为了提高太阳电池的利用率并降低系统成本, 需要采用最大功率跟踪(MPPT)控制策略使光伏阵列获得最大功率输出。在众多的MPPT控制方法中, 扰动观察法由于原理简单、易于实现而成为MPPT控制中应用和研究最为广泛的方法之一。但传统的扰动观察法在稳态下由于其固定的扰动步长会在最大功率点(MPP)附近形成振荡, 并且当外界环境发生快速变化时会出现误判断的现象。为了克服以上不足, 研究者们提出了很多改进方案。文章对这些改进方案进行了综述, 这些改进方案主要包括以下三类: 变步长的改进方法、改进的新方法以及与其他方法结合的扰动观察法。

光纤光栅传感器具有许多独特的优点, 在工程中被广泛应用。但裸光纤光栅细小质脆容易损伤, 使用中必须对其进行有效保护, 因此有必要对光纤光栅传感器进行封装, 这样既保护光栅, 又可以实现其他功能。分类阐述了光纤光栅传感器封装技术的最新进展, 并对其优缺点进行了分析和讨论。

给出了LED散热器传热计算的变温传热模型。常规传热计算模型将环境温度考虑为常量进行边界条件的处理, 而变温传热模型则考虑了空气与散热器翅片对流换热而温度升高的变化影响。讨论了建立变温传热模型的基本方法, 针对一具体散热器, 通过实验验证了翅片间空气温度的变化, 并依据实验得到了翅片间空气温度的变化规律, 从而得到了该散热器的变温传热模型。数值计算和实验结果表明变温传热模型更合理准确地反映了实际散热器的工作情况。

分析了光MOS固体继电器在电离辐照条件下的失效模式, 并针对组成器件的不同元器件提出了抗辐射的设计方案。采取了包括优化材料、合理设计器件结层厚度、选用抗辐射能力强的钝化膜等工艺技术制作样品, 并通过试验对比确认了抗辐射方案的有效性, 结果表明, 器件抗辐照能力大于30krad(Si), 能够满足对星用光MOS固体继电器抗辐射能力的要求。

设计了一种简化的铝栅MOS半导体器件制作工艺流程, 用6张掩模版成功制作出了基于表面电场效应原理的生物检测硅芯片传感器, 采用SiO2Si3N4复合栅介质层及耗尽型器件结构, 以增强器件的识别与检测灵敏度。该传感器与常规铝栅MOS晶体管相比, 去除了介质层表面的栅极导电层, 代之以自组装技术制作生物薄膜并辅以栅参考电极作为控制栅极。用所制作的硅芯片传感器检测了相关生物蛋白质的电流响应, 给出了该电流响应与器件沟道长度和沟道电阻及生物蛋白浓度等参数的关系, 得到了较为满意的检测数据, 达到了预期的基于表面电场效应的硅传感器制作和生物检测的目的。

对激光照射下光伏型锑化铟光电探测器的响应特性进行了研究, 得到了强激光辐照下温度波动(低温和常温温度波动)对探测器响应特性的影响。利用材料内部的光生电动势分析模型, 通过数值模拟, 给出了理论上的激光辐照下主要参数对探测器输出电压的影响。结果表明: 输出电压随着温度的上升而降低, 饱和电压也随着温度的上升而降低。特别是低温与常温下的响应特性有所不同, 随着入射光功率的增大, 低温下随温度变化的输出电压变化量减小, 常温下随温度变化的输出电压变化量增大。

通过在硅PIN结构的基础上进行改进, 采用硅P+PIN结构, 研制出650nm增强型光电探测器。详细介绍了器件结构设计和制作工艺。对器件响应度、暗电流和响应速度等参数进行计算与分析。实验结果表明, 器件响应度达0.448A/W(λ=650nm), 暗电流达到0.1nA(VR=10V), 上升时间达到3.2ns。

为分析光纤喇曼放大器的原理, 基于已有的耦合微分方程, 采用数值解法, 对不同抽运光强下不同长度光纤所产生的受激喇曼散射现象进行数值模拟, 并对模拟结果作了详尽分析。发现: 发生受激喇曼散射现象时, 抽运光强和光纤长度发生兑换; 能量红移现象普遍存在, 包括同阶Stokes光谱内部和不同阶的Stokes光谱之间。抽运光强越大, 能量红移现象越明显。此结论比文献中的实验结果更全面, 对相关实验有指导作用, 为光纤喇曼放大器和光纤喇曼激光器等器件的原理理解和优化设计提供了有益的参考。

