进行了1.8 km和3.4 km的直视逆合成孔径激光成像雷达外场实验,给出了远距离成像模式下考虑相位延时的非线性校正算法。实验中,目标为放置在无人机上的角锥和包裹有反射纸的无人机。通过交轨向包络对齐和顺轨向相位补偿算法,先后得到了不同成像距离下的角锥目标图像和1.8 km成像距离下的无人机图像。成像距离为1.8 km时二维分辨率达到了7.2 mm×5.8 mm,成像距离为3.4 km时二维分辨率达到了12.7 mm×9.2 mm。

为了实现对红外滤光片辐射特性的量化分析,研究了一种红外滤光片截止波段等效发射率反演方法,并建立了反演方法的基本数学模型。在有、无红外滤光片的情况下,分别对红外成像系统进行辐射定标,并基于定标结果计算红外滤光片截止波段的自身辐射;基于极坐标系下的有限面源至微面源辐射模型,反演红外滤光片截止波段的等效发射率。根据基本数学模型开展了反演实验,在积分时间为0.8 ms与4.0 ms两种实验条件下对中波红外滤光片进行反演,取两次实验结果的算术平均值(0.420)为等效发射率反演结果,则其等效反射率约为0.580;两次实验结果的相对差异较小,约为1.9%。开展了中波红外滤光片的反射成像实验,证明了其在截止波段具备较强的反射辐射特性,定性地验证了反演实验的结果。

光在水中传输时的吸收和散射效应使得激光的水下传输特性变得复杂,尤其是后向散射会造成目标对比度降低,导致利用激光进行水下探测时面临挑战,而载波调制技术可以用来抑制水下激光雷达的后向散射。利用基于蒙特卡罗方法的计算机仿真技术建立余弦调制高斯脉冲激光水下传输模型,并讨论光载微波脉冲宽度、调制频率和调制深度等参数对探测结果的影响。结果表明:相比于传统脉冲激光雷达的仿真结果,载波调制相关检测技术可以有效提高水下目标对比度;脉冲宽度存在最佳值,调制频率对目标回波信号的信噪比和测距精度有影响,调制深度越大,目标回波信号的信噪比越高。

应大口径红外望远镜选址需求,研制了一台红外辐射测量设备,对丽江天文观测站及澄江M'波段(4.605~4.755 μm)大气红外辐射与消光特性进行了实测。用Allan方差法和大气辐射传输方程分别对大气辐射的时间和空间变化数据进行了分析,讨论了辐射时空变化对红外天文观测的影响。结果表明,低频区的辐射涨落较大,Allan方差随积分时间呈指数增加,丽江和澄江的Allan方差拟合参数分别为0.794和1.238。从天顶到60°天顶角,丽江和澄江站的辐射亮度分别增大了68%和72%,透过率分别降至0.46和0.52;红外天文观测需斩波,在丽江站,探测器单像元、2×2 Binning、4×4 Binning最佳斩波频率分别为0.030,0.070,0.144 Hz。实测所得Allan方差、大气消光、最佳斩波频率可用于指导大口径红外望远镜的选址及设计。

基于CCD的侧向散射激光雷达不受几何因子的影响,是探测近地面气溶胶的有力工具。夜晚的探测技术已成熟,由于背景光中夜晚的月光和星光远弱于白天的太阳光,故利用夜晚探测技术得到的白天气溶胶信噪比很低。实验中选用窄带滤光片和小张角镜头,通过校正窄带滤光片透射率、缩短单次曝光时间、多次曝光平均等技术可有效提高白天探测气溶胶的信噪比。白天个例表明,侧向散射激光雷达与后向散射激光雷达反演的气溶胶后向散射系数廓线在0.75~1.50 km范围内的变化趋势一致,并对0.75 km以下侧向散射激光雷达探测的正确性进行了验证。对合肥地区近地面气溶胶后向散射系数进行了37 h的连续昼夜探测,并与同一地点的温度、PM2.5质量浓度联合进行分析。研究表明,改进后的白天侧向散射激光雷达技术是正确、可行的。

提出了一种基于Ronchi光栅Talbot效应的相位恢复方法。将CCD相机置于Ronchi光栅的Talbot距离处,记录Ronchi光栅的自成像强度分布。通过随机并行梯度下降(SPGD)算法优化Zernike多项式系数,恢复入射相位。数值模拟实验结果表明,所提出的方法能够快速实现高精度的相位恢复,具有收敛速度快、精度高、抗噪声等优点。

