深圳信息职业技术学院 信息与通信学院， 广东 深圳 518172
温度是表征物理化学性质的最基本参数之一，精确的温度测量对于现代科学技术发展起着至关重要的作用。传统基于稀土离子热耦合能级对（TCLs）能量传递的荧光温度传感器因TCLs之间能量差的限制存在测温灵敏度低及信号区分困难等问题。为寻求更优的解决方案，本研究探索了氧空位缺陷发光在荧光温度传感器领域的应用前景。本文通过高温固相法合成了BaMgSiO4陶瓷，由于在高温烧结过程中有少量Ba2+和Mg2+蒸发，陶瓷中会产生氧空位以保持材料电中性。这些氧空位所形成的缺陷能级在332 nm紫外光激发下，发射出372，400，527 nm三种波长的发射光。这三种发射光强度对温度有着不同的敏感性，使得其能够良好应用于荧光温度传感领域。其中，I372和I527组成的温度传感系统相对测温灵敏度在298 K时为2.90%·K-1，高于传统TCLs荧光温度传感器的测温灵敏度，突破了TCLs温度传感器的灵敏度天花板。另外，由于372 nm和527 nm波长相差较大，使得BaMgSiO4陶瓷有着室温下绿光发射到458 K高温下蓝光发射的显著变化，实现了温度监控可视化。因此，BaMgSiO4陶瓷因其独特的氧空位缺陷发光特性，为开发荧光温度传感器提供了一种高精度和可视化的新选择，为荧光温度探测技术提供了一条新思路。
氧空位缺陷发光 荧光温度传感材料 能量传递 可视化 luminescence from oxygen vacancy defects fluorescence temperature sensors energy transfer visualization
1 国民核生化灾害防护国家重点实验室, 北京 102205
2 禁核试北京国家数据中心和北京放射性核素实验室, 北京 100085
水下爆炸当量和深度估计是全面禁止核试验条约(CTBT)国际监测系统(IMS)水声监测的一项重要任务。为有效估计海域内爆炸事件的当量和深度, 在使用气泡脉动周期半经验公式的基础上, 综合利用水下爆炸气泡脉动第一次、第二次周期比值与气泡半径、深度的关系信息, 估计了近、远场的水下爆炸当量和深度, 对不同当量、爆炸深度的近场水下爆炸分析结果为: 100 g TNT、7 m爆炸深度条件下, 估计当量均值约118 g、估计深度均值约7.96 m; 100 g TNT、25 m爆炸深度条件下, 估计当量均值约76 g, 估计深度均值约21.4 m; 1 kg TNT、50 m爆炸深度条件下, 估计当量均值约1.23 kg、估计深度均值约44 m。上述分析结果表明: 采用的联合估计方法对深度的估计要比对当量的估计更为准确。进一步分析可知: 对于50 m爆炸深度、100 g TNT小当量的爆炸信号来说, 该方法未能给出估计结果, 这表明该方法估计水下爆炸当量是在爆炸深度上受限的。最后对IMS水声台站记录的远场水下爆炸事件进行了分析, 其当量、深度估计结果与参考文献一致, 这说明该方法同样适应于对远场爆炸信号的估计。
IMS水声台站 水下爆炸 气泡脉动周期 当量估计 IMS hydrophones station underwater explosion bubble pulsation period equivalent estimation
田思恒 1,2,3,4黄永梅 2,3,4,5,*徐杨杰 2,3,4,5南新元 1[ ... ]唐薇 2,3,4,5
1 新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院光电技术研究所光场调控科学技术全国重点实验室，四川 成都 610209
4 中国科学院光电技术研究所光束控制重点实验室，四川 成都 610209
5 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
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光学成像系统 离轴望远镜 次镜 离焦光斑 神经网络 快速调整 optical imaging system off-axis telescope secondary mirror defocused spot neural Networks quick adjustment
1 绍兴职业技术学院建筑与设计艺术学院,绍兴 312000
2 浙江工业大学土木工程学院，杭州 310014
自来水厂污泥是水处理后的副产物，是一种重要的固体废弃物。本文研究了机械力活化后的自来水厂污泥超细粉(WTSP)对再生混凝土(RC)力学性能和微观结构的影响。研究结果表明，WTSP的掺入使RC早期力学性能略有降低，但后期力学性能有所提高，其中含20%(质量分数，下同)WTSP试样60 d的抗压强度和弹性模量较基准组分别提高了13%和9%。在RC中掺入10%和20%WTSP后，试样中有害孔(＞100 nm)数量分别减少了37.5%和54.6%，其微观结构得到明显改善。纳米压痕分析显示，掺入20%WTSP后，RC试样中界面过渡区(ITZ)的宽度减小了20%~25%，并且ITZ和新砂浆的弹性模量均有所增加。这可能与WTSP的晶核作用、微集料填充作用和火山灰活性有关。
