针对室内可见光通信调制技术问题, 提出翻转光无载波幅度相位调制和单极性光无载波幅度相位调制两种功率有效的调制方案, 二者分别采用“正、负模块极性分组”以及“零值位置极性编码”方法实现信号单极性处理, 以满足可见光通信“强度调制/直接检测”的要求.基于朗伯辐射模型, 考虑到高斯背景光噪声的可见光直射传输信道, 推导了包括直流偏置光无载波幅度相位调制在内的三种调制方案的误比特率闭式表达式, 仿真验证了其准确性.在此基础上, 分析比较了三者频带利用率, 讨论了信道参量对光无载波幅度相位调制系统误码性能的影响, 结果表明, 在5 m×5 m×3 m的室内场景下, 与发射机辐射角为30°和45°相比, 0°时的系统误码性能分别优于6.9 dB和29.9 dB; 收发机距离为1 m时, 误码性能比2 m时改善近12 dB.

采用包层泵浦的全保偏八字腔结构搭建了一种脉宽可调的掺镱锁模光纤激光器, 实现了中心波长为1 064 nm、重复频率为4.683 MHz、脉冲宽度可调范围为0.8～5 ns、对应平均功率范围为74.8～429.7 mW的耗散孤子共振方波脉冲输出.腔内无需偏振控制器, 仅通过调节泵浦输入即可实现锁模状态的自启动, 并能够长时间保持稳定, 在剧烈振动条件下亦不会失锁.采用两级光纤放大器进行功率放大, 实现了100 W的平均功率输出, 峰值功率高达26.68 kW.

针对分布反馈式光纤激光水听器在用于水声探测时极易受加速度效应干扰的问题, 设计了一种双膜片对称结构的光纤激光水听器, 对该水听器的抗加速度性能进行了研究.建立了双膜片结构水听器的加速度灵敏度理论模型, 分析了水听器各部件的尺寸大小、材料参量与水听器加速度灵敏度的关系, 实现了对水听器结构的优化设计;加工制作了分布反馈式光纤激光水听器原型样品, 并进行了实验研究.测量结果表明, 在2.5～10 kHz的频率范围内, 该结构水听器的平均声压灵敏度为－132.6 dB, 波动幅度不大于±0.5 dB, 加速度灵敏度小于－28 dB.该水听器在保证了较高声压灵敏度与平坦的响应曲线的同时, 抗加速度性能也得了有效改善, 可大大提高光纤激光水听器阵列在运动状态下对远距离目标探测的信噪比.

基于光场的两平行平面表示方法, 针对光场相机两参考平面间的共轴空间距离变换、离轴空间距离变换、轴旋转和沿轴旋转以及透镜作用等对光线描述方式的影响, 给出了相应的光场矩阵变换方程, 并利用这些方程, 建立了光场相机的成像模型、采样模型及辐射传输模型.从光场共轴空间距离变换的观点出发推导出可实现不同点清晰成像的数字重聚焦公式.利用所建立的模型, 计算机仿真生成了目标景物, 并用所建立模型对生成景物进行了数字重聚焦, 验证了数字重聚焦后的图像与直接聚焦图像的一致性.

为了在低照度条件下获取目标的彩色图像, 提高夜间对目标的识别能力, 提出了基于四波段图像融合的彩色夜视方法.采用F-P滤光片设计出了透射中心在三基色光中心波长及近红外波段的四波段滤光片, 在各个透射区域的平均透射率均达90%以上; 将四波段滤光片设计成圆形滤色轮结构, 用分光计测得了各波段滤光片的光谱透射性; 对加入滤光片后的系统信噪比进行了分析和计算, 分析结果表明加入滤光片不会引入噪声, 计算结果表明加入蓝色、绿色、红色和近红外波段滤光片的成像系统的信噪比分别是原来单色微光夜视系统信噪比的19.59%、38.45%、47.28%和46.70%.借助国产超二代像增强器在微光实验室进行了四波段图像采集及彩色图像融合实验, 实验时光照度分别为1×10－3lx和1×10－1lx, 对获取的图像质量进行了评价.结果表明：在照度为1×10－3lx时, 融合的彩色图像在均值、方差和熵这三项指标上均优于过滤后的蓝色和绿色的单色图像, 且由于彩色图像中利用了近红外图像进行增强, 使得彩色图像亮度更高, 颜色分辨性更好; 在照度为1×10－1lx时, 融合后的彩色图像的信息熵比红、绿、蓝三种基色图像的大, 彩色图像携带的信息量更大.本文的研究对彩色夜视成像系统的设计和研发具有借鉴和指导意义.

