提出并分析了以O2(a1Δg)O19P18(7 772.03 cm-1)发射谱线为目标源进行平流层、中间层大气风场星载临边探测的可行性及优势.基于大气模型和辐射传输理论建立O2(a1Δg,υ′=0)→O2(X3Σg,υ″=0)带的辐射传输模型, 并分析多重散射和非局地热平衡效应影响下的目标源临边光谱辐亮度.表明发射线O2(a1Δg)O19P18(7 772.03 cm-1)自吸收微弱、辐射强、光谱分立度好, 能大大降低对测风干涉仪光谱分辨率、滤光系统带宽的要求, 进而使载荷更易于实现小型化、高稳定性.以星载测风多普勒差分干涉仪技术方案为例, 对以O2(a1Δg) O19P18(7 772.03 cm-1)为探测目标源的视线风速反演精度进行了仿真分析, 结果表明40~70 km高度范围内视线风速测量精度优于5 m/s; 适当放宽风速反演精度情况下, 探测范围能够向40 km以下扩展.研究结果将为平流层、中间层大气风场星载探测提供一条低成本、高精度、自主可行的技术路线.

提出了一种改进的次谐波大气湍流相位屏模拟方法, 通过对低频相位屏的采样方式进行设计, 能够充分地补偿相位屏中的低频信息.利用该方法对符合Kolmogorov理论的大气湍流相位屏进行数值模拟, 并结合相位结构函数和相对误差函数对所提方法的准确性进行验证, 分析谐波次数和采样点数对模拟相位屏的影响.此外, 还将改进后的次谐波法与经典的功率谱反演法、Zernike多项式法、分形法及改进前的次谐波法进行了对比, 结果表明：改进后的次谐波法对应的相位结构函数与Kolmogorov湍流理论值最符合, 即利用此方法生成的相位屏最准确.

分析了光纤Mach-Zehnder干涉仪作为鉴频器的多普勒激光雷达风速探测灵敏度及动态范围与光程差的关系.当光纤Mach-Zehnder干涉仪光程差从0.1 m变化到1.5 m时, 对应风速探测范围从±199.5 m/s变化到±13.3 m/s.光程差为0.45 m时, 风速变化1 m/s对应的最高灵敏度为2.15%.光程差误差将导致风速反演误差.当光程差为0.145 9 m和1.088 9 m时, 1 nm的光程差误差将导致反演风速误差分别为1.028 m/s 和 0.138 m/s.应用激光波长调谐的方法得到光纤Mach-Zehnder干涉仪的透过率曲线, 由自由光谱范围精确确定了光程差的值.应用此干涉仪作为鉴频器的激光雷达完成了实际风速探测, 反演风速与相干探测风速具有较好的一致性, 证明了校准探测的正确性.

为了有效识别光纤周界系统的振动信号, 提出一种多重分形谱参数和改进概率神经网络相结合的光纤振动信号识别方法.该方法能够避免特征提取过程中需要选择经验阈值和模式识别过程中需要确定平滑因子的不足.首先, 检验分析光纤振动信号多重分形的存在性和有效性.然后, 计算和提取光纤振动信号的多重分形谱参数, 构成能够准确描述信号非线性和复杂性特性的特征向量.最后, 采用改进的概率神经网络算法进行自适应地学习和分类, 实现对不同光纤振动信号的识别.采用现场实验采集的四种振动信号对该方法进行验证, 结果表明, 平均识别率达到96.25 %, 识别时间为1.63 s.该方法在正确识别率方面优于传统的概率神经网络算法.

