2014年7月至8月在第三次青藏高原大气科学试验的支持下, 分析了夏季那曲地区大气边界层高度日变化特征.采用激光云高仪通过后向散射信号梯度法求得大气边界层高度, 将云顶高度判定为边界层高度时, 那曲地区对流边界层高度最高可达3800 m, 在夜间稳定边界层情况下, 最低只有40 m.采用无线电探空仪数据, 利用位温梯度法、相对湿度梯度法求得大气边界层高度.利用云高仪与探空仪同步实验40天得到的有效数据, 对后向散射信号梯度法与位温梯度法得到的大气边界层高度的相关性进行分析, 相关系数达0.78, 标准偏差为738.84 m.对8组较为异常量据的再分析发现云高仪在晴空探测大气时信噪比存在一定的不足.对比早、晚测量结果可知, 那曲地区大气边界层高度日变化大, 是由于该地区地处内陆海拔较高, 夏季日照辐射相对平原地区较强, 对流和气温强烈的日变化引起大气层结日变化较大.

通过改变基于宽范围粒径谱仪的温度控制方法, 研究温度变化对气溶胶浓度的影响和作用.本文首先对宽范围粒径谱仪进样系统温度控制方法进行改进, 即采用钽管加热器及不加热切换的温度控制方法来改变宽范围粒径谱仪进样部分温度, 使用改进后的系统测量室内外大气气溶胶, 对不同温度下大气气溶胶的浓度分布情况进行讨论与分析.结果表明室外粒子数浓度分布的峰值与室内粒子浓度分布的峰值相比, 室内空气中粒子数浓度峰值明显要小, 即室外大气中的粒径大的粒子更多.证实了宽范围粒径谱仪适用于大气气溶胶的检测, 在环境检测中有广泛的应用前景.

研究湍流对海水光通信信道中传输的量子高斯-谢尔光束偏振度的影响.运用量子化场的惠更斯-菲涅尔原理, 构建湍流海水中量子化高斯谢尔光束的产生和湮灭算符. 基于海水折射率的空间功率谱,导出了量子高斯-谢尔光束的偏振度.数值结果表明：在参数给定条件下, 温度与盐度的比值从－4.5变化到－0.5时, 偏振度从0.75下降到0.20；接收光子数从20提高到50时, 偏振度从0.91提高到0.96；光源横向尺寸从0.02 m增大到0.12 m时, 偏振度从0.82提高到0.97；温度起伏对偏振度的影响高于盐度起伏的影响；提高发射光子数和增大发射孔径是扼制湍流干扰的有效方法.

根据相干检测理论提出了一种基于多模法布里-珀罗激光器的光纤瑞利与布里渊散射自外差检测的布里渊光时域反射计传感系统, 分析了该系统提高光纤受激布里渊散射阈值和瑞利与布里渊散射自外差检测的原理, 推导出系统信噪比表达式, 分析了纵模数与布里渊谱峰值功率、谱宽和系统信噪比、温度及应变测量准确度之间的关系, 并进行了计算.结果表明, 选用纵模间隔为0.141 nm的多模法布里-珀罗激光器时, 随着纵模数的增加, 在25 km光纤末端系统信噪比、温度和应变测量准确度均得到了较大提升, 当纵模数为19时, 温度和应变测量准确度分别达到最佳值3.81 ℃和86.69με.

采用分步傅里叶算法, 在基元脉冲数分别为9、17和25及相邻基元脉冲时间间隔分别为1、2及3的情况下, 对短间隔脉冲串在光纤负色散区的非线性传输特性进行数值研究.研究结果表明, 尽管脉冲数、脉冲位置、脉冲强度和相邻两脉冲间的时间间隔随距离变化, 且在传输过程中弱脉冲基座会扩展到很宽的时间范围, 但是整个主脉冲波包始终保持局域即其时间间隔几乎不变, 展宽速度不明显.同时, 主脉冲波包永不重复前面的轮廓, 即波包演化出现混沌行为.短间隔脉冲串的非线性演化可以形成混沌孤子波包, 基元脉冲间的时间间隔及脉冲串的脉冲数都会影响混沌孤子波包的子脉冲数和它的持续时间.

