红外和太赫兹具有非常广阔的应用前景, 在光谱学、成像、无线通信和遥感等领域发挥着越来越重要的作用。但是, 由于红外、太赫兹波段的光子能量低, 相关的探测遇到很大困难, 所以实现高灵敏、高速和高稳定性的红外太赫兹探测是一个具有挑战性的工作。二维材料由于其高迁移率、带隙可调和表面悬挂键少等特点为红外太赫兹探测提供了新的机遇。基于光热载流子调控的二维材料红外、太赫兹探测器的发展方兴未艾。文中主要介绍了目前基于光热载流子调控的红外、太赫兹探测器的最新研究进展, 将从材料、器件结构、响应波段和响应机理等方面展开。

碲化锑(Sb2Te3)是一种新型二维层状材料, 采用“自上而下”的超声剥离法, 以碲化锑粉末为原料, 以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为分散剂, 首次成功制备出碲化锑量子点(Sb2Te3 QDs), 并采用多种手段(SEM, TEM, AFM, XPS, XRD等)对所制备Sb2Te3 QDs的形貌和结构进行了表征, 同时还采用UV-Vis、PL及PLE探究了Sb2Te3 QDs的光学性质。研究表明: 所制备的Sb2Te3 QDs平均粒径为2.3 nm, 平均高度为1.9 nm, 颗粒大小均匀、具有良好的分散性, PL与PLE峰位有明显的红移现象, 研究还发现Sb2Te3 QDs在红外波段有明显的吸收与光致发光。研究表明: 超声剥离法制备Sb2Te3 QDs是切实可行的, 该量子点的PL与PLE对波长具有依赖性, 其在红外波段的特性表明: 它有望成为一种新型的红外探测材料。

石墨烯具有超高载流子迁移率、零带隙、宽波段响应等性质, 是具有潜力的红外光电探测材料。通过分析石墨烯基红外探测器的发展历程, 综述了石墨烯红外光电响应的机理, 对石墨烯基探测器的响应度、波段、速度等性能和器件结构进行了梳理, 并围绕石墨烯基探测器在材料制备、工艺兼容性等方面的挑战进行了探讨和展望。

Ge材料由于在近红外波段具有较大的吸收系数、高的载流子迁移率、以及与Si工艺相兼容等优势而被视为制备近红外光电探测器最理想的材料之一。针对Ge光电探测器制备过程中面临的挑战, 文中综述了近年来笔者所在的课题组在Ge探测器材料、器件及工艺方面的研究进展。首先介绍了Si基Ge材料的制备工艺, 利用低温缓冲层生长技术、Ge/Si键合技术、Ge浓缩技术等分别制备得到高晶体质量的Si基Ge材料。研究了Ge材料n型掺杂工艺, 利用离子注入结合两步退火处理(低温预退火和激光退火)以及利用固态磷旋涂工艺等分别实现Ge材料n型高掺浅结制备。最后探究了金属/Ge接触势垒高度的调制方法, 结合金属中间层和透明导电电极ITO制备得到性能良好的Ge肖特基光电探测器。

基于InGaAs/InP材料的雪崩二极管探测器工作响应波段范围0.9~1.67 μm, 在盖革模式下探测效率较高, 具有单光子量级的灵敏度, 通过配置不同的偏置电路, 可工作在门控和自由运行模式。目前主要采用门控模式的工作方式, 门控模式可应用于光子到来时间已知的量子密钥分发。在激光测距、激光雷达成像等应用中当光子到达时间是未知的条件下, 器件需工作在自由运行模式下。通过内部集成或片上集成自淬灭器件, 探测器本身具有自淬灭或自恢复功能, 无需外部淬灭电路, 可工作在自由运行模式, 大大拓展了InGaAs/InP单光子探测器的应用领域, 同时对制备单光子探测器阵列具有优势。另外, 采用InGaAs/GaAsSbⅡ类超晶格材料作为雪崩二极管的吸收层, 可将探测器的截止波长进一步扩展为2.4 μm。首先对盖革模式APD进行了介绍, 在此基础上对当前发展的自由运行模式以及扩展波长的InP基单光子探测器原理和性能进行了详细的阐述。

