主要讨论O2-O2在477 nm处吸收带反演的有效云量。首先通过差分吸收光谱(DOAS)算法反演460~490 nm内的O2-O2斜柱浓度,并对O2-O2斜柱浓度中出现的条带进行修正;然后通过SCIATRAN辐射传输模型设置太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角、地表反照率、地面高度、云量、云压等参数的不同节点,创建O2-O2斜柱浓度和反射率的查找表,进一步对查找表进行转换得到云量的查找表;最后对O2-O2斜柱浓度、连续反射率及相关太阳几何信息进行多维插值,得到大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)有效云量。为验证所提算法的准确性,将EMI结果与OMI(ozone monitoring instrument)云量进行比较,两者均呈由低云量到高云量频数递减的趋势,其中云量为0和云量为1均出现频数高值现象,云量相关性R为0.82,相关性表现良好。

提出一种渐近辐射传输(ART)理论与离散纵标辐射传输法(DISORT)相结合的方法,用于反演雪光谱反照率。基于雪粒形状的二级科赫分形假设,利用不同卫星数据与ART理论的三种粒径反演方法反演研究区域的雪粒径,反演的雪粒径大小不同,但平均值均在50 μm左右。基于雪粒球形假设,根据反演的雪粒径,基于DISORT模型计算波段为0.3~5.0 μm的雪光谱反照率,同时基于ART理论计算波段为0.3~1.5 μm的雪的黑空与白空光谱反照率。由两种辐射传输模型计算的0.3~1.5 μm的雪光谱反照率差异较小,表明雪粒形状假设合理,利用两种辐射传输模型相结合的方法能够计算太阳光谱的雪反照率。考虑到研究区域内黑碳等吸光性杂质的影响,修正了DISORT模型计算的雪光谱反照率。研究区域靠近国境边缘的西伯利亚地区时,吸光性杂质对于雪光谱反照率影响很小;研究区域为东北工业地区时,吸光性杂质会明显降低可见光波段的雪光谱反照率。

主要介绍了可移动锶原子光晶格钟的系统研制和钟跃迁谱线探测。光钟系统采用尺寸为120 cm×50 cm×60 cm的小型化物理系统,通过光纤将模块化的子光路系统与物理系统连接。经过一级461 nm激光和二级689 nm激光冷却后,得到原子数目为1.02×10 6、原子温度为5.45 μK的冷原子团。利用具有“魔术波长”的晶格光实现 87Sr的一维光晶格装载,晶格寿命为434 ms,晶格中原子温度为4.63 μK。在具有超窄线宽的698 nm钟激光探测下,得到边带可分辨的钟跃迁谱、窄线宽简并谱、自旋极化谱及拉比振荡曲线。经钟激光探询后,得到的自旋极化谱的谱线线宽为11.79 Hz,接近傅里叶探测极限的理论值,为可移动光钟的闭环工作提供了频率参考。

为了增强光纤通信系统的物理层安全性,提出了一种基于光编/解码技术的新型抗截获通信系统。由于传统地址码的码字容量都相对较小,合法用户使用的地址码容易受到窃听者的强力搜索攻击。一旦用户地址码被获得,光纤信道中传输的所有用户信息将可被窃听者窃取。为了解决这个问题,构造了一种大容量的二维跳频/扩时地址码,并描述了可重构编/解码器的实现方法;设计了一种新型的抗截获通信系统方案,建立了窃听信道模型;最后,利用VPI transmission Maker Optical Systems仿真软件,验证了抗截获通信系统的传输性能和安全性能。仿真结果表明,基于光码分多址的编/解码技术,可以实现一种高速率、长距离的抗截获通信系统。

