基于标准大气环境的大气折射率理论模型不能反映实际大气折射率的波动性,针对该问题,提出了一种基于恒星光线偏折的大气折射率估计方法。基于光学卫星的恒星观测数据,分析恒星光线经大气折射发生偏折的现象,建立恒星光线经大气折射后进入光学卫星传感器的光路模型,在分层球形大气的假设下证明该光路模型的对称性。研究一种利用恒星实测光线和恒星理论光线迭代前向反馈的方法,用以估计分层大气折射率。最后,利用光学卫星的恒星观测数据进行有效性验证,计算出的大气折射率与理论大气折射率相符,且能够反映短期波动性。对测试用的恒星实测数据进行处理,结果表明:88%以上的恒星理论视线与实测视线的估计值相差不超过1%,其余部分观测数据估计偏差基本不超过20%。

提出了分步寻优的基于粒子位置调整惯性权重的粒子群算法(PDW-PSO),通过调用严格耦合波方法(RCWA)计算衍射效率,进行了光栅结构参数的优化。将PDW-PSO与惯性权重不变的粒子群算法(PSO)和基于迭代次数调整惯性权重的粒子群算法(IDW-PSO)进行对比,结果表明PDW-PSO具有更快的收敛速度,相比于PSO和IDW-PSO,PDW-PSO的平均迭代次数分别从89.83和74减少至21.2,调用RCWA的次数分别从3144.05和2590下降至224。分析了波段匹配数对算法的影响, PSO和IDW-PSO的RCWA调用次数与波段匹配数呈等倍率增加,而PDW-PSO的RCWA调用次数的增加倍率小于波段匹配数的增加倍率。进行了算法准确度实验,在30次运行中,PDW-PSO与PSO、IDW-PSO正确收敛到最优值的次数相近,误差值不超过6.6%;随着粒子数的增加,三种方法的准确度都有所提高,粒子数达到27后基本都可以保证收敛到最优。

将分层技术引入光空间调制中,同时激活两个分别采用脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)的激光器,构建一种适用于湍流信道的分层光空间调制(LOSM)系统。在详细介绍系统中层映射和比特映射原理的基础上,推导出分层光空间调制系统的误码率表达式,并利用蒙特卡罗仿真进一步验证了该方案的正确性。结果表明,与传统光空间调制系统相比,分层光空间调制系统可大大提高系统的频谱效率。在传输速率相同的情况下,(5,4,2,4)-LOSM系统的频谱效率是(8,4,16)-SPPM (空间脉冲位置调制)系统的9倍以上;当频谱效率为4 bit·s ^-1·Hz ^-1时,(5,4,2,4)-LOSM系统与(8,4,2)-SPAM(空间脉冲幅度调制)系统具有相同的误码性能,但前者的传输速率几乎是后者的2倍。

在自由空间传输的过程中,轨道角动量(OAM)光束会受到大气湍流的影响,其螺旋相位会产生畸变,导致解调后的信号质量下降。为了研究不同湍流条件下大气湍流对正交频分复用(OFDM)-OAM光信号的影响,使用non-Kolmogorov湍流模型,通过改变模型中折射率结构常数 Cn2和大气指数α模拟不同情况下的大气湍流,测试OAM光信号经过湍流模型后的解调高斯光强图样、光束强度以及其携带的OFDM-16QAM信号的误码率。实验结果表明:non-Kolmogorov湍流模型中 Cn2和α的改变会对解调后的高斯光束以及探测到的OFDM信号产生一定的影响,而在发送端进行信道编码可以从一定程度上改善湍流对传输信号的影响。

采用代数迭代(ART)算法和最大似然期望最大化(MLEM)算法,利用开路傅里叶变换红外(OP-FTIR)光谱仪的测量结果,通过仿真模拟了高斯空间分布模型下的气体二维浓度场重建,并利用重建评价指标——逼近度和相关系数,分析了这两种重建算法的重建精度和抗噪性能。结果表明:在单峰气体浓度场中,ART与MLEM算法重建结果的逼近度分别为0.177和0.044;在双峰气体浓度场中,ART与MLEM算法重建结果的逼近度分别为0.263和0.069;MLEM算法更适用于重建复杂的气体浓度场。在不同噪声水平下,ART的抗噪性能优于MLEM算法,MLEM算法对噪声更敏感。

提出一种新的正交扫描多视投影计算全息图生成方法。该方法基于推导出的物体三维傅里叶频谱抽样统一模型及其误差分析,设置角度参数,从正交扫描投影图中模拟获得特定角度圆形扫描下的投影图频谱采样圆,并按“θ角(扫描视角)小者优先”准则确定重叠位置的频谱采样信息,从而提高正交投影图频谱利用效率;从理想采样点与其取整点在频谱信息一致性、空间邻近程度的相互关系出发,设置理想采样点所在频域格网点权重值,并以之为基础自适应选取频谱信息一致性较高的格网点作为实际采样点,从而在投影图频谱充分采样和背景噪声引入之间取得平衡,以获得最优的物体三维傅里叶频谱。针对虚拟三维模型的正交扫描多视投影计算全息实验结果表明,所提方法可明显改善所生成的全息图再现像视觉质量,其再现像信噪比不仅在相同投影图数量下显著优于传统正交、圆形扫描方法,并且在冗余采样条件下,投影图数量减少为原来的1/2时,所提方法所生成的全息图再现像信噪比也优于传统正交、圆形扫描方法,因此所提方法具有较高的应用价值。

