计算技术的引入给超快光纤激光带来了全新的研究方法和实际效果。文中简要总结计算技术应用于脉冲光纤激光的研究历程, 梳理发展脉络, 全面展示了计算技术促进超快光纤激光研究发展的使能特性。计算技术与超快光纤研究的进一步深度融合, 有可能开辟新的研究与应用领域。

超快光纤激光器已成为超短脉冲光源的理想选择对象并得到实际应用。由于光束直径受限于光纤截面及光与光纤的长相互作用距离, 非线性效应不可避免。在非线性效应导致的脉冲分裂出现之前, 在合适的条件下超快光纤激光器可以实现输出的周期分岔。周期分岔是指输出脉冲的参数以腔长的倍数为固定周期重复出现。周期分岔是非线性系统的本征特性之一, 广泛存在于所有非线性系统中。文中对超快光纤激光器中的周期分岔的研究进展进行了详细综述, 重点分析了不同色散区间周期分岔的表征特性, 并对矢量孤子的周期分岔特性, 以及多脉冲情况下的周期分岔特性进行讨论。

脉冲光纤激光器在加工、光通信、生物医学、非线性研究等领域有很大的应用前景, 所以得到了广泛的关注。为了得到脉冲激光输出需要使用饱和吸收体, 其中二维材料具有独特的光电特性, 在光学和光电器件中已经有很多的应用, 尤其是二维材料具备良好的饱和吸收, 制备工艺简单, 易与光纤系统集成, 工作波长宽等特点, 被广泛地应用于脉冲光纤激光器。文中回顾了二维材料和光纤的集成方式以及相应的脉冲光纤激光器的输出特性, 并且对这类脉冲光纤激光器进行了外场调控的研究。

高功率全光纤中红外超连续光源在基础科学研究、环境、医疗以及**安全等领域有着重要应用。目前用于研制上述光源所用的非线性介质为氟化物玻璃光纤。但是氟化物玻璃光纤的损伤阈值低、化学稳性差, 这在一定程度上影响了氟化物玻璃光纤在实用化高功率中红外光源研制中的应用。为了进一步提升中红外超连续光源的性能和研制实用化高功率中红外超连续光源, 最近制备出了一种具有较好热稳定性和化学稳定性的氟碲酸盐玻璃(TeO2-BaF2-Y2O3, TBY), 并利用其作为基质材料, 设计制备出了一系列氟碲酸盐玻璃光纤。利用这些光纤作为非线性介质, 研制出了光谱范围覆盖1.4~4 ?滋m的高相干超连续光源, 光谱范围覆盖0.4~5.14 ?滋m的宽带超连续光源和平均功率大于10 W、光谱范围覆盖947~3 934 nm的超连续光源。

1.0 μm波段的超短脉冲激光器在激光加工、光学精密测量和生物医学等领域具有重要应用价值, 但由于掺镱光纤激光器工作在全正色散区域, 激光器直接输出的脉冲通常宽度较大。文中利用改变微纳光纤尺寸可以使其在1.0 μm波段提供反常色散的特点, 将微纳光纤作为色散补偿元件在掺镱光纤激光器腔外对脉冲进行压缩来获得超短脉冲。实验中, 自主拉制的微纳光纤锥腰直径为3 μm, 锥腰长度为5 cm。掺镱光纤激光器直接输出脉冲宽度为37.6 ps, 经微纳光纤压缩后脉冲宽度为8.5 ps。该结果提供了一种更简便低廉的压缩脉冲方法。

研究了基于非线性偏振环形镜锁模的全保偏光纤激光器锁模机制。在非线性偏振环形镜中, 用偏振分束器取代传统的非线性放大环形镜锁模激光器中的光纤耦合器, 并辅以非互易性元件和增益光纤, 作为全保偏光纤激光器中实现稳定锁模的核心器件。构建了一台基于非线性偏振环形镜的掺铒光纤锁模激光振荡器, 实现了重复频率75 MHz, 时域脉冲宽度141 fs, 总输出功率约30 mW的稳定锁模脉冲序列输出。该激光器具有双向输出, 且通过调节腔内波片可调节输出功率。此外, 对激光器输出功率和重复频率的稳定性进行了评价, 在自由运转情况下, 1 h内输出脉冲序列的平均功率波动小于0.05%, 重复频率的1 s相对稳定度为2.0×10-8。该结构的全保偏光纤激光器可开机自启动锁模, 且环境稳定性高、重复频率较高、脉冲宽度窄, 能满足激光测距、激光加工、激光光谱成像、航天等应用对超短脉冲光源的需求。

基于非线性偏振旋转(NPR)技术, 搭建了一台重复频率可切换的被动谐波锁模掺铒光纤激光器。腔内45°倾斜光纤光栅(45° TFG)作为一种理想的光纤型起偏器, 与两侧偏振控制器(PC)一起实现非线性偏振旋转效应, 实现激光器的稳定锁模输出。在673 mW恒定泵浦功率下, 通过调节腔内的PC, 观测到了从基频到37阶谐波等多种锁模状态。该激光器可产生稳定的最高重复频率脉冲为783 MHz, 对应的谐波阶数是37阶, 且具有41 dB的边模抑制比(SSR)。高重复频率且稳定性好的脉冲可用于特定的应用中, 如现代光通信系统、光学传感等。

光孤子脉冲在光纤中传输时由于复杂的非线性相互作用可以形成稳定的孤子束缚态形式, 脉冲间的相位关系变化揭示出非线性系统中孤子丰富的动力学特性。通过金兹堡朗道方程描述光孤子在光纤激光器中的传输规律, 数值分析了色散管理光纤激光器中系统参量对于束缚态孤子相位突变的影响。研究发现, 光纤激光器在相空间中存在多种形式的孤子束缚态, 系统的初始状态对于孤子最终状态的演化具有重要的影响。数值分析表明: 激光器系统泵浦强度的变化, 不仅导致孤子脉冲时间间距的变化, 也会导致孤子束缚态的相位差, 这对于深入了解光纤中光孤子的动力学过程具有重要的研究意义。

