本项目预期达到的指标：
A 在理论上研究新的光纤传感方法、布喇格光栅不同编码方式以及光纤器件的组合结构；
B 在实验上建立一套具有WDM与OTDM机制的分布式光纤布喇格光栅传感器网络，实现一种多功能灵巧结构的测量系统。
2-6 地面高速运行载体定位和追踪系统中的光纤传感技术研究
经济和社会的发展对交通运输的速度提出越来越高的要求，科学技术的进步为高速运行载体(如高速列车)的发展提供了可能。在本世纪后半叶，高速铁路的发展不仅使旅客运输一展新貌，而且为一些经济发达国家铁路的复兴注人了活力，更对人类生活和科学技术的发展产生巨大的影响。兴建高速铁路已成为当今世界范围内发展的必然趋势。
高速铁路的行车指挥与控制是确保行车安全和发挥运输效能的关键，是旅客生命的安危所系。而对高速运行列车的实时准确定位，对其速度、加速度等运行信息的准确而快捷的获取是正确而不间断对行车指挥的基础和首要环节。目前，全世界都在对此项技术进行探索，实际上它已成为高新技术发展的重要领域。常规的GPS(全球定位系统)定位技术不能够分辨列车的上下行，不能判断列车进出道岔和轨道占有情况，特别是在隧道、山区、森林等地区，使用可靠性就更差。因此，GPS定位技术在高速铁路上的使用具有局限性。
为此，提出一种有关地面高速运行载体定位和追踪系统中的光纤传感技术。本项目提出的利用光纤陀螺、光纤灵巧结构等光纤传感技术来解决高速运行载体—高速列车的位置、行车速度和加速度的信息获取问题是一个新构想。它的完成将对高速列车的行车指挥技术产生重大影响，并且令其提高到—个新的水平。
本项目的主要研究内容是：
A 提出一种新型结构的光纤陀螺
现有光纤陀螺的不足是：①现有的光纤陀螺为了提高检测精度通常采用将保偏光纤缠绕在铝合金简上的光纤敏感环，这样，在光纤缠绕时产生的应力不能完全释放，从而引起偏振模耦合；②为了减小偏振模耦合，必须减小缠绕力，但这样又会在振动时引起结构的不稳定；③铝合金和石英的温度系数相差甚大，从而降低了光纤随陀螺的温度稳定性。新型结构的光纤陀螺应尽可能地克服这些不足，以确保其温度稳定性和振动稳定性等，进而能够完全满足高速列车智能行车指挥的要求；
B 研制出一种使用高折射率的液体将光纤灵巧结构浸于其中形成的敏感部件。为了确保列车行车的绝对安全，列车定位系统必须采用双监测系统互为冗余。这不仅需要有车上检测关于列车位置、速度、加速度等信息的检测系统，还需要有轨道上装配的能够显示本段轨道是否被占用的信息获取系统。显然，传统的轨道电路是难以满足高速铁路的要求的。研制的这种敏感部件，当机车占用轨道时，压力使液位升高，从而改变其光纤折射率的分布，再利用光时域反射技术(OTDR)测定出作用点离开端点的距离。目前，OTDR的测距精度已经达到厘米级，是其它任何形式的地面高速运行载体定位技术所不及的；而且无其它中间转换环节，可靠性高。沿铁路每隔200米左右安装—个用来感知列车占用轨道情况的光纤传感部件，并且构成—个光纤灵巧结构网络，从而可以确切知道列车在某段轨道上的准确位置。
C 研制出一种完整的、闭环的列车实时追踪系统。由光纤陀螺所获取的列车运行信息在车上进行数据处理后经漏泄波导综合光缆传至地面指挥中心。在指挥中心与由光纤灵巧结构所获得的信息综合考虑，并做出准确的判断。然后将列车当前的实时位置、速度和指挥中心下达的目标速度一起，再经由漏泄波导综合光缆传到列车上，由此构成—个完整的、闭环的列车实时追踪系统。
本项目的目标是，分析所得到的测试数据，确定实现高速列车智能行车指挥对光纤陀螺所需要的技术指标，并且根据这些指标研制出具有我国自已特色的新型结构的光纤陀螺；在实验室模拟现场情况，研制出用来感知列车占用轨道情况的光纤灵巧结构网络，由此可以确切知道列车在某段轨道上的准确位置。
