2014年 第43卷 第12期
基于长线阵中波红外和长波红外探测器的推扫成像技术,是实现高空间分辨率和高温度分辨率卫星对地观测的技术途径之一。随着长线阵红外探测器的发展,该技术受到高度关注,并已在一些领域得到应用。介绍了中波红外和长波红外谱段成像特点以及基于长线阵中波红外和长波红外探测器的卫星推扫成像技术发展现状。重点根据中波红外和长波红外谱段的波长、温度为300 K 目标的辐射强度以及光学系统和探测器参数,分析了它们的成像性能,包括调制传递函数(MTF)、地面像元分辨率(GSD)和噪声等效温差(NETD)。对于常温目标,在积分时间足够长的情况下,保持相同的MTF,中波红外比长波红外推扫成像可实现更高的空间分辨率和温度分辨率。结合分析结果,对充分发挥这两个谱段的成像性能提出了建议。
视场的大小、形状及搜索策略是影响红外成像导引头截获概率的重要因素。在分析视场对导弹截获概率影响原理的基础上,定义了搜索场和截获场的概念,建立了不同视场形状和搜索策略的工作状态模型,并对常用的视场形状和搜索策略组合进行对比分析。仿真计算实例表明,截获场小于等于搜索场,采用不同的视场形状和搜索策略所获得截获场的大小不同,要根据设计需求优化选择。相关的研究方法和结论为红外成像导引头的视场选择和搜索策略设计提供了理论参考。
采用重力沉积技术制备了CaS:Eu2+,Sm3+红外上转换荧光屏,确定了最佳制屏工艺参数,研究了红外转换荧光屏的性能。设计和制作了耦合短波红外CCD 相机,对相机的成像性能进行了试验,结果表明研制的短波红外CCD 相机能够实现对1 064 nm、1 550 nm 等短波红外激光的探测和成像。采用红外转换荧光屏制作红外CCD 相机为短波红外探测器的研制提供了简便、有效的途径。
导弹尾焰流场计算为尾焰红外辐射场计算提供基础数据。基于导弹尾焰流场的形成机理研究,根据燃烧理论、流体力学、气体动力学,考虑燃烧室内的燃烧化学反应建立尾焰流场计算的参数模型,结合Gambit 和Fluent 仿真软件计算获得速度、温度和压力等流场参数。在Fluent 中进行了2 000 次以上的迭代仿真运算得到了迭代残差小于1e-5的计算结果。速度场和压力场经对比分析均符合实际情况,温度场的计算误差为2%。结果表明：该计算方法可以客观描述尾焰流场的主要特征,快速仿真获得特定条件下的流场数据,为导弹尾焰红外特性的计算提供输入参数,提高尾焰的计算精度、节省尾焰的仿真时间。
从目标和背景亮度对比度的角度出发,构建了红外照射条件下目标和背景的亮度融合模型,得出了亮度融合的条件。针对红外探测中不同组合的目标和背景,探究了红外照射条件下亮度融合的适用对象,并进行了仿真验证。结果发现：通过红外照射的方式实现目标与背景亮度融合的方法,适用于与背景相比具有高发射率的亮目标和低发射率的暗目标,特别地,对于温度与背景相等的目标,实现某波段上与背景亮度融合的辐射照度等于温度为T(T=Tt=Tb)的黑体在该波段上的辐射出射度。最后,通过红外照射系统照射不同组合的目标和背景(亮目标和暗目标),一定程度上实现了中红外波段目标和背景的亮度融合,验证了理论的有效性。
随着现代军事空间技术的快速发展,对红外探测器的要求越来越高。同时,对红外光学元件的要求也越来越苛刻。主要研究了硫化锌(ZnS)基底表面减反与保护膜的制备技术,采用介质膜与硬膜复合方法,通过对不同材料的对比分析,最终选取碳化锗(Ge1-xCx)材料作为介质膜与DLC 类金刚石保护膜的过渡层。利用电子束与离子源辅助沉积技术制备介质膜;磁控溅射技术制备过渡层碳化锗;化学气相沉积技术制备DLC 类金刚石保护膜,解决了介质膜与类金刚石保护膜应力匹配的问题,并通过对多种沉积工艺的整合,得到了一套稳定的工艺制备流程。最终在硫化锌基底上制备出的减反射与保护膜平均透过率达到92%,硬度符合要求。
在不同的型号任务中,对摆动扫描式红外地球敏感器在电磁干扰的环境中所达到的抗干扰能力需要进行考核。详细介绍了便携式摆动扫描式红外地球敏感器整机EMC 试验专用性能测试设备的总体结构及主要部分结构设计,该设备能考核地球敏感器的整机性能指标,给出红外辐射信号,全面考核产品的光、机、电性能。所设计的地球模拟器针对卫星35 786 km 和21 500 km 两个轨道高度,采用可更换地球光阑的方案,提供17.46和26.54两种地球张角,所研究的测试设备实现了在地面上模拟卫星在太空中所看到的地球,供星上红外地敏在地面上测试性能使用。
为了对LRSPPs 自发辐射的低噪声放大特性进行深入研究,采用建立长程表面等离子激元(LRSPPs)波导结构和自辐射低噪声放大理论模型的方法,对结构的电磁场分布特性进行了计算仿真,使得设计结构符合LRSPPs 传播特性。放大噪声的仿真结果表明：短程表面等离子激元(SRSPPs)大部分自发辐射倏逝到金属区;每单元带宽的有效输入噪声功率达到了7.4710-4 fW/Hz,为常见的相位不敏感放大信号的理论值3 倍,表现为THz 信号;IR140 激发分子的衰变是无辐射的过程,100 nm 处自辐射衰减率为SRSPPs 和LRSPPs 的拐点,之后的辐射过程主要是受自发辐射LRSPPs 影响决定。上述研究成果不仅可以明确LRSPPs 特性,同时对于其他支持等离子模式的结构也有明显的参考价值。
