选取随船观测的三亚地区2016-01-06至2016-01-09连续4天的折射率结构常数C2n及温度、风速、相对湿度三种常规气象参数, 基于后向传播神经网络和逐步回归理论, 分别建立两种模型并对C2n进行了连续3天的估算。结果显示, 两种模型估算的结果在变化趋势及量级上均符合近海面光学湍流的一般特征和变化规律, 并且可以表现出C2n的基本日变化特征, 整体相关系数分别为0.8661和0.8496。选取了平均绝对误差、平均相对误差、均方根方差以及相关系数等统计量来衡量估算结果。分析表明, 两种模型均能准确地估算出近海面的C2n, 但在夜间弱湍流发生时估算值略高于测量值。为进一步提高估算的准确度, 需要改进模式在夜间的估算效果。

为了解决燃煤烟气汞监测困难的问题, 搭建了基于横向塞曼效应的烟气汞在线监测系统。当自然汞灯光源处于磁感应强度为1.5 T强磁场中时, 塞曼效应使得253.65 nm共振吸收线分裂为π和σ±线偏振光。利用汞原子吸收π线偏振光但不吸收σ±线偏振光的特性, 可实现对干扰气体和颗粒物等干扰背景的精确校正, 系统的探测下限为66.3 ng/m3。当烟气中二氧化氮气体的体积分数不高于5.09×10-4、二氧化硫的体积分数不高于1.83×10-4时, 系统的汞检测不受影响。对燃煤电厂的烟气汞排放进行了连续8 d的监测, 得到烟气汞的平均质量浓度为8.3 μg/m3, 质量浓度最大值为19.4 μg/m3, 均低于国家标准的规定值。实验结果表明, 烟气汞在线监测系统可对烟气中的干扰气体以及颗粒物等进行精确背景校正, 实现烟气汞的准确测量, 满足复杂烟气环境下对汞的长期在线监测。

为了研究气候变化, 需要实现遥感卫星对二氧化碳(CO2)的高精度测量。气溶胶和透射率较高的薄卷云的散射是影响大气中CO2反演精度的主要环境因素。结合主成分分析(PCA)的统计方法和光程概率分布的密度函数(PPDF)方法, 利用PCA方法得到大气CO2反演的先验值, 避免了因偏差过大而导致的运算结果无法接近真值; 基于3层PPDF模型, 解决了薄卷云和气溶胶散射引起的光子路径变化而导致的吸收谱线变化的问题。结果表明, PCA方法和PPDF方法联合反演的反演精度得到明显提高; 对2013年塔克拉玛干沙漠GOSAT数据的反演结果进行分析, 采用单一的PPDF方法得到的反演结果的方差为3.5, 两种方法相结合得到的反演结果的方差为1.4, 优于日本国立环境研究所(NIES)提供的反演方差(1.6)。

以太阳能多孔吸热器等热利用系统为研究背景, 针对多孔层表面的红外测温问题, 基于反向蒙特卡罗法建立了三维非等温各向异性散射多孔层的红外测温模型, 讨论了散射类型、多孔层厚度、基材发射率、孔隙率、孔径等物理性质和结构参数对红外测温误差的影响, 提出了一种多孔层表面温度的反向计算方法。结果表明, 将红外温度的实验测量值视作多孔表面温度会导致一定误差; 后向散射可削弱高温背景辐射, 从而减小探测温度较高时的误差, 但增大了探测温度较低时的误差; 高孔隙率(大于0.93)会造成测温误差迅速增大; 测温误差小于2%时的参数范围如下：多孔层厚度为14~27 mm, 基材发射率为0.33~0.81, 孔隙率为0.86~0.93, 孔径为1.5~2.8 mm。

提出了一种基于分离变量法的极紫外光刻三维掩模衍射谱快速仿真方法, 在保证一定仿真精度的前提下提高了仿真速度。该方法将三维掩模分解为2个相互垂直的二维掩模, 对2个二维掩模采用严格电磁场方法进行衍射谱仿真并将结果相乘以重构成三维衍射谱。以6°主入射角、45°线偏振光照明及22 nm三维方形接触孔掩模为例, 在入射光方位角0°～90°变化范围内, 相同仿真参数下, 该方法的仿真结果与商用光刻仿真软件Dr.LiTHO的严格仿真结果相比, 图形特征尺寸误差小于0.21 nm, 仿真速度提高约65倍。在上述参数下, 该方法与Dr.LiTHO的域分解方法及基于掩模结构分解法等快速方法相比, 仿真精度和速度均提高1倍以上。该模型无需参数标定, 适用于矩形图形的三维掩模快速仿真。

