光学显微镜的技术革新将极大地改变生物系统的研究方式。虽然荧光显微成像是目前细胞成像的首选方法, 但在“组学”时代, 荧光探针分子量过大且通常不能应用于 5种颜色以上的标记和成像, 其应用受到极大的限制。因此提出了两种化学成像策略。首先, 设计了一种适于探测生物小分子动力学的活细胞生物正交化学成像平台。该方案将新兴的受激拉曼散射显微镜与微小的拉曼探针(例如炔烃、腈和包括 2H和 13C的稳定同位素)结合, 并应用在众多生物医学研究中, 如脂肪酸代谢和毒性、葡萄糖摄取和代谢、药物传输、脑内蛋白质合成、DNA复制、蛋白质降解、RNA合成和肿瘤代谢等。其次, 发明了一种超多路复用光学成像技术。开发了电子预共振受激拉曼散射(EPR-SRS)显微镜, 实现了优良的振动选择性, 具有高的通用性和灵敏度。化学上, 创建了由独特的新型染料组成的振动调色板, 结合共轭和同位素编辑的三键, 在拉曼频谱寂默窗口具有良好和单一的拉曼峰。目前可标记 24种不同的颜色, 并具有进一步扩展的巨大潜力。使用这种方法, 监测了培养神经元和脑组织中的 DNA及蛋白质的代谢。这种超复用光学成像方法有望促进复杂生物系统中相互作用关系的解开, 并且可以在光子学和生物技术中找到更广泛的应用。

为探究塑料镜片在高湿环境下透过率下降和高温环境下容易发生膜裂现象的原因, 选取 Ti3O5、SiO2作为高、低折射率材料, 使用 TFCalc进行膜系设计及优化, 采用电子束蒸发工艺得到 420~880nm、平均反射率 R 1%的减反射膜。测试结果表明: 四种工艺参数下镀膜后的塑料镜片在 85℃、85RH的环境下 24h后, 透过率下降小于 1%; 在 120℃的环境下 24h后, 2#和 4#镜头出现了膜裂现象。增加膜层的聚集密度可以有效提升塑料镜片的防水性能和抗高温性能。

微纳光纤是一种直径接近或小于传输光波长的波导, 由物理拉伸方法制得, 具有表面光滑、直径均匀性好、机械性能高、强光场约束、强倏逝场、表面场增强效应及反常波导色散等特性, 在光通信、激光、传感检测、非线性光学、量子光学等领域具有重要的应用前景。主要介绍了微纳光纤在传感器、调制器和激光器等方面的应用, 以及微纳光纤的未来发展趋势。

针对在成像领域如何通过低成本方式获取高分辨率图像这一问题, 提出一种基于物方扫描后利用多帧低分辨率图像重构的方式获取高分辨率图像的方法。利用获取多帧互有微小位移的序列图像, 对四种配准方法: 最大互信息法、SIFT特征匹配法、SURF特征匹配法及 Keren亚像元级图像法进行分析比较, 最终选用 Keren配准算法对序列图像进行亚像元级图像配准。对配准整像素后相互之间只具有亚像元级位移的多帧低分辨率序列图像进行插值重构, 获取一幅高分辨率图像。仿真实验结果表明, Keren配准算法的配准误差小于 0.1个像素, 通过低分辨图像插值重构获得的图像保存了丰富的细节信息, 有效地提高了图像的分辨率。

经典的红外图像动态范围压缩算法存在低动态范围时增强噪声, 高动态范围时压低背景亮度以及由此带来的视频闪烁等问题, 其场景适应性较差。提出了一种场景自适应的红外图像动态范围压缩算法。首先统计原始图像的最小值、均值和最大值, 然后计算一套自适应参数集, 最后使用自适应参数分别对均值两侧的像素按照特定的规则进行灰度映射, 得到结果图像。实验结果表明, 当原始图像的动态范围产生剧烈变化时, 使用所设计的算法对经典的动态范围压缩算法改造后, 能得到观感舒适层次分明的红外图像, 较原始算法具有较大的效果提升。

