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    25 December 2019, Volume 48 Issue 12
    Special Issue on Transient Photonics
    An TFET Photodetector with High Responsivity Based on SOI: Design and Simulation
    WANG Xue-fei, XIE Sheng, MAO Lu-hong, WANG Xu-fei, DU Yong-chao
    2019, 48(12):  1248001-1248001.  doi:10.3788/gzxb20194812.1248001
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    提出一种SOI基的新型隧穿场效应晶体管(TFET)探测器结构,将光电二极管与TFET结合,实现光信号的探测放大.光电二极管的正极与TFET的栅极互连,感光后光电二极管的光生电势调控TFET的沟道势垒,控制TFET的输出电流,实现光信号到电流信号的转化.陡峭的亚阈值摆幅能有效放大输出电流,提高TFET探测器的响应度.应用SILVACO完成探测器结构和性能的模拟仿真.光电二极管的光生电势通过较薄的BOX区形成了TFET的底部栅压,增强了对沟道势垒的控制能力,增大了输出电流,结果表明,探测器对弱光具有较高的响应度,当入射光强小于10 mW/cm2时,响应度可超过104 A/W.此外,通过调整光电二极管的反偏电压、在源区与沟道间插入n+口袋等方法可显著提高探测器的输出电流和响应度.
    Optical Response Analysis of Tapered Coupled Ridge Waveguide Transistor Detector
    XIE Hong-yun, GUO Min, MA Jia-jun, GAO Jie, CHEN Liang, MA Pei, LIU Xian-cheng, ZHANG Wan-rong
    2019, 48(12):  1248002-1248002.  doi:10.3788/gzxb20194812.1248002
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    为提高InP基光探测器的吸收效率和工作速度,设计了一种渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管探测器。采用有效折射率法和光束传播法,分析渐变耦合脊波导的光传输模式,优化后波导宽度和波导长度分别为2.6 μm和250 μm,可实现单模传输和高的光吸收效率.由于渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管光传输方向与载流子运动方向垂直,分别优化光敏晶体管的吸收效率和速度,器件输出光电流和特征频率均得到改善.渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管的响应度为33.83 A/W,饱和输出光电流为90 mA,最高特征频率达到87 GHz,其饱和输出电流和特征频率相比于台面单载流子传输异质结光敏晶体管分别提高了20%和24%.但渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管吸收体积大,获得饱和电流时的光功率也比较大,因此渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管的响应度略小于台面的单载流子传输异质结光敏晶体管的响应度.
    Orbital Angular Momentum Modes Generator and Multiplexer Based on Silicon Waveguides
    CAO Heng-ying, CHEN He-ming, BAI Xiu-li
    2019, 48(12):  1248003-1248003.  doi:10.3788/gzxb20194812.1248003
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    设计了一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用器,该器件主要由非对称定向耦合器和带沟槽的波导两部分组成.根据相位匹配条件,基模TE00通过非对称定向耦合器耦合成一阶模TE10,带沟槽的波导可支持光轴相对于水平和垂直方向旋转45°的两个正交的本征模,调整两个正交的本征模的相位差,使其进行简并,可进一步将TE10转换为多种轨道角动量模式,并在第二个沟槽结构中进行复用.采用时域有限差分法进行仿真计算,结果表明:该器件可以实现拓扑荷为+1、0、-1的光子轨道角动量模式的产生及复用,且器件结构紧凑,尺寸小于80 μm×5.3 μm,损耗小于0.24 dB,适用波长范围为1.47~1.58 μm.该器件制作工艺简单,易于集成,可应用于轨道角动量复用系统等领域.
    I-V and C-V Characteristics of Graphene/Silicon Photodetector
    FANG Xin-yu, CHEN Jun
    2019, 48(12):  1248004-1248004.  doi:10.3788/gzxb20194812.1248004
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    设计并制备了基于石墨烯/n型硅肖特基结的光电探测器,并从能带角度研究和分析了其I-VC-V特性.结果表明,石墨烯/氮化硅/硅(金属-绝缘层-半导体)电容器对器件的I-VC-V特性有较大影响.在808 nm近红外光的照射下,器件反向电流和正向电流大小接近,归因于氮化硅/硅界面堆积的光生空穴向石墨烯/硅肖特基结的扩散,器件光响应度为0.26 A/W.基于热发射模型从I-V暗电流曲线提取的肖特基势垒高度及理想因子分别为0.859 eV和2.3.利用肖特基二极管耗尽层电容公式从C-2-V曲线提取的势垒高度随着频率的增加而增加并趋于稳定在0.82 eV.由于界面态的影响,石墨烯/硅肖特基结耗尽层宽度随频率增加而增加,而硅施主原子的掺杂浓度及器件电容则随频率增加而减小.
