低NA大模场光纤高耦合效率模场适配器

为提高低数值孔径大模场光纤与单模光纤的耦合效率,并提高输出光束的光束质量,结合加热扩芯技术和大模场光纤拉锥技术实现二者的模场匹配。基于粒子扩散和绝热拉锥方程分别建立了热扩芯光纤和锥形大模场光纤的理论模型,并仿真了其模场分布和传输特性,优化了器件的结构及制备参数。采用数值孔径分别为0.06和0.05的商用和自制的锥形大模场光纤与无附加损耗的热扩芯光纤,制备得到两款模场适配器。分别对器件的插入损耗和光束质量因子进行了实验测试,基于数值孔径分别为0.06和0.05的大模场光纤的模场适配器的正向插入损耗分别为0.29 dB和0.23 dB,正反向损耗差值分别为0.19 dB和0.06 dB,输出光束的质量因子分别为1.26和1.15。仿真和实验结果表明,低数值孔径的大模场光纤对于高阶模式的抑制能力更强且受到纤芯偏移和角度偏移影响更小。基于数值孔径为0.05的大模场光纤的模场适配器具有更高的耦合效率和光束质量,在高功率光纤激光器中有广泛运用前景。

空芯光纤的双机理温度传感特性比较

实现了一种基于负曲率反谐振空芯光纤的级联型光纤传感器件,并从理论和实验上分别研究了其反谐振干涉和多模干涉两种机理的温度传感特性。器件由单模光纤、渐变折射率多模光纤与空芯光纤级联熔接制成,在实现高效率耦合下,基于两种机理实现温度传感并进行比较研究。仿真分析了空芯光纤的纤芯模式和包层管模式,基于光纤材料的热膨胀和热光效应理论研究了温度传感特性。实验结果表明,基于反谐振干涉和多模干涉机理的温度灵敏度分别为17.29 pm/℃和7.70 pm/℃。

基于单片机光纤测距系统的设计与实现

光纤由于其频带宽、损耗低及抗干扰能力强等优点已被广泛地应用在通信、电子及电力方面,是我们生产生活中必不可少的媒介。在实际的光纤实验、安装、运营和维护工作中,一种精准、轻便和易操作的光纤测距系统显得尤为重要。设计中采用基于单片机的激光测距系统,以相位式激光测距法为核心,包括显示模块、模式选择模块、按键输入模块,该系统具有激光测距、复位、模式选择、校准、数值输入与显示功能。整个系统与传统的光纤测距仪相比有着低成本、轻便、功能人性化、便于操作等优点。

基于空间干涉成像的七芯光纤芯间群延时差测量

提出了基于空间干涉成像的多芯光纤芯间群延时差的测量方法。用CCD记录不同波长下的空间干涉图,利用干涉图中所有像素点的干涉信息构建三维空间干涉光谱,并通过光谱分析可得芯间群延时差。搭建了基于空间干涉成像的多芯光纤芯间群延时差测量实验装置,测量了沟槽辅助型弱耦合七芯光纤芯间群延时差。该方法的测量装置简单,测量精度可达10~(-4)ps/m,不仅可测量两芯间的延时差还可同时测量任意相邻的多个芯的芯间延时差。测量时使用三维调节台加CCD的组合使得待测纤芯的选择激发更加简单。此外,还研究了多芯光纤芯间延时差的弯曲依赖性,结果显示,随着弯曲半径的增大,多芯光纤芯间群延时差不断减小。

结构光测量系统误差分析

本文针对交比不变原理的结构光光平面标定方法,利用泰勒展开和矩阵扰动原理分别对系统的测量误差和光平面标定误差进行分析,提出了结构光测量系统的误差传递模型。并给出了一个实验特例的精度要求,即满足在1 000 mm的测量距离上获得±0.5 mm以内的测量精度情况下,各标定参数所需满足的精度要求,以及标定样本的精度要求。对误差传递模型所得出的标定参数的精度要求进行实测实验验证,得到测量数据的均方根误差为0.333 4 mm,满足理论上的精度要求。该实验结果证明了本文所述的误差分析可以有效地对结构光系统误差进行定量分析。

