In1-xGaxAs是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体合金材料,其光谱响应截止波长可随合金组分x值的不同在0.87μm(GaAs)～3.5μm(InAs)范围内变化.InGaAs材料在光通讯领域的广泛应用和可在常温下工作的特点,使其成为焦平面成像领域的研究热点.国际市场已有商业化产品,主要应用于民用、军用、航空、空间遥感等领域.在介绍In1-xGaxAs短波红外焦平面探测器的主要特性及研制进展的基础上,重点介绍了国际上在InGaAs光谱响应范围向可见光扩展的研究动向.

采用n型掺杂背面入射AlGaAs/GaAs量子阱结构,用MOCVD外延生长和GaAs集成电路工艺,设计制作了大面积AlGaAs/GaAs QWIP单元测试器件和128×128、128×160、256×256 AlGaAs/GaAsQWIP焦平面探测器阵列.用液氮温度下的暗电流和傅里叶红外响应光谱对单元测试器件进行了评估,针对不同材料结构,实现了9μm和10.9 μm的截止波长;黑体探测率最高达到2.6×109cm·Hz1/2·W-1.将128×128 AlGaAs/GaAs QWIP阵列芯片与CMOS读出电路芯片倒装焊互连,成功演示了室温环境下目标的红外热成像;并进一步讨论了提高QWIP组件成像质量的途径.

红外探测系统被广泛地应用于航空航天、**、通信等领域.前置放大器低温性能的改善直接影响到整个系统探测精度的提高.从理论上分析了MOS器件低温性能参数的变化,设计了一种红外探测器处理电路专用的CMOS低功耗电流型前置放大器,并采用0.35 μm标准CMOS工艺流片,进行了常温(300 K)和低温(77 K)测试.测试结果表明,该运放电路在低温工作时放大倍数线性度良好,功耗等性能得到改善;但是带宽、失调、输入线性范围等性能下降.针对实验结果给出了初步理论分析.

对室温工作的短波碲镉汞光伏芯片进行了步进温度烘烤实验.烘烤温度从60℃开始,步长为5℃,到120℃结束,每个温度下的烘烤时间一般为24 h.实验结果显示当烘烤温度达到95℃以上时,Ⅰ-Ⅴ测试结果中反偏部分的电流有明显增大.通过理论分析得到扩散电流和产生复合电流是实验芯片的主要电流机制;较高温度的烘烤在势垒区内产生大量的缺陷,从而降低芯片的少子寿命,使扩散电流增大;同时芯片表面钝化层内的缺陷数目也在温度作用下增加,引起芯片表面复合速度增加.

提出了一种新型多层波导全息存储结构,该结构由波导输出光栅和体全息层为单元构成,其光的衍射效率得到很大的改善,读出光的耦合效率理论上可达到50%.同时,该结构不同单元记录层的信号读出时串扰很小.有望在全息光存储、三维立体彩色显示等方面得到应用.

根据Hg1-xMnxTe的光学吸收光谱,用Kana模型详细分析了重空穴和导带间的直接跃迁导致的本征光吸收.研究表明当光吸收系数α＜103 cm-1时,在导带中没有出现从抛物线色散规律引起的偏离,因而保证了Hg1-xMnxTe带宽的精确确定.

针对红外成像系统在条纹噪声和非均匀性噪声干扰下盲元检测精度差的问题,提出了一种将小波滤波和"3σ"原则相结合的盲元检测新方法.首先用小波变换对含有条纹噪声和非均匀性噪声的图像进行预处理,再用"3σ"原则对其进行盲元检测.仿真结果表明该方法消除了噪声对盲元检测的影响,有效地解决了"3σ"原则检测精度低的问题.

为了准确地表述碲镉汞(Hg1-xCdxTe)的电学性能,对碲镉汞(Hg1-xCdxTe)样品进行了霍耳效应测试,讨论了伴随霍耳电压所产生的几种副效应电压的特性及其消除方法,研究了第5种电压在不同组分x碲镉汞样品上的体现.在高阻样品上拟合出第5种电压随测试电流变化曲线.分析了第5种电压和碲镉汞材料晶体质量之间的关系.

研究了PV型HgCdTe探测器在1.319 μm连续激光辐照下的温升效应.根据探测器的分层结构及测温Pt电阻的位置(冷面上),推断Pt电阻测得的温度并不直接反映HgCdTe芯片的温度,而是比芯片温度低很多.实验测量了Pt电阻的温升,数值模拟了Pt电阻温度随时间的变化以及探测器各层结构的温升情况,理论分析结果与实验结果相一致.