提出了一种基于局部线结构约束的模糊C均值(FCM)聚类眼底视网膜血管分割方法。通过预处理增强血管和背景的对比度信息,采用多尺度匹配滤波器和B-COSFIRE滤波器提取像素特征,然后采用局部线结构约束的FCM聚类算法实现视网膜血管分割,最后通过后处理操作去除孤立的噪声点。在DRIVE数据库的实验结果表明,本文方法的平均准确率为94.21%,平均灵敏度为67.21%,平均特异性为98.2%。与特征空间FCM方法相比,本文方法分割的血管结构的连续性较好,提升了对细小血管检测的灵敏度。

将基于深度学习的放大方法应用于天文图像的研究中,根据新真空太阳望远镜(NVST)图像中的结构特征,提出一种有效的天文图像放大方法。首先使用Binning技术对数据进行降采样处理,获得对应的低分辨率图像;其次通过改进的残差稠密网络充分提取和利用低分辨率图像多级特征,重建出高分辨率的太阳图像;最后通过残差分析、相关性分析及功率谱分析对太阳图像的重建误差进行定量评估。实验结果表明,相对传统插值法,所提方法能够对太阳图像中的小尺度结构进行精细放大,且在放大图像的同时有效提高图像的信噪比。

为解决行波管螺旋线(TWT)测量中存在的效率低和结果不稳定的问题,发展了一种高效的光学检测方法,主要包括:选取基于双标准棒滚动的螺旋线摆放与调整装置,使零件的旋转角度可控,摆放直线度优于0.01 mm;采用直线取景器有效避免了毛刺、翻边等缺陷的干扰,增加了自动寻边过程的稳定性,测量结果重复性优于0.8 μm;基于45°直角棱镜开发了端口处内径测量系统,获得了对比度鲜明的成像效果;基于激光共聚焦显微镜测量了螺旋线外表面粗糙度,得到了与工艺规律相吻合的数据;将分段阵列的编程策略和交点距离的算法应用到变螺距螺旋线检测中,具有较高的操作效率和灵活性,单根螺旋线的检测时间缩短为传统方式的三分之一。该结果对于提高螺旋线行波管产品的合格率、实现其批量化生产具有重要意义。

大口径太阳望远镜中常用波片来进行偏振定标和偏振测量,为了对这类波片的延迟量和方位角进行准确测量,提出一种基于双光束检偏的波片测量系统,建立了该系统对应的数学模型。测量系统中检偏器的方位角可作为参数进行拟合,克服了单光束测量系统中检偏器方位角误差的影响;同时,根据测量系统的结构,对待测波片的延迟量范围进行分析,实现了对偏振定标和偏振测量中所使用波片的精确测量。分析了测量系统误差的主要来源,包括光源光强噪声、电机定位误差和探测器非线性响应,并对探测器非线性响应进行了校正。该方法测量1/4波片和127°波片的延迟量和方位角误差小于0.02°,测量27°~145°和215°~333°范围波片样品的延迟量和方位角误差小于0.05°。

为了探索纳秒级激光惯性约束装置靶室内电磁脉冲(EMP)的物理规律,实验室利用自主研发的EMPIC-2D计算软件开展数值模拟研究。软件将激光与靶作用后产生的逃逸电子作为输入参数,将电磁脉冲强度随时间的变化作为输出。模拟结果发现,纳秒级激光打靶产生的逃逸电子激发的EMP的频率主要分布在0 MHz~2 GHz之间,随着出射波形宽度的变宽,纳秒级激光产生的EMP的高频信号成分减少,而低频成分变化较小;在靠近靶的位置,随着出射时间的延长(1~10 ns),电磁场峰值逐渐降低;与皮秒级激光的模拟结果比较发现,纳秒级激光产生的电磁场的强度较小,低频成分与皮秒级相似,而大于1 GHz的高频成分大量减少。

