用于大气临边探测的高光谱成像仪研制

用于大气临边探测的高光谱成像仪是一种探测大气痕量气体的新型空间光学遥感仪器。分析了利用高光谱成像仪进行大气临边探测的原理,设计并研制了一台紫外/可见高光谱成像仪原理样机,该样机光学系统由前置望远系统和改进的Czerny-Turner光谱成像系统组成,工作谱段为280～390 nm和560～780 nm,通过转轮切换紫外、可见滤光片分别探测这2个波段。高光谱成像仪原理样机质量为15 kg,体积500 mm×350 mm×200 mm。对该样机的性能进行了检测并测量了低压汞灯的光谱。性能检测结果表明,空间分辨力为0.44 mrad,光谱分辨力为1.3 nm,均满足设计指标要求。该样机结构紧凑、质量小,在空间大气痕量气体探测领域有广泛的应用前景。     

用于大气遥感探测的临边成像光谱仪

分析了大气临边成像光谱探测的原理,依据应用要求设计研制了光栅色散型紫外/可见临边成像光谱仪原理样机。该样机采用宽波段折射式消色差前置望远光学系统与改进的Czerny-Turner光谱成像系统匹配的结构形式,工作波段为540～800nm(一级光谱)和270～400nm(二级光谱),通过切换紫外、可见带通滤光片来实现两个波段分别探测,质量为8kg,体积为450mm×250mm×200mm。用该样机进行了实验室光谱实验,并对光谱分辨率进行了分析,测量了该样机的实际光谱分辨率。测量结果表明,该样机的实际光谱分辨率为1.3nm,接近其理论光谱分辨率1.12nm,满足设计指标1.4nm的要求,并具有体积小、质量轻等特点,适合空间遥感应用。     

地外太阳紫外光谱测量

介绍了我国自主研制的用于地外太阳紫外光谱测量的FY-3紫外臭氧垂直探测仪,利用该仪器成功获得了地外太阳紫外光谱数据。该紫外臭氧垂直探测仪是一台结构紧凑,工作波段为160～400nm的紫外-真空紫外光谱辐射仪。报导了该探测仪的组成和工作原理,描述了它的3种工作模式,即大气模式、太阳模式和标准灯模式。介绍了太阳模式下该探测仪的光谱辐照度定标,受光源性能所限,光谱辐照度定标分160～300nm和250～400nm两个波段进行。最后,给出了利用紫外臭氧垂直探测仪获得的太阳紫外光谱和数据处理结果。结果表明,利用该探测仪在轨获得的160～400nm太阳连续光谱和250～340nm间12个特征波长的太阳分立光谱与美国SBUV/2获得的测量数据的一致性在±5%以内。     

中长焦透射式日盲紫外光学系统设计

日盲紫外系统在导弹告警系统中起着重要的作用,利用光学软件Zemax设计了一款中长焦透射式日盲紫外光学系统。该紫外镜头由6片标准球面透镜构成,适用于240~280nm的日盲紫外波段。根据材料的透过率和色散性,选取正透镜材料为CaF_2,负透镜材料为熔石英。系统的焦距为160mm,F数为3.5,靶面直径为18mm,光学总长为154mm;各视场能量集中度在紫外CCD接收面内均大于85%,光学传递函数20lp/mm处高于0.8,具有成像质量好、结构简单紧凑的特点。     

用于电离层探测的远紫外成像光谱仪研究

电离层成像探测一直是我国大气遥感的一个薄弱环节.根据大气成像光谱探测原理,针对应用要求设计和研制了电离层探测成像光谱仪原理样机.样机采用一片离轴抛物镜与改进的Czerny-Turner光谱仪匹配的光学结构形式,工作波段为120～180 nm的远紫外波段.探测器选用了接收平面为微通道板(MCP)的光子计数型楔形阳极位敏探测器,在真空下实现对远紫外波段的探测.样机质量6.8 kg,体积360 mm×210 mm×250 mm.利用实验室真空系统与氘灯搭建了样机检测系统,获得了样机的基本性能参数.与国外方案结果对比表明,样机光谱分辨率为2.4 nm,空间分辨率75 μm,对应地面分辨率约0.6 km,除传输效率略低外,其他各项指标均接近或达到先进水平,该成果对空间和大气遥感具有重要的研究和应用价值.     

FY-3A紫外臭氧垂直探测仪程控设计与实现

描述了FY-3A气象卫星紫外臭氧垂直探测仪的组成和4种主要工作模式,即大气测量模式、太阳连续测量模式、太阳分立测量模式及标准灯测量模式。在此基础上对在轨运行的任务进行了分析说明。针对仪器运行参数多、测量模式转换复杂等特点,提出了合理的在轨运行控制方案,介绍了其程控设计要点与实现。给出了FY-3A星紫外臭氧垂直探测仪在轨测量的太阳模式和大气模式紫外辐射遥感数据,其太阳分立模式波长重复性为±0.03nm,自动增益转换功能使系统的动态范围达到106量级。实验结果表明,FY-3A星紫外臭氧垂直探测仪在轨工作正常,测量模式转换和执行准确,其运控方案完备,数据获取有效,仪器在轨工作处于最佳性能状态。     

