为了适应复杂的战场空间, 提高装甲车辆近距离防护能力和战场生存能力, 提出一种车载360°态势感知系统。给出了系统的构成框架, 并从总体设计、高吞吐嵌入式图像处理平台架构、实时全景拼接以及目标识别和威胁判断等关键技术进行了分析, 提出了解决方法。设计的系统实现了多路高清图像拼接, 延时优于190 ms, 对于车辆的探测距离达到1 km, 具有人员和车辆目标的检测和威胁提示能力, 可显著提高装甲车辆近距离态势感知能力。

设计了一种通用型数字鱼眼镜头检测系统, 由照明系统、检测标板、等效平行平板系统和球幕组成。照明系统内部设有平面反光镜、柱体蝇眼透镜阵列、准直物镜, 起到了缩小系统体积, 提高光能利用率和照明均匀性, 以及实现照明光斑大小尺寸可调的作用。其球幕内壁刻有角度分划尺, 用于测量被测镜头的视场角。测试系统的照明视场范围为φ8.1 mm～φ36.3 mm, 照度均匀度达到91%, 光通量大于5 000 lm, 且大小可调。检测系统可实现对芯片尺寸为0.55″～1.55″的1DLP、3DLP、3LCD、3LCOS的各种类型的数字投影或放映鱼眼镜头的像方视场角、分辨率、彩色还原性能、色差等性能和放映效果进行测试, 降低了检测成本, 通用性强。

为实现对距离4 km目标100 Hz振动特征的提取, 提出利用激光微多普勒手段增强导弹目标辨识能力的方法。设计了一种基于偏振分光的激光发射/接收/电视共孔径系统, 这种能够二级稳定的系统适应于弹载环境, 利用光纤选通完成光程自动补偿, 实现相干光匹配, 采用本振/回波信号相干法, 用线宽300 Hz的本振光调制后形成探测脉冲光, 可提高探测距离, 并避免回波与本振光因大气衰减而导致的错峰, 由FPGA/DSP构建的傅里叶变换电路可获取时频曲线信号, 频移为36 kHz时可实现目标的辨识。

对比分析现有光束扫描系统的优劣, 提出采用二维振镜扫描系统作为多光谱集成靶标的光轴调向装置, 光轴调向装置的调向精度影响多光谱集成靶标的校准精度。通过对二维振镜扫描系统调向误差进行分析, 建立二维振镜扫描系统调向模型, 并进行了二维振镜扫描系统调向误差测量实验。结果表明: 二维振镜扫描系统的方位角误差和俯仰角误差小于8″, 调向角误差小于9″, 调向误差小于10″, 能够满足多光谱集成靶标光轴调向精度要求。

某型光电跟踪系统在线检测是通过计算机模拟台实现的, 而模拟台体积大、携带不便、安装复杂, 为解决其在外场使用不便的问题, 设计了一种便携式光电跟踪系统在线检测装置。该装置采用基于WinCE操作系统的ARM嵌入式平台, 将工作状态检测分为一个系统级模块和多个部件级模块, 可根据实际需要按模块进行检测, 以此降低CPU的负荷及检测装置的功耗。通过实际验证, 该装置能够对光电跟踪系统的详细状态实现实时在线检测, 并准确地定位故障部位, 达到快速修复故障的目的。

基于潜望镜的基本原理, 设计了一种焦距252 mm～504 mm的连续变焦潜望镜光学系统, 该系统将传统的采用翻转变倍方体的跃式变倍方式改为沿轴向移动变倍镜组和补偿镜组实现连续变焦的方式。系统经仿真验证及像质分析证明, 各项性能指标均满足设计要求。测试结果表明, 光学系统空间分辨率小于2′。

为满足特定观测区域光波场的较高空间分辨率要求, 提出一种在衍射计算中引入虚拟光波场, 利用初始光波场的取样数表示观测平面任意区域衍射场的计算方法。通过应用该方法对具体实例进行模拟计算, 结果表明该方法在观测区域所获得的有效信息量增加, 所获得的衍射场空间分辨率可以达到5.2×10-3 mm/pixel, 而S-FFT计算获得的衍射场空间分辨率为26.6×10-3 mm/pixel。并且在基于该方法的彩色数字全息波前重建的实验研究中, 所得结果表明该方法能够取得更好的重建效果。

