2012年 5卷 第6期
2012, 5(6): 555-565.
doi: 10.3788/CO.20120506.0555
摘要
PDF 1970KB
摘要:
简述了在不同航天任务上测量太阳总辐射的各种辐射计,以及这些辐射计的结构、仪器特性、原理和运行等。这些空间辐射计大多数采用电标定的原理,以腔体探测器作为感知太阳总辐射的传感器。讨论了空间辐射计寻日方式对太阳总辐射测量精度的影响。最后,结合以往宇航任务中太阳总辐射测量的历史和经验,简述了高精度测量太阳总辐射空间辐射计的发展趋势。
简述了在不同航天任务上测量太阳总辐射的各种辐射计,以及这些辐射计的结构、仪器特性、原理和运行等。这些空间辐射计大多数采用电标定的原理,以腔体探测器作为感知太阳总辐射的传感器。讨论了空间辐射计寻日方式对太阳总辐射测量精度的影响。最后,结合以往宇航任务中太阳总辐射测量的历史和经验,简述了高精度测量太阳总辐射空间辐射计的发展趋势。
2012, 5(6): 566-577.
doi: 10.3788/CO.20120506.0566
摘要:
介绍了高光谱分辨率光谱定标经常采用的几种技术手段,包括谱线灯法、单色准直光法、利用可调谐激光器和气体吸收池的方法等。通过对比几种国外高光谱分辨率大气痕量气体探测仪的光谱定标技术,阐述了不同光谱定标技术的原理、实施方法以及技术特点。针对大气痕量气体探测遥感器超高分辨率光谱定标的特点,指出定标设备的带宽应能达到0.001 nm的水平,同时还应考虑采取优化定标算法、结合多种光谱定标方法等措施来满足高光谱分辨率大气痕量气体探测仪光谱定标的要求。
介绍了高光谱分辨率光谱定标经常采用的几种技术手段,包括谱线灯法、单色准直光法、利用可调谐激光器和气体吸收池的方法等。通过对比几种国外高光谱分辨率大气痕量气体探测仪的光谱定标技术,阐述了不同光谱定标技术的原理、实施方法以及技术特点。针对大气痕量气体探测遥感器超高分辨率光谱定标的特点,指出定标设备的带宽应能达到0.001 nm的水平,同时还应考虑采取优化定标算法、结合多种光谱定标方法等措施来满足高光谱分辨率大气痕量气体探测仪光谱定标的要求。
2012, 5(6): 578-582.
doi: 10.3788/CO.20120506.0578
摘要:
介绍一种非移动式变焦技术液体变焦技术。对国内外液体变焦技术的科研成果进行了归纳和总结,介绍了液体变焦透镜的基本原理及实现形式,分析了液体透镜的优异性能及其对光学领域的影响。根据液体变焦技术的发展现状和工程应用情况,指出液体变焦技术目前的研究重点主要应放在如何克服温度场和重力场对液体透镜性能的影响等机理研究,液体透镜的离轴系统和非对称系统的设计以及加速液体透镜的产品化等工作上。
介绍一种非移动式变焦技术液体变焦技术。对国内外液体变焦技术的科研成果进行了归纳和总结,介绍了液体变焦透镜的基本原理及实现形式,分析了液体透镜的优异性能及其对光学领域的影响。根据液体变焦技术的发展现状和工程应用情况,指出液体变焦技术目前的研究重点主要应放在如何克服温度场和重力场对液体透镜性能的影响等机理研究,液体透镜的离轴系统和非对称系统的设计以及加速液体透镜的产品化等工作上。
2012, 5(6): 583-589.
