为了可靠地评估大气的光束传播效应, 必须确定大气光学湍流的路径分布。采用高分辨率无线电探空仪探测光学湍流强度的垂直分布,利用集合经验模态分解将其分解为不同尺度的本征模态分量, 并分析了不同分量变化的周期性及对整体变化的贡献。结果表明,部分本征模态函数分量具有周期性, 并通过了周期显著性检验; 方差贡献率表明整体趋势变化和随机强噪声是大气光学湍流廓线随高度变化的主要原因。利用基于连续均方误差准则的滤波方法实现了大气光学湍流确定项和随机项的分离,相关分析得到背景水平和统计平均值相关系数大于0.99。并分析随机项得出光学湍流随机项是非平稳序列且具有多重分形结构。

激光雷达探测水云时, 多次散射会使雷达回波产生退偏振效应, 云层对激光的退偏振比与云层微物理特性信息含有特定的关系, 利用这种关系可以反演云层的微物理特性, 但是这种关系需要利用理论模拟进行研究和探索, 理论模拟激光雷达退偏振效应的方法主要是蒙特卡罗方法。给出了两种不同思路的蒙特卡罗模拟方法：一是通过跟踪光子在每一次散射后, 由光子方向矢量和Z轴构成的子午面来模拟, 光子相对于子午面的偏振状态由斯托克斯参量表示; 二是将光子的偏振状态用一个三元单位矢量组来表示, 每次散射后, 根据统计抽样得到的散射角和方位角对其进行旋转, 从而跟踪光子偏振态的变化。给出了详细的模拟过程, 并利用两种方法分别计算了水云的退偏振比, 模拟结果显示这两种方法得出的结果完全一致。

为了解气溶胶空间非均匀性对近红外辐射传输过程的影响, 构造了典型非均匀气溶胶场, 采用辐射传输模式球谐离散坐标法(SHDOM)模拟了对应情形下的漫射光强、偏振特性以及辐射通量密度, 定量分析了将非均匀气溶胶场等效为均匀场造成的模拟误差。研究结果表明, 气溶胶非均匀场对辐射传输过程影响显著, 且它对漫射光偏振辐亮度的影响大于它对辐亮度的影响, 其中气溶胶空间非均匀性造成的辐亮度及偏振辐亮度模拟误差分别可达9.8%和80%。气溶胶水平非均匀性主要影响漫射光辐亮度及偏振辐亮度模拟误差的空间分布特征, 垂直不均匀性基本不改变漫射光模拟误差的空间分布特征, 但它对辐射传输过程的影响明显大于水平不均匀性。随着气溶胶浓度的增加, 气溶胶非均匀性造成的模拟误差整体降低。从量级上, 气溶胶空间非均匀性对辐射通量密度的影响明显弱于漫射光辐亮度和偏振辐亮度, 多数情形下, 其模拟误差小于5%, 且该误差随高度的变化呈特定分布特征。可为平面平行大气辐射传输模式适用范围的确定, 气溶胶空间非均匀性导致的遥感误差的评估提供一定参考。

大尺寸、高分辨率大气湍流相位屏的快速模拟对于在实验中验证自适应光学系统的性能及控制算法的稳定性至关重要。提出了一种基于小波分析模拟大气湍流相位屏的方案。根据离散小波变换的频段分割性质, 对Von Karman型功率谱进行切割; 基于能量守恒原理, 生成不同尺度上对应频段的近似高频系数; 利用小波层之间低频系数的递推关系, 得到最高层低频系数的相关函数, 并利用相关函数法来模拟低频系数; 通过小波合成算法得到最终的大气湍流相位屏。模拟结果表明, 基于小波分析产生的大气湍流相位屏与Von Karman模型较好地吻合; 该方法的计算复杂度低, 能快速模拟大尺寸、高分辨率大气湍流相位屏。

根据广义惠更斯-菲涅耳原理以及交叉谱密度函数, 利用Kolmogorov湍流谱推导得到部分相干离轴涡旋光束在大气湍流中传输时光束的光强分布表达式, 讨论了离轴距离、拓扑荷数、束腰宽度、相干长度、传输距离、湍流强度参数对光强分布的影响。仿真结果表明,拓扑荷数的大小不会改变暗核的位置; 离轴距离的正负号决定了暗核移动的方向和光强集中区域的方向; 暗核向上移动的距离随相干长度、束腰宽度的增大而减小, 随传输距离、湍流强度的增大而增大; 光斑展宽随相干长度、束腰宽度、传输距离、湍流强度的增大而增大。

