针对视场中光源对成像的影响问题,提出了一种新的抑制光源干扰的水下图像复原方法。建立了考虑光源干扰的水下成像模型,利用光源辐射图像和无光源影响图像的梯度分布不同的特点来分离光源辐射,在获得的抑制光源影响的水下图像中,利用最大值滤波和中值滤波分别估计出全局背景光和水下透射率,有效地降低了视场光源对参数估计的影响。实验结果验证了抑制光源干扰的水下图像复原方法的有效性,能够显著提升水下场景的可视性。此外,该方法在无光源影响的水下图像中也取得了良好的复原效果。

针对大气湍流影响下的地-空斜程逆向调制无线光(FSO)通信问题,基于三层高度谱模型对逆向调制斜程链路下的光强闪烁进行研究,推导弱湍流下大气湍流衰落系数的概率密度函数表达式,在此基础上深入研究系统的平均中断概率、平均误码率和平均信道容量,分析天顶角、湍流强度以及接收孔径大小等因素对系统通信性能的影响。研究结果表明,在低信噪比和长距离通信的情况下,适当增大接收机孔径,地-空斜程逆向调制无线光通信系统依然可以保持较好的通信性能,随着天顶角和近地大气折射率结构常数的减小,湍流对斜程通信链路的影响也有明显减弱。

为清晰了解光纤微弯损耗的产生机理,并对其进行有效地估算和测试,对产生光纤微弯损耗的两种机理——纯弯曲致微弯及耦合致微弯进行了分析,简述了与此最相关且最有效的理论公式,指出了影响微弯损耗最重要的因素;提出金属网覆盖光纤盘法及双槽平板法;基于截向应变及纯弯曲理论,针对两种机理,分别建立了两种对应的仿真算法,通过对被测光纤在测试平台中产生的微小畸变和弯曲进行分解和仿真,实现了对两类微弯损耗的估算;建立测试平台并进行实际测试,结果表明,所提仿真算法的计算值与实测结果的一致性较为满意,所提测试方法可以用于制订标准并加以推广。

提出了一种基于微机电系统(MEMS)波纹振膜的高灵敏度光纤传声器,通过波纹振膜研制法布里-珀罗干涉腔,可进一步提升光纤传声器的灵敏度。在理论分析中,应用有限元分析软件COMSOL对振膜进行建模,仿真分析了波纹宽度、波纹深度和波纹间距等参数对振膜灵敏度和工作频率的影响。实验结果表明,基于MEMS波纹振膜研制的光纤传声器样机灵敏度为630 mV/Pa,频率响应范围为50 Hz~8 kHz;且该光纤传声器的结构简单,能很好地应用于远场语音拾取等领域。

受激拉曼散射(SRS)是制约高功率光纤激光器功率提升和系统稳定性的重要因素,如何有效滤除和抑制SRS是需要解决的关键问题。长周期光纤光栅(LPFG)可将特定波长的纤芯模耦合到包层模实现宽带滤波,有效滤除SRS产生的Stokes光。首次采用CO₂激光结合振镜扫描的方法在双包层光纤上制备了LPFG,用于高功率光纤振荡器输出激光中拉曼信号的滤除和抑制,取得了较好的实验效果,Stokes光的滤除率大于15 dB,大大提升了输出激光的纯度和系统的稳定性。采用的制备方法对纤芯几乎不产生影响,理论上具有极低的信号光传输损耗,在高功率光纤激光系统中有重要的应用价值。

仿真研究了介质/金属波导在140~220 GHz频段的损耗和色散特性。在该频段,当传输波长接近波导尺寸时,介质层不能降低传输损耗,但介质层导致模场结构发生变化,波导的色散进入负值区间。分析总结了具有不同介质层厚度的介质/金属波导的色散特性变化和零色散位置。提出了利用不同介质层厚度的波导对金属波导进行色散补偿的方法和方案。结果表明,通过色散补偿可以实现在不同频点的零色散特性,也可以实现一定频段范围内的平坦低色散特性。研究结果对该频段波导的结构设计和制作工艺等具有指导意义。

