根据InP二极管的物理结构, 采用三维高频电磁仿真软件对其精确建模仿真, 获得二极管的物理模型和匹配电路的精确参数, 而后将此模型利用谐波平衡进行仿真设计.最后, 在此基础上采用InP肖特基二极管, 设计制作并测试了国内首款270GHz的零偏置检波器.检波器的最大电压响应度为1600V/W, 在260~280GHz范围内, 电压响应的典型值为1400V/W, 其对应的等效噪声功率典型值为18pW/Hz.实验结果与仿真结果比较吻合, 其结果表明, 设计方法较为精确, 具有设计简单、优化方便等优点.

利用红外热成像技术和有限元方法在实验和理论上研究了高功率808nm半导体激光器巴条热耦合特征, 给出了稳态和瞬态热分析, 呈现了详细的激光器巴条热耦合轮廓.发现器件稳态温升随工作电流呈对数增加, 热耦合也随之增加且主要发生在芯片级.另外, 作者利用热阻并联模型解释了芯片级热时间常数随工作电流减小的现象.

针对压缩感知目标跟踪算法在目标纹理改变、比例缩放、光照变化剧烈时鲁棒性不足, 提出一种面向高斯差分图的实时跟踪算法.首先, 构建图像的多尺度空间及其对应的高斯差分图, 实现高斯差分图的特征提取并获取压缩感知的输入信号;然后, 通过压缩降维, 目标邻域遍历, 参数更新等过程, 计算出面向高斯差分图的后续帧的目标最优跟踪窗;最后, 将跟踪窗投影到对应的原始图像上, 完成面向视频流的目标跟踪.高斯差分图像是单通道灰度图, 具有灰度取值范围小、数值低、结构简单、维数少等特点, 增强了特征对纹理改变、比例缩放和光照变化的稳健性, 且继承了传统算法的实时性.实验证明, 该算法能够快速准确地实现复杂环境下的移动目标跟踪任务.

为了从扫描图像序列中检测弱小运动目标并对其状态参数进行估计, 提出一种基于随机有限集理论的目标联合检测跟踪算法.根据推扫型光学传感器的扫描特性, 建立目标在像平面的运动模型和测量模型.将目标状态和量测数据描述为随机有限集合, 将目标的联合检测跟踪问题建模为目标状态集的贝叶斯最优估计问题, 并依据随机有限集理论推导出贝叶斯滤波的预测和更新表达式.从算法实现的角度, 利用高斯混合技术实现算法的递推滤波.仿真结果表明, 该算法适应杂波的能力强, 对漏检的影响更小, 可以有效完成推扫型光学传感器的目标检测跟踪任务.

异常检测是高光谱遥感技术应用的一个重要方向.然而随着高光谱数据量的增大, 实时处理成为高光谱异常检测方法所面临的主要问题.基于此, 文中提出了一种新型的高光谱图像实时异常检测方法.随着数据的实时下行传输, 该异常算子仅仅利用了待检测像元之前已获取的所有像元信息, 而并没有用到尚未获取的像元信息, 使得数据边传输边处理成为可能;同时, 利用卡尔曼滤波器的递归思想, 用Woodbury引理从上一时刻的状态更新目前信息, 避免了重新计算历史信息及存储所有像元, 在大大缩短算法运行时间的同时, 大大降低了所需的存储空间.接收机特性曲线显示, 与传统异常检测算法相比, 这种新型实时算法可获得几乎相同的检测精度.在不影响检测效果的前提下, 时间复杂度曲线和算子运行时间可显示提出算法的时效性.与此同时, 提出的的状态更新公式不需要重新计算已有像元信息, 因此只需两个存储单元存储前一时刻的状态(协方差矩阵或相关矩阵)以及当前的新像元信息, 从而大大降低了算法所需的存储空间.

结合压缩感知成像原理和遥感成像系统的物理可实现性, 提出了采用掩膜编码的多通道复用压缩成像方法.首先, 采用多组随机二值伯努利分布的掩膜为不同光学通道视场进行压缩编码, 在单位积分时间内采集重构图像所需的欠采样数据.然后, 针对传统的全变分范数最小化的重构方法易受遥感图像局部突出特征干扰的问题, 提出了以遥感图像空间域非局部相似度为正则化重构标准的先验约束.实验结果验证了此压缩成像方法的可行性.与传统算法相比, 此重构算法能够在保留图像细节的同时实现有效重构.

