水中气泡场是海洋和大气热交换的重要媒介, 随着对海洋研究的深入, 水中气泡场的研究越来越受到人们的重视。数字全息术由于具有可获取三维空间信息、可进行实时实地测量、不干扰被测对象等优点, 所以可成为获取水中气泡场的有效手段。研究了数字全息技术在水中气泡场探测中的应用, 并进行了数字全息拍摄的实验和再现, 探讨了获取水中环境对获取气泡场的影响, 讨论了实验中出现的问题, 并对所得到的再现图像数据进行了分析和讨论。

为了模拟和评估热环境下光机系统的成像质量, 已开发出了接口软件, 可以将有限元软件热分析的结果拟合成Zernike多项式或以干涉图方式导入光学软件中进行像质分析。但上述接口软件不能满足高低温下光学成像的要求。为了解决以上问题, 对R-C系统采用了自动光机优化的方法。首先以Isight为软件平台, 将Solidworks, Ansys, Matlab和Code V集成起来, 形成一套软件框架; 然后提出不同条件下的优化策略; 最后对R-C系统进行光学、材料和结构尺寸的优化。结果表明, 在-40～60℃温度范围内获得了优良的像质。

为了使一种全新的离轴四反射式光学系统达到很好的光学性能, 对在该光学系统中的四个大小形状不一的球面反射镜分别进行了分析。结合反射镜的结构形状和相对位置特点找出了最适合每片反射镜的支撑方案。经过有限元分析进行了辅助设计和优化设计, 使各个支撑结构达到了性能最佳、整机重量最轻、公差分配最合理。

通过对Zemax动态数据交换技术DDE(Dynamic Data Exchange)通信接口进行研究, 实现了ANSYS-中继软件-Zemax的DDE闭环通信, 并应用到了望远镜光学系统受环境温度场影响的光学像质评估中, 实现了有限元分析和光学像质评价的动态联合。用ANSYS建立有限元模型, 分析由温度场引起的光学镜面形变。通过Zernike多项式拟合, 将拟合系数通过ANSYS-Zemax的DDE通信链路传递给Zemax进行光学系统的像质分析。反之, 像质分析的结果也可以动态地传递给ANSYS, 以便进一步指导机械结构的优化设计。此有限元系统-光学系统通信链路的实现可大大提高数据的可靠性和设计效率。

为了修正广角镜头的桶形畸变, 提出了一种基于二元二次多项式的修正方法, 阐述了其图像的像素坐标校正和像素灰度恢复方法。该方法首先用模板对广角镜头进行对准相对标定, 然后用二元二次多项式拟合畸变图像与非畸变图像像素坐标之间的规律, 最后把该方法应用于某广角镜头拍摄的图像, 并采用最小二乘法对校正效果进行评价。结果表明：在不考虑视觉系统具体参数的情况下, 该方法能够有效地对广角镜头桶形畸变进行修正。

介绍了一种超大口径、长焦距、折反式光学系统的新型敏感器。为验证其结构设计的可靠性和稳定性, 使用大型通用有限元软件MSC Patran建立了整机有限元分析模型, 用MSC Nastran对其进行了模态分析和随机振动分析。分析结果表明, 星敏感器性能稳定可靠, 可对一些关键部件的设计提供理论依据。

为设计一套基于球面的600mm口径望远镜系统, 分析了四种可能的实现形式, 即Maksutov, Houghton, Klevtsov和使用Cook补偿镜的Cassegrain形式, 并分别得到了满足指标要求的设计结果。通过分析每种形式的优缺点, 结果表明, 使用Cook补偿镜的Cassegrain形式最为适合, 并对其进行了详细的分析和设计。

通过采用将入射光掠入射到频率为几百赫兹的衰减低频液体表面波上, 观察到了清晰的间距分布具有明显非对称性的衍射条纹。当入射光掠入射到低频液体表面上时, 衍射图样非对称分布具有普遍性。理论上得到了考虑表面波衰减影响后观察屏处衍射光强分布的解析表达式。理论结果表明：衍射图样的这种非对称分布与衍射级次、入射光波波长、液体表面波波长及表面波衰减系数有关; 正负级次衍射亮条纹距离中央零级亮条纹的间距体现表面波衰减信息; 正衍射级次之间以及负衍射级次之间的条纹间距体现表面波波长信息。利用所提出的方法实现了对几百赫兹液体表面波的衰减系数的实时便捷测量。

