旋转双光楔折射特性与二维扫描轨迹的分析

 为实现旋转双光楔二维扫描的可控操作,利用几何光学和光的标量衍射理论,对双光楔的折光特性进行了数学分析。研究发现：绕固定轴以不同角速度旋转的双光楔可等效为一个折射棱角和主截面都变化的单光楔。以该双光楔系统作为衍射屏,对通过双光楔的光束在观察面的衍射光场分布作了理论分析,得到了夫琅和费衍射下,光束经转动双光楔在像平面上的衍射光斑随转角变化的规律：光斑的横坐标与两光楔转角正弦值的差成正比,纵坐标与两光楔转角余弦值的和成正比。     

光线庞加莱球法构建的结构光场及其传输特性研究

结构光场在光信息传输、显微成像以及微粒俘获中有重要作用.本文基于光线庞加莱球法结合不同花瓣数的梅花曲线构建了一类结构光束.根据光线庞加莱球法可计算这类光束在束腰面上的光强与相位分布,以及光束内外焦散线的分布.这些焦散线的特征表明梅花形结构光束具有无衍射与自修复的特性.进一步采用角谱衍射法和光线追迹研究了这类光束在空间中的传输特性.当梅花花瓣数为0时,该光束退化为拉盖尔-高斯光束;当花瓣数为1时,内焦散线汇集到两点,使光束具有无衍射特性.通过光线庞加莱球法获得其光线在空间传播的轨迹,直观地展示了光束被遮挡后的自修复特性.此外,本文还展示了花瓣数为5的结构光束,其内焦散线为十角星结构,该光束同样具有自修复特性.通过修改梅花曲线参数或选择其他庞加莱球面曲线可以构造更加复杂的结构光场.     

用于光纤法布里-珀罗传感器腔长互相关解调的光楔的数学模型研究

光楔是实现光纤法布里-珀罗(F-P)传感器互相关解调的重要光学元件.根据互相关解调的原理分析了造成光楔和光纤F-P传感器F-P腔的反射光相位不同的因素,进而建立了光楔的干涉光强的数学模型,在此基础上对具有不同反射率的光楔的干涉光强进行了数值仿真,和相同反射率的光纤F-P传感器F-P腔的干涉光强对比之后建立了光楔的简化数...     

基于等效矢量模型的双光楔逆解算法研究

为了进一步提高双光楔结构中反解算法的计算精度、减少计算时间,本文将正演迭代法与光楔等效矢量模型相结合,提出等效矢量迭代法.首先,根据光楔对光线的偏转作用建立光楔等效矢量模型.接着,利用矢量叠加的方法求解双光楔出射光线的矢量坐标.然后,将等效矢量模型代入双光楔两步逆解算法中进行计算,求解双光楔旋转角度的近似值.最后,利用...     

光纤法珀传感器光楔式解调系统设计

为了实现光纤法布里-珀罗(简称法珀)传感器腔长的解调,提出一种新型光楔式非扫描相关解调系统,对该系统所采用的器件特性及结构进行分析研究。首先,通过模拟不同光谱分布的光源及不同表面反射率的光楔,分析其相关干涉信号并给出系统器件的最优化结构参数。接着通过对比鲍威尔棱镜与柱透镜在线阵CCD上的光强分布特性,实现更均匀的光谱分布。最后,给出解调系统的具体实施方案及数据处理方法。实验结果表明:光源光谱具有高斯分布且谱宽较大及光楔表面反射率R=0.5时,相关干涉信号特征明显,便于解调。最终解调系统实现在60～100μm腔长范围内误差小于0.025%的解调。这种光楔式非扫描相关解调方案可以实现光纤法珀腔的传感解调,并可以提高不同类型光纤法珀传感器功率适应性。     

