光谱测量技术在无损检测、地质勘探、农业普查等诸多方面均有广泛应用, 且随着技术的发展, 相关工艺器件近几年得到了长足的进步。在结合实际应用需求的前提下, 比较全面地介绍了光谱测量技术的发展历史, 以及近年来相关技术的研究现状和发展动态。并且从传统型、计算型、多路复用型三个角度较详细地总结了目前光谱测量的主要形式。着重介绍了包括计算层析、压缩感知、傅里叶变换、哈达码变换等多种光谱测量技术的原理及实现方法, 并分别总结了优缺点。对目前光谱测量技术中亟待解决的问题进行了分析总结, 对未来光谱测量手段的发展进行了展望。

非可见光成像是光学成像领域中的难题之一。单像素成像作为一种新型的计算成像技术, 利用空间光调制技术, 可实现只使用一个无空间分辨能力的单像素探测器获取物体的空间信息。因此单像素成像是解决传统成像在非可见光波段成像难题的潜在解决方案之一。近年, 傅里叶单像素成像技术被证明是一种可以兼得高成像质量和高成像效率的单像素成像技术。自2015年被提出至今, 傅里叶单像素成像已经从二维成像推广到三维成像、从灰度成像推广到彩色成像、从静态成像推广到动态成像、从单模态成像推广到多模态成像、从宏观成像推广到显微成像, 发展出一系列的成像技术。对傅里叶单像素成像技术的基本原理、与之相关的成像技术和应用进行了综述, 并讨论了现存的一些关键问题以及今后可能的研究方向。

不同于数码相机使用光电探测器阵列来获取图像, 单像素成像通过使用一系列掩膜图案对场景进行采样, 并将这些掩膜图案中的信息与单像素探测器测量得到的相应光强做关联计算以重建图像。虽然在传统可见光成像领域, 单像素成像性能远不如数码相机, 但许多研究成果表明, 其在复合波长、太赫兹、X射线以及三维成像等一些非常规应用中具有一定优势。介绍了单像素成像技术的发展历程, 用数学模型对其成像原理进行了解释, 并分析了影响其性能的要点。此外, 文中还对三维单像素成像技术的研究工作及其潜在的应用前景进行了总结和展望。

单像素成像旨在通过单个感光元件记录目标场景信息。由于其高灵敏度、宽谱段响应等良好的特性, 单像素成像是近年来的研究热点。通过对高维光信号的编码采集与解码重构, 单像素成像能够满足丰富的成像需求。介绍了单像素成像的研究背景, 简述了其成像原理及重构算法, 从光信息编码与解码角度系统回顾了单像素成像的研究现状和前沿技术。此外, 还讨论了单像素成像技术中存在的问题, 以及未来可能的研究方向与应用。

自然界中普遍存在光散射现象。如何通过散射介质实现高分辨率成像是光学成像领域亟待解决的重要问题。在早期研究中, 多重光散射被认为是雾霾、云层、生物组织等复杂介质成像中的障碍。然而, 最近研究表明, 散射并不是成像的基本限制: 光子在经过多次散射后仍然包含了大量信息。为了深入了解新兴的计算光学成像是如何解决多重光散射问题的, 文中主要介绍了波前整形、散斑相关及深度学习等方法在散射成像领域中的研究进展。最新的研究成果表明: 波前整形可以实现动态散射介质内部的高分辨率快速聚焦; 散斑相关能够利用单帧散斑实现非侵入式成像; 基于深度学习的成像技术能恢复出隐藏在光学厚度为13.4的白色聚苯乙烯平板背后的物体。

在水下环境中, 悬浮的散射颗粒对光场的散射和吸收作用导致成像清晰度显著下降。基于偏振成像的水下图像复原技术是实现水下清晰成像的有效方法之一。该技术利用散射光的偏振特性, 分离场景光和散射光, 估计散射光强和透射系数, 实现成像清晰化。近年来, 偏振成像技术已广泛、高效地应用于水下图像复原和水下目标识别等诸多领域。水下偏振图像复原技术作为光学成像技术和图像处理技术的交叉领域, 引起了广泛的关注并取得了大量优秀的研究成果。文中主要介绍了基于偏振成像的水下复原技术的基本原理、偏振信息处理方法和最新发展现状, 综述了近年来偏振水下图像复原技术代表性的改进型方法。

定量相位显微(Quantitative Phase Microscopy, QPM)将相位成像和光学显微技术相结合, 为微观物体的三维形貌、透明物体的厚度/折射率分布提供了一种快速、无损、高分辨率测量手段。然而, 传统QPM成像系统依然是一个衍射受限系统, 高分辨率与大视场难以同时兼顾。因此, 如何在保持大视场的前提下提高成像空间分辨率是QPM亟需解决的问题之一。近年来, 国内外学者采用离轴照明、散斑照明、结构照明、以及亚像元技术形成“合成数值孔径”, 实现了QPM的大视场、高分辨成像。文中对以上QPM的分辨率增强技术进行了综述, 并对不同方法的优缺点进行了分析。

