研究了气溶胶对大气偏振分布的影响。基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模式,对不同气溶胶条件下的偏振分布模式进行了仿真。利用图像式测试系统,对实际大气条件的偏振模式进行了测试,分析了气溶胶质量浓度变化对偏振模式的影响。结果表明,偏振度受气溶胶质量浓度的影响较大,随着气溶胶质量浓度的升高,偏振度不断变小。当PM10的质量浓度由27 μg/m ³增加到53 μg/m ³再增加到103 μg/m ³,PM2.5的质量浓度由9 μg/m ³增加到28 μg/m ³再增加到66 μg/m ³时,最大偏振度值平均减小了约25%。气溶胶对偏振方位角几乎没有影响,偏振方位角的分布稳定。

浊度是水环境和水质状况的重要监测指标。卫星遥感技术具有宏观的空间覆盖性和重复的定期采样性,是一种有效的监测水体浊度的方法。基于NPP-VIIRS卫星的遥感反射率,建立了一个适用于渤黄海的水体浊度遥感反演算法,并将其应用到VIIRS卫星图像上,研究了渤黄海水体浊度的时空分布特征。结果表明:该算法具有较高的反演精度(决定系数R²为0.97,均方根误差为16 NTU,平均绝对误差为23 NTU,平均相对误差为34.63%)。渤黄海水体浊度在空间尺度上基本呈现近岸高、远岸低的分布特征;在时间尺度上,冬季浊度维持在一个较高的水平,春季浊度高值区逐渐收缩, 夏季达到最低,只在沿岸区域仍有较高的浊度,而秋季浊度又逐渐升高。

提出了一种基于相关计算的激光雷达三光束二维风场反演方法。三束激光从同一平面发射,通过计算三束激光时间序列上的回波信号相关性反演二维风场信息。详细阐述了三光束二维风场反演方法的原理和计算过程,基于此方法搭建了相关二维测风激光雷达系统,实现了30 m距离分辨率和1 s时间分辨率的二维风场探测。分析了系统中激光雷达夹角对测量结果的影响和相关计算时不同时间序列长度下相关系数曲线的变化,给出了合适的激光雷达夹角和时间序列长度。用该系统进行了水平测风实验,对比了系统探测数据和探测路径上风塔的风速、风向传感器数据,结果表明系统和传感器的数据具有较好的一致性。

在高能激光合成、空间光通信及其他激光工程中的潜在应用方面,阵列涡旋光束逐渐受到人们的关注。基于多重相位屏的数值方法,研究阵列涡旋光束在von Karman湍流中的传输特性,分析了光场的演化情况。结果表明:光束传输一段距离后发生融合,融合后的光束拓扑荷与初始光场中子光束的拓扑荷相同。考虑到光斑扩展会导致拓扑荷的损失进而使得通信效率下降,分析了不同湍流和光束参量对光束相对束宽的影响。湍流强度对相对束宽影响较大,拓扑荷等其他参量均对其有不同程度的影响,相对于单束涡旋光,阵列光束具有更小的相对束宽。

采用强场近似方法,对处于两个具有时间延迟的圆偏振激光场中氢原子的涡旋状光电子动量分布进行了数值模拟。在两个延时激光脉冲的作用下,电子吸收光子后克服电离阈值,从基态经由两个不同的通道跃迁到连续态,产生的电子波包之间会发生干涉。模拟结果表明,所产生的光电子动量涡旋的旋向与两脉冲的偏振方向有关,涡旋臂的数目与激光载波频率有关。动态Stark效应是一种典型的强场现象。若在电离发生的同时考虑动态Stark效应,将会观察到动量涡旋的扭曲。对顺时针的动量涡旋及其扭曲进行分析,发现扭曲现象是由动态Stark效应引入的附加相位的时间非线性特性引起的。

建立了一种短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器反射光谱的模型,提出了一种双参数椭圆拟合腔长解调算法,并对腔长为26~30 μm的复合式法布里-珀罗腔的解调进行了仿真。结果表明,采用双参数椭圆拟合算法进行腔长解调的最大误差仅为0.05 μm。搭建了光纤法布里-珀罗传感器解调系统,在加压条件下对复合式光纤法布里-珀罗压力传感器进行了解调实验,实现了20 kHz的解调速率,验证了所提算法在解调短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器方面的可行性与实时性。

研究了基于光纤环形网的多点高精度时频传递的方法,提出了终端站对钟差自感知的方案,将对钟差的感知测量以及补偿转移到终端站执行,实现网络中各个终端站与中心站的时频同步。搭建了长度为100 km的光纤环形网多点时频传递系统,实验研究了链路中色散带来的不对称性偏差的校消方法,验证了链路温度变化下的多点时频传递性能,测量的时频传递同步误差的峰峰值低于400 ps,均方根误差小于60 ps,表明终端站可以在光纤环形网的任意位置灵活接入。

