为使中红外差分吸收激光雷达能够精确测量NO2气体浓度, 对NO2在中红外波段的吸收光谱特性进行测量分析.采用光参量放大激光器的λon和光参量振荡激光器λoff两路激光分别进行吸收谱线测量实验.用谱线宽小于0.05 nm的λon激光测量了NO2气体在3 410~3 433 nm的吸收光谱, 计算得到其吸收截面, 采集分析了NO2在291 K、308 K、363 K三个温度下的光谱特性, 用谱线宽约为10 nm的λoff激光采集了3 400~3 435 nm的吸收谱线.测量结果表明, 在3 410~3 433 nm波段, 温度和吸收截面值呈负相关, 测量的谱线与HITRAN数据库相关系数达到0.92以上; 针对λoff激光下的吸收谱线, 采用了改进的卷积修正方法, 测量结果和拟合结果相关系数为0.97.将实测的on和off波长处的吸收截面应用于使用该波长对的中红外差分吸收激光雷达仿真上, 拟合差分吸收激光雷达系统浓度测量误差, 验证了基于该波长对的差分吸收激光雷达方案的可行性.

为了提高末敏弹在复杂背景条件下对装甲目标的识别能力, 将线阵激光雷达作为探测器, 结合卷积神经网络对线阵激光雷达距离像进行目标分类与识别.利用末敏弹边旋转边下降的运动特点, 实现对扫描区域的距离成像, 并通过采样率控制及插值等算法将原始距离像构造成适用于卷积神经网络的灰度像.针对弹载高实时性、小体积和低功耗的要求, 建立了由两层卷积层和一层全链接层构成的浅层卷积网络, 选用Xilinx ZYNQSoC 芯片作为硬件平台, 通过基于HLS技术和SDSoC开发环境将卷积操作放在端进行硬件并行加速.缩比模拟试验结果验证了该方法具有较高的目标识别精度, 对复杂背景下的装甲目标也能有效识别.ZYNQSoC的PL硬件相较于普通CPU方案, 加速性能提升了5倍, 能够满足弹载的要求.

设计了一款用于激光雷达的CMOS单光子飞行时间图像传感器.该传感器集成了16个结构优化的单光子雪崩二极管像素和一个双计数器结构的13-bit时间数字转换器电路.每个像素单元包括一个新型的主动淬灭-恢复电路.该设计通过优化器件的保护环来降低器件的暗噪声; 带有反馈回路的主动淬灭-恢复电路用于降低死时间; 时间数字转换器采用双计数器结构来避免计数器的亚稳态导致的计数错误.基于CMOS 180 nm标准工艺制作了该传感器.测试结果表明：在1 V的过偏压下, 单光子雪崩二极管列阵的中值暗计数率为8 kHz; 在550 nm波长光照下探测效率最高, 为18%; 设计的主动淬灭-恢复电路将死时间有效降低至8 ns; 时间数字转换器的分辨率为416 ps, 帮助整个系统实现厘米级距离分辨率.该传感器在0.5 m距离下实现了空间分辨率为320×160的深度图像, 其测距的最大非线性误差为1.9%, 准确度为3.8%.

基于180 nm标准CMOS工艺, 设计了一种能够有效提高光子探测效率的双电荷层结构的单光子雪崩二极管.该器件结构采用P电荷层和逆行掺杂的深N阱形成PN结, 选取不同的P电荷层掺杂浓度, 对击穿电压进行优化, 当P电荷层浓度为1×1018cm－3时, 击穿电压为17.8 Ｖ, 电场强度为5.26×105 V/cm.进一步研究发现N电荷层的位置会影响漂移电流密度和扩散电流密度.当在深N阱与N隔离层交界处掺杂形成N电荷层, 即N电荷层掺杂峰值距离器件表面为2.5 μm时, 器件性能最优.通过Silvaco TCAD仿真分析得到：在过偏压1 V下, 波长500 nm处的探测效率峰值为62%, 同时在300~700 nm范围内的光子探测效率均大于30%.

