针对冷光栏F数为1.27的480×6元长波制冷型红外探测器, 设计了焦距325 mm、F数达1.35、视场为±1.05°的用于红外警戒或搜索系统的6 片式光学系统, 该系统光学透过率为76%, 冷屏效率100%。

LED结温高一直是大功率LED发展的技术瓶颈, 随着单位热流密度的不断攀升, 在自然冷却条件下, 单纯的直肋热沉散热方式已不能满足散热要求。应用热管技术设计了热管散热系统, 对该系统的传热机理和传热路线进行分析, 建立该系统对应的热网络模型, 对各部分热阻进行分析与计算, 求得总的理论总热阻, 计算得出理论结温; 同时应用有限元方法对该系统进行仿真分析, 对LED模块(0.025 m×0.025 m×0.005 m)输入30 W 电功率, 得出其仿真结温稳定在58.19℃, 满足结温小于65℃的要求, 说明应用热管的散热系统满足设计要求。由热阻网络模型计算得出的理论结温为57.43℃, 与仿真结果相差0.76℃, 其误差仅为1.31%, 验证了理论分析计算的正确性, 对实际工程中热设计具有指导意义。

在现代信息化战争中, 光电侦察与跟瞄装备的研制试验和使用维护都离不开其测试技术的保障。从4方面简述了国内外光电侦察与跟瞄装备测试技术的发展现状, 目前, 可见光及微光成像性能参数已实现数字化的综合测量, 其中, 像面均匀性和畸变检校的测量不确定度分别达到1%和0.2%, 最小可分辨温差(MRTD)等红外热成像系统性能参数已出现客观的评测方法, 最大测程等激光测距系统性能参数的测量允许误差极限达到1%以内, 多光轴一致性的检校测量不确定度达到2″。未来, 我国在该领域的研究热点将集中在发展各种现场快速精准的检校手段, 以及继续提升红外、紫外、微光和白光成像测试技术等方面, 并建立和完善其相应的测试标准和保障系统。

为了提高光电稳定跟踪平台伺服性能, 针对车载光电稳定平台的扰动特点, 依据自抗扰控制算法的分离特性, 提出一种含有积分补偿项的自抗扰控制伺服系统, 系统对指令信号安排过渡过程, 即采用最速控制方案。实际摇摆测试结果表明:设计的自抗扰控制伺服系统既保证了车载光电稳定平台稳定误差为0.129 mil(1σ), 又提高了平台的自动跟踪性能, 是一种可应用在稳定跟踪平台系统中的理想控制器。

为了解决舰炮**系统瞄星标校受天气影响较大的问题, 针对雷达(光电)与舰炮一体化的**系统, 提出了一种不需要参照物的光学标校方法。该方法用激光束将炮管轴线引出, 通过不失调光学组件进行平行移动并进入雷达(光电)接收窗口, 从而获得雷达(光电系统)轴线与炮管轴线的角度差并进行标校。测试与试验结果表明, 该方法具有操作简便、效率高、适时性强、标校误差不大于0.5 mrad等特点, 与描星方法标校相比, 受天气、环境因素影响较小,对充分发挥舰炮**系统的作战效能具有显著作用。

为满足在10 000 m左右高空摄影时地面分辨率达到0.2 m的需要, 采用长焦距和折反射式光路形式设计一种高分辨率CCD航摄物镜。使用普通玻璃校正由大口径和长焦距带来的二级光谱, 且在单个像元尺寸为8 μm的36 mm×48 mm大面阵、高分辨率CCD作为接收器的条件下, 光学系统在60 lp/mm处各视场的传递函数均接近衍射极限, 满足成像质量要求, 最终实现了在470 nm~950 nm宽波段工作范围内能够进行全天侯观察与测量。

对自由曲面的发展及应用做简要梳理, 介绍国外自由曲面空间光学系统的研究现状, 讨论3种自由曲面数理模型的特点和像差平衡能力, 阐述自由曲面光学系统相对轴对称系统和平面对称系统的像差特点以及自由曲面空间光学系统的像差控制与评价方法, 给出采用泽尼克多项式表述的自由曲面多光谱相机的设计结果, 成像视场76°, 为远心光路设计, 全视场调制传递函数(MTF)优于0.56, 适用于空间多光谱成像。

