冷原子重力梯度仪利用原子的量子态叠加特性和物质波干涉特性测量绝对重力梯度信息, 具有高精度、低漂移、自校准等特性, 在深地/深海资源开发、地质灾害预警预防、战场环境建设与作战保障、地球科学研究等领域均具有重大潜在应用价值。简要描述了冷原子重力梯度仪的工作原理及实现方案; 综述了冷原子重力梯度仪的技术优势及国内外研究现状; 分析了冷原子重力梯度仪当前面临的痛点、难点问题, 并对部分问题提出了解决方案, 总结了冷原子重力梯度仪的发展趋势。

波罗棱镜谐振腔激光器具有机械稳定度高、光束质量好的特点。波罗棱镜会使入射光退偏, 调 Q时 1/4λ波片无法有效工作, 需要使用适当的波片补偿。利用琼斯矩阵建立波罗棱镜谐振腔调 Q的数学模型并进行求解计算。分析了不同波罗棱镜方位角下的最优补偿波片并计算了波片公差、波罗棱镜折射率公差、方位角安装公差等对消光比的影响。当波罗棱镜水平放置, 波片相位公差±0.02λ, 关门消光比大于 20dB; 波罗棱镜 45°/135°放置时, 存在四种对应的最优关门波片, 波罗棱镜方位角 0±4.66°的范围内, 关门消光比可大于 30dB。以上结果为波罗棱镜谐振腔调 Q激光器的设计提供更优及更具工程化意义的依据。

为了满足我国先进中高层大气测风温激光雷达的高精度探测需求, 介绍了一种基于高精度波长计和高性能数模转换器等器件, 结合自主编写软件搭建的一套主动反馈稳频系统, 实现了对 1319nm种子激光器的稳频控制。经过波长稳定度测试实验, 结果表明该系统能够使种子激光的波长连续 12h锁定在 1318.81999±0.00006nm范围内(稳频精度小于 20.7MHz), 波长稳定度提高 5个量级, 波长的 Allan方差单调递减趋近于 10-6, 实现了对种子激光波长的长期精确锁定。该结果将为其他同类激光雷达的高精度探测提供技术保障。

为解决电力系统供应侧和需求侧协同规划效果不佳的问题, 提出了分布式光伏接入的电力系统源网荷储协同规划数值模拟方法。深入分析分布式光伏接入对电力系统电能质量的影响, 以及电力系统源网荷储互动特性, 构建电力系统源网荷储规划数值模型; 利用动态加权的多目标粒子群优化算法求解模型, 实现电力系统源网荷储协同规划。数值模拟结果表明：该方法能改善分布式光伏接入电力系统后的电压波动和电压越限问题, 并能协调匹配电力系统供应侧的出力和需求侧的负荷, 可获得较大的分布式光伏接入容量。

光电设备设计要求结构紧凑、体积小、质量轻、工作精度高、响应速度快、可靠性高。传统的电机选型会留有较多余量, 导致伺服驱动电机的尺寸过大, 进而导致整个系统的尺寸和质量增大。因此在对电机的选型时应充分考虑其搭载的平台。分析了在海洋环境下某光电设备伺服控制电机克服外界环境时需要考虑各项因素, 如在复杂海况环境下载体摇摆, 参考电机机械性能指标, 选取合适电机, 并通过摇摆试验和实际使用验证了该电机选择的合理性。

为提高隔离开关主轴转角测量的精确度, 以 GW4-126型隔离开关为研究对象, 设计主轴转角精确测量系统。在系统硬件部分设计核心处理器、信号采集电路、速度检测模块与存储单元等。在系统软件部分提出 GW4-126型隔离开关主轴转角精确测量原理, 并对 GW4-126型隔离开关运动轨迹完成去噪处理, 完成 GW4-126型隔离开关主轴转角精确测量系统的设计。实验对比结果表明, 此次设计的 GW4-126型隔离开关主轴转角精确测量系统的测量精度稳定在 90%以上, 测量时间低于 5ms, 证明该系统有效提高了测量精确度, 并减少了测量时间, 满足系统应用需求。

太赫兹技术在过去数十年间发展迅速, 作为一种强大的生物大分子表征工具, 太赫兹光谱和成像技术展现了其在诊断医学和临床医学中的广阔前景。通过太赫兹光谱系统可以对生物样本的特定成分进行定量分析, 类似地, 太赫兹成像系统可以给出样品中待测成分的空间分布。以太赫兹光学系统的类型为索引综述了太赫兹诊断医学方面一些具有代表性的研究, 并从生物个体、组织、细胞到生物大分子的层面介绍了一些太赫兹生物效应的研究。尽管太赫兹临床医学领域仍处于尝试和初步探索的阶段, 但已经呈现了很多具有应用潜力的开创性研究, 如太赫兹辅助靶向药物跨膜运输和太赫兹癌细胞 DNA去甲基等, 为太赫兹技术的生物医学应用奠定了基础。最后总结太赫兹生物效应的研究现状, 对该领域的重点研究方向和可能的突破点进行分析展望。

