采用二元光学透镜作为分光元件的多光谱成像光谱仪,由于焦距随波长的变化改变了系统的F数,因此改变了系统的放大率,从而引起光谱图像的像元配准误差.为改进基于二元光学透镜的多光谱成像光谱仪的性能,首次提出将离轴三反射镜系统与具有二元光学透镜的变焦距系统相结合的新技术方案.设计了由三片二次非球面生成的无中心遮拦的前置望远镜,该望远镜不仅有利于提高多光谱成像光谱仪的集光能力,且有利于系统的小型轻量化.同时设计了含二元光学透镜的三片型变焦距组件,用来消除多光谱成像光谱仪的像元配准误差.整个多光谱成像光谱仪系统仅有6个单片,非常简单.另外,该系统在空间频率为20 c/mm时MTF超过0.3,充分满足红外焦平面探测器对多光谱成像系统分辨率的要求,像面尺寸为7.2 mm.适用于探测单元尺寸为25 μm、规格为128×128元的红外焦平面探测器.

给出了一种红外搜索与跟踪(IRST)系统中红外指向器的设计方案,在分析了IRST系统及指向器整体特点的基础上,着重讨论了红外指向器各组成部分的工作原理及设计方案.红外搜索与跟踪系统要求目标搜索范围大、周期短、系统反应时间短,同时还要求体积小、质量轻,并尽可能降低成本.为了达到以上目的,采用了六棱台转鼓结合双面翻转反射镜扫描光路的方案,较好地达到IRST系统的各项指标要求.对伺服控制系统的设计是根据不同组件对速度、位置精度的要求选用合适的驱动电机、编码器与控制方法,力求满足精度要求的同时做到体积小、成本低.实验证明,此红外指向器技术先进,方案合理,其性能达到了IRST系统的各项指标要求,目标搜索实验效果良好.采用巧妙的设计方案有效解决了IRST系统大视场快速扫描与轻小型化、低成本化的问题。

围绕环境温度对光学系统性能的影响及其解决方法,分析了温度效应的三个方面的因素:光学元件的折射率、曲率半径和中心厚度以及光学元件之间的空气间隔,并讨论了这三个因素与温度变化之间的关系.提出使用无热设计来消除温度效应对光学系统的影响,并且比较了当前三种无热技术之间的优缺点.最后给出了一个红外光学系统作为例子予以分析,在设计过程中使用了机械主动式无热技术,以补偿温度变化所产生的影响,通过比较使用无热设计前后系统的成像质量,说明了无热设计可以消除光学系统中温度效应的影响,使系统在较大的温度范围内保持较好的成像质量.

为了介绍简单机械结构实现红外光学系统无热化的原理和方法,首先简单比较了国内外进行红外光学系统无热化设计的三种方法,然后给出了在红外3～5μm波段、3°视场范围和-40～60℃工作温度范围下经过无热化设计后的系统设计结果.结果表明,使用简单机械结构,不仅能在较大视场和较宽的工作温度范围内获得接近衍射极限的成像质量,而且系统结构简单,工作可靠.

为了提高硒化锌基底的透过率以及膜层的机械强度,对硒化锌基底上高性能的红外宽带减反射膜的设计与制备工艺进行了研究.介绍了红外宽带减反射膜的膜料选择、膜系的设计以及采用离子束辅助沉积该膜系的过程,给出了用该方法制备的8～12μm波段宽带减反射膜的实测光谱曲线,其峰值透过率高达99%以上,在设计波段范围内平均透过率大于98%,膜层附着性能好,光机性能稳定.这对于红外光学系统的应用具有十分重要的意义.

