基于T矩阵散射理论,以中分辨率成像光谱仪(MODIS)海洋气溶胶模型细模态M4和粗模态M9为例,模拟计算了不同纵横轴比椭球形状以及等概率纵横轴比椭球形状分布的非球形粒子单次散射特性。与球形粒子进行比较,发现非球形性对细模态粒子具有起偏作用,而对粗模态粒子具有退偏作用。利用机载大气多角度偏振辐射计(AMPR)的近海海域航飞遥感数据,进行了非球形粒子和球形粒子气溶胶光学厚度的反演实验。反演结果表明,基于非球形模式得到的气溶胶光学厚度与地面太阳辐射计(Cimel,CE318)测量结果一致性较好,相对均方误差在0.1以内。

利用中高层大气红外辐射模式模拟分析极光对中高层大气临边红外辐射的影响。模拟结果表明,极光扰动大气时,NO导致2.7 μm、5.3 μm带临边辐亮度相比于静态值显著增大,2.7 μm带辐射不含时变化,5.3 μm带辐射含时小幅变化;CO₂和NO⁺导致4.3 μm带临边辐亮度相比于静态值显著增大,CO₂导致其含时变化;10 μm、15 μm带临边辐亮度因CO₂ 4.3 μm带的关联效应也以一定幅度增大,并同样含时变化。因化学反应产生的NO、NO⁺的高振动能级使2.7,4.3,5.3 μm带在包含它们的基带和热谱带的宽光谱范围内都获得增强。根据所获得的辐射特性,初步模拟了一次极光扰动大气的4.3 μm带临边观测事件,并与实测值进行对比分析,验证了中高层大气红外辐射模式的正确性。

原子通量是影响原子光刻技术制备纳米光栅质量的主要因素之一。应用原子炉管喷发量的理论模型,利用理论与实验相结合的方法,对比研究了三类典型原子炉管构型下的原子通量水平,并基于最优原子炉管构型将研制的铬纳米光栅峰谷高度提升到100 nm,使光栅质量得到进一步优化。

为了根据光谱特征维度对点目标机动模式进行辨识,建立了点目标机动模式与光谱信号的映射关系,研究了目标机动过程中观测方向点目标的多光谱辐射特性。提取多光谱辐射信号特征,构建了双色比特征空间模型。利用高斯混合模型的聚类方法,深入分析了双色比特征空间的迁移和可分性特性,得到了点目标不同机动模式特征子空间迁移矢量和相邻矢量夹角余弦的变化规律,并得到特征子空间可分的最小姿态角变化量Δα=6.25°,可分距离阈值D_th=2.6,这为辨识点目标机动模式提供了依据。根据双色比特征子空间的特性,提出了基于时序特征子空间的点目标机动模式辨识方法,仿真验证结果表明,该方法简单可行,对点目标的机动模式辨识具有较高的灵敏性和可分性,这对获取超视距作战环境中点目标的机动信息具有重大意义。

采用波导布拉格光栅(WBG)微扰的傅里叶变换和流守恒定律求解耦合模方程,得到WBG相位响应的解析解。通过对该相位响应的解析解进行微分,建立了WBG时延谱的半解析型通解。基于该时延谱通解,仿真分析了均匀和线性啁啾WBG的时延谱,并与用其他方法得到的时延谱及其实测谱进行对比分析,以验证时延谱通解的分析精度和效率。对比结果表明,基于该时延谱通解的分析结果在整个反射带内与用其他方法得到的时延谱计算值及实测值一致。该时延谱通解可用于快速、精确分析任意复杂WBG的时延谱,对有解析型和离散型傅里叶变换的WBG分别具有O(N),O(N1b N)的线性复杂度(N是计算点数)。该方法可为分析、设计和应用WBG的相位和时延特性提供通用的基础理论和解析化方法。

研究了一种侧面均匀发光聚合物光纤(POF)的制备方法,采用激光打标技术在POF侧面制作变栅距(VLS)光栅型散射点,建立了激光打标VLS散射点模型,该模型由深度很浅的表面凹坑和纤芯内分布着散射颗粒的散射区组成。理论推导出散射点相对散射光功率和VLS栅距的计算公式,分析了散射点的散射光功率随凹坑深度和颗粒密度的变化规律,以及不同散射点凹坑深度和不同POF侧面发光相对出射度下VLS栅距的分布规律。结果表明散射点凹坑深度的微小变化(微米量级)对散射点的散射光功率和VLS栅距的影响很大。当散射颗粒密度N<10 ⁵ mm ^-3时,散射点散射光功率变化不大;但是当N>10 ⁵ mm ^-3时,散射光功率变化明显。理论计算了不同散射点凹坑深度和不同相对出射度的VLS栅距分布曲线,并且通过实验验证了理论结果的正确性。通过调节激光打标功率,实验得到了亮度均匀度高于90%的侧面发光POF。