短波红外InGaAs 焦平面探测器具有探测率高、均匀性好等优点, 在航天遥感、微光夜视、医疗诊断等领域具有广泛应用。近十年来, 中国科学院上海技术物理研究所围绕高灵敏度常规波长(0.9～1.7 μm)InGaAs焦平面、延伸波长(1.0～2.5 μm)InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探测器取得了良好进展。在常规波长InGaAs焦平面方面, 从256×1、512×1元等线列向320×256、640×512、4 000×128、1 280×1 024元等多种规格面阵方面发展, 室温暗电流密度优于5 nA/cm2, 室温峰值探测率优于5×1012 cm·Hz1/2/W。在延伸波长InGaAs探测器方面, 发展了高光谱高帧频1 024×256、1 024×512元焦平面, 暗电流密度优于10 nA/cm2和峰值探测率优于5×1011 cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探测器方面, 发展了一种可见近红外响应的InGaAs探测器, 通过具有阻挡层结构的新型外延材料和片上集成微纳陷光结构, 实现0.4～1.7 μm宽谱段响应, 研制的320×256、640×512焦平面组件的量子效率达到40%@0.5 m、80%@0.8 m、90%@1.55 m; 发展了片上集成亚波长金属光栅的InGaAs偏振探测器, 其在0 °、45 °、90 °、135 °的消光比优于20:1。

InAs/GaSb超晶格材料制备的新型红外器件在最近十几年得到了迅速发展。文中开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器组件研制, 设计了中/短波双色叠层背靠背二极管芯片结构, 用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料, 制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器组件, 对探测器组件进行了测试分析。结果显示, 在77 K下中波二极管RA值达到26.0 kΩ·cm2, 短波的RA值为562 kΩ·cm2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3 μm, 中波为3~5 μm, 满足设计要求。双色峰值探测率达到中波3.12×1011 cm·Hz1/2W-1, 短波1.34×1011 cm·Hz1/2W-1。响应非均匀性中波为9.9%, 短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%, 短波为98.06%。

利用GaAs/AlGaAs量子阱结构, 研制了像元规模为640×512、中心响应波长在10.55 μm附近的红外焦平面阵列器件, 与50 K集成式制冷机耦合后, 测试了相关性能, 其等效噪声温差达到22.5 mK。焦平面组件通过了初步的开关机试验以及热真空试验后, 表现良好。考虑封装冷屏导致在面源黑体测试时产生的焦面照度不均匀问题进行了数值计算, 并分析了与近似解析计算的误差, 表明当F数变小时应当采用数值计算, 并认为探测器测试的非均匀性主要由照度不均匀贡献。针对10.55 μm量子阱探测器, 利用开源的MEEP FDTD软件, 进行了近场耦合的光场分布计算, 计算结果表明目前的结构参数在光衍射方面是比较接近优化的。

红外焦平面的数字读出是信息化发展的必然方向, 其关键技术是数字读出电路。介绍了数字读出电路的发展现状和主要架构, 重点分析了时间噪声和空间噪声的来源和影响, 并给出低噪声设计指导。同时对线性度、动态范围和帧频等主要性能进行了讨论, 设计了两款数字读出电路。采用列级ADC数字读出架构设计了640×512数字焦平面探测器读出电路, 读出噪声测试结果为150 μV, 互连中波探测器测试NETD为13 mK。基于数字像元读出架构设计了384×288数字焦平面探测器读出电路, 互连长波探测器测试NETD小于4 mK, 动态范围超过90 dB, 帧频达到1 000 Hz。所设计的两款读出电路有效提升了红外焦平面的灵敏度、动态范围和帧频等性能, 表明数字读出电路技术对红外探测器性能的提升具有重要作用。

近十年碲镉汞第二代红外焦平面探测器应用呈现爆发式增长, 也是第三代焦平面技术快速发展的十年。文中对近十年来碲镉汞红外焦平面探测器技术的发展进行了简单的回顾, 并结合碲镉汞红外焦平面探测器的应用, 对在碲镉汞红外焦平面探测器技术方面的研究工作和工程应用进行了总结, 最后, 对未来碲镉汞红外焦平面探测器技术的发展进行了展望。

