合成孔径激光雷达光学系统和作用距离分析

该文对合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar, SAL)光学系统和作用距离进行了分析。根据SAL成像特点,提出了SAL使用非成像衍射光学系统的概念,并引入相控阵模型对其性能进行分析。通过在压缩光路中馈源和主镜两处使用二元光学器件,在口径300 mm条件下将2°接收视场信号收入光纤,对所需的相位参数和对应的波束方向图进行了计算仿真。给出了SAL作用距离方程,分析了相干探测和信号积累增益,明确了SAL具有良好的微弱信号探测能力的结论。针对实际应用需求,给出了一个远距离高分辨率机载SAL系统参数和工作模式。5 cm分辨率时,在连续条带成像模式下,其作用距离可达5 km,幅宽可达1.5 km;在滑动聚束成像模式下,作用距离可达10 km,幅宽可达1 km。      

采用衍射主镜的大口径激光雷达接收光学系统

衍射光学系统在大口径激光雷达接收器应用方面很有潜力。分析了衍射主镜引入的负色散对激光雷达成像质量的影响。讨论了插入高色散玻璃和基于Schupmann原理的两种消色差方案的优劣。基于Schupmann原理的消色差系统质量轻、像质好,系统光透过率在60%以上。设计了1 m口径、f/8、最大视场角1 mrad的激光雷达接收光学系统。成像质量接近衍射极限。     

天基6.5 m衍射综合孔径红外射电望远镜

针对天文观测和深空探测需求，提出了天基激光本振6.5 m衍射综合孔径红外射电望远镜的概念和形式，给出了激光本振阵列探测器形式，设计了基于衍射光学系统的综合孔径红外射电望远镜结构。该望远镜采用孔径渡越补偿信号处理方法扩大光谱范围，具有光学系统复杂度低、体积小和质量轻的特点。给出了系统主要参数和成像仿真结果，当中心波长为1.55μm时，角分辨率约为0.24μrad，最大不模糊视场角度约为1.55 mrad，光谱范围为0.2μm，其探测灵敏度要比传统6.5 m口径望远镜高2倍，可观测的极限星等优于21。     

8～12μm波段折/反/衍混合坦克扫描物镜消热差设计

根据坦克扫描光学系统的要求,设计了一种工作于8～12μm波段,可识别2 000 m远坦克目标的折/反/衍射混合红外消热差光学系统。该系统采用新型的卡塞格林系统,其非球面主镜和次镜全部取代为球面,解决了卡塞格林系统大口径非球面主镜、次镜的高加工精度和装调难的问题;通过应用衍射元件独特的温度特性实现红外光学系统的无热化设计,设计的系统结构简单紧凑,口径大、焦距长、分辨率高,并且在-40～60℃的温度范围内成像质量接近衍射极限,满足坦克扫描系统的总体要求和像质要求。     

2m衍射口径星载双波长陆海激光雷达系统研究

针对对地三维成像和海洋水深测量的需求,对轨道高度为500 km、口径为2 m的谐衍射光学系统星载双波长陆海激光雷达系统进行了分析。基于单光子阵列探测器,分析了大口径衍射光学系统的光学合成孔径实现方式,并设计了系统参数。波长为1.55μm的陆地观测激光雷达的主要性能指标为：地面像元分辨率4 m,交轨瞬时幅宽4 km,高程测量精度0.3 m。波长为0.516μm的海洋观测激光雷达的可探测水深达30 m。分析了激光本振阵列探测器的结构,提出了基于相干探测的光学合成孔径技术,有望采用计算成像的方式,利用多个子口径的低分辨率复图像信号相干合成高分辨率图像,同时提高图像的信噪比。相同系统参数下的对比分析表明,波长为1.55μm的陆地观测激光雷达采用相干探测体制后,探测性能优于传统的直接探测。采用子口径结构,可降低衍射光学系统的加工难度,同时子口径结构焦距短的特点使得光学系统的轴向尺寸和重量大幅减小。     

天基合成孔径激光雷达成像参数分析

由于空间中没有大气，不存在大气湍流和大气衰减等问题，因此，相对于地基和机载合成孔径激光雷达（SAL），天基SAL有更好的应用前景。为验证中高低轨卫星间SAL成像的可行性，本文中建立了天基SAL成像模型，推导了星对星成像的相干积累时间和脉冲重复频率等参数。利用二体运动轨道外推法，建立了卫星轨道模型。并根据雷达天线波束宽度的限制，计算了激光雷达的收发天线方向图，提出利用目标增益曲线的3 dB波束宽度，获得最大合成孔径时间的方法。最后，通过仿真建立了六种天基SAL应用方式，并分析了不同应用方式下的成像参数，验证了天基SAL成像的可行性。本文的研究为天基SAL成像算法的研究奠定了基础。     