为提高太赫兹(THz)波的产生效率,研究了飞秒激光与GaAs 晶体的相互作用。首先研究了块状GaAs 晶体中泵浦光与THz 波间的相位匹配,结果显示泵浦光的群折射率曲线与THz 波的折射率曲线不存在交点,表明了块状晶体结构中相位失配问题的存在;然后设计了四种不同尺寸的波导结构,根据波导理论计算了波导结构在0.1~6 THz 波段的折射率,并结合波导的吸收和色散参数分析了THz 波在晶体中的最佳传输距离。研究结果表明,GaAs 波导结构能够有效增大泵浦光与THz 波的相位匹配程度,从而提高飞秒激光与晶体耦合过程中THz 波的产生效率。研究为基于飞秒激光与GaAs晶体相互作用的高效THz 产生技术提供了理论依据。
基于计算全息法,通过计算和模拟得到了涡旋光束与平面光束干涉所产生的位错条纹,用胶片记录位错条纹并制作成位错光栅,在自行设计搭建的光路中进行实验获得1~4 阶的涡旋光束。实验结果表明,各阶涡旋光束的空心半径随着阶数的增大而逐渐增大,与理论分析相符合;实验进一步观察到各阶光栅的二级甚至三级衍射光束,当入射光束中心与光栅位错中心重合时,能够产生光强分布对称的涡旋光束,当光束中心和光栅中心不重合时,产生的涡旋光束的光强分布不对称。这为后续以涡旋光束为捕获光束的光镊实验的进一步拓展及应用提供了理论和技术支持。
提出了一个基于级联多模布拉格光栅和新型的高精细度滤波器的可调谐双波长窄线宽掺铒光纤激光器的结构。环形滤波器由两个耦合器和一段经过泵浦的掺铒光纤组成,由于掺铒光纤产生增益,滤波器产生高精细度的频率响应,能够滤掉掺铒光纤激光器的不需要的纵模,从而起到窄化激光器线宽的作用。实验过程中,由多模光栅的选频特性产生六种窄线宽双波长的组合,激光器的线宽由不加滤波器的0.14~0.16 nm 被压窄窄化到0.05 nm。
基于-OTDR 的分布式光纤扰动传感系统利用一根传感光纤可实现长距离的入侵实时监测。光源作为该系统的关键器件之一,其参数直接影响到系统的监测距离和定位精度等性能指标。文中针对光源参数对系统性能的影响做了理论分析和实验研究。理论分析和仿真表明：增加光源功率、提高脉冲宽度和提高调制周期可提高监测距离;减小脉冲宽度可提高定位精度。在上述分析的基础上,提出了针对不同监测距离的光源参数优选方案,并通过实验验证了理论分析的正确性。
高功率,波长可调超短脉冲光源具有重大的应用价值。采用掺镱光纤放大的全正色散锁模光纤激光器能够满足以上优质光源的要求,并且结构紧凑。通过实验全面探索了波长可调节全正色散锁模光纤激光器的放大特性。分析了小信号增益系数随着信号光波长的变化。发现最大增益出现在波长为1 030 nm 附近,并且增益随着信号光波长的增大而减小,这是由于掺镱光纤的增益谱特性决定的。也分析了增益系数随泵浦光功率的变化,观察增益饱和现象和放大自发辐射噪声。也讨论了种子脉冲在放大器中的时域与频域畸变。发现脉冲因为群速度色散而轻微展宽,频谱因为自相位调制也会发生轻微展宽。
研究了硅雪崩光电二极管(APD)对光通信波段近红外光子在不同频率、强度,以及APD 不同偏压下的双光子吸收效应(TPA)。通过实验详细测量了光频率从186.3 THz 到196.1 THz 变化时APD的TPA 效率,结果表明：随着入射光频率的不断增加,TPA 效率呈现出先增大、后减小的规律,并且在190.5 THz 附近达到最优效率。此外,在实验中观察到,随着入射光强的增大,TPA 效率也呈现出先增大、后减小的现象(此实验中的峰值光强度约10 mW)。
采用CO2 激光对木板、大理石、有机玻璃三种典型的非金属材料进行雕刻,研究激光工艺参数对其雕刻表面形貌的影响,优化非金属材料的激光雕刻工艺参数。结果表明：随着激光功率的增加,刻痕深度逐渐增加;对于低熔点的木板和有机玻璃,较低的激光雕刻功率利于获得边缘齐整、美观的刻痕,功率过大会使木板出现发黑甚至过烧现象,而有机玻璃出现熔凝形成的波纹与凹凸不平现象;对于高熔点且硬脆的大理石,较高的激光功率使刻痕清晰,边缘齐整锐利,且无熔渣形成,但雕刻速度过低时,雕刻边缘粗糙不齐整。
为了消除红外激光光斑图像中的后向散射现象或使光斑的灰度分布更加均匀以便于观测,提出了一种基于光斑重心的后向散射抑制算法和一种激光光斑灰度值补偿的算法。基于光斑重心的后向散射抑制算法是在提取光斑重心位置的基础上,确定光斑的半径,最后通过设定的阈值决定图像的灰度值。光斑灰度值补偿算法要在确定光斑边缘点的基础上,计算出光斑中心,再通过光斑的区域能量来修正中心位置并确定光斑半径,最后以光斑中心和半径来矫正光斑区域图像的灰度值。给出两种算法的实验结果及分析,研究证明算法可以基本全部去除光斑图像中的后向散射现象,较好的修正光斑区域的灰度值分布情况,经算法处理后的图像适合应用于进一步的工程实验分析中或是进行实时图像观测。
