海洋是地球生态环境的重要一环, 但人类对海洋资源的勘探和开采容易对其造成严重破坏, 如油气开采过程造成的大面积溢油、污染和赤潮爆发等。高光谱成像技术可以同时获取图像信息与高分辨光谱信息, 在海洋原位探测上具有重大应用。文中综述了小型高光谱图谱仪与激光雷达及其在海洋应用上的部分近期工作。小型高光谱图谱仪结合荧光技术, 实现了溢油种类的分类和油膜厚度的估计。多模式高光谱海洋原位探测系统可以工作于普通反射或透射成像、望远成像、显微成像三种模式, 实现了海洋不同藻类及鱼类传染病载体孢囊的高光谱探测。高光谱技术结合激光雷达技术在溢油、赤潮等海洋污染物监测方面具有很大潜力。非弹性高光谱沙姆激光雷达系统通过油品的荧光光谱实现了海洋溢油油品的遥测鉴别。形貌沙姆激光雷达系统基于二维沙姆成像原理, 通过空气-水界面折射矫正, 成功的对人体、贝壳、珊瑚等进行了三维形貌重构, 近处恢复精度可达毫米级, 表面纹路清晰可见, 为海洋监测应用提供了新的技术支持。

相比传统水下摄像机, 水下距离选通成像的作用距离可提高两三倍, 同时基于该技术可实现快速高分辨率三维成像, 在水底详查、避障导航、海洋科学研究、矿藏开发等方面具有广泛应用前景。虽然距离选通成像可通过空间切片的方式抑制水体的后向散射噪声, 实现感兴趣区较高质量的成像, 但是, 在选通图像中仍不可避免地存在空间切片水体的后向散射噪声, 导致图像信噪比和对比度降低, 尤其是对于远距离目标或低反射率目标。介绍了针对水下距离选通二维成像及三维成像去噪方面的技术研究。在二维成像方面, 一是采用双平台自适应增强算法提高图像对比度, 更好地满足人眼视觉要求; 二是采用参考水体去噪算法实现含目标图像的水体去噪, 提高信噪比。在三维成像方面, 针对距离能量相关三维成像, 一是利用参考水体去噪算法实现去噪三维重建, 二是采用双边滤波法对三维图像中数据空洞进行修复, 提高三维图像质量。所述四种方法可独立或联合用于水下距离选通成像的去噪增强, 提高水下距离选通成像技术的性能。

海洋光学系统在海洋探索、开发和监测中起到了越来越重要的作用。水下无线光通信、水下激光雷达是两种迅速发展且有良好应用前景的海洋光学系统。水下无线光通信凭借高速率与低延迟的特点在中短距离应用中成为理想的通信选择; 水下激光雷达在获取地理信息、目标探测等应用中也是常用的高精度、高效率的观测方法。然而, 海水信道的复杂光学特性为海洋光学系统性能的进一步提升带来了挑战。在海水信道中, 不仅吸收与散射作用较强, 而且信道中可能有湍流、气泡等动态变化的干扰因素。为应对这些挑战, 一方面可通过时间或空间方法提高信噪比; 另一方面, 时空信息转换的方法有利于提升系统的性能。文中对以上解决方案进行综述, 并指出海洋光学系统的发展趋势。

蓝绿激光在水下目标非声探测中具有广泛的应用前景, 但现有的探测模型尚未考虑探测概率与自导系统的匹配问题。为了获得最佳探测效果, 建立基于脱靶量的水下目标激光周视扫描探测模型。仿真结果表明: 随脱靶量增加, 在相同发射频率下, 增大光束发射倾角能显著提高探测概率, 但减少了后级系统的处理时间; 此外, 随脱靶量增加, 为避免探测漏检, 应提高发射频率, 减小光束发射步进角度。最后, 通过仿真分析给出不同脱靶量下探测系统关键参数的最优设计。文中所建模型对探测系统、自导系统的匹配设计提供了一定的理论参考。

