基于太湖、鄱阳湖、珠江口和大亚湾水域大量的生物-光学数据, 提出透明度高度(SD_H)法评价水域的透明度, 并将该方法应用于新一代水色卫星传感器Suomi NPP VIIRS, 揭示了水体透明度的动态变化特征。分析了不同水域透明度的主导影响因素, 对比了珠江口水域VIIRS和中分辨率成像光谱仪(MODIS)的透明度产品, 并讨论了两者的水环境监测能力。结果表明, 基于VIIRS的488,555,672 nm波段构建的SD_H模型适用于研究水域, 可以解释79%的透明度变化。将所提模型应用于预处理后的VIIRS卫星遥感影像, 可得到太湖、鄱阳湖、珠江口和大亚湾水体透明度的空间分布特征。相对于浮游植物, 悬浮物和有色溶解有机物是影响海岸带和内陆水体透明度的主导因子。VIIRS和MODIS的透明度产品在空间上保持一致, 但VIIRS透明度产品的空间分辨率优于MODIS, 环境监测能力较强。

在蓝绿激光对潜通信及对潜探测应用中, 激光分别通过大气、气-海界面以及海水信道传输。由于海面上方覆盖海雾、风速引起海面粗糙度变化以及覆盖泡沫、海水信道中存在悬浮粒子等多种因素的影响, 蓝绿激光传输信道呈现复杂特征。基于米散射理论、粗糙面散射理论及辐射传输理论, 针对上述复杂海况开展海雾大气、泡沫覆盖风驱粗糙海面及考虑浮游植物分布的海水信道的激光传输特性研究, 并详细讨论了风速、海雾能见度及浮游植物分布对激光功率的衰减作用。结果表明：海雾、粗糙海面泡沫和海水信道中浮游植物对传输激光功率共同起作用, 其中海水信道中浮游植物对激光功率的衰减最为显著, 风速改变带来的海面粗糙度变化以及覆盖泡沫主要对激光透射角域产生显著影响, 同时对激光功率的透射极值产生一定的影响。

理论和实验研究了基于简并二能级原子系统的电磁诱导增益(EIG)效应, 构建了一个N型简并二能级系统, 分析了在不同多普勒频移下信号光增益随抽运光拉比频率的变化规律。结果表明：在增大区间, 增益谱一直保持线宽极窄的单峰结构；而在减小区间, 增益谱产生类拉比分裂, 并且呈现出对称的双峰结构。选择Cs原子基态和激发态角动量相同条件下的简并能级结构, 实验研究了EIG的产生特点, 并进一步分析了抽运光强度及信号光偏振对增益峰值效率的影响。

制备了一种集成有太赫兹低通滤波器的高速、高灵敏度GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)太赫兹探测器。实验研究表明, 当在太赫兹天线与引线电极之间加入低通滤波器时, 太赫兹耦合天线的谐振性能恢复, 室温下器件的响应度达到了1.05×103 V/W；测试带宽为1 Hz时, 器件的噪声等效功率达到了4.7×10-11 W。利用该探测器单元对不同材料进行了快速扫描成像, 结果表明, 该探测器单元具有较好的成像分辨率, 且器件的响应速度优于商用的气动探测器的和热释电探测器的。

分析比较了不同孔径、不同膜厚的金属膜空芯波导与介质金属膜空芯波导在损耗、色散、耦合效率等方面的传输性质。研究表明, 较大的波导孔径与较小的介质膜厚能够获得较低的传输损耗。同时, 镀制一定厚度的介质膜, 将增大波导的单模传输范围并改善波导的色散特性。研究了高斯光源与波导的耦合效率, 通过选择合适的光源, 使高次模与波导的耦合效率远低于基模。讨论了介质膜对波导与光源之间耦合效率的影响, 以及其在传输波长接近波导尺寸时对波导电场分布的影响。

利用光电振荡器(OEO)产生微波信号, 结合马赫-曾德尔调制器(MZM)的调制偏振敏感特性, 设计一种将微波三角波信号产生功能嵌入OEO系统的三角波和正弦信号发生器。MZM工作在最小传输点, 光场的偏振角通过偏振控制器调节后与调制器的最佳调制轴成一定夹角, 使平行于最佳调制轴的光场受载波抑制调制产生奇阶边带, 而正交分量的光场不被调制。两部分光场以符合三角波傅里叶关系的比例通过检偏器投影至同一方向, 并在光电探测器(PD)上拍频产生三角波信号。该三角波信号经过电带通滤波器后, 得到微波正弦信号输出并反馈完成OEO的振荡过程。理论上对三角波的产生原理进行分析和仿真, 实验上得到了质量良好的重复频率为5 GHz的三角波和正弦信号。本方案只需增加少量器件即可使OEO同时产生三角波、正弦信号, 结构简单, 具有实用性。

