2015年 第44卷 第11期
微光夜视技术作为当今拓展人眼夜间视觉感知的主要技术之一,在军事和民用领域都有广泛的应用。随着数字图像处理技术的发展,微光视频器件为通过图像处理进一步提升夜视图像质量,为与红外热成像的图像信息融合,为提高夜间对目标探测/识别和场景理解能力等方面提供了广泛空间,成为当前国内外夜视技术发展的重要方向之一。论文综述了微光视频器件发展,分析了电真空+固体微光视频成像器件(如像增强CCD/CMOS(ICCD/ICMOS)器件、电子轰击EBCCD/EBCMOS器件等)、全固体微光视频成像器件(如电子倍增CCD器件、超低照度CMOS器件等)的特点和发展趋势,并结合法国PHOTONIS公司的LYNX计划,对微光夜视技术的发展进行了分析和讨论。
由于标准InP/In0.53Ga0.47As短波红外探测器的响应波段为0.87~1.7 m,在高性能夜视中具有重要的应用。为了进一步利用夜天光在可见光区间的辐射能量,需要将InP/In0.53Ga0.47As短波探测器的光谱响应拓展到可见光,从而实现包含可见光和短波波段的宽光谱探测。通过特殊的材料设计和背减薄工艺,成功研制了可见光拓展的320256 InP/InGaAs宽光谱红外探测器。采用增加滤光片的方法完成了器件在可见光、短波的成像演示,结果表明:目标在可见光、短波波段呈现出不同的特征信息,而不加滤光片的可见光拓展InP/InGaAs宽光谱红外探测器则探测到两个波段的信息,既包含目标的可见光信息同时也具有短波信息,从而实现了可见/短波双波段探测的效果,可显著提升对目标的探测能力。
以APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路(GPQC)和InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)为核心研制了可工作在宽门控频率范围下的近红外单光子探测器。门控信号为200 MHz以下任意重复频率的尖脉冲,门宽约1 ns,脉冲幅度约10 Vpp。采用与APD结电容特性相近的PIN高频二极管研发了APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路,可有效地抑制门控微分噪声中的低频分量,抑制比大于40 dB。采用一组简单的9阶贝塞尔型电感-电容(LC)低通滤波电路滤除残余的高频噪声分量,并使用通用的宽带射频放大器对雪崩信号进行放大。在-52 ℃,0.1~200 MHz门控频率条件下,10%探测效率时暗计数率、后脉冲概率分别小于610-6/gate、1.9%,最高探测效率可达26.4%。
为提高光隔离器在高功率激光条件下的工作性能,基于琼斯理论研究了隔离器的热致退偏效应,设计了一种外置补偿晶体的隔离器,着重分析了隔离器隔离度及热透镜效应随入射光功率的变化规律。结果表明:通过调整氟化钙晶体的晶轴方向和长度,隔离器的热致退偏和热透镜效应可以得到有效抑制。在100 W激光条件下,外置补偿晶体后隔离度提高了16.3 dB,功率损耗降低8%。研究结果可优化设计隔离器结构,有效提升高功率隔离器的隔离度并减小功率损耗。
为了使石墨烯光阴极实现光电转化功能,以超晶格形式掺杂六角氮化硼到石墨烯中,形成杂化纳米带。通过基于第一性原理的计算,从能带结构可以看出,这种方法可以在一个很大的范围内(0～2.5 eV)调控带隙大小。结合能带结构和电荷密度分布分析了带隙调控的机理,此外,运用K-P模型理论分析也得到了一致的结果。以这种方式调控石墨烯材料的带隙,锯齿型边缘和扶手椅型边缘的六角氮化硼/石墨烯(h-BN/graphene)超晶格纳米带,其带隙大小均随着其中h-BN所占比例的增加而变大,而且其带隙大小几乎不受纳米带宽度的影响,这样一来材料的尺寸可以做到更加微型化。再者,基于此方法可以制成渐变带隙结构,进而实现同一光阴极对不同范围光谱的响应。
根据已测K9玻璃和晶体(ZnS,MgF2,Calcite)的实验数据,将遗传模拟退火算法应用于修正的Sellimeier方程的参数反演中,建立了上述材料的色散方程。同时比较了遗传模拟退火算法和遗传算法(包括标准遗传算法和多种群遗传算法)在迭代搜索性能方面的差异。结果表明:遗传模拟退火算法的优化效果最优并且性能最稳定。同时,将通过遗传模拟退火算法所得K9玻璃和晶体在某一光谱区域的色散方程应用于其他光谱区域中,发现色散方程的拟合值与实验值符合较好,这表明通过该方法所得色散方程具有较好的外推性。因此,通过遗传模拟退火算法进行色散方程的参量反演方法可以用于其他材料色散方程的拟合。
