差分光柱像运动激光雷达的信号噪声直接影响大气湍流强度廓线的反演精度,采用一种有效的去噪方法能够提升雷达探测性能。为了减弱小波-经验模态分解(EMD)联合降噪方法对小波的依赖性,提出先利用信号的趋势项对小波降噪后的信号进行自适应调制,再利用调制后的信号进行EMD去噪,即小波-趋势项-EMD方法,趋势项的提取仍采用EMD方法。为了保证调制的有效性,提出适用于大气相干长度(r₀)廓线的调制判定准则,并采用去趋势波动分析方法自适应识别EMD降噪的阈值。为了论证所提方法的有效性,将该方法与小波、EMD、集合经验模态分解 (EEMD)、小波-EMD 4种去噪方法进行对比。数值仿真和实验结果表明,在不同噪声强度下,5种方法均可提高r₀廓线的信噪比和反演精度。两种联合方法优于单独方法,小波法优于EMD和EEMD方法,小波-趋势项-EMD方法进一步提高了小波-EMD方法的去噪能力,为小波-EMD联合去噪方法的改进提供了新思路。

根据CCD侧向散射激光雷达(Clidar)及Mie散射理论,建立侧向散射光强分布与PM2.5浓度的关系模型,并分析测量误差。在研究过程中,搭建以波长为532 nm的激光器为光源、CCD为接收器的Clidar PM2.5浓度测量系统装置;将获取的侧向散射回波信号图与BAM-1020颗粒物监测仪记录的PM2.5浓度进行对比,建立高、低增益下各等级模型的关系式。将高、低增益各等级模型的PM2.5预测值与实际测量结果进行对比,得到各模型的平均误差、残差方差和综合偏差率统计量,并确定最佳反演精度模型的增益和等级i值。结果表明:当PM2.5浓度在0~70 μg m ^-3范围内时,高增益模型的反演精度高于低增益模型;对于高增益模型,S(20)模型的反演精度最高。

提出了一种用三个带电球电极形成一个光学通道开放、针对弱场搜寻态冷极性分子的静电囚禁方案。给出了方案图,用镜像法推导了空间电场分布的解析解,并利用有限元软件得到了电场分布的数值解。采用经典蒙特卡罗法模拟了冷极性分子被装载和囚禁于静电阱的动力学过程。研究了入射分子束速度和装载时刻对装载效率的影响,给出了被囚禁的冷分子的温度。讨论了所提方案在芯片表面囚禁,尤其是在静电晶格方面的潜在应用。结果表明,装载效率可以达到47.4%, 阱中冷分子的温度为25.4 mK。

以类HTV-2高超声速滑翔飞行器为研究对象,对其红外辐射特征进行了仿真分析。综合考虑了目标、背景、传输过程的方向和光谱特性,系统分析了地基平台、浮空器、天基卫星对类HTV-2高超声速飞行器的红外探测能力,得到了不同探测波段、不同探测平台的最大探测距离。研究结果表明,目标的红外辐射强度受观测方向的影响较大,最大探测距离随探测器灵敏度的增加而增大,中波波段(3.7~4.8 μm、3.0~5.0 μm)的探测距离比长波波段(7.7~9.5 μm、8.0~12.0 μm)的大。

传统的光学镜头探测主要基于回波强度(猫眼效应)来实现,但对于微型镜头而言,反射回波中存在明显的衍射现象,因此对微型镜头光阑衍射效应的研究成为一个重要的研究方向。基于角谱衍射理论,研究了微型镜头对辐照激光的空间调制特性,推导了回波光场分布的公式;仿真研究了探测距离、入射角度和光阑直径对衍射光场分布的影响,以及不同光阑直径时的最大可探测入射角,并利用搭建的激光主动探测系统对回波衍射现象进行了探测。结果表明,实际探测的衍射图样与仿真图样吻合得较好,所提理论能够准确地预测微型镜头探测回波的衍射现象。