紫外臭氧垂直探测仪波长精度分析与波长定标新方法的研究

对紫外臭氧垂直探测仪波长扫描机构中的凸轮廓线、摆杆长度和齿轮组传动等误差,及受温度因素对波长精度影响进行分析,得出理论波长精度为±0.035nm。地面采用C-T型1.5m单色仪和标准氘灯相结合的新方法,对大气臭氧吸收12条波长及160～400nm光谱进行波长定标,分析定标的不确定度为±0.026nm。通过在轨波长测试的结果表明:仪器的波长精度为±0.023nm,与理论分析值相符,验证了波长精度的理论分析、定标方法和不确定度计算的正确性。     

双视场多通道成像仪的光机结构

针对环境适应性和探测精度的要求,设计了双视场、多通道成像仪的光机结构,以获取高空间、时间覆盖和高垂直分辨率的大气图像和数据信息。根据光学探测和光学定位精度的要求,设计的光学系统结构以及对应的机械结构采用了天底和临边多方位观测模式。该结构通过柔性系统保证了成像仪在45°C的温差范围内能够正常工作。由于温差较大,系统中构建了CCD探测器裸片的精密定位与散热系统。为验证光机结构设计的正确性,对集成后的成像仪进行了光学系统性能检测。检测实验显示,边界温度状况下3个光学通道的分辨率均优于4km,达到对地球临边和天底大气进行探测的需求。成像仪的质量为8.3kg,其一阶基频大于100 Hz,最大应力为52.5 MPa。该光机结构设计合理、紧凑,满足刚度、强度以及目标探测要求,适合空间遥感的应用。     

FY-3A紫外臭氧垂直探测仪数据预处理及验证

开发了提取FY-3A紫外臭氧垂直探测仪遥感数据并进行处理的星上数据预处理软件。预处理包括引入仪器光谱响应度地面辐射定标数据,进行角度响应修正、非线性修正、换档比及漫反板衰减修正等。介绍了软件修正功能的原理,结合紫外臭氧垂直探测仪的在轨测量模式建立了相应数据修正算法和模型,并将修正算法和模型转化为功能丰富的星上数据预处理软件。使用该软件得到了在轨测试的太阳紫外光谱预处理数据,并以此为例给出了验证结果。分析比对表明,FY-3A星紫外臭氧垂直探测仪的全部软件功能均已得到实现,所测太阳紫外光谱与国外仪器数据比对其一致性达到±5%以内,验证了数据预处理软件的正确性。     

日盲紫外滤光片的带外截止深度测试

针对全日盲紫外滤光片,建立了以窄带光发射二极管（LED）作为基本光源的超大动态范围滤光片带外截止深度测试系统,并分析了系统的测试误差。该系统主要由LED光源,已知衰减系数的标准反射式中性衰减片以及光电倍增管组成。基于替代法,系统测试时将LED光源通过衰减片后的输出电流作为参考电流值替代光源的初始电流值,通过对比运算获得滤光片的带外截止深度。针对系统中的反射式衰减片,文中还提出一种组合衰减片方法,以保证光电倍增管始终工作在线性响应范围内,从而实现对滤光片的超大动态范围的截止深度测试。实验结果表明,在350~800 nm谱段内,该测试系统可测滤光片的带外截止深度延伸至11-OD,不确定度小于2%,相对重复性误差小于0.2%。该系统结构简单,测试谱段范围宽、可测动态范围大且精度高,可广泛用于滤光片的截止深度测试。     

用于沿海水色探测的机载紫外-可见-近红外高光谱成像仪

本文主要设计一种新型的可用于机载的紫外-可见-近红外高光谱成像系统,从而为沿海水色环境与污染观测提供一种有效的观测仪器。首先,根据探测目标特点确定了仪器系统的性能设计参数,选择了Dyson成像光谱系统来满足系统在宽谱段上的高信噪比和高光学性能;但Dyson成像光谱系统的结构过于紧凑,因此对Dyson成像光谱系统进行了研究,调整了狭缝、像面和光学元件的位置,使它们在轴向和垂直轴向上均具备足够的间隔,并在这种大空气间隔下分析了系统的完善消像差条件。通过光程分析和弯月透镜的加入,使改进型Dyson系统在0.278的数值孔径和320～1 000 nm的宽波段上具备良好的成像结果,全视场全波段MTF值在探测器奈奎斯特频率下(38.5 lp/mm)高于0.5,研制原理样机的光谱分辨率为3.375 nm,满足设计要求。该系统可为沿海水色环境的高光谱观测提供良好的工程应用基础。     

VCM磁钢自动检测系统的光学系统设计

为VCM磁钢自动检测系统设计了一套高精度的光学系统。该光学系统分为成像系统和照明系统两部分,利用远心光路方式对成像系统进行了设计。通过光学计算,给出了焦距为16mm,相对孔径为1：2．5,视场角为120°的成像系统设计参数。所试制的样机经过实验表明镜头成像清晰,性能可靠,满足测量精度要求。     

基于日盲紫外的导弹模拟系统研究

紫外告警技术是现代军事中光电对抗领域的重要方面,为了检测紫外告警系统的告警精度,提出了一种基于日盲紫外的导弹模拟系统.研究了导弹模拟系统的原理及结构组成,根据阿基米德螺线的性质和像面照度公式,提出了导弹和告警系统之间距离及接近速度的实现方法,并完成了该模拟装置的光学系统设计.为紫外告警系统告警精度的检测提供了新方法.     

