2014年 第43卷 第10期
不同物体不同状态存在明显的红外偏振差异,可以构成目标探测信息。简述了利用红外偏振成像技术进行目标探测的物理本质,重点阐述了偏振双向反射分布函数原理,列举了红外偏振成像探测模型,介绍了红外偏振成像技术的应用优势,归纳总结了偏振成像系统结构分类及其特点,叙述了红外偏振成像技术在目标探测与识别领域的进展,详细叙述了红外偏振成像技术的理论、实验基础研究和在目标探测中的应用。最后,总结分析了中/长波红外偏振成像技术特点,并对发展国内红外偏振成像技术提出了建议。
基于微扫描的超分辨成像技术在成像系统光学参数不变的基础上提高图像分辨率,常用于红外成像领域。目前,在基于微扫描的红外超分辨成像研究中,采用理想的正方形模型来仿真红外探测器的感光面形状。但是,由于读出电路的存在,实际探测器产品中像素感光面形状并非严格的正方形,使用正方形模型仿真会导致仿真结果和研究结论的不准确。推导了长方形和折形两种感光面模型对成像的影响,并通过与正方形模型的仿真对比确定相应的误差,最后结合实验对前述研究成果进行了验证。结果表明:极限情况下,相对于折形模型,使用方形模型仿真的误差高达41%;相同像素填充率时,折形感光面越远离中心,对成像的MTF影响越大;基于探测器真实感光面形状的仿真模型能有效提高对红外超分辨成像研究的准确性。
针对现有傅里叶变换红外光谱遥测技术响应速度慢、灵敏度低、抗震性差等缺点,提出一种基于静态固体斜楔干涉具为核心的傅里叶变换红外光谱遥测技术。选用UL04371-042型非制冷红外焦平面阵列探测器(UIRFPA)作为干涉信号探测的核心部件。在分析静态固体斜楔干涉具基础理论及探测器性能的基础上设计了驱动电路,FPGA作为时序控制的主体,在Xilinx ISE 12.4的开发环境中,利用Verilog硬件描述语言编程,对探测器的工作时序进行了设计输入和仿真验证。使得干涉信号通过高速AD采集,FPGA外扩的SRAM缓存,最后通过USB传送到上位机LABVIEW进行数据处理及成像。通过仿真和实验验证其可行性,实现了红外波段的静态固体斜楔干涉信号光谱成像,为进一步研究干涉型成像光谱仪成像技术提供前期准备。
以传统镁/聚四氟乙烯配方的红外诱饵剂为基础,以燃烧时间、燃烧温度和红外辐射强度作为考核参数,对以红磷和氧化铜作为功能添加剂的薄膜型低燃温红外诱饵剂进行了实验研究。以镁、聚四氟乙烯、红磷和氧化铜的导热性系数作为参量,综合比较了不同配方对反应速度的影响,以及对燃烧温度、辐射强度的影响。研究结果显示,以红磷和氧化铜为功能添加剂可以改善低火焰温度条件下的燃烧稳定性。当红磷含量为25%,镁粉含量为25%,氧化铜含量为10%~15%,聚四氟乙烯含量为35%~40%时,0.03 cm厚燃烧反应薄膜的燃烧最为稳定,燃烧时间大于3 s,辐射强度在1.5 W/sr左右,燃温为800 ℃左右。
利用黑体与平行光管组合是红外辐射定标的重要手段之一。然而,由于平行光管自身存在热辐射,会在系统探测器上形成杂散辐射噪声,如果不进行处理,将产生定标误差,影响定标精度。建立了平行光管杂散辐射理论模型,定量分析不同工作温度、不同表面发射率下镜面的杂散辐射,确定杂散辐射对红外辐射定标的影响。同时提出杂散辐射修正措施,消除平行光管杂散辐射对红外辐射定标的影响,提高红外辐射定标的精度。
红外热成像系统由于具有全天时观测能力而得到广泛应用。为了测试和评估高分辨率红外热成像系统的性能,需要大量多种成像条件下的热红外影像作为输入数据源。为获取真实可信的地面热红外仿真图像,提出了一种针对复杂地形的热红外成像模拟方法。该方法综合起伏地表的地形、光照、遮蔽和邻近地域辐射等因素,系统研究了三维地表热辐射的产生和传递机理。利用光学遥感影像和数字高程数据,生成了一天中不同时刻的地面热红外图像。结果表明:该方法生成的24 h序列图像,符合实际地表热辐射场的日变化规律,从而为可见光图像制备红外基准图提供了一种有效途径。
闭环注入式仿真是开展红外成像制导武器对抗及其复杂环境适应性试验的一种有效手段,它在传感器被图像仿真计算机和图像注入接口设备取代的情况下,采集导引头的框架角数据,实时仿真生成红外数字图像,并通过注入接口设备直接注入到导引头信息处理电路中进行试验。分析了闭环注入式仿真试验的工作原理,设计了仿真试验系统的软硬件平台、工作时序,理论计算了仿真试验系统产生的失调角延时和失调角误差,并利用搭建的仿真试验与导引头实际工作一致性分析平台,分析了因失调角延时和失调角误差导致导引头输出的偏航、俯仰角速度误差和制导精度误差。仿真结果表明:仿真试验与导引头实际工作条件是一致性的,设计的仿真试验系统较为科学合理,该结论可为开展红外成像导引头闭环注入式仿真试验提供理论支撑。
