近年来, 为实现服务机器人智能人性化的人机交互、用户认知障碍诊断等, 视觉注意力(Visual Focus of Attention, VFOA)检测技术已成为国内外的热点研究课题。重点分析了该技术的流程及相关方法实施细节, 给出了目前VFOA检测研究时使用到的数据集情况, 并对视觉注意力检测技术的应用场景进行了梳理。通过对当前视觉注意力检测系统优缺点的分析, 指出了该技术的研究难点与未来研究方向。

为了提高随机圆检测算法的检测效率和精密度, 提出了一种改进的随机圆检测算法。针对传统的随机算法无效累积多、执行效率低的问题, 研究了两步法无效圆模型筛选策略。首先根据图像梯度信息, 当迭代过程中取样点的梯度线与其构造圆的圆心距离小于设定阈值时, 判定圆模型为真; 然后取图像边缘点的子集, 当子集的局内点个数小于期望值时, 圆模型无效。针对随机圆检测算法精密度较差的问题, 提出了对边缘点聚类, 结合最小二乘法对结果进行优化。实验结果表明, 算法在执行效率上优于其他三种经典算法, 检测精密度与其他随机圆检测算法相比, 有显著提升。

针对基于深度学习的目标检测网络模型多采用级联的卷积网络结构进行特征提取, 没有很好地利用多尺度特征融合的信息, 以及卷积往往采用方形卷积核而没有提取出具备方向性的特征等问题, 提出了一种特征提取模块, 采用不同大小形状的卷积核结合异性卷积核并行提取特征, 并进行融合。该类结构相比于级联网络更能提取并融合目标的多尺度特征, 同时提取具有方向性的特征。提出的特征增强型单步目标检测器(Feature Enhanced Single Shot Detector, FESSD)网络基于单步目标检测器(Single Shot Detector, SSD), 修改了网络结构、加入特征提取模块并采用多层特征融合, 在VOC0712数据集上大大提高了检测准确率。

为提高水质光谱分析模型的学习速度与预测精度, 采用核极限学习机对水质光谱进行建模, 并提出一种具有动态惯性权重的改进鲸鱼优化算法对模型进行参数优化。由于极限学习机的输入权值矩阵和偏置是随机生成的, 故引入核方法以减小其输出权值矩阵的波动; 将鲸鱼优化算法中的惯性权重在非线性递减的基础上引入随机因子, 通过动态调整惯性权重以平衡算法的全局搜索能力与局部开发能力。与传统优化模型进行了对比实验, 实验结果表明: 基于该方法所建模型具有更高的预测精度, 而在相同的学习迭代次数下, 核极限学习机的运行时间相对于传统算法约下降50%, 且改进鲸鱼优化算法能够以更快的收敛速度使模型达到全局最优。

在可见光通信(VLC)室内定位领域中, LED半功率角辐射范围内信号强度大, 运用测距算法时定位误差小。为了提高室内LED半功率角的辐射范围, 并消除其辐射“盲区”, 提出了一种基于LED半功率角的IRT-N三角阵列, 该阵列通过利用地面上的LED半功率角圆形辐射范围相切, 将LED组合排列成等腰直角三角形。相较于传统斯派罗法则构建的方形阵列, IRT-N三角阵列将地面接收信号强度和接收功率高于平均值的辐射面积分别提高了25.75%和16.45%。该阵列构建复杂度低、半功率角辐射范围广, 更适宜在VLC室内定位领域中推广应用。

以光纤光栅传感器为测量手段实现了基于快速应变响应的结构模态分析。根据位移模态分析的基本原理, 推导了应变模态参数识别算法, 能够仅根据应变响应数据计算结构的模态参数。搭建了一套采样率为5000Hz的光纤光栅快速应变采集系统, 进行了等截面悬臂梁的光纤光栅应变模态试验并识别了悬臂梁的前5阶模态参数。光纤光栅方法与有限元分析结果相比, 固有频率相对误差小于0.6%, 比基于电传感器的位移模态测试结果更接近理论值。基于光纤光栅的应变模态分析方法附加质量小, 能够适应更复杂的测量环境, 具有一定的应用价值。

