2010年 3卷 第3期
2010, 3(3): 201-208.
摘要
PDF 951KB
摘要:
综述了美国DigitalGlobe公司的QuickBird,WorldView-1,WorldView-2卫星和GeoEye公司的IKONOS,GeoEye-1,GeoEye-2等卫星的发展概况。分析评论了这些不同发射时间和使用年代的近代高分辨地球成像商业卫星及其空间相机的主要技术指标和特点,指出了研制小型、灵巧性卫星是近代高分辨地球成像商业卫星的发展趋势,其中需要解决的核心技术主要包括卫星的精密姿态控制、小像元尺寸和高积分级数TDICCD的研制,小相对孔径光学系统的设计以及用于图像增强的数字图像处理技术等。
综述了美国DigitalGlobe公司的QuickBird,WorldView-1,WorldView-2卫星和GeoEye公司的IKONOS,GeoEye-1,GeoEye-2等卫星的发展概况。分析评论了这些不同发射时间和使用年代的近代高分辨地球成像商业卫星及其空间相机的主要技术指标和特点,指出了研制小型、灵巧性卫星是近代高分辨地球成像商业卫星的发展趋势,其中需要解决的核心技术主要包括卫星的精密姿态控制、小像元尺寸和高积分级数TDICCD的研制,小相对孔径光学系统的设计以及用于图像增强的数字图像处理技术等。
2010, 3(3): 209-222.
摘要:
概述了利用光整流、光电导天线、参量振荡、空气等离子体等方式产生太赫兹(THz)波,以及利用电光取样、光电导天线、空气等离子体等探测THz波的方法。阐述了THz时域光谱技术以及近年来发展的异步电光取样技术。讨论了THz技术在各领域的应用。重点介绍了本课题组近年来致力于THz检测技术在毒品检测识别方面的研究情况。建立了含有38种纯度在90%以上的THz毒品谱库,并采用人工神经网络、支持向量机等方法对毒品进行计算机自动识别,研究确定了毒品纯度和有效成分含量的理论和实验方法。用高斯软件对个别品种,如甲基苯丙氨(MA)、氯氨酮、海洛因进行了光谱解析,研究结果为实现毒品的实验室检测提供了依据。最后,简单综述了THz技术的发展前景。
概述了利用光整流、光电导天线、参量振荡、空气等离子体等方式产生太赫兹(THz)波,以及利用电光取样、光电导天线、空气等离子体等探测THz波的方法。阐述了THz时域光谱技术以及近年来发展的异步电光取样技术。讨论了THz技术在各领域的应用。重点介绍了本课题组近年来致力于THz检测技术在毒品检测识别方面的研究情况。建立了含有38种纯度在90%以上的THz毒品谱库,并采用人工神经网络、支持向量机等方法对毒品进行计算机自动识别,研究确定了毒品纯度和有效成分含量的理论和实验方法。用高斯软件对个别品种,如甲基苯丙氨(MA)、氯氨酮、海洛因进行了光谱解析,研究结果为实现毒品的实验室检测提供了依据。最后,简单综述了THz技术的发展前景。
2010, 3(3): 223-228.
摘要:
为了验证空间光学系统热设计的合理性,利用光-机-热集成的热光学分析技术论证了空间光学系统的热设计方案。首先,阐述了热光学技术的一般方法以及热光学技术与热设计的关系,同时根据空间光学遥感器所处的空间环境和结构特点,应用被动和主动热控技术对空间光学系统进行了热设计。然后,利用有限元方法对热控后的温度场和热弹性变形进行了分析,得出该温度载荷条件下光学元件表面的变形量及刚体位移量,利用Zernike多项式进行了波面拟合。最后,用CodeⅤ光学设计软件计算了热载荷作用下光学系统的传递函数。结果表明,各种工况下全视场范围内光学系统分辨率为50 lp时,传递函数均超过0.5,成像良好,能够满足光学设计指标,热设计方案合理可行。
为了验证空间光学系统热设计的合理性,利用光-机-热集成的热光学分析技术论证了空间光学系统的热设计方案。首先,阐述了热光学技术的一般方法以及热光学技术与热设计的关系,同时根据空间光学遥感器所处的空间环境和结构特点,应用被动和主动热控技术对空间光学系统进行了热设计。然后,利用有限元方法对热控后的温度场和热弹性变形进行了分析,得出该温度载荷条件下光学元件表面的变形量及刚体位移量,利用Zernike多项式进行了波面拟合。最后,用CodeⅤ光学设计软件计算了热载荷作用下光学系统的传递函数。结果表明,各种工况下全视场范围内光学系统分辨率为50 lp时,传递函数均超过0.5,成像良好,能够满足光学设计指标,热设计方案合理可行。
2010, 3(3): 229-238.