设计了一种在预应力钢绞线中心丝上设置倾斜凹槽封装光纤光栅的自感知钢绞线, 以解决体内预应力钢绞线其它传感器无安装空间, 易碎断导致封装成活率低以及监测量程不够等技术难题.理论分析了不同凹槽倾角封装的光纤光栅传感器的监测应变与钢绞线应变, 根据复合材料剪滞模型理论建立了二者之间的应变关系.以倾角为变化参数, 研制了系列光纤光栅自感知钢绞线, 并对其进行张拉试验, 测定光纤光栅传感器量程的变化情况.试验结果表明：该方法能有效扩大光纤光栅传感器的监测量程, 当倾斜角度为30°时, 所能监测的应变范围与0°相比, 提高了44%.采用该技术, 利用光纤光栅传感器对某高速公路预应力箱梁的施工张拉及服役进行实时监测, 传感器成活率为100%, 同时将光纤光栅的理论及标定应变关系与现场张拉及二次张拉的数据进行对比, 误差均在5%以内.该技术实现了对体内预应力钢绞线施工张拉和服役全生命周期的监测.

提出一种Tetrolet框架下基于联合稀疏表示结合改进脉冲耦合神经网络规则的红外与可见光图像融合方法.对源红外与可见光图像进行不考虑旋转和反射情况下的Tetrolet系数分解; 采用联合稀疏方法进行低频系数融合, 通过学习字典进行低频系数的精确拟合并融合.在高频子带系数融合上, 采用改进脉冲耦合神经网络设置相应的融合规则, 根据神经元的点火次数来选择融合图像的高频系数; 并对处理后的高低频系数值进行Tetrolet逆变换获取最终融合结果.结果表明, 该方法能够有效保留待融合图像的边缘与细节特征, 融合结果具有良好的视觉效果, 能够增强观察者对于场景的感知和重要目标的识别能力.在互信息、梯度信息、结构相似度以及视觉敏感度指标上都优于传统变换域融合方法, 尤其在结构相似度以及梯度保持度上分别领先0.033和0.025, 具有有效性.

针对遥感图像及彩色图像传输过程中的信息安全问题, 提出了一种利用矢量运算和副像相位掩模对彩色遥感图像加密的方法.在加密过程中, 利用光学相干叠加原理将原始图像矢量分解, 并叠加到R、G、B三个通道上的两个相位板当中; 然后, 使用副像相位掩模在菲涅尔域中双随机相位编码对其中一个相位板加密; 最后, 利用两个随机矩阵的Kronecker积对编码图像进行进一步随机化处理, 实现彩色遥感图像的多级加密.实验结果表明：该算法的密钥敏感度高, 在强度系数小于0.04的高斯噪声攻击和统计分析攻击下具有良好的稳健性; 密文能够抵御选择明文攻击, 相比于传统的双随机相位编码算法具有更强的安全性.解密遥感图像的峰值信噪比和相关系数可达31.92dB和0.9888.该加密方法为大量相同尺寸遥感图像的加密提供了新的思路.

在同一单色平行光源照射下研究微孔通道深度与宽度比值、球面曲率半径对观测视场、空间分辨率和光学灵敏度等成像指标的影响.结果表明：随着微孔通道深度与宽度比值的增加, 空间角分辨能力逐渐变强, 像面总光强逐渐变弱, 在比值达到25∶1时, 聚焦光线有效面积达到最大值; 在同一微孔尺寸下, 元件曲率半径的变化对空间角分辨率影响较小, 更大的曲率半径有更大的有效面积, 但同时要求更大的元件体积.

基于时间延迟积分的红外点目标探测系统在推扫成像过程中会受到速度失配的影响导致点目标的探测性能降低.基于调制传递函数的传统频域建模分析方法由于缺少相位传递函数的介入, 无法对目标探测性能的影响进行有效分析.为了解决该问题, 采用成像系统的点扩散函数以及线扩展函数建立了成像系统的速度失配模型, 并对速度失配对目标检测系统的影响进行了研究.模型理论计算以及实际成像实验结果表明, 当时间延迟积分级数为8级, 速度失配量ΔV/V=25%时, 点目标能量响应均值下降50％, 当速度失配达到ΔV/V=12.5%时, 点目标能量响应均值下降30％.研究结果可为后续红外时间延迟积分成像系统的设计提供参考.

