光学显微三维测量耦合效应是指沟槽或台阶样品高度测量准确性受横向周期影响产生原理误差的现象。采用卷积不相关原则和有限能量损失原则, 分别建立了薄样品和深沟槽样品光学显微三维测量的解耦合模型, 揭示了被测样品特征参数与光学仪器表征能力之间的关联关系。与现有W/3准则相比, 光学显微三维测量解耦合准则能够客观反映光学仪器表征能力受样品结构差异变化的影响, 指示高度测量解耦合评定的示值区域, 预见高度测量原理误差产生, 为沟槽或台阶样品三维结构表征提供了一种新的计量评定准则。

无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)蒙皮的红外辐射特性是对UAV进行探测识别的重要依据, 而UAV蒙皮的气动力加热、太阳辐射换热、地球辐射换热等是影响UAV蒙皮辐射特性的主要因素。在综合考虑了环境以及UAV自身辐射的情况下, 建立了UAV蒙皮红外辐射的计算模型, 采用向前差分法求出了UAV蒙皮的一维导热微分方程, 并在此基础上, 结合UAV蒙皮材料的发射率, 计算了在某一平面上UAV红外辐射强度的分布情况。计算结果表明: 蒙皮在8~14 μm波段处红外辐射强度远大于3~5 μm波段的红外辐射强度; 相同波段处, 蒙皮正上方的辐射强度大于正下方的辐射强度。

针对红外目标跟踪过程中目标纹理信息缺乏, 与背景灰度呈现强耦合性, 特别是在遮挡情况下目标特征信息链断裂, 特征信息无法延续的实际跟踪问题, 提出了基于显著特征空间的抗遮挡跟踪算法。首先通过分析红外目标特性, 利用多尺度显著性、对比度和信息熵等信息生成显著特征向量空间, 结合超像素特征距离和空间距离对区域进行聚类融合, 突出目标区域, 生成显著图。然后融合显著区域和原图, 生成多个目标候选区作为跟踪算法输入。最后通过目标的空间分布场矩阵对全局的候选区域进行匹配, 同时建立遮挡检测机制, 基于显著区连通区变化和特征相似度变化曲线对遮挡的起始进行判断, 结合遮挡判定设置模型更新策略。在不同红外测试集上的实验结果表明: 所提算法在遮挡情况下也能达到较好的跟踪效果, 有效增强了跟踪算法的鲁棒性。

对红外探测器在低温背景下的噪声模型及特性进行了分析与实验研究。利用探测器噪声四参数法计算模型与方法; 搭建实验平台对红外探测器在不同低温背景温度下的性能进行测试, 得到红外探测器的低频时间噪声, 高频时间噪声, 低频空间噪声各自与温度、积分时间的关系。实验表明: 在一定温度区间内, 低频时间噪声表现出较强的温度相关性, 低频空间噪声表现出较明显非线性响应特性, 高频空间噪声表现出积分时间相关性。

针对现阶段光电对抗单波长激光干扰的局限性, 提出了干扰激光双波长复合输出方案, 为军用光电对抗设备的通用化和小型化提供了有效思路。利用稳态和速率方程理论分别建立了连续和脉冲激光复合输出模型, 通过数值仿真探究了倍频晶体长度和腔镜基频透射率对复合激光输出功率成分的影响。在连续输出状态下, 存在最佳基频透射率使基频输出功率最高; 对于两种输出状态, 都存在最佳倍频晶体长度使倍频输出功率最高。通过实验验证了连续和脉冲输出状态下复合激光输出功率成分随腔镜基频透过率的变化关系, 并进一步探究了重复频率对复合激光输出的影响。

