从光谱性能、激光损伤阈值和膜层应力等方面综述了激光偏振薄膜的研究进展。简述了中国科学院上海光学精密机械研究所针对我国惯性约束聚变激光驱动装置对大尺寸偏振薄膜的要求,在镀膜材料选择、膜系设计、薄膜制备等方面的研究进展。所研制的大尺寸偏振薄膜已成功应用于我国神光系列高功率激光、超强超短激光等大型激光装置。

辐射定标是光学遥感卫星数据定量化应用的关键技术之一。提出了基于亚像元目标的高分辨率光学遥感卫星在轨辐射定标方法,以反射点源作为参照目标,并以地面同步测量为主,通过简化辐射传输的计算过程获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度;根据多能量等级的亚像元目标设置与系统点扩展函数检测结果,将亚像元目标辐射与程辐射、地气耦合辐射及背景辐射有效分离;突破时空及天气条件限制,在复杂环境条件下实现光学遥感卫星全动态范围的高精度定标。实验结果表明,基于亚像元目标的高分辨率光学遥感卫星在轨辐射定标不确定度优于3.2%,与基于大面积多反射率灰阶靶标的定标结果相差3%;这种轻小型的亚像元目标适应于光学遥感卫星的高频次定标应用需求。

针对低对比度、岸岛背景、前景遮挡等复杂背景下前视红外图像在检测识别海面弱小目标困难的问题,提出一种基于红外偏振图像的海面弱小目标增强方法。开发了一种符合人视觉系统感知色彩的改进色调-饱和度-强度(HSI)颜色空间融合算法,融合海面图像中的红外偏振度信息与红外强度信息;设计一种基于红外偏振图像的海面区域分割方法,分割海面区域,并将其作为候选目标增强区域;利用上下文显著性算法计算海面HSI颜色空间融合图像的显著性,根据显著图修正海面HSI颜色空间融合图像,得到目标增强图像。采用目标与背景对比度和局部信噪比评价融合图像增强效果。结果表明,与现有方法相比,所提方法在不同场景下能增强目标并抑制背景干扰,评价指标高于现有方法,能够为海面舰船目标检测与识别提供支持。

针对在光电偏振成像模式下缺乏行之有效的水下运动目标探测方法的问题,提出了一种基于水面特征波纹的水下运动目标检测算法。通过海面风生重力波模型和水下运动目标的水面特征波纹模型,仿真得到不同状态下的海面混合波纹图像,用于算法研究及证明;采用Radon变换提取波纹的线性特征,并通过均值滤波和标准归一化处理消除Radon变换对检测的影响;采用双邻域自适应门限法提取Radon变换域中的局部峰值点,利用连续小波变换进行特征提取,并用支持向量机(SVM)判断峰值点真伪,提高检测的准确率。实验结果证明了本文算法对特征波纹检测的可行性。该算法为探测水下运动目标提供了一种新的有效途径。

利用西安地区太阳光度计(POM-02)的观测数据,根据比尔-朗伯-布格定律计算了西安地区的大气气溶胶光学厚度(AODs),将其作为真值与NASA Terra卫星的MODIS C061产品中气溶胶光学厚度的三种反演结果进行了对比,探讨了三种反演算法在西安地区的精确度及适用性,并结合MODIS气溶胶产品统计分析了西安及周边地区气溶胶光学厚度的空间分布和季节变化特征。结果表明: Terra卫星MODIS三种反演算法中DT&DB产品与太阳光度计反演的气溶胶光学厚度相关系数最高(0.92),故MODIS中的DT&DB产品最适用于西安地区,可用于西安地区气候变化以及大气污染等研究。分析关中地区AOD的时空分布特征及其可能原因可知:关中地区气溶胶主要包括人类活动产生的气溶胶和沙尘气溶胶,关中地区气溶胶光学厚度整体呈东高西低的分布趋势,高值中心主要分布在西安、渭南和咸阳等地区;气溶胶光学厚度在西安、咸阳地区春季最大、秋季最小,而在关中其他地区整体呈现春夏高、秋冬低的季节变化趋势。

提出了一种基于涡旋光干涉条纹偏移检测的水下湍流识别方法。利用随机相位屏法对拉盖尔-高斯光束在湍流中的传输及干涉特性进行理论模拟。在此基础上,实验研究了不同拓扑荷数涡旋光束经湍流场后与高斯光束干涉所得条纹的偏移特性。实验及理论结果表明:在较强湍流环境中,拓扑荷数越大,涡旋光束传输能力越强;相同湍流强度下,拓扑荷数越大,干涉条纹位置偏移量越小;相同拓扑荷数涡旋光的干涉条纹偏移量随湍流强度的增大而增大。这表明,涡旋光干涉条纹偏移检测法可有效地检测湍流强度,识别舰船尾流。