在高精度光纤频标传递过程中,需要对光纤链路引入的相位波动进行测量和补偿,其中引入的频率串扰是影响频标传递性能因素之一。为评估频率串扰对光纤频标传递性能影响,建立了频率串扰对频率传递稳定度的影响模型。在光纤链路温度变化条件下,通过仿真分析和实验研究了频率串扰与稳定度损失之间的关系。结果表明,频标的稳定度损失与串扰因子和频率有关。串扰因子越大,信号的阿伦方差曲线整体上移幅度越大,且串扰因子和稳定度损失峰值近似呈线性关系;频标频率变化时,频标传递的长期稳定度并非只受由温度缓慢变化引起的时延缓慢漂移的影响,也与频率点和时延波动量有关。频率升高时,频率稳定度损失的峰值点向短稳移动。

研究了色散补偿光子晶体光纤(DC-PCF)对双通道光子时间拉伸模数转换器(PTS-ADC)的性能影响。通过理论推导验证了DC-PCF抑制PTS-ADC中三阶谐波产生的原理。设计了一种基于DC-PCF的双通道PTS-ADC系统,利用Optisystem软件对该系统进行仿真研究,分别对5组不同的输入射频(RF)信号(16.25,20.25,24.25,28.25,32.25 GHz)进行模数转换,对比DC-PCF和色散补偿光纤(DCF)作为色散介质时系统的有效量化位数等性能参数。仿真结果表明,DC-PCF能够有效抑制三阶谐波的产生,提高双通道PTS-ADC的量化精度。

利用高相干、低噪音激光器作为光源,设计了2干涉臂长度差为60 m的长光程差光纤迈克耳孙干涉仪作为传感器。采用二元矩形脉冲对光源进行相位调制,结合正交信号解调法恢复相位信息,由基于现场可编程门阵列(FPGA)的高性能询问器实时实现相位信号的计算。结合时域穿越统计(LC)报警算法,提高了对入侵事件报警的实时性及精确性。最终搭建了包含4个防区的安防系统,该系统询问设备简单、成本低、实时性高。实验结果表明,通过设定合适的阈值,系统可以对各种入侵和干扰行为实时进行报警,同时对雨雪等恶劣环境的误报进行有效抑制,该系统持续工作1个月,未出现漏报,误报率低于1%。

在少模光纤的模分复用(MDM)系统中,少模光纤之间的熔接不可避免。精确测量少模光纤熔接点处的模式耦合,可以为评估熔接质量和定位系统故障提供可靠依据。基于背向瑞利散射原理,分析了少模光纤熔接点处模式耦合特性,基于光子灯笼结构和光纤环形器建立了少模光纤熔接点耦合测量系统,成功测试了两段3模光纤(长度分别为0.9 km和9.8 km)熔接点处的模式耦合。实验结果表明:当偏移量为1.5 μm和2.0 μm时,熔接点处模式耦合分别为-14.9 dB和-13.9 dB。

在相干光成像研究中,相干传递函数是考查相干光成像质量的基本依据。目前的相干传递函数是在特定的近似条件下定义的,因此,基于相干传递函数建立的单透镜系统成像公式只能近似计算像光场的振幅分布。像光场的振幅和相位是同等重要的物理量,对单透镜成像系统进行研究,建立了理想像及像平面附近像光场复振幅分布的准确计算公式,给出了离焦像场的振幅和相位分布的计算方法,并进行了实验验证。

基于节点像差理论,提出了以泽尼克多项式为表征函数的光瞳离轴自由曲面光学系统像差分析方法,推导了光瞳离轴自由曲面系统的三阶像散和彗差解析表达式,分析了自由曲面对光瞳离轴系统像差节点分布的影响。根据像差分布特性,有针对性地选取和优化泽尼克系数,设计了一个光瞳离轴自由曲面空间天文光学系统,系统有效焦距为25 m,口径为2 m,视场为1.2°×1.2°。自由曲面的引入,使系统三阶像散和彗差节点重新回到视场中,不仅平衡了系统光瞳离轴引起的非对称像差,而且有效控制了全视场内点扩展函数(PSF)椭率,减小了星体观测时的测量误差。系统成像质量接近衍射极限,满足使用需求。

