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空间望远镜中快摆镜摆动引起的投影畸变效应

光学学报 2024年第11期44卷 58-65页

作者：李龙王维曹智睿孟庆宇李成浩中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

为了提高大口径大视场空间望远镜中精密稳像系统在稳像过程中的稳像精度,本文对精密稳像系统中快摆镜(FSM)摆动引起的投影畸变效应进行了理论分析。从几何光学角度,采用光线追迹法建立了FSM摆动引起的像移计算模型,并从不同视场像点的... 详细信息

为了提高大口径大视场空间望远镜中精密稳像系统在稳像过程中的稳像精度,本文对精密稳像系统中快摆镜(FSM)摆动引起的投影畸变效应进行了理论分析。从几何光学角度,采用光线追迹法建立了FSM摆动引起的像移计算模型,并从不同视场像点的位移中解析出投影畸变效应;以我国正在建设中的巡天空间望远镜为例,采用CODE V中的光线追迹结果进行交叉验证;根据这一模型,分析了对投影畸变效应可能产生影响的视场大小、FSM行程、FSM到焦面视场中心的距离等因素。结果表明:像移模型的计算精度很高,其计算结果与光线追迹计算结果误差不超过0.01μm;视场大小、FSM行程和中心视场主光线的入射角是影响投影畸变大小的主要因素。本文建立的像移计算模型能够满足实际应用需求,对投影畸变影响因素的分析结果可以为精密稳像系统的设计提供参考依据。

关键词：望远镜投影畸变光线追迹法齐次坐标变换法快摆镜精密稳像

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离轴超构透镜设计与特性分析

中国光学（中英文） 2024年第1期17卷 52-60页

作者：胡金高娃赵尚男王灵杰叶昊坤张建萍张新中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

本文提出了一种离轴超构透镜的设计方法,并分析了不同数值孔径、离轴角度等参数对于离轴超构透镜的光谱分辨率、聚焦效率以及仿真结果的影响。利用Lumerical软件分别仿真了参数为NA=0.408、α=13°;NA=0.180、α=13°及NA=0.408α=20°... 详细信息

本文提出了一种离轴超构透镜的设计方法,并分析了不同数值孔径、离轴角度等参数对于离轴超构透镜的光谱分辨率、聚焦效率以及仿真结果的影响。利用Lumerical软件分别仿真了参数为NA=0.408、α=13°;NA=0.180、α=13°及NA=0.408α=20°等多个离轴超构透镜。仿真结果表明:离轴角度与光谱分辨率大小成正相关,离轴角度越大,光谱分辨能力越强,但聚焦效率越低;数值孔径越小,相位分布的覆盖范围越小,会导致仿真聚焦位置与理论值偏差变大。设计者需要根据需求合理平衡数值孔径、离轴角度等参数,最终实现理想效果。本文得出的结论对离轴超构透镜的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。

关键词：超构透镜离轴超构透镜仿真分析

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地基光电成像系统中单芯轴的设计与优化

红外与激光工程 2024年第3期53卷 149-161页

作者：祝汉旺薛向尧邵明振张文豹李赏王秀硕王广义杨欣宇中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

在大俯仰角和极端温差条件下,保持地基光电成像系统主镜面形精度的稳定性是关键。文中提出了一种新型单芯轴支撑结构,旨在提高主镜在极端环境下的稳定性和热膨胀适应能力,从而保证面形精度。通过卡式第二定理深入分析单芯轴应力尺寸链... 详细信息

在大俯仰角和极端温差条件下,保持地基光电成像系统主镜面形精度的稳定性是关键。文中提出了一种新型单芯轴支撑结构,旨在提高主镜在极端环境下的稳定性和热膨胀适应能力,从而保证面形精度。通过卡式第二定理深入分析单芯轴应力尺寸链参数对镜面误差的影响,并结合Isight平台和多岛遗传算法进行结构参数优化,实现了结构稳定性与面形精度的平衡。仿真结果表明,在不同环境条件下,主镜的均方根波前误差(RMS)均小于30 nm,峰值差(PV)小于120 nm,满足光学成像的高标准要求。此外,在ΔT=80℃、主镜光轴水平状态下,RMS和PV的优化率分别达到59.99%和23.2%,刚体位移的优化率高达21.96%,体现了设计的高效性。在20℃和40℃的控制室温条件下进行的激光干涉仪测试进一步证实了设计的有效性,以及与仿真结果的高度一致性。该研究为在大温差、大俯仰角条件下的地基光电成像系统中,中口径主镜的支撑结构设计提供了有力的参考,特别是在提高主镜面形精度方面具有重要意义。未来的研究将探讨该结构在更广泛温差和更大口径主镜下的应用,以及进一步优化其光学性能和结构稳定性。

