通过自制的烟雾腔系统研究羟基启动的异戊二烯光解形成二次有机气溶胶(SOA)过程中环境因素的影响.使用气溶胶粒径光谱仪测量了SOA的粒径分布, 通过光解实验研究了光照时间、反应物浓度以及CH3ONO浓度对异戊二烯光解形成SOA的影响.结果表明, 异戊二烯光解形成的SOA空气动力学直径在0.4 mm~1.4 mm之间, 这些粒子的直径小于2.5 μm的微细粒子很容易沉积在人体肺泡内, 对人体健康产生很大危害; 不管是SOA粒子的粒子数浓度还是质量数浓度都随着反应时间的增长、光照强度的增强和反应物浓度的增加而增加.该研究为大气颗粒物排放源的外场测量提供了非常有用的信息.

基于激光诱导生物荧光技术, 分别采用紫外355 nm和266 nm激光作为激发光源, 构建生物气溶胶荧光雷达监测系统模型.综合考虑不同激发波段, 臭氧吸收以及太阳背景光等因素对激光雷达荧光探测效果的影响, 对系统性能进行数值仿真分析.仿真结果表明, 在四倍频266 nm紫外波段的激光激发下, 系统受地表臭氧的影响, 白天的有效探测距离非常有限; 在系统信噪比为10(SNR=10), 臭氧浓度为50 μg/L时, 最大探测距离仅为300 m; 而夜间情况下, 太阳背景光影响减弱, 探测距离约为450 m.三倍频355 nm激发时, 臭氧对系统的探测性能影响较小, 夜间探测距离可达750 m; 白天太阳背景光对355 nm的系统影响较大, 在相同0.5 mrad接收视场角下, 其有效探测距离约为330 m.为减少白天背景光的影响, 将望远镜接收视场角压缩到0.3 mrad, 同时选用50 nm带宽的滤光片, 此时系统的探测距离为480 m.由于355 nm波段的激发荧光受白天太阳背景光的影响较大, 在进行夜间探测时才可获得较好的效果; 而266 nm的激发波段可以很好的抑制背景光影响, 能够实现对生物气溶胶的白天有效探测.

为了提高差分光柱像运动激光雷达(DCIM雷达)探测信噪比, 提出了一种基于集合经验模态分解(EEMD)和奇异值分解(SVD)的混合降噪法.由EEMD获得含噪信号多层模态分量, 根据各模态分量之间互相关系数的差分量确定主要噪声并予以滤除, 利用奇异值分解识别模态分量中的残余噪声并提取有用信号.利用混合降噪法EEMD-SVD和EEMD方法分别对模拟仿真信号和实测激光雷达信号进行降噪处理.结果表明, 当模拟噪声标准差在0.05~0.2之间时, 相比与未降噪直接反演的湍流廓线, EEMD-SVD方法降噪后反演的湍流廓线信噪比提高了2.718 7 dB~6.921 5 dB, 相应的EEMD方法提高了1.446 1 dB~3.366 1 dB; 两个不同时段DCIM雷达降噪前后反演廓线与探空廓线的对比发现, EEMD-SVD和EEMD两种方法降噪后反演廓线较之于未降噪的反演廓线, 信噪比最大提高了2.526 5 dB和2.155 6 dB.EEMD-SVD的降噪效果优于EEMD, 能够更有效地识别和滤除噪声, 较大地提高了原始信号的信噪比, 获得更准确的大气湍流廓线反演结果.

采用两路光子时间到达点构建光纤式光子计数伪随机码深度获取系统.为了研究降低深度误差的方法, 以高斯函数为激光回波脉冲, 计算瞬时概率密度函数, 引入”时间行走“效应数学模型, 推导深度误差克拉美罗下限.随着激光回波能量的增大, 深度误差先降低再增大, 并且码长越长, 深度误差越小.采用理论推导的累积分布函数, 生成光子时间到达点, 蒙特卡洛仿真伪随机序列光子探测过程, 结果大于理论数值模拟, 符合克拉美罗下界原理.17组标定实验表明: 由于目标表面特性的不同而导致探测到激光回波中光子数的浮动, 该浮动引发光子”时间行走”效应, 并带来伪随机码深度获取系统的互相关函数的整体偏移.采用数值拟合方程拟合不同光子计数比例值下的深度误差, 测量得到的光子计数比例值, 代入拟合的矫正方程, 矫正后的深度均方误差下降至1 cm.

