传统齿轮传动存在空回和间隙等问题, 难以满足光电系统高精密传动的需求。在分析了钢丝绳和钢带传动技术特点的基础上, 设计了一种基于钢丝绳传动的潜望镜用11测角机构, 以及一种基于钢带传动的光电系统用21传动机构。基于光学测量的方法, 采用旋变测量了钢丝绳传动机构的传动误差, 采用经纬仪测量了钢带传动机构的传动误差。结果显示钢丝绳传动精度可达到分级, 在-110°+135°的范围内转角误差小于3.5′; 钢带传动精度可达到秒级, 在-3°~+3°的范围内转角误差小于11.9″, 满足了潜望镜和某光电系统性能指标要求。

双波段共孔径相机可兼顾近红外和可见光两者优势, 即能保证丰富色彩信息的获取, 也可充分利用近红外探测较好的穿雾和高灵敏度弱光探测能力。设计了工作波段为450 nm～650 nm和750 nm～900 nm的双波段共孔径相机, 其视场角为35°×20°, F数为1.5, 采用全球面复杂化双高斯结构。设计结果表明: MTF>0.4(@50 lp /mm), 系统弥散斑<10 μm, 畸变<3％, 可满足指标要求。

为了得到性能好、稳定性高, 能够满足民用、**等领域应用的中波红外成像光学系统, 采用光学被动式的无热化技术, 在常温下像质良好的初始结构基础上, 通过对不同红外材料组合, 实现系统的无热化设计。利用等效温差(NITD)计算冷反射贡献量, 对冷反射贡献量较大表面的曲率和光焦度进行优化。设计结果表明: 在-40℃~60℃温度范围内, 光学系统的MTF在30 lp/mm处均大于0.5; 离焦量在一倍焦深以内, 点列图(RMS)直径小于像元尺寸; 冷反射残存量最大的表面NITD值降低40%。应用该方法可以很好地实现红外成像光学系统的无热化设计, 对冷反射的抑制效果明显。

基于智能手机的可见光定位不仅定位精度高, 还兼具了可见光通信与移动互联网的优势。由于图像处理的高计算复杂度, 现有系统定位速度较低无法支持实时导航。论文提出了一种快速和高精度的可见光室内定位系统, 通过设计无闪烁线路编码方案和轻量级图像处理算法降低定位时延, 同时还具有抑制调制闪烁和支持多级调光的优点。市售Android智能手机完成了原型系统开发和现场测试, 实验结果显示, 系统平均定位精度可达到7.5 cm, 定位时间可低至22.7 ms(单灯)和35.7 ms(双灯), 可支持移动速度高达18 km/h的实时室内导航。

采用二维自动转动控制结合伺服电机、传感器及测量软件等设计了一种可实现光源和物体的表面空间变角度光度、色度等参数测量的多用校准装置, 解决了目前LED单管、显示器和标准色板等三类产品光度色度参数需使用独立测量装置的问题。结果显示可完成LED单管总光通量、CIE条件A/B场平均发光强度、等光强/照度曲线、小尺寸显示器光度色度和物体表面变角度色度等参数的测量。平均发光强度、总光通量、Y值和色品坐标与标准值偏差分别为: -1.8%、1.5%、0.9和0.005, 该装置测量精度高、功能切换方便、自动化水平高、操作简单, 达到设计要求。

航空重力仪是一款对地球重力进行测量的精密仪器, 为了使重力仪在工作状态下隔离飞机飞行过程中的各种扰动, 始终保持竖直稳定状态, 设计了一款高精度航空重力仪惯性稳定平台。同时为了缩短稳定平台设计周期, 并保证所设计的稳定平台系统结构方面的性能能够满足设计指标的要求, 对所设计的高精度航空重力仪惯性稳定平台进行机电联合建模仿真, 建立了基于Adams和Simulink的机电联合仿真模型, 对机电联合仿真模型进行了时域和频域仿真分析, 得到稳定平台时域与频域的基本性能指标, 并把仿真结果和实际测试结果进行了对比。结果表明: 在开环的条件下, 时域与频域仿真结果和实际测试结果基本一致, 俯仰轴幅频匹配度在83%, 相频匹配度在79.2%, 横滚轴幅频匹配度在92.9%, 相频匹配度在86.1%, 2个轴的时域匹配基本类似, 验证了仿真模型的正确性和有效性。该模型可对稳定平台的伺服性能进行预测, 为平台的实际测试与调试打下基础。