为了研究微尺度下激光冲击过程中冲击波对强化表面塑性变形的影响,进行不同能量和冲击次数下激光微冲击纯铜试样处理,并对冲击试样进行表面形貌测量。结果表明,微尺度下,激光诱导的等离子体冲击波引起的轴向和径向压力同时对冲击表面作用。轴向压力在光斑中心区域附近起主导作用,冲击区域深度方向上塑性变形量随着激光能量和冲击次数的增加而增大;光斑边缘附近,主要受径向压力作用,随着激光能量的增加,径向塑性变形影响区域增大。当激光能量超过70 mJ 时,单点塑性变形边缘区域明显凸起;径向塑性变形随着冲击次数的增加先增大后减小,冲击次数高于3次时,光斑边缘附近明显凸起。
针对人脸三维重建,基于RGB 激光扫描系统,提出了一种彩色三维重建方法。首先,以直接标定的方法,建立了数码相机采样图片的像素坐标系与世界坐标系的映射关系;利用相机拍摄的三色激光照明下的标准色板图像,标定了数码相机对三原色的感光曲线,即建立了相机三原色记录值与标准值之间的关系。然后,以人脸为目标,提出了从获取扫描数据到进行三维重建的完整方法。最后,经迭代法匹配,输出为通用的三维模型格式,实现了人脸在毫米量级上的三维重建。该方法简化了标定过程,算法简单,系统造价低,可推广至各种物件的三维扫描重建。
随着时间延迟积分技术(Time Delayed and Integration,TDI)的不断成熟,具有TDI 功能的电荷耦合器件(Charge Coupled Devices,CCD)已经广泛应用到高分辨率对地成像系统。然而,采用TDI功能的成像系统在推扫成像过程中必然会受到像移的影响,导致最终成像模糊。主要分析了TDI 成像过程中光学系统畸变引起像移的原因,推导了畸变产生像移的数值计算公式,分析了光学系统畸变对TDI 成像相机调制传递函数的影响,研究了畸变和像移导致的TDI 成像相机图像退化的关系,针对焦距为9 000 mm、积分级次96 级、地面像元分辨率GSD=0.6m,F/p=1、信噪比为50:1 的TDI 成像相机,计算了在畸变产生的像移影响下导致的NIIRS(National Imagery Interpretability Rating Scale,美国国家图像解译度分级标准) 的变化值NIIRS,计算结果表明在畸变导数值D'()=6.493 时引起的驻NIIRS 达到-0.1624将影响图像的解译需求,最后分析给出了对于该空间相机不影响解译需求的D'()限制条件。可为光学遥感TDI 成像系统的设计提供参考。
为提高航空遥感器光学窗口的光学性能,对处于临近空间超声速飞行状态下熔石英材料的光学窗口进行了热光学评价。分析了光学窗口所处的飞行环境,根据空气动力学原理,计算了平均对流换热系数与马赫数的关系。根据热流密度,模拟了光学窗口温度场分布;计算了内外表面温差所引起的光程差;并分析了光学窗口热变形对航空遥感器光学系统传递函数的影响。分析结果表明：由热变形带来的光学窗口光程差PV=130.5 nm,满足光学设计要求(PV1/4)。此研究结果可为光学窗口系统设计提供必要依据。
LCTF 成像光谱技术是近年来快速发展的一种成像光谱技术,具有光谱分辨率高、谱段范围宽、质量轻等诸多优点,在月球矿物探测高光谱成像遥感器中具有独特的优势。LCTF 中液晶材料温度变化会引起双折射率偏差变大,从而影响LCTF 光谱仪成像质量。通过对光谱仪工作环境的热分析,综合考虑光谱仪的工作模式及各部件工作温度要求,设计了LCTF 光谱仪热控系统。仿真结果表明,该热控系统能较好地满足设计要求,使LCTF 光谱仪清晰成像,为月球矿物探测做好硬件准备。
星敏感器是一种姿态测量系统,用于测量飞行器的实时姿态。该系统是一种基于CCD 探测器的适用于星敏感器的光学系统。通过相关参数的计算,利用ZEMAX 平台实现了具有良好成像质量的光学系统结构设计。该系统焦距为50 mm,F 数为1.8,具有较大的视场角：2=23,光谱范围较宽：500~850 nm,中心波长为680 nm。捕获三颗导航星的概率达100%。满足星敏感器对弥散斑、能量集中度和畸变等特殊要求。倍率色差得到了很好的校正,仅为0.087 m。系统仅使用6 片球面透镜,结构简单紧凑,易于加工制造。
随着环境大气污染程度的加剧,特别是CO2 增加,各国对大气环境质量的监测越来越重视。相应的高光谱与高分辨率探测仪的应用也越来越得到关注。而星载探测仪必须满足空间环境的要求才能保证探测仪的成像质量。安装座作为探测仪的关键部件,它的设计合理与否对探测仪的精度具有很大的影响。因此根据探测仪使用要求及安装接口设计了三种安装座结构,对比其在力学振动和温升条件下的性能。从理论和实验得出,平动式安装座在力学振动环境下一阶频率达到82 Hz,准直镜组件相对光栅面偏转小于10,成像镜组件相对光栅面偏转小于10,都能满足设计技术要求。在4℃温升环境下,平动式安装座的结构对准直镜组件和成像镜组件产生的影响最小,都小于17,能够保证探测仪的成像质量。通过分析和实验证明该结构合理可行,并为后期相关仪器的支撑设计提供了参考。
为实现全景航空相机对地面目标的检测要求,根据其工作原理设计出一套可完成高精度、多参数航空相机的室内检测系统。首先在分析其性能指标和工作原理的基础上,给出了该检测系统的总体方案。详细设计了系统的主要组成部分：远目标模拟系统即大视场平行光管,动态图形发生系统等结构。提出平行光管和动态图形发生器核心参数的测试方法后,对所设计的检测系统进行实际测试,结果显示其整体性能满足所提设计要求。