具有中心对称相干度分布的非均匀部分相干光, 即径向部分相干光束(RPCB), 可以有效降低大气湍流引起的光束闪烁, 改善接收质量。应用波动光学仿真方法, 比较研究了相干高斯光束、高斯谢尔模光束和具有凸型高斯型、超高斯型相干度分布的径向部分相干光束在各向异性的非Kolmogorov湍流中的传输特性, 从远场光强分布和孔径平均闪烁指数等方面分析了湍流的各向异性参数和非Kolmogorov功率谱指数对远场光束质量的影响。仿真结果显示, 光束的接收质量随功率谱指数的增大而持续劣化；同时, 各向异性湍流会导致远场光斑呈椭圆形分布, 因而在接收端使用等面积的椭圆接收孔径替代圆形孔径, 可以显著降低接收机的孔径平均闪烁指数。总体而言, 径向部分相干光束在各向异性非Kolmogorov湍流中, 特别是在接收孔径较小的情况下, 具有优于完全相干光和高斯谢尔模光束的传输性质。

将无线紫外光通信与移动自组网技术相结合, 可以有效扩展无线紫外光通信范围。基于空分复用原理设计一种收发一体的紫外光移动自组网通信节点装置, 给出通信节点间捕获、对准、跟踪(APT)的方法, 仿真分析捕获所需时间与节点转速之间的关系。基于非直视紫外光通信理论, 用蒙特卡罗方法仿真分析设计节点中２节点间通过开关键控(OOK)调制、误码率为10-5时的传输码速率。户外非直视紫外光通信实验结果表明, 实验获得的码速率曲线与仿真结果具有相同的趋势。当发射功率为50 mW、非直视通信的最大偏转角设定为6°、误码率为10-5时, 发射端传输码速率可达1.64×106 Baud·s-1。

为解决暗通道先验去雾算法在天空区域和大片白色区域色彩失真的问题, 提出了一种基于稀疏表示模型和特征提取的单幅图像去雾算法。通过稀疏字典的训练过程, 学习雾天图像的稀疏特征, 初步优化粗略介质传输图的稀疏系数。根据雾天灰度图像的稀疏特征, 进一步精细化介质传输图。逆向求解雾天退化模型, 得到去雾图像。实验结果表明, 所提算法在天空区域的处理上优势明显, 同时恢复出更多的图像细节和边缘信息。

近年来三维显示技术得到了学术界与工业界的广泛关注, 其目标是使观察者在不佩戴任何辅助设备的情况下, 使用裸眼观察到与实际物体近乎一致的三维图像。基于多层半透明薄膜结构实现了在平面上的三维显示。与传统的三维显示技术相比, 这种显示技术的分辨率与对比度更高, 结构也更加简单, 易于制造。基于这种多层平面三维显示原型, 进一步利用镜面反射原理, 将其扩展成空间三维显示, 使观察者可以在半空中多角度观察到虚拟的三维物体。

轨道预报是指根据空间目标初始时刻的状态, 利用轨道力学建立的数学模型来预测未来某一时刻的轨道信息。简单介绍了基准星辐射定标系统(PSRCS)和定标轨道预报流程。研究了定标空间位置设计方法和辐射传递模型, 在此基础上提出一种基于基准星定标的轨道预报方法, 用来为待定标卫星选取适合的定标弧段, 并精确预报定标时刻基准星、待定标卫星的轨道信息。通过分析基准星定标轨道约束条件, 以高分一号(GF-1)太阳同步轨道卫星作为基准星轨道, 仿真出满足定标条件的不同待定标卫星轨道上的定标可见时段。结果验证了基准星定标轨道预报方法的可行性。

为实现大型自由曲面工件的高精度快速三维测量, 设计了一种由超大尺度结构光传感器和两轴导轨构成的三维测量系统。结构光传感器在两轴导轨的带动下获取图像, 通过计算得到目标工件的三维坐标。为了将二维图像坐标转换到三维相机坐标, 提出一种线结构光传感器内外参数同时标定的方法。该方法使用准一维靶标进行标定, 通过获取运动机构平移过程中靶标与激光光条的图像, 计算得到线结构光传感器内外参数。实验结果表明, 该标定结果可靠, 系统的测量误差在0.6 mm以内, 满足设计需求。标定过程操作简便, 靶标制作简单, 适合于工业现场标定使用。

针对现有的显著性目标检测算法在受到相似背景干扰时, 易出现目标检测准确度低、稳定性差的问题, 提出一种基于双目视觉的显著性目标检测方法。受人眼视觉特性启发, 将双目视觉模型感知的深度信息作为显著性特征与多特征聚类分割结果进行协同处理, 定量分析图像区域级的深度显著性, 再将全局显著性与区域深度显著性进行加权融合, 突出目标区域, 根据融合结果的区域分布进行背景抑制, 完成显著性目标的检测。实验结果表明, 与现有的显著性目标检测算法相比, 该算法有效地抑制了相似背景的干扰, 并且准确度高、稳定性好。

