柱面菲涅耳聚光透镜对称折射设计

从分析透镜不同入射高处小棱镜在最小偏向角时具有面形形变容差大的特点出发,给出了柱面菲涅耳太阳聚光透镜对称折射设计的基本原理,并比较了对称折射设计透镜和常规设计透镜的透射特性和会聚特性。采用对称折射设计,菲涅耳透镜柱面形变容差通常可高达15°~20°,且具有比常规设计高的光学效率;对称折射设计透镜虽存在散焦问题,但只要参数选择合理,出射光线均可会聚在太阳电池片上。     

聚焦透镜天线焦斑宽度估算

根据惠更斯-菲涅耳原理,通过简单的推导,得出聚焦透镜天线焦平面上焦斑宽度的近似计算公式,并讨论了与焦平面平行的平面上的焦斑场.为证明该方法的计算精度及效率,设计了一个Ka波段聚焦透镜天线,并加工了两个天线样品进行比较.对两天线进行了平面近场扫描测试,采用近似公式计算得到的Ka波段聚焦透镜天线半功率点宽度与实验数据接近,表明文中给出的公式有一定工程参考作用.      

基于菲涅耳变换的不变矩提取及目标识别方法

提出了一种基于菲涅耳变换的不变矩特征提取方法,并应用于图像目标识别.利用菲涅耳变换得到图像的衍射图样,将图像映射到菲涅耳衍射空间;在衍射空间提取几何矩或正交矩来获取图像全局信息的特征描述;利用k近邻法识别目标.实验结果表明基于菲涅耳变换的不变矩提取方法对于平移、尺度及旋转变化的图像目标具有更高的分类精度和抗噪声能力.     

轻量化红外成像制导镜头设计与仿真

根据红外成像制导系统的轻量化、小型化、低成本发展需求，针对制导系统中的光学镜头进行轻量化设计。通过分析超透镜的波前调控原理和加工工艺，利用传输相位调控原理设计了基于硅和氟化钡材料的中红外波长超透镜，工作波长3 μm,镜头厚度小于1 mm，口径50 mm时重量小于10 g，热膨胀系数较低环境适应性好。利用时域有限差分法对超透镜进行了仿真，通过设置对称边界条件缩短了仿真时间。仿真结果表明，当超透镜数值孔径为0.45时，聚焦效率为85%，焦斑半高宽3.4 μm。     

一种新颖的微型化收发一体模块

光纤陀螺精度受温度、振动的影响较大.在分析了输入通道混偏型方案和全保偏型方案的局限性基础上,设计了一种微型化收发一体模块,将超辐射发光二极管光源、半透半反玻片、准直透镜、自聚焦透镜、PIN探测器和场效应晶体管电路集成在一起,采用系统内集成封装技术,封装内部抽真空.光在真空传播不产生双折射,因此避免了温度变化、振动等原因对系统精度和可靠性的影响,从而提高了光纤陀螺的整体性能.用光束扫描仪对Superlum公司生产的SLD-57-HP型光源建模,根据高斯光束的特性设计了光学系统,分析了菲涅尔反射损耗对其的影响,并用Zemax软件进行了仿真,其耦合效率为38.98%,远优于目前20%左右的耦合效率.     

大扫描视场飞行器共形光学系统设计

共形光学窗口外表面与飞行器轮廓相同,可以显著提升飞行器的整体性能,但在大扫描视场应用时,引入大量非对称动态像差,严重影响成像质量。针对大扫描视场的共形光学系统,提出了基于共形窗口内表面优化,以及分视场单元透镜阵列的动态像差校正方法,实现动态像差的静态化校正。在84°扫描视场范围内,对共形光学系统进行仿真验证,结果表明：该方法使共形光学系统在全扫描视场范围内的Zernike多项式系数绝对值从0~10.82λ减小到0~1λ（λ为波长）,同时各通道单元透镜阵列保持固定状态。与目前已有方法相比,本文显著提升了大扫描视场共形光学系统的成像质量和系统稳定性,有效简化了系统结构。本文的研究对实现大扫描视场、高成像质量和高稳定性的共形光学系统有重要意义。     

