基于严格矢量衍射理论, 分析了亚波长光栅将圆偏光转化为线偏光的机理。根据分析的结果提出了一种利用光栅空间分布控制出射光偏振态分布的方法, 并使用该方法规设计了一类光栅区域呈多带环形分布的偏振器件。通过改变该型器件的环形光栅区域数量, 可以得到不同的偏振光束。通过对出射光束使用Richards-Wolf矢量衍射法进行数值分析, 得到了在大数值孔径条件下, 聚焦光束在焦点附近的归一化光强分布。其中大多数出射光束的焦点光强分布为平顶光斑, 光斑的最大径向半高全宽达到了1.541 λ。与同数值孔径下线偏光、径向偏振光及角向偏振光的聚焦光强分布具有明显区别。

近年来随着高光谱成像技术的快速发展, 航天高光谱遥感数据在各领域应用研究中取得了良好的发展与突破。文中回顾了国内外航天高光谱成像技术的发展历程, 介绍了有代表性的航天高光谱成像仪的主要应用技术指标, 较为系统地总结和分析了近五年来航天高光谱遥感数据在国土资源、农林遥感、海洋湖泊遥感、城市环境、灾害监测及其他方面等各领域的最新应用研究进展。对基于AI技术的高光谱信息提取与应用、基于高光谱遥感的多源数据融合与应用以及面向深空探测领域的高光谱数据分析与应用等发展趋势做了展望, 未来航天高光谱成像仪技术的进一步突破和应用研究需求的牵引将会推动高光谱应用领域更大范围的创新与发展。

“高分五号”卫星于2018年5月9日成功发射, 是我国第一颗高光谱观测卫星, 大气主要温室气体监测仪是其中一台有效载荷, 采用空间外差光谱技术进行高光谱分光, 是国际上首台基于该体制的星载温室气体遥感设备。阐述了载荷的基本工作原理, 包括分光原理、工作模式及通道设置等内容。载荷的光学系统主要由五部分组成, 核心单元为一体化胶合干涉仪, 为避免光谱混叠对窄带滤光片的指标参数要求较高。为提高在轨数据定量化水平, 载荷设计了基于漫反射板系统的定标装置, 可满足光谱及辐射定标要求。最后, 梳理了载荷数据处理的基本流程, 并对首批观测数据进行了光谱复原, 成功获取了1级数据产品, 为下一步温室气体反演应用奠定了基础。

航天高光谱载荷相比于传统的多光谱载荷, 在光谱分辨率上有着巨大的提升, 随着定量化遥感的发展, 天基探测不仅可以对地面目标的几何信息进行采集, 更可以利用高光谱数据实现大气、陆地资源、战场环境、海洋物质成份的探测, 随着航天高光谱技术的不断发展, 高时间分辨率的对全球气候、自然资源、水纹情形的光谱成像已成为可能。高光谱探测依据成像原理的不同, 主要可以分为干涉型光谱仪、衍射型光谱仪、滤光片型光谱仪。文中针对其中应用较为广泛的光栅衍射型光谱仪、时间傅里叶变换光谱仪、空间傅里叶变换光谱仪、声光调制滤光片(AOTF)光谱仪、液晶可调谐滤光片(LCTF)光谱仪、高光谱滤光片光谱仪进行了介绍, 并针对每种光谱仪的优势及存在的局限性进行了分析。

高原湖泊在反映全球气候变化背景下区域自然环境变迁方面具有重要意义。以新型国产遥感数据源天宫二号多光谱数据为基础采用面向对象方法, 结合水体指数和高程信息, 提出一种面向冻湖的自动提取算法。该算法充分考虑了不同形态的水体特性, 可以同时提取结冰和未结冰的湖泊, 并能够排除冰川、河流的影响。针对选定的7个典型区域, 采用自动提取算法进行湖泊提取试验, 并进行精度验证。湖泊提取整体精度达99.10%, F-score为0.982。结果表明: 天宫二号多光谱数据在高原湖泊提取方面具有较强应用潜力, 该数据作为一种有效的数据源, 可推广用于青藏高原地区湖泊提取与变化研究, 为研究区域气候变化提供数据支持。

