阵列光束棱镜扫描光束指向及点云精度分析

在面阵扫描成像激光雷达中，阵列光束照明与棱镜扫描相结合实现了高能量利用率、高分辨率和宽探测视场，但阵列子光束倾斜入射棱镜，破坏了光束传输的旋转对称性，棱镜对子光束偏转能力存在差异，规则光束阵列产生了形状畸变，导致光束指向误差，影响点云位置精度。首先，将阵列光束与棱镜结合的圆锥扫描方式分解为多角度入射多波束并行扫描，通过所有子光束的传输特征来综合表征阵列光束传输特征；然后，采用三维矢量光学方法推导了阵列光束在棱镜中的传输过程，建立了子光束指向变化与棱镜扫描角度的关系；最后，通过对机载激光雷达棱镜扫描成像过程的数值仿真，建立了光束指向变化与点云数据质量的联系。仿真结果表明：阵列光束(3×3)棱镜扫描系统在航高0.5 km时，光束阵列畸变导致平面误差RMS约为5 cm，并随航高呈线性变化；斜率约为0.1 m/km，并随着阵列光束规模和子光束角间距增加点云平面精度随之下降。通过对棱镜扫描过程中光束阵列畸变规律掌握，为后续机载飞行试验数据的校正、阵列光束结合多棱镜扫描系统的设计提供了基础。     

基于Levenberg-Marquardt算法的旋转双棱镜指向偏差修正

针对旋转双棱镜系统指向误差较大、误差源较多等指向精度较差的问题,提出了一种新的旋转双棱镜指向偏差修正方案。采用非近轴光线追迹方法建立旋转双棱镜指向模型和二维转台指向模型,在全视场区域内均匀选取若干点,比较旋转双棱镜理论出射光束与实际出射光束的偏差,通过Levenberg-Marquardt迭代算法对旋转双棱镜前镜和后镜的转角误差、楔角和折射率进行修正。在整个视场区域内修正后,指向最大偏差由8.37 mrad变为3.75 mrad,平均指向偏差由4.00 mrad变为1.38 mrad,并且当俯仰角较小时,修正效果较好;在俯仰角小于15°的视场区域进行单独修正后,最大指向偏差变为1.51 mrad,平均偏差变为0.84 mrad。所提修正方法提高了旋转双棱镜的指向精度,对旋转双棱镜指向偏差的补偿修正具有一定的参考价值。     

五棱镜扫描技术检测大口径平面镜的误差分析

五棱镜扫描检测具有结构简单、检测周期短等优点,可以实现大口径平面镜低阶像差的高精度检测,是指导大口径平面镜光学加工过程的一种有效途径。为使大口径平面镜检测系统中的五棱镜扫描技术更加完善,通过理论分析和计算模拟,对五棱镜检测系统中的主要误差源,包括五棱镜制造误差、温度梯度的影响、元件位置误差、光束定位误差、自准直仪测量误差等进行研究,形成了比较完善的误差分析的数理结果。计算结果表明,在当前实验室技术条件下,五棱镜扫描检测系统在单个测量点处的测量不确定度达到230 nrad,其中影响五棱镜检测系统测量精度的主要因素为自准直仪的测量精度与温度的影响。研究结果给出了工程实际中提高五棱镜扫描系统检测精度与减小测量误差的注意事项,并可用于指导系统设计时的误差分析及精度分配。     

旋转双棱镜指向系统转角补偿偏差修正方法

针对旋转双棱镜系统解算困难、误差源众多和指向精度较低的问题,提出了一种补偿旋转双棱镜指向系统转角的修正方法,采用求偏导和建立全微分方程的方法建立光束指向误差与棱镜转角误差关系,解算出补偿角。经实验验证:在99.57%的指向区域中,指向偏差最大值由1.8742°降低为1.4753°,均方根由0.1401°降低为0.0893°,补偿棱镜转角修正方法可有效提高指向精度。     

红外搜索跟踪系统中消旋棱镜的设计与调试

利用扫描反射镜扩大搜索范围是红外搜索跟踪系统中普遍采用的方式,扫描反射镜旋转产生的像旋可以由消旋棱镜进行消除。为得到符合实际工程需要的消旋棱镜,分析了棱镜影响系统的主要因素,并在此基础上,获得棱镜参数。为保证棱镜在系统中的正常工作,在分析棱镜装调误差的前提下,进行棱镜组件的调试。结果表明,棱镜设计与调试满足系统使用要求。     

摆扫式航空遥感器像旋补偿方法

针对航空遥感器前端扫描反射镜旋转带来的像旋,提出了一种焦平面与扫描反射镜同步旋转的消旋方法。利用矢量法对像旋的方向进行了详细计算,得出消旋方向与扫描反射镜旋转方向相反的关系,提出了一种双轴系齿轮联动、双电机伺服控制的消旋方法,该方法精度高、像旋残留少,并对轴系的回转精度、齿轮的传动精度、双电机的伺服控制精度进行了检测。检测结果表明:轴系的回转精度为0.8″,齿轮的传动精度达到34″,双电机伺服控制精度优于1′。试验结果表明,用此种方法进行消旋,像旋的残留仅为0.03 mm,经过某项目成像验证,得到的图片便于拼接应用。     

