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2022年  第44卷  第2期

综述与评论
量子点合成及其光电功能薄膜研究进展
钟和甫, 唐利斌, 余黎静, 左文彬
2022, 44(2): 103-114.
摘要:
量子点(quantum dots,QDs),也被称为半导体纳米晶体,得益于其廉价的制造成本和独特的光学物理学特性,已经广泛应用于光电探测器和太阳能电池的设计和开发。而量子点的合成则是制备光电探测器和太阳能电池的重要组成部分之一。本文对几种不同的量子点合成技术进行了概述,对国内外不同的基于量子点的光电探测器和太阳能电池进行了归纳和总结,并比较了不同种量子点薄膜的优缺点。最后,对量子点薄膜的发展进行了展望。
材料与器件
InAs/GaSb II类超晶格材料界面特性的表征分析
任洋, 覃钢, 李俊斌, 杨晋, 李艳辉, 杨春章, 孔金丞
2022, 44(2): 115-122.
摘要:
本文系统地介绍了国内外研究机构对超晶格界面进行研究时采用的测试分析手段。其中,通过拉曼光谱、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、扫描隧道显微镜(STM)、二次离子质谱(SIMS)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法可以对InAs/GaSb II类超晶格材料界面类型、界面粗糙度、陡峭性等特性进行测试分析,从而评估超晶格界面质量。光致发光谱(PL谱)、高分辨率X射线衍射(HRXRD)、霍尔测试、吸收光谱等测试方法则可以研究超晶格界面质量对超晶格材料能带、晶体质量、光学性质的影响。
石墨烯与典型光导型光电探测器读出电路的对比研究
韩钦, 高恺聪, 任思伟, 伍俊, 江英, 赵瑞光, 申钧
2022, 44(2): 123-128.
摘要:
石墨烯光电探测器具有兼容性好和宽波段响应等优势,其读出电路可类似于微测辐射热计等传统探测器。然而,石墨烯光电探测器一般属于光子型,其响应度、功耗和积分时间等具有显著差异。针对纯石墨烯、石墨烯-硫化铅异质结、硫化铅和典型微测辐射热计4种探测器,结合实测器件参数,进行读出电路的对比研究。仿真结果表明:由于其较高的响应度,实现相同的输出电压,石墨烯-硫化铅异质结探测器所需的积分时间最少,更利于高帧频应用。另一方面,与微测辐射热计相比,石墨烯探测器具有较高的功耗,而分析表明合理的器件结构设计可有效减小功耗。本文的研究工作可为二维材料等新型光电探测器的读出电路选择和参数设计提供参考。
As注入长波碲镉汞红外探测器工艺研究
熊伯俊, 李立华, 杨超伟, 李雄军, 赵鹏, 万志远
2022, 44(2): 129-133.
摘要:
p-on-n结构的碲镉汞红外探测器具有长的少子寿命、低暗电流、高R0A值等优点,是高温器件、长波甚长波器件发展的重要器件结构。而国内还鲜有砷注入掺杂p-on-n长波HgCdTe探测器的相关报道,为了满足军事、航天等领域对高性能长波探测器迫切的应用需求,针对As离子注入的长波p-on-n碲镉汞红外探测器退火工艺技术进行研究。采用二次离子质谱(SIMS)仪分析注入及退火后As离子浓度分布情况,使用半导体参数测试仪表征pn结的I-V特性。研究结果表明,在富汞0.5 h 430℃+20 h 240℃条件下,实现As激活,成功制备As注入长波15 μm 640×512的p-on-n碲镉汞红外焦平面器件,器件有效像元率大于99.7%。该研究对长波甚长波碲镉汞p-on-n焦平面器件的制备具有重要意义。
系统与设计
中段飞行弹道导弹表面温度与辐射特性计算
李享, 李劲东, 王玉莹, 孙晓峰, 杨冬
2022, 44(2): 134-139.
