气动光学效应对红外成像探测系统的影响分析

与一般红外成像探测系统不同的是，高速红外成像探测系统面临着严重的气动光学效应的干扰，分析和研究气动光学效应并采用合适的校正方法是当前高速红外成像探测技术研究的关键技术之一。本文采用仿真设计计算的方法对气动光学效应进行了初步分析和实验论证，为气动光学效应校正技术的研究提供了一定的理论依据。     

气动热效应的影响及解决方案初步分析

与一般红外成像系统不同的是，高速红外成像探测系统面临着严重的气动光学效应的影响．其中气动热效应的影响将降低红外成像系统光学窗口的工作性能，甚至会对光学窗口产生严重的破坏作用．分析和研究气动热效应的形成机理、影响程度等，并采用合适的解决方案是当前国内外高速红外成像探测技术研究的关键技术之一。本文采用仿真设计、理论计算等方法分析了高速红外成像探测系统的气动热效应影响程度，并针对典型的光学窗口外部制冷方案等进行了初步分析计算；参考国外研究资料，提出了高速红外成像探测系统的理想气动外形和内部冷却方案，为今后高速红外成像探测系统的气动热效应防护措施等方面的研究提供了一定的参考依据。     

分布式微振动测量及成像质量影响分析

光学遥感卫星的微振动力学环境是影响在轨成像质量的主要因素之一,已成为遥感领域的研究热点.以保证卫星在轨成像质量为目标,分析了成像质量对卫星微振动隔振抑制需求,并采用测量主要光学元件角位移分析微振动对成像质量影响的方法,对某型卫星CMG组开机工作对相机传函的影响进行了分析验证.     

微观能量分析气动光学效应时变误差的方法

针对高超声速飞行器在大气层内飞行过程中采用自主天文导航时,气动光学效应导致的光学传感器成像畸变严重干扰导航精度的问题,提出一种在微观能量变化机制层面探究气动光学效应时变误差的方法。该方法基于光子传输理论分析光子与湍流分子的相互作用机制,建立光子在高速流场中的传输模型,对光子在湍流传输过程中的能量分布进行统计。通过建立微观光子体系下的气动光学效应评价函数,得到气动光学效应的时变误差描述,统一了微观能量分析与宏观几何光学之间的关系,利用光子微观方法进行数值仿真分析,并将仿真结果与风洞试验结果进行了对比,为高超声速飞行器气动光学效应的研究提供了新的研究思路。     

基于BOS的气动光学畸变测量与波前重构

通过系统集成与开发,研究了基于背景纹影(BOS)的高分辨率气动光学畸变测量方法。分析了PIV方式的BOS系统结构与特征。在BOS中,背景点的位移受实验装置的几何参数影响,通过调整这些参数能够改变BOS成像系统的分辨率以及观测区域的大小,这是传统纹影难以实现的。通过简化光路,定量分析了BOS的灵敏度与分辨率之间的相互制约关系。在搭建BOS系统的基础上,研究了蜡烛火焰上方热对流导致的气动光学效应,并根据光线偏折角与光程差之间的关系,实现了气动光学波前重构。结果表明,蜡烛火焰造成的平面波前畸变较好的反映了流场非均匀性带来的气动光学效应,而且其空间分辨率远远高于传统的干涉测量技术。     

计算气动光学研究进展

计算气动光学是采用数值计算的方法研究高速空气动力流场对光波传输和光学成像影响的一门交叉学科,在红外成像制导设计等工程应用中发挥着重要的作用。总结了计算气动光学研究的三种基本计算方法,包括基于CFD简化方法的光学统计估算、基于RANS流场的计算和基于LES/DNS瞬态流场的计算,对这三种计算方法的基本理论、计算过程进行了介绍,综述了新近的一些计算气动光学研究进展,最后指出了未来的研究重点和方向。     