为了实现对惯性约束聚变的诊断, 获取聚爆过程中高温等离子体X射线能谱信息和内爆靶丸的二维空间分辨信息, 利用晶体的布拉格衍射特性设计制作了球面晶体分析器, 晶体弯曲半径为125 mm。为了验证球面晶体的空间分辨能力, 搭建了背光成像平台进行了背光成像实验, 石英球面晶体为衍射核心元件, 接收装置IP板得到了Cu靶的二维空间分辨信息, 基于石英球面晶体的成像平台得到的空间分辨率约为100 μm。

精细导星星库是空间大口径望远镜开展导星过程的必要组成部分, 是用来确定空间望远镜视轴绝对指向的关键依据。基础星表的挑选、导星星库的容量、划分方式和天区搜索速度对于实现精细导星功能和性能指标都极为重要。在视场约为0.08 deg2精度要求高的条件下, 选用UCAC4星表作为基础星表, 提出混合分区星等过滤算法进行导星筛选, 为了实现星表的快速搜索, 对导星星表的存取方式进行了详细分析, 构建了一个由约400万颗10 mv~16 mv导星组成的精细导星星库, 并进行星库均匀性和搜索速度分析。仿真结果表明, 基于UCAC4星表构建的16 mv精细导星星库全局均匀性达到0.44, 导星搜索时间0.05 s, 视场中星数适中, 能被高效识别的概率达到75.51%, 可作为精细导星星图识别的基准, 支撑未来大口径空间望远镜的观测。

详细介绍了一种基于相移结构光照明的浮雕成像技术, 对该成像技术的原理和成像特性进行了实验研究, 并采用相移结构光照明的方法实现彩色浮雕成像。实验中, 将多幅相移正弦条纹光场斜投射到被拍摄物体上, 数码相机依次拍摄被照明的物体, 再利用拍摄到的多幅相移图像, 通过计算的方法重建出所需要的图像。理论分析和实验结果表明, 相移结构光照明成像技术能有效地消去环境不均匀光照的影响, 获取的反射率分布图像只与结构光照明有关, 突显了斜投射照明所形成的阴影, 图像的明暗变化反映出物体表面的法线变化, 因而在视觉上形成了明显的浮雕效果。

多相机系统的标定是立体视觉测量中的一个重要问题。而当各相机间公共视场较小或无公共视场时, 标定参照物不能同时出现在所有相机的公共视场, 因此无法求解系统中多相机的相对位置关系。针对该类问题, 论文在二维靶标标定法的基础上, 提出了一种基于两轴转台的无公共视场相机位置关系的求解方法。将待标定系统固定在转台上, 利用转台转动确定靶标坐标系与转台坐标系之间的相对关系; 通过转动转台使二维靶标依次进入每个相机视场以分别确定转动后每个相机在靶标坐标系中的位置, 并记录转动的角度; 最后, 结合靶标坐标系与转台坐标系关系, 求解各相机之间的相对位置关系。实验结果表明, 该方法具有可操作性, 解算误差在0.5%以内, 可较准确地确定多个光轴之间角度较大的非共视场相机位置关系。

为了实现对红外图像的选择性加密, 提出了基于多特征差异检测与联合控制映射的红外图像选择算法。引入分段正弦变换, 将输出图像分割为3个不同的区域, 对每个区域完成不同的拉伸变换, 完成初始红外图像的增强, 凸显真实红外目标; 再利用增强图像中目标与背景的灰度差异, 从而设计目标决策因子, 并分割Top-Hat变换的结构元素, 构建红外背景抑制机制, 过滤杂波与噪声; 利用灰度水平、对比度与相似度, 建立多特征差异检测模型, 提取包含真实目标与可疑目标的感兴趣区域; 以Logistic映射为控制条件, 综合Tent映射与Chebyshev映射, 设计联合控制混沌映射, 利用其输出的混合随机序列对感兴趣区域进行置乱; 引入引力模型, 对混淆的感兴趣区域内的像素进行扩散, 完成红外目标选择加密。实验结果显示: 与已有的图像局部加密机制相比, 该文算法输出密文信息熵值达到了7.982 6, 能够更好地用于红外图像局部选择性加密。

相对于传统光学探测技术, 偏振探测在目标探测、识别方面有着独特的优势。针对雾、霾等天气下图像退化的问题, 提出一种利用偏振信息的图像去雾方法, 通过获取3个角度下目标的偏振图像, 求解出场景目标的斯托克斯矢量, 从斯托克斯矢量与穆勒矩阵的关系出发, 分析偏振图像光强随着偏振角度的变化规律, 获取最大和最小光强下的正交偏振图像, 利用偏振滤波和亮通道先验方法分别估算大气光偏振度和其无穷远处大气光强值, 最终重构出无雾图像。实验结果表明, 在雾霾天气下, 利用获取的正交偏振图像能够重构出清晰的图像, 且重构图像的平均梯度和边缘强度均提升了约3倍, 灰度标准差提升了约88%。

