国家自然科学基金、河北省自然科学基金、天津市自然科学基金、人社部留学人员科技活动项目择优资助优秀类、河北省计划项目、河北省高校百名优秀创新人才支持计划;

随着传输容量和传输距离的增大,光纤克尔非线性效应越来越明显,已成为目前限制光纤通信系统性能的主要因素。详细介绍了数字向后传播算法、微扰法等光纤通信中克尔非线性补偿技术的基本原理,分析了这些技术的发展现状,比较和总结了各算法的优缺点,对各技术的应用前景进行了展望。

与传统的法布里-珀罗(F-P)腔半导体激光器相比,采用分布布拉格反射器(DBR)光栅的边发射半导体激光器在窄线宽、输出波长稳定等方面展示出了优异的特性,其在激光通信、光互联及非线性频率转换等领域有着巨大的应用需求。通过合理设计DBR光栅及器件结构,DBR半导体激光器可以实现激光窄线宽、双波长输出以及波长可调谐等性能。基于内置DBR光栅结构,DBR锥形半导体激光器可以同时兼具高功率、窄线宽及高光束质量等特性。针对这几类激光器,阐述了其结构设计、制作工艺及其性能优势,总结了国内外最新研究进展与发展现状,并对DBR半导体激光器的研究工作和发展趋势做出了进一步的讨论和展望。

介绍了无线激光与射频(RF)互补通信系统的突出地位和重大成果,说明了无线激光与RF互补通信技术的优越性和重要性。描述了无线激光与RF互补通信的系统结构,说明无线激光与RF互补通信系统研究的可行性。结合国外近年来的互补通信系统最新研究成果,重点对遇到的一系列问题进行分析。指出了互补通信系统现阶段面临的挑战,阐述了应对这些挑战的关键技术,并指出其应用前景和发展趋势。

石油开采的过程中常伴随有腐蚀气体、金属颗粒以及矿物质等的产生,使石油机械设备腐蚀、磨损严重。激光表面处理技术可以改善材料的耐磨、耐蚀、耐疲劳等性能。总结激光表面处理技术在石油机械中的应用,详细介绍了激光淬火、激光熔覆及激光合金化,并概括了其他激光表面处理技术及其应用,分析了激光表面处理技术在石油机械中的应用现状及存在的问题,并展望了发展前景。

研究了弱湍流条件下无人机逆向调制激光通信系统的链路传输性能,并进行了仿真验证。考虑指向误差对系统的影响,利用高斯-厄米特积分方法推导出系统双向信道衰落概率密度函数和其累积分布函数的闭合表达式,进一步推导出系统平均误码率和中断概率的闭合表达式。研究结果表明,在弱湍流和指向误差的共同影响下,入射角度、调制阶数和角偶棱镜材料折射率对系统误码性能影响较大;当发散角为3~10 μrad时,系统误码率会达到一个最优值;当发散角分别为6,8,10 μrad时,在较高信噪比阈值条件下系统中断概率可降到10 ^-9数量级。

为了更有效地检测出红外弱小目标,通过分析红外图像中弱小目标与其邻域背景的特征差异性,提出了一种基于统计特征和桥梁方法的红外小目标检测算法。在滑动窗口范围内提取像素值的均值、方差等特征,根据这些统计特征和桥梁方法判断该窗口范围内有无红外小目标;如果存在小目标,记录下其位置;对小目标区域进行二次筛选。研究结果表明,所提算法相对于较经典算法,虚警率降低了58%以上。

利用双向抽运拉曼放大器实现了4×100 Gbit·s ^-1光网络传输295 km(68.85 dB)的应用,测试了系统的光学信噪比、传输余量及长期误码特性,仿真了双向抽运拉曼放大器在4×100 Gbit·s ^-1传输系统中的功率演化过程。研究结果表明,双向抽运拉曼放大器的应用需综合考虑信号输入功率、前后向拉曼增益及经济成本等。

提出了一种测距辅助的可见光指纹定位(RAFL)方法,基于测距方法,根据多组光源初步确定定位目标的位置范围,采用双线性插值算法构建定位区域指纹,在定位目标范围内进行指纹匹配,最终获得目标的实际位置。研究结果表明,所提方法具有较强的抗干扰性,能够有效提高定位精度。

