利用Kolmogorov谱、修正Hill谱和Rytov改进模型三种大气湍流功率谱模型,得到了光强闪烁激光雷达探测路径上闪烁指数与大气折射率结构常数之间的关系。分析了不同内尺度下大气湍流强度的变化情况,并与不考虑内尺度的情况进行了比较。结合实验数据对比分析了内尺度对光强闪烁激光雷达在探测大气湍流时的影响程度,结果表明在内尺度的取值变化范围内,采用修正Hill谱时,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达9,实验中传输距离为1020 m和2040 m的传输路径上两者最大偏差为0.4和0.1个量级;Rytov改进模型下,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达6,实验中同样传输路径上两者最大偏差为0.6和0.3个量级。理论和实验结果表明:有限内尺度的折射率结构常数测量结果在一定程度上偏离不考虑内尺度的折射率结构常数,且影响程度与激光传输距离和内尺度的大小有关。因此,在光强闪烁激光雷达的大气湍流探测过程中,必须考虑内尺度效应。

基于频域小波分析方法研究了大气湍流相干结构特性,采用Mexican Hat小波函数分析了近地面风速脉动数据资料。根据能量极大值原则识别相干结构主尺度,利用重构公式提取相干结构波形。结果表明重构相干波形是具有准周期运动的信号,它反映了原始脉动信号中某个中间尺度上的运动, 两者波形在变化趋势上十分吻合;小波系数的时间与尺度图可以很好地解释湍流的多尺度性和间歇性,反映了湍流相干结构的演变过程。在分析时间段内对风速相干结构的主尺度进行统计分析,发现相干结构的主尺度近似满足正态分布。

调制传递函数(MTF)值是表征碲镉汞(HgCdTe)红外探测器成像性能的重要参数。串音是减小探测器MTF值的主要因素之一。合理的器件结构设计可有效地抑制串音,从而提高器件MTF值。介绍了一种含金属框结构的HgCdTe红外焦平面探测器,该器件可有效吸收横向扩散光生载流子并减小器件的串音干扰。对含金属框结构的器件和无金属框结构的器件进行MTF测试及对比分析。测试结果表明,与无金属框结构的器件相比,含金属框结构的器件的MTF值得到显著提高。

分析了含有4个晶体管的钳位光电二极管有源像素传感器(4T-PPD-APS)的结构特点以及γ射线光子在像元内的能量沉积过程。通过建立传感器像元及像素阵列仿真计算模型,并结合γ射线辐射响应实验,对有源像素传感器(APS)在不同光子能量及不同放射性水平条件下的响应特性进行了研究。研究结果表明:γ光子在光电二极管空间电荷区内沉积能量并形成扩散光电流是APS发生光子响应现象的根本原因;像素值的平均值随剂量率的增大呈先增大后趋于饱和的趋势;当典型事件区域内出现多个峰值时,像素值的统计值不能准确反映辐射场放射性水平。

根据扫描干涉场曝光的特点,针对光刻胶层内曝光量的驻波效应,建立了动态曝光模型。基于快速推进法建立了显影模型,得到了光栅掩模槽形的演变规律。为减弱驻波效应的影响,提出了一种抗反射层最优厚度的设计方法。仿真结果表明,建立的曝光和显影模型能有效预测光栅掩模的槽形轮廓,同时可优化抗反射膜的厚度。

前期通过实验和理论研究了960线合束光栅在不同功率密度激光辐照下的表面热畸变及远场光束质量,认为基底受热膨胀是导致合束光栅面形质量和光束质量下降的主要原因,但没有对合束光栅表面热量沉积和远场光束质量如何改善进行分析。通过模型改进分析了合束光栅在不同辐照功率密度下的表面温度、热畸变以及远场光束质量的变化,而且计算分析了基底厚度对合束光栅表面温度、热畸变以及远场光束质量的影响,并得出结论:增加基底厚度有利于提高合束光栅的功率耐受性以及衍射光斑的远场光束质量。

在激光等离子体诊断等领域中,以平焦场光栅为核心器件的软X射线光谱仪发挥着重要作用。利用电子束光刻-近场全息法制作的平焦场光栅兼具电子束光刻线密度变化灵活,以及全息光栅低杂散光、抑制高次谐波等的特点。采用光线追迹方法分析电子束光刻-近场全息法制作平焦场光栅的主要制作误差对其光谱成像特性的影响。结果表明:电子束光刻制备熔石英掩模和近场全息图形转移过程的制作误差均会导致谱线展宽;以目前应用较多的软X射线平焦场光栅(中心线密度为2400 line/mm、工作波段在0.8~6.0 nm)为例,当熔石英掩模在光栅矢量方向的长度为50 mm时,电子束光刻分区数目应保证在1500以上;熔石英掩模线密度偏差引入的谱线展宽可以通过调整近场全息制作参数来消除;确定了近场全息中的两个主要影响因素--熔石英掩模与光栅基底的间距和夹角;近场全息中各误差因素之间有相互补偿的效果,故除了尽可能消除制备过程中的每一种制作误差外,也可以通过优化不同误差之间的分配来降低制备误差。本研究对优化电子束直写掩模策略、降低掩模制作难度、设计和调整近场全息光路有重要帮助。

