随着地震勘探的深度越来越大, 地震反射波不断向低频段发展, 迫切要求开发低频传感器。该文设计制备了PZT-5H基压电纤维复合材料(MFC)悬臂梁式传感器, 并将其应用于低频传感领域。通过有限元仿真模拟, 力-电耦合分析探明了MFC悬臂梁结构中基板材料及结构尺寸参数对MFC电输出性能的影响规律, 进而优化结构参数, 研制了低频振动监测用MFC悬臂梁传感元件。对其传感性能进行了测试研究。测试结果表明, MFC悬臂梁可很好地感知低频振动加速度的变化, 在低频段(5~190 Hz)时加速度灵敏度可达205 mV/g(g=9.8 m/s2)。

为了可以同时获取多谱段光谱信息, 并且多测试数据同步处理, 设计了一种基于现场可编程门阵列+数据信号处理器的同步采集与处理系统。采用非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)算法对包含目标信息的谱段采样进行了针对多谱段数据非均匀采样的理论分析和实验验证。针对632nm, 880nm和980nm 3种不同激光波长同时实验测试, 分别采用本系统与传统光谱分析算法进行了对比。结果表明, 本系统在3个波长峰值位置上的信噪比分别是31.6dBm,36.3dBm和32.5dBm, 而传统光谱仪的信噪比仅为20.1dBm,25.4dBm和23.7dBm, 采用本系统硬件设计配合NUFFT算法可以有效增强多谱段光谱信息获取过程中的信噪比。本系统的处理速度更快, 在多光谱快速处理方面具有一定的应用价值。

为了高速采集并反演光谱数据, 采用 FPGA设计了一种高速光谱反演系统。由 FPGA控制 CCD驱动模块, 使 CCD高速采集干涉条纹数据并传输给 FPGA处理模块。设计了高速数据采集与处理的 FPGA硬件结构, 通过仿真数据分析了采集模块与处理模块的时序逻辑关系。为了同时满足系统光谱反演精度与速度的要求, 对比了 8 bit、10 bit和 12 bit数据位深条件下的频谱分布, 实验结果显示, 位深越小速度越快, 但其会降低光谱反演的对比度; 而位深越大光谱反演的对比度越好, 但处理速度越慢, 综合考虑本系统采用 10 bit位深结构。实验针对中心波长为 975 nm的激光进行光谱反演, 并与 MATLAB反演数据进行对比分析。结果显示本系统检测精度符合要求, 且速度更快。

文章对双向混沌保密通信方式进行了设计和研究, 提出了一种双向混沌同步的理论模型及系统架构, 并证明了其通信的可行性和安全性, 利用通信双方系统的对称性, 提高了混沌同步对色散和非线性效应的鲁棒性。最后, 仿真证明了相互耦合的激光混沌系统可实现通信双方的抗截获保密通信。

提出一种子载波演化方法分析基于强度调制直接探测的正交频分复用无源光网络中的非线性。该无源光网络中的非线性主要来源于调制过程中的子载波混合干扰和啁啾。传输过程的光纤色散会导致调制时的各子载波最佳相位匹配条件不能维持, 进一步导致信号恶化。设计了一种新的Volterra数字滤波器除信号失真。修正的Volterra 数字滤波器不仅包含相同的采样点, 还包括了不同的采样点。通过实验验证了该滤波器去除信号失真的效果; 在FEC为10-3的情况下, 实验结果与已经报道的结果相比提升3 dB了功率效益; 传输25 km光纤与背对背相比, FEC为10-3时的功率亏损小于0.5 dB; 系统的数据传输速率达到24.5 Gbps, 频谱效率达到7 bits/s/Hz。实验结果表明提出的方法可以有效地消除信号的线性和非线性失真, 能够有效地恢复信号。

针对当前探测器距离尾流较近时目标回波信号淹没在水体散射信号中, 以及对低密度、微小气泡群较难探测的问题, 通过对尾流散射光的斯托克斯参量特征进行研究, 可全面反映光经过尾流散射后的完全偏振光、 部分偏振光全非偏振的特征。仿真计算了尾流中微小气泡在不同半径、不同散射角条件下斯托克斯散射矩阵的变化, 并对比了水分子的散射特征, 研究分析发现: (1) 不同大小尾流微气泡的斯托克斯散射特征既有相似之处, 也有一定的差异; (2) 微气泡的散射参量, 与水分子相对应参量比较, 差异更加明显, 水分子的散射参量不存在震荡现象且散射特征稳定。利用斯托克斯参量进行光尾流特征分析, 信息量较全面, 光散射特征差异明显, 证实了其用于尾流信号分析、探测的可行性。

生物发光断层成像(BLT)是一种高灵敏度、高特异性的光学分子影像技术，可根据探测到的生物体表光强来重建发光光源在生物体内的三维分布。由于生物体表面测得的光强信息有限，光源重建面临巨大的挑战。为了在有限的测量条件下获得更精确的重建光源，结合BLT中光源稀疏分布的特征，将重建问题转化为L1范数优化问题，并采用迭代支撑检测(ISD)算法实现快速重建，该算法交替执行支撑集检测和信号重构两个模块，直至重建精度达到要求。为了评估ISD算法的光源定位能力，设计数字鼠仿真实验，并与三种典型的稀疏重建算法比较。仿真结果表明ISD算法对于单光源和双光源目标均可以实现准确的重建。

鉴于人工鱼群算法(AFSA)具有收敛速度快, 易于寻址寻优等特点, 在光网络节点休眠技术中引入人工鱼群算法。以光路由域中的网关节点作为研究对象, 选用业务量作为搜索函数, 执行算法中的各种寻址行为找到最优解, 休眠不符合条件的节点, 并根据传输的繁忙与空闲状态转换限定值, 从而节约传输过程中的能耗。通过2组7个节点进行计算机仿真, 并分别设定最大值的40%和50%为限定值, 得到原始能耗与后期能耗的对比结果。由此可知, 当限定值为最大值的40%时, 2组数据均节能14%, 当限定值为最大值50%时, 能耗节约比例分别为28%和42%。证明该方法可有效节能。

通过介绍基于光反射的大屏幕定位方法, 解释了视觉触控的实现原理, 搭建了大屏幕触控系统。针对大尺寸超大屏幕的应用和平板显示屏幕的大型化趋势, 研究了超大屏幕触控的小信号检测方法, 包括位置选行方法、背景跟随方法和屏幕抗重压方法。实验证明, 在不需要佩戴任何标记和传感器的条件下, 基于光反射的超大屏幕触控系统能够在 100英寸(1英寸=2.54 cm)的大屏幕上全屏绘图且不产生断笔与跳笔等现象, 触控系统的设计也为大尺度真三维人机交互奠定了实物基础。

通过介绍真三维显示技术与无标记空间定位原理, 提出了真三维两点触控实现方法, 搭建了真三维两点触控定位与识别系统。针对真三维空间定位绘制、空间两点跟踪和手势识别问题, 研究了真三维两点触控交互方法。实验证明, 在不需要佩戴任何标记和传感器的条件下, 基于光学的空间两点触控方法与系统能够满足真三维显示的人机交互要求, 且环境光的变化不干扰人机交互的操作。