提出了线性双组联动型连续变焦光学系统的一种结构形式。该结构形式是对普通双组联动机械补偿式连续变焦光学系统的简化, 其变焦组和补偿组全部采用线性运动, 减去了控制变焦组曲线运动规律的变焦凸轮机构。在像面位移补偿过程中虽然会存在小量像面位移, 但只要像面位移量控制在允许范围内不影响系统成像质量, 给出了线性双组联动系统的具体设计原理和方法。

针对光栅尺具有断电位置复位、无累计误差、高精度优点, 在光学隔振平台上分别建立开放式和封闭式绝对光栅尺实验系统, 绝对光栅尺采用图像识别原理, 以气浮直线电机ArotechABL1500为参考对象, 使用激光干涉仪RENISHAW XL-80校核精度, 研究不同结构绝对光栅尺的误码特点及原因。通过对比实验及研究分析, 表明封闭式绝对尺相对于开放式绝对尺的误码率要高, 开放式绝对式光栅尺的误码率为3%, 封闭式绝对式光栅尺的误码率为8%。

为了在锗晶体光坯上制作出满足要求的码盘图案, 分别采用正性光刻胶和负性光刻胶, 先镀膜后照相和先照相后镀膜的工艺路线进行工艺实验, 并对实验结果进行分析, 得出结论: 用负性光刻胶按先照相后镀膜的工艺路线为锗晶体光码盘分划制作工艺的最佳方案。实验结果表明: 加工出的图案明暗对比度大、边缘不均匀性小于0.008 mm, 可实际应用于锗晶体上分划图案的制作。

飞机侦察系统性能判断是通过野外与实验室测试两种方式进行验证的。在实验室建立可见光靶源, 放置在二维转台上, 利用卤素灯、美军标靶源、光学系统模拟远距离目标, 在规定的技术指标的基础上, 设计出可见光靶源光学系统。通过光路设计、温度场分析, 计算出光路束散角, 设计出光阑孔, 分析温度变化对光学镜片的影响, 通过精密测微自准直仪检测, 所有形变量均为微米级, 验证了其光学设计的可靠性, 满足飞机侦察系统的测试要求。

针对定向红外对抗系统对中波红外激光器在激光波段、激光功率、激光束散角、激光重复频率以及调制波形等方面的具体要求, 通过对光泵半导体激光器、量子级联激光器和基于光学参量振荡的固体以及光纤激光器的技术特点与发展现状的分析比较, 和对双折射相位匹配与准相位匹配的特点和最新发展动态的梳理, 提出用高功率高光束质量的1 064 nm固体激光器或光纤激光器泵浦基于掺氧化镁的周期极化铌酸锂晶体(PPMgLN)的光学参量振荡器的中波红外激光器方案, 其波段转换效率可达到16%以上。

针对激光定向干扰系统要求对抗1 μm ~3 μm和3 μm ~5 μm 2种类型探测器, 需要输出相应2种波段激光, 通过高重频调Q技术和种子注入光放大技术, 获得高功率高光束质量1.06 μm光纤激光输出, 外置起偏器获得2束激光输出, 分别为泵浦周期极化钽酸锂和周期极化铌酸锂晶体, 实现高功率1 μm ~3 μm 和3 μm ~5 μm激光输出。在电源输入电流60 A, 调Q驱动频率50 kHz的条件下,获得最高功率7.5 W的2 μm激光和4.2 W的3.9 μm激光, 频率转换效率为39.5%。实验结果表明: 通过光纤激光器泵浦光参量振荡器, 可获得高功率1 μm ~3 μm和3 μm ~5 μm双波段激光输出。

