静态傅里叶变换超光谱全偏振成像技术

光谱偏振成像技术是成像光谱技术与偏振成像技术的有机融合, 是当前空间光学遥感技术研究的热点和前沿. 针对目前光谱偏振成像技术受测量原理、探测模式的限制, 普遍需要运动、电控调制等部件, 导致体积大, 结构复杂, 加工装调困难, 抗振能力差等问题, 我们于2010年在国际上首先提出了一种多信息融合的静态傅里叶变换超光谱全偏振成像方法. 本文在此基础上, 阐述了新方法的基本原理, 给出了具体实现方案. 新方案无需运动、电控调制部件, 可实现目标图像、光谱、全偏振信息的一体获取. 推导出了新方案的调制干涉强度数据表达式及Stokes矢量解调公式, 分析了新方法实现光谱、全偏振探测的物理过程. 对新方案进行了计算机数值模拟验证, 研制了原理验证样机开展了室内、室外验证实验, 首次获得了室外推扫光谱图像数据立方体和全色全偏振度图像, 模拟及实验结果均表明新方案原理正确, 技术可行. 上述研究为新型空间遥感器的开发提供了基础理论及实践支持. 关键词： 成像光谱 偏振成像 Stokes矢量     

空间调制型全偏振成像系统的图像解调算法修正

空间调制型全偏振成像系统可实现目标全偏振参量的同步探测。现有解调算法仅适用于单色光的探测系统,不适用于复色光的探测系统。通过寻找中心频谱位置获得实际载波频率的方式对偏振解调算法进行了修正。复色光偏振成像实验结果表明:宽波段空间调制型全偏振成像系统通过修正的图像解调算法可以得到中心波长的偏振信息,偏振探测误差小于5%。研究结果为复色光全偏振成像系统的解调算法研究提供了参考。     

双强度调制静态傅里叶变换偏振成像光谱系统测量原理及仿真

为了抑制背景噪声,获得高信噪比的纯干涉条纹并实现图像、光谱和全偏振信息的同时测量,提出了一种基于双强度调制的静态傅里叶变换偏振成像光谱技术新方案.系统由前置望远系统、两个相位延迟器构成的偏振来谱调制模块、Wollaston棱镜构成的偏振.分束器、Savart偏光镜和线偏振器构成的干涉糢块以及CCD面阵探测器组成,可在单一探测器上同时获取两幅经过不同强度调制的全偏振干涉图,通过对两幅全偏振干涉图的简单加减运算,便可获得探测目标清晰的纯图像和高信噪比的纯干涉条纹.对该系统的图像和光谱偏振复原过程进行了理论分析和数值摸拟,结果表明该系统可有效分离探测目标的背景图像和干涉图像,实现高精度的光谱复原和全偏振信息的有效提取,具有髙稳定性、高光谱、高灵敏度、高信噪比、信息复原精度高及数据处理复杂度低等优点,为偏振干涉成像光谱技术的发展提供了新思路.     

空间调制型全Stokes参量偏振成像系统原理及仿真

空间调制型全Stokes参量偏振成像是针对同一目标不同偏振分量的同时探测技术,以双折射晶体作为调制元件,将Stokes参量S0~S3调制在同一幅图像中,只一次采集便可获得包含4个Stokes参量的调制信息。分析空间调制型全Stokes偏振成像系统的探测原理和数学模型。阐明重构偏振图像S0~S3的理论依据,并分析了系统参数的选择对图像重构效果的影响。根据实际系统参数,进行数值仿真模拟成像过程,获取调制图像,使用一种简单的频域解调算法,重构出S0~S3的4幅偏振图像,得到比较满意的重构效果,不仅验证了方案的可行性,同时为仪器设计或器件选型提供参考。     