对基于非线性偏振旋转技术的L波段掺铒被动锁模光纤激光器中产生调Q锁模类噪声方波脉冲进行了实验研究。该类型脉冲中调Q包络内部包含的脉冲是基频方波, 通过自相关迹证实该方波为类噪声脉冲。为了容易实现类噪声方波脉冲输出, 将一段250 m普通单模光纤引进激光腔内。适当调节腔内的偏振控制器和泵浦功率, 获得了基频为778.21 kHz的连续波锁模类噪声方波脉冲和由3.81 kHz可调谐到9.01 kHz的重复频率, 单个调Q包络最高能量为1.06 μJ的调Q锁模类噪声方波脉冲。研究结果有利于进一步理解被动锁模光纤激光器中类噪声脉冲和调Q锁模的机理和特性。

随着高功率超快光纤激光器的迅速发展, 时分复制脉冲放大技术近年来获得了广泛的关注。时分复制脉冲放大技术可以通过双折射晶体组或自由空间时延来实现。将时分复制脉冲技放大技术与啁啾脉冲放大、空间分束和光子晶体光纤放大等技术相结合, 运用于相干光束合成和非线性压缩, 可以提升超快光纤激光器的脉冲能量和峰值功率。文中对时分复制脉冲放大技术在超快光纤激光器中的最新研究进展进行了详细综述, 重点分析了时分复制脉冲放大技术在相干光束合成应用中的不同系统结构, 并对时分复制脉冲放大技术的优化和发展方向进行了展望。

随着现代数字制造技术的快速发展, 在工业产品测量领域, 对微型物体几何尺寸的测量需要满足非接触、高精度、多尺寸等需求, 而现有测量技术还不能达到这些要求。为了实现多尺寸、高效、快速、非接触式的精确测量, 文中利用光纤耦合激光器光束质量好、线宽超细、精度高、单色性好、体积小以及免调节等优势, 研制了基于光纤激光的精密非接触测量系统, 提出了一种基于光纤耦合激光的超精密视觉测量方法, 主要包含基于光纤线激光的目标成像、激光线滤波与提取、测量模型建立及几何参数标定、数据转换和三维重建测量等关键技术。利用光纤激光器向测量物体表面连续发射激光线, 采用高分辨率相机, 通过照明/不照明两次成像技术获取物体的平面尺寸和高度信息。对激光线图像进行滤波校正, 快速提取激光线, 对几何参数进行标定和坐标转换, 然后进行处理数据, 获取物体测量部位的三维测量值。实物测量和对比实验验证了文中测量方法的准确性、快速性和有效性, 测量精度可达微米级。为微型物体几何尺寸的三维非接触、高精度、多尺寸测量提供了有效方法和测量仪器。

对空间目标白天探测的关键技术, 包括大气透过率分析、天空背景辐射分布、探测能力计算等进行了研究。在此基础上选取K波段光谱在1.23 m口径地基光电望远镜上进行白天观测实验, 对关键技术进行验证。实验数据表明, 经过优化设计此系统在30°俯仰角时白天极限探测10.38等星, 较未优化前白天探测能力提高24.9%, 为中高轨卫星的全天时观测提供重要依据。

焊接空心球网架结构被广泛使用在带悬挂吊车的工业厂房中。悬挂吊车带来的往复交变荷载会造成网架焊接节点的疲劳破坏。在焊接空心球节点的疲劳试验过程中, 借助红外热像仪记录试件表面的温度, 得到了试件表面的温升分布, 温升高区位于钢管与焊接球的焊接连接球面焊趾处, 此区域对应节点最后的疲劳破坏位置。在疲劳试验过程中, 焊趾处的温升高区位置几乎不变, 当疲劳裂纹穿透球壁厚时, 温升高区的位置发生变化。试验表明: 红外热像仪可以实时记录焊接空心球节点试件在疲劳试验过程中表面的温度, 通过分析温升高区在没有可见裂纹的情况下就可预测疲劳破坏发生的位置, 温升高区位置的变化对应裂纹贯穿球壁时节点试件的疲劳寿命。

提出了一种结合和频效应和环形光照明的远场超分辨红外显微成像方法。红外光、不同频率的环形和高斯可见光同时共轴激发样品, 当红外光频率等于样品分子某一共振频率时, 样品分子吸收红外光到达振动激发态, 环形和高斯可见光与共振分子作用分别产生无效和有效的和频信号。利用三束光的矢量光场表达式和模型能级系统的速率方程进行数值模拟发现, 当总可见光足够强时, 可使总和频信号饱和, 环形和高斯可见光与共振分子的作用出现竞争, 通过提高环形可见光光子流密度超过饱和光子流密度, 并降低高斯可见光光子流密度, 可有效地抑制环形区域有效和频信号的产生, 从而达到压缩PSF的目的, 在物镜数值孔径0.6的情况下, 通过数值模拟得到有效和频信号PSF半高宽为56 nm。

地基测量是获取空间目标红外辐射特性的主要手段。地基测量由于大气影响, 测量结果含有严重误差。利用由大气光学参数测量设备和辐射传输软件构成的大气同步修正系统, 可以减小大气影响引入的误差。然而, 由于典型大气模式和测量参数精度限制, 经大气修正后的测量误差仍高于20%。提出一种基于红外标准星的辐射测量方法, 使用与目标具有相近观测仰角的红外标准星作为参考源, 准确获取空间目标观测光路上的透过率, 分析了水汽、臭氧和观测仰角对透过率精度的影响。进行了红外星测量实验, 利用文中方法测量的目标辐射误差为4.65 %, 明显优于传统方法的14.57%。结果说明文中方法能作为一种获取空间目标红外辐射的有效途径。