为了降低多光谱人脸图像中出现的非刚性形变、噪声和离群点等因素对配准结果的准确性和稳健性的影响,提出一种综合考虑特征点的空间几何结构和局部形状特征两方面信息的多光谱人脸图像配准方法。所提方法首先通过基于内部距离的形状上下文描述子来表述点集的局部特征信息,建立可见光和红外图像相似性测度函数。然后利用Student's-T分布混合模型来表示图像特征点集配准过程中变换模型估计问题,并采用期望最大化算法对模型进行求解。仿真数据表明在点集存在非刚性形变、噪声和离群点的情况下,所提方法仍可以实现点集间的精确配准。可见光和红外人脸真实图像数据表明所提方法的平均匹配误差和运算效率都优于对比算法,配准融合后的多光谱人脸图像可以提高后续的人脸检测和识别性能。

基于Mojette投影变换的空域与频域性质,提出频域最小冗余覆盖的有限角度计算机断层成像(CT)重建算法。其中频域最小冗余覆盖即空域投影采样最少,也就是重建图像的投影数目最少、效率最高。通过研究发现了Mojette投影数据在其频域上的等效关系,将投影压缩在有限角度范围内,实现了有限角度CT图像重建。实验结果表明利用所提方法可得到较好的重建结果。

针对非相干光照明下的非视域成像问题,提出一种基于深度学习的解决方法。结合计算机视觉领域中经典的语义分割及残差模型,构造一种URNet网络结构,并改进了经典瓶颈层结构。实验结果表明,改进的网络可以恢复更多的图像细节,并具有一定泛化性,相比于基于非相干光照明的散斑自相关成像技术,该网络恢复性能有较大提升。

为提升高噪声稀疏角度投影条件下中子计算机断层扫描(CT)质量,提出同时迭代重建方法(SIRT)与加权总差分最小化(WTDM)相结合的迭代重建方法(SIRT-WTDM)。在有无噪声情况下比较代数重建算法、联合代数重建算法及同时迭代重建算法的重建图像,证明了SIRT迭代重建具有较高的图像重建精度与较强的抗噪声性能,因此将SIRT作为高噪声中子投影图像CT迭代重建算法的保真项。考虑到对图像梯度稀疏性与连续性的约束,中子CT迭代重建方法的正则化约束项采用WTDM方法。由Shepp-Logan模体与真实冷中子层析扫描数据验证可知,在极端稀疏角度投影条件下,SIRT-WTDM可获得较好的重建效果。

结构光照明成像在近距离高分辨率物体三维测量方面具有重要应用。在传统结构光照明成像的基础上,提出了隐形结构光三维成像动态背景光干扰抑制技术,对实际目标进行了三维轮廓获取,并对动态背景光的抗干扰能力进行了详细的分析和验证。基于激光干涉原理产生的结构光,投射两束正交偏振光束到物体表面并不产生干涉条纹,采用同步相移探测技术实现结构光条纹的探测和再现。采用同步相移探测技术,可同时获得4步相移条纹图像,有效降低了背景光的干扰,提升了动态三维成像的能力。理论研究了隐形结构光的成像原理及动态背景光抑制机理,搭建了实验验证装置,获得了动态背景光干扰下实际目标的三维重建图像,实验结果与理论分析吻合。

研究了基于3×3耦合器的光纤马赫-曾德尔干涉仪的三路输出干涉信号的特点,针对相位衰落问题,提出了一种根据所得的正交信号来判断反馈正负性的方案。实验通过LabVIEW软件来实现正交信号的获得及反馈输出信号的处理。测量和分析得到了直接输出反馈信号时会出现干涉信号短暂偏离稳定点的情况,整个过程的时间约为35 ms,而采用所提反馈正负判断方案后,相位稳定所需时间约为18 ms。通过一个光纤准直聚焦系统把光入射到被测物体表面并接收反射光,探测到了与输入信号频率一致的1.5 MHz的高频振动信号。验证了正负反馈判断方案及设计干涉系统的可行性和有效性。

针对混合颗粒的分类问题,传统算法多利用颗粒的二值化图像提取其特征,并通过精细的特征设计结合BP神经网络、支持向量机(SVM)等分类器进行分类,但颗粒粘连以及不精确的特征设计都会严重影响分类的准确率。利用卷积神经网络提取颗粒的特征,通过区域建议网络(RPN)搜索颗粒的位置,同时建立分类器,并结合全卷积网络实现像素级的颗粒分割。对由球形、长条形及非规则形颗粒组成的混合流动颗粒体系进行实验研究,结果表明:利用人工特征设计的SVM法可以达到87%的分类精确率和召回率,而基于卷积神经网络的方法则可以达到97%的分类精确率和93%的召回率,并且对于非规则颗粒的数目中位径,该方法不仅可以将分析误差降低11%以上,还避免了传统方法需要精确设计人工特征等的不足,更易形成一个端对端的混合颗粒分类体系,为流动混合颗粒的图像在线分析提供了更加有效的思路。

