基于稀疏限制的鬼成像雷达(Ghost Imaging Lidar via Sparsity Constraints, GISC Lidar)属于一种全新的凝视成像雷达体制, 具有探测灵敏度高、超分辨以及较好的抗干扰能力等特点。为了将GISC Lidar进行应用成果转化, 文中在简述GISC Lidar机理和近期国内外研究进展基础之上, 重点介绍了面向实际应用时GISC Lidar所需解决的核心问题以及该课题组在近期取得的主要研究成果, 进而对GISC Lidar的发展趋势进行了展望和探讨。

根据大气观测目标, 从云-气溶胶、风场和大气分子三个主要方向对天基激光雷达在大气环境观测领域的应用、配置和相关技术发展进行了分析, 研究了天基大气环境探测激光雷达的探测机制、技术体制、系统配置、应用现状、适用范围、约束条件等, 提出天基大气环境观测激光雷达载荷研制应根据任务应用需求、科学和工程目标、各技术体制特点和器件及处理技术特点合理制定指标体系, 充分发挥激光技术长项, 与其他载荷手段优化配置, 技术研究方面应扬长补短短, 并在此基础上展望了天基大气环境观测技术和应用的发展趋势、研究热点及其应用拓展。

激光相干探测具有灵敏度高、携带信息丰富等优势, 在**、测绘、通信等领域得到了广泛的应用, 特别是在激光雷达和激光通信领域的应用发展迅速, 但在激光引信领域尚没有大规模地开展。相干探测应用到激光引信是通过检测激光多普勒信号获得目标的相对速度信息, 利用速度差别极大地提高激光引信抗自然环境的干扰能力。介绍了相干探测的原理及特点, 详述了四种相干激光引信体制, 针对典型的线性调频相干激光引信, 对其工作原理及系统组成进行了介绍。目前相干探测激光引信技术尚处于起步阶段, 由于该体制可以极大提升激光引信的抗干扰能力及作用距离等综合性能, 具有广阔的应用前景, 值得各相关研究机构进行深入研究, 进而加快相干激光引信的工程化应用进程。

针对空空导弹激光引信易受云烟雾、地海杂波干扰的问题, 提出了一种适用于空空导弹的激光灰度成像引信技术。采用推扫式线阵成像探测方式, 即随着弹目交会运动并根据激光回波幅度对目标逐行扫描灰度成像。通过渐进式目标识别算法处理逐行累积而成的灰度轮廓像可实现激光引信精细化探测, 从而提高其抗干扰的能力。原理样机试验验证数据表明, 激光灰度成像技术可较好地运用到激光引信中, 验证试验获取的图像、数据, 为激光引信抗干扰研究提供了技术储备。

针对预制破片弹破片飞散的特点, 提出了一种基于激光近炸引信控制的预制破片战斗部引战配合的设计思路。通过公式推导、Matlab软件仿真和计算预制破片战斗部对等效面积靶板的毁伤, 获得战斗部理想的起爆高度。在理想起爆高度条件下, 选择合适的激光探测视场进行引信设计, 从而完成预制破片弹引战配合在特定条件下的最优设计。结果表明: 在导弹散布误差为5 m、俯仰角为60°, 攻击目标特征为5 m×3 m×3 m的指挥车时, 战斗部起爆高度在4～6 m间, 命中目标的有效破片密度最大, 在此起爆高度内对引信的探测概率和探测高度进行分析、计算得出: 激光引信最优光束发射角在17°～30°。这种引战配合设计对于激光引信控制的预制破片弹的工程应用具有实际的参考价值。

激光引信具有抗电磁干扰能力强、定角/测距精度高和系统体积小等优点, 因较高的虚警率在防空导弹领域未得到的广泛应用。通过对信号特征提取方法的等级分析, 讨论了激光引信回波信号的能量、延时、脉宽特征提取方法以及信息融合对抗干扰性能和引战配合效率的贡献。以防空导弹周视激光引信为背景, 采用线阵探测器, 设计了一种基于多特征的目标识别算法, 明显提高了目标探测的可靠性, 具备在110 m能见度下正确检测典型反舰导弹目标的能力。

