根据现代化头盔显示系统在像质、畸变和轻小型化方面的高要求,设计了一个视场为62°、出瞳距离为30 mm、出瞳直径为8 mm、采用2.794 cm(1.1″)微显示器的折/衍混杂投影式头盔的物镜系统.设计结果表明,系统满足高清晰的XGA的显示模式,其畸变仅为±0.66%.其质量也仅为62 g,是传统头盔光学系统的1/6,实现了轻小型化.结合投影式头盔显示的其他特点,如物体的正确"闭塞"、深度可感知、多用户的互不干扰等,本设计系统在可视化培训、交互环境、掌中电脑、数字化个兵等领域有重要的应用.

针对国内空间应用对光纤陀螺的需求,第一次提出了需要解法,并给出了空间应用光纤陀螺性能和关键器件的试验结果,初步证明了国内光纤陀螺能够满足空间应用的要求.

光学薄膜常数-折射率、消光系数和膜层厚度是光学薄膜制备的基础,通过透射光谱法测试计算得到的薄膜常数具有较高的精度.Ta2O5是一种常用的氧化物薄膜,研究了两种透射光谱法计算光学薄膜常数的精度,利用Lambda900分光光度计获得了Ta2O5薄膜样品的透过率光谱数据,采用透射光谱包络线法对单层Ta2O5薄膜样品的光学常数进行计算,得到的折射率和消光系数较为准确,并且认为所得到的消光系数为广义消光系数,对精确地测试、计算提出了建议,为不同薄膜样品的制备奠定了技术基础.

激光打孔广泛应用于印刷电路板处理等领域,在该技术中f-θ透镜起到扫描成像的重要作用.利用折衍混合系统设计了f-θ透镜,在满足性能要求的前提下,减少了透镜的个数,降低了系统成本.该系统采用像方远心光路,工作波长为9.25μm,打孔直径50μm,深度182 μm,扫描面积达70 mm×70 mm.

波面拟合分析是干涉测量技术中数据处理以得到所需信息和结果的一个重要环节.提出了一种通用的圆和环孔径波面拟合分析方法,选用在单位环域里正交的Zernike环多项式为拟合基函数.对比分析结果不仅表明了所提出方法的有效性和通用性,而且显示出该方法可解决通常的基于Zernike圆多项式干涉图处理软件在拟合分析环孔径波前时存在的问题.

分析了静态红外地平仪对卫星姿态测量的影响因素,发现测量误差主要来源于冷云的干扰,为了避开冷云的干扰,减少测量误差,又不使地平仪系统所接收的地球辐射能量太低,需要对光学系统重新进行优化设计.通过重新选择光学波段,并加大光学系统的通光口径,实现了光学系统的优化设计,对优化后系统进行分析计算,相对于优化前,系统所接收到的地球辐射总能量最多降低5%,但冷云的干扰却减少了30%.结果表明光学系统的优化设计将会大大提高静态红外地平仪对卫星姿态的测量精度.

在大气气溶胶粒子浓度随高度指数下降的假定下,气溶胶标高反映了大气边界层气溶胶的特征厚度.为了得到气溶胶标高随时空、季节和地域变化情况,根据整层大气光学厚度和近地面水平能见度的测量结果,分析了内地和沿海地区气溶胶标高的实际变化,初步得到了气溶胶标高随时间、地域及季节改变的规律.

红外传感器是弹道导弹防御系统可靠监视、探测、识别、瞄准与拦截目标的关键.过去二十几年中,美国的弹道导弹防御系统逐渐从构想成为现实,其中一个重要原因就是由于红外焦平面阵列技术的迅速发展,用于弹道导弹防御的红外传感器取得了突破性的进展.目前用于弹道导弹防御系统的红外传感器和动能拦截器红外导引头已从过去的基于红外探测器线列或较小规模的红外焦平面阵列(64×64)的系统发展到基于较大规模的凝视红外焦平面阵列的系统,红外传感器与拦截器红外导引头的性能有了很大的提高.但由于弹道导弹防御本身的复杂性,目前的导弹防御系统仅是初步的,为此,美国还在继续发展完善其弹道导弹防御系统,包括进一步发展更先进的红外焦平面阵列,改进红外探测跟踪系统与动能拦截弹红外导引头.综述了美国弹道导弹防御系统中红外系统与技术的发展现状与趋势.

