针对空间相机中优质轻型光学反射镜对材料提出的要求,详细讨论了设计基于SiC材料空间反射镜的一系列问题,包括径厚比的选择、支撑点数量、轻量化结构形式、材料特性匹配等,提出了一种背部半封闭、三角形孔的轻量化形式,并设计制造了Φ600 mm轻量化SiC反射镜实验件.抛光后反射镜面形精度优于λ/20 rms.为验证重力变形的影响,将反射镜分别旋转了90°和180°,用Zygo干涉仪检验,3个方向检测结果误差均小于λ/100 rms.在此基础上设计完成了某空间相机中的SiC非球面主镜、次镜、第三镜,结果表明基于SiC材料的反射镜在重力变形、谐振频率、热变形等方面均能满足使用要求,而且与玻璃材料相比,在很大程度上降低了重量.

大气光学特性具有复杂的空间和时间变化特性,它对激光工程的影响不能简单地评价.要透彻地了解激光工程系统在使用地区受大气影响的全貌,必须全面地分析各种可能的大气状态下激光传输的效果,使用概率进行评价.以合肥骆岗机场近地面0.946μm的激光水平传输2 km为例,在全年大气条件下从大气分子吸收、大气气溶胶粒子消光和大气湍流效应各方面详细分析了传输效果,得到了传输效果的概率分布特征,说明了大气对激光工程影响的复杂性,为相关应用分析提供了示范.

针对国外新一代高速导弹的特点,结合红外成像探测系统要求及其工作环境,开展凝视红外成像探测系统在高速导弹上应用的性能测试和评估方法研究,提出了高速导弹气动光学效应环境的分析与测试方法和气动光学效应下的末制导探测系统性能测试评估方法,并通过风洞试验、数学仿真和实验室性能测试试验进行红外成像末制导系统各项性能的测试,从而全面评估红外成像末制导系统在高速导弹中的应用性能,为开展凝视红外成像末制导系统的设计和优化提供了重要依据和指导.

分析了由于卫星平台颤震导致的空间相机分辨率下降的原因,阐述了进行空间相机稳像补偿的必要性及国内外现有技术方法与途径.提出了利用高速CCD获得光轴颤震偏移矢量、微机械像面移动补偿的空间相机稳定成像新方法.给出了光路结构设计方案,提出了光轴偏移量探测的软件算法.研究结果表明,该方法的颤震探测精度可以达到0.1～0.2像素,补偿精度可以达到亚像素水平,对空间相机在颤震卫星平台上获取高分辨图像具有一定价值.

FY-2扫描辐射计是中科院上海技术物理研究所研制的我国风云二号静止气象卫星的主要载荷之一,为确定其响应率,中国科学院安徽光机所对FY-2(05)扫描辐射计进行了辐亮度法定标和Langley法定标,并对定标所用的5种反射率的漫反射板均匀性、反射比、BRDF性能进行了检测,给出了基于辐射标准传递的辐亮度定标的基本原理和数据处理方法,以及辐亮度定标和Langley法定标结果,综合不确定度为6.0%～6.4%.同时,提出了独立于相对光谱响应函数的基于标准探测器的反射比定标法,并与辐亮度法和Langley法进行了对比分析,其定标结果具有一致性.

在介绍国外光谱探测及识别技术现状的基础上,针对光谱识别技术在红外制导方面的应用前景和趋势进行了分析,阐述了该技术在提高制导精度、抗干扰、降低成本、提高现役**性能方面的优势和可行性;探讨了红外光谱目标识别技术的机理和方法,特别对红外光谱目标特征、光谱识别模式方法、光谱探测技术途径和整个系统需要突破的关键技术方面给出了自己的见解,提出了几种红外制导光谱识别技术方案,为今后开展相关技术研究和开发打下了基础.

介绍了空间目标与深空环境红外特性物理建模的基本方法,建立了卫星和深空背景的红外辐射特性理论模型,在此基础上首次从物理现象的角度初步实现了空间目标及其深空环境的动态景象生成.研究结果对空间目标的探测具有一定的参考价值.