为全面评价激光定距引信的探测能力, 确定其随距离变化的规律, 通过推导脉冲激光测距回波方程, 建立脉冲激光测距数据分布解析方程并提出误差量化评价方法。仿真分析并评估了探测距离对回波信号及探测能力各指标的影响, 最后通过试验得到验证。结果表明: 可靠测程内, 引信可实现可靠探测, 随探测距离减小, 测距随机误差先减小后增加, 系统误差逐渐增加; 引信最大可靠测程为84.8 m, 测程内随机误差为0.22~0.73 m, 满足引信远程定距的需求; 提高阈值可明显改善测距误差, 但会造成可靠测程减小。所得探测能力变化规律与评价方法可为脉冲激光引信设计与应用提供理论依据。

面源红外诱饵干扰效能评估系统的建立, 是进行效能评估的关键环节。考虑实验条件的偶然性和测试成本的经济性, 提出了建立面源红外诱饵干扰效能评估仿真系统的思路。首先, 建立了飞机和导弹数学模型, 充分考虑其运动规律和辐射因素, 并加入算法优化模型; 其次, 建立了面源红外诱饵的运动扩散模型和红外图像模型, 通过燃烧优化算法提高求解效率; 最后, 选择了干扰效能评估的指标,通过算例仿真并与实测数据进行对比, 验证仿真系统的合理性。仿真结果表明: 建立的效能评估仿真系统可行有效, 与实验测试结果很接近, 达到了对面源诱饵干扰效能进行评估的要求。

伪装遮障大都有复杂的表面结构, 直接建模计算对计算能力要求极高。表面结构对周围流场产生扰动影响对流传热, 进而影响伪装表面温度。文中通过不断调整参数得到对表面有相似影响的多孔介质, 实现伪装遮障表面结构到多孔介质的简化。采用局部建模的方法, 分析三种典型伪装遮障表面结构对周围流场以及其温度场的影响, 进而将其简化为对应的多孔介质。结果表明: 将伪装遮障表面结构类比为多孔介质, 大大减少了计算量, 能够模拟大表面覆盖伪装遮障之后的表面温度, 评估其伪装效果。将该简化模型用于室外平房这一具体情境中, 分别模拟平房不加表面伪装和外加不同伪装遮障情况下, 其表面温度和表观温度在全天不同时段的变化。

为提高红外高光谱目标特性仿真的逼真度, 提出了一种辐射影响计算模型, 用于计算目标周围的建筑物对目标的最终辐射特性的影响。建立了一个虚拟实验场景, 设定场景的大气环境为1976年的美国标准大气。在建立的虚拟场景上在中波红外3.0~5.0 μm范围内以0.01 μm为步长对目标所受的辐射影响进行了仿真计算, 并将辐射影响与太阳辐射、目标自身辐射进行了比较。实验结果显示在中波红外的某些波段范围内, 相邻建筑单位面积的辐射影响亮度要高于太阳辐射亮度和目标自身辐射亮度。这表明在图像立方体的某些图像中, 辐射影响是成像的最主要的辐射源, 证明了多光谱/高光谱仿真情况下该模型的必要性和重要性。通过对仿真结果的分析, 确定了建筑表面温度、大气透过率和有效辐射面积是辐射影响因素中的三个关键因素。

传统三维制导律设计通常将三维空间分成垂直面和水平面分别考虑, 容易导致耦合信息的缺失, 同时没有考虑导弹红外导引头对导弹头部热流密度的限制和终端速度约束。针对以上问题, 基于具有推力可控能力的导弹, 在视线旋转坐标系的视线瞬时旋转平面内进行制导律设计。该制导律包含根据运动伪装理论设计的一种新的满足运动伪装条件的视线法方向加速度指令, 以及通过变系数加权法综合考虑导引头热流密度限制及终端速度约束的视线方向加速度指令。数值仿真结果表明了存在导引头初始对准误差时, 该制导律在满足红外导引头对导弹头部的热流密度限制、终端速度约束以及轴向过载限制下对高速机动目标制导性能良好, 视线角速率可控制在3 ( °)/s以下, 具有一定的工程应用价值。

针对合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar, SAL), 分析了信号相位误差对合成孔径成像的影响。建立了激光信号模型, 分析了激光信号相干性对 SAL方位分辨率的影响, 给出通过本振信号延时处理保证相干性的解决方案。分析了LFM信号非线性失真对距离分辨率的影响, 为同时解决激光LFM信号调制放大过程引入的脉冲间随机初相位问题, 提出一种基于参考通道的LFM信号非线性失真和脉冲间随机初相位定标校正方法。给出了实验和仿真数据处理结果。

