基于干涉成像理论介绍了合成孔径成像技术原理。分别从成像过程、成像特性、视场大小、适用范围等方面对迈克尔逊型和菲索型两种合成孔径成像系统做了对比,重点介绍了这两种类型合成孔径望远镜在地基系统和天基系统上的应用、发展现状及发展趋势,指出迈克尔逊型合成孔径望远镜将会向着长基线、复杂基线结构的方向发展,而菲索型合成孔径望远镜则会向着复杂孔径排列结构的方向发展,以组成等效孔径为其子孔径几倍甚至几十倍的系统。与传统光学系统相比,合成孔径系统具有分辨力高、镜面加工难度小、易折叠、重量轻等特点,是实现高分辨力光学成像的一种有效途径,幸运成像、分布发射与在轨装配、无支撑薄膜望远镜等各种新技术都可以引用到合成孔径技术中来。

传统的空间望远镜是根据分辨率衍射极限公式,通过增大系统的通光口径来提高分辨率的,但这样系统的体积和重量相应增大,增加了空间运载的难度。负折射率材料(Negative Index Materials,NIMs)的出现,为高分辨率空间望远镜的发展提供了新的思路。NIMs对含有物体精细结构信息但在真空中随距离指数衰减传播的渐失场有增益放大作用,从而使渐失场能够参与成像,实现光学系统传统分辨率衍射极限的突破。本文介绍了NIMs的研究历史,分析了由负折射产生的负群速度、逆Doppler频移、反常Cerenkov辐射、负折射等各种效应,重点讨论了采用NIMs实现望远系统传统分辨率突破的内涵和意义以及今后研究工作的重点。

上行传输光束的闪烁起伏影响星地激光链路的稳定性,而利用时间平滑效应增加光电探测器曝光时间是克服大气闪烁的有效途径之一。考虑曝光时间的平滑效应,分别导出了小天顶角和大天顶角下的时间平滑因子表达式,在此基础上,分析了接收终端离地高度和天顶角对时间平滑效应的影响。研究结果表明,不管是大天顶角还是小天顶角下的上行传输光束,通过增加探测器的曝光时间都可以大大减少起伏强度,提高瞄准捕获跟踪链路的稳定性。研究结果还表明,随着接收终端离地高度和天顶角的增大,大气闪烁时间平滑作用降低。

提出一种将红外告警与紫外告警相复合的全新告警模式。该模式能够在保证探测精度、探测距离的前提下大大降低系统虚警率,提高平台的战场生存能力。参考目前流行的设计方法,针对所提出的复合告警模式,采用了一种基于信噪比的方法对系统建模,并分析了大气透过率、探测器性能、探测信噪比以及目标背景辐射之间的关系,确立了系统探测距离和所需光学孔径的关系以及系统分辨率和光学系统焦距的关系。对系统进行分析和测试表明,该系统在实现探测距离为75 km条件下,分辨率可达001°,方位误差可限定在004 mrad下。分析结果表明,该模型完全满足系统设计的需要,对后续的光学和机械伺服参数的确定具有重要意义。

根据红外焦平面静态地平仪的特点,并考虑地球模拟器(地模器)光学系统视场大、成像要求高等因素,在合理耗资的前提下设计了地模器的光机系统。通过分析地平仪的光学系统及工作原理,合理地选择了地模器的光学系统参数及机械结构,对地平仪和模拟器光学系统的匹配进行像质评价,并对机械结构做误差分析。结果显示,匹配后光学系统的RMS直径＜27 μm,小于探测器像元尺寸。机械结构误差为003°,高于地平仪的探测精度。这些结果表明,该地模器基本满足检测红外焦平面静态地平仪的要求。

为了更好地对闪光灯性能做出评价,设计了一种应用于闪光灯的光强检测系统。该系统以Labview为开发平台,不仅能检测一定时间内的闪光波形,还可以计算出闪光的峰值光强、有效光强和闪光时间。介绍了该系统的参数计算原理、硬件结构和Labview程序设计,针对数据采集过程中易丢失数据问题提出了有效的解决方法,并通过对Excel表格的控制完成数据的存储。检测结果表明,该系统操作简单,可检测闪光时间＞1 ms的任意闪光波形,连续采集时间最大达10 s,利用该系统能对闪光灯性能做出很好的评价。