介绍星敏感器和星模拟器在航空器空间姿态确定中的作用和地位及其基本工作原理。依据色度学理论与公式, 分析如何使用红、绿、蓝三原色合成各种颜色的光源, 并推导三原色色品坐标和亮度与合成光源色品坐标之间的数学方程式。在理论研究的基础上, 设计一种以全色彩RGB灯作为发光器件的静态多路星模拟器电控光源。在实验室条件下, 对电控光源系统输出光功率和峰值波长的稳定性进行测试实验, 并给出实验结果。实验结果表明: 单个光源的短期稳定性均优于1/1 000。

为了实现车间球面镜片的半径偏差的在线无损检测, 基于激光检测技术, 提出了一种无需精密导轨的小型球面干涉仪系统的设计方案, 并对整个系统的检测原理进行了分析。通过Zemax软件模拟的分析验证, 该系统不仅可以测出球面面形的像散偏差和局部偏差, 而且还可以快速测出球面镜的半径偏差, 其演算测得的曲率半径精度优于0.01%。与目前已有的球面干涉仪相比较, 具有系统结构紧凑、无精密导轨、操作效率高和低成本的特点, 特别适用于车间的在线非接触检测。

提出一种能实现准直光束照明的自由曲面透镜设计算法, 并基于此算法设计一种以单颗LED为光源的准直透镜。通过建立透镜后表面轮廓曲线上的点所满足的方程, 利用迭代方法并结合Matlab编程求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点, 将数据点导入SolidWorks中进行曲线拟合并建模, 进而得到透镜的实体模型。在TracePro中对该透镜进行非序列光线追迹, 模拟结果表明: 该光学系统能够实现均匀照明, 并对最终光线可实现准直出射。

目前的信息监测和预警系统通常采用可见光摄像机、微光电视和热像仪中的一种探测器单独工作或切换工作, 针对3种探测器存在不同的探测死区, 单独使用不能克服各自的缺点, 无法完整体现信息监测的需求问题, 设计了集这3种探测器于一体的图像融合监控系统。通过分析这3种具有互补性的探测器各自成像机理及特点, 给出了系统的总体组成。基于融合图像监控系统的工作原理, 设计出前端探测系统的主要结构, 使摄像转台能实现＋90°至-30°的俯仰和±175°方位旋转, 平行光轴的设计和调校使各光轴夹角不大于0.5 mrad; 通过加权平均融合和配准技术对系统进行图像融合试验, 图像质量以及系统实时性测试表明: 基于图像融合的视频监控系统能实现全天侯的信息监测。

研究了基于迈克尔逊干涉条纹对比法测量微位移的实验。用He-Ne激光器、反射镜和分束镜组成的干涉光路, 其中一个反射镜固定在被测物体上, 通过被测物体的移动带动反射镜移动使干涉光路发生变化, 从而导致干涉条纹的改变。在形成干涉条纹的位置利用线阵CCD采集干涉条纹图像, 用序列图像对比的方法对图像进行处理和计算, 得出被测物体的微位移。实验表明利用序列图像对比的方法测量微位移, 方法切实可行、测量准确度高、测量的精度能够达到微米量级。

基于变分法提出用于计算灰度图像梯度矢量场的非线性偏微分控制方程, 利用图像梯度矢量场的拓扑性, 可实现骨架线的提取。该方法的主要优点是它的简单性, 可直接应用于灰度图像, 不需要任何的分割处理。把提出的方法应用于牛顿环干涉条纹中, 并与广泛使用的分块二值化细化算法和极值跟踪法进行了比较, 实验结果表明了本方法的良好性能。

文章研究了一种适合于路面病害识别的图像边缘检测算法。针对目前模糊边缘检测算法在路况图像检测中存在低灰度图像信息丢失和检测速度较慢等问题, 提出了一种基于模糊和遗传算法的路况图像边缘检测算法。该方法使得模糊处理后丢失的低灰度信息得以恢复, 提高了算法的效率, 增强了算法的适应性。实验表明, 较传统的模糊边缘检测算法, 该算法能有效检测出图像中的低灰度信息, 检测效果良好, 而且运算速度快。

闪电场景模拟系统中需要不同强度分布的光轴平行的多路光束, 多棱镜分光系统能够实现平行光束增宽和强度分布调制。为获取彼此平行的多路光束, 采用五棱镜扫描法完成等间隔分布的四棱镜分光系统的多光束光轴平行度检测, 通过CCD采集返回的与特定光轴位置信息有关的光点光强分布, 并编制相关的软件计算质心偏差, 为分光棱镜的定位装校提供直观准确的反馈信息, 装校装置具有简单方便的特点。装校后的四棱镜分光系统在x、y、z 3个方向上的光轴匹配精度分别小于3′、4′和4.5′, 4束平行光的光强之比约为8∶4∶2∶1。进一步提高CCD分辨率和增大成像物镜L的焦距后, 光轴的匹配精度可以达到秒量级。

