以配套于**系统的光电跟踪系统为基础, 论述了光电跟踪系统在论证与设计中应主要考虑的问题。从实际系统情况出发, 讨论了光电跟踪系统的传感器选择原则和“T型”与“U型”架式配置优缺点。分析了确定作用距离、跟踪精度、响应速度、工作范围等核心指标的主要因数, 确定了与核心指标相对应的光电跟踪系统内部的指标需相应考虑的因数, 提出了导引截获、轴系关系等与系统关联的技术因数等。

近年来Risley棱镜在**侦察领域得到越来越多的应用。介绍Risley棱镜的基本组成, 从数学模型上论证了Risley棱镜两种工作原理及其应用技术, 分析了工程实现的难点, 描述了国内外的工程应用情况, 国防科技大学研制的物理样机可实现10°光束偏转, 实验结果表明已初步实现了扫描成像和光束扫描功能。

为提高**火控静态性能指标的测试精度, 设计了火控性能参数静态测试系统, 用于对火炮炮身松动量、过渡过程品质、刚性、漂移速度及最大调炮速度等参数进行测试。通过相对测试的方法, 运用光学测量头拍摄炮口在坐标靶上的相对运动图像, 计算出相关参数。采用弹性胀套的连接方式, 实现了静态测量头的可靠安装及方便拆卸。结果表明: 在-30℃～+50℃环境温度下, 光学系统的MTF值可达0.6以上, 接近系统的衍射极限;当2ω=9.15°, f′＝50 mm时, 静态测角精度σ≤0.2 mil。安装夹具适应100 mm、105 mm、125 mm火炮的固联安装, 测试系统可对某型坦克炮管的相关指标进行实测, 也可广泛应用于高炮、装甲车辆、舰载火控系统、坦克等多种**装备。

根据设计要求计算了非共轴球面光学系统的初始结构, 选定泽尼克多项式为自由曲面面型, 利用正交泽尼克多项式与像差的关系, 调整曲面参数校正系统的像差, 运用CODE V进行系统优化。通过设计实例对比了直接优化和分步优化方法, 由对比结果可知, 分步优化更适用于自由曲面光学组件的设计。仿真结果表明: 系统在整个视场范围内, 点列斑直径小于27 μm, 网格畸变的最大值为-7.15%, 30 lp/mm处的MTF大于0.197。

针对装甲车辆稳瞄系统中存在摩擦力矩、参数漂移等非线性扰动因素造成系统性能下降的问题, 设计一种基于扩张状态观测器(ESO)的积分滑模控制策略。在基于状态变量的滑模面中引入了误差积分补偿项, 有利于降低系统的稳态误差, 同时突破了常规滑模控制中被跟踪信号的各阶导数均需已知的限制;利用ESO对系统内外扰动进行观测补偿, 减小了滑模控制所需要的切换增益, 削弱滑模控制容易出现的抖振现象。仿真及实验结果表明,跟踪精度保持在0.5％以内, 系统最大稳定误差小于0.1 mrad, 该控制策略能够很好地抑制各种非线性扰动因素的影响, 有效地改善系统的控制性能。

杂散光分析已经成为光学系统设计中必须考虑的关键因素之一。基于蒙特卡洛法, 利用TracePro软件进行建模仿真, 对多目标复合半实物仿真系统的杂散光进行了分析。仿真结果表明仿真系统的杂散光主要来自两方面: 一是扩束光束经主反射镜边缘反射的未复合光束;另一个是由于仿真系统关键元件自发辐射产生的杂散光。根据杂散光系数和元件制冷温度的关系得出: 当制冷温度为200 K时, 仿真系统的杂散光系数小于2%。分析结果对导弹的多目标复合半实物仿真系统的设计具有重要的指导意义。

