针对深海环境下通过视觉方法难以实现地貌的大范围、高精度三维重建的问题, 提出一种基于“蛟龙号”载人潜水器的线结构光法深海地貌三维重建视觉传感器的设计方案。根据线结构光三维重建的原理, 首先改进了Steger算法, 实现了快速、精准的激光条纹中心线提取; 然后利用直接标定法求解出地形特征的二维空间坐标, 并克服了图像畸变对重建的影响; 再将获得的二维点云与多传感器数据融合, 跟随潜水器坐标实时计算偏移量, 并根据传感器位姿变化对图像矫正, 最终获得地貌的三维点云数据。根据重建原理设计了视觉传感器的软硬件系统, 并搭建了实验模拟平台来验证方案的可行性。通过水下实验可以实现对模拟地貌的完整重建, 精度达到96.9%, 符合重建要求。

针对航空、航天、船舶等制造领域大构件形貌测量的大量程、高数据密度、高效率、结构复杂等特点, 研究了一种融合光电扫描全局定位和终端形貌测量技术的大构件高分辨率几何形貌整体测量方法。通过条纹投影摄影测量系统在构件局部表面投射相位条纹, 获取高精度稠密点云, 设计了位姿测量算法, 解决了复杂现场不满足交会条件时无法实现位姿测量的问题, 在室内空间测量定位系统(workshop Measurement Positioning System, wMPS)组建的全局测量网络体系中, 对条纹投影摄影测量系统进行全局定位。从而在不依赖软件拼接算法的情况下, 通过数据融合完成了大构件整体形貌测量。实验结果表明: 该系统的点云密度为50点/mm2, 整体测量精度可达0.22 mm。

扫码移动支付存在的安全漏洞已成为电子支付安全迫切需要解决的问题。提出了一种基于三维成像技术的安全二维码系统。首先, 利用集成成像技术生成三维数字水印, 作为商家标识; 其次, 对标识进行基于身份的数字签名; 再次, 在菲涅耳域, 利用安全二维码系统把携带有签名信息的三维数字水印, 经过压缩编码后隐藏到二维码中。最后, 用户扫码识别并提取出隐秘数据, 同时验证签名信息, 如果验证通过, 计算重构并显示出三维数字水印图像, 经用户鉴别后确认是否支付, 完成双向认证过程。实验结果表明, 采用基于身份的数字签名技术可以有效地防止三维数字水印被篡改、伪造、无正当理由式否认等情况。所提方法不仅增强了扫码移动支付的安全性, 而且提高了系统的实时性和便捷性。多个系统参数组合作为密钥, 有效地增加了密钥维度, 拓宽了密钥空间, 增加了攻击的难度, 提高了系统安全性与稳健性。双向认证可信的扫码支付既确保了用户个人资金的安全, 也维护了商家的信誉和财产安全。

三维扫描激光雷达能够主动获取目标的三维信息, 其高速数据采集与传输是三维实时成像的技术瓶颈之一。自主设计一款地基三维扫描激光雷达系统, 利用数据采集与控制系统实现点云三维成像。激光雷达系统硬件设计包括发射与接收单元、测距单元和扫描单元, 用于获取目标的三维点云数据。激光雷达系统软件设计包括上位机程序、下位机程序和USB固件程序设计, 实现点云数据从下位机到上位机的采集、传输和存储, 及上位机数据解析和实时成像。通过多个场景实验, 结果显示三维扫描激光雷达系统具有厘米级别的测距误差, 可以实现三维实时成像。

飞行器在大气层中高速飞行时, 气动加热, 光学窗口与外部气流相互作用形成了复杂的流场结构。其折射率分布无规则、不均匀, 很难准确得到光线的传播路径。为此, 提出三种四阶精度方法的光线追迹方案, 通过与螺旋光线解析解结果进行对比, 发现四阶Runge-Kutta方法光线追迹过程中最大相对误差为1.6×10-8, Richardson外推法为1.2×10-8, Adams线性多步法为1.2×10-11, 确定Adams线性多步法是可用于光线追迹的高精度、高速的方法。基于多项式拟合的任意点插值方法可以获得比距离反比法更高的折射率场插值精度。并将该方法运用在导弹的光学窗口附近流场引起的波前畸变的计算, 对计算结果进行了对比, 结果表明Adams线性多步法以Runge-Kutta方法起步, 但Admas方法没有忽略前一步的计算结果, 不会带来误差的累积, 所以结果更接近真实解, 而Richardson外推方法算出的光程差大小与其他两种方法明显不同。