三光栅单色仪标定方法研究

 单色仪是一种分光仪器,它通过色散元件的分光作用,把一束复色光分解成不同波长的单色光。文章提出了针对三光栅扫描色散机构单色仪的标定方法。对于采用正弦扫描机构的单色仪多采用多项式拟合方法实现波长标定,其精度高低取决于标定点数的多少。在全波长范围内,多项式拟合标定方法的精度有限。文章根据三光栅扫描单色仪的实际设计方案,采用正弦曲线拟合方法。光栅方程本身符合正弦规律,少量的标定点就可以满足拟合精度要求。适当选取待定参数,可以大幅度减少拟合运算过程中的计算复杂性。根据仿真软件的分析结果,其波长拟合偏误差小于0.5 nm。     

大口径干涉成像光谱仪扫描速度偏差的评估与校正

大口径干涉成像光谱仪通过视场扫描和数据重组获取目标的干涉序列,理想情况下帧间视场移动量为1个像素。若扫描速度偏快或偏慢,按照正常重组算法得到的干涉序列不是源自同一目标,导致图像和光谱出现误差。根据像点在数据立方体中的移动规律,提出了像点轨迹追踪法进行校正,按照轨迹坐标对数据进行重采样获得同一目标的干涉序列信号并校正横向尺寸变形。并利用干涉立方体的投影图像对运动误差校正效果进行评估。     

基于填充因子的微透镜阵列扫描光学系统性能分析

针对通过微透镜阵列通光孔径的光束在不同条件下的填充问题,利用填充因子来表征微透镜阵列系统光瞳位置处光束的填充率,并分析其对系统探测距离、点扩散函数和光学传递函数的影响。基于近轴光学模型,构建了快速计算微透镜阵列扫描光学系统填充因子的数学模型,并提出一种系统设计方法。利用该方法设计了微透镜阵列扫描光学系统,所设计系统的实验结果与理论计算结果吻合,表明该系统的性能良好。     

基于数字微镜的快速轴向扫描系统

为解决双光子荧光显微成像系统轴向扫描问题,提出一种基于数字微镜(DMD)的快速轴向扫描系统。该系统采用DMD选择光路,不同光路放置不同焦距的透镜组对光束发散角产生不同的改变,经物镜聚焦后得到不同深度的轴上扫描点。对该系统的轴向扫描距离、扫描点位置及衍射效率进行了理论计算仿真,结果表明:扫描系统采用4个模块以及5个模块时其轴向扫描距离均可达到1 mm,4模块系统中透镜的焦距为297.3 mm,5模块系统中透镜焦距为361.47 mm。轴向扫描点除边缘点外线性分布, 轴向扫描频率达到几十kHz,满足脑神经成像的要求。     

基于物体特征有效提取和离散点三维重建的3D扫描系统原型研究

针对3D扫描技术的近期发展情况,以及市场关于被摄物体特征有效提取的迫切需求,通过系统的对照相机和投影仪测量的方法与计算,利用离散点三维重建算法、标准化算法详细分析了,作为3D扫描原型系统的关键技术,并深入的对三维坐标重复演算的过程,进行了实践研究与计算,论证了基于投影光编码技术的3D扫描仪原型系统,在物体特征有效提取和离散点三维重建中完全可以高效应用;同时,使用焦距标准化运算、逆向倾角变形运算、逆向扭曲变形运算三种方法,综合论述了物体特征有效提取和离散点三维重建过程的相关内容,测试了原型系统对真实文物的扫描情况,展开了该原型系统可应用于不同材料,不同种类物体的扫描,并能有效的进行数字化物体特征识别的研究结论。     

焦线可调光楔列阵系统的研制

针对原形光楔列阵均匀线聚焦光学系统线长不可调的缺点，研制了可连续改变焦线宽纵比的光楔列阵系统，详细分析了它的工作原理，并作了实验验证，得到二者相一致的结果。     

基于裸光纤探头的双点光子多普勒测速系统

全光纤光子多普勒速度测量(PDV)系统是一种新型的激光测速系统,可广泛用于冲击波、爆轰波以及其他短时高速运动物体的速度测量。多点测量可以获得靶面不同位置的速度,以测量靶面的形变。为提高测量的空间分辨率,提出使用裸光纤束为PDV系统的探头,并在实验上实现了空间分辨率为375μm的双点速度测量。裸光纤探头的间距较小,一个探头的测量结果可能受到另一个探头反射光的干扰。理论和实验的研究结果表明,当靶面各点速度相同时,测量结果不受干扰光的影响;当各点速度不同时,其测速误差不但与两被测点的速度差有关,还与传感光和干扰光的光强和相位有关。     