基于四元数的单目视觉物体位姿测量方法

对基于点特征的单目视觉定位算法进行了研究,设计了一种5点平面靶标,在五个特征点的基础上提出了一种基于四元数的单摄像机位姿测量方法。建立了四元数空间变换矩阵,然后再根据特征点在世界坐标系下的坐标值以及特征点在CCD成像面上的坐标值,在空间投射的基础上利用最小二乘法求解出靶标的四元数空间变换矩阵,从而求得靶标的空间位姿。通过实验对该单目视觉定位方法进行验证,实验结果表明：测量模型平移定位精度达到了,旋转定位精度达到了。     

光电稳定平台红外光轴对准方法

光电稳定平台中,红外光学器件以其特有的优势越来越多地被采用。精确、快速地对红外光轴进行校准和标定是红外器件应用的一个重要课题。本文介绍了一种基于红外准直仪原理设计的红外光轴校准系统,对靶标位置偏差造成的光轴偏差进行了分析计算,并提出了确定抛物面镜光轴的具体方法。研制了红外光/可见光靶标模拟器,解决了无人机光电稳定平台中红外热像仪与其他可见光光学器件的光轴平行度校准、红外光轴相对系统零位基准标定等问题。所述方法经试验证明,在目前不具备红外准直仪的条件下同样实现了较高精度的红外光轴校准和标定,有着重要的实际工程意义。     

基于全景光学的EVA航天员视场拓展技术研究

面向航天员出舱活动对视场拓展系统的需求,对现有环带全景透镜(PAL)通光孔口径小,成像质量受限等问题进行了讨论。使用ZEMAX光学设计软件,为环带全景系统设计了一种带有双非球面的PAL透镜,以及相应的全球面后继转像透镜组,完成了对现有PAL光学系统的改进。最后对光学系统的成像质量与杂散光进行了评估,结果表明系统可满足设计要求。     

红外成像系统无热化设计

讨论了红外成像系统在工作温度变化时产生的温度效应及其对成像的影响,包括光学元件的热变形、光学窗口的热应力及窗口的热辐射噪声,将结构件材料的线胀系数作为优化变量,提出了光学机械综合被动补偿无热化设计方法.采用热瞳判定与高密度光线计算法分析了光学窗口的热辐射,提出了基于表面辐射分析的无热化优化方法.计算表明,无热化设计使系统对温度的均匀变化和轴向温度梯度不敏感,对热应力不敏感,但径向温度梯度对像质影响较大.基于表面辐射分析的优化设计可以减少窗口辐射在探测器上的功率密度.     

针对气动光学效应的RANS计算方法研究

针对气动光学效应研究的特殊需求,发展了相应的RANS计算方法.首先对常规湍流模型进行评估,选出对平均密度空间分布预测较好的湍流模型;同时发展了光波折射率脉动值的输运方程,用以模化脉动密度对光学成像的畸变效应.针对一典型光学头罩作为研究对象,运用本文发展的计算方法对光学窗口流场的气动光学效应进行了计算和分析.     

傅里叶望远镜原理及改进研究

傅里叶望远镜是利用激光主动成像、光学合成孔径等技术的空间目标高分辨力成像技术,美国地球同步轨道卫星激光成像国家实验基地(Geo Light Imaging National Testbed,GLINT)是一项研究采用傅里叶望远镜技术对地球同步轨道卫星成像的计划。本文介绍了傅里叶望远镜的基本原理,阐述了GLINT的组成及简单原理,说明了目前GLINT经过必要改进可以应用于对低轨卫星成像。     

某光学自由曲面棱镜超精密加工技术研究

与传统的球面及非球面光学元件相比,自由曲面的应用可提高系统设计自由度及成像质量,减轻系统重量,但同时对光学元件的设计、制造及检测提出了挑战。本文分析了头盔显示器中关键光学元件自由曲面棱镜的设计特点,研究了其磨削、抛光及检测工艺,经检测被加工零件性能指标满足了光学系统的设计要求。     

