二维相关光谱(2D-COS)是将动态光谱扩展到两个维度, 包含同谱与异谱, 具有扩展分离重叠峰、 判断不同组分变化顺序等特征。 2D-COS异谱将两种不同类型的光谱整合成为一种光谱, 研究不同波段之间的相关性, 辨析组分变化的两种光谱的互补关系。 应用同步荧光(SFS)、 傅里叶变换红外(FTIR)与2D-COS方法, 研究乌梁素海水体中DOM组成结构特征, 分析DOM组分及官能团之间的协变性, 揭示其空间分异规律。 水体中DOM由CO, C—H, N—H, C—O等官能团构成, 主要包含类蛋白质 (PLF)、 微生物类腐殖质(MHLF)、 类富里酸(FLF)和类胡敏酸(HLF)等组分, 其中MHLF为主要组分。 水体中荧光物质、 PLF以及MHLF的相对丰度由大到小顺序均为北部>南部>中部。 FLF相对丰度由大到小的顺序是南部>北部>中部, 而HLF相对丰度较稳定。 SFS的2D-COS分析表明: 北部水体中PLF变动较大, 变动顺序为PLF→MHLF； 中部水体中MHLF变动较大, 其与PLF变动趋势相反, 变动顺序为PLF→MHLF； 南部水体中FLF变化较大, 变动顺序为PLF→FLF→MHLF。 FTIR的2D-COS分析表明: 北部水体中C—O变动较大, 与C—H, CO变动趋势相同, 变化顺序为C—O→C—H→CO； 中部水体中C—O变动较大, 与N—H, CO变动趋势相同, 变动顺序为C—O→N—H→C—H→CO； 南部水体中C—O变动较大, 与N—H, CO变动趋势相同, 变动顺序为C—O→C—H→CO。 SFS与FTIR的2D-COS异谱相关分析表明: 北部水体中PLF与C—O的变化趋势相同, 中部水体中C—O, N—H, CO与MHLF变化趋势相同, 而与PLF的变化趋势相反, 南部水体中C—O, C—H, N—H, CO与FLF变化趋势相同。

本文通过对常见的双级双程双泵浦光源进行实验研究, 分析了两级掺铒光纤的长度以及两级泵浦的功率对光源输出光谱的功率大小、平坦度和平均波长的影响。根据实验分析结果, 当EDF1和EDF2的长度分别为9 m和38 m, 一级泵浦功率为65 mW, 二级泵浦功率为115 mW时, 光源输出功率为16.89 mW, 平均波长为1 566.389 nm, 1 536 nm-1 605 nm波段范围内光谱的不平坦度<±2 dB。

利用掺镱双包层光纤, 建立了一套全光纤结构超荧光光纤光源的实验系统。研究了在正向泵浦情况下, 单程双向输出超荧光光源的特性, 并讨论了不同长度掺镱光纤对超荧光光源性能的影响。实验结果表明, 反向输出超荧光光源具有更高的效率和更宽的带宽。当增益光纤长度较短时, 其激光振荡阈值更高, 可产生更高的输出功率; 而当增益光纤长度增加后, 虽然最大输出功率下降, 但其能产生更宽的输出光谱。

对常见的单级、双级以及三级结构的C+L 波段掺铒光纤ASE光源进行实验研究, 对比它们的性能并分析各自的优缺点。结果表明, 单级和双级结构的C+L 波段掺铒光纤ASE光源C波段和L波段光谱很难实现最佳匹配, 导致平坦度不理想。虽然三级双泵浦结构光源结构较前两种较复杂, 但通过优化光源参数可以使输出光谱具有更好的平坦度, 从而更好地满足分布式光纤光栅传感系统、长距离光纤通信系统、光纤陀螺以及光谱测试等应用场合的要求。

针对快速重建三维人脸的需求,设计了一种基于非Lambert从明暗恢复形状(NLSFS)方法的三维人脸快速重建系统。首先人脸表面采用非Lambert反射模型描述其反射特性,这更接近于人脸表面实际的反射特性;接着由遵循正交投影的摄像机获取光源作用下的人脸表面图像,同时假定摄像机方向与光源方向保持一致,建立人脸表面的图像辐照度方程;然后将该方程转化为包含人脸表面深度信息的Eikonal方程;最后根据上述方程的特点,利用fast marching方法设计了系统软件,能够快速求得Eikonal方程的解,进而重建出人脸的三维形状。实验结果表明,该系统可以在较短的时间内获得较高的重建精度,即0.9 s内可达到0.43%的高度平均相对误差。

在利用单幅影像的明暗恢复形状(Shape From Shading, SFS)三维重构算法的基础上, 提出同时考虑外界辐射源和目标自身红外辐射的IR-SFS(infrared-SFS)算法。首先通过分析SFS算法原理和空间目标的红外成像特性, 建立IR-SFS辐射方程并进行了仿真研究, 然后利用温度场估计获得红外差值图, 在人工合成的理想半球体、半圆柱体卫星红外影像上进行算法测试, 并以美国STS107真实红外影像作为实验目标进行三维重建。实验结果表明, 所提出IR-SFS算法经过参数优化后, 与原SFS算法相比, 重建模型的峰值信噪比更高, 对STS107顶部舱门、尾翼、机舱、机舱内方形部件具有更佳显示度, 整体效果得到明显改善。

针对高精度光纤陀螺对光源稳定性的需求, 提出了一种以32位数字信号处理器TMS320F2812为核心的掺铒超荧光光纤光源(SFS)的数字化温控方案。以该光纤光源(SFS)为研究对象, 分析了现有的光源温度控制技术的优缺点; 在模拟控制方案的基础上, 提出了"数字恒流源+数字温控"的方案。研究了热电制冷器(TEC)的工作特性、SFS泵浦源的内部结构和传热机理, 建立了SFS光源管芯温控系统的数学模型。设计了相应的连续域超前-滞后校正网络, 并进行控制器的离散化处理, 得到了PID数字补偿控制算法。最后, 实验验证了SFS光源的数字化温控系统的温控精度。结果表明, 在20～90 ℃, 系统温控精度优于±0.05 ℃, 满足了光纤陀螺低功耗、小型化等要求。

针对含高光表面三维形状重构的需求,设计了一种基于从明暗恢复形状(SFS)方法的三维重构系统。在正交投影条件下由CCD相机获取点光源照射下的物体表面图像,使用Ward反射模型描述含高光表面的反射特性,建立物体表面图像辐照度方程。系统软件将该方程转化为包含物体高度信息的H-J偏微分方程,并计算此偏微分方程的解,得到物体的高度函数,进而恢复出物体的表面形状。实验表明,该系统可以有效地重构含高光表面的三维形状。

从明暗恢复形状(SFS)是计算机视觉中三维重构问题的关键技术之一,其原理是利用单幅图像的明暗变化来恢复物体表面的三维形状,应用领域十分广泛。介绍了近些年来SFS方法的发展现状,将SFS算法划分为四种类型:演化和偏微分方程(PDE)方法、最优化方法、局部化方法以及线性化方法。同时,分析了各种SFS算法的特点,并对SFS技术的进一步发展趋势进行了展望。