2014年 第43卷 第8期
设计了一种能够输出超短脉冲作为激光种子源的全光纤掺镱被动锁模光纤激光器，并对其进行了数值仿真。为了得到满足设计要求的超短脉冲，使用了被动锁模技术和色散补偿技术。利用非线性偏振旋转技术实现被动锁模，并在环形腔中引入全固态光子带隙光纤对腔中的正色散进行补偿。通过仿真及优化，获得了脉宽为0.7 ps，能量为0.89 nJ 的脉冲序列。仿真结果表明，使用被动锁模技术和色散补偿技术有利于得到满足作为激光种子源设计要求的超短脉冲。
将880 nm 上能级直接泵浦与部分端面泵浦混合腔结构结合，对Nd：GdVO4 晶体的1 342 nm激光输出特性进行了实验研究。采用正支离轴混合谐振腔，4-bar 中心波长为880 nm 的激光二极管列阵作为泵浦源，在泵浦功率为178W 时，激光输出功率为26.3W，斜效率和光-光转换效率分别为27%和14.8%。在20W 输出功率时非稳腔和稳腔方向的M2因子均为1.3。结果表明：由于采用了上能级直接泵浦与部分端面泵浦混合腔结构，相对于目前同等输出功率级别的端面泵浦Nd：GdVO4 激光器，光束质量得到很大提高。
通过对掺铒光纤激光器极限输出功率的受限因素分析，在考虑非线性效应、热效应、光损伤等因素的情况下，结合掺铒光纤激光器的单模条件，计算得到单模掺铒光纤激光在1 570 nm 工作波段下的极限功率为6.34kW。同时计算了在少模条件下掺铒光纤激光器的极限输出功率为53.39 kW。还分析了单频情况下掺铒光纤激光器的极限输出功率，结果表明：在绝对单频的条件下，掺铒光纤激光器的极限输出功率为245W。并重点对实际中可行的提升输出极限功率的改善方法进行了分析，结果表明：降低纤芯数值孔径以及提升少模光束运转下的光束质量是提升单模条件下掺铒光纤激光器极限输出功率的重要手段。
基于多普勒效应的线性调频激光测速系统的原理是：激光照射到运动目标，引起光束频率发生改变，返回的光束与本振光进行相干混频后得到多普勒频移，进而可以推算出目标的相对运动速度值，但调频的非线性严重影响了测量结果的准确性。仿真分析了调频非线性对测量的影响，调频非线性会使混频后频移产生误差，造成速度测量不准，并且影响速度极性的判断，验证了激光调频线性度对测速有很大影响的结论，并对校正调频非线性提出了可行的方法，完成了调频线性化的矫正，降低了系统测量误差。
理解超短激光与材料的相互作用过程与机理是开展超短激光加工等工程应用的基础。首先引入电子激发项、双光子吸收、俄歇复合项等改进双温，使其较准确地适应于飞秒激光与半导体硅材料的相互作用过程。然后，分析了热损伤效应和非热损伤效应的影响。最后，开展了双脉冲飞秒激光与硅的相互过程研究，并分析了电子密度、晶格温度对于损伤积累效应的影响。理论模型得到单脉冲激光损伤阈值为0.25 J/cm2，此时主要表现为热损伤；当入射能量密度大于0.53 J/cm2 时，主要表现为非热损伤。双脉冲激光作用表明，脉冲间隔不大于100 ns（激光重频10 MHz）表现出明显的热积累效应，并显著降低损伤阈值。此时，第一个脉冲造成的电子密度升高（1026/m3）对损伤的贡献较小；而第一个脉冲引起的晶格温升将导致极高的电子激发以及晶格温升（800 K），对损伤起主要贡献作用。该研究对于激光微加工、激光防护等领域具有参考意义。
激光诱导炽光（Laser Induced Incandescence，LII）技术，由于其具有高的时间和空间分辨率，被认为是一种适合于测试碳烟浓度的技术，也可以用来测试碳烟主小球粒径。在LII 测试过程中，不同激光能量密度对测试精度影响很大，高激光能量密度具有较高的信噪比，但是对于碳烟粒径测试，为了避免升华，应尽量使用低的激光能量密度。具体在利用激光诱导炽光技术推断碳烟粒径的实验中所用的低能量密度为何值，需要结合理论模型分析和实验进行确定。首先基于LII测试过程的数学模型进行了理论分析，然后在乙烯层流扩散火焰的相同位置上，测试得到了不同激光能量密度下的碳烟主小球粒径，分析确定了测试所需的最佳激光能量密度。为进一步测试碳烟的主小球粒径奠定了基础。
海战场复杂电磁环境预测可真实地反映战场电磁环境态势情况，对指挥员的科学决策具有重要意义。针对海战场电磁环境复杂、受自然及人为因素影响多等特点，该文综合考虑海战场辐射源模型及电波传播影响因素，基于电波传播的抛物方程模型，提出了一种海战场电磁环境预测方法，基于该预测方法在给定的海战场电磁环境中进行了仿真。仿真结果表明：预测结果与基于Longle-Rice模型的预测结果十分接近，能够有效地反映海战场特定位置处的电磁环境强度，该系统可为海战场作战指挥、决策提供指导。
在远场将阵列激光的光强进行叠加是获取高功率激光输出的一种有效方法，由于激光在传输过程中会产生波前相位畸变，进而导致远场光强分布不匀滑。基于惠更斯-菲涅耳原理，建立了多束具有随机相位畸变的二维矩形阵列高斯光束非相干合成模型。模拟了光强合成过程远场焦斑的质量变化，计算了远场焦斑RMS和PSD与合成光束数量之间的关系。结果表明：光束非相干合成不仅能够有效提高激光的输出功率，还可以使畸变光束合成后的焦斑分布更加匀滑，提高光束的质量。
