2015年 第44卷 第7期
利用LASTIP软件理论分析了有源区量子阱数目对不同组分的InGaAsSb/AlGaAsSb 2 m半导体激光器能带、电子与空穴浓度分布以及辐射复合率等性能参数的影响。研究表明: 量子阱的个数是影响激光器件性能的关键参数, 需要综合分析和优化。量子阱数太少时, 量子阱对电子束缚能力弱, 电子在p层中泄漏明显, 辐射复合率低。量子阱数过多时, 载流子在阱内分配不均匀, p型层中电子浓度升高, 器件内损耗加大, 辐射复合率下降。结合对外延材料质量的分析, InGaAsSb/AlGaAsSb 半导体激光器有源区最优量子阱数目为2~3。该研究结果可合理地解释已有实验报道, 并为2 m半导体激光器结构设计提供理论依据。
针对中波红外激光器输出功率波动较大, 采用声光反馈调节的方法, 研发出一套声光反馈调节中波红外激光器腔体外功率的稳定控制系统, 系统主要由声光调制器、探测器、微电流放大器、反馈控制电路等组成。经实验验证, 该系统有效地抑制了激光器输出功率的波动, 波动可控制在0.08%范围之内, 达到了低温绝对辐射计对输入激光稳定性的要求。同时该系统具有软件调节输出功率的功能, 能够便捷、低成本地实现激光器多种不同功率的连续可调性输出, 通过增量式PID算法使得系统在2s内便可完成不同功率之间的调节, 亦解决了以往一台激光器只有唯一的输出功率的局限问题, 满足用户的多种使用需求, 具有实用性、创新性。
设计稳定可靠的THz激光器, 缩小THz激光器的体积一直是THz领域的研究热点。基于速率方程组, 建立了光泵THz激光器的理论模型。数值模拟和分析了不同工作温度、腔内压强、腔尺寸、泵浦光波动等因素对THz激光输出产生的影响。研究结果表明: 泵浦光功率越高, THz激光输出对工作温度的变化越敏感, 则越有必要建立稳定可靠的温度控制系统;在保持功率输出一定的前提下, 通过适当提高THz激光腔内工作气体压强, 可以缩小THz激光器的体积;泵浦光功率越低, THz激光的输出性能对泵浦光功率波动及频率漂移越敏感, 此时, 需要对泵浦光稳定性进行控制, 更为关键的在于控制泵浦光的频率稳定性。
利用调Q速率方程, 确定了最优输出耦合反射率, 最大脉冲能量, 最大峰值功率和脉冲宽度与无量纲变量z的关系, 并分析了谐振腔往返损耗、谐振腔增益和反转衰减因子分别对Nd:YVO44与Nd:YAG调Q脉冲参数的影响。结果表明: 最优输出耦合反射率和脉冲宽度随谐振腔往返损耗的增大而减小, 最大脉冲能量和最大峰值功率受反转衰减因子的影响很大, 并随反转衰减因子的增大而减小。通过确定z值可以将调Q脉冲参数具体化。
温度是影响半导体激光器性能指标之一, 为了实现快速稳定的温度控制,研究了系统的温度控制硬件和算法。系统以MSP430低功耗微控制处理器为核心, 采用自动调节制冷片电压和脉冲宽度调制(PWM)输出脉冲方式相结合的驱动电路, 根据系统的机械控制热平衡模型和装置的高低温实验建立了自适应温度调节算法。经过高低温实验研究, 从-40~50 ℃控制到温度为23 ℃时, 激光器温度稳定所消耗的时间分别为2 min 30 s和1 min 30 s, 其中控制精度为0.2 ℃。对激光器功率稳定性进行实验分析, 控温前后激光功率的稳定性, 从5%提高到1%以内, 满足人眼安全对激光功率密度的要求, 该方案的设计对于小功率、快速稳定的激光系统的设计具有可借鉴意义。
半导体激光器及其工业应用是激光领域研究与发展的热点, 国内大功率半导体激光器的发展已经取得了较大进展, 但基于国产大功率半导体直接输出激光器的自动化加工装备研究较少。研制了国产大功率半导体直接输出激光加工系统, 开发了基于DSP的嵌入式激光加工过程检测与控制系统, 设计了用于该系统闭环温度控制的模糊控制算法, 并取得了良好的温度控制效果。基于该平台开展了激光宽带相变硬化实验, 实验表明: 在温度控制模式下, 相变硬化层深度和硬度的一致性要优于恒定功率模式。