搭建了光纤光栅检测超声应力波系统, 并阐述其工作原理, 以动态应变与光纤光栅中心波长漂移量间关系为基础, 推导得出输出电压与板中应变成线性关系.采用超声信号发生器发射28 kHz的脉冲信号激励超声振子, 通过有机玻璃楔形块将激励传递至5052铝合金薄板产生超声应力波, 并利用光纤光栅应变传感器对其进行探测.在板上开一98 mm长裂缝, 测得超声应力波中出现新的波包, 通过计算损伤前后新增波包到来的时间差确定裂缝位置, 所测结果与实际位置偏差为2.7 mm.该实验表明光纤光栅可代替超声探头来实现对低频超声波的探测.

为解决盲源分离技术难以直接用于高光谱图像解混这一问题, 将丰度非负及和为1约束作为盲源分离的目标函数, 改变传统的独立性假设；同时, 针对目标函数中具有大量的局部极小, 引入蝙蝠优化算法, 解决传统梯度类优化算法易陷入局部极值的问题.在降维过程中, 提出一种基于奇异值分解去噪的正交子空间投影的降维方法.仿真数据和真实遥感数据实验表明, 所提出算法收敛速度和解混准确度高, 具有较强的抗噪声干扰能力, 适用于像元纯度很低的高光谱图像解混.

设计了一种在非相干光源下利用轴棱锥产生的无衍射光束成像系统.基于衍射积分理论与点扩散函数推导出成像系统分辨率的表达式, 利用光学软件对无衍射光束成像系统的初始结构模型进行仿真, 并以蓝光LED作为光源, 将条纹状物体、透镜组以及轴棱锥等光学元件组合为成像系统进行实验.结果表明: 实验结果与理论分析相符, 即非相干光源无衍射Bessel光束成像系统利用无衍射光束的特性能够提高成像分辨率.

采用光路展开法, 利用调制度与相位误差两种判据, 分析平行转镜在转动过程中的晃动、平行转镜的平行度、定镜的倾斜误差以及视场角等因素对平行转镜式光谱仪误差容限的影响.分析表明：平行转镜的晃动是平行转镜式光谱仪最重要的影响因素, 但由于平行转镜的连续快速转动, 惯性的作用会显著降低转动过程中的晃动影响；系统对平行转镜的平行度不敏感, 对定镜的倾斜与视场角的误差容限与传统迈克尔逊式光谱仪相同.相对于传统直线往复运动式的光谱仪, 平行转镜式光谱仪具有更高的探测速度与稳定性.同时, 误差容限分析也为该光谱仪的系统设计与装调提供了理论指导.

提出一种基于神经网络的系统标定方法.通过射影变换及误差补偿方法, 建立摄像机图像平面与投影仪图像平面的映射关系, 利用该映射关系和标定点的摄像机图像坐标, 计算得到相应的投影仪图像坐标；建立三层结构的神经网络, 该网络以两个图像坐标为输入, 对应的世界坐标为输出, 训练样本由得到的标定点的两个图像坐标及其世界坐标组成, 采用BP算法训练该网络；训练过程即为神经网络逼近系统模型的过程, 训练完成时, 系统完成标定.实验表明, 与传统的结构光标定方法对比, 本文提出的方法简化了建模复杂度和标定过程, 提高了标定精度, 并具有普遍适应性.

针对大视场目标探测提出了一种基于人工复眼大视场定位方法.通过分析子眼视场角与总视场角之间的关系, 并结合多目视觉定位对子眼排布方式的要求, 研究了包含多个子眼的人工复眼结构设计方法.通过分析子眼图像与三维空间映射关系, 对二维图像进行裁剪并映射于三维立体空间, 实现了二维子眼图像在三维空间的大视场拼接.利用子眼图像坐标、空间三维坐标及系统参数间的关系, 建立了空间点多目定位数学模型, 并编制目标定位算法.制备了包含19个子眼可实现120°大视场角的样机, 通过张正友标定法获得系统参数, 并进行目标定位实验.实验结果表明, 使用设计的人工复眼大视场成像系统对5.35m处目标进行探测, 定位误差为0.19%.

针对多摄像机一维标定算法精度低、抗噪性和稳定性差等问题, 提出了基于消失点之间互相约束的多摄像机标定方法.为了避免径向畸变对成像造成的影响, 利用欧式空间位置约束的几何特性, 进行畸变参数的求取.通过靶标特征点约束结合摄像机的射影不变性排除杂点的干扰, 再利用空间消失点之间夹角一致性, 以及靶标特征点所构成的直线和消失点的反向射线平行性来求解摄像机的参数.当一维靶标任意运动时, 存在着无法区分靶标特征点对应的成像点临界问题, 采取反推理论数学分析法可事先避免该问题的出现.通过构建多摄像机系统进行标定实验, 可以看出该方法具有较高的标定精度, 且随着噪声的增加, 标定结果具有一定的抗噪性和稳定性；由相对误差值可知, 该方法可应用于多摄像机系统.