摘要:
基于2台外视场拼接高速电视测量仪原型样机(硬件)提出了一种将交汇测量和拼接处理相结合的算法。根据需要对地球质心和光电测量系统建立了5个坐标系,介绍了坐标系的定义及其它们之间的变换过程,给出了目标轨迹交汇测量和视场拼接的实例。用2台高速电视测量仪拼接的8台测量相机同时对同一运动目标进行测量,对获得的测量数据进行交汇和视场拼接处理,结果显示提出的拼接算法是正确、有效的,可以得到唯一解;地球曲率半径和地球子午线收敛两项影响因素得到了完全修正,表明交汇测量算法完全可以推广到其它光电测控仪器的交汇测量。
基于2台外视场拼接高速电视测量仪原型样机(硬件)提出了一种将交汇测量和拼接处理相结合的算法。根据需要对地球质心和光电测量系统建立了5个坐标系,介绍了坐标系的定义及其它们之间的变换过程,给出了目标轨迹交汇测量和视场拼接的实例。用2台高速电视测量仪拼接的8台测量相机同时对同一运动目标进行测量,对获得的测量数据进行交汇和视场拼接处理,结果显示提出的拼接算法是正确、有效的,可以得到唯一解;地球曲率半径和地球子午线收敛两项影响因素得到了完全修正,表明交汇测量算法完全可以推广到其它光电测控仪器的交汇测量。
2010, 3(3): 239-244.
摘要:
为满足空间反射镜高面形精度、高轻量化率的要求,在外径700 mm圆反射镜的设计过程中引入拓扑优化方法,依据变密度法建立了SIMP模型。在反射镜光轴方向重力工况下,以结构整体柔度为设计约束,最小体积为设计目标进行迭代,优化设计出了RMS值为8.89 nm,轻量化率达82%的反射镜模型。在同等质量下,基于传统的三角形轻量化孔结构设计出的反射镜模型RMS值为11.75 nm,轻量化率为65%。在径向重力工况下,拓扑优化结构也能满足面形要求。计算结果表明,拓扑优化的轻量化形式在面形和轻量化率上都优于传统形式。
为满足空间反射镜高面形精度、高轻量化率的要求,在外径700 mm圆反射镜的设计过程中引入拓扑优化方法,依据变密度法建立了SIMP模型。在反射镜光轴方向重力工况下,以结构整体柔度为设计约束,最小体积为设计目标进行迭代,优化设计出了RMS值为8.89 nm,轻量化率达82%的反射镜模型。在同等质量下,基于传统的三角形轻量化孔结构设计出的反射镜模型RMS值为11.75 nm,轻量化率为65%。在径向重力工况下,拓扑优化结构也能满足面形要求。计算结果表明,拓扑优化的轻量化形式在面形和轻量化率上都优于传统形式。
2010, 3(3): 245-251.
摘要:
介绍了傅氏轮廓术的基本原理,通过仿真与调相频谱分析,提出了一种新的自适应基频带通滤波器算法。利用此算法设计出了基频带通滤波器并用于傅氏轮廓术的位相提取。结果表明,相对于非自适应性的滤波器,使用本文设计的滤波器其三维面型测量精度可以提高5%,并且具有稳定的重复测量精度,在不受主观因素的影响下实现了实时三维面形重建。以螺纹钢面型为例进行了位相提取实验,实验中计算了面型测量精度,并与理论仿真精度进行比对与分析,得出的实验结果与理论仿真结果相一致,验证了该算法的有效性。
介绍了傅氏轮廓术的基本原理,通过仿真与调相频谱分析,提出了一种新的自适应基频带通滤波器算法。利用此算法设计出了基频带通滤波器并用于傅氏轮廓术的位相提取。结果表明,相对于非自适应性的滤波器,使用本文设计的滤波器其三维面型测量精度可以提高5%,并且具有稳定的重复测量精度,在不受主观因素的影响下实现了实时三维面形重建。以螺纹钢面型为例进行了位相提取实验,实验中计算了面型测量精度,并与理论仿真精度进行比对与分析,得出的实验结果与理论仿真结果相一致,验证了该算法的有效性。
2010, 3(3): 252-256.
