超宽带冲激脉冲正交解调接收机系统反射校正算法及其实现

基于超宽带冲激脉冲的信号特征,提出了超宽带正交解调接收机系统中脉冲信号的反射模型与校正算法。通过时域瞬态传输线模型、信号流图模型分析,指出整个系统可等效为一个延时滤波网络。最后提出了拟合该等效延时滤波网络,求解其补偿网络的具体校正算法。在实际系统目标探测的外场试验中,也验证了模型分析与校正算法的正确性和有效性。

基于进退法的全球导航卫星系统反射信号镜面反射点的估计算法

通过研究全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)几何关系及其镜面反射点算法,确定镜面反射点问题为一维单峰凸函数极值搜索问题后,提出基于进退法的镜面反射点估计算法,并论述了进退法在镜面反射点位置估计中的理论可行性。该算法摒弃了传统算法思想中用角度去确定镜面反射点位置信息所带来的一系列问题和缺陷,转而采用计算最短反射路径长度来确定反射点的位置,不仅降低了算法的复杂性,更提高了镜面反射点的计算准确性。采用英国UK-DMC卫星于2004年11月16日测到的海洋数据来验证进退法的正确性,利用MATLAB仿真软件对进退法与传统算法进行了仿真结果分析。实验仿真结果表明:进退法可以正确估计GNSS-R镜面反射点的位置信息,并且具有迭代次数少,运算速度快,算法效率高的特点。

中间像面非理想成像的近红外折反射系统光学装调方法

近年来,基于中间像面非理想成像的近红外折反射系统应用广泛,但由于该波段干涉仪的价格昂贵且难以维护,其应用并不普及,因此在该类系统集成阶段,通常只能采用传统的机械特征定位方式(例如采用中心偏测量仪辅助定位)进行装调。由于传统机械定位方法无法直接借助干涉仪对系统出瞳波像差进行实时高精度监测,即不能通过观察各视场像差变化规律来指导装调,导致系统的装调效率和精度通常难以保证。针对一个口径为150 mm、焦距为450 mm的中间像面非理想成像近红外折反射系统的高精度光学装调方法开展研究,通过对系统中继透镜组透镜薄膜进行包含常用干涉仪工作波长(λ@632.8 nm)的设计,来实现利用可见光激光干涉仪对系统波像差进行高精度检测的目的,然后研究了系统各装调自由度和系统初级波像差的敏感度关系,以失调敏感度单变量分析为基础,分析了各失调维度间的耦合作用特性,在此基础上提出了次镜和中继镜组相互反复迭代联调的光学装调方案。整机装调后,光学系统各视场波前误差(RMS)和设计仿真结果数值大小大致相同,方向一致,均达到成像质量要求。

星下点观测的星载卫星导航反射信号海面风矢量极大似然估计

该文针对星载全球导航卫星反射计(GNSS-R)镜面反射信号对海面风向不敏感导致海面风向反演难问题,分析非镜向海面散射信号特征,提出星下点非镜向观测模式,定义该模式下海面风矢量敏感特征观测量,在此基础上提出基于星载GNSS-R海面风矢量极大似然估计(MLE)反演算法直接利用两颗及以上导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演,并提出风矢量搜索算法提高反演效率。通过搭建星载GNSS-R仿真平台验证算法的可行性和评估算法性能。结果表明:所提算法可直接利用非镜向独立观测模式下的多颗导航卫星散射信号反演得到海面风速和风向;多星观测可消除观测几何导致的模糊解从而将海风风向4个模糊解降至2个模糊解,但无法消除海浪谱的对称性导致的海面风向模糊解。在2~25 m/s的风速内,当信噪比(SNR)大于11 dB时,3星观测的风速均方根误差(RMSE)优于2 m/s,风向的均方根误差优于15°。

