针对高功率脉冲半导体激光器的远场特点, 及激光制导对激光功率密度和光斑均匀性的要求, 给出多孔径空间耦合方案并对其优点进行理论分析; 针对纳米叠层芯片高功率半导体激光器偏振特性, 基于偏振复用的原理, 进行2支高功率半导体阵列激光器的偏振合束研究。通过试验得出结论: 偏振耦合后系统输出光功率几乎2倍于单个激光器输出功率, 采用多孔径耦合及偏振耦合均能满足遥控制导光斑要求。

针对大气环境中粒子浓度对激光传输过程的影响问题, 以油雾粒子为研究对象, 利用油雾粒子在扩散过程中产生的非均匀环境, 进行了偏振激光传输的半实物仿真实验。实验采用532 nm激光器, 分别研究了水平线偏振光、45°线偏振光以及左旋圆偏振光在油雾扩散过程中偏振态的变化情况。利用粒度仪对扩散环境进行了量化标定。实验结果表明: 在油雾扩散过程中, 浓度越高, 偏振度变化的随机性越大, 圆偏振光的保偏性优于线偏振光。在相同浓度下, 0°线偏振光对偏振态的保持性要优于45°线偏振光。在浓度极高的情况下, 体积浓度为2 mg/L及其以上时, 线偏振光与圆偏振光的保持性趋向一致。

结合超连续谱激光器光谱辐射特性及多色CCD信号传递转换机理, 建立了激光干扰多色CCD成像仿真模型。依据多色CCD工作原理, 理论分析了饱和串扰信号转移规律; 根据多色CCD结构, 借助光学专业设计软件实现CCD像面激光能量空间分布特性研究; 综合考虑饱和串扰信号转移规律及CCD像面激光能量空间分布, 建立了超连续谱激光干扰单色CCD饱和串扰效应仿真模型, 在此基础上结合多色CCD成像多色可视化原理, 实现超连续激光干扰多色CCD输出图像仿真。最后, 引入图像质量评价因子, 研究了不同激光能量对多色CCD输出图像质量的影响。实验结果表明: 激光功率密度是激光干扰效果的重要影响因子, 随着激光能量增大, 多色CCD输出图像质量下降。

为保证光电平台视轴稳定精度, 在装配阶段需要通过配平来最小化其静不平衡力矩。为降低某两轴四框架形式机载光电平台的静不平衡力矩, 建立了一种多传感器布局优化设计方法。以各传感器的布局位置为变量, 基于有限包络圆方法实现各传感器间的不干涉约束, 快速得到具有较小静不平衡力矩的传感器布局方案。该方法成功将某光电平台关于内方位、内俯仰运动轴系的静不平衡力矩分别降低了45%和68%, 有效降低了配平质量, 提高了光电平台性能。

两轴四框结构光电吊舱, 内框多采用力矩电机直驱, 稳定精度仅为数10 μrad。为达到更高精度的μrad量级, 提出一种压电陶瓷驱动柔性支承的精级回转驱动机构, 作为光电吊舱的内框驱动。介绍了精级回转驱动机构的构型方案, 并对压电陶瓷的驱动能力进行了探讨, 对柔性支承的回转刚度、固有频率、几何参数进行了详细设计。建立了机电仿真模型, 制造了原理样机并进行了性能测试, 其主要性能指标为: 行程509.1 μrad, 分辨率优于0.5 μrad, 1 Hz、100 μrad的正弦信号跟踪误差小于3 μrad, 固有频率约1 kHz, 均满足设计目标。

利用光学设计软件ZEMAX和Python软件联合实现空间引力波望远镜光程差(optical path difference, OPD)精密求解; 通过动态数据交换(dynamic data exchange, DDE)实现ZEMAX软件和Python软件数据交换: 首先, Python软件对有限元分析后望远镜镜面数据进行处理, 并将分析结果通过DDE传输给ZEMAX进行光线追迹; 其次, ZEMAX软件对追迹后的光线坐标再通过DDE传回Python软件; 最后, Python软件通过全局坐标系, 计算刚体平移带来的光程差和波前的变化。模拟1 mK温度变化下引力波望远镜的受力变形, 通过ZEMAX软件和Python软件求解空间引力波望远镜光程差和波前变化, 结果表明光程差精度为1e-13米量级, 完全可以满足望远镜皮米级稳定性精度要求。本研究可为后续引力波望远镜光机结构方案设计中光程差分析提供技术参考。

