为研究太阳辐射散射分布对日照时数测量的影响,基于大气辐射传输理论,利用泰勒级数展开,建立了散射分数、晴空指数和大气光学质量的Sigmoid函数模型。利用不同时间尺度的辐射数据训练集,通过非线性拟合得到了散射分数与晴空指数和大气光学质量的变化关系的数学模型,给出了一维模型S0和二维模型S1。利用不同地域观测站点的太阳辐射数据建立验证数据集,利用Sigmoid模型计算了散射分数,分析了实测值与计算值之间的相关系数、平均偏差、均方根误差和t-统计量等。结果表明,采用Sigmoid模型计算的散射分数值与实测值相关系数在0.8以上,平均偏差在±0.2以内,均方根误差在0.25以内,t-统计量最小低至0.0172。本研究为散射辐射分布模型的构建提供了新的方向,下一步需引入更为广泛的辐射数据进行模型跨地域的适用性研究。

基于三维开口谐振环(SRR)阵列和微流通道,在太赫兹频段内实现了一款基于超材料吸波器的高灵敏度折射率传感器,三维SRR阵列完全浸没于微流通道内,注入微流通道内的液相分析物在作为被测分析物的同时还充当了超材料吸波器的中间介质层。当微流通道的高度固定为33.1 μm,而注入微流通道内的液相分析物的折射率从1.0变化到1.8时,该太赫兹超材料吸波器可作为折射率传感器,对应的折射率频率灵敏度达到379 GHz/RIU。仿真结果表明,该太赫兹超材料吸收体传感器的谐振电磁场被扩展到三维空间,并在微流通道内得到了很大程度的集中和增强,从而实现了谐振电磁场与待测分析物的空间重叠,增强了谐振电磁场与被测分析物之间的相互作用,进而实现了对液相分析物的高灵敏度传感。同样基于CST Microwave Studio仿真软件仿真研究了微流通道的高度和顶层覆盖电介质的厚度对超材料吸收体传感器的折射率灵敏度的影响。通过选择合适的微流通道高度和覆盖电介质厚度可获得更高的折射率灵敏度。总之,基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器具有更高的品质因数和折射率频率灵敏度,在无标记的快速生物医学传感中具有潜在的应用。

过量的太阳紫外线会造成人体皮肤红斑现象,甚至可引起皮肤癌症。利用国际通用的太阳紫外线观测仪和光谱仪,在2014年1月至2018年12月期间对西藏珠峰地区(定日)、拉萨和林芝的晴天太阳红斑紫外线和紫外线光谱进行了实地观测研究。观测了拉萨春分点附近、秋分点附近、冬至和夏至的正午太阳紫外线光谱特征,发现波长小于300 nm的太阳紫外线几乎全部被大气层吸收,不会到达西藏地面。通过分析西藏晴天太阳红斑紫外线的剂量,发现只有紫外线B能引起人体皮肤红斑现象。实地观测数据表明,西藏晴天太阳红斑紫外线的剂量率随当日时间的变化呈典型的抛物线状,并且由于太阳高度角的增加,晴天太阳红斑紫外线的最大剂量率平均出现时间为当地正午前后约10 min。在理论上,从冬至起西藏晴天太阳红斑紫外线强度逐日升高,夏至或夏至附近达到最高值,但是由于西藏夏季晴天少,西藏晴天太阳红斑紫外线强度峰值实际上出现在3月底。研究发现,在冬至到夏至变化区间,珠峰地区(定日)、拉萨和林芝的晴天太阳红斑紫外线当日最大剂量率分别为113.40~343.10 mW·m -2, 85.26~344.2 mW·m -2和62.78~197.10 mW·m -2,而最大日总剂量分别为7181.00 J·m -2,7623.00 J· m -2和3994.00 J·m -2,这说明拉萨和珠峰地区(定日)的太阳紫外线使人体极易出现皮肤红斑现象。

