全球的气候变化和环境污染等问题使得人们渴求新的可再生、清洁和安全的能源。当前可再生能源仅占世界能源生产的1%。太阳能是可持续再生能源的终极能源。近年来快速发展的太阳能电池市场极大地激发了社会的关注,这主要归结于政府部门对于可再生能源的激励政策。为了保证太阳能的持续发展,必须发展新的太阳能技术使太阳能可持续以及可竞争的低成本使用。为达到上述目的,必须对当前和下一代太阳能电池技术基本科学问题,当前状态以及关键科学问题有一个清晰的认识。主要依据太阳能电池研究经历阐述太阳能电池的关键科学问题。主要包括:太阳能转换的基本原理,当前薄膜太阳能电池的发展状态和关键问题,下一代太阳能电池的主要难题,未来太阳能的可能发展方向和策略。

研究了“猫眼”效应的主动探测跟踪瞄准技术的可行性,并提出使其探测系统与激光干扰源同光轴并共用发射光学系统的技术方案。先用低功率激光去探测目标,当检测到目标回光并对准光电探测系统时,立即增加激光发射功率至干扰级,对目标形成致盲干扰。通过仿真计算评估,基于该方案的激光地基干扰站有效防护距离可达100 km,能够有效对抗“全球鹰”无人机对我沿海重要目标的光电侦察。

通过对激光驾束制导**信息场形成原理及编码特性的研究和分析,结合激光告警技术对其在实战中的探测及告警的可行性进行分析,提出了一种基于DSP+FPGA架构的多目标激光驾束信息场告警技术实施方案,实现了对激光驾束制导信息场的方位标定、告警功能设计,利用DSP完成多目标数据融合、频率分选、及同上位机的通信功能。对告警信息处理能力进行了仿真验证,系统具有实时、稳定、精度高等优点,实现了设计目标。

根据半导体激光器的特点,设计了一种基于集成芯片LTM4600和QX7136的小型半导体激光器驱动电源。该电路具有输入电压范围宽,输出电流大,转换效率和电流稳定度高的特点。经实验证明,输出电压在5~40 V可调,输出电流在0~10 A内可调,电源转换效率为66%,电流稳定度为100 ppm。设计的驱动电源适合应用于小型半导体激光器便携式设备中。

应用于两栖车辆平台的无线光通信系统通信距离短,具有体积小、功耗低,不使用稳定伺服系统的要求。首先分析近红外光在海平面上传输的主要衰减,并在此基础上建立链路光功率几何衰减模型,推导出在特定条件下,接收光功率与接收光轴偏离发射光轴距离、倾斜角以及光源发散角的关系。最后,应用MATLAB进行了仿真计算,得出光通信距离为100 m、300 m和500 m的最优发散角分别为24°、8°和5°,即此发散角下接收光学系统的光功率为阈值时,可偏离光轴距离达到最大。

基于衍射积分推导了矩形光谱的余弦高斯空间模式宽带激光通过薄透镜的传输公式,研究了激光通过薄透镜后的横向强度分布。通过数值计算比较分析了不同带宽时的强度分布波形变化。计算结果表明,在菲涅耳数较小的情况下,矩形光谱的余弦高斯空间模式宽带激光通过薄透镜后横向强度随带宽增大而变窄。但随着菲涅耳数增大,带宽对强度分布的影响减小。研究结果对宽带激光传输特性的深入研究和宽带激光的应用具有指导意义。

设计并开发出一种“纤芯双抛物折射率分布”的新型低损耗单模光纤。通过调整石英光纤中不同掺杂材料组分的分布从而控制光纤折射率分布,使该光纤具备较低的瑞利散射损耗。测试表明,采用该创新型结构研制的新型低损耗单模光纤其在1 310 nm、1 550 nm、1 625 nm波长的衰减典型值分别为0.302 dB/km、0.176 dB/km、0.188 dB/km。该光纤的关键技术指标达到当前国际先进水平与国际标准,该新技术产品有助于提升我国100 G高速骨干网传输容量,降低光纤网络的组网成本。

在光纤布拉格光栅传感系统中,法布里-珀罗(F-P)滤波器是实现波长解调的关键器件。针对模拟控制电路产生锯齿波进行滤波器驱动的速度和频率分辨率不够高的缺点,利用Altera公司的可编程片上系统(SOPC)技术,设计了一个基于FPGA和高速数模转换芯片DAC904的控制电路,并通过后级调理电路处理得到了一个频率为100 Hz、幅值为0~18 V的锯齿波电压信号完成对F-P滤波器的驱动控制。仿真结果表明:利用数字化技术产生锯齿波来控制滤波器的设计方法,可以简化电路设计,提高输出信号的频率分辨率,提高系统运行速度。

