无论是在固体还是在光纤放大器中, 飞秒的脉冲能量都受到热效应和非线性效应的制约。即使是啁啾脉冲放大(CPA), 也难以超越高峰值功率和平均功率的限制。脉冲空间和时间分割放大-合成, 有可能打破僵局, 产生高重复频率和高脉冲能量; 而将高功率光纤放大器中的脉冲进行相干堆积, 有可能超越啁啾脉冲放大, 得到高于其若干数量级的脉冲能量, 同时保持高重复频率。

量子绝热过程是制备和操控量子态的常用方法之一, 通常其需要较长的操作时间, 会引起退相干系统中操作保真度的快速下降。量子绝热捷径技术理论上可以通过抵消演化过程中的非绝热效应来实现对量子绝热过程的加速。当应用于受激拉曼绝热转移中时, 量子绝热捷径技术可以实现既快又好的量子操控。概述了量子绝热捷径技术的基本概念及实验进展, 重点介绍了其在受激拉曼绝热转移中的应用。

分子印迹聚合物(MIPs)的特异识别功能使其作为传感器的敏感材料具有很大的优势, 分子印迹光纤传感器(OFS-MIPs)具有广阔的应用前景, 已被广泛运用于环境、化学、医学、食品安全等领域。对OFS-MIPs的研究进展进行了综述, 对光纤传感与分子印迹间的耦合方法,OFS-MIPs的应用领域以及其存在的问题进行了探讨, 并对OFS-MIPs的前景进行了展望。

量子信号在大气信道中传输的可行性已经在多个实验中得到了证实。将量子通信终端搭载到移动平台被认为是量子通信实用化的重要发展之一, 可满足全球量子保密网络构建和**通信领域高保密性等需求。综述了量子密钥在地面与移动平台之间的分发所涉及的关键技术, 介绍了移动量子密钥分发技术目前的发展状况与难点, 并探讨了下一步实用化发展方向。

综述了焊丝成分、焊丝熔入行为以及与焊丝相关的工艺参数对激光填丝焊接过程的影响。在适当的工艺参数下, 确保焊丝连续平稳过渡, 能够实现稳定的焊接过程, 避免焊接缺陷的产生, 大幅提高激光焊接质量和焊缝性能。要实现激光填丝智能、高效、高质量的焊接, 还需进一步研究相互关联的工艺参数的多目标优化、焊丝成分的精确控制、加热焊丝的能量和焊丝温度的优化和精确控制等。

涡旋激光是指中心光强为零且携带轨道角动量的激光光束。近年来, 由于其在粒子操控、信息通信以及超分辨成像等领域的独特应用, 涡旋激光的产生及其手性控制技术得到广泛关注。对固体激光器腔内直接振荡产生涡旋激光的技术进行归纳总结, 并分析其优缺点。对驻波腔内不同手性涡旋激光的光场传输进行理论模拟, 给出涡旋激光在固体激光腔内的光场分布。结合不同手性涡旋激光的场分布特征, 综述了腔内直接振荡产生涡旋激光过程中的手性控制技术, 并对各种手性控制技术的原理与技术方案进行比较分析。

单发脉冲飞行时间测距技术在移动目标跟踪测量、汽车防撞、机器人运动控制等要求快速响应的场合具有重要应用。介绍了单发脉冲飞行时间激光测距技术的研究现状, 分析了基于前沿定时和共振定时的单发脉冲测距原理、方法及误差补偿技术, 并给出了各种单发脉冲测距范围、单发测距精度等技术指标。

介绍了最大概率法的数学原理及迭代方程的使用过程, 以卫星遥感观测的夜光云数据为例, 阐述了最大概率法在实例中的使用方法, 并反演得到了夜光云体散射比廓线及散射系数廓线。与传统洋葱剥皮法的反演结果进行对比, 结果表明：最大概率法的结果几乎没有失真现象, 但洋葱剥皮法得到的散射比存在严重的失真现象。其根本原因在于传统方法假设夜光云体散射强度值在大气层结中为均匀分布, 而最大概率法则假设体散射强度值在层结中可以在一定的变化范围内呈现不均匀的分布, 后者的假设更符合夜光云这类短时间内可能会出现大幅值空间分布变化的自然现象。

分布反馈式(DFB)半导体激光器具有优良的稳定性和单模性, 广泛应用于激光器抽运和光通信等领域。光栅作为DFB激光器的关键部件, 对激光器性能有重要的影响。针对976 nm波段设计制备了DFB激光器的光栅。基于耦合模理论优化设计光栅的结构参数, 采用激光干涉光刻和反应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术制备光栅。通过引入表面镀膜SiO2的方法提高了光栅图形由光刻胶向衬底转移的保真度, 显著地改善了光栅的图形质量。探究了曝光时间、ICP刻蚀时间对光栅表面形貌的影响。实验结果表明, 所制备的光栅条纹分布均匀, 有较好的表面形貌, 满足预期设计目标。

提出了一种易研制的高双折射双零色散波长新型光子晶体光纤。其包层由采用2种不同尺寸的圆形空气孔按照类矩形和三角形晶格排列而成。运用全矢量有限元法对其光学特性进行理论模拟分析, 结果表明, 当d1=0.80 μm, d2=1.10 μm, Λ=1.00 μm时, 在1.55 μm波长处获得2.59×10-2的双折射, 且在X、Y偏振方向的非线性系数分别为46 km-1·W-1和36 km-1·W-1。同时, 该光纤在可见光和近红外波段具有2个零色散点, 色散点间距为0.68 μm。通过设置合理的参数, 双零色散点位置、色散点间距以及色散曲线的平坦性可调。采用现有拉制工艺, 该结构的光纤易于研制, 有利于该光纤在超连续谱产生、偏振系统控制、光纤传感等领域的大规模应用。

