微片激光器移频回馈成像技术是一种新兴的相干光成像技术, 具有灵敏度高、相位可测量、系统结构简单等特点。该项技术可与共聚焦成像、超声调制光学成像、光学合成孔径成像等多种成像技术相结合, 在微器件结构测量、生物组织成像、强散射成像等多个领域得到了应用。文章概述了激光器回馈技术的发展过程, 详细介绍了微片激光器移频回馈成像技术的理论模型、研究进展及应用情况, 并对该技术存在的问题进行了分析。

变温环境下, Shupe效应会对陀螺零偏产生影响, 建立线性模型对其进行补偿是工程中常用的一种辅助手段。首先分析陀螺输出漂移与温度的相关性, 然后以温度、温度梯度及二者高阶项、交叉项为自变量集合, 针对随着补偿模型自变量个数逐渐增加, 光纤陀螺补偿后输出漂移极差存在最低值的特性, 提出基于最优子集回归, 确定模型自变量数量, 建立多元多项式回归模型近似求解零偏输出与温度及其相关量的关系。实验与仿真结果表明, 当环境温度在-40~60℃变化时, 100s滑动平均处理后, 该模型使最终的漂移极差减小71.05%, 零偏输出减小94%, 有效地降低了温度对陀螺零偏的影响, 同时具有占用资源少、实时性好的优点。

针对发生损伤后三结GaAs电池的电学特性进行了研究。从三结电池的等效电路模型出发, 根据光伏效应相关理论, 建立了GaAs三结电池损伤分析模型, 具体计算了损伤发生在不同位置时, 光电池输出电压、功率、效率的变化。结果表明, 顶结发生热熔损伤对电池的电学特性影响最大, 将直接导致光电转换效率下降17.23%。中结发生热熔损伤对电池的电学特性影响次之, 将引起4.23%的效率下降。底结损伤对电池的电学特性影响相对最小, 所导致的光电转换效率下降量为2.42%。

铸造单晶硅太阳电池由于性价比高, 在晶硅太阳能市场占有越来越重要的地位。文章以B和Ga共掺杂的铸造单晶硅钝化发射和背面(PERC)电池为研究对象, 采用现有工业生产的电注入退火方法, 分别进行了260和180℃温度下的不同电注入条件退火处理和随后的光致衰减(LID)效应分析。分析表明: 经180℃的电注入退火处理, 电池效率的变化率为-0.64%, 经60kW·h的光照后, 电池效率比退火前降低了2.79%。而经过260℃的电注入退火处理后, 电池效率提高1.12%, 且经60kW·h的光照后, 电池效率比退火前仅下降1.96%。这些结果说明, 260℃的电注入退火条件更适用于铸造单晶硅电池的抗LID处理。

为提升LED芯片的光提取效率和电流扩展能力, 设计了双金属层环形叉指结构ITO/DBR电极的大功率倒装LED芯片, 并对分布式布拉格反射镜(DBR)薄膜和环形叉指电极结构进行了仿真优化计算。利用TFcalc软件仿真计算了DBR堆栈方式、堆栈周期和参考波长对DBR反射率的影响。仿真结果表明, 优化设计的双堆栈DBR薄膜在234nm宽波长范围内反射率均高于95%, 对应蓝黄光区域(440~610nm)平均反射率高达98.95%, 参考波长红移可以缓解DBR反射偏振效应。利用SimuLED软件仿真计算了电极结构对芯片电流扩展能力的影响。仿真结果表明, 350mA电流输入情况下, 单金属层电极电流密度均方差为44.36A/cm2, 而双金属层环形叉指数目为3×3时, 电流密度均方差降至14.37A/cm2。双金属层环形叉指电极降低了p、n电极间距, 减小了电流流动路径, 芯片电流扩展性能明显提升。

由于InN材料具有各向异性的特性, 其电子迁移率沿c轴(Γ-A方向)和底面(Γ-M方向)不同, 同时, 其负微分电阻率在不同晶向上也不同。利用Farahmand Modified Caughey Thomas(FMCT)迁移率模型描述了InN材料在不同晶向上的电子输运特性, 利用文中提出的参数提取方法分别提取了InN在不同晶向上的FMCT模型参数。为了将InN材料的各向异性特性应用于耿氏(Gunn)二极管的制作, 使用Silvaco-atlas半导体仿真软件对纤锌矿InN n+nn+和n+n-nn+两种结构的耿氏二极管进行数值仿真, 对沿两个晶向上制作的InN耿氏二极管的输出特性进行了比较。结果表明: InN耿氏二极管沿Γ-A方向比沿Γ-M方向获得的频率和转化效率更高。InN材料沿Γ-A方向更适合制作耿氏二极管, 该研究为制作InN耿氏二极管提供了参考。