doi: 10.3788/CO.20120506.0583
摘要:
针对光学系统的杂光导致三线阵测绘相机成像质量下降的问题,根据光学系统的设计结果,对相机入口处的杂光能量、像面杂光辐照度、杂光系数等进行了分析与计算,提出了合理的杂光抑制措施。利用Thermal Desktop软件和Light-Tools软件,对三线阵立体测绘相机各光学系统进行分析与模拟计算,得到其杂光系数均小于5%。最后进行了光学实验,并利用面源法测试了杂光系数。检测结果验证了杂光分析与研究方法的正确性以及杂光抑制措施的可行性。
针对光学系统的杂光导致三线阵测绘相机成像质量下降的问题,根据光学系统的设计结果,对相机入口处的杂光能量、像面杂光辐照度、杂光系数等进行了分析与计算,提出了合理的杂光抑制措施。利用Thermal Desktop软件和Light-Tools软件,对三线阵立体测绘相机各光学系统进行分析与模拟计算,得到其杂光系数均小于5%。最后进行了光学实验,并利用面源法测试了杂光系数。检测结果验证了杂光分析与研究方法的正确性以及杂光抑制措施的可行性。
2012, 5(6): 590-595.
doi: 10.3788/CO.20120506.0590
摘要:
为了减少月基极紫外相机的质量并保证相机的二维转动机构在卫星发射、地月变轨及月表着陆过程中受到大量级振动冲击以及月表超大温差环境下能正常工作,设计并研制了基于碳纤维复合材料(CFRP)的照准架结构。首先,设计了基于金属材料和CFRP的不同照准架结构,通过有限元法对不同材料的照准架进行分析对比,证明了CFRP照准架的优越性。温度和力学验证试验表明:基于CFRP的照准架质量小于其它材料的照准架,其刚度和热稳定性能满足极紫外相机环境适应性的要求。
为了减少月基极紫外相机的质量并保证相机的二维转动机构在卫星发射、地月变轨及月表着陆过程中受到大量级振动冲击以及月表超大温差环境下能正常工作,设计并研制了基于碳纤维复合材料(CFRP)的照准架结构。首先,设计了基于金属材料和CFRP的不同照准架结构,通过有限元法对不同材料的照准架进行分析对比,证明了CFRP照准架的优越性。温度和力学验证试验表明:基于CFRP的照准架质量小于其它材料的照准架,其刚度和热稳定性能满足极紫外相机环境适应性的要求。
2012, 5(6): 596-601.
doi: 10.3788/CO.20120506.0596
摘要:
为了满足机载红外搜索与跟踪系统的实际使用要求,根据变焦系统的基本理论及中波红外系统的特点,设计了320 pixel256 pixel的中波制冷型焦平面阵列探测器的双视场中波红外光学系统。系统采用了二次成像结构,并在系统的第一像面位置安装光阑,以此减小杂散光对系统的影响。设计结果表明:系统具有100%冷光栏效率,在仅移动一片透镜的情况下可实现在800和400 mm的两档变焦,系统F数为4且恒定不变,像面保持稳定,系统场曲＜0.04 mm,畸变＜2.5%,在探测器的Nyquist频率16 lp/mm处光学传递函数的峰值＞0.5,表明光学系统的像质满足使用要求。
为了满足机载红外搜索与跟踪系统的实际使用要求,根据变焦系统的基本理论及中波红外系统的特点,设计了320 pixel256 pixel的中波制冷型焦平面阵列探测器的双视场中波红外光学系统。系统采用了二次成像结构,并在系统的第一像面位置安装光阑,以此减小杂散光对系统的影响。设计结果表明:系统具有100%冷光栏效率,在仅移动一片透镜的情况下可实现在800和400 mm的两档变焦,系统F数为4且恒定不变,像面保持稳定,系统场曲＜0.04 mm,畸变＜2.5%,在探测器的Nyquist频率16 lp/mm处光学传递函数的峰值＞0.5,表明光学系统的像质满足使用要求。
2012, 5(6): 602-609.