针对蛙人在水下协作执行任务时保持良好通信的需求,研究采用无线光通信技术的节点邻居发现方法。由于光束具有方向性,为了保证邻居发现效果,基于无线光水下传播特性设计半球形通信节点结构,通过成对使用的方式完成对蛙人周围三维空间的覆盖。在半球形节点结构基础上研究采用握手交互信息帧的邻居发现协议,通过发光二极管(LED)逐向扫描发送交互信息的方式,可以不依靠外部定位信息发现相邻蛙人节点。针对蛙人在运动状态下通信链路容易发生中断的问题,研究通信链路的跟踪保持方法。仿真结果表明,在合理选择节点结构参数的情况下,邻居发现方法能有效发现邻居节点,建立通信链路,跟踪保持方法也能显著降低通信链路的中断次数。

相干光通信系统中,传统的盲相位搜索(BSP)算法具有良好的激光线宽容忍度,但传统BSP算法的高计算复杂度限制了其应用场合。针对这一问题,提出了一种低复杂度的相位噪声估计方法。该方法基于激光线宽所产生的相位噪声缓变的特点,对相位测试范围进行限定,并在此范围内搜索最佳相位估计值,最终降低了相位搜索的数目,极大地降低了算法的复杂度。同时,由于该算法避免了传统BSP方法可能存在的少数相位误估计的问题,因此在性能上略优于传统的BSP方法。最后,在偏振复用相干光通信系统中验证了该新方法的正确性与有效性。

提出了一种基于微波光子滤波器的高分辨率光纤横向负载传感器。与传统的基于光谱分析的光纤传感器不同,本传感器的信号解调是在微波域内完成的。其工作原理是利用保偏光纤光栅(PMFBG)构建偏振稳定的双波长光纤环形激光器,微波信号经电光调制器调制到激光器输出的光波上,借助长距离光纤形成的时延,形成一个两抽头的微波光子滤波器。理论和实验研究表明,该滤波器的频率响应与PMFBG上所受的横向压力之间存在线性关系,通过测量滤波器的微波谐振频率的变化,即可还原出待测横向压力的大小。实验获得了9.87 MHz·N ^-1的高灵敏度,实验结果与理论分析一致,证实了该方法的可行性。

并行光逻辑运算器件是未来高速大容量全光信号处理的关键器件,也有助于降低信息的传输时延。利用光纤四波混频的非相敏放大(FWM-PIA)机理,设计三通道光相位混合运算器(A+B-C,A+C-B,B+C-A)。通过建立并求解级联四波混频(FWM)的非线性耦合模方程组,揭示光相位运算器输出闲频光与输入信号光之间的固定相移关系,为相位补偿方法的实施提供理论依据。计算表明,该并行混合运算器的幅度噪声指数和误差矢量幅度(EVM)的相位噪声转移系数分别为0.9 dB和1.67;当输入四相相移键控(QPSK)信号的信噪比大于24 dB和EVM小于12%时,无纠错编码的符号错误率低于10 ^-3。比较三通道和单通道两种相位运算器的性能,由于相位运算器是通过FWM相位匹配关系执行混合运算功能的,它们有相同的相位噪声转移特性,但前者的噪声指数略低0.2 dB,光功率转移效率高一倍以上。

提出了一种内嵌矩形金属块纳米圆盘结构,利用该结构形成的法布里-珀罗腔来加强表面等离激元的耦合作用。该结构具有窄带宽高品质因子的滤波性能,可通过多腔耦合形成多通道波分复用器。采用时域有限差分方法讨论有无内嵌矩形金属块和金属块的横纵向宽度及耦合距离对强透射现象的影响,并根据其透射特性实现多通道波分复用器。研究发现,当圆盘谐振器内嵌矩形金属块后,滤波器具有较好的强透射现象,其半峰全宽显著降低,品质因子增加;通过耦合多个内嵌矩形金属块圆盘谐振器构建的等离子多通道波分复用器,可实现双通道及三通道解复用功能,各信道共振波长可通过谐振腔内嵌的金属块参数来调整,传输效率可达到70%,最小插入损耗为1.549 dB,平均工作范围为189 nm,且不存在相邻信道串扰。这说明该结构具有较好的解复用分频特性。

提出一种新颖的温度和应变双参数同时测量的光纤传感器。该传感器由空芯光纤和光纤布拉格光栅级联而成。空芯光纤通过反谐振机理将光限制在空气纤芯内传输,满足谐振条件的光泄露出空气芯,在传输光谱上表现为周期性损耗峰。由于空芯光纤和光纤布拉格光栅的物理机理不同,对外界温度、应变的响应存在差异,利用耦合矩阵则可以精确地实现温度和应变双参数的同时测量。实验结果表明,在1550 nm波长附近,空芯光纤和光纤布拉格光栅对应的温度灵敏度分别为24.55 pm/℃和12.76 pm/℃,应变灵敏度分别为-0.70 pm/με和1.02 pm/με,该级联结构的传感器制作简单且具有较高的测量精度。

提出一种面向数字全息的相位畸变自动补偿方法,利用图像分割技术对被检测物体进行自动分割,生成相位掩模板,进而得到不含被测物体区域的畸变相位。基于相位畸变校正模型对畸变相位进行最小二乘拟合,最终实现相位畸变的自动补偿。实验中搭建了数字全息检测平台,并对晶圆表面进行测量,结果表明所提出的方法能够实现畸变相位的自动校正。