针对平板吸收体非对称复合抛物聚光器(PACPC)的结构及特性进行了研究。构建了平板吸收体复合抛物聚光器(CPC)面形结构模型,在其基础上进一步建立了PACPC结构方程,并获得解析解。采用光学设计软件TracePro对所构建的PACPC面形结构的光学特性进行了光学模拟,探究其光学特性,发现随着光线入射角的变化,吸收体表面接收到的辐射能分布不均匀。根据太阳能直散辐射理论,分别计算了PACPC在全年中的直散辐射量的采集,结果表明PACPC系统的年采光量较相同面积的平板吸收体系统得到了显著提高,平均年采光量提高了15.28%。

光学加密系统的稳健性直接决定其密文在存储和传输过程中的抗干扰能力,并且通常从密文抗裁剪和抗噪声干扰两方面来衡量。针对联合变换相关器光学并行加密系统的多图并行加密和任意图像再现的功能特点,仿真并分析其稳健性。结果表明,当密文面积受到50%裁剪时,各通道图像解密效果明显降低,部分解密图像与原始图像的相关系数(CC)低至0.2左右。分析其原因并对联合功率谱分布进行优化。仿真结果表明,加密系统不仅稳健性得到显著提升(当密文面积受到60%裁剪时,各通道CC值均大于0.49),且能保持优化前加密系统在抗噪声干扰方面的优势。最后,搭建光学实验系统,验证了该加密系统稳健性提升方法的有效性。

针对传统深度图超分辨率重建算法需要人工提取特征、计算复杂度较高且不容易得到合适表示特征的问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)的深度图超分辨率重建算法。该算法不需要提前对特定的任务从图像中提取具体的手工特征,而是模拟人类的视觉系统对原始深度图进行层次化的抽象处理以自主地提取特征。该算法直接进行从低分辨率深度图到高分辨率深度图的映射学习。映射由7个卷积层和1个反卷积层联合实现。卷积操作学习丰富的图像特征,而反卷积实现上采样重建高分辨率的深度图。Middlebury RGBD数据集的实验结果表明,该模型得到的峰值信噪比(PSNR)较传统双三次插值算法平均提高了2.7235 dB,均方根误差(RMSE)平均降低了0.098;与经典CNN算法相比,PSNR平均提高了1.5244 dB,RMSE平均降低了0.043。

针对大数据环境下,三维模型的传输和存储需求,提出了一种基于八叉树的三维点云有损压缩算法。该算法改进了八叉树分割的停止条件,可以在适当的深度停止分割并确保体素大小合适。同时在分割的基础上通过建立K邻域,利用简单有效的统计方法去除原始点云的离群点。在数据结构上,对每个节点分配位掩码,通过操纵位掩码,在遍历时对数据查询和操作,并优化随后的点位置编码。该算法可以有效地移除离群点和表面杂点,并在区间编码上提高了点云压缩效率。实验结果表明,该算法较完整地保留了三维点云数据的关键信息,取得了良好的压缩率并缩短了压缩时间。

针对目前基于样例学习的图像超分辨率方法难以同时满足快速运算和生成高质量图像的问题,提出一种基于去卷积的快速图像超分辨率方法。设计新型网络模型,以低分辨率图像作为输入图像,利用卷积层进行特征提取与表示;利用去卷积层对图像特征放大膨胀,再以池化层浓缩特征图,提炼出对结果更敏感的特征;以亚像素卷积层实现特征映射与图像融合,获得高分辨率图像。在图像集上进行测试,相比其他方法,本文方法的测试结果具有较高的峰值信噪比,且平均每秒能处理24幅以上大小为320 pixel×240 pixel的图像,表明该方法不仅可以生成更高质量的图像,且具有较高的处理速度,能满足视频实时处理要求。

为实现基于数字微镜器件(DMD)高动态范围成像系统中的DMD微镜与CCD像素间的高精度映射,提出了三种不同的像素级映射算法。介绍了基于DMD的高动态范围成像系统,分析了其映射原理以及映射的必要性,采用直接线性变换算法、非线性多项式畸变拟合算法和反向传播神经网络算法进行映射,并将其理论方法与成像系统相结合。通过图片测试,得到相应的参数并计算其误差,其中误差最小的是多项式畸变拟合映射算法,其均方根误差为1.02 pixel,即认为该算法可达到像素级映射的目标。该算法拟合了部分畸变误差,满足成像系统像素级映射的需求。

