光电技术研究(6篇)
光电技术研究篇1
本文描述了当前在光电跟踪系统中普遍使用的几种电视镜头的控制方法，通过对这几种控制方法的分析研究，提出了几种改良的电视镜头控制技术，将能更好适用于当前的光电跟踪系统。
【关键词】变焦方式自动调光方式自动聚焦方式Sobel算子清晰度评价函数
随着现代军事技术的发展，越来越重视武器系统的反应速度和打击精度，及早地发现、跟踪、捕获和锁定目标，才能有效的保护自己和打击对方。电视镜头作为光电跟踪系统中的前视部分，通过高分辨率的CCD摄取大量的图像信息，为光电系统从复杂的二维景物中提取目标的特征信息，实现目标的快速识别、捕获和远距离连续稳定跟踪，而成为光电武器系统中不可或缺的一部分。电视镜头的具体控制如图1所示。
1变焦方式的研究
光电跟踪系统中为了提高作用距离，普遍使用连续变焦距镜头。连续变焦距镜头有四组透镜组成，前组（聚焦组）、变倍组、补偿组和后固定组。在整个变焦过程中前组微调，后固定组保持不变，变倍组和补偿组之间按一定的规律做直线运动，来改变整个变焦距镜头的总焦距值。一般有一下几种方法。
1.1传统的变焦方式
传统的变焦方式一般有精确位移法，手动连续变焦法，自动变焦法等。精确位移法是计算出变焦距镜头各运动镜组的线性或非线性精确位移与焦距值的对应关系，利用步进电机的精确控制来实现视场的变化，同时输出焦距值。手动连续变焦法是利用上位机向电视镜头发送变焦距命令，实现对镜头的开环控制。自动变焦法是根据目标成像大小，自动计算出焦距调节参数，使焦距自动向长焦或短焦方向移动，以使目标成像大小合适，便于对目标的跟踪和观察。
1.2一种改良的变焦方法
对于光电跟踪系统，提取目标精确的脱靶量信息，实现整个系统的的闭环控制是尤为重要的。而电视镜头准确送出当前视场的焦距值，将是整个计算的核心。由于镜片补偿组的运动是非线性的，越到长焦位置焦距输出误差越大。所以为了保证输出焦距的精度，需从两个方面改良，①变焦速度；②输出焦距。本段提出基于视频场信号的一种变速变焦方式和Matlab仿真整个焦距曲线并二次修正的方法来实现高精度焦距值输出。具体变速变焦流程图如图2和Matlab仿真焦距变化曲线如图3所示。
Matlab仿真焦距变化曲线二次修正，是采用线性度较高的电位器实时反馈凸轮的移动位置。利用测角仪找出部分焦距与阻值的对应关系，再用Matlab仿真出整个焦距与阻值的二次曲线，再从表中选出部分点，再次用测角仪测出当前视场与仿真结果比较，对焦距曲线进行二次修正，一般输出精度较高。
2自动调光方式的研究
光电跟踪系统中为了提高分辨率，一般都采用高灵敏度的CCD摄像机和F数较小的大口径电视镜头，但当目标和背景发生比较大的变化时，图像特别容易饱和或偏暗，因此有一个好的调光系统是保证光电跟踪系统正常工作的必要条件。连续变焦距镜头的自动调光实际就是改变镜头的通光口径和CCD的曝光时间，改变视频输出的幅值，提高目标与背景的对比度。
2.1传统的自动调光方式
传统的自动调光方式一般有基于灰度和基于视频电压比较两种。基于灰度一般是不断统计每一场的平均灰度值，并与所设的灰度值进行比较，一旦出现差值超过一定范围则启动电机或电子快门向减少灰度差值的方向运动，实时修正。电压比较法是提取视频图像的峰值并与基准电压进行比较得到控制量，从而控制电机改变通光量和曝光时间。
2.2基于波门选通的平均灰度和峰值灰度加权的自动调光方式
采用平均灰度和电压比较法的调光系统适应性较差，再加上大多数CCD摄像机本场曝光隔场响应的特点，很容易造成电机过冲和电子快门超调。但采用波门选通的平均灰度和峰值灰度加权的办法，增加感兴趣区域的权重，降低不感兴趣区域的权重，来获取反馈信号，并同时采用二次函数来计算反馈量，利用PWM驱动电机，将能很好的提高调光的响应速度，减少超调。平均灰度和峰值灰度加权的计算公式为：
Uc=a×UA+（1-a）×UT（1）
式中Uc为加权后的灰度，a为加权系数（0～1），UA为平均灰度，UT为峰值灰度，峰值灰度是指一定区域内像素灰度的最大值。波门选通是指跟踪器送出当前的目标位置信息，光控板根据目标信息位置通过MAX4311类选通芯片选定适当的区域作为灰度统计区域，这样能较好的突出目标和背景的对比度。
3聚焦方式的研究
在光学系统中，镜头对一定距离的目标成像有一个最佳像面位置，这个位置通常满足物像共轭关系，称为聚焦；偏离了这个位置，将导致系统离焦，造成图像质量下降、成像模糊。光学系统的相对孔径越大、焦距越大，景深就越小，离焦可能就越大。常见的聚焦方法可根据其判别准则来源于物方还是像方，而分为主动法和被动法，主动法是指各种方式的物距检测；被动法则是像质评价。
3.1传统的自动聚焦方法
主动法是采用红外测距或超声波测距等方法，一般在民用领用较为广泛。被动法一般是基于图像处理，它是通过某种评价图像清晰度的函数进行对图像处理，从获取的图像中提取有关清晰度的评价值，并根据这一特征值控制电机，调整前组镜片，直到这一特征值满足某一预先设定的条件为止。目前应用于自动聚焦系统的算法大致有下面的几种方式：边缘检测法，图像标准差法，基于Sobel梯度算子的熵函数法，拉普拉斯像能函数法，图像梯度差分绝对值法等。而所有的方法都是基于选取一个合适的图像清晰度评价函数。目前在聚焦方式上只有“爬山式”和全程聚焦式，但这两种聚焦方式所需的时间都很长，不适合在光电跟踪系统中应用。
3.2一种改良的自动聚焦方法
在军用光电跟踪系统中一般都可根据激光测距信息或雷达信息而得到当前物距，因此可利用主动法进行粗调和被动法进行微调将能较好的实现快速自动聚焦。当已知当前物距时，由于目标的运动方向要么远，要么近，则可以通过传统的理想光学系统的成像公式见图4，精确计算出当前镜头的离焦量，通过步进电机来控制前组镜片（聚焦组）的位移量，而当步进电机的控制与距离信息实时相关时，步进电机将向固定方向移动，保持图像一直清晰将，实现粗调。基于Sobel算子和中值滤波的边缘检测法利用阈值化和极大值点方式，细化了边缘和减小了锐化噪声的影响，通过调整阈值大小，使评价函数具有良好的尖锐性，更能适应自动聚焦实时性的要求来实现微调。下面公式2为基于Sobel算子的边缘检测法的清晰度评价函数。
基于Sobel算子的边缘检测法的清晰度评价函数公式：
（2）
式中i为图像的行数，j为图像的列数；m为一行的像素数，n为一列的像素数。
4结论
本文通过对现有的电视镜头变焦、调光、聚焦控制方法的分析，提出了一种适合于目前光电跟踪系统的电视镜头控制的改良方法，此方法将能很好的提高光电跟踪系统电视的作用距离以及更有利于电视跟踪目标的提取。
参考文献
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[3]行长印.基于图像信息的自动视频调光调焦[D].长春理工大学，2008（3）.
