基于矢量辐射传输方程的基本理论,考虑不同性质云层和不同海雾浓度的影响,将现有简化的两层大气结构细化为三层进行处理,采用倍加累加方法仿真天空光经过多层大气环境的散射过程,基于Rayleigh散射和Mie散射算法分别对每层粒子分布特性进行描述,建立适用于不同典型海洋环境下天空光的偏振分布模式。在太阳子午线位置处,研究海面观测高度角与下行辐射偏振特性的变化关系,研究结果表明,天空光偏振度随观测高度角呈规律性变化,随着云层和海雾粒子的增大及光学厚度的增加,偏振度逐渐增大。本研究为复杂海洋环境下垂直探测时天气环境及观测位置的选择提供了理论参考。

激光辐照靶面产生的后向受激布里渊散射(SBS)光经连续相位板(CPP)调制会产生衍射强值并对光学元件造成损伤。利用建立的SBS激光后向近场衍射传输模型及菲涅耳衍射理论,分析并数值模拟了衍射距离、CPP设计参数和应用位置等参量对近场衍射调制的影响。结果表明:在一定范围内,近场调制度随衍射距离的增大而迅速增强;CPP相位幅度、最小空间周期和频谱控制均会影响近场调制,其中相位幅度的影响较大;倍频CPP对近场调制的影响小于基频CPP对近场调制的影响。CPP后向近场衍射传输分析有助于理解相位型光学器件的近场光强分布,对高功率激光系统中光学元件的排布及CPP的优化具有指导意义。

基于菲涅耳标量衍射理论,推导了离焦状态下激光发射系统远场光斑分布的解析式,提出了一种基于相似度系数的采样间隔寻优法。用最佳采样间隔得到的数值仿真结果与解析计算结果的偏差小于0.04%。采用傅里叶变换法仿真了存在像差时的远场光斑分布情况,并分析了角位移、发散角、增益等关键参数对光场分布的影响。当激光波长为λ、指向允许偏差为3 μrad、中心增益裕量为3 dB时,基于公差分配理论得到离焦、倾斜、球差、慧差、像散的容差需分别小于等于0.36λ、0.07λ、0.43λ、0.13λ、0.5λ。

对多相移光纤光栅滤波器的光谱进行了理论仿真。理论结果证明:通过精确设计多相移光纤光栅的相移点数目、相移位置分布、耦合系数、长度等参数,可以获得窄带平顶滤波响应的光谱;而实际制备中引入的误差会导致滤波器光谱性能恶化。随后采用紫外辐照后处理的方式,制备了多相移光纤光栅滤波器,并对其光谱进行了测试。结果表明:当多相移光纤光栅滤波器带宽较宽时,实测光谱与理想仿真结果较为吻合;增大耦合系数以减小带宽时,滤波器的性能对工艺误差更敏感。最后对误差项进行了深入的分析与讨论,结果证明,采用较长的多相移光纤光栅可以有效地增大相移点位置和相移差的容限,减弱光致损耗对其性能的影响。

基于微透镜阵列形式设计了新型大视场激光通信接收光学系统,并提出了完整描述微透镜阵列光传输的3×3光学矩阵模型,讨论了各光学元件倾斜角度和偏心对像面高度和出射角度的影响规律。针对微透镜阵列光学系统形式的设计要求,给出了合理的倾斜角度和偏心的公差范围,在完成积分透镜光学系统像差讨论的基础上,采用设计和仿真相结合的方式实现了大视场激光通信接收光学系统设计,并验证了三维矩阵模型的正确性。通过样机研制、匀光测试和视场测试,最终实现了视场角达0.9°、均匀性达86.58%的新型激光通信接收光学系统,实验测试数据与理论仿真数据相吻合。关于激光通信链路方面的讨论分析进一步证明了微透镜阵列光学系统应用在激光通信系统中的可行性和优越性,为激光通信接收光学系统的设计和研制提供了新思路和新方向。

