车载光电侦察系统在目标定位过程中, 由于光电平台、惯导系统的工作方式及安装位置差异, 在建立光电平台坐标系、惯导系统坐标系、本地坐标系、地心坐标系、基于参考椭球的经纬度表示等一系列坐标系基础上, 推导出目标定位模型, 计算出目标的经纬度和高程, 实现对目标的精确定位。通过模型对光电侦察系统的主要误差源进行分析和试验仿真, 结果表明该模型能够保证对目标定位精度的要求。外场实验结果表明: 系统目标定位精度优于15 m。

针对惯导系统定位误差随时间积累而增大的缺点, 提出利用航位推算方法进行误差补偿。在航位推算中根据引起误差的主要因素推导出位置误差方程, 以此方程为依据, 建立相应的卡尔曼滤波器。将惯导系统速度与航位推算速度之差作为滤波器的输入, 估计系统的姿态、速度、位置及里程计刻度系数误差值, 并通过闭环反馈进行实时误差补偿修正。任选2条非闭合路径进行跑车实验, 第一条路径定位误差补偿修正前是3.49‰, 补偿修正后定位误差是2.3‰, 第二条路径补偿修正前定位误差是2.4‰, 补偿修正后定位误差是2‰。实验结果表明: 采用航位推算误差补偿方法可以有效降低系统定位误差。

针对传统V棱镜折射仪采用光学度盘, 目视对准方式无法满足现代光学玻璃生产线以及高精度折射率测量的需求。提出一种新型的高精度基于CCD 机器视觉对准的V棱镜折射仪的总体设计方案, 并对准直光管、传动机构、锁紧和微调机构以及轴角编码测角机构等主要组成部分进行了光机结构设计。在考虑空气折射率影响因素的修正公式的基础上, 分析了仪器的检测误差。实验结果表明: 其折射率检测精度可达 3×10-6, 满足了高精度V棱镜折射仪的技术指标要求。

提出了一种利用光学衰减片与电机组合, 扩展透射式能见度仪动态范围的方法。通过改变加载到LED光源的调制信号的幅度, 控制LED光源的发射光强; 设计测量系统, 选择固定透过率的衰减片; 设置合理的系统阈值完成数据测量。对测量数据作拟合分析, 结果表明: 采用透过率为60%的中性密度衰减片, 系统动态范围扩展了0.6倍; 透过率为12%时, 系统动态范围扩展了6.9倍。同时, 通过选择不同透过率的中性密度衰减片, 可实现系统动态范围的灵活扩展。

基于声光可调谐(AOTF)光谱相机的技术指标和性能要求, 采用机械正组补偿方式, 实现了10×可见光波段连续变焦光学系统的设计。详细介绍各组元的光焦度分配和初始结构的计算过程, 并用Zemax光学软件进行设计, 对设计结果进行了像质评价和像差分析, 并对凸轮曲线进行求解。设计和分析结果表明: 该系统在0.38 μm~0.7 μm波段实现了30 mm~300 mm连续变焦, 在空间频率50 lp/mm处调制传递函数(MTF)值最大达到0.7。该系统可工作在可见光波段, 具有变倍比大、变焦曲线平滑的特点, 能够满足光谱相机的成像要求。

介绍了PW法在连续变焦光学系统初始结构求解过程中的应用。在物像交换原则的基础上对光学系统的各组件进行光焦度分配和间距的选择得到变焦系统的结构形式。通过改变PW值的大小以及正负选择最佳的玻璃组合, 消像差以及计算透镜的形状。利用PW初始结构求解法设计得到了焦距为50 mm~20 mm的中波红外变焦系统, 该系统包括5片透镜以及2个非球面, 结构简单并且满足100%冷阑匹配。最终得到光能透过率高, 成像质量好的连续变焦光学系统, 可以满足实际应用需求。因此, PW初试结构求解法在连续变焦光学系统设计中具有一定的借鉴意义。

针对多传感器光电系统存在的光轴平行性调校需求, 介绍了一种光轴跨距较大的高精度校轴仪及其工作原理。该装置核心为卡赛格林系统, 其主镜采用了一种新型粘接与光学定中心方案用于解决受力变形, 实际变形结果验证了该方案的可行性。通过精确调校卡赛格林系统以及检测光路的光轴平行性, 文中的校轴仪理论检测精度可达10″以内, 因此其配合大口径离轴反射式平行光管使用时, 能实现对多传感器光电系统光轴平行性的高精度调校。