水下光谱成像技术在水下目标物识别、海洋生态监测等领域有着重要作用。基于实际工程使用环境设计了基于液晶可调谐滤光片(LCTF)的水下光谱成像系统。该系统通过采用LCTF作为滤光结构以获得水下目标物的光谱信息。水下光谱成像系统在宽光谱LED光源的照明下, 进行水池实验获得了目标物在波长400~700 nm之间的31个通道光谱图像。对水下具有相似颜色的不同物体的光谱信息进行了讨论和分析, 结果表明: 该系统有助于水下目标物识别和分类。在海试中对珊瑚进行了原位观测, 成功获取了珊瑚礁的水下光谱图像。该系统有望应用于海洋遥感、海洋生态环境监测等领域。

采用公式推导和仿真优化相结合的方式, 设计了一种测量水深的LiDAR光机系统。该系统光源采用532 nm和1 064 nm双频激光器, 设计532、647、1 064 nm三个接收通道, 拟定飞行高度140~500 m, 可变扫描角9°~15°, 发散角小于0.5 mrad, 水面点密度范围约为0.687~4.170点/m2。设计拉曼波段作为水深测量波段, 提高浅水区测量效果, 利用可变扫描角实现了不同高度下幅宽可固定、兼顾高分辨率和大视场角, 以适应不同应用场景。

海洋激光雷达是探测上层海水并构建海洋立体观测网络的重要遥感设备。文中将激光雷达实验数据与MC (Monte Carlo)仿真、解析模型、原位数据进行综合对比, 检验它们的匹配程度。与实验实测的激光雷达回波信号相比, MC仿真和解析模型均有很高的一致性(R■>0.97), 将原位漫射衰减系数(K■)近似代入普通激光雷达方程也有较好的一致性(R■>0.92)。反演得到的激光雷达衰减系数(α)表现出了相似的结果, MC仿真和解析模型具有更佳的一致性。结果表明: 海洋激光雷达实验结果能与MC和解析模型的仿真结果很好地匹配。

水下可见光通信(UVLC)是实现高速宽带信息传输的有效方案, 但由于受到信道中吸收、散射和湍流的不利影响而面临着许多困难。针对水下湍流信道中多径和衰落带来的影响, 提出了一种光正交频分复用(O-OFDM)等增益合并的分集方案, 根据广义的朗伯定律得到信道增益, 通过对数正态分布模拟信号衰落。采用蒙特卡洛方法对正交幅度调制(QAM)的非对称削波光正交频分复用(ACO-OFDM)和直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM) 两种分集系统进行建模仿真, 分析高斯信道和弱湍流信道下系统的误比特率, 探讨不同分集数目和闪烁系数情况下的分集增益。研究结果验证了分集是降低湍流影响的有效手段, 有利于改善水下信息传输性能, 为弱湍流信道下正交频分复用可见光通信系统的设计、预测和评估提供参考。

采用半解析蒙特卡洛方法, 开发了一套星载海洋激光雷达回波信号的仿真系统。通过输入激光雷达系统参数和仿真的环境参数, 该系统能够模拟具有不同光学特性的大气和海洋的激光雷达回波信号。同时该仿真系统设计了用户友好的软件界面方便用户对输入参数进行操作, 并直观地看到输出结果。利用该系统进行了多种仿真, 例如不同类型水体以及不同散射相函数的情况, 并将仿真结果与理论的激光雷达信号做了对比, 具有较高的一致性。该系统对星载海洋激光雷达探测机理的研究有一定的指导意义。

采用紫外-可见分光法测量不同浓度的海水相对于纯水的吸光度, 为达到高精度检测海水吸光度的要求, 在检测海水吸光度时将仪器本身固有的背景信号及样品容器之间的差异所产生的误差纳入研究范畴, 对实验方法展开进一步的优化, 利用差减的方法滤除背景信号的干扰, 同时验证了比色皿空杯相对于空气吸光度的重复性及比色皿之间相对于空气吸光度的差异性, 再利用差减的方法滤除比色皿之间的差异所带来的误差, 并且选取一定的特征波长观察其相对于纯水的吸光度数据, 验证了运用优化后的实验检测方法最终达到高精度测量海水吸光度的目的(＜0.000 5 AU), 对于精确检测高透明度水域中的各种物质具有重要意义。

