针对传统选通成像面临的诸多技术约束与技术瓶颈, 分别从自触发选通与瞬时成像的角度提出了一种波导栅型微孔阵列的自触发瞬时选通成像。文中不但给出了完整的自触发选通成像原理与器件模型, 而且还指出钙钛矿量子点薄膜在瞬时选通成像的优势。最后在真空测试系统中分别对波导栅型微孔阵列的空间调制效果、电子束泵浦成像效果以及钙钛矿量子点薄膜瞬时发光的效果加以标定与建模, 并通过实验证明了该技术方案的可行性。

随着红外成像技术对时间分辨率、空间分辨率、光谱分辨率及光学稳定性需求的不断提升, 四者之间的制约矛盾愈加激化。分子滤光器是一种具有梳状离散透射谱型的滤波器件, 依靠分子能级跃迁对光波长的分辨实现选择性透射, 其效果是“光学”的, 机理是“量子”的, 为该矛盾的解决提供了新的途径。基于分子光谱理论, 给出了差量吸收型、磁致旋光型及多普勒调制型三类分子滤光成像技术的工作机理与理论模型, 结合研究团队相关工作, 分别介绍了差量吸收型分子滤光在机动车尾气遥感监测、磁致旋光型分子滤光在燃烧诊断以及多普勒调制型分子滤光在星载大气风场温度场遥感领域的应用, 最后分析了三种机理滤光方法的技术特点与适用性。

近红外检测作为一种快速无损的检测方法得到广泛关注。但光谱中存在大量噪声以及光谱数据的高维度和非线性等特点影响了分类模型的准确率。将深信网络(DBN)的理论改进并引入光谱特征学习中, 解决高维特征间非线性关系的学习问题, 采用逐层训练策略和随机梯度上升法分别进行网络预训练和微调获得网络权值; 并结合支持向量机(SVM)建立近红外光谱多分类模型DBN-SVM。与基于主成分分析的分类模型PCA-SVM和基于线性判别分析的LDA-SVM分类模型进行应用比较。结果表明: DBN-SVM算法能有效地学习高维数据中的内在结构和非线性关系, 由该算法构建的模型具有良好的特征学习能力和分类识别能力, 而且在稳健性、各类别的灵敏度和特效度也更优。

研究潜艇热尾流的浮升扩散规律和水面红外特征对红外探潜具有重要意义。以潜艇缩比模型为研究对象, 建立了潜艇热尾流三维计算模型。分别使用重叠网格、VOF(Volume of Fluid)模型方法和来流法, 对潜艇热尾流的浮升扩散过程进行了数值模拟。分析了潜艇热尾流的浮升扩散规律和温度场特征。使用实验测得的水面红外热像图和热尾流浮升扩散图像对两种仿真方法的精度进行了对比验证。结果表明: 基于重叠网格和VOF模型的数值模拟方法精度较高, 模拟得到的热尾流最大温度出现时间相差0.2 s, 温度偏差为0.003 K, 能够很好地模拟潜艇热尾流的浮升扩散和温度分布特性。

设计了综合斜程传输和光束扩展影响下的相位屏组来模拟光束经大气层斜程传输后产生的波前畸变, 先利用功率谱反演法和次谐波补偿法生成垂直传输路径的相位屏, 再结合斜程大气传输理论对相位屏进行斜程修正, 得到适用于模拟斜程大气湍流影响的相位屏。通过数值分析对比了斜程相位屏与垂直路径相位屏相位结构函数的差别。结合光束扩展情况计算每个高度区间对应的波前畸变空间分布, 建立了相位屏组模型, 最后得到接收光波面各位置的相位分布。

以红外分布反馈激光器激发光源为核心的检测装置中, 分布反馈激光器发光波长的控制精度及稳定性直接决定检测装置测量准确性。为此研发了一种采用模拟PID控制的分布反馈激光器温度控制系统。该系统采用模拟比例-积分-微分温度前向控制模块和温度实时后向采集模块达到控制温度的目的。温度控制实验中采用激射中心波长为2 049 nm的分布反馈激光器, 结果表明, 系统温度控制稳定性为±0.05 ℃, 稳定时间小于30 s。同时, 利用所研制的温度控制系统对上述可调谐DFB激光器做了光谱测试实验, 结果表明, 当激光器驱动电流固定时, 激光器激射波长与其工作温度呈线性关系。