利用商用电磁场计算软件CST仿真了线偏振光经过气泡散射后散射强度分布以及其退偏效应的变化，分析了气泡的远场散射理论，并利用频率为563 THz（波长为532 nm）的激光为入射光，在基于时域有限积分法（FDID）的基础上分析了远场散射的影响因素。仿真结果表明：这种新的仿真方法可以精确地分析和反映前向与后向散射的光强分布，以及退偏特性分布，并且这些分布特性会随气泡半径大小、散射角、水体的吸收系数的变化而变化。此结论为后续的研究提供了重要依据。
在远距离弱信号条件下，增益调制激光雷达系统的测距精度受到强背景噪声的严重干扰。为了提高系统的测距精度，从系统基本工作原理出发，对增益图像进行双阈值化处理，得出了测距误差最小的阈值条件；考虑到阈值处理对目标与背景存在错误判断，结合增益调制像的概率分布函数定义了增益像和距离像的错误率函数。选取距离分别为1 930 m和1 940 m的两座建筑物作为目标进行成像实验。实验结果表明：双阈值化处理后，系统的测距偏差减小了58.3%，从而验证了双阈值化处理的可行性。通过对目标与背景实验结果的计算发现，目标距离的错误率存在极小值。
通过ANSYS有限元数值模拟和试验相结合，研究了超声波对BT20钛合金激光沉积修复过程的作用。结果表明，超声波振幅为0.2～0.55 m时，能得到成形质量较好的修复层；当超声波振幅为0.4 m时，超声波对熔池的作用主要表现为超声的机械作用和热作用，而不是超声空化效应；超声的机械作用使得组织的气孔率降低，但是其机械作用不足以克服修复层晶粒外延生长的驱动力，没能阻止柱状晶沿沉积方向的生长；超声的机械作用将晶粒片层组织中的板条打断，而热作用使得熔池凝固速度降低，从而使板条变短变粗。
基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术采用代数迭代算法实现燃烧场温度二维重建。在有限入射光线数目下为获得最佳重建结果，研究了扇形光束和平行光束分布下光线数目、网格数目对温度场重建结果的影响规律。提出虚拟光线方法，通过在相邻光线间增加虚拟光线，减小网格间距以增加网格数目，满足在光线数目较少情况下，实现了较为细致的二维温度场重建。计算结果表明当光线间距与网格间距比在0.6~1范围内时，重建温度场相对均方误差最小。在相同入射光线数目情况下，虚拟光线法可以有效降低重建温度场相对均方误差，提高重建二维温度场精确度。
为提高中远程弹道导弹在飞行中段的突防能力，对导弹在飞行中段受到的威胁来源和目前应用的突防措施进行了分析，指出程序式突防策略的局限和智能化突防策略的优势。通过对陆基中段防御系统及其拦截子系统的工作模式及光谱特征的分析，针对动能拦截弹的特点，创新性地提出了在突防弹头上加装红外告警装置，对拦截弹进行探测和告警，实现智能突防的方法。分析了弹载红外探测告警装置需求的探测谱段、探测视场、探测距离、告警时间等指标。经过分析得出结论：弹载红外告警装置所需的技术指标具备技术可行性。
以航空机载遥感仪器为应用背景，提出了一种模块化焦平面系统，实际完成了最高帧频可达300 fps的大面阵可见近红外焦平面系统的研制。通过机电热一体化设计，提高焦平面技术集成度，避免相互分离造成的信号衰减和易受干扰。同时将先进的高速光纤传输技术引入航空遥感领域，数据率达到1.6 Gbps以上，保证高数据率的同时降低了系统互连的复杂程度，提高了数据传输的抗干扰能力。阐述了系统设计思想及可见近红外CCD探测器工作原理，并对其中的机电热集成设计、高速总线接口、高速光电接口等关键技术进行了详细分析。最终实现高帧频大面阵机载可见近红外焦平面系统的小型化、轻量化及模块化，最高数据率达2.5 Gbps，系统信噪比达到400以上。
为了有效地探测人体内部异常热源信息，基于傅里叶定律和能量守恒定律建立了含球状热源的传热微分方程，通过表面等温线分布求解微分方程，得到表面温度分布与内部异常热源的深度、大小和温度之间的关系，从而建立体表面温度分布与体内球状异常热源之间的球状热源传热模型；采用有限元分析软件COMSOL对该模型进行模拟仿真和数值分析，同时利用红外热像仪采集实体模型的表面温度分布，逆向求解内热源信息。将仿真分析和实际数值分析得到的内部异常热源信息与实际对比，两者所得的结果与实际达到毫米级误差。
建立了带有波瓣混合器、加力燃烧室及中心锥的涡扇发动排气系统流场计算模型和3~5 m波段红外辐射特性仿真模型，并通过发动机地面辐射特性测试对计算模型进行验证。对降低壁面发射率、部件冷却及两种方案结合三种红外辐射抑制方案开展研究。结果表明：降低壁面发射率能抑制除90外所有方向的红外辐射；在0时，发射率每降低0.15，全部涂覆的抑制效果提高约16%；局部涂覆的抑制效果提高约14%；中心锥温度降低300 K，0~15的辐射抑制幅度达44%；喷管扩散段温度每降低25 K，在50方向能产生8%的抑制效果；当两种方案结合时，在0~5能够产生80%的抑制效果。在10~40产生50%的抑制效果。随着探测角进一步增大，固体辐射所占比例下降，抑制效果降低。
危险气体泄漏引发的事故及灾难对人身安全和社会稳定造成巨大威胁，及时有效地检测到气体泄露、定位泄漏源以及评估气体扩散趋势等成为研究人员关注的热点。与目前各种单点气体探测器固定位置并通过气体扩散进行泄漏气体探测不同，基于红外焦平面探测器的红外成像气体泄漏检测技术对可能的泄露点进行成像检测。由于这两种探测器本身的灵敏度差异较大，且工作原理也有所不同，所以如何评价两者的探测效率成为人们关心的问题。因此，基于计算流体力学软件FLUENT对两种探测器在室内空间环境的检测灵敏度进行了模拟分析，比较了两者在实际应用中的优缺点，指出红外焦平面探测器在响应速度和实际检测灵敏度等方面的独特优势，对红外成像气体泄漏检测技术的进一步发展具有推动作用和借鉴意义。
