设计了由超大口径前置望远系统和超大视场光谱仪组成的超大口径高光谱海洋水色仪.前置望远系统采用同轴三反光学系统结构, 口径为4 m, 视场为0.64°, 焦距为21.6 m, 波段范围为 400~1 000 nm.超大视场光谱仪采用改进的Offner结构, 视场为240 mm, 光谱分辨率为10 nm.探测器像元尺寸为15 μm×15 μm, 4片探测器交错拼接实现400 km幅宽.超大视场光谱仪在400~1 000 nm的宽波段内, 点列图半径的均方根值均小于3.9 μm, 静止轨道高光谱海洋水色仪全系统不同波长的MTF在33.3 lp/mm处大于0.52, 各项指标均满足应用要求.

针对现有光空间脉冲位置调制频谱效率低、激光器利用率不高等问题, 将分层技术与空间脉冲位置幅度调制相结合, 提出了一种适合于大气激光通信的多层空间脉冲位置幅度调制方案.通过 额外增加少量几个激光器构成多层结构, 并通过脉冲位置幅度调制中的脉冲位置携带比特信息, 不同层通过脉冲幅度得到区分.介绍了系统中层映射、空间脉冲位置幅度映射及其逆映射的原理, 并 推导出该方案的误码率表达式.利用蒙特卡洛仿真方法进一步验证了该方案的正确性, 并与传统空间调制系统的性能进行了对比.结果表明: 与传统光空间调制系统相比, 所提方案提高了系统的频 谱效率, 且所用激光器数目更少.在传输比特相同的条件下, 相对于(32,4,128)-空间脉冲位置调制系统, (9,4,8,2)-多层空间脉冲位置幅度调制系统的频谱效率提高了16倍, 当误码率为10－3时, 其信噪比改善了约1 dB, 且所用激光器数目不到前者的1/3.其中, 括号中的参数分别表示激光器数目、探测器数目、采用调制方式的阶数及层数, 层数为1时忽略.

基于以小型化磁控管微波腔实现的脉冲光抽运铷原子钟, 研究了自由演化时间对Ramsey信号特性的影响, 讨论了横向弛豫时间对钟信号对比度的影响.该原子钟的自由演化时间为3 ms时, Ramsey信号中心条纹的对比度为52%, 散弹噪声极限优于1.7×10－14(τ=1 s).利用Ramsey信号的对比度和吸收泡内的光密度, 计算得到了原子钟内铷吸收泡的纵向和横向弛豫时间分别为1.95 ms和 2.45 ms.本文研究为进一步提高脉冲光抽运铷原子钟的性能提供了重要依据.

针对相位调制型超弱光纤光栅水听器阵列解调过程中发生的相位翻转现象, 提出了一种基于独热码编码的有限状态机相位补偿方法, 用来在现场可编程逻辑门阵列中对翻转信号进行实时修 正.将解调信号相位及其补偿条件设计在独热码编码的有限状态机中, 通过状态机内部状态的即时转移, 实现高时钟速率下光纤干涉系统解调信号的相位补偿.对多种相位补偿方式在功能仿真和实验 测试中的功耗、占用资源及时序等进行对比分析, 结果表明基于独热码状态机的相位补偿方法, 不仅可以正确地解决相位翻转问题, 保证信号的完整性, 同时还可以增加信号解调动态范围, 使系统 的逻辑延迟降低6%, 在水声光纤传感解调系统的高吞吐率和高时钟频率应用环境下具有一定优势.

为明确光载波无线传输系统中, 复合传输相比单独传输的优越性, 实验对比了单独传能、单独通信、复合传输三种结构在传输距离为0.1 m、接收的光功率估值为3.5 mW、光通信速率为1 kbps时的输出特性.结果表明, 单独传能系统在与电感串联的负载为4 kΩ时, 电池板输出最大功率为1.82 mW, 复合传输系统在与电感串联的负载为5 kΩ时, 电池板输出最大功率为2.1 mW, 比单独 传能系统高出15%; 与电容串联的负载较低时复合传输系统输出信号波形发生畸变, 优化负载后波形得以改善, 相同条件下幅值比单独通信系统高出1.52 V.