现代干涉测试的核心是用合理的算法处理干涉图而获得所需的面形及参数.用二维FFT方法处理干涉图时,由于FFT算法只能处理数字化的离散数据,且要求数据分布区域必须是矩形区域,因此必须设法将圆形区域干涉图扩展延拓成矩形区域.在研究二维FFT法进行干涉测试基本原理的基础上,提出了一种干涉图空域迭代延拓的原理和方法,利用该方法对一幅实际干涉图进行空域延拓,取得了满意的延拓效果.结果表明,该方法具有较高的处理精度,为波面相位复原奠定了基础.

红外光斑中心检测在红外自动验光仪、红外测距仪等光学测量和检测仪器中是一项关键技术,检测算法的精度、速度直接影响光学测量的精度及速度.目前的检测处理系统多是基于PC机的,存在着实时性、稳定性问题.在总结各种检测算法的基础上,基于重心法使用FPGA实现了低信噪比红外光斑中心的实时检测.在实验电路中,先使用视频解码芯片SAA7113将模拟CCD视频信号转化为CCIR656格式数字信号;再在FPGA内部使用流水线结构进行直方图计算,计算阈值,二值化图像,五次二值图像收缩,五次二值图像膨胀处理以去除噪声,然后计算重心坐标.实验电路对红外自动验光仪中产生的视网膜反射红外光斑PAL制式视频图像信号能在1/25 s完成一幅图像的检测.而普通PC完成同一过程需要1 s左右.文章介绍了基于FPGA实现方案.

概述了薄膜偏振分光器的研究现状及其主要特点,对不同于MacNeille设计原理的受抑全内反射偏振分光器进行了研究,这种偏振分光器基于受抑全内反射和薄膜干涉原理,当入射角大于临界角时,在宽波段宽角度范围内反射P偏振光,透射S偏振光.重点分析这种偏振分光器的设计原理,设计了波长范围为420～680 am、空气中的入射角范围为±10°、膜系的消光比为Ts/Tp≥1000的用于背投系统的薄膜偏振分光器.

衍射效率高、偏振相关损耗低的衍射光栅是集成波分复用/解复用器件的一种核心元件,在光通信中具有很重要的应用价值,而一般面形的光栅很难达到此要求,为此需要在光栅衍射效率计算的基础上,利用遗传算法对光栅面形进行优化.采用二次函数来描述光栅面形,选取一定的原始样本,利用耦合波方法计算光栅的衍射效率;然后采用遗传算法中的各种算子对样本进行变换,计算变换后光栅面形的衍射效率,选择其中接近所确定条件的样本进行保留;再继续下一次变换和选择,直到满足设定的要求.通过优化最后得到衍射效率高、偏振相关损耗小的光栅面形,这些面形的光栅衍射效率达到90%以上,而相应的偏振相关损耗小于0.1 dB,已经达到光通信中的相应要求.在光栅面形设计中采用了遗传算法进行光栅面形优化为有特定要求光栅的制作提供了理论指导,可以节省一定的人力和物力.

取样光栅DBR(SGDBR)激光器是目前光通讯中最有应用前景的可调谐激光器之一.利用传输矩阵法模拟了取样光栅DBR半导体激光器的光谱特性.计算中,把取样光栅DBR半导体激光器的增益区、位相区和取样光栅DBR看成基本单元.而每一个基本单元都可以看作一个普通的双端口器件.其传输特性用一个2×2复矩阵表示.在阈值以下,对于有源区和取样光栅DBR的不同注入电流,发射光谱显示不同的输出特征.当有源区的注入电流为9.5 mA时,主模开始在1.553μm附近形成.当取样光栅DBR有注入电流时,主模形成的位置发生了变化,表现出可调谐的性质.同时,明显出现主模的有源区的注入电流发生变化.这种方法也反映了激光器的阈值条件.阈值电流为10 mA.