研究了多纤芯弹性光网络中的选路以及纤芯分配问题。由于交换纤芯会影响网络性能,建立了一个以最小化阻塞率为目标的全局约束优化模型。考虑路径的长度以及路径的频谱可用性,为每一个业务请求选择候选路径集,设计了具有高效的编码方法、特制交叉、变异及局部搜索算子的遗传算法。在不同的网络拓扑中进行了仿真实验,实验结果表明,所提算法在相同情况下能够得到比对比算法更小的业务阻塞率。

针对传统桥梁裂缝检测算法不能准确提取裂缝的问题,提出了一种复杂背景下基于图像处理的桥梁裂缝检测算法。根据深度卷积生成式对抗网络原理,利用桥梁裂缝图像生成模型,对数据集进行扩增。针对裂缝特征构建基于语义分割的桥梁裂缝图像分割模型,利用桥梁裂缝图像分割模型提取高分辨率裂缝图像中的裂缝。研究结果表明,与现有算法相比,所提算法在复杂道路场景中具有更好的检测效果和更强的泛化能力。

为有效区分手写体与印刷体,提出了一种基于卷积神经网络隐层帧特征的分类方法。基于卷积神经网络,提取隐层帧特征,利用高斯混合模型结合隐马尔可夫模型的方法对该特征进行建模,再通过维特比解码算法判定每帧特征的类别。基于帧特征的识别结果,结合文本行图像信息对识别结果进行后处理,确定最终的手写体和印刷体的区域。在签名文书类文本行图像上,相比基线,所提方法对手写体与印刷体分类的识别率提升10.8%和27.57%。在自然场景、表格和带噪文档行验证了其有效性。

为解决传统方法中由注意力曲线等长分段导致的精确率偏低的问题,提出了基于图像质量曲线提取关键视频段的方法,从各段内选取注意力值最高的帧作为关键帧。针对本地数据库进行视频关键帧提取,精确率为52.94%,F值为62.77%,分别比Muhammad的方法提高了5.23%和2.65%。

为了准确测量纳米颗粒的尺寸,依据透射电子显微镜拍摄的纳米颗粒图像,提出了一种基于U-Net卷积神经网络的颗粒自动分割方法。将U-Net部分网络结构与批量归一化层相结合,减弱了网络对初始化的依赖,提升了训练速度。对纳米颗粒图像进行半隐式偏微分方程滤波以增强图像边缘信息,利用改进的U-Net网络训练纳米颗粒个体分割模型,得到了分割结果。研究结果表明,所提方法能准确分割出图像中的纳米颗粒,对边缘模糊和强度不均的纳米颗粒的分割效果提升显著。

由于在手写乐谱中搜索谱线位置比较困难,为提高乐谱谱线删除算法的稳健性,提出了一种基于多维局部二值模式识别和XGBoost模型的手写乐谱谱线删除方法。根据乐谱图像的特点,设计并改进局部二值模式算子,提取乐谱图像中的多维局部二值模式特征算子,组成高维特征向量,再选择最优的XGBoost模型来识别乐谱谱线位置,进而删除谱线。研究结果表明,该方法在测试数据上的F-measure为97.19%,说明其具有很高的准确率和召回率;而在三个不同子测试集上的F-measure分别为96.43%,98.36%和96.79%,说明其具有很好的稳健性。相比已有的轻量谱线删除算法,该方法的F-measure有所提升。

针对在目标检测中现有方法检测速度慢的问题,基于航拍图像中人造物体含有大量边缘的特点,提出了一种基于梯度聚类的区域建议算法(APM)。利用目标检测算法对提取的感兴趣区域进行检测,在DOTA (Dataset for Object deTection in Aerial Images)数据集上对算法的实时性和准确率进行了测试。研究结果表明,所提算法极大地提升了目标检测算法对大尺寸、目标密集的航拍图像的检测速度,该方法的召回率较高。

提出了一种基于深度学习和人眼视觉特性的遥感图像质量评价方法。利用卷积神经网络和反向传播神经网络分类器,同时对遥感图像进行特征学习及模糊和噪声强度的等级分类。利用掩盖效应和感知加权因子修正评价模型,得到了更符合人眼视觉的遥感图像质量评价结果。研究结果表明,所提方法有效解决了同时存在模糊和噪声的遥感图像质量评价的困难,能有效准确地评价遥感图像的质量,且与主观评价结果有较好的一致性,更符合人眼视觉感受。

