基于雷达光学系统的几何概率因子,考虑望远镜接收系统副镜在主镜上的投影对激光光斑高斯强度分布的影响,引入蒙特卡罗积分法,改进离轴激光雷达几何因子的理论计算方法.在望远镜焦平面处添加合适的透镜,通过透镜的成像效应,保证回波信号的入射光瞳只与望远镜的口径有关,不受探测器有效接收面积的影响,以实现对系统几何因子的进一步优化,并分析焦距等透镜参数对雷达系统几何因子的影响.理论计算与实验结果进行对比,结果表明改进后的理论计算值比实验值的相对误差减小了30%,改进后的理论计算方法效果理想且简单易行.

大气气溶胶具有很强的时空变化特性,而气溶胶标高是反映大气气溶胶垂直分布特性的一个重要参量,常规获取大气气溶胶标高的方法需要多种仪器进行联合测量.基于均匀平行球面大气分层的假定,研究了利用太阳光度计的分层算法获取大气气溶胶标高的方法.结果表明,利用该分层算法可仅利用太阳光度计一种仪器同时获得各分层大气平均消光系数和光学厚度、气溶胶垂直分布高度、气溶胶标高等参数.该算法所得气溶胶标高与常规方法获得的气溶胶标高进行比较,相对误差在10%以内;得到的大气总光学厚度与整层算法计算的大气总光学厚度的相对误差小于2%.因而,利用该分层算法仅使用太阳光度计一种仪器来获取气溶胶标高的方法是可行的,拓展了太阳光度计的应用.

基于湍流中调制传递函数的数学模型,从理论上研究了大气相干长度和系统光瞳直径对积分分辨率和像斑半径的影响.采用内插值法,分别给出长曝光和短曝光条件下分辨率和像斑半径的近似代数解.结果表明,在系统光瞳直径小于大气相干长度时,分辨率主要受光瞳直径限制,增大光瞳直径可提高分辨率,然而随着其值的继续增大,对分辨率的改善不再明显,因为当光瞳直径大于大气相干长度时成像性能逐渐由湍流限制.光瞳直径与大气相干长度的比值趋于无穷大时,分辨率和像斑半径受大气相干长度的限制有一个极限值.短曝光条件下,去除了大尺度漩涡所产生的倾斜效应,系统的积分分辨率和像斑半径性能要好于长曝光条件.对于短曝光近场,与长曝光相比,其积分分辨率的最大值提高了3.5倍,像斑半径最小值减小了1/2.

提出一种基于标准黑体辐射源对宽谱太赫兹探测器进行响应度定标的方法.该方法包含一个直线型校准装置、两个定标流程和相应的模拟程序.考虑实验室温度、湿度和低通滤波器的透射特性,用该方法实现了4.2 K硅辐射热太赫兹探测器的响应度定标.对黑体辐射的傅里叶变换光谱进行测试,验证了定标程序和定标结果.分析定位了定标装置的三种主要误差来源,并提出相应的改进措施.所提定标方法适用于热释电太赫兹探测器、微型辐射热太赫兹探测器等宽谱太赫兹探测器的响应度定标.

MSM(金属-半导体-金属)型光电探测器的较低寄生电容和高带宽的特点使得其应用广泛,可用于空间通信、遥感等多方面,但暗电流偏大仍是制约其发展的重要因素.为此,本文研制了100×100 μm2 面积的InGaAs-MSM光电探测器,通过设计InAlGaAs/InGaAs短周期超晶格和InAlAs肖特基势垒增强结构,将器件暗电流密度降至0.6 pA/ μm2 (5 V偏置),改善了目前同类器件的信噪比.对器件光电参数进行了表征:3dB带宽6.8 GHz,上升沿58.8 ps,1550 nm波段响应度0.55 A/W,光吸收区域外量子效率88%.分析了短周期超晶格和肖特基势垒增强层对暗电流的抑制机理.

