Author Affiliations
Abstract
School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China
Polarization fluctuation induced noise and backscattering-induced noise are the dominant noises in resonant fiber optic gyroscopes. This Letter proposes a new method to suppress the carrier and backscattering induced noise by the sideband locking technique. Besides choosing an optimized modulation depth and different clockwise and counterclockwise modulation frequencies, the sideband is locked to the cavity resonance. With the proper modulation frequency, the carrier frequency component locates at a position far away from the resonant frequency, and then it is suppressed by the cavity itself, which can be taken as a bandpass filter. The amplitude of the carrier frequency can be suppressed by 20–25 dB additionally by the cavity and the total intensity suppression ratio can reach 115.74 dB. The backscattering induced noise can be eliminated for the adoption of different frequencies. The method can realize a stable and high suppression ratio without high requirements for parameter accuracy or device performance.
060.2800 Gyroscopes 010.1350 Backscattering 060.2370 Fiber optics sensors 120.4640 Optical instruments Chinese Optics Letters
2018, 16(1): 010608
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京100191
ViBe运动检测算法消除鬼影的速度慢, 并且在分类像素点的时候由于距离阈值固定导致检测结果的准确率下降。文章对ViBe算法存在的这两个问题做出改进。样本的选取范围由8邻域扩大到24邻域, 避免选择重复的样本, 加快鬼影的消除过程; 在像素分类的时候根据背景动力学自适应地确定距离阈值, 增强算法抗背景干扰的能力, 并选用2组视频来验证改进后的算法。从检测结果可以看出, 改进后的算法去除鬼影的速度更快, 并且检测结果更加准确。
前景检测 邻域扩展 距离阈值 ViBe ViBe foreground detection neighborhood extension distance threshold
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
雪崩光电二极管由于具有高增益特性而广泛应用于激光测距机中, 但由于在电流倍增过程中引入的高附加噪声, 使激光测距机进一步提高信噪比遇到了瓶颈。 石墨烯具有高电子迁移率、 零带隙结构、 独特光吸收系数等特性使其广泛应用于激光器、 光调制器、 透明电极以及超快光电探测器。 该研究提出了一种高信噪比的谐振腔型石墨烯光电探测器的设计方法。 以波长为106 μm的激光为例, 采用光学传输矩阵法和散射矩阵法, 研究了光波在谐振腔传输和吸收层吸收的机理, 建立了谐振腔型光电探测器的光吸收模型, 通过优化, 器件最终量子效率达到912%, 响应度达到0778 A·W-1, 半高全宽达到6 nm; 分析石墨烯在谐振腔中的位置对器件吸收率的影响, 发现在满足谐振条件下, 器件吸收率随石墨烯位置呈现周期性变化, 腔长的改变不改变吸收率峰值, 而是改变了吸收率峰值对应的石墨烯在谐振腔中的位置, 当腔长是入射光半波长的n倍时, 随着石墨烯位置变化, 将出现2n个吸收率峰值, 且关于谐振腔中心点对称分布; 选择石墨烯距顶层反射镜0402 8 μm时, 器件吸收率达到94%, 相比单层石墨烯, 吸收率提高了16 dB; 通过对比求解谐振腔型石墨烯光电探测器和雪崩光电二极管信噪比方程, 得出谐振腔型石墨烯光电探测器信噪比可达到903, 较雪崩光电二极管提高了10 dB; 理论分析表明, 谐振腔型石墨烯光电探测器具有高吸收率、 高量子效率和高信噪比, 研究成果将对激光测距机接收系统中光电探测器的更新设计和应用提供理论参考。
谐振腔 石墨烯光电探测器 吸收率 量子效率 信噪比 Microcavity Graphene photodetector Absorption Quantum efficiency SNR
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
为了研究了激光与CCD传感器的作用过程及损伤机理, 采用有限元分析的方法, 对波长1.06μm的连续激光辐照行间转移型面阵CCD进行了理论分析和仿真研究。以基底Si表面激光辐照区域为热源建立热力耦合模型, 模拟得出了CCD的温度分布和热应力分布。通过对比分析其组成材料的温度损伤和应力损伤所发生的时间, 发现应力损伤先于温度损伤。结果表明, 作为固定边界和自由边界的交汇处, 基底Si下表面边缘处热应力于激光作用0.1s时最先超过破坏阈值120MPa, 发生应力破坏;Si材料产生由下表面边缘向中心的滑移, 基底逐步脱离固定;激光作用0.3s时, 遮光Al膜与SiO2膜层也因热应力超过两种材料的附着力100MPa, 而产生沿径向由内向外的Al膜层剥落的应力破坏行为, 这种行为将加快基底Si材料的滑移, 最终致使整个CCD因脱离工作位置而失效。该研究成果为CCD传感器的激光损伤及防护提供了理论依据。
激光物理 激光破坏 温度场 热应力场 laser physics laser damage temperature field thermal stress field CCD CCD