双复合光楔偏振调制模块消色差研究

为了提高空间振幅调制光谱偏振测量系统中光谱偏振数据和图像的采样精度,对偏振调制模块-双复合光楔调制器的消色差特性进行了研究.根据双复合光楔的消色差原理及其结构形式,分析了不同双折射晶体材料构成的双复合光楔调制器相位延迟量的一阶导数与晶体材料双折射率、楔角的关系,并利用Matlab软件数值模拟寻找最优组合.基于理论分析,采用KDP-石英组合与石英-石英组合进行对比实验,结果表明:KDP-石英组合一级亮条纹相位延迟量对波长的一阶导数数值小于石英-石英组合,证明了KDP-石英组合消色差特性优于石英-石英组合,其结果与理论分析一致.     

用于CCD立靶的双光幕触发系统研究

针对靶场测试当中CCD立靶测量系统需要稳定可靠触发的需求,提出一种双光幕触发系统。采用镜头式光幕探测器配合高亮度LED慢散射光源组成触发探测光幕,利用2个同样的光幕探测器配合测时装置组成区截测速系统,根据测得的速度值判定飞越探测光幕的目标是否为真实弹丸,并决定是否输出触发信号。根据速度值V和触发光幕至CCD探测光幕的距离计算出弹丸飞越至探测光幕的时间,然后在弹丸飞越将近至探测光幕的时刻输出触发信号。该方案不但可以提高系统的稳定性,避免非真实目标对系统的干扰,还可以为后续CCD图像采集系统在准确时刻提供触发信号。经实验证明,所设计的双光幕触发系统的速度测量误差不大于0.4％,完全满足CCD立靶测量系统需要精确触发的要求。     

线结构光自同步扫描三维形貌测量系统

针对空间目标操控任务中非合作目标近距离三维形貌测量的需求,设计了基于激光三角法原理的线结构光自同步扫描三维形貌测量系统.分析了经典的点扫描测量系统模型,扩展建立了线结构光扫描系统模型.构建了测量系统桌面样机,利用二维平面棋盘靶标构建虚拟立体靶标完成了系统参量的标定.分别对已知结构的工件及天宫一号缩比模型进行了测量实验,结果表明:测量距离为1m时,系统三坐标测量误差均优于1mm,Z向距离误差为0.18mm,测量点到拟合平面的距离误差均值为0.31mm.该系统简化了扫描系统结构,能降低空间载荷的重量和功耗,满足空间任务中快速三维形貌测量的需求.     

计算机制彩虹全息图的新算法

提出利用查表方法进行数字彩虹全息的计算方法.根据彩虹全息的基元全息图为线全息图的特点,找出物点与其线全息图的一一对应关系,建立空间点阵物点的线全息物光分布数据表.在对实际物体进行计算时,根据物点的位置,在数据表中找到与之对应的物光分布,并将这些分布进行叠加,从而形成实际物体被狭缝限制的物光分布,最后引入参考光计算其彩虹全息图.本方法充分利用了线全息图的性质,使得计算量大大减小,同时提高了计算速度.     

