热红外谱段是对地观测高光谱遥感中非常有用的波段, 受限于技术发展, 热红外谱段的高光谱成像系统在国内的空间光电系统中并不多见, 近年来在国家相关部门的支持下发展迅速, 取得了较大进展。结合“十二五”期间研制的机载热红外高光谱成像仪系统, 建立了信号流模型, 对系统背景辐射进行了建模仿真, 并对红外焦平面组件等效暗电流进行了分析测量, 在此基础上得出了影响系统的探测灵敏度的关键因素, 给出了系统设计低温光学100 K制冷的设计依据。机载热红外高光谱成像仪研制完成后, 还进行了探测灵敏度实际测量并与仿真结果进行了对比分析, 对未来进一步发展热红外高光谱成像技术积累了重要数据。

介绍了高分五号卫星上由北京空间机电研究所研制的两台载荷的性能和技术先进性。其中, 大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪具有光谱分辨率高、太阳跟踪精度高、光谱定标精度高的技术特点。全谱段光谱成像仪具有谱段范围宽、空间分辨率高、辐射定标精度高的技术特点。与国内外同类载荷相比, 两台载荷都达到了国内领先、国际先进的技术水平, 使我国在空间高光谱分辨率和高精度观测能力上有了大幅提升。对两台载荷的技术先进性进行了分析, 并给出了相关测试结果。最后, 展望了后续多种高光谱载荷的发展方向。

介绍了美国、以色列、法国等西方发达国家在数字化中波红外焦平面探测器方面的研究现状及发展趋势。从数字读出电路(ROIC)角度出发, 阐述了上述三个发达国家开发的列级ADC数字化中波红外焦平面探测器的最新研究成果。在SWaP概念牵引下, 以色列、法国都推出了小像元(中心距为10 μm及以下)、高温工作、数字化输出的百万像素中波红外焦平面探测器组件。最后介绍了昆明物理研究所在数字化红外焦平面探测器组件研究方面取得的最新进展。昆明物理研究所突破列级ADC数字读出电路关键技术后, 研制出一系列中心距(15 μm、20 μm、25 μm)的640×512列级ADC数字化中波红外焦平面探测器组件, 主要技术指标与国外同类数字化中波红外焦平面探测器组件相当。

对半透明材料的光激励红外检测, 其热激励机理与不透明材料不同, 试件的吸热依赖于材料的光学特性和光源的辐射光谱。基于半透明材料的光谱特性, 提出了体加热的物理机制和建模方法。为了获得材料的光谱吸收率, 测试了不同厚度下玻璃纤维复合材料在一定波长范围内光的反射率和透射率。以色温模型来描述加热灯的光谱特性, 用有限单元法分析了闪光灯色温对缺陷检测效果的影响, 给出了可检信息参数(最大温差和最大对比度)与闪光灯色温的关系。结果表明, 最大温差和最大对比度与色温呈非线性关系, 它们随色温升高先减小后增大, 因此低色温和高色温闪光灯对半透明复合材料检测更有利。所得结论为半透明复合材料的闪光灯激励红外检测提供了理论参考。

鉴于获取实测光谱成本高、获取量少和可测量云团种类少等限制因素, 研究污染云团的红外光谱仿真, 对于利用仿真光谱进行光谱识别的算法研究显得至关重要。以往的研究多利用经验的概率模型和经验的或半经验的参数来模拟污染云团的实时扩散, 在此基础上再进行污染云团的红外光谱仿真。文中将利用基于物理的模型来精细地模拟污染云团的扩散, 以弥补概率模型的欠精确性。研究了基于物理的云团扩散的机理, 以及基于此扩散模型上红外光谱的生成方法, 最终将生成的物理模型下的仿真光谱序列、概率模型下的仿真光谱序列和实测的光谱序列进行比较, 得到了更为精准的仿真结果: 就光谱残差而言,最高可提高14%, 并指出了两种模型的适用范围。文中建立的基于物理模型的污染云团扩散及其红外光谱的实时仿真方法, 对于高精度的云团红外光谱仿真及高质量的光谱识别算法研究具有重要意义。