低空突防目标飞行高度低、时间短,对其进行有效的探测一直是研究的重点和难题。以2.7 m、4.3 m作为探测系统的中心波长,建立了临近空间红外探测像面照度模型。模拟SBIRS天基红外系统和临近空间探测系统,仿真典型目标弹道,考虑大气影响,得到主动段、被动段红外辐射分别在SBIRS预警卫星和临近空间平台的像面照度及目标背景调制对比度。仿真结果表明:对于低空突防目标,临近空间平台较SBIRS拥有更高的信号对比度及更长的探测时间。在被动段,以4.3 m为探测中心波长探测效果好于2.7 m。
为了对建筑物间相互辐射影响的重要性进行评估,为多光谱仿真方法和ATR算法的研究提供理论支持,在3~5 m和8~12 m两个波段分别进行了研究,并建立了建筑物间相互辐射影响的计算模型。当存在太阳直接辐射时,建筑物相互间的辐射影响在3~5 m波段可以忽略不计,而在8~12 m波段相互影响明显,不能被忽略。建立了有两个冷却塔的虚拟场景,选取了8、9、10、11、12 m为研究波长,针对冷却塔间的相互辐射影响进行了数值模拟计算,其中8、9、10 m三个波长的相互辐射影响较大,超过了总体辐射能量的10%,而11 m和12 m相对较小。对冷却塔间的辐射影响进行了场景仿真,仿真结果体现了不同波长的辐射影响随辐射距离的变化情况。
20世纪80年代发展起来的高光谱成像技术能充分探测并利用地物的光谱信息,有着较强的伪装识别能力,而传统的伪装评价方法主要基于伪装和背景的空间特征,不适用于基于光谱特征的高光谱伪装探测技术。提出了一种面向高光谱探测的伪装效果评价方法。该方法以伪装目标和背景的光谱特征及光谱导数特征的综合相似度为评价指标,综合相似度值越大则说明伪装效果越好。同时通过实验评价了三种伪装材料的伪装效果,其中绿色棉质布料与背景综合相似度为0.976 6,伪装效果最佳。最后在高光谱图像分类技术基础上提出了错分率的概念,验证了评价方法的客观性。所提出的伪装评价方法对于面向高光谱探测的新型伪装材料的设计有一定的指导意义。
随着微电子技术的需求和发展,倒装芯片技术在高密度微型化封装领域得到了快速发展和广泛应用,而现有的一些倒装芯片检测方法存在一定的不足之处。为此,研究了主动红外的倒装芯片缺陷检测方法。实验中使用激光加热对倒装样片施加非接触热激励,通过红外热像仪获取样片温度分布。采用小波分析方法提取包括小波熵在内的信号特征,采用自组织神经网络对不同类型焊球进行聚类识别。研究表明,通过自组织神经网络可以有效地将不同缺陷焊球与参考焊球通过距离映射法映射到不同区域从而区分开,并且可以将未知焊球信号映射到相应的区域实现聚类识别。因此该方法可以有效实现倒装芯片的缺陷检测。
着重对红外跟踪系统目标状态估计过程中存在的观测量滞后和相关性问题进行研究。在目标跟踪过程中,脱靶量信号的滞后导致目标量测位置和真实值间是有误差的,进而通过状态估计得到的目标参数也是不准确的,另外观测量的相关性也降低了估计效果的准确性。对于以上问题,首先利用观测重组技术对时滞观测序列进行重组,将其转化为变结构无时滞观测系统,并在此基础上提出了一种时滞椭球集员估计算法(Delayed ellipsoidal set filter,DESF)。仿真实验结果表明,DESF算法可以有效克服观测序列相关性的影响,同时系统跟踪性能较不考虑观测延迟的情况也有显著提高。
介绍了免调试激光器的基本概念和广泛应用,总结了国内外关于免调试激光器的研究在实现激光器小型轻量化、多波长输出、改善大能量/高功率激光器光束质量方面的新进展,以及向双角锥棱镜谐振腔方向拓展应用研究的新动向。重点报道了角锥棱镜谐振腔在相干合成领域的最新进展,分别实现了角锥光纤激光器互注入相干合成和基于角锥固体激光器互注入相干合成,为实现高可靠、大能量/高功率、高光束质量激光输出提供了一个有效技术途径。
由于2m波段激光处于大气的窗口上,并且对人眼安全,因而在测风领域具有潜在的应用价值。该波段的激光器可以作为相干多普勒测风雷达和差分吸收雷达的光源。为了进行相干多普勒测风雷达光源的研究,报道了一种脉冲激光二级管(LD)单端抽运Tm:YAG调Q激光器。在实验中,采用L型平凹腔结构,利用声光Q开关实现大能量的激光输出。该激光器输出的激光中心波长为2 014.9 nm,在重复频率为100 Hz情况下,调Q后获得最大单脉冲能量为6.11 mJ,激光脉冲宽度为324.7 ns,斜率效率为13.56%的激光输出。输出的脉冲激光的光束质量M2在x方向上为1.31,y方向上为1.35。
