考虑激光器系统像差、大气湍流、跟踪测量设备的跟瞄误差以及激光光轴的抖动误差等诸因素的影响,以激光辐照在红外成像制导系统探测器光敏面的功率(能量)密度参数作为衡量高斯激光干扰效果的评价指标,结合探测器自身致眩阈值,提出了一套高斯激光最大干扰距离的估算方法。以高功率脉冲CO2 激光干扰导弹红外导引头为例,计算了不同激光发射功率下的最大干扰距离。结果表明,激光最大干扰距离随着脉冲激光峰值发射功率的增大而增大,这种变化趋势随激光峰值功率的增大而趋于平缓,而且激光正入射的干扰效果要优于斜入射情况。

为了提升红外与可见光图像融合精度,提出了一种局部化非下抽样剪切波变换与脉冲耦合神经网络相结合的红外与可见光图像融合方法。首先,利用局部化非下抽样剪切波对源图像进行多尺度、多方向分解;然后,在分解后的各子带图像中进行块奇异值分解,求取区域特征能量值作为脉冲耦合神经网络对应神经元的链接强度。经过脉冲耦合神经网络点火处理,获取子带图像的点火映射图,通过判决选择算子,选择各子带图像中的明显特征部分生成子带融合图像;最后,应用局部化非下抽样剪切波逆变换重构图像。采用多组红外与可见光图像进行融合实验,并对融合结果进行了客观评价。实验结果表明本文提出的融合方法在主观和客观评价上均优于已有文献的一些典型融合方法,可获得更好的融合效果。

本文仿真研究了亚纳秒脉冲泵浦机制超短脉冲的产生和超连续谱的形成。首先,简要介绍了激光在非线性介质传输所满足的广义非线性薛定谔方程;然后,研究了分步傅里叶法时域步长的选取和空间步长高精度自适应变化的实现;最后,逐渐增加入射脉冲的峰值功率,仿真了超连续谱的形成。结果表明:亚皮秒量级的超短脉冲可以由亚纳秒脉冲经过调制不稳定性分裂产生,而与超短脉冲有关的高阶非线性效应(包括自陡效应、脉冲内拉曼散射效应、高阶孤子分解)最终导致了30 dB 带宽从481 nm 一直延伸到1 750 nm 超连续谱的形成。

本文设计并验证了一种基于光源立体角—目标照明空间分区映射的LED 照明透镜,在目标平面上实现了高效率的均匀照明。基于对光源辐射能的微分和屏幕预期的照度能量分布之间建立映射关系,构建出透镜曲面特征的偏微分方程,反向地求解出实现该能量传递方案的透镜结构。设计实例中,光源采用1.2 mm×1.2 mm 的LED芯片,照明透镜将预定空间立体角内99%以上的能量整形为均匀性为91.67%的有效目标照明。结果与理论相互符合,证明了这是一种行之有效的设计方法。

为了校正Schmidt 棱镜的偏振像差,消除双像和鬼影像现象,根据棱镜Jones 矩阵B 因子与衍射光强的关系,推导出B 因子与屋脊面反射相移差δ 之间的关系,明确了消除偏振像差,要求B=0 需要屋脊面反射相移差δ=π的条件。采用在屋脊面镀制相位膜的方案,对比了单层膜与多层膜的反射相移差特性,得到了在可见光区实现宽波段消除偏振像差的膜系特性;证明了B=0 是一条可以同时校正所有不同偏振状态入射光偏振像差的有效技术途径。实验镀制了屋脊面相位膜样品,进行了多种入射光偏振状态下的偏振像差检测,得到了很好的消偏振像差结果。

超高速光电分幅相机常用的8 棱锥分光方式在应用于平行光作为背景照明的纹影实验时,原理性的引起了图像的切割。为解决该问题,我们采用多组1:1 分光棱镜代替分光棱锥的空间分光方法来完成光学系统的设计,装调后的相机系统达到了较高的空间分辨率。用研制的超高速光电分幅相机进行了纹影实验,拍摄了脉冲高压作用下的直径Φ30 μm 的钨金属丝爆炸过程,实验结果显示由钨丝爆炸引起的空气冲击波明显,图像均匀完整,没有切割情况出现。研制的光电分幅相机已经在激光与物质相互作用等相关领域的实验中得到了很好的应用。

设计了基于AOTF 器件的中波红外光谱相机前置变焦系统,针对AOTF 器件和探测器的特性,系统采用折/衍射混合设计,用6 片透镜即实现了25~300 mm 连续12×变焦,并用ZEMAX 软件对则汇集结果进行优化和像质评价。结果表明,该光学系统各个波段上在空间频率14 lp/mm 处调制传递函数(MTF)值接近衍射极限,能量集中度大于90%。可用于大多情况下中红外光谱成像分析以及中红外的目标探测及识别。

针对集成光源难以实现小发光角的问题,提出了一种大功率COB 光源实现窄光束的设计方法。根据COB光源的出射光分布以及预设的光分布范围选用折射-折射(RR)系统。以选定的COB 光源的光谱分布及配光曲线为标准建立光源模型,由复合抛物面(CPC)实现朗伯光源60°的聚光之后,再利用光学扩展量守恒以及同步多曲面方法(SMS)求得透镜前后两个曲面轮廓上点的坐标,进行曲线拟合获得轮廓曲线,进而得到透镜的三维模型。采用光学仿真软件对系统进行光线追迹,结果表明:系统在出光口处的发散角控制在30°之内,半光强度角为11.336°,整体光效达到89.398%,效果良好。

