利用基于空间外差光谱技术的中高层大气OH自由基甚高光谱探测仪,配合太阳跟踪器,对晴空太阳直射光谱进行测量,获得了308 nm波段高分辨率的太阳直射光谱。对干涉数据进行去暗电流、去基线、相位校正和傅里叶变换等处理,得到最终的干涉光谱图。利用辐射传输模型模拟理论上到达地面的光谱,将实测结果与理论模拟结果进行比对发现,光谱匹配一致,这为在轨探测高分辨率太阳光谱与目标散射信号提供了实验数据。

采用高能激光大气传输四维仿真程序模拟计算了高功率固态激光在非Kolmogorov湍流大气中聚焦传输时的湍流与热晕效应。数值分析了接收平面处光斑的63.2%环围能量半径、光束质量因子随非Kolmogorov湍流谱指数α和传输起伏强度D/r₀的变化,比较了非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流条件下激光传输结果的相对偏差。结果表明:非Kolmogorov湍流谱指数α越小,湍流效应和湍流热晕综合效应导致的光斑扩展越大,光束的能量集中度越低;已建立的描述聚焦高斯光束大气传输光束扩展的定标关系式在非Kolmogorov湍流条件下不再成立;在传输参数条件下,仅考虑湍流效应时,非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流下光斑半径的相对偏差最大值可达87.7%,存在热晕时的最大相对偏差达43.7%,可见热晕降低了两种情况下传输结果的相对偏差。

基于测距光谱通道数量和位置选定规则,以氧气A吸收带为例,从系统探测距离、目标与背景信噪比、系统工作海拔等约束条件对带宽的限制出发,利用MODTRAN和MATLAB软件综合仿真分析了满足系统实时性、目标信噪比及不同探测距离条件下通道带宽上下限的取值范围。结果表明:相同条件下,系统平台海拔越高,带宽下限取值越小、范围越大、选取越灵活,系统探测距离越远,有效探测范围也越大;目标信噪比要求越高,带宽下限取值越大、范围越小、选取越受限,探测距离和有效探测范围越小。因此,设计系统时应根据任务要求,确定光谱通道位置和数量,计算系统工作实时性、目标信噪比、系统最大最小工作距离等多重约束条件下各通道带宽取值上下限曲线,通过确定能够同时满足最大及最小工作距离条件的上下限曲线最小交集,便可在曲线交集区域内选定满足设计要求的通道带宽取值。这为单目多光谱被动测距系统的参数设计和工程化提供有效的理论支撑和计算方法,从而设计出高低精度搭配、远近距离兼顾的多光谱被动测距系统。

基于功率谱反演法产生海洋湍流相位屏,对多次传输过程进行统计平均,仿真分析不同海洋湍流参量下不同高斯阵列光束(矩形分布、径向分布及单束)长曝光光斑半径、光斑质心漂移特性及光强闪烁特性。结果表明:光束长曝光光斑半径、光斑质心漂移标准差及轴上闪烁系数均随湍流效应(湍流强度或传输距离)的增强而增大;同时,阵列光束与单束高斯光的光斑半径趋于一致,当传输距离继续增大时,单束高斯光束长曝光光斑半径略大。相对于单束高斯光,阵列光束在相同湍流条件下具有更小的漂移标准差,但轴上闪烁系数较大。相对于大气湍流而言,海洋湍流具有较强的闪烁效应。

利用波长可调谐的强飞秒激光脉冲,在中红外波段系统地测量了氙原子的单电离离子产率随光强的变化关系。基于PPT模型和ADK模型进行了理论计算,并将理论计算结果与实验结果进行了对比,发现在整个测量区域,基于PPT模型的计算结果均与实验结果相符,而在较长波长、较高光强时基于ADK模型的计算结果与实验结果吻合较好。两种理论模型在深隧穿电离区域的一致性及其描述原子单电离行为的有效性在实验中得到了直接验证,可以利用这两种模型准确地标定长波长激光脉冲的绝对光强。

高斯光在远离束腰位置能得到直线度极高的干涉条纹,基于此提出了一种基于远场干涉的新型扫描干涉场曝光(SBIL)系统。建立了条纹相位非线性误差关于高斯光束腰半径、入射角度及束腰到基底距离的解析表达式。通过数值仿真,详细分析了条纹相位非线性误差与上述参数的关系。研究结果表明,该光学系统可以有效地将条纹相位非线性误差限制在纳米量级,并具有光路简洁、装调误差宽容度较高的优点。适当缩短束腰到基底的距离,可有效解决曝光光斑边界处条纹相位非线性误差恶化的问题。

