大口径空间光学反射镜面形动力学响应分析

反射镜的面形精度是保证空间望远镜成像质量的关键因素，随着空间遥感器口径的增大以及光机结构的轻量化使得反射镜结构刚度越来越低，从而使得反射镜的面形非常容易受到环境微振动的影响。然而，遥感器在轨工作状态下，星上具有多种振动源，如步进电机、动量轮、机械制冷机等。为了研究扰动源对反射镜面形动态误差的影响，提出了一种基于模态叠加和泽尼克多项式拟合的面形动力学响应分析方法。对于每一阶模态，其光学表面的振型均可以表示为一组泽尼克多项式的线性组合，并得到一组泽尼克系数。然后，通过模态叠加法可以求出反射镜表面整体的动态面形误差，该误差是由泽尼克系数所表示。由于每一项泽尼克系数对应明确的物理像差含义，所以通过该方法可以方便地分析微振动引起的光学面形响应以及系统像差。     

高精度透射式空间光学系统装调误差分析与动态控制

高分辨率对地观测对航天遥感器的成像质量提出了严格的要求,装框应力和偏心误差是影响大口径高精度透射式光学系统装调质量的重要因素。首先,在理论上分析了透镜装框应力的影响,实验测量了不同装调应力下的透镜面形,分析了装框应力对系统光学传递函数(MTF)的影响。然后,对光学元件的装调偏心误差进行了研究,测量了一个偏心系统的波前干涉图,分析了偏心导致的光学系统像差,仿真计算了不同透镜偏心误差对像差和MTF的影响。介绍了一种在偏心误差小量超差的情况下,利用中心偏测量仪、干涉仪的测量数据对光学系统进行实时仿真,动态控制装调质量的方法,并在实验上对预估结果进行了验证。结果表明:高精度透射式光学系统装调过程中光学偏心和应力导致的面形变化是影响光学系统质量的主要因素,偏心误差的影响大于应力的影响,不同透镜偏心误差对系统质量有着较大的差异且相互补偿。仿真预估方法能够在装调公差日益苛刻的情况下动态评定各误差间的相互影响与补偿,实时评价光学系统的质量,提高装调效率。     

面形局部误差对红外光学系统像质的影响

为了说明面形局部误差对红外光学系统像质的影响，简述了影响光学系统像质的因素，详述了透镜面形局部误差要求和瑞利判据的关系，据以推论光学加工和光学装校过程均需要严格控制红外透镜的表面面形局部误差，最后通过实例验证透镜面形局部误差对光学系统像质有决定性影响的结论。     

望远镜主镜面形误差的结构函数分析方法

望远镜主镜面形误差的指标制定、分析以及评价方法对主镜加工具有重要的指导意义。提出一种结构函数分析方法,利用它分析了大气湍流对望远镜系统成像质量的影响,制定出主镜面形加工误差的指标要求;通过建立泽尼克多项式与结构函数的直接转化关系,实现了对主镜面形误差的有效评价,给出了具体的转化步骤及结果;通过巨型麦哲伦望远镜(GMT)实例对分析过程进行了具体说明。结构函数分析方法与整镜均方根(RMS)波像差等方法相比,能更准确及完善地评价望远镜主镜的面形误差,对镜面加工更具指导意义。     

温度梯度对红外光学系统成像质量的影响

利用有限元分析方法对温度梯度环境下的红外光学系统进行仿真分析,并对系统的成像质量进行了评价。利用ANSYS软件建立了某红外光学系统的有限元模型,分析了红外透镜在温度梯度作用下的镜面面形变化;用Zernike多项式拟合变化后的镜面面形数据,并将Zernike系数代入光学设计软件ZEMAX中,分析变形后光学系统的成像质量。结果表明,轴向温度梯度和径向温度梯度均会使光学元件的面形发生变化,使光学系统产生像差,导致系统的成像质量下降。在温度梯度相同时,径向温度梯度对成像质量的影响比轴向温度梯度更严重。     

