1 中国科学院 合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所， 大气光学重点实验室，安徽合肥23003
2 中国科学技术大学，安徽合肥3006
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽合肥2007
对于恒星光斑成像，传统的梯度评价算法在重度离焦情况下梯度细节薄弱，难以识别正确的调焦方向。为了实现跟星系统对恒星的快速成像和可靠跟踪，建立了针对恒星成像特征进行评价的自动调焦系统，对系统的聚焦评价算法、自动调焦结构以及自动控制系统进行研究。通过跟星系统成像的灰度分布情况分析光斑图像梯度特征在正焦和离焦时的区别。根据恒星光斑成像灰度级差异变化的特点，将背景值纳入评价贡献，在传统的梯度评价函数中加入光斑信号灰度差异贡献。设计适用改进算法的调焦硬件结构和系统结构，利用步进电机和调焦底座组成调焦组件，通过计算控制单元驱动调焦组件实现自动调焦系统。利用搭载调焦系统的跟星装置进行实验和分析。实验结果表明：自动调焦装置能够在跟星系统中稳定地进行调焦工作，且改进算法相对于传统梯度算法有着更好的调焦方向性，在保持传统梯度算法67%灵敏度的同时，将局部极值点减小为0。改进算法不受梯度细节薄弱影响，能够在不同离焦程度下保持较好的调焦方向性和正焦灵敏性，跟星系统在搭载自动调焦装置后能够快速搜索合适焦距并进行大气光学特性测量。
恒星聚焦 自动调焦 图像清晰度 步进电机 跟星系统 stellar focus auto focus image clarity stepper motor follow-star system 光学 精密工程
2023, 31(14): 2009
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，合肥 230031
2 国防科学技术大学 电子对抗学院 红外与低温等离子体安徽省重点实验室，合肥 230037
3 先进激光技术安徽省实验室，合肥 230037
4 合肥工业大学 物理学院，合肥 230601
5 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，合肥 230026
工作于近地空间的星敏感器，其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之一，研究了如何利用偏振滤波技术降低天空背景辐射对恒星成像的影响。基于激光雷达实测数据，计算得到了典型地区整层大气粒子的分布特性及散射特性，结合大气矢量辐射传输模型，研究了天空背景在近红外波段的偏振特性，获得了不同大气条件及观测条件下的天空偏振特性，分析了观测与太阳位置对不同波长天空背景偏振分布的影响。研究表明：使用波长较长且位于吸收带的近红外光进行观测或提升星敏感器的观测高度，可采用偏振滤波技术一定程度上抑制天空背景光。当观测方位角一定时，选取合适的观测角度可以保证在较低太阳高度时能使用偏振滤波技术降低天空背景辐射对星光成像的影响。
星敏感器 恒星成像 背景辐射 偏振分布 偏振滤波技术 Star sensor Star imaging Background radiation Polarization distribution Polarization filtering technique
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
为实现夜间可靠跟踪恒星并测量整层大气透过率,采用直驱力矩电机和圆光栅绝对编码器作为伺服部件,研制一套二维直驱跟星转台。该转台具有定位精度高、环境适应性好及野外长期运行免维护的优点,能够实现夜间长期跟踪目标恒星并自动换星功能。结合搭载其上的由望远镜、CCD相机和滤轮等组成的图像采集系统,搭建了测量实验平台。搭建的测量实验平台采用主-从式控制方式,上位工控机对图像采集系统进行相应控制,同时向下位机反馈转台方位偏差;下位机跟星转台控制系统采用装载Linux系统的ARM7数字处理器为控制核心,并内置自研的星图。通过上、下位机协同软件开发实现整层大气透过率测量的完整功能。开展了转台功能验证实验,整层大气透过率测量和激光雷达的对比实验。结果表明,二维直驱跟星转台能够实现夜晚长期跟踪目标恒星并自动换星测量,转台搭载的望远镜系统根据恒星的图像数据能够可靠地反演出夜间整层大气透过率,满足测量实验的功能要求。
大气光学 力矩电机 直驱 跟星 二维转台 大气透过率 光学学报
2021, 41(16): 1601002
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所基础科学中心光电探测室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 安徽四创电子股份有限公司,安徽 合肥 230088
基于自行研制的一种自动快速变视场太阳光度计(VFOVSP),实现了不同视场内太阳辐射的快速测量,为地基区分气溶胶粒子与云粒子提供了 一个新的技术手段。新型光度计采用基于CCD图像传感器的太阳跟踪技术,并采用程控可变视场光阑,实现了在较短的时间间隔内对 不同视场值的快速测量。通过在不同的天气条件下,对仪器不同视场测量数据分析初步表明:通过比较不同视场测量的大气光学厚度的 变化,可提供一种薄卷云与气溶胶的区分技术。该方法可以较快地识别出当前大气环境中是否有卷云存在,为研究卷云特性提供了基础。
新型光度计 不同视场 光学厚度 卷云识别 novel photometer different fields of view atmospheric optical thickness cirrus clouds recognition 大气与环境光学学报
2020, 15(3): 189
中国科学院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
