红外窗口导致的气动光学效应将对高速导弹的红外成像制导产生重要影响, 文中在等离子体射流中对二维尖劈模型中的石英窗口进行加热, 测量了一定射流条件下红外窗口表面温度分布和热流分布; 利用径向剪切干涉技术, 测量了气动加热条件下红外窗口引起的传输光束波面相位的变化, 获得了点扩散函数和斯特列尔比的变化。实验结果表明: 热环境下的红外窗口导致传输光束的远场强度发生衰减, 能量分布发生扩散, 光束的会聚性显著降低。

面源红外诱饵相比于传统的红外诱饵, 在燃烧速率、扩散范围、干扰效能等方面具有显著的优越性。考虑实验成本的经济性和测试干扰效能的效率, 提出了一种空战对抗中面源红外诱饵干扰效能的仿真思路。首先, 建立了导弹运动和导引头跟踪模型、飞机红外辐射模型, 作为空战对抗双方的假想; 其次, 建立了诱饵箔片的运动与燃烧模型, 以诱饵箔片为研究对象, 求解箔片表面温度分布, 并通过燃烧算法优化, 得到整体辐射特性; 最后, 通过改变面源诱饵的发射角度、高度、目标机速度等参数, 进行干扰成功率的仿真。仿真结果表明, 提出的效能评估思路可行有效, 与真实测试很接近, 达到面源诱饵干扰效能评估的要求。

针对热障涂层制备过程中的厚度评估问题, 通过数值模拟手段研究了光脉冲激励下制备在镍基高温合金上不同厚度的NiCrAlY涂层表面热波瞬态响应规律; 在此基础上分析了表面热波相位特征随涂层厚度的变化规律, 结果表明特定频率范围的热波相位特征与涂层厚度具有近似线性对应关系, 但不同涂层厚度之间的相位差绝对值较小, 不利于厚度定量评价; 为提高不同厚度涂层之间的热波相位差, 提出采用小波分解第二层细节系数对涂层表面热波进行重构, 重构热波相位差比原始热波提高了约500倍, 有利于提高涂层厚度评价的准确率; 最后采用试验手段验证了模拟结果的准确性。

为解决当前夜间辅助驾驶仪平面显示的弊端以及在合理效益下获得丰富的立体层次感, 文中从平行式红外双目夜视系统出发分析对比了红外双目系统和人眼立体感知的最小可分辨距离, 结合人眼立体感知机理以及从影像分层角度分析观看立体影像时兼具宽阔的视场张角、丰富的立体层次感时所满足的条件, 对红外双目立体系统合理效益条件下的各参数关系进行推导。最后根据推导结果, 计算分析3种不同规格显示屏所对应的水平像素数的合理效益取值, 并选择5组不同水平像素数的红外立体图像对进行实验验证。结果表明: 根据推导结果搭建的红外夜视系统在让观察者获得较大视场张角的同时还兼顾效益。

像移补偿是保证星载红外探测器成像质量的关键技术之一, 针对某星载红外探测器光学系统的设计特点和成像工作模式, 为补偿红外探测器在轨运行方向产生的像移和摆扫方向产生的像移, 提出分别对俯仰方向快速反射镜和方位方向快速反射镜实施控制的方案。首先介绍红外遥感原理及像移现象; 其次详细分析红外探测器光学系统的设计特点和光学系统组成; 然后重点分析了红外探测器在轨工作中的像移产生的原因, 并计算出在轨运行方向产生的像移量和摆扫方向产生的像移量; 最后提出像移补偿方案, 阐明其工作原理, 并对像移控制系统硬件设计进行了详细分析。计算结果表明所设计的像移补偿系统的运动范围和运动加速度满足红外探测器技术指标的要求。

推导了LD泵浦主动调 Q腔内和频拉曼激光器的归一化速率方程组, 由实际的实验参数确定了方程组中七个综合参量的合理取值范围, 然后用数值模拟的方法得到各个综合参量的大小对于和频光的脉冲峰值功率、单脉冲能量和脉冲宽度的影响, 分析发现归一化和频因子F和归一化拉曼增益系数M之间能够相互匹配, 通过数值拟合得到F和M在不同归一化反转粒子数密度N下的匹配方程, 由此得出F和M的匹配值呈线性关系, 应用此线性方程可以指导实验中参数的优化, 使激光器获得更大的和频转换效率。最后利用拟合的结论对报道的实验进行计算和分析并给出优化措施。

