基于von Karman谱模型采用分步相位屏幕方法,仿真模拟不同阶次径向偏振矢量光束在Kolmobarov大气湍流中的传输特性,并对其Stokes矢量、闪烁指数、光束重心径向偏移量进行分析。研究发现:大气湍流下径向偏振矢量光束的光强分布环形特征的最大识别距离大于标量涡旋光束,其闪烁指数与光束重心径向偏移量都小于标量涡旋光束;高阶光束能在更远的距离保持环形特征,具有更小的闪烁指数与光束重心径向偏移量;径向偏振矢量光束的Stokes矢量图像会发生扩散与畸变。仿真结果表明,大气湍流下径向偏振矢量光束比标量涡旋光束具有更好的大气湍流抗性,高阶光束的部分性质优于低阶光束。

高分五号卫星多角度偏振探测仪(DPC)是国内首台具备业务化多光谱多角度偏振探测能力的星载遥感器。发展了一套针对DPC观测数据的处理算法,可获取观测区域上空云检测结果、相态分布和云光学厚度。利用670 nm、865 nm反射率、490 nm几何归一化偏振辐亮度和865 nm线偏振度进行云检测;利用865 nm归一化偏振辐亮度进行相态识别;利用670 nm、865 nm反射率以及相态识别结果反演云光学厚度。由于尚未获取可反演的DPC L1级观测数据,仅将算法应用于地球反射率多角度偏振观测仪(POLDER)数据,以验证算法有效性。对比POLDER云产品,得到判云一致性和判晴一致性分别为93.3%和92.9%;水云、冰云和混合相态判别一致性分别为87.4%,76.6%和22.8%;云光学厚度的相关系数为0.89,故该算法可行有效。该算法为DPC发展业务化云产品提供参考。

集后向散射激光雷达、侧向散射激光雷达及拉曼散射激光雷达为一体的激光雷达系统在探测对流层气溶胶消光系数时具有两个明显的优点,一是反演时不需要假设激光雷达比(LR),二是不存在近地面的过渡区和盲区。在2017年1月至2018年12月期间,利用一体化激光雷达系统在合肥进行了146天的数据探测,并对气溶胶消光系数进行了反演和统计分析,得出了气溶胶LR平均值为68.4 sr及LR平均值随月份的分布规律,还有气溶胶消光系数月平均、季平均及年平均情况。个例分析表明,高度在0.6 km以下的气溶胶消光系数随高度和时间的变化很复杂,传统后向散射激光雷达很难探测到。对比分析了利用LR经验值反演气溶胶消光系数引起的误差大小。这些探测结果为研究大气污染传输和大气污染防治提供了科学依据。

针对水体小角度范围内后向散射强度测量难的问题,基于沙氏成像原理设计了水体沙氏激光雷达系统。介绍了水体沙氏激光雷达系统的设计、模拟及搭建,并对去离子水、自来水及河水三种水体进行水槽实验。详细介绍了多测量介质条件下的距离校正方法。将后向散射的光束宽度和强度变化情况与分光光度计测量数据进行比较,发现激光光束的宽度及强度变化表征光束衰减情况,同时可表征不同水体的后向散射强弱规律。分光光度计数据与水体沙氏激光雷达数据结果具有较好的一致性。

使用分子动力学方法计算了Mo、Si原子发生反射和再溅射的概率,以及原子的反射、再溅射角度和能量分布。考虑了四种碰撞:Mo原子与Mo基底碰撞、Mo原子与Si基底碰撞、Si原子与Si基底碰撞、Si原子与Mo基底碰撞。模拟发现,当沉积原子传递给基底的能量降低时,发生反射的概率增加,但是发生再溅射的概率降低。此外,入射角度对反射概率、再溅射概率的影响与沉积原子和基底原子的种类有关;然而,入射能量越高越容易发生反射、再溅射。最后,进行了磁控溅射实验,在具有不同倾斜角度的基底上制备了Mo/Si多层膜样片,实验结论验证了仿真结果。研究结果可以用于模拟磁控溅射镀膜过程,优化镀膜工艺。

