综述了国外舰载直升机的发展历程及现状,重点阐述了光电系统在美海军“直升机作战概念”中的战术作用及作战任务.针对美军舰载直升机未来的主战光电系统多光谱目标成像系统,从传感器、视场、图像处理、协同作战等方面分析了舰载直升机光电系统的技术现状与发展趋势,传感器分辨率达到1 280像素×720像素,视场从大于40°覆盖至小于1°;采用共光路及二级稳定,稳定精度小于5 μrad;集成图像增强、融合和拼接功能后图像延迟小于1帧;地理定位精度提高至5 m(80 km目标).最后探讨了舰载直升机光电系统的发展重点与关键技术.

机械传动空回主要由传动系统间隙、传动链弹性变形以及机械构件受载变形等因素产生,对伺服系统的控制精度和稳定性等具有较大影响.分析了机械传动空回的数学模型,建立了考虑传动空回的伺服系统框图,并通过典型仿真实例,深入分析机械传动空回建模及其对伺服性能的影响.分析结果表明,传动空回对伺服性能的影响主要体现在2个方面:一是引起相位滞后,影响系统的稳定性;二是引起极限环振荡,产生自振静态误差.

针对运动目标空间定位问题,将立体视觉技术与单视频序列下的运动目标检测相结合,设计了一种目标空间运动分析系统,实现目标的空间定位,扩展了单视频序列运动目标检测课题的应用范围.针对从单目向多目过渡过程中面临的问题,从硬件上提出了相应的解决方案,将立体镜头与高速相机相结合,克服了芯片一致性、相机同步、运动拖影等影响.由于立体像对源于同一帧图像,所以可以直接使用传统单序列运动目标检测方法获取运动掩模.使用该空间运动分析系统在光照充足的室外条件下进行单一目标的自由落体和斜坡运动2组实验,实验结果表明:该系统运行稳定,实现了运动目标的空间位置分析功能,1 m范围内,定位绝对误差小于0.01 m.

为了明确近红外成像光学系统对杂散光的抑制能力,设计了一个光谱为0.75 μm ~1 μm,焦距12.002 mm,F/1.8,视场15°×15°的光学系统,其结构为改进型的双高斯结构.实验结果表明:设计的光学系统的各视场光斑在艾瑞斑内,焦移量最大为4.9 μm,球差约为1 μm,垂轴像差最大为3 μm,MTF接近衍射极限.对设计的光学系统进行了杂散光评估和杂散光抑制,得到了杂散光抑制前后的点源透射比.分析结果表明:与未加遮光罩相比,加入遮光罩的光学系统PST值下降了76.6%~87.5%.

数字剪切散斑干涉技术在工业无损检测领域有广阔的应用前景,传统的迈克尔逊型数字剪切散斑干涉仪由于结构的限制,视场角很小,这限制了其在工程上的应用.介绍一种新型的大视角剪切散斑干涉系统,通过在成像镜头和CCD传感器之间嵌入4f光学系统来扩大其视场角,并实现镜头的外置.理论分析证明,视场角不再受到迈克尔逊结构的限制,仅仅取决于镜头的焦距和CCD传感器的靶面尺寸.设计并组建了一个大视场角迈克尔逊剪切散斑干涉系统,对比实验表明,在短的工作距离下实现了大视场的全场检测,在1 m的测距下,新系统测量面积可达800 mm×600 mm,而传统的系统测量面积只有250 mm×200 mm.

为提高数字高速多幅相机的像面照度,简化光学系统结构,提出一种离轴光学系统设计方法.该系统使用多组相同物镜,采用圆心一组,圆周均匀分布多组的方式平行阵列排布.分布于圆周上的物镜,其像面接收器相对物镜轴心平移离轴,以获得与圆心物镜相同的物面图像.分析了单物镜像面照度、畸变等与视场有关参数对光学系统各像面匹配的影响.在此基础上给出一个5通道离轴光学系统设计实例,系统空间分辨率优于30 lp/mm,畸变小于0.1%,F数2.0.相比目前广泛采用的棱锥、棱镜分幅方式,该离轴光学系统像面照度增加5倍以上,系统结构简易.