为实现对超快激光诱导金属钛改变趋势的定性控制及材料改变范围的定量控制, 开展了飞秒和皮秒脉冲激光分别与金属钛烧蚀的对比实验研究。随后使用激光扫描共聚焦显微镜、X射线光电子能谱和透射电子显微镜分别就激光脉冲时间宽度变化对被烧蚀金属钛的表面形貌与烧蚀深度、化学成分、微结构状态的影响规律进行了分析。研究发现: 随着激光脉冲时间宽度从飞秒增加到皮秒量级, 被烧蚀金属钛的表面形貌质量逐渐变差, 最终烧蚀产物的化学成分愈加复杂, 微结构状态的无定形化程度也随之增加。最终认为伴随激光脉冲时间宽度增加, 金属钛中热累积效应的增强而造成被烧蚀材料内部更为严重的热与机械损伤是导致上述实验现象产生的主要原因。
对常见的几种振动监测方法进行了比较, 阐述了激光多普勒技术用于振动监测的基本原理, 设计了并研发了用于发射场小型地面设备振动监测的激光多普勒测振仪。以高精度PDV100型测振仪为对比, 并模拟小型地面设备低频、中频、高频的振动特性, 重点测量了其频率、振幅两个特征参数。实验结果表明, 自研测振仪对振动频率测量值的相对误差能够控制在0.4%以内, 对振幅的测量能够达到1 m量级, 满足发射场小型地面设备振动监测的需求。
大气透过率是热红外遥感中的一个重要参数。针对前文构建的大气透过率模式, 以我国环境灾害卫星HJ-1B红外相机IRS第4通道的大气透过率模式为例, 利用辐射传输模型MODTRAN模拟水体辐亮度, 对模式中的变量引入不同的误差, 将模拟的辐亮度反演水温, 分析不同气溶胶模型、水汽量、能见度和观测天顶角对反演水温的敏感性。并将该大气透过率模式用于HJ-1B/IRS热红外图像中, 反演了2009年4月17日、21日、22日和25日太湖水温。研究结果表明: 同一波段、不同气溶胶模型的大气透过率模式在反演温度时会产生不同的误差, 以气溶胶模型为平流雾的最大、对流型的最小;大气透过率模式中3个变量的误差与温度反演的误差呈线性关系, 即变量的误差越大, 温度反演的误差也越大;以水汽量对温度反演最敏感, 观测天顶角其次, 能见度最弱。该大气透过率模式用于4天遥感图像反演中, 除4月17日反演的误差稍高, 均方根误差和平均相对误差分别为1.127 ℃和5.75%, 其他3天的均方根误差都小于1 ℃、平均相对误差在5%以下, 说明所建的大气透过率模式在热红外遥感中具有较高的应用精度。
针对采用直线脉管制冷的超长线列红外焦平面器件杜瓦封装的需求, 提出了一种弹性冷链的设计方案。介绍了超长线列焦平面器件及直线脉管制冷机的特点以及对冷链的力学、热学要求, 针对超长线列焦平面杜瓦冷链的设计思路、设计方法进行了研究, 针对某型号脉管制冷机及典型超长线列探测器的尺寸、工作温度等要求, 采用局部弹性冷链方案, 通过有限元仿真工具对冷链进行优化设计, 使其能够满足设计指标要求。根据设计结果制作了冷链及测试杜瓦, 对冷链温差、器件拼接基板温度均匀性及低温形变进行了测试, 并通过振动试验对力学可靠性进行了验证。试验结果证明局部弹性冷链设计方案的正确性和可行性。