为了研究泵浦带宽和波长飘移对全固态激光器的影响, 进行了光谱分析和热效应分析, 该分析是在准三能级Tm: YAG激光器上进行的。提出光谱模型和晶体热模型, 用来研究不同泵浦带宽下Tm激光器的效率和热效应。在Tm激光实验中, 结构紧凑、高效率的键合Tm激光器得到验证, 中心波长输出在2 013.2 nm。这一激光器的泵浦源是0.1 nm窄线宽的光纤耦合激光二极管, 其输出波长是784.9 nm。最大输出功率为7.96 W, 斜率效率为62.5％, 光-光转换效率为53.3％。当耦合透过率为3%时, 激光功率从1.87 W增大到14.93 W, 激光波长从2 013.25~2 014.53 nm飘移。当耦合透过率为5%时, 输出波长从2 013.91 nm飘移到2 014.26 nm。尽管晶体的最高温度会稍有上升, 但0.1 nm窄带宽泵浦可以有效提高激发效率, 因此具有更高的激光效率。通过综合考虑泵浦带宽和波长飘移以及增益介质的光谱分布, 该研究可以扩展到其他固体激光器来选择泵浦源, 有助于实现高效的激光系统。

报道了一种双端键合复合结构被动调Ｑ人眼安全微型测距用激光器。实验将Er3+/Yb3+:glass和F2 glass以及被动调Ｑ晶体Co2+:MgAl2O4三种材料进行光学热复合, 构成双端键合复合结构。实验对比了双端键合复合结构和非复合结构激光器的输出特性, 前者的激光性能参数均大幅优于后者。其中双端键合复合结构实现了重复频率10 Hz, 单脉冲能量330 μJ、脉冲宽度5.5 ns, 光束质量为1.4的人眼安全激光输出; 而非复合结构激光器的单脉冲能量为245 μJ、脉冲宽度6.5 ns, 光束质量为1.9。对双端键合复合结构增益介质和单块Er3+/Yb3+:glass进行热模拟, 前者的热焦距相对于后者增长了51.2%, 双端键合复合结构热效应明显改善。综合表明双端键合复合技术可以降低增益介质内部温度梯度, 使热焦距变长, 模体积增加, 振荡光与泵浦光的模式匹配度提高, 单脉冲能量增加。

半导体激光器(LD)的工作波长是随温度变化的, 对LD进行温控是扩展全固态激光器(DPSSL)正常工作温度范围的常用方法, 但常用的控温方法在-50 ~70 ℃的宽温区范围存在体积大、能耗高、效率低等问题。通过实验测试得到GaAs量子阱激光器的波长温度漂移系数为0.25 nm/℃, 分析了Nd:YAG晶体吸收谱的多峰特性。提出采用高温时工作波长为808 nm的GaAs 量子阱激光器作为泵浦源, 利用Nd:YAG晶体的795.7 nm和808 nm的两个吸收峰, 通过分段加热控温降低温控功耗的方案。实验结果显示: 全固态激光器在两个吸收峰处得到的输出脉冲特性基本相同, 在温度较低时, 分段控温的加热功率减小了4.7 W, 接近不分段最大加热功率的一半。

利用MOPA激光种子源, 结合氙灯泵浦行波放大方法研制了高能量脉宽可调1 064 nm波段激光器。激光器采用电调制脉宽方式控制MOPA光纤激光器脉冲信号的输出, 在保证高光束质量的前提下, 实现了脉宽8.6~220.9 ns可调的1 064 nm种子激光输出。选用双通放大级设计, 利用氙灯泵浦Nd:YAG晶体实现五级行波放大, 分析讨论了抑制自激振荡方法和行波放大过程中脉宽变窄的原因。当氙灯注入能量为60 J, 重复频率10 Hz时, 实现了脉宽调范围为4.2~173.3 ns的稳定1 064 nm激光输出, 单脉冲能量最高可达158 mJ。

报道了一种高功率Tm:YAP激光器实验装置, 采用b轴切割的YAP/Tm:YAP/YAP复合晶体作为激光增益介质, 使用中心波长为795 nm的LD模块进行双端泵浦, 当增益介质冷却温度为20 ℃, LD总泵浦功率为301.4 W时, 获得了最高109.5 W的1.94 μm波长线偏振激光输出, 光-光转换效率约为36.3%, 斜率效率约为45.8%, 在此输出功率条件下测得光束质量M2因子为3.8。