两段式双五棱镜光束平移系统精度研究

在光学扫描和光电检测系统中,为了实现远距离、大范围光束平移的目的,对由双五棱镜构成的光束平移系统进行精度分析,并利用自准直法对系统的平行性精度进行测试。其组件中两个五棱镜摆放位置相对于理论位置存在误差,导致系统中出射光与入射光不平行,利用自准直法对系统进行光学装调,以保证出射光与入射光的平行性。但该平移组件在工作时通过转动副绕入射光轴旋转,系统会相对于某一机械轴产生转动误差,导致双五棱镜系统坐标转换矩阵发生变化,出射光与入射光不再平行。通过分析五棱镜的方位误差和系统整体的转动误差与系统误差之间的非线性关系,建立数学模型,并利用仿真实验加以验证理论分析的正确性,最后提出减小系统误差的解决方案,将其组件平移精度控制到10″以内,为棱镜在光束折转时的误差分析提供借鉴。     

大口径非圆形光学平面的五棱镜扫描检测技术研究

为了解决非圆形大口径光学平面镜加工过程中的高精度检测问题,针对五棱镜扫描技术,使用一种基于多项式内积以及cholesky分解的非递归方法进行数据处理,同时编写了检测拟合程序,并结合工程实例,对30m望远镜(TMT),thirty meter telescope)项目的三镜(2.5m×3.5m椭圆形平面镜)进行了模拟检测的Monte-Carlo分析。分析结果表明,五棱镜扫描系统对TMT三镜低阶像差的检测精度可以达到30.6nm 5 rms,对power项、astigmatism项的检测精度分别达到9.6nm rms及13.7nmrms,能够完成大口径非圆形光学平面镜低像差的高精度检测。     

激光三维成像中双光楔扫描参数的确定及优化

在激光三维成像雷达中,双光楔扫描是一种常用的扫描方式,具有能耗小、精度高、抗震性好等优点,并可有效减小系统的体积。但其扫描轨迹复杂,扫描点存在较大的冗余。首先基于一级近似公式研究了扫描轨迹的规律,随后分析了扫描轨迹间距和扫描点间距的变化特征,最终确定了全视场覆盖时的双光楔扫描参数,并由轨迹分布特征给出了降低冗余的方案。结果表明,全视场覆盖时,反向旋转和同向旋转具有相同的最小冗余2π,除旋转方向外,其他扫描参数完全相同。有效扫描视场和分辨率一定时,特定转速对下,部分覆盖的反向旋转可减小1/4的冗余;半周期的同向旋转可减小1/2的冗余。冗余降低的同时提升了成像的帧频。     

Wollaston棱镜正反向的分束角及分束角的对称性

为了了解Wollaston棱镜正反向使用时分束角及分束角的对称性,采用数学运算和实验测试相结合的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了较为理想的数据。由分析可知,Wollaston棱镜正、反向分束角及分束角对称性不同是因为反向入射时第1块棱镜中的o光在第2块棱镜中成为e光波时,其光矢量振动方向和晶体光轴不平行,对应的不再是主折射率所致。结果表明,Wollaston棱镜正向使用时的分束角略大于反向入射时的分束角,且Wollaston棱镜结构角越大,入射波长越短,则正、反向分束角的差值越大。     

旋转双光楔光路引导系统Matlab仿真研究

由于光楔在高精度微孔加工中起着对激光光束引导作用，为了提高激光微细孔加工质量，给出了一种提高光楔对激光微加工精度分析的方法。首先提出了单光楔矢量等效概念，基于单光楔矢量定义对双光楔矢量模型进行了建立与分析，并得出了多个光楔进行矢量叠加的新方法；其次，应用Matlab 编写了仿真软件，仿真得出了激光束经过两个相同光楔后的轨迹，并指出了由于运动系统的不同步对激光微孔加工中打孔质量的影响，进行了误差定量分析并给出了误差计算公式。文中结论对高精度激光微孔加工控制系统设计时的性能指标提供参考。     

别汉棱镜角度误差对光轴一致性影响的研究

在周视扫描成像系统中,需要通过特定光学元件进行消像旋。别汉棱镜是最常用的消像旋元件之一,由于棱镜的角度误差对系统光轴的影响较大,因此对别汉棱镜的角度误差要求非常严格。本文通过分析推导反射光线、折射光线以及三维坐标系旋转的矢量形式表达式,建立了别汉棱镜的角度误差模型,在此基础上分析了入射光轴经别汉棱镜折反射之后出射光轴的方向向量,并且基于Matlab实现了从别汉棱镜出射的光轴的方向向量及其相对于入射光轴偏差的计算。通过与光线追迹仿真结果和实验结果进行对比,验证了所建立模型以及分析计算过程的正确性,解释了在棱镜胶合过程中出现四个十字叉丝的问题,对棱镜的加工具有指导作用,同时提高了胶合效率和棱镜的光轴一致性精度。     

