基于MEMS工艺的电热致动器具有与集成电路兼容的驱动电压、大的致动位移和致动力,比静电致动器、压电致动器和磁致动器有更大的优势,是现阶段致动方式的研究热点.高精度、高可靠度、可控和稳定性好的电热致动器是未来研究的新方向.针对MEMS微加工工艺制作的固体材料电热致动器,综述了电热致动器的结构形式、典型应用、模型建立以及测试方法的研究现状和主要研究成果.对电热致动器的结构设计、建模分析和测试技术方面的关键技术和存在的主要问题进行了分析和展望,以期为基于MEMS工艺的电热致动器的设计、分析和测试提供借鉴和参考.

微空心阴极放电是一种典型的非平衡高压微放电,可以在较低的放电电压下产生高浓度的稠密等离子体,研究潜力巨大.分析比较了目前主要的仿真模型:蒙特卡罗模型、流体模型、动力学模型(以粒子-蒙特卡罗模型为主)、混合模型和等效电路模型.这些模型均可以用于探索放电系统内部的发展规律:微空心阴极放电经历反常辉光放电、自脉冲和正常辉光放电三个阶段,最终达到放电稳态.其中自脉冲阶段等离子体密度达到峰值,是当前研究的热点.

设计制作了一种由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与时间计数型CMOS读出电路组成的8×8阵列规格盖革模式雪崩焦平面阵列(GM APD FPA).雪崩光电二极管采用SAGCM结构,在盖革模式下工作具有单光子探测灵敏度;时间计数型CMOS读出电路在每个单元获取光子飞行时间,实现纳秒级的时间分辨率,并完成雪崩淬灭功能.测试结果表明,倒装混合集成的GM APD FPA器件暗计数率(DCR)均值为32.5kHz,单光子探测效率(PDE)均值为19.5%,单元时间抖动为465ps,实现了光脉冲时间信息的探测,验证了盖革模式雪崩焦平面阵列技术及其在三维成像中应用的可行性.

基于吸收区倍增区分置(SAM)结构研制了一种用于单光子探测的平面型InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管(APD).着重讨论了边缘击穿抑制效果对器件暗计数率、单光子探测效率,以及后脉冲概率等主要盖革模式性能参数的影响,并对其原因进行了探讨与分析.研究结果表明,有效抑制边缘击穿是获得高性能InGaAs/InP平面型盖革模式雪崩光电二极管的关键因素之一,受边缘击穿抑制效果影响,探测效率随过偏压增速缓慢,而当过偏压达到一定值时,暗计数率与后脉冲概率成倍增加.

微测辐射热计阵列读出电路的单芯片集成,有利于红外焦平面阵列的智能化和红外成像系统的便携化发展.提出了一种非致冷红外焦平面阵列读出电路,基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,采用CTIA型单元读出电路结构,实现了偏置模块、驱动信号源模块、电流积分模块、相关双采样模块(CDS)和缓冲输出模块的单芯片集成,成功制造了1×8读出电路原型.仿真结果表明,设计的读出电路的线性度大于99%,功耗小于5mW,适合于大面阵移植.

有机紫外光探测器(Organic Ultraviolet Photodetector,OUV-PD)因质量轻、柔性和成本低等优点已引起广泛关注.以m-MTDATA、NPB和Bphen分别为空穴注入层、给体和受体制备了OUV-PD.器件结构为:ITO/m-MTDATA/NPB/Bphen/LiF/Al,通过优化给受体层的厚度,实现了器件的最优性能.当NPB厚度为60nm、Bphen厚度为90nm时器件性能最佳,在光照强度为1.05mW/cm2、波长为365nm的紫外光照射下,最大响应度为131mA/W.同时,结合材料特点和器件结构讨论了工作机理.

基于光线传输矩阵理论,结合高斯光束特征参数,研究了球面镜曲率半径和腔体长度变化对环形腔子午面和弧矢面内束腰半径的影响.结果表明:两束腰半径均随曲率半径和腔体长度的增大而增大.在此基础上,分析了这种变化对环形腔内光强分布、多横模耦合和光波传输等相位面大小的影响.