栅格标准样板作为微纳米几何量量值溯源体系中的重要组成部分, 是纳米科技发展的基础保障。为了实现微纳米尺寸栅格结构有效区域的快速循迹与校准, 文中设计了一种便于快速定位有效区域并栅格结构正交扫描方向的循迹结构。为了实现不同精度、尺寸范围的校准需求, 在同一基板上实现了多维、多参数的横向栅格标准样板的结构设计与集成。使用计量型纳米测量机（NMM）对微纳米栅格标准样板测量误差进行了分析与评价, 以实现标准样板的溯源性表征。实验结果表明, 栅格标准样板具有良好的均匀性、准确性以及稳定性, 验证了研制的栅格标准样板能作为一种理想的实物标准运用于纳米几何量量值溯源体系。

红外诱饵会引偏导引头光轴指向、迫使制导信息出现阶跃跳变, 从而降低导弹制导精度。为探究制导信息跳变缘由, 建立了基于跳变视线角速度的脉冲叠加模型。首先, 基于红外导引头识别原理, 分析了视线角速度变化特征, 初步建立了视线角速度跳变模型; 通过大量仿真分析, 确定了影响跳变特性的影响因子集; 同时, 利用Morris灵敏度分析法筛选跳变模型的解释变量, 进而降低了模型复杂度; 基于各解释变量的作用, 引入逐步回归分析法求解跳变模型的回归参数。最后通过典型对抗态势下的预测结果对跳变模型的泛化能力进行了验证, 实验结果表明该模型对于跳变时刻及跳变强度的预测精度可达10-2 s及10 (°)/s。

为了精准研究舰载红外系统在海雾条件下的探测能力, 提高舰载防御系统在复杂条件下的作战使用效率, 在对红外系统工作原理和实际装备使用情况进行深入调查研究的基础上, 提出了以“两步计算法”来求取舰载红外系统在海雾中的有效探测距离。首先, 根据海雾强度水平先行求出红外传感器的理论探测距离, 然后对探测能力指数进行了定义并根据计算结果判断是否需要用探测能力指数二次计算有效探测距离。探测能力指数模型综合考虑了人、海洋环境和设备三方交互影响的因素, 以判断矩阵合理确定各方权重, 较好地解决了单纯依靠海雾信息进行计算而出现的失灵问题。

航空复合材料内部缺陷的存在严重威胁着飞行安全。以航空碳纤维复合材料层合板为检测对象, 利用激光作为红外热成像检测技术的热激励源, 充分利用激光的远距离精准加热、高功率密度等优点, 实现对复合材料内部分层缺陷的定位检测。利用激光红外热成像技术对缺陷试件和参考试件进行多次差动检测, 并且依据试件与热像仪的空间位置关系, 选择温差最大时刻计算内部分层缺陷的直径。实验结果表明: 激光红外热成像技术可有效检测航空碳纤维复合材料内部分层缺陷。同时, 首次使用的差动式激光红外方法可有效消除激光能量分布不均对检测结果带来的影响, 使缺陷成像结果更清晰。

为了实现低频水表面声波振幅准确探测和时变声信号的跟踪识别, 提出了一种基于相位解调的激光干涉探测方法。该方法在参考光路中引入高频载波, 利用相位生成载波技术的反正切解调算法, 并结合高频载波初相位和调制深度的测定, 可实现水表面声波的准确识别。在实验室环境下搭建了一套水表面声波探测系统, 实验结果表明: 该方法对水表面声波微振幅的测量重复性不超过1 nm。同时该系统能够实时跟踪水下声源的变化, 对幅度受到正弦调制的水下声源信号进行了水表面声波振幅检测, 实验结果证明了该方法识别时变声信号的正确性。

塑料光纤(Plastic Optical Fiber, POF)纤芯散射点的形状和大小尺寸控制对基于半导体激光器(LD)和侧面发光POF的LCD背光源设计具有重要意义。研究了一种表面无损伤的POF纤芯散射点的激光打标方法, 基于非成像光学的边缘光线原理分析了激光打标制作POF纤芯散射点的二次聚焦过程, 推导出激光侧面入射在POF上表面时的焦点坐标的表达式计算式。实验研究了1.06 滋m波长激光在POF纤芯制作打标散射点时, 激光光束半径(打标聚焦透镜高度)、激光功率和重复打标次数对POF散射点形状和体积尺寸的影响。纤芯内散射点的检测采用650 nm激光的散射光相对光强分布进行检测, 通过显微照片的对比判断散射点的形状和尺寸。实验结果表明, POF纤芯散射点的形状决定于激光光束半径(打标聚焦透镜高度), 当聚焦透镜高度激光光束半径为束腰半径透镜焦距时, 可以得到光纤径向细而长的条散射点; 。当聚焦透镜高度小于聚焦透镜焦距时, 在POF上下两个表面附近形成漏斗状散射点。而随着激光功率增大和重复打标次数增加, 散射点的体积尺寸随着增加。单次打标时POF的激光损伤阈值约为80 W/mm2, 而要使POF散射点具有稳定的细长条状, 激光功率密度应大于140 W/mm2。

