基于多光源的光谱分布可调谐光源系统

针对定标光源和遥感器在轨探测目标的光谱非匹配对空间光学遥感器实验室辐射定标精度的影响,设计了一种基于发光二极管（LED）和基底光源的光谱分布可调谐光源。采用该光源模拟了典型地物目标光谱,用于遥感器的实验室绝对辐射定标,大幅降低了光谱非匹配带来的影响。首先,从理论上分析了光谱非匹配影响遥感器绝对辐射定标精度的机理;然后,根据设计指标确定了光源的设计方案,解决了光源的选型与光谱匹配算法设计、光谱分布可调谐光源驱动和控制系统、目标光谱匹配与光谱反馈调整、光谱分布可调谐光源光机设计等四项关键技术问题;最后,对光源进行了性能测试。测试结果显示：等能光谱和6 000 K黑体光谱的光谱匹配误差分别为6.37%和8.76%,出光口的辐照度非均匀度为0.53%,30 min内的辐照度不稳定度为0.03%,水平方向±30°内的辐亮度角度非均匀度为0.80%,各波长处光谱辐亮度值均高于0.07 W/（m²·sr·nm）,410~900 nm波段积分辐亮度为58.3 W/（m²·sr）,均满足设计指标。     

可在轨溯源的太阳反射波段光学遥感仪器辐射定标基准传递链路

分析了现行光学遥感仪器辐射定标方法的局限性,以满足定量化遥感的精度及多数据融合比对研究的需求。设计了以空间低温辐射计为初级辐射基准,以太阳为光源,包括太阳单色仪、太阳光谱仪、传递辐射计、太阳漫反射板等组件在内的可在轨溯源的光学遥感仪器辐射定标基准传递链路。首先以低温辐射计和太阳光源建立的光谱辐射基准定标传递辐射计和太阳光谱仪;然后利用传递辐射计定标太阳漫反射板,建立对地光谱辐亮度基准;继而将基准传递至地球光谱成像仪作为对地观测标准,从而实现对其它卫星光学遥感器的交叉定标。对光学遥感仪器辐射定标基准传递链路各个环节的分析显示,辐射定标基准传递链路的测量相对不确定度为0.75%。结果表明,以此辐射基准传递链路构建覆盖我国空天一体的遥感定标网络可为建立平行于地面基准体系的空间数据质量保障体系奠定技术基础。     

基于DMD多波段动态红外场景仿真系统的关键技术研究

对基于数字微镜器件(DMD)多波段动态红外场景仿真系统的几项关键技术进行了阐述,首先分析了黑体的特性,给出了温度范围计算公式;其次,分析了几种红外材料的特性及封装技术,确定了以硫化锌为多波段仿真系统的DMD窗口材料及粘合剂封装方法的选择;最后,分析了系统的需求及红外投影光学系统的特点,确定了多波段光学系统的整体光路设计及投影系统的技术指标。     

基于数字光处理的结构光三维扫描系统的设计

结合结构光投影三维扫描的原理,设计了数字微镜器件(DMD)作为结构光的发生装置,主控芯片为FPGA,实现了高速的DMD的控制和相机的同步采集。搭建了一个嵌入式三维扫描光学平台,并应用四步相移法完成实验。首先指定不同方向和周期的正弦条纹结构光,同步采集图像;然后通过软件设计完成对采集图像的预处理、相位的解调、相位的展开、相位-高度映射还原得到三维的深度信息并建模;最终获得最高464.8帧/s不同方向和周期的正弦条纹结构光显示,达到194帧/s的相机触发采集,三维扫描效果图清晰,还原和重建效果理想。     

基于过程控制的机载高光谱定标光源的快速稳定恒流源研制

定标光源的稳定性及稳定速度直接影响机载高光谱仪光谱辐射定标的准确性和效率。为实现定标光源的快速稳定,提出并设计了基于数字过程控制的恒流源快速稳定调节方法和系统。该快速稳定恒流源系统,在场效应管恒流源的基础上,加入数字过程控制环节,弥补场效应管恒流源反馈振荡调节及系统热稳定时间长的不足。快速稳定调节方法分为能够快速产生热量的大预置值启动快速预热、减小过冲振荡现象的缓冲快稳和输出稳定电流的模拟闭环稳流三阶段。快速稳定恒流源与场效应管恒流源对比实验表明:输出1 500.00 mA电流,纹波系数达到1?的时间由670 s缩短到66 s;作为标准光源中卤钨灯的驱动电路,上电2 min后连续测量20 min获得的400～2 500 nm光谱数据全谱平均基线漂移由0.5%降低到0.06%。     