数字全息作为一种干涉成像方式, 能够准确记录物体的相位信息, 具有快速、无损、三维成像等优势, 被广泛应用于生物成像与材料科学等领域。与其他光学成像方式相同, 数字全息也面临分辨率与成像视场互为限制而导致空间带宽积受限的问题。研究人员提出了计算照明、计算调制与计算探测等方法, 通过牺牲成像系统的时间、偏振等自由度来扩展其空间带宽积。文中分析了光学系统信息承载能力的理论基础, 总结了近年来大视场高分辨率的数字全息成像技术, 介绍了倾斜照明、结构光照明、随机调制照明、多位置综合孔径探测和像素超分辨等方法实现分辨率增强, 以及基于角度复用的视场扩展的原理及具体实现, 对不同方法进行了比较和分析, 并对提高分辨率以及扩大视场的途径进行了展望。

同时实现大视场、高分辨率成像是光学显微技术发展至今不断追求的永恒目标。传统光学显微镜由于其光学设计原理限制, 空间带宽积一般总是限制在百万像素量级, 从而无法同时兼顾高分辨率与大视场。另一方面, 复杂的光学系统也使显微镜变得日趋昂贵、笨重、复杂且难以维护, 极大地限制了其推广和应用。无透镜片上显微成像技术是近年来发展出的一种新概念计算成像技术: 其不利用成像透镜聚焦, 而直接将所观测的样本紧贴于成像器件光敏面上方记录图像, 并结合相应的图像恢复算法实现清晰物像的反演与重构。由于具有视野大、分辨率高、无需标记、成本低、便携性好和可实现三维(3D)成像等优点, 无透镜片上显微镜有望拓展传统显微成像技术的疆界, 成为一种新型的快捷、便携的就地检验(POCT)工具。文中从无透镜成像基本原理、实验系统、重构方法及其典型应用进行了综述。最后, 讨论了无透镜显微成像现存的一些关键问题以及今后可能的发展方向。

对近年来数字全息及散斑干涉技术在形变与位移测量方面的主要技术发展及应用发展进行综述。由于数字全息测量具有准确性高、无损、全场和动态测量等优点, 成为形变和位移测量的重要技术之一。最近几年, 数字全息技术在形变测量领域的发展主要体现在如下几个方面。首先, 数字全息形变测量逐步由原来单一维度的形变测量转向多维度的形变测量。尤其是三维形变的同时测量是近年来本领域的研究重点。其次, 形貌形变联合测量的技术受到关注。实际应用中曲面物体常常存在。而曲面物体需要离面与面内形变的分析, 这需要获取曲面物体的形貌信息。针对这一需求, 学者们针对形貌形变的同时测量方法开展了研究。再次, 为了进一步扩大测量视场和深度范围, 对基于长波长及远距离的技术进行了探索。与此同时, 回顾了数字全息的形变测量技术在应用方面的进展。值得关注的是, 在应用方面, 数字全息技术从以前工程领域的形变测量向生物医学领域的形变测量发展, 测量数据用于生物医学领域疾病分析与研究。

相干衍射成像技术是一种无透镜计算成像技术。该技术通过迭代算法求解相位问题, 直接从衍射强度数据重构物体的振幅和相位图像信息, 可获得由照明光源波长和数据记录有效数值孔径决定的衍射极限分辨率。由于相干衍射成像技术不依赖于高质量光学成像元件的使用, 因而适合用于深紫外、X射线以及电子束等诸多很难制作高性能成像器件的辐射源。过去20年来新型光源(冷致电子枪、第三代和第四代同步辐射光源、自由电子激光器)、单粒子计数高灵敏度、宽动态范围面阵检测器的迅猛发展, 也极大地促进了相干衍射成像技术的发展。目前相干衍射成像在材料科学和生物学等热门学科方向上已经显示出了相较传统方法的独特优势, 在部分应用上已经逐渐成为主流技术。文中概略回顾相干衍射成像的发展历史。重点介绍叠层扫描相干衍射成像和相干调制成像这两种快速发展的技术。

傅里叶叠层显微术(Fourier ptychographic microscopy, FPM)是一极具前景的计算成像技术, 它具有高分辨率、大视场、无标记和定量相位等优势。由于它灵活的系统、高对比度的成像结果、无需干涉装置和光源机械扫描部件, 在数字病理学、体外细胞无标记观察和实时监测等方面得到了大量的研究和应用。文中主要介绍了FPM技术的系统误差校正方法、基于FPM的高通量显微成像和高速显微成像技术研究的基本原理、研究现状和最新进展, 提出了目前面临的问题以及未来的发展趋势。

由于三维(3D)成像技术有着广泛的应用, 尤其是在信息和生命科学领域的应用, 因此越来越受到人们的关注。这些技术大致可分为两类: 基于光线的三维成像技术和基于波前的三维成像技术。传统成像技术存在系统装置复杂和成像质量不尽人意等问题, 极大限制了其在相关领域的应用, 因此基于深度测量的三维成像技术越来越受到重视。文中概述了基于深度测量的三维成像技术, 分别详细描述了基于深度测量三维成像的光线场和光波场的相关技术, 给出了光线场和光波场成像技术之间的联系, 基于这些描述和分析, 给出了基于深度测量三维成像研究领域的研究方向。