为了获取目标和背景的偏振信息, 提高地面目标识别的准确度, 提出一种光谱偏振成像探测系统。该系统采用旋转偏振片的方式对入射光的偏振状态进行调制, 通过旋转滤光片进行光谱选择, 从而实现光谱偏振成像探测。通过对该系统偏振度的探测精度进行实验测试, 结果表明, 所设计的光谱偏振成像探测系统达到4%的探测精度。利用该系统对地物背景中的迷彩伪装板进行了探测实验, 分析所得的偏振度图像发现, 目标在背景中较为明显, 与草地及土壤背景区域偏振度的差值分别达到0.292和0.283。

设计了一种用来校准紫外与可见光光轴平行性的可调焦光学系统, 调焦范围为70 m~∞。针对目前大多数校准系统无法进行调焦的问题, 提出一种既能校准紫外与可见光光轴平行性又能对紫外部分进行调焦的方法。采用离轴卡塞格林系统作为初始结构进行设计, 通过在传统的卡塞格林系统中加入调焦组和补偿组来实现调焦以及像差补偿, 所设计的系统可以有效地解决紫外与可见光双光轴平行性失调的校准问题, 提高紫外与可见光双光轴平行性校准效率, 并且在不同视距下光学传递函数值及点列斑均接近衍射极限, 能量集中度达到90%, 整个视场的像质均匀, 像面清晰, 有利于后续的图像处理工作。

根据系统要求, 进行激光与中波红外复合制导光学系统设计。该系统红外工作波长为3 μm~5 μm, 激光工作波长为1.064 μm, 系统接收口径为250 mm, F数为1.4, 要求MTF在33 lp/mm时大于0.4, 光学透过率大于60%, 使用的红外焦平面阵列像元数为640像素×512像素, 像元尺寸为15 μm×15 μm。因为系统具有大孔径, 小F数的特点, 因此选择使用折反射式结构进行二次成像, 并进行消热差处理。

从白天天空背景、恒星光谱特性、星敏感器的构造特点3方面分析白天大气层内小视场轻型星敏感器对恒星探测的可行性。在此基础上, 采用光谱滤波、合理选择系统参数等方法, 研制了小视场轻型星敏感器, 并在高海拔地区进行了白天地面观星实验, 理论分析和实验结果表明: 小视场轻型星敏感器能够实现白天恒星的探测。在3 km海拔高度、大气能见度10 km、视场2°×1.5°、太阳规避角30°以外、天空晴朗无云的环境下, 可探测星等极限值达到3.8等。

为了利用绿色能源有效解决公路隧道进出口区段的“黑洞效应”和“白洞效应”, 在阳光输送机研究的基础上, 研制一种利用平行太阳光直接实现公路隧道进出口区段增强照明功能的新系统。该系统通过光路变换和反射等措施实现了在无光纤等传输介质条件下高效率、远距离的太阳光输送功能, 利用太阳光本身时有时无的性能缺陷改善了隧道增强照明系统亮度自适应隧道外光强的技术要求, 针对受光体位置固定不变的系统专门设计了极轴式自动跟踪系统, 保证了对太阳光的实时跟踪。实验结果证明, 该增强照明系统不但无须光导纤维或者导光管, 而且使得传输效率提高40%左右, 为隧道等白天也需要增强照明的地下工程直接利用太阳能开辟了一条新路。

利用多频外差原理推导四频光栅条纹相位解包裹过程, 同时, 为了减小相位解包裹误差, 提出一种相位校正的方法, 并分析了相位校正对匹配结果的影响;通过将校正后的绝对相位值作为匹配的依据, 利用极线对上基于相位的亚像素匹配方法;利用三维重建技术获取物体的三维点云数据。实验结果表明: 平面测量的匹配率提高了4.97%, 测量精度达到0.189 5 mm。

