CALIOP是首个能观测全球大气状态的星载偏振激光雷达, 自2006年发射以来, 为研究全球气候和环境变化提供了大量的第一手数据资料, 在大气遥感领域具有重要的现实意义。文中系统介绍了星载激光雷达CALIOP的功能结构、数据产品以及数据处理过程。重点介绍了CALIOP的层次识别、场景分类和消光反演的算法原理和流程。

研究拦截弹绕流红外辐射特性对红外导引头设计具有重要意义。基于求解化学非平衡Navier-Stokes方程的方法, 对高超声速拦截弹化学反应绕流进行数值模拟。在此基础上, 基于谱带辐射模型, 对拦截弹侧面的光学窗口附近流场在0.8～20 μm波段的光谱辐射特性进行数值计算, 分析窗口附近流场红外光谱辐射随飞行参数的变化特征和规律。研究表明: 拦截弹窗口流场光谱辐射主要来源于CO2和NO分子的振动-转动谱带; 飞行马赫数一定, 窗口流场光谱辐射沿飞行高度的变化规律主要由流场中气体分子的数密度分布主导; 飞行高度一定, 窗口流场光谱辐射随飞行马赫数的变化规律主要由流场温度控制, 随着飞行马赫数增大, 流场中NO分子的光谱辐射效应增强。

雾对红外系统的探测性能有一定影响,圆偏振光在雾中传输时具有优良的保偏性和持久性, 为解决雾的红外遮蔽问题提供了新思路。分析雾对红外光波的衰减是由吸收和散射共同作用; 阐述了圆偏振光透雾是由圆偏振光波螺旋性的随机化速率缓慢和圆偏振光子在传播方向的随机化速率缓慢共同作用, 致使圆偏振光受雾滴的光散射影响较小; 结合圆偏振透雾机理和大气光谱特征, 探究雾中目标检测的优化波段, 研究表明: 在近红外波段的0.78~1.1 μm、1.48~1.56 μm、1.63~1.86 μm、2.03~2.18 μm、2.39~2.5 μm和中红外波段的3.6~4.15 μm, 适宜采用圆偏振成像技术提高红外系统透雾性能, 长红外波段, 雾滴的光吸收占总消光的比例增大, 已不宜采用圆偏振成像技术来提高红外系统的透雾性能。最后, 分析了红外圆偏振透雾技术的特点, 并对深入研究提出了建议。

采用分子束外延生长方法在InSb(100)衬底上生长p+-p+-n-n+势垒型结构的In1-xAlxSb外延层。运用X射线衍射对材料的晶体质量及Al组分进行测试和表征, InAlSb外延层的半峰宽为0.05°, 表明外延材料的单晶性能良好, 并通过布拉格方程和维戈定律计算出Al组分为2.5%。然后将外延材料制备成多元红外探测并测得77~210 K下的光谱响应曲线, 实验发现探测器的截止波长从77 K时的4.48 ?滋m增加至210 K时的4.95 ?滋m。通过数据拟合得出In0.975Al0.025Sb禁带宽度的Varshni关系式以及其参数Eg(0)、α和 β的值分别为0.238 6 eV, 2.87×10-4 eV/K, 166.9 K。经I-V测试发现, 在110 K, -0.1 V偏压下, 器件的暗电流密度低至1.09×10-5 A/cm-2, 阻抗为1.40×104 ?赘cm2, 相当于77 K下InSb探测器的性能。同时分析了温度对器件不同类型的暗电流的影响程度, 并得到器件的扩散电流与产生-复合电流的转变温度约为120 K。

为解决红外地球敏感器地面性能测试实验中需要模拟多种地球张角的现实问题, 文中利用准直光学系统模拟目标, 对多轨道红外地球模拟的技术进行了深入研究。提出一种可变地球张角模拟的总体方案, 并对模拟器各关键部分锗准直透镜、可变地球光阑等进行了详细的光机结构设计, 给出了设计结果和设计方法。针对地球模拟器地球张角检测的需求, 还提出一种地球张角检测方法, 搭建了检测装置, 并对模拟的不同轨道对应的地球张角进行了实测, 结果表明: 对应于18 000、35 786、42 000 km三种轨道高度的地球张角模拟精度均优于±0.05°, 完全符合对红外地球敏感器的标定要求。

