图像信号处理技术的研究和应用在安防领域具有特殊的重要意义。介绍了一系列用于安防系统CMOS图像传感器片上图像信号处理电路的原理和算法。具体包括黑电平校正、镜头阴影校正、插值降噪、色彩校正、伽玛校正、自动白平衡、自动曝光、自动聚焦、YUV空间转换(RGB2YUV),以及背光补偿等模块处理电路等。

InGaAs焦平面阵列探测器是短波红外(SWIR)窗口获取目标信息的主流成像器件,具有灵敏度高、可室温工作的典型技术特征,作为一类重要的军民两用技术,在**装备、安全防范、工业检测和空天遥感等领域需求明确,应用前景广阔。文章简述了短波红外InGaAs焦平面探测器的技术进展与主要应用概况,并对该技术的发展前景进行了展望。

采用有限元法针对微测辐射热计的热电耦合敏感机理进行研究。建立微测辐射热计精确三维有限元模型,采用动态热电有限元方法对器件的热电特性进行了分析,得到了其热电耦合场下的温度响应特性,并获取其热容、有效热时间常数和有效热导值等热学参数；采用该方法在微测辐射热计的设计阶段中,即可初步预判器件性能并为器件制备提供可靠的参考。所设计结构经流片验证,性能良好,且满足60Hz帧频成像要求。

采用SCAPS1D软件建立了CZTS (Cu2ZnSnS4)薄膜电池模型,并对其输出特性进行了数值模拟,分别研究了CZTS吸收层厚度、载流子浓度和禁带宽度对CZTS薄膜电池的影响。结果表明较薄的CZTS吸收层即可满足对光谱吸收需要。载流子浓度NA的增加可以提高开路电压,但会造成短路电流减小,所以载流子浓度也是太阳电池设计中需要平衡的问题之一。最后采用成分分级方法,通过改变Se/(Se+S)比例来研究不同禁带宽度下的CZT(S,Se) (Cu2ZnSn(S,Se)4)电池性能。结果发现当Se/(Se+S)=0.3,即Eg=1.32eV时电池效率达到最高21.1%。

介绍了LPIN二极管及其在硅基等离子天线方面的应用,从理论上分析了LPIN二极管自加热效应及其对本征区载流子浓度的影响。仿真分析了不同SOI埋层材料对LPIN二极管本征区载流子浓度的影响。仿真结果显示,LPIN二极管的自加热效应会降低其本征区载流子浓度,通过改变埋层的材料,增加埋层的热导率,可以减弱自加热效应,从而增加本征区载流子浓度,提高硅基等离子天线效率。

静电平行板驱动器是基于静电驱动的MEMS变形镜的关键部件,其静态及动态性能对MEMS变形镜有重要影响。设计并利用表面硅工艺加工制作了三种基于不同弹性系数的静电平行板驱动器的MEMS变形镜,分别采用解析公式和有限元仿真方法分析了弹性系数对变形镜的三项性能参数即行程、吸合电压和固有频率的影响,并利用白光表面轮廓仪进行实验测试,验证了理论和仿真结果的有效性。实验结果表明三种变形镜中半圆环梁驱动器变形镜具有适中的吸合电压和较大的行程,最适合于自适应光学系统的应用需求。

开展了4N49光电耦合器不同辐照偏置条件下的辐照实验,结果表明：电流传输比的下降幅度与辐照期间的偏置条件有关,处于工作状态的光电耦合器比短路状态的总剂量效应要弱,其根源是光电耦合器的LED施加了电流,而与光敏晶体管的偏置状态关系不大；电流传输比随偏置条件的变化关系是由初级光电流决定的,而CB区光响应度是初级光电流退化的主导因素。

