大幅面气动光学波前畸变场测量与重构EI北大核心CSCD

各类高速飞行器所装备的光电成像探测与侦察系统、光电跟踪瞄准系统、定向能攻击武器和光通讯系统,都需要开展气动光学波前畸变场测量与校正技术研究。为此,提出大幅面气动光学波前畸变场测量与重构方法,将光束偏折位移场测量值转化为光束从摄影中心出发穿过扰流区到人工点的光程差,并研究了Zernike多项式阶数与波前畸变重构精度的关系。2m超声速风洞中某跨大气层飞行器模型实验结果表明:该方法可以定量测量波前畸变场,测得机头与机翼的斜激波所致的波前畸变结构正确。该方法光路简单、无需使用价格昂贵的相干光源,为气动光学效应的测试及校正技术的研究提供了新途径。     

高精度背景纹影流场探测系统研究

背景纹影技术通过比较光线经过流场前后的偏折量获取流场信息,在流场测量中优势显著。本文开展了背景纹影技术中位移检测算法和波前重构算法的精度测试,在合适的背景和算法参数下,Farneback光流算法的位移提取精度可达1/400个像元;波前重构中,反对称偏导积分法速度较快但是精度较低,可适用于实时处理,Guass-Seidl迭代法的速度较慢但是精度较高,可用于后处理。在此基础上,搭建了一套高精度背景纹影流场探测系统,并以实验室内酒精灯燃烧时产生的温压场和外场炮筒引爆时产生的声压场为初步观测对象,成功实现了不同环境条件下流场的定性显示和定量测量。     

自由旋涡气动窗口自适应光学波前校正初步研究

自由旋涡气动窗口能有效地替代高能激光器传统晶体输出镜 ,起到密封激光器低腔压的作用。利用现有的 37单元室内自适应光学系统 ,对自由旋涡气动窗口的输出激光波前畸变进行自适应光学波前校正。给出了自适应光学系统对气动窗口畸变波前的校正原理 ,采用直接斜率法在设计状态下对畸变波前进行了校正实验。结果表明 ,该自适应光学系统能够较好地校正工作在设计状态下的自由旋涡气动窗口对输出激光所引起的波前畸变     

自由旋涡气动窗口自适应光学波前校正初步研究

自由旋涡气动窗口能有效地替代高能激光器传统晶体输出镜,起到密封激光器低腔压的作用。利用现有的37单元室内自适应光学系统,对自由旋涡气动窗口的输出激光波前畸变进行自适应光学波前校正。给出了自适应光学系统对气动窗口畸变波前的校正原理,采用直接斜率法在设计状态下对畸变波前进行了校正实验。结果表明,该自适应光学系统能够较好地校正工作在设计状态下的自由旋涡气动窗口对输出激光所引起的波前畸变。     

自由旋涡气动窗口自适应光学波前校正初步研究

 自由旋涡气动窗口能有效地替代高能激光器传统晶体输出镜，起到密封激光器低腔压的作用。利用现有的37单元室内自适应光学系统，对自由旋涡气动窗口的输出激光波前畸变进行自适应光学波前校正。给出了自适应光学系统对气动窗口畸变波前的校正原理，采用直接斜率法在设计状态下对畸变波前进行了校正实验。结果表明，该自适应光学系统能够较好地校正工作在设计状态下的自由旋涡气动窗口对输出激光所引起的波前畸变。     

基于衍射光栅曲率波前传感器的实时波前重构研究

自适应光学系统要求波前传感器能实现动态实时测量,曲率波前传感技术符合这一发展要求。一种新型的基于扭曲衍射光栅的曲率波前传感器在探测装置的实现方法方面具有较大优势,其波前重构已应用于光学度量。根据衍射光学理论,对其探测信号进行数值模拟,并利用Neumann边界条件的Green函数法对其波前重构进行数值模拟。结果表明：Green函数法归结为2矩阵相乘,计算速度快,达到实时重构要求; Green函数法对阶数不高的Zernike多项式重构效果较好;影响重构误差的主要因素是光强梯度的边界噪声。     

基于多对流速度的波前重构算法研究

 在气动光学研究中,Ronald J. Hugo 和Eric J. Jumper的小孔径光束技术(SABT)波前重构算法在理论推导中忽略了与涡结构尺度相关的对流速度的差异,因此必然会给波前重构带来误差。用小波分析提取了上、下游探测光束输出的不同尺度的光程信号,通过计算两个探测光束输出的同一尺度信号的互相关系数,并利用互相关系数达到最大值对应的延迟时间研究了尺度相关的对流速度,然后再进行尺度相关的小孔径光束波前重构。结果表明：相对于单一对流速度的小孔径光束波前重构算法,该尺度相关的波前重构算法能有效地提高波前重构的精度。     

