针对增强现实系统中的标定问题, 提出了一种光学透射式平视显示系统标定方法.分析系统中各组成部分之间的关系, 定义不同的坐标系.由于在标定时相机与光学显示系统会带来一定程度上的虚拟图像畸变, 因此在建立模型时, 将相机与光学显示部分的畸变考虑进去, 并进行校正.利用非线性回归估计方法对模型求解, 计算系统标定参数.这种结合光学显示图像畸变与相机成像畸变校正的标定方式, 提高了光学透射式平视显示系统的标定精度.实验结果表明, 本文标定算法的平均相对误差小于0.42%, 基本满足系统对标定精度的要求.

为了实现对光纤光栅回波光谱分布的控制, 利用传输矩阵法构建了分段调制折射率的数学模型。 通过在各个分段中以不同形式的折射率调制组合实现对回波光谱分布的控制, 研究了基于不同折射率分布条件下的谱形特性, 为实现获取任意形态的Bragg光谱分布提供了理论支撑。 系统结合耦合模理论与矩阵传输算法, 当分段后子光纤光栅尺寸符合边界条件时, 即仍可应用耦合模理论计算, 同时又可以将多段的耦合方程以正、 反向模式的形式通过矩阵函数进行表达。 由此可知, 虽然任意折射率调制组合构成的整个光纤光栅不具备通解形式, 但分段后的子光纤光栅具有可解析的特性, 同时再利用矩阵传输算法可以将m段子光纤光栅的正反向模式进行计算, 就能将任意形式光纤光栅的折射率调制函数转化为传输矩阵组, 再对其反射率分布场进行解析。 最终, 可以得到整个光纤光栅的等效正、 反模式, 即实现回波光谱分布的控制。 由理论部分可知, 回波光谱分布特性主要受正反向导模耦合系数、 纤芯位置、 分段数决定, 可由(z)和k(z)表示。 通过MATLAB仿真分析可知, 两参数在(0, 1)范围内对反射率函数具有明显的调制作用。 随着控制参数阶数的增大, 反射率调制斜率也会增大; 当k(0.38, 0.48), (0.52, 0.58)时, 反射率调制符合单调特性。 从而得到了不同控制参数条件下反射率函数的分布变化, 讨论了耦合系数对回波谱形控制的量化效果。 实验利用AVESTA公司的Ti: Sapphire飞秒激光器完成了四种不同结构光纤光栅的制作, 采用了四种折射率分段调制的FBG结构, 分别是: ①在m段中Λ1和Λ2交替均匀分布; ②在m/2段中Λ1和Λ2交替均匀分布, 其余段随机分布; ③在m/2段中Λ1和Λ2随机分布, 其余段也随机分布; ④在整个光纤光栅段折射率随机分布。 对以上四种FBG的回波光谱分布进行测试与比较, 可知采用分段折射率调制对Bragg光谱特性的作用效果。 实验结果显示: 当以矩阵组形式的FBG若在m段分布时, 则与传统串联型均匀FBG测试效果一致, 具有两个明显的Bragg特征峰; 而矩阵组在m/2段中分布时, 测试光谱仍能明显获取折射率调制特征信息, 即存在两个Bragg特征峰, 但峰峰值减小, 噪声谱增大, 半宽变窄。 同时, 相比交替模式而言, 随机分布形式此种变化趋势更为明显。 由此可见, 通过控制矩阵组分布对回波谱形中特征峰值、 半宽及功率谱进行调制。 该方法在预先设计折射率调制矩阵的条件下, 可以对Bragg光谱分布进行精确控制, 实现目标回波谱形的获取。

提出一种增加轴锥镜对的同轴反射式光学结构激光发射天线方案, 通过对入射光束的光强重新排布, 降低同轴反射式结构固有的中心遮拦造成的能量损失, 提高光能利用率.运用衍射光学原理分析并模拟了单色高斯光束经过轴锥镜对后传播至天线光阑平面处的光场分布, 比较了普通同轴反射式天线和高光能利用率天线在不同入射光束腰半径、不同线遮拦比下的发射光能利用率.结果表明: 高光能利用率天线在线遮拦比0.1和0.25的情况下, 通过合理调整入射光束腰大小, 光能利用率分别可达到99%和96%以上, 远高于传统的同轴反射式天线.分析了高光能利用率天线发射光束的远场光强分布, 发现其进入接收天线口径内的光场可近似为平顶分布.