针对异面腔零锁区激光陀螺深小孔系测量中准确性和稳定性差的问题, 分析了异面腔零锁区激光陀螺深小孔测量中误差产生的原因。建立了倾角误差对空间异面孔系投影角的影响方程, 发现空间异面孔系的倾角变化会改变投影角, 当倾角为16°时, 倾角误差会以30%的分量加权到投影角误差中, 并采用UG软件进行了仿真验证。采用最小二乘拟合的方法分析了影像测量仪的采点误差对角度的影响, 发现了增加测量点数由2点增加到10点, “超大”采点误差的影响会减少至原来的50%。该方法增加了零锁区激光陀螺测量的稳定性。

为了更有效地控制和调节激光器的温度与功率, 设计了一种基于STC11F08XE单片机控制的具有温控和功率控制功能的激光发生器驱动电路。通过使用ADN8830芯片的温度控制功能和ADN2830芯片的功率控制功能实现激光器的温度控制, 同时能够手动改变激光器的输出功率。实验结果表明, 该系统温度控制模块能够稳定控制激光器温度, 使目标温度误差低于±0.01 ℃, 波长可以在1 535.17 nm~1 563.24 nm之间变动。功率控制模块可实现手动控制, 激光器功率在0~10 dBm间变化, 误差在0~0.05 mW之间。

提出一种具有温度自校准功能的光纤折射率(RI)传感器, 传感头结构由2段很短的多模光纤(MMF)之间夹熔一段对折射率不敏感的光纤布拉格光栅(FBG)构成, 传感头总长度为14 mm, FBG可以为折射率测量提供良好的温度校准功能。实验结果证明, 该传感器的折射率灵敏度为126 nm。其干涉光谱共振波长的温度灵敏度为35.09 pm/℃, 用于温度校准的FBG的温度灵敏度为11.14 pm/℃。相比于普通的折射率传感器, 这种具有温度自校准功能的折射率传感器具有良好的实用前景。

根据土压力传感器与土介质的匹配原则, 设计了一种圆平膜片薄板挠曲型FBG土压力传感器。通过在圆膜片上设计一组对称的光栅固定柱, 有效避免了传感器在使用过程中产生谱峰分裂。同时, 利用光栅固定柱张角引起的应变效应, 大幅度地提高了传感器的压力灵敏度。理论分析了该结构的增敏机理并给出传感器灵敏度公式, 计算结果表明, 传感器的压力灵敏度可达1 374.3 pm/MPa。使用ANSYS建立薄板挠曲的有限元模型, 通过提取固定柱中心点处在光纤方向上的位移, 获得了有限元模型的压力灵敏度为1 360.8 pm/MPa。有限元分析和理论设计结果的相对误差为0.98%, 具有很高的一致度, 验证了理论设计和分析的正确性。

通过介绍人眼双目视觉的原理, 重点对双目大出瞳直径光学系统中会聚角和聚焦差的影响进行了分析, 剖析了其影响舒适性观察的因素和设计误区, 指出设计双目大出瞳直径光学系统时应考虑不同瞳距以及非零视度观察仪器的情况, 避免会聚角太大或为负值。会聚角应控制在(0~4)m-1(光焦度)范围内; 而聚焦差越小越好, 不应大于2 m-1。

鉴于相干光正交频分复用系统(CO-OFDM)易受非线性效应影响, 严重制约系统传输性能, 提出一种基于星座恢复的降低系统峰均值功率比(PAPR)的方法。对系统模型及作用机理进行分析, 仿真结果显示, 以10 Gbit/s的速率通过单模光纤传输720 km, 基于星座恢复的CO-OFDM系统Q值较无非线性抑制的CO-OFDM系统有3 dB提高; 另外, 系统最佳限幅比例系数受色度色散影响, 随着色散因子的增大, 星座恢复效果也逐渐减弱, 在传输240 km条件下, 色散因子为12 ps/nm·km较6 ps/nm·km, 限幅比例系数从0.9降低至0.8。

