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可見光系統(tǒng)探測能力的分析研究

2015-01-29 00:36:32楊立保
新媒體研究 2014年22期

摘 要 在光電跟蹤系統(tǒng)中,評價系統(tǒng)能力的一項重要指標(biāo)是作用距離。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)特性的條件下,獲得系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法:一是利用傳統(tǒng)作用距離公式計算,這種方法誤差會較大;二是在實際環(huán)境中對真實目標(biāo)考核,該方法最直觀,但是代價最大;三是參考同類型設(shè)備的試驗數(shù)據(jù),由于目標(biāo)和天氣條件的千差萬別,需要大量的試驗數(shù)據(jù);本文提出了一種基于有限的少量試驗數(shù)據(jù),結(jié)合理論分析的方法,計算出系統(tǒng)的極限探測能力。

關(guān)鍵詞 光電跟蹤系統(tǒng);探測能力;作用距離

中圖分類號:V556 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)22-007070-02

在光電跟蹤系統(tǒng)中,評價系統(tǒng)能力的一項重要指標(biāo)是作用距離,該指標(biāo)表征系統(tǒng)的對特定目標(biāo)的最遠探測能力。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)特性的條件下,推定系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法,一是假定大氣條件,利用作用距離公式估算系統(tǒng)作用距離;二是在實際試驗環(huán)境中對真實目標(biāo)進行實際考核,該方法最直觀,但是代價最大,而且條件苛刻;三是通過同類設(shè)備類比的方法,由于實驗環(huán)境和目標(biāo)特性以及設(shè)備參數(shù)等千差萬別,因此該方法將需要長期的大量試驗數(shù)據(jù)的積累,這在短時間內(nèi)難以建立;本文提出了一種綜合分析方法,既是建立在有限試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析并通過其他目標(biāo)驗證的方式分析系統(tǒng)的作用距離,給出系統(tǒng)的極限探測能力,是一種經(jīng)濟可行的方案。

我們首先建立系統(tǒng)模型,借以衡量系統(tǒng)性能,優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù),以低仰角海面目標(biāo)為實驗對象[1、2]。

1 試驗條件

以相對孔徑為1:8的可見光系統(tǒng),在大氣水平能見度大于12 km,觀測方向與太陽夾角大于30°,太陽高角大于5°條件下,對直徑為0.4 m飛行速度為2馬赫的目標(biāo),要求作用距離達到10 km。

2 試驗數(shù)據(jù)

鑒于試驗中受場地、目標(biāo)等多方面限制很難有真實的目標(biāo)和理想的天氣條件進行作用距離試驗,因此我們選取一遠距離靶標(biāo)進行了測距試驗,試驗條件如下:

日期:6月下旬;

地點:沿海海邊;

氣象條件:溫度20℃~31℃,多云,東風(fēng)3~4級。輕霧,目視分辨目標(biāo)較困難;

時間:下午6時許,太陽高角小于5°,而且目標(biāo)觀測仰角2°左右。

試驗?zāi)繕?biāo):靶標(biāo)球體直徑0.6米。

激光測距測得靶標(biāo)距離為7.7 km。如圖所示。

在圖像中可看見塔頂?shù)那颍部煽吹街吻蝮w的支桿,可以有效提取目標(biāo)。當(dāng)時的天氣條件遠比指標(biāo)要求的條件要差

很多。

該試驗是隨機選取的試驗天氣和試驗?zāi)繕?biāo),沒有嚴(yán)格的限定試驗條件和實驗?zāi)繕?biāo)。下面我們在此試驗的基礎(chǔ)上推導(dǎo)指標(biāo)條件下,相應(yīng)的系統(tǒng)極限作用距離。

3 經(jīng)典作用距離公式

1)計算條件:

①目標(biāo)經(jīng)可見光望遠鏡所成像的尺寸應(yīng)滿足可見光電視處理器提取信號的要求,目標(biāo)像覆蓋的像元數(shù)目不小于2×2像元。