差分相衬(Differential phase contrast, DPC)成像是一种基于部分相干照明调控的无标记非干涉相位成像方法, 它为未染色透明样品提供了一种快速、有效且高分辨率的可视化手段。DPC通过多次非对称照明调控或非对称孔径调制使不可见的样品相位信息转换为成像器件可直接探测的强度信号, 从而为定性相衬成像甚至定量相位重建提供了可能。近年来, 随着该领域研究的逐步深入, 成像的相位传递函数得以明确推导, DPC已经逐步从定性观察走向了定量研究。另一方面, 得益于全孔径照明调控和高效相位反卷积算法, DPC定量相位成像的空间分辨率可达到非相干衍射极限, 并能够获得低噪声、高精度的定量相位重构结果。通过与三维光学传递函数理论交融借鉴, DPC最近已被进一步拓展到了三维衍射层析领域, 实现了厚样品三维折射率的定量成像。文中从DPC成像方法的基本原理、成像系统与算法优化等几个方面对其历史发展、研究现状和最新进展进行了详细综述, 并讨论了该方法现存的一些关键问题以及今后可能的研究方向。

作为图像处理的一个重要手段, 边缘增强技术对振幅型和相位型物体成像有着重要的作用。而基于径向希尔伯特变换的涡旋滤波技术因其能够实现各向同性边缘增强倍受关注, 但传统的涡旋滤波由于中心奇点和锐利边缘引起的衍射会造成背景噪声的加剧和对比度的降低。近年来众多课题组针对涡旋滤波旁瓣抑制提出了种类各异的新型涡旋滤波器, 此外基于涡旋滤波的各向同性和各向异性边缘增强技术也得到了迅速发展。文中扼要地总结了近年来几种抑制涡旋旁瓣的方法, 包括拉盖尔高斯振幅调制、贝塞尔振幅调制、艾里振幅调制, 并从标量涡旋滤波和矢量涡旋滤波两个方面分别综述了各向同性和各向异性边缘增强的实现方法与研究进展。

提出一种基于单柱透镜旋转调制的光学扫描成像系统, 样品的完整波前信息可以通过柱透镜旋转调制的多幅强度图样迭代重建。此外, 柱透镜的旋转角度作为该系统的一个关键参数, 其值通过基于Radon变换的数值计算方法得到, 摆脱了对高精度旋转设备的要求。该成像系统的可行性在仿真和实验结果中均得以验证。与轴向多距离扫描成像系统相比, 该成像系统中各光学元件在轴向位置保持固定, 数据获取速度得以加快且轴向采样率保持固定, 不仅简化了光场重构中的算法设计, 而且极大地加快了收敛速度。

文中对放大方式下同轴全息图压缩传感重建开展了实验研究, 目的是实现分层物体放大方式下的同轴全息图的层析重建。首先, 对同轴全息图压缩传感重建进行了理论介绍, 并给出了实现步骤, 包括全息图频域减采样模式、两步迭代算法流程等; 其次, 建立了点源放大同轴全息图记录实验系统和显微物镜放大同轴全息图记录实验系统, 以双层样本为例开展了实验工作, 所记录的同轴全息图基于压缩传感理论进行了层析重建, 同时基于传统的卷积算法也进行了反衍射重建。实验结果表明: 两种放大方式下获得的全息图, 通过压缩传感层析重建技术能够实现物体的层析重建, 并且比传统卷积反衍射重建具有更好的结果, 显示了压缩传感层析重建的能力和优势。

针对基于强度传输方程(Transport of Intensity Equation, TIE)的非干涉相位恢复技术要求光源是单色的限制, 以及强度采集过程移动CCD或物体而引入的机械误差, 提出了一种适用于透镜模型下的色散相位恢复技术。该方法基于透镜成像系统的相位变换特性, 将色散与TIE结合在一起, 使不同波长的光经过透镜系统后在同一位置成像, 从而在不机械移动的情况下获得聚焦和散焦强度图像。再利用散焦量与波长的关系结合TIE计算出物体的相位信息。模拟实验中用该方法恢复物体的相位与原始相位的相关性系数为0.970 7, 均方根误差为0.061 8; 同时真实实验对透镜阵列相位进行了恢复, 实验结果与真实参数误差为1.74%, 证明了所提方法的正确性和有效性。

多光谱视频成像能够同时采集场景的空间、时间和光谱信息, 可广泛应用于遥感、农业监测和材质分析等多个领域。然而传统光谱仪往往包含光学色散分光结构, 系统复杂、标定困难, 难以普遍推广。因此, 文中搭建了一种多传感器小型化光谱视频成像系统, 提出了一种基于相机姿态的多视点图像或视频快速对齐方法, 实现了嵌入式平台上的多光谱视频的实时采集和对齐。通过复杂场景的实验验证, 文中提出的对齐方法在PSNR、SSIM客观指数以及主观视觉评价中均取得了良好的效果。

