采用双驱动马赫曾德调制技术生成24GHz波段的超宽带毫米波信号, 建立了基于双驱动马赫曾德调制器的超宽带毫米波信号理论模型, 并利用理论模型进行实际运算模拟产生了带宽达5.8 GHz的超宽带毫米波信号.研究了毫米波信号的信号质量和带宽.结果表明: 通过适当调节毫米波信号发生器的控制信号强度, 可以有效抑制产生的毫米波信号中残余振荡和低频成分；控制输入信号的脉冲宽度可实现对生成毫米波信号带宽的灵活调节.该超宽带毫米波信号发生器可用于汽车短程雷达、入侵检测传感器和移动无线电通信等领域.

提出一种基于Fibonacci与最小均方差联合解调光纤法布里-珀罗传感器腔长的算法.利用Fibonacci搜索方法, 在一系列估计值中快速搜索到对应的最小均方差的数值, 并作为腔长解调结果.仿真分析了算法迭代次数与解调准确度之间的关系并进行温度测量实验.结果表明, 该算法的理论平均解调误差小于2×10－5 pm, 与实际腔长的拟合度优于0.9999, 解调动态范围可达2.5 mm；实验中, 该算法腔长解调分辨率为0.15 nm, 对应的温度分辨率达0.03℃, 解调时间少于0.03 s, 具有解调准确度高和运算速度快等优点.

设计了一种无反馈全开腔双倍间隔布里渊-喇曼光纤激光器.采用C+L波段可调谐激光器作为布里渊泵浦, 中心波长为1 455 nm的激光二极管作为喇曼泵浦, 7 km色散补偿光纤作为增益介质.受激布里渊散射和喇曼放大在色散补偿光纤中同时产生, 奇数阶和偶数阶斯托克斯光分别从色散补偿光纤两端输出.该结构减少了多个器件造成的插入损耗.最多可得到186个波长数, 调谐范围为28.6 nm, 波长间隔为0.154 nm.加入一段4 m掺铒光纤优化后可将边模抑制比从14 dB提高至20 dB.

为了更好地滤除图像中脉冲噪声和高斯噪声组成的混合噪声, 提出了一种基于非局部均值和Small Univalue Segment Assimilating Nucleus(SUSAN)算子的混合噪声滤除方法.该方法首先根据脉冲噪声点与角点之间吸收核同值区形状特征的不同, 采用SUSAN算子检测出大量的特征点, 特征点主要是脉冲噪声点, 也可能含有小部分角点.将特征点进行排序, 出现频次最高两位的点为脉冲噪声点.然后采用改进的均值滤波法计算脉冲噪声点邻域中非脉冲噪声点的均值, 以此替换脉冲噪声点灰度值.最后针对已滤除脉冲噪声的图像, 采用考虑了图像块信息的非局部均值方法滤除剩余的高斯噪声.去噪实验结果表明: 与自适应中值和加权均值结合的方法、中值滤波与小波结合的方法、脉冲耦合神经网络与中值滤波结合的方法相比, 本文方法主观视觉效果更好, 能够更好地保留图像中的边缘细节, 客观评价指标峰值信噪比有较大的提高, 滤除混合噪声的优势明显.

针对复杂背景下红外弱小目标检测效果不佳的问题, 结合多尺度分析法和各向异性扩散方程, 利用图像尺度和方向信息, 提出一种新的红外弱小目标检测算法.首先, 采用Surfacelet变换对图像进行多尺度、多方向分解, 得到不同尺度下高频子带系数和低频子带系数；其次根据不同频带的特点, 分别采用改进的各向异性扩散方程差分滤波和局部去均值滤波对高频子带系数和低频子带系数进行处理；最后, 采用逆Surfacelet变换重构处理后的子带系数, 并采用自适应阈值分割对重构的图像进行分割, 以实现目标检测.采用多组红外图像进行试验, 并与小波滤波以及各向异性扩散滤波进行比较, 实验结果显示, 该算法能有效抑制背景及其边缘, 可以获得比另外两种算法更好的红外弱小目标检测效果.

