单光子雪崩二极管是一种采用盖革模式的单光子探测器件。一旦触发后探测器需要一段时间来重启, 重启之后才能进行下一个光子事件的探测。重启所用时间(也叫死时间)的大小会影响探测器的光子计数分布。对单光子雪崩二极管的工作方式进行了数学建模, 研究死时间对探测器输出响应的影响, 推导出了在入射光子数服从泊松分布情况下探测器光子计数值的概率分布函数, 并采用蒙特卡洛仿真进行了验证。结果表明死时间会使探测器输出的光子计数值减小, 其分布会更加集中, 并且死时间越大, 入射光子速率越高,这种效应就越明显。

独立成分分析是一种新的信号处理技术, 在数字图像处理的诸多方向均表现出其独特性。对独立成分分析(ICA, Independent Component Analysis)及其在图像处理中的应用进行了综述。简要介绍了独立成分分析的数学模型, 给出了极大化非高斯性的ICA估计方法、极大似然ICA估计方法、极小化互信息ICA估计方法的目标函数及其优化算法; 对ICA在像素级图像融合、运动目标检测、人脸检测及特征提取、大脑信号和图像分析、数字水印、有噪图像分离等方向的应用研究进行了评述, 进而显示ICA的应用价值和发展空间。

电子稳像算法的主要目的是解决摄像机随机运动导致的图像序列的帧间抖动问题。根据摄像机成像模型, 推导了摄像机平移振动和旋转运动对图像运动的影响, 阐明了电子稳像算法中各种图像运动模型的物理成因, 指出了模型之间的内在联系。提出了一种多模自适应电子稳像算法, 根据摄像机工作时图像序列抖动的剧烈程度, 自适应地选择适当的图像运动模型和相应的运动估计方法。实验结果表明, 该算法在各种情况下都能实现对图像序列的高精度稳定, 有效地提高了电子稳像算法的适用性。

针对压电陶瓷驱动器的非线性应变,以压电陶瓷微位移驱动原理为基础, 分析了扫频激光器腔长控制原理; 在硬件时钟的定时下, 分析了压电陶瓷的驱动特性, 并通过调整驱动信号的步长电压来调节压电陶瓷的非线性。设计了基于虚拟仪器的控制系统,并对线性化方法进行了原理分析和实验。实验结果表明,该测量系统可以使压电陶瓷在其伸长范围内线性地伸长。

量子点LED以胶体量子点为发光层, 通过调节作为发光层量子点的尺寸可以制作出覆盖可见(380-780nm)以及近红外光谱的量子点LED(QD-LED), 而且量子点LED器件发出的光谱范围很窄,其光谱半高宽可达30nm。简述了当今国内外关于QD-LED器件结构的研究成果以及器件的制作工艺, 介绍了目前课题组最新的一些相关成果。重点阐述了目前已经得到验证的几种量子点器件结构, 分析了其存在的优缺点, 这些结论对进一步改进QD-LED的结构以及使其可以更有利于商业化提供了参考。

分析了航空数字相机像移的产生机理, 提出了一种后推式像移补偿方法。搭建了航空数字相机的航拍仿真试验台, 通过微米电机控制相机镜头反向运动的补偿速度和补偿量, 实现后推式像移补偿。利用图像清晰度评价补偿前后的图像效果, 补偿后像移残差值低于1/3像素。最后给出了后推式补偿方法与软件补偿方法的对比, 结果表明, 后推式补偿方法在补偿精度方面优于软件补偿方法, 说明了该方法的可行性。

当前土壤中的重金属污染日益严重, 研究开发便携式土壤重金属快速、现场检测技术设备能为土壤重金属污染状况普查提供快速、有效的技术手段。系统中发射光路采用透镜对激光光束会聚并作用到样品; 收集光路采用抛物面镜组对等离子体光信号收集并耦合至光纤。分析了激光光束经透镜汇聚后作用到样品时的功率密度, 给出了等离子体光信号耦合至光纤端面的光斑大小, 并得到整个光学系统的大小尺寸。结果表明, 整个光学系统结构紧凑、体积小、光信号耦合效率高, 非常适用于便携式土壤重金属快速、现场的探测系统应用。

甲烷是瓦斯的主要成分, 是易燃易爆的气体。介绍了瓦斯的光谱特性以及光谱吸收法测量甲烷气体浓度的原理, 给出了光谱吸收型光纤瓦斯气体传感器的主要进展和技术路径, 包括差分吸收测量法和谐波吸收测量法。通过分析可看出, 光谱吸收型光纤瓦斯传感器以其优良的特性得到了广泛关注, 其中差分吸收法的抗干扰能力强, 系统可靠性高, 具有较强的工程应用价值。