基于未对准衰落(即指向误差)和Malaga湍流分布的联合概率密度函数,采用Meijer G函数推导自适应多进制相移键控(MPSK)调制系统的平均误比特率和中断概率渐近表达式。接收机半径一定时,通过调整光束束腰半径和抖动标准差参数值,可获得系统最优误比特率。当束腰半径与接收机半径之比w_z/a=10且抖动标准差与接收机半径之比σ_s/a=1.5时,非自适应二进制相移键控(BPSK)系统平均误比特率曲线下降最快;而w_z/a=5,σ_s/a=1.5时,自适应MPSK系统频谱效率和平均误比特率均达到最优。当未对准衰落一定且平均电信噪比较小时,自适应系统平均误比特率和中断概率主要受未对准衰落影响,但随着平均电信噪比的增加,受湍流的影响增大。

径向边缘的伪影是外部CT图像明显存在的缺点。为了抑制外部CT图像径向边缘的伪影,采用加权方向全变差(WDTV)算法计算沿径向和切向方向的局部方向差分,引入两个权重参数对这两个局部方向差分进行加权求和。WDTV算法可以更好地描述外部CT图像梯度模的稀疏性,有效提升重建图像的质量。针对高噪声中子外部CT检测的需求,在WDTV重建模型的框架下,对沿着径向和切向两个方向附近的一定角度范围内分别施加不同的全变差(TV)最小化约束。改进的WDTV算法中TV最小化的作用更明显,具有更强地抑制径向边缘伪影与抗噪声的性能。计算机仿真结果和齿轮冷中子实验结果表明,改进的WDTV重建模型能够更有效地抑制重建图像的噪声,提高重建图像的质量。

针对低剂量医学CT图像噪声大且配对数据集难以获得的问题,提出一种基于改进型循环一致性生成对抗网络的低剂量CT去噪算法。该算法使用循环一致性生成对抗网络,由未配对的数据集实现了从低剂量CT图像到标准剂量CT图像的端到端映射;同时将密集型残差学习网络模型引入到该网络生成器中,利用残差网络的特征复用性来恢复图像细节,使生成器输出图像更接近目标图像。实验研究表明,本文算法提升了去噪效果,并准确地恢复了图像细节及边缘结构,修复后的图像质量显著提升,有助于病灶的检测与分析。

在分析现有算法的优缺点的基础上,尽可能考虑各种类型的图像,基于发光二极管-液晶显示器直下式图像视频显示原理样机,提出了一种可靠有效的基于区域背光亮度提取的数据测量方法,并提出了一种高效实用的基于深度学习的背光亮度提取方法。该方法基于采用多层下采样结构的神经网络,综合提取图像特征,获得最优的背光。实验结果表明,该方法可以提高图像显示质量和扩大图像的动态范围,而网络结构中有无旁路的对比实验结果验证了所提方法的优越性和有效性。

在传统线结构光测量技术的基础上,提出了一种基于偏振融合的钢轨廓形线结构光成像方法。利用偏振相机获取钢轨激光断面多个角度的偏振分量图像和总量强度图像,结合偏振分量图像和总量强度图像中光条信息的相关性和互补性,构建了基于光条信度评价的图像融合算法,基于融合图像提高了钢轨激光断面的成像质量。使用打磨后的钢轨进行实验论证,结果表明:由偏振分量图像和总强度图像得到的融合图像中,光条不再出现局部过曝现象,光条质量得到有效改善。与传统方法相比,过曝区域的钢轨廓形的最大测量误差由0.31 mm下降到0.10 mm,有效提高了钢轨廓形检测的准确度。

直线扫描计算机分层成像(CL)在扫描运动方向上的成像分辨率较高,但在垂直于扫描运动方向的成像空间分辨率较低。提出一种正交直线扫描CL方法,该方法分别从两个正交方向对检测对象进行直线CL扫描并重建图像,可实现对检测对象两个正交方向的高分辨率成像。建立了正交直线扫描CL方法的几何模型,分析了扫描运动,搭建了实验系统,图像重建采用同步迭代重建(SIRT)算法。仿真和扫描实验结果表明,正交直线扫描CL方法可行,可用于对平板类零部件的无损检测。