为了实时测量多个波段激光大气透过率, 研制了ISP02型近红外太阳辐射计。详细阐述了该仪器的硬件组成、光学系统设计以及工作流程, 并对仪器进行了定标, 给出仪器能达到的性能指标。依据建立的基于太阳宽谱直接辐射测量获取激光波段大气透过率的方法, 实测得到1.064, 1.315, 1.54 μm大气透过率, 将结果与POM02型太阳辐射计采用外推法获取的激光大气透过率进行对比, 误差均小于6%, 测量的水汽总量与POM02对比, 误差均小于7%; 然后, 将两者外推的3.78 μm透过率进行对比, 误差均小于5%。秋冬季实测的1.315 μm透过率与激光大气传输评估软件对比, 误差小于2%。该仪器测量结果可靠、性能稳定, 可为同时获取多个波段激光大气透过率提供有效测量手段。
光学仪器 太阳辐射计 激光大气透过率 近红外波段 optical instrument sun-photometer laser atmospheric transmittance infrared waveband
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
研制了一款具有太阳跟踪和全天空扫描功能、基于直流无刷力矩电机的两维伺服转台, 该转台能在水平360°、俯仰180°两个自由度上达到10′′ 的定位精度,可满足全自动跟星观测 的跟踪精度要求。转台使用适用于低温环境的力矩电机及其他相应低温器件,可在－40～50?°C环境下正常工作,以满 足野外应用的需求。紧凑和轻量化设计使转台具有便携性。转台的控制系统采用基于ARM9架构的宽温开发板,板内移植了Linux 内核,内核支持多种功能模块的添加,有利于转台后期的功能完善和改进。转台既能在上位机软件控制下运转,也能在自身内部程 序引导下单独工作,搭载微型光纤光谱仪探测组件可用于天光背景辐射的光谱扫描测量。
大气光学 转台 力矩电机 天光背景 atmospheric optics turntable torque motor skylight background ARM ARM
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
为满足对天空背景辐射进行实时光谱测量和特征提取的需求,基于光纤光谱仪研制了一台一体化天 空背景辐射计,可测量340～1030 nm波长范围内的天空背景辐射光谱,波长分辨率优于0.5 nm, 具有定点测量、全天空扫描测量两种工作模式。在介绍系统总体结构的基础上,描述了光学组件、 转台系统、跟踪模块、嵌入式控制系统及恒温控制模块等硬件部件的结构,以及上位机软件的 设计思路、设备工作流程和定标方式。最后分析经光谱辐射定标后的测量数据,初步验证设备 工作的可靠性,为天空背景辐射的实时测量及光谱特性研究提供了有效手段。
天空背景 背景辐射 光谱测量 测量仪器 sky background background radiance spectral measurement measurement apparatus 大气与环境光学学报
2019, 14(4): 241
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所基础科学中心光电探测室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术研究院, 安徽 合肥 230026
与气溶胶粒子相比,前向小角度太阳透射比值变化对卷云中的冰晶粒子更加敏感。研发了一种基于图像跟踪、自动快速变视场的太阳光度计VFOVSP,它可快速测量窄视场到宽视场太阳的透射辐射,为地基测量卷云提供了新的技术手段。介绍了仪器的系统组成与测量原理。在大气无吸收波段,将仪器VFOVSP经Langley法标定后的测量结果与POMO2的测量结果进行对比,以验证仪器测量精度的可靠性。在不同的天气条件下进行测量,结果表明:不同小角度视场下透射比值的变化与粒子的种类有关,这为区分薄卷云和气溶胶粒子提供了可能。该仪器弥补了传统太阳光度计在有云天气下实时性、单一视场探测的不足,可以较好地识别出当前大气下是否有卷云存在,能够更好地满足实际科研需求。
光学器件 可变视场 光度计 卷云探测 图像跟踪 光学学报
2018, 38(10): 1012001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所基础科学中心光电探测室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术研究院, 安徽 合肥 230026
前向小角度的散射辐射分布与散射介质的粒子大小和光学厚度有关。基于一种新型变视场光度计,测量不同天气条件下的前向小角度散射比值、大气光学厚度τ和气溶胶粒子的Angstrom指数α,并与DISORT方法模拟结果进行对比分析。研究结果表明:散射比值随光学厚度的增大而增大;但当光学厚度τ <1时,散射比值取决于粒子有效尺度,粒子尺度越大,散射比值越小。卷云冰晶尺度较大时 (De>10 μm),其散射比值小于气溶胶粒子和水云,这为区别薄卷云与气溶胶提供了一种新方法。给出一种提取卷云光学厚度的简单方法,证明了卷云的消光系数在短波段与波长无关。以上研究为地基探测大气特性提供了一定参考价值。
大气光学 前向散射比值 Angstrom指数 云粒子 光学学报
2018, 38(10): 1001004
1 皖西学院电气与光电工程学院， 安徽 六安 237012
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
利用积分球比较法测量灯具光通量时，常采用分光光谱法和光度法，这两种方法都需要引入修正系数以补偿灯具自吸收效应造成的光通量损失。研究了分光光谱法和光度法测量灯具光通量自吸收效应补偿的差异，从两种方法测量灯具光通量的基本原理出发，得到了光通量修正值的表达式。通过实验测量数据和理论分析，探讨了不同光谱分布的辅助灯对两种方法测量灯具光通量的影响。研究结果表明，分光光谱法测得的光通量修正值与辅助灯相对功率分布无关，光度法测得的光通量修正值与辅助灯相对功率分布有关，分光光谱法选择不同光谱的辅助灯测得的光通量修正值具有唯一性，而光度法选择不同光谱的辅助灯测得的光通量修正值不同。
测量 光通量修正值 辅助灯 相对功率分布 自吸收效应 激光与光电子学进展
2016, 53(10): 101204
