可见光通信(VLC)室内定位技术将照明与通信相结合。相比传统的室内无线定位手段, VLC室内定位技术具有绿色节能环保、成本低廉、无电磁干扰、定位精度高和应用场合广泛等优势, 具有广阔的应用前景。总结了基于光电传感器和图像传感器两类VLC室内定位技术的原理与特点, 重点阐述了当前VLC室内定位技术存在的问题(光源布局不合理、码间干扰和接收装置的灵敏性和稳定性不高)及解决方法(合适的编码方式、正交频分复用技术、分集接收技术和滤波技术等), 讨论了VLC室内定位技术的发展趋势和应用前景。

弹道导弹和巡航导弹是高技术战争中的主要威胁, 对弹道导弹最有效的防御是助推段拦截。首先总结了美国机载激光计划失败的原因和经验教训, 然后评述和分析了无人机载激光**反导的概念、优势、研究计划和现状, 以及存在的问题和面临的挑战。最后, 讨论和分析了用于助推段拦截的二极管抽运碱金属激光器和相干合成光纤激光器的原理、特点、最新进展和技术挑战。

亚表面损伤(SSD)的系统表征和准确检测是控制光学材料加工表层损伤的关键。将SSD的表征方法和检测技术相结合, 综述了光学材料SSD检测评价方法的研究进展; 分析了超精密加工产生的SSD结构和表征参量; 针对SSD的几何表征参量, 介绍了几种典型的损伤性检测技术及其技术特点和适用范围; 重点介绍了几种满足超精密加工检测要求的无损伤检测技术, 并分析了其技术优势和发展瓶颈; 对比了国内外SSD的表征与检测技术水平, 并对SSD检测技术的发展趋势进行了展望。

合成孔径激光雷达(SAL)能够突破激光的衍射限制, 满足对远距离目标和场景进行高精度实时成像的需求。从SAL理论和实验进展两方面, 详细总结分析了SAL的国内外发展现状。在此基础上, 总结和分析了实现SAL实际应用, 还需深入研究的几个关键技术: 激光光源、发射信号波形、探测体制、激光传输特性和目标反射特性、成像算法和运动补偿等, 为进行SAL的深入研究和实用化奠定基础。

近年来, 混沌激光已广泛应用于保密通信、高速随机数生成、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪、光纤传感和测距等方面。与离散器件构成的装置不同, 集成芯片具有尺寸较小、功耗较低、稳定性较好和适用于大批量生产等优点。结合混沌应用和集成芯片的优势, 光子集成的混沌半导体激光器应运而生。将光子集成混沌半导体激光器分为五类, 并分别介绍了国内外相关机构在集成结构、集成区域的尺寸、集成构成的特点及集成混沌激光器的应用等方面的研究进展。另外, 设计并介绍了一种新型的面向蝶形封装的混沌外腔半导体激光器。

设计了大相对孔径的三档变焦光学系统来监控海洋生态监测仪器的工作状态。该系统的设计通过Zemax软件实现, 总长度为200 mm, 系统采用6.4 mm×4.8 mm的CCD感光板, 三档变焦焦距分别为8, 14, 28 mm, 变焦过程中相对孔径为1/1.4, 短焦时最大视场角为52°。最大视场角下, 当奈奎斯特频率为42 lp/mm 时, 系统的0视场的调制传递函数(MTF)值为0.8, 0.707视场的平均MTF值为0.7, 1视场的平均MTF值达0.6; 10 μm范围内, 几何包围能量均在90%; 畸变控制在合理的范围。该系统变焦比高、结构简单、相对孔径大, 适用于海水中海洋生态监测仪器的监控, 能够及时地反馈海洋生态监测仪器的工作状态信息, 大大降低了海洋生态监测仪器的维护成本。

基于原子发射双谱线测温原理, 提出了基于硅光电倍增管的光电测温系统, 介绍了该测温装置的结构及测温原理。基于原子光谱数据库选择Al I 690.6 nm和Al I 708.5 nm作为测温时的温标谱线, 通过光电测温计测量铝在纯氧中燃烧时的温度, 并将其与热电偶测量的温度进行对比。结果表明, 两种方法测得温度的平均相对误差为1.5%, 证明了基于原子发射双谱线测温技术的可行性。

选取单晶硅、多晶硅和模拟非晶硅封装太阳电池为研究对象, 研究了偏置光的辐照度和光谱分布等偏光光谱特性对太阳电池光谱响应的影响。太阳电池的光谱响应与偏置光有关, 随着偏置光辐照度增大, 长波段范围内的光谱响应增大, 太阳电池短路电流呈线性增大。偏置光的光谱分布对太阳电池的光谱响应也有影响, 光谱失配度越大, 光谱响应的差异越大。为了提高太阳电池光谱响应测量的准确性, 偏置光的辐照度和光谱分布应该尽量接近IEC标准。

通过热释电红外感知设备采集目标方向角序列, 利用粒子群优化算法实现了非测距方案下的目标跟踪。当阵列布局较大时, 采集方向角序列的长度增大, 算法搜索空间的维数增大, 跟踪精度降低。通过分割序列, 采用分布式粒子群优化算法, 综合多节点协同决策, 实现了大规模阵列的红外目标实时跟踪定位, 且能满足目标跟踪精度的要求。结果表明, 该方法有效扩展了基本粒子群算法在热释电感知中的应用。

