侧窗头罩高速层流流场光学传输效应数值模拟

高速流场光学传输效应是影响红外成像末制导技术在高速导弹上应用的关键。研究了气动光学传输效应中层流流场光学传输分量的计算方法。应用光线追迹法和物理光学方法研究层流流场引起的像偏移和低程度的像模糊，结合典型状态下的流场数据，进行了高速层流流场光学传输效应的数学仿真，得到了仿真计算结果。采用实际计算出的流场数据，得出的计算结果与工程计算的结果相比较，证明所建立的气动光学高速流场光学传输效应理论模型基本正确，可以用来进行仿真计算。     

光计算的四十年

光计算的四十年母国光（南开大学现代光学研究所，天津３０００７１）发掘光学在计算方面的功能是现代光学研究中一个很重要的领域，它的发展经历了四个阶段。最早可追溯到本世纪五十年代的傅里叶光学，那时开始注意到一个简单透镜的傅里叶交换功能。一定的光学系统具有模...     

基于自适应光学技术的高速流场效应模拟方法

在高分辨率天文观测和空间测绘过程中,高速流场效应会造成目标光学波前畸变,影响探测器分辨率。从高速流场造成的光学效应对空间观测的影响入手,研究分析了自适应光学技术及其关键器件-光学变形镜的技术特点,提出了一种基于光波波面调制技术和光程差（OPD）数据的高速流场光学传输效应模拟方法,并完成了初步验证实验。其中,通过光线追迹法和物理光学方法计算高速流场光学传输效应而获得的体现目标光束波面畸变程度的光程差（OPD）数据,该数据用于光学变形镜的控制驱动。这种模拟方法可用于空间对地观测过程中流场环境造成的透射光斑抖动、偏移等光学波面畸变效应仿真,实现在实验室环境下对光学传感器性能和空间光学探测系统高速流场效应半实物仿真和高速流场扰动校正能力的测试评估。     

采用热像系统MTF(调制传递函数)建立虚拟热像仪的研究

热像仪作为一种成像系统,其功能是将接收到的二维空间分布的景物红外辐射转换成可视图像再现景物的红外图像.利用光学傅立叶分析的方法可以把热成像系统看作线性滤波器,并建立热成像系统的静态性能模型.利用热成像系统静态性能参数MTF(调制传递函数)的实验室测试数据作为幅频特性,用设计数字滤波器的频率样本法构造仿真热像仪MTF的二维图像滤波器,以此为基础可以建立用计算机仿真热像仪空间分辨特性的模拟环境.     

类THAAD导引头气动光学效应计算研究

针对类美国末段高空域防御(Terminal High Altitude Area Defense, THAAD)系统的红外导引头外形,开展了气动光学效应计算分析,并将其用于飞行器设计。利用国家数值风洞工程高速流场计算软件NNW -HyFLOW,考虑热化学非平衡效应和材料传热耦合效应,对导引头典型状态的流场进行了模拟,获得了流场的密度、温度、压力等参数和窗口的温度场参数。基于流场参数,利用HyFLOW气动光学传输效应计算功能,开展了红外光学传输成像计算;利用HyFLOW气动光学辐射效应计算模块,开展了流场和光学窗口的热辐射计算。计算结果表明,类THAAD导引头在30 km以上飞行时,流场和光学窗口基本不会影响目标信号的光学传输成像,但流场和窗口的热辐射效应会对导引头识别目标造成影响。不过随着飞行高度的升高,这种影响会减小。     

天基光学成像系统空间目标成像模拟技术

提出了一种天基光学成像系统对空间目标和背景成像的模拟方法。首先利用3DMAX软件创建精确的空间目标三维模型;然后根据目标的结构特性建立了目标的光照模型,利用光线跟踪算法计算目标卫星各小面元传递到CCD镜头处的能量值。在此基础上,结合空间环境、空间目标运动特性和成像模型构建了空间目标和背景特性仿真演示系统。仿真结果表明:该方法可有效地模拟天基光学成像系统对空间目标和背景成像。     

光学头罩绕流流场气动光学效应数值模拟

以红外成像制导技术在高速拦截器上的应用需求为背景,进行了光学头罩绕流流场气动光学效应数值模拟.应用雷诺平均NS方程并选取了适当的湍流模型,对凹窗、凸窗和球头3种光学头罩的高速飞行器绕流流场进行了数值模拟,得到了绕流流场密度分布;研究了脉动流场引起的气动光学传输效应的计算方法,应用几何光学、物理光学和统计光学方法进行了光学传输效应计算,得到了点扩散函数,即像面光强分布.通过瞄视误差、Strehl比、含能半径等气动光学效应参数描述了流场引起的成像畸变,并分析了不同外形、飞行状态和光学系统参数对光学传输效应的影响.     

