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量子点(Quantum Dots,QDs)的电子结构及光学性质等与传统材料显著不同,由于其独特的尺寸效应和表面效应而受到广泛关注,除金属硫化物量子点外,其他含金属元素的量子点有Ⅴ族金属单质、Ⅱ-Ⅵ族量子点、Ⅳ Ⅵ族量子点及碳化物量子点等。液相超声法是一种制备量子点的重要手段,具有操作简单、反应速度快、产率高和粒径可控性好等优势。量子点具有可调控的光学性质、高量子效率和荧光亮度、优越的电子输运性能、良好的化学稳定性和生物兼容性等良好的特性,使其在光电子学、光催化和生物医学等领域得到了深入的研究。本文综述了超声法制备不同金属及金属化合物量子点的研究进展,并对其应用进行了归纳和总结。最后,对超声法制备金属单质及金属化合物量子点进行了展望。

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本文采用光纤尾纤型马赫曾德型(MZ)结构的周期性铌酸锂(LiNbO3)电光强度调制器进行主动调Q,设计了在环形腔结构中加入可调谐滤波器,实现了波长在1882nm～1992nm可调谐脉冲激光的稳定输出。调节施加在调制器上的信号频率,产生了激光器重复频率在15～70kHz可调的脉冲激光。在重复频率为15kHz时,泵浦功率为1W时,获得最大单脉冲能量64 μJ,峰值功率51W。本研究具有全光纤化,波长大范围可调等优势,有助于进一步探索调Q脉冲激光的可调谐范围及其潜在应用。

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研制了一种高功率激光二极管阵列(LDA)泵浦下的风冷大能量窄脉宽振荡放大(MOPA)激光器。振荡级采用端面泵浦Nd∶YAG晶体、退压式电光调Q的方式,在重复频率25 Hz时,获得了78mJ单脉冲能量,脉冲宽度559ns,光束质量因子M2≈67。激光放大级采用侧面泵浦Nd∶YAG板条激光晶体双程放大的方式,在重复频率25 Hz时,获得了439mJ单脉冲能量,脉冲宽度629ns,峰值功率7046 MW,光光转换效率为1525,光束质量因子M2≈88,连续工作3min,能量不稳定度小于5。以脉冲串模式输出时,重复频率1 Hz,子脉冲数量10个,子脉冲间隔2ms,脉冲包络能量为437J。该激光器采用半导体热电制冷(TEC)配合强制风冷作为散热方式,省去了体积庞大的水冷系统,实现了高峰值功率Nd∶YAG激光器的小型化和无水冷化。

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自主移动机器人在室内环境中的导航取得了重大进展,然而地图构建精度较差且路径规划欠佳,限制了这类机器人的实际应用。为了解决这些问题,提出了一种基于引导搜索的路径规划算法,即引力双向快速搜索随机树算法(GBI RRT),该算法采用目标偏差抽样,有效地引导节点走向目标,减少无效搜索。为了进一步提高导航效率,又提出了一种消除低质量节点,提高路径曲率的路径重组策略,为了验证上述方法的有效性,将其集成到一个基于ROS系统的移动机器人中,并在仿真和真实环境实验中进行了评估。结果表明,GBI RRT在各种室内环境下的性能均优于现有算法。

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工业生产中,容器内液位高度的控制是生产运输过程中对确保设备正常运行和维护人员生命安全具有重要意义。本文提出采用激光扫频干涉测量系统对液位进行测量,该方法具有诸多优势,如测量范围大、非接触式测量、响应速度快和操作便捷等。由于液体对红外光的吸收率相对较高,导致测量系统采集到的回光信号非常微弱,同时信噪比也不够理想。为解决此问题,本文引入相参积累方法,并将其与测量系统相结合,以提高液位检测的精准度。在信号的各个周期中,信号携带的有效信息保持一致,噪声信息是则随机的,因此通过相参积累方法处理后,不仅可以增强信号强度,还可以提升信噪比。再通过扩相频率采样法进行信号的非线性校正,最后对数据进行处理就,即可以获得液位信息。实验结果表明,相参积累方法对增加信号强度与信噪比有显著效果,为解决低信噪比下提升测量精度问题提供了思路。

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针对现有的倾角仪在测量大型观览车最大摆角时存在的安装复杂、测量效率低下问题,本文提出了一种结合特征滤波与投影转换的摆角测量方法。该方法综合使用激光雷达与监控相机的数据,实现对大型观览车摆角的非接触式精确测量。首先,通过方向特征滤波器选取摆臂部分的点云；接着,利用形状特征滤波器移除不规则形状的点云；然后,将这些点云投影至二维平面,并用最小二乘法拟合边缘直线来解算摆角。最后,通过等比例模型实验得到该方法角度测量平均误差绝对值为029°,最大误差绝对值为045°。实验结果表明,该方法能有效提升大型观览车摆角的测量效率并确保测量精度。

