基于高次余弦散射分布的空间卫星可见光特性

基于几何光学和辐射理论,研究了空间卫星的可见光散射特性.空间卫星的背景辐射主要包括太阳的直接辐射和地球及大气的散射辐射,根据目标的结构特性与背景特性建立了空间卫星的几何模型和光照模型.分析目标表面状况,入射到目标表面的光线近似服从高次余弦散射分布,根据能量守恒定理及表面材料的高次余弦散射分布特性建立了目标散射特性的数学模型.通过矢量坐标变换确定太阳、地球、观测卫星在目标本体坐标系下的相对位置关系.根据给定的几何尺寸和表面物性参量仿真获得了目标在探测器入瞳处的能量分布及星等特征,目标本体与太阳帆板在探测器入瞳处的辐照度最大量级均为10-12 W/m2.仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略,为空间目标的可见光探测提供参考数据.     

非分辨空间目标光谱双向反射分布函数的实验室平行测量

为了克服非分辨空间目标识别研究中外场观测和计算机仿真手段的局限性,采用实验方法模拟了天基光照场景,用仪器和技术平行类比望远镜观测时光源-目标-探测器方位,并测量了某高保真卫星模型的光谱双向反射分布函数.分析了空间目标光谱散射模型、实验场旋转轴系和环境模拟设备布局.根据在轨卫星的轨道和姿态建立了外场观测几何到室内5轴旋转系统的角度映射关系.利用该关系控制旋转系统实现了对某卫星过境观测的平行模拟,并对目标混合光谱进行了测量和定标.实验结果发表明:目标光谱数据中存在"闪光"和峰值波长迁移现象;旋转系统各轴定位精度为0.5°,光谱数据相对测量误差为0.018%.该方法能实现空间目标观测的全角度平行模拟,测量结果为非分辨目标外形、材料、旋转等特性的识别提供参考.     

基于光学散射特性的失稳空间目标旋转分析

本文提出了基于光学散射特性的失稳空间目标旋转速率实验模拟方案以及数据处理方法,解决了失稳空间目标旋转速率反演的问题。实验构造了模拟真实光学观测的测试系统,使得卫星模型姿态、太阳方位、探测器观测角均与STK模拟场景相同,并模拟了低轨STSS卫星失稳条件下的探测过程,获取了多个周期的探测数据。通过频谱分析法、自相关法、交叉残差法处理实验数据,发现三种方法都可以成功反演出卫星模型的旋转速率,但交叉残差法受干扰较小,结果更准确。通过本文的工作,为今后通过光学散射特性反演真实卫星旋转速率提供了依据。     

姿态变化对空间目标可见光特性的影响分析

空间目标的光散射、光辐射特性除了与其背景环境、几何结构和表面材料等密切相关外,姿态变化对其光学特性也有一定的影响,这种影响在天基观测中尤为明显。就姿态变化对空间目标可见光特性的影响进行了理论分析与建模研究,建立了姿态相关的空间目标可见光特性的理论模型。结合具体的参数,对空间目标环境一号卫星和资源二号卫星在探测视点处的辐照度随姿态的变化进行了数值计算。初步的研究结果表明,姿态变化对空间目标可见光特性的影响不可忽略。建模结果可为空间目标的探测、识别提供理论依据。     

卷云多角度偏振特性研究

由各种形状冰晶粒子组成的卷云,对全球辐射平衡和气候变化有重要的影响,其影响程度取决于卷云本身的微物理特性和光学特性,如冰晶粒子形状、卷云光学厚度和云顶压强等.在对0.865μm波长处卷云光学特性研究的基础上,采用矢量辐射传输方程模拟分析了含卷云层的总反射率和偏振反射率,并利用卫星观测数据验证了模拟结果.分析研究了卷云微物理特征、光学特征和地表反照率对总反射率和偏振反射率的影响.分析表明,可以综合利用多角度偏振遥感信息反演各种卷云参数.这为利用多角度偏振遥感数据反演卷云各参数提供了理论基础. 关键词： 卷云微物理特征 卷云光学特性 多角度偏振辐射 矢量辐射传输方程     