提出一种基于Livelink数据交互的光纤布拉格光栅-力学结构感知仿真方法。通过Livelink模块将光纤布拉格光栅(FBG)传感仿真模型与COMSOL有限元多物理场耦合模型结合,建立了COMSOL与MATLAB的交互式模型,实现了应力和温度等多物理场下FBG对力学结构感知信号的仿真分析。采用基于自适应滑动窗口的效率优化模块,提高了FBG反射光谱的仿真速度。同时,基于典型工字梁结构与光纤布拉格光栅传感器,实现了光纤布拉格光栅-力学结构多物理场感知仿真分析模型的验证。实验结果表明:工字梁静载实验中,仿真与实测的FBG中心波长偏移量误差小于4.6%,其均方根误差小于0.0048;冲击载荷实验中,仿真结果与实测数据具有较好的吻合度,进一步验证了本文提出仿真方法的正确性,可为FBG传感网络的排布提供仿真依据。

提出一种基于光学亮环晶格进行空间光信息编码通信的方法。基于面向目标的计算全息术,生成4种简单模式的光学亮环晶格对应的计算全息图,并将其加载在反射式空间光调制器(SLM)上,SLM调制入射光,直接重建4种简单模式的光学亮环晶格。4种光学亮环晶格模式对应4个不同的四进制数,易于识别,通过光学亮环晶格模式的组合完成一幅32 pixel×56 pixel的256阶灰度图的编码与空间传输。距离发射端2 m处的电荷耦合器件(CCD)接收光学亮环晶格图像并通过计算机对数据进行解码,可以在部分干扰情况下,无差错地恢复原始图像信息。在此基础上,实验拓展单个光学亮环晶格至2×2和4×4阵列,传输效率和系统容量提升了4倍和16倍。本研究成果为光学亮环晶格的编码通信研究提供了理论和实验依据。

针对传统红外与可见光图像融合方法存在融合图像场景对比度低、热红外目标不明显、细节与纹理不够清晰的问题,提出了一种基于多尺度低秩分解的红外图像与可见光图像融合方法。该方法通过多尺度低秩分解,将红外图像、可见光图像分别分解为多层次局部低秩图(显著图)和全局低秩图;充分考虑分解图像特点,有针对性地设计最优融合规则,有效融合红外和可见光图像的互补信息;基于融合规则重构融合图像。基于公开数据集进行实验验证。结果表明,本文所提方法能够生成目标清晰、细节丰富的融合图像,相比于其他方法,具有更好的视觉效果和融合精度。

针对单次扫描角度不同引起的夹杂检测误差较大、稳定性低等问题,提出了一种低密度粉末材料的多角度数字化X射线摄影(DR)扫描夹杂检测方法。首先对被测对象进行多角度DR检测;然后采用尺度不变特征变换(SIFT)特征匹配的方法寻找不同角度下夹杂的图像,自动选取不同角度下夹杂尺寸的最大值作为近似值;最后建立不同角度下夹杂面积和旋转角度的关系,并预测出夹杂的最大面积和旋转角度。实验结果表明,所提方法解决了计算机断层扫描(CT)效率低的问题,相比单次扫描检测方法,进一步提高了检测的准确性和稳定性,并且较小旋转角度下的预测具有较高置信度,能够满足实际生产检测需求。

为满足海洋水色遥感器大动态范围监测的需求,以推扫式成像光谱仪为例,提出一种基于多挡增益的自适应成像方法。从遥感器动态范围与信噪比的矛盾分析出发,阐述了逐像元自适应读取方法的优势,给出相应的系统设计。由海洋成像场景确定满阱电荷限制,并利用系统信噪比及动态范围约束,仿真分析得出最优挡位个数及比例。结果表明,当增益挡位为4挡,满阱电荷分别为2.5 Me -(超低增益)、500 ke -(低增益)、100 ke -(中等增益)、20 ke -(高增益)时,成像效果最佳。基于此设置,光谱成像系统总动态范围可达116 dB,典型入射辐亮度下各通道平均信噪比为767.37。同时,利用中等分辨率大气辐射传输模型(MODTRAN)对该成像方法进行了验证,除云层的第10通道出现饱和外,其余均满足动态范围和信噪比要求。