基于石墨烯纳米带阵列的共振效应,提出了三层石墨烯纳米带阵列结构,研究了该阵列参数对复合结构的多频滤波特性的影响规律。利用时域有限差分(FDTD)法,讨论了费米能级、石墨烯带宽占比、外界折射率对滤波频率的影响。研究结果表明,增加费米能级能使谐振频蓝移,增加石墨烯带宽占比和外界折射率均使谐振频率红移,费米能级改变0.1 eV时,谐振频率的改变量超过5 THz。

研究了一种基于Nd∶YAG/Cr∶YAG复合晶体结构的被动调Q固体微片激光器。以Cr∶YAG可饱和吸收体为被动调Q器件,采用元件一体化设计,输出单脉冲能量为3.5 mJ,脉宽为2.1 ns,峰值功率为1.67 MW,性能指标达到国际同类水平。利用被动调Q激光速率方程,计算了微片激光器的关键参数,脉冲能量的理论值与实验值基本一致。对复合微片激光器元件进行了集成和组装,得到了Nd∶YAG/Cr∶YAG微片激光器原理样机。样机能够成功击穿目标靶附近的空气并产生等离子体,初步满足了作为激光火花塞的技术要求。

在无标记增强现实中,基于视觉即时定位与地图构建,结合ORB特征提取算法和顺序抽样一致性,提出了一种改进的注册方法。利用相似函数衡量匹配样本点对之间的差异性,从具有最高品质函数的数据子集中抽取样本,得到较优的匹配点对,完成了三维地图重建过程中的平面检测。通过奇异值分解,实现了虚拟物体的方向和位置控制;结合相机的位姿估计,完成了虚拟物体的注册。实验结果表明,所提方法的平均注册效率提高了34.5%。

研究了一种基于高动态范围(HDR)图像的亮度测量方法。基于数码相机的感光特性及成像原理,采用Photosphere软件将一组低动态范围时间序列图像合成为HDR图像,获取该图像的灰度值并与经线性变换得到的3个刺激值RGB数据进行拟合,得到亮度的计算模型,并对3种背景亮度下标准色板各色块亮度进行计算。研究结果表明,3种背景亮度下计算得到的标准色板各色块的亮度平均误差在9.22%以内;随着背景亮度的降低,所有色块目标和彩色目标的亮度误差均减小,灰度目标的亮度误差在背景亮度适中时达到最小。

基于莫尔测量法,提出一种装置简单、测量精度较高的光栅常数测定方法。分别选取光栅常数为0.05 mm和0.02 mm的标准光栅与相应的待测光栅进行实验,获取了-1级、0级、+1级三个级次的大光强、高对比度莫尔条纹,并计算出待测光栅的光栅常数及其误差。研究结果表明,随着标准光栅和待测光栅之间夹角的增大,误差有增大的趋势。

针对非晶硅薄膜沉积时金字塔沟壑处容易出现外延生长的问题,采用化学抛光液CP133对硅片表面进行了抛光处理。研究结果表明,抛光使得金字塔底部区域形貌由“V”型变成了“U”型,明显改善了非晶硅/晶体硅界面的钝化效果。抛光溶液温度低于30 ℃时难以发挥腐蚀作用,但当溶液的起始温度升高至35 ℃时,获得了较好的抛光效果。采用质量分数为1%的NaOH溶液制绒且抛光时间为30 s时,太阳电池性能较佳。

基于羧基量子点的荧光猝灭效应,提出了一种检测神经生长因子(NGF)的新方法。研究结果表明,在pH7.5的缓冲溶液中,NGF抗原与羧基量子点标记的NGF抗体发生特异性结合,能使羧基量子点的荧光发生猝灭。在1~20 ng·mL ^-1范围内,荧光猝灭程度与NGF抗原质量浓度呈良好的线性关系,线性系数为0.9696,检测下限为1 ng·mL ^-1。所提检测方法具有良好的抗干扰特性,在诊断检测方面具有巨大的应用潜力。

为了有效剔除地面激光扫描数据中的大范围密集噪声,同时保留建筑物边缘特征,提出了一种基于距离变化并融合点云强度与密度信息的去噪方法。分析了噪声空间分布特征和点云强度分布,基于水平角和竖直角建立空间四叉树索引,在叶子节点内基于点前后间距特征实现局部点的快速聚类和孤立噪声剔除,在同类点集中基于不同类别强度点数的比值剔除大范围密集噪声。研究结果表明,所提算法能够有效剔除地面激光扫描数据中存在的大范围密集噪声,精度达90%以上。