提出了一种采用单个光调制器生成多路无线和有线信号的系统方案,并成功实现了两路5 Gbaud四相相移键控(QPSK)无线信号和一路5 Gb/s二进制振幅开关键控(OOK)基带信号在80 km单模光纤(SMF)中的有效传输。利用双极化马赫-曾德尔调制器(DP-MZM)、功率耦合器、光滤波器等器件,实现了经济高效、结构简单的多路无线、有线双重服务,减小了信号间干扰、光纤色散走离效应等因素的影响,避免了传输距离的限制,提高了系统的可靠性。实验结果表明,5 Gb/s OOK基带有线信号经80 km SMF传输后的功率代价仅为1 dB,承载5 Gbaud QPSK的15 GHz和30 GHz信号经80 km SMF传输后的功率代价分别为2 dB和4 dB。

介质/金属膜空芯波导作为光谱吸收式气体传感的柔性吸收池,得到广泛关注。空芯波导具有损耗低、与光传输系统耦合稳定、抗外界干扰能力强和所需样品量微小等优点。利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)和空芯波导搭建了气体传感系统,实验研究了各类波导对碱性气体、酸性气体以及有机溶剂挥发物等的耐久特性。通过对比波导注入腐蚀性气液体前后的损耗特性变化,评估波导的受损情况,讨论了劣化机理。系统总结了多种常用波导的适用传感波段和抗腐蚀特性,为波导式吸收池的工程应用提供了设计和制作参考。

针对室内场景下光照变化、物体相互遮挡以及类别复杂等问题,提出了一种基于双流加权Gabor卷积网络融合的彩色-深度(RGB-D)图像语义分割方法。为了获得方向和尺度不变性特征,设计了一种加权Gabor方向滤波器用于构建深度卷积网络(DCN),提取对方向和尺度变化具有适应性的特征信息。为了构建轻量级特征提取网络,采用宽残差-加权Gabor卷积网络分别提取彩色和深度双流图像特征,并利用金字塔池化模块对提取的深度特征进行多尺度融合以丰富图像上下文信息。对所提语义分割方法在NYUDv2数据集上进行实验,分别设置不同的对比方法。结果表明所提方法具有合理性和有效性,并在分割效果上具有一定的竞争性。

针对非正面姿态下人脸识别率低下的问题,提出一种基于双路循环生成对抗网络的多姿态人脸识别方法。该网络由人脸转正及人脸旋转两部分组成。人脸转正部分完成侧面人脸向正面人脸的转化,实现多对一的姿态类别映射;人脸旋转部分完成对正面人脸身份特征的提取及指定姿态人脸的生成,实现一对多的姿态类别映射。训练过程中利用两条循环路径将人脸转正及人脸旋转过程结合,一路完成人脸侧面至正面再至侧面的循环转化,另一路则完成人脸正面至侧面再至正面的循环转化,促使两部分内容相互利用、约束,提高对侧面人脸的识别率。为了加快网络的收敛速度,降低训练难度,训练过程分为先局部后整体两个不同的阶段进行。在人脸数据集Multi-PIE及CFP上的实验结果表明,该方法能够有效提高对侧面人脸的识别率。

提出一种水下和微光图像的去雾和增强方法,并对两类图像进行统一的描述。应用多尺度Retinex颜色恢复(MSRCR)和引导滤波方法进行除雾;再运用超分辨率卷积神经网络(SRCNN)与非二次采样轮廓变换(NSCT)技术相结合的方法实现图像的增强。实验表明,与其他处理方法相比,该方法在有效解决图像曝光的同时,对图像的色彩饱和度、边缘纹理细节方面具有更好的保护和增强作用,从而实现了非常好的视觉效果。

