距离千米级双望远镜的空间碎片激光测距

以上海天文台收发分离的21cm/60cm口径卫星激光测距系统为例,利用高精度计时器、光电探测器等设备,对发射/接收系统的时延分别进行测量与标定,测量地面靶目标所得到的发射/接收系统的总时延与常规地面靶目标测量方法的测量均值相比,时延标定误差为400ps。在此基础上,利用高精度时钟系统,并在解决远距离望远镜回波信号探测距离门控制问题的条件下,实现了相距2.5km的双望远镜系统对距离大于1000km的空间碎片目标的测量,验证了远距离接收空间碎片目标激光回波信号的能力。     

基于环型孔径超薄透镜的微光学标签接收系统

设计了微光学标签的接收系统,提出采用大孔径长焦距的环型孔径超薄透镜作为系统接收端手机镜头的思路,用Zemax软件设计得到了4次折返环型孔径透镜。透镜前后表面为多个环型非球面反射镜,外直径为28 mm,有效焦距为36 mm,镜头厚度为7.6 mm,在有限的厚度和重量内得到较大的有效焦距和孔径,实现超薄特性。有效增加了系统的接收距离,实现了手机对微光学标签的远距离接收。采用基于Open CV计算机视觉库的VC 6.0平台开发了图像畸变校正的程序,对不同接收距离情况下有一定径向畸变的模拟接收图像分别进行修正并准确解码获取所需信息。     

红外双波段共焦复合孔径光学系统设计

为满足光电成像装备多元、广域、远距离探测的需求,提出了双波段复合孔径光学系统的概念。采用主副孔径配合探测搜索的方式,其中主孔径用于远距离探测,副孔径用于大视场搜索,并分析主副孔径与中继系统拼接函数以推导复合孔径共焦面方程,从而保证不同波段图像采集的同步性和一致性。设计的红外双波段复合孔径光学系统成像波段为3.7～4.8μm和7.7～9.5μm,复合孔径系统由5个子眼（1个主子眼和4个副子眼）构成,主孔径焦距为200 mm、视场角均为±6°,副孔径焦距为50 mm、视场角均为±12°,主副孔径光轴夹角为6°,合并后的总视场为24°。相对于均一型复合孔径系统而言,该系统兼具了远距离探测与大视场搜索功能,主副孔径系统与中继接收系统成像质量良好,在-40～60℃温度范围内无热差影响。     

激光接收系统光学参数的权衡

本文以减小激光测距机的体积、重量和提高测距能力为出发点,对激光接收孔径、视场、窄带干涉滤光片的参数、接收光路的组合进行了权衡。图1是以雪崩硅光电二极管(以下简称APD)为探测器的激光接收光路     

激光测距中的几种虚警抑制措施

激光测距的关键在于光电微弱信号的检测，如何调和可靠性和灵敏度之间的矛盾是弱检问题的关键。激光测距系统包括主控电路、发射电路、接收电路、计时电路以及其他一些功能电路，其中与虚警的产生和抑制密切相关的部分主要是接收电路和主控电路。从硬件设计和主控电路软件算法两方面，对测距机虚警抑制方法进行了分析，其虚警抑制方法对其他激光测距系统具有普遍意义。     

基于双远心镜头的空间分辨PDV探头研制

为了在材料动力学实验和结构响应研究中实现对平面靶约5 mm范围内多点速度的同时测量,基于光纤密排阵列和双远心镜头研制了一种与光子多普勒测速仪配套使用的具备空间分辨能力的激光发射接收探头。介绍了探头的光学设计和结构设计,并进行了装调和测试。输出光斑特性测试结果表明,探头垂轴放大率与设计值吻合,聚焦位置处最小光斑直径为109μm,最大为202μm。探头对漫反射靶的接收效率测试结果表明,探头中各光纤互不串扰,靠近中心的光纤的接收效率较大,而两侧的偏小。     

激光测距用半导体脉冲激光测头的研究

研究了激光测距用半导体脉冲激光测头。通过对基于脉冲激光测距原理的半导体脉冲激光器的参数测量分析,研究了半导体脉冲激光的发射和接收。通过优化光学镜头组合,对半导体激光分散光束进行了平行准直。通过开发脉冲激光驱动电路、光电探测接收放大电路和半导体脉冲激光测距实验装置,研制了满足中距离激光测距要求的半导体脉冲激光测头。     

