细胞是生命体的基本单位和功能单位, 对活细胞内部结构及其功能的研究是了解掌握生命本质的基础之一, 因此活细胞的实时观测对生命科学的发展具有重要意义。传统的光学显微技术受衍射极限的限制, 无法观测200 nm以下的生物结构细节。近20年来, 随着超衍射极限光学理论、技术、器件和荧光探针等方面的快速发展, 超分辨显微成像技术已成为应用于生命科学研究的重要手段。然而, 大多数超分辨显微方法或测量耗时长, 或易引起荧光蛋白漂白/细胞损伤, 在活细胞研究中受到极大限制, 已成为超分辨显微领域重点攻关的方向之一。为此, 文中结合作者在快速超分辨显微技术研究的基础上, 介绍了基于单分子成像的光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术、基于荧光非线性可饱和光转换的受激发射显微技术以及基于结构光照明的超分辨显微技术, 并探讨了在活细胞成像中的发展应用。最后, 文中展望了超分辨显微成像技术在活细胞成像中的未来发展趋势。

提出一种利用镀有金属薄膜的V形无孔光学探针构建的扫描近场光学显微镜, 将圆偏振光注入镀有金属薄膜的V形槽内在针尖处形成近场照射光源, 并利用探针收集样品表面近场光信号。理论分析表明: 探针收集的近场和远场反射光之间存在一定的相位差, 该相位差与探针机械结构、探针与样品的距离有关, 可通过探针与样品之间的距离加以控制, 因此利用偏振性器件可有效抑制远场光强。实验中, 探针与样品之间的距离通过范德华力回馈控制, 探针操作在接触模式, 实验结果显示所测近场与远场光相位相差57°, 近场光学图像横向分辨率优于12 nm。

提出了利用数字图像相关技术测量印刷电路板全场微应变的方法, 用于评估电路板由应力所导致的失效风险, 克服传统实验测试方法不能有效测量全场应变以及难以给出应变集中区域的不足。设计了基于三维数字图像相关技术和应力加载策略的实验方法, 通过所获得的全场主应变分布及局部区域内应变历史曲线来评估电路板的失效风险。实验结果表明, 所提出的电路板微应变测量方法的重复性优于100 με, 能够有效地获得电路板全场的微应变分布, 尤其是能够直观地显示电路板应变超过额定值的区域分布, 为改进电路板设计、降低电路板失效风险和保护电子元器件的安全提供了重要的实测数据。

提出了一种粒子尺度信息提取方法, 通过将傅里叶叠层思想应用到粒子尺度信息提取中实现了比λ/NA更高的空间分辨率。在传统的傅里叶叠层成像系统中, 采用一个二维LED阵列作为光源以获得不同角度的照明, 通过扫描阵列中的所有LED, 获取一系列低分辨图像, 然后利用这些低分辨图像生成一幅高分辨图像。为了减少所需的低分辨图像幅数, 进一步提出了选择型照明傅里叶叠层成像提取粒子尺度信息的方法, 通过分布在一个圆周上的LED提取粒子尺度信息, 根据分辨率极限公式给出了圆周半径的选择方法。仿真结果结果表明提出的方法在不损失精度的前提下能够大幅度减少需要的低分辨图像幅数。

通过分析共焦显微镜在成像过程中因光学元件等位置偏差造成会聚焦点与针孔位置发生偏差而出现的图像畸变现象, 提出一种位置校正函数进行插值运算对非线性畸变失真图像进行校正和复原。应用基于机器学习的卷积神经网络技术提高位置校正后退化图像质量, 在对单幅图像进行训练时, 采用5层卷积和下采样加入池化层以降低网络参数的数量级。结果表明池化层可显著提高运算速度, 同时使图片的清晰度得到显著提升。

提出了一种基于双目立体相机的实时集成成像拍摄系统。不同于采用传统的摄像机阵列, 该系统采用双目相机对三维场景进行拍摄, 有效地简化了集成成像拍摄系统的结构。该系统首先利用双目相机获取三维场景的左右视差图, 然后上传到图形处理器生成三维场景的高分辨率深度图, 之后利用深度图和彩色纹理图在图形处理器中并行生成新视点视差图像, 并利用像素映射算法生成高分辨率微图像阵列, 实现实时的集成成像显示。实验中系统获取的深度图像素数目是微软Kinect2获取深度图像素数目的4.25倍, 当系统运行在1 920 pixel×1 080 pixel、9×9视点数的环境下, 可实现三维场景的实时拍摄与显示, 实验结果证明了所提系统的可行性。