膜层生长不均匀是制备SiGe异质结的研究热点.采用射频磁控溅射方法,通过不断改变溅射时的实验参数,寻找能使Ge纳米薄膜在Si基片上均匀生长的溅射实验条件.实验中,在不同时间条件下分别制备了三种纳米Ge薄膜,通过原子力显微镜对其微观形貌的分析扫描,可以观察到纳米薄膜生长过程中的四个典型阶段,发现Ge/Si的共度生长取得了较好的结果,为SiGe异质结的进一步制备研究奠定了一定的实验基础.

选取了2002年6月24日到8月30日00、06、12、18(世界时)的FY-2B卫星云图,获取这段时间青海湖晴空时的图像共34次,并荻取其卫星计数值.利用青海湖自动浮标系统测得的水表温度和NCEP再分析资料的大气廓线,利用MODTRAN3.7计算大气层顶辐亮度和亮温,获得FY-2B热红外通道绝对辐射定标系数,从而计算等效黑体温度.同时获取对应时刻的星上黑体温度、计数值以及星上环境温度.据此建立等效黑体温度和星上黑体温度的转换关系,实现静止气象卫星热红外通道星上实时绝对辐射定标.

近年来正弦规律加热已经广泛应用于缺陷故障的红外诊断,因此,研究正弦规律加热条件下含有缺陷的试件的温度场响应显得尤为重要.以常见的缺陷故障种类--沉孔型缺陷为例,首次系统、详细地讨论了正弦规律加热的幅度、频率、初始相位角、平移因子等因素和热流的不同施加面以及不同试件材料对检测表面的温度场响应参数的影响,对下一步的缺陷识别与诊断具有重要的参考价值.

随着大动态范围热成像器件的广泛使用,有必要研究适合人类视觉特性的红外热像终端显示系统.讨论了目前常用的基于自动增益和偏移和基于直方图均衡的压缩技术,并对它们应用于热像的动态范围压缩显示的效果进行了分析比较.提出了一种基于灰度级共享的热像显示技术,将目标和背景各自压缩到全部灰度空间,再进行融合显示.算法尽量保留了热像的细节,符合人类视觉响应特性.通过将16位热像转换为8位灰度图显示,仿真结果验证了该算法具一定的工程实用性.

利用液晶指向矢分布计算模型和光在液晶中传播规律计算模型,优化设计了液晶光阀参数.对E7液晶材料,选取沿面平行排列方式、5～10°预倾角、液晶层厚度10 μm作为液晶光阀参数,模拟计算了该液晶光阀的电光特性.测试了红外液晶光阀的红外输出光谱和输入灰度与等效温度的变化关系,结果表明,该液晶光阀的光谱输出特性和光学调制特性有益于红外场景仿真.

采用特定算法从全球遥感卫星数据库中提取局部地区自然地表的高度信息和地表覆盖类型,结合地表几何结构生成技术和地面红外辐射理论模型,充分利用先验知识研究了国内的喀什、嫩江和衢州三地的地表组分温度及其红外辐射特征.给出的方案为地表组分温度的反演提供了参考依据,同时也大大提高了遥感信息的利用率.

分析了用于激光陀螺的固体激光器的特点,采用LD光纤耦合泵浦,对四镜8字形腔的连续固体环形激光器进行了实验研究.使用具有光阑功能的F-P标准具选模,实现了基横模单纵模运转,实验获得了单频双向连续输出,并测量了其双向输出功率特性,单路输出功率稳定性100 s内为0.4%,在单模输出0.2 mW时,1.5 s内线宽约为4 kHz.分析表明获得窄线宽是固体激光器用于陀螺的首要要求,还表明使用均匀加宽增益的连续固体环形激光器能实现单频双向运转.

针对传统滤波方法滤除激光陀螺随机噪声性能低的特点,提出了一种改进的空域相关滤波方法.该算法通过引入阈值系数概念,选取一个合适的阈值终止算法的迭代过程来去除残留的噪声信息.实验采用Allan方差法对滤波效果进行定量分析,结果表明基于改进的空域相关滤波方法能够减少迭代次数节约计算量,有效地减小随机误差,提高测量精度.

以采用Y波导集成光学调制器的保偏型干涉式光纤陀螺(IFOG)为研究对象,根据各光学元器件的参数,建立了各器件的琼斯矩阵以及光路传输模型,通过推导得到了保偏型IFOG的偏振误差表达式.在此基础上,首次借助宽谱光源的光谱,仿真计算了不同形状的光源光谱对偏振模式耦合误差的影响.通过计算得出,当光路中其他参数不变时,对于形状相似的光谱,在光纤陀螺中带来的偏振误差相差约10-5(°)/h;而形状相差较大的光谱带来的误差值相差较大,约10-2(°)/h;在谱宽相差不大的情况下,光谱的平均波长在长波长处、近高斯形状的光源在陀螺系统中产生的偏振误差比平坦光谱小.这一结论对IFOG的光源选择有一定的指导意义.

