随着人类探索太空活动的逐年增多，对空间碎片的探测显得尤为重要。文中首先介绍了空间碎片的危害和探测意义，分析了探测空间碎片的主要难点和发展趋势；在此基础上，结合空间碎片的探测难点，提出了一种对空间碎片进行探测与信息传输的新方案，将激光测距、光谱偏振成像、激光通信三种功能融为一体，并进行了关键技术分解和可行性分析，以期为空间碎片探测提供一种新的思路。

通过使用太赫兹(Terahertz, THz)时域光谱系统, 探测从不同长度飞秒激光光丝辐射出的THz脉冲, 观察到THz波在飞秒激光成丝过程中超光速传输的实验现象。进一步的分析表明: THz波在等离子体光丝区域的折射率小于其在空气中的折射率, 这是使得THz波能够在成丝过程中超光速传输的主要原因。由此可以推测: THz脉冲极有可能是在等离子体光丝中进行导引传输的。最后, 通过数值模拟获得了光丝区域内的THz本征模式, 从而验证了上述推测。

对于自适应光学系统, 液晶波前校正器是一个非常有前景的波前校正器件。传统的向列相液晶波前校正器的主要缺点是偏振依赖和工作波段窄。采用了基于偏振分束器的开环光路设计和优化的能量分割方法来分别解决上述问题。结果显示, 开环光路非常适合于液晶波前校正器, 且新颖的能量分割方法显著提高了液晶自适应光学系统的探测能力。

红外探测器组件作为目标探测和成像系统的核心器件, 其空间分辨能力直接影响着探测系统的成像质量。评估探测器组件空间分辨能力时, 常使用调制传递函数(MTF), 而探测器组件光学串音是影响探测器组件MTF的主要因素。介绍了一套弥散斑直径为30 μm的红外小光点测试系统, 并用于测试不同结构红外探测器组件的线扩散函数(LSF)来评价组件的光学串音。测试结果表明: 叠层电极结构侧面存在的光响应会导致LSF展宽和次峰等现象, 该结果为红外探测器组件光学串音设计提供了参考。

为实现对空间目标红外辐射进行定量测量, 需要解决红外辐射测量系统的标定问题。针对常规标定方法对大口径红外辐射测量系统标定存在的不足, 在对其测量原理分析的基础上, 提出了一种内置黑体标定与天文恒星标定相结合的新方法。采用内置黑体作为标准辐射源对匹配镜组和探测器进行标定, 采用恒星标准辐射源对大口径主光学系统透过率进行标定, 并推导出了红外辐射测量系统整体的响应关系。试验验证表明, 该方法与传统的全孔径标定方法相比, 曲线斜率误差在4%以内, 具有操作简单易行、标定系统的研制难度低、标定效率高等优点。

对红外焦平面阵列而言, 欠采样产生的混淆效应严重影响成像质量。基于红外焦平面阵列的成像过程, 在时间域分析了探测器的采样过程, 在频率域定量研究了混淆效应对图像的影响, 根据混淆产生的机理, 分别对周期目标和非周期目标进行仿真实验。实验结果表明: 对周期目标会有混淆失真现象, 改变了图形的几何形状, 对于非周期图像会产生锯齿条纹。指出在低空间频率内混淆影响小, 噪声对图像的影响占主导地位, 而在高空间频率内混淆失真严重, 噪声影响小, 这对消除图像混淆的影响、系统参数设计等方面具有一定的参考价值。

烟幕、灰尘、云、火焰等不规则物体的实时红外仿真技术是战场环境红外图像实时生成的关键技术和难点之一。以烟幕红外仿真为例, 首先基于Navier-Stokes方程对烟幕的外形进行了建模, 给出了其初始化和边界处理方法; 然后基于灰体辐射模型和光线投射算法考虑了烟幕自身辐射和太阳光照射两种因素对烟幕的红外辐射特性进行了建模; 最后, 利用CUDA并行计算工具对基于物理模型的烟幕红外仿真进行了实现, 成功地将红外烟幕嵌入到基于Vega的红外场景中, 并对利用Vega粒子系统产生的红外烟幕和基于物理模型的红外烟幕的效果进行了对比。仿真结果表明, 基于物理模型的烟幕红外仿真满足实时性需求, 且具有真实感强, 可控性好的优点。