研制了染料掺杂胆甾相液晶激光器, 测试分析了器件激光输出特性。将激光染料DCM、手性剂S-811、液晶TEB30A按一定比例混合, 注入摩擦取向的液晶盒中, 形成平面态排列的胆甾相液晶激光器件。利用532 nm波段的Nd:YAG脉冲倍频激光泵浦液晶器件, 获得了禁带边沿激光输出, 测量分析了激光能量阈值特性与激光光斑能量分布特点。液晶激光器在光子禁带边沿607 nm和680 nm处获得激光输出, 线宽小于0.5 nm。在液晶器件中, 光子禁带边缘处光子态密度最大, 此处器件阈值较低, 容易产生激光辐射。

在考虑泵浦光束和初始反转粒子数椭圆高斯分布的条件下, 确定了新的调Q耦合速率方程。在椭圆高斯分布近似下, 通过数值分析的方法针对脉冲能量进行优化, 首次得到了归一化的脉冲能量和反射镜反射率等关键参数与无量纲变量z的关系曲线。文中以半导体激光器贴近端面泵浦, Cr4+:YAG作为饱和吸收体的Nd:YVO4被动调Q激光器为例进行了脉冲能量优化计算, 在小信号透过率为75%, 反射率91.8%时,对应最大脉冲能量1.5 ?滋J, 峰值功率81 W, 脉冲宽度18.4 ns。选用小信号透过率为73.4%的饱和吸收体和反射率为87%的反射镜进行实验验证, 得到的脉冲能量为1.25 ?滋J, 峰值功率为76.4 W, 脉冲宽度为16.3 ns。理论计算与实验结果基本相符。

1.5 ?滋m LD泵浦铒玻璃被动调Q微型激光器是目前**激光测距的研究热门, 获得较高的激光单脉冲能量尤为重要。对以波长为940 nm的二极管激光器作为泵浦源, Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃作为增益介质, Co2+:MgAl2O4作为调Q晶体的微型化激光器进行了实验研究。为获得LD抽运铒镱共掺磷酸盐玻璃被动调Q微型激光器的最佳能量输出条件, 分析了影响LD泵浦被动调Q激光器输出单脉冲能量的因素, 并对影响被动调Q微型激光器输出能量的泵浦条件, 增益介质长度, 输出镜反射率等参数进行了多组实验优化, 最终获得了波长1.535 ?滋m, 单脉冲能量113 ?滋J, 脉宽6 ns, 重复频率10 Hz, 光束质量为1.2的稳定人眼安全激光输出。

单频光纤激光器是光纤通信中最具前途的一种光源, 在光纤传感、激光雷达和激光测距等方面具有重要的应用, 而相位噪声是衡量其性能的关键指标之一。采用示波器和动态信号分析仪方法对单频光纤激光器的相位噪声进行测量。利用功率谱、积分谱对不同泵浦源功率、种子源功率和波长的光纤激光器的相位噪声进行定性分析, 结果表明: 泵浦功率越大, 低频相位噪声所占比重越大; 而对于不同种子源功率, 相位噪声在测试频段的比例基本处于同一水平; 对于测试的不同种子的波长, 相位噪声高频段所占比例不同, 其中种子波长为1 560.48 nm比例最大。

APD阵列可提高光子探测效率, 然而在回波探测概率提高的同时提高噪声探测概率, 因此需合理选择阵列单元数以提高探测信噪比。根据回波和噪声在距离门内的分布情况, 结合光子探测概率, 建立了盖革模式下APD阵列探测信噪比随阵列单元数的变化模型。讨论了回波光子数、背景噪声强度、回波在门控内位置、占空比等因素对探测信噪比的影响。分析结果表明, 提高回波光子数、探测器占空比、轨道预报精度有助于增加APD阵列的探测信噪比; 4元APD阵列适用于回波光子数小于0.1、门控内噪声光子数小于1的观测情况, 而回波和噪声强度较强时, 25元APD阵列能够取得相对较优的探测信噪比。建立的APD阵列探测信噪比模型有助于快速选择APD阵列单元数以达到较高探测信噪比。