宽场相干断层成像技术(WFOCT)具有提高OCT系统的扫描速率和实现高分辨率的三维显微技术等优点, 成为当前研究的热点。本文阐述了WFOCT的基本原理, 利用八步移相法重建出玻璃物体微细结构的断层图像, 研究了宽场OCT系统对玻璃材料的纵向分辨率和探测深度, 其中探测深度可达3.3 mm。在获得多幅断层图像的基础上, 利用VC6.0和OpenGL混合编程, 采用移动立方体(MC)算法重建出玻璃物体微细结构的三维图像。实验结果表明, WFOCT系统不但能够在生物组织检测等医学方面得到应用, 而且对反射率较高的物体能够完成三维形貌显微成像探测和深度探测。

光学薄膜的光学特性与其每一膜层的厚度密切相关, 为了制备出符合要求的光学薄膜产品, 在制备过程中必须监控膜厚。光学薄膜实时监控精度决定了所镀制的光学薄膜的厚度精度。针对光电极值法极值点附近监控精度低、无法精确监控非规整膜系的缺陷, 提出了新的光学薄膜膜厚监控算法。该算法通过数学运算, 使得光学薄膜的光学厚度与透射率呈线性关系, 并且有效地消除光源波动、传输噪声等共模干扰的影响, 算法精度可控制在2%以内。

为实现图像水印在数据认证、访问控制和版权保护等领域发挥作用, 提出一种人眼视觉感知特性的小波变换数字图像水印算法。首先对二值图像水印进行Arnold变换, 并采用行堆叠的方法, 转换成一维序列,然后根据密钥生成的高斯序列中值的正负来确定水印信息嵌入时是采用那种调制方式,最后对原始图像进行3级DWT分解, 在小波图像的第二层中频子带中, 结合人眼视觉特性将水印正向或负向调制叠加在宿主图像大于JND 值的小波系数上。实验结果表明: 该算法能抵抗JPEG压缩、加噪、剪切等多种攻击, 具有良好的透明性, 鲁棒性和安全性。

非均匀发光光源、大视场角等因素会造成光学成像检测系统像面照度分布不均匀,进而导致检测效率下降。研究非均匀发光光源和大视场角对像面照度均匀性的影响程度,首先建立光源间距与受光面接收照度间的关系模型, 仿真分析不同LED间距对像面照度均匀性的影响,然后建立光学耦合系统的物面张角和像面照度间的关系模型, 仿真分析物面张角对像面照度均匀性的影响。实验结果表明: 在非均匀发光光源和大视场角的作用下, 检测系统会造成像面照度严重不均匀现象。研究结果为后续像面照度校正算法设计提供了理论依据。

搭建了一台基于蓝光LED的非相干宽带腔增强吸收光谱系统, 并将其应用于NO2分子的高灵敏度痕量探测研究。在3 s采样时间下, 系统探测灵敏度为3.2×10-9 cm-1(1 σ), 对应NO2的探测极限约为187 pmol/mol。利用Allan方差对系统最佳采样时间及系统稳定性进行分析, 当采样时间延长至30 s时, 系统的探测极限可提高至44 pmol/mol。将该系统应用于实际大气中NO2的连续测量, 其测量结果与商业化NOx分析仪(Thermo 42i)进行了比对测试。

介绍了纳米压痕测试技术的基础理论及纳米压痕法常用的Oliver -Pharr方法的计算原理。采用纳米压痕试验测得不同表面粗糙度的Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃样品的纳米硬度、弹性模量和载荷-位移曲线。结果表明样品表面粗糙度会降低纳米压痕测试结果的稳定性、准确性和可靠性: 样品表面粗糙度越小, 测得的纳米硬度和弹性模量值波动越小, 载荷-位移曲线重合性越高。随着最大载荷的增大, 测得的弹性模量逐渐减小, 其原因是压痕边缘材料发生了塑形变形。在超光滑表面样品(Ra=0.9 nm)上测得较为准确的Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃纳米硬度和弹性模量值分别为8.8 GPa和7.79 GPa。纳米压痕测试结果的重合度对于评价超光滑表面完整性研究具有指导意义。

