直升机载光电稳定平台载荷近红外相机在垂直成像过程中会产生像旋, 为了消除像旋, 同时满足载机对光电稳定平台的体积尺寸要求, 提出悬臂式方位框架的结构方案, 建立了方位框架结构的三维模型。利用有限元方法建立仿真模型, 分别进行静力学分析和模态分析, 研究方位框架悬臂结构的合理性。在24.5 kg负载情况下, 设计的方位框架最大变形量为0.025 4 mm, 满足指向精度误差分配要求; 框架结构一阶频率为42.99 Hz, 满足系统伺服带宽要求。

球面晶体背光成像系统是一种重要的惯性约束聚变诊断技术, 为了验证球面晶体背光成像系统性能, 优化成像系统结构, 利用光线追踪软件SHADOW对该系统背光成像进行模拟, 对成像系统参量中成像物体位置、球面晶体弯曲半径和布拉格角等进行了模拟分析。结果表明: 布拉格角为57°和65°的球面晶体背光成像系统, 当成像物体厚度或者物体放置的误差Δa=±1 mm,晶体弯曲半径误差ΔR=±3 mm, 布拉格角误差Δθ=±0.1 mrad时, 在子午面和弧矢面光线追踪模拟的2个成像系统的相对放大率与经过相对放大率公式计算的结果比较吻合, 说明参量的微小变化对成像系统的相对放大率影响较小, 成像系统性能稳定可靠。

针对铝合金材料, 设计了大口径红外相机主反射镜, 反射镜口径420 mm。以径厚比、支撑点数量和轻量化结构形式为输入点, 设计了一种背部开放式、三角形轻量化结构和背部3点支撑的结构形式。通过有限元分析软件对反射镜的动态刚度及自重和温度载荷下的面形变化进行了分析。分析结果表明: 反射镜具有高的动态刚度, 反射镜自重工况和-40 ℃均匀温降下, 面形精度RMS分别为30 nm和0.2 nm, 均满足光学设计提出的λ/10(λ=632.8 nm)指标要求, 为大口径铝合金反射镜的设计提供了理论依据。

设计并研制了微光夜视仪整机检测系统, 采用CCD器件作为被检仪器输出图像的探测接收器, 可在微光夜视仪完整状态下对像增强器进行检测。提出微光夜视仪整机状态下像增强器性能的检测参数, 并分析了其检测原理与综合测试方法。通过对检测仪的伸缩式结构、光学系统、CCD选型和检测软件算法等部分进行设计, 实现了一台检测仪能够对视场中心分辨力、亮度增益、视场亮度均匀性及视场亮度稳定性等多个性能参量的测试。试验结果表明, 检测系统的测试误差在3%以内。

为了研究系统平台振动对电视成像系统传递函数的影响, 通过将不同振动条件下系统的传递函数进行对比分析, 利用能量积分法, 建立系统平台在不同振动条件下系统传递函数仿真模型。利用快速反射镜系统和I-SITE测量平台组合, 对振动条件下系统传递函数进行测量和验证。仿真和实验数据结果表明: 对于在研电视成像系统, 当振动频率低于曝光频率时, 随着系统平台振动频率的增加, 系统传递函数的下降速度由静止时的0.167逐渐增加到0.237; 当振动频率高于曝光频率时, 随着系统平台振动频率的增加, 系统的传递函数的下降速度波动性增加, 并逐渐趋于在静止时的1.42倍附近。

通过对Shupe误差数学模型进行分析, 确定了引起Shupe误差、导致陀螺零偏误差大的原因之一是闭环光纤陀螺光纤环温度场时空分布不均。利用Ansys Workbench与Icepark软件建立了闭环光纤陀螺敏感单元有限元热模型, 并对该模型进行了瞬态与稳态温度场的仿真分析, 得出通过改进陀螺外罩设计可以使光纤环温度场分布更加均匀, 有助于减小Shupe误差引入的零偏误差。结合仿真结果, 进一步对陀螺外罩的几种热设计方案进行了热仿真分析与定量化设计, 确定了陀螺外罩的最优设计方案: 当内层采用厚度为0.8 mm的软磁合金材料作为隔热层, 外层采用厚度为1.5 mm硬铝材料作为均热层时, 光纤环的温度时空变化率最小。通过对优化方案进行实验验证, 使光纤环在降温过程中温度变化减小了1.8 ℃, 使其最高最低点温度差减小了0.68 ℃。