由于传统的跟踪算法没有充分利用目标与其局部背景的时空相关性, 使其不能有效地区分背景边缘和红外弱小目标, 从而在跟踪过程中产生偏移现象.针对这一问题, 本文在时空上下文学习跟踪的原理基础上, 分析了跟踪偏移的原因, 并引入图像引导滤波方法, 提出了一种引导滤波结合时空上下文的红外弱小目标跟踪算法.该算法首先采用引导滤波对上下文区域进行处理, 在保留上下文区域云层边缘的同时剔除目标及噪声, 再将其与滤波结果作差.最后利用小目标的“置信图”检测出目标.为了验证该方法的有效性, 采用五组红外小目标序列图像进行实验, 并与经典时空滤波、改进的模板匹配和移动管道滤波等方法作比较.实验结果表明本文提出的方法在主观视觉和客观评价指标方面均优于其它三种经典方法, 且具有更高的目标跟踪精度与较好的实时性.

针对单孔径正交编码被动测距系统存在的工作距离与探测准确度的矛盾, 建立一种由多个传感器构成的线性阵列正交编码测距系统.给出了线性阵列系统的结构, 通过将各个传感器形成的编码图像求和, 得出了阵列系统和单孔径系统的光学调制传递函数的关系, 推导了两个传感器间最佳间距的数学表达式；分析了采用最小冗余线性阵列结构能够获得更多的独立空间响应和调制余弦项, 给出了由多对传感器组合构成的阵列系统的阵列响应；利用费希尔信息矩阵分析了阵列系统距离估计的克莱姆-拉奥限.理论和模拟结果表明: 采用阵列系统进行探测, 能使调制传递函数中与距离有关的峰值的带通区域变窄, 使距离估计的最小方差限减小, 其探测准确度至少提高一倍.

多光谱遥感可以同时获取地面景物的几何信息和光谱信息, 在光学遥感领域具有广泛的应用前景, 但多光谱相机的蓝色谱段更易出现带外响应.本文通过建立多光谱遥感相机光谱响应的数学模型, 分析了蓝色谱段易于出现带外响应的原因, 并根据多光谱遥感相机采用的时间延时积分电荷耦合器件的各谱段光谱响应之间的关系, 基于各谱段间的光谱响应关联, 提出了蓝色谱段带外响应的修正方法, 通过对各种典型地物的统计得到了去除带外响应的修正公式, 对典型地物进行修正后的残差可以小于4%, 能够满足多光谱遥感相机的应用需求.带外响应的修正结果表明: 基于多光谱相机谱段间的光谱关联修正方法对不同地物具有较好的适应性, 可以有效地修正蓝光谱段的带外响应.

现有评价方法单独针对噪声或模糊全景图像, 不能满足望远镜扩展成像评价需求, 为此, 结合望远镜成像机理特性, 设计并提出了一种对比度与结构相似度下的无参考成像像质评价方法.给出了该方法的基本原理、具体实现流程以及数学模型, 并结合仿真图像与实测图像对所提方法进行有效性验证, 结果表明: 所提出的评价方法可以给出序列离焦图像、噪声图像以及离焦噪声图像的有效定量评价值, 评价结果接近于人眼的视觉特性.该方法实现了对同时受到噪声与模糊影响扩展望远镜成像像质的有效定量评价, 评价结果具有高的准确性、单调性以及一致性.

为了揭示高数值孔径光学系统在多重初级像差共同作用时受到的影响, 基于衍射理论, 研究了多重初级像差, 特别是彗差、象散和球差对汇聚高斯光束的影响效果.通过数值模拟计算, 获得了在彗差、象散和球差共同作用下, 汇聚高斯光束在焦平面处光斑的光强分布, 发现多重像差对聚焦光斑的影响并非各单像差影响效果的简单叠加.通过对高数值孔径光学系统激光焦斑的实际测量, 发现其光强分布特点与数值模拟结果具有高度的一致性.研究结果对于评估与分析实际的光学系统具有一定的指导意义.