4阶脉冲幅度调制信号对光电器件的线性度要求较高,色散容限较小;10G级光器件的带宽限制严重影响系统性能。描述了采用商用25G级光器件实现50 Gbit/s 非归零码(NRZ)信号的传输实验方案。分别在背靠背和25 km标准单模光纤传输情况下,使用最大似然序列估计和基于最小均方误差算法的判决反馈均衡进行译码。通过比较不同接收光功率条件下的误码率性能,证明了基于25G级光器件的50 Gbit/s NRZ信号传输能够作为单路50 Gbit/s的候选方案。

空间调制型全偏振成像系统可实现目标全偏振参量的同步探测。现有解调算法仅适用于单色光的探测系统,不适用于复色光的探测系统。通过寻找中心频谱位置获得实际载波频率的方式对偏振解调算法进行了修正。复色光偏振成像实验结果表明:宽波段空间调制型全偏振成像系统通过修正的图像解调算法可以得到中心波长的偏振信息,偏振探测误差小于5%。研究结果为复色光全偏振成像系统的解调算法研究提供了参考。

针对圆形吸收体提出了一种几何聚光比和可接收角同步提高的新型太阳能复合抛物聚光器(CPC),构建了新型CPC面形结构模型及数学解析解。对新型CPC的聚光性能进行了分析,并与常规CPC的光学性能进行了比较,结果表明:对于切线角相同的圆形吸收体新型CPC,随着圆形吸收体的直径增大时,面形起点的纵坐标值减小;当圆形吸收体直径和切线角分别为47 mm和5.56°时,面形起点的纵坐标为-29 mm;随着光口宽度角增大,新型CPC聚光器的几何聚光比减小,可接收角和平均光学效率随着光口宽度角的增大而增大;当光口宽度角为60°时,几何聚光比为1.16,可接收角为74.39°,平均光学效率为86.77%;新型CPC聚光器吸收体表面的能流分布较传统CPC更均匀。

提出了一种基于多尺度递归网络的图像超分辨率网络模型,该模型主要由多个多尺度特征映射单元级联而成,每个单元分别包含一组不同尺度的特征提取层、一个融合层以及一个特征映射层。特征提取直接在原始低分辨率图像上进行,最后采用亚像素卷积重构高分辨率图像。训练阶段使用自适应矩估计优化方法加速网络模型的收敛。实验结果表明,所提算法取得了较好的超分辨率结果,图像纹理清晰、边缘锐利,视觉效果明显得到增强。在Set5、Set14、BSD100以及Urban100等常用测试集上的客观评价指标(PSNR和SSIM)均高于现有的几种主流算法。

利用不同图像特征之间的互补性,可提升遥感场景零样本分类性能。将图像特征的融合与零样本分类结合,提出一种基于图像特征融合的遥感场景零样本分类算法。采用解析字典学习方法,计算各图像特征的稀疏系数,并串接起来作为融合后图像特征,以减少冗余信息且保留各图像特征自身特点;引入监督信息,提高融合特征的鉴别性;将融合特征与场景类别词向量进行结构对齐,提升对新类别场景的迁移识别效果。在UC-Merced和航拍图像数据集两种遥感场景集上,对相同层次及不同层次的场景图像特征分别进行融合实验。实验结果表明:对于总体分类准确度和运算耗时,所提算法均优于其他零样本分类算法及通用的特征融合算法,证明了方法的有效性。

全天时天文导航图像是在大气层内白天的条件下拍摄,因此图像具有强背景,低信噪比等特点,传统星点提取算法对图像星点的提取效果较差。为提高星点识别率,提出一种较准确的全天时天文导航图像模拟方法,并基于模拟星图训练了一种可加入图像降采样结构的卷积神经网络,有效抑制了星图噪声,并提高了星点信噪比。实验结果表明:本文方法得到的峰值信噪比平均提高了11.28 dB;在效果相同的条件下,本文方法的平均处理时间仅为0.2 s,远少于传统神经网络方法的处理时间。利用真实星图对网络进行测试,发现本文方法对星点信噪比的提升效果较常用算法提升了88.9倍。

为实现高速铁路周界侵限检测系统自动识别轨道区域的功能,提出了一种自适应的图像分割与识别算法。计算了每个场景的直线特征极大值以调节自适应参数,提出了新的基于边界点权重及区域面积的聚类组合规则,将碎片化区域快速组合成局部区域;简化了卷积神经网络,通过对卷积核进行预训练并在损失函数中增加稀疏项来提高特征图的差异性。在不使用显卡的前提下,对比实验结果表明所提算法的像素准确率最高(95.9%),计算时间最短(2.5 s),网络参数约为0.18×10 ⁶个,在分割精准度、识别准确率、计算时间、人工操作复杂度和系统硬件成本等之间找到了有效平衡点,提高了铁路周界侵限检测系统的自动化程度和工作效率。