TMT 望远镜是一台R-C 式的30m口径光学红外望远镜,其三镜为椭圆形平面镜,口径为3.594m2.568m,质量达到1.8 t。三镜系统需要把来自于次镜的光折转到望远镜两侧奈氏平台的科学仪器上,具有跟踪和快速定向功能,因此三镜位置也是三轴正交运动的结果。三镜支撑系统必须能够在多工况、变载荷的条件下有效保证镜面的面形精度,所以依据TMT 项目组要求面形结果需优于1/5波长(=632.5 nm) 或者斜率均方根小于1 rad。以三镜支撑的一种方案为例详细阐述了TMT 三镜面形评价的过程。这一方案中底支撑采用18 点whiffletree 结构形式,侧支撑采用8 点A-frame 结构形式。首先通过ANSYS 建模仿真,然后使用MATLAB 进行数据后期处理,依次去除结果中包含的刚体位移项、离焦和像散等,最后使用9 个子孔径来拼接归一化的三镜,同时计算每一个子孔径的斜率均方根。这一数据处理方法有别于以往圆形主镜镜面评价的过程,但适合对TMT 三镜椭圆镜面面形评价,且在光学系统中斜率均方根比均方根在镜面面形评价上更有意义。对于大口径反射镜镜面面型评价具有重要的指导意义。
以钛合金材料TC源的超精密切削加工机理为研究目的,采用有限元技术与实验验证相结合的方法,建立了钛合金材料超精密切削过程的正交切削有限元模型,深入介绍了有限元建模过程中有限元模型的建立、材料应力应变关系等关键技术。采用建立的有限元模型对钛合金的加工过程进行了正交切削有限元模拟。通过模拟获得了切屑形成过程、切削力曲线以及温度分布等结果。应用单点金刚石车床进行了钛合金TC4 的超精密车削实验, 研究结果显示数值模拟结果与实验结果比较吻合。数值模拟方法的有效性也得到了验证,可以进一步用来研究钛合金材料的切削过程。
针对手机镜头很难同时实现高成像质量和短总长的实际问题,通过对初始结构进行优化设计,得到一款全部采用光学塑料为透镜材料的超薄手机镜头。镜头采用四片式结构,光阑位于镜头前方,镜片全部采用偶次非球面。该镜头总长4.49 mm,F 数为2.4,视场角为65.5,焦距为3.71 mm,在探测器Nyquist 频率处MTF 均大于0.14,在半Nyquist 频率处MTF 均大于0.46,且畸变小于1.5%。光学系统各视场的均方根半径小于3.5 m。采用索尼公司的IMX111 型号CMOS 探测器,最大分辨率为32642448。通过模拟计算,得到该手机镜头的离焦量为144m。通过调焦,可以在物距大于10cm 时,得到像质较好的图像。通过灵敏度分析,镜头公差满足加工要求。该镜头设计长度较短,采用非球面塑料透镜,生产成本较低,成像性能良好,满足手机镜头的使用要求。
为实现小型光学元件的柔性安装和精密调整,设计了一种三自由度柔性安装结构,并对其力学特性进行了理论研究。首先,从柔性镜框的工作原理出发,建立了柔性结构的力学模型,推导了模型的刚度表达式,并利用有限元分析方法进行了验证分析。然后,根据推导的刚度表达式分析了主要结构参数对柔性镜框力学特性的影响,并讨论了减小寄生运动的措施。最后,以通光口径为135 mm的平面反射镜为例,进行了柔性结构的设计计算和参数优化,并对其力学性能进行了仿真分析。验证结果表明：给定的参数范围内,刚度的理论计算和有限元分析结果的相对误差5.5%,表明所推导的刚度计算公式具有足够的精度,验证了理论模型与计算的正确性。同时,柔性镜框力学特性分析结果对柔性镜框的结构设计、力学性能分析和参数优化具有理论指导意义。
为实现确定磨盘的磨削深度控制,减少加工中不同粒度工具的更换次数从而提高加工效率,流体动压状态下的固结磨料加工工艺第一次被提出。在完成磨盘表面形貌建模的基础上,以磨盘和工件间隙中的磨削液膜为研究对象,建立了瞬态等温条件下的流体润滑方程,并利用显示有限差分算法求得数值解。计算结果表明：通过调节动压力来控制磨削深度是可行的,因为液膜动压力随磨盘最大磨削深度的减小而有明显的上升趋势,分布也趋于平坦;提高入口压力时,动压力明显增大,但也加剧了其分布的不均匀性;因为受制于磨盘表面形貌以及加工质量要求,转速对动压力的影响并不显著。
太赫兹波强度调制器对太赫兹技术的发展至关重要。亚波长金属孔阵列可以激发表面等离子激元,增加入射电磁波的透射效率,极大地提高调制器的调制深度。提出了一种基于表面等离子激元的光控太赫兹波强度调制器。首先给出了器件所依赖的基本原理;其次利用传统的微纳加工技术在半绝缘砷化镓衬底上制作出二维亚波长金属孔阵列;最后搭建了太赫兹时域光谱系统,测试了器件样品对太赫兹波的透过率。结果表明：亚波长金属孔阵列可以引起透射率的异常增强,且透射率随着泵浦光强的增大而减小,在特定频率点实现了较高的调制深度。此研究为实现高调制深度的太赫兹波强度调制器提供了参考。
介绍了一种基于石英晶体逆压电效应的光纤电压互感器(FOVT)。传感头由两段分别缠绕在石英晶体上的等长保偏光纤构成,两段光纤之间90熔接实现两正交偏振模式互补,采用非互易的法拉第旋光器实现In-line Sagnac 反射式干涉仪结构。阐述了其工作原理,借助琼斯矩阵得到其干涉表达式,并推导出检测相位与待测电压成线性关系,结合数字闭环模型计算出互感器变比,并以此为标准衡量互感器测量精度及稳定性。实验结果表明：待测电压大于3000V时,变比的非线性误差小于0.2%。