针对稀疏域对强天光背景下天体目标的探测问题, 在充分利用天光背景和光斑信号组成成分的形态差异性的基础上, 分别建立了天光背景和目标信号的超完备字典, 以区分图像中的天光背景区域与光斑信号区域。该方法能够在抑制强天光背景的同时积累更多的信号能量, 改善信噪比。仿真及实验结果表明, 此处理方法能够较好地提取出光斑信号, 且与减阈值算法相比, 其处理后质心偏差、均方根值及峰谷值都较小。

将多波长激光光源技术引入瑞利布里渊光时域分析系统, 其中抑制载波的微波调制多波长脉冲基底1阶边带会在传感光纤中产生多波长背向瑞利散射; 将该散射光作为探测光与多波长传感脉冲发生受激布里渊散射(SBS)作用, 可有效地提高光纤SBS阈值和SBS作用效率, 进而提高系统信噪比和布里渊频移的测量精度。分析了相位调制器产生多波长激光光源的原理以及利用电光强度调制器产生作为探测光的多波长斯托克斯和反斯托克斯激励光的原理, 建模分析了多波长瑞利布里渊光时域分析系统原理, 给出了系统信噪比与波长数关系的表达式; 搭建了单波长和三波长光纤SBS阈值测量系统及瑞利布里渊光时域分析系统, 测量了光纤的SBS阈值和系统性能。实验结果表明, 当单波长与三波长瑞利布里渊光时域分析系统的传感脉冲宽度为100 ns, 峰值功率为100 mW, 单个波长的脉冲基底功率约为1.3 mW, 传感光纤长度为2.4 km时, 三波长较单波长系统的光纤SBS阈值和信噪比分别提高了3倍和2.83倍, 在2 km光纤内布里渊频移波动由33.4 MHz降至15.6 MHz。

受激拉曼散射(SRS)是制约光纤激光器功率进一步提升的重要因素之一。提出利用啁啾倾斜Bragg光纤光栅(CTFBG)抑制SRS, 针对1018 nm光纤激光SRS信号设计并制作了1066 nm啁啾倾斜光纤光栅, 搭建实验系统, 对拉曼信号滤除效果进行了验证。结果表明, 设计的CTFBG对1级SRS信号的抑制接近20 dB, 取得了很好的效果。研究结果对利用CTFBG抑制大功率光纤激光振荡器和放大器中的SRS, 进一步提高光纤激光的效率和输出功率具有一定意义。

新一代光纤传感系统对光纤长度测量精度的要求越来越高, 因此提出了一种基于Sagnac干涉仪的光纤长度测量方法, 介绍了该测量方法的基本原理和实验装置, 并进行了不同长度光纤的测量实验, 研究了光源偏振态和光纤扰动对测量结果的影响。结果表明, 所提方法的测量精度可以达到厘米量级, 测量范围可以达到1～10 km。

提出了一种基于脉冲展宽波形的插值与脉冲展宽效应补偿合并的数据恢复方案。该方案依据权系数同时实现了插值与脉冲展宽效应补偿, 解决了时隙抽样误差和抖动问题, 完成了脉冲位置调制时隙信号的数据恢复。仿真结果表明, 所提出的方案具有较好的稳健性, 可有效抑制时隙抽样误差和抖动。在译码时使用的抖动参数与实际抖动参数不匹配的条件下, 该方案的性能仍优于将插值与脉冲展宽效应补偿分离处理的方案。该方案将插值与脉冲展宽效应补偿合并在一起, 运算更简化。