基于多对流速度的波前重构算法研究

在气动光学研究中,Ronald J. Hugo 和Eric J. Jumper的小孔径光束技术(SABT)波前重构算法在理论推导中忽略了与涡结构尺度相关的对流速度的差异,因此必然会给波前重构带来误差。用小波分析提取了上、下游探测光束输出的不同尺度的光程信号,通过计算两个探测光束输出的同一尺度信号的互相关系数,并利用互相关系数达到最大值对应的延迟时间研究了尺度相关的对流速度,然后再进行尺度相关的小孔径光束波前重构。结果表明：相对于单一对流速度的小孔径光束波前重构算法,该尺度相关的波前重构算法能有效地提高波前重构的精度。     

基于矢量波像差理论的两反光学系统装调研究

 为了实现对两反光学系统的精密装调,提出一种基于矢量波像差理论和波像差检测技术对失调量精确求解的装调方法。使用矢量波像差理论,将已设计的两反光学系统参数、失调量和失调光学系统的波像差之间建立方程;然后通过干涉测量法得到某一个视场的干涉图,利用条纹分析软件得到表征失调系统三阶彗差和三阶像散的泽尼克项系数,将泽尼克项系数代入方程从而求解出失调量。运用此方法对4 m口径RITCHEY-CHR-TIEN结构的天文望远镜进行模拟装调,最终求解的失调量与引入的失调量结果相互吻合,说明该装调方法正确。     

Wavefront reconstruction algorithm for wavefront sensing based on binary aberration modes

We propose a new algorithm for wavefront sensing based on binary intensity modulation. The algorithm is based on the fact that a wavefront can be expended with a series of orthogonal and binary functions, the Walsh series. We use a spatial light modulator(SLM) to produce different binary-intensity-modulation patterns which are the simple linear transformation of the Walsh series. The optical fields under different binary-intensity-modulation patterns are detected with a photodiode.The relationships between the incident wavefront modulated with the patterns and their optical fields are built to determinate the coefficients of the Walsh series. More detailed and strict relationship equations are established with the algorithm by adding new modulation patterns according to the properties of the Walsh functions. An exact value can be acquired by solving the equations. Finally, with the help of phase unwrapping and smoothing, the wavefront can be reconstructed. The advantage of the algorithm is providing an analytical solution for the coefficients of the Walsh series to reconstruct the wavefront. The simulation experiments are presented and the effectiveness of the algorithm is demonstrated.     

模拟合成孔径雷达数据片波差的测量和胶片、波差的容限

本文介绍一种用马赫-陈德干涉系统测量模拟合成孔径雷达数据片波差的方法.该法能把两种原因产生的波差区分开来,即把通过胶片变形的波面与平面参考波面比较,求出胶片厚度不平产生的波差;把合成孔径雷达数据片的一级衍射波面与两个半径不等的参考球面波比较,分别求出由模拟装置产生的方位维和斜距维波差.本文给出一些实验结果和分析.这种方法还可以用于测量真实合成孔径雷达数据片的波差.由胶片厚度变化产生的波差可以用液体门补偿.但是,在实际中使用液体门是很繁复的,有时也没有必要.因此,我们认瑞利准则出发导出合成孔径雷达数据片胶片厚度变化产生的波差的容限,以此作为判断是否要用液体门的依据.     

光栅波像差对脉冲压缩的影响

采用光线追迹的方法,对脉冲压缩光栅系统波像差进行理论研究,构建了有像差脉冲压缩光栅对分析模型,使用该模型通过模拟计算得出了波像差对脉冲压缩效果的影响。理论分析结果表明：脉冲压缩光栅系统最大波像差不大于λ/4时,脉冲压缩比的最大变化率约为2%。脉冲压缩光栅对系统达到衍射极限时,在选择适当的入射角度时,光栅波像差所引起的脉冲压缩比变化并不大。     

星间光通信系统中多样化波前畸变的小波重构

用小波变换方法对星间光通信中的多样化波前畸变进行重构,并分析了小波重构方法的两项参考指标：重构精度和重构算法复杂度。基于对这两项指标的综合考虑,提出一种最优小波基函数的选取方法。仿真数据表明,利用最优小波基函数选取方法对波前畸变进行重构,较之传统的Zernike多项式拟合方法,具有重构精度高且计算量小的特点。     