采用蒙特卡罗方法对水云下大气的偏振态分布进行了仿真分析,所建立的水云大气环境在紫外360~400 nm波段的偏振度响应最大。采用紫外-可见光偏振成像技术对同一视场下的楼房、云和天空进行了偏振成像实验,并用霍夫变换分割方法对图像中的每个区域进行了统计分析,发现观测区域内无云区与云区的偏振角均值相对差为1.6%,偏振度均值相对差为-14%,证明了大气偏振角较偏振度稳健。紫外光和可见光在对云目标的偏振观测中存在互补性,采用拉普拉斯金字塔图像融合技术能够提高对大气目标的探测能力,验证了大视场高分辨紫外-可见光偏振成像技术在大气探测中的可行性和有效性。

强电磁脉冲普遍存在于高能激光、X光装置和未来战场等环境中,这种恶劣的环境会对电子学设备,尤其是承载特定任务而无法增加屏蔽手段的光学成像设备造成严重威胁。选用数码相机和分立的电荷耦合器件(CCD)摄像系统作为典型的效应物,开展了光学成像设备在不同强电磁脉冲环境下的效应实验研究。通过实验观察到了成像设备功能异常、成像质量下降甚至端口部件烧毁等效应。对实验中观察到的效应及其发生的电磁场环境数据进行总结分析,提出了应用于特定环境阈值下设备的失效概率,即概率阈值的概念来衡量设备在恶劣环境下的生存状态的观点,并给出了CCD成像系统的概率阈值曲线,最后对此类型实验的开展和效应数据处理方法进行了探讨。本研究结果能为成像设备在强电磁环境下的状态评估及防护技术研究提供数据支撑和参考依据。

建立了一种包括干扰模型、结构模型、光学模型及采样成像模型的时域集成分析方法,实现了空间相机从微振动干扰输入到图像输出的端到端系统集成仿真,并开发了基于MATLAB的数据转换工具,实现了结构分析与光学分析之间的序列数据传递。以某空间相机的地面微振动实验为例进行了时域集成分析,结果表明:在两种不同的成像模式工况下,该相机的动态像移统计最大值分别达到0.42 pixel和0.27 pixel,采样成像仿真得到的图像调制传递函数下降因子分别为0.951和0.974,与原始图像无明显的直观差异,为该相机微振动影响的有效预估提供了依据。

虚拟现实技术是头戴显示技术的一个重要分支。为了提高虚拟现实头戴显示装置的视场角,获得更高的沉浸感,设计了一种基于视场拼接原理的大视场虚拟现实头戴显示装置。利用4套横向视场角为80°,且完全相同的目视光学系统,通过拼接实现大视场虚拟现实头戴显示。本装置的双目横向视场角为162°,其中每个单目系统的横向视场角为126°,双目重叠视场角为90°。

在宽动态范围辐射测温系统中,不同温度的辐射源采用透过率不同的中性密度衰减片以及不同的积分时间,往往需要重新定标,且重新定标过程繁琐,降低了系统的效率。在分析定标理论的基础上,建立了考虑积分时间和中性密度衰减片透过率的宽动态范围辐射定标模型,提出了一种简化的定标方法,经过两次不同积分时间的定标,可以推导出前置不同透过率衰减片、不同积分时间的定标模型;通过对前置透过率为0.0278%的衰减片在0.8 ms及1 ms积分时间下的定标分析,计算出系统由内部暗电流及杂散辐射引起的灰度响应,从而分别推导出前置透过率为0.0740%和0.8193%的衰减片在不同积分时间下的定标模型,最后通过实验检验定标模型的测温精度。实验结果表明:利用所提出的简化定标方法,透过率为0.0740%的衰减片在0.8 ms及1 ms积分时间下的定标模型的测温误差分别≤0.36%和≤0.46%;0.8193%衰减片在0.2 ms积分时间下的测温误差≤4.5%。在一定的误差允许范围内,所提定标方法在提高定标效率的同时,保证了一定的测温精度。

为了解决靶场姿态测量系统中远距离单站测量易出现不稳定解或解不收敛的难题,从而为靶场常规中远距离光学单站姿态处理提供可行方案,在某参与计算特征点物距可获取的前提下,提出了一种物距辅助的单站姿态信息获取方法;首先提出物面连续离散化等效计算像长的方法,在此基础上,以像长为匹配元素建立单站透视姿态测量模型,然后以炮管为例对算法进行试验验证,最后对关键影响因素进行误差分析。结果表明:偏航角、俯仰角相对真值的均方根误差分别为0.97°、0.90°;所提方法可拓展至飞机类非轴对称回转体目标单站飞行姿态的处理。