利用LED光源产生焦散光束,并应用交叉谱密度函数及多光谱叠加的原理计算了轴棱锥后LED部分相干焦散光束的光强分布。理论分析和实验结果验证了像散等参量对焦散光束的影响。通过研究传输距离对LED焦散光束的影响发现,随着传输距离增大,焦散光束星状外轮廓尺寸变大,中心光斑逐渐向外环对称分裂,同时中心光强相应减弱,光点阵列衬比度逐渐降低,最终将演化成近似空心光束。研究结果丰富了焦散光束的内涵,为LED焦散光束的实际应用提供了理论基础和实验依据。

针对井下近钻头处随钻测斜仪内径受限、井下环境温度梯度大等特殊恶劣环境,设计了一种用于测量石油井眼轨迹惯性的椭圆柱形光纤陀螺。由于光纤环存在热致非互易相移问题,以光纤环的Shupe误差为基础,采用4极对称绕法,建立了椭圆柱形光纤环的三维温度瞬态响应数学模型。结合光纤陀螺实际的工作环境,利用有限元法对椭圆柱形光纤环进行了数值仿真,定量分析其工作温度梯度下光纤环的Shupe误差,实验验证了模型的正确性。在光纤长度、光纤环层数和光纤环半径一定的条件下分别对圆柱形光纤环和椭圆柱形光纤环施加相同的温度激励,比较两种光纤环的热致误差速率。结果表明:椭圆柱形光纤环热致误差速率比圆柱形光纤环小35%~39%,在满足井下测量仪器体积受限的同时,可提高井眼轨迹惯性测量的精度。

星间相干通信系统其多普勒频移达到了吉赫兹量级,同时受到调谐激光器线宽、相位噪声的影响,对光学锁相环路系统提出了高要求。依据科斯塔斯锁相环技术原理,将温度调谐、压电陶瓷(PZT)调谐、声光移频器(AOFS)调谐复合到一起,通过内环与外环方式对本振激光器进行调控,实现光学锁相功能。搭建实验测试系统对环路性能进行测试,结果表明:此系统可达到锁相范围为4 GHz,锁相带宽为1.7 MHz,实现了信号光与本振光之间的多普勒频移跟踪、激光器线宽补偿及相位快速锁定,最终相位残余误差5.1°。

测试研制的28 GHz光载无线通信系统时发现,经光纤传输后接收端恢复的基带信号眼图会随时间出现张开与闭合的现象,使通信系统的可靠性遭到破坏。通过实验研究和理论分析发现,射频信号的传输时延会随着光纤周围温度的变化而改变,尤其对载波频率较高、传输距离较长的光载无线通信系统的可靠性影响更为严重。为了克服上述相位漂移问题,提出并实验论证了一种基于载波恢复技术的改进型光载无线通信系统,采用二次下变频结构,从中频信号中提取同步时钟,恢复出幅度稳定的原始基带数据。实验系统实现了28 GHz载频、1 Gb/s数据速率、25 km的光纤传输,系统的误码率小于10 ^-9。

针对多聚焦图像融合中目标物边缘处产生虚影的问题,提出一种基于引导滤波与改进脉冲耦合神经网络(PCNN)的多聚焦图像融合算法。该算法利用引导滤波器对源图像进行多尺度边缘保持分解,对分解得到的基本图像和细节图像采用不同的引导滤波加权融合策略进行初步融合;将初步融合图作为外部输入激励刺激改进的PCNN模型;根据融合权重图对多幅源图像进行融合,获得最终的融合图像。实验结果表明,与传统融合算法相比,本文方法较好地保留了源图像的边缘、区域边界以及纹理等细节信息,避免了目标物边缘处产生虚影,提高了融合图像的质量。

提出一种基于双通道剪切干涉的高光谱成像方法,并对其进行了信噪比(SNR)分析。介绍了干涉光谱成像系统的光谱复原SNR,对双矩形剪切干涉原理及双通道差分探测SNR进行了论述及仿真。搭建了实验装置,对实际场景目标进行了光谱成像SNR对比实验,获得了双通道差分探测系统的光谱探测SNR,并与非差分探测系统SNR进行了对比分析。结果表明所提差分干涉高光谱成像系统的光谱SNR为单通道系统的 2倍。