为提高深空光通信中异步时钟采样信号恢复数据的可靠性, 提出了基于光脉冲位置调制的异步时钟错位采样数据恢复方案。该方案将光子探测器阵列输出信号分为两组, 其中奇数组信号以一定时隙频率进行采样, 偶数组信号延迟半个时隙进行采样, 最后对两组采样信号分别进行合并和插值以完成数据恢复。仿真结果表明：错位采样数据恢复方案的采样性能优于传统采样数据恢复方案, 当以1倍时隙频率采样时, 所提方案能有效减小传统采样方案所带来的信号损失, 抑制时延抖动引起的脉冲移位错误, 系统性能提升效果明显。

以桥梁健康监测为目的, 利用自制标距的光纤布拉格光栅(FBG)宏应变传感器测量平均切应变, 识别斜裂缝的出现。以长标距光纤布拉格光栅(FBG)传感器为测量元件, 设计5组交叉拓扑, 利用交叉拓扑理论对混凝土T型梁的不同部位进行了测量, 分析了交叉拓扑覆盖范围内结构的平均切应变与荷载比例关系。结果表明, 长标距FBG交叉拓扑的测量方法能够有效识别斜裂缝的出现与发展, 在工程实际中具有较好的应用价值。

针对实际激光多普勒速度信号中混有大量噪声信号、难以找到所需多普勒频移的问题, 提出了一种小波阈值消噪方法。根据多普勒信号的特点, 通过选取合适的小波分解层数、小波基函数、阈值函数和阈值估计方法, 实现小波阈值消噪的最优效果。Matlab仿真和实验结果表明, 小波阈值消噪可以快速有效地消除多普勒信号中的噪声信号, 提高信噪比, 得到有用信号, 有助于准确地寻找到所需的多普勒频移。小波阈值消噪方法中的分层阈值消噪效果优于全局阈值消噪。

为了改善滤波效果, 提出了一种新的阈值选择方法。基于相位频谱系数的理论分析, 综合考虑条纹自身振幅对频谱幅度的放缩影响, 利用频谱系数最大值得到条纹振幅, 进而计算得到适用于散斑干涉条纹图的窗口傅里叶变换滤波阈值。经过模拟散斑干涉条纹图和实验所得真实条纹图验证可知, 该阈值选择方法能有效滤除高频噪声, 滤波效果较好。

提出了一种快速反应(QR)码结合双随机相位加密系统及频分复用的多重水印方法。为了扩大水印容量, 首先将QR码的有效编码区域组合为新图像, 再将两幅组合后的图像分别作为实部与虚部, 构成双QR码复信号。在空间域和空间频率域用随机相位模板将复信号编码为复噪声形式的加密水印信号。对各组双QR码加密水印信号进行预处理及频分复用, 以产生多重水印。水印信号以冗余方式嵌入宿主图像经拉普拉斯分解后残差分量的中高频区域, 水印信号的恢复无需原始宿主图像, 可实现盲提取。仿真结果表明, 所提方法在缩放、滤波和旋转等方面表现出较好的稳健性, 对JPEG压缩、剪切、高斯噪声等也具有一定的稳健性。分析了复用容量及作为密钥的随机相位模板对重建水印质量的影响。

基于菲涅耳非相干相关全息光路的望远系统, 可以在较远距离下, 得到目标物体的数字全息图。基于菲涅耳衍射理论, 计算了成像过程的点扩展函数(PSF), 理论上分析了菲涅耳非相干数字全息望远系统的成像原理、系统的横向放大率以及再现过程中的重建距离; 搭建了基于菲涅耳非相干相关同轴光路的数字全息望远系统, 在白光照明的条件下, 利用探测器(CCD)记录物体的全息图, 使用相移法消除了同轴光路下的零级像和共轭像, 通过角谱算法得到清晰的重建像。孔径光阑的引入, 解决了照明不均匀的问题,提高了成像质量。从实验上验证了系统的分辨率、景深以及三维成像特性。结果表明, 当望远系统角放大率为2.0倍、望远距离为900 mm时, 分辨率可达到16.00 lp/mm。

针对单独的线性滤波和非线性滤波方法难以解决混合噪声滤除的问题, 基于现有的标准自适应中值算法和梯度倒数加权平滑算法, 提出一种自适应中值梯度倒数加权的图像滤波算法。该算法自适应调节窗口大小检测出椒盐噪声并进行中值滤波处理, 同时通过设定的阈值对高斯噪声进行梯度倒数加权平滑, 以达到滤除混合噪声的目的。实验表明, 该算法与标准自适应中值滤波算法和梯度倒数加权平滑算法相比, 能够很好地滤除高斯噪声、椒盐噪声, 以及两者的混合噪声, 并且对高强度的图像噪声具有明显的滤波优势。

为了提高三维点云数据配准的效率, 提出一种基于法向量分布特征的关键点初始匹配与迭代最近点(ICP)的精确配准的两步点云配准算法。首先, 定义点云的邻接区域和法向量分布特征计算模型, 提出基于该模型的关键点选择算法; 其次, 为每个关键点建立局部坐标系, 计算关键点的快速点特征直方图, 使用采样一致性配准算法匹配关键点的特征, 去除错误匹配点, 求解出变换矩阵, 完成初始配准; 最后, 使用ICP算法, 对多视点云的初始配准结果进行精确配准。实验结果表明, 在散乱点云数据和自获取的深度点云数据配准中, 该算法能够在确保配准精度的同时有效提升配准效率。