为了获取中高轨道变姿态空间相机准确的外热流数据, 提出一种求解其变姿态外热流的方法。以地球静止轨道空间相机为例, 首先确定卫星-太阳-地球三者之间的相对位置关系; 然后, 根据相机对日成像的工作任务确定其不同时刻的姿态; 最后, 根据相机姿态变化后的环境映射面以及直接积分法获得的辐射角系数计算相机各表面的瞬时外热流。计算结果表明, 在相同轨道条件下, 相机由于在轨姿态变化导致其接受到的外热流总和比姿态恒定的相机有所减少, 其中春分日总热流减少372.5 W/m2, 冬至日总热流减少771.5 W/m2。入光口所在的+X面外热流增大了2倍左右, 该面进出地球阴影区时外热流在0~1 378 W/m2之间剧烈波动。计算结果可指导相机热设计, 该方法同样适用于多维变姿态航天器的外热流计算。

为降低外界环境温度和内部发热元件形成的非均匀温度场对红外热成像仪的成像性能影 响。通过Proe和Ansys ICEPARK建立红外热成像仪的有限元模型, 在红外镜头表面进行黑色阳极氧化、喷砂处理增强辐射换热, 以及安装风扇增强对流换热保证高温环境时的散热, 低温环境时采用热电阻进行温升设计, 并仿真分析红外热成像仪在不同温度环境下整机内部温度分布和红外镜头温度分布情况, 并利用在高低温箱的红外热成像仪来观察平行光管中的靶标图的成像质量, 验证温控设计的高效性。结果表明: 所采用温度控制电路板对风扇与热电阻能进行温度控制, 当环境温度下降至0 ℃和升高至30 ℃时, 启动温控系统使红外热成像仪光学系统温度正常, 保证红外热成像仪的成像质量。

基于低轨预警卫星对中段弹道导弹的探测机理, 综合考虑了复杂探测环境中各辐射源(太阳、地表、大气、云层)对弹道中段目标的辐射作用, 计算了三个波段各辐射源在目标表面产生的辐照度, 在此基础上建立了弹头目标自身辐射及反射辐射模型。基于弹道中段目标红外辐射计算结果, 结合预警卫星成像系统的衍射效应, 推导了成像综合信噪比、探测作用距离修正模型, 从这两个方面分析了深空背景下低轨预警卫星对弹道中段目标的探测能力。结果表明: 复杂探测环境中各辐射源对目标成像综合信噪比的影响不可忽略, 约为目标自身辐射综合信噪比的1.2倍; 低轨卫星光学系统的衍射效应对中段目标探测能力影响严重, 8~9.4、9.4~10、10~14 μm波段下衍射效应修正前后综合信噪比差值占未修正综合信噪比的比率分别为41.9%、36.7%、10.4%; 探测距离随观测角度的变化而变化, 迎头探测时, 探测距离最大。

针对现有激光三维成像中使用的面阵APD探测器相邻像元间隔较大, 导致激光利用率低从而影响探测距离的缺点, 提出阵列分束激光三维成像技术。该技术对激光发射源采用液晶空间光调制器进行衍射阵列分束, 将一束激光分成与阵列APD探测器相应的阵列子光束, 调整激光发射子光束和阵列APD探测器的位置, 使得子光束照射目标后聚焦到阵列APD探测器的像元上, 提高了整束激光的利用效率。介绍了阵列分束激光三维成像技术系统组成和工作原理, 提出采用液晶空间光调制器的方法实现阵列分束的方案, 研制了阵列分束激光三维成像原理样机, 利用研制的原理样机对采用阵列分束后的效果进行了验证。实验结果表明, 采用该技术后, 采用峰值功率10 kW、脉宽8 ns的激光源, 填充因子2/3的8×8 APD, 三维成像作用距离达到510 m, 同等条件下与不分束相比, 作用距离提升39.1%。

脉冲激光测距系统由于其精度高、抗干扰能力强等优点, 广泛应用于激光雷达、激光引信等领域, 但是常用的时刻鉴别法存在误差, 制约了动态测距精度的提升, 主要原因是回波脉冲的衰减和展宽。针对这一问题, 提出一种采用恒阈值和峰值双通道的时刻鉴别新方法。该方法通过引入激光发射脉冲的理论方程, 建立了回波波形的时域分布模型, 可以实现不受到衰减和展宽的影响的准确回波鉴别。在此基础上设计了双通道时刻鉴别的脉冲激光测距系统。实验结果表明, 采用双通道时刻鉴别方法可以将近程测距的误差控制在±3 cm以内, 并可通过多次测量对精度进一步提升, 解决了时刻鉴别误差制约测距精度提高的瓶颈问题。