基于实际光线追迹的共形光学系统设计

提出了基于实际光线追迹的共形光学系统设计方法,获得了较好的设计结果.共形光学系统具有偏心、倾斜特性,需用两个视场参量来描述--关联视场和瞬时视场.随着关联视场的变化,系统的球差与各类轴外像差呈现出动态变化特性.共形光学系统中,像散和彗差是最重要的两种像差,强烈地影响系统成像质量.与一般的光学系统相比,共形光学系统光学设计难度进一步提高.已发表的有关共形光学系统设计的文章都基于泽尼克多项式像差理论,限制了系统像差的进一步详细分析.为此,通过建立实际光线追迹像差模型有效克服了上述难点.实例结果表明,该方法能有效指导共形光学系统设计.最后在整个关联视场内得到较好的成像质量.     

光轴一致性误差对空间透射式系统像差和质量的影响

应用于空间光学的高精度透射式系统对光学装调有着严格的要求,微小的光轴一致性误差都将严重影响系统质量。介绍了一种通过像差分析和仿真预估指导光轴一致性装调的方法。以应用于空间光学的大口径长焦距透射式镜头为例,计算光轴一致性误差的像差特性。首先给出了光学元件偏心与系统像散、彗差以及球差的关系。然后详细分析了各不同透镜像差贡献的差异,分别计算了各元件偏心和倾斜对系统像散和彗差的影响。利用波前均方根(RMS)和光学传递函数(MTF)作为评价函数,得出各个分离透镜偏心误差对不同像差和系统成像质量的影响权重。最后在实验上对该方法进行验证,光学系统装调后实测结果满足像质要求。该方法能够为实际光学装调提供必要的参考,为高精度透射式光学系统的光轴一致性误差调整提供依据。     

紧凑型离轴三反光学系统的自由曲面设计

光学加工和检测技术的提高为自由曲面的应用开拓了新的领域,紧扣空间光学对压缩系统体积和实现系统性能提升的需求,提出一种可快速获得的紧凑型离轴三反光学系统初始结构,通过3个镜面折叠交叉排布,极大地压缩了系统体积;另外,节点像差理论为自由曲面应用提供了强大的理论基础,在优化过程中,两片镜子采用了泽尼克多项式面形。通过设计实例验证发现,最终系统具有结构紧凑、大视场、小F数等优点,同时该设计方法的优化过程具有收敛速度快等特点。     

基于轴向移动柱面-泽尼克校正元件的动态像差校正技术

椭球形窗口光学系统最显著的特点在于其依赖扫描视场的动态像差变化特性,像散和彗差成为影响光学系统成像质量的主要因素,其中像散的影响最为突出。为解决这一难题,结合柱面透镜和泽尼克位相板的特点,提出了一种新颖的动态像差校正方法,即柱面-泽尼克元件校正方法,此元件的外表面为一对母线互相垂直的圆柱面,对应的两个内表面为泽尼克边缘矢高表面。该方法随扫描视场的变化实时地调整一对柱面-泽尼克校正元件间距以实现椭球形窗口引入像差的动态校正。突破了固定校正元件无法实现超大扫描视场的瓶颈。设计实例中成像光学系统实现了±55°扫描视场,各扫描视场像散和彗差的泽尼克像差系数P-V值校正到了±0.8个波长以内,椭球形窗口光学系统的成像质量得到了明显的提高。     

基于泽尼克模式系数的自适应光学遗传算法

为了提高遗传算法(GA)控制的自适应光学(AO)系统的收敛性能,建立了一套新型的基于泽尼克(Zernike)模式系数的19单元自适应光学系统模型。在优化过程中,遗传算法不直接优化变形镜(DM)19个驱动器上的电压值,而是优化前10阶泽尼克模式系数。推导出19个电压值与前10阶泽尼克模式系数之间的关系矩阵,并进行了对比数值仿真。结果表明,该系统能够更好地校正固体激光器系统输出光束的波前像差。相对于直接优化变形镜电压值的无波前自适应光学系统,该自适应光学系统能够将遗传算法的收敛速度提高5倍以上。     

