可见光通信作为当前无线光通信领域的研究热门, 在过去几年取得了可喜的突破。采用白光LED作为光源, 利用灯光高速明暗闪烁来传递信息的同时兼顾其在室内照明的功能, 节约了能源。文章详细介绍了白光LED可见光通信的研究现状、关键技术、应用场景和发展趋势。

单层或少数层MoS2是一种具有类石墨烯结构的新型二维层状化合物, 拥有超薄的厚度、适宜的禁带宽度及独特的电学和光学性质, 在场效应管、气体传感器、光探测器、锂电池和超电容等领域有广泛的应用价值。凭借其边缘悬挂键析氢催化活性高、比表面积大、抗光腐蚀性强等优点, 二维MoS2在光催化应用上展现了良好的潜力。介绍了二维MoS2多样的晶体结构, 分析了其能带可调、可见光吸收及催化析氢等特性, 综述了二维MoS2从电催化析氢到光催化析氢的研究进展, 并结合自身研究展望了单层MoS2作为直接光催化剂的潜在优势及其挑战。

实验验证了室温下二维氧化物下包层非对称平板三角晶格光子晶体渐变型双异构微腔对绝缘体上硅(SOI)基片上铒氧共掺硅材料的显著发光增强作用。在波长为488nm、功率为15mW激光激发下, 微腔的光致发光(PL)谱呈现出一个位于1557.93nm通信波长处的尖锐狭窄的发光峰, 相比于无光子晶体区域, 发光增强了约13倍。谐振峰随光泵浦功率增加, 发生明显的红移, Q值逐渐下降, 在1.5mW光泵浦功率下, Q值达6655。微腔谐振波长与光子晶体晶格周期之间呈线性正比关系, 通过调整晶格周期, 实现了掺铒硅发光增强峰波长的灵活可控。

溶液法制备的有机发光二极管(OLED)虽然有着制作成本低、材料利用率高以及容易大规模生产等优势, 但是在器件效率上离传统高温真空热蒸镀法制作的OLED还有很大差距。文章基于一种新型的磷光发光材料Ir(tfmppy)2(tpip), 在利用单一主体材料溶液法制备OLED时发现器件效率不高, 同时效率滚降很大。为了提高器件效率, 同时减小效率滚降, 以多种材料混合作为主体材料。通过改变混合主体材料间的比例关系, 以一种简单的器件结构, 采用溶液法制作出了高效率的OLED器件。其中, 以质量比为7∶21∶12的PVK∶mCP∶TCTA为混合主体材料, 掺杂质量比为10%的Ir(tfmppy)2(tpip)作为发光层的器件, 取得了高达55cd/A的电流效率。

制作了基于绝缘体上硅(Silicon on Insulator, SOI)材料的8×16通道的阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating, AWG)与电吸收型可调光衰减器(Variable Optical Attenuator, VOA)的单片集成器件, 其信道间隔为200GHz。该集成器件采用脊形波导结构, 其截面尺寸为亚微米级, 整体尺寸为2.9mm×1mm。该VMUX器件的片上损耗为9.324~10.048dB, 串扰为6.5~8.2dB; 在20dB衰减下, 单通道最大功耗为87.98mW; 最大信道偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss, PDL)为0.461dB, 16通道的衰减一致性为0.245dB。该器件能够实现良好的波分复用/解复用及信道功率均衡的功能。

电流匹配和隧穿复合结是影响氢化非晶硅/氢化微晶硅叠层电池性能的两个关键因素。文章采用wxAMPS模拟软件研究了氢化非晶硅/氢化微晶硅叠层电池中顶电池与底电池的厚度匹配对电池短路电流的影响, 以及隧穿复合结的中间缺陷态密度和掺杂浓度对叠层电池性能的影响。研究发现当顶电池和底电池的本征层厚度分别为200和2000nm、中间缺陷态提高到1017cm-3·eV-1以上, 且掺杂浓度提高到5×1019cm-3时, 叠层电池获得最佳性能: 换效率为15.60%, 短路电流密度为11.68mA/cm2, 开路电压为1.71V。