由于红外伪装技术在很大程度上削弱了当前对目标的红外识别能力,提出一种用红外偏振技术增强对伪装目标的识别能力的新方法.在8～14μm波段,在特定的环境条件下对一个红外伪装目标和背景的红外偏振特性进行了研究,分析两者的强度对比度和偏振度对比度,结果发现,目标与背景的偏振度对比度远大于二者的强度对比度.这一结果表明,红外偏振技术在提高红外探测系统的侦察和识别能力方面具有十分重要的研究价值.

大气状况是影响地面目标红外特性的一个重要因素,在对影响目标表面温度环境因素分析的基础上,重点讨论了大气透明率对目标表面温度的影响,同时简单讨论了大气对红外辐射的衰减,最后把两者结合起来,讨论了大气透明率对目标红外辐射特性的综合影响.结果表明,虽然大气透明率的提高可能会造成目标白天表面温度的降低,但是由于大气对红外辐射的衰减作用,总的效果还是大气透明率越高,目标到达太空红外探测器上的辐射亮度越大.

针对中波640×512元红外焦平面探测器设计了一套1:20小型高分辨率连续变焦热像仪,对热像仪的光学系统和系统的灵敏度等进行了设计和计算.设计结果表明,连续变焦红外热像仪具有变倍比大、分辨率高、灵敏度高、体积小、像质好等特点,满足设计要求,可用于机载光电探测和跟踪系统.

为了满足长波红外导引头抗干扰的需要,通过对目标和诱饵弹的红外特性的分析,得到了长波红外导引头中目标和诱饵的图像特征,提出了一种在小目标阶段对抗诱饵的方法,并给出了在跟踪状态下对抗诱饵弹的算法流程.算法立足于目前的导引头跟踪体制,计算量小,能够满足导引头实时处理的需要.

简单回顾了光纤陀螺30年的技术研究和应用情况;介绍了光纤陀螺的基本原理,总结了光纤陀螺的特点和关键应用技术;以光纤陀螺在光电探测和卫星观测系统中的应用为主要背景,详细介绍了具有代表性的LN200系列光纤陀螺惯性系统的技术特点和应用情况;同时介绍了光纤陀螺在机载红外前视、红外天体观测平台和高精度对地观测卫星中的典型应用,为光纤陀螺在相关领域的应用提供了参考和依据.简单总结了我国光纤陀螺的发展和应用情况.经过30年的发展,光纤陀螺及相关技术已达到很高的水平,已成为惯性系统的主流和首选仪表.

分析了TEA CO2激光器和差分吸收雷达的工作原理,研制了一种新型双通道放电激励折叠腔TEA CO2激光器.详细分析了折叠腔TEA CO2激光器的结构及其设计特点.对影响气体快放电过程的各种因素,如储能电容与峰值电容的比值、工作气压、充放电电感及输入电压的范围等进行了实验研究,确定了充放电谐振回路的最佳参数,实现了双通道的稳定辉光放电.对激光器输出能量与激励电压、混合气体工作气压等参数的关系进行了实验研究,得到最大输出能量约为722 mJ.

研制了一种新型的采用直驱交流伺服电机的光栅选线TEA CO2激光器快速调谐系统,进行了一系列实验研究,包括系统调试实验、单脉冲运转调谐实验和快速调谐实验.实验共得到85条调谐输出谱线,单脉冲能量超过10 J的有18条谱线;在动态快速触发情况下,分别在60 ms和20 ms内实现了整个CO2激光光谱范围任意两条谱线和同一个跃迁带内相邻两条谱线的快速调谐输出.该方法可应用于高功率、大范围可调谐TEA CO2激光器的快速调谐,对高功率高重复频率可调谐TEACO2激光器研制中的快速调谐输出设计具有较高的参考价值.

激光近炸引信距离控制精度是导弹炸点控制的保证,是实现引战配合的前提,是激光引信研制生产中的一项重要技术指标.目前,激光近炸引信距离控制精度测试主要利用"推板法"由人工完成.而激光测距机测试中采用的光电法由于存在最小启动距离问题也不满足激光引信测试要求.针对上述问题,提出了一种新的光学测试方法,并从理论上证明了该方法工程实现的可行性.

