综述介绍基于光纤四波混频效应的一些参量器件(放大器、频率转换器、相位共轭器等)的物理特性和工作性能;以及基于这些参量器件的新应用,比如可调谐辐射产生、相位敏感放大器、基于频率转换和色散的缓存以及实时采样等;最后就量子信息实验中的光子产生和频率转换等方面进行一些介绍。

针对一种微小型多通道径向平板阵列CO2激光器的失调特性进行了研究。利用矩阵理论,采用稳定腔结构的多通道径向平板阵列射频激励CO2激光器,确定了这种失调后的光束传输情况。取得的数据表明,小角度失调对模型的输出光强影响不大,光强仍具有高斯分布。该方案对调整精度要求较低,实用价值高。

研究了长波8~15 μm波段,阻值大于440 Ω MCT光导红外探测器,探测率在10 kHz,14 μm大于4×1010 cm·Hz1/2/W,在1 kHz和10 kHz中心频率下的噪声测试,中波5~8 μm红外光伏型InSb器件,探测率在25 kHz,8.26 μm大于1×1011 cm·Hz1/2/W,在1 kHz和255 kHz中心频率下的噪声测试,并对器件信号进行了测试。信号和噪声测试是在124A锁相放大器测试系统测试,对124A测试系统的不确定度进行了分析,并与动态信号分析仪35670A对器件在0~50 kHz频谱范围的噪声进行了测试和比较。实验结果表明,高阻值的光导器件在1 kHz和10 kHz中心频率下噪声相差约1.4倍,光伏型InSb器件在1 kHz和15 kHz中心频率下噪声相差约1.5倍,信号测试结果在1 kHz下和3 kHz中心频率下变化不超过3%。通过测试和比较,对高频下的测试给出了建议。

为了提高全光式石英增强型光声光谱(QEPAS)珐珀解调系统的微弱信号检测能力,设计了一种基于MAX274的有源带通滤波电路和基于AD620的前置放大电路对信号进行预处理,同时利用LabVIEW设计了正交矢量型数字锁相技术的信号处理模块。实验结果表明,该方法能从强背景噪声中获得比较微弱的光声信号,在常温常压下对空气中的水汽含量进行探测,得到其归一化噪声等效吸收系数为1.37×10-6 cm-1 W/Hz1/2。该方法具有结构简单、价格低廉、便于操作和控制、实用性强等特点。

基于几何光学原理,彩虹法使用激光作为光源,利用激光在玻璃微珠中进行一次或者多次内反射后出射形成最小偏向角,在最小偏向角附近形成彩虹条纹,通过测量彩虹条纹来反演计算玻璃微珠的折射率。然而,成像法则根据厚透镜的成像原理,对玻璃微珠所成的像经过显微物镜放大后使用CCD相机进行接收,获得玻璃微珠的焦距,进而测得对应玻璃微珠的折射率。较传统方法来说,彩虹法和成像法具有安全、简便和快捷的优点。对型号不同的玻璃微珠,分别使用彩虹法和成像法测量其折射率,并对它们的测量结果进行了对比分析,都获得相对于名义值的误差小于1%的结果。

为提高被测混浊介质样品漫反射、漫透射和准直透射光信号的测量信噪比,首次将光调制技术运用于空间多点特征光信号的检测中。测量系统以调制盘转动频率对样品入射光强进行频率调制,然后对采集的多点光强数据通过离散傅里叶变换进行解调,提取调制频率点的谐波分量作为测量值。用该方法对浓度为8%,直径为0.7 μm的聚苯乙烯小球悬浮液进行了实验测试,结果表明该方法能有效提高被测样品特征光信号的测量信噪比,为强噪声背景下混浊介质光学参数研究提供了新的途径和方法。

红外焦平面探测器输出的信号通常为14 bit数字图像,要在常用的显示器上显示必须将14 bit的图像压缩到8 bit,压缩算法直接影响到了图像的细节和对比度。提出了一种基于图像局部信息的红外图像动态范围压缩算法,通过高斯滤波器将原始红外图像分解为基图像和细节图像,并统计原始图像每个像素的局部方差,然后根据每个像素的局部方差计算细节图像的自动增益函数,最后,将基图像进行平台直方图均衡化后与细节图像合成得到压缩后的图像。通过对多种场景的红外图像进行仿真验证,表明该算法能较好地增强图像的细节。

提出了一种基于场景的红外图像非均匀性校正算法。该算法结合了两点定标校正算法和基于场景的改进的恒定统计算法,将两点校正算法的校正系数作为恒定统计算法的系数初值,并引入阈值进行运动状态检测,对运动场景和非运动场景分别进行系数更新。实验表明,该算法可以实现对红外图像非均匀性的校正,对于本文实验中的视频图像,在100帧时算法收敛,其收敛时间优于其他传统基于场景的非均匀性校正算法,并一定程度上抑制了“鬼影”现象。

针对目标图像灰度对比度差的现象,以及对目标对象检测实时性的要求,并考虑到传统的Otsu分割方法在分割图像质量较差以及目标区域小时准确性差的缺点,提出了一种基于模拟退火算法的递归Otsu分割方法。在图像直方图呈双峰的情况下能够准确地找到分割阈值。在成像模糊、光照度较差的情况下此方法仍然可以获得较高的准确度。该方法在保证了检测质量的同时并没有导致运算时间的大幅度提升,有效地保证了处理的实时性。实际应用表明该方法切实可行。

