针对流速传感器大多存在测量量程小、柔性小而无法适应较大量程和复杂曲面的测量问题, 提出了一种宽量程柔性MEMS流速传感器, 结合热损失和热温差的工作原理实现对流速的测量。选取聚酰亚胺(PI)作为柔性衬底材料和铂(Pt)薄膜为热敏材料, 采用金属牺牲层MEMS工艺制造了带空腔的柔性流速传感器芯片, 尺寸为9 mm×7 mm×30 μm。设计了采用双惠斯通电桥的恒温差测控电路。测量结果表明: 制造的柔性MEMS流速传感器的TCR为0.2418%/℃, 实验实现了0~36 m/s的输入风速测量, 在低速、高速段内的灵敏度分别为2和0.295 mV/(m/s)。同时, 测量电路还展现出良好的温度补偿效应。所提出的柔性MEMS流速传感器具有宽量程、测试精度高、灵敏度高和易于实施温度补偿的优点, 有望用于航空航天、**等领域。

为提高现有光纤pH值传感器的检测灵敏度和检测范围, 降低弯曲以及温度交叉敏感的影响, 提出以pH值敏感型智能水凝胶为敏感膜的细直径极大倾角光纤光栅(Thin Excessively Tilted Fiber Grating, Thin-Ex-TFG)pH值传感器。理论上分析了影响传感器灵敏度的因素, 研究了提高传感器灵敏度的方案。然后, 制作出不同封装厚度的Thin-Ex-TFG pH值传感器, 进行实验研究。实验结果表明: Thin-Ex-TFG pH值传感器相比基于光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅的pH值传感器, 检测灵敏度(最大可达-0.704 nm/pH)和响应范围(pH值2~7)均有提高; 与标准直径极大倾角光纤光栅相比, 其检测灵敏度也有所提升。此外, 增加水凝胶涂覆厚度或减少光纤光栅包层直径均能有效地提高pH值检测的灵敏度, 实验结果与理论分析吻合。

基于EDFA的理论模型和受激拉曼散射效应的分析理论, 利用EDFA和RFA的增益谱互补特性, 对拉曼光纤放大器(RFA)采用两根光纤级联方式, 研究并设计了EDFA与级联光纤的RFA相结合的混合放大器结构。仿真结果表明: 在不使用增益均衡器的条件下, 所设计的混合光纤放大器在输出端得到了近似相等的输出光功率, 得到了增益平坦度为0.62 dB、波长带宽为70 nm(1 550~1 620 nm)的结果, 在密集波分复用光通信系统中有重要的应用价值。

利用800 nm飞秒激光在未经载氢处理的HI1060光纤中制作了长周期光纤光栅(LPFG)。采用逐线刻写方式实现了谐振波长为1 548.4 nm的LPFG, 谐振强度为12 dB, 栅区长度小于4 mm。使用不同折射率的氯化钠溶液、蔗糖溶液和酒精溶液分别对LPFG的折射率特性进行了测试和研究。实验中随着三种溶液折射率增加, LPFG的谐振波长发生红移, 该LPFG在氯化钠溶液、蔗糖溶液和酒精溶液中的折射率灵敏度分别为175.34、175.31和331.89 nm/RIU。实验结果表明, 这种基于飞秒激光制作的LPFG对液体折射率变化有较高的灵敏度, 可用于液体折射率传感测试。

设计了一款基于延迟锁定环(DLL)和同步计数器结构的10位片上时间数字转换电路(TDC)。采用两步层级设计方法, 利用同步计数器进行粗量化输出6位二进制码, 量化时钟周期的整数倍, 再利用高性能差分DLL输出16路固定相移的时钟信号采样, 精量化不足一个时钟周期的部分, 输出4位温度计码。该结构可以提供较好的精度、动态范围以及转换速度, 与传统的子门延时TDC相比, 该结构TDC占用的芯片面积更少, 转换速度更高, 受工艺、电压及温度影响更少。仿真结果表明: 该TDC 具有LSB 62.5 ps和MSB 64 ns的动态范围,满足一般与时间相关的单光子计数需要。