研究LD阵列侧面泵浦Nd:YAG激光器泵浦光场的分布特点.首先,在已建立的二极管单bar单侧面泵浦YAG晶体泵浦光场分布数值模型的基础上,进一步建立了适用于激光二极管阵列多侧面泵浦YAG晶体的泵浦光场分布数值模型.然后,根据所建模型,采用光线追迹的方法,借助Matlab编程模拟了单侧面、二侧面、三侧面、五侧面泵浦方式的泵浦光分布特点,分析了系统参数:介质半径、介质吸收系数、光束光腰半径、泵浦距离、二极管bar间距、介质表面粗糙程度对泵浦光分布特性的影响,总结出了一般规律.可为二极管泵浦固体激光器的结构设计和实验研究提供理论参考.在理论分析的基础上,进行了单侧面、二侧面泵浦方式的二极管阵列直接侧面泵浦固体激光器的实验研究.实验结果与理论分析结果?鞠喾?验证了所建数值模型的正确性.该数值模型的特点是:采用光线追迹方法;适用于漫反射表面工作物质;适用于多种侧面直接泵浦方式,具有可扩充性.

介绍在采用发射扫描、四路大视场接收组合实现对有限尺寸目标的激光大视场探测的方案下,通过采用一片可编程逻辑门阵列器件实现大视场激光引信目标识别信息处理系统的功能.利用可编程逻辑门阵列器件内部相对独立的模块进行并行处理,对扫描的激光脉冲信号进行方位计数、目标距离计数、回波连续性计数,实现了对探测区目标的距离判别、方位判别、尺寸判别.并通过软件仿真该方法对上述功能进行验证,在仿真中可编程逻辑门阵列器件能较好地完成大视场下对有限尺寸目标的识别,对发现引炸距离内的目标实时给出引炸信号,通过方位判别和尺寸判别提高了激光引信抗云雾干扰性能、改善引战配合效率,这表明该方法非常适用于面空导弹和反辐射导弹.

光纤陀螺是干涉型传感器,光的偏振特性影响该传感器的精度,因此需要对光纤的偏振态进行精确的测试.目前国外有些公司出售检偏系统,但所给的指标并不高,而且价格也非常昂贵,国内使用的测试系统一般都为自制,精度普遍不高,实际测量的消光比小于系统的理论消光比.有偏振特性系统的设计和测试结果,却没有系统误差原因的详细分析.针对这一问题,在给出了高精度保偏光纤偏振测试系统的光路结构基础上,对系统中影响消光比的光路误差进行了分析和计算.通过理论分析和计算机模拟计算,得到本系统的消光比在给定的误差范围内可以达到55 dB,能够满足高精度的测量.同时,在计算中得到了e光和o光的透射率,计算结果中棱镜e光的透射率比以往的结果精确2.34%.

超荧光掺铒光纤光源技术是高精度光纤陀螺的关键技术之一,其优劣直接影响陀螺的性能.在完成铒纤长度优化设计的基础上,实验分析了泵浦功率对掺铒光纤光源平均波长以及带宽的影响,同时在-20～60℃的温度范围内,测量了不同泵浦功率条件下掺铒光纤光源平均波长、带宽和输出功率随温度的漂移.实验结果表明,当泵浦功率在60～120 mW范围内时,平均波长受泵浦功率的影响约为-6.5 ppm/mW,可以根据光纤陀螺对输出功率和带宽大小的要求在此范围内选择合适的泵浦功率.最终装配样机的平均波长的长期稳定性(6 h)达到5ppm(峰-峰值),短期稳定性(1 h)达到2ppm,可以在此基础上定制合适的光纤光栅滤波器,对ASE光谱进行滤波,使谱形满足高精度光纤陀螺的要求.

在光纤延迟测向激光告警系统中,光纤延迟线是用来连接光学接收系统和光电转换系统的,起到传输光、延迟光、对光信号进行编码的作用.由于光纤延迟线的长度不同,光学窗口接收到的激光脉冲产生不同的时间延迟,从而实现激光方位信息到时间信息的转变.光纤延迟线的长度对激光告警器的体积、光学损耗、虚警率等因素有着直接的影响,在此利用激光脉冲的相关特性,通过最优化理论对光纤延迟线进行排列组合,提出了光纤延迟线长度编码的优化设计方法,通过对相关理论的分析与计算,得到了一个全向矩阵的排列方式,从而得出了相应的排列原则.按照该原则对光纤延迟线进行排列组合,从理论上得到了最优的光纤延迟线总长度值,为激光测向告警器的优化设计提供了重要的理论依据.

