针对单目运动像机无法确定点状运动物体三维位置的难题, 提出了一种求解点状运动物体三维位置的方法, 利用直线在其法平面上的投影为点这个特性, 将各时刻像机光心与物体位置的连线(以下称观察视线)投影到以运动物体轨迹为法线的平面上, 通过迭代使其投影线交于一点, 交点对应的直线就是物体的运动轨迹, 仅需要取大于等于5个时刻的数据就可以确定物体的运动轨迹。假设物体作匀速直线运动, 根据各时刻像机内外参数以及运动物体的成像列出线性方程组, 得到物体运动轨迹的初值；将各时刻的观察视线投影到物体运动轨迹初值的法平面上, 得到一系列投影视线的交点, 并通过RANSAC方法剔除交点的野值;寻找这些RANSAC后的内点的最小外接圆, 其圆心就是待求解的物体运动轨迹在法平面上的投影；通过几次迭代计算, 就可以得到精度较高的定位结果。仿真和实验表明, 该方法不仅对沿直线运动的物体有较好的定位精度, 而且将一些复杂运动看作分段直线运动进行求解, 也能够取得较好的结果。

在较大孔径放大系数(＞4)的情况下, 结合实验结果, 从拼接模式、被测面形、测量误差和不同孔径放大系数的角度出发, 分析了各种因素对目标函数拼接技术精度的影响, 为高精度检测和控制大口径光学元件表面面形(波前)提供了依据。

为实现在高功率激光装置中对平面反射镜反射率的高精度测量, 提出了将双光束分光光度法与VW测量法相结合, 利用扩束后的测量光束测量被测元件的反射率。推导了计算公式, 搭建了测量光束口径为50mm的检测系统, 通过对标准吸收玻璃吸收值的测试验证了系统对光束能量测试的准确性。利用该系统对高功率激光装置使用的反射镜的反射率进行了测量, 并将其测量结果与用lambda900分光光度计测量的结果进行了比对。结果表明: 该方法的测量精度优于0.1%。

杂光测量是光学系统杂光分析的有效途径之一, 它能够对消杂光设计结果进行准确的评估。针对空间光学系统的工作环境, 考虑到其视场外有强烈辐射源(如太阳等), 采用点源透过率方法来验证光学系统抑制杂光的能力。搭建了一套无中心遮挡的离轴抛物面反射式杂光测量装置, 测量动态范围为10-1~10-11。利用该装置对口径为300mm、全视场为1.5°的卡塞格林式空间望远系统进行了实验测量, 给出了测量步骤和测量结果, 并分析了测量不确定度。该装置具有动态范围大、结构紧凑、出光口径大、准确度高(当置信概率为95%时, 测量不确定度约为1.48%)等优点, 可满足空间光学系统杂光测量的工程需要。

针对现有测量装置在测量近炸引信弹丸空间炸点三维坐标时存在的不足, 提出了一种采用6光幕阵列配合火焰探测器测量弹丸空间炸点的三维坐标测试方法。提出的方法包含两台多光幕天幕靶、一台空间炸点火焰探测器和一台多路数据采集仪。两台多光幕天幕靶的6套光路和光电转换部件在空间构成6光幕探测阵列, 当弹丸穿过6个探测光幕时, 多路数据采集仪采集多光幕天幕靶输出的弹丸模拟信号, 经处理得到弹丸穿越某一预定靶面时的弹道俯仰角θ、弹道方位角γ、弹丸飞行速度V以及弹丸着靶坐标(X, Y), 再通过火焰探测器探测弹丸的爆炸时刻T, 利用测得的6个参数进一步计算出弹丸空间炸点三维坐标(X′,Y′,Z′)。经实验证明该方法可行有效, 能够很好地满足靶场近炸引信弹丸空间炸点三维坐标测量的需求。

介绍了一种大长宽比长条型反射镜的轻量化结构设计方法。讨论了反射镜的材料选择和轻量化结构形式, 同时在轻量化设计过程中引入拓扑优化方法, 以反射镜柔性变形为设计约束, 以最小体积为设计目标, 经过迭代计算得到最优结果。根据优化结果, 建立反射镜的三维实体模型, 并利用MSC.Patran软件建立反射镜的有限元模型, 对影响反射镜自重变形的各项参数给出了详细的分析和讨论, 包括径厚比的选择、支撑点位置、轻量化形式等, 得到了各参数对反射镜面形精度的影响曲线。根据反射镜的加工工艺特点给出了一种合理的轻量化结构形式, 轻量化率达到了70%, 轻量化后反射镜的质量为12.5kg。面形误差的RMS值小于λ/50(λ=632.8nm) , 满足设计要求。

