大气湍流光学参数分析

利用两种不同大气湍流结构常数模型,讨论了不同高度的湍流对大气湍流光学参数的影响。通过理论计算得出：相干长度和对数振幅起伏方差主要由低层大气湍流决定,而等晕角、倾斜等晕角、格林伍德频率和泰勒频率由对流层顶附近的高层湍流决定。分析了垂直高度30 km以下的3部分大气湍流对等晕角的贡献比例,在给定的不同强度湍流下,对流层顶附近的高层大气湍流贡献比例都大于25％,而低层大气湍流的贡献比例都小于3%。     

大气湍流光学参数分析

利用两种不同大气湍流结构常数模型,讨论了不同高度的湍流对大气湍流光学参数的影响。通过理论计算得出:相干长度和对数振幅起伏方差主要由低层大气湍流决定,而等晕角、倾斜等晕角、格林伍德频率和泰勒频率由对流层顶附近的高层湍流决定。分析了垂直高度30 km以下的3部分大气湍流对等晕角的贡献比例,在给定的不同强度湍流下,对流层顶附近的高层大气湍流贡献比例都大于25％,而低层大气湍流的贡献比例都小于3%。     

高精度等晕角测量关键技术研究

等晕角是重要大气光学参数之一,对天文光学站址选择、大气湍流效应自适应光学校正效果评价等有着重要的意义。分析了国内外等晕角测量技术,介绍了等晕角测量的基本原理,设计了三环变迹镜并开展了数值验证,分析并提出了高精度等晕角测量仪的主要技术指标,研制了一套高精度等晕角测量仪,结果表明,该仪器能够满足全天时的等晕角测量。     

单双层共轭系统的共轭高度对等晕角的影响

 简要介绍了传统自适应光学系统的局限性和多层共轭自适应光学基本原理。模拟了单双层共轭校正系统的共轭高度,并结合平程与垂程(HV模型)两种传输状态对系统等晕角增益作了进一步的分析。对单层共轭系统,在20 km的传输距离内,在平程中整个区域都属于等晕角放大区,共轭高度的最佳位置在传输距离的中间（约10 km处）,等晕角取极大值,增益效果较好;但垂程中增益效果变差,且等晕角放大区也仅在3.6 km之内。对双层共轭系统来说,第1层共轭高度的变形镜主要对近距离畸变波前进行校正,并对整个传输距离的等晕角影响很大,是双层共轭系统的关键因素;第2层共轭高度对远距离等晕角影响较大。     

单双层共轭系统的共轭高度对等晕角的影响

简要介绍了传统自适应光学系统的局限性和多层共轭自适应光学基本原理。模拟了单双层共轭校正系统的共轭高度,并结合平程与垂程(HV模型)两种传输状态对系统等晕角增益作了进一步的分析。对单层共轭系统,在20 km的传输距离内,在平程中整个区域都属于等晕角放大区,共轭高度的最佳位置在传输距离的中间（约10 km处）,等晕角取极大值,增益效果较好;但垂程中增益效果变差,且等晕角放大区也仅在3.6 km之内。对双层共轭系统来说,第1层共轭高度的变形镜主要对近距离畸变波前进行校正,并对整个传输距离的等晕角影响很大,是双层共轭系统的关键因素;第2层共轭高度对远距离等晕角影响较大。     

大气湍流的分层结构及自适应光学共轭校正

近期观察表明，在很多情况下，大气湍流主要集中在几个薄层中。将这些薄层用相位屏近似，由它们所引起的波前畸变可用分层共轭自适应光学系统进行补偿，从而使等晕角大大增加。本文对理论结果和实际的限制因素进行了较详细的讨论。     

