激光诱导荧光(LIF)是一种有效的海面溢油遥感探测技术,双向反射辐射再分布函数(BRRDF)可以描述介质表面入射激光与出射荧光的量值关系,为LIF技术探测海面溢油污染提供理论指导。基于蒙特卡罗方法建立了海面溢油水包油乳化液的光子传输模型,利用米散射理论计算水包油乳化液的固有光学参数,分析其在不同乳化时间、荧光波长、探测接收角度下的BRRDF与光子出射、入射天顶角余弦的乘积X_BRRDFcos θ_r cos θ_i。仿真结果表明,随着水包油乳化液乳化时间的增加, XBRRDFcosθrcosθi整体呈上升趋势,且在荧光量子产率较大的荧光波长处较大。收发共轴LIF系统的接收光功率受探测接收角度、水包油乳化液的厚度和浓度的影响,当探测接收角度小于50°时,系统的接收光功率较大。

针对测试环境下偏振光分布模式复杂,特征点发散造成最小二乘法拟合太阳子午线时精度降低的问题,提出了一种基于Hough变换的太阳子午线提取方法。搭建了偏振光分布模式测试系统,利用Stokes矢量原理得到偏振光方位角分布模式,通过设置特征阈值获取太阳子午线特征区域。使用Canny算子检测特征区域边缘,运用Hough变换检测边缘直线方向,结合对称性分布关系获取太阳子午线方位角。通过测试实验,对比分析了所提方法与最小二乘法的测量精确度。实验结果表明,在特征阈值为3<N≤6时,所提方法的测量精确度高于最小二乘法,测量正确度提升了5.53%~87.84%,测量精密度提升了1.81%~92.68%。

为降低探测器的热噪声和暗电流,研制了一套高精度和高稳定度科学级裸片探测器制冷系统。提出了一种基于低温循环机和薄膜电加热器组合的探测器控温方法,减小了测试光源及环境温度变化对器件自身性能的影响。实验结果表明,探测器制冷系统降温速率不大于0.6 ℃/min,控温精度优于±0.08 ℃,将该制冷系统应用于多角度偏振成像仪面阵探测器的光电性能测试,测试结果表明:探测器工作温度升高6.5 ℃,暗电流增加1倍左右,20 ℃时暗电流是0 ℃时的6.93倍。近红外波段的量子效率受温度影响较大,810 nm和900 nm波段在0~15 ℃工作区间内量子效率的温度变化率为0.2993% ℃ ^-1和0.4575% ℃ ^-1。探测器暗电流和光谱响应度的温度特性研究为多角度偏振成像仪在轨辐射定标的温度校正提供了依据。

设计一种三维多孔石墨烯(3DPG)辅助胆甾相液晶胶囊(CLCM)的新型功率探测器,用于测量高强度THz波。3DPG在频率为0.5~1.5 THz时具有超过97%的高吸收率。利用温度超灵敏CLCM的热色特性,对稳态下的THz功率进行可视化定量研究,THz功率密度高达2.77×10 ² mW/cm ²,最低探测功率仅为0.009 mW。进一步研究发现,3DPG上溅射少量金纳米颗粒后,THz功率与CLCM的Hue值呈线性关系。该可视化探测器结构简单、便携、成本低廉、高效实用,可应用于THz系统的对准、THz波的光束分析及THz成像和传感中。

提出一种大倾角照明条件下的高精度PIE(ptychographic iterative engine)迭代重建算法。该算法用小角度照明的透射光代替大角度照明的透射光,通过修正角谱传递函数,得到适应大角度迭代的光场传输公式。在非傍轴条件下,该算法能够避免样品面上相位分布欠采样的问题,同时精确计算衍射面上的衍射光斑,为单次曝光PIE成像的进一步发展和实际应用解决了最为关键的技术难题。

针对可见光与红外大口径薄膜衍射光学系统在空间上应用的可行性问题,提出基于二维时域有限差分法的大口径衍射光学成像特性的仿真模型与快速分析的计算方法。首先充分考虑大口径衍射光学元件的亚波长微结构尺寸的电磁场调制特性,建立亚波长结构尺寸的衍射光学系统成像特性分析模型;然后通过矢量化编程和GPU加速运算提出快速求解方法,有效解决由矢量计算所致计算量庞大的问题;最后利用建立的成像特性分析方法对大口径衍射光学系统进行成像特性分析实验。实验结果表明:该方法可在有效表征亚波长微结构衍射光学系统成像特性的基础上,实现衍射光学元件成像特性的快速分析。