二次成像中波红外折射衍射光学系统设计

中波红外(3～5 μm)在航天遥感中有着重要的应用.由于背景辐射的影响,中波红外光学系统一般要求达到100%冷光阑效率.在航天应用中由于系统轻量化的要求,同时要求光学系统的设计尽可能简化.光学技术的发展,使得光学设计可以利用非球面,二元光学衍射面等,获得更多的自由度,对成像光学系统的像差进行有效的校正.利用三个光学元件,设计出波段范围3～5 μm,口径200 mm,F/2.5的二次成像光学系统.系统由主光学卡塞格林系统加中继系统组成.中继系统由一片硫化锌透镜组成,成像质量达到衍射极限.     

衍射光学系统的激光应用和稀疏成像分析

近年来衍射光学系统得到了快速发展,衍射器件(如二元光学器件和膜基透镜)相当于微波天线的固定移相器,微波相控阵天线成熟的理论和方法应可用于其性能分析。激光SAR和激光通信都具有单色且波长较长的特点,特别适合采用非成像衍射光学系统,通过衍射器件实现信号波前控制,减小焦距并有利于系统的轻量化。基于衍射光学系统,研究激光SAR和激光通信技术具有重要的理论意义和应用价值。该文给出了衍射光学系统的相控阵解释,介绍了基于衍射光学系统已开展的机载激光SAR和星载激光SAR研究工作。提出了艇载1 m衍射口径激光通信和干涉定位系统概念并分析了其性能,该系统在10 m短基线下,其作用距离将达到4×108 km,对应的定位精度在6 km量级,可用于深空探测。该文同时探讨了稀疏采样激光成像问题,在激光照射目标条件下,提出用傅里叶透镜将激光图像信号变换到频域,在低频区域利用小规模探测器实施稀疏采样,等效进行2维低通滤波处理,再用计算机重构目标图像的设想,给出了一些初步的仿真结果。      

基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统设计

设计了一种基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统。此光学系统的工作波段为3~5¼m及8~12¼m,焦距为45 mm,F/#为2,双色探测器为320×256、30μm制冷型探测器。谐衍射光学元件改进了衍射光学元件在宽波段上的大色散问题,解决了衍射光学元件在宽波段上的色散严重和衍射效率低下的问题。该光学系统采用谐衍射光学元件消宽波段色差和宽温度范围热差,使中波红外和长波红外在不同衍射级衍射实现谐振共焦成像,使用较少光学元件,校正了双波段红外光学系统的像差和热差。基于谐衍射的红外双波段共口径消热差光学系统在改善像质、减小体积重量、宽波段消热差等方面表现出传统光学系统不可比拟的优势。随着双波段探测器和谐衍射透镜研发制造技术的进一步发展,双波段光学系统必将在目标跟踪、识别、精确打击等军工系统中得到广泛应用。     

激光主动/红外共口径复合成像光学系统设计

提出了一种适用于弹载环境的主动激光成像/红外成像同轴共口径复合光学系统设计方案,设计完成了能够实现大视场扫描且具有优良成像质量的共口径复合光学系统。该系统采用了半角扫描机构在俯仰和偏航方向实现±15°扫描视场,并在-50℃~50℃温度范围内全视场成像质量接近衍射极限。     

长波红外光学系统无热化设计

分析了衍射光学元件在红外光学系统中的消热差特性,设计了工作于8～12 μm,全视场角为6.44°的红外消热差光学系统,设计结果表明,该系统在-10℃～60℃温度范围内成像质量接近衍射极限,适用于像元尺寸为45μm的非制冷焦平面阵列探测器.     

折/衍射双波段共光路齐焦光学系统设计

为了提高双波段光学系统成像性能,结合可见光和中波红外的特点,设计了无光路补偿的折/衍射双波段共光路齐焦光学系统。对系统的4片透镜波段间消色差以及焦距补偿表达式进行了推导,采用4片透镜并引入二元衍射面,通过合理匹配光学系统光焦度,实现了系统共用一组光路,在可见光和中波红外两个波段的焦距一致,提高了双波段观测目标信息的一致性。设计的双波段共口径/共光路成像光学系统的工作波长为0.38~0.76 m,3~5 m,系统的焦距为90 mm,视场角为0.5,F数为3,在-40~+60℃的温度范围内采用光学被动式进行消热差设计。设计结果表明:系统结构简单,体积小,成像质量接近衍射极限。     