    Ultra-sensitive Bio-sensor Based on Trapped Mode All-dielectric Metasurface Coating with Graphene Layer
    DENG Xue-song, FANG Ming, REN Xin-gang, HUANG Zhi-xiang, WU Xian-liang
    2019, 48(12):  1248005-1248005.  doi:10.3788/gzxb20194812.1248005
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    提出了一种由亚波长硅粒子组成的全介质超表面,在硅粒子中引入适当的缺陷从而破坏结构的对称性,进而使超表面能够激发出陷波模态.将石墨烯与全介质超表面相结合进行DNA和RNA等核酸物质传感检测,对比透射光谱中的谐振模式,发现所设计的超表面能够灵敏的感知周围环境的微弱变化,其在传感检测时的灵敏度可以达到173 nm/RIU,相应的品质因数可达14 416 RIU-1,具有优异的生物传感性能.全介质超表面是实现超灵敏生物传感检测的一种有效的途径.
    Detection Efficiency Measurement of Silicon Single-photon Avalanche Detector Traceable Using Standard Detector
    LIU Chang-ming, SHI Xue-shun, ZHANG Peng-ju, ZHUANG Xin-gang, LIU Hong-bo
    2019, 48(12):  1248006-1248006.  doi:10.3788/gzxb20194812.1248006
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    针对硅单光子雪崩探测器探测效率高准确度测量的需要,建立了一套溯源至标准探测器的硅单光子探测器探测效率测量装置.首先通过大动态范围高精度衰减产生光子数已知的准单光子源来校准探测器的探测效率,其次对影响探测效率测量的后脉冲概率和死时间进行了分析与测量,最后系统分析了各测量不确定度的来源,实现了硅单光子雪崩探测器在632.8nm波长处探测效率测量不确定度达到0.6%(k=2).该装置采用超连续谱光源与单色仪组合输出单色光源,结合标准探测器,可根据需要实现硅单光子雪崩探测器宽波段内的探测效率自动化测量.
    Lasers and Laser Optics
    Measurement of 2D Temperature Distribution of Flame Using CT-TDLAS
    ZHOU Wang-zheng, WANG Zhen-zhen, YAN Jun-jie, ZHANG dan, TSUJIMOTO Kazuma, KAMIMOTO Takahiro, DEGUCHI Yoshihiro
    2019, 48(12):  1214001-1214001.  doi:10.3788/gzxb20194812.1214001
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    结合可调谐半导体激光吸收光谱技术与计算机断层扫描技术,通过获得与实验值最适应的拟合光谱,重构本生灯燃烧火焰二维温度分布.以零均值归一化互相关和误差平方和作为指标,分析了32路测量组件的二维重构精度.结果表明,零均值归一化互相关达到0.994,误差平方和达到0.000 86.采用32路测量系统实现了本生灯火焰二维温度的测量,并与热电偶测量结果进行对比.结果表明,两者之间的温度分布趋势相同,可调谐半导体激光吸收光谱测量具有更高的精度和分辨率,验证了可调谐半导体激光吸收光谱技术结合计算机断层扫描技术在测量二维火焰温度分布的可行性与精确性.
    High-temperature LDAs Pumped Compact Nd: YAG Laser
    ZHONG Jian-qi, QU Ya-chen, ZHANG Xiao-jing, YANG Bo-da, JIN Liang, MA Xiao-hui, ZOU Yong-gang
    2019, 48(12):  1214002-1214002.  doi:10.3788/gzxb20194812.1214002
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    设计了一套紧凑型高温激光二极管阵列端面泵浦电光调Q Nd∶YAG激光器.为使激光器整体结构紧凑,以高温激光二极管阵列作为泵源以有效地降低Nd∶YAG激光器散热压力.利用Ansys软件对高温激光二极管阵列工作时的温度场进行模拟.使用基于K9玻璃材质的导光锥将泵浦光耦合进Nd∶YAG晶体内.利用Traceproc软件模拟了导光锥前后端面的光场分布.采用5 mm×5 mm×40 mm、掺杂浓度为1.0 at.%的Nd∶YAG晶体作为增益介质,利用Ansys软件对200 μs,250 μs泵浦脉宽条件下的晶体内部温度场分布进行模拟并计算了激光器工作时的热透镜焦距.结果表明,本文设计的紧凑型激光器可以实现稳定的脉冲激光输出.在重复频率20 Hz,泵浦源电压脉冲宽度250 μs、300 μs条件下,获得了单脉冲能量44.1 mJ和50.2 mJ的单脉冲输出,对应脉冲宽度分别为18.3 ns和21.3 ns,斜效率为12.35%和12.24%.
