利用转动拉曼信号和振动拉曼信号获得大气温度廓线和大气湿度廓线,根据大气压力与温度、湿度的相互关系反演得到大气压力廓线。给出了探测大气压力的激光雷达系统及数据反演方法,并对所提方法的可行性进行了论证。研究分析了引起压力反演误差的因素,误差来源主要有三方面:温度偏差、参考点压力偏差和大气比湿。利用拉曼激光雷达系统进行了大气探测及压力反演,反演得到大气压力廓线,并与当天探空压力数据进行了比对分析,得到了较好的反演结果,证明了研究方法的可行性。最后从应用需求角度分析了高精度压力探测对激光雷达系统的性能要求。

线列红外推扫探测器扫描帧率低,存在带状噪声,为此,提出一种基于Robinson-Guard滤波器和像素聚拢度的小目标检测方法。在红外图像上均匀布置采样窗口,令采样窗口根据图像亮度梯度聚集到高亮区域。融合红外图像的目标能量信息、局域对比度、目标像素聚拢度等多种特征,将采样窗口的加权叠加作为目标概率图。使用全局阈值分割获取目标,最终实现红外小目标的检测。实验结果表明,该算法可以检测中小尺寸的红外目标,且有效对抗探测器带来的带状噪声。

针对不同口径的光电探测设备组合设计两种扫描方式,建立多光电设备组合探测能力的评估模型。从望远镜的扫描方式、排列方式和口径等方面对模型进行仿真分析,并对仿真结果进行能力评估。仿真结果表明:针对选择已编目的空间碎片数据集,在仿真时间段,单仰角区域扫描的探测结果优于多仰角区域扫描;相同视场下,4台28 cm口径的望远镜组合的探测碎片数比15 cm口径的望远镜组合仅提高2.4%(单仰角区域扫描)和3.6%(多仰角区域扫描)。若观测需求为维持现有空间碎片的编目,建议选择性价比更高的15 cm口径的望远镜组合,若观测需求为能够探测更小尺寸的空间碎片,建议选择28 cm口径的望远镜组合。

光纤复合架空地线(OPGW)故障频发的原因与光缆局部受到的应力有直接关系,为了实现对OPGW光缆的在线应变监测,搭建了长距离布里渊光时域分析(BOTDA)和布里渊光时域反射(BOTDR)系统,并对重覆冰区域运行年限超过15年的在运95.14 km OPGW进行了应变检测和分析。通过对同一段光缆的对比测量,结果表明:BOTDA系统具有更长的测量距离、更高的空间分辨率与更高的测量精度,能准确辨别引下线并识别零应变参考点,可以实现温度和应变信息的准确分离。在两个站点的距离超过BOTDA系统的测量量程时,可以使用BOTDR系统从光缆两端分别测量以覆盖全部光缆。同时,BOTDR系统展现出单端测量的优势,在断纤故障发生时,BOTDR系统可不影响断点之前的线路测量。在同一条OPGW光缆线路上通过多维度的对比,分析了两种技术在OPGW光缆监测中的优劣势,为分布式光纤传感技术在电力系统中的应用提供参考。

针对星间激光通信系统受平台抖动影响的问题,研究了在瞄准误差影响下,具有有限消光比的多进制脉冲位置调制(M-ary PPM)系统的误码性能。通过分析发射机消光比、平台抖动和接收机噪声的影响,得到系统误比特率与信噪比关系式,并进行仿真分析。仿真结果表明:系统误比特率与归一化抖动标准差、PPM的调制阶数、发射机消光比三个因素有关,且瞄准误差和发射机消光比对通信系统性能造成的影响互不相关。通过分析系统总功率损失,可知系统的误比特率并不随着调制阶数的增大而一直降低。因此,研究表明在商用发射机消光比为20 dB的情况下,采用16-PPM的调制方式是最优的选择。

根据Fizeau干涉型光纤水听器的相位变化量公式,计算声压场条件下随声压变化的水听器总相位变化量。通过仿真,定量分析了水听器水平与垂直姿态及深度因素对各个频率下的声压灵敏度的影响。利用振动液柱法进行光纤水听器的实验环境测试。结果表明,姿态与深度因素均会对最终测量结果造成较大影响,在40~2000 Hz频带内,与水平姿态时相比,水听器在垂直姿态时将有0.9 dB~18.2 dB的灵敏度差异,深度读取误差造成的灵敏度误差在4 dB内。由于垂直姿态下水听器各部分所感受的声压场不同,因而测量结果与水平姿态结果存在差异,在声压场测试环境中,水平校准结果比垂直校准结果更精确,且测量深度越深,校准结果越稳定。