采用建模仿真的方法研究了红外干扰机对四元正交探测器的干扰效能。分析了四元正交探测器导引头的目标识别机理和干扰信号对目标识别的影响，建立了导弹总体仿真模型和干扰机干扰下的调制盘导引头和四元正交探测器导引头的目标识别模型。通过仿真定量地比较了不同压制比和占空比下红外干扰机对两种典型红外制导导弹的干扰效果。仿真结果显示，红外干扰机对四元正交探测器导引头的干扰效果明显不如对调制盘导引头的干扰效果；增大压制比可提高干扰机的干扰效能；当占空比为0.5时，干扰机对四元正交探测器导引头的干扰效能最大。
低信噪比情况对空间点目标的识别仍然是很困难的问题，尤其在区分卫星目标和系留诱饵等干扰时尤为困难。此时系留诱饵与目标具有相同的运动轨迹和相似的外形特性，因而所能利用的差异仅有辐射特性差异。然而提取多光谱辐射差异并不是简单的问题，尤其是辐射会受到探测距离、探测角度的影响。基于目标和诱饵等干扰具有不同辐射强度及辐射变化频率的特点，建立了空间目标等效黑体温度的概念。并相应的设计了等效黑体温度的计算模型，该模型可以有效的减小空间环境的干扰而充分体现目标和诱饵等干扰的辐射差异。然而由于噪声的干扰，此模型会产生计算误差，并且不同的探测波段组合具有不同的误差传递能力。为了使这种噪声引起的误差最小，需要确定最佳的探测波段。通过计算噪声存在情况下，误差随探测波段参数的变化趋势，获得了最佳探测双波段、最佳探测多波段和最佳探测波段数。通过分析仿真实验的结果，使用最佳探测双波段可以减小20%的误差，而最佳探测多波段会进一步的减小20%的误差，这种结果证明了文中研究结论的正确性。
以往对材料内缺陷热波散射问题的研究，多假定孔洞缺陷内无异质且边界条件为绝热的。异质体孔洞缺陷是工程中更为常见的情况。基于非Fourier热传导方程，采用波函数展开法，对含异质球形缺陷的半无限体内部的热波散射与温度分布进行了研究。给出了问题的解析解和数值计算结果。分析了缺陷物理参数和几何参数以及入射波波数等对材料表面温度分布的影响。结果表明：异质体的物理参数和几何参数等对材料表面温度的影响是显著的，主要影响因素包括无量纲导热系数，无量纲热扩散长度，无量纲埋藏深度等。
设计了由硅光电探测器作为反馈元件，采用DSP控制主光源开口处电动可调光阑大小，实现输出光谱辐亮度值连续可调的高精度程控化可见/近红外波段积分球辐射定标装置。经过理论设计和计算，在该装置内放置挡屏，保证了出射口处输出光谱辐亮度值的均匀性。使用PR-655高精度扫描式亮度计测量出该装置的最大输出光谱辐亮度值为23 061 cd/m2；在直径150 mm范围内的光谱辐亮度值的非均匀性为1.04%；输出光谱辐射亮度值的稳定性为0.8%。实验结果表明：该装置完全可以满足可见/近红外光学遥感仪器的地面辐射定标需要，并可实现智能程控化控制，提高了定标测试精度。
为了提高空间相机在力/热双重环境条件下的系统稳定性，同时能够实现系统的轻量化目标，在某型空间相机的研制过程中选用了具有高比刚度和热稳定性的高体份SiC/Al复合材料。采用整体式框架结构，将基于变密度法的连续体结构拓扑优化方法应用到相机框架结构的初始设计中，通过设定相应的约束条件和目标函数，进行迭代求解，得到了相机框架分别在X、Y、Z三个方向重力作用下的结构拓扑优化结果，结合工艺要求，最终确定了空间相机框架的设计方案。通过与对比方案比较发现，经过拓扑优化所得到的框架结构在结构刚度及轻量化率上都有明显提高，实现了空间相机框架高刚度、轻量化的设计目标。
针对目前微型光谱仪器光通量低，不利于微弱信号检测分析的问题，设计了基于哈达玛变换的近红外光谱仪，提出一种互补S矩阵编码调制的方案；通过建立以数字微镜为核心的坐标体系模型，详细推导了互补S矩阵编码调制算法对于能量的增强理论。实验结果表明：S矩阵编码组合测量较逐次扫描测量光能量有了明显增强，但是依然丢失近一半的光谱能量；而互补S矩阵编码方案可以在S矩阵编码调制的基础上，补偿其关状态微镜单元上损失的能量；当光谱信号极其微弱时，逐次扫描方式所测得的光谱信号淹没于噪声信号中，而S矩阵编码与互补S矩阵编码测得的光谱信号依然可辨，并且在噪声抑制方面，互补S矩阵优于S矩阵，与理论分析基本吻合。
为了提高导引头成像传感器视轴在系统参数时变时的稳定度，对基于二阶Adaline网络的位标器自适应逆控制方法进行了研究。先是对位标器的动力学模型和机电模型进行了数学推导与分析，接着通过对Adaline网络学习算法的研究，提出了一种不易受噪声影响的变步长LMS算法用于增强其学习能力。在最后设计的位标器双闭环控制系统中，电流环采用变速PID控制，速度环利用系统输出误差，按改进的二阶Adaline网络算法来实现其自适应逆控制的调节过程。内场实验表明，与PID控制相比，所提出的方法显著提高了位标器系统的控制精度，具有很强的鲁棒稳定性。
