采用改进的延迟脱体涡仿真(IDDES)方法、双时间步LU-SGS方法、本征正交分解(POD)方法开展数值仿真,并分析吊窗的尾迹流动气动光学效应的非稳态特性。仿真流线与油流实验在总体上可比性较好,但二者的吊窗尾迹区流场结构存在一定差异。吊窗流动易分离,K-H不稳定波会使分离剪切层失稳并产生脱落涡街,涡街与颈项涡相互作用,在吊窗尾迹区产生复杂的非稳态流动。吊窗尾迹流动气动光学效应以稳态相差为主,占比达70%,稳态相差会弱化气动光学效应的非稳态特性;波前以低阶模态为主,阶数越高,模态包含越多小尺度结构。根据标度律,在海拔为10 km与吊窗直径为2 m条件下,方均根光程差的时均值约为0.48λ,气动光学效应将得到进一步加强,这会对高能激光**(ABL)性能带来不利影响。

量子噪声随机加密(QNRC)是一种结合了量子力学原理和经典流密码思想的信息抗截获通信方法。为了对相位调制(PSK)QNRC系统的特性进行仿真验证,利用VPI仿真软件搭建了一套基于商用组件的仿真系统。基于任意波形发生器生成密文电信号及密钥电信号,并在接收端利用相位调制器及差分相移键控(DPSK)接收机从多进制密文信号中恢复二进制信号,最终实现了密文进制数为256,数据传输速率为2.5 Gbit/s,传输距离为500 km的无误码传输。与强度调制(ISK)方案相比,PSK方案避免了解调时收、发双方功率必须匹配的问题。进制数的增加不会劣化PSK方案的传输性能,有助于提高系统安全性,PSK方案具有潜在的安全性优势。

分析了采用多通道并行解复用架构的光子模数转换(PADC)样机用于宽带雷达接收时的通道失配问题,建立了通道失配模型和失配量提取算法,给出了通道失配补偿方法。对比分析角反射器和无人机的回波信号进行通道失配补偿前后的短时傅里叶变换(STFT)谱,结果表明该补偿方法可有效抑制因样机多通道并行解复用架构所导致的固有幅度和延迟失配,从而实现了4 GHz瞬时带宽的X和Ka波段的有效接收。在X和Ka波段下进一步开展了角反射器在近距离静态和远距离动态时的测试和对比实验,结果表明该PADC样机均有效实现了间距约10 cm的角反射器一维成像测量。

针对低照度应用场景,提出一种基于卷积神经网络的可见光与近红外融合算法,采用端到端网络实现了图像融合,所得融合图像能够兼顾近红外图像的信噪比与可见光图像的色彩。采集了真实场景下精确配准的近红外-可见光图像对作为训练集样本,提升了网络对实际数据的融合效果。通过对训练样本进行融合预处理,提升了网络对近红外图像中细节纹理信息的提取能力。各项测试表明,本文算法在主观感受和客观评价上均优于现有算法。

为了提高颅骨点云模型的配准精度和收敛速度,提出一种基于曲率图的颅骨点云配准方法。首先对颅骨点云提取以特征点为中心并且包含其相邻点的三维形状块,将所有点投影到二维平面上;将投影点量化到二维支撑区域的相应单元中,并将其加权曲率编码为曲率分布图来构造特征点的区域曲率图描述符;然后基于区域曲率图描述符匹配具有相似局部形状的点来建立匹配点对,采用奇异值分解方法计算颅骨点云间的刚体变换关系,实现颅骨粗配准;最后通过引入动态迭代系数对迭代最近点(ICP)算法进行改进,使用改进的ICP算法实现颅骨的细配准。实验结果表明,所提粗配准方法是一种有效的初始配准方法。与ICP算法相比,改进的ICP算法在配准精度和收敛速度上分别提高了约11%和37%,配准耗时降低了约34%。为了验证所提方法的普适性,还采用兔子点云模型进行验证,结果显示改进的ICP算法的配准效果优于ICP算法。

