基于可调谐激光器的太阳光谱辐照度仪定标方法

太阳光谱辐照度仪是利用棱镜分光技术对太阳直射辐射进行连续光谱测量的新型仪器,为了实现高精度观测要求,开展了基于可调谐激光器的系统级定标方法研究。使用激光导入积分球产生的均匀辐照度场作为定标光源,利用标准辐照度探测器作为传递标准,将低温绝对辐射计的辐射标准传递到太阳光谱辐照度仪。在仪器的870 nm波段进行了定标实验,与标准灯法、Langley法得到的定标系数进行比对,偏差分别为2.84%和4.08%,验证了该方法的可行性。根据不确定度评估规范,这种定标方法的不确定度优于0.882%,可以用于高精度的太阳光谱辐射观测。     

太阳光谱辐照度仪波长扫描设计北大核心CSCD

针对当前气候变化对太阳光谱辐射的观测需求,为精确监测太阳光谱辐照度,研制了波长扫描型太阳光谱辐照度仪。该太阳光谱辐照度仪主要由光谱测量单元和波长扫描单元组成,其中波长扫描单元作为色散光谱的精密定位机构,是保障仪器测量精度的关键。为此,设计了基于小型交流伺服电机的波长精密扫描定位装置,采用定时器主从方式控制电机旋转,并利用STM32驱动线阵CCD工作,结合CCD检测的光斑质心位置与预设位置的偏差进行闭环控制,闭环控制精度小于2个像元宽度。最后,对线阵CCD的质心位置检测的重复性以及扫描定位装置的稳定性进行测试,测试结果表明CCD质心位置检测的标准差为0.0693,最大偏差不超过0.3像元宽度,系统运行时闭环精度小于2个像元宽度,满足波长扫描的重复性和稳定性要求。     

风云三号黎明星太阳辐照度光谱仪系统噪声与稳定性分析

介绍了搭载在风云三号黎明星上的太阳辐照度光谱仪系统,并对光谱仪可见光通道探测器中的光电倍增管和放大电路产生的噪声进行定量分析.研究表明,在无光照情况下,系统以光电倍增管暗噪声为主;在有光照条件下,系统以阳极散粒噪声为主.基于对噪声的分析,进行地面稳定性试验.采用太阳辐照度光谱仪初样测量丽江2021年10月份的太阳光谱辐...     

太阳光谱辐照度仪自动跟踪装置的设计与测试

为了实现太阳光谱辐照度的高精度观测,提出了视日运动轨迹和光电跟踪相结合的太阳自动跟踪方案,详细论述了视日运动跟踪计算原理和基于四象限探测器的跟踪装置设计。为检测该装置的跟踪精度,设计了基于线阵CCD探测器的跟踪精度检测系统,并开展了室外观测实验。测试结果表明,太阳跟踪精度为±0.030°,稳定性优于1.4%,所设计的太阳跟踪装置在跟踪精度和稳定上均能够满足太阳光谱辐照度观测的高精度跟踪要求。     

双色红外共光路辐照度测量系统设计

针对测量红外目标模拟器的辐照度值所设计的辐照度测量系统,其光学系统特点是改善辐射光束的能量分布,将能量集中到探测器上。根据双色和单色探测器的不同用途,单个双色探测器和两个单色探测器的双色红外共光路光学系统均能够满足辐照度测量系统的需求。双色探测器难以得到,但对应的光学系统结构简单,调制传递函数响应度高,实用性强;单色探测器容易得到,但对应的光学系统结构复杂,不过仍然有很好的像质,满足辐照度测量光学系统的要求。光学设计结果表明,3～5μm的中红外波段和8～12μm的长波红外波段在两个系统中同时较好地完成了像差校正,系统畸变都很小,最大不超过0.7%,调制传递函数曲线均接近衍射极限。     

太阳绝对辐照度测量系统中的太阳跟踪系统设计与性能测试

为实现高精度的太阳绝对辐照度观测,设计了视日运动轨迹跟踪和四象限探测器精密跟踪相结合的太阳自动跟踪系统.分析了四象限探测器的工作原理,对其均匀性进行了测试,确定了其偏离系数.对跟踪系统进行了硬件设计、控制软件设计和结构设计.实现了以C8051F064单片机为核心的数据采集、信号处理和反馈控制系统.在实验室内对系统的跟踪精度进行了测试,结果表明跟踪偏差在0.1°之内.经实际运行证明,该系统方案可行,具有稳定性强、精度高的优点.     

