介绍了作为大型机载激光雷达关键部件的双光楔扫描系统的模型建立、设计实现以及实验验证。为实现双光楔扫描系统的大尺寸、宽视场和高精度指向, 设计了16°楔角、320 mm直径的成对光楔, 以及对应的高精度PID双轴扫描控制模块, 分析了系统误差来源和误差控制方法。在45 m距离的地面测试中, 通过每个3.6°转动楔镜, 累计100次与真值测量比对进行检校和验证, 扫描指向误差小于50 μrad, 通过搭载集成后的机载激光雷达飞行实验, 实测扫描视场为32.03°, 进一步验证了双光楔扫描系统的有效性。

在研制制冷型红外探测器组件的过程中, 降低功能模块的热应力是设计及制造的核心目标之一, 这要求首先能够对焦平面模块的热应力进行测量表征, 工程上一般通过形变等间接量来表征碲镉汞的热应力。基于此研究了激光干涉法测量制冷型红外焦平面探测器的表面形变并对其误差进行了分析, 该方法克服了常规的台阶仪测量方法所固有的温度控制不够理想、测试过程中样品表面有结霜等困难, 它利用相干光在标准镜上干涉形成的干涉图样来反映样品表面的形变。试验表明: 该方法可以进行实时变温的表面形变测量, 为制冷型红外焦平面组件的封装设计提供可靠的形变测试数据, 实现了焦平面模块在封装杜瓦内的表面形变的低温在线测量。

提出了一种空间目标红外动态辐射特性的建模方法。目标红外辐射包括自身发射辐射和对背景的反射辐射。根据目标与背景特征建立了空间目标辐射特性的物理模型。基于表面材料属性对目标表面进行区域与面元划分, 根据能量守恒定律, 利用目标在宇宙空间的热平衡方程建立了空间目标自身红外辐射特性的数学模型。同时, 引入双向反射分布函数模型描述目标表面面元的反射特性, 将目标所有面元反射分量叠加建立了目标红外反射特性的数学模型。最后, 构建目标本体坐标系, 通过坐标变换确定目标、背景辐射源与探测器的相对位置关系。根据给定的轨道参数、目标几何尺寸和表面物性参数仿真获得空间目标在轨红外特性。计算结果验证了模型的有效性, 为空间目标的红外探测与识别提供参考数据。

采用随机表面的计算机生成方法模拟了卫星表面起伏形貌;考虑了空间环境的辐射热流, 采用蒙特卡罗法计算起伏表面面元间的辐射传递系数, 完成了起伏表面的温度分布计算;考虑表面双向反射分布函数, 建立了起伏表面随方向变化的红外辐射强度计算模型, 并且以卫星常用的镀铝聚酰亚胺薄膜材料为例, 分析了空间目标起伏表面的红外辐射特性。计算结果表明: 随机起伏表面的红外辐射特性与理想平面的红外辐射特性差别明显;表面温度分布和红外辐射分布与表面的起伏形貌特征相关性很强。其结果可以为空间目标红外探测技术的研究提供更加有效的支撑。

红外焦平面器件广泛应用于**安全、空间探测、环境监测、工业控制等各个领域, 但是由于量少价高的特点, 可靠性成为其技术发展的主要瓶颈之一。盲元是红外焦平面的失效像元, 是对器件工作特性的反映, 因此, 可以用作可靠性评价和失效分析手段的重要参数。以出厂时间为界, 将盲元分为初始盲元和使用盲元, 并分析了其类型、性质、数量、位置及分布等方面的特征。根据红外焦平面器件结构特点, 从探测器、互联铟柱和读出电路三个方面分析了盲元形成原因, 全面探讨了盲元分析在研究器件损伤应力、失效位置、损伤机理上的应用, 以及准确评价器件性能和提高盲元剔除精度的可行性, 为器件结构的优化和工艺的改进提供了支撑。

为提高脉冲相位热像法(PPT)温度序列相位的计算速度和检测效率, 对传统的傅里叶变换(FFT)进行优化, 提出了适用于PPT的相位快速计算方法, 使运算速度提高了1.9～12.4倍。为确定相位算法中温度序列的最佳采样长度和频率分量, 结合热扩散深度公式提出了最佳采样长度估算公式。对铝合金试件和钢材料试件进行了脉冲相位热波检测, 当缺陷检测效果最佳时, 热图序列最佳采样长度分别为1.1 s和3.9 s, 基频相位差有最佳的缺陷分辨能力。结果表明: 该算法显著提高了相位计算速度, 量化的最佳采样长度估算公式能直接确定热图采样长度, 减少了操作的主观性和参数设置的随机性, 有效提高了脉冲相位热像检测效率。