作者单位
光电技术研究篇2
关键词：光缆；智能监测系统；传输技术；OTDR
中图分类号：TN915?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2017）13?0118?04
Abstract：Theopticalfiberlineintelligentmonitoringsystemofregionalpowergridistakenastheresearchobject，anditsdatatransmissiontechnologyisstudied.Thedatabasetechnology，computertechnology，GIStechnology，networkcommunicationtechnologyandOTDRtesttechnologyareusedtostudythecompositionandfunctionsoftheopticalfiberlineintelligentmonitoringsystem，systemstructuredesign，OTDRopticalfiberintelligentmonitoringimplementationofthesystemkeymodule，faultlocationjudgmentofGISopticalfibermonitoring，andlocationofGISopticalfiberfaultintelligentmonitoring.ThesystemusingtheopticalcablelinelandmarkinformationstoredindatabaseistestedwithOTDRtodisplaythelandmarkinformationofthefaultlocationdirectly，providetheaccurateandintuitivevisualfaultinformationtothemaintenancestaff，reducethemaintenancecostfurther，andavoidthelossofsystembreakdowncausedbycommunicationinterruption，whichprovidesareferenceforthefutureapplicationoftheopticalfiberlineintelligentmonitoringsystemofregionalpowergrid.
Keywords：opticalcable；intelligentmonitoringsystem；transmissiontechnology；OTDR
0引言
区域电网实质上属于一种区域电力的市场模式，其特点是以区域性的电力系统为基础[1]。保障电力系统生产安全和高效运行的是光纤传输网络[2?5]。随着数据通信量的不断增长，光缆通信是信息传输的主要媒介，其具有越来越重要的作用，但因光纤具有较大的容量，在发生故障时，中断时间较长，会导致无法弥补的损失[6?9]。要做到电力系统安全稳定，就要在光缆线路的传输性能正常运行到突然出现下降时进行预警[10]。智能在线监测是电力体系光缆线路的发展趋势。
目前，随着智能电网的快速发展与普及，区域电网光缆通信智能检测传输数据技术变得日益重要。在电力系统引入各种通信技术、设备、系统的过程中，不断有新问题出现，因而电力通信系统的光缆通信智能检测管理就需要更进一步的智能化和便捷化[11]。光缆智能监测系统的主要技术有四类，分别为光功率实时监测、自动控制、光时域反射和数据库等技术[12]。本文以区域电网光缆线路智能监测系统为研究对象，对其数据传输技术进行研究。
1光缆通信的基本原理
光缆通信的载波为激光，传输媒质为光导纤维，通过光纤进行信息传输。光缆通信系统由四部分组成，分别为光发射机、光中继器、光缆、光接收机。光缆通信的传输原理实质是信息经过光发射机处理后，转换成电信号，然后经过电光转化和调制，将电信号转化为光信号，波长经波分复用技术进行调整，最后进入光缆传送，若进行长距离传输，则使用中继器放大信号，然后继续进行传输。传输到接收端时后，光信号经光接收机的电光转换，变为电信号，在放大和解调后，输出原信号，图1为光纤通信系统图。
2光缆智能监测系统总体设计
2.1系统的组成及功能
光纤智能监测系统由总监测中心GMC、区域监测中心LMC、监测终端MT、监测站MS、光功率监测模块OPM等组成。系统包含五种主要的技术，分别为数据库技术、计算机技术、GIS技术、网络通信技术、OTDR测试技术，这五种技术是测试传输线路光纤的专用技术。该系统可实时监测光纤网络的状况，完成对光纤的自动测试，光纤细微变化也被随时记录，通过与资源系统进行结合，可实现对光纤故障点、原因的快速确定，使得故障历时得到大幅缩短，图2为光缆智能监测系统的组成。
2.2光缆智能监测系统的功能
光缆智能监测系统监控用来监测光纤损耗状况，以智能在线监测方式、自动方式进行光纤状况的测试，可快速、方便构成OSI，具有友好的计算机网络人机界面，支持汉字，容易安装。按规定周期，LMC将被监测光缆线路运行状况的数据文件传报给GMC；在光缆线路中，当被监测光纤有障碍产生时，LMC对故障点位置可迅速、准确的进行确认，从而压缩障碍历时，对抢修进行配合。
光纤要实现全面的智能在线网络监测，则必须要实现4个功能，即实时监测功能、光纤路由及地标管理功能、检测状态检查功能、检测数据管理功能，同时还需要有领先的数据库管理文件等技术，图3为光缆智能监测系统的功能。
