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.     

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。     

变折射率介质中光线追迹通用算法的研究

基于几何光学的光线折射和反射原理提出了变折射率介质中的光线追迹算法,给出了在光线追迹过程中进行递推的反射光线和折射光线的方向余弦方程;解决了空间中法线的确定和光线回转等问题。最后通过对多种不同的存在解析解的特殊折射率分布的数值解值和解析解值的比较,验证了算法的正确性,并且讨论了应用算法时应该注意的问题和算法中还有待解决的问题。该算法不但具有广泛的适用性,基本不受折射率分布的制约,而且其数值解精度达10^-5。该算法在变折射率介质的光学设计和空间成像补偿等方面有着广阔的应用前景。     

基于光场相机层析法的颗粒三维位置测量

利用光场相机采集颗粒图像,改进层析反演算法,可以快速准确地获得颗粒三维空间位置.基于光场相机成像原理,建立光线正向追迹模型,在此基础上对图像非零像素发出的光线进行反向追迹,实现非零像素与空间体素之间的映射,构建层析法反演颗粒三维位置的模型.根据提出的降维求解MART算法权重矩阵方法,结合相似三角形原理提高颗粒深度位置的反演精度.依据高斯Blob模型,将强度最大的体素中心位置作为反演的颗粒三维位置.实验证明改进型MART算法明显减少了计算时间及所需内存,x轴坐标误差为±0.16 mm,y轴坐标误差为±0.18 mm,z轴坐标误差为±1.8 mm,满足精度要求,更加适用于对计算速度要求较高的场合,具有良好实际应用价值.     

变折射率介质中光线的追迹

本文根据A.Sharma等人提出的方法,给出了变折射率介质中光线追迹的矢量表达式;并提供了一个判断计算结果可靠与否的误差函数.在计算例子中,提出并讨论了用高精度的数值解来判断某些近似解析解所适用的范围.     

使用辅助光栅的平面变间距全息光栅加工理论研究

变间距全息光栅具有自聚焦和消像差功能,是高分辨率光谱仪与同步辐射单色器中的重要元件。研究了使用平面等间距光栅产生非球面波,记录平面变间距全息光栅的方法。根据几何光学的光线追迹理论,推导了光栅参量的四阶解析表达式。并基于费马原理,提出了记录光路的光线追迹数值算法。应用所推导的光栅参量四阶表达式,仿真设计了变间距全息光栅。通过合理选择记录参量,可以避免光栅基底受到零级及高阶衍射光场的影响。设计结果表明,理论光栅线密度与要求值相当符合;经光线追迹数值算法验证,解析表达式的展开误差在整个记录区域内小于1.5线;考虑到实际加工工艺允许误差,使用辅助光栅的记录光路对记录参量的误差并不敏感;设计实例证明了解析表达式的有效性,以及使用辅助光栅的记录光路的优越性。     

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。     

曲率半径误差对平场全息凹面光栅分辨率的影响及其补偿方法

在平场凹面全息光栅的没计制作中,不可避免的存在曲率半径误差,严重影响光栅光谱仪的分辨率.为了从理论上分析并指导光谱仪器的设计和装调,运用几何光线追迹方法计算并分析了不同曲率半径误差下光谱像宽度的变化规律,发现在一个较大的误差范围内子午焦线的位置随着曲率半径的变化前后平移,同时其弯曲程度几乎没有改变.数值计算发现通过调整像面位置或人臂长度均能够补偿曲率半径的误差.数值模拟结果显示,修正使用结构后的光栅能够达到与设计结果相近的成像质量.     

Offner成像光谱仪建模及像差分析

利用光线追迹方法得到系统的数值模型,然后运用级数展开方法,建立起系统的3阶解析模型,亦即3阶像差理论.该模型给出系统像差系数和计算系统点列图的解析表达式,可适应于包含变间距凸面光栅的系统,并具有良好的扩展性.通过追迹示例Offner系统中10000条不同波长、不同高度的光线,结果表明运用解析模型可以快速而准确地生成系统...     

