为了精密控制分布反馈激光器的温度与电流, 采用数字信号处理芯片,设计了分布反馈激光器驱动装置。通过该装置设定激光器温度和电流的参考电压, 经数模转换, 再通过温度和电流驱动模块, 馈入并驱动分布反馈激光器, 进行了实验验证。结果表明, 40min内温度变化极差与标准差分别不超过5mK和0.7mK, 电流变化极差与标准差不超过40μA和6μA; 驱动半导体光放大器, 关断时间小于1μs, 具有良好的瞬间响应特性; 该装置具有较高的温度和电流稳定性, 流控模块具有良好的瞬态特性, 能够精密控制分布反馈激光器的温度和电流。该控制装置可用于光腔衰荡光谱研究,控制分布反馈激光器并驱动光放大器来关断激光。

为了解决液晶q波片制备过程中重复性差、方法繁琐、孔径限制的问题, 采用了一种基于紫外掩模曝光法和液晶面外区域定向技术的液晶q波片制备方法, 进行了理论分析和实验验证。搭建了紫外曝光系统, 制备了直径为2.54cm, q=1,夹角α0=0的大孔径液晶q波片。结果表明, 紫外掩模法构建的大孔径液晶q波片的自旋角动量-轨道角动量的转换效率可达到85%; 利用该波片实现了涡旋光、矢量涡旋光的产生和转换。基于紫外掩模法构建大孔径液晶q波片的方法具有成本低廉、制备工艺简单、速度快等优点, 可实现液晶q波片的批量化制作, 有利于液晶q波片走向商业化。

为了提高高光谱遥感图像的分类精度, 通过结合像元邻域谱与概率协同表示方法, 提出了一种基于空间信息与光谱信息的分类方法。首先采用插值方法生成像元的邻域谱, 然后用概率协同表示方法将待测样本进行分类。用所提出的方法在AVIRIS Indian Pines和Salinas scene高光谱遥感数据库上进行分类实验, 并和主成分分析、支持向量机、稀疏表示分类器和协同表示分类器方法进行了比较。结果表明, 所提出的方法在AVIRIS Indian Pines数据库上识别精度比主成分分析法高约17%, 其识别精度和kappa系数都优于另外4种方法。该方法是一种较好的高光谱遥感图像分类方法。

为了探究激光扫描混凝土裂缝进行超声检测的可行性, 采用激光扫描混凝土表面激发声场、表面波探头接收超声信号的方法, 进行了相应的实验验证。通过对实验信号峰峰值和双极性特征分析, 实现了混凝土表面裂缝的定位。同时采用有限元方法模拟了扫描激光在材料表面激发声场的过程, 对超声信号进行了时域和频域上的分析。结果表明, 当激光与裂缝边沿距离在1mm时, 接收信号具有典型的双极性, 且峰峰值达到极大值; 当激光与裂缝边沿距离继续减小时, 峰峰值迅速降低。通过扫描激光激发超声, 在打点范围上形成由信号峰峰值表征的2维图像, 由峰峰值突变特征和信号的双极性特征, 可以实现混凝土表面缺陷边缘的定位。

为了探究光纤微秒激光加工中关键工艺参量对心血管支架重铸层和热影响区的形成机理及变化趋势, 采用了基于不同单因素参量下光纤微秒激光切割316L医用不锈钢的实验方法。通过进行理论分析和实验验证, 得到了单因素参量下316L心血管支架的实物模型及其热影响区及重铸层的检测数据。结果表明, 重铸层厚度主要受脉冲宽度及激光功率影响, 随脉冲宽度和脉冲功率的增大而增大, 当脉宽为20μs时, 最小重铸层厚度为3.0μm; 热影响区厚度与脉冲宽度、脉冲频率、激光功率、切割速率有关, 即随脉冲宽度及脉冲频率的增大而增大,随功率的增大先增大后减小,随切割速率的增大先减小后增大, 当脉冲频率为5000Hz时,最小热影响区厚度为0.2μm。通过研究316L心血管支架重铸层及热影响区的形成机理及变化趋势, 为后续的正交实验及抛光实验奠定了基础。

