期刊基本信息
创刊：
1981年 • 半月刊
名称：
光学学报
英文：
Acta Optica Sinica
主管单位：
中国科协
主办单位：
中国科学院上海光机所
中国光学学会
中国光学学会
出版单位：
中国激光杂志社
主编：
龚旗煌
执行主编：
赵建林
副主编：
邵建达 刘文清 华灯鑫 张旭苹 刘辉
ISSN：
0253-2239
刊号：
CN 31-1252/O4
电话：
021-69916837
邮箱：
地址：
上海市嘉定区清河路390号
邮编：
201800
定价：
150元/期
本期栏目 2015, 35(7)
光学学报 第35卷 第7期
针对星载对地观测激光高度计大足印回波信号中多目标相对高程信息提取的问题，采用基于最小二乘的高斯分解算法对波形数据进行多目标分离，设计了全波形采集系统，并开展了地面多目标分离的算法验证实验。实验结果表明，该算法可有效分离回波信号中的多个目标，目标间相对距离偏差小于0.03m，验证了激光大足印全波形采集系统进行多目标相对距离信息提取的可行性，对星载对地观测激光高度计的系统设计及数据处理算法的研究具有重要借鉴意义。
遥感 星载激光高度计 波形分解 多目标 相对距离 大足印 
针对激光脉冲在沙尘天气中的时延和展宽问题，以光信号在离散介质中的传输理论为依据，求解了脉冲信号在传播过程中的双频互相关函数，推导了沙尘天气下的脉冲响应。通过分析沙尘天气中不同能见度下激光脉冲时延和展宽的变化情况，得到了激光脉冲的时延量和展宽量与沙尘能见度间的关系，并分别研究了波长为3.8、7.6 和10.6 μm 的激光脉冲的时延和展宽与沙尘天气中大气能见度间的关系。结果表明：在波长一定的情况下，激光脉冲的时延量和展宽量随能见度的增加呈负指数形式减小，并逐渐趋于稳定值。同时，在能见度一定的情况下，激光脉冲的时延量和展宽量会随信号波长的增加而增加。
光通信 大气光学 脉冲时延 脉冲展宽 沙尘天气 大气湍流的倾斜扰动会导致光束在通过大气后到达角发生起伏。对于激光测距、激光导引星等应用场合，激光分别在发射和接收时两次通过了湍流大气。激光收发望远镜几何布局方式的不同会引起激光发射和接收光路中的倾斜相关性出现差异，最终影响接收望远镜探测到的激光到达角起伏。从激光收发望远镜布局的一般几何模型出发，利用Zernike 多项式波前展开，给出了受大气湍流影响的分离孔径倾斜相关函数。分析了收发共光路与非共光路情况下，不同的几何限制导致的光束到达角起伏相关性变化。最后，讨论了不同的激光收发望远镜的几何布局对接收望远镜探测到的光束到达角起伏的影响。
大气光学 到达角起伏 Zernike多项式 倾斜量 激光发射望远镜 利用数值模拟的方法研究了平面波在弱湍流大气中沿水平路径传播时的闪烁特性，得到了传播路径上既包含Kolmogorov 湍流(简称K 湍流)又包含非Kolmogorov 湍流(简称非K 湍流)时，平面波的闪烁指数与光传播距离、非K湍流谱标度指数、非K 湍流所占百分比等参数之间的关系。对比分析了平面波在混合湍流路径下的闪烁效应与在单独K 湍流和非K 湍流下的闪烁效应。结果表明：当路径上湍流为K 湍流和非K 湍流的组合，且非K 湍流谱一定时，闪烁指数随传播路径上非K 湍流所占百分比的增加而增加，随K 湍流所占百分比的增加而下降；当传播路径上只有非K 湍流时，闪烁指数随非K 湍流谱幂率的增加呈先增加后下降的趋势。
大气光学 闪烁指数 湍流谱 数值模拟 幂率 以“多次前向、单次后向散射”激光测深回波信号数学模型为理论基础，分析了接收FOV 对激光测深回波信号的影响。讨论了不同海水深度情况下FOV 损失因子与接收器FOV 之间的关系。以辨别力指数D 作为激光测深性能评价标准，分析了晴空条件下机载激光测深系统辨别力指数D 与接收器FOV 的关系，进一步得到在不同最大探测水深情况下的最优FOV。根据分析结果可以对机载激光测深系统的接收FOV 进行优化，为我国研究新型的机载激光测深系统提供理论依据。