为了验证数字脉冲间隔调制(DPIM)在紫外光通信中应用的可行性, 设计了基于FPGA的DPIM调制和解调系统。调制过程在锁存器的控制下, 将串并转换后的数据输入比较器, 并与计数值相比较产生DPIM调制信号; 在解调端, 利用计数器检测相邻光脉冲间的空时隙数, 在锁存器的控制下, 恢复得到原始数据。以16-DPIM为例, 随机输入一组串行二进制数据, 经过调制系统得到了16-DPIM信号; 同样随机输入一个16-DPIM调制信号, 通过解调系统恢复得到了原始数据。并在此基础上提出了一种新型的双幅度、定长DPIM调制方式, 能更好地弥补DPIM符号长度不固定的缺陷。

结合实际需要设计了一种精度高、便携性好, 用于检测多光轴光学系统光轴间平行性的检测仪器。该仪器能够实现可见、红外与激光不同谱段任意两个光学成像系统间的光轴平行性检测。与同类其他仪器比较, 该仪器的特点是光学系统结构均采用全反射设计, 避免使用红外光学玻璃, 在设计中减小和去除了影响仪器精度的一些因素, 例如: 去除了平面镜2个表面楔角α的影响。仪器的主体采用完全对称的结构和积木式的组装方式, 保证了仪器经温度循环实验和振动试验后检测精度优于5″, 满足使用要求。

根据微光像增强器成像特性, 设计了微光全景光学系统, 采用反射式前组与透射式后组结构。重点阐述反射式前组的设计方法, 并据此设计优化得到了性能优良的成像系统。该系统有效焦距2.43 mm, 工作波段0.4 μm～0.9 μm, 有效工作F数1.5, 水平视场360°, 垂直视场30°～100°。设计结果表明, 系统全视场f-θ畸变小于6%, 调制传递函数在24 lp/mm处大于0.3, 系统指标满足成像要求。

为了实现对近红外荧光的高分辨率扫描, 设计了工作在近红外光谱区的激光共聚焦光学系统。采用结构简单的凹凸双透镜物镜实现了照明光路和发射光路的设计, 并采用Zemax软件进行了光学设计和仿真。实验表明: 照明光路的聚焦弥散斑小于1 μm, 照明针孔处的聚焦光斑小于40 μm, 满足照明针孔的尺寸要求; 发射针孔处的聚焦光斑小于10 μm, 满足探测针孔尺寸要求; 同时照明光路和发射光路的MTF曲线的截止频率都分别满足其衍射极限分辨率的要求, 照明光路在全视场空间分辨率420 lp/mm处MTF>0.08, 发射光路在全视场空间频率400 lp/mm处MTF>0.07。

为了降低飞行器倾斜成像工作过程中视轴角误差对TDICCD空间相机成像质量的影响, 提出满足相机成像质量的视轴角范围及控制误差的要求。根据空间相机成像机理, 给出了焦面像移速度以及由视轴角误差引起的像移速度匹配误差计算公式, 分析了视轴角对地面像元分辨力的影响。并以调制传递函数(MTF)为约束条件给出了不同积分级数下视轴角的范围。通过实际工程参数计算得出, 当视轴角控制误差为0.8°时, 满足96级TDICCD成像质量要求的视轴角应不大于12.75°; 若要满足96级TDICCD倾斜成像时视轴角达到25°, 则视轴角控制误差应优于0.4°。

为了在±15°视场角范围内获得工作谱段范围在400 nm~ 900 nm声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪系统的二维空间信息以及一维光谱信息, 设计了一种应用于AOTF 成像光谱仪的光学系统。介绍AOTF的工作原理, 根据AOTF 成像光谱仪总体方案, 对前置系统及后置成像系统进行了设计。设计中前置系统采用倒置的伽利略望远镜结构, 后置成像系统采用改进的库克三片式结构。最终完成了一个焦距为19.311 mm, F数为12.3, 在34 lp/mm 的空间频率下各视场调制传递函数( MTF) 均值大于0.5的光学系统。

