基于温度红外图像的光伏组件缺陷检测是实现光伏电站规模化组件质量检测的重要技术。文章简要介绍了光伏组件热斑产生的原因和危害, 重点从热斑检测、热斑定位和提取三个方面总结和对比了光伏组件红外图像及视频的人工神经网络模型及其性能。其中改进的YOLOv5模型对光伏组件的热斑检出精度达到了98.8%, Lucas-Kanade稀疏光流跟踪算法的热斑定位精度达到97.5%。简单讨论了适应大规模光伏电站运维需求的热斑检测技术的发展趋势。

设计并验证了一款可选分辨率、高速1024线列CMOS图像传感器。为了优化列总线读出速率, 芯片采用总线分割技术以减小总线寄生电容, 有效提升了信号读出速率。传感器具有4种可选择分辨率功能, 使其具有更高的帧频。设计的芯片采用0.5μm标准CMOS工艺成功流片, 验证了设计的正确性。测试结果表明: 满阱容量为4.76Me-/像素, 动态范围为75dB; 在128分辨率下, 帧频能达到36000frames/s。

随着硅材料质量的提升和半导体工艺技术的发展, 低温制冷下电荷耦合器件(CCD)的暗电流已经可以忽略, 此时放大器成了主要的噪声源, 限制了对微弱信号的检测。采用电子倍增技术, 通过对电荷包在进入输出节点前进行放大, 可有效抑制放大器的噪声。然而, 电荷包放大后容易饱和, 会限制器件的动态范围。本研究采用浮置栅放大器对电荷包进行无损检测。根据检测结果, 大的电荷包直接输出, 小的电荷包通过电子倍增放大后再输出, 获得高灵敏度的同时兼顾了大的动态范围。根据实际测试结构, 在10-4Lx光照下得到了良好的微光成像效果, 同时动态范围可达15万倍。

为扩大流速传感器的测量范围并降低功耗, 制造并测试了一种基于自加热非晶锗薄膜热电阻的MEMS流速传感器, 它是由嵌入氮化硅薄膜的四个非晶锗热敏电阻和一对环境测温补偿电阻组成。四个非晶锗热电阻同时作为自加热热源和测温元件, 相互连接以形成惠斯通电桥。给出了MEMS工艺流程, 微加工制造了尺寸为8.9mm×5.6mm×0.4mm的流速传感器芯片。搭建了低流速和高流速气流通道实验装置, 对传感器的惠斯通电桥施加50μA的恒定电流(CCA), 实现了0~50m/s范围内的流速测量。结果表明, 传感器在低流速(0~2m/s)时的灵敏度约为81.6mV/(m/s), 在高流速(2~50m/s)时的灵敏度约为51.9mV/(m/s), 最大功耗仅约为1.03mW。

设计了3类8种二极管侧面泵浦结构, 构建了相应的泵浦光学理论模型, 采用有限元分析方法, 计算了不同结构下的吸收效率和矩阵元素标准差。首先, 在给定泵浦总功率、芯片间距、掺杂浓度等前提下, 随着泵浦距离在0~5mm内递增, 8种泵浦结构中激光晶体的吸收效率呈降低趋势, 矩阵元素标准差也逐渐减小, 其中部分结构在近距离(0~0.3mm)泵浦时矩阵元素标准差变化程度较大, 在实际应用中应避免泵浦距离处于近距离区间。其次, 在相同结构参量下, 随着晶体掺杂浓度在0.6%~1.0%内增加, 激光晶体的吸收效率提高, 同时, 掺杂浓度提升也是造成截面中心峰值降低或半径方向上光场凹陷的原因。因此, 掺杂浓度和泵浦距离的匹配将是提升半径方向上均匀性分布的有效手段。

