近年来,经济社会和**装备的信息化对半导体光电子学器件提出了更高的要求,无论是**还是民用工程都需要有自己的关键器件.光电探测器组件作为关键器件之一,世界各国都给予了高度重视,也取得了很大的进展.文中主要介绍了Ⅲ-Ⅴ族半导体全(多)光谱焦平面探测器的研究进展情况,包括量子阱红外探测器(QWIP)、AlGaN紫外焦平面探测器、InGaAs近红外室温焦平面探测器和Sb化物焦平面探测器等.

为了满足对无人机姿态高精度测量的要求,介绍了一种新的测量系统及方法.该系统由多台经纬仪、数字摄像机、时间同步控制器及数据处理终端组成.数字摄像机安放在经纬仪上,经纬仪布置在飞机飞行轨迹的两侧,构成了一个能够在俯仰角和方位角下拍摄图像的光测机构.时间同步控制器提供同步控制信号,控制摄像机在同一时刻对飞机成像.在终端机中利用图像处理技术重构出机身和机翼的空间向量,计算出无人机的俯仰角、偏航角和翻滚角.仿真试验结果显示:采取4台经纬仪的合理布站.当图像上直线斜率的提取误差最大为0.6°时,可以将姿态角的最大测量误差控制在1°左右.

为保证干涉仪的测量精度需严格控制其准直光路中平行光束波前质量,以口径150 mm的扩束镜出射波面为测试对象在Zygo干涉仪上设计实验,采用五棱镜扫描法逐条测试扩束镜某一方向上出射波面法线的微小变化量,实现一种精度高而又经济的大口径波面测试.实验结果与Zygo的测试结果相吻合.证实了这种方法的可行性.同时分析了实验装置与环境对测试精度的影响.

目前,干涉滤光片已广泛运用到辐射度学测量、光度学测量等领域,为保证其光谱透过率测量的高准确度,提出了采用基于DK242单色仪,入射、出射光路独立设计的全自动,单光路分光光度计,其测量部分采用了硅探测器与积分球组合的探测单元,提高了测量的准确度.装置的不确定度源包括波长定标、探测器均匀性、系统稳定性、光束移位等,装置整体不确定度达到8.78×10-3,满足设计要求.

针对单层衍射光学元件的不足,介绍了一种新型的多层衍射光学元件,通过层叠多个具有不同材料色散特性与相位高度的单层表面微结构,增加元件相位分布函数中的可变因子,实现波段内各波长光波的等效相位调制等于或接近2π的整数倍,双层衍射光学元件在0.4～0.8μm可见光波段的理论衍射效率可以达到96%以上.利用双层衍射光学元件替代萤石透镜校正混合光学系统的二级光谱,设计并制作了一套长焦距物镜,并利用系统调制传递函数评价了多层衍射光学元件衍射效率,测试结果表明衍射效率在整个设计波段内以较高的数值平均分布.

介绍了一种利用纯相位调制液晶空间光调制器进行波前相位实时变换的方法,可将相干平面波变换成任意期望的波前.该方法采用由伪随机编码产生初始相位矩阵的相位恢复优化算法,从期望的远场衍射图形得到液晶空间光调制器所在衍射面的相位分布,当单色相干平面波通过液晶空间光调制器时,利用液晶空间光调制器纯相位调制特性复现该相位分布,在远场产生期望的衍射图形.实验验证了上述波前实时变换的可行性.

在辐照环境下,光纤的光传输特性因辐照引起的缺陷及色心的形成而恶化,光纤的抗辐照性能直接影响其在辐照环境下的应用.而光纤本身在形成色心的同时,存在着光、热等褪色恢复效应.且光褪色与光纤中传输光有关,光功率越强,波长越短,褪色效果越明显.利用该特点,人为的向光纤中注入短波长强光,可增强光褪色效果,减少光纤因辐照产生的损耗量,实现光纤辐照损耗的主动恢复,保偏光纤在辐照下的光褪色实验给出了有力的证明.据此提出了主动恢复效应和基于该效应利用两个光源主动增强光纤抗辐照性能的设计方法,并对其实际应用价值进行了探讨.

采用脉冲激光气相沉积(PLD)技术在MgO(100)衬底上生长了Co/BaTiO3纳米复合薄膜,利用原子力显微镜、透射电镜、X射线衍射(XRD)及Raman光谱等测试分析手段对Co/BaTiO3纳米复合薄膜进行测试分析.结果表明:薄膜表面均匀、致密,具有原子尺度的光滑性;Co纳米晶粒呈单分散、均匀分散在沿C轴呈单取向生长的BaTiO3单晶基体中;随着掺杂Co含量的增高,BaTiO3的Raman峰的峰强随之增大.