针对星上定标系统对探测器信号处理的技术要求,采用高精度模数转换器件-VFC型A/D转换器AD650设计了一种从光电流转换为频率输出的高性能转换电路。以硅陷阱探测器为基础研制了标准探测器,介绍了标准探测器的组成及光学原理,说明了VFC型A/D转换电路的设计思想和实现方法。该电路利用积分原理,将输入电压(或电流)转换成频率输出,脉冲频率与输入电压(或电流)成比例,其精度高、线性度好,转换位数与速度可调,与CPU连线很少。对光谱辐亮度的探测实验表明,以此原理设计的电路其输出频率非线性误差为0.23%,非稳定性误差为0.020%/h,结果满足系统设计要求。

为了测量由于卫星姿态不稳定或振动等原因引起的空间相机亚像元像移,设计了基于联合变换相关器的像移测量试验系统,提出了像移测量方法。阐述了该测量方法的数学原理,给出了面阵CCD的安装位置以及输入图像序列的获取方法。根据相关参数确定了试验系统的傅里叶透镜结构和参数,最终设计了试验系统。应用线性插值和像元合并方法获得具有亚像元像移的输入图像。试验结果表明,像移测量的精度不随景物的内容而变化,测量得到的像移误差均方根值＜0.2 pixel。

为了制备高效紫外光学传感器件,采用真空蒸镀的方法,分别以4,4′,4″-三(3-甲基-苯基-苯胺基)-三苯胺 (m-MTDATA)为电子给体,羰基二吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]吩嗪Re(Ⅰ)为电子受体制成了有机光伏器件。 在紫外灯(365 nm,1.6 mW/cm2)从氧化铟锡膜(ITO)方向垂直照射下,器件的短路电流,开路电压,填充因子和功率转换效率分别为57.1 μA/cm2,0.86 V,0.39和1.2%。 研究结果表明,有机磷光发光材料Re-DPPz也具有良好的光伏性能。

针对大功率脉冲TEA CO₂激光器的放电腔在不同工作气压和不同配气比例条件下对激光器输出能量和电光转换效率均有较大影响,研究了充气压力从30 kPa到60 kPa,配气比例由CO₂∶N2＝1∶1到CO₂∶N2＝1∶4变化条件下,放电腔工作气压和配气比例对激光器输出能量和转换效率的影响。实验结果显示:当CO₂∶N2的配气比例为1∶3时,激光器输出的电光转换效率存在最佳点。在最佳配气比例CO₂∶N2∶He=3∶9∶28,总气压为40 kPa和注入激励电能保持不变的情况下,激光器单脉冲放电时的输出能量为24.6 J,电光转换效率达16.4％。在高频连续放电实验中,激光器的最高放电频率可达500 Hz并且连续稳定运行。实验数据表明,选择合适的放电腔工作气压和配气比例可以改变激光器的输出能量,提高激光器的电光转换效率。

大功率TEA CO₂激光系统工作时产生的强电磁干扰对激光系统内部及相关外部设备的电子系统具有很大的干扰和破坏作用。本文对大功率TEA CO₂激光系统的电磁干扰进行了分析计算,在此基础上对该系统进行了电磁兼容(EMC)的设计。硬件设计手段分别采用了对电磁干扰源和控制子系统进行屏蔽、系统合理布局与布线、滤波隔离;软件设计则采用了数据冗余纠错、冗余化操作和数据鉴别等抑噪和纠错技术,有效抑制了干扰电磁波在系统内外的传播,解决了大功率TEA CO₂激光系统的EMC问题。测试结果表明,EMC的设计,使电源线和温度传感器信号线中的干扰电压分别降低了26 dB和4 dB,干扰频谱最强处为96 dBμV/m,干扰场强满足GJB151A-97中RS103的要求。这些结果表明,改进后的激光系统有很高的可靠性。