基于六角形和球形冰晶模型的卷云辐射特征研究

卷云中冰晶粒子的单次光散射计算是卷云辐射传输及云微物理参数反演的重要基础。近年,利用高观测频率的静止气象卫星数据来反演水云和卷云的光学和微物理参数,进而计算地表光通量的研究倍受重视。然而,很多研究中卷云的冰晶用球形模型来模拟。由于不同形状和尺度大小的冰晶对电磁波的散射特征的不同,导致不同冰晶模型计算的卷云环境下卫星观测的辐射值及地表光通量的不同。利用不同尺度大小和电磁波波长的球形和六角形冰晶的单次散射数据,结合RSTAR辐射传输模式来定量分析了卷云环境下不同形状的冰晶模型对计算卫星观测的辐射和地表光通量中的影响。结果显示利用不同形状的冰晶模块来计算的卫星观测的辐射,地表向下辐射通量明显不同。波长在0.4～1.0 μm之间的大气窗口部分的光谱辐射通量的差距最大。总辐射通量受云粒子形状的影响显著。研究证实了正确选择冰晶模型对卫星反演卷云微物理和光学参数的反演及计算地表光通量的重要性。该结果对于云微物理参数的反演及地表向下辐射通量的模拟具有参考价值。     

基于蒙特卡罗方法的卫星光学波段闪电辐射观测模拟

我国下一代静止气象卫星风云四号将首次搭载光学闪电成像仪上天,对闪电和与之相联系的强对流天气进行实时、连续观测。对未来风云四号卫星闪电观测资料的特性进行预先研究,一个重要的途径就是建立光学波段的闪电辐射传输模拟算法,对闪电辐射的物理过程及卫星观测到的闪电辐射光学特征进行模拟研究。结合风云四号卫星闪电成像仪观测的几何和波长参数,在构建简化的闪电光源模型和雷暴云模型的基础上,利用蒙特卡罗随机模拟和光子追踪方法,模拟得到了风云四号卫星闪电成像仪观测到的云顶闪电信号,并对其辐射特征进行了初步研究。结果表明,基于蒙特卡罗方法的闪电辐射传输模拟,可以从理论上揭示卫星光学波段闪电辐射观测与最重要影响参数之间的联系,这将为未来星载闪电资料的应用提供非常有价值的信息。     

基于泊松分布单光子源的量子误码率的分析

在自由空间量子密钥分配中,单光子源采用具有泊松分布的高度衰减激光脉冲,量子密码术协议采用BB84和B92协议。通过引入量子信道传输率、单光子捕获概率、测量因子和数据筛选因子,建立了量子误码率理论模型,给出了量子误码率的表达式。对于自由空间量子信道,引起量子误码率的主要因素是光学元件、探测器暗噪声和空间光学环境,并对这些因素进行了分析。针对低轨卫星_地面站间链路,进行了量子误码率的数值仿真研究。结果表明,在低轨卫星_地面站间进行量子密钥分配是可行的,限制自由空间量子密钥分配链路距离的主要因素是探测器暗噪声和空间光学环境。     

LEO空间目标的非协同共视观测及初轨确定

测角数据的初轨确定(IOD)是通过光学观测技术进行空间目标编目的 关键,然而对于低地球轨道(LEO)空间目标,地基光学观测所获得的数据弧长较短且不包含距离信息.因此,在进行IOD时,所得轨道的误差往往较大,难以应用于进一步的工作中.针对上述问题,研究了LEO空间目标的非协同共视观测技术及其初轨确定,并基于统计学提出了一种利用非协同共视观测技术定位空间目标的新方法.结合中国科学院空间目标与碎片观测网的光学测角数据进行了实验验证,结果表明,所提方法对Ajisai卫星定位的均方根(RMS)误差小于100 m,对空间碎片CZ-2C R/B定位的RMS误差小于200 m,优于传统的三角视差法.随后,将上述定位结果用于IOD,所得轨道半长轴的误差在1 km左右.     