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塔式建筑物由于立面结构复杂,使用单一数据源进行三维建模时容易出现部分区域空洞、纹理拉花等情况。为解决此问题,本文提出一种将无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)影像、机载LiDAR数据和手持LiDAR数据进行配准融合的塔式建筑物三维建模方法。以云南省玉溪市新平县的五彩云楼为例,使用UAV和手持激光扫描仪作为数据采集设备,首先分别采集塔式建筑物的UAV影像、机载LiDAR和手持LiDAR数据,然后基于摄影测量原理生成UAV影像的点云,其次基于最近点迭代算法方法将三种数据进行配准融合,最后通过构建不规则三角网表示其三维模型。实验结果表明:将多源LiDAR和UAV影像点云配准融合后生成的三维模型结构更加完整,避免了单一数据源构建三维模型存在的空洞问题。

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引战系统中的激光引信性能影响装备的使用效能。本文以激光引信光学收发系统为研究对象,基于半导体激光器寿命评估、探测器寿命评估和装备寿命试验方法,开展了激光引信模拟寿命试验,分析了模拟寿命试验后,激光引信光学系统的性能变化和原因。

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为了研究大坝内部的沉降和水平位移,设计了一种精密的微位移测量装置。其中,基于二维图像处理的激光光斑位移检测算法为该装置重要的组成部分。本文提出了一种抗畸变激光光斑中心检测算法,通过对原始光斑进行阈值分割,得出光斑发散部分的图像,并通过闭操作和高斯滤波对之进行降噪和平滑。然后,用sobel算子对其进行边缘检测,从而得出较为光滑的边缘轮廓。最后,对其进行抗畸变激光光斑中心检测算法的处理,确定光斑中心。同时,又通过实验装置来采集一系列激光光斑图像,并用传统激光光斑中心检测算法和抗畸变激光光斑中心检测算法对其进行了处理并进行比较。结果表明,抗畸变激光光斑中心检测算法精度最高,有效消除了远距离光斑的畸变对光斑中心计算的影响。

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实现车道线高效的检测提取是自动驾驶领域中亟待攻克的关键技术之一,众多基于视觉方案的检测算法由于图像数据的特点存在一定局限性,如天气光照影响成像质量、难以兼顾弯道直道等。本文结合三维激光点云优势与道路知识规则提出了一种车道线自动提取算法。首先,通过多次强化道路边界高程差异获取路面点；其次,简化Isodata算法,自适应地得到反射强度滤波阈值；然后采用随机一致性算法检测直线聚类得到候选车道,将候选车道映射成二维矢量并通过类间距约束提取正确车道线；最后,基于相邻关键特征点对的向量拓扑关系一致性实现车道线拓扑重构,得到对应现实世界中意义完整的车道线。算法在车道线达5～6条的情况下,召回率达9246,准确率达9479,综合评价指标达9241,实验结果证明了方法的有效性和可行性。

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针对红外探测器芯片使用的电极体系展开了调研,虽然国内、外很多红外探测器生产厂商、科研院所都公布了各自的电极体系,但是对于电极的设计很少有人提及,对于电极体系中各层薄膜的厚度设计更是鲜见。本文通过对常用电极材料的物理特性分析,设计了一种电极体系。验证试验结果表明这种电极体系未对器件性能造成影响,可以满足器件的可靠性要求。

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随着第三代红外探测器技术的快速发展,高工作温度红外探测器成为重要的发展方向。本文报道了在高工作温度碲镉汞红外探测器杜瓦结构小型化、低功耗、高可靠性方面的研究进展。通过杜瓦结构的优化设计,搭配旋转整体式低温制冷机K562Sshort,制备出组件体积为80mm×61mm×39mm,重量为212 g,启动时间为25min,工作温度达到150K的高工作温度中波碲镉汞红外探测器,并初步完成了组件可靠性试验验证,为高工作温度碲镉汞红外探测器的工程化应用奠定了一定的基础,对高工作温度碲镉汞红外探测器的小型化、低功耗、高可靠性研究具有一定的指导意义。

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针对不同场景高动态范围红外图像的自适应显示方法问题,提出了一种基于图像分割的自适应平台直方图显示方法,首先进行图像分割,再根据分割结果讨论平台阈值的选取,并分析了平台阈值的选取依据。试验结果表明本文方法对不同场景均获得了良好显示效果,具备实用性。

