为提高球面激光直写图形线宽均匀度,提出了球面激光直写四轴同心结构和同心扫描光学系统的方案.这种方案使得激光束经水平轴、垂直轴、光轴和工件中心轴相交于球心,经球心反射镜反射到球面工件表面上,形成激光曝光光斑.采用微小离焦探测和复合闭环控制的自动调焦技术与计算机并行工作的控制方法,确保了球面工件以垂直轴为轴心沿水平方向精密匀速旋转;激光笔绕水平轴以俯仰弧形轨迹移动且精准定位;激光束经写入物镜和调焦系统始终以圆形光点聚焦在球面上,实现了对球面任意纬度连续激光直写线条精度的可靠控制.原子力显微镜检测分析结果表明,在球面上激光直写出约3(m宽线条,线宽均匀度10%左右.

对激光剥离Al2O3/GaN技术,建立了紫外脉冲激光辐照过程中GaN外延层内热传导理论模型.计算分析了不同能量密度脉冲激光辐照时,GaN外延层内的温度场分布,由此得到激光剥离的阈值条件.采用紫外KrF准分子激光器对Al2O3/GaN样品进行激光剥离实验,样品表面显微镜和端面扫描电镜(SEM)测试照片说明,计算结果与实验现象相符. 进一步分析表明,脉冲激光的能量密度和频率是实现激光剥离的关键参数,适当选取这些参数能将GaN材料内的高温区控制在100nm以内,实现高效低损伤激光剥离.

本文对毛细管放电产生类氖氩46.9nm激光进行了实验研究.实验中发现毛细管放电装置中布鲁姆林(Blumlein) 传输线所产生的固有预脉冲对软X光激光的产生及稳定输出都有十分不利的影响.为了消除这种影响,提出了用外加隔离开关和隔离电容的方法消除固有预脉冲.经过实验验证,确定了隔离开关和隔离电容的最佳位置.结果该方法能够有效隔离固有预脉冲,使整个放电装置达到稳定运行.在此基础上,得到并改善了毛细管放电类氖氩46.9nm激光输出.

以某型号电视制导导引头为背景,针对载体上光电跟踪系统的特点,设计研制了一种新型四轴精密光电跟踪转台.在介绍转台主要性能指标的基础上,从系统机械谐振、结构建模、元部件选型计算方面进行了详细分析和设计,给出了基于高速DSP控制器和数字滤波的复合闭环伺服控制策略和实现方案.实验测试结果达到预先制定的设计指标和精度要求,表明了系统设计方案的实用性和有效性.所设计转台能够在实验室条件下模拟弹、箭制导导引头和机载光电成像跟踪系统等的动力学特性和各种运动姿态,为实际系统的研制和改进提供重要参考依据和实验数据.

提出了基于多尺度Retinex(MSR)和边缘提取实施彩色图像融合的一种新方法.多尺度Retinex算法具有突出图像中阴暗区域信息的功能,采用边缘检测的方法提取图像中阴暗区域,将原图像阴暗区域的像素替换成多尺度Retinex增强图像的像素实现彩色图像融合,得到的新图像信息更丰富.在提取闭合区域时,提出了区分真断点和准断点的技术,改进了闭合边缘提取的方法.进而对融合的新图像进行了深入研究,获得埃及Giza金字塔中最大的Khufu金字塔阴影的几何信息.

按照参量振荡器的基本原理,从理论上设计了一个太赫兹参量振荡器.根据动量守恒、能量守恒条件以及相位匹配条件,应用铌酸锂(LiNbO3)晶体,给出了理论设计过程.画出了频率在太赫兹波段,波长与折射率的关系曲线,分析了太赫兹参量振荡器的非共线相位匹配条件,确定了晶体形状及其切割角、输出太赫兹波的可调谐范围,并画出了晶体为铌酸锂时相应的曲线,根据有效的输出功率,最后设计出最佳的太参量振荡器的结构.