针对开放光路TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱技术)气体检测系统中, 由于角反射器在生产及使用过程中表面光洁度下降及大气传输扰动造成回波信号入射方向与接收透镜光轴非严格平行, 从而导致系统探测灵敏度下降的问题, 分析回波信号与菲涅尔透镜光轴夹角不同时的汇聚点偏移量, 设计了由圆锥体反射器和抛物面反射器组成的二次光学元件, 并运用TracePro光学软件对其参数进行优化。在回波光线-6°~6°入射角偏差范围条件下对优化设计的光学接收组件进行聚光特性模拟。模拟结果表明: 优化设计的光学接收组件接收角为4.9°, 光学效率为78.24%, 与单独菲涅尔透镜及菲涅尔透镜-复合抛物面聚光器(CPC)光学接收组件相比聚光性能明显提高, 适用于实际检测过程。

随着集成电路特征尺寸的不断减小, I/O引脚数日益增加。对于高密度封装, 尤其是2.5D/3D封装中, 电子元件和基底快速而准确的对准十分关键。利用高性能CCD搭建了一套精密的光学视觉对准系统, 并采用Hough变换算法对芯片和基底进行对准试验。采集的图像经过去噪预处理后采用形态学边缘检测方法提取对齐标记, 并通过Hough变换得到4组平行直线, 然后计算基底的位移和旋转角度并完成对准。使用Matlab编程配准, 程序运行时间约为 4.2 s, 旋转参数的误差小于1.2°, x和y轴的平移误差均小于1 pixel。试验结果表明基于Hough变换算法的光学视觉对准系统可以快速而精确地实现芯片和基底对准, 满足IC封装需求。

针对深腔内深孔、微小孔或盲孔等,由于受到腔体尺寸形状和腔体结构的限制, 导致对腔体内表面的检测及腔体内孔径形位信息的检测有很大的难度,设计了一种检测腔内小孔特征以及腔内状态的内窥镜光学探头。该探头为具有90°视向角、20 mm大景深、高分辨率的细径内窥镜, 其放大倍率为-0.71×, 最大畸变为0.5%, 全视场MTF在166 lp/mm处接近0.1, 孔径检测精度为0.01 mm, 分辨率为0.005 mm, 且光学系统外径小于5 mm, 可用于对腔体直径范围15 mm～45 mm、孔径直径范围0.01 mm～4 mm的腔体零件内微小孔径形位信息的检测。

针对地基大口径望远镜的机上自适应光学系统构建的低轨空间目标偏振成像系统, 提出一种基于非偏振标准星和机上起偏装置的宽带偏振定标方法。该方法以非偏振标准星作为光源, 并在望远镜系统的一次像面处加入起偏装置对入射光的偏振态进行调制, 再结合基于非线性最小二乘拟合的偏振定标方法分两步对整个偏振成像系统进行宽带偏振定标。为验证该偏振定标方法的效果, 利用Matlab软件基于相干矩阵和偏振追迹构建了相应的模型进行仿真分析, 仿真结果表明该偏振定标方法可以有效减小望远镜系统偏振效应对偏振探测准确性的影响, 并且偏振定标元件的初始角度误差在±5°范围内时对偏振定标准确性的影响极小。

帧间差分法是运动目标检测最为常用的方法之一, 具有算法简单、数据处理量小、易于实现等优点, 因而得到广泛应用。而帧间差分法通常是根据单一的光照条件设定的固定阈值以判断是否有运动物体, 因此限制了其在不同光照条件下的应用。针对上述情况, 以色度、饱和度、亮度(HSL)颜色空间中的亮度值为依据, 建立光强-亮度-阈值表, 从而以动态的阈值调整拓展了帧间差分法在不同光照条件下的应用。通过仿真和FPGA实现了该目标检测系统, 并搭建了验证测试系统。实验结果表明, 当光照强度为90 W/m2时, 在3.0 m/s和0.5 m/s速度下, 自适应阈值的检测正确率分别达到93%和95%, 与固定阈值设定较大时的检测结果相近; 在0.59 W/m2的低光照条件下针对上述运动速度, 检测率分别达到84%和92%, 与小固定阈值检测结果相近。