提出了一种基于石墨烯纳米条带阵列的光电探测器(GNR-PD)结构, 讨论了器件的解析模型。基于二维泊松方程, 在弱非局域近似条件下建立了GNR-PD的器件模型, 推导了其I-V特性和光响应特性。结果表明, GNR-PD具有极高量子效率和光电增益, 可以获得高达150 A/W以上的光响应度。

设计了一种基于硅基等离子体的波导缝隙频率可重构天线。首先对横向PIN二极管进行了介绍, 并以横向PIN二极管为基础提出了一种双横向PIN二极管结构, 叙述了双横向PIN二极管的工作原理。其次, 结合双横向PIN二极管和波导缝隙天线, 提出了一种新型的波导缝隙频率可重构天线, 并对天线进行建模与仿真, 仿真结果表明: 该天线实现了103.5、104和104.5 GHz的频率可重构。

对降低铌酸锂(LN)电光调制器的半波电压进行了研究, 探索了利用反射结构实现低半波电压的原理。通过退火质子交换工艺在x切LN晶片上制作了反射结构的LN电光调制器。测试表明, 这种反射结构的LN电光调制器在保持器件长度不变的条件下可以降低半波电压。

CCD多晶硅交叠区域绝缘介质对成品率和器件可靠性具有重要的影响。采用扫描电子显微镜和电学测试系统研究了CCD栅介质工艺对多晶硅层间介质的影响。研究结果表明: 栅介质工艺对多晶硅层间介质形貌具有显著的影响。栅介质氮化硅淀积后进行氧化, 随着氧化时间延长, 靠近栅介质氮化硅区域的多晶硅层间介质层厚度增大。增加氮化硅氧化时间到320 min, 多晶硅层间薄弱区氧化层厚度增加到227 nm。在前一次多晶硅氧化后淀积一层15 nm厚氮化硅, 能够很好地填充多晶硅层间介质空隙区, 不会对CCD工作电压产生不利的影响。

为了探究掺杂有菲醌的聚甲基丙烯酸甲酯(PQ/PMMA)光致聚合材料的光学特性, 根据该全息聚合材料基本理论以及内部的光化学反应机制与效应, 通过数学方法构建内部反应模型进行仿真与拟合, 分析了曝光强度、空间频率对产物、折射指数的影响以及存在的失真效应。结果表明: 在给定参数下, 曝光强度的最佳选择范围为60~80 mW/cm2, 空间频率的相对优化的选择为1 800 lines/mm。

为提高平面光学元件的加工质量和效率, 理解元件与抛光盘之间的相对运动轨迹变化规律是获得良好表面质量的重要前提。根据“运动学原理”和“坐标变换”建立了磨粒运动轨迹模型, 推导了磨粒轨迹长度公式。利用Matlab软件模拟计算了各参数下的磨粒轨迹长度和磨粒轨迹变化形态。研究表明: 不同转速比对材料去除速率和表面质量影响显著; 随着磨粒径向距离和偏心距的增大, 磨粒轨迹长度增加, 考虑到偏心距对工件表面质量的影响, 偏心距不宜太大或太小; 同一转速比下, 不同的磨粒初始角度对磨粒轨迹形状没有影响, 只会使其转过相应角度。

研究了离子注入后推结与扩散两种掺杂方式制作保护环对拉通型硅基雪崩光电二极管(Si-APD)器件成品率的影响, 对比在不同工艺条件下器件反向击穿电压、暗电流的变化情况。研究结果表明, 采用离子注入后推结的方式, 在注入后3 h@1 100 ℃条件下的成品率为94%; 采用扩散掺杂方式, 器件成品率不超过65%。两种方式对器件反向击穿电压影响较小且暗电流抑制效果相当。离子注入后推结制备保护环的方式更适合Si-APD制程。

分析了引起大面阵内线转移CCD直流短路的原因, 确认了二次金属铝刻蚀残留是引起器件失效的主要原因。利用扫描电子显微镜技术, 研究了刻蚀工艺参数对内线转移CCD二次金属铝刻蚀残留的影响。优化了预刻蚀、主刻蚀和过刻蚀三个阶段的工艺条件, 消除了金属铝刻蚀残留。采用优化的工艺参数进行二次金属铝刻蚀, 器件直流成品率提高了30%。