提出了基于邻域向量主成分分析(NVPCA)图像增强的弱小损伤目标检测方法.该方法将损伤图像中的每个像素和它的8邻域像素看作一个列向量参加运算, 由每个像素生成的所有列向量构建一个9维的数据立方体, 通过PCA变换后中间像素和邻域像素之间不相关, 消除小目标和邻域像素之间的相关性, 这样9维数据立方体的主要信息将集中在第一维, 则变换后的第一维数据为NVPCA图像.另外, 使用局域对比度法对NVPCA图像再一次进行处理后, 获得了较好的图像增强效果.最后, 使用区域增长法将损伤目标从背景中分离出来.实验结果表明, 该方法能够检测损伤大小为1个像素和处于局部亮区的损伤目标, 满足了在线光学元件损伤检测光学系统对于损伤目标精度的要求.

用共参数的两种混沌系统生成可置换传统双随机相位编码系统中随机相位模板的新模板.将明文图像编码为相位信息, 克服原双随机相位编码系统对第一块相位模板不敏感的缺陷; 构建可产生均匀非相关随机序列的广义Fibonacci混沌系统, 生成均匀分布的相位模板进行图像加密, 提高密钥传输效率及系统对密钥的敏感性; 对一次加密得到的复值图像, 采用提取其振幅及相位的替代操作进行再加密, 解决其像素值不能通过按位“异或”进行替代的问题,使密文图像分布更均匀, 信息熵达到7.995 8, 能有效抵御统计分析攻击.在二次加密中, 将产生加密模板的混沌初值与一次加密得到的密文联系, 像素数改变率达到0.995 239, 更接近理想期望值, 增强了系统对明文的敏感性, 有效抵御选择明文攻击.仿真实验表明,该方法有效增加了密钥空间和密钥敏感性, 提高了加密系统加密效率和安全性.

提出一种基于超分辨率结合组稀疏表示模型的多聚焦图像融合方法.首先, 使用双三次插值方法增强源图像的分辨率及源多聚焦图像信息; 然后采用自适应稀疏表示学习字典分别对没有明显主导方向和特定主导方向的图像块进行学习, 并采用组稀疏表示模型对源多聚焦图像进行稀疏系数表示; 最后采用最大l1范数来选择最终的表示系数向量.实验结果表明, 所提方法克服了多聚焦图像融合易出现的低空间分辨率和模糊效果的缺点, 具有更好的对比度和清晰度, 主观视觉效果和客观指标均优于传统多聚焦图像融合方法, 在三组图像融合结果的互信息指标上分别领先0.37、0.38和0.32.

针对当前红外目标检测与跟踪算法存在场景自适应能力弱、专用性强, 以及在大视场条件下, 首帧图像中小目标误检率高的问题, 提出一种红外序列图像目标自适应阈值分割、检测与跟踪方法.选取目标移动速度、目标轮廓的面积和周长、以及自适应分割阈值与感兴趣区域位置为动态变量, 建立动态决策准则.采用首帧目标检测算法计算出序列图像的第一帧图像目标的静态变量和部分动态变量, 再采用改进的局部自适应阈值分割算法分割后续帧图像, 然后利用静态与动态决策准则筛选出分割后的真实目标, 最后计算并更新动态决策准则.红外靶标测试结果表明：该方法对不同场景具有较好的适应性, 四个场景平均跟踪准确率为95.81%, 微机平台平均每帧处理时间为10.93 ms, 嵌入式平台为26.79 ms.

针对雾霾天气图像中雾霾浓度分布不均以及色彩失衡等问题, 提出一种将暗通道先验算法与带色彩恢复因子的多尺度Retinex算法相结合的分块调节图像增强算法.对大气散射模型以Retinex图像模型中的尺度进行线性映射, 得到一个同时具有大气散射模型中的透射率和大气光照值以及Retinex图像模型中入射图像的多参数新模型.根据模型获取去除大气散射图的新原图, 并利用不同尺度的引导滤波计算获得整幅图像的入射图像, 再结合大气散射光图以及色彩恢复因子得到最终的高频细节图.针对图像中雾霾浓度分布不均的情况将整图划分为多个区域小块, 用融合后的算法计算每个区域小块的动态截断值, 根据不同的动态截断值可以对整幅图像的高频细节进行动态调整, 从而得到多幅局部最优图像, 将得到的图像进行像素级等权融合, 最后可得到保证各局部细节的最优图像.将本文算法与现有算法在主观视觉和客观评价两方面进行了实验对比, 结果表明, 该方法可以有效解决图像雾气不均匀以及色彩失衡等问题, 明显提高了去雾后图片的质量.

