本文根据衍射光学理论和几何光学理论, 利用已得到的拼接望远镜的理论解析表达式和建立的数值仿真模型, 对拼接望远镜光学系统的远场特性进行了分析计算, 包括系统的理论衍射光斑直径、点扩散函数、斯特列尔比以及光学传递函数等。并根据仿真模型分析了拼接主镜中分块镜平移误差和倾斜误差对拼接望远镜系统远场的影响。分析结果表明, 拼接主镜的平移误差和倾斜误差都影响系统的点扩散函数、斯特列尔比和光学传递函数, 并使远场成像模糊; 其中分块镜倾斜误差会额外引入平移量, 如果补偿掉平移量对望远镜系统的远场性能有很大提高。

大视场偏振 CCD相机内部的多个光学表面会改变入射光的偏振状态, 并且改变的程度与入射光的偏振态、视场角和方位角等有关, 影响了仪器偏振测量精度, 从而制约了偏振成像遥感数据的定量化应用水平。为解决这一问题, 从考虑偏振效应的大视场偏振相机响应输出模型出发, 研究模型参数的标定方法, 通过设计试验获取了模型参数标定数据。将经过标定的大视场偏振 CCD相机测试值和可调偏振度光源预设偏振度值进行对比, 结果显示偏振相机在 0°、15°、25°视场角下的偏振度测量平均误差不大于 1.18%, 远小于光学镜头自身的起偏度。消除偏振遥感仪器自身的偏振敏感性影响, 为将来我国自主星载偏振遥感图像的定量化应用奠定基础。

对系统参数的精确标定是研制高精度测量仪器过程中的重要工作。对于多通道舰载星敏感器来说, 其光学系统和设备结构参数的精确标定是进行精确定位的重要前提。综合考虑舰载星敏感器光学系统中存在的原点误差、指向误差、轴系不正交、比例尺误差、倾斜误差以及畸变建立了光学系统参数标定模型和方法, 结合多通道的系统结构特点建立了设备结构参数标定方法。方法总体标定精度约 5″, 满足舰载星敏感器定位精度需求。

对于采用背部支撑的空间相机反射镜, 温度变化会造成其支撑孔附近的局部面形精度降低, 形成局部环形缺陷, 从而影响光学系统中对应视场的成像质量。为了提高反射镜的温度适应性, 通过增加支撑结构的柔性, 降低局部连接刚度的方法, 优化设计出一种柔性结构。对反射镜组件进行仿真分析, 结果表明, 在反射镜组件温度降低 4℃的情况下, 优化结构后的反射镜的中间支撑孔附近的局部视场面形的 PV=4.9 nm, RMS=1.0 nm, 与优化前(PV=16.6 nm, RMS=3.5 nm)相比, 精度提高了 3倍; 全局视场面形的 PV=16.3 nm, RMS=3.2 nm, 相比优化前 (PV=30.2 nm, RMS=5.2 nm), 精度也得到提高; 反射镜组件在优化前的 1阶基频为 191 Hz, 优化后的 1阶基频为 183HZ, 数据基本保持不变; 反射镜在重力作用各工况下, 优化结构前后的全局视场面形的 PV值和 RMS值基本保持不变。说明新的柔性支撑结构在保证了反射镜动、静态刚度的前提下, 提高了反射镜的温度适应性, 降低了温度变化对反射镜支撑孔附近局部面形精度的影响, 提高了光学系统局部视场下的成像质量, 达到了提高全视场下成像质量的目的。

为了提供高精度星敏感器姿态测量精度, 对三轴定姿受恒星自行影响产生误差的机理进行研究, 将恒星自行量分成Ⅰ -Ⅸ级存储在导航星库中, 并深入分析不同恒星自行量级在 20年间对三轴姿态角输出的逐年变化情况。仿真实验结果表明: 利用 QUEST方法在 20年内对三轴姿态角进行校正后精度可提高 75″以上, 在星等相近时优先选取自行量级较小的恒星进行姿态解算, 使新条件数达到最小, 大大提高工程上星敏感器姿态测量的精度和稳定性的要求。

建立精确的光线几何模型, 推导地物与影像间的正反算公式是航天 TDI CCD(时间延迟积分电荷耦合器件 )相机动态成像仿真的关键步骤。立体测绘卫星全链路仿真以光线追迹为主线, 以高精度高分辨力地表物理模型为输入源, 综合考虑了大气辐射传输、光学系统成像、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节, 完成了成像过程端到端的完整分析。以可见光光学遥感相机为例, 在考虑轨道进动、地球在惯性系下的岁差章动和 TDI CCD拼接的情况下, 完成双线阵相机动态成像光线追迹几何建模, 并对模型误差源进行分析。经实验验证与分析, 正视相机几何物理模型定位精度达 124 m, 前视相机定位精度达 193 m, 满足立体测绘全链路仿真的几何建模要求。

藻红蛋白 (Phycoerythrin, PE)是衡量水体中藻类富营养化的一个重要指标, 可见光吸收法具有测量快速、准确、无二次污染、可实现在线和原位测量等优点。因此, 本文提出采用可见光吸收法测定水中藻红蛋白含量。以藻红蛋白标准液为研究对象, 采集 5~250 mg/L不同浓度标准液的可见光吸收光谱, 对藻红蛋白进行定性定量分析。同时, 对光谱的不同谱区预处理后, 运用偏最小二乘法 (PLS)建立可见光吸收光谱下的藻红蛋白校正分析模型, 并与主成分回归法 (PCR)进行比较。实验结果表明, 采用 PLS算法在谱区 480~570 nm建立的校正分析模型的相关系数 R2可达 0.993, 校正标准差 RMSEC与相对标准差 RSD最小, 分别为 5.578 3和 3.92%。