双向反射分布函数在空间目标可见光反射特性建模中的应用

针对空间目标可见光反射特性提出了一种建模方法.双向反射分布函数(BRDF)可以有效地 描述目标表面材料的空间反射特性和光谱特性.根据目标表面状况及背景辐射环境,选取合 适的双向反射分布函数模型,利用辐射理论在可见光波段建立了空间目标反射特性的数学模 型.基于轨道参数进行了仿真计算.计算结果表明太阳帆板与卫星主体相比,其在探测器入 瞳处的辐照度只小一个数量级,在目标光学特性分析时不可忽略.而且,空间目标反射特性 不仅与太阳、地球和目标三者之间的实时位置有关,还与其几何形状、表面材料等有关.仿真分析结果验证了建模的正确性.     

非扫描衰减全反射探测法监控光漂白过程

提出了一种基于衰减全反射原理的实时探测方法。其实验框架由半导体激光器、空间滤波器、聚焦透镜、耦合棱镜、CCD接受装置等组成。激光束先经空间滤波器扩束，再由透镜聚焦，以一定角宽度的光束聚焦于耦合棱镜底面，由于棱镜底面的波导结构，在反射光斑中会出现若干条吸收峰，即显示出标志波导模式的一组黑线，若外界条件变化时(如紫外光照射、电极化等)，波导薄膜某些参量会受外界条件的变化而变化，表现为黑线的移动，可根据黑线的移动量，精确测量每一时刻波导薄膜的折射率和膜厚等参量。利用这种技术，可以广泛地用于条波导制作、镀膜监控、薄膜极化监控、工业气体浓度监控等领域。     

The Zeno effect for coherent states

It is known that by performing dense measurement, that is, by repeating the same measurement a very large number of times in a finite time we can preserve and maintain an initial quantum state. We show here the same effect applying even for the case of the quantum coherent states. Moreover, by taking the complete system of (measured system + measuring system) we prove the Zeno effect not only for the measured system, but also for the complete system. That is, we include here, in our optical treatment of the Zeno effect, the relevant equations of the detecting device, so as to show that the general system (of observed system + observing system) demonstrates the same behaviour under dense measurement as it is regularly demonstrated by the observed system. But unlike the case for noncoherent states where the Zeno effect is proved by applying approximate calculations, here we prove this effect rigorously without any approximation whatsoever. We prove it first for the crosscorrelation case where two points are involved: the point source, and the point of observation where a point detector is located. Then we generalize it to the more realistic case of an extended light source emanating light from more than one spot which is detected by more than one detector.     

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。     

大视场四象限探测光学系统设计

为了实现大视场激光探测跟踪,分析了大视场激光探测光学系统的研制特点。首先,根据四象限探测对光学系统光斑均匀性的要求,结合系统的指标参数,选定合理的光学结构型式,提出像差校正的设计方案。然后,基于ZEMAX软件完成大视场四象限探测光学系统设计,并利用点列图、光线足迹图、包围圆能量定性评价系统光斑质量;通过TRACEPRO光学分析软件,得到探测器靶面的光线照度分布。最后,依据设计结果完成光学系统的加工装配及性能测试。测试结果表明：激光探测系统线性视场为±6°,测角精度优于0.15°,并根据实测数据针对线性视场进行曲线拟合,与理论曲线相符,验证了设计结果的正确性。     

光源近场测量在LED光学设计中的应用与研究

在LED光学设计中,传统方法多以LED光源的远场测试数据为设计依据,而远场测试仅仅是对LED光源相对粗糙的测量,并不能精确地描述光源的空间光分布情况。对LED光源详细空间光分布信息的获取,即LED光线集的获取已经成为LED光学设计的瓶颈问题。获取并合理利用精确、详实的LED光源信息尤其是光源空间光分布信息是LED光学设计的关键点。分别利用单颗LED芯片和LED模块做了两组对照实验,并利用照明解析软件对获得的实验数据进行处理和分析,通过对比实验中光源远场测试和近场测试获得结果之间的差异,强调了通过LED光源近场测试获取光源光线集对LED光学设计的重要作用。实验结果表明,LED光源近场测量获取的光源光线集可以为LED光学设计提供更为详细的光源的光空间分布信息。     