超奈奎斯特技术能大幅提升无线光通信系统的传输速率,但大气湍流严重影响超奈奎斯特无线光通信(FTN-OWC)系统的性能。详细研究了指数威布尔湍流信道中光强衰落对FTN-OWC系统平均容量和中断容量的影响,基于脉冲幅度调制推导了FTN-OWC系统的平均容量上界和中断概率,并采用广义超几何方法得到了其闭合表达式。仿真分析了加速因子、滚降系数、湍流强度和接收孔径对平均容量和中断容量的影响。结果表明,增强湍流会导致平均容量和中断容量减小,但可通过增大接收孔径和滚降系数进行提升。在弱湍流条件下,当接收孔径为25 mm、滚降系数为0.5、加速因子为2/3、平均信噪比为30 dB时,FTN-OWC的平均容量相比采用相同调制方式的奈奎斯特无线光通信系统提升了16.43%。

为了提高传统分时旋型红外偏振成像的速度,设计了适用于中波红外热像仪的检偏器组件,将红外热像仪改装成中波红外偏振成像装置,用于获取目标场景的红外偏振信息。该装置通过电机以900 r/min速度匀速驱动红外偏振片旋转,采集不同偏振方向的红外强度图像。利用单像元非均匀性差分图像校正方法对红外图像中的冷反射进行扣除,利用迭代排序方式对校正后的红外强度图像进行处理,结合构建的斯托克斯矢量模型,计算连续相邻的三幅红外强度图像的红外偏振度和偏振角,保证与红外强度图像有相同的成像帧频。实验结果表明,该装置能够稳定输出待测目标的红外偏振度和偏振角图像,输出红外偏振图像的帧频为45 frame/s,满足对变化场景实时红外偏振探测的需求。

传统磁光调制方位传递技术要求光束直线传播,存在应用范围受限的问题。针对该问题,提出一种基于保偏光纤的非通视方位传递技术。首先给出了系统组成,阐述了系统工作原理;然后重点分析了保偏光纤双折射效应对传输光矢量的相位差的影响,构建了包含相位差信息的保偏光纤琼斯矩阵;最后利用琼斯矩阵对光矢量的麦克斯韦列进行了变换,推导了系统方位角解算模型,并进行仿真分析。结果表明:当相位差不为π/2时,方位理论解算误差在0.1″以内;当相位差为π/2时,解算方位角始终为0,误差随方位角的增加呈比例增长。结论说明该技术应用于方位传递的可行性。所提方法拓展了方位传递方式,对基于保偏光纤的非通视方位传递技术的改进和系统测量精度的提高具有重要意义。

随着数字投影技术的发展,基于光栅投影的三维测量技术在众多领域中得到了广泛应用。但是大多数应用场景下,环境中都存在着各种周期性的光源,对光栅投影的成像过程造成干扰,在相位提取的过程中引入非线性误差,进而影响三维重建的精度。针对上述问题,从时域上分析环境光源的干扰因素,通过采集分析周期性环境光影响的图像并建立光源模型,为此提出一种高精度的相位补偿算法。实验证明所提算法可有效抑制由环境光源带来的相位非线性误差。

提出了一种基于Fraunhofer衍射理论的燃烧颗粒粒径在线测量方法。根据固体推进剂药条燃烧火焰辐射光谱特性,选取450 nm蓝紫光激光器为光源,采用450 nm滤波探测方式消除固体推进剂燃烧的自发光辐射影响,搭建了固体推进剂药条燃烧颗粒粒径的在线测量系统。并利用10.9 μm标准颗粒、160 μm标准颗粒、及混合标准颗粒系对该系统开展粒径测量验证。燃烧实验的结果表明,固体推进剂药条燃烧颗粒的粒径约为10 μm和160 μm,呈双峰分布特征,数目分布主要集中在160 μm左右,随着药条燃烧时间增加,10 μm附近颗粒数量增多,160 μm附近颗粒数量减少。对于同一燃速下的固体推进剂,初始测量高度越高,燃烧颗粒的粒径越小。在初始测量高度相同时,不同燃速下燃烧颗粒的平均粒径相差不大。这些结果为固体推进剂燃烧过程研究提供了参考。

