基于近红外被动差分吸收光谱技术(IR-DOAS)反演了大气中水汽柱浓度。从Hitran数据库中获取高分辨率截面,利用Voigt线型进行不同温压条件下的线性展宽,获得不同反演吸收截面。以仰角为90°的光谱作为参考谱,对光谱进行反演,获取垂直柱浓度。通过与太阳光度计(CE-318)进行对比发现,结果具有很好的趋势一致性,线性相关系数为0.99,且IR-DOAS的反演值与CE-318结果的差值在IR-DOAS反演误差范围内。将其应用于水汽斜柱浓度的空间分布获取发现,垂直方向水汽斜柱浓度随仰角的变化呈梯度变化,水平方向水汽斜柱浓度随观测方位角的变化几乎不变,分布均匀。

在短波红外成像光谱技术的应用背景下,对HgCdTe短波红外焦平面探测器的校正技术进行研究,包括坏像元校正和非均匀性校正,并提出先进行坏像元校正后进行非均匀性校正的探测器校正原则;在标准辐射源下,对正常像元的输出值进行正态分布拟合,并通过3σ准则设定正常像元输出值阈值的方法,确定探测器中坏像元的数量与位置,然后根据短波红外成像光谱技术的应用要求,对坏像元进行光谱二邻域均值替换;坏像元校正完成后,再采用运算量小、实时性强的两点法对探测器进行非均匀性校正。综合校正结果表明:探测器坏像元得到有效剔除,坏像元输出值得到良好校正,且非均匀性校正效果明显,图像细节更加丰富。

将由商业相机组成的相机阵列应用于空间目标的初轨确定。介绍了相机阵列的系统概况,结合相机阵列的技术特点,从空间目标探测能力、定位精度、初轨确定算法改进三方面分析了将相机阵列应用于空间目标初轨确定的可行性,提供了主要流程,进行了实验验证。实验结果初步展示了相机阵列系统在提高极限探测星等和初轨确定精度方面的能力。

基于码分多址(CDMA)和非对称限幅光(ACO)正交频分复用,提出了非对称限幅光多载波码分多址系统。在视线传播和散射传播信道中,采用正交恢复合并(ORC)、最大比合并(MRC)和等增益合并(EGC)算法,推导了受限幅噪声影响时系统的信噪比,建立了蒙特卡罗误比特率(BER)仿真模型。研究结果表明,通过增大扩频序列长度可以提高BER性能。随着用户数增多,多用户间干扰增大,MRC算法性能变差,ORC算法保持了用户间的正交性,BER性能最好。所提系统的性能比反转多载波CDMA和单极性多载波CDMA系统的更好。

提出了一种基于局部均值分解(LMD)和串行特征融合(SFF)的光纤周界振动信号识别方法。该方法先去除噪声,提取振动信号的相关信息,再进行SFF以得到具有准确描述能力的特征向量,最后采用概率神经网络(PNN)算法进行学习和分类。利用不同单一振动信号和风雨天气干扰下的不同振动信号对该方法进行验证。结果表明,该方法在上述两种情况下的平均正确识别率分别达到96.0%和96.7%,识别时间分别为0.87 s和0.91 s,在敏感信息识别和特征提取方面明显优于传统的LMD算法和SFF-PNN算法。

针对星间激光通信系统易受瞄准误差影响的问题,在瞄准误差服从贝克曼分布的条件下,利用三阶中心矩法将其等效为修正后的Rayleigh分布,分别在中断概率一定和发射功率一定的假设下,建立了发射功率优化模型和中断概率优化模型,并计算出了两种假设条件下高斯光束经天线发射时的最优均方根宽度。通过数值仿真,给出了考虑瞄准误差时的系统中断概率、最小发射功率与最优均方根宽度之间的关系。根据该数值分析结果,在明确瞄准误差分布规律的基础上,选择最优的高斯光束均方根宽度,以实现最优星间激光通信链路性能。

设计了基于调制相移法的色散测量样机,提高了色散测量的精度,降低了色散测量成本。设计了基于幅相检测芯片AD8302的双鉴相电路,实现了相位差的准确测量。应用最小二乘法对接收的数据进行拟合,得到了可靠的色散系数曲线。整体采用模块化的设计思想,使用基于芯片F2812的数字信号处理,实现了对各模块插板的控制,完成了数据的采集和处理,并在实验室虚拟仪器工程工作台(LabVIEW)开发平台完成界面设计。对样机的性能进行了实验验证,结果表明,对于不同长度的G.652光纤,在波长1550 nm处,累积色散测量的不确定度小于10 ps/nm。