基于谐振式光纤陀螺系统要求窄线宽、高稳定性激光输出以满足谐振信号频差检测要求,设计了两种不同光路锁频系统并搭建了测试平台,利用波长计实时监控窄线宽激光器锁频前后两种状态下波长的变化情况。对方案二设置两种不同的仪器锁频参数,分别对激光器输出波长的锁频精度进行监控分析,得到不同设置参数可导致锁频精度降低1倍。两种方案测试结果均为锁频后的激光波长变化幅度仅为锁频前的0.2倍,且曲线频率变化光滑平缓,很大程度地压窄了窄线宽激光器输出波长变化幅度,波长变化稳定性得到了很大改善,提高了锁定信息反馈的实时性。进一步实施窄线宽激光谱线的压窄以及PI电路对窄线宽激光频率的有效快速跟踪锁定提供技术支撑。
研究了一种全光纤可切换多波长掺铒光纤激光器。该激光器利用一段缠绕在压电陶瓷上的单模光纤作为正弦相位调制器以及基于光纤拉锥的马赫-曾德尔干涉仪作为梳状滤波器,抑制由于掺铒光纤的均匀展宽效应引起的模式竞争,从而避免了在室温下不稳定的单波长激射,实现了多波长掺铒光纤激光器的稳定输出。实验中观察到稳定的5个波长的同时激射,相邻波长间隔为0.804 nm。信噪比大于40 dB,3 dB带宽约为0.023 nm,中心5个波长输出功率的平坦度为14 dB。同时,激光器具有灵活的波长可切换特性,通过调整驱动信号和偏振控制器的状态,实现了单波长、双波长、三波长以及更多波长的输出。该激光器可应用于大容量波分复用系统和光纤传感。
当前研制的快速成像无扫描激光雷达系统由于激光器功率和信号损耗的限制,遇到了无法增大作用距离的瓶颈。结合光外差体制和APD阵列探测器设计的APD阵列外差探测激光雷达系统可以有效地解决这个问题。鉴于光学系统的外差效率能够直接影响外差激光雷达的性能,因此照明方式的设计是该套激光雷达系统的一个关键。经过分析,传统的直接扩束照明模式下系统的平均外差效率仅为10-5量级,远无法打到使用要求;因此提出了采用改进的点阵照明,并采用在阵列探测器前置微透镜阵列实现匹配接收的方式来解决这一问题。计算结果显示,经过优化后的点阵照明模式下的系统外差效率可达0.82,进而证明了采用点阵照明设计的APD阵列外差激光雷达系统的性能可以达到实用要求,为进一步开展APD阵列外差激光雷达的研究工作奠定了理论基础。
传统激光三维成像均采用实孔径成像技术,其分辨率会随着作用距离的变远而降低。相比于实孔径成像,合成孔径成像的一个显著优势是沿航向的分辨率不随作用距离的变化而变化。基于合成孔径技术提出一种合成孔径激光三维成像雷达的工作模型。该系统采用激光泛光发射模式和多波束相干接收,首先,在高度向,采用大时宽带宽的线性调频信号,并利用解线频调技术实现高分辨率;其次,沿航向利用合成孔径技术频域压缩算法实现高分辨率,其中考虑到激光调频信号的长扫频周期,对于平台连续运动引入的多普勒平移项进行了补偿;在跨航向通过实孔径阵列实现高分辨率。最后,通过仿真实验验证了该系统的有效性。
后向散射激光雷达技术已广泛应用于大气气溶胶的探测,但由于有盲区和过渡区,限制了它在近距离段的探测范围和精度。侧向散射激光雷达技术没有后向散射激光雷达技术中的上述缺陷,可实现近距离段气溶胶信号的连续探测,且探测精度较高。开发研制了基于CCD的侧向散射激光雷达系统,它由激光发射、光学接收、几何定标及数据采集等子系统组成。与后向散射激光雷达的对比探测个例表明,该激光雷达系统数据可靠,近距离的有效探测范围为0.02~4 km。这一系统的建立为进一步深入研究近地面层的气溶胶时、空分布奠定了坚实的基础。
为了使半导体激光器(LD)能够稳定工作, 设计并实现了一个高效的温度控制系统。该系统使用MSP430单片机作为处理器,负温度系数热敏电阻(NTC)作为温度传感器,半导体制冷器(TEC)作为执行元件。系统通过自整定模糊PID算法,采用闭环负反馈结构实现对LD温度的稳定控制。实验结果表明,该控制系统温度从21.9 ℃上升到目标温度25 ℃,建立稳态的时间为68 s,且温度可控制在250.05 ℃范围以内。工作94 s后,系统能够将温度控制在250.008 ℃范围以内。与常规PID控制系统相比,基于模糊PID算法的温度控制系统能够在没有人工干预的情况下自动调节系统的PID参数,使系统具有更好的动态性能。
车载激光雷达系统是集激光扫描仪(LS)、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)等于一体的多传感器集成系统。激光雷达系统多传感器的时空对准是实现数据融合及高精度三维测量的保障,其中扫描系统安置误差角是影响激光测量点定位精度的主要因素之一。首先分析了车载激光雷达系统中的相关坐标系及坐标系之间的空间转换关系,提出了一种以带有竖直边沿的竖直墙面作为检校场,对LiDAR扫描系统与惯性导航系统之间的安置误差角进行检校的方法。通过构建的车载LiDAR系统安置误差角的检校对所提出的检校方法进行了实验验证。
