介绍了层析成像技术的图像重建算法, 并从正向问题数学模型的简化和反向问题数学模型的映射结构的角度比较了各种算法的特点和优劣。研究表明: 用本质是线性算法的各种变换方法重建图像存在严重失真, 而卷积滤波的引入可以使变换方法的重建效果有所改善; 基于导数搜索的迭代算法对初始值依赖性强、收敛速度慢并且容易陷入局部最优解; 基于Fourier变换的方法具有本质的局限性; 小波变换则可以同时刻画图像时域和频域的细节特征; 有限元法通过重建对象像素的智能划分可以简化正问题的复杂性; 而具有物理背景的蒙特卡罗法、模拟退火法、遗传算法、粒子滤波法及神经网络法更适合于复杂且非线性的图像重建; 智能化、仿生化、并行化以及各种算法的融合是层析成像图像重建算法的发展趋势。

基于表面增强拉曼光谱的成像分析方法具有频带窄, 水溶液背景弱, 稳定性好, 高特异性等优势已成为生物成像领域的优良选择。拉曼成像技术拓展了拉曼光谱的应用范围, 使其不再只是检测单点化学成分的手段, 而进一步用于对评价区域内化学物质成分、分布及变化进行整体统计和描述。本文探讨了表面增强拉曼散射的原理及增强机制, 介绍了基于表面增强拉曼光谱的拉曼成像技术, 并对其在无标记成像及带标记成像中的细胞成像、活体成像, 特别是其在生物医学方面的应用进行了详细论述, 最后讨论了表面增强拉曼光谱生物成像技术存在的问题, 展望了该项技术的研究和应用前景。

介绍30 m望远镜(TMT)的相关背景以及我国在TMT项目中承担的任务。从TMT三镜系统的总体要求出发, 论述了三镜系统的两个主要部分(M3CA和M3PA)的具体要求、技术难点以及初步方案。针对M3CA, 介绍了底支撑方案和侧支撑方案, 采用Kinematic的底支撑方案时其面形精度RMS可以达到109.7 nm, SlopeRMS为0.95 μrad, 采用Kinematic的侧支撑方案时其面形精度RMS＜15 nm, 一阶谐振频率等于17.7 Hz, 均达到了设计要求。针对M3PA, 介绍了Tilt轴系和Rotator轴系的方案。最后, 简要介绍了三镜控制系统(M3CS)的要求和目标。

并行共焦测量技术的核心是将单点共焦测量变成多点同时扫描测量, 从而使共焦测量速度显著提高。本文介绍了共焦测量技术原理, 综述了用于并行共焦的并行光源技术, 分析了这些方法的优点和不足。结合作者近年来的研究成果, 重点阐述了基于微透镜阵列和数字微镜器件(DMD)产生并行光源的新方法。分析和研究了DMD的空间光调制机理, 最终建立了一种单光源双光路并行像散共焦测量系统。

概述了当前自由原子和离子的激发态自然辐射寿命测量技术的进展。以La Ⅰ和Pr Ⅱ为例, 系统介绍了几种稀土元素自由原子和离子激发态寿命测量技术并分析了它们的优缺点; 以Sm Ⅱ为例, 详细介绍了激光烧蚀产生自由原子(离子)技术及结合激光诱导荧光时间分辨光谱技术进行激发态寿命测量的优缺点。最后, 探讨了改进上述技术局限性的解决思路, 以期进一步提高辐射寿命测量的精确度。

介绍了激光通信的基本过程和链路类型。着重调研了欧州空间局、美国、德国、日本以及国内激光通信的最新发展概况, 给出了一些已成功应用的激光通信终端的详尽技术参数, 如通信波长、通信距离、通信速度误码率、应用目的等, 突出了每一种仪器的特点和优势, 并对其光机结构进行了详细分析和展示。通过分析国内外的研究状况, 指出激光通信面临的关键技术问题, 以及未来激光通信发展的趋势和方向, 为激光通信设备及其相关领域的研究提供了一定的参考。

