2014年 第43卷 第9期
提出了一种基于半导体-金属相变材料和掩埋金属光栅结构的新型红外光开关。该结果由电磁场有限元方法计算得到。设计了在近红外波段表现出宽谱的、偏振选择的全光开关效应。掩埋金属光栅极大的提高了二氧化钒薄膜作为光开关的消光比，使得该结构在亚波长尺寸获得了高的消光比。结构的光学响应随入射角变化并不敏感。结构的透过、吸收特性可由结构参数进行调节。此设计在红外光通信、光计算以及军事探测、无损检测等领域具有潜在的应用。
负载电阻分流方式通常用于消除光导PbS探测器的背景电流，其中各探测单元光敏元电阻与相对应负载的阻值可以相等，也可以成一固定比例。为研究不同负载电阻均可应用于光导PbS焦平面探测器，采用尺寸同为100 m 100 m 的光敏元、分别为100 m 100 m 和200 m 50 m 的负载研制了线列1128 光导PbS 红外焦平面探测器。利用红外焦平面测试系统对不同负载电阻制备的器件性能进行了测试与分析。研究表明，采用不同负载电阻均获得了性能正常的器件；在相同的光敏元工作参数下，器件的平均黑体响应率、平均黑体探测率基本一致，负载对其均无影响。研究结果验证了仅通过调节负载电阻即可使器件背景输出电平平坦化的可行性。
HgCdTe e-APD 工作于线性模式，通过内雪崩倍增效应将一个微弱的信号放大多个数量级。介绍了一个具有列共用ADC 制冷型(77 K)数字化混成式HgCdTe e-APD FPA 读出电路，可以应用于门控3D-LARDAR 成像，有主被动双模式成像功能。Sigma-delta 转换器比较适合于中规模128128 焦平面列共用ADC。调制器采用2-1 MASH 单比特结构，开关电容电路实现，数字抽取滤波器采用CIC 级联梳状滤波器。采用GLOBALFOUNDRIES 0.35 m CMOS 工艺，中心距100 m。设计了量化噪声抵消逻辑消除第一级调制器量化噪声，采用数字电路实现。CIC 抽取滤波器的每一级寄存器长度以方差为指标截尾，以降低硬件消耗。并且数字抽取滤波器工作电压降低到1.5 V，可以进一步降低功耗。仿真显示sigma-delta 转换器精度大于13 bit，功耗小于2.4mW，转换速率7.7 k Samples/s。
随着大规模InSb 红外焦平面(FPA)器件的发展，探测器制备的传统湿法刻蚀工艺已越来越难以满足新工艺要求。介绍了一种用于制备InSb 红外焦平面探测器的新湿法刻蚀工艺：使用适当比例的柠檬酸/H2O2 系刻蚀剂代替现有乳酸/硝酸系刻蚀剂，同时采用N2 气泡搅拌刻蚀装置来辅助刻蚀。通过实验对比分析表明，新刻蚀工艺可以很好地解决原湿法刻蚀横向刻蚀和下切效应，提高了刻蚀均匀性和平整度，减小了表面粗糙度，并明显降低了InSb 器件的漏电流，提高了电性能。
研究地面目标的红外立体特征，有助于全面掌握目标红外特性的细节，对红外热像的模拟、红外目标识别以及红外隐身设计等都有着重要的意义。文中通过对影响目标温度因素的定量分析，建立了地面目标表面温度的一般数学模型。以一维导热微分方程为例，计算了某建筑物墙壁不同方位的外表面温度在一天中随时间的变化关系，并与实际测量值进行了比较。在此基础上，最后对建筑物的红外辐射进行了理论计算和讨论。结果表明地面目标的红外立体特征在白天非常显著，在晚上的立体特征则没有白天显著。
夜间行车时，由于光线不足，视距较短，驾驶员驾车的危险性增加。汽车夜视系统能增加驾驶员夜间行车的视距，且不受雨雪等恶劣条件的影响，因此，颇受关注。夜间行车时环境温度变化较大，温度变化严重影响夜视系统的成像质量，无热化设计是夜视系统的发展方向之一。硫系玻璃具有较小的折射率温度系数和良好的红外透过性能，同时具备模压成型等优点，是用于无热化汽车夜视系统设计的优良候选材料。详细分析了硫系玻璃的光热特性，比较了硫系玻璃应用于汽车夜视系统的优势，给出了它在夜视系统中的多个应用实例。
在对空中目标进行红外探测时，飞鸟是一种重要的潜在虚警源，其具有和目标相似的红外辐射特性。首先对飞鸟和空中目标在探测器上信号的计算方法进行了讨论，重点考虑了红外系统的聚焦位置对成像的影响；然后根据得到的公式分析了飞鸟飞行高度、面积和系统聚焦位置对飞鸟在探测器上信号的影响，同样也对目标的信号进行了分析，分析结果表明：从信号的特征上不能区分飞鸟和目标；最后提出了从速度的观点对飞鸟和目标进行区分的方法，对飞鸟可能成为虚警源的概率公式进行了推导和示例计算，从计算结果可以看到，通过速度的差别，可以在很大程度上对飞鸟进行剔除。
双波段红外图像的小目标融合检测是红外自动寻的系统的关键技术和研究热点之一。为了建立有效的融合检测结构，对基于布尔逻辑的融合检测方法进行了分析，并从小目标红外成像原理出发，提出了一种基于与逻辑和局部灰度的混合融合检测算法。首先，分别对单波段的红外图像进行阈值分割；其次，对两个波段的检测结果进行与融合；再次，对与融合之外的目标点进行局部灰度判别，进一步提高检测概率；最后，根据融合结果调节第一步中局部检测器的分割阈值，以优化局部检测器。实验仿真结果表明，该算法有效地提高了双波段红外的检测能力，且算法结构简单、运算速度快，具有较强的实用性。
激光熔覆时熔池对流运动对熔覆层成分和气孔缺陷分布具有较大影响。通过在灰铸铁和45钢两种基体上进行激光熔覆NiCuFeBSi 系合金的工艺试验，对熔池的对流运动形式进行了机理分析与试验验证。结果表明，受熔池强对流运动影响，熔覆层气孔呈均匀弥散化分布趋势；且自熔覆层底部向顶部方向合金元素分布均匀，无缓慢过渡特征。根据YAG 激光光斑能量的高斯分布特征，获得了熔池对流运动的驱动力是熔池温度分布不均形成的熔池表面张力梯度。而且熔池表面张力梯度与激光能量密度，熔池温度，熔体对流运动速度是彼此密切相关的。熔池对流运动机理分析表明，热流密度越高，温度越高，表面张力梯度越大，熔体对流运动速度越大。
