利用中国气象局寿县国家气候观象台的太阳光度计、浊度仪和颗粒物监测仪,观测并分析了寿县冬季大气光学特性,得到了气溶胶光学厚度、散射系数、吸收系数和单次散射反照率的日变化规律。结果表明,随着气溶胶含量的增加,颗粒物含量增加,气溶胶光学厚度、散射系数和单次散射反照率增大,气溶胶波长指数和大气浑浊度系数也增大。不对称因子、后向散射比、散射系数、单次散射反照率和波长指数表征了气溶胶粒子大小变化规律。

通过研究目标镜面反射造成的测距误差,及分析强度数据与测距误差之间的关系,建立了一种基于原始强度数据的目标镜面反射测距误差模型。研究结果表明,利用原始强度数据可以建立一种测距误差修正模型,该模型不受目标材质和表面几何形状的影响,可以精确地对距离数据进行修正,对提高地面激光雷达的数据精度具有重要意义。

采用烟尘的团簇-团簇凝聚模型和离散偶极子近似方法,分析了紫外光在不同烟尘浓度和粒子半径下的单次和多次散射信道特性,以及散射角对散射光强的影响。研究结果表明,在紫外光短距离直视通信方式下,当粒子半径相同时,随着烟尘浓度的增大,路径损耗不断增大,而当烟尘浓度一定时,路径损耗随着粒径的增大而增大;在紫外光非直视通信方式下,短距离时烟尘浓度及原始半径越大,散射信道路径损耗越小,而长距离通信时烟尘浓度越高,其路径损耗越大,但不同浓度下的路径损耗的差别较小。在多次散射情况下,散射光强随着散射角的增大而减小,而当散射角相同时,烟尘浓度越高,紫外光的散射光强越大。

采用达布变换法得到了标准非线性薛定谔方程的一阶呼吸子解及其怪波极限,研究了一阶呼吸子解的动力学特性。借助达布变换的递推关系得到了非线性薛定谔方程的高阶呼吸子解,并分别研究了碰撞叠加、分离、简并和并行传输模式。当各呼吸子的频率趋于零时,得到非线性薛定谔方程怪波极限。研究结果表明,怪波幅值、凸起数以及怪波分裂后中心波峰的阶数和周围的波峰个数均与怪波阶数有关。

基于反谐振反射光波导模型和模式耦合模型分析了负曲率空芯光纤的导光机理,利用有限元法模拟计算了圆形管环负曲率空芯光纤的结构参数对基模限制损耗的影响。通过分析嵌套环优化基模限制损耗机理,发现嵌套环之间的空气层对反谐振反射也有贡献,且嵌套环在不同管环数量下对限制损耗优化的影响不同。设计了一种纤芯直径不超过20 μm的低限制损耗负曲率空芯光纤,其在1550 nm处的限制损耗小于1 dB/km,可保证单模传输。

提出了一种基于氧化铜/聚苯胺包覆光子晶体光纤的一氧化碳传感器。将标准单模光纤与实心光子晶体光纤熔接形成马赫-曾德尔干涉结构,在光子晶体光纤表面涂覆氧化铜/聚苯胺复合材料,用于检测一氧化碳(CO)。结果表明,在光纤表面形成了一层厚度约为2 μm的均匀复合膜;该传感器的灵敏度为17 pm;传感器在CO体积分数为0~75×10 ^-6的范围内呈现良好的线性关系和选择性,响应时间和恢复时间分别约为80 s和110 s。该传感器具有成本低、结构简单、制作容易等优点。

为实现全息图的准实时计算,提出了一种基于多图像处理单元(GPU)的Matlab计算机生成的全息图快速算法。该方法充分利用了Matlab编程的简易性和GPU的高计算性能,可有效节约全息图计算时间。模拟结果表明,所提方法的计算速度比传统计算方法提高了两个数量级。