    Broadband Optical Frequency Comb Generation Based on a Current-modulated 1 550 nm-VCSEL Subject to Optical Injection
    LI Gui-ying, YANG Wen-yan, WU Zheng-mao, XIA Guang-qiong
    2019, 48(12):  1214003-1214003.  doi:10.3788/gzxb20194812.1214003
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    数值研究了一种获取宽带光学频率梳的方案.在该方案中,首先采用调制频率fm=f0/nf0为1 550 nm垂直腔面发射激光器中两正交偏振分量频率间隔,n为整数)的大调制信号电流调制一个1 550 nm垂直腔面发射激光器,使该1 550 nm垂直腔面发射激光器中的主振荡模式—Y偏振分量输出光学频率梳,而X偏振分量处于被抑制状态;进一步地,引入线偏振光注入,使激光器中两个偏振分量(光谱主峰比小于15 dB)均实现光学频率梳输出;再借助一个偏振片,将这两个偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,从而获取宽带光学频率梳.基于自旋反转模型,数值研究了由该方案产生的光学频率梳特性.仿真结果表明:在给定的参数条件下,一个自由运行1 550 nm垂直腔面发射激光器(阈值电流为2.6 mA)偏置在11.5 mA时,Y偏振分量占主导而X偏振分量被抑制(光谱主峰比大于30 dB);在受到调制深度较大的电流调制作用下,该激光器只在Y偏振分量输出光学频率梳;引入线性偏振光注入后,通过调整线性偏振光的偏振方向,可使X、Y偏振分量同时实现光学频率梳输出;最后,利用一偏振片将X、Y偏振分量引导到该偏振片的透振方向实现光谱拼接,最终可获得一个带宽超过80 GHz的光学频率梳.
    Experimental Study on Scintillation Index of Vortex Beam Propagation in Underwater Turbulence
    LU Teng-fei, LIU Yong-xin, PU Ji-xiong
    2019, 48(12):  1214004-1214004.  doi:10.3788/gzxb20194812.1214004
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    为了研究涡旋光束和高斯光束在水下湍流中的闪烁特性,搭建了一套含有水下湍流的实验系统,利用循环泵控制水槽内湍流的强弱,使用闪烁仪测量光束的闪烁因子.利用这套实验系统,详细研究了涡旋光束和高斯光束在水下传输时的闪烁因子.研究结果表明,涡旋光束和高斯光束的闪烁因子随着传输距离的增大而增大,并且随着水下湍流强度增大,涡旋光束和高斯光束对应的闪烁因子也越大.在12.6 m的传播距离内,拓扑电荷m=2的涡旋光束的闪烁因子远大于高斯光束的闪烁因子.另外,在不同强度的水下湍流中,拓扑荷数m=6的涡旋光束传播到5.4 m时,其径向闪烁因子都先减小然后再增大.此外,拓扑荷数m=6的涡旋光束经过一定距离的传播后,其闪烁因子低于拓扑荷数m=4的涡旋光束的闪烁因子.本文研究结果对探索涡旋光束在海洋湍流中的应用具有重要价值.
    Fiber Optics and Optical Communications
    Biosensor Based on Cladding-etched 81° Tilted Fiber Grating Coated with Graphene Oxide
    WANG Ya-jie, LUO Bin-bin, SHI Sheng-hui, JIANG Shang-hai, WU De-cao, WU Sheng-xi, LU You-ming, WU Tao-jiang, ZHAO Ming-fu
    2019, 48(12):  1206001-1206001.  doi:10.3788/gzxb20194812.1206001
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    为了改善普通81°倾斜光纤光栅在生化检测中灵敏度低、检测极限不理想等问题,提出一种基于氧化石墨烯修饰腐蚀型81°倾斜光纤光栅的牛血清蛋白生物传感器,分析了该传感器的原理与传感特性.使用氢氟酸溶液腐蚀减小光栅直径,提高其对折射率的灵敏度,并用氧化石墨烯修饰光栅,然后将牛血清蛋白单克隆抗体固定于光栅表面,用于对牛血清蛋白的特异性检测.实验结果表明,氧化石墨烯集成腐蚀型81°倾斜光纤光栅生物传感器对牛血清蛋白的检测范围为0.15~15 nmol/L,检测极限为~0.165 nmol/L,其线性响应区域的灵敏度为~182 pm/(nmol·L-1),传感器的检测范围较氧化石墨烯集成标准直径81°倾斜光纤光栅有所降低,但其灵敏度提高了5.3倍,且检测极限有较大的改善.