2.3光缆智能监测系统结构设计
光缆智能监测系统结构采用三层体系结构，分别为应用层、中间层、数据层。体系结构将数据存储、图形和数据结果展示、应用处理合理分开。空间数据库管理进行系统图形数据的引擎处理，WebGIS服务器进行Web数据的处理，业务应用服务器进行业务数据的处理。通过三层结构，数据库服务器上的一部分数据处理工作和计算工作，可转移到应用服务器上进行处理，这样数据库服务器处理压力就得到大幅的减轻。从而使数据库服务只管理数据存储。系统采用GIS平台显示图形和处理数据，GIS处理图形的功能非常强大。系统负荷分配均匀，数据与图形处理能力较高，图4为光缆智能监测系统体系结构。
2.4光缆智能监测系统软件结构设计
光缆智能监测系统软件由三部分组成，分别为光缆数据采集层、界面层、逻辑处理层。采集系统实时运行信息、光缆实时数据，主要由数据采集层进行；各种功能界面由界面层提供给用户；处理逻辑业务由逻辑处理层进行，这样，系统的GIS管理、资源管理、故障管理等主要业务功能就得到实现。在不同操作平台上软件系统都可以运行，具有跨平台性和可移植性。
图5为光缆智能监测系统软件结构设计，系统功能组由三部分组成，即系统支撑管理功能组、外部接口功能组、网络管理功能组。各功能组又包含许多功能模块，各模块间通过松耦合进行组织，可部署在不同硬件环境下。系统各模块分在线运行和离线仿真两种状态，系统运行后，各模块均为在线运行状态。在离线状态下，系统再现网络故障，通过对故障影响业务进行分析，积累维护经验。
2.5系统关键模块OTDR光缆智能监测的实现
光缆纤芯的智能在线监测、统计分析可通过光纤外置OTDR实现，并且可自动生成定检结果报表，可对单根光纤、完整光缆链路特征进行评估，为故障点定位工作提供了方便，光纤通信传输质量也得到了提高。系统通过对数据库存储的光缆线路地标信息的使用，经OTDR测试，可直接将故障位置显示在地标信息上，提供准确直观可视化故障信息给维护人员。
图6为OTDR模块的工作原理，由图6可知，通过USB线，OTDR模块与PC进行连接，程序指令通过USB线缆，从PC机传输给OTDR单元，OTDR单元进行数据采集。在OTDR测试回路中，脉冲发生器产生脉冲，然后驱动LD，进而生成光脉冲，通过方向耦合器后，进入到待测光缆，然后产生反射光，进入雪崩二极管，再转换成电脉冲，经反复传送、收集、放大处理后，再在显示器CRT上显示波形，图7为OTDR测试模块。
3GIS光缆监测故障的判断与定位
3.1GIS光缆监测故障位置的判断
当光纤故障被监测到后，通过GIS定位技术转换光缆路由图和距离，获得光纤故障位置的智能判断，故障纤长将被自动转换为路面实际位置，在GIS画面上呈现出来。根据光缆故障智能监测系统可判断光缆故障的位置，在系统告警同时启动OTDR，在进行故障光纤测试后，对比参考曲线，结合工程参考点信息，进而输出光纤故障位置。
图8为计算故障点地理位置示意图。
根据光纤所在光缆属性和故障纤长，对光纤故障点在光缆的位置进行计算，计算公式为：
式中：故障点与测试地标点a间的光缆长度用表示；故障点与测试装置a间的光纤长度用表示；光缆绞缩率用表示。
根据地标位置分段敷设方式，起始地标点到路径上任意地标点光缆长度为：
式中：地标点与地标点之间的光缆长度用表示；地标点与地标点的路面距离用表示；地标点0与地标点的光缆长度用表示。
光缆长度转换为地面距离的公式如下：
式中：地标点与地标点的路面距离用表示；光缆长度用表示；光缆弯曲率用表示。通过GIS技术计算出路面相距的光缆故障点地标信息，并展现在GIS地图上。
3.2GIS光缆故障智能监测定位
以OTDR采集数据为基础，采用故障点地理位置分析算法判断光缆事件，将事件点与标准曲线进行比较，判断是否超出事件门限范围，同时生成对应报告。分析光缆事件，给出每段光缆测试的数据数组，光缆事件点位置、事件类型可自动分析出，图9为故障分析流程。
光缆故障智能监测分析流程表明，系统通过事件点和参考曲线事件损耗差值是否超过事件门限值进行对比，如果超过就进行告警。通过这种光缆故障智能监测分析，从而发现光缆故障，并对故障位置进行定位。系统通过对地标技术的运用，对故障点实际位置进行判啵同时自动在GIS地图上将故障点位置标出，图10为光缆故障的智能监测。
4结语
本文以区域电网光缆线路智能监测系统为研究对象，对其数据传输技术进行研究。系统通过对数据库存储的光缆线路地标信息的使用，经OTDR测试，可直接将故障位置显示在地标信息上，提供准确直观可视化故障信息给维护人员，运维成本得到进一步的降低，避免通信中断造成系统瘫痪引起的损失，为今后区域电网光缆线路智能监测系统数据传输技术的应用提供了参考。
参考文献
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光电技术研究篇3
关键词：电子科学与技术光电子材料与器件理论教学实验教学
中图分类号：G423文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0154-02
