高性能的光限幅对激光防护应用来说非常重要。虽然光限幅相关的研究持续了几十年, 但是绝大多数的已知光限幅材料无法兼顾低限幅阈值、高线性透过率和宽带、超快响应。从实验和理论上报道一种基于共轭扭曲并苯分子的多功能光限幅材料。研究结果显示, 借助等效三光子吸收, 该材料能够在480~700 nm的光谱范围内实现光限幅并具备快速的响应能力。此外, 样品还同时具备低限幅阈值(0.15 J/cm2)和极高的线性透过率(532 nm时92%)。该光限幅材料集以上所有优点于一身, 在用于人眼和光子器件的超快激光防护领域具有巨大的前景。

作为一类新型二维纳米材料, 金属碳/氮化物纳米片(MXene)具有高的比表面积和电导率, 以及组分、层数与厚度灵活可控的优点, 在储能、催化、传感和光学等领域具有潜在应用价值。研究了一种MXene材料碳化钛(Ti3C2TX)纳米片分散液的非线性光学效应及其响应机制。发现Ti3C2TX纳米片分散液在532、1 064 nm纳秒脉冲激光作用下表现出优异的光限幅性能, 其限幅阈值分别为0.14 J/cm2和0.12 J/cm2; 通过测量非线性散射光强度随入射光功率密度的依赖关系, 发现该材料光限幅响应机制主要起源于非线性光学散射效应。与传统的光限幅材料C60比较, 该材料具有光限幅阈值低、响应波长范围宽等优点。

采用溶胶-凝胶法, 以正硅酸乙酯、醋酸铅为先驱体, 将石墨烯纳米片(GNSs)引入二元无机凝胶网络中, 成功制备了Si-Pb二元复合凝胶玻璃。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱、紫外可见吸收光谱和开孔Z-扫描对GNSs/Si-Pb二元复合凝胶玻璃的形貌、结构、线性光学和非线性光限幅性能进行研究。结果表明, 通过先驱体的水解缩聚可将GNSs成功引入到Si-Pb二元凝胶玻璃中, 所得复合凝胶玻璃具有良好的均匀性和高透明性。GNSs在引入Si-Pb二元凝胶玻璃后非线性光限幅性能有所提高且可通过调整GNSs在玻璃中的浓度来优化复合凝胶玻璃的光限幅性能。以上结果为拓展GNSs在非线性光学领域的材料化及器件化提供了实验依据及理论基础。

块状材料锑粒通过液相剥离成功制备了锑烯纳米片。采用扫描电镜、紫外-可见吸收光谱和拉曼光谱对所制锑烯进行了表征, 制备的锑烯纳米片展现出从紫外区到可见光区的宽谱吸收, 并且展现出锑的拉曼特征峰, 微观结构上展示出二维纳米片状的独特结构。利用Z-扫描技术对所制样品的三阶非线性光学性质测试发现, 在脉冲宽度为4 ns、波长为532 nm的激光光源激发下, 锑烯展示出饱和吸收的性质, 其非线性吸收系数β为-7.86×10-11 m/W。通过对样品进行电子辐照, 成功获取了具有光限幅性质的二维锑烯。辐照后的锑烯展示出反饱和吸收的性质, 非线性吸收系数β为8.69×10-11 m/W。

在钯催化下, 一步反应合成并表征了三个扭曲并苯功能化的杂芳烃分子(2, 5, 8)。与扭曲并苯分子1相比, 所得分子的吸收波长和发射波长发生明显红移, 荧光位于蓝光和绿光区域。化合物2、5、8的最大吸收波长分别位于462、478、468 nm, 发射波长分别位于476/506、497/527、497/520 nm。利用循环伏安法测试了分子的电化学性质, 结果显示分子8拥有最小的可逆的第一氧化电位0.35 V, 归因于氧化氨基部分。利用飞秒激光实验表征了分子的光限幅性质, 实验结果表明所有分子均具有优良的透过率, 且分子5呈现最优的光限幅响应能力。

