针对现有的室内高精度无线定位系统部署成本高, 算法复杂的问题, 提出了一种基于室内可见光的两点光源定位算法。位置坐标信息从两个LED光源发出, 由内置有单个图像传感器和加速度传感器的移动设备接收, 通过对接收到的图像及LED坐标信息进行分析, 定位出接收机所在位置的三维坐标。与现有通用的三点光源室内定位技术相比, 所提算法仅采用两点光源即可实现高精度三维定位, 大大节省定位环境部署成本; 在相同分辨率下定位精确度更高, 提高了系统应用的普适性。仿真结果表明, 在图像传感器分辨率高于2000×1500像素时, 可以达到2cm的定位精度。

针对彩色图像加密运算量大、空间需求较大和安全性低的问题, 提出一种基于新型混沌的彩色图像加密算法。将彩色图像的三维矩阵转换为二维矩阵后对明文图像进行小波变换, 低频小波系数矩阵进行重叠分块, 然后进行矩阵块置乱操作和小波反变换, 实现图像的初次加密; 利用Lorenz和tent混沌系统, 根据动态参数控制混沌系统模型构造新的混沌系统, 新的混沌系统生成伪随机数对初次加密后图像进行扩散操作, 最终得到加密图像。仿真实验证明, 图像经加密后能很好地隐藏原有信息, 能抵抗统计、差分等攻击。

基于光学折射率是材料的一个重要的物理参数, 提出了一种在泰曼格林干涉系统基础上的光学外差干涉折射率测量方法及系统。测量系统将样品放置在系统外, 采用双光束干涉探测, 使系统更加稳定、调整简单、测量更加精准。实验上测量了K9玻璃块样品在超连续激光光源中心波长790nm、带宽20nm下的折射率, 验证了方法的有效性和可靠性。实验结果表明, 系统能够准确测量出样品的折射率, 测量稳定性较高, 精度可以达到10-4; 适用于可见光和近红外波段透明物质的折射率测量, 应用领域广泛。

为了快速而准确的进行聚焦, 提出一种基于灰度共生矩阵的自动聚焦评价算法。算法利用灰度共生矩阵提取图像的纹理, 以此矩阵的对比度作为图像的清晰度值; 为了提高算法的实时性, 在计算对比度时, 选取合适的阈值去掉矩阵对角线附近灰度差较小的元素, 减少算法的计算量。实验结果表明: 算法满足无偏性和单峰性, 具有较高的灵敏度和陡峭度, 聚焦性能较好, 对引入噪声的图像同样具有很好的聚焦性能。

设计了基于动态密钥选择与多方向扩散的图像加密算法。利用128位外部密钥来生成4个Logistic映射的初值, 通过对其迭代, 获取4个随机序列; 利用明文自身像素特性, 定义一个引擎计算函数, 联合随机序列, 在像素置乱过程中, 根据引擎值来动态选择加密密钥, 通过构建非线性像素交叉互换方法, 不同的密钥来置乱不同的明文像素位置, 消除了置乱周期性; 设计4方向连续扩散方法, 利用4个方向的扩散函数对置乱图像进行加密。测试数据表明: 与当前图像加密技术相比, 所提技术具备更高的安全性与抗明文攻击能力, 能够较好地对图像完成解密。

根据溶液中溶质的浓度变化将引起溶液折射率变化的特性, 提出一种利用光学低相干干涉技术通过测量葡萄糖溶液的折射率来确定其浓度的方法。基于迈克尔逊干涉仪, 建立了低相干光葡萄糖浓度检测系统, 通过调节可移动角镜以产生干涉信号, 根据角镜的位移量计算出光程, 并进而求出折射率。实验结果表明: 在LED光源光谱半高宽度为25nm, 可移动角镜的移动步长为微米量级时, 利用该方法对折射率的测量精度可以达到10-4数量级以上, 对应的可以检测出低于100mg/dL的葡萄糖的浓度变化。过程方便快捷, 受外界限制因素小, 是一种有效的测量各种液体折射率及浓度的方法。

