在兰州地区夜间进行了链路长为610 m的激光传输实验, 研究了晴、阴、沙尘、雨夹雪天气下光强起伏的统计特性.采用闪烁法测量了不同天气下的大气折射率结构常数C2n, 分析其最大值、最小值、均值和标准差, 得到实验期间C2n值的范围为1.06×10－15 m－2/3~1.05×10－13 m－2/3, 均属于中等湍流; 而且晴天和雨夹雪天气下C2n值以及起伏程度均大于阴天和沙尘天的值.同时, 利用实测光强值分析了Rytov方差, 结果表明: 晴、雨夹雪、沙尘天气下光强起伏大部分时间属于弱起伏, 有小部分时间跨入中等起伏区, 而阴天下光强起伏均属于弱起伏, 且晴天和雨夹雪天气下光强起伏大于阴天和沙尘天.通过对光强频数分布进行对数正态、Gamma-Gamma和指数威布尔非线性拟合, 不同天气下光强起伏概率分布最为接近指数威布尔分布, 其拟合优度均大于0.989 95, 而在弱到中等起伏区, Gamma-Gamma分布拟合效果优于对数正态分布.

针对单基线能见度测量设备采样体积单一、受噪声影响大的缺点, 设计搭建了一套移动式可变基线能见度测试系统.该系统由发射、接收、移动以及信号处理四个模块组成, 以532 nm激光作为发射光源, 通过置于滑动轨道上的小车移动定点接收发射信号实现多基线测量, 然后采用时间平均结合最小二乘法对初始信号进行处理获得最终大气能见度.系统采用单端移动接收采样法, 可从理论上消除光学污染误差.理论分析了该设备的测量方差及基线采样点模型, 并对系统进行加噪声模拟实验, 证明了其抗噪声能力; 最后在真实大气环境下对设备进行检验, 通过与实际数据对比证明其可靠性.

为实现大气水汽的全天时测量, 选用Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0 nm作为激励光源, 设计日盲紫外域喇曼激光雷达系统.由于低层大气污染造成的臭氧污染, 通过增加大气氧气的振动喇曼散射信号测量通道, 实时反演近地表臭氧浓度的分布, 为修正激光雷达方程中的臭氧吸收提供解决方案.同时, 选用高光谱分辨率光栅和窄带宽激光反射镜设计光栅光谱仪作为激光雷达的分光系统.仿真计算表明, 入射角为10°时, 设计的光栅光谱仪可有效分离并提取氧气、氮气和水汽的振动喇曼散射回波信号, 日盲紫外喇曼激光雷达系统可实现全天时状态下2 km高度范围内大气水汽的廓线探测.

为了研究滑开型和撕开型裂缝条件下塑料光纤的光学感知特性, 分别进行了剪切和扭转作用下塑料光纤的力光转换特性试验.结果表明, 在错动位移由0增加至0.5 mm的过程中, 光损耗值和菲涅尔反射值与错动位移呈近似线性关系, 灵敏度分别达到15.6 dB/mm和5.9 dB/mm.塑料光纤内部的光损耗特性对剪切作用较敏感, 而对扭转作用不敏感, 光损耗水平保持在1 dB左右.滑开型和撕开型裂缝条件下塑料光纤具有相似的光学感知特性, 菲涅尔反射值和光损耗值都可以作为裂缝错动位移的监测指标, 其中, 光损耗水平变化幅度更大, 对裂缝的感知更敏感.

针对激光反射断层成像过程中存在目标的平动和抖动所产生的旋转中心偏移导致重建图像错位形成伪影的问题, 提出基于相位恢复技术的改进误差下降算法.该方法通过光强反复迭代得到相位分布, 获得重构目标丢失的相位信息, 通过增加初始约束条件以及空间域和频域的限制有效改善算法的收敛性. 运用改进的误差下降算法, 有效改善了相位恢复方法容易陷入局部极小解的问题, 获得了优化的重构图像.仿真实验表明, 三组投影数据重建图像的平均相对均方误差由0.774下降为0.551, 能够有效消除图像重建伪影.外场实验结果表明此方法使激光反射断层成像系统分辨率得到有效改善.

