针对我国红外热像仪、探测仪及惯性约束核聚变工程对红外晶体类光学元件的需求, 开展了单点金刚石精密数控车削加工技术的研究, 分析了单点金刚石精密数控车削加工技术的特点及应用范围、机床整体布局及主体结构型式。介绍了该项技术在国内外的发展现状和趋势, 对该项技术的应用发展前景进行了分析和预测。在消化和引进国外先进制造技术和最新研究成果的基础上, 突破单点金刚石精密数控车削加工的关键制造技术, 解决了我国光学非球面精密数控车削加工技术和设备依赖引进的问题, 实现了单点金刚石精密数控车削加工技术及设备的国产化, 提高了我国红外光学元件的精密加工技术水平和设备制造能力。

微探针是扫描探针显微镜(SPM)的重要组成部件, 其共振频率等振动特性直接影响系统的性能。给出了系统微探针共振频率的测试方法, 对微探针在压电陶瓷驱动力作用下的受迫振动进行了有限元分析。提出了相位变化0.1°所对应的0.1nm位移分辨率的双频激光外差干涉光学测量系统, 对微探针纳米尺度振动特性进行了测试对比实验, 并对SPM标定样块进行了比对分析。实验结果验证了双频激光外差干涉测量方法的可行性和其应用价值。

谐振腔是MOEMS陀螺的关键器件, 由于谐振腔具有相对失调特性, 所以传统的调腔是以人工方式进行的。研究并提出了一种新型的可应用于微光机电(MOEMS)陀螺谐振腔的闭环调整方案, 完成了基于机器视觉和PZT控制的闭环调整系统及调腔实验, 得到了预期的效果, 并进行了相关的分析。

采用所研制的紫外辐射照度计余弦响应特性测试平台, 对21种市面上常用的商业紫外辐射照度计进行了余弦响应特性测试。测试结果表明, 不同型号、不同探测器结构、不同漫射器材料的紫外辐射照度计的余弦响应特性差异较大, 客观地反映了当前紫外辐射照度计的水平。当入射角为±10°时, 余弦误差变化范围为0.03%~15.83%;当入射角为±30°时, 余弦误差变化范围为1.85%~73.66%；当入射角为±60°时, 余弦误差变化范围为1.82%~65.04%。在实际测量中, 经常会用到大面积的紫外辐射光源或是形状不规则如长条形的紫外辐射光源, 在测试时不能保证光线垂直入射到探测器, 同时也不能满足点光近似条件, 测试结果误差较大。通过测试可以准确地了解当前紫外辐射照度计的余弦响应特性, 用于指导实际的实验测试, 合理地调整测试条件以满足测试需求, 必要时可进行相应的余弦误差修正。

大口径凸非球面子孔径拼接干涉检测中的各子孔径之间为离轴形式, 各子孔径之间除了平移和倾斜变换外, 还含有旋转变换, 测量结果中不可避免地会出现参考面未对准的情况, 当进行数据拟合处理时, 需要把由未对准造成的误差去除。本文在平面检测的最小二乘拟合基础上, 对拟合算法进行了改进, 从而实现了离轴子孔径的拼接检测拟合。为了验证算法的有效性, 采用Matlab对口径为1m的大口径凸非球面的子孔径拼接检测的拟合过程进行了仿真实验, 实验结果表明, 离轴式大口径凸非球面干涉检测的子孔径拼接可采用改进后的最小二乘法拟合而成, 且拟合精度可达到0.0048λ。

对航天器间相对位姿的光学测量问题进行了研究, 提出了一种新的单目视觉测量算法——相似迭代算法。该算法根据三角形相似原理提出了一种新的深度迭代机制, 并通过引入深度变量, 将求解2D-3D问题转化为迭代求解3D-3D问题。对数值仿真与两种现有的测量算法进行了比较。仿真结果表明, 该算法具有精度高、抗噪声能力强和实时性较好等优点, 可以应用于航天器间相对位姿测量等任务。

