玉米种子的形态特征是玉米品种识别的重要因素之一.采用高光谱成像系统获取9个品种共432粒玉米种子的高光谱反射图像, 对图像进行校正和预处理, 提取每个样本在563.6~911.4 nm共55个波段范围内的形状特征.分别利用单波段、多波段和全波段下的玉米种子形状特征结合偏最小二乘判别法进行模型分类.结果显示, 全波段范围内训练集和测试集的平均正确识别率达到98.31%和93.98%, 均优于多波段和单波段的正确识别率.研究表明, 该方法能充分利用高光谱图像中可见光和近红外区域的有效特征信息, 较准确地鉴别玉米品种, 为玉米品种的自动识别领域提供了一种新方法.

为使万向支架式共形导引头光学系统获得更大的无渐晕观察视场, 设计了利用自由曲面进行像差平衡补偿的折反射式微变焦共形导引头光学系统.系统在所有观察视场中的均方根点斑直径都接近或小于像元尺寸, 且在非零搜索观察视场中都具有接近衍射极限的成像质量, 该方法使共形光学系统获得大的无渐晕观察视场成为可能.

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋, 即视场中的星体会围绕视轴中心旋转, 给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路, 设计了一种通光口径较大, 由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成, 通光口径为42 mm, 第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°, 使K镜通光口径较大, 能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度, K镜相应的转动入射光线转角的一半, 则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成, 替代由三棱体磨制的反射镜面, 利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜, 使K镜光轴和回转轴同轴, 并采用直流力矩电机直接驱动, 使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅, 细分后的角分辨率为0.072″.

针对目前机载头盔显示系统中的微型液晶显示器背光模组亮度和均匀性不足问题, 提出了一种新颖的微型液晶显示器背光结构及设计理论, 并通过CODEV软件设计了背光光学系统, 利用LIGHTTOOLS软件对背光模组进行了配光效果仿真, 结果证明当采用85 lm绿色LUXEON Rebel LEDS作光源时, 其输出光亮度接近160 000 cd/m2, 均匀性大于85％, 功耗仅有1.25 W, 完全满足了机载头盔显示系统的要求.

针对空间光学遥感器主镜镜面加工过程中, 磨盘与主镜间磨削动作往复运行引起的主镜柔性支撑结构疲劳寿命问题, 通过建立主镜组件的有限元模型, 利用MSC.Fatigue软件按应力寿命(SN)法对主镜组件进行了疲劳寿命分析, 确定了支撑结构的薄弱部位, 并对仿真过程进行了误差分析, 讨论了影响仿真结果的各个因素.对比热真空试验和动力学试验前后主镜镜面面型数据, 验证了支撑结构加工、设计参量的合理性.通过疲劳寿命仿真分析, 可以有效预示光学结构在加工过程中的疲劳情况, 为空间光学遥感器结构的设计、加工提供理论依据和参考.

针对太阳极紫外成像光谱仪的应用目的与工作环境, 设计了一种太阳极紫外成像光谱仪的光学系统.该系统由望远系统、狭缝、光栅与探测器组成.望远系统采用离轴WolterⅡ型结构, 入射光掠入射进入系统, 具有光谱范围宽、稳定性高、克服恶劣空间环境能力强等优点.扫描镜采用平面反射镜, 成像质量不随扫描角的改变而改变.分光光栅采用超环面3 600 lines/mm变间距光栅, 与超环面等间距光栅相比, 具有成像质量高、光谱分辨率高、缩短系统长度的优势.工作波段为17.0～21.0 nm, 可满足探索温度在5.8≤log T≤6.3区间的宁静日冕的需要.视场为1 228″×2 400″, 空间分辨率达到0.8 arc second/pixel, 光谱分辨率约为0.001 98 nm/pixel, 总长度不超过2.5 m.计算了望远系统的理论有效面积, 给出了望远系统的成像质量与实际的视场.系统整体的成像质量、光栅的谱线弯曲与谱带弯曲, 均满足实际应用要求.

提出了一种散射介质光学参量的干涉测量方法. 在蒙特卡罗数值模拟的基础上引入聚焦高斯光源模型和基于比例缩放的压缩算法, 实现了对光子后向散射分布和干涉特性的快速模拟. 利用计算数据训练了前向人工神经网络进行了介质光学参量的反向求解. 实验中以脂肪乳注射剂和生物染色剂印度墨水组成的悬混液为样本, 通过光学干涉系统测量得到了后向散射光依赖于深度的干涉光强分布, 并对其中散射和吸收系数进行了反向计算. 所得结果能够正确反映散射和吸收系数与散射和吸收物质浓度之间的线性关系, 验证了该方法的可行性.