利用严格耦合波法设计并优化了中心波长为1.55 μm, 基于液晶的波长可调谐导模共振滤波器(WTGMF)。通过计算得知减反层和衬底的厚度均对滤波器的共振线宽有影响, 减反层的厚度越薄共振线宽越宽, 但是对于衬底厚度总存在着一个最优的厚度使线宽达到最窄, 当衬底厚度为300 nm时, 线宽缩小到最窄的0.96 nm。另外决定WTGMF的波长调谐范围的主要因素是液晶层的厚度, 调谐范围随着液晶层厚度的增加而增加并最终达到稳定, 当液晶层厚度达到1600 nm时波长调谐范围达到最大的39 nm。

为了满足全光网络中大容量数据上传、下载的需求, 提出了一种结合波分复用(WDM)、偏振复用(PDM)以及空分复用(SDM)的可重构光分插复用器(ROADM), ROADM使光分插复用器(OADM)上传、下载的能力提升了12倍。对基于WDM和PDM的OADM进行实验搭建和性能分析, 结果表明, 基于WDM和PDM的OADM不仅能够实现密集WDM, 还能稳定地实现PDM, 主要输出端口的偏振态稳定度达到0.01, 偏振分束器输出端的快、慢轴分光比接近1∶1, 插入损耗小于9 dB。对基于光子灯笼(PL)和SDM的OADM进行模型搭建, 分别实现了6种模式和3种模式的复用, 结果表明, 基于PL和SDM的OADM不同模式间的有效折射率差大于6×10-4, 模间串扰小、隔离度高。

利用高频二氧化碳(CO2)激光脉冲写入法制备了一种基于少模长周期光纤光栅(LPG)的高灵敏度扭矩传感器。两个纤芯线偏振(LP01和LP11)模式耦合形成谐振峰。扭转灵敏度可达0.528 nm·rad-1·m-1, 所提扭矩传感器的扭转灵敏度比普通单模LPG提高一个数量级。引入扭转的LPG可以看作是对原光栅进行周期性螺旋调制, 其有效光栅周期与扭转率成比例, 从而使谐振峰波长发生漂移, 这是形成高扭转灵敏度的主要原因。这种新型LPG对环境折射率和温度的交叉敏感性较弱, 可以用作高精度的接触性扭矩传感器, 在涉及扭转测量的很多领域有广阔的应用前景。

理论分析和模拟仿真了双单边带离散多音频(Twin-SSB-DMT)信号经全光波长变换(AOWC)实现的多路传输。从理论方面研究双单边带信号的产生原理, 并对转换光与原始信号光之间的关系进行了分析。通过设置推挽式调制器双臂射频信号, 得到左单边带为离散多音频-正交幅度调制(DMT-4QAM)、右单边带为DMT-16QAM的双单边带信号。传输速率为20 Gbit·s-1的双单边带信号经过半导体光放大器中四波混频效应产生了1~8路高质量的转换光, 且转换光携带原始信号光数据, 从而实现高阶信号的多播传输。模拟结果表明: 双单边带DMT信号在低成本下提高了频谱效率和波长带宽的利用率, 改善了整个AOWC系统的性能。从星座图和误码率曲线可以看出, 接收端可对8路偏振不敏感的多播信号实现无串扰直接接收, 信噪比代价低, 进而有利于实现高质量的多播系统。

峰值定位在处理光纤布拉格光栅(FBG)反射信号的过程中至关重要。针对FBG反射信号的特点, 为了解决峰值定位过程中峰值重叠的问题, 提出一种适用于FBG反射信号的寻峰方法。采用基于连续小波变换的脊线寻峰算法, 研究了连续小波变换中小波系数与FBG反射信号的对应关系, 将脊线寻峰算法进行了改进并运用于峰值重叠FBG反射信号的峰值定位。实验结果表明, 改进的小波脊线寻峰算法可以有效解决FBG反射信号的波峰重叠问题, 减小了寻峰误差, 提高了峰值定位的精确度。

在自由空间相干光通信系统中, 混频效率直接反映相干探测灵敏度。分别推导了混频效率随光轴径向误差、失配角、轴向离焦和大气湍流强度变化的表达式, 并进行了仿真分析。结果表明: 选择与波长匹配的束腰半径和相对孔径可使混频效率达到最大值0.8145。信号光与本振光的光轴径向误差对混频效率和相对孔径的影响最大, 接着是失配角和轴向离焦。将以上3种影响因素分别限制在0~4 μm、0~0.05 rad、0~200 μm范围内, 当选取1550 nm的光波作为通信波长且束腰半径为3.4λ、相对孔径为0.21时, 混频效率可达到0.55以上。在中强湍流条件下, 使用小口径接收天线能有效抑制大气湍流效应。

光纤克尔效应是影响谐振式光纤陀螺(RFOG)性能提升的重要因素之一。以光纤克尔效应为基础, 结合Sagnac效应, 建立RFOG克尔效应零偏误差的理论模型, 分析谐振腔内顺、逆时针光路中输出耦合器的耦合比之差以及谐振腔两臂长度差对陀螺零偏误差的影响, 提出结合RFOG结构设计的光强控制方案, 并通过4轮实验验证该方案的有效性。结果表明, 该方案能有效抑制克尔效应, 零偏误差从0.150 (°)/s降低至0.017 (°)/s, light path零偏稳定性从1300 (°)/h提升至140 (°)/h, 陀螺样机性能提升近1个数量级。

