运动相机相对位姿估计是基于机载光电平台进行视觉定位的关键技术。在大倾角、小交会角等典型受限观测条件下，相机位姿估计精度易受姿态角误差和像点提取误差的影响，使目标定位精度难以满足应用需求。针对惯性测量单元测量角度随时间发生漂移，且惯性测量单元与相机安装关系标定繁琐的问题，提出了一种惯性测量单元与相机固联安装下的对地定位方法，无需标定相机和惯性测量单元之间的安装关系。首先，利用固联安装的惯性测量单元为运动相机提供相对旋转角信息；然后，根据1个相对旋转角和4个同名点估计运动相机的相对位姿；最后，采用投影矩阵交会法线-线交会出目标的空间位置。仿真和飞行实验表明，在典型受限观测条件下，所提方法定位精度优于传统定位方法，具有高精度、高效率、强鲁棒性等优点。

高精度的目标实时定位对于无人机侦察和指引目标至关重要。但在大倾角、小交会角等受限观测条件下，机载光电平台对地定位精度难以满足任务需求。为提高受限观测条件下机载光电平台对地定位的精度，提出了一种基于观测平台位置和对目标激光测距的对地定位全局最优化方法。首先，根据地面固定目标的连续观测数据建立加权误差方程，再将非线性问题转换为特征向量求解问题，无需迭代优化即可求出全局最优解。然后，通过蒙特卡罗仿真分析定位方法受误差源的影响，并通过多次飞行实验验证了该定位方法的有效性。实验结果表明，在受限观测条件下，所提方法对地定位误差低于30 m，运算耗时不超过10 ms。本文方法具有定位精度高、计算效率高等优点，以及较高的工程应用价值。

为了解决气浮光学平台在水平方向超低频减振的问题以提高超精密实验的产出质量,提出基于调谐液柱阻尼器(TLCD)的气浮光学平台流固耦合理论,用来实现最优调谐控制和实验精度的提升。首先对TLCD进行原理分析并推导出固有频率的设计范围;其次对TLCD气浮光学平台流固耦合系统进行建模及推导;接着对流固耦合系统进行响应特性分析及参数优化;最后对时域响应和光学实验进行验证分析。结果表明,当固有频率比一定时,存在一个最优阻尼比可以使减振效率取得最大值,共振峰处的减振效率达到66.76%;同时通过调控小孔板可以使TLCD减振系统适合宽频激励的工况,气浮光学平台动力响应的有效控制有利于提高实验精度,为超精密实验品质的提升提供了一种有效控制手段。

原子喷泉钟是具有重要应用价值的冷原子装置,紧凑型光学系统设计是研制可搬运冷原子喷泉钟的关键技术之一。介绍了一种以通用铝型材搭建的网格化光学平台,并基于此平台实现了 85Rb喷泉钟紧凑型光路。通过仿真,证明了该型材网格平台在二维方向均具有较好的力学性能。在该平台上,设计并搭建了四倍频移、注入锁定放大、冷却光路、再泵浦光路和探测光路等单元模块,满足了喷泉钟的所有要求。该网格平台面积为50 cm×50 cm,高度为2.5~3 cm。该光路实现了8个月以上的持续运行,功率的起伏小于5%。基于该紧凑型光学系统,完成了后续的 85Rb喷泉钟的物理实验和微波实验。

根据高精密光学系统的工作环境条件, 即要求车载光学平台具备良好的力学性能和隔振性能, 制定了车载光学平台的结构设计方案。通过ANSYS对车载光学平台进行了静态、模态分析, 获得静态应变及振动模态, 从而对车载光学平台进行优化设计。车载光学平台随载车进行了跑车试验和测试, 结果显示, ANSYS仿真分析结果与测试结果相近, 表明车载光学平台具有良好的稳定性, 保证高精密光学系统能够稳定工作。

为提高小型机载光电平台的目标定位精度,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的目标定位算法。根据机载光电平台锁定跟踪目标的特性,对同一目标进行多次测量。依据组合导航系统测量的载机位置、姿态信息及位置编码器测量的框架角位置信息,结合地球椭球模型确定目标的视轴指向。建立状态方程和测量方程,利用扩展卡尔曼滤波对目标的地理位置进行估计。采用蒙特卡罗法分析了测量误差对目标定位精度的影响,仿真结果显示:所提算法的精度较高,稳健性较高。采用飞行试验验证了该算法的有效性,当飞行高度为4300 m时,目标定位精度优于15 m。与基于地球椭球模型的算法相比,所提算法的目标定位精度明显提高。

为了提高无人飞行器机载光电平台的稳定控制精度, 针对单速率环控制的抗扰动性能不足, 设计一种基于双速率环的串级控制方法。提出采用以陀螺仪构成内环、以光电编码器微分构成外环的双速率环控制结构, 从其抑制扰动性能、鲁棒性能以及动态响应性能上与单速率环结构进行了理论对比分析, 最后进行了实验验证。结果表明, 该方法具有更好的抗扰动性、鲁棒性以及动态响应性能, 能有效地提高无人飞行器机载光电平台的稳定控制精度。

面向水中磷酸盐的现场、自动检测, 研制水中磷酸盐小型自动化光学检测系统, 基于钼酸铵分光光度法, 搭建磷酸盐光学检测平台。系统在 660 nm波长的光源照射下, 测试不同浓度磷酸盐溶液的光电流, 采用最小二乘法进行磷酸盐溶液的曲线标定, 并对检测系统的检测范围、重复性以及检测准确性等性能进行测试。实验结果表明, 在磷酸盐浓度为 0.01~0.7 mg/L范围内, 光学检测平台输出的光电流信号经自动检测系统处理后得到的吸光度值与磷酸盐的浓度呈线性关系, 线性相关系数为99.93%, 重复测试相对标准偏差优于 2%; 与商用磷酸盐手动检测系统进行比对测试, 测试相对偏差在 10%以内。研制的磷酸盐小型自动化检测系统日后可用于检测国家地表水质量标准中规定的 I~Ⅴ类水中的总磷含量 (0.02~0.4 mg/L)。

偏仰两轴反射镜光电平台通过控制光路中反射镜的转动实现视线的角位置跟踪。实时测量视线和视轴的角误差是完成角位置跟踪的前提。传统的光电稳定平台将探测成像系统安装在稳定平台上，所以目标像在图像平面中的脱靶量等于视线角误差。反射镜光电平台采用探测成像系统和平台分离的结构形式且光路发生折转，使得目标脱靶量不再等于视线角误差。基于光学反射定律和等距坐标变换，对反射镜光电平台的视线角误差计算进行了研究，得到目标脱靶量和视线角误差的映射关系，并且可以将其近似为关于外框架角的旋转变换。通过数值仿真和样机实验验证了分析结果的正确性。

分析了冲击、振动对车载精密光学系统的影响,指出了光学平台的变形和振动是影响车载精密光学系统精度和稳定性的主要因素,提出了车载光学平台隔振系统设计方案。采用ANSYS有限元方法分析了光学平台隔振系统的振动模态,完成了车载状况下的光学平台振动测试。分析与测试结果表明,该车载光学平台隔振系统具有良好的稳定性,且对环境强振动有很好的衰减作用。设计的技术方案及其振动测试, 对于各种车载精密光学系统和设备具有重要的工程应用价值。