非视线散射大气光通信的光学天线

由于大气衰减的影响,非视线散射大气光通信需要使用光学天线以提高对光信号的采集能力,进而增加通信距离。针对非视线大气光通信的需求,利用ZEMAX软件对半球透镜、复合抛物面聚光器（CPC）和卡塞格伦望远镜等光学天线进行了性能分析。分析表明：半球透镜和CPC视场较大,增益值高。利用蒙特卡罗法模拟计算了一定条件下,非视线散射光通信在有无半球透镜或CPC作光学天线时到达探测元件的能量随通信距离的变化。结果表明：CPC聚光能力更强,适合作为非视线散射光通信的光学天线。     

非视线紫外光信号传输时间特性的数值模拟

在研究紫外光学非视线通信技术中,需要深入了解由于紫外大气散射效应所带来的各种信号畸变.传统的单次散射近似方法在进行较远距离、复杂天气条件下非视线光传输模拟时误差很大,采用基于Monte Carlo(MC)方法改进算法进行非视线紫外光信号传输的数值模拟,通过随机抽样的方法模拟光子在大气系统中的随机游动,在光子被大气中的粒子散射时计算其进入探测器的概率,模拟大气系统的脉冲响应函数.模拟结果表明:采用光子散射探测概率方法改进后的MC模型在模拟非视线光信号传输时计算效率显著提高;大气系统对非视线传输时的紫外光脉冲具有很强的展宽效应;随着光信号传输距离的增大,信号强度呈近似指数衰减的趋势.     

开放光路TDLAS气体检测系统光学接收组件设计

针对开放光路TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱技术)气体检测系统中,由于角反射器在生产及使用过程中表面光洁度下降及大气传输扰动造成回波信号入射方向与接收透镜光轴非严格平行,从而导致系统探测灵敏度下降的问题,分析回波信号与菲涅尔透镜光轴夹角不同时的汇聚点偏移量,设计了由圆锥体反射器和抛物面反射器组成的二次光学元件,并运用TracePro光学软件对其参数进行优化。在回波光线-6°~6°入射角偏差范围条件下对优化设计的光学接收组件进行聚光特性模拟。模拟结果表明:优化设计的光学接收组件接收角为4.9°,光学效率为78.24%,与单独菲涅尔透镜及菲涅尔透镜-复合抛物面聚光器(CPC)光学接收组件相比聚光性能明显提高,适用于实际检测过程。     

光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法优化及比较

针对光纤布喇格光栅反射谱的特点,研究了强度阈值对五种典型寻峰算法的影响,明确了阈值优化对减小寻峰误差的重要性.对各算法分别进行阈值优化,从寻峰误差和运行效率两个方面对不同采样间隔条件下的寻峰算法进行比较分析.研究表明:各寻峰算法与强度阈值的关系不尽相同,阈值优化可有效减小各算法的寻峰误差,提高光纤布喇格光栅传感系统波长的分辨率和检测准确度;除质心探测法外,增大采样间隔并不能显著提高各算法的运行效率;高斯拟合法寻峰误差最小且最为稳定,适用于静态信号和低频动态信号的解调;质心探测法运行速度最快且误差相对较小,可用于中高频动态信号的解调.     

增加复合抛物面聚光器(CPC)最大聚光角的几种方法及结果比较

本文简单阐述了复合抛物面聚光器(CPC)的结构与设计原理,介绍了三类增加CPC最大聚光角θmax的方法:平移、截底和旋转,给出了各方法中最大聚光角θmax随几何尺寸变化的计算公式.对不同聚光比的实际CPC,给出了.在三类方法变化情况下,最大聚光角增量δθmax随几何变量的变化曲线,并对影响CPC最大聚光角变化的关键因素进行了讨论与分析.     

降雨背景下量子定位系统中最优平均光子数自适应策略

基于光量子探测的无线激光通信技术在天地一体化保密通信网络中具有重要应用。基于光源光子数的泊松分布模型、大气湍流Gamma-Gamma模型、单光子探测器响应模型和相关计数信号处理方法建立了湍流信道中光量子通信系统的误码率(BER)计算模型,仿真分析了光源光子数分布、湍流信道参数、单光子探测器性能参数、相关计数方法等对系统BER的影响。结果表明,系统BER与激光脉冲平均光子数、脉冲频率和探测器探测效率呈负相关关系;而系统BER与大气湍流强度、探测器暗计数呈正相关;采用相关计数方法可有效降低系统BER,当开门次数确定时,系统存在一个最佳判别门限。所提模型可为光量子通信系统的设计与优化提供参考。     