本项目的研究成功，将促进光纤传感技术跃上一个新台阶，并可为其它地面高速运行载体(如城市轻轨列车等)所借鉴，将对我国高速铁路的建设、确保行车安全与提高效能作出独特的贡献。
2-7 光折变单块微结构光学系统研究
光通信和光信息处理光子器件的实用性要求是可集成化和可模块化包装。而已实现的信息光子学关键性器件的原理绝大多数基于微结构光学现象，而集成的手段也是基于微结构光学，因此微结构光学现象的深入研究和光子系统的微结构化已在国际上成为信息光子学的最基本的前沿研究方向之一。平面集成光学技术是光子系统集成化的主要技术手段之一，但是只适合于零维或一维信号，不能充分发挥光学并行和无交叉干扰处理等的特点，因而二维数据三维处理的微光子学系统技术是很重要的发展方向，已有的主要的方案有：堆栈集成、平面光学集成、混合集成、双折射分层集成及硅微光学平台等等。但存在如下问题：所用的微光学元件一般都是永久性的元件，不能再重构；这些方法都不能构成带有被动和主动器件的一体化结构。因此发展一种新型的多功能的单块结构的三维光子系统的微结构集成技术不仅具有高度的学术意义而且有广泛的应用前景。再进一步地，将光集成回路、集成电路、微机械集成在单一芯片上或组建成一个三维微系统，构成一个具有传感器、处理器、执行机构的完整的微光机电系统，不仅在技术上有划时代的意义，而且在相当广泛的领域中有着重大的应用前景。显然，微光学系统是微系统的核心单元之一。
光致折射率变化晶体具有全息三维存储、双光束耦合、四波混频、光感应光散射等诸多功能，特别是光折变晶体的体位相全息具有高衍射效率、可重复和实时使用等特点，已被广泛用于光学元件、光互连、三维存储、模式识别等方面。这些晶体一般也具有良好的光电，声光等多种效应，综合利用晶体的各种效应在以铌酸锂等晶体为基础的集成平面光学领域中也早有成功的报导。本项目旨在利用晶体的光致折射率变化效应和局域激光全息热固定的技术，在一块光折变铌酸锂晶体中分层记录各种全息光学元件，并构成一个单块结构的可重构的三维光子系统。 同时研究在一个单块结构中综合利用晶体的各种功能和效应的可能性，使单块结构的光子系统具有一体化的多功能操作的特性。进而进行具有压电机械形变等功能的单块光机电系统的探索。光学互连和光交换对于计算机系统和光通信具有重要的应用前景，因此本项目的目标之一是发展单块结构的光互连光交换系统，这具有一定的应用前景。
本项目的主要研究内容是：
A 激光局域实时实地加热固定全息的方法、原理、理论和实验的研究，包括各种最佳化工作条件的建立；
B 高效率的光折变全息光学元件、衍射元件和其它形式的被动光学元件的研制；
C 晶体的其它效应的综合利用的研究，包括主动光学元件的研究、多功能的一体化单块结构光学系统的探索和具有微形变功能的光机电系统的探索；
D 单块结构的光互连交换器件的研制，包括对适合光折变单块结构的光交换网络的体系结构和算法的研究以及对单块结构的光交换网络的研制；
E 光折变晶体材料，包括各种掺杂铌酸锂晶体的生长和研制、可见波长的和半导体激光波长的掺杂铌酸锂晶体的研制、分段掺杂铌酸锂晶体的探索以及其它晶体的研制等。
预期成果是：在微结构三维光子系统研究领域上达到国际先进水平，并为今后发展三维微小结构光机电系统打下技术基础。构成包含两个单块结构的互连块和一个电光开关层面的混合结构的光交换网络，发展出特殊功能的铌酸锂晶体。
2-8 智能光学视觉系统
