南京理工大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210094
本文利用宏观传热传质与微观组织演变耦合模型，对激光焊接IN718合金的宏观传热传质、微观组织演变过程进行了定量模拟。通过流体体积（VOF）方法对宏观传热过程的熔池形貌与温度场分布进行模拟计算，用温度场分布替代相场控制方程中的相关凝固参数，并将其代入到相场模型中进行微观组织演变过程模拟。结果表明：宏观温度场中1~4位置处模拟所得微观组织均呈柱状晶结构；沿着熔池自上而下，凝固速度R由6.7 mm/s到3.1 mm/s逐渐减小，温度梯度G由410 K/mm到673 K/mm逐渐增大，对应的冷却速率G·R由2747 K/s到2086.3 K/s不断下降；1~4位置处的枝晶间距随着冷却速率下降由4.52 μm增大到7.12 μm，与实验结果一致；在柱状晶间隙的液相位置处，Nb元素含量显著升高，且越靠近柱状晶底部Nb元素含量越高，其质量分数最高达到了7.377%；模拟得到的Laves相中Nb元素的分布呈液滴状，与实验所得Laves相的分布近似一致。
激光技术 激光焊接 镍基合金 数值模拟 相场模型 凝固组织 中国激光
2024, 51(12): 1202102
1 1.东华大学 材料科学与工程学院, 功能材料研究中心 纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620
2 2.赛迈科先进材料股份有限公司, 湖州 313100
随着锂离子电池的发展和钠离子电池的兴起, 硬碳材料作为一种新型负极材料, 受到了广泛关注。硬碳来源丰富, 价格便宜, 具有比锂离子电池石墨负极更高的储锂容量和优异的倍率性能, 并且是最有商业化潜质的钠离子电池负极材料。然而, 硬碳普遍存在电池首周库仑效率低的问题, 且对于硬碳的储锂/钠机制仍存在争论, 其比容量仍有较大的提升空间。近年来, 研究人员围绕硬碳负极材料的电化学机理展开了各种研究和模型假设, 针对硬碳负极存在的问题, 提出了各种解决策略。本文介绍了硬碳的基本结构和常用的制备方法, 并结合硬碳的优势, 梳理了硬碳在锂离子电池和钠离子电池中的应用情况, 重点介绍了其在快充、包覆等细分领域的应用进展, 并分别针对硬碳提升比容量和改善首周库仑效率的需求, 归纳了孔结构设计、元素掺杂、优化材料与电解液界面等不同改性策略。
负极材料 锂离子电池 钠离子电池 硬碳 综述 anode material lithium ion battery sodium ion battery hard carbon review
1 武汉科技大学 理学院，武汉 430065
2 武汉科技大学 湖北省智能爆破工程技术中心，武汉 430065
3 湖北省智能爆破工程技术中心，武汉 430065
4 冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，武汉 430065
水工建构筑物岩石基础开挖在整个工程项目中有着重要的作用，如何在保证结构基础开挖至指定标高的前提下减小对建基面岩体的破坏和损伤是爆破开挖的关键和难点所在。本文使用ANSYS/LSDYNA有限元仿真模拟软件对水下40 m岩体在爆破开挖下的损伤状况进行了数值模拟.对复合消能结构、加入柔性垫层以及传统装药结构三种爆破技术分别在24.5 cm×24.5 cm×30 cm的岩体模型中进行爆破开挖模拟，模拟过程采用流固耦合算法，并对岩体模型添加0.4 MPa水压模拟40 m水深环境，结果发现在相同条件下，采用复合消能爆破技术可以使基底损伤深度减小38.89%，降低保留岩体能量传递30.52%，削弱保留岩体损伤程度30.90%。结果表明:复合消能结构可以有效控制建基面保留岩体损伤形态和范围，保护效果明显，可应用于水下岩体开挖的建基面保护工作。
海底基坑开挖 复合消能 岩体损伤控制 轴向应力衰减 数值模拟 submarine foundation excavation composite energy dissipation rock mass damage axial stress attenuation numerical simulation
1 青岛农业大学茶叶研究所, 山东 青岛 266109
2 山东省农业科学院茶叶研究所, 山东 济南 250100
3 日照市农业科学研究院茶叶研究所, 山东 日照 276800
4 青岛农业大学茶叶研究所, 山东 青岛 266109 山东省农业科学院茶叶研究所, 山东 济南 250100
低温冻害是茶园中最常见的自然灾害之一。 茶树叶片低温胁迫的定量监测对于评估茶园冻害程度和及时采取措施具有重要意义。 茶树低温胁迫的传统检测方法, 主要是通过人工观察和理化指标的测定, 存在精度低、 效率低和主观性强等问题, 严重影响了灾害后期的茶树管理。 该研究提出了一种基于高光谱成像的茶树冻害程度定量判断方法。 首先, 利用高光谱成像设备采集自然环境中茶树叶片在无冻害发生、 冻害初期和冻害后期三个阶段的光谱数据, 提取叶片的平均反射率; 测定相应叶片中的相对电导率（REC）、 叶绿素（SPAD）和丙二醛（MDA）等生理生化指标。 其次, 利用多元散射校正（MSC）、 一阶导数（1-D）和平滑滤波（S-G）算法对采集的原始高光谱数据进行预处理, 并利用无信息变量消除（UVE）和竞争性自适应重加权（SPA）算法筛选预处理后高光谱数据的特征波段。 最后, 利用卷积神经网络（CNN）、 支持向量机（SVM）和偏最小二乘法（PLS）建立REC、 SPAD和MDA含量的定量预测模型。 结果表明: （1）经MSC+1-D+S-G算法预处理的光谱曲线比原始光谱曲线的波峰和波谷更加突出, 提高了光谱的分辨率和灵敏度, 有利于提高后期回归模型的精度; （2）UVE算法筛选的特征波段数量最多, 后期建模效果更优; SPA算法筛选的特征波段数量最少, 更适合用传统的机器学习方法建立回归模型; （3）SPAD、 REC和MDA的最佳预测模型分别为SPAD-UVE-CNN（R2P=0.730, RMSEP=3.923）、 REC-UVE-SVM（R2P=0.802, RMSEP=0.037）和MDA-UVE-CNN（R2P=0.812, RMSEP=0.008）。 利用高光谱成像技术与多种算法相结合, 可以实现对茶树叶片低温胁迫程度的无损、 准确和定量监测, 对快速预测茶园冻害发生和采取必要措施具有重要意义。