分析了直接探测测风激光雷达中的Fabry-Perot标准具透过率的非线性理论模型.根据实验测量数据,利用Levenberg-Marquardt算法对理论模型进行参数优化估值,获得测量数据的最佳拟合曲线.数值计算表明,pseudo-Voigt函数能快速且很好地近似计算Voigt线形.对于Fabry-Perot标准具的宽带光透过率频谱响应曲线,可以采用Voigt函数拟合,也可以采用pseudo-Voigt函数拟合;当透过率频谱响应曲线用于风速反演时,若采用pseudo-Voigt函数拟合会造成低于1 m/s的测速偏差,因此必须采用Voigt函数拟合.

设计了二极管侧面对称泵浦Nd:YAG圆片激光器实验装置,耦合系统采用简单且有效的柱透镜组,分别对二极管快轴和慢轴方向的泵浦光进行压缩准直.模拟得到并分析了二极管的发散特性对增益介质内泵浦光分布的影响,模拟采用光线追迹法,且同时考虑了二极管在快轴和慢轴方向的发散特性.实验得到增益介质内的荧光分布与模拟得到的泵浦光分布相吻合.

热耦合系数在激光与物质相互作用中扮演着重要的角色.引入非线性规划方法,根据测量到的靶材某一表面的温度历史曲线构造非线性规划模型,通过对非线性规划问题的求解确定随温度变化的热耦合系数.并利用此方法给出了某种材料的热耦合系数随温度的变化关系,曲线常温点(300 K)对应的热耦合系数与光谱扫描仪测量的结果基本一致,表明这种思想方法是有效的.

激光二极管(LD)泵浦的Q调制高频率、窄脉宽、高峰值功率的固体激光器在激光雷达、激光加工等领域日益得到广泛的应用,而更高调制频率的固体激光器在将来会更受青睐.分析了泵浦功率和输出透过率两个因素在10～100 kHz调制频率下对脉宽的影响程度.研制了LD单端泵浦Nd:GdVO4声光调Q激光器,实现了重频100 kHz下窄脉宽激光输出.在重频为80 kHz时,获得脉宽17.7 ns,平均输出功率3.49 W,峰值功率2.46 kW和在重复频率为100 kHz时,获得脉宽19.6 ns,平均输出功率3.52 W,峰值功率1.79 kW的效果.

从傅里叶展开三波耦合波方程出发,对准相位匹配光学参量振荡进行了初步的理论分析,同时对准相位匹配周期极化掺镁铌酸锂微结构光学参量振荡进行了实验研究.通过改变微结构周期,实现了信号光从1.45～1.72 μm的输出,最小阈值为30μJ.在温度30℃,抽运功率为300 mW,最大信号光输出功率为56 mW,斜率效率达18.7%.由于掺镁铌酸锂微结构抗光损伤性能显著提高,无需在高温下进行运转,使得掺镁铌酸锂微结构光学参量振荡器在常温条件下实现连续运转成为可能.与同成份铌酸锂微结构参量振荡器相比,结构更加紧凑,易于实现小型化.

针对基模能量高斯分布造成的激光标线器线斑能量分布不均匀的问题,提出了一种非球面柱透镜的解决方法.该方法不同于传统的旋转对称整形系统的设计,属于非对称整形系统的设计范畴.根据光束传输的能量分配守恒法则和折射定律建立方程组,通过数学软件数值求解方程组,解得非球面矢高表达式.光学软件模拟表明,所设计的非球面柱透镜能使线斑能量均匀分布,工作距离范围宽,不仅适用于准直入射高斯光束,而且适用于会聚入射高斯光束.

提出了一种确定单层薄膜的光学常数和几何厚度的计算方法.通过讨论基于Fresnel的光学解析式,采用复合形法拟合分光光度计测得的反射率曲线,获得最优化的薄膜光学常数和厚度.然后采用此方法对理论模型薄膜加以验证,所得光学常数和厚度的最优解具有很好的一致性.此方法消除了单纯形法求解过程中存在的顶点退化问题,在整个优化求解过程中不需要初始值的输入,又由于考虑了约束条件,增加了显式和隐式方程约束,大大简化了计算和搜索范围,提高了收敛速度和计算精度.