针对机载IRST系统理论探测与实际探测能力之间的较大差异及其作战能力发挥不充分等问题, 首先分析了机载IRST最佳工作点与作战需求和探测能力之间的关系, 然后考虑了目标机相对载机进入角、方位角、俯仰角和环境背景辐射等作战因素, 建立了机载IRST角水平和角俯仰探测能力模型, 最后综合作战环境和探测概率特性提出探测概率包线概念, 建立了机载IRST作用距离探测概率包线模型, 并定量分析了不同空战态势中机载IRST的探测能力及其概率。从仿真结果可以看出, 当满足一定的虚警概率和信噪比要求时, 探测概率包线的分布特性具有最佳探测点, 这为引导战机扭转战场态势, 充分发挥机载IRST作战效能提供了理论参考, 也为模拟真实战场环境和在实验室进行试验提供了一定的理论支撑。

在精密测量领域, He-Ne 激光器是制造激光干涉仪的首选光源, 因波长作为测量的“尺子”, 激光器的频率稳定性至关重要。介绍了双频激光器的稳频技术原理, 利用调谐腔中平行光和垂直光的等光强点作为稳频点, 以光强平衡为依据设计热伺服控制电路, 采用数字和模拟电路共同控制, 实现了He-Ne双折射塞曼双频激光器的频率稳定。对大频差(7.95 MHz)的双频激光器进行拍频测试, 单次频率稳定度达10-9量级, 重复多次多日测量, 频率不确定度达1.074×10-8(k=2)。同时对频差稳定度进行测试, 频差波动范围在8 kHz以内, 相对偏差度为0.001, 完全达到商用双频干涉仪的标准。

为了研究一体化Y型腔正交偏振氦氖激光器腔内温度场分布对其输出频差稳定性的影响, 利用ANSYS有限元软件建立了该激光器的热力学模型。详细介绍了材料热参数的处理、激光器增益区热载荷的施加和换热系数的计算方法, 通过仿真得到了该激光器腔体在稳态和瞬态情况下的温度场分布。采用红外热像仪设备拍摄得到腔体表面的实际温度值, 与仿真结果对比, 表明二者的温度值差异小于1%, 建立的仿真模型准确可靠。激光器启动后, 热量逐步从增益区向非增益区传导。当激光器温度分布稳定时, 腔体存在明显的温度梯度分布, 其中表面区域温度梯度最大;表面温度最高点位于阴极附近, 最低点位于远离增益区的子腔体下表面。两子腔表面温度差值为0.05 ℃, 引起的频差漂移为0.067 MHz。研究表明: 激光器两子腔随时间变化产生的温度差值仍是制约激光器输出频差稳定性的主要因素, 为下一步提高频差稳定性和优化激光器几何结构设计提供了指导。

报道了激射波长为2.1 μm 的GaInSb/AlGaAsSb双量子阱激光器。通过优化外延结构设计和欧姆接触, 无镀膜的宽条激光器达到了9.8%的峰值功率转换效率, 这比原来的值提高了1.5倍, 室温下得到了615 mW的连续激射功率输出和1.5 W的脉冲激射功率输出。这些激光器的阈值电流密度低至126 A/cm2, 斜率效率高达0.3 W/A。通过测试不同腔长的激光器, 测得内损耗和内量子效率分别为6 cm-1和75.5%, 均比原有器件有很大提升。激光器在连续工作3 000 h后, 功率没有明显下降。

为了实现激光器在一定温度范围内LD泵浦源免温控稳定工作, 具有较高并且稳定的泵浦光吸收效率, 分析了DPL激光器中LD发射谱和Nd: YAG增益介质吸收谱的特点及匹配问题, 据此提出了一种激光器免温控泵浦源的多波长选择理论和方法, 同时增加泵浦光吸收长度克服Nd: YAG吸收谱和LD波长失配的不利影响。优化设计了一个波长为802.35 nm@25 ℃、813.15 nm@25 ℃和810.95 nm@25 ℃的三波长LD泵浦方案, 计算结果表明: 在一定吸收长度下, 多波长泵浦光吸收效率可达73.96%, 并且在-15.7~65.7 ℃宽温度波动范围内, 激光器输出能量不稳定度优于5%。同时还模拟分析了增益介质吸收长度和掺杂浓度对泵浦光吸收效率的影响。

城市污染的日益增强导致大气环境中烟煤粒子含量不断上升, 为了进一步研究烟煤环境下湿度对偏振光传输特性的影响, 研究气溶胶粒子的半径及折射率等参数随湿度的改变情况, 并采用蒙特卡洛的仿真方法, 模拟不同入射偏振光在烟煤介质中的传输过程, 得到出射光斯托克斯参量的仿真图样及偏振特性。结果表明: 烟煤环境下相对湿度的变化对偏振特性有规律性的影响。随着相对湿度的增加, 线偏振光入射时出射光的偏振特性逐渐增强, 且能很好的保持自身的偏振态;圆偏振光入射时出射光的偏振度在相对湿度为85%时达到最大值, 偏振度及偏振角波动较大且无明显规律。因此随着相对湿度的增加入射光为线偏振光时出射光在保持偏振态及偏振特性增强方面更具优势。

