在**和生产领域,特别是在极其恶劣的可视条件下,图像融合技术越来越强调融合效果显示的“近自然”感觉,以及人类视觉感知的要求。从彩色图像融合算法的发展概况出发,着重介绍了两种具有代表性的基于视觉特性的近自然彩色图像融合方法,并特别阐述了课题组近期开展的相关算法研究成果。总结了国内外实时彩色图像融合系统的发展现状,概括了课题组已具备的硬件实验基础,综合分析了实时彩色图像融合技术的若干关键技术,如多源图像特征分析、实时图像配准、融合图像后处理等。针对实时图像融合技术的应用状况,提出图像融合系统未来的发展趋势。

为了研究散射介质的粒子数浓度对散射光偏振度的影响以及杂质混合比与目标偏振度的关系,求解了当激光器输出波长处于近红外波段806 nm时目标的米勒矩阵及偏振度的数值解,结果表明偏振度随散射介质粒子数浓度的变化十分显著;通过建立混合目标模型,讨论了杂质比与偏振度的数值关系,并对目标的偏振度进行了归一化,而且实现了由归一化偏振度对杂质混合比的反演。本文的研究结果为利用散射光偏振度研究大气遥感提供了新的途径。

对于圆形孔径的光学系统,利用光强传播方程进行相位恢复时很难得到相位的边界径向斜率值,另外,要获得精确的圆域边界采样值也并非易事。为了克服上述困难,提出了一种相位恢复的改进方法,即改变了方程的表示形式、计算区域和边界条件,并用多重网格法进行求解获得重构相位,最后再将其修正。为了对重构相位进行修正,还得到了重构相位与原始相位之间泽尼克系数的传递矩阵。对均匀照明的情形进行了仿真,发现该方法不仅可以避免复杂的边界条件,减少运算时间,而且还能够较好地恢复出原始波前的泽尼克系数,即便在加噪的情况下,修正相位与原始相位的均方根误差也在可以接受的范围内。

通过理论计算确立了多功能介质金属结构空芯光纤的结构参量,优化了液相镀膜法的有关条件,明确了具体制作参量。制作了以聚碳酸酯毛细管为基管的,高柔韧性的,可同时低损耗传输红外目标波长激光和可见导航光红外的空芯光纤。对光纤传输性能进行了测试。在2.94 μm波长的Er∶YAG和0.63 μm波长的红色半导体激光器的直线损耗分别为0.4 dB/m和3 dB/m。组装在医疗内窥镜中的柔性空芯光纤,在先端以0.9 cm半径135°角弯曲时,对Er∶YAG激光仍有近70%的传输效率;绿色导航光在内窥镜中的的损耗值为11 dB,绿色指示点在内窥镜的视窗中清晰可见。结果表明此种光纤在内窥镜的激光传输方面有重要的应用价值。

基于马赫曾德尔干涉原理的分布式光纤传感系统具有对油气管道破坏行为的预警潜力,而分布式的定位技术是其关键技术之一;基于互相关原理、对其定位理论进行了研究,构建了基于虚拟仪器平台的实验系统、并进行了试验;在总长20 km光纤的8个不同位置分别进行多次试验,初步试验结果达到了149 m的定位精度,接近了实际工程的定位需求。

提出了一种利用非均匀镀铜技术在光纤光栅的外包层镀上径向均匀轴向厚度渐变的铜膜,通过温度控制来调节光纤光栅的啁啾量,从而实现光纤光栅的色散可调,用于动态的色散补偿。在理论方面,建立了完整的热平衡方程,对轴向厚度渐变镀铜膜光纤光栅在温度控制下的受力情况进行分析;分析了光纤光栅在同时受到温度变化和非均匀应力时的反射、时延、色散等特性,并进行了数值仿真。在实验方面,在自制的均匀光纤光栅上利用先真空镀后电镀的方法镀上了轴向厚度渐变的铜膜,并对镀膜后的光纤光栅利用温度调节装置进行测试,不同温度变化下光纤光栅的特性和理论仿真结果基本一致,从而验证了理论分析的正确性。

