ZEMAX在透射儀測量光路準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用*

周樹道，馬忠良，王 敏

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 211101)

ZEMAX在透射儀測量光路準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用*

周樹道1,2，馬忠良1，王 敏1

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 211101)

在ZEMAX非序列環(huán)境下建立了透射儀光學(xué)系統(tǒng)模型。利用建立的模型研究了LED光源表面特征對透射儀測量光路準(zhǔn)直的影響，并通過增加擴散片優(yōu)化了光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對提出的基于掃描方式的測量光路準(zhǔn)直方法進(jìn)行了仿真研究。研究結(jié)果表明，基于該方法方位角測量最大相對誤差為2%，驗證了該方法的可行性。

ZEMAX；準(zhǔn)直系統(tǒng)；透射儀

0 引言

透射儀是機場跑道進(jìn)行水平能見度測量的常用設(shè)備[1]，也是世界氣象組織(WMO)進(jìn)行大規(guī)模能見度測量儀器比對時采用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備[2]。在透射儀光學(xué)測量系統(tǒng)中，發(fā)射端與接收端之間測量光路的準(zhǔn)直性能對接收端接收光強的影響與能見度下降對接收光強的影響相同[3]。因此，透射儀測量光路處于非準(zhǔn)直狀態(tài)時會使得能見度測量精度下降。在透射儀使用過程中，首先需進(jìn)行測量光路的對準(zhǔn)。由于透射儀發(fā)射端與接收端距離(基線)較長，測量光路對準(zhǔn)十分困難?？梢姡瑴y量光路準(zhǔn)直技術(shù)是透射式能見度探測技術(shù)中的一項關(guān)鍵技術(shù)[4]。

ZEMAX是美國FocusSoftwareInc公司設(shè)計開發(fā)的光學(xué)設(shè)計及仿真分析軟件[5]，具有強大的激光束傳輸仿真功能，提供了序列及非序列兩種光線追跡模式。其中，非序列模式下有多種光源模型，包括高斯光束、半導(dǎo)體高斯光束、橢圓高斯光束等。將ZEMAX軟件應(yīng)用到透射儀測量光路準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計中，可以輔助光學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計；在系統(tǒng)硬件實現(xiàn)之前，分析系統(tǒng)設(shè)計方案可行性。

1 透射儀光學(xué)系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

透射儀光學(xué)系統(tǒng)是透射儀測量系統(tǒng)的重要組成部分，光學(xué)系統(tǒng)直接反映了透射儀測量原理，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計對透射儀測量精度具有重要影響。透射儀光學(xué)系統(tǒng)由發(fā)射端與接收端兩部分組成，如圖1所示。發(fā)射部分主要包括光源、光電傳感器、發(fā)射透鏡、光闌、光筒。接收部分主要包括接收透鏡、光電傳感器、光闌、濾光片、光筒。光源發(fā)出的光經(jīng)過發(fā)射透鏡匯聚以近似平行光從發(fā)射端發(fā)出，光源的發(fā)散角得到壓縮，探測光束的能量體積密度得到提高，使得接收光學(xué)系統(tǒng)可以接收到更多的能量。探測光束經(jīng)過基線長度的空氣傳輸以后經(jīng)過接收透鏡匯聚、光學(xué)濾波在光電二極管上形成測量光斑，產(chǎn)生電信號，電信號強度正比于接收光強。

與其他光源相比，LED光源具有光源面積小、發(fā)光穩(wěn)定、響應(yīng)速度快和易于調(diào)制的特點[6]。同時，在各類LED光

源中，530nm綠光LED更加接近人眼最敏感的光譜，因此，透射式能見度測量系統(tǒng)中光源采用綠光LED。為了盡量減小探測光束擴散角與接收視場視場角，發(fā)射透鏡與接收透鏡均采用非球面鏡。接收濾光片用以過濾雜散光干擾。光闌及光筒內(nèi)表面能夠吸收雜散光，避免反射影響光強測量?；€長度為50m。光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 透射儀光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)

1.2 系統(tǒng)建模

圖2 光源仿真結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述透射儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在ZEMAX非序列模式下構(gòu)建了透射儀光學(xué)系統(tǒng)模型。光源采用OSRAM公司LT-W5SN型綠色LED光源，在非序列模式操作窗口“Soucefile”導(dǎo)入相應(yīng)光源的仿真文件可以進(jìn)行光源的仿真，光源追跡光線數(shù)為5M，系統(tǒng)波長“Wavelength”為530nm，光源仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。

