在低轨道空间站和伴飞卫星上分别安置激光发射机和接收机,同时发射和接收935 nm短波红外水汽探测激光束脉冲对和765 nm(位于氧气的A吸收带)近红外激光束脉冲对。935 nm波段激光脉冲的一个探测波长对水汽的吸收较强,另一个参考波长对水汽的吸收相对较弱;765 nm波段激光脉冲的一个波长对氧气的吸收较强和另一个波长对氧气的吸收较弱。光连线全程的双波长差分光学厚度和连线切点处的差分消光系数之间存在Abel变换关系。基于Abel积分变换,利用理想气体状态定律和大气准静态方程,用大气模式作为初值条件,进行数值计算。765 nm波长对用来反演大气的压强和温度,935 nm波长对用来反演大气水汽的密度。获得的水汽廓线分布的仿真结果以及误差分布表明,激光掩星具有探测对流层上-平流层下这一高度(5~14 km)的水汽含量的潜力。

基于自发成核法自行生长的4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯酸盐(DAST)晶体,可实现宽带可调谐THz辐射输出。实验探究饱和生长溶液质量浓度对晶体生长形态和光学质量的影响,并结合晶体的拉曼光谱,对其生色团振动和转动特性进行分析。采用波长为1.3~1.5 μm的高能量、可调谐双波长的激光为泵浦光,基于0类相位匹配外腔差频和电控振镜快速扫描技术,实现了0.1~20.0 THz的宽带THz辐射输出。在18.9 THz处,每个脉冲最大输出能量为3.59 μJ,转换效率为2.39×10 -4。基于宽带THz输出谱可知,DAST晶体对THz波的吸收主要是因为晶格振动引起的。

工作环境温度的改变会降低衍射光学元件的衍射效率,影响混合光学系统的成像质量。基于斜入射时衍射效率的表达式,在双层衍射光学元件的设计中考虑温度变化,提出了工作在一定温度范围内和入射角度范围内的双层衍射光学元件微结构高度误差与衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学模型。以工作在可见光波段的双层衍射光学元件为例进行分析。结果表明,当环境温度确定后,随入射角度范围的增大,最高带宽积分平均衍射效率对应的最优相对微结构高度误差逐渐减小。当双层衍射光学元件工作在0°~15°的入射角度范围内、环境温度范围为-40~80 ℃时,其带宽积分平均衍射效率最高为96.81%,对应的最优相对微结构高度误差为4.42%。该方法进一步完善了双层衍射光学元件加工误差的设计理论。

路径损耗是评估系统传输性能的重要参数,基于非直视非共面紫外光单次散射传输模型,采用遍历微元法对移动场景下无线紫外光通信单次散射路径损耗进行仿真,分析收发端几何参数以及收发节点相对位置变化对系统路径损耗的影响。结果表明:路径损耗在除180°方向外的其余方向上随着接收端移动距离的增大而增大;随着收发仰角增大,路径损耗增大,发射端仰角对路径损耗的影响更为显著;当视场角较大时,发散角变化对路径损耗的影响不大,而视场角的变化在非共面情况且移动距离较大时对路径损耗的影响较为明显,其余情况下则影响不大。

基于少模光纤模分复用的量子—经典信号同传方案中,光纤内的模式耦合效应会导致信道间发生串扰,造成误码。为此,构建了少模光纤分段化链路模型,研究了光纤拼接误差导致的模式耦合强度大小,并在此基础上推导了存在模式耦合时系统的量子误码率(QBER)公式。通过比较各模式所受到的耦合强度,确定该同传方案中量子信号的最优传输模式;进一步讨论了不同纤芯轴向偏移距离、扭转角度和光纤长度对系统QBER的影响。结果表明,这三个影响链路模式耦合强弱的因素都与QBER成正相关,光纤拼接误差较小的短距离量子—经典信号模分复用同传系统可有效降低QBER。

