以光纤通信为代表的光纤科学与技术的发展取得了辉煌成就, 以光纤传感为代表的光纤科学与技术的研究已延伸到社会发展和人们生活的各个方面, 以光纤为基础的各种新型微纳结构光子器件不断被设计和制作成功, 新的应用领域和潜力不断被挖掘。将微纳光纤探针应用到光镊领域, 不仅可以操控数量庞大的微粒, 还可以精确操控单个微粒, 这在微粒组装、筛选等领域有重要应用。将光纤探针应用到生物细胞的操控中, 能给研究细胞之间的相互作用提供新思路。

当GPS、北斗等卫星导航系统的信号由于干扰等原因失效时, 亟需一种辅助导航算法引导无人机完成任务。综合TERCOM和SITAN算法的优点, 提出了一种适用于无人机的地形匹配算法, 既允许较大的初始位置误差, 又满足机动条件下连续匹配的需求, 仿真结果表明, 该算法能够实现无人机惯导条件下的辅助导航, 具有较大的实用价值。

为了进一步提高目标跟踪算法中目标定位的精确度, 提出了一种基于多层卷积特征的目标跟踪算法。该算法首先利用VGG-Net-19的多层结构提取待测图像的多层卷积特征, 通过相关滤波方法获取多层卷积特征并对其进行加权融合, 从而确定目标的真实位置。然后通过结合多层卷积层以及全连接层的特征, 在目标表示效果上有明显提升, 在保证跟踪效率的同时提高精确度。实验结果表明, 与目前主流的HCF、MEEM、KCF、Struck四种目标跟踪算法对比, 该算法取得了优于其他方法的精度与成功率, 距离精确率提高了2～20%, 与OPE、SRE以及TRE的结果具有一致性。

为了能有效应对目标姿态变化、光照变化和运动模糊等场景对目标跟踪问题带来的干扰以及满足系统实时性, 提出了一种基于特征压缩的目标跟踪方法, 该方法通过随机投影来保存图像特征空间结构, 采用稀疏测量矩阵有效压缩多尺度特征空间的特征。将一幅图像分为前景目标和背景, 对这两部分采用同样的稀疏测量矩阵进行压缩特征提取, 将跟踪任务变为建立一个二值贝叶斯分类器, 同时在压缩域上在线更新, 实现对目标特征的有效表达和实时、准确的跟踪。实验表明, 提出的压缩跟踪算法具有良好的实时性, 在VC平台上处理速度可达23 ms/帧, 并且在各种具有挑战性的场景目标跟踪任务中, 表现出良好的精度和鲁棒性。

针对增加集成学习Bagging算法中分类器的差异性, 提高集成学习算法模型的鲁棒性, 研究了基于k-means聚类技术对集成学习算法Bagging进行剪枝。在基础Bagging算法中融合对Bagging分类器的聚类, 然后在不同簇中选择具有代表价值的分类器为最终集成学习预测结果投票, 并在多个机器学习数据集上验证这种提高差异性的方法与基本Bagging性能的差异。经过仿真实验最终得出在算法迭代10次的前提下, 改进的Bagging算法较常规Bagging算法在10个实验数据集中提高了7个数据集的预测精度, 其精度提高的平均值在3%; 在算法迭代100次的前提下, 改进的Bagging算法较常规Bagging算法在10个实验数据集中提高了9个数据集的预测精度, 其精度提高的平均值为2.5%。为复杂数据库环境下Bagging算法的应用提供了新思路。

针对**毁伤效果实时评估需求, 提出了一种基于光-电多类型信号信息融合的毁伤效果评估方法。根据**装备试验设计, 首先研究了毁伤效果的影响因素, 建立了毁伤评估流程; 然后针对典型传感器数据获取特点, 建立了测量模型及融合模型, 并进行了不确定度分析; 最后结合测试设计和数据分析, 进行了实例分析验证, 有效提高了针对射击效率的分析。分析研究及实际应用表明, 该方法能较好地适用于实时毁伤评估, 对于**装备试验具有应用价值。

为了解决太赫兹成像系统中存在的成像速度慢、硬件复杂等问题, 利用压缩感知算法实现太赫兹成像系统性能的提升。通过对比离散小波基和离散傅里叶基对重构图像的影响, 发现离散小波基作为稀疏基时, 得到图像信噪比最优。然后验证了压缩采样匹配追踪、迭代加权二范数、贪婪基追踪等重构算法在太赫兹成像领域的应用可行性, 发现当测量比例大于40%时, 才能实现图像的重构。根据峰值信噪比、均方误差、算法运行时间等参数的对比结果, 发现迭代加权二范数算法相对空间匹配追踪算法, 峰值信噪比提升度达到20%, 均方误差下降度均大于50%。同时发现, 空间匹配追踪算法和子空间追踪算法的运行时间最少, 其中空间匹配追踪算法均小于0.5 s。为压缩感知理论在太赫兹成像领域的应用提供了新思路。

随着信息社会的进一步发展和大数据时代的到来, 传统通信和互连技术越来越不能满足数据传输与处理环节对于传输容量、通信速度、信号延迟、传输距离与电能消耗等方面的要求。硅基光电子集成技术以前所未有的材料和技术优越性, 为上述问题的圆满解决提供了理想的途径, 正在迅速发展, 并将逐渐成为构建现代信息社会关键硬件基础的主体技术。结合本研究组针对多层次光通信、光互连的最新研究进展, 系统地介绍了光通信、光互连用硅基激光器、调制器、波分复用、模分复用、偏振控制、光开关、探测器等全系列硅基光子集成器件的研究思路、方法、成果和发展趋势, 并对其在通信、互连、微波、传感等领域的应用可能性展开了讨论。

