采用多层相位屏的数值模拟方法,定量研究了几种典型像差对聚焦高斯光束在湍流大气中传输的轴闪烁特性的影响。研究结果表明,像散和慧差像差对远场光斑的轴闪烁分别具有较强的抑制和促进作用,较强的慧差和像散能分别提前和延后光斑轴闪烁饱和的出现。湍流较弱时的聚焦高斯光束大气传输光强起伏概率严重,湍流越强,光强起伏概率越接近于对数正态分布,且基本满足偏斜度为负,陡峭度为正。弱、中等湍流强度下,像差权重较大时,光强起伏概率分布主要受像差影响;像差权重系数较小时,光强起伏概率分布主要受湍流效应的影响,且各像差主要影响光强较弱区域的起伏分布情况。强湍流强度下,湍流效应对光强起伏概率分布占主要作用,趋近于对数正态分布。

对复杂背景下暗弱点目标和背景杂波特性进行了分析,提出了一种基于全方位多尺度的形态学滤波和局部特征准则的点目标检测方法。实验结果表明,在复杂背景和低信噪比条件下,所提算法的目标检测概率达到99.8%,虚警率为0.1%。与最大中值滤波法、高斯差分尺度空间法、高斯混合模型法进行对比,结果表明,所提算法对复杂背景的抑制作用较好,且算法复杂度不高,易于实时实现。

双能X射线光栅相衬成像系统具有成像效率高、辐射小、无须步进装置、成像平台简单等优点。研究了不同X射线能量下,CsI厚度与荧光透射率、金属铋的厚度与光强透射率的关系。基于以上研究,设计了一种双能分析光栅,阐述了光栅结构及栅条的制作材料,分析了栅条厚度的计算方法。对双能分析光栅成像进行了仿真,结果表明,设计的双能分析光栅可以获得清晰的条纹图像,并具有良好的条纹对比度。将设计的双能分析光栅应用于双能X射线光栅相衬成像系统,对成像系统进行了仿真,成像系统可以获得被测物体的相位一阶导数图像,表明设计的双能分析光栅是有效的。

基于部分相干光束的角谱表述和稳相法,研究了非传统空间关联结构对非傍轴部分相干光束的远场光强和发散角特性的影响,推导了非傍轴贝塞尔-高斯谢尔模(BGSM)光束经圆形光阑衍射后在远场的光强和发散角的解析表达式,利用该表达式数值计算了非傍轴BGSM光束的远场光强和发散角特性。结果表明,非傍轴BGSM光束与非傍轴高斯-谢尔模光束的远场光强及发散角特性不同,并且与光束在光源平面的空间关联结构、束腰半径、相干长度以及光阑半径密切相关。因此,调控光束的空间关联结构可以调控非傍轴部分相干光束的远场传输特性。

提出一种基于81°倾斜光纤光栅(81°-TFG)的新城疫病毒(NDV)免疫传感器。分析81°-TFG传感器的基本原理和传感特性。利用金黄色葡萄球菌蛋白A(SPA)修饰81°-TFG的表面,然后将自制的高纯度新城疫病毒单克隆抗体(MAbs)通过SPA分子固定于81°-TFG表面,从而制成对NDV抗原特异性检测的传感器。实验结果表明:该免疫传感器对NDV的探测极限在0.1 ~0.2 ng/mL之间,检测饱和点约为1.0 ng/mL;在0~1.0 ng/mL范围内具有良好的线性度(R²约为 0.982),灵敏度约为342 pm/(ng·mL ^-1);且该传感器具有良好的可重用性和对NDV抗原的高度特异性,并能用于NDV的临床检测。相对于传统的免疫荧光技术、酶联免疫等生化检测方法,本文提出的方法具有免标记、操作简便、快速检测等优点。

提出了一种基于铜沉积二硫化钨膜包覆薄芯光纤的马赫-曾德尔干涉型气体传感器。将标准单模光纤与薄芯光纤熔接形成纤芯失配型气体传感器,借由外表面沉积铜的二硫化钨敏感膜对硫化氢气体的吸附,将气体的浓度与光谱偏移关联起来,从而达到检测低浓度硫化氢气体的目的。研究表明,该传感器对硫化氢气体的检测灵敏度为29.3 pm,且在硫化氢气体体积分数为0~6×10 ^-5的范围内显示出良好的线性关系和选择性。该传感器结构简单、灵敏度高、制备容易,特别适用于硫化氢气体的低浓度在线监测。