为满足低成本空间热成像系统重量轻、适应环境温度范围宽的要求, 研制了消热差的大相对孔径中波红外望远物镜, 其焦距为100mm, F数为1, 全视场角为5°。物镜设计采用了匹兹伐结构型式, 仅由两块硅(Si)透镜和一块锗(Ge)的折/衍混合透镜组成, 能够实现-20~+60℃环境温度变化范围内光学被动消热差。对实际加工的红外物镜进行了性能测试, 在一定温度变化范围内, 特征频率处的MTF的数值均大于0.75, 其变化值小于0.05, 表明研制的物镜能够保持稳定的良好成像质量, 具有好的消热差性能。由所研制的物镜和非制冷探测器构成的成像系统具有相对孔径大、适用环境温度范围宽、结构紧凑、成像性能高的优点, 适合于作为低成本微小卫星的有效载荷。

围绕基于迈克尔逊干涉仪傅里叶变换光谱仪的动镜支撑机构——柔性铰链机构的柔节疲劳寿命问题, 先通过相关公式计算选取出机构柔节的各个参数, 并由这些参数建立机构的有限元模型；然后再根据材料属性参数, 利用疲劳分析软件msc.fatigue, 通过拟合疲劳寿命S-N曲线来对机构的柔节参数进行仿真验证。从分析结果可知: 柔节破坏点的寿命循环次数均为5.83×105次, 在Nf(1×105～1×107)范围之内, 属于高周疲劳范畴, 材料在此寿命循环次数内处于弹性范围, 应力与应变成正比。验证了柔节各参数及材料的合理性, 进而了解整个机构的寿命情况。

现阶段科研检测仪器对光学镜面的面形精度要求越来越高。光学镜面的口径越大, 自重导致的变形问题越严重。为了保证大口径标准镜在法线水平状态下的面形精度, 提出了侧面钢带支撑和杠杆平衡重锤卸荷的组合支撑结构, 与传统使用的钢带支撑、水银带支撑方式作了比较, 并通过ansys有限元分析软件建立的模型对几种不同侧支撑方法进行了分析比较, 采用拟合方法计算了镜面在受力变形条件下的PV值和RMS值。结果表明, PV≤λ/38, RMS≤λ/164,比其他两种侧支撑更能保证镜面的面形精度, 解决了在法线水平放置情况下大口径标准镜面支撑中面形变化较大的问题。

介绍了一种有别于传统彩色航测相机的新型大面阵彩色CCD航测相机设计方案, 该相机光学系统由Dalsa公司最新生产的6K×8K大面阵彩色CCD作为接收器。通过理论计算和ZEMAX光学设计软件的优化, 给出了工作波长适应范围为0.46～0.70μm、焦距为360mm、视场角为10°、相对孔径为1∶4.3的设计实例。设计结果表明, 在空间分辨率为83lp/mm时, 加入公差后, MTF均值达到0.5以上, 光学系统畸变量优于0.06%, 完全可以满足高分辨率航测相机对地观测的使用要求。

随着光学遥感器分辨能力的不断提高和口径的不断增大, 导致遥感器的重量越来越重, 使得载体无法承受。针对此问题, 提出了对薄反射镜进行主动支撑的方式, 以解决口径大、重量重的问题。利用有限元分析和数学理论相结合的方法在对反射镜施加垂直镜面1g加速度(g=9.80665m/s2为重力加速度)和10℃的温升载荷情况下, 对薄反射镜的位移驱动器数量及分布是否合理进行了分析计算, 得出了反射镜变形最小时的各促动器的位移量, 然后把位移量输入到有限元中相应的节点, 计算出了校正后反射镜的面形指标能够达到光学成像要求。具体对Φ500mm、厚３mm的反射镜进行了分析, 初步计算的３点和９点支撑的变形值分别为26μm和2.4μm, 不能满足系统的成像要求。当运用数学方法计算支撑促动器的间距为７２mm时, 得出支撑点数为１０７个, 由此再进行有限元分析, 得出薄反射镜的面形值, PV值和RMS值分别为119nm和31nm, 满足系统的成像要求。分析结果表明, 利用数学理论与有限元仿真分析相结合的方法, 在薄反射镜变形控制中是可行性的, 并为主动光学实验提供了数值依据。