提出一种新颖、可避免高温过程的大面积吸收光栅制作方法, 使用钨纳米粒子作为X射线吸收材料, 利用有机溶剂和乳化剂作为吸收材料的载体, 在负压下将它们填充到周期为42μm、深度为150μm的光栅结构中。此外, 与通过微铸造技术制作的相同结构铋块体吸收光栅相比较, 得到的X射线投影吸收对比度表明, 钨纳米颗粒对X射线吸收性能低约15%, 但纳米颗粒填充法可显著降低吸收光栅的制作成本, 并利于实现大面积制作。

基于耦合模理论, 采用三包层光纤光栅模型, 对镀有敏感薄膜的长周期光纤光栅的传感特性进行了分析。当敏感薄膜的光学参数(薄膜折射率和薄膜厚度)发生变化时, 长周期光纤光栅传输谱中谐振峰处的透射率不变, 但谐振峰会发生平移。进一步对薄膜折射率和薄膜厚度对其传感灵敏度的影响进行数值模拟, 得到了结构优化的高灵敏度长周期光纤光栅传感器典型薄膜光学参数值。计算结果表明, 该类型传感器对敏感薄膜折射率的分辨率可达10-9。研究结果为高灵敏度长周期光纤光栅传感器的结构优化及其传感应用提供了理论支持。

基于铌酸锂(LiNbO3)结构研制了一种采用马赫-曾德尔干涉仪与领结天线的、可用于纳秒强电磁脉冲测量的高精度电场传感器。通过实验对传感器性能进行了验证, 结果表明: 该传感器在对纳秒电磁脉冲上升时间、下降时间与脉冲宽度的测量中, 最大误差分别仅为3.9%、4.3%与0.3%, 测量数据线性度达到0.9991, 最小/最大可测电场强度分别达到3kV/m和50kV/m。

运用矢量有限元方法对脊位于窄边的四种加载介质双脊波导的主模截止波长和单模带宽特性进行了计算和分析, 四种波导分别为脊位于窄边的加载介质双脊矩形波导、加载介质双脊梯形波导、加载介质双脊V形波导以及加载介质双脊椭圆形波导。计算结果表明, 脊位于窄边的四种加载介质双脊波导的两种传输特性总体相似, 和脊位于宽边相比, 脊位于窄边的主模归一化截止波长和单模带宽总体小很多, 且脊位于宽边时的特性变化趋势比脊位于窄边时剧烈。这些计算结果将有助于微波器件及微波系统的设计。

通过比较反向偏压下AlGaN/GaN异质结肖特基势垒二极管(SBD)和GaN SBD的电流特性、电场分布和光发射位置, 研究了GaN基SBD的漏电流传输与退化机制。结果表明, AlGaN/GaN SBD退化前后漏电流均由Frenkel-Poole(FP)发射机制主导, 而GaN SBD低场下为FP发射电流, 高场下则为Fowler-Nordheim(FN)隧穿电流。电场模拟和光发射测试结果表明, 引起退化的主要原因是高电场, 由于结构不同, 两种SBD的退化机制和退化位置并不相同。根据实验结果, 提出了一种高场FN隧穿退化模型, 该模型强调应力后三角势垒变薄导致FN隧穿增强是GaN SBD退化的内在机制。

用射频磁控溅射法在Pt/Ti/SiO2/Si(100)基片上沉积了LiTaO3薄膜, 并在氧气气氛中不同温度下进行退火。采用SEM、XRD、XPS等表征方法分析了薄膜的结晶性能、各元素化学价态和元素原子百分比。结果表明, 经700℃退火处理1h得到的薄膜结晶性能最好, 在(104)晶向上具有强烈的择优取向性。薄膜退火温度的升高导致薄膜中Li空位缺陷和O空位缺陷减少。研究表明, 薄膜中O/Li的原子比对结晶性能有着非常明显的影响, 原子值越接近晶体化学计量比, 结晶性能越好。

