1 中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094
2 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094
3 国家航天局探月与航天工程中心，北京 100190
为解决中国科学院计划于2023年发射的绕月飞行器激光测距时差载荷星地时间比对问题，本文提出并建立了地月空间激光时间比对高精度测量模型。为达到ns级地月空间激光时间比对精度，采用准确度为0.1 ns量级的数值地球时间星历模型，建立了ns量级的时间尺度转换模型，推导了精度为10 ps量级的激光脉冲单程和往返飞行时间模型，建立了精度优于10 ps的Shapiro时延模型，建立了质心修正模型、几何位置修正模型以及系统时延模型等。使用基于飞行器可观测性、回波率设置等工程实际得到的仿真数据对时间比对模型精度进行验证，时间比对标准差为ns级，表明仿真模型精度可达ns级。星载时钟的频率准确度估算结果和正确值误差约为15%。所建模型可用于后续地月空间高精度激光时间比对任务。
测量 地月空间激光时间比对 地球时间星历 相对论效应 钟误差模型 光行时 中国激光
2023, 50(14): 1404001
1 航天工程大学宇航科学与技术系，北京 101416
2 航天工程大学基础部，北京 101416
针对不同径向节次拉盖尔-高斯（LG）光束，首先阐述了其物理意义及强度分布规律，分析了高径向节次LG光束在横向偏移入射条件下的旋转多普勒效应（RDE）。其次，根据散射体模型，设计变量控制实验探究了不同径向节次LG光束对横移条件下RDE的影响，实验结果表明：不同径向节次LG光束虽然能够增强横向位移条件下旋转多普勒信号的光强及幅值，有助于转速信息提取，但二者并非线性关系；随着径向节次的增大，频域信号幅值呈现先增大后减小的规律，存在最佳径向节次值，使得信号幅值最大；LG光束的径向节次并不影响转速测量精度。最后，从理论上分析了LG光束的径向节次影响旋转多普勒信号强度的原因。本研究在拓展涡旋光测速应用范围，增加目标转速探测距离及提高准确度方面具有较大的应用潜力。
物理光学 径向节次 涡旋光 旋转多普勒效应 横向偏移
1 航天工程大学宇航科学与技术系，北京 101416
2 航天工程大学教务处，北京 101416
3 航天工程大学基础部，北京 101416
从旋转多普勒频谱展宽的机理出发，根据轨道角动量模式展开的原理，分析了展宽频谱的特征，提出了一种双重傅里叶分析方法，将展宽的频谱进行处理，得到具有单一峰值的频谱，从而更加方便、清晰地提取目标转速，降低光学旋转多普勒测速技术对光束质量和入射条件的要求。该研究有助于进一步推动旋转多普勒测速技术在实际工程中的应用。
物理光学 双重傅里叶分析 涡旋光 旋转多普勒效应 轨道角动量 转速探测
1 天津工业大学 机械工程学院，天津 300387
2 天津市现代机电装备技术重点实验室，天津 300387
3 天津中德应用技术大学 机械工程学院，天津 300350
对测量激光雷达轴系动摩擦力矩数据波动较大、重复测量精度低等问题开展研究，将基于测试主轴控制系统构建的数据云与GA-BP算法进行融合，提出了激光雷达轴系摩擦力矩检测设备自更新控制算法。以测试主轴的实际转速、理想转速、转速误差和转速误差变化率构建数据云，使用密度及距离信息实现数据的添加和删除，通过GA-BP算法实现在线控制参数的整定。以激光雷达轴系摩擦力矩测量设备测试主轴和被测轴系为研究对象，通过仿真实验证明该方法与使用Z-N-PID算法的控制系统相比，提高了系统抗干扰性。通过激光雷达轴系动摩擦力矩检测设备进行摩擦力矩检测，实验结果表明，所提出的自更新控制算法相比于Z-N-PID算法平均过冲量降低了12.77%，稳定后数据标准差降低了5.00%~40.63%，重复测量误差降低了24.20%~71.66%。
激光雷达轴系 摩擦力矩 数据云 自更新控制算法 lidar shafting friction torque data cloud self-updating control algorithm 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210591
1 航天工程大学宇航科学与技术系，北京 101416
2 航天工程大学基础部，北京 101416
柱矢量涡旋光束偏振态呈现柱对称分布并且具有螺旋形相位波前，可以用混合阶庞加莱球表示。基于对琼斯矩阵的推导，提出并验证了一种利用涡旋半波片产生多种混合阶庞加莱球光束的方法。通过合理设计涡旋半波片和半波片、1/4波片的组合，能够产生混合阶庞加莱球上任意位置对应的柱矢量涡旋光束。通过级联多个涡旋半波片，能够进一步扩大混合阶庞加莱球光束的阶数范围。实验上，对制备出的多种混合阶庞加莱球光束的偏振态分布进行了测量，并验证了其偏振阶数和拓扑荷数。该方法光路简单、调节方便，可以实现对拓扑荷数和偏振阶数的独立调控，在光学微操控、光学探测与传感，以及矢量涡旋光源设计等方面有潜在的应用价值。
物理光学 混合阶庞加莱球 柱矢量涡旋光束 琼斯矩阵 斯托克斯参数 光学学报
2022, 42(22): 2226001
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Aerospace Science and Technology, Space Engineering University, Beijing 101416, China
2 Laboratory of Quantum Detection & Awareness, Space Engineering University, Beijing 101416, China
3 Basic Ministry, Space Engineering University, Beijing 101416, China
4 State Key Laboratory of Laser Propulsion & Its Application, Space Engineering University, Beijing 101416, China
5 63729 Troops of Chinese People’s Liberation Army, Taiyuan 030027, China
6 School of Space Information, Space Engineering University, Beijing 101416, China