在机器视觉系统中,镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上.针对生产过程中机器视觉系统在保持工作距离不变的情况下需获得不同的放大倍数,采用机械补偿形式,利用Zemax软件设计了一款可用于机器视觉的可见光多焦点变焦物镜系统.该系统工作距离可以在290 mm～340 mm范围内变化,实现了焦距从10 mm～100 mm的10倍多焦点变焦.设计结果表明:该变焦物镜最大畸变小于1%,最大兼容0.84 cm(1/3英寸)CCD图像传感器.用调制传递函数对系统的成像性能进行评估,该系统在空间频率100 lp/mm处调制传递函数大于0.3,满足成像要求.

采用PECVD技术在BK7玻璃基底上沉积了不同厚度的单层SiO2(折射率为1.46)和SiNx(折射率为1.84)光学薄膜,并对这2种膜层进行抗激光损伤阈值(LIDT)测试,分析讨论了PECVD技术制备的单层光学薄膜与抗激光损伤特性之间的关系.实验结果表明:PECVD技术制备的单层SiO2薄膜有较高的LIDT,薄膜光学厚度在λo/4~λo/2之间时,在光学厚度为350 nm时,LIDT有最小值21.7 J/cm2,光学厚度为433 nm时,LIDT有最大值27.9 J/cm2.SiNx薄膜的LIDT随着光学厚度增加而减小,在光学厚度为λo/4时,LIDT有最大值29.3 J/cm2,光学厚度为λo/2时,LIDT有最小值4.9 J/cm2.

为扩大重点区域防御的侦察范围及对来袭目标的定位,在双单元交互测量定位算法的基础上,利用相邻阵列单元接力测量,由中心处理单元完成被动测距、坐标转换与数据融合,提出了一种基于阵列式光电侦察系统对空目标定位算法,建立m×n光电侦察阵列对空目标定位算法数学模型.通过MATLAB完成了2×2阵列单元对单目标定位仿真验证与误差分析.结果表明,该算法实时输出了目标三维航迹数据,实现了光电侦察阵列对空目标的定位,与理论真值相比,平均定位误差绝对值小于7 m.

偏振成像探测能反映出传统光学成像所无法反映的物体的信息,为了克服计算偏振参量图像丢失细节信息的不足,在已有偏振图像融合方法的基础上,提出一种基于综合图像特征的融合方法.相较于已有算法突出图像的某一方面特征,该算法提取图像的灰度特征、纹理特征和形状特征,据此确定融合权值,对图像进行融合,能够较好地反映目标的细节信息,融合后的图像相较于普通光强图像,方差、信息熵分别提高了12.6%、17.5%,平均梯度从0.59提高到1.83.针对该方法用到的特征维数较高的问题,提供了一种简化算法,耗时从30′54″降至13′37″.

光照均匀性问题是太阳模拟器照明系统的主要问题.针对目前卤素灯作为光源进行灯阵光照均匀性的阵列设计多采用理论计算的方法,复杂繁琐,不易施行的缺点,将数值优化方法应用于卤素灯阵列结构设计中,与单一的算法不同,模拟退火算法与粒子群算法相结合的方式,突破了单一算法的局限性,得到的结果更加良好,均匀性更佳.通过编程优化灯阵中每个灯的坐标,将最优结果导入光学仿真软件进行照度分析,实验数据显示,3种灯阵下的光照均匀度分别为91%、87%和91%,同等条件下的六边形灯阵的光照均匀度要比圆形的均匀度好,采用最优化方法,可使实验更加简单可行.

针对空中飞行目标姿态测量问题,提出一种新的光学测姿实现方法,对光学多站测姿实施复杂、单站测姿成像要求高等问题进行改进.该方法充分利用了目标飞行连续影像信息和相应的外弹道位置数据,首先通过目标位置数据确定目标轴线向量起点,根据轴线向量终点的约束方程确定向量终点;然后通过偏航角、俯仰角与轴线向量起点、终点的关系,解算目标姿态角;最后通过姿态连续变化的先验信息,确定解算结果的唯一值.仿真计算和精度分析表明,可实现测姿误差总体小于1°,表明提出的方法兼顾了便捷性和测量精度,具有较高工程应用价值.

