为实现云相机控制系统的模块化设计、提高系统集成度,提出了基于FPGA(field programmable gate array)的在轨实时云判系统硬件平台的设计方法。在对系统各功能模块进行划分的基础上,确立了片内双核CPU软件架构,其中一个CPU独立处理云判算法以保证所提算法运行的实时性,另一个CPU用于与卫星进行数据交互和部分数据预处理,通过自定义IP (intellectual property)核实现CCD成像和外围接口的时序控制。以CCD图像采集与存储模块为例,重点讨论了CCD驱动电路、模拟前端电路、数据存储电路的设计和时序,并对该模块IP核的设计方法进行了说明。最后对云相机的成像性能参数进行测试,实验结果表明:设定积分时间内,随着积分时间的推移,相机暗电流噪声变化较小;中心视场处,输出非线性度为1.29%;在信号达到饱和光强的80%时,信噪比为128.1,满足云相机工作要求。

研究了由天空光主导的波浪水面下的偏振分布模式,验证了在波浪水面下使用偏振导航的可行性,讨论了不同太阳位置和水面波浪情况对水下偏振分布模式的影响。利用Cox-Munk海浪模型描述波浪水面,建立了考虑大气Rayleigh散射、气-水界面折射及水分子单次Rayleigh散射的基于Stokes矢量和Mueller矩阵的水下偏振传输模型。仿真结果与实测结果的一致性证明了所提模型的正确性。结果表明,由天空光主导的波浪水面下偏振分布模式是可以预测的,这主要与太阳位置和水面波浪情况有关。所提模型可以更准确地分析波浪水面下偏振特性,为水下偏振导航的应用提供了理论依据。

星载同步监测大气校正仪(SMAC)用于获取遥感图像中时间同步、空间匹配的多光谱偏振大气信息,为高分辨率遥感图像的大气校正提供了气溶胶、水汽等微物理参数。为满足SMAC环境试验过程中现场光学性能标定的需要,设计了一种便携式多通道辐射参考光源(PMRLS)。PMRLS采用与SMAC一致的多通道光学设计,且各通道均为独立发光组件。发光组件采用发光体配合扩散板形成均匀照明,在可见近红外波段、短波红外波段分别选用LED和小功率卤钨灯作为发光体以降低整体功耗,采用低噪声稳定电流源驱动光源,结合散热片和风扇的散热设计以保证光源温度稳定性,并通过结构限位固定结构位置关系以提高光源测试的重复性。通过PMRLS应用对象,即SMAC,将积分球光源的辐亮度直接等效传递至PMRLS,并进行了非稳定度、非重复度评价。性能测量结果显示,SMAC地面检测光源各通道输出能量与SMAC动态范围典型辐亮度值的偏差在7%之内,非稳定度优于0.76%,非重复度优于1.3%,测量结果表明研制的PMRLS能够满足SMAC性能快速监测的需求。

基于6S大气辐射传输模型和中分辨率成像光谱仪(MODIS)上午星Terra的气溶胶光学厚度数据以及MODIS 双向反射分布函数(BRDF)模型参数产品(MCD43A1),对高分一号(GF-1)卫星宽视场相机(WFV)四个波段的大气层顶辐亮度图像进行大气校正,得到校正后的地表反射率图像。而后基于Brenner梯度算子和中频离散余弦变换两种方法统计校正前后图像的清晰度值,分析计算结果可得大气校正后图像清晰度值高于校正前图像的清晰度值,因此校正后图像的边缘纹理比校正前更清晰;基于阈值分割法原理进行信噪比评价,结果表明校正前后每一波段的信噪比随辐亮度呈递增关系,大气对短波波段的影响较大,而对长波波段的影响较小。

通过射频磁控溅射技术,成功制备了具有金属-半导体-金属(MSM)结构的ZnO紫外光电探测器。研究了外加偏压对探测器响应度和截止波长的影响。随着偏压的增大,器件的响应度逐渐增加并且趋于饱和,探测器的响应截止波长红移了12 nm。这是电场引起的耗尽层的展宽以及带隙倾斜造成的。提出了一种利用外加偏压控制探测器截止波长的有效方法,该方法对紫外光电探测器的进一步研究和应用具有重要意义。