平面激光诱导荧光是一种高时间和空间分辨率、非接触的激光诊断技术, 是研究流场和燃烧场的重要技术手段。高速PLIF技术相对于现有的低速PLIF技术具有众多优势, 高超声速飞行器、燃烧场、空气声学和等离子体等领域的发展, 需要重复频率在10 kHz以上的高速PLIF技术对湍流场和反应场进行研究, 以掌握其反应过程并进行优化。高重频、大能量脉冲激光器的缺乏是限制高速PLIF技术实现的主要原因。针对高速PLIF技术及其光源的发展状况做了全面的综述, 对比说明了不同类型激光光源的特点, 并对脉冲串激光器作为高速激光诊断光源的前景进行了展望。

为满足长波红外探测器绝对光谱响应度参数的高准确度测量要求, 提高长波红外激光的功率稳定性, 优化激光光束质量, 研制了一套长波红外激光源。针对CdTe晶体的电光效应设计了一套提高长波红外激光功率稳定性的实验系统。利用激光光束传输原理设计了长波红外波段空间滤波器, 并分析了其各项参数的计算方法。实验结果表明: 长波红外激光的光功率不稳定度提升至0.1%以上, 长波红外激光的光束质量也得到显著提升, 满足了长波红外探测器绝对光谱响应度高准确度测量对光源的性能要求。

为了保证Nd:YAG薄片激光器的高功率、高光束质量, 需解决薄片增益介质封装后的均匀散热、低波前畸变等关键问题。分析了封装过程中薄片增益介质的热应力, 模拟了连接界面无缺陷条件下薄片增益介质的热分布, 对封装工艺技术进行改进。优化的封装技术将薄片激光增益介质与微通道冷却器连接在一起, 采用超声扫描显微镜、激光干涉仪对薄片激光器的焊接界面与增益介质表面面形进行测试。结果表明: 该封装技术实现了直径Φ80 mm的大口径YAG薄片与冷却器焊料层均匀、无空洞的界面连接, 同时减小了焊接后薄片的波前畸变, Φ60 mm口径内面形畸变PV值小于1 μm, 均方根RMS值小于0.15 μm。该技术封装的单模块Nd:YAG薄片激光器输出功率达到2.3 kW。

锥形半导体激光器具有高亮度、高光束质量等特点。通过借助数值模拟仿真软件Lastip, 优化设计了976 nm锥形半导体激光器结构。在低光限制因子Г条件下, 确定了InGaAs/AlGaAs量子阱厚度及非对称波导厚度比值关键参数, 并分析了主振荡器的注入光功率和耦合进锥形区的基侧模衍射分布特性。研究结果表明: 与传统的单量子阱器件结构相比, 当光限制因子Г相同均为2%时, 在工作电流为3 A条件下, 优化设计的非对称双量子阱结构主振荡器的基侧模分布更为集中。其注入光功率由2.76 W提升至3.67 W, 同时耦合进锥形区的基侧模衍射分布更为均匀, 并具有稳定的电光转换效率。

为了满足308 nm准分子激光皮肤治疗仪对激光输出参数, 特别是激光能量稳定性的要求, 首先建立了激光能量衰减模型, 提出了基于激励电压补偿能量的比例积分(PI)算法, 对PI算法进行了理论分析、模拟实现; 其次对准分子激光器进行了实验研究, 设计了高压激励电源和基于快速光电二极管的激光能量无损检测模块, 实验研究了激励电压与输出能量的关系、激光器能量衰减特性以及引入PI算法后的激光器能量稳定特性; 结果表明: 激励电源和能量检测模块满足PI算法的调节精度和响应速度, 引入PI算法后, 准分子激光器输出能量在1千万个脉冲内仍能维持目标能量17.5 mJ附近, 能量方差从0.2%缓慢上升至3%, 满足准分子激光皮肤治疗仪的使用需求。

熔池光强监测是激光选区熔化(SLM)过程监测的重要方法之一。针对SLM成形过程, 建立了一套熔池光强监测软硬件系统, 通过近红外滤光技术和光电二极管检测电路, 获得成形过程中的熔池光强数据。针对时域信号不能可视化激光作用不同成形位置时的熔池光强变化, 提出了采用映射算法对熔池光强数据进行建模。对变功率下熔池光强进行数据分析与建模, 激光功率120 W熔池温度均值为1 404 ℃时, 二极管信号均值为0.31 V, 标准差为0.04 V, 熔池较稳定; 功率增加到220 W熔池温度为1 727 ℃时, 二极管信号均值增加为0.81 V, 标准差增加为0.22 V, 熔池稳定性变差。表明该熔池光强监测系统可以获得工艺参数对熔池热辐射行为的影响规律, 用于支持SLM成形工艺的研发与优化。

