针对现有脉冲激光回波目标识别方法不能准确反映目标姿态的关键问题, 提出一种基于激光回波与散斑的时空域目标探测方法, 重点建立了粗糙目标的脉冲激光回波与二维激光散斑模型, 通过对平面、球面和非球面三种面型目标进行仿真, 不仅可以映射出不同目标的面型和偏转角度, 还可以区分目标的偏转方向, 说明该方法的可行性与有效性。

为提高轨道客车装配时车体零部件的定位准确度, 解决现存人工划线、制作模板等传统工艺引起的定位精度差、工作效率低等问题, 基于激光扫描投影技术建立了全新的精准辅助装配系统。通过研究系统的数学模型, 分析了其在不同投影角度上的投影误差, 并依据上述分析得出了站位布置模型。将系统应用于实际装配中, 实现了定位准确、工作效率高的特点。实际应用效果表明, 定位精度可优于0.5mm, 有效克服了现存定位装配工艺中需制造大量专用模板工装, 工装定位位置不准确, 人工描线定位精度极差等缺点。

针对工业摄影测量中多基线、大倾角交向摄影时相对定向困难的问题, 提出一种混合式相对定向算法。算法先利用本质矩阵分解确立相对定向参数初值, 再利用非线性优化计算精确解。从共面条件获得的行列式出发, 推导本质矩阵与相对定向参数的内在联系, 给出求解本质矩阵的两种方法。然后讨论本质矩阵奇异值分解计算旋转矩阵和平移矢量, 同时给出剔除伪解的依据。基于共面条件方程, 建立相对定向参数非线性优化的目标函数。定向精度对比试验验证了所提出的混合算法的稳定性和高精度, 对卫星天线曲面的测量试验也进一步说明该算法在工程实践中的适用性和可靠性。

工件的视觉判别是实现机械手抓取工件的重要环节, 如何对姿态变换后的工件进行视觉识别及分类, 具有重要的理论及工程研究价值。设计了工件姿态变换实验平台, 实验研究了工件姿态变换的视觉识别问题。首先, 采用分水岭图像分割方法, 实现了工件目标图像的分割。其次, 针对工件在水平面旋转姿态变换及在三维空间进行姿态变换两种情况, 分别选取单个工件、部分遮挡工件及部分重叠工件构建图像样本, 并实现了七个特征不变矩的提取。最后, 将工件训练样本的五阶矩、七阶矩的平均值作为工件种类分类目标, 采用Parzen窗对待识别工件类型进行概率密度估计, 并用带惯性的粒子群算法对Parzen窗估计结果进行优化, 克服Parzen窗估计的多峰值问题, 实现了对工件摆放类型的准确判别。

针对双目视觉定位与测量中某些被测物体角点不明显导致检测精度不高的问题, 提出一种基于亚像素边缘拟合的双目视觉定位与测量方法。利用双目系统标定的结果对拍摄的图像进行去畸变和立体校正处理; 使用Zernike矩方法对预处理的图像进行亚像素边缘检测, 对获得的亚像素点进行聚类和拟合, 计算拟合曲线的交点; 根据对极几何原理来完成左右图像中的交点的立体匹配, 利用视差及三角测距原理获得被测物体的位置信息及其尺寸。实验结果表明, 新的方法能较好地解决角点不明显导致双目视觉立体匹配和定位精度问题, 并能提高检测效率。

利用气溶胶激光飞行时间质谱仪激光解吸电离技术开展了苯水相二次有机气溶胶在线测量研究。实验结果表明, 苯水相光氧化反应形成的二次有机气溶胶粒子粒径小于1.0μm, 激光解吸电离质谱中存在醛类m/z 29(CHO+)、57(CHOCO+), 羧酸m/z 44(COO+), 苯环m/z 77(C6H+5)、65(C5H+5)和酚类化合物m/z 93(C6H5O+)特征裂解碎片峰。醛类、羧酸和酚类化合物是苯水相SOA粒子的化学组分,各类型组分含量大小关系为: 醛类化合＞羧酸＞酚类化合物。气溶胶激光飞行时间质谱仪激光解吸电离技术能够用于水相SOA粒子化学组分的在线测量, 可用于水相SOA形成机理和过程的研究。

用一台数码相机拍摄同心圆靶标的照片, 求出照片中这两个椭圆的方程。研究了一种解算方法, 能用这两个椭圆方程的系数直接算出同心圆靶面的姿态。再求出椭圆平行于透视轴的切线及其切点的位置。利用这些切点的坐标解算同心圆圆心的像点位置和相机的焦距。如果知道同心圆的半径还可以求出同心圆靶的位置。所提方法可在停机坪标定飞机上的方向舵的角位移传感器; 或用于追踪航天器自主测量目标航天器的相对位置姿态。