为了提高大功率TEA CO₂ 激光器的工作性能,选用大功率旋转火花开关作为功率开关器件,制作了一种由高压谐振充电电路、高抗干扰的开关触发器、大功率旋转火花开关以及倒空式L-C反转电路等组成的脉冲激励电源。介绍了脉冲激励电源的设计方案,给出了电路工作原理,并对其在大功率TEA CO₂ 激光器的实际工作进行了测试和评估。结果表明,所研制的脉冲激励电源可以满足大功率TEA CO₂ 激光器的特殊工作要求,其重复工作频率可以在100-400 Hz任意设定,输出工作电压可达40-50 kV,电源平均功率＞220 kW,电源峰值功率高达1 000 MW。

研制了一种小型多功能CO₂激光器。该激光器可以单脉冲、重复频率或连续方式输出,并可实现输出脉冲频率的编码及波长调谐。激光器谐振腔采用光栅一级振荡,零级输出的工作方式,分别利用声光调Q技术和脉冲放电技术实现了百纳秒至亚毫秒量级的脉冲激光输出。介绍了该激光器中基于光学角反射器原理设计的光栅调谐定向输出装置,并对其进行了理论计算和论证,实现了不同波长激光的定向、定位输出,获得调谐激光输出谱线超过60条,谱线分辨率优于0.01 μm。激光器脉冲重复频率1 Hz-10 kHz连续可调,输出波长9.2-10.8 μm,激光器连续输出最大功率8 W,重复频率1 kHz时最小激光脉宽180 ns,峰值功率4 062 W。该激光器在激光与物质相互作用研究领域,特别是在激光对物质作用与破坏机理的研究方面具有重要的应用价值。

为在不降低传统稳腔高功率TEA CO₂激光器功率的基础上,改善其光束质量。本文基于原有的稳腔激光器,设计了3组望远镜虚共焦腔镜。给出了完整的设计过程并进行了理论分析,同时对不同组的非稳腔激光器进行了对比实验。结果表明,非稳腔能够在保证高单脉冲能量的基础上极大地改善激光器远场发散角,其中最佳腔镜组合能够获得单脉冲能量13.7 J,发散角1 mrad(稳腔为2.4 mrad),激光脉宽50 ns(稳腔为98 ns)。改进的设计方案为TEA CO₂激光器应用于激光制造领域奠定了基础。

介绍了TEA CO₂激光器大面积均匀场放电电极的设计以及实验结果。无限大平行平板电极两极间的电场分布是均匀的,要在有限的(电极)尺寸条件下实现电场的均匀性设计,即将设计问题转变为放电电极剖面形状的理论和工程计算问题。本文根据TEA CO₂激光器工作的实际情况,选择Chang氏理论作依据设计了均匀场放电电极。实验结果表明,使用该电极TEA CO₂激光器可在500 Hz高重复频率脉冲条件下连续工作10 min,并在55 mm放电电极宽和平坦部分为40 mm剖面的平行平板两个主放电极之间实现了大面积稳定的均匀场辉光放电,解决了主放电电极大面积放电易产生弧光放电影响TEA CO₂激光器长期稳定工作的问题。

旋转火花开关系统用于控制TEA CO₂激光器脉冲放电工作过程,是关系到激光器能否实现大面积均匀辉光放电的核心技术之一。介绍了一种旋转开关系统的设计、组成和工作原理,并对影响开关寿命的放电电极烧蚀问题进行了实验研究。研究结果表明,选择比热、密度和熔点高的电极材料可减少电极烧蚀。通过向电极间隙吹气以及采用高效的气体循环冷却系统等措施,可有效地提高旋转火花开关电极的使用寿命。应用结果显示,设计的旋转火花开关系统可在峰值电流300 kA,工作电压38 kV下以500 Hz重复频率工作,稳定脉冲放电工作寿命达到了107次,满足TEA CO₂激光器的工作寿命要求。