为了进一步提高入射到光敏元上的光能,针对光刻胶热熔法制备的微透镜的非球面面形,提出了一种结合有限元光线追迹和拉格朗日乘子法的设计方法。给定焦距,用该算法可以自动计算出所需的微透镜面形。为了验证算法的精度,对圆形孔径的焦斑均方根半径进行了模拟和理论计算,二者较为吻合。对三次有限元光线追迹的点列图误差进行了估计。计算了会聚到320 pixel×256 pixel背照射紫外焦平面探测器光敏元上的能量集中度,比较了具有不同圆角半径的方形孔径蓝宝石微透镜的效率。结果表明,具有6 μm圆角半径的方形孔径微透镜的能量集中度较高,为96%。

提出了一种特征融合结合软判决的飞机检测方法。以区域卷积神经网络为基本框架,依次采用L2范数归一化、特征连接、尺度缩放和特征降维来融合多层特征。为了降低网络在目标高度重叠时的漏检率,引入软判决来改进传统的非极大值抑制方法。实验结果表明,所提方法能够准确快速地检测到飞机,得到检测率为94.25%、虚警率为5.5%、平均运行时间为0.16 s的实验结果。与现有的其他检测方法相比,所提方法的各项指标均得到显著提升。

建立了室内人员检测数据集(IHDD),提出了基于联合学习的多视角室内人员检测网络模型(MVNN)。该模型由输入数据层、特征提取层、可变形处理层、可见性估计层、分类判别层等组成,并加入区域建议模型和多视角模型以提升算法的检测性能。在自建的IHDD数据集上的实验结果表明,与现有其他检测算法相比,MVNN算法的检测率更高;在人体目标呈现多视角、多姿态及存在遮挡等困难情况下仍有不错的检测效果,具有一定的理论研究价值和实际应用价值。

针对目前卷积神经网络的超分辨率算法存在卷积层数少、模型简单、计算量大、收敛速度慢以及图像纹理模糊等问题,提出了一种基于深层残差网络的加速图像超分辨率重建方法,该方法在提高图像分辨率的同时加快收敛速度。设计更深的卷积神经网络模型来提高精确度,通过残差学习并且使用Adam优化方法使网络模型加速收敛。在原始低分辨率图像上直接进行特征映射,只在网络的末端引入子像素卷积层,将像素进行重新排列,得到高分辨率图像。实验结果表明,在set 5,set 14,BSD100测试集上,所提算法的峰值信噪比与结构相似性指数均高于现有的几种算法,能够恢复更多的图像细节,图像边缘也更加完整且收敛速度更快。

针对低照度条件下图像降质严重的问题,提出了一种基于深度卷积神经网络(DCNN)的低照度图像增强算法。该算法根据Retinex模型合成训练样本,将原始低照度图像从RGB (Red Green Blue)空间转换到HSI (Hue Saturation Intensity)颜色空间,保持色度分量和饱和度分量不变,利用DCNN对亮度分量进行增强,最后将HSI颜色空间转换到RGB空间,得到最终的增强图像。实验结果表明,与现有主流的图像增强算法相比,所提算法不仅能够有效提升亮度和对比度,改善过增强现象,而且能够避免色彩失真,主观视觉和客观评价指标均得到了进一步提高。

提出一种基于端面图像对称性特征的偏振轴检测算法。该算法利用图像极坐标变换来实现图像的对称性检测,使用金字塔搜索法快速寻找最优对称轴,确定偏振轴向。所提算法利用图像的全局性特征而不依赖于应力区边缘点位置实现精确定位,对图像清晰度要求显著降低。实验结果表明,所提算法具有较高的准确性和精确性(±0.1°),其稳健性大幅增强,且算法速度提升了近1.5倍。

提出了一种基于多尺度特征融合的全卷积神经网络的视网膜血管分割方法,无需手工设计特征和后处理过程。利用跳跃连接构建编码器-解码器结构全卷积神经网络,将高层语义信息和低层特征信息进行融合;利用残差块进一步学习细节和纹理特征;利用不同空洞率的空洞卷积构建多尺度空间金字塔池化结构,进一步扩大感受野,充分结合图像上下文信息;采用类别平衡损失函数解决正负样本不均衡问题。实验结果表明,在DRIVE(Digital Retinal Images for Vessel Extraction)和STARE (Structured Analysis of the Retina)数据集上的准确率分别为95.46%和96.84%,敏感性分别为80.53%和82.99%,特异性分别为97.67%和97.94%,受试者工作特征(ROC)曲线下的面积分别为97.71%和98.17%。所提方法相较于其他方法性能更优。