提出一种球远场干涉理论模型,即两相干平面波以任意夹角照射表面光滑球体, 其反射波在远场发生干涉.推出两反射波在远场的光程差公式, 并用远场干涉准确测量球直径, 给出了测量球直径的公式.用分光仪、CCD照相机、氦氖激光器、光学平台和电脑等组成测量系统, 给出使用原始激光束测量球直径的方法.将远场干涉法测量结果与阿贝比较仪测量结果进行比较, 相对差为0.2%；使用高斯光束所产生的测量误差为5×10－5mm且可略.此测量方法还可对相机镜头畸变实现自校正.结果表明理论和测量方法正确, 用高斯激光束测量球直径可行.

为了满足无人飞行器自主导航对姿态参数提取的需求, 提出一种利用大气偏振模式稳定性分布的特征提取飞行器俯仰角和滚转角的方法.从刻画大气光学传输特性的Rayleigh散射理论出发, 建立了天空偏振光分布的理论和实测两种模式.利用优化算法, 从偏振信息中提取出导航用的天空特征点——太阳空间位置, 并利用太阳和天顶固定的时空关系, 获取天顶点位置信息.利用天顶点坐标建立姿态变换矩阵, 解算俯仰角和滚转角大小.通过模拟飞行器控制台, 利用理论和实测两种偏振模式数据分析验证, 解算的俯仰角均方根误差分别为0.002°和0.0031°, 滚转角均方根误差分别为0.0236°和0.0227°.该偏振方法获取姿态参数时计算简单, 解算精确度高.

针对光学反射镜在精磨向初抛光过渡阶段时面形与理想面形存在较大偏差的问题, 采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足加工检测需求的问题, 提出采用动态范围大且准确度高的条纹反射法来检测光学反射镜.研究分析了条纹反射检测系统的原理及系统误差, 运用光线追迹软件对条纹反射检测100 mm口径反射镜面形进行建模仿真, 并对已经加工完成的100 mm口径旋转对称球面反射镜进行了检测, 测量得到的面形误差峰谷值及均方根值分别为0.523 μm和0.086 μm, 满足该过渡阶段的检测需求.

通过测量外加电压下电光晶体的相位延迟来获取半波电压.基于双折射晶体劈的偏光干涉法, 将通过电光晶体后的偏振光相位延迟量转化为干涉条纹的平移, 通过定位暗纹位置进行精密的线性测量.实验结果表明: 偏光干涉法测量铌酸锂晶体相位延迟的测量准确度为4.4×10－3 rad, 所测量铌酸锂晶体的半波电压为480.0 V, 其测量误差为0.10%, 远小于极值法0.96%的测量误差.偏光干涉法光路结构简单、测量准确度高、测量结果不受光功率波动的影响, 且电光晶体相位延迟量的测量范围不受限制.

推导了由线性和二次电光效应共同支持的新型空间孤子对解, 采用数值模拟法分析了外加电场对亮-亮、暗-暗和亮-暗空间孤子对强度包络的影响.结果表明: 与单一非线性效应所支持的孤子对不同, 新型亮-亮孤子对在外加电场为正和为负情况下均可以存在, 正的外加电场所支持的孤子对宽度略小于相应的负的外加电场情况；对于新型暗-暗孤子对, 由于二次电光效应和线性电光效应的机制不同, 导致孤子对存在所对应的外加电场强度限定在较低的某一范围内, 随着外加电场强度的加大, 孤子对的宽度逐渐减小；对于新型亮-暗孤子对, 其亮分量峰值一般略大于暗分量峰值, 此孤子对在一定的振幅扰动下, 当传输距离大于某特定值后会出现传输的不稳定性.

