2021年 14卷 第6期
2021, 14(6): 1305-1316.
doi: 10.37188/CO.2021-0135
摘要
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摘要:
气溶胶消光后向散射比是与气溶胶类型相关的一个重要光学参数，且是米散射激光雷达反演中的关键误差来源之一，近年来，激光雷达在大气气溶胶探测领域内的发展迅猛，因此调研消光后向散射比的反演方法对于气溶胶的探测与研究具有很大意义。本文根据使用的仪器及反演原理，对多种大气气溶胶消光后向散射比的反演算法进行了整理归纳，并从光学特性和微物理特性入手将这些方法联系起来。其中，光散射模型法、被动光学遥感法与激光雷达法联系紧密、应用广泛，为大气气溶胶的探测与研究提供了重要支撑。文章重点介绍了这3大类较为主流的反演方法，综述了相关方法的发展历程并分析了适用情况及优缺点，最后展望了未来大气气溶胶消光后向散射比反演技术的发展趋势。
气溶胶消光后向散射比是与气溶胶类型相关的一个重要光学参数，且是米散射激光雷达反演中的关键误差来源之一，近年来，激光雷达在大气气溶胶探测领域内的发展迅猛，因此调研消光后向散射比的反演方法对于气溶胶的探测与研究具有很大意义。本文根据使用的仪器及反演原理，对多种大气气溶胶消光后向散射比的反演算法进行了整理归纳，并从光学特性和微物理特性入手将这些方法联系起来。其中，光散射模型法、被动光学遥感法与激光雷达法联系紧密、应用广泛，为大气气溶胶的探测与研究提供了重要支撑。文章重点介绍了这3大类较为主流的反演方法，综述了相关方法的发展历程并分析了适用情况及优缺点，最后展望了未来大气气溶胶消光后向散射比反演技术的发展趋势。
2021, 14(6): 1317-1326.
doi: 10.37188/CO.2021-0067
摘要:
针对尿液自动化、快速检测的需求，结合微流控技术与生化分析技术，设计并制备了一种基于离心力驱动的碟式微流控尿液生化检测芯片。该芯片采用微流道与毛细阀、虹吸阀和铁蜡阀结合可实现微量样品和试剂有序输送、混合及检测等集成功能，通过COMSOL多物理场仿真软件对芯片上毛细阀和虹吸阀结构进行仿真分析，优化转速。围绕微流控芯片，研制了一套小型化、全自动尿液生化检测系统。通过双光路设计和双波长检测方法降低光源波动和背景干扰对检测结果的影响，并在该系统上进行尿视黄醇结合蛋白重复性和校准分析。结果显示，该系统的精密度变异系数为1.3%~2.46%，说明系统具有较好的重复性。校准曲线表明浓度和吸光度值有良好的线性相关性（R2=0.995）。芯片上4个相同单元结构可完成多样本或多指标的并行检测，有望应用于尿液蛋白的快速检测。
针对尿液自动化、快速检测的需求，结合微流控技术与生化分析技术，设计并制备了一种基于离心力驱动的碟式微流控尿液生化检测芯片。该芯片采用微流道与毛细阀、虹吸阀和铁蜡阀结合可实现微量样品和试剂有序输送、混合及检测等集成功能，通过COMSOL多物理场仿真软件对芯片上毛细阀和虹吸阀结构进行仿真分析，优化转速。围绕微流控芯片，研制了一套小型化、全自动尿液生化检测系统。通过双光路设计和双波长检测方法降低光源波动和背景干扰对检测结果的影响，并在该系统上进行尿视黄醇结合蛋白重复性和校准分析。结果显示，该系统的精密度变异系数为1.3%~2.46%，说明系统具有较好的重复性。校准曲线表明浓度和吸光度值有良好的线性相关性（R2=0.995）。芯片上4个相同单元结构可完成多样本或多指标的并行检测，有望应用于尿液蛋白的快速检测。
2021, 14(6): 1327-1340.
doi: 10.37188/CO.2021-0075
摘要:
为降低窄带宽超材料吸收器（Metamaterial Absorber，MA）制造成本的同时拓宽其应用领域，本文基于时域有限差分法利用介质材料设计出双波长窄带宽介质MA，其由Au衬底、SiO2介质层和Si介质非对称光栅构成。经模拟计算发现，本文提出的双波长窄带宽介质MA在λ1=1.20852 μm和λ2=1.23821 μm具有超高吸收效率，而且FWHM也分别只有0.735 nm和0.077 nm。MA在λ1实现窄带宽吸收主要是因为光在SiO2层形成了法布里-珀罗(Fabry-Pérot, FP)腔共振，而MA在λ2实现窄带宽吸收主要是由于入射光在介质非对称光栅中形成了导模共振效应。经理论计算可知，通过改变MA的结构参数可对其吸收特性产生较为显著的影响。
为降低窄带宽超材料吸收器（Metamaterial Absorber，MA）制造成本的同时拓宽其应用领域，本文基于时域有限差分法利用介质材料设计出双波长窄带宽介质MA，其由Au衬底、SiO2介质层和Si介质非对称光栅构成。经模拟计算发现，本文提出的双波长窄带宽介质MA在λ1=1.20852 μm和λ2=1.23821 μm具有超高吸收效率，而且FWHM也分别只有0.735 nm和0.077 nm。MA在λ1实现窄带宽吸收主要是因为光在SiO2层形成了法布里-珀罗(Fabry-Pérot, FP)腔共振，而MA在λ2实现窄带宽吸收主要是由于入射光在介质非对称光栅中形成了导模共振效应。经理论计算可知，通过改变MA的结构参数可对其吸收特性产生较为显著的影响。
2021, 14(6): 1341-1347.