针对干涉测量中采集到的波面数据是大量离散采样点不易寻找单位圆用于波面拟合的问题, 提出了一种凸壳理论圆域拟合的方法。方法对采集的波面数据寻找最小覆盖圆, 经归一化后以圆Zernike为基底进行波面拟合。利用Matlab仿真分析算法的性能, 对实测数据经过处理后与ZYGO测试数据进行对比分析得到面型PV值的绝对误差为0.0047λ, RMS值的绝对误差为0.0002λ。实验表明算法可对采集的大量离散波面数据进行高效准确的Zernike波面拟合, 为进一步光学元件面型像差的分析提供可靠依据。

为提高通信可靠性, 提出一种基于预编码的STBC MIMO可见光通信方案。采用STBC的MIMO技术, 其性能不受信道相关性影响, 因此更适合于高相关性的MIMO可见光信道。在此基础上, 对STBC MIMO系统进行预编码, 以在不改变发射功率的条件下实现系统误码率的最小化; 同时, 码本的设计能大幅度降低接收端到发送端的反馈。仿真中, 以经典的Alamouti方案为例进行预编码, 在发送功率及码率相同的情况下, 与未经过预编码的Alamouti方案相比, 系统误码率性能得到大幅度提升; 与编码码率1/2的四天线STBC方案相比, 在误码率性能相当的情况下, 传输速率是其两倍。

针对飞秒光脉冲全光纤化传输的需求, 研究了空心Bragg光纤单基模传输的特性。进而设计了一款空心Bragg光纤, 用于中心波长在1.550μm的飞秒脉冲单基模传输。为了解决空心Bragg光纤在工作窗口色散过大的问题, 通过合理的引入缺陷层调节空心Bragg光纤单基模传输的色散特性, 使其在工作窗口低色散或零色散传输。仿真结果表明, 空心Bragg光纤在1.45μm至1.65μm的带宽范围内都可以维持单基模、低色散或零色散传输, 完全满足脉宽为100飞秒的光脉冲全光纤化传输的需求。

为了抵消自然双折射引起的Pockels电场传感器的工作点漂移, 设计了一种基于波长控制的铌酸锂晶体强电场传感器。设计的传感器系统包括: 可调谐激光器、Pockels传感器、微控制单元及光电探测器。采用微控制器控制可调谐激光器的输出波长, 使传感器具有π的固有相位偏置, 即使传感器工作在线性区。仿真结果表明: 当设计的传感器晶体长度大于0.45mm时, 在1530 ~1565nm范围内可以找到使传感器工作在线性区的工作波长。最后结合传感器最大可测电场与半波电场之间的关系Emax≈0.3Eπ, 得出传感器晶体长度为6.32mm, 光沿z方向传播, x方向加电场, 传感器最大可测电场为1000kV/m, 此时调谐传感器的工作波长为1546.1nm可以使传感器工作在线性区。

针对现有的准分布式光纤传感测量技术复杂、精度不高且响应时间较慢等问题, 设计出一种实时性高且成本更低的准分布式光纤传感器。传感器主要由柔性LED灯带和带有侧向耦合结构的聚合物光纤组成。侧向耦合结构被LED逐一照亮, 形成一系列传感单元。光通过侧向耦合结构入射聚合物光纤中, 当LED和耦合结构之间的介质改变时, 耦合光强增加, 光纤两端输出光强随之增加, 则可将液漏事件转化为耦合介质改变来测量。结果表明, 准分布式光纤液漏传感器具有检测和定位漏水信号的能力且定位精度小于等于10cm, 实现了液漏检测和漏点定位的功能。

提出一种对温度和折射率进行同时测量的双周期光纤光栅传感器。双周期光栅通过将长周期光栅和光纤Bragg光栅刻写到光纤同一位置而构成。利用两种光栅对温度和折射率的灵敏度差异, 结合灵敏度系数矩阵实现了双参量测量。将所刻写的双周期光栅使用氢氟酸进行腐蚀, 进一步增加了倏逝场强度, 实验结果显示温度灵敏度为64.26pm/℃, 折射率灵敏度可达-297.14nm/RIU。所设计的传感器在双参量测量场合和折射率高精度测量中具有良好的应用前景, 同时具有体积小、灵敏度高的优点。

在计算机全息图的计算过程中, 引入的随机相位与光学重建中相干光散射会引起再现像中的散斑噪声现象, 从而影响重建图像的质量。提出了一种新的基于部分相干光相干度分布的全息图计算方法, 即PCL-GS算法, 算法以Shell衍射定理为基础, 模拟参考光源相干度对全息记录过程的影响, 使模拟记录过程更接近实际状况。在重建光相干度相同的情况下, 与传统GS算法重建结果相比, 重建图像的峰值信噪比提升4.8%、结构相似度提升14%、散斑对比度降低4%。方法可为三维全息显示、光束整形等光调制技术提供新的理论基础。