可见光和红外图像是电力巡检机器人检测电力设备健康状态的重要方式,图像配准可以结合两类图像的优势,为后续状态监测提供更好的依据。针对红外图像模糊导致的配准精度下降问题,提出了一种基于显著性梯度的归一化互信息算法。首先,在红外图像视觉显著性检测的基础上,强化了显著性区域的边缘梯度信息;然后,将显著性梯度信息和归一化互信息相结合作为配准的测度函数;其次,为了提高图像配准算法的收敛性,提出了一种文化狼群算法。该算法将文化算法的分层进化特点引入狼群算法,建立信念空间和群体空间。在迭代过程中,通过信念空间的知识指导群体空间的进化。最后,选取变电站巡检图像、标准配准测试图像集和标准测试函数进行对比实验,结果表明,该算法在配准率和配准速度方面的性能较好。

图像中的目标通常具有复杂的形状和尺寸,现有方法难以充分挖掘地物的显著性空间信息。基于此,提出一种基于显著性测度的形态学显著性剖面。首先,根据图像区域内部灰度和轮廓信息计算显著性测度,用于描述目标在场景中的重要程度,然后提取具有显著性测度局部极大值的重要区域,并通过多层级特征描述其空间信息。形态学显著性剖面的构造首先利用基于显著性测度的属性滤波滤除图像的冗余细节,并保留图像的显著结构;再根据图像中显著的组织结构生成层次化的空间特征。实验采用了两组高光谱数据集进行验证,实验结果表明所提算法的分类效果优于其他形态学特征提取算法。

基于散斑自相关的成像方式是散射成像领域的研究热点,但成像过程中的统计噪声会影响成像结果。利用点扩展函数(PSF)对波长的响应,提出了一种提高二值目标成像质量的方法。因PSF对波长敏感,且不同波长对应的PSF不同,甚至完全不相干。PSF不相干散斑图案的自相关叠加,可以有效抑制自相关中的统计噪声,从而改善重建结果的质量。仿真模拟和实验结果表明,在相同的探测距离和采样面积下,相比于重建失败的单一波长采样,该方法能准确地重建目标。

无透镜同轴全息图中包含零级像和孪生像噪声,采用基于菲涅耳衍射模型的方法进行抑制时需要多幅无透镜图像。针对此问题,提出一种基于生成对抗网络(GAN)的无透镜成像方法。首先计算部分相干光照明下无透镜图像的离焦距离,根据该离焦距离反向衍射传播,得到含零级像和孪生像的物平面图像。然后对该物平面图像与作为标准参考的商用显微镜图像进行配准,将配准后的图像作为GAN的训练样本,训练后得到GAN的核函数。最后用训练好的核函数对无透镜图像进行处理,得到清晰的目标图像。实验结果表明,所提方法可对零级像和孪生像有效抑制,图像的对比度和清晰度明显提高,效果可达4×商用显微物镜。所提方法在图像重建阶段只需单张无透镜图像且无需傅里叶变换等复杂操作,成像时间大大缩短。相比于基于卷积神经网络(CNN)的方法,所提方法需要的训练数据量更少,损失函数更易收敛,具有更高的处理效率。

夏克-哈特曼波前传感器(SHWS)通常要求每个子透镜的对应光斑必须在其相应的子孔径范围内,以方便确认光斑与子孔径间的对应关系。提出了一种基于软件的识别方法即迭代外推法,可以在光斑跑出其对应子孔径范围时,仍能确认每一个光斑对应的子孔径,使SHWS具有更大的动态范围。该方法首先找到一个可排序的3×3光斑阵列,并建立关于光斑质心坐标与其行列序号间关系的多项式函数,以预估和搜索相邻光斑;然后利用已搜索光斑区边缘处的3×3光斑阵列,继续向外搜索,直到找到所有光斑,完成所有光斑的行列排序;最后通过调整光斑行列序号的整体偏移,确认光斑与子孔径间的对应关系。仿真研究了该迭代外推法的性能,并通过实验进一步验证了该方法的实用性。