为了优化光栅性能, 提出一种基于互补金属氧化物半导体兼容性制造工艺的非对称包层调制光栅结构。该结构通过调整光栅齿的位置来改变波导中传输光的耦合率, 最终达到改善光栅的反射带宽、消光比、输出功率等性能参数的目的。利用耦合模理论分析了该改进型光栅结构对光栅耦合率、反射带宽及输出性能的影响, 同时利用有限元方法进行了数值仿真。结果表明, 该改进型光栅的反射带宽由0.9 nm减小到0.3 nm,消光比的绝对值从29.2 dB增加到35.1 dB, 耗散到包层的光功率从5.99×10-5 W减小到3.13×10-5 W; 该改进型光栅器件性能得到改善。

随着可见光通信多输入多输出(VLC-MIMO)系统收发端阵元数目增多、阵元间距减小以及传输距离增大, 系统接收端信号间严重干扰、信道矩阵缺秩等问题逐渐凸显, 导致系统的复用率降低、信道相关性增大。针对这些问题, 提出以最小化最大干信比为优化目标; 通过建立VLC-MIMO信道模型, 分析收发端阵元法向量倾斜角度对信道相关性的影响; 通过优化发光二极管(LED)法向量倾斜角度来减小信道相关性, 并得到各个LED法向量的最佳倾斜角度。通过比较系统接收平面的光照度分布, 发现所提出的优化方案能有效减小信号间干扰, 与链路阻塞方式相比, 该方案的误码率降低了42 dB。

高分辨率成像光纤传像束制备工艺的进步使得传统高性能光电成像仪器具备柔性, 并且使仪器的体积和重量大幅减小。面阵光纤传像束和面阵CCD间的像元耦合离散采样效应, 导致了传统成像质量评价模型的局限性。从光强度呈余弦分布的光信号在面阵光纤传像束和面阵CCD中的传递过程出发, 建立了耦合离散采样系统的耦合调制传递函数(Coupled-MTF)模型, 研究了Coupled-MTF的收敛特性及其随像元耦合误差的变化规律等。研究表明, 若输入信号的空间频率与奈奎斯特频率的偏差为1%, 当阵列中包含的像元总数超过1000时, Coupled-MTF振荡收敛为固定值。输入信号的空间频率与奈奎斯特频率的偏差越小, Coupled-MTF振荡收敛的速度越慢。Coupled-MTF的振荡幅值在弧失和子午方向不同, 且与各自方向的像元耦合误差有关。Coupled-MTF随面阵光纤传像束与面阵CCD间的像元耦合误差周期振荡, 理论上振荡周期为包层直径。在奈奎斯特频率及其分频附近的频域, Coupled-MTF在给定空间频率处不为固定值。上述特性有别于传统空不变成像系统的调制传递函数。

研制了一种能用于红外光谱分析及原位无损检测的恒压光纤式衰减全反射(ATR)探头。基于ATR技术, 并配合恒压限位装置, 将该探头与样品以恒定正压力接触, 可显著提高样品吸收谱的测试可重复性, 多次测量偏差小于5%。用该探头分析硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂中安定剂的质量分数, 测量结果与已有报道相吻合并极大提升了测量的便捷程度。所研制的光纤式ATR探头可广泛用于需对已安装材料进行反复无损检测的场合。

针对传统高光谱影像低秩表示去噪方法无法保持影像多元几何结构信息的问题, 提出一种基于局部超图拉普拉斯约束的高光谱影像低秩表示去噪方法。在低秩表示模型中增加超图拉普拉斯正则项, 保持数据间多元几何流形结构; 并对低秩模型系数矩阵增加稀疏和非负约束条件, 进一步提高模型对影像局部信息的保持能力, 使得模型不仅能够恢复具有低秩性质的影像信号分量, 而且可以很好地保持影像的多元几何流形结构。在AVIRIS影像和ProSpecTIR-VS影像上的对比实验表明, 所提方法更好地保持了影像的空间和光谱信息, 有效地改善了高光谱影像去噪效果。