针对硬管式无人机自主空中加油近距编队阶段的相对位置和姿态估计问题, 研究了基于双目视觉的相对位姿估计算法。该算法采用Harris方法提取特征点, 并对其进行快速匹配, 通过Sampson方法三维重构获得特征点在摄像机坐标系下的三维坐标, 以重构误差平方和最小为准则建立目标函数, 利用单位四元数法求解位姿参数。最后利用仿真平台验证双目视觉位姿估计算法的有效性。结果表明: 相对位置误差低于0.1 m, 相对姿态误差小于0.5°, 其精度满足自主空中加油相对导航性能要求。

靶场多台光学经纬仪获取空中炸点坐标时, 所采用的水平投影法存在未能充分利用冗余观测值以及难以从多组解算结果中选出最精确结果的问题。而基于最小二乘的交会算法, 虽然能解决上述问题, 但是受初值影响较大、迭代速度慢甚至可能发散。提出了一种基于整体最小二乘的交会算法, 该方法在迭代计算的过程中, 对权矩阵不断进行调整, 直到满足一定的精度要求为止。结合仿真数据对算法进行了验证。结果表明: 该算法在初值较大的情况下, 不容易发散, 进行10次以内的迭代计算, 即可得到较好的结果, 当站点至目标距离为1 500 m时, 精度可达到0.3 m以内, 满足靶场要求。该算法同时考虑了观测值误差和模型线性化误差, 大大降低了初值的影响, 提高了收敛速度, 能够精确地解算出炸点的三维坐标。

为提高白光散射法反演粒子粒径精度, 消除散射谱噪声, 使用一维引导滤波对不同角度的Mie散射光谱数据进行滤波, 并分析了引导滤波的特性。为解决引导数据引起的局部噪声问题, 提出了小波-引导滤波联合算法。在小散射角时, 引导滤波的结果与小波滤波类似, 但在大散射角时, 引导滤波的效果要比小波滤波好, 并且滤除了脉冲噪声。小波-引导联合滤波的结果在15°附近与引导滤波相同, 在45°到90°时的滤波效果明显比单独的小波滤波或引导滤波效果好, 并且去除了由引导数据引起的局部噪声。

为提取检测线束端子质量的相关数据, 提出一种在色度亮度空间中分割线束端子显微图像的算法。该方法利用线束端子显微图像的颜色分布特点, 用阈值法分割线束端子。通过分析线束端子显微图像的颜色特点, 把彩色图像转换至色度亮度空间。为了保证图像内部的颜色均匀, 对其中的色度向量进行滤波。借助获取色度向量的红色通道, 考虑红色通道直方图双峰夹一谷和双峰夹多谷情况下阈值并分割图像, 使用数学形态学方法处理二值图像获得内径轮廓。实验结果表明, 分割得到的端子内径轮廓周长偏差小于0.1%, 表明此方法可以准确地分割线束端子显微图像。

为了实现对两幅图像进行同步加密, 降低传输负载并提高密文的抗明文攻击能力, 提出了离散分数阶随机变换与加权像素混沌置乱的双图像加密算法。将2个分阶参数引入到Tent映射中, 设计了新的Tent映射; 根据明文像素值, 构建加权像素直方图模型, 联合位外部密钥, 生成改进的Tent映射的初值; 再利用初值对分数阶Tent映射进行迭代, 输出2组随机序列, 对2幅明文进行位置交叉混淆, 获取2个置乱密文; 基于DWT(discrete wavelet transform)技术, 对2个置乱密文进行稀疏表示; 根据混沌序列, 定义随机循环矩阵, 联合稀疏表示, 获取2个置乱密文对应的测量矩阵。根据随机掩码与调制相位掩码, 建立数据融合模型, 将2个测量矩阵组合为复合矩阵; 基于离散分数阶随机变换, 对复合图像进行扩散, 获取密文。测试数据显示: 与已有的多图像加密方案相比, 该算法的抗明文攻击能力与用户响应值更理想, 密文的NPCR、UACI值分别达到了99.83%、34.57%。该算法具有较高的加密安全性, 能够有效抵御网络中的外来攻击, 确保图像安全传输。

