大气湍流对红外探测器光电性能影响的研究

基于大气湍流受限的调制传递函数模型,研究了调制传递函数(MTF)和点扩展函数(PSF)对短波红外探测器(SWIR)、中波红外探测器(MWIR)及长波红外探测器(LWIR)光电性能的影响,并对其进行了数值模拟。结果表明：大气湍流强度对红外探测器的空间分辨率有明显影响。弱湍流对中波和长波红外探测器的光电性能影响较大,湍流受限的MIF超过衍射受限的MTF而占主要地位;探测器的空间分辨率随着其孔径及波长的增加而降低。     

光学综合孔径成像系统探测器采样研究

基于探测器采样原理,从空间域和频率域详细研究了探测器采样对光学综合孔径(OSA)成像质量的影响。在空间域,研究了OSA成像系统点扩散函数分布与探测器采样误差的关系;在频率域,基于探测器采样与光学传递函数的关系,研究了采样频率对OSA成像系统截止频率的影响,分析了成像系统欠采样的产生并进行了欠采样图像恢复仿真。实验结果表明,在OSA成像系统的设计中,要将探测器与光学系统适当匹配,才能获得最佳的图像性能。     

大气光学湍流对光电探测器性能的影响

采用激光闪烁仪和超声风速计对沿海某地冬、夏季的大气光学湍流和风速进行了较长时期的测量,得到了其平均的统计特征。并据此分析了大气折射率结构常数的累积出现概率为50%和90%时大气湍流对光电探测器性能的影响。结果表明:(1)对于水平传输,大气湍流对短波和中波红外成像系统的影响随着传输距离或湍流强度的增加而超过系统的衍射受限占主要地位,对长波红外告警系统的影响可以忽略。(2)对于斜程传输,大气湍流的影响随天顶角的增加而增加,在天顶角小于60°的情况下,大气湍流对系统性能影响的变化不超过45%;而在天顶角超过60°之后,大气湍流的影响迅速增加,其影响最大可以超过3倍。     

Golay3稀疏孔径光学系统调制传递函数分析和成像研究

给出Golay3稀疏孔径光学系统的光瞳结构,分析其调制传递函数（MTF）特点。对不同填充因子的Golay3稀疏孔径光学系统模拟成像,并用几何均值滤波进行图像复原,以相关系数评价模拟成像质量和图像复原效果。结果表明：模拟成像和图像复原结果与调制传递函数分析结果一致;经几何均值滤波后,图像质量得到改善：图像复原效果随填充因子增大而提高。     

并列型复眼与多孔径光学系统

对国内复眼仿生学的发展做了简要的回顾,定义了复眼光学系统的视场角、角分辨能力和其通光孔径.理论计算了蜻蜓复眼的有效视距,分别给出了在蜻蜓复眼的有效视距之外的点目标以及在其有效视距之内的长条状目标的通光孔径,说明了并列型复眼多孔径光电系统具有定向和跟踪能力.最后展望了复眼仿生学应用.     

推扫成像中积分时间对孔径函数的影响分析

分析了线列推扫成像中,积分时间对采样孔径函数的影响.给出了在推扫方向上随着积分时间变化的梯形采样孔径函数,并根据该孔径函数,分析了积分时间和输入频率对截取过程中的调制传递函数值下降速度的影响,同时对细分采样叠加成像方式与积分延迟效应的类似性作了简要对比.这些分析有助于更清晰地了解推扫成像方式中积分时间对系统成像质量的影响.     

大气光学特性对目标成像影响的分析

大气吸收、散射和湍流效应导致地球大气中的图像恶化.大气光学特性具有复杂的空间和时间变化特性,不能简单地评价其对目标成像的影响.要透彻地了解红外成像系统在使用地区受大气影响的全貌,必须全面地分析各种可能的大气状态,使用概率进行评价.分析了导致图像恶化的大气因素和大气介质的调制传递函数.以大气消光系数和大气Fried参数为例说明了大气光学特性对红外目标成像影响的复杂性.介绍了图像恶化的修正方法以及应用这些方法时必须获取的大气光学参数和大气光学探测技术,为相关应用分析提供了示范.     