提出了一种基于图像动态光散射原理测量二维纳米颗粒粒度的新方法,称为平移转动-图像动态光散射(TR-IDLS)法。采用会聚的偏振高斯光束照射样品池中处于布朗运动的二维纳米粒子,分别采集纳米粒子的水平偏振散射光信号和垂直偏振散射光信号。根据两个偏振方向上散射光光强波动的时间相关函数,计算出纳米颗粒的平移和转动扩散系数的分布,进而从扩散系数中获得颗粒的长宽比、等效直径和厚度的分布。采用该方法测量了球形标准纳米颗粒和片状云母颗粒的粒径。采用电镜获得了片状云母颗粒的形状和等效直径,并与TR-IDLS方法的实验结果进行比较,验证了TR-IDLS方法的可行性。

为满足红外遥感器高精度定标和性能测试的要求,设计了一种高均匀性和宽辐射动态范围的红外积分球辐射源。积分球辐射源采用碳纤维石英电热管作为红外辐射介质,工作波段覆盖3~15 μm。利用积分球的空腔辐射理论和黑体辐射理论,提出子母镀金积分球串联的匀光方式,有效提高了红外积分球的均匀性。通过设计程控镀金光阑实现了动态范围的线性调节。建立了温度变化与辐射源辐亮度输出稳定性之间的关系,并确定了子母镀金积分球的温控精度。对红外积分球的特性进行分析与检测,结果表明:红外积分球出光口法线Φ200 mm范围内的面均匀性为98.87%,-15°~15°内竖直方向上的角度均匀性为99.69%,实现了动态范围的近线性可调功能,背景辐射小于同温度的黑体,非稳定性为0.16%,表现出较好的性能。红外积分球定标光源是传统黑体辐射源的有效补充,在红外遥感器的实验室光谱辐射定标中具有潜在的应用价值。

提出了一种适用于空中扩展目标和小目标红外辐射强度计算的通用模型,该模型消除了对环境温度依赖较大的背景偏置的影响,可有效提升外场复杂多变环境条件下航空目标红外辐射特性测量结果的精度。结合某型航空目标动态红外特性测试数据,探讨了小目标红外辐射强度的计算问题,结果表明:对于中波红外小目标,大气表观辐射强度对总辐射强度的贡献可以忽略,可以采用简化模型计算总辐射强度,但对于长波小目标红外辐射,简化模型不再适用。对红外小目标和扩展目标的外场动态测试数据分别进行了处理,并与理论结果作比对验证,结果验证了模型的正确性。

针对燃煤电厂颗粒物超低浓度排放在线检测的需求,在激光散射法的基础上提出了利用光强调制技术的颗粒物浓度在线测量方法。结合波长调制技术提出了气体与颗粒物浓度同步测量的方法,同时建立了波长调制下散射光信号的数学模型。理论分析及仿真结果表明:气体浓度与归一化二次谐波幅值的峰值成正比,颗粒物浓度与消除气体吸收后的散射光信号的一次谐波幅值成正比。利用1392 nm的近红外激光器对蚊香燃烧时产生的颗粒物与水蒸气浓度进行同步测量。实验结果表明:测量的水蒸气浓度值与温湿度传感器测量值之间的偏差小于3%,颗粒物浓度的特征值与粉尘仪测量值具有高度线性关系,拟合因子为0.9973,实现了基于波长调制技术的颗粒物与气体浓度的同步测量。

利用混沌激光互相关峰值实验实现了脂肪乳液内部异质物的检测。在脂肪乳液内放置异质物,以自相关函数具有delta函数特征的混沌激光作为光源,将混沌激光分成两路,一路入射到带有异质物的脂肪乳液内,通过脂肪乳液后经光电探测器接收、输出后作为探测信号;另一路经光电探测器输出,作为参考信号。将混沌激光参考信号与经过脂肪乳液的混沌激光进行互相关,混沌激光的互相关峰值反映了脂肪乳液及其内部异质物的光学信息。结果表明,混沌激光相关检测法具有很强的抗干扰性。

分析腔面反射率对GaN基半导体激光器斜率效率和输出功率的影响,并对出射波长为450 nm的激光器进行实验验证。结果表明,对于非对称谐振腔结构,通过优化腔面反射率,可以抑制空间烧孔非线性效应,提高器件的微分量子效率和最大输出功率。当前腔面反射率为5%时,斜率效率大于1.3 W·A ^-1,并在3 A的连续工作电流下,获得了2.6 W的高功率输出。

