作者单位
摘要
“天琴计划”教育部重点实验室,天琴中心 & 物理与天文学院,天琴前沿科学中心,国家航天局引力波研究中心,中山大学(珠海校区),广东 珠海 519082
Overview: The space gravitational wave detection telescope is one of the core payloads of the gravitational wave detection satellite, simultaneously expanding and contracting the transmitted beam. Optical path stability is one of the core indices for the telescope, closely related to its structural stability. To meet the ultra-high path stability and structural stability requirements posed by the gravitational wave detection mission, it is essential to study the structural deformation measurement of the telescope. Currently, there are still several shortcomings in the research of multi-degree-of-freedom deformation measurement methods for gravitational wave detection telescopes, such as inaccurate selection of measurement points, inability to decouple multi-degree-of-freedom coupling, and unclear identification of error sources in multi-degree-of-freedom measurement. This paper deeply investigates the high-precision measurement of structural deformation of space-borne telescopes designed for space gravitational wave detection. It preliminarily establishes a framework and method system for measuring the structural deformation of space-borne telescopes, theoretically describing the measurement principle of the method. The feasibility of this method applied to space gravitational wave detection is verified through simulation analysis and error decomposition. The paper focuses on resolving the issue of decoupling multiple degrees of freedom, establishing a mathematical model using analytical methods, and conducting preliminary validation using Zemax. Finally, noise analysis of the measurement system is carried out, with experimental testing of the main noise components in the measurement system, validating the correctness of the theoretical noise model proposed in this paper. The experimental results show that near 1 Hz, the displacement noise background of the single-link interferometer is 100 pm/Hz1/2. At 1 mHz in the low-frequency range, the displacement noise background reaches 10 nm/Hz1/2. The noise level of the measurement system below 1 mHz is mainly limited by environmental temperature noise, while above 10 mHz, it is primarily constrained by laser frequency noise, phase acquisition background noise, and vibration noise. During the development phase of the space gravitational wave detection telescope, the research on this measurement method is expected to fulfill the telescope's multi-degree-of-freedom deformation measurement needs. It also provides data feedback for telescope design and offers guidance for the study of the telescope's optical path stability.