在光学显微成像领域, 涌现出一批可以突破衍射极限的超分辨显微成像技术, 极大地增强了人们研究亚细胞结构的能力。基于单分子定位技术的随机光学重构显微术(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy, STORM)具有易懂的成像原理、简单的工作方式以及超高的分辨率等特点, 受到越来越多的研究者青睐。首先, 介绍了单分子定位技术的原理, 讨论了STORM光路的搭建, 阐述了二维和三维STORM超分辨显微成像原理。其次, 探讨了多色STORM以及STORM与电镜关联成像现状。最后介绍了STORM技术现阶段的应用进展。

基于黑体标定的红外焦平面校正方法, 当探测器工作积分时间与校正参数获取时的积分时间不一致时校正效果会变差, 究其原因主要是因为像元的响应输出随积分时间呈现一定的非线性, 传统黑体定标类的校正方法属于积分时间维度上的单点校正。针对该问题提出了一种自适应积分时间改变的非均匀校正方法, 该方法在辐射通量和积分时间两个维度上都进行多点校正, 从而有效解决了变积分时间时校正效果变差的问题。另外, 该方法直接存储原始黑体标定数据用于校正, 不需要存储增益及偏置校正系数。使用局部非均匀性均值作为校正效果的评价方法, 该评价方法更能反映校正后残差的局部特性。实验表明, 相对于传统方法, 该方法能够有效降低积分时间改变时校正后的图像非均匀性, 提高了黑体定标类校正方法的工程适用性。

针对常用变焦结构在实现大变倍连续变焦时存在的各类问题, 从变焦系统设计的基本理论出发, 提出了一种可用于大变比光学系统设计的两级串联变倍模型, 给出了相应的变焦方程及凸轮曲线设计的优化控制条件和方法。该模型由两组元连续变焦前组和具有变倍放大功能的二次成像后组串联组成, 通过移动前组中的变倍组与补偿组实现一级变倍; 通过移动补偿组与二次成像组中的二级变倍组, 对前组焦距进行二级放大, 扩大整个成像系统的变倍能力, 同时, 二次成像组还压缩了物镜口径, 保证了冷阑匹配。完成了一个大变比连续变焦光学系统设计, 该系统工作波段为3.7~4.8 μm, 采用640×480制冷型面阵探测器, 像元大小15 μm, F数恒定为4, 可以实现6.5~455 mm、水平视角0.92°~58.2°、达70倍的连续变焦功能, 仅采用了两种材料, 十片透镜, 总长300 mm, 具有优良的成像质量和公差特性。

提出了一种基于像素融合法的双波段红外目标模拟器设计方案。方案采用双波段亚波长光栅代替光学薄膜作为滤光片, 仅使用了一套景象生成器和投影系统完成双波段红外目标模拟。该方案解决了传统双波段红外目标模拟器结构复杂, 生产成本大, 能量比无法调谐的问题。首先介绍了该设计方案的工作原理并说明了其可行性, 然后基于严格耦合波理论分析了不同参数下亚波长光栅的滤波特性, 最后根据双波段探测需求完成了光栅设计。

为了满足中波红外光谱分析的需要, 设计了Offner型中波红外成像光谱仪。在分析红外系统消热差方程的基础上, 明确通过选择不同热特性材料的合理组合可以设计出合理的消热差光学结构; 在分析Offner结构原理的基础上, 建立了一种简化的初始结构求解过程以及采用光学仿真软件进行优化的设计方法。最后, 利用该方法设计了工作波段为3~5 μm 的推扫式成像光谱仪, 并进行了一体化消热差设计, 工作温度范围为-40~100 ℃, 全视场范围内的弥散斑小于30 μm, 调制传递函数值在空间截止频率16.7 lp/mm处均大于0.35, 光谱分辨率小于15.6 nm, 具有较好的光谱分光性能。

采用输出能量为10 J、脉宽为10 ns、重复频率为10 Hz的Nd:YAG激光器, 根据美国NIF、法国LMJ和俄罗斯LUTCH装置的铂金颗粒检测参数, 建立了大口径钕玻璃铂金颗粒扫描平台。在此平台上, 测试并研究了N31大口径钕玻璃内部的铂金颗粒夹杂物在强激光辐照下的破坏情况。高分辨率光学体视显微镜对铂金颗粒夹杂物破坏后的形貌进行了观测和讨论。初步研究表明, 在正常生产工艺条件下生产出的钕玻璃, 其内部不存在铂金颗粒夹杂物。当去除铂金的工艺出现异常时, 在钕玻璃内部是有可能出现铂金颗粒夹杂物颗粒的。所建立的扫描参数能够将不可见的微颗粒有效地检测出来, 从而及时准确反馈除铂金的工艺条件, 确保钕玻璃生产的正常进行。