设计了一种基于六方氮化硼材料的中红外线吸收器。该吸收器是由截断的金字塔型单元结构构成的一维光栅,其吸收机制是磁激元共振效应和法布里-珀罗谐振腔共振效应。运用有限元算法分析该吸收器的结构参数、工作波长及入射角度对其吸收性能的影响。结果表明:在优化的结构参数条件下,在入射波长为5.6~14.5 μm,入射角度为0°~75°范围内,该吸收器的吸收率可以达到80%以上。所设计的吸收器有望应用于中红外波段的传感和隐身等领域。

基于矩阵法,构建超短脉冲经啁啾体布拉格光栅(CVBG)衍射的频域和时域响应分析模型。针对百飞秒(fs)级光纤啁啾脉冲放大(FCPA)系统对于CVBG的带宽要求,系统研究衍射带宽对CVBG的脉冲展宽及压缩效应的影响及宽带CVBG对于不同啁啾参数输入脉冲的脉冲响应特性。研究结果表明:CVBG的衍射带宽随其啁啾率和厚度增大而线性增大;当CVBG的衍射带宽小于入射脉冲的频谱宽度时,频谱成分的剪切会导致展宽脉冲的变形并使压缩脉冲相对于入射脉冲而展宽;为实现100 fs脉冲的展宽-压缩对易性,须保证CVBG衍射带宽不小于60 nm。设计中对单块厚度为40 mm的宽带CVBG先展宽再压缩,得到频谱宽度为16.64 nm的线性啁啾脉冲,输出脉冲均无限接近傅里叶变换受限(FTL)脉冲且衍射效率高达84%,这为百fs级CVBG脉冲压缩器的实现提供了理论参考及指导。

提出一种大口径光子筛的优化设计方案,将同一菲涅耳环带上的所有小孔看作一个整体,在非近轴小孔远场衍射模型的基础上通过近似和变换推导出单一小孔环带的光场公式。重点讨论小孔环带衍射模型所需要满足的内部结构条件。数据计算表明,小孔环带衍射模型计算所得的光子筛焦平面光场分布与传统的远场小孔衍射模型计算所得结果基本一致,并且使用小孔环带衍射模型所设计的大口径光子筛在焦平面上的聚焦特性较好,计算效率得到极大的提高。这种新的设计方法将有助于完善光子筛衍射理论,为大口径光子筛的优化设计提供了一种全新的形式。

以基于猫眼效应的逆向调制激光通信为应用背景,将猫眼镜头的角失调量转化为线失调量,在柯林斯(Collins)衍射公式的基础上建立了大视场猫眼回波功率分布模型。仿真分析了离焦量、入射角、猫眼口径和焦距对回波功率分布的影响及猫眼回波光束的原路返回特性,并进行了实验验证。结果表明:入射角越大,回波光斑的面积越小,衍射越强烈,且相同入射角下,猫眼的口径越大,焦距越小,回波光斑受入射角的影响就越小;同等离焦量下正离焦回波光斑的发散角小于负离焦;猫眼回波的中心偏移量与入射角和离焦量呈线性关系,且存在一个正离焦量值使回波光束能够原路返回。

针对光纤布拉格光栅(FBG)传感网络畸变光谱难以解调的问题,在超高斯光谱函数的基础上构造畸变光谱的理论函数,将畸变FBG传感网络光谱的解调问题转化为函数优化问题,提出了基于分布式估计算法的波长解调技术,并对已发生畸变的FBG传感网络进行解调实验。结果表明:分布式估计算法解调算法不仅能够在光谱畸变情况下保持较高的解调精度,其平均误差控制在1 pm以内,而且能够对光谱畸变的程度作出定量估计。与传统峰值检测解调技术相比,该方法解决了FBG传感网络畸变光谱波长难以解调的问题,为延长FBG传感网络使用寿命提供了新的途径,对提升FBG传感网络可靠性具有重要意义。

