超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种量子极限灵敏度的光探测器。它的基本原理是利用光子能量实现超导纳米线库珀对的拆对, 从而在超导纳米线局域发生超导-非超导相变。和传统半导体单光子探测器相比, 具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、死时间短、宽谱响应以及自由运行等优势。高性能SNSPD已经在量子信息、激光通信、激光雷达等领域得到了广泛应用。文中概述了过去几年间国内外在SNSPD研发、应用成果及产业化等方面的进展, 并对SNSPD未来的技术发展和应用进行了展望。

为解决基于传统时域高通滤波红外图像非均匀性校正算法存在“鬼影”现象以及固定图案噪声去除不彻底的问题, 提出了一种加权引导滤波和改进时域高通滤波相结合的非均匀性校正算法。首先, 利用加权引导滤波准确分离红外图像中的空域高频成分; 然后, 计算红外图像中像素点灰度值变化幅度; 最后, 在进行时域高通滤波时对红外图像中的运动区域和静止区域使用不同时间常数进行校正。采用两组真实红外图像序列进行实验, 并与经典的双边滤波时域高通, 均值滤波时域高通非均匀性校正算法进行比较。实验结果表明: 文中所提算法在主观视觉和客观评价指标方面优于其他两种算法, 有效降低了红外图像的非均匀性, 不会产生“鬼影”, 取得了较好的非均匀性校正效果。

气动加热的高温整流罩会产生强烈的红外辐射, 影响导引头对目标的探测精度。为了寻求减弱整流罩气动热辐射的方法, 建立了气动热辐射数学模型。利用有限元软件以及建立的气动热辐射数学模型对不同厚度的半球形整流罩气动热和气动热辐射进行了数值仿真, 得到了半球形整流罩厚度对气动热和气动热辐射的影响规律。研究结果表明, 在相同飞行工况下, 工作10 s时, 当半球形整流罩厚度由3 mm增厚到8 mm, 整流罩驻点温度降低了16.23%; 形变量减少了54.2%; 探测器接收面上的最大辐照度减少了84.43%。因此增加整流罩的厚度可以降低整流罩的温度, 有效减小整流罩的热形变和探测器上接收到的干扰辐射照度。

卷云大气的红外辐射特性是空间光电探测系统的重要背景辐射源。基于2.7 μm和4.3 μm波段的卷云粒子散射特性参数, 建立了卷云大气辐射传输模型。在MODIS实测卷云和大气参数条件下, 仿真计算得到大气层顶的红外辐射图像。各像元辐亮度的统计结果显示: 在2.7 μm带的平均辐亮度为1.832e-2±3.024e-2 W/(m2·sr), 卷云像元平均辐亮度比晴空像元强433倍; 各像元在4.3 μm带的平均辐亮度为3.027e-2±2.99e-3 W/(m2·sr), 像元最大辐亮度是最小值的2.37倍。

烟幕是对抗红外侦察与制导的有效手段。为了定量评估和评价烟幕对红外热成像干扰的效果, 从理论和实验两方面进行了研究。理论上, 依据作用距离准则, 从辐射对比度入手, 建立了烟幕干扰下的红外热成像视距方程, 从而可以通过估算干扰前后热成像系统作用距离的变化来分析评价烟幕干扰的效果。实验中, 首先测定了烟幕对不同波段辐射的透过率。然后以人体作为观察目标, 基于相似度准则, 引入归一化互信息指标作为评价标准, 并和直接观察结合来分析红外热成像效果受烟幕干扰的情况。结果表明, 在烟幕干扰下, 当红外热成像系统无法达到识别要求时, 目标与背景表观对比度下降到固有对比度的4%以下, 对应的烟幕透过率为55%, 且理论计算与实验分析相符。

采用传输线方法研究了微通道板的短脉冲信号放大特性。分析了单脉冲信号的波形畸变以及微通道增益的变化情况。当信号饱和参数大于1时, 脉冲前沿消耗的电荷会对脉冲后沿的放大形成影响, 造成脉冲后沿增益下降。研究了多脉冲间的互扰问题。若前一脉冲放大消耗的电荷得不到及时补充, 将影响后续脉冲的放大过程。分析了信号频率对微通道板输出特性的影响。信号单脉冲电荷量恒定的情况下, 提高信号频率将使得微通道板增益显著下降; 信号平均电流恒定时, 通道增益以及输出电流基本不随信号频率发生变化。通过脉冲激光对像增强器的辐照实验, 验证了上述分析结果的正确性。

在水导激光加工中, 聚焦激光与微细水束的耦合对准效果是实现水导激光稳定加工的关键。为了提高水导激光的耦合对准精度, 提出了一种新的耦合对准方法, 即采用一种双透镜离轴光学系统, 系统中一透镜进行轴向移动从而调节束腰轴向位置, 另一透镜与喷嘴一起进行径向移动从而调节束腰径向位置。该方法可以有效提高对准装置的分辨率, 从而实现高精度的耦合对准。对该方法进行了理论分析, 并根据理论分析进行了实验装置的设计。实验结果表明该方法将耦合对准装置的径向分辨率提高了5倍, 与预期设计相符。应用该方法成功将激光耦合进入直径100 μm的喷嘴中实现水导激光加工, 该方法也是离轴光学系统的一个创新应用。

为了研究深冷激光喷丸强化(Cryogenic Laser Peening, CLP)对2024-T351铝合金表面力学性能的影响, 采用Nd: YAG纳秒脉冲激光分别在常温(25 ℃)和深冷温度(-100 ℃)条件下对2024-T351铝合金材料进行激光喷丸处理, 随后对试样的显微硬度、残余应力和微观组织等表面性能进行了测试分析, 最后基于微观组织演变探讨了CLP对2024-T351铝合金的强化机理。结果表明, 由于超低温对位错滑移及湮灭的抑制作用, CLP处理试样的位错密度提高, 在动态再结晶后材料表面晶粒尺寸减小, 其表层显微硬度与残余压应力值较常温LP处理试样分别提高了约20.3%与21.6%, 因而改善了2024-T351铝合金的表面力学性能。