传统的质心算法面临着光学像差和随机噪声对质心位置提取精度影响很难减小的问题。为了解决这一问题,对星敏感器所成星点像进行分析,结合星敏感器光学系统的调制传递函数和图像传感器像素频率响应特性,提出了一种基于星点像重采样的星敏感器质心定位算法。根据夫琅禾费衍射理论计算出离焦光学系统的点扩展函数,并对重采样质心算法的系统误差分布进行仿真,结果显示,该算法在不同像差条件下的系统误差均方根都小于0.01 pixel。用星敏感器产品进行了质心提取系统误差测量实验,重采样质心算法的系统误差为0.008 pixel,相比传统正弦曲线补偿方法的精度提高了66%。仿真和实验结果表明:基于星点像重采样的质心算法精度高,受光学系统像差的影响小,是提高星敏感器测量精度的一种有效方法。

微透镜阵列法是实现光束匀化的主要途径之一,通过改变成像透镜的光焦度,可在焦平面处得到大面积的均匀光斑。基于理论和实验分析了散射成像法的可行性,为了准确测量焦平面处光斑的照度,在考虑漫射板反射率及相机离轴角等影响因素的基础下,从张正友相机标定法出发,建立了图像灰度值与目标面光斑照度的数学关系;在实验中标定了漫反射板的双向漫反射分布函数,针对两种焦距的主积分透镜,测量了焦平面及附近位置处匀化光斑的照度分布。实验结果表明:当积分透镜焦距分别为300 mm和500 mm时,目标面处的激光通量基本一致,光斑大小与理论值基本接近;分别比较了两种情况下观察面离焦时光斑分布的变异系数,得到光束经微透镜后匀化效果最佳的位置。

光学元件在加工及使用过程中引入的麻点或擦痕会严重影响其表面质量。基于Peterson疵病散射理论,将麻点或擦痕引起的散射光分为两部分,即对麻点(或擦痕)内部表面的散射光作漫反射分析,对麻点或擦痕外围轮廓引起的散射光作衍射分析。进一步考虑麻点和擦痕的挡光效应,以及麻点衍射消失的边界条件,通过将疵病散射理论与国家标准GB/T 1185—2006相结合,推导出麻点、擦痕的双向反射分布函数的解析表达式,进而分析了不同疵病级数下的角分辨散射和总散射。研究结果表明:表面疵病的总散射与疵病面积近似成线性正比,进而据此提出了一种基于总散射测量的表面质量检测新方法,并分析了光学元件表面疵病的阈值。

提出了一种原位的光刻机投影物镜偏振像差检测方法。定义一种新的偏振像差表征方法,推导了3对正交偏振态照明下空间像之差与偏振像差3个泡利项之间的互相关关系,并据此对交替相移掩模的3组差分空间像进行主成分分析进而求解偏振像差的各项泡利泽尼克系数。从理论上揭示了各偏振像差项在成像中的耦合规律,从而在测量原理上解决各项耦合问题,可同时测量偏振像差所有泡利项的前37阶泽尼克系数。在典型的深紫外光刻仿真条件下对所提方法进行随机偏振像差测试,其中3组泡利项的实部和虚部共6×37阶泡利泽尼克系数误差的标准差均在10 ^-3量级。测试结果验证了本方法的正确性和可行性。

为了在有限的太阳观测窗口内获得高质量的太阳光谱数据,需保证太阳进入观测窗口时仪器已完成自身预热。为保证仪器预热时间的一致性,需在轨实时预报预热开始时刻,需对每轨太阳开始进入仪器观测窗口的时间进行短时间高精度预报。详细介绍了一种由卫星平台当前广播时间和轨道瞬根推导预报时刻太阳角度的方法。利用该方法预报某一太阳同步轨道卫星本体坐标系下的太阳角度,并将预报结果与STK仿真结果进行比对。该预报方法在预热时间内的最大角度误差为0.5°,导致预热时间最大偏差为20 s,满足1 min的指标要求。分析了预报方法中的主要误差来源,为后续卫星载荷的在轨太阳角度短期预报提供了借鉴与参考。

光场的高阶关联特性是揭示光的统计行为的重要特征。采用传统的HBT(Hanbury-Brown and Twiss)实验模型测量多光子高阶关联时,会受到单光子探测器和分束器数量的限制,测量起来比较复杂。提出了一种利用增强型电荷耦合器件(ICCD)快速测量光场高阶关联的方法。通过改变曝光时间和光照强度(计数率)对赝热光场和相干光场的高阶相干度进行测量和分析。结果表明:在适当的条件下,可以确定光场的高阶相干度。当曝光时间为600 ns、计数率为5.12×10 ⁸ s ^-1时,实测赝热光场的2阶和3阶相干度分别为 gT(2)(0)=1.79±0.20, gT(3)(0)=4.94±0.59。对多达4阶的光场相干度进行了测量,该结果能在理论上得到较好的解释。该实验方法有望应用于某些光源的高阶相干性测量和研究方面,对揭示光场的高阶关联行为具有一定意义。