通过对甚长波量子阱红外探测器的变温变偏压光谱实验, 发现了光电流谱峰值响应波长与半高宽随偏置电压和温度变化均会发生变化, 尤其以小偏压下峰值移动明显.结合器件能带结构计算的结果, 提出了甚长波量子阱红外探测器中双激发态工作模型, 并阐明了其中束缚态-准束缚态跃迁模式中准束缚态的物理特性, 包括隧穿特性和热离化特性, 以及不同工作条件下这两种物理过程在形成光电流时的主导性.同时, 验证了甚长波量子阱红外探测器件的第一激发态随外界工作条件的变化会呈现出准束缚到准连续的变化特性.最后, 揭示了在甚长波量子阱红外探测器工作中束缚态-准束缚态跃迁工作模式对于降低器件暗电流、提升器件工作温度、提高器件探测率的有效性.

使用感应耦合等离子体化学气相沉积(Inductively coupled plasma chemical vapor deposition, ICPCVD)方法在GaN上沉积SiOx薄膜, 生长参数中采用不同RF功率, 研究RF功率对薄膜物理性能和电学性能的影响.结果发现, 随着RF功率增大, 薄膜应力增大, 表面粗糙度减小, 薄膜致密度增大.选择最优的RF功率参数, 制作了SiOx/n-GaN金属-绝缘体-半导体(metal-insulator-semiconductor, MIS)器件, 结果得到薄膜漏电流密度在外加偏压为90V时小于1×10-7A/cm2, SiOx/n-GaN界面态密度为2.4×1010eV-1cm-2.表明利用ICPCVD低温沉积的SiOx-GaN 界面态密度低, 薄膜绝缘性能良好.

从提高p-GaAs同质结太赫兹探测器量子效率出发, 在考虑温度和偏压等参数的影响后, 优化了谐振腔增强的p-GaAs同质结太赫兹探测器的材料及结构参数, 使探测器的量子效率提高到了17%.并计算了探测器的响应率、探测率和偏压、温度、光谱频率的关系, 得到了最佳工作偏压(10~40mV)、最佳工作温度(<8K)和最大探测率(4.1×1010cm Hz1/2/W).而通过施加一对匹配的反射镜来构造谐振腔的设计, 所能获得的极限量子效率为26%, 极限探测率和响应率分别为5.7×1010cm Hz1/2/W、25.9A/W.

在考察InGaAs p-i-n管对锁模激光响应的实验中, 发现其响应电压在经历一个快速的上升沿和缓慢的拖尾以后有一个明显的负电压.在二极管的线性响应阶段, 负电压与正电压的峰值之比大约在0.18左右, 且不随激光脉冲能量的增大而改变;在二极管的非线性响应阶段, 随着光脉冲能量的增大, 负电压逐渐变小最终消失.通过对p-i-n管的等效电路模型的建立以及对RLC振荡电路方程的求解, 认为负电压的产生是由于二极管表现出了可观的电感特性, 而负电压的消失是由于二极管的结电容随着光脉冲能量增大而增大的结果.该研究结果对InGaAs p-i-n管的设计和制造具有一定的理论指导作用.

利用化学溶液法在具有良好导热性和红外透过性的钇铝石榴石单晶衬底上成功制备了具有单一尖晶石相的Mn1.56Co0.96Ni0.48O4薄膜.傅里叶红外光谱测试表明薄膜在2.5~5μm波段具有明显的吸收带.通过研究其电阻-温度关系并利用最近邻跳跃模型进行拟合, 得到薄膜的特征温度约为2530K, 室温下的负电阻温度系数约为-3.66%K-1.

自然界中很多材料在太赫兹(THz)频段没有电磁响应, THz超材料的出现为太赫兹技术的发展和应用带来了新的机遇.但目前超材料太赫兹响应的调节方式比较繁琐, 影响了理论与应用研究的开展.作者提出一种调制太赫兹超材料响应的简易新方法, 即将超材料的结构单元整体按比例地放大和缩小.仿真结果表明, 已满足阻抗匹配条件的超材料结构经整体比例变化之后, 仍然满足阻抗匹配条件;而且, 调整后超材料的吸收频率与尺寸变化的倍数成反比;令人惊奇的是, 超材料的响应频带也随着单元尺寸的整体缩小而变宽.通过这种简易的尺寸变化方式, 我们可以利用普通的超材料结构, 得到一定范围内对任意入射频率具有完美吸收(吸收峰值大于98%)的太赫兹超材料.这种调制方式使超材料的设计变得更加简化, 为超材料的理论与应用(特别是在器件中的应用)研究提供了更广阔的空间.

高光谱成像具有精细的光谱分辨能力, 在热红外谱段实施高光谱成像对目标探测与识别有显著效果.与国外相比, 我国在该领域的研究还相对薄弱, 应用部门的研究主要基于国外数据, 国内尚未有成熟的仪器.对国内外研究现状进行了详细调研, 并结合目前国内已经布局的研究项目对该领域未来的发展进行了展望, 对我国发展高性能空间红外光谱成像技术具有一定意义.