为了满足小卫星平台中尺寸、质量、功耗等约束并探索中短距离星间链路下射频(RF)通信和激光通信的替代解决方案,研究了多卫星网络中采用可见光通信(VLC)的中短距离星间通信的可行性。利用卫星工具软件(STK)构建了双星伴飞构型,定量分析了太阳及恒星引入的背景光噪声,从而构建了中短距离星间VLC链路模型。为了提高链路容量和可靠性,进一步构建了基于星间链路的单输入多输出VLC(SIMO-VLC)系统,通过数值仿真评估了不同分集合并算法对于链路性能的影响。仿真结果表明:大部分时段中太阳辐射引入的杂散光功率在10 μW以下,相比于地面场景引入的背景光功率降低了75%。当在20 km内实现传输速率为112.5 Mbit/s、误码率为1×10 -6的数据传输,系统所需的发射光功率至少为4.55 W。相比单输入单输出(SISO)系统,采用基于单输入多输出(SIMO)的分集检测方案可以获得更好的性能,且所需发射功率和通信距离能够随着接收支路的增加得以有效改善,可为基于VLC的星间链路设计及扩展室外应用场景提供参考。

模分复用技术是突破单模光纤通信系统容量极限的潜在途径。在未来可能存在的模分复用与波分复用相结合的系统中,不同空间模式和波长的增益差将制约系统容量和速率。为实现模式增益均衡和波长增益平坦,利用1480 nm LP11模式抽运光抽运44.5 km超低损少模光纤,进行分布式少模光纤拉曼放大。利用残余抽运光抽运少模掺铒光纤,进行集中式少模掺铒光纤放大,实验演示远程遥泵少模光纤放大器。实验表明,在1560~1600 nm增益平坦带宽范围内,LP01和LP11两个模式等效开关增益大于15 dB,模间增益差约为2 dB。

提出一种基于高保真分布式光纤声波传感器的油气管线泄漏在线监测技术,介绍了该型光纤声波传感器的测量原理和技术优势,利用该传感器在模拟的管道泄漏实验场中实现了对输气管道泄漏的精确监测和定位。针对现场环境复杂、背景噪声强等问题,采用小波降噪算法进一步提升了泄漏事件的检测灵敏度,实现对加压0.05 MPa气体泄漏的准确检测。实验结果表明,本系统在油气管道安全监测领域具有优越的性能和良好的发展前景。

提出一种基于半导体光放大器的光纤环形激光器动态应变传感器系统。在此传感系统中,将基于半导体光放大器的光纤环形激光器结合光纤布拉格光栅作为光纤激光器的波长选择元件,用来探测外界的动态应变信号。激光腔的外部配置一个不可调谐的光纤法布里-珀罗滤波器作为强度解调器,同时配置光纤带通滤波器,可实现多个光纤光栅反射信号分离输出的功能。实验结果表明,传感系统对动态应变信号有较好的响应,能够测量高达200 kHz的动态应变信号,具备解调MHz频率范围信号的能力,验证了复用解调的可行性。该系统具有结构简单、成本低等特点,可应用于结构健康监测中动态应变信号的检测。

提出一种基于无芯-多模-无芯光纤(NMN)结构的硫化氢(H2S)气体传感器。该传感器将两个无芯光纤(NCF)熔接在多模光纤(MMF)的两端,构建NMN的结构。光从单模光纤(SMF)进入NCF中激发出不同高阶模式,进入MMF中时,激发出的高阶模与基模分别在 MMF 的包层和纤芯中传输从而产生相位差,形成模式干涉。同时,对不同长度NCF和MMF的传输特性进行了优化。采用浸渍提拉法在NCF的外表面形成二氧化钛薄膜,利用薄膜对H2S气体的吸附,实现对H2S的快速响应。随着H2S浓度的增加,干涉谱出现红移,在H2S气体体积分数为0~3×10 -5的范围内,得到了7.36 pm/10 -6 的灵敏度和良好的线性度。此外,二氧化钛对H2S具有良好的选择性,响应和恢复时间分别约为50 s和65 s。该传感器具有结构简单、灵敏度高、制造方便等优点,在低浓度H2S气体的安全监测领域有潜在的应用价值。

提出了一种新型的抗弯曲大模场面积光纤方案——双沟槽辅助型扇形瓣状光纤。与传统的扇形瓣状光纤及单沟槽辅助扇形瓣状光纤相比,该结构具有更大的模场面积和更好的高阶模抑制能力。研究结果表明:在弯曲半径为20 cm,波长为1.55 μm时,光纤的有效模场面积可达1096 μm 2,高阶模与基模损耗比大于100;此外,所提出的光纤对弯曲方向不敏感,弯曲方向在[-180°,180°]范围内变化时,光纤性能保持稳定。