为了研究表面等离子体(SPPs)传播产生的Airy等离子的特性,分析和仿真了Airy等离子的独特性质。利用SPPs的激射原理,对Airy等离子的本征态进行了理论分析,研究了光栅耦合SPPs的激射结构中Airy等离子的性质。结果表明:无衍射的Airy表面等离子不仅具有在近场能量放大和快速传播的特性,而且还能利用其特性控制光束的传播;Airy表面等离子只有在一定宽度下与光激发的相互作用才能抑制能量损耗,在基质宽度小于600 nm左右时无法出现显著的Airy表面等离子;不同宽度的基质条件下激射能量与产生Airy离子的趋势一致;Airy表面等离子在激发能量较小时就能实现快速传播,在2.3 eV作用时能量的增加对Airy的等离子的作用不再明显。这一研究对于SPPs的强局域化应用实现、表面光学处理和线性控制无衍射SP光学产生了积极的作用。
针对鼓风机用FV520(B)钢叶片根部气蚀裂纹的激光再制造,采用正交化试验方法优化再制造工艺参数;通过分析FV520(B)钢叶片模拟件根部破损情况,制定激光扫描修复方案,观察和分析修复部位金相显微组织及物相组成,并对熔覆层硬度进行测试。试验结果表明:激光功率1.1 kW、扫描速度250 mm/min、送粉速率8.10 g/min及载气流量150 L/h为该再制造系统下该材料优化工艺参数;采用多种扫描路径相综合的修复方式,减少层间热累积效应,使修复件尺寸精度保持在0.8 mm之内;熔覆层和基体为良好的冶金结合,熔覆层表面显微硬度最高,平均值达到675 HV0.2,结合界面处硬度值达到610 HV0.2,具有较好的组织结构和硬度性能。
为了解激光波长对含能材料起爆阈值的影响,降低含能材料的激光起爆能量,提高激光激励源的小型化程度,采用飞行时间质谱技术和Bruccton升降法,测试了波长1 064 nm和532 nm两种激光对泰安(PETN)的解离谱图和起爆阈值,分析了波长对起爆机理的影响。结果表明:含能材料激光起爆对波长具有选择性,每种含能材料均具有一些有利于起爆的特征吸收波长;不同波长(1 064 nm和532 nm)激发时PETN存在不同的解离机理。相对于532 nm激光,接近特征吸收的1 064 nm激光能够加速PETN的解离,并使其50%发火能量降低14%。因此,采用含能材料特征吸收波长激光作为起爆激励源,能有效的减少含能材料的起爆阈值。
针对光学曲面要求面形描述能力和拟合精度高以及光线追迹速度快的要求,研究了NURBS作为自由曲面的拟合、坐标空间转换和光线追迹算法。首先使用多分辨率B样条拟合方法浅度非球面,深度非球面和Peaks自由曲面进行NURBS拟合,RMS误差均小于10 nm,表现出很好的适应性。其次研究了NURBS曲面的参数空间到坐标空间的转化算法,与传统曲面求导方法相比,速度提高了3倍以上。在提出合理迭代初值计算方法的基础上,将计算每个曲面点的时间缩短至0.3 ms。最后通过NURBS曲面在自由曲面头盔系统的光机分析中和CODEV用户自定义曲面中的成功运用,证明了NURBS曲面能很好地满足光机设计、分析和加工的要求。
星敏感器在长时间工作后会产生三种像平面移位误差,即主点漂移误差、倾斜误差与旋转误差。星敏感器的像平面移位误差会严重影响其测量精度。以往关于星敏感器像平面移位误差的研究仅考虑了像平面三自由度的主点漂移误差。而文中还考虑了星敏感器像平面在剩余三个自由度下的移位误差,即倾斜误差和旋转误差,从而提出了一种新的星敏感器六自由度像平面移位误差模型。最后,利用扩展卡尔曼滤波方法在轨标定了星敏感器的六自由度像平面移位误差。仿真结果显示该方法将星敏感器的测量精度大幅提高到了0.23,因此新的星敏感器像平面移位误差模型弥补了旧模型的不足,显著提高了星敏感器的工作性能。
双波段鱼眼红外光学系统可以获取中波和长波两波段的图像信息,同时由于其大视场的特性,可以大大增加目标信息获取范围。根据光学系统的设计要求对光学系统进行了设计,全视场196,4.4~5.4 m/7.8~8.8 m波段内清晰成像,考虑到冷光栏的制冷效应,F#严格与冷光栏匹配,达到100%的冷光栏效应。推导了大视场被动消热差公式,通过对玻璃材料的优化选择,达到了双波段消热差,所设计的光学系统结构相对简单,成像质量较好,系统各个波段在-40~60 ℃的工作温度下实现了消热差,满足使用需求。
采用离子束溅射技术,在熔融石英基底上制备了SiO2薄膜,并通过椭偏光谱法和表面热透镜技术研究了热处理对其光学特性的影响。热处理对离子束溅射SiO2薄膜折射率影响较大,随着热处理温度增加,SiO2薄膜折射率先减小后增大,当热处理温度为550 ℃时,折射率达到最小。经过热处理后,SiO2薄膜的弱吸收均得到了降低,在2 ppm(1 ppm=10-6)左右,当热处理温度为550 ℃时,获得的SiO2薄膜弱吸收最小仅为1.1 ppm。实验结果表明:采用合适的热处理温度,能大大改善离子束溅射SiO2薄膜的折射率和吸收特性。