分析时钟恢复算法中环路滤波器比例增益系数对系统误码率的影响时发现,信号的误码率随比例增益系数的增大呈先减小后增大的变化趋势,且不同接收光功率下的最优比例增益系数不同。针对该问题,提出并实现了一种基于Gardner算法的全实时化动态比例增益系数全数字时钟恢复算法,以应对功率抖动信道并提高算法的灵敏度。此外,在基于Altera Stratix-V 5SGXMA7K2F40C3 FPGA平台的2.5 GBaud正交相移键控调制相干通信系统中对该算法进行了在线实验验证。以KP4中的前向纠错码门限2×10 ^-4为上限,当功率抖动频率较慢时,动态参数法能将系统到达该误码门限的最低接收光功率由固定参数法的-47 dBm降低至-49.5 dBm;当功率抖动频率较快时,固定参数法能承受最低功率为-46.5 dBm、抖动频率为100 Hz的抖动,而动态参数法能承受最低功率为-50 dBm、抖动频率为1 kHz的抖动。

设计了一种具有鸟喙形的环形芯光纤光镊结构,并通过理论仿真进行研究。应用有限元法仿真光镊的光场强度分布,并对比了不同弯曲条件下光镊的光场图,结果表明,弯曲结构显著增强了光纤侧边的倏逝场强度。采用麦克斯韦应力张量法计算光镊对粒子的捕获力,并对比锥形光纤,分析鸟喙形光纤光镊的弯曲半径与捕获力的关系,以及粒子半径与捕获力的关系。结果证实鸟喙形环形芯光纤光镊不仅可以在尖端捕获粒子,还可以在侧边捕获、运输粒子。所提出的新型光纤光镊可应用于细胞生物学辅助研究领域。

针对结肠息肉图像中息肉颜色与背景颜色相似、息肉大小不一等影响分割效果的问题,提出了一种改进的双U型结构的结肠息肉图像分割网络。所提模型以DoubleU-Net为基础架构,首先,在U型结构的跳跃连接处融入空间注意力机制以提取空间特征的相关性信息;其次,在跳跃连接处同时并入通道注意力机制以有效地表达有用通道的依赖性,抑制与息肉分割任务无关的特征;最后,在第二个U型结构编码器的输入端引入多尺度选择核心通道注意力模块,以自适应地选择不同的感受野、提高目标的分割精度。实验结果表明,所提出的方法无论从客观指标还是视觉效果上均优于现有的方法,研究成果可以为结肠息肉早期检查和手术计划提供新的参考。

为了克服传统肝脏肿瘤分割网络下采样带来的细节信息丢失问题,同时提取丰富的多尺度信息,提出了一种基于堆叠树形聚合结构空洞卷积的肝脏肿瘤分割算法。首先,在编码器网络中提出了残差密集模块;然后,在编码器-解码器网络中加入树形聚合结构的空洞卷积模块,有效消除了普通空洞卷积带来的棋盘伪影现象,提高了分割精度。最后,用加权的损失函数解决了图像中前景和背景不平衡的问题。实验结果表明,本算法在电子计算机断层扫描图像数据集上的Dice相似度系数、像素正确率和交并比分别为0.8026、0.7974和0.7317。

将多个阵列推扫式相机以阵列方向视场拼接的方式进行组合,可以克服相机的探测器规模限制,在保证空间分辨率的同时有效增加视场角。现有视场拼接方法多建立在各子视场严格几何定标的基础上,需要高精度地面定标场数据或检校航带支持。本文提出了一种基于同名特征的子视场相对定向方法,从窄重叠区同名像点出发,在数字高程模型的辅助下建立子视场相对定向模型,同时辅以视场外侧稀少控制点的绝对约束,准确恢复相邻相机之间的安装关系。利用仿真数据对该方法进行的验证实验表明,本文方法解算得到的相对定向参数可支持子视场影像的无缝拼接,影像拼接精度优于2 pixel,几何定位精度平面中误差优于3 pixel。

