采用高温热解五氧化二氮(N₂O₅)的方法,利用N₂O₅与NO₃自由基之间的热平衡关系,通过腔衰荡光谱技术测量N₂O₅及NO₃自由基的浓度。基于二氧化氮(NO₂)与N₂O₅之间平衡可逆,探讨加热温度及NO₂浓度变化对N₂O₅分解率的影响;考虑N₂O₅在测量系统中的损耗,经初步的量化分析得到进气效率为88%。通过Allan方差选取最佳积分时间,在外场测量条件下,优化系统的体积分数探测限为8.6×10 ^-12;通过分析进气效率、吸收截面及N₂O₅不完全热解等不确定性因素,估算得到整体测量误差约为±10%。在合肥郊区进行夜间大气实际监测,测量期间N₂O₅的浓度变化范围在(0.035~1)×10 ^-9之间,平均浓度为4.52×10 ^-10。该技术为实现大气中N₂O₅及NO₃自由基的高灵敏度在线监测提供了有效途径。

构建了氟化汞( ²⁰²Hg ¹⁹F)分子 ²Σ_1/2和 ² Π_1/2态的有效自旋转动哈密顿量,并计算了该分子基态的超精细结构及其在外电场中的斯塔克分裂和外磁场中的塞曼分裂。运用一阶微扰理论,计算模拟了g-因子在外电场中的变化。探讨了利用 ²⁰²Hg ¹⁹F分子N=1, J=1/2, F=1, M_F=±1 态测量电子电偶极矩的可能性(N、J、F为角动量量子数)。

当光束在两种介质的分界面上发生全反射时,反射光会产生横向的古斯-汉欣(GH)位移。在Kretschmann结构中引入原子介质,利用耦合光激发表面等离子体波,研究了表面等离激元辅助的干涉效应作用下探测光的反射GH位移。通过对比耦合光分别为行波和表面等离子体波时探测光的反射率和反射GH位移,发现当探测光入射角偏离谐振角时,反射率曲线会出现类似Fano共振的不对称性,反射GH位移关于探测光失谐量有一段线性变化区域,且可以在正负之间变化;当耦合光为表面等离子体波时,反射GH位移对探测光失谐量的变化更敏感。

介绍了一种硅探测器宽动态范围线性测量系统,系统以光通量叠加为基础,通过时间逻辑控制LED点亮、熄灭和采集数据,在2.2×10 ^-6~0.57 A 的LED注入电流调节范围内,标定了硅探测器响应电流在3.92×10 ^-11~10 ^-2 A范围内近9个量级的线性。实验结果表明,硅探测器在9个量级的动态范围内测量时探测器非线性引入的误差可达0.23%,通过非线性修正因子对其测量值进行修正很有必要,并给出了非线性修正因子,其数值范围为1~1.0023。分析了测量结果的测量不确定度,列出影响系统测量精度的因素,并定量分析了LED光源的光谱漂移对系统测量精度的影响。给出了线性测量系统的相对合成不确定度,硅探测器响应电流范围分别为39.2 pA~0.326 nA、0.326~81.6 nA、81.6 nA~20.4 μA、20.4 μA~10.2 mA时的测量不确定度分别为0.269%、0.0116%、0.00536%和0.00320%。结果表明该系统可以用于高精度硅探测器的宽动态范围响应线性定标。

在基于外差方案的干涉型光纤检波器中,正交载波的获取是其中的一个重要环节。谐波失真和相对幅度误差是评价解调信号质量的重要指标,正交载波之间存在的相位偏差会导致解调信号的谐波失真和相对幅度误差增大。分析了正交载波的相位偏差与解调结果的谐波失真、相对幅度误差之间的关系,运用级数分解和贝塞尔函数展开式进行数学推导,并进行了仿真验证。分析结果表明,正交载波的相位偏差与谐波失真/相对幅度误差呈正相关,当要求谐波失真优于-40 dB、相对幅度误差小于1%时,需要控制相位偏差在1.6×10 ^-2 rad以下。最后搭建了实验测试系统,实验结果验证了理论的正确性。