高倍聚光光伏技术是将垂直入射于菲涅耳透镜上的太阳光聚焦到电池片上,通过光电转换产生电能,但实际应用时,由于跟踪器跟踪精度低、支架受风会抖动等因素存在,无法保证太阳光始终垂直入射于菲涅耳透镜。针对该问题,在菲涅耳透镜和太阳能电池之间增加一个可拆卸的倒置的去掉顶部的棱锥形二次反射镜来提高聚光光伏的接收角,给出了具体的设计实例,并应用Solidworks软件和Tracepro软件对设计实例进行了计算机光学模拟。结果证实该二次反射镜能很好地提高聚光光伏的接收角,并改善菲涅耳透镜聚焦光斑的能量均匀性。
医生使用传统含目镜系统的手术显微镜进行手术,当其头部移动时,该系统仅存在很小的出瞳直径,因而这就迫使医生在手术过程中长时间保持头部在特定位置。可见,传统手术显微镜存在显著弊端:长时间持续观察会增加医生的疲劳度。对使用二维微透镜阵列(microlens array,MLA)增大目视光学系统出瞳直径进行了理论探讨,并用傅里叶光学原理进行了理论分析。并且在此基础上,设计了增大手术显微镜光学系统出瞳直径的二维微透镜阵列器件,该二维微透镜阵列器件中两个折射面相对放置,且两者相距一个微透镜单元焦距的长度。经计算机模拟计算证明,使用该二维微透镜阵列器件可以有效增大目视光学系统出瞳直径,并可获得更加均匀的出射光束。
对一种基于生长在半绝缘InP衬底上InGaAs外延材料的新型太赫兹室温探测器进行研究。首先在HFSS理论计算的基础上对器件天线阻抗、驻波比、辐射方向图等特性参数进行分析。其次,通过光刻、腐蚀、溅射、点焊等工艺制作出对称金属电极天线耦合的太赫兹探测器件。结合自己搭建的0.037 5 THz器件响应测试系统,得到铟镓砷太赫兹探测器件在不同偏置电流和不同调制频率下的器件响应曲线。结果表明器件具有明显的光电信号和快的响应速度。通过利用高莱探测器进行标定,得到器件在0.037 5 THz时的电压灵敏度优于6 V/W,器件噪声等效功率NEP优于1.610-9 W/Hz1/2,器件响应时间优于300 s。
针对太阳模拟器小型化、便携性的实际需求,设计了一种便携式的太阳模拟器。要求在辐照面积1.2 m1.2 m的矩形区域内的照度不小于0.02个太阳常数,且被照面的不均匀度小于5%。模拟器系统主要由短弧氙灯、椭球面反射镜、光纤传光束、积分棒和准直镜组组成。通过软件仿真及实验验证,结果均符合要求。实验结果表明,利用短弧氙灯、椭球面反射镜、光纤传光束、积分棒和投影准直透镜组设计便携式太阳模拟器的方法是有效、可行的。
数字闭环石英挠性加速度计可以有效地解决传统模拟式加速度计在模数转换中引起的精度损失问题,而数字式加速度计的精度主要取决于差动电容检测环节。阐述了数字式加速度计的工作原理,重点设计了差动电容检测方法,利用单载波调制与数字自相关解调技术构建完整的数字式加速度计信号检测方案。搭建数字式加速度计原理样机,对其进行0 g/1 g稳定性测试,得到数字式加速度计0 g/1 g零偏稳定性分别为17.595 0 g、19.363 7 g、20.715 3 g。测试结果表明,当前的数字式加速度计精度达到了模拟式加速度计精度量级,有效验证了该方案的可行性及正确性。
对镜像异质三周期光子晶体的研究理论表明,在实际应用范围内,透射率与光子晶体所受的轴向应力呈简单的线性关系。据此,设计一种能实现微梁直拉直压的加速度计,微梁很小很敏感,处于轴向直拉直压位置时,能极大提高结构的灵敏度和自由振动频率。以镜像异质三光子晶体替代以往的压敏电阻,只需检测其透射率,即可得出加速度大小。最后结果表明:当透射光强改变1时,该结构可以感知小于0.4 mgn的加速度的变化,测量量程可达3.2 gn。
硫系材料由于具有较长波长的红外透光截止波段,且具有较高的线性折射率和高非线性系数,是产生中红外超连续谱激光的理想非线性介质材料。由于泵浦非线性介质一般多采用波长2 m以下的激光源,所以研究材料的色散很有意义。利用4种不同形式的方程拟合了3种硫系玻璃材料As2S3、As2Se3、Ge33As12Se55的折射率随波长的变化曲线,并计算了材料色散曲线,得到了较为理想的结果,3种材料的零色散波长分别为4.8 m、7.2 m、6.1 m。同时证明了对于硫系玻璃材料,不能只利用短波长下的折射率值拟合计算长波长下的折射率。