在读出电路有限的像元面积内获得尽可能大的电荷存储量是实现甚高灵敏度红外探测器的关键。基于脉冲频率调制的像元级模数转换(ADC)是实现甚高灵敏度红外探测器读出电路的主要方法, 阐述了像元级脉冲频率调制ADC的原理, 介绍了美国麻省理工学院林肯实验室、法国CEA-LETI在像元级数字读出电路的研究进展。作为从立体空间拓展电路密度的新技术, 介绍了三维读出电路的研究进展。最后介绍了昆明物理研究所甚高灵敏度红外探测器读出电路的研究进展。利用像元级ADC技术和数字域时间延迟积分(TDI)技术, 昆明物理研究所研制的长波512×8数字化TDI红外探测器组件, 峰值灵敏度达到1.5 mK。

机械制冷机是提供红外载荷工作所需低温环境的主要设备, 其驱动系统的传导干扰是影响红外载荷精度的重要因素。传导干扰中的共模干扰具有较高的分析难度, 为研究其机理, 以某红外用机械制冷机及驱动系统为研究对象, 使用一种新型多物理域联合仿真的方法对共模干扰机理进行定量分析, 并通过实验测试验证了仿真模型的准确性。最终对其干扰路径及干扰源特性进行了分析, 并总结出共模干扰机理。结果表明: 测试频段内制冷机的寄生参数是影响共模干扰通路的最主要因素, 但随频率增加, 输入输出电缆的寄生参数对干扰通路的影响逐渐增大, 同时, 干扰机理显示: 系统产生的共模干扰最可能导致 CE102标准在频段500 kHz~1 MHz干扰超限。

受红外焦平面阵列生产工艺及材料本身特性影响, 红外焦平面阵列不可避免地存在盲元, 严重困扰红外数据的处理与应用。光栅分光推扫式热红外高光谱成像仪一般以红外焦平面阵列的其中的一维作为光谱维进行推扫式成像, 空间维只剩一维, 与一般的热像仪具有二维空间维的成像机制有很大区别。常规的实验室定标法和开窗处理的场景检测方法不能满足该成像方式的盲元检测需求。以热红外高光谱成像仪中的盲元检测为目标, 有针对性地提出了基于光谱匹配的盲元检测算法。该方法从光谱维角度出发, 以不同温度实验室黑体定标数据生成温升光谱数据, 在数据规则化处理的基础上, 自动提取有效像元目标的伪光谱曲线, 采用光谱角匹配的方式实现盲元的自动检测。以典型的热红外高光谱成像仪获取数据并开展盲元检测实验, 结果表明该方法充分利用了热红外高光谱成像仪的光谱维信息, 检测精度较高, 盲元补偿后的数据可满足热红外高光谱数据的行业应用。

高真空羽流指空间目标上火箭发动机在高真空环境工作时产生的燃气射流迅速膨胀扩散流动状态。这种急剧膨胀的羽流会对空间目标产生冲击、侵蚀, 其产生的辐射特性已应用于空间目标的探测、识别。基于无碰撞的自由分子流理论模型对高真空羽流的流场进行了快速预测分析方法研究, 获得了高真空羽流的膨胀、扩散分布特性, 得到了符合认识的流动规律结果, 在计算得到高真空羽流流动参数的基础上, 采用佛奥特线型函数描述稀薄气体的展宽, 结合逐线积分法+视在光线法计算得到高真空羽流的辐射特性。研究结果表明: 高真空羽流的轮廓特性及扩散分布是由喷管出口的点源强度所决定的, 点源强度越强, 羽流扩散的越厉害, 同时轴线上无量纲的密度、温度越高; 喷管出口温度相同时, 高真空羽流辐射强度随点源增加而增强;出口速度相同时, 羽流辐射强度随点源增加而减小;在点源强度相同时, 羽流辐射强度与推力正相关。