在45°镜扫描轨迹的基础上,对海洋一号卫星水色扫描仪上各波段的扫描特征进行了分析.阐述了45°镜扫描图像的主要畸变特征,并初步试验了通过软件校正像旋畸变的方案.

为了说明面形局部误差对红外光学系统像质的影响,简述了影响光学系统像质的因素,详述了透镜面形局部误差要求和瑞利判据的关系,据以推论光学加工和光学装校过程均需要严格控制红外透镜的表面面形局部误差,最后通过实例验证透镜面形局部误差对光学系统像质有决定性影响的结论.

提出了一种新颖和鲁棒的红外图像序列中的目标跟踪方法.由于H无穷滤波器在系统噪声源不能确定或是未知的情况下具有较好的预测性能,所以以其估计得到的预测信息来分配粒子滤波算法的粒子.为解决粒子滤波的"采样枯竭"问题,正则化了H无穷粒子滤波器的观测矢量.同时,通过计算每个目标的亮度和局部标准差分布构成级联核的目标模型,以用于计算粒子集中各个粒子的加权值.对于目标的尺寸和表观信息变化的情况,以目标区域像素灰度值零阶矩的函数来调整跟踪窗口的大小,模型更新则通过更新目标模型的每个量化阶来实现.实验结果证明了所提出的红外图像目标跟踪方法是有效的,并且优于所比较的算法.

针对成像制导中对实时性和准确性的要求,提出了一种基于对数极坐标变换的图像抗旋转和尺度变化的LMA算法.在图像匹配过程中用LMA算法对两幅图像透视变换矩阵的8个未知参数进行拟合.匹配过程中用多分辨率金字塔法对图像进行分解,采用由粗到精的搜索策略,减少计算量并避免了误匹配.通过对照片进行匹配测试,证明了这种方法的有效性和实用价值.

将神经网络思想引入到景象匹配,提出了基于模糊集的神经网络景象匹配算法.该算法将图像模糊集作为特征空间,尝试了在模糊域中采用3层前向神经网络搜索算法进行精确寻优的方法.实验结果表明,设计的算法不但较好地满足了景象匹配系统对匹配概率和匹配精度的要求,而且比传统算法具有更高的抗干扰能力,且实时性也较好,为飞行器实时景象匹配提供了一种可行方法.

图像制导的滚转制导弹药中的成像探测器与弹体固连,由于弹体的滚转运动,会使探测器获取的图像中的线目标发生弯曲畸变现象.以机场跑道为例,从理论上分析了其旋转图像畸变弯曲的原因,建立了相应的数学复原模型,并在此基础上利用最小二乘参数估计与Hough变换相结合的方法对跑道边缘直线参数进行估计,计算分析结果表明,此方法实时性高、可靠性好、适应性强,对于各种失真现象的分析以及线目标的提取具有一定的应用价值.

设计了一种用于遥感图像目标识别的粒子群分类算法.首先对数据样本预处理,利用粒子群优化算法通过训练数据进行分类规则的提取,根据提取得到的规则对遥感图像的目标进行分类识别.通过对实测遥感图像中飞机和舰船目标的识别实验,验证了此算法对遥感图像目标具有较高的识别率.

在分析两栖装甲车辆的双红外暴露特征、双红外制导抗干扰原理和常见的红外干扰技术的基础上,得出了在两栖装甲车辆对抗双红外制导的最佳伪装方法--人工水雾红外遮蔽技术.并利用Mie散射理论分析了单位喷水量条件下,水雾滴径与3～5 μm、8～14 μm波段衰减的关系,从理论上给出了水雾滴径的最佳尺寸,最后编程模拟计算了人工水雾的双红外遮蔽性能.

为了解决红外告警系统中远距离目标测距的难题,提出了三站红外告警系统被动测距的方法.与单站多波段红外告警系统以及双站单波段或者双站多波段红外告警系统测距方法相比,此方法具有更高的测量精度及其在全方位上的一致性,应用前景广阔.仿真实验结果表明,三站之间的距离只要不小于900 m,系统将取得很高的测量精度.此外,还详细介绍了在多站中确认相同目标的方法.

姿态测量系统需要具备准备时间短、环境适应性强、在机动过程中的精度仍能满足测量要求等特点,因此对它的动态测量精度、误差允许范围必须作严格的规定和限制.对激光陀螺捷联姿态测量系统进行了误差建模与仿真.利用Simulink完成姿态测量系统的动态误差建模,并开发了仿真的GUI界面,利用人机交互的方式实现任意状态下的测量误差的动态仿真.通过对仿真结果的分析,有助于对系统进行合理的误差分配,指导系统惯性器件的选购与配置,得出满足使用要求的设计方案,进一步提高了系统的性能.