通过模型实验和数值计算相结合的方法研究了带波瓣混合器的涡扇发动机排气系统的红外辐射特性, 并与相应的环形混合器排气系统对比。研究结果表明: 波瓣混合器可以有效的增强内、外涵气流的掺混作用, 降低尾喷流的温度,从而降低喷流红外辐射; 相比环形混合器排气系统, 波瓣混合器排气系统红外辐射强度在喷管正后方0°方位降低9%以上, 在侧向90°方位降低39%以上; 轴对称喷管壁面的低发射率高反射率对排气系统内部高温部件辐射的反射作用强烈, 对排气系统在40°~70°方位角的红外抑制效果不利, 因此, 对于涡扇发动机自身温度较低的喷管壁面, 建议使用高发射低反射特性的材料或涂层, 以增加排气系统的红外抑制效果。

介绍了大面阵偏振长波量子阱红外焦平面探测器组件的研制进展。在640×512规模20 μm中心距面阵上, 偏振焦平面采用了2×2子单元设计, 子单元中每个像元分别刻蚀0°、 90°、 45° 以及135°方向的一维线性光栅, 来获得入射光不同偏振角度的信息。突破了长波量子阱材料外延和器件制备等关键技术, 制备出面阵探测器芯片, 实现了偏振长波红外探测的单片集成, 配上杜瓦和制冷机, 研制出噪声等效温差优于30 mK的长波偏振640×512量子阱探测器组件。

针对传统镁/聚四氟乙烯(Mg/PTFE)诱饵剂燃烧温度高的问题, 通过添加红磷/氧化铜(P/CuO) 高热剂制备一种具有低燃温薄膜型诱饵材料。将P/CuO 高热剂作为添加剂, 通过工艺与配方设计制成薄膜型箔片, 实现了低温点火与低温稳定燃烧, 并对样品的燃烧速度、辐射强度、燃烧温度等参数进行了测试与分析。研究结果显示, 添加P/CuO 高热剂后, 150 mm×15 mm×0.2 mm的0.5 g箔片, 点火温度可从520 ℃下降到390 ℃; 燃烧温度可从1 500 ℃下降到850 ℃, 且能够稳定燃烧; 大于1.0 W·sr-1持续时间从1.2 s增长到1.6 s。从点火温度、稳定燃烧与辐射的性能分析, 基于P/CuO高热剂改性的Mg/PTFE薄膜型诱饵剂适合于抛散引燃型离散面源诱饵的设计需求。

为了提高沙尘暴中红外系统的精度, 应用电磁波在离散随机介质中传播的多重散射理论, 分析红外波在沙尘暴中传播时的后向散射增强机理, 给出了沙尘暴单位体积的粒子数随能见度变化的关系式, 对于可见到远红外波, 研究其在不同能见度的沙尘暴中传播时的多重散射效应引起的后向散射增强。结果表明对于不同波长的波, 其后向散射增强不同。沙尘暴的能见度越低, 后向散射增强越显著。不同类型的沙尘暴, 粒子尺度分布不同; 在一定能见度时, 单位体积中粒子数越多的沙尘暴, 后向散射增强越大; 在一定的粒子数密度时, 含大粒子数越多的沙尘暴, 后向散射增强越显著, 尤其是波长较长波的后向散射增强更明显。即, 沙尘暴的能见度越低, 单位体积中的粒子数越多, 包含较大粒子数目较多时, 后向散射和增强就越显著,则对红外系统的影响就越严重。

超声红外热像技术是一种新型无损检测技术, 裂纹生热效果直接决定了裂纹的可检测性, 而激励源位置是影响裂纹生热的因素之一。针对激励源位置对裂纹生热影响不清楚的问题, 建立了超声换能器与被测金属平板的有限元模型, 并搭建了超声红外热像检测系统; 研究了不同激励源位置时裂纹的生热特性; 并利用等效摩擦力、等效速度以及等效热流进行了有效验证。研究表明: 当激励源位于裂纹面正下方时, 由于裂纹面两侧振动同步, 裂纹生热效果将受到抑制; 而随着激励源位置向两侧移动, 裂纹生热呈现出先波动上升后波动下降的趋势, 而且预紧力越大波动越剧烈。研究成果有效地揭示了激励源位置对裂纹生热的影响规律, 为超声红外热像技术的检测优化奠定了理论基础。