对于单张红外图像进行隐身效果评估, 需要考虑像素点间反映的图像相似特征信息, 而单一的相似性度量方法不能够全面准确地反映红外图像间相似性。在对单张红外图像均等分块的基础上, 综合考虑了基于图像灰度直方图法、方向梯度直方图特征法、结构相似度法和目标分类4种相似性度量方法的优点, 利用主成分分析法确定不同相似性度量方法的权重值, 提出了基于综合相似性度量的评估方法。通过各相似性度量方法间横向与纵向的对比, 分析不同遮挡情况下目标与背景图像间每种相似性度量方法的平均值和标准差。结果表明: 综合相似性度量能够更准确地反映图像间相似性信息, 更有效地处理单张红外图像隐身效果评估问题。

报道了一种采用双路高速伺服电机驱动光栅选线的方式, 实现9~11 μm CO2激光快速调谐输出。双光路谱线切换时间小于100 μs, 单光路谱线切换时间小于50 ms。激光器输出谱线达70条, 其中9P(20)、9P(28)单脉冲输出能量大于100 mJ, 9R(30)、9P(40)单脉冲能量大于90 mJ, 激光脉冲宽度小于100 ns,重复频率为20 Hz。

为实现大气痕量气体的临边和天底超光谱探测, 利用时间调制型傅里叶变换光谱仪获取光谱信息, 其干涉仪控制系统中光程扫描速度稳定度≥99.5%。针对光程扫描行程长, 扫描速度稳定性要求高, 设计平动式光程扫描的干涉仪控制系统, 并给出扫描实现原理图。由于控制系统存在摩擦力、振动等干扰导致扫描速度波动, 理论分析其对干涉信号强度和反演光谱的影响。鉴于角镜扫描运动和扰动具有周期性特点, 提出插入式重复控制器来抑制周期性干扰, 改善动镜运动速度的匀速性。对控制策略进行MATLAB数值仿真和实验验证, 实验结果表明: 当角镜以10.625 mm/s运动时, 插入式重复控制器可逐周期地改善角镜运动稳定度, 最终位移误差为±0.000 25 mm, 速度误差为±0.000 4 mm/s; 满足速度稳定度≥99.5%的要求。

对主体为铝球用于雷达定标的一批卫星进行了地基光学观测, 验证了其光度变化和光谱特性简单, 易于开展光度和光谱特性影响因素分析。实验室对铝球的仿真测量也证明了铝球具有各向同性好、反射特性和光谱特性平稳等特点。研究团队基于测量结果构建了铝制球体卫星的光度计算模型, 与实测结果的对比分析表明, 利用铝制球体的材料特性和外形特征可最大程度的简化卫星光度计算模型, 也证明了实测方法和光度计算模型构造方法的正确性, 使得卫星光度可实时保精计算, 可应用于天基和地基光电探测设备的动态能量定标和高速、变速运动状态下的探测能力标定。

激光成像雷达能够获取反映目标三维空间位置的点云数据, 可直接估计目标三维姿态角, 是完成特征提取、目标配准等工作的重要参数。实现场景的三维姿态估计, 借鉴基于点法向量的三维姿态估计算法(PDVA), 针对真实场景中表征场景坐标系(SCS)坐标轴的正方向向量偏差较大的问题, 提出了一种优化的三维姿态估计算法(OPDVA)。该方法利用场景点云存在大面积近似平面区域的特点, 通过随机抽样一致算法(RANdom SAmple Consensus, RANSAC)的平面模型对聚类中其他方向的点法向量进行滤除, 得到最优拟合平面对应的法向量即为修正后的SCS坐标轴。利用旋转变换和重采样等技术手段, 分别采用矩形包围盒法、PDVA和OPDVA对3组真实场景距离像进行实验。实验结果表明: OPDVA方法对场景的姿态估计明显优于其他两种方法, 姿态估计误差不超过4°, 对存在遮挡的场景也同样适用。

该研究通过大气等离子喷涂法制备了粘接层为NiCoCrAlYTa合金、陶瓷层为YSZ和La2Ce2O7 (LC)的双陶瓷层热障涂层(DCL-TBCs), 并提出了一种采用脉冲Nd:YAG激光的新型桩钉结构激光改性方法。结果表明, 激光改性后, 双陶瓷层热障涂层的表面粗糙度较喷涂前有明显提高; 在激光改性的桩钉结构单元中可以发现陶瓷层的完全再结晶, 以及致密的柱状微结构; 由于激光改性构建的桩钉结构使得整个LC层和部分YSZ层产生了再熔化与再溶解, 极大地提高了界面结合性能和结合强度, 因此激光改性后的双陶瓷层热障涂层比常规的双陶瓷层热障涂层具有更好的抗脱粘性能。