针对由平面或球面反射镜构成的传统激光谐振腔调节要求精度高、允许转动失调角度小的缺点,将Luneburg lens与球形全反射面组合作为光束回射器件,分别对高斯光束在不同入射角,且中心轴线与Luneburg lens光轴不同距离情况下回射器的反射特性进行数值模拟。结果表明:即使在Luneburg lens线度小至光波波长的数十分之一情况下,该回射器对分布在角向、横向上较大范围内的入射高斯光束仍均能实现方向性好、反射能量稳定的逆向反射。因此,将其作为激光器的光学谐振腔镜理论上可行,且具有调节要求低,腔长横向、角向移动范围大等优点,且该回射器的尺度小,易于实现谐振腔镜的小型化。

提出一种基于相干光纤束(CFB)的无扫描、无透镜3D内窥成像方法。与传统内窥成像方法相比,该方法以裸光纤束端面为探头,无需集成任何微光机元件,结构简单,体积小,极易微型化。该方法融合了合成孔径激光雷达(SAL)、宽带线性调频激光雷达和数字全息激光雷达等,利用宽带线性调频激光器产生主动照明信号,并采用CFB收集、传输目标散射回波,同时根据离轴数字全息原理通过使用高速CCD阵列相机记录回波信号,最后利用SAL数据处理方法重构目标3D图像。建立了3D内窥成像系统的数学模型,给出了3D内窥成像的数据处理方法。理论和仿真结果表明,所提方法克服了光纤束固有结构造成的像素化图像伪影,具有精确的横向和纵向3D成像感知能力。

针对传统高精度角位移测量方法中,存在制造工艺复杂、多测头结构复杂且安装困难等问题,提出一种基于旋转光场且整周封闭的高精度角位移测量方法。该方法借鉴旋转磁场产生原理,在整个圆周面上均布正弦型透光面,等间隔地将整圈透光面分成0°、90°、180°和270°四组,用单路交变光场为整周封闭的透光面提供交变光强信号,经光电转换和微控移相合成一路电行波信号,最后利用高频时钟脉冲对参考信号与电行波信号的相位差进行插补,实现了角度测量。通过搭建实验平台,对不同的原理样机进行对比实验,实验验证了制造精度和对极数对测量误差的影响,在整周360°测量范围内,采用圆心角为2°的等分透光栅面,测量误差可达±5.0″。由于测量误差主要由周期性误差成分组成,通过修正谐波误差以及提高光场分布质量,其测量精度还将有较大的提升空间。验证了该方法对制造和安装误差的抑制效果,为采用低精度制造工艺实现高精度测量提供了一种有效的实现方案。

玻璃、透镜等透明物体在光学系统中有广泛的应用,表面质量优劣对系统性能有较大的影响。利用光的偏振特性,提出一种基于偏振透射结构光的表面缺陷检测方法。利用所搭建的透射系统产生偏振透射条纹结构光,该结构光投射到被测物体表面,经被测物体后发生变形;然后采集变形条纹,提取相位信息,解出调制度,得到被测物体的表面缺陷信息。实验结果表明:所提方法能够消除灰尘的影响,并可以有效提高系统信噪比,有望用于平板厚透镜、大曲率光学透镜等透明物体的缺陷检测。

提出了一种基于单帧四灰阶条纹投影实时测量物体三维面形的新方法。该方法将四灰阶中非零三阶的不同灰度依次等宽循环排列以编码成一帧三灰阶条纹,将该三灰阶条纹投影到待测物体上,利用图像采集相机采集相应的四灰阶变形条纹,其中第四灰阶对应变形条纹图中的阴影区域。采用图像分割方法分别提取该四灰阶变形条纹中的三阶非零条纹,并通过二值化方法解调出三帧占空比为1/3且条纹相对错位1/3周期的二值化变形条纹。对上述二值化变形条纹进行基频提取后,通过傅里叶逆变换处理,可获得三帧相移量为2π/3的正弦条纹,最后利用相位测量轮廓术对物体三维面形进行恢复。实验验证了所提方法的可行性,所提方法刷新率快,且对投影仪伽马效应不敏感,在实时三维测量中具有广阔的应用前景。