报道了一个全光纤结构的高功率超连续谱激光光源。利用自行搭建的环形腔掺镱脉冲光纤激光器作为种子源，采用三级MOPA功率放大，得到了平均功率为62W，中心波长为1 065 nm，3 dB谱宽15 nm，重复频率为118 MHz的皮秒锁模脉冲输出，将其耦合进零色散波长为1 040 nm的光子晶体(PCF)，最终得到平均功率为28 W，谱宽覆盖范围为600~1 700 nm的超连续谱激光输出，超连续谱的光-光转换效率为45%。实验解决了高功率下大芯径掺杂光纤与PCF的耦合效率低的问题。
为了对激光等离子体声信号特性进行深入研究，构建了激光声实验系统。使用波长1.06 mNd：YAG 脉冲激光聚焦击穿水介质产生激光等离子体声信号，使用水听器对信号进行接收，通过高速摄像机对信号产生过程进行了记录。分析了激光等离子体声信号的时频域特征。从理论上研究了激光等离子体声信号的指向性和传输特性，并进行了实验验证。研究结果表明：激光等离子体声信号时域脉宽为15 s 左右，频带宽度为200 kHz，主频在70 kHz 左右。信号在不同传输角度上的幅度差异很小，按照近似1/r 的规律衰减，传输过程中主频逐渐减小。
利用主振荡功率放大(MOPA)结构高功率皮秒脉冲全光纤激光器，对高功率皮秒脉冲放大器中自相位调制(SPM)效应进行了实验研究。激光器种子源是自行搭建的半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动锁模光纤激光器。为了抑制非线性效应，使用一个自制重频倍增器把种子脉冲的重频增加到328 MHz 后再放大。放大器部分采用三级放大结构，最终获得了中心波长为1 066.5 nm，3 dB 光谱线宽约为2.5 nm，平均功率为91W 的稳定皮秒脉冲激光输出。实验对光脉冲在放大的过程中自相位调制引起的光谱变化进行了研究。对激光器输出光谱的分析表明，随着功率的增大，高功率光纤激光器中自相位调制效应受到入射脉冲的初始啁啾和脉冲形状的影响程度也随着变大，与此同时还受到自陡峭效应的影响。
低对比度目标探测在司法取证、反恐维安、远距离监控、搜救等应用中具有重要意义，然而传统二维成像方法则难以对其有效探测。由此，提出了基于2D/3D 距离选通成像探测低对比度目标的方法：通过2D 距离选通成像直接获取目标无背景或背景部分滤除的二维选通图像，从而突显目标，简化目标提取图像处理；当复杂背景无法有效滤除时，可进一步通过3D 距离选通成像重建二维选通图像中丢失的三维空间信息，通过距离图区分目标与背景，实现目标有效探测。在该方法中，3D 距离选通成像是基于上述二维选通图像采用超分辨率三维成像反演实现的，因此无需耗时获取新数据，从而提高了实时性，并压缩了数据量。研究和实验表明：该方法可有效解决低对比度目标探测问题，在低照度及恶劣天气环境下均可有效工作。
通过对多输入多输出合成孔径雷达(MIMO-SAR)的虚拟空间采样进行等效观测通道重构，可实现宽测绘带内的多通道合成孔径成像与地面运动目标显示(SAR/GMTI)处理。在建立宽测绘带MIMO-SAR 运动目标观测模型的基础上，分析了该模式下MIMO-SAR 运动目标回波与传统SAR 系统运动目标回波的区别。并利用成对回波原理建立了目标回波的等效微动模型，提出了空间通道重构模式下MIMO-SAR 运动目标的等效微动效应，并讨论了运动目标回波的时频谱线数目。最后，数值仿真验证了文中结论的正确性。
贝塞尔波束自产生以来，凭借其无衍射、自修复特性已经获得了越来越多学者的关注。基于广义洛伦兹米理论, 将在轴贝塞尔波束与手征介质球相互作用的入射场及散射场展开为球矢量波函数的表达式。结合球矢量波函数的正交完备性及电磁场的连续性边界条件，推导出了在轴零阶贝塞尔波束对手征介质球电磁散射的解析解。数值模拟了散射强度随散射角的分布，将在轴贝塞尔波束退化为平面波照射手征介质球的散射结果与文献比较，吻合得较好。分析了波束及介质球参数、介质球偏离波束中心位置对散射强度的影响。该理论为手征材料和手征涂覆目标在微波工程及目标隐身中的应用提供了很好的理论应用价值。
极紫外光源功率是影响光源使用的关键参数，研究放电等离子体EUV 光源等离子体时间特性，优化放电结构和光源功率具有重要意义。理论上计算了不同内径毛细管内等离子体压缩过程和收集效率，实验上采用极紫外探测器测量了毛细管内径对Xe 气极紫外光源13.5 nm(2%带宽)辐射输出时间特性的影响，分析了毛细管内径对等离子状态的影响。结合该系统光学收集系统设计参数、不同内径毛细管收集效率和极紫外探测器信号强度，给出了不同内径毛细管中间焦点处13.5 nm(2%带宽)光功率比。结果表明：气压7 Pa、电流28 kA 时，毛细管内径7mm 条件下，光源中间焦点处光功率最优化。
相机分拣机常用于食品和非食品分拣，如炸薯条、虾、蔬菜、小吃、棉花、塑料等。但有些看不见的异物(如玻璃)或与产品颜色相同的异物是无法由相机检测到的。而激光扫描系统则可用于检测与产品颜色相同的异物。设计和改进了基于选择性吸收原理的激光分选系统，并对系统进行了高速信号采样实验以及成像实验。在信号采样实验中，系统可以通过选择性吸收分选技术有效识别产品和异物。在成像实验中，选择报纸的标题作为成像样图，调整扫描光斑直径接近0.35 mm，扫描后的数据经由计算机程序转码并成像。实验成像的分辨率为18043 pixel。成像结果表明，系统可以有效地识别1.5 mm 的异物。最后对光学扫描系统进行了分析，发现部分的光信号损失于扫描光的非垂直入射，于是提出了曲线扫描分拣结构用以改进传统分拣系统。