基于粒子图像速谱仪（PIV）和高速摄影仪（HSC）研究了烟火药火焰的气体流场与正在燃烧粒子流场的两相流特性。首先利用PIV获取了烟火药燃烧的火焰气体流场;同时利用HSC, 通过设定合理的曝光时间, 实验全程过滤了气体火焰辐射和烟尘的影响, 获取了烟火药燃烧火焰中正在燃烧的粒子, 用图像处理方法确定了图像中各粒子的坐标, 根据获取的连续图像, 计算每个正在燃烧粒子的运动轨迹, 得到正在燃烧粒子的速度矢量图, 进而比较分析了正在燃烧粒子的流场与火焰气体流场;该研究为分析烟火燃烧机理中正在燃烧粒子的火焰结构提供了一种简便的方法。

大视场空间相机在轨成像期间, 由于地球自转、卫星姿态机动和颤振等因素导致焦面像速场呈非线性各向异性分布。为此提出了一种新的基于刚体运动学的像移速度场建模方法, 考虑离轴角参数, 推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例, 分析了侧摆成像时同速与异速像移速度匹配模式对相机成像质量的影响。分析结果表明: 以传函下降5%为约束, 侧摆15°成像时, 当积分级数大于10级时应采用异速匹配模式, 积分级数为32级时, 异速匹配相比于同速匹配使焦面动态MTF从0.340 8提高到0.970 2。当积分级数确定为16级时, 侧摆角在12.3°以内时可采用同速匹配模式。在轨成像结果证明了像移速度场模型的准确性, 可为大视场空间相机像移补偿提供可靠依据。

为充分利用战场气象信息, 提高舰载机飞行的战场安全性, 在对红外遥感气象信息特点和优势进行分析的基础上, 提出了舰载机在一定气象条件下的作战与训练使用的安全性评估模型。模型包括起降安全指数和往返安全指数两部分, 分别分析了主要的相关因素, 并根据作训实际提出了评估与拟合计算办法。对于起降安全指数, 利用判断矩阵求取不同气象要素的合理权重, 提出了独立的客观气象指数的概念并给出了计算方法, 然后进行线性加权便可得起降安全指数;对于往返安全指数, 则主要根据云雾对舰载机的掩护程度做为安全性计算的基本依据。

电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)利用电荷雪崩机制可以实现低于1e-的读出噪声, 适用于微光成像。随着背照式CMOS成像探测器技术的发展, 具有高量子效率和低于1.5e-读出噪声的CMOS成像探测器已中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制成功。针对天基微光成像的需求, 分别构建了基于EMCCD CCD201的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机, 并建立了系统的噪声模型。对基于EMCCD的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机的微光探测性能和工作机理进行了对比分析。分析结果表明: 当采用凝视成像模式, 积分时间为2 s, 相机入瞳辐亮度为10-9 W·cm-2·sr-1·μm-1时, 基于EMCCD的天基微光相机在焦面温度为20 ℃的条件下的信噪比为23.78, 相同条件下基于CMOS的天基微光相机的信噪比为27.42。当采用制冷系统将焦面温度降低至-20 ℃时, 基于EMCCD的天基微光相机的信噪比提高到27.533, 而基于CMOS的天基微光相机的信噪比提高到27.79。

对于一台激光跟踪仪对多个测量点进行测量的问题, 提出了一种视觉引导激光跟踪测量方法。摄像机固定于激光跟踪仪顶部, 随之旋转对测量范围内激光跟踪仪反射器进行定位, 引导激光跟踪仪激光投射到反射器上。标定摄像机与激光跟踪仪相对姿态, 用平面圆孔靶标。激光跟踪仪和摄像机同时测量圆孔靶标, 将两个坐标系下对应三维点数组进行均值化处理, 变为两个坐标系下对应的向量组, 向量组之间的转换关系, 即激光跟踪仪与摄像机之间的旋转矩阵。再根据两坐标系下对应的任一点的三维坐标, 求解两坐标系的平移矢量。此标定算法把对两个坐标系之间的旋转矩阵的求解, 通过Cayley变换, 转换为对与转换矩阵相对应的三维向量的求解, 求解过程简单稳定。实验结果表明, 靶标摆放50次, 测量误差小于1 mm。把校准结果应用到实际测量中, 激光跟踪仪可快速准确地将激光束投射到反射球中。此方法操作简单, 稳定性强, 具有很高的实用价值。

为了解决大口径凸球面镜高精度检测问题, 建立了子孔径拼接检测数学模型, 模型以全局优化算法及最小二乘拟合算法为基础, 优化得出被检测镜面全口径面形, 并基于该数学模型对一口径φ120 mm凸球面镜完成了拼接检测, 检测中共测量5个子孔径。由检测结果可以看出, 拼接面形表面光滑连续, 无拼接痕迹。为了验证拼接精度, 在子孔径检测中另取一用于评价拼接精度的自检验子孔径, 完成了对应子孔径的检测, 并将拼接结果与自检验子孔径检测结果进行了点对点相减, 从而获得残差图, 实验结果表明: 残差图PV值为0.014λ, RMS值为0.003λ, 表明拼接结果的可信性, 验证了算法的可靠性与准确性。

