红外弱小目标检测技术已成为国内外红外领域研究的重点。对红外弱小目标的特征进行了介绍;从基于空间域和变换域的滤波、人类视觉系统以及图像数据结构3个方面,对当前单帧图像的红外弱小目标检测算法的原理、主要步骤及特点进行了综述;分析了红外弱小目标检测技术的发展趋势。

阐述了光电混频技术的基本原理。基于独立光电器件和组合光电器件两种实现途径,追踪并归纳了光电混频技术的研究进展。受微波光子变频技术的启发,提出了一种基于体型电光调制器的光电混频方法。该方法使用电光调制器在光场进行混频解调,后端采用高分辨率、低成本的图像传感器,突破了阵列尺寸对图像分辨率的限制,具有高能量利用率、高信噪比的优势。

光子晶体是由多种具有不同介电常数的介质材料在空间按一定的周期排列所形成的一种人造结构晶体,其光子禁带对入射电磁波具有高反射率,能够有效改变目标的辐射特性。基于光子晶体的红外隐身材料的研究是当前红外隐身技术的研究热点之一。对光子晶体的结构及特性等方面进行了详细介绍,系统综述了光子晶体材料在红外隐身方面的应用现状,并对新型红外光子晶体材料的研究进行了展望,以期为光子晶体红外隐身材料在宽频隐身、多波段兼容、带隙可调等领域的需求提供一定的解决思路。

交互式全息显示因其独特的真三维(3D)显示能力,能够给用户带来自然、真实的人机交互方式。作为交互式全息显示系统的重要组成部分,手势识别模块影响交互过程是否成功、自然和舒适。在交互式全息显示系统中,手势识别方式主要有基于穿戴设备的识别、基于视觉检测的识别和基于全息3D显示的3D触摸检测。综述了交互式全息显示系统的进展,讨论了3种交互方式的发展情况与优缺点,分析了交互式全息显示系统目前面临的问题和发展前景,为交互式全息显示的进一步研究提供了参考。

阐明了编码孔径相关全息记录和再现的基本原理,介绍了现有记录编码孔径相关全息图的系统与方法,着重分析了成像系统的分辨率及再现像质量,并讨论了该技术目前存在的问题与研究方向。编码孔径相关全息已经在动态三维成像、多光谱成像、自适应光学,以及生物医学、**等领域中展现出了其应用潜力。

以不同像移探测需求为导向,梳理了像移探测方法的发展脉络,将像移探测历程划分为基于工程参数的像移计算、基于联合相关器的像移估计和基于遥感图像的像移探测三个阶段;客观分析了每个阶段所解决的问题及面临的瓶颈;结合空间相机的发展趋势,剖析了目前像移探测方法中迫切需要解决的三个关键科学问题,为宽频带像移探测提供了一种可能的研究思路。

利用改进的强场近似方法,结合时间窗函数,分析了氢原子在强场阈上电离过程中的电子波包(EWP)干涉对光电子能谱及二维(2D)动量谱的影响,发现光电子能谱及2D动量谱的一般特征是由周期内干涉和周期间干涉的共同作用引起的,2D动量谱中的扇形结构是由长程库仑势与周期内干涉作用引起的。利用含时薛定谔方程(TDSE)的数值解分析了多周期脉冲电离过程中周期内干涉被抑制的原因,发现当Keldysh参数接近1时,2D动量谱中出现了特殊的条纹结构,研究结果表明长程库仑势对该条纹的形成有重要的影响。

提出了一种基于单模-保偏-单模(SPS)结构的高灵敏度曲率光纤传感器,该传感器将保偏光纤(PMF)的两端熔接在两段单模光纤之间。研究了传感器的曲率传感性能,以及保偏光纤的长度对传感器曲率灵敏度的影响。结果表明,随着曲率的增大,传感器输出光谱出现明显红移现象;保偏光纤长度对传感器的曲率灵敏度有重要的影响,当保偏光纤长度为11 cm,曲率为0.43~1.37 m ^-1时,获得最大灵敏度为59.849 nm/m ^-1的传感器。与其他光纤结构的传感器相比,该传感器具有结构简单、易于制造、灵敏度高等优点,可用于结构健康监测传感领域。

提出了一种基于嵌入式光纤光栅和碳纤维等强度梁的倾斜传感器。介绍了传感器的测量原理和制作方法,进行了全面的测试。研究结果表明,传感器在±30°量程内的倾斜测量灵敏度达到49.73 pm/(°),精度可达0.101°,测量重复性误差仅为0.62%,测量函数的线性拟合度达到0.99992,且抗蠕变和温度补偿能力良好,能满足复杂的电力环境下开展长期倾斜监测的要求。