针对基于高阶正交幅度调制(QAM)的大线宽相干光正交频分复用(CO-OFDM)系统, 提出了一种基于时域和频域卡尔曼滤波(KF)联合估计的相位噪声补偿算法。所提算法在发射端插入时域训练符号和导频序列, 在接收端基于训练符号进行频域卡尔曼滤波后得到信道估计值, 进行时域扩展卡尔曼滤波(EKF)后得到相位噪声粗略估计值。时域相位噪声估计值为复数值, 为获得较好的补偿效果, 根据导频序列数目将每个OFDM符号分割为若干个亚符号。在导频序列处进行时域EKF, 通过在每个亚符号最后一个导频处进行线性插值, 得到每个采样点的相位噪声粗略估计值。对粗略相位噪声补偿后的频域数据进行预判决, 并对时域相位噪声进行精细补偿。采用所提算法对传输速率为50 Gbit·s-1 、传输距离为100 km的CO-OFDM系统进行了数值模拟, 结果表明所提算法与其他方法相比取得了较好的补偿效果。对于激光器线宽为1 MHz(16QAM)和800 kHz(32QAM) 的CO-OFDM系统, 误码率可达前向纠错上限。

为了减小多节点激光通信天线的工作包络尺寸并提高二维摆镜的运动控制精度,提出了一种紧凑型摆镜组件。采用高体分铝基碳化硅(SiC/Al)支撑板与H-K9L反射镜直接黏接的方案,提高了摆镜面形的热稳定性,摆镜回转中心至镜面的距离被缩短至20 mm。黏接面采用三点薄圆环的设计,在保证摆镜组件动态刚度的前提下有效降低了黏接应力对摆镜面形的影响。有限元分析结果表明,摆镜组件的基频为1319.96 Hz,在(20±5) ℃工作温度范围内,面形峰谷(PV)值优于λ/4(λ=632.8 nm),面形均方根(RMS)值优于λ/22。使用ZYGO激光干涉仪对摆镜的面形进行检测,结果表明,在(20±5) ℃温度范围内,摆镜面形的PV值优于λ/4,RMS值优于λ/29,满足激光通信天线RMS为λ/15的指标要求。

为了解决传统光电侦察平台外露球形结构增大飞机雷达散射截面的问题,提出一种采取双反射镜绕俯仰轴和方位轴旋转实现大角度扫描的方法,该扫描方式的外露尺寸小,可与载机进行共形设计以保证飞机隐身性能。基于光反射矢量理论,对扫描系统成像特性进行了研究,对双反射镜绕俯仰轴和方位轴旋转所产生的像旋进行了定量分析,得出了像旋角大小和方向与双反射镜旋转角度和方向的确切关系,并以此作为像旋补偿的理论依据,提出一种通过控制消旋棱镜消除像旋的双向控制方法,实现扫描镜与消旋机构的严格协同运动。通过成像实验进行了验证,消除了所产生的像旋,计算可得消旋精度均方根值小于8',实现了较高精度光学消像旋。

提出一种基于一维光栅函数进行纯相位编码的方法,该方法以双相位全息编码技术为基础,将复振幅图像编码成纯相位图,并将编码得到的相位图直接加载到相位型空间光调制器上进行光学重建。在重建过程中,用一个有低通滤波器的4-f系统选择衍射级次,并选用一级衍射分量进行重建。一维光栅函数编码可以提高一级衍射分量所能获得的能量。因为没有相位元件零级信息的影响,重建图像的质量得到了提升。数值模拟和实验结果证明,该方法可以有效重构编码复杂物体的振幅和相位,该方法得到的一级衍射能量比二维棋盘格函数编码得到的一级衍射能量高。

结合正弦/余弦(sin/cos)滤波技术提出了依据散斑相位条纹图的条纹方向自动选取滤波窗口大小的自适应滤波法。通过计算散斑包裹相位条纹图的条纹方向,依据相位条纹方向自动选择合适的滤波窗口,对散斑包裹相位图的sin和cos变换图同时进行自适应均值滤波,再通过四象限反正切算法得到包裹相位条纹图。实验结果表明,该滤波法能有效保护条纹相位跳变信息,对于条纹密度变化较大且形状复杂的散斑包裹相位图,仍能进行有效的条纹滤波处理,滤波后的相位条纹图更逼近于原始条纹走向。