以地基激光辐照飞行靶为研究背景，建立激光迎面辐照和横向辐照靶目标两种交汇场景，考虑激光辐照面域和功率密度分布随靶目标飞行的变化，求解激光辐照参数，建立热传导模型；利用有限容积法，得到飞行靶三维温度场的数值解，分析目标运动性对温度场分布的影响。不同于激光辐照静止目标，辐照参数变化对温度场分布有较大的影响：随着靶目标的飞行，辐照面积逐渐减小，平均功率密度逐渐增加，目标温升速率不断增加；光束与靶目标夹角的变化，引起光束强度空间分布的变化，从而影响温升区域的变化。
对TC17钛合金激光冲击强化前后的微观组织和力学性能作了对比研究，将TC17钛合金进行同一功率密度下不同次数的激光冲击，分别利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X 射线衍射仪、残余应力测试仪和显微硬度计对激光冲击前后TC17钛合金的微观组织、残余应力和显微硬度进行了观察和测试。试验结果表明：TC17钛合金在不同次数激光冲击后，表面形成了剧烈塑性变形和高密度位错，晶粒细化明显，3 次激光冲击后有纳米晶形成；残余应力和显微硬度都随着冲击次数的增加数值增大，且沿深度方向的变化规律基本相同；与未冲击试样相比，5 次冲击后试样表面显微硬度提高了20.7%，沿深度方向300 m范围内影响明显，表面残余应力达到-644.3MPa，残余压应力影响层深度增加至1.9mm。
为研究合金在连续激光辐照过程中反射率变化机理，建立了积分球反射率测量装置，测量了1.06 m 连续激光辐照过程中45 号钢反射率变化。实验结果表明，激光辐照过程中反射率先快速下降，然后产生周期波动。随着激光功率增大，反射率开始下降点和最小值点对应温度逐渐升高，极大值个数增多。建立了多层氧化膜影响模型，结合氧化膜生长规律，分析了不同结构、不同厚度变化规律氧化膜层的反射率特征，实验结果验证了理论模型的合理性。结果表明，反射率变化主要原因是氧化膜生长引起的多光束干涉与吸收效应。由FeO-Fe3O4-Fe2O3 组成的三层氧化膜中，中间吸收型Fe3O4膜是反射率变化的主要影响因素，最外层Fe2O3 膜引起的干涉效应影响反射率的稳定值，最内层FeO膜的贡献可以忽略。
由于折叠波导具有准二维结构、功率容量大、易集成等特点，非常适合在THz 频段推广应用，文中对0.85 THz 折叠波导行波管(FW-TWT)的色散和耦合阻抗特性进行了模拟计算与优化，利用等效电路理论、简化理论与CST 仿真计算的方法。根据折叠波导直波导高度需大于注通道的特点，电子注的直流加速电压必须小于某一值；根据MEMS 加工工艺的允许误差范围，对折叠波导结构各部分的参数进行优化，使该结构的色散较平坦与耦合阻抗较大。计算结果表明：电子注的直流加速电压不超过26 kV；注通道填充比为0.1 时，带宽约400 GHz、相速变化率小于1%时带宽约275 GHz(825~1 100 GHz)。该套方法对THz 折叠波导行波管的设计具有重要意义。
介绍了一种基于3 dB 定向耦合器的0.14 THz 功率分配器设计方法。由于太赫兹频段的器件尺寸越来越小型化、微型化，特别是对于功率分配器中的核心结构，造成精密机械加工方式难以实现。典型的波导3 dB 定向耦合器结构是90电桥结构，其耦合缝隙之间的间距仅有不到0.5 mm，这样的尺寸是机加时产生的应力难以承受的。通过分析波导定向耦合器支路间的相位关系得出：如果耦合缝隙的间距增加到半波长的整数倍，支路间的相位差仍为90，但这样变化的结果是带宽的降低。通过耦合缝隙间距的适度增加，降低了机加的难度，工作相对带宽降到10%。经仿真分析，结果得到了验证。加工的样品测试结果表明，在0.133 ~0.147 THz 的频率范围内，插入损耗小于1 dB，回波损耗小于-20 dB。
目前，国际上多个科研小组相继开展了太赫兹逆散射成像方面的研究，已开发出多个太赫兹逆散射成像系统。其电磁散射模型及成像处理方式多借鉴于其他辐射源已经成熟的研究成果，例如：雷达目标散射中心模型及ISAR/SAR, Born/Rytov 近似模型及层析成像。但上述方法直接应用于太赫兹波段将导致成像质量的下降。首先简要介绍了太赫兹雷达成像和太赫兹层析成像之间的关系，在分析两种成像方法特点的基础上，重点研究了大孔径、大带宽条件下的太赫兹逆散射成像，提出了一种基于Range-Doppler 算法的改进成像方法。最后，利用该方法对中物院研制的0.14 THz 雷达样机实验数据进行成像，并给出了典型目标的成像结果，验证了新成像方法的有效性。
磺胺甲噁唑(SMX)作为典型的一类光谱抗生素，经常被用于敏感菌引起的各类感染。由于其晶体内部结构的不同，SMX 将以两种不同的多晶型形式存在。不同晶型常常具有不同的物理化学性质，这些差异可能会对药物的流动性、稳定性以及药效等有较大影响。新兴发展起来的太赫兹光谱技术对于分子间弱的相互作用及大分子的骨架振动、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收都非常敏感，在药物以及生物等领域获得了重要的应用。利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术在室温下对两种不同多晶型SMX 类药物在0.2~1.5 THz 范围内进行了光谱测量，得到对应的吸收谱，发现其在太赫兹波段都有明显的特征吸收峰，可作为其指纹谱用于该类药物多晶型的识别。不同温度下(95~296 K)获得太赫兹时域波形以及对应的频域吸收谱图，结果发现时域波形以及频域吸收谱均与温度呈现规律变化。该研究结果表明THz-TDS 技术药物与生物领域研究、区分药物分子多晶型现象等方面具有重要的应用。