自动病理图像诊断是医学图像分析的一个重要课题,实现精确诊断的前提是提取健康与患病组织的形态特征。本文以深度神经网络为工具,提出一种增强卷积网络模型,通过训练一对互补的卷积神经网络,以优化病理图像诊断准确率。由于病理图像获取成本较高,为降低因训练样本数量有限造成的过拟合风险,算法首先训练基本网络,来估计病理图像中各局部组织患病的概率,之后训练另一异构网络,对基本网络的判决结果进行修正。实验在宾夕法尼亚州立大学动物诊断实验室提供的肾、肺、脾组织数据集与淋巴结癌症转移检测数据集上展开,实验结果表明所设计模型在不同器官的病理图像上均表现出较高的诊断准确率。

光电成像系统通常为典型的光学-离散采样成像系统,可通过增加成像系统物镜的焦距,增加探测器阵列的规模,减小探测器单元的几何尺寸并提高探测器的占空比等技术途径来提高系统的分辨能力。在现有的探测器和光学系统下,有效的图像数据处理可提高成像系统的分辨率。主要介绍了近年来备受国内外关注的基于离散面阵CCD/CMOS探测器的亚像元成像技术以及超分辨率图像处理技术。

提出了一种基于Log-Gabor滤波的纹理和深度图融合优化的立体图像显著性检测模型,利用平面图像的显著性结合纹理与深度特征检测立体图像的显著性。通过改进的基于图的流行排序算法计算左视点的显著图;提取左视点图像的纹理特征图以及立体图像的深度特征图,利用Log-Gabor滤波器分别计算深度显著图和纹理显著图;再利用线性加权融合方法将上述3个显著图融合为立体(3D)显著图;最后利用中心偏爱和视觉敏锐度增强3D显著图。实验利用公开的眼动跟踪数据库进行测试,结果表明,所提算法具有很好的检测效果,优于文献报道的其他3D显著性模型。

针对当前局部立体匹配视差精度低的问题,提出了一种二次引导滤波模型,并应用于局部立体匹配算法。在新设计的二次引导滤波模型中,将第一次引导滤波的输出图像作为第二次引导滤波的引导图像,克服了传统引导滤波的缺陷,抑制了噪声。在代价聚合阶段引入二次引导滤波,使用跨尺度框架聚合各尺度的匹配代价,进一步提高算法匹配精度。实验结果表明,基于二次引导滤波的局部立体匹配算法在Middlebury测试平台上对标准立体图像对的检测具有更高的精度,且代价聚合步骤的时间复杂度与滤波窗口大小无关,在匹配精度和速度上都取得了良好的效果。二次引导滤波的思想有望在立体匹配等领域取得更广泛的应用。

基于DFPS(Dijkstra Farthest Point Sampling)算法,得到三维模型簇的初始采样点;利用函数映射理论,计算得到两个模型间的映射关系;利用循环一致性约束,将两两模型的映射关系转化为三维模型簇的多路对应关系。实验结果表明,本算法在一定程度上减小了三维模型间对应关系的等距误差,不仅可以实现两个模型间的对应关系计算,还适用于计算等距或近似等距的三维模型簇的对应关系。

通过分析杆塔镂空的结构特征,提出了一种基于杆塔梯度方向直方图(HOG)的由远及近杆塔部件检测方法。使用不同方位下杆塔HOG特征训练多层感知机(MLP),得到训练后的分类模型,将航拍图像输入到分类模型中识别杆塔的方位,最终实现了局部目标的检测。相比于深度学习神经网络,该方法的分类特征更加明确,更具有代表性。实验结果表明,所提方法的检测准确率比Faster RCNN(Regions with Convolutional Neural Networks)方法高27.9%,运算时间比Faster RCNN减少70.6%。所提方法适用于在开阔环境下利用无人机对杆塔方位及其局部部件的精确检测。

中国象棋棋子定位采用的传统图像处理方法,复杂度高;识别棋子采用的传统文字识别方法,泛化性较差、精确度较低。提出一种基于棋子颜色特征的分割方法和改进的二值图像滤波算法,实现了棋子的快速定位,不需要二次修正位置;提出一种基于卷积神经网络的棋子识别方法,该方法可以应用于不同字体的棋子识别,在更换棋子的情况下,依然可以快速、准确地识别棋子。实验结果表明,该方法的定位误差为0.51 mm,平均定位时间0.212 s,对4类字体的平均棋子识别准确率为98.59%左右,证实了该方法的有效性和实用性。

简要阐述了基于全波与三波段的真彩色微光夜视系统原理,结合图像融合的一般算法,研究了加权平均法、基于线性变换增强的Brovey法、 HIS(色调、亮度和饱和度)空间法及基于边缘分割的HIS法4种真彩微光夜视图像融合算法,详细阐述了融合算法的实现方法和过程。研究结果表明,利用基于线性变换增强的Brovey法,得到场景一和场景二的融合图像的综合客观评价指标值,分别为27.9647、31.2756,均大于其余3种算法得到的值。在这4种融合算法中,由基于线性变换增强的Brovey法得到的融合图像视觉效果最优。