基于大气调制传递函数的大气退化图像复原

图像在大气中的传输是一个非常复杂的物理过程。从大气湍流和气溶胶散射、吸收的物理过程入手,分析光在大气传播过程中发生的物理变化及其造成的图像退化,并基于大气调制传递函数建立了图像退化的物理模型,对大气退化图像进行复原。实验结果表明该方法能有效地对大气退化图像进行复原,从而提高了图像的质量和识别能力。     

关联成像的点扩散函数分析法

点扩散函数（PSF）是传统成像光学中一种典型的分析方法。针对关联成像这一全新的成像理论,借鉴点扩散函数分析方法,采用半经典理论对其成像过程进行了重新推导,给出了鬼像和物体透射函数之间的点扩散函数。以此为基础,推导了成像光路中存在湍流时,与之对应的PSF以及鬼像的表达式。最后对成像过程进行了数值仿真分析。结果表明,PSF可以有效地描述关联成像的过程,并且可以定量分析成像距离、光源大小和湍流强度对鬼像的影响程度。     

红外成像传感器建模仿真方法综述

对调制传递函数法、点扩散函数法、基于图像像素的处理方法和光线追迹法等四种常用的红外成像传感器建模仿真方法的适用范围和优缺点进行了分析和比较,并根据红外成像传感器的特点,得出了将调制传递函数法、光线追迹法和基于图像像素的处理方法相结合的仿真思路。     

多孔径发射对大气激光通信系统误码率的影响

大气湍流所引起的光强闪烁会严重影响大气激光通信系统的性能,导致系统误码率（BER）增加。通过Rytov近似理论给出系统误码率和光强闪烁的理论模型．并进行MATLAB数值仿真。分析结果表明：在大气激光通信系统中,通过采取多孔径发射的方式,增加发射机孔径数目,选用长波长的激光,能够减小光强起伏对系统误码率的影响。而且,各发射机发出的光束之间的相干系数越小,越能改善系统性能,降低误码率。     

多孔径发射对大气激光通信系统误码率的影响

大气湍流所引起的光强闪烁会严重影响大气激光通信系统的性能,导致系统误码率(BER)增加.通过Rytov近似理论给出系统误码率和光强闪烁的理论模型,并进行MATLAB数值仿真.分析结果表明:在大气激光通信系统中,通过采取多孔径发射的方式,增加发射机孔径数目,选用长波长的激光,能够减小光强起伏对系统误码率的影响.而且,各发射机发出的光束之间的相干系数越小,越能改善系统性能,降低误码率.     

温度和气压对车载光学系统成像质量的影响研究

为了研究温度和气压对车载光学系统成像质量的影响,在分析温度和气压变化对光学系统结构参数影响的基础上,以某型履带式装甲侦察车CCD摄像机为研究对象,建立其光学系统模型,通过设置不同的温度和气压对系统模型进行了仿真分析。利用光学调制传递函数来表征系统的成像质量,得到了不同温度和气压下系统成像质量的变化规律。仿真结果表明:温度和气压的变化幅度越大,光学系统的成像质量越差,并且气压变化对光学系统成像质量的影响程度大于温度变化。此研究对新型车载光学系统的环境适应性设计提供了重要的参考。     

水下光通信系统在非Kolmogorov湍流中的传输特性

湍流效应是限制水下无线光通信(underwater wireless optical communication,UWOC)系统性能的关键因素之一。在强海洋非Kolmogorov湍流中,首先以平面波和球面波为光源,研究了采用孔径接收的差分相移键控(differential phase-shift-keying,DPSK)调制的UWOC系统性能。接着,基于Gamma-Gamma信道模型,利用Whittaker函数推导出了平均误码率(average bit error rate,ABER)的解析表达式。最后研究了不同光束形状、调制方式、孔径尺寸以及非Kolmogorov湍流参数即内尺寸和幂率对ABER的影响规律。结果表明,UWOC系统采用球面波传输、DPSK调制在比较小的内尺寸和较大的幂率湍流下传输经孔径接收可以提升ABER性能。     