doi: 10.37188/CO.2021-0013
摘要:
为了提高稀土离子的发光性能，在稀土发光材料中引入了贵金属纳米颗粒。金属等离子体共振可以产生局域电场，作用于稀土离子的发光过程，能达到发光增强的效果。Ag@SiO2核壳结构纳米颗粒可以有效控制金属Ag与稀土离子之间的距离，既能达到等离子体共振增强的效果，又可以避免与发光中心距离过近时产生非辐射能量传递导致的荧光淬灭。用滴铸法先将不同浓度的Ag@SiO2纳米颗粒滴在石英片上，再将Eu(dbm)3phen:PMMA: 二氯甲烷混合溶液旋涂制备得到Eu-PMMA复合薄膜。对样品进行形貌表征和发光测量，发现Ag@SiO2纳米颗粒的引入使薄膜的发光强度得到增强，测量的激发光谱的最大增强因子为2.50倍，发射光谱的最大增强因子为2.15倍。同时荧光寿命测量结果显示，含有Ag@SiO2纳米颗粒的薄膜样品的发光寿命也得到延长。在稀土发光材料中引入Ag@SiO2纳米颗粒展现了良好的发光增强效果，且实验方法可操作性强，具有良好的应用潜力。
为了提高稀土离子的发光性能，在稀土发光材料中引入了贵金属纳米颗粒。金属等离子体共振可以产生局域电场，作用于稀土离子的发光过程，能达到发光增强的效果。Ag@SiO2核壳结构纳米颗粒可以有效控制金属Ag与稀土离子之间的距离，既能达到等离子体共振增强的效果，又可以避免与发光中心距离过近时产生非辐射能量传递导致的荧光淬灭。用滴铸法先将不同浓度的Ag@SiO2纳米颗粒滴在石英片上，再将Eu(dbm)3phen:PMMA: 二氯甲烷混合溶液旋涂制备得到Eu-PMMA复合薄膜。对样品进行形貌表征和发光测量，发现Ag@SiO2纳米颗粒的引入使薄膜的发光强度得到增强，测量的激发光谱的最大增强因子为2.50倍，发射光谱的最大增强因子为2.15倍。同时荧光寿命测量结果显示，含有Ag@SiO2纳米颗粒的薄膜样品的发光寿命也得到延长。在稀土发光材料中引入Ag@SiO2纳米颗粒展现了良好的发光增强效果，且实验方法可操作性强，具有良好的应用潜力。
2021, 14(6): 1348-1354.
doi: 10.37188/CO.2021-0107
摘要:
为了满足图案胶体光子晶体在实际应用中的需要，提出旋涂这种简单胶体光子晶体环的快速制备方法。基底为圆型图案光刻胶结构，乳胶球为疏水核亲水壳结构聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸）乳胶球。对所制备的样品进行形貌和光学性能表征，研究了旋涂速度、乳胶球浓度和不同圆型光刻胶图案基底对旋涂过程中乳胶球组装形貌的影响。结果表明制备胶体光子晶体环的最佳参数如下：旋速为2000 r/min，乳胶球质量百分比浓度为7.5%，圆型光刻胶结构的直径约为22.8 µm；环中乳胶球进行相对有序组装，这与光谱图中峰的位置和宽度相一致，分析原因可能是由于组装时间太短导致的。这种快速的胶体光子晶体环的成功构筑归因于图案基底的物理限域和浸润性差异，这种方法可能在光学器件、传感和防伪方面有着广泛的应用前景。
为了满足图案胶体光子晶体在实际应用中的需要，提出旋涂这种简单胶体光子晶体环的快速制备方法。基底为圆型图案光刻胶结构，乳胶球为疏水核亲水壳结构聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸）乳胶球。对所制备的样品进行形貌和光学性能表征，研究了旋涂速度、乳胶球浓度和不同圆型光刻胶图案基底对旋涂过程中乳胶球组装形貌的影响。结果表明制备胶体光子晶体环的最佳参数如下：旋速为2000 r/min，乳胶球质量百分比浓度为7.5%，圆型光刻胶结构的直径约为22.8 µm；环中乳胶球进行相对有序组装，这与光谱图中峰的位置和宽度相一致，分析原因可能是由于组装时间太短导致的。这种快速的胶体光子晶体环的成功构筑归因于图案基底的物理限域和浸润性差异，这种方法可能在光学器件、传感和防伪方面有着广泛的应用前景。
2021, 14(6): 1355-1361.
