从斜程能见度探测原理出发,利用SBDART(Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer)模式求解辐射传输方程,对天空背景辐射进行了详细的理论仿真与分析。利用SBDART 模式自带的气溶胶模型,仿真得到了不同类型气溶胶模型在晴天条件下的天空背景辐射结果,探讨了太阳直接辐射和大气散射辐射以及不同高度上大气散射辐射的分布趋势,分析了气溶胶单次散射反照率和不对称因子对结果的影响。提出了激光雷达结合SBDART模式的实际天空背景辐射的计算方法,以实测扫描激光雷达的气溶胶探测数据作为SBDART模式的输入参数,计算获得了实际大气中太阳直接辐射以及不同高度处天空背景辐射的分布结果。为了验证结果的正确性,利用太阳光度计同步测量的太阳直接辐射,进行了对比验证,两者具有较好的一致性,相关系数达到0.99。以黑体为目标,初步探讨了天空背景辐射对斜程能见度的影响,结合激光雷达和SBDART模式所得到的实际天空背景辐射可为斜程能见度精确反演提供保证。

基于严格耦合波分析方法和模拟退火优化算法,设计了一种在正入射条件下具有宽入射波长和角度范围的偏振无关高效率多层倾斜光栅。为了提高衍射效率和带宽范围,提出了一种折射率渐变的四层三明治光栅结构。基于这种结构,设计了一种可见光波长范围内偏振无关异常反射光栅器件。数值结果表明,正入射下,该光栅具有130 nm(550~680 nm)的波长带宽,在此范围内-1级衍射效率均高于93%,同时偏振相关损耗均小于0.2 dB。此外,这种光栅结构还具有47°(-2°~45°)的入射角度带宽,以及较大的制造容差范围。因此,本文提出的这种多层斜光栅在虚拟现实和增强现实显示系统、基于超表面的器件,特别是可见光波段的超透镜等方面具有潜在的应用价值。

设计了一种基于亚波长光栅的具有高集成度、高耦合效率的垂直光耦合器,在1.5~1.6 μm波长范围内实现了大于97%的耦合效率,且器件长度仅为15 μm,是传统基于绝热拉锥波导的垂直耦合器尺寸的十分之一,提高了系统的集成度。在亚波长光栅占空比、拉锥波导尖端尺寸以及波导错位方面,所设计的耦合器均具有较大的工艺误差容限,在异质集成领域展现出了良好的应用前景。

为了提高平面光栅成像系统的点扩展函数(PSF)提取准确度,构建PSF模型,提出一种基于Boltzmann函数的刃边函数拟合方法。构建以入射角为自变量的双曲线型变化PSF模型,揭示了光栅成像系统PSF的分布规律。最后,采用Lucy-Richardson算法对不同模糊程度的图像进行复原,并对复原后的图像进行质量评价,其中灰度平均梯度(GMG)提升均在60.2%以上,结构相似度(SSIM)提升均在66.5%以上。对比不同拟合方法的复原效果,结果表明,所提方法在对像差较大的图像进行复原时,效果明显优于其他同类方法,建立的PSF模型也可以准确地表现光栅成像系统的特性。

入射光偏振态的选择对基于偏振特性的光纤压力传感系统性能有着重要影响。以提高传感灵敏度和线性度为目标,提出了一种基于Muller矩阵的简单快速的最佳入射光偏振态优化方案,取代传统的偏振态“盲调”,利用基于压电陶瓷的挤压装置和偏振检测计,在实验中获得了灵敏度为0.2410 N -1、线性度为99.9%的最佳传感性能,实验结果与理论预期吻合较好。所提方案可以大幅度提高基于光纤偏振特性的传感系统的性能并扩展其实用价值。

设计一种基于腔内全光纤模式复用器/解复用器(MUX/DEMUX)的少模环形光纤激光器,实现了LP01模、LP11模、LP21模及混合模式可切换的激光输出。实验结果表明,利用低串扰的全光纤模式MUX/DEMUX结合4×1光开关,激光器可在三个最低阶的线偏振(LP)模式及其混合模式之间进行切换,LP01模、LP11模、LP21模的泵浦阈值分别为40、60、80 mW,斜率效率分别为1.2%、0.82%、0.56%。对设计的少模环形光纤激光器结构进行数值模拟和参数优化,极大地改善了波长偏移问题,实现了小于0.032 nm的3 dB线宽。