采用多目结构光对金属类物体进行三维测量时,由于反射光强随角度变化极大,各相机获得的结构光图像会有明显差异,从而降低了图像的匹配程度;在某些反射强烈的位置,杂散光甚至会造成线结构光无法测量的情况。此外,使用同一参数对图像进行匹配或处理时,在反射率和反射性能差别较大的材料同时出现的情况下,测量精度会比较差。针对上述问题,提出一种基于形成多次反射成像的结构光三维测量方法以及仪器标定方法。此方法通过建立多次反射像对应点的图像坐标与空间坐标的关系来解算结构光像点的空间坐标。实验结果表明,该方法在一定程度上克服了用结构光测量高反表面时遇到的亮度反差大和高反问题,其测量精度在本实验平台上达到了±0.1 mm的工程要求。

报道了一种基于空芯光纤的光泵浦中红外HBr气体激光器。用一台可调谐的窄线宽2 μm连续波掺铥光纤放大器泵浦一段充低压HBr气体的4.4 m反共振空芯光纤,通过将种子激光的波长精确调谐到HBr(同位素H ⁷⁹Br)气体R(2)吸收线1971.7 nm附近,使得处于振动基态 v0的H ⁷⁹Br分子跃迁至振动激发态v₂,并在振动态v₂与v₁之间形成粒子数反转,通过跃迁选择定律同时激射出两条谱线R(2)和P(4),波长分别为3977.2 nm和4165.3 nm。当HBr气压为6.2 mbar时,4 μm激光最大输出功率为125 mW,相对于耦合进空芯光纤的泵浦光功率转换效率约为10%。通过进一步改善空芯光纤的传输损耗谱,提高泵浦光耦合效率,可大幅提升激光效率和输出功率,并且利用HBr分子的能级特性,将来有望实现大范围调谐的中红外激光输出。

为实现低起振阈值、高斜率效率的短腔窄线宽随机激光输出,提出一种基于随机分布光栅阵列的窄线宽随机光纤激光器。基于随机分布光栅阵列的随机光栅可有效提升随机光纤激光器的起振阈值与泵浦功率。在满足光局域化的前提下,利用随机光纤光栅超窄反射峰搭建超窄线宽随机光纤激光器,该激光器实现了1.33 kHz的窄线宽随机激光输出,起振阈值为24.5 mW,斜率效率约为10%,且激光输出功率与中心波长处于稳定状态。与其他激光器相比,所提激光器具有更低的起振阈值、更高的斜率效率、更短的腔长及相对简单的结构,有望在光通信、高功率窄线宽光纤激光器、光纤传感等领域得到进一步应用。

针对激光诱导K9玻璃元件体损伤问题,利用在线成像技术获得激光诱导体损伤时的侧面和正面图像,并分析体损伤中成丝损伤的特点及成丝损伤中成核损伤和裂纹对损伤增长的影响。结果表明,当激光辐照能量大于体损伤阈值时,体损伤会以成丝损伤、成核损伤及损伤增长的形式出现,但只有最靠近入射激光方向的成核损伤点会在后续激光辐照下出现持续增长现象。成核损伤在损伤增长过程中的裂纹更多向纵向和逆激光传播方向扩展。同时,在相同能量的激光辐照下,损伤面积的增长强烈依赖于成丝损伤点的长度,且从侧面方向观察到的损伤点的损伤增长系数大于从正面方向观察到的。研究结果为对K9玻璃元件体损伤及其在后续激光辐照下的损伤增长规律研究提供了参考性。