单目红外图像的深度估计是夜间无人车场景理解的关键, 针对夜间无人车场景的深度估计, 提出一种基于深度卷积-反卷积神经网络的深度估计方法。将红外图像和雷达距离数据作为深度卷积-反卷积神经网络的输入, 并将深度估计问题转化为像素级分类任务进行深度估计模型的训练。将雷达的距离数据根据深度值的范围量化为与红外图像像素一一对应的离散值并对其做标记, 然后训练过程采用分类的思想解决深度估计问题。实验结果表明, 利用训练得到的深度估计模型对夜间无人车获取的红外图像进行深度估计的时间为0.04 s/frame, 达到了实际应用中的实时性要求。

提出了两种基于三基色的多子像素着色算法, 在传统RGB结构上加入更多绿色子像素, 将原图像的RGB数据转换得到RGBG数据, 并对数据进行着色。该算法既保证了图像与传统RGB传统排列图像有一样的分辨率, 又显著提高了每英寸像素数(PPI)。仿真结果表明, 本文两种算法可在保持原图像清晰度和饱和度的同时, 提高50%的PPI, 使得图像显示更细腻平滑。

为了提高植物叶片图像的识别率, 采用改进神经网络算法, 通过径向基函数神经网络建立模型; 采用多环量子算法确定各环量子个体选择概率, 量子旋转门在一定范围内动态调整, 不同环上节点信息共享概率非线性动态变化; 对植物叶片图像进行识别, 包括形状特征、纹理特征; 通过多环量子算法实现径向基函数神经网络参数寻优。实验结果表明, 本文算法对植物叶片图像的几何特征、纹理特征、综合特征的平均识别率分别为91%, 89%, 93%, 与其他算法相比较高, 训练、识别时间分别为3.5 s、2.5 s。

针对综合孔径数字全息, 研究了散斑噪声对基于特征点匹配的图像配准精度的影响。建立了数字离轴全息实验装置, 利用尺度不变特征变换(SIFT)算法和快速稳健特征(SURF)算法提取待配准图像和参考图像的特征点, 采用欧氏距离最邻近法进行特征点匹配; 在此基础上采用抽样一致性最大似然估计算法估计图像变换模型参数。实验结果表明, SIFT算法的抗噪性更好; 对于SIFT算法, 当散斑信噪比大于1.4时, 配准相对误差小于0.02; 对于SURF算法, 当散斑信噪比大于1.7时, 配准相对误差小于0.05。

基于三棱镜折射率的测量原理, 采用最小偏向角法、掠入射法和垂直底边入射法对折射率相对不确定度进行理论研究。结果表明, 折射率相对不确定度随三棱镜顶角的增大而减小, 不同波长的光对折射率相对不确定度的影响较小, 折射率的相对不确定度随角度测量不确定度的增加而变大。而且在使用最小偏向角法时, 最小偏向角位置附近偏向角随入射角的改变变化不明显, 但偏向角不明显变化的范围随三棱镜顶角的增大而减小。最后, 给出了可获得折射率最小相对不确定度的最优方案, 为三棱镜折射率的精确测量提供了理论依据。

在理想理论模型中引入了包含残余应力的等效弹性常数, 建立了二氧化硅的半无限大残余应力理论计算模型。研究了残余应力对激光激发超声表面波检测二氧化硅体材料杨氏模量的影响, 并提出了误差判断依据。结果表明, 当二氧化硅体材料的残余压应力小于900 MPa时, 相对误差小于5%, 残余应力的影响可以忽略; 当残余压应力大于900 MPa时, 相对误差大于5%, 此时应考虑残余应力的影响。

激光扫描系统广泛应用于激光加工和激光成像等高精度系统中, 其光学质量是制造过程最终的评价指标。在批量生产中, 需要对光学系统进行公差分析, 以满足使用需求, 同时降低加工成本。以激光扫描系统为例, 采用统一场光学分析对该光学系统进行仿真, 结合激光扫描系统的光学性能, 对系统各个元件间的位置误差和旋转误差进行公差分析。通过对每个元件进行公差约束, 使整体系统满足设计和使用需求。搭建激光扫描系统的测量平台, 验证了测量结果与统一场分析的一致性。

以热光学分析为基础, 对复杂环境下改正镜作为光学窗口的玻璃厚度进行了优化设计。对改正镜的强度及其所处的热环境进行了分析, 将温度场映射到结构模型中, 利用有限元计算改正镜在热-力耦合情况下的改正镜的变形量和面形数据, 对正镜面形数据进行拟合和处理, 最后将处理后的改正镜面形数据导入光学设计方案中, 分析改正镜厚度对光谱仪性能影响。结果表明改正镜厚度应该不小于10 mm; 当改正镜厚度为15 mm时, 改正镜受热力学影响可以忽略。因此改正镜作为光学窗口既能满足强度和可靠性要求, 又能满足光谱仪性能指标, 为窗口的设计提供了依据。

设计了一款基于LabVIEW的光时域反射仪(OTDR), 选用1625 nm波长的脉冲激光模块作为光源, 采用高灵敏度雪崩二极管光电探测器和高速数据采集卡, 在LabVIEW集成化虚拟仪器开发环境控制下, 对光信号进行采集、处理和数据存储, 实现光纤在线实时监控。采用数字平均与加权滑动平均相结合的算法, 对返回的背向散射信号进行降噪, 并定量分析了数字平均次数、平滑宽度、平滑类型对OTDR系统信号处理结果的影响, 从而给出一个最佳平滑模型。采用求一阶导数方法并设置导数和幅度双重阈值, 对反射事件点进行定位。采用该系统对实际光缆线路的测试结果表明, 所提出的最佳平滑滤波器与传统平滑滤波器在相同平滑宽度下相比, 动态范围提高了1.1 dB, 信噪比提高了1.25倍。所提定位算法能较准确地定位反射事件点, 表明该算法具有一定的实用价值。