荧光粉受激发产生的白光LED照明光源存在显色指数较低的问题。对此提出一种利用光谱拟合反演高显指目标光谱的方法,针对已知白光LED计算提高该光源所需补充的单色光LED种类及光谱系数。利用光谱拟合方法分析添加不同波段的光谱对白光LED显指和色温的影响。并通过拟合反演的方法进行补光设计,使用一到两种单色光LED,将冷白光源和中性白光源的显指分别提高至92.3和96.8。实验结果表明,使用红光与蓝绿光、低波长绿光LED补光后,大幅度提高了荧光粉受激发产生的白光LED光源的显色性。

针对目前光伏电池仿真模型参数多、计算复杂等问题,利用任意工况下的三个工作点的电压电流值,并考虑工作环境变化的影响,提出了一种基于MATLAB/Simulink的光伏电池改进仿真模型。采用UniSolar公司的柔性太阳能组件1L进行模型验证,并与Simulink自带的Solar Cell模块在不同工况下的输出特性以及实际光伏电池输出进行比较。结果表明,在辐照度、温度发生变化的情况下,该仿真模型误差小于Solar Cell模块。

采用真空蒸镀方法在Si衬底上制备了Si/Au、Si/Ni/Au和Si/Ti/Au结构多层膜,进行多种条件下的退火实验,研究了不同黏附层对Au/Si共晶体系中硅扩散的影响。实验结果表明,黏附层对硅的扩散起到阻挡作用,Ti层与Ni层作为阻挡层在较低温度下发生失效,退火气氛对阻挡层的失效具有显著影响。这表明Au/Si体系中扩散阻挡层失效的机制并不是直接的固相反应。文章提出势垒模型来解释扩散阻挡层的失效机制。

基于MEMS加工技术,提出了一种加热、传感电极和反应腔室可分离的PCR芯片结构,加热、传感电极采用Pt薄膜材料并可重复使用,反应腔室采用PDMS材料,芯片的制造成本大为降低。利用COMSOL软件对设计的PCR芯片进行了温度场仿真分析,并用红外热像测温仪(NEC R300)对微制造的芯片温度场分布进行了测量。测量结果表明芯片结构能得到较好的温度均匀性,为后续PCR芯片扩增实验提供了可靠的依据。

介绍了彩色CCD的器件结构和成像原理,采用彩色光刻胶光刻法实现了彩色滤光片的制备,并通过分析彩色滤光片缓冲层、滤光片厚度和固化工艺等对滤光片性能的影响,获得了彩色滤光片的片上集成技术,并将其集成在512×512帧转移CCD器件上,完成了性能评价与成像验证。测试结果表明：制备的彩色滤光片主线透过率大于80%,光谱串扰小于15%,色纯度大于75%,集成该滤光片的彩色CCD成像色彩空间与sRGB相当,能够满足大多数CCD相机彩色成像的要求。

采用低压金属有机物化学气相沉积(LPMOCVD)设备,在(100)面GaSb单晶衬底上生长了高质量的InAsSb材料。分析了InAs/GaSb超晶格红外材料在不同生长条件下的生长质量,对器件材料结构进行了表征,并进行了理论分析和优化生长。采用X射线双晶衍射原子力显微镜对其外延薄膜的单晶质量进行分析,得到外延层与衬底材料的晶格失配仅为-0.43%。通过调节过渡层材料来减小界面处的应变,提高材料的生长质量,利用光致发光谱对材料做了检测分析。给出了InAsSb材料的LPMOCVD生长的参数分析和测量分析,为以后生长和分析InAsSb材料提供了很好的基础。

采用无模板水热法在温和的反应条件下成功合成了形貌结构均一的层状结构氧化亚锡(SnO)。利用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和能量散射X射线探测器(EDX)对所合成样品的晶体结构、形貌结构和化学成分分别进行了表征。利用荧光光谱仪和显微拉曼光谱仪研究了所合成样品的光致发光(PL)光谱和拉曼散射谱。光致发光第一次观察到了所合成的氧化亚锡在较宽波长范围(350~550nm)内蓝紫光的发光带,分析认为这是由其表面的大量缺陷引起的,并结合拉曼光谱研究分析了其表面缺陷。此结构氧化亚锡的蓝光发光带可能在LED方面具有潜在应用。