研究了周期量级的圆偏振激光在空气中成丝产生太赫兹辐射的偏振特性。将中心波长1.8 m、脉宽8.6 fs 的圆偏振红外激光脉冲聚焦到空气中，形成等离子体细丝，产生太赫兹辐射。通过测量太赫兹辐射的偏振状态，和偏振方向与驱动激光载波-包络相位的关系，发展太赫兹波偏振控制的方法。实验结果表明，太赫兹辐射为椭圆偏振，而且偏振平面随着驱动激光载波-包络相位的变化而转动。这对太赫兹波的偏振控制有重要意义，并为周期量级激光载波-包络相位的测量提供了新方法。
亚百纳米长度计量标准是实现在纳米尺度精确计量的关键器件。我们课题组已利用原子光刻技术研制出了周期为2130.1nm 的光栅，该光栅的周期对应于原子的跃迁频率，具有直接溯源性和高的精确度。理论与实验数据表明原子的横向准直效果是影响光栅对比度的主要因素。因此，文中将介绍几种原子准直技术的优化与估算方法。利用刀口技术分析了激光多普勒准直原子技术的效果。利用CCD 收集的荧光分析原子的发散角与横向温度，并考虑与分析了吸收率对测量结果的影响。原子的发散角为0.544 mrad，对应的横向温度为343.8 K。文中还分析了各种实验参数对准直效果的影响。
基于角谱理论推导出了光学模拟中取样参数的优化选取方法，重点分析了其与实际光学系统参数之间的相互制约关系，并通过数值计算进行了验证。利用控制变量的方法，分别探讨了取样数目、取样间隔对细节误差与轮廓误差的影响，以及光学系统的近场和远场取样参数的变化。结果表明：根据所得限制条件选取的取样参数能够获得较为精确的模拟结果，且能够对计算误差进行较好的解释；取样数、取样间隔是互相制约的，需结合实际的光学系统进行选取。
红外成像光谱仪适用于火山活动探测、森林火灾监测、城市化影响分析、地球表面研究及军事伪装识别等方面。文中基于Dyson 中继系统，设计使用波长范围为7.5~10 m 的长波红外成像光谱仪，采用凹面衍射光栅分光，系统F 数达到1.2，视场角18，空间分辨率为1 mrad，光谱分辨率为50 nm，NETD 小于0.3 K,调制传递函数接近衍射极限，光学系统体积为72 mm39 mm39 mm。该系统具有集光本领强、固有像差小、结构紧凑等优点。对其杂散热辐射分析表明，采用实入瞳作为冷光栏和整体制冷的方法，能有效地抑制光机系统自身的热辐射。
提出了一种基于自由曲面底板的LED 配光新方法，采用TracePro 软件设计自由曲面并进行仿真分析。结果表明：将LED 芯片直接贴装在带有自由曲面的底板上，可以获得较大的出光角度，半光强角达到60，比传统反光杯的配光方式获得的半光强角增大25。此外，通过这种新方法可获得高光效和高均匀照度的照明模式，在实现相同的目标平面平均照度时，总光通量比传统配光方式减少25%，照度的衰减减少了60%。通过调节自由曲面底板的形状进行配光，可根据需要获得不同的照明效果，实现高品质的LED 照明。
分析了大相对孔径、长焦距折射式光学系统的像差特点，针对一款口径300mm，焦距540mm，波段范围500~850 nm，视场角2的折射式成像物镜进行了设计。首先根据系统的像差特点，针对二级光谱，选择了Petzval 型作为初始结构，并进行了复杂化，形成大空气间隔的三组元形式，利于像差的校正和后组元件尺寸的减小；而后针对使用波段对玻璃材料的部分色散P 和阿贝数V 值进行了修正，并绘制了P-V 图，从中选择了具有一定二级光谱校正能力并性能优良的玻璃材料。最终系统的二级光谱达到了0.06 mm，表明具有较好的复消色差性能。设计结果系统在相机Nyquist 频率(39 lp/mm)处各视场MTF 大于0.8，80%能量集中在直径为8 m 的圆内，小于一个象元尺寸，最大畸变小于0.1%，各项指标均满足设计要求。
针对离轴非球面制造的难点，研究分析了碳化硅非球面尤其是异形离轴非球面加工和检测的各项关键技术。首先利用加工中心DMG 对离轴非球面进行了铣磨和表面成形，然后运用实验室自行研制的非球面加工中心FSGJ-2 对离轴非球面进行了研磨和抛光，最后利用离子束对其进行了精抛光，并分别利用三坐标测量仪和激光跟踪仪对非球面进行面形轮廓测定和光学参数及几何量的精确控制。结合工程实践对一口径为600 mm270 mm 的类八角形离轴碳化硅非球面反射镜进行了超精加工与检测，并专门设计研制了光学补偿检测装置，对其进行了零位补偿干涉测量，其最终面形PV值为0.219 ，RMS 值为0.018 。
紫外告警技术在军事应用中扮演着重要的角色。基于日盲紫外光学系统的最佳工作波段240~280 nm，设计了一款用于导弹逼近告警的光学系统。为提高系统接收的紫外辐射能、扩展系统探测范围以及简化系统结构，系统中采用了非球面和二元衍射光学元件。系统中含有5 片透镜，其焦距为50 mm，视场角为43。探测器采用ANDOR 公司的iKon-L 936 型CCD，其像元大小为13.5 m13.5 m，有效成像面积为27.6 mm27.6 mm。系统优化后，最大RMS 半径仅为11 m 左右，远小于像元尺寸。超过86%来自物方各视场的紫外辐射会聚在半径为6.75m 的圆内。像质表明，所设计的系统能够满足日盲紫外光学系统的工作条件。若减小焦距，则系统的视场角可进一步增大。