为准确评价跟踪成像平台对图像调制传递函数的影响,提供确定平台技术指标的理论依据,建立了利用图像运动函数直接计算运动光学传递函数的解析及数值计算模型,并给出了有限项的截断误差,取7阶近似时,截断误差小于10%。利用所建模型给出了低频正弦运动和高频正弦运动光学传递函数的解析式。对某跟踪成像平台的跟踪角速度误差进行了频谱分析,主要分量由多个低频正弦振动分量组成;在曝光时间的尺度上,跟踪角速度误差引起的图像运动可近似为匀速直线运动。利用统计矩法计算的调制传递函数,与利用跟踪角速度误差的均方根值计算的调制传递函数相当,200 mrad ^-1频率下计算结果偏差小于0.01,因此,跟踪角速度误差均方根值是表征跟踪成像平台的跟踪稳定度的合理参数。

水下图像成像过程与雾天图像类似,但传统的去雾方法用于水下图像处理效果欠佳。针对水下捕获图像存在颜色衰减严重和蓝(绿)色基调的问题,提出了一种基于改进暗原色先验和颜色校正的水下图像增强方法。结合光在水下的传播特性,对空气中的暗原色先验去雾算法进行改进,在求取水下暗原色通道和图像背景光时考虑红色通道的逆通道;提出先采用改进的水下暗原色先验法去除后向散射光,再通过白平衡算法对增强后的水下图像进行颜色校正的方法。实验结果表明,相比于传统算法,本文的方法在处理后向散射严重的水下图像时,可以获得更高的清晰度和对比度。

为验证地面紫外探测系统是否能对臭氧层以上的高空高速再入目标探测成像,分析了高空高速再入目标产生紫外辐射的机理以及进行地面紫外探测的可行性,并在国内某多用途飞船缩比返回舱实验中,利用自研紫外光学成像验证设备开展验证实验,获取了40 km以上高空高速再入目标的地面紫外探测图像,依托地面平台成功获取臭氧层以上高空高速目标紫外图像。实验表明,在稀薄大气条件下,高空高速目标可以产生强烈的紫外辐射,利用地面紫外探测器完全可以实现对高空高速再入目标的探测成像,并且能够从背景中有效分离和提取成像目标。对于进一步开展空间紫外探测的实际应用研究和深化紫外探测理论具有十分重要的参考价值。

光频扫描干涉(OFSI)技术是一种具有广阔发展前景的高精度绝对测距技术。在实际应用中,该技术对光程差漂移非常敏感,测量过程中光程差的微小漂移通过放大因子的放大,引入显著的测量误差。详细分析了由于测量臂光程漂移引入的多普勒效应对测量结果的影响,并根据频移误差放大项的符号与光频扫描方向相一致的特点,使用光频三角波扫描方法对漂移误差进行补偿。实验结果显示,对距离为3.6 m的目标进行10次重复测量的标准差从21.51 μm减小到2.85 μm。另外,与干涉仪的对比实验结果显示,本方法所得残余误差的标准差由补偿前的18.6 μm减小到5.6 μm,提高了测量精度。

在投影结构光的三维形貌测量方法中,由于镜面反射,高光面物体的三维测量无法得到清晰的编码图像,影响了三维坐标信息的解算,进而无法拟合出完整的三维形貌。提出应用数字微镜器件(DMD)为核心的新型DMD相机,应用DMD的高动态范围成像解决传统电荷耦合器件(CCD)采集编码图像过曝光的问题。在传统单目三维测量系统基础上搭建新的系统,建立了DMD相机的高动态范围成像和三维测量的数学模型,结合格雷码的图像匹配方法,获取物体的三维坐标信息。实验结果证明,该系统对高光面物体的成像起到了良好的效果,获得了比较完整的点云位深图,能够进行高动态范围的三维形貌测量。