利用单块非平面环形腔单频激光器和声光移频器,获得了输出功率为10 mW的1064 nm双频激光,拍频调谐范围为125~175 MHz。采用光纤功率放大器可将1064 nm双频激光的功率放大到10 W。为了提高倍频效率,采用两块长度为15 mm的MgO∶PPLN晶体,获得功率为2.26 W的强度调制绿色激光,最高倍频效率为24.5%。当基频光的频差为150 MHz时,得到的绿光拍频分别为150 MHz和300 MHz,2 min拍频稳定性分别是2.7 Hz和5.3 Hz。

提出了一种用于空中红外目标检测的增强单发多框检测器(SSD)方法。分析了感受野与特征图层数的关系,同时采用池化和转置卷积操作的特征图双向融合机制,从整体上增强了特征的表达能力。通过引入浅层特征图的语义增强分支,并在高分辨率特征图上增加预测框,可提升小尺寸目标的定位精度。在VOC2007小目标和空中红外目标数据集上进行了对比测试,平均精度分别提高了7.1%和8.7%,此时检测速度略有下降。结果表明,增强SSD可在空中红外目标检测中获得较好的性能。

为了有效提取散乱点云上的特征点,针对现有点云特征提取算法采用全局统一的特征度量阈值易造成特征误判、漏判及需要多次人工调参的问题,基于离散Morse理论,提出一种自适应的特征提取算法。首先,采用基于局部邻域的协方差分析计算每个数据点的特征度量,标定潜在特征点。然后将潜在特征点与其邻域点在主方向上所形成的夹角平均值作为局部特征检测算子,利用该算子计算该点的离散梯度;最后,构建每个潜在特征点局部邻域内的Voronoi图,利用线性插值法计算离散点所在泰森多边形所有顶点的梯度构建离散梯度向量域,将离散梯度向量域中的梯度极值点判定为特征点。为提高算法的稳健性和抗噪能力,将离散梯度计算扩展到多尺度上,将邻域大小作为离散的尺度参数,多尺度地对一点进行判定。实验结果表明,该方法简单、稳健性好,不依赖于特征的尖锐程度,能在有效提取较尖锐特征的同时,尽可能多地保留较平滑特征。当噪声为0.03 dB时,可以有效地提取点云特征,而当噪声为0.05 dB时,尽管存在个别特征点消失的情况,但整体上显著特征点能够得到较好地提取,效果令人满意。

针对相关滤波方法对快速运动与快速变形的目标跟踪稳定性较差的问题,提出一种自适应特征选择的相关滤波跟踪算法。利用位置滤波器和颜色概率模型提取候选区域中的基础特征,对基础特征以不同的权重分配方式进行融合,得到多个融合特征。对融合特征进行可信度判定,选择可信度较高的融合特征作为当前帧的跟踪特征,估计出目标的候选位置。若最高可信度低于可信度阈值,启动检测器重新检测目标位置,否则候选位置即为目标最终位置。与此同时,对目标模型进行更新,确保模型对目标描述的准确性。在标准数据集OTB50和OTB100上进行大量实验,测试结果表明,所提出的跟踪方法在运动模糊、光照变化、快速运动等条件下具有较高的跟踪准确率和较好的稳健性。

针对传统计算机辅助检测系统中肺结节检测存在大量假阳性的问题,提出一种基于三维卷积神经网络的肺结节识别方法。首先,将传统二维卷积神经网络扩展为三维卷积神经网络,充分挖掘肺结节的三维特征,增强特征的表达能力;其次,将密集连接网络与SENet相结合,在加强特征传递和复用的同时,通过特征重标定自适应学习特征权重;另外,引入focal loss作为网络的分类损失函数,提高对难样本的学习。在LUNA16数据集上的实验结果表明:与当前的主流深度学习算法相比,所提网络模型在平均每组CT图像中假阳个数为1和4时的检出率达到了0.911和0.934,CPM得分为0.891,优于大部分主流算法。

提出一种基于视角信息嵌入的行人重识别模型。结合行人图像视角朝向特点,对PSE (pose-sensitive embedding)网络结构进行了优化。首先将PSE特征向量融合部分由特征的融合改成更符合不同视角特征空间性质的三个视角单元特征向量的拼接;其次视角单元从骨架网络更浅层的blocks-3进行分离,增加三个视角单元特征空间的差异性;最后利用改进的深度可分离卷积,设计了一个深度可分离模块,对视角单元进一步进行提取特征,防止模型参数过大的同时提高网络非线性能力,从而提高网络的泛化能力。利用Market1501、Duke-MTMC-reID和MARS数据集对所提的算法进行有效性验证实验,结果表明所提的改进方法取得了更好的识别效果。

