原子喷泉钟是具有重要应用价值的冷原子装置,紧凑型光学系统设计是研制可搬运冷原子喷泉钟的关键技术之一。介绍了一种以通用铝型材搭建的网格化光学平台,并基于此平台实现了 85Rb喷泉钟紧凑型光路。通过仿真,证明了该型材网格平台在二维方向均具有较好的力学性能。在该平台上,设计并搭建了四倍频移、注入锁定放大、冷却光路、再泵浦光路和探测光路等单元模块,满足了喷泉钟的所有要求。该网格平台面积为50 cm×50 cm,高度为2.5~3 cm。该光路实现了8个月以上的持续运行,功率的起伏小于5%。基于该紧凑型光学系统,完成了后续的 85Rb喷泉钟的物理实验和微波实验。

提出一种基于氧化石墨烯包裹金纳米壳(EGO-AuNS)修饰长周期光纤光栅(LPFG)的新型免疫传感器,并将其应用于禽流感病毒(AIV)检测。利用静电结合原理将石墨烯(GO)包裹在金纳米壳(AuNS)表面形成EGO-AuNS复合材料;采用硅烷偶联剂以共价键结合方式将其固定在LPFG表面;再以AIV单克隆抗体(AIV-MAbs)为特异性生物分子识别单元,固定于光栅表面构成EGO-AuNS-LPFG免疫传感器。结果表明:在折射率(RI)1.333--1.411范围内,EGO-AuNS-LPFG传感器RI灵敏度高达-66.60 nm/RIU,约为普通LPFG传感器的6倍。通过对不同浓度等级AIV抗原溶液的检测,表明该免疫传感器的检测极限约为8 ng/mL,饱和点约为50 μg/mL,在其线性响应区域的检测灵敏度约为2946.25 pm/(μg·mL -1),约为基于GO涂覆包层腐蚀型普通LPFG的AIV免疫传感器灵敏度的7.3倍;此外,其对AIV分子的解离系数约为3.49×10 -9 mol/L。通过对几种尿囊液的对照检测实验,表明该免疫传感器且具有良好的特异性和临床性有效性,因此它在生物医学领域有较大应用潜力。

提出一种新的弱耦合三芯锥形光纤结构的应变传感器,该结构两端由薄芯光纤、中间由熔融拉锥三芯光纤构成,形成薄芯-三芯细锥-薄芯的三明治结构。实验研究了三芯长度和锥腰直径长度对传感器的应变与温度特性影响。结果表明:在0~1600 με应变范围内,传感器的干涉光谱随应变增大发生蓝移,当三芯光纤长度为7.4 cm,锥腰直径长度为41.20 μm时,其最大应变灵敏度为-3.47 pm/με,线性拟合度为0.9876;同时对温度传感特性进行探究,在25~60 ℃温度范围内,传感器温度灵敏度为34.52 pm/℃,线性拟合度0.9979。交叉敏感度为9.95 με/℃。该应变传感器具有成本低廉、结构简单、测量范围较大的优点,在工业生产、建筑监测等领域有潜在的应用价值。

基于可见光通信的指纹定位,提出一种低复杂度、稀疏度自适应的压缩感知算法。首先,利用位置指纹的稀疏性,将定位问题转换为稀疏矩阵的重构问题。其次,根据重构的残差值,自适应地计算近邻值。最后,详细分析指纹采样间距、信噪比、调制带宽及发射功率对定位误差的影响,详细分析所提定位算法的时间复杂度、最优近邻值的分布、发光二极管个数及最大近邻指纹数对定位误差的影响。仿真结果表明,所提定位算法的平均计算时间低、定位误差小,当信噪比为10 dB,指纹点之间的间距为40 cm时,所提定位算法的平均定位误差为1.56 cm,显著低于现有的同类算法。

研究了基于发光二极管(LED)指示灯的可见光通信系统。在发送端,采用嵌入式个人电脑的硬盘指示灯,搭建硬件实验平台,采集数据并进行统计分析,得到信号模型的参数。在接收端,采用单光子雪崩二极管(SPAD)作为接收机,以提高接收机的灵敏度,扩展系统的通信距离。针对时钟漂移问题,提出一种脉冲宽度长-短键控(PWLSK)调制方案来代替传统的开关键控(OOK)方案,并通过硬件实验进行了验证。实验结果表明,在实验条件下,OOK调制方案的误码率(BER)始终无法降至10 -4以下,难以满足通信需求。并且在仿真实验中,OOK调制对环境光的强度更敏感,只有在环境光小于1 lx时才能降至10 -5以下。而PWLSK调制方案则可以在环境光强度更高的复杂环境下降低BER。所提方案可以实现即时消息、文件或语音信号的传输。

