为了增大成像光谱仪的视场, 提高遥感成像的作业效率, 开展了内拼接宽视场成像光谱仪的设计和研制。针对推扫成像方式, 分析了基于内拼接法的宽视场成像光谱仪的组成。利用两台Offner凸面光栅分光系统进行拼接, 研制了原理样机。在实验室中对原理样机的像元对准误差、光谱分辨率和调制传递函数进行测试并进行了室外成像实验。测试结果表明原理样机光谱维像元对准误差约为0.15个像元(波长为479 nm), 交轨方向和顺轨方向空间维像元对准误差分别为0.16个像元和0.19个像元。原理样机的光谱分辨率约为1.6 nm, Nyquist频率处的调制传递函数值约为0.2。通过原理样 机的研制和实验验证了内拼接法增加成像光谱仪视场的有效性。

为提高搭载于运动平台之光电跟踪系统控制回路的设计效率, 以运动平台角扰动、目标运动特征以及系统跟踪误差指标为边界条件, 基于系统建模和参数辨识, 提出一种控制回路一体化设计方法, 给出各环路控制器的解析表达及一组经验公式, 并以某半实物仿真系统进行验证。在等效正弦125πsin(0.4πt) (mrad)角扰动环境下, 对正弦输入200πsin(t)/3 (mrad)的跟踪误差峰值不大于0.5 mrad, 满足均方误差小于0.5 mrad的指标要求, 表明该控制回路一体化设计方法的有效性。

偏振成像具有很多强度成像所不具备的优势, 在某种特定背景下能够更加突显目标, 是研究地表、大气等领域的良好辅助手段。在红(670 nm)、绿(530 nm)、蓝(450 nm)这3种比较典型的可见光波段下, 采用旋转偏振片求取斯托克斯矢量的方法, 分别对草地, 石板, 沥青地面, 玻璃, 橡胶和铁板6种材质做了偏振特性成像实验, 并对它们的偏振度以及偏振度对比度进行了详细分析。实验结果表明, 在某种背景下, 目标的某些部分在强度成像中不易观测到, 而偏振图像具有足够的亮度信息, 包含了丰富的细节信息, 更加易于人眼识别; 另外, 偏振成像特性与目标材质、观测时刻、成像波段均有较大关系。

渐进多焦点眼镜片能够同时满足视远与视近的需求, 其应用日益广泛。介绍渐进多焦点镜片的基本结构、设计与评价方法, 在此基础上根据国家标准规定的镜片有效区域实际屈光度与名义值差值小于0.1m-1的要求, 对渐进多焦点镜片的面型进行了公差分析。通过对镜片面型方程及球面度方程求解偏微分推导出屈光度与面型相关的公差公式。举例对屈光度增量2.5 m-1(6.5 m-1~9 m-1)的渐进面进行设计评价与公差分析, 该设计实例公差分析结果表明: 面型最敏感处公差值为0.1 μm, 为镜片加工的控制精度提供理论依据。

为了满足瞄准镜体积小、重量轻的要求, 需要物镜采用摄远型结构。分析了摄远型透镜转像式物镜的光学特性与像差特点, 提出了摄远型镜组、正场镜和对称式转像镜组构成的结构型式。依据系统的成像特性, 推导了光焦度分配和外形尺寸计算公式。采用光学设计软件Zemax设计了摄远型透镜转像式物镜, 系统焦距为-100 mm, 入瞳直径为25 mm, 视场角为8°, 系统总长仅为99.92 mm。设计结果表明, 采用该方法设计的瞄准镜物镜在40 lp/mm处各个视场的调制传递函数均在0.2以上, 满足目视光学仪器的使用要求。

为了满足国内外视场投影仪微型轻量化的趋势, 设计一款适用于德州仪器推出的1.19 cm (0.47 英寸)、1080 pix数字微反射镜片的微型广角投影镜头。镜头由7片玻璃(均为国内常见玻璃)和2片塑料(4面非球面)透镜组成, 结构简单, 易加工。透射比0.66: 1, 即在600 mm处投影出111.76 cm(44 英寸)的画面, 镜头有效焦距6.45 mm, F#: 2.1, 全视场86°, 系统总长46 mm, 最大口径22 mm, 在空间极限频率93 lp/mm处0.8视场以内传递函数值都超过0.62, 边缘视场的传递函数值超过0.43, 全视场畸变小于等于2%, 垂直色差小于等于0.18 μm。