为了克服线性调频技术中的旁瓣过高的缺点,提出一种基于非线性调频技术的光脉冲压缩反射仪方案.将非线性调频脉冲信号通过单边带调制器调制到光信号上,并将光电探测器接收到的瑞利散射、端面反射等信号和该非线性调频脉冲信号进行匹配滤波,得到脉冲压缩曲线.理论、数值仿真和实验证明了非线性调频技术能有效抑制光脉冲压缩反射仪中的旁瓣.实验结果表明,使用相干长度为2km的光源,该方案的测量距离可达5.4km、空间分辨率达16.5cm、非线性调频的旁瓣抑制比比线性调频高5.8dB.

提出了一种基于超高分辨率光谱分析实现周期性光信号频域中相位分布的测量方法.在已测得待测信号高分辨率光谱的情况下,利用马赫泽德调制器载波抑制效应调制激光器产生双泵浦,激发高非线性光纤中的受激布里渊散射效应形成有源双滤波器.用泵浦激光器在测量波长范围内进行连续扫描,得到包含待测信号相位信息的拍频信号,经数据采集和处理后得到待测信号频域上的相对相位信息.实验给出了速率为5Gb/s,字长为31bit的周期性光信号在频域上的相对相位分布信息,证明了这种有源双滤波器的频率响应特性可以满足相位测试的需要.

提出一步定轴法以提高保偏光纤偏振轴定位和对准技术中侧视成像法的定轴效率.一步定轴法通过光强图像与标准图库之间的相关运算实现定轴,定轴过程中不需要旋转光纤.采用光强内插处理以及选择最佳观测平面两种措施提高一步定轴法的定轴准确度.以熊猫型保偏光纤为研究对象,利用光线追迹法仿真计算出不同观测面的光强图像.以相关峰值处的尖锐程度作为定轴准确度的判据,分析内插前后以及不同观测面的定轴准确度.结果表明,这两种措施均可提高定轴准确度,并获得优于0.3°的理论定轴准确度.

分析了泵浦光纤不同锥区长度对(1+1)×1耦合器效率的影响,相同锥区长度不同泵浦臂数量对(1+1)×1耦合器与(2+1)×1耦合器效率的影响,结果表明泵浦光纤锥型区域越长,通过泵浦光纤进入信号光纤的泵浦光越多,泵浦耦合器的耦合效率越高和相同锥区长度下,泵浦臂数量越多,泵浦耦合器耦合效率越低.根据分析结果制作了(1+1)×1耦合器与(2+1)×1耦合器,通过两个(N+1)×1耦合器级联方式形成级联泵浦耦合器.测试了由两个(1+1)×1耦合器组成的级联泵浦耦合器,在总注入泵浦功率602 W的情况下输出泵浦功率564 W,级联泵浦耦合效率高达93.6%.由两个(2+1)×1耦合器组成的级联泵浦耦合器,在总注入泵浦功率1 210 W的情况下输出泵浦功率1 120 W,级联泵浦耦合效率高达92.5%,实现了千瓦级泵浦功率输出,且两种级联泵浦耦合器信号光损耗均小于0.4%.利用此方法将耦合器形成级联结构可有效提高光纤激光器系统泵浦输出能力,实现千瓦级高功率输出.

为解决传统大视场高分辨相机光学系统复杂、成本高昂等问题,利用同心多尺度计算成像系统,通过图像处理方式校正简化的光学结构残留的球差和倍率色差.分析光学系统的像差特性,得到不同波长的成像数据,并根据系统参量和像差表现,用红、绿、蓝三通道分别校正方案对图像进行处理.首先采用非线性图像缩放法,统一不同色光的放大倍率,完成倍率色差的校正;然后针对光学系统的点扩散函数随空间位置变化的特性,对各通道模糊图像进行分块,用Lucy-Richardson算法对每一个图像块进行图像复原,完成单色像差校正;最后融合三通道获得校正图像.用均方误差、峰值信噪比和结构相似度等方法进行图像质量评价,结果表明本文方法能够有效校正计算成像系统中的残留像差,提升图像质量.