基于液晶的电控双折射特性和光子晶体自准直特性,在二维光子晶体引入复合缺陷提出一种可调谐Mach-Zehnder 干涉(MZI)滤波器结构,应用液晶系统的自由能理论,推导了外加电压与液晶有效折射率的关系,并结合MZI 相位调制原理和光子晶体等效折射率理论,得到液晶的电控双折射特性与MZI 滤波器的输出光谱间的数学关系,运用时域有限差分法(FDTD)对滤波器的输出进行仿真模拟,并根据仿真结果对结构进行一级级联的优化设计。结果表明：通过控制外加电压的大小可以改变输出端的透射波长,达到可调谐滤波的效果,并且一级级联后的滤波效果比级联前有很大的改善,滤波的半波带宽从20 nm 减小为7 nm,可调谐范围从15 nm 增大为40 nm,因此可以通过进一步级联的方式使滤波器结构更加的优化,以便运用到光波分复用系统中。
太赫兹技术是一个新兴的交叉研究领域。在过去20 年,太赫兹技术有了巨大的发展。倍频器是太赫兹差分接收机重要技术,主要运用在天文、大气和行星科学射频前端。太赫兹空白的存在主要因素是缺少高效太赫兹源和探测器。通过倍频器技术和放大技术,可以得到高稳定低相噪的倍频源。340 GHz 是太赫兹大气传输窗口之一,所以340 GHz 倍频源能够运用在各种通信成像系统中。肖特基二极管倍频源可以工作在常温和低温下。倍频器是倍频链路最关键的部分。通过理论分析和3D 电磁仿真设计了一个340 GHz 倍频器。实验得到最大输出功率为4.8 dBm,最大效率为3%,在331~354.5 GHz输出功率大于0 dBm。实验结果证明电路仿真和建模的可行性。
石英玻璃的低温键合技术作为一种可靠的固体连接方式,受到了欧美发达国家的广泛重视,并在航天、基础科研、强激光等诸多领域得到了广泛应用。该技术基于氢氧化物催化玻璃表面的水解/脱水过程,通过在键合界面之间形成硅酸盐三维网状结构实现键合,是一种高强度、高精确性、可靠的室温键合方法。对石英玻璃低温键合技术的工作原理和基本工艺过程进行了阐述,并实现了石英玻璃的低温键合。对键合界面进行了多项环境适应性试验,结果表明：相对传统的光胶方法,低温键合技术在键合强度、温度冲击环境及水环境的适应性方面表现出显著优势,在键合均匀性、精确度、透明度、密封性、常规温度及振动环境方面与传统方法表现相当。
X 光二极管(XRD)小型化有助于优化软X 光能谱仪,也可实现与其他X 光诊断设备的集成应用。完成了小灵敏面X 光二极管机构设计,储能电容更合理,体积更小。开展了微波仿真与模拟计算,在0耀20 GHz 的带宽范围内其反射很小,微波传输特性满足实验要求。另外,在短脉冲激光装置上开展了探测器性能研究实验。结果表明探测器时间分辨能力提升20%左右。小灵敏面X 光二极管研究有助于探测器在辐射流监测的方面获得更广泛的应用。
通过化学镀镍的方法,在金刚石磨粒表面包覆一层Ni-P 合金层;采用不同包覆率的金刚石磨料制备固结磨料研磨垫;通过SEM 观察分析金刚石的微观形貌;研究了磨料包覆率对研磨垫加工K9 玻璃过程中的摩擦系数和声发射信号的影响;采用马拉松式试验方法,比较了不同包覆率磨料的研磨垫加工K9 的材料去除速率及研磨后工件的表面粗糙度。结果表明：化学镀镍可以显著改变磨料的表面形貌;研磨过程中的摩擦系数、材料去除速率和工件表面粗糙度均随着包覆率的提高呈现出先增大后减小的趋势;包覆率50%时的金刚石磨料对工件的摩擦力和切入深度最大,研磨垫的磨粒保持与自修整性平衡,加工效率及其稳定性最高。
空芯光子晶体光纤是一种新型的陀螺用光纤,较传统光纤具有良好的抗磁性,光纤的磁敏感性是由光纤的Verdet 常数来表征的。为研究空芯光子晶体光纤的磁敏感性,利用Comsol 软件对HC-1550-2 空芯光子晶体光纤的Verdet 常数进行仿真计算,选用含有法拉第旋转反射镜(FRM)的反射式双光路测量方案对空芯光子晶体光纤的Verdet 常数进行实验测量。双光路测量系统中的FRM 可以消除被测光纤中线性双折射对测量的影响。仿真与测量结果相吻合,且由结果可知空芯光子晶体光纤的Verdet 常数约为传统光纤的1/100 倍,验证了空芯光子晶体光纤在陀螺降低磁敏感性方面的优势。
保偏光纤环是光纤陀螺的核心部件,其性能受温度的影响较大,主要表现为热致互易相移,影响光纤陀螺的精度。针对该问题,提出采用应力分布法测量光纤环的温度非互易相移。通过对不同温度点的光纤环应力分布数据进行分析,建立光程对中数学模型,基于该模型对光纤环的尾纤进行适当调整,改进其光学对称性,降低由温度变化引起的非互易相移。通过陀螺整机实验表明：该方法能大幅提高光纤陀螺的精度,过程简单方便,对成品光纤环具有一定的修复作用,提高了成品率,实用性较好。