利用标量衍射的角谱理论,研究了基于两幅光强分布的相位恢复算法,并将此算法应用到光波的波前及光学元件面形的检测中.实验研究了球面光波波前的相位恢复及面形检测,给出了恢复波前与理想波前之间的偏差,采用求Zernike系数的广义逆矩阵的方法,用程序实现了光学元件面形的Zernike拟合.

攻角是指飞行中弹丸的轴线与其质心运动方向的夹角,是描述弹丸飞行姿态的重要参数,以往都是采用狭缝相机来进行测量.提出了一种基于高速面阵像机测量弹丸攻角的方法.该方法是从面阵序列图像每帧中提取出固定列像元,然后按时序拼接形成一幅图像,等同于线阵扫描的图像;对于扫描速度同影像运动速度不同步时,建立了攻角计算修正模型.采用2台像机从非正交方向进行拍摄,基于面面交会原理,得到三维攻角.实测结果表明:该方法能完成弹速达到1 000 m/s的目标测试,攻角测量精度优于0.1°.

为了准确、客观地评价可见光光电成像系统整机性能参数,研制了可见光光电成像系统整机综合参数校准装置.装置由积分球光源系统、标准测试卡、光学准直系统、支撑调整台、视频数据采集模块和综合处理软件等几部分组成,主要完成系统分辨力、调制传递函数(MTF)、对比度、噪声功率谱、噪声等效亮度、灵敏度等性能参数的测量.针对某型号可见光电视产品,验证了装置的有效性,给出了综合参数的测量结果,其截止频率为39.4 mm-1,对比度为76.5％,均方根噪声电压为2.14 mV,噪声等效亮度(NEL)为0.045 5 cd/m2,信号传递函数对应的灵敏度为47 mV·(cd/m2)-1.最后,分别采用照度计和标准视频发生器对装置进行了标定,其积分球光源出口亮度和信号采集系统输出电压最大相对测量误差分别为-2.3％及1％.

为了对光纤阵列测量的高精度显微模板进行精密检测,采用双频激光干涉仪结合显微视觉系统,通过骨架化、腐蚀法、质心法等算法对显微图像进行计算处理,实现模板特征刻线的提取与精确定位.对模板上8条刻度线之间的间距分别进行重复测量和组合测量,实验结果表明重复测量的标准偏差不大于0.07 μm,组合测量的标准偏差不大于0.04 μm.介绍了测量系统构成与工作原理,并对测量过程进行了精度分析,分析结果表明测量过程的极限误差不大于0.10 μm.

采用美国军用标准MIL-PRF-13830B(简称美标)对光学元件表面疵病进行数字化评价,其难点主要在于美标中表面疵病密集度的判定.针对该难点,提出了一种表面疵病密集度判定算法.该算法采用权重域叠加的方法,通过为表面疵病赋予相应的权重域来确定疵病密集圆域,并将权重域间的叠加转换成了矩阵间位置关系的判断和计算,有效的利用了矩阵运算的便利性.实验中通过对已知表面疵病信息的石英标准板进行判定,其得到的圆域即为疪病密集圆域,与预期结果一致,验证了该算法的正确性.目前该算法已经运用于光学车间精密光学元件表面疵病的美标数字化评价.

为了准确评估红外材料和涂层的隐身性能,研制了一套IRS400型材料发射率测试装置,主要用于温度范围(50～400)℃,光谱范围(3～5)μm和(8～12)μm的固体不透明材料和涂层定向发射率测量.给出IRS400型材料发射率测试装置的技术指标,阐述其工作原理,IRS400的光学系统采用全反射式设计,探测器选用钽酸锂热释电探测器,采用“50 ℃～1 000 ℃黑体辐射源标准装置”对黑体发射率εB(λ1,λ2)进行标定.通过解决标定和环境温度补偿等关键技术,确保发射率测量不确定度小于2%(k=2).