激光技术 机载激光测深 回波信号 辨别力指数D 利用针-板喷枪装置，在直流电压激励下产生了大气压非平衡态低温等离子体羽。采用光学方法，研究发现等离子体羽的放电模式为脉冲放电。通过比较放电的总发光信号、337.1 nm 谱线的发光信号与电流信号，发现电流信号脉冲宽度最大，337.1 nm 谱线的信号脉冲宽度最小。通过对发光信号频率随电压的变化关系进行研究，发现放电脉冲频率随电压的增大而增大。利用光谱仪测量了337.1 nm 的谱线强度，发现它随气流增大减小，随电压增大表现为先增大后减小。利用气体放电理论，对以上物理现象进行了定性解释。这些研究结果对于大气压非平衡态低温等离子体羽的产生和应用都具有重要意义。
物理光学 等离子体喷枪 等离子体羽 谱线强度 脉冲宽度 扫描干涉场曝光系统中的干涉条纹周期是相位锁定系统的重要参数，为精确测量干涉条纹周期，根据扫描干涉场曝光系统的特点提出了分束棱镜移动测量干涉条纹周期的方法，根据高斯光束传播理论，分析了该方法的理论误差；提出了周期计数法对周期测量数据进行计算。为降低对系统二维工作台运行及稳定精度的要求，提出了小行程高精度位移台辅助测量周期的方法，并进行了相关实验验证。结果表明：小行程位移台辅助周期测量方法在原理上可行，对于干涉条纹线密度1800 line/mm 的系统参数，小行程位移台辅助周期测量的重复性可达到1.08×10-5(σ值)，曝光实验的实测值与理论模型之间一致性较好，验证了该周期测量方法的可行性。
光栅 扫描干涉场曝光系统 干涉条纹周期测量 相位锁定 为从物理层面理解亚波长金属光栅偏振透射现象以及光栅参数对偏振透射的影响，基于等效介质理论定性解释了单层亚波长金属光栅的偏振透射现象，给出了各个光栅参数对偏振性能的影响规律。对于不同条件下透射峰值产生的机理，基于法布里-珀罗共振理论给出了定量解释。对于等效介质理论和法布里-珀罗共振理论的准确性给出了验证及分析。通过两理论定性或定量的对单层亚波长金属光栅偏振器透射机理的系统分析，将有助于更清晰地理解金属光栅偏振器的偏振透射影响规律。
光栅 透射机理 等效介质理论 亚波长金属光栅 法布里-珀罗共振 为了寻找一种简单有效的产生局域空心光束的方法，提出了一种利用交错型光子筛产生空心光束的方法。通过光子筛的内部区域和外部区域相消达到轴上光强为零的目的。给出了光子筛的结构和设计参数，对空心光束中心暗斑尺寸和光子筛焦距、环带数、小孔调制系数的关系进行了深入的研究，发现改变焦距和环带数可以得到微米甚至亚微米的中心暗斑的局域空心光束。理论推导和仿真分析验证了方法的可行性,该方法具有结构简单和能产生极小中心暗斑的优点,特别适用于光学镊子、原子冷却等。
衍射 光子筛 局域空心光束 光镊 研究声光效应光栅理论，分析动量匹配与衍射效率关系，探讨相干光平衡探测的噪声抑制机理，进行了系统设计和相关实验测试，验证基于声光效应的相干平衡探测系统光学降噪方法的技术实现。结果表明，相位确定的信号在进行声光互作用时能建立稳定光栅，其衍射效率将大于相位随机变化的噪声信号，通过平衡探测可有效抑制噪声起伏对系统输出的影响，进一步提高接收信噪比。
相干光学 声光效应 超声光栅 动量匹配 光学降噪 研究了一种基于模间干涉原理的微型椭芯保偏光纤的折射率传感特性。利用氢氟酸腐蚀的方法将椭芯保偏光纤制作成折射率灵敏的传感头，传感头可以根据控制腐蚀时间灵活控制其锥区结构。详细分析了保偏光纤内基模与一阶高次模模间干涉产生的双边瓣能量分布与被测折射率的关系，深入研究了锥区半径、工作波长对折射率灵敏度的影响。研究结果表明，光源波长为980 nm，折射率在1.39 附近时，半径为8 μm 的传感头折射率灵敏度能够达到-7.1/RIU (即归一化光强与RIU 之比，其中RIU 为单位折射率)。
折射率传感 椭芯保偏光纤 模间干涉 折射率灵敏度 包层腐蚀 旋转抛物面型多反射镜拼接结构的天线在空间激光多点间激光通信中有着重要的应用。选取不同的旋转抛物面基底面型，系统有不同的通信范围。针对作为基底的旋转抛物面面型进行研究，讨论了不同抛物线系数p 与通信范围θ 之间的关系，分析了不同有效口径下的通信范围，及其合理性。结果表明，在合理的取值范围下，抛物线系数p =28时，最大通信角度可以达到118.7377°，但由于后续拼接反射镜的因素限制，得出合理选择抛物线系数p =50时的面型，而此时通信范围为109.8084°。
