基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤扰动传感系统一直是扰动监测方面的研究热点。通过对比与传统光时域反射计(OTDR)的区别, 介绍了Φ-OTDR传感系统的结构和工作原理。根据其发展动态, 以提高传感距离和定位精度为目的, 从Φ-OTDR系统结构的改进出发, 分别论述了传统式、拉曼式、布里渊式和级联式四种典型的Φ-OTDR扰动传感系统的工作原理及研究现状, 总结了各自的优缺点, 为在实际应用中选择合适的系统结构提供了方向, 最后展望了基于Φ-OTDR的分布式光纤扰动传感系统的应用前景。

降钙素原(Procalcitonin, PCT)对于反映患者炎症甚至败血症患病程度具有重要意义。为实现低浓度PCT的免标记检测, 利用极大倾角光纤光栅(Excessively Tilted Fiber Grating, Ex-TFG)的低温度交叉敏感性和高折射率灵敏度的优点, 在光纤的表面修饰金黄色葡萄球菌(Staphylococcus Aureus Protein A, SPA), 再将PCT单克隆抗体固定在SPA分子层, 从而构成对PCT具有特异性检测功能的免疫传感器。实验结果表明: 降钙素原含量为0.5ng/mL时, 谐振波长红移约13pm; PCT的浓度为200ng/mL时, Ex-TFG的红移量基达约125pm; 浓度为1000ng/mL时, 红移量趋于饱和, 最大红移量约150pm。通过对实验数据拟合, 发现Ex-TFG谐振波长的红移量与PCT浓度之间的关系满足Langmuir模型, 相关性系数为0.98。该方法为低浓度PCT的检测提供了一种免标记、快速的检测方法。

激光衍射对刀是通过检测激光衍射条纹峰值点间距来进行对刀间隙测量的方法。但是检测装置中装夹误差的存在会使得入射激光相对于成像光轴呈现斜入射状态, 进而对对刀间隙检查结果及对刀精度产生影响。为了研究斜入射角度对衍射对刀精度的影响规律, 建立了激光斜入射的衍射光强计算模型和峰值点间距误差的计算模型, 进而给出了激光斜入射角度计算模型; 理论结合实验分别提出了通过检测中央衍射条纹光强峰值点位置和两个一级衍射条纹峰值点间距综合进行激光斜入射角度校正的方法; 根据具体实验工艺条件, 确定了入射激光的最佳倾斜角度工艺调整范围, 为有效提高激光衍射对刀精度提供了依据。

针对相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)分布式光纤扰动传感系统严重的误警问题, 在Φ-OTDR多路监测系统方案的基础上, 提出了将改进的D-S证据理论应用于Φ-OTDR三路监测系统中以减少误警率。利用改进的D-S证据理论信息融合算法对每路输出数据进行融合, 然后将融合结果与报警阈值相比较, 判断是否发生报警。实验测试发现: 基于改进的D-S证据理论的Φ-OTDR三路监测系统不仅在三路监测方案中能够正确判断扰动信号, 还使得漏警率由3%降至1%, 72h内误警率由3.3%降至0%, 提高了系统的报警性能。

为进一步改善低密度奇偶校验(LDPC)码译码算法的纠错性能, 并加快其译码的收敛速度, 提出一种基于交错行列消息传递的改进译码算法。该算法通过将动态调度策略译码算法中的残差值思想引入到串行调度译码算法中, 使得串行调度译码算法在每次迭代进行消息更新前都会进行一次残差值排序的计算, 并对其节点消息原有的固定更新顺序进行重新排序。仿真结果表明: 在误码率为10-4时, 该改进的译码算法相比于行消息传递算法和列消息传递算法有0.25和0.24dB的增益; 在误码率为10-5时, 相比于交错行列消息传递算法有0.13dB的增益。

星图识别算法是星敏感器输出姿态的关键技术。根据星图从天球坐标系转换到星敏感器坐标系过程中存在特征值不变的原理, 结合视场和星等需求建立了导航星表。并根据星图识别要求设计了对应的快速识别算法。针对特征表维数多的特点, 采用K向量法提高搜索效率, 同时采用并行计算的思想进一步提高搜索速度。采用Matlab编程实现了算法, 并进行了仿真。结果表明, 算法的识别效率可达97.8%, 平均搜索时间可达14.4ms, 能够满足准确率高、识别速度快的要求。