以溴化铅、溴化铯为原料, 通过化学气相沉积法(CVD)在Si/SiO2衬底上制备得到全无机钙钛矿CsPbBr3微米棒。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对CsPbBr3微米棒的晶体结构、形貌和组分进行表征, 并通过光致发光光谱(PL)对样品的荧光偏振特性进行了测试。测试分析表明, 制备的CsPbBr3微米棒具有三角形截面, 长度为15~25μm可控, 形貌规则, 结晶质量高, 沿[001]方向结晶生长, 室温下为立方相晶体结构; 微米棒样品展现出良好的偏振依赖荧光发射, PL光谱呈现出180°偏振周期性变化, 发射荧光偏振度为0.30, 光电场限域效应是产生偏振荧光的主要机制。

通过建立POL(Polarization Observation by The Lens-Effective Tracing)保偏光纤定轴系统仿真模型, 分析了定轴过程中光纤发生微小位移以及相机像元尺寸所产生的误差。为了减少该种误差, 实现自动对轴, 提出了一种基于POL技术的保偏光纤定轴方法——POLF(Polarization Observation by The Lens-Effective with Fiber-Focus)定轴法。对该定轴方法进行了仿真验证, 并通过对轴实验对其定轴精度进行了验证。实验结果证明POLF定轴算法能够实现优于1°的定轴精度。

基于Comsol Multiphysics平台, 通过使用有限元仿真对三维集成电路的硅通孔(TSV)模型进行了热仿真分析。分别探究了TSV金属层填充材料及TSV的形状、结构、布局和插入密度对三维(3D)集成电路TSV热特性的影响。结果表明: TSV金属层填充材料的热导率越高, 其热特性就越好, 并且采用新型碳纳米材料进行填充比采用传统金属材料更能提高3D集成电路的热可靠性; 矩形形状的TSV比传统圆形形状的TSV更有利于3D集成电路散热; 矩形同轴以及矩形双环TSV相比其他结构TSV, 更能提高TSV的热特性; TSV布局越均匀, 其热特性越好; 随着TSV插入密度的增加, 其热特性越好, 当插入密度达6%时, 增加TSV的数目对TSV热特性的影响将大幅减小。

根据能带电子输运理论, 对光激发热电子的产生、弛豫、复合过程进行了分析, 并利用蒙特卡罗方法对不同电场中热电子输运的漂移速度瞬变特性进行了模拟。在稳态条件下, 光电导及其相应的光电特性主要决定于复合过程; 而在强电场和高激发状态下, 则主要决定于热电子的行为。实验选用横向型GaAs光电导开关, 在一定的偏置电压条件下输出线性与非线性两种不同模式的电脉冲, 实验结果与理论一致。

采用射频磁控溅射和退火处理方法在普通玻璃基底上制备了N、Al共掺的ZnO薄膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、四探针电阻测试仪和紫外-可见光光谱及X射线光电子能谱(XPS)等测试手段, 分析了溅射功率对薄膜表面形貌结构及光电性能的影响。研究结果表明: 不同溅射功率下所制备的薄膜均为具有c轴择优取向的六角纤锌矿结构, 在可见光范围内, 平均透过率都超过了85%; 在溅射功率为140W条件下, N、Al共掺的ZnO薄膜显示出p型导电特性。

磷化铟(InP)已成为光电器件和微电子器件不可或缺的重要半导体材料。采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法, 计算了不同外电场作用下InP超胞的电子结构和光学性质。计算结果表明: 未加电场时InP的能隙值为0.876eV, 随着z轴方向的外电场增大, 该值逐渐减小, 当电场强度达到1.0×108V/cm时, InP的禁带宽度几乎为0。InP导带区域的总态密度随着外电场增大逐渐向费米面偏移, 态密度跨度变小, 而价带与导带的情况恰恰相反。外电场对介电函数虚部的影响主要体现在低能量区域(0~7eV), 而在较高能量区域内可忽略不计。外电场对InP吸收系数的影响主要集中在近红外波段。

声纳系统是水下**装备的重要组成部分, 其发展趋向隐蔽性、小型化。文章提出了一种基于小型化三元阵列式微机电系统(MEMS)水听器的被动定位系统。首先, 设计了一种三元阵列式MEMS水听器, 即在同一芯片上集成三个不同角度偏差的MEMS矢量敏感单元; 其次, 在充分分析水听器工作原理的基础上建立了阵列式水听器的定位模型, 并通过仿真验证了其设计的合理性; 最后, 以STM32单片机为控制核心设计了阵列式MEMS水听器的信号处理与目标定位系统。这种三元阵列式MEMS水听器在仿真定位中展现了良好的定位精度, 充分证明了本系统设计的正确性及实用性。

