地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42 mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

二维扫描镜像旋特性分析

扫描拼接技术由于原理简单、易于实现而被广泛应用于全景成像系统中,然而该系统中使用的二维扫描镜在工作过程中会引起图像旋转.对二维扫描镜引起的像旋进行特性分析能够指导全景成像系统中像旋校正.假设物理为球面,基于光学反射矢量理论基础对水平扫描和俯仰扫描进行像旋特性分析比较.仿真结果表明二维扫描镜在水平扫描时像旋角与旋转角比例为1∶1,而俯仰扫描不存在比例关系,可以对精确实现光机消像旋提供指导作用.     

潜望式瞄准镜中消像旋棱镜的装调工艺技术

当潜望式光学系统中反射镜绕机械轴转动时,影像会在视场中绕光轴旋转严重影响观瞄。消像旋棱镜可以使像产生反向转动从而消除这种影响。从探索潜望式瞄准镜中消像旋棱镜的装调工艺出发,通过对2种常用消像旋棱镜在光学系统中对光线折转的分析,提出了其光机装调过程的判断依据,总结了2种消像旋棱镜应用的装调工艺方法,并提出了在平行光路中检测消像旋棱镜固定前后的分辨率以保证成像质量。经过多个项目的验证,此方法能有效降低消像旋棱镜的装调难度,装调后消像旋棱镜光轴与系统基准轴偏差控制在30以内。     

天文光学仪器

TH7512007010877一种实时消除望远镜图像旋转的方法=Method for eli mi-nating astronomical telescope's i mage rotation in real ti me[刊,中]/韩维强(中科院光电所微细加工光学技术国家重点实验室.四川,成都(610209)),廖胜…//光电工程.—2006,33(7).—88-91,95利用光线追迹的方法分析了地平式天文望远镜的几面反射镜在望远镜的竖直轴、水平轴转动时所引起的图像旋转,给出了目标图像旋转与望远镜高低方位角之间的函数关系式,利用别汉棱镜转像的特性在成像光路中加入了实时图像消旋系统。经试验验证,在不同方位角、天顶距情况下采集的…     

两轴周视光电跟踪天际线焦平面像的解析表达

鉴于动基座周视光电跟踪系统的基座俯仰和横滚角会造成天际线在红外焦平面阵列上所成的像不再与反射镜面俯仰轴在焦平面阵列上的投影平行,建立了动基座两轴周视光电跟踪系统的五自由度数学模型。重构了包含目标信息的天际平面在大地坐标系下的方程,推导得出了天际线在焦平面阵列上成像的解析表达式,并将其与反射镜面俯仰轴在焦平面阵列上的投影表达式进行了对比。天际线焦平面阵列成像的解析表达式可为目标可测、天际线不可测情况下,沿像的方向向量及其正交方向进行方位、俯仰补偿及目标方位解算提供理论前提。     

周视大像旋稳海天线向量角补偿算法

为使两轴周视光电探测系统在三自由度扰动和大像旋条件下搜索并跟踪水面目标,在虚拟天际线焦平面像五自由度解析表达式基础上,推导出焦平面坐标系铅直轴的方向向量和该坐标系下海天出射平面法向量夹角的余弦表达式.该式求反余弦后减π/2,得到焦平面铅直坐标轴的方向向量和海天出射平面法向量小于π/2的夹角,该夹角的0.5倍作为俯仰反射镜的净作动量,目的是克服非线性像旋使包含目标信息的虚拟海天线的像线通过焦平面中心.该算法与方位补偿算法联动能够使目标像点始终逼近焦平面原点.通过数学模型仿真和真实工况试验都验证了俯仰机构位置环海天线向量角补偿算法的合理性.     

大口径像旋补偿系统的分析与设计

由成像系统和可控扫摆镜组合的具有周视功能的系统常出现像旋现象,根据反射棱镜具有调整光轴和引起像旋的性能,将不同的组合结构设计成像旋补偿系统,以相互抵消的方式来消除像旋的影响。利用平面反射镜组合代替反射棱镜的方式,消除棱镜加工等实际因素对通光口径的限制。根据反射棱镜转动定理分析扫摆镜产生像旋的原因,举例说明反射镜组合能够解决大口径扫摆光学系统的像旋问题。     

三反射系统航空遥感器像旋转分析

像旋转是影响和限制成像质量的一个重要因素.像面反射镜不随扫描反射镜同步旋转时,就会在焦平面上产生像旋转,导致地面信息丢失和图像分辨率明显下降.为了提高航空遥感相机的动态分辨率,必须对遥感相机进行像旋转分析.根据光反射矢量理论,对具有三反射光学系统的航空遥感器的成像特性进行研究.将整个遥感相机抽象为一个简单数学模型.在笛...     