机械导轨运动副滚转角的高精度测量一直是一个难题。研究了很多光学方法, 但由于其角位移方向正好垂直于探测光束, 所以仍没有得到很好的解决。利用激光偏振面对旋转的敏感性, 通过测量由此引起的正交偏振激光光强、相位或频差的变化, 可有效地解决滚转角的测量问题。介绍了目前国内外基于正交偏振激光的滚转角测量技术, 根据其测量原理分为光强差测量、相位差测量和频率差测量三类。对每种测量方法的原理和发展现状进行了评述, 比较了各种方法的优缺点, 讨论了其发展趋势。

波长移相干涉仪可应用于大口径光学元件的检测。研究了基于Lissajous图技术的波长移相标定方法, 实现了干涉图间移相量的计算, 解决了在不同干涉腔长下进行测试时移相量需控制成为一个特定值的问题。首先通过模拟仿真, 验证了方法的正确性；然后编写程序对已知移相量的实际干涉图进行计算。结果表明, 在干涉图对比度较好以及对计算的两点选择恰当的情况下, 计算出的相对误差在4％范围内。

介绍了修正Retinex照射反射模型的彩色图像增强方法, 引入了非线性变换函数修正彩色图像的照射分量和反射分量。由于全局对比度增强函数能够拉伸图像的照射分量, 所以改善了全局视觉效果。非线性S型函数对较大和较小的反射分量值改变较小, 对中间值改变较大, 从而改善了图像的局部对比度。在RGB彩色空间和其他色度亮度彩色空间中的处理结果都没有出现彩色失真的现象。

在深入分析监测设备CCD图像特点的基础上, 提出了一种深空背景弱小运动目标检测新方法。该算法使用“列高通滤波器”进行背景抑制；采用序列图像多帧累加增强目标与恒星的对比度, 用交叉投影法确定星点区域, 提取局部星图, 利用局部星图匹配剔除恒星干扰；结合候选目标的特征, 采用基于逻辑的最近邻关联方法完成目标检测。结果表明, 该算法可满足深空背景弱小运动目标实时检测的要求。

针对在比色测温法中由CCD光谱响应带宽引起的误差, 提出了数字滤光的误差校正方法。该方法利用数字图像技术将光谱曲线离散化, 采用离散化数据模型展开比色测温计算, 在540±10nm绿光段和640±10nm红光段分别加入数字滤光算法, 测温误差与外光路搭载滤光片效果接近。该方法简单实用, 精度较高, 在无外置滤光光路情况下实现了彩色CCD摄像设备的辐射测温, 可为图像测温产品的便携性和适用化带来便利。

小波包变换是小波变换的推广, 可视为普通小波函数的线性组合, 具有良好的时频局部性和正交性, 随着分解层数的增加, 小波包分解能够在所有的频率范围聚焦。利用图像小波包变换的系数矩阵, 能够构造出不同的人脸特征向量。针对人脸识别过程中的图像匹配问题, 采用计算人脸特征向量方差的方法, 并通过方差与权值的对应关系, 转换出用于相似度计算的权值。基于理论推导得到的权值具有很好的稳定性, 由这些权值计算出的方差相似度也具有较强的适应性, 能够减弱由图像噪声、变形等干扰带来的影响。实验表明, 该方法识别率高、实时性好。

由于低照度彩色图像存在整体亮度低、对比度低、颜色偏暗和信噪比低等特点, 所以经典图像增强算法对其增强效果非常有限。提出了一种利用BP神经网络进行彩色图像增强的算法, 并将RGB图像转换成HSI图像, 以保证增强处理不引起图像的色彩失真。实验证明: 该方法显著地改善了低照度彩色图像的视觉效果, 提高了图像整体亮度和图像的信噪比, 可调节图像的动态范围, 能增强图像的对比度和细节, 可增加图像信息熵。