在5G网络中,用户数据通过超密集基站汇集成大数据包,这些数据包被异步交换体制的密集波分复用(DWDM)系统中的掺铒光纤放大器(EDFA)放大时,会产生信道间串扰,导致数据包的误码率(BER)恶化。在测定EDFA增益恢复时间的基础上,对BER恶化进行了深入研究。推导了串扰引起的BER计算公式,讨论了影响BER的因素,搭建了大数据包串扰的实验装置。理论和实验结果表明,一个信道数据包的包长和光功率越大,对另一个信道数据包BER的影响也越大,当数据包的包长小于5 μs时,串扰对BER的影响是可以忽略的。

提出了一种基于两个并行相位调制器产生正交频分复用(OFDM)矢量毫米波信号的实现方案。与已有的方案相比,所提方案仅需要两个相位调制器,既不需要复杂的电路来控制调制器的直流偏置,也无需采用预编码技术,大幅降低了发射机的复杂度和系统成本。OFDM矢量信号和射频(RF)信号均采用数字信号处理(DSP)模块产生,以保证RF信号频率的灵活调节。在DSP模块中,通过对上变频后的OFDM矢量信号和无调制RF信号进行希尔伯特变换得到双单边带电信号,并将其加载到相位调制器上。采用光交错滤波器滤除光载波,在接收端用一个高速的光电探测器通过拍频得到OFDM矢量毫米波信号。基于所提方案,采用MATLAB和商业光通信仿真软件搭建了仿真平台,得到了50 GHz正交相移键控调制的OFDM矢量毫米波信号,并分析了测量结果与接收光功率和相位差偏移的关系。结果表明,该传输系统的误码率小于硬判决前向纠错门限(3.8×10 -3),这说明OFDM矢量毫米波信号的产生方案是可行的。

基于双轴跟踪槽式太阳能系统对比实验平台,通过理论分析和实验测试的方法研究了积尘对槽式太阳能系统光热性能的影响。引入积尘反射因子和采集因子修正系数来量化积尘对系统光热性能的影响程度。研究结果表明聚光器镜面积尘对焦面聚光特性有明显影响,积尘分布的不均匀性造成散射辐射较为严重,随着积尘量的增加,一定尺寸内的焦面获得的能量减少,焦面中心能流密度减小,小尺寸开口接收器对焦面可采集能量的变化更为敏感。若要保证实验中的槽式聚光镜采集因子修正系数大于0.90,积尘反射因子需小于4.3%;建立了一种积尘对槽式太阳能系统集热性能影响的预测模型,通过实验测试进行了验证,该模型预测值与实验值的相对误差小于5.07%,两者的吻合度较高。该预测方法具有较好的普适性,可为工程实际应用提供理论指导。

提出了一种应用于红外图像仿真的级联多尺度信息融合生成对抗网络,能由可见光图像估计对应的红外图像。针对可见光与红外图像特征之间的关联与区别,该网络采用级联的对抗网络结构:第一级对抗网络以语义分割图像为辅助任务,使用大感受野的卷积网络结构,重建红外图像的结构信息;第二级对抗网络以可见光的灰度反转图像为辅助任务,采用小感受野的网络结构,补充红外仿真图像的细节纹理信息,并使用多尺度融合模块整合多感受野信息以提升算法精度。在先进算法的通用数据集上进行实验,结果表明,级联多尺度信息融合对抗网络能够实现可见光到红外图像的转换,可得到结构与纹理都较正确的红外仿真图像,在多种客观指标与主观感受上均优于其他类似算法。