空间引力波探测望远镜 形变测量 多自由度 解耦研究 噪声分析 the space gravitational wave detection telescope deformation measurement multi-degree-of-freedom decoupling study noise analysis 
光电工程
2024, 51(2): 230211
张释文 1,2李丽艳 1,*周燕 1刘琴 1,2[ ... ]刘育梁 1
作者单位
摘要
1 中国科学院半导体研究所 光电系统实验室,北京 100083
2 中国科学院大学 材料科学与光电子工程学院,北京 100049
海水折射率测量在海洋学中发挥了重要作用,但对于海洋气候和海水流场监测领域,现有的折射率传感器无法满足应用场景的高精度与高采样率要求。有鉴于此,文中基于光外差干涉原理设计了海水折射率传感器,分析了该原理下的散粒噪声、相位解调噪声对传感器折射率测量的影响,研制了高精度海水折射率传感器样机,其采样频率为24 kHz,折射率变化量测量值的标准偏差为 $1.584\;8\times $$ {10}^{-8}\;\mathrm{R}\mathrm{I}\mathrm{U}$,该技术促进了海水折射率测量在海洋气候及海洋洋流等领域的应用。
光外差干涉 海水折射率 相位解调 噪声分析 optical heterodyne interferometry refractive index of seawater phase demodulation noise analysis 
红外与激光工程
2023, 52(11): 20230134
作者单位
摘要
海军工程大学电气工程学院, 湖北 武汉 430033
采用灵敏度函数分析法对冷原子重力仪的噪声进行了分析,并基于各噪声对应的传递函数建立噪声传递模型,定量分析评估了振动噪声、拉曼光相位噪声和磁场噪声对重力测量灵敏度的影响。基于科里奥利力和稳定平台倾斜角等系统效应的修正公式,建立系统效应分析模型,定量分析评估了航向角偏差、速度偏差和纬度偏差对科里奥利力修正量的影响,以及倾斜角偏差对稳定平台倾角修正量的影响。仿真和部分实测数据表明,一方面,各噪声被限制到特定水平时,其对原子干涉灵敏度的影响仍可达μGal级;另一方面,1°的航向角偏差或0.1 m/s的速度偏差对科里奥利力修正量的影响可达1 mGal以上,1′的倾斜角偏差对稳定平台修正量的影响也可达0.42 mGal,说明噪声和系统效应的影响都是不容忽视的。因此,在动态条件下,冷原子重力仪必须进行噪声抑制和系统效应修正,才能获得预期的高灵敏度、高精度重力测量结果。
量子光学 重力测量 冷原子干涉重力仪 噪声分析 系统效应 quantum optics gravity measurement cold atom interference gravimeter noise analysis system effect 
量子电子学报
2023, 40(5): 700
作者单位
摘要
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
2 中国航发四川燃气涡轮研究院,四川 成都 611730
线结构光三维传感器需要结合扫描机构才能对物体进行三维重构,在使用前需要对扫描方向进行标定。由于各个标定图像的清晰度不同,传统标定方法会多次引入噪声,降低了标定精度。为了减小由图像清晰度不同多次引入的噪声,本文提出了基于联合估计的扫描方向标定方法。在标定过程中,需要使用位移台将平面靶标移动一个固定的距离,使每个拍摄位置处的靶标相对相机坐标系的旋转矩阵相同,同时平移向量的变化由位移台的运动步长约束。通过对旋转矩阵和平移向量增加约束,将平面靶标上的二维特征点拓展为三维特征点;联合所有标定图像进行统一的单应性估计,减小了由图像清晰度不同多次引入的噪声。通过测量量块尺寸进行了验证实验,实验结果表明:所提方法的测量误差相比传统方法减小了约30%,而且所提方法具有更好的重复性。所提方法实现了线结构光三维传感器扫描方向的高精度标定,减小了传感器三维重构的误差。
机器视觉 扫描方向标定 联合单应性估计 噪声分析 线结构光传感器 
中国激光
2023, 50(5): 0504001
赵树华 1,2王玉冰 1,*张明时 1,2秦莉 1,4[ ... ]王立军 1,4
作者单位
摘要
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室, 吉林长春30033
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心,北京100049
3 吉林大学 电子科学与工程学院,吉林长春10012
4 鹏城实验室,广东深圳518055
在调频连续波激光雷达中,用于中频信号采集的模拟-数字采集模块是其关键组件,信噪比、信纳比、无杂散动态范围等参数是衡量该数据采集信号链交流特性的重要指标,直接决定着调频连续波激光雷达的探测范围和测距精度等性能。设计了用于调频连续波激光雷达的中频信号采集模块,获得49.13 dB的信噪比和48.90 dB的信纳比;然后研究了其噪声特性,获得系统的主要噪声来源为采样时钟的相位噪声,并且通过引入数字滤波器将信噪比和信纳比分别提升11.38 dB和11.32 dB,理论上激光雷达的探测范围提高3.7倍。可通过采用专业时钟芯片降低噪声,经计算可将信噪比提高8.65 dB;最后,搭建了光学相控阵调频连续波激光雷达系统,验证了数据采样模块的有效性,完成了40 m距离的探测,最大测量误差为7.7 cm,最大探测范围为133.67 m。