基于大线宽相干光正交频分复用(CO-OFDM)系统, 提出了一种可以有效克服符号判决错误的盲载波间干扰(ICI)相位噪声补偿算法。使用该算法之前, 先使用无迭代盲(IFB)算法对公共相位误差(CPE)的相位噪声进行补偿。该算法采用了形式简单的代价函数, 可大幅减小计算复杂度。该ICI相位噪声补偿算法包括粗略ICI和精细ICI相位噪声补偿两个阶段, 先使用平均能量盲(Avg-BL)算法进行粗略ICI相位噪声补偿, 再使用公共相位误差分割补偿(CPEC)算法进行精细ICI相位噪声补偿。该CPEC算法对粗略ICI相位噪声补偿后的频域数据进行判决, 再将每个接收到的正交频分多路复用(OFDM)时域符号分割为一定数目的亚符号, 从而求出每个亚符号中相位噪声的近似平均值。Avg-BL算法有效解决了CPEC算法中的符号判决错误传播问题;CPEC算法在时域OFDM亚符号分割数目较大的情况下, 对ICI相位噪声具有较好的补偿效果。对50 Gbit/s CO-OFDM系统在传输距离为100 km的情况进行了仿真, 仿真结果表明, 与Avg-BL算法和CPEC算法等ICI相位噪声算法相比, 所提算法具有较好的相位噪声补偿效果, 且具有较高的频谱利用率。在该算法中, 选择合适的时域OFDM亚符号分割数目, 可取得较好的补偿效果, 且算法复杂度并未显著增加。

针对相干光正交频分复用(OFDM)系统中峰值平均功率比(PAPR)高的问题, 对粒子群算法(PSO)、蝙蝠算法(BA)和鸟群算法(BSA)等几种群智能算法进行了研究, 采用群智能算法优化OFDM符号的子载波相位, 达到降低PAPR的目的。同时, 通过动态调整认知系数和学习因子, 分别对蝙蝠算法和鸟群算法进行了改进。对100 Gb/s、二进制正交振幅调制(4QAM)的相干光OFDM系统的仿真实验表明, PSO、BA、BSA三种智能算法都能有效降低系统的PAPR, 且改进BSA和改进BA与原始信号相比可使PAPR分别降低约5.11 dB、5.48 dB, 具有更好的抑制效果; 采用群智能算法优化后, 系统误码率性能也得到提高, 且随着光信噪比的增大, 性能提高更加明显。

将石英裸光纤植入聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片的微流道中, 采用沿光纤轴向光激励、消逝场激励染料分子的方式, 在基片微流道中获得均匀的荧光辐射。实验发现, 在激励光强确定的条件下, 荧光辐射的强度与染料溶液的浓度呈线性正相关关系, 而与包层溶液的折射率呈非线性正相关的关系。用消逝波激励荧光的辐射理论, 很好地解释了实验结果。

针对光纤光栅pH值传感器的响应灵敏度低、交叉敏感等问题, 提出了一种包覆pH值敏感型智能水凝胶的极大倾斜角度光纤光栅(Ex-TFG)pH值传感器。理论上研究了Ex-TFG pH值传感器的响应原理, 分析了影响传感器灵敏度的因素, 提出了提高测量灵敏度的方法。结合pH值敏感型智能水凝胶独特的响应特性设计和制作了传感器, 并进行了相应的实验研究。实验结果表明, 相对基于光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的pH传感器, 基于Ex-TFG的pH值传感器可有效提高对pH值的响应灵敏度(最大可达-0.718 nm/pH), 并且可以扩大pH值的检测范围。通过增加水凝胶的包覆厚度, 可增加pH值传感器的测量灵敏度。

采用点插值法、循环矩阵模型、拉普拉斯正则化方法和共轭梯度迭代法, 解决了空间变化图像复原过程中空间变化点扩展函数的获取、反卷积的计算模型、反问题的病态性以及复原算法等问题。在此基础上, 建立了空间变化图像复原方法, 并分析了图像复原的基本模型。最后, 通过仿真对比了提出的空间变化图像复原算法和空间不变图像复原算法, 结果表明, 空间变化算法的图像复原结果好于空间不变算法。

提出了一种基于计算鬼成像(CGI)的Toeplitz矩阵和轴向距离的双密钥光学加密方案。在该方案中, 只需发送一个相位掩模密钥, 就可以产生多种不同的随机散斑, 大大减少了密钥的传输量; 在接收端采用压缩感知技术进行解密。数值仿真和实验结果表明, 密钥合法用户能完全恢复物体图像, 而窃听者在窃听率即使达到60%的情况下, 也不能获得图像的任何信息。双密钥的使用有效地提高了方案的安全性。

利用建筑材料、隔热垫和胶粘剂制作了胶层中含人工空气缺陷的三层胶接结构, 并利用SynViewScan 300连续太赫兹成像系统对样件进行了检测。通过分析胶接面的太赫兹二维图像及缺陷处和正常胶粘处的单点纵向信号, 获得了胶层空气缺陷的位置和大小信息。结果表明, 连续太赫兹波成像系统可以清晰识别胶接结构中的胶层空气缺陷。

