采用相对论多组态Dirac-Fock理论, 计算了Na原子及类Na离子Fe15+基态的光电离截面.对Na原子, 考虑相对论效应与弛豫效应, 本文计算结果与前人计算结果和实验测量结果一致性较好.对Fe15+离子的最外价电子, 相对论效应对其光电离过程产生主要影响, 而轨道弛豫效应则可忽略不计; 对中性Na原子则情况完全不同: 轨道弛豫效应的影响非常显著, 但其光电离截面对相对论效应仅有非常微弱的依赖.

根据半经典闭合轨道理论研究了矩形腔对氢负离子的光剥离进程的影响, 利用反射定律分析矩形腔中与光剥离截面相联系的剥离电子运动的闭合轨道,推导出该体系下的光剥离截面公式, 在线性极化光的作用下, 研究了腔的尺寸对光剥离截面的影响, 并将其与麻志君等用量子力学方法研究的结果进行对比.结果表明: 矩形腔的存在及其大小对光剥离截面中由闭合轨道相联系的返回波与波源函数发生干涉引起的振荡有很大影响, 且振荡曲线随着矩形腔的尺寸变化明显; 当激光极化方向沿着x轴或者y轴时, 半经典方法与量子力学方法的结果一致, 当激光极化方向沿着z轴时, 由于矩形腔在z轴上对光剥离截面不作用, 采用半经典方法光剥离截面与无场的情况相同, 但是采用量子力学方法, 其结果中却出现振荡, 表明半经典方法研究此体系结果更准确.研究结果可对研究负离子光剥离以及外腔中的电子输运问题提供参考.

研究了部分相干高斯谢尔光束在大气湍流中的到达角起伏.主要采用湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型及广义惠更斯-菲涅尔原理和交叉谱密度函数推导出了部分相干光在大气湍流中的到达角起伏表达式.对比分析了湍流内外尺度、湍流强度、传输距离、源相干参数以及波长等参数对部分相干光在大气湍流水平路径上传输时的到达角起伏的影响.结果表明: 随着传输距离的增加, 到达角起伏越来越小; 随着大气湍流内外尺度和源相干参数的增加, 到达角起伏也越来越大; 与部分相干光相比, 完全相干光的到达角起伏受湍流影响很小; 随着波长和湍流强度的减小, 到达角起伏越来越小.

提出一种基于高双折射光子晶体光纤与光纤环的超宽带可调谐微波光子滤波器.以多波长光纤激光器作为光源, 向高双折射光子晶体光纤内填充温敏液体, 通过改变填充温敏液体的温度, 高双折射光子晶体光纤可具有不同的双折射, 得到不同波长间隔的激光, 从而使微波光子滤波器具有不同的自由频谱范围.当温度的变化范围为20~80℃时, 仿真测得微波光子滤波器自由频谱的变化范围为2.49~39.9 GHz.引入光纤环构建级联型微波光子滤波器, 滤波器的主旁瓣抑制比可提高到33.6 dB, Q值可达到499, 提高了滤波器的频率选择性.

以剥层算法为基础, 分别从非均匀解调应变大小、重构算法的特征参量以及光栅初始结构参量等对光纤布喇格光栅应变重构准确度的影响进行相关研究分析.结果表明: 工作长度为5~30 mm 的光纤布喇格光栅最佳应变解调在 3 000 με以内, 在该应变解调范围内, 保持光栅剥层的分层长度为0.1 mm左右时, 应变重构准确度和效率较优, 折射率调制幅度越小, 应变重构误差越小; 同时, 对于非均匀应变检测使用的强光栅, 折射率调制幅度约为0.000 12时, 应变检测结果最好.本文的研究结果对提高非均匀应变的重构准确度具有重要的指导意义.

设计并制作了一种马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)与光纤布喇格光栅级联的光纤磁场传感器, 其中MZI由相当于分光器的锥结构和相当于耦合器的花生锥结构级联组成, 封装在填充了磁流体的毛细管中.由于磁流体的有效折射率会随着外界磁场强度的改变而变化, 故可通过观察干涉谱的特征波长的变化来测量外界磁场强度, 而光纤布喇格光栅透射峰对磁场强度不敏感.当磁场强度由0 mT变化到20 mT时, 马赫-曾德尔干涉峰的灵敏度为0.11 nm/mT.温度特性实验测得马赫-曾德尔干涉峰和光纤布喇格光栅透射峰的温度灵敏度分别为0.401 5 nm/℃和0.011 4 nm/℃.因此, 可利用敏感矩阵实现双参量同时测量.