激光导引星大气湍流波前非等晕性误差的像差模式分解

激光导引星概念解决了自适应光学技术的信标问题，同时带来了无法克服的非等晕性误差。将高度聚焦非等晕性误差和角度等晕性误差统一起来考虑，分析激光导引星的大气湍流波前各阶模式的非等晕性误差，并给出了解析模型。同时分析了瑞利导星和纳导星的大气湍流波前的模式非等晕性相对误差，在没有角度偏离的情况下，90km的钠导星的模式非等晕性误差明显小于15km的瑞利导星，但是它对角度的敏感程度却远远大于端利导星。采用激光导引星的自适应光学系统用于大气湍流的校正，选择较低阶的模式校正就可以达到较好的效果，而且即使目标与导引星的偏角大于等晕角，选择低阶模式也可以达到有效的部分校正效果。     

多层共轭自适应光学系统中等晕角的计算

介绍了多层共轭自适应光学(MCAO)系统的基本原理及其对提高自适应光学系统的等晕角的作用。介绍了用计算机模拟计算MCAO等晕角所用的数值方法,并给出了相应的算法。计算了在传统的自适应光学系统中的等晕角的大小以及采用多层共轭技术的自适应光学系统的等晕角的大小,并对二者进行了比较,说明了多层共轭自适应光学系统相对于传统的自适应光学系统在提高系统的等晕角方面的优越性。结果表明,在MCAO中,变形镜的个数越多其等晕角越大。     

Fourier optics approach to imaging with sub-wavelength resolution through metal-dielectric multilayers

Metal-dielectric layered stacks for imaging with sub-wavelength resolution are regarded as linear isoplanatic systems — a concept popular in Fourier optics and in scalar diffraction theory. In this context, a layered flat lens is a one-dimensional spatial filter characterised by the point spread function. However, depending on the model of the source, the definition of the point spread function for multilayers with sub-wavelength resolution may be formulated in several ways. Here, a distinction is made between a soft source and hard electric or magnetic sources. Each of these definitions leads to a different meaning of perfect imaging. It is shown that some simple interpretations of the PSF, such as the relation of its width to the resolution of the imaging system are ambiguous for the multilayers with sub-wavelenth resolution. These differences must be observed in point spread function engineering of layered systems with sub-wavelength sized PSF.     

Simulation of anisoplanatism of adaptive optical system in inhomogeneous turbulent atmosphere

The goal of this study was to analyse anisoplanatism of adaptive optics under an inhomogeneous turbulent atmosphere over a pupil of finite size. By means of a numerical model with layers of turbulence software was proposed by which point spread function (PSF), optical transfer function (OTF) as well as system isoplanatic angle can be calculated. Atmospheric turbulence was simulated with the aid of a set of moving random phase screens with arbitrary statistics. Both reference and target are assumed to be the point light sources. To simulate atmospheric turbulence we applied the concept of a number of moving random phase screens with Kolmogorov spectrum. In my investigation I used the model of the Shack-Hartmann wave front sensor and the ideal model of a wave front adaptive mirror that is assumed to reproduce a given number of Zernike polynomials without time delays. The designed software allows calculation of instantaneous and average values of phase correction errors at different angles between a reference beacon and target source. Simulations can be made with a broad range of parameters of an adaptive system and atmospheric turbulence. The system of the model allows changing of the control algorithm of phase correction. Both common phase conjugation and weighted phase conjugation algorithm have been tested. This program is capable of calculating the effects of beam diffraction during propagation in the atmosphere.     

基于光学系统像面分割的图像恢复方法研究

实际光学系统的点扩散函数随视场的不同而变化,因此基于线性不变成像系统的图像恢复方法在处理由大视场系统得到的图像时,恢复效果不理想。若把成像系统作为线性空变系统来进行处理,根据等晕成像原理,如将降质图像分割为不同区域进行复原的话,则可以有效地提高图像的恢复效果。针对区域间边界不连续性的问题,提出了区域延拓的解决方法,通过数字仿真,验证了图像分割处理与区域延拓方法的可行性。     

