获取低温结冰风洞试验中模型表面的冰形三维数据, 有利于分析结冰对模型气动力特性的影响, 为优化模型的防除冰设计提供依据。由于低温结冰风洞现场的低温环境, 现有视觉测量法的核心部件难以稳定工作, 而且试验结束后, 风洞现场温度将升高, 有效测量时间短, 因此冰形测量面临巨大挑战。为此, 设计了一种热平衡与外部保温相复合的低温防护系统, 保证设备内核心器件工作在适宜的温度; 提出了一种投影加速与低温防护相复合的冰形快速三维测量方法, 通过光源和微镜的配合共同完成两个阶段曝光实现灰度复合, 减少测量时单次投影图像的总周期数, 从而提升整体测量效率。实验结果证明, 可实现-20℃低温环境下冰形的稳定快速三维测量。

窄线宽激光器在光学传感领域取得广泛应用, 激光器的频率漂移和噪声大小直接影响光学传感器测量精度, 采用自外差拍频方法对窄线宽光纤激光器和半导体激光器的频率漂移和噪声特性进行了初步测量。进行了频率漂移测量理论计算, 仿真分析了延时光纤长度与频率漂移大小对应关系, 确立了延时外差光纤长度;搭建了基于自外差结构的窄线宽激光器频率漂移测试装置, 对测试装置组成进行了叙述; 基于该测试装置进行了窄线宽激光器的频率漂移和噪声测试, 测试表明光纤激光器和半导体激光器均存在明显的频率漂移, 漂移速度大约2MHz/10s, 光纤激光器的频率噪声要明显低于半导体激光器, 与两型激光器的频率噪声测试结果吻合, 提出的激光器频率漂移和噪声测试装置, 为激光器频率漂移和噪声优选对比提供了一种方便、快捷的测试方法。

激光车灯对比于LED车灯, 具有能耗小、体积小、亮度高等优点, 是汽车车灯发展的新方向。基于此提出了一种低功耗、高亮度的激光车灯的光学系统结构。通过搭建光学测试平台研究激光二极管经过荧光片变为白光光源的特征参数, 如光源的尺寸、光通量等, 从而建立光源模型。由点光源和接收面能量的映射关系, 求解激光车灯透镜的初始面型。根据所建立的光源模型对透镜初始面型进行优化设计, 得到最终结果。所设计的非球面透镜利用超精密加工实现, 并对激光车灯进行了组装和测试, 12.16W电功率驱动下, 25m处的照度约为106lux。

发射透镜直接准直半导体激光光源方案能够使线扫描激光雷达结构更紧凑、成本更低, 但是由于高功率半导体激光光源发热严重会导致光学元件热变形, 从而导致探测器接收到的光功率急剧降低而不可探测。提出了一种30m探测距离的线扫描激光雷达光路的光机热集成优化设计方法。以预设工作温度40℃至80℃的中间温度60℃为初始条件, 基于Zemax软件优化设计了发射透镜与接收透镜的光路系统, 使工作温度为60℃时的光路系统光学性能最佳; 使用有限元方法分析该光路与相应的机械结构随温度变化时光学元件热形变的情况, 通过添加SiO2气凝胶作为隔热材料进行光路系统的机械结构优化。优化结果表明, 采用光机热集成优化设计方法后, 优化后的光路与机械结构在工作温度40℃至80℃范围内探测器接收到的光功率始终在10-4w量级, 相比仅仅使用Zemax软件优化设计发射透镜与接收透镜方法（探测器接收到的光功率10-6~10-4w）有了显著的提升。

采用传输矩阵法研究了基于MoO3/Ag/MoO3（MAM）透明导电电极和ITO电极的聚合物太阳能电池的光学性能。分别对电池耦合层厚度、活化层厚度和金属电极进行了优化, 得到了优良效率的结构。结果表明,MAM与ITO有机太阳能电池在不同活性层厚度和不同光学间隔层厚度条件下有明显的光学性能差异; 对于薄活性层MAM电极器件(100nm), 最大短路电流密度可达到16.85mA/cm2, 比ITO器件提高了7.3mA/cm2, 而对于厚活性层MAM电极(270nm), ITO电极器件的光学性能明显优于MAM器件; 还通过改变光学间隔层LiF的厚度进行计算, 得出本仿真条件下两种结构性能差异的临界光学间隔层厚度为30nm。