在多束脉冲激光叠加过程中, 脉冲的同步延时控制精度和脉宽控制精度对叠加光束能量分布具有重要影响。基于光束叠加理论, 建立了四束脉冲激光能量叠加模型, 以四束整形脉冲为入射光源, 分别针对同步延时控制精度和脉宽控制精度变化情况下叠加脉冲能量分布进行了定量计算。结果表明, 随着同步延时控制精度和脉宽控制精度的降低, 叠加脉冲的脉宽增加, 峰值降低。多束脉冲的同步延时控制精度和脉宽控制精度的变化对激光组束的影响比单束脉冲的影响更大。四束激光合成系统中, 在其他参数不变的情况下, 叠加光束激光脉冲峰值光强变化率小于5%时, 单束激光脉冲延时变化率和脉宽变化率保持在3.2%和10.9%以内。因此, 脉冲延时对叠加光强影响更大。

调频连续波(FMCW)激光探测技术将调频测距原理与激光的优点相结合, 具有探测精度高、抗干扰能力强等优点。为验证FMCW激光探测原理和性能, 设计了FMCW激光引信探测系统, 包括激光发射子系统、激光接收子系统和信号处理子系统, 具有FMCW激光发射、接收、信号处理和探测距离信息输出等功能。对FMCW激光引信探测系统的测距性能进行试验测试, 结果表明: FMCW激光引信探测系统的最大探测距离12 m, 测距误差在±0.3 m以内。所设计的FMCW激光引信探测系统具有较高的探测精度, 可应用于FMCW激光引信。

提出了一种设计激光光束整形系统的新方法——粒子群优化算法。根据能量守恒定律, 推导出光束整形系统中任意光线与入射面和出射面交点坐标之间的变换关系, 并把用此变换关系得到的光线与出射面的交点坐标作为目标值。把追迹光线在输出面上的交点坐标与目标值差的绝对值作为光束整形系统的能量分布变换评价函数, 把出射光线方向矢量的y分量绝对值作为准直评价函数, 并将能量分布变换评价函数与准直评价函数的和作为光束整形变换系统的总评价函数, 依此函数作为粒子群算法中的适应度函数, 对适应度函数进行极小值操作, 便可得到了一个既能把光强高斯分布转换为光强均匀分布, 又能近似实现光束重新准直的非球面整形透镜系统。用这种方法设计了一个单非球面凹平透镜, 可以把光强高斯分布、光斑半径30 mm的红光激光光束整形为光强均匀分布、光斑半径为36 mm的平顶光束, 且准直出射。证明这种设计方法简单有效。

利用水热法合成了三种不同尺寸的单核CdTe量子点和核壳CdTe/CdS量子点。应用Top-hat Z-scan技术在纳秒、皮秒、飞秒激光脉冲作用下研究了三种不同尺寸单核CdTe量子点的非线性吸收特性。实验结果表明: 在不同激光脉冲作用下三种不同尺寸的CdTe量子点的非线性吸收特性均表现为饱和吸收, 并且均呈现出随着量子点尺寸的减小, 其非线性吸收特性增大的趋势。为了进一步研究量子点尺寸的变化对非线性吸收特性的影响, 又在飞秒激光脉冲作用下研究了核壳CdTe/CdS量子点的非线性吸收特性; 随着包壳时间的增加, 壳层厚度增加, 量子点尺寸增加, 其非线性吸收特性呈减小趋势, 并且核壳CdTe/CdS量子点的非线性吸收特性明显优于单核CdTe量子点; 分析讨论了单核CdTe量子点与核壳CdTe/CdS量子点的非线性吸收特性和量子尺寸效应机制, 实验结果表明合成的量子点样品均具有良好的量子尺寸效应。

采用Mie散射方法计算了小尺度范围内, 0.65 μm波长大气气溶胶粒子光学特性与折射率、粒子尺度参数的关系, 并分析了折射率虚部对气溶胶粒子散射相函数的影响。结果表明: 在小尺度范围内, 气溶胶粒子散射特性受折射率、尺度参数影响较大, 折射率实部和尺度参数对消光效率因子等非散射角散射参量的影响存在一定程度的对称性。同时还发现, 在特殊散射角位置, 无论对于单粒子还是对于多分散粒子群系统, 气溶胶粒子(群)的散射相函数与折射率虚部基本无关, 不同折射率虚部的散射相函数在前向散射方向存在交点, 交点位置随粒子尺度参数的变化基本为高斯分布。随着粒子尺度参数的增大, 交点位置向前向小角方向移动, 并逐步趋于离散。这一结论对了解大气气溶胶粒子的散射效应具有一定的参考意义。