机载激光通信的动态视轴稳定是建立激光通信链路的首要前提,传统的粗跟踪控制方法不能克服载体扰动及参数变化对系统的不利影响,影响了视轴稳定精度。根据控制系统的任务,将论域自调整模糊控制与滑模变结构控制的思想相融合,在稳定的误差相平面内构造稳定的滑模面。理论分析和模拟实验结果表明,该方法消除了系统的抖振现象,改善了系统的瞬态性能,对机载通信平台受到的扰动及参数变化具有完全的自适应性。因此自调整模糊变结构控制具有一定鲁棒性,且控制算法简单,可望获得工程应用。
提出并研究了基于Sagnac组合型干涉仪的光纤分布式扰动传感器。扰动作用在传感光纤上引起传输光波相位的变化,可以通过Sagnac干涉仪进行检测。所提出的光纤传感器包括三个Sagnac干涉仪,它们共用一个宽带光源(BBS),并通过两个光电探测器(PD)检测干涉信号。由于宽谱光源的相干长度很短,因此只有经历相同路径的两束光会发生干涉,这样的路径存在三条。其中一个光电探测器检测有着相同环路长度的两个Sagnac干涉仪的信号之和,另一个光电探测器检测由法拉第旋光镜和传感光纤组成的干涉仪中的干涉光强。通过对探测器接收到的信号进行数学运算可以对扰动进行定位。实验结果表明,所提出的传感器可以检测并定位扰动。10次实验的最大定位误差为370 m,平均定位误差为270 m。
基于单通道盲信号分离技术(Single Channel Blind Source Separation,SCBSS)及单模-多模-单模(Single-mode-Multimode-Single-mode,SMS)光纤结构的模间干涉理论,提出了一种多参量光纤传感技术,实现了振动与应力、振动与温度的同时测量。在振动与应力同时测量时,振动频率误差为0.17 Hz,分离出的应力信号与实验操作吻合。在振动与线性降温、自然升温同时测量实验中,振动频率误差均在0.60 Hz以内。线性降温时,温度误差在7.13%以内;自然升温时,温度误差在8.03%以内。该方法结构简单,成本低廉,精度高,可推广用于其他光纤传感系统,实现多参量同时测量。
保偏光纤偏振轴的测定是保偏光纤应用中的关键技术。在基于图像处理的Panda型保偏光纤定轴系统中,针对应力圆边缘检测存在伪边缘造成应力圆圆心定位不准的问题,提出了一种基于最小二乘法改进的圆检测方法,通过检测到的圆参量计算阈值并剔除阈值范围外的边缘点,进行迭代拟合,迭代过程中圆参量不发生变化后停止迭代。实验结果表明:该方法可以很好地去除噪声和伪边缘对圆检测造成的干扰,并对真实Panda型保偏光纤端面图像的处理有较好的鲁棒性。
调相谱检测技术是谐振式光学陀螺信号检测的重要手段。根据贝塞尔函数展开与光场叠加原理,理论分析了光纤环形谐振腔的传输特性;搭建了谐振特性测试系统,采用LiNbO3相位调制,针对不同调制频率与调制电压条件下光纤环的谐振特性和解调曲线特性开展了实验,对实验结果进行分析,得到了调制频率、调制电压与光纤环形谐振腔谐振信号及解调信号之间的关系,实验结果与理论分析相符;并对调制过程中出现的谷裂现象进行了测试与分析,通过实验数据拟合,得到了产生谷裂现象的临界调制频率与调制电压值之间的关系。
为解决WDM系统中多信道同时滤波问题,设计并研究了缺陷对一种异质结构光子晶体多通道滤波器的调制机制,结果表明:在光子晶体环形滤波通道中引入点缺陷形成复合缺陷,可克服光子晶体环形腔结构的多模特性,实现单通道内的单纵模滤波;对于各个通道,复合缺陷中点缺陷的折射率对输出端透射谐振波长具有调谐作用,且对各通道的可调谐滤波作用彼此独立,随着点缺陷折射率的增大,输出的谐振波长出现红移现象。所设计的异质结构结构光子晶体对WDM系统实现多信道滤波功能提供理论和设计参考。
提出了一种使用单光栅测量位移的新方法,在该方法中,光栅信号经放大后由图像传感器阵列接收并被传送至计算机,然后通过与其镜像图像叠加的方式得到数字莫尔条纹,最后利用图像传感器像素的空间均匀性对莫尔条纹直接进行细分进而测得位移量。与传统的双光栅莫尔条纹位移测量法相比,该方法完全消除了光栅副层叠间隙,装调更为方便,而且细分成本更低。在阿贝比长仪上对由周期为20 m的光栅和2 0481 536像素的CMOS图像传感器构成的分辨率为0.04 m的测量系统进行测试,结果表明其最大位移误差优于0.18 m。
为了利用三坐标测量仪实现对大口径非球面面形的检测,提出了大口径非球面面形三坐标拼接测试方法。对该方法的基本原理与具体的实现流程进行了分析和研究,并基于初级像差理论和最小二乘拟合建立了三坐标拼接检验大口径非球面综合优化数学模型。结合实例,对一口径为1 200 mm434 mm的长条形SiC离轴非球面反射镜进行了两个子孔径的三坐标拼接检测,并将拼接测试结果与非球面全口径轮廓检测结果进行了比对,其PV值和RMS值的偏差分别仅为0.073 m和0.042 m;两种方法面形残差的PV值和RMS值分别为0.325 m和0.055 m。