提出一种由平面LED阵列与高漫反射率自由曲面构成的间接照明方式。基于LED光源与理想漫反射表面的朗伯特性, 构建照明系统的数学模型。根据目标平面预期的光强分布, 建立一组微分方程, 利用数值方法求解得到漫反射自由曲面的面形轮廓, 通过光学软件对该漫反射光源系统实体模型进行非序列光线追迹仿真, 模拟结果显示检测区域辐照均匀度达到90%以上, 验证了该方案设计均匀照明光源的正确性与有效性。

针对大功率LED光源存在的散热问题, 在风冷散热条件下, 对加装导流罩的大功率LED散热器进行优化设计。在肋片结构参数固定的条件下, 利用流体分析软件对导流罩的内径、高度、进气口直径以及散热器肋片夹角进行优化。通过改变这些参数来改变散热片表面气体流体的流形、风速等值, 最终改变肋片表面对流换热系数。获得的导流罩和肋片夹角参数: 导流罩高度85 mm, 进气口直径76 mm, 出气口直径83 mm, 散热器肋片夹角9°。通过优化使散热器温度有一定程度的降低, 为大功率LED灯具散热设计提供了一种优化方案。

应用非成像光学的原理, 介绍一种简单、实用的旋转对称反射器的自由曲面设计方法——环带法。提出环带法的设计思路, 将光源的出光分布和灯具光学组件的出光分布分别按一定的角度间隔平均划分为不同的环带区间, 根据不同环带区的光通量值差异进行一系列的对比分析, 从而确定光源出射光线与灯具出射光源的对应关系, 最终确定反射面的斜率, 求解由斜率构成的二元一次方程组便可得到反射曲线的线形。描述了环带法的详细设计步骤和细节, 并通过针对LED光源的具体应用实例加以验证, 最终实现对光源的精确配光, 设计吻合程度可达98.4%。

针对凝视观测模式下光测图像中弱小目标的检测问题, 提出一种多帧频域特征累积的目标检测方法。利用恒星匹配、临帧差分等方法消除背景变化的影响, 通过图像时频域特征分析, 推导出递归形式频域特征累积方程, 并由此检测图像中的弱小目标。实验结果表明采用多帧频域特征累积方法能将图像信噪比提高3倍以上, 有利于检测出弱小目标。

为了阐明相位编码光学加密算法的扩散及混淆特性, 基于傅里叶变换位移定理,从分组密码设计准则出发,以双随机相位光学加密算法为研究对象,分析了采用单个随机相位模板的2-f系统的扩散和混淆特性。将单随机相位加密过程分解为2个相互关联的过程,结果表明, 傅里叶变换在加密算法中引入了混淆操作,而傅里叶变换结合随机相位模板实现了扩散操作。通过数值模拟对上述理论分析进行了验证,引入信息熵来评价加密图像的统计分布特性, 进一步分析了菲涅尔域及分数阶傅里叶变换域随机相位加密算法的扩散混淆特性。研究表明,单随机相位加密和双随机相位加密图像的信息熵分布为7.038和7.157, 而随机振幅加密图像信息熵为4.521。因而, 随机相位加密算法比随机振幅加密算法能实现对信息更好地扩散。

为了避免使用复数来密文记录和传输彩色图像, 提出一种基于附加密钥复用的彩色图像加密方法。先把彩色图像分成三基色分量: 红、绿、兰; 选取3个独立的附加密钥分别对这3个分量使用改进的光学联合相关变换法加密, 得到3个联合功率谱。把这3个联合功率谱进行叠加, 得到的复合联合功率谱即加密结果, 其包含了原始彩色图像的全部信息。解密时, 使用加密时所用的3个附加密钥分别对此复合联合功率谱进行解密, 即可正确地重建原始图像的红、绿、蓝分量, 进而恢复出原始图像。计算机仿真结果表明, 本方法可以将一幅原始彩色图像隐藏于单幅强度图像之中。由于记录强度图像无需参考光波, 因此本方法在加密过程中成功地避免了干涉装置, 降低了对加密环境的要求。此外, 相比于其他彩色图像隐藏方法需要加密至复数密文之中, 本方法的密文大小仅为其二分之一, 加密效率提高了一倍。