激光驱动ICF装置的甚多束激光在打靶过程中需要高精度定位于靶面, 这就要求可以改变光束着靶点位置的光学元件满足定位误差指标要求。首先介绍光束定位误差分解方法, 在光束对准过程中和打靶前, 在多源激励作用下能改变光束着靶点位置的光学元件需要评估其支撑系统的稳定性设计, 发展了光学元件稳定性指标分解方法用于其支撑系统的稳定性评估。从基频、环境随机振动、模态阻尼的角度讨论了支撑系统振动稳定性设计思路。光学元件的通用支撑系统采用大而重的钢筋混凝土和钢结构的混合结构, 钢筋混凝土保证光学元件稳定性的同时, 钢结构提供结构设计的灵活性。采用有限元技术分析光学元件在宽频环境随机振动作用下的响应, 评估支撑系统的振动稳定性设计。描述了神光III宽频环境随机振动和光束定位误差的测量, 测量结果表明神光III支撑系统满足设计要求, 该技术能应用于激光驱动ICF装置支撑系统的设计。

激光反射器作为一种被动无源光学合作目标, 是人造卫星激光测距系统中的重要组成部分。对于运行在低轨卫星中的激光反射器, 既要在较大的激光入射角范围提供服务, 又要将角反射器阵列结构所引入的综合测距误差控制在一定范围内, 以保证高精度的激光测距, 因此绝大多数采用半球形阵列结构。文中以我国海洋二号卫星激光反射器为例, 对半球形激光反射器的远场衍射分布、相对有效反射面积分布、距离更正误差分布和激光测距综合精度等核心技术参数进行理论分析。并以国内流动式卫星激光测距系统TROS1000对海洋二号卫星激光反射器进行追踪和激光测距实验, 测量结果表明, 激光测距内符合精度为1.1 cm, 理论分析与实测结果相符。标志着海洋二号卫星激光反射器性能优良, 这对以后激光卫星反射器的设计具有指导意义。

目标物体的偏振特性是一种固有特性, 由目标的外部结构、内部结构以及入射角度等决定, 因此利用偏振信息研究植物叶片含水量测量。主要研究过程分为以下五个部分: 搭建激光偏振成像测量实验系统、计算目标偏振度、测量叶片实际含水量、建立偏振度与叶片含水量间映射模型、验证映射模型。根据目标与环境特性, 选择和调整实验器件和实验步骤; 基于图像灰度提取方法计算目标偏振度; 采用水分梯度处理方法测量叶片实际含水量; 基于统计方法建立叶片偏振度与含水量的一到三阶函数映射模型, 比较一到三阶模型的稳定性与预测能力分析其适用情况, 为利用偏振测定植物叶片含水量的方面提供理论基础。结果发现: 在含水量所处15%~75%区间内, 偏振度随着水分含量上升呈现一个递增趋势。含水量较高情况下, 递增关系较明显; 含水量较小情况下, 映射关系不显著。

光学元器件的激光损伤问题, 一直以来都困扰着超强超短激光系统的进一步发展。飞秒激光领域, 激光脉冲引起的光学器件损伤主要由材料的本征特性决定。光学材料内的多光子电离、雪崩电离、导带电子弛豫等一系列非线性过程, 与材料的激光损伤过程密切相关。利用泵浦探测技术, 采用中心波长为800 nm, 重复频率1 kHz的飞秒激光脉冲, 对Nb2O5/SiO2啁啾镜介质膜的内部与飞秒激光损伤相关的超快动力学进行了研究。发现强的泵浦光脉冲辐照结束后飞秒乃至几十皮秒的范围内, 啁啾镜对探测光的反射率有一定程度的下降。反射率降低的主要原因是泵浦光在介质膜的Nb2O5层内激发的大量的自由电子对探测光吸收所致, 且该过程对激光诱导损伤过程起主导作用。通过反射率的变化, 对其介质膜内导带电子弛豫过程进行探究, 测定得到其衰减寿命, 分别为1.31、6.88、22.34 ps。

提出了一种高电光转换效率的新型复合波导半导体激光器结构(Composite Waveguide LD, CWG LD)。该器件结构高的电光转换效率得益于其所采用的Al组分阶梯分布AlxGa1-xAs波导层。通过优化设计波导层电阻率分布及能带分布, CWG LD结构在保证输出光功率的同时, 可以有效地降低器件串联电阻并提高电光转换效率。结合理论分析及计算机数值仿真软件, 分析了复合波导提升器件电光转换效率的机理。经优化, 在激光器条宽为6 μm、腔长为1 000 μm的情况下, 波导层阶梯数为1时CWG LD结构可以获得最大的电光转换效率。研究结果表明: 在注入电流为900 mA时, CWG LD结构的串联电阻由常规波导器件结构的3.51 Ω降低为2.67 Ω, 电光转换效率由54.7%提升至69.5%。