提出了一种基于体布拉格光栅(VBG)和横向啁啾体布拉格光栅(TCVBG)组合的双光栅外腔半导体激光器, 该外腔半导体激光器采用反射率15%的体光栅和反射率17%的啁啾体布拉格光栅作为反馈元件和模式选择元件, 实现特定波长的选择和调谐, 实验研究了外腔激光器的功率-电流特性、光谱特性和波长调谐特性。实验结果表明: 双光栅外腔半导体激光器最大输出功率为1.96 W, 斜率效率为0.94 W/A, 外腔效率达到78%。输出光谱为双波长, 一个波长为808.6 nm, 另一个波长连续可调, 通过改变横向啁啾体光栅的位置, 该波长可从800 nm调谐至815 nm, 可调范围达15 nm, 在整个可调范围内两个波长的谱线宽度(FWHM)均小于0.3 nm。

针对激光熔覆修复K403镍基高温合金构件组织粗大和力学性能下降的问题, 提出采用激光冲击强化技术对修复区进行表面强化。利用SEM观察不同区域微观组织, 利用显微硬度、残余应力和高温拉伸强度测试研究其力学性能。结果表明, 激光冲击强化细化试样表层晶粒; 强化后, 试样基体区和熔覆区表面硬度分别提高21%和8%, 影响深度约0.8 mm; 激光冲击在试样表层引入约610 MPa且均匀分布的残余压应力, 影响深度层达1.2 mm, 经保温处理后, 应力释放约18%, 但在表面仍残留较大的残余压应力; 激光冲击提高了材料高温拉伸强度约15%, 解决了激光熔覆修复K403镍基构件力学性能下降的问题。

通过理论分析激光语音检测系统, 提出一种引入参数估计误差的反正切解调补偿算法, 并建立了系统总谐波失真与关键参数及其误差的定量数学关系式。文中用总谐波失真(THD)和无杂散动态范围(SFDR)分别表征系统微振动信号解调效果和可以与大干扰信号(阻塞信号)相区别的最小信号值。实现了非接触、远距离、高灵敏度的微振动信号检测。通过实验和仿真均验证了反正切补偿算法的可行性。实验结果表明: 该系统可以检测音频范围内的微弱振动, 在现有光学硬件平台基础上, 利用文中提出的反正切补偿算法, 能在35 m范围内较好地还原语音信号。

采用大涡模拟方法计算了来流速度为0.4 Ma情况下球/柱形结构附近的流场, 根据密度数据计算了光程差及气动相屏, 并研究了尾流对激光传输的影响。结果表明: 光程差空间均方根的时间平均值随发射角增大而增大, 发射角从120°增加到148°时, 其数值从0.11 μm增加到0.28 μm; 光程差空间均方根随时间变化剧烈, 发射角为148°时, 其时间均方根可达0.04 μm; 球/柱尾流对激光传输有很大影响, 发射角为148°情况下, Strehl比的时间平均值为0.33, 并且Strehl比的时间平均值随发射角的增大而减小, 发射角从120°增加到148°过程中, Strehl比的时间平均值减小了59%; Strehl比随时间变化剧烈, 其时间均方根大于0.05。

为了研究电磁搅拌对TA15钛合金激光熔池的影响, 构建了一种三相三极旋转式电磁搅拌器作用下微小熔池内部的磁流体力学数学模型。运用该模型计算了不同激励电流情况下磁场中心处的磁感应强度和熔池内熔体周向流速, 分析了其对熔池温度分布和组织形成的影响。并采用试验手段对分析计算结果进行了验证。结果表明: 电磁力驱使熔体作周向运动, 且随着远离磁场中心, 洛伦兹力越大, 周向流速越大。随着激励电流的增大, 磁感应强度增强, 熔质周向流速增大。流速加剧能够降低熔池内温度及凝固界面处的温度梯度, 有利于等轴晶的增多。试验证明施加磁场后熔池顶部组织出现等轴晶, 且随着远离磁场中心, 熔池顶部的等轴晶数量逐渐增多, 与计算结果的分析趋势相吻合。

基于中空激光光内送粉技术, 运用实时变姿态方法和法向分层方法, 进行了具有不等高熔道特征的扇形结构件成形研究。分析了熔道层高与扫描速度之间的对应关系, 结合不等高熔道的几何模型和熔道层高与扫描速度之间的关系, 采用分段变速的方法熔覆出了不等高熔道。在此基础上进行多道不等高熔道堆积, 成形出了扇形薄壁墙结构。分析表明, 所获得成形件尺寸精度较高, 相对尺寸误差控制在7%以内; 成形件各处显微组织差异较小, 组织细密、均匀。

针对激光探测小型化收发系统的设计难点, 提出了一种大视场小型化设计方案。将激光器与驱动电路集成在氮化铝基板上, 达到提高性能和压缩尺寸的目的。经过理论计算和ZEMAX光学仿真, 采用光纤、自由曲面阵列柱透镜及球面柱透镜实现光的整形和会聚, 减小轴向尺寸。设计了带放大电路的小体积接收模块。对小型化系统中脉冲电流带来的电磁干扰问题进行分析, 采用多种措施屏蔽电磁干扰。最后加工制作了原理样机并进行了测试实验, 结果表明: 该系统有效抑制了电磁干扰, 并能有效探测距离为5 m的目标, 验证了小型化技术的可行性。