针对传统的单幅图像去雾算法容易受到雾图先验知识制约及颜色失真等问题,提出了一种基于深度学习的多尺度卷积神经网络(CNN)单幅图像去雾方法,即通过学习雾天图像与大气透射率之间的映射关系实现图像去雾。根据大气散射模型形成雾图机理,设计了一个端到端的多尺度全CNN模型,通过卷积层运算提取有雾图像的浅层特征,利用多尺度卷积核并行提取得到有雾图像的深层特征,然后将浅层特征和深层特征进行跳跃连接融合,最后通过非线性回归得到雾图对应的透射率图特征,并根据大气散射模型恢复出无雾图像。采用雾图数据集对该模型进行训练测试。实验结果表明,所提方法在合成有雾图像和真实自然雾天图像的实验中均能取得良好的去雾效果,在主观评价和客观评价上均优于其他对比算法。

为了克服指向光源裸眼三维显示器光源结构复杂的问题,研究了一种侧面发光塑料光纤(POF)阵列背光源的设计和制作方法。通过分析侧面发光POF阵列和柱面微透镜阵列组成的定向成像光路,得到了侧面发光POF阵列的排布公式。实验制作了一种用于指向光源的侧面发光POF阵列,测量了指向光源的串扰度。结果表明,在设计的视区最佳距离530 mm处,横向-200~200 mm区域内的最低串扰度可达1%以下。最后分析了柱面透镜像差、POF阵列光纤错位和视区视角增大对POF阵列指向光源串扰度的影响。

现有三维显微粒子图像测速系统在获取示踪粒子空间位置时需要扫描或多视角成像,导致系统复杂,无法实现微尺度流动瞬态三维速度场测量等问题,为此,提出一种基于微透镜阵列的光场显微粒子图像测速技术。该技术利用单个相机一次曝光即可获取微流场中示踪粒子的瞬时光场信息,进一步结合基于波动光学理论的光场显微成像的点扩展函数模型,用反卷积算法重建出微尺度流场中示踪粒子的瞬时空间位置分布。分析讨论了重建分辨率和空间位置误差,并开展了微尺度流场重建实验研究,验证了光场显微成像微尺度流场重建方法的可行性。

建立了用数字微镜器件(DMD)作为显示器件的目标模拟系统,对成像畸变进行了研究。进行系统总体设计,利用几何光学计算了DMD不同姿态方位引起的物空间深度及变形量,确定了最佳姿态。针对DMD装调问题,利用光学软件对系统进行仿真,建立了畸变检测模板和算法,分析DMD姿态角的装调误差可知,0.3°俯仰角或方位角偏差引入的畸变约为1.3%。最后在设计和仿真结果的指导下,完成了系统实验光路的建立,实验结果表明,系统最大视场的平均畸变为0.385%。

S变换轮廓术是一种采用无损可逆时频技术来获取物体三维面形的方法。该方法利用S变换的多分辨率特性,从单幅条纹中高精度地提取相位信息,重建物体的三维面形。分析了影响S变换轮廓术精度的因素,提出采用分段均值和曲线拟合的方法来抑制条纹背景分量,在S变换核函数中引入调节因子来进一步提高S变换的时频分辨能力。模拟和实验均验证了所提方法能更准确地得到S变换系数,提高物体三维面形的重建精度。

针对传统重建算法对火焰重建精度低、重建速度慢的问题,提出了基于正则先验的全变差代数迭代(ARTTV)算法,以提高对称与非对称火焰的重建精度。同时,为了提高重建速度,建立了基于“ARTTV-粒子群算法(PSO)内核”的极限学习机(ELM)神经网络,该神经网络具有与迭代算法近乎相同的重建能力,同时又具有超过迭代算法约300倍的重建速度。

提出一种基于中阶梯光栅和数字微镜器件(DMD)的高分辨率C波段可调谐光纤激光器。利用DMD的灵活波长调谐性能和中阶梯光栅的高分辨率特性,在该激光器中设计了具有交叉色散结构的光路准直系统,实现了激光器高精度波长调谐功能。研究结果表明:通过在DMD上远程加载全息图,该激光器可实现1542~1558 nm波长范围内的灵活调谐,调谐精度为0.036 nm,输出信号的3 dB线宽小于0.02 nm,边模抑制比超过40 dB。在室温下,1 h内信号中心波长的漂移小于0.013 nm,功率涨落小于0.07 dB。

