高分辨率傅里叶变换成像光谱仪具有高空间分辨率和高光谱分辨率的特点, 但光谱重建时间冗长。通过对傅里叶变换光谱重建流程分析, 为研制的1024pixel(光谱维)×1024piexl(像宽)×1024piexl(像高)高分辨率紫外傅里叶变换成像光谱仪的数据立方体反演, 设计了一种并行优化算法。实验表明, 在6核处理器上对512M和2G的数据立方体进行变换, 时间分别只需88.33s和489.75s, 加速比分别为3.70和3.04, 大幅度提高了运算效率。如将该算法应用到更多内核处理器上, 可得到更高的加速比和更少的运算时间。

在研究传统摄像机标定原理及方法的基础上, 提出了一种新的基于同心圆环点模板的双目摄像机标定方法。该方法仅要求摄像机摄取任一方位包含所有25个同心圆环点的所设计模板的一幅图像, 即可根据射影几何内秉的约束条件和左右图像的视差完成对双目摄像机焦距、基线距离和光心位置等参数的标定, 且不需要进行图像的畸变校正与匹配。实验表明, 该双目摄像机的标定方法具有较高的精度和效率, 可以方便、迅速地实现双目摄像机的标定。

为了弥补空间域水印算法在提取水印时需要原宿主图像、鲁棒性较差等缺点, 提出一种基于BP神经网络和人眼视觉特性(HVS)的空域数字水印算法。先选出原宿主图像对比度函数值最大的前块用于二值水印图像的嵌入, 利用神经网络能够逼近任意非线性关系的特点和其自适应性, 构建水印信号嵌入前后图像块像素值间的映射关系, 实现了水印的盲提取, 并将该算法与现有算法进行了对比。实验结果表明, 对于JPEG压缩、加噪、剪切和旋转等常见的图像处理攻击, 算法具有良好的鲁棒性和不可见性。

为了提高雾天视频的可用性, 提出了一种基于暗通道先验和区间估计的视频去雾方法。利用暗通道先验知识, 采用区间估计的方式, 运用图像融合的思想, 通过背景图像求取大气光值和介质传输率, 并应用于视频的所有帧以去除雾气。与几种典型的视频去雾方法相比, 具有较快的运算速度, 能有效地避免去雾视频中出现颜色跳变的问题。以暗通道先验理论为基础, 采用区间估计的方式对大气光值和介质传输率进行估计, 从而能有效地提高去雾视频的整体亮度、清晰度和对比度, 同时获得较好的图像颜色。

针对机载小型轻质和宽温度场的使用需求, 基于光学被动消热差理论, 设计了共孔径共视场分光路可见光和红外双波段无热化成像光学系统。两个谱段共用卡塞格林主光学系统, 采用分色片实现双谱段分光。分光后两个谱段采用相互独立的中继透镜组。红外波段通过二次成像, 实现双波段冷光阑100%匹配。通过共视场设计提高不同探测波段目标的信息一致性。可见光和红外谱段焦距分别为1750mm和1000mm, 工作谱段为0.45~0.9μm、3~5μm, 入瞳孔径为250mm, 视场角1.1°, 光学系统各谱段耐奎斯特频率处调制传递函数接近衍射极限, 在宽温度场范围内像质稳定, 完全能够满足实际使用需求。

基于多光谱颜色复制理论与变频调幅加网理论及其应用的技术规律, 提出了多光谱打印的变频调幅加网设计方案(以六基色印刷为例), 基本原则为预测的颜色主成分油墨按照其贡献率分别安排在加网角度45°、15°、75°、0°, 而第五和第六主成分油墨分别安排在15°和75°。经理论验证分析与试验仿真, 它满足实现高保真印刷的五个关键要件, 这为实现高保真印刷提供了新的思路和技术途径, 并且丰富了数字加网理论。

基于多层对称薄膜的反射镜作用, 设计了一种工作波长位于1550nm附近的基于周期性多层膜的光子晶体光波导。由平板波导的相关理论分析了波长在1515～1587nm范围内电磁波在波导中的传输性质。研究表明TE模和TM模在波导都是基模传输, 其功率约束因子(Γ)限制在0.99～1之间, 说明波导近乎完全将光波限制在其中传输。在控光能力上这种结构要比普通的三层薄膜波导更具优势。利用周期性多层膜的光子带隙结构, 可以构造具有超低损耗的全向带隙介质光波导。

探讨阈值分割算法,把其应用于痕量微生物图像的处理。基于阈值算法提出了适合痕量微生物图像的目标信号提取方法。对阈值分割算法进行分析, 对比传统阈值方法和提出的改进阈值算法的实际图像处理效果。传统阈值算法可实现对图像中微生物信号的提取, 但存在一定失真。基于阈值分割方法的改进算法具有抑制噪声信号, 及区分背景与目标的能力, 可高效实现微生物信号的提取。所成微生物分布二值图像具有轮廓清晰、易于观察的特点。