为了实现对被伪装网覆盖的被测目标进行有效探测, 提高目标识别系统的反伪装能力, 设计了基于电光和磁光双调制的目标识别系统。 系统由起偏器、 电光调制电路、 磁光调制电路、 检偏器、 光电探测器等组成。 推导了基于电光调制与磁光调制组合形成的调制函数, 并在矢量分析的基础上, 计算了电光调制参数δ与磁光调制参数θ对回波光强函数的影响。 实验以边长1 m的正方形钢板为测试目标, 与两种常用伪装网配合在不同背景环境中进行反伪装目标探测。 对不同偏振角条件下的回波光强响应电压进行了测试与分析。 结果显示, 目标与伪装网均存在明显的响应峰值, 但由于目标位置及角度不同峰峰值位置有所不同, 而背景不存在较强的响应值。 故在整个磁光调制周期内, 可以获得响应电压极值信号, 从而识别伪装目标。 对不同波长条件下的回波光强响应电压进行测试可知, 光源波长的改变对回波峰峰值与背景噪声具有一定的影响, 从而可以通过适当的调节光源波长实现提高目标图像信噪比的目的。 总之, 该系统在目标有伪装网覆盖的条件下仍能较好地区分目标及背景, 具有很好地反伪能力。

为了解决传统光纤光栅测温系统中单根光纤上带光纤光栅探头数量少、 回波光强弱以及复用能力差的问题, 设计研究了基于啁啾光纤光栅的测温系统。 通过啁啾调制技术提高了回波光的带宽, 从而增强了信号的可处理性并大大提高了带探测点位的数量。 推导了啁啾调制的光栅周期表达式, 给出了调制方法及波长范围。 实验采用LPT-102型宽带光源与F-P光纤解调仪等, 调制带宽为1 535.0～1 555.0 nm, 并结合WR-201型温度传感器作标定。 对20～60 ℃范围内每1 ℃改变进行测试, 实验结果显示, 传统光纤光栅探头与啁啾光纤光栅探头的测试温度误差相近, 都符合设计要求。 相比而言, 啁啾FBG的测试数据对应的波长偏移具有较为明显的单调线性的特征, 即数据稳定性更高, 同时, 采用啁啾FBG的系统带光纤光栅探头数量明显优于传统光纤光栅测温系统。 由此可知, 本系统在不增加光纤个数及不降低温度测试精度的基础上, 实现了大幅提高带探测点位数量的设计要求。

针对星敏感器跟踪过程的稳定性对星敏感器整体性能的影响, 讨论了如何利用跟踪过程中前后两帧星图上的星点位置信息进行匹配识别的问题。为了使跟踪过程具有较高的稳定性, 分析了现有星跟踪过程中匹配识别方法的优缺点, 提出用“先排序后双向递推匹配”的方法来获得在“参考星邻域内出现多颗观测星”时的成功匹配能力, 从而增加每一帧快速星跟踪时被成功跟踪恒星的数目; 同时通过引入先确定视场边缘区域, 再选取有效参考星进行匹配的思想, 有效地减小误匹配发生概率, 进而保证匹配的有效性。在外场对某星敏感器从初始姿态运动到最终状态的跟踪进行了实验, 对蒙特卡洛法生成的全天球100个视轴方向进行星跟踪的对比分析结果表明: 在姿态运动角速度较大时, 利用本文提出的匹配识别方法, 平均可实现约91.44％的快速星跟踪; 而利用相应的对比方法, 平均只能实现77.18％的快速星跟踪。分析显示本文提出的匹配识别方法具有重要的工程应用价值。