针对原有基于强度传输方程(TIE)的非干涉相位恢复技术只适用于单波长条件下近距离传播时相位求解的局限, 提出了一种双波长照明条件下的TIE算法.该算法在求解过程中考虑两个波长下相位间的相关约束, 并引入了合成波长的概念.同时, 考虑到TIE法在远距离传播时相位恢复精度较低的问题, 将其与角谱迭代算法结合, 提出了一种双波长混合迭代算法.实验结果表明, 双波长TIE算法相位恢复图的误差平均值降低到0.191 2; 在远距离传播时, 双波长混合迭代算法相位恢复图的误差平均值降低到0.220 2.表明所提算法可以在双波长照明下有效地恢复相位信息, 并且不受距离的限制.

提出一种基于谱段关联的近红外图像模拟方法, 分析遥感图像成像链路模型, 以及卫星载荷传感器可见光多光谱谱段和全色谱段的关联性, 计算得到了谱段关联系数, 并基于谱段的关联系数生成模拟近红外图像.为了提高近红外模拟图像生成的速度, 利用基于GPU的SIFT算法对全色图像与多光谱图像进行匹配.采用所提方法利用吉林一号光学A星的数据, 生成模拟近红外图像, 单景图像计算时间优于3 s, 该方法对合成真彩色图像和去云去雾均有较好的效果.

低照度成像系统输出一般都是黑白视频, 为了获得更好的夜视实际应用效果, 提出了一种基于YUV空间色彩传递的低照度视频图像彩色化及增强的亮度拉伸色彩传递方法.该方法借鉴了双波段色彩传递自然感彩色融合方法, 由灰度图像及其负片图像构成初始彩色图像, 并对亮度通道进行自适应亮度拉伸, 在UV通道进行参考图像的色彩传递, 实现灰度图像的自然感彩色化和增强.通过与其他基于色彩传递的彩色化方法比较, 亮度拉伸色彩传递方法对参考图像和源图像的相似程度要求较低; 选取几幅适当的典型场景彩色参考图像, 可对绝大多数场景取得较好的彩色化效果, 具有很好的场景环境普适性.同时可以看出, 该方法高效, 对比度高, 颜色协调性好, 色彩自然, 更有利于人眼的观察感知, 对于低照度夜视成像效果提升效果明显.该方法已在硬件平台上实时应用, 可在无需增加硬件资源的基础上, 有效地应用于低照度夜视成像.

提出了一种单张低动态范围图像曝光校正的方法, 可增强图像过曝光和欠曝光区域的细节.分别对图像过曝光区域与过欠光区域进行校正.在欠曝光区域, 使用WLS滤波将图像分解为照度图和反射图, 以提升区域亮度并增强对比度; 在过曝光区域, 扩展Retinex模型, 提出暗亮度用于表征过曝光程度, 压缩区域亮度并增强细节.然后利用基于显著性的融合算法将校正后的图像进行融合, 得到多区域增强图像.使用两种通用图像质量评价指标比较了多种方法的结果.实验证明, 本文结果的指标均优于其他方法的结果.另外, 在视觉效果的比较中, 本文方法可以得到细节丰富、色彩还原度高的校正图像.

针对现有软件实现超分辨算法通常过于复杂、运算开销大、模型复杂度高的问题, 本文从成像过程中图像退化的物理原理出发, 提出一套基于小递归卷积神经网络的单帧图像超分辨模型.将物理模型的约束融入到模型中, 与现有的基于统计学习的图像超分辨算法相比, 本文提出的模型的模型复杂度和计算量几乎可以忽略不计, 同时内部的参数也有着更加明确的物理意义, 并且引入了外部数据辅助对相应的模型参数进行学习.使用运行速度、峰值信噪比的数值方法对结果进行评价, 结果表明: 本文提出的算法消耗时间只有传统反向投影算法的75%, 而精度比反向投影算法提高了0.2 dB, 比双线性插值提高了1.2 dB.本文提出的算法可以取得比迭代反投影算法更快、重建精度更高的超分辨重建效果.