为了避免图像去雾后细节模糊和噪声放大,将图像分解为结构层和纹理层,并只对其结构层进行去雾。基于频域滤波思想提出透射率融合方法,解决了现有透射率估计方法中普遍存在的块效应问题和复原图像中存在的晕轮伪影问题。针对透射率优化过程中存在的计算量大、透射率平滑与细节保持之间难以平衡等问题,提出了多重导向滤波透射率优化方法。同时,针对目前大气光估计易受图像中白色物体的影响,提出自适应大气光估计方法。实验结果表明,该算法得到的图像去雾彻底、细节清晰、颜色自然,不仅有效抑制噪声和晕轮伪影,而且显著提高场景对比度、饱和度。

针对建筑物检测特定应用,提出一种基于稀疏表示的失真立体图像全参考质量评价方法。首先构建了一种新的失真卫星立体图像数据库,使用角点检测和数字表面模型的高程信息进行建筑物检测,并根据失真图像检测角点变化,提出检测准确率指标来表示图像的失真程度;然后提出一种基于稀疏表示的客观评价模型,其分别提取原始图像和失真图像的尺度不变特征转换和二进制稳健不变尺度特征进行字典学习;利用稀疏表示测量原始图像和失真图像之间的相似性,得到4个质量分数;最后通过支持向量回归融合4个质量分数得到最终的客观评价值。在构建的数据库上进行测试,实验结果表明,皮尔逊线性相关系数值高于0.90,斯皮尔曼等级相关系数值高于0.87,与现有的评价方法相比,所提方法能更好地反映卫星立体图像的质量。

标称网格计算将地球给定区域投影变换成标称图像,是静止轨道卫星图像定位与配准的关键技术。分析了以风云四号(FY-4A)、Himawari-8、MTG、Electro-L等卫星为代表的气象卫星协调组(CGMS)规范和以GOES-R为代表的两种标称网格定义,对两种标称网格的计算过程进行了详细推导,并总结了CGMS规范和GOES-R标称网格的异同。结果表明,CGMS规范沿用了自旋卫星扫描成像方式,GOES-R标称网格基于“先南北后东西”双扫描镜高级基线成像仪(ABI)真实入射光路设计。两种标称网格都是在卫星空间直角坐标系中定义的,尽管计算方法不同,但可相互转换。进一步以FY-4A卫星观测数据为例,给出了由CGMS规范标称图像计算GOES-R标称图像的详细过程,变换后的图像与由GOES-R方式计算的海岸线套合得很好。FY-4A先进静止轨道成像仪的扫描角和步进角与GOES-R的相比,两者差分别为10 ^-16 μrad和10 ^-17 μrad数量级,表明GOES-R标称网格是从ABI的光机结构出发定义的。为方便用户使用,并保证与全球规范的一致性,FY-4A L1产品目前采用国际上普遍接受的CGMS LRIT/HRIT全球规范中定义的标准投影。

在大尺寸板状构件成像方面,计算机分层成像(CL)系统具有独特优势。提出并研究了相对平行直线扫描计算机分层成像(PTCL)系统,应用三维解析重建(FDK)算法对该系统进行了图像重建。受制于探测器尺寸,该系统只能采集物体感兴趣区域投影,因此引入基于图像全变差最小化的同时代数迭代重建(SART+TV)算法对物体进行成像。数值仿真实验和实际实验研究表明,FDK和本文算法均能实现系统图像重建,相比于FDK算法,本文算法能从截断的感兴趣区域获得高质量的重建图像。从而验证了系统的可行性。

为了满足惯性约束聚变(ICF)实验对X射线条纹相机提出的新技术要求,设计并研制了一种大物面X射线条纹变像管,利用球面荧光屏减轻场曲的影响,并通过提高阳极总压、增大偏转灵敏度来提高时间分辨率。测试结果表明:阴极有效长度可达40 mm,静态空间分辨率信息分辨总量可达1000 lp,动态空间分辨率为20 lp/mm,时间分辨率达3.3 ps,动态范围可达2281∶1,能满足ICF实验所提出的大信息捕捉量的要求。

基于辅助测量装置中栅格板的不同位姿,构建了有关工作台误差和栅格板误差的数学模型。根据最小二乘原理将误差方程转化为正规方程。通过研究位姿方案对关系矩阵的秩的影响,归纳总结了位姿与自校准模型之间的规律。依据方程具备最小二乘解的条件,自校准过程中栅格板必须在初始位姿的基础上经过旋转90°及平移的位姿变换,并进行了仿真。研究结果表明,只有包含三种基本位姿的位姿方案才能使仿真计算值接近真实值,此基本三位姿是实现最小二乘法自校准的充分必要条件。