常规图像去噪方法难以去除飞行时间技术或结构光等深度传感器所获取的深度图像中的大量噪声, 因此提出一种根据图像深度值进行分层的去噪算法。该算法首先对深度图像实现噪声强度估计, 根据噪声强度和深度图像的探测距离范围, 确立图像的深度层级间隔, 并得到分层级的深度图像, 然后对每一层级的深度图像进行去噪, 最后对分层级的图像进行拼合, 合成完整深度图像。实验结果表明, 该算法能够有效去除图像中不确定性干扰噪声, 同时较好地保持图像中目标和景物背景的原始细节以及边缘信息。

高质量赝热光源是实现X光关联成像技术在显微领域应用的关键。X光傅里叶变换关联成像的赝热光源通过随机孔屏调制X光获得, 在此基于统计光学分析了调制后X光散斑场的统计特性, 并通过数值模拟分析了随机孔屏参数对散斑场特性及成像质量的影响。结果表明, 随机孔屏引入的相位差变化为π时, 关联成像对比度达到最优值。对于振幅型随机孔屏, 成像对比度随着占空比的减小而增大; 对于相位型随机孔屏, 成像对比度随着占空比的减小而减小。实际X光傅里叶变换关联成像系统中使用的复振幅型随机分布金属孔屏, 通过选择合适的透过率和占空比可以实现高对比度关联成像。

提出一种随深度变化的色散补偿方法, 用以提升频域光学相干层析成像系统的纵向分辨率。该方法利用迭代算法计算出不同成像深度处的色散补偿系数, 通过数值计算, 得到色散补偿系数与成像深度的关系表达式, 计算出各成像深度处的色散补偿系数, 利用这些色散补偿系数消除相应深度位置处信号的高阶色散相位, 从而有针对性地对系统中参考臂与样品臂的色散失配进行补偿, 消除色散的展宽效应。理论推导和实验结果表明, 光学相干层析成像系统中, 随深度变化的色散补偿方法对各成像深度位置处的信号, 包括成像深度较深位置处的弱信号, 均可以进行有效的色散补偿, 进而得到更多的样品结构信息。

传统的光学投影层析受相机感光元件动态范围及曝光时间的限制, 难以对具有复杂空间结构分布的样品获取其完整且精细的三维结构信息。针对传统光学投影层析三维成像系统存在的问题, 提出了在传统光学投影层析技术中引入朗伯体光源以及线性化动态范围变换的新方法。使用朗伯体光源照射样品, 通过多次曝光分别对样品进行图像采集, 获取相机实际响应曲线, 线性化处理曲线中非线性响应区域以解决传统多次曝光动态范围变换存在的非线性失真和假象问题, 然后应用图像融合技术对多次曝光获取的原始图像数据进行融合, 运用反投影算法重构样品三维成像, 从而获得具有复杂空间结构样品的精细三维结构信息。理论分析与成像结果表明, 这种基于光学投影层析的三维结构成像新方法可以获得复杂空间结构样品更多的信息。

基于稀疏约束的鬼成像光谱相机, 能够通过单次曝光获得目标场景的三维空间光谱数据立方体。但是由于不同波长的散斑场在探测器的同一位置处, 使得仪器的光谱分辨率和信噪比受到限制。为了解决上述问题, 提出了利用平场光栅分光将不同波长的光场在探测面上错开一定距离的系统, 实现了基于平场光栅的稀疏约束鬼成像高光谱相机。通过对系统成像过程的理论推导, 得到了系统的关联函数, 并通过实验和数值模拟验证了理论推导结果。在保证原先光谱相机优点的同时, 基于稀疏约束的鬼成像高光谱相机可以分别调控光谱分辨率和空间分辨率, 实现可控的信噪比。此外, 还能够根据不同波长的光场特性来优化测量矩阵, 从而提高图像恢复质量。

将激光干涉法应用于冲量摆冲量测试中, 分析了主要的测量不确定度, 在测量过程中给出了相应的处理方法。在利用累计峰值个数来计算最大摆角的常规方法基础上, 新增加了一套独立、互补的数据处理方法, 使其具有双精度测试效果, 结合这两种方法可扩大适用范围并提高了测量的可靠性。