在经典力学框架内,把粒子的运动方程化为倒置摆方程。在线性近似下,分别用参数变易法和LP方法讨论了无阻尼情况下系统的一阶不稳定区。在非线性近似下,用有效势分析了系统的稳定性,并对普通摆和倒置摆进行了统一描述。结果表明,系统的稳定性与阻尼有关,阻尼越大稳定性越好；指出了普通摆描述的沟道粒子的运动行为,系统的平衡位置过支点垂直向下；倒置摆描述了带电粒子在周期弯晶中的准沟道行为,平衡状态过支点垂直向上。

设计了一种应用于光电器件的多梯度烧结、多次清洗的微组装工艺。采用共晶焊将各芯片、元器件烧结到基板上,再将基板烧结到相应管腔内。同时,通过压焊工艺进行芯片与厚膜电路导带的互联。设计了相关工艺步骤,论证了多次烧结、清洗对压焊效果的影响。实验数据表明,采用所设计的工艺制作的样品在经历多次烧结、清洗步骤后,在压焊方面具有高的可靠性,为器件的后续制作奠定了良好的基础。

对铝金属化工艺中存在的台阶覆盖率低和铝穿刺问题进行了讨论和分析,在此基础上对CCD铝金属化工艺进行了优化。采用冷铝+热铝两步淀积的方法,提高了铝膜对小尺寸接触孔的台阶覆盖率；采用TiN作为阻挡层抑制了铝穿刺。

针对LED高光效、高显色指数的要求,在分析LED光学性能的基础上,采用板上芯片(COB,Chip on Board)技术研究了表面涂覆硅胶量对COB白光LED的光通量、光效、色温和显色指数的影响,并提出一种高光效、高显色指数、低色温的白光LED封装方案,提高了COB白光LED的出光效率,实现了特定的光学分布,最终实现14W COB封装结构下的白光LED,在电流密度为30A/cm2时,其色温、显色指数及光效分别为4900K、82和125lm/W。

为使ⅡⅥ族化合物ZnS薄膜具有可弯曲性,选用柔性的聚酰亚胺作为衬底材料,用射频磁控溅射法沉积ZnS薄膜,对所制备薄膜的结晶结构、组分和光学特性进行分析。实验结果表明,所制备薄膜为结晶态的闪锌矿ZnS结构,择优取向为(111)晶面,晶粒尺寸为25.6nm。薄膜组分接近化学计量比,并具有少量的S损失。薄膜在可见光区和近红外光区的平均透射率分别为82.0%和90.5%,透光特性良好。作为对比,在钠钙玻璃衬底上溅射的ZnS薄膜的结晶度高于聚酰亚胺衬底薄膜,但其透射率略低于柔性ZnS薄膜。实验结果表明了用磁控溅射法在柔性聚酰亚胺衬底上制备ZnS薄膜的可行性。

以四氯化钛为钛源,叔丁醇为溶剂,采用非水溶胶-凝胶法制备了TiO2纳米颗粒,利用红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等技术手段对其进行了结构表征。基于定量菌落计数法考查了TiO2纳米颗粒对大肠杆菌和枯草杆菌的抑菌特性。结果表明,通过该方法合成的TiO2纳米颗粒粒径小,对这两种细菌的抑菌率都在93%以上,具有良好的抑菌效果。同时,简要分析了纳米TiO2抑菌机理,并对TiO2光催化材料的未来发展趋势进行了展望。

系统研究了I类组分量子阱结构材料GaAs/AlGaAs的结构设计、材料表征及光学性能。利用分子束外延(MBE)技术生长量子阱材料,原子力显微镜(AFM)测量结果表明样品表面粗糙度达到10-1nm数量级。X射线双晶衍射测试结果显示材料具备良好的生长质量及晶格完整性。室温光致发光谱探测出量子阱导带电子与价带轻重空穴的复合发光,及施主受主(DA)能级间距与GaAs禁带宽度。综合分析结果表明用MBE方法制备实现了与设计结构高度相符的GaAs/Al0.27Ga0.73As量子阱样品,为后期器件设计的精确实现提供了理论依据。

