随着机器视觉技术在先进制造系统、机器人系统、智能监控、航天**等领域的广泛应用, 仿生视觉系统的小型化、灵巧化成为研究的重要方向之一。针对传统机器视觉系统变焦结构复杂、易磨损、寿命低等缺点, 在分析液体透镜原理和成像特点的基础上, 设计并搭建了一种基于液体透镜的仿人眼光学系统, 系统的主要技术指标为: 焦距范围18.5 mm~22.5 mm, 镜头变倍比为1.22, 视场角为38°×24°。设计结果符合各项指标, 像质在不同焦距处均满足使用要求, 可实现实时对焦。整个光学系统尺寸为36 mm×55 mm×30 mm, 结构紧凑, 实用性强。

为了研究高速飞行弹丸的运动姿态问题, 提出转镜同步跟踪技术。在高速CCD相机主光轴方向放置一面转镜, 将弹道线位置上飞行弹丸的运动姿态反射到高速CCD相机内实现同步跟踪。设计了基于高速CCD相机视场中点的转镜跟踪系统, 建立了弹丸和转镜的运动模型, 并利用MATLAB软件得到了其随时间变化的曲线, 分析了相机和转镜空间位置对成像质量的影响。针对参数H=200 m, V=100 m/s, 对系统存在的误差进行了分析, 结果表明该系统可以实现对高速弹丸的同步跟踪。

为了实现激光投影仪器或系统的自动聚焦, 研究搭建了激光动态聚焦系统。该系统可依据背向反射光强信号的变化调节聚焦系统的镜组间距, 使激光扫描投影系统能够在不同距离的投影面上聚焦出最小光斑, 从而提高系统的定位精度。根据激光动态自聚焦系统的原理, 设计了光学杠杆型和反远距型2种动态自聚焦方案, 并推导出相应的数学模型; 利用ZEMAX光学设计软件进行仿真实验, 通过比较得出响应更加灵敏、结构更加合理的自聚焦系统; 搭建新型自聚焦激光扫描投影系统对动态自聚焦性能进行了验证。实验结果表明: 反远距型动态自聚焦系统更加合理, 在4.5 m处的投影面上, 汇聚光斑直径最优可达0.2 mm, 可使激光扫描投影仪在进行辅助装配时的定位准确度提高至0.1 mm, 能够达到先进制造装配工程中零部件的精准定位要求。

设计了一种可实现收发一体连续扫描的微透镜阵列, 该三片式微透镜阵列以加入场镜的开普勒望远结构为原型, 通过微透镜阵列之间的微小横向位移进行接收视场的选择与发射光线的同步偏转, 完成扫描光学系统对大视场区域的光束收发。设计约束望远镜的视觉放大率为1, 即入射和出射端口的微单元通光孔径相等, 从而实现收发共用且不会造成能量损失和串扰。利用ZEMAX光学设计软件, 采用发射、接收端口单独设计然后拼接的方法搭建模型。微透镜阵列工作中心波长为1 064 nm, 凝视视场为±1.06°, 扫描视场为±10°, 单元规格为1 mm×1 mm, 且只需移动一片即可实现双向扫描, 具有体积小、扫描角度大、灵敏度高等优点。

针对一种新型柔索传动差动结构稳定平台结构设计问题, 开展平台载荷分析和框架结构强度以及稳定性校核研究。根据平台的实际工况和载荷特点, 将载荷划分为惯性载荷、质心偏移加速度载荷、摩擦载荷和环境载荷, 分类计算并进行载荷综合和功率估算; 以回转架结构为例进行结构静动态校核, 根据载荷分析结果, 对框架结构进行有限元分析, 校核结果显示回转架具有良好的静动态特性: 平台框架调转及随载体机动过程中的变形在系统允许的范围之内, 满足设计要求; 框架结构一阶固有频率为156.04 Hz, 远高于伺服系统工作带宽, 不会引起谐振, 具有较高的结构动态稳定性。

空间旋转多光轴系统光轴平行性影响系统指向精度且校准难度高、耗时。基于空间旋转多光轴系统光轴校准原理, 获得了校准理论模型; 结合实验研究, 建立了高精度光轴校准方案; 以机械回转轴为基准, 粗调准和精调准结合, 以调整传感器安装面为粗调, 借助双光楔实现光学量级的精校准; 先校正可见光光轴与机械回转轴的平行性, 再保证激光光轴与机械回转轴的平行性, 最终保证可见光光轴与激光光轴的平行性。试验结果表明, 该校准方案精度高, 指标优于0.1 mrad, 可用于实际工程装调。