提出了一种基于语义目标匹配的三维跟踪注册方法。通过改进的单发多框检测(SSD)深度卷积神经网络对图像进行语义分割,获取场景中不同目标的像素级语义分割结果。在求取相机姿态的目标函数时,融合了图像的灰度约束与几何约束对相机的姿态进行估计。所提方法减小了特征点的缺乏或误匹配问题对三维跟踪注册算法性能的影响,且能够适应不同结构的场景。研究结果表明,该方法的误差不超过2.2 pixel,基本满足了实时性的要求。

研究了一种星载太阳同步轨道远紫外成像光谱仪,以满足对低层大气驱动力与电离层之间耦合作用探测的科学需求。仪器拟采用双侧向临边探测方法,对电离层中在远紫外波段产生昼夜不同特征辐射的各种粒子的光谱辐射强度进行探测,进而定量获取低层大气驱动力的影响。根据探测机理,进行了仪器系统观测方案设计、仪器性能参数与系统设计、原理样机系统集成、性能测试和地面辐射定标等研究,该研究为我国未来电离层远紫外成像光谱探测提供一种思路。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)作为一种痕量气体精确检测的方法,已广泛应用于生活生产之中,该方法可通过积分吸光度与气体浓度的线性关系准确反演待测气体的浓度。环境变化和系统噪声等易造成吸光度曲线发生变形,故需对吸光度曲线进行非线性拟合,将其回归至Voigt模型。设计并搭建了基于TDLAS的CO实时在线监测系统,在此平台基础上,提出了一种三角替代Voigt线型单光谱积分吸光度的快速计算方法,并与高斯-埃尔米特方法进行比较。结果表明:三角替代方法浓度反演精度仅下降0.11%,平均计算耗时缩短84.19%;三角替代Voigt线型拟合方法以极小的精度损失,大幅提高了线型拟合的运算速度。

为提高激光诱导击穿光谱技术对土壤元素检测的精度,建立了相关向量机土壤元素定量分析模型,并将该模型与已有的支持向量机模型和最小二乘支持向量机模型进行对比分析。以土壤元素Ni的4条特征谱线作为分析线,对其进行全谱归一化处理后,利用训练样品集建立相关向量机、支持向量机和最小二乘支持向量机模型。测试样品集的测试结果表明:在模型预测精度方面,支持向量机模型比另两种模型方法差;在稳定性方面,最小二乘支持向量机模型比另两种模型差。在实际应用中,相关向量机模型在稳定性及预测精度上的优势使其比另两个模型更适合用于激光诱导击穿光谱技术的定量分析中。

为了获得利于相干合成的具有高相干性的单元光束,可利用光学锁相环(OPLL)来实现本振激光的相位锁定。推导了锁相后激光复振幅的互相关函数表达式,并以此评价锁相后光束间的相干性。具体计算了参考光线宽、时间常数和本振激光线宽差对互相关函数值的影响。定义与本振激光线宽差相关的评价参数M,以此表征当其他参数一定时本振激光线宽差对锁相后激光相干性的影响。进一步针对本振激光线宽不一致对锁相效果的影响进行详细分析,得到相关参数合理值范围的计算公式。结果表明对于不同的本振激光线宽差范围需要设计不同的OPLL系统时间常数来实现有效锁相。

针对跨尺度数据之间尺度差异导致拼接困难、精度低等问题,提出了一种使用分形维数表征尺度的跨尺度数据拼接方法。利用离散小波变换对原始数据进行多尺度分解,获取其在多个尺度上的近似数据,并采用分形维数对数据之间的尺度差异进行表征与衡量,找出跨尺度数据在相近尺度上的小波变换数据;而后通过迭代最近点算法对获取的尺度近似数据进行拼接。最终将所获得到的转换关系应用于原始数据,完成跨尺度数据的拼接。对获取的不同尺度下的三维表面形貌数据进行分形维数的计算,结果表明,分形维数能有效表征以及衡量尺度参数。跨尺度拼接结果表明,所提出的方法能有效地实现跨尺度的数据拼接。

多相机阵列中的相机位姿关系标定是大尺寸测量系统中非常重要的一个环节。建立了标定模型,采用圆点阵列平面靶标,通过线性平移,使靶标分别位于不同相机的视野范围内,获得了同一靶标特征点在不同相机坐标系下的坐标;根据所得坐标,求解靶标坐标系与相机坐标系之间的位姿关系;根据靶标的线性平移约束,进而求解两两相机之间的位姿关系。经实验验证,对于安装距离约为2300 mm的相机,标定误差小于0.002 mm。其标定过程简单、速度快,可以适用工业大尺寸测量中的现场标定。

现有目标检测算法在复杂大场景下多目标检测的精度和实时性难以平衡,为此,受深度神经网络卷积核形态启发,模仿了人眼视觉机理,改进了基于深度学习的目标检测框架,即单向多框检测器(SSD),提出了多目标检测框架——自适应感知SSD,将其专用于复杂大交通场景多目标检测。设计了由多形态、彩色Gabor构成的特征卷积核库,训练筛选最优特征提取卷积核组替换原有网络的低级卷积核组,从而提高检测精度;将单图像检测框架与卷积长短期记忆网络结合,通过瓶颈-长短期记忆层提炼传播帧间的特征映射,实现网络帧级信息的时序关联,降低计算成本,从而实现对视频中受强干扰影响目标的追踪识别;同时加入自适应阈值策略,降低漏警率和虚警率。实验结果表明,相比于其他基于深度学习的目标检测框架,各类目标识别的平均准确率提高了9%~16%,平均准确率均值提高了14%~21%,多目标检测率提高了21%~36%,检测帧率达到32 frame·s ^-1,实现了算法精度与实时性的平衡,取得较好的检测识别效果。

