采用角度分集接收技术的光学天线设计

为了克服可见光通信系统中码间干扰的影响,利用角度分集接收技术,提出了在半球体上分布多个朝向不同的光锥作为光学接收天线新方法。应用Zemax光学设计软件,结合Matlab工具和Origin软件的数据处理分析,通过仿真单个光锥在不同半顶角取值时小端面上的光强值随光线入射角的变化量,拟合得到了相应的函数表达式和曲线图;并在光锥集光器分布夹角的数值分析基础上,根据同一个光信号在相邻两个光锥小端面上的光强关系,确定了光锥两两之间的夹角,给出了具体的布局设计方案;最后讨论了整个半球系统上总光强的接收情况。     

分集阵列式水下激光通信光学接收天线设计

针对水下无线激光通信系统中对准困难的问题,提出了一种分集阵列式光学接收天线,在光学设计软件Zemax中分别设计出了复合光学接收天线和分集阵列式光学接收天线的光学结构,分析了复合光学接收天线和分集阵列式光学接收天线的视场角、聚光效率以及光源移动范围,并且通过实验和Matlab仿真给出两种光学接收天线的聚光效率随光源径向移动范围和光源入射角的关系,结果表明:当光源尺寸10 mm时,复合光学接收天线的聚光效率是0.06%,接收视场角是6,光源径向移动范围是6 mm;分集阵列式光学接收天线的聚光效率是0.06%,接收视场角是16,光源径向移动范围是22 mm。因此分集阵列式光学接收天线更适用于水下激光通信系统。     

卡塞格伦光学接收天线的设计

自由空间光通信是一种通过在自由空间传输激光信号来实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术。光学接收天线是自由空间光通信系统的关键部件。丈中分析了卡塞格伦系统作为自由空间光通信系统中光学接收天线的可行性,讨论了其设计参数间的相互关系,并在数值计算的基础上给出一个具体的设计方案。     

小型无线光通信终端大视场扫描捕获光学天线设计

针对小型、轻量化光通信终端,设计了一种大视场扫描捕获方案,并对该方案中所涉及的光学天线进行了详细研究。这种扫描捕获方案将MEMS反射镜作为伺服控制机构,进行天线指向控制;光学天线采用收发共口径体制,能够将MEMS反射镜的指向范围扩大3倍,且全视场畸变控制在了0.7%以内;最后对这种捕获方案的通信链路功率进行了核算,功率余量4.6 dB,较为充足。本文所提出的方案体小质轻,是无线激光通信领域中较为独特的形式,在无人机、单兵的应急建链、通信中具备良好的应用前景。     

星载大视场多光谱成像光学系统设计

大视场、多通道、小型化已成为星载测绘光学系统的迫切需求。根据上述需求,提出了先用视场分光再用窄带分色片分光的设计方案、并构建了自动消遮挡和轻小型化优化函数。设计了一款主、次、三镜均为球面的离轴三反四通道光学系统,其焦距360 mm、相对孔径为1/6、视场角13°×5°、工作波段0.4~1.1 m、地面像元分辨率5 m、全视场畸变小于5%。加工、装调后的整机系统实测MTF（Modulation Transfer Function）曲线在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.25,同时系统所占空间面积仅为245 mm×423 mm、整机重量仅13.82 kg,从而实现了系统大视场、无遮挡、多通道、体积包络的小型化。     

用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散(TMA)望远系统的设计问题,编制了初始结构计算程序,采用视场离轴方式,设计了一个波段范围0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1:4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。     

面阵摆扫型无人机载大视场高光谱成像技术研究

提出了一种面阵摆扫型无人机载大视场高光谱成像技术,控制基于马赛克型滤光片分光的画幅式高光谱相机在翼展方向进行扫描实现大视场、高光谱分辨率成像。进行外场飞行试验,获取了像质清晰的大视场、高光谱分辨率对地观测图像,飞行作业效率为8.64 km2/h,较单相机成像,作业效率提高约3.4倍。系统光机结构简单,体积、重量优势明显,在无人机高光谱遥感方面应用前景广阔。研究成果对推动无人机载光谱成像技术向大视场、高光谱分辨率方向发展具有一定的参考价值。     

紫外光散射通信中一种二级光学接收系统设计

介绍了大气紫外光通信的特点和光学天线的性能指标,仿真分析了传统的复合抛物面聚光器(CPC)和半球透镜在非视距紫外信道中的聚光性能,设计了一种二级接收的光学聚光系统,并使用ZEMAX软件进行光线追迹,对其光学增益及视场进行分析.结果表明,这种二级光学系统有较高的增益及较大的视场,适合作为非视距紫外光通信中的光学天线.     