光学镜头偏振度测试技术研究

根据斯托克斯参量计算偏振度的方法，设计了光学镜头偏振度测量仪。光学镜头偏振度测量仪采用模块化结构设计，共分为光源系统、准直光学系统、载物转台、探测系统以及后续的信号处理和计算控制系统等五部分。测量透过被测量光学镜头的光分别在0，45，90，135振动方向光信号大小τH，τ45，τV，τ135，以及左旋圆偏振光、右旋圆偏振光信号的大小礼，Jr尺，计算出光学镜头的偏振度；通过对测量装置的分析，找出了影响测试结果的几个因素，并由此分析了不确定度的来源，建立了测量不确定度的数学模型，得到了装置的扩展不确定度约为0．5％。     

一种实现光学隐身的卫星构型设计

目前对地球同步轨道(GEO)空间目标的探测和识别,主要依赖光学监视系统接收其反射的太阳光线.鉴于可见光反射原理,和空间目标可见光反射特性计算模型,提出光学隐身卫星设计策略,分别对卫星平台构型、太阳能帆板、半球形遮光罩进行设计,对整星外形进行仿真分析,最后提出分布式卫星的构想.结果表明,该卫星构型光学横截面积峰值达到0.082 m~2,该构型设计具有较高的隐蔽性,不易被光学监视系统探测识别.     

紧凑型横向变焦系统关键器件的设计方法与功能验证

变焦系统可实现连续的光学变焦，可对不同景深的目标实现连续成像。在焦深延拓和光学检测等领域具有广泛地应用和发展潜力。本文提出了一种紧凑型可实现连续变焦功能的扁平化位相衍射元件，并设计分析和验证了横向调制相位型变焦衍射元件的功能。通过标量衍射基本理论模型，借助菲涅尔波带和多台阶相位衍射元件的设计方法，实现了横向变焦关键器件的设计仿真和实验验证。并以多波长响应的空间光调制器为基础，搭建了器件相位调制验证实验系统，通过测试证明了所设计器件的变焦能力，仿真和实验测试均可实现5倍变焦目标的有效调制。     

光学观测的新视野

光学天文学家利用干涉测量技术，大大增强了地面光学天文望远镜的观星能力，也给光学天文观测带来一个全新的局面。     

准直光学系统热变形对太阳模拟器性能影响研究

为了给太阳模拟器系统热管理提供可靠的技术依据,研究了准直光学系统热变形对系统性能的影响。选取项目组自主研发的高精度太阳模拟器准直光学系统作为研究对象,利用有限元软件仿真实际工作条件下各光学元件表面温度及热变形分布,将通光表面变形数据拟合为泽尼克系数导入光学设计软件中,分析热变形对系统准直角误差及辐照均匀度影响。研究结果表明:在未采取温控措施的自然对流条件下,热变形造成±1’的准直角误差和41.3%的辐照不均匀度,超出允许范围,需进行温控。通过光机集成分析法,给出了不同温度下,对流系数与热变形导致的准直角误差和辐照不均匀度对应关系,为风冷温控系统工程化设计提供了依据。     

准直光学系统热变形对太阳模拟器性能影响研究

为了给太阳模拟器系统热管理提供可靠的技术依据，研究了准直光学系统热变形对系统性能的影响。选取项目组自主研发的高精度太阳模拟器准直光学系统作为研究对象，利用有限元软件仿真实际工作条件下各光学元件表面温度及热变形分布，将通光表面变形数据拟合为泽尼克系数导入光学设计软件中，分析热变形对系统准直角误差及辐照均匀度影响。研究结果表明：在未采取温控措施的自然对流条件下，热变形造成±1′的准直角误差和41.3%的辐照不均匀度，超出允许范围，需进行温控。通过光机集成分析法，给出了不同温度下，对流系数与热变形导致的准直角误差和辐照不均匀度对应关系，为风冷温控系统工程化设计提供了依据。     

基于平行光管与二维旋转平台的长焦相机内参标定

长焦镜头能够采集位置更远的图像,而长焦镜头成像的特殊性对传统相机标定方法提出了挑战。针对这一问题，阐述了一种基于平行光管和二维旋转平台的相机内参标定方法。长焦相机被架设在二维旋转平台上，对放置在平行光管内的透过式棋盘格成像。通过旋转二维平台,改变相机的位置，可以得到不同位置下清晰的棋盘格图像。采集了棋盘格格点的像素坐标以及二维平台的角度数据,建立了合适的模型，优化求解出了长焦相机的内参参数，实现了实验室内对长焦镜头的标定。由模型计算得到的重投影棋盘格角点的图像坐标与在实际图像中检测到的棋盘格角点坐标相比，平均误差约为0.5个像素,这验证了算法的可行性。     