摘要:
针对复杂海天背景下的小目标检测存在海浪、云层干扰等问题,提出了先提取海天线,然后利用一维最大熵阈值分割法对出现在天空、海面或者海天线附近特定区域的目标进行检测的算法。该算法主要利用天空海面行灰度均值特性,结合梯度运算和形态学运算在海天线的潜在位置中检测边缘,进而用强鲁棒性的Hough变换直线检测法拟合海天线,实现对海天线的准确定位。实验处理分辨率为256 pixel256 pixel的位图时,定位海天线需时4.1 ms,检测到目标需时5.3 ms,完全满足高帧频图像处理的实时性要求。实验结果表明,该算法能够快速、准确地检测出小目标,大大降低了虚警率。
针对复杂海天背景下的小目标检测存在海浪、云层干扰等问题,提出了先提取海天线,然后利用一维最大熵阈值分割法对出现在天空、海面或者海天线附近特定区域的目标进行检测的算法。该算法主要利用天空海面行灰度均值特性,结合梯度运算和形态学运算在海天线的潜在位置中检测边缘,进而用强鲁棒性的Hough变换直线检测法拟合海天线,实现对海天线的准确定位。实验处理分辨率为256 pixel256 pixel的位图时,定位海天线需时4.1 ms,检测到目标需时5.3 ms,完全满足高帧频图像处理的实时性要求。实验结果表明,该算法能够快速、准确地检测出小目标,大大降低了虚警率。
2010, 3(3): 257-262.
摘要:
人眼角膜前表面反射的杂散光是视网膜有效反射率的10~100倍,对人眼波前像差探测和视网膜高分辨率成像影响很大。为了有效消除角膜前表面反射杂散光,本文介绍并对比了偏振分束法、共焦滤波法、细光束离轴照明法和环形照明法等消除角膜前表面反射杂散光的方法。分析表明,这些方法虽然都可以在一定程度上消除杂散光,但均不够理想,而环形照明法和共焦滤波法相结合具有光能利用率高、消杂光效果好、简单易行等优点,是消除人眼角膜前表面杂散光的有效方法。
人眼角膜前表面反射的杂散光是视网膜有效反射率的10~100倍,对人眼波前像差探测和视网膜高分辨率成像影响很大。为了有效消除角膜前表面反射杂散光,本文介绍并对比了偏振分束法、共焦滤波法、细光束离轴照明法和环形照明法等消除角膜前表面反射杂散光的方法。分析表明,这些方法虽然都可以在一定程度上消除杂散光,但均不够理想,而环形照明法和共焦滤波法相结合具有光能利用率高、消杂光效果好、简单易行等优点,是消除人眼角膜前表面杂散光的有效方法。
2010, 3(3): 263-267.
摘要:
设计和研制了结构紧凑、杂散光低的微型平像场近红外光谱仪。在分光系统设计中不采用附加杂散光遮挡装置的常规方法,而是在准直物镜前设置一块直径为8.5 mm的平面反射镜,通过调节平面反射镜改变入射光束的空间角,使光束全部被准直镜接收,不再产生旁光,从而有效地消除系统内的杂散光,使仪器整体杂散光水平降低了1.13%。另外,该光谱仪选择线阵CCD作为探测器件,不再设置冷却系统也避免了平面光栅带有扫描旋转机构。由于使用CCD作探测器和新的消杂散光设计方法,该光谱仪实现了微型化。
设计和研制了结构紧凑、杂散光低的微型平像场近红外光谱仪。在分光系统设计中不采用附加杂散光遮挡装置的常规方法,而是在准直物镜前设置一块直径为8.5 mm的平面反射镜,通过调节平面反射镜改变入射光束的空间角,使光束全部被准直镜接收,不再产生旁光,从而有效地消除系统内的杂散光,使仪器整体杂散光水平降低了1.13%。另外,该光谱仪选择线阵CCD作为探测器件,不再设置冷却系统也避免了平面光栅带有扫描旋转机构。由于使用CCD作探测器和新的消杂散光设计方法,该光谱仪实现了微型化。
2010, 3(3): 268-273.