基于TSMC 180nm工艺设计并流片测试了一款用于高能物理实验的电子读出系统的低噪声、低功耗锁相环芯片。该芯片主要由鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器等子模块组成, 在锁相环电荷泵模块中, 使用共源共栅电流镜结构精准镜像电流以减小电流失配和用运放钳位电压进一步减小相位噪声。测试结果表明, 该锁相环芯片在1.8V电源电压、输入50MHz参考时钟条件下, 可稳定输出200MHz的差分时钟信号, 时钟均方根抖动为2.26ps(0.45mUI), 相位噪声在1MHz频偏处为-105.83dBc/Hz。芯片整体功耗实测为23.4mW, 锁相环核心功耗为2.02mW。

随着光伏探测器在傅里叶变换红外(FTIR)光谱探测领域的广泛应用, 光伏型器件的响应非线性现象逐渐成为影响FTIR光谱反演精度的关键问题。文章对光伏探测器的响应非线性进行研究, 首先, 总结了光伏探测器的一般原理与等效电路; 然后, 对导致探测器出现响应非线性的内部效应与外部因素进行分析; 最后, 总结了内外因素之间的关联, 并在结论中给出了对探测器进行非线性校正的工作方向。这对揭示半导体器件对不同通量辐射的响应规律、对于改善研究光伏探测器的非线性问题以及提高FTIR光谱探测精度具有重要的意义。

通过分析电荷耦合器件(CCD)图像传感器光电转换、电荷转移、电荷输出的工作原理, 提出了一种通用高效的电荷转换因子(CVF)测试方法。该方法采用在CCD感光区域施加直流偏压, 水平区施加连续转移的驱动时序的方式, 使CCD光敏区以电荷溢出方式往水平区转移电荷, 水平区以固定频率不间断转移输出电荷包, 从而让CCD输出强度恒定的响应信号; 然后通过复位漏电流与输出信号强度的对应关系计算出CCD器件的CVF值。根据该方法的原理设计了一种适应各种CCD器件的通用测试装置, 并对多款CCD进行测试验证。结果表明, 该方法有效提高了CCD电荷转换因子的测试效率、测试精度和稳定性。

采用综合考虑温度、电场强度、载流子浓度的普遍迁移率模型, 利用实际太阳能光谱和非富勒烯材料的吸收系数来计算载流子的产生, 结合漂移扩散方程、电流连续性方程等对高效率有机太阳电池进行理论建模。利用该模型计算了器件的电流-电压曲线、开路电压-光照强度曲线和短路电流-光照强度曲线。结果发现, 利用该模型计算的电流-电压曲线与实验数据符合很好, 其他两种曲线也与实验数据符合较好。此外, 利用该模型分析了能量无序度对器件性能的影响, 结果表明减小材料的能量无序度可以提高有机太阳电池的性能。

随着无线通信技术的发展, 小型化、多频带微带贴片天线在无线通信中得到了广泛应用。文章设计了一种六边形多频带微带天线, 采用同轴线馈电, 在六边形贴片的每个顶点内侧进行120°的开槽。通过调整贴片开槽的几何形状和尺寸, 能够有效地获得三种不同的谐振模式, 可应用于 L波段和C波段。用仿真软件CST对该种天线进行仿真及分析, 其结果表明, 在工作频段均满足增益G≥6dbi, 回波损耗S11＜-10dB。该天线具有结构简单、体积小、增益良好的特点, 适用于通信中WiFi频段。

提出了一种基于单模-多模-单模(SMS)光纤干涉结构级联光纤布拉格光栅(FBG)的光纤微结构温度应变双参数测量传感器, 并对其应变特性、温度特性进行了实验研究。通过采用光纤熔接手段将长度为35.5mm的多模光纤熔接在两段单模光纤之间, 构成SMS光纤干涉结构, 并通过级联FBG制成温度应变双参数测量传感器。结果证明, 在200~2000με应变范围内, 单模-多模-单模干涉结构和FBG的应变灵敏度分别为-2.31和1.22pm/με, 线性度分别达到0.9992和0.9994; 在580~700℃温度范围内, 其温度灵敏度分别为58.79和13.64pm/℃, 线性度分别达到0.9967和0.9982, 可实现温度、应变双参数的同时测量。

