本文介绍了天津大学在光纤传感技术研究领域的最新进展。主要为:基于白光干涉实现了非本征光纤法珀和FBG 并行解调,法珀腔长测量误差0.81 μm,FBG 波长测量误差14 pm;基于光纤有源内腔结构实现了乙炔气体传感,灵敏度优于100 ppm;基于保偏光纤实现了分布式传感,灵敏度可达6 cm;基于边缘滤波器开发了光纤光栅解调仪,波长分辨力可达1.2 pm,扫描速率超过200 kHz;采用全光纤OCT 技术实现了牙齿模型的二维、三维扫描;实现了光纤陀螺光纤环的温度、振动等动态特性检测。

利用多极法对包层空气孔为正六边形对称结构光子晶体光纤的模式场进行了分析,计算出不同波长下基模的有效折射率,结合使用模式耦合理论和传输矩阵法对基于光子晶体光纤的布拉格光栅特性进行了计算和仿真,对比了常规单模光纤所成光栅与相同光栅周期的光子晶体光纤布拉格光栅反射谱及时延特性之间的差异。在此基础上,对光纤光栅的切趾特性进行了研究,选择不同的切趾函数,得出最佳切趾函数下光栅传输谱。理论计算和仿真结果表明,随波长增加,基模有效折射率下降,光栅谐振波长出现蓝移,采用啁啾化处理后,10 cm 长光子晶体光纤光栅可以提供1 200 ps 以上的线性时延。

对于某些虹膜成像装置,同一个虹膜不同次成像的虹膜纹理可能会发生偏移,这种偏移有可能导致虹膜特征编码的偏移,从而直接影响虹膜的特征匹配结果。本文通过对归一化虹膜图像中导致虹膜纹理偏移的影响因素进行了分析,发现这种偏移是有规律的,并针对这种变化规律,提出了一种特征编码分段移位匹配的方法。实验结果表明,本文所提出的方法能够显著降低同一个虹膜不同次成像纹理偏移的特征匹配相异度。

针对视频序列中的人脸轮廓跟踪问题,提出了一种将改进水平集方法引入到粒子滤波框架中的轮廓跟踪算法。此算法使用零水平集函数对人脸轮廓进行表示,通过水平集函数的演化对人脸轮廓进行逼近。为了解决人脸遮挡问题,将形状先验加入到演化过程中来约束曲线的演化。算法在粒子滤波的框架下可以同时跟踪人脸区域的仿射运动和人脸轮廓的形变。实验结果表明,所提出的方法可以对人脸轮廓进行精确的跟踪,并对外界的光照变化,背景干扰,人脸部分遮挡有较强的鲁棒性。

针对Gabor 滤波器在数据截断时存在频谱泄露而使滤波通道边缘模糊的现象,本文利用适应性强且性能灵活可调的Kaiser 函数,构造具有频率和方向选择性、且边缘清晰的Kaiser 滤波通道,提取虹膜频率特征。通过对提取的特征进行幅值分段分析,发现虹膜特征存在一个“有效特征阈值”L,幅值高于L 的特征能够有效识别虹膜,而幅值低于L 的特征为不相关噪声。采用噪声抑制优化,对噪声特征设置“相位无效码”,可以优化海明距离,提高同类虹膜的正确匹配率。实验表明:与Gabor 滤波方法相比,本文基于Kaiser 滤波的优化方法将虹膜的正确识别率由98.6%提高到99.9%,而且在错误接受率(EAR)为0 的情况下,具有更低的错误拒绝率(ERR)。

虹膜定位算法是虹膜识别的关键步骤之一,定位的速度和准确度是衡量虹膜定位算法优越性的标准。本文根据瞳孔区域独特的灰度特征提出了一种快速虹膜定位算法,即先粗定位瞳孔区域,再利用形态学和几何学方法精确定位瞳孔,最后利用微分积分算子在瞳孔定位后分割的区域内进行外圆定位,对中科院虹膜库Version 1.0 中的756 幅图像进行定位,准确率达到98.80%,平均定位时间为1.5 s,比直接应用Hough 变换定位虹膜在速度上有了很大提高。

静态目标模拟器专用于飞行器视觉空间定位相机的标定,在模拟环境中为相机提供准确的模拟目标,而目标靶作为目标模拟器的核心组件其精度决定了相机的标定水平。构建目标靶标定环境下的理论模型,通过对目标靶Z 向变形量h 与两点位置精度Δδ'ij 的几何关系推导,确定了满足相机标定精度的h 值。以计算结果为目标参数,应用Ansys 软件对目标靶进行结构优化,并给出了最优结果,最后采用优化参数再建模得到了目标靶标定条件下h=5.5 μm 小于理论值14 μm,验证了对目标靶结构优化的正确性。

