地基大口径望远镜自适应光学系统对空间目标的校正性能相对天文目标明显退化.为有针对性地优化观测参数, 获取空间目标最佳校正效果, 需要对自适应光学系统对空间运动目标校正性能进行合理地预测.以波前探测器测量的校正后波前残差为度量标准, 通过对空间目标轨道分析, 推导了空间目标最佳自适应观测仰角的存在和计算方法.以长春光机所自研的1.23m望远镜为例, 分析了空间目标随轨道变化的大气相干长度对空间拟合像差、格林伍德频率对时域拟合像差、目标信号强度对波前测量误差的影响.结果表明: 时域拟合像差相对空间拟合像差占主要成分; 目标信号强度变化对波前测量误差的影响不大; 目标、轨道、系统参数不同, 对应的最佳自适应观测仰角亦不同.另外, 通过改变湍流相位板通光尺寸、转速以及光源亮度分别模拟大气相干长度、格林伍德频率以及目标信号强度的变化, 构造了可用于测试自适应光学系统对不同轨道状况空间目标的校正性能的实验系统.

为了满足偏振光导航中对天空特征点位置信息的需求, 提出一种基于Rayleigh大气偏振模式的太阳和太阳子午线空间位置的计算方法.首先分别利用瑞利单次散射理论和偏振分析仪重建了理论和实测大气偏振模式, 再根据大气偏振分布模式的特点, 对所采集的偏振度数据和E-矢量数据进行聚类分析, 利用偏振度数据确定太阳位置, E-矢量数据确定太阳子午线位置, 将求取太阳和太阳子午线空间位置的问题转化为确定相应类中心的问题.最后对所提方法分别就大气偏振的理论模式和实测模式进行实验分析, 与最小二乘法利用偏振数据反推太阳位置法相比, 该方法有效地利用了偏振模式整体分布的稳定性特点, 可以通过采集大范围偏振信息获取较准确的空间显著特征点位置, 得到较好的实测数据处理结果.

基于光纤Mach-Zehnder干涉仪双边缘检测技术, 提出并设计了一套全光纤非相干测风激光雷达系统, 对多普勒频移的提取和风速反演算法进行了理论分析, 针对大气分子散射信号的特点, 对光纤Mach-Zehnder鉴频系统进行了优化设计.应用美国标准大气模型, 对系统的灵敏度、信噪比以及测量误差进行了数值仿真.仿真结果表明, 对532 nm波长的地基分子散射测风激光雷达, 当垂直距离分辨率为300 m, 进行1 000次激光脉冲累计平均后, 得到径向探测距离达到20 km, 径向风速在±100 m/s的范围内时, 径向风速误差小于1.4 m/s, 说明此系统可以进行远距离大尺度风速的测量, 为新型小型化测风激光雷达的开发及研制提供了一种可行的技术方案.

为了实现机载光通信终端小型化、高准确度的要求, 依据机载平台振动功率谱特点设计了以FPGA为核心的小型机载精跟踪光通信终端.分别通过室内模拟跟踪与扰动抑制、远场信标探测与通信评估实验对精跟踪系统的性能进行了验证.分析了精跟踪系统对机载平台振动的抑制效果以及不同湍流强度对跟踪造成的影响.在远场3.4 km进行大气湍流验证实验, 通过角速度模拟了飞机到地面距离20~30 km, 飞行速度700～900 km/h时的通信实验.实验表明, 精跟踪系统对机载平台的振动具有较强的抑制能力, 系统跟踪准确度为3 μrad左右; 精跟踪可以使机载光通信模拟运动时的接收光功率提高4～5.9 dB.系统搭建灵活, 跟踪准确度高.

将整个光纤布喇格光栅栅区的非均匀应变简化为多个受到均匀轴向应变光纤光栅基元的级联作用, 仿真分析了锚头典型锚固深度非均匀应变对光纤布喇格光栅输出光谱的影响, 结果表明明常规光纤布喇格光栅无法适用于斜拉索锚头内部轴向非均匀应变测量.为了克服非均匀应变对光纤布喇格光栅应变测量效果的影响, 提出了利用毛细管对光纤布喇格光栅栅区进行应变隔离的新型应变均化传感器结构, 并对传感器的测量原理与力学特性进行分析, 得出毛细管材料与壁厚选型的基本公式.利用碳纤维复合材料作为封装材料, 试制出应变均化FRP-OFBG测力传感器, 并进行了力学拉伸试验.试验结果表明该传感器具有良好的应变传感性能, 且测量量程、刚度满足测量要求.将两只传感器植入试验缆索进行实索张拉试验, 缆索张拉过程中, 同步监测的光纤布喇格光栅输出光谱未受锚头非均匀应变影响, 说明利用毛细管对锚头应变均化的传感器结构方案可行, 且光纤布喇格光栅反射谱中心波长与缆索张力呈较好的线性关系, 说明锚头植入传感器与锚头结合良好, 测力功能满足索力测量需求.