为研究海洋大气气溶胶粒子数浓度时空分布和粒径谱分布特征, 2014年8月至2016年3月期间, 利用光学粒子计数器和自动气象站等设备在广州茂名海边、东海和南海海域、三亚近海海域以及太平洋和印度洋海域对海洋大气气溶胶粒子数密度谱及大气温度、湿度、气压、风速等进行了测量。对不同海域不同气象条件下的谱分布特征进行了统计分析, 并对谱分布进行了拟合。结果表明海洋大气气溶胶粒子谱分布是由一个细粒模和一个中间模组成, 但近海的粒子数浓度大于远海。远海气溶胶粒子谱型稳定, 海面风力是引起粒子数浓度变化的主要原因。东海和南海的粒子谱分为二段, 小于0.5 ?滋m时用Junge谱的指数分布来描述, 0.5~4 ?滋m段用对数正态分布来描述。大风天气下海洋气溶胶的消光系数明显增加, 且在1~3 ?滋m波段的消光特征基本不受波长的影响。

利用功率谱反演加次谐波的方法模拟产生了符合Kolmogorov统计规律的大气湍流畸变波前相位屏, 重点分析了所生成的相位屏在旋转使用情形下的统计特性, 为后续的相位屏旋转应用实验奠定了理论基础。通过子相位屏组相位结构函数及大气相干长度数值模拟结果与理论值的对比, 对子相位屏组的统计特性进行了验证, 并对模拟结果与理论值存在的差异进行了分析。结果表明, 用功率谱反演加次谐波方法得到的随机相位屏是正确的, 在旋转使用情形下, 子相位屏组的相位结构函数与理论结果整体符合, 但低频成分仍存在较大的偏差, 其大气相干长度模拟计算结果较设计值偏大。

为满足某些国家工程的发展需要, 比如说航天领域内, 液态燃料液位监测作为飞行指标考核的一个关键参数, 检测精度直接影响到各类飞行器的指标实现效率。基于塑料光纤弯曲损耗和受抑全内反原理, 设计了一种可实现单点离散与多点连续的液位传感系统。理论分析后, 使用实际器材验证理论分析, 阐述了操作原则、系统结构和技术优势, 分析了进行液位测量的可行性。根据理论分析的结果, 基于已有器材搭建了离散和连续式液位传感系统, 同时设计了一套实验装置并利用该装置对传感系统进行了验证实验。实验结果表明: 所提出的新型液位传感系统不仅可以实现液位的测量, 而且具有较好的测量一致性和易实现性。其中连续液位测量系统达到了测试量程450 mm, 测试灵敏度为0.808 3 μW/mm的液位测量。对工程应用领域的具有较好的参考意义。

针对锁模激光器微弱回波信号探测的需求, 提出了一种基于高速相关采样和在线实时并行累加处理算法相结合的方法, 对传统的模拟取样积分方法进行了改进, 可实现无参考信号条件下的实时数字累加检测。设计并实现了一套基于该方法的锁模激光器微弱回波信号检测原型系统, 使用12 bit@900 MSPS模拟-数字转换芯片(ADC)ADS5409对经光电转换之后的锁模激光回波信号进行波形采样, 并利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片Kintex-7实现对ADC的控制及在线数据处理。系统测试结果表明,对于重复频率为8 MHz、平均功率为0.04 nW的锁模激光回波信号, 通过在FPGA内进行16 000次脉冲波形精确累加,可实现信号的有效检出, 且从波形采集完毕到输出检测结果的延时小于100 ns, 达到了高度的实时性。经900次重复实验, 检测效率达到100%, 且无“虚警”情况发生。

斜率和曲率混合型波前传感技术将子孔径内波前的一阶和二阶导数信息全部利用起来, 能够实现高阶像差的精密测量, 是区域型波前传感技术的一个重要发展方向。在利用子孔径波前振幅调制的斜率和曲率混合型波前传感器的基础上, 提出了一种基于质心探测的斜率和曲率信号提取算法, 实现各个子孔径内待测波前斜率、拉普拉斯曲率以及扭转曲率的直接测量。仿真结果表明, 在理想条件下, 单一子孔径内斜率和曲率信号的检测精度均在0.02λ(λ=632.8 nm)以内; 噪声水平小于10%时, 斜率和曲率信号的检测精度均在0.08λ以内。该算法具有较高的检测精度及良好的抗噪性。