针对电光Q开关要求速度快的特点, 提出基于Marx发生器的高压快速调Q驱动电路的设计方法。利用高压模块产生一级高压为并联电容充电, 采用变压器隔离驱动8路MOS管。当触发信号引入时, 功率MOS管导通使电容串联同时放电, 从而电压倍增获得快速的高压脉冲。实验结果表明: 通过该方法获得了上升沿12 ns, 幅值 3 000～4 000 V数字可调的高压脉冲波形。相比于传统脉冲变压器法的波形, 上升时间减小了近35 ns。此调Q电路已应用于激光二极管(LD)泵浦的固体Nd: YAG激光器中, 且长期稳定工作。

针对传统仿生视觉系统中目标图像获取单一性问题, 提出一种仿人眼自适应调节的多光谱视觉成像技术。首先, 通过改进的自动调焦算法使成像系统同时采集可见光高分辨率图像及近红外低分辨率图像。然后, 对于多光谱成像系统中由于分光棱镜折射率不同导致的在固定焦距下, 可见光和近红外图像清晰度有所不同的问题, 采用改进的二代小波变换进行近红外图像增强, 提高图像对比度, 改善视觉效果。最后, 搭建基于液体变焦透镜的多光谱实验系统验证自动调焦算法及图像增强算法的实际性能。实验结果表明: 系统完成有效自动调焦的平均用时为756 ms。同时,近红外图像增强后其灰度方差函数值提高了79.4%, 解决了对比度低和细节模糊的问题, 最终实现自适应调节。

采用时域有限差分(FDTD)法对中红外波段(3~5 μm)硅基底的圆锥形仿生蛾眼微纳结构进行了仿真模拟。通过对微纳结构占空比、周期和刻蚀深度等参数的分析, 获得了具有良好抗反射特性的微纳结构的组合参数。为了更好地指导实际加工, 对不同参数进行了公差分析。制作中应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在硅基底上制备得到该圆锥形仿生蛾眼微结构, 并且使用热场发射扫描电子显微镜得到了该微结构的表面形貌图。采用红外成像光谱仪对单面微结构的测试结果表明, 仿生蛾眼微结构的反射率在中红外波段约为5%。

为了实际测量、验证光学遥感卫星的杂散光抑制能力, 分析某些特殊卫星的成像轨道和时间特点, 研制了一套基于7维大型机器人的光学遥感卫星杂散光扫描测试系统。根据卫星全年太阳照明几何条件, 通过建立的光束扫描子系统各机构的控制方程构建照明光束的扫描位置、方位角(-90°~+90°)和俯仰角(-29°~+42.5°), 精度分别达到10 mm、0.2°和0.1°。消光子系统采用反射率低于1.5%(400~1 600 nm)的材料和大消光比结构, 极黑目标模拟器消光比可达9.9×10-7。研制的光学遥感卫星杂散光扫描测试系统能够满足目前大部分光学遥感相机的杂散光测试、分析和验证要求。

深空探测对于人类开发利用太空资源、探索宇宙起源具有重要意义。作为深空探测的一个重要组成部分, 遥感载荷起着无法替代的作用。由于深空探测作用距离远,导致遥感载荷的信噪比很低,因此如何有效地从弱信号中检测出有用信号是深空探测技术中必需解决的关键技术。根据未来深空探测对低于散粒噪声的超微弱信号探测的需求,基于量子压缩态光场的散粒噪声小于标准量子极限的特点,提出一种基于量子压缩态光场的弱信号探测技术,给出了原理探索实验验证的结果。由于压缩光的量子特性会随着作用距离的增加而衰减, 为了更贴近应用, 设计了在接收端进行压缩光注入的新型激光雷达载荷方案, 并给出了仿真的结果。

条纹投影和相位偏折测量术可用于精确地测量待测物面形, 在全场光学三维轮廓测量领域具有较好的发展前景。首先, 介绍了条纹投影和相位偏折测量技术的基本原理, 重点是这两种技术中的相位提取技术、摄像机定标技术等关键技术。其次, 对条纹投影和相位偏折测量术这两种测量方法的异同点做了对比。最后, 介绍了条纹投影和相位偏折测量技术在提升测量精度和速度方面的发展。为了提升测量精度, 主要有校正条纹Gamma效应、提升相位提取精度、摄像机标定精度和相位-高度/梯度标定精度等途径; 为了提升测量速度, 主要有提升相位提取速度、相位解包裹速度等方法。