金属增材制造产品的材料特性相对于传统制造工艺的有所不同,故原有超声无损检测方法不再适用。为探索金属增材制品的超声无损检测特性,提高超声无损检测精度,采用激光熔化沉积工艺并以TA15钛合金作为材料,制作具有相同外形尺寸、不同激光功率和搭接率的检测样块。使用相控阵超声设备对比分析了不同工艺参数下该材料的接触式超声波纵波灵敏度和声速。结果表明:激光功率对超声检测灵敏度影响较大;成形方向和工艺参数对超声声速有影响,其中成形方向影响较大。因此,对比试块的材料和工艺参数应与待检件相同,检测时需对待检件每个检测方向的声速分别进行标定。

为了在红外与可见光图像融合中充分利用中间层提取的信息,防止信息过度丢失,提出一种新的基于卷积自编码器和残差块的图像融合方法。该方法采用由编码器、融合层和解码器三部分组成的网络结构。将残差网络引入编码器中,将红外与可见光图像分别送入编码器后,通过卷积层和残差块来获取图像的特征图;将得到的特征图采用改进的基于L1-norm的相似度融合策略进行融合,并将其整合为一个包含源图像显著特征的特征图;重新设计损失函数,利用解码器对融合后的图像进行重构。实验结果表明,与其他融合方法相比,该方法有效地提取并保留了源图像的深层信息,融合结果在主观和客观评价中都有着一定的优势。

现有的工业摄影测量系统通常需要在被测物表面布设一定数量的编码点,但是许多工业产品表面并不具备布设编码点的条件。为此,提出一种无需布设编码点的工业摄影测量的实现方法。该方法只需利用一台向被测物投射散斑纹理的投射装置、一把恢复尺度的标尺,以及一台能对被测物体多角度拍摄的相机。为了完成高精度的多视图几何框架的求解,采用一种“由粗到精”的两步重建策略,并提出一种带旋转补偿的数字图像相关(RFDIC)方法来解决大旋转角度图像间的高精度匹配问题。实验结果表明,RFDIC方法对标尺长度测量的误差小于0.01 mm/m,与最新商用的三维测量系统点云重建算法相比,二者的误差约为0.055 mm,满足工业摄影测量的精度要求。

针对现有的非重叠视场多相机系统标定方法复杂的问题,提出了一种基于空间约束的非重叠视场相机精确标定方法。将多个小靶标分布在各自相机的视场中,拼接成大的标定平面,采用大视场相机对固连靶标进行平面测量,求得标定板之间的位置关系,作为相机之间的关**数;通过非重叠视场相机分别获取视场区域中的小靶标,依据空间约束条件,构建相机之间的重投影误差函数,采用Levenberg-Marquardt算法进行非线性优化,获取优化后的非重叠视场相机之间的转换矩阵。实验结果表明,所提出的全局标定方法在X轴和Y轴方向上的重投影误差分别为0.33 mm和0.57 mm,具有较高的精度和稳定性,可以实现非重叠视场相机的精确标定。

用超短脉冲抽运高非线性硫系玻璃光波导是产生宽带中红外超连续谱的重要途径,超连续谱的输出平均功率主要受材料激光损伤阈值(LDT)的限制。为了阐明硫系玻璃的LDT与玻璃化学组成的关系,以及不同重复频率超短脉冲辐照下对应的损伤机理,以脉冲宽度为216 fs、中心波长为1030 nm、重复频率为1~1000 kHz的激光为辐照源,对Ge-Sb-S硫系玻璃进行激光辐照,研究了玻璃的激光损伤特性。结果表明:玻璃的LDT随辐照源重复频率的增大而减小;具有较高平均键能的玻璃表现出了较高的LDT,化学计量配比的玻璃具有最优的抗激光损伤性能;当辐照脉冲的重复频率在10 kHz以下时,损伤主要由雪崩电离引起;相比之下,当辐照脉冲的重复频率超过10 kHz时,热积累变得显著,会促进玻璃的损伤。

有机-无机金属卤化物钙钛矿材料具有可溶液加工性、良好色纯度和发光波长易调节等优点,易于制备低成本高分辨率的发光显示器件。研究了包含甲基胺(MA +)和乙基胺(EA +)的混合阳离子钙钛矿材料,其发光波长可以通过改变MA +和EA +的比例进行调节。混合EA +可以显著降低材料缺陷态密度,提高发光量子产率和光稳定性。采用该材料制备的绿光器件的最大外量子效率为7.7%,功率效率为25.1 lm·W -1,分别为MAPbBr3器件的1.9倍和1.7倍,器件稳定性有一定程度的提高。

