为了同时获得目标的红外图像信息和光谱信息, 设计了一种分孔径中波红外分波段成像光学系统。该系统可将位于成像器前方不同波段的目标红外场景通过分孔径方式成像到红外制冷型探测器的4个区域上。该系统通过内部分孔径的办法, 在不同通道内放置滤光片的方式, 实现在一个探测器上对3.5 μm~4.1 μm、4.4 μm~5 μm、3.5 μm~5 μm、4.4 μm不同波段的目标同时成像。该系统F数为1.93, 单通道的焦距为60 mm, MTF接近衍射极限, 同时实现了在-40℃~+60℃的无热化需求, 可以满足应用和指标需求。

针对传统红外连续变焦系统难以同时满足高变倍比和大相对口径的使用要求, 通过采用复合变焦光学系统结构, 增加传统红外连续变焦光学系统的变焦距范围和相对口径。基于长波红外320×240像元、25 μm×25 μm非制冷焦平面探测器, 设计了一款高变倍比大相对口径长波红外变焦光学系统,光学系统由一个连续变焦部分与两档变焦部分组成, 通过引入衍射光学元件校正长焦端色差, 工作波段为8 μm～12 μm, 焦距变化范围为-9 mm～-272.25 mm, F数为1.4。该系统具有成像质量好、变倍比高、相对口径大、导程小和凸轮曲线平滑等优点。

针对小型化反射式光学系统的设计要求, 采用新型的离轴三反光路形式和自由曲面, 实现了F#为1.8, 对角线视场角7.5°的紧凑型自由曲面离轴三反系统, 光线在系统内多次重叠, 系统波像差全视场平均值为0.017λ(λ=10 μm)。相比非球面离轴三反系统, 该系统具有体积小、透过率高、大视场、无中心遮拦、多波段成像等优点。

为了验证实验室环境下红外导引头跟踪能力的精度, 设计了一套模拟飞行目标能量分布的目标源以及一款能够满足相应姿态条件的保障车。采用焦距为700 mm的离轴抛物面反射镜, 满足2′束散角的要求, 利用多个反射镜及离轴镜构成反射式平行光管, 模拟空间距离, 通过1%和10%两片衰减片与光阑孔调节, 实现三档能量的需要。采用微调升降机构实现0°～10°俯仰角的调节, 滚转机构用以满足0°～10°的滚转角调节, 运用液压升降机构达到0~1 000 mm升降指标。依靠力学计算和静力学分析, 得出升降臂的最大变形量为0.11 mm, 最大应力为111.6 MPa, 能够满足1 000 kg负载的要求, 同时车架的模态分析所得到的一阶振型的固有频率为25.355 Hz, 远大于产生共振的条件, 满足所设计的目标源和条件保障车指标要求。

椭球面镜作为反射式镜头主镜的常用类型, 准确、便利地引出其光轴, 在镜头装调过程中是必不可少的。传统的光轴引出方法主要依靠三坐标仪进行测量, 由于其角度拟合精度低、接触式测量和尺寸限制等缺陷, 已经无法满足现下的大口径光学镜头装调需求, 为此, 提出一种新型椭球面主镜光轴引出方法, 该方法通过设计一个平面球差补偿器, 搭建出椭球面镜的无相差面型检测光路, 将椭球面镜的光轴转换为补偿器的法线, 再使用经纬仪测量法线与结构基准间的角度关系, 间接地引出主镜光轴, 光轴引出精度可达1.4″。相较于传统的光轴引出方法, 该方法具有更高的角度测量精度、非接触、无尺寸限制等优点, 适用范围更广。

在卡式系统的后光路中加入倾斜的平板, 实现同轴透射端可见光的接收及反射端红外光的发射。该卡式系统口径为400 mm, 焦距为4 000 mm, 视场为±1.5′, 加入平板后会给系统造成较大的像差, 为了达到系统设计要求: 角分辨率小于1″, MTF曲线在35.7 lp/mm处高于0.6。分析了倾斜平板产生的像差, 对比不同材料和厚度的平板对像差的影响。通过加入偏转的双胶合透镜校正像差, 但该方法会使系统的出瞳位置发生变化, 从而提出使用偏转三胶合透镜保证出瞳位置的校正方法, 并对加入的透镜进行公差分析, 最终达到设计指标。