为了便于光程差的调节, 利用全反射棱镜结构改进了传统的M-Z干涉系统, 并建立了基于双波长干涉原理的M-Z测量系统理论模型。利用Zemax建立了完整的光学系统模型, 对整个系统进行仿真分析测试。系统像质评价结果表明: 532 nm～632.8 nm波段范围内系统的能量集中度达85%、畸变值小于0.02%、截止频率10 lp/mm时调制传递函数在0.9以上, 满足对透射型试样进行测量的成像要求, 为高性能干涉系统实用化提供了理论依据和技术支持。

为满足空间遥感光学系统结构紧凑、体积小以及高分辨率的需求, 提出了一种长焦距紧凑型光学系统的设计方法。基于高斯光学和初级像差理论, 创建了同轴四反射镜系统的初始结构, 通过视场偏置的方法避免二次遮拦。对设计的大口径超长焦距同轴偏视场四反射光学系统进行优化, 系统口径1 800 mm, 有效焦距25 000 mm, 全视场角1°×0.1°。设计结果表明, 系统设计波像差优于λ/50(λ=632.8 nm), 全视场相对畸变小于0.4%, 光学筒长仅为有效焦距的1/10, 结构简单紧凑, 像质接近衍射极限, 对大口径超长焦距空间遥感光学系统的设计具有一定的借鉴作用。

为了实现大口径长焦距的变焦光学系统在光电跟踪设备的需求, 通过对变焦原理的分析与计算, 进而确定出合适的初始结构。通过分析比较, 确定采用机械补偿变焦型来实现整个变焦系统。整个系统需要设计实现100 mm~600 mm的连续变焦, 同时保证其F数不发生变化, 同时由于孔径较大, 且焦距变化范围比较长, 因此设计难度比较大。通过优化设计得到结果, 该系统的设计结果表明整个系统的总长达到了563.956 mm, F数基本保持不变, 这样在实际的应用中该系统可以实现远距离的成像。系统在中长焦距时, 其MTF值在30 lp/mm处都大于0.4, 在短焦时性能略有下降, 对于实际应用满足要求。

CCD作为一种光电转换器件, 具有成本低、结构简单、扫描速度快、频率响应高等优点, 越来越广泛地运用到测量领域。提出采用单色线阵CCD, 以非接触的光学方式对角度信息进行编码调试, 通过采集该信号利用数据处理模块, 完成对图像信号的解调, 实现角度值的测量。系统选用TSL1401和LPC2138为核心构成嵌入式测量系统, 利用TSL1401采集信号, 通过A/D传输到LPC2138中进行数据处理, 最终得到角度值。系统通过光学的方式对角度进行测量, 实现了非接触式测量。

遥感图像融合是指将不同传感器得到的具有不同观测特性的图像信息有选择、有策略地结合起来, 以得到具有更优观测特性的新图像的方法。提出一种深度学习结合非下采样剪切波变换(NSST)的遥感图像融合算法, 利用改进的超分辨率重建网络对多光谱图像(MS)进行空间分辨率增强, 全色图像(PAN)参考重建后的多光谱图像的每个分量进行直方图匹配。将对应通道的图像进行NSST变换, 分别得到低频子带和若干高频子带。低频子带通过使用基于梯度域的自适应加权平均规则来获得低频融合系数, 高频子带采用局部空间频率最大值规则来获得高频融合系数, 最后经逆NSST变换重构获得融合图像。对不同数据集中的City和Inland多光谱图像采用双三次插值方法进行上采样, 作者提出算法的通用图像质量指数(UIQI)分别为0.988 6和0.932 1, 光谱角映射(SAM)分别为1.872 1和2.143 2。实验结果表明, 图像结构更加清晰, 保存的光谱信息更加完整, 融合图像质量优于对比算法, 融合图像更利于人类视觉观察。

在复杂光照条件下二维码扫码器采集到的图像容易出现整体高亮、阴影区域和局部高亮、阴影区域, 使得图像分割阈值确定困难, 研究了Sauvola算法中的窗口大小w值和修正因子k值对于QR码图像二值化的影响。针对全局二值化方法抗噪能力差和局部二值化方法处理速度慢的缺陷, 提出了一种改进的QR码图像二值化方法, 将Otsu和Sauvola算法相结合提升算法抗噪能力, 并利用积分图算法提高算法运行效率。实验证明, 该方法二值化效果优于经典的二值化方法, 平均运行效率比原Sauvola算法提高17倍, 提升了识别成功率。

针对光子计数系统实现三维成像速度缓慢的问题, 提出一种基于小波树和哈达玛矩阵的自适应快速三维压缩成像方法。利用哈达玛矩阵调制投影图案提高采样效率, 被调制的短脉冲结构光照射场景, 单像素光子计数探测器采集回波。通过分析低分辨率图像的小波树选择采样区域, 使用哈达玛矩阵调制所选采样区域得到的投影图案, 可采集图像细节, 多阶段采样后利用哈达玛反变换恢复出高分辨率图像。实验结果表明, 采集并恢复出一幅512×512像素的三维图像的时间最快可达到41 s。

