针对目前军用光电搜索跟踪瞄准装置电视摄像系统的搜索范围和作用距离不断提高的需求特点, 通过对成熟电视摄像系统的分析比较, 明确了采用小型化固定焦距多视场的结构形式。基于该研究方向, 提出一种采用嵌入组合式的前物镜组的光机结构设计思路, 可实现固定焦距多视场电视摄像系统小型化的设计方案。通过光学设计、光机一体化设计, 最终设计完成了一种光学变倍超过20倍、光轴稳定、四视场共用2个成像器件的四视场电视摄像系统, 可满足现有军用光电搜索跟踪瞄准装置电视摄像系统的需求。

针对惯性系统(INS)与卫星组合导航容易受到干扰的局限性, 为提高海上作战船舰的自主导航能力, 提出基于全天域大气偏振光特性辅助定向自主导航方法。在分析全天域偏振光中性点的运动规律的基础上, 采用“两点一线”原理使用中性点确定载体航向角并结合电磁计程仪(LOG)测得的航速信息辅助惯性系统进行导航, 采用卡尔曼滤波最优算法对组合导航系统进行了信息融合。matlab仿真结果表明基于全天域偏振光中性点/LOG/INS组合导航方法能够有效抑制INS导航定位误差, 使船舰航向角误差稳定在0.6°, 水平速度误差稳定在0.7 m/s, 水平位置误差稳定在10 m, 增强了船舰的自主导航性能, 并且具有高度的隐蔽性和抗干扰能力, 具有一定的**工程应用价值。

为了满足新形势下闭路监控系统(CCTV) 对拍摄视场和高清分辨率的要求, 设计了一款复杂化的反摄远型全球面结构的CCTV镜头。该镜头的全视场为80°, F#为3, 焦距为5 mm, 光谱范围为486 nm~656 nm。采用像元尺寸为7.5 μm×7.5 μm, 1.27 cm(1/2英寸)的CCD成像。该镜头在奈奎斯特频率67 lp/mm处, 全视场MTF接近0.65; 在1/2奈奎斯特频率处调制传递函数(MTF) 大于0.85; 在220 lp/mm处, 全视场MTF大于0.3, 已经接近衍射极限。镜头像面波前PV值为0.077 9λ, RMS为0.015 9λ, 达到了瑞利判据的要求。设计评价结果表明, 该镜头像差校正满足CCTV监控镜头的成像质量要求。

为满足数字超高速成像需求, 提高相机的时间分辨率, 设计了一种工作于350 nm~800 nm宽波段的八分幅相机光学系统。该系统采用光阑外置的会聚光分光结构, 可同时获得同一物面的八幅相同图像, 针对光学系统后截距、像方数值孔径等重要光学参数对像面照度差的影响、宽光谱成像的色差校正等问题进行了分析。在Code V中对中继镜头进行设计优化, 像面大小可达26 mm, 像方MTF在40 lp/mm时对比度达0.5以上, 畸变小于1%, 分幅后系统像面照度差在±10%以内。模拟结果表明: 八分幅相机光学系统各幅图像一致性较高。

针对陀螺稳定平台系统中地球自转引起的瞄准线漂移问题, 提出一种基于惯性姿态信息的瞄准线漂移补偿方法。该方法根据惯导系统解算得出的平台地理坐标和姿态信息计算出地球自转角速率在光电稳定平台坐标系上的投影, 稳瞄控制单元利用该投影信息自动补偿平台上的速度反馈数据, 消除由地球自转造成的瞄准线漂移。试验结果显示, 使用该补偿方法后的方位漂移及俯仰漂移分别是1.69 mrad/h和1.84 mrad/h, 远小于不加该补偿方法时的方位漂移6.89 mrad/h及俯仰漂移7.32 mrad/h, 证明该方法可有效补偿瞄准线漂移。

在太赫兹成像技术研究中, 分辨率、成像时间和距离是非常关键的参数指标, 为了推动太赫兹成像技术的实用化, 特别是提高对隐藏危险物品的远距离快速预警检测能力, 提出被动式远距离太赫兹快速扫描成像系统。该系统采用单个太赫兹探测器和光机扫描相结合的方式。扫描子系统中, 将六面体转镜置于离轴三反镜系统的平行光路中, 使扫描范围从广泛研究中采用的物空间转换到像空间有效缩小了扫描区域, 缩短了成像时间。本套被动式扫描成像系统主要参数: 探测器频率0.34 THz, 成像距离10 m, 视场±1.5°×±1.5°, 成像分辨率3 cm, 成像时间1 s。

