临近空间激光雷达自调焦接收系统设计

针对临近空间激光雷达所使用的离轴抛物面反射镜在低温下会发生形变导致反射光耦合进光纤时效率下降的问题,通过研究自调焦技术,设计了自动补偿激光雷达组件,用于抵消温度对系统的影响。利用有限元法分析了接收系统在热载荷作用下的变形,获得镜面离散变形数据,使用Zernike多项式拟合镜面变形后的面形,通过光学设计软件模拟得出该激光雷达接收系统优化后的焦距变化与温度呈线性关系,经过光学设计软件确定补偿位置。使用温度自适应调整机构降低热变形带来的离焦量影响。分析结果表明,补偿后均方根半径从26.495μm下降至15.93μm,光斑半径减少39.9%,耦合效率提升至80%以上。

海洋油膜偏振反射特性仿真与测试

为了海洋溢油的检测与识别,在偏振特性建模中综合考虑天空的偏振辐射、油膜表面的动态反射、接收探测器的姿态和性能,进行全数字仿真,开展外场动态水面的实测,进行油膜偏振半实物仿真,最后对海洋溢油进行了偏振测试与分析。试验结果表明:在区分油品方面,汽油和水的强度差值为29.33%,线偏振度差值为0.97%,二者结合可较好的分辨溢油。

分层海水条件下潜艇热尾流机载红外探测性能分析

针对传统机载红外探测潜艇热尾流的计算方法未考虑温度、密度分层海水等实际海况,难以精准分析潜艇热尾流红外探测性能的问题。文中基于有限元分析方法,结合海面红外辐射模型和大气传输模型,构建出尾迹从浮升扩散、大气衰减到传感器探测的全链路数理模型,并应用模型开展全尺寸潜艇模型的仿真,实现在温度、密度分层海水情况下对潜艇热尾流红外探测性能的精准分析。结果表明:海水温度、密度分层条件对于潜艇尾迹的仿真和反演精度至关重要,当其他条件都相同时,海水温度、密度分层与不分层仿真出了截然相反的结果,不分层条件下海面为热尾迹,而分层条件下海面却为冷尾迹,直接影响对潜艇热尾迹反演精度。相比于海水分层,不分层情况下潜艇的反演误差达到了238.2 m,水面的尾迹温差不但相差了0.152 K,还呈现出了冷尾迹的现象。文中的研究对机载红外设备发现潜艇航行尾流特性的高精度识别反演具有重要意义。

双编码快照式光谱偏振成像系统偏振优化方法

针对双编码快照式光谱偏振成像系统偏振效应校正需求,提出多参量模型引导的偏振优化方法,建立基于数字微镜阵列(DMD)、棱镜-光栅-棱镜(PGP)、微偏振片阵列探测器(MPA)以及多膜层系的光谱偏振成像系统全链路偏振效应模型,分析部分偏振光入射时光谱偏振成像系统的二向衰减,揭示入射光波长、偏振度与系统偏振效应的耦合机理。通过有针对性地控制透镜的折射率、入射角,光栅折射率、常数,棱镜折射率、顶角,多层膜复折射率、膜层厚度等参量,在谱线弯曲满足重建要求的前提下实现对光谱偏振成像系统偏振效应的优化。仿真结果表明,优化后系统SSIM>0.8、系统偏振效应相对误差<4%,与优化前相比偏振效应降低至少6%。当入射光偏振度恒定时,系统偏振效应与波长成反比。通过实验获取单次曝光下典型材料的光谱偏振重建图像,金属偏振度相对误差提升至少14.7%,塑料偏振度相对误差提升至少63.6%。验证了所提偏振优化方法的必要性和可行性。本研究为双编码快照式光谱偏振成像系统多维数据的高精度获取奠定了理论基础。

宽波段非制冷红外变焦光学系统设计

面向有毒有害气体探测需求,提出采用双色宽波段高灵敏度红外气体探测方法,并针对宽波段变焦色差校正难题,提出一种基于复消色差和机械正组补偿理论的宽波段红外变焦光学系统设计方法,设计了一种宽波段非制冷红外变焦光学系统。系统焦距25~75 mm,工作波长3~12µm,F数为1.8,适配640×512分辨率的非制冷双色红外焦平面探测器,像素大小17µm,变焦过程中系统总长保持160 mm不变。设计结果表明,系统在全焦段各视场调制传递函数在30 lp/mm处均接近衍射极限,成像质量良好,满足设计要求。系统具有结构紧凑、波段范围宽等优点。