doi: 10.3788/CO.20120506.0602
摘要:
在离轴三反射系统热光学理论分析的基础上,利用热光学实验测试了光学系统在不同热环境下的成像质量。将实测温度代入有限元模型,计算表征镜面变形的Zernike系数。将Zernike系数输入光学设计软件,复算光学系统的理论成像质量,并与测试结果进行对比分析。结果显示,理论复算值与实验实测值相吻合,证明了理论分析的正确性。试验检测表明,系统在Nquist频率下,18 ℃时的静态传递函数为0.247;14~21 ℃时的静态传递函数为0.221~0.254,满足系统成像质量要求。
在离轴三反射系统热光学理论分析的基础上,利用热光学实验测试了光学系统在不同热环境下的成像质量。将实测温度代入有限元模型,计算表征镜面变形的Zernike系数。将Zernike系数输入光学设计软件,复算光学系统的理论成像质量,并与测试结果进行对比分析。结果显示,理论复算值与实验实测值相吻合,证明了理论分析的正确性。试验检测表明,系统在Nquist频率下,18 ℃时的静态传递函数为0.247;14~21 ℃时的静态传递函数为0.221~0.254,满足系统成像质量要求。
2012, 5(6): 610-617.
doi: 10.3788/CO.20120506.0610
摘要:
介绍了光锥导光装置的优势,分析了影响光锥导光装置耦合效率的主要因素,得出了影响光锥导光装置耦合效率的理论模型误差曲线。以光锥端面反射损耗及光纤辐射损耗为主要误差源,测试了光锥导光装置的耦合效率及误差对耦合效率的影响;采用分光比标定的方法测量导光装置的耦合效率,消除了由于激光器输出能量变化给试验中脉冲能量测量环节带来的影响;根据试验测量数据,拟合出误差对耦合效率的影响曲线,通过与理论误差曲线进行对比,验证了理论模型的正确性,同时测得该耦合装置的耦合效率为70.26%。在激光束的入射角度误差＜5,且在光纤耐受弯折允许范围内甩动光纤的情况下,总误差对耦合效率的影响＜10%,满足实际工程误差的允许范围。该耦合装置已经应用到实际工程中。
介绍了光锥导光装置的优势,分析了影响光锥导光装置耦合效率的主要因素,得出了影响光锥导光装置耦合效率的理论模型误差曲线。以光锥端面反射损耗及光纤辐射损耗为主要误差源,测试了光锥导光装置的耦合效率及误差对耦合效率的影响;采用分光比标定的方法测量导光装置的耦合效率,消除了由于激光器输出能量变化给试验中脉冲能量测量环节带来的影响;根据试验测量数据,拟合出误差对耦合效率的影响曲线,通过与理论误差曲线进行对比,验证了理论模型的正确性,同时测得该耦合装置的耦合效率为70.26%。在激光束的入射角度误差＜5,且在光纤耐受弯折允许范围内甩动光纤的情况下,总误差对耦合效率的影响＜10%,满足实际工程误差的允许范围。该耦合装置已经应用到实际工程中。
2012, 5(6): 618-624.
doi: 10.3788/CO.20120506.0618
摘要:
介绍了折转光管在瞄准系统中的使用位置、结构、工作原理和装调方法,分析了折转光管安装误差和两块平面反射镜之间的装调误差对方位传递精度的影响。使用MATLAB软件编程、计算、绘制出方位传递误差和高低传递误差的统计直方图,其分析结果为折转光管的装调提供了指导数据。计算分析表明,影响折转光管方位传递误差的主要因素是折转光管中两平面反射镜的装调误差,只要两平面反射镜的装调满足技术要求:方位误差4、高低误差0.5',即使折转光管在3个方向的安装误差极限值达到15,也可满足折转光管方位传递误差10的设计要求。
介绍了折转光管在瞄准系统中的使用位置、结构、工作原理和装调方法,分析了折转光管安装误差和两块平面反射镜之间的装调误差对方位传递精度的影响。使用MATLAB软件编程、计算、绘制出方位传递误差和高低传递误差的统计直方图,其分析结果为折转光管的装调提供了指导数据。计算分析表明,影响折转光管方位传递误差的主要因素是折转光管中两平面反射镜的装调误差,只要两平面反射镜的装调满足技术要求:方位误差4、高低误差0.5',即使折转光管在3个方向的安装误差极限值达到15,也可满足折转光管方位传递误差10的设计要求。
2012, 5(6): 625-629.
