对傍轴近似下的光束传输变换问题进行了广泛的研究.但是,当光束有大的发散角或与波长相比拟的小光斑尺寸时,傍轴近似不再成立.已发展了多种非傍轴方法用以研究非傍轴光束的传输问题.对非傍轴光束的研究方法作了总结,使用角谱表示法和瑞利衍射积分公式对非傍轴矢量高斯光束的传输作了分析和比较.结果表明,基于瑞利衍射积分公式推导出的非傍轴矢量高斯光束在自由空间传输的解析公式在传输距离远大于波长时是严格的解析结果,并且在有光阑的情况下也是适用的.光束的非傍轴性主要由f参数决定,但当有光阑存在时,截断参数也对光束非傍轴行为产生影响.

讨论了激光大气传输时的湍流与热晕综合效应问题.提出了根据湍流效应对热晕经验公式进行修正的处理方法,其物理基础是在湍流效应较明显的情况下,由相干距离决定的湍流Fresnel衍射参数远小于由发射口径决定的Fresnel衍射参数时,小尺度热晕的影响超过整束热晕占主导地位.将修正的经验公式与基于数值计算的定标公式相比较,结果令人满意.

高功率掺镱双包层光纤激光器由于在效率、散热和光束质量方面的优势,在工业加工、医疗和**等领域具有广泛的应用前景,是目前国际上激光技术研究的热点之一.首先综述了国际上高功率光纤激光器的研究进展情况,然后重点介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所在连续光纤激光和脉冲光纤激光方面所取得的进展,采用双端泵浦技术,在15 m的国产双包层光纤中获得440 W的连续输出,采用MOPA方式,以4 m长的国产光纤作为放大介质,在100 kHz时,获得了133 W的平均功率输出.

激光成像雷达可以给出目标的多方面信息,从而具有较高的目标探测和目标识别能力.其中光学扫描系统的质量是保证获得高质量二维图像的前提,因此有必要对光学扫描器的扫描性能进行定量测试,在应用光学性能扫描测试装置检测激光雷达扫描系统性能时必须保证二者的光轴是对准的.针对激光成像雷达光学扫描性能测试系统,从理论上分析了可能存在的各种对准误差,详细讨论了对准误差对光学扫描测试系统性能的影响,给出了光学扫描测试系统各种对准误差的允许范围.

TEC存在功率有限、制冷效率低的问题,在用于大功率半导体激光器的温度控制时,常常无法达到所需的制冷效果.通过理论研究、软件仿真和实验验证,总结和提出了根据LD热负载选择TEC的理论依据和方法,以及与之匹配的大功率散热结构的设计优化准则.经实验验证,根据此原则设计的温控系统可在环境温度-40～55℃时,对30 W的LD实现恒温控制,温控范围20～40℃,温控精度0.5℃,实验结果表明此方法可以提高系统的整体效率,在设计大功率半导体激光器温控系统时具有一定的参考价值.

以二极管端面泵浦固体激光器(DPL)为研究对象,研究了端面形变热效应对DPL参数的影响.将温度梯度和引力双折射热透镜效应等效为一个焦距为f的薄透镜,将端面形变等效为曲率半径为r的球面反射镜,根据谐振腔理论进行计算机模拟,将端面形变热效应从总的热效应中分开,研究发现,当引起的端面形变的曲率半径大于300 mm以后,温度梯度和引力双折射热透镜效应对DPL发散角的影响不大(腔长100 mm),而端面形变热效应对其有很大的影响.结果表明,随着端面形变参数r的减小,其输出振荡光的发散角和束腰半径越来越大.此研究直接指导端泵DPL的端面形变研究.依据此结论,就可直接从腔外通过测其远场发散角算出端面形变的大小.

研究了激光二极管(LD)泵浦的Nd:Gd042Y0.58VO4混晶激光器在不同腔长下的输出特性.根据实验结果,分析了热透镜效应对腔稳定性和激光输出特性的影响,给出了热透镜效应的有关参数,为腔体的优化设计提供了一定的理论依据.采用简单的平-凹腔结构,在注入泵浦功率为8.6 W时,得到最大1 064 nm近红外激光的输出为3.78 W,光-光转换效率为43.9%.