基于深度传感器骨骼追踪提出了一种新的快速人体测量方法。通过深度传感器获取骨骼关节信息和人体深度数据, 完成了人体特征尺寸中部分长度和围度的测量。实验结果表明, 该方法能在短时间内获得较准确的结果, 能用低成本设备在狭小场地完成部分人体特征尺寸的获取。

在动态状况下, 实时获取机床刀具的位姿误差是提高机床精度的关键因素之一。机床多轴联动时, 利用两路激光实时跟踪测量主轴测量杆上两测点的空间运动轨迹, 得到两测点三维数据, 并拟合出两个空间圆, 用两圆的圆心连线来计算刀具的方向和位置误差。机床加工时, 变化的工艺参数引起的动态运动误差和热误差变化会造成沿Z轴方向运动的滑枕误差实时变化, 变化的滑枕误差会影响刀具的最终位置方向。通过自适应卡尔曼滤波预测算法对滑枕误差值进行预测-测量-修正, 将计算得到的误差最优估计值替换误差补偿模型中原有的误差参数, 进而对刀具位姿进行误差修正。最后,对圆锥台试件以及一个S型工件进行有误差修正补偿和未补偿加工, 由测得工件的精度对比可知, 采用的刀具位姿误差实时测量方法及自适应修正补偿可更加有效地提高五轴机床的加工精度。

利用高功率、短脉冲Nd∶YAG激光对TC17钛合金进行了激光喷丸(LP)处理, 并在400 ℃温度下进行了恒温氧化增重试验, 分析了LP对钛合金恒温氧化性能的影响。研究结果表明, 相较于LP前, LP后TC17钛合金在400 ℃下的恒温氧化增重减小了64.9%; 材料表面的氧化膜更加致密, 能更有效阻挡氧的扩散。表面能谱分析结果显示, LP后氧化试样表面的Cr比未喷丸处理的多。大量的Cr能改善氧化层与基体间的附着力, 因此LP可以改善钛合金的恒温抗氧化性能。

对304不锈钢板进行了激光填粉焊接试验, 研究了不同焊接工艺参数对焊缝横截面形貌、抗拉强度、断口形貌的影响规律, 并获得了最优工艺参数组合。结果表明, 在试验范围内, 焊缝宽度与激光能量密度正相关。从零离焦量向正、负离焦量变化时, 上焊缝宽度增加, 下焊缝宽度减小; 低功率和零离焦量会降低试样的抗拉强度。焊接件抗拉强度随着焊接速度的增加呈先增大后减小的趋势; 断口形貌随抗拉强度的增大依次表现为解理断裂台阶状, 准解理断裂河流状, 塑性断裂韧窝状。由正交试验得到的焊接最优工艺参数为：激光功率2.7 kW, 焊接速度160 mm·min-1, 离焦量+5 mm。

对微片激光晶体的实际工作特点进行分析, 根据热容激光器的管理模式, 建立抽运和冷却阶段的晶体热模型。然后引入变热传导系数对方程进行求解, 分别得到激光二极管(LD)单端抽运和冷却时热容激光器温度场的表达式。并对光斑半径和抽运时间这两个影响晶体温度场的因素进行了分析, 计算结果表明：当Nd∶YAG晶体热导率分别为常量和变量时, 其抽运端面的最大温升分别为459.24 ℃、535.78 ℃。其中晶体钕离子的质量比为1.0%, 微片尺寸为Φ20 mm×1 mm, 抽运功率为60 W, Nd∶YAG晶体对入射抽运光的吸收系数是910 m-1, 超高斯光束阶次为3, 抽运光的光斑半径为800 mm。计算分析结果对LD端面抽运固体热容激光器谐振腔的设计具有借鉴意义。

1.70 μm波段光源在生物医疗、红外光源产生等方面具有巨大的应用前景, 1.70 μm波段增益谱研究是近年来的热点。为避免受激布里渊散射, 采用自制多模光纤激光器作为拉曼抽运源, 经1550 nm/1650 nm波分复用器抽运高非线性光纤和色散位移光纤产生拉曼增益谱。首先分析了多模激光抽运产生增益谱的原理, 然后通过实验分析不同功率下各种长度高非线性光纤、色散位移光纤组合产生的前向谱和后向谱。实验结果表明, 1 km长高非线性光纤和6 km长色散位移光纤的组合可得到输出功率最大、峰值波长接近1700 nm的后向增益谱, 这为实现1.70 μm波段连续激光器和超快激光器提供了技术参考。

利用Nd∶YAG固体激光器对50CrNiMoVA弹簧钢进行了扫描实验, 并与W2Mo9Cr4VCo8高速钢进行了对接焊。分析讨论了激光工艺参数对焊缝成形的影响, 观察了焊接接头显微组织, 进行了焊接接头性能实验, 并讨论了焊后热处理对焊接接头组织和性能的影响。实验结果表明, 在功率为1000~1100 W、焊接速度为3 m/min、氩气保护气体流速为15 L/min的条件下, 得到的焊缝平滑、无明显缺陷、深宽比大, 且表面成形好, 焊缝强度高, 齿部材料与背部材料结合牢固。焊后经过热处理, 接头的抗弯性能和抗拉伸能力得到明显改善, 弯曲角超过90°, 焊缝沿纵向和横向均未发生开裂。锯切寿命测试结果表明, 接头符合锯带生产要求。