多激发点荧光分子断层成像(FMT)重建过程中生成的系统矩阵规模较大,导致计算复杂度高,重建时间长。为了加快重建速度并保证其准确性,基于人工神经网络理论,通过降低系统矩阵规模,提出了一种快速FMT重建方法。具体来说,采用的降维方法是自编码器,即一种典型的人工神经网络,训练数据为由系统矩阵和表面荧光测量值组成的矩阵,然后使用自编码器网络的编码部分得到原始矩阵在低维空间上的表示。为了测试所提方法的性能,设计了一系列数值模拟实验,包括非匀质圆柱体实验和数字鼠实验。实验结果表明,该方法能有效缩短重建时间,得到较高的重建精度。

研究内全反射型光子晶体光纤(TIR-PCF)的结构参数对光纤布里渊增益、布里渊峰的个数以及相对峰值强度等布里渊增益谱(BGS)特性的影响。分析全反射型光子晶体光纤中的声光耦合效应,利用有限元分析方法,求解光纤中的光场和声场分布及其对应的BGS,探究空气孔层数、孔间距和孔直径等PCF参数对BGS的影响,获得布里渊增益和声学模式个数随孔间距和孔直径变化的规律。提出一种空气孔直径由内到外逐渐变大的、具有类似渐变折射率分布的新型光子晶体光纤结构。设计峰值强度差为8 dB的双峰BGS的光子晶体光纤,可将其用于基于布里渊拍频谱(BBS)的光纤传感系统中,使传感系统的信噪比提升2.5倍。

提出一种全局光照的计算方法,使用体素结构存储简化场景的光照信息,并通过体素锥追踪方法来收集光照信息,计算间接光照。在计算过程中,每帧只更新动态场景的体素结构,既可以支持动态光源,又避免了更新静态场景的时间消耗。通过各向异性过滤生成的方向性层级结构,将简化的体素场景及光照信息压缩存储在三维纹理的渐近贴图中,从而减少存储开销。利用体素锥追踪收集体素结构中存储的出射辐射度及遮蔽值来计算环境遮蔽、软阴影等全局光照效果。实验结果表明,所提方法可计算多种全局光照效果,并具有较好的绘制效率,在复杂的场景下单帧时间少于33.3 ms。

分析旋光-电光晶体的电光相位以及强度调制特性,并定义晶体的π-电压。对于具有旋光性的电光晶体,以往半波电压的概念不能准确描述其电光偏振、强度调制的周期性,因而引入π-电压这一概念,并将其定义为此类晶体的椭圆双折射相位延迟变化量等于π时所需要的调制电压。对于置于两个偏振器之间的旋光-电光晶体强度调制器,旋光性可以为电光强度调制提供光学偏置,但调制光强度是调制电压的偶函数,只有当检偏器的主透光方向平行或垂直于晶体出射线偏振光波的偏振方向时,才能实现完全的电光开关。当将此类晶体用于电光开关时,可定义能够实现完全开关状态转换所需要的最大调制电压为开关电压。通过实验测量了一块尺寸为6 mm×4 mm×2.9 mm的硅酸铋(Bi₁₂SiO₂₀)晶体的π/4-电压,对于635 nm的光波长,π/4-电压约为3 kV。对于具有旋光性的弹光调制器,可以引入π-应力和π-应变的概念。

针对已有的相对角差法面形检测的原理验证装置,提出了一种具有更高稳健性的最小二乘积分面形重建算法。利用相对角差改写了经典最小二乘积分技术的代价函数,避免了积分重建中的测量误差累积的问题,空间复杂度和时间复杂度仍分别为O(N²)和O(N³)。仿真结果表明,本文算法的稳健性显著优于Zernike波前重建法与基于样条的最小二乘积分法(SLI);实验结果证明,本文算法可适用于大口径角差法面形检测。

为了能够实现垂直腔面发射激光器(VCSEL)偏振无关特性,提出了将偏振无关光栅与half-VCSEL集成的方法。基于严格耦合波法,分析了光栅参数对偏振无关二维光栅反射特性的影响,经过模拟计算,发现在光栅周期为691~719 nm、光栅宽度为408.73~467.60 nm时,偏振无关二维光栅有210 nm的高反射带宽。将偏振无关二维光栅与中心波长为1.55 μm的half-VCSEL进行集成,得到了中心波长为1.55 μm的偏振无关波长可调谐VCSEL,经过光学传输矩阵计算,可得该偏振无关波长可调谐VCSEL的波长调谐范围可达93 nm。