针对暗电流低、灵敏度高等优点的新原理量子效应光电探测器，设计和加工了增益可调CTIA读出电路，以获得宽动态范围读出。读出电路芯片与164元量子效应光电探测器集成封装，在室温（300 K）条件下进行读出测试研究。光源采用633 nmHe-Ne激光器，直径50 m光斑聚焦照射。测试结果表明：器件偏压为-0.1 V，激光功率150 pW，积分时间78 s，响应电压55 mV，电压响应率达到3.67 E+08 V/W。根据测试结果，提出了进一步降低暗电流影响的改进测试方案。
采用简单的一步水热法直接在不锈钢基底上制备了不同形貌的SnO2纳米棒阵列。利用X射线衍射（XRD），扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、 分光光度计、场发射装置对材料的结构、形貌、光致发光谱和场发射特性进行了表征。XRD结果表明不锈钢基底上制备的样品为四方晶系金红石结构。SEM和TEM结果表明不同的反应条件下都能够在基底上大面积的垂直生长单晶SnO2纳米棒阵列，但是形貌和尺寸发生了改变（A：针尖状，B：铅笔状）。室温下的光致发光光谱（PL）表明两种样品在367、392、419 nm处分别存在较强的发射峰，并且紫外光峰强与可见光峰强比值较大，说明样品的结晶质量较好。场发射测试结果表明：两种样品的场发射都是通过电子隧道效应进行的，且样品A的场发射性能优于样品B。
离子束加工中从离子源射出的高速离子撞击光学反射镜表面，离子的动能转化成热能以及中和灯丝的热辐射作用，使反射镜温度急剧升高。反射镜温升过快，会导致柔性连接结构胶结部位发生不可逆的非线性变化，并且热膨胀使实际加工位置和理想加工位置发生偏移，增加了加工误差，因此需要对加工过程中产生的热效应进行抑制。提出了通过规划加工路径和增强散热的方法，增强加工过程的散热，控制反射镜的温度。针对600 mm260 mm的某主反射镜，对增强散热前后不同加工路径的离子束加工进行了研究和有限元分析。分析表明：加工路径的选择、增强散热对反射镜的温度分布有较大影响，增强散热前，采用横栅格加工路径，反射镜最高温度为35.8 ℃，对应全口径PV=/5，采用分区纵栅格加工路径，反射镜最高温度则达到52 ℃，PV=/10。增强散热后，不同加工路径离子束加工中，反射镜温度均有所下降，采用横向栅格加工路径反射镜温度最高为28.2 ℃，对应全口径PV=/20，采用分区纵栅格加工路径反射镜温度最高为41 ℃，PV=/7。通过对比，最终采用增强散热的横栅格加工路径的加工方式。对优选的加工路径进行了试验验证，试验结果与仿真结果一致。结果表明：优化加工路径，增强散热措施能够抑制离子束加工的热效应，为离子束加工热效应抑制提供理论基础。
远紫外空间成像设备镜面粗糙度严重影响成像质量，成像质量可用能量集中度来表征。拟用余弦相位调制光栅分析方法定性说明镜面粗糙度RMS对能量集中度的影响；通过傅里叶光学线性系统理论建立了普遍的面传递函数，得到了角度能量和能量集中度的分布情况，并以设计上达到衍射极限的1 216 （1=0.1 nm）远紫外望远镜为对象，在镜面粗糙度RMS值远小于波长的假定情况下，得到了能量集中度与主次镜面粗糙度RMS和面自相关长度的关系，并预测了镜面粗糙度引起的分辨率误差在0.171 5时对镜面加工的要求，即主次镜镜面RMS小于31 ，面自相关宽度大于1波长，这对于实际的加工具有指导意义。
针对主镜口径为400 mm口径的跟踪望远镜的设计要求，提出了一种有效的结构形式。首先确定了望远镜的光学结构形式和系统参数，并将整个系统分成了几个主要组成部分。接着着重确定了主镜室的结构形式，通过优化最佳支撑位置确定了主镜的支撑结构；同时确定了次镜室以及三翼梁的结构。然后运用有限元建模、分析的方法，重点分析了反射镜的面形精度受重力变形和温度变化的影响，进行了整个望远镜系统的刚度分析和温度变化对主次镜间隔的影响。保证了主镜在极限情况下面形RMS 30/，整个系统具有较好的刚度和环境适应性。分析结果表明，反射镜支撑结构以及整个系统的设计均达到了设计要求，可以为类似结构提供一定的指导。
针对瞬态脉动流场光学传输效应的实时仿真问题，提出了基于数字混沌系统的脉动流场成像仿真方法。首先，依据湍流的三重分解理论，将脉动流场分解为拟序场和完全随机场；其次，通过数字混沌系统产生球涡来模拟拟序场，使用光线追迹方法得到拟序场的等效相位差；然后，使用混沌系统产生完全随机场的等效相位差；最后，利用拟序场和完全随机场的等效相位差构建脉动流场的随机相位屏，采用物理光学方法得到脉动流场的点扩展函数（快照图像）；从而获得短（长）曝光图像序列。仿真实验结果表明：该方法得到的结果与风洞实验数据相吻合。通过修改相关参数可以方便地仿真不同条件下的湍流场的光学传输效应，为气动光学效应的测试和校正提供了一种新的方法。
为了给不宜翻转安装、不宜被旋转的航天太阳跟踪产品提供模拟太阳光，提出了调整反射镜姿态的动态太阳光模拟方法，设计并实现了单自由度太阳光模拟系统。系统包括太阳模拟器、运动台、平面反射镜、编码器、光栅尺、电机和控制系统等。系统通过同时调整平面反射镜的水平位移和倾角，将模拟太阳光总是投射到航天太阳跟踪系统中的太阳敏感器处，保证了航天太阳跟踪产品在模拟太阳光照试验中完全自主运动，不被转动或翻转安装，保护了航天产品中的敏感机械组件。系统建立的光照环境贴近真实太阳光照，便于航天太阳跟踪产品调试和测试。试验结果表明，单自由度太阳光模拟系统可满足航天太阳跟踪产品的测试需求，模拟太阳光入射偏差为0.698 4 mm。