针对传统飞机检测方法准确率低、虚警率高、速度慢等问题, 提出一种全卷积神经网络多层特征融合的飞机快速检测方法。将浅层和深层的特征经过采样后在同一尺度进行融合, 以缓解由于深层特征图维度过低造成的对小目标表达不足的问题；修改区域提取时的选框尺寸以适应实际图像中飞机的尺寸特征；用卷积层代替全连接层以减少网络参数并适应不同大小的输入图像；复用区域提取网络和检测网络的卷积层和学习的特征参数以保证检测的高效性。仿真结果表明, 与典型的飞机检测方法相比, 所提方法在测试集上取得了更高的准确率和更低的虚警率, 同时大大加快了检测速度。

针对浮选表面气泡图像边界弱、光照不均匀和气泡分布不均匀导致气泡提取困难的问题, 提出了一种结合非下采样Shearlet变换(NSST)和多尺度边界检测及融合的浮选气泡提取方法。对气泡图像进行NSST分解, 得到低频子带和多尺度多方向高频子带图像, 通过构造自适应分数阶微分谷底检测模板提取低频子带的山谷边界, 结合尺度相关系数及方向模极大值检测获取高频子带的边缘信息, 再通过山脊特性判定从边缘信息中提取气泡的边界细节, 最后进行多尺度边界融合、边界形态学处理以实现气泡提取。实验结果表明：该方法受噪声和光照的影响小, 能有效提取出不同分布类型的气泡, 其平均检测效率和准确率较现有方法有较大的提高, 能够满足浮选工况动态变化的需求。

针对现有变焦镜头标定方法难度大、动态精度低等问题, 提出一种基于单应性矩阵的动态变焦双目内外参数估计方法和平面快速重建方法。利用双目图像匹配点及变焦前后的匹配点进行两类单应性矩阵估计；基于变焦数学模型和单应性矩阵, 求解变焦后双目内外参数, 实现畸变后双目参数动态估计与优化；通过双目图像单应性进行平面快速匹配和重建。实验结果表明, 计算的内外参数与标定结果吻合较好；变焦后, 推导的单应性矩阵归一化误差小于0.01, 图像重投影误差小于1 pixel；重建精度小于0.1 mm。

采用功能性近红外光谱成像(fNIRS)研究了警觉度的变化规律。通过10通道fNIRS技术采集了12名受试者前额部位的氧合血红蛋白(HbO)信号、脱氧血红蛋白(Hb)信号, 并记录下实验中受试者的行为学数据。结果表明：可以根据主观量表评分和行为学数据将受试者的警觉度标注为3个水平, 前30 min为高警觉度水平, 中间30 min为一般警觉度水平, 后30 min为低警觉度水平；此外, 前额左侧的第2通道以及右侧的第9、7、8、6通道对警觉度变化的敏感度较高；在支持向量机模型下, 12名受试者的警觉度三分类正确率为76.9%。本研究验证了fNIRS在警觉度检测上的可行性, 并指出了对警觉度变化敏感脑区的位置, 为警觉度的实时监测提供了新的思路。

生命科学领域的研究需要对样本进行纳米量级的宽视场、实时动态观测。提出了一种基于金属光栅近场衍射增强的结构光照明技术, 该技术在传统e-pi显微镜的基础上引入金属光栅和空间光调制器；对该技术的亚波长成像性能进行了理论分析和数值分析。研究结果表明:在波长为520 nm、数值孔径为1.3的条件下, 该技术可以使半峰全宽的横向空间分辨率为65 nm, 相比于宽场照明显微分辨率提升了约3.7倍；该技术以其优异的亚波长成像性能在生命科学领域研究中具有潜在的应用价值。

针对具有非线性负啁啾的超高斯脉冲, 提出了一种双余弦相位调制方法, 采用该方法对高非线性光纤中超高斯脉冲的频谱压缩进行优化。结果表明：由于初始超高斯脉冲的非线性负啁啾与非线性光纤中自相位调制引起的正啁啾失配导致时间相位不平坦, 频谱出现分裂和旁瓣, 压缩质量受限。通过对超高斯脉冲进行外部的两个余弦相位补偿调制可以减少频谱旁瓣的产生, 延长频谱压缩距离, 提高频谱压缩质量；其中这两个余弦相位调制的振幅和频率来自于对超高斯脉冲的非线性相移分析；在大范围展宽因子下, 超高斯脉冲的频谱压缩质量也可以优化。