介绍了存在背景干扰和噪声情况下的红外图像中弱小目标的检测问题,提出一种基于Contourlet变换的检测算法.首先对图像进行Contourlet变换.利用Contourlet分解后子图像的特性抑制背景和去噪声,最终实现对目标的检测.通过在含有随机目标的红外序列图像中的实验,并与小波变换进行比较.证明了算法的有效性.

提出了一种复杂背景下红外图像序列中圆形目标提取、判别以及跟踪的系统框架.在目标提取阶段,采用支持向量回归的方法选择种子点,用自适应选择阈值区域的生长方法进行分割提取目标.对于目标判别,采用最多共圆像素点数除以总像素点数作为圆形程度的度量进行圆形判别,并提出改进的标准Hough变换来找到共圆点.跟踪算法中,应用了粒子滤波的跟踪方法,并针对红外目标的特点,建立实现粒子滤波算法的细节.实验证明了整个框架体系的有效性和稳健性.

介绍了叠层双色红外焦平面的发展背景和适用的材料体系,及其在国际上的发展现状,重点论述了叠层双色探测器结构类型及其探测特点,最后介绍了国内碲镉汞叠层双色焦平面的研究进展.报道了基于+_p-P-P-N多层异质结Hg1-xCdxTe材料的叠层中波/短波(256×1)×2红外双色焦平面器件研制及性能.在77 K液氮温度下,红外焦平面探测器的两个波段的截止波长λc分别为2.8μm和3.9μm,中波/短波焦平面的平均单色探测率D*λp分别为1.8×1011 cmHz1/2/W和9.6×1010 cmHz1/2/W.

研究了空间观测CCD图像弱小目标检测与运动轨迹提取技术,介绍了一种基于背景抑制的多目标检测与运动轨迹提取方法.首先,对图像进行阈值处理,滤除图像的背景灰度和噪声;然后生成基于序列图像叠加与形态学变换相结合的背景掩模图像,对序列图像进行屏蔽处理,得到运动目标图像;对目标图像进行交叉投影算法确定目标区域,并进一步精确确定目标质心,进而提取目标的运动轨迹.实验证明所提出的算法不仅能够有效检测星空序列图像中的多个弱信号小目标,而且具有较强的实时性.

彩色夜视成像技术是当前国内外重点发展的关键技术之一,介绍了彩色夜视成像处理算法的分类、特点及其研究进展,分析了国外一些彩色夜视系统,并重点介绍了笔者在自然感彩色夜视算法及自然感彩色夜视成像系统方面的研究进展.

提出一种新的以目标获取为目的的全流程性能评估方法,综合分析目标场景、点扩展函数大小、算法主控参数等因素对恢复后的目标可检测性的影响,引入正交试验设计来充分覆盖数据空间和控制试验规模,进行多因素、多水平试验与分析.试验结果表明:提出的评价指标和方法既利于评估图像恢复算法对目标获取的有效性,也能指出算法需要改进的方向.

针对大尺度图像配准和不同传感器图像配准问题,介绍了一种基于SIFT的图像配准方法.首先提取图像中适应尺度变化的不变特征点,在提取过程中加入多尺度Harris检测算子,提高了匹配点对的重复率,通过聚类和归一化互信息准则对候选匹配点对的角度、尺度和位置特征进行迭代筛选,删除错误的匹配点对,最后得到正确的匹配点对,对图像进行配准.实验结果表明:该方法能处理相似变换的图像配准.

移相干涉术易受环境振动的干扰,获得的波前相位的干涉图信息不完整,无法准确给出光学元件表面的频谱分布信息.中值滤波技术是一种既能去除噪声,又能较好保护图像边缘细节的非线性技术,通过改进中值滤波技术对波前相位数据做了复原处理,比较了数据复原前后的波前功率谱密度,结果表明采用这种图像复原方法可以有效地表达光学元件表面的频谱信息.

针对灰度和图像特征存在较大差异的可见光和红外图像配准,给出了一种基于归一化互信息与小波变换相结合的快速图像配准算法.实验表明,该算法加快了配准过程,较利用原图像配准速度提高了约一个数量级,且配准结果具有较高的准确性和稳定性.可见该算法适用于多光谱图像配准.

