成像光谱仪离轴三反望远系统的光学设计

视场宽、结构紧凑、体积小、质量轻是空间光学成像系统设计研究的热点.在共轴三反镜系统的几何光学成像理论基础上.从离轴三反望远系统的方案选择、初始结构计算、三级像差的校正及光学系统的优化4个方面,研究了成像光谱仪用宽视场、大相对孔径离轴三反消像散望远系统的设计问题,设计出一个光谱范围1.0～2.5μm、焦距f'=300 mm、相对孔径厂f'/4、视场角6.8°×0.1°的离轴三反望远系统,系统非球面最高次数为4次,总长约为f'/2,对于空间频率30 lp/mm处,调制传递函数值均大于0.8.     

大线视场大相对口径红外成像系统的光学设计

在同轴三反射光学系统基础上,采用视场离轴方式,设计了一个在地球同步轨道上对地观测的空间离轴三反射光学系统.该系统同时具有大线视场和大相对口径的特点,设计结果表明,成像质量达到了衍射极限.     

离轴天线在卫星激光通信系统中的应用

现有卫星激光通信终端通常采用同轴两反天线结构,该结构存在接收视场小、发射效率低等缺点。为消除同轴两反结构存在的固有缺陷,提高卫星激光通信系统的瞄准和捕获效率,研究了利用离轴三反结构提高卫星激光通信系统的性能。首先根据基本像差理论,推导得到离轴三反光学结构的初始结构方程。利用离轴结构具有更多设计参量的优势,对离轴三反结构进行优化设计,给出了设计实例。计算机仿真得到的光学传递函数、点列图、衍射包围圆能量和波前误差等均表明:离轴三反结构与同轴两反结构相比,具有更加优异的性能,能够满足卫星激光通信系统不断提升的性能要求。     

大视场离轴三反光学系统设计

与传统折射光学系统相比,离轴反射光学系统具有小体积、轻量化和无色差等特点,因此被广泛应用于望远镜系统和空间观测系统等领域。随着目前自由曲面的广泛应用,首先分析了离轴三反光学系统的初始结构参数确定方法,然后在系统的主反射镜设计中引入Zernike边缘矢高形式的自由曲面,最终设计了一款有效焦距为700 mm,视场角为10°,F/#为4.5,系统总长为597.58 mm的离轴三反光学系统。该系统在71.4 lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均大于0.28,畸变均小于0.1%,结果表明,该系统在有效视场内成像质量较好。该系统的设计方法对类似的离轴三反光学系统设计具有一定的参考价值。     

共孔径红外双色离轴全反射系统

以初级像差理论为基础,重点分析了离轴三反系统初始结构参量的确定方法。利用CODEV软件编译计算并生成离轴三反光学系统初始结构的人机交互程序。将红外双色复合成像和离轴全反射系统结合起来,设计了一种共孔径红外双色离轴全反射系统。该系统具有长焦距、大孔径、宽波段、平像场等特点,结构简单,像质优良,在航空航天领域具有广泛的应用前景。     

一种改进的易于加工、装调的离轴三反光学系统设计

为了降低离轴三反光学系统加工和装调难度,提出了一种无遮拦的两反射镜三反射光学系统。将传统的离轴三反射光学系统中的主镜和三镜改进为一块非球面反射镜,即用一块镜面实现两镜的设计,这既能够降低光学加工的复杂度,同时也减少了装调的难度。根据三反射系统像差设计理论,推导出同轴两反射镜三反射系统的初始结构参数计算公式,得出了适用于该系统的求解方程组。设计了焦距1000 mm,F数为10,全视场2°×0.4°,无中心遮拦的离轴两镜三反射系统,两反射镜面型均为二次曲面。从调制传递函数、点列图、衍射能量分布图可以看出,系统成像质量好,能量比较集中。整体系统体积小、结构简单,重量轻。     

长焦距宽视场离轴三反光管设计

针对大口径、长焦距、宽视场平行光管高像质的应用需求, 提出一种采用离轴三反射镜结构的平行光管。从共轴三反理论出发, 推导出系统的初始结构;并且在用zemax软件优化时, 提出一种基于ZPL语言优化离轴量的方法。设计出一个焦距10 m, 视场21的离轴三反平行光管。设计结果表明, 系统像质接近衍射极限, 全视场波像差RMS值优于/200(=632.8 nm), 系统总长度小于f'/3, 为大口径、长焦距、宽视场光管设计提供了一种设计方法。     

