第1章光電繫統及其設計概要

1.1光電繫統的界定與基本組成及設計

1.1.1光電繫統界定

1.1.2光電繫統基本組成及示例

1.1.3設計概說

1.2光電繫統的分類與發展及應用

1.2.1光電繫統的分類

1.2.2光電繫統的發展

1.2.3光電繫統的應用

1.3光電繫統的發展基礎與制約因素

1.3.1光電繫統的發展基礎

1.3.2光電技術及繫統發展的主要制約因素 

1.4光電繫統設計思想的轉變

1.5光電繫統設計流程與試制進程

1.5.1光電繫統設計流程及結果

1.5.2光電繫統試制進程

1.6光電產品工程設計控制程序

1.6.1設計輸入控制

1.6.2設計過程控制

1.6.3設計輸出控制

1.6.4“六性”設計控制

1.6.5設計評審控制

1.6.6設計和開發驗證與確認控制

1.6.7實驗控制

1.6.8實施技術狀態管理與技術狀態更改控制

1.6.9設計和開發更改控制

1.6.10技術服務和記錄

1.7光電產品設計圖樣文件技術要求

1.7.1產品圖樣及設計文件的完整性

1.7.2設計文件的內容及要求

1.8光電繫統設計與仿真軟件

第2章目標與環境輻射及其工程計算

2.1光輻射與度量

2.1.1光輻射、紅外輻射及其波段劃分

2.1.2光度量和輻射度量

2.1.3色度量

2.1.4輻射度量、光度量與色度量之間的關繫

2.2黑體及其基本定律

2.2.1黑體與非黑體

2.2.2普朗克定律

2.2.3斯忒藩玻耳茲曼定律

2.2.4維恩位移定律

2.2.5朗伯餘弦定律

2.3輻射源及特性形式分類

2.3.1輻射源分類

2.3.2輻射源特性形式

2.4點源、小面源、朗伯擴展源及成像繫統像平面的輻照度

2.4.1點源、小面源、朗伯擴展源產生的輻照度

2.4.2成像繫統像平面的照度

2.5非規則體的輻射通量計算及目標面積的取法

2.5.1非規則輻射體的輻射通量計算

2.5.2輻射計算中目標面積的取法

2.6目標與環境光學特性的分類及特點

2.6.1空間目標與深空背景

2.6.2空中目標與天空背景

2.6.3地面目標與地物背景

2.6.4海面目標與海洋背景

2.7環境與目標光輻射特性

2.7.1天體背景光輻射特性

2.7.2太陽光輻射特性

2.7.3天空背景光輻射特性

2.7.4海洋背景光輻射特性

2.7.5自然輻射源與目標輻射源

2.8目標輻射的簡化計算程序

第3章輻射大氣透過率的工程理論計算

3.1地球大氣的組成與結構及其輻射吸收作用

3.1.1地球大氣的組成

3.1.2大氣層結構

3.1.3大氣的輻射吸收作用

3.2大氣衰減與透過率

3.3大氣中輻射衰減的物理基礎

3.4大氣透過率數據表

3.5海平面上大氣氣體的分子吸收

3.6不同高度時的分子吸收修正問題

3.6.1吸收本領隨高度而改變所引起的修正

3.6.2分子密度隨高度而改變所引起的修正

3.6.3純吸收時的透過率計算程序

3.7大氣分子與微粒的散射

3.8與氣像條件有關的衰減

3.9平均透過率與積分透過率的計算方法

3.9.1平均透過率的計算方法

3.9.2積分透過率的計算方法

3.10計算示例

3.11幾種大氣輻射傳輸計算軟件應用比較分析

第4章光學材料、光學結構型式與光學設計

4.1光學材料及其分類

4.1.1光學玻璃

4.1.2光學晶體

4.1.3光學塑料

4.1.4光學纖維

4.1.5光學薄膜

4.1.6透明陶瓷

4.2光學繫統結構型式

4.2.1光學繫統結構型式分類

4.2.2傳統折射式光學繫統結構型式

4.2.3傳統反射式光學繫統結構型式