基于相位共轭稳相方法研制微波频率传递系统, 简化传递系统光路, 实现光纤微波频率传递链路噪声的实时补偿, 完成50 km光纤9.2 GHz超稳微波频率传递实验.该系统采用模块化设计, 由微波参考信号生成模块、相位补偿模块、光纤传递模块组成.在实验室环境下经过9 d的连续测试, 结果表明, 自由运转时频率传递的稳定度(标准阿伦方差)为4.2E－13@1 s, 4.3E－14@1 d; 补偿后频率传递系统的稳定度达到5.8E－14@1 s, 1.9E－17@1 d.该系统能够满足百公里范围内的超稳微波原子钟频率传递需求.

在相位相关目标跟踪中, 由于响应函数为冲击函数, 不能适应目标的变化, 且易受噪音和杂波的影响, 导致跟踪失败.而均值合成滤波器利用符合期望的相关输出分布, 可获得较好的滤波效果.本文考虑跟踪过程中目标的上下文信息, 设计与目标空间位置相关的响应函数取代冲击函数, 从而获得更为鲁棒的滤波器; 利用峰值旁瓣比评估跟踪结果并自适应更新滤波器, 适应目标的变化; 用快速傅里叶变换进行加速算法, 对目标实现快速鲁棒跟踪.实验结果表明, 本文方法平均每秒处理50帧图像, 在准确度和精确性方面优于当前算法.

提出了一种基于光学衍射成像原理的彩色图像加密方法.首先把彩色图像分成红、绿、蓝三基色分量, 并将三基色灰度图像分别作离散余弦变换, 得到对应的离散余弦变换谱.保留离散余弦变换谱的主要数据, 并用空间复用的方法把这三个主要数据融合于一个实值图像之中, 该图像即为复合频谱.再将此复合频谱送入光学衍射成像系统中加密, 得到单幅密文.解密过程为加密过程的逆过程, 即首先由单幅密文恢复复合频谱, 再由复合频谱分离出三基色图像的部分离散余弦变换谱, 再对这些离散余弦变换谱做逆变换得到三基色图像.由于对复合频谱设置了一个特殊数据区, 因此在利用相位恢复算法恢复复合频谱的过程中, 这些特殊数据作为输入平面的部分振幅支撑, 可以避免迭代过程的停滞问题并提高收敛速率, 从而完全恢复复合频谱, 进而恢复原始图像.本方法可以将一幅彩色图像加密成单幅具有噪声图样的强度密文, 同时, 解密恢复得到的原始彩色图像具有较高的像质.

提出了一套声光可调谐滤光器高光谱成像系统的标定及性能测试方法, 并针对研制的高光谱成像系统原理样机进行了实验验证. 结果表明: 所提方法可以较为完整、准确地验证系统的光谱域及空间域特性; 经过光谱图像平场校正可明显改善系统响应的非均匀性; 通过自动控制相机曝光时间及像元增益的方式逐波段进行光谱灵敏度校正, 可以提高系统的信噪比; 采用改变相机曝光时间并测定系统响应的方式验证系统的光谱线性度, 较传统方法更为方便, 且可有效节约测试成本.该方法同样适用于基于液晶可调谐滤光器等的高光谱成像系统.

为得到与主观评价一致的衡量方法, 结合视觉注意机制与边缘展宽衡量, 提出一种显微图像清晰度评价指标.根据不同空间位置的像素灰度差距特征, 计算视觉注意索引图来模拟人眼视觉系统观察景物的特性, 从而赋予不同区域与像素不同的权重, 通过分割实现对潜在对焦区域的提取.利用边缘展宽方法衡量这些区域, 以水平与竖直方向的平均边缘展宽作为最后的清晰度指标.设计主观实验与客观实验, 并与其他客观方法对比, 结果表明该方法能有效克服现有方法的缺陷, 解决显微图像清晰度评价中的关键问题, 实现与主观评价一致的显微图像客观评价.