针对现有深度图像增强算法存在边界保留特性差的问题, 提出梯度掩模导向联合滤波(gradient mask guided joint filter,GMGJF)算法。利用深度图像进行Sobel梯度变换获取边界方向信息, 利用深度图像空洞区域生成空洞掩模, 再以边界方向和空洞掩模为导向联合彩色图像对深度图像进行迭代高斯滤波和空洞填充。实验结果表明, GMGJF算法的PSNR(peak signal to noise ratio)、SSIM(structural similarity index measure)比IMF(iterative median filter)、GF(guided filter)、JBF(joint bilateral filter)算法的PSNR、SSIM至少提高了3.50%和1.07%, 不仅去噪能力、空洞填充能力最强, 而且边界特征保持最好, 有利于深度图像的特征提取与目标识别。

荧光检测和分析技术中, 荧光寿命的精确测量具有重要意义。针对纳秒级荧光寿命在流式细胞分析系统中无法直接测量的问题, 提出一种基于互相关算法的脉冲时延估计荧光寿命表征方法。该方法将改进的线性调频Z变换算法与相关峰内插算法相结合, 并与标准FFT算法仿真做对比, 通过对哺乳动物细胞的荧光寿命进行测量, 将所得数据进行处理, 验证线性调频Z变换(MCZT)和相关峰内插(FICP)算法性能。实验结果表明, 使用该算法降低了FFT计算带来的栅栏效应, 可以提高互相关函数的分辨能力, 测量荧光寿命的相对误差提高了4.344 3%。

在单目结构光的三维测量系统中, 由于投影仪倾斜投影,参考平面上的条纹周期展宽, 给测量带来误差, 降低了测量精度。同时受大物体自身几何和形貌等因素的影响, 以及相交轴测量系统的限制, 其单幅面测量范围受限, 很难一次测量大物体完整的三维形貌, 而且在测量大物体时, 摄像机镜头非线性畸变也影响测量精度。根据参考平面上光栅条纹的周期变化规律, 提出了一种适用性好、方便快捷的条纹周期校正的理论模型,在此基础上,提出了基于条纹周期校正的四步相移法的理论模型, 进而提出了基于条纹周期校正的时间相位展开法的理论模型。采用摄像机镜头非线性畸变校正模型, 提高测量精度。在被测物表面粘贴标志点, 获取其三维坐标, 利用SVD分解和L-M优化算法求取转换矩阵, 并在设定的全局坐标系下实现三维图像拼接, 采用线性加权算法, 对重叠区域进行图像融合。实验结果表明, X轴的拼接误差为0.14 mm, Y轴的拼接误差为0.16 mm, Z轴的拼接误差为0.19 mm, 其拼接误差均在测量误差允许范围之内。

为了满足高精度透镜加工工艺的要求, 设计了一套基于全场干涉测量方法的透镜三维轮廓测量系统。已标定的透镜三维轮廓测量系统利用分布式反馈激光二极管对透镜进行波数扫描, 对CCD相机采集到的干涉图像依次进行随机采样傅里叶变换和解卷绕算法, 最终通过计算得出透镜的三维轮廓数据。实验结果表明: 该系统横向和纵向的分辨率均为0.011 3 mm/pixels, 深度方向的测量均方根误差为±19.8 nm。系统结构简单、稳定性高, 对透镜没有任何接触, 不会对透镜表面造成损伤, 适用于透镜的高精度轮廓测量。

系统参数的标定是结构光三维测量系统工作的基础, 且参数标定的精度直接影响测量的精度, 其中投影仪目前还存在标定过程复杂、精度较低等问题。为解决该问题, 通过投影一组圆阵图案到一块本身带有特征圆的平板上, 并由摄像机拍摄; 基于二维射影变换理论, 通过误差补偿法建立投影仪图像坐标和摄像机图像坐标的对应关系, 利用该对应关系计算获取标定点的投影仪图像坐标; 以标定点的两组图像坐标和世界坐标为初始值, 使用非线性算法对系统进行全参数整体优化, 完成系统的标定。实验验证了系统标定误差最大值小于0.05 mm, 误差均方根小于0.03 mm, 结果表明该方法标定过程简单, 能够有效地提高标定精度, 具有较广的适用性。

激光准直技术在位移测量及相关应用中具有重要作用, 其核心器件是位置敏感探测器, 环境杂散光、电源波动、光电信号处理电路噪声等是影响测量精度的主要因素。针对以上问题, 提出一种基于激光调制的高精度位移测量方法。将激光器由直流驱动的连续输出模式改为交流驱动的调制模式输出, 优化设计光电探测器微弱光电信号的调理与采集系统, 通过编写Labview软件对信号进行频谱分析、带通滤波、均值处理等, 对激光连续输出和激光调制输出2种情况分别进行了实验测试与分析, 并对比了位移测量的稳定性。实验结果表明: 其测量值波动范围从7 μm减少到了2.6 μm, 验证了基于激光调制方法的有效性, 可以通过滤波更加有效地消除噪声, 测量精度提高至3 μm以内。