在光纤中传输的光信号,其偏振态(SOP)会受到外界环境的影响而发生随机变化,因此在偏振复用光纤通信系统、偏振编码光纤量子密钥分发(QKD)等系统中,需要插入光纤信道偏振补偿模块对光纤中随机双折射效应引起的偏振态变化进行实时补偿,以保证相应通信系统能够正常工作。根据波分复用光纤信道偏振补偿的理论模型,实现了偏振态相互共轭的两路参考光的制备,采用集成化的偏振探测器对实时变化的偏振态进行检测。在此基础上,提出了一种可以实时补偿光纤信道偏振变化的实验系统,该系统可以应用于偏振复用的光纤通信系统中,也可应用于光纤QKD系统中。实验数据表明,所设计的实验系统可以保障QKD在5 km传输距离下连续稳定运行8 h以上,量子比特误码率为1.96%。

介绍了一种基于单模光纤侧边粗抛磨增敏技术的光纤曲率传感系统,采用脉冲自参考信号解调技术对增敏区的透过率进行高精度测量。通过悬臂梁曲率测量实验,测定传感器敏感区的线性响应系数是0.593,系统测量噪声幅度为5.9×10 -5,经过悬臂梁位移与曲率换算,可知该系统的曲率分辨率可达9.95×10 -5 m -1。该系统具有结构简单、响应带宽宽和可实现时分复用等优点。

针对双折射太阳敏感器多光斑和重叠光斑问题,提出一种基于椭圆拟合的高精度光斑中心提取方法。对多光斑图像进行预处理,分割出不同的目标区域;通过检测目标区域的光斑形状特征后,迅速分辨并分割重叠光斑;利用椭圆拟合法分别提取各光斑的中心坐标。仿真结果表明该方法能快速分辨重叠光斑,计算出光斑数量和半径,实现圆形和椭圆形光斑的亚像素级中心坐标提取。这种方法对光斑大小、数量没有限制,对不完整光斑也能得到较好的结果。

双能谱CT(DSCT)可以重建被测物的材料分辨图像和能量分辨图像,进而区分物质,在医学、工业领域都有广泛的应用。图像重建算法是影响DSCT成像质量的关键技术。广义代数重建算法(E-ART)可以重建得到高质量的双基材料图像,但是该算法收敛速度较慢。针对该问题,提出一种加速收敛算法(AE-ART),其基本思想是通过为基函数添加权重来增大高能和低能投影曲线的夹角或减小高能和低能投影方程组系数矩阵条件数。使用口腔模型对水和骨双基材料分解进行模拟实验,实验结果表明:与E-ART算法相比,AE-ART算法的收敛速度提高了30%以上。

提高重构质量一直是关联成像的研究重点。将联合双边滤波嵌入到投影Landweber迭代算法之中并进行关联成像重构。这种方法能够通过联合双边滤波有效地去除投影Landweber迭代算法中间结果的噪声,从而提高投影Landweber迭代算法的重构质量。数值仿真和实验结果表明,所提算法能有效地重构出目标的强度像。通过与常用的关联成像重构算法进行定量和定性的比较,发现所提算法具有更高的重构质量。同时分析了背景噪声和测量次数对重构质量的影响,证明了背景噪声的减小和测量次数的增大会提高所提算法的重构质量。

提出一种液晶透镜爬山自动对焦算法。液晶透镜是一种可电控调焦透镜,具有良好的透镜性能。传统玻璃透镜成像系统中的爬山法自动对焦功能一般需要音圈马达带动透镜使之不断移动来寻找最佳清晰像面位置。而所提算法的自动对焦则是通过改变电压来完成的,整个对焦过程不需要任何的机械移动即可实现大范围对焦,使对焦系统的小型化成为可能。实验结果表明,液晶透镜的对焦性能良好,成像解析度高。

针对目前双目成像测距系统由于基线距离、成像焦距等硬件限制,难以进一步提高测距精度的问题,提出一种基于双目变焦的超分辨成像测距方法。通过变焦系统进行变焦超分辨率重建,在系统其余硬件条件不变的情况下提高系统的成像分辨率,进而提高双目系统的测距能力,减小双目系统的测距相对误差。实验结果表明:在相同的距离下,双目变焦测距系统具有更小测距相对误差;在相同的测距相对误差下,双目变焦测距系统具有更大的测距范围。通过同步变焦的双目立体视觉系统可提高三维场景的成像分辨率和测距分辨率,为实现小型远距离双目测距系统提供了一种新的有效思路。