针对四能级N型原子系统, 研究了与原子跃迁相关的量子相干烧孔现象。通过密度算符运动方程、拉氏变换法以及量子回归理论, 求得了探测场的吸收谱。采用两束耦合光和一束饱和光同时作用, 随后分别研究了在两束耦合光同时与探测光同向传播, 饱和光与探测光反向传播, 以及耦合光、饱和光、探测光均沿着同一方向传播的两种典型的传播机制和不同参数的调节下相干光学烧孔的形成特点, 最后通过缀饰态理论计算并分析了结果的正确性。最多观测到六个相干光学烧孔。耦合光的拉比频率的大小影响着相干光学烧孔的形成位置, 而饱和光拉比频率的大小将决定着形成相干光学烧孔的深度。该结果完善了相干光学烧孔的理论研究, 对于以后应用到光学量子存储有理论指导意义。

传统的平台导引头可以通过物理跟踪回路直接提取导弹制导所需的视线角速度信息, 采用全捷联结构后, 导引头失去了直接测量视线角速度的能力, 视线角速度需要通过数字计算的方法来提取。针对全捷联导引头精确制导技术工程应用中的问题, 首先给出了视线角速度提取方案, 推导得到视线角速度估计模型, 鉴于估计模型的强非线性, 采用强跟踪容积卡尔曼滤波算法对视线角速度进行估计。结合小型空面导弹的典型使用条件, 通过弹道仿真对视线角速度估计算法的有效性进行了验证。仿真试验表明: 导引头在末制导段捕获目标后, 能迅速消除滤波初始误差, 准确跟踪真实的弹目视线角和视线角速度变化。为验证将滤波输出作为制导信息的可行性, 考虑激光半主动全捷联导引头的典型干扰, 用蒙特卡洛打靶方法对导弹制导精度进行了考核, 1 000次打靶结果显示, 对静止目标的制导精度为0.58 m(CEP), 对运动目标的制导精度为0.84 m(CEP), 满足精确制导**的制导精度要求。

为了更精确地描述涂层类材料的偏振双向反射分布函数, 在微面元模型的基础上建立了双高斯偏振BRDF模型并对模型进行了仿真。相对于以往模型, 其耦合了强度分布非朗伯的且包含偏振成分的以Rahman-Pinty-Verstraete函数为基础的漫反射。利用基于LCVR的全偏振多谱段成像仪在476 nm波段对白色、哑光白和珍珠白的自喷漆以及普通光盘背面的漆进行了多组面内偏振BRDF测量实验。之后从部分实验数据出发利用最小二乘法对模型参数进行了分步反演, 反演结果在多组初值条件下都一致, 证明反演得到的参数为全局最小值。最后对获得的模型参数进行仿真, 结果表明模型对强度值和偏振度值符合都很好, 尤其是能够符合漫反射的偏振。该模型对物质分类及识别以及场景仿真具有一定的实用意义。

针对灰霾天气条件下主要污染物粒子, PM2.5主要组分, 以硫酸铵和碳质气溶胶粒子为典型粒子, 运用T矩阵方法研究了这两种粒子不同形态的散射特性, 包含椭球体(长短轴比a/b=1/2, 1/3, 2/1), 圆柱体(直径与长度比D/L=1/2, 1/3, 1/1, 2/1)及切比雪夫形(多项式n=2, 形变参数?孜=-0.1, 0.1), 两种粒子在不同形态下所对应的散射、消光及吸收效率因子随尺度参数的变化规律。结果表明, 硫酸铵非球形粒子在尺度参数小于1时, 不同形状粒子效率因子差异很小, 从尺度参数大于1开始, 散射、消光效率因子随尺度参数先增加后震荡减小, 粒子吸收非常弱; 而碳质气溶胶粒子在尺度参数小于2时, 不同形状粒子效率因子差异很小, 尺度参数大于2开始, 各效率因子随尺度参数先增加然后缓慢减小, 并且对光场具有较强的吸收作用。该研究结果可用于大气灰霾粒子探测分析, 发展大气环境污染防护科技。

