卫星光通信光学天线轴间距的精确调试

卫星光通信系统的光学天线由物镜和目镜构成,两者在光轴方向的间距对系统的发射和接收性能有重要影响.轴间距通常由干涉仪确定,但干涉仪与光学天线的工作波长不同时会引起镜头组焦距变化,导致物镜和目镜的轴间距存在偏差.为了能利用单波长干涉仪精确调试物镜和目镜的轴间距,本文根据光学天线在干涉测量装置中的程函方程,研究了因波长差异引起的物镜和目镜的轴间距变化量与干涉条纹变化量的相应关系,并据此提出一种能精确调试光学天线物目镜轴间距的方法.提出了几种检验该方法有效性的验证方案,包括实验验证和计算机仿真验证两大类.基于计算机仿真的验证结果表明,卡塞格伦反射式光学天线和透射式光学天线轴间距模拟调试误差分别＜15%和＜3%,仿真误差满足使用要求.     

一种新型高精度平面度图像测量系统

介绍了一种新型的基于平面等倾干涉原理的高精度平面度测量系统。系统利用等倾干涉原理，通过CCD提取干涉条纹信息，根据干涉条纹在窗口尺坐标上的位置，并联系相邻测量点干涉条纹方向以确定干涉条纹在被检测平面上的变化量N；借以得到既能反映出半波长整数倍，又能反映半波长小数倍的平面度误差。     

中阶梯光栅光谱仪的谱图还原与波长标定

研究了与中阶梯光栅光谱仪相关的二维重叠光谱的实时还原与波长自动标定技术。基于分光系统主色散及横向色散规律及它们之间的相互关系,建立了3个变换矩阵M1,M2和M3,由此给出了中阶梯光栅光谱仪面阵CCD上所有接收点处空间坐标与波长关系的谱图矩阵Mλ-XY,利用中心波长与自由光谱区特性获得了理想的无重叠谱图数据模型。提出了信号光斑识别方法,并对信号光斑位置坐标进行准确定位;结合所建立的谱图数据模型,实现了对二维重叠谱图的快速还原与标定。实验结果表明:该方法在中阶梯光栅光谱仪谱图分析中不仅实时性强,而且波长精度可达0.01nm,满足中阶梯光栅光谱仪高分辨率、全谱瞬态直读等要求。     

双波长干涉显微镜波长的双约束标定

作为测量的精度来源,双波长干涉显微镜的光波长需要精确标定以溯源至长度基准。本文提出了一种基于两个光波长之间关系、波长与长度基准之间约束的标定方法。理论分析得到了表面重构误差与波长误差之间的关系,认为表面跳变与高度对两个光波长具有足够的约束自由度,并基于理论分析提出了一种双约束的标定方法。该方法通过测量斜平面与标准高度台阶,分别约束了两个光波长之间的比例关系与算术关系,然后通过求解两个约束关系能够确定光波长。仿真结果表明,双约束标定波长的精度可达到0.1 nm。经过本文方法标定的双波长干涉显微镜,测量微沟槽深度的精度可达到0.5 nm。本文标定方法仅需一块标准高度台阶,为干涉显微镜提供了一种简单的高精度波长标定方法,并可以推广应用于双波长数字全息、三波长干涉等技术。     

基于LabVIEW的迈克尔逊干涉微位移测量方法研究

针对传统干涉条纹人工计数测量方法稳定性差、人为误差大的缺点,提出了一种迈克尔逊干涉条纹图像处理的方法。该方法以CCD相机采集干涉图像,基于LabVIEW平台进行图像处理。根据干涉条纹中心区域暗斑区域面积呈周期性变化的规律,通过对干涉条纹进行图像增强、中值滤波、区域选择、灰度均值计算等分析步骤,对干涉条纹计数,进而测得物体的微小位移量。实验结果表明,该方法实现了迈克尔逊干涉0.02mm微小位移量的精确测量,测量误差最小为0.3%。与传统方法相比,其稳定性、误差、精确度都有较大提升。     

