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摘要:
提出了一种新型的光学元件，可以产生与元件具有一定距离的无衍射波束。普通轴棱锥的横截面为等腰三角形，通过在两个腰上限定抛物线进行元件设计，采用3D打印技术制作了不同结构参数的光学元件。角谱理论的仿真计算结果以及在0.1 THz频率下进行的实验结果，都清晰地表明了产生的无衍射波束与元件之间具有一定距离。利用空间频谱对元件的波束行为进行分析，结果表明该元件产生了一种新型的无衍射波束，根据元件的空频形状，将元件产生的无衍射波束命名为“梳状空频无衍射波束”。
提出了一种新型的光学元件，可以产生与元件具有一定距离的无衍射波束。普通轴棱锥的横截面为等腰三角形，通过在两个腰上限定抛物线进行元件设计，采用3D打印技术制作了不同结构参数的光学元件。角谱理论的仿真计算结果以及在0.1 THz频率下进行的实验结果，都清晰地表明了产生的无衍射波束与元件之间具有一定距离。利用空间频谱对元件的波束行为进行分析，结果表明该元件产生了一种新型的无衍射波束，根据元件的空频形状，将元件产生的无衍射波束命名为“梳状空频无衍射波束”。
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亮度计成像精度、存储器数据容量和计算机运算能力决定了近场分布式光度计的探测能力。随着成像技术和计算机技术的发展，近场分布式光度计的测量性能有了革命性的提升。介绍了近场分布式光度计的工作原理，归纳了近场分布式光度计相对于远场分布式光度计的优势。综述了国内外近场分布式光度计的研究进展，对比了部分国内外产品的性能指标。针对近场分布式光度计元数据精度不足、扫描重构速度偏慢和溯源装置适应性受限的现状，从部件、软件和系统等方面归纳了相应的解决方案。结合近场分布式光度计的特点和优势，展望了其在照明显示、交通运输、工业视觉和文物保护等领域的应用。
亮度计成像精度、存储器数据容量和计算机运算能力决定了近场分布式光度计的探测能力。随着成像技术和计算机技术的发展，近场分布式光度计的测量性能有了革命性的提升。介绍了近场分布式光度计的工作原理，归纳了近场分布式光度计相对于远场分布式光度计的优势。综述了国内外近场分布式光度计的研究进展，对比了部分国内外产品的性能指标。针对近场分布式光度计元数据精度不足、扫描重构速度偏慢和溯源装置适应性受限的现状，从部件、软件和系统等方面归纳了相应的解决方案。结合近场分布式光度计的特点和优势，展望了其在照明显示、交通运输、工业视觉和文物保护等领域的应用。
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针对小型无人机平台光电载荷的挂载方式以及应用需求，提出了基于横滚-俯仰结构光电载荷实现前向对地宽区域扫描的技术方案。构建了扫描状态数学模型，提出了光电载荷依据平台参数实现扫描幅宽最大化的控制参数寻优方法，通过算例数据分析了寻优方法的合理性，并测试了寻优方法的实时性特点；采用仿真方法和挂飞方法测试了光电载荷前向对地宽区域扫描的技术状态。测试结果表明：扫描控制参数寻优方法得到的参数是最优的，在目标嵌入式平台上运行耗时少于40 ms，具备在线实时优化能力；所提扫描方法在一定平台扰动下仍可以较好地实现前向对地连续覆盖，扫描中，视场重叠率是动态变化的，越靠近扫描边缘区域相邻视场的重叠范围越小；扫描范围应选取横向两端扫描控制点间所夹区域，避免扫描边缘区域因重叠率过小而产生漏扫现象。
针对小型无人机平台光电载荷的挂载方式以及应用需求，提出了基于横滚-俯仰结构光电载荷实现前向对地宽区域扫描的技术方案。构建了扫描状态数学模型，提出了光电载荷依据平台参数实现扫描幅宽最大化的控制参数寻优方法，通过算例数据分析了寻优方法的合理性，并测试了寻优方法的实时性特点；采用仿真方法和挂飞方法测试了光电载荷前向对地宽区域扫描的技术状态。测试结果表明：扫描控制参数寻优方法得到的参数是最优的，在目标嵌入式平台上运行耗时少于40 ms，具备在线实时优化能力；所提扫描方法在一定平台扰动下仍可以较好地实现前向对地连续覆盖，扫描中，视场重叠率是动态变化的，越靠近扫描边缘区域相邻视场的重叠范围越小；扫描范围应选取横向两端扫描控制点间所夹区域，避免扫描边缘区域因重叠率过小而产生漏扫现象。
