针对水色卫星遥感器的紫外波段,利用海洋-大气耦合矢量辐射传输模型开展了355 nm和385 nm两个紫外波段大气顶(TOA)表观辐射的偏振特性分析。研究发现水色卫星紫外遥感器入瞳处光的偏振信号主要来源于大气分子散射,与仅考虑大气分子散射相比,气溶胶、水-气界面层和水体会减弱紫外遥感器入瞳处光的总偏振度(DOP)。在不同的大气顶观测方位下,上述两个波段紫外光的总偏振度变化范围在0%~70%之间。同水色卫星遥感器通常设置的412 nm可见光波段相比,在同一条件下到达水色卫星紫外遥感器入瞳处的紫外光的偏振度变化不大。

利用自行研制的湍流气象探空仪,对西藏拉萨的温度、风速、风向等常规气象参数廓线和 Cn2廓线进行探测。分析了湍流强度和常规气象参数随高度的变化趋势。比较了夜晚和早晨的湍流特征,发现8~15 km处两者均出现强湍流层,且8 km以上早晨的湍流强度大于夜晚的湍流强度。同时基于Hufnagel-Vally 5/7模式,利用探空数据拟合得到符合拉萨湍流特征的拉萨 Cn2经验模式。对此经验模式进行统计分析,结果进一步证明拉萨 Cn2经验模式能有效估算拉萨的湍流强度。最后,将拉萨与高美谷的探空数据进行对比分析,发现拉萨的风速较小对天文观测有利,但湍流强度较强对天文观测有一定影响。该研究为后续拉萨湍流廓线和天文台选址的研究提供了参考,并为光电工程的应用提供了技术支持。

搭载于高分五号卫星平台的大气主要温室气体监测仪(GMI)主要用于测量大气温室气体CO2和CH4的柱浓度。为保证GMI遥感数据温室气体的反演精度,需分析温室气体反演中气溶胶等因素对反演结果的影响,并以此作为反演算法校正的要素。在此基础上,利用全球总碳柱观测网(TCCON)站点对GMI反演结果进行验证。结果表明,GMI近红外反演结果误差范围为-1.06±2.93×10 -6(-0.26±0.72%),反演精度在1%以内。

浮游植物比吸收系数是关联浮游植物生物量与吸收光谱的重要参数。对浮游植物种群比吸收系数的量化分析,可弥补黄渤海浮游植物种群比吸收光谱研究的不足,为监测浮游植物种群浓度提供新思路。结合2016年6月黄渤海航次的浮游植物吸收系数与色素浓度数据,利用CHEMTAX软件分析得到黄渤海8个优势藻种的浓度。运用留一法,对吸收系数与藻种浓度数据进行多元线性回归分析,提取各藻类比吸收光谱,重建总吸收光谱。结果显示,模型反演效果较好,重构的吸收光谱与实测光谱在蓝、红光波段具有较高的一致性。此外,分析优势藻种对浮游植物吸收系数的贡献时,发现在所有优势藻种中,定鞭藻对浮游植物的吸收贡献最大,蓝藻次之。

基于双波段系统的多层衍射光学元件(MLDOE)的带宽积分衍射效率(PIDE),建立其与入射角度和基底材料关系的数学模型,提出一种双波段斜入射多层衍射光学元件基底材料的选择方法,并通过该方法选择出双波段多层衍射光学元件基底材料的最佳组合方案。方法的提出以及数学模型的建立,解决了光线斜入射时基底材料选择不当导致多层衍射元件衍射效率和带宽积分衍射效率下降的问题,为多层衍射元件在多波段和宽波段系统中的应用提供理论指导。依据该方法,设计了适用于中波红外3.7~4.8 μm(MWIR)和长波红外7.7~9.5 μm(LWIR) 双波段的多层衍射光学元件,并利用该衍射元件设计了10倍中长波折衍混合双波段红外变焦系统。结果表明,该系统在中波红外奈奎斯特频率处的调制传递函数(MTF)均大于0.52,在长波红外奈奎斯特频率处的MTF均大于0.35。