针对圆形标志点标定鱼眼镜头模型参量准确度不高的问题, 提出一种基于质心点优化的鱼眼相机标定方法.首先在已有的鱼眼镜头成像模型的基础上, 获取模型内外参量的初值, 并利用两步求解法求取畸变参量的初值；然后通过模型求取标志圆的投影椭圆, 对该投影椭圆和图像上的椭圆分别求质心, 进而建立目标函数并优化模型各参量, 最后实现鱼眼镜头的精确标定.模拟实验和真实图像实验结果均表明: 本文提出的方法能够明显提高鱼眼镜头的标定准确度, 为鱼眼视觉相关问题的研究提供了可靠的参量依据.

用数值模拟与实验测试相结合的方法, 研究了温度对“smile”的影响.利用有限元方法分别模拟计算了半导体激光器芯片键合及工作过程中激光器芯片中的热应力, 模拟中假设激光器芯片的弯曲仅由热应力引起；计算结果表明, 激光器芯片有源区的热应力随工作温度的升高而减小, 由热应力导致的芯片的弯曲随温度升高而减小.实验结果表明, 对于具有相同芯片、同一封装形式、同批次的器件, “smile”随温度的升高有增大或减小的趋势, 这与封装前裸芯片的弯曲形态及封装热应力的综合作用有关；若封装前裸芯片为相对平直的或凸的, 则封装后激光器的“smile”将随温度升高而减小；若封装前裸芯片为凹的, 封装后的激光器芯片仍为凹的, 则“smile”随温度升高而增大.

为了研究飞秒激光多脉冲累积效应对镍钛合金材料的影响, 通过考虑多脉冲之间的时间间隔改写激光光源项, 利用改进的双温模型, 采用有限差分法, 对飞秒激光三脉冲烧蚀镍钛合金的温度场分布进行数值模拟, 得到了电子和晶格温度随时间和烧蚀深度的演化规律.分析了多脉冲累积效应的内在机理；讨论了三脉冲条件下不同参量对电子和晶格温度的影响.结果表明：镍钛合金在飞秒激光三脉冲的作用下, 电子有3个递增的峰值温度, 相比单脉冲的作用, 三脉冲使电子和晶格温度明显升高；多脉冲的时间间隔直接影响多脉冲的累积效应；脉冲宽度影响电子的峰值温度和达到峰值温度所用的时间；激光能量密度影响电子和晶格的温度；电声耦合常量对电子与晶格的耦合时间和电子晶格的平衡温度也有重要影响.

根据常规弹药最佳定向起爆要求, 针对弹目交会环境, 建立脉冲激光周向探测系统单次和二次扫描最佳起爆延时模型和最佳起爆方位角模型.运用Matlab对模型参量进行数值仿真, 分析探测方位角、弹目间距和目标俯仰角对最佳起爆延时和起爆方位角的影响.结果表明：当激光扫描到单次目标时, 最佳起爆延时随弹目之间距离的增大而增大, 随探测方位角的增大先减小后增大, 最佳起爆延时的变化范围在0~20 ms之间；当脉冲激光周向探测系统扫描到二次目标时, 在大部分时间内最佳起爆延时时间为0 ms；在非零区域内, 最佳起爆延时随弹目之间距离的增大而增大, 随探测方位角的增大先变大后变小.

建立了CO2激光器辐照微量爆炸物温升分布三维模型, 对激光辐照过程和冷却过程中8~14 μm和3~5 μm波段内的目标表面辐射温度变化特性分别进行分析.利用设计的探测系统对目标进行初步探测, 用8~14 μm和3~5 μm热像设备对目标进行观察分析.研究表明：在10.6 μm激光照射过程中, 8~14 μm波段内沾有TNT目标的辐射温度分别由TNT、基底在8~14 μm波段的发射率和对激光辐照的反射率共同决定；在3~5 μm内目标辐射温度主要由TNT、基底在3~5 μm波段的自身发射率决定.在探测过程中, 8~14 μm波段内沾染TNT区域的辐射温度明显高于周围区域, 而在3~5 μm波段内, 目标表面辐射温度整体下降, 并且沾染区域的辐射温度变得低于周围.