弹光调制型成像光谱偏振仪中的高精度偏振信息探测研究

提出了一种基于三弹光调制器的差频偏振调制方法, 并结合声光可调谐滤波技术构成了新型弹光调制型成像光谱偏振探测仪(photo-elastic modulator-based imaging spectro-polarimeter, PEM-ISP). 介绍了PEM-ISP及三弹光差频偏振调制方法的基本工作原理, 并从PEM-ISP的探测原理出发, 通过分析和计算PEM-ISP的Mueller矩阵, 推导出了相应的偏振测量公式; 通过仿真及实验验证了三弹光差频偏振调制方法的可行性和准确性; 最后分析了探测积分步长、采样间隔的选取对偏振测量的影响, 对入射视场角、相位延迟幅值等因素所带来的测量误差进行了初步分析. 结果表明, 1%的相位延迟量误差带来的线偏振度DoLP误差 <0.6%. 本研究为新型PEM-ISP的遥感探测以及Stokes参量的反演的进一步工程化实现提供了必要的理论依据. 关键词： 偏振调制 三弹光调制器 差频 成像光谱偏振仪     

基于双通道剪切干涉的高光谱偏振成像方法

光谱偏振成像技术可同步测量目标的空间信息、光谱成分和偏振特性分量,在天文物理研究、大气成分的探测和生物医学等领域具有巨大的发展潜力。偏振信息的同步获取通常牺牲光谱成像的空间分辨率,为避免光谱成像空间分辨率的降低,提出基于双通道剪切干涉的高光谱偏振成像方法。利用双矩形干涉器实现双通道剪切干涉,两个通道分别进行高分辨率干涉光谱成像以及基于微偏振阵列的光谱偏振成像。分析了双通道剪切干涉以及基于微偏振阵列调制的傅里叶变换光谱偏振成像原理,论述了光谱信息反演方法以及偏振信息提取方法。搭建了实验装置,对实际场景目标进行光谱偏振成像实验,获得了目标的高空间分辨率光谱图像和偏振分量信息。研究表明,该高光谱偏振成像技术可同步进行偏振成像测量和高分辨率光谱成像测量。     

伪装目标与背景的偏振对比特性

为解决传统光强探测手段难以有效探测和识别伪装目标这一难题,基于偏振探测技术搭建了光谱偏振探测成像系统,利用该系统在位于442.0,545.5,670.5,850.5 nm的窄波段对典型草地、土壤背景下的某型深绿色和土黄色伪装涂层进行了光谱偏振探测实验研究。并通过编制的图像处理软件对测试结果进行处理分析以提取其中的偏振信息,获得了目标与背景偏振度和偏振对比度随探测波长和探测角的变化规律。研究结果表明,合理地选择偏振成像探测条件可以使伪装涂层与背景之间存在较大的偏振对比度,可以实现对传统伪装涂层涂覆的目标的有效探测和识别。     

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振检测的最佳角度分析

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振探测,这一方法将偏振测量与干涉成像光谱技术相结合,一方面能提供辐射测量所不能提供的物体偏振信息,另一方面又可获取目标的空间图像和光谱,具有比辐射测量更高的准确度.在简要分析了利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振检测的理论基础上,深入研究了偏振检测的方法,分析比较了目前常用的偏振探测角度（45°,60°）对偏振度探测的影响.进一步计算推导出偏振测量的最优探测角度,将之与以往常用的探测角度进行了分析比较,证明了此最佳探测角度可以有效地减小偏振误差、提高偏振探测的精度.这将极大地提高偏振干涉成像光谱仪的应用范围,为新型偏振干涉成像光谱技术的研究以及仪器研制提供重要的理论依据. 关键词： 偏振检测 偏振干涉成像光谱仪 探测角 Savart偏光镜     

基于LCVR调谐的全偏振多谱段成像系统

提出一种新型全偏振多谱段成像系统,将液晶相位可变延迟器LCVR应用于全偏振成像技术,在可见-近红外波段上可快速实现光的全偏振态的精确调制.系统由光学镜头、LCVR、偏振片、滤波片和CCD探测器组成.文章首先介绍了系统结构、工作原理和光学设计,并提出了适合本系统的偏振定标方法,建立了偏振定标系统,实现了利用较小面积的偏振...     