随着微机械加工技术的发展,电阻阵列成为一种最具发展潜力的动态红外景象产生器.在半实物(HWIL)仿真系统中,它被用来对红外摄像机、导弹寻的器以及各种红外探测系统的实时性能进行测试和评估.电阻阵列采用电阻元作为其微辐射元,当电流流过时,电阻元产生热量进而产生红外辐射.通过控制流过每个电阻元的电流就可以控制电阻的温度,从而达到显示红外图像的目的.介绍了利用表面微机械加工技术研制的电阻阵列基本组成单元--微桥电阻的辐射特性,主要包括:微桥电阻介质膜红外光谱辐射率、等效黑体辐射温度以及温度分辨率等,并通过分析得出该微桥电阻具有低功耗、高等效黑体辐射温度的特点,能够满足中波和长波红外目标模拟的需要.

由于碳钢材料在许多领域有着非常广泛的应用,所以研究碳钢的无损探伤规律具有很重要的现实意义.为探究碳钢在脉冲红外热成像无损探伤中的规律,特设计A、B两种标准试件,利用脉冲红外热成像技术对两种标准碳钢试件中缺陷的大小和深度进行了定量化研究.研究结果表明,测量近表(l＜1.8 mm)小缺陷的大小时,应选择在热脉冲作用后约0.3 s进行,此时测量误差比较小,并且对深度小的缺陷进行大小的测量要比深度较大的缺陷困难.对于深度较大的缺陷,只要红外热图像清晰,测量误差都比较小.测量缺陷深度时,当缺陷直径大于6 mm时,测量误差比较小.当缺陷直径小于6 mm时,误差比较大,甚至无法探测到缺陷.由于热扩散,测量缺陷的深度应选择在热脉冲作用后的短时间内进行,以保证红外热图像的清晰度,减小测量误差.

成像制导算法仿真评估系统用于评估成像制导算法在各种复杂背景下的跟踪精度和稳定性,分析制导系统的采样频率、视场及模板大小等因素对跟踪效果的影响.该系统简化了弹体的姿态控制和反馈系统,具有结构简单、造价低廉、体积小巧等特点,既适用于外场试验,又可以使用以前积累的试验数据开展内场测试.系统内建相关跟踪算法、形心跟踪算法和这两种算法的复合跟踪算法.用户可以根据需要,加入自己编写的跟踪算法程序模块进行性能测试.简要阐述了该系统的工作原理、硬件系统构成和软件工作流程.

红外图像的边缘检测是图像处理领域的难题之一.结合红外图像的特点,将最小误差原理推广到模糊域进而应用到红外图像的边缘检测上,提出了一种基于标准差梯度的红外图像模糊边缘检测算法.首先提出了一种基于标准差的梯度算子,将图像中潜在的边缘区域很好地区分出来;而后引入模糊最小误差阈值算法,根据此算法自适应提取了标准差梯度图像中的最优阈值,从而实现了红外图像的目标边缘检测.与传统的基于梯度的红外图像边缘检测算法进行对比实验,结果表明,该算法用于红外图像边缘检测能获得更好的效果.

