吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室， 吉林 长春 130061吉林大学国家地球物理探测仪器工程技术研究中心， 吉林 长春 130061吉林大学仪器科学与电气工程学院， 吉林 长春 130061
甲醇汽油因其辛烷值高、 成本低等优势成为新型化石燃料替代物， 其甲醇含量的精确检测是决定其品质的重要环节， 甲醇汽油组分的精确定量检测与分析对于缓解我国传统石油资源短缺但需求量增多的现状具有重大的现实意义。 甲醇汽油中甲醇检测的常规方法如酒醇仪测定法、 速测盒测定法等， 操作复杂， 准确定性低。 近红外光谱分析具有测量速度快、 灵敏度高、 可连续测量等诸多优点， 在石油化工领域定性、 定量分析中具有巨大应用潜力。 为研究甲醇汽油近红外光谱无损定量检测方法， 配制了0.5%~30%组分的甲醇汽油标准样品， 设计了甲醇汽油近红外光谱数据采集系统并采集60个组分的甲醇汽油近红外光谱数据; 利用移动平均平滑法、 S-G卷积平滑法(Savitzky-Golay)和多元散射校正（MSC）对甲醇汽油近红外光谱数据进行预处理分析， 研究了BP人工神经网络(ANN)和主成分回归(PCR)模型的决定系数和均方根误差， 对两种算法的结果和预测效果进行对比。 结果显示: 各模型的均方根误差均小于1%， SG平滑-主成分回归预测模型拟合度最好， 其决定系数为0.998 98; 基于SG卷积平滑算法和神经网络算法建立的模型预测值与真值偏差最小， 其均方根误差RMSEP为0.322 84%。 研究表明近红外光谱检测分析技术检测甲醇汽油中的甲醇含量应用中SG平滑-神经网络预测模型性能较好， 满足应用需求， 因而为甲醇汽油组份实际检测应用提供了科学依据， 为有效开发与利用甲醇汽油提供了技术支持。
光谱预处理 甲醇汽油 近红外光谱 主成分分析 Spectra pretreatment Methanol gasoline Near infrared spectrum Principal component analysis 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1489
1 东华理工大学 江西省核地学数据科学与系统工程技术研究中心南昌 330013
2 东华理工大学 核科学与工程学院南昌 330013
为进一步明确月球表面湮灭辐射的主要来源和影响机理，构建了轨道γ能谱仪中湮灭辐射特征峰定量分析模型，采用GEANT4模拟不同能量质子轰击月岩诱发γ射线微分能谱，并以“嫦娥一号”高能粒子探测器（Chang'e-1 High-energy Particle Detector，CE1-HPD）数据作为输入项，计算了宇宙射线中4~400 MeV质子在月表5种典型岩石中诱发湮灭辐射的特征峰信息。在对“嫦娥一号”γ能谱仪（Chang'e-1 Gamma-ray Spectrometer，CE1-GRS）获取的0.511 MeV特征峰进行本底扣除和天然放射性核素影响剥离后，与4~400 MeV质子诱发湮灭辐射结果进行比较。研究结果表明：级联簇射产生湮灭辐射的概率与入射质子能量呈正相关，在4~400 MeV能量范围内，典型月岩的成分差异对诱发湮灭辐射的影响不明显。虽然该能量段质子的注量率较高，但由于其能量较低，无法有效地通过级联簇射形成正电子，最终导致湮灭辐射贡献率较低，仅为（1.97±0.66）×10-4。
湮灭辐射 GEANT4 高能粒子 贡献率 Annihilation radiation GEANT4 Energetic particle Contribution rate
1 核技术应用教育部工程研究中心(东华理工大学), 江西 南昌 330013
2 东华理工大学核科学与工程学院, 江西 南昌 330013
因全反射X射线荧光仪中入射X射线与全反射X射线形成驻波, 导致样品被激发产生的特征X射线成周期变化, 且在驻波峰区探测器产生的核脉冲重叠严重, 有必要提高后续分析电路的重叠核脉冲幅度准确提取能力, 进一步提升全反射X射线荧光仪的性能。 由于SDD探测器产生的核脉冲下降沿依衰减系数τrc呈指数规律衰减, 依据衰减补偿原则, 建立直线成形方法并推导应用于数字化核脉冲的递归公式。 实验发现: 在ADC转换器的取样周期为T下, 当k≥T/τrc时直线成形后的核脉冲顶部才能形成一条直线; 在k=T/τrc时上升沿最短, 重叠核脉冲分辨能力亦最好。 直线成形后的核脉冲上升沿及平顶分布与上升时间参数最小时的梯形成形结果相同但前者的平顶更为光滑; 由于直线成形后的核脉冲不存在下降沿, 使得其宽度更窄, 有利于分离相距更近的重叠核脉冲。 通过拟合直线成形后的核脉冲分布规律, 确定了直线成形方法可准确提取幅度值的最窄重叠核脉冲间隔; 且直线成形方法对不同幅度核脉冲的放大倍数一致, 证实直线成形方法不会改变谱仪的能量线性。 直线成形方法能可靠应用的前提是准确定位核脉冲的起始位置, 为此建立起冲击成形递归公式, 验证发现冲击成形后的核脉冲仅在其起始位置出现幅度约等于核脉冲幅度的冲击响应, 利用阈值判别就能准确定位所有核脉冲起始位置。 最后在FPGA内实现上述算法, 并进行10组比对实验, 实验结果显示直线成形方法在堆积平台与和峰压制能力、 峰背比和能量分辨率三个方面均优于梯形成形与模拟式能谱测量系统, 证实直线成形方法能极大地提升全反射X射线荧光仪的性能。