离轴三反光纤阵列激光三维成像发射系统中, 大功率激光器发出的激光经阵列光纤分束, 由光纤的芯径和单元发散角计算离轴三反光学系统的焦距, 由光纤的数值孔径确定系统的入瞳直径范围, 光纤阵列的长度决定了光学系统的发射总视场。离轴三反光学系统采用正向设计、反向使用的思路, 将光纤阵列置于离轴三反光学系统焦面位置, 反向追迹光线, 可以得到光纤阵列上各元激光经光学系统后的高斯光束发散角大小和相邻元之间的角度关系。文中的设计实例实现了51元激光, 每一元以20 μrad的较小发散角出射, 实例表明, 该发射系统能实现多元激光微弧度量级的发散角出射, 在目标面上形成间隔均匀、圆对称性良好的足印光斑。该发射系统在设计的发射总视场内, 理论上不存在波束数的限制, 这是区别于其他发射系统的另一优势。

激光多普勒测速仪(LDV)能够实现载体速度的高精度测量, 从而满足航空航天领域对高精度导航的需求。目标速度测量是建立在回波信号成功检测的基础上进行的, 因此微弱多普勒信号检测是LDV的关键技术。根据光频段噪声频谱特性, 提出了对有用信号频率进行带阻滤波、利用剩余噪声强度估计总体噪声强度的方法, 设计了频域内基于噪声强度估计的自适应阈值信号检测算法。通过与传统的固定阈值算法的对比仿真和实验, 表明该方法具有更好的探测性能, 能够在保持较低恒定虚警概率条件下实现对高于信噪比为-9 dB信号的完全检测, 具有抵抗噪声强度的起伏变化、算法简单、适用性强等特点。

机载LiDAR点云数据滤波是LiDAR数据后处理过程中的关键步骤。在分析三角网滤波与曲面拟合滤波特点的基础上, 提出了一种“由粗到精”的处理思想用于LiDAR点云数据滤波。该方法通过强阈值三角网算法进行II类误差优先的“粗分类”, 获取可靠性较高的初始地面点, 以“粗分类”结果作为先验信息进行种子点选取, 引入总体最小二乘算法完成曲面拟合, 设置自适应阈值实现不同区域灵活处理, 最终得到较为精细的地面模型。使用ISPRS测区数据及Niagara数据进行实验, 与经典滤波算法及传统曲面拟合方法进行对比, 实验结果证明, 该方法较传统算法能够得到更加可靠的滤波结果, 对各种地形的适应性较强, 具备较高的实用价值。

在冷原子干涉仪的研究中, 常采用三个拉曼光脉冲实现对原子束的相干操控(分束、反射和合束)。拉曼激光的功率抖动会引起Rabi频率的变化, 从而带来严重的干涉相移噪声。这些噪声对用于高精度转动加速度测量的冷原子干涉仪来说是不可忽略的系统噪声, 因此实现拉曼激光的功率稳定对于实现高精度原子干涉是至关重要的。采用声光调制器(AOM)作为执行器, 设计了一套用于稳定激光功率的数字控制系统。在对AOM进行系统辨识和控制器仿真设计的基础上, 利用Labview程序实现了激光功率稳定的PID控制。测试结果表明, 在测量时间为1 h情况下, 激光功率的不稳定度由系统闭环前的1.67%降低到了系统闭环后的0.19%, 极大地提高了干涉信号的稳定性, 同时也降低了系统噪声。

环形子孔径拼接技术检测大口径、高陡度光学非球面具有低成本、高效率的特点。提出一种基于最小二乘法和泽尼克多项式拟合的环形子孔径拼接方法检测高陡度光学非球面。研究了环形子孔径拼接算法的基本原理, 对环形子孔径的划分方式进行数学公式推导及参数运算, 建立被测非球面的有效数学模型。全口径的拼接结果与原始波面基本一致, 二者PV和RMS差值分别为0.015 1λ、0.004 7λ(λ为632.8 nm),残差的PV和RMS值为0.043 5λ、0.005 2λ, 验证该算法的有效性和准确性。

