普通彩色相机加载宽带滤光片构造的多通道光谱采集系统的光谱重建性能与滤光片的选用密切相关。针对上述问题, 提出基于主成分分析法的合成滤光片设计方法, 旨在获得具有较高光谱重建性能并对所有图像场景均适用的最优滤光片组合。在收集多个宽带滤光片的基础上, 测得其透射率并转换成矩阵形式; 采用主成分分析方法提取该矩阵的前2个主成分, 标准化处理后的主成分即为所求合成滤光片的透射率。为了验证上述方法获得的滤光片的性能, 利用色差和光谱均方根误差2个指标对加载了合成滤光片的仿真采集系统的光谱重建精度进行了评价。实验结果表明: 采用该方法得到的滤光片组合优于常用方法得到的滤光片组合, 用其构造的成像系统具有较高的色度重建精度和光谱重建精度, 此外, 改变目标场景颜色特性, 其重建性能保持稳定。

设计了一款双视场电视摄像机, 小视场用于对目标的跟踪, 大视场用于捕获和观察目标, 两视场光学系统的传递函数MTF在50 lp/mm频率处均大于0.6, 点列斑直径均小于像元尺寸5.5 μm, 畸变均小于0.1%。两视场共用一个面阵CCD成像器件, 通过分光棱镜分光。由于在该光学系统中分光棱镜表面反射会产生杂散光, 形成鬼像。因此, 利用LightTools软件对系统进行了杂散光的仿真分析。分析结果表明: 大视场的半视场角在5.7°～7.6°之间和小视场的半视场角在2.6°～3.5°之间的入射光线被分光棱镜下表面反射后, 以及小视场的半视场角在-2.7°～-3.5°之间的入射光线被分光棱镜后表面反射后, 变成杂散光, 聚焦到像面, 形成鬼像, 采用在分光棱镜后方设置消杂光光栏的方法来抑制杂散光。验证结果表明, 仿真分析准确, 提出的消杂光措施有效。

对基于InGaAs材料体系的金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal, MSM)光电探测器进行设计, 并对其暗电流、光电流、电容以及截止频率等性能参数进行仿真。通过添加InAlAs肖特基势垒增强层, 将探测器的暗电流减小到了pA量级。仿真结果表明, 探测器在光照下有明显的光响应, 通过合理设计器件结构, 探测器的工作频率可以达到1.5 THz。制备了探测器样品, 并对其暗电流和光响应进行了测试, 测试结果与仿真结果基本吻合。

为了研究多轴多框架光电稳瞄系统的稳定精度并且避免推导其复杂的动力学微分方程, 提出了利用Matlab和ADAMS进行光电稳瞄系统结构控制联合仿真的方法。研究了联合仿真模型的方位轴和俯仰轴单位阶跃响应, 和在不同方向的随机线振动下的瞄准线惯性角速率, 以及在2°、1Hz不同方向角扰动下瞄准线的稳定精度。仿真结果与理论定性分析吻合, 表明联合仿真方法可行,可用于后续产品的开发。

针对空间标准动态目标发生器的设计指标要求, 对卡塞格林R-C系统进行了改进, 通过在第2镜和像面之间加入一片双曲面镜, 设计完成了焦距为1 600 mm、相对孔径为1∶1.2、视场角为1°、工作波段在0.4 μm~0.7 μm和8 μm~12 μm的共轴三反射光学系统。设计结果表明: 该系统弥散斑RMS小于5 μm, 在可见光波段与远红外波段相应的空间频率处, 此共轴三反系统的调制传递函数值均大于0.7, 接近衍射极限, 满足系统对成像质量的要求。

研究一种可以在高横纵比的线形区域形成特定照度分布的LED透镜设计方法, 即分部设计法。全反射部分根据边缘射线原理和斯涅耳定律设计, 采用数值积分迭代法计算, Matlab编程得到全反射部分的轮廓线; 透射部分用试错法设计, 用SolidWorks将全反射部分和透射部分整合出了一款新的拱形透镜。设计的透镜尺寸为25 mm×18 mm×10 mm。模拟与实践结果表明: 透镜匹配扩展光源后, 光学效率高于85%, 半光强角可达9°×135°, 可以在横纵比大于15的线形区域实现均匀照明。