相干测风激光雷达通过探测大气气溶胶的多普勒频移信息获取风速信息。其回波信号为微弱信号, 微弱信号中频率提取属于频率估计范畴。经补零处理后的快速傅里叶变换算法(补零FFT算法)应用于相干测风激光雷达频率估计, 具有算法简单, 运算速度快, 稳定性高等优点。与常用的频率估计算法脉冲对算法(PP算法)和改善型脉冲对算法进行比较, 验证了补零FFT算法在相干测风激光雷达微弱信号频率估计方面的明显优势。通过仿真软件MATLAB仿真非相参积累脉冲3 000次的前提下检测微弱信号(距离门宽度为128采样点)信噪比可达-26.6 dB。最后, 通过风场试验获取实测风速数据, 验证了补零FFT算法在相干测风激光雷达中应用的优越性。

采用5 kW横流CO2激光器对表面预涂覆HA和SiO2混合粉末的TC4钛合金激光熔覆获得低含硅量生物陶瓷涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)分析熔覆层的显微组织与物相成分, 通过模拟体液(SBF)浸泡实验初步探讨涂层的生物活性, 并通过电化学腐蚀中的动电位扫描实验研究涂层在SBF中的腐蚀行为。实验结果表明, 低含硅量生物陶瓷涂层与基体呈冶金结合, 在SBF中熔覆层的腐蚀电位与基材相比提高了84.4 mV, 腐蚀电流密度下降了约6倍, 在SBF中浸泡7天后熔覆层表面沉积了大量的类骨磷灰石, 熔覆层表现出良好的耐腐蚀性和生物相容性。

应用Top-hat Z-scan技术在波长为532 nm, 脉宽为190 fs激光脉冲下研究了CdTe和CdS量子点的光学非线性吸收和非线性折射特性。实验结果表明: 在飞秒激光脉冲作用下, CdTe量子点的非线性吸收表现为饱和吸收, CdS量子点表现为反饱和吸收。CdTe量子点的非线性折射表现为自散焦, CdS量子点表现为自聚焦。尺寸分别为2.6、2.4 nm 的CdTe量子点和CdS量子点的非线性吸收系数分别为-9.26×10-14、0.78×10-14 m/W, 非线性折射率系数分别为-0.86×10-20、1.46×10-20 m2/W, 三阶非线性极化率分别为2.72×10-15、1.36×10-15 esu。表明相近尺寸下不同材料的镉类半导体量子点的光学非线性吸收和非线性折射特性不同, 并对其机理进行分析。

结合激光深熔焊的焊接特性, 建立焊丝熔化后进入熔池过程的三维瞬态激光焊接热-流耦合模型。研究了焊丝熔化填充方式对匙孔三维形态、熔池流动行为的影响, 最后分析了焊丝熔化填充对匙孔稳定性的影响机制。计算结果表明, 焊丝熔化以自由过渡的形式落入熔池对匙孔的形态影响较大, 对匙孔前壁的挤压作用非常明显, 造成了匙孔闭合、倒塌的情况; 焊丝熔化沿熔池边缘流入熔池对匙孔的形态影响相对较小, 匙孔下部会出现内凹的现象。焊丝熔化进入熔池之后在匙孔后方的熔池会产生两个顺时针的流动漩涡, 流动漩涡的存在会使熔池内部流动行为更加复杂。

为了实现仿生复眼成像系统的误差分析, 介绍了一种误差分析的方法。建立了数学模型, 通过找出坐标系的基底转换矩阵实现大地坐标和以子眼为原点的坐标系之间的转换, 推导出当仿生复眼工作时其旋转角度与各参量之间的数量关系式, 即系统的测量方程。运用函数误差方法将测量方程转化为误差函数方程, 从而进行误差分析。并且搭建了实验, 采集了实验数据, 通过比对理论计算值与实际测量数据验证该分析方法的可行性。计算得系统理论旋转角度误差为 3′14″, 实际测得的旋转角度误差 3′15″, 理论计算值与实际测量值基本一致, 证明该误差分析方法是可行的。

龙虾眼透镜作为一种特殊的透射式反射聚焦元件, 在X射线等高能领域具有重要的应用价值, 并在可见光、红外波段具有潜在的应用前景。为提高龙虾眼透镜的成像质量, 从理论方面分析了变周期闪耀光栅的衍射干涉因子以及衍射场情况, 利用变周期闪耀光栅对龙虾眼通道内壁进行微整形, 并且对经过微整形之后的一维龙虾眼结构进行了聚焦光场分布计算。通过与之前结构的仿真对比, 结果表明: 焦距为100 mm时, 有效半口径为95 mm的现有结构在焦面处的弥散斑直径由10 mm减小至1 mm, 光能集中度由75%增大至89.62%, 并且在不同入射高度下焦平面处的光斑直径以及光能集中度均有提高。