照明的不稳定性会引起视向速度测量误差,从而严重限制仪器精度的提高。光纤扰模是提高仪器照明稳定性的有效途径之一。为了给现有高精度色散光谱仪升级及新型高精度视向速度仪器设计提供可靠的实验参考,对单根圆形光纤、单根八边形光纤、圆形-八边形-圆形光纤串接系统、双圆形光纤扰模系统、圆形-八边形混合双光纤扰模系统和双八边形光纤扰模系统的近场和远场扰模性能进行详细的实验研究。实验结果显示:单根八边形光纤较单根圆形光纤具有更好的近场扰模性能,双光纤扰模技术可以有效改善近场和远场扰模性能,双八边形光纤扰模系统能同时具有良好的近场和远场扰模性能。实验研究了球透镜和双透镜两种双光纤扰模系统,球透镜系统通光效率约为55%,双透镜系统通光效率约为80%。

提出一种复合结构应变传感器,该结构将高灵敏度光纤法布里-珀罗干涉仪(FPI)内置于光纤Sagnac干涉仪(FSI)中。利用FPI光谱与定标的FSI光谱叠加产生的游标效应实现了FPI应变传感器灵敏度的大幅度提升。理论计算结果表明,复合结构传感器的灵敏度可以通过两套干涉谱的相对自由光谱区的差来调控。实验结果表明,复合结构传感器的灵敏度相对于单个FPI应变传感器提升了19.7倍,达到65.1 pm·με-1。复合结构传感器在需要高灵敏度测量以及精确测量的场景中具有重要作用。

脑肿瘤图像自动分割的难点在于肿瘤形态各异,且类别不平衡情况比较严重,常规的卷积神经网络难以预测出高精度分割图像。针对以上问题,在原始3D-Unet的基础上提出一种改进模型,以混合膨胀卷积模块代替常规卷积模块,指数级地增大神经元的感受野,同时减小网络深度,避免上采样时无法恢复小目标的情况。同时以混合损失函数代替原来的Dice损失函数,加强稀疏类分类错误时对模型的惩罚,迫使模型更好地学习分类错误的样本。实验结果表明,混合膨胀卷积模块与混合损失函数能分别提高整个肿瘤区域和肿瘤核心区域的预测精度,提出的3D-HDC-Unet模型改善了脑肿瘤自动分割的多项性能参数。

视网膜血管的自动分割在糖尿病和高血压等疾病的诊断中起着重要作用。针对现有算法在细小血管和病变区域血管分割能力不足的问题,提出了一种基于改进整体嵌套边缘检测(HED)网络的视网膜血管分割算法。首先,采用了一种残差可变形卷积块代替普通卷积块,增强模型捕获血管形状和尺寸的能力;其次,采用扩张卷积层取代原有的池化层,用以保留血管特征的空间位置信息;最后,使用具有底部短连接结构的HED网络框架对预训练的网络进行特征提取和融合,使得模型可以更好地将骨干网络所提取的视网膜图像中血管的高级结构信息与低级细节信息相融合。通过在DRIVE(Digital Retinal Images for Vessel Extraction)和STARE(Structured Analysis of the Retina)数据集上进行验证,所提网络的灵敏度分别达到了81.75%和80.68%,特异性分别达到了97.67%和98.38%,准确性分别达到了95.44%和96.56%,受试者工作特征曲线(ROC)的曲线下面积(AUC)分别达到了98.33%和98.12%,实现了优于其他先进方法的综合分割性能。

设计一种具有全息特性的平面编码靶标,该编码靶标利用局部编码获得该部分在靶标上的位置及靶标整体状态,可应用于位姿测量,提高了测量范围和测量精度。针对编码靶标的解码和匹配问题,提出基于靶标图像逆投影校正和相关匹配的解码算法,采用透视变换,将靶标图像重建到三维空间中,对其进行旋转校正后再投影到原像面中。改进了相关匹配算法,改进后只需搜寻编码靶标上的标志点,匹配效率得到提高。实验结果表明,所提解码匹配方法具有很好的匹配效果和匹配效率。图像逆投影校正方法可应用于摄影测量中的编码靶标解码匹配,不受编码规则限制,可有效提高解码正确率。

结合分布式偏振串扰分析仪,利用琼斯矩阵对LiNbO3集成Y波导进行理论建模分析,并且得到了实验验证。实验证明,偏振串扰分析仪能评估出Y波导的整体消光比,且能够测试出Y波导内部的一个缺陷的串扰值,弥补了强度型消光比测试仪的不足。最后用单偏振光纤验证了Y波导测试结果的合理性。分布式偏振串扰分析仪在实际应用中对筛选性能更加优异的LiNbO3集成光学芯片有着重要意义。