提出一种基于引导图像和自适应支持域的局部立体匹配算法。首先对校正后的输入图像进行预处理得到引导图像;在匹配代价计算阶段,提出一种梯度计算方法,结合引导图像和输入图像的梯度信息,分别计算x和y方向的梯度,再与AD(absolute difference)和Census变换融合构建匹配代价计算函数;在代价聚合阶段,使用基于自适应支持域的导向滤波;在视差细化阶段,提出一套基于自适应支持域的多步细化方法,通过该方法得到最终的视差图。实验结果表明,视差细化后全部区域的平均误差和方均根误差平均减少43.7%和38%,非遮挡区域平均减少33.7%和30.9%,所提算法具有较好的鲁棒性并能获得精度较高的视差结果。

基于卷积神经网络的立体匹配算法在精度上取得了较大的提高,但大多数算法仍然无法满足实时性要求。提出一种渐进细化的实时立体匹配算法,在低分辨率层级中初始化视差图,再渐进地恢复视差图的空间分辨率。该算法采用轻量的骨干网络提取多尺度特征,在保证算法实时性的同时,对特征进行反向融合,提高了特征的稳健性。提出一种多分支融合模块对视差图进行渐进细化,对不同区域的多种模式进行自动聚类,再分别预测视差图残差,根据聚类权重融合最终结果,使模型能够更好地处理具有不同特点的区域。在KITTI测试集上,所提算法的运行速度达到20 frame/s,与运行效率相当的DispNetC算法相比,错误率降低了约30%。

孪生网络跟踪算法是利用离线训练好的网络提取目标特征并进行匹配,从而实现跟踪。而离线训练深度特征在表征任意形式目标时将目标从背景中分离开的性能较差。为此,提出一种基于目标感知特征筛选的孪生网络跟踪算法。将经过裁剪处理后的模板帧和检测帧送入到ResNet50的特征提取网络分别提取目标和搜索区域的浅层、中层、深层特征;在目标感知模块中,通过设计一个回归损失函数来学习对目标敏感的特征,根据反向传播的梯度来确定每个卷积核的重要性程度,并以此来激活相对重要的卷积核筛选较重要的目标感知特征;将筛选得到的特征送入到SiamRPN模块,进行目标、背景的二分类判别和边界框的坐标回归,从而得到一个精确的目标边界框。在OTB2015和VOT2018两个标准数据集上进行测试实验,结果表明该算法可以实现对目标的稳健性跟踪。

三维(3D)显示以其自然直观的方式受到广泛关注。提出一种基于悬浮真三维显示系统的指套式力触觉交互方法。通过Leap Motion提取指尖坐标,利用双目相机实现光场显示区域和交互区域的坐标转换;判断手与显示区域的位置关系,传递信号使指套振动,从而完成力触觉交互。结果表明,利用所提方法可以完成光场显示区域和交互区域的坐标转换,转换精度在5 mm以内。当用户与三维显示模型交互时,有效和实时的力触觉交互有助于增强真实的感官体验。

为了提高基于双目视觉的三维目标检测的精度与鲁棒性,提出了一种基于迭代式自主学习的三维目标检测算法。首先,为了给三维目标检测任务提供更精准的目标点云信息,提出了一种基于迭代式自主学习的视差估计算法,通过迭代地增加目标区域的视差监督信号以及引入选择性优化策略,提高了视差估计在目标区域中的准确性。其次,在网络结构中,提出了一种自适应特征融合机制,将不同模态信息的特征进行自适应融合,进而得到准确且稳定的目标检测结果。结果表明,与近年来较流行的基于视觉系统的算法相比,所提出的三维目标检测算法在检测精度上有较大提升。

针对特定机型座舱热载荷实验,提出太阳辐射模拟器光学系统的设计方法,并在此基础上研制出一套太阳辐射模拟器。设计了单只太阳辐射灯,完成了空间灯阵设计。采用提出的预调节方法,获得了合理的单灯安装位置。根据设计方案完成了光学系统的加工和安装,并对其开展了性能测试。结果表明:辐照度分布计算误差为12.0%,证明提出的预调节方法可行;根据预调节方法得到的座舱透明件表面热效应,与设计热效应偏差为-3.1%,说明达到了目标辐照环境;光学系统辐照不稳定度为±0.52%,具有较好的稳定性。研究结果对太阳辐射模拟器的设计具有参考价值。