提出了一种改进的盲相位噪声补偿算法--两阶投影直方图(two-stage PH)算法。利用一系列均匀分布的测试相位对接收信号进行相位旋转,将得到的信号向实轴投影,获取投影直方图;统计投影中心附近星座点的数量,以数量最多对应的测试相位作为粗相移值;以粗相移值为中心均匀取一定数量的测试相位,重复一阶投影直方图的估计步骤,得到精确的相移值进行相位补偿。通过基于光梳状谱的双向相干光正交频分复用无源光网络(CO-OFDM-PON)实验系统对该算法的性能进行了验证。结果表明:该方法对10×8 Gbit/s的 CO-OFDM系统的公共相位噪声有很好的补偿效果,将16正交振幅调制(16QAM) CO-OFDM系统的误码率降低至少2个数量级。该算法测试相位的个数仅需一阶投影直方图算法测试相位个数的1/4,极大地降低了系统的复杂度,可用于CO-OFDM系统的公共相位噪声补偿。

已有研究表明,对于高速率长距离准线性色散补偿光纤传输系统,信道内非线性效应是限制系统传输性能的最主要因素。在考虑四波混频等信道内非线性效应的情况下,通过求解耦合非线性薛定谔方程组,详细比较了单信道归零码准线性色散补偿光纤传输过程中前置补偿、后置补偿以及对称补偿3种色散补偿方案的传输特性。研究表明,信道内四波混频(IFWM)是导致3种方案性能差别的主要因素;对于确定的掺铒光纤放大器间距,最佳色散补偿方案与传输速率有关。速率越高,前置补偿性能越好;相反,后置补偿最适合低速率传输。

随着可见光通信系统研究的不断发展,解决可见光通信上行通信链路缺失的问题日益引起重视。建立双向可见光通信系统,意味着在系统两端的收发器件上需要同时实现光电转换与电光转换。提出了以发光二极管(LED)同时作为光信号收发元件的实时双向可见光通信系统方案,设计了时分复用方式的LED双向工作控制机制,实现了双向可见光通信。在不同的收发端仰角下进行了实时双向通信系统的实验,实测结果表明本系统方案仅以LED作为光收发元件、不需严格对准和中继放大即可实现2 m以上距离、8 Mb/s速率的实时双向可见光通信。

针对室内可见光通信中光学天线存在的视场小、接收面光能分布不均匀,以及低功率光源条件下接收功率低的问题,设计了作为可见光通信系统光学天线的平板型聚光器,推导出适用于平板型聚光系统的光学增益理论公式。在一个(5×5×3) m房间中对平板型聚光器作为光学天线的接收功率分布进行仿真,得到直射和非直射链路信道下视场角为50°的平板型聚光器接收房间内各位置的光功率比直接探测时分别提升了16.2411 dBm和16.4956 dBm。

非本征光纤法布里-珀罗(F-P)传感器已被用于液-固复合绝缘局部放电检测,但存在液体黏滞阻尼和附加质量影响传感器固有频率和灵敏度的问题。采用有限元方法计算传感膜片在油和空气介质中受迫振动幅频响应,并分析不同温度下传感器幅频特性和灵敏度。提出F-P传感器的液体隔离结构,消除介质对其参数的影响。制备F-P传感器并构建实验系统,测试不同温度下两种结构传感器的幅频特性。实验结果表明:液体绝缘油中,F-P传感器因黏滞阻尼和附加质量导致固有频率下降约0.58,幅频曲线带宽变大,响应幅值降低;液体介质温度升高,传感器固有频率增加,幅频曲线带宽变小,响应幅值增加,灵敏度变大;液体隔离结构的F-P传感器不受介质黏滞阻尼和附加质量影响。

设计了一种可支持22个轨道角动量(OAM)模式传输的新型微结构光纤,该光纤具有低平坦色散、低损耗等优点,光纤中可支持的各个矢量模式之间有效折射率差值均大于10 ^-4,对应的22个OAM模式都能够在纤芯中稳定传输。在1500~1600 nm波段范围内,通过优化包层最内圈两层空气孔的物理参数,该光纤中可支持传输的模式色散均能控制在0~50 ps·(nm·km) ^-1范围内,HE₇₁和EH₅₁模式的色散变化值低于12.8 ps·(nm·km) ^-1,其余模式的色散变化范围低于5 ps·(nm·km) ^-1。在1550 nm波段处,该光纤所支持的所有模式损耗均低于1.35×10 ^-9 dB/m。

针对现有单幅图像清晰化算法无法很好地保证去雾和降噪效果的问题,提出了一种在懒惰随机游走模型下的单幅雾天含噪图像清晰化算法。分析了现有大气散射模型的物理意义,并对其加以改进,使之更符合实际雾天含噪图像的特殊性,利用懒惰随机游走模型估计改进雾天退化模型的衰减项;利用几何约束和color-line先验获取精准的退化模型中的大气光,最后恢复出噪声水平低的无雾图像。实验结果表明,所提算法在获得最佳去雾效果和抑制噪声水平的同时,具有较强的稳健性。