电子科学与技术（以下简称“电科”）专业是以培养具备微电子、光电子、集成电路等领域宽厚理论基础、实验能力和专业知识，能在电子科学与技术及相关领域从事各种电子材料、元器件、集成电路、电子系统、光电子系统的设计、制造、科技开发，以及科学研究、教学和生产管理工作的复合型专业人才为目标的工程专业。作为电科专业教育中重要内容的光电子技术，不仅是当代信息技术两大支柱之一，而且随着现代科学技术的发展持续焕发着生命活力。而让光电子技术保持如此强劲发展势头的主要原因之一，正是光电子材料与器件的广泛应用，例如激光器与新型光电探测器的应用的人你还。另外，诸如纳米光电材料与器件、光子晶体及相关器件、超材料及相关器件与表面等离子体激元及器件等新型光电子材料与器件的研究与应用，是目前国际上光学与光电子学研究领域的前沿热门方向。由此可见，学习光电子材料与器件的相关知识，不仅对电科学生知识体系的构建与就业方向的确定具有积极的影响，也为那些将来希望从事新型光电子材料与器件科研工作的学生，提供了坚实的理论基础与知识储备。然而，根据笔者的调研，虽然国内许多重点大学的电科专业都开设了光电子技术课程，但很少有大学专门开设光电子材料与器件这门课程。而由于光电子技术的内容多、涉及知识面广，教学课时又往往有限（一般为32或48个学时），因此在光电子技术的实际教学过程中，讲授教师往往重视光电子技术基本概念与理论知识的教学，而轻视光电子材料与器件的教学。该文从光电子材料与器件的研究内容、应用及发展等方面说明其在电科专业教育中的重要性，并结合自身光电子材料与器件课程的教学经验，研讨电科专业中光电子材料与器件的教学方法。
1光电子材料与器件简介
光电子材料是指能产生、转换、传输、处理、存储光电子信号的材料。光电子器件是指能实现光辐射能量与信号之间转换功能或光电信号传输、处理和存储等功能的器件。自1960年美国科学家梅曼发明世界上第一台红宝石激光器以来，光电子材料与器件如雨后春笋般发展迅速。在短短的50多年里，光电子材料与器件经历了从红宝石激光器的发明，到半导体激光器、CCD器件及低损耗光纤的相继问世；从各种光无源器件、光调制器件、探测与显示器件的小规模应用到系统级集成制造实用化阶段；从大功率量子阱阵列激光器的出现再到光纤激光器、光纤放大器和光纤传感器的诞生。光电子材料与器件从未停止过发展的脚步，并正在不断深刻影响着人类社会的方方面面。在实际需求的引导下，各种新型光电子材料与器件层出不穷，性能也不断提高。尤其是近年来，随着微米及纳米级加工技术的成熟，新型的微纳光电子材料与器件的研究异常活跃。纳米光电材料、光子晶体、超材料、表面等离子体器件等领域的研究成果丰硕，为未来光电子器件的微型化、集成化发展奠定了坚实的基础。
综上所述，光电子材料与器件在当代信息产业与科学技术中具有极其重要的地位，因此，光电子材料与器件这门课程不仅应当单独作为一门课程独立教学，而且应该作为重视工程教育的电科专业的核心课程。
2光电子材料与器件课程教学研究
2.1光电子材料与器件课程的教学形式、课时安排与教材选择
光电子材料与器件课程不仅包含丰富的理论知识，例如光电子材料的物理特性以及光电子器件的工作原理等，而且与实际应用结合精密，因此，本课程宜采取理论教学与实验教学相结合的教学形式。
在课时安排方面，作为电科专业的一门核心专业课程，光电子材料与器件课程的总课时应不低于32学时（2学分），理论课学时不低于26学时，实验课不低于6学时。
另外，在教材选择方面，由于光电子材料与器件是光电子技术中的一部分内容，而目前国内关于光电子技术方向的参考书籍很多，其中亦不乏一些光电子技术课程的经典教材，例如西安电子科技大学安毓英主编的《光电子技术》[1]，西安交通大学朱京平主编的《光电子技术基础》[2]等。虽然这些光电子技术参考书中或多或少都会介绍与光电子技术相关的材料与器件，但是，目前专门介绍光电子材料与器件方向的教科书却是少之又少，市面上仅有国防工业出版社2012年出版的侯宏录主编的《光电子材料与器件》[3]一书。加之，该书中所涉及的理论知识较深，基础浅薄的本科生很难驾驭。由此可见，对于光电子材料与器件这门新兴课程而言，设立统一的教材并不合适。因此，笔者建议该课程的讲授教师根据理论教学与实验教学的内容，自行编写该课程的讲义与课件。
2.2光电子材料与器件课程的理论教学
按照电科专业的专业定位以及培养目标，光电子材料与器件课程的理论教学也应该突出“工程”内容。传统的光电子技术教学中所重视的原理、定律与规律等内容，在光电子材料与器件教学中要弱化；而传统光电子技术教学中往往被弱化乃至忽视的光电子材料与光电子器件的相关知识，要在光电子材料与器件课程教学中占主体地位。如此才能保证在有限理论课时的前提下，让学生对光电子材料与器件有一个全面的认识。
在教学内容的设置方面，由于光电子材料与器件主要应用于光电子技术之中，因此，为了便于学生的理解与知识体系的构建，笔者建议光电子材料与器件课程理论教学的章节设置按照光电子技术的章节设置进行。以笔者讲授光电子材料与器件理论课程（共26学时）为例，该理论课程共被分成了绪论（2学时）、激光原理与典型激光器（5学时）、太阳能电池（4学时）、光通信器件与材料（5学时）、光探测器件（5学时）、光电显示器件（3学时）与光存储器件（2学时）等七个章节，这七章内容基本囊括了光电子技术中光产生、光转化、光传输、光探测、光显示以及光存储等各个重要环节中最为典型的器件以及所用到的材料。另外，在每章内容的设置上，也尽可能突出“工程”内容，弱化“理论”知识。下面，笔者将详细介绍笔者在光电子材料与器件教学中各章的教学内容。