为了对水下图像传感器获取的彩色图像进行清晰化处理,提出一种lαβ色彩空间的图像清晰化算法。将捕获到的彩色水下图像进行暗原色初步复原后,映射RGB空间至lαβ三通道进行清晰化处理。采用Tetrolet变换方法处理亮度通道l,对包含大部分的轮廓、边缘等线性细节的高频分量采用Bilateral滤波器处理,对包含大部分能量的低频分量进行非局部均匀滤波处理,然后将处理后的高、低频分量进行反向Tetrolet变换得到复原的亮度通道图;对α、β通道的色彩偏差进行空间均值颜色校正,得到复原的α、β通道图。将处理后的非彩色通道图和彩色通道图反向变换至RGB通道,更新透射率,得到清晰化的彩色水下图像。实验结果表明,该算法对彩色水下图像的复原效果较好,在图像色彩的提升和边缘细节的描述方面效果显著。

激光反射断层成像是一种新型的远距离高分辨率成像手段。反射回波可以近似视作发射脉冲和目标反射系数投影分布的加噪卷积,因此发射脉冲的展宽将显著影响重建图像的分辨率。现有的滤波反投影方法不能有效解决这个问题,而脉冲压缩和解卷积可以从回波中还原目标反射率分布投影,进而提高重建图像质量。基于多角度测量的相似性,提出了一种多帧迭代盲解卷积逼近方法,对一维回波信号进行解卷积,并在实际激光雷达上进行了实验,重建结果表明,此算法能显著提高成像的分辨率和细节,并能对发射脉冲给出参考。

光场成像作为一种应用广泛的计算成像方法,其研究仍局限于电磁波谱中的可见光波段。因此,提出基于相机阵列的红外光场成像方法。首先利用单台被动红外相机移动到同一平面的不同位置分别对同一静态目标场景成像,获取原始红外图像序列,经平移视差校正后生成红外光场数据库;然后基于光场渲染理论,获得重采样图像。与只记录二维位置信息的传统红外成像比较,红外光场成像能够记录包含位置和方向的四维信息。实验结果表明,该法能够融合多幅低信噪比的图像获得一幅信噪比提高的重采样图像,通过孔径叠加平均可实现穿透遮挡物成像,通过选取不同深度值进行重采样可实现红外场景不同深度的数字重聚焦,使红外成像在**和民用领域更有应用价值。

水平光场三维(3D)显示可以在保证较好立体显示效果的同时,显著压缩需处理的海量光线信息,因此是一种重要的三维显示方法。由于缺少竖直方向的光场变化,水平光场的显示清晰度表现力与单目聚焦能力都与理想的光场形式不同。基于扫描型光场显示技术,分析了水平光场的点扩展函数(PSF);基于人眼和相机的自动聚焦原理,对不同显示参数下所重构的水平光场进行聚焦仿真,得出光线横向散射角以及每圈更新图像数对水平光场单目聚焦能力的影响;通过扫描型水平光场显示样机对所得结论进行验证。结果表明,水平光场的最大可聚焦高度随光线横向散射角的增加而减小,随每圈更新图像数的增加而增加。该分析方法及结论可以为单目聚焦水平光场显示系统提供设计依据。

表面微小疵病在用不同波长的光照明时,其光学图像会存在不同程度的非线性放大畸变现象,对成像信息中的目标提取和信噪比(SNR)将产生一定的影响。提出利用红、绿、蓝三基色光源辐照下的疵病图像进行动态彩色编码成像的方法,经像素级图像融合后可实现高冗余信息的图像合成,从而在获取表面微小疵病丰富细节的同时可进一步提高信噪比。分析了针对三基色图像进行彩色编码的理论,提出了基于图像梯度的动态权值融合成像方法,同时给出了光谱非线性放大信号的噪声分析模型,通过理论分析和数值模拟两方面,充分验证了动态权值融合降低标准偏差的有效性。在明场表面疵病成像实验中,采用三基色平衡响应的彩色互补金属氧化物半导体(CMOS)相机,分别获取了单个微米量级表面疵病点的三基色滤波图像,并通过与传统边缘提取、非动态权值组合等方法的结果比对,验证该优化方法可得到一幅细节更为丰富的高SNR图像。在暗场表面疵病成像实验中,以图像灰度平均梯度和提取到的疵病数量为评价参数,即从优化图像质量和疵病识别能力两个方面,进一步验证该优化在高保真和低噪声方面的有效性。提出的动态彩色编码融合成像方法可有效降低光谱非线性放大带来的噪声。