对光电器件采用FEM/EFIE仿真分析所产生的线性系统的迭代求解算法进行了研究。与目前普遍使用的迭代法不同, 针对FEM/EFIE系数矩阵的特点, 提出了采用求解复对称且非正定的线性方程组的共轭正交共轭梯度(COCG)算法来进行高效迭代求解。数值实验基于对波导元件分别采用矢量有限元法(FEM)和电场积分方程法(EFIE)得到的两类典型线性系统进行迭代求解。结果表明: 与常规迭代法相比, COCG在求解速度和内存使用上的性能优势非常明显, 从而能较大地提高仿真效率。

针对当前大功率LED散热器多采用肋片式散热器, 散热效果不是很理想, 同时当前灯具都采用一体化的集成结构, 在维护和检修的过程中, 只能整体返厂, 给大功率LED灯具的使用带来不便等问题, 提出了大功率LED热管散热器模块化思路。通过模块化设计, 大功率LED的散热效果得到了提高, 且能够进行及时的维护, 多数部件可以循环利用, 延长了灯具的生命周期, 降低了维修成本。对大功率LED热管散热器模块进行了设计优化, 并且通过ICEPAK散热软件进行了模拟, 结果表明此热管散热器模块大大提高了大功率LED的散热性能。

在抗静电放电(ESD)试验后通常会使用IV特性扫描对器件是否失效进行判断。但对有些特殊电路而言, 使用这种IV特性扫描可能对电路造成电应力损伤, 导致对电路是否满足ESD试验能力做出错误的判断。文章主要以光电隔离开关为例, 分析了造成这种现象的原因, 并提出在进行该类光电器件的ESD试验过程中不进行端口IV特性扫描, 以避免由此带来的额外损伤。

利用磁控反应溅射镀膜方法在低温(250℃)条件下制备了主要成分为B相亚稳态二氧化钒(VO2)的薄膜材料。电学性能测试表明: 室温下该薄膜的方块电阻为50kΩ左右, 电阻温度系数为-2.4％/K, 可以作为非致冷红外微测热辐射热计的热敏材料。

GaN基脊型激光二极管(LD)的制备工艺中, 面临的一个主要困难是p电极和窄脊结构的制备受到光刻对准精度的严重制约。设计和验证了一种基于背向曝光技术的激光器制备工艺。通过预先沉积一层200nm的铝作为挡光掩模和牺牲层, 利用ICP蚀刻制备出宽为2.5μm的脊型结构, 并使用PECVD沉积SiO2绝缘层。随后采用背向曝光实现二次光刻, 将脊型图形精确地转移到电极窗口, 继而采用湿法腐蚀SiO2绝缘层打开窗口, 借助对的铝掩模腐蚀实现对残余绝缘层的辅助剥离, 从而同时解决了目前脊型激光器电极窗口对准困难和绝缘层侧向腐蚀条件难于把握的问题。

从发光二极管(LED)的发光原理及封装结构出发, 研究了入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失对LED封装光能提取效率的影响。通过简化LED结构, 建立数学参数模型, 寻求LED光能提取率与半球形透镜的半径和折射率的数值关系。研究发现LED光学效率与半球形透镜折射率和半径呈特定的非线性关系, 该结论通过Lighttools软件仿真得到验证。

根据微波传输线理论, 结合集总元件构造的复合左/右手传输线, 分别实现了负介电常数材料和负磁导率材料, 并进一步制作了由这两种单负材料交替组成的一维光子晶体。仿真与测量结果显示, 该光子晶体结构可产生零有效相位带隙。若结构参数能同时满足阻抗匹配条件和相位匹配条件, 零有效相位带隙将消失。若两个匹配条件无法同时被满足, 零有效相位带隙将始终存在, 带隙中心处在阻抗匹配频率。此外, 在阻抗匹配频率处, 若结构参数偏离相位匹配条件越大, 零有效相位带隙将越宽且越深, 通过此规律可实现对带隙的调制。

