针对海洋信道中多重散射导致的以脉冲响应为特征的激光脉冲时延展宽问题,采用蒙特卡罗模拟方法和Gamma函数,构建了水下无线激光传输脉冲响应模型。分析海水的光学特性,提出一种多Gamma函数模拟水下信道脉冲响应的闭合表达式。理论分析和建模结果表明:该模型采用4个Gamma函数表示激光脉冲在水下的传输过程,即由于散射作用强弱差异产生的4条长度不同的路径。其中前3条以散射级数低、光程较短的准弹道光路径为主,最后1条为散射级数高且多重散射光占主体的路径。同时通过对比验证了所提模型的准确性和优异性,采用该模型对不同系统参数下激光传输脉冲响应进行建模,其结果很好地描述了激光脉冲水下散射特性和脉冲时延展宽特性。

利用矢量辐射传输的蒙特卡罗法,研究了球形和平面平行大气模式下冰云大气反射率的差异,并计算了三种波长(0.65, 0.85,1.55 μm)在大天顶角(85°)入射时,冰云大气的偏振辐射传输特性随不同冰晶粒子模型、光学厚度、有效半径、冰水含量、相对方位角和地表反照率的变化关系。结果表明:冰云大气反射率在两种大气模式下的误差随天顶角的增加而增大,误差可达55%。在球形大气模式下,对于不同波长、冰晶粒子模型和相对方位角,冰云大气反射率的差异较大,且冰云大气偏振度的变化更加复杂。冰云大气反射率和偏振度对冰云光学特性和地表反照率的变化也较敏感,随光学厚度、冰水质量浓度和地表反照率的增加,冰云大气反射率增加,偏振度减小,而随着有效半径的增加,冰云大气反射率减小,偏振度增加。

研究余弦-高斯相关谢尔模型(CGSM))脉冲光束经准均匀介质散射的相干特性,得到远场处散射场时间相干度的解析表达式。讨论脉冲参数和介质特性对散射场时间相干度的影响。数值计算结果表明,余弦阶数对散射场时间相干度分布有着重要影响。对比研究高斯谢尔模型脉冲光束和CGSM脉冲光束的相干特性,详细分析两者间的异同点。

通过抑制微波光子链路中的非线性失真因子可以提高MPL的带宽和无杂散动态范围(SFDR)。提出了一种基于双电极马赫-曾德尔调制器和平衡探测的线性化方案,该方案结合了相位控制,优化偏置电压以及平衡探测技术,理论分析结果显示,系统可消除二阶谐波失真(HD2),抑制三阶交调失真(IMD3)和五阶交调失真(IMD5)。利用OptiSystem软件进行了仿真分析,结果显示:二阶交调失真和HD2被完全消除,IMD3和IMD5被抑制在基底噪声以下,其中,IMD3被抑制约45.76 dB,三阶SFDR达到114 dB·Hz 2/3,五阶SFDR达到137.97 dB·Hz 4/5。

研究亚波长负折射光栅透镜的柱矢量光束聚焦效应,探索并分析光栅的材料、几何参数等对聚焦效果的影响。亚波长光栅的-1级衍射效应可实现等效负折射现象,结合等光程原理可设计出聚焦平凹镜。利用柱对称坐标系下的有限元算法,分析不同材料折射率、不同等效负折射率、不同预设焦距对实际聚焦效果的影响。结果表明:材料折射率能影响聚焦场的能量效率;等效负折射率为-1时,焦点尺寸最小;预设焦距越小,焦点尺寸越小。聚焦场中纵向电场的比例是影响聚焦场横向尺寸的决定性因素。因此,合理设定光栅负折射率、材料折射率,优化负折射光栅平凹镜设计,能够获得优化的聚焦效果。本工作为柱矢量光束聚焦场调控及相关领域的微纳结构设计提供了参考。

提出一种基于相位差异法的衍射光学系统波前反演误差分析方法。从衍射光学系统波前反演模型出发,分析了产生波前反演误差的物理因素;对各影响因素进行了理论建模,建立了衍射光学系统波前反演误差分析方法。以某衍射光学系统为应用实例,分析了各因素对波前反演误差的影响规律,并验证了误差分析模型与方法。实验结果表明,模型分析结果与实际误差之间的平均偏差小于13.5%,可为衍射光学系统的空间应用提供支撑。

针对几何映射理论不考虑衍射效应,无法得到精确的输出光束,且输出光束存在严重振铃效应的问题,提出一种设计衍射光学元件的新算法。设置一个用于反映衍射效应的参量,通过迭代的方法确定该参量的最佳取值,再用改进的Gerchberg-Saxton(GS)算法对初始相位进行修正,最终得到所需衍射光学元件的相位分布。该算法与传统GS算法相比,能有效抑制散斑和振铃效应,得到均匀性更好的输出光束。