提出一种基于深度学习的红外目标建模方法。将对抗与自编码相结合,设计了双重对抗自编码网络。利用训练后的网络,仅需输入类别标签和满足一定分布的随机变量即可生成相应类别的红外目标图像。在自建红外数据集上对模型的有效性进行验证,实验表明,生成的目标图像在真实性和多样性等各方面均取得了较高的评价结果。将随机生成的目标图像作为小数据集的补充,可有效改善训练数据匮乏的问题,提高红外成像系统识别算法的准确率。

提出一种制造辅助的光学相干层析成像(M-OCT)方法来实现高分辨、无损、全纵深、大体积成像。该方法融合离散制造原理和显微层析成像方法,在离散制造过程中通过OCT获取高分辨率图像,离散制造和OCT扫描同步或交替进行,结合图像拼接算法,在完成制造的同时获取制造样品的三维全纵深图像。利用三维(3D)打印技术构建高分子支架并进行M-OCT验证,成像结果与微计算机断层扫描技术(Micro-CT)结果一致,而M-OCT相比Micro-CT可以更清晰地分辨出相邻层材料堆积融合状态及制造缺陷。基于M-OCT的高分辨率成像结果,量化了整个支架的打印层厚、不同区域的孔径、丝径。大体积、高分辨OCT为3D打印、细胞组装、生物制造、自动切片等离散制造过程的监控及无损检测提供了一种新方法。

裂纹尖端变形场测量是定量研究材料断裂特性和行为的关键。基于子区的局部数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)目前应用较多,但跨裂纹子区计算出的数据并无意义,且在测量复杂裂纹变形场时会面临欠匹配的问题。为了克服这些缺点,提出一种基于Hermite单元的正则化全局DIC(HRGDIC)方法。该方法采用高阶Hermite形函数构建全局DIC的有限元单元,建立同时考虑灰度误差与位移场光顺性的迭代方法。同时,在每次迭代求解的过程中使用广义交叉验证(GCV)方法来求解最优正则化参数。于是,HRGDIC方法不仅能处理尖端复杂高梯度变形,还可在迭代结束时获得平滑的位移场和应变场。从裂纹尖端变形图像的模拟和真实测量结果可知,与传统的局部DIC方法相比,所提方法测量精度更高,是解决裂纹尖端变形场测量的有效方法。

为了从科学级面阵探测器中筛选出满足空间应用要求的具有高可靠性和稳定性的器件,针对星载面阵电荷耦合器件(CCD),开展了温度循环、随机振动及高温老炼等环境应力试验。设计了一套筛选专用的面阵CCD图像采集系统,并基于分段式均匀照明光源和连续可调谐均匀单色照明光源,对筛选前后面阵CCD的光电性能参数进行测试。通过对比筛选试验前后面阵CCD的暗电流、像元响应非一致性、量子效率及非线性误差等参数,分析面阵CCD的环境适应性,剔除早期失效或性能变化较大的探测器,从中筛选出性能最优的探测器,并将其应用于星载多角度偏振成像仪以进行大气遥感观测。试验结果表明,最终优选的探测器在筛选试验前后的量子效率最大变化为-2.56%,像元响应不一致性均小于3%,非线性误差均小于1%,筛选后暗电流为889.22 electron·(pixel·s -1) -1。研究结果为低等级面阵CCD筛选方法及CCD性能评估技术提供了重要参考。

为了提升TC4表面摩擦学性能,利用通快4002同轴送粉光纤激光器,在TC4表面制备了TC4+Ni60+Ni-MoS2多元复合自润滑耐磨涂层,并分析研究了涂层组织和摩擦学性能。结果表明,熔覆层中无裂纹产生,但存在少量气孔缺陷,涂层生成相主要包括TiC、Ti2Ni、Ti2SC以及α-Ti;各生成相在涂层中的分布均匀致密,其中Ti2SC与Ti2Ni形成了Ti2SC-Ti2Ni镶嵌结构复合相, (001 )Ti2Ni晶面与 (01 1ˉ0 )Ti2SC晶面间的错配度为3.18%,两相形成了共格界面关系;涂层的显微硬度较基材得到显著提高,Ti2SC-Ti2Ni镶嵌结构复合相有效改善了涂层的减摩、耐磨性能,涂层磨损机制为磨粒磨损。