提出利用激光雷达多仰角探测方法对大气斜程积分能见度测量的方案.该方案以大气光学厚度替代传统的利用大气消光系数分布求解斜程能见度,从而克服了在低能见度下,由于大气多次散射,斜程能见度难以测准的缺点,提高了探测精度,为飞机起飞着陆提供了较为准确的气象参数.利用Monte-Carlo方法模拟计算了3种大气消光分布情况下采用该方法测量的积分能见度.结果表明:在激光探测区域内和垂直高度相同的大气消光分布均匀的假设条件下,只要在设计激光雷达时,恰当选择系统参数(如激光脉冲能量、积分累计时间、窄带滤光片带宽等)使得信噪比满足一定的条件,该方法是可行的,且能见度探测误差不超过4.3%.

为了在大功率激光二极管抽运固体激光器(DPL)中实现高光束质量和光束的可控制性,提出了激光二极管端侧面组合抽运DPL方案,建立了端侧面组合抽运模型,分析了端面抽运光对振荡光的控制作用,并进行了实验验证.由数值计算和实验结果看出,相对于侧面抽运,端侧面组合抽运DPL中端面抽运光的运用,使零阶模的竞争能力明显提高,光束质量得到了很大改善.总抽运功率一定时,端面抽运功率越大,零阶模的竞争能力越强,输出光束质量越好.因此通过改变端面抽运功率的比例,提高光束质量,并实现对振荡光的控制.

在空间交会激光理论分析和模拟实验研究.建立了光学天线扫描捕获的理论模型,在此基础上对影响系统捕获性能的各主要参量之间的关系进行了数值仿真分析.将分行式螺旋扫描引入到激光雷达APT系统中,建立了数学模型并进行了数值仿真.根据仿真结果提出并优化了螺旋扫描方式,取得了良好的效果.

提出并实验验证了一个四通道的基于啁啾光栅的连续可调光控延时系统,该系统适合于频率达10 GHz的相控阵天线的波束形成及扫描,使用一种基于啁啾光栅的延时网络和一种新型的波长等间隔增大或减小的多波长可调谐线性腔光纤激光器.光纤激光器的等波长间隔,通过相等增量的作用力挤压或拉伸激光谐振器中固定在一个有机塑料盘上成一定的角度相邻的布拉格光栅来调谐.光控延时是通过被调制光在一个线性啁啾光栅的不同位置反射而实现,波长等间隔激光可获得等间隔的延时.

为了提高大气能见度的仪器探测水平,并验证自行研制的车载式拉曼激光雷达探测大气水平能见度的可靠性,使用1种基于可见光波段的前向散射能见度仪,与基于后向散射原理的拉曼激光雷达进行了联合试验,对两者测量结果,进行了分析和讨论,结果表明这两种探测手段具有较高的相关性.同时,通过对前向散射原理的探讨,为能见度仪的国产化提供了参考,也检验了国内首台车载式拉曼激光雷达在测量能见度方面的可靠性,扩展了它的应用领域.

为了精确地检测大口径非球面面形质量,将曲面圆形计算全息图与补偿镜相结合,应用于非球面折射式检测光学系统中.分析了曲面计算全息图的衍射特性,同时分别阐述了利用曲面计算全息图的这种衍射特性来检测凹非球面及凸非球面的基本原理和方法,给出了具体的设计实例.与传统的非球面检测光学系统相比较,该系统不仅简化了传统光学系统的装调过程,还可以大大降低计算全息图(CGH)与补偿镜的制作精度,减少制作成本.尤其是在凸非球面检测过程中,首次在实验技术方面提出了两步全孔径检测法和调整误差的旋转相减消除法,实验验证了该方法的有效性.

为了提高激光反射膜的光谱特性和抗激光损伤特性,提出了一种高损伤阈值激光反射镜的设计方法:采用HfO2-Nb2O5-SiO2多材料混合膜系结构,利用Nb2O5-SiO2折射率差值大的特点,在较少的膜层数下达到高反射率要求;利用HfO2-SiO2组合具有高的抗激光损伤特点,在Nb2O5-SiO2膜堆的最外部分叠加HfO2-SiO2膜堆,取长补短,做到采用较少的膜层数,达到高反射率要求,同时提高薄膜的抗激光损伤能力.该方法能灵活有效地按照不同膜系要求进行材料组合,具有很高的实用价值,达到工程最优化设计.