为了更好地对于30 m望远镜三镜(TMT M3)的动力学进行度量与检测, 基于加速度信号建立了系统模态信息的计算与评价方法。首先, 分析了如何利用加速度计对于TMT三镜系统进行检测。之后, 利用系统对于未知载荷的响应, 基于随机减量法获得了系统的自由响应;之后, 根据多项式拟合的方法, 对于获得的传递函数进行处理。根据之前所提出的方法, 对于4 m级系统, 获得了其系统前两阶模态为88 Hz以及107 Hz, 并获得了对应振型。所做的工作对于TMT三镜的完成有着很好的指导作用。

为了标定液晶相位可变延迟器(Liquid Crystal Variable Retarder, LCVR)的相位延迟特性, 在25 ℃、405 nm波长下, 利用搭建的测量装置采集了141组实验样本, 其中71组样本为训练集, 70组样本为预测集, 利用最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machines, LSSVM)和支持向量机(Support Vector Machines, SVM)算法建立LCVR相位延迟量和驱动电压相关数学模型。实验表明, GASVR、PSOSVR、LSSVM方法下最大波长偏差?驻λ分别为0.013 6λ、0.013 7λ和0.004 5λ, 均方误差提高两倍, 通过比较, 说明该模型能快速准确地预测LCVR工作范围内全部波长、全部电压值下的相位延迟。该方法可作为LCVR相位延迟特性标定的有效手段。

为了提高光电探测系统指向精度, 提出并对比基于参数模型和非参数模型的运动学标定算法。首先, 根据系统组成, 全面分析光电探测系统指向误差来源。接着, 针对参数模型, 运用多体系统理论建立系统指向误差模型, 并应用最小二乘法对模型进行标定。然后, 针对非参数模型, 应用双线性插值算法进行指向误差模型标定。最后, 搭建实验平台, 获得用于标定和验证的两组实验数据。实验结果表明: 经过参数模型标定, 指向精度从141.7″提高到22.2″;经过非参数模型标定, 指向精度从141.7″提高到27.9″。两种方法均能提高光电探测系统指向精度, 参数模型标定指向精度略高于非参数模型标定, 但是非参数模型运动学标定具有过程简单、计算量小的优势。

为提高多通道红外成像仪的空间分辨率, 同时确保系统结构紧凑, 具有良好的轴对称性, 设计了应用于像方扫描主系统的主镜轴对称的五反无焦系统。论述了基于初级像差理论的五反无焦系统设计方法, 由各镜面之间的放大率和遮拦比求解出了结构参数, 利用初级像差系数求解出了反射面二次曲面参数, 并且编制了初始结构计算程序。设计了一个入瞳直径1 m、视场5°×0.1°、工作谱段8~10 μm、口径压缩倍率10×的五反无焦系统。设计结果表明: 光学系统最大波前差RMS值优于0.065λ(λ=9 μm), 最大光程差优于λ/4(λ=8~10 μm), 各视场的MTF曲线接近衍射限。该设计方法可广泛应用于高分辨率多通道成像仪的光学系统设计。

基于小口径和瞬时大视场激光制导**平台的要求, 提出了一种小型捷联折射式离焦光学探测系统方案。该方案根据捷联式激光半主动目标探测模型和理想离焦光学系统模型得到激光制导理想光学系统参数, 并以此参数为基础, 使用ZEMAX软件进行优化, 设计了工作波长为1 064 nm的离焦光学探测系统。该系统临界有效探测半视场为5.89°, 临界探测半视场为13°, 长径比为1.27, 较好地解决了整流罩引入的像差问题, 并且光斑重心位置与目标位置偏差角存在线性关系。验证实验结果表明该离焦光学探测系统误差小于0.15°, 满足大视场下目标位置偏差角探测的要求。

根据传统轴棱锥法产生Bessel光束的原理和凹透镜的几何光学效应, 设计并模拟了一套提高Bessel光无衍射距离的光学系统。利用凹透镜的发散特性, 将其分别放置在轴棱锥的前方与后方, 使用Math CAD软件进行模拟并与传统轴棱锥法进行比较, 得出结论: 在轴棱锥前方放置凹透镜使Bessel光的无衍射距离从244 mm增大至638 mm, 同时增大中心光斑半径。在轴棱锥后方放置凹透镜使Bessel光的无衍射距离从244 mm增大至406 mm。使用He-Ne激光作为光源进行实验验证, 实验结果与理论分析及仿真模拟基本一致。可根据实际要求选择凹透镜的曲率半径和位置, 得到无衍射距离较大、质量较高的Bessel光束。