再生混凝土 自来水厂污泥 污泥粉 力学性能 微观结构 界面过渡区 recycled concrete water treatment plant sludge sludge powder mechanical property microstructure interfacial transition zone
二极管抽运固体激光器的散热问题是激光器能量输出稳定的关键问题。为了解决散热问题, 以激重频50Hz、激光输出能量不小于150mJ的风冷YAG固体激光器为例, 计算了激光器产生的热量, 构建了激光器二极管及散热部件3维模型, 利用FloEFD软件进行热分析, 优化了分析结果并进行了试验验证。结果表明, 循环工作3次后, 激光器输出155mJ、50Hz的激光能量, 激光束散为2.9mard, 散热器的温度约为85℃;该设计稳定可靠, 可以解决该激光器的散热问题, 以满足激光器各项指标, 保证其正常工作。该研究为激光器更深层次的热设计提供了参考。
激光器 重频 二极管 热设计 仿真 lasers repetition frequency diode thermal design simulation
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 光电对抗部， 吉林长春130033
为了探究长波红外激光对红外凝视成像系统HgCdTe红外探测器组件的损伤机理，在ANSYS软件仿真研究的基础，开展了9.3 μm激光对HgCdTe红外探测器损伤效应实验。通过利用ANSYS软件建立了激光辐照HgCdTe红外探测器的有限元理论仿真模型，获得了9.3 μm脉冲CO2激光照射下探测器模型的温升分布，以是否达到熔融温度为判定依据，得到探测器件的仿真损伤阈值。通过开展外场实验获得HgCdTe红外探测器真实工作环境下的损伤阈值，整理并分析实验结果得到HgCdTe红外探测器组件的实验损伤阈值。研究结果表明，基于有限元理论仿真得到的HgCdTe红外探测器模型的损伤阈值为0.54~1.1 J/cm2，与实验得到的损伤阈值0.69~1.23 J/cm2结果较为一致。仿真结果和实验结果均和Bartoli理论的计算结果符合得较好， 验证了模型和实验结果的合理性。
红外探测器 有限元 HgCdTe TEA CO2激光 infrared detector finite element method HgCdTe TEA CO2 laser
多光谱测温法是通过测量多个光谱辐射信息并采用相关的理论与算法反演出辐射体真实温度(真温)的过程。 光谱发射率求解仍然是多光谱测温法的重点和难点, 从理论上必须已知足够多的光谱信息才能获得辐射体的真温。 考虑到实际辐射体在不同光谱和不同温度时的光谱发射率通常是不一致且光谱发射率的求解又是非接触的辐射温度测量中不可回避的问题, 因此, 开展多光谱发射率的求解和真温反演方法的研究具有很强的科学意义和应用价值。 经过半个多世纪的不懈努力与发展, 光谱发射率求解可以概括为四类模型。 一是灰体假设模型, 认为在真温反演过程中光谱发射率是一个常数或其变化可以忽略不计; 二是波长假设模型, 认为在真温反演过程中光谱发射率与波长之间存在一定关系, 可以用含有波长的表达式代替光谱发射率实现真温的反演; 三是真温假设模型, 认为在真温反演过程中光谱发射率与真温之间存在一定的关系, 将光谱发射率与真温之间建立模型并通过迭代方法来实现真温的反演; 四是建立神经网络模型, 通过神经网络的学习实现真温的反演。 基于真温的唯一性, 在对不同假设模型的分析基础上, 试图寻求一种无需假设光谱发射率模型且具有一定通用性的真温反演方法, 开展以多光谱真温反演算法为核心的研究工作。 概述了传统多光谱真温反演理论与方法的特点, 针对现有的多光谱真温反演过程中光谱发射率模型选择复杂性, 提出了一种有约束优化原理的单目标函数极小值的真温反演方法, 这种方法无需假设光谱发射率模型, 将真温的反演问题转变成求解目标函数极小值的优化问题。 借助于用一个黑体炉并且在黑体炉光源输出端口加装光谱透过率已知的滤波器来模拟辐射源, 实现了基于极小值优化法多光谱高温计真温的反演。 与传统的二次测量法相比, 在相同的初始条件下, 与曾经提出的二次测量法相比, 新方法在反演精度上与二次测量法大体相同, 但在反演速度上得到了较大幅度的提高。
优化 多光谱 发射率 真温 Optimization Multispectral Emissivity True temperature 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3130
为了满足无人驾驶、车载避障等应用需求，激光成像雷达通常需要识别几米到几百米大动态范围内的目标信号。限于体积成本，当激光雷达不具备自动增益控制功能时，如何实现从饱和到非饱和回波信号的高精度测量是激光雷达测距技术急需解决的问题。传统的激光成像雷达多采用时间数字转换器的边沿测距方法，该方法对于近距离饱和波形测距效果较好，但对于远距离小信号成像能力有限，因此提出了基于高速模数转换的全波形匹配测距方法。该方法通过对回波脉冲与高分辨率模板波形的滑动匹配，求取高精度的回波脉冲峰值位置。并在FPGA上实现了优化的快速收敛方法，提高了算法执行速度，在保证了测距精度的同时提高了激光成像雷达的有效成像范围。通过大量的成像实验验证，激光成像雷达测距精度可达2.7 cm，有效成像范围可达200 m以上。