提出将百分位半阈值匹配追踪法(PHTPA)应用于生物发光断层成像(BLT)这一光学分子成像模态领域。将BLT光源重建为一个L1/2范数正则化问题,在迭代半阈值算法(HTA)的基础上,结合子空间跟踪和百分位阈值法对其求解。在数字鼠模型上设计多组仿真实验,对改进的半阈值算法进行有效性和收敛性的评估。仿真结果表明,与原有的HTA和迭代重赋权算法相比,PHTPA在不同光源设置下都能得到更为准确的重建结果。

设计了一个可同时在3~5 μm中波红外(MWIR)和8~11 μm长波红外(LWIR)成像的非制冷双波段红外光学系统。该系统由4片透镜组成,有效焦距为21 mm,F数为2.6,其中第4表面为Q-type非球面,透镜材料采用Ge和Ge10As40Se50硫系玻璃,对系统进行优化设计使之达到无热化效果。设计结果显示此系统在-40~60 ℃范围内成像质量良好,调制传递函数接近衍射极限。在设计参数和初始结构相同的情况下,设计了一个包含偶次非球面的光学系统,并对这两种光学系统进行比较分析。结果表明:Q-type非球面在光学系统设计过程中具有较大优势,其校正像差的能力更强,面形与最佳拟合球面的偏离量更小,有利于提高加工精度和效率。

以100 W向下照射的LED灯为研究对象,计算了在单纯导热、热辐射和导热耦合以及对流、热辐射和导热耦合3种情况下透镜的温度及热应力分布,并对透镜外表面特征点的温度变化进行了测量。研究了透镜封闭腔内空气热对流和表面热辐射对透镜温度分布的影响,分析了表面发射率对透镜中心温度的影响以及热膨胀系数对最大热应力的影响。实验结果表明:热对流对透镜温升的影响不足1%,热辐射对透镜中心温升的影响为13.3%。透镜中心温度随光源及透镜表面发射率近似呈线性变化,最大热应力也随热膨胀系数呈线性变化。最大热应力集中在透镜的边角处,而最大变形总位移却位于透镜中心。因此,在大功率LED透镜设计过程中,在满足光学要求的前提下,可考虑涂覆低发射率的涂层来降低透镜温度。同时,为减小热应力及热变形,应尽量避免边角结构,选择热膨胀系数较小的材料。

由于受到外界环境的影响,卫星表面常常呈不规则的褶皱状,这会对其光学特性产生一定影响。故空间目标光学特性建模研究需要将表面褶皱考虑在内,但大量褶皱面元的存在会导致运算量剧增。在此将褶皱看作一种材质,提出基于宏观光学散射截面测量的双向反射分布函数(BRDF)生成方法,求得褶皱材质的BRDF数据,进一步利用误差逆传播(BP)神经网络建立了褶皱材质的BRDF模型,代替了复杂的褶皱建模过程,大大简化了计算,在保证精度的前提下解决了其实时性差的问题。同时,通过实验与仿真相结合的方式,将所设计的BRDF模型与传统BRDF模型进行对比,验证了所设计模型的误差远小于传统模型。

采用谱相位调制的方法,在理论上提出可调谐非傍轴自加速光束的产生方法,并通过实验对该理论进行验证。利用驻相近似和光学焦散线原理建立了谱相位与光束传输轨迹之间的数学模型。理论模拟和实验结果表明所提方法突破了传统傍轴近似的限制,产生了非傍轴自加速光束。这类轨迹灵活可控的自加速光束在光学微粒操纵、微粒运输和引导、超分辨成像等领域具有潜在的应用价值。

采用多通道式热红外辐射计CE312开展敦煌辐射校正场红外特性的研究,通过测量场地目标和红外标准板获取地表辐射亮度和大气下行辐射亮度,再采用多通道温度与发射率分离算法得到场地通道发射率和场地温度,最后利用最优偏移量法得到场地发射率光谱;将其与利用102F傅里叶变换红外光谱仪对相同目标区域进行测量,并采用光谱迭代平滑温度与发射率分离算法分离出的结果进行比较,两种算法获得的通道发射率最大偏差在0.011以内,场地温度偏差在0.104 K以内,说明采用多通道式热红外辐射计可以实现场地温度和发射率的分离,获得高精度的热红外场地参数。本试验为基于敦煌辐射校正场开展卫星遥感器热红外波段场地自动化观测绝对辐射定标提供了参考。