提出一种用于相干光正交频分复用系统的公共相位噪声补偿算法。该算法采用二维投影直方图的公共相位噪声盲估计方法,并充分结合了基于导频的相位噪声估计方法,实现了对公共相位噪声的有效补偿。利用少量的梳状导频对频域符号的公共相位噪声进行初始估计和补偿;再将初始补偿后的频域符号的星座图映射到二维数字图像,利用二维投影直方图进行更精细的公共相位噪声补偿。为了验证算法性能,搭建了基于MATLAB和OptiSystem的20 Gbit/s仿真系统,并在标准单模光纤中传输50 km。结果表明,该算法能有效解决投影直方图盲估计算法以π/2为周期的偏差问题,而且仅需少量的导频就能实现比传统导频辅助算法更高的误码性能。

提出一种基于过零率特征提取的多类别入侵事件识别方法,该方法对采集的入侵信号进行分段处理,并将每一段的过零率作为模式分类器的输入特征向量。使用Matlab编写支持向量机(SVM)分类识别算法,对大量入侵数据进行分类训练并保存模型参数,当外界有入侵时对新的未知事件进行特征向量提取并输入训练好的支持向量机模型中可以实现高效率高准确度模式识别。搭建了Michelson光纤周界安防系统,在户外围栏敷设2 km长的光缆进行实验验证。对剪切光缆、攀爬围栏、晃动围栏、敲击光缆和无入侵等5种不同的事件各取120组共600组实验。经实验验证,本方法可以快速并准确地识别这5种常见的事件信号。平均识别率达到97%,识别响应时间在0.1 s以内。

基于干涉型光纤水听器技术,设计实现了外径为20 mm的光纤光栅型拖曳水听器阵列。首先利用多波长光纤光栅连续刻写技术实现了单纤“无熔点”的光纤水听器阵列,水听器单元的平均声压灵敏度达到-143.9 dB,起伏幅度小于3 dB。利用弱反光栅组阵技术抑制了光栅阵列中的串扰噪声,串扰噪声抑制达到53 dB;利用三路偏振分集接收技术消除了阵列中的偏振衰落噪声。最终制作了外径为20 mm的32元光纤光栅拖曳水听器阵列。

采用一种“士”字形梁增敏结构,通过改变质量块的质量和重心位置,设计了两种规格的光纤光栅(FBG)振动传感器。对其灵敏度与谐振频率进行了推导,并在此基础上进行了结构优化设计和有限元仿真。根据理论和仿真分析制作了传感器实物,对其进行了实验测试。实验结果表明:传感器1的稳定工作频带为20~80 Hz,加速度灵敏度为120.3 pm·g -1,谐振频率为237.5 Hz;传感器2的稳定工作频带为50~200 Hz,加速度灵敏度为32.9 pm·g -1,谐振频率为639 Hz。这两种传感器的测量线性度均在99%以上且有较强的横向抗干扰能力,能满足不同频段对振动加速度检测的要求。

提出一种基于简化扩展卡尔曼滤波(EKF)的低复杂度、双偏振载波相位恢复算法,记为XY-EKF算法。XY-EKF算法通过估计并补偿两个偏振态之间的相位偏移,只利用X偏振态的实部和Y偏振态的虚部(或X偏振态的虚部和Y偏振态的实部)对两个偏振态进行相位恢复,减少了卡尔曼滤波所需的信号分量。XY-EKF算法能够在保持估计准确度的前提下降低算法的复杂度。将XY-EKF算法应用于传输速率为224 Gbit/s的双偏振16QAM相干光传输系统,仿真结果表明,当激光器线宽和信号码元周期乘积分别为10 -5和10 -4时,XY-EKF算法与经典EKF算法具有等同的性能表现,而其复杂度相比经典EKF算法降低了1/3。在光信噪比一定的条件下,当误码率为3.8×10 -3时,XY-EKF算法的线宽容忍度比经典EKF算法提升了1 MHz。

利用光谱展宽演化监测系统,观察光纤出射光的偏振消光比与光谱展宽的相关性。通过测量、比较和分析三根拉锥光子晶体光纤的寿命,可知光纤纤芯中存在对抽运光的四光子吸收过程,验证了拉锥光子晶体光纤光谱展宽性能退化是由光纤纤芯中多光子吸收效应产生的色心缺陷导致的。提出改用低光子能量的光源以大幅减缓多光子吸收效应的方案,并通过实验证实了使用1040 nm波长的抽运光可以有效延长拉锥光子晶体光纤的光谱展宽寿命。