高精度在轨几何定标是星载激光测高仪有效应用的基础, 在参考国外 冰、云和陆地高程卫星(Ice, cloud and land Elevation Satellite, ICESat)卫星搭载的地球科学激光测高系统(Geo-science Laser Altimeter System, GLAS)几何定标的基础上, 提出了一种基于地面红外探测器的星载激光测高仪几何定标方法。采用资源三号02星上搭载的国内首台试验性对地观测激光测高仪的真实数据开展了实验验证。实验结果表明: 地面红外探测器能有效捕捉到激光测高仪对地发射的激光信号, 几何定标方法能有效消除指向角的系统误差项, 标定后平面绝对精度可提高到15.0 m左右, 而华北某地高精度地形数据验证表明其绝对高程精度可提高到1.09 m, 少量点高程误差小于0.5 m。虽然精度水平离国外GLAS还有一定差距, 但相关结论能为后续国产激光测高卫星的优化设计、数据处理与应用提供参考。

工业机器人末端位姿测量对机器人装配和机器人标定等工作具有重要价值。针对机器人位姿测量中常用标靶受环境光干扰较大、机器人运动空间有限等缺点设计了一款亮度可调、响应迅速的六面体立体标靶, 并提出一种基于单目视觉的立体标靶标定方法。通过初始图像对的选择, 解决单目视觉中本质矩阵分解得到的平移向量不精确的问题, 并采用光束平差法对初始图像场景进行优化; 向场景中添加新图像并使用光束平差法对场景进行全局优化, 提高特征点重建精度; 以精度为5 ?滋m的平面标定板上的特征点作为真实点, 解决单目视觉重建场景缺乏尺度因子的问题。实验表明: 特征点三维重建的平均误差小于0.035 mm, 能够有效进行立体标靶的标定; 使用该标靶计算的机器人位姿信息, 将机器的位置精度提高了37%。

单片凸透镜由于存在较大像差, 在实际应用中难以单独成像, 相对孔径越大, 单片凸透镜的成像质量越差, 通常使用多片透镜以进行像差校正。针对单凸透镜成像质量差的的问题, 提出了采用液晶空间光调制器和微扫描光楔实现单片凸透镜的高分辨成像。采用Zygo干涉仪测量单透镜波前, 结合Zemax软件模拟得到经单透镜后的畸变波前, 利用泽尼克多项式描述畸变波前, 并绘制对应共轭波前的灰度图加载于液晶空间光调制器上, 校正波像差; 通过旋转楔角为21″的光楔进行2×2微扫描, 将四幅低分辨率图像经过Keren 配准后以结构适应的归一化卷积法合成为一幅高分辨率图像。实验结果表明, 图像分辨率MTF50达到1 348 LW/PH, 成像质量明显提高。

大气气溶胶是引起全球气候变化和空气质量问题的重要因素之一, 利用卫星遥感监测全球大气气溶胶具有重要意义。利用大气气溶胶的多角度偏振光谱信息联合反演, 可有效去除地表反射的影响, 获得精确的遥感结果, 因此亟需研究具备多角度偏振光谱信息获取能力的一体化光学仪器。所设计的多角度偏振成像光谱仪光学系统, 前置望远物镜采用多镜头视场拼接方式, 实现地面目标沿轨方向±60°内多角度探测, 分光系统共用一个Offner分光装架。像质评价结果显示, 在探测器奈奎斯特频率处中心波段的MTF达到0.8, 点列图均位于艾里斑范围内, 各项指标均满足设计要求。光学系统整体结构紧凑、无运动部件, 可实现目标多角度偏振光谱图像的信息获取。

NA1.35浸没式光刻照明系统是超大规模集成电路的核心设备, 为了实现从ArF激光器发出的光束经过一系列模块传输后到达掩模面的能量满足光刻曝光系统的要求, 需要在系统中引入非球面透镜, 以减少镜片数量, 提高能量利用率。为解决现在非球面透镜具有的加工难度和控制精度不足的缺陷,设计出一种优化控制保证非球面加工和检测的方法。在光学系统设计中优化非球面的形状, 保证非球面度, 满足非球面变化率在可加工和检测的范围内, 并控制非球面拐点的产生。照明系统中镜片数量最多的模块是耦合镜组, 通过非球面的优化, 镜片数量从12片减少到9片, 系统能量利用率提高近25%。此外, 提高了系统像质NA一致性, 像方远心度, 弥散斑直径和畸变, 满足了曝光光学系统对掩模面的能量要求, 故该非球面控制技术具有良好的可加工性和可检测性。

