2014年 第43卷 第6期
提出了一种基于电光单边带调制的前馈线宽压缩系统，该系统主要包括相位噪声检测和单边带调制两大部分。相位噪声检测部分输出一个与相位误差成比例的误差电压信号，电压信号通过线性调频作用于单边带强度调制器，实现对激光信号的调制。单边带调制器采用马赫增德尔强度调制器的结构，相当于内嵌四个相位调制器，通过相位调制达到强度调制的目的，最终得到线宽压缩的激光信号。实验针对波长为1552.52nm、功率10mW 的分布反馈（DFB）半导体激光器，通过对闭环系统的搭建与仿真，激光器的线宽从原来的0.5nm减小到0.016 nm，实现了对半导体激光器线宽的压窄。
如何快速准确计算透镜焦面上的光斑质心坐标是大口径平面光学元件面形检测系统的核心问题之一，直接决定面形检测的精度和重复性。定义一个半径为r的探测窗口，根据到中心距离建立一维卷积模板，在光斑覆盖区域中寻找窗口内能量和局部最大的位置，确定光斑有效区域；再使用传统重心法计算有效区域质心；最后应用3准则进行误差处理。实验结果表明，该算法检测精度为0.1像素，各指标比传统阈值加权质心定位法提高约1 倍，面形测量的面形相似性和PV 比阈值加权法更贴近干涉仪检测结果。目前，通过长时间的实验验证与改进，已成功运用于实际项目中。
针对高超声速流场波系结构复杂、激波相互作用强、激波强度差别大等特点，发展了非侵入式、高灵敏度的彩色纹影流场显示技术，结合彩色滤光片设计技术和高速摄影技术，将彩色纹影系统的空间分辨率提高至0.1 mm 量级，时间分辨率达到1 s量级。在高超声速激波风洞中分别研究了斜激波相互作用产生的正规反射和马赫反射激波结构，以及斜激波与弓形激波相互作用产生的IV 型激波干扰，得到了清晰的彩色纹影照片，细致展现了待测流场的复杂结构，证明了该彩色纹影技术能够为高超声速流场诊断提供有力的技术支撑。
激光预处理技术能够有效提升光学元件的激光损伤阈值。以1064nm 波长作用下的HfO2/SiO2高反射薄膜为研究对象，研究了单一能量密度梯度和多能量密度梯度的N-on-l、R-on-l和光栅扫描激光预处理技术对薄膜本征损伤性能的影响，并采用1-on-1测量方法对不同预处理技术的预处理效果进行了对比分析。实验结果表明：1-on-1测量曲线中的损伤几率数据、拟合直线参数以及损伤阈值的相对不确定度能够比较全面地反映测量结果的重复性；N-on-1方式下多能量密度梯度的预处理效果要优于单一能量密度梯度，但多梯度之间以及单一梯度之间的效果差异并不明显；当薄膜的零几率损伤阈值难以继续提升时，继续增加能量密度梯度将仅能改善薄膜非零损伤几率的性能。
波长调制谱技术（WMS）在慢扫描信号基础上叠加上高频的调制电流，并加到半导体激光器的驱动电流上，于是激光频率在线性扫描的同时受交流调制。频率调制的激光束在通过吸收气体以后，其吸收线的强度也受到相同频率调制。采用谐波小波方法作为数据解调的手段，对WMS技术产生的信号进行处理并实现了2f信号的提取。采用这种方法对波数为7185.6 cm-1的水蒸气谱线进行测量实验，调制频率达到180kHz，对数据进行谐波小波处理后获得了高质量的2f信号，该2f 信号的峰值中心辨识度高，其数据光滑度、信号的抗干扰能力方面均优于数字锁相方法。
介绍了一种适用于三束激光非相干叠加聚焦的新型激光发射光学系统，工作波长1 080 nm，全视场角0.6。系统为离轴两镜反射结构，对三束紧密排列的激光光束进行扩束聚焦，系统主镜为口径303 mm的椭球面反射镜，系统像质接近衍射极限，并且可以通过控制次镜轴向位置调焦适应不同目标距离。计算了叠加后的激光光斑的功率密度分布和环围功率曲线，设计在目标距离1 000 m时叠加光斑半径9 mm内的环围功率大于95%，此激光发射系统结构简单，长径比小，聚焦质量满足使用需求，激光光斑能量得到有效叠加。
以米氏散射理论为依据，提出了一种可以提高激光粒度仪测量精度的光学系统设计方法。该方法设计激光粒度仪光学系统时，光阑位置在激光粒度仪测量区域内采用变焦方式，同时控制每个视场上光线、主光线和下光线在接收器件-环形光电探测器的位置，控制光阑位置变焦时每个视场上光线、主光线和下光线在接收器件位置，使测量区域内散射角相同的光线形成的弥散斑最小。光学系统对光线的会聚真实地体现了激光粒度仪的测量理论的物理意义，提高了激光粒度仪的测量精度。
根据激光光热法原理建立了高温超导带材低温真空环境下热扩散率测试系统。通过研究热扩散率与加热激光调制频率及热波通过样品时产生的相位差之间的关系，提出了激光光热法测试热扩散率实验数据处理新思路，消除了系统误差的影响。为了探讨测试方法的可靠性，以热扩散率已知的紫铜为标准样品进行了测试。在此基础上，对YBCO高温超导带材进行了测试，获得了其在40~120K温区的热扩散率数据。YBCO 高温超导带材热扩散率随温度升高而降低，尤其在40~60K温区下降较快。