在原子干涉仪、原子陀螺仪等精密测量的领域中, 最基本也是最重要的一步就获得冷原子, 而当实验需要连续和高重复性的测量时, 对于冷原子的装载就会要求有更快的速率。为了能更快的装载冷原子, 就需要一束高通量、低速的冷原子束。在实验上实现了87Rb原子的二维冷却磁光阱(2D-MOT)的冷原子束, 其对3D-MOT的装载率为2.8×109 atoms/s。该系统基于87Rb原子2D-MOT+push beam方案, 选择了红失谐为20 MHz功率为50 mW的两束入射冷却光, 在冷却光入射到真空腔之前使用扩束系统将其光斑扩束成短轴为25 mm、长轴为75 mm的椭圆形光斑, 在冷却光入射真空腔之后在真空腔的另一端用镀了四分之一波片膜的反射镜来得到对射的激光。

研究了直径尺度为50 μm的片状石墨, 在不同激光能量密度的辐照下, 原位生成纳米粒状石墨的微观结构及形貌, 初步探讨了激光辐照参数与微米石墨原位生成纳米石墨之间的规律。采用高分辨透射电镜（HRTEM)、扫描电子显微镜（SEM)和X射线衍射(XRD)对制备的纳米石墨的晶体结构及显微形貌进行了测试、分析。试验结果表明: 在激光能量密度为5.00 kJ/cm2时, 试样由微米片状石墨原位生成分散性较好的、平均粒径为245 nm的球状石墨; 在激光能量密度提高到6.25 kJ/cm2时, 样品原位生成双向生长的椭球状石墨, 有团聚现象产生, 平均粒径为240 nm; 在激光能量密度达到12.50 kJ/cm2时, 微米片状石墨转变成大量的球状石墨, 平均粒径为61.5 nm; 在激光能量密度继续增加到13.75 kJ/cm2时, 产物呈现小颗粒附着在大颗粒上的现象, 粒径范围为150～500 nm, 平均粒径达280 nm。

基于600 mm口径的某激光发射系统, 提出了一种卷帘覆盖压紧式密封方法, 卷帘采用卷曲收放结构, 通过电机驱动卷轴转动带动同步带运动, 同时利用弹性拉紧机构拉紧卷帘, 使卷帘在收放运动过程中一直保持紧贴密封平面来达到密封效果。通过理论分析与有限元建模仿真, 对其密封特性进行了分析, 得出密封平面的结构形式是影响密封性能的主要因素。通过分析比较, 选取PVC作为卷帘材料。设计的结构为密封凸起平面形式, 卷帘厚度为0.5 mm, 结构边缘带有30°倒角。对其密封特性进行有限元仿真分析, 得出卷帘中心挠度为6.269 mm。在设计指标所允许的的极限载荷下卷帘所受应力远小于材料拉伸强度, 不会破坏。满足密封要求。

激光位移计常用于桥梁结构形变的在线监测, 对使用中的激光位移计进行在线校准, 是确保桥梁监测系统量值准确的关键。由于传感器间采样频率和时滞特征的差异, 被校准传感器的测值序列与参考值序列常常存在较大的位置偏差, 对传感器的在线校准结果产生较大的影响。为此, 提出了一种基于特征点分段的数据序列匹配方法。以简支梁模型桥实验数据为基础, 进行了激光位移计的数据匹配实验验证, 通过对两组数据序列进行特征点定位、分段及量值匹配, 解决了传统匹配方法中出现的数据错位问题。实验结果表明, 该算法对传感器采样频率偏移有较好的适应性, 针对不同场景的匹配准确率能保持在98%以上。

光束横截面内偏振态分布均匀性是影响径向偏振光光束质量及其实际应用的关键因素。通过PBS测量法、狭缝法和S波片法三种方法对径向偏振光偏振纯度进行测量和对比, 分析了径向偏振光偏振态在横截面内分布均匀性。在PBS测量法和狭缝法测量径向偏振光过程中, 给出了径向偏振光纯度表达式, 分别测得径向偏振光纯度为93.4%和84.1%, 并引入方差公式评价径向偏振光偏振态分布均匀特性。其中PBS测量法表达径向偏振光纯度更为准确, 狭缝法可以通过比较不同区域偏振度更精确地反映径向偏振光偏振态分布特性。S波片法可以使用市场现有偏振分析仪间接测量径向偏振光纯度, 更适应于测量径向偏振光在放大过程中偏振态变化情况。