关键词：光电成像主镜支撑有限元分析优化设计单芯轴

紧凑型折反式制冷型中波红外成像光学系统设计

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光学学报 2024年第9期44卷 219-230页

作者：胡晨霞刘英王成龙周广鹏于晨党博石中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

为解决长焦距大口径红外成像光学系统长筒长、大体积、高成本的问题,设计了基于卡塞格林结构(卡式结构)的折反式制冷型中波红外成像光学系统。鉴于该类系统初始结构的确定缺乏充分的理论指导,推导了由拦光系数α、副镜放大率β_(sec)和... 详细信息

为解决长焦距大口径红外成像光学系统长筒长、大体积、高成本的问题,设计了基于卡塞格林结构(卡式结构)的折反式制冷型中波红外成像光学系统。鉴于该类系统初始结构的确定缺乏充分的理论指导,推导了由拦光系数α、副镜放大率β_(sec)和中继镜组垂轴放大率β_(relay)三个关键参数表示的计算公式,包括光学系统初始结构参数、系统长度T值、卡式结构初级球差和初级彗差计算公式,分析了系统像差校正难度和紧凑性随α、β_(sec)、β_(relay)的变化规律。基于像差校正难度与结构紧凑性之间的相互矛盾关系,提出了关键参数的最佳取值方法,为确定系统初始结构提供了重要的理论指导。使用ZEMAX软件对初始结构进行设计优化,完成了一款焦距为-600 mm、F数为2的紧凑型折反式制冷型中波红外成像光学系统,系统实现了100%冷光阑效率,总长为428 mm,各视场调制传递函数(MTF)值在奈奎斯特频率处均大于0.4,并对系统进行了公差分析,验证了理论的正确性和系统可加工性。

关键词：折反式光学系统二次成像中波红外像差理论光学系统设计

痕量气体掩星探测高光谱成像光谱仪光学系统设计

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中国光学（中英文） 2024年第3期17卷 661-673页

作者：孔相金李博李寒霜王晓旭顾国超蒋雪中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

痕量气体作为大气的重要成份,对地球的生态起着重要作用。为了实现宽波段、高光谱全天时连续测量,本文设计了一款在掩星探测模式下工作的高光谱成像光谱仪。该系统为共狭缝的双通道结构,紫外-可见光通道采用单凹面光栅结构、红外通道采... 详细信息

痕量气体作为大气的重要成份,对地球的生态起着重要作用。为了实现宽波段、高光谱全天时连续测量,本文设计了一款在掩星探测模式下工作的高光谱成像光谱仪。该系统为共狭缝的双通道结构,紫外-可见光通道采用单凹面光栅结构、红外通道采用利特罗与浸没光栅结合结构,有效地减小了体积。利用软件对光学结构进行优化,优化结果表明:光谱仪在250~952 nm波段范围内工作,其中紫外-可见光通道工作波段为250~675 nm、光谱分辨率优于1 nm、MTF在奈奎斯特频率为20 lp/mm处均高于0.58、全视场各波长处RMS值均小于21μm;红外通道工作波段为756~952 nm、光谱分辨率优于0.2 nm、MTF在奈奎斯特频率为20 lp/mm处均高于0.76、全视场各波长处RMS值均小于6μm,均满足设计要求。结果表明该高光谱成像光谱仪系统可以实现对痕量气体的掩星探测。

关键词：光学系统设计掩星探测痕量气体高光谱成像光谱仪

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轻小型短波红外自准直高光谱成像仪设计

光学学报 2024年第3期44卷 238-246页

作者：刘洋李博顾国超李寒霜王晓旭中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

随着搭载平台技术的不断进步,对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求,轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题,本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导,得... 详细信息

随着搭载平台技术的不断进步,对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求,轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题,本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导,得到满足高光谱分辨率、小尺寸要求的自准直系统的初始结构,并逐步进行优化。同时,在狭缝处引入一块平面反射镜,对望远系统进行折叠,避免狭缝与探测器干涉,并进一步压缩系统的尺寸。最终设计的成像光谱仪工作波段为1610~1640 nm,F数优于3,在奈奎斯特频率为20 lp/mm时,调制传递函数(MTF)均优于0.8,全视场均方根半径(RMS)均小于7μm,光谱分辨率均优于0.1 nm。光学系统尺寸优于460 mm×150 mm×150 mm。本文研究为短波红外波段高光谱探测成像光谱仪实现轻量化、小型化设计提供了一定的理论基础。

关键词：光学设计成像光谱仪自准直轻小型

基于Philips棱镜3CMOS相机的光学设计及其光谱优化

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中国光学（中英文） 2024年第3期17卷 648-660页