针对不同环境光亮度下手机拍摄印品后提取秘密信息困难的问题, 提出一种基于奇异值信息熵不变特性的抗打印拍摄信息隐藏方法。将彩色载体图像转换到YCbCr颜色空间,选择Contourlet域低频系数进行奇异值分解, 利用奇异值信息熵的不变特性, 将全息加密的彩色QR码嵌入到彩色载体图像的奇异值中。实验结果表明算法不可见性好, 不仅对打印拍摄具有很好的鲁棒性, 而且对压缩滤波攻击及几何攻击后再次打印拍摄二次攻击仍然具有很好的抵抗性。以彩色QR码作为防伪信息, 可以携带丰富的版权信息, 使用手机即可识别, 方便快捷, 在商品包装防伪方面有着很好的实际应用价值。

针对高动态范围的红外图像动态范围压缩和细节增强问题, 文中采用基于基层-细节分层处理融合的增强框架, 提出基于拉普拉斯滤波器的基层处理方法, 将高动态红外图像的动态范围压缩到可显示的低动态范围图像, 同时保留图像局部对比度。针对图像中的细节分量, 提出对原始输入高动态范围红外图像提取梯度信息并做非线性增强, 然后将低动态范围图像与增强的梯度信息通过优化融合重建, 得到细节增强的红外图像。实验结果表明, 新算法有效地提高了红外图像的整体对比度, 保留图像的细节信息, 有较佳的图像视觉表现。

利用Z扫描系统研究了多层石墨烯非线性光学吸收特性。结果表明多层石墨烯在激光作用下具有反饱和吸收特性, 且非线性折射系数为正。随着层数增大, 非线性光学吸收系数减少得慢一些。基于微观尺寸效应, 2~5层石墨烯的叠层方式也会影响到非线性吸收系数的值。另外, 激光的强度、中心波长和脉宽等因素都会影响样品非线性光学吸收系数的结果。石墨烯具有非常优良的非线性光学特性, 为其制成非线性光学器件提供了有效的实验依据。

激光相干合成技术是目前最常用的实现高功率激光输出的方式, 各路光束间的相位不一致是影响相干合成效果的重要因素。研究了用于控制相位的SPGD算法, 探讨了SPGD算法的参数优化方法, 提出了一种自适应增益策略, 并通过仿真分析了固定增益和自适应增益算法的收敛速度、收敛精度。仿真结果表明, 通过算法参数的优化选取和自适应增益方法, 能够将算法的收敛速度提高12.7%, 收敛精度提高0.23%, 得到了较好的收敛效果。

提出了一种通过共线型双等离子体的简单方法实现双色场作用下辐射太赫兹波的频谱调制。利用修正的光电流模型, 模拟了共线型双等离子体在双色场条件下辐射太赫兹波的频谱分布。通过调节体系的参数, 研究了两等离子体间距及激光光强对太赫兹波频谱调制的影响。结果表明, 太赫兹频谱分布与两等离子体间距及双色激光强度有关。等离子体间距影响太赫兹波频谱的峰值个数和频移; 激光光强虽会影响单个等离子体辐射太赫兹波的峰值频率, 但是对于调制的频谱而言只会改变峰值的幅值。

为了在微光条件下获取像白天一样兼具色彩和细节的图像, 提出一种微光下的彩色成像处理方法: 对彩色探测器图像进行降噪、增强和模糊处理, 提取其中的色彩信息, 对同时能接收可见光和近红外波段的高灵敏度黑白探测器图像进行降噪处理, 获得微光场景的细节信息, 在YCbCr色彩空间将色彩信息与微光场景的细节信息进行融合, 生成微光场景下的彩色图像。根据这种方法, 选择两款像元分辨率及像元尺寸相同的彩色和黑白SCMOS探测器, 设计并搭建成像处理系统。实验结果表明, 在0.01Lx的条件下, 处理得到的彩色图像符合真实场景, 适宜人眼观察。

MEMS红外图像转换芯片是一种将可见光转换为红外辐射并用于红外目标模拟器的直接辐射型器件。对MEMS红外图像转换芯片的热力学性能进行研究: 与标准黑体辐射谱对比表明芯片辐射光谱为黑体谱, 红外波段平均发射率0.638; 通过线扩散函数研究芯片横向热传导特性, 其热扩散距离随衬底厚度降低而减小, 在衬底上制作周期性像元阵列可以有效降低其热传导系数, 衬底厚度360nm的刻有像元的转换芯片热传导系数为0.1W/m·K ; 转换芯片的时间特性研究表明其时间常数随衬底厚度减小而变小, 衬底厚度345nm的芯片制冷至5℃时的时间常数为2.72ms。

提出一种基于Android平台的海水油污检测光谱仪数据传输与处理系统设计方案, 方案结合移动终端便捷性、高效性的特性, 选用蓝牙对光谱数据和油污等光谱参数进行传输, 优化数据解析算法, 实现了光谱和油污参数变化曲线实时绘制, 并可进行数据本地存储。在实验中, 对威海小石岛水域进行了测量, 实时快速获得了海水的光谱及油污参数数据, 实验结果表明系统具有数据传输处理速度快、稳定性高、成本低等优势, 有较高的实用价值。