针对自动目标识别需求, 提出了一种激光与红外融合目标检测方法。首先介绍了基于方向显著性的红外目标检测算法, 并分析了该算法的优缺点。针对该算法的缺陷, 提出了一种激光与红外融合的目标检测方法, 该方法将激光雷达测得的弹目距离信息引入到基于方向显著性的红外目标检测算法中, 大大提高了目标检测算法的精度。仿真实验表明文中方法解决了单源红外目标检测算法对应用场景适应性不强和鲁棒性较差的诸多问题, 大大提高了目标的检测率。

几何截断定距激光引信因其结构简单、定距精度高、抗干扰能力较好, 在低成本弹药中有较大的应用需求, 其定距距离和精度与系统参数设计密切相关。为设计满足要求的几何截断定距激光引信系统参数, 建立几何截断定距回波功率模型,分析系统参数的变化对工作距离的影响, 揭示工作距离与系统参数的关系, 并计算得到满足条件的系统参数取值区间, 对比分析后得到理论上的最优系统参数d=63 mm、θr=35 mrad、θt=10 mrad、αr=0.5π rad、αt=0.45π rad, 设计激光定距模拟实验平台验证设计结果, 实验结果与理论一致, 表明设计参数能够满足系统要求, 该研究可为几何截断定距激光引信的参数设计提供参考。

针对纳秒脉冲激光能量在空气中沉积的等离子体热核演化问题, 利用两种不同分辨率的高速相机, 搭建了高分辨率的纹影系统。所获得的纹影实验结果很好地展示了激光能量沉积初始时刻的演化过程, 并研究了激光能量大小和透镜焦距这两个关键参数对激光引致等离子体热核演化过程的影响规律。实验结果表明激光沉积能量越大, 等离子体热核的尺寸越大, 但是可能存在激光能量沉积的饱和现象。另外, 激光能量越高、透镜的焦距越短, 激光能量沉积之后环境冷空气穿透热核的时间就越晚, 意味着等离子体热核维持稳定的高温低密度气团的时间越长, 这可以为激光致等离子体主动流动控制的相关研究提供充足的反应时间。

到目前为止, 尚没有适用于大型金属材料试样元素偏析定量检测的有效方法。该研究将新兴的激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于生铁中Si、Mn、Ti元素偏析的同步检测, 选取Si (288.16 nm)、 Mn (293.31 nm) 和Ti (334.94 nm)作为三种元素的定量分析谱线, 同时选取Fe (263.58 nm, 441.51 nm, 370.79 nm)分别作为三种元素的内标谱线, 使用内标法降低基体效应的影响。定标拟合系数R2分别为0.991 7、0.990 3和0.991 2, 因此证明LIBS适用于对生铁中Si、Mn、Ti元素的准确同步定量检测。随后将取自高炉的铁样切割为两个圆形的铁块, 用空间分辨的LIBS装置对样品表面进行面扫描分析并得出元素分布图, 基于元素分布图识别出Si、Mn、Ti元素的偏析区域并计算最大正偏析度和负偏析度。该研究证明了LIBS用于同步检测生铁中Si、Mn、Ti元素偏析的可行性, 同时也揭示了生铁中合金元素的偏析规律, 有利于加深对凝固过程元素迁移和分布的理解和认识。

针对900~1 700 nm波长无扫描激光三维成像雷达的需求, 研制了一种规模为64×64的线性模式雪崩焦平面阵列(LM-APD-FPA), 它由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与CMOS专用读出电路(ASIC)组成。该器件采用飞行时间(TOF)测距的方式工作, APD光敏芯片将脉冲激光信号转化成脉冲光电流, 读出电路对其进行放大、阈值比较后实现激光探测并在每个单元获取光脉冲的飞行时间, 将其转化成二进制编码信号后串行输出。测试结果表明, 64×64 LM-APD-FPA有效像元最小可探测光功率值约为400 nW, 时间分辨率为1 ns。用该探测器在激光雷达系统上实现了无扫描单脉冲激光三维成像, 表明了线性模式激光焦平面探测器可用于激光三维成像领域。

MS1和MS2试验星是我国首批设计寿命10年的中高轨导航卫星, 为提高在轨精度和实现卫星精密定位, 作为舱外有效载荷, 两颗卫星均标配搭载了激光反射器。卫星激光反射器光学设计应考虑远场衍射等物理光学影响, 不能仅考虑几何光学理论设计。以试验星反射器为例, 基于角反射器光学远场衍射能量分布理论为基础, 采用最大雷达截面法进行反射器尺寸优化, 利用角度补偿法进行速差补偿角设计, 对反射器表面加工精度、反射表面特性、切割方式等光学参数进行优化分析计算, 并通过合理的机械结构和材料设计, 解决了高量级力学环境、330 ℃高低温度交变、10年空间辐照寿命等环境适应性问题。试验星光学测试结果表明: 参数设计合理, 可实现远场环带能量在预定观测区域的最大化, 在轨观测数据表明反射器工作正常, 测距精度、测距范围等指标满足预期设计, 理论设计和实践相符, 这对今后同类激光反射器的设计具有借鉴和指导意义。

