任意折射率的三维离散空间光线追迹方法研究

介绍了Runge-Kutta光线追迹方法,并以此作为任意折射率介质中光线追迹基本手段;针对具有折射率任意分布性质并且离散的三维流场空间,建立了流场空间任意点的折射率和折射率梯度计算方法;在追迹过程中,提出了追迹步长根据当地折射率梯度和网格几何尺寸自适应调节的思想和方法,用于提高追迹的精度和效率。结果表明,建立的光线追迹方法适用于三维离散空间折射率任意分布的光线追迹,具有较高的精度和效率。     

空间基准黑体源发射率影响因素研究

空间基准黑体源对气候变化监测、防灾减灾、红外定标等方面的发展具有重要意义。空腔发射率作为空间基准黑体源最关键的表观辐射特性,在红外探测设备的校准过程中需要保持较低的不确定度。针对空间基准黑体源的定向发射率开展相应的理论建模和实验测量研究。在反向蒙特卡罗法和涂层表面辐射特性的基础上构建了方向发射率计算模型,分析了探测距离、温度非均匀性、涂层表面辐射特性等因素对空腔发射率的影响。然后,采用受控背景的材料发射率测量系统开展了相应的实验研究。研究结果可为空间基准黑体源的设计、开发与溯源提供理论指导。     

基于元胞自动机的气动光学光线追迹算法

对于含激波等大密度脉动结构气动光学流场,沿着直线路径对折射率积分会带来较大的光程误差.因此,数值求解光线方程进行光线追迹是必要的.与数值求解光线方程不同,元胞自动机(cellular automata,CA)通过给定光线位置和方向变换规则来模拟光线在介质中传输路径.本文基于已有的实验测量、数值仿真所获得的高超声速流场密度场数据,分别采用数值求解光线方程法和CA光线追迹算法进行光线追迹,进而得到光线出射流场后的光程差.结果表明, CA算法对于二维气动光学流场中光线追迹的适用性,且较数值求解光线方程方法具有更高的效率.     

椭圆反射式波带片光线追迹算法

提出了一种基于光栅衍射原理的椭圆反射式波带片(ERZP)光线追迹算法,分析了ERZP的衍射聚焦和能谱分辨特性。基于该算法,将ERZP光线追迹模块添加到光学仿真软件X-LAB中,使之具有了计算量小、效率高等优点,这对含有ERZP光学系统的设计和数值模拟具有重要意义。     

旋转双棱镜引起的成像畸变及其校正

针对旋转双棱镜扫描成像中棱镜引起的成像畸变进行研究并通过逆向光线追迹对其实施校正。为估算畸变的特点和程度,根据视轴指向及视场尺寸确定棱镜转角和入射光方向,基于矢量形式的折射定律对视场跨度内的光线通过两棱镜实行追迹。以锗棱镜的红外成像及玻璃棱镜的可见光成像为例模拟成像变形。结果表明,图像沿着偏离系统轴的方向被压缩。偏转角越大,图像变形越突出。为校正成像畸变,从像点通过棱镜实行逆向光线追迹。针对可见光成像搭建旋转双棱镜扫描成像系统并分析其成像畸变,结果表明成像畸变的模拟预测与实验观测结果相符。无论针对模拟图像还是实际图像,逆向光线追迹都能有效地校正成像畸变,改善成像质量。该畸变分析及其校正方法对旋转双棱镜成像应用具有一定的参考价值。     

纯几何光线追迹的数值并行计算

二维光线追迹传输是光学传输工程模拟中的一个典型的数值计算问题，其计算非常复杂，随着离散化程度的增加，计算量也将极大地增加。考虑到更加复杂的全物理光线追迹模型传输结构和升级为三维光线追迹问题，其计算量更加庞大，计算时间更会剧增无疑，对此程序设计并行程序很有实际意义。     

星载激光测距大气校正算法与模型研究

考虑大气折射对星载激光测距的影响,研究了基于光线追迹理论的激光程差计算方法.综合利用气象探空数据和高层大气模式数据,拟合得到了全国46个典型地区的年度平均大气折射率模数高度分布廓线.据此,比较分析了光线追迹算法结果与Marini-Murray模型计算结果,给出了激光程差的全国性分布状况.最后,分析了激光程差与海拔高度和...     

用于空间相机设计的高精度光线追迹方法

空间光学系统在应用需求牵引下,向着大尺度、高精度、复杂化等方向发展,像差随着焦距与口径的增大呈幂指数增长,微小的误差扰动就会引起像质的大幅退化,因此对光线追迹算法的精度和稳定性提出了更严苛要求.本文从误差分析理论出发,提出了光线追迹精度表示模型,依据模型分析了计算过程误差来源,并设计了高精度光线追迹算法.数值仿真实验和典型空间相机设计案例结果表明,本文方法在精度上较原有方法提高了5—6个数量级,残差平均比Zemax小近3个数量级,数值稳定性也得到了极大提升.     