    Temperature Error Modeling and Real-time Compensation of Fiber Optic Gyroscope Based on PSO-SVR
    HUANG Chun-fu, LI An, QIN Fang-jun, WANG Zhi
    2019, 48(12):  1206002-1206002.  doi:10.3788/gzxb20194812.1206002
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    根据在线补偿对于实时性和精度的要求,提出利用粒子群算法优化支持向量回归的方法建立光纤陀螺温度误差补偿模型,并采用多数据窗的温度变化率实时获取方法,满足在线补偿和模型输入的要求.将光纤陀螺置于温箱内进行-15~50℃变温试验,获得实测数据,将温度和温度变化率作为输入,分别进行最小二乘、径向基函数神经网络以及粒子群优化支持向量回归建模,对比结果表明,提出的模型取得了最佳的补偿效果.通过实时补偿对比试验,验证了提出的模型具有良好的实时补偿性能及对于非训练数据的泛化能力.
    Digital Correlation Phase Discrimination Algorithm for Doppler Acceleration Measurement
    JING Ya-dong, WANG Ke-ning, FENG Jia-shuang, ZHANG Xiong-xing, WANG Wei
    2019, 48(12):  1206003-1206003.  doi:10.3788/gzxb20194812.1206003
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    针对激光多普勒加速度测量系统信号信噪比较差的问题,提出了一种采用数字相关鉴相算法进行加速度解调的方法.使用数字相关鉴相算法计算激光多普勒加速度测量系统中两路干涉信号的相位差,再由相位差的变化率来计算目标加速度,从而实现运动物体加速度的连续测量.仿真结果表明:该算法在信噪比为20 dB时,加速度测量的误差为0.135 m/s2,分辨率为7.3×10-3 m/s2.搭建了激光多普勒加速度测量系统,对压电陶瓷振荡器的加速度进行测量,加速度的测量误差为0.13 m/s2.测量结果表明,该算法能够有效减少随机噪声的干扰,提高加速度的测量精度.
    Optical Devices
    Preparation and Performance Optimization of Inkjet-printed Vertical Organic Phototransistor
    ZHANG Guo-cheng, ZHANG Ping-jun, HE Xing-li, ZHANG Hong
    2019, 48(12):  1223001-1223001.  doi:10.3788/gzxb20194812.1223001
    Asbtract ( 171 )   HTML ( )   PDF (3336KB) ( 99 )  
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    通过旋涂透明源极并在其上采用喷墨打印的方式制备有源层及源漏电极,从而得到一种垂直结构光晶体管,并获得了较好的光电性能,其响应率为~1 500 A/W,探测率可达1.6×1014 Jones.向有源层中掺杂一定比例的电子捕获材料PCBM,使有源层中光生空穴复合减小,光生电流增大,从而进一步提高其光探测性能.研究发现当掺杂5wt%电子捕获材料时,垂直结构光晶体管性能达到最优,响应率为~6 000 A/W,探测率可达1.4×1015 Jones.
    Study on Resolution Improvement of Microchannel Plate
    LI Xiao-feng, CHANG Le, ZENG Jin-neng, LI Ting-tao, ZHAO Heng, TANG Wen-mei
    2019, 48(12):  1223002-1223002.  doi:10.3788/gzxb20194812.1223002
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    在微通道板输出端镀制一层逸出功更高的金属膜以覆盖原有的镍铬电极,从而减小微通道板输出电子的动能以及在荧光屏上的弥散,提高微通道板的分辨力.实验结果表明,在微通道板的输出端镀制一层20 nm厚的银层(逸出功为4.3 eV)后,微光像增强器的分辨力从60 lp/mm提高到64 lp/mm,提高了6.6%;而镀制一层20 nm厚的铂层(逸出功为6.4 eV)后,超二代像增强器的分辨力从60 lp/mm提高到68 lp/mm,提高13%.在分辨力提高的同时,微通道板的增益会下降,镀银和镀铂后的微通道板,增益分别下降到原有值的74%和33%.金属膜的逸出功越高,分辨力提高的百分比越高,增益下降的百分比也越高.所以采用该方法来提高微通道板分辨力时,需要采用高增益的微通道板,从而使微通道板的增益下降以后仍能满足使用要求.