针对现有图像去模糊算法过于依赖PC平台,应用领域受到极大限制,且存在快速性、实用性难以保证等问题,提出了基于ARM Cortex-A9多核平台的多视点图像去模糊算法移植与优化方法,实现了ARM多核平台的多视点图像去模糊。该方法针对算法中的耗时模块,结合NEON指令优化和OpenMP多核优化两种并行优化策略,最大程度地减少算法耗时。实验结果表明,在ARM多核平台上,优化后的图像去模糊算法满足快速性要求,且对模糊图像的去模糊效果良好,具备实际应用价值。

电力巡检吊舱的红外成像环境复杂,导致红外系统的成像效果不理想。针对此问题,从巡检目标的特殊温度特性入手,引入二维小波变换与直方图均衡相结合的方法,对图像进行滤波处理。以电力巡检吊舱采集的红外图像作为实验对象,对其进行图像增强处理。提高了图像的对比度,并很好地提取出了陡峭的边缘,突显了电力线路。实验结果验证了所提出的增强算法的可行性。

在分析航拍图像中电力线特征的基础上,提出了一种基于方向可调滤波的航拍图像电力线检测算法。首先对图像进行方向滤波并计算其方向能量函数和脊能量函数,然后结合图像局部和全局信息对图像中的线段进行拟合,最后通过实验的方法对算法的可靠性和实时性进行验证,该算法的计算量约为EDLines算法的一半。实验结果表明,该算法能较好地检测航拍图像中的电力线,且算法复杂度不高,适合电力线的实时检测。

孔探检测是无损检测的一种重要手段,为实现孔探检测设备国产化,设计了一种基于FPGA的孔探仪CCD成像系统。从硬件方面介绍了CCD成像系统的驱动、采集和电源部分设计方案;从软件方面对CCD驱动时序、A/D采样时序的生成进行阐述,并介绍了CCFA到YCbCr格式的转换。实验中,本系统采集到清晰的彩色图像。实验测试结果表明本系统有效可行。

21世纪的信息社会对高于1 Gbit/s的无限信息传输速率需求孔急,由于无线电波频道在较低频段已太过拥挤,且无法负荷10 Git/s以上的以太网络,利用W-频段(约100 GHz)或更高频的毫米波作为载波以实现高速数据传输的技术极受瞩目。然而,无论是在自由空间或是同轴电缆中,毫米波讯号在传输过程中都有很大的损耗。为突破此困境,我们发展将毫米波讯号载在光波上,透过光纤传输的新技术。结合光电式毫米波源与积体光电毫米波发射技术,成功展示超高速的光纤无线通讯技术,经光纤传输25 km后,发射W-频段(0.1 THz)无线讯号,传输率可超过20 Gbit/s(每秒200亿位),相当于在20 s内下载10张高画值DVD(4.7 Gbytes/disk)的全部信息)。我们也证实可以利用100 GHz毫米波上传信息,这对远距医疗传输相当重要。此外,偏远地区或山区也能利用这个方法,分享网络的丰富资源。毫米波无线光纤通讯之关键组件及技术有二:其一是用光电技术产生获得要上载到光纤的次兆赫波讯号,且能将之不失真地经由光纤传到数十公里外;另一个关键技术是光电式的兆赫波发射器(Photonic THz Transmitter),将载在光纤上的~100 GHz讯号与数据以无线电波的形式传播出去。我们开发的发射器拥有高频宽、高功率和低损失的特质,也因此不需要使用昂贵而复杂的放大器,这是强化讯号与降低成本的关键。

电子稳像可有效减轻或消除有/无人机侦察、导弹末端制导、视频监控过程中产生的视频抖动。针对视频帧补偿过程中出现大幅度失稳帧的情况提出了一种视频补偿方法,首先利用平移运动模型估计全局位移和图像重叠区域,使用帧差法检测出运动目标区域,之后建立仿射变换模型提取了图像帧的ORB特征点,消除了位移过大或过小的匹配点、位移图像非重叠区域内的匹配点、运动目标上的匹配点、有线段交叉的匹配点。实验证明,该方法可有效消除视频稳像过程中的大幅度失稳帧,提高了视频补偿的精度。

分析了CCD相机所拍摄的序列影像中的特征点观测量,与惯性导航系统进行组合,提出了基于多状态约束的视觉/惯性组合导航算法,实现了在无GNSS环境下利用低成本惯性器件的导航定位。该算法可充分利用多帧连续影像中相同特征点所构建的几何约束关系,同时大大降低了计算量。通过仿真验证,组合导航算法的精度优于2 m。