针对人的脸部特征复杂、细节纹理丰富,获取高精度人脸三维模型成本高、工作量大的问题,提出基于梯度光图像的高精度三维人脸重建算法。利用球形灯光装置建立6种不同的光照模式,并利用偏振光特性对镜面反射光和漫反射光进行分离;利用单向梯度光图像,并基于双向反射分布函数(BRDF)得到反射光方向与法线方向的关系,通过计算获取镜面反射和漫反射法线图;将增强后的镜面反射和漫反射法线图进行融合,并映射到低精度模型上,可以重建出高精度的三维人脸模型。实验结果表明,本文方法计算复杂度低,重建精度高,窗口大小为7×7的高通滤波增强的镜面反射图和漫反射法线图以2∶1的比例融合之后,重建的效果最佳,模型能精细到微尺度级。

对视网膜血管形态特征的分析有助于视网膜相关疾病的诊断。为了能够更准确地分割出视网膜血管,提出一种基于双流网络的分割视网膜血管的方法。首先用具有编码器-解码器结构的卷积神经网络分别对整个血管和细血管进行分割;再将所得到的两个预测图进行融合,对融合后的图像去除伪影和噪声,得到最终的血管分割图。由于单独对细血管进行了分割,因此所提方法可以更有效地分割出一些难以识别的视网膜血管边缘和低对比度区域的细血管像素。实验结果表明,所提方法在DRIVE、STARE和CHASE_DB1三个数据库上的灵敏度分别达到0.8062、0.8308和0.8135,在性能上比其他方法更优。

基于多目标优化方法,针对几个常用于评价多光谱相机性能的参数峰值信噪比(PNSR)、拟合优度系数(GFC)、CIE色差评价系数(CIEDE2000)和均方误差(MSE),及其对应的最大值或最小值,按照最优排序集分的方法,得到了各评价参数均可以得到较好取值的最优滤色器。和前期研究相比,待选滤色片数量由45增加为1035,同时成像场景的反射率样本数量由24增加为1269。结果表明,待选滤色片数量和反射率向量空间增加后,最优滤色器的性能更好;同时描述最优滤色器的光谱透过率向量矩阵自身的三个参数即滤色器向量矩阵的条件数(Cond)、峰值均匀度指数(UF)和相邻滤色片交叠度指数(OLP)的数值也更加稳定。实验结果可为通过滤色器向量矩阵定量选取宽带多光谱滤色片提供参考。

将光热光学相干层析(PT-OCT)成像技术应用于肿瘤组织的三维成像。为了抑制噪声和增强图像对比度,提出互相关提取信号并计算平均幅值求解光程差成像的算法。在验证实验中,先后对琼脂样品和鼠耳模型进行成像。与普通OCT、基于相位差分算法的PT-OCT相比,本文方法可以很好地对鼠耳进行成像,能观察到更多的毛细血管,并且层析图也有更理想的成像效果。在肿瘤模型成像实验中,本文方法可以对4 mm×4 mm×3 mm的范围进行三维成像,并且可以从不同角度和不同的切面对三维PT-OCT图像进行观察,能够清楚地辨别其中的毛细血管分布。PT-OCT具有方便快速、非入侵、高分辨率、三维立体成像等优势,能为肿瘤临床诊断和治疗提供参考。

分析并行物方差动轴向测量方法在样品表面反射率变化以及照明光不均匀情况下的两种乘法性误差,并提出一种误差修正模型。构建表征乘法性扰动干扰的图像灰度矩阵的数学表达式,通过对数差动消去乘法性扰动干扰误差,以达到误差修正的目的。最后通过两组对比实验,对误差修正模型进行实验验证。对高度为4.739 μm、周期为50 μm的台阶样品进行形貌测量,测量的相对误差由修正前的2.91%降低到修正后的0.78%。在低倍数物镜和光照不均匀测量条件下,对表面反射率不均匀的硬币进行快速三维形貌实验,该方法测量结果与光学表面轮廓仪测得的结果相比,相对偏差为1.62%。两组实验结果表明,本文方法能较好地修正乘法性误差的影响,可提升适应性。本文方法可为智能制造在线检测提供适用性强、高效率、高精度的微观形貌检测。