doi: 10.37188/CO.2021-0054
摘要:
传统温度检测在传感精度和响应时间等方面存在一定局限性，而基于热光效应的芯片级光电传感器不仅能够提升测量灵敏度和速度，也有利于降低系统复杂度和制造成本，近年来引起了人们广泛的关注。目前的集成温度传感器大多通过测量光学谐振腔对宽谱光源或可调谐光源的光谱响应来提供精准快速的测量解决方案，但这种基于宽光谱检测的方案无法实现实时处理，且成本较高，信号后处理较复杂，难以实现系统的整体集成。本文针对以上问题，采用硅基集成微环阵列技术设计了快速高精度的温度测量方法，通过对不同温度下级联微环阵列对单频激光的不同响应，构建光电二极管输出响应与温度变化的单调关系，从而实现实时高精度温度测量。为了提升单频光下的温度传感范围，使用多微环级联结构，并基于该结构设计了一种包括光源、微环阵列、探测器阵列、信号后处理单元和输出数据单元的硅基集成温度传感系统。根据实际用途的不同，在保证低功耗低成本的同时，该系统可以通过分别对级联微环数量、中心谐振波长以及谐振峰半高宽的设计改变温度测量范围以及温度测量分辨率，拥有比较大的设计自由度以及灵活的测量范围。通过对微环阵列的优化设计，实现了响应范围覆盖−20~105 ℃、精度优于60 mK、响应时间优于20 μs的精准快速测量的温度传感。
传统温度检测在传感精度和响应时间等方面存在一定局限性，而基于热光效应的芯片级光电传感器不仅能够提升测量灵敏度和速度，也有利于降低系统复杂度和制造成本，近年来引起了人们广泛的关注。目前的集成温度传感器大多通过测量光学谐振腔对宽谱光源或可调谐光源的光谱响应来提供精准快速的测量解决方案，但这种基于宽光谱检测的方案无法实现实时处理，且成本较高，信号后处理较复杂，难以实现系统的整体集成。本文针对以上问题，采用硅基集成微环阵列技术设计了快速高精度的温度测量方法，通过对不同温度下级联微环阵列对单频激光的不同响应，构建光电二极管输出响应与温度变化的单调关系，从而实现实时高精度温度测量。为了提升单频光下的温度传感范围，使用多微环级联结构，并基于该结构设计了一种包括光源、微环阵列、探测器阵列、信号后处理单元和输出数据单元的硅基集成温度传感系统。根据实际用途的不同，在保证低功耗低成本的同时，该系统可以通过分别对级联微环数量、中心谐振波长以及谐振峰半高宽的设计改变温度测量范围以及温度测量分辨率，拥有比较大的设计自由度以及灵活的测量范围。通过对微环阵列的优化设计，实现了响应范围覆盖−20~105 ℃、精度优于60 mK、响应时间优于20 μs的精准快速测量的温度传感。
2021, 14(6): 1362-1367.
doi: 10.37188/CO.2021-0103
摘要:
第4代同步辐射光源及自由电子激光装置中束线光学系统对光学元件性能提出了苛刻的要求。使用压电变形镜是实现超高面形精度调控和实施波前补偿的有效途径，也是目前亟需突破的国产化技术瓶颈。针对这一问题，研制了长度为200 mm、含36个单元压电促动器的压电变形镜。通过数值模拟优化了变形镜结构参数，利用国产工艺完成了变形镜样机的制作，并对其面形调控能力进行初步探究。测试结果表明：所研制变形镜样机的平面面形误差可降低至1.38 nm (rms)，斜率误差降低至240 nrad (rms)，实现了平面面形的nm级调控。
第4代同步辐射光源及自由电子激光装置中束线光学系统对光学元件性能提出了苛刻的要求。使用压电变形镜是实现超高面形精度调控和实施波前补偿的有效途径，也是目前亟需突破的国产化技术瓶颈。针对这一问题，研制了长度为200 mm、含36个单元压电促动器的压电变形镜。通过数值模拟优化了变形镜结构参数，利用国产工艺完成了变形镜样机的制作，并对其面形调控能力进行初步探究。测试结果表明：所研制变形镜样机的平面面形误差可降低至1.38 nm (rms)，斜率误差降低至240 nrad (rms)，实现了平面面形的nm级调控。
2021, 14(6): 1368-1377.
doi: 10.37188/CO.2021-0051
摘要:
为克服传统星敏感器精度与视场、体积、质量等参数难以兼顾的问题，本文研究了一种基于衍射光栅的高精度干涉星敏感器结构。利用角谱理论，建立了星光入射角度与探测器上像点质心位置、像点能量之间的数学模型，确定了干涉星敏感器利用像点质心位置和相对能量分别进行粗定位和精定位的方法及粗精定位结合获得星光入射角度的方法，得出干涉星敏感器单星测量角分辨率和光栅周期、两块光栅之间的距离及像点光强信号电子学细分倍数有关的结论。通过计算机仿真模拟，验证了干涉星敏感器精定位及粗精定位结合的可行性。在光栅周期为50 μm，两块光栅距离为50 mm，像点光强信号每变化一个周期采用1024倍电子学细分的情况下，单星测量角分辨率达0.1″，与传统星敏感器相比精度有显著提高。
为克服传统星敏感器精度与视场、体积、质量等参数难以兼顾的问题，本文研究了一种基于衍射光栅的高精度干涉星敏感器结构。利用角谱理论，建立了星光入射角度与探测器上像点质心位置、像点能量之间的数学模型，确定了干涉星敏感器利用像点质心位置和相对能量分别进行粗定位和精定位的方法及粗精定位结合获得星光入射角度的方法，得出干涉星敏感器单星测量角分辨率和光栅周期、两块光栅之间的距离及像点光强信号电子学细分倍数有关的结论。通过计算机仿真模拟，验证了干涉星敏感器精定位及粗精定位结合的可行性。在光栅周期为50 μm，两块光栅距离为50 mm，像点光强信号每变化一个周期采用1024倍电子学细分的情况下，单星测量角分辨率达0.1″，与传统星敏感器相比精度有显著提高。
2021, 14(6): 1378-1386.