研究了置于空气中的含缺陷的一维非线性光子晶体中二次谐波的产生.由于反射的二次谐波很强而不能忽略, 缓变振幅近似在系统中是不适用的.本文提出了一种不采用缓变振幅近似来处理二次谐波产生问题的方法, 并应用这种方法计算相关的二次谐波转换效率.结果表明: 随着入射波角度的增加, 缺陷模对应的波长将变短, 并且通过调整基频波入射的角度, 可以产生宽带宽并且高转换效率的二次谐波.这个方法适用于任何一维非均匀系统, 可以简单方便地计算出二次谐波转换效率.

概述了一套基于LabVIEW而搭建的半导体光致发光扫描系统.充分考虑扫描过程中由于外延片荧光信号过于微弱、不均匀背景光噪音可能产生的光谱采集失真以及随后分析谱图所存在的物理参量读取误差等因素, 通过扣除背光源、隔离样品、高斯拟合等方式对测量过程进行优化.同时依托LabVIEW自身强大的仪器控制能力, 如调用动态链接库与ActiveX控件实现了对光谱仪和平移台的通信与控制, 结合其良好的数据分析及显示能力, 实现了对外延片测量、读取、分析处理以及实时显示等过程的自动化整合, 准确高效地提取出样品空间分辨的光致发光特性如峰位、光强等.最后初步分析了所用外延片的发光均匀性, 得出波长分布与生长温度分布基本一致, 肯定了保持生长腔内温度均匀一致的重要性.该系统不仅界面友好、简单易操作、实时性强、智能化高且搭建简单易行, 极大地降低了成本, 方便研究人员进行快捷准确的测试.

基于铁电体畴反转结构的电光偏转特性, 设计了一种片状集成的4×4电光开关, 其由四个结构相同的半抛物和四个抛物形微小偏转器集成构成.通过优化抛物形偏转器结构, 给出了电光开关的设计参量, 电光开关性能通过光束传播法进行仿真模拟, 仿真结果表明该开关切实可行.实际应用中, 系统误差可以通过电场调节补偿, 使光路准确交换.该片状电光开关的整体尺寸为48 mm×2.2 mm×0.5 mm(长×宽×高), 最大使用电场约13.73 V/μm, 适用于高速交换的光互连系统.

条纹中心线法是一种重要的电子散斑干涉条纹解调方法, 其前提条件是获得高准确度的条纹中心线.本文在分析载波电子散斑干涉条纹自身特征的基础上, 提出了一种基于载波条纹调制方向提取条纹中心线的方法.该方法首先通过同态滤波有效滤除高频乘性散斑噪音, 提取出载波条纹；然后应用基于调制方向提取中心线算法确定载波条纹灰度极值点并做二值化处理；再采用基于中心线拟合或者基于条纹间距的边沿中心线补偿法, 获得完整的条纹中心线图.实验结果表明：该方法简单、可靠, 能快速、准确地提取出连续的中心线.

在10℃～230℃温差下, 对大气相干长度r0分别采用夏克哈特曼的到达角起伏法、差分像运动法、波面法三种测量法和四象限探测器进行了测试和对比；对折射率结构常量C2n及闪烁功率谱分别采用夏克哈特曼和光电倍增管进行对比.实验结果表明：对于r0, 在强湍流时四象限探测器比夏克哈特曼的稳定性明显降低, 且对夏克哈特曼三种方法, 差分像运动法可克服设备抖动等问题, 但引入了方向上不一致的问题, 波面法可有效避免该问题；对于C2n, 夏克哈特曼比光电倍增管测量更稳定, 拟合相关系数高达0.96；对于闪烁功率谱, 由于噪音影响, 在200℃时夏克哈特曼比光电倍增管测得的最大频率高15 Hz；最后, 通过对夏克哈特曼子孔径的闪烁功率谱分析得出, 若同一子孔径入射光强不在CCD响应的线性区间时无法准确测量闪烁功率谱, 否则可通过不同子孔径可完成湍流均匀性的测量.这将为湍流池提供最优的测试方法及理论依据.

