介绍了在利用光学成像现场测量系统对海洋微生物进行分类研究的领域,通过几十年的不懈努力所取得的技术进展及其背后的科学原理。其中一项是进行了数十年的研究工作,主要是利用面激光作为光源照明海水从而观察荧光粒子的分布情况。通过将其安装在一个自由沉降的自主航行器上,观察到了以往通过体叶绿素荧光测量法无法观测的荧光粒子分层所形成的“神秘峰值”。这些荧光粒子层很可能是大型浮游草食生物的食物,是海洋上层生态环境的重要特征。最近Jaffe博士的团队研发了一种水下成像光谱显微镜,利用该设备对通过端口的生物进行成像探测,可以在不改变水体环境的前提下对不同种类的大型、微型浮游生物进行识别。

结合ITU-T G.657光纤标准的修订,将弯曲不敏感光纤的分类及性能区别进行了汇总分析,介绍了G.657光纤波导结构设计和业界采用的制备技术,并将亨通光纤公司所进行的超强抗弯曲光纤的研制方法和开发的G.657B3光纤性能情况作了分析和阐述。测试结果表明,研制的G.657B3光纤各项性能优于ITU-T国际标准,与G.652D光纤熔接损耗典型值0.099 33 dB,具有良好的兼容性。

全息体视图显示技术是三维全息显示技术的研究热点之一,如何改进打印方法是全息体视图显示技术的关键问题。介绍了两步转移全息图法、激光直写打印水平视差全息体视图法和基于全息单元的全视差全息体视图打印法,并分析了这几种打印方法的原理和不足。通过体视图与全息单元的对应关系,设计了一种影响因素少、操作简单的打印方法以减小图像失真。总结了全息体视图的发展动态,指出随着全息记录材料和空间光调制技术的不断发展,它会朝着大尺寸、大视角、实时动态、更高分辨率的方向发展。

在数字全息的再现过程中,需要对大量相位包裹图像进行解包裹处理,因此加快解包裹算法的运行速度是实现数字全息实时成像应用的关键。研究了基于GPU的快速相位解包裹算法。将无权最小二乘解包裹算法的主要计算过程转移到GPU中并行运算,并记录解包裹程序所需的时间。研究结果表明,与CPU独立运算相比,基于GPU的最小二乘解包裹算法运行速度得到了显著地提高,对于尺寸为512 pixels×512 pixels的包裹相位图,解包裹速度提高了10倍。

红外焦平面探测器广泛应用于**和科学探测等领域,由于其探测单元多,信号的输出一般采用读出电路结构,因此,信号的获取与单元型探测器有本质区别。针对32×32元焦平面探测器的信号获取,对相关的软硬件进行了设计与调试,最终完成了包括探测器偏置电路设计、探测器读出时序设计、多通道数据采集和传输于一体的系统集成,成功实现对焦平面探测器干涉信号获取。实验证明采用红外焦平面,通过边积分边读出,先积分后读出的工作模式可以完成对干涉信号的采样,采用16通道并行采样和分时输出,可以实现干涉信号的有效传输和数据存储。

针对传统干涉条纹自动测量方法稳定性差、误差大的缺点,提出了一种摄像法测量迈克尔逊干涉条纹的方法。该方法以摄像头采集图像,选取高速处理器进行图像处理,根据干涉条纹中心区域暗条纹的面积大小呈周期性变化的规律,通过对干涉条纹图像数据分量提取、阈值比较、区域选择、比例计算、方向判断和过程判断等分步分析,识别条纹并计数。实验结果表明,该方法在He-Ne激光波长测量实验中对条纹移动方向识别准确,且通过连续变化100个干涉条纹所测得的波长误差最大为1/‰。