doi: 10.37188/CO.2021-0064
摘要:
针对固定污染源烟气超低排放以及CO2等温室气体迫切的监测需求，常规的烟气在线监测产品很难满足越来越高的监测标准，以及多因子同时监测的需求。本文介绍了基于非分散红外原理的多组分微量气体分析系统，建立气体滤波相关（GFC）和干涉滤波相关（IFC）技术的理论模型，以建立有效光程、滤光片中心波长和带宽等关键系统参数，以及待测气体浓度与测量和参考信号的关系，确定各气体组分所采用的测量技术。构建多组分微量气体分析系统，GFC和IFC相结合的技术，在时域上实现了参考和检测的双光路设计，采用长光程的多次回返气体室，实现小量程和0.5 mg/m3的检出限，以及不超过±2%F.S.的24 h零点和量程漂移，可同时在线监测SO2、NO、NO2、CO和CO2等气态污染物，满足固定污染源超低排放和碳排放的监测需求，有助于解决固定污染源烟气排放监测数据的真实、准确和全面的问题。
针对固定污染源烟气超低排放以及CO2等温室气体迫切的监测需求，常规的烟气在线监测产品很难满足越来越高的监测标准，以及多因子同时监测的需求。本文介绍了基于非分散红外原理的多组分微量气体分析系统，建立气体滤波相关（GFC）和干涉滤波相关（IFC）技术的理论模型，以建立有效光程、滤光片中心波长和带宽等关键系统参数，以及待测气体浓度与测量和参考信号的关系，确定各气体组分所采用的测量技术。构建多组分微量气体分析系统，GFC和IFC相结合的技术，在时域上实现了参考和检测的双光路设计，采用长光程的多次回返气体室，实现小量程和0.5 mg/m3的检出限，以及不超过±2%F.S.的24 h零点和量程漂移，可同时在线监测SO2、NO、NO2、CO和CO2等气态污染物，满足固定污染源超低排放和碳排放的监测需求，有助于解决固定污染源烟气排放监测数据的真实、准确和全面的问题。
2021, 14(6): 1387-1394.
doi: 10.37188/CO.2021-0128
摘要:
为了获得基于孤子自频移效应的1.6 μm波段锁模脉冲，设计了一种非线性偏振旋转的掺铒光纤激光器，并利用双输出结构检测脉冲。在泵浦功率为350 mW时，通过适当调节偏振控制器，同时在两个输出端观察到中心波长为1560 nm的类噪声脉冲，3 dB带宽为17.5 nm，脉冲持续时间为968 fs。进一步将泵浦功率增加至550 mW，输出端1的类噪声脉冲保持不变，输出端2的类噪声脉冲的中心波长红移至1614 nm，3 dB带宽增加至64.4 nm，脉冲持续时间减小至302 fs。谐振腔的最大输出功率为11.4 mW。同时，实验分析了色散位移光纤的长度对孤子自频移的影响，结果表明，在一定范围内，色散位移光纤的长度越长，孤子自频移的频移间距越小。实验研究的1.6 μm波段光纤激光器在光学通信领域具有潜在的应用价值。
为了获得基于孤子自频移效应的1.6 μm波段锁模脉冲，设计了一种非线性偏振旋转的掺铒光纤激光器，并利用双输出结构检测脉冲。在泵浦功率为350 mW时，通过适当调节偏振控制器，同时在两个输出端观察到中心波长为1560 nm的类噪声脉冲，3 dB带宽为17.5 nm，脉冲持续时间为968 fs。进一步将泵浦功率增加至550 mW，输出端1的类噪声脉冲保持不变，输出端2的类噪声脉冲的中心波长红移至1614 nm，3 dB带宽增加至64.4 nm，脉冲持续时间减小至302 fs。谐振腔的最大输出功率为11.4 mW。同时，实验分析了色散位移光纤的长度对孤子自频移的影响，结果表明，在一定范围内，色散位移光纤的长度越长，孤子自频移的频移间距越小。实验研究的1.6 μm波段光纤激光器在光学通信领域具有潜在的应用价值。
2021, 14(6): 1395-1399.
doi: 10.37188/CO.2021-0077
摘要:
为了探究波长200~280 nm内连续深紫外激光输出，本文采用输出功率为1.4 W、中心波长为444 nm和输出功率为1.5 W、中心波长为469 nm的两个蓝光激光二极管（LD）合光作为泵浦源，端面泵浦长度为5 mm的国产Pr∶YLF晶体，再利用长度为7 mm的偏硼酸钡（BBO）作为倍频晶体进行腔内倍频，通过优化腔镜膜系设计和加入全波片配合波长选择，实现了Pr∶YLF晶体的弱谱线倍频输出，最终成功获得了最大输出功率为8.37 mW、中心波长为268.89 nm的连续深紫外激光。
为了探究波长200~280 nm内连续深紫外激光输出，本文采用输出功率为1.4 W、中心波长为444 nm和输出功率为1.5 W、中心波长为469 nm的两个蓝光激光二极管（LD）合光作为泵浦源，端面泵浦长度为5 mm的国产Pr∶YLF晶体，再利用长度为7 mm的偏硼酸钡（BBO）作为倍频晶体进行腔内倍频，通过优化腔镜膜系设计和加入全波片配合波长选择，实现了Pr∶YLF晶体的弱谱线倍频输出，最终成功获得了最大输出功率为8.37 mW、中心波长为268.89 nm的连续深紫外激光。
2021, 14(6): 1400-1409.