针对中波制冷型640512凝视型焦平面探测器，设计了一款长焦距高分辨率中波红外两档变焦光学系统。该系统工作波段为3.7～4.8 m，F数为4.0，长焦距为800 mm，短焦距为400 mm，采用二次成像技术不仅减小了前固定组镜子的口径，而且实现了100%冷光阑匹配。系统采用锗和硅两种红外材料，通过引入非球面来校正轴外像差和高级像差。设计结果表明，系统在33 lp/mm处，短焦距和长焦距的传递函数值均优于0.2，全视场畸变小于0.5％，具有结构紧凑、分辨率高、像质好等优点。
针对傅里叶红外光谱仪系统对动镜支撑机构高精度高带宽的要求，采用平行簧片结构设计了一种动镜柔性支撑机构。首先分析了平行簧片柔性结构的特点，通过理论分析给出了动镜支撑机构的设计依据，采用有限元方法分析了机构的动态响应和静态响应，同时与两杆移动机构进行了对比，结果表明结构的一阶固有频率为244.79 Hz，系统位移为14 mm时产生的垂直于移动方向的寄生位移为0.611 m，最大应力值为131 MPa，性能明显优于两杆移动机构。通过理论分析和有限元分析为该机构的深入研究和实际应用奠定了良好的基础。
采用行间转移型面阵CCD KAI-1020作为图像传感器，以现场可编程门阵列（FPGA）为核心控制器，设计并实现了一个完整的成像系统。FPGA产生驱动时序、控制CCD上电顺序、调节曝光时间，并实现数据缓存。CCD模拟视频信号经过预处理，通过同轴电缆传输到CCD专用视频处理器进行相关双采样和模数转换，以10位像素深度输出到FPGA，数字视频信号经过差分芯片驱动以低压差分信号（LVDS）格式输出到数据采集卡。集成化视频处理电路提高了系统的信噪比，改善了成像质量。实验表明，CCD成像系统工作稳定可靠，像素读出时钟为10 MHz时，帧频为10帧/s。设计的CCD成像系统性能好、可靠性高、实现周期短，具有很强的可扩展性。
振动环境导致光纤陀螺引入较大的扰动。由于非线性因素，陀螺跟踪扰动的能力严重影响着其误差特性，而反馈延迟的存在使得跟踪性能变得更加复杂。因此，分析反馈延迟对于解决陀螺振动问题极其重要。首先，分析了非线性因素作用时不同反馈延迟对陀螺闭环跟踪能力和扰动稳定性的影响；然后在线性控制模型的基础上加入陀螺非线性环节，保证稳定裕度不变，仿真分析了不同反馈延迟下陀螺的跟踪性能以及输出。仿真及实验结果表明，减小反馈延迟，提高系统的跟踪扰动能力，可以减小非线性误差，改善振动环境下陀螺的输出性能。
针对M-Z干涉仪型光纤分布式扰动传感系统输出信号短时频率随外界扰动变化的特征，提出了基于短时频率-时间特性的模式识别算法。采用提取短时过电平率来描述传感信号的短时平均频率-时间特性，并将提取出来的时频特性分段后建立相应的特征元素模型，通过动态规划算法（DTW）筛选出最优特征元素模型，将信号所有最优模型的参数作为信号特征输入到人工神经网络（ANN）进行学习和判决，降低了ANN的训练难度以及对时间的敏感性，提高了系统的环境适应能力。实验结果表明：该方法可以有效区分瞬时作用、长时作用、径向作用和不规则作用等多种不同扰动事件，平均识别速度在0.26 s之内，平均识别准确度在97%以上。
航天器在轨运行过程中，由于内部多种活动部件的存在，会使其结构体产生振幅较小、频率较高的微小角振动，这会影响航天器有效载荷的正常工作。光纤陀螺作为航天器的姿态测量部件，在设计原理上具有高带宽的特点，针对航天器微小角振动的特点，提出采用光纤陀螺测量该振动信息，同时提出采用经验模态分解的方法将光纤陀螺输出信号分解成各个时间尺度上的本征模态函数，再经过Hilbert谱分析方法检测出微小角振动信息。通过星载测试试验对该方法进行了有效性验证，结果表明：采用经验模态分解技术能够实现航天器微小角振动信号的检测，为航天器微小角振动的高精度测量提供了新手段和新方法。
分析了振动条件下导弹捷联惯导系统（SINS）圆锥运动形成的原因，研究了经典圆锥运动补偿算法及其估计算法漂移的局限性。针对经典算法存在的局限性以及导弹等武器系统所处振动环境的特点，对标准圆锥补偿算法进行了优化。提出了振动条件下，在保证不影响导航计算机正常工作的前提下，圆锥运动补偿时有效利用前一周期姿态值的优化算法是有必要的。仿真和试验结果表明，在振动条件下，在进行圆锥运动补偿时应当采用标准优化圆锥运动补偿算法。
自由空间光通信（FSO）系统是一种新型的宽带接入系统，结合了光纤通信与微波通信的优点。但是FSO系统容易受到环境和天气状态的影响，把多输入多输出（MIMO）技术应用于FSO系统中可以有效改善大气对激光波束的影响，提高系统性能。文中主要研究了FSO-MIMO系统的空时译码问题，结合传统的一些译码算法，把Turbo码的迭代译码思想应用于FSO MIMO的空时译码中，分析了一种基于马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）算法的迭代译码方法。