介绍了凝视型成像技术的特点、优势、现状和发展趋势,论述了凝视型成像技术应用于遥感领域发展的重要性,总结了面阵凝视型成像技术作为空间应用所涵盖的关键技术,将为我国空间凝视型成像技术的进一步发展提供参考.

作为海面目标的主要背景,海面的红外辐射特性对于舰船红外仿真研究具有重大意义.建立了三种海面辐射计算模型:漫射灰体、平静海面和波浪海面,并针对红外仿真中舰船辐射场和海面背景红外热像模拟两方面的计算要求比较分析了三种模型的计算结果.结果表明,对于舰船辐射场计算而言,使用经验模型已经具有足够的精度;而在模拟海面背景红外热像时,波浪的影响不可忽视,必须采用波浪海面模型模拟海面辐射亮度.

为了降低非制冷红外焦平面阵列的功耗,研究了去除热电制冷器(TEC)等温度稳定装置的读出电路.通过对微测辐射热计的电阻温度特性的分析,设计了一种新型无需温度稳定装置的读出电路,该电路的Flash存储器存储不同温度下的校正系数,温度传感器实时检测探测器的环境温度,从Flash中取出相应的温度校正系数送入数模转换器(DAC),通过DAC的电压输出来控制探测器偏流以进行环境温度补偿.HSPICE模拟结果表明,电路输出与探测器工作的环境温度无关,系统的总功耗下降了80%,同时电路噪声保持在一个较低的水平.

在混合式焦平面阵列中,探测器和读出电路的耦合通过输入级电路实现.为分析输入电路对探测器-放大器系统性能的影响,用分立元件设计制作了一个三级的前置放大器并进行了模拟实验,实验表明放大器输入级噪声是造成探测器信噪比下降的主要因素,应用中应该选用具有特定噪声性能的放大器与探测器匹配.研究了焦平面中常用的直接注入(DI)和电容反馈放大电路(CTIA)与探测器耦合时在噪声、输入阻抗、工作点匹配等方面应具备的条件.提出了临界输入阻抗的概念,实验表明,当电路的输入阻抗低于此临界值时(对于GaN p-i-n光伏探测器来说约为106Ω),焦平面才能获得较高的注入效率.

针对不同波段的碲镉汞红外探测器在探测高温目标情况下的特性进行了研究.测量结果显示随着所探测目标温度的不断升高,器件光生电流亦随之上升,但并非平行变化,这就导致了探测器动态微分阻抗不断下降.器件微分电阻下降的主要原因是p-n结由于背景辐照和反向偏压的增加,引起光生载流子的激增,碰撞电离导致的光电倍增效应引起的,这种效应使得器件光生电流并非是单纯叠加在器件反偏暗电流之上、只随辐射通量而变化的变量,同时也是偏压的函数,随着偏压的增大会对微分阻抗有一个降低作用.通过理论计算这种假设得到了证实,实验结果和理论计算吻合的比较好.

目标表面温度和红外辐射的理论计算对红外热像的模拟、控制目标红外辐射进而实现红外隐身等领域有着重要意义.各种复杂因素的影响导致地面目标表面温度的计算非常复杂.边界条件对目标的表面温度理论计算精度有着重要的影响,分析了影响目标表面温度边界条件的各种因素,得到了计算地面目标表面温度的一般方法.以一维导热微分方程为例,计算了某建筑物墙壁外表面温度白天随时间的变化关系,并与实际测量值进行了比较,结果表明理论计算较为准确.最后在此基础上,对 目标的红外辐射进行了理论计算和讨论.

根据微空心阴极自持放电(MCSD)基本结构设计的一种新型放电结构是把多个MCSD并联在一起构成多级放电链,产生高气压、大体积、高电流密度的均匀辉光放电等离子体,用来作为小型激光器的增益介质.利用该放电结构进行了空气放电实验,记录了放电等离子体图片,测量了放电的伏安特性曲线,发现该结构在整个放电区域都具有正的微分电阻系数.在气压P=26.7 kPa,放电电流I=40 mA时,估算放电等离子体中电流密度、电子密度和功率密度分别为6.4 A/cm2,3.7×1015cm-3,4.67 kW/cm3.实验结果表明利用多个MCSD并联构成多级放电链制作小型激光器是可行的.