将基于周期性温度激励的主动控制技术引入“混合型气动CO2激光器(MGDL)”研究, 通过数值计算深入研究了周期性温度激励对MGDL主/副气流混合特性及小信号增益系数的影响。研究结果表明: 与未施加周期性温度激励的情形相比, 在MGDL副喷管出口位置施加特定幅值及特定频率的周期性温度激励后, 可以显著增强主/副气流的混合效果并大幅提高混合喷管中的小信号增益系数。激励幅值和激励频率对主/副气流混合特性及小信号增益系数有重要影响: 随着激励幅值的增加, 小信号增益系数先增大后减小; 在混合喷管下游区域, 文中所选的六种激励频率条件下获得的小信号增益系数均高于未施加周期性温度激励时的情形; 随着激励频率的增加, 主/副气流的混合效果越来越好, 但当激励频率增加到一定值后, 主/副气流的混合效果不再发生变化。

设计了一种性能稳定、结构紧凑的光泵浦腔内倍频488 nm半导体薄片激光器。为获得光束质量好、输出性能稳定的488 nm激光器, 利用808 nm LD从顶面垂直泵浦半导体增益介质芯片获得976 nm基频光, 通过在腔内置入I类相位匹配的LBO晶体进行倍频获得488 nm激光输出。半导体增益介质芯片具有13量子阱和808 nm/976 nm双反射带反射镜, 其双面键合金刚石散热片。在泵浦功率为9.2 W时, 获得111 mW 488 nm激光输出, 光谱线宽为1.3 nm, 光-光效率为1.2 %, 光束质量M■■、M■■分别为1.03和1.02, 连续工作3 h激光输出功率不稳定度为0.6%。

根据机载激光测深系统扫描部分结构,针对圆镜偏轴卵形扫描方式, 从光束发射方向出发, 基于扫描结构轴向关系利用光线反射定律推导出激光出射方向向量, 结合激光出射位置到海表点距离获得海面激光点坐标; 依据光线折射定律, 利用变折射率光线追踪算法推导出海底测深点坐标计算公式, 建立海面激光入射点及海底测深点坐标严密计算模型。根据模型定位公式, 分析扫描系统视准轴误差影响, 通过数值模拟, 分析扫描系统视准轴误差对定位精度影响, 为扫描系统单体设备加工、装调、集成检校提供依据, 为机载雷达测深系统提供海底测点精确计算、改正提供参考。

报道了基于磷酸钛氧铷(RTP)晶体的内腔式级联拉曼激光输出特性。采用半导体激光端面抽运声光调Q Nd:YAG晶体产生的1 064 nm激光作为基频光, 尺寸为4 ×4 ×20 mm3、沿x轴切割的RTP晶体作为拉曼增益介质。分别对X(ZZ)X和X(YY)X几何配置的RTP拉曼激光系统进行实验研究。X(YY)X几何配置的拉曼增益相对较低, 导致腔内不同非线性频率变换过程的竞争, 只测量到对应光参量振荡激光的输出。在X(ZZ)X几何配置下成功获得了271 cm-1和687 cm-1两个拉曼频移共同参与级联拉曼激光输出。高阶Stokes光随着抽运功率的增加而依次出现。在10 W入射抽运功率和15 kHz脉冲重复频率下, 获得了总平均输出功率480 mW, 转化效率4.8%的多波长激光输出。波长涵盖了1 000~1 200 nm之间各阶Stokes光。

为提高医用TC4钛合金表面熔覆羟基磷灰石(HA)涂层的植入稳定性和生物活性, 采用激光熔覆方法制备出不同含硅量的CaP生物陶瓷涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)表征了熔覆层组织形貌和物相组成。结果表明: 添加SiO2(1wt.%、3wt.%)后形成Ca2SiO4相, 熔覆层中部组织细化。通过电化学腐蚀和体外SBF浸泡实验研究了SiO2含量对涂层耐腐蚀性和生物活性的影响。电化学腐蚀结果表明: 随着SiO2含量的增大, 涂层表面腐蚀电流密度逐渐减小; 体外SBF浸泡结果表明: 添加SiO2可以加快涂层表面类骨磷灰石的形成, 其中, 添加SiO2为1wt.%时涂层表面类骨磷灰石呈均匀分布。因此, 低含量SiO2可以提高生物陶瓷涂层的耐腐蚀性和生物活性。

针对TC4合金叶片经常性表层裂纹萌生、体积损伤以及修复材料成本高的工程实际, 优选FeCrNiB系以及TiAlVFe系合金材料, 基于脉冲激光成形工艺优势, 实现了TC4合金叶片表层裂纹及体积损伤修复, 从成形工艺、金相组织、显微硬度以及三维尺寸等方面验证了工艺匹配性。结果表明: FeCrNiB合金熔覆层主要由细小致密的等轴晶、交错分布的树枝晶以及均匀分布的胞状晶组成, 而TC4合金主要由针状马氏体和网篮组织交错伴生组成, 都具有较好的组织形态。FeCrNiB合金熔覆层显微硬度为380~750 HV0.1, 较基体提升约1倍; TC4合金熔覆层显微硬度为295~350 HV0.1, 与基体基本保持一致。叶片成形后整体形状尺寸精度控制在0.8 mm以下。通过激光工艺优化和性能匹配分析可知, FeCrNiB合金适合局部微裂纹修复, 而TC4合金适合体积损伤成形。