针对准确、快速、便携测量大气中CO₂、CH₄等温室气体的需要,本文介绍了一种基于可调谐法布里-珀罗干涉仪(FPI)传感器的多波长温室气体测量系统。将FPI作为波长选择元件,利用干涉滤波片实现了在3100~4400 nm(波数范围为3226~2273 cm ^-1)波段内的连续测量。通过将测量的吸收光谱和CO₂的吸收截面拟合获得相关系数,进而计算得到CO₂的气体浓度。为了校正仪器分辨率低带来的非线性吸收效应,采用迭代算法优化CO₂的吸收截面。 结果显示,相比于直接拟和计算,CO₂浓度为4.08×10 ^-4时测量误差降低了18%。对系统的干扰优化、仪器精度、探测限等参数进行了验证,实验结果表明,气室内残留的CO₂浓度小于1×10 ^-6,仪器精度为±1.32×10 ^-6,当时间分辨率为10 min时,系统的探测限为1.13×10 ^-6(2σ,2倍标准偏差)。此外,利用该系统在合肥市科学岛进行了一个星期的室外测量,获得了CO₂浓度的日变化结果及昼夜特性,验证了系统的稳定性和可靠性。

为了实现大角度的光束扫描,提出一种基于混合蝙蝠算法的非均匀间隔光学相控阵来对栅瓣进行压缩。将遗传算法的算子与传统蝙蝠算法相结合,在相邻阵元最小间隔为2 μm,工作波长为1550 nm的情况下,优化得到的硅基64阵元一维非均匀间隔光学相控阵实现了80°的扫描范围,边模抑制比优于-8 dB,最大远场光束发散角为0.3°,并且讨论了优化结果对波长变化的不敏感性。最后,以8×8的二维矩形平面阵列为例,演示了二维非均匀间隔光学相控阵的优化方法。

针对现有视频跟踪算法因目标运动机动性强或非对称刚体目标快速变形等情况导致的目标丢失问题,提出了一种基于相关滤波自适应模型与平均峰值相关能量(APCE)重检机制的视频跟踪算法。自适应模型跟踪算法可根据目标区域的清晰度实时调整模型,有效保证目标跟踪模型的准确性。实验结果表明,将自适应模型跟踪算法融入判别式尺度空间跟踪(DSST)模型中,可增强模型对机动性强或快速变形物体的跟踪效果,在保证跟踪速度的同时,使原始DSST模型的平均精度提高了18.3个百分点,成功率提高了15.2个百分点。此外,将自适应模型跟踪算法与APCE重检机制相结合,可保证跟踪算法的稳定性。

组成与结构呈特定分布的微结构可控印刷是实现小型化、集成化非线性光学器件的关键技术。本工作以镍网为阳极并以钠钙玻璃(SLG)为盖玻片,通过显微热极化工艺印刷出在微米尺度下具有空间和几何可控的二阶非线性光学性能的SLG。微结构的二次谐波生成(SHG)与显微热极化过程中SLG样品、镍网和SLG盖玻片之间所形成的阳极夹层的介质阻挡放电(DBD)密切相关。结果表明:DBD诱导了SLG样品和覆盖层中强度呈几何形状分布的内部电场;能量色散X射线光谱和Raman光谱证实微结构SHG图案的产生归因于SLG的Na ⁺重新分布和结构重排引起的内部电场。该显微热极化技术适合于制备非线性光学元件。

调焦调平系统主要通过光学三角法的测量原理来实现,线阵电荷耦合器件(CCD)具有高帧频和高分辨率等特点,适用于高速且高精度检测的三角法测量。某调焦调平项目要求线阵CCD具有2048个有效像元,5 kHz的行读出频率,为此提出对最大额定读出频率为10 MHz的S11156-2048型线阵探测器进行12.5 MHz超频读出的驱动设计,以满足系统行读出频率的要求。首先从理论上验证超频读出的可行性,然后在电源、时序驱动和模拟前端的设计上展开细致研究,最后使用积分球光源在6.0 MHz的额定频率读出和12.5 MHz的超频读出下对线阵CCD成像系统的光电性能进行对比测试。实验结果表明,S11156-2048型探测器采用12.5 MHz的超频读出设计光电性能没有明显下降,信噪比为54.22 dB,电荷转移效率为0.999974,满足调焦调平系统的成像性能要求。