为了提高地形起伏较大区域点云的滤波效果,提出了一种基于动态阈值获取点云的滤波算法。该算法分为两个阶段,初次滤波以获取更为准确的地面点为前提,二次滤波优化以初次滤波获取的地面点为基础,从而获取不同区域的高差阈值,根据这些阈值再对原始点云进行滤波。实验结果表明,相较于其他经典算法,所提算法能够获得更小的Ⅰ类误差和总误差,在滤除地物的同时能够有效地保留地形特征。

提出了一种特征线提取方法,该方法包含边界线和折边的提取,边界线的提取主要根据邻近投影点相邻向量夹角来实现,折边的提取主要利用邻近点向量聚类情况来实现。通过采集不同类型目标物点云数据,验证了所提方法的有效性。

为了提高雷达调制信号在电子对抗环境中的分选准确度,建立了基于偏联系数模糊聚类(PCFCM)算法和教与学随机森林(TLRF)算法的雷达调制信号分选(PCFCM-TLRF)模型。该模型引入偏联系数(PCN)改进K均值聚类(K-means)算法,优化模糊C均值聚类(FCM)算法,用优化后的FCM算法对信号样本集进行预处理;使用“教与学”优化(TLBO)算法优化随机森林(RF)算法,使优化后的RF算法能够以更低的复杂度构成更优的分类器;将预处理后的样本作为TLRF中的训练样本实现信号分选。研究结果表明,与其他分选模型相比,PCFCM-TLRF模型具有更高的分选准确度,能够有效地实现雷达调制信号的分选。

为解决多通道光谱图像数据成像过程中更换滤光片造成的几何畸变问题,研究了一种基于快速稳健特征(SURF)与最大子矩阵的多通道光谱图像配准方法。利用SURF算法提取了多通道光谱图像的特征,经过透视变换得到初步配准图像。针对配准后图像边缘出现零像素值无效区域的问题,提出了通过最大子矩阵检测图像中最大内接矩形的方法,去掉了无效边缘区域,最大化地保留了有效区域信息。对壁画的多通道成像数据进行了实验。结果表明,所提方法在图像尺度与亮度变化方面具有更好的稳健性,能够避免其他配准方法中无效区域对后续光谱重建与颜色复原的影响,在配准精度、信息最大化保留、时间效率方面也具有更好的性能。

利用带间激发的超快瞬态吸收光谱,研究了导电(n型)氮(N)掺杂和半绝缘(SI)钒(V)掺杂6H-SiC晶片的超快载流子复合动力学过程。N杂质和/或固有缺陷的间接复合主导了n型6H-SiC的载流子弛豫,其寿命超过了10 ns。与n型6H-SiC相比,V掺杂对SI-6H-SiC的瞬态吸收具有显著的调制作用,这源于由V深能级的载流子俘获引起的一个额外的载流复合过程。载流子俘获(寿命约为160 ps)比间接复合快2个数量级以上。通过简化能级模型并进行全局分析,研究了6H-SiC的载流子复合机制,准确地获得了6H-SiC的载流子寿命。

针对复杂深空通信环境对X射线通信系统抗噪声性能的影响,提出一种基于正交振幅调制(QAM)的误码率优化模型。通过分析实际通信环境中的噪声来源,并结合现有的X射线通信链路模型,给出主要噪声来源的数学表达式;基于泊松分布模型,建立QAM方式下强度调制直接检测(IM/DD)系统中通信误码率的计算模型,并通过模拟仿真验证其有效性。仿真结果表明,该模型的误码率可降至10 ^-6量级,与现有的二进制启闭键控(OOK)和脉冲位置调制(PPM)方法相比,当接收到相同的光子数时,该模型所需发射的光子数更少,尤其是当通信系统处于噪声干扰强度极不稳定的环境中时,该模型更具优势。

基于高频强调滤波自适应直方图算法,参考医学X光图像处理方法,将数字图像增强技术引入到文物X光图像中。经过图像增强后,文物X光图像的边缘细节得到增强,对比度得到提高,有用信息更加凸显。结果表明该方法不但便于图像分析,还简化了整个检测过程。