静止轨道全谱段高光谱成像仪需采用通道分离、视场和机械拼接的方式, 并通过扫描镜摆扫获得宽视场、高空间分辨率的高光谱影像, 若直接拼接, 子视场间不一致的几何变形将使地物光谱信息失真。假设子视场间同名像点坐标的差异是由各子视场内部参数变化引起的, 提出以全景畸变正切改正公式为数学模型的区域网平差方法, 实现像方坐标系内的视场拼接。并在可见光近红外通道4个子视场仿真影像的基础上完成了视场拼接实验, 达到了0.72 pixel的拼接精度。与基于共线条件方程区域网平差的视场拼接方法相比, 该方法精度与其相当, 且算法更简单, 不需要控制点和DEM辅助, 适用于初级影像生产。

高光谱成像探测仪在轨波长漂移和性能衰变是有效载荷在轨长期工作必须解决的问题。利用太阳辐射光谱和大气后向散射辐射光谱中特有的Fraunhofer吸收线可作为星上波长定标的基准。针对波长定标精度需求, 优选出高精度的太阳参考光谱, 用仪器狭缝函数卷积后初选出87条Fraunhofer吸收线, 并分析了由Fraunhofer吸收线分布非均匀性引起的系统误差, 以及由仪器探测能力不同而产生的随机误差。综合最大偏差和RMS, 确定了在满足定标精度优于0.01 nm的条件下, 可用的76条太阳Fraunhofer线的精确位置。该研究为高光谱成像探测载荷在轨高精度波长定标奠定了基础。

热敏电阻型红外探测器是红外地球敏感器的核心元件, 其质量决定整个卫星姿态测量精度。热敏电阻型红外探测器元件制造过程工艺复杂, 技术难点大。由于该类器件的失效主要表现为噪声失效, 因此, 需要研究新的噪声测试方法来剔除失效器件。针对以锰钴镍氧化物作为灵敏元的红外探测器的特点, 在分析其噪声模型的基础上, 研究了不同偏压下噪声测试方法, 并提出了相应测试系统的设计方案。通过测试验证, 该系统本底噪声小于100 nV/Hz1/2,测试精度也满足要求, 可以利用该测试方法进一步剔除存在疑点的探测器, 提高红外探测器筛选有效性。该系统将为热敏电阻型红外探测器不同偏压下噪声筛选提供实验平台, 并为进一步分析和研究不同偏压下噪声变化机理的研究奠定了基础。

针对红外预警卫星的虚警问题, 研究了地球同步轨道红外预警卫星的空间辐射环境。在计算卫星探测谱段内的地球背景辐射特性并将其作为衡量基准的基础上, 分析了空间环境中可能造成红外预警卫星虚警的辐射源, 并对各种空间辐射源在红外预警卫星短波探测谱段2.63～2.83 μm和中波探测谱段4.18～4.50 μm的辐射特性进行了数值计算。结果表明: 太阳直接辐射对卫星探测器的辐照度远大于卫星的背景辐射强度, 应采取规避措施; 红外预警卫星的主要虚警源为月球辐射和近地轨道航天器辐射; 月球辐射的影响主要来自镜头的聚焦作用; 近地轨道航天器辐射的影响发生在红外预警卫星的中波探测谱段, 研究结果可为研究相应的背景抑制及虚警源识别技术提供参考。

基于红外热释电原理的测量方法有测量方便、寿命长、功耗低等优点, 因此, 红外热释电测量气体在城市管网、环境监测等场合的气体测量监控系统中得到了广泛应用。在红外热释电气体测量过程中, 测量结果易受多频段信号的干扰, 直接导致测量精度不高。因此, 提出基于Goertzel算法的红外热释电气体测量方法, 对AD获取的信号进行数字滤波处理。仿真分析并对比Goertzel算法和移动平均算法的滤波效果, 仿真结果表明: Goertzel算法滤波误差为0.166 7%, 测量波动为0.058%, 比移动平均算法精度和稳定度分别提高51倍和18.4倍。最后通过搭建实验系统进行测试, 结果表明: Goertzel滤波算法能有效地提高整体气体浓度测量精度和稳定度, 测量精度能达到±4 ppm左右。