针对系统固有机械谐振影响光电稳定跟踪系统频带宽度的问题, 提出了一种机械谐振下的控制带宽扩展方案。该方案借助系统频率特性测量方法, 利用最小二乘参数辨识算法实现。试验结果表明, 利用本文方案, 速度闭环下的谐振峰值减小至原来的1/3, 控制带宽提高了接近2倍, 证明本文提出的方案能够有效实现机械谐振抑制, 提高系统控制带宽, 保证系统稳定性能。

为提高伪装目标识别的准确性, 提出将光谱信息与偏振信息相融合的伪装目标识别方法。基于液晶可调谐滤光片(LCTF)搭建了偏振光谱成像系统, 通过实验对绿色植物中隐藏的假植株进行偏振光谱探测实验。利用主成分分析法(PCA)对各偏振方向的目标光谱图像进行波段选择, 获取对应的光谱融合图像后进行偏振度计算, 最终得到被测目标的偏振光谱融合图像。实验结果表明: 得到的偏振光谱融合图像与光谱融合图像相比, 信息熵提高了72%, 平均梯度提高了250%。

阶跃样品显微测量时, 样品三维形貌本身丰富的阶跃信息极易受到噪声高频信号的干扰, 如何在滤除噪声的同时保持三维形貌的阶跃特征, 实现对样品表面三维形貌信息的高精度测量是一个重要研究问题。利用小波函数良好的空间域和频率域的局部化特性, 针对阶跃型样品的特点选取Haar小波, 并采用一种基于模平方的阈值处理方法对三维形貌信息小波去噪方法进行研究。将该方法应用在本课题组研制的激光差动共焦显微镜扫描台阶样品得到的三维高度轮廓中, 去噪后测量样品高度与OLYMPUS共焦显微镜扫描结果相对比, 误差为0.146 8 nm, 满足三维形貌信息后续测量分析的要求, 证明了算法的有效性。

在低光照环境下, CMOS成像器件无法拍摄出清晰的图像。为了提升低照度条件成像器件输出图像的质量, 根据低照度图像的特点, 提出一种基于K-means聚类的图像增强算法。通过改进的K-means算法将图像分块, 并根据每一块图像的信息量分别进行直方图均衡。该方法与CMOS成像器件进行实验, 可以在保留约98.6%图像细节(信息熵)的前提下, 将图像的对比度提升至原图像的17倍, 平均梯度提升至原图像的4倍。

大型非球面镜通过加工-检测-再加工-再检测的制造工艺以满足面形精度要求, 根据检测后的轮廓数据准确评定面形是提高再加工精度的关键。为解决抛光前镜面的面形评定问题, 采用基于信赖域法则的Levenberg-Marquardt算法对参数进行拟合、误差补偿以及面形评定。利用Code V仿真分析算法性能, 构建大型非球面轮廓仪测试抛物面加工件, 对实测数据经过32次迭代得到元件参数及轮廓残差曲线, 收敛精度为1.16×10-21。实验表明: 该算法可对大型非球面镜轮廓数据进行高效准确的拟合、评定, 为进一步提高再加工精度提供可靠依据。

空间测量定位系统是一种基于光电扫描的角度交汇测量系统, 由于该系统是在多测站协同作用下实现坐标测量, 因此测站的布局优化是应用时面临的重要问题。为了解决该问题, 提出了一种基于改进自适应遗传算法的测站优化部署方案。以系统定位精度、覆盖度和使用成本作为多目标优化函数; 将进化代数衰减因子与自适应遗传算法相结合, 根据多目标函数建立改进自适应遗传算法优化流程; 对2~4个测站进行仿真优化分析。仿真结果表明, 与传统自适应遗传算法相比, 该方法能在10~20代内收敛到最优解并获得更优的目标函数值。因此该方法在空间布局优化设计中能有效提高系统的测量性能。

提出一种基于高速相机双目立体视觉技术的大视场全场三维位移测量方法, 用来测量地震振动台实验过程中的位移变化。给出了一种鲁棒的标志点匹配算法, 基于VS2010开发环境, 研发了用于振动台实验三维全场位移测量系统, 设计了精度评估实验方案, 验证该方法在大幅面位移测量中的精度, 并利用该实验系统对高边坡模型振动台实验进行测量。结果表明: 在3 m×1.5 m视场范围, 静态位移测量误差优于0.4 mm, 动态位移测量误差优于0.5 mm, 可以满足振动台实验的要求; 该方法可以方便、直观地测量地震振动台实验中高边坡模型的位移场, 并且测量得到X、Y、Z 3个方向位移曲线以及总位移曲线过渡自然、数据合理, 是测量振动台实验全场位移变化的一种有效方法。