激光雷达 调频连续波 ADC信号链 噪声分析 lidar frequency-modulated continuous-wave ADC signal chain noise analysis 
光学 精密工程
2023, 31(1): 78
高坤 1,2,**徐江涛 1,2高志远 1,2,*
作者单位
摘要
1 天津大学微电子学院,天津 300072
2 天津市成像与感知微电子技术重点实验室,天津 300072
脉冲序列式图像传感器是一种高速仿生视觉图像传感器,其成像质量受噪声的影响而下降。其中,空间噪声源于比较器等器件的失配,时间噪声源于随机性噪声和同步读出机制下的单码闪烁噪声。本文基于噪声研究和传感器原理建立了噪声模型,仿真预测了不同光电流和积分压降等参数下噪声引起的时间误差率。结果表明:积分压降的增加会减小单码闪烁噪声导致的时间误差率的波动及其他噪声引起的时间误差率;光电流的增加会增大单码闪烁噪声引起的时间误差率的波动;结电容的增加会增大时间噪声引起的时间误差率。最后测试了芯片在脉冲间隔重建方式下的噪声特性,验证了上述分析的正确性。研究结果对于优化脉冲序列传感器的设计、处理噪声和重建出稳定的图像具有指导意义。
成像系统 脉冲序列图像传感器 噪声分析 同步读出机制 时间误差 脉冲间隔波动 
激光与光电子学进展
2022, 59(10): 1011003
唐国良 1,2李春来 1,3刘世界 1,2,3徐睿 1[ ... ]王建宇 1,2,3,*
作者单位
摘要
1 中国科学院空间主动光电技术重点实验室,上海 200083
2 中国科学院大学,北京 100049
3 国科大杭州高等研究院,浙江 杭州 310024
借助于称重测量原理的噪声抑制效果,提出了一种基于S矩阵狭缝阵列的短波红外光谱成像方法,通过构建S矩阵狭缝阵列替换光谱成像系统的单狭缝,实现空、谱信息的混叠测量。对该系统的探测器噪声和光子噪声进行了分析,计算了系统噪声抑制效果。仿真结果表明,该方法在弱光条件下可有效地降低噪声水平,提高成像质量。搭建了原理样机进行成像实验,对一均匀面目标成像,通过对比单狭缝成像数据,使用S矩阵狭缝阵列的光谱成像方法在23%和10%探测器势阱光强下信噪比分别提升了9%和21%。
计算成像 S矩阵狭缝阵列 弱光高光谱成像 噪声分析 computation imaging S-matrix slit array weak light spectral imaging noise analysis 
红外与毫米波学报
2021, 40(6): 847
郝义伟 1,2,3孔新新 1,2才啟胜 1,2张文喜 1,2,3,*[ ... ]王永彪 1,2
作者单位
摘要
1 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
2 中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
3 中国科学院大学光电学院, 北京 100049
本文提出一种光学环形器噪声评价指标,介绍激光外差干涉原理。通过建立典型环形器在激光干涉系统位移测量中的噪声传递模型并结合环形器的噪声来源,分析和论证环形器非线性误差系数与杂散光相位对系统位移测量误差的影响,提出以环形器方向性为环形器噪声评价指标的误差评价方法,通过数值仿真验证其适用性。针对环形器噪声的主要来源,基于理论分析模型设计并研制一种点衍射空间光环形器。搭建验证系统并与商用典型环形器进行对比,点衍射空间光环形器方向性达到129 dB,较商用典型环形器提高66 dB,实现较高精度的目标位移测量。
测量 干涉测量 环形器 噪声分析 方向性 杂散光 
光学学报
2021, 41(9): 0912003
作者单位
摘要
1 大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学材料科学与工程学院, 辽宁 大连 116024
相位去包裹问题广泛存在于条纹投影形貌测量中。提出了一种相移编码去包裹方法,该方法在求解相位时使用多步相移法,并在额外的一幅编码图像中,将标记条纹级数的编码嵌入到相移量中。解码时,通过分析各像素点处不同相移的光强信息序列,可以求解该点处的编码相移量,从而获得绝对相位。该方法只需要少量图像,且可以逐点去包裹,适用于不连续物体的形貌测量,但是容易受到投影仪和相机的噪声影响。通过增加互补的编码条纹图像,提出了一种改进的相移编码去包裹方法,在实现不连续物体形貌测量的同时,显著增强了噪声鲁棒性。经过仿真分析和实验,验证了所提的相移编码去包裹方法的有效性。
测量 噪声分析 相移编码 去包裹 条纹投影法 相位分析 
光学学报
2020, 40(23): 2312002
作者单位
摘要
1 四川大学光电科学技术系, 四川 成都 610064
2 成都师范学院物理与工程技术学院, 四川 成都 611130
采用复合光栅相位测量轮廓术进行三维测量时,从变形复合条纹中能有效地解调出相移变形条纹,此时滤波窗口的选择至关重要。通过分析噪声特征及其对频谱成分不同取向影响的差异性,寻找空间频谱在两个正交方向上的最佳滤波窗口,建立了一种提高测量精度的混合滤波窗口。数字模拟表明,所设计的混合窗口对噪声的抑制均优于矩形、三角形、布莱克曼和汉宁等滤波窗。已知高度平面的测量结果表明,采用均衡噪声和频谱泄漏的混合窗口的重构误差最小,其误差均方根比汉宁滤波窗口减小了9.64%,测量精度得到有效改善。实物测量实验验证了所提方法的可行性和有效性。
测量 复合光栅相位测量轮廓术 复合光栅 滤波 噪声分析 混合窗口 
中国激光
2020, 47(6): 0604007

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