激光清洗在再制造行业、微机电系统(MEMS)和超精密加工行业具有重要的应用前景, 飞机蒙皮激光脱漆技术是激光清洗技术中的一个重要分支。利用10.6 μm的高重复频率CO2激光器对飞机蒙皮(LY12铝合金板材)上的90 μm厚的双层复合油漆层进行去除。研究结果表明, 通过选择合适的扫描间距、激光功率密度及扫描次数, 成功地将飞机蒙皮表面的两层油漆层完全去除, 通过对比试验测试飞机蒙皮在激光除漆前后的抗拉强度、屈服强度、维氏硬度以及粗糙度等力学性能, 发现激光除漆未损伤基底且未改变其力学性能。该种除漆方式较传统除漆方式具有环保无接触、效率高、参数可控以及维护成本低等优点, 为在其他领域应用开拓新的方向。

前向激光引信可以实现对目标距离的持续探测, 并利用距离信息控制炸点, 炸点控制偏差是影响防空导弹作战性能的关键指标, 因此需要对激光引信的炸点控制精度进行分析。基于制导引信一体化(GIF)和交会段匀速运动的假设, 分析利用时序测距进行炸点估计的全局可观性, 获得测距值存在满足零均值加性高斯分布误差时炸点控制精度的克拉美罗界(CRLB), 仿真结果验证了所得结果的正确性, 并通过数值计算方法对影响炸点控制精度的脱靶量、起爆角、空间采样率等系统参数进行了分析。这可为距离高分辨激光引信的设计提供参考。

为了研究Yb3+: LuLiF4晶体在反Stokes荧光制冷过程中的热负载管理机制, 开展了在常压(1.0×105 Pa)和高真空(2.5×10-3 Pa)状态下的激光制冷实验。掺杂浓度为5 mol%的样品由两根光纤支撑, 被放置在真空状态不同的腔体内。利用波长1 020 nm, 功率3 W的激光激发样品。在常压下, 样品温度相对室温下降了ΔT≈12 K; 在高真空下, ΔT≈26 K。对于常压状态, 空气热对流负载约11.23 mW, 光纤热传导负载约0.03 mW, 腔体热辐射负载约4.8 mW。对于高真空状态, 空气热对流负载约0.03 mW, 光纤热传导负载约0.07 mW, 腔体热辐射负载约10.4 mW。实验结果表明, 当腔体压强由-105 Pa降至-10-3 Pa时, 空气热对流负载几乎忽略不计, 而腔体热辐射负载则成为作用在制冷样品上最主要的热负载。

为保证激光引信在近程的测距精度, 文中针对恒比定时法在激光接收器饱和时会发生跳变点前移的现象, 提出一种基于回波功率方程的误差补偿算法。通过线性化模型描述脉冲信号, 推导了饱和漂移误差的解析表达式, 分析了其随回波信号上升沿斜率的变化规律。根据回波功率方程, 在小角度入射特定目标的条件下, 建立饱和漂移误差补偿数学模型; 通过实验标定误差补偿表达式, 得到修正后的测距公式, 验证了饱和漂移误差补偿方法的有效性。实验结果表明: 激光引信在回波信号饱和时测距有较大偏差, 最大偏差达到1.4 m; 采用误差补偿方法后, 可使偏差控制在±0.5 m以内。研究可为小型化高精度激光引信测距系统设计提供理论参考。

典型的TE CO2激光脉冲, 通常由高功率窄脉冲(100 ns)和低功率长拖尾部分(3~5 μs)组成。采用一种简单的小孔等离子体开关技术可以实现对低功率长拖尾部分的有效吸收和散射, 保留需要的高功率窄脉冲前沿部分, 达到激光脉冲压缩和整形目的。详细研究了小孔位于不同离焦距离时整形激光脉冲波形的变化, 获得了整形激光脉宽、能量与离焦距离的变化关系, 实现了50~110 ns的窄脉冲CO2激光输出。进一步研究发现, 小孔等离子体开关的使用寿命主要由激光脉冲能量、重复频率、整形脉冲宽度决定。通过该技术实现的窄脉冲CO2激光可以用于极紫外光刻等离子体光源、激光雷达等领域的研究。

翘曲变形是影响层合板激光弯曲成形精度的重要因素, 因此研究激光往复扫描过程中的翘曲变形具有重要的实际意义。文中使用ANSYS软件, 建立不锈钢-碳钢层合板有限元模型, 通过模拟激光作用下层合板的温度场、应力场分布, 结合自由端的变形, 分析了单道往复式扫描翘曲变形机理。模拟结果表明: 随着往复扫描次数的增加, 温度场扫描线两端区域温度交替波动升高使两端热量均衡, 中间区域热累积现象使热应力增大。每次激光扫描后, 激光作用区板材下表面的残余应力场对下次扫描时的翘曲变形都有一定促进作用, 使翘曲变形增大, 1~6次扫描后弦高从0.217 mm增大到0.363 mm, 但随着扫描次数增加, 促进作用减弱, 弦高增长量略降低, 最大值为0.058 mm。对比实验数据和模拟结果, 温度场最大误差为9.85%, 翘曲线Z向位移最大误差为4.33%, 其中, 弦高误差为2.16%, 为层合板激光弯曲成形的精确控制提供了计算依据。

针对微/纳机电系统(MEMS/NEMS)零部件加工制造难题, 研究具有亚衍射极限空间分辨率的飞秒激光双光子聚合加工方法, 搭建钛蓝宝石飞秒激光微纳加工系统, 对液态聚合物材料进行飞秒激光双光子聚合加工工艺试验研究。结果表明: 随着激光功率的降低, 单个固化点的尺寸减小, 加工分辨率提高; 扫描步距减小, 所加工工件的表面粗糙度数值减小, 但加工效率降低。基于CAD软件设计出微米墙和纳米线构成的三维微纳结构, 利用飞秒激光双光子聚合加工得到该三维微纳结构实物, 通过优化工艺参数加工出直径小于100 nm的纳米线, 从而证明飞秒激光双光子聚合加工方法为微/纳器件的制造提供了一种有效方法。

