光学卫星遥感数据在获取过程中易受云层干扰, 云区识别是光学遥感数据应用及分析的一个基础但重要的步骤, 高效的云区识别技术对节省数据收集成本和提高数据利用效率具有较强的现实意义.同态滤波算法是经典的基于单幅影像的云区识别方法之一, 该算法具有计算快速方便、云区检测精度较高的优点, 然而识别的云区范围极大程度取决于同态滤波器截止频率的位置.同态滤波截止频率通常采用经验值, 显然经验截止频率无法适应批量遥感数据的自动处理需求.针对以上问题, 本文通过建立输入影像频谱能量与截止频率的关系, 结合白度指数(Whiteness Index)和形态学算子, 实现对国产高分辨率光学卫星高分一号(GF-1)遥感数据的批量云区识别处理.与传统同态滤波方法相比, 该算法能根据影像频谱能量自适应判定同态滤波时采用的截止频率, 具有更强的适用性.通过对98景GF-1多光谱数据进行随机点人工目视标记精度检验, 精度检验结果表明该算法对云区有较好的检测效果, 总体识别精度达93.81%.该算法对GF-1遥感数据能进行批量化云区检测, 获得高精度的云区掩膜结果, 并有效降低高反射率地物造成的误识率.

非线性解混可以解释高光谱图像复杂场景中的非线性混合效应, 但地物的光谱变异性是其中的一个难点。提出一种考虑光谱变异性的无监督非线性解混算法。通过核函数将原始高光谱图像数据隐式地映射到高维特征空间中, 从而在该空间中结合光谱变异性进行线性解混; 与此同时, 依据实际地物的分布特性, 添加丰度和光谱变异系数的局部平滑约束。模拟和真实高光谱数据的实验结果表明, 该方法能克服不同非线性混合场景中存在的光谱变异性问题, 提高光谱解混的精度。

红外热图像目标区域(Region of Interest, ROI)提取对故障检测、目标跟踪等有着重要意义.为解决红外热图像干扰多、需人工标记及准确率低等问题, 提出一种基于多模态特征图融合的红外热图像ROI提取算法.通过对比度、熵及梯度特征构建多模态特征图并进行区域填充, 实现ROI提取.将新算法应用于实际采集的光伏太阳能板图像中.结果表明, 新算法具有平均查准率高(93.0553%)、平均查全率高(90.2841%)、F1指数和J指数均优于图割法, 人工标记少等优点, 可有效用于红外热图像ROI提取.

采用TE34,10-模式开展了140 GHz兆瓦级圆柱回旋管腔体的设计和优化, 并分析了工作模的模式竞争情况.由于两个邻近模式TE33,10-和TE31,11+的竞争TE34,10-未能在高效率区稳定振荡, 使得输出功率显著降低.为了抑制模式竞争计算了工作模和两个竞争模的滞回曲线, 结果表明, TE34,10-能够在磁场由其低功率振荡区下降时对竞争模形成抑制, 而在磁场由低到高时则由于竞争模的率先起振反而被竞争模所抑制.基于此设计了由5.59 T下降至5.51 T的时变磁场曲线, 在此磁场下开展了包含42个模式在内的多模时域计算, 结果表明竞争模式被有效抑制, 工作模在此磁场曲线下能够稳定获得0.96 MW的稳定输出功率, 对应的电子效率为36.7%, 频率为140 GHz.

设计了一种基于SU8介质材料的工作波段为20-30微米范围内的的多层超材料吸收器.该吸收器由金属颗粒周期阵列、介质间隔层和金属底层组成.利用LC模型和FDTD数值模拟方法, 通过对SU8介质层厚度、金属颗粒阵列周期、金属颗粒尺寸等参数的优化, 实现了对20-30微米波段范围内入射波的接近100%的完美吸收.并在上述研究基础上进一步设计了具有双层谐振腔的双模完美吸收器.通过数值模拟发现, 由于SU8介质间隔层厚度的增加, 上下两个谐振吸收器可以分别独立实现对特定波长的完美吸收.相应的特征共振吸收波长符合LC模型的预测.同时, 数值模拟结果进一步证实了共振吸收频率与入射角度无关.该完美吸收机制可以归因于入射光在金属底层-SU8介质层-金属颗粒层所组成的谐振腔内多次反射吸收.