提出了激光陀螺量化过程的概率分布模型,在此基础上,分析了量化过程对激光陀螺性能的影响,并给出了量化前后陀螺数据均值和方差之间的关系.仿真实验发现,量化前后陀螺数据的均值符合得较好,但方差却没有简单的对应关系,结论对分析激光陀螺的实际性能有着重要的意义.

热稳定性是半导体激光泵浦固体激光器(DPSSL)的重要问题,对出光功率、光束质量以及总体稳定性等都有严重影响.研究了热稳定腔的热稳定性条件,采用临界腔的方法实验测量了不同调Q频率激光振荡的热稳定区.结果表明:随着激光调Q频率的提高,激光的热透镜焦距变长,热稳定区变宽.研究结果对热稳定性理论进行了补充,为非线性效应等脉冲激光应用的腔型设计提供了有益指导.

对目前世界各国装备和在研的主要激光制导导弹和制导**进行了综述,针对激光半主动制导、激光驾束制导和激光指令制导体制,分析了各类激光制导**的特点、关键技术和典型应用,结合近年来的实战与各国的研制情况,对新世纪激光制导**的发展方向进行了预测与展望.

为了验证激光诱导离解光谱技术在月球环境条件下月壤成分现场探测的可行性,设计了一套实验模拟装置,以合成月壤样品为检测目标,Nd:YAG激光器为光源,线列CCD光栅光谱仪为光谱的采集系统,真空罐模拟月球气压环境.用高纯度Fe2O3,Al2O3作为标准参考光谱样品提高识别精度.实验结果说明在模拟环境下利用激光诱导探测手段能够采集到样品的原子发射光谱,并完全可以定性识别物质中含有的成分.

随着CCD探测器在诸多领域的广泛应用以及相应激光干扰、损伤效应研究的不断开展,使得对其干扰、损伤效果的评估成为一项很有意义而又亟待解决的研究课题.由于探测器传递给我们的最终是一幅图像信息,因而从图像质量评价的角度对干扰效果进行评估.通过总结以往图像质量评价方法的优缺点,得到了一种基于视觉加权的相关度图像质量评价方法.实验结果表明,该方法不仅能较好地体现激光干扰效果,而且与人的主观视觉特性也有较好的一致性.

报道了半导体抽运的Nd:YAG叠片热容激光器的理论与实验研究,并用热容激光器的理论模型计算了在一定的工作时间和介质温升内激光输出特性,用Zemax软件对其抽运结构进行了模拟计算.实验中采用的4片Nd:YAG晶体尺寸均为63.5 mm×38.5 mm×7 mm,抽运平均功率约110 W,重复频率为10 Hz,占空比为0.2%,获得了最大19.1 W的1 064 nm激光输出,光光效率约17.4%.最后对两种抽运结构的叠片激光器进行了比较,提出了下一步的改进方案.

设计了一种基于相位调制器的用于产生光脉冲和电微波信号的光电振荡器.该方案采用直调激光器配合相位调制器产生大啁啾并由DCF压窄输出光脉冲.利用偏振分束器和合束器在不增加有源器件的基础上形成双环路结构抑制微波信号的边模.该系统可以产生9.8 GHz的重复频率,脉宽小于12 ps的光脉冲同时输出该频率的电微波信号.测得相位噪声为-105 dBc/Hz@10 kHz,Q值大于1010.

作为应用于第三代同步辐射光源的一种重要X射线元件,复合折射透镜成为近年来X射线光学研究的热点之一.平面抛物形折射透镜是复合折射透镜的重要一种.研究过程中,考虑到X射线衍射仪的特定检测环境及随后加工上的技术要求,优化设计了透镜各个参数,用ZEMAX软件对透镜进行光线追迹,模拟验证了设计结果.单组透镜的几何孔径为250 μm,焦距为30 cm.共设计30组透镜,透镜个数从1个变化到30个,相应的抛物形顶点处的曲率半径从1.23μm变化到37μm.在光子能量为8.05 keV条件下,透镜的理论透过率从43.3%变化到33.2%.焦斑直径均在微米量级.采用紫外光刻微加工技术,制作了SU-8光刻胶平面抛物形折射透镜.透镜厚度为224 μm.透镜光学性能的测试正在进行中.