采用熔融淬冷法制备了Ge₁₅Sb₂₀S e65硫系玻璃,并拉制成直径为500 μm的裸玻璃光纤,损耗测量结果显示光纤在6 μm波长处的最低损耗为1.68 dB/m。利用自行搭建的自动光纤拉锥平台拉制了腰锥直径分别为20,100,250 μm的拉锥光纤,并对不同浓度的乙醇溶液进行了光谱分析检测实验,最后基于光纤倏逝波理论用COMSOL Multi physics软件仿真了三种不同腰锥直径的锥形光纤对乙醇溶液的传感灵敏特性,与实验结果进行了对比。

针对多抽运拉曼光纤放大器的优化设计,将人工蜂群算法与平均功率法相结合,应用于拉曼光纤放大器反向抽运的优化配置。在满足给定的净增益条件下,以最小化拉曼增益波动为优化目标建立优化模型,运用平均功率法对拉曼散射方程进行求解,并采用人工蜂群算法获得抽运波长和抽运功率的最优配置。采用上述方法分别对C波段和C+L波段的拉曼光纤放大器进行设计,实验结果表明,在不同净增益设计条件下均能得到小于±0.4 dB的增益波动。相比现有方法,人工蜂群算法与平均功率法的结合具有较强的设计性能,能够得到更为平坦的优化结果,具有一定的实用价值。

设计了一种基于光强调制原理和微机电系统(MEMS)技术的光纤加速度传感器。加速度传感单元为硅质矩形梁,给出了矩形梁弯曲导致的遮光板位移与接收光纤光功率差的关系以及硅质矩形梁中间位置挠度与系统加速度的关系,得到了加速度与光功率差的关系。研究结果表明,设计的光纤加速度传感器在矩形梁中间位置的挠度变化范围为0~10 μm时,相应的加速度测量范围为0~120 m·s ^-2,最大加速度检测值高达12g(g为重力加速度)。

通过实验方法研究轨道角动量(OAM)态水下传输特性。首先搭建OAM态水下光通信系统,然后通过OAM态展开谱和接收到的初始及其相邻OAM态概率变化曲线来研究其水下传输能力。实验结果表明:随着盐度的增加,初始OAM态的概率明显降低;相邻OAM态的传输概率随着拓扑荷间隔的增加而减少。

针对飞艇平台的运动特性,优化设计了飞艇-船激光通信系统的捕获方案;针对小束散角远距离通信系统捕获时间长的难题,提出了粗精复合扫描策略。重点分析了粗精复合扫描的工作原理和捕获过程中的影响因素,同时依据飞艇的运动速度和平台振动特性,设计了粗精复合扫描策略中重叠区域、捕获视场、扫描速度、运动补偿等重要参数;通过仿真分析,并结合外场飞艇对船舶实验进行了验证,在束散角为400 μrad的条件下,捕获时间达到62.7 s。

提出了一种新型的基于金属-介质-金属的多层膜结构的空芯光纤折射率传感器,通过建立光学模型计算了该传感器的传输光谱。对介质膜材料分别为二氧化硅、环烯烃聚合物和碘化银时的传感器性能进行了分析。当空芯光纤内部检测液体折射率处于不同范围时,所设计的传感器分别利用导模共振、表面等离子体共振以及波导耦合表面等离子体共振的原理进行传感。相比于传统的空芯光纤传感器,所提的传感器不仅检测范围超大(1.3~1.64,几乎覆盖了全部液体介质的折射率)而且品质因数提高了一倍。

针对传统光纤弯曲损耗位移传感器中位移与弯曲损耗的非线性关系,且高灵敏度和大量程不能兼得的问题,设计了一种U型缠绕式光纤弯曲损耗位移传感器,结构包括U型回绕和螺旋绕轴,两者合称为U型缠绕。理论证明被测位移量与光纤弯曲损耗之间的线性关系,推导出表达式,讨论了螺旋绕轴方式对光纤弯曲半径的影响和U型回绕方式对传感器精度的影响,并进行了一系列实验研究和性能测试。结果表明:传感器的测量范围为0~120 mm,灵敏度为0.14 dB/mm,线性相关系数大于0.99,光纤在U型缠绕中无应力松弛的现象,建议U型回绕光纤曲率半径大于6 mm。U型缠绕式光纤弯曲损耗位移传感器具有良好的测量精度和较大量程,能够实现传感器对混凝土结构的裂缝监测和大型结构位移的连续监测。