以Nd∶YAG透明陶瓷为增益介质, 搭建了一套激光性能评估系统, 研究了Nd∶YAG透明陶瓷的尺寸对激光性能的影响。实验结果表明, 当Nd∶YAG透明陶瓷的尺寸较小时, 在相同抽运功率下, 激光输出功率随着尺寸的增加而增大, 但增幅有所下降; 当Nd∶YAG透明陶瓷的尺寸为3 mm×3 mm×9 mm时, 获得了功率为4.94 W的连续激光输出, 相应的斜率效率为37.7%; 当抽运功率为17 W时, 激光输出功率随Nd∶YAG透明陶瓷尺寸变化的数值模拟结果与实验结果相吻合; 与Nd∶YAG单晶相比, Nd∶YAG透明陶瓷可通过提高掺杂浓度来提升激光性能。

利用光纤激光器在超硬刀具表面开展了微沟槽加工试验, 研究了激光工艺参数对微沟槽表面形貌的影响。研究结果表明, 通过激光工艺参数的优化, 能够获得尺寸均匀、形貌良好的微沟槽阵列, 实现了对超硬刀具表面微沟槽形貌的有效控制。

研究了在夜间暗环境下驾驶员读取夜视车载平显(HUD)信息的亮度感知特点, 建立了不同照度环境下驾驶员使用夜视车载HUD的亮度调节模型。在环境光仿真系统中, 实验设备采用显示亮度可手动调节的夜视车载HUD, 实验对象为100名驾驶员, 设置多档实验照度, 在各档照度条件下研究驾驶员认读夜视车载HUD信息的最低亮度、适宜亮度和最高亮度。对实验数据进行统计分析, 建立了亮度调节曲线和驾驶员亮度感知模型, 同时总结了夜间暗环境下驾驶员认读夜视车载HUD的亮度规律。该模型能够为夜视车载HUD自动亮度调节的工程设计优化提供定量参考, 并提高其人机交互的效能和用户体验。

针对液晶显示屏(LCD)显示缺陷检测中待测图像出现的平移和旋转导致误检率过高, 传统人工检测效率低、漏检率高, 以及图像配准精度对缺陷检测准确率的影响等问题, 提出一种基于Fourier-Mellin变换的LCD显示缺陷检测方法。基本原理是利用Fourier-Mellin变换对标准图像和待测图像进行粗配准, 通过加速稳健特征/尺度不变特征变换(SURF/SIFT)算法进行细配准, 对标准图像和配准后的图像进行加权平均融合得到最终的配准图, 最后利用局部自适应阈值分割和差影法检测缺陷, 并标注缺陷的位置及信息。实验结果表明, 提出的方法对平移和旋转的稳健性好, 能够有效地检测出LCD显示缺陷, 检测准确率达到98.667%。

针对机器人随机箱体抓取过程中场景分割困难的问题, 提出一种基于改进欧氏聚类的散乱工件点云分割方法。采用直通滤波法和迭代半径滤波法进行预处理, 得到去除干扰点后的散乱工件点云; 通过基于法线夹角的边缘检测去除点云中的边缘点, 并使相互碰撞的工件在空间上产生分离; 采用改进的搜索半径自适应欧氏聚类进行点云分割, 得到多个工件点云子集, 基于距离约束将去除的边缘点补齐到点云子集之中, 从而完成点云分割。此外, 线下模板点云注册为分割参数的选取提供依据, 从而保证了分割结果的准确性, 提高了分割速度。结果表明：基于改进欧氏聚类的散乱工件点云分割方法能够准确地分割出感兴趣的工件, 分割时间约为696 ms, 满足了工业机器人抓取的实时性要求。

为解决传统物体形状分类方法存在训练时间长以及形状描述不准确的问题, 提出一种基于改进贝叶斯程序学习的图像分类方法。先将物体轮廓进行预处理并分割为长度固定的轮廓片段, 使用形状描述符记录其形状信息, 然后采用高斯混合模型对同一类物体的轮廓片段集训练出轮廓片段库, 最后从测试图像的轮廓上均匀提取10个轮廓片段作为测试样本的解析, 使用贝叶斯分类器计算样本解析与每类轮廓片段库中轮廓片段的拟合相似度, 以其相似度值最高的类作为分类结果。在标准数据库Animal上的实验结果表明, 本文方法具有较高的分类精度, 同时大幅度缩短了训练时间。

为了通过视觉测量的方法实现小型空间机器人协同位姿的求解, 设计了基于单目视觉的协同位姿测量系统。针对复杂的太空工作条件, 设计了作用范围广、精度高且稳健性强的合作靶标; 设计了利用图像梯度法提取单像素边缘的算法, 并通过中心匹配等约束完成了靶标识别; 推导了特征点距离与位姿测量精度的关系, 在此基础上提出了基于分区处理的特征点提取策略, 实现了复杂条件下特征点的分区提取和准确编号, 并扩展了工作距离, 改善了位姿求解精度。实验结果表明, 针对640 pixel×480 pixel图片, 在Matlab环境下处理速度约为84.3 ms/frame, 在2.2 m距离范围内位姿测量误差在5 mm、1°以内。设计的单目视觉位姿测量系统满足小型空间机器人协同工作的任务需求。