全球导航卫星系统反射测量土壤水分遥感:现状与机遇

土壤水分作为全球水循环和能量循环的重要组成部分,在地球水循环、能量平衡以及气候变化中具有不可或缺的作用。传统的土壤水分实地测量方法难以获得大尺度、长时序的土壤湿度空间分布,且具有较高的测量成本。微波遥感信号源穿透能力强,具有全天时、全天候的特点,是获取长时序、大尺度土壤水分最有效的手段之一,特别是L波段的全球导航卫星系统反射测量(global navigation satellite system-reflectometry,GNSS-R)技术,其同时具有主动和被动微波遥感的优势,在土壤水分的测量中备受关注。分析了国内外基于GNSS-R技术的土壤水分遥感研究的现状和进展,系统性地介绍了GNSS-R技术获取土壤水分的原理与特征,分别从正演与反演两个角度详细说明了土壤水分测量的具体方法步骤,给出了主要困难与亟待解决的关键问题。以最新的基于旋风全球导航卫星系统(cyclone GNSS,CYGNSS)星载反演为主要介绍对象,深入阐述了基于CYGNSS数据反演土壤水分的理论模型与方法,并简要分析GNSS-R土壤水分遥感发展面临的机遇与挑战,以期为中国今后地基、空基和星载GNSS-R土壤水分遥感观测和应用提供参考和建议。

森林火灾期间GNSS-R信号反射率与PM_(10)的相关性研究

本研究以2019年澳大利亚野火事件为例,利用悉尼和布里斯班两地气象站于2019年7月18日至12月31日观测的大气颗粒物(PM)浓度数据和全球卫星导航系统反射测量(GNSS-R)反演的地表反射率数据,采用滑动平均和滑动标准差的分析方法,探究了两种数据之间的相关性。结果显示,火灾发生前,PM_(10)浓度与地表反射率的相关性低于30%;火灾后,该相关性显著增强,相关系数超过65%。从数据波动幅度角度分析,火灾前后两者的相关性分别在50%以上和80%以上,但存在明显的相位差异。本研究证明了PM_(10)浓度的变化对GNSS-R反演地表反射率有显著影响,尤其在PM_(10)浓度较高时。这一发现为火灾遥感监测提供了新的理论基础和实用方法,具有显著的创新意义。

小口径反射式光学系统装调方法研究分析

在红外光学装调系统中,镜片间距是需要精密控制的重要装调参数。由于反射镜在红外光学系统中通常为折转光路,传统装调方法无法直接应用,所以高精度光学系统一直着重关注折转光路中距离的装调方法。文章提出了两种折转光路距离的装调方法,即接触式装调与非接触式装调。针对这两种装调方法,使用了小口径反射镜进行了实例验证。并对比两种装调方法的结果,分析得出两种装调方法的优劣性。

二维大视场离轴反射式光学系统设计

宽视场光学成像系统可以增大光学遥感器观测范围、提高探测效率。近年来,基于自由曲面的光学系统设计和制造取得了重大进展,为设计大视场、大相对孔径、高分辨率、高成像质量、无遮挡离轴反射系统提供了可能性。首先,分析了大视场离轴反射系统的像差特性,指出当不断增加系统视场角,尤其是子午方向视场角时,与视场相关的非对称高级像差量将剧烈增加;像场连续性要求更加凸显。接着,提出了一种二维大视场长焦距离轴光学系统设计方法:在常规光学系统初始结构基础上,采用多重结构形式,使子午方向视场角离散化,光学系统特定曲面分解为两个子曲面;并构建系统约束条件,通过约束系统外形尺寸、优化系统结构形式进而完成系统优化设计。最后,基于提出的方法,设计了一款焦距为1000 mm,像方F数为10,视场角为40°×16°的自由曲面离轴四反光学系统。设计结果表明:该系统全视场范围内成像质量较好,50 lp/mm的特征频率下,400~750 nm可见光波段内光学调制传递函数优于0.26,证明该方法切实有效。

基于Q-con非球面的折反射式全景光学系统设计

为了获得大视场管道内壁全景成像,利用Q-type非球面中的Q-con非球面设计了一款工作在可见光波段,视场大小为(65°~115°)×360°,焦距为1.24 mm,F数为3.5,总长为100 mm的折反射式全景光学系统。该系统由1片反射镜、8片透镜组成,其中反射镜单元采用Q-con非球面面型,其余透镜均为球面。在尼奎斯特频率93 lp/mm处调制传递函数大于0.4,成像质量接近衍射极限。为验证Q-con面型相对于偶次非球面面型在折反射式光学系统设计中的优势,实际设计了一款与Q-con非球面折反射式全景系统具有相同参数的偶次非球面折反射式全景系统,对两者进行了分析比较。结果表明,相对于偶次非球面,Q-con非球面多项式系数比对应的偶次非球面的多5~17个数量级,不仅有效的提高了系统设计效率、加工与检测精度、减小成本,同时也可以实现像质更高、口径更小的设计结果。