成功实现了一款具有高输出功率和宽频率调谐范围的基波压控振荡器.其制作工艺为0.8 μm InP DHBT工艺, 晶体管的最大fT和fmax分别为170和250 GHz.电路核心部分采用了为高频应用改进的平衡式考毕兹拓扑, 在后面添加一级缓冲放大器来抑制负载牵引效应, 并提升了输出功率.DHBT的反偏CB结作为变容二极管来实现频率调谐.芯片测试结果表明, 压控振荡器的频率调谐范围为81~97.3 GHz, 相对带宽为183%.在调谐频率范围内最大输出功率为10.2 dBm, 输出功率起伏在3.5 dB以内.在该压控振荡器的最大调谐频率97.3 GHz处相位噪声为-88 dBc/Hz @1MHz.

利用原子层沉积方法制备V2O5纳米片晶薄膜.薄膜厚度可以被精确控制，并对纳米晶V2O5薄膜的结构形貌、光学带隙和拉曼振动有显著影响.原子层沉积过程中V2O5薄膜生长的两个阶段导致薄膜具有两个光学带隙，这将有助于理解超薄薄膜生长与功能应用.

主动式毫米波成像(AMWI)技术是检测隐藏在衣服下的危险物体的有效方法.但AMWI获取的图像通常很模糊, 而且一些隐匿物体的尺寸较小, 因此隐匿物品的自动检测和定位仍然是一个具有挑战性的问题.姚家雄等

深入研究了双层谐衍射光学元件, 基于衍射效率方程对双层衍射元件的衍射效率进行优化.光学系统在中波红外和长波红外波段的衍射效率均超过了99%, 极大地提高了图像的对比度和像质.设计了一款新型的红外双波段衍射望远镜, 取得了接近衍射极限的成像质量, 易于加工.

采用磁控溅射制备Ga掺杂ZnO (GZO)/CdS双层膜在p型晶硅衬底上以形成GZO/CdS/p-Si异质结器件。纳米晶GZO/CdS双层膜的微结构、光学及电学特性, 通过XRD、SEM、XPS、紫外-可见光分光光度计和霍尔效应测试系统表征。GZO/CdS/p-Si异质结J-V曲线显示良好的整流特性。在±3 V时, 整流比IF/IR(IF和IR分别表示正向和反向电流)已达到21。结果表明纳米晶GZO/CdS/p-Si异质结具有好的二极管特性, 在反向偏压下获得高光电流密度。纳米晶GZO/CdS/p-Si异质结显示明显的光伏特性。由于CdS晶格常数在GZO和晶Si之间, 它能作为一个介于GZO和晶Si之间的缓冲层, 能有效地减少GZO和p-Si之间的界面态。因此, 我们获得了GZO/CdS/p-Si异质结明显光伏特性。

近年来, 由亚波长人工微结构单元组成的超构材料, 因其具有自然材料所不具备的奇特物理性质, 吸引了人们的广泛关注.其中最有趣的应用之一就是利用亚波长人工微结构增强对电磁波的吸收.设计并实现了一种人工超构材料柔性可弯曲的高性能太赫兹吸收器.为了实现最优的结构设计, 分别对器件的结构周期、金属条宽度、介质层厚度和材料光学性质等关键结构及材料参数进行了系统优化.实验结果显示在频率3 THz附近器件峰值吸收率高达99%, 与数值模拟结果相吻合.

提出了一种新型连续变焦结构形式, 在现有经典四组元机械补偿变焦模型的基础上, 添加一个独立的变倍组, 利用二个变倍组级联的方式获得超大变倍比, 并推导了数学模型.在此基础上, 针对制冷型中波探测器, 研制了一套大变倍比大相对孔径连续变焦红外光学系统, 解决了大相对孔径红外变焦系统变倍比难以提高的问题.该光学系统工作波长3.7～4.8 μm, 冷光阑效率100%, 可实现从焦距6 mm至330 mm连续变焦, 在F数恒定为2的同时, 变倍比高达55倍.该系统仅包含八片镜片, 其中三片镜片独立运动实现变焦.设计结果显示, 该系统在6 mm至330 mm的焦距范围内, 变焦曲线平滑、像质良好.实验室测试和外场成像结果显示, 该系统在整个焦距范围内成像效果清晰, 达到设计要求, 验证了这种新型连续变焦数学模型的应用效果.

提出了一种16级片上模拟累加电路结构以实现时间延迟积分(TDI)功能, 累加单元以电荷放大器为基础.为了获得更好的噪声性能, 对电路结构的模拟信号链路进行了噪声分析, 给出了适用于TDI累加的热噪声模型.分析表明, 主要随机热噪声根据累加电路工作的状态不同可以分成电荷传输噪声和直接采样噪声两部分.给出每部分噪声与电路增益大小的关系和相应的抑制方法.采用0.5 μm标准CMOS工艺实现了16×256级CMOS-TDI探测器芯片, 流片的测试结果表明16级TDI可以获得11.22 dB的SNR提升.