当前窄线宽光纤激光器的输出功率已经达到数千瓦,但是受激布里渊散射(SBS)仍然是制约其功率提升和系统稳定性的主要因素。基于倾斜光纤Bragg光栅(TFBG)对SBS产生的后向斯托克斯(Stokes)光的滤波作用,实验验证了TFBG对SBS的抑制作用。将经优化设计并制备的倾斜光纤光栅置于单模光纤放大器和一段长150 m的单模传能光纤之间,发现后向传输的Stokes光的滤除率接近10 dB,同时观测到了明显的SBS阈值提升,阈值约为不加TFBG时的1.25倍,前向输出的信号功率提升了约20%。该研究对于高功率窄线宽全光纤激光器的功率提升具有积极的作用,同时在光纤通信和光纤传感中也有潜在的应用价值。

多普勒激光雷达在大气风场探测方面已经得到了广泛应用。光纤Mach-Zehnder干涉仪(MZI)作为多普勒激光雷达的新型鉴频系统,具有体积小、轻便、稳定性高的优点。鉴于一般常用的单模光纤MZI与望远镜接收系统的多模光纤直接耦合时能量耦合损耗严重、耦合效率低的缺点,提出采用多模光纤MZI作为鉴频系统,以提高耦合效率,实现能量及探测高度的增加。针对多模光纤MZI可能产生的干涉质量下降问题,利用调整入射角及扰模方式实现多模光纤准单模输出,理论计算结果表明实验所用多模光纤准单模输出对应的入射角度为0.8°,扰模直径为2.2 cm,并进行了实验验证。通过对多普勒激光雷达系统的风场探测信噪比的仿真和对比分析可得,多模光纤MZI作为鉴频器将有效提升系统探测性能。

为了提高超高速物体运动速度的测量精度,在分析高速摄影系统测试过程的基础上,加入校正量δ对传统计算模型进行优化。结合优化前、后的两种模型,在不同速度区间、校正量δ、相机和反射屏距离h_z等条件下,对运动物体的理论弹道和实际弹道的速度进行仿真。分析可知所提模型对于高速、超高速物体的运动速度模型具有很好的修正效果,且对于运动速度越快的模型修正效果越好;并对距离与测量误差间的关系进行研究,得到当h_z值大于30 m时,相对偏差小于1%。外场测试结果与建立的计算模型和仿真模型均相符。

针对相衬显微镜采集的细胞图像具有亮度不均衡且细胞与背景对比度较低的问题,提出一种以U-Net为基本框架,结合残差块和注意力机制的细胞分割模型。首先,利用具有编码器-解码器结构的U-Net对细胞图像进行细胞初始分割;然后,在U-Net中引入残差块,以强化特征的传播能力,提取更多细胞细节信息;最后,利用注意力机制加重细胞区域的权重,降低亮度不均衡、对比度较低对模型的干扰。实验结果表明,与其他模型相比,所提模型在视觉效果和客观评价指标上均有较好的分割效果。

传统的太赫兹时域光谱成像通过寻找成像目标的单一特征参数来进行成像,这种方法有很大的局限性,无法灵活对比各种特征参数成像的优劣,很难对成像目标形成明显的对比。为此,针对耐高温复合材料胶接缺陷的太赫兹无损检测,提出一种新的图像增强方式——多特征参数成像,该方法可以通过改变单一特征参数在成像通道的权重,改善整体的成像效果。基于多特征参数成像方法,实现了耐高温复合材料上胶层0.05 mm厚度,下胶层0.15 mm厚度预置脱粘缺陷识别,相比于单特征参数成像方法,图像对比度提高了2倍。

