研究了不同成像方式下的卫星颤振光学成像退化机理, 建立一套完整的卫星颤振光学成像退化模型。模型包含成像模式和颤振两大模块, 以面阵凝视和 TDI扫描两种成像方式建立退化模型。分析卫星颤振来源, 将颤振分为线性运动、正弦颤振、随机运动以及组合颤振四种运动形式。对具有典型意义的地球静止轨道上的卫星进行仿真成像和分析, 得到卫星颤振参数临界值。为验证仿真分析的结果, 建立了一套模拟遥感成像的地面半物理仿真实验系统。通过对系统加载颤振激励, 可得到模拟卫星颤振退化图像。利用调制传递函数 (MTF)作为像质评价指标, 发现理论模型计算值与实验实际获取结果具有很好的吻合性, 从而证明了颤振成像退化仿真的正确性和有效性。

针对大面积且高密度 PCB光刻, 利用 ZEMAX光学设计软件, 设计了一种 8片式光刻投影物镜。该物镜采用对称双高斯结构, 放大倍率为 -1, 数值孔径 NA=0.06, 单次曝光面积 Φ=80 mm, 具有优于 7 μm的分辨力和 120 μm的焦深。通过对该镜头进行公差分析, 表明最紧公差为部分元件倾斜要小于 0.017°。用 Monte Carlo方法模拟了制造 50组镜头的成像质量, 得到在空间频率 72 line/mm处, 90%的镜头的 MTF>0.58, 因此加工装配时能保证 90%以上的成品率。

对红外导引头进行光学性能有限元分析, 考核结构在动力学环境下的光学系统变形是否满足成像要求。本文利用模型修正的有限元方法对红外导引头进行了光学性能分析。首先, 在建模过程中采用复合材料单元模拟构件之间连接特性。进而, 通过反复修改复合材料单元的特性参数使模态计算与试验结果相一致, 获得正确和有效的有限元计算模型。最后, 对修正好的红外导引头有限元模型进行瞬态振动与过载仿真计算, 获得光学系统各光学元件镜面变化结果。分析结果表明: 结构在各动力学环境工况下的光学镜面相对转角小于 3″, 光学镜面位移值小于 1 μm。红外导引头光学系统在动力学环境下的镜面变形及倾角均在许用范围内, 光学性能满足成像要求。

将线性插值与正弦灰度变换增强二者有机结合, 提出一种新的红外图像插值放大方法。先采用双线性插值法计算插值点的初步插值, 然后采用 S形正弦灰度变换曲线进行增强处理作为最终插值。充分利用线性插值具有的算法简单、计算量小优势, 同时又克服了线性插值带来的图像边缘模糊缺限。实验结果表明, 本文方法的插值效果优于传统的双线性插值法。

空中目标蒙皮的红外辐射特性是对空中目标进行探测与识别的重要依据。针对国外某型空中目标, 设置其飞行航迹, 综合考虑环境辐射和气动加热等因素, 建立空中目标蒙皮的一维导热微分方程, 采用后向差分方法求解方程, 算得了空中目标在 4:00～4:45和 12:00～12:45两时间段飞行时蒙皮表面的温度分布。最后综合考虑环境辐射, 分别计算了空中目标蒙皮中远红外的辐射强度随时间与空间变化的分布。结果表明: 空中目标蒙皮在 8～14 μm波段的辐射强度远大于在 3～5 μm波段的辐射强度, 且目标飞行过程中, 其蒙皮红外辐射特性变化不大。

针对机动红外测量系统单点非均匀性校正效果不佳、两点非均匀性校正制约条件多的难点, 提出了基于辐射衰减的 IRFPA(红外焦平面阵列)非均匀性校正新方法。该方法利用辐射衰减片使 IRFPA获得不同辐射响应, 实现非均匀性两点校正和分段两点校正。分段两点校正通过建立衰减倍率和 IRFPA灰度的响应曲线, 反演计算任意辐射所处的响应段落, 实现了无需定标黑体即可进行分段两点校正。实验结果表明, 基于辐射衰减的非均匀性校正效果优于常规方法, 在低背景辐射测量条件下校正均匀性提高 50%, 具有操作简便和环境适应性强的特点。