介绍了非晶铟镓锌氧化物薄膜晶体管(aIGZO TFT)的制备,并在不同环境下进行了退火。其中,经过一次退火冷却后再进行第二次退火的器件表现出了最佳的电学性能,相比其他器件有较小的亚阈值摆幅(~1.43V/decade)和更好的磁滞稳定性。通过对比其他退火条件下的器件表现与工艺,发现在一次退火基础上增加的较短时间(30min)退火是这些显著提高的主要原因。这说明,在aIGZO TFT进行了一次退火并冷却后,通过引入二次退火使得aIGZO薄膜表面平整化和结构密实化,器件性能仍然有提高的空间。

采用硅光电池阵列作为接收机探测器,在Matlab/Simulink环境中建立了可见光通信(VLC)系统模型,对硅光电池阵列的UI特性和输出功率特性进行了仿真研究,同时研究了结电容和光照度对硅光电池响应带宽的影响。研究结果表明硅光电池结电容越小,响应带宽越大,硅光电池结电容为2pF时,响应带宽最大可为10MHz,满足无线通信和无线供能复用的可见光通信系统应用要求。

针对激光器的相位噪声会严重影响相干光正交频分复用(COOFDM)系统的性能问题,基于空载波间隔提出了一种适用于COOFDM系统的新相位噪声补偿算法,通过空载波来间隔信息子载波,从而有效降低载波间干扰并提高有效信息干扰比。仿真结果表明：与最小平方准则公共相位误差(LSCPE)算法相比,该补偿算法能有效地改善系统的误码性能,降低系统对激光器线宽的要求。

研究了基于脉冲编码调制的布里渊光时域分析(BOTDA)系统原理,该系统向传感光纤注入经脉冲编码调制后的光脉冲序列,在接收端用数据处理程序恢复系统的单脉冲响应,从而提高BOTDA系统的信噪比、温度和应变分辨率。理论研究了BOTDA系统中Simplex 码、Golay码和CCPONS码的编码和解码原理；利用Matlab仿真研究了不同脉冲编码调制的BOTDA系统的时域输出信号,并对比分析了三种编码对系统信噪比的改善情况,结果表明采用脉冲编码技术可使BOTDA系统性能得到有效提升,CCPONS码调制时可获得最佳系统性能,Simplex码次之。

针对认知无线电中的频谱分析问题,在软件无线电构架下给出一种数字通信系统信噪比盲估计模型。分析了数字通信系统中缓变区的存在性,并根据数字通信信号的循环平稳特性给出了信号缓变区的选择方法。提出了一种基于缓变消除的信噪比盲估计算法,该方法不需要通信系统发送目标波形。仿真分析表明,所提方法能够准确找到数字通信信号的缓变区,对各种数字通信系统都具有较好的信噪比估计性能。

基于遗传算法与Chase译码算法的各自优势,提出了一种降低运算复杂度并加快译码速度的新颖分组Turbo码(BTC)译码算法。与传统的Chase译码算法相比,该译码算法降低了译码复杂度且加快了译码速度。仿真分析表明,该算法较传统的Chase译码算法在误码率为10-6时提高了约1.15dB的净编码增益(NCG),具有良好的纠错性能。因而它是一种适用于光传输系统且实用性较强的新颖BTC译码算法。

对设备的可靠性研究是实现设备持续保障的条件。首先分析了光纤通信传输系统中波分复用设备的功能及配置,建立了波分复用设备的可靠性框图模型。然后根据建立的可靠性框图模型及相关数学模型,计算分析得出波分复用设备可靠性指标的预测值。最后将预测值与实际值进行了比较,结果表明,预测值非常接近实际值,从而验证了所建立的可靠性模型用于设备可靠性指标的预测是可行的。

