基于目前常用的光谱杂散光测试与修正方法,详细介绍了光谱杂散光矩阵修正法的核心内容——仪器的光谱杂散光矩阵的标定。在实验室搭建了杂散光矩阵测量装置,标定了前向临边成像光谱仪初样机的杂散光矩阵,在外场实验中验证了基于仪器杂散光矩阵的杂散光修正方法的精度。

基于支持向量机(SVM)的机器学习方法提出了空间激光通信四进制脉冲振幅调制(PAM-4)信号的检测算法。利用功率谱密度反演方法仿真大气相位屏,结合Taylor冰冻流假设,得到了激光载波经过大气湍流信道的光场信号,叠加接收端高斯白噪声后,采用SVM检测算法针对所得的PAM-4信号进行判决。SVM检测算法与大气信道无关。SVM检测算法对接收信号数据进行分组,对各组数据进行交叉验证并完成学习,并对参数进行调整。通过多次二分类确定各电平之间的最优超平面。最后,SVM作出信号判决。SVM检测算法得到的误码率低于双步盲检测法,在大气湍流较弱的情况下与最优边界检测法的结果相当,说明SVM检测算法具有良好的性能。

针对现有表面等离子激元折射率传感器纵向探测深度小、探测范围无法覆盖整个细胞厚度的问题,提出一种大探测深度、高灵敏度的活细胞折射率实时测量方法,并利用该方法开展了药物敏感性的实验研究。基于偏振选择吸收效应,设计并搭建了全内反射条件下的石墨烯折射率传感系统,进行了不同质量分数氯化钠溶液折射率的测量,结果表明系统具有9.5×10 ⁶ mV/RIU的灵敏度和5.5×10 ^-7RIU的分辨率;利用该系统开展了活细胞药物敏感性的实验研究,分别研究了顺铂和紫杉醇作用于Ramos细胞和Jeko-1细胞时生物演化过程中细胞折射率的实时变化规律,验证了折射率变化与其药性机理作用的一致性。

高光谱成像的应用效果非常依赖于所获取的图像信噪比(SNR)。在高空间分辨率下,帧速率高、信噪比低,由于光谱成像包含了两维空间-光谱信息,不能使用时间延迟积分(TDI)模式解决光能量弱的问题;目前多采用摆镜降低应用要求,但增加了体积和质量,获取的图像不连续,且运动部件降低了航天的可靠性。基于此,将超高速电子倍增与成像光谱有机结合,构建了基于电子倍增的高分辨率高光谱成像链模型,综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于成像链路信噪比的完整分析。采用LOWTRAN 7软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳高度角和地物反射率计算像面的照度,根据电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下的SNR。对SNR的分析和实验,选择适当的电子倍增增益,可使微弱光谱信号SNR提高6倍。

基于Thue-Morse非周期数学序列设计了一种新型衍射光子学元件——Thue-Morse多焦点涡旋透镜。与菲涅耳涡旋透镜相比,该类型透镜沿轴向具有多个聚焦涡旋且对称位置处的聚焦涡旋具有同等强度。理论与实验证明,Thue-Morse涡旋透镜具有独特的光学性质。该类型透镜可以产生涡旋光束阵列,实现多平面金属微粒、低折射率介质微粒等的束缚,在微纳光学领域具有潜在的应用价值。

由于棱镜具有色散不均匀的特点,中阶梯光栅光谱仪的二维谱图在长波波段不可避免地存在相邻衍射级次间相互干扰的情况。为了克服这一缺点,同时充分利用探测器像面,设计了一种小型分段式的中阶梯光栅光谱仪。通过对中阶梯光栅和棱镜色散原理的详细分析,确定了二者参数与探测器之间的关系,结合双缝间隔设计方法,采用双狭缝切换的方式,给出分段式中阶梯光栅光谱仪的设计方法。利用此方法将系统的波段范围165~800 nm分为165~230 nm和210~800 nm两部分,焦距设计为200 mm,分别采集双波段的二维谱图。使用光学设计软件对光学系统进行仿真,结果表明,200 nm处的实际光谱分辨率可达0.015 nm,满足设计指标的要求。

用高温熔融二次热处理法,制备了钠铝硼硅酸盐PbSe量子点玻璃及量子点光纤。光纤中量子点的尺寸为4.73 nm±0.25 nm,吸收和辐射峰分别位于1450 nm和1500 nm。测量了量子点光纤的吸收谱、光致荧光(PL)光谱、PL峰值光强随抽运功率的变化,以及980 nm抽运功率在光纤中的衰减系数、PL峰值光强和PL峰值波长随光纤长度的变化。确定了量子点光纤随波长变化的衰减系数、抽运激励阈值功率和饱和功率。从能级跃迁、表面效应等方面解释了实验现象。