针对光学微扫描显微热成像系统微扫描过程中微位移位置不准确, 空间分辨力低的问题, 本文提出一种自适应零点定标方法。该方法将图像配准算法作为计算图像之间的微位移的工具, 并利用几何原理进行微扫描零点位置的自适应标定。利用望远模式红外图像模拟自适应零点定标前后实际系统, 采用不同重构方法进行了仿真研究; 完成了自适应零点定标前后实际系统采集的欠采样显微热图像序列的重构对比实验。结果表明利用该方法完成自适应零点定位后, 可有效提高过采样重构图像质量, 提高了系统空间分辨力。此方法还可以应用到其他光电成像系统中。

路由与波长分配 (RWA)是智能光网络的关键技术之一, 由于受到波长一致性约束 (WCC), RWA算法中需要引入波长转换器以解决波长冲突。论文提出了一种基于改进蚁群算法的光网络动态 RWA机制, 在传统蚁群算法的基础上引入链路空闲率作为约束条件, 分析并讨论了基于改进算法的波长转换器配置策略。针对规则 MESH网络与 NSFNET网络进行了数值仿真, 结果表明, 与传统的 Dijkstra+首次命中算法相比, 在相同网络负荷情况下, 改进算法的网络阻塞率与通道利用率性能均有改善。

针对通信系统中 CDMA光模块的非线性失真对整个系统性能的影响问题, 本文从激光器和放大器两方面出发, 通过采用三阶交调截点 (IP3)和三阶交调产物 (IM3)参数作为衡量 CDMA光模块非线性失真的指标, 详细地分析了光模块的失真特性, 并在此基础上初步探讨了改善 CDMA模块失真的基本方法, 包括改变模块内部激光器的偏置电流, 放大器的偏流及外围匹配电路在内的一系列方法。实验通过观察条件的改变对 IP3和 IM3的影响从而证实文中提出的方法行之有效, 均能从一定程度上改善系统的失真指标。目前国内外对此类失真特性的研究一般集中在电性能上, 对光器件与电器件相结合的研究涉及较少, 本文提出的方法对实际商用化光模块产品有一定的借鉴意义, 具有一定的使用价值。

针对激光主动成像系统中激光照射视场与成像探测视场的同步控制问题, 本文提出了激光光腰焦物距调节和激光发射物镜变焦调节控制两种方法。从基模高斯光束薄透镜变换公式出发, 推导得到了两种方法的同步控制公式, 依据公式可进行视场同步控制方法设计。对同步控制公式进行了数值计算, 结果表明两种控制方法均能对视场同步进行有效的控制, 但进行同步控制设计时, 需要综合考虑激光光腰焦物距、激光发散角和激光发射物镜焦距等参数, 以便使被调节参量的调节控制范围和步长都能满足实际设计要求。从设计的难度上比较, 激光发射物镜变焦调节控制更容易实现。

针对杂波环境下的机动目标跟踪问题, 给出了目标状态与类型的联合概率密度表示, 并证明了目标的状态量测预测密度函数服从高斯混合分布。根据这一性质, 为每一类目标分别建立对应的类跟踪门, 从而实现更有效的量测到航迹的数据关联。滤波过程使用高斯混合加权卡尔曼滤波器, 避免了机动目标跟踪过程中的机动检测问题。在仿真实例中, 对比三种算法的跟踪结果进一步显示了本文算法的有效性。