为了实现圆柱对象定位点在竖直高度与水平横向两方向位置坐标的一次性准确测量,采用线性激光三角法建立了线性激光三角法定位测量模型, 并进行了理论分析, 同时依据此方法设计了一套定位测量实验系统。使用工业相机采集被圆柱对象曲面反射的线性激光光斑图像, 选用blob算法根据图像中激光光斑几何特性提取光斑顶点像素坐标, 结合系统标定参量计算了圆柱对象定位点位置坐标。结果表明, 该测量方法在竖直高度与水平横向两方向的最大相对测量误差分别为0.14%与0.89%。该研究成果可用于工业生产中机械手对不同尺寸圆柱对象的抓取定位测量。

为了研究雪崩光电二极管(APD)对大气传输后的激光进行探测时, 所受大气湍流效应及APD噪声的影响, 分析了激光在湍流大气中传输、APD对激光探测两个过程, 结合APD的探测原理, 建立了指数威布尔-高斯双重随机过程模型。通过实验测量了不同信噪比、不同大气湍流下APD输出电流的概率密度, 对探测距离不同、接收口径不同的情况进行了仿真。结果表明, 接收信噪比为2,5,10时, 光强分布方差分别为0.5354,0.3565,0.2781, 偏移量分别为0.05,0.0109,0.0029; 大气折射率结构常数为2.5×10-15,3×10-14,4.9×10-14时, 方差分别为0.1198,0.2781,0.4035, 偏移量分别为0.0002,0.0029,0.0039; 双重随机过程模型可准确描述经过大气传输的激光被APD探测的过程; 探测器口径的变化对APD输出电流的概率密度影响不大, 而接收信噪比、探测距离、大气折射率结构常数的增大会使APD输出电流平均值较信号电流产生较大偏移、且离散程度加剧。该模型的建立对激光探测技术研究具有一定的参考价值。

为了避免景深和遮挡的干扰, 提高人群计数的准确性, 采用了LeNet-5,AlexNet和VGG-16 3种模型, 提取图像中不同景深目标的特性, 调整上述模型的卷积核尺寸和网络结构, 并进行了模型融合。构造出一种基于多模型融合的深度卷积神经网络结构, 网络最后两层采用卷积核大小为1×1的卷积层取代传统的全连接层, 对提取的特征图进行信息整合并输出密度图, 极大地降低了网络参量且取得了一定提升的数据, 兼顾了算法效率和精度, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 在公开人群计数数据集shanghaitech两个子集和UCF_CC_50子集上, 本文中计数方法的平均绝对误差和均方误差分别是97.99和158.02,23.36和41.86,354.27和491.68, 取得比现有传统人群计数方法更好的性能; 通过迁移实验证明所提出的人群计数模型具有良好的泛化能力。该研究对人群计数精度的提高是有帮助的。

为了高质量地将目标图像标刻在任意曲面上, 需要将计算机中排版的2维数据转换为3维数据从而形成具体振镜加工轨迹数据。在大量激光标刻实验测量与计算的基础上, 采用一种对任意自由曲面进行最小化失真展开的区域重点最小二乘共形展开(FPLSCM)算法, 完成了实用的3维振镜激光加工系统软件设计, 并进行了理论分析和实验验证, 取得了大量标刻测量数据。结果表明, 在z轴上下300mm范围内, 本算法能有效将由于高度与待加工表面形状差异带来的标刻畸变控制在1%左右, 并且在各类3维曲面上都得到了很好的加工效果。此研究成功实现了在自由3维曲面上利用动态聚焦技术完成各种表面加工的工作, 并通过优化算法有效减少了畸变。

为了精确测量吸收光谱, 并尽量减小温度与湍流波动对光谱测量结果的影响, 采用谱线模拟仿真模拟和20kHz高频扫描的方法, 选取中红外基频跃迁带内低温度敏感性谱线P(10), 进行了理论分析和实验验证, 取得了发动机CO吸收光谱及其体积分数随时间变化的数据, 变化范围为(153±123)×10-6。结果表明, P支谱线扫描范围内可降低48.28%目标气体温度变化对体积分数反演的影响。该方案能够为发动机尾气CO激光遥感测量提供一个高速、精准、实时的监测方案。