边缘提取是DSPI无损检测缺陷自动识别的基础。根据人类视觉识别的特点, 提出以Curvelet多尺度几何分析为基础进行缺陷图像的边缘提取, 为了对DSPI检测过程中因光照不足等原因产生的伪缺陷进行分辨, 基于矢量积定义了图像的方向离散度, 并与Curvelet多尺度分析方法相结合, 在橡胶复合材料DSPI无损检测中进行应用。

针对国内交通标志的属性特征, 提出了一种基于颜色和形状的交通标志分类算法。采用RGB模型分量值互减的方法对自然背景下的交通标志图像进行分割, 提取出感兴趣区域, 对标志区域进行形态学处理、边缘检测, 提取标志外层轮廓。利用Hough变换识别交通标志线性特征。在识别交通标志颜色和几何形状的基础上, 利用交通标志的分类知识实现交通标志的快速分类。实验结果表明, 该方法容易实现, 满足实时性要求, 并能达到较好的分类效果。

针对激光脉冲在水下传输时导致脉冲的时域展宽, 严重地影响了水下激光通信的性能。以蒙特卡罗模拟为手段, 在一定的水质条件下, 对激光脉冲经过不同传输距离后的脉冲宽度进行了计算机模拟, 模拟结果与实验测量数据相符, 精确度高于其他方法, 该方法尤其适用于激光脉冲远距离传输的情况, 证明了该方法可准确地计算激光脉冲展宽后的脉宽值, 能有效地提高水下激光通信的性能。

选用Munsell新标数据集, 采用基于模式识别技术的圆度、色相角偏差、明度线性度与空间投影点聚集度四个指标来分别评价目前八个典型色貌模型在彩度均匀性、色相预测准确性、明度均匀性、颜色的空间再现的能力。结果表明, 不同的色貌模型在四个方面的颜色再现性上表现出不同的优势。八个色貌模型对彩度预测最好的是RLAB, 每个色貌模型对红色和绿色预测比较好, CAM02在色相预测整体上占优势;明度的均匀性预测都比较好, 尤其是CIELAB; LLAB的颜色的空间再现能力最好。

提出一种基于提升小波和Fisher线性判别法(FLD)相结合的人脸表情特征提取方法。提升小波是完全基于时空域的变换, 具有多分辨率的特征, 更有利于表情细节信息的提取, 并且运算时间短, 便于实现。图像经过提升小波变换后, 取其低频分量和高频分量相结合作为整体特征, 实验证明保存了绝大部分的表情分量, 然后用Fisher线性判别法(FLD)进行特征提取, 采用K-近邻法进行分类。在JAFFE数据库中, 分辨率达到94.3%, 识别时间为2.9s, 证明了方法的有效性。

设计了一套能实现机动式布站的大口径车载可见光、红外、激光光电跟踪测量光学系统。其主光学系统采用共口径光谱分光方式工作, 系统有效口径1.2m, 各成像通道成像质量均达到衍射极限; 捕获电视系统采用连续变焦距光学系统, 视场范围0.31°～4.57°; 激光测距通道设计作用距离达20km。光学设计结果表明, 此套光学系统能够用于空中和空间目标的运动轨迹、成像测量和实况景象记录。

设计了一种能够应用于空间光通信的大角度高精度光束偏转系统。系统采用液晶空间光调制器(LCSLM)实现小角度光束偏转, 采用多Wollaston棱镜级联实现角度放大。介绍了LCSLM和Wollaston棱镜的光束偏转原理, 并对大角度高精度光束偏转系统进行了仿真分析。仿真结果表明系统能够实现角度范围为±13.25°的光束偏转。国内首次提出运用Wollaston棱镜来实现大角度的光束偏转。

基于液晶可调变滤色器(LCTF)的光谱成像系统具有光谱分辨率高、结构紧凑、控制灵活等特点。搭建了一套可见光波段的高分辨率LCTF光谱成像系统, 对系统的光谱图像获取及彩色图像重建方法进行了研究; 建立了系统的光谱及颜色重建模型; 基于标准色卡及标准测色系统, 对该系统的颜色复现效果进行了实验验证; 实验结果表明, 该LCTF光谱成像系统的彩色图像颜色复现精度达可到较小色差水平。

利用菲涅尔反射定律提出了一种测量液体浓度的新方法。整个实验装置结构简单, 主要由一个激光光源、三个光耦合器、两个光电探测器组成。光源所发出的光经过三个光耦合器后传输至光纤-液体表面发生反射, 反射回的光由两个光电探测器接收。在测量过程中引入参考光路, 利用相对技术, 使得被测液体的浓度值仅由相对接收光强R决定, 从而很好地解决了光源稳定性、环境干扰等测量难题。实验以食盐溶液和蔗糖溶液为测量对象, 实验结果与理论分析十分吻合。整个实验装置结构简单, 测量精度高, 易于操作, 测量稳定性能够达到99%以上。