北斗卫星反射信号岸基海面高度反演精度的评估

北斗B3I信号作为新一代民用码,相较于北斗B1I信号,具有码速率更高、码片宽度更窄等特点。目前,利用北斗卫星导航系统反射测量(BDS-R)技术对北斗B3I信号进行海面高度反演的研究较少。基于此,在2020年9月7日山东威海附近海域,接收B1I/B3I双频段的直射和反射信号数据,分别采用时延-多普勒(DDM)和载波相位延迟进行岸基海面高度反演。通过实测的同比数据验证反演精度,在信号特性和测高方法2个维度评估北斗B1I和B3I信号海面高度反演的性能。结果显示:采用DDM测高方法,B1I频段和B3I频段的反演结果与实测数据的平均绝对误差和均方根误差分别为1.18 m、1.48 m和0.84 m、1.10 m;采用载波相位延迟测高方法,B1I频段和B3I频段的反演结果与实测数据的平均绝对误差和均方根误差分别为0.12 m、0.15 m和0.10 m、0.12 m。由于信号特性差异,B3I频段的DDM测高结果相较于B1I频段的测高结果精度提高了28%;B3I频段的载波相位延迟测高结果精度略优于B1I频段,两者差异不明显。实验对北斗B1I和B3I信号特性和测高方法导致的反演精度差异的评估,证明了B1I和B3I反射信号均能适用于海面高度反演的需求。

离轴四反射镜光学系统设计

与一般光学系统相比,航空遥感光学系统具有长焦距、大口径、宽波段等特点。因此,广泛使用反射式光学系统。常见的离轴三反系统已不能满足系统小型化、轻量化的要求。介绍了一种无中心遮拦的离轴四反射镜系统,由离轴三反系统改进而成,结构更加紧凑。带一次中间像面的离轴三反系统的中间像位于次镜和三镜之间,为了进一步折叠光路,在中间像面处加入球面反射场镜,从而成为离轴四反。分析了离轴四反的设计步骤,设计了一个焦距为1 200 mm,视场为0.8°×0.8,°相对孔径为F/6的光学系统,系统总长只有300 mm,并达到很好的光学性能,具有长焦距、小尺寸、良好的杂散光抑制能力等特点。

大视场、长焦距离轴三反射镜光学系统的设计

离轴三反光学系统具有高分辨率、大视场、长焦距、质量轻、小体积等特点,满足空间对地遥感、空间摄影等领域的要求。介绍了离轴三反射镜光学系统的设计原理。用ZEMAX软件设计了一个三个反射面均是二次曲面、焦距为2000mm、F数为9的离轴三反射镜系统。结果表明,该系统可达到7°×3°视场,对于空间频率50lp/mm,调制传递函数值均大于0.5。

自由曲面在离轴反射式空间光学成像系统中的应用

在空间光学领域,离轴反射式成像系统凭借其多方面的应用优势,正愈发引起研究人员的关注与开发。相对于传统的球面和非球面,自由曲面拥有更高的设计自由度,能够校正各类非对称像差。随着计算技术的发展,充分具备了设计离轴反射式成像系统的能力,并有潜力满足空间光学领域中的各类高端或特殊需求。文章紧扣自由曲面在空间光学领域提高系统性能、实现特殊结构的两大应用方向,瞄准空间光学成像系统的若干现实需求,包括小F数、大视场角、结构紧凑、带有实出瞳、无焦系统等,从目前相关研究成果中,重点介绍几款具有代表性的自由曲面离轴反射式成像系统,并阐述它们的系统构成、性能指标以及在空间光学中的应用优势,同时提出了应用建议及面临的困难。

新型离轴三反射光学系统设计

对比反射系统中双反射系统和三反射系统各自的优缺点,提出一种新型的无遮拦两镜三反射光学系统。与现在常用的离轴三反射光学系统相比,该系统最大的优势是只用了两片非球面反射镜,减小了加工成本,降低了加工难度。分析了该种系统的具体设计步骤,设计了一个焦距为500mm、视场为1×0.1°、相对口径为F/5、系统筒长为125mm的光学系统,像元尺寸选取10。由系统MTF曲线和点列图可以看出,成像质量接近衍射极限,可以为目前航天相机光学系统设计提供参考。