通过调控Au纳米颗粒的形状和尺寸, 研究了Au纳米颗粒的形状和尺寸与表面等离子体之间的关系。通过直流磁控溅射的方法在外延片上溅射Au薄膜, 并采用快速热退火和常规热退火两种方式对其进行热退火, 制备出Au纳米颗粒。使用不同热退火方式、不同热退火温度及不同Au薄膜厚度来改变Au纳米颗粒的形状和尺寸, 并对Au纳米颗粒的表面形貌及它的消光谱进行了分析, 对比了不同形貌的Au纳米颗粒对表面等离子体共振特性的影响。实验结果表明, 使用普通热退火制备的Au纳米颗粒形状接近球体, 而使用快速热退火得到的Au纳米颗粒的形状更接近棒体; 随着热退火温度的升高, 表面等离子体的共振波长发生红移; 随着Au薄膜厚度的增加, 表面等离子体的共振波长也发生红移。

根据温度恒定时输入热量与输出热量相等的原理, 提出了一种简单方便的测量热沉散热功率的方法, 并搭建了实验台。通过测量输入电热丝中的电压、电流以及通电时间即可得到热沉的散热功率, 并通过数理分析确定实验测量周期, 以保证实验结果误差在5%以内。实验表明在热沉翅片根部开孔可以有效提高热沉散热功率, 对测试所用热沉而言最高可提高16.3%。但随着开孔数量的增多, 热沉的散热功率先上升达到一个极值后再下降。究其原因在于开孔增多的同时, 减少了热沉内部热量自热沉底部向热沉顶部传递的面积, 增加了热沉内部的传热阻力。

提出采用Er/Yb共掺的硼硅酸盐发光玻璃来提高硅光电池的太阳光谱利用率。分别测量了发光玻璃的透射光谱和在980nm红外光激发下的上转换发光。发现当利用氙灯模拟太阳光时, 直接掺杂Er/Yb氧化物的发光玻璃使得硅光电池具有更高的光谱利用率。与非掺杂玻璃相比, 其光谱利用率提高了1%。

设计了一种简单有效的基于最佳匹配层的三维有限差分光束传输法, 可以分析光束在三维广角情况下的线性与非线性传输特性。数值模拟结果证实了该算法的正确与可靠性。

在经典力学框架内, 把Seeger方程化为广义的SineGordon方程, 从行波解出发, 把SineGordon方程进一步化为带有固定力矩的摆方程。用Jacobian椭圆函数和椭圆积分解析地描述了系统的相平面特征。基于物理学的功能原理, 提出了用能量法对系统进行分析, 再借助相面积概念, 引入能量释放系数进一步刻画了位错的能量释放机制。结果表明, 由于晶格常数不匹配或外延条件不理想, 在一定条件下位错聚集的能量是可以完成转移与释放的。

常规方法测试超薄膜的厚度存在很大困难。介绍一种测试约4nmPtSi厚度的电阻率法。先制备厚度约40nm的薄膜, 测试出薄膜电阻率, 再考虑超薄膜的表面效应、尺寸效应, 推导出超薄膜电阻率与薄膜电阻率的关系式, 测试超薄膜方电阻, 计算出超薄膜厚度。给出了TEM晶格像验证结果, 误差小于6%。实验表明该方法简单易行, 对其他超薄膜厚度的测试提供了参考。

非对称多势垒可获得比双势垒更大的共振隧穿电流及更良好的峰谷比。通过分析单电子对任意势垒透射的理论模型, 建立了任意非对称三势垒模型, 研究了不同偏压和温度对透射系数的影响, 并得出结论, 为进一步设计非对称量子器件提供理论指导。

对光OFDM系统中的三种同步算法进行了理论分析, 基于仿真实验, 针对定时度量、定时偏差、丢帧率三个性能参数进行了对比分析。仿真分析表明T.Schmidl & D.Cox算法由于循环前缀(Cyclic Prefix, CP)缘故使得其定位精确性欠佳, 偏差较大, 无法进行精确定位, 但算法稳定性及丢帧率方面具有很好的性能。而H.Minn和Lixun Huang & Lijun Sun两种同步算法定位精确性相对较好, 偏差较小, 但在稳定性及丢帧率方面, 后者优于前者。因而在这三种同步算法中, Lixun Huang & Lijun Sun算法性能较好, 适应性较强, 更具实际应用价值。

光外差检测能提高无线激光通信系统的光电检测灵敏度, 可以增大通信距离, 并且能够采用多种调制方式。提出了一种基于副载波调制的无线光外差检测系统, 重点对大气信道对外差系统的影响因素进行了分析。着重研究了偏振状态和波前修正联合控制、载波恢复、同态滤波等关键技术, 以克服大气散射和大气湍流对外差检测系统的影响。最后介绍了无线光外差检测的实验系统, 为无线激光通信外差检测技术提供理论依据和实验基础。