提出一个基于光子灯笼的正交频分复用(OFDM)/模分复用多模光纤传输系统,利用2个模式选择性光子灯笼分别作为模式复用与解复用器,选取LP₀₁模与LP_11b模式作为发送信道,利用自适应比特加载OFDM调制方式在50 m长的OM4多模光纤上实现了7.2 Gb/s的传输。实验结果表明,调整2路信号的偏振态,当LP₀₁端的入射光功率比LP_11b端的入射光功率低4 dB左右时,可以保证2路信号在接收端的光功率一致。当2路信号的接收光功率均低至-13 dBm时,2路信号的误码率分别为1.3×10 ^-3与3.2×10 ^-3,均低于硬判决前向纠错(HD-FEC)门限。该系统为低成本、短距离以及大容量的数据传输场景提供了解决方案。

对于远距离、大视场、多个运动目标的光电跟踪,现有光学系统形式难以同时兼顾大口径、大视场与高角分辨率的要求。通过模仿人眼小凹转动视觉生理机制,设计了一种轻型物方扫描校正镜组,具有中红外成像与激光测距的共口径同轴五反式新型光学系统。该光学系统主镜口径为1000 mm,瞬时扫描有效口径为600 mm,最大视场角达到20.7°,中波红外成像传感器像元角分辨率优于13 mrad,激光测距单元作用距离达到20 km。该新型光学系统具有大视场范围,可同时对6个以上远距离高速运动目标进行跟踪。

提出了基于迈克耳孙干涉仪的扫频线聚焦光学相干层析(OCT)系统的光学设计。在照明系统中引入非球面光束整形透镜组,并利用柱透镜组使光束在样品处实现线聚焦,从而减少系统的扫描维数,达到高速成像的目的。调整非球面整形透镜组的参数以实现高斯光束的整形。在投影系统中,对近红外波段选取不同材料组合以达到消色差目的,完成了两种投影系统的设计,远心光路的结构减小了系统的误差。在Zemax非序列中,将参考臂和样品臂通过分束镜并进行光线追迹,验证了该OCT系统具备干涉能力。结果表明,设计的OCT系统能够实现高速、高品质成像。

海天类红外图像的增强要求去除风浪等的环境影响,同时增强目标区域的对比度。通过探索几种典型的图像增强算法,结合红外图像梯度幅值直方图特点,提出基于梯度域的海面红外场景增强算法,将低梯度值置零去除海浪干扰,调整梯度范围对结果控制亮度,利用有效梯度范围均衡化增强目标区域的细节。实验结果表明,该算法可以明显降低图像的干扰信息,同时提高目标区域的对比度和信息熵。

通过光栅投影法可以获取物体的三维点云数据,但是对于形貌复杂的被测物体,由于测量方式本身含有的一定缺陷,会导致所获取的点云数据出现孔洞区域,从而对后续处理造成影响。结合已有的从运动中恢复结构(SFM)算法,提出一种新的点云孔洞修补方法。首先,利用光栅投影法中得到的二维相位信息来提取三维点云孔洞区域的边界点;接着,将SFM获取的点云数据集与光栅投影法所采集的点云数据集进行配准,并提取出信息补充点;最后,在添加了补充点的点云数据集上,利用径向基函数计算曲面方程,修补孔洞。实验结果证明了该算法的稳健性,能较为有效地恢复复杂物体的表面信息。

基于卷积神经网络模型,提出一种立体图像舒适度评价方法。该方法无须提前根据特定的任务从图像中人工提取具体的特征,而是模拟人脑处理机制对图像进行层次化的抽象处理,自主提取特征。该方法采用三通道卷积神经网络结构,分别对原始图像进行主成分分析,以及32×32、256×256两种尺度的分块处理得到三条通道的输入数据集,根据输入数据设计每条通道的网络结构。采用两种尺寸分块处理得到不同尺寸的图像块特征信息,采用主成分分析降维处理得到原始图像的整体信息。此外,通过随机丢弃、局部响应归一化等方法提升算法的评价性能。实验结果表明,以修正线性单元为激活函数、输出层用Softmax分类器,对天津大学TJU立体图像数据库中400幅不同舒适度等级的立体图像样本进行测试,等级分类率正确达94.52%,优于极限学习机、支持向量机算法。