4.2.4傳統折反式光學繫統結構型式

4.2.5現代光學繫統結構型式

4.2.6傳統和現代光學繫統結構型式比較

4.3光學設計及其發展

4.3.1像差概述

4.3.2光學設計概述

4.3.3光學設計的主要過程和基本步驟

4.3.4像差與光學設計過程

4.3.5光學繫統設計技術要求

4.3.6光學設計與計算光學設計的發展概況

4.4光線追跡及像差校正常用方法

4.4.1光線追跡概述

4.4.2像差校正常用方法

4.5從行業角度如何深入光學設計

4.5.1應掌握的光學設計基礎

4.5.2實際設計與工作方法

4.6基於折射衍射混合的機載紅外光學繫統設計示例

4.6.1繫統主要技術指標

4.6.2設計思路

4.6.3設計過程

4.6.4材料選擇

4.6.5公差分析

4.6.6環境適應性分析

4.6.7設計結果及分析

4.6.8結論

第5章光電探測、成像、顯示及電子繫統設計

5.1紫外探測繫統

5.1.1紫外探測繫統的特點

5.1.2紫外探測繫統組成及工作原理

5.1.3總體技術方法分析

5.1.4主要技術性能要求

5.2CCD與CMOS傳感器

5.2.1CCD的基本原理及其主要性能指標

5.2.2CMOS的基本原理及其主要性能指標

5.2.3CCD和CMOS傳感器的比較及發展趨勢

5.2.4CCD在微光電視和紫外成像繫統中的應用

5.3紅外凝視成像繫統

5.3.1紅外凝視成像繫統的組成、工作原理與特性分析

5.3.2紅外熱成像繫統性能評價的常用指標

5.3.3凝視成像繫統的優點

5.3.4IRFPA非均勻性產生的原因及其校正

5.3.5紅外凝視繫統中的微掃描

5.3.6非制冷紅外焦平面探測器

5.3.7短波紅外成像繫統

5.3.8紅外光學繫統抗干擾方法

5.4太赫茲成像繫統

5.4.1太赫茲輻射特性

5.4.2太赫茲成像繫統的組成、工作原理、分類及技術特點

5.4.3太赫茲成像繫統關鍵技術

5.4.4多種成像繫統技術比較

5.4.5太赫茲成像繫統的典型應用

5.5紅外傳感器工程設計示例

5.5.1設計出發點及分析

5.5.2紅外工作波段選取分析

5.5.3繫統總體對紅外傳感器提出的功能及性能指標要求

5.5.4紅外傳感器工作原理與組成

5.5.5紅外探測器件及物鏡光學參數選取

5.6光電顯示繫統

5.6.1光電顯示繫統的基本組成及工作原理

5.6.2光電顯示器件及繫統分類

5.6.3顯示器件主要技術性能要求

5.7計算成像繫統

5.7.1傳統成像和計算成像的原理及其比較

5.7.2計算成像的特點

5.7.3計算成像的分類

5.7.4波陣面編碼成像及設計流程示例

5.8電子繫統設計

5.8.1電子繫統的界定及分類

5.8.2ASIC與EDA

5.8.3一般設計方法

5.8.電路為基礎的設計方法

5.8.5以芯片為基礎的設計方法

5.8.6電子繫統設計常用工具

第6章目標圖像處理、識別及跟蹤

6.1概述

6.1.1目標圖像預處理

6.1.2目標圖像識別

6.1.3弱目標的探測和識別問題

6.1.4跟蹤算法

6.1.5多目標跟蹤

6.1.6硬件實現分析

6.2紫外圖像處理及目標檢測方法

6.2.1數字圖像特點

6.2.2目標成像模型

6.2.3圖像預處理

6.2.4基於單幀圖像復雜背景抑制技術

6.2.5中值平滑濾波及其硬件實現

6.2.6基於單幀圖像目標檢測技術

6.3電視圖像動態多目標自動識別及自適應多波門跟蹤示例

6.3.1自適應動目標提取

6.3.2多目標識別方法

6.3.3自適應波門

6.3.4多波門繫統的捕獲與跟蹤

6.3.5目標選擇跟蹤

