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中北大学学位论文MEMS红外光源阵列的编码调制与光电标识特性研究

归档日期:07-18       文本归类:敌我识别器      文章编辑:爱尚语录

  中北大学学位论文MEMS红外光源阵列的编码调制与光电标识特性研究 MEMS红外光源阵列作为红外光电标识装置的重要组成具有可变频调制、穿透性强、安全可靠、信息容量大等工作特点 在红外无线通信技术领域 如近地空间通信、目标搜救指引、战场敌我识别等 具有重要的应用价值。为了满足红外光电标识装置智能化、微型

  中北大学学位论文MEMS红外光源阵列的编码调制与光电标识特性研究 MEMS红外光源阵列作为红外光电标识装置的重要组成具有可变频调制、穿透性强、安全可靠、信息容量大等工作特点 在红外无线通信技术领域 如近地空间通信、目标搜救指引、战场敌我识别等 具有重要的应用价值。为了满足红外光电标识装置智能化、微型化的应用需求 开展MEMS红外光源阵列的编码调制与光电标识特性研究成为光电标识技术领域的研究热点。 本论文选用基于高掺杂低阻多晶硅薄膜辐射层和低热容空腔悬浮体结构的新型MEMS红外光源作为光源阵列的组成单元 系统开展了MEMS红外光源辐射特性、光源多阵列组合设计及编码调制技术、光源阵列光电标识特性测试分析三个方面的研究工作 实现了高电 光转化效率变频调制MEMS红外光源器件性能的系统测试分析 及光源阵列多维度编码调制与多外场调控光电标识特性研究。 采用悬浮体结构设计的新型MEMS红外光源经测试在5 7V驱动电压内电学工作性能稳定 具有3 5μm波段的窄带红外输出 中心波长分布在3 6μm左右 且在6V驱动时实现10 以上的高电 光转化效率 设计了平面、三维两种不同结构的光源阵列 实现了辐射强度与辐射角度控制之间的关系调和 设计了可编程控制阵列编码驱动电路 编写了三维阵列结构的VHDL控制程序 实现了MEMS红外光源阵列的多维度、多状态、多频率切换调制与大容量信息传输编码 信息包含量达百G量级 利用不同波段响应的红外热像仪 对光源阵列在不同外场条件下的图形识别效果及光电识别有效性进行了系统测试与分析 平面 三维阵列在短距离内可实现清晰有效图形、状态切换识别 在远距离 不小于2 1km 处可实现高分辨率有效识别 以光源阵列的光电标识特性测试结果分析 提出了光源阵列近距离状态切换余晖影响改进方案 与光源阵列远距离图形有效识别优化解决方法 为MEMS红外光源阵列作为光电标识装置 实现在红外无线通信技术领域的推广应用奠定了技术基础。 关键词 MEMS红外光源 MEMS红外光源阵列 编码调制 光电标识 红外无线通信中北大学学位论文 Coded Modulation PhotoelectricIdentification Features MEMSInfrared Light Sources Array Abstract importantpart infraredidentification device MEMS infrared light sources array has excellent properties modulationpermeability safety reliabilityinformation capacity advantagesmake MEMS infrared light sources array have wide applications infraredwireless communication technology including near earth space communications target search rescuebattlefield IFF technology etc infraredidentification device research encodingmodulation photoelectricidentification characteristics MEMSinfrared light sources array has attracting more attention New infrared light sources suspendingstructure radiatorusing dopedpolycrystalline silicon material were chosen componentunits MEMSinfrared light sources array radiationcharacteristics MEMSinfrared light source researchedarray structures were designed photoelectricidentification features arraywere tested analyzedsystematically MEMS infrared light sources which has radiation spectrum centerwavelength havestable electrical properties drivingvoltage from electricityphotology