实验实现了基于钠铝硼硅酸盐玻璃的近红外PbSe量子点光纤放大器(QDFA),并在钠铝硼硅酸盐玻璃基底中,通过优化熔融-退火法的热处理条件,制备中心粒径为4.08~5.88 nm的PbSe量子点光纤。该QDFA由量子点光纤、波分复用器、隔离器、抽运源等构成。实验表明:QDFA在1260~1380 nm区间实现了信号光的放大,增益波长区间与量子点的粒径大小有关。当输入信号光功率为-17 dBm时,输出信号光增益为16.4 dB,-3 dB带宽达80 nm。实验观测到明显的激励阈值和增益饱和现象。与常规的掺铒光纤放大器以及少模掺铒光纤放大器相比,本研究的QDFA的激励阈值低、带宽大、噪声小。本研究设计的PbSe-QDFA为扩展光纤通信波段和工业化应用提供了一种新的途径。

提出一种非结构化点云特征线提取方法,其过程主要分为区域分割和特征检测两个阶段。在区域分割阶段,引入社会粒子群优化模糊C-均值聚类算法对点云数据进行区域聚类,得到边界清晰的各个分区,便于后续边界特征的提取;在特征检测阶段,对各个分区进行局部径向基函数曲面重构,以获取各个分区内采样点的曲率信息。提出基于平均曲率计算的局部特征权值,并通过局部特征权值和曲率极值法对特征点进行双重检测。并通过建立特征点的最小生成树构建特征曲线。对不同点云模型进行特征线提取实验,结果表明,本文方法既能够提取点云模型中的显著特征和尖锐特征,也能够很好地提取特征强度变化的曲线特征。

高分三号卫星是世界上成像模式最多的合成孔径雷达(SAR)卫星,高分三号SAR图像与多光谱图像融合可以改善图像视觉效果。因此提出一种新的研究思路,即利用非下采样轮廓波变换(NSCT)模拟出既包含多光谱谱段信息又体现SAR图像细节信息的高分辨率图像,则融合可不拘泥于具体算法。同时提出两种基于NSCT的高分辨率图像模拟方法,利用高分三号3 m、5 m分辨率SAR图像和高分一号16 m分辨率图像进行实验,采用不同融合算法验证了该思路的有效性。研究结果表明:传统的SAR和多光谱图像直接融合的方法能够保持SAR的细节信息,但噪声明显,且光谱信息损失大;而所提出的NSCT平均图像和平均NSCT图像可以保留融合结果的光谱信息,且模拟的光谱信息前者比后者更贴近多光谱。

光在水中传播时受水的吸收作用和水中微粒的散射作用而发生衰减;因水的浊度变化,且水下拍摄时景深不一,导致水下获取的图像雾化程度和色彩偏差不同。传统的去雾算法用于处理这些模糊程度和色差多变的图像时效果欠佳。针对该问题,提出基于亮通道色彩补偿与融合的水下图像增强算法。首先,基于亮通道对原图像进行色彩补偿,获得色彩补偿的图像;再对色彩补偿的图像进行自适应对比度拉伸获得对比度高的清晰图像;最后采用多尺度融合策略对色彩补偿后的图像及对比度拉伸后的图像进行融合。结果表明,本文算法可广泛应用于多种水下降质图像,且在无任何先验信息的条件下,能有效提高水下图像对比度和平衡图像色彩。

由于水体对光的吸收和散射,水下光电图像具有低信噪比、低对比度等特点,导致目标难以识别,限制了水下光电成像装备的实际应用和发展。为提高目标的探测精度和识别率,提出包含一维并行卷积和子像素卷积的深度卷积神经网络,利用其从水下光电图像训练集中学习优化图像质量的参数,实现了去噪和对比度增强。实验结果表明,相比于经典去噪方法和对比度增强方法联合处理的结果,本文方法得到的峰值信噪比和均方根对比度分别平均提高了2.93 dB和14.41,能够有效地权衡去噪、对比度增强和亮度提升等,获得适合人眼视觉感受的图像,且处理单幅图像的平均速度是经典方法的9.46倍。利用测试集对网络进行测试,其在一定范围内较好地优化了图像质量,具有一定的泛化特性。

提出一种基于深度神经网络的图像修复取证算法,该算法可通过编码器网络自动提取图像修复遗留的痕迹特征,通过解码器网络预测像素类别,从而判断出图像是否经过修复篡改以及修复篡改的区域。同时,采用特征金字塔网络对解码器网络中的特征图进行信息补充。采用MIT Place数据集作为训练集,UCID数据集作为测试集,对训练集和测试集分别使用了不同的修复篡改算法。实验结果表明,与其他图像修复取证算法相比,所提算法的修复区域定位更精准,处理速度更快,且对不同的修复篡改方法具有较好的稳健性和较强的泛化能力。