猫眼逆向调制自由空间激光通信技术相比传统激光通信技术更具优势。本文介绍了逆向调制自由空间激光通信技术的原理和猫眼逆向调制终端的原理结构。综述了国内外猫眼逆向调制自由空间激光通信技术在调制器特性、猫眼光学系统和技术应用3个方面的研究现状。分析了猫眼逆向调制自由空间激光通信的关键技术。最后, 展望了该项技术的应用前景。

介绍了临边观测模式的探测原理及其特点, 给出了美国、欧洲等发达国家关于临边成像光谱仪的研究状况, 并列出了各临边成像光谱仪的核心设计方案及具体的技术指标。最后, 介绍了国内唯一一例临边成像光谱仪的开展情况, 包括设计方案到技术指标。通过对比分析国内外临边成像光谱仪的研究进展, 为我国进一步提高临边成像光谱仪的性能及技术指标提供了理论基础。

为了监测夜间和晨昏时段的低云大雾, 实现云的三维立体成像, 对微光立体成像的关键技术进行了研究。首先, 介绍了微光立体成像原理, 分析了成像需要解决的宽视场覆盖和多镜头布局。然后, 介绍了实现微光探测需要解决的低照度成像技术及其实现方法。最后, 针对观测目标照度变化较大的问题, 提出了动态范围拓展技术, 介绍了后期数据处理中的云雾监测技术。仿真计算结果表明: 采用电子倍增CCD(EMCCD)探测器和推扫扫描成像模式、集成探测器组件以及多台相机拼接方案可有效实现微光立体成像, 相机扫描幅宽超过2 800 km; 高程分辨率＜817.7 m。提出的成像技术可在低照度条件下监测低云大雾, 获取高分辨率的三维立体云图, 满足气象海洋探测的需求。

为研究空穴对自旋极化电子扩散的影响, 提出用自旋密度光栅方法来观察电子自旋扩散过程。由飞秒激光在本征GaAs多量子阱中激发产生瞬态自旋光栅和瞬态自旋密度光栅, 并用于研究电子自旋扩散和电子自旋双极扩散。实验测得自旋双极扩散系数Das=25.4 cm2/s, 低于自旋扩散系数Ds=113.0 cm2/s, 表明自旋密度光栅中电子自旋扩散受到空穴的显著影响。

光管理是提高晶体硅太阳能电池光吸收和短路电流(Jsc)进而提高转换效率的重要因素之一。本文回顾了最常见的光管理方式, 包括表面抗反射、散射以及陷光等。为了降低晶体硅电池的表面反射损失, 开发了多种表面抗反射结构。例如, 仿生蛾眼结构利用渐变折射率实现了宽光谱低反射率, 其表面反射率可达1%以下。 随着晶体硅电池衬底减薄, 光管理要求更加严格, 除了在更宽波长范围内达到超低反射率外, 还需要在更高的入射角范围内实现低反射率。此外, 利用前表面散射以及背表面陷光结构提高红外光的吸收光程对于晶体硅电池特别是薄衬底晶体硅电池的有效光吸收具有重要意义。

由于基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的激光气体分析仪的二次谐波信号中存在较大的系统噪声, 本文利用有限长单位冲激响应(FIR), 提出了激光气体分析仪的二次谐波在线滤波方法。在分析FIR数字滤波器原理的基础上, 利用MATLAB窗函数设计了适合本激光气体分析仪的数字滤波器。然后, 将仿真的FIR数字滤波算法移植到激光气体分析仪嵌入式系统中。最后, 比较了滤波前后二次谐波信号波形, 说明了在激光气体分析仪嵌入式系统中采用基于FIR数字滤波器滤波算法的可行性。实验结果表明: FIR数字滤波器对一组二次谐波信号进行滤波的运算时间为230 ms, 滤波后的二次谐波信号波形获得了较好的去噪效果, 能够满足激光气体分析仪对含有噪声的二次谐波信号进行平滑去噪的要求, 且滤波算法结构简单、运算时间短、可移植性强。