小角度照明一直是发光二极管(LED)走向通用照明需要亟待解决的问题。而透镜和反射器则是最常用的配光器件, 所以针对LED使用的透镜或反射器的设计是目前照明领域研究的热点。采用几何光学理论计算透镜表面的点坐标, 拟合形成表面, 旋转拉伸成透镜实体。并以能够实现30°和45°照明的透镜为例, 介绍了透镜的设计过程, 并对透镜的性能进行了模拟验证分析。结果显示: 这种透镜能够将光源的光汇聚到预先指定的角度内, 光能的利用率达到80%以上, 照度的均匀度达到了85%以上, 这能够很好地满足现代照明的需要。

针对激光测距仪星载应用环境的特殊性, 研究了星载激光测距仪APD最佳增益控制技术。通过引入星载激光测距仪APD电流信噪比模型, 分析了影响星载激光测距仪APD信噪比的关键因素。针对某星载激光测距仪的具体应用, 展开了APD最佳增益控制技术研究, 设计了温度增益反馈控制电路, 并推导建立了温度增益数字反馈控制算法, 实验验证了控制电路及算法的正确性和良好的温度适应性。实验结果表明, 该控制电路和算法能够使得APD在-25~60 ℃温度范围下保持恒定增益, 适用于星载激光测距仪APD最佳增益控制。

为了研究延伸波长In0.83Ga0.17As pin光电二极管的暗电流机制。采用两种不同工艺制备了台面型延伸波长In0.83Ga0.17As pin光电二极管。第一种工艺(M135L-5)是: 台面刻蚀后进行快速热退火(RTA)。第二种工艺(M135L-3)是: 台面刻蚀前进行快速热退火(RTA)。采用IV测试, 周长面积比(P/A), 激活能和暗电流成分拟合方法对器件暗电流机制进行分析。结果显示, 在220~300 K之间,M135L-3器件暗电流低于M135L-5器件的, 并且具有较低表面漏电流。在-0.01~-0.5 V之间和220~270 K之间, M135L-5器件的暗电流主要是扩散电流。在250~300 K之间, M135L-3器件的暗电流主要是扩散电流, 而在-0.01~-0.5 V之间和220~240 K之间, 其暗电流主要是产生复合电流和表面复合电流。与此同时, 暗电流成分拟合结果也得出一致的结论。研究表明, 在降低器件暗电流方面, M135L-3器件优于M135L-5器件,这主要是因为快速热退火降低了器件的体电流。

电光调制器作为光通信系统中最重要的器件之一, 其性能决定了光通信系统的传输性能, 而电光调制器的电极结构、种类和设计都对调制器的性能有重要的影响。针对基于光纤布拉格光栅(FBG)的新型电光调制器电极展开了研究和设计, 并通过数值计算方法, 对模场重叠因子、电极结构参数以及模场重叠因子和FBG中心波长漂移量 的关系做了讨论, 并由此对基于FBG的聚合物电光调制器的电极做了一系列的分析和研究。文中的研究对基于FBG的电光调制器的制作具有一定的指导意义, 能够促进电光调制器的发展。

通过理论模拟CMOS工艺兼容的SiGe/Si 单光子雪崩二极管, 研究并讨论了掺杂条件对于电场分布、频宽特性、以及器件量子效率的影响。设计出具有浅结结构、可在盖革模式下工作、低击穿电压(30 V)的1.06 μm单光子技术雪崩光电二极管。 器件采用分离吸收倍增区结构, 其中Si材料作为倍增区、SiGe材料作为吸收区, 这充分利用了硅材料较高的载流子离化比差异, 降低了器件噪声;在1.06 μm波长下, SiGe探测器的量子效率为4.2%, 相比于Si探测器的效率提高了4 倍。仿真表明优化掺杂条件可以优化电场分布, 从而在APD击穿电压处获得更好的带宽特性。

建立了SACM型In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管(APD)的分析模型, 通过数值研究和理论分析设计出高性能的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As APD。器件设计中, 一方面添加了In0.52Al0.48As势垒层来阻挡接触层的少数载流子的扩散, 进而减小暗电流的产生;另一方面, 雪崩倍增区采用双层掺杂结构设计, 优化了器件倍增区的电场梯度分布。最后, 利用ATLAS软件较系统地研究并分析了雪崩倍增层、电荷层以及吸收层的掺杂水平和厚度对器件电场分布、击穿电压、IV特性和直流增益的影响。优化后APD的单位增益可以达到0.9 A/W, 在工作电压(0.9 Vb)下增益为23.4, 工作暗电流也仅是纳安级别(@0.9 Vb)。由于In0.52Al0.48As材料的电子与空穴的碰撞离化率比InP材料的差异更大, 因此器件的噪声因子也较低。