针对IP over WDM网络, 基于多跳光旁路和流量疏导, 以减少能耗为目标对网络链路配置进行设计; 考虑多跳光旁路会增大业务传输距离的问题, 分析了光路建立顺序对业务传输距离的影响; 通过优先路由短距离业务和限制最大传输跳数来减少业务的平均传输跳数。仿真结果表明, 优先建立短距离光路的启发式算法与Dijkstra算法相比可以减少25%~55%的能耗, 业务平均物理跳数与Dijkstra算法相差在1跳之内。

针对空间无线光通信中捕获、瞄准和跟踪(ATP)技术的粗跟踪系统对信标光斑实时准确跟踪需求, 为项目进一步工作提供基础, 搭建了无线光通信ATP演示实验系统, 分别对粗、精跟踪子系统进行了详细的介绍, 利用该系统进行了运动目标的模拟跟踪实验。结果表明: 粗跟踪可将运动误差控制在200μrad之内, 使光目标始终维持在精跟踪视场内, 精跟踪可将系统误差控制在15μrad, 可满足通信需求。

基于分组Turbo码(BTC)提出光通信系统中一种新颖前向纠错(FEC)码型, 即RS(63,60)×RS(63,60)码。仿真表明, 在误码率为10-12时, 迭代8次的该 BTC与ITUT G.975.1中迭代3次的RS (255,239)+CSOC(k0/n0 =6/7, J=8)相比, 其净编码增益要相应增加0.34dB。分析表明该BTC具有分量码短、编/译码速度快的特点, 不仅减小了软/硬件实现的复杂度, 而且减小了编/译码带来的时延。因而该新BTC能较好地适用于光通信系统。

根据光纤布喇格光栅(FBG)耦合理论与单质点弹性绳振动原理研制出了一种FBG振动传感器。通过理论分析与试验验证得到FBG传感器的最佳配重尺寸(4.5mm×20mm)、最佳预拉伸量(0.8～1.2nm)与最佳的封装方式(石英玻璃管封装), 得到传感器最佳的受温度影响最小的灵敏度参数。这种传感器响应速度快, 灵敏度高。温度在－10~60℃的范围内, 石英封装的FBG传感器灵敏度的误差小于0.1%。可以广泛地应用于**基地、核场所、机场、仓库、监狱、建筑等场所的安防系统中。

非均匀校正是降低CMOS图像传感器固定模式噪声的有效方法。对面阵CMOS图像传感器的光响应特性测试表明其响应是非线性的。对非线性CMOS图像传感器分别进行两点校正、分段线性校正和多项式拟合校正。利用响应非均匀性(PRNU)作为校正效果的评价指标, 对每种方法在整个光响应范围内的校正效果进行整体评估, 对影响每种方法校正效果的因素进行总结。最后将每种方法中的最优处理情况选择出来, 从PRNU指标、校正处理后的图像、参数获取时间、校正处理时间、校正参数存储空间等几个方面进行分析比较, 最终判定二阶多项式拟合校正是最佳的处理方法。

红外图像复杂背景杂波抑制是红外监视告警系统发现远距离弱小目标的难题。文章根据红外图像中目标和背景杂波的特性, 提出了一种将RX算子与非线性扩散方程相结合的弱小目标背景抑制新方法。该方法首先采用非线性扩散方程对图像进行多尺度分解, 获得图像的多尺度特征, 然后, 根据目标和背景杂波信号系数在不同尺度之间的差异, 通过应用RX算子进行处理, 从而将红外图像中弱小目标和背景杂波分离, 达到抑制背景的目的。实验结果显示, 与二维最小均方误差滤波方法相比较, 该方法能有效地检测出信杂比在1.6以上的目标。

结合FPGA的特点, 以FPGA作为整个设计方案的核心, 设计了一套红外图像采集以及远程传输系统。通过FPGA对红外图像采集前端、SDRAM以及网卡控制芯片RTL8019AS等实现逻辑控制, 将采集的数字图像信号进行增强算法处理之后存储到SDRAM中, 然后将数据从SDRAM中读出并封装成帧, 通过以太网传输到远端PC机并显示。整个系统具有电路简单、功耗低、数据传输方便等优点, 实验结果表明, 系统性能稳定, 能够达到预期目的。