为了充分利用高光谱图像蕴含的丰富的光谱信息和空间信息, 提出了结合多尺度空间滤波和层级网络的基于结构保持的高光谱特征选择算法.算法利用基于l2,1范数的数学模型, 选出同时保存全局相似性结构和局部流形结构的特征子集; 在多个尺度的窗口中使用双边滤波, 自适应计算滤波核, 自动在光谱数据中融入空间信息, 增强了类内相似性和类间相异性, 避免了参量选择; 引入层级结构实现空间信息和光谱信息的深入融合, 提高了分类准确度; 讨论了层级数目和窗口尺度个数对分类准确度的影响.在Indian Pines和PaviaU两个数据集的实验表明, 该算法在大部分地物种类上的分类准确度都有较大幅度的提升, 总体分类准确度分别达到90.98%和94.20%, 相比其他方法明显提高了地物分类准确度.

针对传统线结构光光刀平面标定方法测量精度不高, 应用范围小的问题, 提出基于平面标靶的线结构光系统光刀平面标定, 对无激光的标靶图片进行迭代摄像机标定, 有激光的标靶图片进行光刀平面标定.提出光强符合均匀分布的平顶激光检测中心算法, 将平顶激光建模为矩形的台阶函数, 估计背景亮度和前景亮度, 确定亮条纹宽度, 再将窗口内的有效像素参与重心计算, 得到光条纹中心.用该算法对不同噪声及不同量块的图片进行处理, 结果表明, 处理后图像的均方根误差分别在0.149 pixel和0.176 pixel内, 表明该算法抗噪声能力强、精度高.用该算法提取光条中心, 计算光条在标靶上的位置, 根据至少两个姿态下的光条中心三维点, 基于最小二乘法拟合光刀平面.通过迭代摄像机标定和光刀平面标定, 利用三角测量法, 在立体视觉模型下获取物体的三维点云数据.实验测量两个距离为100.5 mm的标准球, 相机与标准球距离为500 mm, 比较两球心距离与标准距离, 测得平均误差为0.236 mm.表明平顶激光检测中心算法切实可行, 光刀平面标定方法基本满足要求.

提出一种基于光克尔门空间扫描的单次激光信噪比测量方法.在该方法中, 门光和探测光在光克尔介质中正交传输, 通过光克尔门对探测光的空间扫描实现激光信噪比测量.采用该测量方法进行了单次激光信噪比测量的实验研究, 测得时间窗口和分辨率分别为88.2ps、2.7ps.由于取样门是由光克尔效应来控制, 因此该激光信噪比测量方法对于待测激光的波长没有限制.

压缩真空光输入和平衡零拍探测可有效增强Sagnac效应, 提高陀螺精度;考虑平衡零拍探测的相位精度与相位自身相关, 仅在某特定相位能达到最佳灵敏度, 设计了一种基于光子计数法提取Sagnac输出相位的方案, 并利用贝叶斯理论估计相位.理论分析结果表明, 该方法能突破散粒噪声极限, 相位精度不再受限于相位自身, 且当压缩真空光和相干激光功率相同时, 精度在理论上能达到海森堡极限.

为了保证某离轴三反光学系统空间相机光机结构的高稳定性与高准确度, 针对该光学系统中次镜、折叠镜组件轴向空间位置接近的特点, 设计了次镜、折叠镜组件一体化的前框架结构, 并提出了一种结合了自由模态与约束模态的拓扑优化方法来优化相机的前框架结构.将优化后的前框架模型带入整个相机, 并对整机进行有限元分析.结果表明, 光轴呈水平状态, 次镜、折叠镜相对主镜的倾斜分别为9″与22.4″, 次镜相对于主镜的偏心为0.021 mm, 均在光学系统公差要求范围内.此外, 对前框架结构进行自由模态分析与试验, 结果验证了优化方法的正确性.所提出的拓扑优化方法可以有效避免基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷, 能够为高分辨、宽视场空间相机光机结构的设计提供参考.