激光等离子体热核与正激波相互作用是复杂激光减阻科学问题中最基本的物理现象。建立了基于激波管和激光能量沉积的实验平台, 利用高精度纹影系统捕捉了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性。实验结果表明: 激光等离子体热核界面变形, 弯曲并最终形成双涡环结构, 展向尺寸迅速增大然后降低并逐渐稳定在7.7 mm左右, 流向尺寸先降低然后在激波离开热核之后以114.3 m/s的速度线性增长, 从微观层面进一步揭示了激光减阻机理, 对等离子体主动流动控制的相关研究具有很好的借鉴参考价值。

为了研究脉冲激光辐照CMOS相机时拍摄图像产生间断现象的原因, 利用1 064 nm脉冲激光对卷帘快门式CMOS相机进行了辐照实验。在获得的图像中观测到了间断现象, 表现为垂直方向上的亮区和暗区, 计算表明各帧图像中暗区的行数为固定值。根据CMOS图像传感器积分方式和扫描机制, 分析了图像间断现象的形成机理为卷帘快门式CMOS存储的不同时性。理论计算结果与实验结果一致, 并理论分析了完全无暗区图像存在的原因。提出了基于多帧间断图像采用拼接手段获得完整连续图像的方法, 得到的图像与直接拍摄图像基本一致。

由于非金属材料对长波红外激光有较强的吸收, CO2 激光常被用于制备PMMA微通道。激光光强呈高斯分布, 导致常规激光静态多程刻蚀法制备的微通道截面为三角形, 无法满足微流体芯片中的实际应用需求。提出了一种激光多程平移刻蚀法, 以首次刻蚀形成的热影响区(HAZ)为界限多程横向重叠平移刻蚀, 可以快速制备出理想梯形截面的高质量微通道。通过与CO2 激光静态多程刻蚀法在横截面、热影响区、表面粗糙度等方面的对比, 结果表明, CO2 激光多程平移刻蚀法制备的PMMA微通道热影响区更小、表面更光滑、横截面更实用。

可调谐半导体激光层析技术可以实现对燃烧流场温度和组分浓度的二维分布测量。提出了一种基于多条吸收谱线组合的燃烧场温度二维重建方法, 该方法利用每条吸收谱线对温度的敏感度不同, 采取优化组合的方式得到每组吸收谱线对最佳的重建温度区域。文中使用四条H2O吸收谱线, 模拟了温度在300~1 500 K范围时高斯分布和随机分布温度二维重建, 比较了采用双线法和多条吸收谱线组合方法的温度重建结果。结果表明: 采用吸收谱线组合方法和双线法的温度重建误差分别为0.039 6和0.095 2, 吸收谱线组合方法可以有效提高重建结果质量。在实际工程应用中, 当可以提前预估流场温度重建范围的情况, 采用文中提出的多条吸收谱线组合方法可以二维重建结果质量。

利用激光光内送粉熔覆技术,在与水平方向成大于90°的仰面基体下表面进行了单道熔覆实验研究。分析了仰角、保护气压力与光粉耦合处粉束直径之间的关系; 研究了仰面姿态下熔覆层的宽度、高度以及熔池的流淌下垂趋势受激光功率、扫描速度的影响规律。研究发现, 光粉耦合处粉束直径随仰角的增大而变大, 随保护气压力的增大而减小。基体仰面与水平姿态下, 工艺参数对熔覆层的宽度、高度的影响规律保持了较好的一致性; 熔池在重力作用下, 激光功率、扫描速度以及仰角的变化对熔覆层高度的影响更加显著; 熔道顶点的偏移随激光功率的减小、扫描速度的增大和仰角的增大而逐渐增小。保持送粉量和离焦量不变, 利用优化后的激光功率、扫描速度, 以及保护气压力, 获得了最大仰角达150°、且具有较好尺寸精度和组织性能的激光熔覆立体成形件。