超疏水表面因具有滑移减阻、防腐蚀、防摩擦等良好的性能, 获得广泛的关注。激光刻蚀超疏水表面具有可控、简单、稳定、环保等优点, 有望实现工业化生产。首先梳理了超疏水表面的理论模型与影响因素, 概述了国内外激光刻蚀超疏水表面的方法, 讨论了飞秒、皮秒和纳秒激光制备超疏水表面的优缺点,最后提出了激光刻蚀超疏水表面技术的展望。今后的研究应该坚持以降低生产成本、减少工艺步骤、提高生产效率、绿色节能环保等为基础, 着重提高表面微结构的稳定性与持久性。超疏水表面将朝着多功能化与智能化的方向发展。

为了实现输电线走廊的有效监管, 采用了一种基于机载激光雷达(LiDAR)点云的电力线提取和重建的方法。首先利用点云的回波信息滤除大部分地物点, 保留电力线的全部信息,然后基于格网高差和高程阈值剔除大部分非电力线点云, 实现电力线的初提取。针对初步提取出的电力线点云, 通过Hough变换分离出单根输电线点。为提高电力线点的提取精度, 对Hough变换提取的结果进行了改进, 利用局部极值点检测的方法确定杆塔的位置, 最后通过带有限制条件的多项式模型对每档电力线进行分段拟合, 实现电力线模型的3维重建。结果表明, 利用该算法提取出了424个电力线点, 总的提取精度达到87.603%, 拟合出的电力线模型效果较好。该算法可以自动、精确地实现LiDAR点云数据中电力线的提取和重建, 对输电线走廊巡检具有很好的实用价值。

为了解决血细胞图像中白细胞与其它细胞色彩接近、亮度不均匀等问题, 采用了一种基于C-Y颜色空间的白细胞分割方法, 将原来的RGB图像转化为C-Y图像, 分离C-Y图像获得包含全部信息的B-Y颜色分量图像, 再根据连通域面积筛选、开运算、像素点操作得到完整的白细胞图像; 提取对比度拉伸后的G图像, 阈值分割得到细胞核的大概位置, 再用连通域面积筛选、开运算方法分割出完整的细胞核图像。结果表明, 本文中的算法对嗜酸性粒细胞、淋巴细胞、单核细胞和嗜中性粒细胞图像都具有较好的分割精度, 分别取得了94.33%, 91.60%, 97.72%, 98.66%的准确率。本文中的算法能较完整地分割出白细胞, 为后续分类研究奠定了基础。

为了提高压力传感器的灵敏度, 利用光子晶体光纤理论及其高双折射特性和可灵活设计的结构特点, 设计了一种新型边孔高双折射光子晶体光纤压力传感结构。采用全矢量有限元法并结合COMSOL软件对传感结构的受力和模场分布进行仿真分析, 获得压力传感特性随几何结构和自由空间波长的变化关系, 通过优化设计得到最优结构参量, 进一步获得高压力灵敏度。结果表明, 在最优结构下, 自由空间波长为1.55μm、压力为200MPa时, 偏振相位灵敏度为166.2rad/(MPa·m), 所能施加的最大压力为720MPa, 相位模式双折射灵敏度保持在4.1×10-5MPa-1左右。该研究对提高压力传感器的灵敏度是有帮助的。

稀薄燃烧能够提高内燃机的热效率并降低污染物的排放,但稀薄燃烧的火焰传播速度慢且在高压下易出现局部淬火现象。激光诱导火花点火能够有效解决燃料在低当量比和高压下燃烧遇到的问题, 此外激光点火能够实现多点点火从而缩短燃烧时间并增大燃烧室压力,相较于传统的电火花塞点火技术具有很大优势。锥形腔、衍射透镜、空间光调制器和达曼光栅均已被用于实现多点激光诱导火花点火。归纳了多点激光诱导火花点火的几种技术途径, 讨论了内燃机多点激光诱导火花点火的研究状况和最新成果。对实现多点激光诱导火花点火的几种方法进行了评价, 并指出了每种方法在多点激光诱导火花点火中的优势和需要解决的问题。在此基础上, 对内燃机激光多点点火技术的研究前景进行了展望。