提出了一种基于代数迭代的Mojette变换层析重建算法。在确定最佳投影角度的基础上,结合传统层析技术中的乘性代数迭代算法进行重建。利用该算法对轴对称火焰进行了层析重建。数值模拟结果表明,与基于角的重建算法相比,该算法在噪声较大情况下的层析重建质量更好。

提出了一种应用于谱域相位显微成像的相位解包裹方法。利用傅里叶变换及合成波长相位计算方法分别得到具有较小噪声的包裹相位和具有较大噪声的解包裹相位,利用解包裹相位与包裹相位之差计算包裹相位的包裹次数,以此对具有较小噪声的包裹相位进行解包裹。该方法消除了现有方法引入的边界分段错误。建立了一种基于合成波长的谱域相位显微成像系统,使用压电位移台定量验证了该系统可以用于大梯度边界的相位解包裹,并进行了红细胞和倾斜镜面的相位成像。该系统在空气中的位移灵敏度为0.043 nm。

生物发光断层成像(BLT)是一种非侵入、高灵敏度的光学分子影像技术,可以通过探测生物体表面的光信号重建出生物体内部光源的三维分布情况。由于光在组织中传播时,散射占据主导作用,导致BLT重建问题的病态性,给光源重建带来巨大的挑战。在BLT重建中,基于光源稀疏分布的特征,稀疏正则化方法相比于传统的L2范数正则化取得了显著进展。更进一步,由于生物发光光源的分布具有的空间聚集特征,利用该特征将有助于进一步提高BLT重建的准确性。相比于传统的针对求解域中所有未知量进行稀疏重建的算法,探索了利用块稀疏进行生物发光断层成像重建的可行性,首先通过对系统矩阵进行相关系数分析将求解域划分成一系列数据块,然后利用块稀疏贝叶斯算法对生物发光光源的分布进行三维重建。通过仿真实验与小鼠活体实验,并与传统稀疏重建算法L1-LS进行了比较,结果表明该方法可以有效缓解BLT重建问题的病态性,抑制噪声,并且可提高重建结果的准确性。

研究了滤光片对非色散可见成像系统获取污染气体柱浓度的影响。分析了滤光片的中心波长与入射角度之间的关系,发现滤光片的中心波长随入射角度的增大向短波方向移动,当入射角度为40°时,滤光片的中心波长漂移17.4 nm。探讨了不同滤光片对信噪比(SNR)、线性响应及灵敏性的影响。研究结果表明,可通过延长曝光时间或叠加图片增大SNR;半峰全宽为10 nm的滤光片具有较好的灵敏性;0.9以上的线性响应系数表明,半峰全宽为40 nm的滤光片仍满足非色散成像系统解析污染气体柱浓度的理论条件;半峰全宽为10 nm的滤光片的检测下限最优,约为4.475×10 ¹⁶ molecule/cm ²,获取污染气体柱浓度的滤光片最佳半峰全宽取值范围为2~40 nm之间。基于半峰全宽为10 nm、中心波长为450 nm的滤光片对某钢铁厂烟囱的烟羽进行了测量,获得了烟羽中NO₂柱浓度的二维空间分布图。

对金属的复介电常数虚部进行了Kawabata-Kubo(K-K)修正,定量描述了表面等离激元产生的光学散射和吸收特性;利用米氏理论和电偶极子理论计算并分析了光入射到单个椭球状金属纳米微粒产生的消光特性;建立了椭球状纳米微粒周期阵列分布的光学偏振结构模型,利用COMSOL软件模拟计算了可见光到近红外波段的偏振光输出特性。以椭球的有效半径替代球半径,将K-K修正应用于金属椭球阵列结构的有限元模拟。修正后的金属纳米椭球阵列的透过率减小,消光光谱带宽增大,这与实验中单个金属颗粒的宽带强吸收特性趋势一致。