宽面发射半导体激光器的光谱合束技术对发展高功率直接半导体激光光源具有重要意义。光栅外腔光谱合束基于光栅的波长选择特性和外腔半导体激光技术, 实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的合束输出, 输出光束质量与单个合束单元相当, 而亮度和功率得到很大的提高。基于无输出耦合镜光栅外腔光谱合束结构, 实现了单个半导体激光短阵列的光谱合束, 分析了光谱合束的输出光谱、输出功率和光束质量的特性, 获得了70 A工作电流下40.8 W的连续输出功率, 快轴和慢轴方向的光束质量分别为0.41 mm·mrad和9.16 mm·mrad(包含95％能量), 相应的电光转换效率为38.4％, 亮度高达67.90 MW/(cm2·sr)。

近年来, 随着微机电系统、显微医疗和组织工程等领域技术水平的快速发展, 微操作技术引起了科研界和产业界的广泛关注, 其对于未来的微纳技术的小型化、功能化和集成设备的制造有着至关重要的作用。利用飞秒激光双光子聚合技术加工的微结构, 其尺寸处于微观尺度, 质地较脆、黏着力大、尺度效应显著, 且微结构所受到的表面力逐渐取代重力起主导作用, 以上因素进一步增加了微操作的难度。因此, 一种基于毛细作用的玻璃毛细管吞吐微结构的微操作装置被提出, 利用毛细力将微结构拾取和移动, 再将不同的微结构装配在一起。该方法不仅能将微型原件进行组装, 而且能将不同材料、不同特性的微型器件组装在一起, 形成复杂的混合微结构。

在昼夜观测恒星测量恒星宽光谱成像信号强度的基础上, 首先通过MODTRAN软件结合系统参数、恒星光谱特征研究了宽光谱信标利用Langley法标定大气透过率的标定误差, 据此通过标定恒星成像强度得到了整层大气宽光谱透过率; 然后, 利用大气模式研究了晴朗大气条件下宽光谱大气透过率与激光波段大气透过率的关系, 进一步得到了532 nm和1 064 nm的整层大气透过率; 最后, 将白天时段观测恒星测量的大气透过率与太阳辐射计观测太阳得到的透过率进行了实验对比。结果表明: 两种方法得到的大气透过率时间变化趋势一致、大小相仿。在此基础上开展了整层大气透过率的连续观测, 获得了整层大气透过率的昼夜连续数据、特别是获取了晨昏时段弱湍流时刻的整层大气透过率数据; 文中所开展的工作丰富了整层大气透过率的测量手段, 对地基激光工程研究和应用有促进作用。

依据稀薄随机分布冰晶粒子的激光散射特性, 当球形冰晶粒子分别服从指数、对数正态、Gamma三种不同分布时, 数值计算并分析了0.65、1.31、1.55 μm激光入射下不同稀薄随机冰晶粒子层的微分散射截面随散射角的变化关系。结果表明: 入射激光波长的改变对冰晶粒子层的微分散射截面有一定的影响; 当冰晶粒子服从指数分布时稀薄随机分布冰晶粒子层的微分散射截面最大, 要比其他两个分布大几个数量级; 不同激光波长和冰粒子的尺度分布对稀薄随机分布冰晶粒子层的激光散射特性有较大影响。文中所做的工作为进一步开展地空链路中冰晶粒子云层对激光传输特性的影响研究奠定基础。

为了更好地实现无创、实时、动态的皮肤层析成像, 提高成像信噪比, 需要对反射式激光共聚焦系统性能进行全面的评价。在此引入结构函数进行变尺度波前评价。首先对结构函数的基本数学性质进行了推导, 着重分析了不同尺度的波像差在结构函数中的体现; 之后, 利用数值仿真对Zernike多项式进行了分析, 验证了结构函数对低阶像差的表征能力。由于显微镜在使用时必然需要穿过皮肤组织, 故在检测过程也需要考虑人体组织的影响, 分析了其对系统信噪比的影响; 最后, 对实际显微镜系统的波前进行了分析, 得到系统标校后的信噪比为95.7 dB, 验证了方法的正确性与可行性。通过变尺度评价方法, 可以对无创成像系统进行更加全面的评价, 并可以有效地指导类似设备的检测装调工作。

