在空间红外弱目标检测问题中, 相关模板法和帧间差分法等传统算法判别率较低, 且对数据质量要求较高。针对这一问题, 本文提出了一种基于改进YOLOV4的空间红外弱目标检测方法, 该算法首先针对空间不同红外目标建立了相应的数据集; 以YOLOv4为基础建立了空间目标检测任务专用的神经网络框架, 利用k-means聚类算法重新构造先验框; 针对红外弱目标的特性设计了多尺度融合算法来提高弱目标的检测精度; 最后应用COCO数据集和实验室采集到的红外图像数据集对本算法进行了训练和测试。试验结果表明, 本文改进算法较YOLOv4算法在检测的准确性上有明显提升, 其平均准确率(AP)可达93.25%以上, 检测速度达到了38.99 ms/frame,验证了算法对于空间红外弱目标检测的有效性, 很好地满足了空间红外弱目标检测任务的需求。

首先给出了红外辐射特性测量的基本原理, 对于点目标, 由于光学系统的衍射作用, 经过光学系统成像为一个弥散斑, 由于弥散的原因, 点目标的辐射特性测量精度一般都非常低, 针对这种情况, 提出了一种基于辐射能量守恒的点目标辐射特性测量优化算法, 给出了算法的具体原理和实现过程；最后, 为了验证算法的有效性, 在实验室里利用平行光管和点目标模拟装置进行了点目标辐射特性测量实验, 并对试验结果进行了系统分析, 结果表明, 经过优化算法后, 点目标的辐射测量精度优于10%, 表明点目标辐射特性测量优化算法在实际应用中有很广泛的前景.

为了精确分析经纬仪主镜的面形均方根, 对主镜支撑连接球绞的仿真方法进行研究.建立了主镜支撑系统的有限元模型, 对比了刚性连接、约束节点自由度和接触边界条件三种球绞的仿真方法.采用接触边界条件方法仿真得到的主镜面形均方根值为16.37 nm, 应用干涉仪检测得到主镜在径向支撑状态下的面形均方根值为17.53 nm, 仿真结果与实验结果的偏差为6.62%.实验结果显示三种方法中, 接触边界条件法能较准确地获得主镜面形均方根值, 用此方法对主镜径向支撑结构进行了参数化分析, 获得径向支撑位置、长度和宽度对主镜面形的影响规律,可以为主镜面形的精确分析及主镜支撑结构设计提供参考.

为了测量空中目标的红外辐射特性，设计了一套1 m口径红外测量系统的辐射定标装置。给出了红外测量系统辐射定标的数学模型，以腔型黑体和平行光管组合作为标准辐射源，建立了1 m口径红外测量系统的辐射定标系统。考虑该红外测量系统的光谱响应具有选择性，若采用传统辐射定标方法易产生原理误差，故提出了一种基于光栅单色仪和标准辐射计的相对光谱标定方法。给出了该标定方法的数学模型并进行了相对光谱标定。最后，在外场以黑体作为模拟目标进行了辐射特性测量实验。结果表明，应用本文提出的辐射定标方法，1 m口径红外测量系统的辐射特性测量误差最大值为9.5%，比传统方法平均减少了约8.7%，可满足实际项目指标要求，非常适合外场辐射定标的应用。

研究了飞机飞行时的动态辐射特性测量方法。针对利用软件计算大气透过率进行目标辐射修正精度较低的问题, 提出了通过机上标校黑体进行实时大气修正的新辐射测量方法。该方法通过目标飞机上挂载的标校黑体实现大气透过率的实时测量, 并利用实测大气透过率对目标飞机辐射进行大气修正来提高修正精度。借助中波和长波红外相机、两个标准面源黑体及一块硒化锌平板, 开展了飞机目标辐射特性测量的地面模拟实验。利用MODTRAN和CART计算以及实测大气透过率分别对黑体目标红外测量值进行辐射反演。与MODTRAN和CART计算大气透过率的传统方法相比, 文中提出的实测大气透过率方法可将目标辐射反演精度提高一倍以上。

为节省光电跟踪测量设备中红外相机的使用次数和时间，以延长设备的使用年限，设计了基于FPGA的红外相机时序构造系统，产生与相机时序一致的输出信号，在项目调试时代替红外相机为图像处理等后续系统提供数据源。设计采用FPGA编程和SignaTap工具相结合的方法测量项目所用红外相机的真实时序，并形成详细的时序记录文件，在此基础上采用Verilog语言编程，形成与相机时序一致的输出信号，其中包括时钟信号CCDCLK、场同步信号FVAL、行同步信号LVAL及数据有效信号DVAL，相机数据CCDDATA采用渐变数代替。试验中，产生帧频为50 Hz，像素时钟为40 MHz，靶面尺寸为640×512的相机输出信号，提供给图像传输、图像处理等后续系统作为数据源。实验证明：产生的构造时序信号与相机时序一致，在调试试验中应用状况良好，在项目调试时可以代替红外相机，很大程度地节省了红外相机的开机时间，为项目节约了开发成本，具有较强的工程实践意义。

针对大口径光电探测设备在随俯仰角变化时由于主镜支撑点的变化而产生的晃动，研究了在静态测量时如何补偿主镜晃动造成的误差以提高大口径望远镜的静态测量精度。首先给出了一个1 m口径望远镜的支撑结构和力学模型，在分析了传统三轴误差补偿方法和球谐误差补偿方法的基础上提出了针对大口径望远镜的误差补偿方法。在外场对光测设备进行了标校实验，选取32颗恒星在修正了蒙气差后对各个系统差进行求解，得出了主镜晃动误差和三轴差。与传统误差补偿方法的比较结果显示: 加入主镜晃动误差补偿后，望远镜的静态测量精度从15.4″提高到了2.5″。此种方法物理意义明确，各误差分量重复性好，对主镜晃动误差进行补偿修正后提高了大口径望远镜的静态测量精度。

为了在光电跟踪伺服系统中实现共轴跟踪, 采用神经网络极限学习机(ELM)对光电跟踪系统设备的运动状态及脱靶量进行了学习、训练和融合, 得到了目标的速度和加速度信息。通过算法优化减少了ELM系统大约50%的运算量, 使运算周期约为3.5 ms, 满足光电跟踪系统的实时性要求。仿真结果表明, 当目标运动速度为50°/s、加速度为30(°)/s2时, 预测的目标速度在峰值时的误差大约为±3(°)/s。最后, 通过跟踪光学动态靶标进行了共轴跟踪实验验证。结果显示, 系统最大跟踪误差由速度、位置闭环时的11.35′减小到0.88′, 随机误差由8.2″减少到7.6″。与其它控制方法相比, 提出的方法具有更高的实时性和精确度, 能有效提高系统的跟踪精度。

考虑大口径光学望远镜中主反射镜的支撑精度直接影响光电探测设备的整机性能, 本文根据光学系统对口径为1 000 mm的主镜的支撑精度要求和光电设备中主镜的使用情况, 采用轴向和径向组合支撑的结构形式来完成对主镜的支撑, 并通过有限元法对支撑位置进行理论分析和计算。实验显示, 在轴向18点浮动支撑、径向3点柔性支撑的情况下, 主镜能够达到较高的面形精度。针对传统装调工艺不能获得理想的面形精度, 探索了新的主镜装调方法。用干涉仪对带有支撑的主镜进行实时测量并进一步进行修磨, 使主镜在装配完成后达到λ/18的面形精度。该方法满足了本项目的指标要求, 也为更大口径主镜的装调提供了一种新的思路。