采用磁控溅射法在Si衬底上制备了SiO2介质膜, 系统地研究了SiO2膜引入对Ag纳米颗粒的表面覆盖率、形貌、形成机理和光学性质的影响.研究发现引入SiO2介质膜后, Ag纳米颗粒的表面覆盖率显著增加, 平均粒径明显降低.基于现有的Ag纳米颗粒形成机理, 提出了粗糙表面Ag膜断裂模型以解释其形貌发生变化的原因.紫外-可见光分光光度计测试表明, 引入SiO2膜并优化其厚度, 可使Ag纳米颗粒的偶极消光峰最大红移86nm, 但消光峰强度明显下降.数值模拟计算表明, 引入SiO2膜的Ag纳米颗粒所能散射的光子数量最小减少2×1018个.因此, 在Si衬底上沉积SiO2膜, 不利于Ag纳米颗粒陷光性能的提高.

利用传输矩阵法对一维三元光子晶体异质结构的光学特性进行了研究, 讨论了介质层厚无序度对三元结构光子禁带的影响.研究表明, 将具有相互交叠光子禁带的一维光子晶体叠加构成异质结, 可以有效地增大全角度反射的频率范围, 当入射角从0°增大到89°, 该结构均可实现从0.410w/w0到0.654w/w0宽频波段的全反射；相对于二元结构, 三元结构可以减小在实际制作过程中随机误差引起的介质层厚无序对光子带隙的影响.该研究结果可为实现可见光及红外光波段大角度反射器的制备及应用提供理论支持.

制备了SiO2@Fe3O4@C核壳结构颗粒, 粒径可控, 形貌均一.研究了在电场调控下, 不同粒径, 不同浓度的SiO2@Fe3O4@C纳米颗粒悬浮液在不同溶剂下的光学性质, 结果表明：150 nm SiO2@Fe3O4@C颗粒在质量分数10%浓度下得到的反射光谱可调节范围最宽, 从735 nm蓝移到540 nm；随着颗粒悬浮液浓度的增加, 反射光谱会整体蓝移.将粒径为150 nm的粒子分散到不同的溶剂中, 其电场响应性具有溶剂依赖性, 溶剂折射率越大, 反射波长越大.悬浮液的响应时间为150 ms, 当撤去电场后, 悬浮液具有一定的回复性.

采用532 nm、632.8 nm和785 nm三种不同波长激光束, 研制适用于各波长的TiO2-AgNPs基底, 检测罗丹明6g(R6g)和健康人血清两种样品的表面增强喇曼光谱(SERSp), 并验证不同波长激光激励对SERSp指纹谱的影响.结果表明：当提拉速度达到200 mm/min时, TiO2薄膜光催化活性不再增加；在440℃~600℃范围内, TiO2晶型均为锐钛矿结构；膜厚、温度及紫外灯照射时间共同影响银粒子生长, 200 mm/min提拉速度、520 ℃煅烧温度及紫外光照射80 min条件下获得的TiO2-AgNPs基底具有较好喇曼增强效果；不同波长激励对SERSp各谱线的增强影响明显, 在532 nm波长激励的SERSp中, 大波数的谱峰增强因子明显高于小波数的谱峰, 在785 nm波长激励的SERSp中正好相反, 而在632.8 nm波长激励的SERSp中, 大、小波数谱峰增强因子比较均一；不同波长激励样品SERSp指纹谱有明显的差异.

采用坩埚下降法生长出Ho3+离子掺杂浓度~1.90 mol%、Tm3+不同掺杂离子浓度(0.99 mol%, 1.58 mol%, 2.37 mol%, 3.16 mol%, 3.99 mol%, 7.19 mol%)的双掺杂立方晶相NaYF4单晶体.根据测定的吸收光谱以及800 nmLD波长激发下的发射光谱、发射截面和衰减曲线, 研究从Tm3+离子到Ho3+离子的能量传递机制、Tm3+离子的浓度猝灭效应和Ho3+离子在2.04 μm波段的优化发光效应.当Ho3+离子浓度保持为~1.90 mol%不变, Tm3+离子浓度从0.99 mol% 增加到 1.59 mol%时, 2.04 μm波段的发射强度逐步增强；当浓度从1.59mol% 增加到7.19mol%时, 发射强度逐步减弱.Ho3+(1.90 mol%)/Tm3+(1.59 mol%)共掺的单晶体的发射截面最大, 达到2.17×10－20 cm2, 其荧光寿命最长, 为21.72 ms；同时, 根据Ho3+离子的吸收截面和Tm3+离子的发射截面, 计算得到该样品从Tm3+∶3F4→Ho3+∶5I7稀土离子能量传递系数和Ho3+∶5I7→Tm3+∶3F4反传递系数分别为CTm-Ho=24.14×10－40 cm6/s, CHo-Tm=2.05×10－40 cm6/s.