通过分析激光聚变中近背向散射光的收集方式, 提出了采用漫反射板收集近背向散射光的方法。通过对漫反射板的应用场景分析, 提出了需要研究的漫反射板特性, 并搭建了漫反射板特性测量装置。测量并分析了漫反射板的方向半球反射比、双向反射分布函数、面均匀性、真空特性和紫外特性。分析结果表明: F4目标板具有接近于0.99的高反射率, 光谱平坦性, 近似余弦分布的双向反射分布函数, 较高的面均匀性, 以及较小的紫外真空影响。因此, F4目标板满足激光惯性约束聚变中近背向散射光的测量需求, 采用漫反射板收集近背向散射光的方法可行。

系统标定是光栅投影测量系统中的关键一步。将投影仪看成相机的类双目系统标定方法具有操作简单、精度高、可靠性强的优势。在此系统标定方法的基础上, 提出一种提高测量系统精度的系统标定方法。根据提取的标定板上圆标识的圆心坐标, 利用计算机生成含有相对应十字标识的图像, 用于相机标定, 可避免圆标识轮廓对角点提取的影响, 从而提高相机标定精度。同时, 推导快速求取投影仪伽马的表达式用于相位校正, 可建立投影仪像素与相机像素精确的对应关系, 从而提高投影仪标定精度。结合投影仪和相机的标定结果, 建立统一的世界坐标系完成整体系统的标定。实验结果表明: 采用上述标定方法, 可将投影仪和相机标定精度分别达到0.25 pixel和0.15 pixel; 同时测量了一个长方体, 精度达到0.142 7 mm。

使用红外热像仪对未切割分离的QFN封装在40~200 ℃进行了塑封料面、铜面和“缝”表面发射率的标定, 并分别利用上述三面对实验环境的空气透射率进行了标定。结果表明: 直接计算法和直接调节法可以很好地应用于塑封料发射率标定, 直接计算法可以应用在“缝”处、铜面发射率标定。塑封料发射率标定结果在0.97左右; “缝”处发射率标定值随着温度升高由0.17~0.35呈线性递增趋势变化; 铜面发射率标定值随温度升高出现先稳定后增大趋势。塑封料面、铜及“缝”处对空气透射率标定值在100%左右, 上下波动不超过2%。该实验结果可为红外热像仪测定QFN的使用温度及切割分离时的温度提供相应参数。

改善激光观测数据偏差对推动毫米级精度卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)技术在全球大地测量观测系统中应用具有重要作用。系统时延标定误差是激光观测数据偏差产生的主要原因, 其中地面靶目标测量与卫星测量时的系统差异, 以及单光子探测中激光回波强度所引起的光子探测时间游动误差是主要因素。以上海天文台SLR系统为平台, 对上述两种测量模式下系统时延及激光回波强度差异进行了分析和修正。利用激光偏振特性, 应用半波片-偏振片组合调能技术, 实现两种测量模式下光路的“零差异”切换以及回波强度的实时控制, 有效减少光路不同和探测器时间游动效应, 激光数据偏差改善了10~20 mm, 达到了国际SLR数据质量标准要求。激光偏振技术也可用于高重复率激光测距的激光后向散射规避, 提高激光回波数, 具有很好的应用推广价值。

研究了长周期光纤光栅( LPFG)级联布拉格光纤光栅(FBG)结构的温度及浓度传感特性。利用飞秒激光直写制作LPFG并级联FBG, 且FBG波谷位于1 551.9 nm, LPFG波谷位置为1 560.5 nm。在30~50 ℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试, 并在25 ℃超净环境下对浓度为3%~30%的葡萄糖溶液进行敏感性测试。实验结果表明: 升温过程FBG中心波长发生红移, 灵敏度26.36 pm/℃, 线性度0.950 8; LPFG中心波长发生蓝移, 灵敏度-24.55 pm/℃, 线性度0.914 2。降温过程FBG中心波长发生蓝移, 灵敏度25.00 pm/℃, 线性度0.945 8; LPFG中心波长发生红移, 灵敏度为-21.82 pm/℃, 线性度0.921 2。FBG对浓度变化不敏感, 当浓度由3%增至30%时, LPFG中心波长发生蓝移, 灵敏度196.36 pm, 线性度0.956 5。结果表明该光纤传感器灵敏度高, 线性度好, 可以同时动态实现温度和浓度的测量。

红外发光管是光电编码器的重要组成部分, 而光源参数对莫尔条纹信号的正弦性和正交性有直接影响, 从而影响光电编码器的细分精度和分辨力。文中研究了其发散角、光源宽度对编码器的信号影响。首先, 分析了光源对光栅信号光通量的影响, 运用频域方法导出了透光特性函数; 然后, 分析了两种不同光源对同一码盘形成信号的影响; 最后, 应用Matlab仿真计算了莫尔条纹信号的对比度、正交性、正弦性。实验结果表明, 使用两种不同光源的编码器精度相差达到30%, 改进后的编码器高次谐波占比明显减少, 信号稳定性好。因此研究光源参数对提取高质量莫尔条纹有重要意义, 并为高精度编码器设计提供重要参考依据。