利用强度调制型光纤传感器容易解调的优势, 提出了一种强度调制型光纤液位传感器.传感器由三根无芯光纤组成, 其中, 无芯光纤1与无芯光纤2串联构成测量臂, 无芯光纤3构成参考臂.仿 真分析得出, 无芯光纤长度每缩短1 mm, 透射峰波长增加25.46 nm.在0~50 mm小液位范围内, 实验测得传感器在水、5% NaCl、10% NaCl和15% NaCl水溶液四种液体环境中的液位灵敏度分别为0.069 5 dB/mm、0.074 73 dB/mm、0.077 49 dB/mm及0.082 71 dB/mm, 线性度分别为0.998 25、0.998 49、0.988 11及0.995 13, 线性度较高.该传感器可较好地消除光源光功率波动与环境温度变化带来 的影响, 重复性较好, 在石油化工领域有一定的应用潜力.

提出了一种单光源、双向输出信号频率可选的光纤无线系统, 该系统在单光源条件下, 利用相干检测技术、数字信号处理技术, 结合并行相位调制器以及波长选择开关结构, 在上下行链路 实现基带信号、多个毫米波信号输出.仿真验证表明, 针对20 Gbit/s 16-QAM调制信号, 经30 km光纤传输, 系统下行输出信号频率实现0 ~60 GHz可选, 其传输最小矢量误差为6.53%(0 GHz) ~7.61%(60 GHz); 上行输出信号频率实现0 ~120 GHz可选, 其传输最小矢量误差为6.89%(0 GHz)~8.30%(120 GHz).理论分析和仿真结果表明, 该系统双向链路均可实现频率可选的信号输出, 且双向 传输具有较好的性能表现.

针对熔融拉锥系统制得的熔锥型微纳光纤耦合器, 选择适当的连续函数描述其光场分布, 采用归一化的三角分布和矩形分布的加权叠加, 以及高斯分布和三角分布的加权叠加实现了模场沿 耦合器区域的连续变化; 利用局部模式耦合理论推导出腰区及腰区附近锥形区的耦合系数计算公式, 并得到微纳光纤耦合器输出光功率随拉伸长度的变化曲线.计算结果表明, 随着拉伸长度的增加, 光能量在两臂中来回交替耦合的程度变小并且呈现包络样, 直至腰区耦合功能消失.通过实时监测拉制微纳光纤耦合器的输出光功率, 得到火焰扫描宽度以及氢气流量对双纤失去耦合效应拉伸长度 的影响: 火焰扫描宽度(均匀腰区)越宽, 拉伸长度临界值越大; 氢气流量(熔融度)越大, 拉伸长度临界值越小.实验结果显示, 当光纤耦合器腰区直径达到1.6 μm时, 耦合功能消失, 两输出端口 光功率相同且恒定, 微纳光纤耦合器具备稳定的光学传输特性.

为有效改善红外偏振图像视觉效应, 提高红外偏振成像质量, 提出了基于互结构正则约束的红外偏振图像增强算法。根据红外偏振特性描述, 对Stokes参数Q分量与U分量进行加权邻域梯度 融合, 获得起偏特征图像, 捕获目标边缘、轮廓的偏振特性; 提出互结构正则约束模型, 以梯度幅值相似算子联合正则约束融合结果与起偏特征图像的边缘结构相似性, 及与辐射强度图像的灰度一 致性, 优化得到增强后的高质量红外偏振图像。实验结果表明, 基于互结构正则约束的红外偏振图像增强算法, 能有效提高红外偏振图像对比度与清晰度, 同时提升复杂背景下人造目标边缘轮廓的 偏振显著性, 算法快速, 工程实时性高.