为提高融合效率, 解决基于多尺度变换的融合方法中融合系数选择错误的问题, 提出一种红外与可见光图像融合方法.首先用非下采样双树复轮廓波变换将源图像分解为低频与高频部分; 然后对低频系数采用自适应尺寸分块法进行融合, 图像块的尺寸由改进的果蝇算法优化求解, 精细化处理低频融合结果, 得到一幅能精确到每个系数来源的标签图; 再利用高频分量的邻域系数差结合该标签图对高频系数进行融合; 最后重构得到融合图像.实验结果表明, 该算法能够提高融合速度, 解决了空域分块融合容易产生块效应的问题.

针对目前传统方法脑肿瘤检测准确率低的问题, 提出一种基于深度学习的三维脑肿瘤检测方法.首先将不同模态的脑肿瘤磁共振成像影像进行融合, 获取不同模态下的脑肿瘤病灶三维空间特征; 然后在卷积层和池化层之间增加实列归一化层, 提高网络的收敛速度, 缓解过拟合的问题; 并对损失函数进行改进, 采用加权损失函数加强对病灶区域的特征学习; 最后结合后处理方法解决假阳脑肿瘤病灶多的问题.实验结果表明：提出的脑肿瘤检测方法可有效进行肿瘤病灶定位; 相关性系数、敏感性和特异性三种评价指标分别达到了0.926 7、0.928 1和0.997 7, 与二维检测网络相比, 提高了4.6%、3.96%和0.04%, 较初始的单模态脑肿瘤检测方法提升了13.2%、10.42%和0.12%.

基于SiC@Ag基底与Ag纳米颗粒的表面增强拉曼散射效应, 提出了利用银-生物素-链霉亲和素纳米聚集体二次表面增强拉曼散射放大的超灵敏miRNA-106a检测方案.首先, 将地高辛修饰的捕获DNA与固定在SiC@Ag基底上的抗地高辛链接, 制备SiC@Ag@anti-digoxin/digoxin-DNA基底; 将4-巯基苯甲酸(4MBA)标记的银纳米颗粒与修饰有氨基和生物素的探针DNA链接, 制备Ag@4MBA@DNA-biotin探针.然后将制备的基底、探针与待测miRNA-106a组成“三明治”结构, 获得表面增强拉曼散射信号放大.最后, 依次加入链霉亲和素和制备的探针, 形成银-生物素-链霉亲和素纳米聚集体, 实现检测信号的二次放大.实验结果表明, 利用SiC@Ag基底和银-生物素-链霉亲和素纳米聚集体双重表面增强拉曼散射放大, 可以实现miRNA-106a的超灵敏检测, 检测极限达到0.579 fmol/L, 对于肿瘤的早期诊断具有应用潜力.

采用Langmiur-Bloggt膜技术和磁控溅射技术制备Ag覆盖聚苯乙烯小球六方密堆积阵列(Ag/PS HCA)基底, 再将合成的海胆状Au纳米粒子与4-巯基苯甲酸(4-Mercaptobenzoic acid, 4MBA)链接得到Au@4MBA探针, 然后将单链寡核苷酸DNA21分别与基底和Au@4MBA探针链接, 构建Au@4MBA-DNA21-Ag/PS HCA三明治结构, 在DNA21与miRNA-21杂交后使用双链特异性剪切酶(DSN)剪切DNA磷酸二酯键, 最后进行表面增强拉曼散射信号检测.实验结果表明, 基于上述三明治表面增强拉曼散射结构和酶剪切技术进行肿瘤标志物miRNA-21的检测, 在100 pmol·L－1到1 fmol·L－1的浓度范围内, 检测极限达到0.853 fmol·L－1, 具有极高的灵敏度和优良的特异性.

为了进一步掌握光学玻璃材料超声振动辅助磨削亚表面损伤机理, 设计常规和超声振动条件下维氏压痕实验, 调查两种情况下K9光学玻璃压痕形貌特征; 采用磁性复合流体抛光方法检测K9光学玻璃压痕区域的中位裂纹深度, 对常规压痕系统中位裂纹模型进行两次系数修正, 获得超声振动条件下的维氏压痕系统中位裂纹深度模型.通过超声振动维氏压痕实验计算静态和动态断裂韧性, 得到两种加载条件的一次修正系数分别为0.08和0.06; 结合检测中位裂纹深度实验结果拟合获得的两种条件下二次修正系数数值接近, 分别为94.75和94.50.结果表明该模型对超声振动和加工条件具有良好的识别度.