针对无人机载设备结构及重量受限的特点, 基于液晶可调谐滤光器件, 设计了一种用于无人机载的高光谱成像光学系统.系统拥有46个通道, 工作光谱范围为可见光到近红外(0.45～0.9 μm), 光谱分辨率10 nm, 焦距81.25 mm, 相对孔径1/2.5, 全视场角12°, 最大畸变量不大于0.12%, 在航高5 000 m时, 地面像元空间分辨率0.4 m, 地面幅宽1 km×0.87 km.系统采用液晶可调谐滤光器整体嵌入式设计, 在无渐晕设计条件下, 得到的光学系统成像质量优良, 均方根最大弥散斑直径不超过5 μm, 成像器件极限分辨情况下的各视场调制传递函数值均不小于0.54.用Zemax的多重结构特性定义和热分析功能, 模拟了系统成像质量, 最终确定系统整体温控25℃±5℃、液晶可调谐滤光器件温控35℃±1℃的方案.在无人机升限范围内(3~6 km), 飞行速度引起的系统像移小于像元尺寸, 无需对像移补偿.

针对细胞工厂监控系统长工作距和大倾斜角的观测需求, 设计了一种结构简单、成像清晰的光学显微成像系统.由于获得的细胞图像光照和色彩不均、样本浑浊、细胞重叠、边界粘连较多、细胞间距不明显, 采用单尺度Retinex算法进行图像预处理, 并结合Otsu阈值分割法与K均值聚类法进行细胞图像分割处理, 最后应用改进的快速连通区域标记以及高准确度细胞计数方法进行细胞个数统计.仿真实验和实际测试结果表明: 该系统成像分辨率和清晰度均达到工程需求, 能够较清晰地辨识出培养皿中细胞的形态和分布情况.细胞显微图像处理方法取得了良好的图像增强效果, 弱化了由光照不均和样本浑浊造成的人眼视觉无法清晰分辨细胞的现象, 消除了由于图像分割不到位造成统计误差, 细胞计数准确度达到95%以上.该方法适合多种类型细胞监测与计数处理, 可满足细胞工厂实时准确监控的要求.

为了实现空间运动目标姿态参数的高精度测量, 采用一种基于光束向量的姿态参数测量系统.该系统在运动目标上安装直线光束作为合作目标, 利用高速摄像机记录光束投影光斑在接收平面上的位置.基于平面单应性原理, 通过光斑接收平面上9个原始特征点构造柔性标定靶标, 实现高速摄像机的高精度标定.进而根据摄像机标定结果获得光束在世界坐标系中的方向向量, 而光束在目标体坐标系中的方向向量可根据其安装位置获得.然后, 根据光束在世界坐标系和目标体坐标系中的方向向量实现对目标姿态参数的高精度求解.实验结果表明, 本文测量系统满足姿态参数测量误差小于1′(1σ)的要求, 能够实现对空间运动目标姿态参数的高精度测量.

为了限制多光谱相机中滤光片与探测器靶面之间存在的光谱混叠区域的大小, 提高像元利用率, 详细设计了滤光片阵列.不同于在轨运行时的状态, 实际地面实验测试时滤光片阵列承受较大的内外压差, 面型发生变化, 可能对多光谱相机成像质量造成不良影响.根据有限元分析方法详细分析了滤光片阵列在这种情况下的变形, 利用Zernike多项式拟合形变面型附加于Zemax中原滤光片阵列面型上, 考察多光谱相机光学系统调制传递函数的变化.结果表明: 在内外压差的作用下, 系统调制传递函数未出现明显变化, 可以忽略滤光片阵列表面变形对多光谱相机光学系统成像质量的影响.

为了提高曲率半径定焦准确度, 从移相干涉仪, 标准镜头透射波前误差, 被测光学元件表面面形误差及调整误差等方面出发, 分析影响干涉仪定焦准确度的各因素, 并给出各误差补偿表达式.通过对比实验发现, 在猫眼及共焦位置处调整误差补偿后, 离焦量及曲率半径测量结果的变化趋势由近似线性变为随机变化, 同时由离焦量引入的曲率半径变化量由7.05 μm减小为0.5 μm.在曲率半径干涉测量中, 调整误差为影响定焦准确度的主要误差源, 调节调整误差可有效控制离焦量的变化, 提高曲率半径测量准确度.