针对常用电阻应变片法的点测结果不易反映构件表面应变场分布的问题, 将光弹性贴片方法应用于材料表面应变场测量。制作了光弹性贴片, 并标定光弹性贴片的材料条纹值, 通过几种典型形状光弹性贴片试件的加载实验掌握应力场分布的条纹图像判读方法。开展光弹性贴片在简支钢梁的应变场测量应用, 在薄弱点位置光弹性贴片法相比电阻应变片法应变值偏差在5%以内。对C30混凝土试块进行4.4 MPa～39.6 MPa的应力加载过程中, 有效监测到混凝土表面裂缝产生、稳定扩展及失稳破坏过程中的条纹图像变化过程。实验表明, 光弹性贴片方法可以直观可靠地测量金属及混凝土的表面应力场变化。

对于滚转角测量精度低并且难于测量的问题, 提出了一种基于准直光束光斑位置变化的高精度滚转角测量方法。当被测物转动时, CCD上2光斑位置随之改变, 2个光斑中心连线斜率亦改变。斜率变化由被测物俯仰、偏摆、滚转运动引起。在测量系统中基于自准直原理测量偏摆角和俯仰角, 运用相关的算法, 消除由偏摆和俯仰运动引起的滚转角误差, 从而实现滚转角的精确测量。同时运用Zemax建立系统仿真模型, 进行了滚转角的仿真实验测量。将仿真实验结果输入到滚转角解算模型中解算, 结果表明: 在0～1 800″范围内滚转角的解算值与Zemax的设定值完全一致, 由此验证了测量方法的可行性及正确性。

针对相机标定结果易受外界因素干扰的问题, 为了提高标定准确度, 利用已有的摄像机针孔成像模型, 采用自适应角点检测算法提取靶标图像中的特征点, 标定结果以重投影横纵像素误差的平均值作为性能指标, 对均匀光源的照度、标定图片数量以及标定靶标上棋盘格尺寸3个影响因子做了相应的分组对比实验。研究结果表明, 选择亮度高的光源提升标定准确度达到38%以上;特征点数目156个时, 仅需18张～22张标定图片;相对较小的棋盘格尺寸可以使得标定准确度提高50%。以上结果充分说明了光源、图片数量和棋盘格尺寸对于提高相机标定准确度具有重要意义。

表面抛光可能给K9基片带来额外的杂质和吸收, 分离K9基片的表面吸收率与体吸收率有助于改进基片的加工质量和抛光工艺, 对抗损伤能力研究具有重要意义。分析了激光量热法测量弱吸收的原理, 采用符合ISO 11551要求的激光量热计测量K9基片的弱吸收。对相同工艺抛光的不同厚度K9基片进行了弱吸收表征, 实验发现K9基片的弱吸收随着厚度增加近似线性增大。推导了表面吸收率和体吸收率的计算式, 实验得出本样品的表面吸收率为1.21×10-5, 体吸收率远大于表面吸收率, 体吸收系数为1.72×10-3/cm。实验结果显示所用K9样品的吸收主要来自于材料本身, 改善抛光工艺对降低其吸收率作用不大。

利用反射式光学系统宽光谱, 无色差, 纵向外形尺寸小等特点, 提出一种采用两镜系统为原型的五反光学系统, 实现了宽光谱(0.4 μm~12 μm)、长焦距(1.6 m)、小型化(总长≤85 mm)光学系统设计。2个反射面引入高次非球面, 经像差平衡设计, 像质达到使用要求。轴外视场激光能量经两镜五反系统聚焦后, 激励光谱转换靶使之发出可见光-长波红外光谱, 为光电装备的光轴调校提供模拟的无穷远目标。