为了解决目前光学分束器件衍射效率低的问题,在传统的Gerchberg-Saxton(GS)算法基础上, 对初始相位和迭代算法中的振幅限制方式作改进.先利用二次相位来作为迭代算法的初始相位, 再在迭代过程中将输出平面分为信号区和噪音区两部分, 保持这两部分的相位不变, 信号区内振幅乘上一个随迭代次数不断变化的因子, 噪音区内振幅保持不变. 通过该方法设计9×9连续面形的分束器件, 并与传统GS算法设计的分束器进行了对比, 结果表明: GS算法设计得到的分束器相位存在严重的突变和不连续等问题, 而本文方法设计得到的分束器相位连续平滑, 可利用移动掩模技术加工. 最终制备出1×3和1×9分束器, 其实测的衍射效率分别为83.5%和89.4%, 均匀性误差分别为3.56%和15.23%.

针对小型无人机载大视场光学成像观测需求, 设计了一款仿生复眼大视场微小型相机.该相机光学系统总焦距为4 mm, F数为4, 视场角可达106°, 在500 m的飞行高度分辨率可达0.5 m.所设计系统由曲面排布的微透镜阵列、光学像面变换子系统、图像接收和数据采集处理单元三部分组成.仿生复眼中的子透镜采用双胶合透镜组合以减小系统像差, 相邻子透镜在满足视场一定重叠率的前提下, 可允许相邻多达7个子透镜同时对地面目标进行成像, 达到目标定位和测速的目的.仿真结果表明无人机载大视场复眼相机系统在给定的公差范围内像质满足要求, 每个通道的光学畸变可控制在1.2%以下.

为了获得高效率的AlGaN基深紫外发光二极管, 提出了具有渐变量子垒的氮极性结构来调控载流子的传输.通过氮极性结构在p型电子阻挡层中形成的反向极化诱导势垒, 改善空穴注入和电子泄漏问题.另外研究了不同的渐变方向和渐变程度对器件性能的影响.模拟结果显示, 在12 nm的AlGaN量子垒上沿着(000-1)方向从Al组分0.65线性渐变到0.6, 可以有效平衡量子垒的势垒高度和斜率, 从而极大的增强空穴注入, 光输出功率相较于传统结构提高了53.6%.该设计为电子泄漏和空穴注入问题提供了直接而有效的解决方案, 在实现更高效率的深紫外发光二极管方面显示出广阔的前景.

围绕小型条纹变像管, 数值研究了光电阴极发射的光电子的初始能量及球面阴极曲率半径对物理时间分辨率及时间畸变的影响.结果表明：物理时间分辨率受光电子初始能量影响较大, 受阴极曲率半径及离轴距离影响较小; 离轴距离越大, 时间畸变越大; 平面型光电阴极在离轴8 mm的物点处, 时间畸变大于40 ps; 随着阴极曲率半径的减小, 时间畸变逐渐由正值变为负值; 当阴极曲率半径为70 mm时, 条纹管在整个阴极工作狭缝16 mm内的时间畸变小于8 ps; 同时, 在4.3 ns全屏扫描时间条件下, 光电阴极发射的狭缝像在荧光屏上几乎没有弯曲, 且即使在离轴8 mm的物点处, 光电阴极空间分辨率仍可高达25 lp/mm @ MTF=10%. 此外, 实验测试了条纹变像管的静态空间分辨率、阴极积分灵敏度及条纹变像管的亮度增益特性.测试结果显示：光电阴极中心处空间分辨率高于28 lp/mm, 边缘处高于18 lp/mm; 阴极灵敏度为178 μA/lm, 亮度增益高于12, 远高于具有相同探测面积的皮秒条纹变像管的亮度增益(亮度增益仅为0.5), 在条纹管激光雷达领域具有较强的弱信号探测能力.