针对现有图像增强中的彩虹编码采用固定阈值分割方法,导致增强后的图像缺乏层次感、视觉效果模糊的问题,提出一种基于多阈值分割的红外图像伪彩色增强算法。该算法通过建立伪彩映射模型,采用多阈值分割手段,将不同灰度值映射成丰富的颜色值,以突出图像边缘的细节信息。实验结果表明,该算法处理后的红外图像具有目标轮廓清晰、视觉效果理想的优点。

提出了一种新型红外靶标的设计,重点阐述了靶标的整体结构和结构中各个模块的工作原理,给出了靶标在多个领域的应用情况。通过大量实验和后期数据的处理,讨论了靶标图像的灰度值与靶标温度的关系。实验结果表明,可以通过对图像灰度值的确定来确定靶标的温度,这样就大大减少了用靶标做实验的前期准备工作。

多传感器光轴平行度检校是保证线阵主被动成像载荷高精度获取地物多源数据的重要环节。设计了一种适用于该类型载荷的光轴平行度检校系统。该系统基于大口径平行光管结合辅助激光光源的方法,利用图像采集系统获得光斑中心以实现多元线阵激光收发光轴对准；同时,使用可见光线光源引出激光光轴,最终完成线阵可见光光轴与激光光轴之间的平行度检校。该系统能够实现多线阵传感器的主动探测收发光轴及主被动光轴的平行度检校,具有良好的通用性和可扩展性。

从吸收光谱的测量原理出发,利用光子晶体光纤的空气孔增加光与物质的作用率,提高气体吸收灵敏度。提出一种基于光子晶体光纤的气体传感系统实验方案。实验中通过测量接收端的光功率,根据光功率与气体浓度的关系式推算出气体的相对浓度,实现气体检测。实验结果说明该实验方案提高了气体检测的灵敏度,可作为气体检测的一种有效方法。

针对多姿态人脸图像分类存在的困难,提出了一种基于Gabor特征和深度信念网络(DBN)的近邻元分析(NCA)方法,通过提取Gabor多姿态人脸图像的尺度图并将其进行融合,从而对多姿态人脸图像具有较好的区分度,利用融合后的特征图来训练样本并作为深度信念网络的输入图像,结合NCA分析对训练样本进行线性变化以寻找到一个更有利于类别分类的线性子空间,提供足够大的数据集来估算模型参数进而对多姿态人脸图像进行分类。对ORL人脸数据集测试结果表明,多姿态人脸分类数据量为1616和2432之间时的平均分类正确率分别为86.67%、84.00%、90.67%和86.67%,与PCA、LDA和RCA三种算法相比,其分类准确率都得到了提高,实验结果验证了这种针对多姿态人脸图像的分类算法的有效性。

针对印刷线路板凹陷和空洞缺陷难检测的问题,提出了一种基于背景连通域的线路板缺陷定位及识别方法。方法首先利用Gerber文件产生线路板标准图像,利用CCD摄像装置获取线路板待测图像；其次,采用定位孔检测法和仿射变换法实现标准图像和待测图像的配准；再次,采用差影算法和形态滤波法对待测线路板缺陷进行定位；最后,采用背景连通域方法和铜料检测法实现缺陷类型识别。通过对带缺陷线路板的检测实验,结果验证所提方法不仅能对常见缺陷准确定位及识别,而且能对凹陷和空洞缺陷准确高效识别。

针对传统相机采用USB2.0或者图像采集卡(CameraLink卡)等接口技术传输图像数据,存在的传输速度慢、应用不方便及应用局限性大等问题,提出一种基于USB3.0的接口技术,实现相机实时图像采集和实时显示。该方法对USB3.0内核的GPIF接口状态机进行编程设计,实现GPIF接口识别帧同步和行同步信号,采用两个Socket PingPong切换来搬运图像数据,再经过DMA通道将数据传送到USB3.0端口,上位机通过多线程和并行排队等候数据包的方法快速取出端口数据,实现图像实时采集和显示。实际证明,该方法可以对不同帧频、不同图像大小的相机实时图像进行采集和显示,且不丢帧和数据,最高数据传输速度可达300MB/s。