为在新型太阳能电池等先进光电器件中成功应用ZnO纳米柱阵列,需要以高沉积速率生长ZnO纳米柱,并能够对纳米柱的形貌与光电物理性质进行操控。使用电沉积方法制备ZnO纳米柱阵列,在主电解液中加入了六次甲基四胺,对所制备的ZnO纳米柱阵列的形貌与光电物理性质进行了测试分析。六次甲基四胺能够大幅提升ZnO纳米柱的生长速率,相比未使用六次甲基四胺的电解液配方,ZnO纳米柱的生长速率提高了356%。同时,纳米柱的直径与阵列密度得到有效降低,纳米柱间距增大至58 nm。六次甲基四胺的引入使ZnO纳米柱的光学带隙约红移了0.12 eV。在六次甲基四胺的作用下,ZnO纳米柱的斯托克斯位移减小0.15 eV,非辐射复合受到抑制。通过使用六次甲基四胺,实现了ZnO纳米柱的快速电沉积生长,同时实现了对纳米柱的光学带隙、近带边发射、斯托克斯位移、非辐射复合等光电物理性质的操控。

为提高GF-6 WFV数据的利用效率,研究了GF-6 WFV数据的云检测算法。该算法是基于阈值自动生成的云检测(CDAG)算法,通过挖掘云和典型地表在可见光、近红外波段的光谱差异信息,实现了对多光谱卫星传感器的云检测。考虑到GF-6 WFV数据光谱范围相对较窄,云与亮地表的识别能力相对较弱的问题,加入了离差指数和亮地表指数,使用更多的波段组合方式,更加深入地分析云像元和晴空像元的差异,提高了典型地表与云的识别精度。通过遥感目视判读的方法对本研究中抽取的不同子区域的云检测结果进行分析,识别精度达到85.16%,漏分误差和错分误差分别为14.84%和2.39%,实现了较高的识别精度。

高光谱影像是典型的高维数据,在光谱维和空间维都包含了大量信息。针对高光谱影像分类时光谱维数据量巨大的特点,提出一种基于三维空洞卷积残差神经网络的高光谱影像分类方法。该方法以高光谱像元立方体作为数据输入,使用三维卷积核同时提取高光谱数据的空间维和光谱维特征,并通过在卷积核中引入空洞结构,在不增加网络参数量和不消减数据特征的情况下提高卷积核的感受野,从而提高神经网络的分类的精度。该方法利用残差结构避免了由网络层数加深导致的梯度消失问题,最终使用Softmax分类器完成高光谱像元的分类工作。实验结果表明:所提方法在Indian Pines和Salinas数据集上分别取得了97.303%和97.236%的总体分类精度,与各对照组相比具有更好的分类效果,由此证明所提方法可以提升高光谱影像的分类性能。

针对遥感影像半全局立体匹配(SGM)对噪声敏感及在视差不连续和弱纹理区域产生条纹导致匹配率低的问题,提出一种结合加速鲁棒特征(SURF)的遥感影像SGM算法。首先,用SURF计算遥感影像的特征匹配点和特征点主方向,并用快速最近邻搜索算法剔除错误的匹配点;然后,用Census变换计算两幅遥感影像的匹配代价,用特征点主方向来调整SGM算法在不同聚合路径方向上的路径权重;最后,用改进的加权联合双边滤波(WJBF)方法进行视差精化,以去除视差图中的噪声和条纹。在WorldView、IKONOS、高景一号遥感影像数据集上进行实验,结果表明,所提算法无论在主观视觉还是客观评价指标上都优于对比算法,有效解决了弱纹理和视差不连续区域中的条纹和噪声,提高了立体匹配精度。

针对高速运动目标激光相干探测最大测量速度受限的问题,提出了一种四光相干混频大动态范围的多普勒测量方法。与传统激光相干探测相比,该方法可将最大测量速度提高一倍,实现高速和超高速目标的速度测量。由于四光相干混频探测系统比外差激光相干探测系统多了一束本振光,导致本振散粒噪声增加。因此,根据信噪比定义推导出四光相干混频探测系统的信噪比公式,并利用该公式从相干长度、接收孔径、失配角三个方面进行了理论和数值分析,得到了相干长度和接收孔径之间的最优关系。