光通信 激光通信 组网光学原理 旋转抛物面 基底面型 调制技术是影响无线光通信质量的重要因素之一，探索合适的调制方式是无线光通信的内在需要，为此，全面深入分析不同新型组合脉冲调制的性能。详细地分析了脉冲位置调制(PPM)和数字脉冲间隔调制(DPIM)等传统调制方式，以及脉冲位置宽度调制(PPWM)、差分脉冲位置宽度调制(DPPWM)、双幅度脉冲位置调制(DAPPM)和双幅度脉冲间隔调制(DAPIM)等新型组合调制方式的符号结构；全面比较了以上调制方式的平均发射功率和带宽需求；在给定模型下分析了它们的差错性能。数值结果表明：DAPPM 的功率利用率最好，DPPWM 的功率效率最低。当二进制比特位M 取一定值时，PPM 的带宽利用率最低，DPPWM 的带宽利用率最高；随着M 的增加，DAPPM 的带宽效率与DPIM 的带宽效率非常接近。而从差错性能看，在相同的信噪比RSN 条件下，当M 取值一定时，DAPPM 的误包率与PPM 接近，均优于其他组合调制方式，随着M 或RSN 增大，系统误包率逐渐减少；同时，通过增大PPWM的r 参数、减少DAPPM 的α 参数，可适当改善差错性能。因此，要根据实际系统的要求选择合适的调制方式。
无线光通信 调制方式 平均发射功率 带宽需求 误包率 提出了一种可根本消除各种光场畸变的横向剪切数字全息方法，采用三幅物面相互存在微小平移的数字全息图，通过波前差分来消除照明光和参考光引入的相位畸变，用横向剪切波前重构算法恢复待测物面三维数据。设计了一个反射式实验检测光路，光路中人为引进未知的波前畸变对该算法进行了实验验证。结果表明，在没有对物面和CCD 记录面做严格方位校准，横向平移精度为0.01 mm，平移量为0.02 mm 的条件下，标准相位的均方根误差约为λ 14 ，分析了其误差来源，可用于超精密光学三维测量，有望减小光场畸变提高测量精度。
全息 数字全息 物面平移 横向剪切 光场畸变 为了实现红外图像的非均匀校正，目前通常采用神经网络法完成红外图像的自适应非均匀校正，此方法能够自动完成校正系数的更新，但算法复杂，校后输出图像对比度不高，出现重影和图像模糊的现象。采用改进的神经网络非均匀校正方法，利用高低温黑体求得校正系数初始值，且对算法迭代过程输出期望值的计算做了改进。测试结果表明，该方法简单实用，具有较好的非均匀校正效果。
图像处理 神经网络法 非均匀校正 最陡下降法 高低温黑体 相机焦面定位精度决定了相机的成像质量，对其测试方法须作专门研究。介绍了一种基于图像频谱的定焦测试方法，最少仅利用同一目标的两个离焦图像，即可推算出相机成像面的离焦量。算法基于相机对任意目标所拍摄的离焦图像，并且在相机镜头装调质量达到设计要求的情况下，对成像目标无要求。利用两幅图像的相似性，通过数值分析的手段，避免了对图像频谱的直接分解，具有所得结果有可靠、稳定、精度高、易操作的特点。
图像处理 调焦分析 离焦深度法 频谱 衍射极限 振动导致航空相机成像分辨率下降，常采用动态调制传递函数（MTF）评价振动对成像质量的影响。根据线性光学系统的传递函数理论，针对任意频率的正弦振动，提出一种基于第一类贝塞尔函数的动态MTF 计算方法，并以奈奎斯特频率处动态MTF 不小于0.9为条件，得出低频振动的振幅容限随频率增加而减小，高频振动的振幅容限为0.2 pixel。通过对刀口靶标进行正弦振动下动态成像实验，得出理论计算结果与实验结果间相对误差小于4.25%，相比以往相关文献的分析结果，计算精度最大可提高18.5 倍，因此该方法可用于预估和评价振动环境下航空相机的成像质量，对视轴稳定系统的设计具有指导意义。
成像系统 调制传递函数 正弦振动 像质评价 水下成像的成像质量受到激光功率和接收器灵敏度的制约，现有的量子成像方式在自由空间中能够获得较传统成像距离更远、清晰度更高的探测图像。结合自由空间中量子成像方式与水体自身特点，提出了赝热光二维二阶关联的反射式水下量子成像方法，通过选取水下成像系统的典型参量进行模拟计算，重构了物体的光强起伏图像，设计并实现了成像实验。实验结果与数值仿真一致，表明可以利用二阶光强度关联的量子成像方式重现水下物体的二维图像。
统计光学 水下成像 数值模拟 后向散射 赝热光 变能量X射线成像执行过程中通过多管电压参数的设置，获取物体不同厚度范围的有效信息，并经图像融合处理获取反映物体内部完整结构信息的图像。但是由于物质的衰减系数和荧光转换效率均存在较强的能谱相关性，现有变能量成像方法中依据实验获取的管电压-厚度-器件响应曲线来确定子图加权系数的方法缺乏通用性，特别是对于多种材料复合的情况。对多电压情况下对应透照图像灰度的变化规律及关联关系进行研究，提出基于相邻管电压对应有效透照厚度重叠率约束的管电压递变步长控制方法；并提出灰度比例直方图的概念，实现子图加权系数的快速求解。多材质复合工件的变能量成像实验表明，该方法克服了现有变能量成像算法通用性方面的缺点，能够实现多材料复合情况下的有效子图融合。