LED芯片的定位精度直接决定了LED制造装备的生产质量和效率, 为了提高LED芯片的定位精度, 提出了一种基于亚像素边缘检测的芯片定位算法。该算法首先采用Gamma变换方法增强图像的对比度, 并利用Blob算法获取芯片有效区域; 接着采用Canny算法进行芯片亚像素边缘轮廓的提取; 最后, 通过拟合芯片边缘轮廓, 获取芯片位置中心, 完成芯片位置的精确识别。该算法不需要人工训练模板进行匹配, 提高了边缘提取的定位精度, 实验表明, 该算法能在平均4 ms内完成一颗芯片的识别, 且重复精度达到0.1 pixel, 满足LED芯片高速高精度定位需求。

低温共烧陶瓷(LTCC)基板制作工艺复杂, 产品质量对工艺参数十分敏感, 微小的成型缺陷就会影响其功能特性。文章将BP神经网络和多目标遗传算法——NSGA-Ⅱ(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm Ⅱ)相结合用于LTCC基板在层压和烧结工艺过程中的工艺参数优化。根据LTCC基板成型过程中出现的微通道变形、互联金属柱错位、基板翘曲三种主要成型缺陷与相关工艺参数的正交仿真实验结果, 对神经网络模型进行训练, 建立了三种成型缺陷与工艺参数之间的神经网络预测模型。在此基础上, 采用多目标遗传算法对三种成型缺陷相关工艺参数进行多目标优化求解, 得到了较优的工艺参数组合, 用于指导相关产品制作工艺设计。

采用相位屏法模拟仿真, 对四拉盖尔高斯光束(Laguerre Gauss, LG)在大气湍流中传输时的闪烁性能进行了研究。结果表明: 与单LG光束相比, 四 LG光束可以降低光传输中的闪烁指数; 和外尺度相比, 内尺度对光束闪烁指数的影响较大; 光束的拓扑荷或者径向量子数越大, 四LG光束的闪烁指数越大; 当光束之间的距离取合适的值时, LG光束在大气湍流中的闪烁指数可取得最小值。

针对光电探测器的光电流信号弱、变化范围大的特点, 设计了一种全新的检测光电流信号的跨阻放大器(TIA)电路结构, 其检测电流信号范围为1.6 μA~1.6 mA, 动态电流检测范围达到60 dB。通过在电路内部设计出两个增益可调、增益段不同的TIA, 分别处理光电流的小电流段(1.6~50 μA)和大电流段(50 μA~1.6 mA), 增益可调范围为56~96 dBΩ; 通过外置输出电压饱和检测信号, 选择所需工作的TIA及其增益段。该电路采用0.18 μm标准CMOS工艺的PDK进行电路设计、版图设计和仿真验证等。测试结果表明: 在检测电流为1.6 μA时, 输出电压为95 mV; 检测电流为1.6 mA时, 输出电压为915 mV, 与仿真结果相一致。电路瞬态特性良好, 上升时间为5~10 ns, 3.3 V电压下功耗小于2 mW, 各指标满足设计要求。

为克服空间光通信(FSO)链路受大气湍流效应的影响, 将LT码应用到FSO系统中。多进制LT码具有较高的传输效率。提出一种新型度分布函数来改善多进制LT码的译码性能。计算不同进制LT码的译码失败率, 并模拟强湍流信道, 对采用不同编码方案的FSO性能进行仿真。结果表明: 采用新型度分布的LT码能够降低译码失败率, 且能有效改善FSO系统在强湍流情况下的性能。