The resolution of the spatial light modulator (SLM) screen and the encoding algorithm of the computer-generated hologram are the primary limiting factors in the generation of large topological charge vortex beams. This paper attempts to solve these problems by improving both the hardware and the algorithm. Theoretically, to overcome the limitations of beam waist radius, the amplitude profile function of large topological charge Laguerre–Gaussian (LG) beam is properly improved. Then, an experimental system employing a 4K phase-only SLM is set up, and the LG beams with topological charge up to 1200 are successfully generated. Furthermore, we discuss the effect of different beam waist radii on the generation of LG beams. Additionally, the function of the LG beam is further improved to generate an LG beam with a topological charge as high as 1400. Our results set a new benchmark for generating large topological charge vortex beams, which can be widely used in precise measurement, sensing, and communication.
spatial light modulator Laguerre–Gaussian beam computer-generated hologram large topological charge Chinese Optics Letters
2022, 20(12): 120501
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Aerospace Science and Technology, Space Engineering University, Beijing 101416, China
2 Basic Ministry, Space Engineering University, Beijing 101416, China
3 Laboratory of Quantum Detection & Awareness, Space Engineering University, Beijing 101416, China
We propose a method for detecting the symmetry of rotating patterns based on the rotational Doppler effect (RDE) of light. The basic mechanisms of the RDE are introduced, and the spiral harmonic distribution of rotating patterns is analyzed. By irradiating the rotating pattern using a superimposed optical vortex and analyzing the amplitude of the RDE signal, the spiral harmonic distribution of the pattern can be measured, and then its symmetry can be detected. We demonstrate this method experimentally by using patterns with different symmetries and shapes. As the method does not need to receive the scattered light completely and accurately, it promises potential application in detecting symmetrical rotating objects at a long distance.
rotational Doppler effect optical vortex spiral harmonic distribution symmetry detection detection of rotating objects Chinese Optics Letters
2022, 20(12): 122601
1 航天工程大学宇航科学与技术系，北京 101416
2 航天工程大学基础部，北京 101416
涡旋半波片（VHP）是一种快轴取向在空间分布上呈特定角向变化规律的偏振光学元件。通过级联两个或多个低阶VHP可以产生任意高阶柱矢量光束（CVB）。基于单个VHP的琼斯矩阵，推导了VHP级联后的等效琼斯矩阵，从理论上解释了VHP级联后等效阶数的变化规律。实验上，利用和的两个VHP级联产生1阶和3阶径向偏振和角向偏振CVB，计算斯托克斯参数并绘制矢量光束偏振态分布图，并与的单个VHP直接生成的CVB进行比较，证明了级联方法的可靠性。在级联VHP产生相同高阶CVB时，VHP的不同级联顺序能够影响由于中心错位而造成的光束畸变程度。经实验对比分析，得到了级联应用中能够稳定产生高质量、高阶CVB的方法，并通过级联多个VHP产生了100阶以内任意CVB。
物理光学 柱矢量光束 涡旋半波片 琼斯矩阵 斯托克斯参数 偏振检测 光学学报
2022, 42(13): 1326001
红外与激光工程
2022, 51(4): 20220004
1 航天工程大学宇航科学与技术系, 北京 101416
2 航天工程大学基础部, 北京 101416
当前,较为常用的光场复振幅调制方法主要是通过衍射效应来实现的,这造成了能量利用效率普遍较低,为此基于纯相位空间光调制器(SLM)和棋盘相格法在衍射零级实现了高阶贝塞尔涡旋光束的制备。首先,介绍了奈奎斯特光栅和棋盘相格法的基本原理,推导了在衍射零级制备贝塞尔涡旋光束的复振幅调制方法并编码了相应的全息图,分别模拟了通过该方法生成的低阶和高阶贝塞尔涡旋光束的光场分布。其次,基于纯相位SLM搭建了相应的实验光路,分别制备了低阶和高阶贝塞尔涡旋光束。最后,讨论了本文方法的优点和不足。实验结果表明,本文方法制备的高阶贝塞尔涡旋光束的模式纯度虽然不及衍射一级,但却可以将衍射效率提升约4.5倍。
衍射 纯相位空间光调制器 棋盘相格法 贝塞尔涡旋光束 全息图 大拓扑荷数 光学学报
2022, 42(10): 1005001