为同步辐射光束线设计了一种新型的柔性铰链--直圆倒角复合柔性铰链.分析计算并通过实验验证了直圆倒角复合柔性铰链性能.与直圆柔性铰链相比,直圆倒角复合柔性铰链具有柔度大、转动精度高等优点,可在不损失精度的情况下大大提高微调机构的柔性;在要求最大转角一定的情况下,可大大降低对作动器驱动能力的需求,也使得机构内的应力大为减小.

由于塞曼效应中性原子的超精细能级在磁场中会产生塞曼分裂,且对于左旋和右旋圆偏振光原子能级的偏移不同,因此利用Zeeman效应的这种特性与饱和吸收相结合的方法对光栅外腔反馈的半导体激光器系统进行稳频.这种方法能够将激光频率稳定地锁在原子吸收谱线的峰值处,锁频后激光器不易失锁,用于激光冷却铷原子实验.

研究了基于主成分分析的多通道光谱图像获取硬件系统即多光谱相机的灵敏度优化问题.利用多维向量空间理论和主成分分析法,系统讨论了多光谱获取系统优化灵敏度的理论和方法.提出灵敏度优化向量的概念,将滤光片透过率优化和光源辐射谱优化两种方法统一起来.利用四种灵敏度优化向量进行了仿真试验,并给出了在主成分分析算法下的实验仿真结果.结论是:多光谱系统灵敏度优化向量的正交化设计是系统光谱图像获取的必要要求;窄带灵敏度中,交叠的灵敏度优化向量具有更好的光谱反射率信息获取能力;在有限数目的宽带滤色片中,挑选滤色片透过率向量可以得到较好的多光谱相机的灵敏度向量.

本文提出了一种适用于新型光纤智能结构的健康监控系统.该系统包含硬件和软件两部分.系统的硬件部分由光源组、光电探头、监控主机及PC机组成,配合编制的软件工作.系统的软件分为监控主机软件和监控计算机软件,监控主机的程序一方面完成光电信号采集、模/数变换和显示控制;另一方面,还负责与PC机通信,创建光纤智能结构健康日志.利用该监控系统对内嵌光纤传感网络的复合材料结构试件进行加载和损伤位置判定实验.实验结果表明,利用该系统能快速准确地对光纤智能结构的承载、损伤、破坏等状态进行监控.与传统的结构检测系统相比,该系统具有判断准确、实时、光路切换稳定以及远程控制等特点.

讨论了如何利用数字信号处理技术提高激光雷达的目标探测能力.采用三脉冲累加技术提高信噪比1.732倍.根据三脉冲激光雷达回波信号的特点,对信号进行差分滤波和匹配滤波处理,信噪比提高约1.5倍;根据目标的相关性采用多帧相关检测对目标进行检测,通过多次的匹配,检测概率增加,虚警概率降低.外场实验结果表明,三脉冲数字激光雷达的威力大大提高,最小可检测信噪比为1.5,迎头截获距离可提高约2～3倍.

在讨论四元数及其基本运算、Rodrigues-Hamilton参数表示的四元数和四元数变换算子的基础上,给出了标准四元数的定义.基于标准四元数,推导了四元数方法表示的光线反射和折射变换算子,并给出了对应的计算公式,为复杂光学系统以及失调光学系统的空间光线传输计算奠定了理论基础.

提出了一种光电经纬仪单项差检测新方案,光电经纬仪以正镜瞄准不同俯仰角度目标测得的方位角与高精度经纬仪标定的方位角真值有一定差异,利用这种差异与光电经纬仪的照准差和不垂直度误差之间的内在联系,推导出光电经纬仪的照准差和不垂直度误差.新检测方案的单项差测量误差小于10″,对由于结构限制不能进行倒镜测量的机载光电测量系统单项差修正有实际意义.