对零件上圆形特征的测量是工业制造中质量控制和自动化加工的重要方面。针对基于计算机视觉原理测量空间圆位姿适应性弱、鲁棒性不强的问题,研究了一种基于线结构光传感器的测量方法。根据图像上椭圆以及空间圆对应的两个二次曲面方程之间的转换关系,求取圆孔法向矢量,该过程需要借助一个虚拟锥面构建中间曲面转换矩阵;进而结合法向矢量和激光线与圆周两个交点的三维坐标数据构建圆孔平面,利用共线方程即可得到圆孔的孔心坐标和半径。对该测量方法进行实验验证,结果表明:在线结构光传感器与空间圆的各种姿态下,圆孔半径在2~4 mm范围内,法向矢量平均误差为0.3°、半径平均误差为0.02 mm、孔心坐标平均误差为0.02 mm。在对比实验中,该方法对于半径为3.054 mm的圆孔,半径最大误差为0.04 mm,旧方法误差极值为0.23 mm。从而验证了该方法在各种场景下测量结果均能达到较高的精度,工作环境适应广,鲁棒性较强。

基于分层散射介质传输模型的概念,建立了综合考虑非线性光学效应、湍流扰动及粒子散射的飞秒激光云雾传输模型。利用该模型数值模拟了大气湍流和粒子散射等大气扰动类型对飞秒激光传输成丝动态演化过程的影响。结果表明,大气湍流能使脉冲形状产生不规则变化,对自聚焦成丝过程中的脉冲能量流动有重要影响;粒子散射可以使脉冲能量明显衰减,从而影响光丝的形成过程;飞秒激光在云雾环境中传输时,粒子数浓度越高,粒子半径越大,则形成光丝的长度越短,成丝过程中能量衰减越快,脉冲能量的总衰减量越多。研究结果可为真实大气条件下飞秒激光实际应用效能评估提供一定的理论依据。

同成分铌酸锂(CLN)晶体是最常用的太赫兹参量增益晶体,基于该晶体的太赫兹波参量辐射源具有太赫兹波输出能量高、连续可调谐等优点,但是其调谐范围相对较窄,一般为0.6~3 THz,限制了其实际应用范围。为此,提出基于摩尔分数为5%的氧化镁掺杂的CLN晶体的脉冲种子注入式太赫兹波参量产生器,其太赫兹波频率调谐范围为1~4 THz,在2.0 THz处获得最大输出能量为1.02 μJ,输出太赫兹波的3 dB带宽达1.94 THz,占调谐范围的64.67%。该太赫兹辐射源具有宽频带、增益平坦等特性,在实际应用中具有更高的价值。

卡塞格林光学系统的结构严重限制了视场,通常需添加辅助光学元件来扩大视场,但将导致系统结构复杂,不利于光学系统的小型化、轻量化。提出一种计算成像设计方法,首先优化系统结构参数,控制像差;然后构建系统的点扩展函数模型;最后采用反卷积算法处理图像。所提方法仅利用主、次镜结构就扩大了卡塞格林系统的视场。对F数为5.5,焦距为470 mm的卡塞格林系统进行仿真实验,实验结果表明,在1.5°视场范围内,处理后图像的轴外视场调制传递函数在20 lp/mm处提升了约0.2,图像质量得到明显提升。

调焦调平传感器是光刻机关键分系统之一,用于曝光前对硅片高度形貌进行测量。投影光学系统是调焦调平传感器的核心,其成像质量直接影响传感器测量精度。根据调焦调平传感器的测量原理与像差理论,分析得到投影光学系统放大倍率、畸变、远心度和分辨率对调焦调平系统测量精度的影响规律。为此,优选反射式投影光学系统设计方案,该方案具有结构简单、无色差,畸变小等特点,并利用ZEMAX软件进行设计优化和公差分析,所设计系统工作波长为600~1000 nm,放大率为1.000,视场3 mm×26 mm范围内弥散斑均方根半径小于0.189 μm,调制传递函数为0.74@33 lp/mm,最大畸变为0.0008%,远心度为0.04 mrad。结合目前光机制造和装配能力可知,用于光刻调焦调平的反射式光学投影系统设计可工程实现。

