基于离散阵列光源的空间光学系统对准

为了解决基于波前或星点图对准大口径空间光学系统时计算量大、面形误差影响大等问题,提出了一种基于离散阵列光源对准空间光学系统的方法.给出了离散阵列光源的设计、检测和标定方法,并以此为基础设计了对准检测光路.以某在研RC望远镜为对象,用离散阵列光源产生参考光,设计了一个用于快速对准主次镜的检测光路.在光学系统设计参数已知的情况下,根据像平面上的点列图,建立了主次镜位置信息和点列图分布信息的函数关系.利用光学设计软件和数学计算工具建立仿真平台,并进行了主次镜的仿真验证.仿真结果表明,使用离散阵列光源可以有效减少计算量,降低面形误差和杂散光的影响,提高对准效率,并且具有较高的计算准确度.     

20单元双压电片变形镜对Zernike像差空间拟合能力的实验研究

利用20单元双压电片变形镜和13×13阵列哈特曼波前传感器所构成的闭环自适应光学系统,实验测试了双压电片变形镜对3～20项静态Zernike像差的空间校正能力,并将实验结果与仿真计算结果进行了对比.最后分析了哈特曼传感器与双压电片变形镜之间的对准误差对实验结果的影响.研究表明,除了少数几项外,双压电片变形镜对3～20项Zernike像差的拟合误差都小于0.5,各项Zernike仿真和实验结果之差平均小于0.1.计算表明,与严格对准的理想情况相比,双压电片变形镜对3～20项Zernike像差中大多数项的拟合误差都随着失配程度的增加而增大,对准精度对于高阶像差拟合效果的影响尤其严重.     

非球面扇形分块镜的拼接误差仿真与反演

根据红外望远镜2m非球面拼接主镜的要求,通过非球面方程导出波像差表达式,建立波像差与干涉亮纹之间的关系,建立ZEMAX模型,编写MATLAB程序对拼接误差与干涉条纹的泽尼克多项式像差之间的关系进行仿真.提出基于误差灵敏度矩阵实现误差线性反演的方法,建立整个拼接镜的误差反演算法,并对单个扇形分块镜的拼接误差进行反演.结果表明当拼接平移误差小于1mm或倾斜误差小于1°时,反演误差优于3%且迅速收敛,当拼接误差小于0.1mm或倾斜误差小于0.1°时,反演误差优于0.5%,且随着拼接误差的继续减小而趋近于零.该反演方法准确度高,算法简单,有效,适合工程应用.     

基于混合优化算法的分块镜共相位误差校正

对采用分块拼接式主镜的大口径空间望远镜,有必要研究适合在轨应用的共相位误差校正方法。以像清晰度函数作为评价函数,通过仿真分析了单色光和白光照明2种情况下分块镜共相位误差与评价函数的变化关系。仿真结果表明:采用单色光照明时,分块镜平移误差校正的动态范围小于0.5λ;采用白光照明时,评价函数存在局部极值,必须采用全局最优化算法。仿真结果表明,当平移误差大于0.5λ时,采用随机并行梯度下降(SPGD)算法易陷入局部极值,而采用遗传算法(GA)可以搜索到全局最优解,但迭代速度较慢。提出了采用基于SPGD算法和遗传算法的混合优化算法校正分块镜共相位误差。当平移误差在[-λ,+λ]范围内时,混合优化算法的校正精度可优于10 nm。     

平面阵的方位估计算法及其误差分析

提出了一种基于信号相位匹配原理的平面阵方位估计的奇异值分解(SVDSPM)算法.推导了方位搜索需要的时延计算的一般公式,仿真分析了几种典型平面阵的方位估计性能,仿真结果表明: SVDSPM方位估计算法的性能优于MUSIC算法;理论分析了目标距离、传声器位置误差和接收通道幅度和相位不一致性等对定向性能的影响;以十字平面阵为例,仿真分析了上述几种因素对方位估计精度的影响,仿真结果表明:当传感器安装误差小于10 mm,接收通道幅度不一致性小于1.5 dB,接收通道相位不一致性小于10°和目标初始俯仰角大于45°时,方位估计的标准差小于0.5°.     

三点支撑变形对三反射消像散望远镜像散场的影响

为了提高大口径望远镜的装调效率,对具有三点支撑变形的大口径三反射消像散望远镜在装调过程中的像散场分布进行了研究。采用矢量像差理论和孔径坐标变换,分析了在孔径光阑和非孔径光阑处反射镜存在三点支撑变形时,像散在望远镜失调和非失调情况下的分布特性。最后,在光学设计软件CODE V中利用条纹Zernike多项式Z10和Z11来模拟反射镜三点支撑变形引入的面形误差,通过实际光线追迹对像散场分布特性进行了验证。分析结果表明:当三点支撑变形位于主镜(孔径光阑)上时,不会影响望远镜的像散场分布;当三点支撑变形位于次镜或三镜(非孔径光阑)上时,将会产生与视场共轭成线性的像散项,导致望远镜在失调或非失调情况下的像散出现不同的分布特性。在最终装调时,通过分析像散场的分布可对望远镜的装调状态进行定性的分析,从而为大口径三反射消像散望远镜的装配提供指导。     