第一章绪论主要包括光电子材料与器件课程简介以及光电子技术的基本知识简介。在光电子材料与器件课程简介中，向学生介绍课程设置的目的和意义、课程的主要内容、教学与考试方式与参考资料等。通过这部分内容的介绍，让学生对本课程的意义、内容、侧重点有一定的认识。在光电子技术基础知识简介中，重点向学生介绍光电子材料与器件与光电子技术的关系，并通过对光电子技术的概念、特征、发展等方面的介绍，让学生对光电子技术以及光电子材料与器件有一个整体的认识。
第二章激光原理与激光器重点介绍几种典型激光器的材料、结构与工作特性，其主要内容包括三个部分：激光原理简述、典型激光器与激光器的应用。在激光原理简述部分，由于多数电科专业在学习光电子材料与器件课程之前已经修过激光原理等类似课程，所以该部分内容为简略介绍的内容，主要帮助学生回顾激光的特征、历史与光辐射理论等知识点。而第二部分内容典型激光器是本章内容的重中之重，在该部分内容中，将依次向学生介绍固体、气体、液体与半导体这四大类激光器中的典型激光器的结构、特征与工作特性等知识。由于发光二极管与半导体激光器结构与工作原理上的相似，在介绍完半导体激光器后，可以顺理成章地介绍发光二极管的结构与特征。另外，本章最后还简单介绍了激光器的几种常见应用。
太阳能电池虽然是光电探测器中光伏效应的一种特殊应用，但是由于它在现如今光电子技术产业以及光电子器件中的重要地位以及良好的发展趋势，该部分内容被独立成一章。在第三章太阳能电池中，主要分两小节给学生介绍，第一小节介绍当今能源与环境问题以及太阳能的开发和利用，让学生了解当今能源资源的现状以及新能源研究与应用的迫切需求，然后介绍太阳能利用的历史以及发展趋势；第二小节正式介绍太阳能电池的工作原理、结构以及特性等知识。
第四章光通信器件与材料主要介绍的是光通信系统中所用到的有源与无源光器件。本章内容共分为两小节：第一小节介绍光纤通信的基础知识，包括光纤通信的定义，光纤的结构、导光原理、发展历史，以及光纤通信系统的组成与特点。第二小节正式介绍光纤通信系统中所用到的各类光电子器件以及构成这些器件的核心材料。在光纤通信中，最重要的器件当属光纤，所以，本节开始就着重介绍光纤的相关知识，包括它的结构、原理、分类、特征参数与传输特性。然后，又将光纤通信系统中的其它光电子器件分为有源与无源器件两类，并分别介绍了这两类光器件中的代表器件：掺铒光纤放大器与波分复用与解复用器。最后，在本章结尾还介绍了光纤通信系统中其它几种常用光器件，例如光耦合器、光衰减器、光环行器等。
第五章光探测器首先介绍了光电探测器的物理效应、性能参数、噪声；其次，按照光电探测器物理效应的不同一一介绍了几种典型的外光电效应探测器（光电管与光电倍增管）与内光电效应探测器（光电导、光电池与光电二极管）。教学的重心仍然放在对探测器结构、工作原理以及特性等方面。
第六章光显示器件重点介绍四种光显示器：阴极射线管、液晶显示器、等离子显示器与电致发光显示器。
第七章光存储器件主要介绍了现如今最常用的一种光存储系统――光盘系统以及其中最总要的器件光盘。
2.3光电子材料与器件课程的实验教学
光电子材料与器件实验课程的教学要与理论教学紧密相连，并重点介绍理论课上讲解过的光电子材料与器件，实验课程的学时应不低于6学时，开设的时间最好在理论教学完成之后，以保证学生在实验前已对实验器件与实验原理有一定的了解。在实验项目的设定方面，既要保证与理论课程内容的相辅相成，又要尽量避免与其它课程实验项目的重复，造成资源的浪费。例如，许多大学的电科专业都已经将激光原理一课作为该专业的核心专业课程，并配备了相应的激光器实验。在这种情况下，如果在光电子材料与器件实验教学中再次引入激光器的实验内容，不仅消耗了宝贵的实验时间，实验效果也会大大降低。
下面跟大家简单介绍笔者在光电子材料与器件实验教学（6学时）中的实验安排。
（1）实验内容：共包含六个实验项目，它们分别是：光控开关实验、光照度计实验、红外遥控实验、PSD位移测试实验、太阳能充电实验与光纤位移测量系统实验（每个实验1学时）。各实验中都应用到了一个或几个核心光电子器件，这些光电子器件基本涵盖了学生在理论课程中所学到的最为重要的几类器件，例如光控开关实验应用到了光电探测器中的光敏电阻作为核心元器件；而红外遥控实验中用到了发光二极管光源与红外探测器等光电子器件。
（2）实验要求：以往的光电子技术实验往往重视现象的观察与定性分析，但经笔者调研，这种实验方法很难最大限度激发学生的求知欲与动手能力，因此，在对原有的实验指导书进行改良后，笔者自行编写了实验的指导书，并在每个实验项目中加入了一些测量与定量分析的实验内容。例如太阳能充电实验，原来的实验指导书只是观察太阳能充电的效果，但是，在新改良的实验指导书中，要求同学测量不同光源照射下太阳能电池的输出电压与输出电流，并要求学生分析比较其差别。通过这种方式，充分调动学生的实验积极性，在具体的实验教学中也取得了很好的效果。
（3）实验方式：分组实验，共同撰写实验报告。这样，不仅提高实验效率，还能够锻炼学生的团队协作意识。
（4）考核方式：根据每位学生实验完成的情况与实验报告撰写的情况综合评分。
3结语
光电子材料与器件在信息产业的发展与现代科学的研究中都具有举足轻重的地位。它不仅是电科专业知识体系中的重要环节，也为电科专业学生提供着良好的就业竞争力与科研基础。本文通过对电子科学与技术专业特点与光电子材料与器件课程内容的分析，讨论了光电子材料与器件在电科专业教育中的重要性，并根据笔者自身的授课经验，提出了光电子材料与器件在电科专业中的教学形式、课时安排、教材选择以及理论与实验课程内容设置的一些意见与建议。
参考文献
[1]安毓英，刘继芳，李庆辉.光电子技术[M].3版.北京：电子工业出版社，2013.
