高超声速流场成像质量特性及校正方法

光学成像制导飞行器在大气层中以高超声速飞行时，其成像窗口附近强压缩流场的气动光学效应会导致成像过程出现抖动、偏移和模糊，影响制导精度.为研究该问题，搭建了基于高超声速（Ma = 6.0）炮风洞的气动光学地面模拟平台.利用高速摄像机获取了多种喷流压比状态下光学头罩成像图片，研究了成像特性.基于背景纹影技术（background oriented schlieren，BOS）直接获取气动光学畸变的点扩散函数信息，结合Wiener滤波方法对地面模拟平台获取的成像畸变结果进行了校正，并结合灰度分布、峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio，PSNR）和结构相似度（structural similarity，SSIM）对校正结果进行了定性和定量评价.成像结果表明，头罩无冷却喷流时成像质量最好，在压力匹配附近头罩成像质量相对于欠压喷流和过压喷流成像质量较好.图像校正结果表明，风洞运行过程中采集的时间序列图像在校正之后所对应的灰度分布情况、PSNR和SSIM都得到提高.      

引射式气动窗口的光束质量研究

 实验研究了引射式气动窗口喷流引射对输出光束质量的影响,给出了不同引射喷管喉道尺寸下,不同引射喷流滞止压力时的气动窗口光学特性参数,其中包括:Strehl强度比,波像差最大值,波阵面形状,均方根值以及调制传递函数。实验表明,除引射喷管喉道尺寸dH=2.5mm,引射喷流滞止压力为0.5MPa工况外,其它工况时喷流引射对输出光束质量影响很小。因此引射式气动窗口可以保证输出高质量的光束。     

基于背景纹影的几何光学传递函数测量技术

光学传递函数是评价像质的重要指标,是光学系统设计的重要辅助参数.基于背景纹影技术获取光线通过折射率场的位移场数据,结合马吕斯定理,获取了对应的波前梯度数据.结合光学传递函数计算方法,实现对光学传递函数的获取.利用上述思路完成了对某平凸透镜光学传递函数的测量,并将其与ZEMAX计算得到的光学传递函数进行比较.对比了低频处的实验结果和理论结果,其误差不超过4.0%.分析了误差产生原因并验证了基于背景纹影技术对低通系统进行光学传递函数测量的可行性和有效性.     

静态应力作用下预测光学系统性能的计算方法

本文通过计算预测光学性能的方法表征在光学系统组装和外界环境因素影响下的光学系统灵敏度。该方法即通过调制传递函数来表征静态机械应力对光学物镜性能的影响。采用光学干涉仪对经过加工、组装且存在机械应力的光学物镜进行测试,并比较实验调制传递函数与计算模拟分析的调制传递函数。结果表明,计算结果与实验结果相符,证实了本文方法的有效性。     

傅里叶变换光谱成像仪光谱传递函数研究

根据光学传递函数理论,定义了光谱成像仪的光谱传递函数. 针对基于Michelson干涉仪的时间调制傅里叶变换（FT）光谱成像仪,基于Sagnac干涉仪、Fresnel干涉仪、Lloyd干涉仪的空间调制FT光谱成像仪,推导出相应的光谱调制传递函数和光谱相位传递函数解析表达式,并分析了其物理意义. 光谱传递函数为评价相应光谱成像仪在光谱域的性能提供了一种量化的判据. 与空间域的光学传递函数相结合,成为反映光谱成像仪综合性能的客观依据. 关键词： 傅里叶变换 光谱成像仪 光谱传递函数     

静态应力作用下预测光学系统性能的计算方法（英文）

本文通过计算预测光学性能的方法表征在光学系统组装和外界环境因素影响下的光学系统灵敏度。该方法即通过调制传递函数来表征静态机械应力对光学物镜性能的影响。采用光学干涉仪对经过加工、组装且存在机械应力的光学物镜进行测试,并比较实验调制传递函数与计算模拟分析的调制传递函数。结果表明,计算结果与实验结果相符,证实了本文方法的有效性。     