针对传统的多方向灰度形态学边缘检测算法存在计算量大、效率低的缺点, 提出了一种基于自适应噪声抑制的多方向灰度形态学图像边缘检测算法。根据图像所含噪声的种类, 采用不同尺度的结构元素对图像进行分类滤波, 再根据像素点间灰度值的变化确定边缘方向, 由相应方向的结构元素进行边缘检测。实验结果表明, 与传统的多方向灰度形态学边缘检测算法相比, 检测到的边缘重构相似度和边缘置信度更高, 边缘连续性更强, 且计算量低, 运行效率高。

在光纤F-P可调谐滤波器进行滤波调谐的过程中经常会出现光纤端面偏移的问题, 从而导致其滤波性能下降。通过ZEMAX光学仿真软件对其光纤F-P腔部分进行仿真, 模拟两光纤端面发生径向偏移和产生倾角时的情况, 通过对仿真结果分析得出当发生径向偏移时将会导致光纤F-P可调谐滤波器的峰值透过率减小, 插入损耗增加; 在产生倾角时将会导致光纤F-P可调谐滤波器的3dB带宽增加以及阻带抑制能力减弱, 而当倾角大于0.005°时其滤波性能将会发生明显衰减。

导航系统中广泛采用激光测距确定星地间距离, 双向反射分布函数可精确描述实际物体反射光的情况, 是研究激光测距方程的有效手段。结合目标反射几何模型, 计算得到透镜各点接收目标反射光强的表达式。对目标光斑和接收透镜进行网格划分, 仿真得到透镜面元接收目标反射的光强分布和透镜接收的瞬时光强, 并讨论了平面目标的网格步长选取和计算次数。当光束从不同空间位置入射至平面目标表面时, 根据探测器-反射棱镜之间距离与接收光强的对应关系得到激光测距方程的待定参数。实测数据验证了理论计算的正确性。

介绍了利用傅里叶变化法设计多波段渐变减反膜的原理和方法, 研究了采用该方法设计多波段减反膜时Q函数的优选流程, 给出了最优Q函数。设计优化得到了在350~5000nm波段范围平均透过率大于90%的多层渐变减反膜系结构, 并采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术完成了样片的制备。实验结果表明, 镀制的样片在350~5000nm波段范围的平均透过率为90.55%, 满足光谱特性的要求。

设计实现了一种超高速数据采集系统。通过在FPGA(现场可编程门阵列上)采用8个不同相位的时钟进行移相合成采集, 采用一颗125MSPS采样率的ADC芯片成功实现了1GSPS采样率的高速采样。同时通过对采样数据进行累加求平均的滤波运算, 有效地消除了背景噪声, 提高了采样的精度。为了实现大数据量的采集, 采用了DDR2作为存储器, 其具有容量大, 速度快, 成本低的特点。FPGA采用Xilinx的Spartan6系列, 内置了DDR2接口控制器, 大大简化了设计。设计的高速数据采集系统在ISE软件中进行了综合, 并在FPGA板上进行了实测, 性能良好, 实现了系统需求的各个指标。

理论上推导了光线通过任意方向偏振片和任意方向1/4波片的出射光强与全Stokes参量关系的表达式, 利用自然背景下的人造目标为对象开展全偏振检测实验, 并以目标与背景偏振度对比为主要指标, 研究了多方向情况下上述两种偏振器件影响全偏振检测的因素。研究表明下述三种情况方程组秩小于4导致全偏振检测无效: 固定1/4波片方向而改变偏振片方向;固定偏振片方向改变1/4波片方向, 且四组角度中两器件平行及垂直的关系同时出现; 偏振片与1/4波片有三组角度相同,第四组角度关系为平行或垂直。实验表明, 固定偏振片方向改变1/4波片方向, 探测结果与固定偏振片方向的取值有关; 采用偏振片与1/4波片三组方向相同, 第四组夹角45°的全偏振检测方式, 偏振度对比较高。

为了更加有效地解决数字水印不可见性的问题, 提出了一种基于视觉显著图的水印方法。对Itti视觉计算注意模进行改进, 提取图像视觉显著图; 利用二级哈尔小波变换方法, 根据图像视觉显著图, 将水印信息嵌入到图像的低频域内; 采用多组SIFT特征点匹配进行精确几何校正处理, 提取水印信息。实验结果表明, 含水印图像的PSNR达到80 dB以上, 提取水印NC值都在0.8以上。因此, 数字水印方法具有极好的不可感知性, 可以有效抵抗噪声、滤波和JPEG 压缩等常规图像处理攻击, 尤其是对任意角度的旋转攻击、缩放、平移等几何攻击具有极强的鲁棒性。