基于暗原色先验理论,提出一种单幅图像去雾算法,并对其中的可调参数进行讨论,分析参数变化对去雾效果的影响。针对原算法中提到不用特殊处理的天空区域进行验证,发现此区域需要进行单独处理,通过设置阈值将天空区域隔离出来进行处理,并取得了较好的效果。对引入的导向滤波算法进行研究,分析算法中各项参数对算法实时性的影响。为了进一步提高算法实时性,对图像进行缩小处理,以减少求取透射率所需的时间,再利用插值法将透射率图还原至原图尺寸,从而得到无雾图像。实验证明,此方法在保证去雾效果的前提下,可将算法整体运算时间降低85.7%。

为了改善低剂量计算机断层扫描(CT)图像的视觉质量,提出一种基于卷积神经网络的图像去噪方法。网络引入批量归一化,并且学习的是低剂量CT图像到其噪声图像之间的映射;使用空洞卷积在不提高复杂度的情况下增大感受野;此外,还将前后层的特征图进行连接,使后方的卷积层能够利用前方各层的特征图作为输入,鼓励网络中特征图的重用。实验结果表明,与目前较先进的方法相比,所提网络结构在实现了更好去噪效果的同时大幅度降低了网络复杂度,能够快速、显著地改善低剂量CT图像的视觉质量。

多字典学习的图像超分辨率重建过程中常见的K均值聚类、高斯混合模型聚类等方法会导致图像的重建质量欠佳且不稳定,针对这一问题提出一种新的基于层次聚类的图像超分辨率重建算法;首先对样本图像块提取特征并进行层次聚类,经改进的主成分分析方法训练得到K个字典,然后将测试图像裁切成若干图像块,并分别自适应匹配最合适的字典进行图像块重建,最后对整幅图像进行优化,以实现全局重建。结果表明:所提算法具有较高的可行性,能有效改善图像的重建质量;与传统算法相比,所提算法重建图像的峰值信噪比和结构相似度均有所增大。

近年来,EPnP算法作为一种相机位姿估计的解析算法,因其较低的计算复杂度而得到广泛的关注,但该算法对图像噪声的稳健性不强。提出了一种基于EPnP算法的迭代算法,即IEPnP算法。IEPnP算法保留了EPnP算法的主要思想,构造了4个虚拟控制点,利用弱透视投影模型获得相机的初始位姿,计算出虚拟控制点在相机坐标系下的坐标,然后通过高斯-牛顿法对虚拟控制点在相机坐标系下的坐标进行优化求解,最终通过解决绝对定向问题来获得对相机位姿的估计。IEPnP算法简化了EPnP算法的计算过程。在不同的图像噪声水平下进行仿真实验,结果表明,相比于EPnP算法,IEPnP算法不仅保持了较高的计算效率,而且对图像噪声具有更强的稳健性。

研究了基于计算机断层扫描的激光反射层析成像技术的相关理论。实际情况下由于目标运动与探测平台振动等原因,非合作目标不同角度的反射投影相对于目标旋转中心存在平移,从而引起不同角度下投影失配,导致投影重建图像出现失真和伪影。采用误差减小、混合输入-输出相位恢复法对投影失配条件下反射层析重建图像进行相位恢复,仿真验证了该算法在投影角度过采样、完全投影与稀疏投影角度下的可行性。

光场相机通过在主镜组和传感器间特定位置设置微透镜阵列,在采集物方光强的同时可记录光线方向。提出一种在频域内对光场相机获取的四维光场图像加密的图像数字水印方法。植入信息经Base64编码后生成二维图像,并通过Aronld迭代对此图像进行均匀化处理,建立与原始光场坐标系匹配的虚拟计算光场,在四维傅里叶域内以切片替换的方式将加密信息植入原始光场中,实现光场图像加密,然后,基于二者坐标对应关系,应用傅里叶逆变换提取加密光场图像中的植入信息。搭建光场采集系统,应用本文方法对采集的原始光场图像进行加密处理。实验结果表明,加密光场图像信噪比高,与原始光场图像相关性强,加密光场图像无明显伪迹和失真,算法简便快捷,稳定可靠。

相比于传统同步并行计算策略,在异步并行计算框架下,针对最常用的总变分(TV)最小化重建模型,通过将其转化为不动点迭代问题,并利用异步交替方向法(ADM)进行求解,推导出基于TV最小化模型的异步ADM迭代重建算法,即异步交替方向总变分最小化算法(Async-ADTVM)。利用消息传递接口技术将该算法在图形处理器(GPU)集群上进行测试,进一步提高了原始基于TV最小化模型的迭代重建算法的计算效率。实验表明,该算法在计算求解精度上略优于ADTVM算法,同时在GPU性能存在差异的条件下相比传统多GPU加速策略可获得更高的加速比。

光学合成孔径(OSA)技术能够极大地提高光学系统的空间分辨率,但是由于孔径的离散与稀疏,导致其调制传递函数(MTF)中频部分相比单一口径系统显著下降。论述OSA成像的方式和原理,分析OSA中频MTF下降的原因和原理。以填充因子为线索,分别给出大填充因子中频MTF下降和小填充因子中频MTF缺失的处理方法。对于中频MTF下降,采用图像复原的方式恢复图像中的中频信息;对于中频MTF缺失,采用两个系统分别成像再融合图像的方法补偿中频。分别分析了两种方法的可行性,给出了两种情况的Zemax仿真验证,结果表明两种方法均可行。