室内可见光通信发光二极管阵列发射性能的研究

提出了一种基于Lambert辐射模型的发光二极管光源阵列发射天线光照度计算模型,对室内可见光通信发射天线进行了优化设计.分析了光源的空间分布形式、光源间距、光源中心光束与系统光轴夹角以及空间分布层间距等因素对光照度均匀性的影响.通过仿真模拟和分析,得到了圆形阵列天线在照度均匀性和通信传输信号稳定性方面都优于相同光源数目的矩形阵列天线,并且提高了10%左右;同时得出了在满足室内照明情形下,发光二极管阵列发射天线照度均匀度随光源间距及光源中心光束与系统光轴夹角的增加均呈现出先增加后减小的变化趋势,因此,光源间距和光源中心光束与系统光轴夹角均存在最优值;照度均匀度随空间分布层间距的减小而增加,并给出了5 m×5 m×3 m普通房间内发射天线阵列设计参数的最优值,使发射性能得到了优化,同时节省光源数13%,降低了成本.这些研究为发射天线系统的设计提供了理论依据,具有实用价值.     

Measurement of angular distributions by use of low-coherence interferometry for light-scattering spectroscopy

We present a novel interferometer for measuring angular distributions of backscattered light. The new system exploits a low-coherence source in a modified Michelson interferometer to provide depth resolution, as in optical coherence tomography, but includes an imaging system that permits the angle of the reference field to be varied in the detector plane by simple translation of an optical element. We employ this system to examine the angular distribution of light scattered by polystyrene microspheres. The measured data indicate that size information can be recovered from angular-scattering distributions and that the coherence length of the source influences the applicability of Mie theory.     

变间隙法布里-珀罗干涉仪光程差线性分析

对于变间隙法布里-珀罗（F-P）干涉式成像光谱仪,空间干涉信息是否按光程差等间隔采样,即光程差与探测器像元位置之间是否是线性变化关系,直接决定了光谱数据处理的难易程度。经分析,变间隙法布里-珀罗干涉式光谱成像系统的光程差是干涉仪分光产生的两艾里斑的中心距离的函数,而两艾里斑中心距与探测器像元位置并非一直保持线性关系,与干涉仪楔角的取值有关。研究了不同楔角条件下光程差与探测器像元位置之间的关系曲线,结果表明,在任意楔角下,光程差与探测器阵列像元位置之间均保持良好的线性关系。长波红外变间隙F-P干涉式光谱成像系统与高精度光谱辐射计测得的特征峰位置重合度达100%。     

一次透镜封装的单片集成LED光源北大核心CSCD

在使用LED作为照明光源的过程中,光场作为LED应用中的关键因素,一般使用二次光学系统进行调控。但是二次光学系统一般设计复杂、体积大、重量重,随着LED光学封装系统朝着小型化方向发展,二次光学系统的应用将会变得困难。结合软件仿真和实验验证探索了用于单片集成发光二极管(MI-LED)的一次光学透镜的光场调控功能。研究结果表明,仿真和实验LED光源的光场几乎重合一致,所设计的一次透镜将LED光源的光束角从120°调控到48°~72°范围内。与未加一次透镜的LED光源相比,加一次透镜的LED光源具有更高的光提取效率和更均匀的空间光色分布。     

红外热辐射光源配光特性的快速测量及仿真

红外热辐射光源在光声光谱检测等领域具有重要的应用价值,明确其配光特性是后续光学系统设计的基础。根据水冷散热下红外热辐射光源辐射通量的变化规律,提出快速获取高功率红外热辐射光源配光特性的方法并对其进行相关验证。实验结果表明,光源辐射通量的最大值在80°的角度处,两侧的辐射通量缓慢减小,能量分散在0°~130°的角度范围内,其中54.5%的能量集中在50°~110°的角度范围内。在长时间稳定的辐射状态下对配光特性进行对比实验,验证快速测量方法的准确性和有效性。在ZEMAX软件中突破光源角度的限制,使用测得的数据建立模型并模拟实验流程进行验证。在缺少高功率红外热辐射光源配光曲线的情况下,所提方法可以简单快速地获取配光特性,为光学设计提供初始条件。