谐振式光纤陀螺(R-FOG)是基于Sagnac 效应产生的谐振频率差来检测旋转角速率的一种新型光学传感器。利用闭环锁频系统可以减小光纤环形谐振腔受温度、应力等外界环境变化的影响,提高陀螺性能。提出了数字与模拟相结合的闭环锁频系统方案设计,克服了模拟锁频电路带来的电路温漂,采用模拟解调技术来降低了对系统A/D 转换器的转换速度的要求,同时无需对复杂数字解调算法的研究。闭环锁频系统应用于陀螺测试系统中,实验测得10 s时间内的锁频精度为2.15 ()/s。
展示了一种低双折射光纤拍长测试方法。光路由ASE 光源、可调F-P 滤波器、两个线偏振器、待测光纤和相位补偿器组成。应用相位检测方法降低环境因素引入的误差,使用相位补偿器保证测试系统工作点位于光强对相位变化敏感处。搭建测试系统并进行了实际测量,系统检测可重复性良好。该方法对实验设备要求不高,对于待测光纤的长度没有限制,可测拍长范围达到20m,测量精度达1%。
采用有限差分方法对量子点半导体光放大器(QD-SOA)中的四波混频(FWM)现象进行了研究。通过仿真计算,分析了多个参数对四波混频效率的影响。增强泵浦光功率、增大QD-SOA 的长度以及注入电流,四波混频效率明显增大。增大探测光功率以及泵浦光和探测光的波长间隔,四波混频效率均降低。基于四波混频效应实现了差分相移键控信号的异或逻辑操作,模拟得到了异或逻辑的时域和频域输出结果。在多个波长位置同时实现了异或逻辑,并对32 比特的序列异或操作进行了仿真研究,得到了异或逻辑的时序结果及眼图。
高速光信号源在现代光通信中不可或缺,目前倍受研究者关注。提出了利用一种具有偏置控制的马赫-曾德尔调制器(MZM),采用倍频方案产生高速微波光子信号,并进行了实验研究。通过在MZM 上施加一定的直流偏置引起两臂光脉冲的相位差,使光脉冲发生分裂实现倍频。实验中,利用5 GHz 的射频信号源,成功获得了频率增加一倍的10 GHz 高质量高速光信号。同时,也可以观察到在不同偏置电压下会产生不同的脉冲序列,发现优化偏压是实现高质量倍频的必要条件。该方案可用于产生40 GHz 以上的高频率光脉冲,可广泛应用于高速光通信。
光子晶体光纤陀螺原理上具有磁敏感性低、温度稳定性好及抗辐照等特点,是光纤陀螺一个新的重要发展方向。很多学者研究了其零偏特性,但未见对其标度因数的研究报道。研究了光子晶体光纤陀螺标度因数的误差构成,并试验测量了光子晶体光纤环引入的误差。研究结果表明,光子晶体光纤陀螺标度因数具有更稳定的温度和辐照特性,在-40~+70℃的温度范围内,标度因数重复性为242.310-6(未补偿时),约为普通光纤陀螺的1/2。在经历总剂量为50 krad(Si)的辐照后,光纤陀螺标度因数变化10910-6,重复性和非线性没有明显变化,比普通光纤陀螺稳定1 倍以上。
为提高视觉测量系统的精度,以一种复眼结构为模型, 着重探讨了复眼系统的多子眼在提高目标定位精度中的作用,并进行系统的仿真分析。首先,对复眼结构进行了简要介绍。随后利用Zemax建立了复眼的光学入射模型。接着,设定标定目标平面并逐点设定空间三维坐标并得到标定点与透镜中心之间的入射角度。然后,建立起入射角度与对应像点之间的关系作为标定结果。最后,根据标定结果分别利用复眼中不同子眼数对空间目标点坐标进行求取。分析结果显示：利用复眼多子眼共同定位目标较传统的双目视觉能获得更高的精度,并且精度会随着子眼数目的增加而提高,该方案为复眼的实际制作和应用提供了良好的指导作用。
从理论和实验上对手眼相机位姿测量精度进行了研究。首先,根据靶标设计形式和P3P 算法介绍位姿测量原理。接着,从理论上分析了位置测量精度和姿态测量精度,即靶标沿X 轴平移位置测量精度和靶标绕X 轴、Y 轴、Z 轴旋转测量精度。然后,对通常的检测方法进行分析,提出了以产生相对位姿实现六维自由度变化的检测方法,提出用中误差对测量精度进行评价,并具体介绍了检测方法。最后,对手眼相机测量精度进行了实际检测,将实验数据与理论数据进行了对比分析。实验结果表明：距离测量精度最大为25.60 mm,旋转测量精度最大为1.4毅,均满足测量精度的要求。
同时偏振成像探测技术是近年发展起来的新型遥感探测技术,该技术采用分振幅方式,在同一个探测器上同时获得被探测目标0、45、90、135四个偏振方向的偏振强度图。这四个检偏方位受到仪器自身偏振效应、偏振器件误差和膜层的影响会发生偏离,为了保证偏振探测精度,对系统的四个检偏方位采用Equator-Poles 定标和曲线拟合的方法进行校正,两种方法测量结果一致性在0.4%以内。线偏振度实测精度与理论分析精度都在2%以内,这验证了检偏方位校正的有效性。
传统的电力机车接触导线几何参数检测方法存在若干不足。根据检测要求和磨损后接触线的图像特征,提出了基于双目视觉技术的在线、非接触、多参数综合测量方法。对基于LOG 算子的线条边缘图像处理方法的误差进行了深入的理论分析,在此基础上提出了采用图像能量中心算法的边缘定位新方法,并进行了数值模拟。仿真结果表明：能量中心算法的抗干扰和抗模糊能力更强,定位精度更高。以不同高度、拉出值和磨损宽度的圆钢为检测对象进行了验证实验,并与激光测距仪和数显式游标卡尺检测的结果进行了比对。实验表明,能量中心算法的边缘检测精度优于LOG 算法,同时,提出的测量方法示值误差小、重复性较好,能够满足接触线在线、非接触综合检测的需要。