为了增强无人车对夜视图像的场景理解, 在夜间模式下更快更精确地探测和识别周围环境, 将深度学习应用于夜视图像的场景语义分割, 提出了一种基于卷积-反卷积神经网络的无人车夜视图像语义分割方法。在传统的卷积神经网络中加入反卷积网络, 构建卷积-反卷积神经网络, 无需手工选取特征。通过像素到像素的学习和训练, 得到图像语义分割模型, 可直接用该模型预测夜视图像中每个像素所属的场景语义类别, 实现无人车夜间行驶时的环境感知。实验结果表明, 该方法具有较好的准确性和实时性, 平均IU达到68.47。

视觉定位是移动机器人定位的一个主要发展方向, 针对传统视觉定位技术实时性差的问题, 提出一种基于自适应下采样的快速视觉定位技术。通过预先得到的尺寸特征, 并根据最小分辨尺寸计算下采样率, 而后对下一副图像进行下采样及图像分割, 根据对象坐标和下采样率确定对象在源图像中所处区域, 对源图像该区域进行图像分割和特征提取。将提取的尺寸特征作为下一幅图像的输入, 提取的视觉定位所需特征用于机器人的定位解算, 由此在保证视觉定位精度的前提下有效减少视觉定位的时间。实验表明, 对文中给定图像, 传统方法处理100幅图像时间为20.23 s, 而文中所述技术对应图像处理时间为1.78 s, 仅为传统技术的8.8%, 有效减少了图像处理时间, 提高了机器人视觉定位的实时性。

针对磁头飞行导致液体润滑膜的转移研究以及润滑膜在磁头上的动态变化特性观测问题, 基于改进的垂直物镜的椭圆偏振显微镜, 提出起偏器相移方法的磁头表面润滑膜厚度计算模型, 实现了润滑膜厚度的测量。实验以非极性润滑剂Z03覆盖的磁头为样品对椭圆偏振显微镜进行标定, 以极性润滑剂Zdol4000作为样品, 对其在磁头表面的去湿现象进行观察。该方法测量精度可达0.37 nm, 分辨力约0.36 μm, 可为其他纳米级薄膜观测提供一定的技术参考。

针对大尺寸物体形貌测量应用, 设计一种视觉形貌测量新方法。该方法是将两套没有公共视场的单目视觉传感器组合起来联合交汇, 分别用于位姿测量和单目多位置交汇测量。位姿测量通过求解PnP问题为单目多位置交汇测量提供位姿信息。单目多位置交汇测量利用位姿测量提供的辅助信息通过光束平差解算出待测物的形貌。分析了系统原理, 给出位姿测量PnP算法实现过程, 介绍了非公共视场相机的标定方法原理, 分析了单目多位置交汇测量的原理并给出实现方法。最后进行了测量方法的验证实验, 实验结果表明, 在3 m×3 m的工作范围内系统测量精度为5 mm, 证明该方法可以用于大尺寸物体形貌测量, 且结构简单轻便, 具有很强的灵活性。

为了探讨弱透视投影应用于靶场远距离、小视场姿态测量的可行性, 以轴对称回转体目标为例, 充分利用透视成像信息及弱透视投影原理, 逆向推导了单站弱透视投影的姿态测量模型, 实际试验结果证明了弱透视投影在靶场姿态测量中的可行性, 在文中所述的试验环境下, 弱透视投影与透视投影之间误差不超过0.05°; 明确了在靶场远距离、小视场姿态测量环境下, 弱透视投影误差主要来源于作用距离; 推导了算法适用的极限作用距离。以上研究为靶场弱透视投影远距离、小视场姿态测量奠定了一定的理论基础。

通道间视场一致性程度是分孔径探测系统的重要指标之一, 准确判断视场一致性程度对于该类仪器的设计和装调有积极意义。介绍了视场测量原理和视场一致性度量原理; 基于矩阵扫描测量视场的方法, 提出了体积法和面积法两种度量分孔径视场一致性的方法; 简要分析了不同情况下选用各种度量方法的优劣; 并在实验室搭建了分孔径探测系统视场测量装置, 测量了大气偏振辐射计通道间视场一致性程度。结果表明: 即使装调光轴平行度高于95%, 体积和面积一致性仍可能低于90%。单一方式难以准确度量视场一致性情况, 多种方法混合使用可以更全面地了解仪器零件加工和装调情况。

