镜面污染对红外光学系统杂散辐射性能的影响

高灵敏度的红外光学系统中,系统自身热辐射成为影响系统探测性能的重要因素之一,而在一些应用低散射光学元件的散射敏感红外光学系统中,污染微粒经常是杂散辐射的主要来源.以卡塞格伦结构为例,利用ASAP光学分析软件,建立了红外望远镜系统的三维仿真模型.在此基础上,对反射镜干净、基本洁净(洁净度250)、轻度污染(洁净度500)...     

光学元件质量对红外光学系统信噪比的影响

基于米氏散射理论,建立了光学元件基板不同疵病等级光学元件的散射模型,进而定量分析了元件表面存在粒子污染时的基板缺陷复制引起的表面散射特性。在此基础上,以R-C光学系统为例,利用ASAP（Advanced System Analysis Program）光学分析软件,针对主镜表面存在粒子污染的情况,仿真计算和分析系统主镜基板不同疵病等级的杂散辐射特性,并根据信噪比的计算方法,对系统信噪比进行了计算和分析。结果表明:当天空背景辐射温度不变时,随着主镜基板疵病等级的增加,系统信噪比明显减小。当主镜基板疵病等级不变时,随着天空背景辐射温度的升高,主镜基板不同疵病等级对信噪比的影响逐渐减小。当天空背景温度为200 K时,对于主镜表面粒子污染为300等级（粒子表面覆盖率为0.03%）,且其基板疵病等级分别为I-10、I-20、I-30、Ⅱ和Ⅲ五种情况,计算得到系统相对信噪比（相对于理想主镜）分别为0.932、0.920、0.906、0.832和0.807。由此可见,当元件光学特性变差时,为保证微弱信号的有效探测,必须将疵病等级严格控制在Ⅱ级以内。     

基于双层衍射元件的红外双波段光学系统设计

利用红外双波段成像能够获得更多的信息,从而提高探测和识别能力。将多层衍射光学元件应用到红外双波段光学系统中,可以校正色差、简化结构。讨论了多层衍射光学元件的成像特性,相比于单层衍射光学元件,多层衍射光学元件可在宽波段范围内获得高衍射效率,给出了多层衍射光学元件设计方法。基于此,设计了一种红外双波段混合成像光学系统。其中,双层衍射光学元件在3.7~4.8μm和7.7~9.5μm工作波段上的衍射效率达98.5%以上。仿真结果表明,系统像质良好,满足要求。     

实现光学被动热补偿的非制冷红外双焦光学系统

分析讨论了光学系统热补偿设计的几种方式,并基于衍射光学元件特殊的热差特性,将衍射元件应用于非制冷红外双焦光学系统实现光学被动热补偿。ZEMAX光学设计软件分析结果表明,该系统在规定温度范围内成像良好,温度对双焦光学系统的影响不大。     

基于谐衍射特性的红外双波段光学系统设计

基于谐衍射光学元件的成像理论,将谐衍射透镜应用在传统红外单波段系统里,设计得到工作波段处于4.4～5.4μm和7.8～8.8μm的红外双波段光学系统。分析了谐衍射光学元件的特性,计算了光学系统的结构参数,并利用软件的多重结构进行了优化。设计结果表明,系统的光学传递函数在两个波段范围内,20 lp/mm时的归一化值均大于0.5,具有良好的成像质量。为红外光学系统的设计提供了一种全新器件。     

衍射光学元件在红外成像光学系统中的应用

介绍了衍射光学元件的优点,并举例说明衍射光学元件在监控、火控、无人机侦察等红外光学系统中的应用,给出了一个红外光学系统设计实例,在设计中使用了衍射光学元件,以补偿温度变化所产生的影响,通过与没使用衍射光学元件的红外光学系统的成像质量比较,表明使用衍射光学元件可以消除温度的影响,使系统在较大的温度范围内保持比较好的成像质量,可以满足军用光学系统的使用要求.     