多角度偏振成像仪(MAPI)可获得多光谱、多角度的偏振信息,用于反演气溶胶与云的微物理特性。偏振的高精度探测需要精确的偏振定标。由于MAPI未配置星上定标器,因此采用自然景物作为偏振定标源。建立了全视场在轨偏振定标模型,分析了水云偏振特性。选用散射角为100°的水云像元作为无偏的定标源。求解了偏振响应矩阵所需的偏振片-滤光片组合的相对透过率、镜头起偏度以及低频相对透过率,最终计算出全像面偏振响应矩阵分布。分析了偏振片-滤光片组合的相对透过率三年平均值的变化,采用实验室定标结果进行验证,得到的相对误差为0.71%。采用最小二乘法拟合了镜头起偏度、低频相对透过率随视场角的变化。采用实验室偏振定标结果进行验证,得到的中心视场相对误差为1.22%。分析了算法的不确定度,得到中心视场合成不确定度为1.27%,边缘视场合成不确定度为2.19%,满足设计指标。所提定标方法对宽视场偏振成像仪的在轨定标有一定的借鉴作用,为气溶胶反演应用提供质量保证。

传统方法是建立从光场到显示面的映射计算生成元素图像,但会存在很多冗余映射。针对这一问题,提出沿光路逆向迭代的算法,建立从元素图像显示面到重建光场的单射,使元素图像中的每个像素只对应唯一的光场像素,这可以提高像素的匹配精度,消除深度阶跃处的空洞。所提算法的核心是以元素图像显示面每一点为始点,经过透镜的光心作射线,通过迭代搜索求出射线与光场曲面距离观察者最近的交点,并作为元素图像的匹配点。所提算法的时间复杂度主要受控于元素图像阵列的像素总和,元素图像的计算生成速率是现有算法的8倍以上,图像中的像素总数越大,所提算法的速率优势越明显,且实验结果验证理论推导的正确性。

设计了一种压电陶瓷驱动的精密倾斜平台及其倾斜角度控制方法,实现了高精度倾斜控制。该控制系统主要由主控制器、位移探测模块、数模转换模块、高压驱动模块4部分组成,可实现快速精确的倾斜控制。运用了球透镜与位置敏感传感器相结合的方法测量和控制精密倾斜控制平台的倾斜角度。实验结果表明,该平台控制精度优于0.5 μrad,且结构简单、易于装设,特别适用于要求倾斜角度精密控制且低成本的工程应用环境。

远距离高精度的距离测量和目标定姿是航天遥感、目标识别、导航控制等领域的关键技术。从理论和实验上研究了利用热光二阶关联在深菲涅耳衍射区进行测距的方法,测距的精度优于0.5 mm,并采用原理证明模拟实验验证了利用该测距方法实现测姿的可行性。此方法可作为传统激光测距技术的补充,并可以实现远距离高精度测距。此方法具有可利用恒星等自然光源实现测距与测姿以及对能量等资源需求较少的优点,为卫星定位等空间测距需求提供了一种新的解决方案。

通过对波导结构和P包层的掺杂分布进行优化,减少了光场与P包层掺杂区的交叠,从而减小了半导体激光器的内部光学损耗。同时使用宽带隙GaAsP作为势垒层可以减少有源区载流子泄露,实现了内部光学损耗为0.259 cm -1。所制备的975nm波长、100 μm条宽、4 mm腔长单管器件,在室温下器件的连续输出光功率达到21 W。当输出功率为20 W时,功率转换效率仍大于50%。

对具有高光束质量输出的晶体波导激光器的芯径增大方法进行了理论计算和实验验证。通过模拟计算各个导模的相对增益,在考虑模式竞争的情况下,采用Yb原子数分数为1.0% 的Yb∶YAG作为芯层材料,Er原子数分数为0.5%的 Er∶YAG作为内包层材料,芯层的基模截止厚度可以达到360 μm,相当于传统计算方法的两倍。采用扩散键合技术,制备了芯层尺寸为400 μm×320 μm×77 mm的晶体波导,并搭建了波导激光器,得到了最大输出功率为31 W,光-光转换效率为55.3%,光束质量为1.2×1.05的近衍射极限激光输出。实验结果证实了利用模式竞争计算晶体波导基模芯径的可靠性。