研究了电子辐射剂量对CMOS图像传感器性能的影响, 性能参数为平均暗电流输出和光强响应度。搭建了电子辐射场和光强响应度的测量系统, 在器件处于工作状态和非工作状态下分别对其辐射, 辐射剂量为: 5×103 rad、1×104 rad、7×104 rad、1×105 rad、5×105 rad。对于暗电流, 当辐射总剂量超过7×104 rad~1×105 rad之间的某一个阈值时, 暗电流随着辐射剂量的增长基本呈线性增加;光强响应方面, 当器件处于非工作状态接受辐射时, 辐射剂量对光强响应影响不大;当器件处于工作状态接受辐射时, 辐射剂量超过7×104 rad, 光强响应曲线会下移, 斜率减小, 灵敏度降低。理论分析后, 得到了暗电流随电子辐射剂量的变化模型。研究表明: 长期工作于空间环境下的CMOS图像传感器, 容易受到辐射总剂量效应的影响, 需采取一定的防辐射措施。

为了研制小体积、低成本、高分辨率的微型傅里叶变换红外光谱仪, 通过选择电热式微机电系统(MEMS)微镜作为迈克尔逊干涉仪动镜, 在满足了傅里叶光谱仪小型化、便携化的同时, 利用折叠双S型Bimorph驱动结构来实现双倍位移量以确保较高分辨率, 并将分束器外置来进行不同波段的灵活选择, 进而实现全光谱范围的应用。以1 310 nm激光作为参考光光源, 钨灯宽带光作为待测光源信号, 通过信号采集、滤波、插值、光谱恢复步骤完成原始信号采集到光谱信号复原的过程。测试结果表明: 电热式微镜的位移量可达到500 μm, 光谱理论分辨率1 nm, 光谱仪整机尺寸小至62 mm×62 mm×28 mm。测试基线噪声为0.000 04, 基线重复性为0.000 32, 吸光度重复性为0.000 48。性能指标能满足食品安全、药品检测、石油化工等领域的光谱检测应用。

为了进一步提高光电振荡器的实用性, 提出了一种基于耦合型电增益环腔的小型化光电振荡器。利用电功分器和放大器构成电增益环腔, 其梳状滤波效应可以有效对光电振荡器进行模式选择, 结合直接调制半导体激光器, 单模光纤和光电检测器, 有效实现了小型化光电振荡器。理论上分析了电增益环腔的基本原理, 并且通过仿真进行了验证。实验中获得了中心频率为12.624 GHz的微波信号, 其相位噪声为-102 dBc/Hz@10 kHz。该方案在结构简单的条件下可以得到质量较高的射频信号, 可以作为光电振荡器实用化的一种解决方法。

重点研究了多级倍增超晶格InGaAs雪崩光电二级管(APD)的增益和过剩噪声, 建立了新的载流子增益-过剩噪声模型。在常规弛豫空间理论基础上分析了其工作原理, 考虑了预加热电场和能带阶跃带来的初始能量效应、电子进入高场倍增区时异质结边界附近的弛豫空间长度修正以及声子散射对碰撞离化系数的影响, 提出了用于指导该类APD的增益-过剩噪声计算的修正弛豫空间理论。结果表明: 在相同条件下, 相比于常规的单层倍增SAGCM结构, 多级倍增超晶格InGaAs APD同时具有更高增益和更低噪声, 且修正的弛豫空间理论可被推广到更多级倍增的超晶格InGaAs APD结构, 在保证低噪声前提下, 通过增加倍增级数可提高增益。

2 μm波段激光器在环境探测、测风雷达、生物组织切割、光电对抗等领域都有重要的应用价值和前景。而此波段的薄膜通常采用折射率较高的硫化物、砷化物等软膜材料来制备, 为了提升该波段薄膜的损伤性能, 采用折射率相对较低但能带隙更宽的氧化物材料来制备。利用傅里叶红外光谱仪和弱吸收测试仪分析表征了薄膜中OH基含量的多少和薄膜整体吸收的大小, 通过优化工艺, 成功制备出了满足2 020 nm的铥(Tm)激光器使用要求的多层介质薄膜。利用微分干涉显微镜观察了经过激光损伤测试薄膜的损伤形貌, 结合薄膜中电场分布和应力测试结果, 分析探讨了此薄膜的损伤机理, 提出进一步优化薄膜损伤特性的方案。

在利用晶体的电光效应实现快速变焦时, 需要合理地设计电光晶体及电极结构。基于晶体电光效应的基本原理, 提出了其设计的基本原则和思路, 并通过对一次电光晶体(铌酸锂晶体)和二次电光晶体(钽铌酸钾晶体)内部非均匀电场及其总附加光程的模拟和比较, 获得了优化的电光晶体及电极设计结果。在此基础上, 开展了电光晶体用于快速变焦设计的性能分析, 并讨论了电光晶体长度、外加电压等参数对总附加光程的影响。结果表明: 电光晶体的附加光程调制的曲率半径随控制电压增大而减小, 在加载电压不变的情况下随晶体厚度的增大而增大。因此, 在实际应用中, 需要对晶体厚度和加载电压综合进行考虑, 以获得最佳的变焦效果。