鉴于当前光学抛物面面形参数计算模型的复杂性, 为解决直接基于抛物面的有限元分析数据, 获取高精度抛物面面形参数的计算问题, 提出了一种新的光学抛物面形参数计算方法。首先, 提出了光学抛物面有限元离散误差的概念, 并对其消除技术进行了研究, 这也是高精度算法的关键数据处理环节; 其次, 采用刚体位移数据处理算法分离了抛物面面形的刚体位移与面形畸变位移; 最后, 采用最优化设计算法获取了抛物面面形均方根等参数计算所需的基础数据。在对抛物面面形参数计算方法研究的基础上, 讨论了其算法实现, 并对算法程序的正确性进行了校验。校验结果表明: 高精度抛物面面形参数计算方法计算精度高, 算法校验误差在6%左右, 该算法精度能够满足工程需求; 为外部热力载荷作用下, 光学面形参数的高精度计算提供了新的技术参考。

为实现星载三线阵CCD相机的相机参数在轨测量, 提出了一种六自由度微位移测量方法。高亮度LED输出光被准直并耦合到输入光纤。输出光纤末端固定在可移动的被测物体上。光纤输出由多个光纤准直器(≥4)准直, 并由系统固定部分中的多个区域阵列的CCD相机(≥4)捕获。根据CCD图像中光点的位置变化来求解被测物体的六自由度位移。为了验证系统模型和六自由度位移计算程序, 对该方法进行了理论分析和仿真。结果表明: 当平移位移小于100 μm且旋转位移小于6′时, 典型的4准直测量系统求解误差小于10-5 μm和10-4′。并且, 当准直器的光斑位置的两个坐标方向上添加-0.5~0.5 μm的随机量时, 平移误差和旋转误差的3σ分别为0.9 μm和0.012′。

全景环带光学系统在机器视觉领域等领域中有广泛的应用, 该类系统不断追求小型化、紧凑化, 并且在保证系统结构紧凑小巧的同时实现大视场探测。针对上述需求对全景环带成像光学系统开展研究, 并在分析全景环带头部单元形式的基础上设计了一款双通道全景环带光学系统。该系统由边缘视场通道以及中心视场通道组成, 两个通道分别由入瞳位置前置式全景环带系统以及中心视场系统进行构建。通过合理的搭配, 最终系统中心视场通道视场范围为0°~18.5°, 边缘视场通道视场范围为38°~83°, 在设计过程中, 使用even-ogive面型对全景环带系统的特定面型进行设计, 并对如何使用该面型进行了描述, 最终所设计的系统的两个视场通道均可在0.486~0.656 μm可见光波段内清晰成像, 光学系统结构紧凑, 成像质量良好, 满足使用需求。

红外光学系统在**、航空航天、民用等领域应用越来越广, 系统面临的外界环境复杂多变。只用光学分析软件来评估系统性能的传统方法不仅无法综合考虑不同材料间耦合影响, 也不能较为准确地描述热物理梯度场, 因此对结果的精确性分析略显不足, 而光机热集成分析是综合多物理场作用的有效方法, 涵盖了光学、机械、热学三个方向对系统性能的影响因素。通过研究Zernike多项式拟合算法, 编制了学科间的数据转换程序, 实现了分析模块间的数据传输, 并在热不敏红外系统的设计过程中采用光机热集成分析方法得到高低温工况下的光学系统传递函数, 为指导系统设计改进、提高系统性能提供了有力的理论依据。

激光内雕机在进行激光内雕时, 经常会存在激光“炸点”不均匀的情况, 需要对其进行放大分析, 从而更好地控制激光束的能量。根据企业激光内雕“炸点”观察需求, 设计了一款长工作距变焦显微物镜。玻璃内部的“炸点”观察范围为9~32 mm, 系统采用光学变焦方式, 变焦范围为6~24 mm, 放大倍率为4×~16×, 变倍比为4倍。探测器采用了一款型号为VA-1MG2的1/2 in(1 in=2.54 cm)CCD, 其像元大小为5.5 ?滋m。利用Zemax进行光学系统设计优化, 在截止频率91 lp/mm处, 各组态下各视场的MTF值均大于0.4, 在中心视场和0.7视场处均接近衍射极限。点列图的RMS半径也均小于艾里斑半径, 满足长工作距变焦显微系统的各项指标需求。