直线成形 参数最优取值 全反射X射线荧光 Straight-line shaping method Optimal values of parameters Total-reflection X-ray fluorescence 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2148
吉林大学仪器科学与电气工程学院, 地球信息探测仪器教育部重点实验室, 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心, 吉林 长春 130012
石油作为重要战略资源, 对其组分进行实时分析检测在石油化工领域有着重要意义。 随着石油资源的不断开发, 在已长时间开采油井的生产过程中以及新油井开采前, 需要对井下原油组分进行分析检测, 以判定开采的必要性。 原油组分实时检测, 在原油开采、 生产、 储运以及销售过程中都起着关键的作用, 针对传统检测方法存在精度低、 效率低等问题, 近年来在原油组分检测技术的研究方法上引入了在测量领域得到广泛、 有效应用的近红外光谱测量技术。 以井下原油作为研究对象, 利用从大庆油田获得的提纯原油与水按体积比配制了原油占比分别为1%~20%共39个组分的实验样品来模拟井下原油。 研究了近红外光谱透射法测量原油组分的基本原理, 并利用SW2520型近红外光谱仪与卤素光源以及配套组件集成了原油样品近红外光谱数据测量系统, 完成了系统的标准化实验并利用此标准化后的系统采集了39个组分原油样品的近红外吸收光谱数据。 利用移动窗口平滑法、 Savitzky-Golay卷积平滑法以及Savitzky-Golay卷积求导法对原油近红外光谱数据进行预处理以消除噪声, 利用偏最小二乘法和支持向量机回归方法SVR两种分析方法对预处理后的原油样品近红外光谱进行建模, 分别建立了原油组分分析预测模型。 研究结果表明, 利用偏最小二乘法模型预测均方根误差为0.003 755 14, 决定系数R2为0.999 999, 预测精度优于0.1%, 预测效果十分理想。 利用近红外光谱技术对配制的不同比例的井下原油模拟测试样品进行测试建模和分析, 为井下原油组份检测提供了一种新的思路, 该方法可以有效的解决原油含水率的检测问题, 为开发油田现场实时原油检测分析装备提供技术支撑。
原油 近红外光谱 预处理 偏最小二乘法 Crude oil Near infrared spectrum Pretreatment Partial least squares
1 吉林大学 仪器科学与电气工程学院 地球信息探测仪器教育部重点实验室，吉林 长春 130021
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130021
3 通化师范学院，吉林 通化 134002
数字微镜器件小型近红外光谱仪器具有检测速度快、灵敏度高、无损伤检测、仪器小型化等优点，广泛应用于化学成分分析和质量检测。然而，作为仪器设计的前提，整个光谱范围的光学优化设计是系统的难点。文中研究了基于数字微镜器件小型近红外光谱仪的光谱成像系统的理论设计方法。该方法采用双配消像差透镜，结合几何像差理论，对小型数字微镜器件近红外光谱仪的设计进行了优化，以降低整个系统的像差。然后，利用光学仿真软件对准直接成像系统进行光学仿真。最终达到设计仿真要求。仿真结果表明，该分光计的整体尺寸小于150 mm×150 mm×150 mm，在工作波段1000~1700 nm范围内，其分辨率优于15 nm。因此，该方法能满足设计要求，在实际应用中具有广阔的应用前景。
near-infrared spectroscopy instrument DMD principle and optimum analysis 近红外光谱仪器 数字微镜器件 原理与优化分析 红外与激光工程
2021, 50(2): 20200427
吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130026
为了实现对地下岩层空间应力状态及其变化规律的有效监测，基于光纤光栅传感技术与平面应力状态测量原理，提出了一种平面应变花与光纤光栅传感技术相结合的监测方法。通过利用碳纤维层积复合材料对光纤光栅封装做成应变传感单元，九个应变传感单元分别组成两组直角应变花与一组等角应变花，三组应变花分别放置于三个圆柱形探头S1,S2,S3上，三个探头以一定的机械结构连接构成地层空间应力的监测的三维地应力传感装置。对光纤应变传感单元进行温度与应力的标定实验，在室内对整体传感装置进行了应力加载模拟实验。实验结果表明：光纤应变传感单元的应力分辨率为0.017 2 MPa；应力监测为0～60 MPa；探头S1最大主应力的监测平均误差为16.31％，探头S2最大主应力的监测平均误差为24.36％，S3探头的绝对误差为0.006 8 MPa；实际加载应力与传感器测量的应力空间角度误差平均值为1.24°。传感器的监测结果与实际加载应力的变化规律相一致，可满足对地下岩层空间应力状态连续监测的要求。