为了实现pF量级小电容的精密测量, 建立了基于激光锁定Fabry-Perot干涉仪的精密电容测量系统。对该系统所采用的计算电容原理、激光锁定干涉仪方法及其整数级次确定方法进行了研究。首先, 根据Lampard和Thompson电学基本原理介绍了Fabry-Perot干涉仪的结构与工作方式, 采用一种锁定干涉仪测量位移的方法。其次, 介绍了Fabry-Perot干涉仪的光路设计, 详细分析了干涉仪锁定控制系统的工作状态以及锁定状态下干涉仪腔长的抖动情况。通过分析利用电容值确定干涉仪整数级次变化的可行性, 提出了基于1 pF标准电容器确定Fabry-Perot干涉仪整数级次的实验过程。最后, 介绍了Fabry-Perot锁定干涉仪的台阶式位移过程以及利用该套系统测量电容的重复性。实验结果表明: Fabry-Perot干涉仪在锁定状态下, 腔长抖动峰峰值为0.4 nm, 测量1 pF标准电容器重复性达到5.0×10-9。

针对位姿求解过程中存在的解不唯一、选解难和解的精度不高等问题, 提出一种基于点特征的单目视觉位姿测量算法。首先, 根据共面4个特征点之间的位置关系, 分别对平行和相交两种情况进行分析; 其次, 根据特征点的空间坐标、图像坐标和空间位置关系, 推导出世界坐标系中3个坐标轴上的向量变换到摄像机坐标系中的单位向量, 进而求解出物体相对于摄像机的初始位姿; 最后,用LM算法对初始位姿进行优化, 得到最终位姿。实验结果表明: 文中算法的合成误差为0.54 mm; 现有的EPnP算法、两点一线算法和P3P算法的合成误差分别为1.28、1.52和4.26 mm; 文中算法的合成误差分别减小了57.8%、64.4%和87.3%, 优于现有的EPnP算法、两点一线算法和P3P算法。

为实现对样品的双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF)的测量, 设计了一种少光线遮拦、大回转半径和高定位精度的测量装置。根据测量空间和角度需要, 设计了大回转半径(1.3 m)的方位圆环轨道和天顶弧形轨道。轨道外侧安装同步齿形带, 采用伺服电机驱动带轮分别实现两个方向的运动。安装在天顶弧形轨道的探测器对位于装置中心的样品在方位角±180°, 天顶角±75°范围内进行探测。为避免在大尺寸结构下的运动卡滞, 设计了基于弹簧预紧的防卡死机构, 并对机构引入的指向精度进行误差分析, 最后对测量装置的指向精度进行了测量。实验结果表明: BRDF测量装置方位轨道指向精度优于0.147°, 天顶轨道指向精度优于0.358°, 测量结果与分析结果相符, 验证了所设计的BRDF测量装置能够满足指标要求。

通过Li-7500分析仪对小型化大气CO2探测系统进行标定和误差分析。首先, 依据4天的测量数据标定CO2体积比浓度, 系统采集的吸收度与Li-7500 CO2分析仪测量的CO2体积比浓度满足线性关系, 得到的CO2体积比浓度标定系数一致性较好; 其次, 利用平均后的数据对系统标定, 反演得到的CO2体积比浓度相对误差绝对值小于2.0%, 与Li-7500 CO2分析仪数据相关性系数大于0.9, 充分表明了系统的稳定性和可靠性; 最后, 根据温度变化对大气传输效应的影响, 分析了合肥市科学岛近地面CO2的昼夜变化特征, 结果表明近地面CO2体积比浓度变化与温度变化有较强的负相关性。综上证明了标定结果的准确性, 为后续测量CO2垂直分布廓线提供了数据支持。

利用计算机视觉进行姿态测量的方法已广泛应用于现代控制、导航、跟踪等多个领域中。研究并设计了一种基于P4P矩形分布的平面靶标和EPNP算法结合的单目视觉姿态测量方法。首先, 利用单相机获取平面靶标图像, 经图像处理后得到四个特征点的像素坐标, 并使用EPNP算法进行姿态解算; 其次, 对姿态角测量误差进行了仿真分析,为提高姿态测量精度提供了理论指导和依据; 最后, 提出一种与高精度二维转台结合的坐标系配准方法, 利用该方法对三个方向姿态角精度进行验证。实验结果表明: 当绕x和y轴的转动角度在[-6°, 6°]时, 姿态测量误差小于0.1°, 可以满足测量应用需求。

延迟器作为改变光信号偏振态的一种重要光学器件, 具有高偏振变换精度、低成本、算法简单等特点, 利用一个1/4波片和一个1/2波片组合可实现对径向矢量光场偏振调制的新方法, 采用Jones矩阵算法分析了双波片的调制机理, 将光场的偏振演化规律在庞加莱球上表示, 并通过实验验证理论分析的正确性, 研究结果表明: 双延迟器结构可实现对径向矢量光场的复杂偏振调控, 并获得光强均匀分布、偏振态有规律分布的矢量光束。

