平板型聚光器作为可见光通信中光学天线的设计与性能分析

针对室内可见光通信中光学天线存在的视场小、接收面光能分布不均匀,以及低功率光源条件下接收功率低的问题,设计了作为可见光通信系统光学天线的平板型聚光器,推导出适用于平板型聚光系统的光学增益理论公式。在一个(5×5×3)m房间中对平板型聚光器作为光学天线的接收功率分布进行仿真,得到直射和非直射链路信道下视场角为50°的平板型聚光器接收房间内各位置的光功率比直接探测时分别提升了16.2411dBm和16.4956dBm。     

基于2D微电子机械系统(MEMS)镜全向激光雷达光学系统设计

为了满足全向激光探测的需求,提出一种基于2DMEMS镜扫描的激光雷达结构。激光器通过1×6高速光开关分时地给6个扫描子系统提供光信号,6个扫描子系统探测视场叠加起来可实现360°激光探测。每个扫描子系统的扫描范围为60°×30°,其中包含一个扩展MEMS镜扫描角度的发射光学天线和一个大视场有增益的接收光学天线。发射光学天线将MEMS镜±10°的扫描角扩展到±30°,发散度小于0.2mrad;接收视场内的激光波经过接收天线在探测器上所成的半像高小于1mm,接收增益为3.65。通过计算修正后的激光雷达方程可得到发射功率20 W的激光束在工作距离100 m内的回波功率≥1 nW,结果表明该光学系统可适用于激光雷达系统。     

基于室内可见光通信技术的新型两级光学接收天线设计与分析

针对室内可见光通信系统的应用需求,设计了一种新型两级光学接收天线.根据复合抛物面聚光器光学增益随视场增大而减小的聚光特性,将复合抛物面聚光器截面基准曲线旋转设计得到具有一定旋转角与厚度的透镜壁复合抛物面聚光器.进一步结合透镜壁复合抛物面聚光器和半球透镜的优势设计了一种新型两级光学接收天线,在增益保持的情况下视场角增大了近20~?.在一个5 m×5 m×3 m的空旷房间,通过Trace Pro建立光学天线的分析模型,Matlab软件对室内可见光通信系统进行信道建模.计算结果表明,采用这种新型两级光学接收天线,与直接接收的情况相比,平均接收功率增幅为757.2%,是复合抛物面聚光器的5.62倍;信噪比平均值增幅为28.07%,是复合抛物面聚光器的1.67倍;光学增益为11.49,是复合抛物面聚光器的2.81倍.且光斑半径仅为2.5 mm,较复合抛物面聚光器减小了近37.5%,使得能量集中均匀分布,进一步证实该新型两级光学接收天线适用于室内可见光通信系统.     

光栅型光谱波分复用可见光通信光学天线

针对多光谱通信的需求,设计了一种光栅型光谱波分复用可见光通信光学天线。相比同类多光谱通信光学系统,该光学天线具有信道数多、增益大、效率高等优点。经过理论分析,提出了采用双柱面镜结合反射式光栅的天线结构,在光谱维保持较高的光谱分辨率,增加信道数,提高系统的通信速率;同时缩小光斑空间维的大小,提高系统的增益。仿真分析表明,该光学天线可以同时高效地对8个不同的单光谱信号进行探测接收,视场角高达18°×0.4°,增益为12.6,信噪比高达48.28 d B,天线尺寸为9 cm×12 cm。最后,根据设计仿真制作了原理样机,实验结果显示该光学天线可以清晰地分开多光谱信号并实现探测接收,信号间没有产生串扰,信噪比较高,适用于多光谱波分复用通信系统。     

二级级联式室内可见光通信光学接收天线设计

针对室内可见光通信系统的传统光学接收天线无法同时满足高增益和大视场的问题, 设计了一种二级级联式光学天线. 通过分析信噪比、通信速率与接收天线视场角的关系, 发现视场角为40°–60°的光学天线最适用于室内可见光通信系统. 通过光学仿真软件TracePro的模拟及计算, 给出了所设计的二级级联式光学天线的增益随信号光入射角的变化关系. 结果表明, 相较于传统接收天线, 二级级联式光学天线具有更好的光学性能, 视场角为菲涅耳透镜单独接收时的4 倍. 利用Matlab对二级级联式光学天线竖直向上时的接收功率分布进行仿真, 结果显示探测器接收到的信号功率提升效果明显, 平均值较直接探测时增大了7 dBm, 进一步证实该二级级联式光学天线适用于室内可见光通信系统.     