针对不规则目标和背景区分度低的目标在跟踪过程中尺度和旋转自适应的问题,提出了基于前景概率密度函数和椭圆拟合的均值平移目标跟踪算法。首先依据初始化的目标窗口及其周围的背景区域建立前景概率密度函数,抑制跟踪窗口内的背景像素,建立可靠的目标模板；然后将前景概率密度函数引入均值平移的迭代过程,实现跟踪窗口的快速定位；最后计算跟踪窗口内各点的前景概率密度函数,反向投影为前景概率分布图,通过对该图的边缘提取和椭圆拟合,获得当前目标的位置、尺度和旋转信息,并将其用于对下一帧跟踪窗口的初始化。实验结果表明,该方法克服了背景干扰对跟踪窗初始定位和目标信息更新的影响,能够实现对目标尺度和旋转的自适应,具有跟踪稳定和实时性高的特点。

在分区域的图像测量中,皮带轮图像呈现同心弧特征,一般可采用例如霍夫变换等算法进行分析和检测,也可采用开窗式快速检测算法。为了解决开窗式算法的不足并保证检测速度,考虑检测中皮带轮位置确定,设计了一种快速检测算法。首先描述了检测中曲线转换水平直线的算法优势；然后分析了皮带轮圆心坐标偏移对检测的影响；接着设计曲直变换式的尺寸检测算法步骤。对比实验证明,此算法在保证检测速度的同时,能够提高检测精度,不仅适用于皮带轮尺寸检测,也适用于确定位置的圆形物体尺寸检测。

重建像质量的优劣是衡量数字全息成像最主要的标准。针对影响重建像质量的三个主要因素：参物角、CCD像素间距和再现距离,采用离轴全息记录与菲涅尔衍射近似重建算法对数字全息记录与再现过程进行了模型仿真,系统地探讨了各个因素对重建像质量的影响。通过仿真和分析获得了CCD像素间距和再现距离的参数范围以及参物角最大允许值,为具体实验验证提供了理论依据和操作指导。仿真实验结果表明,只有当参物角在最大允许值以内,选取合适的CCD像素间距和再现距离参数才能再现出清晰的重建物像。

为测量轴对称目标的俯仰角和偏航角,提出了一种基于Radon变换的轴对称目标三维姿态测量新方法。首先分析了目标成像模型和三维姿态测量原理；其次采用Radon变换算法提取目标的初始中轴线,然后利用最小二乘拟合法优化得到更加精确的结果；最后,以投弃式温深仪探头为对象,设计了仿真及物理实验来验证所提方法。仿真及物理实验表明,该方法能精确地提取目标的中轴线,中轴线角度平均误差小于0.02°。搭建的双目视觉测量系统可以用于目标三维姿态测量,测量精度满足应用需求。

搭建了一套基于DVD聚焦循道伺服技术和双光子吸收三维光存储技术的双光头三维光盘存储系统。针对DVD光学读取头传递函数,采用BP神经网络自适应PID控制算法,构建PID控制系统仿真模型,通过BP神经网络的超强自学习和非线性逼近能力在线调整PID控制器参数,并进行计算机Matlab仿真。仿真结果表明,BP神经网络自适应PID控制算法提升了系统的响应速度,减小了系统的超调量。

目前的森林火灾预防主要依赖卫星监控、人工监控和区域巡场等。一种较为经济有效的方法是利用现有的用于区域巡场的监视塔,在其上设置CCD相机,定期拍摄监控照片,通过短波通讯设备将其传回指挥中心。考虑到短波通信的带宽限制,必须压缩图像,带感兴趣区域的压缩方式能在保证目标区域信息损失较小的情况下提供更高的压缩比。文章首先对图像采用分水岭算法和归一化分割,之后根据火焰的颜色特征信息提取感兴趣区域的掩模,最后在子带上以JPEG2000标准针对不同区域采用不同的压缩码率以提高整体压缩比。