时间透镜基于时空二元性原理，近年来得到快速发展与广泛应用。时间透镜的发展源自光电子学中工程技术需求和理论发展的双重动力。给出了时间透镜作为超快光学仪器发展历程的综述。对相位调制器、和频产生、交叉相位调制以及四波混频等当前时间透镜的主要实现方案的原理和性能进行了分析和数学描述。相应地，分析了不同实现方案的原理限制以及应用中面临的问题。接下来，将脉冲放大和时频域转换用于超快脉冲检测作为最有代表性的应用进行了说明，其中，对最重要的技术指标分辨率和记录长度进行了定量分析。最后，对一些超快非线性光学原理，如金属纳米结构中表面等离子体激元增强的二阶和三阶光学非线性、石墨烯中强三阶光学非线性导致的四波混频，作为时间透镜发展的潜在机会进行了理论和技术讨论。
非线性激光光谱技术在气相介质的痕迹量检测方面有广泛应用。实验采用了具有自稳分光系统的前向简并四波混频(DFWM)布局，在大气压附近不同压强和不同温度条件下研究了碘气体的DFWM 光谱。在饱和泵浦和探测光强的情况下，发现温度与压强的变化对碘在波长555~556 nm 及558~559 nmDFWM 光谱结构影响较大，其中波长为555.1 nm 的跃迁对温度相当敏感。同时仍有少数碘的DFWM 光谱线较强是因为跃迁(558.81 nm)对温度不敏感，可以利用该谱线来探测不同温度下气相介质的浓度变化。所以不同温度与压强对碘气体DFWM 光谱影响的研究在气相介质痕迹量的检测以及燃烧诊断等方面有重要的应用价值。
提出了一种基于微波暗室的大角域测试场景构建方法，该方法利用已有42射频面阵，采用多状态联合校准方法对面阵天线单元到接收机的信号幅度和相位进行校准，以及采用灰色关联分析方法将外界环境下的卫星星座、动态干扰在微波暗室内实现逼真映射，构造最大视场角为160的半实物抗干扰测试场景。仿真测试结果表明：暗室天线单元与实际场景下的卫星星座在角域关系下最大误差在高增益3 dB 波束宽度内，暗室模拟的动态干扰与实际环境下到达接收机的功率基本一致；最后实现了对多波束抗干扰接收机的测试，并通过干信比与有效载噪比的关系曲线说明了该方法能够在室内实现导航接收机测试环境的逼近模拟，并准确地测试出多波束接收机的抗干扰性能。
保偏光纤内部具有的高双折射，使其在内部传播的主模和耦合模之间存在一定的光程差。研究了高双折射波导中连续偏振耦合分布和分立点耦合的白光干涉测量法，推导出一种简明使用的公式，求出双折射波导的保偏参数，并且根据调制解调相关原理精确测量耦合点的强度和位置。实验测量了国产类矩形保偏光纤以及光纤偏振器。该方法最突出的优点是采用非破坏性方法测出保偏波导的每个局部的保偏参数，可用于检测集成波导器件和保偏光纤的质量、双折射波导之间的主轴对准、分布式光纤应变传感器等领域，并且可作为保偏光纤生产和使用的一种有效检测方法，大大提高集成波导器件及相关传感器的性能。
光学系统波像差是空间相机的关键成像性能指标，其稳定性决定了成像质量的稳定性。针对大视场TMA 空间相机研制过程和在轨成像时重力和温度变化状态，用有限元方法分析反射镜位置公差、面形等尺寸稳定性，结合反射镜的加工面形，计算光学系统波像差，分析成像性能稳定性的变化；采用实验室多方向重力(水平、悬挂、向上、向下等)和204环境调温状态模拟测试，系统波像差平均在/14.7～/12.4 之间，单个视场最低为/11。波像差的分析数据与测试结果趋势一致，各状态平均误差范围为-0.012 6 ～0.003 1 ，最大单点误差为-0.023；在不同状态下的传函复合测试结果都达0.21 以上，相对变化小于-4.8%。该方法作为分析、验证系统成像稳定性有效便捷的手段，应用到大视场TMA 空间相机的研制中，指导设计、分析薄弱环节，通过全状态的分析和测试，说明大视场TMA空间相机具有良好稳定的成像性能。
为提高Shack-Hartmann(S-H)波前传感器的光斑质心探测精度，在分析质心探测误差来源的基础上，提出基于模板匹配的探测窗口选取方法和基于单个光斑的自适应阈值选取方法，将这两种方法与加权质心算法相结合求取质心，提高了质心探测精度。与固定阈值和传统质心算法相比较，当SNR 大于3 时，质心探测精度平均提高了约40%。将文中的方法应用于可见光波段的商品S-H 波前传感器，实验表明：文中方法得到的质心偏离度由传统方法的0.83 pixel 的最大值减小至0.15 pixel。该工作有重要的应用价值。
气溶胶光吸收特性是影响气溶胶大气辐射强迫的重要因素，光声光谱技术被认为是测量气溶胶光吸收特性的理想方法之一。利用扫描电迁移率粒径谱仪和自行设计的气溶胶吸收光声光谱仪对合肥郊区大气气溶胶的粒径分布和吸收系数进行了连续测量，获得了某一时段大气气溶胶粒径谱和吸收系数的变化趋势，分析发现大气气溶胶的吸收系数与其数浓度和粒径分布存在较好的正相关性，且碳质气溶胶的排放是影响该地区大气气溶胶光吸收特性的主要原因。
拉曼雷达反演气溶胶消光系数时通常采用标准模式大气，但由于标准模式大气与探测地大气密度不符会对于探测结果造成一定影响，为减小这种影响提高拉曼雷达探测气溶胶消光系数的精度，采用玻耳兹曼能量分布规律和对流层大气温度线性递减的特征确定大气密度廓线以取代标准模式大气，进行了理论推导和实验验证，结果表明：新模式是可行的而且与标准模式大气相比更加吻合探测地实际大气，因而更能减小误差，建议激光雷达数据处理采用这种新模式。
针对传统惯性/天文多星组合导航的不足和导航星选取不确定性，设计了一种基于捷联惯性/天文单星深度组合的长航时自主导航系统，通过对惯性导航和二维转台单星观测的误差特性进行建模，综合两者的优点，实现了单星观测角度和惯导解算数据的高精度融合；在高度通道方向，引入气压高度计对高度误差进行阻尼，通过卡尔曼滤波器对惯导误差进行最优估计，运用可观测性理论对系统进行分析，得到了最优导航星选取准则，有效地解决了在部分观测角度下算法性能下降的问题。仿真结果表明：该算法长时间导航定位精度优于传统算法，最优导航星选取准则有效地提高了算法的鲁棒性，具有较高的理论研究意义和工程应用价值。