相移谱的功率依赖特性对矢量布里渊光时域分析系统的优化设计具有重要意义。对增益型受激布里渊散射(SBS)相移谱进行了建模分析; 搭建了外差pump-Stokes系统, 在5 ~90 mW泵浦光功率和5 ?滋W~9 mW斯托克斯光功率范围内测量了400 m标准单模光纤的增益型SBS相移谱; 分析了Stokes光功率影响增益型SBS相移的机理。结果表明: 当固定Stokes光功率时, 增益型SBS相移范围与泵浦光功率成良好线性关系; 因泵浦耗尽作用的影响, 导致当Stokes光功率由5 ?滋W上升至8 mW时, 增益型SBS相移范围的泵浦光功率灵敏度由1.448 (°)/mW下降至1.156 (°)/mW。根据理论和实验结果, 对增益型VBOTDA系统进行了优化设计分析, 为其在长距离和高精度传感领域的发展奠定了基础。

在铷原子气室中实现了饱和吸收谱稳频法和消多普勒的双色谱稳频法, 以给在建的原子干涉重力仪系统选择合适的激光稳频方法。介绍了两种稳频方法的基本原理及实验细节。通过调整光路设计、自制低噪声光电探测器以及应用数字锁定模块, 获得了良好的鉴频误差信号。每种方法都搭建了两套稳频系统并在3 000 s采集时间内保持锁定。激光器在经饱和吸收法和消多普勒双色谱法锁定后, 激光频率波动分别为16.2 kHz和31.4 kHz, 相应于在10 s采样时间下分别获得4.21×10-11和8.18×10-11的频率稳定度; 相比之下, 激光器自由运转时, 频率波动和稳定度分别为629 kHz和1.64×10-9。在原子重力仪系统小型化的需求下详述了两种稳频方法的优缺点, 比较而得消多普勒的双色谱稳频法在原子干涉重力仪的小型化模块化发展方向不失为具有潜力的一种选择。

基于四阳极结反向串联型GaAs平面肖特基二极管, 设计并实现了0.2 THz宽带非平衡式二次倍频电路。肖特基二极管倒装焊接在75 ?滋m石英电路上。在小功率和大功率注入条件下, 测试了倍频电路的输出功率和倍频效率。输入功率在10~15 mW时, 通过加载正向偏置电压, 在210~224 GHz, 倍频效率大于3%, 在212 GHz处有最高点倍频效率为7.8%。输入功率在48~88 mW时, 在自偏压条件下, 210~224 GHz带内倍频效率大于3.6%, 在214 GHz处测得最大倍频效率为5.7%。固定输出频率为212 GHz, 在132 mW功率注入时, 自偏压输出功率最大为5.7 mW, 加载反向偏置电压为-0.8 V时, 输出功率为7.5 mW。

研究了超连续谱光源对可见光CMOS图像传感器辐照的实验现象和规律。观察到随着入射激光功率的不断增大, CMOS图像传感器依次出现了像元饱和、局部饱和、局部过饱和以及全屏饱和等现象。与1 060 nm锁模光纤激光辐照同种图像传感器的实验相对比, 从有效干扰面积、图像相关度及图像均方差等三个方面, 对比了两种干扰源在影响CMOS图像传感器成像质量方面的异同, 发现CMOS图像传感器的响应特性、激光的频谱特性和成像光学系统的色散是导致干扰效果差异的主要原因。

激光冲击强化是一种有效提高材料疲劳强度的表面处理技术。针对K24镍基高温合金模拟叶片特点, 文中提出采用无保护层激光冲击强化进行表面处理。同时采用X射线衍射、显微硬度计表征了不同参数冲击下材料截面残余应力和显微硬度变化规律, 并利用高周振动疲劳试验验证其强化效果。结果表明: 无保护层激光冲击强化处理后在材料表层形成一定数值的残余压应力, 冲击1、3、5次后表面残余应力分别为-428、-595、-675 MPa, 影响深度分别约为110、150、160 μm; 显微硬度冲击一次后提升了29.2%, 影响深度约为60 μm。采用不等应力冲击后K24镍基合金模拟叶片疲劳强度由原始试件的282 MPa提高到327 MPa, 提高了16%。