为实现对拍摄区域目标准确与快速的定位, 提出一种针对仅依靠宽幅面阵航空相机进行无源目标定位的定位算法.利用与相机刚性连接的定位定向系统测量相机曝光时刻的位置与姿态信息, 恢复摄影光束的空间位置.选取适当的物方坐标系, 通过坐标变换建立共线方程, 利用单幅相片辅以地面高程信息求解目标的大地坐标信息.分别采用全微分法与蒙特卡洛法建立误差模型并进行仿真计算.采用某相机挂飞数据验证算法的有效性, 在飞行高度为5 000 m时, 定位精度可以达到30 m以内, 精度指标满足工程需要.

提出了一种以优化点云数据中平面的平面度和平面面积为目标的内参数标定方法, 针对不同情况选用区域生长算法或改进随机采样一致性(RANSAC)算法进行平面提取, 并通过提出的单纯形和人工蜂群混合优化算法(NMS-ABC)进行参数解算, 实现了DIY系统的内参数标定.利用内参数已知的仿真数据实验验证了NMS-ABC混合算法用于内参数快速求解的有效性, 利用不同场景获取的多组实测点云数据进行了标定实验, 结果表明: 标定后的平面内点百分比和整体平面度均有所提高, 并且当平面数不少于3时标定结果更稳定可靠; 进行了点位精度测试, 经内参数标定后DIY扫描仪的点位测量精度得到提高且在不同水平角度分辨率条件下优于3 mm@4 m; 人为增大安置误差, 通过对比标定前后的点云及平面提取结果, 进一步直观验证了本文所提标定方法的正确性和有效性.

提出了一种新的激光多普勒频移测量方法, 该方法以相位调制拍频信号振幅和相位作为自变量定义新函数, 并以该函数作为多普勒频移鉴频参量, 将两类相位调制激光多普勒频移测量方法结合.理论上将该方法的鉴频曲线、灵敏度曲线以及误差曲线等与两类相位调制方法的相应曲线进行比较, 发现该方法不但继承了相位调制拍频信号振幅方法的工作方式, 能够对小频移量进行测量, 而且吸收了相位调制拍频信号相位方法的测量能力, 具有更高的测量灵敏度和动态范围.通过实验对硬目标反射的频移可控信号光进行测量, 证明了理论的正确性, 而且通过调整平移参数, 可以使该方法的测量动态范围提高约26.8%, 更适合对高多普勒频移量进行测量.

面向高速空间相干光通信的应用需求, 研制了一种同谱段异频点高稳定的四路集成激光器模块, 并采用了梯度反馈控制方法, 该反馈方法根据温度反馈值将控制事件分为五种层级, 按照优先级顺序梯次调控每路温度和电流, 降低了温度漂移和电流抖动, 从而有效降低了伺服系统对激光器线宽的影响.将该方法应用到模块控制中, 为了给它提供更加精确的温度反馈值, 在硬件方面采用温度被动反馈放大电路, 消除了电流分量引起的误差, 实验测得温度漂移低于0.001 ℃, 电流抖动低于0.6 μA.采用外腔半导体激光器, 集成为模块后四路激光器洛伦兹线宽在4.5~7.5 kHz之间, 阿伦方差均小于4×10－9.将该激光器模块应用到空间光通信中, 测试了四种调制格式下的误码率, 并演示验证了4×50 Gb/s 16QAM超高速空间相干光通信, 结果表明该模块在空间光通信中具有良好的应用前景.