以开拓反射全息图的景深表达能力为目的,从反射全息图的共轭物像关系出发,利用反射全息图的均匀介质耦合波理论和布拉格条件,对其白光再现像模糊作了具体的分析和讨论,得到色模糊和线模糊的表达式。指出反射全息图上不同各点对任意白光再现像点的色模糊和线迷糊的影响均存在差异,给出反射全息图白光再现像的景深表达式。实验利用二步法制作了一张景深为83 cm的反射全息图,与大景深彩虹全息图再现像相比,其再现像的立体感更加强烈。理论分析和实验结果表明,光源的再现角度和观察距离对反射全息图的再现像景深大小影响显著。在再现光垂直于反射全息图平面照明情况下,反射全息图具有最好的景深表达能力。

由于数字投影和采集系统的非线性失真,传统的方法通常需对采集到的条纹进行低通或带通滤波从而抑制高次谐波并获取基频分量。基于广义分析模型针对数字条纹轮廓术提出一种对测量后的物体形貌进行后滤波的算法,消除了非线性失真对测量结果所造成的影响并提高了数字条纹轮廓术的测量精度。论述了条纹轮廓术的原理和广义分析模型,分析推导出后滤波算法。仿真和实验结果表明,后滤波方法能够快速准确地实现基于数字投影的三维形貌重建。

自动聚焦是数码设备、计算机视觉中的一项关键技术。自动聚焦过程中,聚焦的准确性和抗噪声性能至关重要。以高频分量作为度量的聚集评价函数具有灵敏性高、聚焦准确的优点,适用于实时系统,但是对噪声十分敏感,受噪声污染时可能导致聚焦失败。因此,提出了一种具有噪声稳健性的高频分量自动聚焦评价函数。该函数通过小波多分辨力分析提取高频分量,利用了信号的每个子带的小波系数存在一定相关性,而噪声不存在这样的相关性的特点,设定高频子带阈值,认为低于阈值的系数是噪声的贡献,大致分离图像信号与噪声信号,从而将其滤除。经过大量的实验,证明提出的方法具有单峰性好、灵敏度高等优点,特别是在抗噪声性能方面有很大提高。

针对背景和目标的先验光谱特征未知的条件,给出一种基于单似然检验的高光谱图像小目标检测器。小目标相对于背景的低概率性使得高光谱图像数据对目标光谱信号的矩特征几乎不施加约束,可在最大熵条件下将广义似然比检验简化为对背景似然的单似然检验;利用全部数据样本建立无参估计模型以充分利用样本信息,从而得到基于单似然检验的高光谱图像小目标检测器。该检测器避免了统计模型误差和不明确物理含义特征对实际高光谱图像数据检测带来的影响。使用可见光/近红外波段机载I型实用型模块化成像光谱仪(OMIS-I)高光谱图像进行了实验,实验结果及相应理论分析表明该算法可有效检测高光谱图像中的空间低概率目标。

针对因复杂背景导致低信噪比的弱点目标探测率降低的问题,首先分析了从红外图像中探测弱点目标时,由于复杂和缓变背景下潜在目标探测率不同,而导致目标探测率降低的理论依据;并在该分析的基础上,提出了一种基于背景自适应调整的红外点目标探测算法。该方法利用鲁宾逊(Robinson)保护滤波器从经过预处理的图像中提取潜在目标;通过复杂背景模糊隶属度函数将图像映射到模糊特征平面,并由该特征平面计算背景调整因子,以对提取的潜在目标进行加权调整,从而降低了复杂背景的影响。实验结果表明,该算法可以显著提高复杂背景下红外点目标的检测概率,并且能够探测出信噪比为1的目标。

用计算全息(CGH)模拟理想非球面主镜的反射波面,用补偿器对该计算全息进行检验,只要计算全息的制作误差能够满足要求,就能实现直接对补偿器的标校。介绍了计算全息标校补偿器的原理、方法,并进行了误差分析。实验采用电子束制作的计算全息实现了对850 mm F/2抛物面主镜补偿器的标校,补偿器产生的标准非球面精度不低于计算全息模拟的主镜面形精度,均方根(RMS)误差为0.012λ。研究表明,用计算全息模拟主镜反射波面对补偿器进行标校是一种行之有效的方法,结合先进的微电子制造技术,可实现对补偿器的高精度标校。