基于目标形状反射以及太阳、地球和空间目标三者的运动关系建立了空间目标的光度量测模型, 分析了姿态角、角速度和目标形状对光度观测数据的影响。建立了目标姿态角与角速度的运动学模型, 实现了对姿态和角速度的联合估计, 并探讨了算法的自适应估计能力。仿真结果表明, 该光度观测方案可实现未知姿态角与自旋角速度的估计, 姿态角和角速度缓慢变化时算法具备自适应估计能力, 但随着目标侧面数的增加, 姿态和角速度估计误差增大且算法收敛速度变慢。

在固体激光器中, 热效应会同时影响抽运光和振荡光的空间分布。研究表明, 对于端面抽运固体激光器而言, 通常存在一个特定的抽运功率区间, 使抽运光与基模振荡光在热效应的作用下, 在增益介质内部高度重合, 激光器的抽运光效率和光束质量得到大幅度提升。利用这一特点, 设计了一种激光器, 在抽运功率为105~115 W时, 实现了抽运光与基模振荡光空间分布的高度重合, 激光器光束质量因子小于2.3。在此区间外, 激光器光束质量因子迅速增加到3以上。提出了一种计算上述抽运功率区间的优化算法, 在端面抽运固体激光器中, 可以快速寻找到理想的抽运功率区间, 并与上述实验进行对比, 结果表明使用该方法寻找到的抽运功率区间与实验所得到的区间高度吻合, 相对误差低于5%, 可靠性高。

报道了基于空芯光纤的1.5 μm光纤气体拉曼激光放大器。实验以一个1.5 μm波段的可调谐分布式反馈激光器为种子源, 输出的连续波种子激光与1064 nm微芯片激光器的输出脉冲抽运激光通过双色镜一起耦合进充乙烷气体的空芯光纤中, 通过乙烷分子的受激拉曼散射实现了高效率的1553 nm拉曼激光输出。种子光的注入极大地降低了受激拉曼散射阈值, 从而将拉曼光-光转换效率提高到47.5%。该研究为实现高效率的光纤气体拉曼激光输出提供了一条有效的技术途径。

理论设计了二极管端面抽运Nd:YAG复合陶瓷板条, 制作了双浓度掺杂的Nd:YAG复合陶瓷板条。当二极管总抽运功率为18.06 kW时, 通过双程放大提取了7.08 kW的激光功率, 光光转换效率高达39.2%, 单程传输的退偏振约为3.2%。实验结果表明, Nd:YAG复合陶瓷板条对提高板条激光器的输出功率和减小退偏振具有显著的效果。

近年来, 基于相关滤波的目标跟踪算法因其具有很好的跟踪精度和明显的速度优势, 引起了研究人员的极大关注。提出一种基于自适应特征选择的多尺度相关滤波跟踪算法。首先, 提取三种互补特征, 通过相关滤波响应图评估各特征的跟踪性能, 自适应选择最优特征进行位置跟踪; 其次, 预设响应图阈值作为位置相关滤波模型更新的判断条件, 优化模型更新方式; 最后, 引入尺度相关滤波跟踪器, 进一步提高了算法的尺度适应性和跟踪精度。实验部分将该算法和近年来流行的相关滤波及非相关滤波类跟踪算法进行了对比, 结果表明, 该算法在精度上优于其他算法, 同时具有53.12 frame/s的实时跟踪速度。

基于光场成像技术的场景三维深度重建, 需标定光场相机的几何参数。本文提出一种基于原始光场图像的聚焦光场相机的标定方法。拍摄标定板不同旋转角度的原始光场图像; 根据图像上像点与虚拟像点(像点关于微透镜的共轭点)的共轭关系, 计算得到虚拟像点的坐标; 根据标定板上角点与虚拟像点的共轭关系, 建立聚焦光场相机标定模型; 利用Levenberg-Marquardt算法求解标定模型, 进行标定实验; 比较所提方法与基于全聚焦图像的标定方法的标定参数。结果表明, 原始光场图像与全聚焦图像对应的虚拟像点(角点关于主透镜的共轭点)之间的误差小于21 pixel, 角点的标定误差小于3%, 基于原始光场图像和全聚焦图像方法获得的结构参数和外部参数具有较好的一致性, 表明基于原始光场图像的标定方法的可行性。

传统的视频拼接模型和图像对齐方法中, 耗时的图像匹配和复杂的光流计算一直是实时拼接的性能瓶颈。提出了一种车载前向运动视频的实时全景成像方法, 该方法充分利用物理场景的几何结构和列车的运动信息来构造视频的拼接区域, 并建立几何模型实现了拼接区域的对齐。整个拼接避免了复杂的图像处理过程, 实现了铁路全景图的实时获取, 同时也提供了一种轻量级的视频全景索引方式, 降低了视频数据的存储和访问开销。