基于红外成像导引头信号传递和转换机理, 分析了影响导引头输出图像特征的主要因素, 并在此基础上分析了红外诱饵弹作用导引头成像特征的机理;借助端到端成像建模思想, 综合考虑诱饵弹对目标表面辐射特性及导引头增益特性的影响, 建立了诱饵弹作用后导引头成像特征量化模型;以理论模型为基础, 借助计算机三维场景仿真技术, 实现了诱饵弹作用后导引头成像及跟踪特性实时仿真, 并基于仿真结果分析了不同发射方向诱饵弹对导引头跟踪性能的影响。结果表明: 诱饵弹发射方向不同, 诱饵弹对导引头跟踪性能的影响程度不同;当诱饵弹相对目标运动方向的发射角为75~95、190~215和250~280时, 诱饵弹对导引头跟踪性能的影响程度最大;当诱饵弹相对目标运动方向的发射角为10~40、150~170和315~325时, 诱饵弹对导引头跟踪性能的影响程度最小。
云是造成空中目标探测和识别困难的重要因素。从目标和云的红外辐射出发, 分析了云影响目标红外探测的问题。首先根据目标和云的4种位置关系, 建立了不同情况下探测器接收到的目标和云背景辐射差的计算模型, 然后对模型中参数的计算进行了讨论, 最后根据模型进行了实例的仿真计算和分析。计算结果表明: 在8~14 m波段上, 目标与背景的辐射差在9 m波长、50方向角附近的值比较大, 而在波长较长、方向角角度较大的部分值较小。该结论可以为红外探测系统的设计提供依据。
采用典型背景下的飞行器红外辐射特征计算模型, 研究了蒙皮反射太阳、大气和地面等背景辐射对亚声速飞机总的红外特征的影响。计算分析了背景辐射对降低发射率的红外抑制效果的影响。结果表明: 太阳辐射对飞机前向探测区域3~5 m波段的红外辐射强度影响最大, 大气和地面辐射对飞机前向和侧向探测区域8~14 m波段的红外辐射影响更明显;探测方位、季节不同, 影响程度也不同;蒙皮反射的背景红外辐射使得降低发射率措施的红外抑制效果降低甚至失效。
在理想情况下, 红外探测器的每一列应该具有相同的增益, 如果假设每个像素点对相同的黑体辐射温度响应都相等, 则最终输出的图像应为一幅非常均匀的图像, 但在实际情况中, 由于红外探测器焦平面的制作工艺水平以及焦平面材料组分的缺陷, 每个像素点对黑体辐射的响应不会完全相同, 同时, 每个列方向上通道的增益大小也不会完全相同, 特别是当列与列之间的差异较为明显时。因此, 主要对红外探测器焦平面读出电路中列通道的增益非均匀性情况进行了分析, 根据分析结果推导出模拟探测器列通道增益非均匀性的模型, 并对拟合曲线进行了精度分析。
为了促进热障涂层红外无损检测的定量检测研究, 建立了轴对称圆柱坐标下的热障涂层脉冲相位检测模型, 针对研究模型, 采用有限体积法求解出脉冲热激励下的温度场, 将温度进行FFT变化得到相位分布, 分析了不同因素对检测表面相位差分布的影响。在此基础上, 采用LM算法研究了轴对称圆柱坐标下对热障涂层厚度的大小和脱粘缺陷的位置进行定量化检测的方法, 分析了不同因素对检测结果的影响。研究结果表明: 当不存在测温误差时, 不同的初始假设、采样窗口时间下都能得到很高的识别精度, 其对定量识别的影响不大, 当测温仅存在均匀误差时, 涂层厚度和脱粘缺陷位置识别精度都很高, 均匀误差对识别无影响, 识别结果的精度会随测温随机误差的增大而降低, 但在较大的随机误差下仍有较高的识别精度。
为改进红外锁相热成像检测中的热调制激励效果, 提高系统集成和使用性能, 引入了数字功率控制技术。以可控硅为功率元件, 推导控制角与功率的关系。以正弦调制激励为例, 通过数值计算求解控制角随时间的变化规律, 基于数字电路设计导通角控制算法和实现方法建立了实验平台并进行了实验验证和对比。结果表明: 该方法的功率控制精度高, 热成像波形的保真度明显优于常规激励技术, 体积和结构也得到改善, 电磁安全性满足要求, 可以更好地应用于红外锁相热成像检测中。