读出电路的注入效率是决定紫外焦平面探测器性能的重要因素。基于GaN基p-i-n结构日盲紫外探测器以及CTIA结构读出电路的等效模型, 对探测器信号读出的电荷注入效率进行了分析, 得到了注入效率的表达式。分析了注入效率与积分时间、探测器等效电阻、探测器等效结电容、CTIA电路中运算放大器增益的依赖关系, 并指出了放大器增益是有效影响注入效率的重要可控因素之一, 可以用提高增益的方法获得更大的注入效率。设计了几种不同增益的运算放大器电路, 并分别构成CTIA结构读出电路。采用GF 0.35 μm 2P4M标准CMOS工艺设计电路版图并进行流片。将紫外探测器分别连接至具有不同放大器增益的CTIA读出电路并进行测试, 通过对比注入效率的理论分析结果与实际测试结果, 可以得知, 注入效率的理论分析与实验结果吻合较好。

大多数渐变光子晶体渐变透镜都是以正方晶格或三角晶格排布为基础, 并且多选择硅或二氧化硅等高折射率材料, 研究的波段多为红外波段。随着可见光通信技术的发展, 在可见光波段研究低折射率材料的自聚焦透镜变得很有意义。为了迎合这种需求, 提出了Sun-flower型渐变光子晶体自聚焦透镜。首先, 通过比较TE和TM两种偏振模式Sun-flower渐变光子晶体朗伯透镜在可见光波段的会聚强度, 发现TM型的会聚效果远远优于TE型。然后, 以TM型Sun-flower渐变光子晶体为基础设计圆柱形自聚焦平板透镜, 通过光场传输的模拟计算给出平板透镜在可见光波段自聚焦的拍长, 进一步优化平板透镜会聚光强设计透镜的层数, 结果表明在层数为22时效果最佳。最后, 讨论了列数的减少对平板透镜的影响, 结果表明随着列数的减少光强减弱。这对于制作出高性能会聚效果、短焦距、小体积的光学集成器件有重要的指导意义。

凸面闪耀光栅是研制高光谱分辨率成像光谱仪的关键元件之一, 一般凸面闪耀光栅的有效波段范围较窄, 较难满足宽波段成像光谱仪对光栅衍射效率的需求。为拓宽仪器观测波段, 对其中凸面闪耀光栅进行了优化设计。以0.4~2.5 μm波段Offner型成像光谱仪为例, 研究了凸面光栅单衍射级和双衍射级共路两种色散结构, 采用分区闪耀光栅和双角闪耀光栅来提高宽波段范围内的衍射效率。优化设计了两种双闪耀光栅在不同色散结构下的槽形, 用标量理论和有限元分析等方法对光栅衍射效率进行了计算。结合仪器信噪比, 给出了满足成像光谱仪不同需求时所适用的光栅。

在可见光通信系统中, 光源具有照明和通信的双重作用, 由于房间的大小以及室内环境各不相同, 难免会存在光照射不到或者光线比较微弱的地方, 这些地方很有可能成为通信的盲区, 这将会大大影响通信的质量, 为了解决阴影效应, 需合理对光源进行布局设计, 以4 m×4 m×3 m房间为模型, 采用四个LED列阵作为室内光源, 将单个的LED光源看做朗伯光源, 服从朗伯辐射模型, 通过公式计算结合软件仿真分析对比得出了采用9×9大小的LED列阵, 列阵距离屋顶边缘0.4 m, LED光源间的间距为0.03 m时, 在满足国际室内照明标准的前提下, 在距离屋顶2.25 m的4 m×4 m接收平面上光照度分布最均匀,其均匀度达到90.4%。该光源列阵布局模型可推广到任意尺寸房间, 为室内办公照明中光源的布局提供了一种可行的方案。

针对传统单脉冲布里渊光时域反射系统信号微弱、性能提升受限的问题, 提出了一种雪崩光电二极管(APD)检测器本地外差检测的格雷(Golay)编码布里渊光时域反射系统。分析了Golay码应用于该系统的编解码原理及系统外差检测原理, 讨论了光纤受激布里渊散射阈值对编码系统平均入纤功率的限制, 推导了系统信噪比的数学表达式, 研究系统信噪比与APD倍增因子、编码长度的关系, 分别得到了APD最佳倍增因子和系统最佳编码长度的表达式。MATLAB仿真结果表明, 选用带宽为500 MHz的APD光电检测器和峰值功率50 mW、脉冲宽度100 ns的入纤脉冲时, 系统APD倍增因子和编码长度均存在最佳值, 系统最佳编码长度的确定不仅依赖于系统的散粒噪声和热噪声功率, 还由光纤受激布里渊散射阈值共同决定。经优化计算得, 该系统的APD最佳倍增因子为5, 最佳编码长度为128位时, 在25 km光纤末端的系统信噪比比传统单脉冲系统提高了26.42 dB, 温度和应变分辨率分别达到了1.60 ℃和35.48。

