为了提升太赫兹光谱分析的瞬时性和系统集成度，提出一种超表面光谱编码与计算重建相结合的太赫兹光谱测量方法。利用多种超表面结构的光谱编码器件对入射太赫兹波进行高随机光谱编码，并提出基于字典学习的稀疏恢复算法以实现光谱重建。理论计算和数值仿真表明，在4%噪声水平下，所提方法对乳糖透射光谱的重建误差小于3%，可为片上集成化太赫兹光谱仪的发展提供新途径。

基于压缩感知及深度学习理论的光谱观测编码方案存在滤光器件设计与光谱重建过程复杂、设计光谱透过率难以硬件实现等问题,因此从简化光谱观测系统的思路出发,考虑常见干涉滤光器件的制造难度,提出基于对称三对角Toeplitz矩阵的光谱透过率观测编码方案;采用矩阵理论讨论光谱观测矩阵的适定性,并采用数值仿真方法研究其容差能力。理论分析结果表明,随着光谱观测矩阵规模的增大,对称三对角矩阵的条件数增长较慢,上限可控。数值仿真结果表明,采用非负最小二乘算法进行光谱重建,并在保证特定约束的情况下,增加观测矩阵的规模对对称三对角矩阵光谱观测编码方案适定性的影响较小,仍然可以保证很高的光谱测量重建准确度。

随着医疗诊断需求的增加, 生物分子检测技术越来越受到人们的重视, 液相生物芯片技术作为一种高通量, 多通道的分子检测手段在近几年得到了飞速发展。 通过层层自组装方法制备以微片为载体的拉曼光谱编码液相生物芯片, 并利用自行搭建的一套高灵敏度、 高分辨率的光学系统, 实现对液相生物芯片的定性与定量分析。 光学系统由拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统耦合而成。 在拉曼光谱检测系统中激光器发射出785 nm波长的激光, 通过二向色镜, 带反反射镜与物镜汇聚到样品上, 样品产生的拉曼散射光, 经物镜, 带反反射镜, 二向色镜与拉曼滤波片, 最后通过凹透镜聚焦到光谱仪的狭缝上, 光谱仪色散实现在线阵CCD上拉曼光谱的获取。 荧光显微成像系统应用光学成像原理, 通过调节凹透镜与405 nm的激发光之间的距离, 使激发光通过物镜均匀的照射到样品之上, 样品激发出的荧光, 通过物镜, 带反反射镜, 二向色镜, 滤波片与相应的凹透镜, 最后成像到面阵CCD上。 改进传统便携式拉曼光谱检测系统光路并选用相应波段的带反反射镜与焦距20倍的物镜完成拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统的耦合。 为了减少两路系统之间的相互影响选用合适的二向色镜以及滤波片, 在提高耦合系统获取数据的准确性中有着重要的作用。 该系统通过对反应之后的液相生物芯片进行拉曼光谱检测, 以完成对每个编码玻片的定性识别, 即解码; 同时激发反应后液相生物芯片的荧光并采集荧光强度图, 根据每个解码玻片上的荧光强度值完成对目标检测物的定量分析。 区别于传统荧光编码液相生物芯片, 拉曼光谱编码具有稳定性更强, 光谱分辨率更高等优点。 该光学系统集拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统于一体, 解决了目前未有基于拉曼编码的液相生物芯片的检测系统的问题, 并且可同时对多种目标物进行识别和定量分析, 提升了实验结果的准确性。