为了研究尾流中激光照明气泡幕的散射光强度和偏振的特性, 利用基于偏振光传输的蒙特卡洛模型, 对偏振激光入射含气泡群水体的三维空间分布模式进行仿真计算。研究了气泡和气泡群在不同气泡尺度, 不同散射角条件下的散射光强和偏振状态; 分析了气泡幕的气泡数密度, 厚度对于散射光强度和偏振状态的影响。研究表明, 散射光的强度和偏振度对气泡尺度和散射角较为敏感, 气泡尺度参数越大, 散射光强和偏振特征越趋向于集中在传输方向的小角度散射; 气泡幕的数密度和厚度越大, 散射光的强度随散射角度变化的敏感度下降, 退偏振效果增强。

通过共价键合将二氨基二枯丁苯氧基氯代铟酞菁(Pc)与羧基化氧化石墨烯(GO-COOH)键合在一起, 得到二氨基二枯丁苯氧基氯代铟酞菁-氧化石墨烯键合产物(Pc-GO-COOH), 并以键合产物为原料反应得到引发剂。以甲基丙烯酸甲酯(MMA)为聚合反应单体, 通过原子转移自由基聚合(ATRP)反应得到四种不同分子量的聚合物样品。采用凝胶渗透色谱(GPC)对聚合物分子量分布测试, 结果表明, 所制备的聚合物的分子量分布范围较窄, 聚合反应具有良好的可控性。采用Z-扫描方法对聚合物样品溶液进行的三阶非线性测试结果表明, 所制备的聚合物具有优良的三阶非线性光学性质, 且当聚合物的分子量分别为9 063和12 196时, 三阶非线性极化率值分别为8.1×10-11、2.1×10-11 esu。同时对聚合物样品的光限幅性能测试结果表明, 两种样品的有效激发态与基态吸收截面比分别为2.69和2.20, 具有较好的光限幅能力, 具有较大的应用前景。

Ф1.3 m凹椭球面反射镜是某遥感器光学系统的主镜, 其定心精度要求苛刻。由于该反射镜口径大、顶点曲率半径长, 利用定心仪法进行定心的实现难度大, 精度低。通过分析非球面的两种偏心之间的补偿现象, 可知激光跟踪仪接触测量定心的精度仅为0.15°。三坐标仪接触测量定心的精度能够达到0.005°, 不过其量程受限, 且在光学加工时的反复搬运会造成不便。利用Offner零位补偿检验光路进行干涉法定心, 干涉法将反射镜偏心转换为检测系统波前的初级像差, 同样可以达到0.005°的精度。该检测方法的误差来源主要是干涉仪焦点位置误差, 是系统误差, 可以通过旋转反射镜进行多次定心测量的方法予以消除。完成了该反射镜的定心, 其结果与三坐标仪的测量结果对比, 两种偏心的最大偏差仅为0.023 mm和0.002°。实现了大口径凹非球面反射镜的原位定心测量。

在可调谐二极管激光吸收光谱技术中, 直接吸收法通过对透射光强拟合可直接得到线型函数, 但目前具有较高信噪比的波长调制法不能对其进行有效测量。提出一种基于多次谐波的线型函数测量理论及方法, 通过谐波通项表达式推导出谱线中心频率处二次与四次谐波比值仅与线型函数和调制系数有关, 当调制系数m为2.492 8时, 无论线型函数中Gauss线宽和Lorentz线宽所占比例如何, 二次与四次谐波比值均为2.186 2, 根据该点的特征可首先得到谱线半宽, 然后将其应用于弱吸收条件下2f/1f气体浓度免标法测量。实验中采用2 326.82 nm处谱线对CO浓度进行了测量, 其结果与传统直接吸收法测量结果误差小于2%。文中为波长调制法中线型函数的精确测量提供了重要的理论依据, 进一步完善了2f/1f免标法。

