜精密展开技术的研究将促进基于微小卫星平台的高分辨率遥感成像和自由空间光通信技术的发展。
采用带状弹簧构造的可折叠多杆并联结构对卡塞格林型望远镜的次镜进行支撑，并结合在轨调节，可以实现口径＜1 m的可展开空间望远镜。描述了基于带状弹簧的可展开空间望远镜的结构特点，介绍了近年来发表的四杆支撑、八杆支撑、三杆支撑和六杆支撑等4种基于带状弹簧的空间望远镜精密展开技术的研究进展。建议针对带状弹簧空间望远镜的精密展开技术，应进一步开展结构动力学建模、结构优化以及误差的光电测量和校正等方面的研究。此外，在模拟微重力环境下展开实验也有助于推动展开动力学和展开精度的研究，而非对称展开结构将是今后该项技术的研究方向之一。认为开展基于带状弹簧的空间望远镜精密展开技术的研究将促进基于微小卫星平台的高分辨率遥感成像和自由空间光通信技术的发展。
2009, 2(2): 91-101.
摘要:
空间薄膜反射镜由于具有面密度低，易于折叠展开且成本低等优点很好地满足了空间反射镜的超轻量、超大口径的要求，因此在空间科学研究领域倍受关注。介绍了空间薄膜反射镜的发展，包括薄膜反射镜的理论基础，充气式薄膜反射镜和静电拉伸薄膜反射镜及其他类型的反射镜的代表成果。而后对空间薄膜反射镜的技术难点进行了分析;重点讨论了薄膜反射镜用聚酰亚胺薄膜的生产情况以及薄膜反射镜的面形控制、面形检测和反射镜支撑结构的设计。最后总结了反射镜近期的研制情况、存在的问题和应用发展趋势。认为空间薄膜反射镜作为国内外空间科学的热点，在未来的几十年内将在航天领域的太空望远镜、空间侦察相机、人造太阳、微波天线等方面得到广泛应用。
空间薄膜反射镜由于具有面密度低，易于折叠展开且成本低等优点很好地满足了空间反射镜的超轻量、超大口径的要求，因此在空间科学研究领域倍受关注。介绍了空间薄膜反射镜的发展，包括薄膜反射镜的理论基础，充气式薄膜反射镜和静电拉伸薄膜反射镜及其他类型的反射镜的代表成果。而后对空间薄膜反射镜的技术难点进行了分析;重点讨论了薄膜反射镜用聚酰亚胺薄膜的生产情况以及薄膜反射镜的面形控制、面形检测和反射镜支撑结构的设计。最后总结了反射镜近期的研制情况、存在的问题和应用发展趋势。认为空间薄膜反射镜作为国内外空间科学的热点，在未来的几十年内将在航天领域的太空望远镜、空间侦察相机、人造太阳、微波天线等方面得到广泛应用。
2009, 2(2): 102-111.
摘要:
超高分辨成像技术一直是航天、遥感、目标识别等领域的研究热点。随着光学成像到光电数字成像的转变，如何提高CCD的几何分辨率，已成为研制高分辨光电成像系统亟待解决的问题。本文从理论和工程实现的角度介绍了超分辨成像的技术原理，分析了实现超分辨重建技术的几种方法，主要描述了微扫描和亚像元两种重建技术的实现方式，指出了目前超分辨技术存在的缺陷。最后,针对超分辨技术中无混淆重建带宽较窄的问题，提出了一种新的技术方案。该方案将光学编码技术与目前的亚像元技术相结合，可将重建带宽拓展3倍。研究结论指出：融合了光学，光电子学和信号处理的成像系统的综合设计，将是未来成像领域的一个重要研究方向。
超高分辨成像技术一直是航天、遥感、目标识别等领域的研究热点。随着光学成像到光电数字成像的转变，如何提高CCD的几何分辨率，已成为研制高分辨光电成像系统亟待解决的问题。本文从理论和工程实现的角度介绍了超分辨成像的技术原理，分析了实现超分辨重建技术的几种方法，主要描述了微扫描和亚像元两种重建技术的实现方式，指出了目前超分辨技术存在的缺陷。最后,针对超分辨技术中无混淆重建带宽较窄的问题，提出了一种新的技术方案。该方案将光学编码技术与目前的亚像元技术相结合，可将重建带宽拓展3倍。研究结论指出：融合了光学，光电子学和信号处理的成像系统的综合设计，将是未来成像领域的一个重要研究方向。
2009, 2(2): 112-118.