从满足某空间光学遥感器主镜在复杂的工况下综合面形误差要求的角度出发, 介绍了长圆形主镜及其支撑结构材料的选择。讨论了主镜的优化设计及其支撑结构的设计方法, 并运用CAD/CAE工程分析软件对其进行了分析及优化, 应用有限元法优化出了一种合理的主镜柔性支撑结构。

针对高精度光纤陀螺(FOG)随机误差, 在分析时间序列相关函数的基础上, 得出其时间相关性呈较弱现象, 若采用传统方法辨识模型, 则容易造成误判。在此情况下, 使用适用性更广泛的AIC准则分别确定AR及ARMA模型的最佳阶数, 继而采用卡尔曼滤波算法, 最后以滤波后零偏稳定性改善情况来选择作为FOG随机误差的数学模型。验证结果表明: ARMA模型和AR模型均适合作为FOG随机漂移数学模型, 且均通过模型适用性检验, 而ARMA模型效果更佳。

为了测量液体的浓度, 设计制作了一个U型光纤传感系统。在固定光源波长以及恒温的条件下, 激光光源发出的光信号在U型光纤传感区域发生全反射, 并且得到被测液体参数的调制, 通过测量光接收端电信号的大小, 可以得到被测液体的浓度。整个实验装置结构简单, 主要由激光光源、U型光纤传感探头和光接收器件组成。实验以食盐溶液和蔗糖溶液为测量对象, 分析并比较了U型光纤探头在不同曲率半径下的测量结果, 浓度分辨率可以达到0.05%。这个装置能够测量透明液体或者适度吸收的半透明液体, 具有简单、小巧、稳定性高、价格低廉等优点。测量结果和理论分析十分相符, 从而验证了该实验的正确性和可行性。

相位的计算在二维傅里叶变换等光学计算中有着很重要的作用, 在G-S算法等相位恢复算法中更是有着较多的应用。提出了一种全新的相位叠加方案, 除了器件本身的光电转换特性外, 不需要外加非光学的辅助单元, 用全光的方式实现了相位的线性叠加。通过对该计算单元原理和基本构架进行理论分析和计算机仿真, 证明了方案的可行性。设计的计算单元既可以用于光学模拟计算中的相位计算环节, 也可以用来作为能够保持相位信息的光束连接器。

遥感相机内方位元素的在轨标定对遥感图像的定位和测量具有重要意义。利用线阵推扫传感器构像模型, 提出了一种对CBERS-02B星HR相机内方位元素进行在轨标定的方法。该方法以内方位元素和姿态角为未知参数, 建立地面控制点和相应像点的共线方程组, 通过解算共线方程组获得内方位元素。实验证明, 用该方法对内方位元素进行在轨标定, 具有很好的稳定性和精度。

为了快速、准确地检测出输送机皮带工作时发生的纵向撕裂事故, 提出了一种基于线激光的视觉检测方法。“一”字线激光器向皮带底面投射直线激光条纹, 使用CCD相机获取图像并提取出光条中心, 通过分析光条中心畸变特征来判断皮带表面是否存在撕裂。首先采用阈值法对激光条纹进行分割；然后在光条区域上利用重心法实现光条中心的粗略提取；最后利用Bazen方法求取光条法线, 在法线方向上采用高斯拟合法实现光条中心的亚像素精度提取。利用具有多种纵向撕裂特征的故障皮带进行检测, 实验结果表明, 所提出的方法具有精度高、速度快的特点, 测量精度达到了毫米级, 可以满足实际皮带检测的需要。

聚焦评价函数和极点搜索策略是自动聚焦的重要模块, 直接影响聚焦的效果。为同时满足自动聚焦速度和精度上的要求, 提出了一种新的自动聚焦算法。该算法综合了快速改进的灰度差分法和高精度小波变换法的优点, 根据各阶段聚焦评价函数的梯度选择合适的评价函数和镜头移动步长, 并且实现了从大步长快速粗扫到小步长精确细调的过渡。实验表明, 与传统的应用单一的聚焦评价函数和单一的步长算法相比, 该算法在满足自动聚焦精度要求的基础上提高了自动聚焦的速度, 可获得良好的聚焦效果。