位置敏感探测器(PSD)测量误差主要来自于自身非线性、干扰和安装倾斜的影响, 且PSD的直接测量范围受限于探测器的尺寸。针对这些问题, 分析了自身非线性、干扰和安装倾斜的影响原理, 根据测量值与实际值的线性关系, 提出利用伺服模组与PSD相结合的光斑跟踪系统来进行局部拟合实时校准的方法减小干扰影响并消除PSD安装倾斜误差, 利用线性度较好的中间区域减小自身非线性影响。实验以Al2O3/PEN为样品, 利用研制的光斑跟踪系统对上述方法进行的验证结果显示, 线性相关系数维持在1±0.001 5/40 mm之间, 线性度标准误差减小到0.3 μm/40 mm以下, 最大误差在16 μm/40 mm之内且测量范围也可增大到模组的行程200 mm, 此方法简单有效、灵活实用, 特别适用于光强度弱且多变和测试范围较大的场合。

将递归最小二乘自适应滤波算法应用于激光多普勒测振技术中, 搭建了相应的微弱振动测量装置。模拟仿真与实验中, 通过与设计的切比雪夫低通滤波算法对比, 结果表明: 该递归最小二乘自适应滤波算法能够有效抑制随机高斯白噪声, 还原出原始信号; 能够对简谐振动信号实现有效滤波, 并且可以还原出淹没在噪声中的低频20 Hz信号; 文中算法可以去除语音噪声, 使声音更加纯净, 增强语音信号, 以此验证了该算法在外差振动测量中的可行性。该算法简单易用、收敛性强、速度快, 尤其对于随机噪声的去除比普通的低通滤波器更加有效。

大气CO2是一种温室气体, 在气候变化等领域起着关键作用。基于NDIR技术研制了可用于探测大气CO2垂直廓线的无线传感系统。系统采用电调制型的红外辐射光源、双通道探测器并结合超低功耗单片机实现大气CO2信号的采集与控制。提出采用调制信号周期内扣除信号起伏与背景噪声的方法, 使得本系统具有0.29%的相对测量误差。通过分时工作的方式解决了数字式无线电探空仪中高频发射机对CO2检测电路运算放大器的电磁辐射干扰, 进而实现了气象探空仪与小型化的CO2探测系统的高度集成。通过与地面LI-COR LI7500对比分析, 两者表现出较好的一致性, 24 h测量数据的相关性达0.89, 表明所研制的探测系统的稳定性与准确性。为实现大气CO2垂直廓线的探测提供一种选择。

针对侧入式LED平板灯出光效率低、导光板(LGP)制造成本高、设计流程繁琐等缺点设计了一种无导光板的LED平板灯。利用复合抛物面反光杯(CPC)将LED阵列发出的光束汇聚并投射在出光面板上, 并通过掠射和叠加的方法实现了出光面板的照度均匀性。进一步采用Taguchi实验方法进行设计, 并借助Tracepro软件仿真分析, 将影响该灯具最大照度和照度均匀度的因子进行研究与分析, 同时运用ANOVA理论分析出因子对品质的影响程度, 进而优化灯具的各项结构参数, 设计出一款均匀度95.87%、最大照度39 870 lx无导光板LED平板灯。结果表明: 该平板灯的效果达到甚至超过目前市面上的LED平板灯, 并且其无导光板的设计可以在很大程度上降低LED平板灯的生产成本; 此外, 将Taguchi方法引入平板灯的设计简化了设计流程。

针对民用低成本立体成像的应用需求, 设计了一种轻小型立体成像相机光学系统, 旨在于在250 km轨道高度地面实现像元分辨率为50 m的立体成像, 该光学系统在焦面探测器配合下, 既可实现立体成像, 又可实现大画幅面阵成像。该系统焦距f′=32 mm, 视场角2ω=66°, 相对孔径D/f′=1: 6.8, 工作谱段450~750 nm。光学系统设计中, 采用反远距系统与消色差显微物镜两种光学结构组合的形式, 最终全视场光学传递设计值优于0.49@78 lp/mm, 几何畸变小于0.1%, 边缘视场与中心视场照度比0.83, 边缘视场与主光线入射角小于15°。光学系统采用精密定心装配, 并对成像质量进行了检测, 装调后相机光学系统传递函数的测试值均优于0.4@80 lp/mm, 满足实验室静态传递函数优于0.2的指标。该光学系统在成像幅宽、几何畸变数值等方面的指标均优于国内外典型立体相机。