摘要:
调焦系统在各种光学测量及侦察设备中起着十分重要的作用。本文介绍了光学系统自动调焦的方法和图像法调焦的相关评价函数,利用TMS320DM642数字信号处理芯片为平台设计了图像法自动调焦系统。采用TI公司针对其开发的DSP芯片设计了实时多任务系统DSP/BIOS,完成了软件设计。该实时操作系统为实现调焦过程中任务的调度和实时调焦提供了保障。文中还提出了在实现调焦系统过程中需要注意的一些问题及解决方案。本文所设计的系统能在4~5步(大约2 s内)找到像面,满足实际应用的需要。
调焦系统在各种光学测量及侦察设备中起着十分重要的作用。本文介绍了光学系统自动调焦的方法和图像法调焦的相关评价函数,利用TMS320DM642数字信号处理芯片为平台设计了图像法自动调焦系统。采用TI公司针对其开发的DSP芯片设计了实时多任务系统DSP/BIOS,完成了软件设计。该实时操作系统为实现调焦过程中任务的调度和实时调焦提供了保障。文中还提出了在实现调焦系统过程中需要注意的一些问题及解决方案。本文所设计的系统能在4~5步(大约2 s内)找到像面,满足实际应用的需要。
2010, 3(3): 274-278.
摘要:
为了能同时满足半导体激光器和YAG激光器对薄膜的特殊要求,在分析高反射膜理论的基础上,选取TiO2和SiO2为高、低折射率材料镀制了周期性多层介质高反射膜。研究了材料的光学及机械特性,重点解决了薄膜的消偏振和抗激光损伤问题。实验采用电子束真空镀膜并加以考夫曼离子源辅助沉积,利用TFC软件进行膜系设计,通过调整镀膜工艺参数和监控方法,在10 mm1.8 mm的K9基底上镀制了符合要求的高反射膜,结果表明,当激光以45入射时,薄膜在900~1 100 nm的p光与s光的反射率均大于99.95%。所制备的高反射膜性能稳定,抗激光损伤阈值高,能同时满足两种激光器的使用要求。
为了能同时满足半导体激光器和YAG激光器对薄膜的特殊要求,在分析高反射膜理论的基础上,选取TiO2和SiO2为高、低折射率材料镀制了周期性多层介质高反射膜。研究了材料的光学及机械特性,重点解决了薄膜的消偏振和抗激光损伤问题。实验采用电子束真空镀膜并加以考夫曼离子源辅助沉积,利用TFC软件进行膜系设计,通过调整镀膜工艺参数和监控方法,在10 mm1.8 mm的K9基底上镀制了符合要求的高反射膜,结果表明,当激光以45入射时,薄膜在900~1 100 nm的p光与s光的反射率均大于99.95%。所制备的高反射膜性能稳定,抗激光损伤阈值高,能同时满足两种激光器的使用要求。
2010, 3(3): 279-284.
摘要:
提出一种利用双频激光干涉仪检测光栅刻划机分度丝杠的新型光路结构,推导出用于阿贝误差补偿的快速修正计算式,实现了丝杠测试过程中阿贝误差的实时修正,通过修正使不满足阿贝原则的测量系统获得了较高的测量精度。另外该方法还通过调整参考镜角锥棱镜消除了测量过程中丝杠轴向窜动引起的测量误差。实验结果表明,采用提出的方法在300 mm的丝杠行程内修正的最大阿贝误差为1.39 m,补偿后最大残差仅为0.48 m,有效地提高了丝杠测量精度。
提出一种利用双频激光干涉仪检测光栅刻划机分度丝杠的新型光路结构,推导出用于阿贝误差补偿的快速修正计算式,实现了丝杠测试过程中阿贝误差的实时修正,通过修正使不满足阿贝原则的测量系统获得了较高的测量精度。另外该方法还通过调整参考镜角锥棱镜消除了测量过程中丝杠轴向窜动引起的测量误差。实验结果表明,采用提出的方法在300 mm的丝杠行程内修正的最大阿贝误差为1.39 m,补偿后最大残差仅为0.48 m,有效地提高了丝杠测量精度。
2010, 3(3): 285-289.