在COVID-19流行期, 为考察新型紫外线消毒技术研究及其应用状况, 对紫外发光二极管和222nm远紫外消毒技术两类新型紫外消毒技术进行了探讨。详细介绍了UV-LED的单波长照射, 脉冲紫外照射和多波长协同照射三种消毒方案的研究进展、应用场所并对其潜力进行了探讨; 重点介绍了222nm远紫外消毒技术, 对其应用和未来发展做出了展望; 讨论了UV-LED现阶段遇到的问题并对紫外消毒市场发展做出了展望, 预计未来紫外消毒市场中将形成汞灯为主, LED为辅, 两者相互补充的格局。

在氩气柱垂直撞击介质的系统中, 随峰值电压的增加, 在介质靶上依次产生弥散点、单环和同心三环沿面放电斑图。在这些斑图的演变过程中, 每一个电压周期内, 正放电数增加, 负放电数保持一个。利用高速摄像研究斑图的形成机制, 结果表明, 每种斑图正负放电都是流光机制,正负沿面放电在时间上叠加形成各种斑图; 在每一个电压周期内, 第一个正流光形成斑图的中心点, 最后一个正流光形成斑图的弥散背景, 其他正流光形成斑图的环; 每种斑图对应的负流光总是弥散的。通过分析外加电场、残余电荷和空气扩散的影响, 定性地讨论了正流光的传播特性。

随着可见光通信的发展, 室内可见光定位技术获得了广泛的关注。在以图像传感器为接收终端的见光定位系统中, 针对单频率调制ID方案简单易实施, 但受限于接收终端采集频率上限, 可提供ID数量过少, 难以满足实际较大面积场景的应用需要。提出了一种扩展ID方法, 将两个不同频率的方波进行或运算, 输出信号加载到驱动端作为LED ID标识。采用普通商用手机开展了实验研究, 结果表明, 与使用单一以频率作为LED ID相比, 在本系统中可提供ID数量增加了6倍以上, 可提供153种ID, 且实验中识别ID准确率100%, 在LED灯具被遮挡的面积达到1/3时, 仍能正确识别出ID。

随着精密制造行业对光学元件面形要求的提高, 干涉仪系统误差的标定越来越重要。其中, 采用液面基准法作为干涉仪系统误差标定的方案具有高精度, 低成本的优点。在不考虑外界因素的影响下, 理论上液体平晶曲率与地球半径相同, 可认作绝对平面进行系统误差标定。但由于液体对环境较为敏感, 不易控制, 因此如何建立一个高精度的液面基准是整个过程中最为关键的一个环节, 其直接影响了系统精度。由于液体的流动性特点使得以往的时间移相方法不再适用, 因此采用了点源异位立式斐索干涉仪进行液面的动态测量, 对液体、液盘的各项性质进行综合分析。最终完成了高精度的液面基准建立, 可用于干涉仪的系统误差标定。

在传统的条纹投影轮廓术（FPP）重建算法中, 通常倾向于简化校准模型以提高数值稳定性。但是简化后的校准模型难以有效地补偿FPP系统中照相机和投影仪的镜头畸变, 结果不能保证FPP的测量精度。提出了一种两步标定法, 依次执行镜头畸变补偿和系统标定, 通过使用相机和投影仪的标定参数来校正输入变量的值, 实现镜头畸变的有效补偿, 同时给出形式简洁但精度更高的测量模型进行物体三维轮廓重建。实验结果验证了方法的有效性和实用性。