盖革APD阵列探测的激光成像雷达具有高灵敏度、高帧频、宽视场、坚固、体积小等优点, 成为了激光成像雷达发展的趋势。但目前APD阵列像元填充比低, 器件阵列少, 无法满足高分辨率激光成像的要求。为了解决该问题文中提出采用激光点阵发射的方法与APD阵列像元一一对应, 采用拼接技术提高成像分辨率, 采用微扫描技术提高激光成像视场。通过构建实验系统, 完成了室外试验, 成像效果良好, 使用现有APD探测器(32×32)将系统空间分辨率提高了四倍(64×64), 提高了激光三维成像能力。

采用激光诱导击穿光谱法(LIBS)对土壤进行了研究。激光器采用的是Nd: YAG脉冲激光器, 激光器的输出波长是1 064 nm, 脉宽是5.82 ns, 激光聚焦在土壤表面产生激光诱导等离子体, 通过优化实验参数(ICCD延时、脉冲能量、ICCD门宽、脉冲频率、谱图积累次数)对Ca II 393.37 nm和Ca II 396.37 nm两条特征谱线强度及信背比的影响, 确定实验最佳条件是ICCD延时1 μs, 激光能量50 mJ, ICCD门宽3.5 μs, 脉冲频率1 Hz, 谱图积累次数100次。在最优实验条件下计算等离子体参数, 得出土壤中的等离子体电子温度是11 604 K, 土壤的等离子体电子密度是5.155×1016 cm-3, 经过计算, 土壤样品满足LTE条件。这说明, 以上关于土壤样品的等离子体参数计算结果是真实有效的。

基于S波片和双延迟器的偏振特性, 提出了一种矢量光场的生成及偏振调控方法, 该方法能够将标量高斯光束转换为偏振态分布可调谐的矢量光束。结合Stokes-Mueller矩阵算法, 建立了矢量光场偏振调控的数学模型, 并仿真计算出标量高斯光束经过S波片和双延迟器(包括双1/4波片和双1/2波片两种情况)后的偏振态空间分布。讨论了双延迟器相对旋转时光场偏振分布的演化规律及机理, 实验结果与数值仿真结果相互吻合, 表明该方法可以实现对标量相干光场的复杂偏振调控, 验证了理论分析的正确性和该方法的可行性。

利用径向指数相同、拓扑电荷数互为相反数的两束高阶径向拉盖尔-高斯光束共轴叠加, 产生了一种新型的复合涡旋光束, 从理论上研究了这种复合涡旋光束的光强分布特性以及空间传播特性, 并进行了实验验证。结果表明: 由高阶径向拉盖尔-高斯光束叠加而成的复合涡旋光束呈多层亮“花瓣”状; 当束腰半径相同时, 随传播距离的增加, 其光强分布呈展宽趋势但不旋转; 当束腰半径不同时, 其光强分布发生旋转, 并出现“旋转拖尾”现象, 旋转方向和“拖尾”方向取决于拓扑电荷数正负及束腰半径大小。研究结果对深入理解复合涡旋光束的产生并进一步拓展其应用范围提供了实验依据。

复杂海洋环境是空间光电探测的典型应用场景, 可见至长波红外波段海表反照率参数是海洋大气传输与背景辐射特性研究的重要内容。鉴于目前中国海域海表反照率数据缺乏的现状, 在多源卫星长时间观测海洋环境特性参数数据的统计分析基础上, 通过考虑海水叶绿素含量、气溶胶光学厚度、海表面风速和太阳入射角度等参数的复合影响, 建立了海表反照率的快速参数化应用模式, 获得了中国南海、东海、黄海和渤海等典型海域0.4~14 μm海表反照率谱线, 掌握了海表反照率的时空分布特征, 为海空光电工程应用提供基础数据支撑。

提出了一种基于数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device, DMD)的高功率激光远场焦斑大动态测量方法。采用DMD对焦斑主瓣和旁瓣区域进行分离, 用两路CCD分别测量, 通过图像拼接实现两路测量结果的融合, 获得大动态焦斑数据。DMD由数字信号控制, 通过改变控制信号模板, 可以快速适应不同形态焦斑的测量。具体分析了DMD焦斑分割原理及DMD控制信号模板的获取, 说明了焦斑重构时所需的图像校正和对准方法, 实验验证了新方法的可行性。结果表明: 文中方法的测量动态范围可以达到3 000: 1以上。

融合激光外差和线性调频技术, 基于磁致伸缩系数测量原理, 将磁致伸缩系数的测量转换成微小长度变化量的精确测量, 并提出一种线性调频多光束激光外差复合检测磁致伸缩系数的新方法, 即通过线性调频技术将待测微小长度变化量信息加载到多光束激光外差信号的频率差中, 经外差信号解调后可以同时得到多个微小长度变化量值, 对这些数值加权平均, 可以精确获得微小长度变化量数值, 最终进一步提高磁致伸缩系数测量精度。利用该方法, 仿真研究了不同电流条件下, 待测样品的磁致伸缩系数, 结果表明: 相对测量误差小于0.09%, 与传统测量方法相比, 测量精度提高了一个数量级以上。

针对三轴光电跟踪系统对空间目标捕获方案的设计问题, 首先分析了影响三轴光电跟踪系统捕获空间目标存在的误差源并对主要误差进行了误差估计, 即轨道预报误差和三轴指向误差。接着建立了主要误差到不确定区域(Field of uncertain, FOU)的误差传递关系, 利用所建的传递关系计算出了不确定区域, 并根据不确定区域的大小、形状以及分布类型设计搜索扫描方式。以不确定区域形状为椭圆且服从二维正态分布为例, 设计的搜索扫描方式为分行螺旋扫描。最后对该扫描捕获方法进行了数值仿真, 验证了该方法的正确性。经过仿真计算, 在捕获概率为98%的情况下, 目标的平均捕获时间为10.52 s。该方法为三轴光电跟踪系统捕获空间目标提供了一定的理论基础。

根据基尔霍夫近似理论分析了金属粗糙表面在太赫兹频段的散射规律及影响因素, 通过加工不同粗糙度的金属铝板样品, 基于远红外激光器搭建的单频点散射特性测量系统及远红外傅里叶光谱仪(FTIR)的宽带反射率测量系统, 对粗糙铝板的散射规律进行了实验测量与验证, 发现实验测量结果与基尔霍夫近似计算结果具有良好的一致性, 证明了峰值散射系数与粗糙度和频率的负相关性, 以及与入射角度的正相关性。分析了近似光滑和较大粗糙度两种极限情况下的散射特性, 给出了基尔霍夫近似理论在太赫兹频段的适用条件。相关结论为复杂目标散射特性的理论计算奠定了基础, 对太赫兹频段雷达相关理论和技术的发展具有重要意义。