非制冷焦平面红外热像仪光机热分析

非制冷红外热像仪在军事和民用领域具有广阔的应用前景.在空间或军事应用中,环境温度变化对系统成像质量影响很大.红外光学系统对温度变化非常敏感,温度的变化引起镜片间距的改变等,使系统产生离焦等热像差,从而使系统成像质量下降.利用光学设计软件Zemax的多重结构功能分析了红外光学系统在-20～60℃温度范围内的光学传递函数变化情况,结果表明系统的传递函数下降很小,满足设计指标的要求.     

基于FY-4 AGRI与Himawari-8 AHI的平均太阳光谱辐照度研究

文中选取ASTM-E490太阳光谱来计算AGRI和AHI数据的可见光和近红外波段的ESUNb值,并经已发布ESUNb值的HJ-1A/1B CCD1传感器验证了计算值的可靠性,最后将其应用于数据的预处理中。结果表明:通过ASTM-E490太阳光谱计算得到了AGRI和AHI数据可见光和近红外波段的ESUNb值可用于AGRI和AHI数据预处理中;经验证,基于ASTM-E490太阳光谱计算得到的ESUNb值与官方值的绝对误差在10以内,相对误差仅在0.191%～0.571%之间;计算得到的ESUNb值可用于数据的预处理中,经定标和大气校正后发现,校正后影像的对比性更清晰,且AGRI数据的地物边界更为清晰,变化更加明显。     

消谱线弯曲PGP型成像光谱仪系统设计

针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪谱线弯曲(Smile)难校正的问题,提出了一种利用狭缝离轴和减小第一块棱镜顶角,再结合会聚镜畸变校正PGP型光谱仪谱线弯曲的方法。该方法在保留了PGP型光谱仪的布拉格(Bragg)衍射和系统共轴等优点的基础上,校正了光谱仪的谱线弯曲和色畸变(Keystone)。在相同的技术指标下,对传统型和改进型PGP模型做了谱线弯曲对比。为了验证该方法的可行性,设计了一款光谱分辨率为2.8 nm的光谱仪,点列图均方根(RMS)半径小于8 μm,满足成像质量要求,Smile为1.50 μm、Keystone为3.52 μm,均小于0.2倍像素。设计结果表明,通过减小棱镜顶角校正中心波长的Smile,利用狭缝离轴实现光谱仪系统共轴,利用会聚镜畸变校正剩余波长的Smile可以有效校正PGP型光谱仪的谱线弯曲。     

机载高分辨率连续变焦红外热像仪设计

针对中波640×512元红外焦平面探测器设计了一套1:20小型高分辨率连续变焦热像仪,对热像仪的光学系统和系统的灵敏度等进行了设计和计算。设计结果表明,连续变焦红外热像仪具有变倍比大、分辨率高、灵敏度高、体积小、像质好等特点,满足设计要求,可用于机载光电探测和跟踪系统。     

基于V/F变换的高精度寻北仪信号处理系统设计

为提高寻北仪精度,设计了基于V/F变换的数据采集及信号处理系统。陀螺输出的微弱信号通过解调放大电路、专门的V/F变换电路和基于FPGA的信号处理电路,配以软件滤波算法,最终得到较精确的数据采集和处理结果。试验结果表明,该方法能有效去除陀螺输出信号中的噪声,采集的数据用于寻北仪解算能够得到精度较高的寻北结果。     

基于DMD的红外目标模拟器分光系统设计

基于DMD(数字微镜阵列)的红外目标模拟器是利用DMD反射调制入射的红外辐射,在实验室内模拟真实目标和背景的红外成像,对红外探测和传感设备进行性能测试和评估。介绍了基于DMD的红外目标模拟器的整体结构,阐述了DMD的工作原理,分析了分光系统的设计思想。为了解决照明系统和投影系统结构容易发生重叠的问题,设计了分光棱镜将DMD的照明光束和由DMD反射的投影光束分离开,并用ZEMAX对分光棱镜进行了优化和模拟,设计结果符合使用要求。     

多组元全动型大孔径及超大视场变焦系统设计

为了使变焦光学系统能够实现超大视场以及大孔径高分辨率成像,提出一种能够有效指导此类系统的设计方法.通过分析变焦光学系统的原理以及比较其变焦补偿方式,确定采用全动型补偿方式来实现整个系统的变焦.根据初级像差的理论并结合ZEMAX软件得到系统较合适的初始结构参数,对其进行优化设计可以得到一款由14片折射透镜组成的大孔径以及...     