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获取高均匀性、高稳定性的光源是太阳绝对辐射计辐射照度定标的关键技术，实验室现有光源无法同时满足均匀性与稳定性。因此本文提出通过振镜扫描的方式来获取高均匀、高稳定的面光源方案。首先，建立二维的激光扫描模型，设计以快速扫描振镜和离轴抛面镜为核心的光学系统；其次，根据振镜扫描系统建立驱动，开发控制软件，设计三种扫描路径；最后，选取合适的扫描路径进行实验验证并开展其均匀性、稳定性等方面的测试。实验结果表明：振镜扫描光斑的不均匀性优于±1%，发散角小于±0.26°，光源稳定性优于0.02%。验证了激光振镜扫描光源可作为绝对辐射计辐照度定标光源的可行性，为实现高精度太阳辐照度定标提供关键技术支撑及实验依据。
获取高均匀性、高稳定性的光源是太阳绝对辐射计辐射照度定标的关键技术，实验室现有光源无法同时满足均匀性与稳定性。因此本文提出通过振镜扫描的方式来获取高均匀、高稳定的面光源方案。首先，建立二维的激光扫描模型，设计以快速扫描振镜和离轴抛面镜为核心的光学系统；其次，根据振镜扫描系统建立驱动，开发控制软件，设计三种扫描路径；最后，选取合适的扫描路径进行实验验证并开展其均匀性、稳定性等方面的测试。实验结果表明：振镜扫描光斑的不均匀性优于±1%，发散角小于±0.26°，光源稳定性优于0.02%。验证了激光振镜扫描光源可作为绝对辐射计辐照度定标光源的可行性，为实现高精度太阳辐照度定标提供关键技术支撑及实验依据。
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激光粒度仪因其快速、非接触等优点被广泛应用于各领域的粒度分布测量，但颗粒散射光的角分布与粒度大小关系复杂。为了获得不同粒度下的相对精度一致，会造成粒度分布测量范围小、无法满足宽分布粒度测量要求等问题。根据Mie散射近似的菲涅尔原理，提出采用折反式光路，将颗粒散射信号由分光镜分成两束，经两组组合式镜头和2个光电探测器分别采集透射和反射的散射信号，将信号组合后反演得到颗粒粒度分布，从而提高可测粒度范围。采用两种标准粒子及其混合物进行了实验，结果表明，单种标准粒子测量结果的体积中位径D50的测量相对误差都不大于7.9%；对混合粒子也能够得到正确的峰值分布。
激光粒度仪因其快速、非接触等优点被广泛应用于各领域的粒度分布测量，但颗粒散射光的角分布与粒度大小关系复杂。为了获得不同粒度下的相对精度一致，会造成粒度分布测量范围小、无法满足宽分布粒度测量要求等问题。根据Mie散射近似的菲涅尔原理，提出采用折反式光路，将颗粒散射信号由分光镜分成两束，经两组组合式镜头和2个光电探测器分别采集透射和反射的散射信号，将信号组合后反演得到颗粒粒度分布，从而提高可测粒度范围。采用两种标准粒子及其混合物进行了实验，结果表明，单种标准粒子测量结果的体积中位径D50的测量相对误差都不大于7.9%；对混合粒子也能够得到正确的峰值分布。
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针对空间坐标点相对于测量基准的高程测量准确性问题，提出一种基于物理水平基准的组合式高程测量方法。利用激光三角测量原理及其测量光路的几何特性，搭建了物理水平基准的高程测量系统，在朗伯散射光场中，分析了倾角变化对激光光能质心偏移量的影响，建立了相应的误差修正模型，利用倾角传感器实现了高程测量的倾角误差补偿，自主研制了标定平台对本文提出的高程测量系统进行标定验证试验。结果表明：本文提出的组合式高程测量方法能够在500 mm测量量程下将重复性测量误差控制在±20 μm的波动范围内，相较于单一激光位移传感器测量方式，其组合式高程测量误差波动量大幅度降低，能够适应空间坐标点在任意姿态下的精准测量，有效改善激光位移传感器在高程测量领域的性能，使其测量结果更为真实有效。
针对空间坐标点相对于测量基准的高程测量准确性问题，提出一种基于物理水平基准的组合式高程测量方法。利用激光三角测量原理及其测量光路的几何特性，搭建了物理水平基准的高程测量系统，在朗伯散射光场中，分析了倾角变化对激光光能质心偏移量的影响，建立了相应的误差修正模型，利用倾角传感器实现了高程测量的倾角误差补偿，自主研制了标定平台对本文提出的高程测量系统进行标定验证试验。结果表明：本文提出的组合式高程测量方法能够在500 mm测量量程下将重复性测量误差控制在±20 μm的波动范围内，相较于单一激光位移传感器测量方式，其组合式高程测量误差波动量大幅度降低，能够适应空间坐标点在任意姿态下的精准测量，有效改善激光位移传感器在高程测量领域的性能，使其测量结果更为真实有效。
