準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的并行物理光學(xué)仿真研究

段美玲

摘 要：目前，現(xiàn)有準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用效果總體較為良好，其主要原因在于物理光學(xué)仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，該技術(shù)對于進(jìn)一步提高準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)在社會各方面應(yīng)用效果均起到一定的幫助作用，是現(xiàn)代準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)研究應(yīng)用所需具備的必要條件，因此需在未來階段的應(yīng)用發(fā)展過程中，逐步對其內(nèi)部應(yīng)用環(huán)境等進(jìn)行深入的分析與研究，從而使其能夠在準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)方面發(fā)揮出更為有效的實(shí)際作用。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng) 物理 光學(xué)仿真

中圖分類號：G6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0125-02

近年來，物理光學(xué)仿真技術(shù)在準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用逐步廣泛，成為現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，同時(shí)對于進(jìn)一步提高準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際有效性起到一定的推動作用，不僅能夠有效地提高準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)研究應(yīng)用效果，同時(shí)對于保證準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)更好地應(yīng)用于天文研究等方面也有著重要意義，是現(xiàn)代準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用不可或缺的重要構(gòu)成。

1 準(zhǔn)光學(xué)簡介

幾何光學(xué)研究的是在波長趨于零的極限情況下波的輻射和傳播特性，基本思想是用光線的傳播代表定向的輻射束，其特點(diǎn)是光學(xué)元器件（透鏡、反射鏡）的尺寸足夠大，因而波長的效應(yīng)可以忽略。而當(dāng)光源的尺寸與波長相比較小時(shí)，由于衍射效應(yīng)，隨著距離光源的遠(yuǎn)近不同，光源的輻射場分布會相應(yīng)變化。與幾何光學(xué)波長趨于零的極限情況不同，當(dāng)系統(tǒng)尺寸與波長相近的時(shí)候，在光的輻射傳播中，衍射效應(yīng)占據(jù)主要地位。準(zhǔn)光學(xué)代表了傳統(tǒng)光學(xué)和電子學(xué)之間的學(xué)科，是對遠(yuǎn)紅外和太赫茲頻段信號的有關(guān)描述。對于電磁波譜的不同頻段，都有其各自的電磁波的傳播方法。例如，在無線電和微波頻段，單模系統(tǒng)被廣泛采用。在低頻端，同軸電纜是廣泛采用的電磁波傳播介質(zhì)，與波長相比，同軸電纜的橫截面尺寸相對較小，可以傳播橫電磁波（TEM）；但是，到了高頻端，則廣泛采用橫截面尺寸與波長相當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)作為電磁波的傳播介質(zhì)。

2 歷史概述和發(fā)展現(xiàn)狀

準(zhǔn)光學(xué)發(fā)展主要起源于19世紀(jì)末期階段，其主要的起源應(yīng)用基礎(chǔ)是無線電波技術(shù)，赫茲是首先應(yīng)用準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)并對其加以研究的首位無線電波專家。由于在研究過程中受麥克斯韋電磁波理論影響，赫茲在實(shí)際實(shí)驗(yàn)研究過程中，主要對電波的形成及與電磁波的實(shí)際構(gòu)成進(jìn)行分析，對近現(xiàn)代無線電技術(shù)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。在早期的無線電波研究過程中，由于資料相對較少，因此研究時(shí)間也相對較少，無法深刻地對該技術(shù)進(jìn)行有效的分析與研究。20世紀(jì)初期階段，商業(yè)廣播無線電波最高傳輸上限為10m，受電磁波技術(shù)應(yīng)用影響，部分學(xué)者對于聚焦輻射束波研究相對較少，同時(shí)由于軸天線技術(shù)應(yīng)用的逐步廣泛，對于波導(dǎo)技術(shù)研究應(yīng)用不斷增加，這也成為阻礙聚焦輻射束波技術(shù)研究的主要要素之一。

在后期的發(fā)展過程中，無線電波技術(shù)應(yīng)用發(fā)展速度相對緩慢，直至第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)初期，由于戰(zhàn)爭及軍事通信需求，毫米電波成為替代無線電波的主要微波技術(shù)之一，隨著研究的逐步深入，毫米電波研究在20世紀(jì)中葉不斷盛行，并取得良好研究成果。微波技術(shù)研究與準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)研究雖有著一定的共同性，但在本質(zhì)上仍存在著一定的差異。準(zhǔn)光學(xué)研究主要依附于光學(xué)波段器件及系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用，其研究基礎(chǔ)多以通信系統(tǒng)為主，受激光技術(shù)光源研究影響，在準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)研究過程中，相關(guān)科研人員對于多種不同的通信模式提供了多個(gè)鏈路方案。其中主要的鏈路方案以自由空間及周期性導(dǎo)波為主。

科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步使電波技術(shù)發(fā)展逐步加快，使微波技術(shù)應(yīng)用頻段逐步提升，亞毫米波研究也逐步廣泛。為方便對電磁波進(jìn)行有序的研究與分析，在現(xiàn)代化電波研究過程中，針對不同的電波頻率及長度，主要將電波進(jìn)行排序歸類，從而使其能夠?yàn)橹庇^地對電波技術(shù)進(jìn)行深入的研究，該排列模式又稱電磁波譜。

電磁波譜實(shí)際種類及頻率的不同，使其具備不同的電磁波特性，所以其研究與應(yīng)用方面，如不考慮實(shí)際的電容與電感，則可直接利用集總參數(shù)進(jìn)行分析。于1931年初期階段，電磁波波長長度再次被提升，從原始的10m提升至0.001mm，至此，系統(tǒng)化的電磁波通信技術(shù)逐步形成，成為現(xiàn)代電磁波應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，同時(shí)亦被稱為準(zhǔn)光。