發(fā)射透鏡與接收透鏡材料為K9。采用“AnnularVolume”類型構(gòu)建光筒及光闌模型，材料為“ABSORB”，光筒為圓柱形，光筒長度為155mm，筒壁厚度為1mm。采用“DetectorRect”類型構(gòu)建光電傳感器模型，傳感器為2mm×2mm正方形，厚度為1mm。通過調(diào)整發(fā)射透鏡與接收透鏡“ZPosition”控制基線長度。光學(xué)系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)模型

2 LED光源表面特征對測量光路準(zhǔn)直的影響

圖4 光源表面電極形狀

為了解決LED光源發(fā)光芯片散熱及電流擁擠問題，需要對LED光源發(fā)光芯片電極進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，形成一定的電極形狀，且電極不發(fā)光。OSRAM公司LT-W5SN型綠色LED光源表面形狀如圖4所示，從圖4中可明顯看出L形電極形狀。由于透射儀基線較長，LED光源表面特征會影響透射探測光束在接收鏡頭前形成的遠(yuǎn)場光斑能量分布。為了驗證LED光源表面L形電極對探測光束遠(yuǎn)場光斑的影響，在接收鏡頭前放置400mm×400mm大小的“DetectorRect”探測器，追跡光線為5M，光源發(fā)光功率為1W。實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 電極形狀探測光束遠(yuǎn)場光斑的影響

由圖5可知，在光斑圖樣中間出現(xiàn)能量較弱區(qū)域。當(dāng)透射儀發(fā)射端對準(zhǔn)，即透射儀探測光束遠(yuǎn)場光斑中心與接收鏡頭中心重合時，透射儀接收到的接收光強較弱，使得透射儀測量光路準(zhǔn)直效果降低。同時，光斑表面L形能量較弱區(qū)域會影響能見度測量的穩(wěn)定性。

圖6 增加擴散片后遠(yuǎn)場光斑圖樣

為了克服光源表面特征的影響，考慮在發(fā)射光闌前增加擴散片，使得光源發(fā)出的光在到達(dá)發(fā)射光闌前表面時經(jīng)過一次均勻發(fā)散，從而使得遠(yuǎn)場光斑能量分布得到改善。在ZEMAX非序列模式下，用“RectangularVolume”類型構(gòu)建擴散片模型，擴散片內(nèi)部光的傳播采用米散射模式，擴散片大小為2mm×2mm，厚度為1mm。實驗結(jié)果如圖6所示。

與圖5所示的實驗結(jié)果相比，圖6中L形能量較弱區(qū)域消失，探測光束遠(yuǎn)場光斑能量分布變得均勻。與不加擴散片相比，接收鏡頭前探測器上接收到的總能量下降50%，但是接收光闌后光電傳感器接收到的能量增加30%，說明通過增加擴散片可以明顯改善透射儀測量光路準(zhǔn)直效果。

3 基于掃描方式的測量光路準(zhǔn)直方法仿真實驗

基于掃描方式的透射儀測量光路準(zhǔn)直方法是根據(jù)透射儀測量光路的對稱特性提出的準(zhǔn)直方法。目前，基于該方法設(shè)計的測量光路準(zhǔn)直系統(tǒng)仍處于設(shè)計研究階段?；趻呙璺绞降臏y量光路自動準(zhǔn)直方法是：使得發(fā)射端探測光束或接收端接收視場以相應(yīng)的發(fā)射或接收鏡頭為支點，分別進(jìn)行兩個垂直方向上的掃描，掃描過程中記錄旋轉(zhuǎn)角度及相應(yīng)位置的接收光強，根據(jù)得到的接收光強與旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)計算測量光路在準(zhǔn)直狀態(tài)下發(fā)射端或接收端兩個垂直方向上的方位角，進(jìn)而驅(qū)動發(fā)射端或接收端到達(dá)方位角指定位置，實現(xiàn)測量光路準(zhǔn)直。在ZEMAX非序列模式下，可以對透射儀光學(xué)系統(tǒng)模型中的各物體進(jìn)行精確的移動、旋轉(zhuǎn)。因此，可以在非序列模式下對基于掃描方式的測量光路準(zhǔn)直過程進(jìn)行仿真研究。

3.1 非準(zhǔn)直狀態(tài)的構(gòu)建及掃描過程的實現(xiàn)

透射儀測量光路非準(zhǔn)直狀態(tài)是指發(fā)射端探測光束中軸線與接收端接收視場中軸線不重合。為了研究準(zhǔn)直方法的可行性，需要在ZEMAX非序列模式下利用光學(xué)系統(tǒng)模型構(gòu)建測量光路非專職狀態(tài)。將發(fā)射端所有物體的參考面設(shè)為發(fā)射透鏡，將接收端所有物體的參考面設(shè)為接收透鏡，通過調(diào)整發(fā)射透鏡或接收透鏡的“XPosition”及“YPosition”可以使得測量光路處于非準(zhǔn)直狀態(tài)。由發(fā)射端與接收端位置變化，可計算得到準(zhǔn)直各軸向準(zhǔn)直方位角理論值。

