自1986年光镊技术被发现以来, 光的力学效应的研究与应用成为了光学研究中的一个重要分支。不同于传统的显微镜构造的光镊平台, 基于环形芯光纤的光镊为更多维的粒子操纵提供了方便, 并能使得显微系统与操纵系统分开来。光镊能实现对粒子的捕获, 但如果要进一步地对粒子的姿态进行操纵, 就需要基于多芯光纤的光学微光手, 而如果想要将捕获粒子发射出去, 就需要基于同轴双波导光纤的光枪。介绍了基于不同种类光纤的光镊、光手和光枪的设计以及它们对粒子的操控效果。

研究了一种直接沉积在镍基高温合金上的薄膜热电偶传感器。针对航空发动机高温恶劣环境, 设计了传感器的膜层结构, 采用磁控溅射技术沉积 NiCrAlY薄膜过渡层, 以电子束蒸发和射频磁控溅射技术相结合的方法沉积 Al2O3薄膜绝缘层和保护层, 采用直流磁控溅射技术制备 Pt10Rh/Pt薄膜敏感层。测试结果表明, 薄膜热电偶传感器最高工作温度达 1100℃, 塞贝克系数 8.26μV/℃, 最大温度误差小于 1%, 使用寿命大于 20h。该薄膜热电偶能够承受恶劣的航空发动机试验环境, 显著地提高局部温度测量的精度, 对涡轮叶栅的寿命预期和冷却结构设计提供了参考依据。

为利用光热辐射技术定量检测材料亚表面缺陷的物性和结构参数, 采用有限元分析方法模拟计算了含缺陷材料的稳态波动温度场。通过分析含平底盲孔材料的光热辐射信号, 提出了确定盲孔深度和边界的经验公式, 揭示了光热辐射信号与缺陷形状、热学性质之间的关系。利用光热辐射技术检测直径分别为 1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm和深度分别为 0.2 mm、0.4mm的平底盲孔直径和深度。实验结果表明直径检测误差小于 15%, 深度检测误差小于 10%。光热辐射检测实验验证了借助有限元分析实现对缺陷定量检测方法的有效性。

设计了不同结构参数的几何拓扑结构, 对比分析了各几何拓扑结构的电磁屏蔽效能。建立了各几何拓扑结构的红外透过率公式, 用计算机图像处理和实验两种方法对其进行验证。用高频结构仿真软件(HFSS)对各几何拓扑结构进行仿真, 得到了不同几何拓扑结构在 12～18GHz波段内的电磁屏蔽效能。通过对比不同的几何拓扑结构电磁屏蔽效能的大小, 确定了在相同条件下, 电磁屏蔽效能最高的几何拓扑结构。采用光刻法得到十字形拓扑结构的实物, 用网络分析仪测试了其电磁屏蔽效能。对十字形拓扑结构的测试结果表明, 在频率增高时, 实测值和仿真值电磁屏蔽效能差值呈增大趋势。

红外系统的探测距离是光电系统的关键指标之一, 决定了系统的整体性能。在实验室条件下评估红外系统的探测距离, 不受天气、场地限制, 具有实际意义。从探测器的输出信号与黑体目标温度的关系着手, 推导了 NETD的表达式, 用 NETD表达了小哈德逊公式, 并验证了该公式的正确性, 用该方法推导的指标与理论计算指标的误差在 10%以内, 证明了该方法的可行性。

随着光纤技术的发展, 其在天文观测仪器中得到了广泛的应用。在天文观测仪器中光纤数目通常达到几千根, 当光纤空间排布的间距过小时, 输出光谱容易产生混叠的现象。在不改变结构的前提下, 用软件的方法实现混叠光谱的分离, 假定输出光谱的强度分布是高斯函数形式, 应用高斯函数拟合法实现了混叠光谱的分离。与光纤间距较宽时的输出光谱进行对比, 得到了较好的分离效果, 最小均方差为 1.43。结果表明该方法应用在混叠光谱的分离中是可行的。