提出一种新型二维差分预测方法,该方法可实现双序列差分预测与"Zig-Zag"扫描差分预测,解决了一维差分预测方法不能有效剔除数据冗余度的问题.压缩时,用新的预测方法对数据进行预处理,再用原有编码器对数据进行编码;解码时,先采用原有解码器进行解码,再使用新的预测方法的逆过程对解码后的数据进行后处理,重构出原始数据.实验结果表明:该方法可以更有效地剔除冗余数据.与原压缩算法比较,采用新的差分预测方法可以提高数据压缩比.

介绍了最大后验概率(MAP)复原超分辨力算法发展现状,然后着重介绍了基于Markov随机场的泊松最大后验概率复原算法(MPMAP)和小波滤波方法.以MPMAP算法为基础,提出了基于后端小波滤波处理和Markov分布的最大后验概率算法(PWMPMAP),试验证明这种算法具有很强的抑制噪声和振铃现象的能力,与MPMAP算法相比,复原效果明显提高,对红外热图像等低信噪比图像尤为有效,以30 dB的红外"建筑物"图像为例,相对MPMAP算法,峰值信噪比(PSNR)以提高0.4 dB左右.

背景抑制是红外运动点目标检测的核心技术之一.提出了一种基于图像局部统计特征的自适应背景抑制算法,给出了一种近似估计图像噪声方差的方法,解决了L滤波在背景抑制应用中实时性的问题.采用该算法对实际录制的红外图像序列进行背景抑制实验,结果表明:该算法能够很好地抑制起伏的背景,大幅度提高了目标的信噪比.

介绍了近年来国内外气象、资源、对地观测及军用遥感等重要卫星系列中,红外探测器涉及的材料、器件等方面的技术特点及其应用情况,并简要提出了红外探测器在航天遥感领域应用的发展趋势.气象卫星类航天红外探测器,仍以单元和多元(包括小规模焦平面)为主,波长覆盖近红外到甚长波红外.遥感卫星包括军用系列卫星,以红外焦平面技术为主,着重于短波、中波和长波(10.5～12.5μm)的长线列扫描型红外焦平面,以及甚长波(～15 μm)的面阵红外焦平面.

SIFT(Scale Invariant Feature Transform)算子因其良好的尺度、旋转、光照等不变特性而广泛应用于图像匹配中,但用128维向量来表征每个特征点降低了算法的实时性.为了提高匹配速度,介绍了一种基于SIFF的简化算法(SSIFT),采用基于圆形窗口的12维向量有效地表示一个特征点.实验结果显示,算法在保持较好匹配率的同时能降低时间复杂度,适合运用在对实时性要求较高的场合.

分析了角度和角度变化率被动测距系统的基本原理,研究了空间固定目标的单站被动测距方法,并提出光学成像系统中角度及角度变化率测量方法.利用Monte Carlo模拟验证了被动测距的数学模型,角度及角度变化率的测量误差是影响距离测量精度的主要因素,为了克服误差的影响,研究了基于推广卡耳曼滤波(EKF)距离估算方法.实验结果表明,对于含有零均值高斯噪声的角度和角度变化率的测量数据,利用推广卡耳曼滤波可以提高距离估算的稳定性和精度.

系统论述了航天光学遥感技术的定义、红外遥感区别于可见光遥感的技术优势以及国内外红外遥感器的发展现状.全面分析了未来红外遥感器在资源、海洋、环境、空间红外观测、红外侦察和导弹预警等军民应用领域的具体需求以及超光谱、静止轨道等特殊红外遥感器的潜在需求.在此基础上,通过分析各类遥感器的技术指标和国外的技术差距,战略性地提出了未来军民用各个遥感领域红外光学遥感器发展对核心器件--红外探测器需求和发展建议.

采用改进的Bridgman法生长出了大尺寸高质量的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMNT)单晶,并发现了PMNT单晶具有非常大的热释电响应.为探索高性能的热释电材料,提高现有红外探测器的性能,对PMN-PT的热释电性能、及其在红外探测器中的应用进行了系统的研究.研究表明:PMNT单晶具有优异的热释电性能,其综合性能优于传统的热释电材料.用PMNT单晶制备出了的红外探测器.电压响应率和比探测率分别为Rv=211 V/W,D*=1.06×108 cm·Hz1/2·W-1,器件性能能够基本满足使用要求,同时也表明PMNT单晶有望在高性能的红外探测及成像器件中得到实际应用.