在大气激光通信中,半导体激光器是最为常见的光源器件,它的特性指标对整个系统的性能影响较大。首先对激光器的非线性进行建模,然后详细讨论了半导体激光器的线性化方法和映射函数的建立过程, 最后根据激光器的现有工作状态进行实际测量,得到实际的激光器的I-V特性曲线。基于Volterra 级数理论建立半导体激光器的非线性模型并进行曲线拟合得到三次多项式系数,设计预失真补偿法方法对激光器的非线性效应进行校正,并通过实验验证了该方法的有效性。
在相干光通信系统中,激光器相位噪声是影响接收机灵敏度的重要因素。针对相干光通信中的激光光源相位噪声测试提出并研究了表征激光器相位噪声的3个关键指标,分别是电场的功率谱密度、相位误差方差和FM噪声谱线,建立了基于延时自零差相干接收技术的窄线宽激光器相位噪声测试系统,实现了系统仿真,并对一窄线宽激光器进行了相位噪声测试,相比传统的自外差线宽测量技术,此方法在满足测试分辨率要求的同时能够更全面表征激光器相位噪声特性。
报道了不同热边界和泵浦结构下激光晶体的热效应情况。理论上,基于星载激光器的工作特点,通过建立符合激光晶体工作状态的热模型,模拟了Nd:YAG晶体受到具有高斯分布半导体激光侧面泵浦时的温度场分布,分析了热边界、泵浦方式以及泵浦光斑、吸收系数等泵浦参数对温度场的影响。将激光晶体热透镜作薄透镜近似,进行了热透镜焦距理论计算和实验测量。五面环形泵浦结构,泵浦功率4 500 W,10 Hz重复频率下,Nd:YAG晶体的热透镜焦距约9.5 m,实验结果与理论仿真结果基本符合。文中建立的模型与实验方法为预测激光晶体的热效应提供了一种有效工具,为激光器设计提供依据。
增强激光诱导等离子体的发射光谱强度,对于精确测量微弱光谱信号,改进待测材料中低含量元素的探测灵敏度意义重要。首先对金属样品加热升温,并且在一定温度时利用波长为1 064 nm的Nd:YAG纳秒脉冲激光烧蚀样品,激发产生等离子体,测量了不同样品温度条件下等离子体的发射光谱强度和信噪比。结果表明,采用的激光能量为200 mJ时,随着样品温度的升高,等离子体辐射会逐渐增强,并且在温度为150 ℃时达到最大。计算表明,样品中分析元素Mo、Cr、Ni和Mn在温度为150 ℃时的光谱线强度比室温条件下的分别提高了54.56%,72.43%,70.29%和54.01%,光谱信噪比分别增大了37.44%,40.74%,38.6%和37.06%。实验还通过观察等离子体的照片,测量等离子体的温度、电子密度和样品蒸发量,讨论了激光诱导金属等离子体辐射增强的原因。可见,升高样品温度是改善激光等离子体光谱质量的一种有效手段。
采用离子束溅射的方式,在K9玻璃基片表面引入金纳米杂质缺陷,通过原子力显微镜(AFM)测得金纳米尺寸直径在50~100 nm之间。采用不同能量密度的激光对样品进行点阵式的单脉冲辐照(1-on-1)并且对损伤阈值及典型损伤形貌进行了实验及理论分析。损伤阈值采用零几率处的损伤密度。结果表明:引入金纳米杂质缺陷后其抗激光损伤阈值由裸基片的26.6 J/cm2下降为15.5 J/cm2。通过微分干涉显微镜,随着激光能量的增加,损伤呈爆炸坑形貌,主要呈现纵向加剧损伤。金纳米杂质缺陷在K9玻璃基片上形成了强吸收中心(引入金纳米杂质K9玻璃基片的弱吸收(47.33 ppm,1 ppm=10-6)是裸K9玻璃基片(3.57 ppm)的13倍)造成局部高温,这是造成损伤的诱因。通过计算,金纳米杂质对K9玻璃基片的作用包括两部分:当激光辐照在K9玻璃基片上,首先是热应力引起玻璃的破裂;随后杂质汽化产生的蒸汽压加剧材料的破坏,引起局部炸裂。
搭建了一台主振荡功率放大(MOPA)结构的单模线偏振窄线宽纳秒脉冲全光纤放大器,理论仿真和实验结果较为吻合。通过声光调制器(AOM)对连续单频1 064 nm激光进行调制,获得了重复频率50 kHz、平均功率25 W的脉冲激光,作为放大器的种子源。对预放大过程中非线性效应、放大自发辐射、自激振荡及泵浦饱和问题进行了仿真分析。随后对种子光进行功率放大,通过光纤内参数的有效优化,进一步抑制了自激振荡,提升了弱信号的放大倍率。实验实现了脉冲宽度64 ns、平均功率75 mW的脉冲激光输出。最后,对亚毫瓦弱信号放大器中决定系统性能的关键因素进行了总结。
采用重复频率100 kHz下,输出功率为3.7 W的532 nm Nd:YAG皮秒激光器对石英衬底微米量级的铝膜进行了烧蚀,研究了脉宽为10 ps的激光单脉冲能量密度对烧蚀效率、光斑耦合率对烧蚀图形以及重复加工次数对加工精度的影响。单脉冲激光烧蚀实验证实,皮秒激光烧蚀铝膜可分为高能量密度烧蚀与低能量密度烧蚀两个区域。光斑耦合率对烧蚀深度影响较大,不易从理论角度控制烧蚀效率。为提高加工精度与验证求解烧蚀率的准确性,提出重复多次加工的方法。对比了高斯线性法与高斯线性修正法的求解烧蚀率的结果,证明了高斯线性修正法在扫描激光精细加工方面的优越性。利用高斯线性修正法求得的烧蚀效率,模拟了激光在不同光斑耦合率下烧蚀微槽的三维轮廓图。