焦面哈特曼传感器 (光场相机)具有同时测量距离信息和波前相位信息的优点, 国内目前还没有相关研究。本文对焦面哈特曼传感器的点目标波前相位复原能力进行了研究。首先从结构上将焦面哈特曼传感器与其他常用的波前传感器作了简单的比较, 然后对焦面哈特曼的成像原理进行了推导说明, 最后采用 MATLAB软件对焦面哈特曼传感器的远场光斑进行仿真, 通过相应的斜率估计算法, 进行波前复原。仿真结果表明, 焦面哈特曼传感器能够实现波前复原, 从而达到了仿真验证的目的。

采用三坐标测量法对磨削加工及模压热成型两种工艺的椭球反光镜进行了面形测量, 与标准型线全局比对获得了椭球面形的偏差, 结果表明磨削反光镜存在峰谷误差分布, 而模压热成型反光镜误差曲线近似于线性分布。采用 Tracepro对两种反光镜进行了应用模拟, 磨削反光镜的光利用效率是模压热成型反光镜的 92%。采用光学成像法观察了反光镜的出射光分布情况, 磨削反光镜出射光呈现环状条纹亮暗分布, 而模压热成型反光镜出射光呈现云状光强分布。

针对一维调焦技术的不足, 在六自由度平台的基础上提出了一种基于图像处理的三维自动调焦系统。该系统以 CMOS相机为图像传感器, 以六自由度平台为执行机构, 用计算机获取图像清晰度评价值并驱动六自由度 (6-DOF)平台做三维空间运动实现三维自动调焦。调焦实验分为两部分, 一部分为一维自动调焦闭环实验, 另一部分为三维自动调焦闭环实验。针对 X、Y、Z三轴耦合性关系, 提出一种改进的随机并行梯度下降 (SPGD)算法。实验结果表明系统闭环调焦误差小于 3%, 满足三维调焦精度要求。

锂离子电池薄膜电极的涂层厚度对其电化学性能的影响意义重大, 因此在生产中要严格的控制其涂层的厚度。本文针对锂离子电池涂层厚度在生产过程中动态、非接触、高精度厚度测量的要求, 设计并实现了一种采用双 CCD激光位移传感器作为测量元件, 采用微处理器 AT92SAM9263+FPGA的控制方式、并以 μC/OS -II为操作系统的一种双因子免疫反馈控制的测厚系统, 系统主要包括双电机驱动与控制单元, 传感器数据采集与处理单元以及 LCD显示单元的设计。经过试验验证, 其测厚精度可以控制在 ±0.01 mm之内, 满足实际生产的需求。

为了实现悬臂方形薄板的共振模态分析, 本文基于 AF-ESPI测量原理和瑞利利兹法对悬臂方形薄板共振模态的理论进行了完整分析, 给出前 8阶的共振频率和相对应悬臂方薄板的电子散斑共振条纹分布情况。为了验证理论计算的精确性, 搭建了振幅波动电子散斑干涉测量系统, 并利用该系统对悬臂方形薄板进行模态分析, 测量该板的共振频率和振动模态。理论计算的结果和实验测量值对比发现, 振动的条纹和理论计算的结果一致, 共振频率的测量值和理论计算值之间的相对差值在 0.1%~9.1%之间。

干涉仪是光学元件面形加工中必不可少的检测设备, 其检测精度限制了光学面形的加工精度。点衍射干涉仪利用亚微米量级的针孔衍射产生参考波, 理论上的检测精度能够达到纳米及纳米以下。基于有限元方法, 计算了 300～400 nm直径针孔, 在膜层厚度 300 nm时, 存在不同形状误差时, 衍射参考波前与理想波面的偏差。同时, 针孔形状误差引入的衍射参考波前像差也进行了分析。针孔椭圆截面长轴为 380 nm, 短轴为 320 nm时, 衍射波面误差约为 0.9e-3 λ。