针对卡尔曼滤波在连续非线性的惯性组合导航系统中对模型误差估计不够准确的问题, 提出了利用可直接处理连续非线性系统的预测滤波为卡尔曼滤波提供一步预测的组合滤波算法, 弥补了两种滤波算法单独使用时的不足, 从而提高了导航系统精度。再利用光纤陀螺惯导实测数据与计算机生成的星敏感器数据对文中组合滤波算法进行了离线仿真, 证明了文中组合滤波算法的可行性、优越性。

在轨运行过程中, 受空间热环境的影响, 星敏感器的安装矩阵具有轨道周期变化的特征。为了校准卫星结构变形导致的星敏感器之间安装矩阵变化, 提出了一种基于四元数自适应卡尔曼滤波(quaternion Adaptive Kalman Filter, q-AKF)的安装矩阵在轨实时校准方法。该方法结合衰减记忆滤波与简化的Sage_Husa自适应滤波, 通过自适应调整衰减因子, 调节当前量测值在滤波过程中的权重, 以抑制因模型参数不准确造成的滤波性能下降甚至发散问题。仿真试验结果与在轨数据验证结果表明: q-AKF算法不但可以抑制参数不准确造成的滤波发散问题, 而且在0~5 (°)/s的姿态机动速率范围内, 仍能稳定跟踪安装矩阵的真值(偏差均值的绝对值<0.15″), 具有良好的自适应性与鲁棒性。

波片、晶体等自然双折射元件广泛应用于各种光学系统中。普通光学元件在加工、镀膜等过程中会引入残余的内应力, 形成双折射。双折射会对整个光学系统的性能产生影响, 需要对其进行精确测量。基于激光回馈效应, 利用偏振跳变中光强调制曲线与双折射的线性关系, 构建了光学元件双折射测量系统。通过引入稳频技术, 使激光器长期稳定单纵模运转, 增强了激光器的抗干扰能力, 提高了系统的稳定性。实验结果表明, 构建的激光回馈双折射测量系统测量精度优于0.24°, 重复测量最大偏差0.13°, 标准差0.06°, 稳定性好, 可靠性高, 可实现在线测量。该系统有潜力应用于微小应力的在线测量, 如飞机座舱盖、汽车玻璃等。

为了减小由车式载体上下颠簸而引入的测量误差, 设计了二维结构的激光多普勒测速仪2-D LDV(laser Doppler velocimeter), 并将其与捷联惯导组合导航。阐述了二维激光多普勒测速技术的基本原理, 详细讨论了其与捷联惯导组合的具体结构并进行了车载实验。理论和实验结果表明: 2-D LDV减小了由于车辆上下颠簸而引入的测量误差, 进一步提高了导航精度。车辆行驶总里程为29.67 km, 纯捷联惯导的位置误差为936 m, 1-D LDV/SINS组合系统的位置误差17.2 m, 而2-D LDV/SINS组合系统的位置误差仅有7.1 m, 相对于1-D LDV/SINS, 2-D LDV/SINS更适合于车载组合导航系统。

随着空间技术的不断发展, 高性能、低成本的轻小型空间光学系统成为空间光学领域一个新的研究热点。离轴三反光学系统具有成像质量高、大视场、轻量化程度高等特点, 能够更好地适应轻小型、低成本空间光学系统的应用要求, 具有广泛的应用前景。以高斯光学和三反消像差理论为基础, 设计了一款第三反射镜为自由曲面的离轴三反光学系统, 焦距1 550 mm, 视场3.6°×0.45°, 相对孔径1: 6.2, 自由曲面的加入极大地提高了系统设计自由度和成像质量。设计结果表明, 在有效视场内系统成像质量良好, fMTF优于0.43@111 lp/mm, 系统最大波像差为0.049 λ(λ=632.8 nm), 平均波像差RMS值为0.034 λ, 最大网格畸变0.9%, 成像质量相对于子午面完全对称。系统的总长小于f′/3.1, 高度小于f′/4.1, 且系统的加工和装配公差较为宽松, 易于实现。该设计结果对轻小型空间光学系统的设计具有一定的参考价值。

为了满足监控镜头的小型化、高像质以及大视场的需求, 利用同心结构的同心透镜, 并依据曲面传感器的发展现状及趋势, 设计了一款同心结构的曲面像面监控镜头光学系统。该监控系统的全视场角可达到140°, 有效焦距为7.88 mm, F数为1.5, 系统总长15.12 mm, 像素可达1 100万。设计结果表明, MTF值在中心视场和0.7视场处均接近衍射极限, 在全视场处均大于0.59; 各个视场的弥散斑半径均小于0.6 μm。相比于已有的监控镜头光学系统, 该设计在大视场范围内保证了优良的像质, 并且实现了小型化。

针对两种波长的直接高功率半导体激光堆栈, 为适应半导体激光在材料加工方面的需求, 设计一种双波长合束及长焦距光学系统。首先, 利用快慢轴准直镜对两种波长的激光堆栈进行初步准直, 然后, 用双波长合束镜将其合束。进而, 利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进一步扩束准直, 最终, 用快慢轴聚焦镜实现同步聚焦。利用光参数积原理对聚焦系统进行理论分析, 并根据瑞利长度公式计算出焦深。用ZEMAX软件对整个光路进行光线追迹, 得出模拟结果。根据理论分析和软件模拟, 开展相应实验。经合束和聚焦, 实现焦距300 mm, 焦点尺寸2.0 mm×4.0 mm的聚焦光斑, 输出功率5 000 W, 功率密度达104瓦级。最后讨论该系统影响因素。聚焦光斑可用于激光熔覆, 表面处理等工艺。