数字均值滤波器在高精度测温系统中可以有效降低噪声,提高信噪比,但也会造成信号的失真,引入不确定度,而采集到的温度信号一般为离散时间序列信号,现有的滤波器评价方法很难量化这种信号带来的失真。为了解决该问题,分析了温度缓变对象的温度变化特性,通过低噪声、高精度测量仪器采集被测物的典型温度信号序列,并由此构建数字均值滤波器的输入序列,从而得到该滤波器在当前输入信号模型下的不确定度,建立了一套评价数字均值滤波器在高精度测温系统中所引入不确定度的方法。对温度稳定条件下的黑体进行测温实验,得到了该黑体的温度波动范围为(30.874±0.002)℃,其温度变化率服从正态分布函数,验证了本文建立的温度特性模型的正确性。使用Fluke 1595A测温仪采集典型温度序列,对数字均值滤波器进行了不确定度分析,得到了在不同采样间隔时间、不同滤波器长度条件下,均值滤波器所引入的不确定度。基本解决了数字均值滤波器在高精度测温系统中引入不确定度难以评估的问题。

光学载荷辐射定标结果的地基验证受地-气系统中多个因素的综合影响,导致单场地单次验证结果存在差异,且无法对结果进行有效对比和综合分析。考虑了目标特性、大气环境等因素对单场地单次验证结果的影响,提出了一种以验证结果不确定度为权重的基于加权平均值综合定权方法,获取更接近真实值的关键比较参考值(KCRV),实现对单场地单次验证结果的对比和综合分析。同时,基于国家高分辨遥感综合定标场不同反射特性的地面目标对国产高分辨率载荷ZY-3/MUX的辐射定标结果进行综合验证。结果表明,基于12个验证样本的KCRV在蓝光、绿光、红光、近红外波段分别为3.88%、5.42%、6.14%、9.81%,对应的不确定度分别为1.79%、1.87%、1.96%、2.02%,其中,9个验证样本的等效度小于0.1,证明这些样本的验证结果更接近KCRV。

针对清理空间非合作目标任务中如何获取目标的相对位置和姿态的难题,提出一种双目视觉位姿测量方法。首先,设计了基于双目视觉的位姿测量算法,利用弧支撑线段的方法快速检测目标表面的对接环,通过极线约束准则和光流法辅助跟踪算法建立复杂场景下的对接环检测和筛选机制;利用两次遍历法快速标记连通区域,加入面积和曲率约束,提取目标表面特征较突出的规则标志点。利用三维重建后的对接环平面和标志点建立目标坐标系,解算与世界坐标系之间的位姿关系。之后将算法移植到DSP6678信息处理平台,实现了对空间非合作目标的实时连续位姿测量。通过3组不同工况下的小卫星模型实验,验证了该方法的有效性。

提出了一种利用光流场原理测量物体面形的新方法。测量系统由投影仪、被测物体以及CCD摄像机组成。将光栅条纹以小角度投影到参考平面上,分别采集被测物体加入前后的两幅条纹图像。对测量系统的空间几何结构进行分析,以参考面为参照系,建立了投影仪、摄像机、观测点三者的位移与物面高度的空间关系,其中,观测点的位移是基于Brox光流算法通过估计两帧图像间的光流分布得到的。针对测量系统导致的测量结果与实际形状不一致的问题,结合球冠几何模型的数值模拟结果,分析了误差产生的原因,提出了修正方法。理论模拟结果和实际测量结果验证了所提方法的可行性。与傅里叶变换法进行了比较,证实了所提方法仅用两帧图像即可精确地恢复物体的高度信息,实验过程简单,有效缩短了测量时间,且适用于动态测量。

光轴的平行性校准在多传感器光电系统中起着重要的作用。为了使被动光学设备的光轴校准满足广泛适用的需求,提出一种基于干涉条纹的光轴平行性校准方法。在平行光管法的基础上建立基准光轴,对接收光学系统反射形成的牛顿环干涉条纹进行拟合,从而计算光轴间的夹角。利用搭建的校准系统平台对激光测距机的发射光轴和接收光轴进行光轴的实际校准。实验结果表明:接收光轴与基准光轴的平行性测量精度优于5″,能够较好地满足校准多传感器光电系统的应用需求,验证该方法的有效性。所提方法的可视化校准过程可以提高校准效率,具有操作简单、实用性强和测量精度高的优点。