主要探讨了一种基于多层多齿谐振光栅结构的高性能偏振无关反射镜。得益于TE和TM偏振光泄漏模谐振的共存及相互作用,该器件在1.65~1.72 μm较宽的频谱范围内具有反射率大于97%、角度带宽约为24.6°、插入损耗小于0.25 dB、偏振相关损耗小于0.18 dB的优越性能。通过严格耦合波分析方法验证了此器件在现有工艺误差范围内具有较好的工艺容差性。

研究了激光喷丸(LP)TC6钛合金的组织演变对表面强度的影响机理。结果表明,LP后材料表面的显微硬度和残余应力均随功率密度的增加而增大,LP引起的硬度影响层和残余应力影响层的深度也随功率密度的增加而增大,且影响层深度为500~600 μm。LP对TC6钛合金强度的影响机理包括细晶强化和位错强化,晶粒细化使大角度和小角度晶界增多,而晶界能阻止材料发生屈服;LP产生的高密度位错可使材料的屈服强度提高,阻碍位错的运动,抑制裂纹的萌生,从而使材料的力学性能提高。

实现了一种基于数字信号处理(DSP)技术的外腔半导体激光器的自动稳频装置。该自动稳频装置以铷原子的饱和吸收谱线作为频率参考,采用调制解调技术得到稳频所需的鉴频信号。激光自动稳频装置通过模数转换器以固定的速率不间断地采集饱和吸收信号和鉴频信号,由DSP芯片对采集到的数字信号进行处理和分析。DSP 芯片利用通用输入输出端口控制调制信号的开关状态,通过数模转换器控制激光频率扫描以及输出数字反馈。利用所述的激光稳频技术不仅实现了外腔半导体激光器自动稳频,而且能够实时评估激光器的锁定情况,在激光器失锁后及时重新锁定,提高了激光器的长期运行能力。最后,将使用自动稳频技术的激光器应用于空间冷原子钟原理样机地面实验中,该稳频激光可以满足相关科学实验的需求。

在全面分析碱金属蒸气激光放大器的激光动力学与流体动力学过程的基础上,结合热效应、饱和放大效应、放大自发辐射、高能级激发与电离的影响,建立了一个相对完善的物理模型来模拟流动散热条件下半导体抽运碱金属蒸气激光放大器的输出特性。计算模拟了纵向和横向两种不同流动方式下,气体流速对输出功率的影响,比较分析了高抽运功率密度下各能级粒子数密度的变化趋势,最后模拟了各级放大器的功率分配比对提高级联放大器输出效率的作用。结果表明:在相同工作温度条件下,多个等长蒸气池和均等抽运光功率分配能让高级数放大器获得比低级数放大器更高的放大倍数。所提模型有助于高功率碱金属蒸气激光放大器的参量选择和优化设计。

“热像”是造成高功率固体激光装置光学元件损伤的重要物理机制。理论分析了相位缺陷经过非线性传输引起的“热像”特性,提出了带通成像提取引起“热像”的相位缺陷关键频谱方法,构建具有典型特征的16个相位缺陷,利用3种光路结构,量化分析了“热像”特性与带通成像特性间的关系,并获得了缺陷带通成像的相对亮度与“热像”强度的线性关系,相关程度与光学构型和带通滤波参数有关。研究结果对“热像”预判有重要意义,为高功率激光装置相位缺陷的检测奠定了技术基础。

研究了大口径级联空间滤波器中色差造成的离焦色散与传输时间延迟对超短脉冲波形与时间信噪比的影响。针对神光-5 PW高功率超短脉冲系统,通过数值模拟,定量分析了光束口径、色差等因素与近远场脉冲波形畸变和时间信噪比退化的关系。从脉冲波形和时间信噪比的角度,给出了大口径空间滤波器消色差后残余色差的容忍范围,为高功率超短脉冲系统中空间滤波器的设计与优化提供了理论依据。

通过性能测试分析,研究了激光喷丸(LP)技术对TC4钛合金抗氢脆性能的影响。结果表明,LP试样表面产生了-327 MPa的残余压应力;电化学充氢后,试样表面残余压应力降低了9.17%,喷丸与未喷丸试样的表面显微硬度分别提高了5.07%和7.08%,而延伸率分别降低了2.25%和4.84%。LP处理可提高TC4钛合金的韧性,降低其氢脆敏感性。