结合多层波导结构与杂化耦合理论,设计了一种宽波段、高吸收率的多层矩形吸收器。该吸收器由矩形缝隙天线与多层金属-介质-金属矩形结构组成,采用时域有限差分方法分析了该吸收器在宽波段、不同偏振状态以及大角度斜入射条件下的吸收特性。数值分析结果表明,该吸收器在400~1400 nm波段的平均吸收率可达95%,呈一定的偏振不敏感特性,且60°斜入射时仍能保持93%的平均吸收率。通过监测谐振频点下的电磁场分布,发现该吸收器的宽波段高吸收特性主要由法布里-珀罗共振、慢波效应、局域表面等离子体共振及他们之间的杂化耦合作用决定。这种宽波段、高吸收、对偏振与斜入射角度不敏感的吸收器,有望在隐形设备、太阳能电池等领域发挥重要的作用。

为了研究以CMOS有源像素传感器为感光元件的摄像机系统的辐射损伤模式及损伤表征,利用在线辐射实验的方法,结合辐射干扰噪声抑制算法,研究了彩色视频图像信息随辐射总剂量的变化情况,并讨论了不同辐射总剂量照射下硬件的辐射寿命,以及γ射线辐射对数字图像信息的影响。研究结果表明:摄像机的γ射线辐射损伤模式主要表现为透光率下降,传感器的暗电流增大、失真和损坏,以及主板的瞬时损坏;感光元件的辐射总剂量效应主要导致本底噪声的增大,且噪声主要集中在图像的暗部;暗电流导致图像灰条纹中平均像素值的增量远不及因镜头透光率下降而造成平均像素值的减小量;摄像机自带的曝光补偿功能在检测到视频图像亮度下降后会进行全局补偿处理,增大视频所有像元的像素值。该研究得到的视频图像信息随辐照总剂量变化规律可以作为一种以CMOS有源像素传感器为感光元件的摄像机辐射总剂量标定的一种方法,帮助判断此类摄像机的辐射损伤失效几率,提高视频监控系统在放射性环境中应用的可靠性。

偏振控制可以有效恢复光纤传输过程中因相位偏移而受损的偏振态,是量子通信、光纤传感以及相干光通信等领域中的关键技术。提出了一种基于适应性矩估计(Adam)的偏振控制算法,建立了相应的偏振控制系统模型。基于该模型对Adam偏振控制算法进行了数值仿真,并与经典的随机梯度下降(SGD)算法进行了对比,同时分析了控制精度和噪声幅度对偏振控制效果的影响。仿真结果表明,该算法可以快速收敛到目标偏振态,在衰减率为0.03、噪声幅度为0.003、偏振迭代步数为53时,控制精度可达10 ^-4。与SGD算法相比,平均迭代步数减少了23%,最高控制精度提升了1~2个数量级。基于现场可编程门阵列验证了Adam算法的可行性,结果表明,该算法能快速、稳定地补偿信道中的偏振变化,并通过优化衰减率提高偏振控制效果、缩短偏振控制时间。

针对微显示对高外量子效率、低工作电流和稳定光谱波长的红光LED的需求,提出了一种将共振腔发光二极管与AlAs侧向氧化技术相结合的Micro-RCLED。该器件利用共振腔改变有源区自发辐射场的空间分布,将更多的光分布在光提取角之内以提高光提取效率,而且共振腔还有利于输出光谱波长的稳定。AlAs氧化孔对电流的横向限制既有利于降低侧壁的Shockley-Read-Hall非辐射复合,又可减少漏电,从而提高辐射复合效率。另外,P电极出光孔的直径大于AlAs氧化电流注入孔的直径,因此,金属P电极对出射光的吸收可以有效避免。同时,制作了3个并联的655 nm Micro-RCLED,每个单元的出光孔径为17 μm。 IdV/dI-I曲线的拟合结果表明,120 Ω的串联电阻器件在1 mA时的输出光功率为0.21 mW,外部量子效率大于10%,并且可以在低于1 μA的注入电流下点亮单个单元。另外,当工作电流密度变化12.5倍时,峰值波长仅增加1.5 nm,光谱的半峰全宽仅增加0.33 nm。这使得RCLED作为单色光源在Micro-LED中的应用成为可能。