聚焦式光场成像克服了传统光场成像空间分辨率不足的缺点,但牺牲角度采样会导致重聚焦过程中非聚集平面出现混叠现象,不仅影响重聚焦的视觉效果,而且严重影响离焦响应分析的准确性。提出一种基于滑动窗口图像融合加自适应中值滤波的光场成像方法来弥补角度采样的欠缺,从而有效防止非聚焦平面出现混叠现象。对于输入的四维光场数据,选取合适的窗口尺寸并让窗口以特定步长在子图像中滑动。对每一次滑动均进行一次基本的光场重聚焦计算成像,得到多视角光场数据,然后对多视角数据进行融合得到一个焦平面的重聚焦图像。对一系列窗口尺寸重复上述计算即可得到聚焦堆栈。使用尺寸与聚焦窗口大小呈线性相关的滤波核心对聚焦堆栈的各层图像进行自适应滤波,即可在整个聚焦堆栈内有效消除混叠现象。使用Todor数据集对此方法进行测试,结果表明该方法不仅显著改善了非聚焦平面的视觉效果,也大幅提高了离焦响应的准确性。

在传统合成孔径物面重聚焦成像过程中,前景射线会严重影响目标的重建质量,针对这一问题提出一种基于前景标记的重聚焦成像算法。首先根据EPI的边缘特征估计场景深度范围,根据指定待重建物面的参数提取前景边缘特征并进行扩散,从而确定前景遮挡对应的射线;对其进行标记筛除后,利用光场重建算法对特定物面进行重建,从而实现被遮挡目标的高质量重建。利用Stanford大学和Disney实验室提供的数据集进行仿真,实验结果表明该算法可有效去除场景中的遮挡物信息,提高重聚焦图像的质量。

分析水中粒子对光的吸收及后向散射造成的图像退化的物理模型,提出一种基于非偏振光照明的水下偏振成像目标增强技术。该技术的优势在于非偏振光照明确保了目标反射光与杂散光始终存在偏振态差异;采用偏振角特征参量确保了杂散光光强估算的精确性。与基于线偏振光照明的水下偏振成像技术相比,其适用范围更广,图像恢复精度更高。实验结果表明,该方法能够提高水下图像的能见度与对比度,对比度至少提升100%,适用于不同材质目标、不同成像距离以及不同杂质、不同浑浊程度的水体环境,在水下成像领域具有潜在应用价值。

结构光在三维形貌测量中应用十分广泛,但对于表面反射率较高的物体,对其投影一定强度的结构光,易在被测物表面形成局部亮度饱和,使得该区域在重建过程中出现较大误差甚至无法重建。为了提高表面高反射率物体的三维重建质量,提出了一种基于分区投射的结构光饱和区域主动补偿方法。首先通过投射区域格雷编码灰度图计算饱和区域在投影平面的位置。然后增加过渡补偿区域,平滑降低饱和区域的条纹光栅投射强度。最后,通过实验对饱和区域分区投射优化补偿方法进行了验证。结果表明,所提方法能够减少计算补偿区域所需投影图片的数量,实现饱和区域边界平滑过渡,提高计算效率,有效抑制亮度饱和引起的重建误差,提高三维重建精度。

采用自制的As₂Se₃玻璃棒,制备了具有不同厚度、背面粗糙度和表面光洁度的样品,借助红外光谱椭偏仪测试了样品折射率,通过光学模型拟合得到了其折射率参数。对比分析了厚度、背面粗糙度和表面光洁度对样品折射率的影响。结果表明:样品厚度、背面粗糙度和表面光洁度都会明显影响椭偏仪的测量精度,其中表面光洁度是关键因素。样品厚度应控制在1~3 mm,同时增大样品背面粗糙度和样品表面光洁度,可显著提高椭偏仪的测试精度。

为了解决单台经纬仪室内姿态测试问题,在平行光管焦平面位置处放置刻有不同倾斜角线条的目标板,用以模拟无穷远目标的姿态。建立了目标板各象限线条中轴线上的点坐标与全站仪测试角度之间关系的数学模型,设计了测试用目标板,用全站仪对目标板各线条中轴线上的点进行了采样测试,通过数学模型解算出了线条中轴线的倾斜角。实验结果表明,1 #与2#线条中轴线夹角模拟误差为0.160°,1#与3#线条中轴线夹角模拟误差为0.046°,可以满足单站图像中轴线斜率提取误差最大值为0.6°的要求。

为提高复杂场景下运动目标检测的完整性和准确性,提出了一种多特征结合的运动目标检测方法。提出了一种自适应的高斯混合建模算法对颜色特征进行建模;通过滞后多阈值建模的方法,同时利用颜色和改进的局域二值模式纹理特征对环境背景进行了建模,并采用邻域补偿策略将基于两种特征提取得到的目标区域进行了结合;采用结合Canny思想改进的Kirsch方法进行了边缘提取,消除了鬼影误识别像素,改善了前景目标边缘。实验结果表明,所提方法在运动目标检测的完整性、准确性等指标上优于传统算法的,实时性也较好。