利用主动调Q的自拉曼激光器,抑制主要频移拉曼模,使次级拉曼模受激拉曼散射输出新波长的拉曼光。首先,进行理论推导得到包含两个拉曼项的主动调Q归一化速率方程,由典型的实验装置参数和常用晶体参数对归一化拉曼增益系数、归一化损耗比、归一化初始反转粒子数进行取值。其次,通过数值模拟研究归一化参量对两束拉曼光脉冲的影响,找到可以实现次级拉曼模受激拉曼散射的参量取值范围。最后,利用实验参数计算得到的归一化变量值进行数值模拟,对结果进行分析并给出优化方案。

由于镁合金耐磨及硬度性能较差,应用激光重熔技术进行表面改性就显得尤为必要,其中激光功率因素所产生的影响十分显著。为了探究激光重熔中功率因素对稀土镁合金的微观组织结构,硬度以及摩擦磨损性能的影响。通过使用3 kW的DILAS半导体激光器对Mg-1.85Y-7.91Zn-0.75Zr(质量分数,%)合金进行不同功率下的激光重熔实验。采用光学显微镜(OM),电子扫描显微镜(SEM),X射线衍射仪(XRD)和能谱仪(EDS)观察所制得试样的组织,形貌,相成分及分布;使用显微硬度计测量维氏硬度;使用摩擦磨损试验机测试样品的摩擦磨损性能,从而得出不同激光功率对组织,性能的影响。研究表明,经过重熔处理的合金宏观凝固组织明显细化,且随着功率升高,晶粒变大,第二相分布愈加弥散。由于细晶强化,固溶强化以及弥散强化的影响导致了硬度和耐磨性提高,其中800,1000,1200,2000 W激光功率作用下重熔细晶区的维氏硬度平均值分别为90.97,93.47,94.20,95.53 HV,而粗晶基材区的维氏硬度平均值仅为63.90 HV,2000 W功率作用下的硬度照比基材提升了49.50%。随着功率的升高,耐磨性越高且逐渐从以黏着磨损为主过渡到以磨粒磨损为主。可见,激光重熔技术可以明显强化该稀土镁合金,激光功率的增大可以显著增加该合金的硬度以及抗摩擦磨损性能。

颅骨配准是颅面复原过程中的重要步骤之一,颅骨配准的精度直接影响着颅面复原结果的好坏。为了提高颅骨点云模型的配准精度和收敛速度,提出一种基于分层优化策略的颅骨点云配准算法,将配准过程分为粗配准和细配准两个过程,分别采用不同的优化策略进行优化。首先基于点的邻域提取几何特征,从而得到由平均曲率、高斯曲率、法向量夹角和主曲率构成的特征向量;进一步通过距离函数计算特征相似性来建立匹配点对,并采用k-means算法剔除误匹配点对;然后使用四元数法计算颅骨点云间的刚体变换关系,实现颅骨粗配准;最后通过引入k-维(k-d)树和加入几何特征约束对迭代最近点(ICP)算法进行改进,使用改进的ICP算法实现颅骨的精确配准。实验结果表明:粗配准过程采用k-means算法剔除误匹配点对的优化策略和细配准过程加入k-d树与几何特征约束的优化策略都是有效的。与ICP算法相比,本文算法的匹配率和配准精度分别提高了约17%和51%,算法耗时减少了约31%。与其他经典配准算法和改进的ICP算法相比,本文算法的配准效率是最优的。为了验证本文算法的普适性,还采用兵马俑碎片数据进行验证,本文算法也取得了较好的效果和最优的性能。因此,本文算法是一种有效的颅骨点云配准方法。

针对像元尺寸为50 μm×50 μm的长波红外32×32元制冷型凝视焦平面阵列探测器的需要,设计了一种工作波长位于15~35 μm的透射式长波红外显微成像光学系统。该系统采用一次性成像方式,且主要由系列透镜构成,其中冷光阑置于光路的出瞳位置。通过对称双胶合透镜组合来校正像差,在-20~40 ℃温度范围采用光学被动补偿技术实现消热像差。仿真结果表明,当所设计的光学系统的中心波长、焦距、数值孔径、有效放大倍率和空间分辨率分别为27 μm,14 mm,0.25,10和0.1 mm时,在10 lp·mm -1特征频率处调制传递函数(MTF)值达到0.369,系统包围圆能量集中度超过80%,能够得到清晰可辨的物像,满足对冷光学系统短结构、高分辨率的应用需求。