针对集成成像技术视角窄的问题,提出了一种在集成成像计算重构中增大视角的方法。根据集成成像原理,利用相邻元素图像之间的相似性,对相邻元素图像单元进行配准、拼接,扩大每个微透镜对应的元素图像区域,以减少重构时所提取像素超过元素图像区域的情况发生,从而扩大了计算重构完整3D图像的视角。相比传统方法,本文方法在观看方向偏离光轴较大,超过传统视角一定范围时,元素图像也可以通过对应的微透镜进行正确合成,但由于计算重构时增加了相邻元素图像的配准、拼接过程,因此计算时间有所增加。

为了有效估计雾霾图像的透射率并改善去雾图像偏暗的问题,提出一种结合卷积神经网络与动态环境光的图像去雾算法。设计了基于卷积神经网络的透射率估计网络,构建包含配对的真实雾霾图像与透射率图像库,对其进行随机块采样,得到配对的雾霾图像块与透射率图像块,并将其作为训练集用于训练透射率估计网络;使用训练好的网络估计雾霾图像的透射率,并进行平滑滤波。考虑到图像成像时光照不均的问题,使用动态环境光替代全局大气光。使用平滑滤波后的透射率和动态环境光进行图像去雾。实验结果表明,该算法不仅可以有效实现图像去雾,而且提高了去雾图像的亮度和饱和度。

针对红外与可见光图像融合细节信息不够丰富、易出现伪影等问题,提出了一种结合脉冲耦合神经网络(PCNN)与引导滤波的红外与可见光图像融合方法。改进传统PCNN模型结构,在脉冲产生单元加入抑制项,避免像素重复点火对点火时间矩阵带来噪声;以原图为引导图像对点火时间矩阵T进行引导滤波,得到兼具显著信息与边缘细节信息的多区域加权划分矩阵;基于该多区域加权划分矩阵,对红外与可见光图像进行加权融合。同时,根据PCNN数学模型点火行为分析,提出了一种包含约束的PCNN模型参数设置方法,可降低PCNN模型参数设置的复杂度。实验结果表明该融合方法具有较高的融合效率,同时融合图像细节信息丰富,无明显伪影,交叉熵、空间频率指标相对于当前常用融合方法均较优。

为了提高聚焦形貌恢复技术的重建精度,寻找最优的聚焦形貌恢复算法,提出一种图像离焦仿真技术,用于对聚焦形貌恢复算法的精度进行评估。绘制一个三维模型,并选择一幅纹理图,根据图像分辨率对模型表面进行等间距点采样,生成有序点云数据。对通过点采样获取的数据进行处理并映射纹理,生成一组理想的或者包含噪声的序列仿真图像。利用得到的序列图像对聚焦形貌恢复算法进行实验验证,将生成的深度数据与点采样得到的真实深度数据进行对比以准确地评价算法的质量。研究结果表明,图像离焦仿真技术能够有效评价聚焦形貌恢复算法的质量,并有助于寻找更稳定、精度更高的算法。

基于正弦相位调制的全深度复频域光学相干层析成像技术,具有镜像抑制效果好、速度灵敏度高、能在信噪比最高的零光程差位置附近成像的优点,在多普勒成像领域得到了一系列应用。然而,该技术不适用于运动速度较高的样品。为此,提出一种基于差分相位解析的复频域多普勒光学相干层析成像技术。对二维干涉谱信号进行傅里叶变换得到干涉层析信号后,利用相邻干涉层析信号的差分相位重建复层析信号,对其进行相位解调,得到全深度层析图像和多普勒图像。仿真和实验结果表明,该技术能降低高速运动对时间频谱各分量展宽的影响,得到更加准确的多普勒相移和更大的速度探测范围。

针对传统水下偏振差分成像模型在图像处理过程中出现失真的问题,提出改进的水下偏振差分成像模型。该方法通过增加目标透射光辐射强度的反演过程,同时引入修正参数,对目标透射光辐射强度进行校正,有效避免了传统水下偏振差分成像模型中由全局参量直接反演场景图像造成的图像失真和局部灰度值为负数的情况。利用FD-1665偏振成像仪,开展基于线偏振光主动照明的水下目标成像探测实验,获取偏振图像数据,并利用客观图像质量评估参数对处理结果进行对比分析。结果表明,改进后的模型相较于传统偏振差分模型,图像对比度提高了40%以上,故改进后的偏振差分成像模型能更有效地识别水下目标。

下一代地基或天基大型望远镜系统多采用拼接式主镜实现。受多个误差源的干扰,拼接式主镜中的子镜面容易偏离设计位置而发生刚性失调,其中,子镜沿着光轴方向的piston误差和绕子镜面内旋转轴的tip/tilt误差尤为突出,对拼接式主镜系统的成像质量产生了严重的影响。从统计的角度出发,解析研究了由piston误差及tip/tilt误差导致的失调非连续波前的统计特性;推导了失调拼接式光学系统的像场质心;基于Maréchal近似,结合失调波前的统计特性,计算了斯特列尔比。研究结果进一步丰富了人们对拼接式成像系统性能的理解。