为研究热源干扰图像成像引发的图像畸变、模糊等失真问题, 利用图像的特征点平均畸变位移、峰值信噪比、均方误差和互相关系数来评价热源轴向位移条件下成像图像的畸变程度、模糊程度以及总相似程度, 得到热干扰成像变化与热源轴向位置之间的规律。实验表明, 当热源在成像系统和成像目标之间作轴向运动时, 其距离成像系统越近, 成像的畸变程度、模糊程度以及失真程度越大, 在D=300 mm处最大平均畸变位移达2.7653 mm; 当热源靠近成像目标时, 成像图像的畸变程度、模糊程度以及失真程度降低, 在D=0 mm处平均畸变位移减小至0.8102 mm。

为提高单线阵CCD相机双激光器立靶测量系统的坐标测量精度, 为系统设计提供理论和实验依据, 对系统测量误差进行了理论分析, 在建立系统数学模型的基础上, 推导了系统测量误差公式, 采用Matlab软件对测量误差进行了仿真, 获得了各误差影响因素对着靶坐标测量误差影响的大小和趋势, 以及1 m×1 m靶面内的误差分布, 并通过模拟实弹实验对误差分析结果进行了实验验证, 实验结果表明, x坐标测量误差的标准差σx为4.1 mm, y坐标测量误差的标准差σy为10.2 mm, 模拟实弹实验坐标测量误差与理论分析结果一致。

为了解决传统的强度检测型波导激励的表面等离子体共振传感器灵敏度不高的缺点, 研究平面波导激励的介质膜-金属-被测介质的可激发修正的长程表面等离子体波结构。采用离子交换的方法制备折射率可用费米函数拟合的平面波导, 研究了离子交换时间对平面波导的模数及等效折射率等特性的影响, 为激励波导的优化设计提供有效依据。采用制备的平面波导激励介质膜-金属-被测介质的非对称结构, 研究金属材质、介质膜厚和金属膜厚等因素对修正的长程表面等离子体波特性的影响, 对被测溶液的折射率进行检测。实验结果表明, 其灵敏度为传统的强度检测型表面等离子体共振传感器的6倍, 并且具有较好的线性关系。

目前, 随着军用光学镜头结构复杂度以及性能要求的不断提高, 传统装调手段误差大、一致性差的缺陷越发明显, 为此, 提出了光学镜头轴线精度定心校准技术以满足尖端光学系统的装调需求。首先, 分析了影响光学镜头成像质量的误差来源; 其次, 提出了带数据反馈的闭环制造链原理, 将整个光学系统研制环节结合成一个闭环; 之后, 针对现有装调手段的不足, 从保证中心偏差和光学间隔两方面, 提出了以定心加工为核心的镜组轴线精确校准方法, 其光机轴线一致性达到秒级, 尺寸精度达到微米级; 最后, 采用本文技术, 设计研制了一套光学镜头, 与传统镜头相比, 焦距误差由1%提高至0.1%, 分辨力由2.3″提高至2.04″。

为了满足低轨道航天器姿态轨道控制系统对小型化地球敏感器的需求, 对广角长波红外地球敏感器光学系统设计及成像畸变校正技术进行了研究。广角长波红外光学系统采用反远距结构形式, 由三片锗透镜实现140°的视场角, 光学系统工作波段为 14 μm～16.25 μm, F数为0.8。广角长波红外光学系统体积小、结构简单, 并且成像质量良好, 实现了红外地球敏感器光学系统的小型化高精度设计。采用分视场区间分别建立畸变校正公式的方法来实现光学系统成像畸变校正, 校正精度优于像元尺寸的1/5, 可满足敏感器产品姿态测量的需求。

为全面分析杂散光对红外系统成像质量的影响, 设计了可见波段0.4 μm~0.7 μm、红外波段3 μm~5 μm, 视场角均为2.27°×2.27°的共孔径成像光学系统。分析了杂散光来源, 分别研究了带内与带外杂散光对其红外通道成像质量的影响。对于带内杂散光, 设计了消杂光结构, 采用FRED软件模拟分析了带内杂光抑制能力, 结果表明: 带内杂散光得到较好抑制, 其鬼像影响可忽略不计, 太阳杂散光抑制水平PST达到设定的10-8阈值量级。对于带外杂散光, 主要研究了1.064 μm和2.6 μm两个波长带外激光对红外成像系统的影响, 并利用有限元仿真计算, 结果表明: 系统反射镜温升达到703 K时, 向外发出较强带内红外辐射, 到达像面的辐射功率为0.195 mW, 可对红外成像面造成强烈噪声干扰。