光刻胶热熔法制备的非球面微透镜的设计方法

为了进一步提高入射到光敏元上的光能,针对光刻胶热熔法制备的微透镜的非球面面形,提出了一种结合有限元光线追迹和拉格朗日乘子法的设计方法。给定焦距,用该算法可以自动计算出所需的微透镜面形。为了验证算法的精度,对圆形孔径的焦斑均方根半径进行了模拟和理论计算,二者较为吻合。对三次有限元光线追迹的点列图误差进行了估计。计算了会聚到320 pixel×256 pixel背照射紫外焦平面探测器光敏元上的能量集中度,比较了具有不同圆角半径的方形孔径蓝宝石微透镜的效率。结果表明,具有6μm圆角半径的方形孔径微透镜的能量集中度较高,为96%。     

应用场光线传递方程计算鱼眼镜头像场像差

应用场光线传递方程,从鱼眼镜头的孔径光阑处,逆向追迹场光线传递方程,确定任意视场角场光线的初始位置,即光阑球差.正向追迹场光线计算鱼眼镜头系统物、像空间视场角之间的关系曲线;用多项式拟合求出关系曲线的解析表达式.通过反演运算,根据畸变图像复原物的图像分布,达到消除鱼眼镜头成像系统畸变的目的.最后,计算了一个160°鱼眼镜头光学系统的光阑球差和图像的畸变,并应用本文方法复原物的图像分布.计算结果表明:光阑球差的计算结果与真值的相对误差小于1%;复原的物方图像径向高度相对误差小于0.25%,说明本文计算鱼眼镜头像场像差的方法是可行的.     

Simple method for calculating the local effective emissivity of the blackbody cavity as a temperature sensor

A blackbody cavity is used as a temperature sensor for measuring the average temperature of the molten liquid. Due to the deviation of fabrication and installation, the detector usually receives the radiation from the different regions of the measuring cavity, so the local effective emissivity distribution is an important parameter to evaluate the measuring temperature discrepancy of a blackbody cavity sensor. We introduced the net-radiation method into the finite element method and extended it to calculate the local effective emissivity of blackbody cavities. It was applied to three typical cavities, and the calculated results are in very well agreement with those in references. This method is simple, easy to use, replicable, and very suitable to evaluate and design a novel cavity.     

A sound ray tracing algorithm in three-dimensional heterogeneous media based on wavefront traveltimes interpolation

A kind of three-dimensional（3-D） sound ray tracing algorithm in heterogeneous media is studied. This algorithm includes two steps： the first step computes the wavefront traveltimes forward; the second step traces the sound rays backward. In the first step, the computation of wavefront traveltimes at discrete grid points from the sound source, was found on Eikonal equation solutions and carried out by GMM （Group marching method） wavefront marching method based on level set. In the second step, sound ray tracing was proceeded gradually from the receiver to each cell towards the sound source, with wavefront traveltimes computed in the first step. Time values on arbitrary positions in each cuboid cell can be expressed by linear interpolation of wavefront traveltimes at the same cell＇s grid points. Thus, an algorithm of 3-D sound ray tracing in heterogeneous media is put forward. The simulation results indicate that this method can improve both the accuracy and the efficiency of 3-D sound ray tracing greatly.     

Backward Monte Carlo simulation for apparent directional emissivity of non-isothermal semitransparent slab

A backward Monte Carlo method based on radiation distribution factor is extended to compute the apparent directional emissivity of one-dimensional absorbing-emitting-scattering semitransparent slab with specular semitransparent surface and opaque diffuse substrate. A non-isothermal semitransparent slab is taken as an example to examine the efficiency of backward Monte Carlo method. The apparent directional emissivity of the semitransparent slab is determined by backward Monte Carlo simulation and compared with that determined by forward Monte Carlo simulation. The results show that the backward Monte Carlo method is very efficient in solving the apparent directional emissivity of the semitransparent slab. The backward Monte Carlo method converges more quickly than the forward Monte Carlo method.     