针对传统外调制光频域反射 (OFDR)系统空间分辨率较差的问题, 提出了基于IQ调制OFDR系统的方法。分析了OFDR系统基本原理及IQ调制扫频原理, 采用IQ调制器调制稳频激光器产生线性扫频光, 建立了基于IQ调制的OFDR系统仿真模型; 通过改变局部后向散射光相位以模拟待测温度或应变变化, 并提出差分FFT解调算法实现对待测参量的快速定位检测。仿真结果表明, 模型可以准确检测与定位施加在传感光纤上的模拟待测参量, 并在传感距离为100m长的光纤上实现了0.23m的空间分辨率。研究证明, 该系统优化了空间分辨率, 降低了解调算法复杂度, 提高了参量检测准确度, 从而为光频域反射技术在短距离高空间分辨率应变、温度等参量检测方面的应用提供理论依据和测量方法。

太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术是太赫兹光谱研究的得力工具, 但是其探测速度与信号品质亟待进一步的提升。提出了一种基于快速光延迟线的全光纤直采式太赫兹时域光谱系统。实验结果表明, 系统在64ps的时间窗口下扫描频率可达到16Hz, 信号频域动态范围超过85dB。对比传统锁相式扫描系统, 不仅系统单帧太赫兹时域脉冲的信号质量更好, 而且探测时间缩短为原来的1/40, 为太赫兹时域光谱系统的实用化提供了一种可行的解决方案。

雾降低了图像的清晰程度和细节信息, 从而对后续视觉信息处理的影响是一个具有挑战性的问题。现有的图像去雾算法虽能去除雾度, 但对处理户外浓雾场景的效果较差。为了突破现有去雾算法的局限性, 结合大气散射物理模型, 提出了一种端到端的多尺度并行融合去雾网络。采用多尺度卷积从整体到局部提取不同尺度的特征, 并对这些特征进行多次并行融合; 通过引入残差模块对细节特征进行深入学习, 可以恢复出更多的图像细节。实验结果和数据分析表明, 提出的方法在合成图像和真实图像上都能表现出良好的去雾性能, PSNR和SSIM指标平均同比提升3%。

近年来, 人脸表情识别(FER)方法已经取得比较好的识别准确度, 但实际环境中由于姿态、遮挡、光照等因素, 会对其检测准确度有不小的减弱效果。针对这些问题, 提出了一种新的基于双流卷积神经网络(CNN)的FER算法。从外观和几何特征差异两方面入手, 建立双流CNN, 基于外观特征的网络是提取预处理后图像的局部方向模式(LDP)特征作为该网络的输入, 而基于几何特征的网络主要是基于动作单元(AUs)标志点的坐标变化, AUs标志点主要是标志面部做表情时运动肌肉的位置。此外, 利用了一种自动编码器技术生成具有中性情绪的面部图像的技术。算法在CK+和JAFFE数据集上进行了验证, 检测准确度分别为98.81%和96.05%, 与其他最新方法比较均显示出更好的效果。

为了解决遥感图像融合方法在信息融合过程中因忽视了图像中的显著内容而导致融合图像的空间特征不理想的问题, 提出了二代Curvelet变换耦合显著内容判定机制的遥感图像融合算法。借助HSV变换, 计算多光谱(MS)图像的明度(V)分量; 再采用二代Curelet变换对全色图像以及V分量进行计算, 输出二者对应的频域子带。采用图像的幅度谱特征, 计算出图像的显著信息, 通过对图像进行分块, 以分块图像的显著信息为依据, 建立显著内容判定机制, 根据分块图像的显著值, 采用不同的方法来融合低频子带。最后, 利用图像的梯度值, 构造细节测度因子, 以计算出图像的细节信息, 实现高频系数的融合。实验结果显示, 相对于已有的遥感融合方案而言, 所提算法的融合图像拥有更好的光谱等特征, 呈现出更高的标准差和相关系数值。