为满足条纹相机便携化、智能化的发展需要, 研制了一种高适用性的分布式智能控制系统, 实现了对条纹相机工作参量的监测, 对电极电压、扫描工作模式的精确控制以及对图像的采集与处理.基于物联网技术框架与客户端-服务器的结构模式, 实现了有线及无线设备扩展的多机协作功能与移动监控功能.并针对该控制系统, 设计了具有自保护功能的自激型反激式可调高压电源模块, 基于自激式拓扑的简单结构, 实现了电源的小型化, 且线性调整准确度可达1%.采用Nd∶YLF脉冲激光器(脉宽8 ps, 波长526.5 nm)对应用该控制系统的可见光皮秒条纹相机进行标定, 测试得到动态分辨率为12.75 Lp/mm(CTF=14%), 动态范围为234∶1, 时间分辨率达到14 ps.

基于复合式变焦系统结构, 提出了一种三组元连续变焦设计数学模型.在该模型的指导下, 针对中波制冷型15 μm、640×512的凝视型焦平面探测器, 设计了一款紧凑型高变倍比连续变焦光学系统.该系统工作波段为3.7~4.8 μm, F数为4, 利用该模型分配光焦度、计算初始点得到系统焦距变化范围为9~740 mm, 变倍比达80×.整个光学系统仅采用硅、锗两种红外材料, 共八片透镜, 利用二次成像方法及45°反射镜对系统进行了U型折叠, 在实现100%冷屏效率的同时有效控制了横向和纵向尺寸.完成了各动组凸轮曲线的优化设计和对比分析, 从光学传递函数、点列图、畸变、冷反射及环境适应特性等多方面对系统进行了分析.结果表明, 该系统具有变焦轨迹平滑、冷反射抑制特性优良、成像质量佳、环境适应性好及工程可实现性等优点.该数学模型的正确性和可行性也得到了验证.

定向背光柱透镜光栅式多视点自由立体显示器的串扰和亮度均匀性问题是影响其广泛应用的主要因素之一.本文通过分析串扰产生的原因, 根据偏轴光线的成像光学原理, 推导出液晶显示屏光开关板列单元与柱透镜组成的偏轴光学系统的参数计算式.提出一种液晶显示屏光开关蝶形单元结构, 设计了采用该蝶形单元的定向背光自由立体显示背光源模组.模拟仿真结果表明：所设计的定向背光自由立体显示背光源可消除自由立体显示的串扰; 在视点平面90%观看区域的串扰度小于0.5%, 光束10%峰值宽度的串扰面积比γ=0, 光束90%峰值宽度比普通液晶单元结构的增大37%, 改善了不同位置观看图像亮度变化大的问题.

给出了适用于0.1~5 keV的平响应X射线光阴极的设计方案.采用两层不同厚度、相同面积的相同金属材料制备X射线光阴极, 两金属层的厚度和微观结构经过优化后, 在惯性约束聚变实验感兴趣的能区具有良好的平响应特征, 不需要复杂的解谱过程.选取4种不同的光阴极材料, 改变厚度和占空比设计, 计算得到了光阴极不平整度.模拟结果表明, 该光阴极在0.1~5 keV能量响应基本一致, 不平整度优于5%.

提出了一种由新型沟槽耦合器和90°弯曲波导构成的InGaAsP/InP基矩形马赫-曾德电光调制器, 对该调制器的L型波导相移臂设计了T型类微带行波电极.首先利用电极的等效电路估算带宽上限, 进而在考虑阻抗匹配、回波损耗以及带宽等性能的基础上, 使用有限元方法对电极的传输、输入/输出以及过渡区的结构参量进行优化.仿真结果表明由于受到电极输入及过渡区的性能限制, 设计的整体行波电极匹配阻抗大于42 Ω, 回波损耗小于－15 dB, 带宽可达65 GHz.测试制备的Ti/Au行波电极, 得到回波损耗为－12 dB和带宽为20 GHz的最优性能.