光谱偏振调制器的高精度装调方法

为了提高光谱偏振调制器的探测精度,提出了光谱偏振调制器的高精度装调方法。首先,分析了光谱偏振调制器的调制原理,提出了采用三片多级相位延迟器加线偏振器的装调方案;然后,建立了调制器装调的数理模型,设计了校准多级相位延迟器的厚度;最后,对成像过程进行了计算机仿真实验验证,并模拟了成像系统的装调过程。结果表明:利用该方法能够灵敏检测偏振器件间的微小相对旋转角度误差,可实现调制器的高精度装调,在输入本文设定的校准光谱条件下,绝对精度可达0.2°。该方法保留了传统光谱调制器充分利用通道带宽的优势,保证了复原光谱的分辨率,为强度调制型光谱偏振成像系统的精密装调提供了一定的理论参考。     

一种具有低折射率的高对比度光栅反射镜的设计

设计并研究了一种工作于2 μm波段的GaSb基亚波长高对比度光栅反射镜,其具有低折射率光栅层结构。通过严格耦合波理论优化结构,以最大限度地满足VCSEL腔面反射镜对反射率带宽的要求。反射镜对2 μm波段的TM模式具有优良的反射效率,带宽与设计波长之比达15%（反射率R>99%）,在反射率R>99.9%的部分Δλ/λ₀>9.5%,带宽中心波长为2.003 μm,与此同时TE模的反射率不超过70.20%。该反射镜结构中几个参数的制作容差较大,且厚度低于1.1 μm,有利于在垂直腔面发射半导体激光器上的单片集成。     

AlH~+离子5个Λ-S态和10个?态的光谱性质以及激光冷却的理论研究

利用考虑Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用(icMRCI+Q)方法结合相关一致基组aug-ccpV6Z计算了AlH~+离子前两个离解极限对应的5个Λ-S态和10个?态的势能曲线.为了提高势能曲线的可靠性和精确性,计算中考虑了自旋轨道耦合效应、芯电子价电子相关和标量相对论修正以及将势能外推至完全基组极限.基于得到的势能曲线,获得了束缚和准束缚的4个Λ-S态和8个?态的光谱常数和振动能级,与已有的实验结果符合.计算了2(1/2)→X~2Σ_(1/2)~+和A~2Π_(3/2)→X~2Σ_(1/2)~+跃迁的跃迁偶极距.利用计算的精确的势能曲线和跃迁偶极矩,获得了2(1/2)~(第一势阱)(υ′=0, 1)→X~2Σ_(1/2)~+(υ′′)和A~2Π_(3/2)(υ′=0, 1)→X~2Σ_(1/2)~+(υ′′)跃迁的高度对角化分布的Franck-Condon因子(f_(00)和f_(11))和大的振动分支比;预测了2(1/2)~(第一势阱)(υ′=0, 1)和A~2Π_(3/2)(υ′=0, 1)态短的自发辐射寿命和窄的辐射宽度,这适合于AlH~+离子的快速激光致冷.所需的3束激光冷却波长都在紫外区域.这些结果表明了激光冷却AlH~+离子的可行性.此外,评估了自旋轨道耦合效应对光谱常数、振动能级和激光冷却AlH~+离子的影响.     

一个新的自由能函数对介电高弹薄膜的多组等双轴预拉伸下力电耦合实验的预测

当介电高弹聚合物薄膜被施以面内等双轴预拉伸后, 受到厚度方向的电压作用时, 薄膜在力场和电场共同作用下产生大变形. 电场采用Maxwell应力分析, 力场采用橡胶弹性模型分析. 拟合这类变形的常用橡胶弹性模型主要有Neo-Hookean, Arruda-Boyce, Gent等模型. 这些模型对实验数据的定量拟合存在不同程度的偏差. 通过对实验数据的分析, 结合数学方法, 提出了一个新的自由能函数模型. 通过该模型对VHB4905介电高弹聚合物薄膜的多组等双轴预拉伸电力耦合实验进行拟合, 并以Neo-Hookean, Gent模型作为对照, 结果与实验数据拟合很好, 比对照模型的偏差明显缩小.     