研究了点源、线源激光激发超声波对钢轨表面缺陷检测的影响。使用有限元法对比了这两种激发方式的声场、声波信号及对钢轨表面缺陷检测的有效性。通过有限元仿真分别对水平、垂直、斜45°的钢轨表面缺陷进行了检测并进行了实验验证。实验与仿真结果一致表明,由激光线源激发的声表面波指向性好、信号幅值大,更利于钢轨表面缺陷的检测,且对不同类型的钢轨表面缺陷均具有较好的检测能力。

采用YLS-3000光纤激光器开展了激光熔覆钴基高温合金实验,通过光学显微镜、显微硬度计表征了激光熔覆钴基高温合金的宏观形貌、显微组织和显微硬度。结果表明:由于激光熔覆过程前序熔覆对后续熔覆有预热作用,在不同激光熔覆参数作用下,熔覆层的宽度分别由起始的4.84,5.17,5.88 mm逐渐过渡到熔覆末尾的5.28,6.61,6.78 mm,激光熔覆区域的上表面形貌为喇叭形;由于激光熔覆的送粉方向和相邻的激光熔覆对基体的预热作用,激光熔覆形貌为非对称性月牙形;在表面熔覆层中心区域可观察到等轴晶,在内部熔覆层中部可观察到非均匀树枝晶。由于激光熔覆过程的非平衡凝固、不同区域的加热和冷却速度差异,熔覆层的硬度呈现非均匀性分布,且都高于基体硬度。

提出了一种基于时间分辨及傅里叶变换测量激光线宽的方法,其分辨率仅受限于傅里叶极限。在实验上通过时间分辨方法测量了半导体激光器和光纤激光器的线宽,并与射频频谱分析的方法进行比较。对两种激光器在不同积分时间内进行线宽测量,结果证明这种傅里叶极限线宽测量的方法相比于射频频谱分析的方法具有更小的测量误差,通过时间分辨方法获取频谱信息具有实时采集的优势。

提出了一种基于深度卷积神经网络的单目视觉深度估计方法,该方法采用端到端学习框架来构建模型。采用残差网络(ResNet)作为神经网络模型框架的编码部分来提取深度信息特征。采用密集连接卷积网络(DenseNet)对编码后的信息进行译码。通过Skip-Connections实现编码和解码的信息流的集成,避免了层间信息传输的丢失。实验结果表明,与其他单目视觉深度估计方法相比,使用深度卷积神经网络可以更有效准确地估计视觉深度。

以硅十字架二聚体纳米天线为研究对象,采用有限元法(FEM)系统研究其远场单向散射特性,利用多极分解的方法对其散射特性进行解释。通过分析纳米天线中不同共振模式的响应对散射特性的影响,发现这些共振模式的耦合作用导致了高介电材料硅十字架二聚体结构磁热点的产生和远场单向性散射,为实现远场单向性可控的纳米天线提供了坚实的理论基础。

主要研究了多缀饰四波混频Autler-Townes (AT)分裂的相干控制。通过控制外加缀饰场的数量使四波混频信号由单缀饰向级联双缀饰转变,其中单缀饰和双缀饰四波混频信号通过扫描探测场失谐可以观察到AT分裂现象,并且在双缀饰四波混频信号中观察到了二级AT分裂现象。最后分析了AT分裂位置和宽度的影响因素。研究结果表明,通过控制缀饰场Rabi频率和失谐可实现AT分裂位置和宽度的相干控制。

考虑复合抛物面聚光器(CPC)的经济性和光学性能,对CPC结构进行了优化设计。根据参数方程,分析了相同面积内的截取比对CPC总弧长和接收管数量的影响。研究结果表明,CPC截取比取0.15~0.25时,可有效降低对CPC弧面材料的使用。基于Tracepro软件,实现了对CPC的二维光线追踪,提出了一种CPC直射光学效率的模拟计算方法。选择1月1日、4月1日、7月1日、10月1日四个季节日期为模拟日期,模拟结果显示,截取比为0.16的CPC相较于截取比为0.56的CPC,平均直射光学效率分别提高了13.77%,15.24%,9.30%,11.54%。太阳高度角的增加和方位角的减小有利于降低CPC的末端光线损失。增加CPC的长度有利于减小末端光线损失对CPC光学效率的影响。实验测试验证了模拟的正确性,所提方法可应用于以提高光学性能为目标的CPC结构优化设计。