大口径光学元件的支撑技术是精密光学仪器的关键技术之一, 在精密光学仪器的光学元件支撑中, 多弹片支撑因其能使光学元件均匀受力且能够较好的消除热像差而得到很多应用。本文针对一种 L形多弹片光学元件支撑结构做了结构设计, 并对通过相应的理论推导, 得到其力学性能与主要几何参数的关系; 以一种典型镜片为例, 对镜片在三十六点支撑方式下发生的轴向位移和镜片面形的变化做了分析, 得到了轴向位移和镜片面形与弹片的三个主要几何参数的关系。结果表明, 在通光口径允许情况下, 可以使支撑点距离中心的距离和弹片的宽度缩短以使镜片的面型变好。本文的研究结果为这种支撑结构的实际应用提供了支持和参考。

结合曝光光源对称和矩阵计算的特点, 本文提出了一种快速的部分相干成像算法。根据部分相干光源对称的特点, 将光源离散为以光源中心为原点的不同半径的圆, 沿一条直线在每一个圆上采样, 从而将传统正交离散二维采样简化为一维沿半径采样, 减少了部分相干光源的采样数; 同时, 利用矩阵的点乘来加快计算速度。仿真计算结果表明, 在曝光光源采样数相同时, 采用沿半径采样方法的算法精度更高, 在要求计算精度相同时, 圆半径采样方法的采样数为传统正交采样方法 (N×N)的 1/N, 大大提高了算法的计算效率。

本文介绍了一种基于面阵探测器的凝视成像激光雷达系统。整个系统分为三部分, 第一部分是脉冲激光发射系统, 采用中心波长为 808 nm的半导体堆叠激光器作为光源; 第二部分是接收系统, 由成像物镜, 像增强器和面阵探测器组成。第三部分是计算机图像数据采集处理系统。系统使用分时的两次测量法, 先后用恒定增益和线性增益两种方式对接收到的光强进行调制, 由这两次测量得到的光强信息解调出距离信息。文章分析了系统的噪声特性, 对给定的系统参数用仿真软件估计了距离误差。实验表明, 系统的实际距离分辨力和仿真分析得到的距离分辨力相符。

利用微细加工技术, 制作出太赫兹波段人工电磁材料, 从实验和理论上研究了金属矩形阵列在太赫兹波段的谐振频率及带宽与矩形长度的关系。并利用谐振频率随矩形孔长度增大而向低频移动的特性, 在同一层金属上, 将两个不同尺寸的金属矩形结构复合在同一个周期内, 制作出单层复合型人工电磁材料。模拟和实验结果表明, 单层复合型人工电磁材料实现了调节中心频率、频率拓宽以及多频段带阻功能。此研究为太赫兹滤波器等无源器件提供了新的设计思路和加工方法, 对太赫兹科学技术的发展和应用具有重要意义。

通过 PROLITH光刻仿真软件研究了非理想照明光瞳对光刻成像质量的影响以及图形位置偏移量对光瞳偏心的敏感度随数值孔径 NA和相干因子 σ的变化规律。仿真结果表明: 在无像差的理想光学系统中, 光瞳偏心主要影响图形的位置偏移量, 图形的位置偏移量与离焦量成线性关系, 直线的斜率随着偏心量的增大而增大。光瞳偏心对 H-V bias和焦深(DOF)的影响较小。光瞳偏心和极不平衡性两者对图形位置偏移量的综合影响是这两者单独引起的图形位置偏移量的叠加。

针对当前图形化蓝宝石衬底 ICP干法工艺刻蚀流程, 对工艺腔室真空环境微气压调节非线性特征进行了动态监测, 本文提出了一种基于自适应模糊 PID的微气压控制算法。该算法利用质量流量计 MFC及真空泵组减压阀的参数调节, 实现真空环境微气压调节。通过 Matlab仿真及刻蚀流程气压控制测试表明, 工艺腔室的真空微气压自适应模糊 PID控制基本符合仿真结果。在气压为 0.13~20 Pa的真空环境下, 工艺腔室气压动态控制效果良好, 具有鲁棒性强、超调量小、过渡时间短等特点, 满足工艺刻蚀流程中正常刻蚀速率、选择比及均匀性等指标。