针对传统可见光、红外小视场视觉定位系统易受光照条件影响、环境适应性差、视觉信息不足等缺陷, 提出了一种基于超大视场红外双目视觉的非线性极线约束与目标定位方法.利用全景相机畸变模型对超大视场红外相机成像过程的几何关系进行分析, 建立了一般结构的超大视场红外双目视觉系统成像模型, 完成了同名像点非线性极线约束方程的数理推导; 以此模型为基础, 研究了一种适用于超大视场红外双目视觉系统的目标三维空间定位解算方法.实验结果表明：不同环境照度场景中距离为1.75~8.05 m的8个目标点在极线方程约束下, 同名像点的匹配搜索由二维降为一维, 将匹配同名像点坐标带入三维空间定位解算方程, 距离误差在0.9%～7.0%之间, 较高的定位精度验证了所提方法的正确性, 以及超大视场红外双目视觉系统的空间定位能力与优势.

为了考察星载傅里叶变换光谱仪观测实际目标时的噪声水平, 研究了通过大气观测光谱的虚部分量估计噪声的方法.采样误差等因素会给虚部光谱样本引入通道相关性噪声, 并叠加在固有随机噪声分量上, 从而抬升总体噪声水平, 甚至超出灵敏度指标.采用主成分分析技术重构相关噪声分量, 将两类噪声相互分离.将主成分分析滤出的随机噪声与由定标源光谱统计的噪声进行对比, 结果显示, 仪器观测不同目标的随机噪声相互一致, 并且在三个工作波段均分别满足0.4 K、0.7 K和1.2 K的灵敏度设计指标.

采用双高斯脉冲反卷积滤波技术对太赫兹时域波形进行滤波优化, 提出一种基于太赫兹时域光谱无损检测的太赫兹反射式层析成像技术, 用于分析玻璃纤维蜂窝复合材料的粘接质量.结合玻璃纤维蜂窝复合材料结构的特点, 分别在蜂窝上层胶膜和下层胶膜中设计了不同直径的圆形和梯形脱粘缺陷, 在此基础上, 完成了脱粘缺陷蜂窝结构样品的制作.提出的太赫兹反射式层析成像和B-scan成像方法, 适用于玻璃纤维蜂窝复合材料的脱粘缺陷分析.针对反射式层析成像图像对比度差的问题, 结合脱粘缺陷处的太赫兹时域波形数据特征, 采用缺陷特征时间区域成像优化技术, 提高了脱粘缺陷的检测能力和识别准确率, 实现了玻璃纤维蜂窝材料的上层脱粘厚度50 μm、下层脱粘厚度50 μm缺陷的太赫兹无损检测.

基于生物复眼的视觉结构特性及视神经处理机制, 搭建了环形31通道的仿复眼视觉快速测距传感器, 建立了基于侧抑制神经网络的仿生多通道视觉快速测距模型, 并提出了基于高斯分布离散信息的多通道传感器多视轴快速标定法, 实现环形传感器视轴标定.实验结果表明：传感器视轴标定后, 传感器阵列中间视角区左眼相对准确度提高20.46%, 右眼相对准确度提高9.00%; 采用夹角6°的传感器阵列, 在左右眼中间评测区内80%以上区域内测得目标所在角度误差小于±0.60°; 实现了仿复眼视觉测距传感器对运动目标(速度50 mm/s)定位误差在-3～10 mm间的实时测距.

以钨酸钠为钨源, 硝酸钕为钕源, 加入硫酸钾作为矿化剂, 在120℃条件下通过水热法成功合成了六方相钕掺杂三氧化钨纳米粉.采用X射线衍射、扫描电镜和X射线光电子能谱分别对掺杂纳米粉的物相、形貌和掺杂成分进行了研究.结果表明, 钕离子成功掺杂进入三氧化钨晶格当中, 使一部分钨离子转为+5价, 从而使电子从价带激发到导带并且增加了光生电子-空穴对的数量, 导致其对激发光具有更大的吸收能力, 光致变色性能也得到了较大的增强.在钕离子掺杂浓度为5.63%时, 材料的光致变色性能最好, 其色差值为纯三氧化钨色差值的13倍.