针对钢轨探伤可靠性试验及缺陷信号采集处理要求, 建立了一套基于激光超声技术的无损检测系统。该系统主要包括高能量脉冲激光器、电磁超声换能器、嵌入式信号采集处理系统以及带有人工缺陷裂缝的P60钢轨试件。在分析利用瑞利波探伤机理的基础上, 重点研究了激励线圈阻抗匹配方法, 介绍了嵌入式信号采集处理系统工作原理及其信号处理过程。最后利用搭建的激光超声检测系统, 实现钢轨表面深度不少于0.5 mm缺陷的定位, 并给出了接收信号幅度与提离距离以及缺陷尺寸的关系。

提出并设计了一种适用于激光3D成像的盖革模式雪崩光电二极管(Geiger-mode avalanche photodiode, GM-APD)阵列像素读出电路。基于飞行时间(time-of-flight, TOF)原理, 像素读出电路主要由两部分组成: 有源淬火电路(active quenching circuit, AQC)和时间数字转换器(time-to-digital converter, TDC)。所采用的TDC是粗细结合的两段式计数方式, 成功实现了时钟频率和时间分辨率间的折中。基于内插技术, 由粗计数的线性反馈移位寄存器和细计数的延时线型TDC共同实现了高达18-bit的动态范围。同时两者的时钟频率分别降低至250 MHz和500 MHz, 分别是常规设计频率的1/20和1/10, 大大降低了设计和应用难度。电路采用SMIC 0.18 μm工艺设计, 后仿结果显示达到了200 ps的高精度时间分辨率, 对应的距离分辨率为3 cm, 完全能够满足3 km激光3D成像中的测距要求。像素电路版图面积小于50×95 μm2, 总功耗为0.89 mW, 具有小面积和低功耗的优势。

飞秒激光跟踪仪通过PSD探测脱靶量实现目标跟踪, 脱靶量零位是跟踪激光指向反射靶球的中心时反射激光在PSD上输出的光斑位置, 跟踪时以脱靶量零位作为基准计算目标脱靶量, 因此如何准确标定脱靶量零位是仪器实现精确测量的前提。文中在分析角反射器特性的基础上, 结合仪器自身特点提出了一种基于角反射器的飞秒激光跟踪仪跟踪脱靶量零位标定方法。分析了脱靶量零位误差对仪器指向精度的影响; 建立了跟踪脱靶量标定误差模型; 根据仪器结构设计和轴系几何误差对脱靶量零位标定方法进行了仿真, 结果显示, 其误差小于17.8 ?滋m, 当目标距离仪器10 m时, 仪器的指向误差小于1.1″, 该结果对系统误差补偿模型建立奠定了基础。最后, 基于实际装置对仪器的脱靶量零位进行了标定, 为后续仪器的动态测量提供了跟踪基准。

利用内符合精度和外符合精度两种精度判定方法, 对国内首台基于APOSOS亚太地基光学空间物体观测系统)项目安装在国外的15 cm 地基空间碎片光电观测望远镜获得的观测数据进行了观测精度计算分析。经过计算分析, 得到内符合精度在5″左右; 利用全球激光测距服务系统提供的综合激光测距数据格式标准点资料对Lageos1、Lageos2和Ajisai卫星进行精密定轨, 进而获得这些卫星的精密轨道, 并以此精密轨道作为APOSOS 15 cm光电望远镜观测数据外符合精度的评定依据, 得到外符合精度大约在6″左右。计算分析结果表明: 系统的观测精度较高, 达到了设计指标, 能够满足科研和工程应用的需要。