亮度式测温仪的校准大多采用人工方式, 人为影响因素较大且校准重复性较低.为了使测温仪在校准时能够准确自动地瞄准温度灯的瞄准点, 采用YG-QP36四象限探测器, 设计出双自由度自动瞄准系统的机械运动结构, 利用步进电机的自锁和双向精确定位特性, 双自由度扫描温度灯的瞄准点.用光纤将电子元器件与高温环境隔离开, 减少温度对电子元器件的影响.在800~1 200℃温度范围内采集测温仪的温度-电压数据, 并用最小二乘支持向量机进行拟合, 测量数据的相对误差小于0.05%, 重构均方差为0.019 6.对光斑圆心到坐标原点的距离与电压进行最小二乘拟合, 光斑直径测量数据表明, 双自由度自动瞄准系统能够提高校准准确度, 减小重复校准误差.

为了准确识别空间滤波转速遥测中的被测体旋转方向, 提出了一种基于功率谱密度分析的旋转方向辨识方法.该辨识方法是将占空比为0.5的两个光电池线阵列错位半个栅距而形成一个差分空间滤波器, 用两个差分空间滤波器相距一定距离平行排列构成一个双差分空间滤波传感器; 根据差分空间滤波信号的功率谱密度互为共轭的特性, 用双差分空间滤波传感器输出的四路信号计算出两个线速度方向系数D1和D2, D1和D2的符号代表了两个差分空间滤波器处的线速度方向; 用D1和D2的符号、两个差分空间滤波信号的中心频率f1和f2的相对大小, 来判别被测体图像的旋转方向及中心.D1>0、D2<0代表顺时针旋转, D1<0、D2>0代表逆时针旋转; D1D2>0时, 旋转方向由f1、f2的相对大小和D1的符号确定.该方法能有效辨识空间滤波转速遥测中的旋转方向, 具有简单、适应性强和应用方便的特点.

结合有机聚合物材料和无机SiO2材料, 设计一种1×2多模干涉—马赫曾德尔干涉仪热光开关, 优化器件参数, 并对其性能进行模拟.利用化学气相沉积、光刻等工艺制备热光开关, 并对其波导形貌进行表征.为了测试器件性能, 采用ARM7处理器和InGaAs光电探测器, 设计并研制了一种光开关性能测试系统.该系统主要由低纹波线性供电电源、光电探测器、前置放大器、主放大器、信号调理器、模数转换器、主控制器、显示器等构成.采用商用光功率计对该测试系统进行标定, 其零点漂移小于0.5 dBm.在光开关电极上施加不同的直流驱动电压, 作为对比, 利用自主研制的光功率计和商用光功率计分别测试光开关某端口的输出光功率.实验结果表明, 两种情况下测得曲线的变化趋势一致, 均在驱动电压为10 V时, 输出光功率达到最小值.该测试系统具有良好的性能, 可满足实际测试需要.

提出一种可同时支持横电模和横磁模传输的微环光开关设计方法, 可用于构建波长平面内的偏振无关交换芯片.为了实现微环光开关的偏振无关传输, 横电模和横磁模应工作在同一谐振波长且在该波长处有相同的群折射率, 据此采用MODE Solutions优化基于硅绝缘体波导结构的微环参数, 建立Interconnect芯片仿真模型, 考察微环光开关芯片的透射特性和传输特性.经过优化设计, 微环光开关的偏振相关损耗低至0.13 dB, 光脉冲传输时延为42.5 ps.研究表明, 当微环长度偏离优化值约5 nm时, 偏振相关损耗就会增加到1 dB, 其中热光效应可以用来弥补工艺偏差, 温度每变化1 K, 则可弥补2.2 nm的环长偏差.

将微环谐振腔应用于普通马赫-曾德尔干涉仪滤波器中, 构成一种新型滤波器, 用信号流程图法推导了其输出端传递函数, 并对其输出结果进行了模拟. 结果表明: 该滤波器能输出透过率近似平顶和平底的矩形方波, 自由光谱范围达111 GHz, 消光比达10.2 dB. 和普通的马赫-曾德尔干涉仪滤波器相比, 自由光谱范围、消光比、精细度都显著提高.改变微环谐振腔和马赫-曾德尔干涉仪滤波器的组合方式, 得到更多的输出波形. 讨论了各项参量对器件输出性能的影响.