为实现输电线路上的多点电流监测,利用通信用普通单模光纤, 设计基于时分复用的多点式光纤环形腔结构电流传感器.多路传感系统共用一套光源、检测设备和数字信号处理系统, 在节约成本的同时,提高了利用率.实验中选用双路全光纤电流传感器结构, 在两个不同的点同时测量电流, 其中一测量点对0~600 A范围内的电流进行测量, 另一测量点对0~1 500 A范围内的电流进行测量.对实验数据进行线性拟合, 结果表明: 循环次数取8比较合适, 此时系统具有比取2时高约3~4倍的灵敏度; 两个测量点光信号的偏振态与电流之间有良好的线性关系, 两个传感单元的灵敏度不同, 而且相互之间没有串扰是各自独立的传感系统.

为了研究尘埃等离子体中带电尘埃的粒子半径、粒子浓度和带电荷数对量子通信性能的影响, 首先根据Mie散射理论得到单个带电尘埃粒子的光散射截面; 然后通过粒子浓度求出总的消光截面, 得出链路衰减的数学模型, 提出了带电粒子特性与量子纠缠度的关系; 针对退极化信道, 当单个尘埃粒子所吸附带电粒子的个数为50时, 给出了尘埃粒子半径、粒子浓度与信道容量和量子误码率的定量关系. 仿真结果表明, 当量子信号的传输距离为10 km时, 尘埃粒子浓度从1×1010 m-3增加到10×1010 m-3, 信道容量从0.672 6降低到0.107 5; 尘埃粒子半径从0.1 μm增加到10 μm时, 量子误码率由1.334×10-3增加到5.309×10-3. 由此可见, 尘埃等离子体中带电尘埃粒子的半径和浓度对量子卫星通信性能有显著的影响. 因此, 为确保量子通信的可靠性, 应根据所探测到的等离子体环境的状况, 调整卫星通信系统的各项指标参数.

为了解决长距离逆向调制光通信系统中弱信号难以检测的难题, 将散斑检测方式用于逆向调制光通信中, 实现对逆向调制端弱小光信号抖动的检测.设计了系统方案和检测原理, 并实验完成了60 m距离上1.3 kHz数字信号的传输和330 m距离上模拟话音的传输.该检测方式简单、便宜、易于模块化, 在低速的逆向调制光通信系统中有较好的应用.

为了提高室内定位精度, 实现三维定位, 提出一种基于蚁群算法的的可见光通信室内高精度三维定位系统。本系统采用了码分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)调制技术,解决了室内可见光通信多信号源之间的符号间干扰.系统中与发光二极管(Light Emitting Diode, LED)光信号源地理位置相关的ID信息码经过直接扩频调制后加载至发光二极管驱动电路, 以光信号的形式在室内传播.光信号经过放大、滤波、采样处理后, 根据码分多址调制技术中扩频码的正交性恢复出ID信息及光强衰减信息.经过计算获得来自不同发光二极管的信号光强衰减因子, 利用蚁群算法的全局搜索性确定最优定位点.引入误差修复因子, 利用蚁群算法的并行搜索性对光强衰减因子偏差进行修正.仿真结果表明, 信噪比为30 dB, 20 dB, 10 dB的条件下, 算法的定位精度分别为2 cm, 4 cm, 8 cm.当计算的精度高于45 cm时, 蚁群算法定位解的搜索效率明显高于遍历法.在10 dB的信噪比条件下, 对光强衰减因子进行修正后100%的测试点都实现了5 cm 定位精度.实验结果表明, 20 dB信噪比条件下, 92.59%的测试点的定位误差小于8 cm, 96.29%的测试点定位误差小于10 cm, 最大定位误差为11.30 cm.经过误差修复后, 96.2%的测试点实现了3 cm的定位精度, 61.6%的测试点实现了2 cm的定位精度.本算法在实现了高精度定位, 减少了获得最优定位解的计算量.

提出一种基于互逆光纤色散的微波光子雷达系统设计方案, 既可以产生宽带线性调频信号, 又可以实现线性调频信号的光域脉冲压缩.在发射端利用互逆色散光纤产生线性调频信号.在接收端, 雷达回波信号通过马赫-曾德调制器调制到预啁啾的光信号上, 然后经过色散光纤的进一步色散.最终在探测器端可以得到目标回波信号脉冲压缩后的结果.该方案无需脉冲压缩过程中数字化和离线处理, 且具有脉冲压缩比的调谐作用.理论、数值仿真和实验证明了该设计方案能有效进行线性调频信号的光域脉冲压缩.实验产生了C波段下时宽1.2 ns, 带宽3.2 GHz的线性调频信号, 并通过互逆色散光纤将该信号压缩到了0.09 ns, 脉冲压缩比达13.3.