    Process Research of Optical Inverted Cone for Interlayer Coupling
    LIU Jun-cheng, SUN Tian-yu, JIA Hui-min, WANG Xiao, TANG Ji-long, FANG Dan, FANG Xuan, WANG Deng-kui, ZHANG Bao-shun, WEI Zhi-peng
    2019, 48(12):  1223003-1223003.  doi:10.3788/gzxb20194812.1223003
    Asbtract ( 181 )   HTML ( )   PDF (6676KB) ( 64 )  
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    针对光学倒锥窄尖的制备工艺困难的问题,通过特殊设计掩膜版,利用步进式光刻机,经过一次步进,对光刻胶进行两次连续的图案化处理,突破紫外光刻机的分辨率极限,制备出尖端接近50 nm的倒锥结构图案.再对光刻胶进行回流处理,解决其分层的问题,保证了结构侧壁的光滑度及尖端的完整性.在深硅刻蚀工艺中,通过对刻蚀中各气体组分进行调整,改善了锥形结构表面形貌,使结构的均匀性和完整性得到提升.最终得到了适用于层间耦合的尖端接近50 nm的光学倒锥.
    Imaging Systems
    Experimental Study on Contract Sensitivity for Fresnel Microprisms
    FU Ming-lei, FAN Ting-chao, EUGENE Antonov, LU Chun-xiao, ZHANG Wen-qi, LAI Jin-sheng, DMYTRO Manko
    2019, 48(12):  1211001-1211001.  doi:10.3788/gzxb20194812.1211001
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    模拟眼科诊断中常用的视标测试法,搭建了测试对象通过菲涅耳微棱镜的成像系统,使用光电探测法测试成像的分辨率,获得了不同对比度视标条件下的实验数据.实验结果表明,通过成像系统获得的实验数据与传统的视标测试法获得的临床数据具有一致性.同时,随着使用的菲涅耳微棱镜棱镜度数增大,视标对比度呈现近似等比例下降规律.实验结果分析得出,色散和衍射是引起菲涅耳微棱镜成像对比度恶化的主要原因,并提出了一种采用带有喷涂铬层的中性玻璃滤光片提高成像对比度的解决方案.
    Design of X-ray Microscope Employing Toroid Mirrors Working at Grazing-incidence
    CUI Ying, HE Jun-hua, WU Bing-jing, YAN Ya-dong, XU Rui-hua
    2019, 48(12):  1211002-1211002.  doi:10.3788/gzxb20194812.1211002
    Asbtract ( 185 )   HTML ( )   PDF (5309KB) ( 111 )  
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    为了实现对激光惯性约束聚变中物理过程的诊断,建立了X射线显微成像系统.对该系统所采用的超环面镜成像特性、系统的光学设计、像差分析、公差分析和装调方法进行了研究.首先,以等离子体诊断的要求为依据确定了部分光学系统参数,设计了由U型排布的两个超环面镜和一个用于谱选择的平面镜构成的显微成像系统.根据消像散聚焦初步确定三个反射镜的结构参数,并利用光学设计软件进行了优化.接着,分析了X射线显微镜的球差、彗差、视场倾斜和像散.通过分析系统参数变化对成像质量的影响,根据系统精度要求确定了合理的公差.最后,针对离线超环面镜离轴掠入射装调问题,设计了一种辅助光学系统,并为在线高精度系统装调设计了一种双向双目交汇瞄准系统.实验结果表明:显微成像系统在物方视场500 μm处的分辨率优于5 μm,基本满足激光等离子体X射线成像的大视场和高分辨等要求.
    Design of Refractive Diffraction Hybrid Annular Aperture Ultrathin Imaging Optical System
    MENG Yu-tong, PIAO Ming-xu, WANG Qi
    2019, 48(12):  1211003-1211003.  doi:10.3788/gzxb20194812.1211003
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    为了突破基底材料的选择局限性,实现成像波段范围内的高质量成像,在环形孔径超薄成像系统引入成像衍射光学元件,设计了以光学塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基底材料、焦距为35 mm、有效孔径为29 mm的4次反射结构的折衍射混合环形孔径超薄成像系统.该系统倍率色差小于2.2 μm,在空间频率为166 lp/mm时的MTF值大于0.4,实现了高质量成像.对环形孔径成像系统分别进行了公差分析与热分析,结果表明,在空间频率为166 lp/mm时,各视场的子午和弧矢衍射MTF值大于0.2,在温度0℃~40℃时,各视场的子午和弧矢MTF值大于0.28.