InAs/GaSb超晶格材料已经成为了第三代红外焦平面探测器的优选材料。开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器器件结构设计、材料外延、芯片制备, 对钝化方法进行了研究, 制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器。首先以双色叠层背靠背二极管电压选择结构作为基本结构, 设计了中/短波双色芯片结构, 然后采用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料。采用硫化与SiO2复合钝化方法, 最终制备的器件在77 K下中波二极管的RA值达到13.6 kΩ·cm2, 短波达到538 kΩ·cm2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3 μm, 中波为3~5 μm。双色峰值探测率达到中波3.7×1011 cm·Hz1/2W-1以上, 短波2.2×1011 cm·Hz1/2W-1以上。响应非均匀性中波为9.9%, 短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%, 短波为98.06%。

根据环境污染气体监测的广谱需求, 提出了宽谱段红外光谱遥测方法, 利用长波红外傅里叶干涉光谱技术, 向长波红外大气窗口短波端外扩展了仪器响应波段, 使之在一定条件下能够探测多数常见工业气体的指纹特征。在7.0 ～14.5 μm波段内, 采用差谱法和亮温法, 可监测多种常用工业有毒有害气体, 并可给出以浓度程长积表征的概略浓度。介绍了遥测光谱仪的性能表征方法, 例举了实用型产品PARES100对11种常用工业有毒有害气体的应用实例。

在目标检测领域, 基于深度学习的SSD目标检测网络同时具有实时性好和准确性高两大优点。由于特种车辆红外图像难以获取, 以小轿车和公交车红外图像为研究对象, 构建了红外图像Pascal VOC数据集, 训练了SSD网络, 并利用训练好的网络检测了红外目标图像。结果表明, 红外目标的特征信息越多, 检测精度越高, 但红外图像中信息残缺的车辆存在“漏检”的问题。针对该问题, 通过添加“残缺窗口模块”优化数据集结构, 有效解决了车辆“漏检”问题, 同时目标整体的检测准确率也明显提升。将改进数据集后的红外目标检测结果作为评价指标, 能够较准确评估复杂背景下特种车辆红外隐身伪装效果。

机载红外高分辨率干涉光谱仪(HIS)是遥感大气信息的大气红外背景辐射测量装置。基于HIS红外高光谱大气数据, 对大气温度和主要大气吸收气体进行了敏感性分析; 并通过引入信息容量的概念, 利用一维变分方法, 对HIS测量装置遥感探测大气参数的能力进行评估, 定量描述了HIS测量的红外光谱反演大气温度和水汽的信息容量、自由度和垂直分辨率等信息, 其中温度、水汽的信息容量分别为49.5、25.2; 自由度分别为10.5、5.6, 温度的平均垂直分辨率为2.2 km, 水汽的垂直分辨率为2 km; 讨论了HIS的反演精度与仪器测量误差之间的关系, 获取了大气温湿廓线的最小可探测精度。

为了实现大视场、高空间分辨率、高光谱分辨率的指标要求, 通常采用多模块拼接的技术方案, 实现超长线列的组件。通过两个热电致冷器的拼接实现120 mm长度的大冷面, 通过多个模块拼接实现4 000元长线列InGaAs短波红外探测器组件的封装。同时针对超长线列温度均匀性实现、拼接焦平面的共面性、拼接的工程可靠性开展研究, 通过热电致冷器的拼接、热分析、冷板材料的选择、零件公差控制及微调节等技术手段, 在工程上实现了超大冷面的温度均匀性控制在±0.4 ℃以内; 焦平面的共面性控制在±0.020 mm以内。封装的超长线列InGaAs短波红外组件通过了冲击和随机振动实验, 实验前后焦平面的共面性无明显变化, 实现了清晰的地面成像。

开展了激光二极管泵浦的高功率掺镱全固态飞秒激光器的研究。利用Yb:LYSO晶体实现了高功率高效率的半导体可饱和吸收镜锁模飞秒振荡器, 分别在1 035、1 042 nm实现了3 W的稳定锁模运转, 相应的脉冲宽度分别为351、287 fs, 斜效率分别为88.2%和89.7%; 通过将增益介质与克尔介质分开, 利用大功率多模LD直接泵浦Yb:CYA晶体实现了高功率的克尔透镜锁模飞秒振荡器, 脉冲宽度70 fs, 平均输出功率2.52 W, 重复频率50 MHz, 获得了50 nJ的单脉冲能量且峰值功率达到0.71 MW。表明上述掺镱晶体在高功率二极管泵浦全固态激光器领域中具有非常优异的性能。