移动大气激光通信中接收视场角的研究与分析

在移动大气激光通信中,通常采用信号光和信标光来完成信号的捕获、跟踪、定位以及通信.畅通的通信链路以及稳定的接收信号对通信的建立是至关重要的.如何计算信号、信标光的接收视场角的大小,是决定链路能否畅通,接收信号能否稳定的重要因素.对移动大气激光通信中接收视场角的设计进行了研究和分析,并根据大气激光通信传输方程和黑体辐射理论提出了一种计算移动大气激光通信中信号信标光发射接收视场大小的方法,为实现激光通信系统提供了参数的定量计算方法.     

折反式大口径、大视场、宽光谱光学系统

在地面的目标探测光学系统多采用大口径(500 mm)同轴光学系统的前提下,系统探测的大视场和宽光谱就成了亟待解决的问题。设计了附带小口径球面透射校正镜组的折反式光学系统,利用该校正镜组校正了系统由于大相对口径、大视场和宽光谱带来的像差,使系统达到了预定的指标要求。其中只有主反射镜面形为二次非球面,设计参数也易于加工。在相应的实例要求下,用ZEMAX光学设计软件进行了优化评价,并给出了该系统的对星观测结果。该光学系统设计的口径为Ф750 mm,相对孔径为1:1.32,视场为4 ,光谱范围为500~800 nm,系统实际探测能力在15 Mv以上。该系统结构简单,均采用普通玻璃材料,成本低,成像质量良好。     

大视场太赫兹光学成像系统设计

太赫兹（THz）波具有较高的透过性和时空分辨率等特性,在空间观测领域具有广阔的应用前景。对比于扫描成像,凝视成像具有成像性能高、速度快、结构简单等优点,而大视场成像是凝视型光学系统所必需的。因此,设计大视场凝视型THz光学系统具有重要的工程应用价值。采用反远距结构,利用Zemax设计了一款相对孔径为1、全视场角为60°的大视场THz光学成像系统。该系统采用4片式反远距共轴结构,由2片球面透镜和2片非球面透镜组成,同时透镜材料采用聚甲基戊烯（TPX）材料,整个系统具有结构紧凑、质量轻等优点。优化结果显示,各视场内的弥散斑均方根半径均小于艾里斑半径,在空间频率为12.5 lp/mm处全视场的调制传递函数（MTF）值高于0.3,表明该系统具有良好的成像质量。此外,公差分析结果表明,该系统具有较好的稳健性,加工工艺水准易于实现,符合设计要求。本设计对于THz空间大视场高分辨探测具有重要参考价值。     

大视场高分辨率深海探测变焦光学系统设计

为满足深海探测需求,实现深海中更高质量成像,设计了深海专用的连续变焦光学系统,该系统同时具备短焦大视场、高分辨率、高变倍比的特点。根据在深海中使用环境,考虑了深水压对光学窗口挤压变形造成的像质下降,对光学窗口进行光机集成分析,将面形变化结果以Zernike多项式的形式代入光学系统中进行优化。对水下光学像差特点和变焦系统的设计方法进行研究后,光学系统采用机械式负组补偿变焦方式和像方远心设计方案。该系统工作距为5 m,变焦全程F数恒定为3.0,可实现全视场角5.7°～90°范围内可调,10倍连续光学变焦。变焦系统使用三片非球面,系统总长为260 mm。在208 lp/mm处,整个变焦区域内全视场的调制传递函数值均大于0.3,另外系统各变焦位置的最大畸变均小于3%。所提变焦系统结构紧凑,成像质量良好,变焦曲线平滑,可以满足实际应用的需要。     

基于视场分割方式的宽视场高光谱成像系统的辐射匹配技术

视场分割方案是实现宽视场高光谱成像的可行途径之一,成像系统除了空间上需要配准外,辐射亮度也需要匹配.本文主要分析宽视场高光谱成像仪的视场拼接技术的辐射匹配原理和匹配要素,简要介绍了实现途径,通过该途径,成功地实现了一种机载高光谱成像仪的视场拼接,给出了该宽视场高光谱成像仪的飞行试验结果,试验显示辐射匹配结果良好,通过光谱曲线的对比,精度在系统误差范围内.     