采用小口径高精度折射式光学系统的对地观测遥感器对成像质量要求严格,随之对装调公差要求苛刻.传统装调公差分配完全以光学设计给定公差为标准,在实际装调过程中与精度和周期的需求产生矛盾.提出将光学设计和装调实践相结合,用全过程仿真计算进行成像质量预估,对公差进行再分配,并利用光学系统各分离误差相互间的补偿,实时调整公差.然后举例说明在某小口径高精度折射式光学系统装调过程中对公差的具体分析,并详细阐述了针对公差的再分配和补偿方法,实现对偏心误差的控制精度为2″,对镜间距的控制精度为1 μm.镜头装调完成后成像性能良好,证明公差分配及控制方法的改进使装调效率显著提高.

固体激光器中,激光晶体的加工工艺会对输出光整体质量产生影响,针对圆棒晶体球形端面球心位置偏离中心轴的缺陷,提出一种晶体端面球心位置测量方法.通过理论分析测试光路传输矩阵,求解球形端面反射光的位置与角度关系,得到圆棒晶体球形端面球心位置与入射光高度及球形端面反射光斑位置间的关系.实验获得测试光在晶体端面不同入射高度时光阑上球形端面反射光斑距离通光孔的距离,计算球形端面球心位置与中心轴的偏离量.对两种规格4根晶体进行测量,2根3晶体与中心轴的垂直距离分别为2.55 mm、1.1 mm,2根4晶体与中心轴的垂直距离为3.25 mm、0.9 mm,分析了晶体球形端面球心位置工艺误差产生的原因.

通过对光栅尺原理的研究,设计一种宏微复合切换测量模式,利用增量码进行低精度测量,绝对码进行高精度测量.采用增量方式采集莫尔条纹的高速性,解决高精度绝对位置采集的低速性,实现宏微复合的高速与高精度的测量.实验证明,高精度低速绝对位置测量过程中测量精度可达0.6 μm,在测量中使用新型高速与低速的变速切换测量方式,综合测量速度最高可以达到2 m/s.

针对光学元件使用过程中中频误差将导致光学元件的激光破坏这一问题,提出一种中频误差突出频率提取方法.采用基于统计学的多样本数据处理,对于每一种采样方向都可以得到数个较为突出的不合格频率.利用这些频率进行确定性加工后,在特定方向,空间频率0.044 1 mm-1,0.085 8 mm-1,0.041 7 mm-1所出现的不合格次数分别降至加工前的23.9%,18.3%,29.2%,而整体中频误差减少至50.1%.结果表明,此方法降低了由光学表面中频误差方向性与局部性引起的不确定性.

为了验证偏振激光辅助照明ICCD探测目标的可行性,I以偏振成像探测原理为基础,提出一套基于偏振激光辅助照明的ICCD探测系统.该系统采用808 nm人眼不可见偏振激光辅助照明,ICCD对后向散射激光进行检偏和光电信息转换,实现背景中目标的偏振成像探测.通过在野外环境中对该系统的探测能力进行实验测试,结果表明,在0°、45°和90°检偏角下,人造金属涂漆目标对照射偏振激光退偏小于10%;绿色背景对照射偏振激光退偏度约50%;沙土地面退偏度约30%,人造金属涂漆目标相对于自然背景随检偏角增大图像对比度也越大.

对基于非准直外腔的单频激光高阶回馈现象及产生机理进行了研究,获得了调制幅度不均匀的高分辨率多重高阶回馈条纹,分析了多重高阶回馈条纹的特点及产生机制.提出采用基于光路阻挡的实验方法,在回馈镜反射率大于90%的强回馈中,发现了单重高阶回馈效应,获得了调制幅度均匀、无大包络的高分辨率单重高阶回馈条纹,其分辨率达到λ/10,而且还有进一步提高的潜力.单重高阶回馈条纹不但具有多重高阶回馈时高分辨率的优点,还具有传统弱回馈时调制幅度均匀、类正弦等特性,对进一步研制高精度回馈测量系统具有重要意义.