针对大尺度超振荡平面透镜(SOL)的实际应用,基于严格的矢量角谱理论定量研究了多种典型制造误差对大尺度SOL聚焦性能的影响规律。理论计算结果表明:横向环带制造误差对振幅型SOL(金属膜)和相位型SOL(介质层)聚焦性能的影响规律基本一致,环带中心位置偏差主要影响SOL的聚焦焦距,环带宽度偏差主要影响SOL的聚焦光斑分布;±150 nm范围内的位置偏差和宽度偏差是大尺度SOL各环带的最大制造允许公差;对于相位型SOL,纵向刻蚀深度偏差主要影响聚焦光斑的强度,π相位差对应的聚焦光斑强度最大;为使相位型SOL聚焦光斑保持较高强度,应使介质层刻蚀深度对应的相位调制量保持在(0.8~1.2)π的范围内。

提出一种反射型极大倾角光纤光栅(ExTFG)悬臂梁振动传感器。从理论上分析ExTFG的弯曲应变特性和振动传感原理,并利用ANSYS构建有限元模型,对传感器进行模态分析和谐振特性响应分析,通过实验研究其在受到周期性载荷下发生弯曲振动的动态响应特性。结果表明:反射型ExTFG悬臂梁振动传感器对加速度连续性激励信号展现出良好的动态响应,可通过调节传感器长度实现其固有频率的改变,在1~5g范围内具有良好的线性响应,其最大加速度灵敏度相对于透射式ExTFG振动传感器提高了约2.5倍, 横电模和横磁模时的最大加速度灵敏度分别达到0.3 V/g和0.26 V/g。此外,该传感器的传感探头尺寸足够小,以ExTFG作为敏感单元,无需额外封装,在实际应用中具有潜在价值。

通过控制光纤熔融拉锥参数,实现了光纤熔融拉锥后的抗拉强度增强。利用有限元方法进行模拟与仿真,结果表明光纤熔融拉锥后,光纤内应力的大小与光纤熔融拉锥完成后光纤被加热区域的降温时间有关,降温时间越长,内应力越小,且被加热区域边缘处的内应力值明显高于其他区域的内应力值。根据仿真结果设计实验,实验结果表明,当光纤熔融拉锥完成后光纤被加热区域的降温时间为10、600、1200、1500 s时,光纤熔融抗拉强度将逐渐增强。

时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)及多光谱线阵探测器是航天遥感相机常用的成像器件。为了获得高质量的航天遥感图像,要求TDICCD的电荷转移速度与像移速度相等、方向相同。航天遥感相机在轨推扫成像时,畸变会导致像移方向与积分方向不匹配。为了减小电荷转移方向和像移方向之间的失配误差,将探测器拼接成一条弧线以补偿畸变引起的像移。首先建立了时间延迟积分(TDI)方向和像移方向失配的数学模型,分别给出了枕形畸变和桶形畸变弧形拼接的方向。其次,推导了像移方向与TDI方向夹角的计算公式,建立目标函数计算每片探测器的弧形拼接角度。最后,进行了弧形拼接在轨实验,结果表明,相比拼接前,弧形拼接后边缘视场的配准精度由4 pixel提升到1 pixel。

针对低分辨率源图像的融合结果质量低下不利于后续目标提取的问题,提出一种基于梯度惩罚Wasserstein生成对抗网络(WGAN-GP)的多波段图像同步超分与融合方法。首先,基于双三次插值法将多波段低分辨率源图像分别放大至目标尺寸;其次,将该放大结果输入特征提取(编码)网络分别提取特征并在高层特征空间进行组合;然后,通过解码网络重构出初步融合图像;最后,经过生成器和判别器的动态博弈得到高分辨率的融合图像。实验结果表明,所提方法不仅可以同步实现多波段图像的超分和融合,而且融合图像的信息量、清晰度和视觉质量明显高于其他代表性方法。