作者：陈塑淏吕博刘伟奇中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

针对彩色数字相机高成像质量以及高色准的需求,本文研究了基于Philips棱镜的3CMOS相机的光学系统设计以及相机光谱优化方法。通过对Philips棱镜进行光路建模,优化了棱镜的结构参数。在保证全内反射以及出射窗口大小的条件下,减小了系统... 详细信息

针对彩色数字相机高成像质量以及高色准的需求,本文研究了基于Philips棱镜的3CMOS相机的光学系统设计以及相机光谱优化方法。通过对Philips棱镜进行光路建模,优化了棱镜的结构参数。在保证全内反射以及出射窗口大小的条件下,减小了系统的体积,并由此设计了Philips棱镜3CMOS相机光学系统。其视场角为45°,相对孔径为1/2.8,在110 lp/mm的奈奎斯特采样频率下,系统的MTF全视场全波段均大于0.4。基于色度学基本原理建立了Philips棱镜相机的矢量成像模型,分析了由光线入射角度变化造成的薄膜光谱偏移,提出了宽光束下光谱偏移的修正模型。利用该模型设计并优化了相机中的4组光学薄膜。通过光路仿真实验以及色差分析,基于优化后的相机光学系统的平均色差降低了15.8%,像面颜色不均匀性降低了60%。结果表明:本文设计的光学系统拥有良好的成像质量,优化后的相机光谱实现了良好的颜色性能以及颜色均匀性。

关键词：光学设计 3CMOS相机色度学相机光谱优化

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基于注意力机制改进的无锚框舰船检测模型

吉林大学学报（工学版） 2024年第5期54卷 1407-1416页

作者：高云龙任明吴川高文中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033

为提升模型对合成孔径雷达(SAR)图像多尺度舰船目标的检测能力,保证检测网络的实时性,提出一个基于注意力机制改进的无锚框舰船检测模型。在YOLOX网络特征金字塔处嵌入空洞注意力模块,调节感受野与多尺度融合的关系,强化特征的表示能力... 详细信息

为提升模型对合成孔径雷达(SAR)图像多尺度舰船目标的检测能力,保证检测网络的实时性,提出一个基于注意力机制改进的无锚框舰船检测模型。在YOLOX网络特征金字塔处嵌入空洞注意力模块,调节感受野与多尺度融合的关系,强化特征的表示能力。在检测头部设计中心性预测分支,对锚点的分类得分进行加权处理,调整模型的损失函数,优化检测结果。在数据集SSDD上进行的对比实验结果表明:本文提出的模型优于主流的深度网络检测模型,精度达到94.73%,且在检测精度和检测速度中取得最佳平衡。

关键词：计算机视觉舰船目标检测空洞卷积注意力机制无锚框

植被与土壤特征对青藏高原不同程度退化草地的响应

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生态学报 2024年第6期44卷 2504-2516页

作者：杜志勇丛楠中国科学院地理科学与资源研究所拉萨高原生态试验站北京100101 中国科学院大学北京100049

高寒草地作为青藏高原高寒生态系统的重要组分之一,其退化已严重影响到高原的可持续发展和草地恢复重建。搜集了2004—2022年间关于青藏高原高寒草地退化的64篇研究结果,包含土壤有机碳、生物量和多样性指数等16个指标的1403组数据,运用... 详细信息

高寒草地作为青藏高原高寒生态系统的重要组分之一,其退化已严重影响到高原的可持续发展和草地恢复重建。搜集了2004—2022年间关于青藏高原高寒草地退化的64篇研究结果,包含土壤有机碳、生物量和多样性指数等16个指标的1403组数据,运用meta分析解析了草地退化对土壤理化性质、植被生产力和物种多样性的影响,并对重度退化草地的土壤理化性质和植物生物量进行线性回归分析。结果表明:随着草地退化的加剧,土壤有机碳、全氮、全磷、有效氮、有效磷、有效钾、土壤含水量、地上生物量、地下生物量和植被高度显著下降;土壤容重显著上升;土壤pH、全钾在各个退化阶段没有明显差异;Shannon多样性指数、Pielou均匀度指数和Margalef丰富度指数整体呈下降趋势。土壤有机碳、全氮、全磷、有效氮、有效磷、有效钾和土壤含水量与地上生物量、地下生物量存在显著的正相关;土壤容重与地上生物量、地下生物量呈显著的负相关;土壤pH与地上生物量、地下生物量呈负相关。因此,青藏高原高寒草地退化通过改变土壤理化性质而改变地上群落多样性和生物量,为阐明植被与土壤特征对草地退化的响应机制以及高寒退化草地的恢复提供了科学依据。

关键词：青藏高原草地退化植物群落土壤理化性质 meta分析