针对熔覆成型件表面粗糙的难题,提出了在成形过程中对熔覆层侧壁进行飞秒激光精密加工的方法,重点研究了精密加工过程中飞秒激光的能量密度、能量分布、光斑重叠率对熔覆层侧壁粗糙度的影响规律,结果表明:当焦平面处飞秒激光的能量为高斯分布,加工得到的熔覆层侧壁表面粗糙度Ra 3 m时,激光能量密度介于0.12~0.34 J/cm2之间;当能量为平顶分布并且加工后熔覆层侧壁表面粗糙度Ra 3 m时,最佳能量密度范围为0.13~0.66 J/cm2;同等参数条件下,平顶能量分布激光加工得到覆层侧壁粗糙度小于能量高斯分布时的粗糙度数值。熔覆层侧壁粗糙度随光斑重叠率的增加先减小后增大,实验获得的最佳重叠率范围为78%~85%。
随着高光谱相机在工业、农业、科研、国防等众多领域的广泛应用,发展有效的对抗技术也迫在眉睫,激光有源压制干扰是当前对抗高光谱相机的一个有效手段。以双高斯光学系统为例,首先依据高斯光束q参数的传输理论,逐个分析了激光束在高光谱相机光学系统各透镜中的传输,获得了其探测器光敏面上的激光能量分布;然后研究了激光发射参数对探测器光敏面上能量分布的影响,结果表明:探测器光敏面上激光主光斑的大小随激光器对高光谱相机作用距离的增加而减小,随激光束腰尺寸的增大却是先减小后增大,整个变化过程中存在一个最小值,为实现较好的激光干扰效果,激光束腰的设计要尽量避开这个最小值。研究结果可为开展激光有效干扰高光谱成像系统试验以及激光器参数的优化设计提供理论依据和技术支持。
在反猎雷预警系统中,激光告警设备主要用来识别敌对激光信号的方位。水体对激光衰减使告警器性能降低,对光的吸收使接收器信噪比降低,散射使定向精度变低。使用传输方程理论建立了激光在水下传输模型,运用傅里叶变换及平面波扩展方法求解水体传输方程。利用光的互易原理及传输方程得到了探测器平面上的二维空间光强分布模型。仿真计算了探测器在清洁海水、近岸海水、浑浊海水等海水环境时直射光与散射光的响应。仿真实验结果表明所提出的方法可用于评估水下告警系统探测器接收性能。
随着国家对水下成像探测、水下资源勘查等应用需求增加,建立符合实际情况的水下光电成像模型,成为目前水下成像研究者的目标。为了探究水下距离选通成像系统性能,建立了距离选通成像系统各个模块调制传递函数模型,以及总的系统调制传递函数模型。对目前市场上主流成像系统所采用的超第二代、第三代像增强器的选通成像性能进行理论对比仿真分析,完成了对水下距离选通成像系统性能模型的仿真。结果表明,前向散射光调制传递函数以及后向散射光调制传递函数随着探测距离以及选通时间的增加呈现逐渐下降趋势,并且前向散射光调制传递函数下降的速度更快;系统调制传递函数随着探测距离、选通时间和空间频率的增加而逐渐下降,并且通过理论模型分析得到典型的第三代像管的性能比超第二代像管的性能在水下距离选通成像过程中更具优势。
传统激光雷达系统中,固态激光光源的重复频率和扫描系统的扫描带宽、精度均制约着系统成像。为提高激光雷达的成像精度,首先,在激光光源上采用经EDFA放大后的DFB高重频激光光源。其次,提出了一种PZT与振镜相结合的两级复合式激光扫描方法,利用PZT对小视场范围进行精细扫描,利用振镜对PZT的扫描视场和接收视场进行偏转完成粗扫描,在提高激光雷达扫描精度的同时拥有较大的扫描视场。最后,经试验所设计的复合式扫描激光雷达的方位角为99 mrad,俯仰角为49.5 mrad,角分辨率达到0.1 mrad,测距精度达到0.159 m。
为研究反导作战背景下红外预警卫星对弹道导弹主动段弹道的探测能力,在作战需求驱动下,构建了预警卫星探测能力战术、技术和性能指标的关联结构,以技术指标为桥梁,通过建立视场、扫描周期、检测概率、虚警概率、信噪比及最大作用距离等计算模型,系统分析了战术、技术和性能指标之间的关联及其对探测能力的影响。结合典型的目标和背景辐射特性以及大气透过率,仿真分析了星载探测器性能指标的不同组合对预警卫星最大作用距离和预警时间的影响程度和规律。该研究可为评估预警卫星反导作战效能和优化设计星载红外探测系统提供有意义的参考。