为了解决奇异值最高位在几何攻击下易敏感性和零水印抗几何攻击性能差的问题,提出一种基于改进奇异值和子块映射的图像零水印技术。首先,对载体图像进行Arnold置乱处理,消除像素间的相关性。然后,进行Curvelet变换、分块以及奇异值分解以获得载体图像的稳定特征。同时,提出一种子块映射机制,将原始的版权图像划分成不同的子块,并通过对子块求和,使用不同的字符表示水印子块。最后,将载体图像的特征与水印子块按位进行逻辑运算生成零水印。实验结果表明,所提出的图像零水印算法在几何攻击、非几何攻击以及组合攻击下具有很强的鲁棒性,并且生成的零水印信息安全性更高。

包含多波长信息的低分辨(LR)灰度图难以被完全解复用,根据LR图像信息重建出的彩色高分辨(HR)图像容易出现通道串扰的现象。为重建不受通道串扰干扰的彩色HR图像,提出一种基于三维卷积神经网络(CNN)的彩色HR图像重建算法。采用主成分分析法提取单色HR图像和彩色LR图像的结构信息,然后基于结构信息训练CNN来建立单色HR图像和彩色LR图像之间的映射关系,最后生成彩色HR图像。实验结果表明,所提算法可以获得不受通道串扰影响、色彩不失真的彩色HR图像。定量评价指标方均根误差小于0.1,结构相似性参数大于0.9。

同时偏振成像系统可获取动态物体的瞬态偏振特性,具有广泛的应用前景。然而各偏振探测通道存在空间和辐射响应差异,对准确建立仪器穆勒矩阵造成干扰。针对分束型同时偏振成像系统,分析了误差来源,提出了定标及预处理方法。通过成像非均匀性、辐射响应不一致性、检偏角度误差、瞬时视场像差的标定和校正,消除了偏振成像探测的系统误差。结果显示:经过定标和校准处理,各通道图像非均匀度平均降低了2.24%,辐射响应差异率绝对值平均降低了17.22%,偏振相对快轴方向平均纠正了1.71°,成像几何偏差平均纠正了1.87个像元。校正后,系统偏振度和偏振角测量误差分别降低0.47和32.84°。对室外场景进行测量实验,经过预处理正确解算斯托克斯参量,并通过偏振图像融合处理,突出了不同材质的物性差异。

提出一种用于机器视觉的能获得高质量图像的发光二极管(LED)环形阵列结构的优化照明设计方法。所提方法由成像理论和Taguchi方法组成,以获得均匀的照明分布。根据成像理论,推导出图像对比度与照度均匀度之间的关系。在此基础上,获得了影响照度分布的主要参数,并在直交表中设计模拟实验的参数组合,利用TracePro软件进行仿真模拟。然后,得到各参数对均匀性的最佳参数组合和影响程度,在模拟实验中优化后的参数组合的照度均匀度达89.31%。最后,设计了一种性能良好的机器视觉光源,相关实验证明,该灯具可以满足机器视觉的光照需求,均匀度可达80.35%。所提方法可有效解决关于机器视觉的光学设计问题。

从热传导方程和热弹性方程出发,基于EasyLaser仿真软件,对激光辐照Si反射镜、SiO2窗口镜温度分布和热相差进行了模拟计算,比较了相同吸收的情形下,两种元件温升、热相差分布的时间、空间特性,并开展光-热-力控制多物理耦合仿真,比较了激光辐照Si反射镜、SiO2窗口镜热效应对激光传输远场特性影响和自适应光学校正效果。仿真结果表明,由于SiO2窗口镜导热性能差,热相差随激光辐照时间的增加而线性增加,其分布与辐照激光光斑空间分布相似,且在激光辐照停止后较长时间内仍然存在;而Si反射镜导热性能好,温度分布在较短时间内匀化导致温度梯度小,热相差先快速、后缓慢增加,在激光辐照停止后热效应的影响很快消退。实验光斑强度的空间分布,对两种元件热效应的影响不同:对于SiO2窗口镜,其热相差的高空间频率成分增加,严重影响激光光束远场传输与自适应光学校正效果,而Si反射镜热导率大,受到的影响较小。

