为了探索研究利用宽波段伪装对光谱成像设备实现有效干扰的可行性, 并定量、客观评估光谱成像伪装干扰效果, 利用一种超光谱成像仪和一种宽波段伪装网进行了光谱成像伪装干扰试验, 并利用平均绝对差分对光谱成像伪装干扰效果进行了定量分析和评估。结果表明, 宽波段伪装网在超光谱成像仪各谱段均有一定的伪装干扰效果, 伪装干扰效果的显著程度因伪装前的目标特性、伪装网层数以及谱段的不同而不同; 利用平均绝对差分准则可以将伪装干扰效果的显著程度定量化, 并排除了主观因素, 使对光谱成像伪装干扰效果的评估更加精确, 因此是一种适用于光谱成像干扰效果评估的定量、客观准则。

针对观测远距离目标时, 难以有效提取目标温度、面积、表面材料等特征信息的问题, 本文从代表物体固有属性的光谱发射率出发, 综合考虑目标的材料特征、结构特性、红外辐射特性等因素, 建立了目标的双波段红外光谱复合模型, 提出了基于材料光谱发射率的目标特征提取的方法。针对特定类型目标查找其表面主要构成材料, 测量材料的光谱发射率, 建立相应的数据库。在此基础上, 利用鸡群算法对模型进行求解, 反演得到目标的表面构成材料, 辐射温度以及有效辐射面积, 取得了良好的效果。

针对气体激光拉曼光谱分析受众多因素的影响导致定量测量的重复性不佳的难题, 本文通过采集并分析大量光谱强度数据, 提出一种精度更高, 稳定性更好的计算光谱强度的算法, 即“部分面积法”。同时比较不同面积计算光谱强度对测量重复性的影响。实验结果表明, 在已设计的光路系统和采用的硬件设备的条件下, 发现利用其中三点计算光谱强度, 所得气体浓度的波动性最小、测量结果最稳定即测量重复性最佳。最后对 10.0% C2H2气体浓度进行验证, 连续测量的 100组数据的标准差达到 8.526 2×10-4, 并给出了相应的初步理论分析。

为无损检测辣椒粉中苏丹红一号浓度 (C), 本文运用高光谱成像检测技术得到 120个含有不同 C的辣椒粉高光谱图像, 其中 60个作为校正集剩余为预测集, 采用连续投影算法(SPA)从校正集的海量光谱数据中优选出 45个特征波长, 再通过偏最小二乘回归法 (PLSR)、多元线性回归法 (MLR)和主成分回归法 (PCR)建立预测模型。结果表明, MLR模型较优, 其校正集相关系数为 0.998, 校正均方根误差为 0.737 3 μg/ml, 预测集相关系数为 0.987, 预测均方根误差为 1.921 3 μg/ml, 该方法可以实现辣椒粉中 C的无损检测。

目前大多数空间相机不仅具有高分辨力的全色谱段, 还包含越来越多的多光谱谱段。对于这种全色与多光谱并用空间相机, 为使多光谱谱段具有足够高的信噪比, 多光谱谱段像元尺寸普遍较大, Fλ/d较小, 容易出现混叠问题。从采样式光学成像系统的模型出发, 对混叠产生的机理进行详细分析, 介绍了采用虚假响应来度量混叠程度的方法。以 Wordview-2为例, 采用虚假响应法对全色与多光谱并用空间相机的混叠问题进行了定量计算分析。结果表明, Wordview-2全色谱段的混叠大小为 7.35%, 而多光谱谱段的混叠大小为 14.76%~18.15%, 后者是前者的 2~2.5倍。最后, 分析了混叠的影响和抑制混叠的措施。

为了保证空间反射镜具备优良的力学和热性能, 在反射镜结构设计阶段对其进行结构尺寸稳定性分析至关重要。设计了某 1 200 mm×450 mm口径长条形空间反射镜的轻量化结构, 采用 SiC材料制作反射镜镜坯, 反射镜背部开三角形轻量化孔, 提出一种背部 3点柔性支撑方案, 并设计了反射镜的支撑结构。通过对反射镜及其支撑结构在重力载荷和温度载荷工况下的变形分析, 拟合出反射镜面的面形 PV值、RMS值以及镜面的倾斜量, 并依此作为修改设计方案的依据。分析结果表明, 在 X向重力作用下反射镜面形 PV为 51.9 nm, RMS为 9.2 nm, 反射镜绕 Z轴倾角为 2.9″; 4 ℃均匀温升载荷作用下, 反射镜面形 PV为 69.8 nm, RMS为 12.4 nm; 反射镜组件的基频为 173 Hz, 能够满足空间应用要求。

共形导引头光学系统因在非零观察视场中失去旋转轴对称性而存在随视场不断变化的动态像差。为验证共形光学系统的光学成像性能, 设计了采用固定校正板进行像差校正的万向支架式共形导引头光学系统。系统在±55°观察视场内设计的传递函数值大于 0.5, 像元内能量集中度大于 80%。为简化位标器结构并完成光学系统的成像性能测试, 提出了采用头罩旋转的方式替代位标器结构的旋转。光学系统调制传递函数测量结果表明系统在小观察视场中的调制传递函数大于 0.45, 在全观察视场内大于 0.25, 满足目标探测要求。