高速湍流流场气动光学传输效应研究

高速飞行器在大气层中高速飞行时,其头罩表面受大气气流的影响产生严重的气动光学效应。头罩周围湍流流场的高频变化,将影响来自目标的红外辐射光线的传输,使导引头成像器中目标图像产生模糊、抖动、偏移和能量衰减,给红外成像末制导带来不利影响,降低导引头对目标的探测、跟踪与识别能力,进而影响末制导精度。以红外成像制导技术在高速拦截器上的应用需求为背景,进行了高速湍流流场光学传榆效应理论计算基本方法的分析,介绍了建立的数学模型和仿真软件,最后给出了典型状态下的计算结果。     

风成海面激光反射特性分析

为了计算低风速下海面的激光反射特性,采用北海联合海浪计划(JONSWAP)非稳态海谱模型,结合线性滤波方法,将入射激光光斑所覆盖的海面分割为多个微小平面,再采用几何光学方法,对入射到每个微小平面上的光线的反射光进行理论计算,通过仿真,取得了二维风成海面对激光反射的仿真结果.结果表明反射角在镜面反射方向和入射反方向的士30°范围内,反射方位角在风向或者反风向2个方向,海面反射光能量较为集中.     

计算全息技术在光学相关识别中的应用

为了实现光相关匹配滤波系统的小型化、集成化,采用纯计算全息技术,构建了一个光学相关识别系统.理论分析和实验验证表明,用计算全息透镜代替傅里叶透镜制得的复数滤波器,集成了4f系统中第2个傅里叶变换透镜的作用,滤波器后面不再用傅里叶透镜.这样减少了光学元件,同时缩短了光路.结果表明,该系统和4f光学相关识别系统一样,能够进行相关识别且具有平移不变性.     

水平链路激光广播技术的功率传输方法与验证

当前传统点对点激光通信技术已经得到了长足进步,为了探索在有限范围内实现局域激光广播的有效手段,提出了一种适用于短距离水平链路激光广播的有效方法,设计了相应的验证性广播通信系统,并在光功率最优分配的角度上对激光广播进行了系统建模研究。首先,从光功率衰减的角度对激光扩束理论模型和平行光幕理论模型进行了分析和对比,揭示了平行光幕通信模型的光功率损失模型;其次,结合高斯光束光学成像变换理论模拟了平行光幕的远场场强分布情况,通过一个领先的光学和照明设计软件,揭示了光幕远场分布与传输距离的关系;最后,通过在不同信道环境下的野外通信实验验证了平行光幕理论模型的优越性与可行性。     

Means and verification of broadcast technology applied to laser transmission on horizontal link

At present, there has been great progress in the field of the point-to-point laser communication technology, in other words, the traditional laser communication technology has been advanced day by day. Furthermore, in order to search for an effective means of achieving localized laser broadcasting communication within a limited range, an effective method of horizontal link laser broadcasting communication is presented, and the corresponding verifiable broadcast communication system is designed. In addition, the laser broadcasting is systematically studied by one physical model built at the optimal distribution of optical power. First of all, the theoretical model of laser beam expansion and the theoretical model of parallel light curtain are made comparisons and analyzed from the angle of attenuation of optical power, and the optical power loss model of the parallel light curtain is established as a result. Secondly, combined with the theory of optical imaging transformation based on Gaussian beam, the field distribution of far field of parallel light curtain is simulated by one leading optical and illumination design software and the relation between the filed distribution of far field of light curtain and the distance of transmission is revealed. Finally, the superiority and feasibility of the parallel light curtain theory model are verified by field communication experiments in different information channels.     

基于Zemax仿真的红外光场成像技术

光场成像作为计算摄影学的研究方向之一,可以通过单次拍摄得到目标的四维全光信息,包括空间两维以及角度两维信息,由此可以通过多视角立体匹配原理实现三维成像。目前光场成像集中应用于可见光领域,用于其他光学成像波段的情况较为少见。本文提出基于Zemax仿真的红外光场成像技术,将光场成像系统与长波红外成像系统相结合,从光场成像原理以及长波红外成像特性出发,对长波红外光场成像系统结构设计进行了深入研究,同时为了提升三维成像的效果,分析了红外光场成像系统光学参数对深度分辨率的影响,得出深度分辨率主要由微透镜成像关系、微透镜工作F数、主透镜焦距、物距以及探测器像素尺寸确定。针对长波红外探测器像素数较少的情况选择了聚焦型光场成像系统,根据设计结果,使用Zemax仿真验证了长波红外系统与光场成像系统相结合的可行性以及理论设计的正确性。     

折衍混合长波红外光学系统消热差设计

分析了温度变化对红外光学系统结构参数的影响,给出了红外光学系统消热差设计应满足的条件,讨论了衍射光学元件的温度特性,并将其引入到红外光学系统的消热差设计中.利用ZEMAX软件,设计了一套由锗和硫化锌组合的三片式折衍混合长波红外光学系统,其工作波段为8~12 m,视场为10.2,焦距为45 mm,F/#为1.5,总长为70 mm.设计结果表明,该镜头在-40~60 ℃温度范围内成像质量接近衍射极限,系统全视场调制传递函数在特征频率20 lp/mm处高于0.6, 87%的能量集中在探测器的一个像元内,实现了消热差设计.该系统具有结构紧凑、体积小、质量轻等优点,适用于军事或空间红外系统.     