针对靶场时间间隔测量仪中存在非弹丸数据误测的问题, 设计了一种基于BP神经网络的弹丸数据误测的判定系统。测试结果表明, 该方法比常规测试方法能更有效地进行误测数据的判定, 从而为误测数据识别及判定的自动化提供了一种新思路。

提出了一种测定透明材料厚度的新方法。该方法是基于透明材料对光的折射特点, 利用光斑点面内位移与材料厚度的变化关系, 将厚度的测量转化为对面内位移的测量。将此方法与数字图像相关法相结合, 实现了单摄像机对厚度的测定。对轴向拉伸状态下的有机玻璃板的厚度变化进行了测定, 将实验结果与理论值进行了对比, 两者符合较好, 证明了该实验方法的有效性和可行性。

测量并分析了980nm抽运下Er3+∶YVO4晶体的上转换荧光, 建立了描述Er3+离子跃迁的速率方程。通过求解速率方程并拟合1550nm, 980nm和550nm的荧光衰减实验曲线, 得到了4I13/2+4I13/2→4I15/2+4I9/2, 4I11/2+4I11/2→4I15/2+4F7/2的频率上转换系数C22=9.221×10-17cm3s-1, C33=7.545×10-17cm3s-1。通过测量980nm抽运下的550nm荧光衰减谱, 得到了4S3/2能级的主要上转换机制是以激发态吸收为主。

用溶胶-凝胶法制备了Fe-Al2O3铁磁金属-非磁绝缘体基体薄膜。实验结果表明, 当Fe与Al2O3的质量比为1∶1, 热处理温度为420℃时, 所制备的薄膜具有最大的磁致旋光(Faraday)效应, 测得的费尔德(Verdet)常数V=(6.8×104)°/(T·cm)。通过分析, 得出了Fe-Al2O3薄膜巨磁Faraday旋光效应主要是由光、磁场与薄膜相互作用产生剧烈塞曼(Zeeman)分裂引起的。对影响薄膜Faraday旋光效应的各种主要因素进行了讨论。

研究了四频差动激光陀螺输出光强和零偏随纵向磁场的变化规律。理论分析表明, 当由纵向磁场引起的增益/色散曲线的塞曼分裂等于非互易分裂时, 顺时针模式和逆时针模式的光强相等, 零偏不随腔长的变化而变化, 实验结果与理论分析基本一致。同时还发现顺时针和逆时针模式的光强随磁场线性变化, 但变化量较小且易受温度的影响, 不适合作为磁场大小的度量。由于沿谐振腔环路的增益和损耗并非处处相同, 顺时针和逆时针光束入射到光电管上的量不相等, 因此需要对顺时针和逆时针输出光强的放大倍数进行标定, 以便进行色散平衡的控制。

搭建了紫外激光预处理平台, 实验研究了紫外激光对熔石英基片的预处理效果。通过对比不同样片可以看出：熔石英的表面质量对预处理效果影响明显; 表面原生缺陷和初始损伤的数量越多, 尺度越大, 辐照后的预处理效果越明显; 预处理时, 能量增幅采用零损伤阈值的20%为宜, 预处理能量的最高值一般应达到样片零损伤阈值的80%左右。实验发现, 损伤后的损伤扩展阈值一般为初始损伤阈值的1/3左右。

为了降低激光告警系统的虚警率, 提出了一种基于非扫描式F-P标准具结构的光学虚警抑制方法。该方法采用相干长度作为判据, 因此可大大抑制背景辐射的干扰。通过计算机仿真验证了该方案的可行性。对该方案中的关键技术F-P标准具的设计进行了详细讨论, 定性分析了F-P标准具结构参数对其工作性能的影响, 并通过实验优选确定设计参数。结果表明, 该方案结构简单, 可有效排除非相干光的干扰, 光学虚警率近乎为0, 漏警率小于0.25%。

提出了一种应用单目机器视觉技术并结合Hough变换消失线检测和边界检测技术来构建距离深度图的方法, 并应用衰减-空气光去雾模型对图像进行了恢复。结果表明, 采用该方法恢复的道路图像色彩自然, 模型与实际道路完全匹配, 对于不同距离的景物都具有良好的恢复效果。