风云卫星的红外遥感亮度温度国家计量标准装置

综述了国际上美国、德国、俄罗斯的典型红外遥感亮度温度标准装置的研究现状,着重介绍了由中国计量科学研究院研制的用于风云卫星红外载荷黑体定标的红外遥感亮度温度国家计量标准装置(VRTSF)。给出了VRTSF的设计方案,描述了它的结构和光路。设计了满足风云卫星红外载荷定标黑体工作环境的真空低背景实验舱,建立了满足量值溯源需求的标准黑体辐射源作为量值标准器。标准变温黑体辐射源的温度覆盖190K~340K,口径为30mm,空腔发射率为0.999 9,温度不确定度优于50mK@300K/10μm(k=2)。该装置的光谱为(1-1 000)μm,光谱分辨率为0.2cm-1,可满足多种红外载荷的定标需求。该装置具有高温度不确定度水平、高光谱分辨率和扩展性强等特点,如未来该装置温度覆盖至(100-500)K,将会满足大部分红外载荷量值的溯源需求。     

基于数字微镜器件的中阶梯光栅光谱仪的光学系统设计

研究了一种基于数字微镜器件(DMD)具有新型光路结构的中阶梯光栅光谱仪,并采用新的谱图信息接收方式来降低其使用成本和数据处理过程的复杂程度。将具有单波长选通功能的DMD与一维探测器光电倍增管(PMT)相结合接收中阶梯光栅光谱仪的光谱信息,在降低仪器成本的同时将中阶梯光栅光谱仪谱图还原算法与DMD扫描驱动算法相整合,提高了算法效率。由于DMD的填充因子比CCD稍低,该类光谱仪对成像质量和能量集中度提出了更高的要求。本文根据DMD型中阶梯光栅光谱仪特点,在有限的可挑选的光学材料下,采用多重优化的方式合理设计了中阶梯光栅光谱仪准直镜、中阶梯光栅、棱镜、聚焦镜等各个光学元件的光路结构参数,并且在Czerny-Turner结构中加入校正透镜和场镜,校正了系统所有像差,提高了整个光学系统的成像质量和光谱分辨率。最终设计的光谱仪系统分辨率达0.01nm,单个微反射镜内的光斑能量聚集度达到70%。     

利用积分球光源定标空间紫外遥感光谱辐射计

基于内部照明积分球的辐亮度定标方法,获得了接近理想的大面积辐亮度光源(~2%),标定了在研的空间紫外遥感光谱辐射计的亮度响应度。在假设标准灯为均匀亮度的点光源情况下,对照明因子进行了修正。同时利用两种漫反射板对此修正进行了实验研究,得到了采用两种漫反射板标定的光谱辐射计亮度响应度有很好的一致性(1%)的结论。初步的定标数据分析显示,石英卤钨灯光谱辐照度测量的相对不确定度和距离测量的不确定度是积分球定标最主要的不确定度来源,可用于紫外波段光谱辐射计的高精度辐射定标,并可以极大地降低定标不确定度。     

基于数字微镜器件的并行彩色共聚焦测量系统

彩色共聚焦技术因其高分辨率、高测速的特点,在表面形貌测量领域备受关注,然而现有的彩色共聚焦技术多为单点测量,一定程度上限制了测量效率。本文在彩色共聚焦技术的基础上,以DMD作为光分束器件,结合自主研发的大口径色散管镜,利用面阵彩色相机作为光电接收器件,研究和建立了基于数字微镜器件的并行彩色共聚焦实验平台,实现了对被测物面上多个探测点的并行图像处理。最终,利用所搭建的并行彩色共聚焦测量系统,对50μm高的台阶和自制台阶进行了测量,并对硬币的表面形貌进行了三维恢复。实验结果表明,该测量系统的轴向测量范围为300μm,测量精度达到微米级;同时,能够较好地恢复硬币的表面形貌特征,具有较好的测量效率与可靠性。     