②在像面處目標(biāo)與背景對比度滿足信號提取要求,即大

于5%。

2)目標(biāo)在像面上產(chǎn)生的照度:

式中:

—目標(biāo)反射太陽光的光強度;

—目標(biāo)反射系數(shù);

—光學(xué)系統(tǒng)通光口徑;

—焦距;

—光學(xué)系統(tǒng)透過率;

—大氣透過率;

—光學(xué)系統(tǒng)對目標(biāo)的濾光系數(shù);

—觀測方向與太陽夾角;

—彌散系數(shù)。

3)背景在像平面上的照度:

式中:

—背景亮度;

—光學(xué)系統(tǒng)透過率;

—光學(xué)系統(tǒng)對背景的濾光系數(shù);

—光學(xué)系統(tǒng)通光口徑;

—光學(xué)系統(tǒng)焦距。

目標(biāo)與背景的對比度:

4 系統(tǒng)探測能力推算

根據(jù)可見光作用距離公式,需要首先滿足目標(biāo)成像尺寸大于2×2個像素。

1)目標(biāo)在靶面成像大小的計算。

成像尺寸可根據(jù)成像公式計算得到:

對于直徑0.4 m的目標(biāo),在800 mm焦距和目標(biāo)距離10 km時,成像所占像元數(shù)為4×4個像元。可以發(fā)現(xiàn)并提取目標(biāo)。

2)不同條件下的目標(biāo)照度。

估算作用距離時,除了應(yīng)滿足目標(biāo)成像尺寸的條件外,探測能力只與目標(biāo)照度有關(guān)。而影響目標(biāo)照度的關(guān)鍵參數(shù)只有大氣透過率。因此可以按照天氣條件估算上述試驗時的大氣透過率τ1,再計算指標(biāo)條件時10 km遠的大氣透過率τ2,如果τ2>τ1,就認為系統(tǒng)的探測能力能夠達到10 km。利用逐次逼近的方法比對大氣透過率使其等于τ2,記錄當(dāng)τ2=τ1時的距離,此即為設(shè)備的極限作用距離。

下面具體計算指標(biāo)條件下的作用距離。

大氣透過率的估算:在輕霧天時,應(yīng)用Lowtran77軟件估計在7.7 km時大氣透過率為0.0045;在大氣能見度12 km時,目標(biāo)為10 km時大氣透過率為0.0264;綜合情況見下表所示。

從上表知,能見度為12千米時的透過率大于輕霧天7.7 km時的大氣透過率。當(dāng)在此條件下的大氣透過率等于輕霧天7.7公里時的大氣透過率時,得出的距離既是設(shè)備的極限作用距離。即設(shè)備的極限探測能力為14.9 km。

5 結(jié)論

在光電跟蹤系統(tǒng)中,評價系統(tǒng)能力的一項重要指標(biāo)是作用距離,該指標(biāo)表征系統(tǒng)的對特定目標(biāo)的最遠探測能力。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)特性的條件下,推定系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法,一是假定大氣條件,利用作用距離公式估算系統(tǒng)作用距離;二是在實際試驗環(huán)境中對真實目標(biāo)進行實際考核,該方法最直觀,但是代價最大,而且條件苛刻,難以滿足;三是通過同類項目比對,該方法立足于大量試驗數(shù)據(jù)的積累;本文提出了一種綜合分析方法,既是建立在有限試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析并通過其他目標(biāo)驗證的方式分析系統(tǒng)的作用距離,給出系統(tǒng)的極限探測能力,是一種經(jīng)濟可行的方案。

參考文獻

[1]季云松,張凱.自然光照下目標(biāo)的光學(xué)特征仿真[J].紅外與激光工程,2002,31(2):161-165.

[2]李斌成.空間目標(biāo)的光學(xué)特性分析[J].光學(xué)工程,1989(2):21-26.

[3]韓根甲.艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)的最新現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2007,35(3):109-116.