为实现Solar-Blind(日盲紫外)滤光片光密度在可见光谱段的高精度连续测试, 搭建了以氙灯配合单色仪作为光源、使用单光子计数器作为探测器的测试系统, 并对该系统的误差进行分析。系统主要装置有氙灯与单色仪组合的光源, 标准衰减装置和单光子计数器; 以替代法为基础进行测试, 将由单光子计数器探测到的衰减后的计数值作为参考计数值替代光源的初始计数值, 通过运算得到滤光片的可见光谱段光密度; 该测试系统将滤光片光密度的测试动态范围扩展到0~-11OD, 实现了可见光谱段内进行连续光谱测量的功能, 且降低了系统的测试误差。与使用窄带LED作为光源的测试系统相比, 测试不确定度由2%降低至0.5%, 相对重复性误差由0.2％ 降低至0.13％。

新型的声光可调滤波器和双液晶相位可调延迟器相结合的一次成像光谱偏振系统与传统的二次成像光谱系统相比, 不仅具有通光孔径大、光利用率高和全系统电调谐等优点, 而且还能同时满足AOTF和LCVR的小角度入射, 大大提高了光谱测量精度和偏振测量精度。通过实验计算, 用拟合修正后的波长λ0和驱动频率fa关系式进行光谱测量, 其相对误差值比用理论公式进行测量时减小约一个数量级。并且只需4组相位延迟量和4幅强度图即可求出全部的斯托克斯Stokes参量。理论分析了当系统考虑入射角度时, 其偏振度、线偏振度、圆偏振度和角偏振度的最大相对误差值比只考虑光垂直入射时分别减少约0.306%、0.130%、10.96%和3.783%, 为进一步提高系统的测量精度提供了理论基础。

为实现快速定位定向的要求, 利用线阵CCD测量方法, 设计了二维基准传递系统, 实现北斗定向信息实时传递功能。该系统由北斗定向天线、光源模块和光学测量模块等组成, 采用N型目标光源和线阵CCD拼接技术, 实现二维基准信息的快速精确传递。利用构建的二维基准传递系统设计精度验证实验, 实验结果表明, 在测量距离8 m条件下, 该系统测角范围为±1.5°, 测量精度在5″以内。该方法为实现二维定向基准的大视场传递提供了一种有效的技术解决措施。

根据飞机地面最小操纵速度试飞的光电测试需求, 提出一种基于前视跑道图像的飞机偏心距精确测量技术, 通过在飞机中后段机腹中心线上加装前视高速数字摄像机, 获取飞机运动时跑道及飞机起落架的前视序列图像, 通过图像判读获取飞机主起连线与跑道标识线交点的亚像素坐标, 在摄像机测量参数高精度标定的基础上, 根据摄影测量的单站定位原理精确解算交点在物方空间坐标系下的坐标, 进而获取飞机偏离跑道中心线的距离。飞行试验测试结果表明, 该测量方案切实可行, 数据直观可靠, 可实现3 cm的测量精度, 完全满足试飞测试任务需求。

提出一种基于自然选择的粒子群算法(SelPSO)的扩展光源匀透镜设计方法。该方法通过DDE技术, 将TracePro的光线追迹功能与Matlab的信息处理功能有机结合, 建立以点光源透镜轮廓为对象的优化模型, 进而利用加入平滑度约束的SelPSO算法对模型进行全局优化。以h/d=2.5∶1的紧凑型匀光透镜为例, 结果表明: SelPSO算法与PSO算法在相同参数下进行优化, SelPSO算法具有更强且更快的全局收敛能力, 优化后透镜表面光滑易加工, 且均匀度、光效分别达到87.566%、89.536%; 对透镜安装公差进行分析后, 将横向、纵向位移误差分别控制在[0 mm,2 mm]内, 对照明效果产生的影响较小; 此方法还具有较强普适性, 可针对不同照明范围的照明系统进行优化, 且整体照明效果良好。

针对连续变焦镜头光轴稳定性精度难以控制的问题, 分析了影响光轴稳定性的主要因素, 运用UG软件对连续变焦电视的曲线套筒和导杆进行了三维实体建模, 应用有限元的方法对该模型进行了热力学分析; 提出了有别于原有调校措施的方法和控制数据, 采用胶粘与压圈相结合的双重固定方式来固定前组镜, 提高了该型连续变焦镜头装调过程光轴稳定性, 将产品的光轴稳定性从原来的12″以内提升到5″以内, 为后续同类产品的研制奠定了装调基础和理论依据。通过试验验证了所提出方法的有效性。