一种双视场电视/激光测距接收共光路一体化机设计

设计了一款双视场电视与激光测距接收共光路一体化机。根据应用需求,首先对CMOS、雪崩管器件选型;其次对光学、机械、电气部分进行设计,采用共用前物镜组,并利用镀有光谱分光膜的分光镜以及中继镜组,实现电视双视场与激光接收的共光路光学系统设计,电视大视场用于搜索目标,电视小视场用于跟踪目标,激光测距接收单元用于接收激光回波;然后采用主镜筒与整机壳体一体化设计,并以整体铸造方式进行加工,提高一体机整体结构强度;最后采用双H桥电机启动芯片并联设计,提高运行额定电流,并根据限位开关检测结果,实现电机对传动部件的精准限位控制。对设计结果进行分析,结果表明：设计的一体机大/小视场像质良好、像面稳定,激光测距接收单元工作状态良好。     

一种单线阵CCD立靶系统参数的标定方法

单线阵CCD立靶相对其它立靶方法而言具有结构简单、成本低等优势,而系统参数的准确标定是测量精度的保证。针对该立靶测量系统,通过建立标定模型确定了影响测量精度的各系统参数,包括镜头主点,激光器位置,相机的倾角、焦距和原向反射膜高度。将整个系统参数看做一个黑盒模型并进行整体标定,只需考虑黑盒的输入和输出端,根据CCD相机所接收到弹丸双投影点的位置计算弹丸的坐标。实验结果表明在靶面大小1m×1m时,理论计算值与实际放置模拟弹丸之间的偏差小于5mm。     

激光非接触曲面面形传感器

提出一种用于空间自由曲面测量的激光非接触曲面面形传感器。该传感器结构简单，在光学原理上传感器的输出量与被测量成线性关系，接收物镜绕系统光轴３６０°接收目标面的漫射光，目标面的倾斜产生的影响很小，解决了困扰空间自由曲面测量中阴影效应、倾斜等问题。该传感器的测量范围为４ｍｍ，分辨率为２μｍ，当目标面（漫反射面和金属等镜面反射面）倾斜角为±８５°时，仍能保证２０μｍ的测量精度。     

广角大相对孔径f-θ透镜光学设计

激光扫描系统中f-透镜是必不可少的部件,针对目前国内激光扫描系统工作面小、测量速度慢、测量精度低等缺点,设计出一种大视场大相对孔径f-透镜以改善以往系统的不足,提高工作效率。设计中透镜是一种负畸变透镜,属于像方远心光路,预期参数为2=60,D=120 mm,f=500 mm。经过计算后,利用Zemax软件对f-透镜模型进行了优化设计,得到艾里斑直径3.514 m,扫描范围为500 mm500 mm,相对孔径为6/25的大工作面大相对孔径的f-透镜,成像清晰,优化结果达到了预期的设计指标。     