鉴于低照度条件下彩色成像都是采用微光、红外、紫外等波段图像融合成假彩色, 提出一种利用滤光片过滤和像增强器增强的三基色获取及真彩色融合方法。采用F-P滤光片设计出了透射中心在三基色光中心波长的三基色滤光片, 对其光谱透过性进行分析; 通过旋转三基色滤色轮将目标反射光过滤, 使用像增强器对过滤后反射光增强, 借助FPGA编写的控制程序实现滤色轮转速和CCD摄像机成像时间的精确同步, 利用CCD摄像机获取经增强后的三基色图像, 实现目标三基色图像的动态采集。研制的样机在微光实验室进行了三基色采集及融合实验, 实验时光照度分别1×10-1 lx (等效于月光下)和1×10-3 lx(等效于星光下), 采集速度设置为60 f/s, 对获取的图像质量进行了评价。结果表明: 在照度为1×10-1 lx时, 融合后的真彩色图像在灰度均值、灰度方差和信息熵3项指标方面, 比3幅单色图像的平均值分别提高了5.06%、5.97%和1.08%; 在照度为1×10-3 lx时, 融合后的真彩色图像与3幅单色图像的平均值分别提高了13.18%、-9.86和8.65%。

为解决实际工程中无法在被测目标表面设置固定特征来配合单目视觉系统实现目标姿态测量的难题,将圆结构光源引入单目视觉系统中。通过建立圆结构光的视觉姿态测量模型, 提出了一种基于单目视觉和圆结构光的目标姿态测量方法。利用图像处理获取不同姿态下目标表面的结构光光条图像的数学参数; 然后将其输入到姿态测量算法中, 得到目标表面结构光光条的法向量; 最后利用目标表面的参考点与结构光光条中心之间的距离约束关系确定唯一解。实验结果表明, 该方法有效可行, 测量误差平均在0.5°以内, 更便于机器人抓取等工程领域的应用。

为了对自主研发的工业机器人进行校准从而提高其运动精度, 提出一种采用双目视觉动态跟踪球面编号靶点的机器人标定方法, 利用安装在机器人末端靶球上特征分布的编号标志点进行工作空间内任意位姿的测量, 由最小二乘迭代准确辨识出机器人的几何结构参数对控制器进行补偿。利用MFC由开放式、模块化思想编制标定软件, 设计视觉测量、数据处理、机器人控制等功能模块, 最后通过测量实例和对比实验, 验证其可靠性和准确性。实验表明, 该软件测量得到的位姿数据具有较高的精度, 扩大了传统视觉跟踪的视野范围; 同时将识别得到的机器人模型实际几何参数进行反馈补偿, 成功地将机器人绝对位置精度由3.785 mm提高到1.618 mm, 姿态精度由0.235 提高到0.139。

为提高光学图像加密系统的安全性, 利用双光楔联合菲涅耳变换相关器和矢量分解设计了一种非线性光学图像加密系统。通过矢量分解将原始图像分解为两个相位模板, 其中一个相位模板f1(x)放置于双光楔联合菲涅耳变换相关器物窗口实现图像加密; 携带另一相位模板f2(x)信息的光束与解密系统输出的携带f1(x)信息的光束相干叠加得到解密图像。数值模拟了加密系统的加、解密过程, 对于灰度图像和二值图像, 当光楔楔角为1.8°和相位模板f1(x)与密钥k(x)的中心间距为18 mm时, 解密图像与原始图像的相关系数分别为0.812 7和0.810 9; 分析了密钥模板相位分布错误对解密效果的影响, 验证了加密方法的可行性。模拟分析表明, 密钥k(x)的位置和光楔楔角作为附加的密钥参量, 有效扩展了加密系统密钥空间, 并能抵御唯密文攻击、已知明文攻击和选择明文攻击。

为了实现单元探测器高质量的快速光声图像重建, 提出了不同旋转扫描次数对光声层析成像的影响方案。实验采用的光源为YAG激光器, 波长为1 064 nm, 重复频率为20 Hz, 脉宽为7 ns, 探测器为针状的PVDF膜水听器, 接收直径为1 mm, 得到了26个字母、12根头发丝、树叶骨架和模拟血管的光声重建图像。由仿真和实验结果表明, 在不牺牲光声重建图像质量的前提下, 单元探测器环形扫描一圈, 均匀采集100个位置的信号, 图像重建时间为5.903 s。该研究结果对于单元探测器的快速旋转扫描成像和环形阵列探测器阵元数的设计具有一定的指导意义。

图像分类技术是近年来计算机视觉领域中的研究热点, 在移动互联网领域中取得了成功应用。提出了一种基于稀疏编码空间金字塔匹配的图像分类算法。该方法首先对图像的SIFT特征进行稀疏编码, 替代了传统的矢量量化方法, 可以有效降低量化误差, 构建更为准确的图像表征方式, 然后结合空间金字塔匹配算法采用线性分类器对图像进行分类识别。在标准测试图像数据库上的实验结果表明, 相比BOF和SPM方法, 该算法可以将图像分类准确率提高4%~12%。