利用全矢量有限元法分析了光子晶体光纤(PCF)的结构参量对其本征模场分布的影响。数值计算结果表明, 具有多层空气孔、多层纤芯、大孔间距和大占空比的结构更有利于将光场约束在纤芯中, 纤芯层数、孔间距和占空比的增加均会导致PCF本征模场出现更高阶次的模式。纤芯层数和孔间距的增加会对由占空比减小所引起的功率泄漏进行一定的补偿, 通过减小空气占空比、增加纤芯层数和孔间距, 可实现大模场单模传输的可行性。对于4层空气孔、2层纤芯、占空比为0.01、孔间距为20 μm的PCF, 在保证单模传输的条件下, 纤芯半径可达40 μm, 有效模面积为3717 μm2, 纤芯功率集中度为68.32%。

反共振空芯光子晶体光纤(HC-PCF)在中红外光纤气体激光器中具有重要的应用价值, 其与实芯光纤的低损耗耦合是实现全光纤结构光纤气体激光器的关键技术。采用将实芯光纤拉锥后插入空芯光纤的方案开展研究。理论和实验结果表明, 利用光纤拉锥处理技术改变普通光纤模场直径, 可使拉锥光纤与空芯光纤的模场直径近似匹配, 从而实现实芯光纤与大模场直径反共振HC-PCF的低损耗耦合。对于模场直径约为35 μm的Ice-cream型反共振HC-PCF, 仿真结果表明, 当锥腰直径为30~50 μm时, 耦合效率高于95%, 最高可达98%, 实验测得锥腰直径为35 μm时的耦合效率为96.05%。该结论为大模场直径空芯光纤与实芯光纤的低损耗耦合和实现全光纤结构气体激光器的全光纤化提供了一条可行的技术途径。

为了将声光移频器(AOFS)应用至光锁相环路中实现锁相环路快速精密调谐, 并保证相干接收机接收信号的质量, 介绍了AOFS的移频原理以及在锁相环路中的动态工作模式, 对AOFS的插入损耗特性进行了系统的研究, 着重分析了AOFS驱动器功率变化以及移频过程中频率变化对插入损耗的影响。设计并搭建了基于光拍频方法的1550 nm AOFS插入损耗测量实验系统, 测试得出AOFS在各种外界调制信号影响下插入损耗的变化规律, 分析了多种影响因素共同作用下插入损耗的整体动态变化趋势并进行实验验证。根据实验分析结果对AOFS驱动功率进行优化, 结果表明, 将驱动器功率设置为1 W, 相比于25 mW驱动功率, AOFS插入损耗值在移频范围内整体下降15 dB, 最大相对插入损耗值下降1 dB。

为了合理设置雪崩光电二极管(APD)探测器的偏压, 在恒定温度下实现倍增因子可调, 分析了APD探测器的工作原理及影响其探测灵敏度的因素, 并在室内对APD探测器的探测灵敏度进行测试。实验结果表明: 当通信速率为10~2000 Mb·s-1时, 探测灵敏度可达-47~-34 dBm; 当偏压为55.0~70.0 V时, 10,100,1000 Mb·s-1通信速率下的探测灵敏度分别提高了5.7,6.5,7.8 dB。实验结果很好地验证了理论分析的正确性, 这为空间激光通信系统接收性能的提高提供了技术支持。

从几何光学的角度设计并实现高动态范围视频显示系统的背光模组。首先明确背光模组亮度均匀性对高动态范围视频显示系统的重要影响, 并通过斯派罗法则确定背光模组LED光源的间距、混光距离等设计参数, 随后利用AutoCAD软件进行三维建模, 利用TracePro、LightTools光学软件进行仿真实验, 并通过改造现有显示屏幕的背光模组来实现高动态范围视频显示系统。结果显示: 设计与实现的背光模组能够达到高动态范围视频显示系统的要求, 液晶面板的峰值亮度可达2500 cd·m-2, 亮度均匀性为95.85%。

由于高光谱遥感数据具有波段多、特征非线性、空间相关等特点, 提出一种基于深度学习的空-谱联合(SSDL)特征提取算法来有效提取数据中的空-谱特征。该算法利用多层深度学习模型--堆栈自动编码机对高光谱数据进行逐层学习, 挖掘图像中的深层非线性特征, 然后再根据每个特征像元的空间近邻信息, 对样本深度特征和空间信息进行空-谱联合, 增加同类数据聚集性和非同类数据分散度, 提升后续分类性能。在帕维亚大学和萨利纳斯山谷高光谱数据集上进行地物分类实验: 在1%样本比例下, 地物总体分类精度达到了91.05%和94.16%; 在5%样本比例下, 地物总体分类精度达到了97.38%和97. 50%。结果表明: 由于SSDL特征提取算法融合了数据中深层非线性特征和空间信息, 能够提取出更具鉴别特性的特征, 较其他同类算法能够获取更高分类精度。

当前图像哈希认证技术对旋转操作较为敏感, 稳健性与伪造检测率不高。为克服此类问题, 设计了基于改进的局部二值模式(LBP)算子与动态更新变换的紧凑图像哈希算法。引入线性插值技术, 对输入图像实现预处理, 改善哈希序列对尺度缩放的稳健性。利用Ring分割, 将插值图像转化成二次图像。考虑中心像素特性与周围像素的差异, 将Heaviside函数嵌入传统的LBP中, 形成了描述能力较强的H-LBP算子, 提取图像的抗旋转稳健特征。引入压缩感知, 对高维特征矢量完成降维, 输出紧凑的过渡哈希数组。利用混沌变换思想, 设计动态更新变换机制, 对过渡哈希数组进行加密, 得到图像哈希序列。最后, 利用汉明距离测算输入图像与待检测图像的哈希相似度, 通过优化认证阈值, 完成图像内容的真伪识别。实验结果显示, 与当前哈希算法相比, 提出的算法生成的哈希序列尺寸更小, 对旋转、噪声等操作具有更好的感知稳健性。