光学元件加工质量的检测和评价工作是保证整个光学系统安全、正常运行的关键.在总结非球面常用检验指标优、缺点的基础上,讨论了测量大口径非球面的波前功率谱密度时的系统组成、工作原理和软件设计的总体思路.为了减少系统误差的影响,求解波前功率谱密度时,通过引入系统传递函数校正测量值来实现.使用大口径相位干涉仪作为波前检测仪器,证实波前功率谱密度能定量给出波前畸变的空间频率分布,并用于作为大口径光学元件质量的评价标准.给出一个测试口径为64mm(64mm光学元件测试结果,有效频率为0.03mm-1～3.87mm-1,rms为0.0064λ.

提出一种新的计算MIE散射系数的算法.该算法使用了改进的后向递推公式,可对MIE系数中的消光系数Kext和散射系数Ksca进行精确计算.由于新算法能显著地减少计算循环次数,因此明显缩短了计算时间.对广泛运用的递推法和连分式法进行了比较详细的讨论.并且把新算法的计算结果和已有的成果进行了比较.结果表明:(1)计算的循环次数与粒子的复折射率基本没有关系;(2)连分式得到的结果通常最准确;(3)新算法在尺度系数较大时(>1000),计算时间仅为连分式算法的10-2~10-3,计算的误差小于10-5;(4)算法的适用范围广,对于尺度系数从10-6到106,复折射率从从10-6到106都能很好地进行计算.

采用二阶矩束宽、桶中功率和光束质量参数作为特征参数,研究了大气湍流对厄米-高斯(H-G)光束远场光束质量造成的影响,并对其作了详细的数值计算和分析.研究结果表明,在大气湍流中,TEM10模光束的相对展宽小于TEM00模光束的相对展宽.在湍流不太强的情况下,例如Rytov变量小于9时,TEM10模的PIB小于TEM00模光束的桶中功率,TEM10模的光束质量参数大于TEM00模光束的光束质量参数.但是,随着湍流的进一步增强,TEM10模的PIB和光束质量参数值逐渐趋近于TEM00模的PIB和光束质量参数值.

对运动图像序列中的目标进行运动跟踪和估计,可以分别采用变形模型和弹性配准的方法,两问题的求解均可归纳为成本函数的最优化问题.提出了应用动态规划算法求解离散成本函数最优化的方法,把问题分解成多个子问题分别求解,并存储子问题的解以避免重复计算.该方法不仅可保证解的全局最优性,而且计算量小,有利于实现实时处理.在对临床X射线冠状动脉造影图像序列的实验中得到了满意的结果,匹配大约2000个点的血管骨架只需要一秒钟左右的时间.对运动场已知的模拟图像的实验证明运动估计误差小于1个像素(1像素=0.3mm).

针对管道弯曲度测量系统中照度不均匀的平面网格图像,提出了一种利用变分的自适应阈值分割方法.综合考虑图像的灰度分布和梯度信息,以图像的边缘点作为插值点,构造一个自适应的阈值曲面.在极小化阈值曲面能量函数时,使用变分方法化简Poisson方程,并利用逐次超松弛迭代法求方程的收敛解,从而产生稳定、光滑的阈值曲面,实现对照度不均匀的平面网格图像进行有效分割.为了验证该方法的有效性,进行了图像分割实验,选择超松弛参数为1.5,变分参数为26.并且与常用的最大类间方差法、迭代法和一维最大熵法进行了比较.实验结果表明,对于照度不均匀的平面网格图像,该分割算法的分割效果明显优于其他三种算法,它能准确地分割出平面网格图案.

分析和比较了捷联成像寻的器提取视线角及视线转率的实现途径,通过充分利用寻的器和惯导系统提供的角速率信息,推导了惯性视线角的一阶动态方程,并结合Unscented 卡尔曼滤波(UKF) 理论给出了视线重构滤波器设计方法.与传统的视线和视线转率滤波方法相比,本文所给出的方法无需应用成像寻的器无法观测的弹目距离和接近速度信息,也无需对未知目标机动进行建模,从而更方便于应用.仿真的结果验证了该方法可有效地重构视线角,从而进一步提高视线转率的估计精度.