conversion greaterthan 10 6VPlane threedimensional structures relationshipbetween programmabledrive circuit VHDLprogram has been written threedimensional structure largeinformation statetransition graphicalchanges informationamounts could reach patternrecognition differentexternal fields had been systematically tested 中北大学学位论文analyzed using infrared cameras differentresponse bands graphicschanging threedimensional array can shortdistance minimumdistance 1kmAccording testresults optimized process twilightduring statetransition putforward longdistance researchmakes much contribution MEMSinfrared light sources array infraredwireless communication technology Keywords MEMS Infrared Source MEMS Infrared Light Sources Array Infrared Wireless Communication Coded Modulation Optical Identification 中北大学学位论文 第一章绪论 论文研究内容11 课题来源12 第二章 红外光电标识技术原理与基础 13 1红外光电标识技术原理13 2红外光电标识用光源14 1红外发光二极管14 2红外激光器16 3热辐射型红外光源17 MEMS红外光源18 4光电标识用红外光源选取21 5本章小结21 第三章 MEMS红外光源性能研究 23 MEMS红外光源电学特性测试分析23 1电学性能测试原理23 2测试平台搭建24 3电学性能测试与分析25 MEMS红外光源光学特性研究27 1辐射体光谱分布测试与分析28 1光栅分光法测试28 2光谱辐射计测试法31 3光谱仪测试法33 2辐射强度测试分析34 1辐射轴向衰减特性测试分析35 2辐射指向性测试分析37 中北大学学位论文 II 3辐射体温度特性测试与分析38 MEMS红外光源调制特性研究40 本章小结42 第四章 红外光源阵列编码调制技术研究 43 MEMS红外光源单元驱动设计研究43 MEMS红外光源阵列结构设计45 1阵列结构设计45 2阵列结构机械制造工艺实现46 MEMS红外光源阵列编码控制研究48 1光源阵列控制电路设计48 2光源阵列编码控制程序设计50 本章小结52 第五章 红外光源阵列光电标识特性研究 53 1红外光源阵列内场标识特性研究53 1中红外标识特性测试与分析53 2中远红外标识特性测试与分析54 2红外光源阵列外场标识特性研究57 1光源阵列夜间标识特性58 2光源阵列日间标识特性60 3外场标识测试结果分析61 3光电标识用光源阵列设计优化62 本章小结63 第六章 总结及展望 64 论文总结64 主要创新点65 工作展望65 MEMS红外光源三维阵列编码VHDL程序代码侧面板及顶面板 67 MEMS红外光源三维阵列编码VHDL程序代码侧面板 84 参考文献 99 攻读硕士期间学术成果情况 错误 未定义书签。 错误未定义书签。 中北大学学位论文 第一章 绪论 研究背景及意义光电标识技术是一种新型利用光电特征对目标进行识别、定位的现代识别技术 融合了光学技术的易获取、无限制、宽范围等优势及电子技术的可控性、信息化程度高、易集成等特点。现代红外通信技术 等对新型光电标识装置需求迫切。红外通信技术是光电特征标识技术的主要应用之一是一种利用光电特征标识装置作为信号发生源进行近距离无线数据传输的基础通信技术 10。红外无线通信起步很早 但是由于红外光电标识装置的发展滞后 直接阻碍了其作为通信技术的发展应用。早在第一次世界大战中 红外无线通信就派上了用场 当时是由德国军队研制 。此后红外无线通信技术在各种战场得到了不断应用 在第二次世界大战中 美国、日本 苏联等国家都曾涉及红外无线通信技术的研制应用。之后 由于红外光电标识装置电光转化效率过低 不可调制编码 辐射光谱范围大 在传输过程中损耗较高 极大的限制了红外无线通信技术的发展。 红外光分布红外光是指波长分布在0 75 1000μm范围内的电磁波 如图1 1所示 具有不可见、波谱范围广、穿透能力强、抗干扰能力强等特点 根据波长范围不同又细分为近红外 1000μm红外无线通信系统中红外光的应用涵盖了整个红外光波段 由于近红外光的产生相对简单 成本较低 中北大学学位论文 现阶段应用最为广泛的红外无线通信主要涉及近红外波段 但是由于近红外光源温度较高、难以调制且红暴现象严重 限制了红外无线通信的应用与发展 尽快研制具有中远红外 波段通信的红外线产生装置意义重大。