光电技术研究篇4
现如今环境污染问题逐渐严重，能源也面临短缺的危机，太阳能发电逐渐受到各国的关注和重视，提高太阳能等清洁能源的使用效果，减少环境污染。文章就计算机模拟技术在太阳能光伏发电中的应用情况进行分析和研究。
关键词：
计算机模拟技术；太阳能；光伏发电；应用
太阳能光伏发电是使用太阳能电池对太阳光辐射能进行有效的吸收，并将其转变为电能的一种发电方式。科学的开发利用太阳能这种清洁可再生的能源，能够使得能源短缺的问题得到有效的解决，使环境得到有效的保护。
1太阳能光伏发电概述分析
1.1太阳能光伏发电
太阳能光伏发电说的是通过半导体界面的光生伏特效应，使得光能转变为电能的技术。[1]太阳能光伏发电的关键性元件使太阳能电池，将太阳能电池串联起来然后密封保护起来，从而构成面积比较大的太阳能电池组件，加之功率控制器等的配合，形成光伏发电系统。太阳能是清洁性的、无污染、绿色能源，能够使得火力发电产生的空气污染物排放得到有效的解决。
1.2太阳能光伏发电的发展
19世纪40年代，太阳能发电方式就已经出现了，20世纪50年代出现了光伏电池，到了70年代，太阳能发电技术已经得到了广泛地应用。在美国、日本等发达国家太阳能发电技术有效的应用，在国家政策的支持下实现良好的发展。当前我国也对新能源的应用逐渐重视起来，太阳能光伏发电等一些产业也达到了国际的先进水平。
1.3太阳能光伏发电的特点分析
太阳能是一种可再生的能源，太阳能的覆盖范围是十分广泛的，并且储存着巨大的能量。利用太阳能的方式是比较简单的，不需要进行采掘，可以直接对辐射进行收集。利用太阳能生产不会出现多余的污染，这是一种新型的、绿色环保的能源，太阳能也比较温和、安全，不会出现工业事故。我国中西部地区阳光辐射量比较大，可以通过太阳能发展光伏发电产业。
2计算机模拟技术与太阳能光伏发电
2.1计算机模拟技术
当前的科学研究中，计算机模拟技术是比较常见的，通过计算机模拟对于科学试验而言是极为重要的。计算机模拟就是利用计算机对真实的事物进行模拟，通过模型对真实的系统进行模拟，实验系统中的内部结构、功能、行为等内容，利用实验使得系统能够实现良好的性能，实现良好的经济以及社会效益。60年代开始研究计算机模拟方面的内容，最开始研究的内容主要涉及军事、国防等方面，比如航空航天、核试验等，以及自动控制等内容。计算机应用逐渐广泛，涉及的面积比较大，当前在自然科学、社会科学等领域中得到了广泛的应用。
2.2计算机模拟技术与太阳能光伏发电
使用计算机模拟技术，数学建模各种对太阳能光伏发电情况的因素，从而获得太阳能辐射强度、积累的辐射量、特性曲线等对应的电流、电压、输出功率、发电效率等。[2]通过这些内容能够获得太阳能实时辐射的强度、对应曲线，光伏发电的发电功率曲线、电流、电压曲线等，建模之后科学的评价太阳能光伏发电系统，使得系统得以优化。
3建模太阳能光伏发电系统
3.1建立太阳能光伏发电系统的数学模型
在利用太阳能辐射时，会受到很多外部因素的影响和干扰，涉及大气层的性质、入射角、透明程度、辐射维度高低、土壤反射率等，[3]科学的考虑各种对数学函数关系产生影响的因素，结合多种因素建设数学模型，确立函数表达式，使得计算机模拟太阳能光伏发电系统的数学模型建立更加科学，保证计算过程更加顺利。辐射到地球表面的太阳能分为两个部分，一些直接被大地所接受，另一部分辐射出现了分散。需要综合考虑影响辐射的干扰因素以及太阳能辐射种类，建立计算机模拟太阳能光伏发电数学模型。建立了数学模型之后，再研究太阳能光伏发电时就能够进行函数表达，使得研究的过程更加简单、直观，也为计算机模拟太阳能光伏发电奠定了程序基础，使得数学模型更加精准，为计算机模拟实验提供基础，使得研究人员能够对相关的内容进行科学、直观的分析与研究。
3.2光伏电池板的数学模型
光伏电池等值电路模型有三种，一是简单的模型，不需要对光伏电池内部的电阻进行分析，这种模型在光伏电池理论以及复杂的光伏发电系统中应用极为广泛。二是只将光伏电池并联电阻的影响进行考虑的模型，这种模型有着很高的精准性，在实际中并不常应用。三是比较精准的模型，需要将并联和串联电阻都考虑到其中。
3.3建立其他数学模型
在研究过程中，太阳能电池板是比较重要的元件，所以需要对太阳能电板的特性进行分析研究，形成太阳能电板功率数学模型，使得研究更加科学。此外也需要建立蓄电池的数学模型，形成直流-交流逆变器的函数表达式。建立数学模型之后，联立之前建立的光伏电池数学模型、太阳能辐射数学模型，形成统筹的数学模型，[4]将其录入到计算机中，形成相应的函数库，技术人员整合编写，对计算机模拟太阳能光伏发电进行研究。
3.4对太阳能光伏发电系统进行模拟
将很多个太阳能光伏电池板组合起来，形成太阳能电池板。能够使太阳能辐射接收面积得以扩大，获得更多的太阳能辐射能。将接收到的太阳能转变为电能，生成直流电，经过接线盒达到控制器，另一部分进入到直流———变流逆变器中，进而转变为交流电。升压降压处理交流电，为用电一端提供使用。多余的电流可以在蓄电池内进行储存，以便下次使用。
3.5计算机模拟技术在太阳能光伏发电应用的结论
建模太阳能光伏发电系统，通过软件平台，对太阳能光伏发电系统的发电情况进行动态化的模拟，能够依据太阳辐射强度变化了解太阳能电池的输出特性。辐射强度增加，光照对电流的影响比较大，但是电压影响比较小。建立太阳能光伏发电系统的功率模型，能够确定系统运行的最佳电压与电流，使得输出功率更大。
4结束语
总而言之，现如今新能源逐渐受到关注和重视，太阳能光伏发电逐渐成为风力发电之后的又一种新能源发电方法，太阳能发电被广泛地应用与推广。通过计算机软件仿真建模太阳能光伏发电系统，科学的设计太阳能光伏发电系统，这起到积极的促进作用。对系统科学的认识，保证判断的科学合理，挑选作为合适的方案，尽量减少付出，从而获得最大的经济效益。
参考文献：
[1]李蔚.太阳能光伏发电技术的应用方式及发展前景[J].智能建筑电气技术，2011，02：22-24.
[2]秦天像，任小勇，杨天虎.计算机控制太阳能光伏水制氢及储能发电系统的研究[J].山西科技，2015，03：94-96.
