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关键词： 二维光栅   偏振无关   光栅设计   位移测量  

摘要： 针对目前二维光栅设计结构单一、与实际结构不匹配的问题，提出一种金属-介质二维光栅。该光栅不仅具有优异的偏振无关性和高衍射效率，而且其结构更符合实际制备的形貌。基于双光束正交曝光单周期干涉场强度分布，构建基于光强轮廓的二维光栅设计结构，采用傅里叶模态法和粒子群算法对光栅进行优化设计。结果表明，最优参数下，设计的二维光栅在波长为780 nm处以Littrow角入射时，横电、横磁偏振光的衍射效率均大于95%，并且具有优异的偏振无关性和较大的制备容差。此外，对比同结构参数下传统圆台、棱台结构的二维光栅衍射效率，结果表明光栅结构的微小变化对二维光栅衍射效率的影响较大，基于光强轮廓的设计结构可有效提高光栅设计与实际的匹配度。研究工作可为位移测量领域高精度二维光栅的研制提供理论基础。

关键词： 干熄焦提升机   FBG传感   健康监测系统   长期监测   状态评估  

摘要： 在实际生产过程中，提升机的主梁强度及可靠性水平会随着使用年限的增长呈逐渐下降的趋势，金属结构薄弱及应力集中的部分疲劳损伤会不断呈现，使结构安全性不断降低。为保障设备的安全和高效运行，提高生产的整体管理水平，有必要建立完备的健康监测系统，实现在线监测分析和智能预警，助力生产人员实时把握结构的受力和变形状态。针对某大型干熄焦提升机建立了基于光纤光栅(fiber bragg grating, FBG)数据采集系统的健康监测系统，并对其关键部位的应力和应变数据进行了长期监测，根据监测结果分析出了结构损伤相对严重的部位。其工程应用表明，FBG技术是实现结构长期健康监测的有效手段。

关键词： 高光谱和多光谱图像融合   反问题   正则化方法   张量建模   数值算法  

摘要： 高光谱图像包含丰富的地物光谱信息,因此在灾害监测等领域得到了广泛的应用。然而,由于高光谱成像传感器的限制,观测的高光谱图像的空间分辨率较低,从而影响其后续应用。高光谱和多光谱图像融合旨在利用观测的低分辨率图像求解出具有高空间分辨率和高光谱分辨率的融合图像,为后续应用提供高质量的输入数据。从数学角度看,高光谱和多光谱图像融合问题通常属于严重病态反问题。基于正则化的优化模型和稳定算法是解决此类问题的有效方法。近年来,基于正则化的张量优化模型在刻画高分辨率高光谱图像先验知识方面取得了快速发展和显著成果。然而,仍然存在一些挑战,如对先验知识挖掘不充分等问题。为了解决这些问题,本文充分挖掘高分辨率高光谱图像固有的先验知识,如空间-光谱低秩性、空间-光谱分片平滑性和非局部自相似性。基于这些先验知识,提出了基于正则化的张量优化模型,并设计了高性能的模型求解算法,同时对算法的理论性质进行了分析。具体研究内容包括: 1.提出了一种基于张量子空间表示的迭代正则化融合模型,解决了现有的基于正则化的张量优化模型无法同时兼顾高分辨率高光谱图像的空间-光谱低秩结构和非局部自相似性的问题。该模型利用新兴的张量子空间表示来刻画空间-光谱低秩结构,并在张量子空间表示中的张量系数上引入张量核范数正则项,以约束非局部自相似性。为了求解该模型,设计了一种基于邻近交替最小化框架的算法。在此基础上,提出了一种迭代正则化算法,以解决现有融合方法中忽略低分辨率图像残差信息的问题,并对算法的计算复杂度进行了分析。数值试验结果表明,提出的方法得到了比对比方法更好的融合结果。 2.针对现有张量分解格式无法同时且精确地刻画高分辨率高光谱图像的二维空间和一维光谱结构特征的不足,提出了张量双因子分解格式。在此基础上,建立了一种耦合张量双因子分解的融合模型,设计了一种基于邻近交替最小化框架的算法来求解该模型,并分析了算法的计算复杂度和收敛性。数值试验结果表明,基于张量双因子分解的方法优于基于其他张量分解的方法。 3.为了解决现有基于正则化的张量优化模型忽略高分辨率高光谱图像空间-光谱分片平滑性的问题,提出了一种基于Tucker分解的单向全变分的融合模型。该模型在Tucker分解的三个因子矩阵上引入单向全变分正则项,以约束空间-光谱分片平滑性。为求解该模型,设计了一种基于邻近交替最小化框架的算法,并分析了其计算复杂度和数值收敛性。数值实验结果表明,所提出的方法在融合性能上优于对比方法。 4.针对现有基于稀疏矩阵分解的融合模型对高分辨率高光谱图像的先验知识挖掘不足的问题,提出了一种基于非局部低秩和非局部联合稀疏的系数矩阵估计模型。该模型将高分辨率高光谱图像的非局部自相似性转换为系数矩阵的非局部低秩性和非局部联合稀疏性,并分别引入了矩阵核范数正则项和加权（?）2,1范数正则项进行约束。提出了一种基于交替方向乘子法的算法来求解该模型,并分析了算法的计算复杂度和数值收敛性。数值试验结果表明,所提出的方法优于对比方法。