doi: 10.3788/CO.20120506.0625
摘要:
研究设计了航母中线电视监视系统。依据照度、对比度及分辨率要求提出了一套基于电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)的光电成像系统。分析了航母中线电视监视系统的舰载稳定平台的精度要求,并探讨了该系统可采用的图像处理算法。分析表明:采用主流的Andor Ixon EMCCD并配合口径为40 mm的光学系统可满足照度、对比度和分辨率的要求;采用Petzval形式初步设计的F/2光学系统,其光学传递函数接近衍射极限;而现有舰载稳定平台技术可以满足指向稳定的需要。最后,分析了形心算法、边缘算子算法在获取着舰机位置和姿态角的应用。该系统具有全天候工作能力,适用于航空母舰的着舰引导。
研究设计了航母中线电视监视系统。依据照度、对比度及分辨率要求提出了一套基于电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)的光电成像系统。分析了航母中线电视监视系统的舰载稳定平台的精度要求,并探讨了该系统可采用的图像处理算法。分析表明:采用主流的Andor Ixon EMCCD并配合口径为40 mm的光学系统可满足照度、对比度和分辨率的要求;采用Petzval形式初步设计的F/2光学系统,其光学传递函数接近衍射极限;而现有舰载稳定平台技术可以满足指向稳定的需要。最后,分析了形心算法、边缘算子算法在获取着舰机位置和姿态角的应用。该系统具有全天候工作能力,适用于航空母舰的着舰引导。
2012, 5(6): 630-638.
doi: 10.3788/CO.20120506.0630
摘要:
设计了一种应用于瞬时热量标定系统的太阳模拟器光学系统,系统由短弧氙灯、椭球聚光镜和通道反射式积分器组成。介绍了椭球聚光镜的设计准则和限制要求,分析了积分器的工作原理和体均匀性,讨论了辐照面大小要求和安装空间的限制,最后,优化了系统设计并进行了仿真模拟。仿真结果表明,当选用近轴放大倍率为4.5、积分器管长为85 mm时,若采用7 000 W氙灯,即能够获得3%的均匀性和4 250个太阳常数的辐照强度;若采用5 000 W氙灯,则可在均匀性不变的情况下获得2 980个太阳常数的辐照强度,两者均满足使用要求。
设计了一种应用于瞬时热量标定系统的太阳模拟器光学系统,系统由短弧氙灯、椭球聚光镜和通道反射式积分器组成。介绍了椭球聚光镜的设计准则和限制要求,分析了积分器的工作原理和体均匀性,讨论了辐照面大小要求和安装空间的限制,最后,优化了系统设计并进行了仿真模拟。仿真结果表明,当选用近轴放大倍率为4.5、积分器管长为85 mm时,若采用7 000 W氙灯,即能够获得3%的均匀性和4 250个太阳常数的辐照强度;若采用5 000 W氙灯,则可在均匀性不变的情况下获得2 980个太阳常数的辐照强度,两者均满足使用要求。
2012, 5(6): 639-645.
doi: 10.3788/CO.20120506.0639
摘要:
介绍了太阳模拟器的组成及工作原理。在非成像光学的光学扩展量基础上,对照明系统和投影成像系统进行了光学匹配,并从拉赫不变量的角度分析了能量在整个系统中的传递情况,得出椭球聚光镜、光学积分器和准直物镜这三者的相对孔径相互之间的最佳匹配关系,即三者的相互之间的相对孔径值均为1/4时,满足光瞳衔接原理。计算得到了从物面到像面的拉赫不变量为0.45,验证了整个光学系统从物面到像面的拉赫不变量守恒,有效地利用了光学系统的光能。
介绍了太阳模拟器的组成及工作原理。在非成像光学的光学扩展量基础上,对照明系统和投影成像系统进行了光学匹配,并从拉赫不变量的角度分析了能量在整个系统中的传递情况,得出椭球聚光镜、光学积分器和准直物镜这三者的相对孔径相互之间的最佳匹配关系,即三者的相互之间的相对孔径值均为1/4时,满足光瞳衔接原理。计算得到了从物面到像面的拉赫不变量为0.45,验证了整个光学系统从物面到像面的拉赫不变量守恒,有效地利用了光学系统的光能。
2012, 5(6): 646-651.