为改善全光纤波长交错滤波器(Interleaver)的输出特性,提出了一种将带自反馈光纤谐振腔的2×2光纤耦合器作为马赫-曾德尔干涉仪 (MZI)输出端耦合器的新型全光纤MZI-Interleaver,推导了该器件的输出表达式,并进行了数值模拟分析。分析结果表明:改进后的MZI-Interleaver透射波形更加接近于方波,阻带抑制和过渡带滚降特性明显加强;与传统的光纤谐振腔辅助MZI-Interleaver相比,在考虑传输损耗的情况下,改进后的MZI-Interleaver相干涉的两束光信号不存在幅度差异,因此降低了传输损耗对全光纤MZI-Interleaver消光特性的影响。

瑞利布里渊光时域分析系统(BOTDA)存在信号小、噪声大的问题,会导致系统空间分辨率与信噪比难以同时提高。将脉冲编码技术引入瑞利BOTDA系统,可在不降低空间分辨率的前提下有效地提高系统信噪比和布里渊频移测量精度。分析了瑞利BOTDA温度传感系统的原理,介绍了Golay互补序列的特性,并给出了单脉冲和编码脉冲系统的信噪比表达式;搭建了单脉冲和脉冲编码瑞利BOTDA温度传感系统,测量了单脉冲瑞利BOTDA系统的温度传感特性及脉冲编码瑞利BOTDA系统的空间分辨率和温度测量精度。实验结果表明,由瑞利BOTDA系统获得的布里渊频移与温度呈良好的线性关系,温度系数为(1.109±0.010) MHz·℃ ^-1;当采用10 ns脉冲宽度、64 bit格雷编码时,在1.77 km光纤的加温段上实现了空间分辨率为1 m、温度测量精度为1.39 ℃的传感测量。

基于复合变焦光学系统原理,提出了一种新型复合变焦光学系统结构。该结构将连续变焦与两档变焦结合,可以增大变焦光学系统的焦距变化范围,实现更大的搜索范围和更远的跟踪距离。建立了新型复合变焦系统光学设计的数学模型。在该模型的指导下,针对像元数为320×240,像元尺寸为30 μm×30 μm的长波红外非制冷焦平面探测器,设计了一款新型复合变焦光学系统。该系统工作波段为8~12 μm,焦距变化范围为10~360 mm,在10~60 mm时,F数为2,在60~360 mm时,F数为4。对光学系统凸轮曲线和性能进行了分析。结果表明,该系统具有变倍比大、结构简单、像质好和变焦轨迹平滑等优点,验证了该数学模型的有效性。

现有单幅图像去雾算法大多基于局部先验,去雾结果存在块效应。在处理浓雾区域时,如果没有特殊处理,会导致图像中的一些伪影被增大,比如在原始的有雾图像中几乎不可见的噪声、色彩重叠等,在去雾后的图像中被增强,进而影响图像质量。针对以上存在的问题,提出了一种改进算法。首先采用非局部先验,估算初始的透射率,然后采用正则化的方法优化透射率,并且将原始图像和去雾后图像的梯度差L_1/2范数作为正则化项,达到抑制噪声干扰的目的。结果表明,该算法能够很好地恢复出图像的细节信息和色彩;与局部先验方法相比,具有更好的稳健性。

复杂的海空背景环境中云层、波浪反射、复杂气象条件等会给海天线检测带来困难。针对复杂背景下海天线检测的环境适应性问题,提出了一种基于图像边缘相位编码的海天线检测方法。该算法通过双边滤波原理对图像进行保边滤波处理,以高斯拉普拉斯算子增强边缘响应,配合设计的高斯核方向滤波器完成边缘相位编码的抑噪和增强,然后以相位组分内扫描线的累积响应强度和海天区域内像素强度分布模式差值辨识出最优海天线的位置。实验结果表明,该算法能够有效地检测出不同复杂背景条件下的海天线,具有计算量小和环境适应性强的特点。

近年来,三维(3D)成像技术因其逼真的观感而广受关注,随之而来的3D图像的安全问题也逐渐被重视。由于3D图像的数据量非常庞大,导致数据传输处理速度缓慢,因此如何快速并安全地传输处理3D图像成为了首要的问题。提出了一种凭借全光学手段实现压缩光学图像隐藏技术,利用光学技术的并行性以及压缩感知理论大大减少了采集时间和采集数据量,为未来实现3D图像安全传输提供可能。首先通过使用改进的马赫-曾德尔干涉仪将秘密图像嵌入到宿主图像中实现图像隐藏,再利用单像素相机实现全息压缩成像,将隐藏图像的采集数据压缩到更小。在接收端,通过压缩感知理论和指定的全息重建算法,很好地恢复了秘密图像。仿真和初步实验结果表明,使用全光学手段并应用压缩感知理论能够大大减少全息图数据采集量,证明了本方案可安全高效地在全光网络中实现光学图像传输。