设计了一种光纤通信波段的纳米抗反射结构。采用有限时域差分(FDTD)优化模拟算法,寻找在1250 nm到1650 nm波长范围内能够显著降低反射率的蛾眼纳米结构。开发了一种多目标优化算法,将宽带反射率在0°到30°的入射角范围内进行了优化。对结构中纳米柱的几何排列、半径、高度和周期组成的参数空间进行了完整的搜索。在波长为1550 nm时,仿真得到接近零的反射率为0.012%。对该设计采用了纳米压印进行实验验证,对于最佳设计的样品,在1550 nm处测量获得了低至0.157%的反射率。分析了模拟结果与实验测量之间的差异,并结合反射率对波长的变化进行了分析。

以Cs为N掺杂剂,B3PyPPM为电子传输层材料,制备绿色磷光有机电致发光器件。实验证明,N掺杂不仅提高了器件效率,而且缓解了器件的效率滚降。为了研究N掺杂器件性能改善的原因,进行了朗伯体、开路电压、电导率测试。实验证明,Cs掺杂器件能够提高电导率,促进电子的注入与传输,使更多的电子能够与空穴复合形成激子,从而提高器件的性能,缓解效率滚降。

提出一种由石墨烯包裹的纳米线和石墨烯层构成的石墨烯间隙波导结构,并采用有限元方法对基模传输特性及其与结构参数、材料参数等的关系进行了详细研究。结果表明:纳米线半径、间隙距离、纳米线介电常数和石墨烯化学势均对模式传输特性有很大影响。通过优化参数,这种结构可以同时实现石墨烯等离激元的长距离传输和模场的深度亚波长约束。采用石墨烯等离激元实现中红外波的深亚波长传输为突破衍射极限光子器件的设计及高密度集成提供了理论基础和指导。

研究单层石墨烯的三阶非线性和光双稳态效应。通过理论分析和数值模拟,改变单层三阶非线性石墨烯的费米能级、弛豫时间、双光子吸收系数及温度条件,调制单层三阶非线性石墨烯光双稳态的阈值大小。单层三阶非线性石墨烯的费米能级越大,温度越高,则光双稳态的阈值越大;双光子吸收系数越大,双稳态的低阈值越大;弛豫时间和双光子吸收系数会明显地改变石墨烯结构的光透射率,而光透射率则对石墨烯材料自身温度不敏感。该结论可为设计各类微纳结构的光子器件如光开关和光传感等提供理论依据。

相位调制多普勒激光雷达可以兼顾直接探测多普勒激光雷达和相干探测多普勒激光雷达两者的优势。但由于其存在自身频移测量动态范围不足的问题,在实际的应用中受限。为了解决这一问题,提出了一种“星迹图”方法,这种方法是将相位调制鉴频参量进行正交分解,利用他们在二维或三维坐标系中变化的性质来进行信号光频移测量,并对其测量灵敏度和误差进行理论建模。该方法既有效保持了原有方法的优势,又大幅度提高了频移测量的动态范围。理论研究证明,该方法可以将测量动态范围提高约9倍。并在实验上,通过对目标的测量证明了该方法的正确性和有效性。

针对推扫型光学遥感器成像光学系统中线阵CCD探测器各像元响应不一致的现象,提出一种基于太阳漫反射板星上相对辐射定标方法。该方法以实验室积分球定标数据作为参考标准,对星上太阳漫反射板定标数据进行平场校正,消除了相机视场内杂散光及双向反射分布函数(BRDF)分布对相对定标结果带来的影响;进而得到各像元的相对定标系数,最后将相对定标系数应用于海洋、戈壁滩、云层三种不同地物目标场景。结果表明:三种地物场景的原始影像中存在的各种垂直条纹噪声可以得到有效消除;相对定标后各场景影像条纹系数均优于0.0045;基于太阳漫反射板相对定标方法可对线阵CCD探测器进行大动态范围内相对辐射校正,具有较高的时效性和定标精度,以满足星上相对辐射定标需求。