提出了一种分区多点标定的辐射定标方法。定标原理如下:将测量目标的温度区间分为n个子区间,测量并记录目标温度区间内n+1个不同温度黑体对应的红外光谱辐射计输出数据,并分别计算各个子区间的定标系数;进行红外光谱辐射测量时,比对红外光谱辐射计输出数据和记录数据,确定待测目标所属温度子区间;使用对应子区间的定标系数进行辐射定标,以提高测量精度。使用该方法对研制的渐变滤光片型红外光谱辐射计进行辐射定标,并根据定标结果反演测量黑体的等效亮温温差。实验结果表明,该方法的辐射定标精度优于1.5 K,可应用于红外光谱辐射计的辐射定标。

研究了行车环境下激光条纹图像中心线快速、准确且可靠的提取方法。基于ENet深度学习模型实现了激光条纹的多区段快速分割;通过统计各区段内光条梯度方向的直方图来确定各分段光条的法线主方向,并构造了相应的方向模板;利用分区域多模板匹配的灰度重心法实现了光条中心的亚像素坐标提取。研究结果表明,该方法可以有效克服室外行车环境中各类干扰信息对光条中心提取的影响,单幅钢轨轮廓图像的光条提取时间仅为2.1 ms,误差均值约为0.082 pixel,标准差为0.047 pixel,兼顾了光条中心提取的时效性和准确率。

基于表面等离子亚波长结构的传输特性与光子局域特性,提出了一种单挡板金属-电介质-金属(MDM)波导耦合圆盘级联结构。由圆盘级联形成的孤立态与金属挡板形成的较宽连续态干涉相长相消,形成了两种不同模式的Fano共振。结合耦合模理论,分析了该结构形成Fano共振的传输特性,采用有限元分析法对结构进行了模拟仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性影响。根据折射率变化的物理机制,分析了温度和湿度在实际测量过程中对测量结果的影响,并采用差动传感的方法有效解决了传感过程中的交叉敏感问题。

提出了一种基于数字图像相关(DIC)的散斑图形偏折术(SPD),将二维DIC用于测量镜面的三维面形。用散斑位移代替条纹形变,使偏折术的测量过程更简单高效,只需拍摄两幅散斑图,面形检测精度可以达到微米量级。介绍了SPD的原理与方法,推导了相关公式,对散斑图进行了设计制作。实验测量了一块有机玻璃板的面形,与相位测量偏折术的结果对比,其测量精度接近1 μm。

提出了一种基于多传感器的三维目标位姿测量方法,该方法利用多传感器技术,充分发挥深度相机和高分辨率电荷耦合器件(CCD)相机各自的优势,提高了测量的稳健性和效率。利用物体与其固定平面之间的关系,在点云中粗略定位出目标区域,通过预先标定信息将目标区域转换至灰度图像空间。在灰度图像中,利用线段检测器(LSD)算法外加特征约束,筛选出4条目标直线,利用透视4点(P4P)算法求解出目标的六维位姿。实验验证了该算法的有效性,其测量效率远优于经典模板匹配方法。

为了求解多波长高温计多光谱通道的欠定方程组,引入了优化的思想,将多光谱真温的求解问题转化为多目标极值优化(MMO)问题,无需假设光谱发射率与其他物理量之间的函数关系模型即可求解真温。所提方法的反演精度与二次测量(SMM)法的大体相同,但反演速度大幅增大。借助火箭尾焰的真实测量数据,利用MMO法实现了火箭尾焰真温和光谱发射率的反演。

综合奇异值截断法、奇异值修正法、Tikhonov正则化思想及Chahine迭代算法,提出一种改进的病态问题求解算法来测量颗粒系的粒径分布。结合Backus-Gilbert折中准则与奇异值最小原则确定了奇异截断值,采用L曲线法确定了最优正则化参数,并利用联合迭代反演法(SIRT)实现解的非负约束。模拟及实验结果表明,该算法对单、双峰分布的测量误差均小于3%,其抗噪性能、测量准确性、时效性及粒径测量范围相较其他反演算法都有明显优势。

介绍了一种制作在光纤端头的超微型Fizeau腔水下激波压力传感器,给出了传感器的基本理论和制作工艺;采用被动零差解调技术对该光纤Fizeau腔在冲击压力波作用下的瞬态速变干涉相位进行解调;采用活塞式压力计和聚焦式电磁冲击波源进行静态和动态定标实验。在0~60 MPa压力量程范围内,系统的定标结果如下:满量程时的线性度、重复性、回程误差和基本误差分别为3.26%、0.01153%、0.07%和3.407%,动态响应时间小于0.75 μs。