可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)技术是一种具有高灵敏度、高分辨率的气体吸收光谱检测技术, 具有响应快、精度高、单模特性优秀、通用性强等优势。TDLAS直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度, 但容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等影响。TDLAS波长调制法采用高频正弦信号对激光器进行调制, 使得激光输出频率和强度同时受到调制, 具有高信噪比和灵敏度的特点, 但是需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体参数。因此, 通过吸收光谱理论和波长调制理论, 推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式, 并在此基础上分析谐波信号与待测气体绝对吸收强度之间的关系, 建立了一种基于谐波信号的绝对吸收强度测量算法。以NH3分子在1 531 nm附近的谱线为例进行数值分析, 发现调制幅度达到a=0.032 cm-1(调制系数m=2)时, 仿真结果与理论计算结果(a=0)相对误差不超过2%, 进一步验证了算法的可靠性与准确性。

三点测量圆度误差分离技术被广泛应用于工件形状的圆度误差和电机旋转的回转误差的分离算法中。而圆度误差能得以准确分离的关键在于合理配置三个位移传感器测头的安装角度, 从而避免传递函数的分母为零的情况出现。然而, 在具体实施过程中, 位移传感器测头的角度安装误差是必然存在的, 这就使得分析这一角度安装误差带来的影响变得尤为重要。基于经典的三点测量法模型, 提出一种新的分析位移传感器测头的角度安装误差的模型。以三点测量法圆度测量中的圆径结果为目标, 根据实际工况下的各种参数设置, 定量分析了位移传感器测头的角度安装误差对最终结果的影响程度。最后, 使用电容位移传感器开展工件外圆的圆径测量实验研究, 确认了文中误差分析的有效性, 圆径测量的重复性精度可以达到2 滋m以下。

基于离轴三反的前置望远系统, 结合分振幅同时偏振成像技术, 设计了一种运用于卫星平台环境的高空间分辨率的同时偏振成像仪, 能同时获取目标的斯托克斯偏振参数, 为抑制海面耀光、海雾、大气辐射等干扰, 提升探测目标对比度提供了一种有效手段, 在进行动态目标探测方面具有明显优势。并以光学设计为输入进行详细结构设计。最后通过实验室整机性能测试, 仪器的工作谱段500~700 nm, 视场角8.5°×0.1°, 空间分辨率为5 m@500 km, 光学MTF>0.4@71.4 lp/mm, 在高度角30°、反射率0.2的条件下, 信噪比优于38 dB, 偏振测量精度优于1%(P≤0.3),整机一阶模态195 Hz, 结构能够承受发射时严苛的力学环境, 具备良好的强度和刚度。整机性能满足实际使用需求。

光纤传像模块是大视场天基望远镜关键部件之一, 其支撑结构的刚度特性对于物镜的工作寿命有至关重要的影响。为了在振动载荷作用下, 在保证物镜寿命的同时降低支撑结构的重量, 在拓扑优化的基础上, 以光学玻璃惰性强度和结构基频为优化约束对光纤传像模块支撑结构进行了优化。首先, 阐述了光学元件惰性强度的计算方法并确定了优化过程中耦合光纤的同心物镜惰性强度的边界值; 其次, 根据系统参数确定了光纤束的布局并设计了初始支撑结构; 最后, 在拓扑优化的基础上, 建立了以耦合光纤的同心物镜惰性强度和支撑结构基频为优化约束的集成优化模型, 并利用isight集成优化平台进行了计算。计算结果表明: 在满足优化约束的情况下, 优化后的质量降低了11.4%, 取得了明显的减重效果。提出的优化方法为物镜与光纤束耦合类的光机结构设计提供了参考。

主镜支撑技术一直是大口径望远镜技术的关键技术, 以2 m SiC轻量化主镜为研究对象, 探究了通过力矩校正的半主动支撑方法, 用于校正一些由于加工误差、装配误差等因素引起的一些不可预知的因素所导致的低阶波前像差。首先建立有限元仿真模型, 进行仿真分析, 分别在6处Tripod柔铰处施加两个方向正交的, 大小为1 Nmm的单位校正力Mx和My, 共分析12种工况下的主镜变形情况; 然后利用微小变形的线性叠加原理, 分析计算该力矩校正方法对低阶波前像差的校正能力, 由分析计算可知, 该力矩校正方法对于加工、装配及装调过程中最常出现的倾斜和像散具有很好的校正能力, 可以将初始镜面RMS值归一化为1/10λ(λ=632.8 nm)的像差, 分别校正到0.687 nm和2.97 nm, 校正能力分别为98.9%和95.3%, 所需的最大校正力矩分别为6.3 Nmm和19.9 Nmm; 然后根据主镜的whiffletree支撑结构, 设计了力矩校正结构方案; 最后通过试验验证柔性薄片力矩校正结构形式的可行性, 进而验证半主动支撑力矩校正方案的可行性, 为半主动支撑的工程应用积累了一定的宝贵经验, 具有一定的指导意义。