针对激光减阻中激光等离子体热核与正激波相互作用物理现象, 运用高精度纹影测量技术研究分析了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性, 获得了激光能量与激波速度两个关键因素的影响规律。实验结果表明: 在正激波的冲击下, 热核宽度呈先上升然后稳定并有减小的趋势, 入射激光能量越高, 热核在激波冲击下的宽度越大; 热核的长度在正激波冲击下迅速减小然后以固定的速度线性增长, 增长速度约为入射激波速度的19%。研究结论可为实际应用中有效增强减阻效果和延长持续时间提供依据, 相关方法和结果对激光等离子体主动流动控制研究也具有很好的参考价值。

近些年, 飞秒激光成丝诸多非线性效应及其潜在应用逐渐成为超短脉冲激光领域研究的重要方向之一。飞秒激光成丝诱导水汽凝结、降雪和破碎冰晶二次增长等方面的探索研究, 为人类寻找主动控制天气的新技术指明了方向, 具有重要的科学意义和应用前景。首先, 重点分析梳理了飞秒激光成丝诱导形成水凝物的观测和机理研究进展; 然后, 讨论了飞秒激光诱导水凝物形成机理研究中尚待解决的关键科学问题, 以及对该领域未来发展方向做了展望。

小面阵APD阵列较低的像元数量限制了其三维成像分辨率。提出了一种基于光学相控阵的提高APD阵列三维成像分辨率方法, 用光学相控阵生成与APD阵列像元数量相同且位置匹配的光束阵列并实现扫描。光束阵列中子光束发散角小于APD阵列中单个像元的瞬时视场角, 子光束在单个像元视场内扫描实现APD阵列对目标三维信息的多次采集, 进而提高APD阵列的分辨率。在Matlab中基于二维标量衍射理论仿真了光束阵列在远场的分布, 并分析了子光束发散角与扩展周期数之间的关系。最后采用液晶相位空间光调制器作为光学相控阵器件, 结合CCD接收回波信号, 进一步验证了提出方法的可行性。

海水对光波的吸收和散射, 严重制约了激光雷达水下目标探测的性能。通过对激光在海水传输过程中产生后向散射的定量分析, 说明了激光回波信号被海水后向散射影响的严重性。分析比较了距离选通技术和强度调制技术抑制海水后向散射的能力, 提出了使用自身具有高频强度调制特性的混沌脉冲激光进行水下目标探测, 设计了基于相关法测距的混沌脉冲激光雷达水下目标探测方案。通过对后向散射光以及带有不同后向散射强度的回波信号光的时域和频域特性的研究, 使用互相关噪声水平算法判定混沌脉冲激光雷达抑制海水后向散射的能力。理论仿真分析表明, 当后向散射光强度是混沌脉冲激光强度36倍时, 仍能提取出目标信号。

使用窄线宽激光源是相干激光测风雷达的特点之一, 为研究不同线宽光源对激光测风雷达探测性能的影响, 从理论分析了在相干长度内、外时光电流的频谱特性, 并使用了三种不同线宽的激光光源进行实际的测风试验。试验表明, 当探测距离在相干长度外时, 100 kHz光源信号幅度较1 kHz与10 kHz两种光源下降约30%, 且部分频段噪声幅度较大。因此, 在设计中近程激光测风雷达, 可考虑选用百kHz量级线宽光源, 而探测距离数千米甚至更远的中远程激光测风雷达, 可考虑选取几十千赫级线宽光源。

演示了一种基于大模面积掺Yb3+离子的全光纤放大器系统, 该系统采用975 nm泵浦。系统是利用泵浦与Yb3+离子有源光纤相互作用产生信号源, 光源为半导体激光放大的单频种子。通过优化系统, 合理设计搭建光学器件, 控制光束逆传输, 减少非线性光学的干扰。100 W信号源作用于系统上, 采用多级掺镱光放大的主振荡器功率放大器(MOPA), 最大输出3.2 kW连续激光。平均光-光转化效率为78.26%。光束质量Mx2≈1.657, My2≈1.735。输出稳定性小于2%。系统连续信号放大输出光具有广泛的应用范围。掺Yb3+离子的全光纤放大主要用于激光检测、工业测量技术研究等领域。

调频连续波(FMCW)激光引信相比于脉冲激光引信具有较强的抗干扰能力, 但仍会受到云雾的干扰。为研究FMCW激光引信系统参数对云雾回波特性的影响, 利用FMCW激光引信探测模型, 对激光引信在不同收发间距、激光波长以及相对云雾位置条件下的云雾回波特性进行仿真。仿真结果表明: FMCW激光引信的收发间距和激光波长会对云雾回波特性产生明显影响, 收发间距越大, 在可见光波段和近红外波段的激光波长越短, 云雾后向散射越弱。所得的仿真结果可为FMCW激光引信抗云雾干扰方面的优化设计提供参考。