理论分析了掺Er3+光纤环形腔激光器的输出特性,获得了稳态条件下激光器输出功率、阈值泵浦功率和斜率效率的解析表达式,分析了泵浦光波长、泵浦功率、Er3+光纤掺杂浓度、输出端耦合器分光比等的影响,推导了在特定输出波长处获得最大输出功率所需最佳掺Er3+光纤长度的解析表达式.进行了LD泵浦掺Er3+光纤环形腔激光器的实验工作,获得了斜率效率10%以上的激光输出.

对二极管泵浦固体激光器(DPL)声光调Q过程进行分析,得出了在一定的泵浦速率和重复率下,衍射效率对输出特性的影响.以四能级系统为例,通过对速率方程的数值求解,得到衍射效率与峰值功率、单脉冲能量、脉冲宽度、平均功率等主要输出参数的关系;得出衍射效率与泵浦速率和重复率相匹配时,才能充分利用上能级反转粒子数,而刚好满足匹配条件的衍射效率是可取到的最小值.实验结果与理论分析一致.

在LD泵浦固体激光器(DPSL)系统中温度变化对光电器件及腔参数影响明显,这对器件的温度控制提出了高精度和高稳定性的要求.给出了基于MAX1968专用控制芯片研制的一种高精度温度控制系统,采用半导体热电制冷器(TEC)作为温控器件,AT89C52单片机作为核心控制,通过PID处理优化温度控制,实现控温精度±0.02℃.该温控器还可提供高达3 A的电流驱动TEC,双向电流驱动可提供制冷和制热,以保证系统快速达到热平衡.该系统应用于低噪声DPSL系统,可使DPSL系统的光功率噪声小于1%.

未来的20年间,美国的高能激光**将陆续进入部署阶段.针对定向能**之一的激光**具有巨大作战优势,在分析高能激光**的作战机理基础上,对弹道导弹壳体被高能激光照射时的影响因素进行研究分析,建立了计算高能激光**毁伤来袭导弹所需时间模型,并具体地对作战中弹道导弹的弹体壳体、弹头壳体被连续波照射进行毁伤计算分析.以上模型作为评估高能激光**作战效力的一种方法,为高能激光**拦截弹道导弹提供了参考.

二极管泵浦固体激光器(DPL)输出光束的方向在某个微小范围内存在随机变化,这种光束指向性的波动在某种程度上严重制约了DPL的应用.针对DPL输出光束的方向性评价问题,提出了激光指向角及其偏移量的概念,以此作为衡量激光方向稳定性的指标.给出了指向角及其偏离量的测量方法.对于引起激光指向角度波动的原因进行了初步分析,结果表明激光介质热透镜的畸变是主要原因.

依据激光测量系统的设计、评价需要,对目标激光雷达截面(LRCS)的计算方法及应用等有关问题进行了研究.在讨论LRCS一般计算方法的基础上,重点针对镜面反射目标,提出了一种简便的LRCS工程估算方法,并应用于激光角反射器目标和"猫眼"目标,得到了相应的LRCS估算公式;从目标LRCS的角度推导出激光测量方程,该方程可普遍适用于各类激光测量系统和各种散射特性目标,并具有应用简单、方便的特点,可广泛应用于各类激光测量系统的论证设计和性能评价.

从军用光电装备所取得的巨大**效益出发,强调与之对抗的光电对抗的迫切需求,从激光告警、多波段红外/紫外告警、激光有源干扰、红外有源干扰及烟幕无源干扰等技术及装备等五个方面阐述了美军主要光电对抗技术及装备的发展现状,同时分析了其发展的特点,探讨了美军光电对抗技术及装备下一步的重点发展方向、领域与趋势;在此基础上阐述对我国光电对抗技术及装备发展的几点启示.

红外热像仪的研制离不开各种图像处理算法的设计、仿真和优化;结合虚拟仪器技术和可编程多模式驱动技术,开发了红外焦平面阵列成像动态仿真系统软硬件平台;利用这一平台,通过图形化软件编程,可进行多模式红外焦平面阵列的各种图像处理算法的动态仿真,实时验证其成像效果,及时进行修改和优化.工程应用实践表明:系统对盲元检测与补偿、非均匀性校正和直方图修正等算法的验证与优化取得了满意的效果;该系统为红外热像仪设计仿真、算法的适用性和实时性验证以及算法的优化提供了灵活实用的工具.