高性能的太赫兹功能器件在太赫兹波的产生、传输及探测上都有着重要意义.报道了一种Kagome型低损耗太赫兹波导及其成像应用.首先根据反谐振波导理论设计了0.1 THz处低损耗的太赫兹波导, 其理论损耗低至0012 cm-1.然后使用3D打印技术制备波导实物, 实验测得其损耗为0.0153 cm-1, 波导末端光束发散角为6±05°.最后基于该波导搭建了可重构太赫兹成像装置, 分别实现了对隐藏刀片、矿石的反射和透射成像, 在地下远距离勘探领域具有潜在的应用前景.

为了探测目标的极化特性, 研制了工作在W波段的双极化单脉冲卡塞格伦天线.天线由主反射面、副反射面、馈源喇叭、正交模耦合器及和差器组成.天线主反射面口径为137 mm, 馈源为五喇叭形式, 正交模耦合器采用渐变波导匹配方案, 和差器通过平面型定向耦合结构实现.通过将馈源喇叭、正交模耦合器及和差器集成设计, 减小了连接损耗, 压缩了天线纵向尺寸.测试结果表明, 天线驻波带宽约3.7 GHz, 极化隔离度优于35 dB, 和波束增益大于37.9 dBi, 副瓣电平优于-15 dB, 差波束零深优于-25 dB.天线在W波段实现了较好地双极化单脉冲性能.

随着石墨烯产业的蓬勃发展, 氧化石墨烯作为制备工程化应用石墨烯的中间体产物而备受关注.同时由于其自身优异的物理化学性质, 使其在各大领域均有前所未有的新兴应用.作者针对国内外氧化石墨烯的各种结构模型、制备方法、性质和相关应用, 以及氧化石墨烯的还原进行了总结与概述.在对比各种方法的基础上,作者提出了氧化剂和还原剂的选择是反应的关键要素, 归纳了选择的基本原则.最后, 指出氧化石墨烯制备和还原研究中还需解决的问题, 并对其发展和影响做出了评价和展望.

杂散光抑制能力是光学系统的重要评价指标.红外光学系统不仅受到外部杂散光影响, 而且受到仪器内部杂散光影响.传统的“物-像”共轭光学系统的设计方法未能全面考虑杂散光的抑制问题.提出一种三重共轭光学系统的设计方法, 该方法设计出的光学系统具有“物-像”、“物-中间像”和“入瞳-出瞳”三重共轭关系, 具有同时抑制内部和外部杂散光的能力.基于该方法设计出一种离轴三反射式消像散光学系统, 该系统F/#=4、一维线视场7°, 离轴5度视场外点源透过率低于5×10-4, 系统冷屏效率达到96%, 并获得良好的在轨图像.

石墨烯对光的吸收率较低, 通过与光学谐振腔结合限制光场, 可有效提高石墨烯探测器件对入射光的吸收.以电磁场传输理论为基础, 推导了双层石墨烯光学谐振腔中的光场分布, 建立了谐振增强型光电探测器传输矩阵数理模型, 对Bernal-Stacked双层石墨烯的谐振增强型光电探测器结构参数进行数值计算, 并对探测器性能进行分析.结果表明, 设计的探测波长为1.06 μm谐振增强结构光电探测器, 双层石墨烯的光吸收率达到96.78%, 大幅提升了对微弱光信号的探测能力.

设计了一种基于光敏材料硅(Si)的宽频带极化不敏感的光驱动可调谐太赫兹超材料吸波器(metamaterial absorber, 简称MMA).该可调谐太赫兹MMA基本单元结构由嵌入光敏硅的紧凑开缝环谐振器结构、中间介质隔离层与金属底板构成.硅的电导率随着入射光的强度而发生改变, 从而使太赫兹MMA工作频率和吸波性能得到有效的调节.数值计算结果表明: 当硅电导率在1.0×103 S/m到5.0×105 S/m范围内动态调节时, 该MMA吸波特性在0442 THz到0.852 THz范围内动态调节.另外, 其相对调节带宽达到63.37%, 吸收率调制深度达到60.22%.进一步的数值计算结果表明我们所设计的MMA具备极化不敏感和宽入射角的特性.