为了增强短波红外成像仪的成像对比度，提高目标的识别率，介绍了一种基于现场可编程门阵列 (FPGA)的灰度拉伸算法的实现方法。利用视频数据两帧之间灰度分布近似的特性，通过统计上一帧图像的灰度分布，计算图像拉伸所需要的参数，处理当前帧的图像，达到实时处理的效果。在灰度统计模块中，利用 FPGA的片上块随机存储器 (Block RAM)资源，采用非倍频的流水线数字逻辑设计，避免了跨时钟域的操作，降低了系统状态机的复杂度，提高了系统的工作频率。采用国产 320×256元 InGaAs面阵探测器，搭载了 Xilinx Artix-7系列芯片的实验平台进行实验，仿真结果表明,该方法能有效提高短波红外图像的对比度，具有占用资源少、运算速度快、成本低、可移植性高等优点，满足短波红外成像仪实时灰度拉伸处理的设计要求。

分析时钟恢复算法中环路滤波器比例增益系数对系统误码率的影响时发现,信号的误码率随比例增益系数的增大呈先减小后增大的变化趋势,且不同接收光功率下的最优比例增益系数不同。针对该问题,提出并实现了一种基于Gardner算法的全实时化动态比例增益系数全数字时钟恢复算法,以应对功率抖动信道并提高算法的灵敏度。此外,在基于Altera Stratix-V 5SGXMA7K2F40C3 FPGA平台的2.5 GBaud正交相移键控调制相干通信系统中对该算法进行了在线实验验证。以KP4中的前向纠错码门限2×10 ^-4为上限,当功率抖动频率较慢时,动态参数法能将系统到达该误码门限的最低接收光功率由固定参数法的-47 dBm降低至-49.5 dBm;当功率抖动频率较快时,固定参数法能承受最低功率为-46.5 dBm、抖动频率为100 Hz的抖动,而动态参数法能承受最低功率为-50 dBm、抖动频率为1 kHz的抖动。

基于非线性频率上转换的太赫兹波探测技术具有灵敏度高、响应速度快、可室温操作等优点,现有理论研究中仅考虑了差频转换或和频转换,而这与实验中观察到的二者共存的物理现实并不一致。本文提出了在非线性频率转换过程中差频与和频共存时的理论方程,并以DAST晶体为例模拟分析了不同晶体厚度及泵浦强度下的太赫兹波探测情况。理论计算表明:和频、差频共存下各波变化趋势与单差频或单和频情况有所不同;和频过程的存在会降低差频过程的效率,若只考虑差频,则结果将有所偏差。在特定实验条件下,同时利用差频光与和频光,总信号输出强度更大,其探测效率高于单差频的情况;存在一个最佳的晶体厚度,使得总信号输出最强。进一步计算表明,基于非线性频率上转换的太赫兹单光子探测有可能实现。

针对目前相干光通信正交相移键控(QPSK)系统载波相位恢复算法的两种实现方式——基于复数运算和基于角度运算,就基于复数运算的Viterbi-Viterbi相位估计(VVPE)算法和基于角度运算的重心相位估计(BCPE)算法的恢复性能和硬件实现复杂度两个方面进行分析和对比。仿真证明VVPE算法比BCPE算法对抗加性噪声的能力更强,产生周期滑动的概率更低,两种算法在无周期滑动时性能接近。进行了速率为2.5 GBaud(符号率线宽积4×10 ^-5)和10 GBaud(符号率线宽积1×10 ^-5)的QPSK相干接收实验,采用Matlab离线和Verilog离线方式,对两种算法的性能进行了验证。结果表明:对于2.5 GBaud的QPSK信号,优化均值滤波器长度后,两种算法的接收灵敏度均为-52 dBm@1×10 ^-3,VVPE算法和BCPE算法分别在接收功率为-54 dBm和-53 dBm时产生周期滑动;对于10 GBaud的QPSK信号,优化均值滤波器长度后,两种算法的接收灵敏度均为-47 dBm@1×10 ^-3,BCPE算法在接收功率为-52 dBm时产生周期滑动。基于Xilinx公司的Virtex Ultrascale+系列现场可编程门阵列(FPGA)开发平台,对系统速率为10 GBaud、并行路数为64的两种算法进行了对比,结果表明VVPE算法在输入信号位数为8、BCPE算法在输入信号位数为16时,接收灵敏度均为-51 dBm@2×10 ^-2,BCPE算法相对于VVPE算法,硬件查找表资源占用量降低了约5.78%。