为了解决激光3D投影定位无法兼顾高精度、实时性、智能补偿定位的问题, 搭建了一种基于激光跟踪定位技术的智能激光3D投影系统, 并进行空间精度分析。首先, 建立激光3D投影系统数学模型; 其次对激光3D投影系统进行光学中心标定, 再利用投影承接部件基准点对部件坐标系进行标定, 从而完成智能激光3D投影系统的标定及搭建; 最后, 建立智能激光3D投影定位精度模型。仿真结果显示, 激光3D投影仪投影区域中间部分精度最佳, 由激光跟踪测量精度引起的投影承接面投影点误差小于投影仪引起的投影承接面投影点误差。实验结果显示: 在3~4 m的投影距离上, 所研制的智能激光3D投影系统的投影形状及位置准确度可以优于0.3 mm。与传统的激光投影系统相比, 该系统解决了大尺寸投影承接部件不能大量安装合作目标问题, 使工作中无需目标反射头及校准工装, 省略校准过程, 当投影系统或被测部件移动或漂移时, 智能化识别、解算、补偿相对位移量, 保证实时、精确投影至正确位置, 极大提高了投影定位系统的工作精度和定位效率。

现今随着大型工件制造、装配需求的增加, 对此类产品的制造装配精度的需求也在不断地提高。高精度的测量和控制成为制约高端制造业发展的一个重要因素。对此文中研究了一种基于激光跟踪绝对测长多边法三维坐标测量系统, 该系统由四台绝对距离测量激光跟踪仪和上位机构成, 既充分利用了绝对激光干涉测距的精度优势和断光续接的能力, 又避免了传统激光跟踪仪角度测量带来的误差。同时, 为提高自标定算法的精度, 提出并研究了一种依赖距离的残差模型。通过实验表明, 该系统实现了在20 m大范围空间内小于±20 ?滋m的测量误差, 测量不确定度为12.3 ?滋m。较之单台绝对激光跟踪仪系统的精度有很大的提升, 实现了在工业现场在线、高效、精密的三维坐标测量。

在无自旋交换弛豫原子磁强计中, 需要检测极小的旋光角度。基于光弹调制器的偏振调制技术由于其较低的噪声和长时间的稳定性在各种检测方法中是优选的。但光弹调制器的输出信号里包含有大量噪声和高次谐波, 严重影响了原子磁强计的性能。针对以上问题分析了基于光弹调制器的偏振调制技术的原理和待检测信号的特性, 并提出一种基于双通道数字锁相放大器的原子磁强计微弱信号检测方法。该方法简化锁相放大算法, 减小电路复杂度, 并能准确地同时检测一次谐波和二次谐波的幅值。理论分析和仿真结果表明, 该检测系统工作良好, 可以准确地检测微弱信号, 误差在0.1%以内。

研制了一套X射线条纹相机光电阴极检测系统, 用于激光惯性约束聚变中阴极的快速标定和检测。通过三位一体的条纹变像管设计, 条纹变像管电子光学系统的优化, 真空室、控制系统的制备, 系统的装调、集成和测试, 研制了光电阴极检测系统。组建了阴极系统静态测试平台, 标定了其静态特性, 测试结果显示: 3条条纹像中心的偏移率在狭缝方向为2.8%, 在垂直于狭缝方向为6.6%, 平均放大倍率1.29, 误差在0.8%, 边缘空间分辨率大于10 lp/mm。该系统可以满足激光聚变诊断研究对于X射线条纹相机光电阴极的检测需求。

视频卫星利用敏捷姿态性能对地凝视成像, 实现对目标的动态监测。为了消除视频卫星获取时序图像中由探测元件响应差异引起的非均匀性, 获得清晰的图像和准确的辐射信息, 需要针对视频卫星传感器进行相对辐射定标。由于成像机理不同, 基于统计的在轨辐射定标方法并不适用于视频卫星, 提出采用均匀场景的视频卫星在轨相对辐射定标方法, 分别对云层、海洋和沙漠三种典型的均匀场景进行凝视视频成像, 解算相对辐射定标系, 其中, 沙漠场景的处理取得了较好的相对辐射定标系数, 校正吉林一号视频单帧影像。该方法能够有效修复图像缺陷, 图像的非均匀性由3.7%降低至1.2%。

核磁共振原子陀螺凭借其高精度、小体积、低成本的特点在国内外受到广泛关注。在获取检测目标的诸多方法中, 较为常用的方法是监测探测光极化面旋转角的平衡偏振法。由于小型化带来的尺寸效应明显, 光学元件间存在不可避免的方位误差, 导致微弱光信号产生偏置, 制约了该信号的提取与放大。为提高检测性能, 分析了激光偏振态的差分检测原理, 提出了一种基于比例积分(P-I)反馈回路的自动消偏方法, 设计了基于硅光二级管的低噪声、高增益前置放大电路。最后, 结合核磁共振陀螺样机系统, 给出了该方法的仿真分析和实验结果, 验证了该方法的有效性。

为了合理评定激光扫描共聚焦显微镜(Laser Scanning Confocal Microscope, LSCM)的测量性能, 提出了一种用于检验LSCM计量特性的测试方法。首先, 依据LSCM成像原理, 对其技术特点, 特别是轴向分辨率和横向分辨率等进行了理论分析; 然后对其计量特性的参数指标进行了归纳, 并提出相应的性能测试方法。具体包括采用线间隔为微纳米级的网格板等作为标准器, 测试LSCM的放大倍数和光学横向分辨率; 采用纳米级高度台阶样板测试LSCM的光学轴向分辨率和轴向定位特性; 采用激光干涉仪测试样品台工作性能等。实验证明: 该方法能够满足当前普遍应用的LSCM的性能测试需求。