着眼于盲人出行问题, 设计了一套视听融合导盲机器人系统。该系统可以实现环境障碍探测、道路交通标志识别、行进路径规划、信息实时交互等功能。硬件方面, 通过各种类型光学传感器进行实时视觉信息采集, 并通过语音形式与使用者进行信息交互; 软件方面, 采用神经网络算法对多传感器信息进行数据融合以实现环境信息识别, 采用双极系数法以及基于颜色直方图的图像分割分别实现对斑马线和盲道两种交通标志的识别, 基于人工势场法实现行进路径规划。为了验证该方案的有效性, 搭建了原型系统, 并在真实环境下进行测试, 实验结果表明, 该导盲机器人具有识别准确率高、对复杂环境性能稳健等优点, 满足盲人出行需要。

提出了一种新型的基于纳米颗粒上转换发光的防伪编码方法。该方法将MATLAB图像处理算法、支持向量机分类和径向基函数神经网络分类相结合, 通过分析纳米材料在980 nm抽运激光激发下产生的绿光和红光的上转换发光光谱信息, 及该纳米材料在防伪基底上的空间分布特征, 实现了一种具有高防伪度及建库与识别自动化的防伪方式。实验验证了所制作出的防伪标识难复制且其特征图样具有高稳定性, 鉴定准确率可达95.4%。

基于超材料设计了一种新型宽频带吸波体。通过优化结构参数, 该吸波体的吸收率可以接近100%, 其吸收率为90%以上的吸收带宽达到18.5 GHz。仿真结果表明, 电磁波能量的损耗主要源于电磁超材料结构中的集总电阻。通过减小入射波反射, 增加吸波体的吸收率, 可达到宽频带吸收。

以SiH4和H2作为气源, 采用热丝化学气相沉积法制备a-Si∶H薄膜钝化c-Si表面, 采用准稳态光电导法和I-V法分析了工艺参数对钝化效果的影响, 采用C-V法和深能级瞬态谱法对钝化后硅片表面的缺陷态进行测试。实验结果表明, 在频率为200 kHz时, 表面复合速率为54 cm/s的硅片的表面缺陷态密度为1.02×1011 eV-1·cm-2, 固定电荷密度为6.12×1011 cm-2; 本征a-Si∶H对硅片表面的钝化效果是由该薄膜在硅片表面引入的氢对应的键终止以及由其引入的固定电荷形成的场钝化效应共同决定的; 本征a-Si∶H钝化后硅片表面的深能级缺陷特征是电子陷阱, 激活能、俘获截面以及缺陷浓度分别为-0.235 eV、1.8×10-18 cm2、4.07×1013 cm-3。

采用基于密度泛函理论的第一性原理和广义梯度近似方法, 对N、Co单掺以及两者共掺锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质进行了研究, 并探究了两种不同的N替换O位置对掺杂结果的影响。研究结果表明, N、Co单掺杂锐钛矿相TiO2带隙内均出现了杂质能级, N-Co共掺杂锐钛矿相TiO2带隙内出现了更复杂的杂质能级; 经掺杂后锐钛矿相TiO2的带隙均减小, N-Co共掺杂比单掺杂N、Co的锐钛矿相TiO2稳定性更好, 在可见光区域的光吸收效率得到明显提高, 吸收光谱红移更加明显; type 2较type 1位形的N-Co共掺锐钛矿相TiO2有着更大的可见光区域吸收率以及更广的红移范围。

为从蓝光危害与节律效应角度提供显示器的选购及使用参考, 测量了不同色温(1200~6500 K)下冷阴极荧光灯管(CCFL)背光液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)背光LCD、有机发光二极管(OLED)以及阴极射线管(CRT)这4种常用显示器的光谱分布; 根据人眼响应函数的拟合结果, 计算了不同色温下4种显示器的蓝光危害因子、节律因子、400~500 nm蓝光占比以及446~477 nm蓝光占比。结果表明：4种显示器的蓝光危害和节律效应均随色温升高而增大; 当色温为1200~6500 K时, OLED的蓝光危害因子最小; 可利用400~500 nm蓝光占比代替蓝光危害因子近似表征蓝光危害的强弱; 当色温为6500 K时, 同时考虑蓝光危害与节律效应, 4种显示器的优劣顺序依次为LED背光LCD、OLED、CCFL背光LCD、CRT。

研究了脉冲能量对飞秒激光等离子体丝形成的影响, 基于荧光光谱法和照相图像法得到脉冲能量对飞秒激光等离子体丝长度和成丝起点的影响规律。实验结果表明：飞秒激光在大气中传输时, 经透镜聚焦后形成较长的等离子体丝; 随着脉冲能量的增大, 等离子体丝的成丝起点位置向聚焦透镜位置移动, 同时等离子体丝的长度增加; 等离子体丝辐射的N2 337 nm荧光谱线强度峰值位置靠近聚焦透镜, 并且整体荧光光谱强度得到增强; 相比于照相图像法, 荧光光谱法测量得到的等离子体丝长度更加可靠。最后对脉冲能量对等离子体丝起点位置的影响进行了理论解释。

针对头盔显示器质量小、尺寸合适及结构紧凑方面的需求, 利用离轴折/反射式原理设计一款头盔显示器光学系统, 采用单片式自由曲面棱镜解决出瞳直径小的问题。设计的系统参数如下：出瞳直径8 mm, 视场角20°(H)×15°(V),出瞳距离20 mm, 配合0.47 in的OLED-XLTM显示屏, 显示区域9.6 mm×7.2 mm, 像素数640 pixel×480 pixel, 像元尺寸15 μm×15 μm。采用单个元件设计, 体积小于13 mm×25 mm×17 mm, 所用材料为K26R, 在30 lp/mm时全视场调制传递函数大于0.25。该系统采用单个元件设计, 兼顾成像质量的同时, 使光学系统的体积和质量更小。