doi: 10.37188/CO.2021-0105
摘要:
在自由双目立体视觉系统中，左右相机自由旋转，导致相机位姿发生实时变化。针对这一问题，提出一种重投影优化的自由双目相机位姿估计方法。通过分解相邻两幅图像间的单应矩阵估计相机的运动参数；将其作为初值计算重叠拍摄区域内特征点云的重投影误差，构建目标函数；利用非线性优化算法优化目标函数，得到最优的相机运动参数，结合相机旋转前的位姿参数，计算当前位置的相机位姿。仿真实验表明，位姿估计误差随重投影误差的减小而减小，所提算法能快速稳定收敛至全局最优值；水泥模型的三维重建实验表明，利用所提的相机位姿估计算法能够有效生成模型的三维点云，并可实现相邻点云的高精度拼接，拼接点云模型上两点距离的平均误差为1.68%。
在自由双目立体视觉系统中，左右相机自由旋转，导致相机位姿发生实时变化。针对这一问题，提出一种重投影优化的自由双目相机位姿估计方法。通过分解相邻两幅图像间的单应矩阵估计相机的运动参数；将其作为初值计算重叠拍摄区域内特征点云的重投影误差，构建目标函数；利用非线性优化算法优化目标函数，得到最优的相机运动参数，结合相机旋转前的位姿参数，计算当前位置的相机位姿。仿真实验表明，位姿估计误差随重投影误差的减小而减小，所提算法能快速稳定收敛至全局最优值；水泥模型的三维重建实验表明，利用所提的相机位姿估计算法能够有效生成模型的三维点云，并可实现相邻点云的高精度拼接，拼接点云模型上两点距离的平均误差为1.68%。
2021, 14(6): 1410-1416.
doi: 10.37188/CO.2021-0065
摘要:
双马赫-曾德(M-Z)干涉仪系统因其光路简单、灵敏度高、频率响应宽等独特优势受到了广泛的关注及应用，但由于其非常容易受到外界环境噪声的影响，直接采取互相关计算方法获取扰动信号位置会导致较大的测量误差。本文提出了一种基于希尔伯特-黄变换(HHT)的数据信号处理方案用于实现高精度的分布式光纤振动定位检测。通过对接收到的两路光信号进行经验模态分解得到本征模函数，并对所有本征模函数进行希尔伯特变换叠加得到希尔伯特谱，从而可以清晰直观地提取到由振动信号引起的高相似度光信号信息，再通过互相关计算由振动信号引起的时间延迟，从而准确计算振动位置信息。相比于传统的直接互相关计算方法，本方法可以有效识别及提取双M-Z干涉仪系统中振动信号引起的特征信息，从而可以有效降低外界环境噪声对系统的影响，减小定位误差。本文对所提出的方法进行了相关理论分析，并搭建了双M-Z干涉仪系统进行相关实验验证。实验结果表明，与传统直接互相关方法相比，本方法可以有效减少互相关数据的计算量，同时该方法可以有效提高振动位置的定位精度，在2 km的传感光纤长度、10 MHz采样率下，定位精度可达10 m。本文提出的基于双马赫-曾德干涉仪系统的分布式光纤传感技术具有较高的实际应用价值。
双马赫-曾德(M-Z)干涉仪系统因其光路简单、灵敏度高、频率响应宽等独特优势受到了广泛的关注及应用，但由于其非常容易受到外界环境噪声的影响，直接采取互相关计算方法获取扰动信号位置会导致较大的测量误差。本文提出了一种基于希尔伯特-黄变换(HHT)的数据信号处理方案用于实现高精度的分布式光纤振动定位检测。通过对接收到的两路光信号进行经验模态分解得到本征模函数，并对所有本征模函数进行希尔伯特变换叠加得到希尔伯特谱，从而可以清晰直观地提取到由振动信号引起的高相似度光信号信息，再通过互相关计算由振动信号引起的时间延迟，从而准确计算振动位置信息。相比于传统的直接互相关计算方法，本方法可以有效识别及提取双M-Z干涉仪系统中振动信号引起的特征信息，从而可以有效降低外界环境噪声对系统的影响，减小定位误差。本文对所提出的方法进行了相关理论分析，并搭建了双M-Z干涉仪系统进行相关实验验证。实验结果表明，与传统直接互相关方法相比，本方法可以有效减少互相关数据的计算量，同时该方法可以有效提高振动位置的定位精度，在2 km的传感光纤长度、10 MHz采样率下，定位精度可达10 m。本文提出的基于双马赫-曾德干涉仪系统的分布式光纤传感技术具有较高的实际应用价值。
2021, 14(6): 1417-1425.