针对仿人视觉系统目标跟踪过程中眼、颈的转动速度对跟踪精度的影响, 提出了一种基于雅可比矩阵的角度分解最优化方法。首先, 建立眼、颈2级四自由度空间坐标系, 搭建系统模型; 其次, 构建与眼、颈转动角度相关的雅可比矩阵, 综合考虑眼、颈转动角速度, 得到关注不同转动轴角速度变量的目标跟踪角度分解数学模型; 最后, 通过仿真和物理实验分析了各自由度转动角速度在最优化条件下对角度分解的影响, 得到了基于所述系统的目标跟踪角度分解最优化方案。实验结果表明: 在给定范围内, 眼、颈的转动角度分配比与眼、颈转动角速度的比值相同, 且与均分法相比较, 文中所述方法在时间效率上具有明显优势。

针对传统数字天顶仪定位方法中存在仪器需精确调平, 数据拟合模型参数求解不准确和定位迭代过程复杂的问题, 提出一种粗调平状态数字天顶仪定位方法。严格推导了水平状态下CCD图像坐标的计算式, 利用倾角仪输出值与粗调平状态下CCD图像坐标计算得到水平状态CCD图像坐标; 对粗调平状态下恒星切平面坐标进行分析, 分析结果表明粗调平状态下对应的切平面与水平状态下对应的切平面基本平行, 粗调平状态下的切平面坐标可直接用于数据拟合模型的建立; 通过抗差M估计计算数据拟合模型的参数, 抑制了粗大误差对参数解影响, 提高了数据拟合模型的准确性; 最后, 通过联立数据拟合模型方程组解算旋转轴的CCD图像坐标、剔除迭代过程中的数据拟合模型反变换以及取切平面坐标平均值的方式优化定位迭代过程, 提高定位解算效率的同时保证了数字天顶仪的定位精度。实验结果表明: 粗调平状态定位方法的定位精度与精调平状态的定位精度基本相同, 其中粗调平定位方法的定位经度精度为0.306″, 纬度精度为0.292″, 满足数字天顶仪定位精度的要求。

针对在全景相机获取到的高交通信息量的复杂场景下传统Canny算子很难实时且鲁棒地提取车道线特征的问题, 提出一种基于Gabor滤波器的最优方向区间快速检测算法。首先利用同心圆环近似展开法将全景图像展开成矩形图像, 然后对展开图像进行不同相位角的Gabor滤波处理, 快速得到使车道线边缘清晰度达到最高的方向区间。在Canny算子检测边缘过程中, 只对处于该区间内的边缘点进行非极大值抑制及进一步处理, 实现车道线的快速检测。最后算法在实拍的500帧视频样本上进行测试, 识别率优于94.2%。结果表明所提算法不易受复杂环境影响, 可用性强, 有效地提高了车道偏离预警系统的实时性与稳定性。

为了提高导引头稳定平台抗扰性及速度稳态跟踪性能, 提出了一种基于扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)的双积分滑模控制器 (Double Integral Sliding Mode Controller, DISMC)。首先, 采用二阶扩张状态观测器对系统的未知扰动进行估计; 然后, 采用了双积分滑模控制器实现了系统的低稳态误差跟踪, 同时采用了改进的幂次趋近律来削弱控制系统的抖振影响; 最后, 采用导引头稳定平台进行目标跟踪实验和隔离度性能测试。实验结果表明, 与传统基于扰动观测器(Disturbance Observer, DOB)的PI控制方法相比, 跟踪3 (°)/s的梯形波时, 在提出的控制器作用下速度跟踪快速性提高了48 ms, 跟踪误差标准差提高了0.0131 (°)/s。同时用转台模拟弹体扰动分别为sin(πt)°、3sin(5πt)°、7sin(2πt)°时, 系统的隔离度分别提高了2.91%、0.45%、0.7%, 表明基于扩张状态观测器的双积分滑模控制器对导引头稳定平台具有较强的抗扰性和较好的跟踪性能。

大口径分块式主镜空间对地遥感系统在轨工作时, 次镜相对于主镜的位置失调会对系统像质产生影响, 需对其进行在轨检测与校正。当分块式主镜无中心基准镜时, 无法用传统的灵敏度矩阵反演法计算出次镜失调量。为此, 提出了一种基于多视场波前传感信息计算次镜位置失调量的方法, 采用 ZEMAX软件建立了无中心基准的36分块式主镜空间对地遥感系统。针对该系统像差特点, 利用不同视场的场依赖波前像差, 建立了次镜失调量检测数学模型, 开展了仿真研究, 结果表明当波前传感误差为1/40λ(λ=632.8 nm)时, 次镜位置失调量的检测精度X、Y方向平移约为30 nm, 倾斜约为15″; 失调量检测动态范围X、Y方向平移为0~1.5 mm, 倾斜为0~0.03°。并通过多组实际仿真, 验证了所提方法的可行性。

设计了一种便携式免散瞳眼底相机光学系统, 达到了全视场300万像素的高清眼底成像。在考虑人眼生理特征和光学特性的基础上, 引入Gullstrand-Le Grand 眼模型来模拟被测屈光度正常的人眼, 用Schematic眼模型来检验屈光度异常人眼对成像光路的影响。在成像系统中, 首先采用接目物镜会聚从人眼视网膜反射出瞳孔的光线, 然后再由成像物镜将视网膜的像成像到CCD上。在照明系统中, 为避免角膜中心区域产生杂散光, 采用环形光阑和共轴照明相结合的照明方式给眼底照明。仿真结果表明: 该系统视场角为30°, 成像分辨率高于120 lp/mm, 场曲值小于0.12 mm, 畸变仅为-1.2％, 全视场色差值均在艾里斑之内, 且该光学系统具有较大的调焦能力, 对-10 D~+10 D的人眼普遍适用。所用的光学元件均为普通的球面玻璃, 便于加工制造且能有效降低实际的制作成本。

