针对多光谱相机的整机设计秉承集成化、小型化和超轻质的设计理念,提出一种结合最小尺寸约束的变密度拓扑优化与多目标集成优化的设计方法,并借助此途径完成空间离轴微晶反射镜及背部支撑结构(消热芯轴、柔节和背板)的优化设计。对于尺寸为218 mm×166 mm的反射镜,质量为0.917 kg,轻量化率为71.3%,并对加工装配好的反射镜组件开展工程环境试验和面形干涉检测。试验结果表明,环境试验前后的反射镜镜面面形的方均根值均优于1/50λ,检测波长λ=632.8 nm,基频为397.8 Hz,满足光学系统的设计要求以及卫星平台对光学载荷的要求,验证所提方法的可行性和正确性。

为了消除面阵CMOS航空相机高速成像时帘幕快门效应对成像质量的影响, 分析了CMOS成像原理, 开展了基于高速中心式机械快门与面阵CMOS图像传感器协同工作的全局曝光成像模式研究.建立了该成像模式下的航空高分辨率成像系统的信噪比模型与前向像移模型, 并基于信噪比模型与前向像移模型论证存在合理的曝光时间参数.设计了体积小、质量轻、电驱动、曝光时间可准确控制的高速中心式机械快门, 最短曝光时间可达1/2 000 s, 快门效率最高达80%.对采用自主研发的国产CMOS图像传感器的航空摄影相机参数进行验证计算, 并进行直升机载人带飞拍摄实验.影像结果表明: 该成像模式曝光时间参数论证正确, 影像无拉伸、扭曲及拖尾现象, 相机动态传递函数为0.21(奈奎斯特截止频率处), 能够满足实际应用需求.

石化管道通常可分为常温区域和高温区域两部分。 高温区域的存在影响着整个系统的安全运行, 热量的散失将会引起资源的浪费及环境的污染等一系列问题。 红外光谱图像能够较好地描述石化管道的高温区域, 但是如何从中提取高温区域是红外光谱图像处理的一类难题。 为实现从红外图像中, 将高温区域准确快速分割出来的目的, 基于经典的一维Otsu算法提出一种改进的二维多阈值自动获取方法。 该算法首先对管道红外图像进行经典单阈值分割, 将图像划分为背景和管道两部分。 然后基于管道图像区域, 以管道灰度图像与平均值图像作为图像二维,对目标图像进行二维双阈值分割, 最终将较大的阈值作为划分管道常温区域与高温区域的分割点。 将本算法对不同的管线进行多次试验分析, 结果表明, 采用改进的二维Otsu多阈值算法能够更加清晰的将管道从复杂背景中提取出来, 并在此基础上把高温区域更精确的分割。

通过水热法采用热解明胶制备出有蓝色荧光的碳量子点, 并通过单因素优化实验对制备碳量子点的温度、 时间进行优化以选择出制备碳量子点的最佳条件, 结果表明在水热反应温度为200 ℃, 反应时间为6 h时制备的碳量子点的荧光性能最强。 同时, 利用透射电子显微镜(TEM)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 X射线光电子能谱(XPS)、 Ｘ射线衍射(XRD)、 紫外-可见吸收光谱(UV)及荧光光谱(PL)等手段对最佳条件下制备的碳量子点进行测试与表征, 结果表明, 该方法制备的碳量子点量子产率为39.4%, 与不掺杂的碳量子点相比其量子产率相对较高, 这可能是因为有N元素的存在使得量子产率有所提高; 所制备的碳量子点不仅具有丰富的含氧官能团而且抗光漂白性能良好, 形态主要是均匀分散的球形, 没有明显的晶格条纹, 这与相关文献报道的碳量子点的形态相一致, 其在250～300 nm有较弱的吸收, 但无明显的特征吸收峰, 这可能是由于CO基团的n—π*跃迁引起的; 此外, 还讨论了氙灯照射时间、 pH、 碳量子点浓度、 不同类型溶剂及离子强度等因素对碳量子点荧光性能的影响, 研究结果表明, 氙灯照射时间及离子强度对碳量子点荧光性能几乎无影响, 在过酸或过碱的条件下其荧光强度相对较弱, 原因可能是在过酸或过碱的条件下发生质子化或非质子化的作用导致其荧光强度减弱; 且碳量子点溶液随着其浓度的增加, 荧光强度先增加后减小; 而对于溶剂类型而言, 其在极性溶剂中的荧光强度大于其在非极性溶剂中的荧光强度, 说明该方法制备的碳量子点具有良好的水溶性。