针对先进驾驶辅助系统对车辆前视景深信息的需求,在无监督学习框架下提出了一种基于单目视觉的场景深度估计方法。为了降低不同尺寸的前视目标对景深估计结果的影响,采用金字塔结构对输入图像进行预处理;在训练过程中,将深度估计问题转化为图像重建问题,利用双目图像设计了新的损失函数代替真实深度标签,解决了真实场景景深数据难以获取的问题;将中间多尺度的视差图与原输入图像的尺寸统一,改善了深度图中的空洞现象,提升了景深估计精度。在KITTI和Make3D数据集上的定量与定性对比结果表明,本方法可以获得准确度较高的绝对景深数据,且具有良好的泛化能力。在真实道路场景下的实验结果表明,本方法可以利用单张车载前视图像得到对应的像素级景深信息。

目标发生旋转和尺度变化等时会导致跟踪算法出现目标丢失和精度大幅度下降等问题。因此解决目标在运动过程中出现的旋转以及尺度变化问题成为当前的研究热点。提出具有旋转特性的目标跟踪算法,该算法以Hamed等提出的 BACF(background-aware correlation filter)为基准,保留BACF算法中的定位,将笛卡儿坐标系下的目标特征转换到极坐标系下,并采用傅里叶-梅林公式来计算目标旋转角度和尺度的改变,在公开数据集POT上进行验证和比较,发现经过改进后的算法在目标旋转时,矩形框可以跟随目标发生旋转,并且本文算法在POT数据集上的准确率和成功率具有大幅度的提升,分别为0.6561和0.5930,旋转特性准确率和成功率分别为0.9619和0.8527。

环境温度的变化会引起光学系统产生热离焦现象,导致系统像质不稳定。由于材料的限制,在深紫外波段内,光学系统的无热化设计过程和结果十分复杂。因此,提出了拆分设计和单层衍射光学元件相结合的方法实现深紫外光学系统的无热化设计。该方法首先求解了消热差、消色差方程组,并用结果对深紫外光学系统进行拆分再组合,简化了无热化设计过程。然后在组合系统中加入单层衍射光学元件以简化设计结果。用该方法对焦距为110 mm,F数为3.5,温度为-60~100 ℃的深紫外侦察相机镜头进行无热化设计,得到的系统在奈奎斯特频率为18.5 lp/mm处,调制传递函数均大于0.65。结果表明,该方法能解决深紫外透射式光学系统在宽温度范围内的热离焦问题,同时能提升系统的光学性能。

为了实现空间碎片探测对探测光学系统灵敏度、探测时效性、孔径和总长等的需求,设计了一种大相对孔径大视场空间光学探测系统,并依据探测器指标与目标特性,确定了系统的设计参数,实现了12.5等星的探测。系统采用非对称双高斯透镜组光学结构,工作波段为450~850 nm,视场角为20°,F数为1.05,入瞳口径为150 mm。采用XY多项式自由曲面设计了系统中的一个透镜前表面,分析结果表明,该系统弥散斑均处于2×2个探测像元内,全视场在2×2个像元内的包围能量占比在86%以上,最大畸变小于1.4%。该探测系统结构紧凑,孔径合理,探测效果好,探测灵敏度高,时效性强;所使用的材料性能满足空间使用条件,且与光学加工能力匹配。所设计的探测系统可用于空间碎片的精确探测。

利用有限远零位补偿方法检验非球面时,装调环节多,检验精度低。提出了无限远前后零位补偿结合的非球面检验系统,通过在待检镜球心前后位置处各放置一个补偿透镜,使像差在前后区间具有相关性。基于像差理论,对两片补偿透镜的光学参数进行了推导求解,分析了初始参量与归一化数据的关系,再利用光学软件对计算结果进行缩放与优化。在不同的前零位补偿透镜放大率下,设计了四个具有不同曲率半径的凹抛物面镜,并给出了非球面镜的最大口径和最大相对孔径。采用具有1/10 口径比的补偿透镜,实现了口径为3.7 m、相对孔径为1/1.2的非球面镜面形检验,面形波前误差峰谷(PV)值优于0.1λ(λ=633 nm)。容差分析结果证明了检验系统的可行性。针对口径为500 mm、相对孔径为1/1的抛物面镜开展了原理实验,从可检验的最大非球面镜口径和实施难度方面对所提方法与常用方案进行了比较,前后零位补偿结合系统的设计面形波前误差PV值为0.061λ,面形波前误差均方根(RMS)值为0.009λ,实现了面形波前误差RMS值优于λ/40的检测精度。前后零位补偿结合的检验系统适用于具有4 m量级大口径、大相对孔径的非球面镜的高精度面形检测。