作者簡介

楊立保(1972-),男,河北唐山人,博士生,副研究員,2005年于長春理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位,現(xiàn)在中科院長春光機所工作,主要從事光電測量與總體設(shè)計方面的研究。endprint

摘 要 在光電跟蹤系統(tǒng)中,評價系統(tǒng)能力的一項重要指標(biāo)是作用距離。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)特性的條件下,獲得系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法:一是利用傳統(tǒng)作用距離公式計算,這種方法誤差會較大;二是在實際環(huán)境中對真實目標(biāo)考核,該方法最直觀,但是代價最大;三是參考同類型設(shè)備的試驗數(shù)據(jù),由于目標(biāo)和天氣條件的千差萬別,需要大量的試驗數(shù)據(jù);本文提出了一種基于有限的少量試驗數(shù)據(jù),結(jié)合理論分析的方法,計算出系統(tǒng)的極限探測能力。

關(guān)鍵詞 光電跟蹤系統(tǒng);探測能力;作用距離

中圖分類號:V556 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)22-007070-02

在光電跟蹤系統(tǒng)中,評價系統(tǒng)能力的一項重要指標(biāo)是作用距離,該指標(biāo)表征系統(tǒng)的對特定目標(biāo)的最遠探測能力。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)特性的條件下,推定系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法,一是假定大氣條件,利用作用距離公式估算系統(tǒng)作用距離;二是在實際試驗環(huán)境中對真實目標(biāo)進行實際考核,該方法最直觀,但是代價最大,而且條件苛刻;三是通過同類設(shè)備類比的方法,由于實驗環(huán)境和目標(biāo)特性以及設(shè)備參數(shù)等千差萬別,因此該方法將需要長期的大量試驗數(shù)據(jù)的積累,這在短時間內(nèi)難以建立;本文提出了一種綜合分析方法,既是建立在有限試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析并通過其他目標(biāo)驗證的方式分析系統(tǒng)的作用距離,給出系統(tǒng)的極限探測能力,是一種經(jīng)濟可行的方案。

我們首先建立系統(tǒng)模型,借以衡量系統(tǒng)性能,優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù),以低仰角海面目標(biāo)為實驗對象[1、2]。

1 試驗條件

以相對孔徑為1:8的可見光系統(tǒng),在大氣水平能見度大于12 km,觀測方向與太陽夾角大于30°,太陽高角大于5°條件下,對直徑為0.4 m飛行速度為2馬赫的目標(biāo),要求作用距離達到10 km。

2 試驗數(shù)據(jù)

鑒于試驗中受場地、目標(biāo)等多方面限制很難有真實的目標(biāo)和理想的天氣條件進行作用距離試驗,因此我們選取一遠距離靶標(biāo)進行了測距試驗,試驗條件如下:

日期:6月下旬;

地點:沿海海邊;

氣象條件:溫度20℃~31℃,多云,東風(fēng)3~4級。輕霧,目視分辨目標(biāo)較困難;

時間:下午6時許,太陽高角小于5°,而且目標(biāo)觀測仰角2°左右。

試驗?zāi)繕?biāo):靶標(biāo)球體直徑0.6米。

激光測距測得靶標(biāo)距離為7.7 km。如圖所示。

在圖像中可看見塔頂?shù)那颍部煽吹街吻蝮w的支桿,可以有效提取目標(biāo)。當(dāng)時的天氣條件遠比指標(biāo)要求的條件要差

很多。

該試驗是隨機選取的試驗天氣和試驗?zāi)繕?biāo),沒有嚴(yán)格的限定試驗條件和實驗?zāi)繕?biāo)。下面我們在此試驗的基礎(chǔ)上推導(dǎo)指標(biāo)條件下,相應(yīng)的系統(tǒng)極限作用距離。

3 經(jīng)典作用距離公式

1)計算條件:

①目標(biāo)經(jīng)可見光望遠鏡所成像的尺寸應(yīng)滿足可見光電視處理器提取信號的要求,目標(biāo)像覆蓋的像元數(shù)目不小于2×2像元。