建立了适用于2.8 μm增益开关掺Er ³⁺的氟化物光纤(Er∶ZBLAN)激光器的计算模型,并进行了数值模拟。模拟发现存在最佳输出镜透过率使得输出功率最大,同时耦合率也影响脉宽、峰值和脉冲形态。模拟了抽运功率对脉冲形态的影响,发现弱抽运时两个抽运周期内仅出现一个信号光脉冲,而强抽运时一个抽运周期内出现多个信号光脉冲的现象。通过模拟发现了若干未被实验报道的新现象和规律,如耦合率对输出功率、能量、脉冲形态的影响规律;抽运功率阈值附近会出现与抽运周期一致的弱信号脉冲等。研究表明,在适当耦合率和抽运功率时,2.8 μm Er∶ZBLAN激光器可以实现稳定增益开关脉冲输出。

利用基于超连续激光和单色仪(SCM)的细分光谱扫描定标装置,对传感器的绝对光谱辐亮度响应度进行定标。利用两种绝对功率响应度溯源于低温绝对辐射计的辐亮度探测器(Trap-A 和Trap-B),分别以通用的部件级定标方式和基于该定标装置的系统级定标方式(以Trap-A作为参考),确定了Trap-B的绝对光谱辐亮度响应度,两种方式下的定标不确定度分别优于0.46%和1.8%。两种定标结果具有较好的一致性,在450~900 nm波段范围内,相对差异小于0.9%。研究结果表明:基于SCM的细分光谱扫描定标装置适用于传感器的绝对光谱辐射定标,在遥感器的绝对光谱辐射定标方面具有重要的应用价值。

提出了一种基于非正交二元相位板的阵列光镊系统,此系统可以实现对非正交排列的多个粒子的稳定捕获。通过对高数值孔径物镜在紧聚焦条件下的傅里叶变换理论和遗传算法来设计二元相位,优化得到具有不同分束比的,具有高衍射效率、高均匀度的归一化相位转折点,进而根据相位转折点设计出具有不同倾斜角度的非正交二元相位板。利用此二元相位板可以获得高数值孔径物镜聚焦下的各种非正交分布的阵列光斑。利用此类非正交阵列光斑,在光镊实验中实现了对二氧化硅微球的稳定捕获。理论模拟与实验结果表明,此方法可以实现对非正交排列的大量粒子的稳定捕获,在纳米粒子阵列的外延生长领域有着良好的应用前景。

针对靶室内的强电磁脉冲(EMP)环境开展理论研究。按照物理机理的不同,将靶室内的EMP环境分为逃逸超热电子激励的EMP、腔体系统电磁脉冲(SGEMP)和线缆SGEMP三大类。分别建立物理模型和数学模型,采用时域有限差分、粒子模拟以及蒙特卡罗算法进行模拟研究,仿真与实验结果吻合较好,该结果为深入研究激光-靶物理过程的电磁现象,以及提高装置电磁兼容能力提供了技术支撑。

光学频率合成器可在激光波长宽调谐范围内按指定的频率高精度地输出赫兹线宽稳频激光。在实现700~990 nm光学频率合成器原理验证的基础上,研究了光学频率合成器自动化控制的方法。通过实时比较波长计读数与目标输出光频的差别,自动设定输出激光的波长和数字可控光栅转台,自动获得输出激光与飞秒光梳之间的拍频信号并进行自动信号处理,以获得输出激光与参考激光之间的锁相控制信号。采用计算机控制后,可在1 min内获得输出激光频率控制误差信号,这为实现全自动的光学频率合成器打下基础。

针对血管内光学相干断层扫描(IVOCT)影像中,使用动态规划(DP)算法进行可降解支架轮廓分割时,分割结果容易受到血液伪影和支架内部断裂的影响,而导致支架轮廓分割准确度不高的问题,利用IVOCT影像中可降解支架具有四边形外观的先验信息,提出一种使用支架的4个角点得到支架轮廓的算法。实验结果显示:所提出的支架轮廓分割算法的平均Dice系数可达到0.88,相较于DP算法提高了0.08;所提出的支架自动分割算法能够实现IVOCT影像中可降解支架的准确分割,且具有较好的稳健性,能更好地在临床应用中辅助医生进行支架贴壁情况分析。

为提高复杂场景中目标跟踪算法的准确性与实时性,提出一种基于多层深度卷积特征的抗遮挡实时目标跟踪算法。针对目标跟踪任务,先对深度卷积网络VGG-Net-19进行微调,再提取目标区域的多层深度卷积特征。根据相关滤波框架构建位置相关滤波器,确定目标中心位置。设计尺度相关滤波器对目标区域进行不同尺度采样,确定目标尺度。目标遮挡时,采用阶段性评估策略进行模型更新与恢复,解决模型误差积累问题。选取目标跟踪评估数据集OTB-2015(100组视频序列)与UAV123(123组视频序列)进行测试。实验结果表明,本文算法具有更高的准确性,能够适应目标遮挡、外观变化及背景干扰等复杂情况,平均速度为29.6 frame/s,满足目标跟踪任务的实时性要求。