对流层水汽引起的大气相位延迟是制约重复轨道InSAR 高精度测量的重要因素之一。为有效解决InSAR 中大气相位延迟的问题,对InSAR 中大气延迟误差进行了分析,研究了利用MODIS 水汽数据对ASAR 干涉图大气改正的方法及其关键技术,并以太原地区的ASAR 干涉图为例,对其进行大气改正。实验结果表明,MODIS/ASAR 大气改正方法可以显著地提高干涉图的质量,同时形变反演的精度也得到了明显的改善,验证了MODIS 与ASAR 数据融合获取地表形变信息的必要性和可靠性。
为了实现对固体表面运动速度的高精度测量,建立了一套基于线阵图像传感器的新型空间滤波测速仪系统,提出了一种确定系统误差来源的新方法。图像传感器在系统中既作为探测器又作为空间滤波器使用,系统结构得到了很大的简化。在理论上对线阵图像传感器的空间滤波特性进行了分析,并设计了图像传感器的驱动电路、信号采集和预处理电路。测量了由高精度转台作为主动轮的传送带速度和日光灯的发光频率。实验结果表明,传送带速度测量精度在0.77%以内,11 min 内的测量不确定度为0.66%;而在不使用成像系统的条件下直接测量日光灯的发光频率时,测量不确定度在0.056%以内,提高了一个数量级。总之,该测速仪能够基本满足传送带表面运动速度测量的实时、非接触、稳定和高精度等要求。
高精度角度基准编码器的角度误差,对小型绝对式光电编码器误差检测装置的测量精度有着重要的影响。影响基准编码器角度误差的因素众多,难以用准确的数学模型来描述。为此提出一种通过径向基函数神经网络进行误差修正的方法。首先,为增加基准编码器检测采样点,使用多种多面体对基准编码器进行检测,并将误差合成在同一坐标曲线上。然后,利用检测误差结果作为训练样本,建立径向基函数神经网络模型,使其输出逼近真实角度。最后,通过补偿电路的设计,对小型编码器误差检测装置的基准编码器进行补偿。实验表明,补偿电路的处理速度快,实现简单,不受算法复杂度影响。补偿后的编码器精度提高了2 倍,有效改善了检测装置的检测精度。
通过对光纤环进行应力分布测试和筛选,实现了改善光纤陀螺性能的目的。分析研究了由应力作用产生的光纤环非互易性对陀螺输出特性的影响,采用光纤应力分析仪对光纤环进行应力测试和筛选。并将经过光纤环在线测试和热应力测试筛选后的光纤环组装成陀螺进行零偏实验。实验结果表明：采用应力分析仪能够有效对光纤环进行应力测试和筛选,经过筛选后组装的光纤陀螺精度有了明显改善,全温范围内零偏稳定性可达0.08 ()/h。对后续高精度光纤陀螺研制有一定的借鉴意义。
将两轴光电跟踪仪搭载于卫星平台对空间运动目标进行持续跟踪监视正在成为一个研究热点,目前这类系统有天基空间目标监视系统(SBSS)、空间跟踪与监视系统(STSS)和持续跟踪与监视系统(PTSS)。为了解决天基目标监视中星载动基座情况下的光轴稳定跟踪控制技术,首先简化了星载光电跟踪控制系统的物理模型,然后求解了太阳同步轨道附近两卫星的相对运动角速度和角加速度大小,接着分析了基于光电复合轴方式的主动稳定跟踪控制方案和原理,最后建立了单轴系的星载光电复合轴跟踪控制系统仿真模型,计算结果为：对相对机动范围内(37.68 ()/s、47.33 ()/s2)的空间目标和相对低匀速范围内(0.1 ()/s)的空间卫星的稳定跟踪精度为2.5。
水平视差是影响3D 图像舒适性的重要因素之一。采用不同等级水平视差的3D 图像作为刺激信号,通过记录被试者的EEG 反应信号,提取出被试者观看不同等级水平视差3D 图像的ERP 波形;同时记录被试观看这一系列3D 图像舒适性体验的行为数据,并计算其舒适性检测率。通过EEG信号分析可见,无论在交叉或者非交叉水平视差情况下,3D 图像水平视差舒适范围在45'以内;水平视差在45'~75'时,交叉视差3D 图像ERP 波形280 ms 附近的幅值与不舒适的程度相关,非交叉视差3D 图像ERP 波形250 ms 附近的幅值与不舒适程度相关;检测率曲线结果和主观评价结果显示：3D图像水平视差的舒适性范围在45'以内,水平视差在45'~75'时,3D 图像不舒适程度随着视差的增加而增大。结果表明：EEG 分析、检测率曲线和主观评价结论一致,因此,可以使用EEG 分析水平视差对3D 图像舒适性的影响。
为定量评价电子倍增CCD(EMCCD)图像噪声的大小,实现对EMCCD 图像噪声参数的准确估计,研究了EMCCD 的噪声分布模型及其参数估计方法。首先,讨论了EMCCD 图像的噪声来源及其统计特性,由此建立了适于EMCCD 的噪声分布模型。然后,提出了两种EMCCD 噪声参数估计方法矩估计法和高斯-牛顿法,采用Monte Carlo 仿真验证其性能。仿真结果表明,矩估计法和高斯-牛顿法的平均相对误差和相对标准偏差均为10-2 量级,估计精度较高,且高斯-牛顿法的估计精度要高于矩估计法。采集一系列无增益时积分时间为50 s的暗场图片和增益为50 的本底图片,利用矩估计法和高斯-牛顿法分别估计出EMCCD 的暗电流噪声、时钟感生电荷噪声和读出噪声,实验结果表明,估计值与EMCCD 指标值一致,证明矩估计法和高斯-牛顿法能有效估计噪声参数且具有较高的精度。