分布式光纤喇曼测温系统采用了线性逼近的方法进行温度解调, 并通过灵敏度分析法获取了相应的线性解调参数。为了提高系统的精度, 在信号累加平均去噪的基础上, 采用了卡尔曼滤波的方法, 通过对前一时刻的估计值与当前测量值的递推, 实现了对存在测量噪声的温度信号的最优化估计, 完成了对现场采集信号的实时更新和处理。实验验证了该滤波方案的可行性, 随着外界环境温度的变化, 测温系统能够得到合理的温度曲线, 测量误差小于１℃。系统响应性良好,性能稳定, 能够适应复杂的环境变化。

为了研究基于旋磁材料的一维光子晶体一正一斜地放置串联结构的传输属性, 利用适合旋磁材料一维层状结构的传输矩阵计算公式, 计算了串联结构的透射谱。在对结构施加相同方向的外磁场时, 得到窄带透射峰, 实现了滤波功能。改变右侧光子晶体磁场方向, 从左侧光子晶体入射的光束将在右侧斜放的光子晶体表面产生全反射, 光束方向偏转90°。通过磁场方向的调制实现了器件的滤波和偏光双功能。

利用调QNd∶YAG 倍频激光泵浦KTP非线性晶体为介质的参量振荡器, 产生了608.3nm~903.1nm宽带参量调谐激光, 线宽1.4nm, 光-光转换效率30% 。当泵浦光增强到12mJ时, 在参量激光谱线的近傍, 长波方向出现了一条新谱线, 与参量调谐激光谱线同步移动, 谱线间隔随参量激光波长的增加而增加, 两条谱线波数(能量)差(720cm-1)是一个定值, 这是参量激光激发出斯托克斯拉曼激光典型特征。

应用ADN8831芯片制作了980nm泵浦激光二极管的温度控制器。利用该芯片驱动半导体制冷器对激光二极管进行温度调节。实验证明, 该驱动电路可将半导体激光器的工作温度控制在0.1°C的范围内。将该温度控制器成功应用于可调谐光纤激光器的驱动中, 获得满意的温控效果。

使用STM32F103ZET6单片机控制, 采用PA92功率放大器驱动压电陶瓷, 设计了532nm平平腔结构的F-P扫描干涉仪。腔镜反射率为99%, 精细度310, 腔长0.1~150mm连续可调, 对应自由光谱区1~1500GHz和分辨率3.2~4800MHz连续可调。压电陶瓷驱动电压和频率通过编码器调节, 可以在0~200V和1~100Hz连续可调, 并显示在数码管上。同时可以通过RS232串口与计算机通讯, 在上位机使用LabVIEW软件界面方便地设置压电陶瓷驱动电压和频率。使用F-P扫描干涉仪, 对激光二极管泵浦Nd∶YVO4/KTP绿光激光器纵模进行了测量, 验证了整个系统的工作性能稳定可靠。

通过ANSYS有限元分析, 仿真出铁芯的热点位置和温升范围。设计了一种FBG传感器安装于变压器铁芯的上下轭表面, 通过Bragg光栅波长随温度变化的数学模型计算, 实现了对变压器铁芯的温度实时在线监测。SFZ11-10000/35型35kV变压器的温升试验表明, 铁芯上下轭最高温度达到65.3℃和52.9℃, 上轭高于下轭12.4℃。铁芯作为变压器内部的储热部件, 在开动风机降温初始阶段, 温度仍然表现出少许上升, 随后温度趋于平稳, 铁芯的温度变化呈现出趋势平稳, 降温缓慢的特点。实现了对于油浸式变压器铁芯表面温度的光纤光栅监测, 并分析其原因, 为变压器正常工作时铁芯的热特征分析提供了数据支持。

为实现对公路边坡的稳定性安全监测, 需要检测边坡的应变变化。元绿公路K77+120～K77+215段为一坡度30°、高度差达65m的边坡, 由于土质松散而形成一滑坡地带, 在其自然坡面前端挖掘5个30m深钻孔, 把光纤Bragg光栅应变传感器分别埋入5个钻孔之中, 浇灌水泥使之固定, 形成5个应变桩, 实现对桩体的应变监测, 从而反应边坡的应变变化情况。经过两个月的监测, 1孔洞到5孔洞最大应变变化依次为400με、80με、130με、-60με、46με, 且依次出现在6m、16m、14m、16m、30m深度的位置。表明此边坡在6m深度及15m深度地层结构比较松散。