室内可见光通信复合光学接收端设计与分析

本文提出了一种适用于室内可见光通信的新型光学接收端的设计.根据复合抛物面聚光器的聚光特性,将光电探测器与复合抛物面聚光器耦合作为接收子单元,并将这些接收子单元按照特定的几何关系嵌入一个半球面中,得到角度分集型的复合光学接收端,达到水平方向360°,垂直方向180°的大视场.对每个接收单元接收到的光能量,低传输数据时进行相加求和作为最终的接收功率,高数据速率时取各个子单元的最大值作为接收功率.在一个5 m×5 m×3 m的空旷房间中,通过MATLAB对室内可见光通信系统建模仿真.计算结果表明,采用这种复合型光学接收端后,两种不同处理算法下的接收功率相对于直接接收分别提高了11.85和7.47 dB,增益分别为15.31和5.98.信噪比较高,两种情况下的平均值分别为79.17和72.26 dB,且接收信噪比分布平缓,波动较小.这说明采用本文设计的光学接收端,不仅能够得到较大的接收端视场角,同时获得较高的增益和接收功率,以及稳定的接收信噪比,避免了室内可见光通信系统中通信盲区的存在,保证了室内通信性能的稳定性.     

复合抛物面聚光器作为可见光通信光学天线的设计研究与性能分析

针对室内可见光通信的特点, 选择复合抛物面聚光器作为可见光通信系统光学天线, 介绍了复合抛物面聚光器的几何结构和光学特性, 利用光学仿真软件 TracePro对复合抛物面聚光器进行了设计、建模与仿真. 通过对不同光源条件下复合抛物面聚光器聚光特性的仿真发现: 在光源为朗伯辐射模型时复合抛物面聚光器的聚光性能更好, 且视场角越小增益越高; 但接收端与光源的相对位置对小视场复合抛物面聚光器的实际增益有明显影响, 在仿真条件下, 视场角为10°的复合抛物面聚光器实际增益为22.88, 比理论值降低了31%. 在此基础上, 在一个5 m×5 m×3 m的房间中对采用复合抛物面聚光器为光学天线的室内可见光通信系统进行了建模, 分别得到了直射链路和非直射链路下房间内各个位置的光功率分布. 仿真结果表明, 采用一个视场角为60°的复合抛物面聚光器为光学天线, 两种链路下平均接收功率分别提高了4.29 dBm和4.77 dBm, 非直射链路比直射链路的平均接收功率提高了11.2%.     

一种X射线聚焦光学及其在X射线通信中的应用

基于栅控脉冲发射X射线源与单光子探测技术的X射线通信已经实现了实验室语音通信验证,并对通信系统的误码率性能进行了分析,为探索未来X射线深空应用打下了坚实的基础.针对目前X射线通信面临的信号发散角大、通信距离短、难以实现工程化应用的情况,迫切需要对X射线通信天线系统进行深入研究.为了提高信号增益、增大X射线通信的距离,提出了多层嵌套式X射线聚焦光学作为X射线通信的"收发天线",理论分析了X射线聚焦光学用于X射线通信"收发天线"的可行性,分析了X射线聚焦光学的理论基础与结构设计,对"发射天线"发散角、"接收天线"有效面积与焦斑尺寸、信号增益等性能做了探讨.结果表明:在信号发射端,"天线"的发散角为3 mrad左右,发射增益23 d B;在信号接收端,"接收天线"的有效面积5700 mm2@1.5 keV,焦斑直径为4.5 mm,接收增益为25 d B,通信系统总的增益可达48 d B.     