提出了一种基于静态干涉系统的中长波红外双谱段时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS), 分别对前置望远系统及后置成像系统进行了设计。根据像差理论, 通过添加约束的方式计算了反射式前置望远系统的初始结构, 通过光学设计软件优化, 矫正了系统中倾斜分束器和补偿器带来的大数量级像散和彗差；在中波和长波双谱段范围内, 前置系统的调制传递函数(MTF)均接近衍射极限。该光谱仪的两个后置成像系统均采用透射式结构, 点列图结果显示, 后置系统成像像斑均方根(RMS)值在双谱段范围均小于7.0 μm。将前置望远系统和后置成像系统进行对接, 最终得到了视场角为1.5°, 中波通道F数为4, 长波通道F数为2的整体光学系统。在双谱段范围内, 整体系统的点列图RMS值小于10.7 μm, MTF在探测器的特征频率17 lp/mm处大于0.5, 具有良好的成像效果。

基于光子晶体异质结构实现光波单向传输在全光网络和光信息处理中有重要意义。基于全反射原理设计了两种由二氧化硅和锗材料构筑的三角晶格光子晶体波导异质结构, 运用时域有限差分法对该结构在宽频带内的单向传输特性进行分析。通过改变正向出射端波导宽度对结构进一步优化, 实现了在异质结构一中, TE模式光波在1458~1517 nm波长范围内正向透射率高于0.8, 透射对比度高于0.9的单向传输；在异质结构二中, TM模式光波在1498~1689 nm波长范围内正向透射率高于0.8, 透射对比度接近于1的单向传输。

工型金属结构单元构成的超材料具有异常的电磁性质。利用时域有限差分法对工型结构超材料进行模拟研究后发现：当结构对称时, 出现了3个模；当结构的对称性破缺和尺寸增加时, 分别出现了1个新模, 结构中存在5个特殊的反射模。建立理论模型, 结合近场分布分析了这5个反射模形成的物理原因, 认为：表面等离子体在工型结构单元内不同位置的共振耦合导致了这5个特殊的反射模；当结构的对称性破缺时, 出现新的共振模；当结构尺度增加时, 出现了高阶共振模。

基于局部热力学平衡和等温球体假设, 考察了氩等离子体的连续谱辐射(复合辐射和轫致辐射)和线谱辐射, 计算了不同球体半径Rp条件下氩等离子体在0.1 MPa、5000～25000 K条件下的全谱、真空紫外光谱和非真空紫外光谱的净辐射系数；着重分析了真空紫外光在全谱中的占比以及各种辐射机制对真空紫外光的作用。结果表明：当Rp=0 mm时(不考虑自吸收), 真空紫外光在全谱中的占比大于94.8%, 线谱是其主要的辐射机制；当Rp增大至1 mm时, 真空紫外光强烈的自吸收使其占比有所减小, 但在高于17000 K时仍然大于80%, 同时连续谱在真空紫外光中的作用变得重要；所得计算结果与其他研究者的计算结果和实验结果均吻合良好。

针对传统的量子密钥分配协议未考虑非对称信道的问题, 研究了基于指示单光子源的非对称信道的测量设备无关量子密钥分配协议的性能参数。主要分析了协议中的平均光子数、单边传输效率、密钥生成率与信道传输损耗之间的关系。比较了指示单光子源下, 对称信道与非对称信道的测量设备无关量子密钥分配协议的性能优劣。仿真结果表明, 随着信道传输损耗的增大, 密钥生成率和安全传输距离逐渐减小, 但非对称信道的性能仍优于对称信道的性能。

信息的变换与提取，即传感技术，是信息化时代的重要内容之一，光信息传感则是21世纪传感技术的一个重要领域。近年来光信息传感已在传感波长范围的扩充、传感器件的微型化、敏感材料的推陈出新等方面取得长足进步，其发展也直接影响到许多行业的进程。

概述了中国光纤传感器(OFS)近40年发展的历史和现状, 回顾了该技术领域发展的三个阶段：迅速发展和制定国家规划阶段, 技术和市场不成熟陷入低谷阶段和进入市场走产业化道路阶段。从典型OFS技术及其应用、新型OFS技术与仪器发展这两个方面, 概述了中国学者所取得的主要技术成果, 包括：光纤Sagnac干涉仪及其在陀螺领域的应用；光纤迈克耳孙、马赫-曾德尔干涉仪在水声探测、石油勘探、地声探测方面的应用；光纤光栅传感技术及其在火灾报警中的应用；分布式OFS技术及其在智能结构与建筑领域的典型应用；光纤法布里-珀罗传感技术与应用以及新型OFS传感技术和生物医学应用。阐明了中国OFS研发交流平台的发展及其对OFS学术发展与技术促进的重要作用。指出了目前中国OFS技术发展过程中所面临的问题, 宏观上总结了OFS发展的经验并展望了其发展前景。