以双目立体视觉理论为基础, 采用基于模仿人眼的双目单视面所给出的规律, 设计出一套简单的三维重建算法。为了利用双目单视面的原理, 采用两个光轴交叉放置的相机来拍摄物体。对所得的两幅图片进行坐标转换, 将图像坐标转换为角度坐标, 然后在球坐标域进行特征匹配, 对得到的匹配点进行曲线拟合, 将拟合得到的点转换到空间域, 进而得到目标物体的三维模型。实验结果表明, 此匹配算法可以准确确定目标物体的位置, 而且此算法计算复杂度比较低, 后期的数据处理采用分段匹配的方式, 使得坐标转换以后得到的目标物体的三维模型相对准确且稠密。

针对复杂场景下单一颜色特征稳健性差、存在类目标干扰及目标尺度变化的问题, 提出了一种基于特征融合和尺度自适应的干扰感知目标跟踪方法。首先, 综合目标、邻域背景、类似干扰区域的三原色(RGB)特征和改进的方向梯度直方图(HOG)特征计算得到干扰感知目标模型; 在搜索区域内逐像素点计算目标概率图, 然后进行密集采样得到候选目标, 利用目标概率图的概率值与距离值进行加权, 同时定位目标和类似干扰, 并更新目标模型; 采用RGB直方图建立尺度模型, 从当前帧图像上截取不同尺度的图像块并计算其RGB直方图, 通过与尺度模型比较, 获得最优尺度估计并更新尺度模型。实验结果表明, 提出的方法对复杂场景下的类目标干扰、局部遮挡、尺度变化等均具有很好的适应性, 同时距离精度、重叠精度等指标优于对比算法。

恒星识别以及卫星目标检测识别是空间监视系统的重要应用之一。由于星图图像点目标成像的特点以及大量背景恒星的干扰, 星图中用于目标识别的特征难以提取, 因此目标的位置是实现目标识别的关键特征。高斯曲面拟合方法是使用较为广泛的目标质心提取算法之一, 通过理论分析和实验表明传统高斯曲面拟合方法对运动卫星的定位存在较大误差。为此, 提出了各向异性的高斯曲面拟合模型, 该模型通过使用两个不同的高斯模糊参数和旋转因子, 可以捕捉目标不同方向的各异特征, 适合卫星由于运动造成的随机方向模糊。仿真实验和真实数据实验表明, 本文方法的总体定位精度可分别达到0.008和0.04, 并能够准确提取星图目标的质心, 相比传统方法有较大改善。

采用高温固相法成功制备了K1-xSr4(BO3)3∶xPr3+发光材料。X射线衍射图谱表明,所合成的样品具有Ama2空间点群对称结构。扫描电子显微镜分析结果表明,样品颗粒分散度和结晶性好,形貌不规则且表面分布有毛绒状细丝。当Pr3+的掺杂摩尔分数为1%时, 样品发光强度最大。样品吸收光谱、漫反射光谱与激发谱、发射谱呈现良好的镜像关系。

基于密度泛函理论第一性原理的平面波超软赝势, 采用广义梯度近似及Heyd-Scuseria-Ernzerhof 03 (HSE03)方法对能带及态密度进行修正, 研究了AlN1-xPx(x=0, 0.25, 0.50, 0.75, 1)合金的晶体结构、电子结构和光学性质。结果表明, 随P含量的增加, AlN1-xPx晶格常数呈线性递增趋势, AlN1-xPx(x=0, 0.25, 0.75, 1)属于立方晶系, 而AlN0.50P0.50属于四方晶系。AlN1-xPx带隙随P含量的增加呈先减后增趋势, AlN和AlP是间接带隙半导体, 而AlN1-xPx(x=0.25, 0.50, 0.75)属于直接带隙半导体。P的存在破坏了AlN原本的本征值和简并态, 改变了电子能带结构。随P含量的增加, AlN1-xPx的光学性质曲线向低能区移动, 介电函数虚部的次强峰逐渐消失。AlN1-xPx合金对紫外光具有较强吸收, P的存在拓宽了可见光吸收范围。