报道了基于半导体激光端面抽运的a切Nd:GdVO4晶体级联自拉曼激光的输出特性。利用Nd:GdVO4晶体的优异激光特性和较强的拉曼增益, 结合使用针对级联拉曼设计的宽带高反腔镜, 在声光Q开光调制下, 成功实现了基于882 cm-1频移的1 309 nm波长二阶斯托克斯激光输出。在10 W入射抽运功率和50 kHz重复频率下, 获得了平均输出功率1.48 W, 脉冲宽度5.3 ns的1 309 nm激光输出, 对应的二阶斯托克斯激光阈值和光光转换效率分别为5.9 W和14.8%。结果表明: 以Nd:GdVO4作为自拉曼晶体, 通过级联拉曼可实现高效二阶斯托克斯激光输出, 对丰富固体激光波长具有重要价值。

半导体分布反馈（DFB）激光器的核心工艺之一是分布反馈光栅的制作, 设计了808 nm DFB激光器的一级光栅结构。利用纳米压印技术与干法刻蚀附加湿法腐蚀制作了周期为120 nm的梯形布拉格光栅结构, 使用MATLAB和Pics3D软件模拟了一次外延结构的光场分布和能带图。通过优化湿法腐蚀所用腐蚀液各组分比例、腐蚀温度、腐蚀时间等条件, 得到了理想的湿法腐蚀工艺参数。扫描电子显微镜表征显示, 光栅周期为120 nm, 光栅深度约为85 nm, 占空比约为47%, 光栅边缘线条平直, 表面平滑, 周期均匀。创新型的引入湿法腐蚀工艺和腐蚀牺牲层使光栅表面的洁净度得到保证, 提高了二次外延质量的同时,也为进一步制作DFB激光器高性能芯片奠定了良好的基础。

基于能量均分方法, 根据经典热传导和热弹性理论, 建立了激光二极管端面抽运梯度浓度掺杂棒状激光介质的数值模型, 考虑到梯度浓度掺杂激光介质端面与空气的对流换热和激光介质材料的热力学参数的温度相关性, 运用有限元法, 得出了单一浓度掺杂、2阶阶变梯度浓度掺杂、5阶阶变梯度浓度掺杂和理想梯度浓度掺杂四种掺杂结构激光介质内吸收系数、抽运光吸收功率、温度、热应力和应变的空间分布。结果表明, 采用梯度浓度掺杂结构可以大大提高激光介质内抽运光吸收分布的均匀性, 5阶阶变梯度浓度掺杂激光介质的最高温度、最大主拉应力和最大主应变分别为单一浓度掺杂激光介质的42.6%、31.9%和28.1%, 可见明显减小了热效应的影响。理论分析结果可为激光二极管抽运梯度浓度掺杂激光器的合理优化设计提供数据理论支撑。

为研究双频激光雷达技术在高超声速目标探测方面的应用, 理论分析了激光在等离子中的吸收衰减特性, 以RAM-C实验数据为参考, 通过仿真计算得到不同高超声速飞行场景下钝头体模型的等离子体电子密度, 验证了计算的准确性。计算得到钝头体驻点线上温度分布范围为8 000~16 000 K, 并结合理论分析得到了激光在等离子体鞘套中的衰减与电子密度、温度和激光频率的关系, 表明等离子体鞘套对激光的吸收十分微小; 通过对双频激光和单频激光在湍流传输中回波信噪比的对比分析, 得到了双频激光的抗湍流干扰特性。由此表明双频激光雷达是探测高超声速目标的有效方式。

近期研发了一套高光学效率全光纤化相干激光雷达设备, 可用于风场的实时探测。该相干激光雷达工作于1.55 μm波段, 望远镜直径50 mm, 时间分辨率和距离分辨率分别是1 s和30 m。系统集成了光纤结构的接收单元、可编程扫描模式的两轴扫描头及一个用于实时信号处理的多核数字信号处理器。对系统的测风性能进行了理论分析并同实验结果进行了对比, 验证了系统测量距离达到5 km。之后, 通过将激光雷达与超声波风速仪数据进行对比验证系统的测量精度。经过数据分析水平风速相关系数达0.980, 标准差为0.235 m/s, 风向数据相关系数达0.993, 标准差为3.105°。表明该相干激光雷达具有优良的性能, 可以应用于大气边界层内的风场探测。