介绍了变分图像分解图像处理方法的基本原理、常用的函数空间及变分图像分解模型。回顾了近几年变分图像分解图像处理方法在电子散斑干涉(ESPI)信息提取技术中的应用成果, 包括应用变分图像分解图像处理方法实现ESPI条纹图的滤波处理、ESPI条纹图方向和密度的计算和ESPI条纹图骨架线的提取。介绍了这些方法相较于传统方法的优势, 并进一步展望了变分图像分解图像处理方法在光测技术中的发展趋势。

光子晶体（PC）微纳传感器具有体积小、易集成、响应时间快、控光能力强、可实现无标签检测以及设计灵活等优点，在工业生产、海洋探测、生物医疗检测及环境监测等领域展现出巨大的应用前景。针对基于一维纳米束PC与二维平板PC的微纳光子传感技术，从传感器结构设计和传感性能提升方面，分析了当前国内外PC微纳传感的关键理论和实验技术进展，并通过对比分析，探讨了PC微纳传感技术在未来应用中所面临的挑战及未来发展的趋势。

为满足空间和其他领域的高精度制导导航控制系统的迫切需求, 开展了基于实芯保偏光子晶体光纤(PM-PCFs)的干涉型光子晶体光纤陀螺(PCFOG)的技术研究, 研究和开发了PCFOG专用PM-PCFs和掺铒PCFs(ED-PCFs)的制备技术、PCFs耦合技术和熔接工艺等关键技术, 研制出了PCFOG原型样机并进行了典型环境实验。研究结果表明, PCFOG在精度和环境适应性等方面都具备明显优势, 具备工程应用条件。

近些年,分布式布里渊光纤传感因具有分布式应变和温度的测量能力, 以及在结构健康监测领域的重要应用而受到广泛的研究。在多种传感方案中, 布里渊光时域分析(BOTDA)技术具有信噪比好、空间分辨率高、传感距离远等优点, 受到广泛关注。传统的BOTDA系统平均和扫频过程比较费时, 只适宜进行静态或缓慢的应变测量。通过分析BOTDA系统的分布式传感原理, 总结了限制其快速分布式传感测量的主要因素。针对这些限制因素, 综述了近期快速BOTDA系统取得的一系列的进展, 主要包括基于偏振补偿技术的快速BOTDA系统、基于光学捷变频技术的快速BOTDA系统、基于斜坡法的快速BOTDA系统、基于光学啁啾链的快速BOTDA系统、基于光学频率梳技术的快速BOTDA系统, 指出通过单一或者多个新技术组合而成的快速BOTDA系统具有更好的性能和更广阔的应用前景。

等离子体共振传感技术是当今实用化最强、最有可能实现单分子检测的生物医学检测技术之一。高灵敏度的等离子体共振传感技术与细如发丝的光纤载体相结合，为现代生物传感研究提供了一种可实现在体原位检测的全新方法。系统介绍了基于光纤光栅的等离子体共振生物医学传感机理与关键技术，通过能量汇聚的表面共振场实现了10-6~10-8 RIU的超高精度折射率测量，为生物医学提供了超低检出限（pM~fM量级）、特异性及原位实时检测新方法。此外，此类传感器还可提供绝对式/相对式多参量同时检测手段，能有效消除环境干扰影响，确保传感器的稳定性和可靠性。最后，回顾了近些年等离子体共振光纤光栅生物医学传感领域取得的研究进展（包括蛋白、血糖、微生物、气体等样本原位检测），并进行总结和展望。

光学相干域偏振测量(OCDP)技术是一种基于白光干涉原理, 利用保偏光纤器件和组件中的偏振传输模式之间存在的能量耦合(偏振串扰)实现分布式偏振特性精确表征的测试方法, 具有超高偏振测量灵敏度(偏振串扰为-100~-90 dB)、高空间分辨率(5~10 cm)、超宽测量动态范围(109~1010)和长光纤测量距离(数千米)等优点, 可以满足包括光纤陀螺核心器件和光路在内的保偏光纤器件与组件的超高偏振性能测试需求。回顾OCDP原理与关键技术, 包括分布式偏振串扰的测试原理与精确建模方法以及OCDP仪器化若干关键技术；展示OCDP技术在超高消光比集成波导调制器、超长陀螺敏感环定量测试与诊断、评估中的应用；针对高性能光纤传感器复杂多变的应用环境, 展望OCDP技术在高精度光纤陀螺的核心器件与整机光路测试中未来的发展方向。

布洛赫表面波(BSW)技术是一种新型的基于全介质结构的光学传感技术, 具有低光学损耗、大相位跳变以及高设计自由度, 近年来得到了广泛的研究。不同的结构设计和检测方案被提出并得到验证, 相关技术被证明可用于免标记的生物传感检测、气体传感检测、荧光检测等。从BSW技术的基本原理、传感器件、检测系统和方法方面, 介绍了国内外BSW技术的研究进展。