随着工业化进程加快, 大气污染监控已受到广泛关注, 为实现工业过程痕量气体浓度的准确监测, 采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)搭建了气体浓度在线监测系统, 并以LabVIEW为软件开发平台完成了可视化界面。重点设计了数据处理功能及浓度反演算法, 通过同步获取的环境压力参数对特征吸收光谱的有效拟合范围进行修正, 提高吸光度信号的准确性, 再通过读取的环境温度参数修正气体吸收线强以获得精确的浓度结果。将该系统应用于高温氨浓度在线测量实验中, 获得高温不同压力下的氨气浓度测量结果。实验结果表明, 在500 K温度下, 不经过压力、温度参数修正的最大氨浓度反演偏差为18.81%, 通过参数判断后再进行光谱提取和修正, 得到浓度最大偏差为3.96%。该系统能够准确反演不同环境参数(压力、温度)下的气体浓度, 实现了工业高温现场气体的实时、精确在线测量。

传统的动态位移测量方法属于接触式测量, 常用应变式位移计直接测量结构变形, 其测量精度往往取决于位移计安装情况, 且测量的电信号容易受到试验环境的影响。随着光学测量技术的不断发展, 基于双目立体视觉和数字图像处理技术的光学测量方法已开始应用于位移测量。为了解决传统动态位移测量的精度问题和环境对信号的干扰问题, 将双目立体视觉技术应用到三层钢框架结构的振动台试验中, 对结构在地震作用下的位移进行测量。研究结果表明: 从位移时程和位移偏差率两方面同传统测量方法进行对比分析, 光学测量方法减少了2.0 s~3.5 s的相对滞后时间, 增强数据可靠性; 位移偏差率最大为7.03%, 最小为0.02%, 均在测量误差允许范围之内, 验证了光学测量位移方法在结构抗震试验中的可行性及优越性。

星敏感器作为卫星姿态测量装置, 其在轨服役过程中, 主点和焦距的标定精度是影响其姿态输出精度的主要因素。针对标定过程中含有随机测量噪声偏大的星像点, 导致星敏感器主点和焦距的标定结果产生较大偏差的问题, 提出了一种星敏感器主点和焦距的加权在轨标定方法。该方法首先建立了星敏感器在轨标定模型, 然后引入合理的标定权值, 加入到最小二乘估计主点和焦距的过程中, 寻找并剔除随机测量噪声偏大的星点, 最后将加权估计出的结果作为测量, 采用扩展卡尔曼滤波对星图进行处理。仿真结果表明, 在星点位置存在较大误差的情况下, 该方法能剔除随机测量噪声偏大的坏点。星内角距统计偏差约为传统方法的1/10, 与真值相比标定参数精度分别为0.219 9像素、0.148 7像素、3.38 μm。

针对不同空间尺度的车辆表现出显著不同的特征导致检测算法效率低、准确性差且单目难以准确获取车辆距离信息的问题, 提出了一种改进Fast-RCNN的汽车目标检测法, 利用双目视觉对车辆进行测距。首先利用双目立体相机采集前方图像并进行预处理, 加载深度神经网络Fast-RCNN的训练数据, 再针对汽车不同空间尺度引入多个内置的子网络, 将来自所有子网络的输出自适应组合对车辆进行检测, 然后利用SURF特征匹配算法进行左右图像的立体匹配, 根据匹配数据进行三维重建并确定车辆质心坐标, 从而测量出车辆与双目相机之间的距离。实验结果表明, 所述算法可以实现对车辆的快速检测, 检测时间比传统的Fast-RCNN缩短了42 ms, 并且实现了对5 m范围车辆距离的准确测量, 其误差仅为2.4%, 精确度高, 实时性好。