GS(Gerchberg Saxton)算法具有收敛速度慢、运算精度低和收敛易陷入局部极小值等缺点,其对初值的选择非常敏感。通常情况下,估计的初值越接近真实值,复原效果越好。为了获得更接近于真实值的初始相位,在望远镜的瞳面添加非冗余孔径掩模,对通过掩模形成的干涉图进行处理,获得初始相位,可有效地加快GS算法的收敛速度并提高其运算精度。仿真结果表明所提算法的平均复原精度最少是GS算法的9倍。

火星大气风速廓线探测对研究火星大气环境具有重要意义,基于马赫-曾德尔干涉仪的多普勒测风激光雷达相对于一般的相干/非相干多普勒测风激光雷达更适合于火星地基探测。为使马赫-曾德尔干涉仪对激光雷达中望远镜接收到的大视场角回波光信号进行频移检测,需要对马赫-曾德尔干涉仪进行视场展宽。对马赫-曾德尔干涉仪中棱镜式视场展宽技术与“猫眼”光学系统的视场展宽技术进行研究后发现,棱镜式视场展宽技术更具优势。设计并搭建了一套光程差为219 mm的马赫-曾德尔干涉仪,使用压电晶体扫描反射镜片的方式测量其对以11 mrad视场角入射的准平行光束的透射谱,得到干涉仪最大的干涉对比度为0.87,满足多普勒测风激光雷达的使用需求。结合地球大气环境分析了干涉仪干涉对比度随高度的变化,结果表明:虽然大光程差马赫-曾德尔干涉仪的干涉对比度在5 km以下低空大气中随高度增加有小幅下降,但仍可使用这种干涉仪进行大气风速探测。

针对分布式光纤入侵监测系统在室外复杂环境下误报率过高的问题,提出了一种基于时/频域综合特征提取的入侵事件识别方法。使用自适应幅值门限信号切分算法找出有效振动信号片段,在此基础上提取平均片段间隔特征。选取最大能量片段作为主要研究对象,提取片段长度和峰均比特征,并对其进行小波包分解,生成频域能量分布特征,组成时/频域复合特征向量,使用高性能的支持向量机多分类算法进行模式识别。实验结果表明:该方法对行人脚踩、自行车轧过、拍击围栏和剪切光缆这4种典型入侵事件的平均识别正确率达到了98.33%,相比于仅提取时域或频域特征方法的识别正确率均有显著提高。该方法对光路光功率变化不敏感,能有效提升系统的实用性。

颤振是卫星平台在轨运行的固有现象之一,也是高分辨率对地观测卫星研究的难点和热点。针对资源三号02星在轨运行过程中的平台颤振情况,提出了一种基于能量对称分布的相位相关配准算法。结合多光谱相机各谱段相机之间的安装关系,考虑到平台的线性平滑运动特性,采用二次函数消除系统变化量,得到线性拟合的平台颤振曲线,最后利用星敏陀螺数据联合滤波得到卫星姿态复合验证曲线。实验结果表明:在模拟数据情况下,所提配准算法的配准精度能够达到0.05 pixel,可有效辅助探测卫星平台的颤振,并首次探测到资源三号02星平台存在0.63~0.65 Hz的颤振,振幅为0.41″~1.12″。

采用同时测量红绿蓝(RGB)三种颜色的数字颜色芯片,实现了一种同步监测氧气和温度的便携式传感器。涂覆于颜色芯片上的传感膜由三种荧光染料嵌入有机改性硅溶胶凝胶基质构成。所有染料均用405 nm的发光二极管光源激发,其荧光波长分别与颜色芯片的RGB 三个通道相匹配且无光谱交叠。不同氧气浓度和温度下的实验结果表明,所研发的传感器能有效地同步监测氧气和温度,且在氧气浓度为0%~30%和温度为25~75 ℃时具有良好的线性响应。

针对以Faster R-CNN为代表的基于候选框方式的遥感影像目标检测方法检测速度慢,而现有SSD算法在小目标检测中性能低的问题,提出一种改进的SSD算法,综合利用现有基于候选框方式和一体化检测方式的优势,提升检测性能。该算法利用密集连接网络替换原有的VGGNet作为骨干网络,并且在密集连接模块之间构建特征金字塔,代替原有多尺度特征图。为验证所提算法的精度及性能,设计样本数据在线采集系统,并采集飞机及运动场目标样本集作为实验样本,通过对改进SSD算法的训练,验证了其网络结构的稳定性,在无迁移学习支持下依然能够达到良好效果,且训练过程不易发散。通过对比以101层的残差网络(ResNet101)作为基础网络的Faster R-CNN算法和R-FCN算法可知,改进SSD算法较Faster R-CNN算法和R-FCN算法的MAP在测试集上分别提升了9.13%和8.48%,小目标检测的MAP分别提升了14.46%和13.92%,检测单张影像耗时71.8 ms,较Faster R-CNN和R-FCN算法分别减少45.7 ms和7.5 ms。