减光式烟雾报警系统中的准直系统收集大角度红外光线获得平行光, 保证光线长距离传输不发散, 逐点计算并优化减光式烟雾报警准直系统。针对理想点光源, 依据等光程原理及折射定律, 求解烟雾报警准直系统初始结构的离散数据点, 将离散数据点拟合成自由曲线。利用光学仿真软件建模并优化准直系统的初始结构, 得到较好的LED自由曲面准直系统。自由曲面准直系统的厚度为20 mm, 口径为28 mm, 准直角度为±1.5°, 光能效率高达89.82%。

设计了一种非对称臂马赫-曾德尔干涉仪(MZI)型硅基二氧化硅偏振分束器(PBS), 在1535～1565 nm波长范围内, 其偏振消光比大于20 dB, 插入损耗大于-0.5 dB。采用有限差分-束传播法(FD-BPM)进行误差分析, 分别计算了多模波导的宽度和长度以及非对称臂的宽度和长度误差对偏振分束器性能的影响。仿真结果表明, 多模波导长度和非对称臂长度误差分别小于±2 μm和±4 μm时, 偏振分束器的消光比和插入损耗仍能保持较好的结果; 而要保持20 dB以上的偏振消光比, 多模波导宽度误差应小于±500 nm, 非对称臂宽度误差应小于±4 nm(宽臂)和±2.5 nm(窄臂)。非对称臂宽度对工艺的要求比较高, 拟利用热光效应改变波导折射率来补偿波导尺寸变化引起的相位误差, 以便下一步制备出高性能的硅基二氧化硅偏振分束器。

为了对发光二极管(LED)光源G4(LED G4)灯进行快速评价和筛选, 研究了LED G4灯的光电性能。采用积分球测试和分析了LED G4灯在驱动输入电压从10 V增加至34.5 V过程中初态和稳态两种情况下的光通量、光效率、色温等性能参数的变化规律。结果发现初态和稳态下被测灯光通量、色温均随驱动输入电压的增加而上升, 而光效率呈递减趋势。其中光通量在初态与稳态下分别上升了91.40%和39.34%, 光效率分别下降了24.3%和28.1%。此外, 利用热成像仪测试被测灯上方中心点的最高温度, 发现温度随驱动输入电压的升高而升高, 始末差值达到了40 ℃。实验结果表明, 过高的电压并不适合LED G4灯发挥其高性能, 温升对LED G4灯的性能造成负面影响, 因此, 在实际的工作过程中应选择合适的工作电压并提高散热性能。

搭建了辐射定标系统, 使用高精度的面源黑体作为标准辐射源, 对长波红外相机进行辐射定标实验。利用实测数据分析了面阵探测器的响应值与入射辐射、积分时间的关系, 确定了辐射定标模型, 并在此基础上提出了快速辐射定标方法, 即选择2个温度对应2个积分时间组合下的3幅图像, 通过数据处理可实现对辐射定标模型中的参数求解。最后, 使用420组实测数据中的398组有效数据对该简化辐射定标模型进行了可靠性验证, 结果显示, 各温度下模型计算值与实测值相对误差均小于1%, 拟合度均大于0.999。实验表明, 该辐射定标方法在实现对不同积分时间快速定标的同时保证了辐射定标的精度。

高保真度量子态的制备是量子精确操控的基本要求。利用超绝热技术,通过引入一个附加场强度参数,研究了Demkov-Kunike模型的高保真度超绝热量子驱动问题,讨论了附加场强度参数、啁啾参数、耦合强度以及静态失谐参数对Demkov-Kunike模型绝热过程的影响。研究结果表明,系统的保真度与附加场强度参数密切相关。当附加场强度参数为适当值时,无论对于无静态失谐情况还是存在静态失谐情况都有很好的参数稳健性,在所有的参数范围内能够抑制跃迁概率的振荡,实现高保真度、快速以及超绝热量子驱动。

研究了具有优秀安全性的PBC00协议。为了便于制备偏振态与实现协议, 将PBC00协议的偏振态改为|1〉、|0〉和|+〉。为了分析协议的安全性, 假设窃听者使用截获重发的方式对量子密钥分发(QKD)过程进行窃听, 分析了窃听者可能使用的测量基矢, 计算得出由窃听者引起的密钥错误率。介绍了以BKM07协议为基础的改动后的三量子态QKD方案, 分析了其安全性。研究结果表明, 改动后的PBC00协议具有更好的发现窃听者的能力, 且易于实现, 具有实际应用的潜力。

提出了一种基于预报相干光子对(HPCS)的测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)协议的改进方案, 降低了长距离量子密钥分发中由暗计数引起的误码率。仿真结果表明, 与弱相干光源相比, HPCS能降低空脉冲数量比例从而增加安全传输距离; 与预报单光子源相比, HPCS能提高单光子脉冲数量比例从而提高安全密钥生成率。分析了有限密钥长度对基于HPCS的三诱骗态MDI-QKD的影响。

根据GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger)态的纠缠特性,设计了一种基于五粒子GHZ态的量子秘密共享协议。协议中由发起者制备五粒子GHZ态的量子序列, 秘密共享方总人数为4, 只有当4个人都参与解密时才能解出秘密信息。分析了协议的正确性和安全性, 结果表明协议能抵抗截获重发攻击、中间人攻击和纠缠攻击。当诱惑粒子存在时, 使用模型化工具Prism得到了窃听者在不同噪声环境下被发现的概率。