随着无人机技术在**、民用等领域的广泛运用,高精度、低功耗智能无人机跟踪系统的需求也日益增多。针对无人机跟踪任务中目标尺度变化大、视野角度多变、遮挡等问题,提出了一种基于轻量级Siamese注意力网络的无人机实时跟踪算法。首先,选取易于部署在嵌入式设备中的轻量级卷积神经网络MobileNetV2作为特征提取主干网络;接着,设计通道空间协同注意力模块,增强模型的适应能力与判别能力;然后,搭载区域建议网络,通过互相关获取前景背景分类和边界框回归响应图;最后,加权融合多层响应图,调整候选区域筛选策略,计算得到更加准确的跟踪结果。在无人机跟踪数据集上的仿真实验结果表明,相对于当前主流算法SiamRPN,该算法跟踪精度提升了3.5%,能更好地应对复杂多变的场景。同时,在NIVIDA RTX 2060 GPU上,跟踪速度达到60 frame/s。

针对大视场范围下运动目标位姿参数测量易受模型累积误差、成像畸变和特征信息不足等因素的影响,提出一种新型视觉测量方法。首先建立适用于视觉测量过程中的高效多源特征数据融合模型,可以解决特征点单一的问题。然后构建基于特征点云信息的双向闭合测量模式,改变传统方法中从图像数据到空间特征信息的单向传递过程,将已确认的空间数据作为控制信息返回至测量处理过程中,可以有效规避测量空间越大导致测量模型累积误差越大的矛盾。最后实验结果表明,所提方法在10 m×8 m×3 m大视场空间内实现目标的姿态测量精度优于±1.5°,位置精度优于2 mm。所得的测量结果验证了双向闭合云控制测量模式获取的目标位姿参数精度高,稳定性强,能够满足实际的工程应用需求。

利用二氧化碳激光器在熔融石英棒上加工出具有超高品质因子的微棒腔,并研究了微腔的曲率、耦合位置以及耦合位置处锥形光纤的半径对激发的模式数量、品质因子以及耦合效率的影响。通过优化加工和耦合过程中的参数,在保证超高品质因子的同时激发出少量模式,有效避免了模式重叠,从而在不同波长下产生了具有频谱光滑包络的孤子光频梳。

针对现有植物光源系统架构难以提供优质的照明环境,提出空间照明均匀度理论。采用多光源模块的植物光源系统实现植物生长空间内的高空间照度均匀度以及色度均匀度,多光源模块由倒置光源、直下式光源以及在生长空间的中部光源组成。通过多光源模块的立体化混光方式达到设计的目的,根据Taguchi理论简化实验过程并结合变异数分析深入优化关键因子,从而找到植物光源系统的最优解。进一步优化LED灯珠的形状和间距,最终获得水平面和竖直面的照度均匀度分别为91.35%和89.71%,混色均匀度分别为87.67%和88.54%的立体化植物光源系统。对植物生长进行模拟和实物测试,实验结果表明植物光源系统能够在整个植物生长空间提供高质量的照明效果。

针对多光谱相机的整机设计秉承集成化、小型化和超轻质的设计理念,提出一种结合最小尺寸约束的变密度拓扑优化与多目标集成优化的设计方法,并借助此途径完成空间离轴微晶反射镜及背部支撑结构(消热芯轴、柔节和背板)的优化设计。对于尺寸为218 mm×166 mm的反射镜,质量为0.917 kg,轻量化率为71.3%,并对加工装配好的反射镜组件开展工程环境试验和面形干涉检测。试验结果表明,环境试验前后的反射镜镜面面形的方均根值均优于1/50λ,检测波长λ=632.8 nm,基频为397.8 Hz,满足光学系统的设计要求以及卫星平台对光学载荷的要求,验证所提方法的可行性和正确性。