空间调制型全偏振成像系统利用 Savart偏光镜能够将被探测目标的4个 Stokes参数 S0~S3调制在同一幅干涉图像中, 从而通过单次采集便可获得完整的偏振信息。在该系统中, 半波片和检偏器的角度误差对 Stokes参数的测量精度有着不可忽略的影响。文中首先给出了包含上述两种角度误差的干涉强度调制方程, 根据实际系统参数, 在角度误差模型的基础上分析了当入射光为自然光、 0°/90°线偏振光、 45°/135°线偏振光和左/右旋圆偏振光时, 角度误差对空间调制型全偏振成像系统的 Stokes参数测量精度的影响。利用这四种基态偏振光的偏振测量误差, 给出了任意偏振态和偏振度的入射光偏振测量误差的表征方法 , 最后, 文中以系统测量矩阵条件数为优化目标函数, 经仿真计算得出当 Savart板厚度为 23 mm时系统测量矩阵条件取得最小值为 2.06, 半波片和检偏器耦合角度误差对系统偏振测量精度的影响程度最小。

星上定标系统是卫星遥感器的重要组成部分, 用于实现仪器的星上辐射定标等功能。介绍了安装在某一时间调制型傅里叶变换光谱仪上的星上定标系统, 该星上定标系统采用漫反射板太阳辐射定标方法进行仪器在轨全口径、全光路、全视场的星上辐射定标。定标漫反射板在光谱仪光路最前端反射太阳光, 通过已知的大气外太阳照度和漫反射板的双向反射分布函数BRDF确立辐亮度标准。定标漫反射板的BRDF需要在实验室进行精确测量。介绍了在光谱仪整机状态下使用太阳模拟器和标准漫反射板进行定标漫反射板实验室系统级BRDF测量的方法, 对使用定标漫反射板系统级BRDF进行星上辐射定标时的绝对辐射定标精度进行了分析, 绝对辐射定标精度能够满足≤5%的指标要求。

对光电经纬仪量测噪声统计特性未知或不精确导致实时定轨精度降低甚至发散的问题, 设计了基于奇异值分解的自适应容积卡尔曼滤波(SVD-ACKF)算法。首先, 利用Sage-Husa极大后验估计器及其改进形式对噪声统计特性进行在线估计, 使得CKF算法具有应对噪声变化的自适应能力, 并使用SVD代替传统Cholesky分解以提高数值计算的稳定性。然后, 阐述了实时定轨数学模型, 提出使用欧拉预测校正法对带J2项摄动的轨道动力学方程进行离散。仿真实验表明: 欧拉预测校正法将轨道动力学方程的离散精度提高了1 970.411 m。在量测噪声协方差矩阵取值恶劣时, SVD-ACKF算法将实时定轨精度维持在43 m左右, 并且具有更好的数值稳定性。

在高精度的点源透射比测试中, 测试环境中背景杂散光的影响不可忽视。为了提高点源透射比的测试精度, 研制了一种可有效抑制背景杂散光的高性能光陷阱系统。依据点源透射比测试理论和光辐射能量传输理论, 给出了光陷阱主要设计参数与点源透射比测试误差的定量数学关系; 提出了背景杂散光各级散射路径全面可控的光陷阱设计思路, 大大增加了背景杂散光到达成像视场前的散射次数; 通过多种光陷阱模型的仿真比对实验, 验证设计思路和模型的优越性。实验结果显示: Φ20 m的光陷阱系统可使口径Φ2 m、外形尺寸约2.8 m×3.5 m×11 m的光学系统的点源透射比测试误差达到1.49×10-10, 较相同实验室空间下未使用光陷阱的测试系统降低了约4个数量级, 较相同实验空间下国外现有光陷阱方案降低了两个数量级, 可用于大型太空望远镜的高精度点源透射比测试。

为了获得φ620 mm口径地基反射镜组件的最优设计方案, 建立了反射镜及其支撑系统的参数化模型, 并基于该模型对镜体厚度、支撑点位置和柔性支撑结构的设计参数进行多目标优化设计。首先, 阐述了φ620 mm口径地基主反射镜支撑系统的运动学约束设计原理。然后, 从理论角度推导出柔性支撑的柔度矩阵和结构热变形的等效力, 建立了便于优化迭代的反射镜组件参数化模型, 对比了参数化模型与体单元组成的详尽有限元模型在多种静力学工况下的RMS值和系统的前6阶模态值, 计算结果误差在10%以内, 验证了参数化模型的有效性。最后, 基于径向基函数的近似模型理论, 在Isight环境下对参数化模型进行多目标优化处理。得到了多目标优化的Pareto front前沿, 目标值权衡处理后得到系统的最优的设计方案。提出的优化设计方法具有较好的工程适用性, 可为同类型的反射镜组件优化设计提供参考。