高动态范围成像技术是当前光学成像领域的研究热点。基于数字微镜器件(DMD)具有调制入射光线空间信息的特性,设计了一种DMD相机,可提高成像系统的动态范围。同时,为了合理有效地编码控制DMD,根据该成像系统的结构及成像特征,利用数学分析方法先后标定了DMD调光响应曲线和CMOS图像探测器的响应曲线,并在此基础上提出基于DMD相机的响应曲线标定方法。实验表明,该成像系统突破了普通数字相机动态范围的限制,动态范围可提高至96 dB以上。同时,还完成了DMD相机响应函数的快速标定,为实现DMD掩模的自适应调整提供了重要依据。

传统的生物特征识别方法直接将用户的生物特征模板存储于数据库中。由于生物特征具有唯一性和稳定性,一旦被窃取,用户的生物特征将终身不可再用。针对此问题提出了一种存储伪生物特征图像的手掌静脉识别算法,该算法不从外部输入密钥,不存储原始掌脉生物特征模板。在注册阶段,于近红外光下采集用户手掌静脉图像,对图像进行加密形成伪图像,将伪图像存储于数据库中;在认证阶段,将数据库中的伪图像解密后提取特征,与认证阶段采集图像提取的特征进行匹配,给出认证结果。在PolyU图库、CASIA图库和自建图库上进行测试,结果表明:在样本数量为300时,该算法在上述3种图库中的等误率分别为0.4135%、0.5576%、0.4744%,识别时间分别为325.0740,316.0800,322.6530 ms。在小范围样本内,所提算法适用于安防、考勤等场合,具有一定的实用价值。

采用0.205 ms的曝光时间,研究了观测速度范围包含去相关区域和未去相关区域时的散斑对比度与观测物速度间的关系。结果表明,利用对比度随取样帧数的变化趋势,并结合时间序列散斑图像相关系数曲线,可以在复杂环境下正确区分两个区间内的速度大小;同时,选用适当散斑图像帧数进行对比度计算,可以同时为探测大速度和小速度区间的速度变化提供较高灵敏度。

为了解决传统Chan-Vese(CV)模型难以快速、精确提取金相晶粒的问题,提出一种基于改进区域项CV模型的金相图像分割方法。该方法利用倒数交叉熵阈值选取准则函数替代传统CV模型中能量函数的区域项,构造新的水平集模型。改进模型能够使分割前后图像的倒数交叉熵达到最小,更精确地分割噪声影响严重且局部灰度变化较大的金相图像;考虑到倒数交叉熵计算会增加算法复杂度,通过引入最大绝对中位差,自适应调整曲线内外的能量权重加速曲线的演化,添加距离规范项以避免水平集函数的重新初始化,加速模型的收敛。实验结果表明,与多种模型相比,改进模型在分割结果和分割效率方面均具有明显优势。

基于红外标准星和内部黑体标定源的联合辐射定标法可提高空间目标的红外辐射测量精度。黑体标定源位于红外辐射测量系统内部,用于定标光学系统响应率。依据大气消光模型,采用天文孔径测光法,通过观测不同仰角处的多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星得到大气消光和系统透过率系数。700 mm口径地基中波红外辐射测量系统验证性实验的结果表明,在恒星图像曝光充分的情况下,联合辐射定标法的恒星辐照度反演误差优于11%。联合辐射定标法操作简单、成本低,可随时对测量设备进行现场标校。

不同步数相移算法下被测件径向相移不均匀引入的误差不同,对测量的影响也将不同。基于点衍射干涉测量光路,构建了误差分析模型,以5、6、7和13步相移算法为例,对不同相移算法下被测件径向相移不均匀引入的移相误差进行了分析,并将该移相误差的影响引入到实际干涉测量模型中,进一步分析比较了该误差对最终面形检测结果的影响,进而提出了一种基于误差预估计的多项式误差校正新方法。研究结果表明,相移算法步数越多,被测件径向相移不均匀引入的面形检测误差越大,误差均呈类抛物面分布;最终面形检测结果经Zernike多项式拟合消离焦项后已等同于进行了二次多项式校正,对于数值孔径为0.3以下的被测件,经二次多项式校正后该误差对测量的影响基本可以忽略。

根据现阶段光电瞄具的靶场测试需求,针对目前传统视差检测方法存在的无定量、大误差、低效率等缺点,提出了一种基于类正弦测微法的视差检测方法,该方法可实现光电瞄具视差的快速定量测试。采取传统摆头法的快速观测原理,利用类正弦测微法实现定量数据获取,构建出一台具有类正弦微动细分机构的改进型视差检测装置。选取了三类典型的光电瞄具样品,针对4种视差测试方法进行详细的测试效果比对实验。结果表明,基于类正弦测微法的视差检测方法及装置不仅能够保证0.01'的测试精度,而且能够满足光电瞄具靶场测试中效率高、精度高的需求,测试效果优于其他传统视差检测方法。