在电连接器插针缺陷检测系统中, 插针图像特征点的获取是检测关键, 为了实现插针位置的高精度检测, 提出了一种基于Zernike矩的插针特征点定位算法。通过增大Zernike矩的算子模板尺寸, 以及优化边缘阶跃模型, 提高了亚像素边缘检测算法的精度。将最大熵阈值法应用于Zernike矩边缘检测算法, 实现了自动选择最佳阈值, 解决了传统算法中手动调节阈值的低效率问题。对提取的亚像素边缘点进行拟合获得椭圆目标中心, 实现了插针的位置特征点提取。仿真实验与实际测试结果表明, 该算法能够实现图像边缘的亚像素检测和插针特征点的准确定位, 算法定位误差小于0.1个像素。

离焦造成的成像模糊, 严重影响光测设备的跟踪性能与精度。根据光测设备传感器多、跟踪精度高等特点, 提出了在单台设备上基于双目视差测距的实时调焦方案。建立了不同焦距双目视差测距模型并进行了误差分析, 介绍了光学系统调焦原理, 结合光测设备的具体参数, 进行了测距调焦数值仿真。结果表明, 像素尺寸越小, 基线、焦距的乘积越大的传感器, 其测距误差越小。以中波红外对目标进行中心跟踪, 以电视脱靶方式进行测距调焦, 能够很好地满足设备的实时调焦需求。仿真结果表明, 双目视差测距实时调焦在单台光测设备上的应用是可行的。

研究了逆向调制光通信回波反射链路中的大气湍流效应及抑制方法。利用相位屏方法模拟大气湍流效应, 建立了弱湍流情况下高斯光束在传统无线光通信和逆向调制光通信中的传播模型, 对比分析了高斯光束在传统自由空间光通信单向链路和逆向调制光通信双向链路中大气湍流引起的闪烁指数。结果显示大气湍流对逆向调制光通信回波反射链路的影响远大于对传统自由空间光通信中单向链路的影响。还研究了孔径平均效应对逆向调制光通信中回波反射链路中闪烁指数的影响。结果表明, 对于逆向调制光通信, 大的接收孔径对于大气闪烁的抑制依然有效。

针对正交频分复用(OFDM)多用户系统中一些智能算法存在收敛速度较慢且精度不高的问题, 研究了把差分进化算法的变异与交叉行为引入人工鱼群算法中, 以改进其随机行为。在此基础上, 提出了一种改进的OFDM自适应资源分配算法。该算法先在公平度门限下分配子载波, 再通过改进的人工鱼群算法进行功率分配。仿真结果表明, 所提算法达到最优解时迭代次数有较大减少, 同时搜索精度有所提高, 在保证用户公平度的同时, 提高了系统容量。

时间延迟积分电荷耦合器件(TDI CCD)主要应用于弱光信号探测, 其在强光应用场合容易出现弥散现象。针对该问题, 研制了横向抗弥散多光谱TDI CCD图像传感器。该器件包含四个多光谱段(B1~B4区), 有效像元数为3072元, 像元尺寸为28μm×28μm。大像元可以在弱光环境下提供良好的光谱区分能力, 通过滤光片可获得蓝光、绿光、红光和近红外波段的图像。为了减小抗弥散对器件满阱电子数的不利影响, 采用了紧凑的抗弥散结构, 仅占像元面积的7.1%。器件满阱电子数为500ke-, 抗弥散能力为100倍, 读出噪声小于等于70e-, 动态范围大于等于7143∶1。

光电极是研究光遗传学不可或缺的工具之一。 波长为460nm的蓝光可以对ChR2神经蛋白产生刺激, 而波长为580nm的黄光可以刺激NpHR神经蛋白, 对生物体的反应产生抑制。目前, 蓝光波段的光电极具有很高的功率密度, 可以满足光遗传学的研究, 而黄光波段半导体发光器件的发光效率较低, 因此对黄光波段的光电极研究较少。在蓝宝石衬底蓝光光电极研制的基础上, 通过激发黄色荧光粉和量子点两种形式获得黄光, 并通过沉积SiO2/TiO2分布式布拉格反射镜(DBR)有效滤除了蓝光波段的激发光, 最后通过沉积Ag金属反射镜增强黄光信号, 制备出荧光粉基和量子点基黄光光电极。与荧光粉基黄光光电极相比, 量子点基黄光光电极具有更高的功率密度、更窄的光谱半宽和更薄的厚度。在1~10mA的注入电流下, 量子点基黄光光电极的功率密度为4.46~15.37mW/mm2, 满足刺激NpHR神经蛋白的要求。