成像系统 变能量成像 加权系数 能谱 灰度比例直方图 为克服目前太赫兹扫描成像技术所用扫描天线存在的不足，设计了一种能够实现一维频率扫描的矩形波导窄边开斜缝天线。具体采用设计缝隙天线的等效电路法和泰勒线阵法估算得到缝距、缝长、缝宽、缝倾角和缝数等初始参数。然后在ANSOFT-HFSS软件中建模仿真并优化，最终得到适用于0.101～0.111 THz带宽的天线。仿真结果表明，天线能够在波导的延展方向上按照不同角度发射或接收带宽内不同频率的太赫兹波，扫描角度约为6.1°，各频率点主瓣增益较高、主副瓣电平相差较大。该天线具有结构紧凑、体积小、重量轻、成本低、扫描速度较快的优点，对于太赫兹扫描成像技术具有一定的应用价值。
成像系统 矩形波导窄边开斜缝天线 模拟仿真 频率扫描 为了保证采样的独立性，目前基于随机相位板的赝热光鬼成像系统是以每次移动不小于一个激光光斑大小进行相位调制的形式来产生高亮度的赝热光源。通过旋转、平移两台电机控制随机相位板的运动轨迹，搭建了一种运动轨迹可调的随机相位板赝热光鬼成像实验平台。基于差分鬼成像和稀疏约束鬼成像重构算法，从实验角度对比分析了随机相位板的偏移量Δx 对赝热光鬼成像质量的影响。数值模拟和实验结果均表明，在相同的采样压缩比下，当随机相位板的偏移量Δx 不大于物面处的散斑大小Δxs 时，成像质量随着Δx 的增大而提高；而当Δx 大于Δxs时，随着Δx 的增大，成像质量几乎不变。此外，稀疏约束鬼成像质量优于相同采样数下的差分鬼成像质量。
成像系统 相干光学 鬼成像 赝热光源 散斑场 稀疏约束 在反射式望远镜系统误差校正过程中，常以点目标的清晰度函数作为成像质量的评价指标。通过优化算法对存在误差的参量进行校正，使清晰度函数达到极值。平均半径作为点目标成像的清晰度函数由于具有适用范围大、动态特性好的特点而得到广泛的应用。然而，在实际工作过程中，由于探测器噪声等因素的影响，平均半径计算值与理论值存在一定的偏差，从而对校正过程产生影响。对噪声下平均半径的计算误差以及阈值对误差的影响进行了理论和仿真分析，结果表明存在最优阈值使计算误差达到最小，并对不同噪声强度下仿真的最优阈值数据进行拟合，给出了最优阈值拟合公式，分析表明该公式能够较准确的计算最优阈值。
成像系统 远场光斑 平均半径 噪声 阈值 为了分析前向散射角度对偏振成像的影响，从偏振图像对比度出发，分别研究不同偏振状态的线偏振光和不同前向散射角度对目标偏振图像对比度的影响。实验采用波长为532 nm 水平线偏振光和-45°线偏振光照射目标，计算两者的偏振图像对比度。结果表明，前向散射角度的增加可有效提升偏振图像对比度，并且水平线偏光的图像对比度低于-45°线偏振光的图像对比度。实验结论可为后续偏振成像探测工作提供技术支持。
成像系统 前向散射 对比度 偏振成像 偏振度 
调制传递函数(MTF)是评价光学成像系统信息传递频率特性的一个关键指标，倾斜刃边法是测量MTF的主要方法之一。为了解决传统倾斜刃边法对噪声图像边缘角度估计的不准确性，提出了一种基于正态分布拟合和中值点查寻的MTF 测量新算法。通过正态分布函数模拟一幅与实际图像误差最小的模拟图像，利用中值点查寻法对模拟图像处理，求得最佳刃边角度，利用该角度求出实际图像的边缘扩散曲线，再通过费米函数拟合获得边缘扩散函数(ESF)。由实验结果可以看出，在图像噪声较大的情况下，对倾斜刃边角度估计的准确度得到了明显提升，进而也提高了MTF的测量精度。
成像系统 调制传递函数 倾斜刃边法 正态分布 边缘扩散函数 为了解决非球面及自由曲面的高精度检测问题，基于二元光学计算机全息图(CGH)模型基础，分析了该模型下相位型CGH 各项误差对CGH 检测精度的影响，同时结合工程实例，针对口径为846 mm×630 mm 的自由曲面，设计了相应的相位型CGH，并实验验证了该设计的可行性。结果显示：在设计时应先将相位型CGH 的各个衍射级次进行分离；改变CGH 到干涉仪焦点距离以减小刻画畸变同时保证CGH 尺寸；再将基板误差检测出来，并代入设计结果进行补偿标定；最后在编码时将占空比选择为0.5，刻蚀深度选择在0.3λ 减小占空比误差、相位函数误差和振幅误差。