摘要:
平面三维显示技术是近年来最新出现的虚拟现实显示技术，其最大的特点是观察者无需使用任何辅助附加设备，直接用肉眼就可看到屏幕上显示的三维图像。为推进三维显示技术的发展，进一步研究了视差立体成像原理，并据此介绍几种平面三维显示方法及其工作原理，包括障栅立体显示、微柱透镜阵列立体显示、偏振片立体显示和基于微柱透镜立体显示原理的多视点系统，阐述并分析了系统的优缺点。以日本三洋公司的四视角立体显示装置、南京大学的多视点三维显示系统和NEC液晶科技的HDDP三维显示系统为例，描述了国内外该项技术近期的研究现状，分析了存在的技术难点，展望了该应用领域的发展前景。
平面三维显示技术是近年来最新出现的虚拟现实显示技术，其最大的特点是观察者无需使用任何辅助附加设备，直接用肉眼就可看到屏幕上显示的三维图像。为推进三维显示技术的发展，进一步研究了视差立体成像原理，并据此介绍几种平面三维显示方法及其工作原理，包括障栅立体显示、微柱透镜阵列立体显示、偏振片立体显示和基于微柱透镜立体显示原理的多视点系统，阐述并分析了系统的优缺点。以日本三洋公司的四视角立体显示装置、南京大学的多视点三维显示系统和NEC液晶科技的HDDP三维显示系统为例，描述了国内外该项技术近期的研究现状，分析了存在的技术难点，展望了该应用领域的发展前景。
2009, 2(2): 119-125.
摘要:
过渡金属硅化物β-FeSi2因其原料价格低廉且利于环保而成为理想的硅基发光材料之一。探讨了β-FeSi2的发光机理，介绍了几种β-FeSi2薄膜制备方法并比较了不同制备方法的特点，总结了最近几年来β-FeSi2的研究进展和主要研究结果。结合作者已经取得的结果和积累的经验，提出了提高材料发光性能方法，认为良好的结晶质量和尽可能减少缺陷是β-FeSi2高效发光的基础，因此有必要探索新的制备方法并改善已有的制备工艺。另外，尝试在β-FeSi2薄膜中应用其它元素，也有可能增大发光效率;而有效激发β-FeSi2的p-i-n结构也是提高发光效率的方法之一。最后，讨论了β-FeSi2的发展趋势，展望了该种材料的发展前景。
过渡金属硅化物β-FeSi2因其原料价格低廉且利于环保而成为理想的硅基发光材料之一。探讨了β-FeSi2的发光机理，介绍了几种β-FeSi2薄膜制备方法并比较了不同制备方法的特点，总结了最近几年来β-FeSi2的研究进展和主要研究结果。结合作者已经取得的结果和积累的经验，提出了提高材料发光性能方法，认为良好的结晶质量和尽可能减少缺陷是β-FeSi2高效发光的基础，因此有必要探索新的制备方法并改善已有的制备工艺。另外，尝试在β-FeSi2薄膜中应用其它元素，也有可能增大发光效率;而有效激发β-FeSi2的p-i-n结构也是提高发光效率的方法之一。最后，讨论了β-FeSi2的发展趋势，展望了该种材料的发展前景。
2009, 2(2): 126-133.
摘要:
光电轴角编码器是以码盘或计量圆光栅为核心元件的测角传感器。近年来，为满足光电轴角编码器小型化、智能化、集成化,特别是小型化的要求，各国在缩小光电轴角编码器的尺寸方面做了大量的研究工作，尤其是对编码方式的研究。本文主要介绍了目前光电轴角编码器的编码方式及编码原理，在对现有编码方式详细解读的基础上对制约光电轴角编码器快速小型化的因素进行了分析，认为影响编码方式成功实施的主要因素是发光和接收元件的尺寸。文中展望了光电轴角编码器编码方式的发展趋势，提出编码方式多样化和码道数量少量化有助于缩小光电编码器尺寸，加速其小型化的发展。
光电轴角编码器是以码盘或计量圆光栅为核心元件的测角传感器。近年来，为满足光电轴角编码器小型化、智能化、集成化,特别是小型化的要求，各国在缩小光电轴角编码器的尺寸方面做了大量的研究工作，尤其是对编码方式的研究。本文主要介绍了目前光电轴角编码器的编码方式及编码原理，在对现有编码方式详细解读的基础上对制约光电轴角编码器快速小型化的因素进行了分析，认为影响编码方式成功实施的主要因素是发光和接收元件的尺寸。文中展望了光电轴角编码器编码方式的发展趋势，提出编码方式多样化和码道数量少量化有助于缩小光电编码器尺寸，加速其小型化的发展。
2009, 2(2): 134-139.