针对极坐标式直接稳像平台结构和间接稳像平台的四反射镜成像光路结构, 推导其两框架运动所引起的像旋角度。结果表明俯仰框和滚转框的运动均会引起像旋。四反射镜间接稳像结构像旋随着离轴角增大, 滚转框运动所引起的像旋角度也逐渐增加, 在小离轴角时, 滚转所引起的像旋也较小。直接稳像结构像旋角度与滚转框架角的正切值成正比, 与俯仰框架角的余弦值成反比。仿真结果表明, 四反射镜结构像旋比直接稳像结构的要小, 对成像质量影响小。

建立了XCounter Flite X1型光子计数探测器的响应函数模型。利用X射线荧光作为射线源, 通过蒙特卡罗方法, 模拟了入射能谱与探测器材料中的能量沉积能谱。响应函数包括高斯函数与经验型的修正函数, 修正函数由直线段构成, 通过最小二乘的方法来确定其中的参数, 探测器像素不一致性的校正包括阈值校正与响应函数的校正。把经过校正的模型结果与实验结果对比并计算平均误差, 得到在各能量段下误差都小于2.5%的结果, 利用该响应函数进行能谱恢复与材料分解, 两者具有比较理想的结果, 充分说明了该校正方法的有效性与准确性。

针对光电跟踪系统对目标探测过程中发生的不完全量测现象, 采用雷达辅助光电跟踪系统进行协同跟踪保证量测的连续性。首先给出光电跟踪系统的不完全量测模型以及雷达辅助下的协同互牵引模型,提出基于粒子滤波的序贯融合算法; 其次, 利用粒子滤波求取传感器在每一时刻的Renyi信息增量作为协同过程互牵引准则, 确定互牵引触发时机, 确保协同过程的自主性。仿真结果表明: 通过选择合适的互牵引门限, 能够在尽量少的雷达辐射的条件下改善对目标跟踪性能并保证对目标探测的稳定性。

通道式遥感器的偏振测量核心部件通常是相似的, 即不同偏振解析方向的检偏器组合进行探测。同一系统中不同偏振解析方向之间的相对角度误差成为影响偏振遥感探测精度的重要因素之一。文中对该相对角度误差的影响以及提高测量精度的方法进行了研究。首先, 分析了相对角度误差对偏振测量精度的影响; 其次, 对测量过程中存在的误差源进行了仿真分析及实验对比分析, 根据该设计具体的实验参数和实验方法, 验证仿真结果的正确性; 最后, 通过通道式遥感器偏振实测结果验证其测量的可靠性。系统偏振度测量值与可调偏振度光源输出的偏振度参考值比对, 最大平均偏差为0.735 3%; 与CE318测量比对的最大平均偏差为0.036。实验结果满足实际使用的偏振测量精度要求, 说明偏振解析方向测量方法选择合理, 可以为偏振遥感器的装调和高精度定标提供参考。

为实现针对复杂深孔内轮廓表面几何参数的高精度测量, 建立了基于结构光的内轮廓检测系统, 但由于深孔内轮廓的曲面特性, 相机采集到的图像相比于内轮廓展开后的平面图像存在较大的几何畸变, 直接影响到内壁几何参数的量化精度。首先针对深孔内轮廓和内轮廓展开结构进行无差别建模, 分析两者之间的空间坐标转换关系; 然后综合考虑畸变矫正的精度和速度, 借鉴三次样条插值函数、离散映射等理念提出了基于离散映射的深孔内轮廓矫正算法, 实现针对深孔内轮廓的畸变在线矫正, 检测精度达到亚像素水平, 低于0.1 mm。

为了实现对玻璃面板油墨层厚度的检测, 提出了一种满足工业化检测需要的玻璃面板油墨厚度无损在线检测系统。首先, 基于结构光测量原理进行非接触式测量, 进一步提出了基于自适应提取算法的油墨厚度数字化定量计算模型, 对采集到的携带油墨厚度信息的亮线图像进行处理, 该模型非常适用于非接触式数字化检测; 其次, 建立了完整的检测系统, 将标准油墨面板作为油墨检测的评价标准, 多次测量拟合定标系数;最后, 该玻璃面板油墨厚度无损测量系统的最大检测厚度达23 mm, 检测精度优于4 μm, 通过对玻璃面板油墨层厚度的检测, 实现了对油墨厚度的高精度、快速、无损检测, 具有广阔的应用前景。