针对正弦移相干涉(SinPSI)中位相调制无法精确控制的问题, 提出了一种从时域频谱提取波面信息的任意正弦调制SinPSI方法(ASM-SinPSI)。首先,根据SinPSI信号频谱的第一、三个谱峰强度关系确定调制幅度, 并采用空间随机点的方法避免了分母零值的问题, 然后从SinPSI信号的前三个谱峰中获得波面位相的正切数值与符号信息, 最后以反正切计算波面位相。数值仿真表明: 在未知调制信息情况下, ASM-SinPSI的波面位相提取误差为0.016 rad。在调制幅度为1.6、2、2.5、3 rad时的测量实验中, ASM-SinPSI均可精确提取波面位相, 与真实波面偏差的最大值为0.058 7 rad。在1.5~3.5 rad区间内的任意调制幅度下, ASM-SinPSI无需精确预知调制信息即可高精度提取波面位相, 放宽了对移相器的严苛要求。

为实现在单次成像条件下获取图像的光谱偏振信息, 提出了一种基于强度调制的编码孔径测量方法。该方法采用消色差1/ 4波片、多级相位延迟器和检偏器组成的光谱偏振强度调制模块, 将入射光的Stokes参量各元素谱调制到不同的频率上, 利用编码孔径和色散棱镜组成的光谱成像系统对该调制光谱进行压缩编码, 并通过CCD进行探测。利用TwIST算法重构出经调制的光谱信息, 对各个频谱通道进行分离重构出Stokes元素谱。以单一像素点为例, 对入射光强度调制、光谱重构及Stokes参量的解调进行了数值模拟。结果表明: 该方法可实现对稀疏图像的光谱偏振信息的获取, 该过程仅需对图像进行一次测量, 因此具备高速获取能力。

非合作目标在接近的过程中, 将所提取的特征点直接用于相对导航会因特征点数目过多导致计算量大。为减小相对导航的计算量, 需从提取的特征点中选择一个子集用于相对导航。假设所提取的特征点在非合作目标的同平面内,将目标表面特征点选择问题转化为像平面特征点选择。同时, 文中研究了视觉系统的精度因子(DOP), 并利用精度因子与平面特征点构成的面积呈反比的特性, 提出像平面特征点的凸包作为观测量用于相对导航。仿真表明: 将同平面特征点的凸包用于相对导航, 具有较高的精度, 同时能够有效减少特征点数; 计算凸包的时间远小于求解最优PDOP的时间, 能够应用于实时计算。

提出了一种基于深度神经网络的提高材料去除模型精度的策略。提出一种具有特征选择能力的深度学习算法。在机器人抛光的材料去除率模型的基础上, 生成由材料去除率和相应的抛光参数组成的一系列仿真样本。深度学习算法学习了仿真样本和实际样本, 建立了深度学习模型。通过使用所提出的深度学习模型, 根据抛光参数, 估测测试样本的材料去除深度, 并计算估测了测试样本的材料去除深度与实际的测试样本的材料去除深度之间的误差。结果表明: 改进后的模型可以获得比传统模型更高的精度。

为更好地实现地基大口径望远镜库徳光路的集成装调, 在三个层次上对其误差进行分析, 并利用“Brownian Bridge”过程建立了库徳光路误差模型。首先, 基于光径方程分析了库徳光路在大气扰动影响下的光线偏离情况; 其次, 分析了动态误差所引起的光学模糊以及重力作用下的累积印透效应; 最后, 根据“Brownian Bridge”过程, 在充分考虑误差闭合链的情况下, 建立了库徳焦点位置误差的模型。结果表明: 即使在0.4 ℃/m的温差下, 大气扰动也可以引起0.2″左右的偏差, 且与2.3 mm的大气相干长度等效。同时, 由于折光补偿的符号是一致的, 故无法依靠多次测量平均抵消大气扰动的影响。根据改进的误差模型, 库徳焦点的位置误差与基于独立同分布的假设所得的结果相比, 降低了约20%, 即更充分地考虑了误差闭合的情况。