气体泄漏红外成像探测具有高效率、远距离等显著优势。为了进一步增强观察人员对气体泄漏红外图像的细节感知, 等效提高系统探测极限, 提出一种基于双边滤波的气体泄漏红外图像动态压缩及增强方法, 以气体泄漏红外图像特点为依据, 对双边滤波和压缩合并过程进行控制, 实现了气体泄漏红外图像细节的有效增强。实验表明, 在实现从高位宽原始数据到低位宽输出显示数据压缩的同时, 气体泄漏痕迹信息得到显著增强, 且整幅图像具有较好的对比度, “光晕”现象得到有效抑制。

精确地测量增益及读出噪声对微型光谱仪性能评价及光谱数据处理十分重要。基于微型光谱仪的噪声原理, 推导出输出信号与噪声的函数关系, 从而提出了一种测量微型光谱仪增益及读出噪声的方法, 并以此搭建了测量系统。对自主研制的微型光谱仪进行了测量, 得到其增益为2.02 e－/ADU, 读出噪声为68.92 e－。与光子转移曲线法和暗光谱法测得的实验数据进行对比, 进一步验证了该方法的可行性和有效性。该方法理论推导过程严谨, 操作过程简单, 可广泛应用于各型号微型光谱仪增益及读出噪声的测量。

为了实现对液态环境中微球三维位置的快速精密测量, 尤其是轴向的测量分辨力和速度, 基于离焦成像测量理论, 结合并改进象限插值法和矢径投影算法, 提出了一种新的方法, 实现了对微球三维方向1 nm测量分辨力的跟踪测量。该方法测量效率高, 对单个粒子轴向位置的测量速率最快达到每秒上百帧甚至更高。进一步讨论了横向位置测量误差对轴向测量分辨力的影响, 分析了轴向方向大范围的跟踪测量分辨力。通过和相同实验条件下的互相关方法对比, 说明该方法在实际测量中具有可行性, 在实现相同轴向测量分辨力的情况下测量效率更高。

光梳的出现带来了大尺寸高精度绝对测距(ADM)技术的革新, 其卓越的光频特性推动了基于多波长干涉的实时ADM的发展。为在基于光梳多波长干涉的实时ADM中实现干涉信号的同步相位解调, 提出了基于多波长外差干涉的多路同步相位解调信号处理方法, 研制了相应的同步相位解调模块。实验中通过对波长进行解复用, 测试了多路相位计的线性精度、稳定度和同步性等性能, 对多波长干涉信号的实时同步相位解调进行了实验分析, 验证了该方法实现高精度同步相位解调的可行性。

设计了由超低膨胀玻璃材料制作的光学法布里珀罗(F-P)腔及其真空控温系统, 通过双重控温系统实现了F-P腔在环境温度为10~40 ℃范围的精确控制, 该系统在 24 h内的温度波动约为±0.004 ℃。通过分析F-P腔的共振频率和铯原子饱和吸收谱, 获得了F-P腔的共振频率和腔体材料膨胀系数随温度的变化。通过对测得的数据进行拟合, 可以精确确定零膨胀温度为29.286±0.057 ℃。所提出的温度控制系统有望获得热稳定度为3.494×10-14的光学频率标准。

通过菲佐型干涉系统、直角圆锥反射镜的一次性测量, 可获得圆柱形光学元件整周的面形信息。为实现高精度的面形测量, 实验装置的校准至关重要, 但由于调整机构的缺陷导致圆锥反射镜和被测圆柱的空间方位难以确定, 距离理想位置的任何位置偏差将给测量结果引入严重的测量误差。为去除该系统误差, 要明确各种失调误差的形成原因, 分析其对测量结果的影响。通过圆柱坐标系下数学模型的建立, 推导出偏移误差和旋转误差的变化公式, 并通过Matlab数值模拟和实际测量对其进行验证。结果表明, 利用误差计算公式可以推导出失调误差系数, 便于进一步的系统误差校正。