热电制冷器（TEC）作为半导体激光器（LD）的制冷方案，具有体积小、易于控制等优点。但基于TEC 的制冷方案中TEC 的制冷功率和目标散热功率之间需要有良好地匹配关系，否则将会导致制冷不足或者导致功耗过大。根据LD 组件热负载匹配TEC 制冷功率，并通过比例-积分-微分（PID）控制方法实现温控参数的优化设计，实现了基于TEC 的LD 温度控制系统。经实验验证：该系统能够对LD 的工作温度实现控制范围为5℃~41℃、稳态误差小、控制精度为0.05℃的高精度、高稳定性控制，并在高精度的波长测试中得到了很好的应用。
在复杂的燃烧流场等试验研究中，平面激光诱导荧光技术（PLIF）被用于特定气体分子浓度分布、火焰构造和温度分布的测量。基于双色激光诱导荧光测温原理，设计了双激发PLIF 系统，选取两条合适的OH 自由基激励线，定量测量了甲烷-空气预混火焰的二维瞬态温度场分布。实验中，通过对两个激光脉冲功率和激光轮廓分布监控以及双ICCD 成像的空间位置校正，提高了测量的精细程度。给出了测量结果，并与稳态燃烧场火焰的热电偶测量结果进行了对比，不确定度优于5%，这种二维瞬态测温技术能够满足超声速燃烧诊断中的应用。
利用ANSYS 有限元模拟软件建立了激光铣削过程的三维瞬态有限元模型，并以Al2O3 陶瓷材料的激光铣削加工为例，利用ANSYS 中的单元生死技术对激光铣削过程中温度场的动态分布进行了模拟。选取其中的一组参数，详细分析了铣削件表面某一点温度场的变化规律，确定了沿样件不同的扫描路线上铣削层的宽度和深度，并提出了温度场模拟结果的间接验证方法，即将温度场模拟获得的铣削层宽度和深度与实验测得的数据进行对比，对比结果较吻合，说明建立的有限元模型能够进行激光铣削效果的预测。
超音速反舰导弹的红外辐射特性研究对海战攻守双方都具有重要的参考价值。对海洋战场环境红外辐射特性进行了深入分析，引入了累积因子，在考虑了粒子的多次散射效应的基础上建立了仿真环境的辐射计算模型，重点对云层的辐射进行了计算，并通过仿真，验证了模型的可行性。建立了导弹蒙皮与尾焰的红外辐射特性和辐射面积的计算模型，对导弹的红外辐射亮度和辐射强度进行了仿真计算。最后对仿真结果进行对比分析，结果表明该算法能够有效地应用于粒子系统的辐射计算，可供后期生成红外图像序列使用。
为确保辐射测量精度，需要对红外辐射测量系统进行标定。在分析红外辐射测量系统工作原理的基础上，提出了内、外标定相结合的标定方法，区别于传统的标定方法，不再把测量系统当作黑盒子，而是对其内部分解进行分步标定，通过理论推导给出了内外标定方法计算公式。实验验证表明，该方法的标定精度与传统的全孔径黑体标定方法基本一致，两者之间的相对误差在1%以内，但该方法对外置大孔径面源黑体温度范围要求比较低，降低了黑体的研制难度和成本。
针对红外成像应用于高速飞行器发展的需求，开展了光学窗口气动热辐射条件下的目标检测方法研究。首先介绍了目前小目标检测方法工程应用现状及其应用于气动效应条件的不足，总结了窗口红外热辐射的特征分析，给出了图像整体灰度分布，目标对比度、目标灰度与边缘变化程度的分析；针对热辐射特征与图像特点，提出了基于梯度域的视觉显著性目标检测方法，并给出了算法运行的流程；最后，从背景抑制后的目标对比度、运行时间、检测效果等方面，对提出的方法与常用的小目标检测算法进行了对比实验，显示了方法在处理窗口热辐射条件下的目标检测性能的优越性。
美国研制的标枪反坦克导弹是一种便携式单兵反坦克导弹，被视为当今反坦克导弹中的第一种发射后不管的反坦克导弹，成为现有反坦克导弹中最先进的反坦克导弹之一，其核心技术就是具有先进的制导方式，针对其制导方式展开分析和研究。首先，概述了标枪反坦克导弹的技术特点和系统组成。其次，着重分析了标枪反坦克导弹的制导方式，包括从瞄准、发射、飞行到命中目标的整个过程。然后，重点研究了标枪反坦克导弹的制导过程及制导原理，并对其主要技术性能和关键技术进行了分析。最后，介绍了标枪反坦克导弹的技术改进方案及发展趋势。
针对甚长波红外（VLWIR）探测器动态结阻抗过低、暗电流较大，且工作在高背景环境下等特点，设计了一种具有记忆功能背景抑制的3232甚长波红外焦平面（IRFPA）读出电路。该电路采用基于高增益负反馈运放的缓冲直接注入级（BDI）结构作为输入级，大幅降低了输入阻抗，提高了注入效率，并使探测器处于稳定偏压状态。同时，该电路采用具有记忆功能的背景抑制电路，有效提高了积分时间和红外焦平面的信噪比（SNR），改善了动态范围和对比度。基于HHNECCZ6H0.35m1P4M标准CMOS工艺，完成了电路的流片制造。实测结果表明：50K低温下电路功能正常，输出范围大于2V，读出速率达到2.5MHz，RMS噪声小于0.3mV，线性度优于99%，功耗小于100mW。
基于粒子系统的尾焰红外图像仿真计算量大，难以与红外辐射的计算模型相结合。为了解决这个问题，首先提出了基于化学反应式的航空发动机尾焰气体组分计算模型，改进现有的尾焰流场工程计算方法；然后提出了基于外形包络面的尾焰红外图像仿真模型，研究了包络面的建立、包络面模型与流场计算模型以及气体辐射计算模型的结合、包络面模型对尾焰红外图像影响三个相关问题；最后通过数值仿真得到了尾焰的红外图像。结果表明：尾焰的红外图像主要由其核心区的高温气体决定；当包络范围增大到一定程度后，尾焰图像与选用的包络面的外形无关；选择一个易于划分面元的包络面模型，并划定能全面反映尾焰辐射分布特征的小包络面范围，可使尾焰图像的生成更加高效准确。