为了准确、可靠地测量到静爆试验中任意水平方向上的破片飞行速度, 提出了一种基于主动光幕阵列的静爆破片飞行速度测量方法。首先, 以被测弹药静爆点为中心的平面上环形布放12组主动式六光幕阵列, 当破片穿过其中任意一组光幕阵列的探测幕面时可测量到其飞行参数(如速度、入射角及立靶密集度等); 其次, 根据所提出的光幕阵列布局配置, 建立了其破片飞行参数测量模型, 分析了破片速度分量误差在一定范围随各速度分量变化规律。通过理论分析及实弹实验可知: 在规定测试条件下破片速度分量误差不超过2.7 m/s, 可以满足任意水平方向上的破片速度测量需要。

结构光三维测量技术是获得物体三维信息的重要途径, 激光条纹中心线提取是影响结构光三维测量精度和速度的关键因素。提出了一种适用于多场景下结构光三维测量的激光条纹中心线提取方法, 充分利用图像中激光条纹的几何信息和相关性生成自适应卷积模板, 实现激光条纹图像的滤波和增强处理, 使激光条纹横截面灰度值满足高斯分布; 经灰度加权法实现激光条纹中心线的亚像素精度定位与提取。实验测试结果表明: 该方法可实现多场景下形状、材质各异物体的条纹中心线提取, 有效克服了激光条纹亮度分布不均、噪声干扰等影响, 单幅图像处理时间缩短为0.107 s且相对误差减少到0.076 5%, 有效提高了激光条纹中心线的提取精度和速度。

深空探测器的功耗和体积有限, 任务工况多样, 与低轨道地球探测器相比, 深空探测器对导航敏感器的任务能力提出了更高的需求。提出了一种基于飞行时间成像的快速位姿测量和地物目标识别技术。为了在保证位姿测量精度的前提下满足对位姿测量时间性能的需求, 提出了一种基于深度信息的动态尺度估计方法。该方法提升了物方多尺度变化条件下点云配准的时间稳定性, 平均配准时间缩短60%以上, 平均配准精度约为0.04 m。为了满足多尺度、多形态地物目标识别的需求, 使用了基于轻量化深度神经网络, 可根据场景深度信息进行地物检测。结果表明, 该方法可对地物特征进行快速感知, 在真实场景中的准确率达到70%以上。

为满足望远镜副镜结构定位精度的要求, 提出一种固定杆长杆端轴向平移运动模式的六杆并联机构。从微分几何的观点研究了该机构输入关节空间向量与输出工作空间向量之间的非线性运动学特性, 并采用曲率概念度量解轨迹的非线性弯曲。通过与雅可比矩阵的对比分析可知, 采用曲率度量并联机构的非线性和采用雅克比矩阵反映的瞬时线性性质一致, 所设计的副镜并联调整机构在整个运动行程范围内的最大非线性误差约为3.15 μm。测试结果表明: 采用多项式误差曲线拟合校正之后, 该副镜调整机构三维平移重复定位精度小于2.6 μm, 二维旋转重复定位精度小于1.8″, 满足实际望远镜观测的需要, 采用的曲率度量法也可以为其他并联机构的非线性分析和校正提供一种新的思路。

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题, 设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先, 针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式, 建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型; 再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题; 并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°, 组合系统的焦距为61.14 mm, 角分辨率为2.304″, 系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言, 此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。

由于微光遥感可在夜间和晨昏时段等低照度条件下对地物进行探测, 该遥感相机利用微光遥感与传统可见光遥感进行互补, 实现可见光波段全天时对地观测。考虑系统长焦距(500 mm)、大视场(5°×2°)、大相对孔径(F数为3.8)、小型化、高光学效率等各方面因素, 该遥感相机最终采用离轴三反结构形式, 采用双探测器共光路、分视场形式实现微光、可见光探测器同时成像。对光学系统设计和成像质量进行了详细分析, 传统可见光波段各视场MTF优于0.4@200 lp/mm, 微光可见光波段各视场, MTF优于0.75@77 lp/mm, MTF接近衍射极限, 结果表明: 根据光学载荷研制发射流程, 从加工、装调、一次调焦和不调焦四个过程详细分析了系统公差, 给出了公差分配结果。此外, 对该光学系统的可扩展性进行了分析说明。