为了观测全超导托卡马克装置(EAST) 中充气成像系统(gas puff imaging, GPI) 的谱线强度, 提出一套GPI光学观察系统。以匹兹伐型物镜为初始结构进行优化, 使系统像差控制在1/4 λ内, 在观察波长656.2 nm/587.6nm下, 设计系统光学传递函数在16 lp/mm下达到了0.76。对温度参数在20°~250°范围内作多重结构分析, 选取的透镜材料热膨胀系数非常相近, 光学频率在16 lp/mm时, 子午方向的光学传递函数几乎无变化, 而弧氏方向的光学传递函数由0.82变化到了0.69。根据光学观察窗口所在物理环境, 对其进行静力学、热力学仿真研究, 可以看到石英窗口的形变量达到了1/5 λ, 将该形变代入光学设计中进行容差分析, 系统的MTF≥0.5。通过快速相机捕捉到的系统成像光谱画面图显示, 该系统能清晰地观察物面的谱线强度分布以及变化。

卡塞格林系统观测不同距离目标时需要用螺纹微调旋转次镜的方法来改变焦距以获得清晰的像, 但次镜随螺纹旋转会导致系统成像的周期性晃动, 这在许多高精度光学仪器中是不允许的。针对该问题, 分析了系统成像周期性晃动的影响因素并给出具体的运算公式。通过具体事例结合工厂加工水平, 分析出该加工精度下的最大可能偏差, 若其不在仪器误差允许范围内, 就需采用无旋转的次镜微调机构。结果说明, 用旋转次镜的微调机构产生的晃动半径有0.65 mm, 而用无旋转的次镜微调机构产生的晃动半径只有 0.13 mm, 系统精度得到较大提高。

液体透镜是一种新的光学元件, 它实现了无机械变焦, 给变焦系统的设计提出了一种新的概念。使用一种比较少见的口径较大的液体透镜组成变焦系统。对液体透镜的原理进行了介绍, 对液体透镜变焦系统的设计方法进行可行性分析, 给出了各种设计方案, 使用Zemax对变焦系统进行仿真。针对大视场给出使用了前置透镜组的方案, 得到了一个视场60°, 变倍比6.2倍的变焦系统。

为了解决深度图像中存在的图像模糊、空洞和噪声等图像质量问题, 拟从软件的角度出发, 在不改变传感器成像系统物理结构的前提下, 基于结构特征并以彩色图像作为引导展开研究, 实现深度图像增强和空洞修补的目的, 提高深度图像的质量。通过对彩色图像和深度图像的结构特征进行提取, 得到共性的全局特征, 并对得到的结构特征进行联合双边滤波, 最后基于马尔科夫随机场的方法进行深度图像增强, 实现了低成本获取深度增强的图像。实验结果表明本文算法在保持图像边缘的细节性、平滑性和整体性上具有更好的效果, 与其他算法相比, 图像的均方根误差RMSE更低, 仅为0.506 93及1.169 30(针对Teddy及Art图像) 。

针对常规兵器试验领域电视经纬仪测试同帧地面多炸点数据匹配交会计算问题, 提出了一套完整的数据处理方法, 该方法首先将各个测试站的角度数据进行全组合交会计算, 得到众多可能炸点坐标数据集合, 然后根据近邻法则, 设定距离阈值, 利用聚类思想剔除多数假目标, 保留接近目标数量的可能炸点集群; 将同一炸点集群的可能炸点数据进行算术平均, 得到接近目标数量的初判的炸点位置集合; 再根据证据理论思想, 运用矩阵分析法对初判的炸点位置集合进行分析处理, 最终得到炸点坐标数据集合。计算机仿真试验表明, 此种方法能有效地处理电视经纬仪拍摄的小于或等于10个同帧地面炸点目标角度数据, 得到炸点坐标。

条纹花样的单帧相位解调算法在实时、动态测量技术中具有广泛应用。次条纹积分算法具有较高抗噪能力, 但其采用载频近似估算形变条纹周期时存在频率失配的固有缺陷, 提出一种改进的次条纹积分算法, 对条纹的局域频率进行探测, 利用局域频率进行次条纹积分, 然后再计算相位。模拟实验表明, 改进算法的最大误差约为原算法的1/3, 并通过条纹投影轮廓术实验进一步证明了改进算法的有效性, 为单帧条纹相位分析技术提供了一种可供选择的新算法。