提出了一种基于局部光流约束的角点匹配算法。首先采用Harris算子获得当前帧和参考帧的角点,然后以角点的光流特征作为约束条件, 根据两帧图像角点集的坐标分布, 排除异常角点, 完成角点的精确匹配, 实现图像之间的高精度运动估计。通过对视频序列进行实验, 采用差图法可主观地发现该运动估计算法的有效性；以峰值信噪比作为评价指标, 发现原始视频序列的帧间峰值信噪比明显低于仿射视频序列的帧间峰值信噪比。前者的平均值为22.8072, 后者的平均值为33.3854, 从而客观地说明了该算法的有效性和稳定性。

分析了由星间并行M-ary激光链路分光引起的能量损耗和由此导致的信息损耗。采用Lagrange乘数法得到了量子噪声极限下的最佳分光比与各符号发送概率和发送能量的关系。当用先验等概率和等能量发送时, 最佳分光功率比为1∶1∶…∶1, 与相同平均发送功率OOK相比, M-ary各支路接收功率下降到了OOK的(log2M)/M量级。基于分光能量损耗的分析结果, 推导了链路接收误码率恶化和信息损失, 并做了相应的数值分析和Monte-Carlo仿真。仿真结果表明: 4-ary受分光影响最小；随着M-ary分组数的增加, 链路性能恶化, 当分组数从4增至32时, 由分光损耗造成的信息损失与5dB的接收功率损耗相当。

大天区多目标光纤光谱天文望远镜LAMOST是世界上光谱获取量最大的望远镜, 4000个双回转光纤单元的精确定位是关键因素之一。根据对星像观测的要求以及单元的定位方式, 确立了所需的7个定位参数, 研究了在复杂现场环境下获取定位参数的具体流程和可行性算法, 包括光重心法、摄像机快速标定算法、基于最小二乘拟合圆算法、空间坐标旋转算法等。通过模拟星像观测仿真测试和现场星像试观测证明, 定位参数精度能很好地满足观测需求。目前LAMOST望远镜观测光谱获取率已达到90%以上。

研制了一种双套管式光纤Bragg光栅温度传感器, 以实现无外力作用的温度测量。其中外套管隔离外加应力应变, 在内套管内松弛地放置光栅以隔离封装结构的表观热应变。引入引出尾纤穿过带孔螺栓, 以探测多个串联光栅。为了避免光栅处于张拉状态, 封装在外套管1、外套管2和内套管中的光纤余长应分别大于1.4 mm, 1.8 mm和0.4 mm。试验结果表明, 该光栅传感器的温度响应灵敏度为9.671×10-3 nm/℃, 温度测量分辨率为0.1℃。当水温从20℃跃变到70℃时, 该传感器的温度响应时间分别为t0.5=15±2 s和t0.9=52±4 s。当水温从70℃跃变到20℃时, 该传感器的温度响应时间分别为t0.5=26±9 s和t0.9=63±8 s。

分析了高重频电光调Q驱动电源与晶体之间的最佳引线。由于调Q晶体和引线都存在分布电容和电感, 如果晶体两端阻抗不匹配, 电压脉冲就会出现阻尼振荡, 从而影响激光脉冲。针对这一问题, 使用脉冲反射法和分布参数电路法,以平行导线作为引线, 分析了脉冲在引线中的传输、晶体高压波形和引线所要求的驱动电源的最小功率。使用脉冲反射法,以同轴线作为引线, 分析了简单连接晶体和阻抗匹配后连接晶体的两种情况, 得出了晶体两端电压波形和同轴引线阻抗匹配后的电路对快速开关的要求。根据以上分析, 得出了电光调Q中引线的选择原则。

根据脉冲测距基本方程和脉 冲激光精密测距系统对精度和距离的要求, 推导了半导体激光光源的设计指标。采用数字电路和模拟电路相结合的方式, 利用ZTX415的开关特性设计了一款窄脉宽、大电流的半导体激光器驱动电路；采用半圆截面柱透镜组对半导体激光光束进行整形, 计算了最佳的光学系统参数, 取得了比较好的整形效果。