为了满足100m~3km特长焦距参量的测试校准需求, 采用Talbot-Moiré条纹技术法, 设计了一套长焦测焦仪。针对影响仪器测量不确定度的系统参量, 分别设计了校准方法, 并对仪器测量不确定度评定结果进行了实验比对验证。结果表明, 校准后仪器测量不确定度评定为6.4%; 校准后的长焦测焦仪测量结果与刀口仪测量结果满足测量不确定度比对公式; 对比结果最大为0.64, 小于1; 长焦测焦仪测量不确定度评定合理。该研究验证了长焦测焦仪系统参量校准方法的可行性。

为了提高多图像加密的安全性, 同时解决多图像加密系统数据量大的问题, 采用了基于分块压缩感知和改进幻方变换的加密方法。加密过程中, 充分利用了混沌序列对初始值的敏感性, 解决基于传统幻方变换的加密算法周期性的问题; 结合分块压缩感知的方法, 减少加密系统的数据量。对4幅256×256的灰度图像进行加密测试。结果表明, 系统加密时间只需要0.98s, 重建图像的质量高, 相关系数值均高于0.99, 峰值信噪比值均大于35dB;该算法在减少加密系统的数据量的同时进一步提高了系统的安全性。该算法实现容易, 能高效安全地完成多图像加密。

为了改善室外发光二极管(LED)可见光通信系统的性能, 解决湍流效应引起的光束相位变化、光束漂移、光束扩展等干扰问题, 提出了一种基于多输入多输出(MIMO)技术的LED可见光通信系统。首先构建了大气湍流信道模型, 然后利用MIMO技术相关原理搭建了LED可见光通信系统模型, 最后采用最大比合并的方法恢复出原始的信号, 并计算误比特率。结果表明, 在相同的湍流强度下, 随着系统分集程度越大, 误比特率越低; 在强湍流信道环境下, M=3,N=4的通信系统实现了10-7的误比特率, 与M=1,N=1的通信系统相比, 误比特率降低了5个数量级。该研究验证了MIMO技术抑制湍流效应的可行性与有效性。

为了评估表面开口裂纹, 采用激光超声衍射横波的方法测量其参量。激光激励的横波传播至裂纹尖端产生衍射信号, 随后被处于裂纹另一侧的传感器所接收。依据不同接收点衍射横波的渡越时间, 推导出裂纹参量的计算公式;模拟分析了横波在工件中的传播过程, 搭建了裂纹的激光超声测量实验系统, 并采集了衍射横波数据。结果表明, 在有效的检测范围内, 测量值与实际值之间的误差在5%之内。该结果可促进激光超声在表面裂纹检测中的应用。

为了探索虚拟绘制视点之间的强相关性, 提高光场图像的压缩效率, 提出一种基于视点相关性的光场图像压缩算法。该算法基于高清视频编码屏幕内容编码扩展平台, 利用线性加权算法以及帧内块拷贝混合预测算法来提升编码块的预测精度; 并利用率失真优化过程来自适应地选择最优的编码块大小以及预测模式。结果表明, 所提算法相比于高清视频编码标准可以获得2.55dB的平均BD-峰值信噪比编码增益, 同时可以获得较好的虚拟视点绘制质量。该算法充分利用虚拟绘制视点之间的强相关性, 提高了光场图像的编码效率。