提出了一种基于相位测量偏折术波前检测的三维流场流动显示方法。光线经过流场后的方向偏转反映流场内部折射率变化, 根据逆哈特曼波前检测模型, 通过同时记录多个视角的光线偏折量, 利用迭代反演重建技术对流场进行三维重构。详细介绍了测量原理以及算法, 通过数值模拟验证了高速流场瞬态流动结构的三维重建, 密度场重建误差的均方根误差(rms)约为 0.19kg/m-3, 验证了本方法的正确性。结果表明, 该方法具有非接触式定量测量、精度高、装置简单、成本低等优点, 为实现大视场定量的复杂三维流场密度测量提供理论基础。

电晕放电产生的紫外线可作为检测信号用于电晕放电识别。紫外成像仪成本昂贵, 目前在输配电设备带电巡检中运用较多, 但无法运用于实时在线监测, 从而无法及时发现安全隐患。为此提出了一种基于紫外传感器的电晕放电监测方法, 通过设计光学透镜以聚集紫外线信号从而抑制外界干扰, 研究了传感器运行电压、监测距离对紫外脉冲计数监测结果的影响, 并通过开展试验与紫外成像仪电晕放电图谱进行了对比验证。校验结果表明, 紫外传感器供电电压设置为 500V可以获得最佳检测效果; 不同外施电压下紫外脉冲计数结果与紫外成像仪测得的光斑面积测得结果变化趋势基本一致, 因此所提出的基于紫外脉冲计数的电晕放电监测方法可有效反应电晕放电的起始和发展。研究结果可以为输配电设备在线监测装备的研制和校验提供重要参考。

为解决传统共焦显微系统的分辨力与线性量程不能兼顾的问题, 提出了基于变光程技术的多差动共焦显微技术, 利用光程的调制在单探测光路中实现轴向响应曲线相对于焦平面的对称相移的方式, 仅需要调整单一参数就可获得不同离焦量的响应曲线, 实现具有绝对零点、线性度好的多差动光路系统, 从而实现在同一系统中对高分辨力与大量程的兼容。该技术减少了元器件性能差异和人为装调误差, 结构简单, 提高了可靠性。实验表明：系统可兼顾分辨力与线性量程, 轴向分辨力可达 6.46nm。为微细结构的测量提供了一种精度高、结构简单、应用场合广泛的技术。

星载长波红外气辉成像干涉仪可实现对临近空间平流层区域大气风场信息的遥感观测。然而, 长波红外对温度更加敏感, 因此会给干涉仪引入更多的误差来源。鉴于此, 借鉴平流层风场干涉仪(StratosphericWindInterferometerforTransport, SWIFT)的设计参数, 在临边观测正演仿真的基础上, 开展了关键部件的相位热漂移研究及背景辐射的热不稳定分析, 给出了仪器温度变化引起的风场误差, 提出了通过校准泡对光程差相位的监测减小测风误差的方案。不确定度分析表明, 如果 SWIFT仪器关键部件的温度变化率控制在 10-3 K/s, Michelson干涉仪和 F-P滤光片因热漂移产生的测风误差分别为 37m/s和 20m/s。当校准泡对光程差相位的监测精度达到 10-3rad时, 热漂移引入的误差可降至 1m/s以内。该研究将为星载全天时临近空间长波红外测风干涉仪的设计及研制提供重要的理论指导。

为获得有效的 T型电缆终端接头劣化缺陷在线监测方法, 首先仿真分析了 T型电缆接头在典型气隙受潮缺陷下的电场分布特性, 提出了基于电场信号变化的缺陷监测识别方法; 搭建了试验平台, 以现场实际案例为对象, 开展了受潮条件下 T型电缆终端接头电场信号监测试验, 对所提方法进行了验证。研究结果表明, 对于劣化的 T型电缆终端接头, 当湿润足够充分时, 空间电场有效值增幅达 200%; 而当内部受潮导致局部放电时, 空间电场有效值增幅可达 5~6倍。通过对比监测位置空间电场强度的上升速率, 可以识别 T型电缆接头是否出现劣化迹象。