为了发挥可瞄准战斗部的定向优势，提高武器系统的毁伤效能，在弹体坐标系中建立了可瞄准战斗部瞄准方向的数学模型，在红外成像制导/激光测距一体化引信技术的基础上，采用空间几何的方法推导了弹目遭遇的交会参数。针对可瞄准战斗部侧向攻击和前向拦截目标这两种作战模式，分别分析了可瞄准战斗部如何通过这些交会参数使破片瞄准方向指向目标并适时引爆战斗部的引战配合模型，并根据成像制导/测距一体化引信所提供的信息参数对这两种模型进行了仿真分析，证明了模型的有效性，这两种模型对成像制导/测距一体化引信的设计和可瞄准战斗部的工程应用具有实际的参考价值。
针对传统多红外传感器多目标多维分配数据关联模型在构造关联代价时未充分考虑位置估计不确定性所引入的随机误差问题，提出了一种可精确到二阶的高精度关联代价构造方法。取非线性量测函数泰勒展开式的前二阶项，将最小二乘估计的均值和方差信息代入得到伪量测信息的均值和方差，继而将伪量测与真实量测信息的统计距离作为最终的关联代价。最后对不同关联算法的正确率进行了实验对比，仿真结果表明修正后的关联代价能够更精准地反映出数据关联的可能性，基于该修正代价的关联算法较之其他关联算法可获得更好的关联性能。
红外探测器受材料和工艺等的限制，普遍存在盲元问题，降低了红外成像系统的图像质量，影响了目标检测系统的检测概率和虚警率，因此，有效检测盲元是红外图像处理领域的一个重要研究方向。在分析了有效像元校正模型的基础上，指出均匀辐照下红外焦平面阵列（IRFPA）有效像元非均匀校正后灰度图像的均值（MEAN）和标准差（STD）具有正态分布特征，对特征直方图采用自适应正交投影分解法进行高斯分解，得到有效像元校正后的MEAN和STD特征分布区间，最终得到盲元的分类准则。对IRFPA进行的验证实验结果表明，该方法获得了令人满意的结果，证实了所提出检测方法的有效性和科学性。
传统航天器自主天文导航需要星敏感器、红外地平仪、磁强计等多种敏感器采集导航数据，增加了航天器的成本和复杂度。利用多视场星敏感器的特点，分别对恒星与地球进行成像，在完成姿态测量的同时，得到地心矢量信息，从而进行自主天文导航。首先建立地球几何模型，结合航天器轨道参数与多视场星敏感器的安装布局，实现各个视场内地球边缘的成像模拟，使用Steger 算法提取地球边缘。综合考虑地球扁率的影响，对不同视场中观测到的地球边缘进行拟合得到精确地心矢量，最后进行基于星光角距的直接敏感地平导航仿真。仿真结果表明，在一个视场观测恒星，另外两个视场观测地球边缘的布局情况下，地心矢量精度和导航位置精度分别达到0.017 2（1）和190 m（1）。
针对。感卫星图像的云检测，提出了基于最小化支持向量数分类器的云检测方案，解决传统分类器训练样本多、易陷入局部最优的问题。使用该分类器对QuickBird高分辨率。感图像进行云检测，检测正确率达99%以上。实验表明：在确定分类器内部结构参数过程中，与传统的交叉验证法相比，基于支持向量数的方法不仅能够准确预测分类器推广性能的变化趋势，从而确立最优化的参数组合，并且实现简单，大大减少了计算的复杂度。与传统的BP神经网络相比，该方法所需训练样本少，分类性能好。
在应用坐标系变换方法实现星载TDICDD 相机星下点扫描像移模型的基础上，将45旋转扫描反射镜（以下简称45镜）用于TDICCD 相机成像以扩大扫描视场。首先深入分析了45镜的成像特性及K 镜消像旋的原理，并利用Matlab 对K 镜消像旋效果进行仿真，验证了加入K 镜的合理性。然后利用45镜及K 镜对光矢量的转换矩阵，建立了TDICCD 相机方位扫描时的像移模型，为后续像移分析提供理论依据。
为了完成甚高精度星敏感器的地面测试任务，设计高精度静态多星模拟器，实现对星点位置的准确模拟。设计的准直光学系统光谱范围为500~900 nm，在20℃时，系统焦距为150 mm，全视场7.2内畸变小于0.02%，MTF 达到衍射极限。对于-45℃~65℃的工作温度变化，分别使用Zemax 和ANSYS 软件对模拟器光学系统、机械结构进行消热差和有限元分析。分析结果表明：模拟器的光学系统消热良好，机械结构变形及应变很小，其整体抗离焦性能满足设计要求。对模拟器的精度进行理论计算，用徕卡经纬仪测试指定星图，计算结果显示实测的单星位置误差小于3，星对角距误差小于5，均优于对敏感器标定的精度指标要求。
星敏感器的姿态确定是其导航最基本、最关键的环节。为了分析星图分布对最小二乘姿态测量精度的影响，描述了星敏感器的姿态角定义，研究了最小二乘法求解星敏感器姿态的过程，并从数学角度推导了存在一定观测误差的情况下，最小二乘方法产生较差姿态测量精度的部分主要原因，即系数矩阵的条件数变化。最后以星图模拟的方式在不同条件下模拟了三组典型的星图分布，对其进行姿态测量和结果统计。统计结果表明：姿态测量精度除了受条件数描述的导航星间相对位置的影响外，还与导航星组在星图中的不同位置以及不同的星敏感器参数模型有关。