    Instrumentation, Measurement and Metrology
    Adaptive Positioning for Blade Repair of Complex Curved Surface Based on Speckle Measurement
    WANG Tao, LI Zhan, QIAO Wei-lin, WANG Sheng, WU Jun
    2019, 48(12):  1212001-1212001.  doi:10.3788/gzxb20194812.1212001
    Asbtract ( 342 )   HTML ( )   PDF (11641KB) ( 26 )  
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    针对于航空发动机叶片修复过程中传统夹具定位无法满足复杂曲面叶片损坏形式多样的要求,提出了采用散斑测量的复杂曲面叶片修复自适应定位方法.首先,构建视觉测量系统,通过对叶片表面散斑点的匹配与空间解算得到叶片立体点云数据和参考测量点空间坐标,完成叶片三维构型.然后,建立自适应定位模型,通过对各定位坐标系进行位姿矩阵解算,实现欠定位装夹下曲面叶片在机床坐标系下的自适应定位.最后,基于德玛吉五轴数控加工中心进行自适应定位实验,验证了定位方法的有效性与实用性.实验结果表明,定位各方向平移向量偏差小于0.25 mm,旋转矩阵欧拉角偏差小于0.2°,且通过一次装夹固定及视觉测量提取叶片形貌与位置信息,减少了定位工序,可为后续对损坏复杂曲面叶片加工复形的自适应定位修复提供实验依据.
    Surface Robust Reconstruction Method for High Lightand Weak Textured Objects
    QIAO Yu-jing, ZHANG Si-yuan, ZHAO Yu-hang
    2019, 48(12):  1212002-1212002.  doi:10.3788/gzxb20194812.1212002
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    为解决高光弱纹理物体表面重建时,存在的孔洞和噪声,及信息缺失等问题,提出了光照补偿结合深度图像的重建方法.结合光照方向和光照强度的参数估计,确定高光区域并均匀光照,再以激光点的变化轨迹修正均值漂移算法的漂移区域,建立改进的均值漂移中心描述子,对深度图像的噪声和孔洞进行判定并修复,实现物体表面重建.结果表明,该方法既可以保持不同种类对象重建完整,避免信息缺失,还可减少外界环境和对象自身特征的负面影响.通过高光弱纹理标准图片和实拍物体重建实验,以及使用均方根误差、峰值信噪比和结构相似性等性能指标进行评价,验证了该方法的鲁棒性和有效性.
    Modified Adaptive Real-time Filtering Algorithm for MEMS Gyroscope Random Noise
    FU Jun, HAN Hong-xiang
    2019, 48(12):  1212003-1212003.  doi:10.3788/gzxb20194812.1212003
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    针对微机电系统陀螺易受环境影响和稳定性能较差,导致建立的随机漂移模型参数和随机噪声统计特性变化的问题,提出了一种改进的指数渐消记忆自适应Kalman实时滤波方法.通过分析实测数据确定随机漂移自回归滑动平均模型阶数,在此基础上利用递推最小二乘法对模型参数进行实时更新.根据陀螺噪声参数特点,提出了基于渐消记忆因子的Allan方差分析法和Sage-Husa自适应滤波算法同时对QR进行参数估计的实时滤波方法,避免了系统状态估计和量测噪声参数估计的相互耦合和制约.实验结果表明:相比标准Kalman滤波补偿方法及传统的固定Q阵只对R阵做自适应估计的滤波方法,本文方法能够更加有效地对MEMS陀螺随机漂移误差进行实时补偿,具有较好的适应性和稳定性.
    Nonlinear Optimization Method for Reconstruction of the Off-axis Aspherical Surface by Profile Measurement
    LEI Wei-zheng, YUAN Lü-jun, KANG Yan, SU Zhi-de
    2019, 48(12):  1212004-1212004.  doi:10.3788/gzxb20194812.1212004
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    轮廓测量是非球面光学镜面的重要测量手段,然而在测量过程中由于测量坐标系与理论坐标系间存在偏离,测量结果中存在误差.本文分析了离轴非球面的测量坐标系与理论坐标系间的平移和偏转误差在面形结果中引入的测量误差形式,根据最小二乘原理建立优化函数,依照函数特性通过数值差分法快速求解梯度并利用非线性优化方法优化偏差,从而将该误差从测量结果中剔除.仿真分析表明这种方法能在镜面面形残差和测量系统的随机误差的影响下有效恢复镜面面形信息.利用该方法实际指导直径为570 mm的离轴椭球面的加工,经过四个周期的测量-研磨过程使该镜面面形误差的PV值从34.80 μm收敛至13.83 μm,RMS从3.28 μm收敛至1.89 μm.为了进一步比较,对一块220 mm×96 mm矩形离轴椭球面测量,验证了该方法测量异形离轴镜面的适用性和通用性.