用稳相积分法分析了点光源经过2个平行放置的有限宽平面透射光栅组成的系统衍射后的复振幅分布。当两光栅满足双光栅成像条件时, 将其衍射成像与无限宽双光栅衍射成像进行对比, 得到有限宽光栅对双光栅衍射像的位置没有影响, 而衍射像随两光栅之间的相对距离及衍射级数而变化。文中计算了满足双光栅成像条件时, 某实验参数下衍射像的大小的情形, 结果有限宽双光栅成像被放大了1.22倍。并根据其原理进行白光再现普通透射全息图色彩研究。

针对靶场测试当中CCD立靶测量系统需要稳定可靠触发的需求, 提出一种双光幕触发系统。采用镜头式光幕探测器配合高亮度LED慢散射光源组成触发探测光幕, 利用2个同样的光幕探测器配合测时装置组成区截测速系统, 根据测得的速度值判定飞越探测光幕的目标是否为真实弹丸, 并决定是否输出触发信号。根据速度值V和触发光幕至CCD探测光幕的距离计算出弹丸飞越至探测光幕的时间, 然后在弹丸飞越将近至探测光幕的时刻输出触发信号。该方案不但可以提高系统的稳定性, 避免非真实目标对系统的干扰, 还可以为后续CCD图像采集系统在准确时刻提供触发信号。经实验证明, 所设计的双光幕触发系统的速度测量误差不大于0.4％, 完全满足CCD立靶测量系统需要精确触发的要求。

介绍了烟幕的类型和使用方式, 分析了喷射式彩色烟幕的遮蔽原理。根据三基色原理提出了采用RGB色彩模式测量评估彩色烟幕色度的方法。分析了目前普遍采用的衰减率数据矩阵插值法测量烟幕形成时间的方法以及该方法在使用中存在的误差因素, 提出采用彩色烟幕RGB数据矩阵法测量评估彩色烟幕形成时间的新方法, 该方法解决了由烟幕的形状及形成方式、目标的数量及布设方式等因素引起的系统误差, 经分析该方法对喷射式烟幕形成时间的测量精度提高到90%以上, 具有测量精度高、便于数据处理的优点, 丰富了烟幕遮蔽效果测量的评估措施。

为解决微弱光信号检测中信号动态范围宽、噪声大等难点, 利用对数积分放大原理设计了微弱光信号检测电路。并利用2种不同特性的硅光电二极管(PN和PIN)作为光电转换器件验证电路的性能。实际结果表明: 在入射光功率特性上, 2种光电二极管电路输出相似, 对信号具有压缩作用。在入射光频率特性上, f<20 Hz时PN型电路输出幅值是PIN型的1.2倍以上; f>40 Hz时PN型电路输出幅值变化约90%, PIN型电路输出更稳定, 最大变化约50%。在光谱测量上, 2种光电二极管测得的光谱与实际光谱相比变化趋势相同, 峰值波长一致。

为了提高非球面光学元件的检测精度及效率, 缩短调整环节的时间, 分析了非球面干涉检测过程中被检非球面镜的调整误差对检测结果波前信息的影响, 提出利用波前等高线图走势准确判断调整方向的调整方法。建立调整方向与被检镜失调量之间的关系, 并利用光学设计软件Zemax仿真模拟检测光路, 结合二次非球面镜的光学公差分析判断调整量的大小。基于该调整方法, 利用Zygo激光干涉仪对口径为50 mm的双曲面进行检测, 最终检测结果是RMS为0.014 λ,实验表明该方法简单、可行。

涡流热成像可以对金属材料表面、近表面缺陷进行快速准确的检测。采用涡流热成像与脉冲相位分析相结合的方法, 针对裂纹附近相位谱的分布规律及温度场对相位谱的影响关系问题, 分别对带有上表面裂纹和下表面裂纹的45#钢料进行感应加热仿真和实验分析。结果表明, 相位谱分布与温度大小无关, 只与温度变化趋势有关, 相位谱图对不均匀加热有很好的抑制作用, 可以扩大裂纹的检测范围,当频率低于12.5 Hz时能够清晰地识别裂纹。结合实验验证了仿真结论的正确性, 为下一步利用相位信息实现缺陷的定量检测提供参考。

使用自制的分子束源制备了聚对二甲苯(Parylene-N, PPXN)薄膜。通过对该分子束源的设计和不断优化, PPXN薄膜可以在室温、10-3 Pa的较低反应压强下以0.01 nm/s~0.02 nm/s的速率沉积聚合。用红外透射光谱和原子力显微镜测量了PPXN薄膜的成分和表面形貌。结果表明, 所制备的薄膜成分为PPXN, 薄膜呈波浪状、无尖刺的表面形貌。准确控制的PPXN薄膜在有机电致发光二极管中用作缓冲层, 对载流子的注入和传输进行调控, 有效地改善了器件内部的载流子平衡。最优化结构的器件较未插入PPXN缓冲层的器件, 电流效率提高80%以上。