将3×3光纤耦合器相位解调和数字全息中的双波长相位测量方法相结合,提出了一种适合于相位型光纤传感器并能进行大范围相位测量的相位解卷绕方法。通过利用合成波长的解卷绕相位对单一波长的卷绕相位进行补偿,得到大范围、无差错的相位变化信息。建立了基于1310 nm和1550 nm的双波长光纤迈克耳孙干涉系统,对压电位移台所产生的大范围振动进行测量,验证了该方法的可行性和有效性。与1310 nm单一波长的相位解调结果相比,该方法可使测量的光程差扩大到原来的6.5倍。

为了减小光栅投影三维测量系统中数字投影仪的非线性响应引起的相位误差,提出了一种提高物体相位测量精度和速度的多频条纹反向相位误差补偿方法。该方法通过投影与最高频率相同且具有特定相移量的补偿相移条纹图,获取相位误差大小相等,符号相反的两幅主值相位图,二者运算后误差得以抵消,与多频法相结合从而得到精确的绝对相位值。采用标准平面对提出的方法进行实验验证,并与最近提出的希尔伯特变换补偿方法以及典型相位补偿方法进行比较。实验结果表明,所提方法能有效提高相位测量的精度和速度。通过对自由曲面以及表面不连续物体进行相位误差补偿,进一步验证了该方法的可行性和有效性。

利用描述CO₂激光器动力学过程的六温度模型理论,建立了计算调Q CO₂激光功率放大器输出特性的数学模型,进行了理论分析和数值计算,并讨论了分光比等参数对输出脉冲特性、输出光谱的影响。结果表明:该调Q CO₂激光功率放大器存在临界增益长度和临界光强分束比,低于临界值时无法获得激光输出;该调Q CO₂激光功率放大器的输出激光脉冲波形、峰值功率、脉冲宽度、输出光谱与光强分束比、抽运电子数密度等参数有关,光强分束比越小,输出的调Q激光脉冲宽度越大,峰值功率越低;该调Q CO₂激光功率放大器利用Q调制的高增益特性,通过控制调Q元件所在的低功率支路可以实现高平均功率的调Q脉冲CO₂激光输出,很好地解决了调Q CO₂激光功率放大器难以高功率运转的问题。

太赫兹量子级联激光器(THz QCL)的增益谱较宽,使用普通法布里-珀罗腔时一般为多纵模激射。二阶分布反馈THz QCL可利用表面辐射损耗消除模式简并,实现单纵模激射。采用耦合模理论对单面金属波导二阶分布反馈THz QCL基本参数的计算公式进行了理论推导,并研究了光栅结构参数对其耦合系数、阈值增益、光子密度及外微分量子效率等参数的影响。在以自然解理面为端面的波导上刻蚀占空比约为0.15、有源区深度为0.5 μm的光栅时,激光器的阈值增益较低,腔内光子密度分布相对均匀,能够实现单纵模激射。

空间窄线宽激光器作为空间锶光钟的本地振荡源,决定了空间锶原子光钟的中短期稳定度。由于空间站的载荷资源有限,空间窄线宽激光器光学系统既要满足空间光钟参考跃迁的功能要求,又要考虑体积、重量等因素。此外,由于空间窄线宽激光器系统对功耗、热耗都有严格的要求,在激光源输出光功率一定的条件下提高系统光功率的利用率,是保证后续光路光功率需求的关键。为了减小体积,减轻系统重量,采用小型化光学组件构建系统光路;为提高系统光功率的利用率,采用短焦双透镜方案,在此基础上构建该光学功能单元的实验平台。结果显示:声光调制器的单通衍射效率大于90%,双通衍射效率大于70%。对声光调制器驱动信号进行扫描,在±20 MHz扫描范围内,光纤耦合效率变化了50%,基本满足了空间和功率上的应用要求。

针对光照分布不均匀的室内环境下低动态载体速度计算实时性较差的问题,提出一种基于改进奇异值分解(SVD)-Harris的低动态载体速度快速计算的新方法。利用SVD对相邻两帧视觉图像分别进行压缩与重构,并结合改进的Harris角点检测算法对两帧图像进行特征点的检测;利用归一化互相关(NCC)模板匹配算法对相邻两帧视觉图像的特征点进行粗匹配;利用随机抽样一致性算法进行误匹配点对的剔除;利用特征匹配点对的信息对载体的速度进行计算。实验结果表明:传统算法的平均计算时间为3.07 s,而改进算法的平均计算时间为0.71 s,且传统算法的误匹配率远大于改进算法。与传统的NCC模板匹配方法相比,所提算法不仅保证了低动态载体速度计算的精确性,而且显著提高了载体速度在光照不均匀的室内环境下的计算效率,该研究为实现室内移动机器人实时视觉导航提供了理论依据。