光谱编码显微镜使用一个衍射光栅和光谱分析装置来获得显微图像。样品上不同的位置被不同的波长照明, 通过对反射光光谱进行解码来得到空间信息。研制了一个基于扫频光源和平衡探测器的小型光谱编码显微镜(CSEM) 。在没有放大器的情况下, 一个固定增益的平衡探测器被用来探测较弱的样品光。通过对一个1951USAF分辨率测试靶成像来测量系统的横向分辨率。对离体猪小肠组织和在体手指皮肤成像来验证生物组织成像性能。结果表明, CSEM具有对生物组织深度分辨成像的能力。

对应于碱金属原子吸收线的非经典光是量子信息网络中重要光源之一, 近年来受到人们的广泛关注。而对应于铯原子D1线的非经典光场由于其独特的波长在固态量子信息网络中有重要应用前景。采用连续单频钛宝石激光器作为光源, 将输出的锁定于铯原子D1线的894.6 nm激光通过外腔倍频产生447.3 nm蓝光, 再用于抽运由周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体作为非线性介质的连续简并光学参量振荡器, 获得铯原子D1线的单模正交压缩真空光。光学参量振荡器阈值为39 mW, 在注入抽运光功率为30 mW时, 利用平衡零拍探测装置测得2.8 dB正交压缩度。考虑到探测效率, 光学参量振荡器输出光场的实际压缩度为4.4 dB。

提出了一种在波长双环路光电振荡器(OEO)中, 利用啁啾压缩和孤子压缩效应产生光窄脉冲的有效方案。此方案能够同时产生双波长光窄脉冲。将双环路OEO产生的高质量微波信号调制到系统中的直调激光器和相位调制器上, 产生光脉冲和光啁啾。调节直调激光器和相位调制器之间的延时量, 从而获得最大的啁啾率。利用色散补偿光纤和高非线性光纤对光脉冲进行啁啾压缩和光孤子压缩, 使得光脉冲最终压窄至1.2 ps。采用锁相环技术对系统腔长进行有效控制, 使光脉冲的长期稳定性得到改善。

为了实现聚光器镜面单元安装误差的快速校准, 设计了一种螺纹副与球铰副组合的镜面单元支撑-调节结构, 该结构可以实现调节量的准确控制。提出了镜面单元位姿(轴线矢量和顶点位置)的快速测量方法和轴线矢量位姿误差的定量校准方法。首先, 应用摄影测量方法确定镜面单元表面的3个特征点(构成三角形)坐标, 建立镜面单元位姿、球铰中心与特征点坐标三者关联的数学模型, 实现镜面单元位姿的快速测量。然后, 结合镜面单元的调焦过程, 提出“三转一移”刚体运动(3次绕轴旋转和1次平移)来等效镜面位姿误差, 建立镜面单元位姿与螺栓调节量的关联模型, 实现镜面单元轴线矢量误差的定量校准。通过SolidWorks软件建立的虚拟调焦实验和室内的金属平板位姿调节实验, 验证了本设计的镜面单元支撑-调节结构的便捷性, 以及轴线矢量定量校准方法的有效性。提出的镜面单元校准方法不受反射镜几何形状的限制, 具有广泛的适用性。

设计了一个相对口径为1/5、焦距为5 mm、视场角为125°的大视场针孔物镜系统。该结构在50 lp/mm时的所有视场的调制传递函数均大于0.5, 成像达到衍射极限, 但全视场畸变率达到-46%。根据光学成像理论和图像处理技术, 利用点阵样板计算光学中心和畸变系数, 建立畸变校正模型, 设计畸变校正算法。将线性成像模型与畸变校正模型相结合, 建立畸变校正率标定方程, 利用该算法求得的畸变校正率达到96.17%。将该校正方法与其他方法进行了对比分析, 结果表明, 该方法简单易行, 基本满足工业上的需求, 能够广泛适用于大视场镜头的成像畸变校正。