哺乳动物大脑皮层由一群相互联系的脑区构建而成,包含多种环路模块,由此产生了广泛的精神活动。理解皮层结构信息的主要障碍包括细胞类型的多样化、局部和整体连接活动的高度复杂性、动态的回路活动以及由基因组决定的发育装配过程。随着关于基因表达和发育遗传法则知识的增多,通过系统性地靶定细胞类型以及神经祖细胞世系的追踪,使得对皮层回路进行遗传学解析成为可能。战略性地构建一定数目的小鼠驱动品系有利于编制细胞类型信息表,构建皮层细胞图谱,建立现代实验工具。将细胞分辨率和全脑尺度的光电成像技术相结合,可在细胞和细胞类型分辨率水平对海量信息处理机制进行系统性研究。

针对相关测速算法精度不高,实时性较差的问题,提出了一种基于FPGA的空间滤波测速方法。该方法以高速线阵CCD作为光电探测器,采用FPGA实现算法过程,各算法模块设计成并行流水型运算结构。实验结果表明测速系统能够实现优于0.5%的测速精度,1 kHz的输出带宽,可以应用于高精度非接触测速领域。

基于虚拟潜望镜技术的成像探测机理,分析了海面斜率变化和白冠对菲涅耳窗口图像的影响,提出了基于菲涅耳窗口图像破碎环带宽度和白冠像素群出现概率的海况等级解算模型。利用该模型,可通过对菲涅尔窗口图像的数字图像处理完成海况的解算,具有被动、自动等特点。该方法可用于水下载运平台对海况的光电成像隐蔽测量,为虚拟潜望镜技术的应用拓展提供支撑。

基于压电陶瓷(PZT)的逆压电效应实现了光波的移频,测量了不同电压幅值大小和驱动频率时PZT的移频特性。通过控制PZT的微位移驱动,使得光波的光程发生线性变化,从而改变光波的频率。通过光外差检测光路,检测了光波的微小频率变化量。结果表明,驱动频率较小时,能产生相对稳定的移频量;当电压一定时,驱动频率越大,移频量的测量值偏离线性值越大。PZT的驱动电压和频率选择在合适的范围,可以提高PZT的移频性能。

经典旋转矢量算法通过增加算法子样数来提高圆锥补偿精度,但同时会降低系统姿态更新频率,引入更大的圆锥误差,导致无法提高系统姿态解算精度。针对上述问题,结合刚体有限转动的Goodman-Robinson理论,从运动学角度给出了圆锥误差的诠释,提出了流水式旋转矢量姿态更新算法。该算法在保证圆锥补偿精度的同时提高了系统姿态更新频率,减少了由等效旋转矢量算法引入的圆锥误差,最终实现提高系统姿态解算精度的目的。试验结果表明,该算法与现有某型激光惯导所采用的经典四子样旋转矢量算法相比,姿态更新频率提高了4倍,姿态解算精度提高了30%。

为适应水下导航对高精度的要求,以捷联惯性导航系统(SINS)、多普勒计程仪(DVL)和地形匹配系统(TAN)构成的水下航行器(AUV)组合导航系统为研究对象,提出了神经网络滤波技术。按照数学模型进行了仿真试验,位置误差从3″减小至1.5″,结果表明使用传感器和智能卡尔曼滤波器可以使水下组合导航系统的定位精度和自适应能力明显提高。

当传统的天文导航系统应用于大气层内的载体时,在白天条件下极易受到强天空背景辐射影响而饱和,失去星体探测能力,严重影响了天文导航系统全天时导航能力。指出白天测星的本质是要解决测星灵敏度与动态范围之间的矛盾。引用国外在短波红外白天测星技术上的研究结论,结合目前技术发展水平提出采用较为合适的短波红外探测器。分析了短波红外白天测星技术需要解决的几个关键问题,给出了短波红外白天测星技术应用现状及发展方向。

采用新型Epsilon探测器与热不敏红外镜头设计了小型化全自动中波红外光学系统。整体采用开放式框架结构形式,实现体积重量的小型化设计。红外光学系统采用热不敏设计,利用合理的焦距分配与材料搭配,充分消除系统热差,实现了无热化设计。系统采用上电后全自动工作模式,能够自动进行非均匀校正、积分时间调整、灵敏度调整与增益调整,从而能够实现无人操控式工作。光学系统的MTF值在30 lp/mm处均在0.4以上,完全能够满足探测器分辨要求,设计像质优良,结构紧凑,具有良好的适用性。