“小误差放大,大误差饱和”函数能够提高柔性关节机器人位置的控制品质。利用这一函数,提出了比例-非线性微分加实时重力补偿(P-ND+)位置控制算法。应用Lyapunov稳定性理论和La Salle's不变性原理证明了闭环系统的全局渐近稳定性。通过仿真,采用P-ND+算法能使机械臂和关节的稳定时间从1 s减小到0.2 s左右,结果表明该算法比传统算法响应速度更快,验证了提出的非线性控制(P-ND+)相对于传统的线性(PD+)控制具有更好的控制品质。

提出了一种利用图像处理技术来对杂粮成分进行智能识别的方法。该方法一方面充分利用不同种类粮食的颜色、大小等特征的差异对杂粮各成分实现了定性识别;另一方面还利用面积法对杂粮各成分的含量进行了定量计算。实验结果表明:该方法的计算结果与实测结果较为吻合,平均误差小于7%。

高红外吸收是实现高灵敏度红外探测器的一个重要途径。探测器的响应率与热吸收率紧密相关。高红外吸收将提升红外探测器的探测性能。鉴于高吸收率的重要性,对国内外研究中典型的高红外吸收结构的研究进展进行介绍。目前典型新型高吸收结构有基于新型材料(如超材料)的高吸收结构和基于金属光栅高吸收结构。研究表明这些结构在某些波段可实现近100%的完美吸收,是发展高灵敏探测器的新途径。

针对中大规模红外焦平面对高速读出的需求,研究并设计了一款20 MPixel/s红外焦平面高速读出电路。读出电路单元电路由电容负反馈运放输入级、相关双采样、源随输出级电路组成,总线输出级采用基于低功耗推挽运放的跟随器结构。研究了输出级运放像元信号建立时间和负载电容的关系,给出了20 MPixel/s高速读出的负载电容适用范围。采用0.5 μm Mixed Signal CMOS工艺研制了一款红外焦平面高速读出电路芯片,和InGaAs光敏芯片耦合后实测读出速率达到20 MPixel/s,像元信号之间最大上升时间为17 ns。

基于红外焦平面探测器的红外遥感技术是实现多通道和高空间分辨率的重要手段,而随着焦平面探测器中探测单元的增加探测数据也急剧增加,研究基于FPGA的高速并行处理技术对解决红外探测领域多通道高速信息获取有重要意义。以FPGA作为控制器件,设计了16通道,数字分辨率为16 bit的ADC采集方案,实现对32×32元的红外焦平面探测器数据并行获取,并设计了数据宽度为16 bit的数据输出接口,用来完成采样数据的上传功能。实验结果表明该方案设计简洁,数据上传速度控制灵活,可以满足焦平面探测器的信号获取与传输。

使用傅里叶变换光谱仪(FTIR)测试甚长波宽波段(6.4~15 μm)红外探测器响应光谱的过程中,发现短波方向响应光谱异常。通过分步测试分析发现:探测器和放大器工作在非线性工作区导致某些情况下仪器信号发生饱和,引起了短波方向响应光谱畸变的现象。对FTIR测量甚长波宽波段(6.4~15 μm)红外探测器响应光谱的畸变现象进行了分析,认为探测器的响应时间是影响其响应光谱的重要因素,并通过试验确定了测试系统对不同探测器所设置的测试参数,消除了响应光谱畸变的现象,并提高了测试准确度。

基于三维激光成像雷达成像性能的需求,设计了一款应用于其发射系统的半导体激光器脉冲驱动电源。在对驱动电路模型理论分析的基础上,选取了RF高速功率开关,并运用PSPICE工具对驱动电路进行了仿真分析,设计出了一款峰值电流可达30 A,上升沿小于2 ns,脉宽小于6 ns,重复频率15 kHz的LD脉冲驱动电源。该设计满足激光成像雷达发射系统的技术指标要求。

根据校靶镜的检定需求,在传统检定装置的基础上,研究了一种新型的校靶镜检定装置,可针对不同口径的校靶镜进行检定,扩展了检定范围。运用ZEMAX软件设计可调焦平行光管,可在焦距500~1 000 mm范围内实现连续变焦。设计过程中对可调焦平行光管结构进行分析,在0.707带对F光和C光校正了色差,获得了较好的像质。同时运用MATLAB软件拟合该变焦距光学系统的凸轮曲线。所设计的可调焦平行光管其光学传递函数在截止频率为33 lp/mm时可达到0.3~0.5,成像质量良好,符合使用要求。

在共形光学系统中,椭球形整流罩打破了球形整流罩的旋转对称性,引入了随目标视场变化而变化的动态像差。共形光学设计的主要任务就是消除或者减小椭球形整流罩引入的动态像差,使共形光学系统的成像质量满足使用要求。设计了基于反向旋转位相板的共形光学系统,利用一对反向旋转位相板的反向旋转对目标视场进行动态扫描,利用固定校正器、衍射元件和泽尼克位相板校正了椭球形整流罩引入的动态像差。成像系统采用二次成像的透射式结构,实现了冷光阑效率100%。结果表明:该方法不仅有别于传统扫描方式,而且有效地消除了大长径比的共形光学系统的动态像差。

针对目前TD-LTE产业的迅速发展,市场需求日益增大,对所用的10 Gbps SFP+光收发合一模块在技术和成本上也提出了更高的要求。介绍了一款应用于10 Gbps TD-LTE的光接收器件的设计,并对封装后的器件进行了测试及分析。该接收器件整体光电性能良好,同时具备低成本和低功耗的优势。

分析了温度测量误差对环形激光陀螺(RLG)零偏补偿精度的影响,通过仿真,在动态温度模型中,发现温度测量误差主要通过温度变化率对补偿结果产生影响,提出了该模型在陀螺零偏动态温度补偿中是否考虑温度测量误差的标准。仿真结果表明,对使用的温度补偿模型与温度传感器而言,在温度补偿精度明显小于0.001°/h时,要考虑温度测量误差的影响。