针对电流注入型SOI光开关在切换时难以克服的消光比变差的问题,提出了一种非对称的开关结构设计.然后依照实际器件的结构建立了SOI光开关的3D光学模型,对光开关中3D光场传输和输出光功率进行了模拟与分析.最后运用该模型对SOI光开关在电流切换时的消光比变化的问题进行了比较深入的研究,计算结果表明,提出的非对称的开关结构可以将SOI电光开关的消光比提高5dB左右.

介绍了一种适用于电荷耦合器件(CCD)的静电保护电路.在对该静电保护电路工作原理分析的基础上,通过电路仿真确定了静电保护电路中MOS管的电学参数,再由半导体器件仿真确定了其工艺条件,并按此条件制作了静电保护电路.通过人体模型静电放电试验对该静电保护电路进行测试,结果表明CCD的抗静电能力由原来的不足100V提高到450V.

采用高反射率的Cr/Al/Pd/Au作为LED的p-GaN和n-GaN金属电极,替代低反射率的Cr/Pd/Au电极,减小了金属电极对光的吸收,使入射到高反射率金属电极的光经过反射后增加了出射概率,提高了光萃取效率.通过进一步粗化n-GaN表面,抑制了n-GaN/空气界面的光全反射,提高了光萃取效率.实验结果表明,在350mA电流下,采用高反射率的Cr/Al/Pd/Au电极的LED相比传统电极LED光输出增加了14.3%;结合n-GaN表面粗化,LED的光输出则增加了35.3%.

为研究在大尺寸的光子器件中电磁场的传播特性,建立了一种基于小波基的时域有限差分(FDTD)数值计算方法,并在计算机集群系统中实现其并行化运算.该方法相较于标准的FDTD方法,具有更好的数值色散特性,大大减少了计算空间网格数,从而减少了内存的使用;且并行化计算大大减少了运算时间.验证了该方法的有效性,分析了影响并行运算效率的主要因素,并建立了一个估算模拟运算时间的数学模型.

研制了一种单电源线性光电耦合器,器件采用隔离式DC/DC电源供电.叙述了该器件的工作原理和部分电路设计,分析了研制过程中遇到的一些问题及解决办法.给出了主要参数的测试结果,结果表明该器件具有很好的隔离特性和线性度.

通过对日盲型紫外探测器光电性能及其技术平台的分析,提出了一种包括三个层次的日盲型紫外探测器的评价指标体系.采用层次分析法对各项评价指标进行了研究,确定了三个层次的主要评价指标及权重系数,结果表明采用该评价指标体系可以系统、准确地评价日盲紫外类探测器的光电性能、产品技术平台的能力.

为了进一步有效提高光电振荡器的性能,提出了一种基于光电混合双环的高边模抑制比振荡器.利用两级电功分器构成电增益环腔,结合偏振分束器和偏振合束器形成的光纤双环结构,在没有引入外调制器和电滤波器的前提下,得到了高边模抑制比的小型化光电振荡器.实验中光纤长度取110m和2km,获得了中心频率为11.4GHz的微波信号,边模抑制比为60dB,其相位噪声为-103.6dBc/Hz@10kHz.

3D-IC技术被看作是应对未来半导体产业不断增长的晶体管密度最有希望的解决方案,而微凸点键合技术是实现3D集成的关键技术之一.采用电镀工艺制作了直径为50μm、间距为130μm的高密度Cu/Sn微凸点,分析了不同预镀时间及电流密度对Cu微凸点形成质量的影响,并使用倒装焊机实现了高密度Cu/Sn微凸点的键合.利用直射式X射线、分层式X射线对键合样片进行无损检测,结果表明键合对准精度高,少量微凸点边缘有锡被挤出,这是由于锡层过厚导致.观察键合面形貌,可以发现Cu和Sn结合得不够紧密.进一步对键合面金属间化合物进行能谱分析,证实存在Cu6Sn5和Cu3Sn两种物质,说明Cu6Sn5没有与Cu充分反应生成稳态产物Cu3Sn,可以通过增加键合时间、减少Sn层厚度或增加退火工艺来促进Cu3Sn的生成.