在红外成像探测系统中, 对红外图像背景进行有效的抑制是准确检测出弱小目标的前提条件。基于目标在空域局部灰度稳定和时域运动连续的约束, 提出了一种基于时空域滤波的红外弱小目标背景抑制新方法。首先, 利用引导滤波保存图像细节和时域偏微分方程提取图像中突变区域的优势, 实现对图像空域与时域中平稳和强起伏不同特征复杂背景进行抑制处理; 然后, 将时空域背景抑制结果利用相与操作算子处理完成对高度类似弱小目标信号的剔除; 最后, 为恢复前期抑制结果中丢失的目标信息, 利用时空域融合结果作为引导图像进行进一步优化处理, 得到最终背景抑制结果。仿真实验采用两组低信杂比运动弱小目标红外图像序列进行方法验证, 并将该方法与几种背景抑制方法进行了比较, 实验结果表明: 该方法无论从主观视觉还是客观评价指标上均优于其他几种方法。

提出了一种基于下变频的飞行时间-时间数字转换(TOF-TDC)原理的微波光子传输链路延时抖动测量技术, 并详细地阐述了该技术的基本原理、系统构架以及参数设计等。该技术能以飞秒量级的测量精度以及大延时测量范围对信号延时抖动进行测量。环境因素导致的延时抖动严重地影响了高频模拟微波光传输相位传递, 进而制约其在光控相控阵等领域中的广泛应用。所提出的延迟抖动测量技术从本质上解决了光传输链路在电子战、宽带雷达等宽带应用场合中稳相传输所遇到的一个基础性问题, 具有很大的应用推广潜力。

为了实现对宽谱光源自相干函数的测量, 必须对宽谱光源干涉信号的包络进行提取。因此, 宽谱光源干涉信号包络的提取就成为了测量光源自相干函数的关键因素。针对现有的包络解调方法的不足, 建立了基于复Morlet小波的干涉信号包络提取方法。该方法采用复Morlet小波作为母小波, 通过选择适合尺度参数和位置参数, 可以有效地提取干涉信号的包络并具有良好的抗噪能力; 利用计算机Matlab仿真证明了该方法的有效性; 最后利用该方法对韩国Fiber Pro公司的白光干涉仪干涉输出信号进行包络提取,动态范围达到-60 dB。

为实现TP75海洋遥感卫星高光谱分辨率及弱目标的探测需求, 需要在窄谱段内、低照度下实现高信噪比。通过对成像光谱仪信噪比的推导, 建立了成像光谱仪信噪比的评估模型。利用成像光谱仪的光学透过率、光栅的衍射效率、CCD器件的量子效率、CCD暗电流、读出噪声, 以及视频噪声等, 对海洋水色谱段、中心波长处、典型辐亮度下、5 nm光谱带宽内的系统信噪比进行仿真分析。最后, 对系统信噪比进行了测试。测试结果表明: 仿真分析正确, 此成像光谱仪信噪比可达到60 dB。

针对单微粒散射光信号弱、脉宽窄的特性, 设计了一种低噪声宽动态范围光电检测电路。首先对单微粒散射光脉冲检测原理进行了分析; 然后根据散射光脉冲信号特征对检测电路进行了设计; 最后搭建了实验系统并对检测方法性能指标进行了评估。实验结果表明: 设计的电路带宽为1.5 kHz~1.2 MHz, 总输出噪声的均方根值为3.51 mV, 计算结果与实验结果基本一致, 误差为3.33%。该光电检测电路能够有效地对微弱的散射光信号实现低噪声放大, 为后续处理提供了稳定的信号。

监督局部线性嵌入算法(SLLE)通过数据点的标签信息进行高维数据在低维特征空间的映射, 针对SLLE在均匀化高维数据的分布和最小化重构代价时, 忽略类内偏离总体分布的稀疏离散数据在线性重构过程中可能错误地投影在其他超平面的情形, 引入Kmeans++算法调整样本间距离, 进行最优近邻点的选择, 从而更有效地反映数据在高维空间中的实际分布, 使降维后的数据具备更好的可分性。通过ORL以及Yale人脸数据集上的仿真实验, 结果显示, 该方法具有更强的泛化能力及更高的识别率。