不同对准误差下的小孔衍射波面误差分析

点衍射干涉仪中小孔对准误差是影响衍射参考波面质量最主要的误差源。基于瑞利索末菲矢量衍射理论,建立了非傍轴高斯光束经小孔衍射的严格数学描述,对不同对准误差下的小孔衍射波面误差进行了分析,在分析中特别考虑了会聚光斑大小的影响。研究表明:小孔对准误差的引入使得衍射波面偏差迅速增大,且衍射波面偏差随对准误差的增大呈线性增长;相同对准误差下,衍射波面偏差随会聚光斑半径的增大而减小,要获得同等衍射波面偏差,允许的对准误差随会聚光斑的增大呈近同倍数增长。给出了0.5~3μm小孔在不同会聚光斑直径和小孔对准误差下的衍射波面误差分布数据,研究结果可为点衍射干涉仪中会聚透镜的选取、小孔对准精度要求的确定以及小孔衍射波面误差的估计提供重要参考数据。     

基于Hough变换的高精度机器视觉对准系统的研究

随着集成电路特征尺寸的不断减小,I/O引脚数日益增加。对于高密度封装,尤其是2.5D/3D封装中,电子元件和基底快速而准确的对准十分关键。利用高性能CCD搭建了一套精密的光学视觉对准系统,并采用Hough变换算法对芯片和基底进行对准试验。采集的图像经过去噪预处理后采用形态学边缘检测方法提取对齐标记,并通过Hough变换得到4组平行直线,然后计算基底的位移和旋转角度并完成对准。使用Matlab编程配准,程序运行时间约为4.2 s,旋转参数的误差小于1.2°,x和y轴的平移误差均小于1 pixel。试验结果表明基于Hough变换算法的光学视觉对准系统可以快速而精确地实现芯片和基底对准,满足IC封装需求。     

基于回路对准的大失准角传递对准技术研究

提出了一种大失准角情况下的传递对准方法,该方法基于回路对准使子惯导的姿态振荡误差衰减到小角度后进行滤波传递对准,设计了速度加姿态匹配的传递对准滤波模型。与传统传递对准方法相比,该方法无需建立子惯导非线性误差模型,应用经典Kalman滤波即可快速地完成对准。仿真试验表明,在大失准角情况下,子惯导失准角用外部速度可以调平到30′以内,传递对准姿态误差最大为0.5′,方位误差为2′。     

反射式激光扩束器的切换变倍技术

反射式扩束常用于大功率的激光发射装置,但在离轴状态下,仅仅控制多组镜片之间的相对距离并不能像透射式扩束一样顺利实现变倍。从扩束望远镜系统的失调状态得到启发,提出一种两片次镜切换变倍的光学方案,针对一束CO2激光器发出的直径为54mm的激光束,完成了离轴工作时1.5倍和3.0倍两个档位的扩束光学设计。仿真结果证明了扩束功能的正确性,而且与主次镜相同曲率半径下同轴使用的失调望远镜系统的调制传递函数(MTF)曲线基本吻合,对离焦量进行补偿之后的成像效果能够达到衍射极限。     

引力波望远镜的装调误差对TTL耦合噪声的影响

本文研究了引力波望远镜的装调误差对望远镜的TTL(tilt-to-length,角度抖动与光程读出之间的)耦合噪声的影响。保持其他参量不变,仅对引力波望远镜中的某项装调公差进行赋值,仿真分析引力波望远镜中的某项装调公差对出瞳位置变化的影响,进而计算出激光干涉信号经过全玻璃激光干涉仪最终在四象限光电探测器上进行干涉时,由于引力波望远镜的装调公差的存在导致的TTL耦合噪声的变化情况。通过对比发现,引力波望远镜的主镜与次镜的距离公差,对引力波望远镜的TTL耦合噪声的影响大于其他光学元件之间的距离公差对TTL耦合噪声的影响。主镜和次镜之间的距离公差导致的TTL耦合噪声的变化与次镜和三镜之间的距离公差、三镜和四镜之间的距离公差导致的TTL耦合噪声的变化符号相反;光阑和主镜之间的距离装调公差对TTL耦合噪声的变化影响很小,可以忽略不计。各个光学元件的距离装调公差导致的TTL耦合噪声的变化量与抖动角度之间呈抛物线规律分布。在装调空间引力波望远镜时,应着重控制主镜与次镜之间的距离误差。并且可以使用次镜和三镜之间的距离装调误差、三镜和四镜之间的距离装调误差导致的TTL耦合噪声来抵消由装调主镜和次镜之间的...     