为了研究典型地区大气气溶胶的谱分布和复折射率的特性, 综合运用了黑碳仪、能见度仪、积分浊度仪以及光学粒子计数器等仪器对大气气溶胶进行测量。根据球形粒子的Mie散射理论, 利用各仪器测量的数据反演得到气溶胶复折射率, 并分析了各个地区的粒子谱分布特征, 消光系数和吸收系数随波长的变化关系。结果表明, 新疆地区、天津地区、厦门地区及合肥地区的大气气溶胶折射率实部nr都在1.5左右,虚部ni分别为0.01、0.017、0.008和0.016。新疆地区的数浓度谱分布可以用Junge分布来描述, 天津地区、合肥地区和厦门地区数浓度谱分布可以用Junge分布和对数正态分布来共同描述。最后还对四地区气溶胶消光和吸收特性随波长的变化关系进行描述, 这对于研究气溶胶气候效应具有一定的参考价值。

偏振导航的有效性在很大程度上依赖于能否从不同大气状况中获取到有效的全天空偏振分布信息。文中依据矢量辐射大气传输方程仿真分析了无云晴空和混浊大气状况下的全天空偏振度和偏振角分布特征, 并研究了大气混浊度、太阳方位、观测高度和观测波段对偏振分布的影响, 进而探讨了不同大气状况下偏振导航的有效性。结果表明: 太阳位置决定了全天空偏振分布图景的整体形式; 混浊大气对近地层观测偏振信息的影响明显, 当整层光学厚度增大至2以上时, 偏振度将降低至0.1以下, 此时偏振信息的检测难度增大, 不利于导航, 而以晴空为主的中高层大气受混浊大气影响较小, 偏振信息稳定, 且符合Rayleigh单次散射分布特征, 可保证白天全时段导航的有效性; 在无云大气下, 可见光波段内长波段更适合作为偏振导航的观测波段。

针对多线阵CCD相机应用于航空、航天等大型装备测量过程中普遍存在的视场遮挡问题, 提出一种基于正交柱面成像的单目坐标测量方法。该方法由一个正交柱面成像相机和一个光立体靶组成, 应用空间后方交会原理, 无需多相机交会即可完成测量。分析了正交柱面相机的测量原理和内参校准过程, 设计了光立体靶的结构参数和标定方法。重点研究了正交柱面相机与光立体靶之间的配合测量过程, 并推导了坐标解算的数学模型。最后在测量场距离相机 3 m的1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm空间内, 在水平与竖直方向的距离测量精度优于0.4 mm, 深度方向的距离测量精度优于0.7 mm, 三维坐标测量误差小于0.5 mm。实验验证结果表明: 该方法有效, 可被灵活应用, 具有良好的测量精度。

地基SAR作为一种新型地面遥感技术, 因其高精度、全天候、设站灵活、实时连续观测等特点, 在微形变监测领域具有广泛的应用前景。在深入研究了地基SAR微形变监测关键技术问题的基础上, 结合基坑监测特点, 采用加权圆周中值滤波去噪, 提高干涉图信噪比, 削弱噪声引起的相位差; 提出了基于PSC网的气象改正, 减小气象扰动影响, 削弱大气相位差。并将改进方法应用到基坑监测实验。实验结果表明, 通过加权圆周中值滤波和PSC网的气象改正有效地削弱地基SAR基坑监测中噪声和大气引起的相位变化, 实现了亚毫米级的监测精度。为验证地基SAR监测的准确性, 利用高精度全站仪进行了同步观测, 监测结果表明二者高度一致, 进一步说明了地基SAR技术用于基坑微形变监测的可靠性和可行性。

