针对现有的棱镜-光栅的组合设计存在结构复杂、调试困难的问题,建立了三棱镜-光栅组合色散的数学模型,提出了仅需改变三棱镜、光栅的空间相对位置来提高光谱色散线性度的双目标优化方法,获得了线性度良好的棱镜-光栅组合结构参数。采用光学标准件对模型的正确性进行仿真和实验验证。仿真结果表明:在400~1000 nm波段,系统具有长为15 cm、光谱线性度良好、结构简单的特点。实验结果表明,在420~780 nm波段,整体分辨率优于2 nm,进一步证明了该方法的有效性。本研究为棱镜-光栅组合设计提供了一种灵活、简单的结构设计方法。

为实现同时具备宽带可调谐、单透射峰、窄滤波带宽三大特征的高性能微波光子滤波器,设计了一种基于2×2光纤耦合器的环型谐振腔,推导、仿真并实际测量了该谐振腔的输出特性,最终与普通光滤波器相结合实现了高性能微波光子滤波器。实验结果表明,该光纤环谐振腔其滤波带宽可低至1.2 MHz,与普通可调谐光滤波器级联后可实现任意单透射峰的动态选择,通过相干探测链路实现了40 GHz范围内可调谐的光载射频信号。与传统非腔体微波光子滤波器相比,该方法明显降低了滤波带宽;与单一光纤环谐振腔相比,该方法能够实现任意单透射峰的动态选择。这一滤波器有望用于未来超精细光谱分析、光纤传感等领域。

基于增材制造(即3D打印)技术制作土压力传感器,在增材制造过程中将布拉格光纤光栅(FBG)传感器嵌入到碳纤维模型内部,成功制备了光纤光栅碳纤维土压力传感器,用于不同条件下的压力监测。对增材制造制备的压力传感器进行系统的标定实验与稳定性测试,结果表明FBG土压力传感器的波长与压力的变化具有良好的线性关系,在100次加载卸载循环实验中,传感器具有良好的稳定性。实验发现,增材制造填充密度与压力传感器的关键测量参数有很强的相关性,当增材制造填充密度分别为20%、40%、60%、80%、100%时,FBG土压力传感器的灵敏度分别为0.69,0.45,0.39,0.21,0.19 pm/kPa。现场测试中,7个不同深度(深度间隔为2 m)的FBG土压力传感器(灵敏度依次为15.38,0.61,0.15,0.76,0.3,0.15,0.13 pm/kPa)均可测出相应的土压力值,并且测量值与理论值相吻合,这反映了所提出的新型传感器在实际运用中的良好性能。将FBG土压力传感器封装到增材制造模型内部,制作而成的土压力传感器摆脱了传统传感器的传感参数调节的不灵活性、易受电磁干扰、较差的环境耐腐蚀性、较复杂的制作流程以及不可避免的装配误差、较长的研发与生产周期等缺点。

针对无线光通信中极化码构造复杂度高的问题,提出一种适用于大气弱湍流信道的具有更低编码复杂度的湍流偏序构造法。将通用偏序技术引入到大气弱湍流信道中,利用蒙特卡罗法仿真确定弱湍流下子信道的关系,并将其与极化权重公式相结合,推导出最佳的参数值。仿真结果表明,在不同大气湍流强度下,湍流偏序法在低码率下可获得与蒙特卡罗法相同的误码性能,且在高码率下仍具有近似于蒙特卡罗法的性能,在误码率为10 -4下只产生0.07 dB~0.2 dB的损耗,有利于提高系统的传输效率,为极化码与无线光通信的高效结合提供了解决方案。

从地铁隧道三维点云数据中分割出物体的点云是自动化检测地铁隧道病害及重建地铁隧道三维模型的关键步骤。由于某自动化检测系统的结构特点,使用其采集的三维点云数据计算点云法线向量和曲率时准确度不高,导致一些常用的三维点云分割算法,比如一种改进的区域生长分割法不适用于该检测系统采集的点云数据。为了分割某自动化检测系统采集的三维点云数据,设计并实现了一种基于密度聚类的分割算法。这种算法避免使用不准确的法线向量和曲率,克服了某自动化检测系统的缺点,并用实际三维点云数据对比了区域生长分割法和基于密度聚类分割算法的分割结果。

针对遥感图像语义分割中存在对多尺度目标的漏检和分割边界粗糙等问题,提出了一种基于注意力金字塔网络的航空影像建筑物变化检测方法。该方法采用编码-解码结构,在编码阶段使用ResNet101作为基础网络来提取特征,并在部分残差模块应用空洞卷积增大感受野,同时将金字塔池化结构作为编码网络的最后一层,以提取图像多尺度特征;在解码阶段的横向连接过程中引入注意力机制以突出重要特征,并采用自上而下的密集连接方式计算特征金字塔,有效融合不同阶段、不同分辨率的特征。在大型建筑物变化检测数据集上进行验证实验,实验结果表明所提方法在对不同尺寸建筑物目标的变化检测中展现出了良好的适应性,相比于经典语义分割网络具有一定的优势。