双目视觉是机器视觉中经典有效的方法。针对无色差光滑曲面特征点难以提取的问题,提出一种用均匀激光网格创造曲面上色彩特征的方法,以及特征点提取和匹配算法。首先,提取激光网格线,采用膨胀与腐蚀等算法将激光线断点拼接并转化为单像素连通线;然后,利用连通线上点的八邻域及四邻域的连通性对特征点进行提取;最后,对提取后的特征点根据位置信息进行编号,完成特征点的匹配。实验结果表明,该算法稳健性好,提取精度高,匹配正确率及重复率高,三维重建后特征点间的距离误差小于0.05 mm、标准差为0.0362 mm。该算法直接对特征点进行提取及匹配,与离散特征线获取特征点的方法相比精度更高,可应用于曲面上点的均匀抽样检测。

微环谐振器是集成光学中的关键器件,它的实际滤波特性会受到输入光功率的影响,但长期以来,微环谐振器的稳态模型仅包含线性光学作用。考虑微环谐振器反馈波导中的光学非线性引入的损耗和相移,以及微环耦合器中光学非线性引入的耦合比改变等因素,推导了考虑自相位调制、双光子吸收和热光效应的微环谐振器的非线性模型。重点讨论了双光子吸收和光学非线性引入的耦合器耦合比改变对微环谐振器陷波深度的影响,仿真结果表明,在热光效应和自相位调制产生谐振谱线频移的同时,功率相关的耦合器耦合比的改变对微环谐振器陷波深度的影响较大。

同心多尺度成像技术为突破传统光学成像中分辨率与视场之间的矛盾提供了一条有效的途径。将同心多尺度成像模式应用于机载光电探测系统,实现机载广域宽视场高分辨目标探测。综合分析了目标辐射空间分布、目标辐射传输和光学系统成像等特性,建立了表征同心多尺度成像系统的探测能力理论模型,得到了系统探测能力与组成单元透镜的口径、焦距、间距等参数之间的变化关系。并用光学设计软件Zemax设计了实际光学系统,数值模拟了空中来袭运动目标的光谱信号信噪比(SNR)响应特征。结果表明合理增加同心多尺度成像系统中的物镜焦距、减小目镜焦距、增大系统口径和降低探测信噪比阈值等能够有效提高成像系统的探测能力。

根据非成像光学理论,提出了一种基于准直系统的自由曲面设计方法。以几何光学为理论基础,设计了一种关于中心轴旋转对称的新型发光二极管(LED)准直系统。准直系统的集光角约为236°,出射光半发光角度小于1°。基于几何光学和能量守恒定律,在准直系统的出射平面上设计了自由曲面,并给出了“多对一”的能量拓扑关系和均匀矩形光斑的照明设计方法。借助Matlab软件,对自由曲面的面型数据进行求解,并在曲线曲面的非均匀有理B样条(NURBS)曲面的理论基础上,采用SolidWorks软件搭建模型,并通过光学设计软件LightTools进行模拟分析。仿真结果表明:新型准直系统能够实现大角度光线的准直,基于准直系统的自由曲面设计方法实现了均匀的矩形光斑。

提出了一种新型、紧凑的光子晶体太赫兹(THz)偏振分束器,利用自准直效应实现横电(TE)模和横磁(TM)模的无衍射传输,利用禁带特性实现TE模和TM模的分离。基于平面波展开法和时域有限差分法对太赫兹偏振分束器的性质进行仿真建模分析,结果表明,该偏振分束器在2.9~3.01 THz频率范围内可实现偏振分离;频率为3 THz时,TE模的反射率和TM模的透射率均高于90%,TE模和TM模的消光比分别高达19.9 dB和26.24 dB。此外,与以往的光子晶体太赫兹偏振分束器相比,所提出的偏振分束器设计简单,更易于实现(无需引入缺陷),尺寸更微小(650 μm×650 μm),带宽更宽(2.9~3.01 THz)。

提出了一种基于脉冲宽度调制(PWM)的红/绿/蓝/暖白(R/G/B/WW)4色发光二极管(LED)调光调色计算模型。该模型根据二通道和三通道PWM的特点,采用黑体轨迹的Chebyshev方法,确定合成光的色坐标和相关色温(CCT)关系。在优化目标显色性能最佳时,建立了混合光的色坐标与占空比、相关色温与占空比的函数关系,并采用R/G/B/WW 4色LED进行实验验证。结果表明:R/G/B/WW LED模块可实现相关色温在2900~7600 K范围的白光调节。当光通量设定为300 lm时,相关色温的最大相对误差为0.99%,混合光一般显色指数(CRI)最大相对误差为0.11%;当光通量值在[150,800]范围内变化时,其最大相对误差为2.02%。该模型可应用于4通道LED调光调色,其计算方法简单、调光精度高、硬件易于实现。