基于频域变换的两平晶互检求解算法

提出了一种平面绝对检验的频域面形恢复算法。算法基于两平晶互检方法,对其中一个被测面增加不同旋转角度的测量。通过频域求解算法,可以恢复出被测面的三维绝对面形分布。该数值处理重建算法利用快速傅里叶变换(FFT)和线性滤波处理测量数据。将本文算法结果同传统Zernike多项式拟合算法结果进行了对比,结果吻合较好。3个面的最大PV(peak to valley)值偏差为0.027λ,最大RMS(root mean square)值偏差为0.003λ。实验结果表明,本文算法即使在高空间分辨率的情况下,误差传递也较低,同时计算效率较高。     

基于激光跟踪仪的快速镜面准直与姿态测量方法

提出了一种利用激光跟踪仪进行镜面准直和姿态测量的方法,分析了测量精度。分别利用高精度电子经纬仪与激光跟踪仪对单个立方镜和双立方镜进行准直和姿态测量,计算固定立方镜相邻镜面夹角和双立方镜坐标系间的转换参数,对比新方法的测量精度。同时比较测量效率、测量环境要求。实验结果显示:比于传统镜面拟合法低于0.5'的准直测量精度,新方法精度达到10量级,与主流的经纬仪方法相当;同时,新方法在测量效率上较经纬仪方法提高1倍以上,对测量环境的要求也较为宽松,在实际生产中可以代替经纬仪进行准直与姿态测量工作。     

Fast dispersive beam deflectors and modulators

A new method for one-dimensional light scanning is proposed. It is based on the use of ordinary dispersive optical components like prisms, gratings, etc. By electrooptic tuning of the output wavelength of broad-band lasers, fast scanners (up to 10 gigapixels/s) can be constructed. Deflection angles and numbers of pixels are derived for the prism, grating, Fabry-Perot etalon, and phase-matched frequency doubler crystal. Experimental results on the frequency doubler device are presented.     

Optical methods for formation of radiation patterns of phased array antennas

It is shown that architectural design principles based on application of photonics methods have prospects for the development of ultra-wideband and ultrashort-pulse radars. Transmitting and receiving systems with optical controllers based on dispersing fiber-optic prisms are considered. Design versions of a photoconductive antenna excited by picosecond optical pulses and a wideband photoelectronic pattern shaper on the basis of analog vector modulation are presented. A method for compensation of antenna distortion effects arising during transmission of an ultrashort pulse with the use of an optical shaping technique is described.     

近红外波长扫描激光高精度FBG解调系统

光纤布拉格光栅（FBG）由于其轻巧、规模小、不受电磁干扰和复用能力的影响等优点,广泛用于监视结构健康、机械运行、航空航天和其他领域。引入可调谐扫描激光（TSL）来研制近红外（NIR）范围内的精确光纤布拉格光栅（FBG）波长解调系统,实现高速度、宽范围、高精度的解调。采用一种光纤法布里-珀罗标准具（FFPE）用作波长标记以提取波长在细分波长扫描范围内实现分段线性解调,解决可调扫描激光器带来的非线性问题。引入了另一种光纤法布里–珀罗标准具,实现解调的高精度校准。提出一种多项式最小二乘曲线拟合算法,进一步提高解调的准确性和稳定性,利用了波长范围为1525~1565 nm的近红外波长扫频激光器,得到了非常优异的结果,解调系统的精度为±0.5 pm,实现了高精度、简易化和小型化。     

基于跨波长调制和直接吸收光谱的宽量程多气体检测方法

针对可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时,遇到的高精度、宽动态范围需求,采用时分复用的方法,将直接吸收光谱技术(Direct Absorption Spectroscopy,DAS)和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技术的优势相结合,完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号,用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算,通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点,实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下,通过实验分别对CH₄、CO和C₂H₂三种气体体积浓度进行检测,确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm^-1。系统对CH₄、CO和C₂H₂三种气体体积浓度的检测量程分...     

基于柱透镜多旋转测量的计算成像

提出一种基于单柱透镜旋转调制的光学扫描成像系统，样品的完整波前信息可以通过柱透镜旋转调制的多幅强度图样迭代重建。此外，柱透镜的旋转角度作为该系统的一个关键参数，其值通过基于Radon变换的数值计算方法得到，摆脱了对高精度旋转设备的要求。该成像系统的可行性在仿真和实验结果中均得以验证。与轴向多距离扫描成像系统相比，该成像系统中各光学元件在轴向位置保持固定，数据获取速度得以加快且轴向采样率保持固定，不仅简化了光场重构中的算法设计，而且极大地加快了收敛速度。     

非接触式扫描反射镜定位精度检测方法

扫描反射镜的定位精度直接影响超光谱成像仪的工作性能,为了对扫描反射镜定位精度进行检测而不影响其运动性能,提出了一种基于双经纬仪的非接触式检测方法。利用光学向量反射和坐标变换原理对该方法进行了理论分析,给出了精确的扫描反射镜定位误差计算公式。为了减少实际检测时调整工作量,基于理论计算和工程简化的方法给出了允许的调平误差。对待检扫描反射镜进行了定位精度检测实验,表明该检测方法具有测角范围大、调整过程简单、检测精度高等优点。