搭载于我国第二代极轨气象卫星风云三号A星(FY-3A)上的中分辨率光谱成像仪(MERSI),肩负着获取全球图像和辐射资料的作用。然而,太空环境影响等因素,导致短波红外通道发生在轨增益突跳现象,大大限制了数据的定量应用。通过对冷空、星上定标器和黑体等MERSI星上观测目标的分析,选择冷空作为增益突跳识别的指征目标。提出自动识别、增益归档和档位归一化方法,采用日识别和天内精检测的方法获取增益突跳时空信息,采用分类统计突跳数据的方法获取突跳的在轨增益档位,并利用星上定标源目标和对地观测图像进行归一化效果验证,实现了对1.64 μm和2.13 μm两通道整个生命期91次和18次突跳事件的精确定位,获得了8个在轨增益档位和全部突跳事件的档位信息,并得到了理想的归一化效果验证。研究结果同样显示,增益突跳事件大多发生在对地目标扫描过程,而且每个探元增益突跳的时间不尽相同。由于地球目标的复杂性,基于物理方法很难实现对突跳帧图像的归一。该研究成果不仅有助于FY-3A MERSI图像质量的提升,而且对历史数据再处理也有重要支撑作用。

基于光子计数探测器的多能谱计算机断层成像技术(CT),能够获得多个能量段的能谱信息,在材料识别方面有着独特的优势。由于窄能谱探测及光子计数探测器存在一致性差的问题,多能谱CT图像中含有较多的噪声和伪影,这不利于材料的分解与识别。因此从重建的角度出发,改进了传统张量字典学习(TDL)方法,提出一种基于图像总变分(TV)和TDL的图像重建算法,简称TV+TDL。该算法不但继承了TDL 算法在刻画各个能量通道图像之间相似性的优势,而且通过引进TV作为正则项,可进一步恢复图像微小结构和细节并有效地抑制噪声,提高材料分解精度。仿真实验结果表明,TV+TDL算法能够有效重建高质量的多能谱CT图像,并成功实现基材料模型下的材料分解与识别,从而验证了该方法的有效性和实用性。

彩色眼底图像视网膜血管分割对于临床医学诊断有重要价值。提出了一种基于改进卷积神经网络的视网膜血管分割方法。首先,将残差学习和密集连接网络(DenseNet)相结合,更充分地利用每一层的特征;通过增加短连接的方式,缩短了低层特征图到高层特征图之间的路径,强化了特征的传播能力。其次,为了提取更多细小血管,在编码器-解码器结构的网络中加入了空洞卷积,在不增加参数的情况下增加感受野。实验结果表明,与现存其他深度学习方法相比,所提出网络结构的参数数量更少,在DRIVE标准数据集上平均准确率达到0.9556,灵敏度达到0.8036,特异性达到0.9778,受试者工作特性(ROC)曲线下的面积(AUC)达到0.9800,比现存其他深度学习方法的分割效果更优。

大口径太阳望远镜主镜直接暴露在空气中,主镜与环境的温差会引起视宁度效应。为降低视宁度效应,研究了主镜底部制冷空气的温度、风速及气刀风速对视宁度的影响。结合南京大学2.5 m多功能望远镜ISMAT的主镜进行热控技术研究,并以0.02 arcsec的主镜视宁度为优化目标。数值求解结果表明:没有气刀时,满足优化目标的制冷空气温度为283.15 K,进口风速为3.5 m/s;有气刀时,满足优化目标的制冷空气温度为283.15 K,进口风速为3m/s,气刀风速不小于3 m/s。

在结构光的三维测量中,单投影仪单相机的测量结构在测量复杂物体时容易出现遮挡与阴影现象,从而影响了测量数据的完整性;使用双投影单相机的测量结构可扩展成像范围,减小阴影部分的面积,提高测量效率,但从部分重叠的相移光栅中分离出原始投影信号是该方法的难点。在分析传统四步相移法的基础上,提出了一种基于灰度互补关系的重叠相移光栅分离方法,该方法通过调整投影的相移光栅的时间及次序,在不改变原有测量系统结构的基础上有效消除了重叠部分的干扰信号;为了验证该分离方法的有效性,搭建测量系统进行相关实验。结果表明:利用互补关系可以实现重叠相移光栅信号的准确分离,获取完整的点云数据,同时也提高了测量速度。

针对流水线上在线运动的刚性物体,投影复合光栅可以解决像素匹配和相位展开对条纹频率不同需求的矛盾,但在相位计算时,需对复合光栅进行滤波,该过程会降低重构精度。基于Stoilov算法,提出一种无需滤波的复合光栅投影的在线三维测量方法,设计复合条纹使低频条纹相移方向与被测物体的运动方向平行,像素匹配后被测物体的运动被转化为低频条纹的相移;高频条纹相移方向与被测物体运动方向垂直,像素匹配后各帧变形条纹图中高频条纹的光强分布完全一致,可直接进行相位计算,避开了因滤波造成的精度损失。同时在复合光栅中高频条纹的强度远低于低频条纹,故可将其看作微弱的背景光,保证了在线三维测量的精度。通过仿真与实验验证了该方法的有效性。