为了深入研究物方扫描机构与点目标探测性能的关系,定义了度量扫描机构运动特性的扫描非均匀性指标。根据扫描成像的物理过程,建立了线阵探测器扫描成像模型,并以目标信噪比为核心分析了TDI探测器下扫描非均匀性的影响。首先,根据物方扫描工作特点设置了与扫描机构工作方式相配合的探测器积分时序,并建立了扫描非均匀性度量参量;其次,在经典成像模型的基础上建立了符合积分时序和TDI工作原理的点目标成像模型,并结合探测器噪声模型和TDI工作原理推导了目标信噪比计算公式,通过该公式分析了不同光学系统、TDI级数及目标尺度条件下目标信噪比与扫描非均匀性的关系;最后,从保证能够目标检测性能的角度给出了在相对信噪比限制条件下扫描非均匀性上限。所建立的成像模型准确反映了扫描探测系统各部分特性,分析结果对探测系统的总体设计和指标分配具有指导意义。
为探讨在更多波段上开展基于光偏振特性土壤湿度检测的可行性,采用自行搭建的光学系统,在可见/近红外波段上开展土壤湿度与反射光偏振特性的实验研究。研究结果表明:在600~800 nm波段,土壤湿度与反射光偏振度具有相关性,其中当14%土壤湿度30% 时,反射光偏振度与土壤湿度具有良好的线性关系。对实测数据进行回归分析,结果显示线性模型平均标准差小于3%,优于参考文献[5]中近红外光谱特征方法10%的误差结果,说明在该波段范围,采用测量光偏振态进行土壤湿度检测的方法具有可行性,为大范围土壤含水量的偏振遥感探测提供科学依据。
甚长波红外(VLWIR)波段富含大气湿度、CO2含量及云层结构和温度轮廓等大量信息,是大气遥感的重要组成部分。为了满足现阶段甚长波红外探测器对读出电路高注入效率、大动态范围、稳定的探测器偏压、长积分时间等需求,设计了一种具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路。该电路采用22四个相邻的探测器像元共用一个读出电路单元的共享缓冲直接注入级(SBDI)结构,增大了单元电路的面积,在单元内实现了具有记忆功能背景抑制结构的设计,其总积分电容达到8.8 pF,有效延长了积分时间和红外焦平面的信噪比(SNR),并改善了动态范围和对比度。基于HHNEC CZ6H 0.35 m 1P4M标准CMOS工艺,完成了电路的流片制造。仿真及测试结果表明:在50 K温度下电路功能正常,其动态范围大于90 dB,线性度优于99.9%,积分时间可达74 s,达到了设计要求。该读出电路适用于甚长波红外探测器。
根据军用车辆的体表温度,针对红外大气窗口,选用常见的Si和LiF为介质,并在考虑各自色散关系的基础上,设计了一具有光子晶体结构的复合涂层。利用传输矩阵法计算表明,当Si和LiF均取4层,且每层的几何厚度分别取0.800 m和1.900 m时,在8~14 m之间存在一个严格的带隙,此带隙有以下特征:介质层数大于4时,带隙不再发生实质性的变化。增加两介质的几何厚度,带隙红移,宽度变宽,反之亦然。入射角增加,8~14 m之间的带隙总是存在。以上结论可为该复合涂层的进一步研究提供有益的参考。
为了大型可展开天线可靠、精准地在轨展开,研究了一种天基光学监视系统。通过该系统不但可以实时监测天线展开情况,还可以进行天线展开的动力学分析,为大型可展开柔性机构设计、异常发现与分析等提供必要信息。在分析系统任务特点的基础上,介绍了监视系统方案,包括相机方案、视频传输方案、图像处理及射频调制方案,并对运动目标图像检测识别技术以及展开动力学分析技术等系统关键技术进行研究,进行了运动目标图像识别试验和天线展开动力学分析试验。试验结果证明系统对天线靶标的运动识别以及靶标动力学分析有很好的效果,证明了该系统可以有效地完成大型可展开天线的监测任务。
针对数以万计的空间碎片,进行快速、精确的轨道确定与预报,以提供可靠的空间碰撞预警是当前空间态势感知的一个重要研究方向。半解析卫星/空间碎片轨道积分,可以克服轨道积分中数值法耗时、解析法低精度的不足。讨论了已初步研发成功的利用多尺度摄动原理的半解析轨道积分器及其在空间碎片轨道预报中的精度性能,并以精密数值积分结果作为真轨道评估半解析轨道积分器的精度。大量数据处理结果表明:面质比0.01、轨道高度300 km的碎片,预报1天,耗时不足60 ms,精度2 km左右,且随高度增加,预报精度更高,当高度超过1 000 km时,1天的预报精度仅为50 m左右,满足许多精密空间应用的要求。
对空间目标进行形态结构分析, 对于航天器空间操作和空间攻防等空间任务具有重要意义。探索了一种空间目标结构分析方法。首先利用最小曲率准则和最短分割线准则,并结合目标骨架,构建了一种新的形状分解的方法;在此基础上,将小波矩特征引入到卫星部件形状分析中,并利用粗糙集约简算法选择有效的小波矩特征;最后利用支持向量机构造了多尺度形状识别器,结合目标先验信息实现对空间目标结构的分析。仿真实验结果表明了所提方法的有效性。