利用分子束外延技术在(100)和(113)B GaAs衬底上进行了有/无AlAs盖帽层量子点的生长, 测量了其在4~100K温度区间的PL光谱。通过对PL光谱的积分强度、峰值能量和半高宽进行分析进而研究载流子的热传输特性。无AlAs盖帽层的(113)B面量子点的PL光谱的热淬灭现象可以由载流子极易从量子点向浸润层逃逸来解释。然而, 有AlAs盖帽层的(113)B量子点的PL热淬灭主要是由于载流子进入了量子点与势垒或者浸润层界面中的非辐射中心引起的。并且其PL的温度依存性与利用Varshni定律计算的体材料InAs的温度依存性吻合很好, 表明载流子通过浸润层进行传输受到了抑制, 由于AlAs引起的相分离机制(113)B量子点的浸润层已经消失或者减小了。(100)面有AlAs盖帽层的PL半高宽的温度依存性与无AlAs盖帽层的量子点大致相同, 表明在相同外延条件下相分离机制在(100)面上不如(113)B面显著。

设计了193nm窄角度和宽角度入射增透膜以及正入射高反膜, 其中增透膜s和p偏振光透射率的最大偏差分别为0.17%和0.44%。结合标量散射理论和等效吸收层近似理论, 多层膜间的粗糙界面等效为薄的吸收层, 基于薄膜本征传输矩阵计算分析了不同界面粗糙度下的光谱性能。研究发现, 薄膜光谱性能随着界面均方根粗糙度的增加而急剧退化, 高反膜反射带宽也随之降低, 达到4nm时, 宽角度入射增透膜和高反膜光谱性能在193nm处分别退化2.04%和2.09%。界面粗糙度是影响高光谱性能真空紫外光学薄膜制备的重要因素。

Mn2+离子掺杂全无机钙钛矿(Mn2+∶CsPbX3, X=Cl, Br)纳米晶(NCs)具有宽发射带、长斯托克斯位移和高量子产率等优势, 在固态照明、光电探测和成像等领域有广阔应用前景。然而, 目前Mn2+掺杂的钙钛矿晶体量子产率很难超过70%, 如何改善发光效率, 同时调控Mn离子发射中心成为构建高质量白光LED的关键。文章通过CdCl2后处理技术, 进行室温下阳离子交换, 获得了高效发光的Cd2+和Mn2+共掺杂的CsPbCl3纳米晶。Mn的发射波长可以从604nm连续调控到624nm, 实现稳定的红光发射。Cd离子掺杂改善了Mn-Cl八面体的晶体场环境, 使Mn衰减寿命提高到1.32ms。此外, 通过绿色CsPbBr3纳米晶和蓝-橙双色Mn∶CsPb(ClBr)3纳米晶构建了高显色指数的暖白光发光二极管(WLED), 其流明效率达60lm/W, 显色指数超过85。

激光退火是消除背照式电荷耦合器件(CCD)图像传感器背面势阱的重要工艺。文章研究了激光退火工艺中不同的激光波长、能量密度、光斑交叠率对掺杂杂质激活效率、器件表面形貌、成像质量及紫外量子效率的影响。研究结果表明, 在浅结注入的情况下, 355nm波长激光激活效率要优于532nm激光, 但是355nm激光比532nm激光更易在较低能量密度时使硅片出现龟裂现象。采用2J/cm2能量密度、50%~65%交叠率, 355nm激光能有效激活离子注入的硼离子, 背照式CCD图像传感器成像均匀性好, 紫外量子效率明显提升。

射频信号的监测具有广泛的应用前景, 文章提出了一种基于DSP的微波光子射频信号监测系统。该系统由前端微波光子信号接收部分和后端信号处理部分组成, 射频信号经光学下变频处理得到中频信号, 经过ADC模数转换后在DSP上应用快速傅里叶变换(FFT)算法完成对接收信号的频谱分析。实验测试结果表明, 该系统可以完成对射频信号的监测, 频率测量误差小于0.25MHz, 动态范围为55dB, 灵敏度为-30dBm。此外, 为了进一步验证, 应用天线进行手机信号的接收实现了对手机信号通信频段的实时监测。