基于引导滤波和非下采样方向滤波器,提出了一种多尺度方向引导滤波图像融合方法,该方法兼具边缘保持特性和方向信息提取能力,能够有效提取源图像的有用信息。所提方法对源图像进行多尺度方向引导滤波,得到了包含低频近似部分和强边缘部分的低频分量,而后通过高斯低通滤波将其进行有效分离,分别应用基于卷积稀疏表示和区域能量自适应加权平均的融合规则;对高频细节方向分量应用显著性与引导滤波相结合的融合规则,以保持空间一致性,得到了相应的高频细节融合分量。结果表明,所提方法能更好地提取源图像的目标特征信息,保留丰富的背景信息,客观评价指标优于现有方法,融合结果具有更好的主观视觉效果。

针对时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)成像系统多通道间存在响应非均匀问题,开展了基于辐射定标的校正方法研究。结合成像系统的信号处理流程,推导了响应非均匀性校正的理论模型,提出了一种基于加权最小二乘的定标校正方法,分别在1/4、1/2和3/4饱和响应处采集三组图像数据,并利用高斯加权函数对三组通道间的校正参数进行加权最小二乘拟合,从而获得优化的校正参数。利用TDI CCD成像系统进行实验验证,结果表明,系统的响应非均匀性(1/2饱和响应处)由原来的4.09%降低至0.85%,并优于两点校正法的1.93%,同时该方法在宽响应域内均获得了良好的校正效果,具有精度高、实用性强等特点,可应用于机载、星载等相机载荷,为获取高质量的遥感图像数据奠定技术基础。

金属纳米线栅是像素刻划偏振相机的核心器件,线栅上刻划了与光电探测器像元一一对应的微偏振片阵列,该阵列具有较大的非均匀性,对成像质量有较大影响。基于此,根据纳米线栅的结构与偏振传输理论,建立纳米线栅像素级矢量传输矩阵的测量数学模型,并结合矩阵最小二乘法,推导出多次测量以拟合最优传输矩阵的方法,为偏振相机像素级非均匀性矫正提供了核心的矫正参数。然后,兼顾纳米线栅刻划方式,提出了高空间分辨率的矫正算法。通过矫正后,偏振相机非均匀性由原来的2.00%降低至0.26%。外景成像实验中,目标偏振度图像的信息熵由5.34提升至15.15。结果表明,所提算法可以有效矫正纳米线栅的非均匀性,提升了偏振图像质量。

基于压缩感知的下视三维合成孔径雷达(DL 3D SAR)成像算法可以采用低于Nyquist采样率的采样数据实现平台正下方的高分辨成像。但是已有的算法在跨航向重构时采用的大都是单测量向量(SMV)模型,存在重构耗时长、受噪声干扰大的缺点。从单测量向量的推广形式即多重测量向量(MMV)模型出发,将DL 3D SAR中的跨航向处理与沿航迹向处理顺序交换,利用多重测量向量恢复具有相同稀疏结构的跨航向信号,提出了一种基于MMV模型的DL 3D SAR成像算法。相比于SMV模型的DL 3D SAR成像算法,该算法在运算时间、抗噪性能及重构精度方面均有所提高,并通过仿真实验验证了算法的有效性。

针对非线性双线原子荧光技术(NTLAF)测温过程复杂度高的问题,提出了利用可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)的标定方法。该方法将三个标定常数合并为一个,由荧光强度与TDLAS实时路径积分温度迭代求解获得该标定常数,最后获得温度。借助数值方法模拟了利用TDLAS标定NTLAF温度的过程,分析了不同温度分布及迭代初值对该方法的影响。温度反演结果与传统使用点标定方法的精度近似相等,温度反演误差均小于5%;不同温度分布对该标定方法的影响较小;选用合适的迭代初值,总能够获得唯一的标定常数。

基于圆孔衍射理论,设计了一套拼接式反射镜的共相误差光学检测系统,并采用双波长窄带共相算法实现对合成孔径拼接镜的共相检测。方案中设计了圆孔掩模板、相位板和微棱镜阵列,通过数值仿真得到子镜间存在一系列台阶差时的圆孔衍射模板图样,再将待测图样与模板图样进行相关匹配,获得当前子镜间存在的台阶差。在将检测方案应用于拼接镜检测之前,通过相位板在光路中引入已知量相位差进行模拟实验,对衍射图样进行采样和匹配;实验结果验证了方案的可行性,可实现对合成孔径拼接面进行较高精度的共相检测。

多角度偏振成像仪是一种超广角画幅式的偏振成像传感器,杂散光是影响其辐射偏振测量精度的重要因素之一。为了避免杂散光影响高精度定量参数的反演,需要在实验室对其进行专门的分析、测量和校正。根据多角度偏振成像仪的光学系统特点,将影响仪器的杂光分为局部杂光和全局杂光,重点分析了这两种杂光的成因和表现特性,并以此为基础构建了仪器的杂散光模型,提出了通过分区域照明获取杂光系数矩阵并对待校图像进行分块校正的方法。在未饱和及过饱和两种情况下,通过分矩形区域、分视场二维转动扫描成像的方式,建立了目标区辐射量和其他非目标区杂光量的关系,最终获得11×11区域的杂散光系数矩阵。最后根据实测得到的杂散光系数矩阵对图像进行了校正,结果表明,此校正方法可以消除至少90%的杂散光。