为了验证微波调制激光技术进行速度测量的可靠性, 构建了一套通过微波调制激光技术测速的实验系统。利用激光作为载波, 微波作为模拟调制信号对激光信号进行强度调制,光电探测器对信号光强度进行直接探测。利用射频电路, 获得多普勒频移数据反演发射端和接收端相对运动速度。同时通过测量运动距离和时间计算平均运动速度, 作为第三方数据, 用于与微波调制激光技术测速的数据进行比较。理论分析了这套系统的原理并对其进行了实验验证。实验结果表明, 利用微波调制激光技术测速的数据与第三方数据平均偏差小于2.0%, 符合性好。

准确的双折射特性测量对于液晶的实际应用具有重要意义。研究了液晶材料的工作原理, 以激光回馈效应为基础, 搭建了各向异性外腔回馈双折射测量系统, 对不同驱动电压下液晶的双折射特性进行测量。测量结果表明, 各向异性外腔回馈双折射测量系统测量精度在0.3°之内; 通过施加0~24V交流电压, 液晶材料双折射率在2.74×10-1~2.39×10-3范围内变化, 对应各向异性呈现出460°~5°的大范围位相延迟值。电压范围在0.7~2V时, 电压-双折射率关系表现出较好的线性度, 通过线性拟合对该范围内电压-双折射率关系进行计算, 其线性度优于95.5%。液晶材料可以提供稳定的位相延迟, 同一电压值下的位相延迟短期重复性优于0.52°, 长期重复性优于4.5°。

为了克服大口径激光系统目前面临的困难, 提出使用多束中小口径激光在靶面实现能量叠加的方式。为满足靶面辐照均匀性与对称性的要求, 对多束激光的同步控制精度及脉宽控制精度对叠加光束的影响进行分析。研究表明, 多脉冲辐照的同步性会影响靶面中心辐照的能量分布。当单束脉冲延时大于等于两倍脉宽时, 靶面中心光强峰值将降至75%, 两束脉冲延时大于等于两倍脉宽时, 靶面中心光强峰值将降至50%。当一个光束的脉宽增加到其他参与叠加的光束的两倍时, 靶面中心光强峰值将降至理想叠加情况的87.5%。

采用涡流热成像技术, 对铁磁材料近表面微裂纹进行了检测研究。提出了平行激励热传导方式检测近表面微裂纹的检测方法; 数值计算模拟了涡流激励下裂纹处的生热过程, 分析了裂纹处的温度分布及其对检测结果的影响; 采用平行激励方式对含近表面微裂纹的铁磁材料进行了检测实验, 通过提取试件表面温度分布数据, 获取其变化速率曲线, 实现了对裂纹的检测和识别。结果表明: 涡流热成像平行激励方式能够准确地检测到铁磁材料近表面的微裂纹缺陷; 选择适当的涡流激励时间有助于提高裂纹处与非裂纹处温度对比, 增强检测效果。该方法的研究为近表面微裂纹的检测和定量识别奠定了基础。

为了满足加工中心在机检测的实时性需求, 实现高效率、低成本、高精度地标定线结构光传感器, 提出了一种基于同心圆平面靶标标定线结构光平面参数的新方法。该方法将三点透视模型和交比不变原理相结合, 在线结构光传感器的视觉范围内通过移动同心圆平面靶标, 计算得到光平面上多组标定点的三维坐标, 进而使用最小二乘算法确定光平面方程, 通过标定和检测实验分析并验证了该方法的有效性。该方法具有标定算法简单且操作灵活方便等优点, 适合加工检测等领域的现场标定。

目前, 辅助激光视觉测量法已广泛应用于大型零部件的三维形面测量。针对该方法在测量过程中普遍存在的轮廓边界信息获取不准确的问题, 提出一种面向大型零部件的三维形面测量方法以获得精确的形面信息和轮廓边界信息。首先, 根据光条图像序列采集特性, 基于时间流的光条自适应定位方法实现了光条所在区域的实时定位; 其次, 提出了一种基于光条几何特征突变的边界提取方法, 获取光条处的被测物边界行(列)坐标位置; 然后, 利用光条区域内快速提取的光条中心结果, 确定准确的边界特征点坐标, 并仅保留边界特征点以内的有效光条中心点; 最后, 对所提取的有效光条中心进行了三维重建, 结合光条扫描实现了整个形面的三维快速测量。实验验证结果表明: 该方法可实现被测物三维形面信息的高精度快速测量, 同时获取精确的轮廓边界信息, 其测量精度达到0.06 mm, 且大大减小运算量, 满足大型零部件的快速高精度测量要求。