红外合成孔径衍射光学系统成像特性建模与分析（英文）

基于衍射成像机理,建立红外合成孔径衍射光学系统调制传递函数（MTF）和信噪比（SNR）模型。随后,基于三维时域有限差分（FDTD）方法计算成像系统衍射效率,进而结合调制传递函数与信噪比表征系统成像特性。最后,分析了不同工作波长、视场和填充因子对主镜成像特性的影响。分析结果表明,红外合成孔径衍射光学系统的衍射效率、MTF和信噪比均具有空变、谱变特性,且随主镜填充因子的减小而降低。当填充因子为0.6时,与理想的全孔径系统相比,MTF积分面积降低45.42%,信噪比减小4.92 dB。该模型可用于分析红外合成孔径衍射光学系统成像质量,为成像系统的设计提供参考。     

CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波特性研究

建立了CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波探测系统,记录了CCD损伤进程中光学成像系统猫眼回波功率与猫眼回波偏振度数据并绘制了变化曲线,分析了猫眼回波特性的变化机理、CCD损伤状态与猫眼回波功率、偏振度变化之间的联系,研究得出:光学成像系统CCD探测器件受脉冲激光辐照产生点损伤、线损伤至全靶面损伤进程中,猫眼回波功率、偏振度变化与CCD损伤状态变化没有良好的相关性,提高损伤激光能量使CCD受到首个脉冲辐照时完全损伤,在0~8个脉冲损伤进程中,猫眼回波功率与偏振度先增大后减小,再增大最后不断减小,可以此规律对CCD是否完全损伤进行判断。     

大气湍流对激光通信系统误码率影响的研究

基于Kolmogorov和Rytov的大气湍流理论模型,考虑到大气湍流引起的强度闪烁对激光通信系统性能的影响,得到了用于描述强、弱湍流条件下误码率的理论模型,数值模拟了湍流强弱和激光波长对通信系统误码率的影响.结果表明:中强湍流区对信噪比的影响明显大于弱湍流区,随着传输距离的增加,系统的误码率迅速增大并最终趋于饱和;当...     

电磁波在非均匀磁化的等离子体鞘套中传输特性研究

由于传统散射矩阵法(scattering matrix method, SMM)在计算过程中会产生奇异矩阵,本文基于改进的SMM (improved SMM, ISMM)结合一维磁化等离子体湍流模型,计算了等离子体湍流介质对电磁波在不同入射角下的反射系数和透射系数,同时分析了电磁波在非均匀磁化等离子体中的传播特性。结果表明,湍流的出现极大地影响了等离子体鞘套中电子的运动规律,使其运动过程中能量衰减增多,因此其在0~35 GHz的透射系数增大;另一方面外部磁场的增大,对左旋圆极化波与右旋圆极化波的传播特性影响相反,这是因为在左旋情况下,左旋圆极化波的旋转方向正好与电子的旋转方向相同,右旋圆极化波相反;随着入射角度的增大,相当于电磁波在等离子体湍流中的传播距离增大,导致更多的电磁波能量被吸收;此外,考虑非均匀磁化情况后,电磁波在0~35 GHz频段内的右旋圆极化的透射系数更大。这些结果为研究电磁波在非均匀磁化等离子体湍流介质的传播特性提供了理论依据。

     

高超声速湍流场中小尺度涡结构对光传输的影响

从高超声速湍流流场中的多尺度涡结构入手,基于随机透镜理论,利用经典的Mie散射理论对不同尺度涡结构产生的气动光传输效应进行了分析,得到涡结构的散射特性与其尺度的相关性;再结合由不同马赫数下的CFD流场数据得到的Strehl比以及不同雷诺数条件下的风洞测试试验序列图像中退化图像能量集中度的统计结果,分析高超声速湍流流场中...     

斜程大气湍流中成像系统分辨率的影响因素研究

大气湍流是影响光学成像系统分辨率不可避免的因素之一。为了研究大气湍流内外尺度、湍流轮廓线及探测高度对光学成像系统分辨率的影响,根据光学成像系统积分分辨率理论及修正Von Karman湍流谱,推导了斜程传输路径下考虑湍流内、外尺度的光学成像系统的分辨率积分公式。数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气折射率结构常数模型,结果表明:湍流内尺度对光学成像系统分辨率的影响要远小于湍流外尺度对分辨率的影响,而湍流内尺度又限制着外尺度对光学成像系统分辨率的影响;斜程传输时,湍流轮廓线的影响大于外尺度对积分分辨率的影响;光学成像系统分辨率在近地面受近地面大气结构常数的影响大,而当高度大于5 000 m时,光学成像系统分辨率受风速的影响大。