针对峰谷值法在低灌注下血氧饱和度测量准确度较低的缺点, 采用了一种基于卷积建模测量血氧饱和度的改进方法。该方法基于脉搏波具有周期性和稀疏性的特性, 通过对光电容积脉搏信号特征与其卷积信号特征进行分析, 使用其卷积信号代替脉搏信号测量血氧饱和度。实验结果表明, 提出的改进方法与峰谷值法在正常灌注指数下测量结果相近, 且在低灌注指数至 0.2%的条件下, 峰谷值法平均偏差和准确度分别为 5.304和 3.296, 改进方法的平均偏差和准确度分别为 1.224和 1.443, 改进方法的测量精度更高、稳定性更好, 为人体血氧饱和度测量提供了一种有效途径。

变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉成像光谱仪以体积小、高光通量、高空间分辨率和高光谱分辨率等众多优势特性, 成为研究热点。由于其干涉条纹不是正弦条纹, 因而无法直接用快速傅里叶变换获得精确光谱曲线。详细推导了变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉仪多光束干涉原理和其光谱复原原理, 给出干涉条纹与光谱曲线的数学关系; 从理论上证明了光谱复原方法的可行性和必要条件, 并给出理论误差。此外, 还基于 MATLAB进行了仿真和光谱成像系统实物实验, 验证了理论分析的正确性。为 F-P干涉成像光谱仪的工程化提供了理论依据, 并对设计中的参数确定具有指导意义。

冷原子绝对重力仪和冷原子重力梯度仪在外界动平台上的精度相较实验室精度差距较大, 其中最主要的振动噪声目前已经有较为成熟的方案进行抑制, 而由于载体转动引起的姿态噪声目前尚未研究。从冷原子干涉仪的敏感机制入手, 推导了在姿态扰动情况下冷原子绝对重力仪和重力梯度仪的相位改变, 并利用双光子拉曼演化方程给出了相应的高阶灵敏度函数补偿方案, 提升了冷原子绝对重力仪和重力梯度仪在复杂环境下的灵敏度和环境适应性。

对于高精度定位定向系统而言, 其零速修正定位精度受到行驶路线中水平重力异常变化的影响。从惯性导航误差机理、零速修正原理等方面理论分析水平重力异常对定位定向系统定位误差的影响, 得到其误差传递公式。为验证误差传递公式的准确性, 在重力异常试验区内进行了实物验证, 验证了水平重力异常对定位定向系统定位精度的影响机理, 通过重力异常补偿实现了在重力异常区域水平定位误差小于 1m。为今后进一步提升定位定向系统定位精度提出了新思路。

针对激光陀螺冷机启辉困难问题，从辅助启辉原理出发，提出了LED 激发灯的选型原则和性能要求。通过光学软件仿真分析计算了激发灯布局以及固定位置不同时，激光陀螺阴极内表面不同区域所接收到的光照度和能量分布情况，据此提出了激发灯组件的最佳布局和最佳安装位置方案。并通过实验验证了采用新型激发灯组件后激光陀螺的冷机启辉性能得到了极大的改善，启辉电压明显降低，启辉延迟时间显著缩短，在工作温度为-50~+75 ℃条件下一次启辉成功率达到了100%，激光陀螺的可靠性进一步增强。

介绍了一种用于原子气室的无磁加热薄膜技术。原子磁力仪、原子陀螺仪、原子钟等采用热原子系综的精密测量仪器通常采用原子气室作为物理系统, 为了保证足够的原子数密度, 原子气室工作温度通常为 80~120℃, 因此无磁加热技术是热原子钟的核心技术之一。采用多物理场有限元仿真分析通电线圈在小电流(直流 0.2A)条件下产生的稳态磁场分布情况, 通过对比不同线圈结构产生的磁场分布, 得到满足性能要求的通电线圈结构。实验结果表明, 采用优化后结构的无磁加热薄膜产生的剩磁低于 100nT, 满足原子气室无磁加热要求。该设计对以原子气室的原子钟性能提升提供了可靠保证, 并为原子钟小型化提供参考。

以天文测星获取的 Psai角为量测信息进行天文惯性组合导航时, Psai角由天文测星高度差经二阶矩计算而来, 故 Psai量测信息噪声统计特性不再服从高斯分布, 对天文惯性组合导航效果产生消极影响。针对上述问题, 提出基于自适应滤波的天文惯性组合导航技术, 通过对量测噪声协方差矩阵采用自适应加权调整方法, 降低噪声非高斯特性对组合导航误差抑制效果影响。基于天文惯性组合导航设备试验数据, 对比 Psai角量测噪声高斯近似和自适应处理两种方法下的组合导航位置误差抑制效果。试验表明：Psai角量测噪声自适应滤波处理比高斯近似具有更好的位置误差抑制效果。因此, 应用基于自适应滤波的天文惯性组合导航技术对惯导误差估计有较好效果, 有利于天文惯性组合导航技术的工程应用推广。