为了设计更好的LED平板灯光学结构, 解决现存的直下式LED平板灯厚度大, 光源密度大的缺点, 提出了两种兼具反射、投射作用的混光元件结构：椎台结构和半球型结构, 并将其应用于超薄直下式LED平板灯的设计, 以增加光线的耦合距离来提高出光均匀度.借助Tracepro软件研究两种不同结构混光元件应用于LED平板灯时的出光均匀度和光效率, 运用Taguchi方法设计实验进行研究.结果表明, 带有棱锥型结构元件的灯具均匀度达到95.42%, 光效率达到92.72%, 而带半球型结构元件灯具均匀度达到97.67%, 光效率达到92.65%, 其均匀度高于棱锥结构的原因是棱锥形状混光元件反射面的定向反射导致光线方向过于集中.

提出一种基于分布反馈光注入锁定效应的可调谐光电振荡器, 其环路主要由马赫曾德尔调制器、光电探测器、环形器、分布反馈激光器和射频放大器顺接而成.分布反馈激光器是系统关键器件, 通过分布反馈激光器光注入锁定效应, 分布反馈腔在光域实现了微波光子滤波器功能, 无需传统光电振荡器必须的射频带通滤波器.同时, 由于分布反馈激光器注入锁定提高了环路Q值, 因此系统可采用短环路结构, 从而降低了光纤因温度敏感对微波信号稳定性的影响并减小了整个系统的尺寸.另外, 通过调节注入光波长和功率可改变该微波光子滤波器的中心频率, 从而可实现系统的可调谐性.理论分析了该光电振荡器的原理和微波光子滤波器的调谐性, 在此基础上开展了实验验证.结果表明该光电振荡器能够产生18.7 ~21.6 GHz的可调微波信号, 在1 kHz 频偏处的相位噪声为－90 dBc/Hz.

基于印压断裂力学理论分析了磷酸二氢钾晶体表面缺陷面积与中位裂纹深度的关系.在刀具参量和主轴转数一定的情况下, 采用不同切削深度和进给速率对磷酸二氢钾晶体进行单点金刚石飞切加工实验, 并计算晶体表面单位面积缺陷的占比系数.实验结果表明, 晶体表面缺陷深度与面积占比系数成正相关, 与理论分析结果相符, 进而提出了利用计算晶体表面缺陷占比系数估测缺陷深度的方法.最后基于该方法得到高效率切削步骤, 并加工获得了表面粗糙度算术平均值优于5 nm的超光滑晶体表面.

为了有效研究液晶环境对金属纳米结构表面等离子体的调制作用, 基于时域有限差分方法, 对液晶环境下金纳米柱结构进行了建模, 上下边界采用完全吸收边界条件, 四周为周期边界条件.数值模拟了液晶厚度、倾角、光栅距离以及周期结构等参数对金纳米柱的消光特性的调制作用.分析结果表明：随着液晶光轴角度增加, 谐振波长出现红移现象, 且调制范围为40nm; 光栅距离越大, 金纳米柱之间的相互作用越弱, 谐振波长越小; 增加周期长度, 谐振波长红移, 且随着周期长度增加, 次峰作用越明显.利用液晶光学性质可调节金属纳米结构的表面等离子体特性, 结果对液晶环境中表面等离子体结构在新的光子器件等方面的研究提供了理论依据.

针对红外波段下湿度对偏振光传输特性的影响问题, 以自然界中较常见的烟煤粒子作为研究对象, 采用蒙特卡洛法仿真研究, 不同红外波段下湿度对线偏光和圆偏光传输特性的影响情况及其之间差异特性.结果表明：在短波波段, 线偏光与圆偏光的偏振度随湿度的增加都呈现逐渐上升的趋势; 在中波波段, 随湿度的增加两种偏振光都呈现下降趋势; 而在长波波段, 湿度对偏振状态几乎没有影响.进一步比较可知, 在短波波段, 圆偏光具有更好的偏振特性, 而在中长波情况下, 线偏光的偏振特性更加显著.因此, 在应用红外偏振进行探测时, 本研究对波段的选取、湿度的控制及偏振态的应用具有重要的指导意义.