较常规锗晶体、硫化锌、硒化锌等红外材料, 硫系红外玻璃因为其较低软化点温度, 非常适合精密玻璃模压技术实现规模化生产, 而模具设计是实现精密模压的关键技术之一。因此本文研究了采用有限元设计模具的方法。本文描述了从零件图纸、玻璃材料选取到有限元仿真设计模具的具体过程, 并对设计的模具进行模压试验, 结果表明, 采用有限元仿真技术能有效的指导模具设计, 设计的模具经一次试压, 零件面型精度满足设计要求。

混色均匀性对大部分彩色 LED照明而言都是一个难点, 尤其体现在近距离小角度空间范围。本文由此提出了准直透镜与复眼微结构组合的混色透镜设计, 具有良好的混色效果, 适用于智能照明。根据实际仿真, 对设计方法进行特性分析, 以找到能量利用率和混色效果之间的平衡点。最后给出一个发散角为 20°、能量利用率达到 93%且在远近空间都具有良好混色效果的设计结果, 证明该设计方法的可行性。

本文通过 Zemax软件设计一款用于智能交通监控系统车牌识别的宽波段、大孔径、大靶面光学成像镜头。利用红外技术, 保证在昏暗或夜间环境中仍然能够清晰成像。近红外中心波长为 850 nm, 采用 Zemax多重组态设计, 使可见光和近红外光共焦。根据消色差理论, 选择合适材料组合消色差, 最大焦面漂移量为 44 μm。通过镜头应用参数分析, 镜头 F数设定为 1.2, 半视场角为 13°, 使用索尼 ICX814一英寸 CCD图像传感器, 像元尺寸为 3.7 μm×3.7 μm, 全视场 MTF值在空间频率 135 lp/mm大于 0.3。

针对超低信噪比条件下的弱小目标检测跟踪问题, 本文提出一种新的动态规划检测前跟踪算法。首先, 基于相邻帧的幅值关联函数, 提出一种新的值函数构建方法, 不仅考虑当前帧的幅值信息, 还利用了相邻帧的幅值关联信息。其次, 为解决新生目标或目标湮灭的情况, 提出一种基于动态门限的遍历状态回溯算法。与同类算法的仿真分析说明, 所提算法能有效提高超低信噪比条件下的弱小目标探测性能。

本文提出并设计了一种基于光子晶体负折射效应的电光偏转器, 通过电压改变 5CB相列型液晶分子的指向矢从而改变其折射率, 并对电光偏转器进行偏转控制。应用平面波展开法 (PWE)和二维时域有限差分法 (2D-FDTD), 对光子晶体的负折射特性和自准直特性进行仿真, 实现了光路的分离与偏转。仿真结果表明, 该电光偏转器可实现 20°的较大偏转, 而且偏转角随折射率呈线性变化。

为评估日盲紫外像增强器的带内响应能力及带外截止能力, 基于标准替代法, 设计并实现了宽光谱大动态范围的日盲紫外像增强器绝对光谱响应测试系统。系统选择宽波段、高亮度、高稳定性的激光泵浦白光光源作为基本光源, 与单色仪配合构建了单色辐照场, 并采用可溯源于美国 NIST标准的硅陷阱探测器作为参考探测器, 通过高精度静电计和多种抗干扰手段进行微弱电流测量, 实现了对日盲紫外像增强器绝对光谱响应的高精度测试。实验结果表明: 系统可覆盖光谱范围 200 nm~630 nm, 动态范围达 106, 测试不确定度低于 5.5%。该测试系统稳定可靠, 精度高, 基本满足日盲紫外像增强器筛选的应用需求。

针对折反式长波线阵红外传感器的探测距离远、大口径小焦比、无法凝视成像等结构特点与使用要求, 提出了一种高精度、流程化、参量化的装调技术, 首先保证主反射镜装调后的面型精度, 利用准直光管与三坐标测量机严格量化控制主、次镜之间的光学间隔, 然后通过波像差测试手段对主、次镜的相对倾斜与径向偏移进行调校; 再利用基准转换的方法, 保证主、次镜系统与中继镜组光轴一致; 最后装配线阵探测器, 利用周扫工装反射镜, 进行像面与光轴的调校。文中介绍了装调过程中采用的非球面激光定心、微应力粘接装配、中空主次镜光学间隔调校、中继镜“逐片”定心、线阵探测器周视装调等关键技术, 结果表明: 运用该技术装调后, 探测器 MDTD可达到 4 K, 外场探测距离可达 60 km以上, 满足设计指标要求。

医学内窥超声成像设备在获取图像时受到换能器尺寸等多种因素的影响, 使得超声图像对比度较低和噪声较大, 无法为医疗诊断提供清晰的影像依据。为此科学家们提出了多种处理方法, 但这些方法多为成像后处理算法, 实时性较差, 无法满足内窥超声系统实时成像的要求 (25 f/s)。针对以上问题, 本文设计了基于提升式小波变换的嵌入式超声内镜实时图像处理系统, 利用超声内窥系统环扫成像特点以及 FPGA流水线概念, 对每条扫描线的回波信号进行小波去噪, 再经过 CORDIC算法、插值处理后得到二维超声图像。本文利用自行搭建超声内镜实验系统对鸡肉组织进行环扫成像, 实验表明该系统成像速度可达 25 f/s, 信噪比提高了 3.8 dB, 从而验证了系统的可行性。