6.4自動目標識別

6.4.1ATR算法原理分析

6.4.2ATR算法與處理器結構的匹配

6.4.3ATR繫統中多傳感器的信息融合

6.4.4基於知識的ATR繫統

6.4.5ATR繫統分析

第7章光電繫統軟件開發與設計

7.1軟件開發流程及文檔

7.1.1進程管理的目的和要求

7.1.2開發情況檢查

7.2軟件設計、編碼與測試概說

7.2.1軟件需求分析

7.2.2軟件概要設計

7.2.3軟件詳細設計

7.2.4軟件編碼

7.2.5軟件測試

7.3軟件設計開發控制程序

7.3.1設計和開發的輸入

7.3.2設計和開發的輸出

7.3.3設計和開發的評審

7.3.4設計開發的驗證

7.3.5設計開發的確認

7.3.6設計和開發的更改

7.4嵌入式軟件及其設計

7.4.1嵌入式繫統的概念及特點

7.4.2嵌入式軟件的概念及特點

7.4.3嵌入式軟件的分類

7.4.4嵌入式軟件的體繫結構

7.4.5嵌入式軟件設計流程

7.4.6嵌入式繫統的硬件結構

7.4.7嵌入式繫統的軟件結構

7.4.8嵌入式軟件開發流程

7.4.9嵌入式軟件開發測試

第8章光電伺服控制繫統及其設計

8.1自動控制基礎

8.1.1自動控制的基本概念

8.1.2開環控制方式

8.1.3反饋控制方式

8.1.4復合控制方式（開環控制 閉環控制）

8.1.5自動控制繫統的分類

8.2控制繫統的基本要求與性能指標

8.2.1控制繫統的基本要求

8.2.2控制繫統的性能指標

8.3控制繫統設計的基本問題

8.4控制繫統的設計方法

8.5光電伺服繫統

8.5.1繫統結構組成與分類

8.5.2技術要求

8.5.件

8.5.4負載力矩計算

8.6光電跟蹤控制繫統

8.6.1跟蹤控制繫統主要性能指標提出的依據

8.6.2跟蹤繫統的基本技術問題

8.6.3高精度控制技術

第9章光電繫統結構與工藝及模塊化設計

9.1結構設計與工藝概說

9.1.1結構設計界定及其工作解析

9.1.2工藝界定及其工作解析

9.1.3光電電路設計與結構設計的概念

9.1.4光電產品結構設計與工藝的任務

9.1.5光電產品結構設計與工藝的內容

9.2結構總體設計

9.2.1結構總體布局

9.2.2模塊尺寸及總體尺寸的確定

9.2.3結構形式確定與精度設計

9.2.4光機結構設計與雜散光控制

9.2.5熱設計

9.2.6抗振抗衝擊設計

9.2.7電磁兼容性設計

9.2.8密封性設計

9.3光學鏡頭的結構設計與裝調工藝示例

9.3.1光學冷加工及工藝設計

9.3.2結構設計

9.3.3裝配與調校工藝

9.4模塊化設計

9.4.1模塊

9.4.2模塊特征

9.4.3模塊分類

9.4.4模塊化與標準化的關繫

9.4.5光電裝備模塊化結構體繫

9.5優化設計

9.5.1價值工程設計

9.5.2設計優化

9.5.3計算機輔助設計分析

9.5.4光機熱集成分析

9.5.5環境適應性設計流程與抗惡劣環境優化設計原則

9.6光電繫統結構及工藝設計示例

9.6.1光電繫統結構設計

9.6.2光電繫統結構工藝設計

9.6.3進一步分析

第10章光電繫統作用距離工程理論計算及總體設計

10.1紅外繫統作用距離計算

10.1.1方程一般形式推導

10.1.2背景限制探測器的一般作用距離方程式

10.1.3特殊繫統的作用距離方程式

10.2脈衝激光測距繫統作用距離計算

10.2.1激光測距公式

10.2.2脈衝式激光測距儀測距方程式

10.3電視跟蹤儀作用距離計算

10.3.1電視跟蹤儀作用距離計算(一)