一种新型的两镜三反射光学系统设计

结合反射系统中双反射和三反射各自的优缺点,提出一种特殊的两镜三反光学系统,给出其初始结构的确定方法。对其结构优化过程中,在系统次镜后加平面反射镜,将系统进行折轴处理,然后在折轴反射镜后加透镜来校正剩余像差。该系统初始结构中两反射镜组成的是一个无焦系统,在主镜发生2次反射后成像。分析该初始系统的缺陷,对补偿该缺陷并使其成像质量达到衍射极限的后续补偿系统进行了设计。应用该方法设计了焦距f=5000mm,F数均为5,全视场角分别为0.4°和1°的2个系统,从像质评价结果可以看出,系统成像质量接近衍射极限,具有长焦距、小尺寸等特点。

圆周式无遮拦三反射镜光学系统设计

为满足无遮拦三反射镜光学系统体积小、光学性能高的发展需求,提出了一种圆周式三反光学系统.以近轴矩阵法求解的共轴三反系统为初始结构,在保证各二次曲面反射镜的焦点依次衔接的条件下,将各元件适当地倾斜偏心使系统无遮拦,并使系统的光路折叠在三个反射镜所围成的区域内,减小了系统体积.使用子午面对称的Zernike多项式曲面校正系统像差,提高成像质量.设计的非致冷长波红外光学系统焦距为310mm,F数为1.55,视场为1.774°×1.331°.各视场的调制传递函数在Nyquist频率(20lp/mm)处均高于0.52.

反射式椭圆高斯光束平顶整形系统

为了将椭圆高斯光束整形为圆形平顶光束,设计了一种无中心遮拦反射式两镜整形系统。根据能量守恒思想,选择匀化洛伦兹函数作为出射光束平顶分布函数,建立了入射面和出射面之间的坐标变换关系;采用光程守恒原理和矢量形式的反射定律,推导了积分形式的整形系统两反射镜面形方程。利用数值解法计算出两反射镜的面形数据,经过光学设计软件仿真与系统参数分析,得到的圆形平顶光束在目标区域的照度均匀性大于95%。结果表明,这种整形系统可以明显提高椭圆高斯光束的平顶性,具有现实可行性。

卡塞格林反射系统结构动态优化设计

本文对卡塞格林系统在焦平面上的衍射效应进行了分析，并采用有限元素光线追踪法对衍射效应进行了计算．据此，本文提出了以该衍射效应作为卡塞格林反射系统结构优化设计的目标函数，该方法具有直观和量化的优点．

宽谱段、动态局部高分辨离轴主动反射变焦系统

为了实现无遮拦、宽谱段、动态的局部高分辨成像,设计了一种局部高分辨率的离轴主动反射变焦系统。该系统将离轴主动反射式变焦理论和局部动态高分辨率成像理论相结合,实现了宽谱段范围内不同焦距处的动态局部高分辨成像。采用曲率半径可变的变形镜实现变焦,避免了传统机械变焦中复杂的机械运动控制,减轻了系统体积和重量并有效地保证了系统的宽谱段和大视场;通过对变形镜面形的控制,在不同焦距处实现了全视场内任意感兴趣区域的局部高分辨成像,降低了数据传输量;而采用无色差的反射式系统则克服了传统透射式及折反射式系统只能实现单色局部高分辨成像的缺点。经过优化设计,系统在可见光范围内成像,焦距f′为75 mm（视场角FOV为x：0°~0.5°,y：3°~10°）~150mm（FOV为x：0°~0.5°,y：1.7°~5°）,F/#为7~14。理论和仿真分析表明,系统在各焦距处感兴趣区域内的成像质量均可达到衍射极限,实现了全视场内任意区域动态局部高分辨的成像效果。

大口径离轴反射式星模拟器光学系统设计

星模拟器作为星敏感器的地面标定系统,用来模拟星点像的大小、星等、光谱、色温、星的位置及星之间的角距等。随着航天技术的不断发展,对星模拟器本身的要求也越来越高,进而使星模拟器重要部件准直光学系统的设计成为关键因素。利用离轴反射式光学系统无色差、体积小、光利用率高、中心无遮拦等特点,提出一种离轴抛物面式准直光学系统。该系统由离轴主抛物面反射镜和次平面反射镜组成,实现了通光口径为Φ300mm,焦距为3 000mm,视场角为30′的准直光学系统设计,经像质分析表明,在视场角内畸变为0.006 2%(小于0.01%),MTF达到衍射极限,波相差为0.071 6λ,所设计的光学系统能满足要求,并论述了准直光学系统的装校过程。