随着通用计算和图形显示需求的不断增加, 图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)在医学、科学计算、图像处理等领域得到了广泛的应用。但它在三维测量领域的应用还只是一个开始。文中基于傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry, FTP)和三频外差法设计了两套三维测量系统, 并利用计算统一设备架构(Compute Unified Device Architecture, CUDA)方法, 加速了静态或动态物体的三维重建。在三频外差测量系统中, 需要利用高速数字投影模块和相机, 同步触发采集小视场表面的12个变形条纹图, 然后对图像数据进行处理。实验结果表明: 对12幅1 360 pixel×1 024 pixel大小的图像进行相位展开运算, GPU方法比CPU方法的效率提高了2 089倍。在基于FTP方法的测量系统中, 摄像机只需记录一幅变形条纹图, 然后拷贝到显存中, 并用CUDA编程的算法进行处理, 进而重建出物体的三维面形。基于GPU的FTP方法对一幅1 024 pixel×1 280 pixel大小的图像进行计算, 其计算时间比 CPU方法缩短了27倍。

在以正弦波为测量基准信号的激光脉冲飞行时间测距系统中, 由于高频信号之间的串扰或器件非线性等因素的影响, 将产生脉冲飞行时间周期误差, 导致测距精度降低。为此提出了一种利用测距仪在一定距离条件下的测量数据计算定时误差的方法, 通过最小二乘法拟合构造出一条含误差补偿功能曲线, 并将该曲线进行离散化处理, 将离散化数据存入单片机内, 在距离测量时以含误差补偿功能曲线作为测量基准, 实现对脉冲飞行时间周期误差的补偿。该方法具有原理简单、数据可靠、操作方便等优点。所研制的激光脉冲测距仪经过误差补偿后, 测距误差小于±3 mm。

针对影响光电平台控制精度的载体速度扰动以及测量噪声等因素, 设计了扰动自抗扰以及滤波控制的两部分控制策略。首先, 通过分析光电平台伺服系统速度稳定环的数学模型中扰动作用原理, 等效各个扰动作用并提出扰动总和思想, 设计了基于降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器。其次, 利用卡尔曼滤波器对系统中测量噪声进行了滤波处理, 降低了扩张状态观测器的估计误差。最后, 详细地进行了传统PI控制系统与文中设计的卡尔曼自抗扰控制系统的对比实验。实验结果表明, 在设计带宽相同的情况下, 卡尔曼自抗扰控制系统相比PI控制系统的阶跃响应稳定时间减小32.53%, 超调幅值减小72.73%; 当使用摇摆台引入幅值为1°频率、在2.5 Hz以内的正弦扰动时, 卡尔曼自抗扰控制系统较PI控制系统的扰动隔离度提升了54.67%以上; 在系统模型参数改变±15%范围内, 卡尔曼自抗扰控制系统仍具有优异的扰动隔离性能, 表现出较强鲁棒性, 满足光电平台视轴稳定的性能要求, 对提升视轴稳定精度有较高实用价值。

针对某2 m望远镜消旋K镜转台, 提出了一种基于Hankel矩阵奇异值分解的特征系统实现算法对系统的参数和阶次进行辨识。首先, 以正弦扫描信号激励转台并同步采集位置反馈信息, 利用谱分析法对测试数据进行分析, 得到了系统的频率特性曲线; 其次, 对系统的Hankel矩阵进行奇异值分解, 得到了K镜转台的结构模型; 最后, 采用特征系统实现算法对Hankel矩阵进行辨识, 得到了K镜转台的参数模型。实验结果显示: K镜转台相对均衡的最小阶阶次为6阶, 在系统的中低频段获得幅度±0.31 dB和相位±0.87°的辨识精度, 相对于参数递阶辨识方法, 分别提高了50.7%和23%。结果表明: 该方法能够确定一个与系统外特性“等价”的相对均衡的最小阶状态空间模型, 在辨识系统阶次和参数估计方面具有较好的可行性和实用性。

为了保证月基极紫外相机能够准确地对地指向, 实现对地球周围等离子体层产生的30.4 nm辐射进行全方位、长期的观测研究, 设计并研制了指向机构控制系统。首先介绍了指向机构控制系统的构成及工作原理; 其次对系统的关键模块进行详细设计; 然后提出了一种基于霍尔传感器定位的控制算法; 最后对系统的误差源进行详细分析。误差计算和月球表面工作的结果表明: 基于霍尔传感器定位的控制算法正确、有效, 指向机构控制系统对地指向的控制误差≤0.1°, 满足极紫外相机技术指标要求。