针对模型VDSR(very deep super resolution)收敛速度慢,训练前需要对原始图像进行预处理,以及网络中存在的冗余性等问题,提出了一种基于深度跳跃级联的单幅图像超分辨率重建(DCSR)算法。DCSR算法省去了图像预处理,直接在低分辨率图像上提取浅层特征,并使用亚像素卷积对图像进行放大;通过使用跳跃级联块可以充分利用每个卷积层提取到图像特征,实现特征重用,减少网络的冗余性。网络的跳跃级联块可以直接从输出到每一层建立短连接,加快网络的收敛速度,缓解梯度消失问题。实验结果表明,在几种公开数据集上,所提算法的峰值信噪比、结构相似度值均高于现有的几种算法,充分证明了所提算法的出色性能。

针对图像中小目标检测率低、虚警率高等问题,提出了一种YOLO V3的改进方法,并将其应用于小目标的检测。由于小目标所占的像素少、特征不明显,提出对原网络输出的8倍降采样特征图进行2倍上采样,将2倍上采样特征图与第2个残差块输出的特征图进行拼接,建立输出为4倍降采样的特征融合目标检测层。为了获取更多的小目标特征信息,在YOLO V3网络结构Darknet53的第2个残差块中增加2个残差单元。利用K-means聚类算法对目标候选框的个数和宽高比维度进行聚类分析。用改进的YOLO V3算法和原YOLO V3算法在VEDAI数据集上进行对比实验,结果表明改进后的YOLO V3算法能有效检测小目标,对小目标的召回率和检测的平均准确率均值都有明显的提升。

在人脸识别科学研究和实际应用领域中,大角度姿态是影响人脸识别结果的主要因素之一,成为限制人脸识别技术进步的难点,而姿态的校正归一化是解决该问题的常用手段。首先通过加权的LK(Lucas-Kanade)算法得到侧脸块和对应正脸块的仿射变换参数,基于最大Gabor相似度寻找校正人脸姿态的最优参数。然后,以每一人脸块最优参数得到的平均Gabor相似度作为这一块人脸的识别权重,可以增加大姿态人脸识别的精度和稳健性。在FERET人脸数据库中进行了实验,当水平偏转角度为45°时,准确率达到97.3%,证明本文提出的以最大Gabor相似度作为加权LK算法参数提取的依据是有效的,得到的最优参数具有较好的光照无关性,而将平均Gabor相似度作为识别权重,有助于使算法的应用更加稳健和有效。

基于PatchMatch(同时估计像素点的视差和法向量的3D标签)的方案已经在立体匹配中取得高精度的亚像素视差,但该类方法无法有效解决图像无纹理区域的错误匹配。针对这一问题,对LocalExp(local expansion move)算法进行了改进,并提出一种融合多维信息的自适应像素类别优化的立体匹配算法。该方法设计了一种交叉窗口,在窗口内基于颜色与颜色的自相关信息构建相关权重,并利用约束函数剔除匹配代价中的离群值;在PatchMatch的标签初始化阶段增加约束机制,改进视差标签的建议生成机制,并利用基于局部扩张运动的优化方法求解标签值;利用基于像素类别的填充策略进行视差优化。实验结果表明所提算法能够在Middlebury数据集上取得较低的匹配误差。

为了获得分布均匀、有序排列、可重复性高的表面增强拉曼散射基底(SERS),选取银离子导体RbAg₄I₅薄膜,结合真空热蒸镀工艺和固态离子学方法在外加电流作用下制备出高表面粗糙度的银纳米线。同时,选取罗丹明6G(R6G)溶液作为探针分子,研究高表面粗糙度银纳米线作为SERS基底时的表面增强拉曼特性。实验结果表明:制备得到的银纳米线在宏观上呈现为树枝状,在微观上呈现为有序排列,并且其纳米结构的分形维数为1.59;采用银纳米线作为SERS基底时,能够检测到R6G溶液的浓度低至10 ^-17 mol/L。制备的高表面粗糙度和有序密集排列的银纳米线SERS基底在环境科学等领域具有潜在的应用前景。

选取Si-Na-Zn-Al体系作为玻璃基质,Ce ⁴⁺和Ag ⁺分别作为光敏因子和热敏因子;通过优化紫外曝光剂量与热处理条件,研究了光热敏折变玻璃中Ag ⁰团簇的析出及其对玻璃透过率、析晶等性能的影响。结果表明:通过控制紫外曝光剂量和热处理条件可以调控Ag ⁰团簇的结构和NaF晶体的析出;当紫外曝光剂量为4 J/cm ²@315 nm、成核温度为580 ℃、析晶温度为650 ℃时,可以获得均匀的Ag ⁰团簇及NaF晶体。