条纹投影轮廓术测量表面存在高动态范围反射率物体时,采集的条纹图中出现的强度饱和区域将导致对应区域的相位计算误差或缺失,最终影响三维形貌的恢复。为此,提出一种基于卷积神经网络(CNN)去噪正则化的条纹图高光区域修复算法。该方法仅需要在正常曝光和短曝光条件下获取两帧条纹图,快速实现条纹修复,步骤如下:利用Otsu方法对短曝光条纹的调制度图做二值化处理以确定反光区域位置;把短曝光条纹对应区域进行灰度调节后融入正常曝光条纹中,形成迭代修复算法的初值;通过CNN去噪正则化的修复算法,实现条纹图局部高光区域的快速修复,再利用修复后的条纹实现对高动态范围反射物体的三维面形重建。与其他几种常用方法对比,所提方法在条纹修复效果和修复时间上都具有较大优势。

深度学习模型训练时需要大量的注释样本,但在医学领域注释数据难以获取。针对此问题,提出了一种结合部分注释数据的自监督学习算法,以提高3D肺结节的分类性能。在传统自监督训练的网络结构基础上,设计了一种多任务学习的网络结构,以同时利用医学图像处理任务中大量未注释数据和少量注释数据。通过先训练未注释数据然后加入注释数据继续训练的方式,实现了注释数据与未注释数据间部分网络结构和参数的共享。相较于传统自监督学习方法,所提算法在保证模型泛化能力的同时能够学习到更多与肺结节相关的鉴别特征,因此将模型迁移学习用于肺结节分类时也能表现出更佳的性能。所提算法在公开数据集LIDC-IDRI上的分类准确率达0.886,曲线下面积(AUC)值达0.929,实验结果表明,所提算法能够有效提升肺结节的分类性能。

将相干调制成像(CMI)迭代过程等效为梯度搜索算法,建立了CMI收敛模型,从解方程角度提出为保证重建结果的唯一性需要满足的基本条件,即有调制板时光斑非0点数是无调制板时光斑非0点数的2倍,或有调制板时放大λL(λ为波长, L为衍射距离)倍后的调制板频谱截止宽度与无调制板时光斑截止宽度的比值至少为0.414。通过模拟计算进行了很好的验证。该研究为CMI的进一步优化提供了理论依据。

为了明确像场调制傅里叶变换成像光谱仪的工作机理,通过分析多级微反射镜对成像光场的相位调制特性,建立了像场调制干涉成像的理论模型。数值计算结果表明,通过对获得的干涉图像数据立方体进行图像剪切与图像拼接,可以重构目标场景的全景图像;通过对剪切后的干涉图像单元进行条纹拼接与光谱解调,可以复原场景中各目标物点的光谱信息。为了验证该仪器的工作原理,利用研制的样机进行了目标场景的干涉成像扫描实验,获取了场景目标的干涉图像数据立方体。通过对各帧干涉图像进行边缘检测与特征配准,实现了干涉图像单元的剪切与全景图像的拼接。同时,通过对干涉图像单元进行条纹拼接、基线校正、寻址切趾与离散傅里叶变换,获得了特征目标的复原光谱,并通过非均匀采样校正与经验模态分解对光谱进行优化,提高了复原光谱的性能。

针对目前甲烷遥测装置因光学准直固定,在不同检测环境使用时不能进行动态调整的问题,在光路准直设计中引入了电控可变焦透镜,实现了光路自动准直。测试结果表明,针对不同的检测距离和辅助目标,通过改变电控可变焦透镜的驱动电流可实现快速变焦,在动态调节激光光束发散效果的同时可使遥测装置的接收光功率最大化,其接收光功率相比无变焦透镜接收光功率可提高1.7倍以上,同时可提高检测系统的信噪比。针对变焦透镜在遥测应用中出现的新问题,如重力效应引起的光束偏转效应,提出了形变模型,并进行了理论计算和仿真分析。使用甲烷气袋进行泄漏模拟测试,通过Allan方差分析得到:当积分时间为18 s时,极限标准差达到1.51×10 -6。对装置进行实地测量,测试距离为52.2 m,检测到楼道空气中存在4.95×10 -6浓度(体积分数)的甲烷气体。该研究展示了使用电控可变焦透镜实现光路自动准直和优化在气体泄漏遥测装置中的可行性与应用价值。