结构光系统的周期编码光设计

在结构光系统中,编码光是解决对应点匹配的关键,编码光的性能直接影响结构光测量的精度、分辨率和实时性。在深入分析条纹图变形机理的基础上,证明了空间周期性应用到编码光设计的可行性,提出了运用空间周期的约束条件,分析了在编码光设计中引入空间周期性对测量性能的改进。分析结果表明,在编码图个数保持不变的情况下,在结构光编码中引入空间周期性,系统测量分辨率将会有很大的提高;同样在保持测量分辨率不变的情况下,应用空间周期性可减少编码模式的个数,更适合实时测量系统。结合时空编码方式,提出了一种新的实时编码光设计方案——周期时空条纹编码。该编码方式利用了空间周期性,在保证测量分辨率和精度的情况下,可减少编码模式的个数,适应实时测量的应用。对该编码方式进行了实验验证,实验结果证明了空间周期性应用于编码光设计的有效性。

基于DHT的光OFDM系统PAPR抑制算法

针对光OFDM系统存在高峰均功率比(PAPR),提出了一种基于离散哈特利变换(DHT)的选择映射抑制算法。采用快速哈特利逆变换(IFHT)代替传统的快速傅立叶逆变换(IFFT)和Hermi t i an对称算法,并结合非对称限幅法产生满足光OFDM系统要求的正、实值信号送入光纤信道。

基于光反馈半导体激光器的多开关状态检测系统

为了能够同时检测多个开关的状态,提出了一种基于光反馈半导体激光器的多开关状态检测系统.该系统由半导体激光器、多开关传感网络和数据采集与处理单元组成.多开关传感网络包括多个反馈光路,每个光路由耦合器、光纤和强度反射式光开关构成.所有开关都闭合时,系统没有反馈,激光器输出连续光.当有开关被打开时,光反馈使系统工作在混沌状态.根据系统输出信号的自相关曲线中与各开关位置对应处的峰值是否大于预设阈值来判断开关的状态,通过编程令其它位置处的峰值为零来消除干扰峰.搭建了3个开关的实验系统,分别对不同开关状态下的系统进行检测,结果表明该系统可以准确检测单个或多个开关的状态.

高速光OFDM符号定时同步在FPGA上的设计与实现

提出了一种在非全局时钟光正交频分复用通信系统中的符号定时同步的高速并行算法,并阐述了该算法在现场可编程门阵列(FPGA)上的实现过程,分析频偏对系统性能的影响,并提出了补偿方法。在25km标准单模光纤通信系统中,运用该同步算法实现了2.667Gb/s数据实时传输。

M2M通信系统下基于压缩感知的多用户检测技术

M2M通信具有零星性,为了缓解大规模M2M通信带来的大量控制信号开销问题,CS-MUD被广泛研究。讨论了在帧传输结构下利用压缩感知的MMV模型来进一步提高多用户检测中的行为检测性能。为了使SOMP算法更具实际价值,提出CV-SOMP算法,通过利用交叉验证残差在迭代次数等于稀疏度时具有极小值来估计稀疏度。一方面,MMV模型通过利用源信号具有相同的稀疏结构,使得SOMP算法每次迭代中通过利用残差矩阵来更新支撑集,大幅提高了用户行为检测性能;另一方面,用户行为检测性能的提高导致用户数据检测性能也得到了大幅度改善。仿真结果表明CV-SOMP算法在稀疏度未知情况下不仅能够100%进行稀疏度估计而且能够大幅度提高多用户检测性能,另外在保证检测性能的条件下能够支持过载系统,提高频谱利用率。

超低浓度黄曲霉素光电检测装置研制

基于荧光光谱分析法研制了一种光电检测超低浓度黄曲霉素装置,该装置的最低检测浓度达到0.01ppb。利用近紫外光激发黄曲霉素溶液,使之产生荧光信号,通过光电倍增管(PMT)将黄曲霉素溶液产生的微弱荧光信号转换为电信号,然后对该微弱电信号进行锁相放大,该锁相放大器由AD630平衡调制器和UF42低通滤波器组成。最后由AD7606对电信号进行处理并显示。实验结果表明,黄曲霉素溶液的浓度与电信号强度之间呈线性关系。同时,通过对硫酸奎宁溶液的检测,其浓度与电信号大小之间也呈线性关系,表明该装置可以对多种类似样品进行浓度检测。装置该可以检测低浓度黄曲霉素溶液,检测多种样品,具有良好的应用前景。