为了实现对MEMS变形反射镜的静态形貌、动态离面变形及谐振频率的测量,提出了一种基于计算机控制的频闪显微干涉测量系统.测试中采用频闪照明技术及5步相移技术实现了对干涉相位的测量,利用空间及时间相位解缠算法恢复了反映物体真实信息的连续相位,从而得到了所需的特性参数.实验结果表明:该系统具有测量简便、自动化程度高及测量精度高等特点.

针对中红外波段(尤其是2.94μm波长),选择合适的薄膜材料并结合适当的制备工艺参数,优化制备出了几种高破坏阈值2.94μm激光腔镜.使用了1.06μm和2.94 μm两种波长的激光对样品进行了破坏阈值实验.通过实验结果进行对比,总结出该波段高破坏阈值光学薄膜的一些独特性质以及镀制要求,得出一套有效地镀制高激光破坏阈值中红外薄膜的方案.所镀腔镜经过自制的自由震荡式长脉宽2.94μm Er:YAG激光器的使用检验,满足使用要求.

通过非线性效应,脉冲激光光谱可以大为扩展,得到应用价值很高的超连续谱(SC),借助光子晶体光纤(PCF),能方便地产生这种非线性效应.研究了光子晶体光纤的包层等效折射率、归一化频率与PCF结构参数之间的关系,这是PCF实现无尽单模传输的原因.通过类似于阶跃折射率型光纤的理论,得到了光子晶体光纤的折射率和色散的计算模型.依据此模型所做的模拟结果表明,脉冲激光光谱有显著展宽.

详细给出了基于Sutton模型分析气动光学效应的方法和步骤,研究的重点为亚音速机载光学平台,仿真的结果可以用于分析由于湍流边界层的影响而导致相干光束波前畸变的特性.结果表明随着马赫数的增大,Strehl比下降了52%,波前相差σ2φ增加了近375倍.当马赫数由0.2变化到0.6时,模糊角与光学衍射受限角之比θβ/θD增加了6%,而当马赫数从0.6增至1时,两者之比增加了近44%.

介绍了一种基于多光束原理的薄膜应力测试方法,通过对反射光光点间距变化的检测,可以实时得到应力的信息.其灵敏度优于2.5×106Pa,精度优于5%.该方案具有结构简单、测量速度快、适应性强等特点,与计算机自动控制系统相结合,可以应用于生产线的薄膜生长过程控制检测.

叙述了围绕第三代红外焦平面的需求所进行的HgCdTe分子束外延以及台面结芯片技术研究的一些成果.对GaAs、Si基大面积异质外延、p型掺杂以及台面刻蚀等主要难点问题进行了阐述.研究表明,7.6 cm(3 in)材料的组分均匀性良好,晶格失配引发的孪晶缺陷可以通过合适的低温成核方法得到有效抑制.在GaAs和Si村底上外延的HgCdTe材料的(422)X射线衍射半峰宽的典型值为55″～75″.对ICP技术刻蚀HgCdTe的表面形貌、刻蚀速率、反应微观机理、负载效应和刻蚀延迟效应以及刻蚀损伤进行了研究,得到了高选择比的掩模技术和表面光亮、各向异性较好的刻蚀形貌.采用HgCdTe多层材料试制了长波n-on-p以及p-on-n型掺杂异质结器件以及双色红外短波/中波焦平面探测器,取得了一些初步结果.

报道了新研制出的160×128元GaAs/AlGaAs多量子阱长波红外焦平面器件.使用MBE的方法在半绝缘的GaAs衬底上生长器件结构;开发了用普通光刻技术和离子束刻蚀法制备2D光栅技术,以及探测器芯片与读出电路互联技术.在77 K时测试,器件的平均峰值探测率D*λ=1.28×1010 cmW-1Hz1/2,峰值波长为λp=8.1μm,截止波长为λc=8.47μm.器件的非盲元率≥98.8%,不均匀性10%.

提出了利用分子束外延方法生长In0.5Ga0.5As/In0.5Al0.5As应变耦合量子点,并分析量子点的形貌和光学性质随GaAs隔离层厚度变化的特点.实验结果表明,随着耦合量子点中的GaAs隔离层厚度从2 nm增加到10 nm,In0.5Ga0.5As量子点的密度增大、均匀性提高,Al原子扩散和浸润层对量子点PL谱的影响被消除,而且InAlAs材料的宽禁带特征使其成为InGaAs量子点红外探测器中的暗电流阻挡层.由此可见,选择合适的GaAs隔离层厚度形成InGaAs/InAlAs应变耦合量子点将有益于InGaAs量子点红外探测器的研究.