激光诱导击穿光谱(LIBS)信号的稳定性受激发光在目标表面聚焦准确性的影响很大。在海底热液喷口烟囱体探测等应用现场,难以通过对目标样品进行预处理这种常规方法来提高对焦精度,一套快速、高精度对焦系统对LIBS探测有重要意义。将显微自动对焦系统与图像对比度评价方法相结合应用于LIBS探测系统中以提升对焦精度,以双色激光辅助对焦方法扩大寻焦范围并加快对焦速度。实验证明两种方法结合可以实现2400 μm的对焦范围和20 μm的对焦精度,并明显提升对焦速度,有望提高现场探测时的LIBS信号质量和光谱采集效率。

针对当前机器视觉热点研究的配准问题,提出了一种全新的快速点特征直方图(FPFH)特征描述与Delaunay三角剖分相结合的三维点云配准方法。首先采用FPFH综合描述特征信息,通过Delaunay三角网建立特征信息的局部关联性;再根据特征点对的对应关系进行采样一致性初始变换,实现初始配准;最后,根据得到的初值采用迭代最近点法进行精确配准,获得精确转换关系。分别对简单目标物体及复杂目标物体进行配准实验。实验结果表明,将FPFH特征描述与Delaunay三角剖分结合引入传统点云配准,简化了特征提取复杂度,缩小了特征点对匹配的搜索范围,提升了配准精度及速度,实现对目标物体高效配准,对提高机器视觉特征点匹配效率具有一定指导作用。

现有的多尺度立体匹配算法对各尺度的代价函数采用相同权值,而忽略了各尺度层对整个匹配代价的不同影响,增加了误匹配点。针对此问题,提出了自适应权值的跨尺度立体匹配算法框架。采用统一的代价聚合函数框架在不同尺度上进行代价匹配,并提出利用各像素窗口的信息熵作为不同尺度下匹配代价对整个匹配代价的影响因子;同时为了保证不同尺度下同一像素的代价一致性,在代价函数里加入正则化因子。本文算法框架可以应用在利用多尺度进行代价匹配的算法上,并使原有算法的准确率和稳健性得到提高。基于本文算法框架,分别采用不同代价聚合函数在Middlebury数据集上进行测试。为保证测试的公平性,各算法均未进行后续的视差求精步骤,实验表明,本文算法有效地提高了多尺度立体匹配的准确率和稳健性。

圆形标志点检测通常被视为椭圆检测。由于光线、角度等原因,采集到的标志点会出现残缺,另外,当背景或物体较复杂时,非标志点边缘为标志点的提取带来干扰。为此,提出了一种基于椭圆外切矩形性质的圆形标志点检测方法。通过拟合椭圆的准圆来检测椭圆的中心,利用椭圆外切矩形的几何性质来确定椭圆的长短轴位置及旋转角度。为了去除非标志点的干扰边缘影响,进一步构造验证参数,并结合聚类算法,最终提取有效的标志点类。仿真与实物实验表明,该算法拟合精度高,检测性能优良,对具有部分残缺的椭圆有良好的识别效果,且对于复杂情况下的标志点识别仍具有较高的精度和稳健性。

在空对地遥感检测中,目标所占视场比例小、视角单一、易受背景干扰且视场高度变化大,这给传统深度学习检测算法带来了挑战。针对该问题,提出一种场景耦合的多任务目标检测算法。首先,设计了一种新的场景耦合目标检测网络结构,将场景分类特征图和目标检测特征图在同一尺度上进行镜像融合,丰富了网络特征描述的细粒度;其次,设计了差异化激活模块,实现特征通道的重要性筛选;然后,推导了多任务耦合的网络优化函数,实现了目标检测损失和场景分类损失的同步优化;最后,建立了空对地目标检测多任务数据集,对所提方法的有效性进行验证。实验证明,本文算法有效提升了空对地小目标检测的精度和稳健性,同时能够自适应不同高度的识别检测多任务需求,为空基无人平台对地智能检测提供了新的思路和方法。

受颗粒碰撞、机械搅拌等因素的影响,运动上升的浮选气泡会产生严重的偏转与形变。对此,提出一种用于测量气泡的体积和表面积的水平置位分割方法。建立了浮选工艺过程中运动气泡的观测系统,采集气泡图像。利用基于区域分割的边缘检测方法提取气泡边缘。针对重叠气泡,使用曲率尺度空间角点检测算法和方向链码标记凹点,以此分割重叠的轮廓,最小二乘拟合重建独立气泡的边缘。根据边缘计算气泡的偏转角度,自适应选取分割间隔。通过各分割部分的计算,累加得到气泡的体积和表面积。实验表明:所提取的边缘准确,不易受光照环境的影响。在不同搅拌速率条件下,测量气泡体积的平均误差与标准差分别为4.52%和0.057 mm ³。与其他方法相比,本文方法精度较高。