针对现有体散射测量系统中激光器与探测器相互遮挡导致探测角度减小的问题, 设计了一款新型的水中颗粒物的体散射函数测量系统。首先, 通过双潜望式光路结构, 将激光发生平面与散射探测平面分离, 减小了激光器对探测角度的遮挡; 同时, 通过潜望式出射棱镜将透射光导出水体, 避免了容器的杯壁散射, 提高背散射测量的准确性。根据实际工艺, 改进出射棱镜, 设计系统样机, 实现了3°~178°大角度范围体散射函数的测量。结合系统结构与水下光传输原理, 根据数据矫正算法, 矫正由于测量光程及水体衰减造成的偏差。对比矫正后结果与米散射仿真结果, 证明方法的可靠性。

针对水下场景目标探测图像质量退化问题, 提出了一种自适应计算水体衰减系数暗通道融合多尺度Retinex(Multi-scale Retinex, MSR)的复原算法, 有效实现了水下目标的复原。通过搭建的水下成像测量装置, 借助成像系统获取水下模拟环境的探测图像, 对水下探测图像按照算法流程图逐步处理, 得到了有效复原水下目标辐射信息的图像。为客观评价算法的效果, 采用对比度、平均梯度与信息熵作为定量评价指标因子, 对该算法与常规三种算法进行了定量对比研究, 结果表明, 该算法处理结果各项定量评价指标因子均优于选取的对比算法。研究结果为水下目标探测提供了基础理论探索方法, 对水下目标探测实施开展具有一定的指导意义。

采用外差式差分相移键控(Differential phase-shift keying, DPSK)调制的水下无线光通信(Underwater wireless optical communication, UWOC)系统经过Gamma Gamma强海洋湍流信道传输, 当接收端与发送端之间存在瞄准误差并采用孔径接收方式时, 分析了湍流效应和瞄准误差对接收光强的抖动影响, 推导了UWOC系统的平均误码率(Bit error rate, BER)和中断概率(Outage probability, OP)的解析表达式。数值模拟研究了不同的瞄准误差、束宽、接收孔径和海洋湍流参数对平均BER和OP性能的影响。结果表明, 在相同的束宽和信道环境下, 瞄准误差越大, 系统性能越差; 光束束宽与孔径半径之比越大, 接收孔径直径越大, 系统性能越好; 另外, 选择较小的温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值?棕和均方温度耗散率?字T, 以及较大的湍流动能耗散率?着和动力粘度u的海洋湍流环境也有利于获得较好的系统性能。

为满足低等级红外探测器组件在高可靠性领域的空间应用需求, 对星载红外探测器组件进行温度循环试验、力学试验以及高温老炼试验等环境试验考核, 并基于双积分球式均匀照明系统对环境试验前后红外探测器组件相对光谱响应率进行测试。通过对比环境试验前后红外探测器组件相对光谱响应率变化, 分析红外探测器组件的环境适应性, 揭示红外探测器组件的质量缺陷及其他潜在缺陷, 剔除早期失效, 并从参试红外探测器组件中筛选出性能优良的探测器应用在星载偏振扫面仪进行大气偏振探测。试验结果表明: 参试的红外探测器组件在环境试验前后具有良好的稳定性和可靠性, 可以满足航天载荷应用需求。

高速机动、大视场、线扫等均会引起弹载大视场线列扫描红外图像的几何畸变, 从而影响巡飞弹的整体战术效能。利用探测器像面参数、坐标变换、地表模型、物像共线方程和墨卡托地图投影模型分别建立了相机的像方坐标方程、位姿变换方程、物像转换方程和物方地图投影方程, 进而构成了从像面坐标系到地图坐标系的完整严格成像模型, 利用Matlab对该模型进行静态仿真, 确定航高、摆扫角度、地表模型等模型参数造成的几何畸变特性的强度, 为弹载几何畸变校正算法的工程优化提供了依据。

