天文望远镜像差对斑点成像技术的影响

着重研究了采用斑点成像技术处理天文望远镜图像时,光学系统固定像差对图像恢复结果的影响。在详细研究各种恢复天文图像振幅和相位的理论和方法的基础上,建立了一个包括Labeyrie振幅恢复方法和KnoxThompson相位重构方法的恢复扩展目标的斑点成像处理模型,分析了光学系统固定像差对系统传递函数相位分布和目标相位重构的影响：天文目标通过大气成像,固定像差将会被淹没在大气湍流随机起伏中,像差对相位重构没有显著影响。处理图像结果表明,斑点成像技术能同时消除大气湍流和望远镜系统固定像差的影响,得到高分辨力的扩展目标图像。还提出了一种消除光学系统像差的方法。     

拼接式编码器测角误差分析及试验

根据望远镜测角系统的精度需求,分析了影响拼接式编码器测角精度的误差源,以及多读数头测角消差原理,确定了采用相位相差90°的4读数头的测角方式。在某望远镜方位轴系转台进行了逆时针和顺时针方向的测角试验,通过对测角数据进行谐波分析并补偿后,得到两组实验测角误差RMS分别为0.34"、0.38"。实验表明,相位相差90°的均布4读数头的测角方式消除了由轴系误差、编码器安装位置误差和钢带安装盘部分圆度误差对测角精度的影响,实现了亚角秒级测角的目的。研究结果可用于大口径望远镜设计阶段的误差分析与分配、预估测角精度,为降低设计和加工误差提供参考。     

像增强型CCD成像系统的分辨力分析

分辨力和信噪比是像增强型CCD成像系统的两个最主要的参量.为了分析CCD相机分辨力对像增强型CCD成像系统分辨力的影响,本文分别用一个高分辨力像增强型CCD相机和一个普通分辨力CCD相机分别与相同的中继透镜、像增强器和前置镜头耦合,得到一套高分辨力像增强型CCD实验样机和一套对比像增强型CCD实验样机;在不同照度下测量了两套实验样机的分辨力和信噪比,实验结果分析表明:当照度高于1.84×10-3 lx时,像增强型CCD成像系统分辨力受器件分辨力和信噪比共同影响,高分辨力像增强型CCD实验样机分辨力要高于对比像增强型CCD实验样机分辨力.当照度低于1.84×10-3 lx时,像增强型CCD成像系统分辨力主要受器件信噪比的影响,高分辨力像增强型CCD实验样机与对比像增强型CCD实验样机分辨力相当.     

天文光学仪器

TH7512007010877一种实时消除望远镜图像旋转的方法=Method for eli mi-nating astronomical telescope's i mage rotation in real ti me[刊,中]/韩维强(中科院光电所微细加工光学技术国家重点实验室.四川,成都(610209)),廖胜…//光电工程.—2006,33(7).—88-91,95利用光线追迹的方法分析了地平式天文望远镜的几面反射镜在望远镜的竖直轴、水平轴转动时所引起的图像旋转,给出了目标图像旋转与望远镜高低方位角之间的函数关系式,利用别汉棱镜转像的特性在成像光路中加入了实时图像消旋系统。经试验验证,在不同方位角、天顶距情况下采集的…     

基于四象限探测器的激光导引镜头的研制

为了满足激光制导对大视场、高线性度探测的性能要求,基于激光制导炸弹的应用需求,介绍了四象限探测器的工作原理和特点,分析了光斑大小、能量均匀性、线性度、探测距离等参数对探测精度的影响;结合系统性能指标,选择了合理的光学系统结构类型,完成了光学系统设计和光机结构设计;利用畸变、点列图、足迹图、能量集中度等指标对系统性能进行了评价,并分析了目标大小和探测距离对光斑大小的影响。测试结果表明,激光导引镜头总视场为±20°、线性视场为±10°、目标大小为1.5~2.4 m、探测距离为50 m~4 km、测角精度优于0.2°,能够满足激光导引的需求。     

大气湍流对光学系统图像分辨力的影响

讨论了大气湍流对空 地和地 空光学系统图像分辨力的影响。大气相关长度r0是评定大气湍流是否影响光学系统图像分辨力的主要依据。采用不同的大气湍流模型,通过计算相关长度得到了大气湍流对系统图像分辨力的影响,并对空 地与地 空系统的大气相关长度进行了计算比较。结果表明:对空 地观测系统来说,大气相关长度是大气层高度和反映大气湍流特征的C2n的函数。而对地 空观测系统来说,大气相关长度与高度几乎无关。分析了大气湍流对机载和星载光学遥感系统成像分辨力的影响。     