利用时域有限差分法, 对基于绝缘体上硅(SOI)的微环谐振腔的微环波导宽度对传输性能、Q值的影响进行了理论分析与仿真。研究结果表明, 单模条件下, 波导越宽, Q值越大。仿真优化结果表明微环半径为10μm、微环波导宽度为600nm时, 1.55μm附近的谐振峰的消光比为18.2dB, 计算出Q值约为2.2×105。进一步研究了微环与直波导间距、平板高度对Q值的影响。耦合间距增大时, 由于耦合效率降低, Q值则逐渐提高; 随着平板区厚度的减小, 辐射损耗会越小, 因此Q值增大。研究结果为微环谐振腔的进一步优化和设计提供了参考。

研究了正十边形对称结构光子晶体光纤布拉格光栅(PCFBG)特性, 分析了不同空气孔层数以及不同占空比对布拉格光栅反射谱的影响。在此基础上,对正十边形光子晶体光纤光栅的传感特性进行了研究。研究表明: 随着温度的增加, 该光纤光栅的反射谱谐振波长明显向长波方向偏移; 随着应力的改变, 光纤光栅的反射谱谐振波长变化趋势不明显。该光栅具有对温度敏感, 对应变不敏感的特点。这种空气孔排列为正十边形对称结构的光子晶体光纤光栅有望应用在光子晶体光纤光栅的传感领域中。

在硅的各向同性湿法刻蚀过程中, 一般选用HNA溶液(即氢氟酸、硝酸和乙酸的混合溶液)作为刻蚀液, 而氮化硅以其很好的耐刻蚀性而优先被选为顶层掩膜材料。在硅片上刻蚀不同的结构, 通常需要选择不同的刻蚀液配比。而不同配比对于氮化硅掩膜的刻蚀速率也不一样。分别用PECVD和LPCVD两种方法在〈111〉型硅片上沉积了厚度为560和210nm的氮化硅薄膜, 研究和对比了它们在8种典型配比刻蚀液下的刻蚀速率, 为合理制作所需要厚度的氮化硅掩膜提供有益参考。

采用金属有机化合物气相外延方法制备了不同SiH4流量下重掺杂n型GaN材料, 研究发现在SiH4流量为20cm3/min时样品获得较高的电子浓度, 达到6.4×1019cm-3, 同时材料的结晶质量较好。光荧光测试发现重掺杂使GaN材料的杂质能带进入导带形成带尾态, 使带边峰变得不尖锐, 并且发现SiH4流量以及材料的刃位错密度与黄光带发光有关。采用Delta掺杂方式生长的重掺杂样品, 样品表面粗糙度降低, 晶体质量明显改善, 但黄光带发光强度增强。缺陷选择性腐蚀研究发现Delta掺杂方式主要通过降低螺位错密度来改善晶体的质量。

采用时域有限差分法研究了内嵌镜像对称矩形腔长度、宽度及其位置对楔形金属狭缝阵列结构透射特性的影响。研究发现, 采用此结构形成的光子晶体结构所产生的能带可以调控禁带, 不仅在短波长范围存在明显的传输禁带, 而且在长波长范围具有较好的增强透射, 表明这种内嵌镜像对称矩形腔进一步破坏了类法布里-珀罗腔共振条件, 更有利于短波长范围表面等离激元能量局域在腔内, 同时提高长波长范围的透射率。矩形腔位置是影响传输禁带和透射特性的主要因素, 其越接近中心位置, 禁带越宽, 透射率越高; 矩形腔厚度主要影响禁带宽度, 厚度为140nm时, 禁带宽度可达236nm; 矩形腔长度主要影响透射特性, 长度为260nm时, 透射率可达95%。