针对基于特征相似性的图像质量评价方法(FSIM)在检测图像阶跃边缘时存在的局限性, 提出一种将FSIM与对阶跃边缘敏感的对称相位一致性(SPC)相结合, 并利用各向同性Sobel算子计算梯度幅值的新方法--对称特征相似度(SFSIM)。该方法利用SPC通过相位相邻像素响应的符号确定对称相位的特性和更加准确的各向同性Sobel算子加权系数, 能够很好地检测和定位尖锐的图像边缘特征。对不同失真类型的图像进行仿真实验, 结果表明, 在保留原始方法优良性能的基础上, SFSIM对比较尖锐的图像边缘特征和高斯模糊图像具有更高的敏感性。

为了实现所研制的角膜地形图仪应用于临床检验, 将Klyce经典的三维形貌重构模型改成光线逆追踪法进行建模: 获得24环每环256个点的亚像素级二维数据; 将这些数据由最小二乘法估算出原始假设椭球面; 对该椭球面进行修正, 得到最符合真实角膜的曲面。先采用Canny算法得到像素级的二维数据; 然后对数据的灰度进行平滑降噪; 之后对数据的灰度梯度进行3次拟合以获得亚像素级数据; 最后, 用标准的角膜地形图仪获得的清晰图片实现三维重构。通过分析两者获得的曲率半径及屈光度数据, 发现其误差小于0.9%, 表明该方法具有可行性。

针对离散小波变换多聚焦图像融合算法中对低频分量融合处理存在缺陷而导致图像的边缘失真及图像模糊等问题, 提出了一种自适应区域融合规则多聚焦图像融合算法。首先将源图像进行小波分解, 得到低频系数和高频系数, 然后将代表近似信息的低频系数采用改进空间频率进行阈值处理, 将代表细节信息的高频系数采用改进的梯度与改进的拉普拉斯能量和高频融合规则处理, 最后对处理后的高频系数和低频系数进行小波重构。实验结果表明: 本文算法与传统的融合方法相比, 在主观上, 图像轮廓信息和边缘信息保留更多, 融合效果更好; 在客观上, 客观指标大幅提高。

对分块拼接主镜实现主动控制是拼接镜技术的难点之一。建立了拼接主镜主动控制系统的模型, 采用静态解耦的方式, 将传递函数矩阵对角化, 系统从多输入多输出的形式简化为单输入单输出的形式, 并且建立了简化后的控制系统模型。在此基础上, 完成了控制系统的控制器设计。为了实现拼接镜的主动控制, 在实验室中搭建了由四块正六边形子镜组成的拼接镜实验系统, 由三个驱动器来控制每块子镜的倾斜和平移误差。结果表明, 单位倾斜误差校正时间为 2.6 s, 分析子镜倾斜的功率谱密度可知, 动态倾斜误差校正带宽达到了0.34 Hz, 实现了静态拼接误差的高效快速校正和动态误差的实时有效校正。

对可应用于X射线骨密度仪的各种双能投影分解算法(包括曲面拟合法、查找表法、等值线拟合法、神经网络法)进行了对比研究。光子计数探测器具有高能量分辨率、低噪声的优点, 由碲锌镉光子计数探测器系统进行投影数据采集可以提高分解精度。选用铝(Al)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为基材料, 分别代表骨骼和软组织, 对基材料不同厚度组合进行校准实验, 建立高、低能投影数据查找表; 分别使用上述投影分解算法建立反向查找表; 在反向查找表的范围内选取了9个测试点, 用上述分解方法分别进行分解, 计算各种分解方法的分解偏差和运行时间并进行对比。结果表明, 在分解精度上, 曲面拟合法、查找表法、等值线拟合法、神经网络法对于Al的分解偏差分别为0.11%~3.68%、0~2.86%、0.07%~3.23%、0.41%~4.18%, PMMA的分解偏差则分别为0.11%~3.42%、0.44%~5.33%、0.02%~2.83%、0.09%~4.89%。在分解速度方面, 曲面拟合法和等值线拟合法高出其他两种方法约一个数量级。等值线拟合法不管是分解精度还是速度都具有较大的优势。

雨雾条件下目标场景可见光成像是战场环境仿真的重要内容, 可见光图像增强对于提高光学制导导弹的作用距离和打击精度具有十分重要的意义。在大气环境的实验方舱中开展雨雾条件下目标机构, 即微缩景观沙盘的可见光图像的仿真研究, 分别获得晴天, 轻雾、中雾和浓雾, 小雨、中雨和大雨条件下目标的可见光图像。采用改进的暗通道法获得不同雨雾条件下的增强图像, 并计算了雨雾图像和增强后图像的标准差(MSE)和峰值信噪比(PNSR)。结果表明, 轻雾、中雾和浓雾, 以及小雨、中雨和大雨条件下, 随着雨雾等级的提高, 雨雾图像以及增强后图像的MSE逐渐增加, 分别由245.78增加到383.07, 和由46.84增加到222.01; PNSR逐渐减小, 分别由24.23下降到22.29, 和由31.42下降到24.66。据此说明, 图像质量随着雨雾等级的提高而下降, 经过图像增强依然存在此现象。另外, 对比雨雾图像的MSE和PNSR与增强后图像的MSE和PNSR发现, 增强后图像的MSE明显减小, PNSR显著增大, 依据MSE和PNSR两个客观评价指标, 图像质量在进行图像增强后显著改善。