针对遥感图像背景复杂且存在某场景图像中关键物体小且尺度变化较大, 需提升模型表征能力来准确辨别各类场景的问题, 提出了一种深度多分支特征融合网络的方法进行遥感图像场景分 类.利用多分支网络结构提取高、中、低三个层次的特征信息, 将三个层次的特征进行基于拆分-融合-聚合的分组融合, 最后为了关注难辨别样本和标签位置损失, 提出一种损失函数.试验结果证明 , 本文所提出的方法对于提高分类准确率十分有效, 在UCM、AID和OPTIMAL三个数据集上的准确率超过其他算法.在数据集UCM上80%样本训练, 准确率达到了99.29%, 与ARCNet-VGG16算法相比分类准 确率提高了1.35%.在数据集AID上50%样本训练, 准确率达到了95.56%, 与Two-Stream算法相比提高了0.98%.在数据集OPTIMAL上80%样本训练, 准确率达到95.43%, 与ARCNet-VGG16算法相比提升 2.73%.

针对多光谱滤光片阵列成像采样率低, 原始(Raw)数据稀疏所导致的重建图像模糊, 高频信息丢失等问题, 提出了一种新八谱段滤光片阵列分布方案, 利用基于邻域梯度延伸方法对光谱Raw 图像进行重建.首先基于二叉树生成法, 在重复排列的4×4阵列中设计了一种等空间概率比的八谱段滤光片分布方案; 然后针对传感器直接获取的稀疏Raw图像, 计算各谱段采样点的梯度信息, 在保 持图像结构特征和纹理信息的基础上, 利用邻域采样点的像素值和梯度值对未采样点进行重建, 从而获得完整的光谱图像信息; 最后, 基于已重建的八谱段光谱图像, 采用伪逆矩阵法重构各像素位 置的31波段光谱值.结果表明, 相对于主流图像重建方法, 本文算法提高了重建八谱段光谱图像的峰值信噪比、复合峰值信噪比, 降低了光谱均方差, 更好地保留了图像的纹理和边缘, 有效降低了 多光谱滤光片阵列成像中的颜色伪影和图像模糊等现象.

针对空中目标在复杂背景下的探测需求, 根据实际目标的运动特性, 分析目标在飞行高度、飞行姿态角改变时的辐射特点, 基于MODTRAN计算得到大气辐射和衰减数据, 建立目标的三维模型 、热辐射和反射模型, 搭建空中目标的红外成像仿真系统.分析和仿真结果表明: 在中波波段, 目标尾焰的红外辐射比蒙皮强很多, 在长波波段, 蒙皮的红外辐射比较强, 仿真图像的细节比较多, 尾焰的红外辐射虽然有所减弱, 红外成像效果依旧很好; 相同探测条件下, 由于位置越高大气越稀薄, 探测器的可探测距离会变得比较远.目标红外辐射特性的分析和红外仿真系统的搭建对缩短红 外探测器的研制周期和进一步确定探测器波段和系统分辨率等指标提供了参考依据.

采用电磁场有限元方法, 数值模拟了孔径型扫描近场光学显微镜(aperture Scanning Near-field Optical Microscopy, a-SNOM)在照明模式下的工作过程.针对金偶极天线结构, 改变天线 长度和纳米间隙尺寸, 计算了a-SNOM探针孔径的远场辐射速率随探针端面中心坐标变化的扫描曲线, 实现了超越a-SNOM探针通光孔径尺寸的天线金属纳米间隙的超分辨测量, 对于100 nm通光孔径的 探针, 可分辨最小尺寸为10nm(0.016倍波长)的金属间隙.通过对比金属和介质偶极天线的a-SNOM探针远场辐射速率测量的计算结果, 表明天线金属纳米间隙的超分辨测量的实现是由于金属间隙表面 等离激元的激发.

为了给聚焦镜热控及支撑结构优化设计提供依据, 对爱因斯坦探针项目中的后随X射线望远镜的镜片组进行了三维全尺寸建模与有限元分析.研究了轴向、径向两种温度梯度, 以及有、无支 撑结构对镜片组形变的影响, 并对面形误差与温差范围的关系进行了探究.结果表明: 对于无支撑结构, 轴向温度梯度下面形误差与半径关系接近线性关系, 径向温度梯度下则接近分段二次关系; 支撑结构发生热变形时, 会使镜片组产生与之对应的面形误差, 令同相圆度误差转变为异相圆度误差, 并使镜片组整体面型误差峰谷值增加32.25%~123.01%, 均方根值增加4.13%~5.14%; 对于有支 撑结构, 热致面形误差与温差成正比, 温差每增加1℃, 轴向温度梯度下, 面形误差峰谷值与均方根值分别增加7.76 μm、1.12 μm, 而对于径向温度梯度则分别增加9.67 μm、1.60 μm.聚焦镜片 热致面形误差在一定情况下与镜片尺寸、温差成线性关系, 并受到支撑结构变形的显著影响.