为了提高夜视系统的质量以及目标探测性能, 设计了红外视频运动目标与可见光融合夜视侦察系统。系统在硬件处理平台上实现了基于人眼视觉的红外运动目标分割算法和基于目标特性的加权融合算法, 采用红外运动目标分割电路和融合处理电路互联的结构, 首先利用FPGA为核心的红外目标分割电路提取红外视频中的运动目标, 然后将只有红外运动目标的视频输入后端DSP融合处理电路中进行融合处理, 最后从系统中输出一系列目标形态突出、背景细节清晰的融合序列。实验结果表明: 该系统可以提高夜视融合系统目标探测性能和探测概率, 融合结果的各项评价指标提高了90%以上, 有的评价指标甚至提高了7倍以上, 可以很大程度地降低系统的虚警率。
针对大口径、长焦距、宽视场平行光管高像质的应用需求, 提出一种采用离轴三反射镜结构的平行光管。从共轴三反理论出发, 推导出系统的初始结构;并且在用zemax软件优化时, 提出一种基于ZPL语言优化离轴量的方法。设计出一个焦距10 m, 视场21的离轴三反平行光管。设计结果表明, 系统像质接近衍射极限, 全视场波像差RMS值优于/200(=632.8 nm), 系统总长度小于f'/3, 为大口径、长焦距、宽视场光管设计提供了一种设计方法。
在轨运行的空间相机受到温差或运动振动等影响导致像面离焦, 成像质量下降。波前编码技术可以在保持光学系统整体参数不变的情况下扩展系统的焦深, 使调制传递函数对离焦不敏感。将波前编码技术应用于空间同轴三反系统, 提出在系统的出瞳面上加置掩模板, 并对掩模板的面型进行优化, 对原系统和应用波前编码技术的新系统的成像特性进行了分析和对比。讨论了波前编码掩模板的相位因子对系统的焦深延拓以及对像质的影响。理论及仿真结果表明: 将波前编码技术应用于同轴三反系统, 使系统对离焦不敏感, 可以很好地扩大系统的焦深, 对解决空间光学系统像面离焦问题具有很高的实用价值。
太阳敏感器和红外地球敏感器是卫星姿态控制的重要部件, 在卫星升空前必须对其进行地面实验。设计了一套由4条光缝组成的太阳模拟光源和针对地球同步轨道高度15.6张角的南北红外地球模拟光源。详细介绍了地星姿态模拟光源系统的组成及总体结构, 采用红外光学技术, 设计了地球模拟光源的锗准直透镜, 同时为了保证各模拟光源对真实卫星的安全对接试验, 确认各光源对星上产品的激励作用满足要求, 设计了地星姿态模拟光源安装支架。地球模拟光源能够模拟地球弦宽15.6及卫星10~120 rpm的自旋转速, 通过实验对地球模拟光源弦宽及转速进行了测试, 结果表明模拟地球弦宽误差不大于0.04, 转速锁相误差不大于1 ms。
现代微小卫星具有体积小、质量轻、研制周期短、成本低、发射方式灵活等优势, 可在多个领域发挥重要作用, 因此备受各国青睐, 是当前空间技术发展的一个重要方向。实现微小卫星的一大关键是所搭载仪器、设备的小型化。设计了一套小型可见光相机, 适合搭载于微小卫星平台。相机焦距210 mm, 有效口径56 mm, 角分辨率33 rad, 视场7.87.8, 像素规模达16 M。设计分析对比了不同光学结构型式的特点, 最终采用折反射式光学系统。设计采用全球面镜片, 选用了融石英和常规火石玻璃等低密度材料组合消像差, 系统长度110 mm, 摄远比小于0.53, 光学质量小于370 g。
针对现有的静态斜楔干涉具无法实现零光程差, 进而影响光谱反演的准确性和复杂性。文中提出一种可以实现零光程差的斜楔干涉具, 通过对传统斜楔倾斜面的改进, 使其可以实现被测光包含零光程差的干涉信号, 理论推导了该斜楔不同位置的光程差公式, 并推导得出对应的光谱反演公式;采用硒化锌(ZnSe)材料设计了该斜楔, 对其干涉信号、光程差和光谱反演进行了仿真研究, 并采用10.64 m激光器对其进行实验分析, 实验结果显示该斜楔干涉信号清晰, 光程差可以实现1 450 m, 反演光谱的误差为0.1%。