基于PbSe量子点掺杂环形芯光纤的涡旋模式放大

采用改进的化学气相沉积法成功制备了PbSe量子点掺杂环形芯光纤,光纤为双包层结构,其环形芯与内包层折射率差约为2.2%。通过电子探针显微分析技术测试了光纤中的元素种类及含量,在高分辨透射电子显微镜下观测到PbSe量子点的晶格结构,同时测量了拉曼光谱,证明此环形芯光纤中成功掺入PbSe量子点。这为制备半导体量子点掺杂光纤提供了重要的参考价值。利用该光纤搭建了涡旋光放大系统,在信号光波长为1550 nm处实现了1~3阶涡旋模式放大,当泵浦光功率为634 mW时,所有模式的开关增益>13 dB,差分模式增益<2.45 dB。该实验系统有望促进涡旋模式宽带放大的进一步研究。

基于螺旋长周期光纤光栅的宽带模式转换器

随着光通信网络的发展,高性能宽带模式转换器成为了迫切需求。提出并实验制备了强调制相移少模光纤螺旋长周期光栅,其可以实现全光纤宽带轨道角动量模式转换器的功能。通过增大二氧化碳激光的辐射功率在较短的少模光纤中制备强调制光栅可以显著增大光栅带宽,当在强调制光栅引入相移时,光栅的模式转换带宽会进一步增大。高阶模式转换的10-dB带宽均大于200 nm,且光栅在宽带波长范围内能够直接激发2阶与3阶轨道角动量模式。通过对光栅施加扭转与应力,能够实现宽带波长调谐。该少模光纤螺旋长周期光栅模式转换器可以实现大范围高转换效率的高阶轨道角动量模式激发。

基于拉锥少模光纤长周期光栅的高灵敏度传感器

少模光纤器件可以充分利用多个空间模式实现多参数的测量,具有精度高和检测效率高的优势,被广泛应用于光纤通信和光纤传感领域。通过仿真和实验对拉锥少模光纤长周期光栅进行研究,在不同锥腰直径的拉锥少模光纤上制备长周期光纤光栅,并对不同锥腰直径的长周期光栅的模式耦合、偏振相关损耗、温度、折射率和扭转特性进行研究。实验结果表明:随着锥腰直径减小,纤芯模式的扭转灵敏度有所提升,包层模式的折射率灵敏度和扭转灵敏度显著提升,最高灵敏度分别可以达到12166.7 nm/RIU和0.7 nm·rad^(-1)·m。拉锥少模光纤长周期光栅可以作为高灵敏度折射率传感器和扭转传感器应用于光纤传感领域。

基于有源超表面天线罩的窄截面方向图可重构天线

针对无人机数据链通信存在抗干扰性能差、防捕获能力弱等问题,提出了一种具有良好气动性能的基于有源超表面天线罩的窄截面方向图可重构天线。该天线由宽带平面印刷全向天线、窄截面有源超表面天线罩以及双频阻抗匹配网络组成。当超表面天线罩上二极管均截止(未加偏置电压)时,天线罩处于全透波状态,天线工作于宽带全向通信模式。当超表面天线罩特定区域二极管导通时,该区域天线罩处于全屏蔽状态,天线工作于双频定向通信模式,此时通过引入双频阻抗匹配网络显著改善天线的阻抗匹配。全向通信模式下,天线相对带宽达到44.6%,全向增益可达1.37 dBi,不圆度小于2.5 dBi;定向模式下,双频天线上下频带分别为1.4 GHz和1.8 GHz,相对带宽分别为9.1%和15.3%,最大定向增益达5.2 dBi。该天线具有窄截面、低成本等优点,能够在宽带全向通信和双频定向通信工作模式之间灵活切换,有望提高无人机抗干扰、防捕获的性能。

二极管选型对能量选择表面天线罩的性能影响

能量选择表面技术主要通过周期结构加载非线性器件可自适应实现对高功率入射波的非线性响应,即“低通高阻”。以二极管选型对能量选择表面天线罩性能的影响为研究目的,首先,通过注入实验评估不同型号二极管在高功率信号输入时的功率毁伤阈值,并进行相应的毁伤测试分析,实验结果表明:当输入功率达到47dBm时,BAP65二极管内部电流过载引发热失控,导致毁伤;其次,选择4种不同型号的二极管评估它们对能量选择表面天线罩的插入损耗和屏蔽效能的影响,实验结果表明:在0.75~0.9GHz,加载MMP4401二极管的能量选择表面具有低于0.5dB的插入损耗和大于15dB的屏蔽效能。此外,双管并联的能量选择表面表现出较好的屏蔽效果,而单管则具有更低的插入损耗。