因红外调制检测技术用于检测扫描积分型光电雷达调制器的工作性能, 为此设计一套与调制器固有属性匹配的光学传递和激光准直系统。运用标准伺服控制理论为调制脉码信号建立Ⅲ型条件稳定的轴系扫描模型, 通过截获、跟踪视场切换及驱动电压调幅, 使模拟红外汇聚的激光扫描光束与3°×3°、40′×40′十字靶标重合, 计量扫描视场及零位精度偏差, 采集标定反射镜振动位置和扫描频率的过零脉冲, 用以实现红外信号调制性能的检测。测试结果表明, 该红外调制检测技术对调制器扫描视场的精度测量优于0.5′(1σ), 零位误差的精度测量不大于5′(1σ), 系统检测的相对误差不大于±1%, 满足光电雷达红外光轴瞄准线工艺装配的精度要求, 可应用于线列扫积型调制器的性能检测。

鉴于精确的光谱辐射定标精度验证对于高光谱遥感器的现场定标和数据应用非常必要, 以SVC光谱辐亮度计为例, 利用多波段辐亮度标准传递探测器和新型的光谱可调积分球参考光源, 设计了一种高光谱遥感器光谱定标精度的验证方法。该方法利用新型光谱可调积分球参考光源在待测波段内分别输出光谱形状单调上升和单调下降的光谱辐亮度状态, 通过光谱匹配技术, 即平移改变SVC光谱辐亮度计的波长, 分析比对MRSTD和SVC光谱辐亮度计测量辐亮度的相对偏差。比对结果为光谱定标验证精度优于±0.2 nm, 辐射定标验证精度小于5%。

针对平面干涉检测技术的检测精度受限于参考面面形精度的问题, 提出使用基于奇偶函数的高精度绝对检测方法消除干涉系统中参考面面形误差的影响。对旋转角度误差与旋转偏心误差对绝对检测方法测量精度的影响进行了仿真分析。利用商用菲索干涉仪, 设计和分析了绝对检测精度实验及重复性实验。仿真结果显示: 旋转角度误差在达到0.13°时, 测量误差PV值为0.000 1λ; 旋转偏心误差达到3 pixel时, 测量误差PV值为0.005λ。实验结果显示: 测得实际样品的绝对检测精度PV10值为0.041 5 λ, RMS值为0.008 7 λ, 小于常规干涉检测所得结果; 对同一平面两次独立的绝对检测结果进行点对点作差处理, 从而获得残差图, 其残差图PV10值为0.004 λRMS值为0.000 5 λ。实验结果表明了该方法的高重复性和有效性。

微通道板(Microchannel-plate, MCP)防离子反馈膜是负电子亲和势光电阴极微光像增强器的特有标志, 其主要作用是有效阻止反馈正离子轰击阴极以提高器件工作寿命。微通道板防离子反馈膜的厚度决定了其对电子透过、离子阻挡能力的大小, 电子透过能力直接影响图像的对比度和信噪比。根据微通道板防离子反馈膜阈值电压定义和测试原理, 对微通道板不同厚度防离子反馈膜、不同工作电压条件下的阈值电压特性进行了测试研究。结果表明: 防离子反馈膜的阈值电压随着膜层厚度的增加而增加, 两者之间遵循正比的线性关系: Y=398X+50; 在微通道板线性工作电压范围内, 防离子反馈膜的阈值电压随微通道板工作电压的增加而降低, 两者之间遵循反比关系。该研究对提高微通道板在负电子亲和势光电阴极微光像增强器中的使用性能具有重要意义。

带防离子反馈膜的微通道板(micro-channel plate, MCP)是负电子亲和势光电阴极微光像增强器的关键部件之一, 其工作状态对负电子亲和势光电阴极微光像增强器的性能有严重影响, 通过对无膜MCP及镀有不同厚度防离子反馈膜的MCP在不同阴极电压下、不同MCP电压下增益的测试与分析, 最终确定出防离子反馈MCP的最佳工作电压: ①对于负电子亲和势光电阴极像增强器用无膜MCP, 其最佳工作电压为: 当阴极电压大于一定值Vc1时, MCP增益几乎不变, 说明此时的阴极电压Vc1为无膜MCP的最佳工作电压; 当MCP电压为某一特定值Vm1(阴极电压为大于Vc1的任一值)值时, MCP出现增益, 但增益值很低, 当MCP电压大于(Vm1+100V)值时, MCP增益较大(大于20 000), 可认为板压为(Vm1+100V)值为无膜MCP最佳工作板压; ②对于同种材料的带膜MCP, 其最佳工作电压为阴极电压Vc=无膜MCP的最佳阴极电压Vc1与防离子反馈膜的阈值电压的代数和, MCP电压为Vm＞(Vm1+100V), 具体值应根据防离子反馈MCP增益值的线性工作区来确定。该文的研究对防离子反馈MCP的最佳工作电压的确定及对负电子亲和势光电阴极像增强器性能的提高具有重要的意义。