透过散射介质成像在很多领域都有重要应用。然而,目前关于针对三维运动物体的透过散射介质成像与追踪的研究却很少。提出一种透过散射层对运动三维物体进行单次曝光录像的方法。从散射层两个不同位置出射的散斑之间非相关且包含了双视角下的物体信息,在这两部分散斑的重叠区域进行探测,可实现三维成像。在曝光过程中绕光轴旋转相机,可探测到由一系列旋转不同角度后的瞬时散斑叠加而成的一张散斑图像。在满足散斑旋转去相关的条件下,这些瞬时散斑之间非相关。至此,对应不同时刻、不同视角的一系列瞬时散斑多路复用于一张散斑图像中。利用互相关解卷积成像法,通过依次旋转各个单视角下探测的点扩展函数,即可从这张散斑图像中重建出三维运动物体的视频信息。

混合使用响应面近似模型和直接优化方法对主镜进行轻量化和支撑点布局集成设计,并以2.5 m地基光学望远镜的超低膨胀主镜为例,对该方法的参数敏感性分析、基于Kriging响应面多目标遗传算法的全局优化、基于混合整数序列二次规划梯度算法的局部优化过程进行研究,并采用折衷规划理论制定评价函数。集成优化结果表明,与相同尺寸的实心镜相比,主镜采用背部局部开放式六边形孔夹芯三明治结构时,轻量化率为72.13%。主镜轴向采用54点whiffletree被动支撑,在光轴竖直及重力载荷下镜面变形的均方根值为6.08 nm,各项指标均满足设计要求。

为了满足4 m大口径望远镜镜面成像对主镜位置的高精度需求,介绍了采用电机驱动浮动液压支撑方式的主镜位置控制系统设计方法。介绍了主镜位置控制系统的构成并建立了各结构的数学模型;基于线性扩张观测器和一阶动态滑模控制方法,设计了主镜位置控制器;对该控制系统进行了仿真验证。结果显示:在俯仰轴以1 (°)·s ^-1的速度匀速运动的情况下,每个支撑区域的跟踪误差最大值小于0.5 μm;在俯仰轴正弦引导情况下,跟踪误差最大值为1 μm,明显优于传统的比例积分控制的13 μm跟踪误差,满足4 m望远镜主镜位置控制系统的设计要求。该研究为大口径望远镜主镜位置控制系统设计提供了一定的参考。

在星载远距离非合作目标测距领域中,目标常常为暗弱目标,成像帧频有限,因此目标跟踪能力受限并影响测距范围。在星载远距离非合作目标跟踪过程中,跟踪误差主要来自于本体振动。为了增强系统主动振动抑制能力,提高系统的跟踪精度,使用自适应控制来实现目标的跟瞄控制。对于不同频率传感器数据难以融合的问题,通过采用降采样的方法实现了低频相机数据和高频惯性传感器数据的自适应融合,并证明了降采样下自适应滤波的有效性和正确性。在算法实现层面,针对经典自适应算法收敛速度慢和稳态精度差的问题,通过选用仿射投影算法实现了数据融合。在数据融合仿真中,采用卫星微振动模型,验证了融合方法的收敛速度及跟踪精度。最后将该方法应用到实际跟踪系统中,实验结果显示,跟踪精度优于5 μrad,满足远距离非合作目标测距中的跟踪精度要求。

针对接触式测量方法易受传感器采集通道限制与附加质量的问题,提出了一种基于三维振动信息融合的卷积神经网络风力机叶片裂纹诊断方法。首先,在双目摄影测量原理的基础上,提出一种三维振动信息融合的多通道样本构造方法,该方法可以集成叶片表面空间分布的多测点运动信息,得到更丰富的信号,且能极大地减少附加质量的干扰。其次,为了获取裂纹多层次的语义信息,提出一种新的多尺度卷积神经网络。选用某型1.5 kW的风力机叶片开展裂纹诊断实验,建立不同裂纹状态样本数据库,预测精度达到了93.4%,验证了所提方法的有效性。通过与经典的LeNet-5和VGG-11网络对比分析表明,改进的卷积神经网络具有更高的识别精度和更快的收敛速度,多通道样本在风力机叶片裂纹故障诊断中具有较好的应用效果。