为了消除光学相干层析成像(OCT)系统中存在的大量散斑噪声,引入了稳健性主成分分析(RPCA)算法。通过分析生物组织在OCT中散斑的产生机制,从而了解OCT系统中散斑噪声的特点。结合OCT系统自身的特点,证明基于RPCA算法的低秩矩阵恢复模型对OCT系统消除散斑噪声有良好的适用性。利用RPCA算法,可以得到将OCT原始图像分解成散斑噪声图像和样品截面图像的最佳估计。RPCA算法能在分离散斑噪声的同时,保留样品自身结构的散斑图样,有效地避免了伪影的生成。通过对比处理后和处理前的图像,结果表明,RPCA算法能够有效地抑制散斑噪声,提高信噪比,改善OCT图像效果。

为解决转角受限编码器角度误差的精确测试问题,采用平面反射镜-自准直经纬仪法测试编码器角度误差。建立了角度误差和位姿失调参数、编码器角度以及经纬仪示值之间关系的数学模型,通过对失调参数的解算可对编码器角度系统误差进行修正。实验结果表明,在角度范围为0°~40°时,由位姿失调所引入的角度误差随编码器角度的增大单调递增,误差最大值为742.9″;经过修正后的角度误差和编码器位姿无失调时的角度误差基本相当,误差最大值分别为4.4″和3.5″。此方法可有效测试无法精确调整或不具备调平条件的转角受限的编码器角度误差。

分析了光纤阵列型点源发生器相对于透镜阵列型点源发生器的优势。针对光纤阵列型点源发生器各光纤出射光束之间存在初始光程差的问题,提出了基于马赫-曾德尔全光纤干涉仪和小数重合法的光程差检测方法。测量各光束间的光程差并将其引入到倾斜波面干涉系统的误差模型中,以消除其对被测件面形偏差解算的影响。结果表明,该检测系统的测量不确定度为0.07λ₃(λ₃=632.8 nm)。分别使用基于光纤阵列的倾斜波面干涉系统和ZYGO干涉仪对抛物面镜片进行测量,二者获得的面形偏差结果一致。

基于中红外量子级联激光器(QCL)以及频分复用波长调制光谱技术,实现了NO₂及NH₃的高精度同时测量。对中心频率在1600.0 cm ^-1及1103.4 cm ^-1附近的两支QCL施加不同频率的正弦调制,利用数字锁相技术得到了测量信号在不同解调频率上的二次谐波信号。搭建了一套基于该技术的开放式空气中NO₂及NH₃的测量系统,多次反射池的光程为60 m。利用25 cm长的参考池进行浓度标定,发现系统在较大的浓度范围内具有优良的线性响应。两种气体的检测限均小于10 ^-9量级。使用系统进行了24 h的气体监测,测量结果与参考仪器的结果吻合较好。

基于计算机仿真技术(CST)软件对二维金属光栅阵列在0.1~10 THz波段的偏振特性进行了数值分析,利用光刻和金属薄膜工艺在500 μm厚的高阻硅衬底上沉积了20 nm厚的不同结构周期的金属铜光栅阵列,利用傅里叶变换光谱仪测量了该光栅阵列的透射及反射特性。结果表明:在太赫兹宽谱范围内,该光栅阵列的透射和反射都具有良好的偏振特性,且偏振特性范围可通过调整结构周期进行调节;该研究对太赫兹偏振器的进一步研究及应用提供了参考。

设计了基于石榴石型铁氧体磁性材料的光子晶体滤波器和光开关。利用平面波展开(PWE)法,分析了特定半径下光子晶体的能带结构,利用时域有限差分(FDTD)法分析了磁场改变时磁性材料耦合频率的变化。结果表明,该器件在不加磁场时具有优良的选频滤波功能,各目标光信号的透射率均达90%以上,且信道串扰小;加磁场后,耦合腔的耦合频率改变,器件处于关断状态。该器件的关断最大稳定时间达26.7 ps,最大透射率仅为8%,关断效果明显,具有良好的开关特性。

提出了一种基于石墨烯的复合波导调制器,用严格的三维数值仿真结果展示了该调制器的工作状态。利用调制器狭缝中的表面等离激元对电磁波的强约束,增强了光与石墨烯间的相互作用,提高了调制器的调制性能,调制效率可达0.197 dB·μm ^-1。在调制器长度为15 μm时,可实现调制深度为3 dB的开关键控效应,此时的插入损耗为0.4 dB,调制带宽可达1.85 GHz。设计了与输入波导相连接的耦合器,在耦合器总长度仅为1 μm的条件下,实现了86.6%的耦合效率。