EXPANSION OF RADIAL WAVE FUNCTION OF d OR f ELECTRONS AND THE SHIFTS OF CRYSTAL FIELD SPECTRA+ Ⅱ. RUBY FLUORESCENCE R1 LINE

By analysing the characters of R1 transition energy, starting from a general theory, the relation between red shift Δλ/λ₀ and expansion function φ(K) is derived. The explicit expressionsof φ(K) and available over a wide range of pressure are obtained. The pressurey vs. compression ratio relation P-K is calculated by using Birch equation. The red shifts are calculated upto 1.7mbar.The agreement with experimental data is satisfactory. Finally, the results are dis-cussed.     

Influence of the colored noise on determining the period of a torsion pendulum

Based on statistical properties, two typical models are considered to calculate the uncertainties for some random noise sequences on the period extraction of a torsion pendulum, which is important and instructive in the measurement of gravitational constant G with the time-of-swing method. An expression of the uncertainty for the period measurement is obtained, which is dependent on the ratio ?t/(1/λ) where ?t is the interval of the sample time and 1/λ is the length of the correlation time. The result of processing experimental data shows that as the interval of the sample time ?t gradually shortens, the uncertainty of the period becomes smaller, and further when the ratio ?t/(1/λ) is less than 1, the uncertainty remains substantially unchanged.     

激光诱导击穿光谱法铁基合金谱线选择研究

内标法是激光诱导击穿光谱(LIBS)最常用的定量分析方法之一。为了提高定量分析精度，研究了谱线强度比的相对波动特性随分析线和内标线之间激发能级差(ΔE)和波长差(Δλ)变化的规律。在局部热力学平衡条件下，建立了考虑等离子体中某元素电子上能级跃迁到下能级产生原子发射谱线的激发能级差、等离子体温度、配分函数和离子密度等强度影响因素的数学模型，对模型中激发能级差对谱线强度相对波动的影响进行了研究。得到在-2 eV<ΔE<2 eV和等离子体温度范围在3 000～15 000 K条件下，谱线强度随着ΔE和T变化的趋势：随着ΔE变大，谱线强度比呈上升，在ΔE=2 eV，T=3 000 K时谱线强度比最大；并且谱线强度比相对波动对ΔE和T敏感，ΔE趋近于零时相对波动变小，T对谱线强度比相对波动影响变化不大，整体趋势平稳。在T=10 000 K时，ΔE<0相对波动比ΔE>0时小，因此理论上优先选择ΔE<0的谱线对。通过理论分析得出|ΔE|越接近于零，谱线强度比相对波动越小。实验装置中采用工作波长1 064 nm，脉冲能量85 mJ，重复频率1 Hz，脉冲宽度13 ns的Nd∶YAG脉冲激光诱导击穿样品；采用工作波长200～975 nm，光学分辨率优于0.05 nm的Andor公司Mechelle 5000光谱仪，配合Andor New iStar型号ICCD采集光谱；利用激光诱导铁基合金等离子体光谱进行验证。实验中，以Fe为内标元素，Cr和Mn为分析元素。筛选NIST谱线库中跃迁概率在106以上的谱线，并优先选择共振线能级差相近的非共振线进行对比分析。结果表明，选择激发能级相近或波长相近的谱线作为分析谱线的原则有一定的局限性。对于Cr和Fe，|ΔE|在0.14和1.51 eV时得到的谱线强度相对标准偏差(RSD)分别为6.7%和4.6%，其谱线强度比理论值和实际值之差分别为1.14和0.59；|Δλ|在11.7和50.8 nm时得到的RSD分别为6.3%和4.4%，其谱线强度比理论值和实际值之差分别为1.69和0.62。分析表明，相比于波长差，激发能级差对Cr/Mn相对波动影响较大。分析元素Cr/Mn与内标元素Fe波长差绝对值不断增大，RSD反而不断减小；在1.50 eV和90 nm较大约束范围内，|ΔE|大的谱线得到的谱线强度比相对波动相对较小，Cr和Fe的RSD最大相差为2.06%；|Δλ|大的谱线得到的谱线强度比相对波动相对较小，Cr和Fe的RSD最大相差为1.35%。由以上实验结果得出，在实际选择分析谱线时，尽量选择激发能级和波长相近的谱线原则有一定的局限性。|ΔE|或|Δλ|大的谱线得到的RSD较小，选择谱线强度比理论值和实际值最接近的谱线可以作为谱线选择依据。另外，选择谱线强度比理论值和实际值最接近的谱线，可以降低谱线强度比相对波动。     