在机载LIDAR 点云定位方程的基础上建立其定位误差方程，依据定位误差方程，将点云的误差分类为系统误差、任务误差和随机误差3类。详细分析了平地、下坡面、上坡面3种情形下地形坡度和扫描角对测距误差和点云定位误差的影响大小，探讨了扫描角误差、安置角误差、姿态角误差以及扫描角对点云定位误差的影响。除了分析系统误差外，还着重分析了时间偏差、GPS定位误差、偏心分量误差以及随机误差对点云定位误差的影响大小。研究发现：航高和扫描角是点云定位误差的重要误差源，下坡面地形和瞬时扫描角误差对点云定位误差的影响较大，安置角误差可以通过检校来消除，姿态角误差取决于IMU自身的硬件精度。
极紫外光刻是微电子领域有望用于下一代线宽为22nm及以下节点的商用投影光刻技术，光刻材料的性能与工艺是其关键技术之一。为我国开展极紫外光刻材料研究提供参考，综述了最近几年来文献报道的研究成果，介绍了极紫外光刻技术发展历程、现状、光刻特点及对光刻材料的基本要求，总结了极紫外光刻材料的研究领域和具体分类，着重阐述了主要光刻材料的组成、光刻原理，光刻性能所达到的水平和存在的主要问题，最后探讨了极紫外光刻材料未来的主要研究方向。
介绍了多碱阴极的特点及其在超二代像增强器中的应用。叙述了多碱阴极进行制作和封接，之后在XPS 分析仪器的预真空室中进行解封并送入仪器分析室进行分析的过程。对多碱阴极不同膜层厚度处各元素原子的百分比进行了XPS 分析。首先对多碱阴极的表面进行宽谱扫描，发现元素之后再针对各个元素进行窄谱扫描，之后进行氩离子刻蚀。刻蚀一定时间后再对多碱阴极表面进行宽谱或窄谱扫描，氩离子刻蚀一直进行到阴极玻璃窗的表面。通过氩离子刻蚀并结合XPS 能谱分析，得出了多碱阴极膜层内部不同厚度处Na 元素、K 元素和Sb 元素的原子百分比。结果表明：多碱阴极的结构是一种两层结构，即以Na2KSb 为基础层，表面再吸附Cs 原子层。两层膜层中，Na2KSb 基础层较厚，而Cs 原子层较薄，厚度仅为整个阴极膜层厚度的2.7%。另外，实测多碱阴极膜层中Na 原子、K 原子和Sb 原子数量的百分比并不完全遵循2：1：1 的化学计量比，并且在整个阴极膜层厚度范围内，三种元素的原子百分比并不保持恒定，未出现在某一位置处三种元素原子百分比达到2：1：1 的理想状态。原因是目前多碱阴极制作工艺对蒸发元素蒸发量的控制精度较低。理论和实践证明，只有获得具有严格化学计量比的Na2KSb 膜层才可能获得高的灵敏度，因此，如果采用分子束外延技术来制作多碱阴极，那么成分控制的精度将大大改善，2：1：1 的化学计量比才可能获得，阴极灵敏度才会得到进一步的提高。
设计了一种基于双折射效应的新型矩形纤芯光子晶体光纤偏振分束器，通过在矩形晶格结构的光子晶体光纤的每个纤芯中引入一对椭圆来增加结构的双折射。应用全矢量有限元法（FEM）分析了双芯光子晶体光纤中结构参数对双折射和耦合长度特性的影响，数值模拟了该偏振分束器的性能。结果表明：增大椭圆率可以在增大结构的双折射的同时减小耦合长度，并且该分束器在工作波长为1.55 m、传输长度为282 m 的光纤中能够实现偏振状态的隔离，消光比达到最小值-45.42 dB，并且在1.507~1.596 m、带宽为89 nm 的范围内消光比小于-10 dB。
用a 介质（n 型掺杂GaAs）和b 介质（TiO2）组成一含缺陷层的光子晶体。数值计算表明：此光子晶体在3.0~4.5 THz 范围内出现了5 个透射率为1 的缺陷模，这些缺陷模有如下特征：当n型掺杂GaAs 的掺杂浓度n由1017/cm3 增加到1019/cm3 时，缺陷模的中心、半峰全宽度和透射率均保持不变，但若n增至1020/cm3，则缺陷模的透射率开始下降。入射角增加，缺陷模的透射率保持不变，但其中心发生蓝移，移动率为变量，且半峰全宽度变窄。a、b 两介质或缺陷层c 的几何厚度分别增加时，缺陷模的透射率和半峰全宽度分别保持不变，中心位置红移。这些现象为此类光子晶体实现太赫兹频段的梳状滤波提供了理论指导。
构建了基底介质为SiO2、表面覆层介质为TiO2 的二维光子晶体，采用严格耦合波法分析了二维光子晶体的窄带光学传输特性。分析了二维光子晶体的晶格周期、波导层的折射率及厚度对其反射光谱的影响。分析结果表明：当光子晶体的晶格周期和波导层介质厚度为常数时，随着波导层介质折射率的增大，光子晶体的反射峰值波长红移，且波导层折射率与反射峰值波长呈线性关系。当光子晶体波导层介质折射率为常数时，波导层厚度增大或光子晶体晶格周期的增大都会引起光子晶体反射峰值波长增大，但这两个参数与反射峰值波长只是在一定的变化范围内为线性关系。此种结构的二维光子晶体覆层表面吸附分布不均匀的介质时，通过分析光子晶体的呈现光谱可获得其表面吸附介质的不均匀特性。
以纯甲烷为反应气体，采用等离子增强化学气相沉积技术通过改变沉积气压在316L不锈钢表面制备了一系列的类金刚石薄膜。薄膜结构、机械性能和摩擦学性能分别通过拉曼光谱仪（Raman）、纳米压痕仪（Nano-indententor Ⅱ）和往复球盘摩擦磨损试验仪获得。研究结果表明，随着沉积气压从7 Pa增加到15 Pa，薄膜的sp3含量和机械性能明显增加，而摩擦学性能显著降低。随着沉积气压从15 Pa增加到31 Pa，薄膜的sp3含量和机械性能明显降低，而摩擦学性能却显著增加。