设计了一种应用于光抽运铯原子钟的稳频激光器, 用小型化的饱和吸收装置对激光进行稳频, 用于产生饱和吸收谱的泵浦光的偏振方向与检测光的偏振方向相互垂直, 通过调节激光的偏振方向增大铯原子的跃迁几率.相对于一般简化的饱和吸收装置, 小型化的饱和吸收装置产生的用于锁频的参考信号的幅度更大.当激光频率被锁定在铯原子的6S1/2, F=4→6P3/2, F=5能级跃迁线上时, 对激光器的稳定度进行了测量, 百秒稳定度为1.88×10－11.该稳频激光器的体积较小, 有利于光抽运铯原子钟的小型化和工程化应用.

依据标量衍射理论,在分析消除轴向及倍率色差条件的基础上, 利用纯相位液晶空间光调制器的可编程控制特性, 将红、绿、蓝三种色光调制的菲涅耳透镜与闪耀光栅镶嵌在一起, 通过随机等概率的复用方法, 在液晶空间光调制器上编程, 实现了具有共同焦距的三色光复用透镜, 消除了轴向色差.同时, 通过对红、绿、蓝三色光调制的菲涅耳透镜孔径的约束, 实现了三色光在焦平面处相同的聚焦光斑半径大小和强度, 消除了倍率色差.实验结果表明, 通过该方法, 复用透镜的轴向色差以及倍率色差都得到了有效矫正,在三色光入射下其艾里斑半径为67 pixel, 与具有相同焦距和分辨率的单色透镜产生的艾里斑半径65 pixel接近.

为了弱化或消除LED失效对均匀性的影响, 提出了一种基于复眼透镜的匀化光斑整体累加方案.该方案先对单颗LED进行匀化设计, 再通过LED位置误差研究推广至LED阵列, 实现每颗LED在曝光面上均能产生相同大小的匀化光斑.然后利用软件进行仿真, 设计了一款曝光光源, 并搭建了相应实验平台.该光源最大辐照度值为18.2 mW/cm2, 均匀性为86.9%, 完全满足实际曝光指标.在此基础采用遮挡光源的方式模拟不同位置的LED失效, 进行了辐照度均匀性实验.结果表明, 少量LED失效对辐照度均匀性的影响在1%以内, 甚至LED阵列接近一半失效时均匀性仅下降5%.该设计方案可长期维持辐照度均匀性, 更适用于实际生产.

经典的恢复算法不能有效地恢复被观测物的全频域信息, 空间频率的缺失导致超分辨图像伴有较为严重的旁瓣.本文提出利用最大后验概率(MAP)评估解决表面等离子体结构光照明技术中的光学旁瓣问题.结果表明MAP评估恢复算法可以有效恢复物质的高空间频率信息, 并且通过合理选择优化参数达到抑制光学旁瓣的目的.在波长520 nm, 数值孔径1.3下, 可获得半高全宽65 nm的横向分辨力, 约为传统荧光显微镜的3.6倍.该技术在生命科学观测中具有潜在应用价值.

为满足空间相机成像质量的要求, 设计了一种热控调焦机构来修正离焦量.首先, 根据光学系统确定调焦方式, 并通过驱动次镜沿光轴方向移动的方式设计了调焦机构, 该结构占用空间小且质量较轻.然后, 根据调焦需求, 选取热膨胀系数较高的铝作为主要材料, 采用在镜座背面贴加热片等措施保证次镜在恒温下工作, 并通过有限元方法对调焦机构性能进行了建模分析.最后, 对调焦机构工作状态进行分析验证, 利用Zernike多项式对其工作时所产生温度变化引起的镜面变形进行拟合, 把变形后的面形输入到Zemax软件中, 以调制传递函数作为光学系统成像质量评价指标, 分析了调焦机构在正常工作时次镜面形变化对相机成像质量的影响.结果表明, 调焦机构符合设计指标, 且工作时次镜面形的变化对光学系统成像质量的影响可以忽略, 与传统调焦机构相比, 具有质量轻、结构简单等优点.