设计了面向Ka频段(30 GHz)相控阵天线的4阵元子阵集成波导光延时网络。该光延时网络采用相位调制方式将射频信号转换至光域,波导微环处于反谐振状态,以实现大带宽、连续可调延时;通过带通滤波仅对一个边带进行延时调控,基于差分平衡探测器还原出射频信号。优化设计了级联双波导微环的结构参数,使每条路径的延时量在0~24.9 ps范围内连续可调,延时带宽大于4 GHz,实现了最大扫描角为±30°的波束扫描。对光延时网络链路的增益和噪声系数进行了推导分析,评估了整个延时芯片系统在实际应用中的性能。

研究了氟化氢(HF)分子浓度以及工作介质消耗对激光脉冲能量的影响。受激光器内基态HF分子对激光的再吸收以及对激发态分子强弛豫的影响,激光脉冲能量随着激光器内HF分子浓度的升高而明显下降,HF分子浓度每增加1×10 ¹⁵ cm ^-3,激光脉冲能量约下降1.15%。1个激发态HF分子约产生0.8个光子,放电区内SF₆气体的分解率约为1%,单次放电过程中激光器内所消耗的工作介质较少,约为气体总量的1/(2×10 ⁵)。实验结果表明:HF分子浓度对激光脉冲能量的影响较大,介质消耗对激光脉冲能量影响较小;通过在激光器内加入分子筛,可以将HF浓度控制在1.8×10 ¹⁵ cm ^-3的水平。在两个因素的共同影响下,激光脉冲能量下降率约为10%。

基于自旋反转模型(SFM),理论研究了双混沌光注入时偏振混沌信号的带宽特性。研究结果表明,与单混沌光注入方式相比,双混沌光注入方式可减弱注入锁定效应,垂直腔面发射激光器(VCSEL)可在注入强度和频率失谐参数空间的更大范围内获得偏振宽带宽混沌信号。对于给定的注入强度,当双混沌光的两个频率失谐绝对值同为较大值时,系统更易产生宽带宽的偏振混沌;对于给定的频率失谐,系统可在两个注入强度参数空间的特定区域内实现宽带宽混沌输出,且正的频率失谐条件更有利于该区域的扩展。

对室温下零声子线(抽运波长为969 nm)抽运Yb…YAG激光器进行了理论研究,建立了969 nm抽运Yb…YAG的速率方程。在相同热负载状态下,通过数值模拟分别得到969 nm和941 nm抽运时Yb…YAG板条放大器的光-光转换效率和输出激光强度。模拟结果表明:941 nm和969 nm抽运的光-光转换效率基本相同;抽运波长为969 nm的抽运强度比941 nm提高了20%以上。

提出一种融合相关滤波与关键点匹配的跟踪算法。利用多个基于支持向量机的相关滤波器,分别对目标进行跟踪和验证,同时建立并实时更新一个目标和背景关键点数据库。在验证跟踪失败后,利用关键点匹配的方法对全局关键点进行分类,根据分类结果对目标关键点进行分析,从而得到重检测结果。实验结果表明,在运动模糊、变形、目标遮挡、消失等复杂跟踪场景下,所提算法比现有算法具有更好的准确性和稳健性。

结合点云统计学特性和形状特征,提出了带方差补偿的多向仿射变换点云配准算法,将求解放缩因子问题转化为求解带方差的超定非线性方程组,并通过二次曲面拟合对噪声方差进行最小二乘无偏估计。引入点云全局向量特征相似度,以相似度最大化求真解。将多向仿射变换点云配准转化为刚性配准,并利用主方向法配准点云。仿真结果表明,针对点云随机丢失和带噪声的点云配准情况,所提算法比现有配准算法的配准精度更高,并且配准耗时更短。

现有的结构光视觉测量系统中,相机和结构光投射器安装在玻璃管内部以实现全景测量,但玻璃管会导致光发生折射而带来畸变。针对上述畸变,分析了光线在两个圆柱形表面折射的过程,研究了两个异面的折射平面所带来的畸变,建立了一种全景结构光视觉测量通用畸变校正模型。采用全景结构光视觉测量系统对内径为288.50 mm的铝管进行测量,基于全景结构光视觉测量通用畸变校正模型计算铝管的内径。实验结果表明,系统的重复性精度为0.047 mm,测量精度为0.23 mm,系统具有较好的稳定性和可靠性,所提出的全景结构光视觉测量通用畸变校正模型具有较高的准确性。