3 準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 饋源

饋源主要應(yīng)用于自由空間的電磁波傳輸中，通過自由空間的電磁波傳導(dǎo)使其在波導(dǎo)設(shè)備中對傳輸信號進(jìn)行接收。望遠(yuǎn)鏡的反射面天線能夠?qū)?shí)際的平面波進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而使其形成會聚球面波。饋源在球面波方面的作用主要是將球面波進(jìn)行有效的收集，并在相對較短的時(shí)間內(nèi)將其轉(zhuǎn)換成為波導(dǎo)信號。饋源實(shí)際作用范圍相對較多，在電磁波極化方面饋源也能夠進(jìn)一步發(fā)揮其實(shí)際作用，同時(shí)在波紋喇叭方面應(yīng)用較為廣泛。

3.2 反射鏡

反射鏡的作用較為廣泛，在望遠(yuǎn)鏡天線中可將會聚波束進(jìn)行重聚聚焦，并進(jìn)行信號探測，由于其信號探測及傳輸距離較遠(yuǎn)，因此多由于對遙遠(yuǎn)天體信號進(jìn)行探測。反射鏡及射電望遠(yuǎn)鏡中應(yīng)用效果較為良好，該設(shè)備構(gòu)成主要由兩組反射面組成，即主反射面和副反射面。該構(gòu)件散布相對較大，所以主要用于在自由空間內(nèi)進(jìn)行平面波轉(zhuǎn)換。而后利用會聚球面波優(yōu)勢來進(jìn)行光束的傳播對焦，從而使其進(jìn)行有效的傳播，在其傳播過程中需根據(jù)傳播距離進(jìn)行重新聚焦。現(xiàn)階段的反射鏡應(yīng)用種類較多，根據(jù)不同的反射鏡使用用途，多分為球面反射鏡、拋物面反射鏡及雙曲面反射鏡等。

3.3 透鏡

透鏡的作用多用于波束耦合，由于準(zhǔn)光學(xué)構(gòu)件由多個(gè)不同元件構(gòu)成，各元件間運(yùn)行需要達(dá)到相同的頻率，因此透鏡便可有效地對波束進(jìn)行耦合，使其運(yùn)行頻率達(dá)到一致。為能夠進(jìn)一步提高耦合效果，并保證各構(gòu)件間的耦合有效性，通常需在透光學(xué)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中加入透鏡，透鏡的厚度需根據(jù)實(shí)際光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定，從而使其傳播效率得到有效的提升。在此過程中波束的曲率半徑易受到透鏡的影響而發(fā)生改變，以便于更好地進(jìn)行光學(xué)匹配。

4 界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)主要用于提高設(shè)備可視性，使其能夠有效地融入到準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)分析中。該設(shè)計(jì)主要采用MFC單文檔作為實(shí)際的設(shè)計(jì)構(gòu)架，并對相關(guān)功能欄進(jìn)行優(yōu)化，以此確保其符合系統(tǒng)應(yīng)用需要。

4.1 視圖的設(shè)計(jì)

視圖部分設(shè)計(jì)需進(jìn)行功能性拆分，根據(jù)不同的設(shè)備使用功能來拆分為多個(gè)視圖部分結(jié)構(gòu)。而后對實(shí)際的視圖部分進(jìn)行系統(tǒng)模型的視圖分析，從而根據(jù)實(shí)際的仿真結(jié)果來進(jìn)行可視化窗口的輸出。該系統(tǒng)主要應(yīng)用二維平面成像技術(shù)，通過仿真結(jié)果對相關(guān)的數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，繼而使其與二維平面數(shù)據(jù)保持一致，以此提高視圖設(shè)計(jì)效果，該視圖設(shè)計(jì)亦能夠用于一維方向視圖顯示。

4.2 菜單的設(shè)計(jì)

參數(shù)設(shè)置子菜單下的5個(gè)菜單項(xiàng)涵蓋了準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的曲面建模、網(wǎng)格剖分，近/遠(yuǎn)場選取和工作頻率等所有的參數(shù)設(shè)置，每一個(gè)菜單項(xiàng)關(guān)聯(lián)了一個(gè)對話框。在界面與媒質(zhì)參數(shù)設(shè)置對話框中，在界面參數(shù)設(shè)置表格中可以添加或刪除準(zhǔn)光學(xué)曲面，表格第一列中的序號代表了該曲面在準(zhǔn)光系統(tǒng)建模中從饋源到近場的光路中的排列順序，物理光學(xué)的中的饋源的波陣面將按照該順序依次傳播到各曲面界面上。對于每一曲面建模，需要設(shè)置的參數(shù)有11項(xiàng)。在對話框中左下角的文本框中有對曲面建模的形狀和曲面參數(shù)的相關(guān)說明。媒質(zhì)的數(shù)目比曲面的數(shù)目多一個(gè)，每添加一個(gè)曲面，媒質(zhì)參數(shù)列表中會在相關(guān)的位置序號處自動增加一項(xiàng)；每刪除一個(gè)曲面，媒質(zhì)參數(shù)列表中相關(guān)位置序號出的媒質(zhì)參數(shù)會自動刪除。

5 結(jié)語

現(xiàn)有準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的并行物理光學(xué)仿真技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，雖應(yīng)用效果較好，但流程較為繁瑣，同時(shí)應(yīng)用難度較大，需在現(xiàn)階段的應(yīng)用過程中逐步地根據(jù)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)研究需要做出優(yōu)化與調(diào)整，從而使其能夠有效地在準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用過程中切實(shí)地發(fā)揮實(shí)際作用，以此為準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)研究、應(yīng)用與發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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