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。

运用ZEMAX光学设计软件基于Liou-Brennan眼模型, 材料选用疏水性丙烯酸酯, 设计了前表面为衍射面, 后表面为非球面的多焦点人工晶体, 该设计利用0级、+1级衍射级次, 当物在不同位置时, 使不同衍射级次发挥作用.对于所设计的人工晶体, 采用的附加光焦度为1.66 D, 即两个焦点处的光焦度分别对应20 D、21.66 D, 小附加光焦度的确立旨在着重优化人工晶状体在中距处的光学质量.首先基于衍射光学理论计算衍射面的衍射效率, 利用ZEMAX光学设计软件得到衍射面及非球面的光学参数, 继而利用MATLAB模拟仿真软件模拟衍射面位相结构及实际表面轮廓, 最后利用单点金刚石超精密车床对所设计的人工晶体进行加工, 根据实测光学调制传递函数分析所设计的人工晶体的光学质量并利用实测离焦量曲线验证附加光焦度的正确性.该设计满足光学调制传递函数在空间频率50 lp/mm处大于0.3, 可为白内障患者在不同距离视物提供较好的视觉清晰度.新型人工晶体应用于物距为75.3 cm的工作距离, 为小附加光焦度人工晶体应用领域提供理论及实验基础.

空间相机调焦机构需具有一定的锁止能力，以应对火箭发射中的冲击与振动，因此，对机构的自锁特性进行评价是保证空间光学遥感器正常工作的关键。针对某型空间相机调焦机构，研究了螺纹接触面的滑移机理，建立了工程分析模型，详细分析了两种螺距(1 mm，1.5 mm)的螺纹的接触应力、切应力分布特征及其自锁性。结果表明：螺纹螺距为1 mm的调焦机构Mises应力值大于其自锁标定值，自锁失效；螺距为1.5 mm的调焦机构Mises应力值小于其自锁标定值，满足自锁要求。最后，对调焦机构进行了振动试验，结果显示：螺距为1 mm的调焦机构焦平面位移达2 753 μm，自锁失效；螺距为1.5 mm的调焦机构焦平面位移为6 μm，小于测量误差，机构自锁正常,验证了分析方法的可靠性。这种动力学环境下研究机构自锁性的新方法对工程应用具有重要的意义。

针对空间遥感图像数据量剧增的问题，提出一种改进的BP神经网络图像压缩方法。该算法利用Levenberg-Marquart算法提高神经网络的收敛速度，利用α算法提高神经网络的泛化能力。比较分析了新算法和标准BP算法对同一幅图像进行压缩的结果和性能误差函数。实验结果表明，实验结果表明，标准BP算法在图像压缩比为1/2时，均方误差(MSE)为343.3750; 改进后的BP算法在图像压缩比为1/16时，MSE为69.5796，图像压缩比为1/8时，MSE为20.9561，图像压缩比为1/4时，MSE为5.5123。并且利用改进后的算法压缩图像的峰值信噪比均在30 dB~40 dB之间。改进算法已用于实际工程中，满足实际需求。

为获得kA级热发射电子束，研制了直径为100 mm钪酸盐热阴极组件，并建立了适应大面积热阴极实验环境的2 MV 注入器试验平台。实验在二极管真空3.7×10-5 Pa、二极管电压1.95 MV、脉宽120 ns(FWHM)、阴极温度1 120 ℃时，获得最大收集电流1 038 A，发射电流密度约13 A/cm2。实验结果表明，工作状态下阴极发射能力与激活温度、系统真空度关系密切。

激光测高仪是测量激光脉冲的飞行时间来获得测高仪与探测目标之间的距离，因此激光飞行时间测量的准确性是衡量其系统能力的根本指标。采用了一种专用的时间数字转换芯片设计了时间间隔测量模块，它采用延时线技术，测量频率快，时间分辨率高，受外界环境干扰小，完全适合激光测高的要求。在给出软硬件实现方法的同时，也给出了测量结果。