doi: 10.37188/CO.2021-0078
摘要:
由于X光安检图像存在背景复杂，重叠遮挡现象严重，危险品摆放方式、形状差异较大等问题，导致检测难度较高。针对上述问题，本文在YOLOv4的基础上，结合空洞卷积对其网络结构进行改进，加入空洞空间金字塔池化(Atrous Space Pyramid Pooling, ASPP)模型，以此增大感受野，聚合多尺度上下文信息。然后，通过K-means聚类方法生成更适合X光安检危险品检测的初始候选框。其中，模型训练时采用余弦退火优化学习率，进一步加速模型收敛，提高模型检测精度。实验结果表明，本文提出的ASPP-YOLOv4检测算法在SIXRay数据集上的mAP达到85.23%。该方法能有效减少X光安检图像中危险品的误检率，提高小目标危险品的检测能力。
由于X光安检图像存在背景复杂，重叠遮挡现象严重，危险品摆放方式、形状差异较大等问题，导致检测难度较高。针对上述问题，本文在YOLOv4的基础上，结合空洞卷积对其网络结构进行改进，加入空洞空间金字塔池化(Atrous Space Pyramid Pooling, ASPP)模型，以此增大感受野，聚合多尺度上下文信息。然后，通过K-means聚类方法生成更适合X光安检危险品检测的初始候选框。其中，模型训练时采用余弦退火优化学习率，进一步加速模型收敛，提高模型检测精度。实验结果表明，本文提出的ASPP-YOLOv4检测算法在SIXRay数据集上的mAP达到85.23%。该方法能有效减少X光安检图像中危险品的误检率，提高小目标危险品的检测能力。
2021, 14(6): 1426-1434.
doi: 10.37188/CO.2021-0045
摘要:
在“太极计划”中，由卫星抖动引起的激光抖动噪声是影响激光干涉测量精度的主要噪声源之一，为保证测量精度，需抑制该噪声至10 nrad/${\sqrt{{\rm{Hz}}}}$ @10 mHz。首先，采用由四象限光电探测器和相位计组成的角度敏感器进行角度信号测量，并利用马赫-曾德干涉仪结合比例-积分-微分控制技术，搭建了地基激光抖动噪声抑制系统。其次，分析了系统反馈控制能力以及系统对于抑制激光抖动噪声的有效性。实验结果表明：该系统可有效抑制激光抖动噪声，使得激光抖动噪声小于4 nrad/${\sqrt{{\rm{Hz}}}}$ @10 mHz。实验推进了“太极计划”对激光抖动噪声抑制水平的研究，为激光干涉测量奠定了物理实验基础。
在“太极计划”中，由卫星抖动引起的激光抖动噪声是影响激光干涉测量精度的主要噪声源之一，为保证测量精度，需抑制该噪声至10 nrad/
2021, 14(6): 1435-1450.
doi: 10.37188/CO.2021-0087
摘要:
满足像差平衡和多约束控制的初始结构构建，是实现极小像差离轴多反光学系统的设计关键。本文基于空间光线追迹与像差矫正相结合的分组设计方法建立离轴多反的初始结构计算数学模型，提出了一种改进的粒子群算法用以解决离轴多反光学系统的初始结构问题，采用带收缩因子的自然选择的粒子群算法提高了计算精度，提升了设计效率，获取了离轴多反光学系统的初始结构。最后，本文以离轴六反的极紫外光刻投影物镜为例，验证此方法的可靠性和有效性，实现了0.33NA极紫外光刻物镜综合波像差优于$1/80\lambda $ RMS光学系统设计。
满足像差平衡和多约束控制的初始结构构建，是实现极小像差离轴多反光学系统的设计关键。本文基于空间光线追迹与像差矫正相结合的分组设计方法建立离轴多反的初始结构计算数学模型，提出了一种改进的粒子群算法用以解决离轴多反光学系统的初始结构问题，采用带收缩因子的自然选择的粒子群算法提高了计算精度，提升了设计效率，获取了离轴多反光学系统的初始结构。最后，本文以离轴六反的极紫外光刻投影物镜为例，验证此方法的可靠性和有效性，实现了0.33NA极紫外光刻物镜综合波像差优于
2021, 14(6): 1451-1458.
doi: 10.37188/CO.2020-0190
摘要:
在清澈海水中，透射窗口在蓝绿光波段，蓝光在海水中具有很好的传输特性。为了满足深海观测网络及平台间的高速率、大容量的通信需求，本文提出了一种水下无线可见光通信系统。该系统采用470 nm LED阵列拼接结构，增大束散角，并且提出采用菲涅尔透镜作为光学天线，实现大视场接收。在20 m的水下通信距离下，成功实现了5 Mbit/s通信速率，误码率低至10−6的可靠通信，并完整地组装出了工程样机，为后续的水下动态激光通信系统奠定了基础。
在清澈海水中，透射窗口在蓝绿光波段，蓝光在海水中具有很好的传输特性。为了满足深海观测网络及平台间的高速率、大容量的通信需求，本文提出了一种水下无线可见光通信系统。该系统采用470 nm LED阵列拼接结构，增大束散角，并且提出采用菲涅尔透镜作为光学天线，实现大视场接收。在20 m的水下通信距离下，成功实现了5 Mbit/s通信速率，误码率低至10−6的可靠通信，并完整地组装出了工程样机，为后续的水下动态激光通信系统奠定了基础。
2021, 14(6): 1459-1467.