为探讨光热辐射(PTR)技术检测金属材料亚表面缺陷的能力, 理论分析了双层材料在强度调制激光束激励下产生的热波幅值和相位, 实验检测了阶梯型钢板样品、铝/钢质盲孔阵列样品和钢质填锡盲孔样品的光热辐射信号。对于直径分别为2.5, 2.0, 1.5 mm, 孔底厚度分别为0.2, 0.4, 0.6 mm的铝质盲孔阵列样品, 实验得到的光热辐射相位分布显示了盲孔直径和孔底厚度的可区分性。对于钢质盲孔阵列样品, 在盲孔填锡前后的光热辐射相位分布显示出一定区别。实验结果表明: 聚焦光斑的光热辐射检测能探测到深度小于或约等于面层材料热扩散长度, 截面积约等于或大于光斑面积的铝或钢内气孔缺陷。

为解决传统紫外光能量计所存在的功耗大、成本高、精度低以及设计复杂等问题, 提出一种基于双补偿机制的电流积分型低功耗紫外能量检测方案。该方案利用低功耗单片机实现对紫外光能量的计算; 紫外光电探测器输出的电流通过电流积分模块转换为方波脉冲; 放电补偿电路和环境光补偿电路对电流积分模块进行误差校正, 提高检测精度; 主控制器对脉冲数进行统计, 计算能量大小; 充分利用低功耗模式优化显示程序, 显示程序不使用芯片驱动, 而是采用微处理器直接驱动, 使显示程序的功耗进一步降低。实验证明: 该方案功耗不超过165 μW, 对紫外光能量值的检测误差小于1%, 电路复杂度低, 使用芯片成本低, 具有很强的续航能力和很高的实用价值。

针对微推力测量中电容位移传感器需要频繁标定非线性误差的问题, 提出了一种基于激光干涉的现场标定方法。标定原理为: 在直线位移台上同时调节可动角隅棱镜与测量目标的位置, 进而改变干涉光路光程差及电容位移传感器极板间距, 以激光干涉测量结果为基准, 采用线性拟合方法, 对传感器非线性误差进行标定。搭建了基于常用光学元件的干涉光路, 对应用于微推力测量中不同量程的传感器进行标定。在分析干涉光强变化特点的基础上, 确定了干涉条纹数计算方法, 得到干涉光路的位移测量精度为66.5 nm。实验验证了该校准装置的实用性和准确性, 最后对标定结果、传感器输出非线性误差以及影响激光干涉测量精度的主要因素进行了分析, 得到激光干涉测量总误差为67.2 nm。

利用飞秒激光处理陶瓷刀具表面, 研究了脉冲能量和光斑重合度对其表面浸润性的影响。通过测定激光处理后的氧化铝陶瓷刀片表面的接触角来观察其浸润性。实验结果表明, 飞秒激光可以改变陶瓷材料表面的润湿性能, 通过选择合适的激光能量密度和光斑重合度, 可以制备出超亲水表面和超亲水基切削液的表面。水基切削液在激光处理过的表面上的润湿速度与接触角呈指数衰减关系。

垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)限制电流流入的方式有许多种, 其中氧化孔径(电流注入孔径)限制法制备工艺简单, 成为普遍选用的方式。模拟结果显示, 对于氧化孔径限制VCSEL,在氧化孔径边缘处电流密度最大。模拟P型电极内环半径对注入孔径电流密度的影响, 结果表明P型电极内环半径越大, 器件氧化孔径边缘的电流密度越大, 对应的器件工作电压越大, 输出光功率越低。综合考虑器件结构的光场分布和发散角分布, 计算器件表面光斑面积, 得到P型电极内环半径的最优值为8 μm。

非稳腔在大菲涅耳数条件下可实现光的高效提取效率, 也可保持高光束质量。设计了一款用于Nd∶YAG板条增益介质的传导冷却端面抽运结构的望远镜型离轴介稳-非稳混合谐振腔, 输出耦合镜为变反镜。该混合腔的宽度方向(板条增益介质的x方向)为非稳腔, 厚度方向(板条增益介质的y方向)为介稳腔。通过理论分析得出, 当抽运功率为10 kW时, 该介稳-非稳混合腔结构的输出功率为4428.7 W, 光-光转换效率为0.4429。

提出了水辅助激光诱导等离子体背部刻蚀Pyrex7740玻璃的方法, 制备了缩小型十字通道微流控芯片。通过理论分析和加工试验, 研究了激光能量密度和激光加工次数对平均刻蚀深度的影响, 以及刻蚀过程中去离子水的作用。研究结果表明, 平均刻蚀深度与激光能量密度和激光加工次数有较大关系; 去离子水有助于实现持续刻蚀, 制得的芯片沟槽宽度为77.8 μm, 刻蚀深度为20.4 μm, 刻蚀边缘齐整, 无明显崩边现象; 而在没有去离子水辅助的情况下, 当激光能量密度为3.4 J/cm2时, 最大刻蚀深度为2.8 μm。

