全天时星图与天空背景复合模拟装置的偏振效应抑制方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于航空器地面标定与测试领域，尤其是一种全天时星图与天空背景复合模拟装置的偏振效应抑制方法，针对现有的问题，现提出如下方案，其包括以下步骤：步骤S1：偏振作用矩阵构建：根据光学系统和偏振效应优化目标，选择合适的光学系统结构以及薄膜参数作为初始结构，并根据全天时星图与天空偏振背景复合模拟装置的自身结构参量，本发明专利技术是通过建立偏振效应约束与成像质量联合评价模型，构建光学系统与薄膜协同优化机制，解决全天时星图与天空背景复合模拟装置降低偏振光场传输精度的问题，提升光学系统偏振效应抑制能力，实现全天时天空背景偏振特性的精准模拟，为提高真实条件下航空器地面标定与测试精度奠定基础。件下航空器地面标定与测试精度奠定基础。件下航空器地面标定与测试精度奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
全天时星图与天空背景复合模拟装置的偏振效应抑制方法


[0001]本专利技术涉及航空器地面标定与测试
，尤其涉及一种全天时星图与天空背景复合模拟装置的偏振效应抑制方法。

技术介绍

[0002]在航空器姿态地面标定与测试过程中，受到全天时星图与天空背景复合模拟装置自身偏振效应的影响，位于系统出瞳处输出偏振光场将偏离目标值，不仅将导致模拟全天时天空背景的偏振特性(如偏振方位角和偏振度)与真实天空背景偏振特性不符，还将以杂散光的形式与模拟星图共同入射至待标定航空器中，导致模拟星图中各星点能量中心位置偏离理论值，降低航空器姿态地面标定与测试精度。因此，构建全天时星图与天空背景复合模拟装置偏振平衡优化机制，抑制偏振效应的影响，已成为航空器地面标定与测试领域的重点难题。
[0003]当前的光学系统偏振效应抑制方法主要可包括对输入光场偏振态重构、光学薄膜的偏振特性校正、偏振元件补偿等，其中利用光学薄膜的偏振特性降低光学系统的偏振效应已成为主要手段。但是对于全天时星图与天空偏振背景复合模拟装置而言，宽波段、大视场的光学特性决定了仅仅依靠光学薄膜的优化难以抵偿光学系统偏振效应的影响。因此本专利技术采用光学系统与薄膜协同优化的方式，提升光学系统偏振效应抑制能力，实现全天时星图背景杂散光偏振特性的精准模拟，提高航空器地面标定与测试精度。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出的全天时星图与天空背景复合模拟装置的偏振效应抑制方法，解决了现有的问题，首先根据光学系统透镜曲率、透镜间隔、光学薄膜等自身结构参数，以琼斯矩阵级联的形式建立光学系统对入射偏振光场作用模型；其次根据多层介质膜条件下理想光学系统的偏振作用模型，确定光学系统偏振效应约束条件；然后将偏振效应约束条件耦合至宏观光学像差评价模型，构建偏振效应
‑
像质评价联合评价模型；最后利用阻尼最小二乘法和遗传算法对光学系统自身结构参数的进行迭代优化，筛选并记录符合优化目标的薄膜与光学系统最优组合。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]全天时星图与天空背景复合模拟装置的偏振效应抑制方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1：偏振作用矩阵构建
[0008]根据光学系统和偏振效应优化目标，选择合适的光学系统结构以及薄膜参数作为初始结构，并根据全天时星图与天空偏振背景复合模拟装置的透镜曲率、透镜间隔、光学薄膜厚度等自身结构参量，分别建立各组透镜、光学薄膜的琼斯矩阵，并将琼斯矩阵按照2
×
2的形式级乘，完成光学系统对入射偏振光场作用模型的建立，同时分别记录每个面的s光p光对应的波矢方向与光线角度。
[0009]步骤S2：光学系统偏振效应约束条件确定
[0010]建立偏振效应约束模型，同时将表示入射光矢量的琼斯向量代入至理想条件下光学系统对入射偏振光场的作用矩阵中，构建任意光瞳采样点(ma,nb)对应的出射光矢量严格表征[Exexp(iΔx),Eyexp(iΔy)]T，依照单一变量法分析二项衰减和相位延迟对出射光偏振态的影响，推导理想条件下相位延迟和二项衰减满足的光学系统偏振效应约束条件，并将其代入至偏振效应约束模型中。
[0011]步骤S3：偏振效应
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像质评价联合评价模型建立
[0012]由宏观光学像差评价模型可知，成像质量函数值与其中各像差的权重函数呈正相关，同理可将光学系统偏振效应约束模型耦合至宏观光学像差评价模型中，从而建立偏振效应约束与成像质量联合评价模型。
[0013]步骤S4：光学系统自身结构参数优化
[0014]分别优化初始薄膜参量与次级光学系统结构，并将优化结果耦合，计算并排序相应偏振效应约束与成像质量联合评价函数值，并选取前n组耦合结果作为最优解结构；
[0015](1)固定初始薄膜参量，将光学系统透镜曲率、透镜间隔作为变量，按照阻尼最小二乘法优化设计光学系统，并选取n个符合像质优化目标的结构作为次级光学系统结构。