为解决工业计算机层析成像(CT)图像的伪影和弱边缘问题,提出一种基于小波变换的图像区域可伸缩拟合能量最小化分割方法,实现图像边缘的精确定位,从而提高图像测量精度。首先,采用小波变换对图像进行预处理,降低金属伪影。然后,采用所提方法精确分割图像,提高感兴趣区域边缘的定位精度。实际数据测量结果表明,所提方法可有效降低图像弱边缘的影响,测量相对误差低于0.7%,相较Chan-Vese算法,测量精度提高了1.4倍,满足实际测量需求。

光学合成孔径成像系统中光学传递函数的频率响应下降,会不可避免地导致成像模糊,因此通常需要借助维纳滤波或盲解卷积算法来实现图像复原,最终获得清晰的高分辨率图像。提出一种基于U型卷积神经网络的深度学习框架,通过MATLAB软件构建数据集,以对网络进行训练,并将所训练的U型网络与盲解卷积算法的图像复原效果进行对比。数值仿真结果表明,在弱噪声条件下,U型网络在基于光学合成孔径成像系统的图像复原中展现出较强的复原能力以及一定的泛化能力和通用性,能够实现图像的快速盲复原,因而具有潜在的应用前景。

为了实现高偏振度(HDOP)水下目标的清晰成像,分析了传统水下偏振成像模型,从Schechner模型出发,以偏振度定义为基础,提出了一种对后向散射光偏振度进行全局估计的偏振成像复原算法,该算法考虑了目标反射光的偏振度。进行了水槽偏振成像实验,对拍摄的三种目标在不同浓度浑浊水体中的偏振图像进行了复原。复原结果表明,与Schechner原算法相比,经所提偏振成像算法处理后,复原图像的增强测度值提高了90%以上,图像灰度的平均梯度、图像灰度的标准差和信息熵也都有提升。不同目标偏振图像的复原结果表明,所提算法不但适用于表面粗糙的低偏振度(LDOP)水下目标,对表面光滑的HDOP水下目标也能取得满意的复原效果。

为定量分析动态漂移时的像旋对成像质量影响的程度,基于动态环扫成像理论,建立一种静态影像与动态漂移间的融合模型。然后结合面阵CMOS相机成像特点与动态运动特性,提出对像旋矢量进行分解处理再融合的仿真模拟方法,设计了一种动态环扫画幅影像像旋仿真分析方法,获取了不同动态成像参数下的模拟影像。最后利用成像幅宽、地面分辨率、成像系统信噪比、峰值信噪比及结构相似性等指标对模拟影像进行定量评估分析。仿真结果表明,相机曝光时间越长,成像系统信噪比越高,像旋越大,成像质量越差,结构相似性越小。研究结果可为未来多种动态成像模式设计中减小像旋影响、提高相机成像质量提供有效的参考。

双能计算机断层扫描(DECT)技术因能分解和识别材料,并提供定量化的成像结果,广泛应用于医疗、安检、无损检测以及材料科学等领域。DECT技术能提供物体在两种能谱下的衰减信息,可准确分解两种基材料。但当检测对象含有三种材料时,若对DECT图像直接求逆(DIMD)分解多材料,其基图像将含较多噪声和伪影。为此,提出了一种基于双能CT图像域的字典学习(DL)和相对总变分(RTV)的多材料分解算法,简称DL-RTV算法。通过直接求逆获得初始基图像,利用字典学习挖掘基图像的稀疏性,以提高材料分解的准确性;引进RTV进一步降低基图像的噪声和伪影,并保护图像细节;同时引入各基材料质量守恒和像素边界的约束项,提高材料分解精度。仿真和实验研究表明,DL-RTV算法能较准确地分解三种材料,较好抑制基图像噪声和伪影,提高了材料区分度,从而验证了此算法的有效性和实用性,这对DECT技术的发展和应用具有重要的意义。

He-Ne气体环形激光器是激光陀螺的核心器件。为了避免环形激光器内部与转动方向同、反向的运转模对产生模竞争效应,单纵模工作激光陀螺需要调整增益介质内Ne同位素构成,采取双同位素增益介质。为此,采用Lamb理论和等离子体色散函数,研究增益介质Ne同位素频率分裂、同位素配比、充气压力等因素对环形激光器光强调谐曲线线型的影响。实验上搭建了激光陀螺光强调谐曲线检测实验平台,在Ne 20和Ne 22充气比例分别为1∶1和7∶3,充气压力为400 Pa的条件下,检测环形激光器的光强调谐曲线,验证了理论分析的正确性,该研究为激光陀螺在双纵模频率非对称位置处实现稳频奠定了基础。