利用傅里叶光学方法, 获得了相干合束远场光强的解析表达式, 讨论了相位、振幅和发光单元数目等光学参数对远场光束质量的影响。研究结果表明: 随着参与合束的发光单元数目的增加, 尖峰变锐；同相模的光能集中在更小的立体角内, 使得相干合束的亮度增加；异相模的光束能量较为分散, 其峰值光强有所降低；随着振幅比β的减少, 相干合束远场光强的峰值相对变化率增加, 远场光强分布出现了本底现象, 远场干涉条纹对比度降低。

分析了声光效应的基本原理及布拉格效应成立的条件, 构建了声光器件特性测试实验装置。对声光器件中布拉格衍射的建立、声光调制的幅度特性及频率特性等基本特性进行了测量分析, 对声光模拟信号传输的线性特性和音频频响关系进行了研究。

利用多光子J-C模型, 考虑场频率随时间以正弦函数形式作小量变化, 在旋波近似下, 研究了二能级原子通过多光子跃迁与单模辐射场相互作用时的量子态保真度的演化。利用数值计算方法给出了量子态保真度随时间的演化曲线。研究结果表明: 场频率随时间正弦函数形式的变化对系统和光场的量子态保真度的演化影响很小, 但对原子的量子态保真度的演化具有显著的影响；原子的量子态保真度的演化受场频率变化的调制, 场频率振荡的幅值u越大, 调制作用越强, 在场频率振荡的幅值u大于一定值后, 量子态保真度将按场频率周期性的变化规律作周期性振荡；原子初始状态的分布对原子量子态保真度的演化也具有明显的影响。

基于脉冲在光纤中传输所满足的非线性薛定谔方程,采用数值计算的方法对脉冲在高非线性光纤中演化成自相似抛物线脉冲的传输特性进行了研究。结果表明, 脉冲在不同初始能量和啁啾参量的情况下,高非线性光纤产生自相似抛物线脉冲,且随着归一化长度的增大, 脉冲的自相似指数从0.0796减小到0.0720。进一步的研究表明: 啁啾高斯脉冲在光纤传输过程中,脉冲逐渐展宽,同时正啁啾越大,其自相似演化结果越差;参数N=8的正负啁啾脉冲分别演化成平顶自相似抛物线脉冲以及三角形脉冲。

采用线性稳定性分析法, 解析和计算了指数饱和非线性和高阶色散光纤中的调制不稳定条件和增益谱。结果表明: 当二阶和四阶色散同为负时,随着参数的不同, 增益谱可能只有一个谱区, 也可能出现两个分离的谱区；当二阶和四阶色散分别为正和负时, 无调制不稳定性；在其它色散区, 则只有一个谱区。指数饱和非线性可能使各谱区的谱宽、峰值增益随入纤功率的增大呈现出先增大后减小的特点, 即出现两个不同的输入功率对应同一个不稳定增益峰值和谱宽的情形。在其它参数相同时, 指数饱和非线性下增益谱的谱宽和峰值增益随入纤功率的变化速度将比传统饱和非线性更快。

为了得到一束高斯光束和两束高斯光束的相互作用在有外电场的双光子光伏光折变材料中的演化结果, 将高斯光束作为入射波,采用数值方法求解波传播方程。研究结果表明: 在外加电场、光强峰值分别与晶体参量匹配的情况下, 一束高斯光束能演化为稳定的屏蔽光伏明孤子, 而在不匹配时,一束高斯光束在传播过程中则呈现周期性压缩或膨胀现象。同时也发现: 在作用距离范围内, 同相位的两高斯光束相互吸引, 并伴随有融合现象；而相位相反的两高斯光束相互排斥, 且其排斥作用随着光束初始间距的减小而增加, 当两高斯光束的相位差位于区间(0, π)和(-π,0)时, 其相互作用过程中伴有能量的转移, 两区间中能量转移方向相反。