随着红外探测器和数字信号处理技术的发展,远程毒气探测与告警技术已进入实用阶段.介绍了远程毒气红外探测与告警技术的进展和产品概况,对主动激光和被动红外光谱等两种手段进行了比较,提出了技术发展趋势.该技术对于战时防护、平时环境检测与反恐具有十分重要的意义.

为了解决强噪声干扰、部分遮挡等复杂环境下的图像匹配问题,给出了一种鲁棒的图像匹配算法.在引进圆约束的条件下,对点点间距离给出了一种新的定义.在此基础上,对经典Hausdorff距离进行改进,提出了一种新的度量,即最小最大圆度量.以此度量作为景象匹配的相似性度量,并在搜索的过程中采用圆形窗,获得了一种鲁棒的图像匹配方法,即基于最小最大圆度量的鲁棒模板匹配方法.多组实验与分析表明,该算法可以有效地解决存在旋转、灰度对比度变化、噪声干扰、部分遮挡与强光饱和等变换与干扰存在下的景象匹配定位问题.

系统采用双目立体视觉原理,通过捕捉、处理弹落击起的烟尘图像精确地获取弹着点信息.给出了一种适于野外环境构建的视觉测量模型,并提出了一种仅对焦距及光轴水平偏角进行现场标定的相机参数快速获取方法.采用序列图像实时帧间差分阈值法作为主要的图像处理手段,通过构造高斯背景统计模型获得精确的分割阈值.为排除野外环境的各种干扰,提出了依据时空相关性检测的帧间多级差分方法,为解决烟尘快速飘移对后续弹点探测的影响,给出了一种伪目标边缘跟踪算法.远程视觉传感器距靶心1.2 km对φ400 m靶区实测时,图像处理时间小于8 ms,系统响应时间小于75 ms,报靶精度优于2 m,完全满足实时准确报靶的要求.

星点测量精度是表征星敏感器精度的一个重要指标,影响该精度的主要因素有:光学系统误差、图像传感器的噪声、电路噪声及软件算法等.图像传感器的噪声对星点定位精度的影响是不容忽视的,但很少对此进行研究.针对某给定参数的星敏感器,对TH7890M CCD图像传感器的各项噪声进行了定量计算;基于亚像素细分质心算法,针对各噪声的分布特点及规律,分别推导出各自的均方根误差,综合各项误差得到CCD噪声的星点定位精度模型.计算结果表明TH7890M CCD的主要噪声有读出噪声、光子散粒噪声和光响应不均匀性引起的随机噪声;影响星敏感器星点定位精度的主要噪声是读出噪声和光子散粒噪声;对6等星进行星点位置的估计,CCD噪声达到了1/40像素的精度水平.

给出了Jeffrey H.Shapiro等人的目标检测算法,以及在该算法基础上推导出的七个目标检测公式.自行编程设计和实现了仿真实验.在理想情况下,通过仿真对检测性能进行了对比,从仿真结果可知,ξ的取值在5 dB附近或者大于5 dB时,在激光雷达的工作范围内(CNR≈10～30 dB),综合利用主被动两种信息进行目标检测的性能要优于仅利用其中任何一种信息进行目标检测的性能,综合利用主被动三种信息进行目标检测的性能要优于仅利用其中任何一种信息以及两两信息组合进行目标检测的性能.强度像、距离像与被动红外融合时的检测性能最高,从而验证了长波红外主被动复合成像的优越性.同时,讨论了理想情况下子帧大小对目标检测公式性能的影响,对非理想情况进行了初步探讨.

为了使一些单元或线列探测器获得的扫描数据含有相应的空间信息,进而提高获得红外热像的分辨率,提出了圆锥扫描机制下基于变行频采样机理的红外图像完整重建策略.结合圆锥扫描机制下变行频采样的运动特性、优点和采样机理,通过补场搜索重建了导弹架上捕获模式下的完整红外图像.利用空间基准参量,通过计算机仿真给出了变行频采样示意图和重建图像.仿真过程表明这种技术能够有效避免因导弹自旋造成的单场边缘行采样稀疏的缺点,而获得较高分辨率的红外图像.这种技术在投入相对较低的情况下,为目标检测和跟踪研究提供可靠的数据源,具有很好的应用前景.