面向中频误差的变距螺旋矩阵轨迹优化方法

磁流变抛光能够高效去除光学元件表面的低频误差,但同时也引入了中频误差,而中频误差的存在对光学系统的性能造成了严重影响,必须对其进行有效控制。对常用的光栅轨迹和螺旋轨迹进行了研究,发现规则的抛光轨迹导致卷积过程与实际去除过程不一致,会引入对称的迭代误差,而迭代误差是中频误差恶化的重要因素。基于对光栅轨迹和螺旋轨迹的研究,提出了一种变距螺旋矩阵轨迹优化方法,以降低光学元件中频误差。该轨迹通过打乱螺旋矩阵轨迹的螺距保留了光栅轨迹和螺旋轨迹简单易行的优点,同时也改变了轨迹线间的随机性。通过对加工前后的面形进行功率谱分析,验证了该轨迹能够有效降低其表面的中频误差,较光栅线和螺旋线中频收敛效率综合提高了26.59%。     

大口径主镜热边界层热控对成像质量影响分析

随着望远镜口径的增大,主镜热惯性增大,主镜温度相对于环境温度的滞后性引起反射面热边界层形成热湍流波动,严重影响望远镜成像质量。介绍了一种基于CFD仿真和光程差累积的计算方法评估主镜反射面热边界层的湍流波动对成像质量的影响。以3.0 m口径的主镜为例,仿真计算了自然对流下和强迫对流下不同温升的反射面热边界层分布,将热边界层的流场参数转化成折射率场分布,采用光程差累积法得到反射面热边界层的成像质量。结果可以定量地描述反射面热边界层对成像质量的影响;验证了现有天文观测要求主镜反射面与环境温差小于2 K的合理性;同时证明了主镜反射面热控措施使得强迫对流下的光程差比自然对流下的下降了一个数量级,显著提高了主镜视宁度,进一步表明反射面热控措施对改善成像质量具有重要意义。     

小波在基于功率谱密度特征曲线评价中的应用

为了解决功率谱密度仅仅是一种强激光条件下光学元件表面质量评价指标,无法对通过加工来消除某频段误差进行确定性指导这一问题,采用小波理论对光学元件表面误差进行了分析和试验验证,在利用功率谱密度特征曲线找到表面误差不合格频率带的基础上,利用二维连续小波变换得到了能作为加工过程反馈的不合格频率带的对应区域.结果表明,利用此方法能有效地找到特定误差频段对应的区域,从而指导加工,提高加工的效率.     

分块式空间望远镜的波前校正方法

对于同时具有可变形分块式主镜和变形镜的空间望远镜光学系统,提出一种基于小波分解的并联波前校正法.该方法根据分块式主镜和变形镜的空间校正能力不同,利用小波分析的多分辨率分析的特点按不同尺度分解波前误差,将空间频率高于主镜空间带宽的各层波前误差合并为高频波前误差由变形镜校正,余下的低频误差由主镜校正;应用MATLAB小波工具箱对并联波前校正法进行数学仿真,并与依光路顺序的串联波前校正法进行比较,结果说明基于小波解耦的并联校正法波前校正精度高于串联校正法,适用于空间望远镜光学系统.     

多角度偏振成像光谱仪的光学设计

大气气溶胶是引起全球气候变化和空气质量问题的重要因素之一,利用卫星遥感监测全球大气气溶胶具有重要意义。利用大气气溶胶的多角度偏振光谱信息联合反演,可有效去除地表反射的影响,获得精确的遥感结果,因此亟需研究具备多角度偏振光谱信息获取能力的一体化光学仪器。所设计的多角度偏振成像光谱仪光学系统,前置望远物镜采用多镜头视场拼接方式,实现地面目标沿轨方向60内多角度探测,分光系统共用一个Offner分光装架。像质评价结果显示,在探测器奈奎斯特频率处中心波段的MTF达到0.8,点列图均位于艾里斑范围内,各项指标均满足设计要求。光学系统整体结构紧凑、无运动部件,可实现目标多角度偏振光谱图像的信息获取。     