针对标准Hough变换在直线检测中存在的问题,提出了一种基于改进随机Hough变换的直线检测算法。利用8邻域搜索对边缘图像像素点进行了聚类分组;提出了像素点梯度方向差分概念,求出每一个边缘分组中相邻像素点的梯度方向差分,从而进行直线预检测,排除不含直线特征的边缘组;基于随机抽样一致性算法,提出了一种带有直线参数模型预检验的改进随机Hough变换算法。研究结果表明,该算法有效解决了标准Hough变换中的问题,改善了直线检测过程中的误检情况,具有检测速度快、检测精度高的优点。

针对遥感图像中的目标检测问题,采用基于卷积神经网络的目标检测框架对目标进行提取,针对该网络制作了包含三类遥感图像中常见目标的目标检测数据集。为了解决遥感图像目标旋转角度较大的问题,将空间变换网络融入超快区域卷积神经网络,提出了一种具有旋转不变性自学习能力的目标检测模型。通过与传统的目标检测方法进行对比分析,探究了不同方法对遥感图像目标检测的实际效果。相对于传统的目标检测方法,融合了空间变换网络的卷积神经网络所提取的特征具有更好的旋转不变特性,从而能够达到更高的检测精度。

利用高光谱遥感图像对**工程进行伪装效果评估,提出了一种基于直觉模糊决策的高光谱伪装效果综合评估方法,以及包括光谱泛相似测度、亮度对比度、视觉相似性测度和结构相似性测度等在内的高光谱伪装效果综合评价指标体系;建立了面向高光谱伪装效果评估的直觉模糊多属性决策模型;采用逼近理想解的排序算法进行模型决策,并提出了基于直觉模糊集Hamming距离的灰关联测度以提高方案之间的区分度。研究结果表明,利用所提方法得到的评估结果与专家评估结果一致,验证了其合理性和可行性。

传统图像识别算法识别模型单一且易受外部光照条件干扰,深度卷积网络模型虽然识别率高,但计算量大,设备成本高,因此提出基于深度同或卷积网络的改进型压缩算法。首先介绍了焊缝识别系统的组成和经典卷积神经网络模型,然后阐述了改进型的卷积网络压缩算法,包括权值更新算法和权值补偿算法,最后在自制数据集和仿真平台上进行了数据实验。研究结果表明,所提算法具有识别率高、模型小、适应性强和识别模型多样化的优点,可应用于焊接现场对焊缝中心的识别。

针对当前智能驾驶领域场景理解中的语义分割算法无法同时满足高精度和高效率要求的问题,提出了精确高效的语义分割算法。基于可分离残差模块和降采样模块,设计了充分利用其学习能力和学习效率的高效精确语义分割网络结构。利用Cityscapes数据集,在图像处理效率12 frame/s的基础上达到分割精度67.86%。研究结果表明,所提方法在精度和效率上均能达到较好的效果,实现了精度和效率的平衡。

以效率较高的加速分割测试特征提取(FAST)算法为基础,添加原FAST算法不具备的尺度不变性和旋转不变性特征描述子,在特征检测和匹配时将颜色信息作为重要参考变量,提出了一种基于颜色信息改进FAST算法的图像特征检测和匹配算法(C-FAST)。改进后的算法效率较高,具有更高的检测和匹配精度,且在光照变化和噪声下均有很好的稳健性。使用公开数据集和常用图像对FAST算法、快速稳健特征(SURF)算法、基于颜色信息的尺度不变特征转换(CSIFT)算法及所提C-FAST算法进行了性能分析。结果表明,所提算法能有效可靠地完成图像的特征检测和匹配,对比原FAST算法,准确率提升30%。