摘要:
为使激光驾束观瞄制导仪各项性能参数能够在室内完成全面检测,提出了一种参数检测系统的设计方案。对参数检测系统的各组成部分分别进行了论述。该系统可检测固定焦距的激光通道与瞄准通道两轴线平行度、典型位置的输出特性、全程变焦过程中激光轴相对于瞄准轴的最大失调量,并可运用CCD图像处理技术检测激光信息场辐照度的均匀性等,具有结构简单,操作方便、检测精度高等优点。模拟试验表明,该设计方案能够满足工程中实际检测的要求。
为使激光驾束观瞄制导仪各项性能参数能够在室内完成全面检测,提出了一种参数检测系统的设计方案。对参数检测系统的各组成部分分别进行了论述。该系统可检测固定焦距的激光通道与瞄准通道两轴线平行度、典型位置的输出特性、全程变焦过程中激光轴相对于瞄准轴的最大失调量,并可运用CCD图像处理技术检测激光信息场辐照度的均匀性等,具有结构简单,操作方便、检测精度高等优点。模拟试验表明,该设计方案能够满足工程中实际检测的要求。
2010, 3(3): 290-295.
摘要:
利用无线激光通信传输速率高的优势,设计并实现了一套622 Mbps视频传输系统。将视频转换、数据处理、激光收发等功能集中在单块电路板上,提高了灵活性。使用片内异步先进先出队列(FIFO)组成乒乓操作,对连续视频数据流进行有效切换控制。采用曼彻斯特编码较好地从接收信号中恢复出数据和时钟,有利于接收串行数据流的边界检测和同步。实验表明,本系统可以稳定地传输视频,满足地面距离应用的需要,为进一步研究激光通信各项技术提供了平台。
利用无线激光通信传输速率高的优势,设计并实现了一套622 Mbps视频传输系统。将视频转换、数据处理、激光收发等功能集中在单块电路板上,提高了灵活性。使用片内异步先进先出队列(FIFO)组成乒乓操作,对连续视频数据流进行有效切换控制。采用曼彻斯特编码较好地从接收信号中恢复出数据和时钟,有利于接收串行数据流的边界检测和同步。实验表明,本系统可以稳定地传输视频,满足地面距离应用的需要,为进一步研究激光通信各项技术提供了平台。
2010, 3(3): 296-300.
摘要:
设计了圆环单元的频率选择表面(FSS)结构,并将该结构置于吸波材料中构成了复合吸波结构。利用谱域法对该结构进行数值模拟,计算出频率为2~16 GHz微波波段的反射系数,并研究了圆环单元尺寸和排布周期对其吸波特性的影响。结果表明:当圆环单元FSS的单元间距为10 mm,单元尺寸为3.3 mm时,其共振频率的反射率由-8.15 dB降低为-14.54 dB,-5 dB吸波带宽由1.2 GHz拓展为3.05 GHz;且随圆环单元尺寸增大,共振反射率增加;随单元排列周期增加,吸波材料带宽增大。结果表明,利用FSS可以明显改善吸波材料涂层的吸波性能,通过调整相关参数可以获得所需的复合吸波结构,拓展FSS在吸波材料中的应用范围。
设计了圆环单元的频率选择表面(FSS)结构,并将该结构置于吸波材料中构成了复合吸波结构。利用谱域法对该结构进行数值模拟,计算出频率为2~16 GHz微波波段的反射系数,并研究了圆环单元尺寸和排布周期对其吸波特性的影响。结果表明:当圆环单元FSS的单元间距为10 mm,单元尺寸为3.3 mm时,其共振频率的反射率由-8.15 dB降低为-14.54 dB,-5 dB吸波带宽由1.2 GHz拓展为3.05 GHz;且随圆环单元尺寸增大,共振反射率增加;随单元排列周期增加,吸波材料带宽增大。结果表明,利用FSS可以明显改善吸波材料涂层的吸波性能,通过调整相关参数可以获得所需的复合吸波结构,拓展FSS在吸波材料中的应用范围。