提出了一种基于朗伯型反射面的LED间接照明系统, 即LED光源出射的光全部通过朗伯型反射面反射后再照射目标区域, 该系统具有光源亮度均匀、灯具效率高等优点, 很好地解决了高亮度LED点光源给室内照明带来的眩光问题。首先提出了一种能够很好逼近朗伯反射面的复合型微结构表面, 并通过Lighttools光学仿真对其分布参数进行了优化, 使最终结果在不同光线入射角的情况下, 都具有较理想的余弦反射特性。在此基础上, 设计了整体光学系统, 使其实现了近180°范围的角度亮度的均匀性和高达84.7%的灯具效率, 验证了间接照明方法的可行性。

多输入多输出(MIMO)技术是室内可见光通信发展的一个重要方向, 信道相关性是影响其性能的一个重要因素。为此, 研究了影响MIMO信道相关性的主要因素。首先, 根据朗伯辐射模型, 从理论上建立了MIMO信道模型并推导了MIMO信道相关性与空间距离参数的关系; 在此基础上, 建立了实验验证平台, 通过实验验证了理论结果。理论及实验结果都表明: MIMO信道相关性随着发光二极管(LED)距离的增大而增大; 随着光电探测器(PD)距离的增大而增大; 随着LED平面与PD平面距离的减小而减小。研究结果对于室内可见光MIMO通信中LED及PD的布局有重要的指导意义。

针对室内高速光无线链路设计, 提出了一种新的光正交频分复用技术方案——改进极性光正交频分复用(MP-OFDM)。通过将星座协作映射技术引入到极性光OFDM(P-OFDM)系统中, 在获得高效的功率和频谱利用率、较低峰均平均功率比(PAPR)及较好误码性能的同时, 还可以进一步提高系统编码增益, 增加系统设计自由度。仿真实验表明, 与P-OFDM技术相比, 该方案的PAPR性能与其接近, 而平均误码块率性能则优于前者, 即MP-OFDM系统可在不牺牲PAPR的同时获得更好的平均误码块率性能。同时, 在功率分配方案中, 系统能在平均误码块率性能与PAPR性能之间取得更好的折衷。

基于对数正态(L-N)湍流信道模型, 研究了LDPC编码大气光通信多输入多输出(FSO-MIMO)系统迭代检测算法。分析了内迭代与外迭代次数对系统性能及计算复杂度的影响, 并针对PDA检测算法复杂度高的问题, 提出了一种基于反馈阈值的M-PDA迭代检测算法。改进的算法利用译码输出的比特先验信息对发送比特进行分类, 从而降低检测复杂度, 并通过选取合适的阈值, 可以获得更好的检测性能。仿真结果表明, 实验时需要综合考虑计算复杂度和性能, 选取合适的内外迭代次数, 仿真条件下, 误码率为10-5、反馈阈值为0.7时, 可以获得0.15dB的性能增益。

目标检测通常利用复杂的、高维度的特征来提高其检测精度, 而高维特征往往会产生较高的计算复杂度和存储开销。经典的特征压缩算法常常被用于目标检测系统以实现特征降维, 但在其求解过程中会涉及到大量的矩阵分解运算, 从而降低了算法的实时性。针对此问题, 提出一种基于随机映射的特征压缩算法。该算法仅通过一个稀疏随机矩阵和简单的矩阵乘法运算就实现了特征从高维空间到低维空间的映射。利用经该算法压缩后的特征向量构建了Ada-Boost分类器, 实验结果表明, 该分类器在保证检测精度的前提下, 提高了目标检测的实时性。

利用高精度的电容传感器设计了一种带有位移反馈的压电陶瓷精密微位移系统, 极大地矫正了压电陶瓷的非线性。设计了高精度的位移检测电路, 实时采集电容传感器的电容量并转换成数字信号反馈给DSP, 形成位移信息的闭环。结合带有前馈补偿的PID闭环控制策略, 矫正压电陶瓷的非线性特性, 进而实现微位移系统精密定位。对设计研制的微位移系统进行试验测试, 结果表明: 位移检测电路的电容分辨率可达0.0001pF, 微位移系统定位精度优于5nm, 校正后迟滞误差低于1.0%。

