Due to the limit of the pixel size of the charge-coupled device (CCD) or complementary metal oxide semiconductor (CMOS) sensor, the traditional differential algorithm has a limited measuring accuracy by determining the critical an-gle in integral pixel. In this paper, we present a practical algorithm based on the centroid value of the reflective ratio around the critical angle pixel to address the traditional differential algorithm problem of determining the critical angle under sub-pixel in a critical angle refractometer (CAR). When the change of refractive index (RI) of a liquid sample is beyond the sensitivity of the traditional differential algorithm, the RI of the liquid can be obtained by using the cen-troid value of reflectivity around the critical angle pixel. The centroid value is associated with the RI change of the liq-uid in sub-pixel. Demonstrated by both theoretical analyses and experimental results using saline solutions with RI that changes in sub-pixel tested through the reflective CAR, the algorithm is found to be computationally effective and ro-bust to expand the measuring accuracy of the Abbe-type refractometer in sub-pixel.

衍射层析理论揭示了物体的散射场分布与物体的散射势之间存在傅里叶变换关系。基于衍射层析理论,提出一种反演未知折射率的浮游植物及其它弱散射颗粒粒径的方法。利用单波长、大角度范围内的散射光分布信息,通过傅里叶变换得到颗粒散射势的二次投影函数,进而获得颗粒粒径。进行数值仿真实验,并针对不同的测量角度范围、测量角度分辨率进行比较分析,结果表明:本文所开发的粒径反演算法可以通过测量大角度散射光分布,在适度噪声存在的情况下,准确反演与入射光波长相比拟的单个弱散射球形颗粒粒径。这一方法可用于测量未知折射率的浮游植物及其它微小颗粒粒径。

脉冲位置调制是室内可见光通信的主要调制方式之一,它具有功率利用率高,频带利用率好,抗干扰性强的特点。为实现室内大功率白光LED照明通信,在分析PPM的原理基础上提出了一种改进的调制方式,给出了这种PPM符号的结构,并设计了大功率LED的驱动电路。其主要特点是由单片机直接输出帧同步信号加PPM信号,不设置保护时隙,其利用LED不发光的位置信息传输信号。实验结果表明该PPM调制方式能兼顾室内照明和通信功能。

由于水体对激光存在着吸收和散射效应,距离选通水下激光成像系统所获得的图像存在不同程度的劣化问题,具有信噪比低、边缘模糊等特点。为提高图像质量,在分析水下激光成像劣化过程的基础上,研究了水下激光图像的基本噪声特征,并结合点扩展函数和调制传递函数,利用威尔斯小角度近似理论,将盲反卷积方法应用到水下激光图像复原中。在进行盲反卷积图像复原时,比较和讨论了将原始图像和经过降噪处理后的图像分别作为初始输入的处理结果;并对当人为改变调制传递函数和点扩展函数时所得到的图像复原结果进行了研究和讨论。处理结果表明该方法能达到抑制背景噪声、突出目标细节、提高对比度的效果,对水下激光图像增强十分有效。

海水中粒子对光的散射是水下图像模糊的主要原因。点扩展函数能够反映海水中光的空间扩散程度,使用点扩展函数,水下图像能被恢复或增强。提出了一种基于光子图海水点扩展函数的估计方法,该方法通过用光子图求解辐射传输方程,对光场内任意点的辐射强度进行估计。通过与蒙特卡洛仿真点扩展函数的方法相比较,结果表明两者具有较好的一致性。

对水下激光距离选通成像质量与系统增益的关系进行了分析,提出了一种基于图像亮度特性统计的普适性自动增益控制方案。该方案通过设定不同灰度统计阈值,甄别目标图像的亮度特性,并以此作为控制系统增益的主要依据。在对水下大动态范围照度目标或慢速运动目标等进行成像的特殊场合,该方案也具备较强的适用性,能实时反馈控制系统增益,使成像质量优化。

为了实现水下激光距离选通成像系统中激光脉冲与像增强型CCD之间的高精度同步控制，提高图像分辨率，提出了一种基于现场可编程门阵列水下激光成像系统的同步控制器。控制器利用现场可编程门阵列的高集成度和灵活性，用锁相环作为全局时钟，用进位链作延时单元，使门控脉冲的延时和门宽精度达亚纳秒级，解决了常规控制电路由于分离元件所带来的延时精度低，不稳定的问题。结果表明,这种同步控制器可解决门控成像系统的精确定时问题，能满足稳定、实时应用的要求。

照射脉冲能量是影响激光雷达水下目标探测的重要因素。结合理论分析和模拟仿真，研究了照射脉冲能量对水下激光雷达探测性能的影响。研究结果表明，在水下特殊环境中，照射脉冲能量的提高有助于对水下目标的探测，但是，当激光雷达的照射能量大于一定阈值时，由于水体后向散射光的影响，会导致光电转换器件的饱和，从而降低光电转换器件的灵敏度，进而导致在照射能量增大的时候，目标的有效回波信号的波动。

对不同浓度气泡幕水下激光雷达的后向散射特性进行了理论分析和实验研究。实验结果表明：由于水中气泡群后向散射的原因，在水下激光雷达整体后向散射信号的回波曲线上，除了水体后向散射导致的信号峰以外，还出现因气泡散射而导致的散射峰，该散射峰叠加在水体的后向散射信号峰上，其位置与水中气泡幕的位置直接相关，而其幅值则受气泡幕的浓度影响。随着气泡幕浓度的增大，其后向散射峰幅值相应增大，这一点与理论分析结果一致，而回波峰值的变化趋势则主要受水体质量的影响。

为了研究激光在高斯镜平凸非稳腔中的模式和相位特征，在SIEGMAN分析多元件非稳腔的理论基础上，采用有限元数值方法计算耦合输出镜镜面反射率为高斯分布的圆镜平凸非稳腔本征模场分布。将光场在腔内一次往返的ABCD系数代入惠更斯－基尔霍夫衍射积分方程，可以写出光场往返一次的衍射积分方程。将镜面分割成若干个等宽圆环，把衍射积分方程转化成矩阵相乘形式，经过数值计算，得到理想空腔和非共轴空腔优先起振的光场本征模式分布结果与相位特性。计算结果表明，当合适选择输出镜半径与高斯反射率分布，可以得到光斑半径为0．3cm的基模高斯光束输出，此计算结果与实验结果相符。同时也讨论了耦合输出镜对光束质量的影响。