随着大气遥感信息的定量化精度不断提高, 遥感信息定量化链路中偏振修正因子逐渐引起重视。因此研究大气探测仪器的偏振特性, 解析归一化穆勒元素, 对大气偏振特性引起的遥感信息定量误差以及偏振修正十分必要, 然而常用来描述仪器偏振特性的偏振灵敏度是系统偏振响应的综合体现, 而不能准确表征系统的偏振特点。对大气探测仪归一化穆勒元素傅里叶解析方法进行研究, 应用仪器在不同偏振方位角下的线偏振光响应曲线, 然后采用傅里叶级数拟合的方式得到系统响应函数, 进而得到大气探测仪的归一化穆勒元素m2、m3。对不同阶数傅里叶级数拟合得到的归一化穆勒元素进行对比, 结果表明偏差<0.12%。最后对归一化穆勒元素的测试精度进行分析, 综合误差优于0.96%, 为大气探测器归一化穆勒元素的在轨应用奠定基础。

数字微镜器件(Digital Micromirror Device, DMD)作为一种新型的空间光调制器, 具有分辨率高、生产成本低、加工效率高等优点, 使用起来非常灵活, 因此实验室搭建了基于DMD的近红外光谱仪。首先, 介绍了DMD近红外光谱仪的基本工作原理。其次, 对该光谱仪进行了波长标定, 提出基于同一样品吸光度曲线相关系数的方法对其进行了波长台间差标准化, 使得波长的台间差在理论上小于0.1 nm, 在模型转移时符合要求。又通过在强光与弱光条件下对其噪声与信噪比的测试实验对比得出DMD近红外光谱仪不同编码模版的选择准则: 在强光条件下扫描方法优于阿达玛方法, 在弱光条件下相反。最后, 利用该光谱仪对实际样品汽油和柴油进行检测, 测试结果表明该光谱仪性能稳定。该DMD近红外光谱仪检测波长范围为1 330~2 500 nm, 吸光度偏差小于等于0.000 4 AU。

现有的铁路轨道监测主要采用电类传感技术, 易受电磁场、外界环境的影响, 存在着安全的隐患。因此, 采用基于全同弱光纤光栅(wFBG)阵列的铁路轨道应变在线监测技术, 用于实时监测轨道的占用情况。通过有限元模拟仿真设计出能感测铁路应变的传感器结构, 研究了传感器的封装技术。通过检测wFBG波长漂移得到应变信号从而实现高灵敏度应变测量。采用全同wFBG阵列对传感器和系统进行了实验室和现场实验研究。结果表明: 该传感结构可以实现较小的光学损耗, 并且能够保证传感器的灵敏度达到3.4 pm/?滋ε, 线性度达到0.997 82, 迟滞误差达到0.8%。该铁路轨道在线监测系统可以满足铁路运行管理的实际需要。

提出了一种基于偏振调制器(PolM)和Sagnac环级联的多调制格式微波信号的光学产生方案。理论分析了PolM在基带编码信号的驱动下产生偏振键控(PolSK)信号的基本原理, Sagnac环中嵌有两个马赫增德尔调制器(MZM), 分别对顺时针和逆时针传输的PolSK信号进行独立调制。通过合理调整两个MZM的驱动信号, 实现了幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)微波信号的产生。在仿真实验中, 产生了比特率为2 Gbit/s的40 GHz ASK信号、20/40 GHz FSK信号和20 GHz PSK信号, 同时验证了比特率和载波频率的宽带可调谐性。Sagnac环结构提升了系统的稳定性, 并且针对每种调制格式的微波信号, 在不改变链路结构的情况下其比特率和载波频率都可以通过控制基带编码信号和MZM的射频驱动来进行独立且灵活的调谐。

针对变体飞行器变形机翼气动外形监测需求, 提出一种植入式柔性复合蒙皮形状光纤传感方法。通过将光纤光栅传感器植入硅胶薄层, 并与聚氯乙烯薄片组成复合蒙皮。建立柔性蒙皮形状传感系统, 采用光纤传感解调系统, 实验测得不同翼型下柔性蒙皮中光纤光栅反射谱特征及其变化规律; 计算出柔性蒙皮弯曲曲率, 并重建出柔性蒙皮变形三维形状; 采用数字摄影测量系统完成对比测试。研究结果表明: 柔性复合蒙皮变形光纤传感测量与数字摄影测试误差小于4.62%, 光纤传感灵敏度达到245.5 pm/m-1。验证了植入式光纤传感方法的有效性, 为变体飞行器变形机翼气动外形监测提供了参考。

远距离自由空间光学(FSO)通信系统面临的最大挑战是在大气湍流影响下信号传输会造成光强度衰减/波动, 导致通信链路中断。文中提出了一种基于通信系统接收功率的对数正态统计来计算由湍流引起的通信链路损耗的方法, 可评估指导FSO通信系统中的系统参数。文中模拟了不同强度湍流影响, 接收终端口径为2 cm、20 cm条件下, 850 nm、1 550 nm波长的光通信链路损耗与传输距离的关系。然后利用模拟分析结果设计了一个接收口径为20 cm的FSO通信系统, 在强湍流条件下完成~2 km距离传输高清图像和视频。 FSO通信系统的传输速率为1 Gpbs, 与4 G网络相比, 可以满足大量无压缩数据流传输的清晰度和实时性。