显微三维数字图像相关系统中体视显微镜景深小,光路复杂,宏观标定方法不适用于该系统。针对此问题,提出一种适用于显微立体视觉的定点旋转标定方法。基于体视显微镜放大倍率与景深的关系,建立数学模型,得到标定板与XY平面间的最大夹角,设计定点旋转平台对标定板进行旋转标定,通过系列实验对标定参数进行优化,得出使标定参数整体误差最小的夹角。标定结果表明,主点坐标误差不超过1.8 pixel,Z分量相对平移向量的最大偏差值小于0.15 mm,姿态数为10或10以上时标定结果趋于稳定。借助于精密位移台对标定结果进行了精度验证,结果表明采用所提方法标定后位移测量的平均相对误差为2.2%,平均均方差为0.36 μm。

偏振控制方案用以产生阿秒脉冲,其高次谐波辐射仅发生在偏振门内的线性半个光学周期,且可得到在整个平台区及截止位置附近皆连续的谐波谱。利用Ammosov-Delone-Krainov隧穿电离理论和强场近似方法,数值模拟了偏振控制方案中两束反向旋转圆偏振脉冲之间强度比对原子的电离几率及高次谐波发射功率谱的影响。研究发现, 合理控制两束脉冲的强度比,可确保原子的有效电离发生在偏振门的前1/4光学周期,这有利于得到频域上优化的高次谐波发射谱。此外,可以根据需要在强度比小于1的范围内优化选择谐波谱的截止位置和转换效率。

提出了一种基于权重分组的可见光波段光学系统的无热化设计方法。基于常温下满足像质要求的光学系统,计算了每一片透镜产生色差及热差能力的综合权重,通过比较权重进行结构分组,将初始系统等效成两个单透镜系统以进行光学材料的挑选。对焦距为400 mm、F数为4的双高斯型航空相机在-40~+60 ℃的温度范围内进行了无热化设计。在各个温度下,该系统在空间频率为55 lp/mm处的调制传递函数值均大于0.4。研究结果表明,该方法能使长焦光学系统在大温差环境下保持较好像质,光学性能稳定。

提出了一种基于机器学习参数校正的极紫外光刻三维含缺陷掩模仿真方法。本方法采用随机森林、K近邻等机器学习方法,对基于结构分解法的含缺陷掩模衍射谱快速仿真模型的参数进行动态校正,提高了模型的精度及适应性。以严格仿真为标准值,对随机设定的50组接触孔掩模进行仿真验证,结果表明,经参数校正后,快速模型的空间像仿真精度平均提升了45%,且参数校正前、后的快速模型仿真精度皆优于所对比的改进型单平面近似法(平均仿真精度分别提升4.3倍和8.7倍)。此外,在对像面周期为44 nm掩模的缺陷补偿仿真应用中,在仿真结果较一致(误差0.8 nm)的情况下,校正后的快速模型的单次衍射谱仿真速度比严格仿真提升了约97倍。

抛光液黏度是影响射流抛光(FJP)效果的重要因素,针对硬脆光学元件射流抛光中对抛光液黏度缺乏系统研究的现状,研究了抛光液黏度变化对材料去除函数的影响。建立射流抛光连续相、离散相模型和磨损模型,计算不同黏度下磨粒运动轨迹,分析磨料颗粒撞击速度矢量随黏度的变化规律。配置不同黏度相同质量分数的抛光液,结合BK7工件静态采斑实验研究与塑性磨损理论计算,获得不同黏度下的材料去除函数,分析黏度对去除函数的影响机制,并进一步研究由此引起的工件表面粗糙度变化。结果表明:随着抛光液黏度增大,材料去除函数的去除深度减小、去除形状及去除范围保持不变,这有利于降低工件表面粗糙度。该研究扩展了现有光学元件射流抛光材料去除理论,对实际抛光液黏度调控具有理论指导意义。

提出一种可见光谱段内窄带偏振陷波滤波的矩孔光子晶体结构。通过建立矩孔光子晶体模型,将矩孔光子晶体结构等效为介质层-光栅层-介质层周期结构,利用Rugate滤波理论对矩孔光子晶体结构进行分析,结合等效介质理论(EMT)和传输矩阵方法(TMM)对结构模型的入射光s偏振、p偏振的透过率进行仿真。另外讨论了矩孔光子晶体纵向周期数m、光栅层填充比f、厚度d等参数对偏振陷波的中心波长、带宽以及截止带透过率的影响。针对417,497,582,685 nm中心波长,设计带宽为10 nm的p偏振窄带陷波结构,并用时域有限差分方法(FDTD)进行仿真验证,结果表明,矩孔阵列结构可以实现可见光谱段内窄带偏振陷波滤波。