Raman激光雷达是用于大气成分探测与特性研究的有效工具.介绍了中科院安徽光学精密机械研究所自行研制的一台用于测量低对流层大气CO2时空分布的Raman激光雷达系统, 并进行了一系列观测实验和对比分析.系统选用波长355 nm的紫外激光作为光源, 利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的Raman后向散射信号与Li7500型H2O/CO2分析仪进行对比标定, 通过反演获得了大气CO2水平与垂直方向时空分布廓线, 并且获得了合肥地区大气边界层CO2的夜变化趋势.结果表明, 大气CO2在空间的分布相对均匀, Raman激光雷达与CO2分析仪变化趋势一致性较好, 能够对大气CO2时空分布进行有效、连续的观测.

基于广义惠更斯菲涅尔原理和非Kolmogorov(非K)谱, 推导出了厄米高斯光束在非K大气湍流中传输的束宽、角扩展以及M2因子的解析表达式.数值计算表明, 在传输距离比较远(如z≥3 km)时, 厄米高斯光束的束宽、角扩展和M2因子随广义指数参量α的增大而增加直到α=3.11时达到最大值后再随α的增大而减小；随湍流的内尺度l0的减小而增大；随外尺度L0的增加而增大(3.6<α<4).但是当广义指数参量α在3<α<3.6区间取值时, 束宽和M2因子几乎不随外尺度的增加而变化.

长周期光纤光栅透射谱的求解方法有多种, 本文以耦合模理论为基础, 对常用的积分法、公式法、传输矩阵法求解长周期光纤光栅的透射谱进行比较与分析, 指出这三种求解方法各自的特点和适用条件.积分法可在较宽波长范围内直接得到多个模式透射谱的精确解, 但求解过程繁琐, 运算量大；公式法虽然在表述和计算上较为方便, 但只能在较小波长范围内直接求解单个模式的透射谱；传输矩阵法求解过程简便、准确度高、计算量相对较小, 特别适合计算一些非均匀光纤光栅的透射谱.该研究为选择一种精确度高且理论和计算都较简单的计算长周期光纤光栅透射谱的方法提供理论依据.

提出了一种利用喇曼散射原理的光纤分布式测温系统中基于迭代的高准确度温度解调算法.针对于常规的反斯托克斯斯托克斯双光路比值的温度解调算法, 该迭代算法进一步校正了光纤中双光路衰减系数差对温度敏感带来的温度测量误差, 尤其适用于中距离且温度场复杂的测温环境, 实现了高准确度的温度测量.通过理论分析确定了该迭代法的迭代格式, 测量了相应的光纤参量, 并在传感样机上编写相应的代码通过实验予以验证, 在0~90℃温度范围, 5 km测量长度输出的测温曲线符合预期的测温效果.

设计了一种使用阵列波导光栅对分布式光纤布喇格光栅中心波长较大范围变化的解调方法.根据阵列波导光栅各通道的中心波长可随温度变化而改变的特性, 通过控制软件循环地在几分钟内使加在阵列波导光栅的芯片温度从30℃线性增加到90℃, 同时用微机高速采集各通道的数据并分别找出各通道数据的最大值时刻所对应的阵列波导光栅芯片温度, 从而根据其波长温度关系在微机上报告此时各光纤布喇格光栅的中心波长.实验结果表明, 系统有效地解决了分布式解调的问题, 微机以小于10 min的周期报告出每通道0.6 nm范围变化的光纤布喇格光栅中心波长(共40个通道), 测量相对误差小于2%.

提出并制备了一种基于MachZehnder干涉效应的高灵敏度光纤液体折射率传感器.分别利用NaCl溶液和甘油溶液, 研究了传感器的透射光谱和外界介质折射率的关系.实验结果表明, 随着周围介质折射率的增大, 传感器干涉谱的极小值点对应的波长向长波方向漂移, 在1.333~1.356的折射率变化范围内, 极小值点对应的波长的漂移量和折射率的变化具有较好的线性关系, 对应的灵敏度约为4 086 nm/refractiveindex.该传感器制作简单、结构紧凑, 在生物和化学测量中具有较好的应用前景.

提出并实验验证了一种基于匹配光纤光栅法布里珀罗干涉仪的应变传感器解调方法, 该方法综合了光纤法布里珀罗干涉技术和匹配光纤光栅滤波法的优点.通过半导体制冷片和压电陶瓷组成的闭环负反馈控制系统, 精确调节匹配光栅法布里珀罗干涉仪的温度和应变, 有效解决了光栅法布里珀罗干涉仪的失配问题, 从而保证系统静态工作点处于最佳匹配位置, 同时能够避免探头因环境温度波动导致的测量误差.实验结果表明, 该系统能够响应50～800 Hz的输入信号, 应变最小分辨力至少为0.4 nε/Hz1/2, 解调灵敏度高, 且不受环境温度波动的影响, 因而在动态应变或振动测量中具有较高的实用性.