doi: 10.3788/CO.20120506.0646
摘要:
设计了一种Offner光学系统,用于基于相位差异技术的图像恢复和光学系统波像差的辅助检测。该Offner光学系统采用同轴抛物面反射镜作为Offner反射镜,以高速CCD相机和Shack-Hartmann波前探测器作为接收元件,能完好地消除复色光源在图像恢复过程中带来的色差;设计的RMS波像差小于/50(=632.8 nm),结构简单,容易实现。利用该系统分别以分辨率板和光纤光源为目标进行了图像恢复实验,经过恢复后的图像分辨率提高了19%。此外,利用该系统,采用相位差异算法解算了系统波像差,并与Shack-Hartmann波前探测器的测量结果进行了比较。比较显示两者的RMS波像差测量值相差5%,证明该系统同样能够进行光学波前检测。
设计了一种Offner光学系统,用于基于相位差异技术的图像恢复和光学系统波像差的辅助检测。该Offner光学系统采用同轴抛物面反射镜作为Offner反射镜,以高速CCD相机和Shack-Hartmann波前探测器作为接收元件,能完好地消除复色光源在图像恢复过程中带来的色差;设计的RMS波像差小于/50(=632.8 nm),结构简单,容易实现。利用该系统分别以分辨率板和光纤光源为目标进行了图像恢复实验,经过恢复后的图像分辨率提高了19%。此外,利用该系统,采用相位差异算法解算了系统波像差,并与Shack-Hartmann波前探测器的测量结果进行了比较。比较显示两者的RMS波像差测量值相差5%,证明该系统同样能够进行光学波前检测。
2012, 5(6): 652-657.
doi: 10.3788/CO.20120506.0652
摘要:
根据激光散斑相关测量中采用的插值法、梯度算法和牛顿-拉夫森迭代法3种亚像素位移算法的特点,逐一在亚像素尺度计算出磁流体干燥过程中的同一激光散斑图的偏均值和标准差变化曲线。基于得到的偏差均值和标准差讨论了3种算法处理激光散斑图的特点,比较了3种算法处理散斑图的计算精度、稳定性和计算用时。结果显示,在小变形的亚像素位移测量时,梯度算法的精度较高,且较为稳定,计算效率也较牛顿-拉夫森算法快约9倍。因此,在进行小变形亚像素位移测量时,采用梯度算法计算激光散斑是有效的。
根据激光散斑相关测量中采用的插值法、梯度算法和牛顿-拉夫森迭代法3种亚像素位移算法的特点,逐一在亚像素尺度计算出磁流体干燥过程中的同一激光散斑图的偏均值和标准差变化曲线。基于得到的偏差均值和标准差讨论了3种算法处理激光散斑图的特点,比较了3种算法处理散斑图的计算精度、稳定性和计算用时。结果显示,在小变形的亚像素位移测量时,梯度算法的精度较高,且较为稳定,计算效率也较牛顿-拉夫森算法快约9倍。因此,在进行小变形亚像素位移测量时,采用梯度算法计算激光散斑是有效的。
2012, 5(6): 658-662.
doi: 10.3788/CO.20120506.0658
摘要:
针对大面积高能激光束时空分布参数测量的需要,研究了量热和光电法综合测量激光束时空分布的方法。采用现场实时定标技术有效地解决了两类数据融合问题,研制了量热光电复合阵列测量系统。该复合阵列主要由256路量热探测单元、120路光电探测单元、多通道数据采集模块和数据分析处理模块等部分组成,具有量热型探头测量绝对激光能量准确、光电探测器测量时间分辨率高等优点,实现了大面积高能激光束光强分布时间和空间的绝对测量。
针对大面积高能激光束时空分布参数测量的需要,研究了量热和光电法综合测量激光束时空分布的方法。采用现场实时定标技术有效地解决了两类数据融合问题,研制了量热光电复合阵列测量系统。该复合阵列主要由256路量热探测单元、120路光电探测单元、多通道数据采集模块和数据分析处理模块等部分组成,具有量热型探头测量绝对激光能量准确、光电探测器测量时间分辨率高等优点,实现了大面积高能激光束光强分布时间和空间的绝对测量。
2012, 5(6): 663-670.