采用金属有机物化学气相沉积设备生长InGaAs/AlGaAs应变多量子阱有源区和双氧化限制层的外延整体结构,利用断点监控电感耦合等离子体刻蚀技术、精确湿法氧化控制技术等芯片制造技术,实现了氧化孔径为7 μm、相邻单元间隔为250 μm的高速调制4×15 Gbit/s 850 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵。测试得到了VCSEL列阵的静态特性和动态特性:阈值电流为0.7 mA,斜效率为0.8 W/A;在6 mA工作电流下,工作电压为2.3 V,光功率为4.5 mW。在15 Gbit/s调制速率下,眼图轮廓清晰,线迹很细,抖动较小且无明显串扰。对比列阵各单元在15 Gbit/s调制速率下眼图的上升时间、下降时间、信噪比、均方根抖动等相关参数,结果表明其动态性能的一致性良好。利用箱线图分析得出外延片上VCSEL器件性能的一致性能良好,能够满足批量生产的要求。

采用自适应双光梳光谱检测方法对乙炔(C₂H₂)气体在ν₁+ν₃吸收带部分的P支谱线进行测量,并通过与HITRAN相应数据库的对比,验证了该方法的准确性。从采样定理出发,分析了自适应主动补偿技术的工作机理,并讨论了其高阶信号和带宽的特性。使用非线性光纤对光梳进行200 nm范围的超连续谱展宽,拓展了其宽谱特性。时域信号单次采样时长为600 μs,光谱分辨率达1.09 GHz,光谱更新频率为180 Hz。自适应补偿技术有效解决了自然室温条件下梳齿快漂引起的光谱抖动问题。同时,光梳振荡源重复频率锁定后均方差抖动控制为7.01 MHz,锁定光梳振荡源的重复频率和反馈调节控制连续激光的中心频率,可有效抑制光梳梳齿的慢漂现象,使双光梳光谱测量系统的稳定运行时间由几分钟提升至半小时量级,增强了自适应双光梳系统的长期稳定性和实用性。

分析随机并行梯度下降(SPGD)算法用于多路大型固体激光装置相干合成中校正动态相差的能力。首先介绍了SPGD算法实现相干合成的基本理论,利用数值模拟方法对算法进行了优化,实现了两路基于SPGD算法的波长为800 nm、带宽为30 fs光束的相干合成实验,验证了在外加10,15,20,25 Hz动态相差条件下算法的特性,并进一步模拟了动态活塞相差和指向性相差的校正过程,分析了不同相位噪声强度和频率对校正能力的影响,计算了控制带宽与光束路数、算法执行速度之间的关系。结果表明:远场强度分布的平方和是高能短脉冲激光相干合成的最佳性能评价函数;采用自适应增益的方式时,在保证算法稳定性的前提下,提高了算法的收敛速度;随着相位噪声强度和频率的提高,算法的有效控制带宽减小;算法执行速度越快,光束路数越少,则算法控制带宽越大;受限于器件性能,SPGD算法不适用于4路以上带宽为30 fs激光阵列的相干合成。

针对高功率激光多程放大的三维反演问题,提出了基于修正增益迭代算法结合输入输出积分能量曲线法和基于修正输入脉冲的正向迭代算法。利用这两种方法对有增益分布的四程放大进行数值模拟验证,计算结果表明这两种迭代算法都是有效可行的,都可得到输入脉冲时空分离的三维强度分布。计算所得输出脉冲与需求值基本相同,输出能量的相对偏差小于10 ^-7,第一种方法功率波形的相对偏差小于1%,第二种方法功率波形的相对偏差小于10 ^-6,很好地解决了由放大饱和效应引起的时空演化畸变。第一种方法主要依靠正逆模型的自洽性,相对直观;第二种迭代算法引入反馈因子,所得结果的精度较高、拓展性强。

针对1064 nm长脉冲激光辐照硅雪崩光电二极管(Si-APD)过程中所引起的温升变化规律进行了理论与实验研究。在考虑Si-APD多层结构的前提下,建立了二维轴对称热传导模型,据此进行了不同条件下的模拟仿真研究,并开展了长脉冲激光辐照Si-APD的温升实验研究。模拟仿真结果与实验结果相一致,均表明长脉冲激光与Si-APD相互作用引起的温升是由入射激光的能量密度和脉冲宽度共同决定的。