通过建立空间碎片自旋与非自旋模型, 分析了天基激光作用下碎片速度的变化规律, 在此基础上研究了激光辐照作用下空间碎片的变轨模型。通过仿真分析空间碎片的近地点与远地点高度的变化量在碎片运行轨道不同位置与高能脉冲激光作用的变化规律, 对比分析激光在不同辐照角度下与碎片作用时的降轨清理效果。研究结果表明: 天基激光清除空间碎片存在最佳作用区域, 降轨清理的最佳位置在初始真近角f=120°和f=240°位置附近; 激光作用碎片的辐照角度对碎片的降轨清理效果有较大影响, 激光在不同辐照角度与碎片作用时的降轨清理效果相对碎片轨道椭圆主轴具有对称性。

针对机载激光测距及激光指示应用需求, 设计了一种紧凑可靠的电光调Q脉冲激光器。从调Q速率方程出发, 分析了激光器输出能量随优化参数z增大而增大、脉宽随z增大而减小的关系。采用6 mm×56 mm的Nd∶YAG激光晶体, LD侧面泵浦, 角锥棱镜作为折光器的u形折叠式非稳腔, 在增益满足的前提下, 提高谐振腔抗失调能力。在注入电脉冲1.2 J 条件下, 激光器单脉冲能量输出为 108 mJ, 脉冲宽度为 11.8 ns, 能量不稳定度<0.8%; 光-光效率18%, 可长时间稳定运行。

利用WS2的可饱和吸收特性, 在激光二极管侧面抽运Nd∶YAG固体激光器Z型腔结构中分别实现了被动调Q和被动调Q锁模运转。实验表明: 当泵浦电流为9.5 A时, 开始启动调Q运转, 当泵浦电流大于9.8 A时, 调Q激光脉冲趋于稳定。当泵浦电流为12.8 A时, 被动调Q输出的最大平均功率为466 mW, 最窄脉冲宽度为3.205 μs, 对应的重复频率为71.70 kHz, 此时最大单脉冲能量为6.5 μJ。当泵浦电流达到13.4 A时, 激光器实现调Q锁模运转。调Q锁模的最高输出功率为590 mW, 调Q包络频率为71.98 kHz, 单个调Q包络内的脉冲串重复频率123.1 MHz, 每个调Q包络中包含369个脉冲, 单脉冲能量为22.2 nJ。结果表明WS2材料可以作为可饱和吸收体用于固体激光器中。

背向散射噪声是谐振式光纤陀螺的主要噪声之一。基于载波抑制法降低背向散射噪声的原理, 建立了温度和电压对陀螺零偏影响的数学模型, 理论证明此方法受温度影响较大且对电路要求较高。提出了三频差动谐振式光纤陀螺新方案, 该方案通过谐振腔内运行三束频率间隔较大的光波来抑制背向散射噪声。与传统二频闭环陀螺进行了对比试验, 结果表明: 新方案能有效地降低陀螺噪声, 最大陀螺零偏和零偏稳定性改善约4倍。

基于Mach-Zehnder/Sagnac混合干涉仪原理, 利用分布式光纤对城市燃气管道进行泄漏监测模拟实验研究。对测量光纤长4 km和6 km时的干涉信号利用小波包能量谱提取法和绝对距离法相结合的方法诊断管道泄漏与否, 再结合频谱图进行泄漏定位, 最后对系统的虚警率(false alarm rate, FAR)进行了分析。结果表明, 与传统直接通过频谱图识别零点频率的方法相比, 虚警率降低了8.475%, 能够更准确地识别燃气管道泄漏与否, 从而提高系统监测及定位的可靠性。

针对目前常用的Cameralink视频信号的光纤传输方案系统结构过于复杂的问题, 提出一种基于MAX9249/MAX9268的Cameralink视频信号的光纤传输方案。在发送端利用MAX9249实现Cameralink视频信号解串行化、编码、串行化, 得到光模块驱动信号CML; 在接收端利用MAX9268实现CML信号解串行化、解码、串行化, 得到Cameralink视频信号, 并对光收发模块的设计与选型作了详细阐述。用示波器抓取发送端和接收端高速串行信号的眼图, 结果比较清晰, 眼睛张开度大, 发送端的Q因子为24.46, 满足发送端大于12的要求, 接收端Q因子为8.13, 满足接收端大于6的要求。计算机采集的实时画面, 经过10 min传输无明显可视的像素噪点, 验证了该传输方案的可行性和有效性。