针对我国待建的110 m全可动射电望远镜(QTT)的工作特点, 以提高主反射面精度为目标, 以最佳吻合抛物面为拟合标准, 分析了传统结构方案致使精度较低的本质原因为反射体变形不均匀, 主要源于如下三方面: 主反射面存在集中荷载作用、背架结构支承方案不合理、背架结构体系空间受力性能不佳。基于此, 改变副反射面撑腿坐落位置, 对背架结构采用三角锥、四角锥相结合的网架式结构方案, 并对其引入一种高度极对称的伞撑式支承方案。最终提出的全可动望远镜结构总体方案显著提高了主反射面精度, 其RMS最大值可降至0.306 mm;相较目前世界最大的全可动射电望远镜GBT而言, 其反射面积增大了10%, 精度提高了12.6%, 自重降低了40%, 其研究成果达到国际先进水平。
有机电致发光器件(Organic Light-Emitting Device, OLED)已成为当今最热门的研究领域之一。以钛酸锶(100)作为基底, 采用RF磁控溅射镀膜系统制成磁性电极La1-xSrxMnO3(LSMO)薄膜, 为了增加钛酸锶基底LSMO薄膜的透光率, 对该基底进行了双面光学抛光。在此基础上, 以LSMO为衬底, 制作了结构为LSMO/NPB/Alq3/CsF/Mg:Ag的有机电致发光器件。器件大约在14 V时启亮, 在25 V时, 器件达到最大亮度。在磁场作用下, 研究了器件的亮度-电压-电流特性。在大约150 mT磁场下, 器件的发光亮度增大10%。研究结果表明: 由于经LSMO注入发光层内部的电子和空穴自旋方向被部分极化, 发光层单线态与三线态激子的形成比率增加。由于发光材料Alq3是单线态有机材料, 因而, 器件发光亮度增大。
利用水热法制备了ZnO/ZnFe2O4纳米复合粒子。用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、光致发光光谱(PL)对退火前后的ZnO/ZnFe2O4纳米粒子进行表征。研究结果表明, 退火后的ZnO/ZnFe2O4纳米复合粒子表现出更好的形貌和晶体质量, 主要由六角纤锌矿结构的ZnO和立方结构的ZnFe2O4构成。PL光谱显示, 退火后ZnO近带边的发光强度明显降低, 这是由于ZnO/ZnFe2O4形成了Ⅱ型能带结构实现了光生载流子分离的结果。对其光催化特性也进行了研究, 光照时间为3 h, 退火后的ZnO/ZnFe2O4纳米复合粒子表现出更优秀的光催化活性, 降解甲基橙的效率可达50.48%。另外, 还对其磁性进行了研究, 室温条件下, 纳米复合粒子表现为顺磁性, 而经过退火处理后表现出铁磁性。因此, ZnO/ZnFe2O4纳米复合粒子经退火后具备磁性光催化剂性能, 有一定的发展前景。
对金属氧化物光学气敏传感材料TiO2的探索与应用是当前研究的热点问题。采用基于密度泛函理论(DFT)中的平面波超软赝势方法, 模拟计算CO2分子在锐钛矿型TiO2(101)表面的吸附行为, 对吸附能, 吸附距离, 电子态密度以及光学性质进行分析。结果表明: CO2分子在含O空位表面的吸附效果优于无氧空位表面, 且表面O空位的浓度越高, 吸附效果越明显;分子平行于表面放置模型的吸附能为正值, 吸附后的结构稳定, 且以O端吸附为主, 为此, 分子平行于表面放置O端吸附于含两个O空位表面为最可能吸附模型;对电子态密度分析发现, 当最佳模型吸附稳定后, 含O空位表面为P型杂质, 又有CO2分子中的2p电子掺入, 在费米能级附近出现新峰值, 改善了TiO2材料的光学性质, 体现出较好的光学气敏传感特性。