为提高相关滤波(CF)跟踪算法的稳健性,并克服传统CF方法无法处理目标尺度变化以及未利用图像颜色特征等问题,提出了一种基于融合颜色特征的尺度自适应相关滤波改进跟踪算法。首先,将目标搜索区域从3原色(RGB)颜色空间转换到Lab颜色空间,提取搜索区域的Lab 3通道颜色特征;然后,融合Lab颜色特征与方向梯度直方图(HOG)特征得到多通道特征,利用核相关滤波(KCF)计算输出响应图并寻找图中最大响应位置即目标位置;最后,基于Lab颜色特征建立尺度模型,从当前帧的目标位置处截取不同尺度图像块,通过将其与尺度模型比较得到目标尺度最优估计。实验选取35段公开彩色视频序列进行测试,并将所提算法与其他5种跟踪性能较好的跟踪方法进行对比。实验结果表明,所提方法对彩色视频序列中的目标遮挡、变形、尺度变化等现象具有良好的适应性,其平均性能优于对比方法,同时具有76 frame·s ^-1的实时跟踪速度。

在相机位姿估计的实际应用中,参考点的坐标数据不可避免地包含了测量误差,其量值大小通常不会完全一致,如果不区别测量误差直接进行相机位姿估计,将可能导致估计结果与真值相差甚远。为此,在广泛应用的正交迭代算法基础上,提出了相机位姿估计的加权正交迭代算法,该方法以加权共线误差为目标函数,根据像面重投影误差确定权重系数取值,优化相机位姿估计结果,具有精度高、稳健性好等优点,且满足全局收敛条件。数值仿真实验与风洞迎角实验的结果表明,本文算法更加有效,能够抑制不同程度测量误差对相机位姿估计结果的影响,所得结果明显优于正交迭代算法,具有较强的工程实用价值。

针对相似度目标跟踪算法主要考虑目标的类内相似,而忽略不同目标的类间差异的问题,提出基于分类-验证模型的视觉跟踪算法。该算法通过增加目标的属性(类别)信息,利用相似度信息与类别信息构建损失函数,在高维空间学习目标的类内相似和类间差异;将目标模板与候选目标输入网络模型,分别通过分类与验证模块实现网络参数更新;利用训练网络提取目标模板与候选目标的深度嵌入特征,实现目标跟踪。在OTB50和UAV123数据库上进行实验,结果表明,该算法可以大幅提高跟踪效果,对相似目标具有较强的稳健性。

为了解决三线阵CCD空间目标位姿测量的精度问题,提出一种高精度位姿解算方法。该算法将所有线阵CCD相机的坐标系进行统一化处理。通过建立一个新的误差评价函数,运用改进的正交迭代算法求解位姿参数,并进行非线性优化。仿真和实际测量结果表明,该算法有效避免了因数据恶化或初值选取等因素造成的不收敛或收敛差的问题。与传统算法相比,该算法测量精度和抗噪特性均得到有效改善,计算效率提高了4.6倍,实际测量的6个自由度的最大相对误差为0.71%。该测量系统可实现对空间目标的高精度实时测量,且具有安装方便、应用范围广等优点。

针对大尺寸三维形貌测量中高覆盖率与高精度的要求,提出了一种兼顾测量覆盖率和三维不确定度的智能组网规划方法。结合视觉测量要求,建立了视觉测量网络的离散化几何模型,确定了组网规划的决策变量,给出了视觉测量网络覆盖率和目标点三维不确定度两个概念。通过分析多种摄像机位姿约束条件,应用多目标遗传算法对组网决策变量进行全局性搜索,最终实现了多视觉的精确组网。对螺旋桨主体结构模型进行了仿真,结果表明测量网络覆盖率可以达到99.72%,三维不确定度可以收敛至0.0326 mm。通过单视觉多站式测量实验,验证了该策略的有效性和可行性。

通过固相反应法合成了一种新型硼酸盐荧光粉K₆Ba₄B₈O₁₉∶x%Eu ³⁺,并测得其荧光量子效率。结果表明,实验合成了接近纯相的K₆Ba₄B₈O₁₉基质;当合成温度为750 ℃时,K₆Ba₄B₈O₁₉∶5%Eu ³⁺的X射线衍射谱与K₆Ba₄B₈O₁₉标准卡片符合较好;在395 nm波长激发下,K₆Ba₄B₈O₁₉∶Eu ³⁺在592 nm( ⁵D₀F₁)和613 nm( ⁵D₀⁷F₂)处分别有橘红光和红光发射峰;荧光发射强度随Eu ³⁺摩尔分数的增大而增大,当Eu ³⁺摩尔分数为6%时达到最大值。测得K₆Ba₄B₈O₁₉∶6%Eu ³⁺在激发波长395 nm下的荧光量子效率值为4.51%。获得的粉体呈不规则颗粒状。