为了更好地对稀疏孔径大口径望远镜进行装调, 利用旋量理论对串联机械臂在系统装调中的应用进行了研究。首先, 利用旋量理论分析了串联机械臂进行稀疏孔径望远镜装调的基本原理。其次, 结合旋量理论与基本的几何关系分析了稀疏孔径望远镜装调原理, 并对子孔径测量过程进行了误差分析。之后, 对串联机械臂携带点光源显微镜(PSM)进行装调的可行性进行了分析与实验, 证明了处于串联机械臂携带状态的点光源显微镜与位于实验室环境下像点稳定性相近。最后, 分析了串联机械臂结合点光源显微镜在大口径稀疏孔径望远镜装调检测中的应用。

成像系统仿真对光学遥感器的论证、设计和在轨性能预估具有重要意义。场景作为遥感的对象, 其特性的表征和模拟对仿真结果有直接影响。场景特性难以全面表征, 针对光学遥感及其应用最为关键的几何、光谱和辐射特性, 提出一种基于光场理论的数字场景仿真方法。以包含空间坐标、方向、波长、强度的全光函数作为数字场景仿真的表征参数, 建立了涵盖太阳直射、天空漫射和背景反射等因素的数字场景入射辐照度场模型, 以及考虑方向反射特性的数字场景出射辐亮度场模型, 并基于简单场景对模型进行分析和验证。该方法能够为成像系统仿真及新型载荷研制提供包含多种特性的数字场景模型。

针对空间引力波望远镜皮米量级的极高光程稳定性需求, 对系统中主镜组件进行了优化设计。采用微晶玻璃(Zerodur)作为反射镜材料, 支撑结构材料为铟钢(4J36)。首先, 通过对反射镜参数的优化, 使其在保证面形精度的同时镜体轻量化率达到了72%。然后, 设计了一种双轴联杆型Bipod柔性反射镜支撑结构, 并采用了侧面三点支撑的形式。以保证有效的支撑刚度及卸载效果为目的, 建立了柔性铰链的数学模型, 并基于Matlab对其尺寸参数进行了优化。最后, 对优化设计后主镜组件进行了模态分析及振动试验, 并完成了在轨分析与波前质量计算。结果显示, 主镜组件的一阶固有频率为373 Hz, 与试验结果的相对误差为3.5％; 在轨环境下主镜面形精度达到8.9 nm(RMS); 波前精度为?姿/5(?姿=1 064 nm)。表明该反射镜组件满足设计指标要求。

涡流脉冲热像检测中的检测条件优化是最大化裂纹区域生热量以充分发挥检测系统性能的重要保证。针对检测条件选择人工依赖性强等问题, 以含有特定尺寸疲劳裂纹的金属平板试件为研究对象, 采用仿真和实验相结合的方法, 分析了检测条件对裂纹热响应的影响特点, 结果表明: 裂纹热响应随着激励时间、激励强度的增加而增强; 随着提离距离的增加呈现先增强后减弱的趋势。基于仿真与实验结果, 提出了一种用于估算特定检测条件下裂纹热响应的多元非线性回归模型, 确定了裂纹热响应与不同检测条件之间的定量化关系。最终引入粒子群优化算法进行了检测条件优化, 给出了热响应分布图和检出概率分布图。研究成果为涡流脉冲热像检测中的检测条件优化提供理论指导。

深紫外光刻投影物镜是光刻机的核心部件, 然而无论是照明光场偏振态的空间分布, 还是光刻投影物镜自身的偏振像差都将改变光束的紧聚焦特性, 对成像质量造成不可忽略的影响。基于三维琼斯矩阵, 把偏振像差函数推广到三维空间, 建立了三维相干光场中偏振像差的评价方法, 并分析了典型的偏振敏感光学系统——深紫外光刻投影物镜的三维偏振像差, 详细阐述了其物理意义。研究发现: 三维偏振像差函数的光瞳分布与视场、光学薄膜以及光学系统的自身结构密切相关。深入讨论了光学薄膜及偏振效应对光刻投影物镜成像质量的影响, 进一步研究了照明光场的偏振态分布与光学系统波像差的关系, 研究表明: 光学薄膜引入的附加位相将导致光刻投影物镜的像质明显下降, 而采用径向矢量光场照明可以改善成像质量。

角锥棱镜的偏振特性会产生退偏效应影响免调试固体激光器的输出质量和效率, 也可以实现相干互注入用于激光合成领域。无论是光的合成还是退偏效应的消除, 都需要有精确的偏振特性数据。利用解析几何和光线追迹法从理论上推导出角锥六种光回路的Mueller偏振变换矩阵。为了提高测量精度和稳定性, 设计了一种动态检测Stokes参量的方法, 通过实验获得角锥棱镜六种传输光路的高精度数据, 实验与理论的误差率为4.470%, 误差在合理范围内, 可以确定其偏振特性。所做研究将有助于消除角锥棱镜的退偏效应, 提高免调试固体激光器等设备的性能, 提高激光合成效率和质量。

针对地基大口径望远镜次镜系统加工精度和装调精度的要求, 提出了基于拓扑优化的次镜系统结构设计方法。该方法利用变密度的拓扑优化思想, 将次镜系统的Spider结构和Serrurier桁架的设计域限定为基结构, 以期望方向的变形最小, 通过材料的去留决定结构的最终形状和尺寸。首先, 以相对密度为设计变量, Spider结构以1阶振型和重力方向变形为设计约束, 桁架以X向和Y向变形为设计约束, 建立各结构的拓扑优化模型; 然后, 以拓扑优化所得构型为基础, 利用Workbench进行优化迭代; 最后, 设置优化参数, 采用有限元法进行动静刚度分析和优化。结果显示4 m望远镜次镜系统的1阶谐振为22.7 Hz, 光轴指向天顶和水平时重力方向偏移分别为-0.173 mm和-0.195 mm, 并且Spider结构和Serrurier桁架的轻量化率超过30%。该结果验证了文中方法的有效性。