基于朗奇-泰伯效应及莫尔条纹技术,利用发散光和不等周期光栅的焦距测量方法被用于小口径长焦透镜的焦距测量。将一块曲率半径存在加工误差的平凹长焦透镜作为待测透镜进行焦距测量。在未知透镜真实曲率半径的情况下,首先计算待测透镜曲率半径误差对焦距检测精度的影响,并确定透镜在整个检测系统中的位置,然后进行透镜焦距实际测量,分别计算多组测量焦距值。通过对比发现,在未知待测透镜曲率半径的情况下,检测焦距的重复性、稳定性均一致,所测焦距均为33200~33270 mm,且重复性精度高于±0.055%,测量精度优于焦深的1/5。结果充分说明,所提方法对小口径长焦透镜的焦距检测是可靠、有效的。

提出一种基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统,采用一个激光投影仪投影大幅条纹,多相机分布式采集的方法扩展视觉三维测量系统的测量范围。标定过程首先使用小型平面靶标标定基准相机二维图像坐标和相位值到三维世界坐标的映射关系,之后在相邻相机部分视场(FOV)重合的前提下,利用柔性靶标定位标定相邻相机图像坐标的转换关系,最后将各个相机的图像坐标全部转化到基准相机的图像坐标系下完成图像拼接,由基准相机图像坐标到世界坐标的映射完成全局三维测量。实验结果表明,使用图像拼接方法的测量精度略低于相机单视场测量的精度,但精度损失较小,满足工业在线测量的要求。该方法避免使用昂贵的辅助测量仪器和加工高精度大型靶标,为多相机视觉测量提供了成本低、使用方便的解决方案。

基于表面等离极化激元在亚波长结构的传输特性,提出了一种含单挡板的金属-介质-金属(MIM)波导耦合双T型谐振腔的结构。在近场耦合作用下,单挡板形成的较宽连续态与单T型腔形成的较窄离散态,经过复杂的干涉相消形成非对称的双重Fano共振峰。基于耦合模理论,研究了单挡板MIM波导耦合单T型腔Fano共振的产生机理,并采用有限元分析法对该结构进行了模拟仿真。在此基础上,研究了含双T型腔结构的四重Fano共振形成过程,分析了上下T型腔结构参数对Fano共振峰的影响。结果表明,上下T型腔产生的Fano共振峰互不影响,且由单个T型腔可以实现两个Fano共振峰独立可调谐,故含金属挡板的MIM波导耦合双T型腔结构可以实现四个Fano共振峰独立可调谐。该结构可为差动传感器和波分复用器的设计提供有效的理论参考。

针对现有基于平视图像目标检测算法在航拍图像上检测精度不高的问题,提出一种具有动态感受野的单阶段目标检测算法。该算法采用SE-ResNeXt作为特征提取网络,在RetinaNet结构中添加bottom-up短连接通路和全局上下文上采样模块,增强了检测层特征的结构性和语义性。构造具有动态感受野的检测子网络,动态选取适当尺度的感受野特征进行目标检测。在实景航拍数据集上进行实验评测,并与相关算法作对比,结果表明改进算法在数据集上表现良好,性能指标具有明显提升,即使在光线昏暗、下视视角、斜下视视角和密集目标等场景图像中,也具有较好的检测效果。

针对全卷积孪生网络目标跟踪算法(Siamfc)在严重遮挡、旋转、光照变化、尺度变化等情况下容易出现跟踪失败的问题,提出了一种融合扰动感知模型的孪生神经网络目标跟踪算法。将孪生神经网络提取到的低层结构特征与高层语义特征进行有效融合,以提高特征的表征能力;利用模板自适应策略在线更新模板,以提高算法在遮挡和旋转等情况下跟踪的精确度。与此同时,将基于颜色直方图特征的扰动感知模型引入到算法中,通过加权融合的方式获得目标响应得分图,以此估计出目标的位置,并利用相邻帧尺度自适应策略估计出目标最佳尺度。为验证本文算法的效果,利用公开数据集测试所提算法性能,并与多种跟踪方法进行对比。实验结果表明:在2015目标跟踪标准测试数据集下本文所提算法总体跟踪精确度为0.945,总体成功率为0.929,相比Siamfc算法分别提高了2.9%和2.8%,在无人机航拍测试数据集中本文所提算法也具备较高的精确度与成功率,获得的跟踪效果良好。