为满足现代复合光电系统多光轴一致性的在线检测需求, 提出一种基于光学自动瞄准和惯性测量的大间距多光轴夹角测量方法。利用惯性传感器提供一个准确且可移动的基准坐标系, 瞄准被测光轴并测量其在基准坐标系中的单位向量坐标, 再由向量坐标计算光轴夹角, 以此检测光轴一致性。构建了测量系统的原理样机, 并采用蒙特卡罗法对其测量不确定度进行评定。对复合光电系统中激光测距机与红外热像仪的光轴一致性进行实际检测, 实验结果表明, 激光发射轴与瞄准轴的一致性测量误差为24.4″, 红外热像仪光轴与瞄准轴的一致性测量误差为27.0″。采用移动测量的方式, 扩大了测量范围、提高了测量效率, 为野外环境下大间距多光轴一致性在线检测提供了一种有效的手段。

提出了一种利用窄线宽激光作为测量光源, 对光学谐振腔自由光谱区、腔内共振激光波长进行精密测量而得到光学谐振腔腔长的方法。对光学谐振腔腔长的测量理论进行了严格推导, 通过理论模拟对测量条件及结果进行了分析讨论。以自行研制的线宽为1.9 Hz、频率不稳定度为1.7×10-14 s-1、中心波长为1550 nm的窄线宽激光作为光源, 对长度约100 mm的光学谐振腔腔长进行了精密测量。对光学谐振腔自由光谱区进行测量, 得到其腔长为0.10024407 m、精度为22 nm; 对光学谐振腔腔内共振激光波长进行测量, 得到其腔长为0.1002440884 m、精度为0.21 nm, 精度相对提高了2个量级。提出的方法有望促进基础物理研究、材料的物理属性精密测量及光纤传感等领域的发展。

研究了高功率端抽运Nd∶YAG板条激光器的退偏特性。使用高功率偏振片和90°石英旋光片, 实现了对高功率板条激光器输出激光的偏振状态控制和退偏补偿, 有效提升了激光器线偏振光输出功率,改善了线偏振光近场光强分布的均匀性。实验结果表明, 通过优化偏振补偿, 输出线偏振激光功率由8.7 kW提升至9.6 kW, 退偏率由30.8%降至3.1%。

从惯性约束核聚变(ICF)装置中具有重要作用的大口径激光传输反射镜出发, 基于中国神光-Ⅲ主机装置的工程实践, 分析了大口径激光传输反射镜夹持工艺的技术现状和难点, 建立了大口径反射镜受夹持力变形的通用力学模型, 提出了基于挠性零件的全新低应力夹持工艺, 并利用有限元仿真和现场实验相结合的方法对挠性零件的力学特性进行了工艺效果验证。基于挠性零件的特点设计了新的全口径反射镜组件, 对比研究了新旧工艺下夹持力对面形畸变(波前误差)的影响。最后, 结合全新反射镜组件和夹持诱导畸变数值解耦方法构建了更加高效的完整装配工艺流程。该研究对解决大口径光学元件夹持诱导变形这一难题具有重要意义, 有望为建设下一代ICF装置提供更加高效、可靠的技术方案。

视场在180°左右的鱼眼影像的变形主要包括由镜头球形结构引起的变形和光学畸变, 针对这两种畸变提出一种基于三维控制场的分步检校方法, 该方法基于直接线性变换(DLT)建立像方空间与物方空间的对应关系模型, 结合球面透视模型迭代解算与鱼眼结构有关的变换半径, 在第一步检校结果的基础上建立影像的畸变模型, 并将该模型引入到DLT中对光学畸变参数进行检校, 利用第二步检校的结果对影像进行再纠正, 解决了鱼眼影像严重的畸变问题, 并通过实验验证了该方法的有效性及精度。

在虚拟现实环境中手部跟踪是视觉交互系统的基础和核心。针对现有视觉跟踪方法在手部运动姿态、尺度变化及复杂背景条件下出现的稳健性等问题, 结合纹理和轮廓信息, 利用基于梯度方向局部二值模式特征为基础的粒子滤波跟踪算法, 建立局部和全局的特征直方图描述, 实现手部跟踪。针对粒子匮乏问题, 利用红外深度信息, 并引入基于群智能的人工蜂群算法, 将当前时刻的观测信息融合在粒子预测的采样和更新阶段, 高效完成目标的搜索和优化, 降低粒子集衰减程度, 改善状态估计精度。实验结果表明, 该方法在各种复杂背景下可以实现手部的稳健跟踪。