针对传统云水含量传感器体积大, 功耗大等问题, 本文基于可调谐半导体激光器吸收光谱技术, 研制了一种云水含量检测系统.采用1 368.6 nm分布式反馈半导体激光器作为检测光源, 设计 了基于TLC7528芯片的正交锁相放大器, 提高了测量的稳定性和抑制噪声的能力; 单板实现了激光器驱动、谐波信号处理、浓度反演功能.系统在不同浓度, 不同温度下进行在线检测, 实验结果表明 , 系统响应时间为10 s左右, 水含量在0～16 g/m3范围内误差小于5%, 在－55～+60℃条件下可正常工作.该系统体积小, 检测精度高, 响应速度快, 性能不受温度影响, 很好地满足了机载云层探测 需要.

在光阱实际测量中, 过程噪声以及光电测量噪声严重影响微球位移实时探测的灵敏度, 针对这一问题, 提出基于卡尔曼滤波的方法对微球位移进行探测.将光阱中微球运动的谐振子模型改写 成卡尔曼滤波的状态转移矩阵形式, 获得具有高灵敏度和高信噪比的微球位移信号.仿真结果表明: 1 MHz的采样频率下, 101 kPa气压下滤波后的真空光阱微球位移的探测均方根误差从1 nm降到 0.27 nm.实验结果表明, 在293 K、101 kPa气压下对实测的微球位移信号进行滤波, 探测均方根误差从2.8 nm降到1.1 nm; 其他参数不变, 在1 Pa气压下均方根误差从5.2 nm降到2.1 nm.该方法可 应用于高真空下光阱微球质心运动的激光冷却反馈方案.

将量子点荧光特性与双链特异性核酸酶的DNA剪切特性相结合, 提出一种高灵敏度、高特异性的双元miRNA定量检测方案.首先, 将量子点和四氧化三铁磁性纳米粒子分别与捕获DNA链接形成 捕获探针, 再与待测miRNA互补配对形成异源双链杂合结构, 随后双链特异性核酸酶对杂合结构中的捕获DNA进行特异性剪切, 实现量子点和待测miRNA从捕获探针分离, 且分离的待测miRNA与捕获探 针上未配对的DNA开始新一轮杂交和再剪切.经过上述循环过程, 量子点从捕获探针大量释放, 荧光信号不断增强, 实现肿瘤标志物miRNA的高灵敏检测.实验结果表明, 基于酶剪切量子点荧光放大技 术, 在1 fmol/L至100 pmol/L的浓度范围内, 同时实现了肿瘤标志物miRNA-141及循环miRNA内参miRNA-1228的特异性定量检测, 其检出限分别达到0.69 fmol/L和0.21 fmol/L.与实时荧光定量多聚 核苷酸链式反应方法相比, 该方案获得了相同的检测结果, 且具有更高灵敏度.

采用自蔓延燃烧法结合后期热处理手段制备得到了Y3+/Pr3+共掺杂的CaGdAlO4荧光粉材料.实验结果表明: 当用与Gd3+离子半径较近的Y3+来取代Gd3+时, Pr3+的光致发光强度增强, 使来自 Pr3+的4f-5d跃迁的吸收峰峰值位置发生了从261 nm至259 nm的蓝移.在确定 Y3+的最优浓度为50%, Pr3+的最优浓度为0.5%时, 进一步制备了Y3+/Pr3+/Yb3+共掺杂的CaGdAlO4荧光粉材料, 并实现 了从深紫外到近红外的量子剪裁.在Yb3+的浓度达到6%时, Yb3+位于980 nm的发射峰最强.经计算Y3+/Pr3+/Yb3+共掺杂的CaGdAlO4材料的量子剪裁效率约为168%, 优于Pr3+/Yb3+共掺杂的CaGdAlO4荧 光粉.此外, 在254 nm紫外光照射下, Y3+取代Gd3+的策略在一定程度上抑制了CaGdAlO4荧光粉材料的晶格热化现象.综上, 用价格更低的Y部分取代Gd, 可使CaGdAlO4: Pr3+/Yb3+荧光粉制备成本降 低, 并进一步优化其量子剪裁性能.该研究对硅空间太阳能电池的应用开发具有实际意义.