基于聚合物材料的回音壁模式卵形微腔,打破了传统微腔的圆对称性,利用微腔边缘波长级的缺口,实现了远场发散角极小的定向出射。通过三维时域有限差分法仿真分析了卵形微腔的回音壁模式及定向输出特性,重点讨论了不同的变形参数对于远场特性的影响。选用最优的变形参数,得到了波长在536 nm附近的回音壁模式的近场、远场的光场分布特性,以及缺口尺寸对微盘输出光谱的影响,并将卵圆形微盘结构拓展到卵体形微球结构,进一步缩小了光束发散角(约为2.5°),其最高的定向出射效率达93%。该结构不仅可以作为光与物质相互作用的新颖的研究平台,拓展了缺陷变形微腔在定向出射领域的研究范畴,而且有利于推动微型光子器件在生物医学及环境检测等领域的发展。

介绍了基于InGaAs单光子探测器的日光条件测距实验，通过压缩激光接收视场、使用超窄带滤光片、结合超快主动淬灭电路等降低InGaAs单光子探测器死时间的方法，成功地进行了基于InGaAs单光子探测器的日光条件光子计数测距实验。分析实验数据，分别获取基于InGaAs探测器和Si基探测器的系统探测灵敏度、系统测距精度等参数，并进行比较。实验结果表明：经过高速主动淬灭电路优化后的InGaAs探测器，其死时间与Si基探测器的死时间相当；在背景光噪声一定的情况下，使用InGaAs探测器可以提高系统的探测灵敏度，从而增加系统的最大测程；得益于InGaAs探测器的低抖动时间，在提高系统最大测程的同时，系统的测距精度不受影响。

针对近年来得到迅速发展的短波红外成像系统, 分析了增加激光主动照明的必要性.目前常用的激光照明匀化方案均匀性均不高, 达不到照明成像的要求.提出了连续变焦激光照明系统, 使用成像镜头把光纤端面的像直接成像在被照明表面, 照明光斑均匀.分析了变焦照明系统的设计理论, 设计了25倍变焦的短波红外激光照明系统.该照明系统的光学镜头由3组镜片组成, 由凸轮结构实现连续变焦.体积小, 结构简单, 变焦倍数大.最终实现了2~50°的照明角度连续变化.照明光斑均匀度达到92.7%.进行了野外成像实验, 对人员识别距离可达1.2 km.设计的连续变焦激光照明系统对提高短波红外成像系统的夜视能力具有较高的意义.

以APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路(GPQC)和InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)为核心研制了可工作在宽门控频率范围下的近红外单光子探测器。门控信号为200 MHz以下任意重复频率的尖脉冲，门宽约1 ns，脉冲幅度约10 Vpp。采用与APD结电容特性相近的PIN高频二极管研发了APD-PIN结电容平衡门控猝灭电路，可有效地抑制门控微分噪声中的低频分量，抑制比大于40 dB。采用一组简单的9阶贝塞尔型电感-电容(LC)低通滤波电路滤除残余的高频噪声分量，并使用通用的宽带射频放大器对雪崩信号进行放大。在-52 ℃，0.1~200 MHz门控频率条件下，10%探测效率时暗计数率、后脉冲概率分别小于6×10^-6/gate、1.9%，最高探测效率可达26.4%。