白天空间目标激光测距数据有助于提高空间目标定轨精度，在航天科研方面具有重要应用价值。白天天空背景较亮，激光测距回波信号一般很弱，从较强背景光中识别出微弱的空间目标激光回波信号十分困难。针对白天空间目标激光测距微弱信号探测技术难题，从白天天空背景噪声影响估算入手，计算了不同探测阈值情况下的测距虚警率，分析了白天激光测距距离门宽与探测阈值的关系，给出了白天对空间目标激光测距的回波信号探测阈值，提出了基于多光子探测器的白天激光测距微弱信号探测方法，并对其可行性进行了实验验证，该研究成果可应用于白天空间目标激光测距系统设计及新型激光测距系统发展研究等方面。
针对光电经纬仪红外相机测量系统动态测量精度低的问题，提出了一种通过修正各分系统之间延时时间从而提高动态测量精度的方法。首先介绍了光电经纬仪红外相机测量系统的组成和测量原理，分析了大地坐标系下物像空间的对应关系，指出了影响光电经纬仪红外相机测量系统的原因是相机内方位元素的准确性和光学畸变校正效果。分析了影响光电经纬仪红外相机测量系统动态测量精度的原因，提出了采用各分系统根据工作参数采用不同延时时间的误差修正方法。实验结果验证了该方法的正确性和准确性，标定结果与精度比对实验结果表明，经过动态测角修正的方位角与高低角测角误差均方根值分别由27.89与17.67提高到10.07与8.56，该方法有效地提高了动态测量精度，并且对其他光电测量设备具有参考价值。
设计并实验实现了利用单块硅酸铋(Bi12SiO20，BSO)晶体同时测量交流电压和电流的传感方案，其光学传感单元仅由起偏器、BSO 晶体和检偏器组成。BSO 晶体兼有Pockels 电光效应和Faraday磁光效应，在起偏器和检偏器的主透光方向互相平行或互相垂直的情况下，输出光信号中同时包含被测电压和电流传感信号，其中电压传感信号为被测电压的倍频信号，而电流传感信号则与被测电流同频率，因而可以利用电子滤波器从光电检测信号中分离出电压与电流传感信号，从而实现电压和电流的同时测量。利用一块尺寸为6.04.02.9 mm3 的BSO 晶体，实验实现了6 A、200 V 范围内工频电流与电压的同时测量。
在被动定位中，从图像中提取目标的线性旋转不变特征很重要，而非合作目标特征提取要比合作目标困难得多。借鉴圆形目标固有的旋转不变特性，提出了一种虚拟圆方法。该虚拟圆为图像序列相邻帧内三个匹配点经等边三角形向外延拓生成的三个点的外接圆。模拟结果表明，此虚拟圆较其他途径构成的虚拟圆有尖锐的误差分布概率密度函数，进一步研究表明该虚拟圆的直径是一个相当不错的距离相关线段特征。线段特征用于距离估计的特点是简单，虚拟圆概念则增加了它在应用中的灵活性。因为三个匹配点是基于目标特征跟踪的最少匹配点数，故该方法在非合作目标被动定位中具有吸引力。该方法对相邻帧成像时目标相对相机偏斜变化不超过10有效。
采用气相外延技术生长金掺杂的Hg1-xCdxTe 薄膜材料，通过高低温退火工艺有效控制p 型Hg1-xCdxTe 材料的电学参数，利用傅里叶光谱仪、金相显微镜以及拉曼光谱技术对薄膜材料进行表征。通过常规光伏器件的制作工艺，利用金掺杂材料初步研制了短波器件，器件性能较好黑体DP* 可达4.67E+11/(cmHz1/2W-1)。
增益光纤的折射率和离子掺杂分布是决定光纤激光器输出功率和光束质量的重要因素，针对大模场光纤弯曲效应对模场面积和模场畸变的影响进行了数值分析，采用有限元方法计算了不同折射率和掺杂离子分布光纤的模场面积和增益系数。提出了高斯复合型折射率和掺杂离子分布的大模场增益光纤结构，该结构可有效提高增益光纤的增益系数和高阶模抑制系数，并具有较强的抗弯曲特性，较好的平衡了模场面积与抗弯曲特性的矛盾。根据计算结果设计了直径为65 m 的高斯复合型折射率和掺杂分布的增益光纤，在波长为1.064 m 的条件下，基模有效模面积达到1.17103 m2，基模相对增益系数和高阶模相对抑制系数分别达到0.58 和0.208 8，有效地提高了光纤激光器和放大器的输出光束质量。
采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)生长GaAs/Al0.3Ga0.7As 量子阱材料，制备300 m300 m 台面，内电极压焊点面积为20 m20 m，外电极压焊点面积为80 m80 m 的单元样品两种。用变温液氮制冷系统对样品进行77 ~300 K 暗电流特性测试。结果显示，器件暗电流曲线呈现出正负偏压的不对称性。利用高分辨透射扫描电镜(HRTEM)获得样品纳米尺度横断面高分辨像，分析结果表明：样品横断面处存在不同程度的位错及不均匀性。说明样品内部穿透位错造成相位分离是引起量子阱光电性能变差的根本原因，不同生长次序中AlGaAs 与GaAs 界面的不对称性与掺杂元素的扩散现象加剧了暗电流曲线的不对称性。
提出了一种基于GPU 的液晶大气湍流模拟器实时波面生成的计算方法，为了让液晶空间光调制器进行大气湍流类比。依据液晶湍流模拟器高分辨率、高精度的特性讨论CUDA 的算法。此外，建立一种基于GPU 波面生成的模型并进一步对其优化。最后给出使用CPU 和GPU 后的结果并进行类比。结果表明：采用231 项Zernike 系数生成分辨率为256256 的波前所需时间少于2 ms，与传统的采用CPU 生成的方法相比速度提升两个量级，满足实时波面生成的要求。