为解决视觉测量中重建强反射表面时遇到的过度曝光或曝光不足的问题,提出了一种基于自动多次曝光的面结构光测量方法。该方法的核心是根据基准点像素值随曝光时间的变化计算相机响应曲线。利用相机响应曲线和不同曝光时间下的图像计算出当前场景测量所需的曝光次数和曝光时间。将具有不同曝光时间的图像序列融合成新的条纹图像序列进行重建。实验结果表明:所提方法能够准确计算每次曝光的时间,克服了强反射表面引起的条纹图像饱和或过暗的问题,能够实现高动态范围表面反射率物体的三维形貌光学非接触测量。

搭建了一种基于反向传播神经网络与高斯分布函数的图像高光去除模型。该模型可以优化图像的特征提取及特征匹配。以高反射率金属工件表面作为实验对象,进行了边缘特征提取及视觉测量精度分析,实验结果表明,所提方法可实现0.75 mm的视觉测量精度,一定程度上验证了所提方法的可行性。

偏折术中的几何结构标定误差是制约低阶面形测量精度的主要因素。从数学模型、理论模拟和实验三个方面分析了几何结构标定误差与低阶面形测量误差之间的关系。给出了表示几何结构标定误差与面形测量误差之间关系的数学模型,并通过模拟和实验对其进行了验证。结果表明,几何结构标定中坐标平移误差会导致倾斜和离焦面形测量误差;被测面分别与相机和显示器之间的距离越大,几何结构标定的误差对低阶面形测量的影响越小。研究结果可以帮助设计合适的偏折术测量系统结构和提高低阶面形测量精度。

利用项目组研制的放电引发脉冲HF激光器,测量并研究了激光输出光谱的特性。结果表明:放电引发脉冲HF激光光谱的能量主要集中于v(3—2),v(2—1)以及v(1—0)三个振动跃迁辐射带,在2.65~3.05 μm波长范围内测量得到了13~16条主要的输出谱线,其中v(2—1)振动跃迁输出能量占比最大,在40%~50%之间。适当改变充电电压和工作气体总压力可以调节各个振动带输出能量的比例:v3振动能级输出能量的比例随着激光器充电电压的增加而增大,随着工作气体总压力的升高而减小,这与v1振动能级的情况相反。

以待标定鱼眼相机近似垂直棋盘格获取的单张影像为对象,综合利用多种几何约束分阶段求解鱼眼相机参数初值并进行全局优化:利用鱼眼图像轮廓对称性计算得到准确的相机主点位置(u₀,v₀),并通过轮廓外接矩形扫描搜索巧妙回避了黑色背景下的轮廓点检测困难;精确拟合棋盘格两组互相垂直平行直线在鱼眼图像上投影椭圆,计算椭圆交点并将其反投影到单位球面获得平行直线灭点,根据灭点方向正交约束得到相机等效焦距初值(f_x,f_y)及旋转矩阵角度初值;利用径向对准约束及棋盘格角点信息先线性求解平移矢量(t_x,t_y)初值,进而建立一元二次方程求解平移矢量t_z初值,最后通过最小化棋盘格角点重投影误差对除主点外的全部相机参数进行全局优化,并利用优化参数对鱼眼图像实施立方盒展开纠正。对海康威视两种型号(视野范围不同)定焦鱼眼相机的标定及其影像纠正试验结果表明,本文方法重投影均方根误差(RMSE)小于1/3 pixel,标定参数对鱼眼图像不同区域的平面透视纠正效果总体上较稳健,中心区域纠正效果略优于边缘处,纠正影像上棋盘格角点直线拟合RMSE均小于0.7 pixel,效果明显优于网上标定工具箱结果,具有较好的应用价值。

针对长时目标跟踪中目标遮挡、目标出视野等因素导致的目标失跟问题,提出一种基于特征融合的长时目标跟踪算法,提高目标跟踪的速度和稳健性。首先,融合目标方向梯度直方图特征、颜色空间特征和局部敏感直方图特征,来增强算法在复杂情况下的特征判别力,提高目标跟踪的稳健性,并对融合特征进行降维来提高目标跟踪的速度;然后,通过额外的一维尺度相关滤波器来获得目标最优的尺度估计,并通过正交三角分解来无损降低计算复杂度;最后,自适应确定目标检测阈值,在目标遮挡或出视野导致目标失跟时,通过EdgeBoxes方法提取目标候选区域,利用结构化支持向量机重新检测目标位置达到长时跟踪的目的。在标准跟踪数据集OTB2015和UAV123上进行实验。结果表明,本文算法较对比算法中最优算法目标跟踪平均精度提升5.0%,目标跟踪平均成功率提升2.6%,目标跟踪平均速度为28.2 frame/s,可满足跟踪的实时性要求。在目标受到遮挡、出视野等情况下,该算法仍能够对目标进行持续准确的跟踪。