针对周向探测系统对探测激光光束发散角大小和能量均匀分布的要求, 提出了一种基于非球面柱透镜阵列的分区探测方案。探测系统光源为快轴准直的半导体激光器阵列, 激光慢轴由非球面柱透镜阵列进行配光。提出了平行光线光源近似方法来简化复杂的高斯光束相关计算, 并最终得到非球面曲线方程。应用上述方程确定的非球面柱透镜阵列, 得到发散角可调且功率密度关于弧矢面平面角均匀分布的出射光束, 均匀度可达98.64%。为减小光学系统公差的影响, 设计了波浪型结构透镜阵列。通过误差分析可知：透镜材料的折射率误差只影响发散角的大小而不影响配光的均匀性; 波浪型透镜阵列替代传统柱透镜阵列, 避免了相邻透镜之间的楔形结构, 减小了制造难度和制造误差; 线光源长度与透镜周期对应, 使得装配时透镜偏心和倾斜产生的公差影响减弱。

针对传统X射线快门选通微通道板(MCP)分幅相机利用针孔阵列获取目标图像时视角不一致的问题, 提出一种单一视角X射线变像管分幅方法。利用电子束团在电子光学交叉点所携带信息的全息性和可分割性, 设计了一种单一视角多幅输出图像的静电聚焦变像管, 输出端配接MCP分幅单元以实现图像选通和增强功能。与传统门控MCP分幅管相比, 其既能实现图像视角的同一性, 又可以避免直穿光激发荧光屏对输出图像的影响, 具有更高的信噪比。所设计的分幅变像管阴极有效工作直径为40 mm, 输出荧光屏直径为40 mm, 放大倍率为1.29, 中心理论空间分辨率达到60 lp/mm, 边缘空间分辨率达到26 lp/mm, 分幅曝光时间特性由快门选通MCP分幅单元的选通脉宽决定。该方法为实现X射线分幅相机视角同一性给出了一条有效途径。

平场改正可以扣除日冕仪成像过程中的不均匀性, 是其数据定标的必要步骤。提出一套基于乳白玻璃测量日冕仪平场的装置和方法, 并开展了相关模拟和实地测量以验证该方法的可行性。首先, 模拟了太阳经乳白玻璃后在日冕仪观测视场内扩散光源的均匀性, 模拟结果表明其均匀度为99.98%, 十分接近理想的均匀面光源。其次, 测量了12 cm地基日冕仪的平场, 测量结果显示该方法可以测量出日冕仪成像的不均匀性, 如探测器的条纹。平场改正后的结果符合日冕和天空背景亮度的径向分布。最后, 为评价利用乳白玻璃测量平场的有效性, 将其和天空平场进行了对比, 二者相关系数为99.94%, 线性拟合斜率为1, 具有极强的相关性。

理论分析并实验制备了795 nm两组份偏振纠缠光场。当分析频率为1.8~6.5 MHz时, 归一化的斯托克斯算符的量子关联噪声小于1, 得到了两组份偏振纠缠态; 当分析频率大于3 MHz时, 关联噪声达到0.5左右。该非经典光源可应用于未来的量子存储, 并且可能用于实现量子通道和量子节点之间、两个量子节点之间的纠缠以及量子态的传输。

在全息波导近眼显示系统中, 微像源发出的载像光波经过准直后,被输入耦合光栅耦合入平板波导, 进一步在平板波导上下表面内进行全反射传播, 到达输出端后通过输出耦合光栅衍射出波导, 最终到达人眼。以真实的图像传输为目标, 对全息波导光栅的效率、视场角等方面进行理论分析和优化设计, 通过激光干涉曝光实验制作了光栅周期为197 nm、光栅矢量与介质表面法线方向夹角为26°、厚度为7.5 μm的全息光栅, 光栅峰值效率大于80%。结合波导光学设计, 进一步实现了图像的传输。

利用半径较大的环形光阑使得聚焦区域产生较强的轴向电场分量, 用半径较小的环形光阑结合π相位板在聚焦区域形成轴向电场分布, 但电场振动方向与半径较大的环形光阑产生的轴向电场相反, 从而使得半径较大的环形光阑在聚焦区域形成的聚焦斑被整形, 在一定条件下可大大缩小光场聚焦斑的尺寸。研究结果表明, 相比使用单一环形光阑的情况, 这种方法可使得光场聚焦斑尺寸缩小40 nm以上。

基于扁椭球面坐标系下非傍轴高斯光束的电场分布表达式, 给出非傍轴LG10模高斯光束的远场电场振幅分布表达式; 分析了非傍轴LG00模和LG10模高斯光束的远场电场振幅分布特性; 计算了非傍轴与傍轴高斯光束远场电场振幅分布的匹配效率和二阶矩参量的相对计算误差。分析表明, 当扁椭球坐标系的半焦距远大于波长时, 非傍轴LG00模和LG10模高斯光束的远场电场振幅分布趋近于傍轴LG00模和LG10模高斯光束的远场电场振幅分布。