光纤传感 光纤光栅 地下岩层空间应力 碳纤维层积复合材料 应变花 应变传感单元 optical fiber sensing Fiber Bragg Grating(FBG) spatial stress of subsurface rock carbon fiber material strain flowers strain sensor unit
1 通化师范学院 物理学院 量子科学计算实验室, 吉林 通化 134002
2 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130000
针对四能级N型原子系统, 研究了与原子跃迁相关的量子相干烧孔现象。通过密度算符运动方程、拉氏变换法以及量子回归理论, 求得了探测场的吸收谱。采用两束耦合光和一束饱和光同时作用, 随后分别研究了在两束耦合光同时与探测光同向传播, 饱和光与探测光反向传播, 以及耦合光、饱和光、探测光均沿着同一方向传播的两种典型的传播机制和不同参数的调节下相干光学烧孔的形成特点, 最后通过缀饰态理论计算并分析了结果的正确性。最多观测到六个相干光学烧孔。耦合光的拉比频率的大小影响着相干光学烧孔的形成位置, 而饱和光拉比频率的大小将决定着形成相干光学烧孔的深度。该结果完善了相干光学烧孔的理论研究, 对于以后应用到光学量子存储有理论指导意义。
量子干涉 相干光学烧孔 缀饰态 quantum interference coherent hole-burning dressed state 红外与激光工程
2017, 46(11): 1106007
1 通化师范学院 物理学院, 吉林 通化 134000
2 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130000
在四能级N模型原子系统中, 当一束饱和光和一束探测光同向传播并且两束耦合光反向传播时, 由于饱和光与探测光不能处于相消多普勒状态, 可以同时在吸收光谱中观测到五个下凹, 均为相干光学烧孔。通过缀饰态理论, 计算了烧孔的位置, 发现中间深而窄的烧孔是由两个相干光学烧孔叠加而成。通过参考系数的合理调节以及改变饱和光的拉比频率, 可以改变烧孔形成的深度; 通过改变耦合光的拉比频率, 可以改变烧孔形成的位置。最后通过数值模拟得出饱和光的拉比频率在相干光学烧孔中实现光速减慢起到重要作用。这些结论对未来的光量子存储、光量子信息都有着重要的应用价值。
相干光学烧孔 量子干涉 慢光 coherent hole-burning quantum interference slow light 红外与激光工程
2016, 45(12): 1206005
1 吉林大学仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130026
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
基于Dyson同心光学系统的凹面光栅成像光谱仪具有像差小、 孔径高、 结构简单紧凑的优点, 同心结构要求光谱仪子系统的物面和像面必须重合为一个平面, 且物点和像点之间距离非常小。 现有的焦平面探测技术和装配技术难以满足理论设计要求。 为了解决实际中物点和探测器的安置问题, 对传统Dyson同心光谱仪光学系统进行了改进设计, 通过在成像光束中引入离轴反射镜实现像面位置的转移。 结果表明: 改进后的光学系统由于成像光束发生折叠, 物面和像面成功分离, 且改进后系统的全波段像差得到更合理的分配。
成像光谱仪 同心 光学设计 Imaging spectrum Concentric Dyson Dyson Optical design 光谱学与光谱分析
2016, 36(7): 2287
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 中国科学院研究生院, 北京 100049
中阶梯光栅光谱仪是一种高分辨率、 高精度新型光谱仪器, 其分辨率可达到几万至几十万, 结构参数的微小偏差严重影响着其分辨率和波长标定精度, 所以精确的装调方法是保证中阶梯光栅光谱仪性能指标的重要环节之一。 针对中阶梯光栅光谱仪的结构特点, 对中阶梯光栅光谱仪精确装调方法进行了研究。 该方法简便、 快捷, 适用于小体积、 封闭式结构设计的中阶梯光栅光谱仪。 通过该方法的装调, 使中阶梯光栅光谱仪工作状态与设计结果一致。 给出了最终波长标定结果, 其波长标定误差小于0.002 nm, 满足系统性能要求。
中阶梯光栅光谱仪 中阶梯光栅 离轴抛物镜 波长标定 Echelle spectrograph Echelle grating Off-axis parabolic mirror Wavelength calibration 光谱学与光谱分析
2012, 32(8): 2280