10.3.2電視跟蹤儀作用距離計算(二)

10.3.3電視跟蹤儀作用距離計算(三)

10.4微光電視作用距離計算

10.5光纖通信繫統設計與傳輸距離計算

10.5.1光纖通信繫統設計概述

10.5.2傳輸距離計算（一）

10.5.3傳輸距離計算（二）

10.6光電繫統總體設計與分析

10.6.1光電總體設計的界定與工作內容

10.6.2光電總體設計的主要特點及值得注意的問題

10.6.3總體設計階段及主要成果

10.6.4總體設計方法分析

10.6.5值得進一步重視的總體設計技術

第11章光電繫統“六性”及設計

11.1“六性”的由來及與“六性”有關的概念

11.1.1“六性”的由來

11.1.2與“六性”有關的概念

11.2“六性”的界定及其相互關繫

11.2.1可靠性的界定及與其他“五性”的關繫

11.2.2維修性的界定及與其他“五性”的關繫

11.2.3保障性的界定及與其他“五性”的關繫

11.2.4測試性的界定及與其他“五性”的關繫

11.2.5安全性的界定及與其他“五性”的關繫

11.2.6環境適應性的界定及與其他“五性”的關繫

11.2.7裝備“六性”間的相互關繫

11.3“六性”設計總體原則

11.3.1不同階段設計原則

11.3.2“六性”刪減原則

11.4光電繫統結構“六性”設計

11.4.1結構可靠性設計的具體措施

11.4.2結構維修性設計的具體措施

11.4.3結構保障性設計的具體措施

11.4.4結構測試性設計的具體措施

11.4.5結構安全性設計的具體措施

11.4.6結構設計環境適應性的具體措施

11.4.7裝備研制中的結構“六性”工作

11.5裝備“六性”數據的收集與分析

11.5.1信息收集內容和來源

11.5.2使用信息收集

11.5.3故障信息收集

11.5.4故障信息分析

11.6產品“六性”要求及工作實施

11.6.1總要求

11.6.2“六性”要求所涉及的標準

11.6.3“六性”工作的實施

11.7裝備“六性”工程管理

11.7.1“六性”管理需求及存在的問題

11.7.2“六性”工程管理

參考文獻

光電繫統是由光機型光學儀器演變發展而來的，已逐漸成為涉及光（光學）、機（機械結構）、電（電子）、算（計算機）、軟件、控制等多學科綜合的一體化高新技術復雜大類產品，形成了龐大的光電產業類別、產業體繫和產業鏈條。從軍用領域到民用領域，從微觀到宏觀，從普通型到智能型，從微型、微納光電繫統到大型復雜光電繫統，從海洋、地面使用環境到空中、太空、宇宙使用環境，從X射線波段到太赫茲波段，從視距到超視距，從傳統分辨率到超分辨率，等等，產生並應用於新領域、新需求、新用途、新功能、新技術的光電繫統層出不窮。而光電繫統設計對光電繫統的制造和產品質量形成，有直接、關鍵的作用和影響，並向著成為一門相對獨立的綜合設計分支學科的方向發展，與其他學科將相互促進、相互滲透、相輔相成。光電繫統設計具有綜合性、一體性、工程性和總體優化的特點。
由於既涉及相關多學科、也注重工程技術、更把光電繫統作為一個有機整體設計的應用理論著作，鮮少見到，因此作者20年來一直力圖從光電繫統界定及設計內涵到體繫內容，多角度、多學科研討如何形成這樣一種工程設計應用理論，以促進、加快光電繫統設計學科的形成和發展。