根據(jù)基于掃描方式的測量光路準(zhǔn)直方法，為了實現(xiàn)發(fā)射端或接收端的掃描，通過調(diào)整發(fā)射透鏡或接收透鏡“Titleaboutx”參數(shù)使得發(fā)射端或接收端進(jìn)行掃描。掃描過程中記錄相應(yīng)參數(shù)數(shù)值作為旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，記錄接收端“DetectorRect”探測器采集到的接收光強作為相應(yīng)的接收光強數(shù)據(jù)。

3.2 仿真實驗結(jié)果

根據(jù)位置參數(shù)計算出發(fā)射器與接收器兩個垂直方向上準(zhǔn)直方位角的理論值。調(diào)整發(fā)射器與接收器鏡頭方向參數(shù)，使其在兩個垂直方向(方位角α與方位角β)上進(jìn)行±0.2°的掃描，每隔0.002°記錄一次接收器接收光強?；诮嵌群凸鈴姅?shù)據(jù)利用上述準(zhǔn)直算法計算準(zhǔn)直方位角的實驗值，并與理論值進(jìn)行對比，得到圖7～圖10所示的實驗結(jié)果。

圖7 發(fā)射端方位角α

圖8 發(fā)射端方位角β

圖9 發(fā)射端方位角α

圖10 發(fā)射端方位角β

由實驗結(jié)果可得，發(fā)射器與接收器各方向上的方位角實驗值與理論值一致性較好，根據(jù)每組數(shù)據(jù)理論值與試驗值之間的差可得到值最大相對誤差為2%，且相對誤差并不隨對準(zhǔn)偏差的增大而增大。該準(zhǔn)直方法可以實現(xiàn)較小方位角的測量，實驗中測得的最小方位角為0.002 8deg。實驗中，每個方向上進(jìn)行±0.2deg掃描，共采集200組數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)對準(zhǔn)直方位角的測量。掃描范圍較小，因此可以在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)發(fā)射器與接收器的對準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本文將ZEMAX軟件應(yīng)用到透射儀測量光路準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計中，在ZEMAX非序列環(huán)境下構(gòu)建了透射儀光學(xué)系統(tǒng)模型。研究結(jié)果表明，LED光源表面特征會影響透射儀發(fā)射端探測光束遠(yuǎn)場光斑能量分布，進(jìn)而影響測量光路準(zhǔn)直性能。通過增加擴散片可以明顯改善測量光路準(zhǔn)直效果。本文驗證了基于掃描方式的測量光路準(zhǔn)直方法的可行性，為基于該方法的準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)提供了參考。

[1] 程紹榮,魏全忠,呂軍.一種實用型大氣透射式能見度儀的研制[J].光電工程,2011,38(2):144-150.

[2] 邢向楠,崔巖梅,李濤,等.基于透射法的能見度測量裝置設(shè)計與實驗研究[J].計測技術(shù),2011,31(3):10-13.

[3] 馬忠良，周樹道.透射式能見度儀發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].氣象水文裝備，2015(2):9-12.

[4] 邢向楠,崔巖梅,張富根,等.能見度測量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢綜述[J].計測技術(shù),2010,30(5):15-20.

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Research on an improved SVPWM algorithm for a three-level inverter

ZhouShudao1,2，MaZhongliang1，WangMin1

(1.CollegeofMeteorologyandOceanography,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210044,China；2.CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China)

AnopticalsystemmodelofthetransmittancemeterisestablishedintheZEMAXnon-sequenceenvironment.TheinfluenceofthesurfacecharacteristicsofLEDonthealignmentofopticalpathisstudiedbyusingthemodel,andthestructureofopticalsystemisoptimizedbyincreasingthediffusionsheet.Themethodofalignmentformeasuringlightpathbasedonscanningisstudiedinsimulation.Researchresultsshowthatthemaximumrelativeerrorofazimuthmeasurementis2%andthefeasibilityofthemethodisverified.

ZEMAX；alignmentsystem；transmittancemeter

國家自然基金(無人機實時全景遙感成像技術(shù)研究)(41301370)

TN12；P

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.024

周樹道，馬忠良，王敏.ZEMAX在透射儀測量光路準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(22)：92-94,97.

2016-05-19)

周樹道(1964)，男，碩士，教授，主要研究方向：透射式能見度探測技術(shù)。

馬忠良(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向：透射式能見度探測技術(shù)。

王敏(1983)，女，碩士，講師，主要研究方向：信號與信息處理。