针对场景中存在前景目标运动的抖动视频,提出一种抗前景干扰的自适应电子稳像算法.算法以视觉对运动的感知为指导,采用基于块的三帧间差分,利用时空一致性快速剔除运动前景区域;改进传统Harris算子,用网格筛选和显著度排序,对背景区域进行全局显著特征点的提取和配准,保证全局配准准确度;用统计分布的距离准则去除误匹配点,无需特征点迭代运算,提高了全局运动估计的速度和准确度.在Sage-Husa自适应运动滤波方法的基础上,改进了修正过程噪音和观测噪音的统计特性,模拟摄像机低频匀速运动的视觉平滑效果,有效解决摄像机抖动中存在的扫描运动.在Intel 酷睿2四核2.33 GHz的微机上用VC++进行实验,结果表明,该算法对320×240像素的视频序列能够达到22 fps的处理能力,可以实时稳定含较大或多运动前景目标的复杂抖动视频,输出视觉完整流畅的真实扫描场景.

为了解决自然灾害遥感影像中局部存在浓雾的问题,提出了一种基于暗原色先验和雾天图像退化模型的图像去雾方法,并利用导向滤波实现光学遥感影像的去雾.首先,结合自然灾害遥感图像的特点,利用阈值将图像分为浓雾区域和薄雾区域,采用不同的方法得出两个区域的暗通道图;然后,结合导向滤波对透射率图进行优化,再对图像进行对比度拉伸,提高图像的动态范围,并选取多幅遥感图像进行去雾试验.最后,设计了一组图像增强质量评价指标,对去雾结果进行定量分析.结果表明,该方法能从物理特性上明显去除雾的干扰,提高图像清晰度,增强图像色彩和细节,从而复原得到高质量图像,在一定程度上能满足自然灾害遥感图像去雾的要求.

研制了一种短余辉、高分辨率、快时间响应的高速选通超二代像增强器,通过光纤锥与CCD进行耦合成高性能距离选通ICCD,理论分析各部件的性能及其对系统空间分辨率的影响;采用FPGA设计电路控制系统,该系统产生出纳秒级的选通门宽以实现对ICCD的数字控制,同时可以对选通脉冲宽度和延时时间进行调整以实现不同亮度以及距离目标的清晰成像,降低背景噪音以及增大成像的动态范围.此外,该系统具有增益监控和调节功能,信噪比达到20∶1 dB,在超二代像增强器阴极和微通道板输入面之间加幅度为－200 V、宽度为3 ns直流连续可调的选通脉冲以实现对增强器的选通,为了提高光电阴极补充电子的速度,在输入窗内表面光刻有线宽为5 μm、间距为50 μm正方形格栅以保证选通门宽为3 ns时光电阴极有足够快的响应速度,选通频率最高可达到300 kHz,实验测试在微通道板电压为700 V、荧光屏电压为5 000 V时增强器增益可达10 718 cd/m2 lx,ICCD系统空间分辨率达到29.7 lp/mm.

对高轨目标成像时为减小恢复图像中的噪音,需对相干阵列系统参量进行优化以提高强度相干成像质量.根据强度相干原理分析空间频谱测量噪音和相位恢复噪音产生的原因,在高频探测器数量固定情况下,分析相干阵列的集光面面积、探测器排布间距等参量对成像质量的影响.通过室内实验,研究最优集光面面积和最短观测基线的选取方法.实验结果表明:对于14星等的地球同步轨道卫星,阵列最短基线长度为光场横向相干长度0.61倍,集光面直径为光场横向相干长度的0.46倍时可获得最佳成像效果.对阵列的优化能够提高强度相干成像质量.

根据红外望远镜2m非球面拼接主镜的要求,通过非球面方程导出波像差表达式,建立波像差与干涉亮纹之间的关系,建立ZEMAX模型,编写MATLAB程序对拼接误差与干涉条纹的泽尼克多项式像差之间的关系进行仿真.提出基于误差灵敏度矩阵实现误差线性反演的方法,建立整个拼接镜的误差反演算法,并对单个扇形分块镜的拼接误差进行反演.结果表明当拼接平移误差小于1 mm或倾斜误差小于1°时,反演误差优于3%且迅速收敛,当拼接误差小于0.1 mm或倾斜误差小于0.1°时,反演误差优于0.5%,且随着拼接误差的继续减小而趋近于零.该反演方法准确度高,算法简单,有效,适合工程应用.