复杂云背景下的红外弱小目标检测是红外探测设备中亟待解决的难点问题。该问题的关键在于红外弱小目标与云杂波的区分。用于区分红外弱小目标与云杂波的传统特征和图像灰度绝对值紧密相关, 严重受到场景变化的影响, 无法有效适应复杂云背景下的红外弱小目标检测。为了高效地区分红外弱小目标和云杂波, 提出了一种图像特征组合, 包含局部对比特征和分割形态特征。该特征组合综合了两类特征的优势, 充分表达了红外弱小目标和云杂波在灰度对比差异和形态的区别。实验结果表明所提出的图像特征组合在当前实验样本条件下的分类正确率比传统特征高约 12%, 能高效地区分红外弱小目标和云杂波。

以海上目标的红外、可见光图像为数据源, 针对海上目标尺度多样、数据源多波段信息丰富的特点, 基于 YOLOv3原型网络架构, 根据 FPN原理将 4倍降采样获取的第 11层底层特征图与第 103层深层特征图进行融合, 实现对网络尺度的扩展, 并通过 K-means聚类算法得到更为精细化尺度下的先验框; 同时将红外、可见光图像根据目标特点按比例进行组合, 形成图像源的物理层融合, 进而构建混合数据集进行多波段协同模型训练。实验结果表明, S4-YOLO网络模型其识别的准确率高于 YOLOv3、YOLOv3-Tiny模型, 可以很好地适应海上多尺度目标的识别需求。

目前通过卷积神经网络(CNN)进行监督式学习已经在计算机视觉领域得到了广泛应用, 而采用 CNN的无监督学习则受到的关注较少。针对这一问题, 利用深度卷积生成对抗网络(DCGAN)的方法, 该网络由卷积神经网络构成, 通过生成对抗网络对现有的人脸数据集进行数据训练, 生成对抗网络学习了生成器和判别器中对图像局部特征到整体场景的表示层次, 输出由各人脸特征组合而成的新人脸数据。通过在各种图像数据集上进行训练, 弥补图像数据的不足, 实现提高识别准确率的目的, 表明该方法在无监督学习上的实用性。

针对舰载光电侦察设备中业务数据到指控席间传输距离远, 易受干扰等问题和保密性要求, 设计了一种基于赛灵思 Aritx-7系列 FPGA的 GTP收发器的光纤传输系统。实现了 1路 HD-SDI接口可见光高清视频、1路 CameraLink接口红外视频和 1路 RS422接口光电操控指令数据通过一根光纤传输。发送部分设计了状态机, 通过分时复用, 实现并行数据转串行发送; 接收部分, 利用 DDR3和 FIFO缓存, 实现了业务数据从光纤通道到原视频接口和 RS422接口的还原。实验结果表明, 该传输系统可以满足视频和操控指令信息的远距离传输, 视频清晰, 操控灵敏。对其他业务数据的传输具备一定的参考价值。

跨介质水下对空成像在光线穿透海空界面时受到波浪影响, 会给成像带来离焦、模糊、畸变等不利因素。当波浪存在正向斜率时, 会在一定程度上提升水下对空成像的纵向分辨率, 从而可提升目标探测概率。通过理论分析和仿真方法量化正向斜率波浪导致空气中目标入射角变化的情况, 并分析由此对目标纵向分辨率拉伸程度, 通过实验验证了理论的可行性, 为后期水下光学系统的设计及像质评价提供了依据。

随着新概念**及信息化弹药的研制进展, 海上射击试验对弹着点的测量精度要求逐渐提高, 针对该现状提出了基于海上模拟靶区利用无人机摄录, 完成对弹着点的精确测量。通过对计算过程分析, 并对弹着点分布对弹着定位精度的影响进行仿真计算, 结果表明测量精度在 100m范围内可满足优于 5m的需求, 证明了测量原理的可行性, 对海上弹着点测量方案设计具有指导意义。