研究了常规荧光粉涂覆工艺和沉粉工艺COB封装白光LED的发光效率、色漂移及光通量等参数的电流依赖关系, 对实验结果进行了理论分析。研究结果表明, 采用沉粉工艺时, 更多的荧光粉集中在LED芯片表面, 理论上提供了更好的散热通道, 但是LED芯片电光转换时产生的热量和荧光粉光致发光产生的热量均集中在芯片附近, 导致芯片附近温度升高, 在几种效应的共同作用下, 沉粉工艺制作的COB LED的发光效率在不同电流下均低于常规工艺的3%~5%。

为了实现低成本的温度和应变同时测量, 利用光纤熔接机的熔融放电原理制备了基于全单模光纤(SMF)的花生和J型结构级联的马赫-曾德尔干涉仪(CPJS-MZI)。首先利用光纤熔接机的球形程序将两段单模光纤的端面熔成球形, 再将小球熔接到一起形成花生型结构; 然后在距离花生结构15mm处, 将两根单模光纤端面错位一定距离, 对其进行熔接形成J型结构; 最后对所制备的器件进行温度和应变传感性能的测试。实验发现, CPJS-MZI单个干涉峰强度和波长对应的温度灵敏度分别为-0.0125dB/℃和52.9pm/℃, 应变灵敏度分别为0.0152dB/με和-11.44pm/με。结果表明, 基于SMF的CPJS-MZI可利用单峰实现温度和应变的同时测量, 且具有尺寸小、制备容易、成本低等优点, 在同时测量温度和应变传感领域具有潜在应用价值。

设计并制作了一种硅雪崩光电二极管(APD)四象限探测器芯片, 基于该芯片研制了一款新型高灵敏度制冷型APD四象限探测器组件; 创新性地将探测器芯片、热电制冷器、前置放大电路和增益控制模块集成在带光窗的金属外壳中; 该组件制冷加热速度快, 在-45~70℃环境温度内可使器件恒定工作在10±2℃。测试结果表明, 相对于传统的PIN四象限探测器组件, 由于APD探测器本身能产生雪崩增益, 该组件的灵敏度提高了近两个数量级, 作用距离更远。

设计并实现了一种高功率、高光场均匀性的蓝紫光半导体激光器。采用光纤耦合技术, 将28只输出功率为350mW的半导体激光器的输出激光, 通过非球面透镜分别耦合进纤芯直径为400μm、数值孔径为0.22的光纤中, 光纤经捆绑合束进行功率扩展后输出功率达8.1W。利用Zemax软件设计了复眼透镜组对激光光场进行整形匀化, 仿真结果表明, 光场均匀度从匀化前的48%提高到匀化后的86%, 实验测量光场均匀度达到84.4%。为高精度3D打印技术提供了一种理想光源。

针对微发光二极管(Micro-LED)显示屏存在的转移和键合难题, 提出一种可实现高密度Micro-LED显示屏的非转移、非键合技术设计方法, 该方法直接在蓝宝石上集成显示阵列、金属布线以及驱动器。此外, 还设计了一套可以实现图像数据采集、图像数据处理、图像显示以及显示屏散热的驱动系统。最后成功制备了分辨率为128×128的Micro-LED微显示器, 并实现了16阶灰度图像的动态显示。实验结果表明, 所提方法简易可行, 所设计驱动系统可支持显示屏的驱动显示, 并具有良好的散热解决能力。

在LED芯片的制造过程中, 检测和分拣都需要对芯片进行定位, 定位的精度和速度也直接影响了LED芯片的生产质量和效率。为满足LED芯片定位系统的精度要求, 提出了一种改进的标定算法。首先分析误差来源, 确定主要误差来源于安装角度偏差, 然后通过误差分析结果提出了改进的标定算法来补偿安装误差, 相较于传统标定算法的矩阵求解, 线性运算降低了标定时间。实验结果表明, 改进的标定算法能有效提高芯片的定位精度, 同时有较高的鲁棒性。