提出了一种基于彩色摄像机的双波长激光剪切散斑干涉测量方法,用于同步测量变形物体的面内和面外位移导数。两束不同波长的激光以相同的入射角,同时对称地照射在被测物体表面。基于改进的迈克耳孙干涉光路并仅用一个相移器,建立了时间相移的双波长激光剪切散斑干涉测量系统。通过一个3芯片彩色相机的绿色和蓝色通道记录两个不同波长激光干涉形成的干涉图。运用Carré算法从分离的绿色和蓝色剪切散斑干涉条纹图中提取出与面内和面外变形导数分量相关的相位。悬臂铝梁的变形测量结果验证了该测试系统的可行性。

点云分割是点云处理的一个关键环节,其分割质量决定了目标测量、位姿估计等任务的精确与否。提出了一种采用空间投影的深度图像(RGB-D)点云分割方法,在分析了相机模型、RGB-D数据特征以及图像阈值与目标点云关系的基础上,建立靶标坐标系与点云区域的模型,进一步地结合靶标坐标系和图像阈值,把点云变换至靶标坐标系以突出目标区域、弱化背景区域,并用图像形态学处理所投影的像素值以及分割图像以获得所对应的点云区域。建立3种测试场景以获得3组不同的点云数据,采用4种方法对点云进行分割对比,其中采用空间投影的方法能获得较高的点云分割质量;对空间投影中的膨胀元素、数值与分割质量的关系进行测试分析,结果表明了采用空间投影的方法对RGB-D点云分割的有效性和可行性。

传统离轴反射光学天线的出瞳距较短,需要中继光学系统将出瞳成像于快反镜附近,这会增加后续光路和结构的复杂度,且中继光学系统的后向散射光会对激光通信终端产生严重的影响。针对上述缺陷,设计了长出瞳距离轴四反光学天线,该光学天线的出瞳被直接设计在快反镜上,省去了中继光学系统。首先,从同轴三反像差理论出发,推导了像差表达式和初始结构方程。然后,基于像差理论和出瞳位置要求,计算了离轴四反光学天线的初始结构参数,并采用Zemax软件对初始结构进行光线追迹和性能优化。最后采用Zemax对离轴四反光学天线进行了公差分析。结果表明:所提系统性能优异,结构紧凑,加工和装调公差合理,满足激光通信终端性能要求。

传统植物照明设计只优化某一参考面的均匀度,导致植物生长空间内的光环境不均一。为了解决该问题,对空间照明均匀度评价体系进行了研究。首先,提出了三种潜在的立体化高空间照明均匀度植物光源设计方案,并借助TracePro光学仿真软件研究了结构参数对照明效果的影响。进一步利用Taguchi方法优化实验过程,并结合ANOVA分析,获得了最佳方案的最优结构参数。然后,基于所得最优解,对植物生长过程中的照明效果进行了测试。最后,介绍了立体化光源系统相对传统阵列式LED光源的技术优势。实验结果表明:最优结构可提供一个均匀照明空间,该空间内的水平面照明均匀度和垂直面照明均匀度分别为92.00%和83.12%,并且两个空间参考平面上的红蓝光混色均匀度分别达到94.19%和90.70%。该植物光源系统可为植物提供其生长过程中所需的均匀空间照明环境。

将机械振子冷却到基态是实现机械振子量子操控的关键。利用电磁感应透明冷却法,研究了边带不可分辨区域中三拉盖尔高斯腔光力学系统的机械振子基态冷却。在该系统中,两个附加腔场分别与标准的腔光力学系统中的腔场发生了耦合。通过选择系统的最优参数,光学涨落谱从洛伦兹线型变成类似三能级原子系统中电磁诱导透明谱线的形式,冷却和加热速率的不对称使得机械振子被冷却到基态。研究结果为三拉盖尔高斯腔系统中机械振子的冷却提供了理论参考。

