半导体太赫兹量子级联激光器(THz QCL)是一种相干性好线宽窄的太赫兹辐射源, 有潜力获得高的输出功率.采用基于非平衡格林函数(NEGF)方法的计算工具设计、生长、制备了基于砷化镓系材料的THz QCL.在10 K温度下, 峰值功率达到270 mW, 平均功率为2.4 mW, 单位面积的输出功率与已报道的最高值相当.采用NEGF方法对器件的温度变化特性做了详细的分析.

柔性高效III-V族多结太阳电池正在被开发、应用于无人机、可穿戴设备和空间能源等领域.采用MOCVD技术在GaAs衬底上制备太阳电池外延层, 之后通过低温键合和外延层剥离方法将外延层转移到柔性衬底上.通过外延层剥离设备设计和大量参数优化实验, 实现了GaAs太阳电池结构从四英寸砷化镓晶圆上的有效分离, 且不产生缺陷并保持原有的性能.近期, 在50 μm聚酰亚胺薄膜上制备的30 cm2大面积柔性GaInP/GaAs/InGaAs 三结太阳电池实现了31.5%的转换效率(AM0光谱), 其中开路电压3.01 V, 短路电流密度16.8 mA/cm2, 填充因子0.845.由于采用了轻质的聚酰亚胺材料, 所得到的柔性太阳电池面密度仅为1685 g/m2, 比功率高达2530 W/kg.

研究了利用太赫兹时间分辨系统研究有机卤化物钙钛矿薄膜(CH3NH3PbI3 and CH3NH3PbI3-xClx)的皮秒尺度的超快太赫兹调制特性.在光激发作用下出现了太赫兹透射波的瞬时下降.相比于CH3NH3PbI3薄膜, 在光激发作用下CH3NH3PbI3-xClx薄膜展现了更高的调制深度(10%).通过测算材料的电导率及载流子浓度, 其调制机理为瞬态光激发载流子浓度上升.实验结果表明, CH3NH3PbI3-xClx薄膜可作为一种高效超快太赫兹调制器件.

为了进一步缩小SPAD探测器的尺寸, 基于0.18 μm CMOS 图像传感器(CIS)工艺对p-well/DNW(deep n-well)SPAD的保护环尺寸进行设计, 并制造了不同保护环尺寸的SPAD器件.测试结果表明, 保护环尺寸减小到0.4 μm仍然能有效防止器件发生过早边缘击穿(PEB), 且保护环尺寸对p-well/DNW SPAD器件的暗计数率(DCR)和光子探测概率(PDP)影响较小.直径为20 μm的SPAD器件, 温度为25℃时暗计数率为638 Hz, 且波长为530 nm时峰值光子探测概率为16%, 具有低的暗计数率特性和宽的光谱响应特性.

提出了一种在150~165 THz区域内的具有单峰吸收特性的高性能超材料吸收器。设计的吸波器包含两个阵列：双金属颗粒阵列和双空气孔阵列。金属层的阻尼常数在模拟中被优化。发现在模拟中使用2.3倍的阻尼常数时, 可以获得最大吸收率96％。吸收峰由局域表面等离子体(LSP)模式共振激发。为了揭示共振电磁机理, 进行了两组模拟, 研究结构参数变化对共振吸收峰的影响。发现随着垂直距离V的增加, 吸收峰被增强, 当V=160 nm时, 获得新的吸收带。在第二次模拟中, 对于水平距离H的增加, 吸收峰也增强, 并且当H=190 nm时获得另一个新的吸收带。电场强度分布结果表明LSP模式的激发和LSP模式之间的耦合效应导致吸收峰增强现象。

风云四号是地球静止三轴稳定平台气象卫星,装载其上的辐射成像仪受剧烈的外热流日周期和年周期变化的影响, 扫描机构和主光学系统等关键部件的温度每天波动可达40℃以上.光学及支撑结构如何适应剧烈的环境温度变化, 并保证良好的像质, 是地球静止三轴稳定平台遥感仪器系统设计的国际性难题.多种特性材料的匹配性设计以及适当支撑结构形式的采用,是避免和减少因温度大幅波动引起的光机变形及成像质量下降的良好策略.在轨数据表明, 辐射成像仪克服了昼夜温差大的不利影响, 敏感恒星时的弥散斑几乎仅覆盖一个像素, 而且正午和子夜结果差别不大.