相位测量偏折术中的相位误差主要分为CCD相机的随机误差以及由结构光照明光源与CCD相机的非线性响应导致的非线性误差。从影响相位误差的根源分析,建立了条纹质量与相位误差、相机镜头光圈数、编码条纹的周期、调制度等因素的分析模型,并对该模型的可靠性与正确性进行仿真与实验验证。理论分析、仿真与实验结果表明:获取条纹的对比度与相机镜头光圈数、编码条纹的周期和调制度成正比,获取条纹的正弦性与相机镜头光圈数、编码条纹的周期及调制度成反比。根据该条纹质量分析模型优化系统参数,可以获得高质量的条纹。该条纹质量分析模型同样适用于面结构光三维测量等其他技术。

设计了一种阈值较低的太阳光直接抽运的Nd∶YAG固体激光器,采用有效面积为1.03 m ²、焦距为1.2 m的菲涅耳透镜为第1级太阳光会聚装置,分腔水冷型镀金锥形腔为第2级太阳光会聚装置。在液体导光透镜和镀金锥形腔的共同作用下,通过端面、侧面同时抽运直径为5 mm、长度为75 mm的Nd∶YAG螺纹晶体棒,获得了连续稳定的1064 nm激光输出。利用光学设计软件ZEMAX和激光谐振腔仿真软件LASCAD建立理论模型,通过数值模拟验证实验结果并优化系统设计。该太阳光抽运Nd∶YAG固体激光器的激光输出功率最高为31.5 W,收集效率为30.58 W/m ²,激光器阈值功率为102 W,斜率效率为4.25%,太阳光到激光的能量转换效率为3.2%。

研制了一种板级多通道半导体激光器温控系统,将其应用于混合气体检测中可实现同时对多个半导体激光器温度的控制。该系统硬件上由多通道温度采集模块、数字信号处理器模块、半导体制冷器(TEC)和TEC控制模块组成。软件上采用时间片轮转调度算法和积分分离式数字比例积分微分算法,实现了对多个半导体激光器温度的实时、精确控制。为了测试系统的性能,利用该系统同时控制中心波长为1.65 μm和1.56 μm的可调谐分布反馈激光器的温度,进行了温度控制实验并测试了两个激光器的发光光谱。实验结果表明,该系统可以实现对两个激光器温度的同时控制,温控精度为-0.011~0.015 ℃,响应时间小于3 s。对温控系统的工作稳定性进行了测试,两个激光器连续工作6 h,其工作温度保持恒定。连续10 h测试两个激光器的输出光谱,输出波长的峰值未出现偏移。该温控系统体积小、成本低、便于集成且稳定可靠,在混合气体检测中有良好的应用前景。

为了提升动态场景中视觉里程计的稳健性和精确度,提出一种基于运动物体检测的立体视觉里程计算法。首先,建立考虑相机位姿的场景流计算模型,用于表示物体的运动矢量。其次,提出构造虚拟地图点的方法,一方面结合场景流进行运动物体检测,另一方面使运动物体在图像中占比较大时仍有足够匹配点对用于位姿估计。最后,通过局部地图点及虚拟地图点与当前帧特征点的匹配结果,构建考虑虚拟点的非线性优化模型进行相机位姿估计,既保证静态地图点不与运动物体的特征点形成错误匹配,又避免因有效匹配点对过少而导致视觉里程计失效。数据集实验和实际场景在线实验结果表明,本文算法提升了视觉里程计在动态场景中的稳健性和精确度。

充分利用红外图像信息建立有效的观测模型是实现稳健红外目标跟踪的基础。影响红外目标跟踪结果的因素除可见光目标跟踪也会面临的干扰因素之外,还有诸如边缘和纹理信息缺失、信噪比低和背景噪声影响等特有因素。提出基于稀疏编码直方图(HSC)特征和扰动感知模型(DAM)的红外目标跟踪方法,使用K-奇异值分解算法得到过完备字典,利用该字典计算得到每个像素点的稀疏编码,并组成HSC对目标进行表达,同时通过引入DAM增强算法抗背景干扰能力。该方法充分利用了红外图像中运动目标的结构特性,能够有效去除背景干扰。与其他跟踪器相比,在VOT-TIR2015数据集上,该方法的精确度和成功率指标分别获得3.8%和4.4%的提升,具有较高的研究价值和实用价值。