变形镜能够实时校正波前相位畸变,减弱大气湍流的影响,是自适应光学系统的核心器件.单驱动器变形镜通过1个驱动器产生1个模式,恢复波前相位.利用有限元软件,研究了单驱动器变形镜对低阶像差的补偿能力.仿真结果表明,单驱动器变形镜可以对离焦、像散及彗差进行有效补偿,通过控制驱动器的位移,分别实现了对PV值为5 μm的离焦、像散和慧差的补偿,补偿后的残差PV值分别为1.5 μm、1.6 μm和1.2 μm,残差的RMS值分别为0.99 μm、0.63 μm和0.59 μm.

激光弱吸收是导致光学薄膜损伤的重要原因.在(5～43)mPa的氧分压下制备并测试了一组HfO2薄膜.实验发现,当氧分压小于20 mPa时,薄膜弱吸收越大,损伤阈值越低;当氧分压大于20 mPa时,薄膜的损伤阈值与弱吸收并不一一对应,具有较高弱吸收的薄膜可能同时具有较高的损伤阈值.建立了缺陷模型,采用有限元法模拟了缺陷对弱吸收测量和损伤阈值测量的影响,分析了缺陷尺寸、密度、吸收系数对弱吸收和损伤阈值的影响.研究结果显示,吸收系数高于薄膜1 000倍的缺陷可以降低薄膜的损伤阈值1 000倍,却并不影响薄膜的弱吸收.缺陷对HfO2薄膜的激光弱吸收与损伤阈值测试有完全不同的影响,是导致某些薄膜弱吸收与损伤阈值背离的原因.

为了提高现行船舶号灯在复杂光环境中的可识别性,更好地保障船舶夜航安全,运用色度学及半导体激光器的发光原理,设计了一种新型船舶号灯.选取长度大于等于50 m的机动船的右舷灯和桅灯为实验对象,在三维实体建模软件(Lighttools)环境下建立右舷灯和桅灯的实体模型,并对这2种号灯的半导体激光器光谱区波长、光谱权重、功率、光线数量、光线追迹阈值等参数进行设置,模拟了不同接收距离处灯光的颜色属性.模拟结果表明:半导体激光号灯右舷灯颜色刺激纯度为1;半导体激光号灯中桅灯光色的色品坐标与参考白光(色品坐标为(1/3,1/3))接近,二者均符合《国际海上避碰规则》对号灯颜色属性的要求.

为研究光纤探针应用于炸药爆速测试的可行性及其在冲击作用下的响应特性,开展了梯黑铝(THL)炸药和混合B炸药爆轰实验、冲击作用下光纤响应实验.分别采用直径Φ0.063 5 mm、前端带聚光准直凸透镜的玻璃光纤探针和直径Φ1 mm、前端不带聚光准直凸透镜的塑料光纤探针,测定爆轰过程化学反应阵面传播速度.结果表明:两者都能够准确测定约7 000 m/s的炸药爆轰速度,测量不确定度≤2%.另外,采用直径Φ1 mm、前端不带聚光准直凸透镜的塑料光纤探针,记录强冲击波作用下光纤响应信号,验证了强冲击产生的高压高温作用下的“黑体辐射”现象.因此,光纤探针能够准确测定炸药爆轰速度,且在冲击作用下出现“色温”现象,即黑体“辐射现象”.

为了抑制偏振态漂移带来的功率变化给传输稳定度造成的影响,设计了一种能够快速补偿偏振变化的频率传输系统.该系统将锁模光作为光源,结合PID控制器反馈调节的原理,利用光功率放大器(EDFA)、起偏器、可变光功率衰减器(VOA)和单片机实现.实验结果表明:该系统能够有效抑制偏振态随着环境改变而发生的漂移,经过10 km传输之后的输出光功率稳定度达到1×10-5,与自由漂相比提高了200倍.将整个系统应用在光梳频率传输系统中,可以提高系统的鉴相精度,在5 GHz的传输频率上,可以有效消除偏振态变化引入的~50 fs的相位抖动.