采用射频等离子体辅助分子束外延技术(P-MBE),在石英玻璃基片上制备了高纯度的透明导电ZSO薄膜,利用X射线衍射、原子力显微镜、Hall测试仪和光谱测量等表征技术,研究了射频功率对ZSO的结晶性能、表面形貌、电学参数及透射率等的影响.研究结果表明,在室温350W离化气源功率下,非晶态ZSO薄膜表面平整度高,室温电子迁移率达11.47cm2·V-1·s-1,电阻率为1.497Ω·cm,光学禁带宽度为3.53eV.分析得出,采用此工艺制备的非晶ZSO透明导电薄膜,具有优良的光电性能,是制备透明导电薄膜晶体管的优良宽禁带半导体材料.

在蓝宝石衬底上采用由低温AlN成核层、中温AlN生长层、温度渐变AlN生长层和高温AlN生长层组成的厚三维生长缓冲层来实现AlN外延层位错密度的减少和应力的释放.用光学显微镜、原子力显微镜(AFM)及X射线衍射仪对样品进行了表征,结果表明所生长外延层表面无裂纹,并显示出清晰的阶梯流表面形貌,其平均粗糙度为0.160nm,KOH腐蚀坑密度为5.8×108cm-2,(0002)和(10-12)回摆曲线FWHM分别为210″和396″.详细论述了AlN外延层的生长模式、位错行为和应力释放途径.

对带微通道的铝基板上封装的不同功率LED,用Comsol Multiphysics软件对其温度场进行了有限元模拟,重点研究了微通道的孔大小、孔间距、绝缘层的厚度和热导率对基板散热性能的影响,结果表明:铝基板厚度为1.5mm左右,微通道方形孔,孔长0.8mm,孔间距0.8mm,绝缘层厚度50μm,热导率1.5W/(m·K),为最佳散热性能铝基板.微通道铝基板封装3W灯珠与普通铝基板和氮化铝基板相比,热阻分别下降了5.44和3.21℃/W,表明微通道铝基板能更好地满足大功率LED散热的需求.

钒的氧化物具有对温度敏感的半导体-金属可逆相变特性.在多种钒氧化合物中,VO2的相变温度点约为68℃,适用于很多应用领域.VO2长期暴露在空气中时,会被氧化.研究了通过制备VO2/Al2O3复合膜系来保持氧化钒薄膜的稳定性的方法.采用TFCalc薄膜设计软件,设计了VO2/Al2O3复合膜系.依据材料的折射率和消光系数,优化了膜系各膜层的厚度,分析了复合膜系的相变特性.采用磁控溅射方式制备了氧化钒薄膜,再通过氧氩混合气氛热处理得到VO2占主要成分的氧化钒薄膜.在氧化钒薄膜上采用射频磁控溅射方法封装了120nm厚的Al2O3膜.利用分光光度计测量分析了膜系的相变特性,Al2O3膜对VO2膜的相变性能影响很小.Al2O3膜适于VO2薄膜的封装.

采用化学气相沉积法在硅衬底上生长二氧化锡(SnO2)纳米线,并对其进行热处理.扫描电子显微镜、X射线衍射仪和拉曼光谱测试分析表明所合成的SnO2纳米线为单一四方金红石相,且结晶性能良好.光致发光测试显示在576nm附近有明显的黄色发光峰,但在氧气氛环境退火处理后该发光峰逐渐减弱,表明576nm处的发光峰为氧空位缺陷引起的发光.同时,退火处理能有效提高材料的场发射性能,SnO2纳米线的最低开启和阈值电场分别约为4.6和6.2V/μm.

从势和场的观点出发讨论了带电粒子在应变超晶格中的运动行为.在经典力学框架内和偶极近似下,引入正弦平方势,把粒子运动方程化为具有阻尼项和混合激励项的广义摆方程.利用Melnikov方法讨论了系统的临界性质与混沌行为.结果表明,系统的混沌行为与它的参数有关,适当调节参数,就可以原则上保证系统的稳定性.