提出一种基于三重编码的图像式一维条码快速识别算法。首先采用最大类间方差法对图像进行二值化分割,将条码从背景中分离出来。对分离出的条码图像实施倾斜校正,然后通过分析二值图像的竖直方向投影特性,建立三重编码,依次为0-1 码、类行程码和条空码(条空码根据条码类型进行编码)。最后由条空码进行查表和校验。识别过程能够对噪声、不齐、缺损和污染等缺陷进行有效处理。应用结果表明,该算法正确识别率达到99%以上,执行时间仅5 ms 左右。

本文提出了一种利用纯相位型液晶空间光调制器(LC-SLM)实现相息图三维显示的方法。该方法以LC-SLM为显示器件,通过相息图的衍射进行三维像的重构。详细研究了相息图的计算及其与LC-SLM 参数间的关系,并对再现像像质进行了讨论。为提高显示的空间分辨率,采用分时复用技术,对三维物体进行分组取样,并计算每一分组的相息图,形成分组相息图序列,再现时依次将相息图输入到LC-SLM,利用人眼的视觉残留效应以达到连续扫描三维成像的目的。实验结果表明,该方法实现了三维物体的再现,为三维显示提供了一种有效的方法。

针对在冲击炮轰等快变化过程的傅里叶变换轮廓术测量中,CCD 的拍摄速度低于物体的运动速度导致对动态条纹的时间采样不足,提出了采用双频正弦光栅进行测量的三维轮廓术,以傅里叶轮廓术为基础,利用低频光栅条纹图的截断相位做标记条纹,跟踪锁定高频光栅条纹图的同一级次条纹,利用高频光栅的变形条纹进行动态破裂物体的三维面形重建,有效的解决了在快变化动态过程的三维测量中因时间采样不足和条纹断裂带来的问题,正确的获得了物体的面形分布。计算机模拟实验和对瓷砖破裂过程的实际测量验证了此种方法的正确性。

研究了基于平行激光幕大面积弹着点坐标测试方法。以半导体激光线发生器为光源,用长焦距消球差的柱面菲涅耳透镜形成平行激光幕单元,通过多个平行激光幕单元的无缝拼接可形成大面积靶面。由于平行激光幕单元内沿宽度方向通量密度呈高斯分布,一定直径的弹丸通过光幕的不同横向位置时探测器获取信号不同,因此可根据信号的幅值来细分平行激光幕单元宽度范围内弹着点的位置。通过口径为7.62 mm 的实弹射击试验验证了细分方法的可行性。结果表明了该系统有足够的灵敏度能获取小目标的过靶信号;在10 m 长靶面的试验系统中测量坐标值与弹孔测量坐标值差值的标准差为5.16 mm。

针对轮胎图像高噪声的特点,本文提出一种轮胎规格号的提取方法。首先,采用最小二乘法拟合迭代圆心,取得圆心位置,采用极坐标变换、双线性插值拉伸对轮胎图像进行预处理;随后,采用灰度加窗变换方法,降低图像维度,构造锯齿波;最后,利用锯齿波参数获取规格号字符。实验结果表明:该方法能够有效的提取轮胎规格号。

根据某型推扫式航侦相机的工作原理,利用共线方程,以坐标系旋转代替姿态变化,得出像移与姿态扰动和成像倾角的解析表达式。并在此基础上结合工作参数对成像倾角和姿态扰动共同作用下的像移进行仿真,分析其结果知当成像倾角在0.13 rad 范围内变化时,像移与成像倾角无关,与姿态扰动量成线性关系;当成像倾角超过这个范围时,像移与成像倾角之间存在非线性,但整体趋势仍然是随着各扰动量的增加而增加。这为同类相机及像移补偿装置的设计提供理论依据。

针对光学时域反射测量的信噪比受到光子计数的量子起伏的影响,本文提出了光子计数调制技术应用于1.55μm 单光子探测光时域反射测量系统,该方法根据相干光场量子涨落的噪声功率在频域上具有均匀分布的特性,采用光子计数调制与锁相放大器解调的方法抑制了量子起伏。实验结果表明,通过改变锁相放大器的积分时间设置滤波带宽,改善了光子计数的信噪比。与光子计数直接测量的结果相比,光子计数调制的光学时域反射测量的信噪改善比达到28.3 dB。