空间目标的高分辨率散斑成像技术研究

地基光学望远镜对空间目标的成像分辨力受到大气湍流的严重限制。散斑成像技术能利用目标的短曝光序列图像来实现目标图像的高分辨复原,从而使光学望远镜达到其衍射极限分辨力。对空间目标在不同湍流强度下的成像进行了数值模拟,并采用散斑成像技术对这些模拟图像进行复原实验。实验结果表明:复原图像的分辨率相对于模拟模糊图像得到明显提升,且当采用Sobel算子作为像质评价函数时,复原图像的质量提升了2倍以上。最后对实际月球表面图像进行了复原实验,复原的月球图像不仅视觉清晰度得到提高,还显示了更多的细节信息;且像质评价函数结果是原始图像最好帧的3倍。另外,散斑成像技术也适用于非等晕成像。     

幸运成像技术的发展现状及启示

幸运成像技术可以消除大气湍流对光学测量图像的影响,获得空间目标的高分辨力图像。在空间目标探测与天文目标观测领域有着良好的应用前景。本文在综述幸运成像技术国内外研究现状的基础上,归纳了＂幸运成像＂的技术特点,并据此对我国幸运成像技术的应用和发展提出了个人建议,认为将幸运成像技术用于自适应光电望远镜,用于靶场高帧频图像的事后处理,并实现其准实时化,是该技术的应用和发展重点。     

无接触式高温物体红外测量双色热图像成像方法研究及软件实现

用双色滤波光学成像系统可获取同一物体两种不同波长(λ1,λ2)的量子辐射强度的灰度成像,若波长λ1和λ2选择恰当,可利用普朗克的灰体辐射通量密度公式求出物体的不含平均黑度ελ(0＜ελ＜1)的辐射通量密度比R(T);利用R(T)可高精度地计算出高温物体温度,并能根据光谱给出物体细致的具有真实感的高温图像.文中最后给出了该系统处理高温物体实验的结果图.使用该方法研制出的非接触式热图像分析仪已商品化.     

某型装备电视摄像机成像组件国产化设计研究

某型国外引进装备的电视摄像机成像组件随着使用年限的增加,成像面出现老化、灵敏度下降,光电转换后的图像变模糊、成像质量下降,针对上述问题开展国产化研究。通过逆向工程结合数字成像技术,利用CMOS传感器设计出国产化成像组件,替代原摄像机中硅靶摄像管成像组件成像,经装机验证满足引进装备的使用要求。     

光学镜面磁流变抛光误差的频谱特征与分布特性研究

通过分析磁流变抛光误差的频谱特征,发现严重影响成像质量的敏感频率成分误差,采用二维连续小波变换算法确定出敏感频率误差的具体分布区域,分析其演变特征及其与工艺参数之间的关系,为修正加工提供指导,以实现精确控制不同频率成分、不同分布区域光学加工误差和改善成像质量的目的.     

靶场偏振成像技术应用

偏振成像技术不仅能获取目标的辐射强度信息,还能获取到偏振信息,有助于复杂环境下目标的探测识别.靶场现有光电设备主要采用强度探测,通过目标-环境差别来区分目标,因此,在复杂环境下,目标容易湮没在背景中难以探测.通过分析偏振成像原理和技术特点,总结归纳国外在偏振成像方面的试验应用,阐述了偏振成像在靶场应用的前景和优势,提出了一种基于偏振成像的光学成像系统,并对现有设备提出了偏振化改造方案.通过利用目标、环境的偏振特性,利用强度+偏振的组合模式,可提升现有设备的目标探测和成像识别能力.最后,对偏振技术应用和发展进行了展望.     

面向高轨目标的强度相干成像技术研究

强度相干成像技术是指利用地基强度相干阵列测量空间目标光强随机涨落的相干性,可获得目标的空间频谱模值,结合目标先验信息即可恢复目标光强分布图像.这种成像方法具有成像分辨力高、设备精度要求低、受大气湍流影响小等优点,目前已应用于恒星目标的成像观测领域,是一种有发展前景的地基光学成像手段.在综述强度相干技术原理与发展历程基础上,分析了利用强度相干阵列对高轨目标成像的可行性,认为在利用强度相干阵列对高轨目标成像过程中,主要存在空间频谱探测信噪比低和相位恢复复杂2大难题,提出利用激光主动照明对目标进行探测,同时采用符合计数方法和正则化优化方法可提高探测信噪比与相位恢复质量,对实现高轨目标成像有一定参考.