提出一种基于波导理论的针孔点衍射波前分析方法。该方法将针孔作为圆形波导,采用解析法求解波导的模式进而得到针孔后端面电场分布;根据矢量衍射理论推导出衍射波前的远场分布,最后详细分析了针孔透光率、衍射波前的强度与相位。结果表明,波导边界条件使针孔后端面各电场分量旋转不对称,使像散成为衍射波前的主要像差。为使透光率大于0,针孔直径必须大于0.6λ(λ为波长),以保证针孔中存在满足波导传输条件的模式。衍射波前两电场分量振幅分布的不同使衍射波前强度分布不具有旋转对称性,两者的相位差使衍射波前成为椭圆偏振光。该仿真结果为点衍射干涉仪中针孔结构的设计提供了重要的参考。

对我国自主研发的偏振扫描仪(POSP)开展了偏振探测实验,主要包括地面实验和航空校飞实验。其中,地面实验是对天空进行扫描,可获取天空的偏振度和辐亮度数据;而航空校飞实验是对地表进行扫描,可获取地表的偏振度和辐亮度数据。为了和POSP获取的偏振辐射数据进行对比分析,在实验过程中同时配置了1台三分束同时偏振相机进行偏振探测。结果表明,2台偏振仪器获得的偏振辐射数据具有较好的一致性,初步验证了POSP偏振探测实验数据的有效性,同时,实验获取的偏振辐射数据可为后期大气气溶胶参数的反演提供有效的支持。

受激光测距机作用距离和脉冲频率等的限制,主动测距方法无法在高空斜视远距离大区域成像模式中得以应用。针对该问题,提出了一种对同一目标区域进行多次立体成像测量的定位算法。利用机载定位系统测出平台位置、姿态信息,以及相机框架轴角信息,建立目标区域地理坐标与图像像素点间的映射关系,利用地球椭球模型求解目标初始地理信息,应用卡尔曼滤波器对数据进行自回归预测,采用蒙特卡罗法仿真分析误差对定位精度的影响。结果表明,立体成像40次后目标的定位精度优于20 m,立体成像180次后目标的定位精度优于10 m。采用飞行实验数据验证了该目标定位算法的有效性,在飞行高度为9800 m、倾斜角为78°时,立体成像40次后目标的定位精度优于35 m,可满足工程应用需求。

提出一种运用条纹光流实现物体面形测量的新技术。介绍光流法测量面形的原理,从光流的视角分析投影条纹的变化,建立平行投影条件下光流与被测面形高度及相位分布之间的理论关系。对建立的球冠几何模型进行数值模拟,验证光流法直接计算面形高度的可行性;对实际物体面形的测量与相移法测量结果对比,证明光流法能够准确恢复物面相位,并且对物面空洞区引入的噪声有较好的稳健性。不同于传统的面形测量技术,光流法仅需要二帧图像就可精确恢复高度分布或相位分布。由于光流法方法本身含有时间因子,且仅需两幅图像就能直接得到面形分布,所以比相移法更适合动态测量。

通过高频率分辨率的光矢量网络分析法测试氮化硅微环的相位特性可以实现对延时量的间接测试。但测试系统中的相位噪声、激光载波频率波动、信噪比等因素会影响氮化硅微环芯片延时谱的测量稳定度。实验分析这些因素对氮化硅微环延时谱测量的影响,并通过测试系统优化和数据处理实现了延时分辨率为10 ps、消光比分辨率为0.04 dB的高分辨率测量,为氮化硅微环在微波光子波束形成系统中的测试及应用提供了重要的参考价值。

针对半导体激光光源连续调频时光学频率呈非线性变化的问题,提出一种电流节点校正方法。建立激光器驱动电流节点与实际拍频信号极小值点位置的关系,根据实际与理想信号极值点之间的位置偏差,对电流节点参数进行补偿,经过多次迭代实现激光器的调频非线性校正。通过搭建光纤调频连续波激光干涉测距系统,利用电流节点校正法实现DFB半导体激光器的调频线性化输出,并进行测距实验。结果表明,该校正方法简单有效,测距结果标准差小于11 μm,800 mm测量范围内线性度达0.03%,可广泛应用于调频连续波干涉。

中红外可调谐激光已被广泛应用于医疗、**,以及环保等领域。利用1064 nm激光抽运磷酸钛氧钾(KTP)晶体光参量振荡器(OPO)产生2.6 μm波长可调谐参量激光。该光参量振荡器采用腔外单谐振结构,利用Ⅱ类相位匹配的方式获得了最大的非线性系数。实验实现了2.4~2.8 μm的波长调谐范围,并在155 mJ泵浦能量下,获得了最大单脉冲能量为12.6 mJ、转化效率为8.1%、光束质量为5倍的衍射极限。