为了测定红外空空导弹自身抗干扰性能, 需要对红外对抗环境进行定量评估。但是目前多数模型都是从终端脱靶量分析导弹抗干扰性能, 无法反映导弹在被干扰过程中各模块的响应情况。为此, 基于干扰过程中导弹导引头系统和制导控制系统角度提出了红外对抗环境量化建模方法。首先从场景构成和物理特性方面构建了红外对抗要素模型; 其次, 分析了对抗要素对导引头图像识别及制导控制系统的干扰影响, 抽象出相似度、遮蔽度、干扰时机、目标机动以及进入角影响度指标; 最后, 运用并联关系模型、几何均值合成模型及加权求和模型综合上述指标, 建立了总体环境复杂度量化模型。仿真结果表明: 典型对抗场景下, 该模型预测导弹命中率的误差在±6%区间的概率为95%。

空中目标具有高速机动、战略突防和远程精确打击等特点, 针对这类目标构建广域、高效、精准探测、连续监视技术已成为空中目标探测体系面临的新挑战。基于空中目标的天基光学探测需求, 建立了复杂环境要素综合作用飞机尾焰的光学辐射特征模型, 形成飞机尾焰-海面/云层背景-环境大气-光学系统-成像探测器等要素耦合的全数字化链路光谱辐射成像特征精确预测模型。基于实测数据推演了飞机尾焰红外多光谱本征辐射。同时, 利用FY-2G遥感数据, 反演了中国南海某海域海面温度及云顶温度分布, 建立了海云背景光谱辐射模型。在此基础上综合考虑了背景辐射、大气路径辐射和大气衰减对飞机尾焰光谱辐射的影响, 建立了在光学系统入瞳前目标上行光谱辐射特性模型, 结合光学成像系统的衍射效应, 探讨了不同谱段、云类型下地球同步轨道红外成像系统对目标的可探测性。研究表明: 大气屏蔽波段对目标的探测效能优于宽波段; 针对不同的背景选择合理的探测波段有利于目标的高效探测。

针对紧凑型、高效的光泵太赫兹激光器(OPTL)技术, 设计了基于负曲率空芯光纤的长腔型光泵太赫兹光纤激光器(OPTFL)结构。该OPTFL以聚甲基戊烯(PMP)材料的空芯光纤为工作气室, 填充甲醇气体作为工作物质, 采用连续9P(36)支CO2激光器为泵浦源。从速率方程理论和空芯光纤的传输理论出发, 分析了影响OPTFL输出特性的因素, 并对负曲率空芯光纤内部微结构进行了探索, 通过调整内部结构, 能够实现较低损耗的单模太赫兹激光传输。结合设计的负曲率空芯光纤, 对长腔型OPTFL的可行性进行了分析, 理论计算表明, 在最佳工作条件下, 通过适当增加谐振腔长度, 太赫兹激光输出功率有望达到百毫瓦量级。研究结果为高功率、高性能的OPTFL提供了一种新的方法与理论指导。

在量子探测领域, 关键任务之一就是要对未知量子态进行测量以获取量子态信息。通过将量子计算中的量子门所组成的量子线路应用于量子探测领域, 提出实现单光子未知量子态的测量方案。利用量子计算的叠加性、纠缠性、可纠错性以及量子线路的可集成性, 可以使得探测更具高效性并简化探测的实验系统。利用本文提出的探测新方案, 通过仿真计算对该方案进行了模拟。在该方案的理论计算与仿真模拟结果的基础上, 得到了以下的结论: 通过在不同信噪比等参数的条件下选择适当的测量次数, 基于量子线路的方案可以得到较为精确的测量结果。