为准确方便获取4个波长相关的斯托克斯参量, 可采用强度调制型偏振光谱成像技术, 从偏振光谱强度调制理论与傅里叶变换解调方法入手分析推导计算了偏振光谱信息的复原过程, 据此得到了系统的基本结构。以模块化设计的思路分别设计了光谱部分光学系统的前置望远物镜及Offner分光系统, 设计结果实现了在400~1 000 nm谱段光谱分辨率1.24 nm, 并结合光谱系统参数匹配设计完成了前端偏振光谱调制模块, 给出了一套完整的设计实例。最后通过实验验证了偏振光谱调制模块设计的合理性与傅里叶变换解调方法的可行性, 为偏振光谱信息复原奠定了基础。

移相器是一种常用的集成光学结构, 其相移值的波长相关性决定了移相器的工作波长范围。针对移相器的波长相关性, 文中对两种集成光学移相器设计方案(长度差方案和折射率差方案)所设计的二氧化硅基集成光学移相器进行了实验研究。在马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的两干涉臂之间, 采用两种移相方案分别设计制作180°移相器, 通过测试MZI的插入损耗与波长的依赖关系对两种移相器的波长相关性进行了比较。研究结果显示, 折射率差方案所设计移相器的工作波长范围大约是长度差方案的1.8~1.9倍。这一实验结果与理论计算吻合, 证明了折射率差方案设计的移相器的相移值波长相关性更小, 因而具有更宽的工作波长范围。

在连续光全光纤光学参量振荡器(FOPO)中, 目前主要利用可调滤波器(TBPF)等高插入损耗的滤波器件进行边带光输出波长的调谐, 这种方式所引起的高环形腔损耗限制了FOPO输出性能的进一步提升。为解决此问题, 提出了基于多模干涉(MMI)滤波器的低腔损耗可调谐连续光FOPO。通过选取不同长度和纤芯尺寸的多模光纤制作级联单模-多模-单模光纤(SMS)作为滤波器件, 使其在选定波长处的插入损耗小于1 dB, FOPO环形腔的总损耗不大于5 dB, 并通过对SMS器件施加轴向拉力的方式调节滤波器件的透射谱, 实现了1 494~1 501 nm和1 638~1 629 nm范围内的双边带可调谐连续光输出。

设计出一种结构新颖的宽波段太赫兹偏振分束器, 这种偏振分束器由夹层式亚波长金属光栅制成。亚波长金属光栅偏振分束器可以将入射的任意自然光分成两束偏振状态垂直的线偏振光。其中, TE模反射而TM模透射。设计的偏振分束器在3.5~5.5 THz波段可以达到很高的衍射效率与消光比。但是, 在光栅的实际制作过程中, 加工技术的缺陷引起的误差大大影响了光栅的性能, 比如衍射效率, 消光比等。因此文中对一些结构参数进行了计算, 从计算结果可以看出这种偏振分束器也有很好的工艺容差。当覆盖层厚度D1与底层介质厚度D3的变化范围分别为1~1.2 滋m和 2.8~3 滋m时, T■■大于96.9%, R■■大于98.7%。Tc和Rc分别大于31 dB和33.4 dB。结果显示, 设计的偏振分束器在2 THz的带宽10°的大角度范围内, 衍射效率高于90%, 消光比大于20 dB。因此文中设计对于太赫兹调制器件的研究, 以及太赫兹通信系统的集成都有很大的参考价值。

基于激光冷却与囚禁原理的原子阱痕量分析技术, 可以对氪的放射性同位素进行高灵敏度检测, 在地球物理与环境科学领域具有广泛应用。塞曼减速器可用于产生连续低速的原子束流, 是原子阱痕量分析系统中的关键部件之一。采用永磁体设计的塞曼减速器组装和调试方便, 磁场强度稳定, 且不需要恒流电源和冷却装置, 因此获得了越来越多的关注和研究。文中基于环形永磁体设计了一种用于氪原子的塞曼减速器, 通过有限元分析得到了减速器磁场的空间分布, 根据设计参数制造了环形永磁体塞曼减速器, 测量了轴线上的磁场分布。减速器长度51.2 cm, 有效减速区域长度46.9 cm, 实测磁场与理论减速磁场最大偏差小于3.6 G, 平均偏差1.3 G。进一步模拟了原子束流在设计磁场和实测磁场下的减速过程, 并分析了磁场的径向变化对于原子束流减速的影响规律, 结果表明: 当原子束流直径小于20 mm时, 该塞曼减速器可将初速度最大为250 m/s的氪原子减速至50 m/s。