太赫兹波成像技术在人体安检、医学成像、无损检测等领域具有广泛的应用前景。文中面向高速、高灵敏度和便携式太赫兹成像应用需求, 设计实现了一种基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管自混频检测机制的太赫兹焦平面成像传感器。该焦平面成像传感器由探测器阵列芯片和CMOS读出电路通过倒装互连实现, 阵列规模达到32×32。探测器阵列中具有对管差分功能的像元设计通过提高探测器的电压响应度和抑制共模电压噪声, 提高了焦平面成像的灵敏度。焦平面成像传感器的输出模拟信号通过片外的模数转换(ADC)芯片转化为数字信号, 由现场可编程门阵列(FPGA)采集后通过Camera Link图像数据与通信接口发送到计算机。利用该焦平面成像传感器, 演示实现了太赫兹光斑、太赫兹干涉环和太赫兹光照下的旋转塑料叶片的视频成像, 帧频达到30 Hz。

多谱带滤光片是航天光学遥感相机上的关键器件。其兼具多个谱带滤光及探测器封装的功能, 特征尺寸多, 膜系复杂, 其设计及考核过程相比全色或单谱带滤光片要复杂得多。介绍了多谱带滤光片的基片外形尺寸、滤光窗口尺寸、像元位置标识窗口、封装对准标识等关键特征尺寸的设计及计算方法。分析了滤光片的设计加工误差对滤光片与光敏芯片的封装对准精度、探测器在焦平面上的配准拼接以及相机的光谱响应特性等的影响。并基于现有的航天器环境考核方法提出了一套针对多谱带滤光片的环境考核流程和测试方法。最后给出了某相机多谱带滤光片的设计及考核应用实例。

相关双采样技术作为CCD视频信号标准预处理技术之一, 能有效地抑制CCD复位噪声。双采样时钟位置是相关双采样技术中的关键参数。针对自动确定采样时钟位置这一问题, 提出了类对比度评价函数, 通过固定场景改变信号采样时钟位置和复位采样时钟位置, 最大化类对比度评价函数, 自动确定CCD相关双采样时钟位置, 并对类对比度作为评价函数的原理进行了详细的论证。为了验证算法的有效性, 设计了验证平台。实验表明: 该方法能够有效地确定相关双采样时钟的位置, 而且算法确定的位置不稳定度低至3%,对不同亮度具有较强的鲁棒性, 同时该方法相对于传统方法能够有效提高获取图像的信噪比。

基于米氏散射理论, 建立了光学元件基板不同疵病等级光学元件的散射模型, 进而定量分析了元件表面存在粒子污染时的基板缺陷复制引起的表面散射特性。在此基础上, 以R-C光学系统为例, 利用ASAP(Advanced System Analysis Program)光学分析软件, 针对主镜表面存在粒子污染的情况, 仿真计算和分析系统主镜基板不同疵病等级的杂散辐射特性, 并根据信噪比的计算方法, 对系统信噪比进行了计算和分析。结果表明: 当天空背景辐射温度不变时, 随着主镜基板疵病等级的增加, 系统信噪比明显减小。当主镜基板疵病等级不变时, 随着天空背景辐射温度的升高, 主镜基板不同疵病等级对信噪比的影响逐渐减小。当天空背景温度为200 K时, 对于主镜表面粒子污染为300等级(粒子表面覆盖率为0.03%), 且其基板疵病等级分别为I-10、I-20、I-30、II和III五种情况, 计算得到系统相对信噪比(相对于理想主镜)分别为0.932、0.920、0.906、0.832和0.807。由此可见, 当元件光学特性变差时, 为保证微弱信号的有效探测, 必须将疵病等级严格控制在II级以内。

针对市场上现有红外广角镜头大多采用定焦结构且缺乏无热化设计的现状, 根据光学变焦系统的设计原理, 设计了一种有效焦距范围为10~24 mm(变倍比为2.4:1)、视场角变化范围为34°~90°、工作波段为8~12 μm、F/#为2.8的无热化连续变焦广角镜头。考虑到红外镜头多用在温度变化较大的使用环境中, 系统设计选用了硫系玻璃NBU-IR2(Ge20Sb15Se65)以及常规红外材料锗(Ge)和硫化锌(ZnS)制备的六片镜片, 通过合理分配各个镜片的光焦度及其空气间隔等参数, 在连续变焦设计的基础上实现了无热化的光学设计效果。实验结果显示, 系统在-40~60 ℃的温度范围内均可实现品质良好的红外热成像效果, 调制传递函数全视场范围内均大于0.25。系统结构较为紧凑简单、质量较轻, 仅在一片硫系玻璃镜片上设计了一处非球面, 可有效控制光学系统的加工成本。整体设计适用于车载夜视等应用领域。