为了研究人类干扰活动对土壤有机质含量的影响以及提高干旱区土壤有机质估算精度,以新疆北部阜康市的土壤为研究对象,对90个采样点的高光谱曲线分别进行连续小波变换(CWT),并与两种常用光谱变换R′、lg(1/R)进行对比。结果表明,随着人类干扰程度的增加,土壤有机质的空间变异性随之增强;常用光谱变换中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区R′与土壤有机质所建立的偏最小二乘决定系数模型R²均高于R、lg(1/R);经过CWT变换后所建模型精度更高,验证模型精度R²分别为0.717、0.689、0.630,与R所建模型的R²相比最大分别提高了0.382、0.4、0.389,且相对分析误差分别达到2.150、2.090、2.013,均能很好地预测土壤有机质含量,说明利用CWT不会因人类干扰程度的提高而使模型精度大幅度降低,更加适用于干旱区有机质含量的预测。

基于532 nm脉冲激光器,搭建了船载三通道海洋激光雷达系统。利用该系统对叶绿素a浓度进行了测量,将所得到的测量结果与商业化叶绿素荧光计的测量结果进行了对比,结果显示,二者的相关系数高达0.84,即表现出良好的线性相关性。为了测试和评估该系统对表层海水叶绿素a浓度的探测性能,开展了初步现场走航实验,并获取了走航路径上表层海水的叶绿素a浓度的分布状况。结果表明,基于激光雷达探测数据反演的表层海水的叶绿素a浓度与商业化叶绿素荧光计同步探测得到的表层海水的叶绿素a浓度的相关系数可达0.69。

为了改善高反光对象表面的三维重建的质量,提出了一种基于二值相移编码光栅投影的相位融合算法。该算法对饱和相位误差进行分析,利用二值相移投影图案的周期性与对称性实现了饱和相位误差的检测。研究结果表明,相比于基于光照强度判断的饱和误差检测方法,所提方法可以准确检测出存在饱和误差的区域。与修复前相比,修复后的饱和相位误差的均方根值减少了95.7%,最大相位误差减少了96.1%。与传统的检测方法相比,在使用更少测量组的情况下,替换后的饱和相位误差的均方根值减少了16.7%。所提方法可以有效地重建出高反光物体的表面轮廓,且精度更高,无需非线性校正,抗干扰能力强。

在分析国内外大间距轴线一致性检测方法的基础上,提出一种基于非合作目标图像处理技术的轴线一致性检测方法。该方法任意选择远场中具有典型特征的景物作为非合作目标,利用不同光学传感器获取非合作目标图像,比较非合作目标在图像中的空间位置差异,进而得到轴线一致性检测结果。实验结果表明,该方法可满足大间距轴线一致性检测需求。将CCD成像系统夹持在被测对象机械轴线上,可实现机械轴线与光学传感器轴线间的一致性检测。该方法不受光学传感器工作波段限制,避免了其他检测方法体积重量大、对使用环境要求高等缺点,因此应用前景广阔。

可调控偏振分束器是一种新型光波导功能器件,对于提升集成光子系统性能或发展新应用有重要作用。采用多模干涉光波导结构,利用液晶的大双折射效应和高可调性能,提出了一种新型可调控偏振分束器。采用光束传输方法对偏振分束器的光学性能进行了模拟分析。结果表明,该偏振分束器不仅易于实现高的消光比和低的光损耗。对于横电(TE)模和横磁(TM)模偏振,其偏振消光比大于28.7 dB,光损耗小于0.024 dB,而且通过调控液晶晶轴的取向,可以动态调控TE模和TM模的输出端口。该器件结构简单,易于设计与制作,易于与其他光子器件进行集成,在集成光子系统中有着广阔的应用前景。

为了提高海洋用钢的表面性能,采用激光熔覆技术在Q235钢板表面熔覆了QAl-7铝青铜合金,并对其组织以及熔合线处的铜渗透现象进行了研究。研究结果表明,铝青铜熔覆层在凝固过程中会发生液相分离以及过饱和脱溶现象,其组织主要由富铜相(Cu₃Al、Cu₉Al₄)以及富铁相(AlFe₃、AlFe)构成。熔池中的铜液沿着基体钢奥氏体晶界润湿扩展,在热影响区形成铜渗透现象。铜渗透深度与熔合区的宽度有关,熔合区越宽,铜渗透越深。通过控制激光熔覆工艺参数减少熔合区的宽度进而控制渗透深度,从而抑制铜渗透裂纹的产生。