FY-3B中分辨率光谱成像仪(MERSI)不能实现可见光近红外波段的星上绝对定标。为了提高MERSI高信噪比窄波段通道的辐射定标精度,针对国际通用的6个北非沙漠目标,利用高质量的SeaWiFS数据构建天顶双向反射分布函数(BRDF)模型,借助MODTRAN辐射传输模型和ERA-Interim再分析资料吸收气体数据构建光谱匹配因子,对FY-3B MERSI 5年的在轨运行数据进行交叉定标研究。所构建的天顶反射模型可以准确表达伪不变目标的天顶反射率,波段预测误差基本都在3%之内;考虑观测几何条件和吸收气体含量的参数化光谱匹配因子可以有效预测MERSI的天顶反射率;交叉定标结果的时间序列十分稳定且无明显趋势,与伪不变目标的天顶辐射信号长期稳定且规律性变化的特点一致。与MERSI L1业务化定标结果相比,第8~12波段的定标结果偏低,相对偏差小于0,而第13~16波段的定标结果偏高,相对偏差大于0。除了波段8以外的其他8个波段的偏差基本都在-5%~5%以内。波长小于600 nm的波段的月平均偏差较大,特别是三个蓝光波段(第8~10波段);第13~16波段的月平均偏差相对稳定,基本都在-5%~5%以内。

地球同步轨道(GEO)空间没有大气干扰,光束在GEO空间中传输不会衰减,也不会出现波面畸变,是合成孔径激光雷达(SAL)技术的理想应用场所。天基SAL可为GEO目标提供超衍射极限分辨率的光学图像。为了实现这一目标,利用在万有引力作用下绕地心沿不同圆周轨道运动的天基SAL和GEO目标的三维坐标关系,建立了基于光学外差探测的天基SAL成像理论模型,研究了与轨道参数有关的成像数据处理方法。研究结果表明,利用万有引力轨道运动,天基SAL能够对GEO目标实现超衍射极限分辨率成像;轨道半径、轨道平面夹角、成像位置等参数的变化会影响成像数据的处理过程,降低成像分辨率,造成聚焦图像的几何形变。交会点附近是天基SAL最佳的成像位置,此处天基SAL与GEO目标之间的距离近,聚焦图像的几何形变小,成像分辨率高。

全球测图与境外目标定位等任务对航天遥感几何定标与定位精度的要求越来越高。当前像点量测误差与地面控制点精度不匹配,影响了航天传感器定标结果的可靠性。点源靶标在航天影像中具有良好的几何形态,能够为几何定标任务提供精确的像点坐标。对模拟点源靶标影像进行了解算,得到其像点误差在0.04 pixel以内,均方根误差仅为0.01 pixel,优于当前测量软件及人工选点精度。检验了不同像点测量误差对定标和定位结果的影响,结果显示,以点源靶标作为控制点时,定标参数的解算结果和定位精度均优于使用传统控制点的结果;在缺少控制点的情况下,增加两个点源靶标能够使定位误差降至分米量级。点源靶标能够有效提高几何定标与定位结果的精度,并有潜力发展成为新一代几何定标工具。

通过电化学-光还原法基于Bi板合成了Pd/BiF3薄膜,探究了不同质量分数的Pd 对BiF3薄膜光催化性能的影响。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱对Pd/BiF3薄膜进行了表征分析。以模型污染物即罗丹明B(RhB)为光催化降解对象,考察了Pd/BiF3薄膜的光催化性能。表征结果显示,贵金属Pd均匀分布于BiF3薄膜表面上,当Pd的质量分数为2.0%时,Pd/BiF3薄膜表现出最佳的光催化降解RhB的性能,且光吸收带边发生明显的红移,带隙值由3.70 eV减小为3.03 eV。活性物种捕获实验表明,当Pd的质量分数为2.0%时,在Pd/BiF3薄膜光催化降解RhB的过程中,活性物种发挥的作用由大到小的顺序为羟基自由基(·OH)、超氧自由基(· O2-)、空穴(h +),并提出了Pd/BiF3薄膜光催化性能的增强机制。

变能量X射线成像技术是实现大厚度比目标内部信息检测的重要方法。该方法利用递变管电压获取工件不同厚度区域的透照子图,通过融合获取能够完整表征工件结构信息的高动态范围数字图像。但是受限于显示设备的动态范围,融合的高动态范围X射线图像的细节无法得到有效显示。针对上述问题,利用X射线图像重点表征突变结构信息的特点,提出基于图像梯度非线性增强的算法,通过增强图像中的灰度变化信息来实现图像增强。同时,结合图像的多分辨特性,实现了不同分辨率层级梯度图像的增强和融合,从而有效保留并增强不同变化程度的目标结构信息。最后,对大厚度比目标进行变能量X射线成像,并对融合的高动态范围图像进行增强处理,结果表明,所提方法能够有效实现高动态范围图像结构信息的增强。