针对传统傅里叶变换法在提取条纹图相位中存在的能量泄漏问题,提出了条纹图整周期裁剪的方法,可有效抑制能量泄漏对检相精度的影响,提高傅里叶变换法相位计算的精度。在此基础上,提出了一种基于傅里叶变换时移特性的叠栅条纹细分新方法。与传统傅里叶变换法相比,该方法求取相邻两帧条纹图间的相移,只需经过两次傅里叶变换,不需要截取条纹图的基频再逆变换回空域,因此计算量至少减少了一倍,计算速度大大提高。数值计算结果表明,对两束单色平面波形成的条纹,理想条件下细分精度高达10-12量级;对高斯包络调制的条纹,细分精度至少可达10-3量级。

针对等离子体显示普遍存在的大面积闪烁现象,提出了一种基于时变光信号亮度测量系统的大面积闪烁客观评价方法。时变光信号亮度测量系统利用光电管和亮度计,实现了对显示屏输出光信号亮度值随时间变化的快速、准确记录。基于阴极射线管显示临界闪烁频率估算模型,通过主观视觉感知实验,利用测量系统得到亮度随时间的变化关系,建立了平均感知闪烁程度估算模型。估算模型输出结果与视觉感知实验数据相关系数达到0.98。该测量系统与估算模型实现了对等离子体显示大面积闪烁的客观度量,并与主观视觉感知实验结果相吻合,是等离子体显示屏优化设计和显示行业标准建立的有效工具。

对新型聚合物光子材料杂萘联苯型聚芳醚砜硐(PPESK)波导薄膜的成膜工艺进行了系统的研究。分析了溶剂吸水性对成膜质量的影响,并通过氮气保护的方法获得了具有良好均一性的波导薄膜,其厚度一致性可优于1%,折射率一致性优于0.03%。采用棱镜耦合技术测量分析了PPESK波导薄膜的折射率、双折射、热光系数等光学特性,测量得到该材料在1310 nm波长处的损耗小于0.24 dB/cm,在1550 nm波长处的损耗小于0.52 dB/cm,表明该材料是一类性能良好的聚合物光子材料。

针对光纤无线通信(ROF)系统对光强调制器线性度的特殊要求,设计了一种新型的集成光学器件——微环相位辅助型马赫曾德尔调制器(RPAMZM)。将一个微环谐振器和一个相位调制器分别加载到马赫曾德尔调制器的两臂,可以补偿普通马赫曾德尔调制器的亚线性,得到线性度良好的响应特性。建立了该种器件的理论分析模型,计算了不同条件下的传输特性和无毛刺动态范围(SFDR)。分析结果表明,在不计损耗的情况下,器件的非线性主要来源于传输函数泰勒展式的三次项,通过控制透射系数,可以使该项等于零,无毛刺动态范围获得19.68 dB的提高;在损耗存在的情况下,通过控制透射系数和偏压因子,可以同时抑制掉二次和三次这两个主要的非线性项,无毛刺动态范围获得15.74 dB的相对改善。

利用级联的受激布里渊效应,自激发布里渊掺铒光纤激光器可以实现常温下的多波长激光输出。通过在自激发掺铒光纤激光器中引入一个高双折射萨尼亚克(Sagnac)环形滤波器,调节萨尼亚克环形滤波器的偏振控制器(PC),实现了可调谐多波长输出,同时在实验中观测到双布里渊多波长带的现象。研究了这种光纤激光器中萨尼亚克环形滤波器的带宽和980 nm抽运光功率对输出波长数的影响,在萨尼亚克环形滤波器的带宽为83.3 nm以及980 nm抽运光功率为260 mW时,得到了52个间隔为0.088 nm的多波长激光输出。

固体激光器中,增益介质由于热沉积产生的热畸变严重影响了激光器的稳定性、输出功率和光束质量。研究了一种内腔自适应光学系统校正激光器腔内畸变的方法,利用微机电变形反射镜作为固体激光器的内腔全反射镜,通过控制变形镜的面型改善激光器输出光束的模式及功率。从腔外引入的一束信标光通过激光器内腔后反射出腔外,用波前探测器可测得激光器工作时腔内畸变对此信标光的影响,并通过搭建的自适应光学系统平台可闭环校正此畸变。实验结果表明,闭环校正后,激光器的输出功率提高了近3倍,且激光光束质量得到了明显的改善。