激光调阻机F-Theta扫描镜头光学设计

激光调阻机用于对片式电阻阻值进行微调,其调阻精度主要取决于扫描镜头的光学聚焦性能。根据实际使用需求,本文设计了两组不同工作波长(1 064 nm和532 nm)的F-Theta扫描镜头,视场角分别为±28°和±25°;聚焦光斑直径分别为30μm和10μm。最终设计结果表明:两组镜头像散值在像差容限范围内,满足平像场要求;F-Theta相对畸变均小于0.1%;光能利用率达到90%以上;聚焦性能接近衍射极限。两组镜头结构简单紧凑,方便互换与装卡,能够满足激光调阻要求。

基于无线传感器网络的固态窖池发酵酒精浓度监测系统

现有的白酒固态发酵基本采用封闭式发酵,无法得到发酵窖池内酒精浓度的实时数据,为了解决此问题,提出一种基于无线传感器网络的固态窖池发酵酒精浓度监测系统设计。该系统以CC2530为主控芯片,采用ZigBee技术设计无线传感器网络,采用基于ModBus协议的RS485总线设计有线传输方式,采用TGS2620酒精传感器采集窖池内酒精浓度数据,将通过滤波、拟合处理的数据以无线传输和有线传输结合的方式上传至上位机,上位机对数据进行实时显示。系统具有自动采集数据、自动传输数据、自动显示数据的特点,测试结果表明,该系统运行稳定,数据可靠,满足设计要求。

低空高分辨率激光雷达光学系统设计

针对"低慢小"目标光学成像识别能力差、复杂背景下信噪比低等问题,设计了一款低空高空间分辨率激光雷达光学系统。发射光学系统扫描器件采用MEMS反射镜,设计了专用扩束光学系统保证不同扫描角度发射激光的光束质量;接收光学系统采用物镜、数字微反射镜器件结合偏振器件,可同时实现激光回波接收与可见光成像,相较于采用单点探测器接收的激光接收系统,具有背景噪声低的优势。给出了光学系统的性能参数,利用光学设计软件设计了光学系统,该系统空间分辨率为0.5 mrad/pixel,扫描点阵列规模为200×200。模拟结果表明设计方法可行,计算其在大气中的探测距离可达到1000 m,背景噪声相较于单点探测器接收系统可降低约22162倍。

正交级联液晶偏振光栅角度偏转模型

目前正交级联液晶偏振光栅使用过程中的偏转角度均被认为是其角分辨率的整数倍,实际使用过程中,正交级联液晶偏振光栅的偏转角度与设计角度存在一定偏差。针对该问题,给出了正交级联液晶偏振光栅偏转角度计算模型。首先根据单片液晶偏振光栅角度偏转理论,推导出级联液晶偏振光栅偏转角度公式,然后进一步推导出二维正交级联液晶偏振光栅角度偏转模型,分析了二维正交级联液晶偏振光栅角度偏转范围与角间隔之间关系,分别计算出满足一定角度范围的角间隔,满足一定角度间隔的角度范围以及同时满足角度范围、角度间隔的设计角间隔。最后分别利用光学设计软件建立了精度为0.001°的软件模型并构建测量精度为0.1°的实物测试系统,证明了角度偏转模型的准确性。

天基空间碎片光电探测新技术研究

随着我国航天事业的蓬勃发展,开发太空资源、维护太空环境已成为我国从航天大国向航天强国迈进的重要保障。本文针对目前空间碎片对我国太空资产安全的威胁和对空间碎片探测的迫切需求,对比了国内外差距,提出了未来天基空间碎片光电探测技术的发展方向,梳理了包括光学超分辨成像、光谱偏振探测、测侦通一体化在内的核心关键技术,阐述了其应用在空间碎片探测上的特点和优势,为我国天基空间碎片探测技术的发展提供了一定的参考。

液晶相控阵器件色散特性分析

相控阵器件具有色散的作用,而激光器中心波长通常会产生一定漂移,也具有一定光谱宽度,导致大角度偏转情况下,激光光束位置与光功率分布发生改变。针对这一问题,通过液晶空间光调制器与级联液晶偏振光栅两种相控阵器件色散理论,推导出组合液晶相控阵器件波长与坐标之间的关系公式。结合激光光源的光功率谱分布与单模激光的截面功率分布公式,推导出高斯光束经过组合液晶相控阵器件后的光功率分布公式。针对公式计算上的困难给出了简易计算方法。结合特定实例,计算出1000 km外色散特性以及波长漂移引起的位置偏差,色散特性以及光谱宽度引起的光束截面功率分布。根据设定系统参数与偏转角度分析了液晶相控阵器件色散特性对能量收集的影响,分析结果表明:激光光束截面功率向色散方向延伸,偏转角度越大,色散引起的变化越严重,中心位置偏移越严重,峰值位置功率密度越低。