从六十年代起基于激光傅里叶光学变换和全息匹配滤波、用于物体特征识别的光学相关器出现并付之应用，使得光子不仅能作为多维信息的相干载体而且能使直接用于信息并行处理的特性得以充分发挥，展示了光子处理比电子处理的优越性，从而迅速形成了光子信息处理这一新兴学科。但是这种线性处理在功能上有很大的局限性，不适合多维多目标的识别和处理。更重要的是随着光通信向并行排列的光纤列阵发展，二维图象和数据的并行处理将成为未来的光子信息处理的关键方式。因此，在国际上再次形成了新的研究前沿，即发展智能化的光电混合处理视觉系统。为此目标，在体系和算法上，一般采用多层网络的处理结构，包括具有特征提取的前级处理，物体识别、跟踪和分类的中级处理，以及理解、决定的后级处理。具体的算法体系有多通道相关、数学形态学、近邻域操作、综合鉴别函数和神经网络等。在处理方式上采用光电混合方法，以充分发挥光学并行处理的特性和电子处理的灵活性。在结构上趋向微小化和微结构化，最先进的是采用微光子和微电子器件混合集成的方法。在使用目的上是能完成广泛领域的应用要求，例如：工业方面的机器人视觉和质量控制；环境方面的智能遥感；科学研究方面的自然现象的模拟；日常生活方面的助人机器和保安预警，军事方面的目标识别和跟踪等等。国际上投入了大量人力物力在开展智能光学视觉系统的研究，出现了多种的体系和结构，但是实现上述统一目标的系统尚在研究和开发之中。
本项目旨在发展一种新型的智能化光学视觉系统，目的是实现多维、多目标包括静止和运动目标的识别和分析，总体要求是能实时处理，达到实验样机的水平。因此，要求在算法上能结合线性处理、非线性处理和数字化处理的优点；体系结构上采用多级网络的分层处理，实现自适应、自学习的智能化处理；结构上趋向微小化和可集成化，组成一个紧凑的光电子系统；技术上采用光子和电子相结合的混合处理方案，使总体性能高于单纯的电子处理。
本项目的主要研究内容是：
A 适合于一体化光学直接互连的多级网络算法体系的研究。包括形态学及其非线性变换，神经网络，模糊分类，时间序列分解等；
B 微光子和微电子器件相结合的多级多通道紧凑系统的研究；
C 光寻找和电寻址铁电液晶空间光调制器的研究。
本项目的预期研究成果是：
A 研制出紧凑化智能光电混合处理视觉识别系统；
B 系统的处理功能与用途达到：实时处理，图象的处理速度与处理面积能用于多维多目标分类识别。
2-9 室温型铁电薄膜红外焦平面阵列研究
信息的获取所涉及到一个关键应用领域是红外探测技术和方法的研究，在信息科学技术中占有重要的地位。如焦平面列阵探测器，它不需要光机扫描，便可以直接对观察目标进行凝视成象，代表了新一代红外探测技术和器件研究方向，具有较好的军民两用应用前景。可工作于室温的焦平面列阵红外探测器无需特殊的低温致冷设备，便可对敏感环境目标作全波段成象，并可作电视格式摄像，因而特别适合于工业自动化在线检测、安全监视和国防军事技术的应用等。这类器件对红外领域信息的获取及应用具有重要意义和价值。铁电材料由于其优良的热释电性能，可以制作高质量的室温红外探测器，并已获得广泛应用。近年来，随着铁电薄膜生长技术的发展，国际上已经开始探索用铁电薄膜研制室温下工作的焦平面阵列红外探测器，它是一种可能低成本批量生产的红外成象器件，可以广泛用于工业、农业、环境、军事等领域，因此受到人们的极大重视，并将成为一个重要的研究领域。只要抓住机遇，积极开展研究£¬就能使我国该领域的研究在国际上占有一席之地。
本项目的主要研究内容和目标是：