Non-Kolmogorov湍流下外差激光雷达探测性能

基于Rytov近似和Huygens-Fresnel原理,推导出外差激光雷达在non-Kolmogorov弱湍流中斜程探测时目标平面的平均光强和闪烁指数,得到外差激光雷达系统效率,并针对广义指数、天顶角、结构常量、基站结构、望远镜孔径和光束类型对系统效率的影响进行了研究.研究结果表明:当广义指数小于3.2或大于3.8时,外差激光雷达的系统效率减小幅度较大;随着天顶角的增大系统效率逐渐减小;双基站结构外差激光雷达的系统效率小于单基站结构;随着望远镜孔径的增大,系统效率存在最低值,并最终趋于平缓;近场时平行光系统效率最大,远场时发散光的系统效率最大.     

傅里叶望远镜外场实验性能改进和结果分析

为了实现对傅里叶望远镜成像系统更接近实际的仿真,改进了外场实验系统结构。采用反射式目标,利用准直扩束镜替代空间滤波器和准直透镜,使用大靶面电荷耦合器件作为监视器。在无大气和包含200m水平大气两种情况下,分别对2.5mm的4种不同空间频谱分布目标进行实验。实验选用9×9,17×17,33×33和65×65傅里叶分量分别进行重构。最高成像角分辨率为3.5″。结果表明含大气与无大气重构结果的Strehl比值相近,从而证明傅里叶望远镜成像系统能够克服下行链路低阶大气扰动的影响。     

用于活体人眼视网膜观察的自适应光学成像系统

利用自适应光学技术,研制了两套活体人眼视网膜高分辨力成像系统,在实时校正人眼波前误差的基础上,实现活体人眼视网膜细胞尺度的高分辨力成像。这两套系统分别采用19和37单元小型压电变形反射镜作为波前校正元件,哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器测量波前误差,用眼底反射的半导体激光作为波前探测的信标。在用计算机控制自适应光学系统实现人眼波前误差校正后,触发闪光灯照明视网膜,用CCD相机记录视网膜的高分辨力图像。校正后的残余波前误差的均方根值已分别小于1／6和1／10波长,相当于视网膜上成像分辨力分别为3．4μm和2．6μm,接近衍射极限。试验表明37单元系统的成像质量更好。     

利用地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法

针对导航控制系统对姿态测试技术多元化、新型化和低成本的要求, 提出了一种基于地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法. 首先, 根据地球红外辐射的产生机理, 结合红外辐射在大气中的传播规律, 建立了地球红外辐射模型. 然后, 分析了旋转飞行体的运动特征, 构建了红外传感器的测量模型. 为了探索红外传感器的输出信号与旋转飞行体的姿态信息之间的内在联系, 研究了不同姿态角和视场角下的传感器输出信号特征. 最后, 为了提高旋转飞行体的姿态测试精度, 设计了基于三轴红外传感器的扩展卡尔曼滤波算法来估计姿态角和横滚角速度. 结果表明: 利用地球红外辐射场进行姿态测试的方法有效可行, 俯仰角估计误差在±0.1°, 横滚角估计误差在±0.05°, 横滚角速度估计误差在±1 rad/s. 该姿态测量方法简单有效, 能够满足旋转飞行体的姿态测量要求.     

地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42 mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计与分析

针对太阳极紫外成像光谱仪的应用目的与工作环境,设计了一种太阳极紫外成像光谱仪的光学系统.该系统由望远系统、狭缝、光栅与探测器组成.望远系统采用离轴WolterⅡ型结构,入射光掠入射进入系统,具有光谱范围宽、稳定性高、克服恶劣空间环境能力强等优点.扫描镜采用平面反射镜,成像质量不随扫描角的改变而改变.分光光栅采用超环面3 600lines/mm变间距光栅,与超环面等间距光栅相比,具有成像质量高、光谱分辨率高、缩短系统长度的优势.工作波段为17.0～21.0nm,可满足探索温度在5.8≤log T≤6.3区间的宁静日冕的需要.视场为1 228″×2 400″,空间分辨率达到0.8arc second/pixel,光谱分辨率约为0.001 98nm/pixel,总长度不超过2.5m.计算了望远系统的理论有效面积,给出了望远系统的成像质量与实际的视场.系统整体的成像质量、光栅的谱线弯曲与谱带弯曲,均满足实际应用要求.     