正交级联液晶偏振光栅的收发分离结构设计

正交级联液晶偏振光栅可实现光束大范围偏转,在空间激光通信与激光雷达等领域具有广阔的应用前景,其大部分应用领域均需要同时发射激光与接收激光,如何解决发射光与接收光分离的问题尚未见报道。针对这一问题,文中根据1/4波片、1/2波片以及液晶偏振光栅理论推导了线偏振光源经过被动液晶偏振光栅层以及正交级联液晶偏振光栅后偏振态的变化,验证了出射光偏振态与光束偏转角度的可逆性。采用偏振分光棱镜、1/4波片、1/2波片、正交级联液晶偏振光栅等器件设计了一种可实现发射光与接收光偏转与分离的光学结构,构建了测试系统,最后通过测试结果证明了理论的正确性与结构的适用性。

基于LoRa的浓香型白酒固态发酵参数在线监测系统

国内白酒企业对固态发酵窖池内部温度和水分数据的监测尚停留在人工定时采样测量阶段,该方式容易破坏窖池内部的发酵环境完整性且效率低下,无法在线实时获取完整的敏感数据。本文设计了基于LoRa的窖池发酵温度和水分监测系统。该系统以STM32L152RCT6单片机为主控芯片,利用其内部的AD模块读取传感器采集的酒醅温度与水分数据并转化为电压信号,通过SX1278射频芯片,以LoRa技术方式无线传输到网关;网关数据经RS 485总线搭载ModBus协议传输到上位机,拟合发酵数据曲线,进而达到对窖池数据实时监测分析的目的。通过现场多轮实验证明,该系统对窖池内部的温度和水分监测数据的平均误差分别约为0.23℃和0.65%,能够满足实际使用需求。

共口径偏振复用激光通信光学天线分光束结构设计

针对共口径偏振复用空间激光通信光学天线采用双色分光片分光而浪费高效率波段的问题,利用偏振分光棱镜、法拉第旋光器等器件设计了一种分光束结构。根据现有空间激光通信器件参数,分析了空间激光通信系统对分光束结构的隔离度的需求,计算了该结构的隔离度与光学损耗,并分析了其适用范围。计算结果表明该结构可以应用于共口径偏振复用空间激光通信光学系统。

粗糙目标表面红外偏振特性研究

红外偏振成像可突显目标、识别真伪,准确掌握目标红外辐射偏振特性可有效提高目标的探测识别概率。针对现有目标红外辐射偏振特性模型未考虑粗糙表面导致的遮蔽效应的问题,本文基于微面元双向反射分布函数模型,利用穆勒矩阵构建出含有遮蔽函数的粗糙表面红外辐射偏振度的斯托克斯解析模型。针对光线表面粗糙度和入射角对金属和非金属目标红外辐射偏振度的影响进行定量分析。分析结果表明:无论是金属还是非金属,其红外自发辐射偏振度都随粗糙度的增大而减小,非金属自发辐射偏振度下降的幅度大于金属偏振度;当粗糙度及温度相同时,金属的红外辐射偏振度始终大于非金属;红外辐射偏振度先随入射角的增加而增加,而后在特定入射角下达到峰值,超过一定入射角后,偏振度大幅下降,金属和非金属的红外辐射偏振度间的差异在一定入射角度范围内将达到最大,这有助于区分金属与非金属。最后,利用长波红外微偏振成像系统和近红外偏振成像系统进行不同场景目标的图像采集,获取目标的红外辐射偏振特性,实验结果与理论分析结果基本吻合。本文对研究目标偏振特性、优化设计红外偏振系统以及后续偏振图像处理均具有重要意义。

