为了实现对热液甲烷浓度、温度和压强信息的实时、长期探测, 提出一种新颖的光学被动成像干涉系统(Optical Passive Imaging Interference System, OPIIS), 并建立了该系统的正演模型和反演模型。首先利用IDL语言建立了包括深海气体辐射模型、海水传输模型和仪器响应模型的OPIIS正演模型, 并模拟其正演干涉图。正演干涉图信噪比总体处于50~70, 浓度探测灵敏度为0.1 mmol/L, 温度灵敏度为2 K, 压强灵敏度为0.1 MPa。其次采用成像干涉技术结合偏最小二乘法的方法进行OPIIS数据的精确、快速反演。利用25个建模样本建立了甲烷多因变量PLS回归模型, 并利用25个预测样本对回归模型进行交叉检验。该最优回归模型的浓度预测最大误差为1.9%, 温度预测最大误差为0.38%, 压强预测最大误差为1.0%。

针对水下无线激光通信系统中对准困难的问题, 提出了一种分集阵列式光学接收天线, 在光学设计软件Zemax中分别设计出了复合光学接收天线和分集阵列式光学接收天线的光学结构, 分析了复合光学接收天线和分集阵列式光学接收天线的视场角、聚光效率以及光源移动范围, 并且通过实验和Matlab仿真给出两种光学接收天线的聚光效率随光源径向移动范围和光源入射角的关系, 结果表明: 当光源尺寸10 mm时, 复合光学接收天线的聚光效率是0.06%, 接收视场角是±6°, 光源径向移动范围是±6 mm; 分集阵列式光学接收天线的聚光效率是0.06%, 接收视场角是±16°, 光源径向移动范围是±22 mm。因此分集阵列式光学接收天线更适用于水下激光通信系统。

水体可溶性有机物(也叫黄色物质, CDOM), 直接影响水体光学特性和遥感光谱特征, 在水体生态系统、光学遥感、海洋碳循环中都发挥重要的作用。针对现有水体黄色物质(CDOM)常规测量需要对水样进行过滤等耗时耗力预处理过程, 研制了一种水体黄色物质快速测量的可用于实验室及野外分析的激光诱导荧光仪, 该仪器集成了405 nm 激光激发、高光谱接收和特征荧光光谱解析技术, 使得激光雷达能够从各种成分的叠加信号中分离和确认出特定组分。此外, 在实验室测量和分析了温度对于CDOM荧光光谱的影响, 并提出了一种荧光数据的温度校正算法。该仪器在中国东海2013年4月的测量结果与常规仪器测量结果具有显著的相关性(R2=0.83), 揭示了激光诱导荧光技术在CDOM实时监测上的应用潜力。

国内正处于实施21世纪海洋“丝绸之路”战略部署的关键时期, 发展海洋光学技术是支撑国家中长期发展战略的重要方向。海洋激光遥感技术是海洋光学的重要研究领域之一。激光雷达作为近年来快速发展的新型主动遥感技术, 由于其具有高精度及高时空分辨率的优点, 已在海洋激光遥感领域得到广泛的应用。文中基于布里渊散射激光雷达和海洋成像激光雷达介绍了海洋激光遥感技术的研究进展, 以及我国在水体参数测量、水下目标探测和海洋地形地貌的激光遥感中的应用。

对超细型DFB光纤激光水听器探头封装进行了研究。通过有限元方法建立了封装结构理论模型, 探讨了影响超细型光纤激光水听器频率响应与灵敏度起伏之间的因素, 在灵敏度、频响一致性等指标间找到了平衡点。最后, 制作了光纤激光水听器, 直径6 mm, 长度55 mm, 灵敏度-130 dB, 100 Hz~2 kHz灵敏度响应起伏4 dB, 通过测试验证了理论分析和仿真的符合性。

水下超视距三角形距离能量相关三维成像是一种新型的快速非扫描三维成像技术, 可填补水下摄像机(空间分辨率高但作用距离近、无三维信息)与水下声呐(作用距离远但空间分辨率低)间的技术空白。介绍了水下距离能量相关三维成像国内外研究进展, 并重点介绍中国科学院半导体研究所在水下成像方面开展的三角形距离能量相关三维成像的研究工作, 提出了一种融合多脉冲延时积分的三角形距离能量相关三维成像, 梳理了多脉冲延时积分景深调节技术下的典型时域工作参数, 研制的水下激光选通三维成像系统“绿瞳”、“凤眼”和“龙睛”可实现探测距离大于4.8 AL的超视距百万像素三维成像, 已用于渔网等微小目标探测、海洋生物原位探测、水下光学详查等应用中。