离轴四反射镜光学系统设计

与一般光学系统相比，航空遥感光学系统具有长焦距、大口径、宽波段等特点。因此，广泛使用反射式光学系统。常见的离轴三反系统已不能满足系统小型化、轻量化的要求。介绍了一种无中心遮拦的离轴四反射镜系统，由离轴三反系统改进而成，结构更加紧凑。带一次中间像面的离轴三反系统的中间像位于次镜和三镜之间，为了进一步折叠光路，在中间像面处加入球面反射场镜，从而成为离轴四反。分析了离轴四反的设计步骤，设计了一个焦距为1 200 mm，视场为0.8°×0.8°，相对孔径为F/6的光学系统，系统总长只有300 mm，并达到很好的光学性能，具有长焦距、小尺寸、良好的杂散光抑制能力等特点。     

基于量子遗传算法的自由曲面离轴反射光学系统设计

针对自由曲面离轴反射光学系统的初始结构较少、优化过程复杂的问题,提出了一种基于量子遗传算法的离轴反射光学系统设计方法,即采用量子遗传算法结合像差理论得到高像质的初始光学系统结构,再对其离轴化处理并引入自由曲面,进而设计得到自由曲面离轴反射光学系统。该方法可以方便、快捷地为自由曲面离轴反射光学系统提供像质良好、特定布局的初始结构。以离轴三反系统为例,采用该方法设计了一套工作在可见光波段、视场大小为10°×4°、F数为2的主三镜一体化的自由曲面离轴三反系统。仿真结果表明,该离轴三反系统视场较大、结构紧凑、成像质量良好,其最大RMS波像差为0.0485 λ (λ=0.6328 μm),全视场的调制传递函数（MTF）在50 lp/mm处大于0.9,且一体化集成结构有利于简化系统的对准及装调。     

用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题,编制了初始结构计算程序,采用视场离轴方式,设计了一个波段范围0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1:4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。     

空间高光谱成像仪的光学设计

空间高光谱成像仪是现代空间遥感器的新型载荷,设计的空间高光谱成像仪光学系统由前置望远系统和光谱成像系统两部分组成,对前置望远系统和光谱成像系统分别设计,再进行组合优化。前置望远系统采用离轴三反结构,在增大幅宽、提高成像质量的同时减小高光谱成像仪光学系统的畸变。为了保证光学系统结构的紧凑,前置望远系统采用视场分离的方式设计,进一步提高了光学系统的分辨率。凸面光栅是现代光栅刻划技术的最新成果,光谱成像系统采用次镜为凸面光栅的Offner光栅光谱仪,实现了光谱成像系统的高分辨率与小型化。组合优化后的高光谱成像仪光学系统幅宽大、体积小、成像质量好、光谱分辨率高、光谱通道数多,全视场全谱段MTF在Nyquist频率下高于0.7,成像弥散圆80%的能量集中在15 m范围内,小于探测器18 m的像元尺寸,均高于系统技术指标要求。     

部分相干月牙形光束在非Kolmogorov谱中的漂移

为了探究部分相干月牙形光束在非Kolmogorov谱中漂移的演化规律, 采用拓展Huygens-Fresnel原理, 得到了相应的解析表达式, 并运用MATLAB进行了数值模拟。结果表明, 在非Kolmogorov谱中, 部分相干月牙形光束的漂移分别随着各向异性参量的增大、湍流内尺度的增大、湍流外尺度的减小、结构常数的减小而降低; 与各向同性湍流相比, 各向异性湍流对漂移的影响较小; 月牙形光束的最大光强位置的离轴距离分别随着波长、光束阶数的增大而增大, 随着相干长度的增大而减小。月牙形光束由于最大光强位置的离轴特性, 有利于绕过障碍物传输, 所得结论对实际光通信有一定参考价值。     