提出了一种基于微腔耦合结构的等离子体弯曲波导新型滤波器,该滤波器由两个直角波导和一个矩形谐振腔组成,光通过该结构会激发表面等离子体激元(SPPs)。采用时域有限差分(FDTD)法研究了此结构SPPs的传播特性。结果表明,相比于传统的直波导结构,由于其会引发双边耦合效应,这种单微腔弯曲波导结构产生了更强烈的共振作用,其耦合效率也得到了进一步的提高。数值仿真结果表明,通过改变谐振腔的腔长,也可达到线性调节滤波器共振波长的目的。此外,在上述设计思路的基础上还提出了一种双微腔结构,此结构由一个弯曲波导与左右两个谐振腔组成,其可利用两个微腔透射波的叠加作用,产生动态可调控的等离子诱导透明效应。

从机械结构角度对机械夹持状态下吸收了高能激光束能量的磷酸二氢钾(KDP)晶体内部产生热应力的问题进行了研究。理论分析了KDP晶体吸收激光能量引起的温升,研究了机械夹持状态下KDP晶体内部热应力的生成机理。 采用有限元方法对KDP晶体的温度分布和热应力分布进行了仿真计算,分析了夹持装置结构参数、预紧力、摩擦系数和弹性模量对热应力的影响。结果表明,夹持装置对KDP晶体的机械夹持作用是KDP晶体内部产生热应力的重要因素,热应力的大小与夹持装置的结构参数有关。

在利用CO₂激光器去除绝缘层的基础上,采用YAG激光器去除线缆屏蔽层材料,建立了YAG激光剥离金属材料的理论模型。利用ANSYS软件对激光剥离材料过程进行数值模拟分析,确定了实验所需参数。通过YAG激光对RG113线缆屏蔽层进行了剥离实验,得到了激光功率、扫描速度、脉宽及离焦量对切口宽度和深度及表面质量的影响规律。通过正交实验的极差分析,研究了各工艺参数对切口宽度和深度的影响。结果表明,激光功率对绝缘层切口宽度、切口深度及金属屏蔽层切口深度的影响最强,而激光扫描速度对金属屏蔽层切口宽度的影响最大。

分析了Nd∶YAG板条中产生强烈放大自发辐射(ASE)的原因,开展了抑制高增益激光板条中ASE的理论和实验研究。抽运光占空比为8%,峰值抽运功率为21.38 kW,波长为1064 nm连续探测光的注入光强为4 W/cm ²,在Nd∶YAG板条上、下表面镀制普通倏逝膜和多层复合膜时探测光功率的放大倍率分别为1.82和1.92,Nd∶YAG板条总储能增大了4.6%。实验结果表明:通过对Nd∶YAG板条上、下表面镀制多层复合膜,可在一定程度上抑制板条内的ASE效应,增大激光板条的总储能。

针对单一红外或可见光波段成像技术无法满足夜雾天况彩色成像要求的问题,结合红外和可见光成像各自的特点,提出一种固定区域下针对夜雾天况的彩色视频构建方法。该方法在能见度高的白天利用可见光传感器进行可见光背景图像的构建,在能见度低的夜雾天气利用红外传感器提取出红外运动目标,依据可见光背景图像与原始红外图像的配准参数进行2幅图像的同比例融合,完成彩色视频的重构。实验结果表明,该方法能够准确完成包含红外目标的彩色视频构建,充分体现出夜雾天况下运动目标及其所在场景的彩色特征信息,提升人眼对目标与场景的识别和感知。对于图像大小为720 pixel×576 pixel的视频序列,该算法的运行速度能够达到40 frame/s,可满足彩色视频实时构建的需要。

为分析陶瓷碗表面缺陷的形状、位置及方向等三维信息,提出了一种基于多幅图像的局部点云重建算法。该算法首先利用已标定的双目摄像头从任意角度获取多张表面缺陷图片,然后采用FAST+SURF+FLANN图像特征点提取及匹配算法得到准确度高的匹配点对,最后采用运动恢复结构算法并结合基于面片的多视角立体重建算法,实现二维表面缺陷的局部三维重建。由于局部三维重建无法很好地描述缺陷方向及位置信息,因此采用手动增加特征点的方法实现陶瓷碗表面的全局重建。结果表明,缺陷重建效果较好,缺陷位置、方向及形状信息完整。