Nd∶YAG固体激光器的偏振特性在许多实际应用中非常重要。特别是在非线性光学频率变换中, 无论是实现Ⅰ类相位匹配还是Ⅱ类相位匹配的非线性光学晶体, 对基频光的偏振特性都有一定的要求。研究了半导体激光侧向泵浦固体Nd∶YAG激光器的偏振特性。实验测量了腔内镀膜偏振片和它们在腔内不同位置时对激光偏振特性的影响。消光比测量表明, 热致退偏效应影响激光的偏振特性。合理选择腔内偏振片的位置和在腔内插入1/4波片补偿热致退偏效应, 能够获得较好的偏振激光, 可提高和频紫外激光功率。

利用主动-被动同步法实现了由单模激光驱动的超混沌系统的完全同步。根据稳定性理论, 对系统进行了一般分解。以单模激光Lorenz系统和四维超混沌Chen系统为例, 验证了这种方法的有效性。仿真模拟结果表明, 这种同步方法是快速有效的。利用这种同步方法可以实现对任意高维混沌系统的混沌同步, 具有一定的普适性。

利用波导系统等效网络分析法, 分析了折射率平面波导光栅的耦合特性。计算了影响光栅输入输出耦合的重要参数——损耗系数α, 并通过数值计算分析了平面波导光栅各参数对损耗系数的影响。

在实验数据的基础上, 分析了空封白光数码管光通量性能低于传统白光数码管的原因, 提出了有针对性地提高光通量的一些初步设想。对空封白光数码管进行了温度老化实验, 老化温度分别为80℃和100℃。在80℃老化实验中, 700h时的光通量随时间缓慢降低, 但到700多小时后在某个时刻突然急剧降低。通过对实验数据的分析, 解释了空封白光数码管光通量性能退化的机理, 并使用Arrhenius公式计算出了本实验所用数码管的寿命为2.4万小时。

在圆柱基底的曲面上利用垂直沉积法将胶体小球自组装生长为胶体晶体。观察了晶体形貌, 搭建了光学测试系统, 并对其光学特性进行了表征。讨论了不同实验参数对曲面上胶体晶体生长过程及质量的影响。实验结果表明, 在合适的温度和浓度下, 在毛细管曲面上制备了高质量的胶体晶体。

针对普通彩色相机采用多次曝光获取高动态范围图像的技术, 提出了一种基于相机分段色域颜色模型的高动态范围图像获取及颜色合成的理论模型和实现方法。介绍了相机分段色域颜色模型的基本结构和建立方法。用NikonD70s彩色相机和修正的sRGB标准颜色转换模型对所提出的理论和方法进行了实验验证。结果表明, 所提出的方法可以在普通彩色相机上实现高动态范围彩色图像获取与图像合成, 并可同时实现高动态范围图像的颜色标准化。

为了避免在超光滑加工过程中破坏光学元件的原有面形, 同时保证整个表面粗糙度的均匀一致, 研究了超光滑加工过程中的磨头控制技术。首先分析了超光滑加工机床的结构形式及超光滑加工工艺特点；然后研究了非球面母线的双圆弧拟合算法以及磨头进给速度的控制方法；最后将所研究的磨头运动控制算法应用于超光滑加工控制软件。以顶点曲率半径为300mm和口径为200mm的抛物面为例, 拟合了非球面母线, 分析了误差分布曲线以及磨头速度变化曲线, 验证了算法的正确性。

在成像电子光学系统中, 均方根半径不仅可以表示系统的时间和空间分辨率特性, 而且可以作为计算调制传递函数的一个辅助评价指标, 具有计算量小, 直观方便等优点。研究和推导了成像电子光学系统中逸出光电子的初角度为朗伯分布,初能量分别为余弦分布、贝塔分布和麦克斯韦分布下的系统时间和横向像差的均方根半径表达式, 求解了不同初能分布下的时间和横向像差的均方根半径的最小值及其对应的最佳像平面位置, 并对其进行了比较分析。结果表明, 该研究不仅对计算和评价成像系统空间和时间分辨率具有实际意义, 而且为选择合适的光阴极以满足不同要求的像管和条纹管的设计提供了理论指导。