飞轮微振动对空间相机调制传递函数的影响

结合集成建模法和光线追迹法研究飞轮微振动对相机成像质量的影响.采用集成建模法,建立飞轮微振动的扰动模型、卫星和相机的有限元模型,进行瞬态响应分析,得到6个方向力或力矩单独作用下相机各反射镜随时间变化的位移.采用光线追迹法,由反射镜位移和入射光线,根据折射定律计算折射后光线的位置、方向及与光轴的夹角.由得到像面处的光斑坐标和位移,运用运动统计矩计算系统调制传递函数.结果表明:响应周期与激励周期无关;激励的作用时间长度和采样时间长度均会影响调制传递函数;不同方向振动激励造成的调制传递函数变化的大小不同,而不同方向对包含原光学系统的调制传递函数的影响类似仅振动对调制传递函数的影响;当振动分别作用My、Mz值时衰减最大,达到0.1左右.该方法较理论推导简便快捷,能获取微振动与调制传递函数的关系,为系统优化设计和隔振措施提供参考.     

反射式光学像面拼接方法研究

目前,电荷耦合图像传感器的像面尺寸不足以满足现代空间光学系统的需求,本文采用反射式光学系统拼接的方法来扩大光学系统的视场.针对光学拼接带来的渐晕和使调制传递函数变小的问题,研究了一种带有6个反射面的反射镜光学拼接系统,分析了反射镜拼接系统渐晕的特点,提出采用子子像面间渐晕补偿法消除子像面交界处的渐晕,并对像面边缘的渐晕进行补偿.另外,通过合成点扩散函数法来改善光学拼接系统的调制传递函数,结果表明:合成图像的调制传递函数与子图像的调制传递函数相比,虽然截止频率没有提高,但在同一频率处的值有明显的提高.     

带超声速气膜高超声速光学头罩气动光学效应抑制实验

高超声速（Ma_∞=6.0）炮风洞中带超声速（Ma_c=3.0）喷流光学头罩受到周围绕流影响出现气动光学畸变.利用基于背景纹影（background oriented schlieren,BOS）的波前测试方法测量了光学波前畸变.研究结果表明:瞄视误差（bore sight error,BSE）与喷流压比（pressure ratio of jet,PRJ）之间近似呈正相关.在有喷流的情况下,压力匹配时瞄视误差相对比较小,并且喷流压比对气动光学高阶畸变的影响不显著.微型涡流发生器（micro vortex gene-rator,MVG）对瞄视误差影响不明显,但是对气动光学高阶畸变的影响较为显著.基于波前互相关结果,施加微型涡流发生器之后,波前结构尺寸从0.2A_D减小为0.1A_D.结构尺寸的减小较为有效地抑制了气动光学高阶畸变并且提高了波前的稳定性.      

推扫式光电成像系统调制传递函数测试装置的设计

光学遥感系统采用线阵CCD推扫成像方法获取地面景物的高分辨图像信息,调制传递函数(MTF)是评价系统成像质量的重要参数。使用矩形波板作为目标在Nyquist频率处测试光电成像系统的静态调制传递函数可以定量评价系统的成像质量。由于采用线阵CCD推扫成像的光电系统还需要测试其在像移补偿、偏流角控制状态下的动态调制传递函数(Dynamic MTF),才可以定量评价系统在工作状态下的动态成像性能。为此,论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理,研究了测试系统的组成与工作方法,对其中的平行光管组件与动静态目标发生装置进行了仿真设计。其中平行光管的波像差优于25 nm(RMS),静态目标发生装置的调焦精度优于3 m,动态目标发生装置的输出像移补偿偏差小于5/1 000,照明均匀性优于95%,可以理论上实现非相干照明。上述仿真设计结果可以满足新型光学遥感成像系统实验室内动静态调制传递函数的测试需求。     