采用γ射线对SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+长余辉荧光材料进行辐照处理, 研究样品经辐照后的长余辉性能。用60Co~γ射线源照射固相合成的SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+长余辉荧光材料样品, 累积辐照剂量为100 kGy。利用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪、紫外可见分光光度计、荧光分光光度计及热释光(TL)光谱仪对辐照前后样品的晶体结构、光吸收特性、余辉及热释光特性进行了研究。结果表明：辐照后样品的晶胞体积减小, 氧空位的浓度增加; 由于辐照使样品中引入更多的缺陷, 其吸收光谱的强度提高。辐照后样品的余辉寿命延长, 余辉光谱强度增加; 热释光强度增加, 且光谱向高温方向偏移, 经计算得到辐照后样品中陷阱能级深度增加0.0039 eV, 表明辐照影响了样品中陷阱能级分布且增加了样品中的深能级陷阱数目。

针对光线跟踪算法计算量大和运行效率低的问题, 提出了一种采用八叉树自适应体归并(OAVM)的光线跟踪加速结构。该结构将八叉树模型的空节点自适应地聚集为包围体, 尽可能地减小了光线与空白节点的求交次数。基于OAVM的一种多级八叉树结构的特点, 提出了采用Morton码对各层级的所有节点分别进行编码的算法, 该结构所采用的存储方式和邻域查询算法有效减小了指针数量, 避免了递归搜索。同时, 该算法可以有效处理大规模动态场景的局部更新问题。基于Liang-Barsky算法, 光线相交测试的计算速度得到提升。实验结果表明, 和传统结构算法相比, 所提出算法的指针总数平均减少了54.45%, 光线相交测试时间平均缩短了52.37%, 大幅加快了相交测试速度, 提升了场景的渲染效率。

以提高共焦差动并行激光直写中光束刻写质量为目标, 分析设计了调平聚焦伺服控制系统。采用柱面镜作为像散元件, 与四象限光电探测器结合, 利用差动像散检测方法和比例积分微分(PID)反馈算法减少光源和外部干扰的误差, 获得高灵敏度、高精度、高稳定性的探测曲线。通过优化光学设计参数, 本系统能获得具有高灵敏性与一致稳定性的探测曲线, 探测范围为3 μm, 静态聚焦误差可达 ±5.0 nm; 动态聚焦压电陶瓷(PZT)伸长量可保证在焦深范围内, 焦点位置辨别精度可达纳米量级, 可探测调平台的倾斜角和俯仰角在0.01 mrad左右。利用该系统可实现光栅的刻写, 进一步为更大尺寸、更高密度的光栅刻写提供依据。

建立了氧化锌镀膜光纤传感器中传输光相位偏移的优化模型, 采用混合粒子群优化算法对该模型进行优化。仿真结果表明, 利用该算法可得到传输光相位偏移量的优化值。分析了光纤传感器相关参数对传输光相位偏移的影响; 比较了优化后相位偏移的理论值与实验值, 发现二者基本一致。

近视人眼随年龄的增长会出现老视, 为了实现一副眼镜矫正近视并发老视人眼的远、近视力, 设计了一种非球面衍射型隐形眼镜(CL), 通过非球面CL矫正近视, 并通过衍射环的设计矫正老视。在一个有200度近视和2 D调节力的近视并发老视眼模型上优化CL, 选取的5个设计物距介于250 mm到无限远。研究了0°视场和±4°视场时设计物距下佩戴CL的近视并发老视眼模型的光学性能。结果表明, 佩戴该CL后, 在明视觉条件下(2.8 mm瞳孔直径), 注视不同距离物体时, 人眼视力最低可达1.3, 最高可达1.5; 在间视觉条件下(4.5 mm瞳孔直径), 除注视无穷远处物体时视力略差(0.9), 注视其他距离物体时, 视力均在1.0以上。此外, 佩戴CL后, 眼模型的大视场彗差、像散和畸变均在合理范围内。可见, 所设计CL能够在0~4 D物距范围内提供良好的光学质量和视觉质量, 且中间距离也实现了高质量成像, 成像性能几乎不受瞳孔变化的影响。