为了提高大规模场景三维重建中的精度,在保证算法效率的前提下,提取两种局部稳定不变特征,并采用多特征融合方法进行匹配。针对基于航拍影像和城市街景图像联合建模存在的问题,提出了一种两种局部稳定特征匹配的方法。其步骤为:先提取ASIFT(Affine Scale Invariant Feature Transform)特征点和MSER(Maximally Stable Extremal Regions)特征区域,并对MSER算法进行改进,得到这两种稳定的图像特征;再用SIFT(Scale Invariant Feature Transform)特征描述符对其进行描述;最后利用基于单应矩阵的特征匹配算法进行匹配。利用图形处理单元(GPU)对特征匹配环节进行并行优化处理。大量实验及对比结果表明,本文算法可以得到两种单一算法两倍以上的正确匹配对。

针对Census变换易受噪声影响使得立体匹配算法难以获取高匹配精度的问题,提出了一种改进Census变换和异常值剔除的抗噪立体匹配算法。在初始匹配代价阶段,该方法首先将窗口邻域中值作为参考值并通过映射函数控制异常值,提高了单像素匹配代价的可靠性;然后在代价聚合阶段,对动态聚合窗口中初始代价值进行异常值剔除;最后通过视差计算、视差优化得到最终的视差图。在VS2013软件平台上采用Middlebury标准测试图对初始匹配代价、代价聚合、最终视差图阶段进行测试。实验结果表明,本文算法的抗噪性能优于现有Census变换算法,且错误匹配率达到5.71%。

针对复杂跟踪条件下目标的稳健跟踪和精确尺度估计问题,提出了一种基于多层卷积特征融合的目标尺度自适应稳健跟踪算法。算法首先利用VGG-Net-19深层卷积网络架构提取目标候选区域的多层卷积特征,通过相关滤波算法构建二维定位滤波器,得到多层卷积特征并进行加权融合,从而确定目标的中心位置;然后通过对目标区域进行多尺度采样,提取其梯度方向直方图特征构建一维尺度相关滤波器,确定目标的最佳尺度。实验结果表明,与6种当前主流跟踪算法相比,该算法取得了最好的跟踪成功率与精度,同时在跟踪过程中较好地实现了对目标快速尺度变化的自适应跟踪,且具有较快的跟踪速率。

现有双目相机标定的方法是通过矩阵变换求得各个相机间的旋转平移关系,再通过优化求得最终参数。非线性优化步骤多,相机内外参数与镜头畸变存在耦合,时间花费较大。提出一种畸变矫正与平面单应性矩阵结合的双目相机标定方法。根据三维空间直线投影到像平面仍然是直线的法则,对于无畸变的图像,直线上任意两点所构成的向量的方向相同时向量夹角应为零。基于此特征求解双目相机的畸变系数,再通过平面单应矩阵构造测量矩阵,然后通过矩阵分解求得相机内、外参的初值,最终通过非线性优化求得双目相机的各个参数。仿真和实验结果证明,该方法稳定性高,精度与传统标定方法的精度相当,且计算时间短,标定效率优于传统标定方法。

常规的特征保持点云精简方法需计算全部点云的微分信息,但直接计算高密度或含噪点云的微分信息存在一定偏差,导致点云精简效果不佳。提出一种基于栅格动态划分的点云精简方法。首先对模型进行空间栅格初划分,利用随机采样一致性算法剔除栅格内的干扰点,然后采用最小二乘法对剩余点进行平面拟合并计算平整度值,根据平整度值判别该栅格是否细分,将平坦区域压入大间距栅格内,特征丰富区域划分至小栅格中。针对小栅格内的点引入高斯函数降低远距离点对特征识别贡献的权重,综合曲面变化度和邻域法向量夹角信息共同识别特征点并保留,大栅格内的点根据栅格间距大小采用不同的采样率采样。与随机采样法、栅格法、曲率精简法对比实验结果表明,该方法能较好地保持模型细微特征且避免孔洞的出现,精简后模型的最大偏差为1.502 mm,远小于其他三种方法;随着噪声强度的增加,本文方法的精简误差相对较小且变化平缓,在35 dB噪声下,平均偏差仅为随机采样法和栅格法的40%,曲率精简法的50%。

为提高偏振荧光图像序列的获取速度,提出利用电光调制器对激发光的偏振方向进行控制并配合相机记录偏振荧光图像的高速偏振荧光显微系统。对激发光路的偏振畸变进行测量和有效补偿,以确保样本平面激发光偏振方向的精确控制。利用巨型单层囊泡样本对实验系统进行测试,结果表明该系统能够以近视频帧率对分子方向信息进行成像,具备监测动态样本分子方向信息的能力。

