能见度仪探测光束平行度检测方法

为实现能见度计算中消光系数的正确测量,论述了光源平行度在能见度测量中的重要作用,设计了探测光束发散角检测方法与测量装置。该装置包括定焦成像系统和移动光源的直线系统,利用成像关系与空间几何关系推导了发散角表达式。以紫外LED作为实验光源,设计完成了测量系统成像装置与控制软件,计算得到水平方向与垂直方向发散角,利用所得发散角分析探测光束。实验结果表明,紫外LED光源的光束发散角水平与垂直方向分别为78°和69°,经比较得到未加入平行度的能见度与加入后的比值为051。该方法测得的能见度值更接近于实际值。     

透射式能见度仪LED光源表面特征对能见度测量的影响

从透射仪的光学测量系统出发,理论分析了光学测量系统光源对透射仪探测光束远场光斑特性的影响。结合LED光源的发光原理,研究了LED光源的表面特征,分析了LED光源表面特征与透射仪能见度测量的关系。通过仿真实验证实了光源表面特征对透射仪探测光束准直和能见度测量稳定性产生影响。研究结果表明,LED光源表面特征会影响探测光束远场光斑能量分布,在50 m基线下,使得透射仪探测光束准直中心发生位置偏移25 mm,接收光强最大变化20%,从而影响透射仪发射端对准和能见度测量。通过加扩散片和光阑限制可以明显改善远场光斑特性,远场光斑中心能量分布趋于均匀,在中心区域内接收光强变化在1%以内。     

新型LED光源气溶胶探测雷达系统优化设计与初步实验

为了实现近地面、多波长气溶胶时空探测,克服激光波长可选择性不足的问题,利用LED丰富的光谱特性,设计了一种新型发光二极管(LED)光源雷达。LED能量小且发散角大,其出光能量、发散角、接收视场角和几何重叠因子都会对LED光源雷达探测距离产生影响。针对共轴LED光源雷达系统的特点,分析了几何重叠因子的特征和计算方法,详细讨论了光源发散角和接收视场角对几何重叠因子的影响。结合LED光源的特点,利用美国标准大气模型对雷达系统的探测能力进行了仿真,优化了光源发散角和接收视场角,在LED能量一定的情况下获得了最大的探测距离。搭建了LED光源雷达系统并完成了初步实验观测,结果表明该雷达夜晚能够接收到240m远处的大气回波,验证了雷达探测低层大气气溶胶的能力。     

一种改进的夜间数字能见度测量方法

为降低背景光噪声对数字摄像法夜间能见度测量的不确定性影响,对双光源法能见度测量系统进行改进。该系统利用避光筒限制CCD相机视场角,拍摄2个位于不同距离的LED背光源,然后对摄取到的图像进行处理得到光源图像的灰度值,再根据阿拉德定律求得大气消光系数,计算出大气能见度值。通过在无背景光、有背景光未加避光筒和加避光筒3种条件下的比对实验,分析光源图像的灰度信息,并将实验结果进行处理,得出有避光筒和无避光筒时测得的能见度值与无背景光下测量结果的相关系数分别是0.911 3和0.322 7,均方根相对偏差分别是6.87% 和23.38%。结果表明:系统抑制背景光噪声的能力明显增强,能较准确地测量夜间能见度。     

猫眼效应中离焦量对激光回波发散角的影响

平行光束或者激光束在光轴方向上照射焦平面成像系统时会产生猫眼效应,焦平面探测器安装的正交性与离焦量直接影响猫眼回波的光学特性,进而影响基于猫眼效应的探测系统的性能。针对猫眼效应中离焦量与后向反射光束发散角之间关系,利用物理光学进行分析,建立理论模型,对焦距为0.18 m的焦平面探测成像系统进行数值计算得到:在离焦量为0.16 mm时,发散角最小（0.019 mrad）。搭建实验系统,测试离焦量与猫眼回波发散角,测得离焦量在0.15 mm附近存在最小的发散角为0.025 mrad,与计算结果0.019 mrad基本吻合。研究表明:1） 负离焦对发散角的影响大于正离焦;2） 猫眼回波发散角基本上随着离焦量绝对值的增加而变大,但是变化曲线并不关于零离焦量点对称,而是在某个正离焦处存在一个最小发散角。     