为了提高光具座自动测焦距时的测量精度, 设计一套连续变焦光学系统。该系统包括自准直组件和变焦组件两部分, 可以调节CCD靶面上接收到的图像大小, 得到最佳测量结果。根据设计指标要求, 在控制系统总长的基础上进行初始结构选择和像质优化。设计完成后的自准直组件焦距200 mm, 变焦组件焦距200 mm~20 mm, 对接后的变焦系统可实现图像大小1×~10×连续调节。模拟实验表明: 变焦系统像质良好, MTF曲线接近衍射极限, 弥散斑小于CCD像元大小, 可以满足实际检测需求。

为去除基于局部平均曲率的彩色图像去噪模型中作为几何特征而保留下来的斑点, 提出了一种改进的迭代算法。采用局部平均曲率作为正则项耦合各个颜色通道, 在迭代过程中根据局部统计量检测斑点, 并引入松弛中值滤波进行斑点抑制。使用不同特征的图像进行仿真实验, 并对峰值信噪比的演化进行分析。实验结果表明, 改进的算法在有效消除斑点的同时较好地保护了图像结构, 并且提高了计算效率。峰值信噪比提高了2.47%, 迭代次数减少了93.66%。

针对实际应用中轨面伤损检测系统检测速度较慢的问题, 在保证检测精度的前提下, 结合轨面图像特点及软件工程的思想, 提出了面向算法、编程技术和存储介质3个层面的优化方法。算法优化通过重新设计算法流程, 合理取舍步骤, 实现算法到CPU的高效映射; 编程技术优化使用多线程编程, 通过并行运算充分利用处理器的多核优势; 存储介质优化通过使用读写快、质量轻、能耗低、体积小的固态硬盘进行图像读写, 有效地提升了硬件效率。实验结果表明, 优化后平均每幅轨面图像检测耗时由17.94 ms降低到仅8.33 ms, 速度提升了53.57%, 在分辨率为1 mm的精度下换算成车速约为207 km/h, 可以满足铁路轨面伤损在线检测需求。

使用单幅图像进行特定目标的检测是机器视觉领域的重要任务之一。利用机器学习的方法, 使用LSVM分类器进行人形目标的检测。该方法提取图像的HOG(梯度方向直方图)特征和其对应的可变形部件来描述目标的外形特征, 能够较好地解决目标由于运动而产生外形变化的问题。对常见公共区域场景进行数据采集并随机抽取了200张图像, 使用所述方法对其中共1 100个人形目标进行检测, 正确率识别率为78.3%。结果表明该方法具有一定的可行性和稳定性, 能够较好检测出单幅图像中的人形目标并加以标注。但对于某种程度有所遮蔽的人形目标则会产生漏检的现象。

针对自主空中加油对接阶段锥套跟踪问题, 提出了一种基于tracking-learning-detection (TLD)的锥套跟踪算法。该算法将加油锥套的跟踪任务分解成跟踪、学习、检测3个部分。跟踪模块在LK光流法的基础上添加跟踪失败自检测, 筛选出好的跟踪点, 跟踪加油锥套; 检测模块构建级联分类器, 对滑动窗遍历得到的图像块进行分类并返回含有目标的图像块, 融合跟踪模块的跟踪框, 给出最终跟踪结果; 学习模块引入P-N约束修正错误样本并学习更新检测模块。利用Creator/Vega Prime软件对空中加油进行视景仿真, 在视景仿真视频上测试锥套跟踪算法。结果表明: TLD算法跟踪加油锥套成功率达95.5%, 处理每帧平均耗时31.4 ms, 能够满足加油锥套跟踪鲁棒性、准确率、实时性的要求。

针对现有干涉图校准方法的不足, 提出了一种基于加权最小二乘法的干涉图校准方法。根据干涉图中标准件边缘与干涉条纹边缘之间的差异, 用合适大小的掩模对标准件的边缘进行初步判定和提取, 再利用加权最小二乘法对提取出的边缘进行精确定位。通过计算标准件中已知尺寸部分在干涉图中所占据的像素数目, 求出每个像素代表的实际距离, 完成校准。实验表明, 该方法的计算耗时较霍夫变换法减少一半, 定位精度小于1个像素, 且适用于不同对比度的干涉图, 具有很强的实用性。