采用径向风速的估计不确定度和探测概率作为评价指标, 研究了周期图最大似然(PML)算法的多普勒频率估计性能.基于大气分层激光回波模型, 分别以PML和周期图最大值法(PM)对回波信号进行处理, 验证了PML算法在相干激光测风中的可行性; 分析比较不同信噪比条件下PML算法的风速估计不确定度与探测概率.仿真结果表明, 在发射脉冲宽度为400 ns、采样点数为128时, PML算法适合在中等信噪比条件下使用, 且风速估计的不确定度整体小于PM算法的, 在信噪比为-13 dB时径向风速的估计不确定度为0.75 m/s, 探测概率在90%以上, 该研究为后续的外场试验提供了指导.

针对鱼雷激光近炸引信探测水下近场目标的需求, 开展了水下激光引信回波蒙特卡洛仿真方法研究.结合水下激光引信探测特点建立水下目标回波的蒙特卡洛仿真模型.为了提高水中非朗伯目标表面回波仿真的准确度, 推导了基于双向反射函数的光子反射方向概率分布, 根据概率分布随机抽样光子反射方向.仿真了不同距离和入射角度条件下的水中目标回波信号.仿真结果表明: 目标回波幅度随目标距离和入射角度的增大迅速下降, 目标距离在6~12 m内变化时, 信号峰值动态范围为11.5 dB; 目标距离为8 m, 激光入射角在0~45°内变化时, 信号峰值动态范围为9.2 dB.为验证仿真方法的正确性, 在水池中进行水中目标蓝绿激光探测实验, 实验结果和仿真结果一致.研究成果可为解决传统蒙特卡洛方法在水中非朗伯面目标回波仿真中的适用性问题及水下激光引信优化设计提供参考.

为探究光纤法布里-珀罗传感器条纹计数法的解调准确度, 对基于波峰波谷复合算法的条纹计数法的腔长解调误差及其影响因素进行了理论推导、仿真分析和实验验证.结果表明: 光纤法布里-珀罗传感器干涉光谱的干涉级次及干涉级次差、波峰波谷的位置准确度是影响解调准确度的主要因素; 干涉级次随腔长的变化导致腔长解调结果产生周期性跳动误差, 跳动周期约为光源中心波长的1/4; 周期性跳动误差的幅度受波峰波谷位置准确度的影响, 波峰波谷位置准确度越低, 周期性跳动误差幅度越大, 腔长解调误差越大.

在对调制方法、混频原理、调制深度取值等问题深入研究的基础上, 为得到更高的抗干扰能力, 结合相位生成载波调制解调技术与微分交叉相乘解调算法, 引入除法运算, 提出一种改进的相位生成载波解调算法, 以抑制光强扰动对解调结果的影响, 并与传统的微分交叉相乘解调算法在光源产生低频干扰时的解调效果对比, 进行仿真实验.对比信号源分别为20 Hz与200 Hz时的解调效果, 结果表明,在光源有1 Hz低频扰动的情况下, 在高频信号解调的结果中, 改进的解调算法可以准确地实现对待测信号的解调, 解调结果与传统方法相比具有更高的线性度.

针对现有图像盲复原迭代算法多存在耗时较长和难以保证收敛性等问题, 提出一种改进的快速算法.首先根据指数律重建原始图像的频谱, 然后利用原始图像和降质图像的频谱关系, 采用多方向综合估计方法得到点扩散函数.多方向综合估计方法可降低估计误差, 增加算法的稳定性.最后利用得到的点扩散函数和维纳滤波法进行图像重建.与现有算法的对比实验结果表明, 针对适合大量成像系统的G类点扩散函数, 本算法可以得到更准确的点扩散函数估计, 且降低了振铃效应的影响, 取得更好的图像复原效果.

提出一种多算法融合的图像增强方法, 用于工程应用中的复杂降质图像的细节特征恢复.该方法汲取了Laplacian变换法、Sobel梯度法、盒状滤波法、非锐化掩蔽法及灰度幂律法等算法的优点, 可对模糊图像进行自适应增强.通过拉普拉斯滤波器和梯度滤波器将原始图像分为基础层、细节层及边缘特征层;对微小细节信息及边缘特征信息进行增强,对基础信息进行压缩;然后采用盒装滤波器对图像的三个分层进行平滑过度及噪音过滤,最后使用非锐化掩蔽法和灰度变换来增加图像灰度的动态范围,从而得到增强后的图像.在相同的工况下, 该方法分别与直方图均衡法、自适应伽马矫正法及小波变换的图像增强法实验结果进行对比,结果表明,该方法将图像的清晰度提高了13.1%～126.1%, 能有效地处理复杂型感染的图像, 避免图像过度增强, 可以获得适合人眼的最佳视觉细节内容的增强效果.