在Vander Lugt 相关器中, 预先制作的匹配滤波器是系统能否得到较好的相关识别结果的关键。通常使用的迂回相位匹配滤波器编码法数据利用率不高, 相关效果有进一步改进的空间。对基于最小欧几里德距离的映射编码法进行了研究, 利用空间光调制器的振幅与相位调制特性进行滤波器编码, 通过仿真实验分析了匹配滤波函数幅度因子对相关结果的影响, 并与迂回相位编码法的相关结果进行了对比分析。从仿真结果可以看出: 匹配滤波函数幅度因子越大, 相关峰值越高;当幅度因子达到103时, 相关峰值达到最大值;此时, 映射编码法的相关峰值接近于迂回相位编码法的2倍。因此映射编码法比迂回相位编码法更有利于相关峰的判别。

为了实现单色线偏振光的退偏, 在Lyot型退偏器的基础上, 设计了一种新型退偏器。该器件由2个慢轴夹角为45°的1/4波片组成, 通过对透射光的叠加分析, 发现该退偏器可将任意振动方位角的线偏振光转化为强度稳定的圆偏振光, 并得到其退偏度表达式。针对633 nm波段, 精选2个1/4波片制作样品, 并测试其退偏度。测试结果表明: 对不同方位角的线偏振光, 退偏器退偏度超过94%, 当微调入射角时, 退偏度则达到97%以上。

采用Zemax软件设计出6镜片、数值孔径为0.06、2倍缩小、以405 nm半导体激光器为光源、分辨精度达5 μm、视场12 mm×12 mm 内波像差小于1/4波长、畸变小于0.005%的双远心投影光刻物镜的设计方法。将设计的物镜实物化, 并对其光学传递函数(MTF)作精确的实验测定, 利用所提出的MTF标准实验测量法, 得到该投影物镜的成像性能达亚10 μm线宽。

为减小机械补偿式连续变焦热像仪在变焦过程中的光轴漂移, 根据连续变焦原理, 对系统初始参数进行反复优化, 保证补偿组移动曲线的平滑度, 并将变倍组与补偿组的凸轮曲线设计为非线性变化曲线, 既保证了焦距变化的均匀性, 又减小了因凸轮转动引起的光轴漂移。利用多项式及三角函数拟合出了不同视场角下的光轴漂移曲线, 并利用动态软件补偿技术来弥补光轴漂移的系统误差。结果表明, 处理后的光轴漂移量可以控制在一个CCD像元尺寸左右, 且具有较强的鲁棒性, 对同类变焦镜头的设计及使用具有一定的参考价值。

针对红外偏振图像可以较好地抑制背景噪声, 对目标边缘信息比较敏感的特点, 提出一种基于小波变换的红外偏振融合算法, 它主要用于红外辐射强度图像和偏振度图像融合, 增加图像的信息量。首先采用小波变换对参与融合的每幅图像分别进行各尺度分解, 得到各尺度小波系数, 然后针对不同尺度小波系数, 采用邻域平均梯度为判据进行融合, 得到融合后的各尺度小波系数, 最后通过小波逆变换进行图像重构, 得到融合图像。融合前后的图像对比表明融合图像在保留辐射强度图像的清晰度的同时, 突出了目标的边缘、轮廓信息。相对于辐射强度图像, 融合图像的梯度均值提高了112%, 相对于偏振度图像, 融合图像的标准差提高了151%, 信息熵提高了38%。

针对目前红外搜索系统实用性较强的两点非均匀性校正存在难以实时跟踪图像非均匀的不足点, 提出一种新的基于两点非均匀性校正和基于场景的实时联合校正算法。该算法利用两点校正提供基础校正系数, 并充分利用红外搜索系统大数据量的特点, 对实时数据量进行统计、分析, 进而找出系统非均匀性随时间的漂移量, 解决只采用两点校正算法带来的红外图像退化的问题。多次试验证明, 采用联合非均匀校正算法的相对非均匀度由两点校正的5%降到了2%左右, 并具有时间稳定性, 获得了较好的校正效果。