可见光/红外共口径模块化光学系统设计

针对战场态势感知、环境污染监测以及应急减灾等领域对全天候、全天时遥感信息的应用需求，提出了一种可见光/红外一体化空间遥感成像方案，工作谱段覆盖可见光全色/多光谱、中波红外和长波红外，不同谱段的空间分辨率分别可达到为2 m/8 m、8 m和16 m，成像幅宽大于15 km。分析确定了光学系统技术指标参数，提出了可见光/红外共口径模块化光学系统设计方案，完成了各模块光学系统和整体光学系统的设计与分析。设计结果表明，各模块光学系统和整体光学系统的成像质量均接近衍射极限，各模块光学系统可进行单独装调和测试评价，有利于实现可见光/红外复杂光学系统的模块化研制，有效降低多谱段、多焦距、一体化复杂光学系统的研制难度和研制周期，具有较高的工程应用价值。     

多波段冷光学红外成像终端研制

针对目前地基空间探测红外成像系统对高灵敏度、高探测能力及信噪比的要求,对地基冷光学红外成像技术进行了研究,包括红外杜瓦冷却系统内部辐射抑制、系统终端快速制冷、低温红外探测器的研制、低温冷光学系统设计装调等关键技术。在各项系统技术突破的基础上,研制出一套相对孔径1:10、分辨率320256、兼容中波3~5 m和长波8~10 m波段的冷光学红外成像终端。系统终端实现制冷温度最低至42 K,真空度10-5 Pa量级。将终端与1.23 m口径地基望远镜对接,对月亮和红外标准星观测具有良好的成像效果。该系统的研究为地基大口径冷光学红外探测技术提供参考。     

衍射望远镜光学系统设计

当前对空间望远镜光学系统的要求是：在宽光谱范围内,系统具有分辨率高、质量轻等特点,衍射望远镜可以满足上述要求。利用Schupmann提出的消色差理论可实现系统宽光谱覆盖,采用平面衍射透镜做物镜可使系统轻量化,降低了成本。设计了一个物镜口径为1 000 mm,f/# =100,用离轴三反射镜做目镜的衍射望远镜。设计结果表明：系统在0.65~0.75 ?滋m波段,0.02°×0.035° 视场范围内,得到了消色差,接近衍射极限的成像质量。     

机载双波段共口径光电瞄准光学系统设计

针对机载双波段共口径光电瞄准系统反射式成像存在中心遮拦与装配难度大的问题,设计了一种前置光路折射式成像的共口径光学系统。应用二组元变焦理论对光学系统的初始结构进行了计算。基于最小可分辨温差（MRTD）模型分析了红外系统的作用距离,根据瑞利判据对系统前向像移进行了补偿残差分析。机载双波段共口径光电瞄准光学系统工作在0.38~0.76 μm的波段内,实现了36~180 mm的5×连续变焦,工作在3~5 μm的波段内,实现了三视场变换,三视场三档焦距之比为3,F数为4。设计结果表明,在?40~60 ℃的工作环境中,光学系统经过光学被动式无热化处理,满足系统成像质量要求。     

米级车载高分辨率光电成像系统光学设计

研究了一套能实现机动式布站的米级车载可见光和红外高分辨率光学成像系统新方案.主系统口径1.2 m,采用无焦卡塞格林形式,遮拦比1∶10;机上中、长波红外成像通道采用共口径光谱分光、二次成像的形式,冷阑匹配效率100％,F数为4;机下成像光学系统焦距47 m,F数为39,光学设计满足高分辨率与白天成像的要求,且成像质量达...     

红外8～12μm 波段折射衍射光学系统的无热化设计

分析了衍射光学元件在红外折射/衍射混合光学系统中的消热差特性,设计了在红外8μm～12μm 波段的红外折射/衍射混合无热化光学系统并进行了分析。设计结果表明,该系统在-40℃～60℃温度范围内不仅得到接近衍射极限的成像质量,而且具有结构简单,体积小,重量轻的特点。     

远程激光拉曼光谱探测系统前置光学系统设计

为实现远程物质高空间分辨力的拉曼光谱探测,设计了共孔径远程激光拉曼光谱探测系统的前置光学系统。光学系统采用共孔径结构,实现了激光发射系统、拉曼光收集系统及微区成像系统的共孔径、共光轴。设计的光学系统能够对激光进行聚焦以缩小激光光斑尺寸,使系统具有优于0.125 mrad的空间分辨率。该拉曼光收集透镜有效通光口径为50 mm,拉曼散射光在耦合透镜焦平面上的像高小于25m,可以与50m狭缝宽度的光谱仪进行空间光耦合,也可使用50m芯径的光纤来耦合光学系统与光谱仪。该系统可用于远距离物质的激光聚焦、拉曼光谱探测及微区成像。     

大线视场大相对口径红外成像系统的光学设计

在同轴三反射光学系统基础上,采用视场离轴方式,设计了一个在地球同步轨道上对地观测的空间离轴三反射光学系统.该系统同时具有大线视场和大相对口径的特点,设计结果表明,成像质量达到了衍射极限.