空间遥感相机在发射过程中及其在轨运行时, 由于大气压力、温度、力学环境等的变化, 导致焦面离焦。为了满足成像质量要求, 相机在空间投入使用之前必须对偏离的焦面进行校正。针对轻小型空间相机的使用特性及要求, 设计了一套调焦范围±3 mm的像面移动式调焦机构, 质量仅为3.25 kg。利用蜗杆传动的自锁性, 防止焦面组件在外力作用下发生窜动。选用微型精密级直线滚动导轨保证CMOS靶面的直线性精度。同时利用光电编码器(16位)实时反馈靶面的位置信息, 以保证其定位精度。对调焦机构进行了理论分析、动力学分析及试验验证、精度测试及分析、焦面标定试验等。试验结果表明: 调焦机构的一阶固有频率为182.7 Hz, 可以有效地避免共振现象; CMOS靶面的直线性精度优于20″, 定位精度优于±4.2 μm, 满足调焦精度要求; 焦面标定试验验证了调焦机构设计的有效性, 满足了空间遥感相机的成像质量要求。

随着望远镜口径的增大, 主镜热惯性增大, 主镜温度相对于环境温度的滞后性引起反射面热边界层形成热湍流波动, 严重影响望远镜成像质量。介绍了一种基于CFD仿真和光程差累积的计算方法评估主镜反射面热边界层的湍流波动对成像质量的影响。以3.0 m口径的主镜为例, 仿真计算了自然对流下和强迫对流下不同温升的反射面热边界层分布, 将热边界层的流场参数转化成折射率场分布, 采用光程差累积法得到反射面热边界层的成像质量。结果可以定量地描述反射面热边界层对成像质量的影响; 验证了现有天文观测要求主镜反射面与环境温差小于±2 K的合理性; 同时证明了主镜反射面热控措施使得强迫对流下的光程差比自然对流下的下降了一个数量级, 显著提高了主镜视宁度, 进一步表明反射面热控措施对改善成像质量具有重要意义。

宽发射面激光二极管作为泵浦源在全固态激光器中得到了广泛的应用, 但由于快慢轴发散角太大和发光面的不对称, 所以需要对其进行光束整形。针对发光面为1 μm(快轴)×200 μm(慢轴)且远场光斑为矩形光斑的宽发射面激光二极管, 分析了输出光束在平行于p-n结方向上光场(侧模)的多光丝分布特性。通过在ZEMAX非序列里, 设置合理的光丝间隔、尺寸和以纵模为间隔的多个波长, 模拟了与实际相符的远场光斑。利用圆柱透镜压缩激光二极管快轴发散角, 再用自聚焦透镜进行聚焦, 最后在离自聚焦透镜后端面1.8 mm处得到快慢轴方向长分别为0.15 mm×0.17 mm的方形光斑, 且快慢轴方向发散角分别为3.3°×2.4°。同时, 通过实验逐步比较了光束通过每一个光学元件后光斑形状的变化和光强分布, 结果表明: 宽发射面激光二极管光束整形中, 通过引入侧模光丝结构的矩形光斑模拟方法是可行的。

研究了一种在1.0~2.5 μm短波红外波段上可用于机载精准农业观测的成像光谱仪光学系统。研究分析了用于精准农业探测所需的成像光谱仪科学性能参数, 着重改进了Dyson成像光谱仪系统并获得了完善的消像散条件, 使得其各组成部分在沿光轴方向和垂直光轴方向均具备足够的空间, 确保了狭缝、探测器和光学镜片的光机结构放置。设计成像光谱仪具备良好光学性能, 光学系统F数为1.5, 视场28°, 狭缝长度25 mm, 光谱分辨率12.7 nm, 空间分辨率1 mrad, 系统像差得到充分校正, 公差比较宽松。该系统的研究将为精准农业遥感应用提供一种思路。

为了研究三结太阳电池表面的栅线在1 070 nm连续激光辐照过程中的传热影响机制, 文中通过激光辐照过程中三结太阳电池实时的电致发光现象分析三结太阳电池的损伤情况, 并建立三维锗基太阳电池模型, 借助有限元分析软件COMSOL对连续激光辐照锗基太阳电池的温度分布进行仿真。结果表明: 在连续激光功率密度为72.5 W/cm2、辐照时间为41 s时, 三结太阳电池的顶电池出现轻微损伤, 损伤区域首先沿着栅线分布。在锗基太阳电池的仿真模型中, 电池的温度升高至1 318 K, 栅线引起了三结太阳电池热量传递方向的各项异性, 沿着栅线具有更高的热传导速率。仿真结果能够对实验现象给予合理的解释。

光电子集成是当前光电技术和信息工程领域的新趋势和研究热点, 其中光源集成化和工艺相容性已成为制约其进一步发展和应用的关键问题。报道了一种设计简单的、可直接集成在硅衬底上面的激子型激光二极管器件和工艺。基于岛状多晶氧化锌薄膜构建了一个金属/绝缘体/半导体(Au/MgO/ZnO MIS)异质结器件。利用Si衬底与ZnO外延层之间天然的大晶格失配, 诱导ZnO薄膜表面形成了高度无序的多晶岛状纳米结构, 从而在异质结激活层(ZnO/MgO界面区域)形成了高度无序的折射率随空间变化的散射介质。这极大增强了光学散射, 有利于获得低阈值的随机激射。文中这种简单的光源器件结构设计和制备工艺提供了一种自下而上的实现氧化锌基集成光电子器件的新思路。

为了在单片上实现半导体激光二极管与探测器的集成, 开展了外延材料生长及结构工艺的设计研究。通过刻蚀工艺引入隔离区的方法制备了集成背光探测器的1.3 μm InGaAsP/InP半导体激光二极管芯片。管芯的光电性能测试显示, 激光二极管具有较低的阈值电流17.62 mA, 较高的斜率效率0.13 mW/mA, 输出功率可达11 mW; 在-0.7 V的反向偏压下, 探测器区域对光信号具有良好的线性响应, MPD的光电流超过0.3 mA, 在-1.7 V的反向偏压下, 暗电流可低至25 nA。

光纤通信技术占据了目前通信传输的主要地位, 但基于波分复用技术的单模光纤通信系统目前则面临着严重的信道容量危机, 因此基于多模/少模光纤的模分复用技术逐渐得到了人们的重视。模式转换器是模分复用技术中的重要器件之一, 而长周期光纤光栅是一种很好的全光纤模式转换器。在利用长周期光纤光栅完成LP01到LP11模式转换的基础上, 这种新型的模式转换器利用多模光纤消除了模式间干涉, 从而使模式转换的模式纯度更高、稳定性更好, 在模式转换效率达到99.5%的同时还可以保证几乎没有模式间干涉现象的产生。同时, 这种模式转换器的多种传感特性也良好, 其对拉力有着很好的线性灵敏性, 可以达到2.83 nm/N和5.66 dB/N, 因此此结构在未来的模分复用及传感领域会有重要的作用。