近年来卷积神经网络框架被成功地应用到目标跟踪领域,并取得了较为稳健的跟踪结果。基于此思想,提出一种基于定位-分类-匹配模型的目标跟踪方法。首先,在定位模型中,利用前一帧的位置信息预测当前帧中的候选目标区域。然后,采用已训练的深度特征对候选区域进行类间筛选,选出N个次优目标区域。最后,利用常规颜色特征对次优目标区域进行类内寻优匹配,从而确定最终的跟踪目标。与此同时,分别对定位、分类中的网络进行更新,并对建立的匹配模型进行在线实时更新,使得其对目标的描述更加准确。在OTB50和OTB100标准数据库上进行实验测试,结果表明,提出的跟踪方法在快速运动、相似物体干扰、复杂背景等条件下具有较好的跟踪稳健性。

低照度环境下图片质量会下降。同时,悬浮在空气中的烟雾、粉尘等物质形成的雾、霾,会导致图像的细节模糊不清,对户外拍照和计算机视觉应用造成了极大的影响。因此,对退化图像进行去雾处理,提高图像质量,在图像处理和计算机视觉领域具有非常重要的应用价值。提出一种基于亮通道和暗通道结合的雾霾天气图像去雾算法。基于退化图像的物理模型,提出一种空气光散射模型,通过亮通道和暗通道的结合来估计大气光值和透射率。该算法可以解决有雾图像恢复时天空区域的颜色失真问题,恢复图像的细节和颜色,提高图像的视觉效果。仿真结果表明,本文算法优于多尺度Retinex图像去雾算法。

为便于在相机标定系统设计前,对标定误差进行预估,分析影响标定误差的因素,指导相机标定系统工程设计,针对P4P相机标定算法,提出新的算法模型。解决原算法中方位角、俯仰角及横滚角各姿态角相互耦合的问题,使姿态角求解仅与相机内参和特征点图像坐标相关。在此基础上,建立误差分析模型,从理论上分析图像定位误差、畸变、主点误差、焦距误差、特征点位置误差对姿态角标定的影响,并进行仿真和实验。实验结果表明,标定精度仿真结果和实验值一致,误差分析模型准确有效。该模型能够指导标定系统工程设计,具有较高的工程应用价值。

提出一种在变量投影框架下的多点透视问题求解算法。多点透视问题是确定相机旋转与平移参数的基础问题,广泛应用于计算机视觉、摄影测量、机器人、空间交会以及虚拟现实等场合。相机的旋转与平移参数在变量投影的框架下被分开估计。首先,将平移参数固定,根据Wahba问题的解法求解出最优旋转矩阵;然后,应用奇异值分解导数的计算公式计算当前最优旋转矩阵对平移参数的导数,并由此计算出代价函数对平移参数的导数;最后,针对平移参数,采用Levenberg-Marquardt算法迭代优化代价函数,直到精度满足要求。实验结果证明,本文算法不仅误差较小,计算效率较高,而且具有较大的收敛域。

针对现有局部立体匹配算法在弱纹理区域匹配精度低的问题,提出一种基于改进代价计算和自适应引导滤波代价聚合的局部立体匹配算法。该算法首先将增强后的梯度信息与基于增强梯度的Census变换相结合,构建代价计算函数;然后对图像的每一个像素构建自适应形状十字交叉窗口,并基于自适应窗口进行引导滤波代价聚合;最后通过视差计算和多步视差精化得到最终的视差图。实验结果表明,改进后的算法在Middlebury测试平台上对标准立体图像对的平均误匹配率为4.80%,与基于传统引导滤波器的立体匹配算法相比,本文算法在弱纹理区域取得更好的匹配结果。

研究了磷酸二氢钾(KDP)晶体表面典型缺陷的形成原因及抑制方法。通过飞切加工及表面染色切削实验证明了成因分析结果的正确性,进一步明确了KDP晶体表面缺陷的形成过程。建立了适用于描述KDP晶体表面缺陷形成过程的理论模型,提出了获得无缺陷晶体表面的工艺条件。对飞切加工参数及刀具结构进行了优化,实验验证了缺陷抑制措施的有效性。研究结果表明,在飞切条件下,KDP晶体(001)晶面的脆塑转变(BDT)深度变化范围为125~268 nm,当沿45°方向切削时BDT深度最大,此时只要保证进给速率小于36.6 μm/r即可避免在晶体表面形成凹坑。通过优化刀具结构,可消除晶体表面的凸起缺陷,有效抑制KDP晶体的表面缺陷,最终获得了粗糙度小于2 nm的光滑KDP晶体表面。