利用飞秒脉冲诱导生成的具有渐变折射率分布的等离子体通道产生空心光束.当飞秒脉冲在非线性介质中传输时将电离产生等离子体通道, 该等离子体通道具有渐变的折射率分布, 等离子体通道中激光束只能在电子密度低于临界等离子体密度的区域传播, 故当探测光束在等离子体通道边缘传输时将偏转形成空心光束.当泵浦光束功率为8 mW时, 探测光束转变为典型的空心光束结构；当泵浦光束的入射功率、重复率或等离子体通道中轴向电子密度改变时, 等离子体通道中可供探测光束通过的区域将随之发生改变, 这将导致空心光束中黑斑的面积发生变化.因此通过调节泵浦光束的入射功率和重复率可以控制产生空心光束的黑斑大小.

为了找出耦合误差产生的根源, 探讨了柔性偏心机构设计方法.首先, 给出了机构组成和工作原理；然后, 基于柔度矩阵法对机构建模, 分别推导了桥式位移放大机构、导向机构、连接机构的柔度；最后, 综合得到机构的整体柔度.分析结果表明柔度矩阵法得到的输出柔度理论值和有限元法得到的结果误差为8.126%, 机构的一阶固有频率为73.78 Hz.在40N的驱动力范围内, 机构可以实现66.466 μm的行程, 透镜和机构上的最大应力分别为0.0711 MPa和235.22 MPa, Y/Z/RX/RY/RZ耦合误差和X向行程的比分别为0.0543%、0.0082%、1.218×10－8rad/μm、1.870×10－7rad/μm、6.073×10－7rad/μm.调节后镜片面形PV值优于24 nm, RMS值优于5 nm, 并且主要为像散.通过合理的柔度设计, 机构接近完全解耦, 揭示了不合理的机构刚度是产生调节耦合误差的根源.

为了满足月球敏感器和导航敏感器对月球目标的观测需要, 设计了大口径高辐亮度月球模拟器, 其有效辐照面积为Φ2 000 mm.利用照明分析软件LightTools, 通过建模与追迹方法对模拟器的月相、辐亮度和均匀度进行设计、仿真和分析.设计月相目标与月球亮度控制系统, 对14种典型月相及其辐亮度进行实时控制, 提出LED灯阵的辐亮度修正方法提高系统均匀度.测试结果表明: 经过修正后, 模拟器的辐亮度均匀度优于15.7%.该模拟器可作为月球观测目标供敏感器识别.

针对长时间使用电脑造成的视疲劳问题, 研制出了爽目电脑护眼仪.该护眼仪采用双向光干预技术, 其中, 纵向光采用8 000 K色温的仿自然光光源, 横向光通过特殊设计的护眼色谱卡后变为波段为550~700 nm的组合光谱.对比爽目电脑护眼仪使用前后的效果, 使用后被试者的主观评价更好、满意程度更高, 客观试验结果表明, 闪光临界融合频率和眨眼次数在使用该护眼仪后得到了明显增加, 经统计学t检验处理, 差异具有显著性(P<0.01).由此可知该爽目电脑护眼仪通过调整外部视觉光环境有效缓解了电脑视疲劳.

为实现在聚酰亚胺薄膜上制备连续面形的微透镜结构, 开发了一种薄膜光刻刻蚀的工艺方法.首先利用移动掩模曝光得到连续面形的光刻胶微浮雕结构, 再通过反应离子刻蚀技术将微结构高保真度、低粗糙度地转移到PI薄膜上.为解决刻蚀过程中最关键的等比刻蚀问题, 分别研究了刻蚀气体组分的优选、气体组分配比和气体流量的优化等对等比刻蚀的影响.实验结果表明: 在一定的刻蚀条件(如射频功率、腔室压强和自偏压)下, O2+SF6的混合工作气体中, O2为一定值, 随着SF6占的比例增加至13.04%, 总流量为46sccm的优化值时, 实现了刻蚀速率和刻蚀比分别为136 nm/min和1∶1.02, 刻蚀误差仅为2.3%的较好各向异性刻蚀.通过实验室搭建的焦距测试系统, 证明了该方法在PI薄膜上制备的微透镜阵列与石英上具有相同的光学特性.