光纤布拉格光栅具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、传感灵敏度高、可实现准分布式测量等优点, 是一种重要的光纤传感器件。传统紫外激光制备光纤布拉格光栅时需要对光纤进行载氢预处理, 这种方法制备的光纤光栅热稳定较差, 无法用于极端高温环境。近年来, 随着飞秒激光在玻璃材料微加工领域研究的深入, 研究人员开始将飞秒激光应用于光纤光栅的研制, 飞秒激光制备光纤光栅具有更好的加工灵活性, 无需对光纤进行载氢预处理, 也无需剥除光纤涂覆层, 而且飞秒光纤光栅具有极佳的高温稳定性。介绍了光纤光栅的飞秒激光加工机理, 以及三种典型的光纤光栅飞秒激光制备方法, 综述了飞秒光纤布拉格光栅在高温传感领域的研究进展。

光纤法布里-珀罗传感器作为一种干涉型的光纤传感器, 近10余年来进入了高速发展期, 在航空航天、石油化工、能源、土木和其他特殊行业得到应用, 尤其是在高温、高压、强辐射、狭小空间等特殊工作环境下展现出独特优势。从光纤法布里-珀罗传感器的基本原理出发, 回顾了其发展历史, 并分别从传感器、解调方法、硬件系统、应用技术等几个方面详细介绍了近期的技术进展以及未来的发展趋势。

综述了现有各种光学电功率传感器的传感机理和主要特点, 提出了电功率传感器研究中存在的问题、方法和研究方向。光学电功率传感器一般具有测量范围大、响应频带宽和电气绝缘能力强等优点。根据光载波中是否含有电功率调制信号, 可将光学电功率传感器分为直接调制型和间接调制型两类；与光学电压、电流传感信号相比, 直接调制型光学电功率传感信号更加微弱, 且其有功功率传感信号为直流信号, 易与光载波强度波动混淆。对于单晶体型电功率传感器, 一般要求传感介质兼具线性电光、磁光效应, 或者具有双横向电光Pockels或Kerr效应；此外, 选择传感介质时应全面考虑其多重光学效应及其相互关系, 并应考虑如何避免或抑制传感信号的温度漂移。光学电功率传感器在智能电网、微波功率及电磁脉冲功率测量等领域具有潜在的应用前景。

载荷识别在结构健康监测中的地位十分重要,为了在结构健康监测的同时利用最优化算法对系统进行有效控制,提出了一种基于光纤光栅(FBG)传感器和卡尔曼滤波器的载荷识别算法。该算法建立在卡尔曼滤波器的基础上,以FBG传感器测得的应变值作为观测信号,通过卡尔曼滤波器产生的增益矩阵、新息序列和协方差矩阵,利用最小二乘算法实时估计载荷的大小。此算法只需采集前一时刻的估计值和当前时刻的观测值即可估计出当前时刻的载荷,无需存储和读取大量数据。同时,基于卡尔曼滤波器在进行结构健康监测的同时能够应用最优化算法对系统进行控制。为了对识别算法进行验证,采用梁系统作为仿真和试验对象,通过FBG传感器测得的应变值识别载荷。结果表明,所提动态载荷识别算法能够很好地抑制噪声,具有良好的稳定性和实时性。

甲烷(CH4)是大气环境监测、工业过程控制、煤矿生产安全等多个领域中需重点监测的气体之一, 研制CH4传感器具有广泛的应用价值。利用CH4分子在3.31 μm附近的基频吸收带并选择其在3038.5 cm-1的吸收线作为目标谱线, 研制了一种基于中红外室温、连续、单模带间级联激光器(ICL)的CH4传感器。该传感器采用可调谐激光直接吸收光谱技术以及长光程(54.6 m)吸收光谱技术测定CH4气体浓度。自主研制了高灵敏、低功耗的激光器温度控制器和电流驱动器, 编写了基于LabVIEW的数据产生、采集与处理程序。利用体积分数为2.1×10-6的CH4标准气体和气体稀释系统配备了不同浓度的CH4气体样品, 开展了传感器的性能测试实验。根据传感器标准差的分析结果, 当采样周期为2.5 s时, 传感器的1σ检测下限约为1.1×10-8。利用该传感器对室外大气中CH4浓度进行了连续84 h的监测, 结果证实了所研制CH4传感器的工程实用价值。

设计了一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器, 并采用匹配滤波技术实现曲率解调。多芯光纤Bragg光栅曲率传感器是通过在多芯光纤的两个中心对称纤芯中写入Bragg光栅实现的。两个光纤Bragg光栅具有相似的反射谱和中心波长, 当多芯光纤发生弯曲时, 两个光纤Bragg光栅的反射谱叠加区域将发生改变。将两个光纤Bragg光栅构造成匹配滤波模式, 则两个光纤Bragg光栅反射谱的叠加区域面积决定了输出信号的光强, 而叠加区域的面积与光纤曲率有关。因此, 通过测量匹配滤波信号的功率可以实现曲率解调。结果表明, 匹配滤波技术能有效解调多芯光纤Bragg光栅曲率传感器, 最大曲率解调灵敏度为0.78 mW·m-1。此外, 测量了多芯光纤Bragg光栅曲率传感器在不同轴向应变和环境温度下的解调性能, 结果表明, 该曲率解调系统具有很强的抵抗外界环境波动的能力。