用共沉淀法制备了β-NaYF4∶Er3+纳米颗粒.通过化学还原法、晶种生长法分别制备银纳米立方颗粒及金纳米棒, 并将其掺杂到β-NaYF4∶2%Er3+纳米颗粒中形成复合体系, 利用表面等离子激元增强效应分别实现β-NaYF4∶Er3+上转换发光的激发和发射增强.当银纳米立方颗粒掺杂量为60 μL时, 上转换发光强度整体增强4.0倍; 当金纳米棒掺杂量为60 μL时, 上转换发光强度整体增强7.8倍.在此基础上, 将两种贵金属纳米颗粒同时掺杂到β-NaYF4∶Er3+纳米颗粒材料中, 实现了该材料上转换发光激发和发射双增强, 上转换发光强度增强了16.0倍.

采用高温固相法合成K2MgSiO4∶Eu3+, Tb3+系列荧光材料.通过X射线衍射谱、光致发光谱以及荧光寿命对材料的物相结构和发光性质进行了表征和研究.结果表明：系列样品的X射线衍射图谱衍射峰与标准卡片吻合得很好, 实验浓度范围内Eu3+、Tb3+单掺或共掺没有改变K2MgSiO4的晶体结构.由材料的光致发光谱可以看出：Eu3+单掺K2MgSiO4样品在394 nm (7F0→5L6)激发下, 显示主峰为613 nm(5D0→7F2)处的红光发射; Tb 3+单掺K2MgSiO4样品在378 nm(7F6→5G6)激发下, 显示主峰为542 nm(5D4→7F5)处的绿光发射.当Eu3+和Tb3+共掺于K2MgSiO4基质中时, 样品呈现出Eu3+较强的特征发射, Tb3+发射峰则较弱, 并且随着掺入Tb3+离子浓度的增加, Eu3+的发射明显增强, Tb3+的发射没有明显变化.另外, 当固定Eu3+浓度, 逐渐增加Tb3+离子掺杂浓度时, Eu3+的荧光寿命逐渐增加; 固定Tb3+浓度, 逐渐增加Eu3+离子掺杂浓度时, Tb3+的荧光寿命逐渐减小.这些现象确定了K2MgSiO4∶Eu3+, Tb3+荧光材料中存在Tb3+→Eu3+的能量传递关系, 使得K2MgSiO4基质中Eu3+红光发射得到改善和提高.

采用解析方法分析讨论泵浦消耗情形下的准相位匹配范围以及相位匹配条件的变化, 并给出相位匹配条件的表达式.比较分析小信号近似和泵浦消耗两种情形下四波混频增益演化过程.研究表明, 在泵浦消耗情形下, 随转移功率的增大, 满足总相位匹配的线性失配因子从负值逐渐趋于0, 准相位匹配范围也越来越小; 确定四波混频的准相位匹配范围, 可简化波分复用或空分复用系统中级联四波混频的分析过程; 小信号近似模型只适合于转移功率远小于泵浦功率的情形, 满足总相位匹配的线性失配因子不依赖于光纤长度.

研究了中心对称晶体中的三阶非线性频率转换, 并在这类晶体中实现了紫外激光的有效输出.确定了负单轴晶体的相位匹配角公式及相应的相位匹配角.选择带有离域共轭π键的冰洲石晶体和α-BBO晶体进行实验.以飞秒激光作为基频光, 在Ⅱ类相位匹配方式下, 利用α-BBO晶体获得了最高单脉冲能量为37.6 μJ的266 nm紫外三次谐波, 最高转换效率为2.5%; 利用冰洲石晶体获得了最高单脉冲能量为19.3 μJ的266 nm紫外三次谐波, 最高转换效率为1.25%.该研究验证了利用中心对称晶体的三阶非线性效应直接获得紫外激光的可行性和获得深紫外激光的可能性, 为紫外非线性晶体的探索和深紫外激光的研究提供参考.

为了使机械补偿的连续变焦光学系统可以连续、平稳地成像, 提出了一种减小变焦系统凸轮曲线压力角的方法.改变变倍曲线方程, 运用动态光学原理, 拟合的补偿曲线的压力角有明显减小趋势.原始设计变倍曲线的压力角为31.4°, 补偿曲线的最大压力角大于50°.运用插值法改变变倍组方程, 得到的变倍曲线的最大压力角小于37°, 补偿曲线的最大压力角小于23°, 得到的新的凸轮曲线满足曲线压力角小于45°的要求.实际光学系统检测的结果证明了这种方法的可行性.该方法可以有效地减小凸轮曲线的压力角, 实际变焦系统能够连续清晰地成像.