设计、制作并测试了1.55 m 光波长的微带线行波电极电光调制器。如果聚合物材料的电光系数33=30 pm/V，中心电极L 为20 mm，设计的调制器性能参数半波电压为6.70 V。用自主合成的发色团分子组成二阶非线性光学聚合物材料做为芯层制作的聚合物调制器，对调制器的各项性能参数进行了直流、低频和微波性能的测试，采用不同极化方法，在1.55 m 波长上测得低频半波电压分别为10.5 V(电晕极化)和4.9 V(接触极化)，折算得芯层材料的电光系数分别为21 pm/V 和45 pm/V。测得消光比为24 dB。用矢量网络分析仪测试电极系统的微波性能，S 参数反映了此电极系统具有低的微波传输损耗和反射损耗。
闭环光纤陀螺的动态范围随着精度的提高而下降，为了增大闭环光纤陀螺动态范围，提出了一种基于MEMS 陀螺辅助的增大闭环光纤陀螺动态范围的方法，利用MEMS 陀螺量程大的特点，将MEMS 陀螺与光纤陀螺测得的角速率作差，依据该差值判断光纤陀螺工作的干涉级数，从而对光纤陀螺输出加以修正，使光纤陀螺准确工作在多级干涉条纹。仿真表明，提出的方法能够有效的增大闭环光纤陀螺动态范围，提高闭环光纤陀螺的量程。
自由空间光通信中，为了兼备自带符号同步和调制符号长度固定等优点，提出了一种新的光标识双幅度脉冲位置调制方法(FDAPPM)，分析了它的符号结构，传输速率和湍流信道中的差错性能。采用最大似然检测时，推导出高信噪比时FDAPPM 误码率的简单近似值表达式，并给出系统的分集级数和调制增益。最后与OOK、PPM、FDPIM 和FDAPIM 等方法进行比较。结果表明：在相同的湍流条件下，FDAPPM 的传输速率和差错性能均优于FDPIM 和FDAPIM；相对于PPM 系统，其传输速率高，不需要符号同步，接收器复杂度大为简化；且符号长度固定，不会引起调制器等待或缓冲器溢出。
针对经典Allan方差不能反映光纤陀螺(FOG)随机误差的非平稳特性，动态Allan 方差(DAVAR)可以反映但没有理论系统地证明其正确性和有效性的问题，通过仿真数据验证了DAVAR 的正确性；利用实验数据分析光纤陀螺噪声随时间变化的动态特性，证明了DAVAR 的有效性。首先，阐述了经典Allan 方差和动态Allan 方差的数学定义，然后利用仿真和实验数据验证其特征，并实现了光纤陀螺噪声的定量二维描述。实验结果表明：DAVAR 不仅可以辨识和分离光纤陀螺随机误差，还可以确定噪声系数，更重要的是可以描述光纤陀螺随机信号动态特性。因此，DAVAR 是分析光纤陀螺特性更加全面、有效且实用的工具。
提出了一种混合式集成光学陀螺系统结构。所有的无源光学器件在单一硅片上进行加工。光源和探测器等有源器件通过倒装焊的工艺进行键合。此种结构的主要优势是去除了外部的调制器，将陀螺系统的集成化提高到一个新水平。详细阐述了混合式集成光学陀螺的调制解调技术。系统的频率调节通过在激光器的输入电流上加载高频方波来实现。当陀螺旋转时，谐振腔内传输的两路光分离，输出呈方波形式，通过检测方波信号可以得到角速度的值。该研究对集成光学陀螺系统的研究有较大贡献。
简述了散射光断层成像技术及其所面临的困难，提出了一种新的散射光断层重建模型。新模型将光在强散射介质中传播时发生的透射、散射、反射、折射、衍射等多种复杂物理过程的综合作用抽象成透射和散射两种过程，与现有的基于辐射传输理论的模型相比，新模型具有具有简单、直观、计算量小、重建精度较高等优点。详述了新模型的工作流程，基于新模型设计了一种断层重建算法，详述了算法的实现步骤。对新模型和算法进行计算机仿真实验，描述了实验步骤，给出了实验的结果，验证了算法的有效性。
成像光谱仪是一种图谱合一的光学遥感仪器。光栅成像光谱仪在获取数据立方体时，由于色散元件本身光谱展开的非线性，导致获取的条带像出现畸变，致使采样频率与拼接方式合理匹配时，获取的图像依然会出现畸变。利用边缘到中心灰度值渐变原理和遗传算法，更准确的提取畸变特征点，选择合适的参数，建立支持向量机回归数学模型，对畸变图像进行校正。与其常规畸变校正方法相比，该方法能够有效的兼顾全局校正法中存在的局部误差，提高校正精度。实验验证校正检验误差可以控制在0.5 个像素之内。
鬼成像因为其具有的非定域特性和突破衍射极限的高分辨率引起了人们的广泛关注。研究了光源的强度波动对纯相位物体的鬼成像的影响。用理论分析和仿真实验证明了光源的强度波动可以影响鬼成像中纯相位物体的信息：光源的强度波动越大，可以从鬼像中得到的物体信息就越多。同时，发现了随着光源强度波动的增大，不同的采样样本得到的纯相位物体的鬼成像中物体信息的差别越大。
在不同色温的光源下，CMOS图像传感器采集到的图像颜色会有所不同，可能偏离真实色彩，导致成像质量下降，严重时将影响高清电子内窥镜的诊断结果。提出了一种基于无色差表面识别的自动白平衡算法，使用像素点的RGB 三通道之和识别图像中的无色差表面，根据得到的无色差像素集估计光照色度，并用光照色度估计值通过对角变换进行颜色校正，以此对内窥镜图像进行了实时的自动白平衡算法，修正偏色现象。该算法实时、有效地消除了由于光源色温引起的颜色失真现象，使得高清电子内窥镜获得的图像更加接近标准白光照射下人眼所看到的情况。
地球静止轨道甚高分辨率成像系统利用薄膜衍射成像可实现对地1 m分辨率。成像系统中的索杆铰接式伸展臂尺寸较长、变形精度要求高，主镜尺寸较大、厚度较薄，系统成像质量对镜面变形要求高，使得伸展臂和主镜的热控成为系统热设计的难点。在调研国内外可展开式遮光罩技术和大口径薄膜镜面热控技术的基础上，对地球静止轨道甚高分辨率成像系统的伸展臂和主镜进行了初步热分析，给出了系统热控方案。分析了可展开式圆锥形遮光罩在四种极端工况下的温度分布，确定了热控方案的可行性。
