强激光与粒子束
2024, 36(4): 043025
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
2 西安工业大学兵器科学与技术学院,陕西 西安 710021
基于非近轴光线追迹算法对光楔扫描系统的正向问题进行求解,得到不同速度比下的花瓣形扫描轨迹。根据光楔转速和取样间隔计算轨迹点数,根据轨迹点与坐标原点的距离曲线的极小值点个数计算花瓣数,进而建立由速度比计算花瓣数的关系式。通过轨迹点数和花瓣数评估不同速度比对应的扫描轨迹的扫描时间和覆盖率,总结扫描轨迹与速度比之间的规律,提出三光楔扫描系统获取规则、对称且不存在大片扫描盲区的扫描轨迹时速度比需要满足的条件。所得规律和结论可在光楔扫描系统的应用中合理确定速度比,从而选取满足扫描效率要求的扫描轨迹。
光学设计 光楔 非近轴光线追迹 花瓣形扫描轨迹 速度比
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 北京卫星环境工程研究所,北京 100094
3 北京空间飞行器总体设计部,北京 100094
4 北京宇航系统工程研究所,北京 100076
太阳上层大气,即日冕、过渡区和色球,是由炽热的高度动态的磁化等离子体构成,其中高度电离的离子发射出丰富的极紫外谱线。空间太阳极紫外光谱成像观测对于捕获太阳上层大气中爆发活动的动态物理演化过程,以及实现对大气等离子体特征参数的精确测量具有重要的意义。然而现有的极紫外光谱成像仪器只能针对太阳上层大气的一个或两个目标区域进行成像观测,缺乏采用单一仪器对整个太阳上层大气区域在大空间和宽波段尺度范围内的光谱进行诊断的能力,严重制约了人们对太阳爆发活动中的能量及物质输运过程的理解。为了利用单个仪器实现对日冕、过渡区和色球的高分辨率同时诊断观测,本文提出并设计了一款同时工作在17∼21 nm、70∼80 nm和95∼105 nm三个波段的太阳极紫外成像光谱仪,该仪器基于非罗兰圆结构下的椭球面变线距(EVLS)光栅像差校正理论,采用狭缝扫描式成像光谱结构,实现了具有大离轴狭缝视场的高空间、高光谱分辨的消像散光谱成像。基于蒙特卡罗统计模拟方法对太阳极紫外三波段成像光谱仪的最优模型开展光线追迹仿真实验,仿真结果表明,所设计的成像光谱仪取得了良好的光栅像差校正效果,系统空间分辨率优于0.6″,光谱分辨率在17∼21 nm波段优于0.006 nm,在70∼80 nm和95∼105 nm波段优于0.008 nm。本文研究对我国未来的太阳极紫外光谱成像仪器的发展和研制具有重要的理论意义,对我国未来的太阳空间探测任务的型号遴选具有重要的参考价值。
太阳空间探测 太阳极紫外 成像光谱仪 光栅像差校正 光线追迹
非球面反射镜通常使用零位补偿器配合干涉仪进行面形检测,因此零位补偿器的加工和装配精度直接决定了检测结果的可靠性。提出一种具备良好通用性的基于计算全息片(CGH)的补偿器误差标定方法。以一块Φ856 mm、f/1.54的双曲面反射镜作为待测非球面镜,首先设计反射式CGH,运用光线追迹法得到CGH的相位函数,使其引入的球差与待测非球面主镜的法线像差相同,再由ZEMAX仿真计算验证该设计的正确性,并根据相位函数加工出主全息。在同一块玻璃基片上设计和加工对准全息带用于标定光路的调整。实验结果表明,所制作的CGH标定零位补偿器的精度达到λ/80。可见对于大口径、快焦比的凹非球面反射镜,所提方法仍然适用,因此可用于指导多数正轴非球面镜的零位补偿器标定。
零位补偿器 干涉检测 计算全息片 相位函数 光线追迹 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0422001
中国计量大学光学与电子科技学院,浙江 杭州 310018
中阶梯光栅光谱仪凭借高光谱分辨率在各领域应用日益广泛,已经成为主要的光谱分析仪器之一。谱图还原技术是中阶梯光栅光谱仪数据处理的核心,通过建立波长和成像位置间的对应关系实现二维图像到一维谱图的快速还原。谱图还原的精度直接决定了中阶梯光栅光谱仪的性能,是仪器开发的重点和难点。鉴于此,本文综述谱图还原技术的发展,将其演变过程归纳为光线追迹、模型化和标定法等3个阶段,重点介绍各阶段谱图还原算法的核心思路与代表方法的原理。最后针对中阶梯光栅光谱仪谱图还原技术,归纳其发展历程、预测其发展趋势、展望其发展方向。