设计了一种基于柔性铰链结构的光纤光栅加速度传感器, 进行了结构理论分析, 并构建有限元模型仿真分析了传感器的加速度传感特性。基于F-P滤波器构建了具有温度自补偿功能的光纤光栅加速度检测系统, 并通过增加反馈控制电路, 对F-P滤波器进行反馈控制, 实现了系统的零点自温度补偿。对系统的特性进行了实验测试, 结果表明: 系统对加速度的连续激励信号和冲击激励信号均有良好的动态响应, 系统的固有频率为380.0 Hz, 动态响应范围可达65.6 dB, 频率响应范围为10.0 ~240.0 Hz, 灵敏度为236 pm/g, 所设计的加速度传感器具有较强的横向抗扰能力, 干扰方向灵敏度仅为工作方向灵敏度的3.5%。

干涉式长波红外光谱成像技术以其独特的工作原理和谱段特性, 在众多领域具有广泛的应用前景。为解决仪器小型化、轻量化问题, 研究了一种基于变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉仪的新型长波红外光谱成像系统。在分析系统工作原理的基础上, 研究了确定F-P干涉腔两反射面的反射率、变间隙干涉腔的楔角等主要参数的理论依据; 搭建了实验系统, 得到了整个装置对黑体宽波段热辐射的响应; 通过将系统测得的聚丙烯薄膜的透过率曲线与高精度光谱辐射计测量结果进行比较, 结果显示系统光谱分辨率满足理论设计要求。研究表明: 该系统能够有效满足长波红外光谱成像系统的轻便化、小型化的需求。

对偏视场光学系统的遮光罩进行优化设计。偏视场在一个方向上非对称, 设计主镜内遮光罩需要进行光线追迹, 难度大。采用痕迹图方法获得光线在空间的位置坐标, 确定系统有效视场大小及挡光部分位置, 对内遮光罩的挡光部分进行开口处理, 得到一个上短下长的特殊“鸭嘴型”遮光罩, 降低设计难度。经过优化分析, 最终的主镜内遮光罩沿Z轴方向的尺寸缩减为原来的一半, 在Y轴方向上尺寸减小来降低非有效视场的大小。使用TracePro软件对设计好的遮光罩进行建模、仿真, 得到PST在离轴角度为30°时达到10-9量级, 小于系统的5.59×10-7指标要求。结果表明: 使用痕迹图法对偏视场光学系统的主镜内遮光罩进行设计是可行的。

双光栅光谱仪光栅转轴是用于固定和驱动两块共轴凹面光栅的重要零件, 其工作过程中出现的变形与振动现象均可能对双光栅光谱仪最终的波长测量结果带来影响。依据双光栅光谱仪的工作原理和实际工况, 确定其光栅转轴结构优化的主要目标为质心调整, 轻量化, 避免共振和减小凹面光栅的随机响应变形。为实现光栅转轴的多目标优化, 首先在UG中建立凹面光栅、光栅转轴及其固定结构的三维模型, 然后导入ANSYS Workbench进行模态分析与随机响应分析, 并针对其计算结果展开多目标优化。优化后, 光栅转轴回转部分的质心调整到回转轴上, 总质量由0.606 30 kg减轻到0.539 43 kg, 二阶固有频率从184.83 Hz增大到187.77 Hz, 凹面光栅Z轴方向最大随机响应变形从33.394 μm减小到27.147 μm。目前市面上常见的有限元分析软件均无法直接实现结构的质心调整, 作者将该目标的实现提前到三维建模过程当中, 并保证在后续优化过程中, 回转部分的质心只在其回转轴上移动, 从而使质心调整和轻量化等其他优化目标同时实现, 该处理方法具有广泛的借鉴意义。