针对当前聚光光伏系统中自动跟踪系统故障率高及跟踪成本大等问题, 提出了一种由线聚焦菲涅耳透镜、反射式二次聚光器和全反射棱锥组成的组合式免跟踪聚光光学系统, 论述了各组成元件的工作原理与设计方法。在光学设计软件Zemax里对该系统进行结构优化与仿真分析, 结果表明, 在俯仰角最大为16°时, 该系统的平均聚光效率为24.1%, 与FRS系统相比提高了18.7%。集成了基于组合式免跟踪聚光光学系统的免跟踪聚光光伏模组, 初步测试结果表明, 该模组在非跟踪状态下光电转换效率最高达到19.6%, 4 h后光电转换效率仍能达到5.9%。

研究了稀疏孔径镜面硬点与边缘传感器布局对稀疏孔径相对位姿控制精度的影响。利用离散孔径镜面几何特性, 建立了一个由7个圆形子孔径组成的主镜模型, 并推导了子孔径间相对位姿控制矩阵。鉴于控制矩阵条件数大这一特点, 采用广义最小二乘法求解, 引入岭估计并给出了控制矩阵误差函数上确界, 分析了128种边缘传感器与硬点布局以及几何距离对控制矩阵条件数的影响。仿真结果表明: 硬点和边缘传感器的几何布局与系数矩阵存在内在联系; 离散孔径相对位姿控制系数矩阵存在严重的复共线现象,法矩阵出现严重病态; 硬点布局与改善系数矩阵病态性弱相关; 在硬点布局一定时, 增大相邻两边缘传感器间距, 控制矩阵条件数明显减小。针对控制矩阵病态问题,采用岭估计通过选择合适的岭参数病态特征得到了有效抑制, 该方法更能有效利用冗余的边缘传感器结构, 实现数据融合并保证测量系统的稳定可靠。

针对单根光线追迹方法在部分偏振光条件下无法对系统进行全面评价的问题, 基于斯托克斯表示法提出了全视场、全口径光线追迹方法, 通过对原有折射与反射穆勒矩阵表达式的优化, 建立入射光偏振度、光线角度等参量与出射光偏振度的解析关系; 理论分析结果表明, 入射角与折射角的差值控制在5.7°以内, 可以有效减少系统对光线偏振度的影响; 依据空间目标成像需求设计了集成微偏振片阵列的偏振成像系统, 成像分辨率500 km处为0.5 m; 采用动态数据交换机制对光学系统进行全视场、全口径光线追迹, 得到系统斯托克斯矢量及偏振度的全视场分布, 实现对系统任意视场偏振度的标定, 提升偏振探测精度。亦可通过任意视场与中心视场偏振度匹配入射光偏振度, 反演目标。

验证SiGe BiCMOS工艺线性器件的单粒子瞬态(Single Event Transient, SET)效应敏感性, 选取典型运算放大器THS4304和稳压器TPS760进行了脉冲激光试验研究。试验中, 通过能量逐渐逼近方法确定了其诱发SET效应的激光阈值能量, 并通过逐点扫描的办法分析了器件内部单粒子效应敏感区域, 并在此基础上分析了脉冲激光能量与SET脉冲的相互关系, 获得了单粒子效应截面, 为SiGe BiCMOS工艺器件在卫星电子系统的筛选应用以及抗辐射加固设计提供数据参考。

为获得高衍射效率、高消光比、宽带宽及大角度容差的光栅结构, 提出了一种在近红外波长区域工作的倒梯形双层金属光栅结构的偏振分束器。该结构引入了一层高折射率介质层, 并且将光栅区的光刻胶斜切成倒梯形结构, 新的设计增大了光栅的透射效率和消光比。使用严格耦合波分析方法, 模拟和优化了偏振分束器的结构参数。结果表明, 横磁波及横电波在1 290~1 840 nm波长范围内的透射效率和反射效率分别超过97％和95%。透射和反射的最大消光比分别为33 dB和53 dB。在波长为1 550 nm, 入射角为-40°~40°时, 光栅的透射和反射消光比都大于22 dB, 达到了高性能偏振分束器的要求。相较于双层金属矩形光栅, 所提出的倒梯形双层金属结构表现出更高的透射性与反射性, 同时具有更好的设计灵活性。