传统形貌测量多采用光栅投影, 其投影条纹的非正弦性及条纹密度的限制将影响形貌测量的精度, 为了实现高密度正弦条纹投影的可调性, 采用平行光干涉投影形成明亮且对比度高的正弦条纹, 避免条纹的正弦畸变。在平行光波阵面调制下, 通过相控阵调节两光束交会角度得到所需的条纹频率, 实现条纹投影的可调性, 再将调制后双频应用到解包裹中提高解相精度。对比分析了单频和双频解包裹条件下, 一个最大高度为35.80 mm物体形貌的恢复, 其最高点恢复相对误差分别为2.7%、1.6%。实验结果表明该方法具有有效性与可行性, 具有较高的精度。

某型机载**飞行试验中, 由于测试用摄像机安装位置的特殊性, 导致摄像机视场交会区域较小, 无法采用常规影像交会测量的方法获取**投放过程的轨迹、姿态运动参数, 针对该问题, 设计了一套适用于近距离、大倾角条件下的机载**投放试验影像测试方案。通过设计90°和120°弯折光路的特殊弯管镜头, 转换摄像机安装位置, 解决**投放影像获取问题, 通过建立大倾角多摄像机联合计算模型, 实现了**投放轨迹、姿态的测量。实验室仿真实验结果表明, 采用该方案轨迹最大测量误差不大于2 cm, 满足飞行试验精度要求。

为了能够准确测量同轴三反相机中次镜的倾斜量变化, 提出一种新的角度测量方法, 即用大口径干涉仪与经纬仪相结合进行测量。以主镜为测量基准, 两镜相对倾角较小时, 使用大口径干涉仪同时测量两镜的干涉条纹, 相对倾斜角度过大时次镜无干涉条纹, 加入一台经纬仪分别自准直于干涉仪和次镜, 间接测量两镜相对夹角。通过模拟计算与实验验证表明, 对于次镜组件倾角测量误差可以控制在0.5″以内。结果表明, 该检测方法具有通用性强, 测量精度高等特点, 克服了传统检测方法测量精度不足的问题。

为了提高液晶自适应光学系统的校正精度, 提出一种基于湍流模型的响应矩阵测量方法。该方法施加到液晶波前校正器上的波面是用来拟合待测像差的Karhunen-Loeve模式的线性组合, 其模式系数分布服从Kolmogorov大气湍流模型。相比于传统的单模式和多模式响应矩阵测量方法, 该方法具有更强的抗噪声干扰能力, 能够显著提高响应矩阵测量精度。在信噪比为10的情况下, 当重复率分别为1、5和10时, 采用传统单模式法和多模式法获得的响应矩阵进行自适应校正后的斯特列耳比分别为0.06、0.02、0.49和0.23、0.40、0.67, 而采用该方法可以达到0.34、0.56、0.68。

不同光源因光谱功率分布差异, 具有不同色温、显色指数, 测色差异很大。D65标准光源最接近日光光色, 是国际照明委员会(CIE)推荐测色标准光源。但其价格昂贵、工作条件苛刻且不易得, 实际测色中常用非标准光源代替。为了研究非标准光源的测色差异, 设计了一套溶液比色系统, 分别采用高压脉冲氙灯、LED灯、卤钨灯作为光源, 亚硝酸盐显色实验为基础, 以色度学原理计算3种光源的测色差异。结果显示, 氙灯、LED灯光谱分布较为均匀, 色度坐标接近等能白光E(0.33,0.33),测色比较接近真实颜色, 而卤钨灯测色误差较大。氙灯与LED灯在L*a*b*空间测色平均色差ΔEab在10 NBS以内, 两者与卤钨灯测色平均色差ΔEab在20 NBS以上。

为提高Y波导调制器调制性能从而提高光纤陀螺的整体性能, 分析了用于光纤陀螺的Y波导相位调制器残余强度调制产生的机理, 即存在波导缺陷以及基底杂散光反射; 阐述了残余强度调制对光纤陀螺系统特性的影响, 残余强度调制主要影响光纤陀螺的标度因素; 测试了不同Y波导残余强度调制的波形特性和它的线性分量及干涉分量大小, 不同Y波导残余强度调制大小差异较大, 性能好的Y波导残余强度调制大小可以控制在1‰以内; 测试了温度对残余强度调制波形特性的影响, 残余强度调制受温度影响较大, 极端温差下残余强度调制大小波动可达20%; 根据残余强度调制的产生机理和线性干涉分量比的大小, 提出改进Y波导制作工艺的措施, 以期提高Y波导的调制性能。