根据弱湍流信道中对数正态分布模型, 建立了紫外光非直视分集接收系统。采用开关键控(OOK)调制, 在不同闪烁指数和接收天线数下, 分别对比分析了最大比合并(MRC)、等增益合并(EGC)和选择性合并(SC)的误码性能。仿真结果表明, 相比于无分集情况, 采用三种合并方式的误码率性能有明显提升。在接收天线数相同的情况下, 三种合并方式中, MRC的性能最优, 其次是EGC, SC的性能最差。对比分析了不同接收天线数时的误码率性能, 随着接收天线数的增加, 三种合并方式的误码性能得到了较大改善。在弱湍流信道中, 采用分集接收技术能够减轻衰落的影响, 提高分集增益。

宽带光纤λ/4波片是一种特殊的变速旋转型双折射光纤。当其旋转速度由小到大逐渐增加时, 可将输入的线偏振光转换为圆偏振光, 同时具有理想的偏振变换带宽。结合全光纤电流互感器的光路模型, 分析了宽带光纤λ/4波片的特性对互感器标度因数稳定性的影响。通过在邦加球上的轨迹, 对宽带光纤波片快转端的本征态及两正交本征态间的耦合系数进行了实验研究, 测量了其随温度的变化。实验结果表明, 当波片转速变化曲线满足一定条件时, 宽带光纤λ/4波片的温度效应对电流互感器标度因数稳定性的影响小于0.2%, 远小于窄带光纤λ/4波片的影响。利用宽带光纤λ/4波片可有效提高光纤电流互感器系统的温度稳定性。

为识别空间外差光谱仪探测目标干涉信号的特征信息, 提出一种基于经验模态分解与回归分析的空间干涉谱目标提取方法。首先对预处理后的光谱进行经验模态自适应分解, 得到各阶次固有模态分量并分别计算它们与原始光谱信号的Pearson相关系数, 根据相关系数分选准则判定背景与目标信息重构的分界点。然后计算重构背景与实测背景间的Pearson相关系数来判定经验模态分解结果。对信号主导的固有模态分量利用小波软阈值进行消噪,重构较纯净的目标特征信息; 利用目标特征信息与原始干涉光谱信息进行多元线性回归分析获得最佳的近似滤波系数, 构造滤波器并应用到目标信号, 提取目标。最后通过差谱信号与提取的目标光谱的Pearson相关系数来判别提取的目标信号。实验结果表明: 经验模态分解可将背景与目标近似分离; 在未知背景信号情况下, 利用经验模态分解与回归分析可实现钾共振双线特征光谱的提取。

针对传统的基于单线激光雷达的匹配方法在多障碍物环境下匹配精度低的问题, 提出了一种基于图论的匹配方法。该方法从数据点集中提取出具有凹凸性质的特征点, 提取对应的线段并构建属性图模型, 将点集配准问题转化为属性图匹配问题。与传统的基于线段的匹配算法相比, 所提方法基于图模型引入了更多的线段之间的几何关系, 使算法可以适用于多障碍物环境以及动态多障碍物环境; 与传统的基于点的匹配方法相比, 该方法依据特征点组成的线段进行几何意义上的匹配, 通过属性图模型快速找到局部观测数据与全局数据的最佳匹配, 提升了运算效率, 同时也避免了传统方法易陷入局部最优解的缺点。

近年来, 偏振关联成像受到了研究学者的广泛关注, 其在目标探测、特征提取等领域有着一定的应用价值。全Stokes偏振关联成像系统可以获得目标的多个偏振态图像, 利用这些图像可分别从不同的角度分析目标的本征偏振信息, 但是这些图像之间具有很强的互补性和冗余性。为此将HSL-RGB图像融合技术应用于偏振关联成像系统中, 将系统获取的多个偏振图像进行有效地融合, 来全面描述目标结构, 提高目标探测识别效能。实验结果表明该融合技术在提高偏振关联成像系统识别和探测性能上效果显著。

细胞可对外界施加力的作用, 从而感知外界环境并做出力学响应。聚二甲基硅氧烷(PDMS)微柱阵列被广泛应用于细胞力测量, 通过测量微柱顶面在细胞力作用下的位移量, 获得细胞力的大小及方向。然而, 由于PDMS微柱的高透明度, 当利用明场显微图像进行图像处理计算微柱位移量时, 提取微柱端面质心的算法较为复杂。提出了一种利用磁珠修饰微柱端面使其不透光的方法, 以降低图像处理算法复杂度, 同时提高微柱位置的识别精度。磁珠在外界磁场作用下被引入模具, 向模具中浇铸PDMS后, 得到端面嵌有磁珠的不透光PDMS微柱。修饰过后的微柱, 其端面会在倒置显微镜下形成实心圆形图案, 可以直接用regionprops函数计算出实心圆形图案的质心; 未经修饰的微柱, 在倒置显微镜下形成环形图案, 需要用运算更为复杂的霍夫变换来计算环形图案质心。实验结果表明: 该PDMS微柱修饰方法能使微柱端面与基底的对比度得到很大提高, 因此在提取端面质心时, 不需要用到霍夫变换, 减小了图像处理中算法的复杂度, 并且提高了微柱定位的精度。

针对目标跟踪中因目标遮挡、目标出视野导致的跟踪失败问题, 为提高相关滤波目标跟踪算法的鲁棒性, 提出了一种基于双步相关滤波的目标跟踪算法。首先根据方向梯度直方图特征不同单元大小目标表征的特点, 提出双步相关滤波目标跟踪框架, 在提高目标跟踪精度的同时保证了跟踪速度; 然后融合多种目标特征, 来获得目标更加全面的特征表征, 以提高目标跟踪的鲁棒性; 最后提出基于目标跟踪置信度指标的目标模板自适应更新策略, 来解决目标遮挡时目标模板被污染的问题。实验在OTB100标准目标跟踪数据集上进行验证, 通过与其他跟踪算法进行比较结果表明, 该算法与其中最优跟踪算法相比, 目标跟踪精度提升6.0%, 目标跟踪成功率提升5.5%, 平均跟踪速度为27.4 fps, 保证了目标跟踪的实时性。实际目标跟踪应用中, 在目标严重遮挡等情况下, 该算法仍然可以对目标进行稳定精确地跟踪。