为了在癌症外科手术中提供实时反馈,更精确地切除癌症组织,从而在术中导航领域展现应用潜力,利用光学相干层析成像(OCT)系统对39例胃癌患者肿瘤组织成像,并与对应位置的病理切片进行对比。结果表明:有效的38个病例的OCT图像能清晰地分辨癌症组织与正常组织的差别,其中有4例黏液型胃癌,黏液型胃癌的肿瘤分泌的黏液会破坏胃组织的层状结构,导致纹理紊乱,黏膜残缺;黏液对光的背向散射更弱以及与黏膜组织的背向散射对比相差更大使得黏液型胃癌的OCT图像成像更清晰,B型超声扫描(B-scan)的OCT图像能够分辨该种类型癌症的边界区域;将B-scan的OCT图像进行三维(3D)重建后显示整个成像区域的体结构,经过表面展平后提取深度方向上不同层的切面图像,提供了另一维度视角观察胃癌组织的边界区域,与B-scan图像交叉验证可以显示优异的区分效果。

基于简化的光纤激光器模型,采用分步傅里叶方法,数值研究亮暗孤子对在光纤激光器中的传输特性。研究结果表明,在光纤激光器中,亮暗孤子对是否稳定存在与群速度色散有关,亮暗孤子对在零色散区可以保持波形不变的稳定传输。同时亮暗孤子对受光纤激光器的小信号增益系数、饱和能量、初始脉宽、偏振角度等因素的影响。小信号增益系数越大,饱和能量越大,则亮暗孤子对的峰值强度越大,脉宽越窄。当峰值强度增加到一定程度,亮暗孤子对发生分裂。偏振控制器可以控制亮暗孤子对的输出。本研究结果可为光纤激光器中亮暗孤子对信号源的产生研究提供一定的理论依据。

为了避免环境温度变化影响红外双波段目标模拟器的投影图像质量,对其变焦投影镜头进行了光机热分析。建立了变焦投影镜头的有限元分析模型,通过对非定常的热应力问题进行准静态处理,完成了有限元模型的热分析和静力学分析,并求解出整机随温度变化的位移云图。通过有限元数据转换算法将离散节点的坐标数据转化为矢高变形数据,利用Householder算法完成了基于Zernike多项式的镜面热变形拟合,并将拟合系数导入光学设计软件,得到了不同温度下变焦投影镜头的热分析结果。结果表明,当温度在10~30 ℃区间时,投影图像质量对整机的热变形不敏感。

提出了分段环形曲面的面型描述及设计方法。提出了一种从非球面到分段环形曲面的高精度转换方法来建立初始曲面,并讨论了分段环形曲面的优化策略、实现方法和约束条件。将所设计的分段环形曲面应用于一款超短焦投影物镜的设计和优化中,优化后的系统总长仅为155 mm,最大畸变仅为1.36%。研究结果表明,该新型曲面可以提高光学系统设计的自由度和灵活性。

基于三维时域有限差分法,计算了非球对称单芯帽纳米颗粒在不同结构参数作用下的局域表面等离子体共振(LSPR)响应。采用模板法和真空蒸镀技术制备了SiO₂@Au芯帽结构纳米颗粒,通过透射电子显微镜和紫外可见近红外分光光度计对其形貌和光学性质进行了测量分析,获得了金壳厚度、芯壳比、芯径和金属表面覆盖率等纳米结构参数对LSPR峰值吸收波长和吸收截面的影响规律。结果表明,芯帽纳米颗粒结构参数的微小改变会导致LSPR峰在可见光到近红外波段的宽带红移。

为简化主动频率选择表面(FSS)器件结构,提高其谐振频率的操控性能,提出一种利用光电导薄膜的光照导电特性控制FSS结构尺寸变化的光控主动FSS。从理论角度阐述了FSS结构尺寸与中心谐振频率的关系。以十字带通型光控主动FSS为例,采用CST软件仿真得到光照前后的中心谐振频率,频率由23 GHz变为28 GHz。采用镀膜、电子束蒸发及光刻等工艺制作出光控主动FSS样件,分析了光电导薄膜中掺杂成分、退火温度、退火时间及光照频率、光照功率等因素对其光电性能的影响。结果显示:调节CdS、CdSe的分子数比(1∶1~5∶1)可改变敏感波长;调节CdCl₂、InCl₃、CuCl₂的比例可改变亮暗方块电阻比,实验中分子数比为(3.6∶2.6∶1.3)时效果最佳;退火温度为750 ℃、退火时间为30 s时光电导薄膜光电特性与欧姆接触达到峰值。测试结果表明:在功率为200 mW/cm ²与波长为0.6 μm的光照条件下,光控主动FSS的中心谐振频率从光照前的23.8 GHz变为28 GHz,与仿真结果一致。