为了提高多聚焦图像的融合精度, 结合有限离散剪切波变换(FDST)良好的局部化特性及平移不变性, 提出了一种基于有限离散剪切波变换与改进对比度相结合的图像融合新算法。对经过严格配准后的多聚焦图像进行FDST分解, 得到低频子带系数和不同尺度不同方向的高频子带系数; 对低频子带系数采用区域平均能量匹配度自适应融合算法, 高频子带系数的选取则根据低频与高频系数关联得到的对比度进行融合; 应用有限离散剪切波逆变换重构得到融合图像, 并对融合结果进行主观视觉和客观评价。通过仿真实验, 算法在主观视觉效果上有着明显的优越性。在不同融合算法比较的融合结果中, 熵值、互信息量和边缘相似度分别平均提高了1.4%、34.6%和8.0%, 各项客观评价指标优于其他算法。

传统的Hough变换检测方法由于计算量大、实时性差以及受图像噪声影响较大等缺点, 不能较为准确地进行实际道路的检测。鉴于此, 提出了一种改进的基于Hough变换的道路图像检测方法。该方法在对实际道路形态建模分析的基础上, 针对有/无路面标识以及存在其他干扰因素的结构化道路, 均能有效剔除实际道路图像中的干扰因素并准确检测出道路边缘, 且检测时间均在200 ms以内。

为研究电光材料调制误差对干涉条纹质量的影响, 建立了电光晶体对干涉条纹的成像模型, 分析了晶体折射率、平面度与波前调制的关系及其非理想情况下的条纹成像特征。实验表明, 晶体折射率的畸变会使干涉条纹变形, 折射率离散化阶数直接造成投影条纹的高次谐波成分, 甚至使投影条纹严重失真; 在折射率线性增长的情况下, 晶体平面度在0.1 μm的范围内也会引起干涉条纹畸变。

围绕实际检验工作中遇到的问题, 以及国家推荐标准GB/T 10899-2009光学系统杂(散) 光测试方法中提出的要求, 论述了对光学系统全视场杂散光系数进行测试的必要性以及测量方法, 通过对现有杂散光测试装置的改造, 实现了对光学系统全视场杂散光系数的测试, 给出两种变焦距镜头全视场杂散光系数测试结果和分布状态曲线, 得到结论: 基本参数相近而型号不同的光学镜头, 其杂散光系数和分布状态会存在很大的区别。光学与机械结构形式不同是造成该区别的主要原因。测试数据能对光学系统杂散光抑制能力的提高起到参考作用。

针对井下爆炸装置主体密封螺纹的大径、中径、小径、螺距等参数的测量问题, 为了提高螺纹测量自动化程度, 在主体结构特点基础上研究了其外螺纹机器视觉测量方法。为了提高测量精度, 设计了基于双远心光学系统的外螺纹机器视觉测量系统。研究了螺纹图像区域提取方法、快速特征点提取方法、参数计算方法等。在所搭建平台上, 对所提出方法进行实验分析。实验结果表明, 被测螺纹导程为3 980.8 μm, 大径为65 435.6 μm, 螺纹小径为60 669.4 μm, 测量牙型高为2 383.1 μm, 满足4级螺纹精度要求, 证明了该方法的正确性和可行性。

针对机器人手眼关系的求解问题, 在现有研究方法基础上, 将传统方法高精度的优点和主动视觉方法的简单易实现性相结合, 提出了一种新的混合求解方法; 只需机器人进行两次正交平移运动及分别对标定板成像一次, 即可标定手眼旋转矩阵R, 再指导机器人移动到标定板原点, 即可求解手眼平移矩阵T。以自主研发的平方六轴串联机器人为实验对象, 应用所提出方法求解出手眼关系, 并用传统方法对所求结果进行分析, 证明该方法误差在1 mm以内, 不需要求解复杂的传统方程, 且准确度高、易实现。