[3]陈旭炯.屋面太阳能光伏并网发电系统安装施工技术应用[J].安徽建筑，2015，03：61-63.
光电技术研究篇5
关键词：光纤技术；电力继电保护；融合
一、引言
电力部门承载着管控社会电力运行使用的重要责任，一旦出现问题必然会对数以万计的使用住户及工业园区带来损失。所以，提高电力系统的安全性以及可靠性是十分重要的人物。面对当前电网建设范围的不断扩大，电力能源应用趋势的不断扩张，在进行电力系统的建设管理过程中也是变得日益繁杂。为了有效的提高电力系统运营的安全可靠性，提高电力能源的利用价值，对光纤技术与电力继电保护的融合研究工作就必须予以高度的重视。
二、光纤通道作为纵联保护通道的优势
科学技术的不断发展促进了社会各行业应用设备的换代更新，面对社会发展过程中对电力使用需求的不断扩张，虽然电网建设的覆盖速度在不断的扩大，但是其中存在的各种问题确实影响了人们的生活以及工业的生产，同时对电力能源的应用带来了一定的阻碍。为了提高电力能源的输送速度，提高输送的质量，对整个电网进行有效的保护，将光纤技术与电力继电保护合理的融合就成为了一种电力保护的发展趋势，以下将对其使用优势进行研究。
2.1传输质量高，误码率低
这种特点使得光纤通道很容易满足继电保护对通道所要求的准确性。即发端保护装置发送的信息，经通道传输后到达收端，使收端保护装置所看到的信息与发端原始发送信息完全一致。
2.2光波频率高
频带宽，传输的信息量大这样可以使线路两端保护装置尽可能多的交换信息，从而可以大大加强继电保护动作的正确性和可靠性。
2.3抗干扰能力强
由于光信号的特点，可以有效的防止雷电、系统故障时产生的电磁干扰，因此，光纤通道最适合应用于继电保护通道。
三、电力继电保护与光纤技术的融合方式
在进行电力继电保护工作的开展过程中，合理的与光纤技术进行融合将能够有效的发现故障的发生位置，并在第一时间寻找到故障点，及时的排除相关故障。随着当前科学技术的不断进步，在进行电力继电保护与光纤技术的融合过程中，较为流行的融合方式主要为复用光纤保护方式与专用光纤通道方式，其未来应用价值也是无可限量。
3.1复用光纤保护方式
该种光纤保护方式主要特点是同时应用了光纤通信接口和电信号通信接口。保护室和保护设备之间的连接同时采用了光纤通信接口和电信号通信接口，而保护室和通信室之间的通信需要经过复用设备和数字复接接口，借助于复用设备的光纤通道完成了继电保护的光纤通信过程。复用光纤保护方式的优点与缺点（增加复用设备这一中间环节，可靠性降低）都非常明显。但是因为复用光纤保护方式有利于提高当前电信号保护能力不强的局面，并月一改造成本降低，所以这一方式还是获得了广泛地认同和应用。
3.2专用光纤通道方式
在传输信号方面，直跳信号和允许信号都直接传输于光纤通道内；在接口方面，保护设备均直接配备了光信号接口，光纤直接将不同保护连接成为一个可以快速通信的整体。另外，专用光纤通道方式也不否定保护设备对电信号的连接和应用。相对于复用光纤保护方式而言，专用光纤通道方式的显著优点便是；咸少了光信号传输的中间环节，有效提高了保护动作的可靠性水平；其缺点是就是降低了光芯的利用率，并且线路较多。
对于光纤纵联电流差动保护通道形式而言，依照实际需求情况的差异，同时存在着采用复用光纤保护方式和专用光纤通道方式这两种形式的情况。需要明确指出的是，不论是复用光纤保护方式还是专用光纤通道方式，它们的区别仅仅限于通道介质的差异，光纤纵联的方向保护和距离保护一般均是应用允许模式，但是传统的高频零序方向与高频闭锁距离采用闭锁模式。在本质上，光纤纵联保护和常规保护没有差异。
四、继电保护信号的SDH光纤传输传输延时要求
在进行光线技术与电力继电保护的融合过程中，为了能够切实的发挥其潜在的应用价值，确保相关技术融合后效率的发挥，提升电力能源的供应质量，提高电网故障点的排查能力，相关的技术工作人员也应该夜以继日的进行不断的学习，针对技术融合的要点进行研究。经过长期的使用以及推算后，在进行继电保护信号的SDH光纤传输过程中，还应该满足一种光线传输传输延时要求，只有基于要求的基础上，才能够有效的达到技术融合的应用目的。
4.1日光纤传输传输延时分析
SDH网络的传输延时几的计算公式为：TC=tc+tp*n+t0
在上述公式中，tc表示SDH设备的传输延时，传输设备及其传输速率的等级密切关系着其数值；tp表示终端设备的延时，取值lms；tr表示中继复用器延时，取值0.1ms；n表示光区间数；t0表示光信号在光纤传输过程中的传输延时，t0=40*n*0.OO5
4.2日光纤传输传输延时要求
继电保护的动作时间直接关系到电网的安全，所以对通道的传输延时要求非常严格，对此各个国家都制定了相应的标准。我国要求为5ms针对微波和光纤通道，即要求
5ns≥Td=tc+tp+tp*n+t0=0.17+1+0.1n+40n*0.005
由此可计算出满足继电保护信息传输延时的最大传输光区间数和最大传输距离。最大光区间数：
取正整数n=12，最大传输距离：5=40*n=40*12a
这一结果表明SDH光纤通信系统在480km距离以内可以满足传输继电保护信息的延时要求。对于更长距离的输电线路，如超高压直流输电线路，光纤通信系统可采取提高输出光功率、增大中继距离的方法，减少传输延时。随着光纤技术的发展，光源、光接收机和光纤的性能都有很大的提高，光源的输出功率更大，接收机的灵敏度更高，光纤的无中继传输距离更长，目前己有光纤可达数百公里。同时，还可以通过在光路上增加光放大器、色散补偿器等方法提高再生中继距离。另外计算公式中各参数是按照最差情况考虑的，计算中也留有一定余量，如能减少传输过程中各个环节不必要的延时，还可以延长允许延时时间内的传输距离。