为了提高光网络中波长资源的使用效率, 利用光纤中瞬态受激拉曼散射效应分析理论, 设计了一种基于掺锗光子晶体光纤的可调谐四通道波长转换器。由于受激拉曼散射效应的增益随信号光与探测光波长之间的频移量变化, 波长转换器各个转换信道波长可由探测光波长调谐。分析了泵浦信号光输入功率对多波长转换器性能的影响, 结果表明: 随着输入泵浦功率的增大, 多路波长转换器的转换性能更好。用OptiSystem对四通道可调谐波长转换进行仿真, 结果表明: 所设计的波长转换器能够同时实现四通道波长转换, 各信道波长可在1511~1569nm进行调谐。

针对脉冲星导航对软X射线探测的实际要求, 研究分析了一种基于石墨烯电场效应的软X射线探测器的性能。通过理论计算, 并利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件, 给出了探测器时间分辨率和能量分辨率的估值公式。在5.9keV软X射线入射硅吸收层的情况下, 时间分辨率的理论值可达7.2ns, 能量分辨率的理论值约为90eV(1.5%)。结果表明, 该探测器能够初步满足脉冲星软X射线的探测需求。

光压加速度计作为新型悬浮类加速度计, 对惯性微球所受光阱力的理论研究提出了更高的要求。对单轴双光束光压加速度计的工作原理进行了分析, 并采用T矩阵方法对光压加速度计中的惯性微球在任意一轴所受到的光阱力进行数值模拟, 比较了在不同主要参数下的光阱力捕获效率的差异, 最后对光压加速度计的灵敏度进行了优化分析, 得出了10-7g/μm加速度的测量灵敏度。理论分析和模拟计算表明, T矩阵的方法可以实现快速和较为精确的光阱力的仿真与计算; 同时, 基于单轴双光束的光压加速度计方案可以得到较高的测量精度。

提出了一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器, 三个纤芯包括两个相同的单模纤芯和一个少模纤芯, 在少模纤芯中写入长周期光纤光栅以实现单模纤芯中LP01模与少模纤芯中LP11模间的转换。同时从两个单模纤芯输入LP01模, 能激发少模纤芯中两个简并的LP11,a模和LP11,b模。采用光束传播法分析了该模式复用器/解复用器的耦合特性及串扰。数值模拟结果显示, 若以少模纤芯中LP11模输出能量大于-1dB的波长范围作为该模式复用器/解复用器的工作带宽, 则能够达到23nm, 并且少模纤芯中生成的其他模式的输出能量皆比LP11模的输出能量小-21dB以上。该模式复用器/解复用器能够实现对少模光纤的模式复用与解复用, 并具有极低的串扰。

以新型的石墨烯材料为压力敏感膜, 设计了一种基于法布里-珀罗干涉的光纤微压传感器。利用薄膜光学理论, 分析了不同层数石墨烯膜的反射率特性。仿真结果表明, 增加层数可以提高石墨烯膜的反射率。根据光传输矩阵的理论, 研究并模拟了法珀腔的几何参数对反射信号的影响。通过分析对比几种大挠度圆膜应变的理论, 建立了石墨烯薄膜的压力敏感特性模型, 并利用ANSYS静态力学非线性对模型的挠度形变特性进行有限元仿真, 验证了模型的准确性, 为设计制作基于石墨烯薄膜的光纤微压传感器提供了理论基础。

设计了一种基于SMIC 0.13μm CIS工艺的单光子飞行时间(TOF)传感器像素结构。针对传统单光子雪崩二极管(SPAD)结构的不足, 采用p阱和STI共同作为保护环, 避免器件提前发生边缘击穿从而减小器件面积, 增加深n阱使有源区耗尽层变窄, 从而降低雪崩击穿电压, 增加硅外延层将器件的光谱响应峰值转移到所需要的光波长, 以此提高器件对指定波长光的吸收能力。通过浮动SPAD阳极电压的方式, 采用低压CMOS晶体管实现主动式淬灭电路从而快速地控制雪崩电流淬灭, 以达到缩短死区时间的目的。通过SILVACO TCAD和Cadence IC设计套件对工艺、像素器件结构以及相关电路进行仿真, 验证了该设计的可行性。