针对离轴三反光学系统初始结构求解复杂、视场宽度小的问题, 提出了利用光学传递矩阵求解三反系统初始结构的计算方法, 推导了三反系统焦距和后截距的表达式, 求解了光阑位于次镜的三反系统初始结构。采用引入高次非球面以增加系统设计自由度的技术路线, 基于ZEMAX光学设计软件, 通过对同轴初始结构进行离轴优化, 得到了一个矩形视场17°×2°, 焦距1 440 mm, F数4.8的离轴三反光学系统。该系统三个反射面均为高次非球面, 可同时满足宽视场角和高分辨率的要求, 在空间频率50 lp/mm处, 调制传递函数大于0.6, 接近衍射极限。结果表明: 该系统搭载线阵/面阵时间延迟积分电荷耦合元件(TDI-CCD)用于推扫/多通道式空间对地成像时, 可有效扩大空间对地成像系统的地面覆盖范围, 提高信息获取效率。

视场大小是评价头盔显示器在虚拟现实等领域的关键性能指标, 为了克服视场增加带来各类像差急剧增大的困难, 提出了一种基于双自由曲面的大视场头盔显示光学系统。首先, 分析了双椭球结构实现大视场与低畸变的基本原理, 指出了其难以校正除畸变以外其他像差的原因。接着, 提出根据系统对称性和光路走向采用竖直方向对称、水平方向不对称的自由曲面反射镜校正离轴像差, 完成了基于双自由曲面反射镜的大视场头盔显示光学系统设计。系统视场范围为106.3°(H)×80°(V), 最大相对畸变为6.97%, 出瞳直径8 mm, 点眼距19 mm。单目系统向外倾斜8°时, 双目视场范围为122.3°(H)×80°(V), 双目重叠视场为90.3°(H)×80°(V), 瞳距在55~71 mm范围内可调节。对系统性能分析结果表明: 相比双椭球结构, 系统成像质量得到较大提高; 视场范围和相对畸变满足虚拟现实领域的应用要求。

为了满足多种复杂环境的使用需求, 红外光学系统需要适应较大的工作温度范围。介绍了一种三分离式消色差消热差制冷型中红外物镜的设计方法。改进了三分离式结构物镜的孔径光阑位置, 使物镜实现100%冷光阑效率, 同时将这种结构与消热差模型相结合, 推导出三分离式消热差物镜的初始光焦度分配关系, 并给出透镜材料的组合原则。利用该方法设计了工作波段为3～5 μm, 焦距为88 mm, 相对孔径为1: 2的红外物镜, 各视场弥散斑半径均小于5 μm, 调制传递函数MTF达到0.75@17 lp/mm, 获得了很好的成像质量。该物镜在-20 ℃～+70 ℃温度范围内保持焦距、像面和像质很好的稳定, 验证了三分离式消热差光学系统的设计方法。

基于自主研发的RF LDMOS功率晶体管以及散热法兰, 设计了一款用于无线通讯以及L波段和S波段雷达系统的大功率高效率的功率放大器。在保证了器件的射频接地以及散热的前提下, 在封装内部设计了输入内匹配和输出内匹配电路, 提高了管芯的阻抗点以便于电路板匹配。利用Doherty功率放大器结构可以提高功率回退处效率的特点, 结合输出内匹配对负载阻抗点的翻转作用, 得到了一种结构优化的Doherty实现方案, 在峰值功率处达到398 W的输出功率, 52%的漏极效率; 以及功率8 dB回退的平均功率处126 W的输出功率, 43%的漏极效率。这种改进技术进一步提高了功率回退处的效率, 相对普通Doherty功率放大器结构, 性能提升了16%, 改善了无线通信系统的射频性能。