为研究地物背景的偏振反射特性,综合考虑了镜面反射、体散射和后向散射,建立了一种六参量偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型。该模型利用Kubelka-Munk(KM)理论模拟体散射分量,并引入呈高斯分布的后向散射分量,改进了传统的偏振BRDF模型。建立的六参量偏振BRDF模型更加符合地物背景的偏振反射特性。基于多角度偏振测量原理,获得草地和土壤在不同观测几何下的偏振光谱,分析了偏振反射分布特征,并从实测数据中反演了模型参量,将测量值与仿真值进行了对比。结果表明:所建立的六参量偏振BRDF模型的仿真结果与实测数据之间具有很好的吻合性,证实了该模型的准确性与有效性

提出了一种利用四组分纠缠态光场实现开放传输的量子离物传态网络的实验方案。将未知量子态在输入节点与纠缠态光场的一个子模进行联合测量后,可以根据需求选择经典通道的传输方向,在其他任意一个节点处恢复出该量子态。通过计算由三种不同传输方式恢复出的量子态的保真度,证明了三种方式均可成功实现量子离物传态,达到开放传输的目的。

针对近海、内河场景中船只检测准确性低的问题,提出了一种基于短波红外遥感影像实现水体分割和船只自动检测的方法。利用水体在短波红外波段反射率低的特点,采取阈值分割和形态学处理的方法,从影像中快速准确地提取水体区域;使用视觉显著模型搜索水面目标,提取候选目标的图像切片;对可能存在的伪目标,使用灰度分布直方图描述目标切片的灰度分布特征,并结合梯度方向信息通过阈值判别的方法去除伪目标。结果表明,该方法能高效检测近海、内河中不同尺寸的船只目标;显著性检测共获得279个候选目标,经目标鉴别步骤检测出142个真实目标中的138个,虚警率小于6%,召回率大于97%。

本文开展了多通道宽幅度合成孔径激光成像雷达(SAIL)收发装置的优化研究,提出了一种实现远场瞬时宽幅式的成像方法,并给出了多通道宽幅度SAIL收发装置的结构图。重点对发射光路进行了研究,分析了光纤阵列器中发射光束排布的特点,并给出了光纤阵列器中发射光纤的倾斜排布方案。而后,对发射光纤排布方案进行了优化,建立了多通道宽幅度SAIL发射装置的发射光束排布模型,给出了光纤阵列器中发射光束排布的最佳方案并进行了分析。最后,给出了多通道宽幅度SAIL接收装置中阵列探测器的结构图。这对远距离高分辨率宽幅度的机载SAIL研究具有重要的意义。

推导了星载合成孔径雷达严密几何成像模型与有理多项式模型的等效关系,通过对全链路误差传播特性进行建模,仿真评估了定位精度与图像源夹角、同名点匹配精度等影响因素的定量关系,分析了异源立体定位所能达到的理论精度及其优越性,并推导出一套明确的数据选择策略。通过在轨数据实验充分验证了所提理论的正确性,并详细分析了不同数据组合下的误差规律,为异源立体定位的实际应用提供了可靠依据。

反射式点光源设备可用于光学遥感器的在轨调制传递函数检测和绝对辐射定标等,其高精度指向是确保太阳光反射至遥感器入瞳的关键。通过进一步提高指向精度,可以减小现有点光源的体积和质量,具有重要的工程意义。通过建立几何误差标校模型和反射镜法向标校模型,去除旋转矩阵参数的相关性;利用阻尼Gauss-Newton方法迭代求解标校模型参数,实现了反射式点光源优于0.1°的指向精度。该研究为实现光学卫星遥感器的高精度、高频次、全动态范围的定标检测提供了基础。

季节性闪光现象是由三轴稳定地球同步轨道(GEO)卫星保持的特殊对地位置及卫星帆板的运动特点产生的。结合卫星帆板材质的双向反射分布函数及太阳在地球坐标系下的运动规律,分析了帆板季节性闪光现象的原理,定量研究了地面站观测帆板闪光现象的相关规律并进行了仿真验证。研究表明,地面任意地点的望远镜每年都有两个时段能够观测到GEO卫星帆板闪光现象,每次持续约21 d,每颗卫星每天的观测时间约32 min。该结论不仅能够为观测GEO卫星提供参考,也可为分析卫星工作及运动状态提供依据。