提出了一种基于共同视域的自监督立体匹配算法,该算法根据视差的左右一致性来确定双目图像的共同可视区域,从而抑制被遮挡区域产生的噪声,为网络模型的学习提供了更加准确的反馈信号。研究结果表明:在没有任何标签数据的前提下,所提算法的预测误差降低了11%~42%,且与有监督立体匹配算法的性能相当。

提出了一种基于视角显示的特种车辆舱外观察系统。利用Zynq SoC处理器实现硬件尺度不变特征变换(SIFT)算法,对视角所对应的视频图像进行了实时拼接。针对人员视角起伏波动,提出了一种基于图像特征的快速电子稳像算法。实验结果表明,该系统对视角的解算误差不超过1°;电子稳像算法可以有效减小图像晃动;硬件SIFT算法可将图像特征拼接计算耗时加速至毫秒量级。

通过高温固相法合成Ca₂GdZr₂Al₃O₁₂…Mn ⁴⁺等一系列荧光粉,利用X射线粉末衍射仪(XRD)、荧光分光光度计和紫外可见分光光度计对其物相结构和发光性能进行表征。基质结构表明,[ZrO₆]八面体中的Zr ⁴⁺可以被Mn ⁴⁺取代,XRD图谱和不同温度下合成的荧光粉的发光强度表明,1500 ℃为适宜的合成温度。当Mn ⁴⁺掺杂浓度(物质的量分数)为0.0050时,发光强度最大;当检测波长为703 nm时,激发波长随Mn ⁴⁺掺杂浓度的增加从343 nm移动到374 nm。利用光谱数据计算晶体场参数D_q和Racah参数(B和C),结果表明,Mn ⁴⁺处于强场中。Bi ³⁺、Mn ⁴⁺共掺杂可以增强Mn ⁴⁺的发光,荧光寿命测试结果表明,共掺时荧光粉的荧光寿命均长于Mn ⁴⁺单掺荧光粉,存在Bi ³⁺→Mn ⁴⁺的能量传递。

因灵敏性高、无损伤和测量速度快等特性,基于3-cube的荧光能量共振转移(E-FRET)显微成像术是目前最流行的活细胞定量FRET成像技术。为了实现活细胞在线实时FRET定量成像,首先提出了一种细胞图像背景自动识别与图像阈值设定的方法:逐像素统计灰度值出现的次数,第1个峰值处的灰度值确定为背景值;将背景值的β(经验常数)倍设为阈值,将扣除背景的供体激发供体探测通道图像和受体激发受体探测通道图像再次扣除阈值,负值置零后进行逻辑与运算制作用于数据筛选的布尔逻辑模板,并将其用于FRET效率和供受体浓度比的数据筛选。利用所提出的方法对转染了不同FRET质粒的细胞进行活细胞在线动态定量E-FRET成像,得到了与期望值一致的测量结果。

多角度全内反射荧光显微镜层析成像技术是实现轴向超分辨的主要技术之一,其关键算法是基于交替方向乘子算法对逆问题模型求解。为进一步提高交替方向乘子算法的迭代速度及收敛性,提出将一种基于松弛因子的改进型交替方向乘子算法应用于逆问题的求解中,其核心思想是对拉格朗日函数的分解迭代过程进行过松弛求解。基于该算法,搭建了多角度全内反射荧光显微镜成像系统,采集不同照明角度对应的不同穿透深度的图像堆栈,利用改进型算法重构细胞微管的深度信息,给出了系统的轴向分辨率,并与传统交替方向乘子算法进行了收敛速度的对比,给出了改进型算法达到最优收敛的松弛因子的取值范围,最后通过对线粒体样品进行长时程拍摄,重构了其三维信息,并观测了其融合和裂变的连续过程。实验结果表明,改进型交替方向乘子算法可以实现40 nm的轴向分辨率,并能在保证图像重构质量的同时,使迭代过程的收敛速度提升20%以上。

采用Hirota方法研究了描述超材料中电磁波传输的非线性薛定谔方程,解析得到了线性增益和非线性吸收平衡下两个精确的空间啁啾暗孤子解:暗孤子I(DSI)和暗孤子II(DSII)。基于Drude模型,研究了DSI和DSII在不同电和/或磁极化非线性超材料中的形成条件、存在区域和传输特性,并进行了数值验证。研究发现:存在于负折射区的DSI,传输过程中速度逐渐增加,而存在于正折射区的DSII,传输过程中速度逐渐减慢;DSI具有正的啁啾,而DSII具有负啁啾;DSII的波束宽度远小于DSI的波束宽度;DSI和DSII的背景幅度和半峰全宽由其系统模型的参数决定,因此与入射波的频率直接相关,在每种非线性情况下DSI和DSII的传输特性都不同。这些研究结果表明,通过选择不同的非线性超材料和入射电磁波频率可以控制啁啾暗孤子的传输特性。