为了高效提取激光雷达点云数据的局部几何结构特征,实现三维(3D)目标的配准、检测和识别,提出了一种基于分层墨卡托投影(HMec)的局部点云特征描述子。首先,采用传统方法进行特征提取;然后,利用具有保角特性的墨卡托投影,将3D点云数据的局部邻域点分层投影到多个墨卡托平面上;最后,分别统计各墨卡托平面的分布直方图,得到特征点的局部特征描述子。HMec特征描述子能很好地保留点云的局部几何结构特征,从而提高特征描述子的辨别力。在Bologna和3DMatch数据集上的测试结果表明,相比其他9种局部特征描述子,HMec特征描述子的辨别力更强、噪声鲁棒性更好。

并行差动共焦三维成像方法通过将照明光分割为多光束,实现多点并行探测,解决了传统差动共焦成像中逐点扫描导致的成像效率偏低的问题,是一种理想的快速高精度三维成像方法。然而,在并行差动共焦检测过程中,系统光照不均和光学成像系统的场曲都会引起测量误差。分析了宽场成像过程中不可避免的光照不均及光学系统场曲等因素对并行差动共焦轴向测量的影响,提出了一种宽场误差的修正方法,建立了并行差动共焦轴向测量宽场误差修正的理论模型。实验证明,该方法可以有效地抑制系统光照不均对测量结果的影响,并且校正了光学成像系统场曲等引起的轴向测量误差,保证了并行差动共焦纳米量级轴向测量准确度在全视场范围内的普适性。该方法实施过程简便,适用于其他并行共焦检测方法的误差修正。

光机系统的优化设计具有效率高、迭代周期短等特点,但对复杂光机系统的优化存在收敛难的问题。设计了一种基于拉丁超立方与径向基函数(RBF)神经网络结合的近似优化算法,并将其应用于带有曲率误差调整机构的拼接式望远镜主镜设计中。仿真结果表明,该算法优化后的主镜达到了设计指标,为解决复杂光机系统迭代时间长的问题提供了新思路。

针对目前检验方法制约大口径、大相对孔径凹非球面反射镜的应用,提出一种基于贴合双透镜的大口径、大相对孔径凹非球面检验方法。与Offner检验方法不同,检验光路中的透镜在反射前后的光路中分别作为校正透镜和自准镜。根据三级像差理论推导初始结构,给出利用单透镜和贴合双透镜检验凹抛物面的残余像差曲线图,并对其进行分析。实验结果表明,自准校正透镜位于共轭后点前的检验方法可以用于大口径、大相对孔径凹非球面反射镜的检验。所提方法从加工、装配和使用等方面考虑更简单方便,为凹非球面检验提供新的思路,并且为利用三透镜检验更大口径和相对孔径的凹非球面打下基础。

提出一种基于多层PtSe2/TiO2纳米棒(NR)阵列的肖特基结紫外光电探测器。多层PtSe2薄膜和TiO2 NRs分别由化学气相沉积法和水热法制备,通过湿转移法,即可获得具有上下结构的多层PtSe2/TiO2 NRs肖特基结器件。光电测试结果表明,所设计的器件对波长为365 nm的紫外光具有较明显的响应,开关比高达5.5×10 4,响应度和比探测率分别可达57 mA/W和8.36×10 11 Jones。此外,器件在空气环境中非常稳定,在空气中放置5周后,光电流基本没有下降。最后,对单个器件的图像传感特性进行研究,结果表明,PtSe2/TiO2探测器可用作图像传感器,能对简单的紫外图形进行成像。