离轴反射式空间天文望远系统设计及其杂散光抑制研究

为满足天文望远系统大F数、长焦距、轻小型化、高成像质量、高消杂光比等要求,采用库克离轴三反消像散(TMA)光学结构形式,设计了参数为焦距f′=24m,F数16,视场1.6°×1°的离轴望远系统。设计了系统的外遮光罩及其挡光环,并对系统内部的杂光陷阱结构进行优化。利用杂光分析软件对系统的点源透射率(PST)进行仿真计算,结合正向追迹和反向追迹两种方法寻找关键面与关键路径,反复迭代优化改进相应光机结构。设计及仿真结果表明,系统各视场光学传递函数均接近衍射极限,视场外规避角40°时,PST小于10-11,满足空间天文望远系统对成像质量和杂光抑制的要求。     

光互连与电互连的并行运算性能比较

光互连在短距离传输中的应用是未来大规模计算领域的关键技术。针对并行运算系统对高速高效传输的应用需求,研究了不同结构和不同传输方式下并行运算系统的性能,并从并行运算性能这一角度比较了光互连系统与电互连系统的优劣。采用网孔结构和超立方结构两种模型,用加速比和效率两个指标来评价光互连系统和电互连系统在并行运算方面的性能差异。得到光互连系统及电互连系统在进行并行计算时的加速比和效率与计算规模之间的关系,分析了计算规模对计算速比和效率的影响。通过加速比和效率这两个量的比较得到结论,在大规模并行计算中,光互连系统有着电互连系统不可比拟的优势。     

基于改进二次多项式拟合的布里渊频移快速高精度提取算法

为了在保证测量准确性的基础上提高基于布里渊散射的光纤分布式传感的实时性,对布里渊频移的快速、高精度提高算法进行了研究。实现了基于二次多项式拟合的布里渊频移提取算法和典型的基于洛伦兹、高斯、伪Voigt和Voigt模型的算法,采用光时域反射计(BOTDR)实测了一段长光纤上的布里渊谱,采用以上算法提取了对应的布里渊频移。计算结果表明,二次多项式拟合算法的计算速度明显快于以上经典算法,其计算耗时仅分别为以上经典算法的1.15%,1.80%,1.51%和0.51%,但计算误差明显大于经典算法,影响了其实际应用。以上结果与对应数值产生布里渊谱的计算结果吻合。为了提高该算法的计算准确性,系统研究了扫频范围、扫频点数、信噪比、线宽和扫频范围偏差对基于二次多项式的布里渊频移提取准确性的影响。结果表明:当扫频点数固定时随扫频范围增加布里渊频移误差先减少到最小值后逐渐增加,扫频点数固定时最佳扫频范围为1个线宽;扫频范围不变时随扫频点数和信噪比的增加布里渊频移误差分别成幂和指数规律减少;扫频范围与线宽比值不变及扫频点数不变时随线宽增加布里渊频移误差线性增大;随扫频范围偏差增加误差逐渐增大,实际用于拟合的谱信号尽量围绕布里渊频移左右对称。根据以上研究结果提出了一种用于布里渊频移快速提取的改进二次多项式拟合算法,该算法从测量得到布里渊谱中截取1倍线宽且关于最大增益对称的谱信号用于后续拟合,较之经典的谱拟合算法,改进算法不仅能大幅提高计算速度且计算准确性与经典算法相似。采用数值产生及实测布里渊谱的计算结果验证了所提出算法的有效性。提出的算法不仅能有效提高基于布里渊散射的光纤分布式传感的实时性。     

高光谱成像激光雷达扫描镜的分析与设计

扫描镜是高光谱成像激光雷达的重要组成部件,因此,分析了多面体转镜扫描、振镜扫描、圆锥扫描三种扫描方式,推导了不同扫描方式的轨迹,并结合飞机航迹得到发射激光扫描轨迹与扫描方式的关系。在此基础上,设计了一种用于高光谱成像激光雷达系统的圆锥扫描方式。实验结果表明,在飞行高度为500 m、激光脉冲重复频率为130 kHz、激光发散角为0.3 mrad时,该方式满足视场角等于30°、两个相邻脉冲夹角小于1 mrad的要求。相比其他扫描方式,圆锥扫描可提高激光雷达光斑脚点的密度,为数据的有效采集和地物的精准分类提供了帮助。