1 哈尔滨工业大学 空间光学工程研究中心，黑龙江哈尔滨5000
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130031
3 中国科学院大学，北京100049
光学系统的最终性能不仅取决于其理论设计结果，更重要的是取决于光学系统建造过程中对于面形加工、装调位置和系统稳定性等误差因素的控制。为了探究反射式光学系统误差敏感度的影响因素及规律，以同轴两反式光学系统作为研究对象，提出了采用失调误差引起的光程变化量作为光学系统误差敏感程度的评价标准，理论推导了由反射镜位置失调因素引起的光程变化量的数学解析表达式，通过一套标准Ritchey-Chretien系统，并应用光线追迹的方法，计算了在各项失调扰动情况下所产生的实际光程变化量，与理论推导值对比，相对误差均在1%左右，证明了光程变化量理论表达式的正确性。在光程变化量理论研究的基础上，提出并建立了基于光程变化量作为评价准则的同轴反射式光学系统降敏设计方法。以一个焦距为5 600 mm的同轴两反系统为例，通过15轮迭代优化，设计了同时满足光程变化量与波像差指标的光学系统，并通过光程变化量与波像差改变量的关系，验证了光程变化量作为敏感度评价标准的正确性和降敏设计方法的有效性。
光学设计 反射式光学系统 敏感度 降敏设计方法 光程变化量 optical design reflective optical system sensitivity desensitization design method optical path variation
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 哈尔滨工业大学 空间光学工程研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150001
设计了一款大线视场离轴三反光学系统, 系统焦距1 200 mm, 相对孔径1:12, 视场角30°×1°。设计中, 第三反射镜应用了x-y多项式光学自由曲面提升系统设计自由度, 为便于装调, 保证关于子午面像质对称, 对x-y多项式自由曲面表达式进行了修正。设计结果得出, 该系统光学传递函数均优于0.45@50 lp/mm, 工作视场内, 系统最大波像差为0.056λ, 平均波像差RMS值为0.036λ, 最大畸变值为0.8%, 像质相对于子午面完全对称。系统进行了合理的公差分配, 蒙特卡罗分析结果显示, 该光学系统最终可实现平均波像差优于λ/14的成像质量。该系统的设计对空间遥感器光学系统的设计具有一定的参考价值, 适合作为大幅宽推扫成像系统。
光学设计 自由曲面 大线视场 离轴系统 optical design freeform surface large linear field of view off-axis system 红外与激光工程
2016, 45(10): 1018002
1 哈尔滨工业大学 空间光学工程研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 上海航天控制技术研究所, 上海 200335
提出了一种空间目标红外动态辐射特性的建模方法。目标红外辐射包括自身发射辐射和对背景的反射辐射。根据目标与背景特征建立了空间目标辐射特性的物理模型。基于表面材料属性对目标表面进行区域与面元划分, 根据能量守恒定律, 利用目标在宇宙空间的热平衡方程建立了空间目标自身红外辐射特性的数学模型。同时, 引入双向反射分布函数模型描述目标表面面元的反射特性, 将目标所有面元反射分量叠加建立了目标红外反射特性的数学模型。最后, 构建目标本体坐标系, 通过坐标变换确定目标、背景辐射源与探测器的相对位置关系。根据给定的轨道参数、目标几何尺寸和表面物性参数仿真获得空间目标在轨红外特性。计算结果验证了模型的有效性, 为空间目标的红外探测与识别提供参考数据。
建模 空间目标 红外动态辐射 双向反射分布函数 空间光学 modeling space target infrared dynamic radiation BRDF space optics 红外与激光工程
2016, 45(5): 0504002
哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150001
综合考虑卫星的背景特性、材料特性、结构特性和轨道特性，研究了在轨运行卫星存在的自旋稳定、三轴稳定和“翻滚”三种运动状态对卫星光学特性的影响。基于光辐射理论，结合探测器的性能参数，建立了自旋稳定、三轴稳定和“翻滚”三种运动类型卫星的多谱段光学特性计算的数学模型，并进行了实验验证。以海洋一号卫星和实践二号卫星为例，进行了运动状态对卫星多谱段光学特性影响的仿真分析。仿真结果表明，不同运动状态的卫星多谱段辐射特性存在较大的差异。分析结果可为卫星的探测和辨识提供一定的参考价值。
空间光学 卫星 光学特性 多谱段 运动状态 光学学报
2012, 32(10): 1004002
1 哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150080
2 黑龙江科技学院测控系, 黑龙江 哈尔滨 150027