由硅胶-玻璃材料组成的SOG(silicone on glass)型菲涅尔透镜在温度变化时会产生热变形, 影响CPV(concentrating photovoltaic)聚光系统的性能。为研究透镜热变形对聚光系统光效率的影响, 优化设计两类聚光系统, 并采用数值计算的方法模拟透镜的热变形, 再将热变形导入光学模型中, 使用蒙特卡罗方法计算变形前后的聚光效率。结果表明: 对于单级聚光系统, 采用单色光均匀性优化方法设计的透镜受翘曲变形和齿面自由变形影响较大, 光效率在变形前后相差10%左右, 改进型补偿色散方法设计的菲涅尔透镜受翘曲变形和齿面自由变形影响较小。另外, 双级聚光系统可以有效抵抗热变形的影响。

温度变化会影响紫外镜头各镜面面形和镜片间隔的变化, 采用了光机热集成分析方法研究温度对紫外镜头成像质量的影响。论述光机热集成分析的基本流程和关键技术, 采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具, 在紫外镜头光学系统设计和机械结构设计的基础上, 建立了紫外镜头的热-结构分析模型, 得到各镜面面形和镜片间隔的变化结果, 并将结果耦合到光学设计软件中进行像质分析。分析结果表明, 在镜头的工作范围内, 镜头的调制传递函数在12 lp/mm处均在0.7左右, 能满足高光谱成像光谱仪的使用要求, 同时也为光谱仪最后整机分析提供了参考。

为实现多传感器光轴校准并达到小型化轻量化的设计要求, 将目视瞄准镜作为校轴光学基准, 采用共用摄远型物镜组, 并利用在立方棱镜斜面镀制光谱分光膜, 实现高精度目视瞄准镜与激光接收的共光路系统设计。该目视瞄准镜放大倍率为7×、视场为5°、出瞳直径为3.7 mm、出瞳距离不小于20 mm; 激光接收系统视场为1 mrad、接收口径为50 mm, 设计结果满足指标要求。

为了获得红外、可见光及微光等不同波段靶标的图像, 提出一种多通道光电系统视轴平行度调校装置。该装置能够方便地加载多通道光电探测系统, 主要通过下底板的腰形孔间隙及垫修下底板来实现光电探测系统视轴平行度方位及俯仰方向的调校, 使其视轴平行度达到15″; 该装置只需首次调整光学系统的视轴平行度, 光电探测系统重复更换镜头后重复定位精度优于0.01 mm。同时装置可方便地加载于光电转台等其他设备上, 便于外场试验, 满足使用要求。

依据地面设备标定的需要, 介绍了一种高精度、有限空间、全光谱的星等模拟器实现方法。该星等模拟器的光学系统结构采用紧凑结构空间设计, 其控制采用脉宽调制(PWM) 技术, 应用白光XLamp LED作为光源, 并以PT4115作驱动, 实现了对LED光照强度在640 lx~1.0 lx范围内数字化任意调整。所设计的星等模拟器与传统模拟调节的星等模拟器相比, 该星等模拟器具有体积小、热量低、稳定性高等特点。通过在暗室环境中进行应用验证, 分析和测试结果表明: 该星等模拟器可实现0m~7m等星控制, 光谱范围覆盖整个可见光, 星等的控制精度高达±0.1m。

采用非相干光作为光源, 以平面镜为反射面, 对光纤位移-振动传感器的性能进行研究。推导出光纤输出功率与测量距离的解析表达式, 并详细探讨了不同光纤半径、光纤数值孔径、发射光纤和接收光纤间距、发射光纤和接收光纤轴线夹角下输出功率比与测量距离之间的内禀关系。仿真结果表明: 光纤半径越小, 光纤间距越大, 可以测试的距离范围越小; 光纤数值孔径、光纤轴线夹角越小, 可以测试的距离范围越小。通过分析不同情况下, 输出功率比随测量距离变化的关系, 可以在实际工程应用中根据测量需要选择设计合适的传感器。此外, 还对测量误差进行了分析, 得到光纤轴线夹角越小, 测量距离的范围越大, 误差率越小, 当光纤轴线夹角为0.25°时, 误差率约为1%。