结合光纤声波传感技术、纵向共振式光声探测技术、波长调制技术和二次谐波检测技术, 提出了一种基于光纤法布里-珀罗干涉传感器的悬臂梁增强型光声信号检测方法。针对光纤耦合近红外激发光的特点, 对共振式光声池进行了优化设计, 搭建了一套超高灵敏度的激光光声光谱微量乙炔气体检测系统。实验结果表明, 当测量时间为60 s时, 该系统对乙炔气体的检测极限达到8×10-10。

提出了一种基于混沌激光干涉的分布式光纤声音传感系统, 利用外腔反馈式半导体混沌激光作为传感光源, 借助非等长的马赫-曾德尔双臂引入干涉光程差, 通过直线型Sagnac结构克服了环形干涉系统的互易效应, 利用频谱的零频点实现了声音信号的分布式定位。实验结果表明, 该系统可实时提取1 kHz的单音信号及200~900 Hz频率范围内的语音信号。与传统的宽带放大自发辐射激光相比, 基于混沌激光干涉的传感系统具有更好的声音频响曲线、更高的检测灵敏度以及均匀的平面指向性, 并在12 km长的单模光纤上实现了宽谱声音定位, 为分布式光纤声音传感系统提供了一种新的灵敏度提升方案。

研究了一种基于多层石墨烯材料的光纤声波传感器, 该传感器是由单模光纤和多层石墨烯薄膜构成的光纤法布里-珀罗干涉腔结构。分别采用多层的石墨烯和氧化石墨烯(GO)材料作为声压敏感薄膜, 进行声波传感实验研究。结果表明, 在音频范围内, 基于石墨烯和GO薄膜的光纤声波传感器的平均信噪比分别达到56 dB和69 dB, 平均最小可探测声压灵敏度分别为20.8 μPa·Hz-1/2和6.63 μPa·Hz-1/2, 远低于电学声波传感器的最小可探测声压灵敏度。基于石墨烯材料的光纤声波传感器具有更高的声波检测灵敏度, 适用于强电磁干扰、狭小空间等环境下的微声压测量。

涡旋光在大气湍流中传输时会发生波前畸变, 故需要进行波前校正。相比于传统的带有波前传感器的自适应光学校正系统, 采用随机并行梯度下降算法的无波前传感器的自适应光学校正系统具有硬件实现简单、对光强闪烁等复杂环境的适应性好等优点。仿真结果表明：该系统对单模涡旋光和多模复用涡旋光都可实现波前畸变校正, 能提高模式纯净度。实验结果表明：经校正, 单模涡旋光的光强相关系数可提高至0.85左右, 多模复用涡旋光的光强相关系数可提高至0.72左右, 单模涡旋光波前畸变的校正效果优于多模复用涡旋光。仿真和实验结果均表明, 采用随机并行梯度下降算法的自适应校正技术可有效实现涡旋光波前畸变校正。

针对复合材料结构上低速冲击载荷位置识别问题, 通过构建分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感网络, 分析了光纤布拉格光栅传感器感知的冲击响应信号时间序列的偏斜度、陡峭度与到传感器之间距离的关系。通过不同位置传感器感知的冲击响应信号的偏斜度和陡峭度对冲击载荷所在的区域和到各个传感器之间的距离进行了辨识, 采用加权质心定位算法实现了冲击载荷位置的坐标定位。实验结果表明：在碳纤维复合材料板上240 mm×240 mm的监测区域内随机选取16个测试样本点进行低速冲击定位识别, 实现了所有冲击实验点的区域辨识, 坐标定位的平均误差为20.7 mm。研究结果为碳纤维复合材料板的低速冲击定位提供了一种可靠的方法。

C2H6作为温室气体之一, 对光化学污染的产生和臭氧层的破坏具有促进作用。C2H6在大气中的含量极低, 对传感器的探测精度具有较高要求。报道了一种使用中红外连续波长带间级联激光器(ICL)检测大气中C2H6浓度的传感器, 其测量精度可达到10-9量级。采用容积为220 mL、光程为54.6 m的多通池增加气体吸收光程,降低检测下限, 提高灵敏度。采用LabVIEW虚拟仪器平台编程产生激光器扫描、调制信号及其叠加, 通过数据采集卡(DAQ)输出到ICL驱动源。通过DAQ读取探测器输出信号, 由LabVIEW程序进行信号的锁相放大及二次谐波提取。实验结果表明：当系统采样时间为1.67 s时, 阿伦标准差为1.86×10-9, 且阿伦标准差在平均时间为775 s时达到最小值, 即系统达到最佳稳定度, 为0.026×10-9。将该系统放置于燃气站进行检测实验, 证明所研制的C2H6传感器具有实用价值。