摘要:
中段飞行弹道导弹目标辐射特性对于探测手段选择、传感器设计等具有重要意义。以采用红外隐身技术的弹道导弹为研究对象,考虑表面隐身涂层特性和进出地影的影响,采用有限体积法计算了弹道导弹在整个中段飞行过程中的温度变化;结合导弹自身辐射与太阳、地球辐射光谱,给出了导弹0~15 μm范围内的辐射特性;研究了导弹表面温度和辐射特性的关系,不同表面涂层在光照与地影状态下的探测差异。结果表明,相比于表面温度,涂层光学参数对导弹辐射特性的影响更大,同一涂层的可见光和红外突防效能存在矛盾,可以采用两种探测方法协作,提高探测能力。
一种用于机器视觉系统的双远心镜头设计
曹一青
2022, 44(2): 140-144.
摘要:
为了满足目前机器视觉工业在线检测提出的更高要求,本文给出了一种用于机器视觉系统的双远心镜头设计思路。首先,根据系统设计指标,确定较合适初始结构;然后,在双远心镜头成像原理和像差分析方法基础上,应用光学设计软件Zemax对系统像差反复优化设计,最终得到了一款具有高分辨率、低畸变及远心度小等特点的双远心镜头。该镜头系统由10片折射透镜组成,工作波长为400~700 nm,工作物距为100 mm,畸变小于0.07%,远心度最大不超过为0.06°,调制传递函数值在奈奎斯特频率77 lp/mm处均大于0.5,像差校正较好,满足系统设计要求。
某型红外热像仪结构改进设计研究
高有涛
2022, 44(2): 145-150.
摘要:
红外热像仪机械环境可靠性是其结构设计最为重要的指标之一。为保证红外热像仪能够经受服役的振动环境,本文以某型红外热像仪故障闭环为契机开展失效机理及结构改进设计研究。基于动态试验结果对红外热像仪有限元模型进行修正。采用有限元数值方法和随机振动疲劳失效理论相结合对故障的产生机理进行了推测。根据分析结果重新对结构改进优化并通过疲劳失效理论和随机振动试验进行了验证。结果表明故障定位准确、提出的优化改进措施有效。本文的分析思路对单机传感器设计或故障定位、结构改进设计等具有一定参考意义。
大气气溶胶红外散射透过率计算研究
吴辉阳, 王泽洋, 黄兴军, 张艳, 石孝楠, 张云飞
2022, 44(2): 151-156.
摘要:
红外辐射在大气中传播时大气气溶胶散射是能量衰减的原因之一。通过考虑气溶胶密度随高度变化,结合大气能见度参数,建立了红外线在水平均匀传播和斜程传播下的大气气溶胶散射透过率计算方法。水平均匀传输下,在中长波波段对大气气溶胶散射透过率采用常规积分求均值方法计算,与采用波长中值的工程计算公式结果对比,表明工程计算公式具有足够的工程精度;对于斜程传播情况,通过对高度积分得到红外线大气气溶胶散射透过率的斜程工程计算公式。计算分析了探测器高度、波段和大气能见度对大气气溶胶散射透过率的影响。本文对于建立自主的精确大气透过率计算模型、计算机载探测器对红外目标的下视探测性能以及深入了解大气气溶胶散射透过率的影响因素具有重要意义。
热电堆型激光功率计设计与仿真
雷程, 武学占, 梁庭, 马野, 关一浩, 董志超, 李强, 齐蕾
2022, 44(2): 157-162.
摘要:
针对紫外、可见、红外等激光器输出功率测试需求,提出一种由传热体、吸收层、绝缘层和热电偶构成的热电堆型激光功率计。结合热效应和塞贝克效应理论,采用Solidworks三维设计软件构建不同关键结构尺寸的模型,通过ANSYS Workbench仿真软件建立了热电耦合仿真分析模型,分析关键结构尺寸参数对输出电压以及温度分布的影响关系。采用机械加工、镀膜和喷砂工艺设计热电堆型激光功率计,设计封装结构和电路补偿对输出电压进行放大和校准,结果表明,传热体厚度、热偶条对数和长度都是影响激光功率计输出电压的关键性因素。
基于动态规划的对焦步进电机控制
邝先验, 周亚龙, 吴玉刚
2022, 44(2): 163-169.