为快速测量射电望远镜主反射面的动态形变,提高高频观测效率,利用多波束天线方向图具有相似性和重叠性的特征,基于相位恢复法提出了一种快速测量方法。首先将各波束的部分聚焦和离焦天线方向图减去其相对于中心位置的指向偏差,然后拼接为中心波束的完整聚焦和离焦天线方向图;接着采用Levenberg-Marquardt算法最小化该拼接天线方向图和理论天线方向图的残差,计算出反映主反射面动态形变成分的低阶Zernike多项式系数,从而获得主反射面的动态形变。基于7波束Q波段的数值仿真实验表明,该方法能够在5 min内以55 μm的测量精度测得射电望远镜主反射面的动态形变,且具有较好的抗噪声、抗幅度波动等优点,可应用于90 GHz以下的天文观测。

对遗传算法、粒子群算法、人工鱼群算法三种整像素搜索算法在微位移测量中的应用进行了对比研究。以相关系数大小衡量图像的匹配精度,选择归一化互相关函数作为相关系数及算法的目标函数;对目标函数进行迭代求解,得到了整像素的微位移;以模拟散斑图为研究对象,对三种算法的匹配精度、搜索速度、微位移测量结果进行了对比分析。结果表明,遗传算法在匹配精度、搜索速度及微位移测量精度上具有明显的优势,能满足数字图像相关法在微位移测量中的应用需求。

针对红外超光谱干涉光谱仪的技术特点,分析其探测器非线性响应的形成机理,仿真含有高阶非线性误差的干涉数据,并研究二、三阶非线性响应对光谱的影响;提出一种迭代方法,即通过交叉迭代使光谱带外畸变最小,从而确定校正系数进而校正非线性响应;通过获取不同温度黑体观测的干涉数据,用交叉迭代法校正实测数据并复原光谱,将未吸收波数光谱响应与黑体辐亮度进行拟合。结果表明:二阶非线性响应主要影响带外数据,三阶非线性响应主要影响带内数据,仅校正二阶非线性响应时,光谱带内数据仍会有残留误差;交叉迭代法可以校正探测器的非线性响应,且三阶非线性校正的精度比二阶的提高了约7.26%;校正后的拟合优度比校正前的提高了约0.4%,校正后的干涉数据更准确。

结合特殊设计的低阈值五镜折叠腔,利用垂直生长法自制的双壁碳纳米管,并将其作为可饱和吸收体在Tm,Ho∶LLF激光器中实现了连续锁模运转。在连续激光运转下,吸收抽运阈值低至59 mW,光-光转化效率为30.09%。在腔内插入饱和吸收体后,吸收抽运阈值提高至107 mW。当吸收抽运功率大于1562 mW时,激光运转进入稳定的连续锁模状态,对应锁模脉冲的重复频率为100 MHz,脉冲宽度约为515 ps;当吸收抽运功率达到2 W时,最高输出功率为234 mW,中心波长为1895 nm,对应最大单脉冲能量为2.34 nJ。

针对视觉里程计在弱纹理的道路环境下定位精度骤降的问题,提出一种双目视觉里程计优化算法。首先,通过提取局部特征平面,为立体匹配缺失的特征提供平面约束,增加有效立体特征的数量;其次,在特征追踪过程中,使用匀加速运动模型,提高特征追踪的数量和质量;最后,在位姿计算和优化过程中,使用考虑特征置信度的光束法平差算法来减少远距离特征引入的误差影响,提高算法的精度和稳健性。数据集实验和实际场景实验表明,该算法在占有极少计算资源的情况下对弱纹理环境下的定位精度有较明显的优化效果,在其他场景也具有较好的适应性。

为有效利用行为视频的长时时域信息,提高行为识别准确率,提出一种结合有序光流图和双流卷积神经网络的行为识别算法。首先利用Rank支持向量机(SVM)算法将连续光流序列压缩总结成单幅有序光流图,实现对视频长时时域结构的建模;然后设计一个包含表观和短时运动流与长时运动流的双流卷积网络,分别以堆叠RGB帧、有序光流图为输入提取视频的表观和短时运动信息与长时运动信息;最后将双流网络的C3D描述子和VGG描述子融合后输入线性SVM进行行为识别。在HMDB51和UCF101两个数据集的实验结果表明,该算法能够有效利用空域表观信息和时域运动信息,具有较高的行为视频识别准确率。