在大型结构件的损伤监测过程中,摄像机镜头畸变往往引起成像畸变,如果直接利用畸变图像进行标定、测量,将引起较大误差,降低损伤监测精度。为了有效地校正成像畸变,提出一种改进的基于直线特征的非量测畸变校正方法。分析实际测量中成像畸变的像差模型;直接利用场景中存在的直线特征,得到带权重因子的直线射影不变约束关系和三点近似共线约束关系,并建立两组畸变校正约束方程求解畸变系数;通过实验验证提出方法的可行性和有效性。校正结果表明,相比不带权重的直线特征标定方法,提出方法优化结果的均方根误差精度提高了0.21 pixel。

线阵相机具有高敏感性、高分辨率和高动态性等特点,常用于运动物体成像。在动车组列车运行故障图像动态检测中,由于列车运行速度不是理想匀速通过线阵相机,所拍摄的图像会在列车运行方向上出现拉伸或压缩等变形现象,造成同一列车在不同时间所拍摄到的图像总数不一致,给后续目标自动定位、识别以及故障自动检测带来挑战。为解决图像之间未对齐的问题,提出了一种基于分块式的图像对齐方法。首先对图像进行分块处理、特征提取和匹配、特征量化,然后根据特征点之间的像素距离实现图像分块式校准,最后级联各个校准之后的图像块,完成目标图像与标准图像的对齐。实验结果表明,该方法对线阵相机所拍摄的动车组列车序列图像具有较好的对齐效果,可以精确定位序列图像中的目标。

视觉传感器的外参标定旨在建立视觉坐标系与外部标准坐标系之间的关系。设计了视觉测量合作靶球以实现视觉测量与仪器测量之间的合作测量。通过将视觉测量合作靶球与激光跟踪仪靶镜相互替换获取公共点在视觉坐标系和外部标准坐标系下的坐标,并利用公共点在两坐标系下的坐标对目标函数进行非线性优化,获得视觉传感器外参数最优解。视觉测量合作靶球的设计将靶标、光源和球形外壳相融合,以满足与跟踪仪合作靶镜的互换性和球心可测的需求。对外参标定过程中的误差传递进行了分析,并通过仿真优化标定精度,以及实验验证该标定方法的精度。结果表明,该方法的外参标定精度可达到0.036 mm,能够实现直接、灵活、高精度的公共点数据获取。

为了实现多圆特征识别和姿态估计,将航天器常见的几何特征如旋转体(SOR)应用于姿态估计,提出了一种基于椭圆归类的单目视觉姿态估计方法。在图像中采用基于弧段的椭圆检测方法检测目标上的椭圆特征;提出一种基于SOR空间圆平行性和垂直性约束的椭圆归类方法,得到合理的椭圆特征;利用这些特征估计航天器和摄像机之间的姿态。实验结果表明:该方法具有较好的椭圆归类效果和姿态估计精度,对于含有0~16%的椒盐噪声的仿真图,归类精确率不低于97%;实物实验中,角度误差不超过1°,深度方向(小于10 m)的测量误差不超过80 mm,其他方向的测量误差不超过15 mm。

为提高视觉目标跟踪算法的稳健性,提出一种基于协方差矩阵的多特征融合跟踪算法。在量子遗传算法框架下,采用区域协方差描述子对颜色、边缘和纹理特征进行融合,并采用一种快速协方差交叉算法进行模型更新。该算法综合利用了区域协方差描述子维数较低,量子遗传算法收敛速度快且全局寻优能力强和快速协方差交叉算法快速计算的特点,能极大地提高了融合、匹配与更新过程的运算效率,实现了快速有效的多特征融合跟踪。实验结果表明,该算法能够有效应对遮挡、旋转、形变和运动模糊等多种复杂变化的干扰,实现对目标的快速稳健跟踪。

提出了一种基于光栅衍射原理的椭圆反射式波带片(ERZP)光线追迹算法,分析了ERZP的衍射聚焦和能谱分辨特性。基于该算法,将ERZP光线追迹模块添加到光学仿真软件X-LAB中,使之具有了计算量小、效率高等优点,这对含有ERZP光学系统的设计和数值模拟具有重要意义。