为研究基材冷却状态对激光沉积成形AlSi10Mg合金质量和性能的影响,在不同冷却条件下沉积成形AlSi10Mg合金试样。利用温度测量系统、金相显微镜、扫描电镜、万能材料试验机对成形过程中温度演变和成形后试样宏观形貌、组织状态、拉伸性能等进行分析。结果表明:合理的基体冷却温度会使沉积效率提升,缺陷率降低;改变冷却条件可以使沉积层组织发生显著变化,内部的枝晶间距明显减小。优化冷却条件后沉积试样的屈服强度和抗拉强度较无冷却条件下的分别提升了约4%和7%,其断裂方式均为韧性断裂。

太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)是用于实现自混合干涉的半导体激光器。利用自混合干涉效应,实验测量了THz-QCL频谱、线宽增强因子以及反馈光耦合系数。搭建了THz-QCL自混合干涉光路,基于THz-QCL驱动电压,获得了具有高信噪比的自混合干涉信号及其随反馈光光程变化的曲线。通过对自混合干涉信号进行解析,准确获得了THz-QCL在不同工作电流和温度下的激射频谱,频谱的分辨率反比于反馈光光程的变化。基于自混合干涉信号,分析得到了THz-QCL的线宽增强因子以及反馈光耦合系数。所实现的自混合干涉测量技术有望发展为物质的太赫兹频谱识别和测量技术。

提出了一种利用石墨烯基光学生物传感器对特异性生物小分子实现高灵敏检测的方法,采用易于修饰的磁性纳米颗粒作为生物探针载体,通过磁场控制实现磁性颗粒在石墨烯表面的吸附,优化了石墨烯表面复杂的改性过程。利用搭建的基于功能化修饰磁性纳米颗粒的石墨烯基光学生物传感器,实现了0.01 ng·mL -1的赭曲毒素A的检测,在0.01~5 ng·mL -1微小浓度范围内具有良好的响应,且表现出较好的特异性。该方法扩展了石墨烯基的光学生物传感器的应用范围,简化了生物分子的传感过程,提高了光学生物传感器的灵敏度。

超精密加工工件表面存在影响其性能的各种空间频率误差,针对工件的不同性能研究,需要采用有效分解手段对含有特定频段空间频率误差的形貌进行提取。传统的空间频率误差分解方法存在严重的模态混叠现象,为了解决这一问题,提出自适应二维变分模态分解(BVMD)算法对三维表面形貌进行分解。首先,由于采集三维形貌数据时会造成截断误差,引入镜像延拓和自卷积Hanning窗方法对数据进行预处理。然后,利用粒子群退火优化算法,对BVMD算法中的惩罚系数和分解层数进行寻优处理。其中,以各模态分量之间的频谱KL散度作为混叠指标,引入最小风险贝叶斯决策理论,综合KL散度与重构误差,构建优化算法适应度函数。最后,对超精密加工实测表面形貌进行分析,并与离散小波分解、二维经验模态分解方法相比较。结果显示,所提方法分解的KL散度值在10 2量级,远高于其他两种方法,能更好抑制模态混叠,实现超精密加工表面空间频率误差的有效分解。

设计了一种含有矩形槽(RG)的方环谐振器边耦合金属-介质-金属(MDM)波导,运用Fabry-Perot(F-P)理论精确推导了谐振器的有效长度,并利用该结构实现了多模可调等离子体滤波器。在数值计算和理论分析的基础上,得到了除传统整数模式以外的非整数模式。非整数模式的波长随着RG长度的增加发生红移,这是因为RG位于磁场的波腹时,对磁场的影响最大;整数模式由于对RG不敏感,其波长保持不变,这是因为RG位于磁场的波节时,对磁场的影响最小。可以通过改变RG的形状、位置及数目来调控模式的数目和场分布。与传统的谐振器相比,所提结构和所得到的结果可以为灵活调控谐振波长提供更多选择,在光电子器件的设计上具有潜在的应用价值。