用平面波展开法研究了内介质柱截面为长方形的三角晶格空气环型光子晶体的完全带隙特性。通过调节内介质柱的大小、介电常数、旋转角度以及空气环外半径对完全带隙的影响, 找到了一组可以获得大带隙二维光子晶体结构的最佳参数。经优化后得到禁带宽度Δω=0.082(2πca-1) (其中a为晶格常数, c为光速), 中心频率ω0=0.401(2πca-1), 完全带隙宽度与中心频率的比值达到了20.4%, 该结果比圆形内介质柱截面空气环结构的完全带隙大, 比普通的空气孔结构的完全带隙增大了37%。

建立了激光晶体热传导模型。通过求解泊松方程, 得到了不同Yb3+离子掺杂浓度的Yb∶YAG晶体内温度场分布及由此引起的光程差和热焦距, 求出了在不同泵浦半径下的端面温度分布。研究结果表明: 随着Yb3+离子掺杂浓度的增加, Yb∶YAG晶体端面中心温度升高, 晶体中心轴温度衰减加快, 热焦距变小；随着泵浦光斑半径的增大, 晶体端面中心温度降低。这一结论对改善Yb∶YAG晶体热效应提供了理论依据。

在立式风洞飞机尾旋运动姿态测量实验中, 由于拍摄角度以及光照等原因, 飞机表面直线段标识成像不是十分规则, 直线段特征难于识别。对此, 提出了一种新的不规则直线段识别方法。该方法利用一定尺寸的模板窗口沿直线段移动, 根据模板中心的移动轨迹判断检测结果。模板的移动以检测窗口质心对中心的偏移量为动力, 以检测窗口有效像素百分比、线段延伸方向和移动步数等参数为控制检测结果。该方法的检测过程类似于小球滚过宽度相当的凹槽, 故又称为基于滚球原理的直线段检测方法。实验证明, 该方法具有较好的稳定性, 对直线段的变形来说具有一定的容错性, 对检测参数的调整来说可控制检测对象的宽度和直线段不规则性的允许程度, 无论是对仿真图像还是对实测图像中的直线段特征都具有较好的检测结果。

针对传统人工选取背景斑点的不足, 提出了一种基于视觉注意力模型的背景斑点提取方法。首先根据Itti显著图模型确定背景图中的显著区域；然后找出若干注意视点, 并将这些视点作为种子点在原图上进行区域生长；最后在区域生长的基础上依据相关准则提取出斑点。实验结果表明, 该方法可以准确地找到背景图中的明显斑点, 使进一步的背景斑点分析成为可能。

研究了在线偏振光入射、波片和偏振分束器结合使用时波片光轴偏差对偏振分束器分出的两束光的振幅和相位的影响。给出了在两种放置情况下, 任意波片光轴方向偏差对偏振分光光束振幅和相位影响的表达式。详细分析了1/4波片和1/8波片的影响性质, 给出了具体的振幅和相位影响关系式。

采用溶胶-凝胶工艺分别制备了SiO2和ZrO2单层薄膜、ZrO2/SiO2双层膜以及ZrO2/SiO2多层高反膜。用输出波长为1064nm、脉宽为6.3ns的YAG激光器对薄膜进行了激光损伤实验。观察了薄膜经强激光辐照后的损伤情况, 讨论了薄膜的激光损伤行为, 并从理论上分析了产生这些损伤的原因, 为进一步镀制高质量的ZrO2/SiO2多层高反膜提供了依据。

利用近紫外荧光光谱测量了人体皮肤组织晚期糖基化终末产物, 并针对由被测皮肤组织吸收和散射引起的光谱畸变问题, 重点研究了自体荧光光谱校正技术在荧光无创检测中的应用。采用波长为370 nm的单色光照射人体手臂内侧皮肤, 用光纤探头收集自体荧光光谱。在同一测试位置对荧光波段进行光谱扫描, 得到皮肤组织反射率曲线。通过利用皮肤反射率曲线校正相应自体荧光光谱来获得固有荧光光谱。分别对糖尿病患者和健康对照组进行光谱检测和光谱校正, 分析比较不同测试对象的校正结果。实验结果表明, 光谱校正技术剔除了不同测试对象的皮肤差异对自体荧光光谱的影响, 获得的固有荧光光谱能够作为区分糖尿病患者和健康对照组的依据。