利用多光谱成像技术, 讨论了一种对书画图像进行扫描和分析的系统修复方法, 避免了传统化学、物理分析方法对书画造成不必要的损害。在计算机的辅助下对书画进行多光谱图像的采集、光谱反射率重建、光谱图像降维以及图像颜色重建等, 实现了书画颜色的高保真再现, 在颜色修复上提出了基于Kubelka-Munk理论的颜料重构方法, 为书画的修复提供技术上的支持。采用该方法不仅可降低修复过程中书画损坏的风险, 而且可提高修复质量。

数字图像模糊滤波操作常用于美化润饰“伪造”图像。针对常用的均值滤波、空域高斯低通滤波与中值滤波, 提出了一种能同时检测上述3种操作的盲取证算法。首先将高频残差作为特征提取域, 然后分别基于二值局部模式LBP和自回归模型提取特征, 最后使用支持向量机构造模糊滤波检测器。实验结果表明, 所提算法能有效地检测模糊滤波操作, 对抗JPEG压缩的鲁棒性能较好。

针对LED的产品多样性, 设计了一种可调节夹具以适应各种芯片类型的快速LED光色参数测试系统。为了提高主波长的测量准确性和快速性, 提出了一种分区查表法来通过色坐标计算主波长, 经实验验证, 提出的快速LED光色测试系统可以提高LED测试的效率和精度。

光纤布拉格光栅(FBG)在封装时易出现非对称反射峰, 传统拟合方式对此现象解调误差大。针对这一问题提出了一种基于数字相关匹配的光纤光栅解调新算法。采用Matlab仿真和水浴实验对此算法进行了检验, 证明该算法的可行性及有效性。实验结果表明: 在FBG存在非对称反射峰现象时, 所提出的算法比传统高斯拟合算法误差减小约67%。基于数字相关匹配的光纤光栅解调算法扩大了解调算法的运用范围, 提高了非对称峰时的解调精度, 保持了光纤光栅的有效传感。

一字线及编码(相移)光栅结构光扫描测量系统在复杂曲面数模过程中得到广泛应用, 但不能同时保证较低的测量不确定度指标和复杂曲面数模结果的各向光顺性。文章采用双目视觉和十字光配置扫描测量方案, 在有效降低测量不确定度指标的同时, 利用正交配置的十字光平面, 改善了复杂曲面数模结果的各向光顺性。针对十字光双目外极线约束匹配可能存在的多义性问题, 提出了附加光平面约束, 有效剔除了误匹配点。实验结果表明: 该十字光匹配方法可行、具有较好的精度, 为后续准确高效地进行空间三角测量奠定了基础。

针对光电望远镜次镜精调Stewart机构的参数标定问题, 在以往标定方法的基础上, 首先, 提出了在逆运动学模型基础上推导Stewart机构标定模型的方法, 避免了正运动学求解析解困难、数值求解效率低且存在误差的问题; 其次, 对推导出的标定模型求解问题进行了分析, 求解了其雅克比矩阵, 针对模型系数矩阵不可逆的情况, 提出了一种改进的高斯牛顿迭代法及具体的实验步骤; 最后, 分析了最小二乘原理导致的测量误差对精度影响大的现象, 在Matlab中对设计的Stewart机构进行了标定仿真实验, 在测量误差为0.1 μm以下、标定精度平均提高56倍时, 平均精度仅提高7.8倍。对样机进行标定后, 位置精度平均提高了30.77倍, 姿态精度平均提高了20.73倍。结果表明: 该优化标定方法可以得到Stewart机构较精确的结构参数, 从而有效提高其位姿调整精度。

支持向量机(SVM)由于其出色的泛化能力, 已成为目标检测领域应用最为广泛的分类器之一。然而在检测过程中, 过多的支持向量会产生很大的时间开销, 从而降低目标检测系统的实时性。针对此问题, 提出一种约简支持向量的方法, 以降低分类器的决策开销, 加快检测速度。此方法采用迭代的方式来估计特征空间中向量的原像, 通过构建精简原像集来简化支持向量机, 从而达到了提升分类速度的效果。利用精简的SVM结合Selective Search+BoW模型构建了一款快速检测器, 测试结果表明: 该检测器能够在保证检测率的前提下, 通过约简支持向量, 提高目标检测的实时性。