基于相位式激光测距的工作原理, 提出了将相位式激光测距仪用于水下测距的思路, 从原理上分析了水下相位式激光测距的可行性。通过水下距离测量实验, 对水下相位式激光测距可行性进行了验证, 完成了水下相位式激光测距仪的测距定标算法, 并探究了水体浊度对相位式激光测距动态范围和测距精度的影响。实验结果表明, 经过定标校正后的水下相位式激光测距仪在水下3.5 m范围内测距误差平均值不超过3 mm, 测距范围与水体浊度间存在指数衰减关系。该水下相位式激光测距仪为水下距离的探测提供了一种新方法, 可实现水下目标近距离的精确测距。

利用分步傅里叶方法数值模拟研究了相同振幅的平行输入正反Airy光束在Kerr介质中脱落孤子的演化, 并进一步研究了高阶效应对脱落孤子的影响。研究结果发现: Kerr介质中正反Airy光束由于相互作用, 将产生类似于DNA结构的缠绕孤子, 通过调整初始输入的振幅和间距, 可以影响缠绕孤子的特性。另外发现: 当存在单个高阶效应(三阶色散, 拉曼, 自陡)或者同时存在多个高阶效应时, 缠绕孤子在时域和频域的演化会发生很大影响。研究结果可以为调控Airy光束产生的脱落孤子提供一些理论基础, 也可以为Airy光束在超连续谱产生和宽带光源方面提供潜在的应用前景。

目前激光干扰基本是一对一干扰模式, 随着光电侦察传感器的大量使用, 激光干扰急需面向集群目标的多对多干扰手段。立足于解决对集群化光电成像侦察的有效压制干扰问题, 文中提出对集群光电成像传感器的多源协同相干激光干扰方法, 以视场外散斑相干合成干扰作为多对多干扰实现的基本思路, 探讨其相干干扰机理, 建模分析双光束相干激光干扰光电传感器作用效果并提出对集群目标的协同干扰模型。仿真结果表明, 激光入射角度是激光协同相干干扰的重要影响参数, 能够作为干扰站协同部署的依据。同时, 基于PSNR与MSE的图像质量评价结果表明, 相干叠加干扰与单光束干扰以及非相干叠加干扰相比具有明显优势。

为了解决航空遥感相机自动焦面检测的问题, 提出了一种利用空间滤波测速(SFV)原理进行航空遥感相机自动焦面检测的方法。首先, 在焦面检测过程中, 采集线阵CCD输出图像的Visibility值, 利用SFV信号的Visibility值与离焦量之间的关系, 通过搜寻SFV信号Visibility最大值找出最佳的成像焦面位置; 其次, 对空间滤波测速原理及Visibility与离焦量的关系进行了介绍; 最后, 对设计的实验装置在5～53.2 mm/s的典型像移速度下进行了20次焦面检测, 结果表明最大测量误差均方值为46.25 ?滋m, 小于航空遥感相机光学系统的检焦误差宽容度(76.8 ?滋m), 能够满足航空遥感相机的自动焦面检测精度要求。

提出了一种基于三轴转台的多视场星敏感器标定方法。该方法利用转台的3个旋转自由度, 无需重新安装即可对任意轴向的视场进行标定数据采集。通过对于测量模型、结构参数模型及外参数模型的建模及优化整合得到实验室标定模型。使用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法求解各视场的测量模型参数和各视场间的结构模型参数。该方法无需通过外场观星数据确定结构模型参数, 大大节省了标定数据采集的工作量, 也避免了大气对恒星矢量的影响引入的参数估计误差。通过一台数字三视场星敏感器的仿真试验和一台双视场星敏感器样机的实际试验验证了该方法的有效性。与基于外场观测的传统方法相比, 视场内星间平均角距误差减小了20.32%, 视场间星间角距平均误差减小了59.34%。

在陆用组合导航领域, 激光多普勒测速仪作为速度传感器能够与捷联惯导系统组成组合导航系统。为了抑制车辆颠簸引起的倾角变化对传统激光多普勒测速仪的影响, 文中给出了基于Janus配置的分光再利用型激光多普勒测速仪。针对其与惯导系统组合导航过程中该配置结构测速仪的误差参数, 文中首先推导了该测速仪的速度误差模型, 在此基础上提出了差分GPS辅助的Kalman滤波标定法。实施了仿真及车载组合导航实验验证该方法的有效性。实验结果表明: 文中提出的标定方法是有效的, 误差参数补偿后的Janus配置激光多普勒测速仪能够大大提高组合导航定位精度。