针对高功率微波对电子设备的安全威胁, 设计了一种双层柱状等离子体阵列对高功率微波进行防护。其中单根等离子体柱的直径为25.4 mm, 长度为600 mm, 等离子体频率与碰撞频率可进行控制。利用搭建的实验测量系统, 研究了微波极化方向、等离子体电子密度、放电单元层数等因素对高功率微波透射衰减的影响。实验结果表明: 当高功率微波未激发等离子体产生非线性效应时, TM极化时的防护效果优于TE极化时的防护效果, 且能量衰减分别可达20.9 dB和14.7 dB; 随等离子体电子密度增大, 微波透射功率减小, 防护效果增强; 由于层间反射作用, 双层等离子体对高功率微波的透射衰减远大于单层等离子体衰减值的两倍。

甲烷气体是一种对人体和环境有严重危害的气体, 特别在煤矿、天然气罐、气站和石油化工等安全生产领域, 对甲烷气体的泄漏监测至关重要。利用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS), 选择1 653.72 nm波长作为甲烷气体直接吸收检测的中心波长, 使用微透镜设计了14 cm光程吸收池建立了一套浓度范围为0～100%全量程甲烷在线监测系统, 利用分束器分成多路对不同位置进行监测, 通过小波变换对吸收信号进行降噪处理, 提高信噪比, 使系统的最低测量极限达到335 ppm(1 ppm=10-6), 并将自行研制的多点全量程激光甲烷传感器与商用红外甲烷气体探测器进行对比实验, 结果表明: 该系统具有测量稳定性好、测量范围大、响应速度快、免调校、测量探头本征安全、低成本等优点, 完全有能力满足各行业的使用需求。

为精确控制两轴快速反射镜的视轴指向, 根据矢量形式斯涅尔定律建立了反射镜转角与视轴指向角间的运动学耦合方程。通过非线性校正实现视轴指向方程解耦, 对于行程为±20 mrad的两轴快速反射镜在入射角为45°时视轴指向误差小于8 ?滋rad, 相比线性近似, 视轴指向精度提高75倍。为保证视轴稳定, 根据矢量速率方程推导出补偿基座扰动角速率的反射镜转动角速率方程, 通过对三角函数进行泰勒展开, 舍去高阶项, 得到快反镜转动角速率近似计算公式, 分析了不同入射角下的残余视轴转动角速率, 得出视轴转动角速率?棕Ly残差远大于?棕Lz, 且入射角?茁i为45°时残差最小, 此时残余视轴转动角速率与基座扰动角速率之比小于0.164%, 可满足计算精度要求。为快速反射镜伺服控制系统位置、速度指令生成提供理论依据。

针对激光主动探测技术对光电设备的威胁, 提出了通过光敏面倾斜设计来改变激光回波偏转角, 从而提升系统反激光主动探测性能的方法。设计了一款光敏面倾斜为5°的中/长波双波段反激光探测光学系统, 利用自由曲面校正了光敏面倾斜引入的像差。所设计的系统工作波段为3~5 μm, 8~12 μm。视场角为±2.4°, F数为2。设计结果表明, 在奈奎斯特频率17 lp/mm处, 两个波段传递函数均高于0.38, 满足红外系统对成像质量的要求。通过反追光迹分析得出系统的被探测距离得到有效降低。

针对1.2 m大口径望远镜主镜支撑系统, 为保证主镜面形精度均方根要求, 提出了一种有效的装调方法。该主镜支撑系统结合运动学原理, 分别设计了Whiffletree轴向支撑和柔性切向杆侧向支撑结构, 以保证其在较大温差范围内(-20~60 ℃)以及不同俯仰状态下(垂直-水平)始终具有较好的面形精度。机械加工误差及安装误差使柔性机构在组装过程中极易引入装配应力, 明显地增大主镜表面变形。借助于有限元软件对装调过程中可能出现的误差进行仿真分析, 根据结果制定装调流程, 并对实际装调进行指导。完成主镜支撑系统装调后, 采用补偿器和干涉仪对主镜的垂直检测及水平检测, 检测出两种状态下主镜的实际面形误差分别为λ/42和λ/31(λ=632.8 nm)。

为满足空间成像领域对大口径、轻量化、高衍射效率光学衍射元件的需求, 研究了薄膜衍射元件微结构设计及制作工艺。应用Zemax光学软件设计了320 mm口径, F/#100的四台阶薄膜菲涅尔衍射元件, 并利用Matlab软件将连续位相结构转化为离散化台阶分布。研究了薄膜菲涅尔衍射元件的制作技术, 选用透明聚酰亚胺薄膜作为基底材料, 以石英玻璃作为复制模板, 通过多次旋涂的方式实现了厚度为20 μm的衍射薄膜制作。应用Solidworks软件设计并加工薄膜支撑装置。测量复制基板及薄膜对应区域的微结构, 实验结果表明条纹线宽转移偏差小于1.3%, 台阶深度偏差小于8.6%。搭建光路测试在波长632.8 nm处衍射效率平均值为71.5%, 达到了理论值的88%。实验结果表明, 制作的薄膜重量轻, 复制精度高, 并且具有高衍射效率, 满足空间望远镜的应用要求。