设计了一种具有40°视场角的手持式免散瞳眼底照相机,可用来拍摄视网膜图像。相机光学系统由照明系统和成像系统组成,其中照明系统设有可见照明光源和红外对焦光源,采用红外光源对焦可以不用药物对眼睛进行散瞳处理。照明光源采用独特的环形LED,将环形LED光源成像于人眼的瞳孔之上,避免照射到角膜上发生反射作用。在成像系统中设置调焦镜,具备±15D的屈光度补偿功能。成像光学系统的点列图均方根值小于2.8 μm,场曲小于0.2 mm,畸变小于0.6%,在70 lp/mm处各视场处的调制传递函数均高于0.4。使用Zemax光学设计软件的成像模拟功能,在光学系统的像面上清晰地再现了原图。该相机可以应用于眼科医学行业,为疾病的预防和康复服务。

基于微分几何原理,结合折射、反射定律以及能量守恒定律,将太阳能聚光问题转换成一个带有非线性边界条件的椭圆型Monge-Ampére方程,并建立了相应的数学模型。根据该数学模型,设计了自由曲面聚光器,利用光线追迹软件对所设计的自由曲面聚光系统进行了模拟研究。结果表明: 在考虑菲涅耳损失和光学材料的吸收情况下,当实际太阳光线以0.27°的发散半角入射时,1000 mm长度的自由曲面聚光器的几何聚光比达到500,聚光效率为77.5%。通过该方法设计的自由曲面具有很高的设计自由度,为设计不同程度聚光需求的太阳能聚光器提供了可能。

在单圆孔电极液晶透镜基础上进行结构改进,形成双层非对称新型液晶透镜。结合几何光学和液晶理论,利用Zemax模拟并优化该双层结构液晶透镜参数。由Zemax分析可知,在相同的低驱动电压(2.5V_rms~20V_rms范围),0°、3.5°、5°视场角中,双层结构透镜相比于单层结构透镜,可获得更宽的调焦范围,短焦焦距f从19.6172 mm缩小到9.9059 mm;像差显著减小;该光学调制传递函数(MTF)为0.6时,径向分辨率从12.06 lp/mm提高到21.02 lp/mm,提高近一倍,图像解像力和清晰度显著提高,并且高频部分MTF由0.1增加到0.3。最后,实验验证了20V_rms时,双层结构液晶透镜的衍射光斑最小。

在纳米偶极子等效电路的基础上,结合多层波导与谐振腔结构,设计了一种高吸收率、宽波段的纳米超材料太阳能吸收器。该吸收器的单元结构是由双六边形超材料纳米柱与Si圆环柱组成,其中Si圆环中镶嵌了8个微型Au纳米圆柱。采用时域有限差分方法分析了纳米超材料吸收器在宽波段、不同偏振状态的入射光以及大角度入射光下的吸收特性。数值分析表明,该吸收器的吸收波段主要集中在400~1500 nm,其平均吸收率可以达到94%。不同偏振状态的入射光对吸收器的吸收率影响较小,且在±60°大入射角度时该吸收器的平均吸收率仍可达到90%。该吸收器宽波段的高吸收率是由慢波效应与局域表面等离子体共振的共同作用引起的。

有机-无机杂化钙钛矿材料在钙钛矿发光二极管(PeLEDs)和激光器等光电器件中得到了新的应用,如何进一步提高钙钛矿薄膜的发光效率是目前的研究热点。将20 nm粒径的金纳米粒子(Au NPs)掺杂至界面层PEDOT∶PSS中,可使以甲胺铅溴盐(CH₃NH₃PbBr₃)薄膜为发光层的荧光强度提升了2.7倍。研究表明,Au NPs的引入有效增强了CH₃NH₃PbBr₃薄膜的吸收,并提高了激子的辐射跃迁速率。同时,结合光学仿真进行分析,发现Au NPs的近场和远场表面等离激元均与钙钛矿薄膜吸收/发射区域有效耦合,从而最大程度地提高发光效率。提出利用Au NPs的近场和远场复合表面等离激元效应可最大程度地提高钙钛矿薄膜的荧光发射效率,该研究对制备高效率PeLEDs和激光器等提供了重要的理论指导和技术支持。