为实现全景视场下人体行为特征的有效提取, 在原始形状上下文特征匹配算法的基础上, 提出一种基于自适应分块思想的金字塔匹配核算法.结合光学成像原理及全景视场下人体投影特点, 计算图像二阶中心矩对人体轮廓主轴方向进行补偿.然后对轮廓点进行均匀采样, 对各采样点提取形状上下文特征, 在匹配过程中分析高维特征空间中采样点的分布特点, 采用自适应分块的思想对金字塔匹配核函数的收敛策略进行改进, 根据各维度上数据的分布范围自适应地调整收敛系数, 以保证各个维度上的点集收敛速度一致.最后通过室内摔倒检测实验来验证算法的可靠性, 使用K均值聚类方法进行识别, 识别率可达92.9%.该特征提取算法为智能监控系统的稳定性提供了保障.

针对红外偏振与光强图像彼此包含共同信息和特有信息的特点, 提出了一种基于双树复小波变换和稀疏表示的图像融合方法.首先, 利用双树复小波变换获取源图像的高频和低频成分, 并用绝对值最大值法获得融合的高频成分; 然后, 用低频成分组成联合矩阵, 并使用K-奇异值分解法训练该矩阵的冗余字典, 根据该字典求出各个低频成分的稀疏系数, 通过稀疏系数中非零值的位置信息判断共有信息和特有信息, 并分别使用相应的规则进行融合; 最后, 将融合的高低频系数经过双树复小波反变换得到融合图像.实验结果表明, 本文提出的融合算法不仅能较好地凸显源图像的共有信息, 而且能很好地保留它们的特有信息, 同时, 融合图像具有较高的对比度和细节信息.

在不改变现有硬件条件的情况下, 开展超分辨扫描重建方法, 可以在不增加系统成本的基础上提高高分辨X射线显微镜的成像性能.设计了基于亚像素扫描的超分辨扫描模式, 按照设计的调制方式进行亚像素位移的移动, 采集多幅具有互补信息的低分辨率图像; 然后基于系统的点扩散函数, 对高分辨率图像进行复原; 最后结合POCS超分辨重建算法重建出高分辨图像.实验结果表明, 10倍光耦探测器下的衬度噪声比提高了20%左右, 空间分辨力提高了0.2 μm(约15%), 细节分辨能力超过探测器像素尺寸1.35 μm的限制, 可以看到在低分辨率图像中看不到的细节.实验说明用超分辨技术提高高分辨X射线显微镜的分辨率是有意义的.

为得到更为精细的三维重构, 提出一种基于信赖域法高斯拟合的峰值探测法, 对每帧图像单时间通道的回波进行高斯建模, 建模结果可有效减小噪声干扰, 具有唯一峰值, 该结果作为新的回波波形, 再对其进行峰值探测, 并基于空中目标实验数据对本文方法进行验证.实验结果表明, 基于高斯拟合的峰值探测法可将特征数据的提取误差降至10%以内; 利用该方法提取特征数据进行目标三维重构, 可实现探测深度方向上最小30 cm的空间分辨力, 提高了条纹管激光雷达的三维成像精度.

提出了一种侧面遮拦结构的日晕光度计, 在镜筒内通过设置多层挡板结构逐层抑制处于内视场的挡板边缘衍射光, 同时采用倾斜布置的上挡板结构抑制处于外视场的入射窗口边缘衍射光和侧壁散射光.建立数学模型对这些杂散光抑制挡板进行了仿真计算, 结果表明, 优化各挡板的几何参数后, 日晕光度计的设计视场可达3.5~10个太阳半径, 视场内的杂散光水平均可低于10-8平均太阳亮度.相对于高山天文台的日晕光度计在4~8个太阳半径的视场内总杂散光达到10-7 平均太阳亮度, 该日晕光度计扩展了可观测视场, 并使杂散光抑制提高了一个量级.

为实现材料在冲击加载下微观动力学响应测量, 基于小型闪光X射线源开展衍射成像系统设计.利用直流X光机及高纯锗探测器实现系统衍射光路的精确调节, 克服了闪光X射线瞬时强度高及连续辐射本底强导致的衍射角度确定困难, 并采用Scandiflash AB公司TD-450S和成像板建立了衍射成像系统.应用该系统在冲击加载实验中获得了LiF单晶单脉冲的Mo-Kα线静态及动态衍射图像.该闪光X射线衍射系统时间分辨率可达25 ns, 为冲击压缩实验中材料瞬时结构变化测量提供了新的实验方法.

