基于MeanShift算法的光子多普勒测速信号提取方法研究

针对目前光子多普勒测速(PDV)信号处理方法抗噪性能不足的现状,提出了一种对激光多普勒信号的短时傅里叶变换(STFT)频谱图进行轨迹搜索找出有效目标信号的方法,该方法利用对搜索方向进行加权的MeanShift迭代过程来得到密度函数极大值点,然后将该点作为有效信号的轨迹点。实验表明,在给出合适的初始迭代点的情况下,该算法能准确地从含有大量噪声及干扰的短时傅里叶变换频谱图中提取出有效信号,对于强噪声条件下这种PDV信号提取算法具有较强的稳健性。     

单光子测距系统仿真及精度分析

单光子探测器和时间相关单光子计数技术（TCSPC）被广泛运用于脉冲式激光测距及三维成像系统中。分析影响探测精度的因素有助于提高测距系统的性能。为此,建立了基于TCSPC单光子测距系统的理论模型,讨论分析了影响测距系统测量精度的因素,主要包括激光脉冲强度和回波信号统计波形的脉宽,其中后者由激光脉宽和探测器的时间抖动决定。并且利用蒙特卡洛法对测距系统的探测过程进行仿真,得到了上述因素对测量精度的具体影响情况。最后搭建了单光子测距的实验室实验系统,经过实验在10 m处的测量精度达到4 mm,对相同参数下的仿真结果进行了验证。     

时域展宽特性对相关检测性能的影响分析

时域展宽是激光回波脉冲的重要特性,也是影响激光雷达相关检测性能的重要因素。建立了考虑时域展宽特性的激光回波脉冲数学模型,以此模型和相关检测原理为基础分析了时域展宽特性对相关检测测距误差、信噪比的影响,从激光发射脉冲的近高斯能量时间分布模型出发,推导了时域展宽系数的计算公式,并对理论分析和计算结果进行了仿真论证。仿真结果表明:回波脉冲时域展宽系数与其衰减系数成反比,与发射脉冲上升时间成正比,随着时域展宽系数的增大,激光雷达相关检测系统测距误差增大,信噪比降低。     

模拟回火马尔可夫链蒙特卡罗全波形分析方法

针对传统的全波形分析方法不能快速自动处理全波形数据的缺点,提出了一种模拟回火马尔可夫链蒙特卡罗全波形分析法,用于求解全波形数据中的波峰数和峰值位置等参量.该方法采用Metropolis更新策略求解波峰数量和噪声两个参量,以达到快速求解的目的;而峰值位置和波峰幅值则采用改进的模拟回火策略求解,通过添加的主动干预回火步骤实现对参量更新过程的有效探测,以满足对速度或运算收敛性的要求.模拟回火马尔可夫链蒙特卡罗全波形分析方法以马尔可夫算法为基础,仍保持马氏链的收敛性,从而保证本方法具有良好的鲁棒性,实现对全波形数据的自动化处理.     

基于压缩感知的动态散射成像

利用基于压缩感知的成像系统可以透过静态的散射介质获得高质量的重建图像. 但是当散射介质动态变化时, 因为采样所得的测量值受到散射介质衰减系数非线性变化的影响, 重建图像质量会大大下降. 针对上述情况, 本文提出基于压缩感知成像系统的测量值线性拉伸算法, 该算法能够对所得到的非线性测量值进行分析, 根据测量值大小的不同将测量值划分成数个区域并计算补偿系数, 从而根据补偿系数进行测量值线性拉伸变换, 使测量值线性化. 最后再对变换后的测量值进行压缩感知重建计算. 通过理论分析、计算机仿真和实验证明了所提算法能够有效地应对动态的散射介质, 提高基于压缩感知成像系统在透过动态散射介质时的图像重建质量.     

纳秒激光作用下二氧化钒薄膜相变特性

采用脉冲激光沉积法制备了VO2薄膜,应用X射线衍射和X射线光电子能谱分析表明样品为多晶薄膜。采用泵浦-探针方法研究了二氧化钒薄膜的相变特性,实验结果表明当激光重复频率为160 Hz时,样品最小相变响应为12ns,相变恢复时间与激光能量按照自然指数关系变化。仿真结果表明当激光能量一定时,二氧化钒薄膜相变恢复时间与衬底材料的热导率、热扩散系数有关。     

基于哈达玛矩阵编码测量的自适应压缩成像

为了消除采样过程中的噪声干扰,进一步提高重构图像质量,针对数字微镜阵列(DMD)与桶探测器在测量过程中点对点采样产生的起伏噪声导致图像信噪比降低的问题,提出基于哈达玛矩阵编码测量的压缩采样成像方法。首先采用DMD分区控制方法,利用哈达玛编码测量,计算获得低分辨率的粗糙图像,接着在预测的重要小波系数所在区域,对同一尺度上的重要区域利用哈达玛矩阵进行投影,同时计算出这些区域的小波系数,最后通过小波逆变换获得重构图像。实验表明,在测量噪声为0.2倍的热噪声下,只需要10%的采样率,通过哈达玛编码测量,图像峰值信噪比从13.98dB最高提高到34.56dB,提高了20.58dB,成像质量明显改善,清晰度高。当存在较大的测量噪声时,该方法可以大幅提高图像的信噪比,尤其适用于微弱光信号条件下的高灵敏压缩采样成像。     

单光子激光雷达的时间相关多深度估计

单光子激光雷达广泛应用于获得三维场景的深度和强度信息。对于多表面目标,如激光经过半透明表面上时,一个像素上探测到的回波信号可能包含多个峰。传统方法在低光子或相对较高的背景噪声水平下无法准确估计多深度图像。因此,提出了一种单光子激光雷达时间相关多深度估计方法。该方法利用信号响应的时间相关性,对点云数据进行多深度快速去噪,能够从背景噪声中识别每个像素上来自多个表面的信号响应。并基于该信号响应集合的泊松分布模型,通过全变分正则化引入像素之间的空间相关性,建立多深度估计成本函数。使用快速收敛的交替方向乘子算法从成本函数中估计深度图像。实验结果表明,所提方法在距离约为1 km处的多深度目标上,相较于常规方法估计深度图像的均方根误差减少了至少27.05%,信号重建误差比提高了至少18.39%,同时数据量减少至原来的4%。证明该方法能够以更小的内存需求和计算复杂度提高单光子激光雷达的多深度图像估计性能。     

电子倍增CCD的电荷倍增特性研究

建立了电子倍增CCD的载流子倍增寄存器的电荷倍增模型,分析了电子倍增CCD的结构特征和载流子倍增寄存器的工作原理及其电荷倍增特性.利用Z域分析方法得到载流子倍增寄存器的电荷倍增传递函数及其幅频响应.计算表明,提高载流子倍增寄存器的电荷倍增系数可以提高电子倍增CCD的幅频响应.同时,用增益起伏因子来分析载流子倍增寄存器的增益起伏特性,得到了电荷倍增率,寄存器级数与增益起伏因子的数值关系.在寄存器级数N=400条件下,当电荷倍增系数α≤0.15时,增益起伏因子随电荷倍增系数增大而增大;而当α≥0.15时,增益起伏因子随电荷倍增系数的增大而减小.通过典型的电子倍增CCD相机的实验验证了建立的模型.