分体式原向反射法水下武器速度测试技术研究

水下动态参数的测试是特种武器、两栖武器、水下专用武器性能考核的必备环节，而水下运动体的速度信息是评价水下武器性能的重要指标之一。针对现有的水下高速目标参数测试系统中存在的成本高、安装调试复杂、设备体积庞大等问题，提出一种以激光光幕为有效区域水上、水下分体式，实时、非接触的测速方法。通过分析Lambert-Beer定律和体散射函数等数学原理，确定了水下光谱传输规律综合考虑性价比获得最佳峰值波长；将1m的圆柱体作为散射体模拟光在水中的散射情况，追迹空间区域内的光线总数为1×105，获得位于传播方向上1，3，5和7 m处的接收面上辐照度的光能量分布，从而获取系统激光光源的最佳峰值功率。以此为依据，采用定距测时原理和一维原向反射技术，由峰值波长为532 nm的半导体光纤耦合绿光激光器、光纤耦合式鲍威尔棱镜防水扩束器、一维原向反射器等构建光学系统。激光光源、光电转换部分和信号调理部分位于水上，激光光幕和原向反射器位于水下，通过光纤束完成两路光信号的发射和反射光的回收。发射端光纤一端与光源耦合，另外一端与鲍威尔棱镜耦合置于水下形成扇形光幕。接收端光纤一端均布于鲍威尔棱镜出口，另一端与PIN型光电传感器耦合。设计齿形一维原向反射器并完成加工制造，光线将沿着入射光方向原向返回，另外一维方向则仍为镜面反射，将接收系统置于发射点垂直光面内附近即可接收大部分光能量，解决了现有原向发射器因水介质折射率不同于空气而导致原向反射特性消失的问题。实验采用波长为(532±5) nm绿光激光器，功率稳定性<1%，光学噪声< 0.5%，准直后耦合至长度为2 m的单模光纤再经过鲍威尔棱镜展宽为60°扇形一字线光幕，扩束模块封装采用尼龙防水材料，接收光纤均布于光源周围形成环形光纤束，光纤另外一端均匀排列与PIN光敏二极管直接耦合。光敏二极管前加中心波长为532 nm的光学滤光片，FWHM=(3±1) nm，透过率为70%。PIN型光敏二极管有效尺寸为5.0 mm×5.0 mm。采用多档可调的光电信号调理电路以适应不同尺寸的测试对象。该系统进行了不同目标速度参数测试实验，以钢弩为发射装置，信号经过光纤回收、信号调理，采集至计算机处理获得波形及区间内平均速度，两激光光幕之间的距离为定值300 mm，波形峰值作为计时时刻。成功获取了较高信噪比的波形信号和目标速度值。利用水下运动体模型与模拟结果进行比较得到其绝对误差。实验结果表明： 本方法结构简单、重复性好，可实现有效区域达到1 m×1 m，最小可测目标尺寸为5 mm，理论测速上限可达1 000 m·s-1，实验数据通过与理论经验公式结果比对表明，系统测试精度可达0.2%。     

激光辐照猫眼光学镜头时的反射特性机理研究

运用矩阵光学理论以及将硬边光阑窗口函数展开为有限个复高斯函数之和的方法, 对激光束辐照猫眼光学镜头时产生的猫眼效应机理进行了理论推导. 通过数值计算对猫眼效应的反射规律进行了分析, 并利用532nm激光辐照一个变焦范围为12—72mm的光学镜头进行了猫眼效应的实验验证, 从而得出了猫眼效应反射光特性与入射激光参数以及猫眼光学镜头的口径、焦距、离焦量等基本参数之间的关系. 研究表明, 猫眼效应反射光特性与猫眼光学镜头参数和入射激光参数密切相关, 且当猫眼光学镜头位于近场和远场的情况有很大不同. 根据入射光束 关键词： 猫眼光学镜头 猫眼效应 高斯光束 反射特性     

激光无铅钎焊速度的影响因素(英文)

为了提高激光无铅钎焊的速度,对影响激光无铅钎焊速度的因素(如激光的参数、所用钎料和基体的特性、钎焊的系统结构等)进行了分析研究。研究认为,在激光器、钎料及基体等已定的情况下,相对于那些受到机械惯性制约的移动激光加工头或移动工作台的激光钎焊系统,一种配备了振镜扫描系统和f-theta聚焦透镜的激光钎焊系统具有更高的钎焊速度。另外,对激光钎焊过程中激光束的扫描路径进行了优化,这种优化能在不增加硬件成本的基础上大大缩短总扫描路程,较大程度地提高激光钎焊速度。最后通过实例对激光钎焊的快速性进行了验证。     

采用大口径投影光学系统监测远场散斑特征参数

大口径投影光学系统采用低成本、大口径菲涅耳透镜制作,可将远场散斑强度分布投影到CCD成像探测器上。通过CCD图像处理,能够对给定孔径上的接收功率、闪烁指数进行量化评估;在接收孔径足够大、保障散斑不会因为光束漂移效应而脱离菲涅耳透镜的条件下,该系统还可以对光束漂移和特征半径进行量化评估。同时讨论了CCD像元响应非均匀性误差及其影响、CCD辐照响应函数和图像几何投影系数的定标方法。实验表明,系统能够对激光大气传输过程中的远场散斑特征参数进行监测。特别对自由空间激光通信系统而言,可以为大气衰减和多种大气湍流效应综合作用下的中值电平慢衰落研究和检测阈值优化设计提供实验数据支撑。     