可见光通信要同时兼顾照明和通信的双重作用, 因此需要同时考虑光源布局及通信可靠性问题。为保证国际照明标准, 在总LED灯珠不变的情况下, 首先对光源布局进行了分析并数值计算了在同样功耗条件下3个及4个阵列布局方式的照度分布及均匀性。其次, 为了提高多阵列可见光通信系统有效性及可靠性, 将MIMO技术应用于VLC中, 采用STBC编码数值计算了多阵列布局方式下系统可靠性。结果表明, 在同样功耗条件下, 4个阵列的MIMO系统照度均匀性较3个阵列提高了20.9%, 当误码率为10-4时, 4×1系统较3×1系统的误码性能大约可提高2 dB, 4×2与3×2系统分别较4×1与3×1系统误码性能提高了6 dB与5 dB。

设计并论证了一种高灵敏度的长周期光纤光栅(LPG)温度传感器。将LPG的包层腐蚀, 封装进金属外壳使LPG保持恒定拉力, 再密封进盛满聚酰胺酸(PAA)的试管中, 其中聚酰胺酸热光系数较大, 作为感温材料。测试并讨论了使用不同折射率的聚酰胺酸与不同包层直径的LPG时, LPG共振波长随温度变化的漂移。结果显示, 对于一个直径已知的特定LPG, 当使用较大折射率的聚酰胺酸时, LPG温度传感器的灵敏度变高。对于使用相同折射率聚酰胺酸的LPG, 随着LPG的包层直径减小, LPG温度传感器的灵敏度变高。实验制作的LPG温度传感器的灵敏度为1.26 nm/℃, 约为普通LPG制作的传感器的10倍, 以及普通FBG制作的传感器的100倍。这种新传感器在2~35 ℃线性度为99.80%, 这提高了传感器的潜在应用, 特别是在生物医学检测, 海洋监测等这些温度范围接近室温的领域。

提出了一种基于线性混合模型的高光谱图像绿藻面积估计算法。利用端元提取算法, 自动获取图像中绿藻端元的光谱曲线, 根据得到的端元及原始图像, 通过全约束最小二乘算法, 求得绿藻端元的丰度图, 丰度图作为绿藻面积的估计结果。算法能够有效克服由于高光谱图像分辨率不足造成的绿藻面积估计不准确的问题, 实现亚像素水平的绿藻面积估计。利用2013年6月29日获取的GOCI传感器获取的8波段光谱图像展开实验, 计算得到当日绿藻覆盖面积为321 km2, 与HJ-1B卫星的实测结果高度接近, 相比于NDVI等传统算法具有明显优势。方法为绿藻灾害预警和监测提供了一条新的解决思路和技术途径, 具有较高的应用价值。

为了对塑料饮料瓶物证进行检验分析, 利用傅里叶变换红外光谱仪、X射线荧光光谱仪和厚度仪, 对57个塑料饮料瓶样品进行抽查检验, 并结合聚类分析方法进行了分析处理。首先, 红外光谱法可对塑料饮料瓶样品的主要成分进行检验, 根据样品成分的不同, 可分为聚乙烯(PE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)两大类; 其次, 通过X射线荧光光谱法对样品中的主要填料碳酸钙进行测定, 根据Ca元素的含量可以对样品进行区分; 最后, 利用测厚仪可对塑料饮料瓶样品的厚度进行测定。根据样品的颜色、规格、成分、Ca元素的含量以及样品的厚度, 结合聚类分析法可以将样品进行区分, 实验结果表明该方法简便快速、结果准确可靠、且无损检材, 可用于检验区分塑料饮料瓶。

针对目前霾检测方法实时性差且成本较高的问题, 提出一种基于图像能量与对比度的霾检测方法。首先, 对CMOS相机拍摄的图像进行预处理。由于相机受外界影响会出现轻微摆动, 故需对图像进行配准; 其次, 在图像的关键区域中获取目标与水平天空背景的对比度和图像能量两个特征向量; 再次, 将对比度、图像能量、环境湿度作为输入, 将激光粒子计数器测得的实时PM10浓度作为输出, 进行支持向量回归训练, 建立图像和PM10浓度间的关系模型; 最后, 根据得到的模型计算待测图像所对应的PM10浓度。将该方法检测的PM10浓度与激光粒子计数器测得浓度值进行对比, 实验表明该方法检测结果的平均相对误差在10%以内, MSE为0.006 2, 表明预测值与真值拟合程度较好,模型检测的精度较高。在此基础上增加训练样本可进一步提高模型精度。此外, 该方法可针对不同待测环境建立相应的关系模型, 具有较强的灵活性。

为了加强相位展开过程的准确性和鲁棒性, 提出了一种新颖的梯形相位展开算法。该算法结合了灰度和相位两种编码方式进行相位展开。基于灰度的相位展开可以通过投射不同的灰度确定不同的等级, 但是当条纹周期非常小, 相应的灰度差异也非常小, 使相位展开出现错误。相位展开具有很强的鲁棒性, 但本身计算量很大。与传统算法相比, 该算法设计了两类模式快速地恢复绝对相位。第一类模式是基于灰度信息对全局调制光栅进行分割, 第二类模式是基于相位进行编码, 同时在第一模式中对全局调制光栅进行更加细致的分级, 第二类模式变化的周期与包裹相位的截断周期一致。因为颜色能够简单而且准确地确定边界, 同时相位有很好的鲁棒性, 因此, 能够准确地恢复绝对相位。实验结果表明: 提出的算法能够准确地确定包裹相位的等级, 而且能够快速地得到物体表面的三维信息。