针对地面三维激光扫描强度纠正局限于单站点云强度纠正的问题, 提出基于高斯混合模型的直方图匹配方法, 对多站点云强度进行纠正。该方法通过拟合距离-强度模型与入射角-强度模型, 对单站点云强度值进行纠正。利用高斯混合模型拟合纠正后的单站点云强度直方图, 并对直方图进行分割。通过子直方图匹配对多站点云强度进行归一化。实验结果表明, 本文提出的方法不仅可以有效纠正单站点云强度值的差异, 也可以改善多站点云强度值的差异。

为了提高基于联合稀疏表示的高光谱图像的分类精度, 提出一种基于邻域相似度联合稀疏表示的分类算法。与传统的联合稀疏表示算法相比, 邻域内不同地物类别的像元对待测像元P的影响权重不同, 依据邻域内的像元与像元P的相似程度, 设定相似度阈值。通过联合稀疏表示与像元P相似度高的像元来确定像元P的类别, 然后进一步利用空间信息修正分类算法, 即关联邻近像元的类别, 平滑分类结果。实验结果表明, 基于邻域相似度的联合稀疏表示的分类算法精度更高, 结果更稳定。

采用空心分层粒子模型, 并基于Mie散射理论分析了海面泡沫的各项相关参量对光子的偏振散射作用; 对量子误码率和光子偏振保真度公式进行了推导, 运用蒙特卡罗法模拟了光子穿越泡沫层的整个过程。讨论了量子误码率与泡沫散射系数、泡沫吸收系数、泡沫层厚度以及泡沫粒子尺度参数等参量的关系。结果表明：泡沫散射系数和泡沫层厚度的增大都会增加光子的散射次数, 从而加剧光子的退偏程度, 降低光子偏振保真度。当泡沫散射系数超过0.5 cm-1、泡沫层厚度超过6 cm时, 泡沫引起的量子误码率可达6.5%; 泡沫吸收增大了传输损耗, 降低了量子密钥生成率; 在泡沫尺度参数的经典取值范围内, 量子误码率会随着尺度参数的增大而减小。

利用光镊拉曼光谱(LTRS)技术研究了不同环境因素对葡萄球菌黄素合成的影响。分别在温度范围为22~37 ℃、pH范围为4.5~8.5、葡萄糖质量浓度范围为0~10.0 g/L以及黄酮质量浓度为0~175 mg/L的条件下培养金黄色葡萄球菌, 利用拉曼光谱1523 cm-1特征峰强度表征细菌细胞内葡萄球菌黄素的相对含量。结果表明：在22~37 ℃范围内, 温度对葡萄球菌黄素合成的影响不大; 中性pH最有利于葡萄球菌黄素的合成; 葡萄糖在一定质量浓度范围内(0.2~5.0 g/L)可剂量依赖性地促进葡萄球菌黄素的合成, 黄酮也会剂量依赖性地抑制葡萄球菌黄素的合成。LTRS技术可作为快速可靠的葡萄球菌黄素定量检测方法以及葡萄球菌黄素合成抑制剂的有效筛选和评价手段。

光谱特征波段的选取是植被高光谱分类识别的重要基础之一。利用鄱阳湖5种典型植被的实测高光谱数据, 在对数据进行预处理和分析的基础上, 提出了一种基于均值极差阈值法的光谱特征波段选择方法, 并利用马式距离-光谱角法对不同植被种类进行识别。结果表明：所提方法有效提取了植被间的光谱特征波段, 分别为1111~1132 nm、1466~1522 nm和1577~1750 nm, 三个波段全部位于红外区域; 在光谱特征波段范围内, 利用马氏距离-光谱角法可对不同植被类型进行有效识别, 其中南荻的光谱分类精度最高, 灰化薹草的光谱分类精度最低, 为84%, 总体分类精度为91%, 分类效果较好。

采用激光共焦拉曼光谱法, 检测了丙酮/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂层液固化过程中溶剂的浓度分布。分别测定了丙酮、PMMA以及不同质量浓度的丙酮/PMMA涂层夜的拉曼光谱, 利用最小二乘法建立了PMMA、丙酮的峰强比与二者质量浓度比的关系。试验结果表明, 校准曲线的线性相关系数达99.9%以上, 通过实时测定得到的光谱可以获得PMMA与丙酮的峰强度比, 进而可以获得该时刻溶剂的浓度。

随着飞秒激光技术的不断成熟和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的大量应用, 对PMMA光学性能的研究逐渐成为研究热点。飞秒激光在透明材料加工过程中会出现成丝现象, 分析了自聚焦和丝状物的产生原理。偏振态是激光光束的重要特征之一, 利用空间光调制器、1/2波片和1/4波片组合可实现对线偏振光、圆偏振光、径向偏振光和角向偏振光的控制。利用产生的1 μJ偏振光在PMMA上刻线, 对比分析不同偏振光的成丝长短和成丝起始位置。实验结果表明：线偏振光和圆偏振光的成丝长度较短, 其中线偏振光的成丝位置距离入射面最近; 径向偏振光和角向偏振光的成丝长度较长, 且成丝位置距离入射面最远。

《制造用紫外激光器》国家重点研发计划(项目编号：2017YFB1104500)旨在针对增材制造和激光制造需求, 以制造用紫外激光器的核心关键技术突破、产品研发及产业化为主线, 针对高功率、高重复频率355/266 nm紫外激光的产生(图1)、紫外非线性光学三硼酸锂(LBO)和偏硼酸钡(BBO)晶体性能的提升、高功率紫外激光的产业化以及制造用紫外激光器的应用示范等开展研究, 突破制造用紫外激光理论、设计、产业化以及应用的技术瓶颈, 实现工业用紫外激光器产品化并建立生产线, 对促进我国激光高端精细加工并实现“中国芯”具有重要意义。