doi: 10.37188/CO.2021-0073
摘要:
为了对作物进行更灵敏、更高效的生长监测，国内外相继设计了各类高光谱分辨率的光谱仪用来探测叶绿素荧光效率。本文对传统Offner光谱仪系统进行改进，得到了光谱分辨率更高的整体结构。光学系统选用双反望远系统，光谱仪部分采用高刻线密度反射型凸面光栅，实现更高的光谱分辨率。在此基础上，添加放大透镜以满足长狭缝需求，同时得到了一种狭缝-像面在光栅同一侧的Offner结构。利用codeV软件对望远系统和光谱仪部分的初始结构进行优化。结果表明，工作在670~780 nm波段时，光谱分辨率为0.3 nm，在17 lp/mm截止频率下整体调制传递函数MTF>0.75，各视场条件下弥散斑均方根半径RMS<15 μm。由此可知，该方法可以满足作物生长叶绿素监测领域的高精度、实时性要求。
为了对作物进行更灵敏、更高效的生长监测，国内外相继设计了各类高光谱分辨率的光谱仪用来探测叶绿素荧光效率。本文对传统Offner光谱仪系统进行改进，得到了光谱分辨率更高的整体结构。光学系统选用双反望远系统，光谱仪部分采用高刻线密度反射型凸面光栅，实现更高的光谱分辨率。在此基础上，添加放大透镜以满足长狭缝需求，同时得到了一种狭缝-像面在光栅同一侧的Offner结构。利用codeV软件对望远系统和光谱仪部分的初始结构进行优化。结果表明，工作在670~780 nm波段时，光谱分辨率为0.3 nm，在17 lp/mm截止频率下整体调制传递函数MTF>0.75，各视场条件下弥散斑均方根半径RMS<15 μm。由此可知，该方法可以满足作物生长叶绿素监测领域的高精度、实时性要求。
2021, 14(6): 1468-1475.
doi: 10.37188/CO.2020-0221
摘要:
大视场星模拟器可以提供更广的星图范围。但是现有星模拟器受显示芯片尺寸的限制，最大视场不超过30°。为了增大星模拟器光学系统视场，本文提出一种将同一规格的星模拟器视场进行拼接从而扩大视场的方法。为了降低成本及系统复杂程度、减少系统整体重量，以最少的拼接数目实现最大的拼接视场，文中针对视场重叠区域进行了详细计算与分析，提出以平面拼接为基础的形式简化拼接模型，得到正三角形、正四边形、正六边形3种典型的拼接方式，并推导了3种拼接方式下视场利用率的计算方法。提出了单一视场坐标计算方法，据此确定每个视场的中心位置，得到准确拼接数目。对比结果显示，正六边形拼接方式具有视场利用率更高、拼接数目更少的突出优势，为大视场星模拟器设计提供依据。
大视场星模拟器可以提供更广的星图范围。但是现有星模拟器受显示芯片尺寸的限制，最大视场不超过30°。为了增大星模拟器光学系统视场，本文提出一种将同一规格的星模拟器视场进行拼接从而扩大视场的方法。为了降低成本及系统复杂程度、减少系统整体重量，以最少的拼接数目实现最大的拼接视场，文中针对视场重叠区域进行了详细计算与分析，提出以平面拼接为基础的形式简化拼接模型，得到正三角形、正四边形、正六边形3种典型的拼接方式，并推导了3种拼接方式下视场利用率的计算方法。提出了单一视场坐标计算方法，据此确定每个视场的中心位置，得到准确拼接数目。对比结果显示，正六边形拼接方式具有视场利用率更高、拼接数目更少的突出优势，为大视场星模拟器设计提供依据。
2021, 14(6): 1476-1485.
doi: 10.37188/CO.2021-0052
摘要:
为获得火焰燃烧过程中的黑体辐射与特征自由基发出的紫外辐射信息，实现对火焰温度与燃料成分的定量分析，本文设计了分孔径紫外多波段成像系统。该系统由前置分孔径光路与后置合像光路两部分组成，选择熔融石英和氟化钙为透镜材料。通过在各个分孔径光路内放置滤光片的方式，将目标在240~280 nm、308 nm、300~360 nm、390 nm 4个不同波段的紫外辐射同时成像到紫外探测器的4个区域上。该系统的F数为2.85，视场角为10°，总长为277.2 mm。分孔径光路的入瞳直径为10 mm，单通道焦距为43.88 mm，调制传递函数（MTF）接近衍射极限。合像光路边缘物面的MTF值在45 lp/mm处达到0.45。将两者组合优化后，总系统在45 lp/mm处各通道的MTF值均在0.5以上。对系统的各项公差进行了蒙特卡罗分析，结果表明有20%以上的良品率，该系统适合于科研加工装配，具有实用价值。
为获得火焰燃烧过程中的黑体辐射与特征自由基发出的紫外辐射信息，实现对火焰温度与燃料成分的定量分析，本文设计了分孔径紫外多波段成像系统。该系统由前置分孔径光路与后置合像光路两部分组成，选择熔融石英和氟化钙为透镜材料。通过在各个分孔径光路内放置滤光片的方式，将目标在240~280 nm、308 nm、300~360 nm、390 nm 4个不同波段的紫外辐射同时成像到紫外探测器的4个区域上。该系统的F数为2.85，视场角为10°，总长为277.2 mm。分孔径光路的入瞳直径为10 mm，单通道焦距为43.88 mm，调制传递函数（MTF）接近衍射极限。合像光路边缘物面的MTF值在45 lp/mm处达到0.45。将两者组合优化后，总系统在45 lp/mm处各通道的MTF值均在0.5以上。对系统的各项公差进行了蒙特卡罗分析，结果表明有20%以上的良品率，该系统适合于科研加工装配，具有实用价值。
2021, 14(6): 1486-1494.