为了准确估计实际光子晶体光纤(photonic crystal fibers, PCFs)的光特性, 提出一种基于Contourlet变换的压缩感知重建方法来重建实际PCFs的截面, 进而对实际PCFs的光特性进行快速评估。结合全变差去噪方法, 对经典图像、商用大模场面积PCF和保偏PCF的光特性进行评估, 结果表明, 提出的方法可以有效保留PCFs截面空气孔多尺度多方向的特征, 光特性的评估结果与产品参数相吻合。这也是目前首次将基于Contourlet变换的压缩感知应用于PCFs的光特性估计, 研究工作为实际PCFs光特性的快速准确估计提供了有效的手段。

推导得出了毫米波隐身涂层发射率随着目标表面真实温度以及几种典型环境发射率之间的关系; 在此基础上, 以地面为典型环境, 将其发射率作为主色发射率, 推导了三色毫米波迷彩发射率取值范围表达式, 分三种情况讨论了三色毫米波迷彩发射率的取值范围, 及其随着目标表面真实温度变化之间的关系。结果表明, 在300~400 K温度范围内, 迷彩主色发射率应与环境发射率相近(对于地面来说为εg=0.935), 配色发射率取值随着目标表面真实温度的变化单调变化; 且它们的取值范围相同, 并随着目标表面真实温度的升高而减少。所得到的结论对毫米波隐身迷彩涂层色斑发射率分布设计具有指导意义。

文中提出了一种光纤分布式声波传感方案。作用在传感光纤上的声波信号导致后向瑞利散射光的相位变化, 将含有声波信息的后向瑞利散射信号注入到迈克尔逊干涉仪, 并采用相位载波解调算法解调出相位信息。实验中采用压电拉伸器模拟声波振动, 分布式声波传感系统实现了10 m的空间分辨率以及平坦的频响。

利用飞秒脉冲通过Z扫描技术和泵浦-探测技术研究了CdS0.2Se0.8纳米晶掺杂的硼酸盐玻璃滤波片RG665的非线性吸收特性。研究结果表明在800 nm波长 130 fs脉冲激光作用下, RG665滤波片表现较强的非线性吸收特性。通过理论分析拟合实验结果证明RG665滤波片在800 nm下的非线性吸收包含双光子吸收及双光子吸收诱导的激发态吸收两部分, 得到双光子吸收系数为0.05 cm/GW, 激发态吸收截面为σe=3×10-23 m2, 以及导带中低能态电子和导带底电子的寿命分别为13 ps和210 ps。研究结果表明CdS0.2Se0.8纳米晶体掺杂的玻璃是一种很好的非线性光学材料。

KDP 晶体是目前高功率激光装置中倍频材料的首选, 元件上架前通常采用激光预处理来提高抗激光损伤性能, 由于预处理流程耗时较多, 提升预处理效率对于工程应用具有重要意义。研究了激光预处理参数对 KDP 晶体材料损伤性能的影响, 通过分析激光辐照通量、辐照发次、能量台阶等预处理参数与元件损伤性能的变化关系, 发现在一定通量范围内用不同的能量台阶可以获得同样的预处理效果, 由此确定采用变能量台阶的方法对预处理参数进行优化。实验证明, 采用此方法可以在保证预处理效果的前提下, 将总的激光辐照发次缩减三分之一, 结果对于大口径 KDP 晶体元件的激光预处理工艺具有重要参考价值。