近年来仿生扑翼飞行器利用视觉系统自主飞行成为一个具有广泛前景的研究方向, 然而, 其有限的带载能力对视觉传感器的类型、尺寸和重量提出了严格要求。目前商用图像处理模块的尺寸和重量较大, 且需要回传图像信息至地面控制系统处理, 文章旨在设计一款轻量化机载单目视觉系统, 帮助微型仿生扑翼飞行器获取外界信息并实现智能自主的飞行。相比于其他图像处理模块, 此系统以国产高算力芯片K210为核心进行设计, 可脱离电脑端完成图像处理, 尺寸仅为2.2cm×2.3cm, 重量仅为3g, 内部兼容轻量化网络模型实现分类识别, 通过串口进行信息交互, 控制扑翼飞行器实现手势识别和目标追踪。

针对交通标志识别中限重标志和限速标志相似程度大、容易造成误检等问题, 结合抗噪能力强的二维OTSU自动阈值分割法与寻优能力强的跳蛛优化算法, 提出了一种基于跳蛛优化的二维OTSU限重标志识别算法。该算法通过统计交通标志牌感兴趣区域的二维灰度直方图, 采用改进跳蛛算法求解二维OTSU分割阈值, 快速地实现交通标志图像的二值化, 再利用DBSCAN对二值化图像边缘点聚类, 最后根据聚类结果的相对位置正确识别限重标志。实验结果表明: 在不降低识别率的条件下, 运算时间降低了34.16%, 并能够正确区别限重标志和限速标志。

为了实现弱回波信号下非合作目标识别跟踪, 文章基于单像素光子计数激光雷达系统设计了目标识别跟踪策略, 并且提出了一种目标识别跟踪方法。该方法首先将单像素光子计数激光雷达系统采集得到的三维点云经过插值处理得到直观的距离像, 然后采用最大稳定极值区域算法分割目标和背景, 根据目标轮廓特征识别并选择需要跟踪的目标。最后提取识别目标的质心, 与激光雷达扫描中心的偏差作为误差信号, 控制伺服系统在扫描的基础之上执行目标跟踪。实验结果表明, 当激光发射能量为625pJ、回波光子数为25时, 该系统能对距离为5m、角速度约为2mrad/s的目标进行稳定的识别跟踪; 验证了基于单像素光子计数激光雷达的策略及方法能够稳定的分割目标和背景, 以及正确提取需要识别跟踪测距的目标质心, 为弱回波信号下目标识别跟踪测距提供一种有效直观的探测方法, 同时, 弱信号探测作为远距离探测的必要条件, 为远距离下的目标探测及识别跟踪提供了一个新的技术方向。

针对同时定位与建图(SLAM)中存在定位精度不足、匹配特征点误差累积和特征匹配时间较长, 提出了一种融合改进RANSAC光流法的优化算法。该方法基于传统RANSAC算法, 加入最小二乘法对模型进行迭代优化来估计最优模型, 对光流法的误匹配点进行剔除, 大量减少图像误匹配特征点; 把融合改进后的RANSAC光流法与特征点通过卡尔曼滤波进行融合, 最后使用改进后的算法在公开的EuRoC MAV数据集中进行SLAM定位精度实验。实验结果表明: 该改进算法能够有效减小光流法特征匹配的误差, 从而提高无人机视觉SLAM的定位精度。

针对单透镜成像光谱仪的光谱标定展开研究, 利用单色仪扫频方式标记波长与像平面的相对关系, 利用汞灯特征谱线进行验证。针对选用的单透镜型号, 设计定标方案及步骤, 根据方案搭建实验平台, 完成实验分析验证, 最终结果表明该定标方法适用于单透镜成像光谱设备。

