可见光高速摄影是研究弹丸侵彻过程的重要方式, 然而弹丸侵彻过程中发出的强烈闪光会导致高速摄影丢失诸如着靶、 侵入等时刻的关键画面。 因此, 分析侵彻光谱发生机理、 选取合适的侵彻过程光学观察窗口尤为重要。 针对400 mm直径高强度钢卵形弹以804 m·s-1侵彻20 cm厚度45#钢靶的实验, 设计了光谱瞄准采集设备。 利用多模光纤耦合物镜在距离靶板25 m处采集了侵彻全过程积分光谱, 采集区覆盖靶板直径431 mm。 对侵彻靶板破片中可能存留的弹头熔融物质以及弹托其他样品进行LIBS(laser induced breakdown spectroscopy)分析, 并与侵彻积分光谱成分对比分析。 研究表明, 侵彻光谱与高速碰撞闪光光谱发生机理相同, 均包含连续光谱与线光谱。 615～700 nm区间内的平稳积分连续光谱由两部分组成: (a)弹靶少量金属元素和O Ⅰ、 O Ⅱ发射光谱的展宽积分; (b)少量热辐射光谱积分。 侵彻热辐射主要源于剪切应变做功和摩擦做功, 然而侵彻光谱中的热辐射强度明显低于高速碰撞光谱, 这是弹丸在剪切冲塞、 侵彻后大部分动能得以保留造成的; 侵彻过程可见光光谱具有明显原子发射谱线, 主要来自于金属原子及其一级电离的发射光谱。 干扰最强的可见光成分来源于588.88～589.53和766.41～766.43 nm的FeⅠ等离子体线光谱, 且由于斯塔克展宽效应, 线光谱呈洛伦兹线型, 其FWHM(full width at half maximum)可达27 nm。 因此, 在野外环境侵彻实验中, 当Fe为弹靶主要成分时, 380～450 nm为可见光高速摄影的最佳观察窗口, 可以避免侵彻发光干扰, 实现对侵彻全过程拍摄。 考虑到大气对该波段的散射影响, 应保证高速摄影设备的光通量。

为解决相位图在去噪过程中出现的散斑噪声残留和边缘纹理模糊问题,基于正余弦分解提出了一种自适应全变分去噪方法。首先,用正余弦函数将原始相位图分解成两幅相位图;然后用自适应全变分算法处理分解后的相位图;最后,通过反正切运算合成去噪后的相位图,以快速去除大量散斑噪声并保留图像的边缘信息。对去噪结果进行定量评价和分析表明,与其他降噪方法相比,本方法得到的图像峰值信噪比提高了2.0 dB,且结构相似度较高。同时可以自适应地选择参数,减少去噪后相位图的波动性,改善相位图的质量。

水下动态参数的测试是特种**、 两栖**、 水下专用**性能考核的必备环节, 而水下运动体的速度信息是评价水下**性能的重要指标之一。 针对现有的水下高速目标参数测试系统中存在的成本高、 安装调试复杂、 设备体积庞大等问题, 提出一种以激光光幕为有效区域水上、 水下分体式, 实时、 非接触的测速方法。 通过分析Lambert-Beer定律和体散射函数等数学原理, 确定了水下光谱传输规律综合考虑性价比获得最佳峰值波长; 将1m的圆柱体作为散射体模拟光在水中的散射情况, 追迹空间区域内的光线总数为1×105, 获得位于传播方向上1, 3, 5和7 m处的接收面上辐照度的光能量分布, 从而获取系统激光光源的最佳峰值功率。 以此为依据, 采用定距测时原理和一维原向反射技术, 由峰值波长为532 nm的半导体光纤耦合绿光激光器、 光纤耦合式鲍威尔棱镜防水扩束器、 一维原向反射器等构建光学系统。 激光光源、 光电转换部分和信号调理部分位于水上, 激光光幕和原向反射器位于水下, 通过光纤束完成两路光信号的发射和反射光的回收。 发射端光纤一端与光源耦合, 另外一端与鲍威尔棱镜耦合置于水下形成扇形光幕。 接收端光纤一端均布于鲍威尔棱镜出口, 另一端与PIN型光电传感器耦合。 设计齿形一维原向反射器并完成加工制造, 光线将沿着入射光方向原向返回, 另外一维方向则仍为镜面反射, 将接收系统置于发射点垂直光面内附近即可接收大部分光能量, 解决了现有原向发射器因水介质折射率不同于空气而导致原向反射特性消失的问题。 实验采用波长为(532±5) nm绿光激光器, 功率稳定性<1%, 光学噪声< 0.5%, 准直后耦合至长度为2 m的单模光纤再经过鲍威尔棱镜展宽为60°扇形一字线光幕, 扩束模块封装采用尼龙防水材料, 接收光纤均布于光源周围形成环形光纤束, 光纤另外一端均匀排列与PIN光敏二极管直接耦合。 光敏二极管前加中心波长为532 nm的光学滤光片, FWHM=(3±1) nm, 透过率为70%。 PIN型光敏二极管有效尺寸为5.0 mm×5.0 mm。 采用多档可调的光电信号调理电路以适应不同尺寸的测试对象。 该系统进行了不同目标速度参数测试实验, 以钢弩为发射装置, 信号经过光纤回收、 信号调理, 采集至计算机处理获得波形及区间内平均速度, 两激光光幕之间的距离为定值300 mm, 波形峰值作为计时时刻。 成功获取了较高信噪比的波形信号和目标速度值。 利用水下运动体模型与模拟结果进行比较得到其绝对误差。 实验结果表明: 本方法结构简单、 重复性好, 可实现有效区域达到1 m×1 m, 最小可测目标尺寸为5 mm, 理论测速上限可达1 000 m·s-1, 实验数据通过与理论经验公式结果比对表明, 系统测试精度可达0.2%。