针对高分辨率遥感影像地物信息复杂、目标识别率低等问题, 提出了一种联合矩阵低秩逼近的稀疏表示遥感影像目标识别方法。对原始遥感影像进行Radon变换, 将处理过后的遥感影像进行低秩和稀疏分解, 得到具有低秩性和稀疏性的两部分信息; 通过K-SVD算法分别对这两部分信息进行字典学习, 构建稀疏表示的判别字典; 通过稀疏表示求解算法求解出待分类的目标在判别字典上的稀疏系数, 根据稀疏系数最大准则对目标进行分类识别。在Uc Merced 数据集上选取具有代表性的线性和非线性子集分别进行实验, 结果表明所提算法与传统的SRC、SVM、MLC和KNN等分类识别算法相比, 在采样比例为1/16、稀疏度为5时, 识别率在线性子集上能够提高10%、在非线性子集上能够提高5%, 表明所提方法具有较好的识别效果。

表面形貌测量在光学元件加工制造和表面功能特性评定等方面有着非比寻常的意义。设计一种三波长轮换的表面形貌测量系统, 与传统的白光相移干涉扫描等方法相比较, 能够有效扩大测量深度以及形貌精度。多波长测量中波长带来的误差会极大的影响测量的精度, 需要准确的校准波长。围绕三波长轮换表面形貌干涉测量系统, 提出了利用平面镜干涉图校准三个滤光片波长的方法。通过对粗糙度样本的测量实验及计算结果显示: 用校准后的波长计算标准方波样板得到的表面粗糙度数据与未使用为校准波长测得的结果相比其精度提高了1.3%, 与标准数据相比较其相对误差仅为4.1%。

为了使投影设备具有超短投影距离, 实现大尺寸高清显示画面, 设计了一款采用折反式成像光路的具有大相对孔径和小投射比的超短焦距投影物镜。系统使用12mm(0.47in)DMD微显示芯片, 在450mm距离处实现了2032mm(80in)的投影画面, 采用远心光路提高像面照度均匀性。基于微分几何原理和斯涅尔反射定律, 建立自由曲面方程计算自由曲面轮廓线的离散点坐标, 运用最小二乘法进行偶次非球面拟合得到非球面反射面, 对大视场像差和畸变进行校正。物镜焦距为2.64mm、光学总长193mm、投射比0.25、F数1.83、视场角150°作为参数; 各视场MTF值在单个像素对应的奈奎斯特频率处达到0.3以上, 水平、垂直TV畸变小于0.5%, 投影像面相对照度大于90%。各项指标满足系统设计要求, 结构简单, 易于加工和生产。

提出了基于聚焦融合的被测石材表面三维重构方法, 实现对石材大板表面微观质量的检测。通过CCD摄像机与放大镜头的组装作为图像传感器, 使其在驱动电机控制下沿垂直于被测石材大板表面的方向拍摄序列显微图像。将不同层面的图像采用改进的拉普拉斯算法提取出图中所有清晰区域并融合成一幅近似全焦图片 , 融合后的图片包含了被测石材大板表面的全部特征信息; 通过聚焦测度算子、高斯插值确定深度信息, 重构出被测石材大板表面三维轮廓, 得出量化的表面粗糙度数值; 与触针式轮廓仪测出的数值和轮廓线进行分析比较, 验证其精度和可行性。

提出了一种准直型LED自由曲面二次光学元件的设计方法, 基于光线追迹, 满足光学元件的光学要求和曲面连续性的几何要求, 简化了自由曲面设计过程, 实现程序化设计。自由曲面的应用以能够实现自由曲面的制造为前提, 基于自由曲面的可加工性, 提出设计方法可结合加工需求灵活更改设计参数, 设计自由度高, 实验验证了设计方法的正确性。

