在高灵敏度红外弱小目标探测中,例如目标的红外辐射探测、红外谱探测等,所面对的场景是,背景的红外辐射比目标辐射大很多,因此有效地扣除背景,是该项目必须解决的关键技术之一。为此,在系统中采用振镜(VM)进行背景实时扣除的方案。振镜在系统中另外两个作用分别为:调制目标信号,并提供参考信号便于后续信号处理系统对目标信号的提取;使得目标产生交变输出信号,通过傅里叶变换产生基波和二次谐波,控制系统利用基波和二次谐波的相位关系实现系统的红外精密跟踪。因此振镜是整个大系统工作模式的基础,是核心中的核心。振镜性能要求的增长,不仅仅在频率提高方面带来了很大难度,还对高频振镜的动态特性研究提出了迫切需求。因为高频振镜在振动时才发挥调制作用,高频振镜的动态面形以及其他动态特性将对系统光路的成像质量、光学调制效果等光学性能产生直接影响,进而直接影响大系统的性能。然而目前对动态面形等动态特性不得而知,并且高频振镜的动态面形测量未见有相关研究公开发表,是一个需要攻克的难题。因此,对高频谐振扫描反射镜的动态特性进行研究有重要的实际意义和应用价值。本课题正是以高频振镜及其动态特性,特别是动态面形的测量技术为导向,对现有测量方法进行了深入研究分析,并充分利用干涉测量的高精度实时性等优势,通过对相关关键技术的创新实现了高频振镜的动态面形测量系统,并获得了动态面形及其它动态特性,主要工作如下:首先,针对大口径高频振镜的需求,提出一种双扭杆结构双动磁谐振驱动振镜(DDVM)技术。提出了完整的包括自由振动模型和受激振动模型的数学模型,依据模型给出了获得高频率及大振幅的条件。基于DDVM模型进行了振镜设计及仿真与研制,通过实验测量,在镜面光学口径Φ40×56情况下,光学扫描范围OSA达到了0.58°,振动频率达到了3033Hz。实验测得的频率与仿真结果以及根据数学模型解析计算结果相比误差小于2.1%,验证了DDVM数学模型以及仿真分析的正确性。通过实验测量的增益曲线,得出了DDVM的带宽,从而获得了VM系统的最大增益系数、阻尼系数、进而获得了DDVM的准确微分方程和结构传递函数。然后,确立基于干涉测量的技术路线,提出了一种产生多场干涉(MFI)的技术,给出了脉冲激光产生MFI的约束条件。与传统的同时产生一条干涉条纹的方法相比,提出的方法可以在同一帧图像中同时采集到三幅干涉图样,解决了传统干涉方法采用相位移动采集时间序列图像进行干涉测量的实时性差难以进行动态测量的问题,并搭建了MFI干涉测量光路,通过实验获得了MFI干涉图样。此外,该方法与传统方法的不同之处在于,使用脉冲激光而非连续激光,实现了单帧采集单脉冲MFI干涉图样。该方法不仅适用于脉冲激光器还适用于连续激光器。该技术为测量VM的动态面形提供了基础。之后,对产生的MFI干涉图样进行了被测表面面形波像差的解包算法研究。深入调研了扫描法中的三干涉图法和条纹扫描法,变换法中的单干涉图法及小波变换法等经典的解包算法。结合MFI干涉图样自身的特点,提出一种基于图像相关的最优化相位差解包算法,能够解算MFI干涉图样对应的代表面形信息的相位分布,从而获得被测表面面形对应的波像差。通过实验,验证了算法的有效性,相位差最优化数值解经过有限次迭代可以得到,算法快速稳定。经过统计解算出的波像差RMS重复误差小于λ/2000,本算法解包的波像差对图像的时间噪声以及激光光源的不稳定性的影响不敏感,并且波像差对相位差的精度不敏感。此外,针对VM振动时,捕捉携带动态面形信息的MFI干涉图样的技术进行了研究。结合VM的数学模型给出的动态特性,提出一种长曝光短脉冲同步锁相(LSPL)技术,位置同步信号在VM振动相位、激光脉冲和相机曝光动作之间形成几十纳秒精度的锁相关系。相对于高速投影摄像技术采用昂贵的高频相机采集动态图像的不同之处在于,本文的方法采用商用相机以10FPS的低帧频采集到了3033Hz振动的面形干涉图样。与传统干涉方法相比,该方法能够实现振动时的动态面形测量,而传统的干涉方法对于VM的动态测量无能为力。在以上关键技术的研究基础之上,分别开展了各关键环节的数据采集与分析及验证实验。建立了动态面形测量系统,利用相位解算方法对采集到MFI干涉图样进行运算,获得了动态面形。形成了高频振镜从数学模型到设计仿真与研制,以及动态面形及其它动态特性测量的完整的技术路线。