一种大视场望远镜误差校正方法的研究

基于两镜反射式望远镜系统,以主镜为基准,分析了当非球面次镜由于偏心、倾斜、主次镜间距产生变化时对望远镜系统波前像差的影响。根据理论分析,提出了一种望远镜系统误差校正的方法。该方法先后以轴上视场光斑的半径和全视场光斑的平均半径作为成像质量的评价指标,利用随机并行梯度下降算法对次镜的位置进行调整,最终使全视场光斑半径的平均值收敛到极值,即认为成像质量达到最佳。针对里奇-克列基昂(R-C)结构望远镜系统进行了仿真分析。结果表明,次镜位置调整后能够使视场内所探测的光斑半径的平均值收敛到极值。该方法使望远镜系统误差的校正具有外在标准,能够使望远镜在观测过程中进行校正。     

分块拼接望远镜的数值仿真

为了更好地了解拼接望远镜光学系统的光学性能,对拼接主镜中分块镜的各种误差对望远镜光学系统的影响进行有效的分析计算。从几何光学入手,采用光线追迹方法,建立了拼接望远镜光学系统的数值仿真模型。利用该模型,可以模拟不同口径和分块镜数拼接望远镜的光学系统;可仿真分析拼接主镜中分块镜由于轴向平移、倾斜、旋转和径向平移等各种误差引起的波像差以及对远场图像的影响。并计算了不同误差项对光学系统斯特雷尔比的影响,为发展大口径望远镜提供技术支持。     

大视场双目头盔投影光学系统设计

设计了一种新型的头盔投影光学系统，解决了头盔系统中大视场和双目实现之间的设计矛盾，且有较小的重量和尺寸.系统的特性参量为：视场角60°，有效焦距30 mm，出瞳距离25 mm，出瞳直径12 mm.该系统由折/衍混合双高斯镜头、半透半反镜和回射屏组成.像差分析结果表明，系统的最大像散为0.27 mm，垂轴色差小于2.7 μm，畸变小于3.8%，最小分辨角为0.5 mrad，成像质量高.     

基于EKF的水下LD通信精对准控制算法

高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.     

基于消像散反射面的离轴虚像系统设计

为了解决离轴虚像系统中像散对清晰度的影响问题,提出了一种在全视场范围内消像散的反射面设计思路,并给出了基于微分方程的消像散反射面的设计算法。设计的消像散面型可以有效地校正系统各视场的像散,减小弥散斑尺寸。将消像散面型应用在视场为60°×40°的离轴虚像系统中,各视场弥散斑半径均小于艾里斑半径。将采用消像散反射面的设计结果与相同参数下采用球面和轮胎面时进行对比,可以发现,在采用消像散反射面的设计结果中,弥散斑均方根半径和像散绝对值小于全视场范围内采用球面时的20%,且小于边缘视场内采用轮胎面时的20%。     

基于平面导航系的极区传递对准算法研究

针对极区经线快速收敛导致基于传统导航坐标系的传递对准模型和误差方程不适用的问题,提出了基于平面导航力学编排的极区传递对准算法,并设计了"速度+姿态"匹配的传递对准滤波模型。该算法基于Kalman滤波最优估计理论,利用舰艇主惯导高精度姿态、速度信息对局部基准姿态失准角进行估计补偿,以达到局部基准极区动基座条件下快速初始对准的目的。仿真结果表明,在中海况条件下,局部基准可在20s内完成方位精度为5′、水平姿态精度为3′的初始对准。     

600mm自适应望远镜最佳子孔径数仿真研究

基于自适应光学望远镜的成像特性,分析像斑中心亮度最大以及剩余波前误差最小两种情况下望远镜变形镜的最佳子孔径数范围,利用ZEMAX软件对驱动单元正三角形和矩形布局的变形镜波前校正进行仿真模拟,通过对含高速倾斜镜和不含高速倾斜镜两种情况下望远镜的分析,得到600mm自适应望远镜的最佳子孔径数。     

基于光机集成仿真技术的摆镜特性分析

为考察相关跟踪系统摆镜在静力和动力载荷工况下面形参数是否满足工程需求,基于光机集成仿真技术对相关跟踪摆镜特性进行了分析,得到了在静力和时间历程载荷所对应的三种工况下的面形变化分布和面形表征参数,并对仿真结果的数据可靠性进行了数值角度验证。结果表明,光机集成仿真方法可以有效地消除由动力载荷产生的主动刚体位移,可得到摆镜面形参数和在动力载荷作用下不同时刻的摆镜面型变化,弥补了在实验条件下难以测得由动力载荷作用的面形参数和面形分布情况。当1g加速度载荷在摆镜光轴方向上时,静力载荷对面形的影响起主导作用;当1g加速度载荷不在摆镜光轴方向上时,动力载荷对面形的影响起主导作用。通过光机集成仿真结果对所设计的摆镜在相应工况下的面形进行有效评估,获得了有意义的设计指导数据。     

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.