碳纳米管因具有良好的物理机械性能而得到广泛的研究,其最重要的应用之一是构建场效应晶体管(FET).文章提出并研究了一种非对称接触的单壁碳纳米管场效应晶体管(SWNT-FET),并对其电学特性进行了表征.在该器件中,SWNT被作为FET的沟道,两种不同功函数的金属被用来与SWNT形成肖特基接触;SWNT一端与低功函数金属Al形成源极,另一端与高功函数金属Pd形成漏极.该类器件可应用于下一代纳米集成电路中.

基于菲涅尔波带片透镜的设计原理,设计了三款多层介质结构的菲涅尔波带片天线.该天线采用高增益的波纹喇叭天线提供馈电,工作频段为太赫兹通信第一大气窗口320~380GHz,回波损耗低于-15dB,增益大于25dBi.研究了菲涅尔波带片天线的周期数和子区数对天线性能的影响,结果表明随着周期和子区数的增加,增益也会不断的提高,而当波带片直径和喇叭口径面积相比拟时,电磁波损耗较大,并且谐振频率在太赫兹大气窗口内右移.

针对目前可见光通信传输速率低、难以实现图像通信的问题,通过研究高亮度白光LED光强调制原理和光电检测器特性,研制了一种可见光图像传输系统.设计了系统的光发射与接收电路,编写了图像传输与显示程序.通过实验验证,系统实现了通信速率为2Mbit/s的PC机到PC机的字符及图像传输,为高速可见光通信的发展提供了一种可靠的电路设计方案.

以单光源为基础光源,使用内调制与外调制相结合的调制方式,成功搭建了双工激光通信系统,并对其进行了理论分析与实验验证.光源部分作为中心基站(Central Station,CS),使用内调制实现下行链路,向基站(Base Station,BS)发送请求信息;BS端则使用声光外调制的方式实现上行反馈,向CS端发送反馈信息,实现了两个终端之间的相互通信.结果表明,该双工通信系统室内传输稳定,传输速率因器件而定,下行最高可达30kb/s,上行最高可达3Mb/s,该通信系统可实现时分双工光通信,在相邻时段使用不同频率的光载波进行实时通信.

针对传统Gray映射在中高信噪比区域内对迭代译码的比特交织编码调制(BICM-ID)光通信系统改善信道容量性能有限的问题,基于互信息准则和比特的不等保护度提出了一种新颖的16QAM星座映射方案.仿真分析表明:在中高信噪比下,所提出的新映射方案比传统Gray映射方案的信道容量最大改善值可达1.18bit/channel.结合低密度奇偶校验(LDPC)码并借助外部信息传递(EXIT)图,该方案在光通信系统中具有很好的性能优势与应用前景.

作为未来短距离无线通信有效可选方案的可见光通信,照明控制是其面临的主要挑战之一.在分析了采用连续电流调节(CCR)和脉冲宽度调制(PWM)两种调光控制技术的OFDM系统工作原理的基础上,提出了一种新的室内可见光高速通信调光控制系统设计方案.该方案将照明应用中的两种调光技术引入到功率效率高、误码性能好的单极性光OFDM(Unipolar OFDM)系统中,在提供良好传输性能的同时实现了照明信号的连续调节和线性调节功能.仿真实验表明,提出的方案调光控制性能与非对称消波光OFDM(ACO-OFDM)系统接近,而误码性能则优于后者,即U-OFDM调光控制系统可在不牺牲照明质量的同时获得更好的误码性能.

建立了基于强度调制器(IM)和相位调制器(PM)级联的光梳理论模型,通过仿真计算分析了光梳的平坦度与IM的偏置点βIM、IM的调制系数χIM,以及IM和PM的驱动信号相位差ΔΦ之间的关系.结果表明ΔΦ的优化取值为π的整数倍,并且与其他参数的取值无关;而βIM、χIM的优化取值存在线性关联关系,随着梳齿数目的增加,χIM的优化取值不断向0靠近,βIM的优化取值对应地不断向π靠近.研究结果为基于级联调制器的光梳优化控制提供了理论依据.