荧光辐射差分(FED)显微术利用实心光斑扫描的一幅共聚焦图像减去空心光斑扫描的负共聚焦图像,实现了超分辨成像。使用简单的环形光瞳滤波器提高了无变形FED的成像分辨率。在空心焦斑光路上使用合适的环形光瞳滤波器,压缩空心焦斑的尺寸;同时,在实心焦斑的光路上允许使用更高数值孔径的孔径光阑,获得更小的、与空心焦斑相匹配的实心光斑分布:两方面作用下,提高了FED的空间分辨率。

比较了基于光激发-光抑制(SPIN)和受激辐射损耗(STED)的两种双光束超分辨数据写入技术的机理,为基于STED的超分辨数据写入技术建立了动态物理模型,研究其光致聚合过程中的工作机制,并模拟了基于SPIN和STED的双光束超分辨数据写入技术在记录点尺寸和分辨率方面的差异。结果表明:基于STED的双光束超分辨数据写入技术具有无需抑制剂、原理简单的优势,但其需要第二束辅助光的强度较大且对聚合作用的抑制效率低,在多点写入情况下点的尺寸变大,记录均匀性变差。基于SPIN的双光束超分辨数据写入技术所需能量小,多点记录时引发剂分子消耗将抵消抑制剂分子消耗带来的影响,整体均匀性和稳定性好。因此基于SPIN的双光束超分辨数据写入技术在超高密度存储领域应用前景更好。

针对衍射光学元件制造中材料选择的局限以及遮挡效应,采用了紫外光固化有机-无机纳米复合材料快速成型技术制造衍射光学元件,获得高折射率、高色散的衍射光学元件。通过有机-无机纳米复合材料制备实验获得了一种适合制造衍射光学元件的复合材料配方,配方各成分包括质量分数为57.97%的2官脂肪族聚氨酯丙烯酸酯(2PUA)、质量分数为38.64%的季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)、质量分数为1.45%的光引发剂184(Irgacure 184)、质量分数为1.93%的分散剂163(disperbyk 163)和质量分数可控的纳米粒子ITO。使用该方法制备了紫外光固化衍射光学元件,并使用台阶仪测量得到衍射光学元件模芯表面的平均微结构高度为13.26 μm,光固化衍射光学元件表面的平均微结构高度为12.58 μm,使用光固化衍射光学元件与模芯微结构的相对误差为5.141%。紫外光固化有机-无机纳米复合材料的衍射光学元件制造技术突破了材料选择局限,减小了遮挡误差,对宽波段的折衍射混合光学系统的快速成型具有重要意义。

以矢量波像差理论中的三级像差理论为基础,提出了一种两反系统装配失调量解算方法。该方法仅采用轴上视场波前像差系数建立失调量解算模型,然后基于球差系数解算间隔误差,并基于彗差和像散系数解算偏心和倾斜误差,大幅提高了解算精度和效率。以某一两反光学系统为例,利用光学设计软件Zemax进行模拟装调,系统轴上视场失调像差系数均减小到10 ^-7数量级,失调误差均校正到10 ^-5数量级,达到了良好的装调效果。最后,利用该失调量解算模型指导两反光学系统的装调,失调量解算精度及装调精度达到了使用要求。Zemax模拟装调结果和实际装调效果均证明了所提方法的正确性。

磁光调制方位传递系统中,交变电流驱动内置磁光材料的螺线管磁场至关重要,直接关系到方位信息的传递精度。研究了交变电流驱动的螺线管内磁场对方位信息传递精度的影响。首先,利用麦克斯韦方程构建空心螺线管电磁场模型,分析驱动信号频率对磁场的影响;然后结合安培环路定律建立内置磁光材料的螺线管内部磁场模型;最后分析无松弛极化介质、松弛极化介质、驱动信号频率等对系统方位传递精度的影响。结果表明:驱动信号频率是影响系统方位传递精度的重要因素,且方位传递误差存在规律性;无松弛极化介质与松弛极化介质对系统方位传递精度的影响程度相当。该结果为研究磁光调制方位传递系统的方位传递精度与系统优化设计提供了参考。

模拟分析了分数阶拉盖尔-高斯涡旋光束在远场形成的光强和相位分布,探讨了拓扑荷从分数到整数变化时光束特性的演化过程。光强分布图中出现了两个大小和形状不同的环状光斑,较大的环状光斑上有形状规则的亮斑,环状光斑所围区域内暗斑呈椭圆状,亮斑和暗斑的数量都与入射光的拓扑荷有关。

目标域遥感图像特征分布的变化,导致遥感场景零样本分类性能下降,针对该问题,提出一种基于局部保持的遥感场景零样本分类算法。首先,为减少冗余信息,采用解析字典学习方法,将源域中的场景图像特征和类别语义词向量嵌入到同一稀疏编码空间,并实现两者稀疏系数的强制对齐,以建立图像特征与词向量之间的关系;然后,通过保留图像特征空间中场景图像间的局部近邻关系,增强场景图像对应稀疏系数的鉴别性,以有助于对稀疏系数进行聚类分析;最后,为适应目标域图像特征分布变化,采用k-means算法对目标域场景图像的稀疏系数进行聚类,并以初始中心的类别标签作为对应的聚类簇中场景的类别标签。实验分别采用GoogLeNet和VGGNet图像特征,以数据集UCM作为源域遥感场景集,对目标域场景集RSSCN7进行零样本分类,获得了最高50.67%和53.29%的总体分类准确度,比现有算法各提升了8.06%和9.70%。实验结果表明:该算法能够适应目标域遥感场景图像特征分布的变化,显著提升遥感场景零样本分类效果,具有一定的优越性。