分析了LED光源应用于舰载搜索灯的巨大优势,对其中的关键技术进行了研究,分别利用CPC和TIR聚光原理对封装后的LED光源进行了二次配光设计,并建立了相应的光学模型,通过对比前后的仿真结果分析了两者的优缺点,为舰载LED搜索灯的应用研究提供了有益的借鉴。

为了研究复变量双曲正弦高斯光束在左手材料中的传输,利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分法,得到复变量双曲正弦高斯光束在左手材料中的传输表达式,并运用此表达式作数值模拟。仿真结果表明,复变量双曲正弦高斯光束的横向光强、光斑尺寸和束腰位置都可以用左手材料的工作频率来调控。当左手材料的工作频率一定时,随着传输距离的增加光斑尺寸先减小后增大;而当工作频率增大时,光强加强,束腰位置越靠近入射面,但发现束腰宽度不受工作频率的调控。

提出了基于光学Tamm态耦合的多通道表面等离激元吸收器。通过在金属-电介质-金属波导中引入光子晶体-金属异质结构设计了单向吸收器。对处于带隙范围内正向入射的电磁波,当满足阻抗匹配时产生光学Tamm态,吸收率高达0.988。表面等离激元波导内光子晶体/金属异质结构的非对称性导致单向阻抗匹配和吸收。当波导中引入多个光子晶体/金属异质结构时,由于多重光学Tamm态耦合产生多个劈裂的吸收峰。吸收峰的频率可以通过改变光学Tamm态之间的耦合强度来调节。所提出的多通道单向表面等离激元吸收器将在光学集成电路及太阳能电池等领域具有潜在的应用。

道岔转换阻力是反映道岔状态的关键参数,针对目前道岔转换力监测方法的不足,依据光纤传感检测的原理,推导了一种增敏型的FBG动作杆检测装置的使用方法,以此建立了道岔转换阻力在线监测系统。在武汉地铁1号线汉口北站搭建了实测平台,测量数据的分析结果表明,传感检测数据能实时地反映道岔动作状态。根据监测的数据,可以有针对性地采取措施,保障道岔状态稳定,确保线路的安全,从而实现轨道交通的科学管理。

采用长短波通膜系组合结构,对膜系光学性能进行了优化设计以及仿真分析。采用电子束蒸发,离子束辅助沉积工艺在Si基底两面分别沉积长短通膜。样品的透过率采用红外光谱仪测试,在3.7~4.2 μm波段范围内平均透过率在80%以上,在3~3.6 μm和4.3~5 μm波段范围内截止,并将理论设计与实验结果进行了对比分析。样品通过了GJB2485-95规定的环境适应性测试。产品满足设计要求,具有工程化应用价值。

从传统光学冷加工的原理出发,分析了传统接触式加工方法中抛光剂与材料去除深度的理论关系,设计了微晶玻璃超光滑抛光过程中的抛光剂选型试验。通过比较基片的表面质量,摸索出适合微晶玻璃超光滑抛光的最佳抛光剂为金刚石微粉,成功加工出了超光滑微晶光学元件,其表面粗糙度达到0.2 nm。

利用MOCVD技术,分别在图形化蓝宝石衬底(PSS)、沉积有AlN薄膜的图形化蓝宝石衬底(PSS-A)和经过选择性刻蚀掉部分AlN的AlN薄膜的图形化蓝宝石衬底(PSS-E)上外延生长GaN。在高倍金相显微镜下面观察了生长的表面形貌,利用AFM测量了外延片表面的粗糙度,对比分析了三种样品(002)面和(102)面XRD的FWHM,然后对三个样品切片,SEM观察了三种样品的剖面图,最终将三种样品衬底的外延片制备成相同产品,对比分析了样品的LED芯片的光电参数。