通过理论及数值仿真分析拼接式望远镜中子镜的平移误差、倾斜误差和子镜间隙对系统成像质量的影响。理论推导了存在不同误差时拼接式望远镜点扩散函数(PSF)及远场光斑斯特列尔比(S.R,用RS.R 表示)的表达式,建立了三种误差对拼接式望远镜PSF 和远场光斑RS.R 的影响的仿真模型,分析了三种误差分别对拼接式望远镜成像质量的影响。分析结果表明:当子镜存在平移误差时,拼接式望远镜成像质量随着子镜平移误差标准差δ 增加逐渐变差,当δ<λ/20 时,拼接式望远镜远场光斑RS.R>0.9;当子镜存在倾斜误时,拼接式望远镜成像质量随着波前相位均方差(RMS,用erms 表示)增加逐渐变差,当erms<0.3 rad 时,拼接式望远镜远场光斑RS.R>0.9;当子镜间存在间隙时,拼接式望远镜成像质量随着间隙因子w 增大逐渐变差,当w<0.025 时,拼接望远镜远场光斑RS.R>0.9。

相干光正交频分复用(CO-OFDM)系统中的较大峰值平均功率比(PAPR)问题会导致严重的光纤非线性效应。本文提出了一种改进的星座图扩展(ACE)算法,取得了更好的PAPR 抑制效果。研究表明,ACE 算法与凸集投影法(POCS)相结合可减少计算复杂度,但存在峰值再生现象等问题。为此,本文利用抛物峰值抵消(PPC)算法改善迭代过程中的峰值再生现象,并采用星座映射预修正技术提高了收敛速度。采用改进算法对4QAM、29 Gb/s 的CO-OFDM 系统进行了仿真实验,结果表明改进算法使OFDM 信号的PAPR 降低了4.41 dB,并且具有更快的收敛速度。

开发了新的自动对接方法,设计了基于阈值的折返遍历搜索算法(RTS)与二分数据截断(BTDT)搜索算法,实现了六自由度耦合平台的四自由度的自动对接。折返遍历搜索算法精度高,可设定不同步长实现不同精度要求;二分数据截断算法搜索速度快,可快速接近最高点。实验结果表明,波导器件的纤到纤损耗可在8 min 内调节至8~9 dB(包括波导传输损耗,人工对准需在半小时以上才可达到8~9 dB),耦合系统稳定性可保持15~20 min。与自动测试系统配合使用,在8 min 内即可进行2 200 点的波长扫描与功率扫描,自动耦合系统具有实用性、稳定性和良好效果。

红外热成像技术广泛应用于很多领域,故将红外热成像技术与图像处理相结合对接触网热状态进行检测。在图像处理中,首先进行红外图像的预处理,然后采用基于互信息的图像模板匹配对红外图像目标进行检测与识别。互信息是图像模板匹配的相似性度量标准,且图像模板的互信息计算即联合概率分布估计的主要方法是非参数窗法,针对NP 窗法计算时间较长的缺点,采用三角形分布代替NP 窗法的均匀分布的改进非参数窗法。实验结果表明了MNP 法计算的联合概率分布的准确性更高且计算时间也较短。

为了消除环境因素(尤其是振动和温度波动)在物体表面三维形貌测量中的影响,基于正弦相位调制(SPM)发展了一种光纤干涉条纹相位稳定技术。利用马赫-泽德光纤干涉仪结构和杨氏双孔干涉原理实现高密度的余弦分布干涉条纹投射。利用两光纤干涉臂端面的菲涅尔反射生成迈克尔逊干涉信号,由光电探测器(PD)检测后送入相位控制系统。采用相位生成载波的方法提取干涉信号的相位,并将生成的补偿信号闭环反馈给压电陶瓷驱动器,与正弦相位调制信号相加后共同驱动压电陶瓷,补偿环境因素带来的相位漂移,实现干涉条纹相位的稳定。环境因素对条纹相位的影响低于57 mrad,实验结果验证了该方法可行性。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高分辨率和高灵敏度等特性,目前广泛应用于痕量气体检测,便携式和可在线调试是其发展的趋势。由于FPGA 具有速度快,体积小,结构简单,抗干扰能力强,可在线调试和并行等方面的明显优势,TDLAS 痕量气体检测系统结合FPGA 技术具有良好的应用前景。本文主要研究信号产生、采集的FPGA 实现。由开放光路的连续观测实验可知,信号产生精度高、频率可高达10 kHz 而不失真,信号采集精度高,可靠稳定,优化传统的TDLAS 痕量气体检测系统,表明信号产生、采集的FPGA 实现可行,为TDLAS痕量气体检测系统基于FPGA 的实现奠定基础。

光干涉技术是润滑薄膜厚度测量最有效的方法之一。双色光干涉法在保证较大膜厚测量范围及高测量分辨力的同时,避免了繁琐的干涉级次人工计数。传统的双色光干涉测量依赖于严格的静态标定和观测者。本文提出使用双色光干涉强度调制技术对微纳米润滑薄膜进行测量。通过干涉图像中红、绿分量强度值的线性叠加得到调制信号,根据信号特性分析得到特征位置膜厚,进而由干涉强度得到任一点膜厚。为验证所提出测量方法的正确,对静态球-盘赫兹接触表面间隙进行了测量,与经典理论有很好的一致性。结果表明:选用合适的红绿双色光波长,测量量程可达2 μm。