基于平面偏振干涉测量原理,提出了一种用于平板玻璃中部应力检测的偏振移相干涉测量法。通过旋转检偏器实现了偏振移相,采用建立的数学模型得到了应力双折射数值及其分布曲线,由玻璃的应力光学系数得到了中部应力值。对浮法平板玻璃样品的中部应力进行了实验研究,结果表明,所提方法的测量误差可控制在3%以内,测量重复性优于1 nm/cm,验证了所提方法的可行性。

基于磁光调制的方位测量系统的关键技术是磁光调制技术,交变电流驱动的含磁光材料螺线管内轴向磁场的精确表达至关重要,但是目前关于磁光材料参数特性对磁场的影响研究甚少。以磁光材料TGG晶体为例,研究了TGG介电常数变化对螺线管内部轴向交变磁场的影响。首先,当螺线管内部磁光材料的介电常数不变时,利用麦克斯韦方程建立正弦波调制下螺线管内部轴向交变磁场模型;然后根据TGG的材料构成,通过分子模拟软件VASP获得TGG的介电常数随调制信号频率变化的函数;最后将此变化函数引入到已经建立的交变磁场模型中,获得TGG介电常数变化对正弦波调制下螺线管内部轴向交变磁场的影响。结果表明:随着调制信号频率的增加,TGG晶体的介电常数减小,造成螺线管内部轴向磁场幅值衰减变缓、磁场相移衰减中的急速衰减阶段提前,且衰减速率更快。该研究思路与方法为进一步研究磁光材料对螺线管内部磁场、方位失调角测量精度的影响提供了参考。

在非旋波近似下,研究了频率随时间变化的相干态光场与二能级原子的相互作用,讨论了光场频率随时间作正弦和方波变化时,原子布居数反转随时间的演化特性。数值计算结果表明,当光场频率不随时间变化时,原子布居数反转的周期随着平均光子数的增大而增大;当光场频率随时间作正弦变化时,原子布居数反转塌缩回复的周期和振幅受到了很大影响,光场频率对演化曲线的振荡频率起到了调制作用;当光场频率随时间作方波变化时,原子布居数反转塌缩回复的周期发生了改变,而且出现了新的塌缩回复现象。

EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)导引展现出一种不同于量子纠缠态与Bell非局域性的量子非局域性,其中单向EPR导引在量子秘密共享中尤为重要。提出了一种通过在EPR纠缠态的一方增加噪声来改变EPR导引特性的方案,在引入噪声之后,分析了导引参数与可变分束器的反射率之间的关系,并研究了EPR导引的方向由双向到单向的改变过程。该研究对非对称的量子非局域性操控以及量子信息传递过程中的量子控制具有重要意义。

针对极化合成孔径雷达(SAR)应用中存在的特征冗余问题,结合线性判别分析(LDA)和局部线性嵌入(LLE)的思想,提出一种半监督降维算法:半监督局部判别分析(SLDA)。该算法首先基于LLE的局部保持特性建立正则项,以避免学习中的过拟合问题。然后,在标记样本集上进行正则化的判别分析,以增强算法的推广能力,同时保持所有样本点在原始空间的局部几何结构。利用RADARSAT-2和AIRSAR卫星获得的Flevoland地区的全极化SAR数据进行降维实验,结果表明SLDA提取的低维特征具有“类内紧聚,类间分离”的特性;进一步的分类实验结果表明,SLDA只需1‰~2‰的标记样本就能使分类精度达到90%左右,分类性能优于其他对比方法。

利用奇异值分解方法,分析了激光粒度仪的光能系数矩阵特性,定义了可以反映粒度分布随光能分布变化的灵敏度参数,给出了特定参数条件下的测量上限。推导得到了仪器的测量上限与物理参数之间的解析表达式,发现在入射光波长不变的情况下,仪器对散射光的最小接收角决定了该仪器的测量上限。实验结果验证了该表达式的正确性。

快速准确获取水体细菌微生物浓度信息,对饮用水卫生安全监管具有重要意义。基于多波长透射光谱技术研究了水体细菌微生物浓度定量反演方法,并重点研究了光谱数据的归一化处理方法(颗粒浓度归一化、最大值归一化、积分归一化、平均归一化)对水体细菌微生物浓度反演结果准确性的影响。基于Mie散射理论建立了大肠埃希氏菌(大肠杆菌)多波长透射光谱解析模型,通过对归一化后的光谱进行解析,获取了大肠杆菌的结构信息,并以此构建出单种细菌的多波长透射参考光谱;根据测量光谱与单种细菌参考光谱的相关性反演细菌浓度,并对比分析了不同归一化处理方法下细菌浓度反演结果的准确性。研究结果表明:与平板菌落计数法相比,平均归一化光谱反演细菌浓度的最大相对误差为0.92%,平均相对误差为0.70%,线性相关系数达到0.9984,其准确性和稳定性均为最优。本研究为水体细菌微生物的快速定量检测与预警提供了基础数据。