合成孔径激光雷达(SAL)具有成像距离远、分辨率高、速度快等特点,在天基空间目标成像领域有重要的应用前景。针对天基SAL成像中回波信号弱、噪声大、成像质量差等问题,提出在交会点附近连续长时间观测的思路。基于简单假设,建立采用光学外差探测的天基SAL成像理论数学模型,获得回波数据方程,给出成像处理流程、成像分辨率和图像信噪比,数学仿真了不同信噪比下的天基SAL空间目标成像。理论分析和仿真成像结果表明:当回波数据信噪比高时,任何子段数据均可形成空间目标的高分辨率图像;当回波信号微弱、数据信噪比低时,采用连续长时间观测数据形成目标子图像,将所有子图像进行叠加,提升了目标图像信噪比,改善了成像质量。

针对基于射频非平衡马赫-曾德尔干涉仪的光纤布拉格光栅传感器波长解调系统的特性展开研究,实验测量了由非相干光损耗、器件插损及光纤光栅的反射谱宽引起的系统的输出功率衰减。提出选取某个特定微波频率输出强度,针对一定量的样本观测值,采用最大射频强度判别法进行数据处理的完整方法。实验还通过描绘各频率点输出强度最大值得到该波长解调系统频率响应,以119.96 MHz作为调制频率得到0.1692 dB/℃的传感灵敏度。本实验对于非相干光与微波光子滤波器在光纤传感应用过程中的性能改进与可行性研究具有实际参考意义。

为了适应光谱特性、观测角度不同的卫星载荷定标需求,提出了一种考虑地表双向反射分布函数特性(BRDF)的通道式辐射计光谱反射率拓展方法。利用国家高分辨遥感综合定标场的星地观测数据,对提出的自动观测数据光谱拓展方法进行验证。结果表明,通道反射率光谱拓展结果与地物光谱仪实测值相比平均相对差异为2.67%;而与Sentinel-2A/B卫星实际观测结果相比,各波段差异均在10%以内。进一步开展了不确定性分析,利用提出的光谱拓展方法获得的地表光谱反射率不确定度为3.34%,基于该方法的Sentinel-2A/B蓝、绿、红、近红外波段辐射定标总不确定度分别为3.35%,3.77%,4.10%,4.29%。

多通道扫描成像辐射计搭载于风云四号气象卫星上,为了使其实现高精度定量化遥感,其上配备了星上定标装置。该装置主要是引太阳漫射板(SD)反射的太阳光作为标准辐亮度源,太阳漫射板反射率衰减监测仪(简称比辐射计)定期监测漫射板反射率的变化。主要介绍了比辐射计的工作原理,并针对在轨返回的数据特点建立了太阳漫射板双向反射分布函数衰减因子计算模型。数据表明:比辐射计探测器受到了温度的影响,其不确定度为0.165%/℃,比值监测的方式消除了温度的影响。计算了3个通道衰减因子的合成监测不确定度,第一通道的合成监测不确定度为1.48%(k=2),第二、第三通道合成监测不确定度为1.16%(k=2)。结果表明:比辐射计可以实现漫射板反射率的衰减监测。

为了克服传统的基于周期靶标的在轨调制传递函数测量方法中测量精度过分依赖靶标组数的问题,通过对传统方法的原理进行深入剖析,提出了一种新的测量方法。在获得多组具有一定相位差异的地面周期靶标图像数据后,充分利用所有采样数据及相应相位关系,进行参数拟合,得到地面靶标经成像系统后的调制度,对比输入调制度计算调制传递函数。仿真及实际光学遥感相机的实验结果表明:仅利用两组靶标,理论上所提方法的测量精度可优于0.5%;测试图像噪声、靶标周期匹配偏差、测量角度匹配偏差等因素对测量误差的影响均在4%以内,该测量方法的适应性较高。所提方法的计算结果与倾斜刃边法具有良好的一致性,可以应用于高分辨率光学遥感相机的在轨调制传递函数测量。

研究并对比了6类电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体图像传感器的辐射响应均匀性。设计辐射实验,对像素阵列中响应信号在不同统计区域内的像素值增量平均值和非均匀度进行分析与讨论,重点研究了各类固态图像传感器像素阵列全局、区域和代表像元的辐射响应均匀性。实验结果表明:在稳态γ射线辐射场辐照条件下,帧图像中的响应信号增量并非固定值;像素阵列各区域内响应信号的均匀性不因辐照剂量率的变化而变化,对于相同的图像传感器,辐射在任意帧图像中产生辐射响应信号的分布与像素阵列中任意像素在多帧图像中出现辐射响应的分布相同,但由于传感器的本底噪声存在差异,单个像元、区域像素的统计结果与全局存在偏差。本研究为提高基于图像传感器的γ射线辐射探测技术,实现无遮光条件下在线辐射探测提供了理论依据和数据支持。