为了满足基于室温连续量子级联激光器(QCL)的中红外气体检测系统的需求, 研制了板级量子级联激光器的驱动电路以及谐波锁相放大电路。通过信号发生电路产生高精度的直流偏置信号、低频锯齿波扫描信号和高频正弦波调制信号, 控制激光器的工作电流, 进而扫描/调制激光器的输出波长; 为了探测痕量气体吸收光谱的二次谐波信号, 并获得较高的信噪比, 研制了锁相放大电路, 主要包括倍频电路、正交转换电路和数据转换电路; 为了提高系统的稳定性和可靠性, 研制了高稳定性的线性供电电路以及保护电路.采用中科院半导体所研制的波长为4.76 μm的QCL作为光源, 开展了电学系统的功能验证实验以及气体检测实验.实验结果表明: QCL驱动电路线性度为0.006 3%, 长期电流稳定度为5.0×10-5, QCL光强稳定度为5.07×10-4; 锁相放大器系统具有较高的稳定性和较低的误差, 一次谐波的最大误差在2.4%以内, 二次谐波的最大误差在5.5%以内.通过动态配气方式开展了低浓度一氧化碳(CO)气体检测实验, 在0~100 ppm范围内, 二次谐波信号的幅值与CO气体浓度具有较高的线性度(拟合优度>0.99), 表明所研制的电学系统具有良好的稳定性和可靠性, 为中红外CO气体的检测提供了安全可靠的保障.

设计了一种三级台面的InGaAs/InP雪崩光电二极管, 解决了器件边缘电场和暗电流较高的问题.采用Silvaco Atlas器件仿真软件分析了边缘间距、电荷层掺杂浓度及厚度、倍增层掺杂浓度及厚度对器件性能的影响.仿真结果表明, 本文设计的三级台面器件在边缘间距为8 μm时有最优器件尺寸和较低边缘电场.采用掺杂浓度为1×1017cm－3、厚度为0.2 μm的电荷层和掺杂浓度为2×1015cm－3、厚度为0.4 μm的倍增层, 成功将高电场限制在中心区域, 使得反偏电压40 V时的边缘电场降低至2.6×105V/cm, 仅为中心电场的1/2, 增强了器件的抗击穿能力.此外, 本文设计的器件在0.9 Vbr时的暗电流降低至9.25 pA, 仅为传统两级台面器件的1/3.

采用口径耦合的方法构造了一种金属-介质-金属非对称结构滤波器, 由两个半圆腔通过两个矩形口径与波导管相连形成.运用有限元法仿真计算获得了该结构的磁场、透射谱、带宽及边沿陡峭度分布曲线.研究结果表明, 通过调节结构参数, 滤波器的透射曲线出现明显的红移或蓝移现象, 且曲线分布平滑, 其通带透射比高达0.95, 阻带则具有平坦特性且透射比低至0.001, 通带、阻带均具有较宽的带宽.对滤波器进行结构参数优化, 可以实现类似矩形滤波器的特性, 在光通信波段的三个通信窗口能够实现通道选择的滤波功能.该滤波器在微纳光学器件集成尤其是光通信系统中有良好的应用前景.

针对导弹目标量子雷达散射截面的计算问题, 用锥柱复合模型模拟导弹目标几何结构, 引入单光子波动方程, 推导和改进量子雷达散射截面表达式.通过干涉分析镜面上原子与光子的相互作用, 在检测点测量光子被目标原子散射后的强度, 得到锥柱复合目标量子雷达散射截面公式.仿真结果表明: 在不同入射角条件下, 单光子量子雷达散射截面主瓣峰值高于经典雷达散射截面, 而量子雷达散射截面旁瓣峰值低于经典雷达散射截面; 随着波长减小, 量子雷达散射截面逐渐降低, 入射角对量子雷达散射截面无影响.表明量子雷达对小目标具有很高的探测识别能力, 分辨率能够达到纳米级, 为导弹目标识别提供了依据.