中阶梯光栅光谱仪 谱图信息处理 谱图还原算法 光线追迹 光谱标定 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0330003
1 上海大学通信与信息工程学院特种光纤与光接入网重点实验室,上海 200444
2 中冶宝钢技术服务有限公司,上海 201999
结构光视觉技术是一种光学三维表面测量技术,具有速度快、精度高、鲁棒性强等优点。在实际应用中,线结构光发射器的镜头失真会导致光平面发生弯曲,而现有的大多数标定方法无法对失真进行补偿,并且会限制线结构光的分布规则。为了避免透镜失真所造成的影响,提出了一种精确且鲁棒性强的线结构光标定方法,通过构建曲面网格模型将水平、竖直射线追踪相结合,克服了现有方法对结构光分布方向的限制,同时,利用微分后的空间网格平面与像素网格平面之间的单应性关系实现了亚像素级的光条中心点三维重建。实验结果表明,该方法可以降低线结构光平面弯曲对标定精度的影响,对间距为55 mm的任意相邻靶标进行距离测量的误差小于0.08 mm,对间距为1133.85 mm的任意相邻靶标进行距离测量的精度可达0.50 mm。
线结构光曲面标定 射线追踪 曲面网格模型
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院 “精密光机电一体化技术”教育部重点实验室,北京 100191
2 北京航空航天大学 人工智能研究院,北京 100191
3 北京航空航天大学 “空天光学-微波一体化精准智能感知”工业和信息化部重点实验室,北京 100191
针对基于中红外声光可调谐滤波器(Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF)的光谱成像系统观测运动目标过程存在光谱数据漂移问题,提出了一种基于声光互作用的在线光谱校准方法。根据目标光谱成像位置与驱动频率,构建了逆向光线追迹模型,从而实现了光谱数据的在线校准,满足运动目标探测的实时性要求。该方法能为后续目标检测、识别与跟踪提供稳定且精确的光谱数据立方体。在实验验证方面,利用设计研制的平行光入射的中红外AOTF光谱探测系统,以黑体与中红外滤波片组合作为目标光源,对光谱校准模型开展实验验证。最终实验结果表明,针对位于不同视场处的模拟运动目标,校正后的光谱漂移相对误差均优于4.45%,有利于提升对运动目标光谱探测的应用能力。
声光可调谐滤波器 光谱校准 光线追迹 动目标 光谱探测 acousto-optic tunable filter spectral calibration ray tracing moving targets spectrum detection 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230291
1 北京邮电大学 电子工程学院,北京 100876
2 生态环境部核与辐射安全中心,北京 102488
3 国家无线电监测中心检测中心,北京 100041
基于5G 基站前向功率控制和波束赋形等关键技术,设计单用户情况下5G 基站电磁辐射测试方案。该方案根据电磁辐射功率密度随着距离平方减小的规律布点,可以在一定程度上提高宏基站测试效率。对本文所提监测方案进行现场实测,监测结果远小于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)标准限值,表明5G 基站电磁辐射水平总体可控。利用高频结构仿真器(HFSS)设计5G 基站天线模型获取大规模多输入多输出(MIMO)天线阵方向图,基于实际场景电磁参数分析搭建场景,通过射线追踪算法对5G 基站的电磁辐射进行预测。预测与监测结果相比误差不大,证明预测方法可靠。
5G 基站 电磁辐射 测试方案 射线追踪 5G base station electromagnetic radiation test scheme ray tracing 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(6): 826