全谱段光谱成像仪集成可见多光谱、短波/中波红外以及长波红外三种探测器, 覆盖十多个谱段, 具有目前国内同类遥感仪器最宽光谱信息, 同时系统复杂且技术难度较大。为解决全谱段光谱成像仪多探测器同步控制、海量数据存储与集成处理以及探测器在轨增益、级数、积分时间等其他参数调整问题, 设计了一种多探测器数据控制与处理系统。该系统硬件以现场可编程门阵列(FPGA)为核心控制处理单元, 采用光耦合差分器件与其它设备进行连接和传输; FPGA软件采用模块化设计思想, 自顶向下用硬件描述语言(VHDL)进行设计; 利用仿真工具、硬件模拟器进行验证, 结果证明了该设计的正确性和有效性。在实际工程应用中, 该系统功能全面、接口灵活、可靠性高且易扩展。

研究通过等离子增强原子层沉积(PEALD)在不同沉积温度下生长的AlN温度对其特性的影响。前驱体是NH3和TMA, 在300 ℃、350 ℃和370 ℃沉积温度下分别沉积了200、500、800、1 000、1 500周期的AlN层, 并讨论了AlN薄膜的生长速率、结晶化和表面粗糙度。结果表明, 在300~370 ℃范围内, 随着温度的上升薄膜的沉积速率和结晶化增加, 而薄膜表面粗糙度减小。

爆轰物理、冲击波物理、强激光等众多领域均提出了对多个目标同时进行测速的要求, 从而急需研制多点测速系统。论述了光子多普勒测速的工作原理和光路结构, 计算了整个光纤链路上的功率变化, 分析了多点光子多普勒测速系统最大通道数量的各个影响因素及影响程度。根据分析结果, 研制了一套八通道光子多普勒测速样机, 可对8个测点进行同步测速, 并进行了爆轰加载金属飞片和粒子的验证实验。实验结果表明, 在测试条件逐渐恶化, 探头接收效率逐渐降低的情况下, 样机对单个或多个运动目标均达到了较好的速度测量结果, 获得了信噪比较高的待测目标速度曲线。研究结果对于深入探索多点激光测速技术及其应用极具参考意义。

设计了一种用于探测光纤激光器系统中有源光纤中残余的弱泵浦光的方法。采用两种光纤探针对剥离涂覆层的有源光纤以及保留涂覆层的光纤进行了包层泄漏光的测试, 优选出锥形探针作为弱光探测的光纤探针, 并用该探针测得泄漏光与包层残余泵浦光的功率关系, 发现二者呈线性关系并有对应的比例系数。通过该光纤探针的方法可实现快速确定有源光纤在激光器中的使用最佳长度, 避免传统方法中对有源光纤进行多次切割、熔接再测试等操作, 极大地提高了测试效率并降低了测试成本。试验同时发现, 光纤探针在剥离涂覆层光纤上的探测效果优于未剥离涂覆层的光纤探测效果。

波前编码作为一种经典的计算成像技术, 以能够大幅度拓展光学成像系统的焦深而闻名, 并得到了学术界及工业界长期的关注。实际上, 除了焦深的拓展, 波前编码还具备实现超分辨率成像的潜力, 而这在已有的研究中鲜有讨论。一方面, 相位掩膜板的引入在降低光学系统传递函数并使其对离焦不敏感的同时, 也有效降低了欠采样数字成像系统中的混叠效应, 从而提供了更适合于进行超分辨率重构的数据源。另一方面, 相位掩膜板所引起的点扩散函数支持域的巨大化效应使得以数字的方式、从采样间隔可以被认为是无限小的、理想的光学焦平面点扩散函数来计算与特定探测器物理像元大小相对应的采样点扩散函数成为可能。因此, 从这两个特点出发, 提出了一种为波前编码系统定制的、基于单帧图像放大的超分辨率重构算法, 并且研制了原型样机对超分辨率的效果进行了检验。试验表明: 焦距50 mm/F数4.5的Cooke三片系统除了焦深拓展超过20倍且具有接近衍射受限成像品质之外, 利用复原算法能够实现至少3倍的高品质超分辨率重建效果。