为改善传统立体匹配视差图中目标边缘的毛刺现象,以及弱纹理和视差不连续区域的“阶梯效应”等,提出了一种结合局部二进制表示和超像素分割的立体匹配方法。首先融合二进制表示的窗口内像素的空间和颜色特征进行代价计算,并以此求得初始视差;然后将简单线性迭代聚类方法分割的结果作为像素的空间和颜色标记,为超像素内的目标边缘和其他像素点选择恰当的稳定点进行视差传播,以达到视差优化时边缘保持和空间平滑的目的。在Middlebury数据集上分别进行代价计算与优化方法的对比实验,结果表明,采用该算法获取的目标边缘的视差更为平滑,在左右视图中的遮挡区和不重叠区域获得的视差也比较准确,有效地降低了非遮挡区、全图、不连续区域的误匹配率。

相比传统图像目标检测算法,基于大数据和深度学习的检测算法无须人工设计特征,且检测性能更稳健。在防空应用背景下,自建了空中目标静态和视频图像数据集用于训练和测试,改进了基于深度学习的目标检测框架Faster R-CNN,将其专用于空中目标检测。结合空中目标检测任务的特点和需求,提出膨胀积累、区域放大、局部标注、自适应阈值、时空上下文等改进策略,弥补了Faster R-CNN对弱小目标和被遮挡目标不敏感的缺陷,提高了检测速度和精度。实验表明,改进后的Faster R-CNN在应对弱小目标、多目标、杂乱背景、光照变化、模糊、大面积遮挡等检测难度较大的情况时,均能获得很好的效果。数据集上测试结果的平局准确率均值较改进之前提高了16.7%,检测速度提高了3倍。

通过共沉淀法,在室温下合成了Eu ³⁺掺杂氧化钼锌水合物的前驱体。研究了烧结温度对该前驱体的微结构和光致发光性能的影响。研究结果表明,在约400 ℃温度下,通过低成本地烧结Eu ³⁺掺杂水合物前驱体,可得到Eu ³⁺掺杂的纳米ZnMoO₄结构。

为了探究高光谱技术在胃癌组织病理诊断中的应用,将高光谱成像与显微系统结合,采集胃部切片组织的高光谱图像。针对胃癌组织与胃部正常组织在410~910 nm波段的光谱特性差异,提出了一种基于卷积神经网络模型的胃癌组织分类方法,对原始光谱进行S-G平滑和一阶导数等预处理,通过分析光谱数据的特点和模型的分类效率,确定了最佳的网络结构及参数。实验结果表明:该模型对胃部癌变和正常组织的分类准确率为96.53%,鉴别胃癌组织的灵敏度和特异性分别达到94.29%和97.14%;相比于浅层学习方法,卷积神经网络模型能够充分提取癌变组织的深层光谱特征,同时能有效避免过拟合现象。将深度学习理论与显微高光谱结合的方法为医学病理研究提供了新思路。

在未知环境中,无人机(UAV)着陆地貌的自动识别和分类有着极其重要的研究意义,传统的自然场景分类利用的是中层和底层特征信息,但是无人机着陆地貌图像场景复杂、信息丰富,需要较准确的高层语义特征表达。提出了一种基于离散余弦变换(DCT)和深度网络的地貌图像分类方法。首先将离散余弦变换能量集中的优势引入到卷积神经网络(CNN)的高效特征表达中,以降低维度和计算复杂度;然后根据地貌图像特点构建了14层的特征学习网络,并改进了卷积神经网络结构;最后将得到的深层特征输入到支持向量机(SVM)中,快速准确地完成图像分类。实验结果表明,该算法降低了数据冗余,使训练时间大幅度减少,可以自动地学习高层语义特征;所提算法提取的特征具有较好的特征表达,有效地提高了图像分类准确率。

在自动驾驶这类多传感器融合任务中,每个子任务的不确定度对数据融合的策略和结果都有着至关重要的影响,为使整体系统能够在多工况下稳定运行,必须要求计算模型以较低的不确定度运行。现有方法仅能在神经网络预测过程中求得不确定度,很少有方法能够通过自学习的方式降低模型的不确定度。为解决上述问题,提出了不确定度学习层和不确定度损失项等概念,设计了一种能够通过自学习的方式降低不确定度的神经网络架构(ULNN),从而增强神经网络模型预测的稳健性。在CIFAR-10和CIFAR-100数据集上的实验表明,ULNN能够有效地降低模型不确定度,在两个数据集上分别降低了26倍和12倍的不确定度。进一步在CamVid数据集上的语义分割实验中证明了ULNN的通用性。