基于表面等离子亚波长结构的传输特性,提出一种含金属双缝的金属-电介质-金属波导耦合环形腔结构。由金属双缝波导谐振腔形成的较宽的连续态波与由环形谐振腔形成的较窄的孤立态波耦合干涉相消,形成Fano共振。结合耦合波理论,分析了该结构形成Fano共振的传输及相位特性。采用有限元分析法对该结构进行模拟仿真,定量分析了结构参数对结构慢光特性的影响,实现结构参数优化。结果表明,优化后的结构群折射率可达205。该结构能为集成等离子慢光器件的设计提供有效的理论参考。

提出并设计了一种基于波长-模式双复用的量子保密通信系统,介绍了波长-模式双复用的基本原理,使用Optisystem搭建了系统模型并进行了10次发送实验,获取并分析了信号的时域波形和频谱图,验证了传输过程中信号波长和线偏振模式的稳定性,实现了系统中基于双不等臂马赫-曾德尔干涉仪方案的量子密钥分发过程,获得了经典光信号的误比特率、眼图以及品质因数。结果表明,此量子保密通信系统能够融合两种复用方式的优势,扩大信道容量,提高信号间的隔离度和正交性,有效减小非线性效应和信号间串扰,较好地保护量子-经典信号同传过程中的量子信号,证明了该量子保密通信系统有效可行。

水体是合成孔径雷达(SAR)图像解译的一类重要内容。针对含水体的SAR图像的成像特点,给出了一种基于轮廓的配准方法。首先,提出了融合观测图像局部统计信息的自适应权马尔科夫随机场 (MRF)分割模型,以分割SAR图像水体目标并提取其精确轮廓。然后,提出了轮廓匹配的非均匀高斯混合模型(GMM),该模型能融合轮廓上点的位置信息和以轮廓点为中心的窗口的灰度相似性信息。最后,对含水体目标的SAR图像进行配准实验。结果显示所提出的MRF分割模型能精确地定位目标边缘并保持图像的细节,轮廓匹配的非均匀GMM对噪声、外点及局部变形具有稳健性,能较好地实现含水体目标的SAR图像配准。

扩展目标夏克-哈特曼波前传感器子图像之间偏移量的计算是影响波前传感精度的关键,通常采用相关算法来实现,并通过抛物线插值等方法来达到亚像元精度。子图像相对偏移量的计算也可以采用计算相关函数质心的方法来实现,其主要步骤是先计算子图像间的相关函数,在此基础上计算相关函数的质心,达到亚像元精度。通过仿真研究表明这种算法的精度与进行相关运算时的图像大小、计算质心时的相关函数窗口大小以及相关函数阈值的设定有关;同时,图像的信噪比也会影响算法的精度。研究表明,图像的信噪比小于1时,质心算法的计算误差相对较大;当图像的信噪比高于2时,相关函数质心算法的误差大约是抛物线插值法误差的一半。实验结果与仿真结果也基本吻合。

以修正的Dobson介电常数模型作为基础模型,分析并验证了土壤体积含水量和含盐量与介电常数的关系。在此基础上,提取不同极化方式下的雷达影像后向散射系数,分析后向散射系数与介电常数之间的关系。结果表明:体积含水量和含盐量是土壤介电常数的主要影响因素;体积含水量是介电常数实部的决定性因素,直接决定土壤介电常数实部的大小;介电常数虚部受多种因素的影响,含盐量为主要因素;体积含水量和含盐量相互作用,共同影响后向散射系数;在交叉极化模式下,介电常数是影响雷达影像后向散射系数的主要因素。基于土壤的介电常数来监测土壤中的含盐量和体积含水量具有一定的潜力,通过雷达影像反演土壤中的含盐量是完全可能的。

通过提取光散射信号中颗粒粒径和属性的非线性特征向量,利用广义神经网络(GRNN)同时解析颗粒粒径和识别属性。采用经验模态分解(EMD)方法分解颗粒物的光散射信号,提取三维能量分布,计算3种相同粒径不同属性颗粒的样本熵,发现样本熵能够反映颗粒的属性;为了消除粒径和属性对散射的影响,对散射信号进行Hilbert变换,提取时频域特征,与样本熵结合组成高维特征集,通过局部线性嵌入(LLE)算法将特征集归为6个特征向量,作为广义神经网络的输入层,解析粒径和识别属性;采用粒径为0.11 μm的二氧化硅颗粒、2 μm和4 μm的聚苯乙烯小球进行实验,结果表明,粒径解析和属性识别的正确率均在90%以上。