过冷水溶液中的空间光孤子

建立了在过冷水溶液中传播的光束的非局域非线性模型.过冷水的热致折射率扰动在温度扰动较小的情况下随温度增大,但在温度扰动达到一定程度后随温度减小.在求出该模型的数值孤子解后,对孤子的性态进行了研究.研究表明,在光功率较小时,过冷水表现出自聚焦的特性,而在光功率较大时,在孤子的中心区域的过冷水表现出自散焦的特性,而在孤子的外围仍表现为自聚焦.在总功率较大的情况下,孤子间的相互作用也表现出这种部分自散焦,部分自聚焦的现象.     

基于速度梯度张量的四元分解对若干涡判据的评价

本文基于速度梯度张量分析,对其中四种ω判据、Q判据、w判据、λci判据的物理意义和局限性进行分析,揭示各判据常用等值面展示的涡形态或强度的实际物理意义.首次采用基于速度梯度张量正规性的四元分解,将流体微元的运动分解为胀缩、沿正规标架的轴向变形、做平面运动和简单剪切,使得各涡判据的运动学意义更加清晰.涡量ω反映的流体微元的平均转动中总是包含简单剪切运动;Q判据可揭示流体微元在复特征向量平面上净转动相对于轴向变形的强弱,是净转动存在的充分但非必要条件;fi判据能准确辨别净转动是否存在,却无法表示出净转动的强度;在净转动存在的前提下,λci可反映其绝对强度大小,净转动是复特征向量平面内正规转动和简单剪切的总和效果,正规转动是最基本的转动.新引入的四元分解方法有利于深入了解流体的涡及其运动.     

A Compact Exponential Operator for Generating Rotating and Squeezing Transformations

We point out that the compact exponential operator V≡exp[-i(λ₁Q²-λ₂P²)/2] (where λ₁, λ₂ are real;P and Q are momentum and coordinate operators, respectively;the units of h=m=ω=l is taken, m and ω are harmonic oscillator's mass and'frequency, respectively) is a generalized single-mode squeeze operator which can generate mixed squeezing and rotating transformations. The decomposition of V as a product of a squeeze operator and a rotating operator is derived through the technique of integration within an ordered product.The fluctuation in quadrature phases for the squeezed vacuum state generated by V is analyzed.     

Soliton Excitations in the Compressible Heisenberg Spin Chain: A General Approach

A general approach is given for the nonlinear excitations in the compressible Heisenberg ferromagnetic chain in coherent-state representation. It is shown that the relative ratio of ε to δ is very important for determining the nonlinear modified terms of the equations of motion. ε = 1√S (S is the spin length) and δ = α/λ₀ (α is the lattice constant and λ₀ is the characteristic wavelength of the excitations) are two small dimensionless parameters used in the semiclassical approximation and in the long wavelength approximation, respectively. In the case of δ = O(ε), the reduced equations of motion are solved exactly and spin soliton and elastic kink solutions are obtained. The other cases of the relation between δ and ε are also discussed and the solitary wave solutions are also given. The result obtained by Ferrer, as a special case, has been included in our approach.