理论提出了一种获得高倍频因子的毫米波产生方案并对产生毫米波的RoF下行链路性能进行分析。方案中利用三角波替代正弦波来驱动双驱动马赫增德尔调制器。通过三角波扫频, 可以产生更多的频率分量。均匀光纤布拉格光栅可以选择出所需的频率分量进行拍频产生毫米波信号。倍频因子的调谐可以通过调节两个均匀光纤布拉格光栅的中心波长来实现。方案可获得倍频因子分别为4, 6, 8, 10, 12 mm的波信号, 并对各种倍频因子下的RoF下行链路性能进行了分析。结果表明, 在各种倍频因子下, 经过10 km光纤的传输, 解调后眼图均能保持一定的张开度, 满足通信需求。该方案为未来的无线电通信系统提供了一定的支持。

为了在提取Lorentzian型布里渊频谱特征时选择最佳模型, 以线性最小二乘法和非线性最小二乘法构造的目标函数为研究对象, 系统地比较目标函数构造对频谱特征提取的影响。数值产生了不同信噪比、扫描频率间隔、g0、vB和ΔvB的布里渊信号, 比较了两种模型得到的频谱特征参数的准确性和计算耗时, 并用真实布里渊散射信号进行了验证。结果表明: 在不含干扰的理想状态下两种模型都能达到非常高的精度, 随着噪声含量/扫描频率间隔的增加两种模型的准确性都下降, 但线性模型明显大于非线性模型, 实际时应采用非线性模型。实验测量的布里渊散射谱信号验证了分析结果的正确性。

材料表面的散射特性和表面粗糙度对产品的性能有十分重要的影响, 基于激光散射原理设计了用于检测表面粗糙度和表面散射特性的多波长光纤传感器。光纤传感器的探头采用特殊的几何设计, 用650 nm、1 310 nm和1 550 nm激光作为光源, 选择2 mm的工作距离作为最佳测量距离, 对不同表面粗糙度的样品进行了测试和分析。实验结果表明: 同一波长下, 随着表面粗糙度的增大, 以外磨样品为反射面测得的反射强度减小;同一粗糙度下, 入射波长越长, 反射强度越大。多波长光纤传感器可以精确地测量表面粗糙度, 并能有效地减小系统误差。系统误差分析得到传感器的相对误差范围大约为3.56%~7.43%。

像面相交干涉光谱成像技术是一种紧凑型光谱成像技术, 具有体积小、质量轻等特点, 可搭载在小卫星或飞机平台上进行光电侦察等工作。研究了像面干涉光谱成像技术, 提出基于多棱镜组合的Mach－Zehnder角剪切分束器的设计方案, 对该分束器的工作原理及设计方法进行详细论述, 并结合实例对某光谱分辨率条件下的Mach－Zehnder角剪切分束器的角剪切量进行了分析设计。同时研究了像面相交干涉光谱成像系统物镜设计特点, 对该像面相交干涉光谱成像技术进行实验验证。

利用太赫兹光谱技术, 对人肾癌组织进行检测, 分别比较了肿瘤组织和肿瘤旁正常组织对太赫兹波的响应。通过对新鲜含水和经冷冻真空脱水组织的测量分析, 分别获得了不同样品在0.2~1.2 THz波段的吸收系数和折射率。结果显示, 生物组织中含水量对太赫兹波吸收信号强度有很大的影响。同时, 不同组织的细胞结构和成分也是影响太赫兹信号强度的重要因素。比如癌细胞和正常细胞的结构的不同, 因此对太赫兹电磁波的吸收以及它们在太赫兹波段的折射率都有显著的不同。结果显示太赫兹光谱技术在生物组织检测和临床医学如肿瘤疾病诊断方面具有广阔的应用前景。

在红外搜索跟踪应用中, 对突然出现和消失的变异点的检测一直是个亟待关注和研究的重要课题。随着多波段红外探测系统的应用, 提出一种基于广义累积和的红外目标运动轨迹序列检测新方法, 将检测波段从单波段扩展到多波段, 从而保证虚警概率不大于某一定值的情况下, 使多波段变异点探测概率增大或使所需的信噪比和平均检测时延大大减小。数据仿真表明, 这一方法在红外变异点目标序列检测方面具有良好的效果, 在虚警概率一定的情况下, 信噪比检测门限可降低至传统方法的60%, 双波段变异点平均检测时延约减少为传统检测方法的1/2。