高精度半导体激光打标机F-θ镜头设计

为保证半导体激光打标机F-θ镜头的扫描质量,实现系统像高与扫描角的线性变化,需对F-θ镜头给予一定的畸变量,并使其满足等晕条件。分析F-θ镜头工作原理及像差要求,根据1 064 nm半导体激光打标机的光源成像要求选择合适的玻璃材料,合理分配每片透镜的光焦度,以保证等晕成像;根据F-θ镜头线性成像要求,计算系统总畸变量为1.6%,系统总畸变量为系统的实际桶形畸变与相对畸变量之和;在光学系统优化设计时,引入这两项优化参数,优化过程中观察系统成像变化情况。设计结果表明:系统MTF曲线接近衍射极限,F-θ镜头相对畸变小于0.36%,各视场均方根半径均小于艾里斑直径,并且整个系统70%的能量集中在直径为16 μm的圆内,系统总畸变量为1.58%,满足设计指标要求。     

Theoretical analysis and simulation of conjugate heights for dual-conjugate AO system in lidar

A multi-conjugate adaptive optics （MCAO） can offer a possibility of widening field of view （FOV） characterized by the isoplanatic angle, and the choose of conjugate height becomes a basic problem for MCAO, which influences the size of iosplanatic angle. Considering the application of lidar, the isoplanatic angle＇s expressions of two deformable mirrors （DMs） MCAO for uplink and downlink are deduced. The effects of conjugate heights for dual-conjugate AO are thoughtfully discussed, and the isoplanatic angles are further analyzed. The results show that the isopanatic angle varies with the conjugate height and reaches the maximum as the conjugate height is at the optimal altitude. Moreover, the optimal conjugate height changes with the propagation distance.     

大气湍流对遥感系统分辨力的影响

以平面波为例,分别针对较弱和较强的湍流模型,通过计算到达角起伏讨论了高空光学遥感系统由大气湍流引起的地面图像分辨力问题。结果表明,对于给定的遥感系统口径和高度,较强湍流引起的图像分辨力的1cm左右;而较强湍流引起的图像分辨力则可达10cm量级。对于自身的地面分辨力具有m的量级的传统光学遥感系统,上述影响并不明显。对于现代高辨力光学遥感系统,这种影响便不容忽略,特别是对较强的湍流,往往需要用自适应光学等方法加以补偿。     

星对星激光雷达反射层析成像技术探讨

以星对星激光雷达成像为应用背景,提出了一种基于啁啾脉冲信号的反射层析成像处理方法,该方法通过激光雷达多角度回波非相干累积实现高分辨率的图像重构;分析了星对星反射层析成像的实现条件,包括成像分辨率、工作模式及成像时间.研究结果表明,采用本文所提出的成像方法,通过同轨道面的伴星探测方式可以满足激光雷达反射层析成像多角度探测的要求,在观测角度范围大于60°时能够得到0.1 m目标分辨率,角度范围越大,分辨率越高,且成像时间与卫星轨道半径和两星距离有关.实验验证了该方法的有效性和星对星反射层析成像的可行性.     

大口径干涉仪系统传递函数的修正和校准

 采用子孔径拼接法对传统系统传递函数校准方法进行修正。将大口径干涉仪视场分成若干个等晕区,采用标准台阶相位比较法分别测得每个等晕区的传递函数,然后将大口径干涉仪系统传递函数修正为每个等晕区传递函数的加权平均,其权重因子由对应等晕区内测试面的功率谱决定。实验结果表明:中心视场对应传递函数和修正后的系统传递函数在3 mm^-1附近处差值大于0.2;修正后的系统传递函数校准方法能更准确地得到波前功率谱密度。     

Lens ghost imaging in a non-Kolmogorov slant turbulence atmosphere

Based on the method of computation reference channel and the extended Huygens–Fresnel integral, the model of lens ghost imaging with fully spatially incoherent linear polarization light through a slant turbulent channel has derived. The model shows that the resolution ratio of ghost imaging decreases as the power-law exponent of non-Kolmogorov turbulence increasing or the object location departing from the source. The zenith angle of channel has little influence to the quality of the ghost imaging. The minimum distinguishable centre-separation of double slit decreases as the power-law exponent of non-Kolmogorov turbulence increasing.     