红外镜头的热光学特性分析

考虑环境温度是红外光学系统成像质量的主要影响,需要对红外镜头进行热光学特性分析。阐述了利用齐次坐标变换去除镜面刚体位移的方法,以某红外镜头为例,用有限元软件ANSYS对红外镜头进行热应力分析,并去除镜面产生的刚体位移;对处理后的面形数据进行Zernike多项式拟合,将拟合后的结果代入ZEMAX进行光学性能分析。分析结果表明,热光学分析的方法可以模拟红外光学系统的实际使用条件,预测光机系统的光学性能,对进行光机系统设计具有重要的指导意义。     

光纤陀螺仪调制相位的畸变误差特性分析

干涉型数字闭环光纤陀螺中,多功能集成光学芯片(IOC)是非常关键的器件,其主要作用之一是相位调制,用于产生π/2相位偏置及产生补偿外部Sagnac相移的相位.由于IOC接收到的电场调制信号频率较高,存在多次谐波并且易受外部辐射干扰,从而导致调制相位畸变,对光纤陀螺的零偏和漂移有很大的影响.为了减小IOC调制相位畸变特性对光纤陀螺性能的影响,从理论上探讨引起调制相位畸变的因素,针对不同的误差因素而采取相应的措施来抑制并隔离误差;通过采取各种措施改善方波、阶梯波的信号质量,使IOC输出的相位畸变程度达到最小.测试结果表明,光纤陀螺中优化之后的相位调制系统满足高精度数字闭环光纤陀螺的指标要求.

Abstract：

Multi-function integrated optical chip (IOC) is an important component in the close-loop interference fiber optic gyroscope(IFOG)system. One of the main functions of IOC is the modulation of phase which includes the bias of phase in creating π/2 square waves and Sagnac phase biased by ladder waves in IFOG. Because the modulation signal of the electric field sent to integral optical chip has the characteristic of high frequency, there exists multiple harmonic waves and it is easily disturbed by external eradiation which induces modulation phase distortion and has great effect on drift and zero-bias. In order to reduce the effect of phase distortion of the integrated optical chip on the performance of FOG, focusing on the factors causing different phase errors in IOC, corresponding measures are taken to suppress and isolate the errors, adopting all means to improve the signal quality of square waves and ladder waves, reducing the modulation phase distortion to the lowest extent. The experimental results show that the optimized phase modulation system can meet the requirements of high precision IFOG.     

光纤通信系统色散补偿方案的优化

为了优化光纤通信系统色散补偿方案,采用软件仿真的方法设计了一个用色散补偿光纤进行色散补偿的单信道通信系统,利用光纤环形镜的全反射特性使该系统的色散补偿方案得到了优化,补偿效果良好,并节约了成本。对色散补偿及光纤环形镜的工作原理进行了理论分析和仿真验证,取得了系统在2.5Gbit/s和10Gbit/s下Q参量和眼图的仿真数据,分别找出了两个信号速率下的系统最佳输入功率。结果表明,系统在2.5Gbit/s下的最佳输入功率为13dBm,此时Q参量达到了172.88;系统在10Gbit/s下的最佳输入功率为6dBm,其相应Q参量为45.96。这一结果对实际应用中光纤通信系统的色散补偿是有帮助的。     

应答式干扰下基于Q学习算法的跳频系统信道调度方法

针对应答式干扰对跳频通信的影响,提出了基于Q学习算法的认知无线电跳频系统信道调度模型.该模型根据认知系统对跳频行为的实时回报评估值,运用机器学习的方法寻找出最合理的规避干扰策略,最终达到适应干扰的目的.运用Simulink对该干扰方式下的算法应用性能进行了仿真验证,结果表明该算法能够降低跳频系统此干扰下的误比特率到1%以下,基本接近未受干扰下的误比特率.