自然对流的特征以及流体的流动特征受热源引起的流体密度差影响, 热源位置与冷却流体的密度差以及冷却流体在散热结构中的流动阻力密切相关。对以电子散热为背景的竖通道自然对流强化换热进行了分析, 通过编程计算分析了影响自然对流特征的热源布置、通道当量直径、气流物性变化等对壁温的影响, 讨论了自然对流的流动阻塞特征以及影响因素, 并将计算结果与CFD计算结果进行对比。在一定条件下讨论了竖直散热肋片在自然对流下热源最佳布置位置与最佳散热面积、产生流动阻塞的最大散热量等之间的关系, 可为肋片式散热器的设计优化提供参考。

短沟道效应对器件性能的影响不可忽略, 高k/金属栅极(High-k/Metal Gate, HKMG)器件可以很好地抑制短沟道效应。HKMG器件中金属栅极的制备工艺有前栅极制造工艺和后栅极制造工艺, 其中虚拟栅去除(Dummy Poly Removal, DPRM)过程是后栅极制造中一道至关重要的制程。由于P型MOS管和N型MOS管的金属栅极填充材料不同, 制造工艺中要先完成一种MOS管金属栅极的制作再进行另一种MOS管金属栅极的制作, DPRM后N型MOS管和P型MOS管交界处的结构形貌会直接影响金属栅极的填充, 进而影响器件性能。在电子回旋共振刻蚀等离子体源条件下, 探究DPRM工艺中过刻蚀过程的关键参数对NMOS管和PMOS管交界处结构形貌的影响, 进而总结出减弱N/P型MOS管交界处侧向凹陷程度的工艺条件。

采用密度泛函理论(DFT)第一性原理方法研究了La/N共掺对二维钙钛矿Ba5Nb4O15的电子结构、光吸收系数和迁移率的调制作用。计算结果表明, 在所选择的掺杂浓度下, La/N共掺使其带隙减小了1.46eV, 且仍保持直接带隙, 价带顶和导带底都在Γ点。同时, 由于掺杂后引入杂质能级使带隙减小, 吸收光谱出现明显的红移, 可见光区域的光吸收系数显著增大, 可有效提高对太阳光的利用率。另外, 掺杂后电子和空穴的有效质量显著减小, 迁移率提高3~5倍, 进一步增强了材料的光电与光催化性能。

从受迫摆方程出发导出了系统的频率响应, 并从Mathieu方程的稳定区和不稳定区讨论了系统的稳定性。指出了粒子的准沟道运动可以用周期转动解来描述, 并利用系统的周期倍分叉、跳跃现象和弛豫行为讨论了准沟道粒子运动的稳定性。结果表明, 适当选择参数, 系统的稳定性是可以保证的。

亚波长光栅导模共振滤波器, 具有高峰值反射率、低旁带反射和窄带等特点, 能够实现基于高低折射率介质的滤波器所无法达到的独特功能。设计了中心波长为852nm的带有间隔层、线宽可控的超窄线宽导模共振滤波器, 并分析了主要参数对反射光谱的影响。选择弱调制的介质作为光栅层, 并在光栅层和波导层之间插入一层低折射率的介质作为间隔层来减小光栅层和波导层之间的耦合强度, 进而使导模共振滤波器的线宽达到0.02nm的超窄程度, 并且该结构中的光栅厚度、占空比等对反射光谱的影响极小, 均利于其工艺制备。