为了在THz波段获得TE波下的可调谐吸收频谱, 采用全波仿真的方法, 设计了一款基于二氧化钒材料的可调谐THz吸波器, 对该吸波器的吸收频谱、电场图、表面电流图以及能量损耗图进行分析, 并讨论了结构参量h4,k以及入射角度θ对吸收频域和吸收带宽的影响。结果表明, 通过外部温控的方式改变二氧化钒谐振单元的物理特性可以获得可调谐的吸收频谱并改善吸波器的吸收性能, 该吸波器在温度T≥68℃时, 可以实现在2.70THz~3.36THz频段的宽带吸收(吸收率在90%以上), 相对带宽达到21.8%;在T＜68℃时, 可以实现多个单频点的吸收;改变结构参量h4,k可以改变吸收频点的位置以及吸收带宽, 改变入射角度θ可以影响吸波器的吸收效果。该研究对可调谐太赫兹器件的进一步探究是有帮助的。

为了使相干接收机输出的两路信号相位正交, 正确地解调信号, 采用施密特正交化算法对两路信号进行了理论分析和实验验证, 经正交失衡算法补偿后, 星座图的性能得到改善; 通过松尾环实现载频的跟踪、捕获以达到载波恢复, 实现了基带信号正确解调。结果表明, 经施密特正交化算法补偿后, 旋转的星座图得到了修正, 星座点间的欧几里德距离不相等问题得到修正, 基带信号畸变得到了改善; 当频偏在-300kHz~300kHz范围内, 松尾环可以实现载频的跟踪、捕获, 基带信号实现正确解调。该方案实现复杂度低, 切实可行, 适用于相干光通信系统的研究。

为了解决传统目标跟踪算法在天空背景下面临高能激光反射时图像像素灰度分布发生剧烈变化, 从而导致目标遮挡或丢失的问题, 采用一种基于局部特征分块思想的相关跟踪算法, 根据局部特征对跟踪模板进行了分块处理, 计算并选取其中特征稳定度高的块模板, 在跟踪区域内对每个块做模板匹配, 并进行了理论分析和试验验证。结果表明, 该算法在强光干扰下能够有效地对目标实时稳定跟踪, 且图像处理延迟时间在2ms以内。该研究对基于高能激光发射下的超高精度跟踪系统工作性能的保证是有帮助的。

为了解决传统N-FINDR算法降维时破坏像元光谱曲线的物理意义这个问题, 采用波段选择方法中的最佳指数法代替特征提取, 改进N-FINDR算法的降维方式; 利用模拟和真实高光谱数据进行实验, 分别用改进的N-FINDR算法与其它两种算法提取端元, 并用全约束最小二乘法解混。结果表明, 改进的N-FINDR算法的解混精度更高, 用时更少。用波段选择代替特征提取改进降维方式, 保留了光谱曲线的物理意义, 在N-FINDR算法中是可行的。

为了探究部分相干月牙形光束在非Kolmogorov谱中漂移的演化规律, 采用拓展Huygens-Fresnel原理, 得到了相应的解析表达式, 并运用MATLAB进行了数值模拟。结果表明, 在非Kolmogorov谱中, 部分相干月牙形光束的漂移分别随着各向异性参量的增大、湍流内尺度的增大、湍流外尺度的减小、结构常数的减小而降低; 与各向同性湍流相比, 各向异性湍流对漂移的影响较小; 月牙形光束的最大光强位置的离轴距离分别随着波长、光束阶数的增大而增大, 随着相干长度的增大而减小。月牙形光束由于最大光强位置的离轴特性, 有利于绕过障碍物传输, 所得结论对实际光通信有一定参考价值。

为了监控3维玻璃上聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)复合衬底介质膜膜厚, 采用将PET复合衬底等效为单层基底材料的建模分析方法, 通过椭偏测量技术实现了复杂衬底上TiO2梯度折射率材料薄膜厚度的检测。结果表明, 采用该方法测量的PET复合衬底上TiO2梯度折射率薄膜厚度为212.48nm, 扫描电子显微镜的测量结果为211nm, 结果非常准确。以TiO2为例验证了等效衬底方法, 该方法也同样适用于其它介质膜。等效衬底法可实现PET复合衬底上的TiO2薄膜厚度的高精度测量表征, 对镀膜工艺过程监控具有重要意义。