为求解红外热成像系统作用距离, 以MODTRAN程序为基础, 计算了不同云雨条件下的大气光谱透过率, 并针对探测器定角度运行和定高度运行, 分别运用光谱-路径等分法和光谱-角度等分法, 对点源目标进行了红外热成像系统的探测距离求解。分析了卷云气象条件下, 探测概率、降雨速率、云层厚度、云底高度等因素对大气光谱透过率和探测距离的影响。结果表明: 探测概率的选取对热像仪探测距离计算结果影响较大, 以坦克目标为例, 探测概率由10%增加至90%时, 探测距离降低21.7%; 降雨对于大气透过率和探测距离影响也较大, 降雨速率由0增加至4.0 mm/h时, 探测距离降低76.8%; 云底厚度和云层高度的影响与探测器和云层的几何位置关系相关, 人目标的探测距离上限值达5.60 km; 探测距离亦与探测器运行模式相关, 最大差异3.8%左右。

MOCVD原位红外测温方法主要有单色辐射测温法与双波长比色测温法。利用薄膜等厚干涉模型与Kirchhoff定律计算了Si (111)衬底生长10 μm GaN外延片的940 nm、1 550 nm光谱发射率, 以Thomas Swan CSS MOCVD为例, 比较了500 ℃至1 300 ℃范围内, 940 nm单色辐射测温法、1 550 nm单色辐射测温法、940 nm与1 550 nm双波长比色测温法的相对误差和相对灵敏度, 以及单色辐射测温法与双波长比色测温法的校准修正, 并利用940 nm与1 550 nm双波长比色测温法在线监测了Si (111)衬底生长InGaN/GaN MQW 结构LED外延片过程中的温度。研究表明: 940 nm与1 550 nm双波长比色测温法在相对误差及有效探测孔径修正校准上优于940 nm单色辐射测温法和1 550 nm单色辐射测温法, 该结论可为MOCVD原位红外测温设备开发提供参考。

针对现有激光吸收率测量的不足, 在总结现有激光吸收率测量方法基础上, 设计了一种积分球法激光吸收率测量装置。增加了导光管结构, 并对光源进行了监测, 对光束进行了调制。采用相关检测和同步采集等方法, 有效地去除了背景噪声、探测器及检测电路噪声对测量的影响。并实验比较了安装导光管前后装置对样品吸收率的测量影响, 并对多个样品进行实验。结果表明, 对于样品反射率在10×10-6~10 000×10-6范围内, 装置的测量误差可以达到±2%以内, 实现了激光吸收率的高精度测量。

线结构光视觉测量系统是激光扫描测头的重要组成部分, 为了提高激光扫描测头的测量精度及可靠性, 提出一种线结构光视觉系统结构参数优化设计方法。分析了影响该测量系统整体测量精度的因素以及该测量系统的结构误差模型, 并建立了应用于激光扫描测头的结构约束条件, 通过该约束条件建立了结构参数优化仿真系统, 进而得到仿真优化后的结构参数, 即最优结构参数, 并设计实测实验验证其合理性。测得优化后的线结构光视觉系统测量空间点间距相对误差为0.019 8 mm, 本文结果表明优化方法的有效性, 并具有较好的精度。

针对飞秒激光微加工中能量利用率和加工效率低的问题, 提出一种基于空间光调制器的飞秒并行加工方法。在讨论衍射光栅入射角与衍射角关系的基础上, 分析了叠加多个衍射光栅产生多光束的原理, 运用GS算法对目标多光束进行优化并计算出相应的相位全息图, 将该全息图加载到空间光调制器中获得了多光束。采用脉宽100 fs、波长800 nm的飞秒激光, 进行聚焦PMMA样品内部的并行加工实验, 观察到PMMA上多点组合的“一”和“工”字型, 得到了光束能量均匀的图形。实验结果论证了该方法对于多光束并行加工控制的有效性。

针对线结构光三维形貌测量中大量噪声易干扰激光条纹中心提取准确度的问题, 提出了一种条纹亚像素中心提取方法。分析条纹图像中的噪声, 采用平均法和中值滤波预处理图像; 利用迭代阈值分割及形态学方法, 获取条纹目标, 引入距离变换提取条纹的像素级中心; 根据像素级中心、二值信息及光强灰度, 结合曲线拟合及重心法精确提取条纹的亚像素中心。仿真分析和实验验证下, 相邻行条纹中心列坐标最大偏差值像素小于2 , 平均偏差像素值约为0.3, 与传统方法相比, 2项指标值更小。实验结果表明, 算法有效利用条纹灰度分布规律, 可降低噪声对中心定位精度的影响, 更逼近条纹真实中心位置, 抗噪能力极强。