激光二极管抽运的全固态激光器中,除了激光介质的温度分布和热透镜效应以外,抽运、冷却结构对获得高光束质量、高功率激光输出至关重要。基于热传导方程,在相同的抽运功率和传导冷却边界条件下,对单侧面抽运锯齿形(zigzag)板条、单侧面键合锯齿形板条、部分抽运板条三种不同抽运结构的温度分布、热致应力、温度导致的折射率变化进行了详细的分析,并通过光线追迹方法,比较了光束在锯齿形面内和垂直于锯齿形面内的光程差,由光程差曲线分析了激光束的热透镜效应。对三种抽运结构的端面温度、端面变形和端面变形导致的光程差也进行了对比分析。结果表明,三种抽运结构在锯齿形面内的光束均表现为发散特性,在垂直于锯齿形面内的光束表现为热聚焦效应,温度导致的热聚焦特性相差不是很大。而在消除端面效应方面,键合激光板条具有明显优势。最后,提出了热透镜效应的补偿方法。

为了实现复杂条件下的焊缝检测与跟踪,通过激光扫描技术,开发了环形激光视觉传感器,与机器人手爪一起构成焊接机器人“手眼”系统,从而获得焊缝三维信息。改善了传统的点状或线条状激光视觉传感器信息量少、解释模糊以及跟踪方向单一等问题。研究了用于焊缝定位与跟踪的环形激光视觉传感器系统的内外参量标定,提出了实现焊缝三维计算的模型,最后,以对接接头、搭接接头、角接接头为对象进行了试验验证,并对标定精度进行了分析。结果表明:环形激光在不同的焊缝表现了不同的形态,结合标定试验结果,能够计算被检测焊缝的三维坐标,计算精度能够满足试验要求。

对紫外激光诱导近化学计量比钽酸锂晶体铁电畴反转进行了实验研究。波长为351 nm的连续紫外激光被聚焦在近化学计量比钽酸锂晶体的-z表面,同时沿与晶体自发极化相反的方向施加均匀外电场。实验证实紫外激光辐照可以有效地降低晶体畴反转所需的矫顽电场,采用数字全息干涉测量技术检测证实在激光辐照区域实现局域畴反转。研究表明采用紫外激光诱导可以实现对近化学计量比钽酸锂晶体铁电畴反转的局域控制。提出了物理机理的理论分析,认为外电场和激光辐照场的共同作用在晶体内部产生高浓度、大尺寸的缺陷结构,缺陷一定程度上降低畴体成核和畴壁运动所需要克服的退极化能和畴壁能,实现激光诱导畴反转。

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对闪锌矿结构CdS和CdS∶M (M=Mg,Ni)几何结构、能带结构、电子态密度和光学性质进行了系统的研究。几何结构研究对掺杂后体系晶格常量进行了优化计算,结果表明Mg和Ni原子掺入CdS后晶格常量均减小,晶格发生局部畸变。进一步研究了掺杂对体系电子结构的影响,能带结构和电子态密度分析表明由于Ni 3d电子的引入使CdS∶Ni成为半金属铁磁半导体,而Mg 3s电子的引入CdS∶Mg带隙变宽。另外,体系掺杂后,吸收系数分析表明掺杂导致吸收峰在可见光波长区域变化显著,且掺Ni导致吸收峰进一步向长波方向移动。

给出了高斯光束入射到挛晶结构的电磁场分布,解出了反射系数和透射系数。根据晶体的色散关系解出了入射角、反射角和折射角关于晶体参量及波矢的方程,并根据角度方程给出了在一定参量下反射角和折射角关于入射角变化的关系图,以图示的方法显示了光束在界面处的异常性质。根据角度关系和反射、透射系数分析了异常光束在界面处能够出现二性折射、负反射、全透射和全反射等光束的奇特性质;分析了出现这些奇特性质对晶体参量和入射角所要求的条件。根据时间平均的能流密度公式,用数值模拟的方法给出了二性折射、全透射和全反射在特定参量下的高斯光束在挛晶内的能流密度分布图及当发生全反射时不同宽度光束在界面处关于入射角的古斯亨兴(Goos-Hnchen)位移。