目标自辐射与干扰目标反射光谱的氧气吸收特性分析

为分析不同目标反射太阳光谱的特性,研究被动测距中抑制干扰目标的方法,利用高光谱成像光谱仪作为测量设备,200 W卤钨灯作为模拟探测目标,玻璃板、光滑铝板、塑料板作为干扰目标,对模拟目标发射光谱和干扰目标反射太阳光谱进行了实验采集与分析。实验采集了晴朗天气条件下干扰目标反射光谱及卤钨灯目标辐射光谱的信息,并对其氧气吸收率进行了计算,综合分析了镜面反射干扰目标、漫反射目标及背景反射光与卤钨灯发射光光谱的氧气吸收率差异,结果表明:在455m处,镜面反射目标和漫反射目标反射光的氧气吸收率是卤钨灯的2~3倍。因此,在一定距离下可以利用氧气吸收率的差异设置阈值来对目标进行判别,提高探测概率。     

激光调频连续波测距的精度评定方法研究

基于双光纤光路等光频重采样原理,提出了一种距离精度的评定方法.通过推导噪声背景下等光频重采样信号中距离参量的克拉美-罗下边界,得到了影响系统测距精度的两个重要因素:信噪比和扫描带宽,并进行了实验验证.实验表明,该评价方法并不会受到任何距离估算方法的影响,根据此方法可以选择一个最优的距离估算方法.通过对两个影响精度的因素进行仿真分析可知,在扫描带宽为2.2 nm时,若将测量光路的信噪比提升至70 dB以上,系统可获得低于10μm的测距精度.该精度评定方法可为后续改善调频连续波测距系统性能提供理论参考.     

Detection and jamming experiment of optical surveillance device in night equipment transportation北大核心CSCD

针对装备运输过程中可能遭遇侦拍的风险,结合运输安全需求,分析市面上常见的4类消费级侦拍装置(手机、卡片数码相机、单反相机和数码摄像机)的光电可探测性,并实现对各装置的有效干扰。通过搭建“猫眼”激光探测、激光干扰及回波信号接收系统,重点突破典型小口径侦拍装置的探测与识别,以及“猫眼”探测端与目标端的双向成像等理论和关键技术。在此基础上分析不同距离、干扰波长和孔径情况下可见光波段激光对“猫眼”目标的探测及成像干扰效果,并提出一种图像干扰效果评价标准及不同光学侦拍装置的有效干扰阈值。实验结果表明:典型光学侦拍装置在实验距离内具有良好的光电可探测性,并且可被有效干扰;在激光束完全覆盖镜头通光孔径时,目标与装置距离越近,激光束散角越小,波段越接近人眼敏感程度最大波段(555 nm),激光光束产生的非伤害性成像干扰效果越好。     

单颗LED实现远距离均匀照明系统设计

针对现有的LED照明系统体积大、结构复杂、工作距离短的缺点,提出一种轻量化、均匀性好、能够实现远距离照明的单颗LED投影系统的设计方法。从照明设计理论出发,结合非成像设计和成像设计方法,设计了由单颗大功率LED、聚光镜、孔径光阑和投影物镜组成的投影照明系统。聚光镜对LED出射的光线进行匀化并会聚于照明面位置,投影物镜将照明面处的光斑投影到指定距离的接收面上。系统采用全透射式结构,便于加工和装调;单颗大功率LED作为光源能够有效减小系统体积和质量。实验结果表明:系统能在3 m~3 km范围内形成均匀度大于90%的照明,成像质量良好,投影面畸变小于5%,能满足远距离均匀照明投影的要求。     

水下同步扫描三角测距成像理论建模及仿真分析

针对激光同步扫描三角测距成像系统水下应用时,考虑不同介质界面的折射效应,通过理论建模,得出水下同步扫描三角测距成像系统的空间三维坐标测量关系表达式。分析了基线距离、接收透镜焦距等系统主要参数对距离测量分辨率的影响,以及成像探测器长度对测量范围的影响。仿真结果表明:增大基线距离和接收透镜焦距,有利于提高距离测量分辨率,增加成像探测器长度,有利于增大系统测量范围,为水下同步扫描三角测距成像系统的设计提供了理论依据。