在能见度测量中, 为了抑制环境光变化对测量不确定度的影响, 在光发射端对探测光束进行调制, 在接收端对探测到的光电信号进行带通滤波。带通滤波器的特性参数受到工作环境温度变化的影响, 导致频响函数变化, 从而引入能见度测量的不确定度。以二阶有源带通滤波器为例, 从传输函数入手分析了带通滤波器频响幅度随温度变化的规律, 实验测定了频响幅度随温度变化的关系。结果表明: 在高能见度天气状况下, 在15 ℃~40 ℃温度范围内, 环境温度每变化1 ℃, 带通滤波器将贡献约4.5%的不确定度; 低能见度时, 带通滤波器的影响比高能见度时小得多。

从透射仪的光学测量系统出发, 理论分析了光学测量系统光源对透射仪探测光束远场光斑特性的影响。结合LED光源的发光原理, 研究了LED光源的表面特征, 分析了LED光源表面特征与透射仪能见度测量的关系。通过仿真实验证实了光源表面特征对透射仪探测光束准直和能见度测量稳定性产生影响。研究结果表明, LED光源表面特征会影响探测光束远场光斑能量分布, 在50 m基线下, 使得透射仪探测光束准直中心发生位置偏移25 mm, 接收光强最大变化20%, 从而影响透射仪发射端对准和能见度测量。通过加扩散片和光阑限制可以明显改善远场光斑特性, 远场光斑中心能量分布趋于均匀, 在中心区域内接收光强变化在1%以内。

为了对D-ELM的矿井气体定量分析效果进行比较和分析, 建立了3种矿井气体定量分析模型, 分别是SVM模型、极限学习机(ELM)模型和动态极限学习机(D-ELM)模型。由于每个模型每次预测结果在一定范围内变化, 所以取每个模型运行10次预测结果平均均方根误差(ARMSE)、平均相关系数(AR)、平均模型运行时间(AT)来评价各模型对气体定量分析的性能。PSO-SVM模型的结果为: ; ELM模型的结果为: ; D-ELM模型结果为: 。综合预测精度和预测速度表明, D-ELM模型要优于另外2种模型。

根据高精度线偏振辐射计应用需求, 设计了基于电容积分法的可见光至短波红外波段偏振辐射计信号采集系统。简要介绍了高精度线偏振辐射计的工作原理, 分析其采集系统具有的探测信号动态范围大、采样频率低和探测精度高的特点; 建立了基于跨阻放大法和电容积分法的2种放大电路噪声模型, 并推导出信噪比公式, 采用DDC112的电容积分法放大电路的数据采集系统能够有效减小系统噪声、简化电路设计、提高系统灵活性和系统信噪比; 实验测试了系统的动态范围、等效噪声辐亮度、信噪比、稳定性和线偏振度, 并进行了外场试验。实验结果表明: 该数据采集系统具有较高的响应动态范围, 等效噪声辐亮度比较理想, 常规气溶胶探测波段信噪比≥127, 典型地表探测波段信噪比≥147, 仪器稳定性优越, 线偏振度测量精度优于0.5%, 达到仪器设计指标。

为了获得固体发烟剂烟雾对几种光学波段的衰减数据, 针对发烟剂的特定成分, 采用烟箱法对其产生的烟雾在可见光0.4 μm~1 μm宽波段、1.06 μm激光波段、10.6 μm激光波段和远红外8 μm~14 μm波段进行透过率测试, 获取3种干扰剂烟雾对不同波段的质量消光系数, 得到4种波段在不同浓度不同干扰剂下的3组透过率曲线。测试结果表明: 在4.8 m烟道上、发烟弹烟雾浓度<1.094 7 g/m3的条件下, 10.6 μm激光透过率较1.06 μm激光高出一倍; 红外热像仪的功用远优于硅CCD相机。

针对大视场投影镜头的设计问题, 利用ZEMAX光学设计软件, 通过各种操作数对镜头的基本参数和外形尺寸进行限制, 并利用镜头架构的方式进行优化及大视场投影镜头的设计。其主要光学参量为: 焦距为13.6 mm, 全视场角为60°, 相对孔径为1/1.6。设计结果表明: 镜头的最大畸变量绝对值小于3% , 最大场曲小于0.06 mm, 全视场MTF值在空间频率50 lp/mm时高于0.6, 基本达到衍射极限。该镜头由10片球面镜组成, 光学系统结构紧凑、易加工。