构建了140 GHz频段的单基雷达用于缩比模型的高分辨力成像和雷达散射截面积(RCS)测量。雷达的相干收发机用全固态的方式实现,其发射信道采用一个Ka波段频率源驱动的倍频链作为本振,在5 GHz的带宽内实现了0.5 mW的输出功率,接收机采用基于肖特基二极管的次谐波混频器实现相干接收。该雷达RCS测试系统显示出高信噪比的特点,获得了大于100 dB的动态范围和3 cm的成像分辨力。除了可实现对目标的逆合成孔径成像,该系统还可完成对旋转目标全方位角的RCS测量。利用该系统对某航空母舰1/720th模型进行了成像实验和RCS测量,模拟了全尺寸目标在P波段的结果。所获得的数据根据缩比定律可为P-波段雷达设计提供参考。
提出了一种新的在轨标定相机交会角的方法,该方法不同于目前广泛采用的摄影测量中的后方交会。以三线阵CCD测绘相机为例,通过对其工作原理的分析,建立了求解相机交会角的几何模型,并利用天绘卫星三线阵影像数据进行了相关试验。结果表明,该方法可行,计算结果精度较高,与摄影测量方法所得结果非常接近。同时,计算分析了定轨精度和地面控制点精度对相机交会角精度的影响。相对于摄影测量的方法而言,该方法理论简单,易于理解,可进一步应用于高分辨相机和多光谱相机离轴角的在轨标定,具有重要意义。
为了验证相位恢复波前传感器系统波前检测的能力,搭建了基于相位恢复测量方法的波前传感器检测球面镜面形的实验平台。该平台结构简单,抗震动,可以在对光路不进行任何改变的前提下,利用成像系统上已有的相机对整个光学系统进行在位检测。为了验证相位恢复波前传感器测量方法的准确性,将相位恢复波前传感器测量结果与ZYGO干涉仪测量结果进行比较,实验结果表明在面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和方均根值(RMS)上,两者具有极大的相似性,所以利用相位恢复波前传感器技术能有效地检测出球面镜的面形误差。
压电陶瓷在精密控制中具有重要作用,而其在快速控制中的实际高频响应却缺少有效且精密的方法。总结了目前测量压电陶瓷特性的方法,分析了测量中存在的困难和不足,使用基于激光回馈干涉原理的Nd:YAG微片激光回馈干涉测量系统对压电陶瓷的动态特性进行了研究。使用两种压电陶瓷在100 Hz~7 kHz驱动电压下对位移响应进行了测量,相应测量位移范围7~34 nm。测量精度达到纳米量级,对较高的振动频率实现了准确测量。该方法具有很高的测量精度,对被测对象要求较低。
针对复杂环境下航天器姿态确定系统中的模型和噪声不确定问题,提出一种基于求容积规则的风险敏感滤波(CF-RSF)的航天器姿态确定算法。该算法通过引入风险敏感算子来解决由于系统的不确定性而导致滤波器鲁棒性差,甚至发散的问题,并通过求容积规则来解决非线性积分问题。该方法不仅提高了滤波算法对系统不确定性问题的鲁棒性,而且一定程度上提高了滤波的精度,降低了滤波的计算复杂性。仿真结果表明了算法的有效性。
光电测量吊舱工作于高速、高空、高风载、高振动条件下,且受制于其气动特性,故体积无法太大,因此吊舱舱体内部的结构部件需要完全适应上述苛刻条件,且做到结构紧凑。首先分析了吊舱头部局促空间的设计要求。该吊舱头部最大外形尺寸为390 mm600 mm。但该空间内包含三对轴承、四个框架、两套可见光电视系统、一套光路快速控制系统及相关的电路、控制陀螺等元器件。因此在如此狭小的空间内合理配置如此多的系统必须进行相应的结构优化设计与分析。根据充分的论证分析提出了一系列设计要求。根据设计要求对吊舱头部关键部件进行了参数计算、型号选择、结构设计。应用MSCPATRAN软件对基座和横滚框架进行了有限元模态和静力学分析,验证了设计的合理性。
研制了一套CCD光电参数测试系统,可实现对CCD的无效像元、相对光谱响应、响应度、等效噪声照度、动态范围、面响应度不均匀性等光电参数的全自动测试。CCD的相对光谱响应测试基于单光路直接比较法实现,而其他CCD光电参数的测试则基于特制的积分球光源。四个可独立开关的溴钨灯分别安置于四个次积分球内,经高精度电动光阑与主积分球级联,主积分球壁上的照度计经标定后可实时测试积分球光源出口照度值。该光源色温不变,可在大动态范围内以较高精度实现连续调节,满足CCD光电参数测试的需求。利用上述装置对E2V公司科学级CCD47-10B进行了实际测试,并分析了测量的不确定度。结果表明:相对光谱响应测试覆盖光谱范围400~1 000 nm,不确定度为4.37%。光电转换参数测试装置距离光源出口23 mm处照度覆盖动态范围0~235 lx,80 mm范围内照度均匀性达到99%,测试不确定度为4.9%。该系统可用于航天级CCD的光电参数测试及芯片甄选。