[0016](2)固定次级光学系统结构，并将其对应的薄膜厚度作为优化变量，利用遗传算法中选择、交叉和变异操作形成新的薄膜厚度参量种群，增加光学薄膜厚度多样性，经过多次迭代，种群中的薄膜厚度参量逐渐趋向全局最优解。
[0017](3)将n个次级光学系统与优化后的薄膜耦合，并设置光学系统自身结构参数为变量开始局部优化，优化停止后计算相应的偏振效应约束与成像质量联合评价函数值，将其排序后选取满足优化目标的前n组最优解。
[0018]步骤S5：依照偏振效应约束与成像质量联合评价函数值的排序结果，计算前n组最优解结构的能量利用率，筛选出能量利用率最高的个体，并记录光学系统及薄膜参数。
[0019]步骤S6：重复步骤S2
‑
S5，筛选出多组满足条件的个体，选取偏振效应约束与成像质量联合评价函数值最高的个体作为优化结果。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0021]本专利技术是通过建立偏振效应约束与成像质量联合评价模型，构建光学系统与薄膜协同优化机制，解决全天时星图与天空背景复合模拟装置降低偏振光场传输精度的问题，提升光学系统偏振效应抑制能力，实现全天时天空背景偏振特性的精准模拟，为提高真实条件下航空器地面标定与测试精度奠定基础。
附图说明
[0022]图1为本专利技术提出的全天时星图与天空背景复合模拟装置的偏振效应抑制方法的流程图。
具体实施方式
[0023]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0024]实施例
[0025]参照图1，本专利技术的设计目标为视场2w＝20
°
、F#＝2、焦距f＝50mm、畸变小于1％、
工作波段为可见光波段，全视场二项衰减优于0.1且位相延迟优于2
°
。
[0026]步骤S1：偏振作用矩阵构建
[0027]根据设计指标选取合适的光学系统及薄膜初始结构，所选取的薄膜表达式为A|HLHL|G，其中A代表空气，G代表基底玻璃，H和L分别代表高低折射率材料。H选用Ti3O5，折射率为2.358，L选用SiO2，折射率为1.453，薄膜厚度为中心波长的四分之一。选取的光学系统初始结构如下表1所示
[0028]表1光学系统初始结构参数表
[0029]表面半径mm厚度/间距mm光学材料半孔径mmObject无限无限 无限Stop无限22 22无限6.5BAK1133
‑
25.80.5 13436.211.1K5135
‑
171.5F21361711.2K5137
‑
3613.6 13Image无限
‑ꢀ
12.2
[0030]构建系统偏振作用矩阵，可表示为
[0031][0032]式中J
q
是第q个光学界面的琼斯矩阵。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.全天时星图与天空背景复合模拟装置的偏振效应抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：偏振作用矩阵构建选择初始结构，并根据全天时星图与天空偏振背景复合模拟装置的自身结构参量，分别建立各组透镜、光学薄膜的琼斯矩阵，并将琼斯矩阵按照2
×
2的形式级乘，完成光学系统对入射偏振光场作用模型的建立；步骤S2：光学系统偏振效应约束条件确定建立偏振效应约束模型，同时将表示入射光矢量的琼斯向量代入至理想条件下光学系统对入射偏振光场的作用矩阵中，构建任意光瞳采样点对应的出射光矢量严格表征，分析二项衰减和相位延迟对出射光偏振态的影响；步骤S3：偏振效应
‑
像质评价联合评价模型建立将光学系统偏振效应约束模型耦合至宏观光学像差评价模型中，从而建立偏振效应约束与成像质量联合评价模型；步骤S4：光学系统自身结构参数优化分别优化初始薄膜参量与次级光学系统结构，并将优化结果耦合，计算并排序相应偏振效应约束与成像质量联合评价函数值，并选取前n组耦合结果作为最优解结构；步骤S5：依照偏振效应约束与成像质量联合评价函数值的排序结果，计算前n组最优解结构的能量利用率，筛选出能量利用率最高的个体；步骤S6：重复步骤S2
‑
S5，筛选出多组满足条件的个体，选取偏振效应约束与成像质量联合评价函数值最高的个体作为优化结果。2.根据权利要求1所述的全天时星图与天空背景复合模拟装置的偏振效应抑制方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据光学系统和偏振效应优化目标，选择合适的光学系统结构以及薄膜参数作为初始结构。3.根据权利要求1所述的全天时星图与天空背景复合模拟装置的偏振效应抑制方法，其特征在于，所述步骤S1中，并根据全天时星图与天空偏振背景复合模拟装置的透镜曲率、透镜间隔、光学薄膜厚度的自身结构参量，分别建立各组透镜、光学薄膜的琼斯矩阵，并将琼斯矩阵级乘，完成光学系统对入射偏振光场作用模型的建立。...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴凌昊，贾文涛，张健，王加安，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：