考虑到红外视频的深度特征具有单帧图像的独特性和视频全局的连续性,在单目红外视频深度估计问题上提出一种基于双向递归卷积神经网络(BrCNN)的深度估计方法。BrCNN在卷积神经网络(CNN)能够提取单帧图像特征的基础之上引入循环神经网络(RNN)传递序列信息机制,使其既具有CNN良好的图像特征提取能力,能够自动提取视频中每一帧图像的局部特征,又具有RNN良好的序列特征提取能力,能够自动提取视频中每一帧图像所包含的序列信息,并向后递归传递这种信息。采用双向递归的视频序列信息传递机制来估计红外视频的深度,提取到的每一帧图像的特征都包含了视频前后文的序列信息。实验结果表明,相对于传统CNN提取单帧图像特征进行的估计,使用BrCNN能够提取更具有表达能力的特征,估计出更精确的深度。

目前,虽然有许多双目匹配算法都可以实现较高的匹配精度,但其中能实现视频级实时计算的却极少。为此,提出一种基于贝叶斯推理的多尺度优化方法,在保证算法实时性的同时,可达到非常高的匹配精度。简单的局部匹配算法在设置不同窗口大小时,计算出来的视差图会反映不同尺度下场景的结构信息。基于此,提出一种对多张带有尺度信息和互补性的视差图进行基于贝叶斯推理的联合优化,从而得到高精度视差图的方法。对Middlebury立体视觉数据集的测试结果表明,本文算法在精度和效率上均优于其他实时算法。

设计有效的特征向量是显著性检测方法的关键,决定了模型效果的上限,基于深度卷积神经网络和手工提取特征相结合的思路,提出了一种新的基于全局模型和局部搜索的显著性检测方法。在全局模型中,通过对VGG-16网络设计额外的卷积层进行训练,生成初始显著图,达到了从图像整体角度预测每一个候选区域显著性的目的。在局部优化模型中,设计区域对比度描述子和区域特征描述子对多级分割的超像素点进行描述,预测每一个区域的显著性值。最后,利用线性拟合的方法将两种模型中产生的显著图进行融合,得到最终的显著图。对4个数据集进行对比测试实验,实验结果表明,本文方法具有最高的准确率。

针对星空背景下卫星跟踪中运动小目标与伪目标交会造成的跟踪漂移问题,提出一种基于多域卷积神经网络(MDNet)与自回归(AR)模型的空中小目标自适应跟踪方法。 对用MDNet采集到的图像序列第1帧的正样本进行bounding-box回归模型训练;再训练用最小信息准则和最小二乘法确定阶数和参数的AR模型,估计目标运动轨迹并预测目标位置;最后,将该目标位置作为MDNet的采样中心,约束采样候选区域,用bounding-box回归模型调整目标位置。 实验用8种跟踪方法测试了8组场景复杂的视频序列,结果表明,本文方法的成功率及平均覆盖率均显著高于其他7种典型算法,具有较高的精确性和稳健性。

针对立体匹配算法在图像非遮挡区域,特别是弱纹理区域误匹配率较高的问题,提出一种基于十字交叉窗口下自适应色彩权值和树形动态规划的立体匹配算法。首先结合颜色、梯度信息及Census变换作为相似性测度函数构建代价计算函数;然后以图像的距离和色彩信息构建自适应十字交叉窗口,并提出基于色彩权值的代价聚集方式;将树形结构动态规划算法的思想引入到视差计算,代替单独采用赢者通吃策略的方法,对视差进行全局优化;最后通过视差求精得到稠密视差图。实验结果表明,本文算法在Middlebury测试平台4幅标准图像上非遮挡区域的平均误匹配率为2.45%,同时对其他10组图像进行了对比评估,本文算法有效地提高了图像非遮挡区域匹配的准确率。

为了增强切伦科夫荧光的强度,促进切伦科夫发光成像(CLI)技术的临床转化,在前期研究中提出了一种基于辐射发光颗粒(RLMPs)的增强型切伦科夫发光成像(ECLI)技术,并取得了显著的增强效果;为了将ECLI技术扩展到三维成像领域,提出一种新型单视图增强型切伦科夫发光断层成像(ECLT)重建方法;该方法仅使用一个角度的测量数据,采用结合可行区域迭代收缩策略的稀疏贝叶斯学习(SBL)重建算法求解逆问题;设计了非匀质圆柱仿真和物理仿体实验,以验证该方法的准确性和稳定性。结果表明,所提方法可以提高光源目标重建的精度和速率,具有良好的稳定性,能够有效缓解逆问题的不适定性。