非扫描测风激光雷达光学系统设计

光学系统是测风激光雷达小型化的关键,光学设计的质量直接影响系统的整机性能。提出了一种全光纤多路收发非扫描多普勒测风激光雷达系统方案,对其工作原理作了简要介绍;在对激光雷达系统信噪比开展理论分析的基础上,提出了光学天线的视场、孔径、焦距等设计参数,并利用光学设计软件对光学天线进行了设计和仿真实验。该系统工作波长为1064nm,设计结果表明,光学天线相对口径为1∶4.28,全视场角为20°×22.5°,总长为277mm,后截距127.28 mm,有效焦距300 mm,口径70 mm,各视场光纤耦合效率均在65%以上,满足设计指标要求。     

可见光/红外双视场全景式航空侦查相机光学系统设计

为提高航空侦查识别目标能力以及满足部队全天候作战需要,设计了一种应用于全景航空侦查相机的可见光/红外双视场成像光学系统。可见光光学系统焦距为165 mm/660 mm,相对孔径为1:8.8,视场角为9.1°×6.8°/2.3°×1.7°;红外光学系统焦距为75 mm/300 mm,相对孔径为1:4,视场角为8.3°×6.2°/2.1°×1.6°。采用有限焦距光学系统前面加一个望远系统的方法实现变倍,根据红外器件及可见光器件的像元尺寸计算出红外系统及可见光系统的奈奎斯特频率分别为33 lp/mm和91 lp/mm。在33 lp/mm处,红外光学系统大、小视场的MTF值分别为为0.35和0.37,在91 lp/mm处,可见光光学系统大、小视场MTF值分别为0.41和0.4,成像质量接近衍射极限,表明光学系统成像质量良好,满足实际工程使用要求。     

航空CCD相机可见光光学系统消热差设计

提出采用广义变焦系统设计概念来实现可见光折射系统无热化设计.设计了常温下满足成像质量要求的消色差的良好光学系统,在工作温度范围内建立多个变焦位置,通过合理改变部分材料,满足宽工作温度范围内像质均良好的要求.利用该方法设计出工作于0.43～0.75 μm波段,焦距为780 mm,F数为5.6,视场为5.3°的航空CCD相机光学系统.系统在-40℃～+60℃之间成像均保持良好,调制传递函数下降5%.     

滤光片式双视场成像光谱仪光学系统设计

为了满足机载搜索与跟踪系统的实际使用要求,根据变焦系统的基本理论和成像光谱系统的特点,设计一个滤光片式双视场成像光谱仪光学系统实例。系统采用1/3英寸CCD接收,像元尺寸为6.0 m6.0 m。通过高斯法分析与求解得到初始结构,使用Zemax软件对其优化,实现0.45 m～0.7 m/0.6 m～0.95 m双波段清晰成像,通过轴向移动变倍组完成139.75/32.25双视场转换,在视场切换过程中,F数为5.6且恒定不变。设计结果表明:在各谱段下系统宽视场畸变3.5%,窄视场畸变0.2%,探测器的Nyquist频率50 lp/mm处光学传递函数的峰值均大于0.5,系统的最小后截距大于35 mm,用以安装滤光片轮,满足装配要求。     

用于激光接收/目视瞄准镜的共光路光学系统设计

为实现多传感器光轴校准并达到小型化轻量化的设计要求,将目视瞄准镜作为校轴光学基准,采用共用摄远型物镜组,并利用在立方棱镜斜面镀制光谱分光膜,实现高精度目视瞄准镜与激光接收的共光路系统设计。该目视瞄准镜放大倍率为7×、视场为5°、出瞳直径为3.7 mm、出瞳距离不小于20 mm;激光接收系统视场为1 mrad、接收口径为50 mm,设计结果满足指标要求。     

双谱段全景电晕探测光学系统

为扩大电晕系统探测范围、提高实时探测能力,采用折反射全景结构建立了一种新型双谱段("日盲"紫外/可见光)电晕探测系统.介绍了双谱段折反射全景电晕探测系统工作原理,并根据系统要求确定了镜组结构及子系统光学参量.在分析折反射全景系统像差特性的基础上,研究了折、反射子光学系统间像差补偿及照度均匀性改善方法.完成了视场角为360°×(45°～90°)、相对孔径1∶2的双谱段全景电晕探测光学系统设计.分析结果表明:"日盲"紫外全景系统各视场能量集中度100%弥散圆直径均小于紫外ICCD像元尺寸30μm;可见光紫外全景系统各视场MTF0.5@83lp/mm.像面照度均匀性优于99.8%;满足了大视场,大相对孔径及高均匀性像面照度等电晕探测需求.     