研发了基于Fabry-Perot激光谐振腔的量子真空计量装置,利用拍频和PDH(Pound Drever Hall)激光锁频技术,精确测量了充气前后腔内谐振激光的频率变化。在温度为299.1485 K,真空度为10 2~10 5 Pa的条件下,对干燥Ar折射率进行了测量;结合电容薄膜真空计的测量结果,得到折射率与真空度之间的相关系数为2.50835×10 -9,并对比分析了反演真空度与测量结果之间的差异,最后评定了激光频率不确定度及折射率和真空度测量不确定度。结果显示,激光频率不确定度为5×10 -12,折射率测量不确定度为1.64×10 -8, 真空度测量不确定度为2.5×10 -4。所研制的基于Fabry-Perot激光谐振腔的量子真空测量装置初步实现了量子化真空测量,对我国量子真空计量技术的研究提供了参考。

通过实验研究了不同切割方向Co ²⁺∶MgAl₂O₄的可饱和吸收特性。测量了[100]和[110]切割方向Co ²⁺∶MgAl₂O₄的各向异性透过率特性,测量结果表明,[100]和[110]切割晶体的透过率随入射光偏振方向呈周期性变化。采用[100]和[110]两种切割方向Co ²⁺∶MgAl₂O₄分别构成被动调Q激光器,并比较激光器的输出特性,结果表明,采用[110]切割的晶体有明显的优势,相比[100]切割晶体输出能量提高约8%,稳定性、光束质量、消光比均略有提高。

能够长期自主运行的稳频激光器是喷泉原子钟连续工作的基础。基于铷原子喷泉钟中的780 nm商用半导体激光器,利用嵌入式系统设计了一个长期全自动稳频系统。该系统具有自动识别铷饱和吸收谱线的目标峰、长期锁定频率与意外失锁后的快速重锁的功能。提出了一种动态调整工作点的方法。在激光器长期运行过程中,受温度、湿度和器件老化等因素的影响,目标工作点会随时间发生变化,所提方法可解决该问题。利用该方法,激光器的稳频系统不易失锁,即使失锁也可以快速重新锁回。将所提稳频系统成功应用于可搬运铷喷泉原子钟中,铷喷泉原子钟在搬运后能够快速投入工作,激光频率的长期锁定时间可达一个月以上。激光频率相对于铷饱和参考谱线的频率长期稳定度约为2.3×10 ^-13,可搬运铷喷泉原子钟的长期稳定度在搬运前后均达到了10 ^-16量级。

以正硅酸乙酯作为前驱体,乙醇作为溶剂,氨水作为催化剂,在碱催化体系下制备了高分散的SiO₂溶胶;然后采用提拉法在不同浓度的SiO₂溶胶涂膜液中制备了四倍频266 nm波长增透的SiO₂减反膜,并对各膜层的性能进行了测试。测试结果表明:在浓度最大的SiO₂溶胶中以4.5 cm·min ^-1的提拉速度制备得到的四倍频SiO₂减反膜的性能最优,其在266 nm处的透过率达到了99.307%,表面粗糙度为1.339 nm,且透过率稳定性优异。

基于包含拉曼效应的三次-五次变系数非线性薛定谔方程的啁啾孤子解,研究了周期色散分布的饱和非均匀光纤系统中啁啾单孤子和双孤子的频谱演化特性。结果表明,在均匀光纤和非均匀光纤中,由于高阶效应仅与孤子的相位相关,因此高阶效应不会影响孤子时域中的波形,但会直接影响孤子的频谱。在均匀光纤中,孤子啁啾参数约化为零,高阶效应使无啁啾的单孤子频谱发生红移,且频谱的高频侧出现旁瓣;相对于单孤子,平行演化和相互碰撞的双孤子的频谱均会产生分裂,而高阶效应会加剧双孤子频谱的分裂。与均匀光纤中单孤子和双孤子的特性相比,在周期色散分布光纤中,啁啾参数周期性的变化导致单孤子的脉宽和频谱周期性地被压缩和展宽;而对于双孤子,在碰撞时其频谱出现极大展宽,啁啾使准平行传输和相互碰撞的双孤子在相互靠近时的频谱发生蓝移,而高阶效应使其频谱发生红移。研究结果对研究超快光通信系统中高功率信号的频谱特性具有重要的意义。