为了满足不同材料、不同厚度板材加工的需求,设计了一种光斑大小和焦点位置可变的激光切割光学系统,该变斑变焦激光切割光学系统由复合准直镜组、变焦镜组、补偿镜组和聚焦镜组组成;采用在普通光学聚焦系统的准直镜组与聚焦镜组中间放置可调倍率扩束系统,再将准直镜组和可调倍率扩束系统合并成一个复合准直镜组的方案,简化了系统设计;建立了四镜组可变斑变焦光学系统的物理模型,推导了各镜组之间的移动规律,并利用MATLAB软件进行理论验证;在现有切割光学系统的基础上,设计一种变斑变焦激光切割光学系统,并利用软件优化像差。结果表明:通过移动变焦镜组和补偿镜组,得到了放大倍率为1.000~3.750、焦点上下可调范围为-20~+10 mm的焦斑,实现了焦斑大小和焦点位置的精准可调。

基于超对称的概念,在超对称光学波导对的基础上设计出超对称三波导结构,并引入斜波导作为绝热耦合中间介质,以解决超对称波导器件的定向模式耦合问题。通过束传播方法模拟了耦合过程,讨论了斜波导倾斜角对耦合效率的影响,并得出了最佳的耦合条件。最后设计了一种基于超对称波导结构的三通道模分复用器,为高速短程光复用/解复用交互技术提供了新思路。

针对单一结构纳米天线吸收率不高和波段较窄的缺点,结合多缝隙结构和蝶形偶极子,提出了一种多缝隙蝶形偶极子纳米天线。多缝隙蝶形偶极子是由Au纳米蝶形偶极子刻蚀多条缝隙构成的,该结构能同时实现尖端近场耦合、光栅耦合以及不同介质间的杂化耦合,这三种耦合的共同作用可以在宽波段内有效提高吸收率。采用时域有限差分方法分析了宽波段下该纳米天线的吸收性能,数值分析表明:在400~1800 nm波段,多缝隙蝶形偶极子纳米天线的吸收特性曲线出现多个吸收波峰,吸收峰值最高可达98.4%,平均吸收率为84.1%。该天线的吸收性能明显优于蝶形偶极子纳米天线,在不同偏振状态以及不同角度入射光下,该天线均能在宽波段内保持较好的吸收性能。

提出了一种基于标记配对相干态(HPCS)和轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发(RRDPS-QKD)方案,以光子轨道角动量作为信息载体,使用多种不同拓扑荷的轨道角动量的叠加态进行RRDPS-QKD的信息编码,显著提高了密钥生成率。使用HPCS作为量子光源,有效减小了空脉冲和多光子脉冲的比例,提高了密钥生成率。分析了光源在湍流大气信道中的传输特性,考虑了信道衰减和大气湍流对系统性能的影响。

为解决复杂场景下城区点云分类精度不高的问题,提出了基于多尺度自适应特征的分类方法。首先,对经典几何统计特征和点直方图特征进行组合,将组合特征集作为分类依据;然后采用随机森林法评估特征的重要性,并自适应选取重要的特征集;最后基于多尺度自适应特征实现了点云的分类。实验结果表明:该方法能实现城区点云的高精度分类,能适合任意尺度下不同分辨率点云数据的分类。

构建了一套由宽带光源、多通道精确定位机构及光纤光谱仪等组成的光学局域表面等离子体共振(LSPR)分析装置。采用Savitzky-Golay平滑算法对原始光谱数据进行预处理并建立拟合曲线,研究了粒径为5.0,13.5,25.5,41.0 nm的球形金纳米粒子(AuNPs)LSPR波长在不同折射率介质环境下的响应。结果表明:在相同的介质环境下,LSPR波长与粒径具有较好的正相关性,且共振波长与环境介质的折射率密切相关;对于粒径为25.5 nm和41.0 nm的AuNPs,得到的折射率灵敏度分别为59.46 nm/RIU和70.38 nm/RIU。该装置将多通道定位机构与光纤光谱仪相结合,光谱信号的获取无需进行冗长的波长扫描过程,为开展LSPR研究提供了一种低成本、快速的光学检测系统。