与量子阱红外探测器相比,量子点红外探测器具有不制作表面光栅就能在垂直入射红外光照射下工作以及工作温度更高等优势.然而,目前阻碍量子点红外探测器性能提高的技术瓶颈主要来自组装量子点较差的大小均匀性、较低的量子点密度以及垂直入射下子带跃迁吸收效率低等原因.利用分子束外延技术研究了如何从量子点材料生长和器件设计两方面来克服这些困难,并且制作了几种不同结构的InGaAs/GaAs量子点红外探测器.在77K时,这些器件在垂直入射条件下观察到了很强的光电流信号.

热释电材料是非制冷红外探测器的关键敏感材料之一.介绍了非制冷红外探测器用热释电材料的分类以及国内外研究现状,重点评述了介电模式工作的热释电陶瓷材料的研究进展,并指出了它的发展方向.

采用n型GaAs/AlGaAs量子阱材料,反应离子刻蚀RIE设备进行光栅、像元分割刻蚀,制备了320×256格式的长波量子阱红外探测器,像元中心距30μm,像元光敏面28μm×28μm,两像元间距2μm,达到了目前国际上lk×lk量子阱焦平面探测器像元间距研制水平.通过对320×256阵列上设计的陪管区进行光电性能测试,平均黑体探测率1.66×109 cm·Hz/W-1,响应率89.6 mA/W.

介绍了目前典型的军用第二代、第三代焦平面探测器杜瓦制冷机组件中斯特林制冷机和节流制冷器的应用情况,从焦平面探测器芯片探测元尺寸的变化,提出了配接制冷机的冷指尺寸的变化,介绍了昆明物理研究所微型低温制冷技术的发展现状及微型低温制冷机向高可靠性、低成本、高工作温度的发展趋势.

给出的狭缝调相式气动分置式斯特林制冷机,具有阻尼调节方便、造价低、制作与装配简单等优点.该机使用调节件与气动腔体之间的缝隙替代气动杆上的干摩擦来调节排出器的运动阻尼,进而调节排出器与活塞之间的运动相位差.主要给出了狭缝调相器的理论模型,并针对不同间隙进行了性能模拟与试验验证.试验结果与性能模拟结果符合很好,证明了所建立理论模型的可行性.

设计一套测量大气风场的多普勒激光雷达系统,以种子注入的单频、高重频、脉冲紫外全固态激光器为发射光源,采用两种直接探测技术获取高低空大气风场.基于费索干涉仪(Fizeau)的条纹图像技术获取边界层和低对流层大气风场,基于双法布里珀罗干涉仪(DFF)的双边缘检测技术获取高对流层和低平流层风场.研制的单频全固态激光器输出100 Hz、30 mJ的单纵模脉冲激光,输出线宽达到傅里叶转换极限.报道了测量原理和数值模拟结果、实验样机和系统技术参数.系统将用于移动式高低空大气风场测量.

分析了入射激光束光强分布不均匀以及目标对入射激光有脉冲展宽时对目标激光雷达散射截面测量的影响,推导出新的测量方程及激光雷达散射截面测量计算方法并应用于目标实测.结果表明:应用此方法避免了光束不均匀和脉冲展宽等因素对测量结果的影响,提高了激光雷达散射截面的测量精度.

介绍了一种新型边界层气溶胶监测激光雷达的总体结构及各部分的功能,分析讨论了该激光雷达的几何重叠系数测量结果及北京丰台地区的外场实验结果,探讨了大气边界层内气溶胶消光系数与湿度、风速等气象条件的关系,实验结果表明:水平大气气溶胶消光系数与BC质量浓度、地面风速等近地气象因子均有较好的相关性,该雷达性能优越,结果可靠.

激光二极管(LD)中心波长及LD功率影响着LD泵浦的固体激光器输出特性,通过理论和实验研究了LD的工作温度变化对LD中心波长及LD功率的影响,分析了LD温度控制系统的温控精度,给出了理论上确定温控精度的一般方法.实验结果验证了此方法的有效性,并且给出了以4 nm谱宽LD泵浦Nd:YAG时的温控精度数据.通过适当选择LD温控精度和较宽的LD谱宽,可大大降低温控系统设计的难度,有效提高DPL的环境适应能力.