电力通信光传输网业务的路由规划存在业务重要度分布不均衡问题, 导致部分链路业务重要度负载过高, 造成风险过度集中。提出将风险集中度作为网络整体安全性的一个评价指标, 并提出一种利用Q Learning的业务路由规划方法, 该方法考虑链路容量以及业务重要度的分布情况, 实现了业务重要度配置的均衡化, 避免风险过度集中的问题。与传统的最短路径方法相比, 该方案同时考虑多种约束条件, 能够有效满足电力通信业务传输需求, 为电力通信网络业务编排和路由规划方式提供一种新的方法。

线路侧光模块CFP2-DCO在4G/5G网络建设中具有重要而广泛的应用, 而光信噪比(OSNR)指标是评估其性能的重要参数。对OSNR的不同测试方法进行了探讨, 并针对通信设备制造商在实验室对OSNR容限进行测试的需求, 提出了一种对CFP2-DCO的OSNR指标自动化测试的方法, 测试了发射端根升余弦(RRC)滤波器滚降(roll-off)系数的设置以及接收端载波相位恢复(CPR)窗口大小的设置对OSNR的代价, 并结合实际对roll-off和CPR窗口大小的选择进行了分析。测试结果表明, 对于QPSK的几种调制模式, RRC的roll-off值的选取对OSNR的代价几乎可以忽略; 对于16QAM调制模式, RRC的roll-off为0.5时, OSNR的代价最小; 对于8QAM调制模式, roll-off值为0.2时, OSNR代价最小; 对于Differential QPSK模式, 选用比较窄的8 symbols的窗口可以获得最好的性能。而对于相邻通道没有OOK调制和DCF的系统, non-differential算法可以起到好的效果。该测试方法对通信设备制造商的DWDM及ROADM系统性能测试及评估具有指导及借鉴意义。

搭建了一种基于C#和光纤光栅分析仪(FBGA)的应变监测解调系统平台, 并在此基础上进行光纤布拉格光栅传感器(FBG)桥梁应变监测实验, 证实了该解调系统的可行性。该系统以FBGA解调模块为核心, 采用C#语言编写相关解调程序。以简支梁桥为实验对象, 进行ANSYS有限元分析, 并结合桥梁运营状况进行传感器布设, 采集应变数据。实验结果表明: 该应变监测解调系统能快速有效地进行波长动态解调, 响应时间小于0.5 s, 应变监测波峰明显, 分辨率为0.1[με]; 实测数据漂移量小, 系统稳定可靠, 可用于长期监测。

针对卫星在轨处理图像以获取高价值目标信息的需求, 分析了卫星在轨探测系统技术要求, 开发了由高性能处理器组成的嵌入式系统, 能支持目标探测算法的高速计算。研究了通过中值滤波、阈值分割、连通域标记和角度测量实现目标实时探测的算法, 使用多类样本图像对算法进行系统测试, 计算时间小于1 s, 能够检测出目标并计算其位置信息, 满足在轨探测系统要求。

选择合理的相位解包裹算法是提高检测精度的重要保证, 由于检测过程噪声的影响不可避免, 因此需要在数据处理过程中考虑到算法的噪声处理能力。为了能准确地处理含强噪声的包裹相位图, 从最小二乘解包裹算法的原理出发, 具体分析了基于离散余弦变换的最小二乘法(DCT-LS)及在其基础上发展起来的三种优化算法的特点, 并对不同噪声条件下的解包裹计算结果进行了对比研究。仿真结果表明: 四种算法针对不同类型的噪声处理效果各异, 比较而言LS-LS抗噪能力最强, 在强噪声情况下解包裹结果的残差值仅为1.171 8 rad, 远小于其他三种算法, 且唯一具有较好的抗欠采样能力。

为更精确地分析别汉(Pechan)棱镜的制造和安装误差对成像光路光轴的影响, 使用四元数对其进行了误差模型建立。获得了将其复杂反射过程等效为绕某个法向量旋转的一次简化模型。该模型完全保证了当光轴与别汉棱镜入射面存在一定误差角度时, 对出射光轴的偏转影响特性。模型的推导利用了四元数在表示旋转运动时的优势, 将复杂的三角函数运算简化为代数运算, 公式简洁、物理意义明确。将5次反射计算与4次旋转计算简化为1次等效反射运算, 为使用别汉棱镜消像旋的光路误差模型推导提供了有效的简化数学模型。

波前编码技术是一种新型计算成像技术, 针对该技术中关键元件相位板的设计难题, 首先通过一种具有三次方面型相位板的波前编码光学系统, 结合编程软件和光学设计软件的自动化动态链接方式, 详细叙述相位板的关键参数——调制因子的优化过程, 计算得到的最佳参数对焦深延拓达到100倍以上; 然后从相位板加工误差和装调误差两个方面, 分别仿真分析了相位面面形误差, 装调中平移、倾斜、偏心误差, 以及解码时的旋转误差对焦深延拓效果的影响, 可以得到[PV<0.8 μm]时的相位面面形误差在允许范围内, 常规装调公差对相位板容差较好, 旋转误差对解码的清晰度有一定的影响。

针对1 080 nm连续激光光学系统中反射镜的需求, 设计了低损耗高反膜膜系, 优化了膜系中的电场分布, 对高反膜元件工艺体系进行了控制。采用离子束溅射工艺, 成功地在超光滑石英玻璃基底上研制出了Ta2O5/SiO2体系高反膜, 对所获得的高反膜元件表面粗糙度、光学性能及抗激光损伤能力进行了讨论与分析。结果表明: 研制的低损耗1 080 nm高功率激光高反膜元件表面粗糙度达到0.115 nm, 在1 064 nm处吸收和散射损耗之和约17 ppm, 可承受500 kW/cm2的激光辐照而不损伤, 工艺技术应用前景良好。