瑞利布里渊光时域分析系统具有单光源、单端工作、非破坏的优点, 为了解决系统信噪比与空间分辨率之间的矛盾, 将编码技术应用到瑞利布里渊光时域分析系统中, 可以在保持空间分辨率不变的前提下提高系统信噪比。提出了基于雪崩光电二极管检测和Simplex编码的瑞利布里渊光时域分析系统, 系统中的随机散粒噪声功率和信号功率有关, 而热噪声功率主要取决于雪崩光电二极管光电检测器的性能、与信号功率无关。由系统中与两种噪声相关的电流波动的方差和Simplex码的编解码规则可得编码系统的均方误差, 由此推导了系统信噪比和编码增益公式。随着编码长度的增加, 编码增益会逐渐增大并在某一编码长度后趋于稳定, 因此系统存在最佳编码长度, 最终推导了最佳编码长度公式, 并对信噪比和最佳编码长度进行了MATLAB仿真。仿真结果表明, 在基于Simplex码的瑞利布里渊光时域分析系统中, 当脉冲基底1阶边带产生的瑞利散射光功率为0.5 mW时, 随编码长度的增加, 编码增益逐渐增大并趋于稳定值6.69 dB, 系统的最佳编码长度为63 bit。

设计了一种双通道表面等离子体共振光纤传感器, 分析了Au、Cu两种材料对波长调制型表面等离子体共振光纤传感器的影响, 优化了金属厚度并且选取优化后的金属厚度dAu=47 nm, dCu=53 nm进行数值仿真分析。结果表明, 金属层为金的通道比金属层为铜的通道灵敏度高,但是金属层为铜的通道比金属层为金的通道检测精度高4倍; 金属层为金的传感通道适合检测折射率较低的物质, 而金属层为铜的传感通道适合检测折射率较高的物质, 该传感器的提出扩大了单一传感器的应用范围, 并且文中提出的传感器比传统的SPR传感器检测精度高, 灵敏度和单通道传感器一样。

部分相干光在湍流大气中传输时, 可以有效抑制湍流所引起的光强闪烁效应, 从而改善通信链路性能。针对Gamma-Gamma大气湍流信道模型和部分相干光的光束特性, 得到了采用OOK调制方式下部分相干光通信系统的平均误码率、中断概率和平均信道容量三个性能指标的解析表达式; 在此基础上, 分析了光束的空间相干长度和通信距离对通信链路的性能影响。计算结果表明, 在相同的大气湍流条件和传输距离下, 随着部分相干光的空间相干长度的减小, 系统的误码率和中断概率逐步降低, 在平均信噪比为30 dB时, 系统的误码率可以达到10-5, 中断概率低于10-6; 另外, 系统的平均信道容量会随着光束相干长度的减小而增加, 在信噪比等于12 dB时, 平均信道容量达到3.8 b/s·Hz-1。分析结果为部分相干光在湍流大气中实现可靠通信提供了理论依据。

多光谱成像是一项非常有前景的图像高保真获取与再现技术, 近年来在水下物体颜色还原的应用中也受到的极大的需求和关注。然而, 不同于空气中的物体的成像过程, 在水下成像过程中, 当光通过水而进行传播, 光被水体严重吸收和散射, 导致图像变暗, 在其光谱和颜色方面发生模糊和扭曲。文中讨论的是基于水下图像的水衰减系数的校准和其多光谱图像的光谱重构。首先在不同的距离处获取物体的图像, 提出了基于不同距离的图像进行水体衰减系数的校准并恢复原始图像的技术; 在此基础上, 分析并导出满足系数校准和图像复原所需的在不同距离获取到的最少的原始图像个数。最后, 通过比较复原的水下图像与空气中获取的彩色图像, 实验结果证明: 文中提出的技术能够对水下光谱图像的进行精确颜色复原, 所有测试图像的平均相对残留误差仅为5.87％。