摇头丸、冰毒和海洛因等常见的毒品在特定波长激发下都可以发射荧光,但这些分子结构中的荧光基团数量较少或量子效率很低,当毒品的浓度较低时,荧光信号很弱,很难被检测到,从而限制了荧光光谱技术在毒检领域的应用。为了提高荧光光谱技术的灵敏度,从荧光信号的发散特性考虑,利用TracePro软件设计用于荧光信号收集的光路,这与传统的采用高功率激光器增加激发光能量和选用高灵敏探测器的解决方案不同;在光路中,选用抛物面型反射镜和菲涅耳透镜对不同发散角的荧光光束进行准直,采用平凸透镜和双凸透镜对光束进行缩束,采用特定尺寸的微透镜阵列对光束进行聚焦。对设计的光路进行仿真的结果表明:光路对荧光信号光的收集效率约为21.08%,比传统荧光收集光路的效率高6倍。所设计的光路可为改进本课题组已经开发的便携式高灵敏毒品荧光检测系统提供技术参考。

光声成像兼具光学成像的高对比度和超声成像对深层组织的高分辨率等优点,在生物医学成像领域具有巨大的潜力,而且发展十分迅速;光声成像通过在多个角度进行光声信号的采集,可以获得生物组织的二维或三维光学吸收分布图像;但实际的光声成像往往因硬件条件和成像时间的制约而难以采集角度足够多的光声信号;在信号采样不足的情况下,光声图像的重建质量会严重下降,出现大量伪迹。针对该问题,提出了一种基于字典学习与稀疏表示的恢复重建算法,采用该算法对光声信号进行预处理,并进行仿真实验。结果表明:与不经过光声信号超分辨率重建的时间反演法图像重建结果相比,经所提算法处理后的光声重建图像的伪迹显著减少,细节更加清晰,峰值信噪比提高了8 dB左右;不同信噪比下的仿真实验验证了所提出算法具有良好的稳健性。

基于摩尔分数为1%的氧化镁掺杂的近化学计量比铌酸锂晶体,采用环形腔结构的浅表垂直出射方式组成太赫兹波参量振荡器。该振荡器的太赫兹波输出调谐范围为0.99~3.84 THz,频率调谐响应时间为600 μs。当抽运能量为150.30 mJ、太赫兹频率为1.59 THz时,太赫兹脉冲的输出能量达到最大值,为16.28 μJ,对应的能量转换效率为1.08×10 ^-4。在相同的实验条件下,该环形腔结构太赫兹波参量振荡器输出的最大太赫兹波能量是传统线形腔结构的2.35倍,实现了高能量、快速可调谐的太赫兹波输出。

建立了8 m环形拼接太阳望远镜(8-m-RST)的主镜控制系统的数字控制器模型。通过提取系统模型的频率特性参数,获得了采样周期、相对稳定性、积分增益与控制带宽之间的关系。引入脉动风干扰模型,通过仿真验证了主镜系统在平均风速较低的脉动风扰动影响下的性能。研究结果表明,8-m-RST的主镜控制系统稳定且控制带宽满足0.2 Hz的设计要求,能有效抑制2 m/s平均风速的干扰,对8-m-RST结构设计的改进、倾斜传感器和控制器的设计都有重要的参考价值。

提出了一种子波段缝合光学玻璃组合的选择方法,通过最小二乘法求解复消色差方程,得到了能有效校正三级光谱的最优化玻璃组合。基于该组合设计了一个宽波段长焦距光学系统,该系统的波长范围为0.45~1.014 μm,焦距为400 mm,F数为6,全视场角为10°。系统共有3种光学玻璃,7片球面透镜,调制传递函数(MTF)接近衍射极限。研究结果表明,所提方法可以在复消色差光学系统中实现三级光谱残差的校正。

设计了一种大视场空间光学探测系统,结合空间目标特性及探测器性能指标计算了系统参数,确定了系统的技术指标,实现了对空间255 km处目标9等星的探测。系统采用离轴三反式光学结构,工作波段为400~900 nm,焦距为64 mm,视场角为30°×30°。系统的主镜和三镜分别采用Zernike多项式和XY多项式自由曲面进行设计,对系统进行光线追迹获取了自由曲面的离散点数据,利用Matlab对获得的离散点进行拟合,得到了主镜和三镜的自由曲面面型。系统的能量集中度高,成像质量良好。

设计了一个视场角为30°的免散瞳立体成像眼底相机的光学系统。系统由成像系统和照明系统组成,在成像系统中,设计了新型眼底立体成像光学结构,并加入前置物镜来提高成像分辨率;在照明系统中,通过设置环形光阑来避免角膜反射光的产生,并加入黑点板来消除网膜物镜产生的杂散光。研究结果表明,该系统不仅可以实现眼底视网膜图像的多角度同步采集,还可以实现眼底视网膜6×10 ⁶ pixel的高清成像。系统对正常人眼的物方分辨率高于200 lp/mm,系统总长为290 mm,场曲值小于28 μm,畸变仅为-4.9%。系统具有较强的调焦能力,能对-7~+5 m ^-1屈光度人眼的眼底进行清晰成像。