基于微透镜阵列的电子内窥镜光学系统设计

为了满足现代医疗领域中对内窥镜小型化、大视场的需求,采用反远距光学结构作为初始结构,利用Zemax光学设计软件在原有结构中加入5×5微透镜阵列,得到了一种工作于可见光波段、全视场为110°、焦距为1.55mm、F数为4.2、最大通光口径为3.15mm、系统总长为7.99mm的高清电子内窥镜物镜光学系统。该系统由6片透镜组成,以光阑面为界分为前组和后组,其中前组包括一片前后两面均为阵列面的镜片,后组包含一组双胶合透镜。整个系统的光学调制传递函数在120lp/mm处达到0.36,接近衍射极限,满足医疗使用的要求。设计结果表明,微透镜阵列在不改变口径的条件下对增大内窥镜光学系统视场有明显优势,在医疗领域具有广阔的应用前景。     

电视观瞄/可见光直视观瞄光学系统设计

随着车载光电系统的发展,多功能合一的观察瞄准镜成为发展趋势。将电视观瞄/可见光直视观瞄系统进行共光路设计,可见光直视观瞄系统放大倍率为8×、视场为5°、出瞳直径为φ4 mm、出瞳距离不小于15 mm;电视观瞄系统F数为6、焦距为110 mm。同时,对设计结果进行公差分析,根据公差分析结果制定严格的零部件加工公差及系统装调方案,系统结构紧凑,成像良好,对2.3 m×2.3 m的目标进行观瞄,识别距离大于4 km,满足指标要求。     

基于连续变焦的大口径长焦距的探测成像一体化光学系统设计

为实现空间目标的探测与精确识别,设计了一种基于连续变焦结构兼顾大孔径和长焦距的探测成像一体化光学系统,实现了短焦大视场探测,长焦小视场成像的目的。系统采用里奇-克列基昂（RC）结构加校正镜与变焦结构通过光瞳匹配进行结合的方式,使用两片反射镜压缩光路,系统工作于450～850 nm的光谱范围内,焦距为700～3 500 mm;探测端焦距为700 mm,F数为2.5,视场角为0.5°×0.5°;成像端焦距为1 400～3 500 mm,F数为5～12.5,视场角为0.18°×0.18°。该系统具有探测能力强、成像质量佳、系统总长短、变焦凸轮曲线升角小等优点。     

漫射光宽视场光学天线的设计

利用光线追迹的方法分析了半球光学天线及另外两种截取角小于90°的欠半球和大于90°的超半球光学天线的光学增益和接收视场,提出了选择合适截取角的原则,并确认半球形光学天线是一种很合适的漫射光宽视场光学天线;同时分析了均匀能量环境下半球光学天线圆截面上接收到光功率的分布,并提出了设计半球形光学天线基本参量的原则;用光学理论推导出了采用半球形光学天线时能够到达光敏面的光线所应满足的条件,分析了它对光学滤波设计的意义.     

偏振分光光学天线前向散射杂光仿真测试与抑制

利用口径150mm、视场±0.17°、接收波长974nm的光学天线望远系统原理样机,搭建了试验装置并进行了实测,测量结果显示光学天线在0.35°附近及1°附近出现了两个原路回波杂光峰值.通过对两个杂光峰值的仿真分析,提出了在主镜内部增加二次斜光阑及临时挡光环的措施,消除望远系统前向散射杂光.通过分析主次镜焦距分配对光学天线望远系统杂光的影响,指出在设计中缩小主镜焦距可降低系统原路回波杂光,这对光学天线消回波杂光设计具有指导意义.     

轻小型宽波段变焦物镜光学系统设计

为满足具有连续变焦和昼夜合一功能的光电瞄具的轻小型要求，采用前固定组为调焦组的四组三联动结构的物镜，通过视场、作用距离和CCD探测器相关参数确定所需焦距范围，使用高斯括弧法对四组三联动变焦结构进行高斯光学分析，通过调焦一次实现可见光波段到红外波段的转换。最终设计的光学系统的工作波段为0.48～0.68μm和0.80～0.90μm，调焦量仅为0.26 mm，光圈为F_5.0～F_6.5，变焦范围为25～250 mm，满足短焦探测和长焦识别距离不小于2 km的要求。此外，该物镜的光学总长为199 mm，最大通光孔径为58.1 mm，镜片总质量为203.6 g，满足系统轻小型需求，并且在不同工作波段下变焦全程成像质量良好，从公差分析结果可以看出所设计系统具有优良的可实现性。