在现有的高分辨率、大尺度目标遥感图像的检测中,传统方法由于提取特征手段单一、速度慢而无法快速并准确地从光学遥感影像中实现机场目标的识别。受人类视觉系统层次认知的启发,提出了一种适用于中高分辨率光学遥感影像的机场目标检测网络(CLRNet)。首先构建深度残差块,并将其作为特征提取网络;然后基于生成的样本核心集,采用连续学习方式从海量遥感数据中逐次迭代,精调机场检测模型;经过连续学习得到了鲁棒性强、遗忘度低的检测模型,该模型可以准确快速地从海量复杂背景下的光学遥感影像中识别出机场目标,而且对薄云遮挡以及卫星拍摄不全的机场有较好的识别效果。选取国产吉林一号卫星影像数据集进行测试,结果表明:所提方法的检测精度mAP(IoU不小于0.5)可达0.9613,每景的检测时间为0.23 s。

在利用激光吸收光谱技术测量气体参数时,复杂环境中存在的强干扰会对提取到的探测光强的谐波信号产生较大影响,导致气体参数检测不准确。为此,提出了一种基于高频参考光的频分复用技术。该技术利用高频参考信号实现了对干扰信号的提取与探测光强的修正,进而准确地提取到了探测光强的谐波信号,提高了气体参数测量的准确性,拓展了光谱吸收法的应用范围。通过数值仿真及搭建甲烷浓度实验系统,验证了所提方法具有高频干扰抑制效果好、气体参数测量准确性高的特点。

针对星载红外傅里叶光谱仪中存在的干涉图条纹计数错误,系统地介绍了其形成原因及对复原光谱的影响,并提出了检测和校正方法。通过对干涉图的偏移相位进行线性拟合,能够精确获得条纹计数误差个数;采用理论仿真验证了所提方法的准确性,误差最低可至1.25%;最后采用实际数据进行验证,验证结果表明所提方法能够达到较好的检测及校正效果。

为获得包含布拉格反射器的太阳电池在电子辐照下的退化规律与机制,利用光学膜系软件Macleod设计出适用于晶格失配的GaInP/Ga(In)As/Ge三结太阳电池的布拉格反射器结构,并对嵌入该结构的三结太阳电池开展1 MeV的高能电子辐照实验,最后结合数值拟合方法对电池电学性能的退化进行了详细分析。结果表明:在布拉格反射器结构区域,最高反射率的理论值与实验值基本相符;随着辐照注量增大,三结电池各项电学参数的退化越发严重,短路电流退化率大于开路电压,三结电池在长波方向的外量子效率(EQE)退化逐渐严重,并且子电池Ge短路电流的退化率大于其他子电池;在相同的辐照条件下,随着辐照注量增大,布拉格反射器结构带宽区域的最高反射率逐渐衰减,但在辐照注量低于2×1 015e/cm ²时仍能提升短路电流,说明布拉格反射器结构对抗辐照具有积极作用。

为研究基于不同原色光谱的显示设备对观察者颜色匹配精度和观察者间差异的影响,实验选取了6通道(R₁R₂G₁G₂B₁B₂)LED发光面板,并组合为4种RGB匹配原色光谱。组织了24名年龄分布在21~25岁的色觉正常观察者,以NEC-PA242W专业显示设备上呈现的6个颜色(包括白色和CIE推荐的5个颜色)为目标色开展颜色匹配实验,共采集到720个数据。用CIE1976 u'v'色品参数对颜色匹配精度进行分析,结果表明:不同观察者基于636 nm-524 nm-452 nm组合得到的配色精度更高,Δ(u', v')值为0.0062;基于636 nm-524 nm-472 nm组合得到的配色准确性较差,Δ(u',v')值为0.0084。用观察者匹配颜色的u'v'值协方差逆矩阵参数构建观察者差异色度椭圆,基于636 nm-524 nm-452 nm组合得到的椭圆平均尺寸最小,为0.0055;636 nm-508 nm-452 nm组合最大,为0.0094。结果表明,颜色匹配精度和观察者间的差异,受红通道影响较小,受蓝通道和绿通道的峰值波长位置影响较大。