工作在纯惯性状态的捷联惯导系统存在周期性振荡误差，严重制约了系统的导航精度。基于三阶罗经对准网络，结合内水平阻尼网络选取原则，严格按照主导极点配置法要求，提出了一种新的阻尼参数选取方法，在此基础上设计了一种简单且普适性强的双线性变换内水平阻尼离散化算法。动态仿真实验验证了该种参数选取方法的可行性，同时也验证了离散算法的正确性。大量实际静态实验表明：设计的内水平阻尼网络和离散化算法可以有效地阻尼捷联惯导系统的舒勒周期振荡误差，提高系统导航精度。
对微球腔耳语回廊模式下的谐振特性所表现出的光学非线性进行了分析，对直径1 mm的SiO2微球腔的谐振谱线和解调曲线进行了仿真；搭建了微球腔耦合测试系统，得到了微球腔半高全宽值为78.42 MHz、Q值为2.5106的谐振谱线；基于正弦波相位调制技术对谐振谱线进行了同步解调，以减小相位复位脉冲噪声的影响；采用环路锁频技术实现了谐振频率的跟踪和锁定，对锁定精度和锁定时间进行了分析，实验结果为锁定透射谱强度至1%的时间为8 ms，锁定后可测频移分辨率为375 kHz，为微球腔的传感测量提供了实验依据。
针对太赫兹波光学参量效应中增益介质对太赫兹波强烈吸收的特点，提出光学参量效应中泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波三波共线相互作用可以有效放大太赫兹波。以周期极化铌酸锂晶体为例，通过解耦合波方程，在不同的近似条件下分析了前向和后向太赫兹波的放大特性。计算结果表明，在太赫兹波吸收系数远大于太赫兹波增益系数的条件下，泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波三波共线作用可以有效提高太赫兹波功率。分析结果对周期极化铌酸锂晶体光学参量振荡产生太赫兹波的实验研究提供深入和全面的理论基础。
太赫兹辐射极性和幅度依赖于双色场相位。由于等离子体光丝中色散和Gouy相移，导致双色场的相对相位随着激光的传播发生改变。当相位的改变量大于时，丝中的太赫兹电场极性发生反转，使得远场太赫兹辐射在离轴相位匹配角方向相干增强，而光轴前向相消减弱。通过对基频和倍频聚焦条件的调整和传输非线性色散的作用对双色场相对相位进行了调制，提出了可以使相对相位平缓的方法。模型计算证明了等离子体形成和Gouy相移调制是使双色场相移变平缓的原因。随后利用相位变平缓的条件得到了太赫兹发生极性反转的失相长度延长，最大长度近三倍于空气介质中的失相长度。在满足相位变平的条件下，远场太赫兹辐射在光轴前向的分布得到增强。
太赫兹（THz）波提供的通信带宽和容量远大于毫米波。与可见光和红外光相比，THz脉冲的波长较长，在随机介质中传播时，不但会发生时域和空域的形变，介质中的粒子还会对入射波发生散射，这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论，计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数，分析了不同THz波波长下，雾滴粒子消光系数随粒子尺寸的变化。结合雾滴粒子谱分布，考虑粒子群的平均体系散射特性，得到了不同波长下的平均反照率与相函数。最后分析了THz波段信号在不同能见度雾中的传输特性。结果表明：大气环境中，雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视，不同THz信号的水的折射率虚部的变化严重影响了THz信号在雾中的传输。
为提高脉冲激光3D成像系统中提取目标距离和强度信息的精度，对时刻鉴别和峰值保持电路进行了深入研究。在简要分析激光测距体制及探测器选择的基础上，给出了激光3D成像系统结构框图：激光器输出信号经半反半透棱镜，反射光线触发参考APD作为计时起始信号，以提高计时基准。给出了恒定阈值鉴别与恒比定时鉴别相结合的时刻鉴别电路，在提高时刻鉴别精度的同时可有效消除噪声对电路的影响。峰值保持选取基于OPA861的跨导型峰值保持电路。在实验室搭建了回波信号模拟系统，并在此基础上对电路性能进行测试。最后，给出了实验结果。结果显示：时刻鉴别电路精度优于1 ns；当输入窄脉冲峰值信号低于800 mV时，峰值保持电路保持精度优于2.63%。整个结果满足后续实验要求。
大模场面积掺镱双包层光纤的色散特性在高功率超连续谱的产生中具有重要影响。搭建了一套基于马赫-曾德尔干涉仪和超连续谱光源的超宽波段、高精度的色散测量系统。干涉仪的测量臂插入待测光纤，参考臂通过高精度步进电机调节光程。通过此系统，仅使用27.2 cm长的样品对大模场面积掺镱双包层光纤的色散特性进行了精确测量。实验记录了700~1 600 nm范围内不同波长的干涉条纹，计算得到光纤的色散曲线。使用全矢量有限元法对光纤的色散进行了数值模拟，模拟结果与实验结果一致，证明了实验方法与系统的精确性。
太阳光谱辐照度仪是利用棱镜分光技术对太阳直射辐射进行连续光谱测量的新型仪器，为了实现高精度观测要求，开展了基于可调谐激光器的系统级定标方法研究。使用激光导入积分球产生的均匀辐照度场作为定标光源，利用标准辐照度探测器作为传递标准，将低温绝对辐射计的辐射标准传递到太阳光谱辐照度仪。在仪器的870 nm波段进行了定标实验，与标准灯法、Langley法得到的定标系数进行比对，偏差分别为2.84%和4.08%，验证了该方法的可行性。根据不确定度评估规范，这种定标方法的不确定度优于0.882%，可以用于高精度的太阳光谱辐射观测。