空间碎片的存在使空间环境日益恶化,已影响到空间活动的安全。国际上很多国家开展了空间碎片探测技术的研究,空间碎片激光测距技术成为一种新的探测手段。首先,概述了国内外空间碎片激光测距技术的发展趋势和现状。其次,在成功获得空间碎片激光测距回波的基础上,研究了激光测距数据联合测角数据单站定轨的方法,仿真计算结果表明,该方法的定轨精度优于单纯光学测角数据定轨的精度。最后,提出一种利用空间碎片激光测距误差来初步测定空间碎片尺度的方法,并分别通过地面靶激光测距实验和空间碎片激光测距实验验证了该方法的可行性,为空间碎片尺度测定提供了一种参考依据。
为了快速高效地对星图进行识别,准确地完成天文导航任务,提出了一种基于剖分特征集星识别方法。首先使用星表数据建立数据库,三角剖分该数据库建立特征星库,再获取待识别星图剖分特征与已建立的特征星库相比较实现星识别。在改进海明相似度与Euclid相似度等相似方法基础上,提出了一种新的剖分特征集星识别法,使用该方法可以快速地找到一个很小的可能星集合,重复该方法再获得相邻星的可能星集合,两个星集合中赤经与赤纬最相近的就是识别星。实验显示使用剖分特征集星识别法,准确率可以达到97%以上,能够准确地完成星图识别任务。
二氧化硅微球颗粒在无水和水相介质中都极易发生团聚现象,进而严重影响该颗粒的特性研究。为了更好地使用和研究二氧化硅微球颗粒,需要进行解团聚工艺研究。实验研究了不同尺度的颗粒的团聚特性和现象,提出了一种工艺,该工艺方法可以很好地实现大团聚的二氧化硅微球颗粒的解团聚。经过尼康显微镜观察,显示该工艺不仅很好地完成了二氧化硅微球的解团聚,而且提高了颗粒的分散性和稳定性。
针对运输管道埋设于土壤中面临的泄漏或堵塞点难发现、难定位的问题,结合光纤压力传感器高灵敏度、高抗干扰的特性,设计了一种基于光纤压力传感器的管道监控系统。系统采用包覆有合适热膨胀系数材料的单模光纤组成的偏振型压力传感器,能很好地克服外界环境温度扰动;采用模块化设计的压力敏感探头以20 m间距均布于管线上,形成信号点阵列源;结合点阵列数据重构与插值定位算法确定故障点的位置。结果表明:该系统的光纤压力传感器可有效克服温度变化对传感测量的不良影响,5.5 km范围内对故障点的定位精度在1 m内。
针对目标特性研究需求,设计了有效辐照面直径2.4 m的太阳模拟器。要求辐照面内的照度不小于0.3个太阳常数,出射光束准直角不大于1且被照面的不均匀度不大于3%,光谱失配误差达到Ｃ级。太阳模拟器主要由四个短弧氙灯、四个椭球面反射镜、两个平面反射镜、一组积分器和一个准直反射镜组成。对设计结果进行了软件仿真分析和实验测试。测试结果表明:太阳模拟器的有效光斑直径为2.43 m,被照面平均照度为3 382 lx,光束准直角0.97,不均匀度为2.8%,光谱失配误差达到Ｃ级,满足设计要求。
为提高红外光学系统的目标探测识别能力,增强其温度适应能力,在分析红外材料在中波和长波红外波段的色差与热差特性的基础上,根据系统光焦度分配、双波段轴向消色差和双波段消热差等要求,利用红外色差图合理选择光学材料组合,设计了一款中波和长波红外双波段消热差系统,系统采用非制冷探测器,工作波段为3~5 m和8~12 m,由4片透镜组成,焦距为50 mm,相对空间为1:1.25,全视场角为14,总长67.9 mm。设计结果表明:在温度范围-50~60 ℃范围内,在空间频率为17 lp/mm处,系统在中波和长波波段的MTF值均大于0.4,表明系统有较强的温度适应性。
根据4 m口径的SiC主镜特殊的使用要求,设计了一种辅助翻转设备实现其180旋转。首先确定了翻转装置的主体构成包括主体框架、轴向支撑组件和径向支撑结构等。理论分析了反射镜在任意天顶角状态下轴向Whiffle-tree支撑结构和径向吊带支撑力的大小,并分析了使用吊带支撑下吊带对反射镜径向压力的大小。接着在设计实际结构的同时,运用有限元建模、重点分析了主体框架的刚度以及光轴竖直和光轴水平状态下镜子的应力情况以及翻转装置的最大刚体位移,根据分析结果设计了整个翻转装置的详细结构。最后根据设计和分析的结果,加工、安装了翻转装置,并采用加速度计测量了翻转过程对反射镜的冲击情况。实际应用和测试结果表明,翻转装置达到了设计要求,可以为类似的结构设计一定的指导。
为了克服机载光电有效载荷(可见光摄像机和红外热像仪)各自独立、焦距过短的缺点,着重对可见光/红外共口径系统关键技术进行了研究。采用可见光、中波红外双波段共用主次镜的光学结构,可见光和红外焦距分别为1 500 mm和750 mm。选用合适的光学材料、合理的支撑方式,对系统反射镜支撑组件进行了静力学、动力学建模,优化了结构形式。采用光机热集成分析方法,指导、评价和优化光机系统设计过程,提高结构固有频率,增强系统热稳定性适应范围。系统结构设计基频大于200 Hz,在5 ℃均匀温变工况和重力作用下,反射镜面形PV值小于/10,RMS值小于/40,光学系统传递函数(MTF)达到0.38。结果表明,采用该方法设计的光机结构固有频率高,重力及热耦合变形、抗振性能等方面均能满足要求,系统具有良好的成像质量。