关键词： 光栅间距校准   信号处理   自溯源   平面光栅  

摘要： 双光栅零差干涉的非线性因素对于信号的相位提取精度容易产生影响，进而导致干涉测距精度下降。提出了一种基于改进自适应噪声的完备集合经验模态分解融合希尔伯特变换(ICEEMDANHT)的双光栅干涉间距数字化校准方法。在经验模态分解算法的基础上，通过添加白噪声后使信号进行分解重构迭代，筛选符合标准的本征模态分量进行重构得到完整信号，仿真对比其他信号分解方法的分解特性，验证改进自适应噪声的完备集合经验模态分解方法重构信号的重复性和分解完备性。采用改进的双光栅测距系统对标准平面光栅间距进行校准实验，结果表明，基于ICEEMDAN-HT的双光栅间距数字化校准方法的相对误差低至0.40%，有效提高了信号的鲁棒性和间距校准精度。

关键词： 光学薄膜   色彩恢复   负滤光片   短波红外   薄膜制备  

摘要： 针对目前可见-短波红外成像探测器,可见光波段和红外波段响应的强度信息相互影响,导致彩色信息丢失,全波段只能灰度成像的问题。为了在保证宽光谱进光量的同时实现可见光波段的颜色恢复和红外单波段或多波段的信息获取,提高图像的识别和分割效率,最大程度发挥宽光谱探测器的价值,本文提出了三种用于宽光谱成像探测器色彩恢复滤光片组的设计和成像方案,并对其中一种设计进行制备和色彩恢复成像验证。 通过分析白天夜晚自然光源波段和能量的分布,以及彩色成像理论,确定宽光谱色彩恢复滤光片由蓝光（Blue,B）、绿光（Green,G）、红光（Red,R）波段分别加上短波红外（Short-Wave Infrared,SWIR）通带的光谱划分组成。 提出B+SWIR、G+SWIR、R+SWIR负滤光片、0.42～2.5μm通带滤光片组合的设计,通过通带滤光片和负滤光片响应的数字信号相减,分别对应到R、G、B通道合成彩色图像。具有大进光量、对误差不敏感、短波红外多波段成像、膜层数少的特点;提出具有相同红外（Infrared,IR）波段的B+IR、G+IR、R+IR、IR滤光片组合的设计,通过减去IR滤光片响应数字信号实现颜色恢复,具有较大进光量,红外波段导致偏色小的特点;提出B+SWIR、G+SWIR、R+SWIR分离截止带设计,将近红外截止滤光片单独分离,实现R、G、B和短波红外三波段的带通设计,具有可直接合成彩色图像,短波红外多波段成像,弱光红外增强成像的特点。使用Essential Macleod膜系设计软件完成了所有膜系设计和制备误差分析。 使用离子束辅助电子束沉积设备,对高折射率材料Ti3O5和Ta2O5工艺进行探究和对比。调整烘烤温度和离子束流得到了Ti3O5在400nm处的低吸收工艺。确定了Ta2O5的目标光学性能的工艺参数,在高折射率材料真空室参数下确定SiO2的光学常数和工艺参数。在石英玻璃JGS-1基底上对负滤光片设计方案进行多次制备,经过逆向工程修正后测试四个滤光片通带的平均透过率均大于93.6%,通带平均透过率之差小于1.6%。 使用可见-短波红外胶体量子点（Colloidal Quantum Dot,CQD）相机,通过制备滤光片分别在太阳光和可见LED光下对24色色卡成像,经过图像信号处理（Image Signal Processing,ISP）实现颜色恢复,所有颜色恢复实验都得到了接近原色的结果。最后对不同光源和曝光时间的成像和颜色恢复结果进行定性分析和评价,讨论了偏色误差的原因和提高颜色恢复结果的方法。 本文的研究结果对可见-短波红外宽光谱彩色成像技术的进一步发展具有参考价值。