带摆镜的制冷型中波红外像方扫描光学系统设计

基本形式的像方扫描光学系统依然需要复杂的二维回转机构带动成像镜组做二维扫描,所以二维回转机构需要承担较大载荷。分析了基本形式的像方扫描光学系统形式,并在基本形式基础上加入摆镜,只通过二维摆镜的旋转达到扫描像面的目的,大大减小二维回转机构载荷,提高扫描速度,简化了系统结构,减小了系统体积。加入摆镜后的光学系统除具有基本形式像方扫描光学系统的性质外,还有了新的限制条件,对带摆镜的像方扫描光学系统进行了分析,提出了设计条件及设计方法,并设计出具有较大视场的像方扫描光学系统。     

某高空飞艇光学吊舱热状态及飞行策略研究

使用光学遥感设备开展地球大气层临边观测是研究中高层大气目标特性变化规律的重要手段之一.光学遥感设备的热状态对其光学精度及系统信噪比控制至关重要，能够直接影响观测数据质量乃至观测任务的实现.针对中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪在高空飞艇平台探测的热状态需求，分析了光谱仪吊舱的热环境，给出了光学吊舱的热平衡控制方程，并对上升/下降段和平飞段先后开展了热状态计算，得到光学吊舱在不同状态下的温度变化规律、光电部件的温度场等计算结果.结果表明热控方案能够满足光谱仪的热状态需求.根据热状态分析计算结果，制定了飞行前后及飞行过程中光学吊舱的热控策略.本文分析方法和飞行策略可为同类飞行设备热控状态设计及研究提供数据参考.      

基于直线光路布局的纹影法测量火焰温度

测量火焰不同位置的温度对研究火焰结构具有重要意义.目前纹影法测量火焰温度多采用Z型布局的光路.为了在未来空间实验中将纹影法与其他光学方法集成开展多类型实验观测，摒弃了纹影法传统的Z型光路，采用直线型光路布局，针对光源、透镜、刀口切割量等因素对纹影系统灵敏度的影响开展研究，优化了直线型纹影系统.以蜡烛火焰为研究对象，对优化后的纹影系统进行标定，观测了其纹影图像，计算了蜡烛火焰中多处位置的火焰温度，并将计算结果与实测结果进行比较.结果表明，采用本研究设计的直线型纹影系统可以实现对火焰温度的精确测量.      

FY-3D卫星高光谱温室气体监测仪热控设计及在轨验证

FY-3D卫星高光谱温室气体监测结构布局紧凑，在较小尺寸空间内布置有8个镜头组件、12台电子设备和3台电机。内热源数量众多，光学镜头控温精度要求高，热控功耗及散热面资源紧张，使热控系统设计难度较大。基于热管理、辐射间接热控、辐射冷却及结构热控协同优化设计等多种思路对监测仪热控系统进行设计，有效解决热控难题。入轨后监测仪历经了多个工况模式切换，在轨温度数据表明，所有工况模式下各部组件温度都满足指标要求，且光学镜头温度稳定度较高，在正常工作模式下，干涉仪关键件最大温度波动在±0.15℃以内，其他光学镜头组件最大温度波动在±0.45℃以内，且无论整轨待机模式还是正常工作模式，基于热管理的2组电子设备散热系统都无需消耗热控功耗，实现了多热源复杂机制下高精度控温及节能热设计。      

NO快速检测光腔结构设计与光路仿真

根据NO与臭氧的化学发光反应机理, 提出了一种基于化学发光反应检测原理的用于NO气体快速检测的新型圆柱全反射S型光腔结构。该结构以圆柱内壁全反射S型结构为光腔模型, 采用圆柱体光源作为光散射元件, 将化学发光光线最大效率地汇聚到探测器的感光面, 增强了NO浓度测量信号, 提高了检测精度。采用光学软件ZEMAX对所提模型进行光路仿真, 通过对比分析表明, S型光腔采集光路对化学发光的采集效率为36.6%。通过实验验证, 结果表明, 在一定浓度范围内NO气体浓度与化学反应发光强度线性相关度为0.999 2, 在量程0‰~2.5‰的范围内, 检出限为0.001‰。所提模型结构简单, 满足国家标准, 为尾气在线检测提供了一种实用的设计方案。