高光谱成像是一种先进的图像获取技术, 其在获得地物空间信息的同时还可以获得地物的光谱信息, 得到“图谱合一”的三维图像数据。 其光谱分辨率高, 光谱曲线近似连续, 可以有效探测用多光谱成像技术中无法探测的地物, 在目标检测、 地物分类与图像压缩等领域取得了广泛的应用。 地物分类的分类结果是专题制图的基础数据, 在**、 农业、 地质等领域有重要地位了良好的效果。 地物分类是指将图像中的像元赋予类别标签, 即将同类地物赋予相同标签, 不同类地物赋予不同标签。 根据分类前是否已经获取目标的光谱信息, 地物分类分为监督分类、 半监督分类和无监督分类。 然而, 地物光谱受成像条件的影响较大, 特别是陆基成像, 不同成像条件的地物光谱会发生一定的改变, 不再具有严格的唯一性, 因此无法根据未知成像条件下的地物光谱数据进行准确分类。 但是同种地物的散射系数(由特定算法获得的散射占比)具有唯一性, 与成像条件或探测方向无关, 不受二向反射特性的影响, 只与地物类型及波长有关, 是一种反映地物本质属性的物理量, 因此可以作为地物的分类依据。 基于陆基成像条件下测量了多种地物的散射系数, 详细描述了散射系数的测量过程并且验证了核驱动模型的拟合能力。 通过对比发现不同地物的散射系数具有较大的差异, 进而提出了利用散射系数进行地物分类的方法。 采用两组数据对该分类方法进行验证, 并分别用投影、 距离、 信息量三种相似性度量指标定量地衡量了分类结果。 实验表明, 同种地物的散射系数几乎一致, 与成像条件无关, 只与地物类型有关, 不同种地物的散射系数各不相同, 利用散射系数可以有效地实现地物分类, 取得了良好的效果。

针对混合输入输出(HIO)等数值攻击算法攻击联合变换相关器(JTC)加密系统运行时间长、攻击效率低的问题, 设计了一种基于光路迭代的光学唯密文攻击系统。该系统充分利用了光学系统高速并行处理的特点, 通过光束在光学系统中的光学傅里叶变换取代在计算机上的数字傅里叶变换, 显著缩短了攻击算法的运行时间, 有效提高了对JTC加密系统的攻击效率。仿真结果表明, 相较于HIO攻击算法, 在迭代次数相同的条件下, 基于光路迭代的光学唯密文攻击系统有效减少了算法的运行时间, 显著提高了对JTC加密系统的攻击效率。

对于使用随机相位模板(RPM)作为密钥的双随机相位编码(DRPE)加密系统, 唯密文攻击算法(COA)是一种有效的攻击算法。为了提高DRPE加密系统抵抗COA算法攻击的能力, 提出了一种基于随机Radon变换的JTC加密系统。该系统对待加密图像进行随机Radon变换, 再使用JTC加密系统对其加、解密。除了DRPE加密系统中的RPM密钥之外, Radon变换参数亦被用作恢复原始图像的密钥。仿真结果表明, 相比于仅使用RPM密钥的DRPE加密系统, 基于随机Radon变换的DRPE加密系统可以有效抵抗COA算法攻击, 提高加密系统的安全性。

微片激光器移频回馈成像技术是一种新兴的相干光成像技术, 具有灵敏度高、相位可测量、系统结构简单等特点。该项技术可与共聚焦成像、超声调制光学成像、光学合成孔径成像等多种成像技术相结合, 在微器件结构测量、生物组织成像、强散射成像等多个领域得到了应用。文章概述了激光器回馈技术的发展过程, 详细介绍了微片激光器移频回馈成像技术的理论模型、研究进展及应用情况, 并对该技术存在的问题进行了分析。

