高帧频中波制冷红外探测器在机载光电吊舱、红外警戒系统、光电跟踪瞄准系统中有着广泛应用。传统的碲镉汞中波制冷红外探测器在保证成像质量前提下, 受积分时间限制, 帧频一般受限于25~100 Hz。而锑化铟中波红外探测器具备较好的非均匀性、较低的盲元率以及高帧频输出特性, 可进一步提高红外系统作用距离和跟踪精度。基于中波红外锑化铟探测器设计了高速稳定的图像采集系统, 实现了640×512分辨率数字视频200 Hz的图像输出。高帧频模式下, 解决了探测器积分时间与读出时间信号串扰的问题, 有效改善了红外图像的非均匀性。该系统通过探测器开窗设置, 将帧频进一步提高, 可实现对高速目标的红外探测、搜索、识别、侦察、情报搜集、跟踪等。

为了实现光电经纬仪姿态测量精度的室内测试和评价,介绍了光电经纬仪姿态测量方法,依据蒙特卡罗方法对测量站的姿态测量误差源进行了分析,得出姿态测量精度的主要影响因素,进而提出了一种室内姿态测量精度检测方法。基于外场理论弹道、目标姿态以及测量站站址,通过逆姿态测量理论计算得到姿态测量原始数据,再将姿态测量原始数据输入姿态测量设备,通过比较理论目标姿态和姿态测量设备给出的目标姿态,得到姿态测量设备的姿态测量精度。依据该方法,对某型号姿态测量设备进行了姿态测量精度检测。通过实验可得到该姿态测量设备的姿态测量精度,即航向角测量误差不大于1.9°,俯仰角测量误差不大于0.4°。

为解决转角受限编码器角度误差的精确测试问题,采用平面反射镜-自准直经纬仪法测试编码器角度误差。建立了角度误差和位姿失调参数、编码器角度以及经纬仪示值之间关系的数学模型,通过对失调参数的解算可对编码器角度系统误差进行修正。实验结果表明,在角度范围为0°~40°时,由位姿失调所引入的角度误差随编码器角度的增大单调递增,误差最大值为742.9″;经过修正后的角度误差和编码器位姿无失调时的角度误差基本相当,误差最大值分别为4.4″和3.5″。此方法可有效测试无法精确调整或不具备调平条件的转角受限的编码器角度误差。

为了解决单台经纬仪室内姿态测试问题,在平行光管焦平面位置处放置刻有不同倾斜角线条的目标板,用以模拟无穷远目标的姿态。建立了目标板各象限线条中轴线上的点坐标与全站仪测试角度之间关系的数学模型,设计了测试用目标板,用全站仪对目标板各线条中轴线上的点进行了采样测试,通过数学模型解算出了线条中轴线的倾斜角。实验结果表明,1 #与2#线条中轴线夹角模拟误差为0.160°,1#与3#线条中轴线夹角模拟误差为0.046°,可以满足单站图像中轴线斜率提取误差最大值为0.6°的要求。

为了消除基于双马赫-曾德尔干涉的分布式光纤传感系统中偏振退化和偏振相位漂移对定位性能的影响, 提出了一种结构简单、效率高的基于现场可编程门阵列(FPGA)的偏振控制方法。该方法采用偏振控制器反馈技术, 以两路光信号的反馈值作为控制函数, 结合改进的和声搜索(IHS)算法, 利用FPGA硬件并行结构和流水线技术快速实现算法迭代并控制偏振控制器调整偏振态。实验结果表明, 该方法能够在短时间内调整系统偏振态, 偏振控制时间约为0.7808 s, 系统的定位精度提高到±20 m以内, 有效地消除了偏振效应对定位性能的影响；另外以FPGA代替计算机作为系统的控制核心, 提升了数据处理速度, 缩短了偏振控制时间, 提高了系统集成度从而有利于实现偏振控制仪器的小型化。

光电轴角编码器轴线与棱体轴线不平行会降低转角误差测试结果的置信度, 为了减小光电轴角编码器转角测试误差, 将由光电轴角编码器轴线与棱体轴线不平行引入的转角测试误差控制在光电轴角编码器转角误差的1/3~1/5以内, 建立了由光电轴角编码器轴线和棱体轴线平行度引入的转角测试误差数学模型及Y向偏置数学模型。由仿真结果可知, 光电轴角编码器转角测试误差和Y向偏置随转角的增大呈现周期性变化, 周期分别为π和2π, 棱体轴线倾斜方向相同时, 两轴线夹角越大, 转角测试误差峰值和Y向偏置峰值越大, 两轴线夹角相同时, 棱体轴线倾斜方向大小只会改变转角测试误差曲线和Y向偏置曲线相位, 不会改变曲线形状。根据多面棱体-自准直仪法对建立的数学模型进行了实验验证。实验结果表明: 测试结果与数学模型具很好的自洽性。在实际测试中, 对转角误差进行预先测试, 绘制偏置曲线并对曲线进行最小二乘法拟合, 求取平行度与倾斜方向, 根据倾斜方向调整两轴线平行度大小, 直到误差峰值满足测试要求。

提出了一种分布式光纤振动和温度传感系统。该系统在双马赫-曾德尔干涉仪分布式振动传感系统的框架上, 采用波分复用的方法在一条传感臂上耦合两种波长的光, 并行实现了基于激光干涉的分布式光纤振动传感和基于拉曼背向散射的分布式温度传感, 从而达到了振动和温度双物理量的同时探测。该方法有效利用了双马赫-曾德尔干涉仪的传感光纤, 在实验中实现了10 km长度上振动和温度双物理量的同时探测, 振动传感的定位误差为±30 m, 温度传感的空间分辨率和温度精度分别为1 m和±1.8 ℃。该系统的优点是将激光干涉和拉曼背向散射有效结合, 实现了复杂环境中对振动和温度同时探测的需求, 并有效利用了传感光纤, 具有重要的实际意义和经济价值。

为了提高小范围回转轴系测角误差的测量精度, 用自准直经纬仪测量测角误差的原理和方法, 对影响测量结果的误差源进行了分析, 仿真结果表明被测轴系轴线倾斜角度是最主要的误差源.基于误差模型提出了利用最小二乘估计辨识失调参数进而分离引入误差的方法, 以实现测角误差的高精度测量.以精度为2″的单轴位置转台为受检对象进行实验验证, 相比常规方法的测试结果－309.1″~428.6″, 本文方法的测试结果为－0.89″~1.01″和－1.01″~0.93″, 测试误差为0.70″和0.78″, 消除了设备失调引入的测试误差.该方法具有设备简单、操作便捷, 可实现小范围回转轴系测角误差的高精度测试, 解决小范围回转轴系工程测试难题.

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵, 提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法, 并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型, 根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统, 采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法, 保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证, 并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明: 在±20′的视场范围内, 三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″, 2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高, 且易工程实现三维姿态角的测量。

为了提高转镜式高速摄影机测量弹丸运动轨迹的精度，本文通过合理假设和理论推导，依据弹丸外弹道飞行运动模型得到了弹丸飞行过程的数学模型。结合室内检测条件，设计了用于转镜式高速摄影机角跟踪精度的检测装置并分析了测试原理。用该设备实测了转镜式高速摄影机的角跟踪精度，并对检测装置的测量不确定度来源进行了分析。结果显示：被测转镜式高速摄影机的角跟踪精度为（0.34±0.06）°，检测装置的相对不确定度为3.0″；不确定度来源主要为角度测量不确定度和焦距测量不确定度。实验结果表明，设计的检测装置具有较高的准确度和可靠性。