传统的光学粒子计数方法受到粒子回波脉冲带宽限制,难以直接应用于超细颗粒物凝结增长后端的颗粒物数量检测。基于粒子光散射原理,采用高带宽粒子回波脉冲方案设计了颗粒物光学计数模块,在0.3 L·min -1采样流量下,15 μm标准聚苯乙烯颗粒回波脉冲半宽为650 ns,粒子计数效率得到有效提高。为了提高颗粒数浓度测量上限与精度,基于概率统计提出了粒子重叠校正方法,利用此方法颗粒物数浓度测量上限可达2×10 5 cm -3。在自制的正丁醇超细颗粒物凝结增长装置中开展了对比实验。结果表明,该系统与环境空气数浓度测量设备TSI-3788和Airmous-A20的相关性均超过0.98,与机动车尾气固态颗粒物数浓度法规测量设备MEXA-200SPCS的相关性高达0.96,从而验证了所设计的颗粒物光学计数模块及重叠校正方法的准确性。

青霉素类药物在临床上的应用十分广泛,此类药物的真伪鉴别以及药物含量的鉴定是极其重要的。利用自主搭建的太赫兹时域光谱系统,对纯青霉素钠和三种不同厂家的阿莫西林胶囊进行了测试分析,获得了四种药品在0.2~1.4 THz波段的吸收谱,发现它们均存在明显的吸收峰。同时,在相同质量下测试了纯青霉素钠和不同含量的阿莫西林在吸收峰强度上的变化,分别得到了四种药品的质量和强度的对应关系。最后将阿莫西林三种药品的强度放在一起进行对比,可直观地看到含量和强度之间的对应关系。对纯青霉素钠和阿莫西林的光谱研究结果表明:利用太赫兹光谱可对青霉素类药物进行定性鉴定和定量分析,这对青霉素类药品的物质鉴别等有重要意义。

采用微波等离子体化学气相沉积法通过控制痕量杂质制备了高质量单晶金刚石材料,并对其结构与光学性能进行综合评价。通过紫外可见吸收光谱和光致发光谱分析了晶体的杂质及含量;采用拉曼光谱、摇摆曲线及X射线白光形貌束分析了不同质量单晶体的晶体结构及结晶质量;通过偏光显微镜综合评价了不同质量单晶金刚石的晶体结构和缺陷。结果证明:获得的高纯单晶金刚石含有少量的缺陷、杂质,其位错应力场以聚集状均匀分布,高纯单晶金刚石与微掺氮单晶金刚石在紫外可见近红外波段的透过率最高可分别达到71.58%和71.27%,接近单晶金刚石的理论透过率(71.6%),且在本征红外吸收波段,高纯金刚石晶体相对微掺氮单晶金刚石,对称性较好,样品吸光度较小。控制痕量杂质制备的高质量单晶金刚石膜有望应用于光探测器探头和光学窗口。

国家自然科学基金、国家“计划”青年项目基金、国家973计划;

X射线荧光成像技术具有局域探测能力,适合诊断复杂几何构型流体运动,在实验室天体物理、惯性约束聚变等高能量密度物理领域具有重要的应用前景。基于神光Ⅲ原型激光装置,开展了X射线荧光成像的原理验证实验。实验采用聚4-甲基-1-戊烯泡沫掺杂TiO2纳米颗粒为静态客体,以钒等离子体辐射为荧光泵浦源,以平晶谱仪为分光和成像设备,成功获得了钛原子K壳层荧光的一维空间分辨强度轮廓。基于荧光产生和平晶成像原理,对荧光信号强度进行了定量估算,结果表明,模拟和实测荧光强度轮廓符合较好。该工作可为X射线荧光成像技术在复杂几何构型流体实验中的应用提供参考。

基于光学测量的无创血糖检测是目前生物医学领域的研究热点,但由于存在信噪比低、背景噪声干扰、准确度不高等问题,该无创血糖检测方法还停留在实验阶段,无法应用于临床实践。针对这些问题,提出了一种基于可见光图像的无创血糖检测方法。该方法通过采集到的散射图像,采用梯度增强决策树算法,建立了散射图像特征参量与血糖浓度关系的回归模型,并通过仿体实验验证了模型的准确性。实验结果表明,利用梯度增强回归模型,可以对可见光散射图像与葡萄糖浓度的关系进行建模,一致性决定系数可达0.929,葡萄糖检测精度平均绝对误差为0.156 g·L -1。