针对中国第二代静止气象卫星风云四号(FY-4A)的干涉式大气垂直探测仪(GIIRS), 从信息容量的角度, 运用分步迭代法, 以及精确型辐射传输模式LBLRTM, 进行温度探测通道优选试验。计算得到在全球范围反演温度廓线的56个优选通道以及FY-4A探测范围的58个优选通道, 所选通道自身信息容量较高, 相互之间相关性小, 可应用于大气温度廓线反演和数据同化研究。

高光谱遥感技术具有强大的地物探测能力.然而,其空间分辨率低的特点导致光谱图像中存在大量的混合像元,该现象阻碍了高光谱技术的应用和发展.针对米级以下的高光谱图像,线性混合模型能够很好地为混合像元建模.由于其物理上的可释性以及数学上的可操作性,作为光谱解混基础的线性混合模型受到了广泛关注,为高光谱图像的混合像元解混问题提供了重要的解决思路.然而,由于观测噪声、环境条件、端元变异性和数据集大小等情况的存在,线性解混依然是一个具有挑战性的不适定的逆问题.通过整理近五年的文献资料,分别从非负矩阵分解、原型分析、贝叶斯方法以及稀疏解混四个方面介绍线性解混数学模型的发展现状以及面临的问题.

遥感信息定量化要求高精度的光谱辐射定标技术支撑, 使传感器获取数据可比较性、测量精度和长期稳定性得到保证, 溯源于低温绝对辐射计的定标技术是发展趋势.为提高红外绝对光谱响应率定标精度, 在一种薄膜热电堆传感器上加装镀金反射半球, 研制了红外陷阱探测器作为标准传递探测器.利用电替代技术, 测试了红外陷阱探测器光谱响应线性、空间响应均匀性和稳定性.通过溯源于低温绝对辐射计的光谱辐射定标系统, 标定了其在1.1～3.0 μm短波红外波段的绝对光谱响应率, 合成不确定度小于1%.将红外陷阱探测器应用于红外光谱辐射定标, 可缩短低温绝对辐射计的红外光谱功率标准传递链路并提高定标精度.

基于相位展开的欧拉大信号理论, 采用逐次逼近法推导得到场和AM/PM转换(输出相位对输入功率的导数)的大信号解析解。以一支Q波段毫米波行波管为例, 将大信号解析解与拉格朗日理论以及传统欧拉非线性理论进行对比。结果表明：大信号解析解的功率、增益和相移以及AM/PM转换与拉格朗日理论在线性区和中度互作用区十分吻合, 饱和增益最大误差小于8.5%。同时大信号解析解相较于传统的欧拉非线性模型具有更高的精度, 且能表现出饱和现象。

针对海面场景长波红外偏振特性建模问题, 文中根据表面微元双向反射分布函数BRDF, 对物体表面偏振效应进行了分析, 并结合红外发射效应和红外反射效应的综合作用, 提出了一种长波红外偏振度计算模型.该模型有效描述了偏振度和物体自身红外发射值、红外反射值以及探测角之间的关系.利用RadthermIR软件对海水辐射、大气辐射与舰船目标辐射进行计算, 结合本文构建的偏振度计算模型, 仿真了不同时间段内、不同观测角度下海面背景和舰船目标在长波波段的偏振度变化规律.通过仿真数据与实际测量数据的对比分析, 结果表明两者具有较好的拟合度, 验证了该模型对于海面场景偏振度计算的有效性.

利用自主搭建的实验系统, 同步实时地测量了热致相变材料二氧化钒(VO2)薄膜在相变过程中的反射率及其涨落(噪声谱).实时傅里叶变换采集卡测得的噪声谱不仅可以像反射率测量一样给出样品的相变温度(55℃), 还在样品的高温区金属相里发现了一个明显的噪声峰(位于15~20 MHz), 而低温区半导体相的噪声谱几乎是平坦的.这种噪声峰也反映了薄膜样品中低温半导体相和高温金属相的晶体结构差异.噪声谱测量可以广泛地应用于相变材料的研究.

热辐射方向性是热红外遥感反演和产品真实性检验中的关键问题之一.针对行播作物, 构建了一个综合考虑光照植被/阴影植被、光照土壤/阴影土壤、植被-土壤多次散射和观测视场多影响因素的行播作物热辐射方向性模型, 并详细分析模型精度以及模型对LAI、冠层结构等参数的敏感性.结果表明, 该模型不仅能够很好体现出行播结构热辐射特性和热点效应, 而且适用于连续作物热辐射特性模拟; 与现有FRA97模型和FovMod模型对比一致性良好, 均方根误差分别为0.18 K和0.36 K.