用一对平衡零拍探测器分别替代HBT(Hanbury-Brown-Twiss)实验中的单光子探测器,构成了一个modified-HBT干涉仪。介绍了基于modified-HBT干涉仪的光场二阶关联函数测量原理以及步骤,着重讨论了测量过程中对暗噪声的处理。基于理论分析,利用此干涉仪同时记录和统计了光场两空间分离模式的正交分量信息,实现了对光学参量振荡器输出的平移压缩态光场二阶关联函数的测量以及光子统计特性的表征。对于振幅压缩光,在特定的平移参量下,其二阶关联函数值小于1,表明光子呈现反聚束效应;而相位压缩光的二阶关联函数值总是大于1,光子呈现聚束效应。利用双光子干涉理论对测量到的平移压缩态光场的光子统计特性进行了解释,为理解压缩光的光子统计特性提供了参考。

调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)是光学卫星相机成像质量评价的重要参数之一,在轨MTF检测关系到遥感数据的应用和未来遥感相机的发展。针对目前对地观测中广泛应用的光电成像系统,以反射点源阵列、辐射状靶标和大面积刃边靶标等便于数学描述的特殊点线面目标作为参照,依据MTF的物理定义,通过亚像元位置检测与参数化模型拟合等,对卫星相机进行了在轨MTF检测。实验结果表明:点源法是最严密的检测方法,可以全面表征遥感相机的成像能力;方波法在大面积靶标配合下,能直接获取成像系统在奈奎斯特频率处的MTF值;刃边法是光学相机常用的检测方法,但是仅能获取沿轨与垂轨方向的MTF。三种方法所得的在轨MTF的检测结果具有较好的一致性,最大相对误差优于6.00%。这些方法各有特点,其适用性存在一定差异。

现有的石窟表面风化程度评估多使用人工局部测量方法,这种方法存在效率较低且评估结果易受主观因素影响等问题,鉴于此,提出了一种多光谱成像与随机森林算法相结合的石窟表面风化智能量化评估方法。通过多光谱成像提取的石窟表面光谱信息对风化类型及风化程度进行表征;利用多光谱特征数据重组和标准化处理建立训练、测试及预测样本;基于最小相对熵理论设计损失函数,训练随机森林算法模型,提取不同风化类型及风化程度样本数据的光谱特征;利用训练后具有特征感知能力的分类模型对石窟多光谱图像每个像素点的风化类型及风化程度进行智能预测评估;使用混淆矩阵和Kappa系数对评估结果进行精度评价。以陕西省延安市清凉山万佛寺万佛窟为例对所提方法进行验证,实验结果表明:目标石窟表面强盐析风化区域所占比例为5.15%,弱盐析风化区域所占比例为27.88%,微盐析风化区域所占比例为27.39%,积尘风化区域所占比例为39.58%,评估结果与实际风化状况基本一致,评估的准确率为98.49%,Kappa系数为0.98。所提方法可以实现像素级的精细化评估。

功能性近红外光谱技术(fNIRS)作为一种新兴的神经成像技术得到了广泛关注,然而fNIRS信号中运动伪迹的存在会使信号的处理结果产生偏差。提出了一种定向中值滤波和数学形态学相结合的算法——tMedMor算法,并采用该算法对fNIRS信号中的三种运动伪迹(包括尖峰、基线突变和缓慢漂移)进行去除;然后用仿真数据和实验数据进行了验证,并将所提算法与常用的几种算法进行对比,结果表明:tMedMor算法在均方误差、信噪比、皮尔逊相关系数的平方、峰峰误差方面具有良好的表现,说明该算法可以作为一种新方法用于fNIRS信号的预处理阶段。