提出一种基于注入锁定技术增强高次谐波的任意波形产生方案。通过注入锁定技术放大并增强高次和偶次谐波,将获得的高次谐波和非线性调制产生的第一和第三次谐波进行时域叠加,可合成高阶的三角波、矩形波。将注入锁定增强的偶次谐波和非线性调制产生的第一和第三次谐波进行时域叠加可合成高阶锯齿波和反锯齿波。通过实验,本文成功产生了频率为5 GHz的五阶三角波、五阶矩形波、三阶锯齿波和三阶反锯齿波。理论与实验结果表明:五阶三角波与矩形波的方均根误差比同时产生的三阶相同波形提升了10%~37%;可以通过增加注入锁定的支路数来获得更高阶近似的波形。

为控制青少年的近视进展并矫正近视并发散光,设计一款多区域非球面隐形眼镜。运用Zemax构建了-3 D(屈光度)近视联合-1.5 D散光的眼模型,基于此模型分别优化了隐形眼镜前表面各区域的面型参数,得到一款直径为14.4 mm、中心厚度为0.06678 mm的隐形眼镜,并分析佩戴此隐形眼镜眼模型的成像性能及周边离焦情况。结果表明,眼模型在3 mm(直径)瞳孔下视远时,空间频率50 cycle/mm处的调制传递函数(MTF)在0°~7°视场内均高于0.7,表明近视和散光均得到良好矫正。当隐形眼镜出现30°以内的旋转或0.7 mm以内的偏心时,佩戴隐形眼镜的眼模型的成像性能保持相对稳定。此外,眼模型在3 mm瞳孔下25°视场的离焦值高达-9.5 D;在6 mm瞳孔下0°~30°视场内的离焦值均在-6 D左右,表明此款隐形眼镜提供了较大的周边近视性离焦值,具有控制近视进展的潜力。

多参数联合优化是光刻分辨率增强技术的发展方向。提出了一种以光刻胶三维形貌差异为评价目标的光刻多参数联合优化方法。以多个深度位置的光刻胶图形误差为目标函数,对光源、掩模、投影物镜波前、离焦量和曝光剂量进行联合优化,提高了光刻胶图形三维形貌的质量。为获得较高的优化效率,采用自适应差分进化算法实现光源和掩模的优化,并针对其他参数的特点,采用不同优化方法进行优化。对密集线、含有交叉门的复杂掩模图形和静态随机存储器中的典型图形进行了仿真验证,可用焦深的最大值分别达到237 nm、115 nm 和144.8 nm,曝光宽容度的最大值分别达到18.5%、12.4%和16.4%。与基于空间像的光源掩模投影物镜联合优化技术相比,所提方法明显扩大了工艺窗口。

设计一种支持多模式的金属-介质-金属纳米天线阵列结构,分析结构中的模式特性及其调控的发光过程。利用时域有限差分的方法模拟该结构的透射谱和电场分布,分析结构中局域表面等离激元模式和磁等离激元共振模式的特性以及激发光偏振调控的模式变化。将偶极子光源放在介质层中,模拟该天线阵列结构调控荧光分子的发光过程。结果表明:荧光分子的辐射和非辐射衰减速率增强因子、量子效率以及偏振特性受到了所提结构模式的有效调控;在一定波长范围内改变激发光的偏振方向可以对发光谱进行调谐。

EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)导引是一种特殊的量子现象,允许纠缠系统中的一方导引另一方,在单向的安全量子网络通信、量子秘密共享等量子协议中具有潜在的应用价值。基于连续变量两组分纠缠交换方案,对完成纠缠交换的两组分系统通过非对称调制和单端噪声引入两种方式,建立协方差矩阵,对最终输出的两组分纠缠量子态间的EPR导引特性进行分析和比较。研究量子系统中两组分EPR导引特性在两个模式间的变化情况,以及连续变量纠缠交换后两组分EPR导引参数随经典调制因子及噪声大小的变化关系,此理论研究结果为安全量子通信的实现提供了可行性参考。