研制了一种短波红外、中波红外和激光测距仪联合工作的图像融合系统。系统实现了全天时可透雾的远距离场景监控、远距离目标测距, 并能够检测1.06 μm和1.57 μm的激光光束。为了保证系统的融合图像质量, 提高配准精度, 提出了一种光轴平行度校正方法, 实现短波红外和中波红外图像的粗配准;提出了一种新的迭代优化方法, 通过寻找最优配准参数来获得最佳的融合性能, 采用基于人眼感兴趣区域的清晰度指标作为评价函数来完善配准过程, 采用粒子群优化算法解决联合优化问题, 实现短波红外和中波红外图像的精配准。实验结果表明该系统在远距离场景监控和战场态势感知等方面具有较大的应用潜力。

由于受温度变化和器件老化影响, 空间遥感相机焦平面CCD信号的相位会发生变化, 尤其是在高速应用领域, 利用传统方法定标确定并固化的采样点参数不再适用, 极大影响了图像信噪比, 甚至造成图像不能正常显示。提出了一种针对空间相机焦平面CCD信号采样位置的自适应调整方法, 通过实时监测CCD信号的相位变化, 计算相应的采样位置调整量, 并在线调整了采样时钟的相位, 使CCD信号采样位置在其使用寿命期限中不同的温度环境下均能保持最佳状态, 从而保证图像信噪比的稳定。实验表明: 利用该方法, 可以实时测定CCD信号100 ps的相位变化, 并实时完成采样位置的调整, 即使工作温度大范围变化, CCD信号采样位置的最佳状态也可得到有效保证。

随机变频信号体制不仅可以降低系统瞬时带宽和数据采样率, 还具有很强的抗干扰能力, 然而, 信号频率的随机变化导致现有目标散射中心估计方法失效。推导了随机变频信号的回波模型, 在分析回波稀疏特性的基础上, 提出了一种基于压缩感知的散射中心模型参数估计方法, 将参数估计问题转化为压缩感知理论中的稀疏信号重构问题, 并分析了感知矩阵对稀疏信号的重构性能。实验结果表明, 所提方法能够在降低数据采样率的情况下对目标散射中心参数进行有效估计。

差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化碳浓度的有效手段。研究了机载路径积分差分吸收激光雷达测量二氧化碳柱线浓度的主要误差项, 分析了这些误差项导致的二氧化碳柱线浓度反演误差。介绍了机载差分吸收激光雷达基本工作原理, 并理论分析了大气温度、压强和水汽不确定性误差, 激光频率稳定性和飞机姿态速度测量不确定性等系统误差, 以及不同地表反射率产生的随机误差。分析结果表明: 在二氧化碳浓度380 ppm(1 ppm=10-6)时, 机载激光雷达二氧化碳柱线浓度综合测量误差约为0.71 ppm, 满足1 ppm的二氧化碳柱线浓度高精度测量需求。

为了解决光电经纬仪由于机动目标运动模型不准确而引起的跟踪精度下降的问题, 采用了单隐层前向神经网络(SLFNs)进行建模, 提出了基于状态参数双重扩展卡尔曼滤波估计的共轴跟踪控制技术。仿真与实验结果显示, 对83.33°sin0.6t的等效正弦目标的速度估计最大误差为0.070 9(°)/s, 跟踪精度为2.42′;对旋转周期为4.5 s的光学动态靶标的跟踪精度达到2.96′以内。由此可见, 所建立的模型与机动目标实际模型匹配, 双重扩展卡尔曼滤波器(DEKF)能快速跟踪和估计状态参数。与传统控制方法相比, 提出的方法具有更高的跟踪能力, 能有效提高系统的跟踪精度。

在室内组合定位系统中, 不同子系统之间相互姿态关系的确定是通过对准过程实现的。使用惯性器件进行组合定位, 通常航姿参考系统AHRS是以地理坐标系(E-N-U)作为导航坐标系。然而, 在室内导航任务中, 导航坐标系一般根据用户需求建立在厂内标志点或工装坐标系等自定义位置。针对这一问题, 提出一种将地理坐标系与自定义坐标系相互转换的新方法, 通过激光跟踪仪建立的外部基准, 提出了基于方向余弦矩阵的标定算法, 实现了地理坐标系与外部参考坐标系之间的相互转换。实验结果表明: AHRS任意位姿下的转换姿态角度均方根误差小于0.25°。

为了提高转台伺服系统的响应速度, 降低系统响应时间, 采取的方法是辨识系统开环结构响应, 并结合系统结构动态性能指标, 对转台控制系统进行设计, 达到改善提高系统性能的目的。文中提出了一种模型辨识的新方法, 通过正弦扫频信号激励转台被控对象速度开环系统的动态特性, 实时采集编码器位置反馈信息, 通过对系统每一频率点的动态频率特性分析, 辨识系统传递函数。文中首先分析了该测试方法的测试原理, 以及正弦扫频激励信号的产生, 并最终通过搭建实验平台, 选用单片机C8051F120与CPLD配合设计的控制器, 输出脉宽调制信号, 经驱动器驱动方位转台进行方法测试, 完成系统频率响应测试以及被控对象传递函数辨识, 验证了该方法的可行性。