针对自然界的非球形粒子问题,对典型非球形粒子的偏振传输特性进行研究,采用T矩阵算法研究椭球、圆柱和切比雪夫粒子的偏振传输特性,及其与球形粒子偏振传输特性的差异。研究结果表明:对于横纵轴之比中等的椭球粒子,当散射角小于60°时,不同形状椭球粒子的偏振度(DOP)差异较小,可用Mie散射方法进行粒子偏振特性的近似计算;当散射角大于60°时,DOP随横纵轴之比的变化较大,且球形与椭球粒子的DOP差异随着横纵轴之比的增加而增大;对于直径与高度之比中等的圆柱体粒子,DOP的变化相比于椭球粒子更加平稳,但后向散射与侧向散射区域仍不能采用Mie散射进行近似计算;形状比例极端的椭球粒子和圆柱体粒子的偏振曲线均类似于钟形,且在散射角约为90°时DOP达到最大值;切比雪夫粒子的形变参数和级次都对粒子前向散射偏振特性的影响较小,但对后向散射偏振特性的影响较大,且灵敏度随级次的增加而减小。本研究结果可为非球形粒子偏振传输特性的研究及球形粒子近似提供理论指导。

光栅的多级衍射杂散光对空间外差拉曼光谱仪的成像质量具有重要影响。为了提高其成像质量,使光谱特征更准确,针对空间外差拉曼光谱仪中光栅产生的多级衍射杂散光进行分析与抑制研究。依据光学传递理论,利用ASAP软件对空间外差拉曼光谱仪中光栅产生的多级衍射杂散光进行仿真与分析,利用挡板、光阑和光学陷阱等方法设计了能够抑制-2.5°~2.5°视场范围内杂散光的结构。结果表明:光栅产生的多级衍射杂散辐射比由4.996×10 ^-3降到了1.57×10 ^-8,设计的结构对空间拉曼光谱仪系统内因光栅产生的多级衍射杂散光具有良好的抑制效果,有效提高了系统的成像质量。

风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的核心是一台红外傅里叶光谱仪,为了提高探测仪观测资料的定量化应用水平,必须对其进行精确的在轨光谱定标。对于傅里叶光谱仪来说,光谱位置由干涉图的采样点数和参考激光频率共同决定,因此光谱定标的关键是确保参考激光频率的稳定性。本研究利用逐线积分辐射传输模式得到参考大气吸收谱线,通过比较探测仪观测光谱与参考光谱的均方根误差来确定激光的有效采样频率,从而实现探测仪的在轨高精度光谱定标。该方法已应用于风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的在轨光谱定标中,具有较高的应用价值。

探究径向偏振矢量光与氧化石墨烯/金纳米棒复合结构的相互作用,以提高表面增强拉曼散射性能。基于FDTD Solutions软件,得到氧化石墨烯/单金纳米棒复合基底在径向偏振光激发下的表面增强拉曼散射增强因子达到10 ⁸,比相同条件下线偏振光激发的大6个数量级。这种性能提高的物理机制源于径向偏振光激发金纳米棒的电磁增强与氧化石墨烯产生的本征化学增强。进一步详细讨论了径向偏振光激发下氧化石墨烯厚度、金纳米棒数量和排列方式对表面增强拉曼散射性能的影响。基于径向矢量光场激发多功能基底的表面增强拉曼散射性能调控在生物化学、食品安全与传感检测等领域具有巨大的应用潜力。

微焦点X射线源是微计算机断层扫描技术设备的核心部件。研究了电子束在靶材中的横向扩散引起的透射式微焦点射线源的焦点尺寸和强度的变化规律。结果表明:当打靶电子束的束流密度遵循高斯分布时,其产生的X射线强度也遵循高斯分布,该分布的标准差可以用来精确表示X射线的焦点尺寸;当靶材厚度可以使沉积电子束的能量达到60%时,对应的靶材产生的X射线强度最高;随着靶材厚度增加,X射线的焦点尺寸逐渐变大;增大电子束的加速电压可以适当减小X射线的焦点。本研究为透射式微焦斑X射线源的靶材选择和设计提供了理论依据。

基于自主研制的均匀掺杂低热光系数25/400 μm掺镱双包层光纤,开展了全光纤高功率窄线宽光纤激光放大实验。激光系统实现了中心波长为1060.3 nm、线宽为25 GHz、最高功率为2.2 kW的单模激光输出,其斜率效率达78%,光束质量因子M²≈1.2,其功率是目前报道的基于国产25/400 μm掺镱双包层光纤窄线宽放大器单模激光输出的最高功率。