空间碎片高精度测量是提升碎片目标精密监测与预警的重要途径。作为空间碎片地基光电探测技术, 激光测距具有高精度测量特性。根据空间碎片激光测距特点以及瞄准国际技术发展, 研制高性能高功率激光器、突破高效率激光信号探测等, 国内首先建立了60 cm口径空间碎片激光测距系统, 实现了碎片目标测量距离从500~2 600 km, 目标截面积从小于0.5 m2到大于10 m2, 具备了空间碎片常规测量能力。根据空间碎片激光测距方程, 结合实际激光回波数据, 综合考虑空间碎片过境时段等, 构建了地基激光测距系统探测仿真模型, 研究了60 cm口径空间碎片激光测距系统探测能力, 可对距离1 000 km、直径大于50 cm碎片目标进行观测, 与实际测量结果相符, 验证了仿真模型的合理性, 为未来地基激光测距系统高效运行及测量装备建设与探测效能评估奠定了基础。

超短脉冲激光烧蚀靶材产生的冲量耦合效应在激光烧蚀微推力器、激光清除空间碎片等航天应用中有广泛的应用前景, 而高精度的冲量测量方法是研究冲量耦合效应的必须手段。采用基于激光干涉法的扭摆系统测量激光烧蚀靶材产生的冲量, 并构建测量系统。研究扭摆系统纵轴振动和初始误差角对冲量测量产生的影响, 扭摆系统纵轴高频振动导致了激光干涉条纹间距出现不均匀现象; 此外, 扭摆初始误差角越大, 明条纹出现时间将前移, 条纹数目变大, 导致测量系统精度不高。通过建立的附加高频振动和初始误差角的误差分析模型, 提出了基于最小二乘法的实验数据分析方法, 该方法能够有效滤除高频测量噪声, 解决了冲量测量精度不高的问题, 进一步完善了冲量测量方法。

日益增长的太空碎片为载人空间站和卫星带来严重的安全挑战。2011年, NASA提出使用地面连续激光照射空间碎片, 利用其微弱的光压力效应, 通过长期积累, 改变其轨道, 从而预防其与航天器可能的碰撞。这一碰撞避免方法并不把太空碎片拉回大气层内, 而是防止碰撞, 由于不需要航天器机动, 且光压的温和作用也对激光器发射功率没有太高要求, 因此这种避碰方法受到广泛关注。然而, 该方法的提出者采用的迎面照射控制律尽管简单但非最优, 故需要设计最优控制律。通过建立两点边值问题模型, 以两物体之间距离的最大化为控制目标, 求解了最优性条件。仿真显示, 经优化后控制律的避碰效果提高程度非常显著, 提高幅度与初轨有关, 通常为25%~125%。

通过选取LEO区域中两种典型材料的小尺度空间碎片, 分别建立了相应的强激光与靶材的冲量耦合模型, 研究了高能脉冲激光与靶材作用下碎片速度的变化规律。在此基础上建立了激光辐照作用下小尺度空间碎片的变轨模型。通过仿真分析, 对假定功率激光器作用下两种典型材料空间碎片轨道参数的变化规律进行了数值模拟, 并讨论分析了碎片自旋角速率及不同功率的激光器对碎片清理效能的影响规律。研究结果表明, 在假定功率的天基平台激光器作用下能在一个飞行周期内辐照两种典型材料碎片达到降轨清除效果, 为天基平台激光清除空间碎片技术的应用提供了必要的理论基础。

厘米级空间碎片对在轨航天器的威胁极大, 高能激光辐照使其降轨进入大气层烧毁是近年来的研究热点。针对空间站附近厘米级空间碎片, 利用天基平台搭载高能激光器, 提出了多脉冲激光降轨的计算方法。仿真结果表明, 天基平台激光清除厘米级空间碎片的前提是空间碎片处于“清除窗口”, “清除窗口”的选择是能否实现空间碎片降轨的关键; 根据已有的激光器及天基平台参数, 空间碎片多脉冲激光降轨可以达到清除效果; 多脉冲降轨结果表明, 空间碎片偏心率变化较大, 造成其半长轴与远地点变化幅度很小而近地点变化幅度很大, 而轨道倾角变化幅度很小; 当降轨幅度相同时, 需要施加的多脉冲速度增量总和与一次性施加的单脉冲速度增量基本相同, 但降轨效果相差较大, 不能通过一次单脉冲计算近似表示多脉冲降轨效果。通过上述问题的研究, 为进一步实现空间碎片天基激光探测清除一体化仿真研究奠定基础。