为了提高砷化镓(GaAs)多结太阳电池的光电转换效率, 设计了宽光谱(300 nm～1 800 nm)ZnS/Al2O3/MgF2三层减反射膜, 分析了各层的厚度及折射率对三层膜系有效反射率的影响。结果表明: 对于整个波长, ZnS厚度对有效反射率的影响要大于Al2O3和MgF2, MgF2厚度对有效反射率的影响最小; 适当减小MgF2的折射率或增加ZnS的折射率可得到更低的有效反射率。同时, 当 ZnS, Al2O3和MgF2的最优物理厚度分别为52.77 nm, 82.61 nm, 125.17 nm时, 此时最小有效反射率为2.31％。

单点金刚石车削铝合金表面具有较好的表面质量和精度, 但车削“纹路”会产生散射现象, 难以满足高品质光学系统要求。对铝合金表面进行直接光学抛光可以去掉表面产生的车削“纹路”, 提高反射表面的光学性能, 分析酸性条件下和碱性条件下的铝镜抛光原理, 采用新型抛光盘与抛光液对单点金刚石车削后铝合金表面进行抛光实验。实验结果表明: 通过合理控制工艺参数, 能够消除铝合金表面残留的周期性车削刀纹, 并且不会产生新的表面划痕, 得到较好的铝镜光学表面质量, 测得的铝镜表面粗糙度Ra=2.6 nm。

在平面行星式研磨加工过程中, 研磨盘磨损的均匀性与光学镜片的研磨质量有密切关系。通过对光学镜片在平面行星式研磨加工过程中的运动规律进行分析, 建立了差动轮系条件下工件运动的轨迹和速度计算模型, 开发了Matlab仿真程序。结合生产实际, 对行星轮系条件下工件运动的轨迹和速度进行了仿真, 确定了研磨机速比对研磨盘磨损均匀性的影响规律: 当速比I1<-1.5时, 镜片的运动轨迹在较短时间内遍布研磨盘各处, 研磨盘得到均匀磨损, 加工质量和加工效率较高。基于仿真结果, 通过优化工艺参数, 获得了厚度一致性小于0.002 mm, 平行度小于0.002 mm的高质量光学镜片。

栏光效应是影响折衍元件衍射效率的一个重要因素, 栏光效应与加工刀具有着密切的关系。分析刀具圆弧半径与栏光效应的联系、刀具参数与元件加工后的表面粗糙度的关系以及刀具耐用度等要求, 设计了加工折衍二元光学元件的金刚石刀具, 给出刀具加工里程数计算公式和车削实验结果。实验结果证明: 设计的金刚石刀具能够满足折衍二元光学元件的产业化加工要求, 刀具耐用度较强化前提高2倍多。

使用微波回旋共振离子源, 研究Ar+离子束在不同角度、不同入射能量下对蓝宝石表面的刻蚀效果及光学性能。结果表明: 所用能量800 eV, 1 000 eV及1 200 eV时透过率都有很大的提升, 由原来的50％提高到70％~80％, 在能量为1 000 eV时增幅最大, 能量为1 200 eV时增幅最小; 在相同能量、不同角度下刻蚀后蓝宝石粗糙度呈先增大后减小的趋势, 而在相同角度、不同能量下粗糙度方面无明显规律。刻蚀后表面形貌测试表明: 角度不变, 能量为1 000 eV时出现点状纳米结构, 能量为1 200 eV时出现柱状纳米结构; 能量不变, 角度为10°、50°及80°时出现了规律较明显的点状或条状纳米结构, 角度为30°时表面较为光滑。

为实现微型光谱仪在工程领域的广泛应用, 研究了其核心器件——扭转式微机械扫描光栅的结构与制作方法。利用SOI工艺, 设计一种无需启动电极的静电梳齿驱动结构, 可以使扭转式微机械扫描光栅具有低频驱动、制作工艺简单、扫描范围广等优点。通过设计的制作工艺方法, 研制出了能够初步满足性能要求的扭转式微机械扫描光栅样件。测试结果表明: 该微扫描光栅在驱动电压为25 V时最大转角可达到±4.8°, 对应的光学扫描角为19.2°。