准单色近平行光束的X射线源

针对准单色近平行光束X射线背光成像诊断需求,提出了一种用球面弯晶进行X射线衍射选单从而获取准直光束的新方案.在神光Ⅱ装置上,设计了基于球面弯晶X射线衍射选单准直光束系统,完成了该系统的安装、调试和实验应用,获得了准单色(10~(-3)△λ/λ10~(-2))、小发散角(2 mrad)和大辐照匀斑(直径φ500 m)的X射线光源.同时基于衍射光学和球面镜成像理论,研究了不同布拉格角对球面弯晶X射线衍射光束发散角及其像散差的影响.结果表明,布拉格角会影响球面弯晶X射线衍射光束的发散角.用控制布拉格角范围的方法有望获得发散角优于1 mrad的近平行光束X射线光源.这种准单色、极小发散度和均匀角分布的X射线光源可应用于高分辨X射线成像诊断.     

激光引信中半导体激光器的准直及其测试

在理论上分析了单级单透镜光学系统对激光高斯光束发散角的影响。用单个平凸透镜对激光引信中的半导体激光器进行了准直，达到了激光引信光束准直的要求。通过CCD成像方法对准直后的光束发散角进行了测量，利用二阶矩算法计算出光束发散角。实验测得2个方向的发散角分别为θx=7.03°和θy=0.69°，验证了准直系统达到激光引信要求的θx＜10°和θy＜1°技术指标。     

精确测定X光透镜发散度的实验方法

为了建立精确测定X光透镜发散度的实验方法,提出了有效X光源的概念,得到X光束发散度的准确值.推导出了X光束发散度的理论计算公式.零点扫描实验方法证明了理论公式的正确性.晶体转动实验方法测量了X光束的发散度,与理论值符合得很好,晶体转动实验方法应用到对X光透镜发散度的测定可以消除分析晶体不完整性的影响.     

基于电荷耦合器件探测气溶胶散射相函数与大气能见度的研究

提出一种测量大气气溶胶散射相函数及能见度的方法,并且设计了以半导体激光器为光源和以电荷耦合器件(CCD)为探测器的实验装置,利用该实验装置测量了15°～45°的散射灰度值角分布。根据激光雷达方程和Henyey-Greenstein散射相函数理论,拟合气溶胶的相函数分布,计算其能见度。将拟合得到的相函数和计算的能见度的结果分别与POM天空辐射计和Belfort能见度得到的观测结果进行对比,结果表明两者一致性较好,证明了利用激光光源和CCD测量气溶胶相函数和能见度的可行性。     

基于CCD测量激光光束质量M~2

设计并搭建了一套基于CCD测量激光光束质量M2的系统。采用CCD测量激光光束在不同位置处的光束直径,通过非线性最小二乘法拟合测量数据获得光束腰斑直径和远场发散角,再通过公式计算得到激光光束质量M~2。利用本系统测量多组数据,并与专业M~2仪所测的数据进行对比,二者一致性较好,表明采用本实验装置测量激光光束质量M~2可以有效地替代M~2仪。     

LED阵列光源的舞台灯变焦透镜系统

 针对国内大功率LED阵列光源舞台灯具在光束角度不可变和光能利用效率低等问题,提出利用透镜组变焦原理来设计阵列光源变焦透镜系统。基于透镜组变焦原理设计了单颗LED光源的变焦透镜组,高级光学系统分析模拟软件ASAP的计算结果显示：调焦范围为0~10 mm时,出光角度（1/10峰值角）的变化范围为18.5°~38.7°,光能利用效率在调焦距离为10 mm时达到78%以上。在此基础上,将单颗LED光源的变焦透镜组扩展为Red、Green、Blue各12颗共36颗LED的变焦透镜系统,进一步分析36颗LED阵列光源在不同排布方式下的出光角度及混色效果。ASAP计算结果显示：在调焦范围与单颗LED相同的情况下,LED阵列光源变焦透镜系统的出光角度（1/10峰值角）的变化范围为21°~38.6°,且3种颜色LED交叉排列的混色效果较好。由LED阵列的计算结果可知,与国内现有的大功率LED舞台灯具相比,在出光角度的变化范围和光能利用效率方面都得到了提高。     