以宁夏平罗县为研究对象,将Unispec-SC 便携式光谱仪测得的盐渍化光谱数据和实验室测得的土壤含盐量数据作为基础数据源。运用高光谱数据处理方法,分析不同盐渍化地区植被的光谱特征曲线;对实测植被、土壤光谱曲线进行对数、均方根和一阶微分等变换,筛选与土壤含盐量相关性最好的变换形式和特征波段构造盐分指数SI 及多种植被指数,利用多元非线性回归分析建立土壤盐渍化遥感监测模型。结果表明：土壤、植被光谱一阶微分变换与土壤含盐量响应敏感;协同盐分指数SI 和植被指数MSAVI 构造的土壤盐渍化指数模型,模拟值和实测值相关系数达到0.758 9,模拟效果很好,实现快速提取该区域的土壤盐渍化信息。
为了更准确的估计高光谱图像噪声强度,提出了一种基于相关向量机(RVM)的高光谱图像噪声评估算法。对该算法所采用的RVM 回归原理、残差与噪声的关系等进行了研究。首先,介绍了高光谱图像噪声评估中应用较为广泛的空间/光谱维去相关法的特点及不足。接着,对可有效进行非线性回归分析的RVM 进行了介绍。然后,针对传统的空间/光谱维去相关法在系统中存在较强的非线性关系时,得到的残差将会过大这一问题,提出利用RVM 回归分析去除具有高相关性的信号,利用得到的残差图像对噪声进行估算,从而提高评估系统的稳定性。实验结果表明：噪声强度估计精度优于8%;相比传统算法更有效。总体看,该算法可以满足自动高光谱图像噪声评估的稳定可靠、精度高等要求。
为解决场景模型在快速光照变化下失效的问题,提出了一种新的前景目标分割方法。该方法共包括三个步骤。首先,利用全局光照函数建立高斯混合模型;其次,提取当前帧中的纹理、ZNCC 及轮廓特征;最后,将提取到的特征分两阶段与高斯混合模型进行融合(第一阶段：融合纹理及ZNCC 特征;第二阶段：融合轮廓特征),得到最终的场景分割结果。实验结果表明：该算法具有较好的鲁棒性,并且相较于基于全局光照建模的方法具有更高的精度值及召回值。
混沌对初值敏感的特性使得它适合于数据加密。以4 阶CNN 模型为基础,提出了一种新的超混沌细胞神经网络图像加密算法。算法分为置乱和扩散二个阶段,复合混沌映射用于生成置乱阶段控制参数,用以置乱图像行列之间的高度互相关像素。在扩散阶段,使用不同初始状态和参数的复合混沌映射生成高阶混沌细胞神经网络的初始条件,以生成扩散阶段的密钥流。算法的已知明文和选择明文攻击、密钥空间和直方图的仿真实验均取得了良好的结果。与其他相关算法相比,该算法具有密钥敏感性和抗攻击性强的优点,适用于图像加密。
单架机载预警雷达探测目标时存在空域覆盖盲区和多普勒盲区。建立了巡逻航线的参数化模型,推导了机载预警雷达目标发现概率计算模型;提出了基于累积发现概率矩阵2-范数的单架机载预警雷达巡逻航线优化准则。由于多架机协同可以减小盲区对探测性能的影响,进一步研究了多架机协同探测的任务航线规划问题,提出了优化准则,分析了机载预警雷达之间的飞行时间间隔和航线之间的距离间隔对重点监视区域累积发现概率的影响。仿真结果表明了基于累积发现概率矩阵2-范数的优化准则的有效性,有利于最大化机载预警雷达空域覆盖和目标发现概率。
由于观察距离和角度的不同,待识别的目标图像相对模板图像会存在一定程度的角度畸变和比例畸变,大大限制了光学相关模式识别的发展。将最大平均相关高度(MACH)滤波器用于畸变目标识别,通过优化该滤波器的控制参数,并根据多次的计算机仿真实验和光学实验,使该改进型MACH 滤波器具有畸变公差高、相关点明亮等特点。用改进后的MACH 滤波器对角度畸变目标和比例畸变目标实施频域滤波,能有效增强相关峰强度,扩大畸变目标识别范围。作为实例,给出了复杂背景下识别汽车的计算机仿真实验和光学实验,有效验证了该算法的可行性。
基于纹理特征的方法被广泛应用于人脸识别。然而纹理特征依赖于图像的高频细节信息,当图像出现模糊时,单纯利用纹理特征的识别方法的识别精度会急剧下降。为了克服纹理特征的在模糊人脸识别中的不足,提出了一种基于色彩特征和纹理特征融合的识别方法。首先参照人类的对立色感知机制提取人脸的色彩特征;然后,将该色彩特征和纹理特征分别用于识别分类;最后,将二者的识别相似度进行融合,得到最终的识别结果。该色彩特征描述了图像的低频信息,其对图像模糊不敏感,并且与描述图像高频信息的纹理特征具有良好的互补性。在FERET 和AR 人脸库上的实验表明,融合色彩特征和纹理特征有效地提高了模糊人脸的识别精度。
在热像仪与3D 激光雷达组合感知系统上,对基于特征点的配准问题进行了研究遥结合热像仪与3D 激光雷达的工作特性,设计制作了温控镂空发热网配准靶,可同时为热像仪与3D 激光雷达提供特征点遥红外图像特征点使用Harris 角点探测器进行采集曰为减小混合像素和激光点稀疏的影响,对配准靶平面进行了拟合并对点云进行了配准平面符合度检查,确定了深度图边缘曰使用计算角点附近深度边缘均值的方法提取深度特征点坐标,并对坐标进行了修正曰最后使用NMSM-EM 优化方法对配准结果进行了优化遥基于以上研究成果,使组合感知系统能够在微光条件下完成对移动机器人行驶环境的感知遥