偏振成像光谱技术可以获取目标景物的七维空间信息,其获取丰富数据信息的能力使它的应用越来越广泛。基于双Amici棱镜对多狭缝偏振成像光谱仪的光学系统进行设计,采用双Amici棱镜作为系统的分光元件提供宽视场平行光束色散,以满足多狭缝的需求;宽视场的多狭缝结构是基于常规狭缝式成像光谱仪结构进行优化的。本系统中宽视场的多狭缝光谱仪结构须做好与前置望远物镜的光瞳衔接。成像系统和偏振光谱仪系统均采用远心结构,以便与光瞳匹配,系统总长度为279 mm,系统光路共轴,结构紧凑;通过调制传递函数(MTF)和点列图对光学系统的像质进行评价。结果表明:全系统在各视场典型波长处的MTF均接近衍射极限,MTF在39 lp/mm处超过了0.75;各典型波长处的点列图均在艾里斑内,接近完美成像;3条狭缝对应3个不同的偏振态,可通过推扫获取目标景物的偏振信息、空间信息和光谱信息。

提出基于小波变换的优化折中综合鉴别函数(OTSDF)滤波器(W_OTSDF)算法,对其进行优化设计,利用小波变换的多尺度与带通滤波特性,提高平面集成2f光学相关器的相关输出峰值强度和信噪比(SNR)。利用Matlab搭建系统的仿真模型,获取W_OTSDF滤波器的优化算法。仿真结果表明,在平面集成2f系统中对旋转、缩放以及旋转缩放同时存在的畸变目标进行识别时,优化设计的W_OTSDF滤波器较OTSDF滤波器在峰值相关能量比(PCE)、峰值旁瓣比(PSR)、SNR等整体性能指标方面均有较大提高。理论分析与仿真结果均表明W_OTSDF滤波器较OTSDF滤波器具有更好的识别效果。

研究分析了金属-介质-金属(MIM)波导布拉格光栅(WBG)结构中的反对称和对称等离激元模式的色散关系和传输特性。计算分析了金属为银、介质层厚度为700 nm时,不同介质材料情况下两种模式的截止特性及色散关系。在此基础上用布洛赫模式分析法探讨了两种介质交替排列构成的MIM WBG结构的反对称与对称模式的能带结构;并用传输矩阵法计算了透射谱,发现结构在通信波段的模式滤波特性。进一步讨论了对称模式的截止频率、模式传输特性与材料和结构参数的依赖关系。通过对结构材料参数及几何尺寸的选择及优化,可以实现在特定波段的宽带或窄带滤波及模式滤波功能,该结构在光通信、集成光学领域具有一定的应用价值。

设计了一种基于介质光栅金属薄膜复合结构的折射率传感器。利用He-Ne激光器输出的632.8 nm横磁偏振光激发复合结构中的表面等离子体,得到了高灵敏度的折射率传感器。运用有限元方法,数值模拟了具有不同光栅厚度、周期以及折射率的分析物的反射光谱。对占空比为0.5、金属薄膜厚度为45 nm的复合结构进行了参数优化,得到最优参数为:光栅厚度100 nm、光栅周期500 nm。在最优参数条件下,计算了金属薄膜与具有不同折射率的分析物之间的界面共振角的变化,得到了高达500 (°)/RIU的角灵敏度。该折射率传感器操作简单、成本低、角灵敏度高,具有很好的应用前景。

基于含石墨烯的双/三层介质结构中的光学色散方程,研究了覆层和基底层材料对石墨烯表面等离子体波横电(TE)模的影响。计算结果表明,近红外波段内,石墨烯表面等离子体波TE模的性质对覆层和基底层介电常数的差值极其敏感。当覆层和基底层介电常数出现微小差异时,TE模可以进行传输。随着两介电常数差值的增大,TE模的有效折射率显著增大,甚至超过覆层折射率,而传播损耗不断减小。对于三层介质结构,相邻两介质分界面间添加单层石墨烯形成了平板波导结构,研究该结构发现,当传导层和基底层介电常数相近时,其夹层的石墨烯对波导TE模的调控尤其显著,这种调控来源于电磁波耦合到石墨烯形成的表面等离子体波TE模。这些结果为设计调制器、检测器和过滤器等石墨烯表面等离子体波导器件提供了理论支持。

引入一类新的部分相干光束,其谱相干度或关联结构函数具有余弦-洛伦兹的非传统相关函数形式(即非高斯函数形式),这类部分相干光束满足Gori确定的充分条件,是物理上可实现的光束。基于广义惠更斯-菲涅耳衍射的Collins积分公式,获得了余弦-洛伦兹关联结构函数部分相干高斯光束通过近轴ABCD光学系统传输时其交叉谱密度函数的一般解析表达式,并探讨了光束经过薄透镜聚焦时光强分布的演化特性。结果表明:该类光束在合适的参数条件下能呈现自分裂和自整形等奇异传输特性,且这些传输特性与关联结构函数的性质密切相关; 这类光束的自分裂和束斑形状变化是由关联结构函数中的不同因子产生的。因此,调控这类部分相干光束的关联结构函数分布可以有效调制其相干长度和非均匀性,从而可操控光束传输行为。该研究结果为实现4个正方形光束提供了可能方案,在工程技术领域具有重要的应用前景。