茶树 冻害 高光谱成像 深度学习 Tea plant Freezing injury Hyperspectral imaging Deep learning 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2266
浙江师范大学 精密机械与智能结构研究所，浙江金华321004
针对现有风致振压电俘能器工作风速范围窄、高风速下振幅过大等问题，提出一种可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器，主要由可变形式翼型钝体、悬臂梁以及压电组合梁构成，钝体的弹性翼受风力影响产生形变，从而实现系统振动特性的自我调节，以期提高俘能器的环境适应性。建立了俘能器的COMSOL有限元模型，通过仿真与试验分析了风速对其钝体形状及振动特性的影响，并获得了迎风角和弹性翼厚对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：选取迎风角120°和弹性翼厚0.15 mm时俘能器的工作风速范围达到21 m/s，且当风速小于8 m/s时，弹性翼变形较小，系统以驰振为主，输出电压随风速增加而增大；当风速在8~17 m/s时，弹性翼形变量进一步增大，系统由驰振逐渐向涡振转变，输出电压变化较小；当风速在17~25 m/s时，钝体因弹性翼变形过大呈弯弧状，系统以涡振为主，其振幅被有效控制，输出电压随风速增加而减小；存在匹配电阻为250 kΩ时俘能器所产生的最大输出功率为3.78 mW。因此，该风致振压电俘能器在满足结构可靠、起振风速低及风速范围宽条件下同时可输出较大的电能。
压电俘能器 风致振动 可变形钝体 驰振 涡激振动 piezoelectric energy harvester wind-induced vibration deformable blunt body galloping vortex-induced vibration 光学 精密工程
2023, 31(24): 3570
1 东南大学电子科学与工程学院，南京 210018
2 剑桥大学工程学院，英国剑桥 CB2 1PZ
作为量子密码学的主要应用之一，量子密钥分发（QKD）是一种密钥的安全传输方式。相比于传统的通信方式，基于量子力学基本原理的QKD协议在理论上具备无条件安全性。一般来说，QKD过程中量子态的制备和传输需要对光子进行编码、传输和测量。近年来，QKD在理论与工程应用方面取得了极大的发展，也推动了国内外QKD网络的部署。文章对近期混合连续—离散变量QKD的几项工作进行了重点讨论，结合离散变量QKD的编码方式以及连续变量QKD的探测方式对实际搭建QKD信道的优缺点进行了分析，并进一步梳理与总结了现阶段混合连续—离散变量QKD的研究重点和难点。
量子密钥分发 光通信系统 安全性证明 后处理 QKD optical communication system security proof post-processing 
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院，上海 201210
单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来，国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术，充分放大光子信号，以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件（Electron Multiplying Charge Coupled Devices, EMCCDs）具有更高的量子效率，可替代传统的可见光光子计数系统，但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件（HgCdTe APD）的过剩噪声因子接近1，几乎无过剩噪声；相对于盖革模式的雪崩器件，没有死时间和后脉冲，不需要淬灭电路，具有超高动态范围，光谱响应范围宽且可调，探测效率和误计数率可独立优化，开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域，在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神（Raytheon）公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状，分析了吸收倍增分离型（Separation of Absorption and Magnification, SAM）、平面PIN型和高密度垂直集成型（High Density Vertically Integrated Photodiode, HDVIP）三种结构的HgCdTe APD器件性能、光子计数能力以及制备优缺点。