使用光谱仪采集到的信号难免受到不同噪声源的影响。为了提高光谱信号解析的精准度, 通过分析小波应用于信号降噪的原理以及经典的软、硬阈值降噪法存在的缺陷, 提出了一种改进的阈值降噪法。该方法既克服了硬阈值法产生间断点, 软阈值法产生恒定偏差的缺陷, 又尽量地保留了有用信号。实验选用的小波基函数为SymletsA, 分解层数为4, 结合Birge-Massart策略模型确定的分层阈值对硒化镉量子点荧光光谱信号进行降噪处理。结果表明, 与经典的软、硬阈值降噪法相比, 通过改进阈值降噪法得到重构信号的信噪比(SNR=47.550 2)、能量占比(PER=0.973 3)和均方误差(MSE=149.421 3)均有提高和改善。

设备表面的缺陷检测对于保证安全生产避免经济损失具有重要意义。针对基于设备表面散乱三维点云缺陷检测和三维重构算法复杂的问题, 提出了一种基于散乱三维点云的缺陷检测和三维重构方法。对散乱三维点云沿某一轴向进行分层处理, 将同一层内的三维点进行移位规则化处理, 并对规则化的三维点云进行缺陷检测和三维重构。分别对无缺陷设备表面和凹凸缺陷设备表面进行缺陷检测和三维重构, 规则化前后三维数据缺陷计算结果相对误差为1.01%。实验结果表明, 将散乱三维点云分层和规则化处理有效降低了缺陷检测和三维重构的复杂度, 易于实现。

随着大型装备制造工业飞速发展, 其制造与装配等过程对大尺寸空间几何量的测量技术要求越来越高。为了分析大尺寸空间几何量测量中的空间角测量技术的发展, 在综述5种传统大尺寸空间角测量方法的基础上, 介绍了大尺寸空间角测量方面国内外相关研究的3种新的代表性成果。着重阐述了一种基于惯性基准的大尺寸空间角测量方法, 该方法将光电自准直跟踪技术与惯性测量技术有机结合, 测量范围更大、便携性更强, 特别适合外场条件下大尺寸空间角的快速测量。测试结果表明, 目前其有效测量范围可达10 m, 测量精度为0.5°, 同时还针对系统测量范围与测量精度的进一步提高提出了改进方案。

针对位置敏感探测器(PSD)固有的非线性, 提出一种基于BP优化算法的PSD非线性校正方法。以传统的牛顿算法为基础, 推导了Levenberg-Marquardt算法, 即BP优化算法的相关原理。采用Matlab软件编程,网络采用具有2个中间隐层的结构形式, 2个隐层使用的神经元数分别为40和30,最大训练次数取500次, 利用sim函数计算并仿真网络输出, 网络输出误差均在0.001 mm之内, 其中最大误差不超过0.003 mm, 实现了对PSD非线性的校正。

针对影像仪测量直线度误差的特点, 设计了一种改进的边缘检测模板进行边缘提取, 并提出一种满足最小条件的直线度误差评定的方法——区间距离算法来优化直线度误差的测量。通过采用影像法对光滑极限塞规的高精度测量实验, 与传统边缘检测方法和斜率搜索法进行比较, 实例结果表明, 改进的边缘检测算法相对于传统检测模板计算卷积次数减少一半, 可以提高测量速度, 采用区间-距离算法与斜率搜索算法相比较, 相同8组数据直线度误差相对误差不超过2%, 平均计算速度提高0.01 s。实验验证在影像仪测量不同直径塞规直线度误差的自动化测量中, 采用该优化方法可以节约计算时间4.45 s, 并通过不同评定方式的比较, 提出测量直线度误差最佳测量跨距在0.078 mm~0.104 mm的建议, 对实际直线度误差测量具有指导意义。

使用拉曼-米激光雷达在南京北郊进行常规性检测, 通过分析激光雷达回波信号, 借助气溶胶质量浓度的线性模型和指数模型进行气溶胶质量浓度空间垂直分布反演。为提高反演的精确度, 对米散射信号进行近场修正, 消除重叠因子的影响, 拉曼散射信号进行小波分析等去噪方法处理。处理过的米散射信号用来反演0~3 km大气的气溶胶质量浓度, 拉曼散射信号用来反演3 km~10 km大气的气溶胶质量浓度, 然后通过2个信号拼接反演中低层气溶胶质量浓度。实验结果: 2种模型反演的气溶胶质量浓度在不同时刻的相关性系数为0.991和0.973 6, 具有一定的可信度。

