基于自由曲面的紧凑型大视场离轴三反空间光学系统设计

为缩小空间光学系统的体积,降低遥感卫星的发射成本,根据初级像差理论求解光学系统的初始结构,采用视场和面型的渐进式优化策略设计了一款焦距为2000 mm,视场为5°×5°,F数为12.5,外包络圆直径为750 mm,具有“环形轮廓”的离轴三反光学系统。系统的主镜和三镜采用XY多项式自由曲面,次镜采用Zernike多项式自由曲面。根据自由曲面的面型参数,仿真出三个镜面的二维矢高图。设计结果表明系统的成像质量接近衍射极限,各视场RMS光斑直径最大为8.38μm,小于探测器的2个像元尺寸大小。系统能量集中度高,最大相对畸变量为1.88%,最大波前像差为0.053λ,各视场波像差优于λ/18。公差分析结果表明系统成像质量良好,可以满足各项指标要求。

基于GE View技术的虚拟机械臂对象设计

机械臂是机器人技术在生产领域中应用最广泛的自动化机械装置,其特点是能精确定位于二维或三维空间进行作业,其控制方式根据要实现的功能具有很大差别。因此,采用计算机技术实现虚拟的机械臂对象对于实践控制功能具有重要意义。通过阐述虚拟机械臂对象的设计步骤,介绍了利用GE View技术设计虚拟机械臂的过程和要点。分析了机械臂对象的功能定义、界面设计方法、信号和数据设计、正常和非正常控制下的动画设计。

基于中医脏腑经络理论探讨“脏腑-中枢神经轴”的研究进展

“脏腑-中枢神经轴”是近年来在整体观念指导下新发现的体内各组织与中枢神经系统之间具有相互作用的轴关系。中枢神经系统由脑与脊髓组成,通过神经传导的方式支配与控制人体的全部行为。在血脑屏障作用下,周身组织的病变较难影响到脑,而脑与脊髓的损伤往往给身体带来不可逆性的伤害。最新研究表明,周身组织脏器与中枢神经系统存在相互影响的轴关系,认识轴关系以及轴通路对于降低中枢神经系统损伤、开发双向调节的药物以及开发新的治疗路径有重要意义。整体观指导下的“脏腑-中枢神经轴”与中医学中的“脏腑经络理论”的内容高度匹配。“脏腑经络理论”认为五脏六腑与全身器官组织之间存在密切的关联,但其基于物质基础的科学解释与发现一直以来十分匮乏。为此,梳理脏腑与中枢神经系统之间相互作用及潜在机制的研究,结合中医学“脏腑经络理论”理论,探讨轴关系的中医学意义。以期为解释中医学“脏腑经络理论”及中枢神经系统相关疾病的防治和药物开发增添新的理论依据。

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。

一种基于无人机航拍长轴图的制图方法研究

针对正射影像无法直观展示城市建设情况,而三维实景模型数据的浏览也受到了极大的限制,本文提出了一种利用无人机搭载高清拍摄设备进行长距离画轴的拍摄方法及拼接技术。区别于传统的正射影像图和倾斜实景三维的拍摄方式,本文提出的方法结合了影视摄影方法和摄影测量技术,重点突出城市的空间感和方位感,能更高效地获取高分辨率、超宽视角的影像,并进行无缝拼接,既能体现城市的发展规划,又能俯瞰城市的发展美。

大对称视场离轴三反系统设计

离轴反射系统具有不产生色差、无中心遮拦、结构紧凑等特点,但受其非对称结构影响,其视场常常为线视场。基于Zemax设计了一种大对称视场的离轴三反系统,视场为13°×13°,相对孔径为1/5,焦距为800 mm,波长为400 mm~1000 mm,主镜和三镜为自由曲面,次镜为二次曲面。设计结果表明:对称视场离轴三反系统的点列图直径均方根小于5μm,80%能量在一个像元内,光学传递函数接近衍射极限,各项指标满足应用要求。

微透镜阵列的合成孔径成像激光雷达收发光学系统

为解决合成孔径成像激光雷达受制于相干天线定理的问题,扩大成像视场,提高相干收发光学系统效率,提出并研制了基于4×4尾纤式微透镜阵列接收的相干收发光学系统,建立了全视场光学系统耦合效率计算模型,完成了高精度的收发光学系统集成装调及系统光学效率测试。结果表明:发射链路与16路接收链路的光轴最优偏差优于4″,中心视场光学系统效率优于73.1%,全视场光学系统效率优于65.5%,可满足激光雷达成像试验要求。