为了满足空间探测对衍射望远镜的发展需求, 针对某衍射光学系统设计了一种空间可展开衍射望远镜。首先, 根据Serrurier桁架原理及优化设计理论确定了文中所用展开结构的形式及几何尺寸, 并针对某衍射光学系统设计了一种新型自展开结构; 其次, 建立了该展开结构的有限元模型并分析了其展开后的特性; 最后, 搭建了原理样机并对其进行了实验研究。实验结果表明: 该展开结构的展开距离为2.9 m, 展开后的重复精度误差小于2 mm, 偏心小于0.3 mm, 倾角小于0.2°, 且可通过促动器将其展开精度调整至微米级, 能够满足空间衍射望远镜自展开机构的结构简单、质量轻、稳定可靠、精度高等要求。

以天宫二号伴星对组合体的观测任务为需求, 采用了一种基于OpenGL的伴星可见光相机成像仿真方法, 根据组合体、伴星的星历和姿态数据以及组合体3 ds格式三维模型, 设置了OpenGL透视投影成像模型参数, 结合组合体表面材质特性和可见光相机成像性能模型进行了处理和计算, 生成了组合体可见光仿真图像。通过与伴星实际拍摄的图像比较, 验证了文中方法的有效性和可信性。可为天基光学成像载荷设计与系统仿真、飞控任务安排等提供参考和依据。

为了降低激光通信载荷在轨工作中空间环境对于光学系统的影响, 提高通信质量以及跟踪精度, 使用综合性能较好的高体分SiC/Al作为主镜材料, 并通过有限元分析确定了主镜结构的几个重要优化参数。提出了一种一体式主镜柔性支撑, 该结构避免了使用不同材料支撑组件线膨胀系数不匹配而产生的应力集中, 提高了主镜面形的温度稳定性, 并在此基础上降低了主镜及其支撑的总体质量, 实现了光学系统的轻量化。仿真分析表明, 该结构在重力释放条件下, 主镜面形误差PV值为λ/52, RMS值为λ/275。工作环境发生±4℃温度变化的情况下, 主镜面形误差PV值为λ/11, RMS值为λ/71。主镜及其一体化支撑基频为208 Hz, 主镜单独轻量化率为55.3%, 进行一体化设计后主镜及支撑相比传统设计轻量化率为19.87%, 能够满足总体指标要求。

为了降低光学小卫星相机次镜上的随机响应, 提出了一种蜂窝夹层板结构的优化设计方法, 对小卫星光学载荷的蜂窝安装板进行结构参数的优化设计。首先, 以整星一阶频率不低于40 Hz为优化目标, 对蜂窝芯子密度进行优化, 根据三明治夹心理论, 推导计算了蜂窝芯子等效力学参数。然后, 以次镜的随机响应为优化目标, 对蜂窝夹层板的碳纤维面板进行铺层优化设计, 得到最优铺层顺序为[0/45/90/-45]S, 总厚度为0.8 mm。根据以上计算得出蜂窝芯子及碳纤面板等效参数, 对整星进行分析。最后, 开展了整星振动试验, 测量了整星模态和响应, 对试验数据进行采集。结果表明: 整星模态为42.2 Hz, 次镜最大随机响应为11.1g, 均在合理范围之内, 满足了组件力学要求。

通过对InGaAsP/InP 单光子雪崩二极管(SPAD)的探测效率、暗计数率等基本特性与该器件的禁带宽度、电场分布、雪崩长度、工作温度等参数之间关系的分析, 采用比通常的InxGaAs(x=0.53)材料具有更宽带隙的InxGa1-xAsyP1-y(x=0.78, y=0.47)材料作为光吸收层, 并且精确控制InP倍增层的雪崩长度, 有效地降低了SPAD的暗计数率。其中InGaAsP材料与InP材料晶格匹配良好, 可在InP衬底上外延生长高质量的InGaAsP/InP异质结, InGaAsP材料的带隙为Eg=1.03 eV, 截止波长为1.2 μm, 可满足1.06 μm单光子探测需要。同时, 通过设计并研制出1.06 μm InGaAsP/InP SPAD, 对其特性参数进行测试, 结果表明, 当工作温度为270 K时, 探测效率20%下的暗计数率约20 kHz。因此基于时间相关单光子计数技术的该器件可在主动淬灭模式下用于随机到达的光子探测。