360°高阶非球面反射式全景镜头设计

为了简化系统配置、提高图像采集及处理效率,实现单一光学系统环视高清全景成像,依据折反射式光学系统的工作原理,设计了高阶非球面反射式360°全景镜头,并对光学结构和系统像质进行优化设计。该相机采用高阶非球面反射镜压缩视场角,将垂直光轴方向俯仰角从-55°到20°的环视目标光引入到系统,接着,在后续光路中利用玻璃透镜组对目标光进行接收,并使其聚焦于相机靶面,获得物体的环形全景图像。通过对系统像质的优化,得到高清的360°环视全景图像,并对光学系统的主要性能指标进行了分析。所设计的360°全景镜头采用1片高阶非球面反射镜和10片玻璃球面镜组成,系统的焦距为0.4mm,光圈数为2.2,俯仰角达到75°,像方全视场在150lp/mm处的光学传递函数值均大于0.3。该360°全景镜头采用单一光学系统成像,解决了传统拼接式全景镜头图像采集与图像处理效率低的问题,同时通过简化系统结构,使该产品符合成本低、可量产的要求。     

定心矫形骨外固定机器人设计与分析

骨外固定技术为肢体矫形的重要治疗手段。针对现有骨外固定矫形机构在肢体旋转和牵伸矫形时存在的运动耦合、旋转错位等问题,借鉴RCM机构的构型优势,在传统Ilizarov外固定器的基础上设计了一种具有定心运动特征,易于实现单自由度独立运动的2R1T定心矫形骨外固定机器人。基于旋量理论,开展了传统Ilizarov骨外固定支架矫形的数学分析,并在此基础上,建立了2R1T定心矫形骨外固定机器人的旋量系与反旋量系,进行了支链选型与构型综合。最后,分析了机器人运动学位姿及工作空间,并结合矫形要求对机器人进行了矫形运动仿真分析和样机实验,基于胫骨的运动轨迹,得出机器人转动矫形范围为-15°～15°,误差范围为±0.5°,牵伸矫形范围为0～30 mm,误差范围为±0.2 mm,实现了矫形的量化与精准调控,保障了肢体矫形的安全性。     

共孔径消热差红外双波段光学系统

设计了适用于制冷型320×256中波红外凝视焦平面阵列探测器和320×256长波红外凝视焦平面阵列探测器的共孔径消热差折反射式红外双波段光学系统。该系统在中波3.7~4.8μm,长波7.7~11.7μm,环境温度10~40℃下工作,其焦距为292mm,视场角为1.56°×1.875°,F/#为1.93,满足100%冷光阑效率。设计的系统共用主镜、次镜和准直镜组,利用分光镜实现中波红外、长波红外光谱分光,后接各自的校正镜组校正剩余像差。给出了设计原理、设计过程和工程设计时需考虑的一些因素,通过选择合适的光学材料、机械材料和分配光焦度,实现了两路系统在10~40℃环境温度下具有良好的成像性能。该系统成像质量良好、可加工性好、装配难度小、工程可实施性强。     

Scanning MeV-ion microprobe for light and heavy ions

The University of Oregon scanning ion microprobe uses a 65 cm focal length plasma lens to form 8.65 × demagnified image of an object aperture. The plasma lens focuses a positive ion beam using the self-electric field of a trapped cylindrical column of electrons of density 3−9 × 10⁹cm⁻³ and length 13–18 cm. Since the focusing field is electric, the focal length depends only on ion accelerating voltage and not on ion mass or charge state. Our 5 MV Van de Graaff accelerator illuminates the object aperture with a current density of ∼ 0.5 pA/mu;m². The lens aperture is defined by a set of slits 3.35 m beyond the object aperture slits and 2.79 m from the lens. Four pairs of deflection plates are located between the intermediate aperture and the lens. Two pairs of plates are used for each scanning direction so the beam always passes through the lens center during rastering. The 1 kV operational amplifiers that drive these plates combine three sets of signals. Computer generated voltages raster the beam. Individual dc offset voltages align the beam with the lens axis. A small 60 Hz signal cancels the effects of background 60 Hz magnetic fields along the beam line. With 1 kV rastering voltage the rastered field at the focal plane is 3 mm square for 3 MeV ions. Focal spot size is now 10 μm with a 2 mm diameter lens aperture and 5 μm with a 0.5 mm lens aperture.     

光学系统照度分布及软件

对照度计算的常用方法进行了比较,编制了通用的照度计算程序,可计算平面、球面、二次曲面、高次轴对称曲面等系统的照度,考虑了透镜的反射和吸收、中心遮栏、镜面镀膜、光源的光谱分布等情况,提出并讨论了照度计算在色度方面的应用。