纯激光光源的投影产品是显示技术发展的未来趋势之一。为了使用多个激光二极管作为光源实现大功率的均匀照明,设计了一种激光照明系统,在基于自由曲面阵列的匀光系统前增加两个透镜和圆形光棒以进一步提高目标面均匀度。激光阵列经准直后会聚到圆棒中传输,再经过透镜准直出射,通过自由曲面阵列后经场镜会聚到目标面上,形成均匀的照明区域。借助软件仿真模拟后发现:引入圆棒混光后,目标面均匀度从77.59%提高到90.99%。此外,还对自由曲面阵列单元的形状进行了研究,结果表明,相比于正方形的结构单元,选取与目标面长宽比一致的自由曲面单元可以得到更好的均匀度。

介绍了一种利用倏逝波界面散射对单个纳米颗粒进行无标记成像的方法。分别使用全内反射(TIR)倏逝波与表面等离激元(SPPs)两种倏逝波与单个纳米颗粒相互作用,激发纳米颗粒极化并发生散射,所产生的界面散射与入射倏逝波发生干涉,形成了纳米颗粒极化场与抛物线形干涉条纹的特征成像。分别对直径为500,200,100 nm的聚苯乙烯颗粒进行了单个纳米颗粒无标记成像。比较了两种倏逝波界面散射对单个纳米颗粒成像结果,发现表面等离激元界面散射成像中的单个纳米颗粒极化强度约是全内反射极化强度的10倍,并且接近于暗场成像。因此,表面等离激元界面散射对单个纳米颗粒无标记成像具有更高灵敏度。所提单个纳米颗粒无标记成像方法可以拓展到病毒检测、生物单分子成像等领域。

基于特定参数下的因斯高斯Ince-Gaussian(IG)光束的奇偶模式线性叠加,提出了一种每个光瓣均为“V”字形的光束模式(VIG模式)。通过实验与数值模拟对所提VIG模式进行分析研究,结果发现VIG模式的“V”字形光瓣个数为其阶数的两倍。通过给奇偶模式施加一个初始相位差可以自由调控“V”字形光瓣连续分离为一大一小两个光瓣,并且可以对调两个光瓣的空间位置。通过力场分析发现,VIG模式有望应用于细胞分选。通过两个偶模一个奇模阶数比为1∶3∶2进行叠加,可以生成三个分支的VIG模式。

将光斑矩推广应用到离焦型Shack-Hartmann波前传感器中,提出了一种高精度的波前重建方法。针对离焦型Shack-Hartmann波前传感器,不仅提取了每一个微透镜光斑的质心偏移量,而且提取了每一个光斑的二阶矩,用于计算波前的局部斜率和局部曲率。将传统Shack-Hartmann传感器利用波前局部斜率进行波前重构的算法,推广到同时利用波前的局部斜率和局部曲率进行波前重构,并进行了数值模拟研究。数值模拟结果表明:所提波前重建算法可以进行高精度的波前重建。将peaks函数作为输入波前,采用所提波前重建算法得到的波前残差RMS为0.0327λ,小于常规算法的0.0903λ,表明所提算法可以显著地提高波前重建精度。

河流是遥感图像中一种非常典型且重要的地理目标,对河流的自动检测在水资源调查及水利规划等方面有重大意义。在此提出了一种基于多特征融合和软投票方法的河流目标检测算法,该算法首先将图像分割成胞元,提取胞元的局部熵、纹理、光谱和颜色等特征,利用随机森林训练和分类,并利用基于形态学运算结合多判据投票法优化机器学习的粗检测结果,对优化后的粗检测结果利用水平集活动轮廓逼近河岸线。实验表明,该算法检测效果良好,对测试集的检测准确率达97.44%,在复杂背景下可以有效检测出河流。

针对复杂背景像元影响高光谱分类精度的问题,将目标检测方法引入地物分类研究,提出了一种基于谱空特征迭代的高光谱图像分类方法,该方法通过将约束能量最小化设计了一种多目标约束的类别分类器(MTCC)。该分类器利用检测原理提取多类目标地物,有效地降低了复杂背景数据对分类精度的影响;同时为了解决光谱特征带来的过分类问题,方法中利用反馈式谱空融合方式强化空间增强信息在分类中的作用,以逐步提高分类精度。利用Purdue、Salinas和Pavia数据集进行实验,结果表明,所提方法的平均分类精度分别为98.09%、97.33%和84.68%,精确率分别为96.84%、95.32%和79.13%,与其他方法相比所提方法具有更高的泛化能力,实用性更强。

通过时域有限差分法,研究了单粒子散射对拉盖尔-高斯(LG)光束轨道角动量态传输的影响,分别研究了散射粒径、粒子位置、椭球粒子半径比、倾斜角度及LG光束初始轨道角动量模式对轨道角动量态衰减的影响。研究结果表明:散射粒子半径越大,轨道角动量态的衰减越严重;散射粒子与光束相对位置的变化,也会引起能量占比的规律变化;初始轨道角动量模式、椭球粒子半径比和倾斜角度对轨道角动量态的衰减均有不同程度的影响。