根据推扫式线阵TDI-CCD成像系统的信号存储、传输与转换原理, 分析了其在激光作用下产生不同饱和串扰现象的机理, 建立了激光辐照TDI-CCD红外相机饱和串扰效应模型; 考虑了视场外激光干扰过程中出现的侧斑现象, 同时借助光学追迹模型, 实现了连续激光干扰星载红外相机的成像仿真过程; 通过图像质量评估因子定量分析了不同入射条件下激光辐射对相机输出图像质量的影响。结果表明: 入射角不同, 激光成像结果不同.选用1.064 μm视场外激光在一定入射条件下, 当改变激光入射角从2.86°到2.89°时, 激光将出现侧斑; 当激光功率密度提高1~4倍, 光斑干扰面积百分比将不同程度的扩大.

利用物理光学相关知识及Collins衍射积分公式和硬边光阑的复高斯函数分解法, 推导得到目标处干涉图样条纹间距与光学目标反射光时间分布关系的解析表达式.从原理分析、仿真计算和实验研究等方面研究了干涉场的条纹间距、光学目标口径参数和反射光时间分布包络的峰峰数、峰峰间距和峰峰比之间定量关系.结果表明, 当条纹间距的大小约为目标的口径尺寸时, 反射光时间分布包络的峰峰数由单峰向多峰过渡, 峰峰间距和峰峰比曲线会出现极大值, 根据这一变化规律可以估测出光学目标的口径参数, 其估测精度受条纹间距可调节范围的影响.

基于瞬态光电流模型研究了激光波长对双色激光等离子体产生太赫兹波的影响.通过理论计算证明: 太赫兹信号随激光波长的增大而增强, 其变化趋势不会因为双色激光强度、脉宽、相位差、强度比的变化而改变; 太赫兹波的频谱不会因为激光波长的改变发生变化.分析了双色激光波长影响太赫兹辐射强度的原因, 并利用自由电子密度和漂移电流密度阐明了该影响的内在物理机制.

提出了一种基于十字变形结构超表面的极化转换器, 在反射模式下获得了高效超宽带的交叉极化反射.在8.4到20.7 GHz频段内交叉极化反射率大于-0.2 dB, 而共极化反射率小于-12 dB, 在谐振频率点处交叉极化反射率大于-0.03 dB, 而共极化反射率达到-60 dB, 即在谐振点处几乎可实现完全的交叉极化转换; 相对带宽达84.5%, 交叉极化的平均转换效率为96.7%; 此外, 利用电路板刻蚀制备了此极化转换器样品, 实验测试其交叉极化反射率在工作频段内大于-1 dB, 而共极化反射率小于-10 dB, 实验结果与模拟结果吻合, 验证了此超表面可以在超宽的频带内实现线极化电磁波的交叉极化转换.本文设计的超宽带极化转换超表面具有转换效率高和几何结构简单的优点, 可被扩展到太赫兹甚至是可见光频段.

在对氧化和还原石墨烯近紫外到近红外波段反射率谱测量的基础上, 利用Kramers-Kronig关系计算其复折射率, 并反推反射率与光谱分析确定误差水平; 运用T矩阵法计算其在该波段的吸收和消光效率因子, 分析其消光和吸收性能.结果表明, 反推反射率值与实测值误差在10-6量级, 且其吸收谱线特征与复折射率虚部吻合; 还原石墨烯的可见光-近红外消光和吸收较强, 但紫外消光和吸收较弱; 氧化石墨烯在紫外-可见光波段的消光和吸收较强, 但在近红外波段迅速减弱.因此, 该计算方法在两种材料上适用, 且氧化和还原石墨烯均可用作宽波段的光吸收或消光材料, 但还原石墨烯近紫外波段以及氧化石墨烯近红外波段的性能有待改善.

为了提高轻小型碳化硅反射镜的面形精度并减轻其加工成本, 针对某空间相机的Φ210 mm SiC反射镜进行超轻量化设计.采用背部三点支撑并优化支撑点的位置, 通过拓扑优化, 得到反射镜背部需保留和可去除材料的分布情况.结合背部开放式、三角形孔的轻量化方案, 确定反射镜轻量化结构的初始模型.应用多目标集成优化方法, 建立以反射镜重量和X向自重工况面形为目标, Z向自重工况面形值为约束的优化模型, 对该反射镜进行了优化设计.优化后反射镜的X向自重工况下RMS值仅为0.18 nm, Z向自重工况下RMS值为2.38 nm, 重量仅为0.568 kg, 面密度达到16.9 kg/m2, X、Y、Z三向基频都在500 Hz以上.本文设计的反射镜结构有良好的力学性能, 本文优化设计方法是合理有效性.