采用有限元法,以光纤耦合LD端面泵浦Nd:YAG激光器为例,模拟了三种冷却方式下,激光晶体的温度分布;分析了不同冷却方式对晶体温度分布和端面形变的影响;计算了不同对流换热系数和冷却水温度对晶体温度的影响.结果表明:在晶体侧面水冷时,改变对流换热系数和液体温度只能改变晶体的整体温度,对温度分布的均匀性几乎没有影响;三种冷却方式中,泵浦端水冷情况下晶体温度最低,端面形变量最小.

设计了高功率固体热容激光器实验装置.采用二极管阵列泵浦Nd:GGG晶体腔内串联的方式,对激光器的输出特性进行了实验研究,得到输出平均功率8.7 kW,光先效率20%.获得了增益介质内的荧光分布,利用干涉测量法测量干涉条纹表征增益介质受热后折射率变化造成的畸变.

介绍了"光束运动-光靶跟踪"激光跟踪测量方法,研究了激光制导测量机器人技术,开发并研制了一种能够在被测对象水平面和斜面运动的小型轮臂复合式激光制导测量机器人系统.建立了机器人的爬行臂式运动学模型并对其运动特性进行了分析.最后,利用激光跟踪仪和三坐标测量机对激光制导测量机器人样机进行了性能测试,实验结果表明:该机器人能够自动高效地跟踪激光束并完成测量,验证了运动学分析的正确性,同时也解决了激光制导测量机器人技术中光靶的掉光问题.

在无源干扰下,激光制导**不能进入制导段飞行,或制导段飞行的距离小于保证激光制导**命中精度所需的最小制导飞行距离时,激光制导**的命中精度都会下降.利用激光制导炸弹弹道仿真软件,得到了为保证激光制导**不能进入制导飞行时,激光制导**无控飞行的最小距离和激光制导**能够进入制导段飞行,保证其命中精度所需的最小制导飞行距离.最后根据激光测距方程.得到了无源干扰有效性条件.

为解决红外摄像法测量激光辐照度分布难以定量的问题,结合红外摄像法和量热法,提出了复合热像法的测量方案,研制了一套激光辐照度时空分布测量原理性样机,测量了2 000 W 级Nd:YAG 激光的辐照度分布.结果表明:利用漫反射屏上安置少量量热式激光能量探头的方式可以实现基于红外摄像法的绝对定标测量,通过红外漫反射数据与能量探头数据的归一化处理,可以得出红外激光辐照度的时空分布的定量结果.该样机系统为国内首创,并成功应用于红外强激光的辐照度定量测量.

介绍了一种先进的两档6倍变焦红外热成像光学系统,列出了系统主要的技术指标和要求,叙述了系统的设计思路和实现方法.应用非球面光学和衍射光学设计技术,仅用6个光学零件实现了通过平行移动光学镜组获得大变倍比、高像质中波红外成像光学系统的结果.

介绍了课题组在铁电薄膜的制备、特性研究以及非制冷红外探测技术方面的研究结果.研究获得了几种控制铁电薄膜微结构(如晶粒尺寸、晶粒形状、Ba1-xSrxTiO3(BST)和PbZrxTi1-xO3(PZT)铁电薄膜的择优取向生长等)的新技术;研制出具有高度自极化特性的0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3(PMNT)弛豫铁电薄膜;探索了一种具有将红外转化为可见光机制的新型光读出方式;发明了PZT薄膜的低温(400℃)生长方法.此外,还介绍了256×1线列铁电薄膜非制冷红外探测器的研制及部分成像结果.

提出了一种新型的激光测距机测距能力的检测方法--无靶板消光比检测法,它采用消光比技术将激光发射能力和激光接收能力分开进行直接测量,具有不受环境限制、检测结果快速准确、易于实现等特点,并给出了基于该技术激光测距机性能检测仪光学系统的原理设计方案.应用结果表明:该系统设计巧妙,结构紧凑、轻便、可靠性高,可实现对多种型号激光测距机综合性能的自动、快速和不解体检测,尤其适合于部队在野战条件下使用.

随着空间光学遥感器分辨率的提高,反射式光学遥感器主镜口径不断增大,反射镜受微重力和温度的影响更加突出,对反射镜的结构进行轻量化设计已经成为空间大口径反射镜工程的关键技术.从反射镜结构轻量化的角度出发,对国内外空间光学遥感器反射镜的镜体结构和轻量化孔技术进行了系统的总结和评述,分析了轻型空间反射镜技术的现状和发展趋势,为反射镜的镜体轻量化设计提供了一定的参考依据和新思路.