复合抛物面型集光器与多模光纤的耦合

分析讨论了复合抛物面型集光器与多模光纤的耦合效率和集光器设计之间的关系，提出了采用截底法和截顶法提高集光器与多模光纤耦合效率的方案。     

探测激光入射角对猫眼效应反射特性的影响

 光电装备的光学窗口对入射激光有较强的反射特性,即猫眼效应现象。为了研究利用猫眼效应来进行主动探测的适用条件,弄清探测激光入射角对猫眼效应反射特性的影响,建立了斜入射猫眼效应反射模型,分析并仿真了探测激光在目标系统处的入射角不同的情况下的后向反射激光特性,以及探测系统所能够接收的原路返回激光的远场能量分布情况。结果表明：对于特定的目标系统,猫眼效应现象只存在于一定的探测激光入射角范围之内,在此范围之内,猫眼效应反射特性与探测激光的入射角关系密切;基于猫眼效应的激光主动探测、定位等应用也是可行的。     

用于枪击探测的紫外光传感器技术指标分析

利用一款标准的日盲型紫外探测传感器对枪击火焰进行了探测实验,结合紫外光传输特性,对实验数据进行分析,提出了探测枪击火焰紫外光谱的传感器技术指标。不考虑入射角度和响应时间的影响,1 km处要检测到步枪击发,传感器响应电流达到能明显检出的100 nA,则传感器的响应率和响应面积乘积至少达到0.002 AW-1m2。根据一种枪击探测装置原型方案,对紫外探测传感器的透光性、日盲特性、对紫外光的响应率、入射角和短路电流等技术指标进行了分析。采用分子束外延法制备了一种MgZnO紫外探测传感器,对其紫外光谱透光率、响应率和响应时间进行了测量,进一步优化性能后有望满足枪击探测要求。     

全天时喇曼激光雷达探测大气水汽的技术实现及分光系统设计

为实现大气水汽的全天时测量,选用Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0nm作为激励光源,设计日盲紫外域喇曼激光雷达系统.由于低层大气污染造成的臭氧污染,通过增加大气氧气的振动喇曼散射信号测量通道,实时反演近地表臭氧浓度的分布,为修正激光雷达方程中的臭氧吸收提供解决方案.同时,选用高光谱分辨率光栅和窄带宽激光反射镜设计光栅光谱仪作为激光雷达的分光系统.仿真计算表明,入射角为10°时,设计的光栅光谱仪可有效分离并提取氧气、氮气和水汽的振动喇曼散射回波信号,日盲紫外喇曼激光雷达系统可实现全天时状态下2km高度范围内大气水汽的廓线探测.     

弱光探测器中复合抛物面聚光镜(CPC)的优化设计

基于非成像光学的原理,设计并研制了一种新的复合抛物面聚光镜(Compound parabolic concentrator,CPC)。提出基于遗传算法的聚光镜优化设计方法,将透过率作为遗传进化的目标函数,通过控制遗传算法的遗传进化方向,对CPC的结构进行优化调整。仿真实验结果表明,优化后的聚光镜入射孔径100mm,聚光比2.5:1,轴向长度84mm。当入射角为30°时,透过率达到75%以上。将此聚光镜应用于弱光探测器中,可以较好地满足器件的需要。     

基于室内可见光通信技术的新型两级光学接收天线设计与分析

针对室内可见光通信系统的应用需求,设计了一种新型两级光学接收天线.根据复合抛物面聚光器光学增益随视场增大而减小的聚光特性,将复合抛物面聚光器截面基准曲线旋转设计得到具有一定旋转角与厚度的透镜壁复合抛物面聚光器.进一步结合透镜壁复合抛物面聚光器和半球透镜的优势设计了一种新型两级光学接收天线,在增益保持的情况下视场角增大了近20~?.在一个5 m×5 m×3 m的空旷房间,通过Trace Pro建立光学天线的分析模型,Matlab软件对室内可见光通信系统进行信道建模.计算结果表明,采用这种新型两级光学接收天线,与直接接收的情况相比,平均接收功率增幅为757.2%,是复合抛物面聚光器的5.62倍;信噪比平均值增幅为28.07%,是复合抛物面聚光器的1.67倍;光学增益为11.49,是复合抛物面聚光器的2.81倍.且光斑半径仅为2.5 mm,较复合抛物面聚光器减小了近37.5%,使得能量集中均匀分布,进一步证实该新型两级光学接收天线适用于室内可见光通信系统.     

复合抛物面聚光器作为可见光通信光学天线的设计研究与性能分析

针对室内可见光通信的特点, 选择复合抛物面聚光器作为可见光通信系统光学天线, 介绍了复合抛物面聚光器的几何结构和光学特性, 利用光学仿真软件 TracePro对复合抛物面聚光器进行了设计、建模与仿真. 通过对不同光源条件下复合抛物面聚光器聚光特性的仿真发现: 在光源为朗伯辐射模型时复合抛物面聚光器的聚光性能更好, 且视场角越小增益越高; 但接收端与光源的相对位置对小视场复合抛物面聚光器的实际增益有明显影响, 在仿真条件下, 视场角为10°的复合抛物面聚光器实际增益为22.88, 比理论值降低了31%. 在此基础上, 在一个5 m×5 m×3 m的房间中对采用复合抛物面聚光器为光学天线的室内可见光通信系统进行了建模, 分别得到了直射链路和非直射链路下房间内各个位置的光功率分布. 仿真结果表明, 采用一个视场角为60°的复合抛物面聚光器为光学天线, 两种链路下平均接收功率分别提高了4.29 dBm和4.77 dBm, 非直射链路比直射链路的平均接收功率提高了11.2%.     