采用有限元方法设计了一种基于金属-电介质-金属(MIM)的内嵌对称扇形金属块的纳米圆形谐振腔滤波器。研究发现,通过改变扇形共振角度、圆形谐振腔半径、耦合距离、共振腔内的介质折射率等主要参数可有效调节该结构的透射特性。该滤波器同时出现两个显著的共振峰,透射率最高可达76%,品质因子最高可达40,能高效实现可调谐双通道带通滤波功能。对结构参量进行调整和优化,相应的谐振波长可分布在近红外波段光纤通信的850 nm和1310 nm通信窗口。该结构为设计光通信领域下一代高性能微纳等离子体滤波器提供了重要的理论依据。

提出一种高光谱成像激光雷达系统的光学结构设计,并对系统的光学辐射定标方法进行研究。利用单色仪对出射光的精细扫描,确定高光谱成像雷达每个探测通道的带宽和中心波长。根据高光谱成像激光雷达方程,在实验室定标过程中,不考虑大气对定标的影响,得到系统每一个通道的定标系数。系统定标过程中合成不确定度为0.87%,扩展不确定度(k=2)为1.73%。最后对超连续谱高重复频率激光器出射的脉冲能量进行监测,使该高光谱激光雷达在机载飞行过程中,依据探测器输出的回波信号强度信息,能够实时得到地物的反射光谱信息,进而实现高精度地形获取和地表超精细分类。

太阳漫反射板反射率衰减监测仪(后简称比辐射计,SDRDM)被用来监测漫反射板反射率的变化。其太阳观测端口的透过率和太阳漫射板的相对双向反射分布函数(BRDF)是随角度变化的变量,因此比辐射计观测信号会受到入射光线角度的影响,该影响因子被叫作比辐射计角度因子(简称角度因子)。提出一种使用星上数据计算角度因子的方法,该方法被使用的前提是太阳漫射板在轨前期不发生衰退。采用相同太阳角度比值计算,在不使用比辐射计角度因子的前提下验证了太阳漫反射板在轨前期的稳定性。随后计算SDRDM的角度因子,并与实验室测量结果进行比对。结果显示星上计算值与实验室测量值偏差小于0.5%,发射前测量的角度因子可以用于计算太阳漫反射板的退化因子。

提出一种基于中红外中空波导光纤的呼吸气体CO2测量系统,该系统使用中心波长为2.73 μm的分布式反馈(DFB)激光器结合1 m长的中空波导光纤,采用免标定波长调制光谱技术(CF-WMS)对呼吸气体CO2进行实时测量。采用CF-WMS技术得到的CO2气体浓度与配制所得的标准气体浓度之间的线性度为0.9999,在体积分数为0%~6%的范围内,测量结果与标准气体体积分数值之间的最大绝对误差为0.01%。由CF-WMS 技术反演的CO2体积分数精度为1.01×10 -5,在最佳积分时间26.00 s时,CO2气体的探测极限为1.3×10 -6。基于CF-WMS技术与传统的标定式波长调制技术(WMS)测量CO2气体体积分数的精度和灵敏度,并将两者进行比较,结果发现CF-WMS技术相对于WMS技术,测量精度提高了一倍,CF-WMS技术测量灵敏度为WMS技术测量灵敏度的1.4倍。对呼吸气体CO2实时测量时,采用CF-WMS技术测量的背景CO2体积分数基本稳定在3.8×10 -4左右,呼吸末CO2体积分数稳定在5.7%附近。

针对超高峰值功率激光系统中脉冲的压缩及聚焦过程进行建模,基于光线追迹法和夫琅禾费衍射方法对平行光栅对压缩器的色散过程和抛物面镜的聚焦过程进行了模拟分析,同时采用Square-Radial多项式对方形口径的波前畸变进行描述,分析了近场存在4种不同波前畸变情况时对远场时空分布的影响,定量给出了不同情况下波前畸变误差的允许范围。