基于整形光路的低阶像差校正方法

为满足激光束对远处目标辐照强度的要求,减小热效应对输出光束性能的影响,提出了一种基于整形光路的高能激光低阶像差校正方法。该方法根据波前探测器测到的光束波前畸变,利用激光器整形光路固有的光学元件和调整机构,通过高精密电动平移台和快反镜的快速动作,动态调整各镜片的间距,实时校正激光束的低阶像差,使输出光束恢复至平行出射,从而显著减小激光束的热漂移和热畸变,有效避免了长时间出光时光束的持续发散,极大改善了输出光束性能。试验结果表明,该方法具有校正量大、控制方便、结构紧凑等优点,能够很好地改善激光器输出光束质量,显著提高激光束远场作用效果。     

直接液体冷却薄片激光器中抽运光均匀性对光束波前畸变的影响

近年来,直接液体冷却薄片激光器因其体积功率比小,热管理能力强等优势而成为研究热点.本文建立了一套直接液体冷却薄片激光器波前畸变的分析方法.应用该方法研究了直接液体冷却薄片激光器中抽运光均匀性对光束波前畸变的影响.计算分析了均匀性为92%, 80%和70%,且总的抽运功率不变时,激光器高阶像差分布情况.随着均匀性逐渐减弱,激光器中高阶像差逐渐增强,低阶像差量基本保持不变.实验中,设计加入波导和未加入波导结构,构建了均匀性为92%和70%的抽运光分布,分别测量了两种情况下的波前抖动情况以及波前畸变分布,抽运功率为5 k W时,测量获得了整个增益模块的光程差高阶分量(OPD_H),其畸变量均方根(RMS)值为0.66μm和0.79μm,实验结果和理论分析结果基本趋势一致.     

带喷流超声速光学头罩流场气动光学畸变试验研究

超声速光学头罩在大气层内飞行时, 需要在光学窗口表面顺来流方向进行喷流冷却, 致使窗口上方流场更为复杂. 目标光线穿过窗口上方流场, 受到激波、膨胀波、混合层、湍流边界层等流场结构引起的变密度场影响而产生波前畸变, 导致成像出现偏移、抖动、模糊等气动光学效应. 本文对马赫数3.8来流条件下有无喷流时超声速光学头罩流场引起的气动光学波前畸变进行了试验研究. 基于纳米示踪的平面激光散射技术, 首先对流场图像进行密度校准获得高时空分辨率密度场, 然后采用光线追迹法计算得到波长532 nm平面光波垂直于光学窗口穿过流场后的光程差(optical path difference, OPD)分布, 并对窗口上方近壁区有无喷流状态的流场结构引起的 OPD分布进行了研究. 发现无喷流时, 流场结构相对较为简单, 窗口上方有较长的回流区和层流区, 而有喷流时窗口上方出现复杂的剪切层、混合层及湍流边界层, 流动很快就转捩为湍流结构, 其引起的气动光学畸变要明显高于无喷流状态. 无喷流状态相隔5 μs的流场引起的光程差均方根值分别为0.0348 和0.0356 μm, 有喷流状态的光程差均方根值分别为0.0462 和0.0485 μm. 关键词： 超声速 喷流 气动光学 光程差     

Individual eye model based on wavefront aberration

Based on the widely used Gullstrand-Le Grand eye model, the individual human eye model has been established here, which has individual corneal data, anterior chamber depth and the eyeball depth. Furthermore, the foremost thing is that the wavefront aberration calculated from the individual eye model is equal to the eye's wavefront aberration measured with the Hartmann-shack wavefront sensor. There are four main steps to build the model. Firstly, the corneal topography instrument was used to measure the corneal surfaces and depth. And in order to input cornea into the optical model, high-order aspheric surface-Zernike Fringe Sag surface was chosen to fit the corneal surfaces. Secondly, the Hartmann-shack wavefront sensor, which can offer the Zernike polynomials to describe the wavefront aberration, was built to measure the wavefront aberration of the eye. Thirdly, the eye's axial lengths among every part were measured with A-ultrasonic technology. Then the data were input into the optical design software–ZEMAX and the crystalline lens's shapes were optimized with the aberration as the merit function. The individual eye model, which has the same wavefront aberrations with the real eye, is established.     

三路矩形光束相干合成波像差与光束质量

根据相干合成的原理,建立了三路矩形光束相干合成的数学仿真模型,根据数学模型编写了仿真程序;模拟计算了1～21阶泽尼克像差下,单路矩形光束和三路矩形拼接光束的波像差与光束质量因子关系的拟合系数;建立了波像差与因子关系的计算表达式。分析了影响拟合系数的因素,结果表明:拟合系数总体上随着泽尼克像差系数增大而增加。比较了单路矩形光束与三路矩形拼接光束拟合系数的相似点和不同点,并分析了造成拟合系数不同的原因。