鉴于单向环形腔是目前获得较大功率单纵模激光最有效的方式之一, 为使环形腔单向运行, 需要在环形腔内插入对正反2个方向的光产生损耗差的光学元件。采用激光二极管泵浦Nd∶YAG晶体, 用声光调制器作为光学二极管使环形腔单向运行, 实现四镜矩形环形腔单纵模激光器。实验中谐振腔的稳定性由增益介质的热透镜保证, 声光调制器给正反2个方向的光提供损耗差, 这使得在竞争过程中有较大损耗的光不能运行从而获得单向输出。实验获得了连续功率1 W、光束质量因子M2为1.21 的1.06 μm单纵模激光。

水下激光主动成像系统的探测能力不仅与探测系统自身参数有关, 还与水质等环境因素有关。为评估水质对水下激光成像系统探测能力的影响, 根据圆盘透明度成像模型, 研究了吸收系数、散射系数、漫射衰减系数等水体水质参数与圆盘透明度的关系, 给出了圆盘透明度与水下激光主动成像系统最大探测深度的表达式。实验表明, ICCD距离选通水下激光主动成像系统最大探测深度值与理论计算值相对误差小于20%。基于成像理论的圆盘透明度模型反映了水下激光成像系统探测能力与水体水质参数的关系, 可用圆盘透明深度来评估水下激光成像系统的探测能力。

针对基于“猫眼效应”的激光主动探测技术在光电对抗中的广泛应用, 建立了迎面观瞄光电装置光学系统反光指数数学模型, 并结合探测组件建立了探测距离数学模型, 模拟了反光指数与内部特性参数间的数值关系及探测距离与迎面观瞄光电装置主要参数间的数值关系。为了验证建立的数学模型的正确性, 利用研制的激光主动探测装置, 分别以2.5 mm、5.5 mm孔径角镜和25 mm、35 mm、56 mm孔径光电观瞄装置为目标, 进行了最大探测距离模拟和验证实验, 模拟值分别为1 290 m、1 656 m、866 m、1 919 m、1 226 m, 实验值分别达到1 100 m、1 500 m、800 m、1 800 m、1 200 m。结果表明: 最大探测距离模拟值和实验值有很好的一致性。

为了认识SiO2薄膜在激光辐照下的变化, 本文以K9玻璃为基底, 采用电子束热蒸发方法制备了SiO2薄膜, 并将此组在相同实验条件下制备的薄膜加以不同能量的激光辐照, 研究在激光辐照前后样片的透射率、折射率、消光系数、膜厚、表面形貌及激光损伤阈值(LIDT)的变化。结果表明, 样片膜厚随激光能量的增加而减小, 辐照激光能改善薄膜表面形貌, 并使样片LIDT值提高, 最终能使样片的LIDT值从16.96 J/cm2提高至18.8 J/cm2。

针对光纤通信中密集波分复用系统各信道的在线平坦光放大这一光通信问题,提出利用级联高非线性光纤来设计增益平坦的拉曼光纤放大器。对高非线性光纤(As-S光纤)拉曼增益谱前后沿进行线性拟合处理, 利用不同波长泵浦抽运同种光纤, 实现前放大后增益补偿, 并考虑信号光损耗不同, 在输出端得到了一个近似固定的功率输出值, 并分析了影响拉曼光纤放大器输出特性的因素。模拟结果表明: 平均增益为20.45 dB, 增益平坦度为0.15 dB。

分别从理论和实验上分析了光纤表面倏逝场强度的分布(z=10 nm, 100 nm, 500 nm,1 000 nm), 研究了微米级光纤光镊对微球的操纵。实验中把直径为125 μm的普通单模光纤拉制成锥腰直径为2 μm的锥形光纤。当光纤通光时, 在光纤锥区倏逝场的作用下, 直径3 μm的聚苯乙烯微球保持平衡状态, 并且光纤附近的微球被吸引到光纤表面, 以5.3 μm /s的速度沿着光束的传播方向运动。这个实验不仅实现了对微球的成功捕获, 而且验证了光纤光镊的力学作用。光纤光镊对微球的无接触、无损伤操纵, 将在生物传感领域有潜在的应用。