衍射望远镜受限于衍射效率,其成像质量受到非成像级次衍射光的影响。针对这一问题,提出了一种基于噪声自适应估计的块匹配三维协同滤波图像复原算法。首先通过主成分分析法估计出模糊图像的噪声方差,然后结合已知的点扩展函数,通过所提算法复原出清晰图像。搭建衍射望远镜成像系统并开展实验研究。数值仿真和实验结果表明,所提算法使得复原图像调制度相比退化图像提高了3.58倍,能有效改善复原图像的细节,利于暗弱目标成像。所提算法为衍射望远镜系统对暗弱目标进行高对比度成像提供了一种有效的路径。

以单频-线性频率调制连续波(S-LFMCW)激光作为发射信号,提出了一种基于卡尔曼滤波的高精度相干激光测距方法。对回波信号与本振信号进行拍频测量,获得了频差,通过模数转换和数字信号处理,利用频差信号解算出目标的距离和速度。最后采用卡尔曼滤波算法对测量值进行数据融合,获得了高精度的目标距离估计值。实验结果表明,所提方法适用于大范围动态相干测距激光雷达系统,系统的有效测距范围为8 m~2.7 km,测距精度在0.1 m以内。

为克服红外热像法的不足,提出一种基于表面红外偏振热像特征的金属疲劳损伤评估方法。首先给出金属疲劳损伤评估偏振热成像的理论基础,然后通过实验说明疲劳损伤过程表面微观形貌的变化规律,再基于Tsalis熵进行目标图像分割并分析其特征,最后通过主成分分析进行特征选择并构建基于BP(back propagation)神经网络的非线性预测模型。结果表明,模型训练、验证、测试结果与实际实验测量值具有较好的相关性,Q235平板试件的拉-拉疲劳损伤预测平均误差小于20%。

大口径反射镜的光学面型在系统装调过程中会受到支撑点所产生的机械应力的影响;同时,在进行测试过程中,环境温度的变化也会导致光学面型发生变化。准确定位应力的发生位置、方向和大小将对解决大口径光学系统因应力变化而导致的波前变形起到决定性作用。结合模拟退火算法与集成分析技术,建立了反射镜面型与其各安装点应力之间的线性关系;通过模型仿真实现了对受力位置、方向及大小的精确识别,模型仿真对作用力大小的识别准确度可达75%以上。

为了提高基于双目视觉中立体匹配在弱纹理场景下的精准性,提出了一种基于注意力机制特征提取的三维重建算法。利用卷积神经网络(CNN)训练左右图像的特征表示,计算出立体匹配的匹配代价。在CNN特征提取阶段,加入图像注意力机制模块和通道注意力机制模块,得到特征图各个像素点之间的联系,使网络可以更好地捕获图像上下文信息,进而在重建过程中能够更加精确地重建出弱纹理区域。对于网络损失函数,集成了语义编码损失,最终将损失函数定义为语义编码损失和重建损失的加权和,有效提升了弱纹理区域下的重建精度。使用KITTI和Sceneflow数据集对算法进行验证,实验结果证明,相比目前国内外先进方法,本文算法在精度方面有较大提升,尤其体现在弱纹理区域。

精确标定能够发挥出聚焦型光场相机在场景重建和非接触测量等方面的作用。而标定精度提升的关键之一在于精确的特征提取算法。为了提升特征检测的精度和效率,提出一种基于原始图的棋盘格角点检测算法。利用稳健的角点检测算子对原始图角点进行检测,并利用二维角点与三维光场圆域特征的对应关系进行角点筛选。然后,利用图像一致性对角点进行亚像素优化。进行了仿真角点检测实验和仿真标定实验,并基于R29聚焦型光场相机得到的重建角点进行了距离测量实验。实验结果表明,所提角点检测算法的精度高于现有算法,并证明了基于所提角点检测方法的标定算法能够得到更加精准的结果。

为实现太阳能量利用最大化,提出一种基于导光板型聚光器的自然光光纤采光系统。通过分光模块,将不可见光波段的能量转换成电能,进而驱动补偿系统中的LED阵列,实现各种天气条件下的照明能量稳定输出。利用仿真软件对光线进行追迹,结果表明,在室内面积为100 m 2,照明12 h的情况下,太阳能可以供应约60%的总光通量。为进一步验证所设计系统的可行性和准确性,搭建了用于光纤采光系统的导光板型聚光系统,并对其进行聚光实验测试。当光线收集模块数量从10增加到100时,聚光器的聚光效率从83。6%降低至65。1%。在室外对光纤采光系统进行双轴跟踪测试,光纤输出的照度和太阳输入的辐照度变化趋势基本一致,说明光纤采光系统具有良好的聚光性能。