设计了一种基于绝缘上层硅的硅-有机物材料混合马赫-曾德干涉型高速电光调制器.利用光束传播法对顶层硅为220 nm的绝缘上层硅基片上的3 dB分束器/合束器的结构参数进行模拟,优化后附加损耗仅为0.106 dB.为提高模式转换效率, 在条形波导和slot波导之间设计了模式转换器, 光耦合效率高达98.8%, 实现了光模式高效转化.利用时域有限差分法模拟了slot波导平板区掺杂浓度对波导内光学损耗的影响, 在几乎不产生光学损耗的情况下, 得到平板区轻掺杂浓度为71017/cm3, 调制器设计总损耗为0.493 dB.利用薄膜模式匹配法对slot波导结构进行仿真分析, 考虑slot区等效电容及平板区等效电阻对带宽的影响, 优化后得到slot波导结构的限制因子为0.199.采用slot波导与强非线性有机材料LXM1结合的绝缘上层硅平台实现了强普克尔效应, 得到电光调制器半波电压长度积为1.544 V·mm, 电学响应3 dB带宽为137 GHz.

利用四个平行耦合单环谐振器作为基本路由单元, 数值模拟了一种可路由三种信道波长的四端口光路由器.为了实现单模传输、低传输损耗以及微环波导和信道波导的相位匹配, 优化了基本路由单元的结构参量.给出了路由器的器件架构和设计方法, 计算了链路光谱、插入损耗、串扰等路由特性.在选定的三个信道波长(1 550、1 551.6、1 553.2 nm)下, 器件沿不同路径的插入损耗范围为0.02~0.6 dB, 器件串扰的范围为－23.41~－37.71 dB.与具有相同波导参量的基于交叉耦合双环谐振器的四端口光路由器相比, 该四端口光路由器在串扰和波长选择性方面略显不足, 但其使用的微环数量由8个降低为4个, 插入损耗由1.62 dB降低为0.02 dB.

针对基于马赫-曾德干涉仪结构的硅基光调制器中非线性电光响应的问题, 采用包含PN结非线性调制损耗和非线性折射率变化的模型, 通过数值仿真方法, 研究了上下两臂对称和不对称两种情况下, 调制损耗对硅基光调制器非线性的影响.对比考虑调制损耗和忽略调制损耗的模型, 发现在常规大信号情况下, 当光调制器偏置相位为0时, 调制损耗使得三次谐波增强, 四次谐波减弱；当光调制器偏置相位为π/2时, 调制损耗使得二次和四次谐波增强；而在小信号情况下, 三次和四次等高次谐波不明显, 在光调制器偏置相位为0时, 调制损耗在光调制器上下两臂不对称情况下增加了基频分量串扰；在光调制器偏置相位为π/2时, 调制损耗的影响主要表现为增加了二次谐波分量.

基于太赫兹波段内的光谱分析技术以及主成分特性分析与反向前馈神经网络建模, 提出了一种转基因大豆鉴别方法.从光谱数据中提取累计方差贡献率达到97.582%的前8种主成分因子, 并将其作为输入源导入神经网络模型, 通过剔除冗余数据、降低数据维数, 所建立的神经网络模型能准确识别校验集.该方法可以实现转基因大豆的快速、无损检测, 在农业安全领域有广泛的应用前景.

配制了含不同颗粒污染等级的变压器油样, 利用中红外光谱扫描获得油样的红外光谱数据, 再采用连续投影算法提取油样红外光谱的有效波长变量, 分别应用偏最小二乘法和支持向量机法方法建立了颗粒污染等级与中红外光谱有效波长的模型.所配置的油样红外光谱经过连续投影算法提取的有效波长具有特定颗粒污染物特征波长的特点, 所建两种模型的预测效果均优于全谱的偏最小二乘法和支持向量机法模型, 对验证集样本数据预测的决定系数分别为0.892 9、0.934 3, 均方根误差为6.372×10－3、3.07×10－3, 获得了较好的预测效果, 为变压器油中颗粒物的检测提供了借鉴.