本项目将在铁电薄膜材料生长及其表征方面，用新的低温技术研究制备探测器用高质量、高可靠、大面积性能均匀的铁电薄膜；利用多种分析测试手段研究材料组分、制备工艺与材料微结构及材料性能间的关联机制；在铁电薄膜焦平面列阵红外探测器物理模型方面，研究光、声、热、电在铁电薄膜中的激发、传播及其转化的规律，研究铁电薄膜红外探测器性能与材料特征参数以及生长工艺的关系；在器件结构及工艺研究方面，提出铁电薄膜红外探测器的最佳设计；研究适用于铁电薄膜红外焦平面列阵的读出电路，探索新型光电混合读出方式。本项目预期将建立室温焦平面铁电薄膜红外光电子物理基础；建立光与薄膜相互作用的尺寸效应理论；提出光电转换器件物理模型，完成器件结构的最佳设计；确定红外焦平面列阵用高质量、高可靠、大面积均匀的铁电薄膜低温生长工艺规范；研制出64×64元室温工作的铁电薄膜红外焦平面列阵。使我国室温型铁电薄膜红外焦平面列阵器件理论和器件研制进入国际先进行列。
2-10 高分辨三维成像技术的研究及其应用
图像是人类认识自然界获取信息的主要形式之一。对于混沌介质,诸如生物组织、海水、大气等进行高分辨的三维光纤成象是生命科学、医学、材料科学、化学、物理学等学科及其应用领域研究中一种强有力的分析和测试手段。为此，人们发展了多种成像技术，例如：x光计算机层析技术、核磁共振技术、超声层析技术、正电子辐射层析技术以及光学层析成像技术，即OT(Optical Tomography)等。OT技术以红光或近红外光(700～1300nm)为光源。该波段的光对生物活体无辐射伤害，并且比较容易透过某些混沌介质，如人体和很多生物样品、海水、大气等。光通过混浊介质后，出射光主要包括三种成分：直射光、蛇形光和弥散光。直射光携带像信息，成像分辨率仅受限于成像系统的衍射效应和量于噪声；蛇形光则带有少量的图像信息，而弥散光是影响直接成像的主要障碍。因此可以利用—定的滤波技术将直射光、蛇形光与弥散光噪声分离，提取信号光成像；也以利用散射理论对弥散光进行分析，并逆向地重构图像，实现光学层析成象。OT技术是对传统成像技术的变革。它将在医学早期癌组织诊断、材料检测和模糊目标识别等方面具有广阔应用前景，学科和技术的发展，衍生出许多新的课题。
目前国外生物医学界和光学界已在OT技术及其应用领域中取得了许多进展。如1993年Alfano等利用1054nm的ps级钕玻璃锁模激光器及Kerr—Fourier时空滤波技术探测到隐藏在5.5cm厚的2.5%脂肪溶液中的测试棒像，分辨率为0.25mm；1993年Fujimoy等采用830nm钛宝石脉冲激光源(脉宽>50fs)及迈克尔逊干涉系统实现相干选通，综合外差放大技术及共焦扫描技术分辨出隐藏在1.5cm厚鸡肉内1mm宽的不透明棒像；1995年Fujimoto研究组又进一步利用Kerr透镜锁模钛宝石低相干光源(脉宽＜10fs)及迈克尔逊干射系统，对薄洋葱细胞组织进行层析分析成象，分辨率达3.7μm，动态测量范围达到93dB。
但是对混浊介质（特别是生物活体组织）进行高分辨率三维光学层析成象，目前仍处在探索性的初级阶段。尚待解决的主要问题是：①选用哪一种波长和脉宽的激光源来克服光在组织中的衰减，以提高穿透深度；②选用什么样的成像系统，在时间上能有效地实现信号和弥散噪声的分离，以提高目标物的纵向、横向分辨率；③选用哪一种散射模型和算法，快速重构生物组织信息。
本项目将进行高分辨三维光学层析成象技术及其应用研究，重点是探索提高光在混浊介质中的穿透深度和提高目标物成像的纵向、横向分辨率的途径，为医学上小于1mm线度的早期癌组织诊断、材料检测和模糊目标的识别做理论和技术上的准备。主要研究内容为：
A 采用Mie散射理论和Boltzmann传输理论解析地分析混沌介质中光的散射和吸收特性。利用Monte carlo方法模拟光束在混沌介质中传播，并通过对散射光的探测进行逆向的介质光学参数测量，掌握介质的结构信息；