阵列型微波黑体的发射率分析

在微波波段, 用于标定温度和辐射功率的发射率接近于1的标准发射率器件, 即微波频段的黑体, 结构形式一般为表面涂覆吸波材料的金属锥体阵列. 这种黑体器件常用于为微波辐射计提供参考亮温, 要求具有高发射率和均匀的温度分布. 对此类黑体器件的发射率评估主要基于基尔霍夫热平衡定律, 即通过评估反射率来确定发射率. 已报道的研究集中在黑体发射率随频率的变化趋势, 较少针对其随方向和极化状态的变化趋势. 本文针对此类周期型排布的黑体, 提出基于Floquet模式分析的反射率评估方法, 相比已报道的基于后向散射的评估方法, 具有更大的适用范围. 基于这种方法, 对某黑体的发射率随频率、角度和极化状态的变化规律进行了计算分析. 分析结果表明: 此黑体发射率在X到K_α波段内随频率提高而增大; 在发射率较低的低频处, 垂直极化与水平极化的发射率随俯仰角的变化趋势不同, 并且存在垂直极化发射率随俯仰角增大而明显降低的现象. 这些规律均与其物理上低频段内涂层对电磁波的衰减特性相符合.     

滤光辐射计测量黑体的温度

介绍了黑体温度测量的溯源途径及方法，分析了探测器绝对光谱响应、透镜透过率及面积效应等对黑体温度测量的影响，试验测量结果表明黑体温度可以通过标准探测器进行量值传递并溯源。与传统溯源方法相比，利用标准探测器进行量值传递测量精度可提升一个数量级，达到0.8%的水平。     

黑体模拟器

根据黑体光壁腔观点，用几何光学方法模拟黑体，得一维齿腔黑体模型，其发射率ε＝０．９９９９９９９９，给出黑体模拟数学式及实用黑体模拟器的几何参数。     

双向蒙特卡罗法模拟参与性介质中的辐射换热

双向蒙特卡罗法继承了正向蒙特卡罗法和反向蒙特卡罗法两种方法的优势,不仅可以解决各种各向异性散射问题,还能简易直接地解决辐射能量的方向性和定位置问题。为了验证双向蒙特卡罗法模拟热辐射传递,与文献中其它方法计算结果进行了比较。最后,利用双向蒙特卡罗法模拟计算圆柱形参与性介质中的辐射换热。     

定量化红外遥感应用的高精度水浴黑体

辐射定标是红外遥感信息定量化的关键技术之一。根据定量化红外遥感应用的需求,研制了高精度水浴黑体辐射源,并应用均匀镜-漫反射模型法对其发射率进行了计算。提出了基于绝对低温辐射计的常温黑体定标方法。性能测试结果表明,该黑体辐射源可用于遥感探测器中的红外辐射定标。     

基于射线理论的各向异性煤层地震响应

以VTI型煤层为研究对象,从介质中的地震波的射线方向、走时计算等多个方面展开讨论,分析VTI型煤层的试射法射线追踪技术,充分利用VC++的面向对象类框架泛型编程的特点和Fortran数值计算方面的优势,通过混合编程实现VTI型煤层中的地震波试射法射线追踪;通过各向同性煤层和VTI型煤层的射线追踪试算对比,论证对VTI型煤层进行各向异性射线追踪的必要性,同时验证本文VTI型煤层射线追踪方法的正确性.最后,通过计算时间成本比较,表明该方法计算速度较快,能满足地震正演模拟的要求.该方法适用于各向异性煤层的多波射线追踪.     

模拟月壤发射率光谱测量实验及精度评定

基于月球样品反射光谱的月表矿物识别和成分反演能力受到月球环境的严重影响,仅限于月球表面5％的成熟度较低的区域。相比之下,包含大量硅酸盐矿物的月球样品发射光谱不仅光谱特征明显,而且受月表大气、温差和真空等环境的影响较小,是研究月表成分和物理特性的新途径。因此,对于嫦娥五号月球探测器采集的月球实地样品的发射光谱测量不仅可用于月表硅酸盐类矿物的成分分析,而且可以作为遥感研究中可见光-近红外光谱的有效补充。但是,实验室发射光谱测量中最大的难题是寻找最佳的实验方法和仪器,以便获得准确可靠的光谱数据。研究以模拟月壤样品为测量对象,分别在实验室大气、氮气冷背景和模拟真空环境中,利用TurboFT 102F和Bruker VERTEX 70V两种仪器,设计和实施了傅里叶光谱法、独立黑体法和反射率法三种发射率测量实验,并利用误差传播定律和已有Apollo样品发射率光谱对实验获得的发射率光谱进行了精度分析与评定。发现在异常复杂和困难的模拟月球真空测量环境构建完成之前,密闭实验室环境中的反射率法发射率光谱特征最明显,测量精度最高,可以作为目前月球样品发射率光谱测量的最佳选择。研究希望能为嫦娥五号采集的月球样品发射率光谱测量实验提供理论基础和技术参数。