针对部分补偿法和子孔径拼接技术对大孔径凸非球面进行测量时, 部分补偿透镜的优化设计是关键技术之一, 基于ZEMAX软件对用于大孔径凸非球面的部分补偿透镜进行了优化设计, 以波前斜率作为优化目标, 通过直接观察弥散圆半径对全口径的光线进行优化。设计结果表明, 用结构简单的单片部分补偿透镜即可实现对大孔径凸非球面的面形测量, 在不同的子孔径区域, 部分补偿系统在理想焦面处的弥散圆最大半径均小于165 μm, 满足设计要求, 验证了结合部分补偿法和子孔径拼接技术测量大孔径凸非球面的可行性。

变焦系统可在大范围内快速寻找、搜索目标, 同时能在小范围内对目标物体进行更加细致的观察。因此红外变焦光学系统在**、工业等领域的应用与需求不断增长。对连续变焦镜头的设计理论、设计方法进行介绍, 利用Zemax软件设计了一款连续变焦的红外镜头, 变焦范围为30 mm~110 mm, 工作波段在8 μm ~12 μm, F#为1.0, 配合一款320像素×240像素的非制冷探测器使用, 探测器像元尺寸为25 μm×25 μm, 光学系统的总长小于230 mm, 整个系统由7片透镜组成, 并且只使用了锗一种材料, 所有表面均为球面。实验结果表明: 在短焦30 mm时, 系统MTF值在20 lp/mm处均大于0.3; 长焦110 mm时, 系统MTF值在20 lp/mm处大于0.317 4。最后对红外变焦系统进行了容差分析, 得出一组较为宽松的公差。

基于不同大小形状的谐振环对电磁场不同响应的原理, 设计了一种由6个嵌套式的方形封闭谐振环结构(CRR)组成的多频带太赫兹滤波器。通过利用时域有限差分法(FDTD)对该滤波器的透射特性进行研究, 结果表明: 当电磁波正入射或斜入射到谐振环所在平面时, 能够出现六频带的滤波性, 并且其透射系数对入射角度的变化并不敏感。该设计增加了滤波频带的个数, 提高了滤波器对频率的敏感度, 为多频带传感器、太赫兹通信技术等领域提供了理论方法。

通过分析1 550 nm全光纤机载多普勒测风激光雷达系统的测量模式特征, 给出飞机速度校正方法、机载系统风场反演模型和算法, 实现了机载大气三维风场的反演和显示软件。利用机载激光雷达的飞行试验数据, 结合实时测量的小球测风数据, 进行了风场信息的反演和结果的对比印证, 统计4个架次的风廓线测量结果, 两者的水平风速标准偏差小于1.4 m/s, 风向标准偏差小于10°, 相关系数都达到0.95以上, 从实验结果上验证了激光雷达的工作性能和数据反演算法的准确性。

为研究1.06 μm、3.5 μm、10.6 μm三波长激光所受导弹推进剂尾烟干扰的差异程度, 建立开放式烟道测试系统。在烟道头部放置装填有典型导弹推进剂的缩比发动机, 点燃推进剂使之喷射并形成烟柱, 在烟道尾部烟柱直径方向设置激光发射和接收装置, 用以获取3波长的透过率。试验数据分析表明, 烟雾对激光的衰减与烟雾粒子半径有关, 在400 m烟道长度环境中, 10.6 μm激光透过率最高可达1.06 μm激光的104倍。该结果有益于激光制导**的改进和升级。

“猫眼”效应在激光主动侦察等领域具有广泛的应用, 猫眼回波的功率分布是一项关键技术指标。激光束通过光阑会发生受限衍射, 以Collins公式为基础, 推导了猫眼回波光场的分布函数, 数值计算了探测面上的光场分布, 研究了“猫眼”系统中透镜口径、焦距以及探测距离、激光束束腰、离焦量等对猫眼回波功率分布的影响。并基于CCD搭建实验系统对猫眼回波功率分布以及衍射图样进行观测。观测结果表明: 回波光场携带明显的衍射信息; 探测器偏离成像透镜焦平面时, 有限探测距离内猫眼回波光斑的峰值功率随着探测距离的增大而先增大后减小, 最大值出现在约100 cm处。观测结果与理论数值计算吻合很好, 验证了光阑衍射效应对回波功率的分布造成了明显的影响; 研究结果对猫眼主动探测系统的研制具有很好的指导意义。