轻量化人体和手部网格重建

三维人体网格重建在影视、虚拟现实等下游任务中有广泛应用。然而现有重建方式关注更好的重建精度和纹理表达,也因此更依赖高性能的计算或采集设备,缺乏对低成本、轻量化重建方式的研究。为降低人体重建任务的使用成本和硬件要求,本文提出了一种轻量化的人体和手部网格重建方式,基于参数化模型对身体和手部重建任务进行解耦,针对身体和手部的不同特点分别设计了不同分支网络。身体重建分支和手部重建分支均为编码器-解码器结构。身体重建分支编码器为双阶段编码器,第一阶段通过Litehrnet和Canny算子获得热点图和边缘图,并对图片进行代理表示,第二阶段通过Shufflenet提取全局特征,解码器通过级联低维度多层感知器以概率分布的方式对人体参数进行回归;手部重建分支的编码器以Litehrnet为主干网络获取多分辨率特征分支,通过姿态池化对多分辨率特征分支进行融合得到全局特征,解码器通过深度可分离卷积网络获得手部顶点,并通过MLP对形状进行估计,利用顶点坐标基于逆向拓扑数学求解得到关节旋转参数。与现有方法相比,参数量和计算量显著减少,整体参数量为6.12M,计算量为433M,且具有较好的重建效果,在Human3.6M数据集中平均关节点误差(MPJPE)为86.7 mm,手部重建分支在FreiHand数据集上对齐后平均关节点误差(PA-MPJPE)为10.8 mm。此外该方法完成了在移动设备的推理,在骁龙8Gen3处理器推理速度为79.7 ms(12.5 fps),可以达到实时推理的效果。

低功耗高速率IR-UWB发射机设计与实现

针对高速无线通信的应用场景,该文提出了一种低功耗高速率的脉冲超宽带发射机架构。发射机采用注入锁定环形振荡器产生射频载波,同时基带信号通过基于有限长单位冲激响应滤波器的模拟延迟线产生发射所需要的波形,不仅减少了发射机的功率损耗,而且更好地满足了FCC MASK的要求。该发射机电路采用40 nm CMOS工艺设计和仿真验证,仿真结果表明,所提出的脉冲超宽带发射机可实现OOK和BPSK调制,具有1.1 GHz和2.2 GHz两种发射带宽,最大数据传输速率可达499.2 Mb/s,其能量效率为11.8 pJ/bit。

偏振分集相干光OFDM通信系统中的相位噪声消除

提出了一种基于偏振分集的相干光正交频分复用(OFDM)链路。然而相干检测对相位噪声比较敏感,偏振分集接收过程又会产生额外的乘性相位噪声,因此基于偏振分集相干光OFDM系统,提出了基于数字信号处理的相位噪声消除方案。在100km单模光纤中,以8Gbit/s的传输速率零误码传输16进制正交振幅调制OFDM信号,经相干检测之后,基于数字信号处理,对相干光OFDM信号完成了相位噪声消除,并对相位噪声消除后的信号星座图进行了实验结果分析。另外,还将经过相位噪声消除后的偏振分集相干光OFDM链路与其他相干光OFDM链路方案进行了性能对比,从而验证了此方案的优越性。

基于0.1π旋转相位Grover算法的ECC电压毛刺攻击算法

将Grover算法应用到对公钥密码的故障攻击中,提出一种基于固定相位旋转Grover量子算法,当旋转相位为0.1π时,仿真实验搜索成功率提高到99.23%。进一步与故障攻击结合,提出基于0.1π旋转相位Grover算法的椭圆曲线密码电压毛刺攻击算法,仿真实验以100%的概率攻击了NIST公布的Koblitz安全曲线K-163,其计算复杂度呈指数级降低。这是除Shor算法之外量子计算对公钥密码的一种新的有效攻击途径,有助于拓展量子计算对其他公钥密码体制的攻击。