为提高激光导引头测角精度, 研究了激光导引头测角误差的来源, 并分析了直写式激光导引头标定系统误差。首先, 分析了激光导引头内光学系统和探测器安装误差对导引头测角的影响; 其次, 介绍直写式激光导引头标定系统的工作原理, 给出理想条件下转台转角和导引头测角关系; 再次, 为了提高标定后导引头测角精度, 分析了标定系统存在的安装误差; 最后, 针对一次实际的标定过程, 结合文中分析方法对标定系统误差进行了校正, 导引头零位误差由校正前的2.5 mrad降低到了1 mrad以内。文中结论为直写式激光导引头标定系统中的结构安装精度要求提供了分析方法, 进而提高了标定后激光导引头的测角精度。

对一种新型红外热波无损检测技术——激光扫描热成像无损检测技术进行了研究。在深入分析检测机理的基础上建立了激光扫描热成像有限元数值计算模型, 选取缺陷处和非缺陷处表面最大温差作为特征量, 对样品材料、缺陷大小、缺陷深度、激光扫描速度和激光扫描功率等关键参数对激光扫描热成像检测的影响规律进行了仿真和分析, 为该新技术的进一步发展和应用提供了参考; 采用数据拟合方法得出了各参数和表面最大温差关系, 并以此为基础提出了激光扫描热成像技术检测参数控制策略, 实际检测过程中, 可据此针对样品缺陷特征快速准确设置检测参数, 提高检测能力。

全天时星敏感器技术可以将星敏感器的应用推广到临近空间飞行器如平流层飞艇和高空气球等平台, 是星敏感器未来发展的一个重要方向。由于白天受到强烈的大气背景辐射的影响, 可见光波段星敏感器的探测能力显著受限。大气背景辐射在短波红外处的强度迅速降低, 因此利用短波红外成像系统在0.9~1.7 ?滋m波段下进行恒星探测成为研究全天时星敏感器技术的一种有效可行的方案。为了系统地分析并验证短波红外全天时星敏感器的可行性, 文中在分析全天时星敏感器探测模型的基础上, 重点讨论了短波红外探测器噪声对星敏感器探测能力的影响并基于探测模型确定了20 km高度处全天时星敏感器的光学参数。基于短波红外探测器研制了全天时星敏感器原理样机, 结合地面处的观星实验, 测试了原理样机的探测性能并验证了全天时星敏感器探测模型的正确性。

飞行时间测量是三维感知系统的重要原理之一。近年来随着半导体技术的发展, 基于信号相关法的飞行时间测量系统以其无活动部件、高集成度、低功耗的优势, 在三维成像领域迅速发展。文中系统研究了基于信号相关的飞行时间测量技术的数学原理, 分析了其误差来源及其数学模型, 并进行了横向对比。研究结果表明: 飞行时间成像系统的光源误差、多路径误差和环境光是制约测量精度和适用范围的主要因素。

为了区分超光滑表面上方存在的微小粒子、亚表面缺陷、微粗糙度三种缺陷产生的散射光, 并得到能够探测这三种缺陷的最佳区域, 将双向反射分布函数(Bidirectional Reflection Distribution Function, BRDF)与琼斯矩阵结合, 给出了三种缺陷在ss、sp、ps、pp四种偏振状态下的偏振系数。在此基础上, 模拟和分析了三种缺陷在四种偏振状态下与散射方位角的关系。结果表明: 利用p偏振入射光引起的p偏振散射光能将这几种缺陷区分开。根据三种缺陷与散射方位角变化关系的不同, 给出了三种缺陷的最佳探测区域及实现方法。

机载激光雷达的海陆波形分类对于沿海地区及其变化性质的研究至关重要。提出了一种在原始的机载激光雷达回波上使用深度学习进行分类的方法。构建全连接神经网络和一维卷积神经网络(CNN), 在一个测量海域的数据集上进行训练和测试, 最优模型获得了99.6％的分类精度。该最优模型对来自不同测量海域的数据进行分类, 分类精度达到了95.6％,相比支持向量机方法, 处理速度提高了约52%。结果表明: 深度学习方法对机载激光雷达回波波形的分类具有较高的精度和速度, 它可以进一步作为通过机载激光测深技术对海底种类进行分类的候选方法。