针对合成孔径雷达(SAR)图像中存在大量的相干斑噪声, 对SAR图像进行分割易出现分割不精、边缘模糊等问题, 融合改进的直方图PDE和二维Tsallis熵多阈值, 提出了一种SAR图像分割算法。根据PDE直方图均衡化方法, 将图像去噪与图像增强加权融合, 利用各自权值调整去噪项与图像增强项; 同时将二维Tsallis熵单阈值分割方法扩展到多阈值分割,建立基于多阈值的选取方法, 并引入萤火虫算法来求解最优阈值对, 实现了二维Tsallis熵多阈值对去噪增强SAR图像的有效分割。仿真结果表明: 与其他3种分割算法相比, 该文算法在处理噪声大、灰度差值小的图像时具有较高的分割精度, PRI至少提升2.53%、VOI降低8.48%、GCE降低11.14%。

针对激光同步扫描三角测距成像系统水下应用时, 考虑不同介质界面的折射效应, 通过理论建模, 得出水下同步扫描三角测距成像系统的空间三维坐标测量关系表达式。分析了基线距离、接收透镜焦距等系统主要参数对距离测量分辨率的影响, 以及成像探测器长度对测量范围的影响。仿真结果表明: 增大基线距离和接收透镜焦距, 有利于提高距离测量分辨率, 增加成像探测器长度, 有利于增大系统测量范围, 为水下同步扫描三角测距成像系统的设计提供了理论依据。

针对现代光电**系统中多种传感器光轴平行性的检测问题, 提出了一种基于LABVIEW的高精度多光轴平行性检测方法。该方法以离轴式大口径抛物镜面平行光管法原理为硬件设计基础。利用LABVIEW的高效率模块化功能和LABVIEW-Vision的强大图像处理功能实现该检测方法的软件设计。经试验验证, 该测试方法误差小于5″, 满足光电**系统多光轴平行性测试要求。

介绍了黑体温度测量的溯源途径及方法, 分析了探测器绝对光谱响应、透镜透过率及面积效应等对黑体温度测量的影响, 试验测量结果表明黑体温度可以通过标准探测器进行量值传递并溯源。与传统溯源方法相比, 利用标准探测器进行量值传递测量精度可提升一个数量级, 达到0.8%的水平。

极薄银在滤光片、高反射镜等中有广泛的应用, 其光学常数严重影响着膜系的特性。在室温条件下, 采用电阻热蒸发技术分别在硅和玻璃基底上沉积5.3 nm~26 nm不同厚度的极薄银薄膜, 用TalySurfCCI非接触式轮廓仪测量了薄膜的厚度, 研究了不同厚度银薄膜的光学常数n和k。镀制厚度5.3 nm、7.9 nm、14.1 nm、26.0 nm的银薄膜, 结果显示极薄银的光学常数与块状银光学常数不同, 当膜厚小于14.1 nm时, 折射率n在380 nm～600 nm随波长增加而增加, 在600 nm～1 600 nm随波长增加缓慢减小至趋于稳定值2.6; 消光系数k在380 nm～500 nm随着波长增加而增加, 在500 nm～1 600 nm随波长增加而缓慢减小至趋于0不变; 当膜厚大于14.1 nm时, 折射率随波长增加而增加, 消光系数随波长近似呈线性增加。整体上, 膜厚增加时折射率减小且趋于块状银的折射率, k随厚度增加而增加并最终趋于块状膜。用此拟合的光学常数代入TFc膜系设计软件计算其透射率, 发现与分光光度计测得的透射率吻合较好。

双金属复层板具有优良的综合性能, 广泛应用于航空、航天、汽车等领域。在制造过程中其成形性能发生了较大变化, 传统单一金属的研究方法大多不能适应新材料发展的需要, 严重阻碍了双金属复层材料产业化的进程。提出采用数字散斑相关方法应用于双金属复层材料结构及现场工程变形测量; 分析了国内外研究现状及存在的科学问题, 揭示了严格数字散斑相关方法理论应用在复层材料的应变光学检测和成形性能的机理和研究内容, 该方案预计获得的4个应变数值相互对比验证, 能互相提高应变精度达5%, 并达到再现材料应变历史及动态跟踪、提高全场应变精度检测、优化材料配置比例及完善成形性能的目的。