为了降低双目瞳孔检测系统放大率对瞳孔位置的敏感性, 设计了一款基于近红外远心镜头的双目瞳孔检测仪。阐述了系统中的核心部件——近红外远心镜头光学参数的计算过程, 分前后组进行设计, 并运用Zemax完成光学系统优化, 以全视场MTF、全视场最大畸变和物方远心度为指标对系统进行公差分析, 利用标准圆对仪器进行标定, 拟合出像素数和瞳孔大小的对应关系。结果表明, 对于55 mm~75 mm的瞳距, 瞳孔的直径测量精度可达0.05 mm, 满足使用要求。

通过已搭建好的激光超声检测实验平台, 在保持相同激光脉冲能量和相同探测位置的条件下, 重点研究了点光源与线光源产生的超声信号的特点和区别。研究了不同探测位置点光源与线光源激发出的超声信号幅值以及产生的超声信号波形。实验发现: 在同一探测位置下, 将点光源换成线光源后, 产生的超声信号幅值由1.3 V提高到1.7 V, 提高了0.4 V; 在探测位置逐渐增大的情况下, 点光源激发出超声信号幅值的衰减幅度为75.78%, 而线光源激发出的超声信号幅值的衰减幅度为34.92%。结果表明, 在功率密度相同的情况下, 线光源产生的超声信号要比点光源产生的超声信号幅值提高40.86%, 产生较强的表面波, 提高了信噪比。

鉴于目前561 nm激光器噪声较大, 影响其实用性, 提出一种高稳定性低噪声的561 nm黄光激光器。利用NdYAG晶体得到1 123 nm基频光, 通过LBO晶体腔内倍频得到561 nm输出。理论分析了1 112 nm、1 116 nm与1 123 nm波长的阈值泵浦功率, 提出1 123 nm的单波长振荡条件, 确定谐振腔镀膜要求。根据理论计算, 设计了合理的谐振腔膜系, 通过抑制1 112 nm与1 116 nm谱线在谐振腔内的振荡实现1 123 nm谱线的单波长振荡。在泵浦功率为5 W时, 实现了561 nm激光单波长输出, 输出功率达到107 mW, 功率不稳定性达到0.7%, 噪声为1.2%。

为了提高纳米坐标测量机探针的测量精度, 且能满足对复杂曲面或微结构进行精确测量的要求, 提出了一种新颖的基于微探针系统的光纤布拉格光栅(FBG)探针。该探针具有较高灵敏度和可重复性。提出该新型FBG探针, 即探针里有一个熔融的球形顶端, FBG作为应变传感器内置在测杆上。介绍了光纤探针的基本原理, 并利用有限元软件ANSYS 11对探针的应变分布在轴向和横向载荷两种典型配置分别进行了仿真分析, 结果表明仿真分析和理论计算相吻合。通过实验对光纤探针的灵敏度和分辨率分别进行测试。实验结果表明, 在轴向载荷条件下, 用位移分辨率为1.5 nm的压电换能器对探针进行性能测试, 得到光纤探针的测量分辨率为60 nm。即光纤探针具有较高的灵敏度和分辨率, 其性能满足实际测量需要。

半导体激光器光谱合束技术能够实现近衍射极限的高功率激光输出, 已成为当前研究热点。衍射光栅的性能直接决定光谱合束的激光输出效果。模拟设计了一种针对940 nm波长、熔融石英材料的亚波长透射光栅。基于严格耦合波理论对光栅结构进行初步设计, 运用Rsoft软件依次对光栅占空比、脊高和周期等参数进行优化确定, 同时分析了各个参数对光栅衍射效率的影响。所设计的透射式光栅实现第-1级衍射级次的波分复用功能, 衍射效率达到91.2%(TE模式), 同时压缩其他衍射级次, 使其衍射效率降到1.2%以下。同时在光栅入射角度59°±3°范围内保持90%以上的衍射效率, 实现高功率激光输出的同时具有较高的误差容错率, 易于调节, 满足光谱合束技术的要求。