为了简化光纤液位传感器的设计与制作工艺, 提出了一种基于纤芯失配模间干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪, 由单模光纤熔接一段细径光纤构成。单模-细径光纤熔点处充当耦合器, 激发出光纤高阶包层模, 纤芯基模与高阶包层模被细径光纤端面反射后传输至单模光纤产生模间干涉并输出。传感器干涉条纹清晰、对比度高, 对环境液位改变敏感。对细径光纤长度为12 mm的传感器进行了不同溶液液位和温度响应特性的实验研究, 实验结果表明在0~9 mm 的液位变化范围内, 干涉谷波长与液位呈线性关系, 水液位灵敏度为－0.116 nm/mm, 质量分数为4.7%的 NaCl溶液液位灵敏度为－0.129 nm/mm；在20~80 ℃的水温变化范围内, 干涉谷的温度灵敏度为0.038 nm/℃。传感器结构简单、制作简便, 而且成本低廉, 在石油化工等领域具有较好的应用前景。

提出了一种水中悬浮颗粒的三维体散射函数测量方法, 采用抛物面镜结合传感器探测方式, 同时获取了半球空间内多个散射面所对应的体散射函数。搭建了三维体散射函数测量装置, 采用粒径为57~954 nm的标准聚苯乙烯颗粒作为样本, 获得了方位角0°~180°对应的多个散射面内的水中颗粒体散射函数, 测量的散射角范围为18°~160°。实验结果与计算结果吻合, 验证了利用该装置对水体中粒径小于1 μm的悬浮颗粒的体散射函数进行测量的可行性。

为了研究高斯粗糙表面偏振特性, 基于微面元理论, 综合考虑微面元的漫反射和镜面反射, 建立偏振双向反射分布函数模型。对由偏振双向反射分布函数得到的穆勒矩阵进行分解、变换等处理, 推导出表征粗糙表面二向色性、相位延迟和退偏的3个子矩阵及其对应的偏振特性表达式。针对典型的粗糙目标, 对偏振特性进行理论计算。分析入射角、方位角, 以及粗糙度对粗糙表面偏振特性的影响。结果表明：粗糙表面二向色性在入射角变化范围内有极大值, 且随方位角的增大而增大；相位延迟随入射角的增大而减小, 且在方位角变化范围内有极大值；退偏能力在入射角范围内有极小值, 且随方位角的增大而减小；粗糙度对除退偏能力以外的偏振特性影响较小。

基于纳秒高功率激光辐照高原子序数靶材产生的等离子体M壳层X射线辐射, 利用椭圆柱面晶体谱仪进行薄膜单晶Si样品的K边X射线吸收近边结构谱(XANES)静态实验研究；通过详细介绍实验方案, 分析椭圆柱面晶体谱仪的原理, 得到谱仪的位置-能量色散关系, 并对Au、Lu、Yb、Dy、Ta、Co 这6种靶材产生的等离子体X射线光谱进行比较。结果表明：通过比较这6种靶材产生的等离子体X射线光谱后发现, 在Si的K边(1839 eV)附近, Lu、Yb、Dy靶材的激光等离子体M壳层辐射相对其他几种靶材具有较高的光谱亮度, 对应的XANES的信噪比较好；实验获得的XANES与FEFF9.0软件计算结果基本符合, 验证了单发获得的静态实验数据是可靠的。

分幅变像管是惯性约束聚变诊断实验中重要的二维空间分辨诊断设备。为研究短磁聚焦时间展宽分幅变像管的成像性能, 通过计算像管中电子运动轨迹和成像分布来模拟空间分辨率和成像面, 并采用像差理论展开分析。结果表明, 短磁聚焦成像系统的球差和场曲是造成像管空间分辨性能下降的主要因素, 单/双透镜像管球差系数分别为0.229和0.07, 场曲分别为0.021和0.009。球差系数和场曲越小, 像管的成像性能越好。

为了检验各颜色匹配函数(CMFs)计算不同年龄观察者锥细胞响应的表现, 利用比较法实验得到56名观察者对5个色中心的20对近同色异谱色样对目视评价色差数据, 与不同颜色匹配函数比较, 分别计算标准化残差平方和因子与相关系数。结果表明, 各颜色匹配函数测试不同年龄段观察者的结果差异较大。对年轻观察者, S2, S6表现较好, CIE1931的计算结果较差；而对老年观察者, CIE1931表现较好, CIE1964的计算结果较差。选用CIE1964颜色匹配函数优化D65光源照明下不同年龄段观察者锥细胞响应, 优化后的CIE1964计算性能有所提高；同样, 检验LED光源照明下的实验结果, 测试性能也有所提高。