针对精细导星仪(Fine Guidance Sensor, FGS)姿态测量精度受星点提取系统误差影响的问题, 提出了一种基于梯度提升决策树(Gradient Boosting Decision Tree, GBDT)拟合法的高精度星点定位系统误差补偿方法。为了解决拟合样本少、输入特征差别大等问题, 采用对输入范围不敏感、易于训练的决策树作为基模型, 并根据当前模型拟合残差梯度, 结合集成学习中的提升方法生成新的基模型得到系统误差与探测器填充率、采样窗口尺寸、星斑束腰半径以及星点质心坐标计算值之间的函数关系, 以此函数关系为基础对星点质心坐标估计值进行系统误差校正。实验结果表明: 与支持向量回归机(Support Vector Regression, SVR)相比, 基于GBDT的高精度星点定位算法的误差减小了60.6%, 经该算法补偿后的质心误差为0.014 5 pixel, 相比于质心法误差减小了61.5%。

反射镜的面形精度是保证空间望远镜成像质量的关键因素, 随着空间遥感器口径的增大以及光机结构的轻量化使得反射镜结构刚度越来越低, 从而使得反射镜的面形非常容易受到环境微振动的影响。然而, 遥感器在轨工作状态下, 星上具有多种振动源, 如步进电机、动量轮、机械制冷机等。为了研究扰动源对反射镜面形动态误差的影响, 提出了一种基于模态叠加和泽尼克多项式拟合的面形动力学响应分析方法。对于每一阶模态, 其光学表面的振型均可以表示为一组泽尼克多项式的线性组合, 并得到一组泽尼克系数。然后, 通过模态叠加法可以求出反射镜表面整体的动态面形误差, 该误差是由泽尼克系数所表示。由于每一项泽尼克系数对应明确的物理像差含义, 所以通过该方法可以方便地分析微振动引起的光学面形响应以及系统像差。

根据某型号空间遥感相机的技术指标要求, 对成像单元进行了详细的设计与分析。首先, 给出了一种小体积、轻质量、高稳定性成像单元的结构形式; 其次, 针对遥感相机电子学设备在轨工作的复杂工况, 提出了成像单元防护性设计方法, 对大功耗元器件设计了主动热控措施; 最后用有限元法对成像单元进行了详细分析, 分析结果表明, 成像单元一阶模态为184 Hz, 远大于遥感相机基频106 Hz, 具有较好的动态性能; 成像单元在自重、±25 ℃工况条件下, 力学及热稳定性较高。对成像单元进行了力学和热光学试验, 力学试验结果表明成像单元的一阶频率为185 Hz, 与理论分析结果一致性较好, 热光学试验结果表明: 成像单元对整机热光学性能影响很小, 各项指标均满足设计要求。

为解决目前光片荧光显微镜光片厚度单一的问题, 基于变倍扩束原理进行了可变光片照明系统设计。首先, 对光片照明系统各组成部分进行了高斯光学计算, 得到光片厚度与扩束比的关系以及扩束比与各组元垂轴放大率、焦距的关系; 然后, 设计了基于10倍扩束的可变光片照明系统, 得到厚度和长度连续可变的光片; 最后, 对光片参数、均匀性及系统的公差进行分析。设计结果表明, 连续可变光片的厚度为3.33～33.3 μm, 在YOZ平面上60%的光片高度区域内, 低(1×)、中(6×)和高(10×)扩束比下的照度均匀性分别达到0.65、0.4和0.61。公差分析表明, 光片厚度在1×扩束比时的最大改变量小于设计值的15%, 在6×和10×扩束时小于6%。设计实现了光片厚度的连续变化, 且在60%的光片高度区域内有利于样本的观察。

为满足搭载于高空气球平台的地-月成像光谱仪的长时观测需求, 对其载荷系统进行了热设计。分析了载荷系统的热环境, 建立了载荷系统的换热模型, 利用Spearman等级相关系数公式以及反向传播神经网络与Garson公式结合的BP-Garson方法对影响载荷系统温度水平的主要参数进行了全局灵敏度分析, 详细阐述了载荷系统的热设计方案。利用I-DEAS/TMG软件建立了载荷系统的有限元模型, 对冬至、夏至两工况进行了仿真分析。仿真结果显示: 在冬至与夏至工况下, 气球放飞2 h内光谱仪均能快速降温至-5 ℃, 光谱仪维持(-5±2) ℃温度水平大于3.5 h, 光学窗口温度高于海拔20 km当地露点温度, 满足设计指标, 热控方案合理。该研究方法对球载光学遥感器的热设计具有一定的指导和借鉴作用。