利用激光诱导电流技术研究了InGaAs台面探测器的相邻探测器间的串音和光敏感区.用分子束外延方法生长掺杂InGaAs的PIN InP/InGaAs/InP外延材料,制备了256×1正照射台面InGaAs线列探测器.测试结果表明,InGaAs线列探测器相邻探测器间没有串音,虽然台面结构周围吸收层已被腐蚀,但因为少数载流子的侧向收集,扩大了有效光敏感区.

通过对腐蚀溶液的优化,获得了一种刻蚀效果良好的锆钛酸铅(PZT)薄膜的腐蚀溶液配方.文中所采用的PZT薄膜是通过溶胶-凝胶(sol-gel)法获得的,在研究腐蚀溶液组分、温度以及浓度对腐蚀速率影响的基础上,成功获得了PZT薄膜微图形化的湿法腐蚀工艺.通过实验研究,获得了横向和纵向腐蚀速率随温度和浓度变化曲线,侧蚀比(横比纵)小于1:1.07,且图形表面无残留物.

设计了一种新型的具有较高光提取效率的双光栅结构的发光二极管,它在传统光栅发光二极管的有源层的下表面增加了光栅结构,提取出原本受限于全反射的光,获得了更高的光提取效率.利用三维严格耦合波理论对该结构的光学性能进行了分析,计算结果表明,这种新型的双光栅结构发光二极管的提取效率可达传统平板型的6.3倍.

提高OLED的外发光效率对于长寿命、低功耗的OLED显示器和有机发光光源尤为重要.利用几何光学模型计算了OLED典型结构的外发光效率,结果表明仅有18%的光成为外输出光,主要的光损失来自OLED器件内的光波导效应.提出了一种理想的圆台结构OLED光输出增强模型,处于圆台顶的发光面发出的光线经侧面反射后成为外输出光,有效反射面越大,光输出增强效果越明显.有效反射面的大小取决于圆台侧壁质量和圆台半锥角及其高度.对该结构的优化进行了详细讨论.

在自行设计研制的电子回旋共振等离子体增强金属有机物化学气相沉积(ECR-EMOCVD)装置上生长氮化镓(GaN)薄膜,以氮等离子体为氮源,三乙基镓(TEG)为镓源,蓝宝石(α-Al2O3)为衬底.通过反射高能电子衍射、原子力显微镜、射线衍射实验数据分析,研究了ECR等离子体所产生的活性氢源和氮源对蓝宝石(α-Al2O3)村底的氮化作用,结果表明:在ECR等离子体中,不掺入氢气,温度较低时可以明显提高α-Al2O3衬底的氮化效果,获得平整的氮化层,且生长的氮化镓缓冲层质量是最好的.

全景环形透镜(PAL)将围绕光轴360°的视场投影到环形平面上,具有超大视场,在机器人视觉、监控和虚拟现实领域有着重要的应用.实际应用中需要将环形像无失真地展开为常规平面像,解决环形像由外到内压缩引起的分辨率降低的问题.根据PAL成像的特点,以全景图像的最高分辨率为基准,采用三次样条插值,得到插值函数的最佳参数值.此处理结果同最近邻域和双线性插值结果进行比较,较好地恢复了图像细节,同时参数的优化减小图像复原的计算量.

提出了一种用于动态序列图像目标跟踪的自适应Kalman滤波方法.该方法用函数估计的思想估计目标的当前运动模型,同时实时修改滤波器的统计模型,并将最小二乘支持向量机应用于对当前目标运动模型的估计.实验表明,此种改进的Kalman滤波器的算法在跟踪机动目标时具有良好的性能.