为了改善平面接收器的能流均匀性,针对抛物碟式聚光器,提出一种重新优化布置各镜面单元的改进方法,并设计了一种新型非成像碟式聚光器。建立平面接收器目标区域内能流均匀化的优化模型,联合运动累加光线跟踪方法和遗传算法优化碟式聚光器。研究优化的聚光器与抛物碟式聚光器的聚焦能量分布,分析平面接收器上局部聚光比、非均匀因子、峰值聚光比及拦截效率指标。最后讨论了新型聚光器的应用价值,并展示了优化的新型碟式聚光器在平面型金属盘管接收器上的能流均匀化效果。结果表明,非成像碟式聚光器的能流均匀化效果最优异,能将非均匀因子从3.62~4.22显著减小到0.18~0.25,峰值聚光比从24737~37245降低到1722~2055。研究结果不仅能为太阳能平面接收器能流均匀化提供一种新的方法,还能为现有抛物碟式聚光器的改进提供新的思路。

研究了具有2n+1次非线性的薛定谔方程暗孤子特性。首先,给出了静态暗孤子解的统一解析表达式,发现静态暗孤子的宽度随非线性幂次的增大而减小,其深度保持不变。其次,研究了运动暗孤子的演化行为,给出了运动暗孤子波函数随空间和时间变化的普适表达式,发现对于给定的暗孤子运动速度,孤子的密度和相移都随非线性幂次的增加而减小。研究结果表明,对于给定的非线性多方指数,运动暗孤子的能量随运动速度的增加而减小。最后,通过数值模拟验证了所得解析结果。

星上定标光谱仪(SCS)是HY-1C搭载的标准定标载荷,用于实现对同平台上其他多光谱载荷的辐射定标。基于星上定标光谱仪获得的星上定标结果,与MODIS的影像数据进行交叉定标,比较星上定标光谱仪与MODIS对相同地面区域的辐亮度数据和反射率数据,实现了对星上定标精度的评估与验证。通过对4次定标数据的处理和分析,结果表明,两者的最大相对偏差小于3%,满足同平台其他载荷的定标要求。

建立了基于星上定标光谱仪(SCS)太阳漫反射板的绝对辐射定标模型。通过对2018年12月12日星上漫反射板定标数据进行处理,得到SCS绝对辐射定标系数。以TERRA MODIS为参考载荷,对SCS辐射定标系数进行三次交叉验证。为了提高光谱匹配精度,消除光谱设置的差异,对SCS各通道实测等效辐亮度进行插值迭代,得到光谱辐亮度,并将该结果与TERRA MODIS光谱响应函数进行积分,得到预测等效辐亮度。通过比较发现,MODIS各通道预测与实测等效辐亮度具有非常好的一致性,相对偏差均值最大为2.78%,表明SCS辐射定标系数真实可靠,具有较高的定标精度。同时也验证了双向反射分布函数(BRDF)、透过率等参数具有较高的测试精度。

为解决雾霾天气条件下激光雷达探测温度高度偏低的难题,研究了一套数据拼接方法。该方法引入高分辨WRF(weather research and forecasting model)模式模拟温度,与激光雷达测温数据进行拼接,通过拟合区域选取、分析高度层确定、拼接数据校正、最佳拼接区域选取、拼接效果评估等关键技术设计,将雾霾天激光雷达探测数据高度由2 km向上拓展至整个对流层并到达平流层中低部区域,即20 km左右高度。对拼接结果的综合质量评估表明,激光雷达与模式数据拼接效果较好,拼接廓线与标准廓线的吻合度较高,且最大相对误差为1.5%。特别是在最佳拼接区域内,激光雷达数据与模式数据具有很高的拟合度。本方法利用模式数据与雷达数据的互补优势,实现了温度廓线大量层、高质量数据重构。本文拼接方法同样适用于其它复杂天气条件。