研究了一种光子带隙光纤准直器。为了降低回波对光源的干扰, 通常光纤准直器的回波损耗不应低于60 dB。由于带隙光纤端面没有反射, 因此满足这一条件的带隙光纤准直器GRIN透镜入射面的倾斜角与普通光纤准直器不同。从高斯光束通过光学系统的一般模型出发, 利用矩阵光学和高斯光束耦合理论, 推导了光线传输矩阵。结合实际应用中光纤及GRIN透镜的参数, 仿真分析了尾纤与GRIN透镜之间的间距及GRIN透镜的参数对准直器回波损耗的影响。结果表明, 镀有增透膜时, 当光子带隙光纤准直器的GRIN透镜入射面倾角等于3°时, 回波损耗大于60 dB。研究结果对进行光子带隙光纤准直器的设计具有指导意义。

针对负系数微波光子滤波器很难用正系数的光学抽头来实现, 提出了一款基于色散器件级联的可调谐、窄带宽、负系数微波光子滤波器。利用整形后的多波长光纤激光器的输出信号作为滤波器的抽头光源, 将单模光纤与F-P光纤环级联作为延迟单元, 实现滤波器的频率选择性。利用相位调制器和级联的色散器件共同作用, 实现负系数的微波光子滤波器。实验得到了波长间隔为0.34 nm的多达37个激光信号的稳定输出, 进而基于此实验结果仿真研究了F-P光纤环中C2、C3的耦合系数r、不同长度的可调谐光纤延迟线(TODL)和延迟单元中不同长度的单模光纤等参数对微波光子滤波器性能的影响。

随着MOEMS扫描镜的发展, 其较高的谐振频率及IC兼容的低成本等优点在激光3D图像传感器中应用前景广阔, 研究外参数激励MOEMS扫描镜动力学特性与控制问题具有重要的理论和应用价值。从欧拉方程出发, 建立静电驱动MOEMS扭转动力学模型, 利用四阶Runge-Kutta算法仿真表明: 在外参数指令信号激励下, MOEMS扫描镜扭转状态经历阻尼运动、周期、倍周期和混沌等动力学过程, 其中周期运动存在着一个较大的参数控制范围。根据 Lyapunov稳定性理论, 设计了一种连续混沌系统追踪控制器, 使受控的MOEMS扫描镜扭转状态收敛于任意期望的指令信号。实验表明, 李萨如图指令信号适用于激光3D图像传感器; 几何矢量指令信号适用于激光3D打印系统, 理论分析与实验相一致。

为解决类金刚石膜内应力极大的问题, 利用很薄的岛状结构锗层与较厚的类金刚石层循环, 设计并制备了具有低内应力的多层类金刚石膜。其中, 类金刚石层为主要功能膜层, 起到硬质保护和光学增透的作用; 而锗层作为缓冲层, 起到缓解纯类金刚石膜内应力过大的问题, 同时由于锗层很薄, 对整个膜层的机械性能和红外特性的影响很小。测试表明, 制备的多层类金刚石膜内应力为2.14 GPa, 比纯类金刚石膜降低了39%, 通过了GJB2485-95《光学膜层通用规范》中的重摩擦测试; 同时, 其纳米硬度仍保持在47 GPa的高水平。该多层类金刚石膜可以作为实际应用的红外窗口保护膜。

采用基于高阻硅的曲折线型(meander-line)介质超材料, 设计了一种宽带的太赫兹四分之一波片, 可以在较宽的频率范围内将入射的线偏振太赫兹波转换为圆偏振太赫兹波出射。三维全波模拟显示, 通过恰当地设计超材料微结构的几何尺寸, 可以调节微结构的双折射特性, 进而改变沿微结构两个正交方向偏振的太赫兹波的透射振幅和相位, 使之振幅相近(约0.55), 相位相差90°。实验上,通过离子束刻蚀硅的方法按照设计加工了一个样品, 并利用太赫兹时域频谱系统进行了表征。实验结果和模拟结果吻合得很好,实现了带宽在1.07~1.41 THz范围内有效的四分之一波片, 对应的归一化椭圆率高达0.99, 证实了该设计的有效性。此外, 还通过改变微结构的几何参数, 进一步在模拟上设计了两个在其他太赫兹波段工作的四分之一波片, 证明了该微结构的可调谐特性。