中阶梯光栅光谱仪自动化波长提取算法

基于质心提取的线性拟合法,提出了一种自动化快速处理中阶梯光栅光谱仪谱图的方法,解决了中阶梯光栅光谱仪无法直接通过交叉色散形成的二维光谱图标定入射光波长的问题。根据中阶梯光栅光谱仪光谱图背景光的分布特点,采用背景扣除法处理光谱图,提高了后续光谱图光斑提取算法的运算效率。利用基于质心的曲线拟合中心定位算法,将光斑位置的提取精度提高到亚像素量级。建立了中阶梯光栅光谱仪理论谱图与实际二维谱图的自动匹配模型,并根据光栅的线性色散特性,采用插值法计算谱图还原模型中未列出的坐标位置处的波长。实验结果表明:该算法对整个谱图的处理时间不超过3s,波长提取精度达10-2 nm,不仅实现了中阶梯光栅光谱仪波长的自动化提取,还提高了波长提取精度。     

光纤光谱仪的波长标定

光纤光谱仪是光谱测量中的核心部件，它将光信号经分光系统和CCD阵列转换为各光波长的电信号，再通过计算机处理，以获得光谱信号曲线。为了得到准确的测量结果，光谱仪在使用前必须对光波长进行严格的标定，确定CCD象素和光波波长的对应关系。     

基于LabVIEW的光纤傅里叶变换光谱仪数据处理技术

为了提高编程效率与增强光谱仪数据分析处理能力,结合LabVIEW软件在信号处理方面的优势,利用虚拟仪器技术实现了光纤傅里叶变换光谱仪干涉图处理与光谱复原。采用均匀抽样算法,利用由光纤Mach-Zehnder干涉仪输出的参考光干涉图过零点取样,实现对测试光干涉图的等光程间隔采样,消除了由压电陶瓷非线性光程调制引起的误差。采用求摸法复原出光谱图,自动消除了相位误差。利用LabVIEW软件完成了对宽带ASE光源的干涉图数据采集、显示与处理并最终得到光谱图。结果表明,与光栅光谱仪测得的光谱相比,光谱线型趋于一致。     

空间外差光谱仪的平场波长定标实验与数据处理

空间外差光谱技术综合了光栅衍射与空间调制干涉两种技术特点.由于干涉仪胶合与光栅刻划过程中存在误差,使得系统平场与理论设计值存在偏差.本文探讨了空间外差光谱仪系统平场定标的原理,通过干涉条纹频率公式推导出了系统平场定标的基本公式,设计了可调谐激光导人消散斑积分球定标方法及定标装置.针对中科院安徽光机所研制的用于大气CO2精细吸收光谱(1 575 nm吸收带)探测的空间外差光谱仪样机开展了平场定标实验.定标结果表明,仪器的实际平场波长比理论设计值向短波方向漂移了约0.05 nm,满足仪器设计要求.     

飞秒激光频域干涉测距相位信号分析与处理

针对飞秒激光测距频谱干涉条纹信号,分析了被测距离精度对于相位信息采集与处理要求,详细介绍了光谱分辨干涉测距的数据处理过程。根据测距信号干涉谱的数学关系,推导了被测距离求解公式。采用快速傅里叶变换和坐标旋转数字计算法进行光谱分辨干涉信号处理,经过时域信号的傅里叶变换、信号相位解包裹、加窗函数时域信号滤波等环节,分别对飞秒激光测距频谱干涉条纹信号中每个频率的相位值进行处理和变换。系统仿真中,离散频谱分析的幅值最大误差从36.3%降低到15.1%。经过比对实验,该法能实现飞秒激光测距信号有效处理。     

干涉图对称处理及其对重建光谱的影响

由于采用了基于菲涅耳双反射镜的干涉结构 ,使傅里叶变换成像光谱仪获得了从最高截止波数到远红外波段的很大的带宽范围。根据干涉图信号的对称性以及系统的带宽特点 ,对采集到的干涉数据进行了对称性处理 ,有效地削弱了由于干涉图上的噪声而引起的重建光谱上虚假谱线的干扰     