激光回馈技术灵敏度高, 并且无须配合靶镜就能够测量诸如黑色、粗糙的目标的位移或形变。为了消除环境(气压、地基震动、温度漂移等)对测量精度的影响, 设计、构建了稳定的微片正交偏振激光器, 采用半导体激光器泵浦微片; 搭建了包括光学、电路的完整的正交回馈干涉仪系统, 系统工作稳定, 实现了远距离处测量。这一系统能有效地减小环境对测量的影响, 提高激光回馈干涉仪的精度。

提出并设计了一种基片式多纵模拍频光纤激光位移传感器, 利用谐振腔中不同模式之间的拍频信号实现传感, 可以监测物体微小位移。该传感器采用应变传感基片结构, 有效对光纤进行保护, 并能缓冲拉伸和压缩带来的形变, 增加传感器灵敏度。同时在原有多纵模拍频光纤激光器的基础上进行了改进, 使系统获得更高的信噪比。阐述了多纵模拍频传感器的测量原理, 设计制作应变片并搭建实验平台。实验选取4个不同拍频信号作为传感信号, 实验数据表明: 在0～30 mm范围内, 频率漂移基本呈线性变化, 线性拟合度最高可以达到0.999 4, 这与理论推导结果一致。由于拉伸平台的拉伸精度限制, 该传感器的测量精度为1×10-3 mm。经过反复实验表明, 该传感器具有良好的稳定性。

可见光多输入多输出(MIMO)通信中空时分组编码能够获得较高的分集增益, 但是其有效性较差, 空间调制编码能够提高系统的频谱利用率但其可靠性较差。因此结合空时分组编码和空间调制编码的优势设计出空时分组-空间调制(STBC-SM)级联编码应用到可见光MIMO通信系统中, 根据朗伯光源衰减特性建立了可见光室内传输信道模型, 并对系统有效性及可靠性进行了仿真验证。结果表明在确保原有效性和相同误码率前提下, STBC-SM级联编码的可靠性较SM提高了5~8 dB,在确保原可靠性的前提下, STBC-SM级联编码的有效性较STBC提高了。表明文中设计的级联编码可有效的解决通信系统中有效性与可靠性的矛盾问题, 为研究室内可见光MIMO通信提供了很好的理论意义。

为实现海水中痕量多环芳烃 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)的现场快速、高灵敏度检测, 研制了便携式高灵敏度表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS)传感器, 将倒置的望远镜结构应用于外置光路模块, 使光路的效率提高到商业化光纤拉曼探头的3.7倍, 光路全长约120 mm, 系统尺寸为350 mm×300 mm×180 mm, 质量约15 kg, 功耗约30 W, 满足现场探测便携式的要求。利用该传感器对青岛岸边海水中PAHs进行现场检测, 发现了萘、菲、■、苯并(k)荧蒽、苯并（b）荧蒽、苯并（a）芘等的信号, 检测结果得到气相色谱(Gas Chromatography, GC)的证实, 且检测到GC法难以检测到的易挥发性物质萘。对青岛近海石老人海域和麦岛海域的现场船载检测发现: 石老人海域随离岸距离的增加, PAHs种类和含量分布稳定; 麦岛海域PAHs随离岸距离的增加, 种类和含量均明显减少。结果表明, 自主研发的SERS传感器具有便携、快速、高灵敏度的特点, 可为近岸海域有机污染物PAHs的监测提供依据。

针对水中气泡与固体悬浮微粒不易区分的问题, 提出了一种基于Zernike矩与灰度计算的水下光学气泡图像识别方法。该方法主要分为图像划分、图像预处理和特征提取三个步骤。首先, 获取水下悬浮微粒的图像, 从中划分出单个气泡并选取部分样本; 为了更好地提取与表示气泡轮廓与灰度特征, 然后采用图像预处理方法增强气泡边缘特征, 选择并构建气泡特征库; 最后, 采用Zernike矩计算悬浮微粒特征的相似度, 区分圆形微粒与非圆形微粒, 之后计算微粒中心与灰度变化趋势, 辨别气泡与固体悬浮微粒。实验结果表明, 在测试数据集上的气泡识别准确率达到94%。该方法不仅能够辨别圆形与非圆形微粒, 而且能够融合灰度梯度计算方法以获取更好的结果。该方法从形状与灰度两个方面提取与辨别目标的特征信息, 提高了气泡识别精度, 具有较高的精确性与适用性。