利用COMSOL软件建模对光参量振荡器(OPO)进行热分析,发现在大功率抽运下,晶体的中心轴线附近由于吸收参量光,出现较为明显的温度上升。MgO∶PPLN晶体的折射率对温度非常敏感,较小的温升会使参量光产生不可忽略的波前畸变,进而导致光束质量下降。晶体的温升是由参量光的吸收引起的,这样的温升不可避免,大功率OPO/OPA(光参量放大器)的光束质量劣化是必然的。

视网膜投影显示(RPD)是头戴显示器(HMD)领域的一个研究热点,能够克服传统HMD辐辏聚焦矛盾(VAC)。为了使RPD小型便携化,以微机电系统(MEMS)扫描镜作为空间光调制器(SLM)设计制造了折反式激光RPD系统。首先,介绍了辐辏聚焦矛盾,分析了RPD的基本原理。通过传统的RPD光路结构,实验验证了以MEMS激光扫描投影作为图像源的麦克斯韦观察法原理的可行性,分析并解决了黑斑问题。接着,完成了RPD系统的光学设计,分析评价了系统的性能。最后,制造出小型便携式的原型机,原型机瞳距可调,视场角为30°(H)×22°(V),无畸变,并通过实验对其显示效果进行了验证。

针对中国巨型太阳望远镜(CGST)的8 m环形太阳望远镜(8m-RST)设计方案,建立了其边缘传感器和光学传感器响应子镜面内位移量的模型,进而分析了子镜面内位移对环形拼接主镜面形保持的影响。考虑了望远镜桁架因望远镜指向和温度改变所引起的子镜面内位移量,发现该位移量会破坏8m-RST的面形保持效果。为解决面内位移对8m-RST面形保持的不利影响,提出了相应的主镜控制模型改进方案。改进方案是:通过在子镜拼缝处加装两组间隙量传感器和一组剪切量传感器,利用增加的探测量估算子镜的面内位移量,进而修正边缘传感器与光学传感器的设定值。当间隙量和剪切量的探测精度优于23 nm时,改进方案可以满足CGST的8m-RST方案的面形保持要求。

针对槽式聚光系统,设计了一种倒梯形管簇式腔体接收器,采用理论研究、TracePro软件模拟以及实验的方法对腔体结构设计中某些几何参数对接收器的光学性能的影响进行分析及优化,并对其安装位置偏移对光学性能的影响展开研究。结果表明:倒梯形上壁面为弧面反射面可使光学效率提高近4%;随着开口角度增大光学效率逐渐增大,随着圆弧半径增大光学效率先增大后缓慢降低,开口角度65°与反射圆弧半径90 mm的组合结构具有较高的光学效率、较均匀的集热管壁能流以及较好的光热转化效率;腔体接收器安装在焦距垂直向下5 mm范围内可获得优于焦距处的光学效率;运用归一化温差和测试瞬时集热效率的方法得到槽式聚光集热系统的光学效率为73%,与模拟的理想值较吻合。

地表反照率是研究陆地辐射收支情况、区域及全球气候、地貌等信息的先决条件,对其进行精确测量是开展相关研究的前提和保证。由于大气层吸收的影响,地表反照率不能进行直接测量。因此,采用测量垂直向下与向上散射光的方法,结合SCIATRAN辐射传输模型获得地表反照率。基于此方法,在机载平台上进行观测实验,获取机载平台上垂直向上和向下的辐亮度值,采用迭代反演方法获得石家庄到保定地区紫外波段350~395 nm的地表反照率,并对不同下垫面、不同波段反照率进行比较,对城区中心到边缘过渡变化进行详细分析。结果表明,紫外波段350~395 nm地表反照率随波长增大而缓慢升高,结果与中等分辨率成像光谱仪(MODIS)数据可达到良好的一致性。不同观测区域结果对比显示,城区地表反照率大于农田,且城区中心比边缘地表反照率大0.014左右,其差异也随波长增大而升高。

