针对增强现实系统中的标定问题, 提出了一种光学透射式平视显示系统标定方法.分析系统中各组成部分之间的关系, 定义不同的坐标系.由于在标定时相机与光学显示系统会带来一定程度上的虚拟图像畸变, 因此在建立模型时, 将相机与光学显示部分的畸变考虑进去, 并进行校正.利用非线性回归估计方法对模型求解, 计算系统标定参数.这种结合光学显示图像畸变与相机成像畸变校正的标定方式, 提高了光学透射式平视显示系统的标定精度.实验结果表明, 本文标定算法的平均相对误差小于0.42%, 基本满足系统对标定精度的要求.

提出了一种基于语义目标匹配的三维跟踪注册方法。通过改进的单发多框检测(SSD)深度卷积神经网络对图像进行语义分割,获取场景中不同目标的像素级语义分割结果。在求取相机姿态的目标函数时,融合了图像的灰度约束与几何约束对相机的姿态进行估计。所提方法减小了特征点的缺乏或误匹配问题对三维跟踪注册算法性能的影响,且能够适应不同结构的场景。研究结果表明,该方法的误差不超过2.2 pixel,基本满足了实时性的要求。

为了实现对光纤光栅回波光谱分布的控制, 利用传输矩阵法构建了分段调制折射率的数学模型。 通过在各个分段中以不同形式的折射率调制组合实现对回波光谱分布的控制, 研究了基于不同折射率分布条件下的谱形特性, 为实现获取任意形态的Bragg光谱分布提供了理论支撑。 系统结合耦合模理论与矩阵传输算法, 当分段后子光纤光栅尺寸符合边界条件时, 即仍可应用耦合模理论计算, 同时又可以将多段的耦合方程以正、 反向模式的形式通过矩阵函数进行表达。 由此可知, 虽然任意折射率调制组合构成的整个光纤光栅不具备通解形式, 但分段后的子光纤光栅具有可解析的特性, 同时再利用矩阵传输算法可以将m段子光纤光栅的正反向模式进行计算, 就能将任意形式光纤光栅的折射率调制函数转化为传输矩阵组, 再对其反射率分布场进行解析。 最终, 可以得到整个光纤光栅的等效正、 反模式, 即实现回波光谱分布的控制。 由理论部分可知, 回波光谱分布特性主要受正反向导模耦合系数、 纤芯位置、 分段数决定, 可由(z)和k(z)表示。 通过MATLAB仿真分析可知, 两参数在(0, 1)范围内对反射率函数具有明显的调制作用。 随着控制参数阶数的增大, 反射率调制斜率也会增大; 当k(0.38, 0.48), (0.52, 0.58)时, 反射率调制符合单调特性。 从而得到了不同控制参数条件下反射率函数的分布变化, 讨论了耦合系数对回波谱形控制的量化效果。 实验利用AVESTA公司的Ti: Sapphire飞秒激光器完成了四种不同结构光纤光栅的制作, 采用了四种折射率分段调制的FBG结构, 分别是: ①在m段中Λ1和Λ2交替均匀分布; ②在m/2段中Λ1和Λ2交替均匀分布, 其余段随机分布; ③在m/2段中Λ1和Λ2随机分布, 其余段也随机分布; ④在整个光纤光栅段折射率随机分布。 对以上四种FBG的回波光谱分布进行测试与比较, 可知采用分段折射率调制对Bragg光谱特性的作用效果。 实验结果显示: 当以矩阵组形式的FBG若在m段分布时, 则与传统串联型均匀FBG测试效果一致, 具有两个明显的Bragg特征峰; 而矩阵组在m/2段中分布时, 测试光谱仍能明显获取折射率调制特征信息, 即存在两个Bragg特征峰, 但峰峰值减小, 噪声谱增大, 半宽变窄。 同时, 相比交替模式而言, 随机分布形式此种变化趋势更为明显。 由此可见, 通过控制矩阵组分布对回波谱形中特征峰值、 半宽及功率谱进行调制。 该方法在预先设计折射率调制矩阵的条件下, 可以对Bragg光谱分布进行精确控制, 实现目标回波谱形的获取。

高级多电平调制格式在海上高速和高光谱效率的光通信中已经显示出巨大的潜力。将正交相移键控(QPSK)调制格式引入自由空间光(FSO)通信, 实验证明可实现高达50 Gbit/s的高速FSO传输链路, 能够清楚地观察到所发送的QPSK信号的眼图和星座图。通过比较传输之前和之后的误码率曲线, 可以发现接收灵敏度都小于-36.7 dBm。当误码率为3.8×10-3时, 它们的功率损失都小于4.2 dB。

为了对望远光学系统实现横向超分辨成像, 设计了一种高斯特列尔比的二维多项式函数形式的位相型光瞳滤波器, 分析了其对光学系统焦点附近光强分布的有益影响。理论分析表明, 加入滤波器之后, 与无滤波器时相比系统横向光学分辨率提升了1.33倍, 同时斯特列尔比为无滤波器时的0.75倍。给出了该种滤波器与典型的三区型、四区型和一维多项式位相型光瞳滤波器的对比, 从对比结果可知, 二维多项式型滤波器的斯特列尔比为几种滤波器中的最优, 且其横向分辨倍率仅次于四区型滤波器, 但四区型滤波器的斯特列尔比过低, 不适合应用于望远系统。研究了入射光视场角对应用该种滤波器的望远光学系统成像效果的影响, 视场角不大于±4°时, 具有较佳的超分辨效果。