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针对挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)气体特征微弱、视觉显著性差、形态多变等难题,本文基于时-空-频联合去噪、多模态视差匹配模型,提出了一种高精度气体泄漏光谱视频识别算法。通过挖掘时-空-谱高维数据的本征信息来实现VOC气体的高精度识别,并利用多模块级联联合优化将传统方法的可解释性与深度学习的强大表征能力有机结合。最后,通过与国际先进气体监测设备森西亚和锐百凌进行同等条件的对比,可知所提出的气体泄漏成像方法对于低浓度的甲烷气体识别准确率提升了4625,误报降低至原来的1/3,验证了所提算法的有效性和可行性,为石化行业危险化学品泄漏监测提供了有力保障。

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用3～5μm中波、8～12μm长波红外热像仪对某喷气式飞机侧飞状态的红外辐射特性进行了测量,得到该飞机尾喷管及尾焰的红外辐射亮度分布。结果表明,该状态下尾焰中波、长波辐射呈现对称包络分布,随着距离的增加,尾焰喷气束逐渐扩散,辐射亮度逐渐减弱。相同情况下,中波波段尾焰长度为长波的35倍左右、面积为63倍左右；尾喷管为该飞机辐射亮度最高的部位,中波辐射亮度对比度达到了201,长波辐射亮度对比度达到了82。

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脉搏波是分析人体心血管系统生理状况的重要检测对象,可穿戴光电设备采集的脉搏信号常因人体运动而引入运动伪影,进而影响脉率检测结果的准确性,由于伪影的主要频率分量和光电信号频率相重叠,所以减少伪影有难度。针对现有脉率检测精度不高、抗运动干扰能力不足问题,提出一种结合非线性自适应滤波和线性调频Z变换(CZT)的脉率检测方法。首先对光电容积脉搏波描记法(PPG)采集的信号预处理滤除高频干扰和基线漂移,然后选用微机电系统(MEMS)检测加速度信号作为参考信号,构建基于最小均方(LMS)的非线性自适应滤波器去除运动伪影,最后利用线性调频Z变换(CZT)对信号进行频谱分析计算脉率值。实验通过对10名受试者采集的实验数据进行性能评估,结果表明,该方法能有效从干扰脉搏波信号中恢复出原始信号,测得的受试者脉率平均绝对误差为196 bpm,具有较高的准确率和抗干扰能力。

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高重频卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)具有精度高、捕获快、观测数据量大、可靠性高等优势。但随着重复频率提升至百千赫兹以上,现有测量时序电路无法达到系统运行处理速度和实时后向散射规避等要求。本文提出超高重频卫星激光测距时序电路设计方法,采用FPGA代替控制计算机进行门控距离实时计算,精确产生门控信号控制探测器开启,并使用了收发交替的方式实时调整激光点火信号以规避后向散射干扰。能够自主完成激光测距中距离门控输出时刻的计算、存储和信号输出,最高工作频率大于500kHz,满足百千赫兹超高频率测距的要求。该系统已成功应用于上海天文台100kHz重复率SLR,标准点精度突破200μm,验证了基于FPGA的测距时序电路的正确性和潜力。该电路设计简单、分辨率高、上位机交互方便,为百kHz～MHz的超高重频SLR系统时序控制电路设计提供有效解决方案。

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绝对衰减系数是表征海水固有光学特性的一个重要参数,现场测量水体绝对衰减系数对于水下光电探测领域具有重要价值。VIPER高光谱衰减测量仪可以用来测量水体衰减系数,相较于AC-S水体衰减系数测量仪具有比较明显的成本优势。但VIPER只能测量水体的相对衰减系数,无法直接得到水体绝对衰减系数。针对这一问题,本文给出了一种基于VIPER的水体绝对衰减系数现场测量方法,推导了VIPER测量水体绝对衰减系数的基本公式,设计实验验证了VIPER测量水体绝对衰减系数的可靠性。对比实验结果表明,本文给出的基于VIPER的水体绝对衰减系数现场测量方法具有较好的准确性和可靠性。本文方法可使VIPER用于各种水下光电探测领域,实现对水体绝对衰减系数的快速定标。

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为了满足光通信玻璃管内径检测对机器视觉提出的高精度要求,以及解决照明不均匀对检测精度的影响,本文在四组元结构设计理论基础上,通过像差平衡和优化设计,设计了一种具有同轴照明的大孔径高分辨率双远心光学系统。该系统由球面透镜及分光棱镜组成,放大倍率为6×,F数为8,物方数值孔径为03759,适配于6500万像素的大面阵工业相机。设计结果表明,系统的成像质量接近衍射极限,光学调制传递函数在奈奎斯特频率156 lp/mm处大于01,最大畸变小于01,物像方远心度均小于01°,系统分辨率高达1μm。