采用平面波展开法,研究铜币形空气孔二维三角晶格光子晶体的完全带隙随结构参量变化的规律.研究表明:铜币形散射子结合了空气孔型和介质柱型两种光子晶体的优点,有利于获得更宽的完全带隙.该光子晶体大完全带隙对由制备工艺上引起的材料掺杂和空气孔半径的偏离具有一定的稳定性.为了获得完全带隙,组成光子晶体的两种介质要有足够大的介电常数对比度,铜币形空气孔二维三角晶格光子晶体在ε=11.8时出现完全带隙.对参量分组优化发现,在ε=22.75,R=0.483 μm,d=0.195 μm,φ=90°,G=1.3时,完全带隙的宽度Δωa /2πc获得最大值0.136 1,带隙率为33.55%

为实现高效的光学隔离器,设计了两边镀金属薄膜带缺陷的一维磁光光子晶体系统,并用修正的特征矩阵法研究了它的传输特性.在磁光光子晶体微腔缺陷模式与金属等离子体产生耦合共振的条件下,该结构呈现单向传输的特征.隔离器的传输性能依赖于光的入射角度、微腔和两侧金属薄膜的厚度;在入射角为45°,微腔和金属薄膜厚度分别为449 nm和150 nm时光隔离器具有较好的性能.

利用具有相反热光特性的氮氧化硅与聚合物材料,采用混合集成波导结构设计了一种低功耗S型可变光衰减器.该衰减器以聚合物为芯层材料,氮氧化硅为包层材料,在弯曲波导上方制作加热电极从而通过热光效应来实现可调谐的衰减功能.理论分析表明,对于1.55 μm的工作波长,衰减器实现50 dB的衰减仅需要3.6 mW的功率.实验结果可实现0~40 dB的衰减范围,相应的最大温度变化为70.4℃,器件插入损耗为5.4 dB.

采用Kretschmann结构激发表面等离子体,利用多孔陶瓷材料SiO2作感湿材料,当外界环境的相对湿度变化时,引起感湿层SiO2的折射率发生相应变化,导致表面等离子体共振角发生偏移.采用有限元法对传感系统在不同感湿层折射率下的反射谱进行了模拟分析,并根据反射谱的共振半峰宽和共振峰深度对金膜的厚度进行优化.研究结果表明:金膜的最佳厚度为55 nm,反射谱的共振角偏移量与感湿层折射率变化呈线性关系,湿度检测的分辨率高达0.37%RΗ,灵敏度达到0.03°/% RH .该研究对基于表面等离子体共振原理的湿度传感器的研制与应用具有一定意义.

为了实现高Q值极小模体积的表面等离子体微腔,提出一种混合表面等离子体微盘腔,介质微盘上放置横截面为矩形的金属纳米环形条,微盘腔中间由低折射率材料隔离.用有限元法对混合微腔的模式特性进行数值模拟,研究了其品质因子、有效模式体积和腔外能量比随器件几何尺寸的变化规律.结果表明,所设计微盘腔具有较低的传播损耗、较强的光场约束能力和较高的腔外能量比,品质因子高达7 000,最小模体积仅为0.315 μm3,可实现高灵敏度折射率传感.

在每个耦合腔中囚禁一个二能级原子并考虑原子与腔场的共振,研究二能级原子与耦合腔的相互作用.数值计算了耦合腔系统中系统、原子和腔场的保真度演化,讨论了腔场间耦合系数变化对保真度演化的影响.结果表明:随着腔场间耦合系数的增大,系统和原子的保真度从不规则振荡逐渐转变为准周期性振荡;腔场的保真度周期性变化;随腔场间耦合系数的增大,原子保真度降低,腔场的保真度增大.

