扫描镜是高光谱成像激光雷达的重要组成部件,因此,分析了多面体转镜扫描、振镜扫描、圆锥扫描三种扫描方式,推导了不同扫描方式的轨迹,并结合飞机航迹得到发射激光扫描轨迹与扫描方式的关系。在此基础上,设计了一种用于高光谱成像激光雷达系统的圆锥扫描方式。实验结果表明,在飞行高度为500 m、激光脉冲重复频率为130 kHz、激光发散角为0.3 mrad时,该方式满足视场角等于30°、两个相邻脉冲夹角小于1 mrad的要求。相比其他扫描方式,圆锥扫描可提高激光雷达光斑脚点的密度,为数据的有效采集和地物的精准分类提供了帮助。

由于大气中气溶胶垂直分布复杂,常用的梯度法和小波协方差变换法在边界层高度自动连续识别方面仍具有较大的不确定性。选取在浙江金华两个时间段内观测得到的双波长激光雷达数据,将二维矩阵方法应用于复杂大气垂直分布情况下边界层高度的反演,从距离和时间两个维度优化边界层高度的反演结果。研究结果表明,在气溶胶垂直分布出现多层结构的情况下,小波协方差变换法反演的边界层高度有较大的误差,而二维矩阵方法具有一定的优势。在532 nm波长基于二维矩阵方法和小波协方差变换方法反演的边界层高度与1064 nm波长基于小波协方差变换方法反演的边界层高度的相关系数分别为0.87和0.37。边界层高度与地面温度变化趋势一致,表明边界层高度的反演结果是可靠的。二维矩阵方法为进一步改善无云情况下(3 km以内无云层出现)激光雷达自动连续识别边界层高度可靠性提供了很好的借鉴与参考。

提出一种高光谱成像激光雷达系统的光学结构设计,并对系统的光学辐射定标方法进行研究。利用单色仪对出射光的精细扫描,确定高光谱成像雷达每个探测通道的带宽和中心波长。根据高光谱成像激光雷达方程,在实验室定标过程中,不考虑大气对定标的影响,得到系统每一个通道的定标系数。系统定标过程中合成不确定度为0.87%,扩展不确定度(k=2)为1.73%。最后对超连续谱高重复频率激光器出射的脉冲能量进行监测,使该高光谱激光雷达在机载飞行过程中,依据探测器输出的回波信号强度信息,能够实时得到地物的反射光谱信息,进而实现高精度地形获取和地表超精细分类。

为了改善传统的数字光处理投影系统(DLP)体积较大、结构复杂、成本较高、对光源的利用效率较低的问题, 采用一种基于单颗三色发光二极管作为照明光源, 单颗透镜形成平行光的新型DLP投影光路结构的方法, 对传统光路进行了改进与优化。无需传统光路中的色轮, 透镜直接实现了传统投影光路中聚光和匀光的复杂结构, 并利用TRACEPRO软件进行建模, 通过光线追迹对该投影光路进行了光学分析。结果表明, 整个光学系统的体积控制在76.8mm×32.2mm×25mm, 光能利用率达到了60.1%, 光斑均匀性达到了96.6%, 屏幕表面的光通量为21.7lm。该研究减小了投影光路体积, 简化了光学结构, 提高了光能利用率。

现有的数字光处理投影(DLP)系统采用色轮和中继透镜等元器件, 由此导致投影系统结构复杂。针对现有技术的缺陷, 本文设计了一种以三色LED作为照明光源, 以梯度折射率透镜形成平行光的新型DLP投影系统。和传统的投影系统相比, 减少了色轮、中继透镜、反射镜等元器件, 简化了光学系统的结构。借助于Tracepro软件进行了模拟与仿真, 对光线追迹的结果进行分析, 分析得到整个投影系统的光斑均匀性为96.9%。结果表明本设计使投影系统的光路得到了简化, 光斑的均匀性也得到了改善。本设计只需要选择合适的投影镜头, 就可以消除LED面光源宽度过大对投影光斑的影响。

为了提高投影仪的成像品质,提出了一种以激光作为照明光源,对激光扩束、准直,并使用位相片调制相位,以X棱镜实现RGB光源的合束。为了解决激光散斑问题,提出了一种利用压电陶瓷结合位相片,将时间上连续的激光分成多束独立的激光脉冲,产生N个独立的散斑图像,对N个独立的激光散斑图案进行叠加,从而实现了对激光散斑的抑制,理论上实现了叠加后的散斑对比度可以降为原对比度的1/N。在20 ms内,位相片实现了30幅独立的散斑图案的叠加,通过对散斑图案的采集和分析,单幅散斑图案的对比度为0.993,叠加后散斑对比度降至0.191;结果表明散斑图案的叠加使散斑对比度得到了抑制。为后续的激光投影光路设计提供了一个参考。

为了提高夜视兼容的液晶显示器(LCD)显示屏的显示效果, 在使用红绿蓝三色LED为背光源的基础上, 增加了红外LED, 将不同的LED搭配成在不同模式下使用的两套光源。根据10.4 in(1 in=2.54 cm)背光源的亮度和均匀性的要求, 将背光源当作朗伯发光体来计算亮度, 以便于选择LED的类型, 确定LED的数量和排列方式, 合理选择光学膜片及设计背光模组的结构。由于红外LED的发光功率可调节, 在夜视兼容模式下, 不仅可以通过夜视仪看清LCD显示屏上的信息, 而且用裸眼也可以轻易看清显示屏上的信息。通过TracePro软件进行仿真并分析, 结果发现设计的背光模组同时满足了LCD显示屏的强光下可视和夜视兼容两项要求。