为了解决视区分离的问题, 设计了一种基于偏振光栅的一维集成成像双视3D显示器, 建立了3D成像模型, 详细阐述了一维集成成像双视3D显示的原理; 通过几何光学推导视区宽度以及观看视角的计算公式; 研制了基于偏振光栅的一维集成成像双视3D显示测试装置, 在左18°到右18°的范围内, 通过左偏振眼镜和右偏振眼镜在同一视区内分别观看到两个不同的3D图像。

基于对流扩散效应, 利用有限元分析法建立了一种光学渐变折射率微腔流体透镜。分析了微腔中芯、包层液体在对流扩散过程达到稳定后的浓度分布情况, 即所谓的混合流体折射率分布。研究了对流扩散模型结构, 分别在一般情况下(芯层流体折射率大于包层流体折射率)和中心凹陷情况下(芯层流体折射率小于包层流体折射率), 沿流体流动方向的不同截面对流扩散后折射率分布情况。

基于狭缝波导结构, 设计了工作波长在890 nm的聚合物基微环。从折射率传感的角度详细分析了狭缝波导的模场特性。分析了波导高度、宽度及狭缝宽度对灵敏度的影响。传统的狭缝波导具有较高的弯曲损耗, 这会影响微环谐振器的品质因子Q以及消光比。设计了非对称的狭缝结构, 保证波导模式位于波导中央传输, 降低弯曲损耗。为了条形波导与狭缝波导更好的耦合, 设计了基于多模干涉结构的条形-狭缝波导模式转换器。仿真表明设计的微环谐振器的传感灵敏度达到109 nm/RIU。

在复杂的海天背景下, 现有红外小目标检测算法存在虚警率高的问题, 文中深入分析目标和背景的特征差异, 首先, 提出了一种基于灰度差和梯度方向一致性的方法, 增强了小目标并抑制了部分背景杂波, 其次, 结合特征分解法进一步抑制了锐利边缘背景, 最后, 采用自适应阈值分离出小目标。实验结果表明, 与五种现有算法相比, 所提出的检测算法能够在不同复杂场景都有效降低虚警率, 大大提升信杂比(SCR)和背景抑制因子(BSF), 并且具有良好的鲁棒性。

为了增强末敏弹在不同场景下对地面装甲目标的探测识别性能, 充分考虑末敏弹弹载线阵激光雷达的应用背景, 提出了综合交叉扫描线法和梯度连通域的地物距离像点云分割算法, 用以提高对地面和目标的分割效果。首先, 将激光雷达扫描得到的原始距离信息转换为距离水平地面高度值, 通过交叉扫描线法将空间斜面转化至水平面, 增强不同地形上的适应性; 然后, 采用地面点云连通域算法提取地面点云和形态学梯度阈值法分割得到目标点云; 最后计算了地物分割效果的几何相似度。实验结果表明: 该算法对于正斜坡、侧斜坡等多种地形都有较好的适用性, 在不同高度、地形、坡度都能够准确、有效地分割地物点云, 进而提高末敏弹对装甲目标的识别性能。

为了满足某些算力受到限制的应用场景的长时跟踪需求, 如以C64x+ DSP为核心的嵌入式系统, 提出了一种由连续跟踪环节与目标检测环节两部分构成的低时间复杂度长时跟踪算法, 连续跟踪环节基于自适应更新的时空上下文算法(STC), 目标检测环节使用归一化互相关匹配算法。在没有目标出视场、目标快速移动等特殊跟踪场景时, 连续跟踪环节输出跟踪结果, 在跟踪失败后, 目标检测环节对全幅图像进行处理, 只要目标出现在图像中, 便可以重新锁定目标。经实验验证, 目标检测环节可以在目标出现后准确检测到目标, 满足了长时跟踪的要求。同时, 目标检测环节在跟踪不可靠时的辅助定位也提升了连续跟踪环节的鲁棒性, 使用OTB2013数据集测试, 本算法的精确度较STC算法提升了4.95%。