△(Delta)棱镜

在潜伏镜、跟踪瞄准望远镜等目视仪器中,通常采用反射镜(或棱镜)来实现空间目标扫描。近年来这种方法也开始用在摄形仪器中。它的优点是当仪器扫描时,摄形机和操作手可以保持静止不动,运动部分只是一、二块反射镜或棱镜。因此运动组元的尺寸小重量轻,容易实现高速扫描。对是带来一个问题就是当扫描反射镜绕机械轴旋转时,在象平面上影像绕系统的光轴旋转。     

周视大像旋稳海天线方位截距补偿算法

 为使两轴周视光电探测系统在三自由度扰动和大像旋条件下搜索并跟踪水面目标,在虚拟天际线焦平面像五自由度解析表达式基础上,推导出以目标像点和像旋中心线距离作为补偿截距的周视大像旋稳海天线方位截距补偿算法。通过对补偿截距与系统焦距的比值求反正切函数得到补偿角的绝对值,将目标像点和像旋中心点坐标转换到方位旋转坐标系下,并以转换后二者横坐标的代数差正负号作为补偿量的符号判据。该算法是在存在非线性大角度像旋情况下使目标像点逼近像旋中心线,与俯仰机构的向量角补偿算法联动能够使目标像点始终逼近焦平面原点。数学模型仿真验证了单次补偿能够将残差减小到1%左右,真实工况试验也验证了方位截距补偿算法的合理性。     

大俯仰角度的两轴两框架平台稳定技术

为了解决大俯仰角度方位平台稳定性能降低的问题,利用两轴两框架稳定平台稳定原理,分析在传统方位陀螺安装方式下,大俯仰角度时方位平台稳定性能降低的原因以及正割补偿带来的噪声等问题,提出在方位平台上安装2个正交的方位、横滚陀螺,解算出瞄准线方位惯性角速度,从而实现大俯仰角度下的方位稳定控制方法。仿真实验验证了该方法可以提升大俯仰角度下两轴两框架平台的方位稳定控制性能,减小陀螺噪声对控制性能的影响,在同等条件下,方位稳定误差峰峰值由450 urad减小为250 urad。     

大型望远镜消旋K镜准直技术研究

针对2m地平式望远镜像方视场旋转问题设计了消旋K镜装置。根据K镜系统的几何光学传递特性,推导K镜消旋数学矩阵模型;利用光线追迹方法,拟合了望远镜入瞳坐标与Coude焦点坐标的转换关系,分析入射光经过Coude光路后的视场旋转与望远镜方位轴、俯仰轴旋转的换算规律,从而计算得出望远镜消旋K镜的初始零位及旋转规则;针对K镜的准直性问题,通过对其旋转过程K轴与主光路偏离误差周期性变化特性的分析,设计了基于帕斯卡窝线理论的K镜准直装调策略,将复杂的准直装调问题转化为数学方程参数修正问题,并建立K镜准直精度与帕斯卡窝线方程中关键参数的计算模型;开展了K镜准直装调实验,在准直装调过程中反复修正模型中关键参数,使误差曲线不断趋近最优值。实验结果验证了本文所做研究的有效性及正确性。     

全景式航空相机图像拖影与扭曲补偿系统研究

在全景式航空相机摆扫成像过程中,由于机载环境振动隔离不彻底,造成扫描反射镜位置波动,引起视轴的抖动,使图像沿摆扫方向产生扭曲及拖影现象。针对上述问题,建立了飞行速度、高度及目标水平倾角与俯仰轴补偿速度之间的几何模型,分析了外界扰动造成图像扭曲的成因以及俯仰轴补偿精度对图像拖影程度的影响;通过模型建立和参数分析,得出了俯仰轴控制系统的动态和稳态性能指标及稳健性要求;利用实验室动态目标发生器、平行光管模拟相机与景物间的相对运动,对控制系统的精度进行试验验证;振动环境下对外景成像,验证控制系统的抗扰性能。试验结果表明:俯仰轴控制系统的稳速误差小于0.005°/s,几乎可以完全抑制图像拖影现象;系统对7Hz以下的干扰信号速度补偿残差小于0.1°/s,可以有效补偿干扰造成的图像扭曲现象。     