为了提取亚像素角点和实现高精度的标定, 提出了一种基于Harris算子和空间矩的亚像素角点提取方法。利用Harris算子, 在优化后的范围内提取像素级角点; 运用改进后的梯度模板提取像素级角点周围部分边界点, 并利用空间矩的方法得到边界点的亚像素级坐标; 将亚像素边界点进行直线拟合, 并将交点的平均值作为该角点的亚像素坐标。实际测试证明：利用该方法提取到的角点精度可以达到0.1pixel, 可满足实际的公差要求, 为X型靶标的角点提取提供了一种新的思路, 目前已经将该方法应用到了嵌入式机器视觉工业现场。

体全息相关器具有高速、并行和多通道等特点。基于体全息相关器大幅面、高分辨率、二维数据页结构, 将身份认证图文信息进行编码及格式化, 组合为适用于光学相关器的图像模板。数据库的图像模板以体全息图的形式存储在铌酸锂晶体中, 识别时将待识别的全部或部分身份认证信息输入, 光学相关器可快速返回输入图像与所有库图像模板的相关值, 从而完成对整个数据库的快速复合检索。介绍了该方法的工作原理、理论模型、编码和组页方法以及复合检索工作流程, 给出了演示实验结果。

针对光学系统表面反射激光和水中受激布里渊散射光通过F-P标准具后所形成的干涉环簇图样, 提出了三种计算布里渊频移的方法, 即小角度微分法、小角度差值法和环间距比例法。分别对其进行了理论推导, 得出了相应的解析表达式, 并通过实验进行了验证。使用这三种方法得出的结果分别为8.65GHz, 8GHz和7.2GHz, 其中由环间距比例法得出的结果与水中布里渊散射频移的理论值7.5GHz符合得最好。通过与已有方法进行比较, 结果表明与环间距比例法相差1MHz。分析了各种方法的优缺点以及适用情况和条件。

当考虑自陡效应时, 从光纤耦合器的耦合模方程出发, 用偶奇超模对其进行了重写。讨论了当输入条件使奇偶超模的其中之一被单独激发时光纤耦合器中的自陡效应对调制不稳定性的影响。结果表明：在光纤耦合器中不论是正常色散区还是反常色散区, 当输入功率一定时, 随着自陡参数的增大, 调制不稳定性增益谱较多地显示出了强度变弱和宽度变窄, 最终导致光纤耦合器的超模发生畸变

偏振波动是谐振式光纤陀螺(R-FOG)的主要噪声之一, 它对信号检测精度具有重要影响。通过矩阵法得到了透过式R-FOG中由偏振波动引起的系统零漂与偏振噪声相关参数、环形谐振腔结构参数间的关系表达式。在一定的透过式R-FOG系统结构参数下, 对上述解析表达式进行了数值拟合, 通过估算可满足高精度透过式R-FOG系统对偏振相关参数的要求, 为偏振波动噪声的理论分析和R-FOG系统的实际搭建提供了理论基础。

将光纤照明技术运用到矿灯领域中, 需要根据光纤照明的特点设计相应的二次配光系统, 以满足实际配光的需求。利用光学仿真软件TracePro开展了对新型光纤LED矿灯系统的二次配光问题的仿真研究。配光器件主要采用单个反光腔、透镜及其组合。从反光腔形状、深度和口径、透镜类型和尺寸等方面入手, 探讨了各个因素对配光效率、光斑大小、光照均匀度的影响。通过对仿真结果的比较和分析发现, 反光腔主要影响配光效率, 而透镜主要影响光照均匀度和光斑大小。得到了合适的新型光纤-矿灯的二次配光系统, 即锥形腔配合菲涅尔透镜。结果表明, 该组合具有配光效率高、光照度均匀、光斑大小适中、实际尺寸小、方便井下作业等优点。

光纤通信具有广泛的空间应用前景, 若要采用地面上成熟的调制技术实现卫星内的光纤通信, 必须对器件及整个系统进行空间适应性分析。通过研究在不同剂量下辐射对器件及整个系统的影响, 在基于整个系统的基础上进行了模拟对比实验, 得到了不同器件在不同损伤条件下对系统的影响情况, 以及系统在综合损伤条件下的性能变化。结果表明, EDFA和LD在辐射损伤下对系统影响严重, 在高剂量辐射下需要对其采取防护措施。