利用实验室自行搭建的拉曼光谱检测系统, 确定了苯甲酸钠位于843.5 cm-1、1007 cm-1和1605 cm-1处的3个拉曼特征峰; 以柠檬酸钠还原硝酸银配制的银溶胶作为表面增强剂, 设计了快速检测市售碳酸饮料中苯甲酸钠含量的方法。将44个苯甲酸钠浓度不同的碳酸饮料的原始光谱曲线进行Savitzky-Golay平滑降噪及基线背景扣除预处理, 然后随机分为32个校正集和12个验证集, 采用一元线性回归、多元线性回归、偏最小二乘回归、主成分回归和支持向量机回归等方法进行建模。结果表明, 以843.5 cm-1、1605 cm-1处的2个特征峰建立的二元线性回归模型的建模结果最好, 验证集相关系数为0.9603, 验证集的均方根误差为0.0867×10-3。该二元线性回归模型可以实现市售碳酸饮料中苯甲酸钠的快速定量检测, 为食品中的苯甲酸钠含量的实时在线检测提供了技术支撑。

可调谐二极管激光吸收光谱技术一般采用双线法同时测量气体的温度和物质的量分数。然而在频分和时分复用这两种方式下,双线法易存在频率串扰和降低时间分辨率等问题,在实际应用中有一定的局限性。针对此问题,提出了基于波长调制光谱技术的免标定单线测量法,只用一条吸收谱线即可实现对气体温度和物质的量分数的同时测量。以燃烧过程中的主要产物CO₂为目标气体,选择中心频率为5007.787 cm ^-1的吸收谱线R(50)进行实验验证。从扣除背景的峰值归一化二次谐波信号的线型中提取温度信息,再利用扣除背景的一次谐波归一化二次谐波信号提取CO₂的物质的量分数。实验结果表明,免标定单线法与热电偶测量的温度最大相对偏差小于2.5%,物质的量分数的最大相对偏差小于2.8%。验证了用免标定单线测量法同时测量CO₂的温度和物质的量分数是可行的。

可调谐二极管激光吸收光谱技术中的波长调制方法具有适应恶劣环境以及灵敏度高等特点,在气体浓度测量方面得到了广泛应用。与常用的正弦波调制相比,三角波调制方式具有更高的灵敏度,但一般采用标定的方法来实现气体浓度的测量。提出了基于三角波调制的免标定波长调制方法,建立了分布反馈激光器在三角波调制下的频率响应模型。实验结果表明,使用所提频率响应关系式可使标准具信号拟合结果的相对残差小于0.4%,一次谐波归一化二次谐波信号拟合结果的相对残差小于1.2%,证明了该模型的可行性;实现了基于三角波调制的CH₄气体浓度的免标定测量。

在石英基底上制备了铝(Al)薄膜,同时加热烘烤制备了Al纳米颗粒,研究了不同厚度的Al纳米颗粒的吸收特性。结果表明,随着烘烤温度的上升,Al薄膜的粗糙度越来越大;当温度达到300 ℃时,Al薄膜完全转化成Al纳米颗粒。在300 ℃的烘烤温度下,当膜厚从5 nm增加到25 nm时,薄膜的共振吸收峰红移40 nm。这种制备Al纳米颗粒的工艺简单、省时、成本低、效率高。

通过彩色数码相机单幅RGB图像的响应值重建物体表面的光谱反射率,不仅可以有效避免基于带通滤光片光谱成像系统存在的通道间图像像素偏移问题,而且可以缩短图像采集周期和获得高空间分辨率的光谱图像,但是光谱重建误差受光谱重建方法的影响。提出了一种基于相机响应值扩展和局部反距离加权优化的光谱重建方法,以CIEDE2000色差和光谱均方根误差为评价指标,以600个矿物颜料色块为实验样本,利用佳能600D型数码相机对所提方法进行了验证,并与当前几种较先进的方法进行了对比。实验结果表明,所提方法的平均CIEDE2000色差和平均光谱均方根误差分别降低到1.0389和0.0230,所提方法的光谱重建精度优于当前几种较先进方法的光谱重建精度。