光谱二值和多值编码技术能够实现目标光谱的快速匹配、 识别和分类等应用, 但这类量化编码方法会损失大量的光谱细节信息, 且不能解码出与原始光谱近似的重构光谱, 应用有限。 为了解决上述问题, 提出一种高阶残差量化的光谱编码新方法HOBC(high-order binary coding)。 首先, 对光谱向量进行去均值的规范化处理, 得到值域为(-1, 1)的光谱序列; 然后, 求解规范化光谱的±1编码、 编码系数和残差(即一阶残差); 基于一阶残差, 逐阶解算2至K阶残差的±1编码及其系数; 最后得到K个编码序列及其系数, 即为HOBC的编码结果。 选择典型波谱库数据集, 对比光谱0/1二值编码BC01(binary coding with 0 and 1)、 光谱分析编码SPAM(spectral analysis manager)、 二值/四值混合编码SDFC(spectral derivative feature coding)和DNA四值编码等4种方法, 进行了光谱量化编码和解码重构实验, 分别统计了光谱形状特征和斜率特征编码的信息熵和存储量、 光谱形状特征编码与原始光谱之间的光谱矢量距离SVD (spectral vector distance)、 谱间Pearson相关系数SCC (spectral correlation coefficient)和光谱角SAM (spectral angle mapping)。 结果表明, 在编码存储量上, HOBC的1～4阶编码分别与以上4种编码相等; 在编码信息熵上, HOBC的1～2阶编码分别与BC01和SPAM相等, 而HOBC的3～4阶编码分别高于SDFC和DNA编码; 在SCC上, HOBC1阶编码与BC01相等, 而2～4阶编码均分别优于SPAM, SDFC和DNA编码; 在SAM方面, HOBC 1～4阶编码均分别明显优于4种对比方法; 4种对比方法不能明确解码重构, 而HOBC可简便重构出与原始光谱近似的解码序列, 且SVD逐阶递减。 进一步, 基于临泽草地试验站公开光谱数据集, 进行了10类地物目标的光谱编码和监督分类实验, 实验结果表明, 在Kappa系数, 总体分类精度和平均分类精度等3种性能评价指标上, HOBC均明显优于4种对比方法, 尤其是, HOBC 4阶编码优于原始光谱的分类性能; 对样本数量较少且类间相似性较高的难分类地物, HOBC亦具有优于其他算法的鲁棒性。 说明HOBC编码在大幅压缩数据量的同时, 其编码序列能保留较高的信息量, 且具有较高的光谱可分性, 可用于光谱高精度快速识别和分类; 其解码重构序列与原始光谱序列具有较高的相似性, 理论上可适用于目标识别和分类等应用。

随着大功率激光技术的发展,由其驱动产生的太赫兹辐射受到了广泛关注。然而,大功率激光装置的重复频率低,测量其产生的太赫兹辐射的难度较大。采用时域光谱单发探测技术可以克服这一探测难点,通过单次测量就能得到太赫兹辐射的电场波形信息。回顾了太赫兹辐射时域光谱单发探测的相关研究工作进展。根据频率-时间编码和空间-时间编码两种不同的原理,详细介绍了啁啾脉冲光谱编码探测和空间-时间编码探测等测量技术,并对各个测量技术的特点和参数进行了对比,最后对太赫兹辐射的单发探测作了总结和展望。

光声成像突破了传统的光学成像和超声成像在生物组织成像领域的困境,该技术基于光声(Photoacoustic,PA)效应,脉冲激光激励下的生物组织产生超声信号,超声信号被接收后,通过反投影算法将其携带的时间信息和强度信息转化为能够反映生物组织吸收结构和分布的可视化图像.基于不同生物组织的光吸收差异,当激发光强度均匀且稳定时,光声成像反映的就是该物质对于该波长光的吸收特性.本文中,我们基于导管式的血管内光声断层扫描平台结合多波长激发的光声成像算法开发了基于光谱编码的血管内光声组分成像系统,实现了在离体血管斑块中脂质组分的定量成像,高分辨获得了脂质核心的大小形态和边界信息,表征了斑块内的脂质相对含量.

为实现小型化、非接触式、快速高精度的位移测量, 设计并搭建了基于光学彩色共焦原理的位移测量系统。系统中数据拟合采用的方法是, 对光谱响应函数极值周围的数据进行高斯叠加拟合, 以获得光谱响应曲线的峰值, 从而得到峰值所对应的波长。经过实验验证, 系统的测量范围为2mm, 测量精度可以达到10μm, 线性度为3.4%, 光谱响应的半高宽(FWHM)为49nm。因此能够满足一定精度的位移测量需求。

分析了光谱编码模数转换的一般原理,讨论了实现电压转换为波长并采样,再对波长进行编码的各种途径和性能比较.由于信号的采样和编码在不同部分完成,采样速率和转换位数可以分别增强,以获得尽可能高的转换速率和多的转换位数.作为例子,分析和设计了一个5bit数个GS/s的由通道波导法布里-珀罗干涉器构成的光谱编码模数转换器,并指出,通过采用电压反偏多量子阱PIN结构调谐半导体激光器,以及采用啁啾光栅反向耦合双通道法布里-珀罗滤波器,可以分别获得数伏数GHz电压下数百GHz带宽的电压-波长转换及光采样,和10 bit以上的转换位数.