为了满足基于TIR棱镜的高分辨率工程投影机对高分辨率、高照度均匀性、长后工作距离及连续变焦投影的工作需求, 设计了一种基于TIR棱镜的高分辨率像方远心连续变焦投影镜头。该镜头焦距为25~32 mm, F#为2.4, 工作在可见光波段。该投影镜头具有靶面大、分辨率高、后工作距离长及照度均匀性高的设计难点, 通过选择反远距的双高斯结构, 控制像方远心度, 通过采用不同材料搭配, 并借助CODE V的玻璃专家优化功能, 反复迭代优化, 最终, 得到满足使用要求的连续变焦投影镜头。结果表明: 该镜头在连续变焦过程中各视场MTF值在72 lp/mm处不低于0.4, 各视场RMS弥散斑直径小于8.5 μm, 畸变小于2%, 短焦边缘视场照度均匀性大于95%。该连续变焦投影镜头采用全球面设计, 结构紧凑, 成像质量好, 畸变、垂轴色差和照度均匀性都得到了较好的控制, 可以很好地满足高分辨率工程投影机的投影需求。

研究了LaF3材料的蒸发特性及其在2.5~12 μm红外波段的光学常数, 并将LaF3晶体作为低折射率材料在Ge基底上制备了中波红外3.7~4.8 μm波段高耐用性增透膜。SEM照片显示, 基于LaF3材料的高耐用性增透膜表面纳米晶粒分布均匀致密, 表面光洁度高。利用傅里叶变换红外光谱仪测试了其光谱特性, 在3.7~4.8 μm波段, 峰值透射率达到99.4%, 双面镀膜平均透射率由47.7%提高到98.8%。牢固度、耐久性等环境试验结果显示, 膜层在保持高的光学性能的同时还可以在较为严苛的恶劣环境中使用

提出了磁场辅助激光沉积类金刚石(DLC)膜技术, 在硅基底附近添加磁力线向基底收拢的磁场, 用以迫使侧向飞行的离子向基底靠拢并参与成膜。由于离子向基底的集中, 使其在膜层中含量大幅上升, 间接地减少了大颗粒的比例, 因此, 与无磁场条件下制备的DLC膜相比, 引入磁场不仅提高了DLC膜的沉积速率, 而且提高了其机械硬度; 更重要的是, 间接地证明了激光对靶材离化的高效性, 为脉冲激光沉积(PLD)结合磁过滤技术提供了可行性的依据。

在保证“一对多”激光通信终端光学天线的成像质量前提下, 为解决光学天线两端面承担载荷的技术问题, 提出了一种用于卫星平台的可承载式激光通信光学天线。对主镜组件、可承载式遮光罩及次镜支撑桁架的结构形式以及连接方式进行正对性设计, 保证主镜面形精度以及次镜的位置精度。使用ANSYS有限元分析软件进行分析, 结果表明: 整机一阶模态151.54 Hz; 光学天线前端可承载8.5 kg, 后端面可承载13 kg; 径向1 g自身重力及两端承载工况下, 主镜面形精度RMS值(均方根误差)为λ/158、PV值(最大峰谷误差)λ/30, 次镜最大倾角1.88″; 在(20±5)℃环境温度、轴向1 g自身重力及两端承载工况下, 主镜面形精度RMS为λ/65、PV为λ/14, 次镜最大倾角1.21″, 该天线承载后具有较好的力、热稳定性以及成像质量, 可以满足天线在地面装调、检测以及发射过程中的指标要求。采用质量块模拟两端负载质量及重心位置, 使用ZYGO干涉仪进行测试, 结果表明系统波相差能够满足1 g重力及负载条件下, 系统波相差RMS值优于λ/15的指标要求。

为满足光纤光栅传感技术在高真空热环境下的应用, 分析了丙烯酸酯和聚酰亚胺2种不同涂覆层单模紧套光纤作为传输光纤, 在高真空热环境下对FBG峰值功率的影响, 并进行了实验验证。首先, 设计了高真空热环境下传输光纤等效模型; 接着, 设计了不同涂覆层光纤传输损耗特性影响实验方案, 搭建了硬件在环检测平台; 最后, 进行了实验验证, 探索了在高真空热环境条件下, 不同涂覆层单模传输光纤随着温度、真空度变化对FBG反射谱功率峰值影响规律。实验结果表明: 真空度从常压降至10-4 Pa水平再恢复至常压, 丙烯酸酯和聚酰亚胺2种不同涂覆层单模传输光纤温度从常温降至-196 ℃再恢复至常温, 历经224 h, FBG反射谱功率峰值均不发生变化, 为光纤传感技术在高真空(压力约为10-4 Pa水平)、热环境(-196~25 ℃循环)中应用提供理论及实验依据。