将新型的外腔式宽调谐量子级联激光器(ECQCL)作为激发光源,高频石英谐振音叉作为光电探测器,开展了挥发性有机物的中红外激光光谱定量分析和成分识别研究。以不同站点和不同型号的汽油样本作为检测对象,检测它们的红外吸收光谱,并与美国西北太平洋国家实验室数据库的标准光谱进行比较,结果具有很好的一致性;实验中结合自行建立的插值算法和多元线性回归算法模型,可实现不同型号汽油样本中主要挥发性有机物的定量分析和成分归属分析。

根据硝酸钠自身化学性质较稳定且拉曼特征峰与被测组分山梨酸钾谱峰能完全分离的特点,以硝酸钠为内标物对食品中常用防腐剂山梨酸钾的拉曼光谱进行校正;以质量分数为0.1的硝酸钠在拉曼特征位移1053 cm ^-1处的特征峰作为内标峰,分别计算其与49个样品中相同浓度硝酸钠特征峰强的相对比值,用相对比值分别校正49个样品的山梨酸钾特征峰强,采用一元线性回归分析对山梨酸钾进行定量建模分析。结果表明:校正后,山梨酸钾预测模型校正集和预测集的相关系数显著增大,山梨酸钾在1399 cm ^-1处特征峰强的一元线性回归定量预测模型校正集和预测集相关系数的平方分别为0.9885、0.9865,均方根误差分别为3.0384×10 ^-3、3.7643×10 ^-3;基于最佳预测模型对新配制的18个新样品进行预测,预测值和真实值的相关系数的平方为0.9799,均方根误差为4.8702×10 ^-3,说明用硝酸钠内标法可以有效减小检测仪器、检测环境以及人为因素对山梨酸钾拉曼峰强的影响,提高被测物预测模型的精度。

为了分析Ag纳米颗粒修饰碳纳米管(AgNPs/CNTs)复合结构的表面增强拉曼散射(SERS)电磁增强特性,用FDTD Solutions软件建立了AgNPs/CNTs复合结构的仿真模型,通过改变AgNPs尺寸、颗粒之间的间距及激励光源参数对AgNPs/CNTs进行了电场强度分布的仿真计算。仿真结果表明:AgNPs/CNTs复合结构存在两种“热点”,一是CNTs和AgNPs之间的耦合,二是CNTs上两个AgNPs之间的耦合。在仿真参数范围内,随着AgNPs尺寸增大,最大电场强度先增强后减弱;随着AgNPs间距增大,周围电场强度减弱;当激励光波长为532 nm时,AgNPs/CNTs周围的电场强度最大。以SiO₂膜作为基底材质,当AgNPs尺寸为60 nm,颗粒间距为2 nm,入射光波长为532 nm时,AgNPs/CNTs周围的电场强度最大,计算增强因子约为10 ⁸;理论和实验都证明Ag膜基底的SERS增强效果比SiO₂膜的增强效果更好。

针对近红外光谱物质含量检测过程中噪声影响模型精度和稳定性的问题,引入广义S变换与奇异值分解(SVD)。利用广义S变换得到光谱数据的时频谱,并将二维时频谱系数矩阵作为SVD的Hankel矩阵求解奇异值,再采用k-均值聚类算法对奇异值序列进行分类计算,确定重构奇异值个数,对去噪后的数据矩阵进行广义S逆变换得到去噪后的光谱数据。给出组合方法的基本理论和具体实现过程,对仿真数据和谷朊粉导数光谱进行去噪,并与传统的9点平滑法和小波软阈值法的去噪结果进行比较。结果表明:所提方法克服了时域或频域单维滤波的局限性,且无需参考噪声数据和选择基函数,在谷朊粉导数光谱去噪中,只需采用两个奇异值就能实现较好的去噪效果,降低了滤波过程的复杂度。采用所提方法处理后,近红外光谱的分析精度和模型的稳健性优于9点平滑处理法和小波软阈值法。相比9点平滑法,所提方法的预测集的决定系数由0.9436增大为0.9985,预测均方根误差由0.0843减小为0.0406,明显提高了谷朊粉中水分含量定量检测的精度。

提出了一种基于级联马赫-曾德尔调制器(MZMs)倍频系数可调的相位编码信号光产生方法。该方法的系统核心器件为级联MZMs,通过合理选择两个MZMs的直流偏置电压和调制指数等参数,可任意选取±k(k=1,2,…,5)阶边带中的一组边带。通过可编程光滤波器滤除5阶以上的高阶边带,再结合相位调制,可产生载波2、4、6、8和10倍频的相位编码信号。该方法是通过改变施加在级联MZMs上的射频驱动信号幅度实现倍频系数调节,方案简洁灵活。通过仿真实验验证了利用4 GHz的微波信号源分别产生载频32 GHz和40 GHz的相位编码信号,从而实现了8和10倍频信号输出,且所生成的相位编码信号具有很好的脉冲压缩性能。