针对传统时域高通滤波校正算法存在的鬼影问题, 提出一种新的基于混合高斯模型的红外图像自适应校正算法。新算法利用混合高斯模型对场景进行建模, 只有在像元输出值满足一定条件的时候, 才将其更新到校正系数中, 实现有选择性地更新校正系数。通过一组仿真和真实的红外图像序列评价算法的性能,仿真图像采用峰值信噪比指标进行定量评价, 新算法比传统时域高通滤波校正算法的峰值信噪比提高了约9 dB。真实图像采用主观的定性评价, 传统算法校正结果中存在着明显的鬼影, 而新算法校正结果中不存在鬼影。

目标与背景的辐射对比度是红外系统探测目标的主要依据, 也是烟幕干扰重点降低的一个参量。结合辐射对比度的定义和红外定标原理, 由目标和背景的视在辐射亮度引入其视在辐射对比度, 并与目标和背景热像图的灰度值关联起来。利用烟幕遮蔽前后与目标和背景视在辐射对比度变化相对应的热像灰度对比度的变化, 对烟幕遮蔽率进行表征。用提出的背景灰度方法对干扰实验结果进行了表征, 计算得到3组试验的背景灰度值分别为91.902 4、88.002 0、33.285 6, 并获得了目标区域各像元遮蔽率的直观分布图, 克服了以往以点代面的评价方法。

针对窄线宽激光器输出谱线窄, 难以被锁定的情况, 利用F-P腔特有极窄线宽、高精细度特性对激光器谱线线宽实施压窄及频率锁定。通过设计实验方案并搭建锁频测试平台, 利用F-P腔外部光反馈将窄线宽半导体激光器线宽压窄来提高锁频精度。通过监测正弦波调制下F-P腔对于4种不同直流电压下激光PZT扫频段的透射谱线, 并对其分别进行解调和锁频精度测试, 得到直流高压放大器电压为73 V时对窄线宽激光器进行扫频, 激光器反馈锁频精度最高可达1.5 MHz。

为了研究液体泡沫的激光伪装应用, 实验分析了液体泡沫对1.06 μm激光的伪装性能。采用对比试验方法测得了不同液体泡沫结构参数下的1.06 μm激光回波衰减值, 结果显示, 衰减值最高可达66%, 最低为36%。结合激光伪装要求, 以草地和钢板为例, 理论计算分析了液体泡沫用来实现1.06 μm激光伪装可行性。结果表明, 使用2 cm厚液体泡沫对钢板进行伪装, 激光回波衰减达到36%, 在草地背景伪装要求的30%~40%范围内。说明液体泡沫具有较好的1.06 μm激光伪装性能, 利用液体泡沫可实现激光伪装和地面目标有效防护。

在惯性导航系统中, 采用单轴旋转技术可以调制垂直于旋转轴方向上的惯性器件误差, 而对沿旋转轴方向的误差没有抑制作用, 因此旋转轴方向上激光陀螺漂移成为影响惯性导航系统精度的主要因素之一。为精确地辨识旋转轴方向上激光陀螺漂移, 提高激光陀螺单轴旋转惯导系统的精度, 利用人工鱼群算法AFSA(artificial fish swarm algorithm)建立了单轴旋转惯导系统轴向陀螺漂移辨识模型, 给出了AFSA 辨识的详细步骤和方法。实验结果表明: AFSA可以对轴向激光陀螺漂移进行精确建模, 补偿后的激光陀螺零偏不稳定性达到0.000 4 °/h。

为了获得不同间隔双波长信号输出, 提出一种基于受激布里渊效应产生双波长激光的实验装置, 利用不同间隔双波长输出信号进行拍频实验可获得可调的微波信号输出; 利用一段10 km长普通单模光纤(SMF)作为布里渊增益介质, 一个线宽为5 kHz分布反馈激光器(DFB)作为布里渊抽运源, 一段未泵浦的保偏掺铒光纤用作饱和吸收体抑制边模, 通过改变未泵浦保偏掺铒光纤的长度, 可获得不同间隔输出的双波长光纤激光器, 实验获得波长间隔为0.170 nm和0.085 nm的激光信号输出, 分别对应20 GHz和10 GHz的微波信号。

在分析光纤环对陀螺整体性能影响的基础上, 提出将BOTDA光纤传感技术用于光纤环质量检测。通过对光纤环的在线检测、热应力检测和骨架性能影响测试, 能及时发现并消除光纤绕制中的应力尖峰及换层现象, 消除由骨架、热应力引起的光纤应力曲线反转现象。