设计了一套CCD航空相机动态分辨率检测系统, 系统入瞳直径D=200 mm, 焦距f′=2 000 mm, 视场角2ω=5°, 利用光学设计软件Zemax进行仿真, 设计结果表明, 在奈奎斯特频率为40 lp/mm的情况下, 调制传递函数曲线值均高于0.5。采用波差法校正由长焦距所引入的二级光谱, 同时, 引入分辨率尺的概念, 将每一块单独的分辨率板采用拼接的方式制作成300 mm×24 mm的分辨率尺, 令分辨率尺在电机的带动下作匀速直线运动来模拟动态目标。该测试系统的设计能够在模拟飞机飞行的状态下, 对其动态分辨率进行检测, 检测精度1″,可广泛用于测绘、**侦察和航空航天等领域。

随着中长焦距光学元件在光学遥感、高功率激光器和天文望远镜等系统中的广泛应用, 对这类光学元件焦距的高精度测量提出要求。在双光栅干涉焦距测量技术的基础上, 提出了一种新的改进算法。该算法通过Moiré条纹倾斜角度与待测元件焦距之间的函数关系得到焦距计算公式, 并利用入射平面波时Moiré条纹的理想状态优化了该计算公式, 解决了Moiré条纹倾角基准线的确定问题, 提高了Moiré条纹角度求解精度。采用2块周期为20 μm的朗奇光栅搭建了长焦距测量装置。实验测得的透镜焦距为36.690 m, 测量重复精度达0.382‰。

为了保障太赫兹探测器测试的准确度和可信度, 对太赫兹探测器响应度定标溯源技术进行研究, 针对常用太赫兹探测器黑体辐射测试技术存在对环境、设备要求高和搭建难度大等问题, 以中国计量科学研究院的热电型太赫兹探测器作为计量标准, 提出一种校准方案, 设计搭建了一套太赫兹探测器响应度定标系统。为提高定标准确度, 实验测试了定标光学系统的光束质量, 并合理设置光阑孔径以满足定标要求。在0.1 THz频点处对2个响应度未知的场效应自混频太赫兹探测器进行响应度定标。结果表明, 定标的相对扩展不确定度为6.80% (k=2), 验证了定标系统的可行性, 系统可实现太赫兹探测器功率响应度溯源到国家激光功率标准, 保障太赫兹功率测量的准确可靠。

提出一种在室内进行的侦察车校零方法。该方法采用专用校零仪, 不需要基准点。该专用校零仪将高精度寻北仪、水准仪以及校炮镜或校枪镜相结合, 其校零精度可达到0.15 mil。该校零方法可以有效解决场地或气象条件不满足情况下侦察车的校零问题。

为了提高OLED出光效率, 在OLED基底表面设计了二维连续表面亚波长光栅。利用等高台阶逼近的方法近似连续表面光栅结构, 并结合等效介质理论和薄膜光学原理, 设计光栅参数: 刻蚀深度0.29 μm, 周期大小0.165 μm, 底边直径与周期的比值等于1, 可以实现宽光谱、广角度的高透射率。利用时域有限差分方法仿真计算了该光栅对OLED基底出光效率的影响, 结果表明, 出光效率最高可提高30%。

金纳米颗粒掺杂光致聚合物在全息曝光过程中, 光产物周期分布会形成折射率调制相位型主光栅, 同时金纳米颗粒周期分布形成由局域表面等离子体共振引起强吸收的振幅型辅助光栅。研究基于耦合波理论的一种混合光栅模型, 分析了光栅的体全息光学特性。结果表明, 混合光栅中的折射率光栅和吸收光栅都能够提升体光栅的衍射效率;体光栅的角度选择性也可以得到明显的改善。

针对快速反射镜系统在捕获、跟踪、瞄准过程中, 由于外界环境以及音圈电机机械惯性和电磁惯性所引起的影响跟踪精度以及响应时间的不确定性干扰问题, 提出了一种滑模动态面控制器(SMDSC)。此控制器引入跟踪微分器(TD)代替传统动态面控制中的一阶滤波器, 改善了一阶惯性环节收敛速度和控制精度不理想的问题, 另外控制器将滑模控制和动态面控制相结合, 进一步提高了系统的抗干扰能力和跟踪精度。研究表明, 设计的SMDSC与传统动态面控制、经典PID控制相比较, 上升时间分别提高了62.5%、75%; 调节时间分别提高了72%、88%; 跟踪精度分别提升了75%、96%。