地基光电探测系统是获取空间目标信号的重要探测手段,而曝光时间是影响其探测性能的主要参数。以空间目标的光学特性为基础,计算出系统的极限探测距离、最小可探测尺寸和极限探测星等,分析了其与曝光时间等影响因素的定量关系。结合空间目标的像移模型,得到动态条件下,系统探测能力随曝光时间的变化关系,并进行仿真研究。研究结果表明:目标相对静止时,系统探测能力随曝光时间延长而增加,变化趋势趋于平缓;目标相对运动时,系统探测能力随曝光时间延长先增加后减小,并存在一个最优曝光时间,且与目标相对角速度有关。仿真结果可为地基光电探测系统曝光时间的设定提供一定的优化可行性。

快速、准确评估浮游植物的初级生产力对研究海洋生态环境科学及理解全球碳循环演变规律等至关重要。针对 ¹⁴C示踪法和黑白瓶法等传统方法表示的初级生产力存在测量周期长、操作繁琐等问题,依据生物膜能流理论,基于荧光动力学方法,即通过光源诱导产生可变叶绿素荧光获得光合参数,结合光合电子传递速率“生物-光学”模型,对基于荧光动力学参数的光合电子传递速率的测量进行研究。通过不同胁迫条件下蛋白核小球藻的测试,对比液相氧电极测量的光合放氧速率,验证光合电子传递速率测量浮游植物初级生产力的有效性。结果表明:在不同浓度的二氯苯基二甲脲的胁迫下,浮游植物的光合电子传递速率与光合放氧速率具有良好的一致性,且二者随胁迫浓度增加而减小明显,光合放氧速率与光合电子传递速率分别减小了71.55%和68.87%,二者相关系数的平方达到0.934;在不同营养盐或光照强度下胁迫培养15 d,浮游植物的光合电子传递速率与光合放氧速率仍然具有良好的一致性,二者相关系数的平方大于0.955。

理论分析了螺旋贝塞尔光束的产生机理。根据高斯-谢尔模型的交叉谱密度公式及交叉谱密度传播理论,推导得出了部分相干螺旋贝塞尔光束的表达式。研究了部分相干螺旋贝塞尔光束的传输特性,同时分析了相干度对其传输特性的影响。结果表明,随着传输距离的增加,光束截面光强分布对比度逐渐下降,光场分布由贝塞尔型分布逐渐向高斯型分布转变,但是光束仍具备螺旋自加速特性;高阶光束出现了暗核消退现象,并且暗核消退距离随阶数的增加而增加。随着相干长度的下降,贝塞尔光场分布区间逐渐减小,光束的无衍射距离缩短。同时,探讨了光场调控对光束的影响,其中包括了全息片的参数设定以及光场相干度的调节。

提出了一种基于集成卷积神经网络(CNN)的遥感影像场景分类算法。通过构建反向传播网络实现了场景图像的复杂度度量;根据图像的复杂度级别,选择CNN对图像进行分类,完成了遥感影像的场景分类。使用所提出的算法对NWPU-RESISC45公开数据集进行了实验验证,取得了89.33%(第一类实验)和92.53%(第二类实验)的分类准确率,平均运行时间为0.41 s。相比于精调训练的VGG-16模型,所提算法的分类准确率分别提升了2.19%和2.17%,预测速率提升了33%,证明了其有效性和实用性。

提出了一种基于激光束边界面的快速求交算法。基于激光雷达信号的时空分布特性,推算出了探测目标对信号的响应函数,建立了二者的作用过程模型,构建了基于激光反射断层成像的目标重构仿真系统。利用采样间隔和探测角度对重构图像质量的影响,进行了两组对比仿真实验,在不同条件下运用滤波反投影算法实现了目标二维轮廓的图像重构。

NH₃是大气二次细颗粒物的主要前驱物之一,NH₃浓度的准确测量对于大气环境监测和保护具有重要意义。近红外波段激光器的成本较低,但采用其测量NH₃时,普遍存在受环境中H₂O、CO₂气体干扰以及吸收光程较短等问题。为克服环境中H₂O、CO₂干扰气体的影响,筛选出中心波数为6521.97 cm ^-1的吸收谱线,利用该谱线对大气环境中痕量NH₃的浓度进行测量。该谱线不受环境中CO₂吸收的影响,且在低压条件下与H₂O吸收谱线的重叠范围较小,通过多峰拟合可以准确提取出NH₃的光谱吸收率。基于分布反馈式激光器搭建了一套腔衰荡吸收光谱测量装置,在该装置中,衰荡光腔由一对反射率高达99.996%的高反镜构成,空腔衰荡时间约96 μs,有效吸收光程可达1.6×10 ⁴ m。利用该装置对大气环境中痕量NH₃的浓度进行测量,结果表明:该测量系统的探测灵敏度可以达到3.9×10 ^-10。