近程大动态范围测距 激光成像雷达 全波形测距 波形匹配 large dynamic ranging imaging lidar full waveform ranging waveform matching 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200179
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析，以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变，提高主镜面形精度。首先，对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点，从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式；然后，利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析，并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计；最后，对主镜进行重力、环境适应性和基频分析，验证设计的合理性。分析结果表明：6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下，随着辐照时间的增加，镜面温升值和P-V值逐渐增大；辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃，P-V值为155 nm，受镜体结构影响，辐照区内热畸变值不一致，差值约占镜面P-V值的1/6；为改善热畸变的不一致性，提高镜体强度，对主镜进行拓扑优化设计，优化后主镜轻量化达54.5%，辐照区热畸变一致性好，镜面热畸变量减小了近1/3；不同俯仰姿态下，主镜重力变形值基本相同，不足10 nm；环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移，稳态温差值越大，主镜面形P-V值和镜面平移量越大；模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。
大功率激光 空间合束 主镜 激光热畸变 轻量化设计 high power laser incoherent combining primary mirror laser thermal deformation light weight
1 内蒙古民族大学工学院, 内蒙古 通辽 028000
2 燕山大学信息科学与工程学院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
采用光谱技术检测水质参数是当前的一个研究热点, 提出了一种基于荧光发射光谱的水质化学需氧量(COD)的检测方法。 实验样本分为两组, 第一组为20份COD标准溶液, 第二组为63份实际水样。 实验样本的化学需氧量检测采用快速消解分光光度法, 利用三维荧光分光光度计采集水样在EX=275 nm激发波长下的荧光发射光谱(荧光发射光谱范围为EM=325~450 nm), 并对两类水样的荧光发射光谱数据进行了处理和建模。 分别采用主成分回归(PCR)和偏最小二乘回归(PLSR)对两类水样的荧光发射光谱数据进行了预测模型的建立, 并对模型效果进行了对比。 为验证该方法的可行性和模型的预测能力, 将所建PLSR模型预测结果与标准方法的检测结果进行了对比。 结果表明, 对于COD标准液来说, PLSR和PCR的主成分数分别取5和8时所得的模型的交叉检验效果最优, 校正模型的决定系数分别为R2PLS=0.999 9和R2PCR=0.989 7, 校正模型对检验集数据的预测误差不超过10%, 且PLSR所建模型优于PCR模型。 对于实际水样而言, PLSR和PCR的主成分数分别为6和7时, 校正模型的交叉验证效果最优。 PLSR法和PCR法的校正集的交叉检验均方差RMSECVPLS和RMSECVPCR分别为0.932 2和0.976 4 mg·L-1。 对于实际水样的检验集来说, PLSR法和PCR法的预测决定系数R2PLS和R2PCR分别为0.940 2和0.919 0, 说明PLSR法的预测效果更优, 基于荧光发射光谱数据的PLSR模型具有较高的预测能力和较强的适应性, 可以快速、 准确的检测出水质COD。 通过和传统检测方法的效果对比可知, 该方法可用于检测有机污染物浓度较低的水体, 有机物浓度较高时采用该方法时检测误差会变大。 该研究为水质检测光学传感器的研发提供了一种新的设计思路。
水质检测 化学需氧量 荧光 发射光谱 预测模型 Water quality detection Chemical oxygen demand(COD) Fluorescence spectrum Emission spectra Prediction model 光谱学与光谱分析
2020, 40(4): 1143