从麦克斯韦方程出发, 可以得到超薄金属膜层光学常数n、k与其厚度有关系的理论依据。采用电阻热蒸发和电子束热蒸发的方法在K9玻璃基底上分别沉积了不同厚度的Cu膜、Cr膜、Ag膜, 由椭偏法检测、Drude模型拟合, 获得了不同厚度Cu膜、Cr膜、Ag膜光学常数n、k随波长λ的变化规律。超薄金属薄膜与块状金属的光学常数相差较大, 随着薄膜厚度的增加, n、k值趋近于块状金属。通过对样品膜层吸收、色散特性的分析, 发现连续金属薄膜在可见光波段对长波的吸收较大, 而且相比于介质薄膜平均色散率高10mn~102nm量级。

介绍了240mm×180mm矩形口径离轴双曲面反射镜的加工与检测。提出了一种通过配块把矩形镜拼接成母镜来实现离轴镜加工的方法。完成了最佳比较球面和最大非球面度等工艺参数的计算。抛光阶段的非球面检测采用零位补偿法, 其中零位补偿器是补偿检验中的关键元件。该离轴双曲面镜的最终面形RMS达到了0.02λ, 满足了设计要求。

最小二乘匹配(LSM)对全局灰度和几何畸变有较好的适应性, 得到了广泛应用和重视。但是该方法存在计算量大, 难以实时应用, 以及不能适应局部光照变化等问题。提出了不变系数光照不变最小二乘匹配, 通过固定法方程式系数, 大幅减少了单位迭代计算量。在实际中, 由于成像场景和光照条件的复杂性, 传统的以整体灰度变换模型近似图像间灰度变化往往会存在较大误差, 由于真实灰度畸变模型不易获取和计算, 该问题一直没有得到很好解决。提出了用光照不变描述替换原始灰度描述的方法, 实现了对局部灰度畸变的适应, 并将最小二乘匹配的迭代维数由8维降为6维, 进一步提升了计算速度。理论分析和真实数据实验表明, 该方法较之传统方法计算速度提升6.18倍; 几何变化和局部光照变化仿真实验证明了此方法对局部光照变化有较好的适应性。

以印刷微镜的反射亮度、反射稳定性和CMYK颜色模式为基础, 建立了一种新型的CMYK印刷微镜结构模型。利用微镜表面函数的雅可比行列式和梯度函数, 对模型的表面反射亮度和稳定性进行了分析评价。结果表明: 该结构模型表面函数的雅可比行列式近似为0, 梯度函数随坐标变化而变化。因此, 此结构模型表面的反射光具有足够大的亮度和稳定性, 适用于创建基于位置和角度变化来改变光变图案反射密度的光学防伪效果。设计了一幅由不同CMYK印刷微镜组成的防伪光变图案, 模拟了该防伪图案的印刷微镜阵列结构。

为对空中飞行目标实施合理有效的强激光干扰, 需要综合考虑采用的干扰方式、干扰效果以及考虑光斑偏移对干扰效果的影响。以热传导理论为基础, 建立了激光辐照下移动目标温度场模型, 采用伽辽金法建立了有限元分析模型, 采用了等效比热容的方法处理材料的相变过程; 并以Ansys软件为仿真平台, 对目标在高斯分布的强激光作用下的温度场和热应力进行了综合仿真分析。结果表明, 光斑与目标辐照区域的相对偏移对目标表面温度影响较大, 对目标纵深破坏效应相对较小, 应力变化主要发生在激光辐照区域, 应力最大处也会随热源的移动而变化。

详述了适用于3~5μm波段、长入瞳距多目标复合的投影光学系统设计。系统实现了干扰和目标发生器共用一个投影光学系统, 入瞳距大于2000mm。原理上采用目标系统、干扰系统、主投影系统分开设计, 并在主投影系统焦平面上放置中间像面实现目标和干扰的复合。给出了最后的设计结果, 包括点列图、调制传递函数曲线。入瞳距2050mm, 入瞳口径Φ75mm, 视场±2°。

TDI-CCD与普通线阵CCD相比具有很多优点, 因而广泛应用于航空航天成像领域。在介绍TDI-CCD特点和摆扫式TDI-CCD航空相机扫描成像原理的基础上, 分析了扫描像移的大小及行周期, 推导出了由几何尺寸、电荷转移损失率、电荷分立运动、速度失配等因素引起图像传感器的调制传递函数退化表达式, 给出了传感器线列方向和TDI方向的调制传递函数, 提出了提高传感器调制传递函数的几种方法, 对TDI-CCD航空相机整机设计提供了参考。

为了拓展牛顿环系统的应用领域, 探索了反射式牛顿环系统在微振动测量中的应用, 推导出了振幅和频率的测量公式, 阐述了微振动的全过程就是牛顿环条纹不停地吞吐条纹的变化过程, 分析了反射式牛顿环系统只能测量微振动的原因。