根据以上各方面的实验分析和计算，可以得出结论：SDH光纤通信系统完全可以满足电力系统传输继电保护信号传输损伤和时间延迟的要求，可以作为继电保护信号可靠的传输通道。当然重要的还在于提高设计、施工、维护和管理水平，以保证通信系统能够安全、可靠、迅速地传送各种信息。
五、结束语
综上所述，本文对光纤技术与电力继电保护融合进行了研究，面对电力继电保护中可以实现电力系统安全、可靠、高效运行的目的，以及光纤技术能够高速、准确、传播继电保护信号的效果，二者的融合应用发展趋势已经成为了不可逆的事情。所以，做好继电保护与光线技术的合理融合，必然能够推动电力事业科学、高效的发展。
参考文献
【1】刘惠清电力继电保护现状及发展的探究广东科技，2011年04期
光电技术研究篇6
关键词：光电子技术基础；理论教学；实验教学；
一、引言
2013年安庆师范学院物理与电气工程学院为适应学校筹建多科性大学的需要，开设了光电信息科学与技术专业。针对光电专业特点，安庆师范学院在2015年新开设了光电子技术基础课程。光电子技术是研究光与物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，主要应用于信息领域包括光通信系统、光纤传感、光电显示以及光存储，医疗，生物科学，激光加工和军事等领域。我国已经形成了发展潜力巨大的光电子产业，掌握光电子技术有助于提升光电专业学生的专业素质和就业竞争力。针对课程特点，我们对该课程的理论课教学做了初步的研究并根据课程特点开设了配套实验课，取得了良好的教学效果。
二、理论教学
第一，课程设置。根据学校对专业的定位，为了能够培养出社会应用型人才，我们选择安毓英主编的《光电子技术》作为主要参考教材，主要介绍光电子领域中光源、光辐射的传播、光束的调制和光探测等关键技术的基本原理和应用实例。针对课程特点重点介绍光电子技术的实际应用，有必要跟踪反映国内外的一些新技术和新设备的动态，充分拓展学生的视野和知识面[1]。对于基础原理的把握需要学生学习一些先修课程，包括激光原理与技术、电磁场与电磁波、半导体物理学以及物理光学等。有了这些基础知识储备，在教学过程中可以将更多的课时放在光电子器件及其发展的介绍上，通过这一门课程的学习真正培养学生的职业能力和专业素质。
第二，教学方法多样性。我们在教学中采取多种教学方法并存的教学模式。结合传统板书教学，充分利用多媒体教学的优势[2]。首先，内容引入。在每一章内容的开始，通过剪辑一段与章节内容相关的视频或者图片集播放展示，用比较直观的方式让学生了解接下来这一章他们将要学习的内容，给学生留下思考题，让他们带着问题开始接下来的学习，激发学生的学习兴趣。其次，建立联系。根据“光电子技术基础”课程偏应用型的特点，通过联想法将课本学习内容与现实生活联系起来，使教学内容深入浅出。比如介绍光通信系统，就可以联想到学生常用的手机，通过介绍手机实现通话的过程：包括信号调制、信号传输、信号接收和信号解调等，涵盖了光电子技术在通信领域应用的多个模块；在讲光敏电阻时可以联系城市里根据亮度自动开关的路灯。通过这些生活中的实例，激发学生的求知欲。最后，反转课堂。加强学生的课堂互动，开设学生讲堂。将学生分成若干小组，3-5人一组。老师讲授基本原理后，布置课后任务，每组分别就一个课题准备10分钟左右的PPT。每一次课最后留15分钟时间让学生展示他们搜集到的资料以及对学习内容的理解。并采取学生互评和老师评价相结合的模式打分，成绩计入平时成绩。
三、配套实验教学
第一，基础实验。针对课程特点，我们引入了配套实验，使所学理论知识与实验有机结合，提高教学效果[3]。光电子技术基础课程教学中，关于光调制和光探测技术的内容介绍了多种调制原理以及探测器件，在学习完相关理论知识后，我们开设相应的配套实验课程。包括电光调制、声光调制和磁光调制的原理演示实验。以及包含多种探测原件的光电探测器特性测试实验平台，该平台涉及的光电探测器包括光敏电阻、光电二极管、APD光电二极管、PIN光电二极管、光电三级管、硅光电池等，涵盖了几乎所有类型的光电探测器。学生可以测试这些探测器的短路电流、开路电压、伏安特性、光电特性、频率响应特性、光谱特性和灵敏度等相关特性，并综合对比不同类别的探测器性能，帮助学生理解如何根据不同场合选用不同的探测器。理论与实验的结合使学生既可以根据所学原理知识自己动手做实验增强动手能力，又可以通过观察实验现象对所学理论知识有更直观的理解，加深对基本原理的掌握。
第二，创新实验。除了传统的验证式本科实验教学，我院还引进了光电技术创新实训平台。提供多种光电器件的应用模块、设计模块、各种数字表头以及设计中所需要的电子元器件，并配备有各种电源接口。学生可以根据提供的实验模块开展各种实验，充分展示自己的创新思维，将所掌握的光电器件真正应用到实际生活中。包括光敏电阻光控开关、热释电报警器和硅光电池光照度计等二十余种光电仪器的设计，都可以通过该实训平成。通过实验教学，极大地提高了学生的动手能力及创新意识，为社会培养出具备实际应用能力的高素质人才，最终达到服务社会的目的。
四、考核方式
根据课程安排特点，学生的最终考核成绩以平时成绩、实验成绩和期末考试成绩相结合。其中，平时成绩占20%（包括考勤、作业和学生讲堂），考试卷面成绩占50%，实验成绩占30%，综合考察学生的学习态度、自学能力、接受新知识的能力和实验创新能力。通过实际教学验证，这种理论与实验相结合的教学方式取得了良好的教学效果。
参考文献：
[1]罗敏.“光电子技术基础原理”教学方法探讨[J].求知导刊2014(10)
[2]于雪莲，顾国华.《光电子技术》教学方法的探讨[J].高教论坛2009(9)