针对小型化激光陀螺捷联惯导系统(SINS), 建立了四种不同的温补模型, 分析和对比了包含高温、低温和变温三种不同温度模式下的温补效果。试验结果表明: 温度变化率是影响惯性器件误差的重要因素, 考虑温度和温变率模型的动态模型温补效果明显优于单纯考虑温度的静态模型。另外, 为了检验小型化SINS的稳定性以及温补模型与时间的关系, 5个月后再一次对其温度特性进行研究, 结果表明: SINS稳定性良好, 温补模型基本不受时间影响, 满足工程应用的需求。

针对LED散热器热分析常用的热传导分析模型与流固耦合分析模型存在适用面窄与计算量大的不足, 研究了LED散热器热分析的建模方法。提出了一种可以用热传导分析模型等效简化流固耦合分析模型的方法, 该方法能快速得到散热器的温度状态并能从等效换热系数h获得LED散热器所需风扇的技术参数即风扇流量, 有助于风扇规格的选择。以一款LED车灯风冷散热器的热分析为例, 表明提出的等效简化建模方法不仅可以提高分析计算效率, 而且具有良好的实用价值。

为了对980nm大功率半导体激光器的波导层和有源层外延材料进行快速表征, 设计了相应的双异质结(DH)结构和量子阱(QW)结构, 并在不同条件下进行了MOCVD外延生长, 通过室温荧光谱测试分析, 得到Al0.1Ga0.9As波导层的最佳生长温度为675℃, InGaAs QW的最佳长温度为575℃。为了兼顾波导层需高温生长和QW层需低温生长的需求, 提出在InGaAs QW附近引入Al0.1Ga0.9As薄间隔层的变温停顿生长方法, 通过优化间隔层的厚度, InGaAs QW在室温下的PL谱的峰值半高宽只有23meV。基于优化的外延工艺参数, 进行了980nm大功率半导体激光器的外延生长, 并制备了腔长4mm、条宽95μm的脊形器件。结果显示, 在没有采取任何主动散热情况下, 器件在30A注入电流下仍未出现腔面灾变损伤, 输出功率达到23.6W。

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法制备了不同Al组分含量的2μm厚AlxGa1-xN外延膜, 通过透射电镜定性分析了外延膜中的位错和缺陷, 通过高分辨X射线衍射试验对AlxGa1-xN外延膜进行ω/2θ扫描, 结果显示外延膜为六方晶系纤锌矿结构, 通过对对称面和非对称面的晶面间距进行修正精确计算了外延膜晶格常数, 并由此对应变进行定量分析, 四个不同Al组分的AlxGa1-xN外延膜样品的四方畸变值随Al含量的增大而逐渐减小, 并且均小于零, 在水平方向上均处于压应变状态。

研究了高速可见光通信(VLC)系统中荧光型LED光源的直流偏置电流大小与系统响应时间、误码率的关系; 搭建了高速可见光通信测试系统, 用于验证如何通过设置合适的LED光源的直流偏置电流使可见光通信系统达到更高的通信速率和更低的误码率。实验测试结果表明, 在直流偏置电流为60~80mA, 1W的荧光型LED的响应时间较短, 系统的误码率较低, 此时可见光通信系统可达到最大传输速率。

光通信系统中低密度奇偶校验(Low-density Parity-check, LDPC)码采用对数似然比置信传播(Log-likelihood Ratio Belief Propagation, LLR-BP)算法进行译码时, 在高信噪比区域迭代译码过程中会出现变量节点外部信息振荡不收敛而导致译码纠错性能的降低。为满足光通信系统的要求, 提出了一种削弱外部消息振荡的改进LLR-BP译码算法。该算法通过引入加权系数平衡前后两次迭代之间变量节点传递的外部信息, 明显减缓了外部信息的振荡现象。仿真结果表明: 与传统LLR-BP译码算法相比, 该改进LLR-BP算法具有更佳的误码性能, 同时降低变量节点外部信息振荡现象并加快了译码的收敛速度。