针对CO2激光作用下HgCdTe晶体的损伤问题进行了数值分析。首先, 建立了高重频CO2激光损伤Hg0.784Cd0.216Te晶体的三维热传导物理模型; 然后, 利用有限元方法计算了单脉冲和高重频CO2激光作用下, Hg0.784Cd0.216Te晶体的损伤阈值; 最后, 分析了激光重频以及辐照时间对晶体损伤阈值的影响。研究结果表明: 单脉冲激光辐照下, 晶体的损伤阈值为64.5 J/cm2; 高重频(f＞1 kHz)激光辐照下, 激光重频的改变对晶体损伤阈值的影响较小, 损伤阈值应由平均功率密度表征, 且与辐照时间密切相关; 辐照时间的增加, 可以有效地减小晶体的损伤阈值, 当激光辐照功率密度＜1.95 kW/cm2时, 不会发生晶体损伤。研究结果对高重频CO2激光在激光加工以及激光防护的应用方面具有指导意义。

采用模板合成以及溶胶凝胶方法制备了金纳米棒核/二氧化硅壳(GNR@SiO2)纳米复合粒子, 探讨了这种新型纳米复合结构的可控制备、光谱性质、细胞毒性和细胞成像。通过紫外可见分光光度计、透射电镜、共聚焦显微镜对样品进行表征, 结果表明: 通过对反应时间的调控, 获得的纳米复合粒子的二氧化硅壳层厚度可以控制在20~30 nm。由于二氧化硅壳层的存在, 大大提高了金纳米棒的稳定性, 同时降低了金纳米棒的细胞毒性; 此外, 由于二氧化硅壳层具有良好的化学修饰作用, 因此可以将荧光探针分子标记在二氧化硅壳层表面, 修饰后的纳米复合粒子可以通过细胞内吞作用进入细胞, 从而实现细胞内的光学成像。因此, 该纳米粒子复合材料在生物传感、细胞成像以及光热治疗等方面有着良好的应用前景。

根据宽覆盖相机的特性, 分析了其侧摆成像的几何关系。建立了地面物点到相机像面的空间坐标变换关系, 在此基础上, 推导了基于圆地球模型的相机侧摆像移速度计算公式, 并以像移失配传递函数MTFmismatch作为评价方法分析了相对像移匹配残差对像质的影响。以某宽覆盖型相机为例, 计算了不同侧摆角和不同地心角条件下的像面像移速度。计算结果表明: 像面各点的侧摆像移速度均不相同, 且变化趋势也不相同, 远地点处像移速度相对变化量最大。在侧摆角为25°且积分级数为48的条件下, 像移失配传递函数的最大值为0.681。外场成像试验结果表明, 积分级数控制在16级以内时的相机成像质量良好。

介绍了一种以发光二极管(LED)点光源作为相机标定光源的方法。根据LED点光源的特性, 用恒流源给LED点光源提供所需的电流, 用光照度计测量LED光源的光强度。由ARM单片下位机控制恒流源; 通过串行通讯与上位机交换数据; 由计算机作为上位机来管理数控恒流源和光照度计; 根据所测光度值来调节电流, 直到光度达到预想值。实验分析显示: LED点光源作为标定光源可以达到CCD标定的要求, 精度也较高, 能够很好地自适应控制LED的光照强度, 达到了预期的效果, 且系统使用方便灵活, 性能稳定可靠。