在研究传统的摄像机标定方法的基础上, 提出了一种基于十字同心圆标定模板的摄像机标定新方法。该方法通过从2个或2个以上不同的方位上拍摄带有十字同心圆模板, 采集具有标定特征的图像, 从而完成摄像机的标定。这种基于曲线拟合的标定方法, 与传统的提取参考点的标定方法不同, 采集的参考点坐标相对准确, 计算的摄像机标定结果具有很高的准确性; 同时该方法原理简单, 实现方便, 具有很好的可操作性。通过实验验证表明, 该摄像机标定方法具有较高的准确度、较小的误差率, 可以获得较为满意的标定参数。

针对定向能激光**系统对结构紧凑的高功率、高质量光纤激光源的需求, 提出了一种新颖的基于凹面光栅的光纤激光谱组束方案。该系统可将组束激光直接聚焦到目标点, 且可以根据目标点位置的不同, 通过对各组束阵元输出端位置的实时调整, 实现对目标的灵活跟踪。分析了基于凹面光栅光纤激光谱组束系统的工作原理, 设计了用于组束的闪耀光栅结构的凹面光栅, 阐述了系统实现目标跟踪的原理。根据目标点位置的不同, 通过调整系统状态, 可使该系统适应不同目标距离的应用需求,非常适于激光定向能系统应用。

航空相机在拍照瞬间由于飞机的飞行运动和姿态变化而产生像移, 要提高照相分辨率必须进行像移补偿。文章介绍了两种面阵CCD航测相机前向像移补方法, 即旋转俯仰轴补偿法和面阵CCD TDI功能补偿法, 计算了两种方法的像移残差及误差精度,给出了旋转俯仰轴方法的适用范围,对比了两种方法的优劣,通过实验室拍摄验证了方法的有效性。

设计了一种多光谱双目光电装备光轴平行性数字化检校系统。利用平行光管产生无限远白光、微光、红外目标, 平行光经双目光电装备、光轴平移装置, 将两路光线入射到面阵CCD上, 目标图像经CCD、图像采集卡转换成数字图像信息送入计算机, 利用软件算法得到光轴误差量, 参考所建立的光电装备数学模型, 给出光轴校正方案, 利用辅助工具完成光轴平行性校正。该系统适用于多种双目光电装备, 能够实现自动化检测, 并给出数字化的光轴误差量, 具有良好的通用性和可扩展性。

设计并实现了一种基于探测器阵列组件的光斑辅助定位系统。该系统以120元SiPIN探测器作为光电传感器, 将其排列为正方形, 由120路光电转换电路将每个光电传感器采集到的电流信号转换为电压信号并与预先设置的阈值电平进行比较, 以判断该点探测器是否探测到光信号, 在CPLD时序控制下将每个探测器的响应情况通过数据采集电路实时传送至上位机。将探测器阵列组件放置在指定位置, 通过调节光源位置直至上位机反映的图像为对准后的形式, 由此实现光斑辅助定位。经测试表明, 该系统能实现240mm×240mm大面积、精度2mm的光斑位置实时探测和辅助定位, 且相对传统方式更加简单可行。

指数哥伦布编码是H.264/AVC标准和AVS标准中熵编码的重要组成部分, 其硬件实现好坏直接决定了编码器熵编码的性能。文中根据哥伦布编码和解码的特点, 设计了一种高速的哥伦布编解码器。首先, 用查找表的方式代替了首1检测等复杂操作, 通过查找直接得出要编解码码字的长度; 直接取出特定的要操作的数据, 同时进行相应的操作, 代替了传统的先移位, 再进行相应操作的方式, 使得指数哥伦布编解码器的关键路径变短, 速度变快。其次, 对哥伦布编解码器采用了多级流水的方式, 进一步提升了主频。最后, 在virtex5平台上进行测试, 该编解码器的吞吐率均可达到400MPixel/s。这将远胜于当今图像解码专用芯片的编解码速度, 也为图像高速压缩提供了硬件实现基础。

在独立光伏照明系统中, 由6只100F/2.7V单体超级电容组成的超级电容模组在太阳电池和蓄电池之间起能量传递作用。太阳电池开路电压高于17.5V时, 采取6只串联充电, 否则, 采取每2只串联、3组并联充电。被充满的超级电容模组以6只串联方式再为蓄电池充电。实验采用LabVIEW数据采集系统实时监测, 结果表明: 采用超级电容作为能量传递, 可实现恒压间歇慢脉冲充电, 符合蓄电池最佳电流接收曲线, 有利于高效接收太阳能量和延长蓄电池使用寿命。