针对调频小宽带脉冲传输过程中调频到调幅(FM-to-AM)效应的演化规律, 结合理论模拟与实验验证, 研究了一定线宽下不同级次光谱缺失或损耗所引起的脉冲的时间波形变化量及变化特征, 结果表明波形调制度与光谱成分缺失量成线性增长关系, 波形调制的轮廓与缺失光谱成分在光谱中的位置相关。这些结果为FM-to-AM效应的预补偿和抑制提供了依据, 对激光器安全运行和改善物理实验效果具有一定意义。

基于ABAQUS有限元分析软件, 研究了2024-T351铝合金薄板在聚氨酯橡胶支撑下的激光冲击成形过程, 分析了橡胶垫块的厚度、直径、硬度对薄板成形的影响, 并实验验证了模拟结果。研究结果表明, 薄板的成形形状为半球形; 当橡胶厚度在1.5~3 mm范围内变化时, 厚度越大越有利于薄板的成形; 薄板的成形结果与橡胶直径无明显关联; 当橡胶的硬度在40~70 HA范围内变化时, 硬度越小越有利于薄板的成形。模拟与实验结果具有良好的一致性。

高功率激光装置中的片状放大器普遍采用高功率脉冲氙灯作为抽运源, 氙灯的辐射光谱与片状放大器的增益性能密切相关。基于暗室中搭建的时间分辨率为2 μs的氙灯光谱测试系统, 测试氙灯在不同放电时刻的辐射光谱。结果表明: 相同电流密度对应的上升沿、下降沿时刻的氙灯辐射光谱存在显著差别, 上升沿光谱的分立谱明显; 当电流密度为0.866 kA·cm-2时, 如果不施加预电离, 上升沿的辐射光谱能量比下降沿低48%, 施加预电离后这种差距缩小至24%; 预电离可以有效提高上升沿时刻的光谱强度, 是提高氙灯辐射效率的有效途径之一; 对氙灯辐射光谱的原模型进行修正, 可使其与测试光谱数据更吻合。

利用不同能量的飞秒激光脉冲对铝基材料表面接触角进行调控, 并对其浸润性转变机理进行了分析研究。结果表明, 经飞秒激光加工和时效处理后, 铝基材料表面最终稳定的浸润性状态与激光能量及时效时间相关。随着激光能量的增大, 表面接触角由70°转变为150°以上。对不同能量加工条件下的铝基表面形貌、粗糙度及化学成分进行了分析, 结果表明, 激光加工后的样品浸润性由亲水状态最终转变为超疏水状态。在不同脉冲能量区间均可得到超疏水表面, 但其表面微观结构存在非周期性或周期性结构的差异, 疏水性能的形成机理不同。

采用选区激光熔化(SLM)成形方法, 对SRR99镍基高温合金进行了定向凝固实验, 测试了试样的显微组织、相组成及元素偏析情况。结果表明, 沉积层与铸态基板间能形成良好的冶金结合, 沉积试样组织由γ相和γ′相组成, 沉积层与铸态基板组织在衍射角为50.78°时均有一个最强衍射峰, 基板的生长取向在SLM沉积组织中得到了很好的延续, 且试样的一次枝晶间距仅为1~2 μm, 二次臂退化甚至消失。各合金元素的偏析比均接近1, 元素在枝晶间和枝晶干的分布较均匀。

针对同步送粉式单层单道激光熔覆过程, 利用已验证的有限元模型和ANSYS软件分析了其温度场特征。依据加热区-脉冲区的分界点和任意时刻基板上表面温度曲线的峰值点, 以两几何平面截取单道熔覆模型, 获得用于翘曲变形分析的截面体。通过分析熔覆层上表面以及基板上、下表面在整个熔覆过程中的应力/应变状态, 发现该截面体模型会依次出现反向、正向弯曲, 熔覆零件在宏观上则表现为朝向激光束的翘曲变形。最后对单道熔覆过程基板翘变的原因进行了归纳总结。

采用ABAQUS有限元分析软件, 建立了一种“焊接+激光冲击强化(LSP)”应力分布模型, 研究了不同能量LSP对316L不锈钢氩弧焊焊缝区域应力分布及应变的影响。研究结果表明, 由该模型模拟得到的残余应力分布与试验结果一致。LSP在焊缝区域表面诱导出残余压应力层, 消除了焊接热影响引起的残余拉应力; 随着激光脉冲能量的增大, 激光冲击诱导的残余压应力以及压应力层厚度增加, 但增加幅度减小; 焊接件表面应变峰值随着激光脉冲能量的增加而增大。

在不同工艺参数下, 在球墨铸铁QT450-10表面激光熔覆了镍基合金, 分析了熔覆层的显微组织和物相组成, 研究了熔覆前、后试样的拉伸应力-应变曲线及试样的断口形貌。结果表明, 当激光功率为1.6 kW、激光扫描速率为400 mm·min-1、送粉速率为3.2 r·min-1时, 熔覆结果较好, 基体与熔覆层间形成了良好的冶金结合, 无裂纹、气孔; 在25 ℃下, 当熔覆层数为1时, 熔覆层的显微硬度达到265 HV, 约为基体硬度的1.5倍; 熔覆后试样的断裂部位在基体处, 熔覆镍基合金的球墨铸铁的强度得到提高。