作为具有螺旋形相位、携带有轨道角动量的结构光束,涡旋光的多普勒效应与经典平面波束多普勒效应相比,多出了垂直于光束截面内的相对运动引起的频移分量。建立速度-坡印廷矢量模型和相位调制模型来研究涡旋光的线性与旋转多普勒效应,得出了复合运动下涡旋光多普勒频移的产生规律。在此基础上,针对旋转柱体这一典型的空间运动目标,采用两种模型分别对其表面产生的多普勒频移进行分析,得到的相同结果证明了理论分析方法的正确性。揭示涡旋光探测旋转柱体的频移分布规律,并探究了不同涡旋光半径和不同柱体尺寸对探测结果的影响。

海洋气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分之一,为了研究海洋气溶胶对量子通信的影响,根据海洋气溶胶粒子的尺度谱分布以及消光系数,分析海洋气溶胶粒子浓度和传输距离与链路衰减之间的定量关系,研究粒子浓度、传输距离与信道容量、信道保真度及信道误码率之间的关系并进行仿真模拟。仿真结果表明,当传输距离为8 km,海洋气溶胶粒子浓度分别为300/m 3和500/m 3时,对应的链路衰减、信道容量和信道误码率分别为0.407 dB/km和0.679 dB/km、0.423 bit/s和0.349 bit/s、0.027和0.092,当海洋气溶胶粒子浓度为500/m 3,传输距离分别为5 km和7 km时,对应的信道保真度分别为0.911和0.849。结果表明海洋气溶胶对自由空间量子通信的各项性能均有不同程度的影响。因此,当实际进行量子通信时,应根据海洋气溶胶粒子的浓度来调整各项性能参数以保证通信正常进行。

介绍了高分五号全谱段光谱成像仪(VIMI)可见近红外波段星上定标组件的组成和工作方式,分析了VIMI发射后星上12次太阳漫反射板(SD)双向反射分布函数(BRDF)的量值衰减情况。对比SD反射率衰减监测仪(SDRDM)长期观测的太阳数据表明,不同监测波段探测器的衰减程度不同,其中900 nm监测波段的硅探测器衰减最大,约为4.3%。当入射角与观测方位夹角接近时,SD BRDF的衰减因子(H因子)变化很小。根据H因子的物理模型得到SDRDM实际监测的测量不确定度小于0.86%,满足小于1.5%的指标要求,且VIMI星上定标组件全寿命期输出光谱的辐亮度不确定度小于3.4%。

针对最高分辨率可达0.1 pm的布里渊近红外光谱仪波长标定的难题,基于多次标定逐步降低波长误差的思路,提出了一种协同融合标定原理的标定流程:首先,基于布里渊光谱分析理论模型,结合泵浦信号波长、受激布里渊频移、增益谱线型函数等推导出超高分辨率光谱的理论波长;然后,采用FP标准具进行相对波长的标定;最后,基于气室完成绝对波长的标定。气室中充入HCN+ 12CO+ 13CO混合气体,以实现C+L波段的覆盖。针对可能存在的光谱鬼线,提出了一种基于受激布里渊增益谱与衰减谱共生特性的鬼线识别方法。实验结果表明:布里渊光谱仪的理论波长偏差超过了10 pm,相对标定可将波长不确定度降低到±2.5 pm,绝对标定可将波长不确定度进一步降低到±0.035 pm。

实验探究了基于被动全光同步的中红外差频产生技术,采用主-从注入锁定实现了全保偏掺镱和掺铒锁模光纤激光器的同步脉冲输出,并经过级联光纤放大在PPLN晶体中获得了中心波长为3071 nm的中红外皮秒脉冲,最大泵浦光转换效率为68.3%,峰值平均功率达1.36 W。研究发现,所使用的同步脉冲诱导差频技术能够显著降低中红外产生的泵浦阈值。此外,得益于脉冲产生、同步与放大全链路的保偏光纤架构,中红外超快光源表现出良好的长期稳定性,平均功率的相对抖动低至0.2%。