针对自由曲面面型所引起的偏振像差对系统的成像质量和测量精度的影响不可忽略,基于琼斯表示法提出含有条纹泽尼克多项式的自由曲面离轴光学系统的偏振像差分析方法,构建自由曲面反射光学系统的偏振像差解析模型,分析条纹泽尼克多项式中Z₅和Z₆项对视场离轴光学系统偏振像差分布的影响。通过全视场偏振光线追迹验证自由曲面对视场离轴光学系统的相位像差、相位延迟和二向衰减三种偏振像差的作用规律。针对含有自由曲面的大视场离轴三反光学系统进行全视场偏振像差分析。分析结果表明,相位像差分布与自由曲面面型矢高分布一致,二向衰减和相位延迟均为系统总体的50%。

光谱成像系统采用分区光栅作为分光元件,能够实现光学元件的复用,具有工作波段宽、光谱分辨率高和结构紧凑等优点。然而,该系统的孔径光阑位于分区光栅处,宽波段光束同时入射至各通道光栅区域上,不同频率光栅的多级衍射光会导致不同通道之间产生干扰,其难以被消叠级滤光片去除。该问题严重影响有效光谱信号的提取和分析,甚至淹没有效目标信号。通过光线追迹确定系统中衍射杂散光的来源,并根据分析模型计算衍射杂散光系数。根据光学系统的结构特点,提出采用线性渐变滤光片和光阑镀膜两种衍射杂散光的抑制方法,并分析了滤光片带宽要求以及光阑镀膜对衍射杂散光系数的改善效果。分析结果表明,光阑镀膜方法能够将系统的衍射杂散光系数降至0.57%。相较于线性渐变滤光片方法,光阑镀膜方法易于实现,适用于基于分光光栅的光谱成像光学系统的衍射杂散光的抑制。

基于多尺度特征结构堆叠与法布里-珀罗共振原理,设计了一种宽波段高吸收的多层齿轮形超材料吸收器,该吸收器由两层不同尺度的介质-金属堆叠组成。采用时域有限差分方法分析其吸收特性,数值仿真结果表明,该吸收器在300~4000 nm的波长范围内的吸收率均在89%以上,平均吸收率可达94%,呈现一定的偏振不敏感特性,在60°大角度斜入射时,平均吸收率仍能保持93%。通过对谐振波长处的电磁场分布进行分析,可以得出,该吸收器的宽波段高吸收特性主要由法布里-珀罗共振、表面等离子体共振、局域表面等离子体共振以及多种共振相互间的杂化耦合作用决定。这种宽波段高吸收、大角度吸收、偏振不敏感的吸收器在光伏电池、隐形设备等领域具有潜在的应用价值。

旋转双棱镜用于目标跟踪时,其光束转向与棱镜旋转之间存在非线性关系。基于两步法解算两套棱镜角位置逆向解,沿目标移动方向求其方向导数来计算棱镜转速与光束转向率的比值,分析不同指向目标沿不同方向移动时的棱镜驱动和控制要求。结果表明:对于确定的旋转双棱镜系统,目标跟踪对棱镜驱动和控制要求只取决于当前目标指向偏转角及目标移动方向与径向的夹角;目标沿切向或径向移动,将分别导致系统观测场中央区和边缘区目标跟踪的棱镜旋转控制奇异性;目标跟踪对两棱镜旋转驱动和控制的要求存在微小差异,基于两套逆向解的分析结果无显著差异。

实验研究了铯蒸气中受激简并四波混频(DFWM)产生的一对共轭光束的增益谱。结果表明,在简并二能级跃迁系统中,只有当基态的角动量大于或等于激发态的角动量时,才能发生基于受激DFWM的光放大效应。在考虑原子的所有塞曼子能态后,定性理论分析表明,该过程是在稳定的基态塞曼相干且初始塞曼子能级上有大量原子布居的前提下,基于多个N型跃迁环路实现的。并进一步分析了泵浦功率、原子数密度和单光子失谐等实验参量对DFWM信号增益的影响。此外,研究发现,额外引入一束波长为852 nm的抽运光,可显著提高DFWM的放大效率。