doi: 10.3788/CO.20120506.0663
摘要:
介绍了光纤激光器的理论模型和结构组成,搭建了976 nm激光二极管(LD)泵浦的准连续输出双包层掺镱光纤激光器系统。制作了激光脉冲电源方波发生电路,该电源在脉冲工作模式下重频1 000 Hz,脉宽从10 s~50 ms可调,占空比50%。分析了稀土掺杂双包层光纤的各项性能和能级系统,并实验研究了准连续掺镱双包层光纤激光器的输出特性。在最大泵浦功率为8.12 W,重频为50 Hz和脉宽为10 ms下,测得其最大脉冲输出功率为2.67 W。
介绍了光纤激光器的理论模型和结构组成,搭建了976 nm激光二极管(LD)泵浦的准连续输出双包层掺镱光纤激光器系统。制作了激光脉冲电源方波发生电路,该电源在脉冲工作模式下重频1 000 Hz,脉宽从10 s~50 ms可调,占空比50%。分析了稀土掺杂双包层光纤的各项性能和能级系统,并实验研究了准连续掺镱双包层光纤激光器的输出特性。在最大泵浦功率为8.12 W,重频为50 Hz和脉宽为10 ms下,测得其最大脉冲输出功率为2.67 W。
2012, 5(6): 671-676.
doi: 10.3788/CO.20120506.0671
摘要:
针对大功率激光器的远场传输特性,提出了一种测量TEA CO2远场光束传输特性的新方法,该法采用相对测量和绝对测量相结合的方式来获得高能激光器的绝对空间光强分布。利用该方法测试了2 kW脉冲TEA CO2非稳腔激光器在500 m处的光强分布,并对测试结果进行了分析讨论。实验结果表明,此方法简单、易行,准确度较高,而且测量过程中考虑了大气湍流的影响,光斑强度相对分布上出现了平顶、破碎并出现旁瓣现象,实测大气透过率为81.5%,最大功率密度为1.59 W/cm2,光束的横向远场发散角达到0.64 mrad,基本与理论计算结果相吻合。本研究将为评估激光系统的应用效果及系统的优化设计提供重要的参考。
针对大功率激光器的远场传输特性,提出了一种测量TEA CO2远场光束传输特性的新方法,该法采用相对测量和绝对测量相结合的方式来获得高能激光器的绝对空间光强分布。利用该方法测试了2 kW脉冲TEA CO2非稳腔激光器在500 m处的光强分布,并对测试结果进行了分析讨论。实验结果表明,此方法简单、易行,准确度较高,而且测量过程中考虑了大气湍流的影响,光斑强度相对分布上出现了平顶、破碎并出现旁瓣现象,实测大气透过率为81.5%,最大功率密度为1.59 W/cm2,光束的横向远场发散角达到0.64 mrad,基本与理论计算结果相吻合。本研究将为评估激光系统的应用效果及系统的优化设计提供重要的参考。
2012, 5(6): 677-681.
doi: 10.3788/CO.20120506.0677
摘要:
利用紫外固化材料SU-8 2005与热交联聚合物甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯[P(MMA-GMA)]分别作为波导芯层和包层材料,通过直接光刻技术,成功实现了厚度为5 m,宽度为9 m,光栅高度为4 m的起伏型高阶布拉格波导光栅滤波器。对光栅器件的谐振波长,光透射率等重要参数进行了模拟设计。测得制备的聚合物高阶布拉格波导光栅滤波器的谐振波长为1 550.4 nm,消光比为23 dB,3-dB带宽为2 nm。
利用紫外固化材料SU-8 2005与热交联聚合物甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯[P(MMA-GMA)]分别作为波导芯层和包层材料,通过直接光刻技术,成功实现了厚度为5 m,宽度为9 m,光栅高度为4 m的起伏型高阶布拉格波导光栅滤波器。对光栅器件的谐振波长,光透射率等重要参数进行了模拟设计。测得制备的聚合物高阶布拉格波导光栅滤波器的谐振波长为1 550.4 nm,消光比为23 dB,3-dB带宽为2 nm。