②在像面處目標(biāo)與背景對比度滿足信號提取要求,即大

于5%。

2)目標(biāo)在像面上產(chǎn)生的照度:

式中:

—目標(biāo)反射太陽光的光強度;

—目標(biāo)反射系數(shù);

—光學(xué)系統(tǒng)通光口徑;

—焦距;

—光學(xué)系統(tǒng)透過率;

—大氣透過率;

—光學(xué)系統(tǒng)對目標(biāo)的濾光系數(shù);

—觀測方向與太陽夾角;

—彌散系數(shù)。

3)背景在像平面上的照度:

式中:

—背景亮度;

—光學(xué)系統(tǒng)透過率;

—光學(xué)系統(tǒng)對背景的濾光系數(shù);

—光學(xué)系統(tǒng)通光口徑;

—光學(xué)系統(tǒng)焦距。

目標(biāo)與背景的對比度:

4 系統(tǒng)探測能力推算

根據(jù)可見光作用距離公式,需要首先滿足目標(biāo)成像尺寸大于2×2個像素。

1)目標(biāo)在靶面成像大小的計算。

成像尺寸可根據(jù)成像公式計算得到:

對于直徑0.4 m的目標(biāo),在800 mm焦距和目標(biāo)距離10 km時,成像所占像元數(shù)為4×4個像元。可以發(fā)現(xiàn)并提取目標(biāo)。

2)不同條件下的目標(biāo)照度。

估算作用距離時,除了應(yīng)滿足目標(biāo)成像尺寸的條件外,探測能力只與目標(biāo)照度有關(guān)。而影響目標(biāo)照度的關(guān)鍵參數(shù)只有大氣透過率。因此可以按照天氣條件估算上述試驗時的大氣透過率τ1,再計算指標(biāo)條件時10 km遠的大氣透過率τ2,如果τ2>τ1,就認為系統(tǒng)的探測能力能夠達到10 km。利用逐次逼近的方法比對大氣透過率使其等于τ2,記錄當(dāng)τ2=τ1時的距離,此即為設(shè)備的極限作用距離。

下面具體計算指標(biāo)條件下的作用距離。

大氣透過率的估算:在輕霧天時,應(yīng)用Lowtran77軟件估計在7.7 km時大氣透過率為0.0045;在大氣能見度12 km時,目標(biāo)為10 km時大氣透過率為0.0264;綜合情況見下表所示。

從上表知,能見度為12千米時的透過率大于輕霧天7.7 km時的大氣透過率。當(dāng)在此條件下的大氣透過率等于輕霧天7.7公里時的大氣透過率時,得出的距離既是設(shè)備的極限作用距離。即設(shè)備的極限探測能力為14.9 km。

5 結(jié)論

在光電跟蹤系統(tǒng)中,評價系統(tǒng)能力的一項重要指標(biāo)是作用距離,該指標(biāo)表征系統(tǒng)的對特定目標(biāo)的最遠探測能力。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)特性的條件下,推定系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法,一是假定大氣條件,利用作用距離公式估算系統(tǒng)作用距離;二是在實際試驗環(huán)境中對真實目標(biāo)進行實際考核,該方法最直觀,但是代價最大,而且條件苛刻,難以滿足;三是通過同類項目比對,該方法立足于大量試驗數(shù)據(jù)的積累;本文提出了一種綜合分析方法,既是建立在有限試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析并通過其他目標(biāo)驗證的方式分析系統(tǒng)的作用距離,給出系統(tǒng)的極限探測能力,是一種經(jīng)濟可行的方案。

參考文獻

[1]季云松,張凱.自然光照下目標(biāo)的光學(xué)特征仿真[J].紅外與激光工程,2002,31(2):161-165.

[2]李斌成.空間目標(biāo)的光學(xué)特性分析[J].光學(xué)工程,1989(2):21-26.

[3]韓根甲.艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)的最新現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2007,35(3):109-116.