采用化学腐蚀法制备锥形光纤,采用溶液化学沉积法将银纳米颗粒修饰到锥形光纤端面,形成光纤表面增强拉曼散射(SERS)探针。改变反应温度、沉积时间、硝酸银溶液浓度等关键参数,优化了光纤SERS探针的制备工艺。以R6G为探针分子,对不同工艺条件制备的光纤SERS探针进行拉曼测试实验。结果表明:在室温下,当沉积时间为120 s、硝酸银溶液浓度为0.1 mol/L时,最优的增强因子约为10 ¹⁰,此时光纤SERS探针的拉曼检测性能最好。对应10组样品的银纳米颗粒的直径和面积覆盖率,利用FDTD Solutions进行仿真建模分析,计算得到了拉曼增强因子理论值为10 ⁷~10 ⁸。

冲击压缩过程中透明晶体的发光现象与材料的微观损伤及其结构变化密切相关,利用轻气炮加载结合多通道辐射高温计以及ICCD瞬态光谱测量系统,在400~800 nm的可见光波段获得了蓝宝石晶体的发光光谱;研究表明蓝宝石的冲击发光呈典型的热辐射特征,其热辐射温度与该压力下蓝宝石的熔化温度之间存在明显的关联性。最后,结合辐射温度和光谱分布形态研究了蓝宝石剪切带发光的机理。

基于二极管激光波长调制光谱技术建立了一套参数主动控制的痕量气体实时在线探测系统。为提高系统的实时在线测量性能和测量精度,在模拟温度与压强对痕量气体浓度探测影响的基础上,待测气体的温度、压强和流量被主动控制,并能保持长期稳定性。小波去噪和卡尔曼滤波数字降噪技术被联合应用于系统。以CO₂分子吸收为例的实验结果表明,小波去噪的应用将吸收光谱的信噪比提高了30%左右,卡尔曼滤波的应用将CO₂体积分数的测量精度由2.5×10 ^-7提高至7×10 ^-8。Allan方差结果给出了系统的稳定时间,约为60 s。实测实验室内CO₂浓度的结果表明,该测量系统具有良好的稳定性和可靠性,能够很好地监测痕量气体浓度的变化。

光谱图像包含丰富的空间信息和光谱信息,能够为天基预警探测任务提供重要的信息支撑,但其庞大的数据量给硬件设备带来了极大的挑战。传统的基于奈奎斯特采样的“先采样后压缩”的处理方式不仅无法从根本上解决数据量庞大的问题,还会造成资源浪费;针对此问题,利用单波段二维图像的稀疏性和空间编码数据的谱间冗余,设计了一种基于空间域压缩采样和谱域Karhunen-Loève (KL)变换编码的光谱图像重构方法,并建立基于 ₁ 范数和全变分约束的单波段二维图像复合正则重构模型,同时结合投影梯度法和软阈值收缩算子设计2D-CRPG模型求解算法。结果表明:基于空间域压缩采样和谱域KL变换编码的光谱图像重构方法能够有效降低数据采样成本,有利于天基预警探测光谱成像;2D-CRPG重构算法能够有效保留光谱图像的结构信息,从而在有限的采样率下较好地重构原始光谱图像。

采用射频磁控溅射法,在不同溅射功率下沉积ZnO∶W薄膜层55 min,然后通入体积分数为5%的氢气,并保持溅射参数不变,表面氢化处理8 min,获得了表面具有绒面结构的ZnO∶W透明导电薄膜。对样品的显微形貌、结构和表面绒度等性能进行了测试与分析,结果表明:在200 W的溅射功率条件下,氢化处理8 min获得的ZnO∶W样品表面绒度达到92.82, 同时具备优异的导电性能(电阻率均值3.93×10 ^-4 Ω·cm)。这种表面绒面结构有望进一步提高ZnO透明导电电极电池的转换效率。

针对NTN技术的脉冲波形参数国家基准已无法完全满足目前超高速电脉冲波形测量和校准的现状,构建了基于电光采样技术的脉冲波形参数测量系统,自主设计并制备了钽酸锂基共面波导结构的高频电光调制器,通过网络分析系统测量得到了其3 dB频率响应可达100 GHz。以高速光电探测器输出的电脉冲波形作为待测信号,对系统参数进行了详细的分析和优化。在优化完善的基础上,最终实现了对70 GHz高速光电探测器输出电脉冲波形的精密测量,获得的波形的上升时间和半峰全宽分别为4.6 ps和5.0 ps,这将为我国基于电光采样技术脉冲波形参数国家基准的建立和持续提升提供参考。