随着安防产业的不断发展, 人们对摄像机的需求也越来越多, 要求也越来越高, 对具有较大视场的全景图像的需求也更加迫切, 从而各种拼接算法、拼接应用应运而生。虽然现有的软件算法已经能够做到很好的效果, 但图像拼接中补光配光问题依旧突出。针对以上情况, 对发光二极管(Light Emitting Diode, LED)在补光下存在的照度或光强不一致的问题进行了研究, 并且采用全内反射(Total Internal Reflection, TIR）透镜思路进行透镜二次配光设计, 使LED灯发射出来的光斑拼接后照度或光强均匀, 同时进行了仿真。仿真结果表明, 该设计能有效避免光斑拼接后出现明显的过亮或过暗的痕迹, 使拼接效果更好, 满足摄像机全天候工作的需求。

准确识别卫星设备等拍摄到的待发射(或飞行途中)导弹类型, 实现及时有效防御, 是国内外**领域研究的热点之一。由于战争状态中导弹具有掩饰色, 且因外形差别不显著, 现有基于底层特征进行导弹分类识别难度较大甚至无法识别。针对这一问题, 提出一种基于稀疏自动编码器(Sparse Auto-Encoder, SAE)高层视觉特征融合底层特征提取的新算法, 为了提高分类精度, 引入迁移学习, 借助STL-10样本库局部特征, 并将导弹图像局部特征向量一并送入池化层卷积神经网络(Convolution Neural Network, CNN)提取导弹目标对象图像全局特征, 通过Softmax回归模型实现导弹分类识别。实验表明, 文中提出SAE融合底层特征的导弹分类识别算法较传统基于底层特征及SAE高层特征分类算法具有更高的准确性及鲁棒性。另外, 为了避免因新型导弹目标对象缺乏训练而导致分类性能下降甚至失效, 算法引入迁移学习实现局部特征提取, 实验验证了算法的可行性和准确性。

在雷达目标识别中, 利用核主分量分析(KPCA)方法来进行目标特征提取, 忽略了高分辨率距离像(HRRP)的本身特性。提取一种平移不变特征-中心矩作为特征向量, 采用KPCA进行特征降维; 由于BP神经网络易陷入局部极小, 采用遗传算法(GA)对BP网络节点权值和阀值进行优化选择。基于雷达实测数据的实验结果表明: 平移不变的KPCA特征提取方法实现了平移不变和降维的结合, 同时, 利用GA优化BP神经网络提高了分类器稳定性改善易陷入局部最小的缺陷, 提高了雷达目标识别的性能。

针对目前激光雷达数据分割算法不能适应环境特征确定连续准确阈值的问题, 提出一种环境特征自适应激光雷达数据分割算法。依据二维激光雷达的数据特点以及室内环境的几何特征, 以激光雷达数据的邻近点拟合虚拟环境线,以虚拟环境线和邻近激光扫描射线的交点作为参考点, 确定自适应阈值, 完成激光雷达数据的预分割。针对用上述方法完成的数据预分割结果中存在的缺陷, 提出数据预分割后伪断点的判断方法, 对算法进行了优化。并将此算法与分段阈值分割算法、线性方程阈值分割算法进行比较和分析。环境特征自适应激光雷达数据分割算法对实验数据的分割成功率达到98%, 具有更强的环境适应能力和更高的分割准确度。

动力型下肢假肢的主要功能是帮助截肢患者实现独立自如的行走, 为了使假肢能够配合用户的运动, 需要对用户的运动意图进行识别。通过提前获知用户前方环境信息, 将其作为运动意图识别的先验知识, 可以提高运动意图的识别精度。为了给动力型下肢假肢提供前方环境信息, 设计了一种可穿戴的地形识别系统。首先通过安装在人体腰部的二维激光雷达收集前方地形数据, 然后利用凝聚分层聚类算法对采集的数据进行线性特征提取, 最后利用有限状态自动机对前方地形进行识别。实验中, 对平地过渡到上/下斜坡、上/下楼梯四种地形进行了测试。结果表明, 该系统不仅对四种地形的识别精度达到了95.8%, 还可以计算出传统的运动意图识别方法无法得到的地形参数信息, 包括斜坡的坡度、楼梯的阶数和台阶的高度与宽度。这证明了将该系统应用于动力型下肢假肢的有效性和可行性。

2 μm激光应用于激光雷达探测等领域, 对于波长的要求比较精确, 研究了激光器结构参数对准三能级Tm:YAG激光器输出波长的精细调控技术。基于侧面泵浦激光器泵浦阈值的理论模型, 通过对不同谱线的泵浦阈值进行数值模拟, 研究结果表明: 通过改变晶体温度、激光介质长度、输出耦合率等途径可实现激光器的输出波长在2.0~2.1 μm的光谱区内的精细调控。

传统激光相干探测系统中, 一般采用单频激光作为发射源, 实现目标测量或跟踪; 而在国外典型应用中, 采用锁模脉冲串与相干接收方式融合, 可实现目标距离-多普勒成像（简称R-D成像)。因此, 此文重点针对基于锁模CO2激光的R-D成像展开仿真分析。首先建立锁模脉冲串激光模型; 其次对频谱混叠进行展开, 并结合自旋运动中的目标模型开展回波信号的匹配滤波处理; 最后通过相应FFT和IFFT运算, 可获得目标的R-D图像, 并给出含有噪声情况下、自旋目标在不同转动角速度以及不同脉冲回波相叠加所获的成像质量改善的R-D图。经过相应仿真分析可知, 采用基于锁模脉冲串的成像方法, 可利用一个大脉冲获得一幅目标R-D图, 可作为弹道目标诱饵识别的“运动指纹”特征。