针对小型无线电装置的运动分析算法

小型无线电测量装置能够方便地同时测量功率及多普勒频率信息。通过研究基于功率和多普勒频率的目标运动分析算法,运用迭代最小二乘方法给出数值解。仿真实验显示,仅依靠功率信息,在低信噪比的情况下无法正确估计运动参数。而通过结合功率及多普勒频率信息能得到更准确的运动参数估计,适合于实际应用。     

光学光刻中的离轴照明技术

本文讨论了光学光刻中的离轴照明技术。主要从改善光刻分辨率、增大焦深、提高空间像对比度等方面对离轴照明与传统照明作了比较 ,并用Prolith仿真软件进行了模拟分析。研究表明 ,离轴照明是一种很有效的光刻分辨率增强技术。     

离轴反射式光学系统的研究进展与技术探讨

离轴反射式光学系统具有大口径、宽光谱,高分辨率等特点,在空间与远程探测技术领域具有良好的应用前景。离轴反射式光学系统的复杂性加大了其设计与工程化的难度。本文在分析其特点的基础上,结合国内外的研究情况,对其设计方法、波前探测、计算机辅助装调、光学零件加工检测、轻量化等技术进行探讨。     

2比特时间调制阵列的非理想特性建模研究

针对时间调制阵列存在的仿真与实际性能偏差问题,提出了一个考虑非理想特性的2比特时间调制阵列模型. 这一模型全面考虑了射频开关的瞬态切换、波束形成网络的幅相不平衡,以及天线的单元互耦、边缘效应、极化纯度等多种非理想特性,能够模拟实际的时间调制脉冲,进而准确分析2比特时间调制阵列的辐射性能. 一款Ku波段的2比特时间调制阵列样机验证了模型的有效性. 仿真和测试结果表明,相比理想模型,提出的非理想模型在计算副瓣电平、交叉极化电平、增益损失等方面都具有更高的准确性. 这一模型为分析实际2比特时间调制阵列的辐射性能提供了一种可靠的技术手段.     

离轴照明成像研究

本文阐述了离轴照明提高曝光分辨率和增加焦深的原理，应用Ｈｏｐｋｉｎｓ理论研究了其成像特性。给出了两种离轴照明方式──四极照明和环形照明下的空间像分布，并和传统照明方式下的空间像分布作比较。计算结果说明，采用离轴照明使得曝光分辨率和焦深得到了很大的提高。     

基于频谱特征分析的多谐波时间调制阵列测向方法

针对基于谐波特征分析的时间调制阵列(time-modulated array, TMA)测向技术中信息利用率低的问题,提出了一种基于信号频谱特征分析的多谐波TMA测向方法.通过分析接收信号的频谱特征,构建了基于信号频谱特征多谐波测向模型,推导了基于频谱特征的来波方向最优线性无偏估计(best linear unbiased estimation, BLUE)表达式,从而提高了测向精度及稳定性.以BPSK信号为例,通过仿真实验验证了所提算法的有效性,同时搭建了工作于S频段的二单元TMA测向系统证实了所提方法的可行性.     

Scanning capabilities of large parabolic cylinder reflector antennas with phased-array feeds

Two methods of scanning large parabolic cylinder antennas are examined: one method moves a small array across the focal plane to form a scanning beam; the other method employs a larger stationary array which is capable of electronically scanning the beam. With conventional single-element feeds, the maximum possible scan angle decreases with increasing reflector size. With array feeds, however, the scan limits are shown to be independent of reflector size and antenna gain. Antennas with movable array feeds are found to have high performance (high gain and low sidelobes) even when scanned more than ten degrees off axis; antennas with stationary array feeds degrade rapidly beyond about one degree of scan because of aperture blockage. Off-axis designs which eliminate the aperture blockage are shown to extend the coverage of antennas with stationary feeds to aboutpm 5degrees.     

In situ off-axis electron holography of metal-oxide hetero-interfaces in oxygen atmosphere

Off-axis electron holography has been extended to in situ observations in gas atmospheres. The Yttria-stabilized zirconia (YSZ)-Pt hetero-interface was characterized by electron holography at high temperature in a vacuum and in an oxygen atmosphere. Analysis of the phase shift profiles revealed high mobility of anions in the oxide in the vicinity of the interface in the oxygen atmosphere. This would compensate for any increase in the number of oxygen vacancies in YSZ through the metal interface.