介绍了一种基于锁相环及频率合成方法产生高重复频率正弦同步扫描种子源产生技术。利用锁相环实现了正弦信号与触发光脉冲的同步跟踪, 并通过频率合成实现对正弦小信号的频率、相位、幅度的调制。调制相位可实现扫描时间的延迟, 调节振幅可实现不同扫描速度。电路系统进行了实验测试, 获得频率可达250 MHz、时间抖动小于10 ps的稳定正弦同步扫描种子源, 证明设计达到了预期目标, 满足光学条纹相机对种子源频率、幅度、抖动的高精度需求。
针对中红外光电探测器光谱响应度精确测量时, 要求提高中红外激光器功率稳定度这一问题。提出了一种对中红外激光器功率进行稳幅的方法, 基于声光调制器布拉格衍射原理、采用光反馈闭环控制技术实现了对中红外激器光功率的稳定控制。详细介绍了该方案的光路设计、控制电路原理及控制算法, 在此基础上研制了一种中红外激光功率稳定器。采用该功率稳定器对3.39 m He-Ne激光器的输出光进行了稳幅实验。结果表明, 该装置可将中红外激光器输出功率稳定度从8%提高到0.4%。可很好地满足中红外探测器光谱响应度测试的需要。
切尔尼-特纳(Czerny-Turner, C-T)光谱仪是光栅光谱仪中常用的光谱仪器。其结构紧凑, 无非球面镜, 常被用于单色仪和光谱辐射计中。对于成像光谱仪, 像散是影响其空间分辨和光能利用的主要像差。就非平行光束光栅照明像散校正方法进行了理论分析和实验验证, 提出会聚和发散光栅照明C-T成像光谱仪都可以进行像散校正, 其根本取决于光栅入射角和衍射的余弦平方比大于或小于1, 大于1对应发散照明消像散, 小于1则对应会聚照明消像散。
光纤通信在大数据时代得到广泛的应用, 其速度快、带宽大、可靠性高的特点满足了对长距离、大容量信息传输的要求。前置放大器作为光接收器的前端, 其性能高低直接影响到整个光接收系统的工作性能。基于SMIC 0.13 m CMOS工艺, 设计完成了一款5 Gbps光接收前置放大器。首先, 整体差分式结构可以消除共模噪声的干扰, 降低放大器的等效输入噪声。其次, 采用共源共栅的输入结构具有低输入阻抗的特点, 能有效抑制光电管大电容带来的不利影响。最后, 输出级采用电流模逻辑结构, 解决了输出增益与带宽之间的矛盾。仿真结果表明, 放大器增益达到62 dB, 带宽4.7 GHz;等效输入噪声30.1 pA/Hz, 眼图迹线清晰, 张开度较大, 能够满足5 Gbps平衡光探测器通信要求。
商用化的全光纤电流互感器(FOCT)的误差一般要求小于0.2%, 传感头是决定该类传感器测量准确度的关键因素。论述了FOCT的光路结构、工作原理及研制难点, 分析了传感头对FOCT性能的影响, 并对传感头的设计、制作及封装制作工艺进行了深入研究。通过选择合适的材料和工艺方法, 可避免各种负面效应对FOCT的不利影响, 获得具备优异的环境适应性、可靠性和稳定性的传感头, 试验结果表明, 通过该方法实际制作出的传感头提高了FOCT的性能, 使其满足了0.2 S级测量用电子式电流互感器的准确度要求。
激光器的频率漂移对相位敏感光时域反射计的定位有重要的影响, 其直接导致定位的信噪比下降。提出一种频谱分析结合选取特征频段的定位算法, 在算法中通过选取合适的特征频段, 对影响系统定位的激光器频漂进行误差抑制。特征频段的选取通过实验信噪比的高低决定。通过实验验证, 结果显示该算法提高了系统定位性能并进一步提高了信噪比。
自适应光纤耦合器(AFC)是一种可实现高稳定、高效的空间光至光纤耦合的新型自适应光学器件。研究了AFC阵列作为空间激光通信系统接收光端机的可行性。在不同的大气湍流强度下, 利用SPGD算法, 仿真研究了不同子孔径数AFC阵列的闭环控制过程。研究结果表明, AFC阵列技术可缓解大气湍流影响, 改善光纤耦合效率并提高耦合过程的稳定性;当等效接收口径一定时, 随着阵列子孔径数的增加, 光纤耦合效率及控制算法收敛速率都相应提升。