霾监测是环境治理中的关键技术之一。目前地面观测站进行霾监测的耗费较大,基于多光谱遥感的霾识别精度较低。将深度学习用于高光谱遥感数据的霾监测,提出一种基于深度残差网络的高光谱霾监测方法,利用深度网络提取霾光谱曲线特征,再使用残差学习等方法降低网络训练难度,得到了霾监测模型。苏州地区Hyperion高光谱数据集上的实验表明,与其他遥感霾监测方法相比,所提方法的霾识别精度更高。

盐生植物中的盐离子是评价植物营养状况的重要指标,反映植物对盐胁迫的适应策略。以艾比湖湿地自然保护区盐生植被为研究对象,利用2016年10月7种盐生植被的叶片盐离子含量数据和对应的叶片光谱反射率数据,分析了盐离子Ca ²⁺、K ⁺、Mg ²⁺和Na ⁺与比值植被指数(RVI)、差值植被指数(DVI)和归一化植被指数(NDSI)之间的相关关系,选出最佳波段组合,建立了12种叶片盐离子与光谱反射率的估算模型,并进行精度验证,从中选出最佳拟合模型。结果表明盐生植被的叶片盐离子含量与原始光谱反射率的相关性较低,且与各波段反射率呈显著负相关的主要是Na ⁺含量。Na ⁺含量与DVI、NDSI和RVI构建的植被指数相关性最高,相关性均达到0.5以上,波段主要位于近红外与中红外区域。以 VDVI(R1750,R1480)、 VDVI(R478,R440)、 VNDSI(R450,R375)和 VRVI(R405,R375)为自变量构建的三次多项式分别是Na ⁺、Ca ²⁺、Mg ²⁺和K ⁺的最佳估算模型。以 VRVI(R1100,R1125)为自变量构建的Na ⁺三次多项式的模型相关系数最大(R=0.806),说明该模型的拟合度较高,预测效果较好,可用来实时监测盐生植被叶片的盐分状况,为盐生植被叶片含盐量的精确诊断提供了技术途径。

提出了一种基于姿态关联帧的星敏感器标定方法,该方法通过外场天文观测即可实现标定。首先,利用与星敏感器捷联安装的陀螺组合体提供的高精度角度信息,实现了多帧星图的关联叠加,然后构建多帧星图之间恒星与像点的成像映射模型,最后采用最小二乘法实现了星敏感器内参数的全局优化。仿真结果表明,相比基于星角距的标定方法,所提方法标定精度更高、稳健性更佳,且能同时标定出星敏感器相对陀螺组合体的安装矩阵,因此其适用于船载和机载惯性/天文组合导航系统的参数标定。

为实现直升机、螺旋桨飞机和喷气式飞机的激光遥感探测分类,研究了基于时频图的飞机目标微动纹理特征提取算法。根据旋翼微多普勒模型仿真三类飞机旋转部件回波信号,将平滑伪魏格纳-维利变换得到的时频分布生成灰度图像。采用大津(OTSU)法结合灰度拉伸对图像进行阈值去噪处理,提取目标灰度共生矩阵(GLCM)特征以及Tamura特征,并针对时频图差异进行特征优化,最后使用支持向量机(SVM)实现飞机目标分类。仿真数据分类结果表明:GLCM特征对噪声表现敏感,经所提方法对时频图去噪,信噪比(SNR)R_SN=0 dB时的分类正确率可达96.4%。Tamura特征在高信噪比条件下分类正确率较高,但当R_SN<5 dB时下降明显。因此提取时频图纹理特征可以达到较为理想的飞机分类效果,且利用改进GLCM特征能够实现低信噪比条件下的目标准确分类。

由于双向反射分布函数( BRDF)经验模型与半经验模型对材质散射特性描述时存在局限性,导致其拟合结果与实测数据的误差较大。针对此问题,基于深度神经网络(DNN)构建了一种适用于具有不同散射特性空间目标材质的BRDF模型。建立的深度神经网络模型基于TensorFlow实现,包含4个隐含层,并采用AdaDelta梯度下降法进行优化,结合Dropout方法进行正则。随机抽取材质测量数据的一部分作为训练样本,最终得到BRDF与入射天顶角、反射天顶角以及观测方位角的映射关系模型。大量的实验结果表明,建立的深度神经网络模型具有良好的材质特性描述能力,且对于相同材质,模型的拟合误差小于经验模型。