全息 计算全息图 高精度 自由曲面 误差分析 光学检测 针对晃动平台对空拍摄大视场摄像机难以标定的情况，提出了利用无人机(UAV)作为动态控制点来现场标定摄像机参数的方法。该方法控制无人机在摄像机视场内飞行，并用与晃动平台固联的无人机定位测量系统对无人机位置进行测量，从而整个飞行过程中的无人机位置均可当作控制点对摄像机进行标定。实验中控制点数目充足, 易满足控制点在空间和在图像上均匀散布的要求, 可以准确求解摄像机内外参数。突破了无法在视场中布设传统像机标定方法所需控制点，使晃动平台上大视场摄像测量无法现场采集参考图像进行高精度标定的局限。对实验条件要求低，最少只需要晃动平台基准坐标系下2 个基准点和方位像机光心位置即可标定摄像机内外参数。该方法已成功应用于系泊状态下船舶中摄像机参数的标定。
测量 摄像机标定 晃动平台 大视场 无人机 提出了采用彩色相机RGB 信号实现三波段消光法测量微米级颗粒粒度分布的方法。当一束平行白光入射到弥散细微颗粒时，测量不同波长的透射光强信号，用多波长消光法理论反演可以测得被测弥散细微颗粒粒度。当用彩色相机拍摄透射光，得到的图像实际是RGB 三个波段的透射光信号，该信号与相机的RGB 响应曲线、光源光谱特性、被测颗粒粒径及颗粒浓度有关。对RGB 三波段信号用消光法理论进行分析和反演计算，可以得到细微颗粒的粒度分布。通过数值模拟与实验验证，表明用彩色相机RGB 三波段消光法可以测量亚微米到3 mm 大小的颗粒粒度分布。将该方法与图像法颗粒粒度测量相结合，可以将彩色相机测量颗粒粒度的范围拓展到从亚微米到数百微米。
测量 彩色相机 三波段消光法 颗粒粒度 为了实现物体位移测量的高精度，无损伤和简单化，对柱面镜像散效应进行了研究，利用正交柱面镜像散效应实现物体的位移测量。根据高斯光线追迹的矩阵方法，建立正交柱面镜的矩阵光线传播模型，并利用Zemax进行仿真验证；给出了正交柱面镜像散位移测量系统的矩阵传播模型，并具体分析了系统的量程和分辨率；进行实验验证，在5.6 μm 量程范围内，实现了精度为200 nm 的移位测量。该方法为位移测量提供了一种新的非接触、高精度的光学测量方式。
测量 正交柱面镜 像散原理 矩阵光学 使用矩阵光学的方法得到了Offner展宽器等效光栅对表达式、经过Offner展宽器后脉冲的脉宽表达式及展宽器各元件尺寸的解析表达式。确定了一般化的设计步骤，并给出了一个设计实例。矩阵光学获得的解析结果与光线追迹方法获得的数值结果一致。
激光光学 啁啾脉冲放大 Offner展宽器 矩阵光学 本文基于自相关及排列熵函数实验研究了掺铒光纤环形激光器混沌序列的复杂度。通过控制腔内损耗来实现光纤激光器不同的混沌态输出，并对其复杂度进行详细分析。实验结果表明：腔内损耗对混沌复杂度影响较大，随着腔内损耗的增大，其排列熵复杂度逐渐变大；自相关曲线上表现出的腔长时延信息也得到有效抑制。通过腔内损耗控制，混沌序列的周期性被完全隐藏，其复杂度达到最大值，这能有效地提高混沌保密通信的安全性，混沌传感和测距的测量精度。
激光光学 混沌 复杂度 时延信息 掺铒光纤激光器 利用延时相移反馈的方法研究了单环掺铒光纤激光器(SREDFL)的混沌产生。通过适当地调节反馈系数、相移以及延迟时间，实现了该系统混沌的产生，给出了混沌产生的方式及混沌态的参数区间。利用混沌信号驱动法研究了单环掺铒光纤激光器的混沌同步，结果表明，在适当的驱动强度下，无论被驱动系统在被驱动前处于混沌态还是周期态，都可以达到混沌同步。利用关联系数分析了混沌同步的质量。
激光器 掺铒光纤激光器 混沌 混沌产生 混沌同步 为了提高智能车辆道路识别的准确性和效率，设计了一种基于平行边缘特征的道路检测算法。提出了基于边缘连接的道路区域快速粗分割方法；对边缘点局部直线的检测和方向进行编码，利用竖直线实现了极大可能道路区域的估计；基于方向一致性判别准则，实现了极大可能道路区域内平行边缘的识别算法；提出了三个道路识别准则，综合运用平行边缘、道路的区域位置信息，实现了道路特征的准确识别。实验结果表明，本文算法能够快速并准确的提取典型的直线和弯曲道路模型中的道路区域，比以往算法在速度和准确性上都有较大的提升。