针对井下甲烷浓度监控干扰大的问题, 结合实时监测甲烷浓度的系统要求, 设计角镜连动的自消震光学结构, 构建了基于无线网络的实时数据通信系统.在干涉系统中, 固定两个角镜位置, 将两片半透半反镜用连杆结构同步旋转, 由此产生光程差.由于采用了连杆结构, 任意时刻引入的震动在两个分束镜上等量存在, 其结果是差分值, 可实现完全相消.由分析分束器的最大旋转范围计算得到系统的光程差变化范围.结合比尔朗伯定律, 给出系统在井下工作的甲烷气体浓度最低检出限.分别在实验室及矿井主巷道中完成实验过程, 通过化学反应法求得被测甲烷气体的标准浓度, 与WQF530型光谱分析仪的测试结果作比较,结果表明：在实验室无干扰条件下, 两种检测方法的相对误差均小于1.0%;在井下实验中, 传统光学检测方法受环境影响明显, 相对误差大幅增加, 而本系统测试结果基本稳定, 具有较强的抗干扰能力及较高的稳定性.

介绍一种基于相位式激光测距的高动态、高准确度测距系统.系统引入光频调制技术实现激光拍频产生高频调制信号并完成信号的高速变测尺调制.在对回波信号进行鉴相时, 为降低鉴相偏差采用无窗全相位谱分析并实现对测量信号的相位计算.计算表明, 该方法可以有效抑制频谱泄露, 减小噪声对测量结果的影响, 提高鉴相准确度.实验表明该测距系统可以有效地解决相位法测距中存在的抗干扰能力差、距离模糊较难抑制等问题, 调制信号频率为100 MHz、信噪比为30 dB时测距准确度优于0.5 mm.

为了建立更高性能的导航星表，分析了现有导航星表划分方法的优缺点，提出了一种合理划分导航星表的新方法。 该方法以块空间立体角"准均匀分布"为原则，以天球赤道某区域所对应空间立体角大小为基准，将全天球依序划分为若干个子块，从而实现了一种分布均匀性更好的导航星表。仿真实验数据表明：以赤道上15°×15°所对应空间立体角为例，按空间立体角“准均匀分布”法划分天球后，最大子块和最小子块所对应的空间立体角变化范围相差22.86％，均方根(RMS)值为0.060 3，其均匀性远高于内接正方体法划分天球的均匀性。 该方法为验证星图识别环节中模拟星图的快速生成和进一步筛选导航星奠定了基础。

为了解决在大范围、 多点位温度实时监测过程中温度传感器铺设工程复杂、 维护成本高等问题, 研究开发了基于光纤布拉格光栅结构的温度监测系统。 利用光纤光栅衍射对波长的选择性, 建立了温度与波长的函数关系, 通过计算波长变化量反演被测位置的温度信息。 由于环境、 材料等因素, 光谱分布与温度变化并不满足线性变化, 所以设计了光谱校正算法完成波长与温度函数的曲线拟合, 曲线拟合度大于99.7%。 实验采用FB136L-IAC型防爆干燥箱、 LPT-200型二极管, 1 550 nm光纤等对20～280 ℃范围内温度进行多点位实时检测, 实验结果显示, 当防爆干燥箱中的温度每改变1 ℃时, 对应的中心波长向长波方向偏移大约0.04 nm, 与标准温度测试数据进行对比, 误差低于±0.3 ℃。 由于系统采用光纤传感网络, 所以具有很强的抗电磁干扰能力, 而光纤光栅衍射可实现精密测量, 动态响应范围大、 精度高。 系统的新颖之处在保证高精度测量的同时, 仍满足大范围、 多点位、 高抗干扰能力的快速铺设, 具有很强的实际应用价值。