土壤有机质(SOM)含量是评价土壤肥力的重要指标。以新疆渭-库绿洲为研究区,对室内获取的SOM含量及反射光谱数据进行Savitzky-Golay (S-G)平滑和一阶微分(FD)预处理。在此基础上,为减小敏感波段遴选对建模精度的影响,引入谐波分析(HA)算法对全波段光谱数据进行谐波分解。基于主成分分析(PCA)降维后的7个主分量对SOM含量进行基于反向传播(BP)神经网络、遗传算法(GA)-BP神经网络和多元线性回归(MLR)方法的定量估算,并对估算精度进行比较。结果表明:HA预处理后的光谱数据与SOM含量的相关性相较于FD数据有了明显提高;非线性模型BP神经网络的估算精度明显高于线性模型MLR;在非线性模型中,GA-BP模型的估算精度最高,其决定系数为0.92,预测集的均方根误差为3.92×10 ^-3,相对分析误差为1.93。验证了HA算法深度挖掘光谱数据的有效性,经过GA优化的BP神经网络模型可以提高SOM含量的估算精度,为土壤属性的光谱定量估算提供借鉴。

非相干宽带腔增强吸收光谱(IBBCEAS)技术凭借其高选择性、高灵敏度、高时空分辨率等优势而逐渐成为NO₃自由基的主要测量方法之一。然而其使用的光谱仪分辨率有限,不足以分辨水汽的精细吸收结构,导致水汽的吸收非线性,进而影响NO₃自由基浓度的准确反演。介绍了一种基于插值法获取水汽有效吸收截面的方法,并将其用于消除IBBCEAS装置中水汽吸收对NO₃自由基浓度反演的干扰。利用不同浓度的水汽吸收谱结合插值法获得了水汽的有效吸收截面,使用该有效吸收截面来反演不同浓度的水汽,反演结果与商用湿度计测量结果的线性相关系数为0.99789。在此基础上测量并拟合了不同水汽浓度下NO₃自由基和NO₂气体的吸收,在拟合残差上未发现水汽残余结构,水汽反演结果与商用湿度计测量值的线性相关系数为0.999。在30 s的积分时间内,NO₃自由基和NO₂的探测极限分别为5.8×10 ^-12和3.6×10 ^-9。将本装置应用于夜间大气中进行NO₃自由基和NO₂浓度的测量,测得NO₃自由基体积分数为18.4×10 ^-12~22.9×10 ^-12,平均体积分数为20.2×10 ^-12,NO₂体积分数为0.6×10 ^-9~16.0×10 ^-9,平均体积分数为9.9×10 ^-9。实验结果表明:利用插值法获得的水汽的有效吸收截面能够有效消除水汽吸收对NO₃自由基浓度反演的干扰,提高NO₃自由基和NO₂气体浓度测量的准确度。

炼锌溶液中痕量铜离子的光谱信号被掩蔽、干扰严重,以及铜离子的非线性特性在高、低浓度区间的显著差异,都会导致痕量铜离子的浓度检测比较困难。针对该问题,提出了一种基于分区建模的锌液中痕量铜离子的光谱检测方法。该方法采用导数光谱结合小波去噪的方法对光谱信号进行预处理,重现待测铜离子的谱峰。以相关系数-稳定性值作为变量的评价指标对波长变量进行排序,并结合支持向量回归(SVR)模型选取最佳波长变量,在此基础上,根据混合溶液中铜离子光谱信号非线性特性将浓度划分区间,并分别针对每个区间建立粒子群优化支持向量回归(PSO-SVR)模型,计算出铜离子的质量浓度。将所提方法与现有多种回归方法进行比较,结果表明:所提方法将预测方均根误差降低至0.0678,模型决定系数提高至99.61%,该方法的最大相对误差为6.94%,平均相对误差为2.74%。

采用电感耦合等离子体增强化学气相沉积(ICP-PECVD)技术,在室温下制备了具有折射率渐变特性的SiO₂材料,并对制备工艺与SiO₂材料光学特性之间的关联性进行研究。结合椭圆偏振光谱仪拟合得到的结果,对基于折射率渐变SiO₂材料膜系封装的钙钛矿电池表面的抗反射特性进行模拟后发现,其抗反射特性优异,在550 nm处反射率可低至0.5%。本研究为兼顾光学特性的低温钙钛矿电池封装提供了一种可参考的技术方案。