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 北京航空航天大学 精密光机电一体化教育部重点实验室, 北京 100191
为了实现光电成像系统对半空域目标的成像、探测和告警, 以大视场成像理论和像差理论为基础, 采用缩放法对光学系统鱼眼透镜进行了理论分析和仿真设计。利用桶形畸变及光阑彗差来增大像面照度的均匀性, 通过光线追迹减小系统轴外像差, 对系统成像质量进行多次评价与分析, 并推导了透镜成像的畸变校正模型。结果表明, 在可见光波段, 得到了成像质量良好的鱼眼透镜, CCD有效像面尺寸为8.446mm×7.042mm, 有效像素为2448×2050, 视场为180°, 焦距为2.24mm, 相对孔径为1∶2.8, 像面照度均匀性达到90%以上, 点列图弥散斑均方根半径值小于1/2像元, 光学传递函数在145lp/mm空间频率处大于0.4。全向凝视光电成像系统可实现半空域目标实时探测。
光学设计 鱼眼镜头 像差校正 像面照度 optical design fisheye lens aberration correction image illumination
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 微纳测控与低维物理教育部重点实验室, 北京 100191
3 精密光机电一体化教育部重点实验室, 北京 100191
多层石墨烯具有超宽的光谱吸收范围及独特的光电性能, 是制作下一代光电探测器件的理想材料。 以石墨烯的带间隧穿理论为基础, 提出了一个多层石墨烯纳米带结构的光电探测器模型, 纳米带的两端与源极和漏极相连, 夹在半导体基质和上下栅极之间。 利用这个模型, 建立了多层石墨烯纳米带探测器的光电转换机制, 讨论了上栅极电压不同时探测器的工作原理, 研究了源-漏极间光电流及暗电流与入射光能量的关系, 探讨了探测器的偏置电压, 耗尽层长度以及带隙取值对暗电流的影响, 并分析了不同参数下探测器响应率以及探测率随入射光能量的变化关系。 结果表明, 探测器的响应率随纳米带层数的增加而增加, 受带隙, 耗尽层长度和偏置电压的影响, 最大的响应率约为103 A·W-1; 通过限制上栅压, 带隙等变量可以控制系统暗电流, 增大探测器的探测率, 最高探测率约为109 cm·Hz1/2·W-1。 多层石墨烯纳米带结构可以增强探测器对入射光的吸收, 提高探测器的灵敏度以及对弱光的探测能力, 实现对太赫兹到远红外波段入射光的有效探测, 探测性能远高于许多量子结构和窄带半导体结构的光电探测器。
石墨烯 纳米带 光电设备 探测 Graphene Nanorrbbons Photoelectric devices Detection 光谱学与光谱分析
2016, 36(12): 3811
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
为提高光隔离器在高功率激光条件下的工作性能，基于琼斯理论研究了隔离器的热致退偏效应，设计了一种外置补偿晶体的隔离器，着重分析了隔离器隔离度及热透镜效应随入射光功率的变化规律。结果表明：通过调整氟化钙晶体的晶轴方向和长度，隔离器的热致退偏和热透镜效应可以得到有效抑制。在100 W激光条件下，外置补偿晶体后隔离度提高了16.3 dB，功率损耗降低8%。研究结果可优化设计隔离器结构，有效提升高功率隔离器的隔离度并减小功率损耗。
高功率 隔离度 退偏 热透镜 high power isolation degree depolarization thermal lens 红外与激光工程
2015, 44(11): 3186
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院,北京 100191
2 解放军61135部队,北京 102211
实现运动模糊图像恢复的关键是获得准确的点扩散函数(point spread function,PSF)。针对PSF的模糊尺度和模糊方向这两个重要参数,提出了一种基于图像频谱全局均值标准差的估计方法。通过研究运动模糊图像的产生机理,分析了二次傅里叶变换的频谱特性,利用全局均值标准差法对频谱图进行阈值分割,结合中心点和端点的坐标距离来估计模糊尺度,运用Radon变换鉴别模糊方向,实现了PSF参数的确定。进行了标准图像阈值分割准确度的验证,利用仿真模糊图像估计算法进行了验证,并进行了实际复原实验。结果表明,该方法具有误差小、稳定性高和不受运动方向限制的特点,为图像恢复提供了一种准确、简便的参数估计方法。
阈值分割 全局均值标准差 点扩散函数 运动模糊 threshold segmentation global mean and standard deviation point spread function motion blur
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
激光主动侦测系统可实现远距离“猫眼”目标的成像探测与识别, 探测能力分析是系统设计的前提和基础。为了评估激光主动侦测系统对猫眼目标的探测能力, 以激光回波功率为基础, 建立了系统信噪比的数学物理模型。分析了影响探测能力的因素, 数值模拟了信噪比与接收光学镜头直径、发射激光峰值功率、激光束散角以及等效反射面离焦量的定量关系。结果表明, 在一定作用距离范围内, 散粒噪声、背景噪声与暗电流噪声、热噪声相差至少2个数量级, 系统噪声主要来源于散粒噪声及背景噪声; 提高系统探测能力最为有效的方法是选用激光束散角小的光源。这一结果可用于指导激光主动侦测系统的设计。
激光技术 激光主动侦测 建模与仿真 探测能力 laser technique active laser detection modeling and simulation detection capability
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
疲劳驾驶预警系统对保障驾驶员的安全驾驶具有十分重要的作用。以驾驶员人眼图像信息处理为基础，建立了离散单位时间内非正常状态时间所占百分比疲劳判断模型，实现了对驾驶员疲劳状态的监控与预警。通过近红外光源对人眼主动照明，采用互补金属氧化物半导体摄像头实现对人眼图像信息的采集，基于Adaboost 算法实现人眼准确定位，利用Harris 强角点检测人眼中心区域，得到眼睛的视线状态信息，根据疲劳判断模型，设计可调的预警阈值，实现驾驶员疲劳状态的分级预警。实验结果表明：在一定条件下，系统判断响应时间为1.5 s，虚警率为4%，具有抗干扰性强和实时性好等特点。
成像系统 人眼检测 角点检测 疲劳判断模型 激光与光电子学进展
2015, 52(4): 041101