用于太阳光泵浦激光的抛物面环形阵列聚光器

为研制适用于太阳光直接泵浦激光器的聚能系统,在分析菲涅尔透镜聚光原理及缺陷的基础上,提出抛物面环形阵列聚光器的设计方法。完成了由抛物面环形阵列聚光器、菲涅尔透镜及复合抛物面聚光器（CPC）组成的太阳光泵浦激光器二级聚能方案,并与传统菲涅尔透镜方案进行了对比。光线追迹仿真分析表明:新型聚光器能够克服传统菲涅尔透镜的色散、小棱镜面像差及光线遮挡的缺陷,从而提高聚能效,使用抛物面环形阵列聚光器的多级聚能方案较传统菲涅尔透镜的多级聚能方案聚光比提高约18.5%,更适合于大相对孔径、高聚光比聚光场合的应用。     

基于SolTrace的线性菲涅尔式聚光器建模与仿真

利用几何光学原理推导了线性菲涅尔式聚光器在SolTrace软件中建模所需参数的计算公式，给出了建模方法。结果表明，对于反射镜列数为21列、宽度为0.38 m、长度为4 m，复合抛物面聚光器(CPC)最大接受半角为45°，接收器距反射镜所在平面5.3 m的线性菲涅式聚光器，随着太阳入射角的增大，集热管表面能流密度逐渐增大且分布更均匀；当太阳入射角大于40°后，能流密度和均匀度趋于稳定；CPC为渐开线+cusp reflector曲线比渐开线+抛物线的集热管表面能流密度更大且分布更均匀。该结果对线性菲涅尔式聚光器的推广应用具有指导意义。     

矩形复合抛物面空间双向照明节能多功能反光杯设计

提出了充分利用灯具空间,具有单体双向多功能的光学设计新理念。结合LED与CPC,根据光学扩展量守恒,借助光路可逆原理与边缘光线原理,构造矩形复合抛物面。根据我国最新的《读写作业台灯性能要求》GB/T 9473-2017,以出光口半宽、台灯辐照高度、截短后杯体长度比为3个因素,设计正交实验,确定台灯矩形复合抛物面最适合参数为:出光口半宽50 mm、最大进光半角47.73°、截取杯体长度36 mm。在照明方面,该矩形复合抛物面能够满足关于A、AA级的照度和照度均匀度要求;在弱光聚集方面,其太阳能芯片位置的照度是不经聚光情况的1.25倍;在聚光模式下,太阳能芯片的光伏转化效率是非聚光模式下的1.66倍。这是对当前市面上非聚光模式收集太阳能方式的补充。     

LED准直器设计中复合抛物面同步多曲面方法

利用非成像光学中流线法和同步多曲面(SMS)法,设计一种具有发散角小、均匀度好和光效高的LED准直器。设计中由复合抛物面(CPC)完成初级配光,将朗伯光源±90°的发散角缩小到±45°,再以SMS法设计的多重自由反射曲面实现准直均匀配光,并由光学扩展量给出准直器的理论光效,最后引入平顶宽度、平顶光效和平顶均匀度等的定义,以更好地反映准直光束质量。光学仿真结果表明,准直器的发散角小于±2.26°,整体光效达到0.79,理论与仿真光效的误差小于2.5%,在0.9平顶宽度范围内光斑均匀度大于等于0.9,平顶光效为0.56,效果良好。     

二级级联式室内可见光通信光学接收天线设计

针对室内可见光通信系统的传统光学接收天线无法同时满足高增益和大视场的问题, 设计了一种二级级联式光学天线. 通过分析信噪比、通信速率与接收天线视场角的关系, 发现视场角为40°–60°的光学天线最适用于室内可见光通信系统. 通过光学仿真软件TracePro的模拟及计算, 给出了所设计的二级级联式光学天线的增益随信号光入射角的变化关系. 结果表明, 相较于传统接收天线, 二级级联式光学天线具有更好的光学性能, 视场角为菲涅耳透镜单独接收时的4 倍. 利用Matlab对二级级联式光学天线竖直向上时的接收功率分布进行仿真, 结果显示探测器接收到的信号功率提升效果明显, 平均值较直接探测时增大了7 dBm, 进一步证实该二级级联式光学天线适用于室内可见光通信系统.