对于基于深度学习的立体匹配而言,模型的网络结构对算法精度的影响很大,而算法运行效率也是实际应用中需要考虑的重要因素。提出一种在视差维度上使用稀疏损失体进行立体匹配的方法。采用宽步长平移右视角特征图构建稀疏的三维损失体,使三维卷积模块所需的显存和计算资源均降低数倍。采用多类别输出的方式对匹配损失在视差维度上进行非线性上采样,并结合两种损失函数训练模型,在保证运行效率的同时提高算法精度。在KITTI测试集上,与基准算法相比,所提算法不仅提高了精度,而且运行时间缩短了约40%。

为提高复杂情况下目标跟踪的稳健性,提出一种自适应特征更新的目标跟踪算法。对目标提取分级深度特征和手工设计特征,通过不同线性组合方式进行多特征融合,构建多个融合特征器;对不同融合特征器进行可信度判定,选择可信度最高的融合特征作为当前帧的跟踪特征,构建位置相关滤波器,预测出当前帧的目标位置;对跟踪结果进行可靠性检测,可靠性低于阈值则启动融合特征器更新机制,加入时序信息和语义信息进行重跟踪,降低了模型的误差累积。在OTB-2013和OTB-2015数据库上进行测试,结果表明,与近年来比较流行的9种算法相比,提出的算法在快速运动、背景杂波、运动模糊、形变等复杂情况下具有较高的成功率和较好的稳健性。

针对头部姿态变化较大、脸部遮挡等情况下,由面部特征类型多样和尺度不同造成的面部特征点检测准确度较低的问题,提出了一种面部分组特征线条化和点热图回归相结合的人脸特征点检测方法,并设计了两段式堆叠沙漏网络深度学习模型来实现图像特征分析与特征点定位。利用提出的方法开发了检测算法,并利用该领域几个典型的公共图像数据集,将所提方法与其他方法进行实验对比。结果表明,提出的方法可以适应姿态变化和脸部部分遮挡的应用,相比其他方法,具有检测误差较小、人脸面部特征点检测准确度较高的优势。

采用高温固相法合成Sr5MgLa2-x-y(BO3)6∶xBi 3+, yM (M=Eu 3+, Y 3+) (0≤x, y≤1)系列荧光粉。用扫描电镜和X射线粉末衍射仪测量样品的形貌和结构,用紫外可见分光光度计和荧光光谱仪测量样品的发光性能。结果表明:在该掺杂浓度范围内,样品为纯相;在波长为339 nm光的激发下,Sr5MgLa2-x(BO3)6∶xBi 3+具有峰值位于431 nm的单峰蓝光发射,为掺杂Bi 3+的 3P1→ 1S0跃迁,猝灭浓度为x=0.24;随着Y 3+浓度增大,Sr5MgLa1.76-y(BO3)6∶0.24Bi 3+, yY 3+荧光粉的发射峰强度增大,激发峰发生红移;在紫外光激发下,Sr5MgLa2-x-y(BO3)6∶xBi 3+, yEu 3+荧光粉存在Bi 3+的蓝光发射和Eu 3+的红光发射,存在Bi 3+到Eu 3+的能量传递,通过荧光衰减曲线可计算出能量传递效率。改变Sr5MgLa2-x-y(BO3)6∶xBi 3+, yEu 3+荧光粉中Bi 3+和Eu 3+的掺杂量或改变激发波长,均可得到可调节的蓝光到红光发射。

与非制冷探测器相比,制冷型探测器具有灵敏度高、响应速度快和探测距离远等优点,已被广泛应用于红外光学系统中。为了有效抑制杂散光,制冷型探测器冷光阑位置需要与光学系统实出瞳位置重合。本文提出了一种制冷型离轴反射光学系统设计方法,通过光瞳离轴和视场离轴实现无遮拦设计,利用矢量像差理论可直接获得制冷型离轴反射光学系统的初始结构。针对长波红外制冷型探测器,设计了一个自由曲面离轴三反光学系统,满足了冷光阑的匹配条件。其光学系统的F数为2.5,焦距为300 mm,视场角为3°×5°。使用自由曲面校正光学系统像差,光学系统成像质量好,反射镜无倾斜和偏心,光学系统易于装调。

为抑制杂散光对空间相机成像性能的影响,满足其严苛的质量和稳定性的要求,提出了一种主遮光罩的优化设计方法。基于图形法分析了遮光罩挡光环的位置分布,以结构柔顺度和质量最小为目标,以基频为约束,建立了遮光罩的多目标优化模型,并对遮光罩进行了尺寸优化设计。最终,遮光罩质量为0.24 kg,轻量化率达到38.6%。另外,进行了遮光罩的振动实验和整机的杂散光分析。结果显示:遮光罩的杂散光抑制性能良好,有限元分析结果与实验数据相对误差低于15%,表明设计的遮光罩的性能参数满足要求,验证了所采用优化方法的可行性。