利用半导体可饱和吸收镜锁模技术, 在半导体激光侧面抽运Nd∶YAG晶体固体激光器Z型腔结构中实现了连续锁模运转, 获得输出功率356 mW、重复频率101 MHz、单脉冲能量3.49 nJ、脉冲宽度23.4 ps和中心波长1 064 nm的皮秒锁模激光输出, 测得光束质量M2因子约1.2.为了提升锁模脉冲的平均单脉冲能量, 实验研究了声光调Q开关与半导体可饱和吸收镜同时作用的调Q锁模激光器, 在提高锁模脉冲稳定性的同时, 将锁模平均单脉冲能量提高到406 nJ, 为连续锁模脉冲的116倍.

采用高温固相法制备了近红外量子剪裁CaWO4∶Pr3+, Yb3+荧光粉, 利用X射线衍射及荧光光谱手段研究了不同浓度Yb3+掺杂对样品的物相及发光性能的影响.X射线衍射结果表明所制备的样品均为纯相白钨矿结构的CaWO4.在453 nm光激发下, 可以观察到中心波长位于1 001 nm, 1 030 nm和1 048 nm的三个近红外发射峰, 它们分别对应于Yb3+的2F5/2→2F7/2和Pr3+的1D2→3F4的跃迁.为了进一步研究Pr3+-Yb3+间能量传递, 测量了不同Yb3+浓度下Pr3+的3P0能级(652 nm)的寿命衰减曲线, 观察到随着Yb3+浓度的增加, Pr3+离子的寿命逐渐缩短, 表明Pr3+与Yb3+的能量传递效率和量子效率逐渐提高.经过计算, 最高量子效率约为166.9%.该材料有助于提高硅太阳能电池的光电转换效率.

为了提高光能利用率和照度均匀性, 减小炫光的产生, 需要对LED路灯进行二次光学配光设计.本文以空间光折射定律为基础, 对LED光线空间和路面区域进行一一对应的网格划分, 结合优化的双向迭代算法生成自由曲面透镜, 实现矩形光斑输出.仿真结果表明, 配光后的LED整体光能利用率为90.4%, 能量基本被限制30 m×13 m的矩形区域内, 水平方向和垂直方向的照度均匀度分别为83.2%和71.7%.当LED以30 m间隔平行排列时, 可以在路面形成宽度约为14 m的光斑, 垂直照度均匀度提高为77.2%.据此开模制造的LED路灯配光曲线为蝙蝠翼型, 横向和纵向±62°和±40°范围内的平均照度分别为31.17 lx和25.72 lx, 满足国家道路照明标准, 实验验证了该透镜设计算法的可行性和实用性.

提出了一种侧入式无导光板自然光平板灯的设计方法.利用有机玻璃光纤将收集的自然光传导至平板灯里, 为达到均匀的自然光出光效果, 通过柱面透镜将光纤的输出光会聚并掠射在带有自由曲面的反光背板上.借助Tracepro软件设计不同投射角下的自由曲面反光背板并仿真, 结果表明: 设计的灯具照度均匀度达到94.1%.该灯具不仅可以解决LED的蓝光危害问题而且制作流程简单.该设计对太阳光转化为功能性照明和绿色照明具有借鉴意义.

以激光多普勒频移原理为基础, 结合波长调制可调谐半导体激光吸收光谱技术, 以氧气分子在13 144.5 cm－1附近的吸收谱线为研究对象, 在实验室建立了一套基于波长调制可调谐二极管吸收光谱技术的超音速气流质量流量测量系统.根据O2分子吸收谱线的二次谐波信号频移, 反演出风洞中气流速度; 再根据二次谐波信号的峰值反演出氧气质量浓度.实验表明: 在实验室环境下, 系统测量流速达707.6 m/s, 氧气质量浓度0.49 g/L, 质量流量值0.42 kg/s, 测量误差范围5.46%.实验结果可用于采用TDLAS测量发动机进气道氧气质量流量的小型化系统研制及飞行实验.

基于多角度红外差分吸收光谱, 提出一种针对物体表面化学污染物在线检测法.用红外遥测光谱仪和光源, 以不同角度对化学污染物进行检测, 根据不同角度吸收率的差别, 通过差分法提取化学污染物的光谱特征.在分析多角度红外差分吸收光谱的化学污染物在线检测模型的基础上, 分别在室内和野外对不同基底上的三种化学污染物: 二甲基硅油, 磷酸三乙酯和水杨酸甲酯进行检测.结果表明, 借助于多角度红外吸收光谱, 该方法在室内和野外都能准确提取典型基底上三种物质的光谱特征, 且基底越平整, 光源入射角的角度差别越大, 特征越明显.