提出了一种基于瑞利散射的多频相干光时域反射温度测量方法,采用相位调制产生多频探测光,可有效地提高传感光纤的受激布里渊散射阈值,降低系统中的相干瑞利噪声,提高系统信噪比;当按光源频率和相位调制器调制频率的变化量之比等于二频率之比对二者进行同时调节时,可实现光纤温度的高精度分布式测量.理论研究了多频相干光时域反射计的传感机理,利用MATLAB仿真比较了采用单频和多频光源时传感系统的性能.结果表明,在系统信噪比为5dB和扫频范围为3GHz时,系统可达到空间分辨率为1m、最大测量误差为0.005℃的性能指标.

激光发射机的信号调制方式对其传输信号的指标有很大影响,为满足噪声系数等指标要求,C波段频率以上射频信号主要采用M-Z调制器来加载调制信号.针对调制器使用中偏置点的控制方式进行了讨论,并重点研究了其中的导频法,从该方法在雷达和通信系统中应用时存在的问题入手,对已有的控制算法进行改进,设计了偏置工作点控制方案,经实际测试和工程化验证,表明其控制效果满足实用化需求.

为了实现太赫兹探测系统快速控制、逆向聚焦、长距离和大范围扫描等功能,基于共焦Gregorian 反射系统(CGRS),采用ZEMAX光学仿真软件对光路进行仿真分析.首先,理论计算并确定该系统中主要反射镜的参数,予以建模;在此基础上,进行光路仿真、分析结果和计算误差.经分析知,该系统能够实现1.74m扫描范围内的25m远距离探测;并且调制传递函数接近衍射极限,成像良好.最后,利用高斯光束分析光信号在光路中传播的能量损耗情况,即当输入辐照度为63.6mW/mm2时,可以得到14.6mW/mm2的辐照度输出,为实际系统光源和探测器的选择提供了理论依据.

为了方便红外目标的检测、识别等后续处理,针对传统红外图像增强算法存在的图像细节增强能力差,视觉效果模糊的问题,提出一种基于Retinex理论的红外图像增强算法.该算法利用固定路径获取反射分量的方法,对整体偏暗的红外图像目标进行增强处理.仿真结果表明,该方法比单尺度Retinex和多尺度Retinex算法更能增强红外图像的细节信息,有效改善红外图像的视觉效果.

针对图像数据采集系统中的实时图像处理、多通道接入及高速数据传输需求,提出了利用TI图像处理器TMS320DM642型DSP芯片完成图像数据的处理、DMA和PCI总线图像数据传输的实现方法,介绍了TMS320DM642型DSP的PCI接口特性,以及DSP在PCI主模式下控制并启动DMA数据传输,并给出了DMA数据传输系统的实现原理、工作流程、WINDOWS系统下的PCI设备驱动和应用程序的实现方法.

针对头部姿态识别在复杂背景和变化光照情况下准确率低的问题,提出了一种有效识别图像序列中头部姿态的方法.首先运用Adaboost算法提取出图像序列中不同姿态的人脸图像,通过主成分分析方法(PCA)提取人脸姿态特征;然后使用支持向量机构(SVM)造多分类器对提取的特征分类从而实现头部姿态识别;最后设计了五种不同的头部姿态在变化光照下与智能轮椅进行人机交互实验.实验结果表明该方法实时性高,抗光照变化性能强,识别率高达92.2%.

针对Harris角点检测算法运行速度慢且单一阈值选取不当容易造成漏检正确角点或提取出较多伪角点的问题,提出了一种快速预筛选方法以提高检测效率,并结合多阈值角点提取及邻近角点剔除策略来改进算法.实验结果表明:单独使用该预筛选方式的改进算法仅用32.71%的时间就可以检测出原算法94.97%的角点;配合多阈值角点检测方法及临近点剔除策略时,改进算法的运行时间仅为原算法的61.94%,且检测出的角点分布更均匀,既能充分代表图像信息又有效地避免了角点簇拥现象.