激光损伤阈值的准确测量是研究高抗激光损伤光学元件的必要条件.分析了激光诱导损伤阈值的不确定度来源,包括激光能量测量、光斑有效面积测量、各能量密度处几率的计算以及对损伤几率点进行直线拟合4个方面.利用统计学原理和线性拟合等理论对不确定度分量及测试结果的相对合成不确定度进行了理论推导和计算.1 064 nm高反薄膜样品的实例分析表明,损伤阈值测量的相对合成不确定度为18.72%.

为克服失效元造成的图像固定噪声,改善红外焦平面阵列的成像质量,提出了一种基于场景的红外焦平面阵列图像传感器的失效元动态检测与校正算法.通过分析图像传感器正常像元和失效元的表现特征,并根据红外焦平面测试验收国家标准的规定,确定了区别正常像元和失效元的灰度阈值电平,并用双向线性外推的方法判定具体的失效元在一帧图像中的位置,根据失效元的判定算子和新型校正算法实现了对检测出失效元的实时校正.实验证明该算法简单可靠,易于硬件实现.

基于傅里叶光学的知识,分别对量子阱红外探测器的一维和二维光栅耦合模式进行了研究,得到器件的相对吸收率随波长和光栅周期之比的变化曲线,把此曲线作为优化光栅常数的依据.对于给定峰值波长的探测器,在波长与一维光栅周期之比为1时,吸收率最大;波长与二维光栅周期之比为0.7时,吸收效率最高,结果与已发表的数据相符.此外,还对刻蚀误差的影响进行了讨论,当实际刻蚀的光栅常数与优化的有偏差时,耦合效率降低.

为了在不降低快速响应热释电探测器响应速度的同时抑制器件的振动干扰,通过对快速响应热释电红外探测器的振动噪声机理和输出电信号的频谱分析,提出了数字降噪方案,并用基于FPGA的硬件电路来实现.文中还介绍了硬件的结构和FPGA代码实现,给出了降噪之后的实际效果.

针对红外成像导弹对目标构成的重大威胁和传统伪装器材在防护目标方面的不足,提出了通过动态改变伪装器材的表面温度和红外发射率来改变目标红外热图像、躲避红外成像系统探测与跟踪的技术思路,阐述了电致变温器件和电致变红外发射率器件的工作原理和制备技术,设计了一种基于电致变温器件和电致变发射率器件的红外动态变形伪装系统,描述了系统的工作原理,并给出了该系统的红外动态变形效果图.

碲镉汞(MCT)由于其特殊的禁带宽度,成为一种重要的红外探测器半导体材料.其表面复合中心会严重影响探测器性能,为了减少复合中心及保持电学和化学稳定性,表面钝化成为必不可少的工艺步骤.根据碲、镉、汞3种元素在碱性溶液中的电极电势,计算得出阳极氧化的先后顺序为Cd＞Te＞Hg,并以其构建了一种氧化过程模型,模拟溶液中负电荷离子渗入材料和材料内部各种离子的位置及价态变化,推导出组成结构,与XPS化学组分分析结果十分吻合.在结构方面,该模型成功解释了缺Hg区、富Cd区和富Te区的存在及其位置,并通过俄歇电子能谱(AES)测试得到了验证,说明模型具有一定的合理性.

烟幕是对抗红外制导**的有效手段,分析了红外成像系统的组成及工作原理,论述了对抗红外成像系统的干扰机理及烟幕对红外成像制导的干扰原理,并详细论述了烟幕对成像系统的视频信号处理、跟踪处理器以及红外成像系统的信噪比的影响,得出了其作用机理,为烟幕在光电对抗中的应用提供了一定的理论基础.

针对在红外图像边缘提取时,断边和分支点会导致伪边界的问题,提出了一种带搜索控制准则的红外图像轮廓跟踪算法.该算法根据飞行目标红外图像特点,将基于最大距离法的局部阈值分割用于目标图像的提取.给出了关于图像局部灰度特性的3个推论,并由此将遗传算法用于轮廓跟踪过程,自动判断出轮廓跟踪过程中出现的分支点、断边,搜索断边并连接.实验结果表明,采用该算法可得到清晰、光滑的轮廓图像,并且具有较快的运算速度,可实现实时处理.