碳卫星高光谱CO_2探测仪发射前光谱定标

为了完成碳卫星高光谱CO_2探测仪的发射前光谱定标,建立了光谱定标系统,并对定标系统设计、所采用的自动化数据采集和数据处理算法等进行了研究。根据CO_2探测仪的探测原理介绍了载荷的光谱性能要求,描述了定标系统的设计与所采用的仪器设备,说明了采用自动化数据采集、旋转积分球、功率校正与暗背景校正等改进的定标方法。最后,介绍了光谱定标的数据处理方法。发射前定标结果表明:载荷三个波段的ILS能量集中度分别大于0.80,0.81和0.78;FWHM分别为0.039 2~0.042 4nm,0.123~0.128nm和0.157~0.168nm;光谱采样率区间分别为2.12~2.95、1.97~2.27和1.92~2.26。对发射后实测太阳夫朗禾费光谱进行了评估,结果表明:中心波长偏差小于0.0013,0.058和0.065nm。CO_2探测仪整体的光谱性能指标能够达到系统设计要求。     

高动态调光成像系统畸变的自校正

针对基于数字微镜器件(DMD)的高动态成像系统在光学设计过程中由二次倾斜造成的畸变,建立了一套基于区域的系统畸变自校正模型。首先,根据像素级区域调光高动态系统中光路设计的特点,分析了畸变产生的原因。考虑不同种类畸变模型产生的原因及特点,结合系统自身的优势,建立了一种基于区域的畸变校正函数模型。为了解决在校正过程中某一点存在多次赋值或者未赋值的情况,采用逆推校正的方法逆向求解畸变参数,进行畸变校正。最后,利用数字微镜器件(DMD)自身投影标定模板的方法,实现了系统畸变的自校正设计。实验结果表明:校正后的系统像元误差为0.87pixel。与传统的畸变校正模型相比,该模型可以有效解决系统中的倾斜畸变、径向畸变以及偏心畸变,且畸变校正过程不依赖外部环境,校正过程快、可靠性高,满足了DMD高动态系统像素级调光的要求。     

基于数字光处理技术的小型星模拟器设计

提出了基于数字光处理(DLP)技术的星模拟器系统的技术方案。根据星模拟器技术指标,确定了总体光学结构;在确定数字微镜元件(DMD)芯片规格的基础上,计算出星模拟器光学系统的焦距、单星张角、相对孔径等光学系统参数;最后,介绍了星图模拟软件的设计方法。计算及模拟结果表明,设计的小型星模拟器实现了星图视场为10.5°×7.5°,模拟星等为2.0~8.0等星,单星张角优于40″;将采样周期控制在毫秒量级,能为星敏感器提供任一时刻、任一惯性坐标系下指向的模拟星图,可满足航天工程中对小型星模拟器的动态性、大视场、宽星等范围、短采样周期等需求。     

基于闪耀光栅图形化实现高分辨率干涉光刻

为提高图形化干涉光刻质量,提出了基于闪耀光栅的图形化干涉光刻(PIIL)系统,并对该系统所采用的光学原理和实现方法进行了研究。首先,分析了图形化干涉光刻系统的光场特性,阐述了其分辨率提升的原理。讨论了光学系统带宽和图案分布对光刻图形质量的影响,给出了图形质量控制的工艺方法。其次,提出了一种新型的图形化干涉光刻方法,该方法采用闪耀光栅作为衍射分光器件,实现了位相和振幅的一体化调制。采用数值计算方法模拟了闪耀光栅的衍射特性和像面光场分布,讨论了闪耀光栅的优化设计方法,获得了高达92.3%的±1级衍射效率。最后,基于数字微镜器件(DMD)和微缩成像光路设计开发了图形化干涉光刻系统,实验获得了像素化的点阵图形和质量明显改善的光刻图像,验证了该方法对任意图形的适用性。