随着光电二极管的用量不断增大, 手动测试筛选已满足不了测试需求, 定制自动测试系统又存在成本较高、不易推广的缺点。为提高测试效率、解放人力资源及便于测试系统推广, 采用一台KEITHLEY 2400源表及开关控制板构建了批量快速测试系统。开关控制板的阵列开关采用两片1∶8多路复用器实现, 与采用继电器实现相比, 降低了硬件设计难度及复杂度。将开关控制部分与器件载体部分分别设计在两块电路板上, 并用两块载体板交替完成器件安装与测试, 能实现器件插拔与器件测试并行进行, 缩短了测试等待时间。将测试控制、参数测试及数据处理流程化, 使测试效率得到了进一步提高。试验结果表明: 搭建的测试系统可实现一批64只器件的一键式测试, 每只器件单个参数平均测试时间不到1s, 且测试准确度较高。

双面太阳电池是指硅片的正面和反面都可以接受光照并产生光生电压和电流的太阳电池, 由于受到结构等各种因素的影响, 目前还没有完善的测试方案用于双面太阳电池的完整测试。基于太阳能仿真环境PC1D, 采用控制变量的方法来测定电池背面反射率对双面太阳电池综合转换效能的影响, 研究了双面电池在不同背面受光条件下的测试结果, 得出电池背面背景反射率增大时, 双面太阳电池的综合转换效能的变化规律; 确定了双面电池合理的测试条件, 给出了双面电池科学的测试方案。结论对双面太阳电池的测试和应用具有重要意义。

为了实现集成硅基光源, 研究了基于湿法表面处理的InP/SOI直接键合技术。采用稀释的HF溶液对InP晶片进行表面活化处理, 同时采用Piranha溶液对SOI晶片进行表面活化处理, 实现了二者的低温直接键合。分别采用刀片嵌入法和划痕测试仪对样品的键合强度进行了定性及定量分析。同时, 采用超声波扫描显微镜及扫描电子显微镜对键合界面的缺陷信息及键合截面的微观特性进行了评估。分析结果表明: 提出的键合工艺可以获得较好的键合效果。

对采用多级变速法生长AlGaAs电流扩展层的850nm红外发光二极管进行了研究。研究发现, 采用多级变速法生长n型Al0.25Ga0.75As电流扩展层有助于改善外延层表面形貌和后续外延层的晶体质量, 从而减小850nm红外发光二极管的漏电流及串联电阻。此外, 采用多级变速法生长n型Al0.25Ga0.75As电流扩展层还可以避免在多量子阱(MQW)有源区中形成非辐射复合中心, 从而提高850nm红外发光二极管的亮度和寿命。

利用电子束蒸镀在石英玻璃上制备出Ga掺杂的SnO2(SnO2∶Ga)薄膜。结合X射线衍射仪、原子力显微镜、紫外-可见-近红外分光光度计和光致发光谱, 研究了不同退火温度对薄膜的结构与发光特性的影响。研究结果表明: 当退火温度超过500℃, 薄膜呈现四方金红石结构, 随着退火温度的提高, 晶粒尺寸增大, 薄膜的禁带宽度变宽, 发光强度逐渐增加, 成功制备出发蓝紫光的SnO2∶Ga薄膜。薄膜样品在700℃下退火后光致发光强度显著增强, 这是因为随着退火温度的升高, SnO2∶Ga薄膜的非辐射中心减少, 有利于发生辐射复合。

纳米二氧化钛是太阳能光电转化过程中普遍使用的材料, 已有研究证明对其进行铝包覆可以很好地提高其光电性能。为了方便根据铝元素形态确定包铝改性过程中铝的添加量, 以及分析铝元素各形态对改性纳米二氧化钛功能的改进作用, 通过硫酸铝对纳米二氧化钛进行表面无机改性, 并采用X射线衍射仪、红外光谱仪、热重分析仪和自带能谱的扫描电镜等手段对改性前后的纳米二氧化钛进行表征来确定包铝后的纳米二氧化钛中的铝元素形态。实验结果表明: 经铝改性后的纳米二氧化钛表面包覆物以AlOOH和无定型Al(OH)3的形式存在, 且AlOOH、Al(OH)3、TiO2三者的个数比近似为1∶1.5∶7.5, 表面包覆物以Al(OH)3为主。