现代成像制导中所使用的红外图像往往存在着噪声大、目标-背景间灰度差较小、边缘较模糊的特点.这些特点会增加边缘提取的难度,因此必须建立更有效的红外图像边缘提取算法以满足需要.针对这些问题,以噪声Gauss分布模型和噪声特征为基础,建立了新型统计学意义下的红外图像边缘检测法.通过对此方法的概率模型进行分析,可以证明在有较大噪声的情况下,只要边缘处的差分值大于一定的值,就能以较大的概率提取出图像边缘.通过在不同情况下与梯度法的抑噪能力进行对比和分析发现,统计边缘提取法的噪声抑制能力要高于梯度法.在与Sobel模板算子法的红外图像边缘检测结果进行仿真和对比后发现,统计法能对红外图像的目标边缘检测取得良好的结果,并且算法具有快速简单的优点.

离焦模糊图像清晰度评价函数是采用数字图像处理技术实现自动调焦的一个关键,需要不断地提高评价函数的准确性和有效性.深入研究了各种图像梯度的分布情况后发现模糊图像小梯度像素数较大,而清晰图像大梯度的像素数则明显比模糊图像的多,因此可以给梯度加一个阈值,去掉梯度小的值保留梯度大的值,这样可以突出清晰图像的的优势,易于准确判断.首次提出了一种用图像梯度加阈值求和作为由于离焦产生的模糊图像的评价函数,建立了上述评价函数的数学模型,并给出了实验结果和分析.与以往的图像灰度方差、梯度和、小波变换等评价函数相比,给出的评价函数无偏性好、单峰性强,信噪比高,计算量小,在焦平面附近具有变化趋势明显和灵敏度高的特点.

对基于特征匹配的影像可匹配性评价方法进行了探讨.从分析影像所包含的信息量入手,提出了通过计算影像的信息熵和累加梯度值进行基于特征匹配的影像可匹配性评价方法.通过基于角点特征和Hausdorff距离的影像匹配实验,发现影像信息熵和累加梯度值与影像可匹配性(即正确匹配概率)之间存在很强的相关性,尽管由于地表景观的不同,表现出的具体规律略有差异,但都表现出匹配正确率随影像信息熵和累加梯度的增大而增大的趋势.因此,可通过对影像信息量的评价来进行基准图的自动选取和飞行路径的规划;在实时匹配导航过程中,可根据获取的每一实时影像所含信息量,来决定是否进行匹配,这样既可以保证匹配的正确性,避免误导,又可节省匹配时间.提出方法对基于灰度相关的影像可匹配性评价具有借鉴意义.

图像配准是图像融合技术的基本环节和首要问题,只有经过配准后的图像才能进行有效的融合.其中,小目标由于几乎无特征信息可以利用,所以常规的配准方法都不适用.针对图像识别中小目标的配准问题,分析了其配准特点,创新性地提出了先配准目标视场,再配准目标位置的方法,提出了视场配准的概念.首先运用成像原理,用焦距、分辨率和像元尺寸建立不同CCD之间的视场对应关系,利用此关系完成目标视场的截取放大,使不同CCD得到的图像视场一样大.然后在分析通常采用的最小平均绝对误差(MAD)相关匹配方法缺陷的基础上,提出用最多近邻点距离(MCD)的匹配方法来对准目标位置,完成目标质心的配准.实验结果表明,此方法可以很好地配准小目标,且误差不超过2个像素.由于其针对性强,因而具有较强的实际应用价值.

在对当前景象匹配技术应用现状的研究基础上,针对其中的强干扰景象匹配技术,尤其是烟雾干扰下的实时图滤波技术进行阐述.烟雾干扰是造成实时图模糊不清的主要原因,致使景象匹配系统不能发挥其应有的作战效能,甚至造成误匹配.首先分析了烟雾干扰对景象匹配系统特别是实时图滤波的影响,并研究了烟雾干扰模型的主要参数及其可滤波的设计思路,在此基础上提出了相应的滤波算法并辅以Matlab平台进行了仿真分析.结果表明,该算法能够在较大程度上消除烟雾噪声,有效地改善烟雾干扰下的实时图质量,也为烟雾干扰下的实时图滤波技术提供了更为广泛的思路.