针对多角度动态光散射测量技术中通过Mie散射光强计算的角度权重估计方法存在信息利用率与抗噪性之间的矛盾, 提出利用每一角度所有粒度的整体Mie散射空间特征进行角度加权和利用每一粒度对应Mie散射光的细节特征对核矩阵做元素加权的复合角度加权方法, 并结合正则化方法进行了模拟和实测的多角度动态光散射数据反演.与采用光强比值法和光强均值法的反演结果比较表明, 多角度动态光散射反演结果与角度加权方法密切相关.无噪声影响时, 光强比值法和复合角度加权法都能得到准确的颗粒粒度分布, 但光强均值法信息利用率不高; 随着噪声水平的提高, 光强比值法反演结果急剧变差, 表现出较低的抗噪性能.复合角度加权方法通过兼顾信息利用率和抗噪性能, 使得增加散射角时信息增多的优势得以更好地显现, 并且有效地抑制了角度增多带来的噪声影响.该加权方法显著提高了多角度动态光散射进行颗粒测量, 特别是对多峰分布颗粒体系测量的准确性.

提出了一种基于量子遗传算法的宽带极紫外多层膜的离散化设计方法, 解决了在膜系设计中普遍采用的遗传算法存在求解精度低的问题.同时在基于量子遗传算法的膜系设计方法中对膜系进行了离散化设计, 解决了在仅由时间控制膜厚且沉积速率较大的镀膜系统中的膜厚高精度控制的问题.依据量子遗传算法的膜系设计结果采用磁控溅射镀膜系统镀制宽带极紫外多层膜.测试结果表明, 宽角度极紫外多层膜的入射角为0°~15°, 反射率达45%以上; 宽光谱极紫外多层膜的入射波长为13~15 nm, 反射率达20%以上.相关研究工作为宽带极紫外多层膜的研发提供了另一种可供选择的且较优的搜索优化算法, 同时该算法结合实验, 实现膜厚的离散化设计, 使镀制出的多层膜具有较好的光谱性能.

采用改进过的布里奇曼法成功地生长了Tm3+离子浓度从0.5～4 mol%变化的高质量Na5Lu9F32单晶.在790 nm LD激发下, 研究了不同Tm3+掺杂晶体在1.86 μm波段的荧光发射性能、衰减曲线以及Tm3+离子之间的能量传递过程.当Tm3+离子掺杂浓度增加到~1.95 mol%时, 晶体在1.86 μm处的荧光发射强度达到最大.然后, 随着Tm3+离子浓度进一步的增大, 发射强度迅速下降.然而, Tm3+离子在3F4能级处的荧光寿命随着Tm3+掺杂浓度从0.5增加到4 mol%, 逐渐降低.同时计算了1.86 μm处最大的受激发射截面为0.80×10－20 cm2.Tm3+离子的浓度猝灭效应和离子之间的交叉弛豫能量传递过程是造成1.86 μm荧光发射变化的主要原因.

采用可见光波段的488 nm、518 nm和637 nm激光对氧化石墨烯薄膜样品进行光照还原实验, 并实时测量还原氧化石墨烯的透过率和电阻率, 通过其变化规律表征不同波长的激光对氧化石墨烯还原程度的影响.结果表明: 氧化石墨烯的透过率和电阻率在不同波长激光照射下呈现不同的变化规律.采用488 nm激光照射时, 在激光功率密度很小的条件下, 氧化石墨烯即可发生还原反应, 还原过程符合光化学还原规律; 采用518 nm与637 nm激光照射时, 只有当激光功率密度大于某一阈值时, 氧化石墨烯才发生还原反应; 激光波长越长, 功率阈值越高; 还原过程符合光热还原规律.该研究结果可为光还原石墨烯薄膜的图案化工艺改进提供参考和依据.