为减轻卫星载荷质量和应对各种突发状况,将成像光学系统同时用作激光发射天线的共口径设计具有重要意义。因此根据特定的成像光学系统给出了共口径设计方法,针对其中基于EDFA功放技术的发射单元与成像系统相匹配的耦合镜头进行了分析与设计,基于此研究了发射高斯光束在该共口径系统中的传输及出射光束的场分布,讨论并仿真分析了耦合镜头与成像主次镜距离的改变对出射光束性能的影响。结果表明,共口径设计满足激光发射要求,并且微调耦合镜头与成像主次镜的距离可以改变出射光束的束腰和远场光强峰值能量从而满足不同的通信需求,且对出射光束的总能量没有明显影响。
针对某型号头盔显示器光学系统的封装要求,研究了光学镜片的加工、检测及装配工艺特点,提出了一种能很好解决离轴光学系统装配难题的方法,并结合现代制造工艺水平,设计了相应的五自由度装调设备。经误差分析及控制系统对导轨误差的主动补偿,设备的角度调整精度为3.15,位移调整精度约为1 m。光学镜筒采用曲面造型,为薄壁对开式结构。选用铝合金材料,装配完成后单个镜筒总质量195 g,最大应力为1.5 MPa,最大变形0.3 m,满足设计要求。
光场描述了光在自由空间传播的全四维信息,光场相机可用来获得光场图像。在传统的光场相机中,最终获得图像的空间分辨率受限于微透镜阵列中透镜的个数。聚焦型光场相机相较于传统光场相机能够获得更高的空间分辨率,但是以牺牲其角度分辨率作为代价。在Zemax中建立了传统光场相机与将聚焦光场相机的成像模型,仿真获得了两种光场相机的光场图像,分析了两种不同类型光场相机采样模式的区别。提出将可变焦液体透镜阵列放置在光场相机中,可以同时获得聚焦和非聚焦两种模式下的光场图像。根据记录的光场信息,讨论了相应的重聚焦方法,计算仿真了在不同景深下的重聚焦图像,并提出了一种基于图像融合和超分辨率重构的方法来提高重聚焦图像的分辨率,最终在相同的景深范围内获得了3倍于传统光场相机分辨率的重聚焦图像。
受现今轨道和姿态测量以及姿态控制精度的限制,与传统三线阵立体测绘相比,采用线面阵CCD阵列(LMCCD)测绘体制可提高全球无地面控制点立体测绘精度。详细介绍了LMCCD立体测绘体制下的传感器配置、时间延迟积分(TDI)工作方式及狭小空间线路板连接和LMCCD同步控制方法。经测试该相机能有效削减测轨、测姿误差,满足无地面控制点1:50 000比例尺地图应用要求,性能还可进一步改进提高。
连续可调谐均匀单色照明光源系统作为CCD辐射参量定量化专用测试系统,可用于CCD相对光谱响应度的测量。它与传统的测试装置相比,能够实现光谱分辨率1 nm的光谱响应度定标。但是其采用的大功率氙灯超高压供电引入了测试光源不稳定的问题,导致传统分时测量方法引起的测量不确定度较差,不能满足高精度遥感仪器的定标需求,因此提出了同步采样的方法。从理论和器件噪声模型出发,分别对两种方法的测量不确定度进行分析,得出同步采样的方法测得的定标不确定度优于1.03%,与传统分时测量方法相比不确定度提高了43%。分别采用两种方法对目标探测器进行了CCD相对光谱响应对比测试,结果显示,同步采样的方法获得的CCD相对光谱曲线更平坦,与出厂数据相比离散程度更低,进而验证了分析结论的正确性。
设计并实现了一套基于轻小型直升无人机的高光谱遥感成像系统。该系统包括高光谱成像,采集存储,姿态和位置测量及地面监视控制等部分。在烟台和扬州分别进行了两次飞行实验,获取了高分辨率的高光谱数据。分析了该系统在无人机平台上工作的性能。对实验数据分析后,发现平台姿态和位置的变化对地物目标的光谱信息无明显的影响,但对几何特性有明显影响,实验中平台的振动导致图像在横向有4个像元的抖动。最后利用POS数据对图像数据进行了几何校正,并分析了校正误差的来源。
现有的产生距离模拟脉冲的方法中,数字延时电路只能达到ns量级的精度,模拟延时电路的延时范围又不足够作为距离模拟脉冲的使用,为了实现高精度大动态范围的延时,来产生激光测距仪的距离模拟脉冲,在研究了现有方法的基础上,采用了数模结合的方案,设计了一种同时满足高精度和大动态范围的延时脉冲信号发生电路,并对其精度和重复性进行了测试,可以实现2 s～4 ms 的延时范围并具有0.1 ns的延时精度,即可以模拟300 m～600 km的距离并具有 1.5 cm的距离精度。解决了现有的距离模拟电路无法同时满足高精度、大动态范围的矛盾。