摘要:
为了解决STM(stepper motor)镜头中步进电机低频对焦慢、高频失步跑焦的问题,通过分析对焦过程中电机的加减速动作,结合步进电机加减速曲线,设计了一种适用于STM镜头驱动的步进电机开环控制算法。算法根据步进电机速度在单位控制周期内不变,把步进电机位置控制问题转换为单位控制周期内脉冲输出问题,实现了速度控制与位置控制的巧妙结合。设计并搭建了STM镜头对焦电机控制电路,工程实验结果表明:该算法提高了步进电机开环控制的精度,有效地减小了由于步进电机过冲和失步带来的跑焦问题。
图像处理与仿真
红外与可见光图像注意力生成对抗融合方法研究
武圆圆, 王志社, 王君尧, 邵文禹, 陈彦林
2022, 44(2): 170-178.
摘要:
目前,基于深度学习的融合方法依赖卷积核提取局部特征,而单尺度网络、卷积核大小以及网络深度的限制无法满足图像的多尺度与全局特性。为此,本文提出了红外与可见光图像注意力生成对抗融合方法。该方法采用编码器和解码器构成的生成器以及两个判别器。在编码器中设计了多尺度模块与通道自注意力机制,可以有效提取多尺度特征,并建立特征通道长距离依赖关系,增强了多尺度特征的全局特性。此外,构建了两个判别器,以建立生成图像与源图像之间的对抗关系,保留更多细节信息。实验结果表明,本文方法在主客观评价上都优于其他典型方法。
自适应权重的偏微分分割模型在变电设备红外图像中的应用
陈达, 何全才, 迪二镇, 邓造柱
2022, 44(2): 179-188.
摘要:
针对变电设备运维中的红外检测图像无法被准确分割的问题,本文应用了一种改进的自适应权重偏微分图像分割方法。通过分析红外图像信噪比低、边缘模糊、对比度低以及最常出现的灰度不均匀问题,在明确传统分割方法不足的基础上,对基于偏微分方程的分割模型开展改进。本文所提出的自适应权重的LGIF分割模型利用目标设备和背景灰度不均匀程度不同的特点,将其与区域内的平均灰度值联系起来,针对性调整模型中全局能量项和局部能量项权重,以弥补现有算法不足。在多种场景下经实验验证,本文模型相较阈值法、CV分割模型和固定权重LGIF模型均更为有效准确,表现稳定,方便了后续的特征提取和识别。
红外应用
基于无人机热成像的建筑饰面层脱粘缺陷识别
彭雄, 钟新谷, 赵超, 陈安华, 张天予
2022, 44(2): 189-197.
摘要:
建筑外墙饰面层脱粘剥落广泛存在,对居民生命财产安全带来巨大威胁。本文以旋翼无人飞机为工作平台,搭载红外热成像相机对建筑外墙饰面层脱粘缺陷进行成像检测,获得脱粘缺陷热成像温度场分布规律;通过饰面层脱粘缺陷温度场、形状特征分析,提出基于热源聚类的脱粘缺陷红外图像分割方法,构建饰面层脱粘缺陷形状特征向量集,建立基于支持向量机的无人飞机热成像饰面层脱粘缺陷识别特征学习模型、脱粘缺陷实际面积计算方法;以曾出现数次饰面层剥落的教学楼为研究对象,对实际建筑进行无人机机载红外视频成像检测,识别脱粘缺陷面积,并与人工检测进行比较,表明基于先验特征规律提出的脱粘缺陷识别小样本机器学习算法具有优越性,机载热成像识别饰面层脱粘缺陷满足工程精度要求,能有效减少事故发生,具有可行性和广泛应用前景。
SF6气体泄漏红外成像检测的技术分析和应用探讨
季怡萍, 邓先钦, 徐鹏, 高凯
2022, 44(2): 198-204.
摘要:
本文阐述了SF6气体泄漏红外成像技术原理,总结了检测工作相关的技术标准,结合技术原理对检测工作中的影响因素进行了重点分析,并提出了相应对策,通过技术比较分析了SF6气体泄漏红外成像的技术特点,据此提出了技术应用的策略,以更好地开展SF6气体泄漏红外成像检测,提高开关、互感器、套管、变压器等SF6气体绝缘设备缺陷巡检质量。