宽谱段共光轴线色散成像光谱仪三棱镜分光系统设计

针对棱镜型成像光谱仪结构复杂、具有严重的色散不均匀性,进行了共光轴线色散棱镜式宽谱段成像光谱仪研究。利用棱镜的色散公式建立了对称型三棱镜组合分光结构的数学模型,获得了满足直视结构的棱镜组合,并在此基础上分析影响棱镜组色散线性因素：棱镜材料的折射率和色散率对棱镜组线色散影响比较大,入射角度对其影响比较小,并提出改善色散线性的方法,获得了满足线色散要求的棱镜组合的折射率条件,从而为共光轴结构的线色散棱镜式成像光谱仪初始结构的选择提供了重要理论依据。在工作波段为400~1 000 nm、中心波长偏向角为0°、最大色散角为0.6°、光谱仪系统数值孔径NA为0.18、光谱分辨率为5 nm条件下,实现共光轴三棱镜分光系统的线色散设计,最后利用ZEMAX进行了模拟分析表明,理论计算结果与实际仿真结果基本相符。     

一种新型静态成像光谱系统的研究

静态干涉系统具有稳定性好、抗干扰能力强的优势,但其缺点是光谱分辨率低并且光谱测试范围不易调整。针对静态干涉型成像光谱系统光谱分辨率低且不可调等问题,设计了一种新型静态成像光谱系统。系统由光束整形模块、新型静态干涉调制模块以及成像模块构成。光束整形模块将入射光缩束并整形为平行光,进而保证入射干涉具后可以获得较好的干涉效果;新型静态干涉调制模块对入射光进行相干处理。在双折射干涉结构的基础上进行了改进,在不改变原有静态干涉具尺寸的基础上提高了系统的光谱分辨率,并实现了光谱分辨率的静态调制;成像模块完成对目标区域二维可见光图像的采集。系统核心部件由两组光轴相互正交的Wollaston棱镜作为分光器件,在两棱镜间放置电光调制模块,实现光程的静态扫描。分析了新型静态成像光谱系统的工作原理,给出了入射角、折射角等主要参数的函数表达式,并构建了系统的数据模型。通过绘制系统光线追迹图的方式,得到了该系统横向剪切量的函数方程,并对影响横向剪切量的各个参数进行了分析与讨论。通过仿真计算了改变结构角、晶体厚度以及调制度等参数对横向剪切量的影响程度,并定量计算了两个参数对系统光谱分辨率的影响程度。由仿真分析结果可知,增大结构角与加宽调制晶体厚度都可以为系统提供更大的光程差。故通过电光调制的方式实现横向剪切量的静态扫描是可行的,可以实现静态光谱图像的获取。在实验中对660 nm激光进行了测试。新型静态干涉模块采用孔径20 mm×20 mm,厚度10 mm的两块光轴相反的Wollaston棱镜与厚度10 mm的电光调制晶体构成。当调制度分别是0.000 2和0.000 6时,成像模块采集得到干涉条纹具有明显差异。当调制度增大时,其干涉条纹密度增大,说明采用越大的调制度,系统对应的光谱静态扫描能力越强,对光谱分辨率的控制越好。由此可见,本静态成像光谱系统在控制电光晶体调制度的条件下具有光谱分辨率可调的特性,验证了系统的可行性。     

基于角度-多普勒分辨的反射层析激光成像雷达研究

设计了一种基于角度-多普勒分辨的接发同轴反射层析激光成像雷达系统,给出了基本成像原理和数学表达,相应分析了目标横向距离分辨率和单个角度采样时间的关系。并在实验室平台上模拟远场衍射传输,获取探测目标的角度-多普勒分辨的反射投影图,采用滤波反投影算法实现目标横截面图像重建。此方法采用相干外差探测,可以大大提高雷达接收信号灵敏度,同时不涉及光频空间相位和时间相位,成像中没有相位匹配过程,降低了实施技术难度,具有一定的实际意义和使用价值。