激光雷达进行大气能见度探测时, 当探测路径上存在云、雾、烟尘或硬目标时, 大气消光系数会在局部发生显著变化, 表现为激光雷达回波信号在原有衰减趋势上出现突变。受此影响, 直接使用现有算法将导致能见度反演精度低或错误反演。为此提出一种将突变点定位、消光系数边界值确定、消光系数迭代反演相结合的能见度反演算法。首先查找、定位突变信号所在位置; 然后剔除突变点, 利用斜率法得到消光系数边界值; 最后基于Fernald法, 以迭代方式反演大气消光系数及能见度。对两种典型大气消光模式的仿真实验表明, 该算法提高了能见度反演精度, 能够获得更为准确的全局能见度。利用自行研制的激光雷达能见度仪实测回波数据也验证了该算法的有效性。

针对纳秒量级脉宽机载多脉冲激光照射目标的回波波形，提出几何分割比这一目标姿态不敏感特征，给出了特征提取算法，可用于与激光目标运动状态结合开展目标检测与跟踪。首先，基于激光目标波形数学模型分析目标波形与目标特征的关系，指出激光目标的几何分割比特征具备姿态不敏感特性。接着，结合目标特征提取对目标波形和噪声不失真分离的要求，提出在小波域利用对称小波基进行改进Donoho 阈值降噪处理，在时域利用小波重构信号阈值获取目标波形序列，再由一阶二阶差分计算检测目标波形峰值点，进而提取激光目标散射中心及几何分割比等特征。最后，通过仿真实验验证算法在低信噪比下提取激光目标特征信息的有效性。在与机载多脉冲激光目标模拟器联试实验中，利用文中算法提取激光目标特征结合目标的运动状态信息，开展多帧相关匹配检测，多脉冲激光目标检测的可靠性明显提高。

针对工程应用中最优落角制导律性能受导引头隔离度影响的问题, 基于最优落角制导律(GLTIA)和拓展最优落角制导律(EGLIA), 建立了包含捷联导引头隔离度寄生回路的最优落角制导律系统, 研究了捷联导引头隔离度对制导系统稳定性的影响, 利用伴随函数法, 通过仿真对比分析了捷联导引头隔离度对GLTIA和EGLIA制导精度的影响。仿真结果表明: 相比正反馈情况, 当捷联导引头隔离度寄生回路为负反馈时, 最优落角制导律具有较高的稳定域, 系统稳定性会随着隔离度幅值的增大而减小。相比于GLTIA, EGLIA的制导性能更优, 但导引头隔离度对其制导性能的影响也更为严重, 在实际工程应用中, 要保证最优落角制导律有较高的制导性能, EGLIA和GLTIA需将导引头隔离度水平分别控制在2.5%和3.5%以下, 以降低寄生回路对制导系统稳定性的影响。

传感器的刻度尺系数不匹配与机械结构运转造成的干扰力矩为引发半捷联导引头隔离度产生的主要原因。针对上述问题, 首先将不同因素所引发隔离度对导弹控制系统稳定性与制导精度的影响进行了比对。然后, 建立了考虑隔离度寄生回路影响的非线性滤波模型, 采用强跟踪无迹卡尔曼滤波(STUKF)算法, 对传感器刻度尺误差、稳定平台干扰力矩与弹目视线角速度进行同时估计, 以达到在线辨识与补偿导引头隔离度的目的。最后, 对在线补偿方案进行了数字仿真验证。实验结果表明: 所提方法能有效改善系统的制导性能, 提升导弹的制导精度, 并具有较好的抗干扰性与鲁棒性。以上理论分析可为半捷联导引头隔离度的综合评估以及在线补偿方面的工程应用提供指导。