SiO2薄膜是光学薄膜领域内常用的重要低折射率材料之一。文中采用不同沉积技术在Si基底上制备了SiO2薄膜, 并研究了它们光学特性的自然时效特性。采用不同贮存时间的椭偏光谱表征SiO2薄膜的光学特性, 随着时间的增加, EB-SiO2薄膜和IAD-SiO2薄膜的物理厚度和光学厚度随着增加, 但IBS-SiO2薄膜随着减小, 变化率分别为1.0%, 2.3%和-0.2%。当贮存时间达到120天时, IBS-SiO2薄膜、EB-SiO2薄膜和IAD-SiO2薄膜的物理厚度和光学厚度趋于稳定。实验结果表明, IBS-SiO2薄膜的光学特性稳定性最好, 在最外层保护薄膜选择中, 应尽可能选择离子束溅射技术沉积SiO2薄膜。

为提高红外材料光学表面的抗反射能力, 设计了一种具有双周期嵌套式结构抗反射超表面。通过分析在双周期嵌套式结构周围的介电常数ε变化情况, 仿真模拟得到反射率。重点分析了当微纳结构发生变化时这种嵌套结构与单一结构表面抗反射特性的差别。通过改变嵌套结构表面占空比、顶底端直径比以及长径比等参数仿真模拟, 对抗反射特性进行分析, 最终优化出的结构在2.4~12 μm的超宽波长范围内反射率均低于3.5%, 在中长波实用波段范围内平均反射率低于1%。这种结构有效地保护了微结构形貌不被破坏, 实现了单一结构抗反射特性效果的叠加, 进一步降低了元件表面的反射率, 可以作为一种新型的减反增透表面应用于红外窗口。

生物材料具有生产成本低、粒径分布广、环保无污染等优点, 可作为一种新型消光材料。为了更好地研究生物材料的大气悬浮沉降特性, 针对制备的球状生物材料FANS 233D, 根据斯托克斯沉降规律及粒子数加权平均方法计算其沉降速度。利用团簇-团簇凝聚模型模拟了该生物凝聚粒子的空间结构, 结合牛顿第二定律研究了不同空间结构凝聚粒子的沉降速度, 并通过凝聚粒子的孔隙率、分形维数对其结构特征加以分析。结果表明: 包含不同原始微粒数的凝聚粒子, 其平均沉降速度随原始微粒数的增大而增大; 包含相同原始微粒数的凝聚粒子, 其沉降速度同该凝聚粒子的孔隙率与分形维数有关。针对生物消光材料大气悬浮沉降特性的研究将为其实际应用提供理论基础。

通过457 nm和915 nm连续激光器对固相反应法和溶胶-凝胶法制备的YAG: Ce, Yb荧光粉中的Yb3+近红外发光和可见上转换发光能量转移机制进行了研究。两种激发下, 溶胶-凝胶法样品的近红外发光猝灭浓度均在5%左右, 发光强度变化曲线趋势相近; 固相反应法产物, 915 nm直接激发猝灭浓度为5%左右, 457 nm间接激发猝灭浓度为10%左右, 说明固相反应法掺杂离子分布更不均匀。样品中存在来自Yb3+到杂质离子间能量传递和Yb3+-Yb3+离子对的两种上转换发光; 固相反应法产物Yb3+-Yb3+离子对协同发光强于溶胶-凝胶法产物, 说明Yb3+离子簇集现象较为明显, 可能降低此类材料的实际近红外转换效率。

基于硅基半导体器件的功放模块, 由于器件本身物理结构特性引起的功放开关时间以及开关时上升沿、下降沿斜率的控制不当, 导致调制邻道功率(Modulation of Adjacent Channel Power, ACP)以及瞬态切换邻道功率(Adjacent channel transient power, ACTP)较差, 从而引起邻道干扰。针对硅基半导体器件功放模块在数字对讲机中的应用, 创造性地提出了一种新的方法, 对功放栅极偏置电路优化, 从理论上分析和推导出功放开关时间以及开关时上升沿、下降沿斜率对ACP以及ACTP的影响, 并在实际应用中通过适当调节对讲机功放模块栅极偏置电路电容以及串联电阻, 实现了功放开关的上升沿以及下降沿斜率调节。实验结果表明: 该方法在不影响功放输出功率以及效率的前提下, 当信道间隔为12.5 kHz时, ACP<-60 dBc,ACTP<-50 dBc, 有效改善了ACP、ACTP的性能, 具有一定的实际意义和应用价值。

针对现有光场图像深度估计技术无法均衡地对主要对象和背景进行深度估计的问题, 提出了一种基于光场结构特性与多视点匹配的深度估计方法。该方法在光场结构特性引导的深度估计的基础上, 为了实现光场图像深度变化区域的平滑过渡, 同时又考虑光场图像具有多视点子孔径图像阵列的特点, 采用多视点匹配优化光场图像深度估计。在马尔可夫随机域中, 基于光场结构特性构建深度估计平滑项, 同时联合多视点匹配构建深度估计数据项, 并进行全局深度迭代优化, 从而有效平衡对象深度边界和背景深度估计, 提高光场图像深度估计的性能。实验结果表明, 所提出的方法能够得到更加清晰的深度边界, 同时可以修正背景中不准确的深度值, 获得高质量的深度估计结果。