为了研究介质参数对受激布里渊散射(SBS)时间相干性的影响,提出一种基于迈克耳孙干涉仪的测量及验证方法。理论上分析温度对SBS时间相干性影响的物理机制;实验上测量并分析水体温度对SBS时间相干性的影响。研究结果表明:SBS时间相干性与水体温度直接相关,随着温度的降低,SBS的时间相干性变差;温度一定时,当相干光的光程差增大到一定值后,对应的SBS相干脉冲波形不再是准高斯型。

为了快速检测水环境中的喹诺酮类抗生素,将三维荧光光谱法结合双线性最小二乘/残差双线性算法(BLLS/RBL),用于检测水中的氟甲喹(FLU)、恩诺沙星(ENR)和左氧氟沙星(LVFX)。该方法不仅可以准确解析出光谱重叠现象严重的三种抗生素,而且与平行因子方法(PARAFAC)相比,可以得出更可靠的定量预测结果。BLLS/RBL预测的FLU、ENR和LVFX的平均回收率分别为98.46%、99.10%、101.69%,均方根误差(RMSE)为4.33、0.33、0.26 μg·L -1,灵敏度(SEN)为2.8×10 3、3.5×10 4、5.5×10 4,检测限(LOD)为0.72、0.06、0.03 μg·L -1。实验结果表明,三维荧光光谱结合BLLS/RBL是一种可靠的水中喹诺酮类抗生素的检测方法。

基于大气污染物二维分布遥测系统,开展了被动成像差分吸收光谱技术和图像优化算法相结合的大气污染物二维分布遥测研究。将紫外光谱和可视化图像的双通道系统相结合,实现了污染物浓度信息与可视化图像的精确匹配。针对复杂背景下污染物的数据处理问题,尤其是受浓烟、障碍物遮挡等情况下的数据缺失问题,对观测值进行筛选和处理,再结合烟羽扩散模型和曲面三次样条插值算法对整个区域内的浓度信息进行优化,从而快速获得高空间分辨的污染物二维分布图像信息。

远紫外波段高反射薄膜的研究具有重要应用价值。为了实现高反射率,采用高温三步蒸发法沉积MgF2膜以保护Al膜,制备了远紫外宽带高反射薄膜,并对样品进行退火处理。结果显示,改进制备工艺和退火工艺后,紫外宽带高反射薄膜在121.6 nm处的反射率高达90%,接近理论设计值。同时分析了散射损耗的影响。采用优化的LaF3/MgF2膜系结构,制备了窄带反射滤光薄膜,其在中心波长122.5 nm处的峰值反射率为75%且半峰全宽为8 nm,达到了理论设计的预期效果,但退火处理损伤了薄膜表面,散射损耗增加,薄膜反射率下降。

设计和加工了一台相位补偿的压电变形镜,使用干涉仪离线表征了其压电变形性能,并提出迭代全局优化算法,实现了变形镜对目标面形的快速高精度逼近。结合X射线散斑扫描技术,在光束的聚焦模式下测试了变形镜的在线相位补偿性能和对聚焦光斑尺寸的优化能力,结果显示,初始的43.4 μm焦斑尺寸经相位补偿后被压缩到了12.9 μm。上述研究为上海同步辐射光源的快速相位补偿提供了可能。

设计并搭建了被动全光同步的全保偏光纤激光系统,该系统能够长时稳定输出时域精确同步的双色超快脉冲。被动同步系统包含两台基于非线性放大环形镜锁模的掺铒与掺镱全保偏光纤激光振荡器,采用主从注入式整体结构,借助注入脉冲在从激光谐振腔中引入的非对易非线性相移,获得了自适应同步的锁模脉冲输出。通过优化主激光注入脉冲能量和从激光器腔内滤波带宽等实验参数,获得了长达26 mm的腔长失配容忍度。该脉冲同步系统具有结构简单、即插即用、稳定性好、保偏输出等优点。