二维调制传递函数及其在波前差检测方面的应用

光学系统像质分析在光学系统设计、加工和装调过程中具有重要意义.像质分析常用的方法有调制传递函数法和波前差法.对于高分辨率光学系统,传统的一维调制传递函数由于只提供了一维空间频率信息,因此在像质检测时有一定的局限性.本文基于随机数图像的傅里叶功率谱密度理论,提出了一种利用随机数图像作为目标物来测量成像光学系统二维调制传递函数的方法;通过利用NewtonCotes求积公式,对有像差系统的光学传递函数计算公式做进一步推导,提出了利用实际成像光学系统的二维调制传递函数值直接计算系统波前差的算法.实验结果表明,二维调制传递函数较之一维调制传递函数更能真实地反应成像光学系统的成像性能;利用二维调制传递函数计算得到的波前差与理论波前差在轮廓上有较好的一致性,可以作为实际系统波前差分析的一条新途径.     

矩形波板法测量光锥与CCD耦合器件的光学传递函数

本文采用直接对矩形波板成像的办法,测得系统的对比传递函数,然后再利用系统对比传递函数与系统的调制传递函数的关系,得到系统的调制传递函数.该方法克服了传统刀口扫描法的缺陷,消除了由于离散型光学元件的离散性产生的空间非平移不变性的影响,减小了测量误差,提高了精确度.     

光学稀疏孔径系统的成像及其评价方法

对典型阵列结构的光学稀疏孔径系统成像特性进行了数值仿真分析,并采用基于光学实验测量的调制传递函数（MTF）完成了光学稀疏孔径系统成像实验的图像复原处理.针对复杂目标成像,为了评价光学稀疏孔径系统最终成像的整体质量,不仅考虑系统的调制传递函数指标,还提出了一种基于相关系数的成像质量客观评价方法.数值仿真结果和光学实验结果均表明,基于相关系数的成像质量客观评价方法是可行的,实验说明光学稀疏孔径系统成像质量可以达到其等效单个大孔径成像系统的成像效果.     

高分辨率航空相机动态调制传递函数数值分析

航空振动是影响动态高分辨率航空相机成像质量的主要因素.利用"运动的概率密度函数相当于光学系统的点/线扩展函数"这一概念,采用光学传递函数的理论,并运用调制传递函数(MTF)作为评价像质的工具,得到了动态调制传递函数的一般表达式.详细分析线性运动、正弦规律变化的振动和随机振动对像质的影响,并用Matlab软件进行仿真分析.结果表明,得到的结论与其它相关文献的分析结果和理论相吻合的,而且该方法可以推广到二维运动形式下的调制传递函数分析.对振动下系统MTF 与静态情况下进行了实验比较,结果表明在相同奈奎斯特频率处下降0.3左右,与仿真结果一致.该方法可用于预估与评价航空相机和其他光电系统成像质量,该结果也可用于去卷滤波以实现图像复原.     

线性离散成像系统调制传递函数的随机条纹测试法

离散光电成像系统因其不再具有平移不变特性,它的调制传递函数测试具有相当的复杂性和不稳定性。为提高光学系统调制传递函数测试的灵活性和可重复性,在基于统计光学和随机信号相关性理论的基础上,分析了离散型空间随机信号经线性光学系统成像后的物像相关性,提出了应用随机条纹靶来测定调制传递函数的方法。并给出了计算数据结果。该方法从统计意义上考虑了离散采样成像器件的采样场景相位的影响,大大提高了现场测试的灵活性和自动化程度,具有很好的应用前景。此方法同样适用于一般光学成像系统的调制传递函数测量。     