自适应光学系统校正后实际分辨率评价指标

为了评价地基大口径望远镜对空间目标自适应光学系统校正后的实际分辨率,提出了可分辨单元数比指标。结合1.23 m自适应光学望远镜的观测数据,对可分辨单元数比的物理意义、适用范围、误差影响因素以及大气弥散的影响进行了分析。结果表明：可分辨单元数比能全面反映望远镜系统对空间目标自适应校正后的实际分辨率,且物理意义更直观;适用于所有可获取波前特征的望远镜自适应校正后实际分辨率的评估;其误差主要依赖于波前探测器的测量误差;大气弥散对其影响可忽略。     

大气导致的脉冲展宽对星载量子密钥分发的影响

分析比较了星地量子密钥分发系统中由于大气湍流和大气色散导致的脉冲展宽。分别推导了大气湍流和色散效应下脉冲展宽比。根据大气压强和温度与海拔间的实测数据,计算了到达脉宽与不同初始脉宽、工作波长、链路天顶角的关系。并根据到达脉宽计算了系统背景噪声量。数值模拟结果表明：当工作波长为1.06 μm,初始脉宽为15 fs时,到达脉宽有最小值。对于不同的链路天顶角,在无月晴朗的星空,探测器探测到的背景噪声约为1.9×10-10~2.7×10-10,而误码率约为0.5×10-5。     

大气弱湍流下星地光链路衰落特性影响因素分析

研究了弱湍流条件下星地光通信链路的衰落概率、平均衰落次数以及平均衰落时间3个重要参数的统计特性,并通过数值仿真分析了链路天顶角、光波长以及接收机海拔高度对链路衰落特性的影响。结果表明:减小天顶角和提高接收机探测灵敏度可以改善链路的衰落特性;1.55 m激光较0.85 m、1.06 m激光更适合于星地光通信;地面接收机应尽量建在2 000 m以上的高海拔地区。     

大气色散效应对信标应用的影响研究

计算了由于大气色散效应造成的信标光与发射主激光的实际天顶角之间的角间距 ,其中考虑了天气条件、地理位置、发射天顶角和信标波长等影响因素。结果表明 :发射天顶角和信标波长对信标偏离角间距的影响较大 ,而天气条件和地理位置的影响相对较小。发射天顶角越大 ,角间距越大。信标波长应尽量靠近发射光波长 ,同时 ,应优选波长大于发射光的信标。     

大气折射对可见光波段辐射传输特性的影响

折射是影响辐射传输的重要因素. 为分析大气折射对辐射传输的影响, 基于Monte Carlo方法, 给出了考虑大气折射的矢量辐射传输模型, 实现了均匀气层和耦合面处光子随机运动过程的模拟, 实现了直射光及漫射光Stokes矢量、偏振度和辐射通量等参数的计算. 在考虑和不考虑大气折射两种条件下, 验证了模型的准确性; 在纯瑞利散射条件下, 讨论了大气折射对不同方向漫射光Stokes矢量的影响; 在不同太阳天顶角、大气廓线、气溶胶及含云大气条件下, 分析了大气折射对辐射传输过程的影响. 结果表明: 大气折射对漫射光Stokes矢量的影响主要体现在天顶角70°–110°区间, 且随着太阳入射角增大, 其影响更为显著; 不同大气廓线情形下, 大气折射对Stokes矢量的影响不一致, 其原因是不同大气廓线对应的折射率廓线存在差异. 含云及含气溶胶大气条件下, 大气折射对辐射传输的影响变弱, 沙尘型及海盐型气溶胶条件下, 折射对辐射传输的影响强于可溶型气溶胶情形; 不同形状气溶胶条件下, 大气折射对辐射传输的影响也存在显著差异; 不同云高条件下, 大气折射对漫射光Stokes矢量的影响无显著差异, 但随着云光学厚度增大, 大气折射的影响减弱.     

基于噪声特性的大气湍流退化图像多帧盲反卷积复原

由于大气湍流和噪声的影响,造成观测目标图像的退化.为了目标的精确观测,根据噪声特性,结合符合物理意义的约束条件,提出了新的大气湍流图像盲反卷积复原最小化模型,并以共轭梯度数值优化方法交替迭代求解,复原观测目标图像.为验证提出的算法的有效性,在计算机上模拟参数为望远镜口径为2.0 m,大气相干长度为0.1 m,图像信噪比为10 dB的大气湍流退化和噪声污染的图像,以提出的盲反卷积复原方法复原,实验结果表明,提出的盲反卷积复原算法避免了传统的盲反卷积复原算法的缺陷,有效地克服大气湍流和噪声的影响,复原出了清晰的观测目标图像.该图像盲反卷积复原方法的研究,对地基望远镜的观测有重要的基础性作用.