本文分析了离焦量对微透镜列阵成像光刻图形质量的影响,给出了系统离焦量的容差。同时提出了一种结构简单、可应用于微透镜列阵成像光刻系统调焦的新方法。并将基于该调焦方法的实验装置应用于微透镜列阵成像光刻系统,进行了光刻实验。实验表明,利用该方法对微透镜列阵成像光刻系统调焦,可得到接近微透镜列阵极限像质的光刻图形。

采用图像衬度、信噪比、分辨率和探测器抽样数作为X 射线同轴相衬成像质量的综合评价标准,针对具有广泛应用意义的台阶模糊边分布特征的物体,提出了参数优化方法并建立了优化流程。通过数值模拟的方式分别对具有广泛代表性的亚微米焦点源、激光驱动微米焦点源及同步辐射源3 种X 射线源下成像系统的相关参数进行了优化。结果表明,基于优化方法的优化流程很好地完成了3 种X 射线源的同轴相衬成像参数优化。可见,这种优化方法具有广泛的应用意义,在根据具体情况对方法进行简单修正的基础上,可以完成任意X 射线源下对具有台阶模糊边分布特征物体的同轴相衬成像优化工作。

激光回波脉冲展宽是影响机载激光扫描仪性能的重要因素之一,本文给出了脉冲展宽与扫描角度和航高之间的关系;分析了回波功率由于脉冲展宽所导致的衰减;研究了脉冲展宽对系统信噪比和测量精度的影响;给出了机载平台所允许的最大飞行高度与系统参数之间的关系。计算表明随扫描角度的增加,脉冲展宽自航带中心逐渐增大,回波功率和信噪比随扫描角度的增加急剧衰减;在航带不同位置,测距精度不同,在航带中心最高,在航带边缘最低。

本文对Cr4+:YAG 被动调Q Nd:YAG 陶瓷激光器的输出特性进行了理论和实验研究。在相同泵浦功率和不同输出耦合透过率条件下,实验测量了被动调Q 陶瓷激光器的输出激光重复频率、平均输出功率以及单脉冲能量,并与理论计算结果进行了比较。研究结果表明,随着输出耦合透过率的增加,输出激光重复频率单调减小,而平均输出功率及单脉冲能量则呈现出先增加后减小的变化趋势,只是平均输出功率及单脉冲能量所对应的最佳输出耦合透过率会有所不同。

航空相机的光学系统决定相机的外形尺寸,针对一个25 倍航空变焦镜头的光学设计指标要求,进行小型化设计。为缩短筒长,采用负组补偿偏离物像交换变焦结构,缩短变倍补偿系统各组元焦距,增加前固定组和变倍组间距的设计方案,通过解初级像差方程求得初始结构,依据像差理论,利用ZEMAX 自动设计软件进行像差校正平衡。设计结果表明,该系统可以实现20～500 mm 的连续变焦,筒长只有198 mm,中心视场传递函数值大于0.4,0.7 视场传递函数值大于0.2。

在直接检测光正交频分复用(DD-OFDM)系统中,同相/正交相(IQ)不平衡造成严重的性能下降。我们搭建了两个分别实现双边带(DSB)和单边带(SSB)调制的背靠背DD-OFDM 系统,并依据差错向量幅度(EVM)和符号差错率(SER)分析比较了上述两系统对IQ 不平衡的容忍度。结果表明,在背靠背情形下,DSB 系统比SSB 系统对IQ不平衡的容忍度要大。我们还搭建了两个传输距离均为40 km 的DD-OFDM 系统,分别实现了DSB 信号和SSB信号的传输,同样依据EVM 和SER 分析比较了这两个系统对IQ 不平衡的容忍度。结果表明,在传输距离为40 km的情况下,SSB 调制比DSB 调制更能增强DD-OFDM 系统在传输信号时对IQ 不平衡的容忍度。

文中以经典的三闭环伺服系统为研究对象,较为详细的论述了测流噪声、测速噪声、测位噪声以及力矩扰动噪声对跟踪精度的影响;推导了四种随机噪声与跟踪精度之间的传递函数;通过对传递函数的变换,得出了系统带宽及校正环节与随机噪声关系,为传感器选择、测量数据处理和校正环节的参数整定提供了参考;给出了随机噪声服从高斯分布情况下的仿真实验,针对随机噪声与跟踪精度的幅频特性,提出了一种分段线性化计算平均衰减倍数的方法。通过这种方法计算了四种随机噪声对跟踪精度的量化影响,并与仿真结果进行了比较,结果表明,这种分段线性化方法是正确可行的。最后,给出了四种噪声同时作用于伺服系统时的计算结果和仿真实验结果,得出了同样的结论。