采用自由曲面透镜作为分束器以生成具有任意能量比的离散光斑阵列。根据能量守恒定律,将入射光束划分为一系列与光斑阵列对应的子区域。对于每个子区域,采用分离变量法计算子区域与相应光斑之间的光线映射关系,并采用最小二乘法构造遵循该映射关系的自由曲面。提供两个设计实例以检验自由曲面分束器的可行性:第一个设计可生成具有相同能量比例的高斯光斑阵列,第二个设计可产生具有预设不均匀能量比例的矩形平顶光斑阵列。仿真结果表明,考虑菲涅耳损耗后,两个设计实例的光输出比均高于89%。

针对复杂背景下船舶目标检测率低和光学遥感传感器的多光谱近红外(NIR)波段利用率低的问题,提出一种四波段多光谱遥感图像船舶目标显著性检测算法。所提算法利用四波段遥感数据中可见光波段图像的色彩内容饱满、NIR图像细节突出的特点,首先将可见光蓝、绿、红三通道图像变换到CIE-Lab色彩空间;然后对NIR图像进行非下采样轮廓波变换分解,对得到的高频分量进行非线性增强,以抑制噪声并增强细节,对低频分量进行反锐化掩模处理增强,以改善图像亮度的均匀性,并将高频分量和低频分量与Lab空间的亮度图像相结合,得到新的Lab图像;最后利用最大对称环绕模型对Lab图像进行显著性分析,得到船舶目标的显著性图像。实验结果表明,所提算法能够充分抑制云层、海浪尾迹等杂波干扰的复杂背景信息,同时在低对比度背景下能够突出船舶目标,具有高的查准率和查全率。

卫星本体部件的闪光现象是其个体特征的体现,结合卫星的运动特性及镜反材质的反射特性,从原理上研究镜反部件指向的确定方法,给出卫星本体反射率与镜反部件面积的确定方法。在此基础上,定量分析卫星本体部件的闪光现象,提出一种多元模型用于描述卫星光学散射特性,并进行实测数据的验证。实验结果表明,多元法描述卫星光学散射特性较二元法更为全面,原理适用性更强,能够更具体地反映卫星个体独有的光学散射特性,添加镜反部件后的精度可提高0.111星等。工程应用中,根据实际的观测情况,调整卫星光学散射特性描述模型的元数,以实现对任意目标光学散射特性的模拟。多元模型不仅为解释卫星的闪光现象提供参考,还可作为目标识别与工作状态分析的依据。

针对海面溢油厚度的探测需求,通过模拟海面环境,采用快照式高光谱相机对不同厚度油膜的反射光谱进行探测;首先根据快照式高光谱相机获得的高光谱图像,计算得到了不同厚度油膜的反射光谱;然后采用小波变换对反射光谱进行分析,再利用Coif5小波基进行离散小波变换得到第9层重构信号的细节系数,用其反映油膜厚度的差异。油膜厚度和细节系数具有良好的线性关系,据此可准确识别大范围溢油事故中不同位置油膜的厚度。快照式高光谱探测方式极大地提高了溢油分析的效率,对溢油灾害的快速发现和实时监测具有参考价值。

利用低能离子轰击在光刻胶表面诱导产生自组织纳米波纹结构,将其作为掩模,与反应离子束刻蚀技术相结合,在熔石英表面制备了亚波长纳米结构。与直接利用离子轰击产生的纳米结构相比,此方法制备的结构显著提高了自组织纳米结构的振幅和高宽比。这种具有表面亚波长纳米结构的熔石英样品在600~1300 nm波段范围内的透过率约为94%。初步结果显示离子轰击技术在功能性表面纳米结构制备方面极具潜力。