针对异形光窗高精度成型加工中存在的问题, 介绍了异形光窗的特点和成型技术原理, 从镜面保护、定位工装的设计、尺寸测量与补偿算法及铣磨参数优化等4个关键问题开展试验研究, 实现异形光窗的微应力精确无损成型, 其线性尺寸误差≤0.03 mm, 二维角度误差≤20″, 斜面倾斜角度误差≤1.2′, 表面疵病≤Ⅳ, 满足隐身飞机对异形光窗的指标要求。

针对现有柔性可调光栅响应速度慢、功耗高而无法广泛应用的现状, 提出一种基于石墨烯纳米片(graphene nanoplatelet, GNP)/聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)复合材料的近红外(near-infrared, NIR)光驱动可调谐柔性透射光栅结构。利用紫外线光刻技术制备出的光栅结构, 实现了柔性透射光栅与石墨烯复合材料薄膜的一体化。在光功率密度为220 mW·cm-2的近红外光驱动下, GNP/PDMS薄膜的温度变化约为120℃, 而且光栅在3 s内可实现2.7%的连续周期调谐。不同驱动频率下, 光栅栅距变化规律基本相同, 即光栅的光机械效应无显著的时间依赖性。

为提高球幕投影成像质量, 提出了双通道球幕投影方案, 并基于此方案, 为3.05 cm(1.2英寸)3DMD芯片技术投影机设计了双通道球幕投影镜头。根据投影方案确定了设计指标, 对初始结构的选型做出了合理的分析, 阐述了光学设计过程, 给出了像差优化及设计结果的评价。为避免镜头口径过大引起的重心不稳, 通过合理控制光线入射高度, 将镜头首片透镜的口径进行了大幅度的压缩, 最终口径仅为102 mm。设计的成像质量高、像质均匀的球幕双拼投影镜头F#为2.5, 反远比为6∶1, 1.0视场在38 lp/mm的Nyquist频率处MTF值为0.5, 0.85以内视场的MTF值达到0.65以上, 最大横向色差为4.7 μm, 小于0.5 pixel。

对拼接式光学窗口组件的结构特点作了介绍, 分析了影响拼接式光学窗口性能的主要装配因素, 并从装配齐平性及微应力装调两个方面出发, 开展了装配关键技术研究, 通过计算分析及参数量化工艺措施解决装调技术难题, 获得了装配后外形齐平性≤0.2 mm, 装配后应力≤50 nm/cm的高精度、微应力装调效果, 满足光学分辨率及高速飞行使用要求。

设计了一款由5片塑料非球面透镜组成的1 300万像素大孔径手机镜头。将曲面传感器引入镜头设计, 在不增加镜片数量以及保证大光圈的基础上改善了边缘像质, 解决了边缘失光问题。系统采用1/3英寸(4.8 mm×3.6 mm), 长宽比为4∶3的曲面传感器。该镜头的焦距为3.5 mm, F数为1.55, 视场角为74°, 全视场调制传递函数(MTF)均大于0.4, 最大畸变小于3.5%, 相对照度大于55%, 可以获得良好的成像效果。镜头公差灵敏度较低, 能满足加工条件。

为进一步利用太阳能, 提出了“双向”利用光线的LED车灯设计新理念。运用光路可逆原理与边缘光线原理, 构造矩形复合抛物面, 对LED车灯进行“双向”二次配光设计。计算了远光灯矩形复合抛物面反光杯所需的最大出光半角、理论长度, 借助tracepro软件, 模拟研究了该矩形复合抛物面结构的最高光通量、平均光通量、光通量利用率随长度的变化关系, 进一步截取较理论长度综合光学性能更好的反光器应用长度L=130 mm, 并在此长度下, 模拟了该LED远光灯照度分布情况与弱光收集情况。该类型车灯的LED照明与弱光收集互为补充, 双向提高了LED车灯空间重复利用率。在照明方面, 该灯能够满足现行标准GB25991-2010的要求, 相同照度下, 照明范围更大; 相同照明范围内, 照度更高; 在弱光收集方面, 是对当前太阳能汽车非聚光模式收集太阳能的补充。

设计并实验研究了一种结构简单的主动调制锁模高重复频率窄脉宽光纤激光器。采用窄线宽连续激光调制4 GHz高重频后, 通过拉曼增益孤子压缩效应将脉宽由27 ps压窄至2.6 ps。该高重频锁模激光泵浦一段300 m长高非线性光纤, 同时脉冲被展宽至7.4 ps。产生的超连续谱平坦度20 dB宽带可达250 nm, 功率波动为±0.2 dB。