超声引导颈内静脉穿刺置管穿刺面的选择

目的比较超声引导下行颈内静脉穿刺置管术短轴面、长轴面和长短轴面法的临床效果,探讨最佳穿刺面。方法择期手术需行超声引导下颈内静脉穿刺置管术的患者180例,按随机数字表法分为短轴面组、长轴面组和长短轴面组,每组60例,记录一般资料和穿刺情况。结果长轴面组和长短轴面组改变方向次数、成功刺入颈内静脉时间、总穿刺时间、技术难度评分明显少于短轴面组(P<0.05)。短轴面组、长轴面组、长短轴面组并发症发生率为18.33%(11/60)、6.67%(4/60),1.67%(1/60)。长短轴面组并发症发生率明显低于短轴面组(P<0.05)。结论长短轴面穿刺法兼具长轴面和短轴面穿刺法的优点,一次性穿刺成功率高,并发症少,安全快捷,是超声引导下行颈内静脉穿刺置管术的最佳穿刺面。

大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计

设计了一款大线视场离轴三反光学系统,系统焦距1 200 mm,相对孔径1:12,视场角30°×1°。设计中,第三反射镜应用了x-y多项式光学自由曲面提升系统设计自由度,为便于装调,保证关于子午面像质对称,对x-y多项式自由曲面表达式进行了修正。设计结果得出,该系统光学传递函数均优于0.45@50 lp/mm,工作视场内,系统最大波像差为0.056λ,平均波像差RMS值为0.036λ,最大畸变值为0.8%,像质相对于子午面完全对称。系统进行了合理的公差分配,蒙特卡罗分析结果显示,该光学系统最终可实现平均波像差优于λ/14的成像质量。该系统的设计对空间遥感器光学系统的设计具有一定的参考价值,适合作为大幅宽推扫成像系统。

基于微透镜阵列的积分视场成像光谱仪前置成像系统分析与设计

作为对天文光谱进行观测的仪器,成像光谱仪有着十分重要的作用。由于传统的狭缝型成像光谱仪的狭缝限制,对面源天体的观测需多次扫面,才能获得完整的面源三维数据立方体(x,y;λ),这样将会浪费大量的观测时间。为了实现目标物体三维数据立方体的快速扫描,提出了一种基于微透镜阵列的无狭缝、静态化、快速高效的可见光到近红外波段积分视场成像光谱仪结构,并对其基本工作原理进行分析。为了扩展微透镜阵列积分视场成像光谱仪在医学、农业、物探等其他领域的应用潜能,该研究的光谱波段选择可见光到近红外波段。根据视场积分的工作原理,分析和设计了像方远心结构的离轴三反前置成像系统。系统采用视场离轴方式,波段范围400~900nm,相对口径F/5,主镜、次镜和三镜皆为二次非球面,二次非球面系数分别为:-7.05,-0.92和-1.61。为减小系统体积,在离轴三反系统的焦平面附近放置反射镜。系统在奈奎斯特空间频率60lp·mm^(-1)处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限,满足系统要求。

大量程高精度三维姿态角测量系统设计

基于针孔成像和双矢量定姿原理,设计一种使用单图像传感器实现大量程高精度三维姿态角测量的方法。根据系统要求设计双基准平行光源,采用FPGA单芯片实时实现图像传感器的驱动成像、光斑的分割与质心定位及与USB之间的快速通信,通过光斑质心坐标计算得到双基准平行光源的方向矢量,根据双矢量定姿原理计算姿态敏感器的旋转矩阵,得到三维姿态角;根据针孔成像模型,建立姿态敏感器的内外参数统一标定模型,对测量系统进行标定,标定结果和测量实验表明,三维姿态角测量系统的视场范围达到19.6°×19.6°,俯仰角、偏航角、滚动角的精度达到9.9″、9.3″、80.2″。

大视场大相对孔径斜轴离轴三反望远镜的光学设计

推导了离轴三反光学系统的线性像散平衡条件,在此基础上采用倾斜母镜光轴的方法设计了大相对孔径时大视场像散校正的斜轴离轴三反光学系统.系统视场为5°×5°,相对口径为1/3.1,口径为250mm,波段为400～2 500nm.将该系统与相同光学参数的共轴二次非球面离轴三反系统和共轴高阶偶次非球面离轴三反系统进行对比.结果表明斜轴离轴三反光学系统所有视场的光学传递函数在17lp/mm处均大于0.73,由于反射面采用圆锥曲面,其在偏轴视场成像质量方面有明显优势.对斜轴离轴三反光学系统的加工与装调进行了分析,其公差较为宽松,验证了其结构实现的可行性.