设计了一种用于裸眼3D显示屏的低串扰新型双面柱透镜光栅板, 光栅板的入射面为等间距排列的与显示器子像素数量相同的凹形自由曲面光栅结构, 出射面为斜置的凸形自由曲面光栅结构.根据裸眼3D显示原理和几何光学原理推导了双面光栅板的光栅单元自由曲面设计公式和光栅参数计算公式.通过MATLAB编程计算和SolidWorks软件建模得到光栅板模型.用TracePro软件对所设计的光栅板模型进行光线追迹仿真, 结果表明: 参数优化后的6视点斜置柱透镜双面光栅3D显示在最佳视角的图像串扰度为0.068%, 与传统6视点斜置柱透镜光栅的最佳视角图像串扰度相比降低了2个数量级, 并且在观看距离2 000 mm~3 000 mm 范围内图像串扰度基本不变.

提出了一种分离的导模共振滤波器.该结构由光栅层和两个被空气薄层隔开的平板介质波导组成.使用时域有限差分法分析了该光栅结构在不同的结构参数下的光谱特性.研究表明, 当TM偏振入射时改变空气薄层的厚度可以实现共振波长的可调谐, 并且共振波长几乎随着空气薄层厚度线性变化.浅调制光栅被用于实现窄线宽特性.波长可调谐范围为1 515~1 558 nm, 半高全宽小于0.6 nm.

针对目前激光分束器只能产生小发散角的问题, 基于严格的非傍轴近似的衍射积分公式, 提出了一种大发散角分束器的设计方法.先对目标光场分布进行坐标和光强修整, 再利用改进的Gerchberg-Saxton迭代算法得到所需分束器的相位分布.分别采用本文设计方法和原有方法设计了发散全角为40°×40°的5×5分束器, 仿真和实验结果表明: 原有方法设计得到的5×5子光束存在着显著的枕形畸变, 并且光强分布不均匀.而本文方法设计得到的子光束呈均匀等间隔排列, 并且强度分布更为均匀.

提出了一种基于受激布里渊散射效应的瞬时频率测量方法.未知信号经过强度调制作为泵浦光, 矢量网络分析仪产生的信号经过相位调制作为扫描信号光, 当泵浦光和扫描信号光之间满足相位匹配条件时, 受激布里渊散射效应发生并实现相位调制到强度调制的转换, 未知信号的频率被测量.实验验证可以测量0.5 GHz-27 GHz的微波信号的频率, 最大误差小于20 MHz.

线性偏振光在显微物镜焦斑处入射, 与径向偏振光相干叠加产生三维偏振光场, 通过调节两束光光强比率和入射线偏振光偏振方向实现聚焦光场任意三维偏振方向的控制.基于矢量光场衍射理论建立了仿真计算模型, 对所提三维偏振方向控制方法的可行性进行理论验证和实验评估.构建实际控制光路并进行初步测试, 实验结果表明了该方法的可行性, 且相比于其他三维偏振控制方法, 本文所提方法和其控制光路更为简单易实现.

根据激光与远红外共窗口成像系统的技术要求, 研制了一种波长分离膜, 实现通过共窗口的激光与远红外光分离成像, 即1 064 nm高反射、8~14 μm高透射.分析薄膜的微观结构, 研究了薄膜材料吸潮前后的折射率变化, 结合光学薄膜理论, 优化膜系结构.在薄膜应力的基础上, 优化膜层厚度, 提高薄膜牢固性.研制的分离膜, 1 064 nm反射率为99.71%, 8~12 μm平均透过率为97.1%, 12~14 μm平均透过率为90.1%, 满足户外环境中长期使用的要求.

采用射频和脉冲磁控共溅射法并结合快速光热退火法制备了含硅量子点的SiCx薄膜.采用掠入射X射线衍射、喇曼光谱、紫外-可见-近红外分光光度计和透射电子显微镜对薄膜进行表征.研究了脉冲溅射功率对薄膜中硅量子点数量、尺寸、晶化率和薄膜光学带隙的影响.结果表明: 当溅射功率从70 W增至100 W时, 硅量子点数量增多, 尺寸增至5.33 nm, 晶化率增至68.67%, 而光学带隙则减至1.62 eV; 随着溅射功率进一步增至110 W时, 硅量子点数量减少, 尺寸减至5.12 nm, 晶化率降至55.13%, 而光学带隙却增至2.23 eV.在本实验条件下, 最佳溅射功率为100 W.