针对红外复杂背景下的弱小目标检测难题, 提出一种基于背景自适应的多特征融合的复杂背景下弱小目标的检测算法。首先, 通过对红外图像进行空域滤波去除孤立噪声点, 并利用恒虚警率分割消除大面积平稳背景, 获得疑似目标集。然后融合红外图像的背景信息、弱小运动目标的灰度特征、目标与周围像素的方向梯度特征等多个典型特征, 消除疑似目标集中的大部分假目标, 最后运用运动特征获取真实目标的轨迹, 最终实现复杂背景下的红外弱小目标的检测。实验表明: 该算法能实现复杂背景下低信噪比的红外弱小目标快速检测, 具有检测概率高, 算法速度快, 鲁棒性好的特点。

目标跟踪技术是一项富有挑战性的研究课题, 在红外成像搜索、红外精确制导、智能监控、运动识别等领域有着广泛的应用。文中提出了一种基于稀疏表示多子模板的鲁棒目标跟踪算法。首先, 提出一种基于自适应辨别信息的子模板选择方法, 最大限度地捕捉目标的结构信息, 提高模板子块的整体描述; 针对直方图对光照敏感的缺点, 引入了稀疏表示理论对子模板进行描述, 提高模板子块的表达能力和适应能力; 其次通过构造表决图的形式对目标位置进行表决和融合决策; 最后设计了一种动态的子模板更新策略, 来有效地应对目标外观模型的变化。在大量测试图像序列中的仿真实验表明, 文中所提算法可以有效应对形变、光照变化、部分遮挡、完全遮挡以及虚假目标干扰和背景干扰, 具有较高的鲁棒性。

合成孔径激光雷达(SAL)能够实现远距离目标的精细成像。由于SAL基于距离多普勒原理成像, 将地面场景映射到成像平面上会引起高程信息的丢失。提出了一种基于距离向扫描的SAL目标三维重建方法, 通过距离向扫描体制SAL得到一定扫描角度范围内的多条合成孔径图像, 利用相邻条带图像目标的重叠成像实现三维重建。基于TerraSAR图像仿真计算结果表明: 距离向扫描体制SAL可以实现目标的三维重建。

为了提高末敏弹在复杂战场环境下对地面装甲目标的识别概率, 提出了一种用于弹载线阵激光成像雷达的目标提取方法, 结合末敏弹边旋转边下降的稳态运动特点, 实现了线阵列激光雷达对扫描区域的三维点云成像。首先通过对点云中高度数据分析, 提出了基于高度与梯度的组合阈值分割算法, 实现了地面背景的快速分割; 然后利用坐标变换, 对有坡度的地面进行调整, 并通过典型装甲目标的几何尺寸自动获取种子点进行区域增长分割; 最后利用最小外接矩形特征获取目标的几何信息, 由目标的几何特征实现装甲目标的提取。仿真结果表明: 此方法可以实现线阵列激光雷达在50~120 m高度下对地面装甲目标的准确提取, 从而为新型末敏弹目标探测提供技术支撑。

多线激光雷达具有成本低、体积小、能直接获取场景地物表面的三维点云数据等优点, 已被广泛应用在无人驾驶、移动测量、机器人等领域。为减少遮挡, 提高点云密度, 两个或多个激光雷达常被集成在一起, 互为补充。不同激光雷达的安装位置和姿态不同, 要融合激光雷达的点云数据, 关键在于对激光雷达之间相对位置关系的检校。为检校激光雷达之间的相互位置关系, 提出了基于共面约束的检校算法。算法要求不同的激光雷达同时扫到相同的平面, 利用平面在不同坐标系下的对应关系求解激光雷达之间的相互位置关系, 并结合Levenberg-Marquardt (L-M)优化算法, 提高检校精度。该算法操作简单、通用性强、检校精度高。