搭建了一种新型的基于瑞利散射的布里渊光时域分析(Rayleigh Brillouin optical time domain analysis, RBOTDA)传感系统。该系统工作在单端, 能克服传统 BOTDA 双端接入的缺点; 采用两个EOM并联的结构产生含有连续基底光的脉冲光, 探测光由基底连续光的瑞利散射提供, 避免了多种受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)作用带来的干扰, 信噪比更高, 传感距离更长; 采用双边带探测方法, 有效减少泵浦脉冲的损耗与非本地效应。建模解析了该系统中的SBS作用过程, 并实验验证了系统的可行性。结果表明, 布里渊增益谱完好地贴合洛伦兹曲线, 非本地效应得到了有效的抑制; 在2.4 km光纤上, 室温25 ℃下泵浦脉宽50 ns时, 布里渊频移为10.867 GHz, 布里渊线宽约为40.21 MHz。

设计了一种带隔直电容的交流耦合CTIA像元电路与数字相关双采样(DCDS)结构的CMOS图像传感器系统。在传统的CTIA像元电路中增加隔直电容, 通过控制光电二极管的偏压, 达到减小光电二极管暗电流的目的; 同时采用片外数字CDS结构, 通过在片外实现复位信号与像元积分信号的量化结果在数字域的减法, 可以减小图像传感器像元的复位噪声和固定图案噪声(FPN)。基于0.35 μm标准CMOS工艺对此CMOS图像传感器进行流片, 像元阵列为256×256, 像元尺寸为16 μm×16 μm。测试结果表明交流耦合CTIA像元电路可以将光电二极管的偏压控制在零偏点附近, 此时其暗电流最小; 采用了数字CDS结构后, 图像传感器像元的时域噪声及固定图案噪声均有不同程度降低。

太赫兹源的输出功率是限制太赫兹技术远距离应用的重要参数。为了实现高效的太赫兹倍频器, 基于高频特性下肖特基二极管的有源区电气模型建模方法, 利用指标参数不同的两种肖特基二极管, 研制出了两种170 GHz平衡式倍频器。所采用的肖特基二极管有源结区模型完善地考虑了二极管IV特性, 载流子饱和速率限制, 直流串联电阻以及趋肤效应等特性。通过对两种倍频器仿真结果进行对比, 完备地分析了二极管主要指标参数对倍频器性能的影响。最后测试结果显示两种平衡式170 GHz倍频器在155~178 GHz工作带宽内的最高倍频效率分别大于11%和24%, 最高输出功率分别大于15 mW和25 mW。从仿真和测试结果表示, 采用的肖特基二极管建模方法和平衡式倍频器结构适用于研制高效的太赫兹倍频器。

针对红外光学系统元件表面缺陷问题, 基于米氏散射理论定量分析了不同疵病等级光学元件表面散射特性, 讨论了光学元件表面双向散射分布函数(BSDF)的变化规律, 进而建立光学元件不同疵病等级的散射模型。在此基础上, 以双子望远镜系统为例, 利用ASAP光学分析软件对其主镜在不同疵病等级的情况下, 到达探测器像面上的系统自身热辐射通量及其分布进行了仿真计算, 并根据有效发射率的定义, 对系统杂散辐射性能进行了定量评价。研究分析发现: 光学元件不同疵病等级不仅会造成系统杂散辐射特性及其在探测器像面上的辐射通量分布发生变化, 而且还会导致其有效发射率发生变化。对主镜疵病等级分别为0、 I-10、 I-20、I-30、II 和 III的情况, 计算得到系统有效发射率分别为2.19%、2.34%、2.46%、2.59%、2.72%和3.08%。由此可见, 随着疵病等级的增加, 系统杂散辐射性能逐渐降低。实际工作中, 必须严格控制光学元件表面疵病等级。