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粒子速度是分析固体介质中应力波传播规律的一个重要参数。结合激光多普勒效应和全光纤干涉测速系统，提出了一种基于光纤镀膜探针的固体介质中应力波粒子速度的测量方法。将光纤镀膜探针嵌入有机玻璃（PMMA）中距爆心同一半径处，采用0.125 g TNT当量的微型炸药球作为爆炸源，进行填实爆炸产生应力波，通过采集光纤探针端面的运动信息，基于短时傅里叶变换的时频分析方法，解调出端面运动速度，进而反推出粒子速度。实验结果表明，不同光纤镀膜探针测得的速度分别为22.648 m/s、23.505 m/s，反推的粒子速度与传统的圆环型电磁粒子速度计方法获取到的数据进行对比，两者的相对偏差低于5.00%，验证了光纤镀膜探针测量固体介质中应力波粒子速度的可行性。
粒子速度是分析固体介质中应力波传播规律的一个重要参数。结合激光多普勒效应和全光纤干涉测速系统，提出了一种基于光纤镀膜探针的固体介质中应力波粒子速度的测量方法。将光纤镀膜探针嵌入有机玻璃（PMMA）中距爆心同一半径处，采用0.125 g TNT当量的微型炸药球作为爆炸源，进行填实爆炸产生应力波，通过采集光纤探针端面的运动信息，基于短时傅里叶变换的时频分析方法，解调出端面运动速度，进而反推出粒子速度。实验结果表明，不同光纤镀膜探针测得的速度分别为22.648 m/s、23.505 m/s，反推的粒子速度与传统的圆环型电磁粒子速度计方法获取到的数据进行对比，两者的相对偏差低于5.00%，验证了光纤镀膜探针测量固体介质中应力波粒子速度的可行性。
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为了实现对等离子体光栅共振波长的测量，研究光栅参数对应力的响应敏感程度，提出了一种新型的应力敏感型聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜等离子体光栅。利用时域有限差分法(FDTD)原理，建立了一种周期性等离子体光栅结构仿真模型。借助周期边界条件，通过对光栅施加应力，改变等离子体光栅参数(即周期、占空比及Au膜厚度)来实现共振波长的测量，研究光栅参数对力的响应敏感程度；并将仿真结果与理论值相比较得出相对误差。结果表明，当光栅周期为0.7 μm，占空比为55%，金膜厚度为0.02 μm时，此时对力的响应最敏感；其次，将仿真所得不同周期时的共振波长与理论值相比较可知二者结果相吻合；周期为0.7 μm时，共振峰的波长为1.251 μm，理论与仿真所得相对误差都小于2%，结果较为准确。此方法在单色仪、光谱仪和传感等领域中具有重要作用。
为了实现对等离子体光栅共振波长的测量，研究光栅参数对应力的响应敏感程度，提出了一种新型的应力敏感型聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜等离子体光栅。利用时域有限差分法(FDTD)原理，建立了一种周期性等离子体光栅结构仿真模型。借助周期边界条件，通过对光栅施加应力，改变等离子体光栅参数(即周期、占空比及Au膜厚度)来实现共振波长的测量，研究光栅参数对力的响应敏感程度；并将仿真结果与理论值相比较得出相对误差。结果表明，当光栅周期为0.7 μm，占空比为55%，金膜厚度为0.02 μm时，此时对力的响应最敏感；其次，将仿真所得不同周期时的共振波长与理论值相比较可知二者结果相吻合；周期为0.7 μm时，共振峰的波长为1.251 μm，理论与仿真所得相对误差都小于2%，结果较为准确。此方法在单色仪、光谱仪和传感等领域中具有重要作用。
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针对两点封装，建立光纤光栅加速度检波器通用模型，理论推导加速度检波器灵敏度和谐振频率的解析表达式，深入研究加速度灵敏度和谐振频率的影响因素，讨论封装光纤刚度系数与检波器结构刚度系数之比对检波器响应特性的影响，并分析刚度比分别在0～1、0～100范围随着等效质量的增大（0～100 g），加速度灵敏度和谐振频率的制约关系，及在0～500 Hz（中低频）和0～1 200 Hz（中高频）范围内灵敏度的变化规律。此外，分别以封装光纤长度为10 mm和60 mm举例分析长度对上述二者的影响，各项仿真中灵敏度均会高达～1 000 pm/G，并引入品质因数的概念。所提理论研究对FBG加速度检波器的设计和综合性能的评价具有重要的指导意义，为器件参数优化提供理论依据。