非球形气溶胶穆勒散射矩阵的不确定性是影响偏振遥感精度的重要因素。在自主研制的时域多分辨率(MRTD)气溶胶散射模型中,穆勒散射矩阵的计算需要以远场电场值为基础,因此近远场外推过程成为制约其模拟精度的重要环节。为确定适用于MRTD散射模型的最佳近远场外推方案,在球形和非球形粒子情形下,系统地对比分析了基于惠更斯原理的表面积分方案以及基于电介质亥姆霍兹方程的体积积分方案所对应的穆勒散射矩阵的模拟精度。结果表明,虽然两种近远场外推方案均可有效准确地实现近远场外推,但从穆勒矩阵的计算误差分布上看,基于体积积分原理的近远场外推方案性能更优。

内部孔隙影响着药片的崩解特性,进而影响药效的发挥,但目前鲜有关于药片孔隙率有效检测手段的报道。基于太赫兹脉冲的飞行时间测量原理,利用太赫兹时域光谱技术研究了微晶纤维素和吲哚美辛混合片剂的孔隙率与折射率、吲哚美辛质量分数之间的定量关系;建立了三者关系的数学计算模型,通过实际测试固体样品片剂的太赫兹时域光谱,计算了片剂的孔隙率、折射率。结果表明:片剂的孔隙率与折射率、不同成分质量分数间存在线性关系,与建立的数学计算模型相符。利用太赫兹光谱法测得的孔隙率与采用气体置换法测量的孔隙率的平均相对误差为6.0%,与采用密度法计算的孔隙率的平均相对误差为8.9%,表明利用太赫兹光谱法测量片剂孔隙率具有可行性,能够成为药物片剂质量监测的补充手段。

利用拉曼光谱与超额拉曼光谱研究室温下不同质量分数的(NH₄)₂SO₄水溶液中氢键网络结构的变化,以及离子缔合情况;研究2800~4000 cm ^-1处的O-H伸缩振动区间以及940~1020 cm ^-1处的S O42-全对称伸缩振动区间的拉曼光谱,对拉曼数据进行分峰处理,并对超额拉曼光谱的正、负峰积分面积进行分析。结果表明:质量分数12.00%是溶液中氢键结构以及离子缔合情况发生较大变化的转折点;当质量分数大于12.00%后,溶液中DDA型和DAA型氢键结构增多,DDAA型、DA型氢键结构与自由OH型氢键结构减少,并且溶液中离子对的存在情况也发生了变化,N H4+与S O42-形成了接触离子对。

针对中高层大气OH自由基的星载探测应用,给出一种基于空间外差光谱技术的临边探测方案。借助卫星平台的运动,呈正交布置的双通道光谱仪可以分时获取同一区域的一系列视线观测辐亮度,最终反演OH自由基数密度的三维分布。每个通道均包含柱面望远、准直镜头、一体化空间干涉组件和成像镜头,可以同时探测不同高度层的OH自由基辐亮度,具有光通量大、结构稳定、小型化等特点。以紫外波段(308.2~309.8 nm)和光谱分辨率优于0.01 nm的要求进行中高层大气OH自由基临边探测为例,给出了光学系统设计的过程和结果,并利用太阳跟踪器进行了地基太阳光谱观测实验。结果表明:光学系统设计可满足探测指标的要求,实测太阳光谱与理论光谱特征一致性较好,为星载中高层大气遥感探测技术提供了参考。

浮游植物有效光合反应中心浓度与其生长环境、生理状态密切相关,文中以生物膜能流理论为基础,基于初始荧光效率(F₀)和功能吸收截面(σ_PSII)的荧光动力学参数研究了浮游植物有效光合反应中心浓度分析方法。利用该方法对不同生长条件下的蛋白核小球藻进行了测试,结果表明:正常生理状态下,荧光动力学参数法与同化系数法分析结果具有良好的一致性,相关系数R²达到0.999;非正常生理状态下,荧光动力学参数法较同化系数法更能准确反映浮游植物光合活性(F_v/F_m)和光合单元尺寸(n_PSII)引起的有效光合反应中心浓度的变化;在短期胁迫条件下,荧光动力学参数法分析结果与F_v/F_m相关系数R²可达0.920;在长期光照胁迫条件下的分析结果也能反映光照变化引起的浮游植物n_PSII变化信息,且与已有研究成果相符。研究结果为浮游植物有效光合反应中心浓度的准确测量提供了一种新方法。