提出一种基于光纤锥级联纤芯失配结构的马赫-曾德尔干涉流量传感器。在拉绳表面紧密粘贴传感器, 其底端悬挂圆形靶片, 靶片放置于管道内部; 当流体流过管道, 引起靶片发生横向移动, 传感器受到靶片轴向拉力作用, 导致透射谱发生变化; 通过监测干涉谱能量和波长变化实现外界物理量的测量。实验结果表明, 当流量在0.329~0.847L/s范围内变化时, 响应灵敏度为-0.472dB/( L/s), 线性度为0.993。所提传感器制作简单、灵敏度高, 具有较好的应用前景。

提出了基于频域映射与多尺度Top-Hat变换的红外弱小目标检测算法。通过分割经典Top-Hat的单一结构元素, 获得多尺度膨胀结构元素, 对红外弱小目标进行增强, 有效抑制杂波与噪声背景; 基于Butterworth低通滤波与截止频率, 构建Butterworth差异带通滤波, 联合Fourier变换, 建立粗显著性检测机制, 通过提取其幅度与相位频谱, 基于2D高斯平滑滤波, 定义细显著性检测机制, 在频域中凸显弱小目标, 并将红外目标的空间与强度相关性作为识别标准, 精确定位候选目标; 根据红外目标运动与虚警的速度差异特征, 定义弱小目标连续帧速度模型, 在帧间充分抑制候选区域中的虚假目标, 检测出完整的弱小目标。实验结果显示: 与当前红外弱小目标检测技术相比, 面对复杂背景干扰, 提出的算法具有更高的检测精度, 可精确定位出完整的弱小目标, 呈现出更好的ROC特性曲线。

精准的三维人脸重建是三维人脸识别、三维人脸表情仿真等技术实现的重要前提。基于以往图像特征点和点云数据的三维配准算法研究, 提出了一种计算量小、实时性较高的人脸配准算法。提取人脸图像特征点, 计算64维的SURF描述符; 利用RANSAC算法剔除不稳定匹配点; 利用奇异值分解SVD求解粗配准变换矩阵; 利用改进的最近点迭代算法求解最终变换矩阵。实验结果显示配准误差只有8.71895×10-5m2, 总耗时为6.61s, 相比较SIFT算法和手动寻找匹配点, 速度快、精度高。

在已有的激光三角测厚技术的基础上提出了激光三角宽度测量的数学模型。模型认为宽度测量分辨率与被测试件宽度无关, 与被测试件厚度存在线性关系, 当激光和相机光轴的夹角满足一定条件时, 宽度分辨率是个常数, 此时模型精度最高。利用这个模型结合数字图像处理技术对九种常见规格的锯材试件进行504个样本宽度检测, 结果显示毛边锯材外材面宽度识别相对误差率不到0.12%, 误差均值在0.13mm以内,所提模型是一种高精度新型非接触性检测外材面宽度的方法。

利用1+2维S-M模型求得了强非局域非线性介质中厄米高斯孤子解析解。在强非局域条件下, 解析解与精确数值解比较符合的很好, 随着非局域程度的降低或高阶光束阶数的增大, 解析解与数值解出现偏差。对高阶光束的传输特性进行了讨论, 得到了高阶光束稳定传输时的相移, 其大小与高阶光束的阶数有关, 随着阶数的增大, 相移减小。

基于微面元P-G模型, 结合涂层材料的表面特征, 对半经验遮蔽函数进行了改进, 推导了一种基于散射光偏振度反演复折射率的方法, 开展了中绿涂层材料偏振散射实验, 讨论了相关参量对偏振度和反演误差的影响。研究表明, 入射角对偏振度和反演误差的影响较大, 其次为折射率实部、虚部和探测角; 反演结果能客观地反映涂层材料的复折射率, 反演误差小于2%, 可作为一种涂层材料复折射率反演的新方法, 在目标识别领域有着重要的应用价值。