为分析CCD 传感器噪声对遥感影像无损压缩的影响,选取ISO/IEC 标准图像和UK-DMC 多光谱影像作为测试图像,根据CCD 传感器噪声模型,在测试图像上添加CCD 传感器模拟噪声,采用JPEG2000-Lossless 无损压缩算法对不同污染程度的噪声图像进行压缩处理,并对不同污染程度的噪声影像无损压缩比进行比较分析。而后,在多光谱遥感影像上添加模拟的混合噪声,分析CCD 噪声对星地间数据传输效率的影响。实验结果表明,CCD 传感器噪声对所获取影像的污染会降低遥感影像的无损压缩比和星地间数据传输效率,以泊松噪声为模型的散粒噪声与读出噪声对影像无损压缩的影响最大,以高斯噪声为模型的热噪声与暗电流噪声的影响次之,由于CCD 器件工艺问题引发的脉冲噪声对无损压缩的影响最小。

在分析Gabor 滤波器进行图像纹理特征提取的基础上,提出了利用多尺度和多方向Gabor 滤波系数的高阶矩提取图像特征进行CBIR 的方法,利用滤波系数的方差给出了基于Gabor 滤波组提取的图像纹理特征的平滑度和纹理一致性算法,并采用四个尺度和六个方向的滤波系数的能量、方差、峰态、平滑度和一致性组成了CBIR特征向量。采用Brodatz 纹理库和Corel 图像库中的典型图像进行了对比实验。实验证明,提出的方法比传统的Gabor 滤波进行CBIR 具有更高的查准率。

目前红外与可见光图像直接融合存在红外目标取舍和场景信息提取困难,结合非采样Contourlet 的多尺度、多方向性和平移不变性的优点,本文提出了一种基于非采样Contourlet 变换(NSCT)的红外与可见光图像融合方法。首先对源图像进行分解,然后低频子带通过构造基于区域的特征像素能量,进行加权融合,高频子带直接选用方差取大法融合。使用该算法进行了融合实验,并给出了融合质量评价。实验结果表明,本文提出的基于NSCT 的图像融合算法在保留图像细节信息、增加信息量方面都有显著地提高。

彩色图像在数字图像设备之间的传输和复制过程中,为保证其色彩还原的准确性和一致性,必须实施色彩管理,而色彩管理的核心技术之一就是对数字图像设备进行色度特征化。在研究了数字图像设备色度特征化的原理和方法的基础上,基于多项式回归法,建立了数字图像的设备色度值RGB 与CIE 标准颜色空间色度值CIE Lab之间的非线性关系;并通过Matlab 软件编程,设计一种数字图像设备色度特征化的快速建模软件。实验结果表明,应用该软件可实现设备色度值RGB 与标准颜色空间色度值CIE Lab 的快速精确转换。

本文针对图像检索中常见的旋转、反转问题,提出了一种基于半变异函数及Hu 不变矩的SAR 图像检索算法。用不同方向、不同步长的半变异函数值描述图像的空间连续性,计算各方向的加权半变异函数值,并以此确定空间连续主方向来调整半变异函数值的方向排列,使其具有旋转、反转不变性。引入12 个Hu 不变矩,结合排序后的半变异函数值作为SAR 图像的特征向量,特征向量归一化后用堪培拉距离作为相似性度量函数。采用旋转、反转后不同场景的SAR 图像进行实验,并与基于多尺度分析的检索算法对比,结果证明了本文方法的有效性。

用高温熔融退火法制备了组分为Bi2O3-B2O3-SiO2 掺铒铋酸盐玻璃,测试分析了铋酸盐玻璃中铒离子的光谱特性,着重研究了975 nm 脉冲泵浦光激励下1.5 μm 波段荧光的动态响应。研究表明,对应脉冲泵浦光上下边沿,铒离子荧光存在着一个上升和下降响应过程,响应速率取决于4I13/2 能级Er3+离子荧光寿命。随着B2O3 组分含量的提高,玻璃中OH 基引起的能量传递导致Er3+离子荧光寿命相应减小,荧光响应随之相应加快。