作者簡介

楊立保(1972-),男,河北唐山人,博士生,副研究員,2005年于長春理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位,現(xiàn)在中科院長春光機所工作,主要從事光電測量與總體設(shè)計方面的研究。endprint

摘 要 在光電跟蹤系統(tǒng)中,評價系統(tǒng)能力的一項重要指標(biāo)是作用距離。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)特性的條件下,獲得系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法:一是利用傳統(tǒng)作用距離公式計算,這種方法誤差會較大;二是在實際環(huán)境中對真實目標(biāo)考核,該方法最直觀,但是代價最大;三是參考同類型設(shè)備的試驗數(shù)據(jù),由于目標(biāo)和天氣條件的千差萬別,需要大量的試驗數(shù)據(jù);本文提出了一種基于有限的少量試驗數(shù)據(jù),結(jié)合理論分析的方法,計算出系統(tǒng)的極限探測能力。

關(guān)鍵詞 光電跟蹤系統(tǒng);探測能力;作用距離

中圖分類號:V556 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)22-007070-02

在光電跟蹤系統(tǒng)中,評價系統(tǒng)能力的一項重要指標(biāo)是作用距離,該指標(biāo)表征系統(tǒng)的對特定目標(biāo)的最遠探測能力。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)特性的條件下,推定系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法,一是假定大氣條件,利用作用距離公式估算系統(tǒng)作用距離;二是在實際試驗環(huán)境中對真實目標(biāo)進行實際考核,該方法最直觀,但是代價最大,而且條件苛刻;三是通過同類設(shè)備類比的方法,由于實驗環(huán)境和目標(biāo)特性以及設(shè)備參數(shù)等千差萬別,因此該方法將需要長期的大量試驗數(shù)據(jù)的積累,這在短時間內(nèi)難以建立;本文提出了一種綜合分析方法,既是建立在有限試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析并通過其他目標(biāo)驗證的方式分析系統(tǒng)的作用距離,給出系統(tǒng)的極限探測能力,是一種經(jīng)濟可行的方案。

我們首先建立系統(tǒng)模型,借以衡量系統(tǒng)性能,優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù),以低仰角海面目標(biāo)為實驗對象[1、2]。

1 試驗條件

以相對孔徑為1:8的可見光系統(tǒng),在大氣水平能見度大于12 km,觀測方向與太陽夾角大于30°,太陽高角大于5°條件下,對直徑為0.4 m飛行速度為2馬赫的目標(biāo),要求作用距離達到10 km。

2 試驗數(shù)據(jù)

鑒于試驗中受場地、目標(biāo)等多方面限制很難有真實的目標(biāo)和理想的天氣條件進行作用距離試驗,因此我們選取一遠距離靶標(biāo)進行了測距試驗,試驗條件如下:

日期:6月下旬;

地點:沿海海邊;

氣象條件:溫度20℃~31℃,多云,東風(fēng)3~4級。輕霧,目視分辨目標(biāo)較困難;

時間:下午6時許,太陽高角小于5°,而且目標(biāo)觀測仰角2°左右。

試驗?zāi)繕?biāo):靶標(biāo)球體直徑0.6米。

激光測距測得靶標(biāo)距離為7.7 km。如圖所示。

在圖像中可看見塔頂?shù)那颍部煽吹街吻蝮w的支桿,可以有效提取目標(biāo)。當(dāng)時的天氣條件遠比指標(biāo)要求的條件要差

很多。

該試驗是隨機選取的試驗天氣和試驗?zāi)繕?biāo),沒有嚴(yán)格的限定試驗條件和實驗?zāi)繕?biāo)。下面我們在此試驗的基礎(chǔ)上推導(dǎo)指標(biāo)條件下,相應(yīng)的系統(tǒng)極限作用距離。

3 經(jīng)典作用距離公式

1)計算條件:

①目標(biāo)經(jīng)可見光望遠鏡所成像的尺寸應(yīng)滿足可見光電視處理器提取信號的要求,目標(biāo)像覆蓋的像元數(shù)目不小于2×2像元。

②在像面處目標(biāo)與背景對比度滿足信號提取要求,即大

于5%。

2)目標(biāo)在像面上產(chǎn)生的照度:

式中:

—目標(biāo)反射太陽光的光強度;

—目標(biāo)反射系數(shù);

—光學(xué)系統(tǒng)通光口徑;

—焦距;

—光學(xué)系統(tǒng)透過率;

—大氣透過率;

—光學(xué)系統(tǒng)對目標(biāo)的濾光系數(shù);

—觀測方向與太陽夾角;

—彌散系數(shù)。

3)背景在像平面上的照度:

式中:

—背景亮度;

—光學(xué)系統(tǒng)透過率;

—光學(xué)系統(tǒng)對背景的濾光系數(shù);

—光學(xué)系統(tǒng)通光口徑;

—光學(xué)系統(tǒng)焦距。

目標(biāo)與背景的對比度:

4 系統(tǒng)探測能力推算

根據(jù)可見光作用距離公式,需要首先滿足目標(biāo)成像尺寸大于2×2個像素。

1)目標(biāo)在靶面成像大小的計算。

成像尺寸可根據(jù)成像公式計算得到:

對于直徑0.4 m的目標(biāo),在800 mm焦距和目標(biāo)距離10 km時,成像所占像元數(shù)為4×4個像元。可以發(fā)現(xiàn)并提取目標(biāo)。

2)不同條件下的目標(biāo)照度。

估算作用距離時,除了應(yīng)滿足目標(biāo)成像尺寸的條件外,探測能力只與目標(biāo)照度有關(guān)。而影響目標(biāo)照度的關(guān)鍵參數(shù)只有大氣透過率。因此可以按照天氣條件估算上述試驗時的大氣透過率τ1,再計算指標(biāo)條件時10 km遠的大氣透過率τ2,如果τ2>τ1,就認為系統(tǒng)的探測能力能夠達到10 km。利用逐次逼近的方法比對大氣透過率使其等于τ2,記錄當(dāng)τ2=τ1時的距離,此即為設(shè)備的極限作用距離。

下面具體計算指標(biāo)條件下的作用距離。

大氣透過率的估算:在輕霧天時,應(yīng)用Lowtran77軟件估計在7.7 km時大氣透過率為0.0045;在大氣能見度12 km時,目標(biāo)為10 km時大氣透過率為0.0264;綜合情況見下表所示。

從上表知,能見度為12千米時的透過率大于輕霧天7.7 km時的大氣透過率。當(dāng)在此條件下的大氣透過率等于輕霧天7.7公里時的大氣透過率時,得出的距離既是設(shè)備的極限作用距離。即設(shè)備的極限探測能力為14.9 km。

5 結(jié)論

在光電跟蹤系統(tǒng)中,評價系統(tǒng)能力的一項重要指標(biāo)是作用距離,該指標(biāo)表征系統(tǒng)的對特定目標(biāo)的最遠探測能力。在已知系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)特性的條件下,推定系統(tǒng)作用距離有以下幾種方法,一是假定大氣條件,利用作用距離公式估算系統(tǒng)作用距離;二是在實際試驗環(huán)境中對真實目標(biāo)進行實際考核,該方法最直觀,但是代價最大,而且條件苛刻,難以滿足;三是通過同類項目比對,該方法立足于大量試驗數(shù)據(jù)的積累;本文提出了一種綜合分析方法,既是建立在有限試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析并通過其他目標(biāo)驗證的方式分析系統(tǒng)的作用距離,給出系統(tǒng)的極限探測能力,是一種經(jīng)濟可行的方案。

參考文獻

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作者簡介

楊立保(1972-),男,河北唐山人,博士生,副研究員,2005年于長春理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位,現(xiàn)在中科院長春光機所工作,主要從事光電測量與總體設(shè)計方面的研究。endprint

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