为了解决单目视觉中单圆位姿测量方法存在虚假解的问题, 提出了矩形约束消除位姿二义性的方法。在相机已标定的情况下, 采集目标上圆与矩形的图像, 要求圆与矩形共面或者两个平面相互平行。首先通过相关数学推导可获得圆特征的圆心位置和过圆心法向量, 但是圆心位置和过圆心法向量均存在二义性虚假解; 其次由先验条件未知的矩形所确定的平面法向量与过圆心的真实法向量平行为约束条件, 可有效消除虚假解; 最后由相关算法可计算出真实法向量所包含的物体姿态参数, 同时可确定物体的真实位置。经实验验证, 物体姿态测量的绝对误差小于0.5°, 表明该方法简单易行, 可有效消除单圆位姿测量虚假解。

针对目标跟踪容易受到遮挡、形变和光照变化影响的问题, 在粒子滤波框架下提出一种基于多特征和局部联合稀疏表示的目标跟踪算法。利用HSV空间建立目标的颜色表观模型; 利用增强的中心对称局部二值模式建立目标的纹理表观模型, 并用局部联合稀疏编码表示。综合颜色和纹理特征计算候选区域与目标的相似性, 并利用最大后验概率估计目标当前状态。每2帧判断一次目标表观模型是否需要更新, 减少了因频繁更新目标造成的累积误差。利用visual tracker benchmark数据集与其他4种跟踪算法进行了对比实验, 结果表明, 本文算法的整体精确度和成功率分别为83.5%和79.6%。本文算法在存在遮挡、形变和光照变化的情况下, 能够准确稳定地跟踪目标。

针对白光发光二极管(LED)器件封装中存在的荧光粉沉淀现象, 对点胶后不同静置时间下白光LED的光学性能和色坐标集中度进行了研究。研究结果表明, 当荧光粉静置时间在0~30 min时, 色坐标落点较为集中, 中心坐标位于色容差7 SDCM内; 30~40 min时, 落点较为分散, 中心坐标超出色容差。模拟了白光LED灯具在热学平衡时的热量分布, 结果显示LED灯具的工作温度满足工业生产的需求。

利用高温固相法及微波燃烧法合成了Eu2+、Dy3+共掺杂的碱土金属硅酸盐荧光粉, 通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、荧光分析仪对荧光粉的性能进行了分析测试。结果表明,在1150 ℃下, 当Eu2+/Dy3+的掺杂比(摩尔分数比)为1∶3时, 高温固相法合成的Ba5Si8O21∶Eu2+,Dy3+荧光粉的荧光性能最好。对比高温固相法与微波燃烧法可知, 微波燃烧法可缩减产品的合成时间, 但产品发光强度较低。对比合成的Sr2MgSi2O7∶Eu2+,Dy3+和Ba5Si8O21∶Eu2+,Dy3+的性能可知, 碱土金属离子的种类会对荧光粉的发射波长产生影响。Ba5Si8O21∶Eu2+,Dy3+荧光粉具有良好的耐水性, 水浸24 h后, 其荧光损失率仅为2.3%, 可应用于荧光涂料。

测量不同色温LED背光屏的光谱分布, 根据相关原始数据对多个函数表达式进行高质量拟合。通过MATLAB研究了照度因子、蓝光危害因子和节律因子随色温的变化。在可见光范围, 对不同色温LED背光屏的蓝光占比进行计算。结果表明: 照度因子随年龄和色温增大而减小; 蓝光危害因子和节律因子均随色温升高而增大, 随年龄增大而减小; 当色温为1200 K时, LED背光屏蓝光占比与烛光蓝光占比的比值为0.783, 6500 K时为10.294。青年人受LED背光屏的蓝光危害和非视觉生物效应影响相对较大, 在使用时应尽量调低色温。该研究为LED背光屏的个性化设计及色温调节提供了理论参考。

依据典型的人眼基本结构及参数, 分别建立了基于-5 D近视的眼表散光和眼内散光模型, 并模拟了传统的球面修正、Q值优化和波前像差引导的准分子激光角膜原位磨镶术(LASIK手术)对角膜基质的切削, 分别对比了手术前后的视网膜光斑分布图和眼球波前像差图。结果表明: 传统的球面修正和Q值优化的LASIK手术对角膜前表面引起的散光有抑制作用, 但对眼内散光的矫正效果较差; 球面修正会引入较大的球差, Q值优化手术可以减小术后的球差, 但无法修正眼内的其他高阶像差; 波前像差引导的LASIK手术对任何类型的近视、散光或是无规则的高阶像差都可以全面修正。

为了提高合成孔径成像算法在医学超声内镜系统中的计算效率, 提出一种在图形处理器(GPU)上并行实现的合成孔径成像方法。首先介绍了合成孔径算法的基本原理和图像重构过程; 然后对该算法进行并行化处理分析; 最后采用CUDA编程模式单指令多线程(SIMT)的灵活架构, 实现了基于GPU的内镜超声合成孔径成像算法。对多组散射点仿真成像实验进行对比分析, 并采用自行搭建的超声内镜实验系统对铁丝、肿囊假体及猪皮组织进行成像实验验证。实验结果表明, 所提方法在保证成像结果和成像质量不变的前提下, 大幅度提高了计算效率, 在计算数据规模为1.47 GB(5305×581×64×8 byte)时, 获得了50.93倍的最大加速比。

为了提高无人驾驶汽车对中远距离车辆目标的识别准确率, 满足无人驾驶汽车对前方预瞄距离的要求, 通过理论计算以及光学设计软件ZEMAX-EE, 研究设计了一款适合安装于乘用车上的中远距离车载镜头。为了满足车载镜头在实际使用过程中对成像范围的要求, 利用成像景深公式计算了对准距离为无穷远时, 不同入瞳直径对应的成像范围, 从而确定了满足实际使用条件、易于设计和检验的镜头参数设计方案。车载镜头的焦距为40 mm, 视场角为8.6°, 入瞳直径为7 mm,景深为30 m~+∞, 系统总长小于38 mm。仿真分析结果表明, 所设计车载镜头具有良好的成像质量, 能够满足实际的使用要求。