本書從總體技術設計、軍民用途的角度出發，基於光、機、電、算、軟件、控制等方面的綜合一體化技術思路，有針對性地選擇光電繫統及其設計的一些典型基礎和共性內容予以介紹和論述，主要包括： 光電繫統及其設計概要，目標與環境輻射及其工程計算，輻射大氣透過率的工程理論計算，光學材料、結構型式與光學設計，光電探測、成像、顯示及電子繫統設計，目標圖像處理、識別及跟蹤，光電繫統軟件開發與設計，光電伺服控制繫統及設計，光電繫統結構與工藝及模塊化設計，光電繫統作用距離工程理論計算及總體設計，光電繫統“六性”及設計。
光電繫統設計基礎是內容要求不同的光電信息類專業本科生和光學工程專業研究生的一門專業主干學位課程，更是培養學生綜合運用所學知識解決實際工程問題的一門重要課程。作者從嘗試不求面面俱到，但求增厚基礎、拓寬視野、縱橫融合、能力培養、啟發潛能、注重實用的角度，以一些典型光電繫統和有關重要設計基礎內容為著重點，兼顧繫統性和創新性，寫作本書。
作者曾於2010年由科學出版社出版《光電繫統設計基礎》，距今已10年有餘，期間曾多次印刷。隨著相關學科的發展和研究的深入，為了進一步突出設計基礎，這次刪除了“LED及其應用設計”“太陽能光伏發電及其繫統設計”等章節，強化光電繫統主要涉及的光、機、電、算、軟件、控制等方面的基礎性和共性設計內容。相對而言，從橫向看，完善光電繫統多學科性，增補： 機械方面的結構與工藝設計、電方面的信號處理（圖像處理）設計、軟件方面的開發設計、光電繫統通用特性（“六性”）及設計等章節。從縱向看，增加一些基礎寬度（如紫外探測、太赫茲成像、短波紅外成像、圖像處理及目標檢測等）和適當深度（如自適應波門跟蹤、精度設計、光機結構設計與雜散光控制等）。因此，這次出版，不僅有選擇地增加了部分內容的廣度、深度和新度，而且基於工程教育應以工程素養的培養為本質特征，工程科學研究應以工程實踐為來源和歸宿，以及適用的技術就是好的技術的理念，保留或增補了一些在未來一段時期內將仍然適用的內容，對全書進行全面的增補、修訂和完善。在成書過程中還參考了許多文獻資料，在此對這些文獻資料的作者表示衷心的感謝。本書屬於涉及多學科的應用性學術著作，其中有些技術思路、方法反映了作者的觀點和工作感悟，希望其出版能起到拋磚引玉的作用。
值得一提的是，作者於2019年出版的《光電繫統設計——方法、實用技術及應用》（清華大學出版社），主要注重工程應用性、設計參考數據、工程示例深度等，讀者對像傾向於在職工程科技人員，這次出版的《光電繫統設計基礎》，讀者對像傾向於本科高年級學生和研究生。這兩本書既有其內容互補性，也有各自偏重和相對獨立性，形成了姊妹篇。建議讀者依據針對性以及具體情況和需求，在保持體繫內容基礎性和完整性的前提下，對有些可以作為進一步提升的內容有所選擇。
盡管如此，還有許多內容（如非成像光學繫統設計、激光加工繫統設計、激光雷達繫統設計、微納光電繫統設計、紅外遙感繫統設計、光譜儀器設計、光纖傳感繫統設計等），由於篇幅所限，或期望可與本書已有內容舉一反三，或可觸類旁通，或可啟發借鋻等考慮，沒有涉及或簡略帶過，但並不表示這些內容不重要。另外，鋻於作者水平有限和許多技術處於快速發展中，深感難以做到大而全和高而深，書中難免存在不足、疏漏，甚至錯誤之處，有待今後進一步完善，懇請讀者批評指正。
書中部分圖片提供了彩色版，掃描圖片周圍二維碼即可查看。
吳晗平2021年1月