EAST托卡马克等离子体广角红外与可见光集成诊断系统设计

针对EAST托卡马克等离子体中波红外与可见光集成诊断系统进行了设计。系统采用独特的光路形式,使成像指标满足的同时,尽量避免光学元件受到辐射和污染;通过采用分色方式,实现中波红外与可见光两路同口径、同视场成像,提高了观测效率。最终设计完成了通光口径3 mm,视场5847的广角红外与可见等离子成像系统。装调后对各项指标测试结果表明,系统性能达到设计要求。通过对EAST托卡马克装置的放电过程成像实验表明,系统红外与可见两路实现了广角、清晰等离子成像。     

变F数红外光学设计方法北大核心CSCD

随着科技的发展,红外相关的技术也日渐成熟,许多新技术新理论得到广泛的运用。现在单一F数的变焦红外光学系统已经往多F数方向发展。对定F数光学系统而言,因为改变焦距的同时需要改变通光口径,在大视场时候通光口径会减小,能量利用率较低。变F数光学设计可以解决这一问题,使光学系统在保持孔径的情况下可以进行大视场和小视场的切换,充分利用系统的最大通光孔径,提升能量利用率,本文介绍了当前变F数的相关设计,并进行了一些设计思路的拓展和对未来的展望。     

应用于校正扩展视场偏差的红外成像测量方法

介绍了一种可扩展视场红外光学系统的工作原理,针对系统初始化后由于楔形镜装配误差引起的视场偏差对成像的影响,设计了一种校正该光学系统视场偏差的红外成像测量方法。通过计算机视觉技术在目标运动轨迹测量中的应用,把该技术与红外成像系统进行结合;用红外成像系统对运动目标成像,将目标的运动轨迹视为序列离散点,利用计算机视觉技术对这些离散点进行轨迹检测,并采集这些目标连续运动过程中的离散点图像。后期通过对采集的目标运动轨迹原始图像进行像图像处理,运用编程仿真构造目标的实际运动轨迹,最终完成了可扩展视场红外光学系统视场偏差的校正。结果表明,基于计算机视觉技术的红外成像测量方法能够很好地实现运动目标的轨迹测量。     

一种改进的凝视焦平面探测器亚像元成像处理算法

利用光学微扫描和亚像元成像处理技术,实现亚像元成像系统是当前提高光电成像系统空间分辨率的重要技术途径.本文在分析二维凝视焦平面探测器的亚像元成像和重构原理的基础上,提出了一种改进的基于二维2×2微扫描的亚像元成像处理方法,解决了边界精确标定法的标定以及边界值近似法的误差问题.模拟分析表明:算法可有效实现亚像元成像,且处理工作量小,易于实现实时处理,可望在可见光和红外亚像元成像领域获得应用,算法对于发展高性能热成像系统具有重要的理论指导意义和实用价值.     

基于微透镜阵列的光场显微测量方法研究

与传统成像技术相比,光场成像技术能够利用光场中光线的传播方向信息,采用计算成像的方式极大地提高成像系统的景深。而传统的光学显微镜分辨率越高,景深越小。文章结合光场成像技术和传统光学显微镜,通过在显微镜一次像面插入微透镜阵列,提高显微镜景深,实现光场的显微三维测量。该系统通过单次曝光即可获得光场的四维光场信息,通过数字重聚焦技术和清晰度评价函数完成光场显微测量。实验结果表明,基于微透镜阵列的光场显微测量方法是可行的。测量系统以牺牲16倍横向分辨率为代价,将显微镜头景深提高了近100倍。     

基于作用距离的红外成像系统光学参数确定

作用距离是决定红外成像系统性能的重要指标,可直接影响红外成像光学系统的参数确定.基于作用距离的参数确定方法建立了探测器与作用距离、空间分辨率之间的关系,对光学系统的参数确定和性能评价具有重要作用.结合实例确定了红外成像系统光学的主要参数,采用非制冷凝视型长波红外探测器(工作波段为8mμ～12μm),在.特定的作用距离下,利用该方法确定的红外光学系统通光口径为90mm,F数值为1.