图像匹配处理机是目标识别系统的重要组成部分.提出了采用以TMS320C6415 DSP为核心处理器实现图像匹配处理机的方案.该方案使用SDRAM存储实时图像数据、预装和预置数据、中间数据和程序代码,采用FLASH ROM固化程序及预装、预置数据,并采用双端口RAM实现与上级控制装置的通信.采用DSP的图像匹配处理机,由于用软件实现匹配算法,因而系统更加灵活.TMS320C6415是目前世界上最先进的DSP之一,具有5760 MIPS的处理能力.实验表明,本系统采用FFT相关算法,可在0.02 s内完成两幅512×512图像的配准;若采用积相关算法,可在0.1 s内完成72×72图像与320×320图像的配准.该系统结构紧凑、可靠性高、实时性强,为图像匹配系统提供了新的高速处理平台.

针对海岸线背景下的海面小目标的自动检测问题展开讨论,提出一种目标所在感兴趣区域的自动提取算法,将水域和复杂背景分离,并对分割后的二值图像进行标记,海面区域即水域应该是标记块中面积最大的一块,利用此特征提取出感兴趣区域--水域.对感兴趣区域进行轮廓跟踪后再用原始灰度进行扫描填充,在得到的简单背景下对目标进行局部中值滤波,进而用F-R准则将感兴趣舰船目标检测出来.最后拟利用感兴趣舰船目标区域的方差值计算感兴趣目标出现的置信度估计值,若置信度大于90%,则认为是真目标.实验结果给出了实验处理时间和所识别出的各个目标的置信度,表明了本文算法的有效性.

在背景杂波被抑制后的图像序列中,残留样本为相互独立、服从高斯分布的条件下,首先论述了理想三维时空搜索检测算法,并对其性能进行分析.结果表明,虽然它具有最佳的检测性能,但是由于需要事先知道关于噪声及目标先验知识的缘故,无法进行实际应用.对此,研究了直接利用观测样本来估计噪声及目标的一、二阶矩,从而无须事先知道噪声统计特性的三维时空搜索检测算法及其详细步骤,推导了二元判决统计量所服从的概率分布函数(结果为f分布),对比分析了算法的检测性能,并给出了理想算法和本算法中共存的问题及其相应的改进方案.此种算法在连续多帧做任意运动的流星、人造卫星以及其他运动目标的光学检测与跟踪中应用广泛.

为高效、经济、准确地对微球体颗粒的半径进行测量,基于Mie散射理论设计了一种测量装置.本文应用Mie散射理论对微球体颗粒光散射的性质进行了理论分析与数值计算,得出了散射光分布与入射光波长、微球体颗粒半径以及微球体相对折射率之间的关系.结果表明:入射光波长越小,散射光能量越集中分布在散射角较小的范围内;相对折射率的变化对散射光分布的影响不大;不同半径颗粒的散射光强的分布差异较大,因此通过测量散射光的分布可以确定微球体颗粒的半径,从理论上证明了该设计方案的可行性.结合理论分析与计算结果设计了一种用于测量微球体颗粒半径的装置,该装置具有结构简单、成本低、效率高等优点,可以用于实际测量,具有一定的实用性.

在分析法国ULiS公司生产的320×240长波红外非制冷微测辐射热计焦平面阵列探测器UL01011技术参数的基础上,论述了微测辐射热计非制冷红外焦平面热像仪温度控制的必要性,指出了温度控制设计的实质.并讨论了单片机、线性模式单芯片热电制冷器控制器和开关模式单芯片热电制冷器控制器温控方案的优缺点.提出了使用AD公司生产的全新单芯片热电制冷器控制器ADN8830的温控设计方案,以该芯片为核心设计出适合320×240长波红外非制冷微测辐射热计焦平面阵列探测器UL01011的温度控制电路,该电路能够把焦平面阵列温度变化控制在30±0.01℃范围内,使探测器工作在最佳温度.该方案功耗低、效率高、体积小,是一种较好的温控设计方案.