提出了一种将Krawtchouk矩特征不变量与高斯核支持向量机相结合的印鉴识别方法。实验中将得出的印鉴图像Krawtchouk 矩特征向量作为高斯核支持向量机的输入参量, 利用遗传算法优化支持向量机的惩罚因子和核参数, 使识别性能得到有效提高; 实验显示Krawtchouk矩下的印鉴类间散度与类内散度比值是Zernike 矩的2.93倍, 与遗传算法优化后的高斯核支持向量机相结合下的识别率明显提高。结果表明: 与Zernike矩不变量相比, Krawtchouk 矩不变量能更加准确地描述印鉴图像特征, 识别性能更好。

机器视觉检测相比传统的坐标测量机具有成本低廉、检测速度快的优点。对以往的远心镜头的标定方法进行了对比研究, 提出了一种基于一组顺序图像并且简化外部参数的标定方法, 建立了远心镜头的模型, 考虑了镜头的三种畸变情况, 把复杂参数的矩阵求解转化为镜头参数的非线性最优化求解问题。通过实验标定测试, 远心镜头最佳测量景深为对焦点前后-9~8mm, 保证系统处于6 μm以内的精度范围, 获得的畸变系数等参数项可以为视觉检测系统提供重要的变换依据, 为建立高精度视觉测量系统建立了应用基础, 具有工业应用价值。

由于红外镜片材料的温度特性, 环境温度的变化会对红外镜头的成像质量造成影响。为了研究不同温度场下镜片的应力状态以及镜面面形变化情况, 利用光机热集成分析方法, 运用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH对设计的红外镜头进行了热结构耦合分析, 从分析结果中得到了镜片等效压应力的大小。利用Zernike多项式拟合了变形后的镜面面形, 将得到的Zernike系数导入到ZEMAX中建立了多重温度结构, 分析了不同温度下镜面变形前与变形后的光学系统离焦量的变化量。结果表明, 镜片在低温-40℃时受到较大的等效压应力, 最大等效应力81.118MPa, 小于材料的断裂强度345MPa; 不同温度下由于镜片面形发生变化, 导致红外光学系统成像质量以及离焦量发生改变。

依据RTP调Q与窄脉宽理论, 设计了一种高重频、窄脉宽、RTP电光调Q的激光器。分别采用两种不同的LD直接端面泵浦构型, 在1kHz重频下, 既可以获得光束质量良好、小光斑、0.75mJ的动态激光输出, 又能获得光斑较大、5.78mJ的大能量激光输出。两种LD泵浦构型的光光转化效率皆在20%以上。在物理腔长为60mm、调Q上升沿宽度小于10ns的情况下, 获得5.76ns脉宽的激光输出。改变腔长, 获得了不同腔长的脉冲宽度的变化曲线, 经理论仿真与实测数据对比两者一致。在单程增益系数一定时, 随着腔长的增加, 单程损耗系数呈减小的趋势。

实际烟气测量中, 容易受烟气内多种组分和尘以及介质不均匀、瑞利散射、米散射等因素的影响, 应用傅里叶变换寻求信号的频率特性, 去除噪声等干扰。提出一种新的差分吸收光谱法, 将获取的差分吸收光谱进行两次傅里叶变换, 一次傅里叶变换去除噪声干扰的影响; 二次傅里叶变换利用对应的特征频率幅值与浓度的关系, 建立浓度反演方程, 由气体差分吸收光谱经两次傅里叶变换后的特征幅值直接求出气体浓度。新的差分吸收光谱法完全摆脱了扣除暗电流的差分吸收光谱技术分析过程, 减少了差分吸收光谱分析和气体浓度反演过程, 有利于提高浓度反演精度。

色散镜头是光谱共焦位移传感器的核心部件, 轴向色散与波长之间的线性度直接影响系统的测量精度。研究了轴向色散与玻璃材质之间的关系, 结合透镜组光焦度分配公式, 分析线性色散产生条件, 设计了一款色散镜头; 使用ZEMAX进行仿真优化, 镜头在500~700nm工作波段范围内, 色散范围约为150.34μm, 轴向色散与波长线性度通过一元线性拟合分析, 判定系数达0.9972, 镜头分辨率较高, 配合现有的光谱仪使用, 传感器分辨率可达纳米级, 满足高精度测量要求。