基于全息光学理论分析了全息光学元件的高斯成像性质, 包括光焦度、成像位置、衍射效率以及作为光纤光谱仪光栅元件的可行性, 并以全息光栅的成像理论以及光谱仪工作原理为基础, 设计了光谱仪器光学系统的各个参数, 通过Zemax软件的仿真、像质评价及优化, 得出最终的参数和模拟结果。所使用的全息光栅记录波长为575 nm, 记录光束之间的夹角为10°, 一束为平面波, 一束为球面波, 焦距40 mm,使用+1级衍射光, 光栅孔径为10 mm。光谱仪的工作波长范围为400 nm～800 nm, 体积140 mm*30 mm*40 mm, 谱面展宽29.1 mm。通过在光学平台上搭建光路, 利用已研发完成的电路系统及光谱仪软件, 针对汞灯光谱进行了试验, 光谱分辨率优于8 nm, 测量得到的汞灯光谱与标准汞灯光谱一致, 表明了所设计的基于全息元件的光纤光谱仪光学系统是可行的。

传统的Mean Shift算法采用巴氏系数度量模型与候选模型之间的统计特征相似性, 但是由于背景特征的影响, 有时应用巴氏指标进行匹配得到最优解的位置并不一定是目标的实际位置, 在跟踪过程中可能导致目标定位出现偏差。该文提出一种改进的巴氏系数相似度指标, 指标由于引入了前景/背景置信值, 能够有效抑制待匹配区域中背景特征的影响, 突出目标特征的权重, 与原始的巴氏指标相比, 明显提高了目标匹配的准确性。基于改进的巴氏指标, 对目标与背景区域双模型相似度系数进行综合分析, 合理地判断干扰目标匹配的原因, 从而采取相应的模型更新策略。采用4段具有挑战性的视频序列对5种跟踪算法进行了测试, 通过定量实验分析可知, 文中算法处理1帧视频所需的平均时间为75.76 ms, 实时性仅次于原始的Mean Shift跟踪算法, 同时跟踪误差在5种跟踪算法中取得了最优结果。实验结果表明, 该算法能够有效抑制背景干扰和避免模型漂移, 在不同的复杂场景下都具有一定的鲁棒性。

在诸多图像质量评价方法中, 结构相似度(SSIM)算法简单高效, 准确性较高, 但SSIM模型不能很好地评价存在局部失真和交叉失真类型的图像。针对SSIM算法对图像不同区域平等对待的不足并考虑了时域人眼视觉特性, 提出一种改进的基于区域对比度和结构相似度(RCSSIM)的图像质量评价方法。该算法将图像区域灰度信息对比度与SSIM算法融合, 加权归一为参考图像与失真图像的对比度结构相似度值, 以其评价图像质量。在LIVE图像数据库上的实验结果表明, 与SSIM算法相比, RCSSIM评价结果的皮尔逊线性相关系数提高约0.015, 均方根误差减小约0.55, 更接近于人眼主观测试结果, 具有更好的评价性能。

在传统的双随机相位光学加密系统的基础上, 提出一种新的单强度记录光学加密技术。在加密时, 将原始图像置于4-f系统的输入平面上进行双随机相位光学加密, 利用CCD等感光器件记录输出平面上的光强分布作为密文, 该光学加密过程只需一次曝光, 在解密时, 利用相位恢复算法进行迭代计算就可以由密文恢复原始图像。由于解密过程采用数字方式, 因此可以在解密过程中引入各种数字图像处理技术来抑制散斑噪声, 进一步改善解密图像质量。通过一系列仿真实验, 证明该光学加密系统可以实现对二值图像和灰度图像的光学加密, 并且能够很好地抵御“已知明文攻击”、“选择明文攻击”等方法的攻击。理论分析和计算机仿真表明, 该光学加密技术系统结构简单, 实现方便, 并且不易受到各种攻击, 安全性较高。