针对场地辐射定标方法难以覆盖遥感器动态范围的问题,提出基于多种反射率呈线性的宽动态目标的高分辨率光学卫星相机在轨辐射定标方法。以地面同步的实际测量代替气溶胶散射特性假设,采用线性回归法分离宽动态目标反射辐射与程辐射、地-气耦合辐射及暗电流等背景辐射,在简化辐射传输计算的同时降低对背景环境的要求,实现星载高分辨率遥感器全动态范围定标与响应线性检测。试验结果表明:光学卫星相机基于宽动态目标的在轨辐射定标方法的不确定度小于3.6%,与反射率基法定标结果之间的差异小于5.5%,反演的地物反射率及辐亮度与实测值之间的误差均小于6%,验证了在轨辐射定标方法的有效性,该方法可以满足复杂环境条件下高精度在轨定标的应用需求。

为满足瑞利高光谱激光雷达对脉冲激光发射单元频率稳定性的需求,提出基于分子吸收的脉冲激光锁频方法。基于碘分子吸收光谱原理,采用GHz量级峰值保持电路、比例积分微分(PID)(proportional integration differential控制算法和精度为±0.02 K的控温系统,构建一套脉冲激光锁频系统。首先,利用BBO(β-BaB2O4)晶体倍频的532 nm连续激光测量精确温控的碘分子吸收池,获得其1109线在不同温度下的吸收光谱,进而确定了鉴频曲线;其次,利用鉴频曲线的拟合方程获得通过碘分子吸收池后脉冲激光能量变化与频移量之间的定量关系及测量灵敏度;最后,利用PID控制算法对比频率设定值与频移量之间的差异,将该差异以电压形式反馈于种子激光器,通过种子激光器的频率改变补偿脉冲激光的频率漂移,继而实现脉冲激光的动态锁频。实验结果表明:在25 min内脉冲激光的频移小于±2.2 MHz,瑞利高光谱激光雷达测风误差小于±0.6 m/s,测温误差小于±0.5 K。

鉴于2次谐波外的其他谐波成分中依然蕴含着浓度信息,提出了基于2次+4次谐波、2次+4次+6次谐波、2次+4次+6次+8次谐波的三种浓度反演方法,推导出各自的气体浓度反演表达式,评估了所提反演方式对应的最佳调制度,分析了气体浓度检测系统中噪声干扰的主要存在形式,在理论上证明了所提出的联合多次谐波分析方法可以显著提升噪声抑制能力,并给出了用于参考的实验方案。仿真结果表明:与基于2次谐波峰值的浓度反演方法相比,2次+4次谐波可以使浓度反演误差降低31.38%,2次+4次+6次谐波可以使浓度反演误差降低42.03%,2次+4次+6次+8次谐波可以使浓度反演误差降低47.45%。

针对毛刺的实时检测校正需求,提出一种基于滤波和预定义阈值检测的干涉数据毛刺实时检测校正方法,并给出了基于现场可编程门阵列的硬件实现。在使用较少硬件资源的情况下,所提方法可实现较高的检测精度,能有效检测出干涉数据中央条纹区可能存在的毛刺,可满足星上数据等实时处理的应用需求。

对同型半胱氨酸的太赫兹特征吸收光谱进行分析。首先使用密度泛函理论分析同型半胱氨酸分子的振动和转动模式,确保其理论吸收峰位于太赫兹光谱系统可测试范围内;然后,基于太赫兹时域光谱系统测量不同浓度同型半胱氨酸的特征吸收光谱,结合线性拟合方程精确反推出待测同型半胱氨酸的浓度。这些结果对于临床医学中同型半胱氨酸相关疾病的快速准确诊断具有重要意义。

红提的糖度和硬度是评价红提品质的重要指标,探究了基于高光谱成像技术的红提糖度和硬度的无损检测方法及最佳预测模型。在红提果粒的三种放置模式(横放、果柄侧朝下、果柄侧朝上)下,分别采集213个样本在400~1000 nm波长范围内的高光谱图像,对比分析光谱采集的最优模式;然后在最优采集模式下对光谱进行预处理;应用遗传算法(GA)、连续投影算法(SPA)、竞争性自适应重加权(CARS)算法和无信息变量消除法(UVE)针对原始光谱提取特征波长;结合化学计量学方法分别建立基于全光谱和特征波长的偏最小二乘回归(PLSR)、最小二乘支持向量机(LSSVM)和随机森林(RF)的红提糖度、硬度的无损预测模型。结果表明:基于RF建立的糖度和硬度模型的效果较优;预测糖度的最优模型为遗传算法优化的随机森林(GA-RF),其校正集相关系数(Rc)、预测集相关系数(Rp)分别为0.969、0.928,校正集均方根误差(RMSEC)、预测集均方根误差(RMSEP)分别为0.266、0.254;预测硬度的最优模型为基于移动窗口平滑结合连续投影算法优化的随机森林(MA-SPA-RF),其Rc、Rp分别为0.961、0.932,RMSEC、RMSEP分别2.119、1.634。研究结果表明基于高光谱成像技术预测红提的糖度和硬度是可行的。