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基于最优传输理论的光线映射方法,针对非对称的照明的光学系统设计需求,以光源到辐照面距离为20mm,在范围50mm×50mm范围内实现字母“JL”为目标,计算了面向零扩展度光源自由曲面光学系统初始参数,在此基础上利用LightTools软件优化设计并仿真分析了面向零扩展度光源和扩展光源的自由曲面光学系统,结果表明:面向零扩展度光源时,自由曲面直径为8652mm,光源与自由曲面距离为34mm,在辐照面上可以实现字母“JL”的照度分布调控；面向直径为10mm的扩展光源时,自由曲面直径为43516mm,光源与自由曲面距离为242mm时,在辐照面上可以实现字母“JL”的照度分布调控,说明所设计系统可以实现非对称照明分布调控,有效的提高了自由曲面光学系统的设计效率。

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本文介绍了一种卡塞格林反射系统(以下简称卡式组件或卡式系统)的光机结构设计与分析。首先根据设计输入,进行指标分解,完成卡式组件的光机结构设计。然后通过公差分析和仿真分析对设计进行迭代和验证。最后通过环境试验来验证加工装调完成后的卡式组件的可靠性以及环境适用性。本文介绍的卡式组件具有刚度强度高,可靠性及环境适用性强等特点,同时满足光学性能指标要求。

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针对红外与可见光图像融合中出现的边缘模糊和细节丢失等问题,本文提出了一种基于交替引导滤波器(AGF)与掩膜引导卷积神经网络(CNN)的融合算法。首先,将源图像通过交替引导滤波分解为基础层与细节层；然后,将基础层通过能量属性的融合规则得到基础融合图像,细节层在基于掩膜引导的损失函数的指导下,通过卷积神经网络得到融合后的细节图像；最后,将基础融合图像与细节融合图像相加得到最终融合图像；实验结果表明,本文方法能够在突出显著热目标的同时保留丰富的背景边缘纹理信息,在客观评价指标上相较对比方法取得了更好的效果,证明了本文算法的优越性。

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针对迷彩伪装效果评价算法中评价指标权重分配复杂性,算法开发平台灵活性的问题,提出了基于多特征指标决策树的评价方法。该方法依据视觉注意力机制选择纹理、颜色、亮度、结构相似度与伪装目标尺寸这5项特征作为评价指标,使用机器学习决策树分类器训练出迷彩伪装效果评价模型,将模型移植入体积小、功耗低的树莓派开发平台上。通过与均值权重法、熵权法两种评价方法进行准确率对比实验,其中均值权重法准确率为56；熵权法准确率为74；该方法准确率为90。通过实时性实验证明该方法可以在场外2s左右得到迷彩伪装效果评价结果。

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针对不同波段图像获取代价不同的问题,提出一种基于pix2pix的图像转换方法并进行改进。主要针对生成器和鉴别器两方面进行改进。生成器方面,使用残差结构的生成器替换原来的U-Net生成器以缓解梯度消失问题；引入可变形卷积,提高目标边缘和小目标的生成效果；引入BAM注意力机制,提高了算法对图像中主要目标的特征提取能力以提升生成图像的效果。鉴别器方面:改变PatchGAN中卷积层的层数(原PatchGAN为3层卷积),设置对照实验找到转换效果最好的卷积层数。以可见光图像和红外图像之间的转换为例进行实验。实验结果表明,改进后的算法在生成图像上的均方根误差(MSE)下降了314%、结构相似性(SSIM)提高了112%,可以更好的实现红外图像和可见光图像之间的转换。

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局部放电检测对于保障高压电力系统的安全运行至关重要。本文提出了一种针对高压设备局部放电检测的表面等离子体共振D型光子晶体光纤传感器,该方案采用一种光致变色凝胶作为敏感单元,用于感知局部放电所产生的紫外线辐射。该凝胶的折射率会随辐射强度的变化而变化,从而影响光纤纤芯和表面等离激元模式之间的耦合共振波长。通过全矢量有限元法对传感器的性能进行了理论和仿真分析,并对传感器的几何参数进行了研究,以优化传感器的灵敏度,最后进行了实验验证。结果表明所设计传感器的灵敏度值可达24nm/mW·cm-2。该传感器结构简单、成本低廉,为光纤局部放电传感的研究提供了参考。

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波分复用/解复用器作为数据传输的核心器件,广泛应用于片上光互联网络中,其中最重要的指标就是器件的尺寸,插入损耗和串扰大小,为解决传统硅基阵列波导光栅尺寸较大,阵列波导光栅光强不均的问题,我们提出了一种基于绝缘体上硅(SOI)的环形反射器辅助多模干涉波导的四通道波分复用器,可以实现不同通道的波长分离。其核心尺寸仅为10μm×34μm,最小相邻通道串扰为-1442dB。