针对红外遥感图像非均匀性的定量评价问题，研究了基于场景的红外焦平面阵列响应非均匀性的定量评价方法。利用真实红外遥感图像序列量值分布的特点，针对小序列图像提出了基于序列排序和小波变换的标准图像构建算法；结合非均匀性评价指标，提出了利用构建标准图像的响应非均匀性对红外图像的非均匀性进行定量估计；分别利用黑体定标实验和统计方法对标准图像构建算法进行了验证，同时进行了不同校正算法的剩余非均匀性评价实验。结果表明，128 frame序列构建得到的标准图像的非均匀性分别比同温黑体图像小0.92%，比统计标准图像大0.59%。该方法可用于定量估计红外遥感图像的非均匀性。
遥感 红外焦平面阵列 非均匀校正 小波变换 评价
哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心，哈尔滨 150001
基于卫星的背景特性、材料特性、轨道特性及太阳帆板与卫星本体的相对运动特性，研究了在轨卫星的可见光反射特性。实验测量了三种卫星表面常用材料典型角度的双向反射分布函数，并构建了三种材料改进的 Sun BRDF模型。提出了一种单自由度运动的太阳帆板入射光线矢量计算方法。根据卫星的几何尺寸和表面材料特性，仿真获得了在轨卫星不同观测时刻的反射特性，包覆黄色热控材料和银色热控材料的本体及太阳帆板的反射强度峰值分别为 6.91×104 W/sr、6.42×104 W/sr和 9 707 W/sr。本体和帆板产生的三个峰值信号位于不同的空间位置。仿真结果表明，在轨运行的卫星反射特性受卫星表面材料、几何结构、姿态、轨道参数等因素的影响，且帆板反射特性在卫星整体反射特性计算中不可忽略。
反射特性 双向反射分布函数 在轨卫星 太阳帆板 reflection characteristics BRDF on-orbit satellite solar array
哈尔滨工业大学 空间光学工程研究中心,黑龙江 哈尔滨 150001
为了提高空间目标光学特性的计算精度,提出并实现了一种基于缩比模型实验的空间目标光学特性计算模型参数校验方法。首先,分析影响空间目标光学特性的主要因素,确定计算模型参数校验的总体方案;其次,构建空间目标光学特性实验测量系统,采集两类实验被测对象(表面材料与目标缩比模型)在不同条件下的光学特性数据;最后,建立基于实验测量数据的计算模型参数校验算法,对空间目标表面材料与几何结构的光学特性计算模型参数进行分步校验。实验结果表明,校模后的目标特性计算结果与实验结果在统计意义上趋近一致,该计算模型的校验方法可满足近程光学导航实际工程应用的要求。
空间光学 空间目标光学特性 近程光学导航 模型参数校验 缩比模型实验
哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150001
根据目标所处的背景辐射环境，对空间卫星的紫外散射特性进行建模方法研究。依据目标表面材料属性与表面状况对目标表面进行区域分解与网格划分。基于辐射理论引入双向反射分布函数模型来描述目标表面网格单元的光散射特性，将目标各个表面所有网格单元散射分量叠加建立了目标紫外散射特性的数学模型。利用给定的目标几何结构尺寸和物性参数仿真获得了目标在轨动态光学特性。在某一观测角度下太阳帆板在探测光学系统入瞳产生的辐照度值与卫星本体接近，最大量级为10-11W/m2。仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略。
空间光学 紫外特性建模 双向反射分布函数 空间卫星 space optics modeling of ultraviolet characteristics BRDF space satellites
哈尔滨工业大学 空间光学工程研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150001
基于几何光学和辐射理论,研究了空间卫星的可见光散射特性。空间卫星的背景辐射主要包括太阳的直接辐射和地球及大气的散射辐射,根据目标的结构特性与背景特性建立了空间卫星的几何模型和光照模型。分析目标表面状况,入射到目标表面的光线近似服从高次余弦散射分布,根据能量守恒定理及表面材料的高次余弦散射分布特性建立了目标散射特性的数学模型。通过矢量坐标变换确定太阳、地球、观测卫星在目标本体坐标系下的相对位置关系。根据给定的几何尺寸和表面物性参量仿真获得了目标在探测器入瞳处的能量分布及星等特征,目标本体与太阳帆板在探测器入瞳处的辐照度最大量级均为10-12 W/m2。仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略,为空间目标的可见光探测提供参考数据。
空间光学 建模 高次余弦散射分布 可见光 空间目标
1 中国科学院,大连化学物理研究所,辽宁,大连,116023
2 中国科学院,研究生院,北京,100049
3 华中科技大学,光电子科学与技术学院,武汉,430074
通过考察各种放电状态及气流条件下发生器内外物种的自发辐射谱,发现光谱峰值强度与对应物种浓度成正比.分析了主要的等离子体动力学过程,了解了单重态氧及其它物种的浓度变化规律.考察了α放电和γ放电两种不同的放电方式.发现在α放电状态下,体系中有较少氧原子等淬灭性粒子,更有利于O2(1Δ)产生.加入He,有效地降低了气体体系的离子化阈能和约化场强,约化场强最小时,产生的O2(1Δ)浓度最大,相较于纯氧放电,O2(1Δ)浓度提高一倍以上.考察了腔外各物种浓度的变化, O2(1Δ)离开放电腔后浓度稳定,沿距离减少较慢,有益于出光.优化了本系统的放电极间距,极间距太大或太小,都不利于单重态氧的产生.
板条 射频放电 单重态氧 电激励氧碘激光器 强激光与粒子束
2007, 19(12): 1937