极化处理是压电半导体材料制备及构件设计中的关键工艺, 直接影响着其压电性能。根据夹层极化的方法, 研制出一种多样性极化实验装置, 解决了压电半导体的极化问题, 并对极化后的GaN材料性能进行了系统研究。实验结果表明: (1)极化使GaN材料具备了压电性能, 改变了其力电性能参数; (2)极化显著提高了压电半导体的导电能力, 改变了其弯曲强度。

利用光纤光栅传感器实现了基于快速应变响应的传动齿轮模态分析。基于波分复用技术组建光纤光栅传感网络, 根据光纤光栅的应变响应数据完成齿轮的应变模态分析, 并与基于声压传感器的齿轮试验模态分析结果进行对比, 固有频率相对误差小于0.1%。为了实现光纤光栅传感器的快速应变采集, 搭建了一套光纤光栅快速解调仪。该解调仪是基于体相位解调的单通道快速解调仪, 采样速率最高为35kHz, 使用LabVIEW编写了光纤光栅信号采集和解调软件。基于光纤光栅的齿轮应变模态分析方法附加质量小, 比传统加速度传感器测量结果更准确, 能够适应小型齿轮箱内部复杂和恶劣的测量环境, 具有一定的应用价值。

提出了一种基于级联双电极马赫-曾德尔调制器、光延迟线和半导体光放大器的24倍频毫米波信号生成方案。将两个双电极马赫-曾德尔调制器通过一个光延迟线级联, 获得高纯度±4阶边带, 进而利用半导体光放大器的四波混频效应, 得到±4阶和±12阶边带, 通过波分解复用器选出±12阶边带, 经光电探测器拍频即可得到24倍频毫米波信号。理论分析和仿真验证结果表明, 当输入信号频率为4~10GHz时, 可以生成射频杂散抑制比不低于26dB的24倍频毫米波信号, 且其频谱纯度高, 可调谐性好。

为了提高可见光通信(Visible Light Communication, VLC)系统的性能, 基于Hoey序列提出了一种围长为8的准循环低密度奇偶校验(Quasi-Cyclic Low-Density Parity-Check, QC-LDPC)码的新颖构造方法。用该方法构造的QC-LDPC码不含4、6环, 且可灵活选择不同码率。然后用所提出的构造方法构造了码率为0.5的Hoey-QC-LDPC(1536,768)码, 并运用所搭建的VLC系统仿真模型对其进行了仿真性能分析。仿真结果表明, 在误码率(Bit Error Rate, BER)为10-6时, 该Hoey-QC-LDPC(1536,768)码与同码率的基于最大公约数(Greatest Common Divisor, GCD)算法构造的GCD-QC-LDPC(1540,770)码、采用滑动矩形窗口(Slide Rectangular Window, SRW)构造的SRW-QC-LDPC(1540,770)码以及基于卢卡斯数列(Lucas Sequences, LS)构造的LS-QC-LDPC(1536,768)码相比, 其净编码增益(Net Coding Gain, NCG)分别提高了0.50、0.56与1.09dB。

在地基望远镜对太空目标的宽光谱成像观测过程中, 大气色散会严重影响低仰角下图像的信噪比和清晰度。传统的色散棱镜补偿方法存在着生产加工难度大、控制系统复杂、装配困难等问题, 不利于移动和小型化的地基望远镜的应用。提出了一种基于图像反卷积的大气色散修正方法, 不需要增加额外补偿设备, 能够在低信噪比情况下有效修复色散图像。该方法首先利用多次收敛分割算法对图像进行星点分割处理, 随后利用图像反卷积的方法, 对图像进行色散补偿。在1.8m望远镜系统上对恒星的观测和色散补偿实验结果表明, 该方法在不同信噪比下均有复原效果, 平均恢复出目标90%的能量, 信噪比提高到3倍以上, 恢复效果与色散棱镜补偿法相当。

在车载激光雷达系统中, 雪崩光电二级管(APD)检测微弱光信号时, 其增益和灵敏度受温度偏移影响, 导致输出信号失真, 进而影响系统测距精度、实时性与稳定性。设计了这一种带有温度控制与温度补偿功能的APD驱动电路。温度控制模块由TEC制冷器、TMP117温度传感器等器件组成。温度补偿模块采用DS1841芯片。此设计以温控为主, 温补为辅。由于TEC具有热惯性, 温控模式不能立刻使温度达到设定的目标值, 此时温补模式将被触发, 自动补偿合适的APD偏压, 达到温补目的。实验测试表明, 温控模式的控制精度为±0.3℃, 温补模式的偏压相对误差小于0.5%, 系统的测量精度与稳定性显著提高。