doi: 10.37188/CO.2021-0040
摘要:
为了将光谱成像技术更方便地引入显微成像领域，本文将高光谱成像技术与显微成像技术相结合，搭建出一套全自动推扫式高光谱显微成像系统。系统以倒置显微镜为主体进行设计，采用棱镜-光栅元件进行光谱分光，利用高精度二维电动运动平台进行推扫，同时结合电动对焦组件完成对焦，最后成像在高灵敏sCMOS科学相机上。根据大多数生物样本光谱检测需求，系统的光谱范围选择420~800 nm。经光谱定标和空间分辨率测试，确定系统的光谱采样率为2.06 nm，光谱分辨率均值优于3.5 nm，空间分辨率优于0.87 μm。系统引入激光自动对焦系统作为主动对焦模块，以HE染色的乳腺癌病理切片为研究对象，实验分别采用被动对焦和主动对焦方式进行推扫成像，并比较分析两种方式的优劣，认为两者均可以满足大视场成像需求，但主动对焦成像更快速、更清晰，更加适合推扫式高光谱显微成像系统。通过对全自动推扫式高光谱显微成像系统的设计与研究，解决了高光谱显微成像中无法实时对焦的难题，实现了40倍显微物镜下3.25 mm×3.25 mm范围内全自动成像，有利于促进光谱技术在生物医学等领域中的应用。
为了将光谱成像技术更方便地引入显微成像领域，本文将高光谱成像技术与显微成像技术相结合，搭建出一套全自动推扫式高光谱显微成像系统。系统以倒置显微镜为主体进行设计，采用棱镜-光栅元件进行光谱分光，利用高精度二维电动运动平台进行推扫，同时结合电动对焦组件完成对焦，最后成像在高灵敏sCMOS科学相机上。根据大多数生物样本光谱检测需求，系统的光谱范围选择420~800 nm。经光谱定标和空间分辨率测试，确定系统的光谱采样率为2.06 nm，光谱分辨率均值优于3.5 nm，空间分辨率优于0.87 μm。系统引入激光自动对焦系统作为主动对焦模块，以HE染色的乳腺癌病理切片为研究对象，实验分别采用被动对焦和主动对焦方式进行推扫成像，并比较分析两种方式的优劣，认为两者均可以满足大视场成像需求，但主动对焦成像更快速、更清晰，更加适合推扫式高光谱显微成像系统。通过对全自动推扫式高光谱显微成像系统的设计与研究，解决了高光谱显微成像中无法实时对焦的难题，实现了40倍显微物镜下3.25 mm×3.25 mm范围内全自动成像，有利于促进光谱技术在生物医学等领域中的应用。
2021, 14(6): 1495-1503.
doi: 10.37188/CO.2019-0255
摘要:
针对用于地球静止轨道卫星的遥感面阵快照式成像光谱仪传输数据量过大引起的数据传输困难、信号采集处理时间长的问题，利用地球静止轨道平台可以长期驻留固定区域上空的特点，提出采用压缩感知的大口径宽谱段快照式光谱仪方案，对其光学系统结构进行设计，并对相关参数进行了计算。物镜采用同轴三反式无焦系统，用分色片对系统分光，经过对各系统进行优化处理，最终获得了幅宽为400 km×400 km，可见光地面像元分辨率为50 m、中波红外地面像元分辨率为400 m、长波红外地面像元分辨率为625 m的光学系统。该设计中，可见光路在78.125 lp/mm的MTF高于0.455，中波红外的光谱分辨率为光路在33.3 lp/mm处的MTF高于0.518，长波红外光路在20.8 lp/mm处的MTF高于0.498；可见光光谱分辨率为20 nm、中波红外的光谱分辨率为50 nm、长波红外的光谱分辨率为150 nm；可见光路二级光谱小于0.05 mm，设计结果具有良好的成像质量，各部分光学系统成像质量接近衍射极限，设计结果满足应用和指标需求。
针对用于地球静止轨道卫星的遥感面阵快照式成像光谱仪传输数据量过大引起的数据传输困难、信号采集处理时间长的问题，利用地球静止轨道平台可以长期驻留固定区域上空的特点，提出采用压缩感知的大口径宽谱段快照式光谱仪方案，对其光学系统结构进行设计，并对相关参数进行了计算。物镜采用同轴三反式无焦系统，用分色片对系统分光，经过对各系统进行优化处理，最终获得了幅宽为400 km×400 km，可见光地面像元分辨率为50 m、中波红外地面像元分辨率为400 m、长波红外地面像元分辨率为625 m的光学系统。该设计中，可见光路在78.125 lp/mm的MTF高于0.455，中波红外的光谱分辨率为光路在33.3 lp/mm处的MTF高于0.518，长波红外光路在20.8 lp/mm处的MTF高于0.498；可见光光谱分辨率为20 nm、中波红外的光谱分辨率为50 nm、长波红外的光谱分辨率为150 nm；可见光路二级光谱小于0.05 mm，设计结果具有良好的成像质量，各部分光学系统成像质量接近衍射极限，设计结果满足应用和指标需求。