为了实现对水中有害重金属元素铅的超灵敏快速检测,保证饮用水源的安全,对激光诱导击穿光谱(LIBS)-激光诱导荧光(LIF)联用技术进行研究;采用木片吸水将液体样品分析转换为固体样品分析,消除了采用LIBS技术直接分析水样品时水对原子辐射以及光学收光系统的影响;采用一束可调谐染料激光共振激发激光等离子体中的铅原子,探测其LIF以大幅提高光谱分析的灵敏度;在优化的实验条件下得到水中铅的校正曲线。结果表明,在当前实验条件下铅的检出限可达到3.2×10 ^-9,LIBS-LIF联用技术结合木片吸水法可以直接应用于水环境中痕量铅元素的超灵敏快速检测,从而可监控有害重金属造成的水源污染。

采用荧光光谱法、紫外可见吸收光谱法以及同步荧光光谱法研究了米格列奈钙与牛血清白蛋白(BSA)之间的相互作用。实验结果表明,米格列奈钙对牛血清白蛋白的荧光有较为明显的猝灭作用,其猝灭机制为动态猝灭,遵循Stern-Volmer方程;根据F rster的非辐射能量转移理论,计算出米格列奈钙分子与牛血清白蛋白分子的结合距离为5.461 nm;用同步荧光光谱技术探究了米格列奈钙对BSA构象的影响,结果发现,当激发和发射波长差为60 nm时,荧光峰位发生了微小的蓝移,说明BSA色氨酸残基附近的外围微环境受到了米格列奈钙分子的影响,极性减弱, BSA的疏水性增强。

挥发性盐基氮(TVB-N)含量是评价猪肉新鲜度的重要理化指标。为了实现快速、无损检测猪肉的新鲜度,优选出与猪肉中TVB-N含量相关的特征波长,将包含特征波长的发光二极管(LED)光源用于多光谱检测系统,测定了猪肉中TVB-N的含量。首先利用可见-近红外(VIS-NIR)高光谱系统对猪肉进行检测,获取高光谱反射率数据,并采用一阶导数(FD)法、标准正态变量变换(SNV)以及其他预处理方法建立猪肉中TVB-N含量的偏最小二乘回归(PLSR)模型;然后分别利用逐步回归算法(SWA)、连续投影算法(SPA)、基因遗传算法(GA)筛选出与TVB-N含量相关的特征波长,利用筛选出的特征波长分别建立PLSR模型与多元线性回归(MLR)模型,比较模型结果后进一步优选特征波长;最后,将含有特征波长的LED光源用于多光谱检测系统,并建立PLSR模型与MLR模型,从而完成对猪肉中TVB-N含量的测定。实验结果表明:利用SWA、SPA、GA这3种算法筛选出的特征波长能够很好地反映全光谱的信息,建立的模型效果较好,变量数大大减少;包含优选特征波长的LED光源在多光谱检测系统中能很好地检测猪肉中的TVB-N含量; MLR模型结果好于PLSR模型结果,MLR模型的校正集相关系数和校正集均方根误差分别为0.9050和3.63×10 ^-5,预测集相关系数和预测集均方根误差分别为0.9040和3.81×10 ^-5。

利用光学膜系设计软件(TFCalc),设计出空间用GaInP/(In)GaAs/Ge 三结太阳电池的分布式布拉格反射器(DBR)。实验结果表明由15对Al_0.2Ga_0.8As/Al_0.9Ga_0.1As组成的DBR在中心波长850 nm处的反射率高达96%,使800~900 nm波段内红外光被有效反射后又被二次吸收,提高了GaInAs中间电池的抗辐照能力。基于细致平衡原理,结合p-n结形成机理,对原电池结构和包含DBR的新电池结构进行厚度优化。通过对比中电池厚度为2.93 μm的原电池结构和中电池厚度为1.2,1.6,2.0 μm的新电池结构的辐照前外量子效率(EQE),发现新电池结构基本弥补了基区减薄对短路电流的影响。通过分析两种结构电池辐照前后的电学性能,发现DBR结构的存在明显改善了辐照后电池电流的衰减,并且中电池厚度为1.6 μm的新电池结构辐照后效率高达24.87%,较原电池结构提升了近2%,基本接近中电池厚度为2.0 μm的新电池结构,且明显高于1.2 μm中电池厚度的新电池结构。

提出了一种以聚酯薄膜作为支撑的超薄金属薄膜太赫兹分束器结构,建立了该结构的基于传输矩阵理论的分束模型,分析了不同厚度金属Cr膜和聚酯薄膜对超宽频段太赫兹分束器的反射率、透射率和分束比的影响。理论结果表明,太赫兹分束器的分束性能受金属Cr膜厚度的影响较大,而受聚酯薄膜厚度的影响较小。在此基础上,制备了不同厚度金属Cr膜的太赫兹分束器件,并进行了分束实验,获得了与理论分析一致的实验结果,确定了1∶1分束比下的器件结构参数。