基于分立式GaAs肖特基势垒二极管, 研制出了190~225GHz高效率二倍频器.50μm厚石英电路利用倒扣技术, 实现二极管的良好散热、可靠的射频信号及直流地.通过数值分析方法, 二极管非线性结采用集总端口模拟, 提取二极管的嵌入阻抗, 以设计阻抗匹配电路.在202GHz, 测得最高倍频效率为9.6%, 当输入驱动功率为85.5mW时, 其输出功率为8.25mW;在190~225GHz, 测得倍频效率典型值为7.5%;该二倍频器工作频带宽、效率响应曲线平坦, 性能达到了国外文献报道的水平.

准光辐射器是高功率回旋管准光模式变换器的重要组成部分.采用几何光学理论分析圆波导准光辐射器, 根据高斯波束(TEM00模)在辐射器切口处形成的原因, 利用耦合波理论设计波纹波导准光辐射器.通过编写程序并进行数值优化完成140GHz、TE28,8模式回旋管波纹波导准光辐射器的设计, 结果表明波纹波导辐射器的总长度仅为205.2mm, 切口长度为47.2mm, 在辐射器螺旋切口Brillouin区内高斯模式标量相关系数大于98%.本文所用的方法也可用于其它频率和模式的回旋管准光辐射器设计.

地表热红外发射率(8～14μm)的方向性变异为遥感地表温度的反演及应用引入了不确定性, 这种问题在城市地表显得尤为突出.发展了一种近似用于高发射率城市地表热红外等效发射率的方向性变异(Urban Surface Emissivity Anisotropy, USEA)核驱动模型, 并分析了具体应用时的不确定性, 其中USEA用非垂直观测的发射率与垂直观测时的发射率之比定量表示.模型有两个基本假设: (1) 白天, USEA具有热点效应, 热点位置与太阳位置接近;(2) 夜晚, USEA无明显热点效应, 且主要与观测天顶角相关.该核驱动模型由各向同性核、多次散射核、以及温差核组成, 其中各向同性核为常数1, 多次散射核描述了USEA与观测天顶角的关系, 温差核描述了USEA的热点效应.基于计算机模拟数据的模型评价结果表明, 核驱动模型可以表达USEA的时空变化, 但城市地表热惯量会导致模型的适用性降低.该核驱动模型在MODIS等传感器的方向性比辐射率数据上, 具有一定的应用潜力.

传统的红外光谱探测技术能够提供丰富的光谱信息, 应用广泛, 但该技术同时也存在一定局限性, 如很难同步实现探测器小型化和探测波段实时调节等方面的要求.提出了一种基于电可调表面等离子体谐振吸收的新型FET红外探测器结构.基于电磁场理论分析了结构参数对红外光学吸收的影响, 并通过结构参数的优化使吸收结构对特定红外波段的吸收率达到90%以上.栅压变化时VOx热敏层中载流子的浓度分布和折射率均发生变化, 显示该器件具有明显的电可调光谱吸收特性.借助于这种FET结构, 非制冷红外探测器将具有片上可调光谱探测能力, 同时具有易于阵列化特点, 为微小型可配置光谱成像探测器件提供了一条思路.

理论上完成了红外图像传感器信息获取电路的噪声建模, 并且分别从仿真和测试两个方面对电路的噪声进行分析.三种分析方法的结果基本相同, 均为0.11mV左右.从原理和实验两个方面证明了基于仪放的模拟信号调理电路可以满足噪声低至0.2mV的红外探测器航天应用需求.在完成噪声量大小分析的同时进行了噪声频谱特性分析, 证明了信息获取电路噪声主要成分是1/f噪声和白噪声, 二者均满足高斯分布.

分析了单采样和过采样两种扫描探测体制的成像原理, 并建立了扫描图像仿真模型.在不同云层杂波场景下从目标能量收集、背景杂波抑制和弱小目标检测三个方面对单采样和过采样扫描图像进行了对比分析.理论分析和仿真结果表明: 过采样扫描探测体制更有利于收集目标能量, 杂波抑制能力较优, 对弱小目标的探测能力更强.

融合多源遥感数据生成高时空分辨率数据具有重要的应用价值.对目前常用的3种时空融合方法进行对比分析, 即基于时序数据(STIFM)、基于混合像元分解(STDFM)和增强型自适应遥感图像(ESTATFM)的时空融合方法.以盈科灌区为例, 由多时相的MODIS数据提取地物的时间变化信息, 结合初期的ASTER/TM影像的空间信息, 融合生成30m具有MODIS时间分辨率的数据.以真实的ASTER数据为基准, 从光谱特征和地物类别的角度定量评价结果, 表明STDFM和ESTATFM分别在红波段和近红外波段取得效果最优, 相关系数分别为0.91和0.71, 3种方法融合的NDVI效果基本相当, 相关系数均高于0.84.在地物类别空间信息的表达方面, ESTATFM方法在异质性较强的玉米和小麦区域具有较好的适用性.