针对传统显微镜采用手工对焦方式存在自动化程度低、对焦过程较慢且对操作者经验要求高的问题, 提出一套基于对焦深度法的光学显微镜系统。结合基于图像处理自动对焦的显微镜通用结构, 设计了一套由ARM开发板、触控液晶显示屏、Arduino UNO开发板、红外对管、工业数码显微镜及步进电机等组成的光学显微镜系统。结合触控液晶显示屏的特点, 设计出结合不同大小的感兴趣区域对焦窗口选择方法, 并在采用常见梯度函数作为图像清晰度评价函数及爬山搜索算法的基础上, 提出容错改进方法。实验分别对不同的图像清晰度评价函数及对焦窗口大小进行了实时性、灵敏度及容错性能测试。结果表明, 该系统具有较高的可靠性。

为了满足光电探测仪器校准修正过程中对标准光源的要求, 设计了一种采用积分球技术, 通过纽扣电池供电的便携式漫反射LED均匀光源。给出了光源的装配图、主要零件3D图及电路图, 并对其进行了详细说明。通过Matlab分析光源出光口CCD照片各像素的灰度值, 得到出光口14 mm范围内光强均匀度为95.1%; 采用Ocean Optics USB 2000+型光谱仪分析光源出光口光强均匀性及漫反射性, 得到沿出光口径方向2个位置光强与中心光强相比, 分别下降了2.93%和6.30%的结果。光源出光口平面旋转10°, 中心位置光强下降6.30%。测试分析表明: 设计的光源具有较好的均匀度和漫反射性, 在光电探测仪器校准方面具有一定的应用价值。

噪声等效温差(NETD)和信噪比(SNR)是衡量红外成像系统性能的重要指标之一, 它与探测器的多种性能参数有关。分析了激光辐照干扰红外探测系统及不同材料类型红外探测器性能参数变化。通过理论定量计算分析, 比对YAG激光(波长1.06 μm)干扰前后系统噪声等效温差、信噪比曲线, 得到了激光损伤后的NETD比损伤前NETD大2至3个数量级, 同时, 激光干扰后的信噪比相对激光干扰前信噪比小2个多数量级, 进一步推导出激光干扰对红外探测系统的影响。

为提高长焦红外光学系统焦距测量的准确性, 提出一种将干涉测量、光电自准和激光跟踪技术相结合的焦距测量方法。基于光学系统波前干涉测量光路, 利用波前的power值对球面反射镜位置非常敏感的特性, 结合激光跟踪仪的空间几何量精密测量和光电自准直仪的精密测角功能, 实现长焦红外光学系统焦距的高精度测量。实验中对一理论焦距为1 520 mm的航空长焦红外光学系统进行测试, 并结合测试设备的测量精度进行误差分析, 5次测量的标准偏差为0.930 mm, 测量误差小于0.2%, 满足测试技术要求。结果表明这种方法用于长焦红外光学系统焦距的测量是合理可行的。

高温整流罩产生强烈的红外辐射, 在探测器接收面上形成背景噪声, 严重影响成像质量。为了评估气动热环境下高速飞行器共形整流罩热辐射对探测器性能的影响, 建立了气动热环境下整流罩热流固耦合计算模型、整流罩热辐射发射以及传输模型, 计算了整流罩非均匀温度场、形变场、应力以及应变场, 仿真得到了共形整流罩热辐射对高速飞行器光学系统成像质量的影响。研究结果表明: 随着时间的不断增长, 探测器接收面的最大辐照度也逐渐增大。在第10 s时, 0°攻角下共形整流罩热干扰辐照度最小值为0.094 W/m2, 最大值为0.108 W/m2。和相同工况下的共形整流罩相比, 球形整流罩10 s时的最大辐照度分别是椭球面和抛物面形整流罩最大辐照度的近12倍和7倍, 即共形整流罩产生的干扰对探测系统的影响较小, 不会对探测器的探测性能产生致命性的影响。