激光原位角膜磨镶手术后不良症状的光学分析

测量了准分子激光原位角膜磨镶(LASIK)手术后人眼的单色像差。并根据术后症状,将所有数据分类为视物星芒状组、单眼复视组、视物雾状组和参考组。视物星芒状组和视物雾状组的三阶和四阶泽尼克(Zernike)像差的均方根(RMS)值明显大于无症状的参考组。术后有不良症状各组的人眼的调制传递函数(MTF)明显低于参考组的调制传递函数。在明视觉条件下,四阶像差特别是对称性的泽尼克球差,对调制传递函数的影响大;而在暗视觉条件下,三阶像差特别是非对称性的泽尼克彗差对调制传递函数的影响大。四阶以上的高阶像差对各有症状组的调制传递函数曲线有影响,而这些高阶像差对参考组的调制传递函数已无明显影响。像差的均方根值和调制传递函数曲线是研究术后不良症状的较有效光学手段。     

偏振双向衰减对光学成像系统像质影响的矢量平面波谱理论分析

偏振双向衰减(diattenuation)是指偏振元件引入的光场传播过程中表征电矢量的两个正交偏振态的振幅变化特性.在大部分有关偏振像差的讨论中,聚焦光场偏振态的振幅变化对其分布的影响较小而不被重视.但在一些大相对孔径光学系统中,对于分束器、光调制器等有复杂平面介质结构的低透过率光学元件而言,引入的偏振相关的振幅调制相对大得多.本文依据矢量平面波谱理论,建立了笛卡尔坐标系下的理想光学成像系统的矢量光学模型,验证了与德拜矢量衍射积分的一致性.在线偏振光入射的条件下,对在汇聚光路中使用的光学元件的偏振双向衰减特性对成像质量的影响进行理论研究.结果表明,在调制传递函数的低频率处(v0.2NA/λ),这种影响是可以忽略的;随着空间频率的增加,光学元件的偏振双向衰减特性对成像系统调制传递函数的影响逐渐变大.若要求调制传递函数的数值不低于衍射极限的90%,中频处(0.2NA/λv0.8NA/λ),s光和p光的透射/反射系数之比至少需要控制在[0.63,1.6]的范围内;而当v0.8NA/λ时,则需要控制在[0.9,1.11]的范围内.随着光学系统光轴与光学分界面法向的倾角增加,容差范围有所放宽.     

像增强器MTF测量理想像面选择方法研究

为了能够获得准确的调制传递函数测量结果,对测量系统中投射图像的理想成像面进行选择性调节。通过对微光像增强器调制传递函数测量系统光学成像性质的深入分析,讨论了光学系统的像差特性,利用平均中点取值法实现了微光像增强器调制传递函数测量中对理想成像面的选择。通过与微光像增强器已有测量结果的对比,证明所述方法能够保证微光像增强器调制传递函数测量的准确性。     

分数域滤波的分数傅里叶变换光学成像性能分析

将分数域滤波同光学成像相结合,提出了一种基于Lohmann Ⅰ型的带有滤波孔径的两级联分数傅里叶变换光学成像系统.根据分数傅里叶变换和菲涅耳衍射之间的关系以及分数傅里叶变换的分数阶可加性,结合分数域滤波分析了分数傅里叶变换光学成像的基本理论.以点扩散函数和调制传递函数作为评价成像质量的准则,详细分析了不同分数阶光学系统...     

空间碎片天基光学探测系统离焦问题分析

从相对距离、大气压力、温度变化三个方面分析了天基光学探测系统离焦产生的原因及离焦变化情况,提出通过离焦调制传递函数模型分析离焦对系统性能影响的方案,仿真分析了不同离焦量下系统等效调制传递函数的变化及其对成像质量的影响.结果表明,随着离焦量的增加,图像质量逐渐下降,相对距离变化导致的离焦为正值,大气压力变化导致的离焦为负值,温度变化导致的离焦在中心温度左右有正有负,三者导致的离焦量可部分抵消.该研究为天基光学探测系统的设计、补偿措施的制定以及性能评估提供了数据支持.