针对特种车内空间狭小、光源布局受限这一问题, 对光照度及接收光功率进行了理论分析, 对光源阵列位置下光照度及光功率的直射和一次反射的分布模型进行了分析与仿真。在光照度需求的约束条件下, 根据光功率分布均匀原则提出了特种车辆内部由5个阵列光源形成中心补偿形布局的优化方案。仿真结果表明, 在2 m×2 m×1.5 m的狭小空间内, 运用该光源布局方案可得到平均接收光功率值为-0.5 dBm时的光照度范围为333.74~466.44 lx, 均匀光照率为79.5%, 可同时满足车内照度与数据通信需求。

光纤布拉格光栅(FBG)的波长随外界温度和压力变化。检测出波长的变化, 就可以计算出外界的温度和压力。文章提出了一个基于F-P温控标准具的高稳定性光纤布拉格光栅(FBG)波长解调系统, 讨论分析了FBG波长解调系统的原理及高稳定性的原因。在这个系统中, 带温控模块的F-P标准具用来进行实时波长校准。F-P标准具的波长数值可查询得到, 由线性插值算法可以得出光纤光栅的波长值。温控模块可以保证标准具在±0.01 ℃的范围内变化, 因此标准具波长值可以认为是定值。最后通过测量水浴槽中光纤光栅的波长变化测试系统稳定性,并与MOI公司解调仪sm125在稳定性方面做了对比。实验结果表明20 h内系统的长期稳定性可达到±0.15 pm,而sm125解调仪是±3 pm。

光逻辑门是未来全光网络中光信息处理的核心元件, 它可以实现高速光包交换, 全光地址识别,数据编码, 奇偶校验, 信号再生等功能。采用微环谐振器设计了一种新型的电光逻辑门, 结构通过三个非对称微环组成, 分析耦合区的传输矩阵方程得出加载电压信号的变化能够实现微环折射率的变化, 利用光强的逻辑开关特性可以实现光门逻辑。计算机仿真验证了工作波长1 600 nm时, 实现的高电平50.7 V定义为逻辑1, 低电平0 V定义为逻辑0, 通过光强变化得出了6位逻辑运算; 整个系统的响应时间理论上得到了1.8 ps, 运算速率可达近200 Gbit/s。逻辑的双稳态分析中得出: 微环发生最大谐振值时对应的控制波长等于微环未发生形变前的谐振波长和偏移量之和; 调制可以通过微环谐振波长实现控制。这一研究对于未来全光通信的实现具有一定的意义。

太赫兹波成像技术在生物医疗和安全检测等领域具有广阔的应用前景。针对新一代信息技术对便携式太赫兹波成像设备的需求, 设计了基于CMOS太赫兹波探测器的成像系统。该系统包括一款CMOS太赫兹波探测器、片外模数转换器(ADC)、FPGA数字信号处理器、二位步进机、四个抛物面镜和太赫兹波辐射源等。CMOS太赫兹波探测器集成了片上贴片天线以及作为检波元件的NMOS晶体管, 探测器由180 nm标准CMOS工艺制成。太赫兹波探测器的输出被片外模数转换器(ADC)采集并转换为数字信号, 该数字信号被FPGA采集并传输到电脑上成像。所有上述元件均被装备在印刷线路板(PCB)上以减小系统体积。该系统实现了透射式太赫兹波扫描成像而无需斩波-锁相技术, 并给出在860 GHz的太赫兹波照射下隐藏在信封内部金属的成像结果。

设计了一种结构紧凑、工作频带较宽、耦合平稳、高方向性的“十字形”多孔耦合的太赫兹波导定向耦合器。基于多孔耦合原理, 利用HFSS软件对太赫兹波导定向耦合器进行了模型仿真和结构优化。仿真结果表明: 在325~475 GHz带宽范围内, 该多孔耦合太赫兹波导定向耦合器耦合度达到7.5±0.8 dB, 隔离度达到30 dB, 即方向性优于20 dB, 各端口回波损耗小于-20 dB。通过对该波导定向耦合器进行高温高压模拟仿真, 确定了使用负性光刻胶SU-8作为结构材料的可行性, 提出应用MEMS工艺在硅衬底上进行加工, 将牺牲层工艺应用到波导腔结构的制作中。利用光刻在直通波导和耦合波导公共宽壁上形成的"十字形"等间距排列耦合孔结构, 可以实现较宽的带宽和良好的耦合平坦度。该方法提高了耦合孔尺寸和位置的精度, 减小了反射损耗, 为太赫兹波导结构的加工提供了新思路。