像素非均匀性是CCD成像性能评价中的一个重要指标, 反映的是像素结构本身的差异。传统的以灰度值为基础计算DSNU和PRNU的方法未能考虑读出电路引入的时域噪声, 且计算时未剔除不同像素曝光时间不同带来的误差, 计算结果也只适用于某个具体曝光量。在分析CCD信号流的基础上, 厘清灰度值不均匀的影响因素。参考DSNU和PRNU的计算方法, 再结合帧转移型CCD的工作方式, 提出了设置多档曝光时间, 每档曝光时间下采集多帧暗(亮)图像, 再通过拟合求得暗电流(“暗电流+光电流”)后并以之为基础计算暗电流非均匀性DCNU和光电流非均匀性PCNU的方法。同时, 建立CCD像素非均匀性测试系统, 验证其光源的稳定性和均匀性, 以排除采集图像过程中测试系统引入的时域和空间误差。在此测试系统的基础上, 利用新方法测得CCD的DCNU为25.51 e-/pixel·s-1, PCNU为0.98%。相比于传统的DSNU和PRNU值更准确地反映了CCD像素结构的非均匀性, 所得结果更具普遍适用性。

采用外差相干技术理论上可以获得低至MHz量级甚至更高分辨率的光谱信息。介绍了一种基于外差相干技术方法实现的光谱检测系统, 并推导了90°光学混频器和平衡探测器的信号传输原理, 讨论了本振光和滤波器的性能参数与光谱检测分辨率的关系。利用光通信系统设计软件OptiSystem建立了完整的相干光谱检测系统的模型, 并使用波长扫描和迭代运算模拟了实际本振光信号的工作模式, 验证了该方案实现高分辨光谱分析的可行性和优越性。最后分析了对于频率间隔为40 MHz的被测信号, 不同的本振光扫描线宽、扫描步长和滤波器带宽参数组合实现的仿真结果, 并总结了光谱检测精度对本振光和滤波器等关键参数的要求。

由于太阳模拟器可以精确模拟太阳光, 近年来, 越来越多空间环境模拟试验采用太阳模拟器来模拟在轨高温环境。介绍了一个有效光束直径2 m的大型太阳模拟器, 其准直镜由19块正六边形的球面单元镜拼接而成; 分析了球面反射镜光学装调常用方法, 以球心自校准法为基础, 提出一种拼接式反射镜的装调方案; 详述了该拼接式准直镜的装调过程, 拼接后有效口径2 710 mm, 半径13 280 mm; 此外, 还介绍了大气环境下、真空低温环境下和真空热试验过程中大型太阳模拟器主要辐照特性检测方法及装置, 为太阳模拟器在工程中的更好应用提供参考。

常规的视轴测试采用单台经纬仪读取俯仰绝对数值的定位方式, 探测器的线阵、视轴平行于整星坐标系+Y、+Z方向。区别于常规测试, 离轴相机视轴不再遵循探测器视轴与基准镜平行的原则, 并且整星坐标、立方镜坐标及视轴线阵三者是空间分离的, 因此提出了一种新的测试方法, 实验前需要将视轴调整到相机坐标系理论位置, 并且四色与五色线阵平行。借助于钻模支架, 利用经纬仪分别将相机视轴和整星坐标引出到相机立方镜a和钻模立方镜b, 通过立方镜坐标系的方向余弦矩阵, 将相机视轴引出到整星坐标。对视轴精度以及九谱段线阵多维定位进行分析, 给出实验采集的图像。结果表明, 视轴矩阵满足要求, 定位引出方法合理可行。

针对空间相机快速反射镜的工作条件和工作要求, 提出了快速反射镜的结构轻量化设计方案。以100 mm口径圆形反射镜为研究对象, 设计了利用加强筋减重的反射镜轻量化结构, 并提出了基于镜面抗弯刚度等效的等效标准圆镜厚度的计算方法; 分别设计了基于镶嵌体结构的背部三点支撑方案和背部中心支撑方案, 有限元对比分析的结果表明, 采用背部中心支撑方案可以避免镜座与反射镜之间因温度变形不协调引起的多个支撑点相互干涉, 镜面面形精度较高, 并且由于结构简单, 其摆动组件的总质量更轻; 为了进一步提高快速反射镜结构的综合性能, 同时以摆动组件的总质量及镜面面形的均方根值为优化目标, 对背部中心支撑方案下快速反射镜的主要结构参数进行了多目标优化, 优化结果显示, 加强筋的高度和镶嵌体的壁厚对结构综合性能的贡献最大; 最终优化方案下快速反射镜的摆动组件总质量仅为95.75 g, 结构的一阶谐振频率为217 Hz, 在-8 ℃温度载荷的作用下, 镜面面形的RMS为7.26 nm, 满足设计要求的同时, 反射镜实现了40.4%的轻量化率。