传统单层衍射元件的衍射效率在入射波长偏离中心波长时急剧下降,因此在宽波段红外系统中应用时会导致成像模糊。通过分析视场对含衍射元件系统点扩散函数(PSF)模型的影响,提出了减小视场影响的光学-数字联合设计方法;该方法通过将优化的权重赋予不同的衍射级次,使系统的PSF不随视场变化,同时将单层衍射元件中心波长设计在中波,在长波波段利用所构建的PSF模型通过图像重建达到双波段成像的目的。采用该方法设计了红外双波段折衍混合系统,在中波波段,该系统在17 lp/mm处的MTF为0.7;长波重建图像在主观上明显清晰,多个图像质量评价函数均有所提高。结果表明,该设计方法可以实现单层衍射元件在红外双波段上的应用。

基于口径耦合的方法提出了金属-绝缘体-金属电压可调滤波器,该滤波器由两个非对称的矩形环腔和一个矩形波导管组成,其中非对称的矩形环腔内填充有机电光材料4-二甲氨基-N-甲基-4-甲苯磺酸盐(DAST)。利用有限元法仿真分析了非对称矩形环腔波导结构的透射光谱、谐振波长分布和磁场强度分布。结果表明,该滤波器的传输频谱比较平滑,通带带宽和阻带带宽较宽,通带的透射率高达97%,阻带的透射率低至0.01%。该滤波器的特性不仅可以通过改变结构参数进行调整,还可以通过施加控制电压进行调节,可调节性较高,且优化结构后阻带带宽更宽,可在集成光学中应用。

设计了一个由金纳米结构顶层、中间介质层和金属基底层构成的复合超材料结构。其中,金属纳米结构顶层是由三个椭圆形纳米盘所组成的“工”字形单元阵列,中间介质层是二氧化硅,金属基底层是金膜。利用有限元方法研究了该结构的吸收特性、电场分布及折射率传感特性。结果表明:该结构的吸收光谱中出现了三个吸收峰,其吸收率分别达到91.06%、99.63%和97.26%。此外,研究了结构参数和周围环境介质对吸收率的影响及其折射率变化的响应特性,折射率灵敏度最大达到425 nm/RIU(RIU为单位折射率),品质因数(FOM)为14。这些研究将为基于表面等离激元超材料结构的完美吸收器用作折射率传感器提供理论指导。

理论设计对于高性能太阳能光热转换薄膜的实验制备极为重要。然而,大多数软件通常局限于正入射情况下的太阳光吸收率的优化,而无法直接对太阳能光热转换效率这一重要指标进行优化。鉴于以上问题,使用传输矩阵方法与遗传优化算法,通过改变金属/介质多层膜基太阳能光热转换薄膜中各层薄膜的厚度,直接对其光热转换效率进行优化设计。重点研究了薄膜层数、太阳光照度与工作环境温度对钨/氧化铝基(W/Al2O3)多层膜的影响。研究结果表明,在聚光比为1和100情况下,该膜系的最优膜层数分别为6与8。该研究结果对于高性能太阳能光热转换薄膜的实验制备具有重要的指导意义。

为研制真空紫外与极紫外波段Al基薄膜光学元件,详细研究了Al基薄膜的应力特性及其优化方法。利用应力实时测量装置对共溅射技术制备的5种不同Si掺杂质量分数(0、8.97%、16.49%、28.46%、45.73%)的Al-Si复合薄膜进行应力测试,并采用X射线衍射法表征薄膜的结晶状态。结果表明:Al薄膜中的应力表现为压应力,随着Si在Al中掺杂量的增加,Al中的压应力减小,并且Al的结晶度降低,Al(111)晶向的晶粒尺寸也减小,Al的结晶被抑制;当Si的掺杂质量分数从18.63%增大到31.57%时,Al中的压应力转变为张应力,且张应力随Si掺杂量的增加而进一步增大。本研究为制备Al基滤片、单层膜和多层膜元件提供了技术支撑,在极紫外光刻、同步辐射和天文观测领域具有重要的应用价值。