针对当前目标跟踪算法鲁棒性低且运算慢的问题, 本文提出了一种基于子空间学习的实时目标跟踪算法。该方法在粒子滤波跟踪框架下, 采用增量式 PCA子空间学习方法学习一个正交子空间, 利用学习到的正交子空间对目标外观进行线性表示; 针对目标在遮挡、运动模糊等复杂干扰状态下容易产生跟踪漂移的问题, 本文建立了一个将遮挡等复杂因素考虑在内的观测模型和模板更新方案, 解决了基于最小均方误差准则的传统观测模型在复杂场景下的跟踪漂移问题。实验结果表明, 本文的跟踪方法能够达到很高的跟踪精度, 同时也达到了接近实时的跟踪速度。

为了解决无人机对地面运动目标测速问题, 提出一种基于可见光的无人机对地目标测速方法, 给出了目标定位模型, 详细介绍了对地目标测速原理, 实现了由无人机拍摄到的序列图像求解目标速度的算法。实测结果表明: 该速度算法的误差可以满足无人机对地面运动目标的测速精度要求。

本文提出一种新的融合 SIFT(尺度不变特征 )和压缩特征的目标跟踪算法以解决姿态变换、光照变化、旋转和运动模糊下目标的稳定准确跟踪问题。算法使用压缩特征对目标和背景进行描述, 通过在图像帧中采集到的正负样本在线训练和学习 SVM(支持向量机 )分类器, 将跟踪任务构建为一个二类分类问题。使用该分类器对下一帧的目标和背景进行分类, 从而获得精确的目标位置和区域。同时, 算法使用前后两帧的 SIFT特征点之间的对应匹配关系求解目标尺寸变化值, 实现模板大小的自适应调整。将算法与其他算法在某些图像序列上的跟踪比较显示, 该算法在有效性、正确性和鲁棒性上性能优越。

基于大气的量子信道传输损耗低, 不存在双折射效应, 是量子通信实验的可行信道。通过建立卫星平台与光学地面站之间的高稳定低损耗量子信道, 可实现超远距离的量子密钥分发。通过卫星中继, 将有可能实现覆盖全球的量子通信网络, 这也是目前国际公认的最为可行的方案之一。本文详细描述了 1.2 m光学地面站望远镜的光学接收系统设计, 望远镜采用 R-C结构形式, 具有近衍射极限的成像质量。为了抑制到达角起伏, 实现微弧度级的跟踪精度, 望远镜采用复合轴跟踪控制策略, 可实现高精度和高带宽的跟踪。

光接收机作为室内可见光通信系统的重要组成部分, 其接收角度的不同将会影响系统的性能。传统可见光通信系统采用的是垂直光接收机, 其室内角落的信噪比 (SNR)较低, 信噪比峰 -谷值较大。为了降低 SNR峰-谷值, 提高 SNR在室内分布的均匀性, 本文提出并设计了基于遗传算法的倾斜式光接收机。数值分析结果表明, 采用倾斜式接收机的可见光通信系统, SNR的分布更加均匀。在 12 W单个 LED光源的系统中, SNR的峰-谷值改善了4.98 dB。在总功率为 12 W的四个 LED光源的系统中, SNR的峰-谷值改善了 2.51 dB。由此可见, 在可见光通信系统中, 采用倾斜式光接收机可以改善系统的性能。

目前影响高精度干涉仪测量精度的一个重要因素是系统的相干噪声, 为了提高干涉检测精度, 必须抑制系统的相干噪声。环形光源作为一种抑制相干噪声的有效手段已被广泛应用工程实践。本文利用 Zemax干涉仪建模分析了环形光源不同环半径对干涉测量精度影响, 并分析了在一定环半径下, 随着干涉腔长的增加, 对干涉测量结果的影响。仿真分析结果表明, 随着环形光源环半径的增加, 干涉测量结果的系统误差增大, 在同一环半径下, 随着干涉腔长的增加, 干涉测量的系统误差增大。

将 Lissajous 标定技术应用到相移干涉测量的相移算法 (PSA)中, 提出一种基于 Lissajous标定技术的随机相移误差校正算法。该算法不需要计算各帧干涉图之间的实际相移量, 直接用 Lissajous标定和椭圆拟合的方法计算相移算法的相位提取误差 (包括离焦、偏倚、相移量偏差 )然后进行校正。数值模拟结果表明: 该算法不需要迭代运算就能从大于 3帧的带有随机相移误差的干涉图中有效恢复出正确的相位信息, 运算时间少, 计算精度高并且适合于所有的相移算法。实验结果表明: 基于 Lissajous标定技术的随机相移误差校正算法与现有的迭代随机相移算法(AIA)精度相当, 但计算速度得到明显提升。

为解决反射式拼接 CCD相机成像渐晕问题, 依据辐射定标理论采用多亮度点渐晕图像校正算法处理渐晕图像。首先, 针对典型的反射镜拼接方式, 分析了成像时产生渐晕的原因; 然后, 根据实验室多亮度等级下成像结果, 得出拼接 CCD渐晕区各像元数码输出值与入瞳处辐射亮度成线性关系的结论; 最后, 应用多亮度点校正算法, 计算出渐晕区各像元的渐晕校正因子, 校正渐晕图像。实验结果表明: 对非均匀性大于 10%的多幅原始渐晕拼接图像, 校正后, 图像的非均匀性下降到 0.5%以内, 可满足反射镜拼接 CCD相机非均匀性指标要求。