高准确度熊猫保偏光纤自动定轴技术

保偏光纤偏振轴的检测和对准是保偏光纤应用中的关键技术.为提高基于端面成像的偏振轴检测方法的检测精度,以熊猫型保偏光纤为研究对象,采用基于曲面拟合的亚像素边缘检测算法和椭圆拟合算法提高检测的准确度,采用多次测量取平均法提高检测的精确度;利用检测结果的正态分布特性,提出一种基于概率的偏振轴定轴方法.搭建了保偏光纤自动定轴系统并进行实验,准确性验证实验结果表明:亚像素边缘检测方法平均可以减小45%的偏差,而拟合椭圆相较拟合圆平均可以减小15%的偏差;精确性验证实验表明采用多次测量取平均的方法可以有效减少检测结果的离散程度;定轴实验的结果表明,基于概率的偏振轴定轴方法可以达到优于0.1°的定轴准确度.

用三轴转台测量激光导引发射、接收视场角数据处理问题的探讨

研究了最一般情形下用三轴转台测量激光导引发射、接收视场角数据的处理问题,由此得出一般情形下计算视场角的公式,并给出了较为详细的推导过程。现场调试结果表明:通过该公式进行数据处理后,所得测试结果更符合实际情形,测试精度得到较大提高。

基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.

一种新型的六维力传感器静态标定系统设计研究

针对现有六维力传感器静态标定系统集成度不足、操作界面比较复杂、测量误差大、实验效率低等不足,研制了一种基于虚拟仪器的六维力传感器静态标定系统。该系统以Lab VIEW软件为设计操作平台,基于线性模型的六维力传感器静态解耦方法,充分分析了影响实验结果的误差因素,开发设计了标定试验台、信号采集系统以及数据分析软件。在静态环境下多次实验,实验结果表明与传统静态标定系统相比,该系统界面易用性好,标定效率高,具有较好的准确度。

基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计

针对离轴三反光学系统初始结构求解复杂、视场宽度小的问题,提出了利用光学传递矩阵求解三反系统初始结构的计算方法,推导了三反系统焦距和后截距的表达式,求解了光阑位于次镜的三反系统初始结构。采用引入高次非球面以增加系统设计自由度的技术路线,基于ZEMAX光学设计软件,通过对同轴初始结构进行离轴优化,得到了一个矩形视场17°×2°,焦距1 440 mm,F数4.8的离轴三反光学系统。该系统三个反射面均为高次非球面,可同时满足宽视场角和高分辨率的要求,在空间频率50 lp/mm处,调制传递函数大于0.6,接近衍射极限。结果表明:该系统搭载线阵/面阵时间延迟积分电荷耦合元件(TDI-CCD)用于推扫/多通道式空间对地成像时,可有效扩大空间对地成像系统的地面覆盖范围,提高信息获取效率。

稳态大视场偏振干涉成像光谱仪的通量分析

在简要论述稳态大视场偏振干涉成像光谱仪 (SLPIIS)的干涉成像原理的基础上 ,重点对稳态大视场偏振干涉成像光谱仪的通量进行了分析和计算 .在考虑透射比的情况下 ,推导了偏振器偏振化方向及二分之一波片的光轴取向偏离理想方向时通量随偏角的变化关系 ,给出了最大调制度情形下的通量数值 .这种稳态大视场偏振干涉成像光谱仪适用波长范围广 ,具有结构简单、超小型和大视场补偿功能 ,突出了高稳态、高通量的显著特点 ,特别适合航空、航天遥感及微弱信号探测 ,在军事。

长焦距、大视场空间观测相机光学系统设计

为了解决空间相机高分辨率与大视场的难题,在共轴三反的基础上,通过对以往离轴三反系统改进设计,提出了一种长焦距、大视场、大相对孔径无中心遮拦的离轴三反系统设计方法,并利用ZEMAX软件设计了一种焦距为1200 mm,视场角11°×3°,相对孔径F/4,工作谱段在0.4～2.5μm的光学系统,该系统在全视场空间频率50 lp/mm处,MTF均值大于0.42,接近衍射极限,弥散斑直径RMS值小于10μm,表明其具有良好的成像质量。

垂直于流向的截面中2D-PIV测量误差分析

常规二维粒子图像测速技术(2D-PIV)作为重要的流场测试手段,被越来越多地应用到各种类型的流场测量中。然而采用该技术对垂直于流向的截面进行测量时会产生明显误差,该误差是由2D-PIV原理中几何透视成像关系引起。本文分析了测量截面内有法向速度分量时透视误差产生原因及影响因素,建立了2D-PIV测量平面内的误差模型。通过实验测试验证了误差模型的正确性,确定了影响测量误差的关键参数为测量平面的法向速度和视场的离轴角。计算结果显示,最大透视误差可达法向速度的9.3%。根据误差模型进行分析,透视误差对流向涡类流场测量的影响主要为3个方面:改变流场速度量值大小、改变旋涡形状、改变旋涡的位置。最后,提出了一些减小误差的措施,为2D-PIV应用于垂直流向截面的测量提供了改进方法。