针对目前有机电致发光器件（OLED）驱动电源功能单一、电路复杂和成本较高等问题，设计了一种多功能OLED 驱动电源，该电源基于单片机STC89C52 控制和字符液晶1602 显示。其能够灵活快捷地设置OLED 驱动所需的四种电源，可调恒压源、可调恒流源、占空比及频率可调的脉冲电压源和电流-电压混合源（正向恒流反向恒压），可以根据OLED 样品测试的实际情况，确定不同应用条件下的电源输出。从测试结果来看，该驱动电源误差小、分辨率高、纹波系数小、稳定性好，能够完全满足设计要求，而且具有结构简单、操作方便、易于扩展、成本低的特点。
大镜面反射镜在加工过程中需要处理一些低阶的Zernike 多项式面形中非旋转对称的面形残余量。这些面型残余量大大增加了加工的难度。提出利用主动支撑技术指导镜面面形的加工过程，降低加工难度。主要研究加工过程中应用主动支撑技术补偿某些低阶Zernike 系数面形残差的技术方法。在轴向支撑系统中采用全浮动支撑方式对镜面面形进行控制，采用力作为控制变量的控制模式使镜面产生低阶Zernike 多项式面形变化，进一步修正处理某些不满足合力为零和合力矩平衡的解，成功实现主动支撑补偿低阶Zernike 系数项面形。最后通过Ansys-Workbench 软件仿真验证该计算方法的可行性。
在微纳米尺度上对活细胞高分辨率成像对生命科学研究具有重要的意义，其将有助于再现正在发生的生命过程、检测细胞对外界刺激做出的响应，甚至观测某些蛋白簇在细胞膜表面的运动。然而直到今天，仍然没有很好的实现上述目标。扫描离子电导显微镜（SICM）由于其真正的非接触、高分辨、无损独特成像方式，规避了扫描过程中探针与样品表面发生力的接触，得到越来越多的关注和广泛的应用。从系统的角度阐述自制SICM 系统的设计、硬件集成及跳跃模式扫描算法的实现，并通过对聚二甲基硅氧烷（PDMS）栅格成像以及与原子力显微镜（AFM）成像结果的对比，验证了系统功能的正确性和有效性；最后开展了生理环境下活体细胞的原位扫描成像实验，初步获取了活体神经细胞轴突结构的三维形貌图像。SICM 的成功搭建，将为人们深入了解生理条件下活体生物样品表面微观结构与功能机理等提供有效的研究方法与手段。
基于严格耦合波分析理论，将嵌入式光栅多层结构平面衍射的理论模型扩展至锥形衍射的情况，可以模拟具有任意波长、偏振态、方位角和入射角的平面波入射该多层结构后形成的衍射。在此基础上，研究了微机械声光传感器锥形衍射中+1 级光衍射效率的收敛性。仿真表明：TM（Transverse Magnetic）偏振光入射且光栅周期为4 m 时，当谐波数M（2n+1）分别为67、69、71 时，+1级光衍射效率分别为28.86%、28.84%、28.86%，收敛性较好。另外，优化了微机械声光传感器的位移灵敏度，当入射角为22、方位角为10、光栅周期为1 m 时，与周期为4 m 的+1 级衍射光相比，TE、TM 偏振光入射时0、+1 级衍射光的位移灵敏度均提高一倍，可以准确地监测该传感器中声压或驱动电压引起的金属膜的位移。
在光学设计和装调过程中，常常需要随时根据面形质量来预估光学系统的性能，传统的方法都是借助泽尼克多项式拟合光学表面面形来进行仿真评价。但非球面光学元件在加工过程中常常产生中高频误差，这类误差会引入小角度的散射，进而影响光学系统像质评价。提供了一种点对应点的仿真方法，通过准确评价面形质量获得高精度的像质预估结果，解决了传统的泽尼克多项式不能描述中高频成分的关键问题。该方法在实际光学系统中进行了验证，仿真结果和实测数据吻合度优于90%。
以环烯烃共聚物（cyclic-olefin copolymer，COC）材料为基质，设计、制造了一种空芯多孔包层太赫兹（THz）纤维。利用comsol 软件模拟了芯径为6 mm 的光纤在0.2~1.5 THz 波段的损耗特性，结果表明：在0.85~1.5 THz 波段存在多个低损耗频带，而且在0.85~1.1 THz 波段有低于3 dB/m 的三个窗口；特别是在0.99 THz，损耗达到0.208 dB/m。芯径为3 mm、4.8 mm 和6 mm 的光纤在0.8~1.5 THz 波段的损耗特性对比分析表明：该COC 微结构多孔包层空芯纤维的损耗随着光纤外径的增加而减小。把设计的太赫兹纤维外径放大7 倍达到7 cm，据此设计制造了光纤预制棒成型专用模具。借助热挤出成型方法得到了结构完整、孔洞表面光滑，长度为22 cm 的空芯多孔包层预制棒。利用该实验室独有的微结构光纤拉丝塔，成功获得了微结构保持完好的光纤样品。损耗分析结果表明：6 mm 芯径的光纤样品在1.27 THz 的平均损耗为2.175 dB/m，与该频率的理论损耗（1.95 dB/m）接近。