提出了一种曲面LED阵列设计方法。根据光线叠加原理,将LED排列在自由曲面上,通过曲率控制LED的出光角度。基于LED曲面阵列离轴照度分布的解析式,引入了基于模拟退火的粒子群优化算法,设定约束条件,构建均匀度评价函数,优化了LED曲面阵列的数值模型。制作出实物光源进行照度测量与缺陷检测。理论模拟和实物检测结果均显示,倾斜角度为45°,目标面与发光面面积比值为1∶0.85和1∶4时,照度均匀度分别达到91.79%和98.4%。在皮革缺陷检测中的结果表明,采用LED曲面阵列光源可凸显特定缺陷,易于图像处理,能快速准确地识别缺陷。

通过研究电流和温度应力及二者共同作用对发光二极管(LED)球泡灯可靠性的影响,分析各应力下LED球泡灯的失效机理。结果表明:在室温情况下,以电流为加速应力时,主要失效方式为蓝光芯片的退化;随电流应力的增大,荧光粉退化逐渐变为主要的失效方式,LED球泡灯的相关色温上升,显示指数增大。在温度应力或电流-温度联合应力作用下,荧光粉退化严重,出现黑化现象。此外,灯具、驱动电源、LED支架和铝基板等都发生黄化和变黑现象。这表明温度应力比电流应力更能加速LED球泡灯失效。基于外推法对电流应力下LED球泡灯的寿命进行了预测。

提出了一种基于测量设备无关协议的经典-量子信号共纤传输方案。推导了自发拉曼散射噪声计数率公式,分析了经典信号入射功率、量子信号复用路数和量子信号平均光子数对量子密钥分配性能的影响。数值仿真结果表明,当经典信号入射功率为0 dBm(即通信容量为84.8 Gbit/s)时,所提方案量子密钥分配的最大安全传输距离可达141 km;当入射功率增加到11 dBm(即通信容量为1.068 Tbit/s)时,仍然可达100 km。相比于现有的最优传输方案,所提方案量子密钥分配的最大安全传输距离延长了26 km;虽然随着经典信号入射功率的增加,量子密钥分配性能有所下降,但是可以通过采用多路量子信号复用和优化量子信号的平均光子数来进行性能补偿。

通过分析空间量子通信系统和经典光通信系统的误码率,设计了一种基于波分复用技术的空间量子-经典信号同传系统,并通过软件仿真分析其可行性。在256 ns内共传递15 bit量子密钥和128 bit经典信息,经典信息误码率为4.07×10 ^-15,结果表明该系统可以有效实现空间量子信号和经典信号的共信道同传,同时扩大空间量子密钥分发系统信道容量。

提出一种快速高精度Fourier-Mellin变换图像配准方法,可提高高光谱成像过程中光谱复原的速度与精度。该方法运用两次局部上采样相位相关法,一次在对数极坐标域中估计旋转和缩放参数,另一次在笛卡尔坐标系中估计平移参数。引入梯度预处理过程,使算法更加稳健。介绍了Fourier-Mellin变换的原理,该变换可实现旋转和缩放参数的解耦合。在传统相位相关法的基础上介绍了局部上采样相位相关法。证明了梯度预处理过程的必要性。仿真结果表明,所提方法可以实现高精度的图像配准。

利用红外光谱技术分析感染小斑病的玉米叶片,获取了染病玉米叶片的分子结构信息,研究结果表明真菌病原体对叶片中的蛋白质结构有一定的影响。二维相关红外光谱分析结果显示,健康玉米叶片中蛋白质二级结构的β-折叠构象随着玉米叶片的生长代谢发生变化,而染病玉米叶片中发生变化的是β-转角构象。二维相关红外光谱可以揭示真菌病原体入侵时玉米叶片分子结构的变化情况,为玉米病害的防治提供参考。

结合光学像差理论和光栅色散原理,采用像元分辨率匹配方法,提出了一种宽光谱高分辨率光栅光谱仪初始结构设计方法。在综合考虑机械加工装调和光谱仪通光效率的基础上,将其应用于波长为200~1000 nm、分辨率为0.01 nm的Czerny-Turner型光栅光谱仪光学系统初始结构设计中。运用ZEMAX软件对光谱仪光学结构进行了仿真和优化,结果表明,该设计方法可以同时兼顾光谱探测范围、分辨率、通光孔径等各项设计要求,仪器设计性能均能满足各项指标要求。

提出了一种基于拉曼光谱的混合物组分识别新方法。对混合物的拉曼光谱进行背景校正和去噪处理,利用Voigt函数对拉曼谱峰进行拟合,获取其谱峰的拉曼位移、半峰全宽及强度作为混合物特征参数向量,通过与数据库纯净物特征向量进行相关性分析,实现混合物组分的有效识别。构建了由18种纯净物拉曼光谱数据构成的标准组分数据库,并对6种混合物进行了组分识别实验。实验结果表明,所提方法的识别准确率达到100%。