传感器每个波段的中心波长和半高全宽(Full Width at Half Maximum, FWHM)随成像环境变化会发生较大的系统性漂移。这种漂移最终会影响发射率和温度的反演精度, 尤其是在大气吸收波段附近的发射率反演精度。选择水汽在11.73 μm处的吸收通道作为参考波段, 提出了适用于热红外高光谱数据的光谱定标技术流程。模拟实验表明: 光谱分辨率为50 nm, 中心波长偏移在-50~50 nm、FWHM变化在-25~25 nm时, 大气水汽含量对光谱定标误差的影响最大。同时, 对误差分布曲面进行拟合得到描述误差分布模型, 用于误差的估计。当大气水汽含量足够大时, 光谱中心波长偏移估算误差可达到1 nm以内。最后, 将所提方法应用于机载热红外高光谱数据光谱定标。结果显示, 热红外高光谱成像仪中心波长偏移为28.4 nm, FWHM变化为-18.5 nm。

为获得目标和场景的偏振信息, 基于线偏振片和声光可调滤波器(AOTF)设计了一套高光谱偏振成像系统。文中从AOTF的工作原理出发分析其偏振等效关系, 随后给出了探测系统的具体结构, 并对其光学系统的各元件进行了合理的参数配置。最后, 利用设计的成像系统对林地背景中的涂覆三种不同颜色涂层的铝板进行了高光谱偏振成像实验, 获得了场景的高光谱信息和偏振信息, 并通过数据处理得到涂层与背景之间的强度对比和偏振对比特性。结果表明: 涂层与自然背景的偏振特性存在一定程度的差异, 对于不同自然背景中的目标, 通过选择与背景特性差异较大的若干波长或波段, 利用合适的探测方式进行探测, 有利于实现快速准确的目标识别。

光谱和偏振辐射特性是实现精细目标识别的重要光学参量, 融合光谱和偏振信息分量的光谱偏振成像探测技术有效利用两者的互补性, 提高在复杂背景环境下的目标识别能力, 在环境监测、**侦察和大气分析等领域具有巨大的发展潜力。围绕目标的光谱和偏振信息探测问题, 研究了一种基于微偏振阵列的干涉型高光谱偏振成像技术。在研究Sagnac干涉型高光谱成像技术的基础上, 利用微偏振阵列调制原理引入Stokes偏振分量信息探测。通过分析系统的工作原理, 设计了系统的干涉成像光路模型, 并对光谱信息反演方法以及偏振信息提取方法进行了讨论分析。搭建了实验装置, 对实际场景目标进行了光谱偏振成像实验, 得到了较好的实验结果。研究表明: 该光谱偏振成像技术不仅具有高光通量、高光谱分辨率的优点, 而且能够实现偏振信息的同步获取。

病害胁迫是造成小麦减产及危及世界粮食安全的主要因素之一。如何准确区分相似病害并科学诊断病害严重度, 成为国内外研究热点。文中针对中国冬小麦种植区常见的两种真菌疾病——白粉病和条锈病, 采用高光谱成像系统获取两种病害侵染的小麦叶片图谱合一数据, 通过主成分分析法对影像数据进行降维、密度分割法对病害面积进行分割后, 得到识别病斑准确率达到97%; 进一步分析侵染白粉病和条锈病的叶片病斑区域的光谱特征差异, 选择第二主成分图像筛选两种病害的敏感波段, 得到识别白粉病的敏感波段为519、643、696、764、795、813 nm, 条锈病的敏感波段为494、630、637、698、755、805 nm。最后对筛选出的敏感波段建立白粉病和条锈病支持向量机(SVM)判别模型并验证, 得到两种病害的区分精度为92%。综上, 利用高光谱图像协同解析可在叶片尺度实现小麦白粉病和条锈病的有效判别, 这为开发病害区分仪器提供了重要的理论基础。