SiO2薄膜是光学薄膜领域内常用的重要低折射率材料之一。在文中研究中, 通过测量薄膜的椭偏参数, 使用非线性最小二乘法反演计算获得薄膜的光学常数。采用离子束溅射和电子束蒸发两种方法制备了SiO2薄膜, 在拟合过程中, 基于L8(22)正交表设计了8组反演计算实验, 以评价函数MSE为考核指标。实验结果表明: 对IBS SiO2薄膜拟合MSE函数影响最大的为界面层模型, 对EB SiO2薄膜拟合MSE函数影响最大的为Pore模型。同时确定了不同物理模型对拟合MSE函数的影响大小和反演计算过程模型选择的次序, 按照确定的模型选择次序拟合, 两种薄膜反演计算的MSE函数相对初始MSE可下降35%和38%, 表明拟合过程模型选择合理物理意义明确。文中提供了一种判断薄膜物理模型中各因素对于薄膜光学常数分析作用大小的途径, 对于薄膜光学常数分析具有指导意义。

为了实现温度与应变的双参数高精度传感测量, 提出了一种CO2激光刻写长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating, LPFG)与光纤马赫-增德尔(MZ)干涉型结构的光纤传感器, 利用CO2激光刻写制作LPFG并利用错位熔接法制备光纤MZ结构, 将二者级联并实时监测温度及应变变化时的透射谱变化, 研究了其传感原理并验证了其温度及应变传感特性。实验结果表明: 该双参数光纤传感器的LPFG仅对温度敏感, MZ干涉结构对温度和应变都敏感; 在温度范围35~70 ℃时, LPFG特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃, 降温灵敏度39.17 pm/℃; MZ干涉结构特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃, 降温灵敏度为37.50 pm/℃; 当应变范围0~450 με时, MZ干涉结构加载灵敏度4.01 pm/με, 卸载灵敏度为4.24 pm/με。为温度和应变的实时测量提供了一种灵敏度高、线性度好的光纤传感器。

信道估计是指接收机获知信道状态信息的方法和过程。信道估计的准确度决定了接收机的工作性能, 所以均衡之前,必须先进行信道估计。目前, 激光光学传输信道估计成为多输入多输出正交频分复用的自由空间光通信系统的关键技术。传统的压缩感知方法作为一种信道估计的有效方法, 具有恢复和重构原始信号的能力, 但在计算复杂度上付出了一定的代价。快速贝叶斯匹配追踪算法克服了现有方法重构精度低和复杂度高缺点。通过先验模型选择和近似的最小均方误差的参数向量的估计, 快速贝叶斯匹配追踪算法提供了估计信道冲激响应的一种有效方式。仿真结果表明, 与传统的基于压缩感知的方法相比, 该方法能显著提高系统的性能。

Airy光束是一种特殊的无衍射光束, 不仅具有自恢复和无衍射性质, 还具有其他无衍射光束不具备的自弯曲性质。研究了Airy光束的无衍射、自弯曲和自恢复的演化过程, 讨论了不同衰减因子a和横向尺度x0对Airy光束三大特性的影响。研究结果表明: 当横向尺度x0不变时, Airy光束的无衍射传播距离随着衰减因子a的增大而减小, 衰减因子a对自弯曲没有任何影响, 自恢复痊愈距离随着衰减因子a增大而减小。当衰减因子a不变时, 无衍射传输距离、自弯曲的偏移量、自恢复痊愈距离都随着横向尺度x0的增大而增大。通过对比横向尺度x0和衰减因子a对Airy光束三大特性的影响, 研究发现衰减因子a相比横向尺度x0对Airy光束三大特性的影响较小。

卫星相干光通信在国外已经接近工程应用阶段, 主流的传输接收方式为BPSK调制/零差探测, 接收端用光锁相环(OPLL)进行载波恢复。但即使在今天, 光锁相环的实现依然有难度, 而且存在捕获时间过长等现象。文中借鉴了现在的研究热点技术——光纤通信中的频偏估计、载波相位恢复技术, 针对星间激光通信中存在GHz量级大多普勒频移的工程背景, 提出了一种基于DSP的频偏开环补偿算法。从理论上分析了该算法的原理, 重点研究了激光器噪声和接收机噪声对频偏估计精度带来的影响, 并通过仿真进行了验证。本振光功率为10 dBm时, 当接收功率高于-47 dBm, 误码率优于10-4; 将接收功率提高10 dB后, 频偏估计标准差小于370 kHz。

针对超强能量密度的飞秒脉冲很难在传统光纤中传输的情况, 设计了一款用于高功率飞秒脉冲传输的空心单模Bragg光纤。首先基于一维光子晶体的光子禁带特性选择了制作空心Bragg光纤的材料, 接着利用光学软件FDTD Solutions分析了光纤各结构参数对光纤模式的影响, 并对传输特性进行了分析。随后, 通过在光纤包层中引入缺陷层的方法对其进行了进一步的优化, 有效调控了该款光纤的色散曲线分布。经全带宽扫描可知, 该款空心Bragg光纤单模传输的带宽达100 nm, 完全满足了100 fs光脉冲的传输要求。