模糊马尔可夫随机场在多值图像分割问题中多采用分段模糊的方法将多值问题转化成多个两值模糊问题,这种方法的模糊度完全依赖像素的灰度值,从而很容易陷于局部最优解.基于可能性测度的模糊随机场摆脱了隶属度对灰度的依赖,使分割结果更容易收敛于全局最优.同时基团类型"相似性"的提出,改进了随机场基团定义的苛刻性,使得基团类型具有更好的包容性与多样性,可广泛地应用到复杂环境下的多值图像分割问题中.最后给出了该算法的EM参数估计方法和图像分割仿真实验.

序列图像中低信噪比运动弱小目标的实时检测算法,是精确制导系统中的关键算法之一.提出一种图像序列弱小目标实时检测新算法,采用分方向区间的动态规划算法和二值图像航迹关联检测.通过在动态规划能量累加过程中引入方向限制,减小了噪声轨迹能量积累和目标轨迹能量扩散,提高了算法的目标检测能力.对算法的检测性能进行了仿真实验,结果表明该算法能有效检测深空背景下信噪比大于1.8、运动方向任意、速度不大于1像素/帧的多个运动弱小目标.

通过激光成像技术获取三维地形轮廓并实现飞行器自主导航是目前国际上的一种先进技术.除了研制高性能的激光成像雷达外,如何寻找一种稳定、高效的地形匹配算法是当前研究的热点之一.在传统的相关算法的基础上,通过构建一种基于地形山脊线局部均值、梯度的特征矢量实现三维地形图的特征匹配.分析了特征矢量的构建、相似性度量的方法,并对匹配算法进行了对比试验,结果表明该方法较传统匹配算法性能有所提高.

提出了利用粗糙集理论处理不完整信息的能力对红外弱小目标的运动轨迹进行辨识的检测方法.首先利用形态学滤波算法,分离出每帧图像中候选目标并提取其特征属性.把提取到的特征属性作为条件属性,把每帧图像中候选目标作为个体,构成知识决策系统.通过对决策表进行约简,得到决策系统的最小决策算法,并利用序列图像中目标运动的连续性和轨迹一致性来实现小目标的识别.实验表明,该方法能够有效解决目标跟踪过程中目标短暂丢失以及重现的问题,实现弱小目标的稳健检测和跟踪.

Hausdorff距离(HD)用于度量两个点集之间的距离,它不要求点之间的一一对应,是一种模糊度量,因而在匹配来自不同传感器的图像时广泛使用.在分析了传统HD算法的基础上,提出了一种基于结构张量加权的HD,称为STWHD.红外与可见光图像匹配的仿真实验表明,其抗噪能力较传统的HD算法有较大的提高.

红外焦平面阵列固有的非均匀性导致叠加在图像上的固定图形噪声严重影响了红外系统的成像质量.传统的神经网络非均匀校正算法存在待处理像素的期望值求解固有缺陷、收敛速度慢和学习速度过大,容易造成算法不收敛.提出了基于图像梯度的神经网络非均匀校正算法,通过对处理像素的期望值求解、改进和调整学习速度、改善图像校正效果,提高了算法收敛速度.通过对真实的红外图像序列实验表明,新算法相对传统的神经网络算法收敛速度提高了50%以上,红外图像校正效果也得到了提高.

针对气动光学效应引起的图像像素偏移问题,提出了一种基于特征点配准的校正方法,并建立了像素偏移的数学模型.由于高速流场引起的像素偏移具有很强的随机性和非线性等特点,该方法在根据序列多帧图像的像素点偏移变化的统计规律获取原图像的像素点初始位置的基础上,采取二阶非线性函数模型来拟合畸变图像的像素偏移量,从而实现对各帧畸变图像的像素偏移校正.在微机上进行了仿真校正实验,结果表明该方法有效.

在对三维成像激光雷达获取的数据进行曲面重构时,由于数据中存在噪声,使得重构的曲面不光滑、不连续,因此需要对数据进行滤波处理,滤除其中的噪声.提出了一种改进的Laplacian方法,在该方法中引入低通滤波函数,该函数包含了一个防收缩比例因子,能对曲面进行无收缩的光顺,保留数据中的低频部分,舍弃其中的高频部分.实验结果证明,该方法具有Laplacian方法简单、计算速度快的优点,同时消除了其网格收缩性、细节丢失过多的缺点,能满足曲面重构要求.该滤波算法可以广泛地适用于三维成像激光雷达的数据处理和曲面重构.