空间信息、光谱信息和偏振信息的同步获取将获得更多易于区分目标的特征信息。针对传统光谱偏振成像技术需要动态调制、光通量低、光谱分辨率有限和解算复杂等问题, 提出了一种基于光纤传像束和像元级偏振探测器的成像新模式, 将光纤成像光谱技术和像元级偏振信息快速提取技术结合, 以快照式方式同步获取目标的二维空间信息、一维光谱信息和四个角度的偏振信息。结合系统模型, 搭建了实验装置, 获取了 430~630nm(光谱分辨率约 1nm)的 200个谱段 4个角度的光谱偏振图像, 以及每个谱段的偏振度和偏振角。验证了该系统的光谱偏振成像数据同步获取能力, 技术原理正确可行, 未来将在天文观测、大气探测和目标识别等领域具有较高的应用价值。

针对传统激光多普勒测速仪测量距离短的问题, 提出采用双透镜类望远系统的光学结构对高斯光束进行变换的方案, 阐述了激光多普勒测速的基本原理和高斯光束变换的具体方法, 设计并研制了一种便携式十米级激光多普勒测速系统。理论分析与路边测试实验表明: 这种十米级激光多普勒测速系统具有便携可移动的特点, 工作距离为 6~14m, 测量精度优于测量值的 0.2%, 可以获得所经过车辆的行进速度。将这种便携式十米级激光多普勒测速系统用于高速公路移动式超速检测是切实可行的。

针对大变倍比红外连续变焦镜头齐焦性问题, 通过采用特定的数据结构, 以在线标定方式, 拟合出变倍镜头的双向补偿曲线。并通过改变环境温度、双线插值法, 将拟合曲线扩展成二维网表并存入 FLASH中。依据标定网表, 齐焦性补偿基于预处理算法、双环控制算法及脉动控制算法能快速、准确实现补偿电机驱动控制, 解决大变倍比连续变焦红外镜头齐焦性问题。同时通过增加灰度梯度校验, 还能有效弥补目标距离小于最小成像距离时的补偿不足问题。

采用离子束溅射技术在反射率大于99.999 7%、中心波长（λ）为635 nm 的35 层高反波堆表面镀制2M（光学厚度为λ/2）的Al2O3 低损耗薄膜。测量分析样品制备不同阶段的表面均方根粗糙度、反射率，通过理论分析，计算得出了2MAl2O3 薄膜的光学吸收。研究分析了氧气流量对Al2O3 薄膜吸收、表面均方根粗糙度的影响。结果显示，氧气流量对Al2O3 薄膜的表面均方根粗糙度影响较小，表面均方根粗糙度优于0.15 nm；随着氧气流量增加，2MAl2O3 薄膜的吸收先减小，达到最小极值后再增加；采用优化后的工艺，可以稳定地获得消光系数优于5×10-6 的Al2O3 薄膜。对进一步降低Al2O3 薄膜的弱吸收和扩展Al2O3 薄膜的应用有指导意义。

激光诱导损伤阈值(Laser-InducedDamageThreshold, LIDT)是衡量薄膜光学元件抗激光作用能力的重要指标, 其大小受脉冲激光各种输出参数、激光作用方式、薄膜材料及制备方式以及损伤识别方法等诸多因素的影响。以 K9玻璃为基底, 采用离子束辅助热蒸发沉积方法, 分别制备了二氧化硅、二氧化铪和二氧化钛三种单层薄膜样片, 实验在自主研制的多波长激光损伤阈值测试仪上进行, 以 1-on-1测量方式, 分别用波长为 1064nm和 532nm的脉冲激光对三种材料的损伤阈值进行了测试, 分析了不同波长下的损伤阈值影响规律。对不同厚度的三种薄膜材料在不同脉冲激光波长作用下的损伤阈值及其变化规律进行了实验研究。测试结果表明: 三种薄膜在固定膜厚或膜厚有变化时, 其损伤阈值都随激光波长的减小而降低, 测试结论与理论预期相吻合。不同波长对介质薄膜损伤的影响规律, 对薄膜制备及其损伤识别具有指导意义。