机器视觉 平行边缘识别 方向编码 特征识别 针对传统双目以及多目在处理遮挡和弱纹理区域匹配效果差、稳健性低的问题，提出了一种基于极平面图像（EPI）对复杂、精细场景进行深度重建的算法。根据EPI 特殊的线性结构，提出一种交叉检测模型，有效地计算出EPI轮廓边缘，并将指数距离度量函数和距离权重系数相结合，得到轮廓边缘的深度。对于内部平坦区域，利用求得的深度作为先验，通过先验似然扩散策略将深度扩散到整个区域。整个算法在局部进行，不但保存了精确的轮廓边缘，同时也保证了无纹理区域深度的平滑性。测试结果表明，该算法在重建速度及质量上均优于原始方法。
机器视觉 光场 深度重建 先验似然 交叉检测 针对应用高阶奇次多项式法和光学折射模型定位误差大、局限性强的问题，提出一种优化的鱼眼镜头成像定位算法。根据镜头的偏心畸变推导出新的畸变模型，进而在此畸变和光学折射模型的基础上建立优化的成像模型，并标定模型参数；对该成像模型进行反投影推导，得到三维点坐标，实现空间目标的精确定位。实验结果表明，当被测物分别处于鱼眼图像中心区域和边缘区域时，该算法的相对定位误差远远小于高阶奇次多项式法和光学折射模型的方法，减小了图像畸变对测量精度的影响，解决了使用光学折射模型定位局限性强的问题。
机器视觉 鱼眼双目定位 优化成像模型 偏心畸变 摄像机标定 在人类视觉系统(HVS)中，占据重要部分的是对比度值而不是亮度。现有的基于HVS的红外弱小目标检测算法可以有效提高目标信噪比和检测率，但也存在虚警率较高、易受噪声影响等问题。针对这些问题，提出一种基于空间距离改进的视觉显著性红外弱小目标检测算法。用目标所在像素块均值与其周围像素块加权和的比值来加权目标点灰度，得到一幅显著图。在计算周围像素的灰度加权和时，将视觉注意机制中关键因素之一的空间关系考虑进去，根据空间距离加权计算，较远的地方分配较小的权值。实验表明，本文算法不仅可以降低虚警率，而且抗噪能力也比较强。
机器视觉 空间距离 视觉显著性 弱小目标检测 为提高荧光分子断层成像(FMT)的重建精度，将非凸LP (0 < P < 1) 正则化引入到FMT 重建中。为有效求解包含非凸惩罚项的优化问题，结合加权同伦算法(WHA)提出了快速迭代重建算法，将LP 正则化问题转化为一系列加权的L1 正则化问题求解。异质仿体上的仿真实验表明，LP (0医用光学 非凸正则化 加权同伦算法 荧光分子断层成像 重建算法
非均匀非线性波导中光脉冲的传播由(2+1)维变系数非线性薛定谔方程描述。采用相似变换方法求解了(2+1)维变系数非线性薛定谔方程的精确畸形波解，并讨论了带有外势项的非线性薛定谔方程控制的线光畸形波在波导放大器中的传播问题。给出了操控线光学畸形波解传播的控制条件，发现线光畸形波的特性，如振幅和位置等，在非线性光学介质中是可以控制的。在可控参数条件下，讨论了可控光畸形波在非线性介质中的传播行为，包括延迟激发、抑制和保持。研究结果在理论和实际应用上都具有重要意义。
非线性光学 非线性薛定谔方程 相似变换 畸形波解 线光畸形波 为监测全球范围内CO2排放，确定碳源碳汇位置，需高精度探测大气CO2柱浓度。首先介绍遥感卫星探测大气CO2 柱浓度原理，并利用逐线积分辐射传输模型(LBLRTM)，分析探测精度、光谱分辨率、信噪比需求之间的相互关系。然后，基于遥感卫星探测要求，分析光学系统指标。根据指标，选择中阶梯浸没衍射光栅分光元件，确定逆卡塞格林结构前置系统和离轴三反消像散结构分光系统。设计了F 数4、光谱分辨本领21000的大气CO2柱浓度探测成像光谱仪光学系统。设计的光学系统由1个前置系统、1个分光系统和3块焦平面探测器组成，结构紧凑，体积微小，成像质量良好。
光学设计 成像光谱仪 中阶梯浸没衍射光栅 机械补偿变焦系统一阶结构设计的核心问题是确定各组元的光焦度和各组元的间隔。为了减少设计时对经验的过多依赖，提出了一种连续变焦光学系统一阶结构优化设计方法。以各组元的光焦度和间隔为优化变量，构造不同变焦位置的运动方程，以像面稳定、系统总长和Petzval场曲作为评价函数，用粒子群优化算法寻找多维约束空间的最优解。为了验证该方法，优化设计了一个10~100 mm 变焦范围的一阶结构。为机械补偿变焦系统一阶结构的求解提供了一种新思路。