为解决凸双曲面检验中因辅助反射镜的口径过大而导致其加工困难的问题,提出一种可用于检验凸双曲面反射镜的方法。在Hindle法的基础上,利用校正透镜和球面反射镜组成消像差系统,通过设计检验光路缩短了辅助反射镜与待检双曲面镜的距离。该方法不但可以减小辅助反射镜的口径,而且能够维持待检双曲面镜的有效口径不变。根据三级像差理论推导公式,设计口径为800 mm,顶点曲率半径为1800 mm,二次曲线常数为-2.25的大口径凸双曲面的检验光路。对所设计的检验光路进行分析,结果显示:其残余像差峰谷值为0.0003λ(λ=632.8 nm),均方根误差为0.0001λ。这表明该方法可以用于检验大口径、大相对口径凸双曲面,并且具有辅助面口径小、检验系统的长度较短的优点。

通过在阵列波导的出口末端加入辅助波导,实现一种输入和输出通道数均为7(7×7),通道间隔为400 GHz的氮氧化硅阵列波导光栅路由器(AWGR),以提高损耗均匀性。利用引入的辅助波导调节在输出自由传输区的像平面处的场分布,通过优化其结构参数在像平面获得了平顶形状的场分布。与传统的AWGR相比,当光从中心输入通道输入时,带有辅助波导的AWGR所测得的输出损耗不均匀性从2.09 dB减少为0.76 dB;而当光从边缘输入通道输入时,输出通道输出的损耗不均匀性从1.99 dB降低为0.88 dB,可满足实际光通信、光互连等系统的需求。由于辅助波导的引入,中心通道的最小插入损耗从2.99 dB增加为3.82 dB,边缘通道的最小插入损耗从4.83 dB增加为5.46 dB。所有通道的串扰约为18 dB。

基于Fano共振原理,提出光子晶体纳米梁侧耦合孔径啁啾光子晶体纳米梁腔结构。由光子晶体纳米梁所产生的宽的连续态与由光子晶体纳米梁腔所产生的窄的离散态干涉相消实现Fano共振。基于耦合模理论,定性分析该结构中Fano共振的产生机制,利用时域有限差分法对该结构进行模拟仿真,定量分析结构参数对折射率传感特性的影响,并对结构参数进行优化分析。结果表明,优化后的结构品质因子值可高达5.1×10 3,这将为集成光子晶体波导传感器件设计提供有效的理论参考和技术指导。

设计了一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件。该器件由一个透明的长方体腔体、橡胶环和反射镜组成。同时对腔体内两侧导电液体施加电压时,两侧导电液体向中间涌动,中间液体高度发生变化,反射镜发生倾斜,从而改变入射光束的偏折方向,实现了光束导航功能。实验表明,光束导航角度范围可达0°~9°,响应时间约为90 ms,该器件在空间光通信和雷达探测等领域具有潜在的应用价值。

构建一种单层石墨烯条周期阵列结构,采用表面电流边界条件的时域有限差分法和耦合模理论对周期性阵列石墨烯条的光电特性进行研究。研究结果表明石墨烯阵列在中红外波段具有典型的表面等离子体双共振效应,周期性阵列结构可增强石墨烯表面等离子体局域场的共振效应。对石墨烯表面等离子体共振模式的谐振波长、电场能量、衰减率和寿命进行分析,仿真结果表明:当石墨烯费米能级从0.4 eV上升到0.8 eV时,可实现谐振波长从16.81 μm到11.13 μm的调谐;当石墨烯载流子迁移率从0.1 m 2·(V· s) -1变化到1.0 m 2·(V·s) -1时,可实现等离子体寿命从21 fs到223 fs的调控;当覆盖物折射率从1变化到2时,品质因数从0.14非线性地上升到0.19。该研究的方法和结论可以为石墨烯等离子体器件的设计提供参考。

提出一种对化学气相沉积法生长石墨烯缺陷的快速检测方法。利用化学气相沉积法制备石墨烯并将其转移到目标基底上,制备出应用于表面等离激元(SPP)成像的石墨烯-金基底。SPP对界面处折射率变化具有高灵敏度,可以实现石墨烯边缘检测,并且石墨烯表面缺陷会引起SPP作用场的变化,利用SPP泄漏辐射效应将界面处SPP作用场变化传输至远场,使用CCD进行快速成像,可实现对转移后石墨烯的快速成像与检测。该方法检测到石墨烯边缘与表面的形貌信息,并且检测到颗粒污染物,避免了传统的检测方法灵敏度低、速度慢、有损检测等弊端,实现了对石墨烯缺陷的快速、无损检测。