为了优化无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)中的定位算法, 提高节点定位精度, 提出一种基于多边定位误差的加权质心算法。分析了无线电的路径损耗模型, 建立基于信号接收强度(Received Signal Strength Indicator, RSSI)和距离关系的对数拟合测距公式, 给出了求解未知节点坐标的多边定位法和位置估算模型。多组数据定位后, 以定位误差值的倒数作为权值, 改进传统的质心算法, 并讨论了参考点个数的选取与误差的关系。实验表明: 改进后的加权质心比传统质心定位精度进一步提高, 选择4~5个参考节点具有良好的定位效果。
为了降低激光制导武器系统成本并保证打击精度, 设计了全捷联激光制导寻的器, 并对影响打击精度的关键技术指标测角精度进行了研究。首先对影响测角精度的主要因素增益控制进行了分析, 通过对四通道可变增益放大器进行增益标定和最小二乘拟合得到增益控制曲线, 接着讨论了离散量控制下增益补偿的方法及误差, 仿真计算得到不同配置模式下增益补偿前和补偿后的光斑重心计算误差。对全捷联激光制导寻的器进行激光照射测角试验, 结果表明, 增益补偿后能够消除系统误差约5.6 mrad, 在中心线性视场范围内, 测角精度达到2 mrad。该系统满足某机载轻型空地导弹对激光制导寻的器测角精度的要求, 为精确末制导提供保障。
车载移动式视觉跟踪与测量系统在实际应用中, 快速便捷地进行视觉系统与场地坐标系的全局统一是关键技术。结合视觉系统与现场特点, 阐述了系统标定原理, 给出了视觉跟踪与测量系统相对于场地坐标系转换数学模型。该方法的基本思路是转台视轴分别指向场地坐标系内的两个控制点, 根据两点对应的俯仰角、方位角及距离确定两坐标系的转换关系。仿真分析和实验结果表明: 角度和距离精度分别达到0.03和0.52%。该方法便捷、高效, 对移动式视觉测量系统坐标系快速统一有实用价值。
高精度角度测量装置是保证旋转设备精度和性能的关键, 广泛应用于测量跟踪仪器中, 特别是对于大尺寸坐标测量仪器, 测角相比于测距是制约坐标测量精度的瓶颈。在精密一维轴系平台上, 采用高精度柱面光栅及四个读数头构建测角装置, 对传感器本身、安装及轴系跳动等误差因素对测角精度的影响进行了详细分析。基于角度测量标准器具校准角度测量误差, 对误差数据进行谐波分析。基于遗传算法提出了一种参数优化方法, 建立误差补偿模型, 对测角误差进行了补偿。实验结果显示, 补偿后柱面光栅测角误差减少为0.7, 证明了误差补偿算法的有效性, 显著地提高了角度测量精度。
根据算法的准确性、稳定性和快速性原则, 讨论了Mie散射和Rayleigh散射的数值算法。将Mie散射理论及Rayleigh散射理论的Matlab数值结果与Wiscombe结果对比分析, 证明了此Matlab程序的正确性。在此基础上, 确定了当颗粒粒径参量x0.3时采用Rayleigh散射理论来确定前向某一角度范围内散射光能分布, 从中求得颗粒的粒径大小和分布, 具有比Mie散射理论算法快速性的特点。该方法为某些测试对象(颗粒与分散介质相对折射率、颗粒种类等)确定、微小颗粒的在线测量提供了理论支持。
为了实现星敏感器的地面标定和精度测试, 研制一套具有可变星图背景的高精度星图模拟器, 要求该系统的单星位置精度优于10。采用高精度静态目标标准源作为星图模拟器的核心器件, 配合一种亮度可控照明系统, 实现星点和背景的同时模拟, 并设计准直光学系统, 使模拟星图与背景成平行光出射, 在星敏感器出瞳处产生星图, 完成背景可控、星点位置精度高的星图模拟。最后, 提出提高星点位置模拟精度的方法, 并利用经纬仪实测星点位置精度, 配合照度计测试背景亮度。从实验结果可知, 该模拟器的星图模拟精度优于10, 背景亮度可实现26倍调整, 可用于高精度星敏感器的地面标定和精度测试。