运动图像目标检测指的是从序列图像中将变化的目标从背景中分离出来, 高斯混合模型可以对视频序列图像的前景和背景进行分类, 再利用背景减除实现运动目标的检测。提出一种基于改进高斯混合模型的优化背景建模方法, 该方法首先利用3×3模板对序列图像帧中的像素进行类似卷积的均值计算, 然后利用相邻均值的差提取均差因子自适应更新图像的均值。在此基础上, 设计了自适应学习率和学习速率, 利用改进高斯混合模型实现序列图像的背景建模。改进模型不仅能有效减少数据计算量, 同时可以降低在相似区域像素计算的时长, 大大加快背景建模速度。实验结果表明, 改进模型在目标检测、算法执行速率等性能指标上都有更好的表现, 能满足实时检测要求。

借助偏振成像可以增强水下目标的探测效果。传统的偏振成像方法需要光学检偏器的机械转动来实现, 这限制了其在水下的实时探测性能。采用基于像素偏振片阵列图像传感器开发的相机设计了一种水下实时成像系统。系统通过阵列上排布的四向微偏振片一次性捕获四向偏振图像, 从而全局估算背景杂散光的偏振角和偏振度。然后利用偏振信息反解得到杂散光光强, 最后借助水下成像物理模型得到去散射后的目标增强图像。实验结果表明, 将像素偏振片阵列图像传感器应用到水下成像能够有效增强水下图像的对比度, 且成像处理过程实时快速, 进一步提高了水下目标的探测效率。

针对传统智能交通系统(Intelligent Transportation System, ITS)的计算能力和通信能力无法满足其强实时性、高可靠性的需求问题, 且边缘计算(Edge Computing, EC)技术是解决强实时性和高可靠性最有效的技术途径, 设计研发了一套基于塑料光纤(Plastic Optical Fiber, POF)的智能交通EC短距离(小于100m)通信系统。该系统采用POF作为主要通信介质, 并根据通信系统的需求, 设计开发了POF的光纤网络单元(Optical Network Unit, ONU)与各类介质转换器, 实现了POF与RS485、100Mb/s以太网等标准协议接口相连。系统实现与应用表明: POF比较适用于短距离通信系统, 该系统具有传输速率快、带宽高、不受电磁干扰、弯曲半径小、弯曲柔韧性与实时性较好、成本低、可靠性高、现场部署操作方便、不易折断等优势, 因而, 所设计系统具有较好的参考与应用价值。

针对人们对室内定位需求的不断提高, 以及现有室内定位算法定位精度不高等问题, 提出了一种融合神经网络和可见光指纹的室内高精度定位算法。该算法利用反向传播神经网络(BPNN)确定待测目标的粗略位置, 并以其预测坐标和最大误差作为约束条件, 进行指纹匹配以确定待测目标精确位置。仿真结果表明, 该算法平均定位误差为1.5cm, 具有一定的应用价值。

数据匮乏是深度学习面临的一大难题。利用生成对抗网络(GAN)能够基于语义生成新的图像数据这一特性, 提出一种基于谱约束的生成对抗网络图像数据生成方法, 该方法针对卷积生成对抗网络模型易崩溃不收敛的问题, 从每层神经网络的参数矩阵W的谱范数角度出发, 引入谱范数归一化网络参数矩阵, 将网络梯度限制在固定范围内, 减缓判别网络收敛速度, 从而提高GAN的训练稳定性。实验表明, 通过该方法生成的数据相比原始GAN以及DCGAN、WGAN等生成的图像样本数据在图像识别网络中具有更高的准确率, 能够对少量样本数据进行有效扩充。

针对人工检测效率低、暖血器表面灰度值变化平缓以至缺陷提取受限的问题, 提出一种基于图像处理的暖血器缺陷检测方法。首先合理搭建视觉检测平台, 对采集图像进行灰度化、直方图均衡化等预处理; 其次改进阈值分割算法, 对灰度映射变换直方图进行拟合并引入判断条件, 对单峰灰度图直接进行自动阈值分割, 将双峰、多峰灰度图分解为多个部分并运用迭代求取最佳阈值T; 最后运用形态学提取侧面轮廓信息, 完成缺陷分类。实验结果表明, 该方法与常用方法相比, 能够有效区分缺陷种类, 并将准确率提升至99.33%, 满足企业实际检测要求。