为提高红外甲烷传感器的精度,对气室结构、电路和数据处理进行了优化设计。通过实验和光学仿真对红外气体传感器气室结构进行了重新优化设计,确定了最佳尺寸;采用三级差动放大电路设计滤除噪声;在数据处理的算法上,选用二次插值查表法来拟合方程处理数据等一系列举措设计出新的红外甲烷传感器。在甲烷浓度为0%~3%的体积分数段内对传感器进行随机测试,新传感器的反应时间能够控制在20 s以内,探测器灵敏度得到提高,测量误差控制在0.04%。与国内外相似的产品相比,优化的传感器在高灵敏度、测量误差和反应时间上都达到了较高水平。
法布里-珀罗标准具是一种精密的光学仪器,其光谱窄、精细度高,广泛应用于精细距离的测定、信号的检测分析等。标准具其自身参数的快速测量和准确标定成为诸多光学研究必不可少的步骤。针对法布里-珀罗标准具参数测量,设计快速标定实验方案,采用窄线宽(线宽1 kHz)激光光源,数字示波器采用泰克DPO4104B(1 GHz,5 GS/s)进行采样存储,直接利用屏幕图像测试并计算标准具的主要参数指标。准确标定了所测法布里-珀罗标准具的自由谱宽、半高全宽、精细度、品质因数以及扫频常数,比较分析了两种不同测试方案所得到结果。为开展法布里-珀罗标准具参数的快速准确标定提供技术参考。
面向星载激光测高仪的陆地目标响应函数的时间分布是评价星载激光测高仪使用性能的重要因素。根据星载激光测高仪发射的高斯激光束和目标响应函数的分布特点,采用等间隔同心圆环与等分圆周的方法实现目标的离散化三角网格划分,基于三角网格的均匀性与目标响应函数特征参数的误差模型,以目标响应函数的仿真误差指标为依据,提出一种全新的目标响应函数的时空域参数选取方法。以对地观测星载激光测高仪GLAS的系统参数为输入条件,针对三种典型倾斜度(3、12.5和28.5)的平面目标和多平面目标,通过限定目标响应函数特征参数的2%容限误差,仿真了对应的波形分布,并解算出其特征参数的最大误差不超过1.16%,有效验证了陆地目标响应函数仿真方法的正确性。所得结果对于星载激光测高仪接收脉冲回波的分析、数据反演及其性能评价具有一定的实际应用价值。
油田生产过程中排出的超标污水既污染土壤环境又危及水生资源,必须对油田污水进行在线水质监测,实时反映污染物指标,减小对环境的威胁。基于近红外光的吸收透射和散射原理,设计了能同时检测出油田污水中油分和悬浮物含量两个参数的测算模型;选择合适波长,利用三波长法进行光电检测;搭建了插入式污水油分和悬浮物在线检测系统。实验结果表明:该测算模型准确、可靠,可同时检测出待测液中的水中油分和悬浮物的含量,相对于常规的水中油分红外光度检测法和水中悬浮物重量检测法,提出方法的检测误差小于6%,该方法对实际应用有较大参考的价值。
星点提取系统误差又称作像元频率误差,它的分布呈现以像元为周期的规律性,分析它的分布规律对补偿这种误差有指导作用。光学系统点扩散函数类型是影响星点提取系统误差分布的主要因素,选取合理的点扩散函数模型对星点提取系统误差进行频域分析,可以减小分析结果与实际的偏离,提高误差补偿效果。传统方法采用Gauss分布点扩散函数模型进行频域分析,但没有考察它的合理性。文中结合星敏感器拍摄的星点像,将一种Giancarlo点扩散函数模型与Gauss点扩散函数模型进行了比较。并在星点提取系统误差频域分析中采用Giancarlo点扩散函数模型,推得星点坐标提取误差理论解析式。与传统频域分析结果相比,文中频域分析结果中引入了对S曲线振幅起调制作用的项,使得星点横坐标系统误差沿x轴呈现S曲线分布的同时,其振幅沿y轴方向发生改变。随后在噪声条件下对星点提取系统误差进行了仿真,仿真结果与频域分析结果相符。最后进行了实验验证,根据理论解析式对结果进行了误差补偿,星点提取精度提高了54.42%,优于传统正弦拟合补偿方法。
为了对不易被发现的早期小面积溢油进行高精度、全天候、实时在线的监测,以达到早发现、早预警、早处理的目的,提出了基于表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR )技术的小型化实时在线海上溢油检测系统的设计思想,系统拟采用入射光源为非扫描的角度调制型方式,目的是便于光线完全覆盖待测样品检测时所需的入射角度范围。对大量的原油和石油样品的折射率进行检测确定其范围,再通过MATLAB与ZEMAX模拟仿真结合,得到了光源最优化的中心波长、入射角度范围以及棱镜的相关参数,并确定出探测器的相关指标。最终通过建模与仿真,验证了系统装置的可行性,并得出了初步试验方案。
为提高强度相干成像中符合计数方法的探测信噪比,实现对中高轨卫星的清晰成像。根据HBT效应和光电转换半经典模型建立了强度相干的符合计数简化模型,分析了设备时间测量误差、符合窗函数和观测光谱形状对符合计数探测信噪比的影响,并根据观测条件对符合窗函数进行了优化。利用蒙特卡洛方法仿真了符合窗函数对探测信噪比的影响。仿真结果表明:利用最优符合窗测量目标的频谱模值时,其探测信噪比较传统方法提高了39.2倍。通过对符合窗的优化能够有效提高强度相干成像探测信噪比,提高对暗弱目标的强度相干成像质量。