提出了一种基于深度学习的红外与可见光决策级融合检测方法。首先, 提出了一种介于深度学习模型之间的参数传递模型, 进而从基于深度学习的可见光物体检测模型上抽取了用于红外物体检测的预训练模型, 并在课题组实地采集的红外数据集上进行fine-tuning, 从而得到基于深度学习的红外物体检测模型。在此基础上, 提出了一种基于深度学习的红外与可见光决策级融合检测模型, 并对模型设计、图像配准、决策级融合过程进行了详细地阐述。最后, 进行了白天和傍晚条件下基于深度学习的单波段检测实验和双波段融合检测实验。定性分析上, 由于波段之间的信息互补性, 相比于单波段物体检测, 双波段融合物体检测在检测结果上具有更高的置信度和更精确的物体框; 定量分析上, 白天时, 双波段融合检测的mAP为86.0%, 相比于红外检测和可见光检测分别提高了9.9%和5.3%; 傍晚时, 双波段融合检测的mAP为89.4%, 相比于红外检测和可见光检测分别提高了3.1%和14.4%。实验结果表明: 基于深度学习的双波段融合检测方法相比于单波段检测方法具有更好的检测性能和更强的鲁棒性, 同时也验证了所提出方法的有效性。

为了进一步提高图像超分辨率重建的质量, 针对非局部集中稀疏表示算法中重建图像的噪声问题, 提出了一种基于专家场先验模型的图像超分辨率重建改进算法。首先, 利用专家场模型从图像训练集中学习整幅图像的先验知识建立全局先验模型; 然后将学习到的先验信息用于非局部集中稀疏表示模型求解最优稀疏表示系数; 最后, 得到高分辨率图像估计。该算法在超分辨率重建迭代运算的同时, 同步更新专家场模型参数, 因此在不显著增加运算复杂度的情况下, 通过选取合适的先验约束, 有效地增强了图像重建的效果。实验结果表明: 相比非局部集中稀疏表示算法, 文中算法对无噪和有噪降质图像均能取得较好的峰值信噪比结果, 并且能够进一步提高有噪图像的去噪效果。

红外目标跟踪在**和民用视频监控领域有重要的研究意义, 但受热成像原理限制, 红外目标分辨率低、对比度低、纹理信息缺失。针对红外目标特征信息量少导致跟踪性能较低的问题, 提出一种基于自适应响应融合的相关滤波跟踪算法。该算法基于连续卷积运算的相关滤波跟踪框架, 通过构造视觉显著性特征来增强目标外观描述, 并结合对冲决策理论对由不同特征计算得到的多个滤波响应进行自适应融合, 最终根据融合响应预测目标中心位置。此外, 通过尺度滤波器来实现目标的尺度预测, 得到完整的跟踪结果。在公开的红外视频数据集VOT-TIR2016进行测试, 实验结果表明: 与同类算法相比, 该算法表现出更高的跟踪精确度和鲁棒性。

为解决传统柱透镜自由立体投影显示中像差和视几何引起的串扰和视点数受限问题, 基于回归反射, 提出了一种棱镜反射光栅自由立体投影显示方法。通过分析其3D成像的原理, 对棱镜反射光栅自由立体投影显示进行仿真, 发现该方法在水平视宽相同的条件下, 视场照度是柱透镜光栅投影的10倍, 而其串扰比是柱透镜光栅投影的1/5, 且不存在次视区。制作了棱镜反射光栅屏, 并搭建系统进行实验, 验证了棱镜反射光栅自由立体投影显示方案的可行性。

对盖革模式APD激光雷达系统的距离像重构算法进行了研究, 设计了一种基于像素邻域核密度估计的重构算法。从系统原理出发, 结合探测概率模型研究了距离像重构算法的理论基础。根据系统特点提出了一种基于像素邻域核密度估计的改进算法, 并对其原理进行了分析。通过仿真数据对直方图算法和邻域核密度估计算法进行了验证, 以距离重构准确率曲线进行了定量评价对比, 并进一步将算法应用到真实盖革模式APD激光雷达数据中进行了距离像重构实验。实验结果表明, 在低帧数时, 基于像素邻域统计核密度估计的重构算法可有效提高距离像重构的效果。

针对目前移动机器人对环境地图构建精度低的问题, 分别提出了激光雷达测距、测角的标定方法。通过误差传播定律分析引起激光雷达的测距误差因素, 可知激光雷达测距误差主要是由回波强度和测量距离引起的, 推导出测距误差修正模型。通过分析激光雷达测角误差因素, 针对机械扫描轴与几何旋转中心偏心引起的误差, 提出了一种三角形标定方法, 建立测角误差修正模型。根据激光雷达测距、测角误差修正模型修改移动机器人坐标转换系统。实验结果表明, 测距标定使平面障碍物数据纵坐标差值的标准差提高了30%~60%, 接近物体真实几何特征; 测角标定方法使障碍物数据的重合效果提高了30%, 标定方法提高了移动机器人地图构建的精度。