针对联合变换相关器(JTC)多图像加密系统对于加、解密灰度图像时, 解密图像质量不理想的问题, 利用前期提出的一种灰度图像二值编码方法, 设计了一种基于灰度图像二值编码的JTC多图像加密系统。该系统将灰度多图像的加、解密问题转化为二值多图像的加、解密问题, 可有效抑制加、解密过程中产生的非饱和噪音, 提高图像解密质量。仿真结果表明, 相同条件下在基于螺旋相位模板拓扑荷数复用的JTC多图像加密系统中使用灰度图像的二值编码图像进行加、解密相对于直接加、解密灰度图像, 其相关系数值有显著提升, 再使用中值滤波抑制解密图像中的饱和噪音, 可进一步提高解密图像质量。

针对传统的Radon变换直线检测算法运行时间长、占用存储空间大的问题，提出了一种基于二分查找的Radon变换直线检测改进算法。在Radon变换直线检测算法的基础上，增加了对图像中待检测直线最小夹角的约束条件，使用区间划分结合二分查找的方法对Radon变换直线检测算法进行改进，并通过待检测直线在Radon空间中的位置参数确定出待检测直线在原始空间的直线方程。实验结果表明，相比于Radon变换直线检测算法，所提出的改进算法在保证抗噪声干扰能力不受影响的前提下，有效减少了高检测精度要求下图像直线检测算法的运行时间和占用的存储空间，提高了直线检测的实时性。

在非线性频率变换中, 常用级联晶体补偿走离角。然而在KTiOPO4晶体级联倍频实验中发现, 当其中一块晶体沿通光轴旋转180°时, 倍频转换效率急剧降低。理论分析表明, 当一块晶体旋转180°后, 其有效非线性系数正负号发生改变, 等效于在级联晶体之间产生了大小为π的相位失配量, 使倍频转换效率降低。提出了利用空气色散补偿该相位失配量的方法, 相较于使用波片的相位失配量补偿方法, 具有结构简单、温度稳定性好、无插入损耗和成本低等特点。实验结果表明, 利用空气色散可以补偿相位失配量, 消除单块晶体旋转对晶体级联倍频效率的影响, 验证了理论分析的正确性以及空气色散补偿方法的可行性。

针对光学多图像加密出现的串扰噪声大和复用容量小的问题,提出了一种基于联合功率谱(JPS)分区复用的光学多图像加密方法。该方法首先利用相位恢复算法开展相位模板优化设计,压缩了单通道JPS面积,然后在优化后的相位模板上叠加线性相位,使各通道JPS在频谱面上产生不同的位置平移,再经过窗口滤波,实现无串扰叠加。此外,以“密钥相位核+偏转角数据包”形式进行密钥内容规划,在确保加密方法安全性以及密钥空间足够大的同时,压缩了需传递的密钥数据量。数值仿真结果表明,对9幅灰度图像进行加密,其解密图像与原始图像的相关系数值均达到0.94以上,解密效果显著。当解密质量评判阈值设定在0.95时,灰度图像和二值图像的最大压缩效率因子分别达到12和32,密文压缩能力显著。最后,搭建光学实验系统,进一步验证了该方法的可行性。

相关器的特性变化规律对其实际应用中参数的设定具有重要的指导意义。针对基于比累对切透镜的联合菲涅耳变换相关器, 通过数值仿真详细分析了比累对切透镜缝宽变化对相关器输出特性和空变特性的影响。结果表明, 比累对切透镜缝宽能一定程度地控制联合菲涅耳变换功率分布的有效面积、相关峰的尖锐度及其空变特性的敏感度。实验采用纯相位空间光调制器编码比累对切透镜相位掩模替代实体透镜的方式搭建了相关器, 实验结果与仿真结果一致性好, 进一步验证了上述结论的正确性。

基于切线簇的概念, 从几何光学的角度分析了自加速艾里光束的形成过程, 以及艾里光束入射面相位分布与其自加速轨迹的关系, 并给出了根据自加速轨迹分布函数推算艾里光束入射面相位分布的迭代算法, 讨论了艾里光束自修复特性的形成原理。利用液晶空间光调制器调制准直激光束实验生成了二维艾里光束, 并对其无衍射、自加速、自修复等特性进行了验证。此外还通过对一维艾里光束的调控实验生成了自聚焦光束和类贝塞尔光束等新型的光束。