    Optical Design and Fabrication
    Design and Test of Flexible Supporting Structure for Ultra-light Mirror
    SHAO Meng-qi, ZHANG Lei, LI Lin, WEI Lei, JIA Xue-zhi
    2019, 48(12):  1222001-1222001.  doi:10.3788/gzxb20194812.1222001
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    针对微型遥感载荷超轻反射镜柔性支撑问题,提出了一种折臂梁式柔性支撑结构.根据反射镜结构特点,建立柔性支撑结构的参数化模型.采用第二代非支配排序遗传算法建立了多约束多目标的参数优化模型,对柔性结构关键参数进行了优化,最小尺寸仅为1.30 mm.对反射镜与柔性结构粘接面积的强度进行了校核,安全裕度为3.6.并对反射镜组件进行了工程分析和力学试验,所设计的柔性结构能够在1g重力和温度4℃变化时保证超轻反射镜具备优于3 nm的面形精度,仿真分析与力学试验相对误差均在10%以内.最后,对反射镜组件进行了镜面的面形检测,力学振动试验前后,镜面的表面误差RMS均为0.020λ,表明该反射镜组件稳定性良好.本文提出的折臂梁式柔性支撑结构设计方法是可行的,结构性能是可靠的.
    Optimal Design of Cam Curve Structure of the 30×Continuous Zoom System
    PENG Jian-wei, SHI Kui, LEI Yang-jie, MEI Chao, WU Li
    2019, 48(12):  1222002-1222002.  doi:10.3788/gzxb20194812.1222002
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    以某三十倍连续变焦镜头为例,研究了改变曲线压力角的方法。以压力角为目标函数,将凸轮曲线转角构造为分段函数对转角重新划分,压力角过大位置分配较大转角,压缩压力角较小处的转角,从而降低曲线整体压力角,并可有效抑制曲线中较大拐点.利用Matlab进行仿真计算,对比多种转角分配取值的优化结果,得到相对优化的凸轮曲线.优化结果使得曲线最大压力角值由原始的76.9°降低为41.9°.经试验验证,利用该方法优化完的变焦镜头成像质量良好,光轴跳动不大于3个像素,光轴稳定性不大于1个像素.
    Remote Sensing and Sensors
    Characteristic Analysis of Target Laser One-dimensional Range Profiles Based on Heterodyne Detection
    CHEN Jian-biao, SUN Hua-yan, ZHAO Yan-zhong, SHAN Cong-miao
    2019, 48(12):  1228001-1228001.  doi:10.3788/gzxb20194812.1228001
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    为了实现对空间目标的远距离、高分辨率激光一维距离像探测及特性分析,在建立点目标激光一维距离像光外差探测模型的基础上,进一步通过三维建模的方式获取了三维目标的激光一维距离像.比较了圆锥体目标光外差探测获取的一维距离像与其距离分辨激光雷达散射截面、脉冲激光一维距离像之间的区别和联系,分析了目标尺寸、姿态、调频带宽以及表面材质对目标激光一维距离像的影响.实验结果验证了目标一维距离像能够反映目标外形特征,可为目标特性分析及识别提供参考.
    Space Target Luminosity Measurement Based on Video Remote Sensing Satellites
    MA Yan, MA Chi, XIE Yan-hao, WANG Fang
    2019, 48(12):  1228002-1228002.  doi:10.3788/gzxb20194812.1228002
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    基于“吉林一号”视频系列卫星开展空间目标光度测量试验,阐述了视频星对空间目标成像以及光度反演原理,利用相机探测器输出图像的灰度值反演计算目标光度学特征.根据误差传递原理分析了辐射定标系数偏差和目标图像噪声对反演精度的影响,并以恒星作为标准辐射源对反演精度进行验证,结果表明恒星类点目标光度反演误差小于0.15 Mv.列举了空间目标拍摄及反演结果样例,并对视频星观测试验结果进行了统计和说明,得到视频星的极限探测距离、捕获概率以及观测效能,分析结果表明视频星的灵活成像模式可较好地适用于空间目标观测任务.