可见光通信技术是利用白光LED同时实现照明和通信的新型通信技术, 为室内定位技术提供了新的可能。针对可见光通信中接收信号强度RSS随机波动较大的问题, 提出一种基于RSS的改进的差分修正定位算法, 通过将各个参考节点分别作为差分修正参考节点进行定位修正, 规避了设定参考节点权重过大的问题。该定位算法有效地提高了室内定位精度, 无需增加额外硬件设备, 计算量小, 容易实现。仿真结果表明, 该定位算法在5m×5m×3m的空间区域中能够实现约15cm的平均定位误差性能。

用多载流子模型分析了D型石英光纤的热极化过程及耗尽层的形成, 分析了氢离子注入及钠离子耗尽层的形成。并把正负电荷的交界处类比为pn结, 分别计算了所形成的内建电场大小。最终得出极化完成后石英光纤的二阶非线性效应主要由钠离子的耗尽形成, 计算出的内建电场大小约为108V/m, 由此算出的二阶非线性系数的数值在0.10~0.60pm/V, 和实验报道数值符合较好。

针对现有自准直模型包含系统信息量有限的不足, 提出了一种基于厚透镜对光线变换的建模方法。以应用光学中厚透镜对光线变换的理论为基础, 结合矢量运算和坐标系旋转方法建立了光电自准直系统数学模型。通过数值仿真, 对模型中包含的平面镜的转角、透镜的厚度、焦距及表面曲率半径、光源和探测器位置等系统主要参数对光电自准直系统的成像影响进行了分析, 并通过对像点几何中心的提取, 分析了透镜成像畸变对光电自准直系统测量精度的影响。文章建立的模型, 为系统参数的提取和优化、分析像点轨迹变化的影响因素以及自准直测量误差的分析和补偿提供了理论支持。

针对直升机桨叶共锥度测量中背景复杂、圆形标记点较小, 易出现定位不准的问题, 提出一种新的圆形标记点定位方法。首先, 利用OTSU图像分割方法计算阈值; 然后, 以OTSU阈值为边界阈值, 对图像进行多重分割; 利用圆度特征和质心变化规律, 对每一次分割后的连通域轮廓进行干扰排除, 实现圆形标记点的粗定位; 最后, 采用最小二乘拟合法完成标记点的精确定位。通过圆形标记点定位实验, 表明该方法在复杂场景下对较小的圆形标记点具有较高的定位精度, 可用于提高大场景复杂环境下直升机桨叶共锥度测量精度。

目标检测就是判断被监测对象是否出现, 是无线传感器网络应用的首要前提。由于传感器节点协作执行检测任务, 因此, 应用于通信网中的解耦和最大吞吐量的网络设计不能使系统检测性能最优。提出了集成物理层、MAC层和应用层的跨层设计, 设计了感知信息质量、信道状态和有效能量协同的传输控制策略, 该传输策略可以有效地调节节点和融合中心的通信使系统的检测性能最优。最后, 通过解决非线性约束优化问题分别为ALOHA和TDMA传感器网络得到最优的设计变量, 并与典型的解耦和最大吞吐量设计比较检测性能增益。

对多障碍物环境下微机器人集群运动的控制问题进行了研究。结合微机器人尺寸小的特点, 采用低功耗的红外传感器感知外界环境。设定机器人的安全区域, 根据机器人运动过程中避障和路径规划所要满足的边界条件, 提出了基于人工蜂群问题优化的路径规划控制模型, 实现了微机器人的避障和路径规划。仿真结果验证了该控制方法的有效性。