针对补强片自动贴片系统的手眼标定问题, 为了消除相机安装的垂直度偏差带来的误差, 提出了一种新的手眼标定方法。使用标定板得到相机的外参数, 将外参数与常规的二维标定模型相结合, 从而间接计算出相机坐标系与机器人基础坐标系的齐次坐标转换矩阵, 使手眼标定模型扩展为三维。三维模型的标定计算误差小于0.1 μm, 相比二维模型降低了1个数量级, 有效提高了标定计算精度。利用厚度较小的菲林修正齐次坐标变换矩阵的Z方向分量, 系统具有较高的定位精度, 手眼标定的误差绝对值小于0.015 mm, 有效减小了误差均值, 设备性能得到大幅提高。该方法在系统可控自由度有限的情况下, 能够得到手眼标定问题的唯一解, 提出的三维模型中包括了相机的完整姿态信息, 相比常规的标定方法没有相机安装等额外的限制条件, 能有效提高系统的手眼标定精度。

针对光电跟踪系统稳定精度测试需求, 提出一种稳定精度动态测试方法。该方法基于光学自准直原理, 采用面阵CCD探测器, 结合图像求取质心算法, 实现被测系统的动态测试, 通过该装置获得了稳定精度测试结果。结果表明: 测试50 μrad级两轴两框架系统动态稳定精度, 通过该测试方法测出其稳定精度最大为48 μrad。

基于多样品多型号仪器的测试信息及其GUM和MCM方法, 讨论了四步干涉法测量红外光学材料折射率均匀性的测量范围及其测量不确定度评定。红外干涉测量的绝对灵敏度和准确度虽不及可见激光干涉仪, 但采用了四步干涉测量的方法, 消除了干涉仪的固有系统误差, 有利于实现对红外光学材料折射率均匀性的高准确度测量。实际测试表明, 该测量范围覆盖1×10-5～5×10-3, 测量相对标准不确定度为2×10-1～2×10-2。

针对自行高炮伺服系统发生故障、应急方式工作时存在反应速度慢、对准精度低、提前量误差大的问题, 提出采用动态观瞄装置产生含有光标的视频信号, 通过实时接收并解算目标或火炮提前量数据, 控制视频信号中光标的动态位置。该视频信号经微显示器显示并被投影到瞄准镜分划面上, 使动态光标出现在瞄准镜视场中, 应急工作时引导炮长手动使瞄准线和火炮快速调转、跟踪、迅速到达提前位置, 从而减轻操作难度, 提高调转速度, 提高命中概率。该装置随某型自行高炮试验, 实现预定功能、达到预定效果。

采用双面抛光的锗片为基底, 镀制中波减反射膜, 在湿热环境中分别持续24 h、2×24 h、3×24 h、4×24 h、5×24 h、…、 12×24 h之后, 研究了湿热环境对Ge基中波减反射膜的光学特性、牢固性等可靠性的影响。实验结果表明: 在现有工艺条件下, 所镀制的Ge基中波减反射膜经不同时间的湿热环境之后, 透过率逐渐变低, 并出现CO2和H2O的特征吸收峰, 吸收峰是减反射膜长时间持续在湿热环境下CO2和H2O含量增大所致; 湿热环境10×24 h后, 边缘膜层开始出现脱落现象, 12×24 h后, 膜层平均透过率低于85%。

研究并制作了以钇铝石榴石(YAG)透明陶瓷为基底材料的衍射光栅元件。通过磁控溅射技术在YAG透明陶瓷表面溅射一层均匀致密的金属铬, 获得带有硬掩模的陶瓷样品。借助接触式曝光系统进行光刻, 反复试验, 获得带有衍射光栅的YAG透明陶瓷样品。经光学轮廓仪检测, 样品铬膜厚0.072 μm, 光栅细节得到完好保留。实际光栅的衍射图样再次验证了以YAG透明陶瓷代替传统微光刻基底材料制作衍射光栅的可行性, 使得衍射光栅在更为复杂的环境下发挥作用成为可能。