为了使可见光与红外融合图像能更好的表达目标信息, 联合非下采样Shearlet变换与剥离策略, 对其进行融合。首先, 借助非下采样Shearlet变换, 获取可见光与红外图像的高、低频成分。然后, 通过Otsu阈值分割方法来构建剥离策略, 将红外图像中的目标层与其背景层进行剥离, 并以目标层为基础, 利用图像的区域能量特征, 对可见光图像与红外图像背景层的低频系数进行加权计算, 并将结果与红外图像的目标层结合, 以得到富含目标内容和背景内容的融合低频系数。引入区域方差函数, 对图像的细节特征进行测算, 通过构造方差加权因子, 得到富含细节特征的融合高频系数。最后, 对两个融合系数实施非下采样Shearlet逆变换, 从而输出融合图像。实验结果显示, 本算法融合的图像, 比现有融合算法融合的图像更具优良的目标及细节表达能力, 可用于获取高质量的可见光与红外融合图像。

全脑区的自动分割对于大脑疾病的诊断和治疗具有重要的临床意义。为了提高分割准确率,提出了一种多项式展开配准的多图谱分割算法。利用线性多项式展开模型, 结合仿射变换和非刚体变换将待分割的目标图像与图谱图像进行逐一的配准来获取位移场; 利用归一化互信息计算二者的相似度, 筛选出与目标图像相似度较高的图谱, 并对图谱的标记图像进行位移场映射, 得到粗分割结果; 采用全局加权投票法将粗分割结果进行融合, 得到最终的细分割结果。选取了35例来自MICCAI 2012 Multi-Atlas Labeling挑战和10例来自上海交通大学医学院附属第九人民医院的磁共振T1加权图像对该方法进行验证, 最终全脑区的DSC值分别为0.7585和0.7351。实验结果表明, 算法具有较高的大脑分割精确度和鲁棒性, 有望辅助临床进行大脑相关疾病的诊断和治疗。

近年来, 深度学习算法发展迅速, 并广泛应用于目标检测的任务。然而, 在内存和计算能力等条件受限制的设备上, 无法进行实时性的目标检测。针对这一问题, 提出了一种在内存和处理单元受限的监视系统中检测行人的快速方法。针对一般行人检测中提取高维度行人特征导致检测效率低的问题, 将改进的方向梯度直方图(HOG)和Sobel边缘图像局部二元模式算法(Sobel-LBP)进行融合作为特征, 提出基于教师-学生框架的模型压缩技术, 将其应用于随机森林（RF）分类器, 不使用深度网络, 因为经过压缩的深度网络仍然需要大量的内存用于处理参数乘法运算。通过使用教师随机森林（T-RF）输出的soft target来训练学生浅层随机森林（S-RF）, 也称再生随机森林(BARF), 让其模仿T-RF的表现; 通过BARF分类器进行行人检测, 最后使用滑动窗口法检测出行人。实验证明, 与T-RF相比, 提出方法的速度提高了2.05倍, 压缩率提高了5.39倍, 并且其检测性能也较为理想。

针对复杂环境下动态手势识别准确率低的问题, 提出了一种基于长短期记忆网络和卷积神经网络的动态手势识别算法。采用长短期记忆网络学习每个滤波器的权重, 预测人体外形相关的滤波器组; 采用卷积神经网络提取目标手势的轨迹图, 创建彩色的轨迹图像; 将轨迹图像送入注意力卷积神经网络训练, 利用神经网络识别出复杂环境下的手势。实验结果表明, 该算法能够准确地检测与跟踪手势的动态变化, 并且实现了较好的手势识别准确性。

KDP晶体在惯性约束核聚变光学系统中具有十分重要的作用, 针对如何制造出满足应用要求的KDP晶体元件仍然是一个难点的问题。进行了采用飞切加工技术对KDP晶体平面元件的加工工艺研究。介绍了飞切加工的技术原理, 以及影响表面粗糙度的因素; 通过相应的工艺实验, 对KDP晶体加工检测过程中可能影响表面粗糙度的各个因素进行了研究。实验结果表明: 金刚石刀具参数、加工参数、以及加工后表面清洁方式都会影响表面粗糙度, 但是金刚石刀具参数对表面粗糙度的影响最大。采用前角为-45°、圆弧半径为5.0mm的金刚石刀具, 以及最优的加工参数, 可以获得表面粗糙度Sa优于1nm的超光滑表面。研究结果对飞切加工KDP晶体平面元件提供了有效的工艺方案, 具有广泛的工程应用价值。