数学形态学在大地电磁数据噪声压制领域有着较好的应用效果, 然而在大地电磁成像处理领域还处于空白阶段。其基于改变图像中的目标物的空间分布形式或结构达到提取目标物的目的, 在大地电磁成像处理中达到提取有用地质信息的目的。文中首先采用形态膨胀-收缩梯度和形态闭-开梯度算法对TM和TE模式正演成像进行处理, 有效改善了正演图像所反映的目标异常体轮廓。然后, 选取陕西省铜川市某地实测大地电磁数据反演成像结果进行形态梯度处理。结果表明, 形态梯度可以有效减少随机误差, 达到提取目标异常体的目的。

数字像面全息显微技术中, 记录过程引入的噪声限制了轴向测量的精度和可靠性。目前对于抑噪方法的研究, 主要针对高频噪声。因此提出了一种针对数字像面全息显微技术的降噪方法, 不仅抑制高频噪声, 对噪声的低频部分也有抑制作用, 提高重构相位的信噪比。这种降噪方法对数字像面全息显微图进行优化, 实现途径为利用二维经验模态分解中, 第一层本征模态函数与全息图干涉条纹灰度信息契合的特点, 提取第一层本征模态函数实现优化。应用优化后的像面全息图, 实现重构, 求解相位, 测量样本表面形貌。应用优化方法对标准纳米台阶的表面形貌进行测量, 对比并分析优化前后全息图的频谱以及测量的高度图, 证明优化方法在保证对微结构表面形貌实现可靠测量的基础上, 降低了数字像面全息显微技术的重构相位噪声。

曲面投影在显示与光刻领域有着重要的应用价值, 为实现高分辨的曲面投影成像, 提出了以瑞利-索末菲衍射为基础的非均匀采样相位恢复算法, 在设计时准确考虑高空间频率的大角度衍射频谱信息, 使得投影图像分辨率获得有效提升; 建立了衍射面与成像曲面的离散采样方法, 并给出了成像分辨率极限的理论表达式。以“田”字形目标图样在圆柱面成像为例, 对建立的相位恢复算法和理论进行了验证, 结果表明重现的投影像与目标图形符合良好, 分辨率与理论预测一致。

异质传感器弱小群目标关联是传感器协同探测首先要解决的问题。即使在同视场下, 由红外光电系统和雷达组成的异质传感器探测目标也不完全一致, 特别是远距离探测时, 雷达探测目标多而密集,红外光电系统探测目标相对较少, 此时目标航迹关联结果具有很大不确定性。针对这一难题, 采用基于多源数据多特征融合的弱小目标关联方法, 首先基于多模型估计方法筛选同类型目标作为潜在关联目标, 再基于航迹关联算法对同类型目标粗关联, 最后基于多特征最大联合概率分布对目标精细关联。经红外光电系统/雷达同站址探测仿真试验验证, 相比于仅利用航迹进行目标关联, 该方法有效提高了弱小目标关联的准确性。

增强现实技术是将虚拟物体叠加到真实环境中, 为了使虚拟物体更逼真地融入到环境, 就需要估计场景中的真实光照。文中针对同时存在漫反射和镜面反射的场景或只存在漫反射的场景, 提出了一种适于多种反射现象的光照估计方法。该方法使用相机拍摄多幅视角图像, 通过检测每幅视角图像的镜面高光点来识别场景中是否存在镜面反射。若不存在镜面反射, 则采用单张漫反射图像估计光照算法进行多幅视角图像光照估计。反之, 若存在镜面反射则以镜面反射提供的信息为先验知识, 再结合漫反射光照估计方法得到最终的光照估计结果。实验结果表明, 文中方法提高了多种反射现象的光照估计的准确性。

针对传统流式细胞分析技术中, 细胞亚结构形态识别困难以及荧光染色又会改变细胞活性问题的研究需要, 依据淋巴细胞和嗜酸性粒细胞形态特征建立了对应的偏心单核细胞模型及双核细胞模型。基于光散射理论下的仿真实验软件, 设计了可同时接收细胞前向和后向散射光谱的仿真实验光路, 获得了这两种细胞模型下的散射分布图谱, 由此建立了不同核质相对折射率下的前、后向散射光光强与442、532、633 nm入射波长关系。通过前、后向散射光谱特征分析, 发现在以后向散射光信号为纵轴, 前向散射光信号为横轴表征下, 淋巴细胞和嗜酸性粒细胞具有明显的分类分区散点特征, 从而提出了一种淋巴细胞以及嗜酸性粒细胞的分类识别方法。该散射分类识别计数方法对于设计全光学、非入侵、免标记的血细胞分析仪有一定的潜在应用价值。