为满足全球气候观测、定量化遥感等超高精度定标需求, 研制了基于参量下转换自校准辐射基准源原理样机, 设计时充分考虑原理样机模块化、轻量化与集成化.对探测器模块关键部位结构进行静力学分析, 结果显示由零件形变导致探测器光敏面位置偏移21 μm, 探测器光敏面直径为180 μm, 透镜聚焦的光子光斑直径为16 μm, 光斑可全部进入探测器光敏面, 满足设计需求.用微光相机观察各探测器前光子光斑, 结果显示光斑形状规则、大小完整, 用单光子探测器采集相关光子, 通过符合测量绘制出八通道四对相关光子符合峰, 验证了原理样机整机结构设计达到设计目标.

根据浸没式光刻系统的技术要求, 设计了光束稳定系统, 通过两个反射镜消除光束的位置漂移和指向漂移.基于深紫外材料特性, 选择JGS1作为反射镜的基底, Al2O3和MgF2为高、低折射率薄膜材料.通过膜系设计软件完成了高反射膜的设计和模拟分析, 并采用真空沉积技术研制了该薄膜.通过选择行星夹具镀膜设备和设计特定的补偿挡板来保证薄膜的非均匀性小于0.2%.测试了反射镜样片的光谱曲线和表面微观结构, 结果表明研制的薄膜在45°入射时的反射率为98.5%, 散射损耗为0.30%, 满足系统使用要求.

设计了一种在室温工作的太赫兹热探测器.探测器由片上天线和温度传感器耦合而成.天线由NMOS温度传感器的栅极组成, 吸收入射的太赫兹波将其转化为焦耳热, 生成的热量引起的温度变化由温度传感器探测.整个探测器的探测过程分为电磁辐射吸收、波-热转换、热-电转换三个过程, 并分别进行了建模分析, 仿真得到天线吸收率为0.897, 热转换效率为165 K/W, 热电转换效率为1.77 mV/K.探测器基于CMOS 0.18 μm工艺设计, 工艺处理后将硅衬底打薄至300 μm.探测器在3 THz太赫兹环境下, 入射功率为1 mW时, 电压响应率仿真值为262 mV/W, 测试值为148.83 mV/W.

利用边界耦合的方法构造了金属-介质-金属结构滤波器, 该结构由一个凸环谐振腔与一个波导管耦合而成.通过有限元法数值仿真得到了该凸环腔体波导结构的磁场分布图、透射谱线和谐振波长分布, 分析了各结构参量对滤波器传输特性的影响.结果表明, 所提出的凸环滤波器具有透射峰窄, 谱线平滑等特点, 且阻带透射率最低可达0.001, 通带透射率最高可达0.977.增大结构参量h2和neff时,相应的透射谱会发生明显的红移, 增大结构参量L1时, 透射谱几乎无变化.对结构参量进行调整和优化, 相应的谐振波长可分布在第一通信窗口(850 nm)和第三通信窗口(1 550 nm)附近, 能够很好地运用于光通信中.

对手征特异材料介质与陈绝缘体材料界面附近二能级原子的自发辐射特性进行了研究.推导计算了手征介质界面及其与陈绝缘体材料界面的反射系数矩阵, 并根据并矢格林函数求得此环境下二能级原子自发衰减率的表达式.对手征介质和陈绝缘体材料特性参数影响下的原子自发辐射进行了数值计算, 分别对平行和垂直于界面的偶极子自发衰减率进行讨论, 并对辐射模式和消逝模式下的自发辐射进行了分析.结果表明, 由于手征参量的存在, 手征介质界面附近的原子自发衰减率与普通介质相比被增强.陈绝缘体则使得界面附近原子的自发辐射被明显抑制, 且当手征参量较大时, 陈绝缘体的抑制效应更加显著.