根据信号系统相关理论, 提出了一种针对该类光电探测器频率响应的测试方法。该方法实现的测试系统主要包括窄带脉冲激光光源、光强衰减装置和光电探测器等。由光电探测器接收经过光强衰减后的窄带激光脉冲信号, 同时利用数字示波器获得相应信号波形的上升时间; 根据相关的计算公式, 得到光电探测器的频率响应; 对所得测试结果进行误差分析。实验结果表明: 对理论频率响应带宽为10.6 MHz的探测器, 利用该方法测得的相对误差为6%左右, 该测试方法简单、可行, 适用范围广。

从光谱位相相干电场重构法(SPIDER)的原理出发, 实现了算法、讨论时间延迟、光谱剪切量、滤波窗口宽度、色散量等几个方面的优化选取。当展宽器色散和脉冲宽度一定时, 脉冲对的时间延迟存在一个最佳取值范围。相对光谱剪切量在5%～15%间, 滤波窗口宽度为／3, 重构出的位相误差最小。对干涉图取平均来减小噪声的影响。用SPIDER算法还原了脉冲的电场和位相信息, 由SPIDER测量的脉冲宽度为17.7 fs。同时为了比较, 用自相关法测量了同一脉冲, 由自相关曲线可估算出脉冲宽度为16.8 fs, 与SPIDER 的误差比为5.1%, 说明了实验的有效性。

提出可精确测量中低温物体温度的带通比色滤波测温理论, 利用该理论, 搭建了相应的实验装置。对装置所用的器件进行精确标定, 并利用数值函数对测试得到的离散点数据拟合后, 用面源黑体在50℃～400℃范围对该实验装置进行了测温实验验证, 实验结果表明, 该实验装置在不需知道目标发射率的情况下, 能精确测量物体的真实温度, 因此, 验证了提出理论的正确性与所建立测温系统的可行性, 对中低温物体真实温度的测量研究具有重要意义。

为了能够量化物体太赫兹辐射的大小, 对黑体辐射中的太赫兹信号进行测量, 使测量系统处于真空状态下, 并且使用液氮制冷来屏蔽外界杂散辐射。黑体辐射的太赫兹信号由卡塞格林系统聚焦于探测器上。探测器的输出信号用锁相放大器进一步处理, 并观察不同时间常数下锁相放大器的输出信号。实验结果表明: 当黑体温度为323 k时, 实验装置使用液氮制冷前后的测量结果有所不同, 前后相差约3 μv左右。时间常数对输出结果影响也很大, 实验使用3 s比较合适。由于噪声来源复杂、噪声水平很高, 黑体在太赫兹波段辐射能量极为微弱, 所以系统对温度分辨率要求不是很高。

单色仪在实际光谱测量前需要进行波长校准。文中分析了波长驱动原理, 并推导了Czerny-Turner双光栅单色仪出射波长与步进电机脉冲数的关系式。在此基础上进行了波长校准实验。使用低压汞灯作为校准光源, 在紫外波段和可见波段蓝端, 扫描多条低压汞灯特征谱线, 得到单色仪的指示波长与信号强度的关系数据。计算出单色仪出射这些谱线时使用的波长修正量。最后使用曲线拟合方法得到250 nm～450 nm光谱范围内单色仪出射任意波长时对应修正量的计算式。波长校准保证了单色仪的波长准确性。

为了解决防离子反馈Al2O3膜污染对三代微光管GaAs光电阴极灵敏度的影响, 用四级质谱计对制管超高真空室残气、无膜微通道板(MCP)和带Al2O3膜MCP在电子轰击时的放气成份进行分析。结果表明, 带Al2O3膜MCP放出有对阴极光电发射有害的C、CO、CO2、NO、H2O2和CXHY化合物, 它们来源于Al2O3膜制备过程的质量污染。经过对制膜工艺质量进行改进, 制备出了放气量小于2×10-9 Pa且无CXHY化合物气体的Al2O3膜。