在单模光纤中由于非线性效应和拉曼增益效应的共同作用, 导致光子在各向同性介质中传输时满足非线性薛定谔方程。利用随机微分方程研究了长距离光纤通信中噪声对光纤信道的影响, 给出了光纤信道的动力学机理模型。首先在非线性薛定谔方程的基础上引入噪声项, 然后利用It?公式将其整理成极坐标系下标准的随机微分方程组, 最后利用福克尔－普朗克(Fokker-Planck)方程得到了光脉冲在光纤信道中的概率密度函数, 精细地研究了光纤信道的非线性演化规律。即在加入噪声项的情况下, 分析了光纤通信的传输性能指标, 得到了概率密度函数。

在战场等复杂环境得到的混合气体的红外光谱主次吸收峰交错重叠, 因此对其定性识别的特征提取方法就显得尤为重要。采集到的各种化学战剂和有机气体的红外光谱数据都是高维度数据, 首先采用中心化后降维进行特征提取来尽可能多地捕获到它所包含的本质信息, 由于混合气体的红外光谱是非线性、非高斯性信号, 把非高斯性作为独立性度量将各成分作为独立分量分离出来, 为了满足实时需求, 在传统快速独立成分分析(FastICA)算法的基础上对其迭代过程进行优化, 并应用极限学习机(ELM)建立模型进行定量分析。实验结果表明: 改进算法的迭代次数较传统算法减少, 定量分析均方差E=2.392 6×10-4, 回归系数R=0.999, 说明该方法在不影响分离精度的前提下提高了混合物质中纯物质光谱分离出来的效率。

为延长木材的耐久性, 分析其自身因素和表达。选枣木、水曲柳和杨木, 测量木材和木质素的碳含量、氮含量, 分析碳与氮的含量之比值, 测量木质素含量、木质素密度、溶于水的木质素密度、溶于苯醇溶液的萃取物含量和总萃取物密度, 比较木材及木质素的红外光谱图, 研究愈创木基与紫丁香基的比值。结果表明: 耐久性最好的枣木的气干密度为0.93 g/cm3; 其红外光谱图在波长为1 633 cm-1, 在羰基(C=O)的伸缩振动下, 存在波峰; 愈创木基与紫丁香基的比值为0.975; 氮含量为0.274%,其木质素的氮含量为0.444%, 在三种木材中为最小; 枣木和其木质素的碳与氮含量之比分别为180和135, 木质素密度为184.3±9.7 mg/cm3, 总萃取物密度为88.1±3.5 mg/cm3, 和水曲柳、杨木的比较, 均为最大。

频率域光声成像是指使用连续波激光器输出激光光源, 利用该调制后的激光信号辐射组织, 在频率域对激励的光声信号进行处理并成像的方式。首先阐述光声成像和频率域光声成像的原理、发展以及研究现状, 然后介绍频率域光声成像的具体实验方法和基本重建算法。为了弥补时域光声成像成本高、伤害性大、便携性差等缺点, 提出了频率域光声成像的两种成像方式, 给出了完整的实验系统结构图, 展示其相对于传统时域光声成像不同的研究特点与方向。最后对频率域光声成像进行展望, 为光声成像在国内的研究和发展提供一定的借鉴和引导。

针对常规星模拟器存在的模拟参数少、精度低和模拟技术难度大等具体问题, 将μLED发光技术引入到星模拟器的设计中, 提出一种基于μLED发光技术的新型星模拟器研制方法。结合星模拟器准直光学系统设计结果, 详细设计了整体机械结构, 以确保其具有在仿真环境下, 最大程度弱化温变、振动等外界因素的特性。重点研究星点位置精度和星点发光亮度的控制技术, 并对星点圆度、星点发光均匀度以及星点光谱控制技术进行具体分析。分析与测试结果均表明, 所设计的星模拟器具有星间角距精度小于3″, 多种5个连续星等模拟, 同时满足星点圆度、发光均匀度以及发光光谱的多参数模拟性能。所提出的设计方法也为更高级别的星模拟器研制提供一种可行的技术方案。