以钛酸丁酯、无水乙醇、硝酸银等为原料, 通过溶胶-凝胶法制备了不同Ag掺杂含量的TiO2纳米晶粉体, 用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)检测分析了粉体的晶型转化、微观形貌和晶粒尺寸, 用光致发光光谱(PL)表征材料的光电性能。结果表明, Ag掺杂后的TiO2纳米晶粉体的锐钛矿相比未掺杂Ag样品的含量有所增多, 当Ag掺杂量为1%和3%时, 锐钛矿的相对含量约为65%; 随着Ag掺杂量的增加, 锐钛矿晶粒尺寸逐渐减小; 由TEM图像可知, Ag颗粒较为均匀地弥散在TiO2纳米晶粉体中; 由PL荧光检测结果可知, Ag掺杂TiO2纳米晶粉体的荧光强度比未掺杂的TiO2纳米晶粉体的低。试验结果表明, Ag颗粒较为均匀地弥散在TiO2纳米晶粉体中, 有利于在锐钛矿界(表)面形成Ti-O-Ag的键合, 有效阻止锐钛矿向金红石的转变, 同时抑制锐钛矿TiO2纳米晶粒的增长, Ag颗粒与TiO2纳米晶粉体接触形成肖特基势垒, 加速光生电子由TiO2向Ag颗粒传输, 减小光生电子与空穴的复合几率, 从而提高TiO2纳米晶粉体的光电性能。

采用两步水热法, 在FTO基底上制备了ZnO/CdS阵列薄膜。利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对样品的形貌和结构进行了表征, 发现通过改变水热前驱体溶液中的表面活性剂, 可以有效改变ZnO/CdS光电极的形貌。制备了一维和三维结构的ZnO/CdS薄膜, 以制备的薄膜作为光电极, 研究了其光电化学性能, 发现三维ZnO/CdS电极具有更高的光电流密度和能量转化效率, 分析了电极光电化学性能提升的内在机制。

自动检测和跟踪红外图像中的弱小目标在现代预警和探测系统中非常重要。针对现有的检测方法因受到复杂云层和地面自然背景的干扰, 导致系统虚警率较高和探测概率较低的问题, 提出了一种基于多尺度广义模糊算子的红外图像复杂背景抑制方法。首先利用非下采样轮廓波变换方法将图像进行分解, 获取不同尺度和方向的包含小目标和背景杂波的子带图像。然后, 通过应用模糊非线性背景抑制算子将红外图像中小目标和背景杂波系数差值拉大, 同时将相关性较强的杂波系数做平滑处理以达到抑制背景和增强小目标的目的。多组包含真实和模拟图像序列的实验表明所提方法优于其他方法, 特别是对于包含云层和地面复杂背景的红外图像。

相位敏感光时域反射技术(Φ-OTDR)由于其出色的综合性能而成为目前主流的分布式光纤振动监测方法之一。文章在介绍背向瑞利散射的基础上详细分析了Φ-OTDR系统的传感机理, 并对Φ-OTDR系统的空间分辨率、动态范围和灵敏度等关键性能指标及其影响因素和提高方法进行了系统分析, 为Φ-OTDR系统实际应用时参数的选择和性能优化提供参考。在此基础上, 针对现阶段Φ-OTDR技术在海底电缆、周界防护等领域的应用进行了综述, 指出了Φ-OTDR技术存在的一些不足, 并对其发展前景进行了总结与展望。

机载遥感视频背景复杂, 且指定建筑目标面积小、分布离散, 传统区域提取算法难以准确锁定并跟踪这类目标。提出了一种基于改进FAsT-Match算法的特定建筑区锁定跟踪方法。该方法首先以模板图为基准对目标图像进行直方图规定划, 以适应不同的光照变化; 然后构建仿射变换参数网络, 并根据上一帧得到的最佳仿射变换参数限制当前帧图像的仿射变换参数范围, 以提升匹配效率; 最后将与仿射变换匹配的平行四边形图像数据经过逆仿射变换成矩形图像作为下一帧模板, 从而解决旋转、尺度、形变等变化对目标跟踪准确性的影响。由实验分析可知, 该算法AUC指标可达0.820, 较NCC算法准确率提升40.5%, 且跟踪效果好、效率高、对各种场景的适应性好, 可在特定建筑区域准确、实时、高效地锁定跟踪。

为提高目标的战场生存能力, 电致变温技术被应用于目标的红外动态伪装中, 如何有效地降低功耗是电致变温红外伪装的关键技术之一。通过分析红外动态伪装系统的组成及基本单元结构, 在建立基本单元各个工作层面热传导模型的基础上, 推导出半导体制冷片产生制冷量和风扇主动散热的功耗计算公式。通过仿真计算, 分析了温差设定和环境风速对功耗的影响。该结论可为红外动态伪装系统的功耗指标论证、设计及优化提供理论参考。