用于物证搜寻的大视场变焦偏振成像光学系统设计

针对传统无人机载相机在复杂环境下物证搜寻成像对比度低、证物识别难度大等问题,提出利用偏振成像技术,进行物证搜寻识别。为保证搜寻效率、识别概率和低照条件下成像效果,设计了大视场大相对孔径两档变焦偏振成像光学系统。系统焦距分别为11 mm和22 mm,F数分别为1.8和2.7,视场角60°和34°,并给出了合理的调焦方式,可实现在3 m和10 m飞行高度下清晰成像。经过仿真分析,调制传递函数在奈奎斯特频率91 lp/mm处优于0.45,满足成像质量要求,公差分析显示,在满足成像质量条件下,公差范围合理。将系统与微偏振片阵列探测器集成,搭载无人机平台,可在复杂环境中对案发现场进行实时高效物证搜寻,大幅提升案事件破获能力。

数字微镜器件超分辨成像光学系统装调误差影响研究

目前对于超分辨成像技术的研究主要集中在超分辨重建算法方面,光学系统本身的装调误差对超分辨成像结果的影响尚未见报道。针对这一问题,开展了装调误差对超分辨成像影响的研究,建立了基于数字微镜器件(DMD)的超分辨成像光学系统的基本成像模型,设计了一个工作波段为8~12μm的DMD超分辨成像光学系统,提出了装调误差对超分辨成像质量影响的分析方法。在成像模型中分别引入适当的偏心、倾斜、镜片间隔误差、离焦等装调误差,对超分辨重建结果进行仿真分析,得出了该超分辨成像光学系统装调时的公差范围:该系统在加工装调时X方向总体偏心误差控制在±0.07 mm以内,Y方向总体偏心误差控制在±0.05 mm以内,X方向和Y方向的总体倾斜误差控制在±0.06°以内,总体镜片间隔误差控制在±0.02 mm以内,成像物镜的离焦量控制在±0.04 mm以内,投影物镜的离焦量控制在±0.05 mm以内,在此范围内超分辨成像光学系统可以保证超分辨成像的质量。

深水清淤机械臂阀控液压油缸的加速干扰自适应滑模控制方法

针对深水清淤机械臂阀控非对称油缸因高阶非线性特性以及水下大干扰工作环境导致的控制困难问题,本文提出一种加速干扰自适应滑模控制方法。通过整理系统的高阶非线性模型,建立液压油缸的分层控制模型。使用反步法设计了滑动模态指数收敛的滑模控制器,在此基础上提出了一种加速的干扰自适应方法,并使用李雅普诺夫稳定性理论验证了该复合控制方法的稳定性。通过Simscape平台进行多物理域仿真验证,仿真结果表明:所设计的加速干扰自适应滑模控制方法能实现快速准确的位置跟踪,相比于比例积分微分控制具有响应速度快、超调量小的特点,相比于普通干扰自适应滑模控制方法具有稳态误差更低,干扰估计速度更快的特点。

折反式望远系统全视场全口径偏振特性研究

针对单根光线追迹方法在部分偏振光条件下无法对系统进行全面评价的问题,基于斯托克斯表示法提出了全视场、全口径光线追迹方法,通过对原有折射与反射穆勒矩阵表达式的优化,建立入射光偏振度、光线角度等参量与出射光偏振度的解析关系;理论分析结果表明,入射角与折射角的差值控制在5.7°以内,可以有效减少系统对光线偏振度的影响;依据空间目标成像需求设计了集成微偏振片阵列的偏振成像系统,成像分辨率500 km处为0.5 m;采用动态数据交换机制对光学系统进行全视场、全口径光线追迹,得到系统斯托克斯矢量及偏振度的全视场分布,实现对系统任意视场偏振度的标定,提升偏振探测精度。亦可通过任意视场与中心视场偏振度匹配入射光偏振度,反演目标。

基于自由曲面的空间光学系统偏振像差分析

针对含有自由曲面的空间光学系统中偏振像差对探测精度和成像质量的影响,基于琼斯表示法,提出以条纹泽尼克多项式为表征函数的自由曲面离轴光学系统偏振像差分析方法,构建了自由曲面反射光学系统偏振像差解析模型,分析了条纹泽尼克多项式低阶系数对视场离轴光学系统偏振像差分布的影响;通过全视场偏振光线追迹仿真及系统引入自由曲面前后的对比,揭示了自由曲面对离轴光学系统相位像差、相位延迟和二向衰减3种偏振像差的作用规律;最后,设计了含有自由曲面的大视场离轴三反偏振成像光学系统,并分析了系统全视场的偏振像差。分析结果表明:相位像差分布与自由曲面面形矢高分布一致,自由曲面引起的二向衰减和相位延迟占系统总体二向衰减和相位延迟的52.5%。掌握这种偏振特性变化对于设计深空天文望远镜等甚高精度的光学系统具有重要意义。