为了研究激光熔覆过程中的稀释效应,模拟了不同扫描速度下单道激光熔覆304不锈钢过程中的温度场,并依据材料的熔点计算出稀释率。在27SiMn钢表面上进行了激光熔覆实验,测量了单道熔覆层横截面的高度和宽度以及热影响区的深度,并计算出稀释率。分析了熔覆层中不同区域的元素组成,测量了显微硬度。结果表明,数值模拟和实验得到的稀释率变化趋势基本一致,均随着扫描速度的增大而逐渐减小;扫描速度越大,熔覆层中元素的稀释效应越小,熔覆层中越靠近基体的区域,元素的稀释现象越明显;熔覆层到基体的显微硬度呈低-高-低的三台阶式分布,且随着扫描速度的增大,高硬度区的宽度逐渐变小。

设计并搭建了一种基于复合型液晶空间光调制器(LC-SLM)的自适应光学原理校正系统,其中一个空间光调制器用于波前模拟,另一个用于波前校正。利用Zygo干涉仪对畸变波前进行了检测,通过程序计算获得了畸变波前的共轭波前,产生了相应的灰度图,将其加载到LC-SLM以进行畸变波前补偿,实现了静态波前校正。计算得到的斯特列尔比由校正前的0.3795增大到0.8268,环围灰度平均值由校正前的382.75增大到1164.5,光斑亮度聚集情况明显改善。相比纯相位空间光调制器,复合型空间光调制器节约了成本,适合实验室批量使用。

基于热-结构间接耦合非线性有限元分析,在不同的激光工艺参数下,利用ANSYS生死单元技术对激光熔覆的温度场和应力场进行了数值模拟,研究了激光功率和扫描速度对温度场和应力场分布规律的影响。结果表明,通过分析有限元模型的温度分布规律和试件金相组织的形貌特征,验证了该模型的可靠性;熔覆层温度变化分为脉冲式急速上升和呈双曲线形状下降两个阶段;沿激光扫描方向,熔覆层表面多个节点的温度-时间曲线具有逐渐增大的峰值;熔覆层与基体结合面中部沿Z轴方向,靠近固定端应力较大,基底中部沿X轴方向应力呈W状对称分布,自由端中部沿Y轴方向,熔覆层和基体结合处易产生应力集中和突变。

提出了一种测量网络节点位姿的优化方法。建立了网络节点参数的数学模型,分析了位姿参数对测量精度的影响机理,仿真获得了位姿参数最优取值范围和优化初解。对标定板上标志点间距离进行三维视觉测量,结果表明,优化处理后测量相对误差约降低了 0.6%。

针对高速摄像条件下双目同步立体匹配存在困难的问题,提出了一种基于双目相机的空间直线运动轨迹快速测量算法。在建立了摄像机空间坐标系的基础上,基于小孔成像原理以及目标点与对应点的映射关系,构建了成像模型。对算法原理的实验验证表明,通过遍历点对组合并对其测量结果求平均值可减小误差,验证了原理的可行性与算法的有效性。

针对白细胞受细胞外液扰动发生形变的情况,建立了无粒白细胞的椭球核切比雪夫形光学模型。基于T矩阵方法,对线偏振光入射时形态参数及细胞核质比对白细胞散射偏振的影响进行了数值仿真,并与不受细胞外液扰动时的散射偏振特性进行了对比。研究结果表明,在侧向散射区,白细胞散射光线偏振度对外液扰动强度的变化相对于在后向散射区更为敏感,外液扰动越大对偏振的影响越大,且内核形变越大,外液扰动对白细胞散射光偏振的影响越大。