为消除因探测器姿态变化造成的图像旋转,保持观测图像的稳定状态,采用可编程逻辑门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSp)构建数字硬件平台.给出了实时消像旋的完整硬件结构与相应算法.设计采用ITU-656标准数字视频格式,用VHDL硬件描述语言实现整个消像旋算法的FPGA设计.实验结果表明,旋转角度在0°～360°之间,能实时消除探测器转动引起的图像旋转,旋转后图像清晰稳定.因而基于FPGA和DSP实现实时图像消旋(旋转)的方法具有很大的实际应用价值.

根据提高激光遥感成像分辨率的需要,分析了激光遥感成像分辨率的影响因素,说明了传统处理方法仅利用回波时延和强度信息,难以得到光斑内部地表信息,在某些情况下,甚至会造成较大的成像误差.通过对激光遥感成像信号与地表目标细特性的时空调制关系分析,探讨了地表高度分布与反射率分布特性对回波波形的不同影响,得到激光合成回波数学模型.分析信号反演方程的可解性,利用最小均方误差法得到地表细特性分布的反演结果.通过与传统分析方法得到的成像结果比较,证实该分析方法可以有效提高成像分辨率和成像精度.其中,关于目标细特性的分析提取方法是对激光遥感成像信号处理的开拓性研究.

基于规则数字高程模型格网的峡谷检测是地形特征分析的重要手段.提出了基于定义的峡谷检测方法,该方法使用4个参数来定义不同类型的峡谷.在低空飞行器航迹规划中,通过对参数赋不同的值可以检测到符合各种飞行器要求的峡谷谷底.与传统的分水岭峡谷检测方法相比,克服了过分割问题,隐含了多尺度分析特性并带来了更好的鲁棒性.

Contourlet变换是继小波变换之后的又一新变换.由于contourlet变换的多尺度和多方向特性,能有效地捕获到自然图像中的轮廓,并对其进行稀疏表示.详细分析了图像contourlet系数的统计特性,并利用非高斯双变量分布对系数层间相关性进行建模.最后,将此分布应用于图像去噪,就PSNR、NMSE和视觉质量这三方面的评价指标与contourlet HMT和小波阈值法进行了比较.实验结果表明:算法能获得较好的结果,尤其是对于含有丰富纹理的图像.

快照模式焦平面读出电路的单元电路一般包括前置放大器、采样保持电路、多路开关传输器和缓冲跟随器.在有限的单元面积内完成较高性能的单元电路设计是快照模式焦平面读出电路的难点.考虑到积分电容、采样保持电容、运放补偿电容占据了CMOS电路版图中较多的面积,通过分析计算读出电路各级噪声以及电路总的输出噪声,探讨了上述各种电容对于电路噪声的影响.考虑到紫外探测器的特点,同时在固定其他设计参数的基础上,通过调整电容面积的分配比例,计算了电路可以得到最佳噪声水平的电容大小.结果表明,在目前的工艺和版图限制等条件下,在上述三种电容分别取1.1、0.4、1.2pF时,输出端噪声电压为最小,达172μV.

微空心阴极放电(MHCD)是在普通空心阴极放电的基础上提出的一种高气压下亚毫米级微放电技术.将MHCD作为大体积辉光放电的外部电离源(即等离子体源),可以解决高气压下大体积辉光放电不稳定的问题.在MHCD实验的基础上,研制出可对MHCD气体放电模式(连续/脉冲)和输出功率进行调控的开关电源.这种开关电源可以与单片机、微机等其他外部控制设备相连.该电源采用全桥软开关技术,串联谐振并联输出,4个MOSFET管为主控制元件,实现了高频工作,响应快速.脉冲模式工作时避免了开关管的硬开关,减小了高次谐波对电网干扰;无需镇流电阻也可实现气体稳定放电.

读出电路是红外焦平面阵列(IRFP质量,因此读出电路参数的测试非常重要.本系统采用信号模仿的方法,对IRFPA读出电路注入电信号,调节电信号即可模拟不同的测试条件,利用读出电路的输出就可测试其主要参数的技术指标.系统采用虚拟仪器系统的精密数据采集卡(DAQ)和用于数据处理的软件(LabVIEW)来构建出混合式IRPFA读出电路参数测试系统.采集卡对读出电路输出信号进行采集,并利用软件的运算功能模块对采集的数据进行统计运算,就可定量得到各项参数指标,从而判断读出电路性能的好坏.采用本系统对128×128元读出电路进行测试,实验结果表明了系统的可行性,测试结果可以反映读出电路的质量.