针对动车组空间三维坐标的测量需求,设计了三维激光雷达共光路变焦光学系统。系统采用发射/接收共光路的结构形式,以高斯光学为理论基础,对能量传输进行了详细的分析, 得到扩束透镜链的严格限制关系。为简化系统结构, 利用液体透镜代替传统的机械变焦机构, 以几何光学为理论基础, 计算出光学系统初始结构, 并采用Zemax光学设计软件进行仿真, 设计出三维激光雷达发射/接收共光路光学系统。该结构形式不仅提高了系统同轴度、减小外部干扰, 还简化了结构、缩小了仪器体积。采用液体透镜调焦代替机械调焦, 避免了调焦引起的机械振动, 有效提高了激光雷达的定位精度。通过改变液体透镜的光焦度, 实现了在2~30 m测量范围内, 发射光学系统在被测物体表面的光斑半径小于20 μm/m, 接收光学系统超过90%的聚焦能量集中在半径小于1.6 μm的圆内, 满足用户要求。

针对反射式双模位标指示器视场小、中心遮拦、能量低等问题, 提出一种折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统。基于消色差理论和MRTD模型分别推导了光学系统波段间消色差公式和作用距离方程。设计的双波段光学系统具有共焦距特性, 从而实现了双波段同步探测以及识别目标信息的一致性。折/衍共口径红外双波段位标指示器光学系统工作波长为3.4~4.8 μm、7.7~9.5 μm, 俯仰、偏航视场为-26°～26°, 焦距115 mm, F数为2。结果表明: 在-40~60 ℃温度范围内消热差, 成像质量接近衍射极限。

为了保证4 m SiC主镜的位姿精度和支撑系统的刚度, 根据主镜支撑系统的光学指标对六杆硬点定位机构的相关参数指标进行了分析。应用有限元方法并借助于有限元软件, 对六杆硬点定位机构进行了优化设计, 确定了硬点分布半径、定位夹角、轴向刚度和轴向拉压力极限。分析计算出在主镜背部半径为1 345 mm的圆周上, 均匀分布六个硬点机构连接点时, 单个硬点轴向刚度达到15 000 N/mm。此时, 主镜支撑系统的固有频率大于等于15 Hz, 满足设计要求, 为后续结构的优化设计提供了依据。

针对传统无人机载相机在复杂环境下物证搜寻成像对比度低、证物识别难度大等问题, 提出利用偏振成像技术, 进行物证搜寻识别。为保证搜寻效率、识别概率和低照条件下成像效果, 设计了大视场大相对孔径两档变焦偏振成像光学系统。系统焦距分别为11 mm和22 mm, F数分别为1.8和2.7, 视场角60°和34°, 并给出了合理的调焦方式,可实现在3 m和10 m飞行高度下清晰成像。经过仿真分析, 调制传递函数在奈奎斯特频率91 lp/mm处优于0.45, 满足成像质量要求, 公差分析显示, 在满足成像质量条件下, 公差范围合理。将系统与微偏振片阵列探测器集成, 搭载无人机平台, 可在复杂环境中对案发现场进行实时高效物证搜寻, 大幅提升案事件破获能力。

干涉仪是综孔径望远镜的核心器件, 与传统的分立元件干涉仪相比, 集成光学移相干涉仪结构紧凑, 用于构建综合孔径望远镜能显著优化望远镜结构并提高系统稳定性。文中报道了二氧化硅基集成光学移相干涉仪的设计和制作, 并给出了对这种器件主要性能的表征结果。研究结果表明, 集成光波导制作技术可以保证干涉仪芯片上两个方向耦合器的耦合特性的一致性; 器件的插入损耗优于1.8 dB, 插入损耗均匀性优于0.1 dB; 通过对MZ干涉仪插入损耗的测量估计了移相器的偏差, 结果显示干涉仪中90 °移相器的偏差大约为1.5 °。分析表明, 二氧化硅基光波导技术用于综合孔径望远镜用光干涉仪制作具有显著的优势。