为了进行MCP超薄防离子反馈膜的性能评价研究, 并使这种膜层具有良好离子阻挡能力, 利用电子束蒸发方法, 在微通道板(MCP)输入面上制备一种超薄Al2O3防离子反馈膜, 其膜层厚度为2 nm时仍连续致密。通过对Al2O3防离子反馈膜的电子透过特性测试, 给出2 nm及4 nm厚防离子反馈膜对应的死区电压分别约为150 V及200 V; 利用Monte-Carlo法模拟分析了Al2O3防离子反馈膜的离子阻挡特性, 2 nm及4 nm厚Al2O3防离子反馈膜对碳离子等的阻挡率分别高于40%及86%, 另外对有无膜的MCP电特性进行测试, 可以看出镀2 nm及4 nm厚的膜后, MCP电子增益分别降低了51%及81%。

提出了一种快速检测浅度非球面(非球面度小于0.01 mm)的方法, 该方法无需补偿器或其他辅助光学元件进行零位补偿。用移相干涉仪直接测量正轴或离轴的浅度凹非球面, 剔除平移、倾斜、失焦等调整误差后, 得到实际被测镜面的面形分布数据; 根据正轴或离轴的浅度凹非球面矢高方程计算理想非球面的面形分布数据, 得到理论波面数据, 用实测的面形分布数据减去理论的面形分布数据即可得到被检非球面的剩余波像差, 即面形误差。利用该方法测量了一口径为135 mm的双曲面, 并用零位补偿法加以验证。两种方法的检测结果精度相当, 说明数字波面法可实际应用于正轴或离轴的浅度凹非球面的检测。

对两个通光面均为超光滑表面的双面对称角度楔形镜的加工提出了一种新工艺方法, 并根据零件的特点对工艺方法进行了改进。利用组合楔板工装、粘接上盘等方式对零件进行成盘加工, 不仅使零件的角度、厚度得到了很好的保证, 而且还避免了光胶上盘对已加工表面的损伤, 使通光面的疵病、面形、粗糙度、一致性等指标有很大的改善, 超光滑表面粗糙度rms均优于0.2 nm (AFM测量), 表面疵病达到0级, 角度精度达到±15″, 一次交检合格率达到85%以上, 有效地解决了生产中的瓶颈问题。

为了对沉积在大曲率球面零件表面的光学膜厚分布进行理论分析计算, 首先确定了工艺配置, 然后通过数学建模确定出计算函数式, 最后通过数值积分分别对蒸发源为点源(n=0)和蒸发源为面源(n=1, 2)进行了计算。计算结果与实验结果比较后表明: 在本文确定的工艺条件下, n=2时计算结果与实验结果比较吻合。证明采用本文设计的建模方法结合恰当的蒸发源发射特性, 通过数值计算, 完全可以对大曲率球面零件的膜厚分布进行计算。

设计一个用于红外热像仪的轻量化超宽温中波折/衍混合红外热像仪光学系统。光学系统参数: 工作波段为3.7 μm～4.8 μm, 相对孔径为1/2, 焦距为120 mm, 全视场角为5.18°, 满足100 %冷光栏效率。采用三片式结构, 使用硅和锗两种常用的红外材料, 以及一个非球面和一个衍射面,系统实现了轻量化和超宽温度下工作。系统在-60℃～160℃温度范围内成像质量接近衍射极限,可供像元尺寸为30 μm、像元数256×256的凝视型中波红外探测器使用, 可探测到2.3 km远的坦克目标。

为了增加红外凝视焦平面阵列探测器成像仿真的置信度, 对探测器所存在的空间采样效应产生机理进行了分析, 并且从空间域角度对其进行了建模, 借助于基于图像像素处理的方法进行实验仿真; 为了客观地评价空间采样效应对探测器成像质量的影响, 定义了图像的负指数型平滑度, 实验结果表明, 叠加空间采样效应后探测器输出图像的平滑度减小了11.7%, 图像局部波动变大, 从而验证了红外探测器成像仿真中空间采样效应考虑的必要性。

针对舰载光电跟踪仪仿真测试需求, 提出基于红外图像仿真的光电模拟器的设计。利用Vega仿真平台计算所得辐亮度和仿真图像灰度值之间线性关系, 求解该线性映射关系, 对红外仿真场景的图像进行分析标定。通过某型光电跟踪仪定型试验验证, 光电通道跟踪精度达到1 mrad, 满足系统指标要求。光电模拟器可完成在复杂背景、夜间等外场无法进行的试验条件下, 对光电跟踪仪动态性能和战技指标的测试。