提出了一种LED阵列动态照明设计方法。首先, 选定LED阵列单元位置并对目标照度分布图样进行均匀采样, 建立LED阵列各单元的照度分布矩阵。然后, 构建和求解非负约束的最小二乘数学模型, 计算LED阵列各单元的非负权重分配, 使发光强度加权调制后的LED阵列在目标面内形成指定的照度分布图样。通过设计实例, 基于LED阵列分别在圆形区域和矩形区域内形成复杂的环形条纹照度分布和螺旋形照度分布图样, LED阵列仿真照度分布图样与目标照度图样之间的均方根(RMS)拟合误差小于20%, 最小RMS拟合误差小于10%。

光电自准直经纬仪是一种集成了光电自准直仪和经纬仪双重功能的精密测量系统, 其光路由目视内调焦望远系统和光电自准直系统两部分组成。首先提出共光路光学系统的设计原理与方法, 优化设计成像清晰的内调焦望远系统和分辨率较高的自准直光学系统。然后对影响成像质量最大的多胶合棱镜进行公差分析和设计, 给出既满足成像要求又兼具经济性的加工公差值。最后对设计的光学系统进行精度测试。测试结果表明, 所设计的光学系统在±20″视场范围内自准直精度达到0.6″, 可以满足设计要求。

采用有限元法, 研究了基于石墨烯/金属混合纳米光栅的太赫兹(THz)滤波器。混合光栅可构成纳米腔阵列, 利用腔中磁场法布里-珀罗谐振效应, 制作了THz滤波器。该滤波器对波长的选择不易受外界环境的影响, 而且其滤波波长可动态调控; 另外, 可通过增加石墨烯的层数增强其滤波能力。

针对传统浅层机器学习方法应用于高分辨影像分类时存在的问题, 提出了结合最小噪声分离变换和卷积神经网络的高分辨率影像分类方法。采用最小噪声分离分析非监督训练初始化卷积神经网络, 为提高训练速度, 使用线性修正函数作为神经网络的激活函数; 利用概率最大化采样原则减少池化过程中影像特征的缺失, 并将下采样后影像特征输入Softmax分类器进行分类。采用所提分类方法对典型地区的影像进行分类实验, 并与支持向量机和人工神经网络分类方法的分类结果进行对比。结果表明, 所提分类方法的分类精度明显高于另两种分类方法的分类精度, 并能充分挖掘高分辨遥感影像的空间信息。

在分析所测得的双向反射分布函数(BRDF)数据与Phong模型局限性的基础上, 提出了一种适用于描述菲涅耳反射特性的改进Phong模型。在经典Phong模型的基础上增加了两个参数, 分别用来调节不同材质菲涅耳反射的强弱与衰减速率。利用遗传算法对四种空间目标常用材质BRDF数据进行拟合, 对比和分析所提出的改进模型与经典Phong模型的拟合误差。结果表明, 对于具有明显菲涅耳反射现象的材质, 改进模型拟合精度比经典Phong模型高90%, 证实了该改进模型的有效性; 而对于菲涅耳反射现象不明显的材质, 改进模型拟合误差与经典Phong模型相当, 显示了该改进模型的稳健性。改进模型在保证Phong模型原有描述能力的基础上, 对菲涅耳反射现象有了更好的描述效果。

针对随机森林(RF)在高维空间特征选择过程中计算繁琐和内存开销大、分类准确率低等问题, 提出了基于二分搜索(BS)结合修剪随机森林(RFP)的特征选择算法(BSRFP); 该算法首先根据纯度基尼指数获取特征重要性评分, 删除重要性评分较低的特征, 然后利用BS算法结合基分类器差异性的修剪技术得到最优特征子集和最高分类准确率的分类器; 为了验证算法的有效性, 构建卷烟质量识别模型并与其他方法进行比较。结果表明: BS算法简化了特征搜索过程, RFP算法缩减了RF算法的规模; RFP算法的分类准确率可达96.47%; BSRFP算法选择出的特征相关性更强, 对卷烟质量识别具有更高的准确度。

对不同离子束密度条件下辅助沉积的ZnS薄膜进行了物理及光学特性研究。研究结果表明,在离子束辅助沉积ZnS薄膜时会出现非均匀生长现象, 且非均匀性和折射率会随着离子束密度的增加而增大, 薄膜结晶程度也增加。薄膜的非均匀性增加了薄膜制备和设计的难度, 尤其是对多层膜系的制备造成了很大的不确定性。研究结果为红外光学ZnS薄膜的研制提供了重要参考。

采用射频磁控溅射与电子束蒸发的方式, 制备了ZnO/Ag/ZnO三层复合薄膜, 研究了Ag薄膜厚度以及电子束蒸发的沉积速率对复合薄膜光电性能的影响。实验结果表明, 当Ag薄膜厚度为8 nm、电子束蒸发的沉积速率为0.5 nm·s-1时, 复合薄膜的性能最优, 其方块电阻为6.01 Ω,波长400~800 nm范围内的光平均透过率为91.39%。优化后的ZnO/Ag/ZnO复合薄膜具有良好的光电特性。