针对重心法、高斯拟合法等传统的光斑中心定位算法存在抗干扰能力差、定位精度低等问题, 提出了一种以圆拟合算法为基础进行改进计算光斑中心的方法。采用56式冲锋枪进行实弹单发实验, 对测试系统获得的数据分别用改进圆拟合、高斯拟合及重心法进行处理。将处理结果与OFV5000激光速度计测试结果相比较, 改进圆拟合算法的相对误差仅为0.92%。结果表明: 该算法提高了抗干扰能力, 实现了光斑中心的快速、准确计算, 并且获得了**自动机运动规律。

为了使车辆驾驶员在夜间能够得到充足的照明, 并且避免对面会车司机眩目, 设计了具有明暗截止线的近光系统。根据GB25991-2010汽车用LED前照灯配光标准, 尝试使用大功率白光LED和结构简单、光学利用率高的自由曲面反射镜(FFR)来实现前照近光灯的设计。以非成像光学为理论基础, 建立了LED光源出射光角度和照明面上坐标的对应关系, 结合折反射定律计算自由曲面上点的坐标。合理划分基础面, 并优化调整各子面的面型数据, 实现配光要求。采用3颗LED共同实现近光功能, 每颗LED均有各自独立的光学系统。测试结果表明: 设计的光学系统效率达到54%, 且近光截止线清晰, 满足标准对各测试点照度的要求。

针对超广角照相物镜的设计, 利用ZEMAX光学设计软件, 由各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 通过选择适当后组, 利用三级逆伽利略系统串接的方法优化设计了前组, 前后组组合在一起后经过进一步优化设计, 得到一款在可见光波段内、焦距为6.2 mm、全视场角为100°、F数为2.1的照相物镜。该镜头由16片球面透镜组成, 设计结果表明, 全视场镜头的最大畸变量的绝对值小于3.5% ,最大场曲小于0.05 mm, 全视场MTF值在空间频率50 lp/mm时高于0.7, 达到衍射极限。

侧入式背光板能有效地减少显示背光模组的厚度和背光所需的LED光源数目, 为获得均匀照度的侧入背光模组, 介绍一种圆环侧入式导光板结构。推导导光板中网点的设计规律, 得到圆环侧入式导光板的网点大小的分布函数。利用VBA语言编程在CAD中生成网点分布, 结合软件模拟分析, 验证了导光板显示区域中光照亮度均匀性达到90％以上, 满足了侧入式背光模组中圆环形导光板工程设计上的要求。

针对如何缩短防空导弹系统反应时间的问题, 设计了一种MEMS(micro electro mechanical system, 微机电系统)光开关阵列, 用于控制防空导弹系统各分系统模块之间的信号传输。该光开关阵列由8组双层静电梳齿结构的光开关组成, 每组光开关均控制一个防空导弹系统子模块的通断。根据拉格朗日-麦克斯韦方程, 建立系统的机电动力学模型, 确定质量、弹性系数、电容、气膜阻尼等主要参数。仿真结果表明: MEMS光开关的响应时间为0.627 ms, 稳态位移为4.724 μm, 最大位移为6.801 μm, 将相同阶段的反应时间缩短为原先的1/4。由此可以得出结论: MEMS光开关阵列不仅缩短了防空导弹系统的反应时间, 而且保证了系统的稳定性。

为了同时探测中波红外和长波红外两个波段信息, 实现两个不同视场快速切换, 采用空间多镜头图像拼接全景成像法, 设计了四通道制冷型中/长红外双波段双视场全景成像光学系统。该全景系统由周视方向3个互成120°的红外物镜和顶视方向一个红外物镜构成, 每一个成像通道光学系统采用二次成像结构。F数为2, 工作波段为中波3.5 μm～4.8 μm、长波7.8 μm～9.8 μm, 双视场两档焦距之比为5, 通过轴向移动变倍组可以完成122°/44.49°双视场转换。利用折/衍混合器件及非球面设计技术, 采用光学被动式消热差法对光学系统进行了温度补偿。设计结果表明, 该双视场光学系统具有100%冷光阑效率和良好的冷反射抑制能力。在-40℃～+60℃范围内, 在奈奎斯特频率18 lp/mm位置处, 中波红外系统MTF值均大于0.5, 长波红外系统MTF值均大于0.3。

