为了实现平行度误差的精确测量, 提出了基于位置敏感探测器(PSD)激光准直法的平行度误差测量方法, 并设计了实验测量系统。该系统利用倒置望远镜结构二次透镜变换的方法, 对准直激光束的发散角和光斑大小进行平衡, 通过光学五棱镜转折光路, 由PSD将测量位移经信号调理电路和数据采集及处理系统, 实时得到测点相对于基准的位置, 再以最小包容区域法快速评定出被测要素和基准要素两者之间的平行度误差。结果表明, 系统相对不确定度为0.077%, 具有较高的测量精度。该研究为平行度误差的精密测量技术提供了有效测量方法, 具有一定的现实指导意义。

针对激光位移传感器在检测截面距离时受到同步电机震动影响, 产生随机误差的问题, 运用PSD光电位移传感器及树莓派对误差数据进行采集。以实验室的身管设备为例, 用python、matlab等软件进行曲线拟合, 阐述了身管数据误差进行采集、分析处理及曲线拟合的基本流程, 探讨了PSD在位置误差补偿方面的应用。基于激光位移传感器对身管进行检测, 提高了检测数据的可靠性, 降低了震动导致的误差, 为后续的采集数据处理及三维重建奠定了基础。

基于光学系统对跟踪探测的影响,结合仪器功能,提出了一种基于胶合透镜减小跟踪偏移量的方法,实现了对飞秒激光跟踪仪跟踪光路的优化;改进了准直扩束光路,细化了光学系统,分析了优化后光学系统在接收功率和杂光方面对跟踪探测的影响机理。基于优化的光学系统设计,搭建实验系统进行了探测实验。实验结果表明,补偿后的跟踪探测精度可达3 μm,这满足仪器精密跟踪要求。

空间激光准直系统常采用位置传感器(PSD)作为光电接收单元,半导体激光器作为光源。由于PSD具有非线性,激光光源出射激光的衍射特性会导致准直系统在空间不同距离处响应情况不同。为了减少空间激光准直系统工作时在不同空间距离处的重复标定工作,提出了一种模拟PSD探测半导体激光光斑位置的方法。该方法通过设计相关光学系统获取PSD靶面非线性数据及激光光强分布数据,完成了PSD对光斑强度重心响应的模拟。之后对仿真结果进行了实验验证,实验结果表明该仿真系统能够较好地重现实际PSD探测过程,在0~4.5 mm的相对位移范围内最大误差仅为0.026 mm。

激光威胁告警是一种用于截获、测量、识别、定向敌方激光威胁信号并实时告警的光电侦察技术, 是光电对抗技术的重要组成部分。激光威胁告警器能够快速、可靠地识别激光威胁信号, 确定威胁源特性和精确方位, 判明威胁等级, 并迅速产生告警信号, 使光学载荷或卫星有足够的时间采取相应的防御措施, 保护系统免受激光的致命攻击。本文对卫星激光威胁告警技术进行了探讨, 提出了一种基于位置敏感探测器(PSD)的激光威胁方位探测方法。研究结果表明, 这种体制的告警技术对于脉宽50 ns以上的激光脉冲, 可在±1°范围内, 获得优于1 mrad方位分辨力; 而且可以通过光学镜头设计, 扩大接收视场, 满足卫星光学载荷或卫星平台的告警视场需求。

激光测向技术是利用光电探测器接收激光信号, 根据探测器光敏面对目标像光斑中心位置的偏差, 解算出角度偏差量, 进而得到目标的方位信息。激光测向技术具有测向范围大、电路设计灵活、测向精度高等特点, 因而得到广泛的应用。光电探测器件是激光测向技术的核心器件, 介绍了三种主要的探测器件, 论述了它们的工作原理和特点, 通过比较得出QD具有更多优点, 是较为理想的精密测向器件, 更适合于高精度动态目标的跟踪测量。

由于卫星星体结构热变形以及机械振动的影响，高精度载荷指向相对于精度基准会发生小角度的相对转动。在此背景下，本文提出了基于激光位置敏感器(PSD)技术的载荷指向角度测量方法，并研制了测量系统原理样机。该方法使用了有夹角双光束，并且是双光源、双反射镜、双传感器，可以使得测量装置结构紧凑、体积小、质量轻，布局位置灵活。样机实验结果表明，测量装置能够适用于卫星应用，满足载荷指向的转角测量需求。

光电非接触式测量方法对实现微位移测量具有重要意义，位置敏感器件(PSD)是实现光斑位置探测的传感器件，其探测精度以及基于该器件的数据处理方法直接影响位置测量精度。依据PSD各电极输出的光电流大小反比于入射光位置到各电极之间距离的工作原理，设计了二维激光位置检测系统方案。为了提高PSD输出微弱电流信号的稳定性和位置探测精度，重点研究了信号调理电路设计、参数匹配、滤波方法与实时并行计算方法。实验结果表明：在±2 mm方形区域内，基于PSD所设计的探测系统单点稳定性精度优于2 μm，能够满足依托项目中激光跟踪仪对空间目标准确定位的要求以及基于激光位置检测的高精度实时微位移测量相关应用的需求。

为了提高半导体激光器位置敏感器件(LD-PSD)激光三角法测距、测厚系统的测量精度，对半导体激光器的光斑质量进行了研究。用不同功率的半导体激光器做静态测距实验，结果表明，在长时间连续测量中，激光光斑重心的漂移增大了系统的测量误差。光斑重心漂移主要是由光斑的高频噪声和光斑整体偏移造成的。针对这两方面因素设计了基于针孔滤波和棱镜分束的能够提高激光光斑质量的光学系统，并用CODEV软件进行了优化与仿真。将所设计的光学系统加入到测距仪中重新进行静态测距实验，结果表明，改善后的系统精确度由25 μm提高到8 μm，使得基于位置敏感器件的激光三角法测距、测厚系统在长时间连续工作时也能保持较高的测量精度。

为了对大型建筑物变形角度进行测量，提出一种新的二维小角度测量方法，并根据该方法研制了一种光电二维倾斜仪。采用位敏传感器对激光光斑进行测量，根据光斑的移动推导出小角度的变化值。设计中采用到固液两相的特殊液体，可通过外加磁场的方法调整液体黏度，以消除测量现场环境振动的影响。多次的角度反射放大了最终的反射角，提高了测量精度。该设计结构简单，成本低，精度高并且环境适应力强。实验测试结果分辨率可达0.1角秒，重复精度能达到1角秒以内。