光场相机波前传感器是一种新型的波前传感器,具有视场大、动态范围大的优势,但由于存在信号饱和现象,光场相机的线性度和波前传感精度较低。利用动态调制提高光场相机的线性度和波前传感精度,理论分析了光场相机波前传感的原理与特性,利用MATLAB软件对光场相机在动态调制时的波前闭环校正效果进行数值模拟,并与无调制光场相机的模拟结果进行对比分析。仿真结果表明:光场相机在动态调制时的测量精度高,校正效果较好,校正后远场光斑的斯特列尔比大于0.8,波前传感性能优于无调制光场相机。

针对某型号微纳遥感相机超轻质、低功耗、短周期和低成本的要求,设计了一种一体式超轻主支撑结构。从微纳遥感相机的任务需求出发,经过比较后选择钛合金作为主支撑结构的材料,并从质量和功耗两方面考虑选择了桁架式方案。建立了以基频为目标函数的拓扑优化数学模型,推导了目标函数的灵敏度,并通过采用改进的Heaviside密度滤波方法,得到了拓扑结果清晰的主支撑结构最优传力路径。以基频为目标函数建立尺寸的优化数学模型,得到了各部分的最佳设计尺寸,设计完成后的一体式主支撑结构质量为0.6 kg。有限元分析与实验结果表明:一体式主支撑结构能够满足光学系统的公差要求,且基频远高于卫星平台对光学载荷的要求,验证了拓扑优化设计方法和尺寸优化设计方法的正确性以及设计的合理性。

基于相机模型,建立多分辨率下的成像链路仿真,对不同尺度和采样体制下的舰船目标结构和方向特征进行分析。结果表明:对于长度在百米级的舰船,当空间分辨率高于12 m时,形状和方向特性能够保持稳定;当空间分辨率低于12 m时,随着分辨率下降,很难通过单帧图像信息来识别目标类型和判断目标的方向;与单采样相比,过采样虽然能够提高图像的空间分辨率,但目标边缘的扩散更明显,不利于目标形状特征的提取;对于具有对称结构的舰船目标,两种采样体制对运动目标方向的捕捉和判断能力相当。

设计一种新颖的交叉领结形石墨烯阵列结构等离子体折射率传感器。利用石墨烯与电介质交界面产生的表面等离子体效应,在中红外波段获得双共振透射现象,结合石墨烯的电可调特性来实现透射谱的动态调制,采用时域有限差分法研究该结构中石墨烯的化学势、层数及几何参数对双共振透射现象的影响。结果表明:通过改变石墨烯的化学势及层数能够实现共振位置的调谐;优化结构参数后,该结构具有较好的传感性能和双共振透射现象,2个共振谷的灵敏度分别高达(1280±24) nm/RIU和(2800±49) nm/RIU,品质因数分别为17.1 RIU ^-1和12.3 RIU ^-1。研究结果为石墨烯等离子体生物传感器的设计提供了理论依据。

针对茶叶中的农药残留问题,利用表面增强拉曼光谱(SERS)技术结合二维相关光谱法快速检测茶叶中毒死蜱残留。以金纳米为增强基底,采集含不同浓度毒死蜱残留茶叶样本的SERS,利用标准正态变量变换(SNV)对原始拉曼光谱进行预处理,再以毒死蜱浓度为外扰,进行二维相关同步光谱和自相关谱分析,筛选出与毒死蜱浓度变化相关的特征谱峰,利用灰狼算法(GWO)优化支持向量机(SVM)参数,建立茶叶中毒死蜱残留分析模型,并与偏最小二乘(PLS)模型得到的结果进行比较。结果表明:利用二维相关光谱法优选出毒死蜱的14个特征谱峰,所建SVM模型对预测集样本的决定系数 Rp2为0.98,方均根误差为1.32,相对分析误差为6.32,能用于茶叶中毒死蜱残留的实际估测,模型性能优于采用1096 cm ^-1单个特征谱峰建立的SVM模型和PLS模型。研究结果表明:将二维相关光谱法用于筛选与茶叶中毒死蜱浓度相关的特征谱峰是可行的,为拉曼光谱中特征变量优选提供了新思路;同时也表明,SERS结合二维相关光谱法可以实现茶叶中毒死蜱残留的快速检测,为茶叶农药残留快速检测装置的开发提供了方法支持。

冲击压缩过程中蓝宝石的发光辐射现象与其在高压下的透明性、结构相变密切相关。采用密实金属与蓝宝石窗口直接接触的靶结构,在二级轻气炮加载平台上研究了蓝宝石在高于兆巴压力(100 GPa)区域的发光辐射特性。利用多通道辐射高温计得到了含有金属界面辐射的典型的发光辐射信号,通过辐射输运模型得到了蓝宝石自身的辐射强度。结果表明:在兆巴以上压缩区域,蓝宝石的辐射温度随压力变化出现明显的拐折,在87 GPa压力附近蓝宝石发生冲击压缩结构相变。