关联成像实验和理论证明了光可以用特殊的方式传递信息。文中采用半经典理论, 按照赝热光场、光电探测和关联计算的成像过程, 系统分析了关联成像的理论基础, 并给出了系统的视场、空间分辨率和对比度。在此基础上, 对传统关联成像的线性计算方法进行了改进, 使之为物体透射函数的均方收敛无偏估计。相应的计算鬼成像仿真实验表明: 在相同测量次数下, 尤其是低于奈奎斯特采样频率时, 该方法显著提高了鬼像的峰值性噪比并有效抑制了背景噪声。

在实验上对光激发电荷畴进行有效的猝灭, 是利用具有雪崩倍增效应的非线性砷化镓光电导开关作为太赫兹辐射源的关键问题之一。提出了基于双光束红外激光来猝灭砷化镓光电导开关的非线性模式的初步实验方法, 两束激光时延为100 ps, 其中第二束为猝灭光。实验中, 12 mm间隙的砷化镓光电导开关偏置电压可达到32 kV, 输出电流为900 A。同时, 14 mm间隙开关在20 kV偏置、毫焦光能触发条件下, 可连续工作230次, 输出波形具有较好的重复性。结果表明, 双光束红外激光能够猝灭非线性模式, 重复工作性能稳定, 对高重复频率触发下光电导方法产生高功率太赫兹辐射的研究奠定了前期实验基础。

THz波在电磁波谱中位于微波至红外波段的过渡区域, 其特性在空间研究及应用领域具有独特的优势, THz频段的大气遥感仪器可以为探测地球大气信息提供全新的视角, 在大气科学领域展现出良好的应用前景。介绍了THz技术在大气探测领域的主要应用, 综述了国内外THz频段的大气观测仪器的研究现状, 通过各仪器关键指标参数的对比分析, 总结了THz大气观测仪器的发展趋势及发展前景, 并提出了发展THz大气遥感技术的建议。

利用太赫兹光谱技术进行了土壤中重金属铅含量检测研究, 太赫兹光谱是一种拥有多种独特性质的新型安全检测技术, 前期实验结果证明该研究具有一定可行性。制备了不同浓度的含铅污染土壤样品, 研究并确定了压片法制备参数, 然后在首都师范大学太赫兹实验室开展了样品测量实验, 获取了有效数据。分别采用偏最小二乘和区间偏最小二乘法对太赫兹全谱数据进行了建模和预测, 结果表明经优化的预测结果相关系数达到0.81, 证实了该方法可行。借助于该检测手段, 可以得到农田的重金属铅污染分布图, 然后根据污染图进行污染治理和农田土壤有效管理, 从而提高农田的生产能力。为精准农业中农田重金属污染快速检测、实现农业可持续发展提供参考。

设计了基于介质高阻硅的超材料用于对太赫兹波的透射振幅和相位进行控制。这里组成超材料的基本结构单元为亚波长柱状硅, 相比于基于金属的超材料, 其损耗小, 效率也更高。太赫兹入射到不同尺寸和旋向的柱状硅时, 所透射的太赫兹波的振幅和相位也不同。通过设计不同空间位置处的柱状硅尺寸和旋向, 就可以实现任意的振幅和相位分布, 从而对透射波波前进行完全的控制。实验中, 利用这种硅质微结构设计了三种不同的奇异光栅, 其衍射级次和数目可任意控制。这种基于介质超材料的方法, 设计简单, 加工方便, 在制作太赫兹波段低损耗的功能器件方面有着广泛的应用前景。

为解决通用光机集成仿真接口中光学面形点云数据处理问题, 提出了基于点云边界检测技术的面形数据前处理方法。首先讨论了集成仿真面形数据前处理方法及边界检测技术在前处理中作用; 然后研究了边界检测算法涉及的光学面形点云数据组织, 面形节点K邻域微切平面的拟合算法以及边界节点的判断方法。在点云边界检测算法研究基础上, 讨论了算法主要数据结构和程序实现, 并通过示例面形点云边界提取验证了算法的正确性和有效性, 为光机集成仿真面形数据处理算法提供了新的技术参考。