光学设计 变焦系统 粒子群算法 机械补偿 一阶结构 通过动态链接库方式在Zemax中建立Q-type非球面接口，利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段，垂直半视场为30°～110°，焦距为-1.25 mm，F 数为5，系统总长为28.7 mm 的全景环带光学系统(PAL)。该光学系统由7 片透镜组成，包含6 片球面镜和一片两面均为Q-type 面型的非球面镜片。对设计结果进行了分析，全视场FTheta畸变小于1%，在奈奎斯特空间频率83 lp/mm 处调制传递函数(MTF)高于0.5，成像效果接近衍射极限。为验证Q-type 非球面在PAL 设计中的优越性，实际设计了一个与Q-type 面型PAL 具有相同参数的偶次非球面PAL，对两者进行了分析比较。结果表明，在相同的计算平台下，Q-type 非球面多项式系数的有效数字比对应的偶次非球面的多3~6位，有效减小了优化过程中计算机数字系统截断误差对优化过程的影响，有利于提高光学系统优化设计效率、提高非球面光学零件的加工精度和检测精度。
光学设计 全景环带光学系统 Q-type非球面 畸变校正 根据级联半导体光放大器(SOA)的偏振主态对准(PSP)与邦加球相关性之间的关系，研究了多级SOA 级联式系统的偏振主态对准方法。提出了基于非线性偏振旋转效应(NPR)的多级SOA 级联式全光开关结构。实际搭建出两级SOA 级联式全光开关实验系统，并以幅值为6 mW 的方波控制光对50 μW 信号光实现了全光开关操作，开关速度达到200 ps，优于传统的电光开关，并存在较大的提升空间。工作波段位于1510~1570 nm，插损为3.62 dB，功耗为12 mW。开关速度快、插损小、功耗低并与光纤通信系统兼容性好。该全光开关的研制成功，将有助于推动全光开关和全光网络技术的发展，以及光计算和全光信号处理等领域的技术进步。
光学器件 光开关 级联 半导体光放大器 非线性偏振旋转 研究了拉盖尔-高斯光束照射毛玻璃产生的散斑场的特性。利用空间光调制器结合计算全息法产生了拉盖尔-高斯涡旋光束；较深入地研究了拉盖尔-高斯光束照射下散斑大小与光束径向指数、角向指数及涡旋光束面积间的关系。结果显示：对同一径向指数，散斑颗粒平均大小随角向指数的增大呈直线减小趋势；对同一角向指数，散斑大小随径向指数的增大而减小；散斑大小与涡旋光束照射面积的负指数成正比；随径向指数的增大，其逐渐接近高斯光束照射的结果。
物理光学 涡旋光束 拉盖尔-高斯光束 毛玻璃 散斑场 从理论和实验两方面研究宽频带径向偏振光束的产生及其传输特性。分析光束时间相干性和空间相干性对径向偏振光束的产生和传输的影响。数值模拟了宽频带径向偏振光束的传播。实验上，通过径向偏振转换器，得到径向偏振光束。通过调整入射光束的传输距离来改变光束空间相干性，研究了不同空间相干度下宽频带径向偏振的传输特性。同时还考察了光束偏振度的变化，给出了偏振度发生变化的条件，理论和实验符合较好。
物理光学 光传输 径向偏振 部分相干 实现了一种基于单脉冲多位编码的离散调制连续变量量子密钥分发方案。该方案利用时分复用和偏振复用相结合的方式进行远距离光纤传输。实验光源采用脉宽为200ns，重复频率为1 MHz 的准连续光。该准连续光的每一个光脉冲在时域上被分为四等份。对每小份都编码两个正交分量，从而增大了密钥率。在25 km 光纤传输时，整套系统的安全码率为32.8 kbit/s。
量子光学 量子密钥分发 准连续光 离散调制 时分复用和偏振复用 在非旋波近似下对双光子Jaynes-Cummings（J-C）模型与单模相干态光场相互作用的量子特性进行了精确求解。对双光子J-C 模型与单光子J-C 模型量子纠缠和原子布居数反转的演化特点进行了对比，讨论了平均光子数、光场与原子之间的耦合强度以及失谐对量子纠缠以及原子布居数反转的影响，数值计算的结果表明，随着光场与原子之间耦合强度的增大，量子纠缠的周期性逐渐消失，随着平均光子数的增加，纠缠达到较稳定的最大值所需时间逐渐增大。无论耦合强度、平均光子数还是失谐的增大，由非旋波项产生的虚光子效应逐渐增强，量子纠缠演化曲线和原子布居数反转的塌缩区出现小锯齿状振荡。