一种基于子面拼接的光线追迹算法

为解决自由曲面设计过程中多个软件之间数据传输引起的限制和繁琐,提出了一种基于子面拼接的光线追迹算法.该算法首先用三角形微面元来拟合光学器件表面,然后从光学器件出发分别建立和光源及探测目标面的映射关系,以各微面元的空间位置、法向矢量及面元所对应的立体角来计算该面元可接收到的光源辐射功率,并据此得到探测面上的照度分布.为验证本文算法的有效性,基于Matlab 7.14平台编写了相应程序,并与Trace/Pro进行了对比仿真实验.结果表明,该追迹算法具有较高的追迹效率和精度,易于与计算模块融合成为闭环的反馈优化设计系统,实现曲面设计的自动优化,以取得更好的设计效果,并节约仿真和优化时间,具有广泛的实用价值.     

编码孔径光谱成像仪光学简化彗差对图谱反演误差分析

编码孔径光谱成像技术是近年来发展起来的一种新型光谱成像技术, 该技术在一次像面采用特定的编码模板对目标进行编码, 结合特殊的采样成像方式, 获得满足景物重构的采样数据量, 实现了空间信息和光谱信息的高精度重构, 具有高光通量、高信噪比等优势.但该技术实际的光学系统设计, 以及相应加工和装调过程中各种误差的存在, 将逐一传递反映到探测器精度与编码后图谱采样精度的不匹配, 这会引发最终重构图谱质量降低.本文侧重分析研究光学系统设计和研制装调中光学彗差相对设计值间存在的偏差, 通过几何光线追迹与波前像差联合计算的方法, 在成像面仿真出不同数值程度的彗差矩阵, 并以此来分析不同彗差下对重构图像质量的影响结果.并用其分析结论作为依据, 改进了编码孔径光谱成像仪的设计和研制, 提供了相应图像成像反演结果, 由此确保了编码孔径光谱成像仪的成像优势.     

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...     

基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法

提出了一种基于表面双向反射分布函数（BRDF）离散测量值直接追迹散射光线的方法，以各向同性表面为例，先对随散射角离散变化的表面BRDF离散测量数据组做空间坐标转换，由散射角半球空间转换到方向余弦空间；再通过等间距赋值插等值方式得到方向余弦空间内分布的BRDF数据；然后，利用舍选抽样法不受限于累积分布函数（CDF）求解过程的优点，设计新的散射概率模型，以方向余弦空间内BRDF数值比表示离散光线的概率分布，设定检验条件筛选出散射光线的空间坐标，实现散射光线追迹。为验证本文方法的准确性与适用性，设置相同的入射角、追迹光线数量等仿真参数，编制了本文光线追迹方法的仿真程序，对不同光机元器件建模仿真，对比商用LightTools软件的仿真结果，计算二者的通用质量指数UQI作为比对评价指标。结果表明，基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法，运算结果数据准确，与商用LightTools软件的仿真结果相比，UQI值均在0.998以上，且波动范围小，本方法具有良好地适用性。     

平场全息凹面光栅结构参量误差之间的补偿作用

平场全息凹面光栅的制作和使用中不可避免地存在结构参量误差,包括曲率半径误差、制作结构误差以及使用结构误差.利用光线追迹方法研究了像宽随波长的变化曲线与子午焦线的对应变化关系,有助于光谱仪的设计和装调.通过分析各种结构参量误差对像宽曲线的影响发现,在较大误差范围内,光栅参量误差对子午焦线的影响作用为平移作用和倾斜作用.数...     