基于微片Nd∶YAG 正交偏振双频激光器, 研究了若干重要的双频激光器腔调谐现象, 包括光强调谐、频差调谐、子谐振腔效应及频差闭锁等, 给出了实验结果和数据。腔调谐下, 正交双频的频差调谐量约为350 kHz; 存在子谐振腔效应时, 频差调谐量最大可达到2 MHz; 未发现明显频差闭锁现象, 频差最小值可达到14 MHz。

为了降低激光位移传感器的生产成本, 提出一套新型激光位移传感器系统的设计方法。该设计基于三角测距原理, 使用CCD 单板机作为光电探测器, 换用小孔光学系统替代透镜, 并针对小孔光学系统的特点对传感器系统重要参数的确定方法进行了研究, 编写图像处理算法提取目标图像中的位移信息, 从而达到非接触式位移测量目的。搭建了一套该新型激光位移传感器系统进行位移测量实验, 结果表明此系统可以达到量程为50 mm、精度为1 mm 的测量需求。

激光扫描捕获系统通过对激光光源进行扩束变换, 压缩光源的发散角度, 可减少在远距离传输中的能量损失。为满足某通信实验需要, 设计一种放大倍率为10倍, 光源扫描视场为48°×40°的小型扩束系统。系统要求在1 550 nm、1 064 nm、800 nm和632.8 nm激光波段, 全视场范围内波像差RMS不大于0.1λ(λ=632.8 nm), 且无中心遮拦。通过计算初始结构参数, 利用Zemax软件优化, 采用4片反射式非球面进行设计, 全系统体积约为90×100×60 mm3, 波像差最大为0.095λ, 满足系统尺寸和像质要求, 整个系统光能透过率约为92%, 满足透过率大于85%的设计要求。

为配合地面探测跟踪系统对飞行目标的探测, 设计了一种以40 W 紧凑型半导体激光器为光源、具有一定发散角的机载式单色信标系统。由于系统要满足机载平台加装体积小、质量轻、散热好的要求, 设计了一体成型的鳍片式壳体结构, 解决系统散热问题的同时, 控制了整体质量。为实现在有限体积内, 40 W 单阵列光纤耦合半导体激光器模块所需的60A 大电流恒流驱动, 采用叠相调制技术和同步BUCK 变换电路结构; 为解决激光器在高空低温环境下输出光功率和中心波长能够稳定控制的难题, 设计了数模混合双向温控系统。利用ZEMAX 软件设计了双凹透镜组结构的扩束装置, 实现了对激光发散角的发散和可调节。通过环境考核测试, 系统在0℃～15℃的低温环境下, 输出光功率稳定度和波长控制精度均能满足要求。

理论上推导出了环形激光器对S光和P光相位延迟差与其拍频峰对应的压电陶瓷电压差的关系式, 分析了方形环形激光器对S光和P 光的频率响应特性, 通过测量拍频峰电压差实现环形激光器反射镜相位延迟差测量。通过搭建环形激光器频率响应特性测试系统, 从实验上验证了理论计算的正确性。结果表明, 该方法测量误差小于1.5%, 满足环形激光器反射镜相位延迟差测量要求。

利用陶瓷封装技术, 设计并制作了多只光纤光栅温度传感头, 测试了探头的测试灵敏度、稳定性、重复性、响应速度等多个参数受封装加工形式的影响。实验采用恒温水浴装置, 在36℃~45℃的温度范围内使用了中心波长位于1 540 nm和1 550 nm附近的多只布拉格光纤光栅进行了对比测量。实验结果表明: 陶瓷封装布拉格光纤光栅的波长/温度响应度为9.815 pm/℃, 测量标准偏差为±0.08 ℃。

对平面光波导器件封装手动耦合系统进行了改进, 增加了3个黑白摄像头, 3张AV转USB采集卡, 通过采集卡采集对准图像, 利用LabVIEW8.2和IMAQ vision软件编程, 将图片进行BCG调节、反转、闭合、边缘提取、手动阈值、形态学变化、直线拟合等一系列处理和识别后, 实现了对光波导分路器与输入、输出光纤阵列的平行度和像素距离的检测, 以一个熟练工封装1×32路平面光波导来说平均节省了对接封装时间10 min, 减少了操作者的劳动量, 减小了对准损耗, 减小了人为误差。