根据菲涅耳衍射积分理论, 提出了X射线光栅相衬成像系统的仿真模型。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)小球作为成像物体模型, 选取30 keV的X射线做模拟计算。通过仿真, 得到了穿过球体和相位光栅的X射线波前的变化。采用多步位移法从模拟条纹图中恢复出了PMMA小球的相位信息, 并分析了莫尔条纹对比度对成像质量的影响, 为实际的实验提供可靠的参数选择。经过仿真得到的相移信息与通过实验得到一致, 验证了仿真算法的正确性。

利用化学气相沉积法制备了三种类型多个超有序排列的多壁碳纳米管薄膜样品, 通过太赫兹时域光谱技术, 获取相位和振幅信息, 详细研究了薄膜在太赫兹波段的传输特性。结果表明: 超有序多壁碳纳米管薄膜在纳米管轴向方向与垂直于轴向方向表现出明显的光、电各向异性特性; 测试的介电常数实部为负, 虚部为正, 证实了制备的薄膜具有金属性; 薄膜具有的各向异性为研究其偏振特性提供了直接证据, 随着薄膜厚度的增加, 偏振度和消光比增加, 其9 ?滋m厚的自由薄膜度可以获得99%的偏振度。研究结果对开展超有序多壁碳纳米管薄膜在太赫兹偏振器、调制器与光开关等领域的研究有重要指导意义。

在实验上提出将九个开口谐振环以第一个谐振环的开口方向为基准按照涡旋状的轨迹排布, 且依次将开口环逆时针扭转40°, 构成九聚物太赫兹超材料, 并在理论上系统研究了该超材料的传输特性。将原本只具有单一谐振模式的开口谐振环按照类似于低聚物的结构排布方式构成周期单元结构时, 利用结构末端引起的能量耦合来增强相邻谐振器间的能量耦合, 便会有更多的谐振模式产生, 最终实现偏振不敏感的效果。这种思路丰富了传统超材料离散结构的设计理念, 为太赫兹超材料功能器件, 如开关, 调制器和滤波器等的设计提供了一种新的参考方案。

为了研究室内可见光ID定位系统中可见光分布对定位功能实现的关系, 搭建可见光通信异步ID定位系统, 通过模拟仿真与实验相结合的方法, 得出定位系统的定位范围和传输误码率分布。实验结果表明: 利用Matlab可以近似地模拟实际模型的空间光分布, 在光分布的三维分布图中找出定位系统光学边界, 准确地调节定位系统的定位阈值。进一步搭建了50 cm×50 cm×50 cm的定位系统原型, 在光学边界范围内实现无误码率的异步通信和定位功能, 而在定位边界上, 信号传输的误码率迅速上升, 当信噪比为25 dB时, 在光学边界上会出现8 cm的信号盲区, 适当增加系统的信噪比, 将有效降低信号盲区的大小。

介绍了一种基于PIN光电二极管的紫外激光脉冲能量在线检测系统。首先, 采用激光主光路外的检测光实现激光脉冲能量的无损在线响应; 其次, 采用高速高精度积分电路将响应光电流处理为电压峰值; 最后, 利用激光系统的同步触发信号进行检测时序设计从而获得精确的激光脉冲前后的检测系统输出差值, 经过计算后获得精确的激光脉冲能量。检测系统在248 nmKrF和308 nmXeCl准分子激光器上进行了测试, 实现了对0～200 Hz重复率运行的准分子激光能量在线无损检测, 测量结果与输出端外置能量计测得结果相对比, 相关性与可重复性一致, 满足应用需求。

同轴两反结构作为空间激光通信光学天线时常存在接收视场小、发射效率低等缺点。同时, 因中心遮拦造成的能量损失, 也会大大降低通信系统的瞄准和捕获概率。针对此缺陷, 提出采用离轴两反天线结构并引入自由曲面设计以提高通信系统的性能。由初级像差理论推导得出离轴两反系统的初始结构, 并采用Zernike多项式自由曲面面形, 增加系统设计自由度, 提高系统平衡像差的能力。给出入瞳口径与焦距相同的同轴两反和离轴两反系统的设计实例, 并比较二者的光学传递函数MTF、点列图、衍射包围圆能量、波前误差等。结果表明: 离轴两反自由曲面天线的像质明显优于同轴两反天线, 因而该种天线结构的使用可提升空间激光通信系统的整体性能。