以斯托克斯矢量理论为基础, 通过搭建偏振传输半实物模拟装置进行模拟实验, 观测激光在模拟环境(不同浓度的椭球粒子在非均匀分布状态)下偏振度(degree of polarization, DOP)的变化。实验选取灵芝孢子碳化粉末作为椭球粒子的实验对象, 通过烟雾机将椭球粒子形成不同浓度的烟雾, 研究入射波长为532 nm、671 nm的激光在0°、+45°、90°的线偏振光以及左旋圆偏振光经过模拟环境后偏振度(DOP)的变化情况。实验结果表明: 入射偏振光随着烟雾浓度的增大, 偏振度呈下降趋势; 3种入射线偏振光随浓度增大降幅不尽相同, 没有明显的规律可循; 不同波长低浓度烟雾时, 线偏振光与圆偏振光的偏振度下降幅度大抵相同, 大约为3%左右; 随着烟雾浓度的增大, 线偏振光的偏振度表现出不同程度的下降, 可达20%, 圆偏振光的偏振度仅下降5%, 表现出了较好的保偏能力。

采用电子束热蒸发技术制备了ZnSe薄膜, 研究了532 nm波长的不同能量(2.0 mJ、2.5 mJ、3.0 mJ)、不同脉冲数(3、10、15)激光诱导前后, ZnSe薄膜的透射率、折射率、消光系数、损伤阈值(LIDT)的变迁。研究结果显示, 在能量为2.0 mJ激光辐照后, ZnSe薄膜折射率提高, 透射率下降。相比较能量为2.5 mJ、3.0 mJ激光辐照, 在能量为2.0 mJ激光辐照后折射率提高最明显, 由2.489 4提高到2.501 6。薄膜损伤阈值从0.99 J/cm2提高到1.39 J/cm2(10脉冲辐照); 薄膜的损伤经过了无损伤到严重损伤突变的损伤演变过程。采用原子力显微镜对预处理后薄膜表面粗糙度进行检测, 发现激光预处理后的薄膜表面粗糙度Ra有所下降, 从0.563 nm降低到0.490 nm(15脉冲激光辐照)。

为了满足光的偏振特性测量要求, 设计了一套激光偏振度测量仪。该装置利用旋转1/4波片对光波进行调制, 通过对调制信号进行傅里叶分析获得光源的偏振度。利用测量光功率的方式对激光偏振度测量仪的偏振度进行校准, 实验结果表明, 所研制的激光偏振度测量仪测量精度优于0.5%, 满足高精度激光偏振度测量需求。

针对光纤布拉格光栅(FBG)温度和应变的交叉敏感问题, 设计了一种带熔点保偏光纤光栅(PMFBG)结构。该结构通过将2段保偏光纤带加大推进量熔接, 形成中间凸起结构, 然后在熔点位置写入光栅。文中首先采用熊猫保偏光纤设计制作了该结构, 并搭建实验装置测试其在(0~2)N轴向应力作用下的反射光谱, 发现PMFBG快轴和慢轴的反射谱均分裂成2个峰值, 随着轴向应力的增加, 反射谱整体产生红移, 同时分裂的2个峰值强度的比值单调减小, 且不受温度的影响。随后, 采用有限元法分析了该结构的轴向应变分布, 并基于传输矩阵法仿真分析了该PMFBG反射光谱随应力的变化特性, 仿真与实验结果的一致性较好。证实可利用PMFBG反射光谱的峰值之比消除轴向应变与温度的交叉敏感性, 实现轴向应变的测量。

由于单项的专用总线测试系统通用性、兼容性较差, 功能扩展和技术升级的难度较大, 介绍一个可以支持1553B、ARINC429、CAN、RS232和RS422五种航电标准的数据总线测试系统的设计方案及技术实现。重点介绍了数据总线测试系统的硬件框架组成, 同时分析了系统软件实现方法以及总线逻辑控制设计。该测试系统已成功用于某光电设备在线检测, 经实验验证该系统运行稳定可靠。