白天太阳光背景辐射严重降低雷达系统的信噪比, 从而影响探测高度和精度。为实现对中高层大气相关参数的全天时测量, 利用Nd:YAG激光器产生的355 nm激光束作为光源, 研制了用于全天时的超窄带滤光器。从原理出发, 利用FP标准具透过率曲线单支具有超窄带宽的特性, 设计了一款用于进行白天观测的级联式超窄带滤光器; 给出了该超窄带滤光器近似透过率函数形式, 定义了滤光器性能评价函数, 给出了设计方法; 通过定义的滤光器性能评价函数, 对超窄带滤光器主要参数进行了优化设计, 给出了各光学部件具体参数, 给出了超窄带滤光器的信噪比提升效果; 最后, 通过具体实验对各标准具及级联状态下的系统透过率进行了标定, 经曲线拟合表现出较好的一致性。

提出了一种基于相位调制器(PM)和可调谐光滤波器产生线性调频激光信号的方法。该方法利用带有基频的微波线性调频信号作为相位调制器的驱动信号, 窄线宽的激光种子源经相位调制器调制后产生一系列的宽带线性调频激光信号。通过可调谐光滤波器抑制其他边带保留所需阶次的线性调频激光信号。实验结果表明: 当光滤波器保留正二阶调频激光信号时, 获得了调频带宽为2 GHz、调频速率为6 THz/s的线性调频激光信号。在观测时间为1 ms时, 测得的线性调频激光信号的瞬时线宽为3.2 kHz。该方法结构简单, 易于实现, 并且对调频连续波激光雷达、相干光谱分析等测量应用有重要意义。

细分光谱扫描定标技术是实现遥感器高精度光谱辐射定标的重要方式, 基于超连续激光单色仪的定标装置是实现遥感器细分扫描定标的新选择。为验证所建立的超连续激光单色仪装置的系统级定标能力, 利用硅辐亮度计和滤光片辐射计, 分别采用超连续激光单色仪定标装置和可调谐激光定标装置对其进行了系统级绝对光谱响应度定标比对验证。实验结果表明: 在所验证波段范围内, 两种定标装置获得的硅辐亮度计绝对光谱响应度系统级定标结果最大偏差为0.6%。通道式滤光片辐射计的带内绝对光谱响应度定标结果最大偏差优于0.4%, 带内积分响应度最大偏差约0.1%。文中的研究验证了超连续激光单色仪定标装置具有良好的系统级定标能力, 能够获得较高的定标精度, 在遥感器的绝对光谱响应度定标中具有重要应用前景。

Geiger mode Avalanche Photo Diode(Gm-APD)激光成像雷达三维重构常用的峰值法对于异常峰会提取到错误的目标位置, 阈值选取整数会造成重构三维像信噪比不高及目标缺失等。针对此问题, 提出了基于加权一阶类高斯匹配滤波算法, 通过对脉冲回波触发频数直方图的拟合归一化得到权重窗口平滑直方图再次选取峰值位置进行重构。应用基于Poisson分布的Gm-APD触发模型理论推导得到该算法的探测率及虚警率表达式并与峰值法对比, 理论结果为使用基于加权一阶类高斯匹配滤波算法提取到目标的概率更高, 通过Monte Carlo仿真验证了理论推导结果。最后使用两种算法对真实实验数据进行三维重构, 主观及客观对比其重构得到的三维距离像, 基于加权一阶类高斯匹配滤波算法在复原效果上较峰值法有了明显提升。结果表明, 基于加权一阶类高斯匹配滤波算法在处理低信噪比、实时三维重构等方面具有良好的实际应用前景。