为了解决随机成分多、调节灵敏度高的离轴反射式系统的精确装调问题, 介绍了干涉测量与计算机优化技术相结合的方法, 建立了各元件失调量与初级像差之间的关系, 以及元件间的像差相互补偿关系, 通过干涉测量采集系统全视场的波前差, 反向优化得到各元件的失调量, 在波长为632.8 nm时, 无焦压缩光路系统全视场平均出射波前优于RMS0.055 λ, 压缩比误差小于5‰, 实现了无焦压缩光路系统高精度、高效率的装调。

为了降低电光相位编码器功率消耗和解决内部M-Z调制器一致性要求高的问题, 利用2个偏置M-Z调制器构成了用于电光模数转换的2-bits电光相位编码器。理论分析了偏置M-Z调制器实现2-bits电光相位编码的方法、特点和性能。仿真结果验证了采用偏置M-Z调制器构成的2-bits相位编码方法可行性, 并实现了对1 GHz模拟电信号的采样速率12 GSa/s模数转换。分析和仿真结果表明, 采用该方法对调制器一致性要求低, 对输入信号功率要求低于0.32 W。分析结果表明, 调制器直流漂移不影响最低位量化结果, 引起最高位量化结果的判决模糊低于3.8%。

为了研究石墨烯器件在中红外波段的光限幅机理, 采用化学气相沉积法制备出层数可控的石墨烯薄膜CaF2镜片, 并基于MgO∶PPLN周期极化晶体搭建了全固态中红外光学参量振荡器, 利用3 μm~5 μm波长可调谐的闲频光开展了石墨烯薄膜散射实验, 测量了石墨烯薄膜的散射信号与入射光强度变化的归一化曲线。当闲频光能量超过1 J/cm2时, 石墨烯被迅速汽化, 电离形成的微小等离子体和石墨烯微片对入射闲频光产生多重非线性散射, 散射能量信号呈现出快速非线性增长趋势, 并且散射能量信号值的增长率与闲频光的入射波长成反比, 与石墨烯的层数成正比关系, 从而验证了石墨烯对中红外波段激光较强的非线性散射使其具有光限幅效应。

随着空间红外探测、卫星遥感等技术的飞速发展, 低温红外辐射源的需求日益迫切。研制了一种基于液体循环控温原理的低温红外辐射源。辐射源的工作温度范围为-60℃～50 ℃, 控温精度达到0.01 ℃, 有效发射率优于0.999 7。首先阐述了低温红外辐射源的设计原理, 介绍了辐射源腔形设计, 使用基于蒙特卡罗算法的软件STEEP3计算了辐射腔的有效发射率; 接着对辐射腔内部温度特性进行了研究, 实验结果表明低温红外辐射源辐射腔温度均匀性优于0.02 ℃, 腔底温度稳定性优于0.05 ℃/h; 最后通过与镓熔点黑体比较得到低温红外辐射源在29.76 ℃时的光谱发射率, 与仿真计算结果一致。

基于辐射测温原理, 介绍了红外测温理论和稀疏分解去噪原理, 为了提高钢水的测温精度, 对钢水的红外图像噪声进行处理。搭建钢水红外测温的实验平台, 获得不同实验条件不同温度下的钢水红外图像, 利用稀疏分解对钢水红外图像进行去噪处理。与维纳滤波图像去噪结果进行比较, 实验结果表明, 稀疏分解更好地去除了钢水红外热图像中的噪声, 图像的峰值信噪比提高了10 dB。

为了实现在侧边抛磨光纤(SPF)上制作布拉格光栅结构并提高器件设计灵活性, 利用重铬酸盐明胶(DCG)作为光刻材料, 提出一种新型的光纤表面布拉格光栅制作方法并对该器件温度传感特性进行研究。使用轮式抛磨系统制作SPF,并在SPF侧抛面上旋涂DCG,通过干涉光束曝光显影制作表面布拉格光栅。光谱测量表明: 带有布拉格光栅的侧边抛磨光纤在1 480.2 nm处有透射谷, 在相应位置反射谱有明显反射峰, 其调制幅度达到15.9 dB, 这是由于表面光栅的布拉格反射所致。温度传感实验表明, 该布拉格反射峰的温度灵敏度为17.84 pm/℃。这种器件已在光纤传感和光纤滤波器等方面获得应用。