为了实现中空型平板波导小型红外光谱仪光谱数据的定量化,在分析实验室常用波长定标方法的基础上,搭建了一种基于CO₂激光器+积分球的波长定标装置。该装置的光谱定标范围宽,且具有较高的分辨率,克服了传统实验室定标方法的缺点,提高了定标精度。首先介绍了中空型平板波导红外光谱仪的工作原理,接着利用该定标装置对光谱仪进行波长定标,然后采用多项式拟合算法完成定标数据的分析,最后通过对两片窄带滤光片的测量完成定标结果的验证。实验结果表明:采用CO₂激光器+积分球组合的方式得到的波长定标方程,其中心波长定标误差不超过0.02 μm,光谱分辨率可达144 nm。

在利用空间调制傅里叶变换光谱仪对远距离目标进行光谱遥测时,大气湍流扰动引起的入射光场的波前畸变会影响干涉图像和复原光谱的质量。根据大气湍流扰动对光场的相位调制作用,建立了大气湍流的随机相位模型与光场在大气中的分步传输模型,并对大气湍流扰动作用下的干涉图像与复原光谱进行了数值计算,结果显示:大气湍流会导致干涉图像的背景产生低频的强度起伏,并致使复原光谱在低频区域出现伴频噪声。采用统计实验的方法对归一化光谱误差与望远系统入瞳放大率、大气相干长度之间的关系进行统计分析。结果表明:归一化光谱误差的统计均值与望远系统入瞳放大率为准线性正相关,与大气相干长度为非线性负相关。依据归一化光谱误差的统计分析结果便可以根据外场环境的大气相干长度,合理地设计望远系统的入瞳放大率,从而实现对目标光谱的有效探测。

采用可调谐二极管激光吸收光谱技术对高纯氮气中的痕量水汽进行检测。首先,在自主设计的多次反射池中,利用体积分数为1.007×10 ^-3的CH₄作为标准气体,运用1654 nm附近的CH₄吸收光谱,采用三线拟合方法同时拟合3条中心频率相近(小于0.01 cm ^-1)、低态能级相同的吸收线,测量得到多次反射池的精确光程;然后,研究可调谐二极管激光吸收光谱系统中激光器干涉背景和周围空气段的吸收本底,获得可调谐二极管激光吸收光谱系统的精确本底;最后,利用激光器波长为1854 nm的可调谐二极管激光吸收光谱系统(探测灵敏度为1.14×10 ^-6)对高纯氮气中水汽的浓度进行测量,通过严格的背景吸收扣除以及多线Voigt线型模型拟合得到了无背景吸收的水汽光谱,进而获得高纯氮气中水汽的体积分数。结果表明:得到的实验高纯氮气中水汽的体积分数与国家标准规定的高纯氮气中水汽的体积分数的最大偏差为10.33%。

将三维荧光探测技术与交替惩罚三线性分解算法相结合,提出一种用于混合油液中油种成分检测的方法。首先利用FLS920型荧光光谱仪采集拟进行成分检测的混合油液(航空煤油和润滑油)在不同体积比配制条件下的20个样本的三维荧光光谱数据,利用Delaunay插值法对所获得的三维荧光光谱数据进行校正;然后利用核一致函数确定交替惩罚三线性分解算法解析三维荧光光谱数据时所需的组分数;最后利用均方根误差和相关系数矩阵,对交替惩罚三线性分解算法解析三维荧光光谱数据的效果进行评价。结果表明:在经交替惩罚三线性分解算法解析得到的均方根误差和相关系数矩阵中,非对角线上的元素值均满足所设阈值0.05和0.95的要求;在解决三维荧光光谱严重重叠的问题上,交替惩罚三线性分解算法优于平行因子算法,达到了对混合油液中油种成分快速检测的目的。

选择金属膜层材料Ag和Ta₂O₅、SiO₂、Al₂O₃等多种介质薄膜材料,在石英基底上设计和制备了保偏反射镜,其在810 nm和850 nm波长处的偏振对比度优于10000∶1。结合保偏反射镜所处的轨道环境,进行了原子氧模拟实验,研究了保偏反射镜样品偏振对比度的变化规律。结果表明,随着原子氧剂量的增加,保偏反射镜的偏振对比度呈衰减趋势,且+45°、-45°方向的衰减较水平(H)、垂直(V)方向的更明显。

基于Klein-Nishina(K-N)公式对康普顿散射截面的描述,结合比尔定律,分别计算在物体内部设定的每一个散射点对探测器所有探元造成的散射分布的概率,叠加所有散射点造成的散射分布概率,引入调节系数,求出总散射分布,最后从投影数据中减去散射分布,实现散射伪影的校正。通过仿真和实验验证,该方法能够明显抑制散射造成的杯状伪影与阴影,提高重建图像的质量。