摘要:
为了改进编码器误差检测方法，提高检测效率，基于对光电轴角编码器误差检测现状的分析，设计了一种编码器误差自动检测系统。介绍了自动检测系统的工作原理，系统的硬件设计和软件设计。利用运动和全闭环控制技术，以24位高精度增量式光电轴角编码器为反馈元件，该自动检测系统可自动完成对编码器测试点的定位、数据获取和误差数据分析，定位精度为2″,可以检测18位以下各类光电轴角编码器的误差，检测效率是标准检测装置的6倍。该实验结果验证了方案的可行性。
为了改进编码器误差检测方法，提高检测效率，基于对光电轴角编码器误差检测现状的分析，设计了一种编码器误差自动检测系统。介绍了自动检测系统的工作原理，系统的硬件设计和软件设计。利用运动和全闭环控制技术，以24位高精度增量式光电轴角编码器为反馈元件，该自动检测系统可自动完成对编码器测试点的定位、数据获取和误差数据分析，定位精度为2″,可以检测18位以下各类光电轴角编码器的误差，检测效率是标准检测装置的6倍。该实验结果验证了方案的可行性。
2009, 2(2): 140-144.
摘要:
对于无法获得参考图像的图像处理系统，无参考（NR）图像质量评价具有重要意义。讨论了NR图像质量评价的基本问题，介绍了NR图像质量评价方法的基本原理，重点描述了基于块效应、图像模糊和交互神经进化的NR图像质量评价方法的内容。根据现有的NR图像质量方法都存在针对特定的类型而设计的缺陷，应用模糊测度和模糊积分，结合人类视觉系统（HVS）特性，并考虑盲失真度量遵循量化质量定律，提出了一个全面的NR图像质量评价方法的设计原则。
对于无法获得参考图像的图像处理系统，无参考（NR）图像质量评价具有重要意义。讨论了NR图像质量评价的基本问题，介绍了NR图像质量评价方法的基本原理，重点描述了基于块效应、图像模糊和交互神经进化的NR图像质量评价方法的内容。根据现有的NR图像质量方法都存在针对特定的类型而设计的缺陷，应用模糊测度和模糊积分，结合人类视觉系统（HVS）特性，并考虑盲失真度量遵循量化质量定律，提出了一个全面的NR图像质量评价方法的设计原则。
2009, 2(2): 145-149.
摘要:
考虑将曲波变换引入图像融合能够更好地提取原始图像，对一种新的图像融合方法—曲波变换图像融合法进行了研究。将图像序列进行曲波变换后，通过对所有图像的高频进行逆变换及域值处理来获得区域图。根据区域图中高频区域的边界点在每张图层上的活跃度不同求得区域边界的图层分布，利用插值获得高频区域的区域分布图。通过高频区域的膨胀求得整幅图的区域分布图,然后在曲波变换的变换域，利用区域分布图对多尺度的高频系数采用高斯加权求和;对低频系数采用取平均值的规则完成图像的融合。进行了图像融合实验，实验结果表明，与传统的小波变换及基于像素的曲波变换相比，提出的方法获得的融合图像边缘更清晰，更接近参考图像。
考虑将曲波变换引入图像融合能够更好地提取原始图像，对一种新的图像融合方法—曲波变换图像融合法进行了研究。将图像序列进行曲波变换后，通过对所有图像的高频进行逆变换及域值处理来获得区域图。根据区域图中高频区域的边界点在每张图层上的活跃度不同求得区域边界的图层分布，利用插值获得高频区域的区域分布图。通过高频区域的膨胀求得整幅图的区域分布图,然后在曲波变换的变换域，利用区域分布图对多尺度的高频系数采用高斯加权求和;对低频系数采用取平均值的规则完成图像的融合。进行了图像融合实验，实验结果表明，与传统的小波变换及基于像素的曲波变换相比，提出的方法获得的融合图像边缘更清晰，更接近参考图像。
2009, 2(2): 150-156.
摘要:
用特征矩阵法研究了由正常色散SiO2/TiO2薄膜组成的Fibonacci序列一维光子晶体在可见光波段的传输特性，并与无色散时的传输特性做了对比。结果表明,随序列项数的增加，相应的前一序列的透射谱中透射率较低的凹带逐渐变成禁带，禁带数增加；初始介质是低折射率的SiO2薄膜时比高折射率的TiO2薄膜时各序列的透射谱中的禁带数多，各禁带的宽度和中心波长基本相同；在总厚度一定的条件下，随SiO2薄膜的厚度增大（TiO2薄膜的厚度减小），禁带的宽度减小，禁带的中心波长基本不变；随入射角增大，禁带的中心波长向短波方向移动，禁带宽度变小。在其它相同条件下，无色散时的最宽禁带和最宽禁带的中心波长比有色散时的最宽禁带和最宽禁带的中心波长都有增加。
用特征矩阵法研究了由正常色散SiO2/TiO2薄膜组成的Fibonacci序列一维光子晶体在可见光波段的传输特性，并与无色散时的传输特性做了对比。结果表明,随序列项数的增加，相应的前一序列的透射谱中透射率较低的凹带逐渐变成禁带，禁带数增加；初始介质是低折射率的SiO2薄膜时比高折射率的TiO2薄膜时各序列的透射谱中的禁带数多，各禁带的宽度和中心波长基本相同；在总厚度一定的条件下，随SiO2薄膜的厚度增大（TiO2薄膜的厚度减小），禁带的宽度减小，禁带的中心波长基本不变；随入射角增大，禁带的中心波长向短波方向移动，禁带宽度变小。在其它相同条件下，无色散时的最宽禁带和最宽禁带的中心波长比有色散时的最宽禁带和最宽禁带的中心波长都有增加。
2009, 2(2): 157-162.