相干测风激光雷达具有风场测量精度高、高时空分辨率、探测范围广等突出优点, 已广泛应用于风切变探测、飞机尾流探测、风力发电和大气湍流探测等方面。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是激光雷达信号处理的难点。基于大气分层模型仿真生成相干激光雷达大气回波信号, 对模拟回波信号应用不同的时频分布进行时频分析。随后对比了时频分析的效果, 自适应最优核时频分布具有运算量小, 交叉项抑制效果好, 时频聚集度高等优点。最后, 使用1.5 μm相干多普勒激光雷达于2017年3月份在安徽合肥进行实地观测, 将自适应最优核时频分布应用于实测数据, 与传统的快速傅里叶方法对比风速反演结果。结果表明: 自适应最优核时频分布能更好地反映出风速细节信息, 3 km内距离分辨率为1.2 m, 3 km后经平滑保持了对远场弱信号风速估计的连续性, 时间分辨率为1 s时其最远水平探测范围约在6 km。

基于2006年6月至2016年12月期间CALIPSO星载激光雷达卫星观测资料, 分析了东中国海的渤海、黄海和东海海域的气溶胶时空分布特征。结果表明: (1) 三个海域的主要气溶胶构成都是清洁海洋型、沙尘型和污染大陆型三种类型气溶胶, 三者百分比之和均达到目标海域气溶胶成分的90%, 而具体占比最大、起主导作用的气溶胶类型在不同海域并不相同; (2) 三个海域随着高度升高气溶胶整体均为指数衰减趋势, 其中4 km高度以下各气溶胶类型变化显著, 4 km以上区域均只剩下沙尘型、污染沙尘型和煤烟型的气溶胶存在; (3) 几乎所有气溶胶类型都会随着月份和季节上的更替变化而变化, 春季各海域都是沙尘型气溶胶占比最大, 夏季清洁海洋型气溶胶影响最明显, 秋季和冬季期间东海地区以清洁海洋型气溶胶为主, 而渤海和黄海均是沙尘型气溶胶为主。

利用1 550 nm波长的可调谐光纤激光器, 建立了DSAL(Differential synthetic aperture ladar)高分辨率成像演示实验装置。在1.85 m的目标距离上, 开展了合作目标的DSAL成像实验。利用基本的DSAL成像理论, 重构了目标回波的相位史数据, 实现了高分辨率合成孔径成像。详细给出了不同方位运动条件下获得的DSAL图像。实验结果表明: 利用经过DSAL技术重建后的目标回波相位史数据, 能够形成聚焦良好的高分辨率DSAL图像。这显示了DSAL技术对共模相位误差的稳健消除能力。此外, 不同方位运动条件下的DSAL成像结果表明, 在超过规定方位运动速度30%的范围内, 均可观察到良好聚焦或至少可接受的DSAL图像, 表明DSAL系统对方位运动速度变化有一定范围的适应能力。

水汽混合比的标定是水汽拉曼激光雷达的一个重要问题。利用两台输出激光波长分别为532.1 nm和659.7 nm的两台YAG激光器, 建立了一台能够实现水汽混合比自标定的双波长激光雷达, 并开展了双波长激光雷达的探测性能测试试验。通过分析测量数据表明该激光雷达的探测性能能够满足水汽混合比自标定的要求。根据实测的大气气溶胶垂直分布, 在气溶胶散射比大约为1.01的高度范围内, 得到了该双波长激光雷达测量氮气混合比的标定常数为0.545±0.031, 相对误差为5.7%。这是实现水汽混合比自标定的关键一步, 为水汽混合比的自标定奠定了基础。

针对机载合成孔径激光雷达实测数据成像中旁瓣较高的问题, 提出一种新旁瓣抑制算法。压缩感知理论表明, 稀疏信号恢复重构过程的同时, 信号旁瓣会被压低, 但合成孔径激光雷达图像不是稀疏的。针对这一问题, 提出了一种基于改进SVA(Spatially Variant Apodization)和压缩感知重构SAL图像的旁瓣抑制算法。首先, 利用改进SVA算法将SAL图像变稀疏, 然后再利用压缩感知算法对稀疏图像进行恢复。分别对SAL仿真数据和实际高旁瓣SAL复图像进行抑制旁瓣处理。仿真结果表明: 该算法能够在保证主瓣不被展宽的前提下有效抑制SAL旁瓣。

分别利用高斯拟合估计算法(Gaussian fitting estimation algorithm, 以下简称Gauss估计算法)和最大似然(Maximum Likelihood, ML) 离散谱峰值(Discrete Spectral Peak, DSP)估计算法(ML DSP)处理实测回波信号, 计算得到风速扰动的功率谱密度(Power Spectral Density, PSD)。根据Kolmogorov湍流理论中PSD与频率的-5/3关系, 比较不同距离门下的PSD, 采用高频区域的风速误差作为风速估计性能参数, 分析比较不同距离情况下风速误差, 并利用自相关系数分析风速时间变化的相关性。结果表明: 在距离较低的探测区域Gauss估计算法的风速误差微弱小于对应的ML DSP估计算法, 二者之间的风速误差差值最多不超过0.05 m/s。而在距离较高的区域, 两种算法的风速误差差值从820 m处的0.06 m/s增加至1 200 m的0.16 m/s。在风速的时间相关性分析上, Gauss估计算法的风速时间自相关系数明显大于对应的ML DSP估计算法, 说明Gauss估计算法处理的风速数据更具有稳定性。