利用相干理论, 研究了新型部分相干光束的相干特性.用激光光束透过旋转的特殊毛玻璃, 产生一种相干性分布特殊的新型部分相干光束.实验上经双孔干涉, 记录了该光束经不同小孔间距双孔产生的干涉条纹, 计算得出所对应的相干度, 并获得了该光束在不同传输距离下的相干度分布情况, 发现该光束的相干度分布与高斯-谢尔模型光束的相干度分布不相同, 其相干度随着传输距离的增大而变强.

以单束正交线偏振光为光源, 利用角向偏振显示器, 采用CCD摄像机进行图像采集, 利用Matlab软件进行图像处理, 设计了一种由He-Ne激光器、角向偏振显示器组成的偏振光偏振方向显示系统, 并研究了其角度特性.实验结果表明：系统在起偏器的起偏角分别为0°、90°、180°、270°、360°时, 角向偏振显示器偏振显示角度的测量准确度分别为0.480°、0.168°、0.528°、0.421°、0.340°, 测量精确度分别为0.208°、0.576°、0.660°、0.603°、0.466°, 测量数据拟合曲线的线性相关系数为0.999.结合1/4波片, 检偏器和分光比为50:50的分束器, 构建了椭圆偏振光测量系统, 完成了椭圆偏振光测量实验, 椭圆率为0.198.

利用Wigner函数对真空态、单光子态、压缩态在相空间的噪声分布进行仿真, 并系统分析了基于压缩光的量子相干激光雷达和压缩光注入式量子激光雷达.研究表明, 相比经典激光雷达, 较高压缩度有利于量子相干激光雷达探测信噪比的提升, 理论上8dB的压缩度可以使信噪比提高6.25倍; 而压缩光注入式量子激光雷达系统的空间分辨率主要取决于真空压缩光的压缩度和无噪声相敏放大系统的增益.由于压缩光对探测信噪比的提升作用, 量子激光雷达在微弱信号探测和高分辨率成像领域具有显著优势.

采用张量表示和广义三维贝尔基测量的方法, 提出了实现三能级单量子态控制双向量子隐形传态的协议.协议中, 控制者Carol的量子态为任意广义三维贝尔基.选择六粒子纠缠态作为量子通道, 并给出了判断任意六粒子纠缠态能否作为量子通道的必要条件.基于该条件, 借助SO(3)群元素的幺正性, 选择其任意两个元素作为幺正矩阵, 给出了构建量子通道的一般方法.列举了两个具体构建量子通道的例子, 其中Alice、Bob、Carol共同作用, 进行相应的广义三维贝尔基测量和对应的幺正变换, 最终实现了Alice和Bob之间量子态的交换, 从而验证了所提协议的可行性.

研究了基于腔外螺旋相位调制获取高峰值功率飞秒准径向偏振光的方法, 结果表明该方法所产生的并非完全纯净的径向偏振光, 其径向分量决定了聚焦后纵场的分布, 而径向和角向分量共同影响了横场的分布.根据Richard-Wolf矢量衍射理论模拟得到不同纯度下的少周期飞秒准径向偏振光在焦点附近的电场的时空矢量分布, 发现其具有中心对称和震荡衰减特点, 载波包络相位将对聚焦场的矢量时空分布产生显著影响, 从而对飞秒脉冲与电子在聚焦场中的相互作用产生影响.研究结果可为进一步的激光粒子加速分析以及偏振转换器的设计提供依据.

针对脉冲星信号周期估计需逐步搜索、计算量大等问题, 提出脉冲星信号周期直接估计算法.根据周期不确定误差对时域上脉冲到达时间(Pulse Time of Arrival, TOA)估计方法的影响, 推导了基于TOA信息的脉冲星信号周期估计方法的数学模型.该方法将一组观测到的脉冲光子到达时间序列(Photon Time of Arrivals, TOAs)进行等时间间隔分段, 在时域上对每段TOAs进行相位估计获得相应的TOA信息, 并根据建立的TOA信息与周期误差的关系采用最小二乘原理估计脉冲星信号周期.对周期准确性的评价不同于传统的依赖折叠轮廓的好坏, 而是以TOA与时间图像的斜率作为依据, 这一依据更直观、易于理解.理论分析与物理、计算机仿真数据结果表明, 本文所提的周期估计方法能够根据短时间脉冲光子到达时间序列获得高精度和高分辨率的脉冲信号周期, 有利于X射线脉冲星导航的工程应用.