采用AlOOH/Sr(NO3)2/SiO2/Eu复合胶体喷雾工艺制备了D50＝3.83 μm球形Sr2Al2SiO7∶Eu2+梯次结构荧光粉。复合胶体喷雾过程形成雾滴,雾滴中纳米粒子组分在表面张力及毛细管力作用下自组装形成梯次结构干凝胶粉。干凝胶粉经1300 ℃灼烧得到梯次结构Sr2Al2SiO7∶Eu2+荧光粉。X射线衍射(XRD)分析及晶格常量计算结果表明,Eu2+离子部分取代Sr2+格位进入Sr2Al2SiO7晶格。Sr2Al2SiO7∶Eu2+荧光体激发谱由峰值位于326 nm附近的宽带构成, 属于Eu2+的4f→5d跃迁吸收带;发射光谱峰值波长位于约500 nm处,属于Eu2+离子4f65d到4f7跃迁导致的宽带发射。

提出了一种用于显示的,基于透射型法布里珀罗干涉的微机电系统(MEMS)光学调制器。基于多光束干涉原理分析了调制器的光学特性,推导出了调制器结构的特征参量。分析表明,当调制器的腔长为λc/4时,透射光可以实现暗态显示;当调制器的腔长取为零或λc/2时,透射光可以实现亮态显示。通过控制法布里珀罗腔长,就可实现调制器的明暗调制。理论上证明了该调制器用于显示的可行性。设计了一种基于微机电系统的透射型法布里珀罗光学调制器结构,该调制器的理论衬比度达到150。仿真结果表明,该调制器具有2.4 V的低电压静电驱动性能。

利用转移矩阵方法对含负折射率缺陷的一维光子晶体量子阱结构的透射特性进行了研究。结果表明,当缺陷为偶数个时,结构透射谱中有两个透射峰;当缺陷为奇数个时,透射谱中只有中心处一个透射峰,且随着缺陷层数的增加,该处峰的品质因子逐渐提高。因电磁波在缺陷处的强烈局域,所以阱中局域态的透射率对缺陷的折射率有很强的依赖作用。通过控制入射光的强度可使缺陷的折射率发生微小的改变,进而使局域态的透射率发生明显改变,这样就可制作高效光开关。

研究了高Q腔中具有偶极相互作用的两个等同二能级原子与双模二项式光场相互作用过程的腔场谱,重点研究了两模腔场谱的干涉效应对谱结构的影响。结果表明:两模光场平均场强相等时,每模腔场谱一般出现对称多峰结构。随着初始场强的增加中间3峰趋于ωi和ωi±0.7g处,而边峰消失。当两模初始场的频率差Δ大于6g(g为原子与腔场的耦合常量)时,两模间的干涉效应可以忽略;在Δ小于6g时,模间的干涉效应对腔场谱结构有明显的影响;尤其当Δ从1.4g逐渐减少时,模Ⅰ和模Ⅱ的三个主峰开始逐渐重叠,两模腔场谱之间出现了十分明显的干涉现象。

星载太阳紫外光谱监视器是一种小型化、高精度紫外真空紫外光谱辐射计,它有两种工作模式,即探测太阳紫外光谱辐照度的太阳模式和探测大气的太阳后向散射紫外光谱辐亮度的大气模式。对应这两种工作模式分别建立了紫外-真空紫外光谱辐照度和紫外光谱辐亮度定标装置。光谱辐照度标准灯直接辐照仪器的漫反射板进行仪器的光谱辐照度响应度定标,光谱辐照度标准灯辐照标准漫反射板形成朗伯面光源进行仪器的光谱辐亮度响应度定标。误差分析表明:160～250 nm光谱辐照度绝对定标误差为6.5%,250～400 nm为4.3%;250～400 nm光谱辐亮度绝对定标误差为5.9%。星载太阳紫外光谱监视器获得的地外太阳紫外光谱辐照度与大气的太阳后向散射光谱辐亮度数据,同国际上的观测结果相比一致性达±10%。

针对包裹相位场在消除噪声的特别要求,提出了对包裹相位场预处理的向量滤波方法。理论分析了功率谱密度和向量变换的滤波思想。仿真实验研究了滤波模板的大小对滤波效果的影响,比较了在同样模板的选取下向量滤波方法与二次均值滤波法的滤波效果,分析了向量滤波方法与二次均值滤波法的功率谱密度分布。结果表明,相比二次均值滤波法,向量滤波法在降噪的同时,相位图依然清晰,它的功率谱密度分布没有明显变化,预处理后频谱信息的丢失远小于二次均值滤波。向量滤波法在提高信噪比的同时,信息的完整性得到较好保证。