以有机异质结C60/ZnPc作为电荷产生层, 制备结构为ITO/TPBi(40 nm)/C60(x nm)/ZnPc(x nm)/NPB(40 nm)/Al(120 nm)和ITO/TPBi(40 nm)/LiF(y nm)/Al(2 nm)/C60(5 nm)/ZnPc(5 nm)/MoO3(3 nm)/NPB(40 nm)/Al(120 nm)的非发光倒置器件, 其中x的值为0、5、10和15, y的值为0、0.5、1.0和1.5.实验证明, 有机异质结C60/ZnPc可在外电场下实现电荷分离, 加入LiF/Al和MoO3可更有效地提高电荷产生层的电荷分离和注入能力.基于LiF/Al/C60/ZnPc/MoO3结构, 制备绿色磷光叠层有机发光二极管, 进一步研究该电荷产生层对叠层器件的光电性能影响.结果表明, 电荷产生层的电荷分离和注入可影响叠层器件内部的电荷注入平衡, 进而对器件性能产生影响.当LiF、Al、C60、ZnPc和MoO3结构厚度分别为0.5 nm、1 nm、5 nm、5 nm和3 nm时, 电荷产生层产生的电荷与两侧电极注入的电荷达到匹配, 使叠层器件具有最佳光电性能, 获得了高效绿色磷光叠层器件, 其驱动电压明显低于单层器件2倍, 最大亮度、电流效率和功率效率分别达84 660 cd·m－2、94.7 cd·A－1和43 lm·W－1.

为了实现对完美涡旋光拓扑荷的快速测定, 提出了一种同轴干涉测定方法, 其基本思路是利用一个空间光调制器同时调制产生完美涡旋光与球面波, 调制球面波的发散角使两者发生干涉, 利用干涉条纹数来实现拓扑荷数的直接快速测定.理论模拟和实验测定结果表明, 利用该方法得到的干涉条纹可以测定完美涡旋光的拓扑荷, 包括大小与符号.进一步, 利用该方法测量了完美涡旋光阵列与球面波的干涉图样, 实现了对每个完美涡旋光的拓扑荷的快速测定.该原位测定方法简单、有效, 对于利用完美涡旋光实现轨道角动量控制和信息编码等应用具有参考意义.

为了研究激光偏振态对光阱刚度的影响, 本文比较了四种不同偏振态光场(方位角偏振光、径向偏振光、线偏振光、圆偏振光)捕获不同尺寸SiO2微粒的三维光阱刚度.研究结果表明：当SiO2微粒的尺寸和激光波长相近时, 圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度大于径向偏振光和方位角偏振光的三维光阱刚度; 而随着SiO2微粒尺寸的增加, 方位角偏振光和径向偏振光的三维光阱刚度大于圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度.此外, 实验也表明：使用浸油物镜捕获微粒时, 物镜匹配油的折射率和水的折射率不一致引起的球差, 会降低系统对物镜数值孔径的利用.通过这些研究工作, 可以为不同偏振态光场的测力研究提供一定的指导和参考.

在SiNx薄膜中引入微金字塔结构, 综合利用包含界面的薄膜光学微结构的折射、衍射与干涉现象, 实现透反射的调控.通过单点金刚石切削与纳米压印、等离子体各向异性刻蚀技术相结合, 将大面积、高效率、低成本的微结构制备方法推广至光学薄膜中, 实现了多种尺寸的金字塔薄膜微结构的制备, 结构单元尺寸可以在1.5~10 μm之间进行调控.光谱特性检测结果表明, SiNx薄膜微金字塔结构阵列在近红外至长波红外波段, 表现出超宽波段的减反射特性;在0.8~2.5 μm的近红外波段, 反射率低于1.0%; 在3~5 μm的中红外波段, 反射率小于2.5%; 在10~12 μm长波红外波段, 平均反射率低于5%; 与传统的四分之一波长抗反射膜系相比, SiNx薄膜微金字塔结构阵列的减反射效果的实现, 无需膜系设计时的折射率匹配, 简化了膜系结构.研究发现SiNx薄膜微金字塔结构阵列的近红外透射诱导增强特性, 高度为2~4 μm的SiNx薄膜微金字塔结构阵列, 均在2.1μm波长处出现明显的透射诱导增强效应, 且高为4 μm, 底宽为8 μm的微金字塔结构阵列的透射增强作用最为明显, 透射率达到了96%以上.实验检测与仿真分析证明, 透射增强的位置和强度由微结构的形貌尺寸及其结构比例关系决定.