详细介绍了自动导星的工作原理，对自动导星的星点检测及跟踪算法进行研究，结合星点能量在星图上分布近似高斯分布的特性，提出一种稳定可靠的目标星点提取算法。算法首先分析了星点目标的阈值判断原则，根据阈值条件确定一定数量的候选星点，然后在候选星点中筛选出最优的目标星点，最后通过高斯曲线拟合的办法求取最优目标星点的质心坐标。该方法提高了目标星点提取的准确性和计算速度，实验结果表明：改进后的算法能够达到良好的效果。
光斑中心定位是光学测量中的关键技术之一，针对小尺寸光斑中心定位算法精度低等问题，提出了一种具有高精度的小尺寸光斑中心两步定位算法。通过寻找一阶导数零交叉点的方法确定光斑中心所在的像素级坐标，然后利用该中心邻域内不饱和点的灰度信息进行高斯拟合计算光斑中心亚像素级坐标。实验结果表明：在无噪声污染光斑图像中，与其他经典算法相比，两步定位算法误差远小于0.05像素，保证了光斑中心的高精度定位，且光斑成像越接近理想高斯分布，精度越高。
为了解决大口径、离轴非球面顶点半径等参数测量不准的问题，提出了一种基于曲面拟合的非球面参数计算方法。建立了测量坐标系下的非球面准确方程，给出了非线性最小二乘拟合的迭代算法。同时提出了采用补偿器端面数据拟合得到光轴指向，通过测量坐标系下的光轴指向给出合适的拟合初值。对实测数据的实验表明，拟合优度的确定系数接近1，均方根误差约为0.002 6 mm，计算结果的顶点半径偏离设计值0.018 8%。该方法可用于非球面检测阶段的参数计算分析，尤其是计算高精度的顶点半径值，为系统光机装调提供有效的数据支持。
在光伏电池板的最大功率跟踪方法中，扰动观察法是最易于实现的方法，但要快速、准确地跟踪，效率不高，而采用从最大功率点附近开始跟踪的模糊控制步长扰动方法就可以改善这种情况。由于现场可编程门阵列具有成本低、设计灵活的特点，以Cyclone II系列的EP2C8Q208C8N控制芯片为核心，采用先按照要求整体设计控制系统框架，再将其分成各个小部分逐个实现它们的功能，最后连接所有经过验证的部分作为整体仿真验证输出结果的思路，可以实现对最大功率快速、有效的跟踪。
车载平台倾斜对光测设备的测角精度影响较大，为了消除这种影响，提出了采用编码器测倾装置测量平台倾斜角度并进行事后修正的方法。首先，分析了光测设备工作时，车载平台倾斜的原因；其次，采用编码器测倾装置测量平台倾斜角度，并将测得的数据传送到控制计算机；最后，根据车载光测设备静止和工作时的不同特点，对存储的数据进行滑动均值滤波处理和滑动加权均值滤波处理，将处理后的数据用于事后测角误差的修正。实验结果表明，将编码器测倾装置测得的数据进行滤波处理后，减小了噪声对倾斜数据的影响，提高了数据的可使用性，为下一步车载光测设备测角误差修正模型的建立奠定了基础。
针对自旋图中欧氏测量存在歧义、形状信息存在丢失的现象，提出一种新的三维物体表面局部形状描述符：测地自旋图（Geodesic-spin-image，GSI）。GSI采用测地距离取代欧氏距离限定局部支持区域；GSI在自旋图的基础上，还引入了3个新的特征，以补偿自旋图在方位角上的信息丢失。这3个特征为：局部支持区域在描述点切平面上投影的长轴长度、短轴长度，以及局部支持区域形心到描述点切平面的距离。基于GSI描述改进了现有自旋图匹配算法，首先基于3个新特征进行粗略匹配，而后基于测地支持区域内的自旋图进行精确匹配，以提高识别效率。仿真实验结果表明：相比于标准自旋图方法，该方法提供的物体局部形状信息更丰富，具有更高的目标分辨能力和匹配识别效率。
特征选择是红外光谱定性与定量分析中的重要环节之一。为了解决传统特征选择方法可调参数多、收敛速度慢、精度低、易早熟等不足，对基本蝙蝠算法进行了离散化改进以适用于离散优化问题，同时结合Lvy飞行搜索策略，提出了一种新型的红外光谱特征选择算法。采用三个红外光谱数据集对提出的算法进行了验证，同时与遗传算法、模拟退火算法、无信息变量消除法等进行了比较分析。实验结果显示，该方法可以快速地搜索到全局最优值，能有效地提高波长选择的准确性和稳定性，被选择的波长物理、化学意义明确，采用选择的特征波段建立的定量模型优于用全谱建立的模型。同时，三个不同相态、不同光谱范围的数据集表明，所提出的算法具有较大的适用范围与实用价值。
为了实现超分辨率图像重建中高精度快速图像配准，提出一种改进BRISK特征的快速图像配准算法。原有BRISK算法在特征提取和匹配过程中，忽视了角点分布信息，其匹配策略单一，导致误匹配率高。针对该问题，首先利用BRISK算法构建连续尺度空间，在此基础上对图像进行分块，然后利用图像区域显著性自适应选择角点检测阈值，获得均匀分布的角点，最后利用快速最近邻FLANN算法结合RANSAC的方法进行二值特征快速匹配。实验结果表明：改进的BRISK算法相比原算法在保持速度的基础上达到亚像素级配准精度，并具有优越的场景适应性能。
对于使用锥束CT分区成像的物体，要得到其完整的三维图像，需要对各分区重建图像进行三维拼接。作为基于特征的三维拼接算法中重要的步骤之一，特征点匹配是要对图像重叠区域中检测到的特征点建立对应关系。针对目前三维SIFT特征匹配算法对于相似特征误匹配率较高的问题，提出基于三维特征点空间关系的三维特征点匹配算法：距离特征集合求交法。该算法使用求取简便的特征点三维距离特征作为特征描述符，避免了扩大特征信息统计范围时巨大的计算消耗问题，然后在匹配过程中设计了距离特征集合求交的相似性度量方法，解决了以往基于空间关系方法中特征矢量各项元素不对应的问题。实验证明：该算法在图像存在大量相似特征的前提下，能够有效提高三维特征点匹配的匹配正确率。