石墨烯具有优异的物理化学性质, 在MEMS器件、光电检测材料、柔性显示屏、新能源电池、复合材料等方面成为研究热点。目前大面积石墨烯制备主要依赖于化学气相沉积技术(chemical vapor deposition, CVD), 但其生长的晶体质量直接影响到电化学特性和实际应用, 因此需要一种快速而准确的表征方法。实验利用背向散射的偏振激光散射装置测量CVD生长的石墨烯拉曼光谱。通过分析实验获得的300 nm SiO2/Si基底上的单层、五层和十层左右的石墨烯角分辨偏振拉曼光谱, 发现单层生长的石墨烯偏振特性与机械剥离单晶石墨烯一致; 随着层数的增加, G峰偏振响应差异更加明显, 表现出明显的椭圆特性; 在不同石墨烯层数上的D峰也呈现出一定的偏振响应差异性。偏振拉曼测试结果表明目前CVD生长的缺陷和多晶特性与石墨烯层数呈现正相关特征。

为了分析核磁共振陀螺中129Xe自旋振荡器的振幅和频率特性, 建立了相应的半经典模型, 其中分别采用密度矩阵和经典电磁理论描述核自旋系综和反馈系统。然后, 根据自激振荡的自洽条件推导了用于描述自旋振荡器的振荡方程。进一步, 利用旋转波近似和慢变振幅近似将振荡方程化简为自洽方程组, 它由分别用于描述自旋振荡器振幅和频率的振幅方程和频率方程构成。基于上述自旋振荡器的半经典模型, 研究了带通滤波器对自旋振荡器振幅和频率的影响。仿真结果表明, 对核磁共振陀螺的典型参量, 反馈环路设计不当导致的自旋振荡器频移可达亚μHz。该研究对提高基于自旋振荡器的核磁共振陀螺性能具有一定的参考价值。

提出了一种利用混合规则几何面进行车载移动测量系统(MMS)激光扫描仪外参数检校的方法。该方法利用现实环境中普遍存在的平面和圆柱面地物, 结合平面和柱面可公式化的几何特征对激光点进行严密的数学方程式约束, 通过非线性优化的方法精确求解激光扫描仪相对于MMS定位测姿POS系统的相对位置和姿态参数。实验结果表明: 相对于只采用平面地物约束进行检校的方法, 采用混合规则几何面联合约束检校的方法结果精度更高, 距离残差中误差达到了0.006 m; 同一车载平台、两套不同激光扫描仪系统检校后, 点云叠合效果较好。该检校方法具有精度高、简便、快速、实用等优点, 具有较强的工程应用价值。

激光雷达能够高效获取海洋光学特性的垂直剖面信息, 是海洋光学探测的重要手段之一。利用蒙特卡罗仿真方法, 基于Gordon(1982)的机载激光雷达测量水体光学参数模型, 研究了船载激光雷达在水中的传输过程和水中光场分布。特别研究考虑了接收视场角和望远镜半径等参数的影响, 建立了适用于船载海洋激光雷达的模拟系统。在激光雷达的传输等效为太阳光传输后, 该模拟系统与常用的HydroLight的模拟进行了比对印证并获得了一致的结果。在此基础上, 通过模拟得到的激光雷达回波信号分析了不同激光雷达测量模式及典型水体条件下激光雷达消光系数α和海水光学参数之间的关系。船载激光雷达结果表明, 在窄接收视场角情况下, 激光雷达消光系数α趋向于水体光束衰减系数c; 在宽接收视场角情况下, α趋近于水体的向下辐照度漫射衰减系数Kd。相比机载观测, 船载观测的α趋近Kd的速度变缓。在垂直分层水体中, 激光雷达在下层水体中测量的α值会向上层水体的α值偏移。该结果为研究海洋激光雷达测量参数与海洋光学参数之间的关系提供了进一步的认知。

原子力显微镜是微纳米测量领域主要测量工具之一。由于原子力显微镜探针不可能无限尖锐, 使得测量图像包含了一部分探针信息, 这是其图像失真的一大影响因素。通过获取探针形状和尺寸, 可以有效去除测量图像的“探针效应”从而提升准确度。文中以研制良好样品内一致性的探针校准器为目标, 应用Si/SiO2多层膜光栅技术, 初步研制了20 nm标称值的线宽结构用于原子力显微镜探针校准。表征结果显示, RFESP型(Rectangular Front Etched Silicon Probe)探针稳定扫描时探针前角由15°增加至36°左右, 探针后角由25°增加至45°左右, 呈现钝化趋势。由此表明, 基于Si/SiO2多层膜光栅技术研制的线宽型探针表征器可以快速表征出探针侧壁角度信息, 是原子力显微镜探针扫描过程中探针形貌快速监测和估计的有效手段, 对于促进探针表征与图像准确度提升均具有重要意义。