采用矢量耦合非线性薛定谔方程描述了超短光脉冲在双折射光子晶体光纤中的传输过程, 并利用分步傅里叶方法求解该方程。数值模拟了中心波长为1550 nm的超短光脉冲在不同色散参量的双折射光子晶体光纤中超连续谱的产生及其偏振特性。分析了光纤在不同色散区时, 高阶色散和非线性效应对超连续谱及其偏振态的影响。结果表明, 当超短光脉冲波长位于近光纤零色散点的反常色散区时, 比其在光纤正常色散区和远离光纤零色散点的反常色散区更容易产生宽且平坦的超连续谱, 所得到的光谱显示出了复杂的偏振态特性。

针对光散射通信存在严重的多径衰落及噪声干扰, 提出了一种基于空间分集接收, 并采用三阶累积量及互相关滤波的信号检测方法。该方法使用两路探测器同时接收信号, 并分别计算采集信号的自三阶累积量对角切片, 之后对两路信号进行互相关滤波。实验结果表明, 在接收信号信噪比低至-25dB时, 该方法仍可抑制噪声干扰, 正确提取信号频率特征, 且对设备要求不高, 操作简便, 能够实现强噪声中的实时光散射信号的检测。

随着激光技术的发展, 激光大气传输特性一直是激光领域的研究热点。综合激光大气传输的理论模型, 运用科学的软件开发方法设计出了一套仿真系统, 用来模拟激光在复杂大气环境中的辐射特性和激光的传输过程。该系统理论模型以Lambert-Beer定律为基础, 结合了瑞利散射和米散射等经典理论, 当在烟幕环境中模拟激光传输时, 采用了多次散射模型。仿真中对大气环境采用逐段细化, 每段根据数据库参数变化选取合适的计算模型, 以提高仿真精度。绘制出了光斑和等位面随传输距离的演化图形, 以演示激光大气的传输过程。

超高声速飞行器在大气中飞行时, 由于气动热和气动力的作用, 光学窗口会产生严重的气动光学效应, 使目标图像发生像偏移、抖动、模糊和能量衰减。利用有限元分析方法对光学窗口的热光效应、弹光效应和窗口热变形进行研究, 计算了由热光学效应、光学窗口热变形引起的点扩散函数峰值大小及峰值位置(像偏移)随时间的变化趋势。根据对温度场的分布分析, 计算了温度梯度对透过率的影响以及透过率与窗口热辐射随时间变化的趋势, 可为光学窗口的设计、材料的选择及后期的图像处理提供依据。

从Maxwell方程出发, 采用类似于量子力学Kronig-Penney模型求解周期势的方法, 结合双水电极介质阻挡放电的实验结果, 研究了电子密度ne对一维等离子体光子晶体禁带特性的影响。研究发现：电子密度对等离子体光子晶体光子禁带的位置和宽度均有重要的影响; 等离子体光子晶体的禁带宽度随电子密度的增加而增大, 增长速率为电子密度的函数; 等离子体光子晶体的截止频率、光子禁带边缘频率随电子密度的增大而增大。给出了当等离子体光子晶体具有显著禁带宽度时的电子密度的理论临界值。

利用传输矩阵方法对一维Ag/MgF2光子晶体的带隙特性进行了研究。构建了由Ag和MgF2组成的一维光子晶体结构模型, 以此模型为基础详细讨论了填充比、周期层数、入射角等参数对光子晶体带隙结构的影响, 并讨论了造成吸收的原因。研究结果表明, 与其他金属光子晶体的研究结果相比, 该结构的金属光子晶体在紫外线波段具有高反射率的光子带隙, 属于不完全带隙的一维光子晶体, 适用于制作紫外线波段的光学反射镜。

通过建立激光晶体热传导模型, 针对相同基质YAG晶体不同掺杂离子, 求解泊松方程, 得到不同Nd3+和Yb3+掺杂浓度的YAG晶体内温度场分布, 并进行了对比分析。研究结果表明：在相同条件下, 随着Nd3+和Yb3+掺杂浓度的增加, YAG晶体端面中心温度升高, 晶体中心轴温度衰减越快, 热焦距越小; 当Yb3+掺杂浓度达到Nd3+掺杂浓度的近10倍时, 热效应基本相同。这一结论为降低同基质晶体的热效应提供了理论依据。