为实现高分视频卫星微光条件下对目标进行长周期凝视曝光成像, 设计了适应凝视跟踪稳像姿态变化的自适应曝光周期算法.建立卫星对地实时凝视跟踪数学模型, 搭建矢量映射的速度匹配曝光成像关系, 利用蒙特卡洛方法对卫星三轴姿态角和姿态角速度控制准确度在微光成像曝光时间内引起的像移量进行统计计算, 分析了一定姿态控制准确度下满足高分卫星微光成像的曝光周期.最后, 利用灵巧验证卫星进行微光成像曝光周期自适应稳像姿态的在轨试验.结果表明, 卫星姿态控制准确度分别为0.08°与0.0088°/s和0.04°与0.003°/s时, 对应的成像曝光时间分别为18 ms和55.2 ms, 通过对微光成像的目标点进行分析, 曝光过程中成像目标点的实际偏差像元量小于1个像元, 此偏差对成像质量影响较小, 成像影像的信噪比高.

提出一种能高准确度测试光电成像系统调制传递函数的改进的倾斜刃边法.利用一种自动确定高低阈值的改进Canny算子提取边缘位置点, 对提取到的边缘位置点进行线性拟合求得刃边倾角, 在利用费米函数拟合边缘扩散函数的过程中, 提出一种邻域平均值和设定误差容限的多重去噪改进方法.通过仿真与物理实验证明了本文方法的有效性, 并分析了刃边倾角、噪声变化对本文方法与传统方法MTF测试准确度的影响.实验结果表明: 本文方法的调制传递函数测试准确度达到0.004 9, 重复准确度达到0.003 1, 皆优于传统方法; 说明其具有较高的测试准确度和良好的测试重复性, 并且具有较强的抗噪性, 基本不受刃边倾角变化的影响.

设计了一种工作波段为8~12 μm、有效焦距为5 mm、F数为2、视场角为110°的无热化长波红外广角镜头.根据红外无热化光学设计的基本原理, 用了常规红外材料硫化锌、硒化锌和硫系玻璃材料制备的六片镜片, 通过合理地分配各个镜片的光焦度以及相互间空气间隔等参量, 在全视场角为110°的范围内实现接近衍射极限的成像效果.为了更好地控制系统像差, 设计利用了硫系玻璃易于精密模压制备非球面的优点, 在两片硫系玻璃镜片上设计了3处非球面.设计结果显示: 系统在-40℃~60℃的温度范围内均可实现品质良好的红外成像, 光学调制函数全视场内均大于0.4, 同时在110°视场角时畸变控制在5%以下; 实现了在较大视场角条件下控制红外广角镜头的畸变以及系统无热化等设计要求.该系统体积紧凑、质量较轻, 整体设计符合民用红外车载镜头的使用要求.

为了研究双透镜和球面镜之间不同球差分配对折反射式补偿器补偿效果的影响, 以三级像差理论为基础, 针对两个不同相对口径的凹抛物面镜, 采用不同内部球差分配, 分别设计了一组折反射式补偿器, 将结果绘制成曲线.从曲线可看出, 当球面镜球差分配系数从0逐渐增大到0.5时, 对应折反射式补偿器补偿能力先增强, 达到极值后下降.球面镜球差分配系数为零时, 球面镜不承担球差, 球面镜变成半径无穷大的平面镜, 折反射式补偿器即变为Offner 补偿器.研究表明, 折反射式补偿器补偿能力强, 但不同内部球差分配对补偿效果影响较大, 合理选择球面镜球差分配系数对折反射式补偿器设计是有利的.

为解决现有星模拟器只关注星图模拟精度而忽略天空背景模拟的问题, 设计了具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器.重点阐述星模拟器的组成和工作原理, 详细论述光学系统优化设计方法.根据模拟器光学系统透镜大、精度高的特点, 采用筒套筒的镜筒设计形式; 为了保证星图模拟精度, 采用激光直写技术制作星点板, 刻划精度优于±1 μm.测试结果表明: 设计的具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器的星图模拟精度优于3″, 天空背景均匀性优于95%, 满足导航敏感器的高精度地面标定与功能测试需求.

提出一种基于双折射晶体劈的偏振态实时测量方法, 并将该方法用于扭曲向列型液晶透射光的偏振态分析, 实现了液晶分子平均指向矢的动态测量.利用基于晶体劈的偏光干涉法将待测光的偏振参量编码为两组干涉条纹, 通过对干涉条纹定位实现偏振态的实时测量; 再根据液晶指向矢的倾角、扭转角与透射光偏振态之间的关系, 推算出液晶分子平均指向矢的动态信息.本实验测量液晶指向矢的速度为每秒5次, 液晶平均指向矢的倾角、扭转角的测量准确度达到0.2°.本文研究为液晶分子平均指向矢的动态测量提供了一种有效途径.