提出了一种基于硅/二氧化硅基底的平板状圆形单层二硫化钼纳米机械振子系统。通过将一束较强的抽运激光和一束较弱的探测激光同时作用于该振子系统, 实现了一种测量机械振子频率的全光学方法, 证明了系统中存在声子诱导透明现象, 并给出其物理解释。通过测量探测吸收谱中两尖峰之间的分裂宽度, 发现激子和振子的耦合强度与线宽呈正比关系, 该方法可用来测量激子和振子的耦合强度。基于该纳米机械振子系统, 提出了一种全光学质量传感方案。通过测量光谱中的共振频移, 可直接得到沉积在二硫化钼振子表面的额外质量。数值结果显示,该振子系统的质量响应率为2.32 Hz/ag。单层二硫化钼纳米机械振子系统将在量子传感和基于二硫化钼的全光学器件中得到广泛应用。

设计了一种槽深呈线性渐变的表面等离子光栅光吸收器, 运用有限元算法分析了该吸收器的结构参数及光入射角度对其在可见光波段内的吸收性能的影响, 并与槽深呈对称分布的光吸收器进行了对比。结果表明, 增加空气凹槽的数目、宽度和深度以及减小相邻凹槽间距, 均可有效提高光吸收率。与槽深呈对称分布的光吸收器相比, 该吸收器的吸收性能更优越。

为解决高光谱探测条件下的假目标光谱设计问题, 从特征空间中目标显著性的角度分析了假目标的设计原则。区别于其他目标探测, 高光谱目标探测是高维数据的处理过程, 目标显著性反映在数据经降维处理后形成的特征子空间中。据此提出的假目标设计原则如下。先在特征子空间内设计假目标, 使其一方面凸显自身, 另一方面则遮掩真目标。而后依据特征子空间与光谱通道的线性关系, 通过子空间中假目标与其他目标的相对位置确定假目标的光谱特性。对相关图像的检测表明, 这样设计的假目标能够有效降低真实目标的探测效果。相关结论对高光谱隐身技术有一定指导作用。

实时处理可以缓解海量高光谱数据在存储及下行传输方面带来的巨大压力, 在高光谱异常检测领域引起了研究人员的广泛关注。高光谱成像传感器通过推扫获取数据的方式已成为主流, 因此, 提出了一种基于逐行处理框架的高光谱实时异常目标检测算法。将局部因果窗模型引入Reed-Xiaoli异常检测算法中, 通过滑动局部因果窗来检测异常目标, 保证了实时处理的因果性。针对矩阵求逆过程复杂度过大的问题, 在卡尔曼滤波器递归思想的基础上, 利用Woodbury求逆引理, 由前一时刻数据状态信息迭代更新当前数据的状态信息, 避免了大矩阵的求逆运算, 减少了算法的计算量。利用模拟和真实高光谱数据进行实验, 结果表明, 在保持检测精度不变的前提下, 提出的实时算法的运算效率相比于原始算法得到显著提高。

FY-3A气象卫星上搭载的紫外臭氧总量探测仪(TOU)是我国首台自主研制的用于日常全球臭氧总量监测的仪器, 自2008年5月发射至2015年3月已成功在轨运行近7年。前期研究表明FY-3A/TOU 仪器辐射响应存在分段差异特征［辐射值大于和小于6.6 μW/(cm2·nm·sr)的仪器响应明显不同］, 存在双线性响应问题。提出了基于欧洲Metop-B卫星上全球臭氧监测实验2(GOME-2)的探测数据开展紫外波段在轨交叉定标研究方法, 进行FY-3A/TOU L1B数据的在轨交叉定标检验, 用于仪器探测值在轨实时比较和校正。2013年2月—2015年2月两年定标结果表明, 2013年8月以前的辐射值比对斜率均为1左右, 表明TOU的探测值在2013年8月以前比较准确, 随后TOU与GOME-2的比对斜率开始偏大, TOU探测值相对偏高, 表明FY-3A/TOU仪器的探测响应发生变化。虽然比对斜率有变化, 但两者的探测辐射值一直保持较好的线性相关性(R2＞0.96), 因此可以通过交叉定标对TOU后期的探测数据进行校正。

通过测量PbS量子点的吸收谱、时间分辨的荧光谱以及透射电子显微镜图, 确定了不同粒径、不同温度、不同本底PbS量子点的光致荧光寿命, 得到了描述第一吸收峰波长随量子点粒径变化的经验公式。结果表明, 荧光寿命强关联于量子点粒径, 可用负指数经验公式表达; 荧光寿命弱依赖于温度; 本底材料由于表面极化效应对荧光寿命也有影响。