针对两点封装，建立光纤光栅加速度检波器通用模型，理论推导加速度检波器灵敏度和谐振频率的解析表达式，深入研究加速度灵敏度和谐振频率的影响因素，讨论封装光纤刚度系数与检波器结构刚度系数之比对检波器响应特性的影响，并分析刚度比分别在0～1、0～100范围随着等效质量的增大（0～100 g），加速度灵敏度和谐振频率的制约关系，及在0～500 Hz（中低频）和0～1 200 Hz（中高频）范围内灵敏度的变化规律。此外，分别以封装光纤长度为10 mm和60 mm举例分析长度对上述二者的影响，各项仿真中灵敏度均会高达～1 000 pm/G，并引入品质因数的概念。所提理论研究对FBG加速度检波器的设计和综合性能的评价具有重要的指导意义，为器件参数优化提供理论依据。
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为解决雾天场景图像恢复过程中图像清晰度和对比度下降的问题，提出了一种结合残差学习和导向滤波的单幅图像去雾算法。使用雾天图像与对应的清晰图像构建残差网络；采用多尺度卷积提取更多细节的雾霾特征；利用导向滤波各向异性的优点，对残差网络去雾后的图像进行滤波以保持图像边缘特性，得到更加清晰的无雾图像。实验结果表明，与DCP算法、CAP算法、SRCNN算法、DehazeNet算法和MSCNN算法相比，在合成雾天图像上，峰值信噪比值最高达到27.840 3/dB，结构相似度值最高达到0.979 6，在自然雾天图像上的运行时间最低达到了0.4 s，主观评价和客观评价均优于其它对比算法。所提去雾算法不仅去雾效果较优，而且速度较快，具有较强的实用价值。
为解决雾天场景图像恢复过程中图像清晰度和对比度下降的问题，提出了一种结合残差学习和导向滤波的单幅图像去雾算法。使用雾天图像与对应的清晰图像构建残差网络；采用多尺度卷积提取更多细节的雾霾特征；利用导向滤波各向异性的优点，对残差网络去雾后的图像进行滤波以保持图像边缘特性，得到更加清晰的无雾图像。实验结果表明，与DCP算法、CAP算法、SRCNN算法、DehazeNet算法和MSCNN算法相比，在合成雾天图像上，峰值信噪比值最高达到27.840 3/dB，结构相似度值最高达到0.979 6，在自然雾天图像上的运行时间最低达到了0.4 s，主观评价和客观评价均优于其它对比算法。所提去雾算法不仅去雾效果较优，而且速度较快，具有较强的实用价值。
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激光毁伤过程的分析研究可以辅助研究激光防护材料，同时也为激光加工提供建议，因此针对高反射率金属涂覆的材料激光烧蚀过程，建立了基于COMSOL的二维多物理场模型。利用表面热源简化激光作用于物质的问题，建立毁伤过程的位移场、温度场、应力场，并采用向后差分的方法进行求解，获得激光辐照下材料的烧蚀形状与温度场、应力场分布特征。对比有无涂层防护情况下的仿真结果，高反射率涂层防护能够使材料在同时间内激光烧蚀深度减少约95%，径向温度及应力变化范围缩小约33%，验证了高反射率金属涂层的防护效果；对比不同时刻的仿真结果，随时间增长材料烧蚀深度、温度应力变化范围呈均匀增长。为激光毁伤过程的研究以及激光防护材料开发提供了参考。
激光毁伤过程的分析研究可以辅助研究激光防护材料，同时也为激光加工提供建议，因此针对高反射率金属涂覆的材料激光烧蚀过程，建立了基于COMSOL的二维多物理场模型。利用表面热源简化激光作用于物质的问题，建立毁伤过程的位移场、温度场、应力场，并采用向后差分的方法进行求解，获得激光辐照下材料的烧蚀形状与温度场、应力场分布特征。对比有无涂层防护情况下的仿真结果，高反射率涂层防护能够使材料在同时间内激光烧蚀深度减少约95%，径向温度及应力变化范围缩小约33%，验证了高反射率金属涂层的防护效果；对比不同时刻的仿真结果，随时间增长材料烧蚀深度、温度应力变化范围呈均匀增长。为激光毁伤过程的研究以及激光防护材料开发提供了参考。
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