基于光通信系统对于全光调制和全光开关等的需求, 从理论上和实验上研究了拉曼增益对回音壁模式光学微腔系统共振模式的全光调制。理论分析表明, 拉曼增益能够补偿回音壁模式光学微腔系统的损耗, 进而改变微腔系统的耦合机制, 在不对微腔系统做任何机械性移动的前提下实现对系统共振透射率的连续调制。实验中采用光纤锥耦合的二氧化硅微芯圆环腔, 利用560 ?滋W的低功率泵浦光引发的拉曼散射, 波长为1 545.7 nm的信号光实现了13.5 dB的调制度, 使得系统的耦合机制由欠耦合转化为临界耦合。

在空间激光通信、组网过程中, 为了能够实现一颗卫星终端对多颗卫星终端的物理光束接入, 从而使得一颗卫星能与多颗卫星实现数据分发、路由、交换等组网功能, 对卫星激光通信捕跟过程中存在的多终端物理接入方法进行了研究。在基于液晶光学相控阵多波束生成能力和多波束赋形的理论基础上, 设计了一种新型的多终端接入方法。该方法的核心是利用液晶光学相控阵的多波束生成与控制能力实现对多个终端的接入。对光束在远场光斑的位置信息以及接入过程中的衍射效率和能量损耗情况进行仿真来验证该方案是否满足空间激光通信终端接入要求。仿真结果发现接入过程中的衍射效率大于80%, 能量损耗小于1 dB, 表明该方案有效可行。

参麦注射液是一种中药复合物, 广泛应用于癌症患者的辅助治疗中。在生理(PH7.4)环境下, 通过荧光光谱与紫外吸收光谱研究了参麦注射液与人血清白蛋白的相互作用。 荧光光谱和紫外吸收光谱实验结果表明, 参麦注射液能够有效地引起人血清白蛋白的内荧光源淬灭, 其淬灭机理为动态淬灭。利用Stern-Volmer方程对荧光光谱数据进行分析, 得到不同温度(296, 303, 310 K)下的结合常数(KA)。通过Van′t Hoff 方程计算出热力学参数(ΔG<0, ΔH>0, ΔS>0), 该结果表明疏水力是人血清白蛋白与参麦注射液结合时的主要相互作用力及结合过程是一个自发过程。此外, 同步荧光光谱实验结果表明, 当参麦注射液与人血清白蛋白结合时, 主要结合点位于酪氨酸残基, 且引起了人血清白蛋白的结构变化。

采用拉曼光谱技术结合QuEChERS(Quick Easy Cheap Effective Rugged and Safe)样本前处理建立了黄瓜上吡虫啉残留量的快速检测方法。以进行了不同前处理步骤(乙腈提取、去水萃取、褪色除杂)的三批黄瓜样本作为实验对象, 利用780 nm激光器采集样本的拉曼光谱图, 并分别采取偏最小二乘(PLS)和主成分回归(PCR)算法建立了六个黄瓜中吡虫啉含量预测模型。结果表明, 仅进行了乙腈(C2H3N)提取一步前处理的样本建模效果最优, 校正集及预测集的相关系数均在0.99以上, 其中PLS的预测集相对分析误差(RPD)达到5.52, 说明模型具有一定的预测精度, 此结果可为后续前处理简化研究提供有力依据。

为了实现倍频器多谐波输出, 满足系统多频率需求, 同时减少成本, 增加系统集成度, 引入了改进紧凑型悬置微带谐振单元(Compact Suspended Microstrip Resonators (CSMRs))滤波器, 主要研究并实现了170 GHz和340 GHz双频段分别输出。仿真中分别设计170 GHz和340 GHz探针, 引入CSMRs低通滤波器增加170 GHz对高频段的隔离, 减小波导高度, 提高WR.2.8波导截止频率, 增加对300 GHz以下频段抑制, 为了测试其输出特性和网络损耗, 设计170~340 GHz背靠背模块。仿真结果为低通CSMRs滤波器满足在20~180 GHz通带内反射系数小于-18 dB, 在266~520 GHz阻带内抑制度大于20 dB, 背靠背结构仿真170 GHz与340 GHz频段反射系数均小于-15 dB, 端口隔离大于30 dB, 表现出良好的选频特性。测试结果表明: 在170 GHz端口通带为150~185 GHz, 反射系数小于-10 dB, 损耗大于1.2 dB; 在340 GHz端口, 通带为306~355 GHz, 反射系数小于-10 dB, 损耗2 dB, 两端口隔离度大于10 dB, 最好60 dB。