在探月工程中, 为了实现基于空间应用光谱仪的多目标光谱探测, 需要设计满足轻小型和高可靠性的二维指向机构。目前, 超声电机作为驱动源, 精密电位计作为一种位置传感器, 因其自身的优良性能正逐步应用于精密仪器和定位技术中。基于此, 设计了由超声电机、精密电位计和扫描镜组成的二维指向机构, 并以一维指向模型为工程样机, 通过设计闭环控制电路和指向控制机制进行功能测试, 验证了该机构空间应用的可行性。为了测量精度, 搭建实验室测试平台, 并进行多次指向试验, 通过对测试结果进行分析, 提出提高指向精度的方案。
大口径平面镜作为光学系统的重要组成部分, 其面形精度对系统成像具有重要影响。子孔径拼接检测作为大口径光学平面反射镜检测的常用手段, 子孔径拼接算法是该技术的核心。研究了平面子孔径拼接算法, 基于最大似然估计与正交化Zernike多项式拟合建立了一套合理的拼接算法与数学模型, 基于该算法模型可以有效实现对大口径平面镜的拼接检测, 同时编写了相应的拼接程序, 并利用100 mm干涉仪对120 mm的平面镜进行了拼接检测, 给出了拼接检测与全口径检测的对比结果, 对比结果表明: 拼接所得全孔径相位分布与全口径检测结果的RMS值偏差分别为0.002, 验证了算法的可靠性与准确性。
针对遗传算法容易陷入局部最优和蚁群算法初始信息素匮乏的缺点, 提出将遗传和蚁群融合算法应用于中继卫星系统的资源调度问题。通过改进蚁群算法信息素的定义, 利用基于时间窗口序号编码思想, 给出中继卫星资源调度约束条件与目标函数并建立数学模型。仿真分析了融合算法、标准遗传算法和改进蚁群算法的优化特性, 结果表明融合算法是解决中继卫星调度问题的有效方法。
冻害是造成中国农业生产重大损失的气象灾害之一, 对国内粮食安全生产造成严重威胁。利用图像处理技术提取冻害前后小麦的覆盖度特征, 用高光谱技术研究冻害前后小麦的光谱变化特征并确定遥感诊断的敏感波段。研究结果表明: 可见光波段的绿、红光可用于诊断冻害胁迫, 尤其在绿峰与红谷位置表现明显;近红外波段是判断冻害胁迫的敏感区间。综上, 光谱分析结合图像处理技术用于田间小麦冻害特征区间提取是可行的。
乌达矿区的煤火自燃造成了严重的环境、经济和安全灾害, 对该地区的土地覆被变化研究有助于评估煤火灾害的影响程度和范围, 而Landsat8 卫星影像为煤火区的土地覆被分类探测与研究提供了可能。依据乌达地区的地形、地貌和地表辐射特征划分5个子区域, 基于通用单决策树模型, 利用光谱特征分析、高程、坡度和热红外信息对每个子区域分别构建5种不同参数的决策树模型。相比通用单决策树模型以及其他4种普通分类方法, 因减少了土地覆被的混淆度, 多子区决策树模型土地覆被分类的整体精度和Kappa系数更高, 分别达到87.63%和0.86, 尤其是建筑物和煤灰的分类精度有较为明显的提升。
相对位姿估计是机器人视觉领域的研究热点。通过两帧数据来估计相机的六自由度位姿变换。充分挖掘TOF相机优势, 提出了多个有效算法, 用以保证估计精度。采用迭代最近点(ICP)算法估计位姿变换, 为了克服ICP算法迭代发散问题, 利用尺度不变特征点对估计初始值。为了提取有效特征点, 根据统计学原理尺度化灰度图像, 提高图像对比度。为了提高相机的测量精度, 根据曝光时间越长, 测量精度越高的原理, 提出了融合多帧数据算法, 使得融合后的数据帧中每个像素值均是在最长合理曝光时间下采集得到。同时提出了度量两个六自由度位姿变换差异的算法, 并首次利用其跟踪ICP迭代过程。实验证明提出的算法可以有效估计相机六自由度位姿变换。