针对中值滤波导致部分图像细节损失和均值滤波出现模糊现象, 设计了一种适用于椒盐和高斯混合噪声的自适应滤波算法。该算法先用最小邻域的均值和阈值判断噪声类型, 然后使用加权中值滤波处理椒盐噪声, 再利用拉普拉斯算子和相应阈值判断图像边缘细节, 最后对高斯噪声进行加权均值滤波。实验仿真结果表明, 从图像视觉效果来看, 相比单独使用中值和均值滤波降噪, 自适应滤波算法对图像的还原效果更好, 图像细节保存较好, 模糊程度相对较弱, 图像更清晰。通过对比峰值信噪比(PSNR)和均方误差(MSE), 对混合噪声进行处理时, 滤波算法的PSNR和MSE值优于中值和均值滤波, 有效还原了噪声图像。整个算法是在最小邻域空间进行, 易于实现, 对混合噪声的处理效果较好, 为图像处理的系统集成化设计提供了技术支持。

提出了一种改进的基于多尺度变换的红外和可见光图像融合算法。首先, 用形态学帽变换对两幅已经配准的红外图像和可见光图像进行处理, 然后将处理后的图像分别进行轮廓波分解得到一系列的高频图像和低频图像。由于高频图像和低频图像特点的不同, 对高频图像采用平均梯度进行融合, 对低频图像采用PCA的方法进行融合。实验表明, 该方法很好地结合了形态学帽变换、主成分PCA算法和轮廓波变换的优点。与传统的融合方法相比, 提出的融合方法可以提供丰富的图像信息和清晰纹理细节, 且很好地保证了主要目标的亮度基本不变。

介绍了一种高灵敏度制冷型科学级CCD相机的设计方法。相机利用FPGA芯片实现时序驱动、相机控制及传输数据; 设计了相关双采样电路来降低相机的复位噪声; 数据由以太网接口芯片W5300通过TCP/IP协议发送到图像采集软件显示和处理。相机采用半导体制冷器结合水冷的方法进行制冷。实验结果表明, 在相机制冷到-20℃时, 最低照度可达到0.005Lx, 具有灵敏度高的特点, 能够满足弱光环境中的使用需求。

设计并实现了一种基于EP3C40型FPGA的可编程片上系统(SOPC)嵌入式系统的CCD摄像机, 使用FPGA完成CCD的驱动时序产生、数字图像统计处理、串口通讯、自动调光及自动增益、快速调光等控制功能。该摄像机具有高灵敏度、低噪声的特点, 能适应外界光照条件的快速变化, 适用于**装备、科研以及监控等领域。

越来越多的光伏电源以分布式的方式接入配电网, 改变了配网原有的结构, 给配网的电流保护带来了诸多影响。从电网侧出发, 分析了光伏电源接入配网对配电网的影响, 建立了基于电流保护约束的光伏电源接入模型, 并在IEEE33节点配网系统上进行了算例验证, 通过粒子群算法(PSO)得出了在不改变配网原有保护和电力系统安全运行条件下的分布式光伏电源的最佳接入位置和容量。研究结果为分布式光伏电源的选址和定容提供了一定的理论依据。

针对目前嵌入式压缩视频采集系统的局限性, 设计了一套基于FPGA的嵌入式真彩色数字视频采集系统。首先, 使用AD9883A芯片对CCD相机的视频输出信号进行模数转换; 然后, 对行同步信号分频, 以得到像素时钟信号; 最后, 通过FPGA设计的片内FIFO, 把转换后的数字信号和同步信号输出到外围SDRAM中, 进而完成视频数据的采集。相比于大部分使用bt656视频数据流格式的采集系统, 设计的系统解决了24位真彩色RGB数据输入与输出之间的位宽和速率匹配问题, 能完成更高质量的视频数据采集工作。实验结果表明, 该系统满足设计工业需要, 可以采集到更高质量的相机视频数据。

压缩传感理论允许以低于奈奎斯特定理规定的采样频率对信号进行采样并重构。近年来, 压缩传感信号重建的研究大多用软件实现。文中设计一种基于FPGA的OMP重构算法的硬件实现, 使用QR分解求解矩阵的伪逆。仿真结果表明应用FPGA得到的重构信号逼近原信号, 且重建速度快。基于FPGA的压缩传感信号重建, 减少了信号重构所需的时间, 推进了压缩传感进入实际应用的进程。