提出了一种光子晶体光纤Sagnac环切割宽带光源的中心频率连续可调的微波光子滤波器.用温敏液体(Cat.19340)对光子晶体光纤(长度为5m)中心的一个大孔进行填充后嵌入Sagnac环.仿真分析了不同填充占空比对Sagnac环梳状谱周期和滤波器通带中心频率调谐范围的影响, 测得占空比越大, Sagnac环的梳状谱周期越小, 滤波器通带中心频率的调谐范围越大.在占空比最大的情况下,当温度为20℃和80℃时, Sagnac环的梳状谱周期分别为0.72 nm和0.52 nm, 用该Sagnac环对宽带光源进行切割, 当温度在20℃~80℃变化时, 多波长光源波长间隔在0.72 nm~0.52 nm连续可调, 实现了滤波器通带中心频率在15.5GHz~21.5GHz范围内连续可调.

研究了基于最小损失函数法的三视场定位定向中各个误差源对定位定向准确度的影响.给出了基于最小损失函数进行三视场天文定位定向的数学模型, 结合模型归纳了定位定向的误差源及其特性, 分析了误差源对定位定向信息对的影响.最后, 建立了定位定向误差仿真模型, 并利用蒙特卡罗法进行误差仿真分析.仿真结果表明系统的定位准确度为88.1 m, 定向准确度为3.0″.分析指出定位定向主要的误差源是水平测量误差, 其次是垂线偏差数据误差.野外实验表明, 该系统的定位准确度为163.0 m, 定向准确度为3.5″, 水平测倾角的误差对定位定向结果的影响较大.

基于熔锥型光纤耦合器在拉锥过程中光纤锥形的渐变特性和光纤之间熔融度的变化特点, 构建了光纤耦合器在拉制过程中波导结构的变化模型.利用光束传播法对耦合器的拉制过程进行数值模拟, 得到耦合器输出光功率随拉伸长度的变化规律以及耦合器的能量分布图.理论模拟和实验结果表明, 光纤间熔融度与制作耦合器时的氢气流量及拉伸速度有关, 氢气流量大, 拉伸速度小, 熔融度就大；光纤之间的耦合作用与拉伸长度及熔融度有关, 拉伸长度增加或熔融度增大, 都会使光纤间的耦合更加显著；拉伸长度不大时, 锥形区的耦合可以忽略；随着拉伸长度的增加, 光纤变细, 耦合作用逐渐增强, 锥形区的耦合现象越明显, 同时光场也逐渐由纤芯向外发散, 产生附加损耗.

以硬质硅片作为承载体, 在其表面合成性质可控的聚合物薄膜, 利用光刻工艺制作微结构, 将薄膜与硅片剥离, 获得在柔性衬底上大面积均匀的太赫兹器件.以聚酰亚胺薄膜为衬底的太赫兹偏振片的测试结果表明: 在0.1 THz处, 器件的偏振消光比可达到50 dB, 在0.1~2 THz范围内偏振方向的平均透过率高达89.78%, 偏振度大于99.84%, 在42.3 mm直径的区域内, 其偏振均匀性好, 达到实用化要求.

利用等效电路模型,用仿真模拟软件对空气环金属阵列的透射特性进行仿真, 得出空气环金属阵列的几何参数对透射峰的影响规律: 一种透射峰随着空气环金属阵列空气环外半径、内半径的增大发生红移, 金属层厚度对该透射峰的影响可忽略；另一种透射峰随着空气环金属阵列金属层厚度和空气环外半径、内半径的增大发生红移.根据透射峰处金属表面的电流分布, 用磁谐振效应理论和导模共振理论对透射峰的产生做出解释；基于磁极化理论建立等效电路模型, 研究了空气环金属阵列的几何参数对磁谐振峰位置的影响,即: 改变阵列的几何参可导致等效电容、电感的改变, 从而促使磁谐振峰的移动.等效电路与模拟软件仿真的结果对比表明, 所建立的等效电路模型对太赫兹滤波器的结构设计和性能分析具有重要参考价值.