为了提高驾驶员在车辆行驶过程中的安全性,设计了一种结合图像语义分割的增强现实型平视显示(AR-HUD)系统。首先,提出一种改进的单发多框检测器网络对道路场景图像进行语义分割,网络前端采用VGG-16提取图像特征,网络后端对获取的特征图进行上采样,从而对特征图进行像素分割。通过对网络的训练,得到场景目标的像素级分类结果,即环境的语义内容信息。随后,通过分析真实场景、光学显示系统、驾驶员之间的关系,将计算机产生的虚拟信息叠加到真实场景,并将显示内容注册到驾驶员视野中,从而提高行车安全。实验结果表明,语义分割算法的准确率能达到77.8%,虚实注册算法处理每帧图像的时间平均为45 ms,约22 frame·s ^-1。

提出一种增加轴锥镜对的同轴反射式光学结构激光发射天线方案, 通过对入射光束的光强重新排布, 降低同轴反射式结构固有的中心遮拦造成的能量损失, 提高光能利用率.运用衍射光学原理分析并模拟了单色高斯光束经过轴锥镜对后传播至天线光阑平面处的光场分布, 比较了普通同轴反射式天线和高光能利用率天线在不同入射光束腰半径、不同线遮拦比下的发射光能利用率.结果表明: 高光能利用率天线在线遮拦比0.1和0.25的情况下, 通过合理调整入射光束腰大小, 光能利用率分别可达到99%和96%以上, 远高于传统的同轴反射式天线.分析了高光能利用率天线发射光束的远场光强分布, 发现其进入接收天线口径内的光场可近似为平顶分布.

为了实现对被伪装网覆盖的被测目标进行有效探测, 提高目标识别系统的反伪装能力, 设计了基于电光和磁光双调制的目标识别系统。 系统由起偏器、 电光调制电路、 磁光调制电路、 检偏器、 光电探测器等组成。 推导了基于电光调制与磁光调制组合形成的调制函数, 并在矢量分析的基础上, 计算了电光调制参数δ与磁光调制参数θ对回波光强函数的影响。 实验以边长1 m的正方形钢板为测试目标, 与两种常用伪装网配合在不同背景环境中进行反伪装目标探测。 对不同偏振角条件下的回波光强响应电压进行了测试与分析。 结果显示, 目标与伪装网均存在明显的响应峰值, 但由于目标位置及角度不同峰峰值位置有所不同, 而背景不存在较强的响应值。 故在整个磁光调制周期内, 可以获得响应电压极值信号, 从而识别伪装目标。 对不同波长条件下的回波光强响应电压进行测试可知, 光源波长的改变对回波峰峰值与背景噪声具有一定的影响, 从而可以通过适当的调节光源波长实现提高目标图像信噪比的目的。 总之, 该系统在目标有伪装网覆盖的条件下仍能较好地区分目标及背景, 具有很好地反伪能力。

为了解决传统光纤光栅测温系统中单根光纤上带光纤光栅探头数量少、 回波光强弱以及复用能力差的问题, 设计研究了基于啁啾光纤光栅的测温系统。 通过啁啾调制技术提高了回波光的带宽, 从而增强了信号的可处理性并大大提高了带探测点位的数量。 推导了啁啾调制的光栅周期表达式, 给出了调制方法及波长范围。 实验采用LPT-102型宽带光源与F-P光纤解调仪等, 调制带宽为1 535.0～1 555.0 nm, 并结合WR-201型温度传感器作标定。 对20～60 ℃范围内每1 ℃改变进行测试, 实验结果显示, 传统光纤光栅探头与啁啾光纤光栅探头的测试温度误差相近, 都符合设计要求。 相比而言, 啁啾FBG的测试数据对应的波长偏移具有较为明显的单调线性的特征, 即数据稳定性更高, 同时, 采用啁啾FBG的系统带光纤光栅探头数量明显优于传统光纤光栅测温系统。 由此可知, 本系统在不增加光纤个数及不降低温度测试精度的基础上, 实现了大幅提高带探测点位数量的设计要求。

针对星敏感器跟踪过程的稳定性对星敏感器整体性能的影响, 讨论了如何利用跟踪过程中前后两帧星图上的星点位置信息进行匹配识别的问题。为了使跟踪过程具有较高的稳定性, 分析了现有星跟踪过程中匹配识别方法的优缺点, 提出用“先排序后双向递推匹配”的方法来获得在“参考星邻域内出现多颗观测星”时的成功匹配能力, 从而增加每一帧快速星跟踪时被成功跟踪恒星的数目; 同时通过引入先确定视场边缘区域, 再选取有效参考星进行匹配的思想, 有效地减小误匹配发生概率, 进而保证匹配的有效性。在外场对某星敏感器从初始姿态运动到最终状态的跟踪进行了实验, 对蒙特卡洛法生成的全天球100个视轴方向进行星跟踪的对比分析结果表明: 在姿态运动角速度较大时, 利用本文提出的匹配识别方法, 平均可实现约91.44％的快速星跟踪; 而利用相应的对比方法, 平均只能实现77.18％的快速星跟踪。分析显示本文提出的匹配识别方法具有重要的工程应用价值。