利用电磁感应透明技术,在一维光晶格中相干驱动四能级N模型冷原子,实现动力学可调谐电磁感应光子带隙结构.在该原子系统中,光晶格中的原子密度呈高斯分布,使整个介质的密度在空间上呈周期性分布,导致探测场的折射率被空间调制,从而产生带隙结构.理论计算表明:基于两强耦合场的双暗态共振作用,探测场的吸收谱出现两个透明窗口;当满足Bragg条件时,探测场的三个不同频率区域内光子态密度减小,形成光子带隙结构.另外,改变两个耦合场的强度和失谐可以有效地调控光子带隙的宽度和位置.

提出一种基于等时间间隔内光子数奇偶随机性光量子随机源.将连续波激光二极管发射的光衰减成离散的单光子序列,利用雪崩光电二极管单光子探测模块来探测光子,通过测量等时间内探测到光子数的奇偶性来提取随机位.研制出了基于现场可编程门阵列的随机位提取电路,测试和分析了时间间隔大小和单光子计数模块的性能参量对所设计随机源提取随机数性能的影响.根据系统平均计数率自动设置时间间隔大小,实现了偏差小、速度快的随机位产生器.所设计随机源工作在计数率为20 Mcps,时间间隔设置为0.5 μs时,可获得2 Mbit/s的随机位产生速率.运用随机性检测包ENT和STS对所获得的随机位序列进行测试,表明序列的随机性满足真随机数标准,不需要后续处理.

研究了倒Y型四能级原子系统中相干控制电磁诱导透明.应用微扰理论给出一阶近似条件下,不同控制场原子系统对探测光场响应的解析式及电磁诱导透明窗宽度的解析式.在探测场为弱场时,分析了系统中控制光场强度、耦合光场强度及其失谐量对电磁诱导透明窗的影响.研究发现电磁诱导透明窗随控制光场强度的增强变宽,而随耦合光场强度的增强变窄,当探测光场与耦合光场偏离双光子共振时,透明窗外的吸收增加,透明窗变宽.在弱探测场、弱控制场条件下,分析了初始时刻原子处在相干叠加态时的相对相位、相对强度与探测场和控制场的相对相位等对系统吸收特性及透明窗的影响.结果表明探测场与控制场的相对相位对吸收的影响与相干叠加态中两能级之间几率幅的相对相位对吸收的影响作用相反,系统在两下能级干涉极大时,存在一个很宽的透明带.应用缀饰态理论和量子相干理论对所得结果进行了解释.

基于小斜率近似法建立了粗糙面激光散射双向反射分布函数的数学模型,采用该模型计算了粗糙度参量已知的合金铝样片的双向反射分布函数值,计算结果与实测结果吻合良好,验证了模型的正确性.研究了粗糙度参量和样片光学常量对双向反射分布函数的影响,结果表明,粗糙面激光散射的双向反射分布函数与表面高度起伏均方根、自相关长度及样片光学常量相关.当入射波长一定时,高度起伏均方根越大,或者自相关长度越小,粗糙面粗糙度越大,入射激光的漫反射特性越强,双向反射分布函数峰值越小且分布越分散;当粗糙度一定时,样片光学常量对双向反射分布函数影响较大,粗糙面对入射激光复折射率的虚部越大,样片双向反射分布函数的峰值越小,当粗糙度参量增大时,样片光学参量对双向反射分布函数的影响逐步减弱.

利用小波变换对小波低频系数置零、高频系数阈值量化,实现了光谱信号的基线校正和谱线去噪;对光谱信号进行多尺度小波变换,搜寻各层小波系数模极值所构成的脊线,并对其中复合脊线进行校正,脊线中小波尺度参量最大时所对应的位置即为峰位;根据得到的峰位值,在最小二乘意义下寻找由多个单峰高斯函数叠加而成的最佳拟合光谱,得到谱峰峰强以及峰宽信息.利用该算法对含有基线漂移和随机噪声的光谱重叠峰进行解析,结果表明该算法能够较好地分离重叠峰,其中利用多尺度小波变换求解得到的峰位值偏差在±1.3以内,通过高斯拟合得到的峰强值偏差不超过8.5%.与现有算法求解得到的谱峰信息对比可知,本文所设计的光谱重叠峰解析算法具有一定优势.