采用转移矩阵方法,在含石墨烯的多层介质结构中,研究了太赫兹频域的光传输过程。在多层结构中,光吸收表现为多个吸收峰,且吸收峰的位置依赖于入射光频率、入射角和石墨烯化学势。随着石墨烯化学势和石墨烯层数的增加,吸收率增大,石墨烯光导虚部增大,吸收峰的位置蓝移。周期性吸收峰发生在反射光干涉相消的条件下,且可通过两条主要反射光间的相位差来理解。因此,可基于光传输中石墨烯吸收峰的位置和强度来给出石墨烯的化学势、能级展宽因子参数。给出了与石墨烯材料相关的可提高石墨烯吸收率、降低透射率的参数条件。

提出了一种利用椭圆矢量空心光束实现瑞利粒子非对称操控的方案。理论计算了椭圆矢量空心光束对放置其中的瑞利粒子作用的散射力和梯度力。以实验产生的椭圆矢量空心光束作为操控光束,以乙酰苯液体中水分子团为研究对象,进行了相关粒子的囚禁动力学理论分析,采用蒙特卡罗方法进行了相关模拟。理论研究结果表明,瑞利粒子在椭圆矢量空心光束中所受散射力的大小远远小于所受梯度力的大小,选择合适的光强可以将瑞利粒子囚禁在光束非对称空心部分。

提出了基于改进的深度学习全卷积神经网络的资源三号遥感影像云检测方法。将预训练后的深层卷积神经网络全连接层改为全卷积层,采用反卷积方法对特征图进行上采样,优化改进网络结构,并采用Adam梯度下降法加速收敛。利用资源三号云区影像数据集对网络进行训练,将上采样后的影像特征输入sigmoid分类器进行分类。实验结果表明,该方法检测精度和速度均优于传统方法,准确率可达90.11%,单张影像检测耗时可缩短至0.46 s。

提出了一种基于激光点云与建筑信息模型(BIM)技术的复杂舱舱容计算方法。以复杂液货舱三维点云数据为基础,对复杂舱舱壁与内部构件进行了分割;利用BIM技术对舱壁点云数据及船舱构件点云数据进行了三维重建;利用船舱三维模型进行了船舱不同姿态下的实时舱容计算。选用上海某船舱点云数据进行了方法验证,研究结果表明,该方法能够快速、精确地获得船舱不同姿态下的舱容数据,可靠性强,具有很高的实用价值。

基于空气折射率梯度测量的原理,采用投影式背景纹影技术,设计了非接触式火焰温度场测量仪。测量仪以半导体激光器作为光源,采用CCD快速成像,结合粒子图像速度场仪技术,获取了图像上粒子的偏移量以量化偏折角。采用Radon变化求得折射率梯度,利用空气折射率对温度的非线性曲线拟合方程直接得出流场各区域的温度场,采用反投影重建技术对火焰的不均匀温度流场进行了三维重构,实现了火焰温度场的可视化测量。

针对复杂场景下激光雷达测量(LiDAR)点云数据的地物分类问题,提出了一种基于多尺度特征和PointNet的深度神经网络模型,该方法改进了PointNet提取局部特征的能力,实现了复杂场景下LiDAR点云的自动分类。在PointNet网络基础上添加多尺度网络提取点的局部特征,将不同尺度点的局部特征通过全连接层组成一个多维特征,并与PointNet提取的全局特征相结合,返回每个点类的分数以完成点云分类标签。利用Semantic 三维数据集和ISPRS提供的Vaihingen数据集,验证了所提深度神经网络模型。研究结果表明,与其他用于点云分类的神经网络相比,所提算法达到了更高的分类精度。

将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层置于金纳米颗粒与金基底之间,研究了金纳米颗粒对处于PMMA夹层中的分子或量子点辐射源的总辐射速率、远场辐射速率、辐射方向等的影响。与单个金纳米颗粒相比,当2,3,5,9个金纳米颗粒等间距排列时,总辐射速率和远场辐射速率都会增强。通过测量远场辐射方向,可以反推出纳米颗粒的数量和间距,从而实现纳米颗粒数量和间距的高精度测量。