提出了单位根假设检验可见光图像背景起伏平稳性的方法,理论上证明了时空域变化的广义平稳性.该方法采用ADF假设检验,从时域和空域分析背景灰度的变化,利用线性回归的方法进行协整性检验,从而得出结论.在平稳的基础上,使用相关长度刻划背景起伏的时空域相关性,得到两个结论.(1)一维指数模型的时间相关长度分析表明背景起伏具有强时相关性.并且这种强相关性集中体现在像素点灰度均值和相邻的有限帧(1～2帧).因此提出低阶AR模型(1～2阶)对这种特性进行描述,得到的模型参数可用于图像背景估计.(2)空间相关长度分析证实了背景起伏具有强的空域相关性.并且图像可以分割成若干个不相关的区域.总的来说,背景起伏具有时空域的双重平稳性和强相关性.

测角精度是光电跟踪系统中一项最重要的技术指标,通常是以校准塔和方位标为基准进行单项误差标定再综合,其过程繁锁、周期长.介绍一种基于星体标定的精度评价方法,建立了系统误差模型,分析了该方法的标定精度.以光电经纬仪为评价目标,研究了精度评定系统组成结构、试验条件、试验和数据处理方法.试验结果表明该方法具有标定过程简单、快速,标定精度高等优点,其标定误差小于3″.

通过分析三种主要变分去噪模型(调和、全变分以及广义全变分模型) 的优缺点,提出了一种基于全变分的自适应图像去噪模型.该模型根据噪声图像的信噪比,采用高斯滤波器对图像进行预处理,克服了全变分模型引入的阶梯效应;利用图像中每一像素点的梯度信息,自适应选取去噪模型中决定扩散强弱的参数p(x, y),使接近边缘处平滑较弱,远离边缘处平滑较强.数值实验表明,本方法在去除噪声的同时保留了图像的细节信息,取得了很好的降噪性能,其峰值信噪比(PSNR)在高噪声水平下,较其他变分方法至少提高1.0dB左右.

基于闭环控制器调整合成姿态角的融合原理,用DSP构建了数字融合滤波器.融合过程通过PID闭环控制器实时校正动力调谐陀螺仪测量的低频数据,再用该数据修正没有低频和直流分量的角速率传感器的测量数据,从而得到高低频段测量特性较好的融合数据.该过程实现了测量带宽高低不同两种惯性传感器的数据融合.融合滤波器的融合效果测试结果表明,融合后的数据除了在交接频率10Hz附近的测量特性与真实数据有误差(幅值最大衰减-4.5dB, 相移最大25o)外,在别的频段都与真实数据吻合得比较好.融合后的测量带宽可达到1000Hz,测量噪声为2.346( (RMS),因而其测量特性优于所选用传感器中的任意一种.在现有传感器不能满足要求的前提下,其应用为宽带宽惯性测量的实现提供了新思路,也为宽带宽惯性稳定系统的实现提供了前提条件.

在利用光电精密测速技术时,涉及复杂的空间光交汇计算,通用误差分析方法比较困难.在目标与光束垂直度适当的情况下,目标运动方向的偏差对测量精度的影响属于二阶小量.系统整体误差的主要来源为距离测量误差、时间测量误差以及光束不平行度产生的误差.分析得出,本系统在两光束间的不平行度( =100″,探测器对准精度为0.1mm的情况下,测量精度可以达到0.02%.

对主动标志灯与被动标志灯以及LD与LED的主要性能进行了比较,结果表明,主动标志和LED具有功耗低和稳定性强的优点.从LED的作用距离分析和发光强度分析两方面完成了LED用作标志灯发光器件可行性的理论分析.为了验证理论分析的正确性,进行了实验研究.使用中等分辨率摄像机做观测设备,在最低照度0.02lux时,辐射功率为6mW,辐射半顶角为25o的LED作用距离可以远至1.5km.理论分析和实验研究结果均表明,选用LED作为标志灯的发光器件可以降低系统功耗,提高系统的可靠性,对于实际空间交会对接有重要意义.