为了使得某2m望远镜消旋K镜在重力环境温度变化的影响下镜面面形和结构刚度满足要求，设计了一种柔性支撑结构。KM1 支撑方式采用背部三点支撑，通过有限元软件ANSYS 对支撑位置进行优化。并基于伴随变换建立了柔性支撑杆的柔度矩阵，对柔性铰链的厚度、长度和宽度进行优化，使反射镜支撑刚度满足需求，并减轻热应力和装配应力面形的影响。KM2 采用周边三点支撑，间隔120均匀分布，支撑杆结构与KM1 相同。在重力和均匀温降的联合工况下，KM1 和KM2 的有限元仿真结果达到了设计要求，KM1 镜面面形RMS 低于/40，KM2 镜面面形RMS 低于/60，一阶谐振频率均高于100 Hz。
为了解决大口径反射镜子孔径拼接精度评价的问题，提出了自检验的子孔径拼接精度分析方法，实现了对大口径反射镜拼接精度的分析评价，同时提供了一种拼接精度检测方法。自检验即利用子孔径检测面形对拼接获得的拼接结果进行拼接精度检验。讨论了相应的精度评价指标及计算方法，并结合工程实例，利用600 mm 干涉仪实现了对800 mm 平面镜的拼接测量。以自检验的评价方式对拼接精度进行了分析，结果表明，拼接结果是准确的，同时验证了以自检验方式评价拼接精度的可靠性与准确性。
针对普通焦距测量方法无法对单脉冲高能激光热畸变引起的焦斑轴向位置漂移进行测量的问题，设计了一种由正交双楔板组分束、可实现瞬时焦斑位置测量的光斑列阵检测系统。两组垂直放置的楔板反射镜组对汇聚光束进行空间分束调制，不同光束具有不同汇聚位置。这些光束最终被探测器接收，形成尺寸不同、阵列分布的光斑阵列。通过对光斑阵列的单次探测，实现了多种轴向焦斑位置变化量的获取及单发次高能激光脉冲系统的焦斑漂移测量。经过理论分析、软件模拟及具体实验验证，该测量系统具有测量范围与测量精度可调、光斑离散性好、杂散光影响小等特点。
为了实现在低速情况下系统速度的检测，提出了一种基于莫尔条纹光电信号和非线性跟踪微分器的测量角速度和角加速度的方法。首先，分析了莫尔条纹光电信号特性；然后结合非线性跟踪微分器理论，对编码器输出的光电信号进行滤波和相位补偿；最后，将两级非线性跟踪微分器级联，同时得到速度和加速度。实验结果表明：该方法增加了低速时采样频率，提高了速度测量的平稳性、精度和实时性。将该方法应用于某采用21 位编码器作为角度传感器的系统中，成功实现了速度及加速度地检测。当速度降低到0.001 7（）/s 时，设置采样时间为5 ms，则采样频率为通常方法的20 倍，更好的解决了低速系统对测速平稳性、精度和实时性的要求。
接触网是在电气化铁路中沿钢轨上空之字形架设的，供受电弓取流的高压输电线，其担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务。针对传统的接触网几何参数测量方法中测量效率低下、精度不高的问题，设计了一种快速、高精度测量系统。系统基于双目视觉测量原理，由指示激光器进行特征指引，通过两台高分辨率摄像机采集测量特征并进行图像处理和三维解算，实现接触网几何参数的实时测量。实验结果表明：系统测量的重复性精度可以达到1mm，实现了接触网几何参数的实时、可靠测量，为接触网的日常维护与检修提供了理论依据。
人造信标为自适应光学大气湍流校正提供信标光源，在天文望远镜、激光传输领域可发挥重要作用，但也存在着一些无法克服的局限性，非等晕性误差就是其一。世界各国对非等晕性误差开展了大量的理论研究工作，但鲜有实际测量试验的公开报道。提出了非等晕性误差的测量方法，详细介绍了自主研发的人造信标非等晕性误差测量系统，采用两路高灵敏度EMCCD构成哈特曼波前传感器同时测量瑞利信标回光波前与自然星回光波前，分别开展了8耀18km高度瑞利信标聚焦非等晕性误差测量试验、12km 信标高度0~100rad偏角瑞利信标非等晕性误差测量试验，并获取了较为准确的测试结果。
强激光主机装置中，需要利用各种不同焦距的光学透镜对光束进行扩束和准直，透镜焦距的准确程度直接影响系统的整体性能，所以对透镜焦距的准确测量尤为重要。提出了一种利用哈特曼-夏克波前检测仪和旋转平面镜辅助测量长焦距红外光学系统焦距的新方法。给出了系统的测量原理，使用ZEMAX 光学仿真软件仿真分析了待测透镜不同通光孔径对焦距测量的影响，并且通过误差理论推导出平面镜旋转角度与系统测量误差之间的解析表达式。最后进行了实验对比，测量结果表明，当平面镜旋转至一定角度，采用合适的通光口径，系统测量精度可以优于3，远高于传统测量方法。此外，该测量方法还具有使用方便、高稳定度等显著优点。
提出了一种7 通道并行测试的MEMS 加速度计自动化测试分析系统，该系统高度集成多种功能，实现了加速度计高效率测试与分析。在常规测试系统基础上，该系统通过上层应用程序Labview 实现了单一人机交互终端对振动台、高低温交变湿热试验箱和供电电源等设备的控制。灵敏度、线性度、重复性、滞回特性、温度特性、频响特性等参数指标，能够在控制终端通过分析测试数据同时获得，并以报表形式输出。在一般情况下，传感器测试效率可达50 只/h，大大高于传统的非自动化测试系统。经过评估测试，该测试系统还表现出较高的测试精度及稳定性和可靠性，测试误差小于2.5%。该自动化测试系统为进一步降低MEMS 传感器成本，促进其在物联网领域的大规模应用奠定了基础。