无载波幅度相位 (Carrierless Amplitude and Phase,CAP)调制是一种数字化方式的正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)。由于CAP调制具有频谱利用率高、成本低、复杂度小等优点, 所以逐渐成为实现短距离高速光通信系统的一种备选方案。首先通过比较CAP调制和QAM的功率谱分析了这两种调制方式的特性, 然后在大气信道仿真模型(Gamma-Gamma光强起伏分布模型)条件下, 基于Matlab仿真分析了滤波器滚降系数, 滤波器长度和采样时钟偏移对CAP调制无线光通信系统性能的影响并给出最优参数值。由仿真可知, 采样时钟偏移会引起接收端信号的相位偏移, 所以需要在接收端对相位畸变进行一定的补偿, 文中也对后期所需的均衡算法进行了一些研究, 希望能对以后CAP系统的设计有所帮助。最后对仿真结果进行了实验验证。

声发射技术是结构损伤检测的重要手段, 声发射源定位是损伤检测的首要环节。时差定位技术具有快速、高效、精确的特点, 以此设计了由菱形阵列光纤布拉格光栅(FBG)传感器构成的声发射定位系统。采用小波变换和传统阈值法提取特征信号, 结合互相关法获得传感器间的信号到达时差, 然后根据几何定位模型求解非线性方程组得到声源可能存在的位置, 最后根据时差的正负特性进一步确定声源的准确位置, 有效避免了伪声源的情况。在铝合金板上, 以对角线为48 cm×48 cm的监测区域进行了10组测试实验验证, 平均误差为1.29 cm。

为了研究霾环境下应用紫外光通信的系统特性, 研究了霾粒子的物理特性及谱分布特性, 利用散射理论分析了霾粒子在日盲紫外光波段的散射特性; 并利用经典Luettgen单散射信道模型, 研究了霾环境下非视距日盲紫外光传输的路径损耗特性。通过分析路径损耗与通信距离、能见度以及系统角度之间的关系仿真结果, 得到了非视距紫外光传输系统中霾衰减的理论特性: 在较短通信距离时, 系统的路径损耗受天气状况(能见度)影响较大; 能见度较好时, 通信距离对路径损耗的影响将会突出, 实际中应尽量选取能见度大于2 km的天气条件。文中的工作对设计霾天环境下紫外光通信系统及优化系统性能提供了一定的理论参考, 同时对系统工程化实现也具有一定的指导意义。

偏置电流对LED内部温度、结电阻和载流子浓度产生的变化导致LED频率响应发生改变。分析了偏置电流对LED频率响应的影响机理以及对调制带宽的影响规律, 并通过测试平台进行了测试验证。结果表明: 红、绿、蓝LED工作在额定功率以下时, 偏置电流与调制带宽基本处于线性正比关系, 在接近和超过额定功率时, 调制带宽变化缓慢并最终趋于稳定。偏置电流对荧光粉LED的调制带宽几乎没有影响。此研究对可见光通信系统偏置电流的选取及均衡电路的设计提供参考。

针对X射线线阵探测器像素响应不均而造成X射线图像产生竖条纹, 以及由探测器本身和外界产生噪声干扰的问题, 提出了一种新型的校正与滤波模型, 解决了传统校正方法因忽略噪声影响而使得校正完成后数据波动较大的问题。结合X射线特性及X射线线阵探测器的成像原理, 分析了像素响应不均时的输出特性及噪声, 建立了改进的两点校正算法与基于偏微分方程的半隐式差分滤波模型。实验证明, 分辨率为1×9 216的X射线线阵探测器在经过该模型校正后, 有效地解决了像素响应不均的问题, 抑制了噪声的影响, 在位深为16 bit的情况下, 平均均方误差低于五个灰度级, 提高了X射线图像检测的质量。

高光谱遥感图像具有特征(波段)数多、冗余度高等特点, 因此特征选择成为高光谱分类的研究热点。针对此问题, 提出了空间结构与光谱结构同时保持的高光谱数据分类算法。考虑高光谱图像的物理特性, 首先对图像进行加权空谱重构, 使图像的空间结构信息自动融入光谱特征, 形成空谱特征集; 对利用最小二乘回归模型保存数据集的全局相似性结构的基础上, 加入局部流形结构正则项, 使挑选的特征子集更好地保存数据集的内在本质结构; 讨论了窗口大小和正则参数对分类精度的影响。对Indian Pines、PaviaU和Salinas数据集的实验表明, 该算法得到的特征子集的总体分类精度达到93.22%、96.01%和95.90%。该算法不仅充分利用了高光谱图像的空间结构信息, 而且深入挖掘了数据集的内在本质结构, 从而得到更有鉴别性的特征子集, 相比传统方法明显提高了分类精度。