四波前横向剪切干涉仪的出现为精确、快速地测试激光波前信息提供了很好的研究方法。概述了四波前横向剪切干涉仪的测试原理,对532 nm半导体激光器和ZYGO-GPI干涉仪标准激光源的光束波前进行测试,得到平均椭偏率分别为0.977和0.900。通过对测量数据与激光器标称参数对比分析得出四波前横向剪切干涉仪能够精确地测量激光波前信息。

针对红外成像系统作用距离的评估,从红外目标探测原理出发,阐述了一种基于红外热成像仪NETD参数进行作用距离评估的模型。该模型采用MODTRAN大气模拟软件计算出不同气象条件下的红外传输透过率,实现对红外成像系统作用距离的有效评估。应用实例表明作用距离评估误差小于2 km,说明评估手段有效。

红外警戒系统是舰船防空的主要技术手段,提出了一种基于仅俯仰稳定的舰载红警系统周扫视场仿真理论与方法。该方法仅需要对红警系统的俯仰进行稳定,其方位可匀速周视旋转扫描,从而实现快速周视成像。推导了甲板俯仰值在扫描过程中的解析表达式,分析了船摇与视场旋转角度的数学关系。针对仅俯仰稳定的舰载红警系统进行周视扫描仿真计算,探讨了仅俯仰稳定周视成像的特点,给出了进一步研发该类系统的相关建议。

基于等光程原理计算得到了太赫兹波准直透镜曲面轮廓的解析表达式,采用全波电磁波仿真软件Feko对其准直效果进行了仿真验证。实验结果表明,双曲面型高密度聚乙烯透镜能够对太赫兹波束进行比较理想的准直效果。所设计的太赫兹准直透镜可以广泛应用于太赫兹波光学系统中。

利用TracePro光学分析软件对LED灯具进行二次光学分析。通过Pro/E三维造型软件设计了两种会聚透镜,根据照明需求选取了Cree的XP-E灯珠作为光源,运用TracePro光学分析软件的非序列光线追迹方法对根据两种透镜设计的灯具进行了光线模拟,得到了各自的光线分布和光照图,并对两种透镜进行了比较,选出了适合XP-E灯珠的透镜。使用记忆式照度计对灯具的照度进行了实际测量,把实际测量结果与模拟结果进行了对比分析。研究发现使用透镜可以很好地控制光线的分布,通过TracePro光学软件可以快速准确地对LED灯具进行光学设计,有利于缩短研发周期和节约成本。

Snell窗口是水下对空成像时由于光线的折射现象形成的一个特殊的水面圆形区域,对研究水下对空成像的规律具有重要作用。研究了与Snell窗口有关的三个光学成像现象,即水面等效入瞳、波面曲率的影响以及天空亮度分布,分别建立了目标的水面等效入瞳模型、水下对空成像光学系统简化模型,以及天空亮度分布模型,并给出了部分数值计算结果,对水下对空成像光学系统的设计具有借鉴意义。

制备了用于LED照明的光散射材料,研究了制备过程中,硅氧烷支端基团、硅氧烷与水的摩尔比值、水解过程中的溶液pH值、水解时间、缩合过程中溶液的pH值及缩合时间对光散射粒子粒径及形貌的影响。并制备了不同光散射粒径大小、板材厚度和光散射粒子添加浓度的光扩散板。结果表明,在原料摩尔比值一定的情况下,对光散射粒子粒径影响因素从大到小排序是:聚合过程中的pH值、水解时间、聚合时间、水解过程pH值,而影响光散射粒子形貌的主要原因是硅氧烷与水的摩尔比值。随着粒径的增加,光扩散板厚度的减小以及添加浓度的增加,光扩散板的透光率增加,雾度下降。

为适应偏光技术对偏光分束器件的需求,给出了一种新型偏光分束器件双萨那芒特棱镜的设计。通过光路分析,得出了双萨那芒特棱镜分束角的表达式,详细分析了分束角与结构角和入射光波长的关系,研究了棱镜分束角的入射角效应。结果表明:对于确定波长的单色光,分束角随结构角的增大而增大;对于一定的结构角,分束角随着入射光波长的增大而减小。与常规萨那芒特棱镜相比,对于相同的棱镜结构角,双萨那芒特棱镜的分束角约为常规萨那芒特棱镜的2倍。对于确定的结构角和入射光波长,棱镜的分束角随着入射角的变化而变化。