衍射光学系统红外光谱目标探测性能

衍射光学系统具有大口径轻量化的优点,但其光谱范围较窄,能利用的红外信号能量较小,通常认为采用后会使红外相机的探测信噪比降低。基于衍射光学系统,分析了对地观测红外相机的目标探测性能,结合一个非制冷红外相机信噪比计算示例,明确了在地物背景和目标光谱特性不同的条件下,基于衍射光学系统的红外相机仍可能具有良好的目标探测性能。同时将红外相机等效噪声功率与激光和电子学系统进行对比,提出了红外探测系统的性能还可能进一步提高的观点,给出了一种引入激光本振结合电子学滤波细分红外光谱降低等效噪声功率的方法。     

一种透射式低温光学系统的设计与验证

由于能够减小系统自身的热噪声和提高系统信噪比,低温光学是实现高灵敏度红外探测的必要手段。提出了一种将脉冲管制冷机用作冷源的透射式低温光学系统。这种新型低温光学系统可用于体积和重量受限而又需要进行高灵敏度红外探测的场合。从光学设计、光机结构设计和内部热噪声分析等方面说明了透射式低温光学系统的设计过程。搭建了用于对脉冲管制冷机冷却光学系统的可行性进行验证的试验系统,并从系统内部热噪声的角度对低温光学的有效性进行了验证。实验结果表明,经过3 h,透镜温度由300 K降至设计温度150 K,继续降温则可达到最低温度105 K。测试过程中,透镜保持完好,验证了将脉冲管制冷机用作冷源的可行性。用黑体和320×256元碲镉汞探测器对光学系统自身的热噪声进行了测试。结果表明,当光学系统的温度从300 K降至215 K时,其自身热辐射减少了75%。这与理论分析结果一致,验证了低温光学降噪的有效性。     

光学元件表面洁净度对其表面散射特性的影响

针对光学系统在实际工作中元件表面污染粒子对光的散射问题,以空气中Al2O3污染粒子为例,基于米氏散射理论,模拟和分析了元件表面双向反射分布函数（BRDF）随散射角的变化规律,进而定量计算了元件表面全积分散射值（TIS）。在此基础上,进一步分析了影响表面洁净度的三个主要因素（空气洁净度、工作面朝向和曝露时间）对元件表面BRDF及其TIS值的影响。结果表明,空气洁净度等级、工作面放置方向和曝露时间等对元件表面散射量的影响均较为明显。其中,工作面的放置方向对元件表面的散射影响尤为突出,水平向上放置（TIS=1.9310-4）较之垂直放置时（TIS=8.0710-5）散射量增大一个量级,而较之工作面水平向下放置时（TIS=3.1210-6）增大两个量级。最后,以卡塞格伦望远镜为例,针对其主镜的污染容限问题,分析了不同空气洁净度条件下主镜表面洁净度达到污染容限所用的曝露时间,可为实际工作中污染控制和保证系统对微弱目标信号的有效探测提供参考。     

光学镜面污染颗粒吸收特性的影响分析

针对实际工作中的光学元件表面粒子污染,以米氏理论为基础,分析了在风沙地区空气中污染颗粒(以SiO2为主)对入射激光能量的吸收效应。此外,进一步分析空气洁净度、元件工作面的朝向以及放置时间等对光学元件表面吸收特性的影响。结果表明,空气洁净度等级越高、元件工作面朝上、放置时间越久,光学元件的表面吸收能力越强。研究成果可为实际应用中光学系统的镜面污染控制提供理论参考。     

光学镜面污染对激光传输特性的影响

光学镜面的散射对光学系统的性能有十分重要的影响。选用可见光0.632 8m、近红外光1.053 m 和热红外光10.6 m 三种激光波长，利用修正的米氏理论和光学表面的双向反射分布函数（BRDF）研究光学镜面在不同污染条件下激光的传输特性。研究结果表明:当镜面粗糙度远远小于入射光波长（ ）时，干净镜面的散射强度与成正比，与成反比。污染镜面散射强度与污染颗粒的尺寸和数量有关，颗粒分布越复杂，散射越显著。另外，波长越短，BRDF 越大，散射越复杂。     

Experimental study of the statistical properties of nonlinearly amplified signals in semiconductor optical amplifiers

We examine the effect of nonlinear amplification on the noise properties of an amplified signal. We show that the output noise statistics can be approximated as Gaussian over a wide range of practical parameters. In addition, we show that nonlinear amplification of noise carrying signals may result in an enhancement of the signal-to-noise ratio (SNR). Basic principles dictate that this can not improve the bit error rate performance of a communication link, as long as an optimal detection scheme is used. Hence, we conclude that for communication systems that exploit nonlinear amplification in semiconductor optical amplifiers, evaluation of performance on the basis of the SNR can be misleading and should be made with great care.     