时间延迟积分(TDI)型红外探测器作为第二代红外探测器,具有更高的温度灵敏度和更大的扫描成像视场.和面阵成像探测器相比,TDI型红外探测器必须在装置中加入扫描机构进行扫描成像,由于TDI型红外探测器光敏元在空间的位置交错排列,为了保证奇偶像元对同一目标成像,这就涉及到扫描方向与探测器奇偶像元空间匹配的问题.以480×6红外探测器为例,详细介绍了TDI型红外探测器光敏元的排列结构、工作方式以及空间校正的原理,给出了空间校正的算法和FPGA实现方法,并通过仿真和实验验证了方法的正确性.

针对图像跟踪过程中的背景干扰、光照条件变化与目标特性漂移等问题,提出一种粒子滤波框架下灰度和纹理特征融合与估计的目标跟踪算法.首先建立基于灰度直方图和边缘梯度直方图的特征集合,以增加目标描述的信息量和稳定性;然后在跟踪过程中依据每个特征对目标与背景的区分度赋予其相应的权值,突出贡献较大的特征,并将该加权系数用于目标和候选目标的相似性度量;最后,为了克服复杂场景对单幅图像中特征可信度的影响,将跟踪的连续性引入权值的自适应调整过程,利用当前帧的特征区分度和前一帧的特征权值对当前帧的特征权值进行估计,从而实现特征权值的在线更新.实验结果表明,通过对特征的融合及其权值的在线估计,实现了复杂场景下的稳定目标跟踪.

针对InGaAs短波红外成像在**装备、安全防范和工业检测等领域中的应用,提出了一种基于FPGA技术架构的InGaAs焦平面探测器组件的设计方案.讨论了InGaAs焦平面探测器的时序驱动、TEC温控、非均匀性校正、图像增强和自动曝光等关键技术的实现方法.经试验验证,依据该方案研制出的InGaAs焦平面探测器成像组件灵敏度高、对比度好、透雾效果明显.

针对高压输电线路电晕检测及定位问题,设计了基于DM8148的双谱段视频融合电晕检测系统,实现了双路视频的采集、处理、融合、压缩和存储.采用时域递归滤波算法对日盲紫外图像进行去噪处理,利用基于小波变换自适应加权融合法将日盲紫外、可见光两路视频进行实时融合.实验结果表明融合图像具有较好的视觉效果,能够很好地将紫外、可见光检测图像融合,实现电晕放电点检测的准确定位,系统能满足电晕检测的需求.

采用Verilog语言设计了一套基于RGB格式的视频采集预处理系统,先将采集到的RGB信号转换成易于处理的YCbCr信号,然后进行相应的处理,最后再转为RGB信号输出显示.系统包含视频采集模块、视频显示模块、IIC控制模块和视频处理模块.各个模块的功能通过在Xilinx公司的XC5VLX110T上得到实现.给出了系统的效果演示、仿真结果和效率分析,结果表明该方案是可行的,并且在处理速度上有很大的优势.

针对传统的图像质量评价方法中对图像结构信息的表征能力不足的问题,在研究了基于结构相似度和奇异值分解的两种图像评价方法的基础上,结合其不同特点提出了基于奇异值分解的结构相似度质量评价方法.该算法分别将参考图像和失真图像的梯度图像分成8×8大小的图像块,并对每一个图像块进行奇异值分解后计算对应图像块的奇异值相似性和各图像块局部方差分布的相似性,最后结合各图像块的奇异值相似性和图像的局部方差分布的相似来表征图像的畸变程度.对LIVE库中包括5种失真类型的982幅图像进行验证,其结果表明该评价方法能很好地对各种失真类型的图像进行评价,比峰值信噪比(PSNR)、结构相似度(SSIM)等算法的主客观一致性更好,更加符合人眼的视觉特性.