针对现有的实例分割方法PolarMask中分割结果边缘信息模糊的问题,通过对轮廓点角度偏置和距离的预测,基于轮廓点细化的单阶段实例分割网络准确提取出实例轮廓。同时,为了进一步提升实例分割的性能,利用语义分割子网络对实例边缘进行了进一步细化。实验结果表明,所提方法在大规模实例分割数据集MS COCO的测试集上的分割精度为32.5%,比现有的实例分割方法(PolarMask)提高了2.1个百分点,证明了所提方法的有效性。

由于成像原理限制,深度相机无法获得非朗伯体高反射面和透明物质的真实深度值,造成模型缺失甚至重建失败。针对特殊表面的三维重建问题,提出一种定位特殊表面并优化位姿追踪的方法。通过累计零深度区和时序一致性约束优化对特殊表面进行定位。对深度数据置信度进行评估,并采用空间、时间两个维度上非平均的位姿计算方法来减小透明物质对位姿计算的影响。实验结果表明,在自然场景中,所提方法能够仅通过消费级相机采集的深度数据完成包含特殊表面的三维模型重建与修复,位姿追踪更加准确,模型精度更高。

提出了一种全芯片光源掩模联合优化的关键图形筛选方法,用图形的主要频率表征图形的特征,用主要频率的位置和轮廓信息描述主要频率在频域上的分布特征。设计了相应的主要频率提取方法、覆盖规则、聚类方法以及关键图形筛选方法,实现了全芯片光源掩模联合优化的关键图形筛选。采用荷兰ASML公司的商用计算光刻软件Tachyon进行了仿真验证,与ASML公司同类技术的对比结果表明,本方法获得的工艺窗口优于ASML Tachyon方法。

从吉林一号卫星某空间相机的实际应用角度出发,提出采用基于碳纤维复合材料的高精密薄壁筒和桁架杆作为主、次反射镜间的支撑结构,并完成相关设计和工程分析。深入开展相关振动、静力和温度稳定性试验,分析和试验结果表明,所提的支撑结构具有较好的结构稳定性和抗视轴抖动性能,碳纤维桁架的质量仅为2.11 kg,当基频达到186 Hz时,在重力和4 ℃温升条件下的稳定性优于1″。对在轨获取的全色遥感影像进行动态传函(MTF)分析,结果表明空间相机在轨动态MTF值为0.08,进一步证明CFRP桁架结构支撑技术的可靠性和有效性。

采用真空蒸镀法与湿法转移法制备出银/石墨烯/银(AG/GE/AG)三层结构,再通过一次高温退火,获得可重复利用的AG/GE/AG复合结构基底。利用COMSOL Multiphysics仿真软件计算了电场分布和理论增强因子。拉曼测试实验表明:对基底进行拉曼mapping测试,石墨烯D、G和二维峰的相对标准偏差(RSD)值分别为26.0%、17.8%和23.6%,说明基底均匀性较好。对罗丹明6G(R6G)和结晶紫(CV)的检测极限低至10 -7 mol/L。以浓度为10 -5 mol/L的R6G作为探针分子,硼氢化钠溶液作为清洗剂,研究了AG/GE/AG基底的重复性实验。以613 cm -1和773 cm -1处拉曼峰为例,清洗后,拉曼强度分别维持在71.08%和71.60%。

设计了一种基于耐火材料氮化钛(TiN)和二氧化钛(TiO2)的光栅型超宽带太阳能吸收器,采用有限元方法研究了其吸收特性,并分析了其结构参数、工作波长和入射角度对吸收性能的影响。结果表明:通过调整结构参数,可以有效地控制其吸收特性。当波长为500~2000 nm,入射角度为0°~75°时,吸收效率可以达到80%以上,所设计的吸收器表现出了超宽带吸收的特性。单元结构的顶层采用半球形结构,可以提高吸收器的平均吸收率。所设计的吸收器在热光伏等方面有潜在的应用前景。

亚波长光栅结构的光学表面具有减反特性,这种特性在光电转换效率的应用方面具有重要意义。为了提高硅基光栅结构在近红外波段(0.78~2.50 μm)的吸收率,采用在硅表面光栅空隙处加入金属Ag纳米颗粒和Al2O3介质层的方法,利用FDTD软件仿真研究不同的组合结构及颗粒的直径对光吸收率的影响,分析不同的工作波长下组合结构中特征截面的光强分布。实验结果表明,当光栅线/间比为1∶1、周期为1 μm、周期凹槽内放置两层直径为0.25 μm的金属Ag颗粒、且凹槽内金属颗粒上方填充覆盖Al2O3介质层时,该组合微结构在近红外波段范围内的平均吸收率理论上可达到0.463,实现吸收增强的效果。在光电转换器件的应用方面,金属颗粒-硅光栅-介质层组合微结构可以增强光吸收,进而提高光电转换效率。