针对传统接触式曝光过程中掩模版因自身重力产生形变从而引入不可忽视的线宽误差和位置误差的问题, 提出了一种大口径石英基底衍射透镜的高精度制备方法.采用背面具有真空道的高平 面度、高强度金属校正工装吸附在掩模版上, 利用掩模版上下表面的压强差使其与工装高度贴合, 确保掩模版的高平面度.待石英基底所有区域均与掩模版结构面紧密贴合后取下工装.完成接触式曝 光和显影后, 采用反应离子刻蚀技术对大口径石英基底进行刻蚀, 最终得到高精度微纳米结构.经有限元分析, 使用该校正工装后, 掩模版的形变量由28.85 μm减小为0.88 μm.实验结果表明, 采 用该方法制备的口径430 mm两台阶石英基底菲涅尔衍射透镜波像差优于1/25λ, 平均衍射效率为38.24%, 达到理论值的94.35%, 具有良好的聚焦和光学成像效果.

针对高光谱图像维度高、地物间非线性可分造成的分类精度低等问题, 提出一种基于多标签共享子空间和内核脊回归的空谱分类算法.该算法利用内核脊回归将地物相近像素在线性空间的不 可分特征映射到高维空间中, 实现分类特性在高维空间下的有效分离, 以提高地物相近特性的区分精度; 同时将高维样本数据映射到低维共享子空间中, 在低维环境下以多类标为指导, 引入低秩矩 阵建立类别标签与共享空间的预测关系, 挖掘多标签间的共同特性, 提高融合利用多类别间的共同属性提高高光谱图像的分类精度;最后利用奇异值分解迭代法求解目标函数, 一定程度上加速参数 求解.在Indian Pines和Pavia University两组高光谱数据集上进行仿真实验, 实验结果表明, 与其他同类算法相比, 在低样本比例下, 本文算法在总体分类精度、平均分类精度和Kappa系数等评价 指标上至少提高4.76%、4.24%和5.19%, 与非内核化的算法相比, 本文算法在基本不增加运行时间的情况下总体分类精度、平均分类精度和Kappa系数至少提高2.92%、2.8%和3.48%.

2018年8月在青海湖辐射校正场开展了针对FY3D/MERSI-II卫星遥感器热红外通道的在轨绝对辐射定标试验.采用走航式测量的方式获取了青海湖水表光谱辐亮度数据, 结合探空数据, 并基于 辐射传输模型计算出卫星过境时刻的入瞳辐亮度和亮温, 实现了对FY3D/MERSI-II卫星遥感器热红外通道24(10.26~11.26 μm)和通道25(11.50~12.50 μm)的在轨辐射定标.利用国际公认精度的 AQUA/MODIS和NPP/VIIRS卫星遥感器对在轨辐射定标方法进行精度评估, 在10.26~11.26 μm和11.50~12.50 μm波段范围, 通道亮温的平均偏差分别小于0.5 K和1.0 K, 表明基于青海湖辐射定标场 的在轨辐射定标方法具有较好的定标精度, 获得的定标结果合理可靠.将利用青海湖进行的在轨定标结果与星上定标结果进行比较, 在10.26~11.26 μm和11.50~12.50 μm波段范围, 通道亮温的平 均偏差分别小于0.5 K和1.25 K, 表明FY3D/MERSI-II在轨运行稳定.本次试验检验了FY3D/MERSI-II星上定标结果, 也为FY3D/MERSI-II遥感数据的定量化应用提供了保障.