基于VO2/Si3N4/Al结构设计了一种发射率可调控的智能辐射器 (SRD)。通过薄膜特征矩阵理论SRD的光学特性进行分析, 结果表明VO2的厚度决定了SRD的辐射能力, 其调控光谱范围与介质层Si3N4的厚度密切相关, 优化后的SRD发射率调控范围为0.38。采用MgF2/Si3N4双层减反膜进一步优化SRD, 使其低温(20 ℃)和高温(100 ℃)发射率分别达到0.30和0.91, 调控范围扩大至0.61。利用有限时域差分法分析了有无减反膜时SRD的辐射场分布, 结果表明减反膜可以提高SRD的温度调控效率, 增强空间复杂环境适应能力。设计思路对高性能SRD的制备和航天器热控系统的轻量化具有重要意义。

采用磁控共溅射法并结合微波退火和快速光热退火工艺, 在不同退火温度下制备了含硅量子点的富硅SiCx薄膜。采用掠入射X射线衍射(GIXRD)、拉曼光谱和光致发光(PL)光谱技术对薄膜进行了表征, 研究了退火工艺对薄膜中硅量子点数量、尺寸、晶化率以及发光峰的影响。结果表明：与快速光热退火相比, 微波退火不但能降低硅量子点的形成温度(降低200 ℃), 而且还能降低β-SiC量子点的形成温度(降低100 ℃); 在相同退火温度下, 微波退火制备的硅量子点的数量更多、晶化率更高、光致发光峰更强; 采用1000 ℃温度的微波退火样品的硅量子点数量最多、尺寸最大(5.26 nm)、晶化率最高(74.25%)、发光峰最强, 说明微波退火能凝析出高质量的硅量子点。

基于双目视差的立体显示系统中, 不恰当的图像景深分布是引起视疲劳的主要原因, 因此提出一种新颖的立体深度调整方法以提高立体显示观看视觉舒适度。该方法以原始立体图像作为输入, 应用图像谱残差提取的方法获得立体图像的视觉显著性, 结合特定的观看条件建立视疲劳指标模型, 获取特定图像在特定观看条件下的最佳零视差平面(ZDP)。根据最佳ZDP对原始输入左右视图进行视差调整, 从而获得视疲劳指标最小的立体图像。为了进一步验证该方法对立体显示视觉舒适度的提升效果, 设计并完成了相应的视觉感知实验。实验结果表明, 该方法显著提高了立体显示观看舒适度。

针对多光谱成像系统采集的织物图像的颜色色差分析问题, 提出了一种基于仿射变换与Levenberg-Marquardt (LM)算法的图像配准方法。从配准角度出发, 利用提出的配准方法将标样图像与打样图像配准后进行空间色差分析。多光谱系统采集的织物图像的形变, 包括平移、旋转、缩放和错切变换, 符合典型仿射变换模型。提出一种新的方法来估计仿射变换矩阵, 该方法对两幅图像的对数极坐标幅度谱积分曲线进行匹配, 将仿射变换矩阵求解转化为一个非线性最小二乘拟合问题, 进而利用LM算法搜寻最优参数值, 同时引入分块配准以得到更好的配准效果。实验结果表明, 与传统基于Fourier-Mellin配准算法和基于尺度不变特征变换的特征点配准算法相比, 提出的算法可获得更好的配准效果, 可有效解决具有周期性元素的织物图像配准问题, 有助于织物图像色差评估。

为准确客观评价和优化固态体积式真三维显示中的闪烁现象, 提出一种隔层扫描的光阀矩阵刷新方法。采用傅里叶变换分析成像光信号在不同扫描模式下的频域能量分布, 在时间对比敏感度函数加权幅值谱强度(CSWA)评价模型的基础上, 提出时间对比敏感度函数加权幅值谱对比度(CSWC)方法。两组视觉感知实验的结果与CSWC评价模型的估算结果的Pearson相关系数达到-0.99。结果表明, 所提出的隔层扫描方法可以减轻真三维显示的闪烁, 所提出的CSWC评价模型实现了对真三维显示闪烁程度的客观量化评价。该结果对基于深度融合原理的三维显示闪烁程度优化和观看舒适度提升起到积极的指导和推动作用。