啁啾脉冲放大激光系统中展宽器色散的解析算法

时域色散精密控制是超短激光产生及其应用中的关键技术之一,它通过控制各波长的光程产生相对延迟从而改变脉冲宽度.展宽器是啁啾脉冲放大激光系统中对激光脉冲展宽的装置,基于光线追迹法研究光线在展宽器中的传输路径,可计算飞秒脉冲中各波长的光程,进而计算脉冲展宽量并应用于系统设计.由于展宽器的光程表达式复杂,直接对其求导获得色散表达式较困难,目前只能采用数值导数获得近似解,这在计算过程中会引入误差,不利于激光系统精确设计和优化.本文介绍了一种易实现的求解展宽器色散的解析算法,通过归纳展宽器光程表达式特点,引入四个基元函数,将光程表达式分解和反复代换,可得到高阶色散的精确解析值.本文首先对Martinez型展宽器重新光线追迹,获得与Offner型展宽器一致的相位表达式,其次通过解析算法获得了两种展宽器的精确高阶色散值,最后将解析算法与数值算法的结果进行了比较.该解析算法对于啁啾脉冲放大系统的参数设计具有实用价值.     

基于体标定追迹法的光场PIV权系数计算方法

针对光场粒子图像测速(PIV)技术中介质折射率变化及镜头畸变等因素而导致权系数计算误差较大的问题,提出一种基于体标定追迹技术的光场PIV权系数计算方法.该方法首先通过体标定方法建立空间物点与微透镜之间的映射关系,然后利用光线追迹技术计算控制体内的离散体素对像素的权系数,最后将该方法计算的权系数与直接追迹法计算的结果进行比较,并对标定板特征点的空间位置进行重建实验研究.实验结果表明,体标定追迹法计算出的权系数与直接追迹法的计算结果高度吻合;重建获得的标定板特征点在横向和深度方向上的位置误差分别小于0.002 mm和0.250 mm.     

红外扫描成像系统中冷像的分析和控制

提出了一种基于准近轴光线追迹的冷像噪声的快速分析方法，给出了适用于这类非对称光学系统的准近轴光线追迹公式，介绍了在光学系统自动设计阶段控制或消除冷像噪声影响的方法。这些分析和控制已全部在北京理工大学研制的ＧＯＳＡ软件中实现。     

基于格点化大气参数廓线模式的低仰角大气折射修正方法EI北大核心CSCD

高精度低仰角大气折射修正方法是提高海陆域光电测控系统全方位测控能力的重要保证。利用光线追迹方法,建立了一种考虑大气空间不均匀性的低仰角大气折射修正方法;对修正方法的影响因素及误差进行了深入分析,包括大气空间不均匀性和湍流对低仰角大气折射修正的影响;给出了不同折射修正精度对应的大气折射率高度分布所要满足的最大误差,修正方法的数据基础为自主建立的基于实测廓线数据的三维空间格点化大气参数高度分布模式。利用建立的修正模型和格点化大气参数廓线模式对典型大气状况下的折射修正结果进行了分析。     

星载车尔尼-特纳型成像光谱仪像差校正的研究

为克服传统的车尔尼-特纳型光谱仪像差较大、空间分辨率低等缺点,提出了一种星载车尔尼-特纳型成像光谱仪像差校正方法.具体分析了像差校正的原理和方法,利用这种方法设计了视场角为2.3°,焦距为114.18 mm,F数为3.81,工作波段为540～850 nm星载车尔尼-特纳型成像光谱仪光学系统,运用光学设计软件Zemax对成像光谱仪总的光学系统进行光线追迹和优化,并对设计结果进行分析.结果表明,该系统的像差得到充分校正,全视场调制传递函数值在540～850 nm波段达0.58以上,完全满足设计指标要求,也证明了所提出的像差校正方法的可行性.     

基于格点化大气参数廓线模式的低仰角大气折射修正方法

高精度低仰角大气折射修正方法是提高海陆域光电测控系统全方位测控能力的重要保证。利用光线追迹方法,建立了一种考虑大气空间不均匀性的低仰角大气折射修正方法;对修正方法的影响因素及误差进行了深入分析,包括大气空间不均匀性和湍流对低仰角大气折射修正的影响;给出了不同折射修正精度对应的大气折射率高度分布所要满足的最大误差,修正方法的数据基础为自主建立的基于实测廓线数据的三维空间格点化大气参数高度分布模式。利用建立的修正模型和格点化大气参数廓线模式对典型大气状况下的折射修正结果进行了分析。