针对脑部核磁共振图像中含有噪音、对比度低及肿瘤边界不连续模糊等造成肿瘤难以准确分割的问题, 提出了一种基于空频域图像增强的脑肿瘤分割算法.首先, 采用空频域相结合的增强方法对图像进行增强处理.该方法利用基于邻域的方法, 结合了空间域增强算法与基于方向滤波器组的频率域增强算法, 具有它们优点的同时, 克服了前者导致的图像细节模糊的缺陷及后者带来的对比度降低的缺陷.然后, 利用液体向量流的分割方法, 对增强后的图像进行分割, 得到脑肿瘤区域.实验结果表明, 本文的增强方法在增强肿瘤边界特征的同时改善了图像的对比度和清晰度, 提高了脑肿瘤分割的准确性.

图像清晰度评价是基于数字图像的被动式自动调焦技术的基本问题之一.传统Brenner图像清晰度评价算法具有运算速度快特点, 但是其评价准确性取决于阈值选取, 且其灵敏度较低.针对上述问题, 本文提出了一种改进算法.改进算法采用高通和带通两个滤波器对图像进行计算, 克服阈值对传统Brenner算法评价结果的影响.为了衡量改进算法的性能, 将其与传统的Brenner算法比较, 并对评价算法的单峰性、无偏性、灵敏度、计算量等主要衡量标准逐一分析.实验结果表明：与传统的Brenner评价算法相比, 改进算法在满足评价算法单峰性和无偏性前提下, 提高了灵敏度, 降低了计算次数.

利用自嵌入技术提出一种同时实现版权保护和内容认证的双功能图像水印算法.在嵌入端, 首先将原始图像划分成互不重叠的子块, 将各子块每个像素的最低m位置0, 然后将最低m位置0后的子块进行奇异值分解, 通过提取奇异值范数的最高位奇偶性产生原始鲁棒特征水印, 然后再将原始鲁棒特征水印嵌入各子块每个像素的最低m位得到含水印图像.检测端从攻击的含水印图像提取鲁棒特征水印的过程与嵌入端产生原始鲁棒特征水印的过程类似, 并且通过计算提取的鲁棒特征水印与原始鲁棒特征水印之间的归一化相关度进行版权鉴别, 通过判断提取的鲁棒特征水印与攻击图像各子块每个像素的最低m位的一致性实现篡改检测进行内容认证.理论分析和实验结果都表明算法具有非常好的不可见性.实验结果还表明, 算法不仅在抵抗添加噪音、剪切、JPEG压缩、平滑、重采样和几何攻击如随机删除行、向右偏移列、向下偏移行表现出很强的鲁棒性, 而且能够精确定位出篡改位置和区分篡改类型.因此, 算法具有版权保护和内容认证双重功能.

应用激光光谱学方法, 研究了铜表面Rh6G分子的荧光增强效应对于金属衬底表面所形成的氧化层的依赖关系, 探索了由于空气氧化而形成的氧化层在表面荧光增强效应中的重要意义和作用机理.实验采用罗丹明6G荧光探针分子, 在532 nm连续光激发下, 研究机械抛光铜金属衬底在经历不同氧化时间, 对吸附其表面的Rh6G分子的荧光增强效果.研究结果表明, 适当控制金属样品表面的氧化时间, 金属铜表面对若丹明分子的荧光发射表现出猝灭和增强效应.金属氧化层起到了隔离荧光分子与金属表面的作用, 减弱了由于激发态荧光分子向金属转移非辐射能量和在金属表面诱导反向偶极子而产生的荧光猝灭效应, 从而提高了纯金属铜表面荧光增强辐射行为.因此在微纳金属衬底的荧光增强效应研究中, 采用适当的实验手段, 精确控制隔离层间距, 是表面增强光谱获取的重要途径之一.

提出一种新的切趾函数, 用此切趾函数对过零单边干涉图加权, 使具有相同光程差的两点光强与旋转因子的乘积之和为它们的平均值, 减小了由于计算过程中零光程差点附近的数据被利用两次造成的误差.研究结果表明：与Mertz提出的切趾函数相比, 本文提出的切趾函数对非对称性较严重的过零单边干涉图数据处理有更好的加权效果, 能够有效减小光谱失真, 同时计算效率得到了一定程度的提高, 可广泛应用到傅里叶变换光谱仪中的过零单边干涉图处理中.