研究了高阶Bessel光束经过柱透镜后的光场分布特性.在广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论基础上, 推导出高阶Bessel光束透过柱透镜后的衍射光场分布表达式; 并利用MATLAB和MATHCAD模拟了不同传播距离处的光强分布.实验上, 利用轴棱锥和螺旋相位板产生不同阶数的高阶Bessel光束, 并使产生的高阶Bessel光束经过柱透镜, 最后用CCD记录下不同距离处的衍射光场.研究结果表明, 高阶Bessel光束经过柱透镜形成唇状的焦散光束.

利用光纤光栅的反射谱设计了一种用于混凝土纵向裂缝三维应变传感信号的检测及分析处理的方法.利用ANSYS软件自底向上采用构造法构建混凝土三维断裂模型, 分析径向均匀作用力下光纤光栅三轴的应力大小, 由三维受力模型拟合光栅传感器的三轴应变函数, 给出径向作用力下x和y偏振方向谐振波长与三轴应力间的关系, 并且由传输矩阵法计算三轴应力作用下光栅反射谱的变化规律; 理论分析和模拟计算光纤光栅传感光谱反射峰的分裂规律.结果表明: 在均匀的20N作用力下, 10 cm长光栅x偏振方向的波长偏移量最大值为10.1 nm, y偏振方向的波长偏移量最大值为12 nm, 此时光纤光栅的谐振峰产生明显分裂, 形成两个谐振峰, 随着载荷的不断增大, 两个谐振峰不断地向两边分开, 反射峰的分裂点从短波长向长波方向移动, 分裂出来的两个谐振峰中短波谐振峰的反射率高于长波谐振峰, 但短波谐振峰的带宽小于长波谐振峰带宽; 当光栅长度增加至15 cm时, 在相同的作用力下, 光栅两个反射峰的半高宽度均增加, 但两个反射峰的间距几乎不变, 灵敏度达0.14 nm/N.本文研究可将单根光栅结构传感器的二维传感扩展到三维传感.

利用Au/ITO纳米复合材料设计了一种自参照表面等离子体共振传感器.该传感器产生的光谱有两个共振峰, 即共振峰1和共振峰2.共振峰1随着待测介质折射率和入射角的变化产生漂移, 而共振峰2仅随入射角的变化产生漂移, 两个共振峰相互参照, 降低了入射角偏移对测量结果的影响, 提高了测量的准确性.在纳米复合材料的4种不同体积分数下, 仿真分析了入射角、待测介质折射率和薄膜厚度变化对两个共振波长的影响.在入射角θ为80°, 且金的体积分数f为0.65, 薄膜厚度d为40 nm和45 nm, 或金的体积分数f为0.85, 薄膜厚度d为45 nm和50 nm时, 共振峰2不随待测介质折射率的变化而变化, 只有共振峰1随待测介质折射率的变化而变化, 达到自参照传感器的理想状态.

提出并研制了一种基于蓝宝石晶片的光纤法布里-珀罗(法珀)高温传感器.该传感器采用斜端面蓝宝石光纤作传输波导, 蓝宝石晶片作法珀干涉仪, “陶瓷插芯-陶瓷套管”结构做为传感器的固定结构.通过傅里叶变换-最小均方差联合算法解调传感器的反射光谱, 实现了20℃～1 000℃范围内的温度测量, 测试准确度为±2.5℃.该传感器具有体积小、成本低、制作简单以及重复性高的优点, 可用于高温环境下稳定、精确的温度测量.

针对电解铝工业中大电流测量现场环境复杂的难题, 在传统光纤电流互感器的基础上提出一种便携式光纤电流互感器.对设计安装过程中由于柔性传感头光路不闭合和导体偏心引起的法拉第相移误差进行分析和有限元仿真计算, 结果表明: 法拉第相移相对误差随传感头不闭合度角度线性增加, 随导体到非闭合点的距离增大而减小, 且增加传感头匝数能减小法拉第相移误差.由于便携式光纤电流互感器准确度随导体到非闭合点的距离增大而提高, 设计了一种使传感头非闭合点向一端延伸且易拆装的结构, 实验测试得到该便携式光纤电流互感器的全温准确度为0.86%, 满足电解铝厂准确度1%的使用要求.

根据户外照明系统自清洁功能的需求, 基于光学薄膜理论, 对复合膜折射率和质量配比进行了理论分析与模拟, 采用电子束共蒸发技术镀制TiO2/Al2O3复合膜, 并对其做真空退火处理.在单晶控系统中, 通过控制左右两电子枪的束流, 镀制了不同质量配比复合膜.亲水性测试和甲基橙实验表明, 复合膜中TiO2的质量配比越高, 自清洁效果越好, 但亲水性和可见光透过率会降低.对不同质量配比的复合膜进行了检测和分析, 并通过调整质量配比来优化试验方案, 结果表明, TiO2/Al2O3质量配比为9: 1时, 该薄膜既具有自清洁亲水作用, 又具较高的可见光透过率.