自动辐射定标是卫星载荷外场定标的最新发展趋势,其核心在于常态化地获得可与卫星观测数据比对的大气顶层(TOA)反射率。本文提出了一种基于包头场TOA反射率的卫星载荷在轨辐射定标方法,基于高精度参考卫星对自动辐射定标场的长时间序列观测数据构建TOA反射率经验模型,利用该模型对自动辐射定标场其他时间的TOA反射率进行校正,以降低其不确定度,提高卫星载荷辐射定标精度。以Sentinel-2A/2B卫星作为参考卫星,以包头场沙地靶标TOA反射率作为研究对象,对本文提出的方法进行验证和分析。结果表明:建立的包头场沙地TOA反射率模型具有较高的模型精度,模型预测值与Sentinel-2卫星观测值的平均相对偏差基本在2%以内(蓝色波段在3%以内);利用该模型能够有效降低包头场TOA反射率与Sentinel-2卫星实际观测的TOA反射率之间的相对偏差,二者之间的不一致性由5%~6%降低至3%以内,从而验证了本文所提方法的有效性。

提出了一种新型静态傅里叶变换光谱仪(FTS)。在该光谱仪的干涉系统中,采用两个具有周期性结构的微反射镜代替马赫-曾德尔干涉系统的平面镜,不仅无任何驱动部件,还无回溯光产生,进而实现了FTS的静态化和高光通量。介绍了静态FTS的工作原理,建立了基于微反射镜的马赫-曾德尔干涉系统模型,仿真得到了该干涉系统的干涉图和频域光谱图。与理想情况的结果相比,仿真得到的干涉图中条纹对比度下降且边缘区域较为严重,仿真得到的频域光谱图中主频峰值降低且基线噪声明显。分析表明,在光束倾斜入射时,两个微反射镜的阶梯式周期性结构不仅会造成干涉光场的能量分布不均匀和两束相干光束偏离,还会引起衍射效应。仿真结果表明,增加两个微反射镜子反射面的个数和子反射面的长度可以有效减小干涉图中信息的失真。进一步地,在满足光谱仪性能的前提下,减小两个微反射镜子反射面的阶梯间隔可获得理想的频域光谱图。

薄膜沉积是滤片制备过程中的核心环节,优化薄膜沉积工艺对于提高薄膜滤片的稳定性具有重要意义。本课题组采用脉冲直流磁控溅射工艺在不同氩气工作压强(0.05~1.0 Pa)下制备Zr薄膜,利用Zygo干涉仪测试薄膜的面形,计算得出薄膜应力,并通过X射线衍射仪和原子力显微镜表征了薄膜的微结构变化。研究发现:在大于0.1 Pa工作压强下制备的Zr薄膜表现为压应力,随着工作压强减小,压应力缓慢减小,并在0.05 Pa时表现为张应力;通过对物相结构和表面粗糙度的变化规律进行详细分析,进一步解释了张应力的产生机制。结果表明,金属材料塑性流动导致的微结构变化是张应力的主要成因。本研究为制备低应力自支撑Zr滤片提供了镀膜工艺优化的途径,在极紫外光刻、同步辐射、空间探测等领域有重要的应用价值。

受同色异谱影响,在测试光源下会有多种颜色对应参考光源下的某一颜色,这给颜色恒常性的形成带来了挑战。为了研究同色异谱在二维模拟场景下对颜色恒常性的影响,对CRT显示器上进行的非对称颜色匹配实验所获得的数据在同色异谱背景下进行了分析。结果显示:各测试光源下Munsell色卡上的颜色恒常性指数与其对应的同色异谱指数之间几乎不存在相关性;观察者的匹配色度值更接近基于传统完全颜色恒常性计算的理论色度值,而不是基于同色异谱体计算的质心色度值。结果表明,观察者在测试光源下的匹配结果受色卡对应的同色异谱程度的影响较小,观察者在匹配时会寻找更接近标准色卡的光谱反射比所对应的色度值,而不是同色异谱体的质心色度值。