为研究多态生物颗粒对目标探测等电磁设备的影响, 将制备出的絮状生物颗粒等效为子弹玫瑰花型粒子, 构建不同分枝数目和分枝长度的生物颗粒, 采用离散偶极子近似法计算生物颗粒消光效率因子。结果表明: 生物颗粒结构对宽波段消光性能存在较大影响。远红外波段, 生物颗粒消光性能与分枝数目和分枝长度成正相关; 毫米波段, 生物颗粒消光性能与颗粒分枝长度成正相关, 与分枝数目关系很小。在研究消光效率因子与分枝数目和分枝长度关系的基础上, 构建了生物颗粒远红外波段平均消光效率因子模型。模型的构建将为生物颗粒宽波段消光性能研究以及形态控制提供参考。

针对目前消光材料实验室动态测试的现状和不足, 提出了基于单光路实现生物材料紫外、红外复合消光性能的测试装置和方法。设计和制作了生物材料紫外、红外复合消光性能的测试装置, 利用上述装置测试了真菌LZ0926孢子, 得到了烟幕箱自制生物材料烟幕的紫外、红外波段平均透过率及质量浓度分别为29.597%、14.514%、0.389 g/m3, 通过数据处理系统得到了生物材料紫外、红外波段平均质量消光系数分别为0.794 75 m2/g, 1.241 59 m2/g。实验结果表明: 该装置成功地利用单光路实现了生物材料的紫外、红外波段的复合消光性能测试, 进一步丰富了生物材料多波段消光性能的测试手段。

主要研究了离子束溅射制备的氧化钽薄膜在大气氛围下热处理对其光学特性的影响规律。实验中热处理温度范围的选择为150~550 ℃, 间隔为200 ℃。研究中分别采用介电常数的Cody-Lorentz色散模型和振子模型对氧化钽薄膜的能带特性(1~4 eV)和红外波段(400~4 000 cm-1)的微结构振动特性进行了表征。研究结果表明, 在150 ℃和350 ℃之间出现热处理温度转折点, 即热处理温度高于此值时消光系数增加。Urbach能量的变化与消光系数趋势相同, 而禁带宽度的变化与消光系数恰好相反。通过红外微结构振动特性分析, 薄膜中仍存在亚氧化物的化学计量缺陷。

利用CSK算法从图像碎 片中提取运动目标的一个最小二乘分类, 引入多通道颜色特征标定运动目标, 通过当前图片碎片中的核函数周期性假设循环结构, 一定程度拟补CSK算法使用目标灰度特征描述能力的不足。采用PCA降低特征维度并去除特征冗余信息, 提高分类器参数更新速度, 解决了CSK算法分类器参数更新线性化、无法适应目标发生较大变化时的运动目标跟踪问题。利用benchmark测试平台的算法集与测试数据集进行了实验, 目标颜色核相关跟踪算法(TCKCT) 的实验结果表明, 对光照变化、背景杂乱、目标形变、目标运动速度较快、目标运动幅度较大的情况下, 算法都有较好的跟踪效果。无人机跟踪遥控小车的物理实验结果, 进一步验证了TCKCT算法特性, 良好的实时性能够满足无人机目标跟踪要求, 具有良好的实际应用前景。

为获取光学目标更多的特征信息、达到目标识别的目的, 文中利用不同目标回波特征受到湍流大气调制作用的差异性, 将目标回波的闪烁效应作为目标识别的手段之一。采用功率谱反演法生成随机相位屏模拟双程湍流大气扰动, 利用硬边光阑展开为有限级数和的形式以及Collins衍射积分公式推导角反射器、镜头目标和朗伯漫反射体的反射光的复振幅分布, 通过原路返回处的光强分布得到反射光的闪烁指数。分析了湍流强度和目标尺寸对上述三种目标回波的闪烁指数的影响, 并进行了实验验证。研究结果表明: 光学目标与漫反射目标回波的闪烁指数差别明显, 整体相差一个数量级, 随着口径的增大, 光学目标回波闪烁指数整体上呈现减小的趋势; 角反射器和镜头目标回波的闪烁指数在数值上差别不明显, 但可以通过多组测试结果绘制回波闪烁指数随时间的变化曲线的方法将二者进行大致的区分。该方法可以快速地从漫反射背景中识别出光学目标, 同时也为光学目标的分类识别提供了参考价值。