为了验证用于测量物体表面形貌的双圈同轴型光纤传感器的数学模型的可行性、优化新结构光纤传感器中的参量以提高光纤传感器线性测量范围和灵敏度,采用了不影响调制特性曲线前坡数据的镜子纸作为反射面进行试验验证,并对新结构的光纤传感器进行了理论分析和数学建模,然后采用粒子群算法对新结构中的倾斜角度进行了优化。结果表明,以镜子纸为反射面所得的试验曲线与仿真调制特性曲线吻合,证明了用于测量物体表面形貌的双圈同轴型光纤传感器的数学模型的可行性；经粒子群算法优化后的倾斜角度为2.33°,此时前坡线性测量区间和灵敏度分别是倾斜角为零时的1.14倍和1.89倍。新结构的双圈同轴型光纤传感器展现出了良好的测量性能和应用前景。

为了实现光纤位移传感器的光强补偿和减小测量误差, 提出了一种基于遗传算法(GA)优化BP神经网络的光强补偿及校正模型。首先通过对光纤位移传感器做标定实验, 获得传感器测量的原始数据, 然后采用GA-BP神经网络进行建模, 通过对遗传算法的适应度函数、编码方式和参数进行研究, 利用遗传算法的全局寻优能力对传统BP神经网络的权值、阈值进行优化, 改善了其容易陷入局部极值的问题。最后利用实测数据对GA-BP网络和传统BP网络进行训练, 实验结果表明, GA-BP网络比BP网络的预测误差小很多, 提高了补偿精度, 从而实现了光纤位移传感器的光强补偿。

为了实现对工件表面形貌的非接触精密测量, 提出了一种基于光纤传感的表面形貌测量系统, 并对系统的测量原理和关键技术进行了研究。通过对光纤传感器发射光纤的出射光强进行建模分析, 找到光强调制函数与被测距离的对应关系。针对测量系统中光源的稳定性和工件表面反射率变化对形貌测量的影响, 提出了增加参考光路的补偿技术。实验结果表明, 标定的位移调制特性曲线具有较好的重复性, 重复性误差为3.82%, 且曲线前坡的线性区间为0.2～0.6 mm, 灵敏度为1.11 mW/mm, 在线性区间内进行微位移测量, 测量的平均绝对误差为2.8 μm, 对工件表面台阶高度标定值为100.0 μm 的台阶进行10次测量, 台阶高度的平均绝对误差为6.2 μm , 说明本测量系统能较好实现工件表面形貌的测量。

基于光机热集成设计分析,设计了一种扩展中波红外定焦镜头光机系统(焦距f=60 mm,工作波段2.5~5.3 μm),在设计光学系统和光机结构时就充分的考虑了环境温度、系统热变形对光学性能的影响,建立了镜头组的有限元模型,并基于-40~+60 ℃的实际温度载荷展开了热力学分析,对热分析后各镜片的节点位移和面型变化通过Zernike多项式作为数据接口导入光学设计软件,给出了各典型温度值下镜头组的传递函数图。分析结果表明,在-40~+60 ℃区间红外镜头的各个视场成像质量良好,所设计的红外镜头结构可靠、简洁,能够满足设计和使用要求。

设计了一种基于衍射元件的长焦距中波红外连续变焦光学系统,焦距为70~800 mm,11.4倍连续变焦。该系统采用二次成像技术,具有100%冷光阑效率,公差分配合理,没有冷反射和鬼像。在空间频率16 lp/mm处,所有焦段的MTF值均大于0.5。采用衍射元件,提高了光学系统的像质,减小了光学系统的体积和重量,采用凸轮变焦,光机结构紧凑、重量轻。

为了实现大视场激光探测跟踪, 分析了大视场激光探测光学系统的研制特点。首先, 根据四象限探测对光学系统光斑均匀性的要求, 结合系统的指标参数, 选定合理的光学结构型式, 提出像差校正的设计方案。然后, 基于ZEMAX软件完成大视场四象限探测光学系统设计, 并利用点列图、光线足迹图、包围圆能量定性评价系统光斑质量; 通过TRACEPRO光学分析软件, 得到探测器靶面的光线照度分布。最后, 依据设计结果完成光学系统的加工装配及性能测试。测试结果表明: 激光探测系统线性视场为±6°, 测角精度优于015°, 并根据实测数据针对线性视场进行曲线拟合, 与理论曲线相符, 验证了设计结果的正确性。

大气信道对星地光学链路影响较大,通常云层导致的衰减可能会高达几十分贝,光学链路必须在视线内 无云情况下工作。因此在设计激光通信系统并进行地面站选址时,必须要考虑链路可用度问 题。结合云层数据提出一种可用度计算简单模型,对我国不同城市气象站数据进行统计分析,得出 不同城市十年间可用度数据,为我国星地光通信地面站选址提供一定依据。