航空相机像旋动态调制传递函数分析与研究

航空相机在采用旋转扫描反射镜成像过程中存在像面旋转,会导致图像模糊,成像质量下降,必须采用像旋补偿机构进行补偿。目前,通过人眼观察图像模糊程度和电机同步控制精度评价像旋补偿精度,都不能客观准确评价系统成像质量。为建立航空相机成像质量与像旋补偿系统其他指标之间的直接关系,提出基于极坐标系的动态调制传递函数(MTF),并提出基于倾斜刃边法与模糊路径法相结合的方法测量航空相机旋转像移动态MTF。设计扇形靶标旋转动态成像实验,利用旋转动态MTF和倾斜刃边法得到图像动态MTF计算值,并基于图像模糊路径测量转台转动时图像动态MTF测量值。实验结果表明,转台以20~300(°)/s匀速转动时,空间频率在旋转动态MTF到达第一个零点频率前,动态MTF计算值和测量值曲线近似重合,验证了旋转动态MTF的正确性;空间频率在小于0.7零点频率范围内,两动态MTF曲线相对误差最大值和均值分别小于6%,2%,进而证明了测量方法的准确性。     

旋转扫描式成像光谱仪高光谱的几何变形矫正

Offner成像光谱仪是一种线推扫式成像系统,需要光谱仪与物体之间存在相对移动,从而记录整个区域的光谱和形貌信息。在光谱仪镜头前放置一块反射镜进行旋转扫描,也可以对大尺度物体进行高光谱成像,并且相机固定不动。然而旋转扫描时,记录的高光谱图存在较大的几何误差。该工作分析一般情况下Offner成像光谱仪单次拍摄得到的物点和像点的投影关系;根据投影关系,以旋转角为变量,分析物点在成像面上的投影分布,给出图像几何变形的矫正方法。在成像光谱仪上设计并安装了反射镜旋转扫描装置,进行旋转扫描实验,通过矫正算法,得到了清晰的高光谱图。     

双反射镜跟踪高速电影经纬仪的测量原理和数据处理

双反射镜跟踪高速电影经纬仪主要用于测量高速飞行目标的轨迹和姿态,它能同时测量目标的方位和俯仰角度座标和仪器至目标的斜距。经纬仪的光学系统如图一所示。     

旋转双棱镜引起的成像畸变及其校正

针对旋转双棱镜扫描成像中棱镜引起的成像畸变进行研究并通过逆向光线追迹对其实施校正。为估算畸变的特点和程度,根据视轴指向及视场尺寸确定棱镜转角和入射光方向,基于矢量形式的折射定律对视场跨度内的光线通过两棱镜实行追迹。以锗棱镜的红外成像及玻璃棱镜的可见光成像为例模拟成像变形。结果表明,图像沿着偏离系统轴的方向被压缩。偏转角越大,图像变形越突出。为校正成像畸变,从像点通过棱镜实行逆向光线追迹。针对可见光成像搭建旋转双棱镜扫描成像系统并分析其成像畸变,结果表明成像畸变的模拟预测与实验观测结果相符。无论针对模拟图像还是实际图像,逆向光线追迹都能有效地校正成像畸变,改善成像质量。该畸变分析及其校正方法对旋转双棱镜成像应用具有一定的参考价值。     

激光扫描动态图像仪的研制

介绍了使用多个半导体激光器进行扫描形成动态图像的2种方法.一是用激光器旋转实现行扫描,二是用反射镜旋转实现行扫描.探讨了该类仪器的主要结构和工作原理、电路组成以及仪器制作要点等.同时对该仪器如何进一步提高成像质量、拓展使用功能,进行了相应的思考.并对该仪器今后的发展方向和应用前景作了一定的探讨.     

非对称轻小型头盔显示器光学系统设计

针对非对称光学系统视场范围和出瞳直径较窄、光学结构复杂、制造成本昂贵、装配调整麻烦等问题,本文采用在系统中加入自由曲面反射镜的设计方法。首先,论述了双反射镜非对称光学系统的设计要求和工作原理。然后,分析了三反射镜非对称光学系统的离轴结构控制方法。最后,采用XY多项式自由曲面反射镜折叠光路、消除遮拦、扩大视场、校正离轴像差,设计出一款适用于头盔显示器的非对称光学系统。设计的双反射镜非对称光学系统的视场为60°×30°,出瞳直径为8 mm。在截止频率52 lp/mm处,全视场的调制传递函数值大于0.25,系统畸变小于5%,单目系统重量约为190 g。设计结果表明,该非对称光学系统的视场大小和成像质量均有所提升,实现了小型轻量化,可应用于头盔显示器。