新型大相对孔径Schwarzschild光谱成像系统设计

为满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求,克服Offner光谱成像系统中凸面光栅加工的困难和改进型Czerny-Turner光谱成像系统相对孔径小的缺点,提出一种新型的基于平面光栅的大相对孔径Schwarzschild光谱成像系统,根据反射球面罗兰圆理论分析了该系统的像散校正方法,利用Matlab软件编制了初始结构快速计算程序。作为实例,设计了一个相对孔径为1/2.5,工作波段为400~1000nm的Schwarzschild光谱成像系统。首先利用自己编制的Matlab程序计算初始结构参数,再利用Zemax-EE光学设计软件对该光谱成像系统进行光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。结果表明,在整个工作波段内,点列图弥散斑的尺寸小于13μm,实现了大相对孔径宽波段像差的同时校正,在宽波段内获得了良好的成像质量,满足设计指标要求,也证明了这种新型Schwarzschild光谱成像系统是可行的,其在航空和航天高光谱遥感领域具有广阔的应用前景。     

大口径多光谱通道波前测量系统设计

随着波前测量技术的发展,具有多光谱通道的大口径波前测量系统成为波前测量领域的研究热点。设计了一种大口径多光谱通道波前测量系统,主要由前置RC缩束系统、调光组件、分光组件和波前传感器等组成,有效口径为450 mm,工作波段为0.5～0.8 μm、0.9～1.7 μm和3～5 μm。给出了光学系统的设计参数,描述了系统中光学元件的参数选择,运用Zemax软件完成了光学系统的建模和仿真。进行了机械系统的方案设计,并完成了系统的光机热集成分析。测试了大口径多光谱通道波前测量系统的各项参数,结果表明该波前测量系统的有效口径大于450 mm,在?10～50 ℃工作环境下,对可见光、近红外、中红外波段的波前均可实现高精度实时稳定测量,系统的波前测量稳定性优于0.05λ（RMS,λ=532 nm）。     

大口径宽光谱折射平行光管系统设计

介绍了大口径、宽光谱、折射式平行光管物镜的设计理论。结合项目设计实例：工作波长范围400nm~1100nm,焦距2000mm,相对口径1/10的折射式平行光管系统,论述了光学设计初期玻璃材料选取、初始结构选取与光焦度分配等问题。利用修正的相对部分色散P与阿贝数V建立复消色差方程组求解初始结构,使用Zemax软件优化设计出在全谱段范围内复消色差的平行光管系统。最后,给出Zemax软件分析的像差结果,系统中心视场内的点列图优于5μm ,中心波长波像差优于1/60λ,焦距色偏移量为0.33mm,其余像差均在设计指标之内。     

基于自旋转原理的隧道太阳光反射照明系统设计

提出一种可用于隧道照明的、基于自旋转原理的太阳光反射照明系统。基于采光系统和出射系统光学中心合一原理分析了系统光学特性,设计出了利于整体封装的高采光量反射照明系统。分析表明,该系统在全方位跟踪太阳光过程中,光学中心始终保持不变,通过设定出射光方向即可实现太阳光定向投射,调节不同安装位置系统的出射角可实现隧道入口太阳光照明的全覆盖,证明了该系统用于隧道入口加强照明的可行性。实验测试表明,由该系统采集投射的太阳光,最高利用率可高达60%,照明距离长达120 m,为目前太阳光直接照明领域相同传输距离下光能利用率最高的技术。该技术的研究和应用对提升高光能需求的公路隧道照明低碳节能环保技术水平,促进公路交通“碳达峰、碳中和”和可持续发展均具有积极的作用。     

大口径菲涅耳透镜远距离宽光谱聚光系统设计

针对使用光纤光谱仪探测远距离宽光谱弱信号的应用需求,基于成像光学与非成像光学的混合设计方法,设计了大口径菲涅耳透镜聚光系统。系统由直径为1.1 m的菲涅耳透镜、匀光棒、全反射准直器和中继透镜组组成,接收端为直径为2 mm、数值孔径为0.22的光纤束。大口径菲涅耳透镜具有质轻体小的优点,解决了传统大口径透镜体积大质量大的问题。由匀光棒和全反射准直器组成的非成像光学元件后组可减小由菲涅耳透镜口径增大引起的球差和宽光谱色差,使光信号能量分布更加均匀且出射角度减小;中继透镜组进一步控制光束发散角和光斑尺寸,使光信号在光纤束端面高效率耦合,提高系统的光能利用率。仿真和实验结果均表明,所设计的后组系统能够减小像差影响,有效控制光束发散角度和光斑尺寸,提高光能利用率,满足光纤光谱仪对远距离宽光谱弱信号进行光谱探测的需要。