针对动车组空间三维坐标的测量需求,设计了三维激光雷达共光路变焦光学系统。系统采用发射/接收共光路的结构形式,以高斯光学为理论基础,对能量传输进行了详细的分析, 得到扩束透镜链的严格限制关系。为简化系统结构, 利用液体透镜代替传统的机械变焦机构, 以几何光学为理论基础, 计算出光学系统初始结构, 并采用Zemax光学设计软件进行仿真, 设计出三维激光雷达发射/接收共光路光学系统。该结构形式不仅提高了系统同轴度、减小外部干扰, 还简化了结构、缩小了仪器体积。采用液体透镜调焦代替机械调焦, 避免了调焦引起的机械振动, 有效提高了激光雷达的定位精度。通过改变液体透镜的光焦度, 实现了在2~30 m测量范围内, 发射光学系统在被测物体表面的光斑半径小于20 μm/m, 接收光学系统超过90%的聚焦能量集中在半径小于1.6 μm的圆内, 满足用户要求。

激光雷达不仅可用于分析目标光谱特性, 还能够获取空间目标方位、距离、三维形貌及运动特征。常规激光雷达测量的目标特征单一, 难以同时具备以上所有的探测能力。针对激光雷达的多种功能需求, 设计了一种同时具备以上多种测量能力的激光雷达, 采用发射/接收共光路系统结构形式, 极大地简化了光学系统结构, 光学系统为特殊的折反射结构, 在仅使用两种光学材料的情况下即可实现400~1400 nm宽波段的发射与接收。为实现多谱段探测, 激光光源采用光参量振荡器单脉冲可调谐激光器, 光谱调节范围覆盖整个探测波段。激光发射系统的激光等效扩束比达到12.6, 单色回波接收系统等效F数为8, 采用光电倍增管, 20 μm内的径向能量接近100%。为满足对目标的跟踪与精细结构测量, 在共光路的基础上, 加入可见光接收系统, 使多谱段激光雷达还具备可见光成像能力, 可见光接收系统全视场为1.6°, 所设计的调制传递函数在37 lp·mm-1处优于0.5。系统各项设计指标满足探测需求。

在室内可见光通信系统(VLC)中,为解决传统光源布局方式中因照度分布不均匀而存在通信盲区的问题,提出考虑墙面反射的光源LED优化方案。以照度均方差作为评价标准分析LED布局,通过积分推导出接收面照度和功率的表达式,构建了矩形布局优化模型函数F(l,x,y)和圆形布局优化模型函数F(r,x,y),并根据优化函数研究了照度均方差与房间尺寸、最佳布局与视场角的关系。仿真结果表明：LED矩形布局光源的位置存在最优点l=1.6 m,视场角为ψFOV=80°,照度均匀性由传统布局的80.5%提升到84.3%；圆形布局光源的位置存在最优半径r=2 m,视场角为ψFOV=80°,当LED位于最优点半径时,圆形布局的照度均匀性随着光源LED数量的增加由85.2%增加到89.2%。

针对影响光电平台控制精度的载体速度扰动以及测量噪声等因素, 设计了扰动自抗扰以及滤波控制的两部分控制策略。首先, 通过分析光电平台伺服系统速度稳定环的数学模型中扰动作用原理, 等效各个扰动作用并提出扰动总和思想, 设计了基于降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器。其次, 利用卡尔曼滤波器对系统中测量噪声进行了滤波处理, 降低了扩张状态观测器的估计误差。最后, 详细地进行了传统PI控制系统与文中设计的卡尔曼自抗扰控制系统的对比实验。实验结果表明, 在设计带宽相同的情况下, 卡尔曼自抗扰控制系统相比PI控制系统的阶跃响应稳定时间减小32.53%, 超调幅值减小72.73%; 当使用摇摆台引入幅值为1°频率、在2.5 Hz以内的正弦扰动时, 卡尔曼自抗扰控制系统较PI控制系统的扰动隔离度提升了54.67%以上; 在系统模型参数改变±15%范围内, 卡尔曼自抗扰控制系统仍具有优异的扰动隔离性能, 表现出较强鲁棒性, 满足光电平台视轴稳定的性能要求, 对提升视轴稳定精度有较高实用价值。