对大功率LED太阳花散热器肋片三角槽扩展表面的散热性能进行了数值模拟与分析,并对肋片长度方向的温度分布进行了实验验证。在考虑自然对流和辐射模型的条件下,研究了肋片表面三角槽的顶角α、槽宽s和槽深d对散热器肋片顶部最高温升ΔT_max、平均对流换热系数h和对流换热热阻R的影响。结果表明:顶角α在90°~120°范围内、向肋片根部倾斜的三角槽在增加散热面积的同时,改善了流场分布,从而显著地增强了太阳花散热器的散热性能;相比于槽宽s,槽深d对平均对流换热系数h影响更为显著,较小或较大的槽深会因平均对流换热系数h的大幅降低而恶化散热效果。

基于相位合成偏振技术,利用离散相位编码构建了自由空间量子密钥分配系统,在时域、空域、频域滤波的基础上,结合大气背景光的偏振度模型,通过偏振滤波抑制背景光。研究结果表明,当大气背景光的偏振度为0.6时,偏振滤波的背景光抑制比最高可达5;对比未加入偏振滤波的情况,由背景光引起的系统误码率降低了近80%。

基于Kolmogorov及非Kolmogorov湍流模型,分析了大气湍流对光子轨道角动量(OAM)的散射效应,得到了探测端不同OAM模式的概率。分析了两种湍流条件下OAM编码测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)的密钥生成率与最大传输距离。仿真结果表明,当光束在大气信道传输时,光束的径向强度逐渐增大,湍流对光子OAM的散射效应逐渐增强,初始OAM发散为相邻OAM模式并趋于无规则分布,探测端测得初始OAM模式的概率不断减小。大气湍流下OAM编码MDI-QKD的最大传输距离比偏振编码MDI-QKD的长约10 km。

与传统的激光测高技术相比,单光子激光测高技术具有数据量大、质量轻、测距精度高等优势,是激光测高技术的发展趋势。建立数学模型对单光子激光测高特性进行研究,用数值计算估计了单光子激光测高的性能,并建立了地物模型,用蒙特卡罗方法进行了仿真,提出了测高数据的滤波方法和一种利用遥感图像优化高程信息的算法。结果表明:在正午阳光背景最强烈的条件下,典型地物模型单光子激光测高的均方根误差为6.1 cm,用算法优化后的误差为2.6 cm。

针对高光谱遥感图像中存在的条带噪声,提出了一种基于低通滤波残差图的条带噪声去除算法。算法首先使用高斯低通滤波器对图像进行滤波,得到低通滤波残差图;然后借助条带噪声秩为1以及残差图中的细节与条带噪声正交的先验信息,使用正交子空间投影技术将低通滤波残差图中的条带噪声和图像细节进行分离;最后将分离出的细节信息加入滤波后的图像中。通过对上述三步不断迭代,算法能够有效地去除图像中的条带噪声,并且能够解决低通滤波法去条带造成图像模糊的问题。实验结果表明,与现有前沿的去条带算法相比,该方法能在有效去除条带噪声的同时很好地保持图像的信息。

Nd∶YAG激光器三倍频输出的354.7 nm光和四倍频输出的266.0 nm光都位于紫外波段,都可作为水汽拉曼激光雷达的激励光源;从水汽拉曼激光雷达系统的实际建设出发,分别从后向散射系数、消光系数、大气透过率、臭氧吸收和太阳背景噪声等方面对激光雷达系统的探测性能进行分析,探讨354.7 nm和266.0 nm激光光源对拉曼激光雷达开展全天时大气水汽探测的影响。结果表明:在水汽探测中,266.0 nm及其对应的氧气、氮气和水汽拉曼波长均位于日盲紫外区内,不受太阳背景噪声的影响,但会受到臭氧吸收的影响;354.7 nm波段无臭氧吸收,但会受到太阳背景噪声的影响;在分光系统参数一致的情况下,激光雷达系统选用266.0 nm波段激光光源时,白天水汽的有效探测距离为2.7 km,选用354.7 nm波段激光光源时,有效探测距离仅为0.6 km;日盲紫外波长的选择可有效提高白天水汽拉曼激光雷达的探测距离,实现水汽的全天时探测。

影响传统高光谱目标检测精度的因素主要有两个方面:一是高光谱图像固有的光谱畸变造成的图像噪声;另一个是传统方法在处理目标检测和利用空间信息时,会将异质区域与同质区域同等对待,然而异质区域却包含着不同的物质和光谱特征。为了解决以上问题,提出了一种将空间自适应模型与稀疏表示结合起来对高光谱图像目标进行检测的方法。首先,在重建信号时利用噪声的稀疏表示特性,最大限度地提取噪声中包含的有用信息,以确保重建信号的特征更加丰富,并接近源信号;其次,提出了一种空间自适应权重模型,并用它来检测中心像素点同周围邻域不同像素的相似度,最大限度地利用空间邻域像素之间的关系。最终的实验结果表明,所提方法比传统的稀疏表示高光谱目标检测方法更具稳健性。