分别以铜、铝、有机玻璃、聚四氟乙烯为实验衬底材料, 对采用片式粘敷封装技术的光纤布拉格光栅温度传感增敏特性进行了实验研究。研究结果表明, 当对两侧尾纤有涂覆层的光纤布拉格光栅进行封装时, 其温度灵敏系数分别是裸纤情况下的2.3倍、2.9倍、5.2倍、11.7倍。然而, 粘敷材料在较高温度时显著的热膨胀会引起光纤包层与涂覆层发生一定的脱离, 导致此时其实验结果重复性不甚理想。为了克服这种不利情况, 对尾纤无涂覆层的光纤布拉格光栅进行了封装测试。在测试温度范围内, 其反射波长随温度的变化始终呈现良好的线性关系, 其温度灵敏系数分别提高到了3倍、3.4倍、9.2倍、12.6倍, 测量结果重复性良好。研究结果为将来片式封装光纤布拉格光栅传感器的温度增敏特性的研究, 提供了必要有益的数据支持和参考。

为了实现对超声场的非接触全场测量和成像, 提出了基于数字全息干涉的动态超声场的测量和成像方法。对超声场的测量进行理论分析, 研究了基于数字全息干涉技术的动态声场测量原理。同时, 针对不同时刻的动态声场, 研究了主要的测量流程和数据分析过程。在此基础上设计了基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统, 其中包括光学检测子系统、超声子系统和同步控制子系统。实验结果表明, 对于动态超声场, 可以在一个时间序列中, 对不同时刻的超声场进行测量和成像。同时, 文中设计了微缺陷试样, 利用动态超声场测量技术对微缺陷进行检测。实验结果表明, 文中所研究的动态声场测量方法和系统可以有效地识别出试件中微小的内部缺陷。

对超敏捷动中成像遥感卫星角速度快(6 (°)/s)、角加速度大(1.5 (°)/s2)、成像参数随时空复杂多变等新问题, 开展了超敏捷动中成像特点分析与成像参数仿真分析工作。构建了动中成像复杂模型, 精确分析了动中成像合速度的变化规律。在此基础上, 结合信噪比、调制传递函数(MTF)等计算公式, 全面分析了不同成像条件下, 动中成像系统的行频、TDI级数、姿态稳定度MTF、同步误差MTF、偏流修正误差MTF等随角速度的变化关系, 为超敏捷动中成像卫星, 尤其是卫星的成像电子学, 提供了重要的设计依据。

在经典的偏振成像去雾方法中, 后向散射光的偏振度估计值是影响去雾效果的关键。基于圆偏振光在米氏散射介质中良好的保偏特性, 提出一种适用于强散射环境下的偏振成像去雾方法。研究不同偏振态的光源照明时, 不同散射强度下, CCD接收到的光场偏振度变化规律, 在此基础上提出了一种快速简易的散射光偏振度估计方法。该方法在不增加系统复杂度的情况下, 提高了偏振成像去雾的效果。实验结果显示, 在强散射条件下文中方法获得的去雾图像EME值比传统方法高20.4%。此外, 该方法不需要传统偏振去雾方法中对背景区域的判断, 降低了算法复杂度。

针对数字全息技术中测量面积受限的问题, 提出基于优化Harris角点算法的拼接算法实现相位的双方向拼接。在获取数字全息图像时, 保证相邻区域具有部分重叠, 再对获得的物体的各子孔径相位图像进行拼接; 用Harris角点算法检测角点密集区域为匹配模板, 可高效且精准地确定重叠区域, 结合高斯尺度空间和金字塔匹配思想对算法进行优化, 通过加权融合实现三维形貌的再现相位拼接。以玻璃样板为实验对象, 完成了物体再现相位的双方向拼接。实验结果表明: 该拼接方法能够有效扩大数字全息测量物体的测量面积, 并保证了较高的拼接准确度。