基于波长调制光谱(WMS)理论,提出一种利用光谱拟合实现燃烧场气体参数测量的方法;通过拟合谱线的谐波信号实现谱线积分吸光度、多普勒线宽和碰撞线宽的测量,进而实现燃烧场内气体温度、压强和水蒸气浓度的测量;通过数值仿真研究了积分吸光度和碰撞线宽对谐波信号的影响,并在样品池中进行实验研究。结果表明:谐波信号光谱对积分吸光度的灵敏度约为1,而对碰撞线宽的灵敏度则随碰撞线宽增大而先增大后基本不变;光谱拟合测量方法具有较高的测量精度,气体温度、压强、水蒸气物质的量分数的测量值与预测值的最大相对偏差分别小于4%、6%、5.5%。

为获取物质内部成分的三维分布信息,研究了基于同步辐射红外光源的共聚焦三维成像重建算法。采用单点探测器扫描成像的方式,根据同步辐射红外谱学显微共聚焦三维成像的原理及非线性特性,建立了同步辐射红外谱学显微共聚焦三维成像模型;根据该模型的特点建立测试样品的模型,模拟了红外谱学共聚焦三维成像测试,得到了共聚焦三维成像的测试数据;分别使用Levenberg-Marquardt算法和改进型高斯-牛顿算法对使用前向模型模拟采集得到的结果进行重建。结果表明,前向模型中未加入误差时,Levenberg-Marquardt算法可以重建样品的三维信息,在前向模型中加入1%误差时, Levenberg-Marquardt算法重建得到的结果与实际结果偏差较大,而改进型高斯-牛顿算法可以重建样品的三维信息。

研究了离子束溅射(IBS)制备的Nb₂O₅、Ta₂O₅和SiO₂薄膜的光学特性、力学特性以及薄膜微结构,分析了辅助离子源电压对薄膜特性的影响,并将电子束蒸发、离子辅助沉积和IBS制备的薄膜进行了对比。研究结果表明,IBS制备的薄膜具有更好的光学特性和微结构,同时具有较大的压应力、硬度和杨氏模量;辅助离子源可以改善薄膜的光学特性,调节薄膜应力和减小薄膜表面粗糙度,但对硬度和杨氏模量的影响相对较小。在不同的辅助离子源电压下,IBS制备的Nb₂O₅应力为-152~-281 MPa, Ta₂O₅的应力为-299~-373 MPa,SiO₂的应力为-427~-577 MPa;在合适的工艺参数下,消光系数可小于10 ^-4;薄膜表面平整,均方根粗糙度小于0.2 nm。

提出一种基于级联马赫-曾德尔调制器(MZM)的载频连续可调相位编码波形光产生方法。该方法通过设置级联MZM的直流偏置点和调制指数,实现对±4阶光边带的选取,通过控制施加在级联MZM上的射频驱动信号相位,可在非平衡时间脉冲整形(UTPS)系统的输出端产生倍频系数为16的相位编码信号。通过调整UTPS系统中两个线性调频布拉格光栅的色散值,可实现对相位编码信号载频的连续调谐。仿真中利用2 GHz的射频信号分别生成了载频为32 GHz和19.2 GHz的相位编码信号。仿真验证了所提方法的有效性,也验证了生成的信号具有较好的压缩性。

为了满足激光驱动惯性约束聚变(ICF)的诊断需求,研制了一台大动态范围高时空性能X射线条纹相机系统;通过优化电子光学设计、改进条纹变像管的制作工艺,以及制作和使用高效器件来达到提高条纹相机动态范围以及时间和空间性能的目的;设计相机的阴极工作长度为30 mm,聚焦电压为12 kV;借助飞秒和皮秒激光器组建相机的静态和动态标定测试系统。结果表明:该相机系统的空间分辨率大于20 lp/mm,时间分辨率达到5 ps,动态范围达到2237∶1,扫描速度非线性小于3%;相机具有4个挡位,可以实现4个扫描速度下的超快信号获取;该相机性能优良,可以满足激光聚变研究中时间、空间、能谱分辨的精密化诊断要求。