为了进一步提高光电平台伺服控制系统的抗扰动能力，提出一种基于自抗扰控制器的改进型速度稳定回路。首先，分析了平台视轴稳定回路的数学模型并引入电流环对其进行了化简，通过伺服控制系统中扰动作用原理，引入扰动总和的思想。然后，设计含有降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器，对扰动总和实时观测并进行线性化前馈补偿。最后，以某型车载光电平台为控制对象，进行了PI控制器与自抗扰控制器的对比实验。实验结果表明，采用自抗扰控制器伺服控制系统相比PI控制法的阶跃响应速度更快，超调幅值仅为PI控制法的26.98%。使用摇摆台引入的频率为2.5 Hz的正弦扰动，系统稳态误差幅值仅为PI控制法的9.76%。在系统模型参数改变±15%范围内，自抗扰控制器仍具有良好的抗扰能力，表现出很强的鲁棒性，满足光电平台的性能要求，对提升平台抗扰能力有着较高的实用性。

LED兼具照明和数据通信功能,在室内可见光通信(VLC)中,LED的布局对维持接收面上接收功率的稳定分布有重要作用。室内LED矩形布局下的接收功率分布并不能覆盖整个接收面,存在接收功率中断区,无法实现最优的VLC系统性能。考虑室内墙面及地板的一次反射,研究LED在不同位置的布局方案,采用粒子群优化(PSO)算法分析LED布局方案,设计了能耗最小的LED圆形布局方案。仿真分析了LED矩形布局和圆形布局下的接收功率分布、信号中断率、能量损耗以及信噪比分布,仿真结果表明LED圆形布局的VLC系统性能优于矩形布局,需要的LED数量几乎为矩形布局的一半,减小了VLC系统的码间干扰。

基于Rytov方法并采用von-Karman模型对艾里光束的光强闪烁进行了分析。根据接收器接收面上光强度分布不均匀的现象, 提出了艾里光束的面光强闪烁模型, 推导了艾里光束在大气湍流中的面光强闪烁的表达式。数值仿真结果表明: 当光束宽度一定时, 相同光束传播距离下指数截断因子越小, 光强闪烁越小; 当传播距离为3 km、指数截断因子为0.2时, 艾里光束的宽度约为1.6 cm, 光强闪烁最小。此外, 光源强度和接收光强相同时, 将艾里光束与高斯光束进行了对比, 发现艾里光束的光强闪烁小于高斯光束的光强闪烁。

为了精确测量激光晶体的动态热焦距, 提出了一种指示光偏振变换测量方法。基于几何光学成像理论, 建立了热透镜动态热焦距的表达式。将准直的指示光往返两次通过具有热透镜效应的激光晶体, 利用偏振变换的方法使测量光束有效的从光路中分离出来, 采用CCD相机对被测光束进行探测。搭建了激光晶体的动态热焦距的实验测量装置, 分别测量了端面泵浦和侧面泵浦两种工作状态激光晶体的动态热焦距, 最后分析了实验测量的误差。结果表明: 利用指示光偏振变换法测量激光晶体的热焦距, 测量误差仅为0.8 mm, 能够满足激光器谐振腔设计要求。

为了探索振动环境对离轴反射式光学系统的影响, 本文对其系统结构部分进行了随机振动响应分析以及疲劳分析。利用有限元软件MSC/Patran建立光学系统结构的整体模型并进行模态分析, 以实际装配时基体框架前端连接法兰盘的连接孔部位作为边界条件, 通过对其每个节点的六自由度进行约束并进行模态响应分析。分析结果表明在X、Y与Z三个方向上平移及旋转变化量均很小, 满足空间环境中测量系统的精度要求。通过对光学结构整机部分在三个方向随机振动载荷作用下进行了有限元分析, 结果表明光学结构内部最大应力分别为151、267和280 Mpa, 都小于材料的抗拉强度, 且有足够的安全阈度。根据所选的铝合金A709的 疲劳曲线,以及应力响应PSD谱, 利用Palmgren-Miner假设, 对本文所选定的光学结构及其主框架结构在动力学环境下进行疲劳分析, 结果表明其满足系统使用要求。

为了满足快速、精确、定量地测量薄膜激光损伤阈值的要求，设计了平顶激光束诱导薄膜损伤阈值测量系统.介绍了损伤阈值测量的原理和方法，提出二分查找与顺序查找相结合的能量密度查找方式；根据分光镜的分光比及能量探测器示值求解辐照激光能量，用CCD成像法精密测量了作用在薄膜表面的激光光斑面积；基于小波变换法，通过图像处理精确识别了薄膜的损伤；建立能量密度与损伤几率坐标并进行最小二乘法拟合，对损伤阈值进行了标定.对45°高反射膜分别进行了高斯光束辐照和平顶光束辐照的测量实验，结果表明：高斯光束辐照测量的损伤阈值为9.95 J/cm2，平顶光束辐照测量的损伤阈值为13.98J/cm2，平顶光束诱导比高斯光束诱导的损伤阈值高40.5%.