为了在椭圆偏振测量过程中得到精确的纳米薄膜参数, 提出了一种求解纳米薄膜参数的混合优化算法。结合人工神经网络算法反向传播和粒子群算法快速寻优的特点, 建立了改进粒子群-神经网络(Improved Particle Swarm Optimization-Neural Network, IPSO-NN)混合优化算法。该算法在较少的迭代次数下具有快速跳出局部最优解的能力, 从而快速寻找椭偏方程最优解。文中使用该算法对标称值为(26.7±0.4 )nm的硅上二氧化硅纳米薄膜厚度标准样片进行薄膜参数计算。结果表明: 采用IPSO-NN混合优化算法计算薄膜厚度时相对误差小于2%, 折射率误差小于0.1。同时, 文中通过实验对比了传统粒子群算法与IPSO-NN算法, 验证了IPSO-NN算法计算薄膜参数时能有效优化迭代次数和寻找最优解的过程, 实现快速收敛, 提高计算效率。

为分析激光发射系统的性能, 需要测量激光光斑的绝对功率密度时空分布, 探测器阵列靶是有效手段之一。为实现定量分析, 需要对探测器阵列靶进行标定。探测器阵列靶单元数多, 标定难度大, 设计有效的标定系统十分重要。设计了一种新的标定系统, 该系统采用逐点扫描的方式, 具有适用性广、成本低、精度高等特点。并以某项目为例对标定系统的测量不确定度进行了测试分析, 结果表明: 可见光波段的测量不确定度为2.99%, 近红外波段的测量不确定度为3.62%,中红外波段的测量不确定度为6.17%.该标定系统是探测器阵列靶标定的有效手段, 值得借鉴。

基于光谱干涉技术提出了一种能够同时测量玻璃厚度及折射率的方法, 该方法利用迈克尔逊光路, 通过傅里叶变换算法对光谱仪接收的干涉信号进行解算, 获取光谱干涉条纹的调制周期, 根据待测玻璃样品放入测量臂前后, 测量臂与参考臂所形成的光程差即可求出玻璃样品的几何厚度和折射率。该方法无需机械扫描延迟线并采用改进的傅里叶域下的相位提取算法, 提高了测量系统抗干扰能力, 探测速度快。实验结果表明: 对玻璃样品的厚度测量精度优于±1 ?滋m, 折射率测量精度±5×10-4。

为了满足地基大口径望远镜精密稳像系统的需求, 对大口径快摆镜(FSM)的控制方法进行了研究。为了解决三促动器FSM的运动解耦为系统辨识带来的困难, 通过解析法和系统辨识法相结合建立了FSM 的传递函数模型。依据该模型, 设计了PID控制器与模型预测控制器(MPC), 采用仿真和实验两种方式比较了两种控制器的效果。仿真结果表明, 在受到阶跃扰动后, MPC控制器的恢复速度是PID控制器的45倍。在50 Hz正弦信号下, 由于FSM的大惯量特点, PID控制器有严重的时滞, 而MPC控制器能以1.224×10-6″的误差稳定跟随。在噪声抑制方面, 对实时加入10%幅值噪声的随机信号, MPC控制器的噪声抑制效果是PID控制器的13.3倍。实验结果表明, MPC控制器能以0.430″的误差稳定跟随50 Hz正弦信号, 其跟踪精度是PID控制器的3.212倍, 采用MPC控制器的快摆镜能满足快摆镜高带宽和高精度的需求。