针对320×240像素非制冷红外焦平面探测器, 设计了一个工作波段为3.7 μm~4.8 μm的红外变焦光学系统。该系统由6片全球面透镜组成, 采用硅和锗两种常见的红外材料, F数为2.5, 后工作距为20 mm, 可以实现15 mm~150 mm范围内连续变焦。设计评价结果表明: 光学系统在探测器奈奎斯特频率16 lp/mm处, 变焦范围内全视场MTF大于0.6, 0.7视场MTF接近0.7, 整体接近衍射极限。焦平面探测器敏感元能量集中度大于70%, 具有大相对孔径、长工作距、全球面的特点。在-20 ℃~60 ℃温度范围内, 成像质量满足设计要求。

利用纳秒级脉冲量激光的Z 扫描方法对不同层数石墨烯薄膜在3 μm~5 μm中红外波段的光限幅效应开展了研究, 获得的开孔Z扫描曲线均呈现出单一谷结构, 而闭孔Z扫描曲线没有明显的峰谷对称结构。通过对开孔Z扫描实验数据进行数值模拟, 分别得到3层石墨烯在3.010 μm、3.522 μm、4.326 μm和4.880 4 μm 4个中心波长处的三阶非线性吸收系数和光限幅阈值分别为11.39×10-7cm/W、10.61×10-7cm/W、9.75×10-7cm/W、8.81×10-7cm/W和3.49 J/cm2、3.75 J/cm2、4.11 J/cm2、4.55 J/cm2; 3层、5层和7层石墨烯在3.522 μm中心波长处的三阶非线性吸收系数和光限幅阈值分别为10.61×10-7 cm/W、11.32×10-7 cm/W、11.95×10-7 cm/W和3.75 J/cm2、3.41 J/cm2、3.32 J/cm2。实验数据表明, 石墨烯在中红外波段产生了较强的非线性反饱和吸收而具有明显的光限幅效应。

从提高**平台综合性能、优化**平台设计的角度, 提出了激光综合的内涵和实现的基本思路,并根据所采用激光器类型的不同, 将激光综合应用系统归纳为3大类: 第1类是峰值功率兆瓦到百兆瓦量级的脉冲固体激光综合系统, 该类激光系统目前工程化样机的1.064 μm基频光能量已经达到了2 J; 第2类是峰值功率百瓦到千瓦量级的高重频激光综合系统; 第3类是平均功率毫瓦到瓦量级的脉冲半导体激光综合系统。这3类多功能激光综合应用系统, 将在未来新型**平台上发挥重要作用, 必将对未来各作战平台优化集成和整体技术性能的提高起到极大的促进作用。

激光布里渊散射是由介质密度涨落引起的一种非弹性散射现象, 其散射谱特征参数(频移、线宽)取决于散射角和散射介质压强、温度等参数, 通过探测高速气流激光布里渊散射谱, 可反演获得高速气流压强、温度等参数。介绍了基于激光布里渊散射原理的高速气流参数测试原理, 设计了一种基于法布里-珀罗干涉仪的高速气流参数测试装置, 搭建实验平台获取了高速氮气气流的激光布里渊散射谱。实验结果表明, 通过激光布里渊散射谱获得的高速气流压强、温度值与理论值相对误差在15%以内。

针对激光二极管端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体产生的热效应问题, 运用半解析方法计算该晶体的温场分布。根据连续LD端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体的工作特性, 建立符合实际工作情况的热模型, 构造初始条件和边界条件。同时考虑到晶体的热导率是温度的函数, 并结合牛顿法求解热传导方程, 得到晶体温度场的一般解析表达式。定量分析了不同的泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体厚度因素对变热导率方形Yb∶YAG微片晶体温度场的影响。结果表明: 使用泵浦功率为80 W、超高斯阶次为1、光斑半径为400 μm的泵浦光对含方形Yb∶YAG微片晶体质量分数为8.0%、晶体的尺寸为4×3×1 mm3进行泵浦, 将晶体的热导率视为常量和变量时, 泵浦端面获得的最大温升分别为41.25 ℃和52.14 ℃。研究结果对减小全固态Yb∶YAG晶体的热效应问题具有指导意义。