    Amplitude Inversion Model and Application of Internal Solitary Waves of the Northern South China Sea Based on Optical Remote-sensing Images
    NING Jing, WANG Jing, ZHANG Meng, CUI Hai-ji, LU Ke-xiao
    2019, 48(12):  1228003-1228003.  doi:10.3788/gzxb20194812.1228003
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    收集2015年1月至2018年12月共计4年的MODIS光学遥感图像,利用神经网络算法建立适用于南海北部深海与浅海的内孤立波振幅反演模型.模型的计算结果与现有的南海实测数据对比,无论对于浅海(文昌海域)还是深海(东沙岛附近海域和深海盆地),反演精度都高于15%.利用模型得到了南海北部内孤立波的振幅分布,发现振幅分布与水深呈正相关,相关系数为0.81.计算了南海北部文昌海域、东沙岛附近海域以及深海盆地的内孤立波振幅分布,发现同一条内孤立波,振幅不同.南海北部文昌海域、东沙岛附近海域以及深海盆地的单条内孤立波振幅与水深呈正相关,相关系数分别为0.79,0.91,0.81.本文为南海北部海域深海与浅海的内孤立波振幅反演提供借鉴.
    Scattering
    Spectral Scattering Characteristic of Non-spherical Mars Dust Particles
    YANG Yu-feng, HAN An-li, QIN Jian-hua, WANG Zhao-lei
    2019, 48(12):  1229001-1229001.  doi:10.3788/gzxb20194812.1229001
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    针对复杂的火星大气环境,基于T-matrix理论,对三种非球形火星沙尘粒子的散射特性进行了研究,计算了服从对数正态分布的非球形火星沙尘粒子的散射特性,分别在有沙尘暴和无沙尘暴两种条件下,分析非球形火星沙尘粒子的传输衰减和透射率随粒子数浓度、波长以及高度的变化趋势,并与球形粒子进行对比.结果表明:非球形与球形粒子的消光效率因子和散射效率因子存在较大差异,两者之间的最大差值分别为1.786 8和1.761 9,而切比雪夫粒子的散射特性与球形粒子最接近;当入射波长为0.55 μm时,火星上沙尘粒子群整体的散射主要集中在前向40°以内,且非球形与球形粒子在前向60°以内散射强度基本相等,大于60°时非球形的散射强度比球形粒子高;非球形火星沙尘粒子的传输衰减和透射率(随波长、粒子数浓度和高度)的变化趋势与球形的基本一致,且其尺寸的比值越接近于1,传输衰减和透射率越接近于球形粒子的值.
    Influence of Water Characteristic Parameters on Threshold Value and Gain of Stimulated Brillouin Scattering
    XU Jin, GUO Yang-ning, HU Fen, LUO Ning-ning, ZHANG Yu-bao, SHI Jiu-lin, HE Xing-dao
    2019, 48(12):  1229002-1229002.  doi:10.3788/gzxb20194812.1229002
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    针对水中受激布里渊散射阈值和增益这两个重要特征参量,理论分析了温度和盐度对水中受激布里渊散射增益的影响,同时采用耦合波方程与平均衰减系数相结合的方法,研究了阈值与温度和衰减系数的相关性.研究结果表明,受激布里渊散射的增益与温度和盐度正相关,随着温度和盐度的升高,受激布里渊散射增益增大;而受激布里渊散射阈值随着温度的增加而减小,随着衰减系数的增大而增大.研究结果对了解水中的受激布里渊散射过程提供理论依据.
    Materials
    Effect of Different Oxygen Content of Tantalum Oxide on Electrochromic Properties of Tungsten Oxide
    YANG Hui-dong, XIA Jin-hui, PENG Si-ran, ZHANG Jing-yan, BAO Fei-xiong, LIU Ya-qing
    2019, 48(12):  1216001-1216001.  doi:10.3788/gzxb20194812.1216001
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    采用直流反应磁控溅射法在氧化铟锡(ITO)玻璃上溅射一层掺氧含量为30%的氧化钨薄膜(WOx),并在此基础上溅射了掺氧含量不同的氧化钽薄膜(TaOx).利用X射线衍射仪以及能谱仪对氧化钽薄膜的物相结构以及元素的相对变化量进行了分析,使用扫描电子显微分析了薄膜的表面形貌,采用紫外分光光度计与电化学工作站配合测量薄膜的透射率,对薄膜的电致变色性能进行了研究.结果表明:所溅射的氧化钽薄膜均为非晶态结构,随着掺氧含量的增加,薄膜氧含量越接近71.4%,薄膜对氧化钨的保护性能呈现下降趋势,并在氧含量为70.08%时得到对氧化钨的最优保护性能,此时电致变色薄膜着色响应时间为21 s.添加氧化钽薄膜减少了电致变色薄膜的开关峰值电流与泄漏电流,使得器件的充电容量保持稳定,循环稳定性能得到提升.