采样时钟抖动在弱光信号检测中的影响分析

信号采样是弱光信号检测的关键技术环节,由于采样时钟抖动引起的采样信号的输出误差会影响后续的信号检测和处理。为此,分析了输入光信号为近高斯分布波形时由时钟抖动引起的采样误差,推导出了采样输出的信噪比损失公式,讨论了采样带宽、输入信噪比以及信号脉宽对输出信噪比损失的影响,最后以取样积分检测技术为对象,计算了在不同累积次数的条件下采样抖动对取样积分检测性能的影响,对弱光信号检测中的采样时钟选取具有一定的指导意义。     

Demodulation of low-level broad-band optical signals with semiconductors

A simple approach to the problem of detection of optical signals with semiconductors leads to a general understanding of the performance. It shows that the low impedance level of broad-band circuits prevents high efficiency conversion of the incident power. Because of this, the envelope detector has a signal-to-noise ratio (SNR) which is determined by the noise of the following amplifier. As in radio communication, addition of a coherent optical signal from a local oscillator can increase SNR; however, for optical signals the limiting value of the noise figure is determined by the shot noise of the conversion current. Comparison with the limiting SNR expected from a photo-emission detector reveals no important distinction between them for frequency conversion. The unit which uses material with the higher quantum conversion efficiency will have the possibility of better SNR. For envelope detection, the photo emitter can be far superior to the photoconductive detector. The two cases of a photovoltaic and a photoelectromagnetic solid-state device are analyzed and general expressions as well as numerical examples given for the design parameters. The devices are comparable both in dimensions and performance.     

元件缺陷对红外光学系统杂散辐射特性的影响

针对红外光学系统元件表面缺陷问题，基于米氏散射理论定量分析了不同疵病等级光学元件表面散射特性，讨论了光学元件表面双向散射分布函数（BSDF）的变化规律，进而建立光学元件不同疵病等级的散射模型。在此基础上，以双子望远镜系统为例，利用ASAP光学分析软件对其主镜在不同疵病等级的情况下，到达探测器像面上的系统自身热辐射通量及其分布进行了仿真计算，并根据有效发射率的定义，对系统杂散辐射性能进行了定量评价。研究分析发现:光学元件不同疵病等级不仅会造成系统杂散辐射特性及其在探测器像面上的辐射通量分布发生变化，而且还会导致其有效发射率发生变化。对主镜疵病等级分别为0、I-10、I-20、I-30、II和 III的情况，计算得到系统有效发射率分别为2.19%、2.34%、2.46%、2.59%、2.72%和3.08%。由此可见，随着疵病等级的增加，系统杂散辐射性能逐渐降低。实际工作中，必须严格控制光学元件表面疵病等级。     

基于硫系玻璃的中波红外光学系统无热化设计

硫系玻璃作为优良的消色差和消热差红外材料,是红外光学系统中关键光学元件的理想候选材料,文中利用硫系玻璃实现中波红外光学系统无热化设计。首先分析了温度变化对红外光学系统的影响;其次分析了常用硫系玻璃的各方面特性,并总结了硫系玻璃的优点;最后利用硫系玻璃,镜筒材料选择最常用的铝合金材料,设计了一个工作于中波红外的二次成像全球面无热化成像系统。设计结果表明:在0～100 ℃温度范围内,光学系统的成像质量优异,具有良好的无热化能力。使用硫系玻璃可实现低成本高性能中波红外光学系统。     

红外镜头的热光学特性分析

考虑环境温度是红外光学系统成像质量的主要影响,需要对红外镜头进行热光学特性分析。阐述了利用齐次坐标变换去除镜面刚体位移的方法,以某红外镜头为例,用有限元软件ANSYS对红外镜头进行热应力分析,并去除镜面产生的刚体位移;对处理后的面形数据进行Zernike多项式拟合,将拟合后的结果代入ZEMAX进行光学性能分析。分析结果表明,热光学分析的方法可以模拟红外光学系统的实际使用条件,预测光机系统的光学性能,对进行光机系统设计具有重要的指导意义。     

基于8PSK的新型高速正交光标记交换技术

提出了一种以八相移键控(8PSK)为净荷、ASK为标记的新型高谱效率高速正交光标记交换技术,首次实现了100 Gbit/s的高速正交光标记信号的80 km传输.分析了光信噪比(OSNR)、窄带滤波效应、信道中的非线性效应对标记与净荷性能的影响,并采用平衡相关探测和多符号相位估计(MSPE)技术实现了净荷8PSK信号的接收.与传统接收方式相比,8PSK净荷在相同误码率条件下,OSNR容限提升了约3 dB.经过80 km传输,ASK标记在BER=10~(-9),时OSNR为22.8 dB,8PSK相应的OSNR为20.3 dB.