为满足大口径反射镜在复杂空间环境下对高面形精度和热稳定性的要求, 针对某Φ 660 mm口径反射镜进行了轻量化研究。提出了一种采用经典理论公式创建反射镜初始结构, 结合灵敏度分析和参数优化进行综合设计的方法。首先构建了反射镜参数化模型, 采用灵敏度分析研究镜体结构参数对面形变化的影响规律, 找到对镜面面形RMS值灵敏度高的结构参数进行优化迭代。相比于传统反射镜结构设计方法,此方法缩小了优化设计空间, 节约了计算成本与时间, 能够在设计空间内全局寻优, 较快收敛于最优值。优化后反射镜在自重载荷工况下镜面面形PV值小于?姿/10, RMS值小于?姿/40(?姿=632.8 nm), 镜体质量为13.6 kg, 轻量化率达78.4%。镜体组件一阶频率为121 Hz, 满足反射镜动态刚度要求, 根据优化后的结果建立了反射镜的最佳结构模型, 并进行了投产制造。

在深低温下的反射镜及其支撑结构设计中, 温度变化作用下的面形精度是空间反射镜性能的重要影响因素。以温度变化作用下的面形RMS为性能指标, 基于碳化硅反射镜不同支撑结构和不同材料搭配形式下对空间反射镜的面形变化进行对比研究。首先, 在深低温下对背部支撑和侧面支撑的以下两种情况进行仿真分析: (a)反射镜和支撑结构都用碳化硅制造; (b)反射镜用碳化硅制造, 支撑结构用其他材料制造。仿真分析得到在(a)条件下背部支撑结构能获得更好的面形, 在(b)条件下, 侧面支撑结构能获得更好的面形; 然后对侧面支撑结构中不同材料搭配情况下对面形精度的影响进行研究, 对面形RMS与反射镜材料的线膨胀系数, 支撑结构材料的线膨胀系数和反射镜材料与支撑结构材料的线膨胀系数之差的绝对值之间的关系用多元线性回归方法进行统计分析, 研究其影响程度, 分析得到线膨胀系数之差的绝对值对面形精度RMS的影响更大。研究取得的成果和研究思路对今后的深低温光学反射镜及其支撑结构设计提供参考。

根据衍射光学理论, 分析了基于瞳函数调制的望远超分辨成像系统中, 用于视场选择和过滤旁瓣影响的视场光阑的衍射效应对于成像效果的影响机理, 并给出了补偿原理和方案。微孔视场光阑和四环带阶跃型位相滤波器分别放置在系统一次像面和出瞳位置。理论分析和仿真表明: 视场光阑口径越小, 最终像面光斑主瓣越宽甚至失去超分辨效果, 旁瓣光强峰值与主瓣光强峰值之比也越高。对此时出瞳处的光场振幅、位相场分别进行多项式拟合, 求解进行修正的复振幅型光瞳滤波器设计参数, 可以有效抑制视场光阑的衍射效应, 获得良好的超分辨成像效果, 且超分辨成像与光阑效应补偿合二为一, 不会增加系统光路的复杂度。并进行了实际实验, 验证了以上设计方法的有效性。以上研究结果可为应用在天文观测、空间探测等方面的超分辨成像系统设计提供依据。

脉冲星导航是一种新型的自主式导航。为提高其精度与实时性, 提出一种小波变换与压缩感知结合的脉冲星到达时间(Time of Arrival, TOA)估计的方法。该方法对标准脉冲轮廓使用小波变换构造多级冗余字典, 通过信号恢复算法估计出实际脉冲星的TOA。该方法的算法复杂度低于传统的TOA估计方法, 并且随着脉冲星信号周期内bin数量的增加, 算法的实时性越好。该方法改变了传统的先去噪再估计TOA的思路, 其可以嵌入到信号去噪的过程中, 还可以和小波去噪的阈值处理并行计算。仿真结果显示文中方法耗时分别为两种传统TOA估计方法的0.87%和21.35%, 并且随着数据时长的缩短, 文中方法的TOA估计精度的相对优势越发明显。该方法不但可以提高TOA估计精度, 而且降低了对数据时长的依赖。