一种平滑大气湍流效应的小型化光学天线设计

大气湍流严重影响着无线光通信链路的可靠性和稳定性,已经成为无线光通信设备面向工程化应用的瓶颈。文章通过对比分析用来平滑、克服大气湍流效应的不同方法与手段,提出了一种基于空间分集技术的光学天线设计方案,以期满足工程化应用的需要。     

用于水下通信系统的复合折反式接收天线设计

针对水下无线光通信系统中无法兼顾聚光效率和光斑均匀性的问题,文章设计了一种复合折反式接收天线。仿真结果表明,传统的菲涅尔透镜聚光效率只有58.725%,而新设计的复合折反式接收天线聚光效率达到86.557%。在保证高聚光效率的情况下,光斑的均匀性也较好,均匀度为0.659 3。随后分析了平行光源在不同角度入射时聚光效率和光斑位置偏移的变化,发现菲涅尔透镜在入射角为2°时聚光效率就只有3.582 2%;而文章所设计的复合折反式接收天线在入射角度为1.5°时,聚光效率仍可以达到50%以上,入射角度在4°时仍能检测到光斑。文章设计的接收天线在水下远距离无线激光通信系统中有很好的接收效果,该接收天线适用于高增益和小视场的水下无线激光通信环境。     

宽光谱、大视场小畸变望远系统设计

设计了一个应用于成像光谱仪的望远系统,针对成像光谱仪的特点,由前置望远镜及后置光谱仪组成。前置望远系统的参数以及成像质量对整个成像光谱仪应用显得非常重要。设计了一个谱段范围1～2.5 m、视场为28.10.3、相对口径为1/4、焦距长度为60 mm的望远系统。系统在谱段1～2.5 m宽谱段范围内通过玻璃的匹配校正了色差及二级光谱,畸变控制在0.2%以内,很好地保证了与后续光谱仪的对接,此设计可用于航空领域进行大视场、高分辨率成像。     

基于衍射光学的大视场卡塞格林光学系统设计

为了改善卡塞格林光学系统的视场,将衍射透镜成功地引入大视场卡塞格林光学系统的设计中,并给出了设计方案.该系统在次镜后使用了2个校正透镜,且第1个透镜的前表面具有衍射面,能在3.6°视场内获得接近衍射极限的成像质量,各视场的波前差均小于1/4波长,光学传递函数(MTF)接近衍射极限.设计结果表明,衍射光学元件(DOE)对于改善卡塞格林系统的视场具有重要的作用,此设计方案降低了对加工工艺的要求,大大降低了成本,结构紧凑且具有良好的消像差特性.     

大视场离轴三反光学系统设计

针对地球环境遥感的大视场和宽 光谱的应用需求,在同轴三反光学系统的基础上,通过 视场离轴实现了无中心遮拦,并设计了一种焦 距为120 mm、F数为3.5、工作波长为0.4~1.65 μm、像元尺 寸为7.5 μm以及采用Cook三片式结构的光学系统。在没有使用自由曲 面的情况下,实现了30°×4°的大视场。其中,主镜为六 次双曲面,次镜为二次扁椭圆面,三镜为四次扁椭圆 面。在全视场范围内,该系统在奈奎斯特频率处的调制传递 函数(Modulation Transfer Function, MTF)大于0.6,接 近衍射极限。其弥散斑直径的均方根值小于探测器的像元尺 寸,畸变小于2.5%,说明本文系统具有优良的成像性能。     

便携式激光通信系统视场角检测装置的设计

为了解决便携式激光通信视场角测量范围小、要求精度高、测量难度大的问题, 采用计算指定通信距离下的链路能量作为视场角测量依据，提出了一种基于便携式激光通信视场角测量的方法和装置，并在此方案设计的高精度测量装置基础上进行了实际试验测量。结果表明，探测器灵敏度为-30dBm时，在1km, 2km, 3km, 4km处测得的激光通信接收视场角分别为1.12mrad, 0.94mrad, 0.87mrad和0.63mrad。该测试方法和装置能够精确测量便携式激光通信的视场角范围，测试装置可以扩展应用于不同领域的小视场高精度测量。