为了同时获取目标的全偏振二维图像信息和其光谱信息, 设计了一种基于正交调制的偏振光谱成像系统。 该系统由光学接收模块、 相位调制器、 Wollaston棱镜、 Savart偏光镜、 检偏器以及成像模块组成。 其可以将原始光信号分解成两束相互正交的偏振光, 并且分别成像在CCD焦平面的上下两部分上, 从而构成两幅偏振图像。 两组图像的叠加可以将干涉条纹的数据相互抵消, 从而获得目标的纯图像信息, 两组图像的相减可以将目标灰度图像相互抵消, 从而获得目标的纯干涉条纹。 通过理论分析与计算得到了光强分布函数和光谱变化形式。 实验在稳定的光源环境中采用高对比度目标与背景板, 完成了全偏振图像的实时采集。 经相位校正和切趾处理改善了干涉图像的畸变, 又通过去低频滤波和阈值滤波抑制了图像中背景噪声的影响, 从而实现了对目标图像的提取及偏振光谱的复原。 该系统具有稳定性高、 光谱分辨率可调、 信噪比高、 可识别能力强等特点, 对在复杂背景中提取目标图像、 光谱及偏振态信息具有重要意义。

遥感方法定量监测植被与气候变化的关系已经成为全球变化研究的一个重要领域。 攀西地区是我国长江上游重要的生态屏障, 对维持四川乃至我国整体生态环境的稳定具有重要作用。 基于攀西地区多年MODIS多光谱数据和气象数据对植被动态变化以及该变化与气候因子的关系进行了探讨。 结果显示, NDVI变化和气温、 降水呈正相关, 其中降水是影响攀西地区植被生长的主要气候因子, NDVI变化与秋季降水量变化呈现出良好的一致性； 研究区植被长势与气温和降水存在一定的时滞性, 主要体现在前1个月气温和降水对植被长势的影响上。

为了提高对瞬态温度检测的灵敏度, 提出了基于散斑干涉条纹光谱分析的瞬态温度反演算法。系统利用散斑干涉形成干涉条纹, 由于瞬态温度的变化会使材料应变, 从而使散斑干涉条纹改变。被测表面形变前后获得的干涉条纹由面阵 CCD采集, 其对应的光谱密度分布函数也会发生相应的改变, 即由散斑干涉条纹反演得到的中心波长振幅发生改变。通过对两次中心波长幅值的比值的检测和计算, 即可获得被测的瞬态温度。在分析计算了瞬态温度变化与材料应变、材料应变与干涉条纹变化的函数关系的基础上, 推导了瞬态温度变化与干涉条纹振幅及相位函数关系。实验采用 660 nm半导体激光器, SI6600型面阵 CCD探测器, 从获得的光谱分布函数中提取中心波长处幅值比值, 通过计算和标定, 最终温度检测精度可达到 ±2℃。相比传统的直接检测干涉条纹的变化量, 由被测面形变量推导温度的方法精度提高了近一个数量级, 其精度更高、检测均匀性更好、稳定性更好。

为了提高瞬态高温检测的精度, 利用快速傅里叶变换(FFT)对散斑干涉条纹进行光谱分析, 提出了通过光谱分布的偏移及幅值变化反演温度的方法。 当激光照射应变材料时, 瞬态高温使材料发生形变从而使散斑干涉条纹改变, 被测表面形变前后获得的干涉条纹由面阵CCD采集。 由于其对应的光谱密度分布函数也会发生相应的改变, 即中心波长位置偏移及振幅变化, 通过其改变反演材料的瞬态温度。 在分析推导了瞬态温度变化、 材料应变及干涉条纹变化之间的函数关系后, 仿真分析得到了瞬态温度正比于压强系数、 反比于温度系数。 实验采用660 nm半导体激光器, SI6600型面阵CCD探测器, 从获得的光谱分布函数中提取中心波长的偏移量, 经计算和标定所得数据与传统的干涉测温方法进行对比, 探测精度可达0.3%。 相比传统的直接检测干涉条纹的变化量, 由被测面形变量推导温度的方法精度提高近3倍。

为了提高激光中心波长检测的精确度, 提出了基于正交干涉原理的静态干涉系统, 由两个相互垂直的棱镜组成产生二维平面上的光程差分布, 以面阵CCD取代线阵CCD, 对平面上的正交干涉条纹数据进行采集。 在计算分析莫尔干涉仪的光程差分布的基础上, 计算干涉图像中干涉条纹的拼接及傅氏变换等, 最终得到光谱分辨率。 由MATLAB仿真软件分析结果可知, 静态莫尔干涉系统可以产生的光程差最大为234 μm, 比等尺寸的傅里叶干涉体高约一个数量级。 实验标定用的光谱仪选用LAB SPAKR 750A型光谱仪, 针对中心波长为635 nm的半导体激光器进行测量, 结果显示中心波长位置基本一致, 但在中心波长附近的光谱细节上莫尔干涉优于传统干涉具。