为解决卫星平台振动造成的图像质量下降问题, 提高TDI CCD相机成像质量, 分析了卫星姿态稳定度的范围及影响。讨论了卫星平台振动与TDI CCD成像质量的相关性, 推导了卫星平台姿态稳定度和像移的关系公式, 得出TDI CCD相机对卫星姿态稳定度的要求与轨道高度以及积分级数有关。实验验证了公式推导, 结果显示: 轨道高度越高, 积分级数越大, 对卫星姿态稳定度的要求就越严格。数据表明: 轨道高度在200~1 000 km变化时, 对卫星姿态稳定度的要求从0.037 7 rad/s提升至0.006 35 rad/s; TDI CCD相机的积分级数在1~100间变化时, 对卫星姿态稳定度的要求从0.014 rad/s提升到0.000 14 rad/s。本文工作确定了卫星姿态稳定度和轨道高度以及积分级数的关系, 有助于TDI CCD成像质量的提升。

考虑测绘相机调焦会影响相机的主点位置, 从而改变相机的内方位元素, 降低立体测绘精度, 故本文分析了空间相机常用的3种调焦方式(镜组调焦、平面反射镜调焦、焦面调焦)对测绘相机主点位置的影响。简要介绍3种调焦方式的工作原理, 研究了理想情况下3种调焦方式对主点位置的影响。在考虑系统装调误差的情况下, 建立了主点位置变化量与调焦量之间的数学模型, 通过实例计算得出焦面调焦易满足测绘相机主点定位精度＜0.2 pixel, 是最适合的调焦方式。最后, 以某一型号相机调焦机构为实验对象, 对平面反射镜方式对主点的位置变化进行了实验量测, 结果证明了提出的主点位置变化量理论计算公式的准确性和分析得到的不同调焦方式对主点位置影响的正确性, 该公式可以用于指导测绘相机调焦方式的选择, 以满足高精度测绘的需要。

为了对机械加工部件进行高精度、大尺寸、三维立体空间的现场实时测量, 建立了光笔式单目视觉测量系统。对该系统中的新型光笔工艺、算法转换模型、摄像机焦距的优化、光笔笔尖位置的标定进行了研究。首先提出了一种利用光刻工艺设计制作的新型光笔, 其次, 基于近景摄影测量学中的单像空间后方交会原理, 建立了一种新的光笔坐标系与摄像机坐标系之间的转换模型, 通过最小二乘平差法循环迭代求解最优的单像空间外方位元素, 从而确定了转换模型基本参数。最后, 分析了摄像机焦距对光笔式单目视觉测量系统结果的影响, 并提出了一种确定相对准确焦距和光笔测头在光笔坐标系下的位置的方法。实验结果表明: 摄像机坐标系下x轴、y轴、z轴方向的稳定性误差分别为0.042、0.048、0.066 mm; 测量最大误差为0.173 mm,较大程度上满足了光笔式单目测量系统稳定性强和精度高的要求。

针对望远镜对高精度测角技术的要求, 分析了机械安装偏心、加工椭圆度误差、轴系晃动等对新型拼接式钢带光栅编码器测角的影响, 并制定了相位差为90°的4读数头软件细分测角方案。在机械安装偏心为10 μm、 加工椭圆度为2 μm、轴系晃动为0.6″的实验平台上进行了逆时针和顺时针测角实验, 两组实验测角误差RMS值分别为0.393″和0.488″。实验表明: 该测角方案能消除机械安装偏心、加工椭圆度误差等对测角数据的影响, 实现了亚角秒级测角。

在传统激光主动成像系统的基础上, 结合目标识别技术搭建了一台激光主动成像识别系统实验平台, 研究了激光主动成像后的目标识别技术。由7个不变Hu矩构成特征量, 用由136个权值系数构成BP神经网络算法对黑夜条件下450 m处的运动目标—43式冲锋模具枪进行了实验研究。研究显示, 采用该方法成功获得了清晰的红外激光主动成像效果, 对2 740 frame激光主动成像图像的统计目标识别率达到了68.87%, 其中旋转变换下的统计识别率可达80.05%。该项研究对实际黑夜暗小目标的探测识别具有重要意义。