提出一种基于预报单光子源和探测器诱骗态的循环差分相移量子密钥分发协议, 简称HSPS-DD-RRDPS-QKD协议。在详细推导协议密钥生成率的基础上, 给出了相关数值仿真, 并分别与基于弱相干光源和探测器诱骗态的循环差分相移量子密钥分发(WCS-DD-RRDPS-QKD)协议和诱骗态的BB84协议进行了性能比较。结果表明, 随着脉冲序列长度L的增大, 其密钥生成率和最远传输距离都相应减小; 当脉冲序列长度L=16时, HSPS-DD-RRDPS-QKD协议较WCS-DD-RRDPS-QKD协议, 安全通信距离提高了约100 km, 密钥生成率提升了近一个数量级; 当系统错误率为9.5%时, HSPS-DD-RRDPS-QKD协议的密钥生成率较诱骗态的BB84协议的提升了近两个数量级。

长波红外探测器经常被用于机载红外预警系统中, 常受严重的非均匀性噪声干扰。为了校正探测器的非均匀性, 补偿辐射响应非线性, 提出了一种基于梯度场景的非均匀性校正方法。给出了探测器辐射响应非均匀性的观测模型; 以标准黑体和梯度场景作为参考源, 在理论上推导出校正系数表达式; 利用原理样机进行了外场实验, 并探测民航客机目标。实验结果表明：与基于黑体的两点校正方法相比, 利用本文方法进行非均匀性校正后的图像, 局部标准差峰值由8.57降低到2.39; 对于相距50.64 km的空中客车A319型客机, 目标的信杂比由4.87提高到11.22。本文算法可以有效降低图像局部标准差, 适用于机载红外预警系统。

提出了一种基于自定义投影网格的多角度、多源遥感数据空间位置精确配准方法。以美国地球观测卫星(EOS)上搭载的多角度成像光谱辐射仪(MISR) L2级产品与中分辨率成像光谱仪(MODIS) L3级产品的空间位置精确配准为例, 分析比较了软件ENVI、HEG、MRT及所提方法对两种产品进行投影变换时的数据处理能力。将欧洲空间局环境卫星ENVISAT的先进沿轨扫描辐射计(AATSR)数据与MISR L2级产品及MODIS L3级产品数据进行配准, 对所提方法进行验证。所提方法解决了常用遥感软件不能直接将MISR L2级产品数据与其他遥感数据进行空间位置精确配准的问题, 且对科学数据仅进行一次重采样, 避免了反复重采样可能造成的信息损失。对于类似多角度遥感数据的空间位置精确配准, 所提方法的基本思路和目标同样有效。

基于分形理论生成了高、低相对湿度下典型形态包覆水层碳黑团聚物, 分析了大气气溶胶相对湿度与碳黑粒子等效折射率和半径之间的关系, 得出包覆水层碳黑粒子半径随相对湿度的增加而显著增大的结论。采用Coat-Mie理论验证了利用Maxwell-Garnett(MG)理论结合T矩阵(MG-T)的方法计算包覆水层碳黑粒子辐射特性的准确性, 且采用Coat-Mie理论和MG-T方法得到的计算结果吻合较好。利用MG-T方法计算了两种典型形态包覆水层碳黑团聚物红外波段的辐射特性, 结果表明, 随着相对湿度增大, 密实状团聚物的辐射特性值远大于枝节状团聚物的辐射特性值;当空气湿度大于50%时, 水层厚度的增加使得碳黑团聚物粒子半径增大, 从而两形态碳黑团聚物辐射特性值均显著增大, 碳黑粒子半径的增大是使得其团聚物辐射特性显著增大的主要因素。

设计和制备了一种用于1064 nm分振幅光偏振测量仪(DOAP)的具有多层介质薄膜结构的差分相移分束镜。通过理论分析该DOAP系统的仪器矩阵参数, 得到分束镜的最优参数, 并用离子束溅射沉积方法制备了分束镜样品及其背面的减反射膜, 其实测结果与设计值吻合较好。与单层薄膜分束镜相比, 多层介质薄膜分束镜不受基板、膜层材料, 以及入射角和工作波长的限制, 具有更广泛的应用。