量子光学 双光子Jaynes-Cummings模型 非旋波近似 量子纠缠 原子布居数反转 利用算符作用在光场态上构造新的量子态的方法，通过光场湮没和产生算符的线性组合作用构造了光场组合算符激发混沌场。通过对光场的两个正交分量涨落、二阶关联函数、Mandel Q 参量和Wigner函数的计算，研究了该量子态的压缩效应、反聚束效应、统计性质和Wigner函数的负性。讨论了算符叠加系数变化和平均光子数变化对其量子特性的影响。研究结果表明：光场不呈现压缩效应；随平均光子数增大它的反聚束效应、亚泊松分布性质和Wigner函数负性减弱；另一方面，随算符组合部分中产生算符的比重增大，光场反聚束效应和亚泊松分布性质增强。这表明增大算符组合部分中产生算符的比重对增强光场反聚束效应和亚泊松分布性质有利。
量子光学 光场组合算符 混沌场 量子特性 在使用时间关联单光子计数的量子保密通信、量子密码术等量子光学领域中，雪崩光电二极管(APD)拥有广泛的应用。然而在其工作过程中，吸收层接收到光子形成载流子，载流子个数在倍增层进行指数型增益，每个载流子通过P-N 结结点均有一定概率发出光子，发出的光子在一定条件下会串扰进入另一个雪崩二极管。在盖革模式下进行单光子探测时，这种串扰光子会严重影响时间关联单光子计数的实验结果。研究了APD 雪崩原理，实验中做出了串扰峰对比度比较高的现象，分析了影响串扰峰间距和形状的因素，提出通过光隔离规避串扰现象，并通过实验验证了这种避免串扰方法的可行性。
量子光学 雪崩光电二极管 串扰 光隔离 时间相关单光子计数 相干测风激光雷达通常采用周期图最大值法，但在远场低信噪比区域是有偏估计，因而会增加风速测量误差。距离门功率谱基线漂移现象作为误差源之一，会偏置谱峰分布基准，并干扰峰值频率检测。为了校正基线漂移，提出了基于正则化惩罚最小二乘法的先验平滑估计频谱基线方法。经过大气测风实验应用，结果表明，该方法能有效校正基线漂移，从而显著提高远场风速的估计精度，并最终提升了测风激光雷达的探测距离。
遥感 测风激光雷达 多普勒频移估计 周期图最大值法 先验平滑方法 频谱基线校正 基于CCD 的激光测距传感器通过像元细分，可有效提高该类传感器的测量精度。诸多的像元细分算法，每种都有其优缺点及特定应用。然而针对特定的测距传感器，如何综合评价哪种算法更优，尚缺乏有效手段。因此，提出了基于层次分析法的像元细分算法优劣的综合评价方法，该方法基于像元细分算法在传感器测量范围的近段、中段和远段的实际定位精度、方差和极差等指标，利用层次分析法构建综合评价模型。利用该方法，实验分析了二分法、加权质心法、加权多项式插值法和按比例求中心法等像元细分算法对特定测距传感器的适用性。实验结果表明，该方法能够有效获取适用于特定测距传感器的最优像元细分算法。
传感器 CCD 像元细分 综合评价 层次分析法 激光测距传感器 为检测高分二号(GF-2)卫星发射前后辐射性能变化，获取可靠的GF-2 卫星遥感器在轨定标系数，提出了基于宽动态地面目标的场地定标方法。以敦煌戈壁场为基础，重新选建涵盖高、中、低多级反射特性的定标场，并借助反射率基法和地面观测试验，实现了GF-2卫星首次在轨辐射定标。以发射前实验室定标结果为参考，讨论GF-2卫星定标系数变化及影响因素。结果表明：1) GF-2卫星发射前后系统自身偏移量均接近于零，且相对稳定；而辐射响应特性发生了一定变化；2) 采用多场地定标获取的在轨定标系数能更好表征GF-2卫星在轨辐射特性，该定标系数可作为后续定量产品反演和系统性能评估的基础。
遥感 高分二号卫星 遥感器 辐射定标 定标场 高分辨率光学对地观测敏捷卫星自主任务规划需要对成像目标区域上空云层进行在轨提前探测，以修正成像时间窗，提高卫星使用效能。其中云高度是必不可少的信息，提出了一种用于敏捷卫星自主任务规划的云顶高探测方法。根据不同角度的遥感图像对之间云层以及地面匹配关系的差异，以地面为基准，求出图像间云层对地面的投影偏差，再利用几何关系，计算云层云顶高度。仿真模拟实验的结果表明本文算法探测云顶高与实际云顶高差距小于1 pixel，并且在图像间发生旋转、仿射等变换的情况下依然有稳健的表现。误差分析给出了算法相对误差随成像角度的变化趋势。多角度成像分光辐射度计图像处理结果表明该算法在实际应用中性能良好。
遥感 云顶高度 立体观测 特征匹配 尺度不变特征转换