由于红外偏振图像具有灰度分布差别大、特征信息不明显等特点，传统区域或特征的配准算法精度难以满足红外偏振信息解析要求。从图像间相似性出发，以矩阵秩作为图像相似性的度量，提出了一种基于矩阵恢复的红外偏振图像分区配准算法。将一组待配准图像组成变化矩阵，并分解成低秩和稀疏两部分。以低秩变换矩阵核范数与稀疏变换矩阵1范数的和为目标函数，利用增广拉格朗日乘子法求得目标函数值最小时的各区域变换参数，加权平均后得到图像组的配准结果。实验结果表明，该算法配准变换参数误差小于0.02 pixel，且对噪声不敏感。
光电混合实时联合变换相关器能够实现目标的自动识别和定位（方位角和俯仰角），在复杂背景中，多目标动态测量一直是待解决的关键技术之一，由于背景复杂、目标多、噪声大，因而目标识别效果不佳。针对这一问题，提出了在光电混合联合变换相关器中应用高斯滤波和拉普拉斯算子相结合的新方法，并把其应用在目标图像的频谱面。即基于高斯滤波先对目标图像的频谱进行平滑、积分以滤掉噪声，再利用拉普拉斯算子进行边缘检测，使目标图像轮廓清晰，降低了噪声的影响，消除了双边缘现象，最大限度地保留了频谱图像的细节信息。该方法解决了多目标的识别问题，提高了光电联合变换相关器的目标识别率。给出了飞机多目标识别的实验结果。
红外偏振成像探测通过对目标辐射和反射偏振态的探测，针对传统光学无法解决的问题，在目标检测方面取得高精度的结果，特别是在军事探测中，能够快速地将混杂在自然背景下的人造目标检测出来，以增强对目标的识别。偏振探测中所依据的强度、偏振度及偏振角信息反映出的不同物理特性，具有很强的冗余性和互补性。针对该特性，提出一种红外偏振图像的目标检测方法：首先使用Mean-Shift算法对红外图像和偏振度图像进行聚类处理；然后利用DS证据理论将聚类后的红外图像和偏振度图像中的物体信息充分结合，以区分目标与背景，达到目标检测的目的；最后通过仿真实验图像与小波融合图像结果的对比表明该算法的优势。
提出了一种采用加窗傅里叶变换的新型信号处理方法，用于提取基于白光光谱干涉相位型表面等离子体共振系统中的相位信息。首先，详尽阐述了这种提取相位信息算法的基本原理；其次，分析了算法中影响精度的几项主要参数，如窗口宽度、采样频率、阈值等，分析表明，只有选取恰当的参数才能得到理想的探测精度；最后，根据实际算取的光谱相位差值得出实际探测精度为3.89410-7 RIU（折射率单位）。与之相对应的理论探测精度为3.90510-7 RIU。理论精度和实验精度误差为0.28%。可以看出，这种算法具有很高的精度。另外，这种算法还具有简单、易与其他数值分析方法结合的优点。
为了提高多光谱与全色图像融合算法质量，提出了一种采用区域互信息的多光谱与全色图像融合算法。首先将多光谱图像变换至HSV彩色空间，并采用分水岭与区域合并的方法对V分量进行区域分割，得到区域分割映射，欧氏光谱距离作为区域合并的测度。然后采用非下采样Contourlet变换（Nonsubsample Contourlet Transform，NSCT）对多光谱图像V分量和全色图像进行多分辨率分解，将区域分割结果映射至全色图像，通过计算对应区域间的互信息对多分辨率分解系数进行融合，获得融合图像的分解系数，最后通过NSCT反变换实现融合图像重构。图像融合算法对比实验表明，文中融合算法在充分保留了多光谱图像光谱信息的同时，尽可能多地注入了全色图像的细节信息，有效提高了多光谱图像的边缘特征。
大气中微小颗粒（如雾、霾等）的散射作用会使户外场景拍摄的图像发生退化，造成图像质量下降。图像去雾可以提升图像对比度，增加场景能见度，校正颜色失真，改善视觉效果。但是图像去雾经常会出现明显的噪声放大现象，尤其是无穷远处的天空区域最为严重。针对这一问题，提出了一种去雾过程中的噪声抑制方法。以传输率图像为指导，采用滤波半径变化的双边滤波对雾天图像进行模糊。再计算新的传输率图像，代入雾天成像模型，得到去噪后复原图像。结合噪声评价方法，实验结果验证了该方法的噪声抑制效果。
针对可见光和红外图像融合问题，提出一种有效的融合方法。首先，将多尺度分解后的高频系数分为高低两层，并针对各层系数的特点，分别采用基于像素和基于区域特征加权的融合算法合成得到融合图像的高频系数；为了进一步提升融合图像的整体对比度，提高目标的指示能力，提出通过区域平均梯度特征自适应加权的方法得到融合图像的低频系数；最后，对融合的低频和高频系数进行多尺度逆变换得到融合图像。通过主观观察以及客观指标对比证明，该方法的融合性能优于经典的融合方法。
针对显微热图像，提出一种基于傅里叶变换的多分辨率位移估计方法。该方法首先对显微热图像进行小波变换，再将原始图像及小波变换后的各个近似分量生成一个基于灰度的金字塔序列图像，然后基于傅里叶变换位移估计算法分别对金字塔各层序列图像进行位移估计，最后将得到的各层序列图像位移量按照分层权重进行加权平均得到最后的图像序列位移量，实验结果表明：该方法有效地提高了显微热图像微位移估计精度，降低了位移估计的平均误差和方差。