围绕适用于小型无人机、单兵等平台的微小型弹药制导化需求，提出了基于捷联导引头和捷联惯导的全捷联制导控制方案。针对全捷联体制无法直接提供有效制导信息的问题，导出了惯性视线速率的理论方程及滚转稳定条件下的实用形式，设计了非线性微分器以实现稳定的视线信息数值微分。给出了作为内回路的PI 校正两回路过载驾驶仪。分别进行了机载平台和单兵发射的仿真。结果表明：全捷联技术可以有效解决小射程条件下制导弹药的小型化、精确化，多约束条件下的制导控制系统设计是应用的关键。
有毒有害气体的泄漏不仅污染环境，而且威胁人民生命财产安全，世界各国都非常重视快速有效的气体泄漏检测技术的研究和仪器开发。针对这一问题，提出了宽波段气体泄漏红外成像检测系统设计方案，主要包括宽波段红外光学镜头尧子波段滤光片及切换装置尧宽波段非制冷焦平面探测器尧视频处理及系统控制电路等组成部分，充分利用非制冷探测器的无光谱选择特性，结合热图像非均匀性校正和数字细节增强处理算法，实现了对不同种类气体泄漏的高灵敏度检测，提供了适合人眼判断的气体泄漏视频图像显示结果。整个系统具有可检测气体种类多尧检测范围大速度快尧气体泄漏痕迹明显增强尧系统便携性突出尧成本相对较低等特点。
针对光电武器研制过程中多光谱图像获取困难的问题，提出了一种通过三维立体场景生成红外多光谱仿真图像的方法。该方法能够生成三维场景任意角度的红外仿真图像，并形成特定波长范围的数据立方体。在3~5 m 范围内对特定目标进行了仿真实验，以0.005 m 为步长生成了包含401张红外图像的数据立方体。为体现反射光的方向特性，推导了一种基于Phong 模型的BRDF 模型，并应用于对方向性较强的太阳直接辐射的反射在红外波段的计算，并在3~5 m 范围生成了具有方向特性的红外仿真图像立方体。一系列实验数据表明，该仿真方法可快速生成红外多光谱图像数据立方体，而BRDF 模型能够真实地反映反射的方向特性，提高了仿真图像的逼真度。
在利用红外光谱进行多组分混合气体定量分析建模中，须根据各目标气体成分的光谱特点进行光谱维数降维和特征变量选择。以甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷和正戊烷等7种气体为分析目标，采用最小绝对收缩和选择算子（LASSO）与弹性网络（ElasticNet）方法进行目标气体数据预处理。针对LASSO 和ElasticNet方法参数优化选择的问题，采用均方误差和预测偏差最小两个准则进行参数的优化选取。对4cm-1的实测光谱数据，采用LASSO和ElasticNet方法分别在0.0019和0.0021均方误差条件下使得维度从2542维分别降为2 维和3维，LASSO 的交叉灵敏度最大和最小为10.2718%和1.420 5%，ElasticNet分别为5.4945%和0.7493%。结果表明：Elastic Net在用于光谱定量分析的数据预处理中具有一定的优势，为准确建立定量分析模型奠定了基础。
复合色散棱镜是高分辨力星载成像光谱仪的关键分光元件，其光机支撑是成像光谱仪工程研制阶段必须解决的重要问题。首先介绍了复合色散棱镜的工作原理，在此基础上给出了复合色散棱镜光机支撑的技术指标要求；接着综合考虑了热匹配、密度、弹性模量、可加工性等因素后选择了棱镜支撑结构材料；然后运用温度补偿法解决了复合色散棱镜中一块棱镜与支撑结构材料线膨胀系数不匹配的问题，采用半运动学安装方法对两块棱镜进行支撑；最后给出了复合色散棱镜组件力学和热学分析结果并进行了相应试验。试验结果表明：复合色散棱镜组件一阶基频达301.5 Hz，在20℃5℃温度范围内组合光程差优于0.021 （=632.8 nm），能够满足成像光谱仪工程研制需要。
为了提高机载成像系统输出视频的图像质量，提出了一种快速平滑点特征轨迹的稳像算法。以消除全局运动估计的帧间匹配累积全局运动、实现长时快速稳像为目的，建立有别于传统实时稳像模式的系统框架。首先采用SURF算法从原始的抖动视频中提取不稳定的特征点；其次利用Delaunay三角剖分算法判断特征点的邻接性，生成点特征轨迹；再次采用Kalman 滤波器对不稳视频中得到的点特征轨迹进行滤波处理，得到平滑的点特征轨迹；最后由原始点特征轨迹和平滑点特征轨迹估算出直接需要补偿的全局运动矢量。实验结果表明：该方法不仅能够实时处理失稳航摄视频，有效改善机载成像系统的图像质量，而且能够估计出相互独立的帧间全局运动矢量，可以应用于需要长时间稳像的场合。
高精度快速靶标点的自动提取是相机标定、立体解算、视觉导航等关键领域的基础。定位精度和算法稳健性为难点之所在，采用重心约束法检测初始交点后，通过对称性约束探测直线附近的脊点点集，然后采用最小二乘线性拟合初值并迭代滤掉粗差，再采用改进的Hough 变换进一步求得交点的位置。然后采用惩罚函数在初始点附近步进调整，精确确定靶标点的位置信息和方向。算法能够更强地适应噪声环境下、光照变化、图像旋转等影响，达到小于0.05 像素的定位精度。