传统的基于全局优化的立体匹配算法计算复杂度较高，在遮挡和视差不连续区域具有较差的匹配精度。提出了基于Tao 立体匹配框架的全局优化算法。首先采用高效的局部算法获取初始匹配视差；然后对得到的视差值进行可信度检测，利用可信像素点和视差平面假设使用具有鲁棒性的低复杂度算法修正不可信任像素视差值；最后改进置信度传播算法，使其能够自适应地停止收敛节点的消息传播，并对经修正的初始匹配进行优化，提高弱纹理区域匹配准确度。实验结果表明，文中算法有效地降低整体误匹配率，改善了视差不连续及遮挡区域的匹配精度；同时，降低了算法整体复杂度，兼顾了速度，具有一定的实用性。
单CCD/CMOS 传感器相机捕捉图像信息靠在传感器表面覆盖一层颜色滤波阵列(CFA)，经过CFA 后每个像素点只能获得物理三基色(红，绿，蓝)其中一种分量。另外缺少的两种颜色分量，需要通过周围像素的值来估算。首先利用55 模板内的像素来估计插值的方向并用最优的权重系数来插值G 分量。其次利用了基于有理函数的二维插值算子在色差空间插值R(B)处缺少的B(R)分量。再次利用色差插值G 处缺少的R 和B 分量。最后，使用方差约束条件，迭代插值过程被重复多次直到达到了最优的插值结果。通过在24 幅柯达图片以及笔者相机拍摄的图片上的Matlab 仿真实验，结果显示，被提出的算法无论是在视觉方面还是在量化的数据方面都表现出了优势。
由于天基平台拍摄天空图片时，背景和相机同时发生相对运动，造成相邻帧之间无法通过简单的帧差法得到运动的小目标,造成了空间目标检测的难度。在分析星空图像模型的基础上，提出了一种提取特征点组成匹配三角形的图像配准方法。首先对图像进行预处理，通过最优阈值的选取对单帧图像进行分割，去除背景噪声。将星点按面积大小划分，对符合条件的星点组成特征三角形并在相邻帧中进行匹配得到运动参数。在配准时为了减小计算量，忽略背景插值只针对星点坐标矩阵进行处理。最后通过多帧轨迹关联检测出目标的运动轨迹。仿真实验表明，在运动的序列图像中，该方法能实现高检测率和低虚警率的实时检测。
针对微光与红外图像彩色融合实时性强、数据量大的特点，提出了一种基于多核DSP 的微光与红外双波段图像实时融合系统。选用Altera 公司带串行收发器的FPGA Cyclone IV 完成图像的采集、预处理和外围设备的控制，采用TI 公司最新的8 核高性能DSP TMS320C6678 完成图像融合。通过SRIO(Serial RapidIO)接口实现两者之间的数据传输，完成双波段图像融合和色彩传递，将彩色图像的颜色信息传递给融合图像。该系统可以实现有效的图像融合和色彩传递，适合双波段视频自然感彩色融合系统应用。
为解决Retinex 算法不能有效增强大动态范围烟雾干扰图像的问题，分析了影响其增强效果的原因并提出了一种自适应灰度拉伸Retinex 算法。该算法建立了烟雾区域灰度估计数学模型，通过计算图像的局部动态范围和信息熵，自适应地估计烟雾干扰区域的灰度范围并进行灰度拉伸，采用不同尺度的Retinex 对各区域进行处理，得到最终的增强图像。实验表明，该算法能够在全局动态范围较大时增加图像的信息熵，对低对比度烟雾干扰区域有明显的增强效果。
提出了一种从单幅干涉图中直接恢复相位的区间反转方法。分析余弦函数正负号歧义问题，导出反余弦相位和相位2模之间的关系。由于在反余弦的(,2)区间需要对相位反转，将反转区间的确定问题转换为三段式折线拟合问题。利用遗传算法求解了折线的最小均方拟合，且使用最小二乘法估计了干涉图的载频，从而获得最佳相位估计。最后，分别对一维和二维合成条纹图进行测试，与传统的傅里叶变换方法和条纹分析方法比较，证实了提出方法的有效性和易用性。
基于STK/matlab 软件，提出了一种能够在复杂星空背景下模拟微弱点状运动目标序列星图的生成方法。首先，系统分析了背景星空模型的建立过程；然后，分析了影响点目标成像的扰动与噪声等因素，使得模拟仿真的序列星图更接近真实物理过程；同时，利用STK 软件，对空间目标建模，预测观测卫星与地球同步轨道上空间目标的相对几何关系，并对高轨目标的可见性进行了系统的分析。给出了一种计算空间目标可见性判据的简便方法；最后，综合考虑了影响高轨目标可见性的各种因素，由STK 生成空间目标轨道的预测数据，采用matlab 程序对其进行了模拟仿真。对模拟空间目标检测、识别与跟踪的研究场景具有一定意义。
当运动角速度超过允许的最大角速度时，星敏感器工作在动态环境下，星点的灰度特征将不再呈高斯分布，这将影响质心计算的精度。给出了在角速度的影响下星点质心运动轨迹的解析解，并结合曝光时间短的特点，对轨迹的参数方程进行简化并通过仿真分析验证了其精确性。分析了退化星点灰度分布特征，并结合星点质心运动轨迹方程提出基于质心运动轨迹对星图的退化参数进行估计的方法。通过仿真实验，完成了对退化长度及退化方向的估计，对退化长度的估计误差不超过0.8 个像素，对退化方向的估计误差不超过2，并证实了该方法能有效提高质心计算精度。
在红外探测器中，高频非均匀性主要表现为列或者行条纹，而低频非均匀性则主要表现为片状。在实际应用中，场景是沿着一个单调方向，并且有不同的非均匀性出现。基于这样的考虑，提出了一个基于场景的非均匀性校正技术，不仅符合上述校正要求，而且也实现了小型化、低功耗的实时硬件系统。通过为配准原则开发一种新的投影估计来解决问题，同时在硬件系统上实现了这一技术。通过评价标准测试了这项技术的性能，展示了在单调运动下系统非均匀性校正的实际效果。实验结果表明：该算法具有校正精度高、收敛速度快的优点。