用于CF-LCoS投影偏置LED照明光棒的角度分割原理及其偏振复用系统

研究了LED相对光棒中心位置存在偏置时光棒对LED的角度分割与虚像形成原理,籍此计算了不同偏置以及不同尺寸LED的光棒尺寸,再将计算所得的光棒与前端成像透镜、中间像面偏振复用系统、后端积分透镜及偏振分束器等进行综合优化设计,然后根据所得中间像确定不同情况下的偏振复用系统具体结构,确保LED发散角范围内光能的偏振复用,并实现对滤色片式硅基液晶芯片的均匀照明.最后设计了一款以白光LED为光源的滤色片式硅基液晶芯片微型投影光引擎,在1W LED功耗下实现12.8lm投射亮度(114lm/W),均匀性达93%.对比没有应用偏振光复用的微型投影光引擎,在保证均匀性的前提下,提升了微型投影系统的光效率,丰富了光棒偏振复用的内容.     

利用切伦科夫辐射进行电子束发散角及分布概况的测量技术研究

针对切伦科夫辐射特点,采用厚度尽量小的石英薄片作为转换靶,并将电子束以切伦科夫辐射角入射转换靶的形式构成一种电子束发散角分布的测量布局,并基于焦平面成像原理,研制了相应的电子束发散角光学测量系统。在强流脉冲直线感应加速器上完成了装置研制和测试工作,显示了电子束发散角分布测量系统可以获得电子束一定方向上的散角分布概况,测量结果具有一定的可信度,具有装置结构简单、数据处理难度低及速度快等特点。     

一种大功率宽波段激光束散角的校准测试方法

在大功率激光系统的评价与分析中,激光器的光束品质是系统光束品质的决定性因素,也是激光器验收、鉴定的重要指标,其中束散角是判别激光光束质量的重要参数。本系统测试激光波长的范围比较宽,一般在0.532μm～10.6μm之间,没有合适的探测器能够覆盖整个波段,所以采用了一种新的方法来解决宽波段束散角的测量问题。选用CCD成像和扫描狭缝相结合的方法来实现宽波段激光光束束散角的测量,可见光和近红外波段（0.532μm～1.2μm）激光光束采用CCD法测量激光束散角,中红外波段（1.2μm～10.6μm）激光光束采用扫描狭缝法测量激光束散角。两种方法的结合可以较为精确地测量出不同波段的激光束散角。     

大气信道紫外光通信系统通信距离的增程方法

介绍了紫外光大气传输理论和非直视单散射模型.在此模型基础上,针对紫外光通信系统的结构设计对信道能量损耗的影响进行了理论上的定性分析.对不同天气、不同通信模式、不同几何结构参量条件下,大气信道所产生的能量损耗进行了定量仿真.仿真结果表明:能量衰减随通信距离的增加而增大;不同能见度条件下,能量衰减随通信距离的递增程度不同,能见度越高能量衰减越小,可实现的通信距离越远;通信距离随发射仰角的减小而增加,随接收仰角的减小而增加,且发射仰角对通信距离的影响程度大于接收仰角;通信距离随发射束散角的增加而增加,随接收视场角的减小而增加,且接收视场角对通信距离的影响程度远大于发射束散角.     

快速空间测角系统中偏振像差的分析与研究

快速空间测角系统需要在一定的平移范围内均能实现测量功能,这就要求光束在接收单元具有一定的覆盖面积.受器件尺寸所限,选择对入射光束进行扩束,然而非正入射光经过系统会产生偏振态变化,存在偏振像差,引起测量误差.本文通过采用偏振光线追迹的方法,结合电磁场的边界条件,对快速空间测角系统中一定方位及入射角范围内的光束通过偏振棱镜后出射光束的偏振态变化与分布进行了理论研究及仿真分析;并通过搭建实验平台,利用平移接收单元来模拟不同的入射方位及角度变化.根据实验值与仿真结果的对比分析,得出在方位角为0o时,测量误差较小,在方位角为90o时,测量误差最大,且随平移距离(即入射角)的增大,测角误差增大.验证了偏振像差的存在对系统测角带来的影响及理论分析的正确性,并提出了改进措施.所得研o究结果对优化系统结构并进一步提高系统性能具有一定的指导意义.     