为了提高远程反舰导弹的巡航制导能力,增大有效射程,在对未来海战场特点和相关技术背景进行客观分析的基础上,结合小视场天文导航技术的特点,提出了以天文测角导航技术作为中远程导弹巡航阶段主要制导手段的制导方法,提出了制导角的概念,给出了系统设计,列举了系统的技术优势。制导系统分为三个阶段,即初始参数装订与计算、制导角修正和末制导确认,分别给出了计算公式和相关推导,并用数学计算工具对一个想定情况进行了仿真计算。仿真结果表明,制导角连续可用,系统误差在可控范围之内,系统可以有效进行巡航制导。
陀螺稳定是惯性稳定中的常见装置,由它仅仅构成一个简单的单速度稳定环。控制带宽是影响陀螺稳定的惯性控制系统的一个重要因素。高的控制带宽很难获取,主要是因为系统的非线性影响,比如机械谐振。将一种基于加速度反馈的多环控制结构引入速度控制系统中,提高稳定性能。采用两只线性加速度计测量角速度信号,而不是利用位置和速度信号计算得到。利用 Lyapunov 函数分析了多级稳定回路稳定,以及对摩擦、扰动抑制能力的效果。多级稳定控制环路的误差抑制能力是陀螺反馈系统的能力以及加速度反馈之积。实验验证了理论分析的正确性:相比经典的陀螺稳定系统,扰动抑制能力有较大的改善。
航空相机是对地勘查测量获取信息的重要设备,通常采用前向飞行结合翼展方向摆扫的方式来扩大航空相机视场。着眼于扩大视场带来的运动像移问题,进一步严格推导了飞行和翼展两个方向的像移补偿公式,提出了实用性较强的像移补偿方案。基于MATLAB/Simulink环境对像移补偿系统数学建模进行仿真验证,仿真结果证明了该补偿方案的可实现性。在硬件实验中采用FPGA芯片作为核心芯片,实现了设计方案中像移补偿的功能。实验和仿真结果曲线实现了较好的吻合,像移补偿效果图进一步证明了像移补偿是提高航空成像质量和分辨率必不可少的环节。
传统的窗口固定的粒子滤波跟踪算法在运动目标尺度发生明显变化时不能有效地跟踪目标。针对这一问题,提出了一种跟踪窗口尺寸和方向自适应变化的粒子滤波跟踪方法。该方法将主成分分析法引入到粒子滤波框架中,通过分析目标区域内像素值的协方差矩阵得到包含目标区域取向和尺寸信息的椭圆跟踪窗口。实验结果表明,该跟踪算法能自适应于目标区域形状的变化,在目标尺寸和方向发生变化时能很好地跟踪和确定目标区域。
以激光雷达三维点云对弹头目标形状、姿态、位置估计与目标识别为应用背景。针对导弹弹头的形状特点,将其近似建模为一个圆锥,并可通过6个参数来表征。提出了基于激光成像雷达得到的三维点云与Levenberg-Marquardt(L-M)算法的圆锥状目标参数估计方法,并指出这种方法也可用于对圆锥状目标的识别。通过仿真实验,给出了弹头参数估计误差与三维点云的距离分辨率、点云规模的关系。仿真和实测数据的实验结果表明:该方法在一定的观测距离分辨率下可以较精确地估计出圆锥状弹头目标的参数,并可以根据得到的参数以及对目标函数的优化结果,对目标进行识别。
以动态背景中红外运动目标为研究对象,针对二维初级运动检测器在时域上对运动敏感而引起目标运动矢量受背景变化干扰的问题,提出一种结合时域中生物视觉二维初级运动检测器和空域中区域生长方法的运动检测方法。该方法利用时域中二维初级运动检测器检测出运动矢量并将幅值最大的运动矢量作为区域生长的种子点,利用空域中运动目标具有较高红外辐射的图像特性,通过区域生长法,将热辐射特性强于背景的目标分割出来。仿真实验结果表明:该方法在去除背景干扰的同时提取出动态背景中的运动目标,与其他方法相比具有较高的信杂比。
激光光斑中心检测是光学测量中常用的关键技术,广泛应用在光学测量系统、光路自动准直系统、激光通信目标跟踪中。为了提高光斑中心及半径的检测精度和抗干扰性,提出了一种基于最优弧的激光光斑中心检测算法,该算法首先根据圆的对称性排除了受干扰边缘,然后选取对称性好的弧线作为最优弧,最后以最优弧的数据作为拟合数据,利用最小二乘法计算出圆的中心及半径,并与其他算法进行了比较。实验表明,该算法对于中心和半径的定位精度高、计算速度快,并有效地提高了中心检测的抗干扰性,适用于在线实时检测。
为了提高虹膜定位的精度和准确性,从而进一步提高虹膜识别系统的识别率,提出了一种基于矢量场卷积(Vector Field Convolution,VFC)的虹膜定位算法,用于精确定位虹膜内边界。首先利用最小灰度平均值法自动确定VFC模型的初始化轮廓,在活动轮廓内外力作用下实现虹膜内边界定位;然后对于虹膜外边界,采用改进的Daugman算法进行定位。利用多个虹膜图库进行了大量实验,并与几种常见的虹膜定位算法进行了比较,实验结果表明:该方法定位准确度更高,虹膜内边界定位更接近真实边界,定位结果有明显改善。