大气中云的存在会严重影响气溶胶的反演精度。经验阈值法是一种常用的云检测方法,其较强的主观性和难以应对环境时空动态变化或星载探测仪差异的缺点,导致“云”和“晴”边缘分类误差增大,且检测自动化程度较低。针对下垫面为陆地的大气云检测,提出一种多通道偏振遥感图像的统计分类与数据融合的阈值优化方法,该方法首先通过半监督Kmeans聚类及其统计特征,决定像元属于“云”和“晴”两类的双亮度阈值;然后在阈值周边分类模糊区,用D-S证据理论获取多通道检测的联合置信度因子,求得模糊区像元分类的细化阈值;最终以顺序决策过程实现“云”和“晴”两类目标的精确分类。为了验证所提方法的有效性,利用POLDER3载荷遥感数据进行云检测实验,并与POLDER3产品结果进行比较。结果表明:所提方法与POLDER法的分类符合度为95%,目测发现这些误检大多发生在云边缘处,表明所提方法对云边缘处的分类具有较好的敏感性。

为了简化布里渊散射提取温度的步骤并提高提取精度,提出利用径向基函数神经网络直接通过布里渊散射谱获取温度特征的一种新方案;将各温度布里渊散射谱作为训练集计算出温度模型,将待测布里渊散射谱直接输入至模型即可获取温度;对比平滑拟合、反向传播神经网络、径向基函数神经网络3种方案对温度测量的效果,分别选取扫频频率间隔为0.175,1,5,10,20 MHz时的77组数据,并对不同线宽进行扩展。结果表明:基于径向基函数神经网络方法的均方根误差较小,且随步进频率增加而增长缓慢;步进频率为20 MHz时,单线宽误差达到0.8002 ℃,多线宽误差为1.0814 ℃,分别是平滑拟合测量温度方法误差的33.04%和42.88%,是反向传播神经网络均方根误差的40.25%和55.89%;基于径向基函数神经网络的方法在一定程度上减少了计算步骤,提高了收敛性。

为充分利用自相关函数(ACF)衰减延迟时段的有效粒度分布信息,提出基于光强ACF重构的信息反馈式偏差加权方法,通过逐次利用偏差加权反演减小下一次偏差,直到信息偏差达到限定的最小值,即反演所得分布重构的ACF与光子相关器得到的ACF达到所要求的吻合程度。对不同噪声水平下的宽分布和近双峰分布颗粒体系模拟数据进行反演,结果表明:与常规加权反演方法相比,所提方法可以获得更准确的宽分布和近双峰分布反演结果,并具有更好的抗噪声性能。采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒实测数据的反演结果验证了这一结论。

人体呼出气体中CO₂和水汽的浓度变化与身体状况密切相关,因此对其浓度进行检测具有重要意义。提出一种基于2.73 μm分布反馈式激光器的呼出气体检测装置,选取3659.402 cm ^-1和3659.934 cm ^-1处的谱线,利用波长调制光谱技术分别对人体呼出气体中的CO₂和水汽同时进行测量。结果表明:利用二次谐波信号对气体浓度进行定标,当CO₂和水汽的体积分数分别小于35%和2.3%时,线性度分别达到0.99945和0.99679;对呼吸循环过程中CO₂和水汽的浓度进行实时测量,积分时间为0.92 s时,探测灵敏度分别为4.33×10 ^-3和1.37×10 ^-4;在采集时间为56.8 s时,CO₂的探测精度为0.12%,在最佳积分时间为17 min时,CO₂的探测极限可达到1.49×10 ^-4。

微束能量色散X射线衍射(EDXRD)分析在测量小样品或样品微区的物相结构方面具有重要的应用前景。提出了一种采用自行研发的微束X射线荧光谱仪进行微束能量色散X射线衍射分析的研究方法。用便携式毛细管X光透镜聚焦的微束X射线荧光谱仪(焦斑直径为190.7 μm)对人民币5角硬币“角”部分长×宽为4 mm×4 mm的微区进行微束能量色散的X射线衍射扫描测量,并进行数据处理,得到该区域内Cu₃Sn(0 8 3)和CuO(2 0 2)等晶相的分布;同时,用台式毛细管X光透镜聚焦的微束X射线荧光谱仪(焦斑直径为31 μm)对一颗直径约为1 mm的矿石颗粒进行微束能量色散的X射线衍射二维扫描分析,得到扫描区域内SiO₂(3 2 9)和Fe₂O₃(1 1 6)等晶相的分布。结果表明,毛细管X光透镜聚焦的微束X射线荧光谱仪在开展小样品或样品微区的能量色散X射线衍射分析方面具有一定的应用前景。

基于甲烷的红外吸收光谱,通过光谱拆分法实现了一种双通带滤波器的设计。通过调节离子源束流,改善了ZnS膜层的折射率,消除了背景噪声。通过引入可控薄层,降低了非周期窄带通膜系的制备难度。经实验测试与分析,所研制的双通带滤波器在3.31 μm和7.67 μm的透射率分别为89.25%、81.97%,达到了提高探测系统灵敏度的目的。