针对基于本地本振光的连续变量量子密钥分发在不安全的量子信道中传输参考脉冲存在相位攻击的安全问题,提出一种窃听和篡改参考脉冲相位的攻击方法,该攻击方法可增大接收端的相位补偿误差,从而降低实际系统的安全密钥率。基于相位补偿噪声模型,实际系统在参考脉冲相位攻击下的安全密钥率被分析。同时,提出一种基于监听相位补偿噪声方差的相位攻击探测方法。仿真结果表明,通过训练信号估计得到的安全密钥率与理论分析结果一致,并且通过监听训练信号和参考脉冲的相位补偿噪声方差可以有效判断相位攻击是否存在。

针对以凸面镜作为反射式点光源的系统建模不够完善,限制其指向精度提高的问题,提出以太阳矢量为参照基准的系统建模方法,提高了系统指向精度。通过实验数据的线性度拟合确定拟合系数R2在0.999以上,确保了实验数据的可靠性,以最小二乘法解算模型求解系统固有安置几何误差,最后,通过反解模型求解目标值方法和太阳图像质心比对法,分别验证标校后模型的正确性。实验结果表明,目标编码器角度与实际测量角度值基本一致,俯仰角度误差标准偏差为0.0043°,方位角度误差标准差为0.00299°,误差范围保持在0.04°以内,图像质心比对法像素差值在2 pixel左右,对应的像素角分辨率误差在0.036°上下,系统综合指向精度优于0.1°,验证了此种方法建模的正确性与可行性,为实现多空间分辨率的高分辨率光学遥感卫星传感器高精度、高频次、业务化、全动态范围的在轨绝对辐射定标奠定了基础。

针对现有遥感图像目标检测算法对于复杂场景下多尺度目标检测精度较低、泛化能力差的问题,提出了一种多尺度卷积神经网络遥感目标检测框架——MSCNN。该方法通过构造一种深度特征金字塔,增强了网络对多尺度目标特征的提取能力;引入聚焦分类损失作为分类损失函数,加强了网络对难样本的学习能力。所提方法在NWPU VHR-10公开数据集上取得了0.960的平均检测精度(mAP),相较于RetinaNet检测框架,MSCNN对小尺度以及中等尺度目标的平均检测精度分别提高了1.5%和1.9%,实现了对多尺度目标的高精度稳健检测。

为了提高天基空间目标光学散射特性的计算精度,提出了一种天基空间目标光学散射特性的精确建模与验证方法。综合考虑目标的背景辐射环境、表面材料属性、几何结构尺寸、运行轨道要素等因素,通过有限元分析和矢量坐标变换,利用双向反射分布函数建立了目标光学散射特性的数学模型。基于目标光学散射特性测量平台,进行了低温真空环境下目标光学散射特性数学模型的实验验证。结果表明,目标散射辐照度的理论建模结果与实验测量结果基本一致,均方误差优于9.57%。实验结果验证了建模方法的正确性。

土壤呼吸是地气间碳氮流通的主要途径。实时原位测量不同土壤生态环境下的气体排放,是研究大气温室气体形成、转移和消耗等动态过程的有力手段,可以为揭示碳氮生态系统循环与环境演化的主要过程及其驱动机制提供关键的科学依据。以室温连续量子级联激光器(RT-CW-QCL)作为激光光源,结合长程光学吸收池和直接吸收光谱探测技术,建立了一套高灵敏度、高精度的激光光谱系统,并以不同生态环境下的土壤样品为研究对象,开展了土壤和空气中CO、N2O气体交换过程的实时监测分析研究。实验结果表明:4种不同生态环境(芦苇丛、池塘、有机培土和草地)的土壤表现出不同的CO和N2O释放、吸收过程。

提出了一种棱镜型空间外差光谱技术设计方案。该技术将传统空间外差光谱仪中的衍射光栅替换为色散棱镜和平面反射镜,分析系统轴上光路,给出了元件参数之间的匹配关系。利用仿真软件对干涉图进行理论仿真,并分析了色散棱镜的折射率和顶角角度对光谱分辨率的影响。设计并搭建了棱镜型空间外差光谱技术验证平台,采用635 nm和650 nm波长的光源初步验证了实验平台的可行性。实验结果表明:在色散棱镜采用BK7玻璃(650 nm波长下折射率为1.51452)和顶角角度设置为30°的条件下,得到的光谱分辨率为1.07 nm,通过仿真计算可以得到光线的能量利用率为94.43%。实验结果与理论仿真基本一致,验证了设计方法的可行性与科学性,为空间外差光谱技术的研究提供了一个新思路。另外,通过选用更高折射率的色散棱镜和增大顶角角度等手段,还可以进一步提高光谱分辨率。