合成孔径激光雷达(SAL)可在大前斜视角条件下以较小的光学孔径,对远距离目标进行高分辨率、高数据率成像,是光学成像探测的一种重要形式。对口径为100 mm、作用距离为20 km、分辨率为0.05 m的SAL的工作模式、系统方案、指标参数和关键技术进行分析,并提出与设备整流罩共形的衍射光学系统概念,有利于减少气动影响和设备的体积、质量。借助微波相控阵天线模型,研究基于频率扫描变化的激光波束展宽和一维波束扫描方法,给出相关波束方向图的仿真结果。结果表明,基于曲面共形衍射光学系统的SAL成像探测技术具有可行性。

针对金纳米旋转椭球在光热治疗和生物成像中的应用,利用T矩阵方法和介电函数尺寸修正模型,从理论上定量研究金纳米旋转椭球的共振光吸收与散射特性,对金纳米旋转椭球的尺寸参数进行优化,获得最优的短半轴与长半轴。对于光热治疗中的常用波长,在特定尺寸参数范围内优化的金纳米旋转椭球在波长1064 nm处具有最大的吸收特性;对于生物成像中的常用波长,在特定尺寸参数范围内优化的金纳米旋转椭球在波长1310 nm处具有最大的散射特性。与金纳米球壳的优化结果对比发现,金纳米旋转椭球在光热治疗和生物成像的应用中比金纳米球壳具有明显的优势。

利用定标光谱仪(SCS)实际光学系统参数,分析了经太阳衰减屏(SAC)衰减后的太阳漫反射板(SD)的出射辐亮度非均匀性来源。基于星上定标时刻漫反射板光谱辐亮度物理模型,结合实验室部分实测参数计算得到整年星上定标时段的漫反射板出射辐亮度角度变化规律,并与以实验室小发散角太阳模拟器作为照明光源测得的SCS漫反射板出射辐亮度随照明角度变化的规律进行了比较,验证了星上漫反射板定标时刻光谱辐亮度物理模型的正确性,且光通过太阳衰减屏照明漫反射板得到的出射辐亮度在SCS焦平面的能量非均匀性可优于0.47%/(°),满足SCS相对辐射定标对辐射源工作区域在其焦平面均匀性优于99.5%的要求。最后,根据实际应用状态,分析得到太阳衰减屏+漫反射板方式形成的星上光谱辐亮度标准面源量值不确定度可优于2.13%。

脑缺血是神经外科的常见疾病之一,目前急需一种快速、准确的脑缺血检测方法。利用透射式太赫兹时域光谱技术对脑缺血组织进行检测,为减小个体差异的影响,通过计算左脑与右脑的太赫兹吸收系数的相对差异研究脑组织的缺血程度。实验发现,随着缺血时间的增加,新鲜组织的左右脑吸收系数的相对差异先变大后减小,主要原因是缺血区域的水含量升高和细胞密度下降;而石蜡包埋的脑缺血组织的左右脑吸收系数的相对差异逐渐减小,主要原因是缺血区域的细胞密度逐渐下降。结果表明,利用太赫兹时域光谱系统可以实现最早缺血2 h的脑缺血组织的检测,为脑缺血的早期无标记快速诊断提供了有效的技术手段。

对新型色貌模型CAM16的颜色空间均匀性进行分析评估,发现该模型颜色空间仍旧存在视觉均匀性不够理想的问题,这将会影响跨媒体颜色再现的准确性,导致相同颜色在不同观察环境下产生色差。为此,通过BFD色差数据集对该模型进行优化,以修正视觉均匀性,进而提出更为均匀的色貌模型CAM16-J'a'b',同时采用国际通用的芒塞尔表色系统对优化后的颜色空间进行均匀性检验。结果表明,优化后的颜色空间均匀性有所提高,为跨媒体颜色再现研究提供了参考。