大气信道紫外光通信系统通信距离的增程方法

介绍了紫外光大气传输理论和非直视单散射模型.在此模型基础上,针对紫外光通信系统的结构设计对信道能量损耗的影响进行了理论上的定性分析.对不同天气、不同通信模式、不同几何结构参量条件下,大气信道所产生的能量损耗进行了定量仿真.仿真结果表明:能量衰减随通信距离的增加而增大;不同能见度条件下,能量衰减随通信距离的递增程度不同,能见度越高能量衰减越小,可实现的通信距离越远;通信距离随发射仰角的减小而增加,随接收仰角的减小而增加,且发射仰角对通信距离的影响程度大于接收仰角;通信距离随发射束散角的增加而增加,随接收视场角的减小而增加,且接收视场角对通信距离的影响程度远大于发射束散角.     

基于多光谱漫反射的牛肉品质参数检测方法研究

为了满足生鲜肉品质参数无损检测领域,对轻便式、低成本设备的开发需求,提出一种基于多光谱漫反射技术的生鲜肉品质检测方法。首先根据漫反射近似理论,结合牛肉样品散射系数、吸收系数及折射率等参数,在无线细垂直光束的蒙特卡洛仿真的基础上,对具有一定发散角度LED光源进行了初始化的校正,分别从光源照射位置概率分布、不同角度的照射概率分布、仰角、方向角的概率分布、不同角度光线入射样品时反射引起能量损失及对光子权重的影响,得到在LED光源发散角情况下,不同源探距下的漫反射率与检测深度,确定了光源与检测器之间的最佳距离为15 mm,然后根据此距离,搭建了多光谱漫反射检测平台,检测平台由8组中心波长为470,535,575,610,650,720,780和960 nm的LED光源组成,与所要检测的生鲜牛肉品质参数相对应。同时利用LED光源的发散角,确定了光源到样品表面的垂直距离与每个光源的安装位置,保证光源照射到样品的区域是均匀的。样品的漫射光强经由信号采集与放大电路的处理后传至上位机,并在上位机完成建模与分析。最后为验证该检测系统的性能,以生鲜牛肉新鲜度参数中的颜色(L*,a*,b*)与pH值为指标,利用60个样品进行了试验,分别得到8个光源下的原始光强值与校正后的反射率值,然后将牛肉样品按照3∶1比例分为校正集与预测集,针对原始光强值与反射率值,分别利用多元线性回归(multiple linear regression, MLR),偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)与偏最小二乘支持向量机回归(partial least-squares support vector machine, LS-SVM)三种方法,建立各个参数在原始光强与反射率数据两种情况下的预测模型,并得到最佳模型结果。结果表明,利用反射率数据建模结果均好于光强数据结果,其中参数L*,a*,b*的MLR建模结果优于PLSR与LS-SVR,其预测集相关系数分别为0.983 2,0.907 2及0.935 9,预测集误差分别为1.00,2.14及0.67。参数pH值的LS-SVR建模结果优于PLSR与MLR,其预测集相关系数为0.942 0,误差为0.19。最后利用未参与试验的20块牛肉样品对模型进行了验证,颜色L*,a*,b*及pH参数的预测值与实测值的相关系数均大于0.85,结果证明,利用多光谱漫反射技术以及所搭建的多光谱漫反射检测系统对生鲜牛肉品质参数检测是可行的,该方法能够为设计便携式或微型化生鲜牛肉品质的无损检测仪器提供参考与依据。     

不同发光半角的圆形LED阵列辐照特性

为了探究不同发光半角对圆形LED阵列辐照特性的影响,利用单颗LED芯片的照度公式推导出圆形阵列的照度公式、光斑半径和发散角公式。使用Tracepro软件对不同发光半角的圆形LED阵列仿真并利用MATLAB进行函数数值拟合。结果表明:在有效光斑区域下,随着单颗LED发光半角的增大,圆形阵列的中心照度值逐渐降低,降低的速率近似线性增长;光斑半径和发散角逐渐增大,变化率先增大后减小。辐照均匀度随着单颗LED发光半角的增大而增大,而后保持稳定,单颗LED发光半角为60°时,圆形阵列辐照均匀度最好,且相同发光半角时接收面面积越小辐照均匀度越高。这些结论对实现圆形LED阵列照明设计提供了定量的参考和理论依据。