为了实现横截面尺寸为 50 μm×50 μm 的聚硅氧烷聚合物光波导的耦合转向问题, 设计了一种表面覆盖高折射率包层的多层蚀刻光栅耦合器。首先, 分析了影响聚合物波导光栅耦合器耦合效率的结构因素; 然后, 采用在光栅表面蚀刻高折射率层的方法, 提高了聚合物波导光栅耦合器的耦合效率; 接着, 对不同的周期(范围: 100~4 000 nm)和不同的蚀刻深度(范围: 0~50 000 nm)进行排列组合, 形成不同的光栅结构, 基于时域有限差分法编写程序, 遍历所有情况, 得到不同光栅结构下的光场情况以及其耦合效率, 找到使耦合效率最大的周期以及蚀刻深度。最后, 设计了多层蚀刻的光栅耦合器, 进一步提高耦合效率。当蚀刻深度为5 000 nm, 光栅周期为2 600 nm时, 带高折射率层的聚硅氧烷聚合物光波导均匀光栅耦合器的耦合效率达到最大, 为17.2%。采用多层蚀刻的方式, 对结构进行优化, 其耦合效率能达到37.4%。为聚硅氧烷聚合物光波导在光互连中的实际应用提供了理论依据。

设计并制作了一种用于拉曼分布式温度传感的具有大有效模场面积和低模式色散的渐变折射率的小芯径多模光纤, 同时达到了高空间分辨率和高温度分辨率。在现有的拉曼分布式温度传感系统基础上, 测量了使用不同传感光纤和注入条件下的温度和空间分辨率。在满注入工作模式下, 基于小芯径多模光纤的拉曼分布式温度传感器在25 km处达到了1 ℃的温度分辨率, 空间分辨率的劣化仅为0.13 m, 作为对比, 使用多模光纤的拉曼分布式温度传感器的空间分辨率劣化了1.58 m。在单模注入条件下, 基于小芯径多模光纤的拉曼分布式温度传感器在25 km处达到了4.7 ℃的温度分辨率, 相对使用单模光纤有2.2 ℃的提升, 同时空间分辨率没有劣化。

傅里叶叠层成像是一种能够同时实现大视场和高分辨的成像方法, 公开发表的文献表明其空间分辨率极限由照明数值孔径和物镜数值孔径决定。为了进一步提高其分辨率, 提出了频域和空间约束傅里叶叠层重建方法: 利用传统重建算法获得的空间频谱进行频域约束, 以传统重建算法获得的图像进行空间约束; 该方法基于一个假设: 图像具有稀疏特性; 从传统重建算法获得的图像中提取所需的频域和空间约束条件, 不需要额外采集数据和硬件改进。仿真和实验结果表明: 与传统无约束重建方法相比, 提出的算法能够提高分辨率和改善对比度, 空间分辨率提高幅度高达~26%。

图像盲复原是从一幅观测的模糊图像恢复出模糊核和清晰图像, 传统盲去卷积算法采用简化模型估计模糊核, 导致预测模糊核与真实值误差较大, 最终复原结果不理想。针对此问题提出一种基于改进残差模块的多尺度卷积神经网络模型, 采用端到端模式, 无需估计模糊核。提出了一种基于限制网络输入的改进Wasserstein GAN (WGAN), 增加了一层输入限制层, 能够限定参数初始值, 提高了网络收敛速度。设计了多重损失函数, 融合了基于多尺度网络的感知损失和基于条件式生成对抗网络的对抗损失。实验结果表明: 所提方法在定量和定性评价指标上优于已有的代表性方法, 并且运行速度比相近算法快了4倍。

开展了健康对象甲状腺动态红外图像的多重分形特征研究, 并对不同个体甲状腺多重分形特征参数进行了统计分析与差异性检验。首先, 在恒温恒湿实验环境下, 获取多帧人体甲状腺红外图像, 并对其进行网格划分, 形成温度时间序列。然后, 探讨了适合人体甲状腺多重分形分析的原始信号长度、小波变换尺度因子、统计矩阶数的取值。在确定好上述参数后, 对温度时间序列进行多尺度小波变换, 求解其小波变换模极大, 进而获取不同健康对象甲状腺左右叶多重分形特征参数的分布特性。研究结果表明: 健康对象甲状腺多重分形特征谱线分形维数取得极值处对应的奇异性指数c1的分布集中在1.1~1.3范围内, 间隙系数c2的分布则集中于0.002~0.005范围内, 二者分布特征不存在个体差异的检验水准α=0.01; 多重分形谱线半峰宽集中于0.164~0.166范围内且不存在个体差异的检验水准α=0.05。