超光谱成像仪的精细光谱定标

为了精细标定棱镜色散超光谱成像仪1024×80光谱像元的中心波长和响应带宽,建立了一套光谱定标装置,提出了实现1nm光谱定标精度的定标方法。首先,介绍了产生谱线弯曲与谱线倾斜的原因,确定了精细光谱定标的方法和数据处理算法;然后,利用光谱定标装置测定了全部光谱响应像元的离散单色光响应值,利用高斯方程拟合了相对光谱响应曲线;最后,建立了中心波长矩阵表和带宽矩阵表,采用多项式拟合算法确定了空间视场像元的色散方程和光谱通道谱线弯曲方程,实验测定了温度变化谱线漂移结果。另外,还对光谱定标精度对辐射定标精度的影响进行了分析。光谱定标结果表明:超光谱成像仪的光谱定标精度达到了±1nm,各谱段带宽平均为8.75nm;色散方程及谱线弯曲与设计结果相符,谱线弯曲值为14～19nm,平均值为17nm;1nm的定标精度对辐射定标精度的影响分别小于1%(3000K黑体)和0.25%(6000K黑体),满足超光谱成像仪1nm光谱定标精度的要求。     

基于线阵CCD的光谱仪定标研究

光谱仪是一种基本光谱检测和分析仪器,以线阵CCD为探测核心是设备微型化的重要手段,CCD各光敏像元输出信号与待测光谱波长及光谱辐射通量之间对应关系成为定标的主要内容.研究了常规线性拟合方法,应用校准结果测量发现有时误差较大,利用低压汞灯特征谱线为基准,采用最小二乘法曲线拟合完成波长定标,计算出拟合曲线的3阶校正参数;利用辐射标准灯完成光谱辐射定标,解决了光束经过光学系统传输损耗及线阵CCD光谱响应灵敏度测量的困难,并对定标方案进行了数学推导证明.对大量实验数据进行分析表明,该定标方法是切实可行的,并成功应用到微型光谱仪器的生产过程.     

传递辐射计光谱通道的优化设计

鉴于传递辐射计对成像光谱仪定标时其通道选择对成像光谱仪的定标精度具有重要影响,本文使用MATLAB语言编写评价函数,作为对3 000K黑体光谱曲线进行多光谱反演精度的评价标准,最后利用MATLAB遗传算法和模式搜索算法工具箱对评价函数寻找最小值解,即传递辐射计的最优通道选择,并根据评价函数对光谱通道数、中心波长偏移、带宽展宽和测量系统误差对光谱反演精度的影响进行分析。结果表明,为实现0.12%的光谱反演精度,要求传递辐射计中心波长的偏移量不超过0.2nm、带宽展宽不大于0.02nm,测量系统误差小于0.1%。本研究可以指导传递辐射计的设计,对提高地球成像光谱仪的定标精度具有重要意义。     

卫星光通信天线系统轴向间隔的精确调试方法研究

在卫星光通信系统中，光学天线是影响激光信号发射和接收的关键子系统，干涉仪则是实现其精确装调的有效工具。由于实际使用的干涉仪的波长与光学天线的工作波长通常并不相等，此时利用干涉仪只能完成垂轴像差的调整，而不能完成轴向间隔的精确调试。为实现单波长干涉仪对不同波长光学天线轴向间隔的高精度装调，必须考虑由干涉仪和光学天线的波长差异引入的间隔偏差。根据光学天线在干涉测量装置中的光程差表达式，建立了由波长引起的光学天线物镜和目镜的轴向间隔偏差与干涉条纹变化量的关系式，并据此提出了精确调试光学天线轴向间隔的方法。模拟仿真结果表明，利用该关系式能较精确的完成光学天线轴向间隔的调试，其模拟调试误差小于15%，基本满足卫星光通信终端对光学天线的装调要求。     

基于紧凑结构的Czerny-Turner光谱仪的程序化设计方法

在满足光谱性能的同时,能最大化减小Czerny-Turner(CT)光谱仪光学系统尺寸,并防止入射光线与衍射光线发生干涉,创建了完整的结构参量选定体系。提出了光栅方程的变式,确定了防止入射光线与衍射光线发生干涉的约束条件,建立了光路结构的数学模型,确定了各个结构参量的计算公式。在此基础上将参量的确定过程编程简化,输入系统的分辨率、波长范围、数值孔径值和元件之间最小距离,即可直接得到光路结构的所有设计参量,实现了快速通用的CT光谱仪的设计方法。通过实例验证得到光谱范围780～1020 nm、分辨率0.4 nm、体积54 mm×56 mm×30 mm的光谱系统,可为其他设计提供参考。     