水汽分子的3ν强振动吸收带位于935 nm附近, 差分吸收激光雷达在这个波段具有高探测灵敏度。不幸这一波段位于Ti: Sapphire激光器增益带宽的边缘和Cr: Alexandrite激光器增益带宽之外, 染料激光器有较高的自发荧光成分而使其光谱纯度不高, 光参量频率转换器可以用作该波段水汽差分吸收激光雷达的发射机。动态稳定的环形谐振腔中有一对走离补偿的、70.7°切角的KTP非线性晶体。它由种子注入单纵模Nd: YAG激光器的二倍频532 nm光脉冲泵浦, 脉冲重复频率10 Hz。通过935 nm分布反馈半导体激光器种子注入和“ramp-hold-fire”方法, 主动锁定光参量振荡器谐振腔的腔长。发射机平均输出功率达到4.5 W, 脉冲长度6 ns, 光(532 nm)-光(935 nm)转换效率大于17%, 光频的短程和长程频率稳定性30 MHz(RMS)。光束质量M2大约7.8, 光谱纯度可以达到99.9%。它将是空间探测大气水汽廓线遥感器的候选光源之一。

高光谱分辨率激光雷达(High Spectral Resolution Lidar, HSRL)系统利用窄带滤波器将激光雷达回波信号中的大气粒子(云或气溶胶)散射和分子散射成分分开, 提升了云或气溶胶光学特性的反演质量。提出了一种基于HSRL探测原理的HSRL回波信号模拟方法, 其原理是利用CALIPSO云/气溶胶消光系数产品和数值天气预报数据被用来仿真星载HSRL 532 nm回波信号。两种典型的窄带光谱滤波器: FPI(Fabry-Pérot Interferometer)和碘吸收滤波器, 作为分子通道滤波器的性能通过仿真的星载HSRL回波信号进行分析。对三种典型: 晴空、卷云、气溶胶(两层厚云)的HSRL回波廓线进行详细的敏感分析表明碘分子吸收滤波器的性能明显优于FPI滤波器, 其中碘吸收滤波能保持可以忽略不计的相对偏差(<4.0×10-3%), 这是由低光学厚度(<1.0)的粒子后向散射效应引起的。但是, 如果FPI滤波器的粒子后向散射透过率能保持在10-3水平以下, 其仍不失为是一个好的选择。

气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等领域具有重要研究意义, 是大气监测的重要要素。为了更好地研究大气气溶胶光学特性及其时空变化特征, 山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了基于532 nm波长、单脉冲能量60 μJ、可进行三维扫描测量的气溶胶激光雷达。主要介绍了激光雷达的结构设计、技术指标、探测原理、探测模式、观测实验与数据分析。通过激光雷达在青岛小麦岛海洋环境监测站的观测实验数据, 分析了不同天气条件下的大气水平能见度, 验证了时间-高度显示、距离-高度显示与平面-位置显示测量模式的有效性。通过多种观测模式的数据, 利用Fernald方法反演了不同时刻的气溶胶消光系数, 并分析了气溶胶与云光学特性的时空变化特征。探测结果表明: 扫描式气溶胶激光雷达可以有效测量大气水平能见度, 通过扫描系统可以获取不同方向的气溶胶性质分布特征从而扩展了其探测范围。多种探测模式相结合可以获取云、气溶胶和边界层时空变化特征。

为了提高大口径望远镜的抗风载扰动能力和对目标的跟踪精度, 要求望远镜控制系统有较好的动态性能和稳态跟踪精度, 望远镜的闭环控制带宽决定了控制系统的跟踪性能。因此, 首先根据望远镜结构的二质弹簧质量模型, 分析影响望远镜控制系统闭环带宽和动态响应的因素, 进而介绍提高闭环控制系统带宽的两种方法: 结构滤波器方法和加速度反馈控制方法; 然后, 详细分析了结构滤波器的设计方法及其望远镜控制系统中的应用; 最后, 分析了基于加速度反馈控制的设计方法以及该控制策略对提高望远镜控制系统闭环带宽的有效性。通过实验结果可以看出, 加速度反馈控制方法对提高望远镜镜控制系统闭环带宽更加有效。

开展了脉冲激光大光斑辐照空间碎片冲量耦合特性研究, 即激光烧蚀光斑尺寸略小于碎片尺寸下的冲量耦合特性, 对比实验研究了平面状碎片在激光大光斑辐照和小光斑辐照下的冲量耦合特性, 以及大光斑辐照下光斑尺寸和形状因素对冲量耦合特性的影响规律, 并结合实验研究结论验证了理论研究的合理性。研究结果表明: 相同激光功率密度下小光斑辐照比大光斑辐照的冲量耦合系数高; 大光斑辐照下冲量耦合系数主要受激光功率密度影响, 光斑尺寸对冲量耦合系数的影响较小; 采用大光斑辐照下冲量耦合系数的理论计算结果更接近于实验结果。上述实验研究成果对激光辐照不规则空间碎片理论研究具有一定的实验指导意义。

卫星的温度变化直接影响着电子器件的工作性能, 为了研究辐冷板的温升效应对电子器件温度的影响, 通过分析辐冷板的散热机理和辐冷板工作特性, 采用有限元分析软件, 对简化后的辐冷板模型进行了激光辐照热效应计算分析。以脉冲激光作为辐射源, 对辐冷板进行照射, 通过对其表面温度场进行数值模拟, 得到了在脉冲激光照射下的瞬态温度场分布, 并对模拟结果进行了分析和研究。发现电子器件在没有散热的情况下温度将升高64.5 K, 在最大工作状态时激光的照射将严重影响热管的工作性能, 而且热管的非正常工作将使电子器件温度升高, 影响电子器件正常运行, 为星上温度影响电子器件性能实验奠定了理论基础。

在高功率激光系统中, 光学薄膜元件表面杂质和体内节瘤缺陷是导致薄膜元件损伤的关键因素。通过建立强激光连续辐照下光学薄膜元件的热分析模型, 分析在不同激光辐照时间和功率密度下, 表面杂质和节瘤缺陷对光学薄膜元件损伤的影响及其规律。结果表明, 在强激光连续辐照下, 当表面杂质粒子尺寸处于一定范围内时, 随着杂质粒子尺寸的增大, 薄膜元件上的最高温度随之升高, 且大而浅的节瘤缺陷种子对膜层的温升影响较大。随着激光功率密度的提高和激光辐照时间的增长, 表面杂质造成薄膜元件热熔融损伤的粒子尺寸范围越大, 节瘤缺陷造成薄膜元件热熔融损伤的种子深度和尺寸范围也越大。