空间中不同的目标具有不同的物理与几何特性, 雷达反射截面积(RCS)是空间目标的重要特性之一, 利用 RCS对雷达观测目标进行区分是雷达数据处理的重要手段。利用线性预测编码(LPC)技术对 RCS测量数据进行处理, 计算 RCS的 LPC系数, 以该系数作为特征向量, 对目标进行二分类识别率基本可以达到 80%~90%以上, 三分类识别可以达到 50%~ 80%以上, 可以有效提高雷达跟踪目标的自动分类, 实现高效半自动或自动跟踪。

主动声呐目标回波受海洋环境噪声干扰严重, 远距离探测回波信号弱, 目标方位估计准确度低, 并且传统基阵空间谱估计方法需要满足奈奎斯特采样率, 采集数据量大。利用信号的空域稀疏性, 以回波信号亮点模型为基础, 研究了基于压缩感知的空间虚拟阵列目标方位估计技术。在接收基阵物理孔径有限的情况下, 利用线性预测(LP)虚拟阵列方法提高阵列孔径尺度, 采用压缩感知(CS)算法对目标回波信号进行重构与恢复, 通过数据仿真分析表明该算法提高了基阵空间谱估计的分辨力, 有效地抑制了噪声干扰。

箔条云在电磁干扰领域应用广泛, 其具有成本低廉、干扰效果好等特点, 然而其电磁散射计算却存在诸多难点, 其中一个核心问题是箔条云的扩散建模。基于空气动力学的箔条云扩散仿真存在着很多尚未攻克的难题, 因此, 可以使用高速摄影的方式对箔条云的扩散过程进行研究, 在实际应用中, 如何从图片中识别箔条的长度, 成为了一个必须解决的问题。基于支持向量机算法和 HOG算法实现了图片中单根箔条长度的快速提取, 仿真实验表明, 提出的箔条长度识别算法准确率可达 99%, 单张图片识别时间小于 1s, 有效地提高了箔条云扩散过程中的几何数据的处理效率。

提出了一种基于级联神经网络的无人机目标关键点检测算法。该算法采用的网络由两部分级联而成: 网络 1负责对目标整体进行检测; 网络 2接收目标图像作为输入, 输出目标上关键点位置信息。针对现有方法通过加深网络提升准确性带来的低实时性问题, 该算法通过引入两种跨层级连接方式, 加强神经网络对全局信息的重利用, 提升关键点定位的准确性, 同时利用深度可分离卷积降低网络参数量, 提升实时性。经测试集数据验证, 该算法在复杂环境下关键点定位相对误差为 0.03, 在 NvidiaGeforceGTX1080ti上平均运行速度为 28f/s。在保证较高定位准确性的同时, 满足当前应用对算法实时性的要求。

通过分析现代海战对光电设备协同探测的迫切需求, 强调舰艇编队作战中体系探测效能提升的重要性。综述国内外研究现状, 指出了我国目前存在的问题与差距。以典型光电系统为例, 重点分析了光电协同探测中必须解决的协同跟踪、协同识别、协同被动测距等关键技术问题, 有针对性地提出了相应的技术解决途径: 基于深度学习的“分层有序”光电目标识别技术、基于模式相似性测度分析与灰色预测的跟踪技术, 以及基于多帧滤波的变模型红外被动综合测距技术。

自驱动微纳米马达能够自主运动, 在药物运输、生物传感、细胞分离、微手术和环境治理等方面有着重要的变革性应用前景。在简要介绍我们自驱动微纳米马达的基本概念、驱动机理、构建策略和研究现状的基础上, 重点介绍首次提出的生物相容性镁基微马达和在生物和环境介质中具有本征趋化运动行为的功能化精子微马达。然后, 演示了包括双面神粒子、单层管状和各向同性粒子等各种结构的光控微纳米马达及其独特的运动控制性能, 表明它们具备作为灵活的平台, 以高度复杂的方式操纵和组装微型/纳米货物。最后, 展望了应用于生物体中的微纳米马达应该具有强大的推力、特异性感知能力、外部跟踪能力和在血管等生理环境中的自我定位能力。