将结合外调制技术与主从式注入锁定技术的方法用于获得宽带线性调频光源,并基于该光源实现了同时测距和测速的调频连续波激光雷达系统。主从式注入锁定系统包含作为主激光器的窄线宽光纤激光器和作为从激光器的分布反馈式半导体激光器,它们的输出波长均约为1550 nm;使用频率范围为8~14 GHz的三角波线性调频微波对主激光器进行调制,调制后的光注入到从激光器,获得了6 GHz带宽、超过20 dB边模抑制比的宽带线性调频光源。基于该光源搭建了调频连续波激光雷达系统,采用该系统实现了对静态物体距离、运动物体瞬时距离与瞬时速度的测量,运动物体的距离和速度测量结果由不同的公式获得并可以相互验证,实现的距离和速度分辨率分别为2.5 cm和7.8 mm/s。

提出了基于海洋耀斑的在轨偏振定标方法,首先建立海洋粗糙面模型,分析洋面耀斑偏振辐射特性;其次,考虑到大气辐射传输特性,使用6SV辐射传输模型计算大气层顶(TOA)的耀斑偏振特性;然后,进一步修正气溶胶偏振的影响,提出TOA偏振度修正公式,采用t检验方法验证所提公式中新加二次项的显著性;最后,建立关于太阳天顶角的修正系数查找表,得到模拟偏振度。对POLDER 3解析偏振度进行验证,其相对误差低于2%。利用所提方法对多角度偏振成像仪(MAPI)进行偏振定标,偏振定标精度约为2%,可满足仪器偏振精度要求。根据不确定度分析可知,所提方法的偏振度总不确定度为1.43%。

联合像元谱段信息与空间结构特征,提出一种适用于多光谱遥感影像像素级分类的多层感知卷积神经网络(MPCNet),并基于吉林1号光谱卫星(Jilin-1GP)影像,在印度纳西克研究区对地表覆盖分类算法进行性能测试。为保证实验的高可靠性,在相同时间段结合Landsat8、Sentinel-2A及HJ-1A影像进行同步分类来定性与定量评估。除此之外,选取三个当前流行算法支持向量机(SVM)、LightGBM、浅层卷积神经网络(CNN)进行算法性能比较。实验结果表明,在Jilin-1GP影像上的总体分类精度可达94.0%~95.8%,Kappa系数达到0.932~0.948。相比准确率较高的浅层CNN,MPCNet的总体分类精度提升3.7个百分点。

针对具有不同粒子数量的煤烟气溶胶,使用团簇-团簇凝聚(CCA)模型形成4球、16球凝聚模型,并结合单个气溶胶粒子的吸湿性以及凝聚粒子的分形理论,生成了包覆水层的凝聚粒子模型。利用离散偶极子近似(DDA)方法仿真分析包覆水层的煤烟气溶胶的散射特性,仿真结果表明,相对湿度的增大对回转半径≤40 nm的凝聚粒子的消光因子、散射因子和吸收因子的影响最大。使用无线紫外光单次散射脉冲响应模型分析了凝聚粒子以及相对湿度对紫外光脉冲响应和路径损耗的影响,仿真结果表明,凝聚粒子和相对湿度对紫外光的通信影响集中在半径较小(r₀≤40 nm)的单体粒子上。当单体粒子半径一定时,组成凝聚体的粒子数量越大或者凝聚粒子相对湿度越大,脉冲响应就越大,路径损耗越小,紫外光接收端信号越好。

运用等效层理论,设计了一种目标波长分别为780,810,850 nm,在45°入射角下使用的反射镜,该反射镜在保证膜层高反射率的同时实现了对偏振和相位的调控。为了在较宽波段上满足平均反射率高的要求,选用金属银和Ta₂O₅、SiO₂作为光学薄膜的材料。采用电子束蒸发和热蒸发方式并配合石英晶体振荡监控膜厚等工艺,在JGS-1石英基底上获得了500~1600 nm波段范围内平均反射率大于95%,目标波长下消光比分别优于3000∶1、5000∶1和7000∶1的反射镜膜系。所设计的反射镜可以满足空间环境下量子通信应用的可靠性要求。