根据光子晶体(PhCs)提升闪烁体光输出的作用原理,向5 μm厚硅酸钇镥(LYSO)闪烁体的光出射面引入4种不同结构的光子晶体,以提升闪烁体探测器的探测性能。4种PhCs构型分别为六边晶格空气孔型、正方晶格空气孔型、正方晶格圆柱型、正方晶格长方体型。结合Rsoft和MATLAB软件,通过对光子晶体周期、比例、高度三个参量的扫描,得到了每种类型光子晶体的最佳结构参数。模拟结果表明:在LYSO晶体发光中心波长为420 nm的条件下,每种优化后的光子晶体对LYSO的光输出都有一定程度的提升,且六边晶格空气孔型光子晶体对光输出的提升最大,高达17.1945%。

提出了一种基于非视觉和视觉效应的光谱重构解决方案,以实现健康照明的理念。建立了四通道光谱重构计算模型,利用该模型根据生理节律因子、色品坐标和照度直接求解脉冲宽度调制的占空比。设计了一种可远程控制的光谱可重构的发光二极管光源,用以实验验证。讨论了生理节律因子和显色性指数的可调谐性,为相关参数的选择提供了理论指导。实验结果表明,测量值与理论值之间的相对误差较小。此外,计算模型能够指导同一色品坐标上的光谱重构,以实现生理节律因子和显色性指数的调控。因此,计算模型能良好地指导光谱重构。该研究为下一代健康照明光源的设计提供了有益参考。

通过在虚拟三维空间中构建基于双目视差和运动像差的不同深度的柱形面,使被试者在三维空间中行走运动,采用心理物理学的固定值刺激法,获取被试者在不同观察距离下基于双目视差线索、运动像差线索,以及两种线索同时作用时的深度感知数据,研究双目视差线索和运动像差线索对人眼深度感知的影响。结果表明:在不同的观察距离下,双目视差线索和运动像差线索对人眼的深度感知有不同的影响;在远距离观察条件下,运动像差线索对深度感知的权重比在近距离观察条件下大;而在近距离观察条件下,两种线索同时作用时对深度感知没有促进作用,并且运动像差线索对深度感知的作用较小。

为了方便、快捷地进行素面彩虹全息材料的光栅常数测量,选用颜色测量领域常用的分光光度计(环形光照明)和扫描设备,在0°~90°范围内,固定测量点,旋转彩虹全息材料,进行不同素面彩虹全息材料的光谱能量信息和图像信息采集。研究发现随着旋转角度的变化,在0°~45°和45°~90°两个范围内采集到素面彩虹全息材料的光谱能量和图像颜色信息呈周期对称变化。由光栅方程的计算得出,在素面彩虹全息材料其正方形栅格的边长和对角线方向具有两个不同的有效光栅常数。研究结果与高倍数显微设备测量结果具有较好的一致性。测量结果可为检验光柱和素面彩虹全息材料的微观结构提供一种理论计算依据。

X射线强度关联干涉测量为实现高分辨率脉冲星信息获取提供一条可行的技术途径,但现有的X射线探测器能量分辨率有限,探测到的X射线信号有一定能谱展宽,从而导致测量精度降低。为解决这一问题,基于不同能量相干曲线之间的缩放关系,提出一种强度关联干涉测量能谱展宽校正方法。通过仿真分析了校正前后的测量误差,探讨噪声对该校正方法的影响,并进行了可见光波段的模拟干涉测量实验,结果表明校正后的测量值与理论值相符,从而验证了该方法的有效性。

利用上海同步辐射光源扫描显微光束线站(08U1A)搭建了一套基于荧光发射的低原子序数吸收谱的测量系统,探索部分荧光产额(PFY)的吸收谱方法在软凝聚态(低原子序数元素,原子序数Z<10)和半导体领域的可行性及适用性。以含低原子序数元素的四氟化碳(CF4)气体和半导体样品甲胺铅碘(CH3NH3PbI3)为研究对象验证了PFY吸收谱方法在该系统上的可行性,并确定其样品浓度的测量下限。