传统的基于频域和小波域的去模糊算法所得的复原图像总是存在比较明显的边缘振铃及模糊效应，而较为有效的空域迭代优化去模糊算法速度通常比较慢。为了解决上述问题，提出了基于二步迭代阈值收缩（TwIST）与总变分（TV）约束相结合的图像去模糊算法（TwIST-TV）。首先在去模糊目标函数中加入对图像的TV 正则化约束，其次在对图像小波系数的每次二步迭代之前，加入对图像的TV 优化去噪约束，最后迭代获取去模糊图像。实验结果表明：相对于基于频域和小波域的模糊图像恢复算法，TwIST-TV 能有效抑制边缘模糊和振铃效应，复原图像的信噪比（SNR）、峰值信噪比（PSNR）高出1~7 dB，平均结构相似度指标（MSSIM）可高出0.05，相对于空域解卷积算法在保证求解精度相当的情况下具备6 倍以上的速度优势。
对于现阶段昂贵武器不能重复外场实验进而影响光电跟踪经纬仪跟踪算法性能检测的问题，采用了一个模拟真实导弹飞行的三维仿真虚拟平台，通过改变参数模拟真实导弹飞行姿态等改变。主要利用坐标系转换和旋转映射技术解决了在三维仿真平台上检测二维跟踪算法性能的问题。两组实验结果表明：旋转映射技术在检测重心算法跟相关算法时稳定跟踪时平均帧频达到85 帧/s，并且比直接映射技术更节省计算时间，因此，已成功将二维跟踪算法应用于三维仿真平台，并可将该平台作为一个基准检测不同二维跟踪算法的性能。
针对传统局部不变特征算子主方向提取不准确和匹配阶段过于耗时的问题，提出一种基于RI-LBP 算子和混合spill 树的快速局部不变特征算法。首先提出一种FAST-Difference 算法，提取出模板图像和待匹配图像的稳定特征点，然后使用旋转不变的RI-LBP 描述符计算特征向量，最后对特征向量集使用混合spill 树进行匹配并使用RANSAC 算法剔除误匹配点。RI-LBP 算子自身的旋转不变性能够在一定程度上克服特征点主方向确定不准确的缺点，使特征描述符的提取更加稳定，并生成更简单的53 维局部不变特征描述符。混合spill 树相对于kd-tree 省略了回溯过程，对于高维数据拥有更好的匹配效率。实验证明：该算法与SURF 算法描述能力相近，旋转和光照条件下比SURF 性能更优，并且匹配速度更快。
在低照度环境下，摄像机捕捉到的夜间视频质量较差，常出现光照不足、对比度低、模糊不清和颜色偏移等问题，影响了视频的判读和理解。针对夜间视频存在的问题，提出不同时段空间背景融合技术和根据Retinex理论利用三边滤波器提取亮度图像的照度分量并结合Sigmiod 非线性拉伸函数对反射分量进行增强处理以突出细节达到图像增强的目的。经实验证明，提出的算法能够提高低照度夜间视频的整体视觉效果，图像的亮度、对比度、清晰度得到改善，突出了视频图像细节，保留了视频重要内容，增强结果自然清晰，避免了图像失真等问题，解决了夜间视频增强中常出现的光晕、鬼影、颜色偏移等问题，便于视频的判读与分析。
针对成像过程中因各种因素导致图像细节和纹理表现不明显的问题，结合Turgay Celik 的二维直方图理论，提出了具有自适应动态窗口的二维直方图图像增强方法。该方法在考虑图像纹理和细节信息的基础上，分析了二维直方图与图像纹理信息的关系特性和固定窗口的弊端，采用基于平均梯度法建立以与区域特性相适应的窗口为单位的二维直方图，将其累积分布与理想分布进行比较优化，实现增强。通过大量实验对比表明，该方法克服固定窗口造成的适应性差、易出现过增强和局部被弱化等问题，其处理后的图像细节丰富，纹理突出，具有更好的视觉效果和工程应用价值。
用于目标跟踪的传统成像系统瞬时视场小、且为实现大范围覆盖需要对目标空域进行扫描，为了能解决宽视场覆盖和高分辨率的问题，提出一种新的基于空间多路成像技术的可直接判定宽视场中目标位置的目标跟踪方案。该方案利用多镜头阵列组合设计一种多光路、共焦平面、宽视场凝视成像系统结构，这种结构要求分割的各子视场之间有特定的重叠编码关系，以便同时成像之后解算目标位置。针对一维镜头阵列组合的情况，研究分析了镜头阵列的空间位置关系、各子视场编解码原理以及在目标跟踪技术中的应用，并在此情况下对简单目标跟踪算法做了研究和仿真。结果表明该方法能很好地实现在大视场中对目标的跟踪。
针对红外成像末制导武器人在回路模式中回传图像高压缩比与高保真度之间的矛盾，提出了一种基于视觉注意模型的红外图像分级压缩方法。在采用视觉注意模型提取得到红外图像显著区域的基础上，按照显著区域、背景区域、过渡区域对图像进行三级划分，然后根据不同区域图像中信息的重要程度采取不同的压缩方式，进而实现对整幅图像的压缩。实验结果表明：该方法在保留目标重要信息的同时，大大减少了图像传输的数据量，与传统的整图压缩方法相比，更适用于人在回路的应用场合。
针对目标跟踪仿真系统中观瞄光点在数字仿真图像中的实时定位问题，提出一种基于单目视觉的光点实时定位方法。首先，采用卡尔曼滤波的方法对光斑在采集图像中的粗略位置进行预测；然后，在以此粗略位置为中心的光斑区域内采用基于Hessian 矩阵的方法对光斑中心坐标精确提取；最后，在建立有摄像机像平面上点到数字仿真图像上对应点的定位模型基础上，由提取的光斑中心坐标经定位模型求解实现光点定位。实验结果表明：该方法对光点定位的误差为0.4 pixel，且每帧图像的光点定位时间为0.32 ms。该方法可实现目标跟踪仿真系统光点的高动态、高精度实时定位。