冰云探测对于提高天气预报准确性、监测极端天气现象等具有重要的意义.考虑到冰云粒子尺寸、形状分布等因素, 利用太赫兹频段被动遥感仪器能更好地解决冰云探测的难题.664 GHz作为一个重要的探测频点, 其接收机射频前端主要包括664 GHz二次谐波混频器、332 GHz二倍频器以及166 GHz大功率源.作者在太赫兹二倍频设计的基础上, 利用两路功率合成技术实现166 GHz大功率源, 目的是提供给后级的332 GHz二倍频器足够的输入功率, 从而能够驱动谐波混频器工作.实验结果表明, 上述大功率源在164~172 GHz频率范围内输出功率大于46 mW; 在168 GHz处有最大输出功率59 mW.以上研究有效解决了本振链路中G波段输出功率不足的问题, 为研制更高频段的太赫兹系统提供了技术支撑.

仪器线型函数是傅里叶光谱仪重要的物理表征参数之一, 影响仪器测量光谱的精度.随着空间测量和大气探测等遥感应用在高精度上的需求, 如何实时在轨测量并更新星载光谱仪的仪器线型函数, 成为当前提高在轨超高分辨率光谱仪测量精度的重要手段.以傅里叶型光谱仪为例, 根据仪器线型函数的原理, 利用在轨超高分辨率光谱仪实测太阳光谱定标数据不受大气气溶胶影响且具有独立太阳弗朗和费线的特征, 来对在轨超高分辨率光谱仪的仪器线型函数进行监督和更新.实验以Kurucz太阳光谱模型作为参考光谱, 在对应波段范围内分别选取多条实测太阳定标光谱和参考光谱的特征峰, 通过调整光谱仪的狭缝模型, 对特征峰残差进行迭代对比, 演算出仪器ILS参数变化.最后, 用更新的仪器线型函数与临边理论光谱卷积, 与实测临边定标光谱比较验证, 误差范围在-6%~8%.结果表明, 该方法可为在轨超高分辨率光谱仪仪器线型函数的监督更新提供参考依据.

蓝藻是内陆富营养水体水华发生的主要优势藻种, 而藻蓝蛋白(Phycocyanin, PC)是蓝藻的标志性色素, 因此利用遥感估算水体中藻蓝蛋白浓度从而对蓝藻水华预警具有重要意义。利用太湖、滇池、洪泽湖的实测数据, 构建藻蓝蛋白随机森林遥感估算模型, 并将模型应用到哨兵3A-OLCI影像。通过对随机森林的输入自变量进行重要性分析, 发现第7波段(620 nm)、第8波段(665 nm)和第9波段(675 nm)三个波段对藻蓝蛋白反演的影响程度最大。同时, 反演结果表明, 随机森林反演的藻蓝蛋白浓度平均绝对百分比误差(MAPE)为34.86%, 均方根误差(RMSE)为38.67 μg/L, 与Simis等半分析算法和齐琳的PCI(Phycocyanin Index)指数模型相比, 平均绝对百分比误差(MAPE)分别提高了85.06%和15.65%, 均方根误差分别提高了26.08 μg/L和19.86 μg/L。利用地面实测数据对同步卫星影像大气校正进行精度评价, 发现MUMM(The Management Uint Mathematical Model)算法可以用于OLCI影像的大气校正, 尤其在560~779 nm处共8个波段的MAPE低于30%, 光谱曲线与实测光谱曲线形状保持一致。结果表明所构建的基于哨兵3A-OLCI影像的藻蓝蛋白随机森林反演模型, 可以成功的应用于我国的内陆富营养化湖泊, 为我国内陆湖泊藻蓝蛋白浓度的遥感反演提供一个新的算法。

高光谱遥感图像的非线性光谱解混能弥补线性方法难以解释复杂场景中非线性混合效应的不足, 而双线性混合模型及算法是其研究的热点.提出了一种基于双线性混合模型几何特性的光谱解混算法.通过将模型中的非线性混合项表示为一个融合了共同非线性效应的额外端点的线性贡献, 使复杂的双线性混合模型求解转化为简单的线性解混问题.然后结合传统的线性解混算法直接迭代估计正确的丰度.模拟和真实遥感图像数据的实验结果表明, 与其它相关解混方法相比, 该算法能较好地克服共线性效应以及拟合优化过多参数对双线性混合模型求解造成的不利影响, 同时提高了解混的精度和速度.

基于调频连续波测距的原理搭建并改进了双光路调频连续波测距系统, 在测量光路增加光纤延迟线使测量距离拓展到了65 m.还研究了等光频重采样中色散的影响, 推导出了带有色散和光纤延迟线的重采样模型, 提出了在调频连续波大长度测距中通过频率幅度来调节相位补偿系数的色散校正方法.实验表明, 在45~65 m的范围内增加了光纤延迟线并且有效的校正了色散, 校正色散后在65.165 m处测距值与干涉仪测量值最大误差小于500 μm, 标准差为246 μm, 频谱分辨力高达123 μm, 十分接近理论分辨力.文章的研究为调频连续波大尺寸测量提供了可行性的参考.