针对特种车内狭小空间布局受限这一问题, 提出基于功率均衡策略的光源阵列优化结构, 构建由车内壁反射导致多路径传播而引起的码间串扰的模型, 研究多径传输延迟对光通信系统信噪比的影响, 分析均方根时延扩展与最大传输速率间的相关特性, 仿真计算系统的误码率性能。仿真结果表明: 在2 m×2 m×1.5 m车内空间, 优化结构下的光功率范围为-0.73~0.56 dBm, 均匀光照率达到80.5%。考虑多径反射引起码间串扰时系统信噪比均值为 20.92 dB, 误码率的最大值为1.47×10-6, 在运用OOK调制技术下该系统最大数据传输速率的范围107.8~373.3 Mbps。可同时满足车内照度与数据通信需求。

关联成像是一种新体制成像方法, 能够解决一些传统成像技术无法解决的问题,近年来颇受关注。其中, 又以基于数字微镜器件(DMD)和空间光调制器(SLM)的计算关联成像发展最快。将DMD应用于计算关联成像, 利用其调制速度快、反射波段宽的优势, 结合压缩感知方法, 可在多个波长上获取高质量图像, 实现多波长关联成像。多波长关联成像在实现过程中存在几个关键问题, 包括赝热光场的有效产生、光场调制中衍射效应和调制噪声的影响, 以及高质量图像重建算法等。对上述关键问题进行数值仿真, 确定系统最佳工作参数; 在此基础上构建多波长关联成像实验系统以验证效果, 为关联成像技术的实用化提供了参考。

针对实际工程中的复杂光电平台对控制精度要求越来越高的需求, 提出一种依据系统精确模型辨识方法的自抗扰控制器设计方法。考虑机械谐振和摩擦因素, 建立光电载荷控制系统精确数学模型, 并根据系统输入输出特性辨识系统的数学模型参数, 在所辨识模型的基础上设计自抗扰控制器。以某型光电跟踪平台为例, 设计了4阶跟踪微分器, 5阶扩张状态观测器和非线性状态偏差反馈控制律组合的自抗扰控制器。在Matlab/simulink中建立系统仿真平台, 对PID控制器和自抗扰控制器进行仿真对比, 结果表明, 采用自抗扰控制器的系统超调由1.8%减小到0.9%, 系统最大跟踪误差由0.03 (°)/s减小到0.013 (°)/s, 超调更小, 响应时间更快, 抗扰动能力更强。

针对多光电跟踪设备组网后出现的异步测量问题, 提出了一种异步分布式序贯目标跟踪算法。该算法由局部滤波器和融合滤波器构成, 先利用状态转换方法, 将多光电跟踪设备节点及其邻节点的异步测量对齐到融合时刻, 得到拟测量方程。随后, 利用射影原理对拟测量方程和目标运动状态方程构成的目标跟踪系统, 提出异步序贯局部滤波器来计算较为精确的局部滤波值。再以协方差交叉算法为基础, 提出基于扩散策略的融合滤波器, 对局部估计值进行融合计算, 来提高目标跟踪精度, 并降低组网后各光电跟踪设备节点融合估计值的差异程度。最后对所提出的算法进行了仿真实验, 以验证其有效性。

近年来目标跟踪技术的研究已经有了很大的进展, 但目标的遮挡和形变仍然是目标跟踪算法面临的重大挑战。针对这些问题提出了一种基于可变形模型的目标跟踪算法。首先, 利用可变形模型对跟踪目标进行表达, 该模型将目标分为若干子块, 目标的特征由局部子块特征和全局特征共同构成。将目标的特征和子块之间的空间关系结合起来, 给出了对目标的一个统一的相似度度量函数。然后, 在线训练一个结构化输出支持向量机作为分类器, 该分类器的输出是可变形模型中目标的结构化描述。利用该分类器可以在视频及图像序列中准确地检测到目标, 完成跟踪。通过实验比较, 该算法的跟踪性能优于其他主流跟踪算法, 尤其在目标发生遮挡和形变的时候仍能准确跟踪。

基于金属纳米结构增强光与物质的相互作用, 调控光学响应是光学前沿研究。金属纳米结构能显著增强电磁场和热点空间位置调控, 是表面等离激元器件应用的关键。借鉴衍射光学元件设计思想, 文中提出一种简单的多尺度叠层圆柱台(double stacked nanocone, DSC)金属纳米结构, 实现近/远场深度调控。在给定激发条件下, DSC纳米结构中腔模与局域表面等离激元模式间产生杂化, 实现多尺度级联场增强, 远场响应也得到有效调制, 且“热点”能有效地定位到纳米结构的上表面。进一步, 提出并研究了掩模重构的纳米加工方法, 低成本、可控地制备了DSC纳米结构, 工艺控制是三台阶DSC器件特性的关键, 实验结果与理论设计一致。