高分六号WFV是搭载在我国高分六号卫星上的高空间分辨率多光谱传感器,该传感器实现了高分辨率和宽覆盖的结合。精确识别高分六号WFV数据的云像元对于农业资源监测、林业资源调查以及防灾减灾等行业具有重要意义。基于全球土地覆盖产品FROM-GLC10数据,改进地表类型支持的云检测算法(LCCD算法),开展了高分六号WFV数据的云检测工作。以FROM-GLC10作为先验数据,充分考虑不同地表类型反射率的变化,在每种地表类型上分别采用不同的方法设置阈值。通过目视解译的方法对云检测结果进行精度评价,云正确率整体达到了92.46%,其中植被类、水体类、高亮地表类的云正确率分别为93.09%、95.60%和88.70%。结果表明,改进的基于地表类型的云检测算法有效提高了高分六号WFV数据云检测的精度。

神经网络的注意力机制可以从数据中提取关键信息,将这一特性运用在高光谱波段选择上有助于充分学习波段之间的相互依赖和非线性关系,提取更重要的波段。提出了一种基于注意力机制的多目标优化高光谱波段选择算法。首先,利用注意力模块和自编码器构建网络;然后,将一维光谱数据作为网络输入,采用两种损失函数并结合多目标优化方法对输入数据进行训练,使嵌入在网络中的注意力模块充分学习各波段之间的非线性关系,对信息量大和易于分类的波段赋予更大的权重,以实现波段选择;最后,利用支持向量机分类器和平均光谱散度验证波段子集的性能。实验结果表明:相比于其他算法,所提算法在Botswana与Indian Pines数据集上提取的波段子集的分类精度更高,信息量更大,由此证明了所提算法对高光谱波段选择的有效性。

对含固体粒子的气固两相尾焰红外辐射特性进行了仿真建模,并采用光线跟踪方法计算了尾焰辐射强度和辐射抑制率。设计了飞行状态尾焰流场的仿真环境和空基红外相机成像的仿真场景,通过固体粒子辐射抑制机理确定了粒子直径、粒子流量和粒子复折射率是影响辐射抑制率的主要因素。仿真计算结果表明:减小粒子直径、增大粒子流量能增强固体粒子的辐射抑制能力;增大粒子的吸收截面能增强固体粒子在气体吸收谱段的辐射抑制能力,同时降低其在非气体吸收谱段的辐射抑制能力;在某些情况下,固体粒子会增加尾焰辐射强度并改变光谱辐射特性。

本文研制一套全自动散射特性测试平台,并使用该测试平台对汤姆孙散射诊断系统中杂散光吸光材料的表面散射特性开展实验测量研究。在1064 nm的波段下,该测试平台对双向反射分布函数的本底噪声水平优于2×10 -5sr -1。利用该测试平台测量反射镜、不锈钢、发黑铝合金和发黑涂层等多种材料的表面散射特性。依据相关测量结果,“科大一环”汤姆孙散射诊断系统采用了Avian Black-S发黑涂料以及Metal VelvetTM发黑铝箔用于吸收杂散光。利用测量结果给出多种材料的ABg模型参数,为杂散光追踪模拟计算提供必要数据。

为了观测大气层中的水汽含量以及CH4和CO2的浓度,在蓝宝石(Al2O3)基片上制备了两种窄带通滤光片,其中心波长分别为1375 nm和1610 nm,带宽分别为15 nm和60 nm,透过率均达到了95%。基于法布里-珀罗腔结构设计了带通滤光膜系,并对其进行了优化。与电子束蒸镀薄膜相比,采用双离子束溅射沉积方法制备的Nb2O5/SiO2滤光片薄膜,其表面质量明显改善,缺陷减少,表面粗糙度均方根降低到1 nm以下,显著改善了与光电探测器光耦合时的不均匀性。

基于硫系玻璃IRG206(As40Se60)基底,研制了8~12 μm波段的减反保护膜。该薄膜包含介质膜与类金刚石(DLC)保护膜两部分,可用于无热化红外探测系统窗口片中。研究了介质膜的破损机理,通过优化介质膜的沉积温度,提高了介质膜的附着力。研究了压强对DLC薄膜微观结构和应力的影响,通过将DLC薄膜拆分为低应力黏结层与高应力耐摩擦层,提升了薄膜耐摩擦性能与膜层牢固度,并降低了膜层应力。测试结果表明,减反保护膜在8~12 μm波段的平均反射率为3.0%,且通过了GJB2485-1995标准测试中的盐雾测试、高低温测试和重摩擦测试,具有良好的耐环境适应性能。