红外高光谱探测仪的高精度辐射定标是其定量化应用的关键。基于欧洲气象卫星MetOp-A/B星红外大气探测干涉仪(IASI)与风云三号D星(FY-3D),采用瞬时星下点交叉比对方法,评估FY-3D搭载的红外高光谱大气探测仪(HIRAS)辐射定标的相对偏差。根据两个仪器严格的空间和时间匹配观测数据,采用与FY-3D同一平台但空间分辨率更高的中分辨率光谱成像仪MERSI-II的数据,筛选匹配样本的均匀背景。在交叉比对前,将IASI数据光谱分辨率用傅里叶正逆变换转换为与HIRAS相同的光谱分辨率。由于满足匹配规则的比对样本基本分布在目标温度较低的南北极区域,因此用光谱亮温的平均偏差和偏差标准差评价交叉比对结果。结果表明,HIRAS与MetOp-A/B星的IASI比对结果相似,在相对温度较高的北极区域的一致性整体优于南极区域。低温目标环境下,长波、中波红外的亮温平均偏差小于1 K,多数通道小于0.5 K,一致性良好,各通道无明显温度依赖,偏差标准差小于2 K,且随光谱通道而变,在吸收线剧烈的位置处稍大。短波红外HIRAS光谱的亮温整体低于IASI光谱,多数通道的平均偏差小于1.5 K,偏差对温度的依赖较明显,偏差标准差随目标温度升高而减小。亮温偏差长期趋势(2018年4—12月)的分析表明,其长期整体稳定,短波偏差在较低目标温度下稍大。

基于Zernike相衬法原理和相衬板设计理论,利用金属材料Ag具有宽角度消偏振的特性,设计一种低偏振效应的移相膜。采用光刻及镀膜法,研制了可用于相衬显微镜中的新型结构相衬板。通过控制介质膜和金属膜的物理厚度,分别调节相衬板的相位和透过率,提高相衬度;通过优化光刻及制备薄膜的工艺参数,得到高质量的圆环结构。最终获得振幅透过率为18.03%,相移量为0.49π的相衬板。

随着图像识别技术的不断发展,人脸识别系统对虹膜识别滤光片的要求不断提高,光在大角度入射时,光谱偏移量往往较大而导致识别失败,因此急需一种低角度效应良好的带通滤光片。利用光谱拆分原理设计了一种大角度、小偏移量的带通滤光片。通过调节氢气流量使得Si-H在增大折射率的同时仍能保持较低的吸收率,从而改善虹膜识别滤光片的角度效应。基于对薄膜材料沉积工艺的研究,采用一种特殊的膜系结构,解决了因薄膜内部结构疏松而发生的脱膜问题。测试结果表明,该膜系结构能满足虹膜识别滤光片的各项技术要求。

为了提高开放型回归器件在808 nm波长处的反射性能,分析了玻璃微珠折射率对定向回归反射的影响。利用光学仿真软件TracePro对具有3种不同折射率(1.93、2.00和2.20)的回归反射器件结构单元(玻璃微珠)的回归反射性能进行模拟分析,得到了光线垂直入射时采用普通基底的传统开放型回归器件结构单元的理论反射率仅为23.6%,采用高反射基底时,理论最高反射率可达98.1%,回归器件的反光性能提高了3倍。在808 nm波长处制备了反射率为99.3%的高反射光学薄膜,并在镀有此高反射光学薄膜的基底上制备了高反射回归器件。分别对使用两种基底的回归器件进行测试,结果表明,在高反射基底上使用折射率为1.93的玻璃微珠制成的回归器件具有最佳的回归反射率,光线垂直入射时的回归反射率可达46.2%。

提出了一种基于球面晶体的高光谱分辨全视场X射线荧光成像仪,并分析了该成像系统的空间分辨率、视场、能谱带宽、荧光收集效率。根据理论分析设计了一套用于V~Zn等典型中等原子序数金属的Kα线荧光成像系统,并采用解析的理论和本课题组编写的蒙特卡罗光线追迹程序对该系统性能进行了计算和仿真。理论分析和数值仿真的结果表明,这种X射线荧光成像技术具有较高的空间分辨率(优于80 μm)、较大的视场(大于6.5 mm)以及极高的光谱(能谱)分辨率(优于16.5 eV@4.6~9 keV)。

利用随机光纤激光器结构对产生覆盖可见光至近红外波段的超连续谱进行了研究。实验采用半开腔的随机激光腔体结构,腔内利用千米量级的掺锗光纤提供随机分布反馈和拉曼增益,同时利用掺镱光纤提供主动增益,最终实现了光谱范围覆盖600~1700 nm、同时20 dB光谱带宽大于660 nm的超连续谱输出。实验结果表明,随机光纤激光器作为一种新型超连续谱光源,可用于多种对稳健性和性价比有较高要求的应用场合。