提出一种自动识别人体边缘物体的算法, 用于太赫兹人体安检系统的人体边缘物体成像的识别。原始图像经过二值化、滤波除噪、填充、形态学腐蚀膨胀等预处理算法后, 利用顺时针搜寻轮廓追踪算法标记图像轮廓坐标, 对轮廓上各坐标点使用圆形模板占空比检测以及非极小、非极大值抑制算法筛选出所有的凸点和凹点, 并根据相邻凸点和凹点组合特征及其横向距离约束实现边缘物体的识别。500幅测试图像实验结果表明: 该算法对边缘物体可实现快速识别, 误判率在2%以下; 通过调整算法参数, 可良好匹配安检系统的识别精度, 从而达到匹配于系统的分辨极限; 具有抗噪声能力强, 识别速度快, 识别精度高等优点。

基于中国电子科技集团公司第十三研究所的反向并联肖特基二极管, 采用电磁场和电路软件联合仿真, 完成了0.22 THz分谐波混频电路设计。在固定中频输出频率10 MHz的条件下测试了混频电路的变频损耗, 在175~235 GHz 共60 GHz带宽内双边带变频损耗小于15 dB, 在196 GHz处最佳变频损耗为8.5 dB。测试结果与仿真结果趋势吻合良好。基于冷热负载, 测试了分谐波混频电路的噪声温度, 当本振功率为5.7 mW时, 在216 GHz处双边带噪声温度为1 200 K。

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是基于飞秒超快激光技术的 THz 波段光谱测量新技术, 具有较强的光谱分辨本领以及良好的透视性和安全性, 在物质检测方面具有广泛的应用价值。文中在采用太赫兹时域光谱技术对转基因大豆油光谱检测的基础上结合主成分分析方法(PCA)及支持向量机(SVM), 构建PCA-SVM模型对转基因大豆油进行鉴别。首先, 从样品在太赫兹波段测得的时域光谱中得到其吸光度光谱; 然后, 将其作为输入源导入PCA-SVM模型中, 剔除冗余数据、降低数据维数并鉴别。实验结果表明, 所建立的PCA-SVM模型能准确识别校验集, 可以准确地对转基因大豆油进行鉴别。研究结果表明: 太赫兹时域光谱技术可以实现转基因大豆油的快速、无损检测, 在食品安全领域有广泛的应用前景。

太赫兹后向散射特性是表征目标对太赫兹波散射能力的一个重要参数。在实际应用中抛物面形状占据了重要位置, 而在2.52 THz频率下的相关散射特性的研究至今处于空白。利用已搭建的测量系统对直径为50、60、70、80 mm, 粗糙度为3.2、6.3、12.5 μm等的抛物面进行了太赫兹后向散射的测量。利用MATLAB软件对数据进行处理并得出目标的太赫兹后向散射特性曲线。利用控制变量法分别研究尺寸和粗糙度对目标太赫兹后向散射的影响。随着尺寸的增大, 目标的散射特性曲线下降变缓, 在3°附近出现的凸起越来越明显。用示波器在所测角度边缘观察信号波形表明信号处于可测状态。后向散射测量实验结果表明, 测量动态范围最大可达22 dB, 最大误差约为0.15 dB。

为了实现移动机器人的高精度定位, 研究了一种新型的可将光混合定位算法, 并对该算法进行了理论分析和实验验证。首先, 针对传统信号接收强度(RSS)定位算法与到达角度(AOA)定位算法的优缺点, 改进了RSS算法, 使其不再利用接收到的信号强度和距离的关系而改用接收到的信号强度和探测器旋转角度的关系, 并综合以上两种算法分析得到一种混合定位算法模型。同时对混合型算法进行理论分析, 主要从角度的测量方面, 确定要达到的目标参数, 进而可以达到理想的定位精度。然后通过实验验证该算法模型的实现可行性, 主要从测量出的角度数据进行计算, 并分析通过该实验数据计算出的定位精度是否达到定位精度目标。实验结果表明: 定位精度为6.11 cm, 高于10 cm定位目标。同时分别相对于其他两种定位算法, 该算法定位精度高、成本低、可行性高。

太赫兹成像是空间光学遥感成像领域的新方向, 然而太赫兹成像分辨率受到器件加工和制造工艺水平限制。为了提高太赫兹成像的图像分辨率, 提出一种改善太赫兹过采样成像的图像处理方法。首先, 对响应在太赫兹谱段的目标进行错位观测形成多路观测结果; 然后, 对多路观测的太赫兹图像进行范数优化约束和增强滤波; 最后, 将经过范数优化约束和滤波增强后的多路太赫兹图像重构成一幅分辨率更高的图像。实验证明: 这种方法能够在抑制背景噪声的同时, 有效提高目标边缘连续性。从图像质量评价指标上看, 所提方法相较于传统方法能提升图像的有效细节信息, 进而增强图像质量。