红外光电标识装置是红外无线通信技术的核心单元 主要由红外光源阵列构成 用以产生通信用红外线。近年来 各类新型红外光源不断涌现 尤其是微电子技术的发展 出现了MEMS红外光源。利用微纳加工技术制备的MEMS Micro Electro Mechanical Systems 新型红外光源相比其他类型红外光源具有高电光转化效率、多波段窄带光谱输出、高辐射强度等应用优势 11 12 经特殊工艺或组合设计可加工成光源阵列结构 结合调制编码技术实现阵列信号传输 13 16 。MEMS红外光源阵列整合了单光源的所有优势 并因其组合结构弥补了单光源存在的部分不足 极大的优化了光电标识装置的性能。红外接收设备也出现了更为便携、智能的半导体器件 红外无线通信技术无需敷设线路、保密性好、抗干扰能力强、价格低廉、设备简单、适应性强、便于移动等独特的优点 17 19 结合办公室自动化、家庭电器化、宽频带通信等发展的迫切需要 至此 红外无线通信逐渐引起各国的普遍重视和发展。 在红外无线通信系统中 MEMS热辐射型红外光源阵列可以产生特定窄带红外线 其应用可以有效提高系统抗干扰能力和信息传输安全性 结合阵列结构设计与编码调制控制技术 可以实现在极其恶劣的环境中进行目标探测、识别及超大容量信息的安全传输。MEMS热辐射红外光源的低制造成本决定了其应用的广泛性 不管是高端的军事武装 还是平民化的家用电器、普通移动设施无线通信 都可以采用MEMS红外无线通信装置。 MEMS技术是在微电子技术的基础上发展起来的一种新技术 融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术 微小的尺寸使MEMS器件具有宏观结构所不具有的优点 重量和功耗更低、可靠性更高、响应速度更快、灵敏度和分辨率更高、动态范围更大 将MEMS技术应用于红外线发生装置研发是一种新原理、新方法的尝试 20 。MEMS红外光源具有辐射强度高、电光转化效率高、体积小、成本低、工作可靠以及可批量生产等显著特点 21 可以集成为光电标识装置嵌入目标识别系统、红外通信系统等多种红外体系中 在路线标记、飞机降落指引、船舶引航、人员搜索和营救以及军事目标的识别与跟踪等红外无线通信应用方面具有良好的应用前景 因而备受各方关注 成为现阶中北大学学位论文 段各国红外无线通信系统研究领域的一大热点 作为其核心组成 MEMS光源阵列及其编码调制与光电标识特性研究成为红外无线通信及光电识别领域的一个重要课题。 MEMS红外光源国内外研究现状红外光源是指能发出具有一定能量的红外波段光波的器件 理想的红外光源应为具有某一特定波长的单色光源 但由于技术实现的困难性 常以宽波段辐射光源代替单色红外光源。宽光谱红外光源中心波长多分布在近红外 可辐射中远红外的红外光源器件的辐射强度一般较低。面对传统红外光源的应用短板 近年来发展了一种新型的红外光源 MEMS红外光源 该种类型光源是一种热辐射型红外光源 具有特殊硅微结构、窄带可调输出、微小体积等特点 21 。MEMS红外光源按红外光产生原因分大抵有两类 即化学反应放热 多为半导体材料 和电阻自加热模型光源 都需在外加电压作用下工作。MEMS红外光源的发光部分是利用微纳加工技术实现的具有发光功能的微结构 其结构形式设计及材料选取都对光源的发光特性有着最直接的影响 22 国外发达国家关于MEMS红外光源的研究进展很快美国Helioworks公司作为红外灯泡的主要生产商 是红外光源及MEMS红外辐射体的技术革新者 其自主研制了多款MEMS红外光源辐射体 包括EK系列高发射率的稳态Kanthal坎萨尔斯灯丝辐射体 23 如图1 所示该系列MEMS红外辐射体可产生稳定类黑体辐射 另有脉冲类光源分别为EP系列高温钨丝脉冲红外光源 如图1 所示和EF系列脉冲红外光源 EP系列钨丝红外光源为高温红外发射体 经蓝宝石窗口封装滤波可实现最优长波红外输出 EF系列的辐射体由三个独立单元的MEMS发光结构组成 如图1 美国Helioworks公司研制的不同系列MEMS红外光源中北大学学位论文 此外 美国Ion Optics公司、Intex公司、Axetris公司等分别研制了可脉冲调制、高辐射效率等特性的MEMS红外光源 其中Ion Optics公司研制的MEMS红外光源 如图1 3所示 具有3 4μm波段的红外辐射和低至1W的驱动功率 24 已在非色散红外气体传感器等系统得到推广应用 25 该公司后期研制的可调制红外光源 具有更优的发光特性 26 Intex公司研制的薄膜型红外光源 如图1 4所示 以类金刚石材料为发光薄膜主材料 电光转化效率10 以上 调制特性也取得了较大的进步 27 Axetris公司独特的推出以百叶窗结构为辐射体的MEMS红外光源 如图1 5所示 同样具有良好的辐射强度及调制特性。 美国IonOptics公司研制的脉冲型辐射体及封装器件 5美国Axetris公司研制的高电光转化效率MEMS红外光源其他欧洲国家包括德国、挪威、波兰、瑞士等 对MEMS红外光源的相关研究也取得了很大进展。挪威国家科学与工业发展基金会 SINTEF 的微系统中心成功地研制了用于集成声光气体传感探测的MEMS红外光源薄膜结构辐射体 如图1 6所示 具有

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