根据刚体各部位具有变换一致性这一特性, 提出一种采用高维数据聚类的目标跟踪方法。从数学理论方面证明提出的度量方法可以应用于目标跟踪, 称其为高维数据聚类跟踪器(HDDC tracker)。 该算法框架如下, 首先, 采用Harris检测器对模板与跟踪区域进行特征提取; 然后利用这些特征的空间信息对所提取的特征进行编组; 接着计算模板特征组与跟踪区域特征组间的仿射变换阵; 最后, 采用高维数据聚类对这些仿射变换阵进行度量, 将那些相似仿射阵对应的跟踪区域作为跟踪目标。实验表明: HDDC tracker能够有效地跟踪具有仿射形变的目标, 并且性能优于先进跟踪算法。

为了提高图像在信息交换中的安全性与可靠性, 提出一种将激光散斑和Henon映射混合应用于图像加密的新方法。激光散斑图像灰度分布具有随机性, 采用SCAN 语言将其扫描为不同的随机序列, 该序列与Henon映射生成的序列求和形成新序列, 新序列与待加密的原始图像按位异或实现加密。结果表明: 该方法具有较好的加密效果, 较强的密钥敏感性, 较弱的相邻像素相关性, 可抵御统计分析攻击。

由于传统的梯度光流法当运动不连续时运动场估计值与真实值有较大偏差, 因而不能直接应用于稳像系统中。引入金字塔多分辨率分层技术对传统的梯度光流法进行改进。首先, 在视频序列中选定细节丰富的区域作为计算区域; 其次, 利用结合金字塔多分辨率分层技术的光流法迭代求解相邻帧间的仿射参数; 最后, 采用帧间补偿方式, 并增加控制累积错误传播的措施, 在不丢失过多原有信息基础上, 实现了长时间稳像。实验表明: 改进的方法能够检测出剧烈的复杂抖动, 并能达到旋转精度小于0.09°、平移精度小于0.07个像素, 缩放精度小于0.02的高精度估计, 且补偿序列平均峰值信噪比值提高了2.36 dB以上。

主要研究激光束在盐水和沙子两种下垫面上方传输时的波前特性, 并采用自适应光学系统对波前畸变进行校正。建立了激光传输实验平台, 基于自适应光学系统的输入输出数据建立了自适应光学系统模型, 基于该模型设计了自适应光学系统闭环控制器, 对比了激光束在两种下垫面上方传输时的波前畸变特性与自适应光学系统校正的差异。实验结果显示, 在同样辐射加热的条件下, 沙面上方的空气湍流对激光束波前影响更剧烈; 经自适应光学系统校正后, 波前传感器点位移方差在盐水情况下减少了28%, 而在沙子情况下减少了10%。该研究为在海洋环境中利用闭环自适应光学系统进行光束波前畸变校正的可行性做出了初步探索。

利用2011~2014年MODIS云产品数据对北极地区夏季卷云的出现概率、云顶温度、云顶高度、光学厚度、有效粒径大小进行统计分析, 并讨论了北极地区夏季卷云有效粒径大小和卷云高度的关系。结果表明, 北极地区上空夏季卷云出现概率最高, 水云较少。卷云云顶温度主要分布在230～272 K(即-43～-5 ℃), 其云顶高度主要在2～8 km, 4.5～6 km出现概率最大。卷云的光学厚度主要在小于10范围内。卷云的有效粒径在5～40 μm之间, 10～20 μm出现概率最大。卷云的有效粒径和高度的关系与中纬度地区相反, 北极地区卷云高度越高, 卷云有效粒径越大。北极地区卷云随着纬度增大, 卷云出现概率增加, 卷云云顶温度降低, 卷云高度增加, 卷云有效粒径增大, 卷云光学厚度增大。

由于光学平台的结构性谐振以及风吹抖动等因素造成的光轴抖动在很大程度上会降低自适应光学系统的性能, 若采用常规积分控制器对这种高频窄带的扰动信号进行抑制, 收效甚微, 而且有可能将其放大, 使得系统无法正常工作。以实际系统观测数据为基础, 分析了该扰动的频域特性。针对该扰动的峰值频率以及带宽, 借助Smith预测器, 提出了一种稳定高效且易于实施的控制器设计方法, 讨论了控制器参数与其滤波特性之间的关系, 分析了这种控制器对控制对象参数变化的鲁棒性。结果表明, 采用新型控制器可以将由光轴抖动引起的单轴倾斜像差的方差降低约60%, 弥补了常规控制器的不足。