为明确星敏感器支架受空间环境影响产生的变形对星敏感器定姿精度的影响,对星敏感器支架的结构/热稳定性进行了研究。通过有限元法对星敏感器支架进行刚度分析,将热分析获得的在轨极端工况下的温度数据映射至结构模型上计算得到热变形,利用最小二乘法得到各星敏感器光轴矢量,最后进行试验验证。结果表明:星敏感器组件的结构基频为429 Hz,与分析结果相差不超过2%,试验前后星敏感器光轴与基准坐标系各轴夹角最大变化不超过5;在轨期间星敏感器支架最大温度波动小于2 ℃,星敏感器光轴变化最大为4~5,与分析结果一致。星敏感器支架的结构/热稳定性良好,能够满足星敏感器定姿精度要求。
针对表面沾染探测中存在的不足,提出亮温光谱法。通过高灵敏度红外遥测光谱仪非接触探测获得沾染物的辐亮度光谱,利用光源和沾染本底的高发射率特性,通过普朗克公式转换得到亮温光谱,直接获得沾染物特征信息。无需预测沾染本底,特别适合已中毒事故现场。首先讨论该方法的探测原理,然后分别使用亮温光谱法和背景扣除法对铝板表面的沾染物二甲基硅油(Poly(dimethylsiloxane),PDMS)和磷酸三乙酯(Triethyl phosphate,TEP)进行探测。结果表明,亮温光谱法提取出的沾染物的特征与背景扣除法的相同,可准确识别沾染物类型,同时避免了背景扣除法对背景光谱的依赖。该方法简单可靠,测试迅速,有很大的应用潜力。
粒子滤波广泛应用于对精度和稳定性要求较高的目标跟踪,但其计算量大,并且计算复杂度随着状态量和粒子数目增长迅速增加。将目标跟踪转化为由粗到精的搜索过程,提出了一种基于精确运动模型的改进分层卡尔曼粒子滤波算法。该方法利用加速度的运动模型在真实目标位置的周围估计目标的散布范围,并在该范围内随机生成粒子,寻找精确的目标位置。文中引入加加速度模型主要是由于现有方法的状态量阶数不足,导致模型精确度较低,无法应对大机动目标的跟踪。因此,引入了高阶状态变量加加速度,并将其用于改进分层卡尔曼粒子滤波的运动模型。利用分层卡尔曼粒子滤波、粒子滤波以及提出的方法进行了跟踪试验,结果表明,基于精确运动模型的改进分层卡尔曼粒子滤波模型的跟踪方法能够提高线性运动的预测精度,实现复杂环境下精确稳定的跟踪。
提出一种多相机的高速图像传输方法,以克服目前采用LVDS方式进行长距离图像传输技术存在的所需线缆数量大、同时需要进行数据中继、系统的复杂度高的缺陷。系统采用FPGA为主控制器,将接收到的高速相机发出的LVDS格式图像数据转换成TTL信号,并分别输入到指定的存储区中。将相应存储区中的图像数据进行打包处理,送入RocketIO中转换为高速串行数据后,利用光纤进行远距离传输。实验表明,该方法在1.6 Gbps的传输速率下,传输数据量为32 Gbit时,误码数为零,且系统设计简单、性能优良,具有较强的可扩展性。
针对传统基于向量子空间降维的图像匹配算法易丢失像素间邻域关系和计算量大的问题,提出一种基于张量子空间降维的边缘图像匹配算法。通过双边投影变换提取边缘图像的张量子空间,在降低特征空间维数的同时保持边缘特征之间的邻域关系,同时采用边缘膨胀后的互相关度量模板与实时图的相似性。标准人脸数据库和红外实时图像的匹配实验结果表明:该算法在匹配时间、匹配正确率、匹配精度3方面较传统基于向量子空间的匹配算法有显著的性能提高,并且对杂波和部分遮挡有较强的适应性。
针对雷达、红外等常规目标探测手段难以获取低可探测目标的现状,提出了一种利用EMD和小波变换相结合分析激光雷达探测的风场扰动数据从而获取目标的探测方法。基于接收大气反射的激光回波信号,通过风速反演算法获得扫描区域内的风场分布,基于EMD和小波变换获取目标可能存在的位置。实验表明:基于该算法获取目标于径向距离1 250 m,方位角6处的结论与实际情况基本吻合,从而验证了该算法切实可行,对空中低可探测目标的探测发现具有重要的意义。
背景辐射噪声是弱信号检测面临的难点问题。提出了一种显著提升信噪比实现匀速运动弱目标的有效检测算法。建立目标坐标空间和速度空间,以不同速度矢量控制图像叠加,形成提升了信噪比的新的图像序列并构成图像空间;利用恒虚警判决法在图像空间中检测候选目标点;根据候选目标点所对应的坐标向量和速度向量分别映射到坐标空间和速度空间,由两个空间中出现的峰值判定目标点。实际红外成像系统实拍实验表明,算法能将信噪比提升至接近原图的N倍,目标检测概率和虚警概率都明显优于所对比的弱目标检测算法。