高灵敏度分束干涉型LCD盒间隙厚度测量仪

本文报道一种高灵敏度分束干涉型ＬＣＤ盒间隙厚度测量仪（以下简称测厚仪），并重点介绍其两项关键技术：干涉条纹级次的彩色识别法和光楔干涉定标法。要精确测量液晶盒间隙厚度，必须准确测定基准和测量这两组干涉条纹间的距离，因而必须准确识别干涉条纹的级次。强度识别法的测量精度易受随机噪声的影响。本文提出条纹级次的彩色识别法，利用这种方法，测量精度可以大幅度提高。定标是测厚仪的另一关键技术。本文提出独特的光楔干涉定标法。文中给出了光楔干涉法定标精度的理论估算，同时制成一光楔并应用于高精度测厚仪的实际定标     

医用显微成像光谱仪的光谱定标技术

为了能对自主研制的脑肿瘤手术医用显微成像光谱仪进行光谱定标,设计了由单色仪、钨灯光源、棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪及手术显微平台组成的光谱定标系统。采用单色仪波长扫描法,自主开发了相应的光谱定标系统软件,获得了显微成像光谱仪全谱段的光谱数据,完成了数据处理和分析等工作。通过调整光路、单色仪定标、成像光谱仪定标3个步骤实现了系统的光谱定标。定标结果表明:显微成像光谱仪的光谱区大于400~900nm;定标精度高于0.1nm,光谱分辨率高于3nm,各项特征指标均高于设计指标。测试验证实验表明,所建立的光谱定标系统定标精准,结构简单、紧凑,操作简单,符合显微成像光谱仪的实际临床应用要求。     

红外傅里叶光谱仪的仪器线形函数及工程应用

提出了利用定量化的仪器线形函数对面阵傅里叶光谱仪像元进行光谱修正的方法。系统介绍了傅里叶光谱仪的仪器线形函数,结合仪器的自身特征建立了仪器线形函数模型,并利用MATLAB进行了仿真计算。通过理论计算给出了中心像元和边缘像元的激光光谱波峰之间的差值,其同实际值的相对误差均值仅为4.21%,修正后的边缘像元光谱准确度达到10-5量级。得到的结果从理论角度证明了利用仪器线形函数对面阵型傅里叶光谱仪进行光谱修正的有效性。最后从实际工程应用的角度出发,提出了针对面阵傅里叶光谱仪非中心像元光谱修正的方法。实验显示该方法具有很强的普适性,可在保证较高光谱准确度的基础上极大地提高光谱定标的效率,降低光谱定标的工作量。     

Simultaneous interferometric measurement of the absolute thickness and surface shape of a transparent plate using wavelength tuning Fourier analysis and phase shifting

The absolute optical thickness and surface shape of optical devices are considered as the fundamental characteristics when designing optical equipment. The thickness and surface shape should be measured simultaneously to reduce cost. In this research, the absolute optical thickness and surface shape of a 6–mm-thick fused silica transparent plate of diameter 100 mm was measured simultaneously by a three-surface Fizeau interferometer. A measurement method combining the wavelength tuning Fourier and phase shifting technique was proposed. The absolute optical thickness that corresponds to the group refractive index was determined by wavelength tuning Fourier analysis. At the beginning and end of the wavelength tuning, the fractional phases of the interference fringes were measured by the phase shifting technique and optical thickness deviations with respect to the ordinary refractive index and surface shape were determined. These two kinds of optical thicknesses were synthesized using the Sellmeier equation for the refractive index of fused silica glass, and the least square fitting method was used to determine the final absolute optical thickness distribution. The experimental results indicate that the all the measurement uncertainties for the absolute optical thickness and surface shape were approximately 3 nm and 35 nm, respectively.