通过计算线性熵研究了两相互作用量子比特在马尔科夫和非马尔科夫环境下的纠缠随时间的演化特性, 讨论了偶极相互作用强度和原子与库中心频率失谐量对纠缠的影响.结果表明线性熵随着偶极相互作用强度以及原子与库中心频率失谐量的增大而减小, 在马尔科夫环境下线性熵在短时间内趋于稳态值, 而在非马尔科夫环境下线性熵随时间的演化呈现振荡行为.

研究了三个全同二能级原子与三耦合腔相互作用物理模型中两原子间的量子失协.腔与腔之间通过光纤耦合, 考虑原子与腔模之间的共振作用, 采用几何量子失协来度量两原子间的量子关联, 数值计算了系统中两原子间的几何量子失协, 给出了其演化曲线.讨论了光纤模与腔模间的耦合强度变化对几何量子失协的影响.结果表明: 随光纤模与腔模间的耦合强度增大, 两原子间的几何量子失协增大, 即两原子间量子关联增强.

利用全量子化理论, 在非旋波近似下对双模相干态光场与级联型三能级原子相互作用的量子纠缠进行了精确求解.讨论了初始时刻原子能级的叠加和平均光子数对量子纠缠演化的影响.数值计算结果表明: 初始时刻原子处于单一能级时, 量子纠缠演化曲线的周期随着平均光子数的增加逐渐变大；初始时刻原子能级的叠加导致初始阶段纠缠度显著降低, 纠缠达到最大值的时间随着平均光子数的增大逐渐变长, 且初始时刻原子能级的叠加使得量子纠缠的周期性消失；无论初始时刻原子能级处于哪种能级的叠加态, 随着平均光子数的增大, 由虚光子效应引起的小锯齿状的振荡逐渐增强.

为了研究玉米花粉中的蛋白质和多糖等营养物质, 采用傅里叶变换红外光谱结合曲线拟合技术分析曲辰9号和靖丰3号两种杂交玉米花粉.玉米花粉的傅里叶变换红外光谱显示蛋白质的特征吸收峰酰胺I带、酰胺II 带和酰胺III带出现在1 653 cm－1、1 546 cm－1和1 241 cm－1附近, 多糖特征吸收峰出现在1 078 cm－1、1 056 cm－1、1 030 cm－1和995 cm－1附近.对比它们的傅里叶变换红外光谱的蛋白质和多糖特征吸收带, 两种玉米花粉存在一定差异, 表明它们所含的蛋白质和多糖含量不同.对1 900~950 cm－1吸收带实施傅里叶自去卷积和二阶导数处理后再进行曲线拟合分析, 剥离出因光谱叠加而掩盖的特征吸收子峰.子峰信息显示曲辰9号玉米花粉中多糖的含量高于靖丰3号玉米花粉, 而蛋白质的含量关系则相反.研究表明, 傅里叶变换红外光谱技术可为玉米花粉中营养物质的研究提供一种便捷的手段.

为了提高CCD的扫描速率并将其应用于百纳秒级瞬态超快现象的探测, 提出一种基于面阵CCD的高时间分辨的瞬态光谱测量方法, 并对其进行了实验验证.该方法采用帧存储的工作思路, 对面阵CCD的工作时序进行改进, 以实现高时间分辨率的探测.LED脉冲光实验结果表明, 探测帧频可达10 Mfps, 时间分辨率达到100 ns, 并且能够连续成像2 048次.该方法对扩展CCD在瞬态光谱检测领域的应用具有借鉴意义.