为进一步完善多级无衍射光束的传输与转换理论, 基于轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析, 采用数值模拟软件对双级无衍射光束的空间光强分布与轴上光强分布进行仿真; 基于锥镜加工工艺对锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布进行研究, 分析了双级无衍射光场的场强大小和影响光场振荡周期的因素。结果表明: 理想双级轴棱锥透镜生成的无衍射光场由4个区域组成, 在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥衍射场的耦合叠加, 其余区域仍保持单级无衍射光场分布特性; 锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布受双曲线特征参数影响较大。其特殊的光场分布为多级无衍射光束拓展至大尺寸空间测量以及粒子微操作等提供了新的可能。

利用动态数据交换通信技术对Tracepro软件进行了二次开发。提出通过使用动态数据交换通信协议中的连接、发送、请求等通用方法, 实现二次开发软件传输脚本到Tracepro中仿真, 以及调取仿真结果返回二次开发软件的功能。在软件中可以实现模型自动生成、参数自动配置、自动仿真、优化分析等功能, 提高了设计效率。以设计LED杯型建模仿真软件的设计为例, 在软件中实现了与Tracepro交互, 完成了LED快速建模、设计及仿真。

基于中红外光源的气体光谱检测是新的痕量气体监测与分析方法, 在大气监测领域具有重要的应用。构建了一套基于中红外DFG光源的甲烷气体光谱检测系统。该系统以1 550 nm和1 060 nm波段可调谐半导体激光器作为基频光源, 采用PPLN晶体作为差频非线性变频器件, 实现了3.3 μm处的窄线宽可调谐中红外光源输出。实验结果表明, 当PPLN晶体工作温度为99.5℃时, 闲频光的输出功率为112 μW, 差频转换效率达到1.246 mW/W2。晶体的温度接受带宽为4.3℃, 泵浦光波长接受带宽为5.3 nm。在此基础上, 分别利用直接吸收法和谐波检测法获得了3 028.751 cm-1处的甲烷气体吸收光谱和二次谐波检测信号。

针对红外视频人体行为识别问题, 提出了一种基于时空双流卷积神经网络的红外人体行为识别方法。通过将整个红外视频进行平均分段, 然后将每一段视频中随机抽取的红外图像和对应的光流图像输入空间卷积神经网络, 空间卷积神经网络通过融合光流信息可以有效地学习到红外图像中真正发生运动的空间信息, 再将每一小段的识别结果进行融合得到空间网络结果。同时将每一段视频中随机抽取的光流图像序列输入时间卷积神经网络, 融合每一小段的结果后得到时间网络结果。最后再将空间网络结果和时间网络结果进行加权求和, 从而得到最终的视频分类结果。实验中, 采用此方法对包含23种红外行为动作类别的红外视频数据集上的动作进行识别, 正确识别率为92.0%。结果表明, 该算法可以有效地对红外视频行为进行准确识别。

基于碲镉汞红外焦平面探测器的结构与其材料热力学相关特征, 描述了激光辐照碲镉汞红外焦平面探测器造成的损伤机理。根据相关的辐照环境和条件, 通过有限元分析法建立了三维仿真模型。基于COMSOL Multiphysics软件仿真了碲镉汞红外探测器受到波长10.6 μm的激光辐照时, 探测器各部分的温度变化及应力变化情况; 通过数值分析方法, 比较了碲镉汞探测器在经过光斑面积相同。功率不同的激光辐照后, 其表面径向及内部轴向的温度场变化及应力场变化情况。仿真结果表明: 在经过106 W/cm2的连续激光辐照后碲镉汞探测器表面温度与应力快速升高, 造成探测器表面损伤, 同时探测器被辐照部位的温度变化也导致其内部局部应力值变化。将碲镉汞探测器的应力损伤阈值及变化趋势与文献中相关实验数据进行对比, 发现二者结果基本一致, 验证了模型的可行性。

高级多电平调制格式在海上高速和高光谱效率的光通信中已经显示出巨大的潜力。将正交相移键控(QPSK)调制格式引入自由空间光(FSO)通信, 实验证明可实现高达50 Gbit/s的高速FSO传输链路, 能够清楚地观察到所发送的QPSK信号的眼图和星座图。通过比较传输之前和之后的误码率曲线, 可以发现接收灵敏度都小于-36.7 dBm。当误码率为3.8×10-3时, 它们的功率损失都小于4.2 dB。

跟瞄精度是空间激光通信系统捕获、跟踪和瞄准(acquisition, tracking and pointing, ATP)分系统的重要指标参数之一, 其准确测量是评估空间激光通信系统远距离通信性能的关键。介绍了空间激光通信系统ATP分系统跟瞄精度的测试方法, 设计了一种基于平行光管法的空间激光通信系统动态瞄参数测量装置, 分析和讨论了影响动态跟瞄精度测量不确定度的因素。试验表明, 该测量装置在100 Hz振动频率条件下, ATP分系统稳定精度测量不确定度达到1.9 μrad(k=2), 可用于空间激光通信系统ATP分系统跟瞄参数检测以及远距离激光通信性能评估。