Nd∶YVO4晶体一般采用 808nm激光作为泵浦源, 但是其强烈的吸收导致了严重的热效应, 限制了激光输出功率和光束质量。采用了吸收相对较弱的 888nm激光作为泵浦源, 显著降低了 Nd∶YVO4晶体在高泵浦功率下的热效应; 结合自主研发的全光纤结构皮秒种子源, 利用再生放大器, 实现了脉冲宽度 12.1ps、重复频率 100～500kHz、最高单脉冲能量超过 250μJ的 1064nm皮秒激光输出。该再生放大器具备体积紧凑、脉冲稳定、单脉冲能量较高、转换效率较高、光束质量良好的优势, 可直接或继续放大后作为超快激光加工系统的光源。

冷原子干涉仪的原子冷却与囚禁过程对于激光的线宽、频率的准确性和稳定性有很高的要求。为获得满足实验需求的 780nm激光束, 利用 Rb87原子 D2线的精细谱线 5S1/2 F= 1. 5P3/2F= 3作为频率参考谱线, 用调制转移稳频方法(MTS), 获得无 Doppler背景的调制转移光谱。在实验中利用这个光谱信号作为误差信号可以将激光器频率稳定在铷原子参考频率上长达 20h, 线宽在 136kHz, 频率稳定度在 8.5′ 10-12(0.1s), 满足实验室冷原子干涉实验的要求。

惯性平台辅助的小视场星体跟踪器工作受气象条件、惯导精度、伺服测角精度等众多复杂因素的影响。为了能够量化分析各误差因素, 提高天文导航精度, 研究了星体跟踪器的星图模拟技术。根据星体跟踪器测星原理推导并建立了星图模拟的数学模型。依据该模型设计了星图模拟仿真软件, 仿真模拟了各误差因素对测星效果的影响。仿真结果验证了模型的正确性, 从而可以为星体跟踪器测星及天文导航算法设计提供理论依据。

以恒星作为观测基准来获取航天器的飞行姿态信息是现行方法中精度最高的一种方式, 其中恒星识别是关键, 即在恒星星表库中寻找观测恒星对应的导航恒星。研究了导航星特征库的构建和恒星识别方法, 提出了一种新的基于状态矩阵的全天球恒星识别方法。首先依据探测器探测极限星等的能力筛选出适用的恒星构建标准导航星表; 再基于标准导航星表和探测器探测视场角范围构建导航星特征库三角形矩阵; 然后基于探测器的位置和恒星个数构建识别的恒星角距观测三角形和导航星特征库三角形矩阵对应的状态矩阵, 并比较观测三角形角距和导航星特征库三角形矩阵里角距标识状态矩阵; 最后基于标识的状态矩阵标志提取对应导航星特征库三角形矩阵里的角距, 并与观测三角形角距匹配比较识别出观测恒星。模拟探测器的视场角为 10°×10°, 探测极限为 6.5等星, 导航星为 9040颗恒星。实验结果表明, 恒星识别时使用状态矩阵标识能减小匹配搜索的时间复杂度和空间复杂度, 提高恒星匹配识别效率。

粒子滤波广泛应用于水下物理场辅助导航中。针对传统粒子滤波算法中粒子退化的缺陷, 提出了一种改进粒子滤波算法。该算法在滤波中对导航定位误差和地形量测误差进行实时估计, 并根据估计结果对每一次粒子重采样策略进行调整, 使新生粒子在定位误差区域中随机分布的同时, 能向载体所处位置概率密度大的区域相对聚集。使用该算法进行水下地形匹配惯性导航的仿真中, 相较于传统滤波方法能在保证定位误差快速减小的同时, 避免由于粒子退化造成的滤波发散, 并有效提高了最终滤波精度。通过该方法, 长时间使用纯惯导系统导航所积累的定位误差在 500s内由 900m下降到 50m内。在未来水下多物理场辅助导航领域将具有广泛应用前景。