配制不同微水含量的绝缘油样,对每组油样进行红外光谱扫描,得到油样中水分在特征波数处(1 640 cm－1、3 400 cm－1、3 450 cm－1、3 615 cm－1)的吸光度值;定义油液中水分均匀系数,构建含微水绝缘油的粘度计算模型;实验测试含微水绝缘油40℃的运动粘度值,并与粘度计算模型的计算值进行比较.结果表明:本文所构造的计算模型能够有效地反映微量水分对油液运动粘度的影响;运动粘度实测值与计算值的相关系数为0.9449,误差范围为－4.458×10－4~5.175×10－4.

研究分布式反馈激光器的温度电流调谐特性及氟化氢气体在近红外波段的吸收线分布特征.利用归一化洛伦兹函数实现Voigt线型快速近似计算,并分析气体吸光度曲线的Voigt线型拟合以及波长扫描气体浓度反演算法.选择1.28 μm附近氟化氢气体单根吸收线作为目标吸收线设计可调谐二极管激光吸收光谱系统,对已知标准浓度氟化氢气体配置的不同浓度气体进行测量.系统的检测限达到1.12 ppm-m,且具有较高的测量准确度和长期稳定性,满足氟化氢气体实时在线监测的需要.

利用F7000荧光分光光度计测得橄榄油等几种食用油及其煎炸油的三维荧光光谱,并用提高峰值阈值等算法进行分析.分析发现:不同品种食用油的三维荧光等高线图差异明显,具有指纹特征性;同一种食用油经过不同时间高温加热后的三维荧光光谱存在荧光等高圈中心波长红移、峰值强度减弱趋势.利用吸收光谱法测得同一种油加热不同时长油样的透射光谱并进行比对,发现差异性不明显.实验表明:食用油的三维荧光光谱指纹特征可用于食用油品种的鉴定,根据其荧光峰值强度大小、中心波长位置可以实现食用油品质的定性分析.

研究了结晶紫包裹的银包金纳米粒子进入红细胞的实时过程.利用激光光镊喇曼技术每隔20 s通过光镊囚禁红细胞并收集该细胞及邻近溶液的喇曼光谱,抽取光谱中具代表性的特征峰来观察其强度随时间的变化.结果表明:从囚禁的红细胞中收集到的光谱包括了归属红细胞与结晶紫的特征峰.红细胞的光谱特征峰1 001、1 128、1 213 cm－1和结晶紫的光谱特征峰915、1 177、1 389、1 586、1 619 cm－1的强度随着时间增加,表明在红细胞与纳米粒子共培养的过程中,纳米粒子在红细胞中累积,并引起红细胞信号增强.分析红细胞与其邻近溶液的光谱差,发现归属结晶紫的光谱特征峰913、1 179、1 586 cm－1随时间呈类余弦的变化,表明红细胞内的结晶紫包裹的银包金纳米粒子含量先升高后降低再升高.通过计算得到纳米粒子开始进入红细胞的时间范围及进入的速度、被溶酶体降解的速度.研究表明表面增强喇曼技术为研究外物进入细胞提供了新的实验方法和思路.

针对热弯玻璃成形法制备高精度超薄反射镜时Pt分离膜造成的镜片污染问题,研究了Pt/Cr分离膜中不同Cr层厚度对热成形超薄反射镜玻璃基底表面粗糙度的影响.采用厚度为0.3 mm的Schott D263玻璃作为超薄反射镜基底材料,选取Pt、Pt/Cr作为模具和D263镜片之间的分离层材料进行实验.Pt薄膜的厚度为50 nm,Cr层厚度分别为5 nm、3.5 nm、2.5 nm、1.5 nm,热成形实验采用“直接”复制方式.实验结果表明:Cr层厚度为1.5 nm时,成形后模具表面分离膜未发生脱落,镜片表面粗糙度约为0.5 nm,与D263镜片初始值接近,能够满足高能X射线望远镜对反射镜基底表面粗糙度的要求.