针对当前遥感图像耀斑恢复算法存在的耀斑增益计算误差大,需要近红外波段信息辅助以及自身信息利用不足等缺陷,提出基于水体指数与色度分离法的耀斑检测算法以及基于离散余弦变换的耀斑图像恢复算法。首先使用色度分离法提取图像中疑似耀斑的高亮区域,再通过水体指数结合面积阈值和形态学滤波去除散点和孤立区域,进而实现耀斑区域的精准定位和提取。然后依据图像的保真度和局部平滑度构建优化函数,利用离散余弦变换对遥感图像耀斑区域内部的像元进行迭代求解,最终得到恢复后的图像。最后开展现场飞行实验,实验结果表明所提算法能够精确提取和恢复图像水体耀斑区域,并且恢复后的图像在纹理特征和光谱特征两个方面的效果得以改进。

为了实现金纳米粒子的高效聚集,获得高灵敏度的表面增强拉曼散射(SERS)基底,并研究激光对金纳米粒子的光热效应,搭建了一套集成像、SERS探测、光捕获为一体的光操控-显微拉曼系统,通过实验研究了光热效应对溶液中金纳米粒子的作用以及对待测物芘的SERS信号增强效应。此外,利用时域有限差分(FDTD)法从理论上计算了金纳米粒子聚集体与单个金纳米粒子的电场增强效果。结果表明:溶液中的金纳米粒子在热泳力及对流的共同作用下在石英衬底表面聚集,聚集速度受外界环境温度的影响;随着聚集时间延长,待测物芘的SERS信号强度增加,且其稳定后的SERS信号强度比金纳米溶胶基底增强了15倍;FDTD模拟结果表明金纳米粒子聚集体会产生比单个金纳米粒子更高的SERS增强因子,增强因子为1.30×10 7。本研究利用光热效应实现了大范围、高效率捕获金纳米粒子的光操控,该方法可显著提高金纳米粒子的SERS效应,在化学和生物等领域的物质检测分析方面具有较大的应用潜力。

针对已完成光栅胶合的一体化干涉仪组件,提出了一种利用平场校正滤光片形成高频外差干涉调制数据进而进行系统级平场校正的方法。依据空间外差光谱技术干涉调制的原理,给出了平场校正所需的外差干涉频率范围(即平场校正滤光片的光谱范围)的计算方法。通过理论和仿真分析确定了平场校正滤光片的主要技术参数,并进行了实验验证。实验结果表明,该平场校正方法使复原光谱的平均信噪比提升了115.7%,复原光谱的固定频率噪声和高频段光谱失真的抑制效果尤为显著。

全组分AlGaN是指Al组分(原子数分数)在0~1之间的AlGaN。通过将组分引入到AlGaN的复折射率中,在200~800 nm光谱范围内建立了全组分AlGaN复折射率公式。通过椭圆偏振法获得了蓝宝石的光学参数,并利用透射谱进行了验证。利用上述复折射率公式和多层光学薄膜模型研究了蓝宝石衬底多层AlGaN薄膜样品的透射谱,分析了各层薄膜对样品透射谱的影响以及工艺可能造成的实际结构的偏移,提出了一种多层薄膜透射谱的快速分析法。

利用晶体高指数面的衍射消除了分析晶体带宽及聚焦光束角发散的影响,提出了聚焦条件下光束线能量带宽的检测方法。采用DuMond图解析了光束能量带宽的测量过程,并在上海光源硬X通用谱学线站搭建了检测系统。在相同能量和衍射角条件下,利用晶体的不同高指数面分别测量了聚焦光束的能量带宽;当光束能量为10 keV时,利用Si(555)测量了准直镜压弯过程中光束线能量带宽的变化,消色散配置时测得光束能量带宽最佳值为1.50 eV,与Shadow程序追迹计算的1.40 eV相比,差值控制在10%以内。结果表明,晶体的高指数面衍射可用于同步辐射聚焦光束能量带宽的高精度测量。