雷神公司采用分子束外延（Molecular-Beam Epitaxy, MBE）方式制备了空穴倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件，增益可达350，光子探测效率达95%以上，工作温度达180 K以上。DRS技术公司采用液相外延（Liquid Phase Epitaxy, LPE）碲镉汞材料制备了电子倍增机制的HDVIP型中波HgCdTe APD器件，在0.4~4.3 μm的可见光到中红外波段都能响应，最高增益可达6100，光子探测效率大于70%，可实现110 Mbps的自由空间通信。CEA/LETI实验室和Lynred公司采用分子束外延或液相外延制备了电子倍增机制的PIN型短波和中波HgCdTe APD器件，短波器件增益达2 000，中波最高增益可达13000，内光子探测效率达90%，实现了80 Mbps的自由空间通信，在300 K和增益为1时，带宽最高达10 GHz。英国Leonardo公司采用金属有机气相沉积（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE）方式制备了电子倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件，命名为Selex Avalanche Photodiode HgCdTe Infrared Array（SAPHIRA），器件增益可达66@14.5 V，单光子探测率达90%以上，中心距为24 μm的320×256阵列的SAPHIRA器件供给法国First Light Imaging公司，研发出了C-RED ONE相机，相机成功应用于美国天文探测的密歇根红外组合器（Michigan Infrared Combiner, MIRC），将MIRC的系统噪声降低了10~30倍，大大提高了条纹探测的信噪比。国内碲镉汞雪崩探测器研究起步比较晚，主要研究机构有中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所和华北光电技术研究所，受限于芯片制备技术和电路技术，目前没有实现光子计数方面的应用，但在焦平面研制上取得了一定进展。中国科学院上海技术物理研究所研制了PIN结构的单元、128×128阵列、320×256阵列中波HgCdTe APD器件，器件增益可达1000以上，增益100以内，增益归一化暗电流密度低于1×10−7 A/cm2，增益400以内的过剩噪声因子小于1.5，增益133时的噪声等效光子数为12，进行了短积分快速成像演示；单元器件带宽可达300~600 MHz。昆明物理研究所研制了PIN结构的单元和256×256阵列的中波HgCdTe APD器件，单元器件增益可达1000以上；在偏压8.5 V以内，焦平面平均增益归一化暗电流为9.0×10−14~ 1.6×10−13 A，过噪因子F介于1.0~1.5之间。国内主要是研制平面PIN结构的HgCdTe APD器件，技术路径与法国基本相同。因而，我国可借鉴CEA/LETI实验室成功经验和Lynred公司的运营模式，持续推进HgCdTe APD器件的研究，以早日达到国际先进水平，实现单光子探测和光子计数应用。
碲镉汞 光子计数 线性雪崩 光子探测效率 器件结构 过剩噪声 HgCdTe photon counting linear-mode avalanche photon detection efficiency device structure excess noise 红外与激光工程
2023, 52(3): 20230036
1 新疆大学, 乌鲁木齐 830000
2 北京化工大学, 北京 100000
3 北京煜邦电力技术股份有限公司, 北京 100000
针对传统视觉SLAM对环境语义信息理解不足的问题, 语义视觉SLAM借助语义路标提高机器人的定位精度。语义路标的准确关联是实现机器人深层定位和导航的关键, 错误的关联将导致机器人定位丢失。针对动态扰动和观测噪声扰动所产生的高关联模糊性问题, 提出利用非参数聚类和随机近似推断结合的方法提高语义路标关联的准确性, 通过正确的数据关联实现机器人的准确定位。仿真和KITTI数据集上的实验结果表明, 在噪声干扰下该算法能够提高语义路标数据关联的准确性和鲁棒性, 融合语义信息和几何信息优化机器人和语义路标的位姿, 提高机器人的定位精度。
语义视觉SLAM 语义路标 数据关联 非参数聚类 随机近似推断 semantic vision SLAM semantic landmark data association nonparametric clustering stochastic approximate inference
空军工程大学信息与导航学院通信系统教研室，陕西 西安 710077
雷达通信一体化是指在实现二者硬件共用的基础上，进一步进行波形融合，即用一个信号同时执行雷达和通信功能的技术，以优化系统性能，节约频谱资源。阐述了一体化的技术内涵及发展阶段，分析了线性调频（LFM）信号在一体化系统中的应用潜力，总结了LFM一体化波形设计、高频宽带LFM信号以及LFM一体化波形光学产生和处理的研究进展。分析认为，微波光子将在雷达通信一体化系统中发挥重要作用，未来的雷达通信一体化系统不仅是光学和电学技术相融合的系统，也是模拟和数字技术相结合的系统。
光通信 射频光子 雷达通信一体化 波形融合 线性调频 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0500003