功率是微波信号的基本参数之一。传统的功率测量方法受限于同轴电缆传输损耗大、体积大等因素, 难以适应分布式长距离组网应用。文章提出基于电光转换的微波功率测量方法, 将微波功率测量转换为对光边带抑制比的测量。分别分析了采用相位调制和强度调制的电光转换方法时, 微波功率与光边带抑制比之间的映射关系。实测对比了测量值与理论计算值之间的符合性。该方法经过电光转换后, 可以采用光纤传输信号, 进行长距离远拉测试, 在分布式长距离组网中具有较好的应用前景。

设计了一种联合功率与子信道的资源分配算法, 该算法用于正交频分复用(OFDM)的多色可见光通信(VLC)系统。相比于传统的单色光通信, 文章所设计的算法可用于多种可见光, 包括红、绿、蓝等多种可见光的OFDM信号传输。该资源分配算法目的在于最大化可见光传输网络的传输速率, 首先对三种不同的可见光进行子信道的优化分配, 得到该优化值后对其进行功率分配, 以达到最终的目标优化值。仿真结果表明, 相比于固定的资源分配算法, 该算法可以取得更高的传输速率。

电力设备的局部放电监测是发现设备的绝缘缺陷、维护电网安全运行的重要手段。文章基于分布反馈(DFB)激光器线宽窄、噪声低、相干长度长等优点, 设计了一种用于局部放电监测的振动传感系统。系统采用粘接在悬臂梁上的DFB激光器作为传感头, 利用光纤迈克尔逊干涉仪将DFB激光器波长变化转换为干涉仪的输出光强变化, 采用相位生成载波(PGC)算法进行局部放电信号解调。设计并仿真分析了悬臂梁的振动响应特性, 得到其一阶谐振频率为876Hz。研究了迈克尔逊干涉仪臂长差与系统灵敏度的关系。实验选取脉冲点火器作为局部放电源进行放电检测, 验证了系统用于局部放电检测的可行性。结果表明, 该系统能够检测到800~900Hz放电信号, 灵敏度可达-74.67dB re rad/Pa。

端元提取是高光谱遥感图像混合像元分解的关键步骤。传统线性端元提取方法忽略了像元内地物的非线性混合因素, 制约了混合像元分解精度的提升。针对高光谱图像数据的非线性结构, 提出一种基于测地线距离的正交投影端元提取算法, 将测地线距离引入端元单体提取过程, 利用正交投影方法逐个提取端元。为了降低测地线距离计算量, 在端元提取前先利用自动目标生成方法和无约束最小二乘法对原始高光谱数据进行数据约减。模拟和真实高光谱图像实验表明, 该方法能够表征光谱数据中非线性因素, 端元提取结果优于传统自动目标生成端元提取方法。

针对分布式光纤传感系统所采集含噪信号, 提出一种改进集成局部均值分解(MELMD)联合独立成分分析(ICA)的降噪方法, 引入排列熵判决机制提高抑制模态混叠与虚假分量能力。首先使用MELMD方法分解含噪信号得到乘积函数(PF)并进行信号重构; 将含噪信号和重构信号求差得到虚拟噪声, 构造虚拟通道; 然后使用ICA对含噪信号和虚拟通道进行信噪分离, 得到最终结果。通过实验验证, 该方法与EMD-ICA, EEMD-ICA, MELMD相比, 能更好地消除信号中的噪声, 保留信号的特征信息。

提出一种基于红外热图序列的板级芯片开/短路缺陷检测方法。首先记录芯片关键区域在上电程序响应过程的温度均值序列, 运用Savitzky Golay卷积平滑法对其平滑滤波后提取时域特征参量, 利用主成分分析法优选关键特征; 然后构建支持向量机分类模型, 利用粒子群算法优化支持向量机模型参数, 使其能有效区分不同的电路板故障类型。为验证提出的方法在芯片开/短路缺陷检测中的有效性, 在开发板上的主控芯片上进行了多种焊球开/短路模拟实验。结果表明, 优化后的分类模型在测试集的交叉验证分类准确率为96.90%, 证明了该方法诊断芯片开/短路缺陷的有效性。