本文报道了在YAG激光器上运行一种新型的对撞型受激布里渊散射环形相位共轭腔,与通常的直相位共轭腔比较,该腔输出能量和输出峰值功率的大小和稳定性都有很大的提高.实验给出了不同参数条件下的输出能量以及峰值功率的大小和起伏情况.在泵浦电压为850~1000V时,峰值功率相对平均值时的相对起伏度在10%左右,输出能量的起伏度也不超过5%.线形腔同对撞腔相比,在相同的泵浦条件下,不论从输出能量和峰值功率的大小,还是从它们的稳定性,对撞型相位共轭腔明显地好于线形相位共轭腔.同时给出了理论模型,用MAPLE软件进行了模拟,结果与实验相一致.

采用传统设备结合虚拟仪器的方法,研制了一套宽可调谐取样光栅DBR(Sampled Grating DBR, SG-DBR) 激光器的波长测试控制系统.系统能自动向SG-DBR激光器提供电流扫描,同时对激光器输出的光谱数据进行采集、处理,生成SG-DBR激光器的"波长-电流"数据查询表;通过快速查找数据查询表数据,并对激光器提供相应驱动电流,准确控制SG-DBR激光器输出波长.系统数据处理采用了一种新颖的算法,利用输出光边模抑制比(SMSR) 来筛选激光器模式稳定工作点,确保数据查询表中的工作点数据均不会发生模式跳变.实验证明,本系统稳定、可靠,波长控制精度高,波长控制误差不超过±0.02nm.

X射线组合透镜是一种利用折射效应对X射线聚焦成像的新型元件.本文结合衍射理论和统计学理论,推导得出X射线组合透镜近焦点处的三维聚焦强度分布公式,并以此为基础对X射线组合透镜的结构参数进行设计.计算得出了PMMA、Si、Al三种材料的X射线组合透镜在不同工作波长下的强度增益、焦斑尺寸和焦深等聚焦性能指标.并针对PMMA材料X射线组合透镜,分析了近焦点处三维聚焦性能随组合透镜结构参数的变化关系,给出了一种PMMA材料X射线组合透镜的设计结果.根据设计的组合透镜结构参数,计算了当X射线工作波长为0.15nm时,X射线辐射经过组合透镜后的近焦点处的强度分布.

采用光线矢量法设计了两个相互垂直的椭圆截面柱透镜组来准直半导体激光束.利用多目标优化中的加权和法进行优化计算,并提出自适应加权系数优化法.此方法能根据计算结果自动调整加权系数,从而达到最佳的优化结果.计算结果表明,该准直系统可达到45μrad左右的发散角,远远优于其它截面柱透镜组(毫弧度数量级)的准直效果.同时两柱透镜间距取适当值,还可在远场形成圆形光斑.

基于TEM10模拉盖尔-高斯光束,推导了自由空间量子密钥分配的单光子捕获概率表达式,分析了低轨卫星-地面站间链路的单光子捕获问题.结果表明,采用TEM10模拉盖尔-高斯型高度衰减激光脉冲作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使得卫星上接收机以最大概率捕获光子.单光子捕获概率一般在10-1~10-3量级.与基模高斯光束相比,采用TEM10模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而产生单光子捕获概率的损耗.通过考虑大气湍流的影响,对单光子捕获概率的表达式进行了修正.

样点自动识别是生物芯片信息自动提取的关键.根据样点、噪声和背景特征的关系提出一种新的自动识别方法.使用数学形态学和均值算子相结合的方法实现图像的滤波增强和背景亮度的估计;通过对功率谱的分析实现图像的倾斜校正和样点中心的网格定位;利用样点边缘亮度与均方差的特征实现样点中心和半径的校正.多幅生物芯片处理的实验证明该方法具有良好的抗噪声能力和弱信号辨识能力,能快速、准确地实现样点自动识别.