提出了一种H型金属孔阵列结构, 利用该结构形成的法布里-珀罗腔加强表面等离激元耦合作用, 以期获得较好的强透射现象。采用有限时域差分法(FDTD)对该结构进行数值仿真, 并详细研究了H型金属孔阵列中水平方向矩形孔和竖直方向的两相同对称矩形孔的长和宽等参数对强透射特性的影响; 同时研究了基于该现象的折射率传感特性。结果表明: 当水平方向矩形孔的长和宽分别为300和120nm、竖直方向的两相同对称矩形孔的长和宽分别为60和10nm时, 强透射现象较好, 并在此基础上获得了389RIU/nm的折射率灵敏度。这些研究结果有望为高性能微纳等离子体传感器的设计提供理论参考。

以不同退火温度处理后的ZnO籽晶层为基底, 采用水热法生长了ZnO纳米棒阵列。对制备得到的ZnO纳米棒阵列的形貌、结构以及发光特性进行了表征, 分析了籽晶层的退火温度对ZnO纳米棒阵列的形貌及发光性质的影响, 发现通过调节籽晶层的退火温度, 可以控制ZnO纳米棒的大小及密度, 并发现在经400℃退火后的籽晶层上生长的ZnO纳米棒阵列形貌最佳, 发光性能最优。

标准化是微流控系统的发展趋势, 很多器件需要精确的流量控制和传输。因此, 准确地表征和测量芯片功能模块的流体阻力具有重要的应用价值。提出了一种类比于惠斯通电桥测量不同流阻大小的器件, 该器件将一个芯片内的膜阀视为可变流阻器, 与待测器件并联。通过施加不同的压力, 控制膜阀的开口度, 保持桥平衡, 直接计算获得待测芯片的流阻大小。仿真计算发现, 其测量范围达到4个数量级, 误差控制在3%以内。结果表明, 微流控惠斯通电桥是测量流阻的有效方法, 可以根据不同的应用环境, 设计不同的尺寸和结构, 以满足特定需要。

利用溶液法的浸渍提拉工艺制备了以有机聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为介质层、非晶铝铟锌氧化物(a-AIZO)为沟道层的顶栅共面结构薄膜晶体管(TFT), 研究了沟道层退火温度对TFT性能的影响机理。结果表明: 较低退火温度(如300和350℃)下处理的沟道层中存在未彻底分解的金属氢氧化物, 其以缺陷态形式存在于TFT沟道层内或沟道层/介质层界面处, 对导电沟道中电子进行捕获或散射, 劣化TFT的迁移率、电流开关比以及亚阈值摆幅。综合来看, 退火温度高于400℃下制备的a-AIZO适用于TFT器件的沟道层, 相应的器件呈现出较高的迁移率(大于20cm2/(V·s))、较低的亚阈值摆幅(小于0.5V/decade)以及高于104的电流开关比。

在原子光学、量子通信、生物医学、食品安全和激光测量研究等领域, 常常需要对荧光信号进行测量。而这些荧光信号的强度往往十分微弱, 一般的探测方法难以检测。因此, 针对微弱原子荧光光场分布信息的探测需求, 设计搭建了一套测量系统。选用硅光电倍增管作为测量系统的探测元件, 设计了跨阻放大电路来实现微弱电流信号的放大, 并利用MultiSim软件对电路进行仿真分析, 最终完成了测量系统的搭建、实现了对微弱光场的测量。实验结果表明, 该系统可以很好地满足微弱光场分布信息的测量需求。

针对面阵凝视器件运用到红外搜索跟踪系统中出现的图像拖尾问题, 分析了造成像移的原因。利用齐次坐标变换关系, 推导出周视搜索过程中的像面位置方程和像移速度方程, 通过对周视搜索过程中扫描像移的建模分析, 指出了补偿后的剩余像移量范围。提出一种动态扫描凝视补偿方案, 确定了凝视补偿扫描器的频率、摆角和速度准确度等参数。并对信号进行傅里叶频谱分析, 确定了补偿扫描器的伺服控制系统带宽。