摘要:
介绍了Offner凸面光栅成像光谱仪和Dyson凹面光栅成像光谱仪两种常用的同心光学系统。Offner凸面光栅成像光谱仪采用全反射的形式，使用光谱范围很宽，加工、装调较为简单，受外界环境影响较小；Dyson凹面光栅成像光谱仪在体积和尺寸上的优势较为明显，易于实现整体结构的小型化。给出了这两种成像光谱仪的具体设计实例，两种光学系统的成像质量均能达到较为理想的结果，其结构畸变均＜0005%，在使用光谱范围内,光谱分辨率均能到达3 nm，具有高质量的光学传递函数。最后，给出了配合成像光谱仪使用的多种前置光学系统的结构形式，并讨论了消除系统杂散光的方法及消除光谱级次重叠的方法。
介绍了Offner凸面光栅成像光谱仪和Dyson凹面光栅成像光谱仪两种常用的同心光学系统。Offner凸面光栅成像光谱仪采用全反射的形式，使用光谱范围很宽，加工、装调较为简单，受外界环境影响较小；Dyson凹面光栅成像光谱仪在体积和尺寸上的优势较为明显，易于实现整体结构的小型化。给出了这两种成像光谱仪的具体设计实例，两种光学系统的成像质量均能达到较为理想的结果，其结构畸变均＜0005%，在使用光谱范围内,光谱分辨率均能到达3 nm，具有高质量的光学传递函数。最后，给出了配合成像光谱仪使用的多种前置光学系统的结构形式，并讨论了消除系统杂散光的方法及消除光谱级次重叠的方法。
2009, 2(2): 163-168.
摘要:
从光波导激光器的工作理论出发，研究了铒镱共掺磷酸盐波导激光器的稳态特性。利用重叠因子简化了980 nm光抽运的铒镱共掺波导激光器四能级模型的速率-传输方程；在忽略自发辐射的情况下，利用数值模拟的方法，得到了铒镱共掺波导激光器的输出与Er3+/Yb3+离子浓度、泵浦功率、波导长度等参量之间的关系曲线。理论分析结果表明,选择合适的铒镱离子浓度是制作铒镱共掺波导激光器的关键。采用980 nm波长的泵浦光，泵浦功率为80 mW,Er3+浓度取20×1026/m3左右，Yb3+/Er3+浓度比为7~10，波导长度为20 cm左右时,可以得到最大输出光功率。
从光波导激光器的工作理论出发，研究了铒镱共掺磷酸盐波导激光器的稳态特性。利用重叠因子简化了980 nm光抽运的铒镱共掺波导激光器四能级模型的速率-传输方程；在忽略自发辐射的情况下，利用数值模拟的方法，得到了铒镱共掺波导激光器的输出与Er3+/Yb3+离子浓度、泵浦功率、波导长度等参量之间的关系曲线。理论分析结果表明,选择合适的铒镱离子浓度是制作铒镱共掺波导激光器的关键。采用980 nm波长的泵浦光，泵浦功率为80 mW,Er3+浓度取20×1026/m3左右，Yb3+/Er3+浓度比为7~10，波导长度为20 cm左右时,可以得到最大输出光功率。
2009, 2(2): 169-174.
摘要:
为了准确获取水下运动目标的运动轨迹，提高测量的数据率，提出了一种基于合作目标的激光水下定位方法。通过在被测目标上加装合作目标，利用合作目标的全反射特性，实现了脉冲式激光水下测角与测距的功能。介绍了激光水下定位的方法和系统组成，给出了水下定位的数学模型及测量结果。模拟实验结果表明，该方法具有一定的工程应用价值。最后，结合工程应用，对激光水下定位需要解决的一些实际问题进行了分析。
为了准确获取水下运动目标的运动轨迹，提高测量的数据率，提出了一种基于合作目标的激光水下定位方法。通过在被测目标上加装合作目标，利用合作目标的全反射特性，实现了脉冲式激光水下测角与测距的功能。介绍了激光水下定位的方法和系统组成，给出了水下定位的数学模型及测量结果。模拟实验结果表明，该方法具有一定的工程应用价值。最后，结合工程应用，对激光水下定位需要解决的一些实际问题进行了分析。