由于手指静脉位于皮下, 手指中的生物组织、手指解剖结构、皮肤结构成像特性等固有原因都给手指静脉成像造成不利影响。针对手指静脉图像中普遍存在的局部血管残缺问题, 首次提出一种指静脉红外图像血管网络修复方法。首先, 利用多尺度Gabor滤波对手指静脉图像进行增强, 减少图像整体退化性模糊; 然后, 对指静脉图像进行二值化并提取血管骨架网, 以便对血管网络缺损位置进行判断; 再将提取的血管骨架端点、二分叉点作为血管骨架网络修复的源点, 根据最小路径原则实现手指静脉图像血管骨架网络修复; 最后, 将Gabor增强方向图作为约束条件, 复原血管网络的管径信息得到修复后的手指静脉二值化图像。实验结果表明: 该方法可以实现手指静脉图像局部血管网络残缺修复, 得到更加完整、稳定的血管网络结构, 利用修复后的图像可以进一步提高手指静脉识别精度。

为了提高磁流变加工连续位相板边缘加工质量, 实现元件全口径抛光, 必须对元件原始误差面形进行边缘延拓, 针对现有边缘延拓算法的不足, 提出了采用改进的二维Gerchberg带宽受限延拓算法实现连续位相板元件面形频域匹配的边缘延拓。该方法首先采用复调制频谱放大技术Zoom FFT对元件原始误差面形进行频谱分析, 计算其高低截止频率; 然后采用改进后的二维Gerchberg带宽受限延拓算法进行迭代计算, 在原始面形外围延拓出与原始面形同频的高精度延拓结构面形。采用尺寸为100 mm×100 mm具有复杂频谱结构的连续位相板元件进行边缘延拓和磁流变加工实验, 实验结果表明: 采用改进的Gerchberg边缘延拓技术延拓的面形边缘更加规整, 边缘效应影响半径由5 mm减小到2 mm, 面形残余误差 RMS从19.3 nm减小到了9.7 nm。这说明该边缘延拓技术可以明显提高连续位相板面形的边缘加工质量和整体收敛精度。

随着中国制造2025的到来, 运用工业机器人在线加工机械工件是大势所趋。为了能够智能抓取工件, 工业机器人需要识别工件的类型以及工件的位姿。针对流水线上识别工件类型难的问题, 提出了一种基于激光扫描三维点云的工件类型识别方法, 该方法主要能够识别工件是哪种工件。首先对流水线上杂乱无序的工件进行激光扫描, 得到工件的三维激光点云数据, 将三维激光点云数据初步去噪。运用MATLAB软件对得到的三维激光点云进行中心切片, 得到点云的主视切片、俯视切片、左视切片; 运用HALCON软件对点云切片去噪、增强、分割, 提取中心切片的边界信息并得到提取区域的特征参数, 进而识别工件的类型。最后运用自主研发设备进行实验, 分别以步距为0.05 mrad、测距精度0.2 mm、测角精度为0.02 mrad进行扫描, 实验结果表明, 识别准确性达96.67%。该方法对同类问题有较大的借鉴意义。

多光谱遥感相机提供的光谱图像信息具有极高的应用价值。为突破CCD成像器件谱段数量的限制、增加单台相机的谱段数量, 提出了一种双通道的解决方法。从光学系统入手, 对一种双通道离轴多光谱遥感相机进行了高稳定性光机结构设计。首先, 通过使用四点球头支撑技术实现了对大口径主镜的高稳定性支撑, 保证了在各个工况下反射镜面形精度满足使用要求。之后, 对相机的焦面组件、主框架及隔振系统进行了设计及优化, 保证了双通道离轴遥感相机在提供八个多光谱谱段的同时, 具有良好的结构稳定性。最后, 对整个相机进行有限元分析和力学环境试验, 结果表明相机具有较高的稳定性, 符合设计预期。

针对GaAs基和InP基材料的波长可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)中微机电系统(MEMS)应力集中引起结构损坏的问题开展研究。设计了蝴蝶结状MEMS悬臂结构, 在保证最大位移不变的情况下, 降低了悬臂固定端所受的米塞斯应力, 提高了器件的可靠性。采用COMSOL软件对蝴蝶结状悬臂结构的各项参数对力学特性的影响进行了优化与分析。结果表明: 优化后的蝴蝶结状MEMS悬臂结构固定端的最大米塞斯应力相比于等截面状悬臂结构最大降低了64%, 对于GaAs基材料的蝴蝶结状MEMS波长可调谐VCSEL自由光谱范围可达45 nm。