1 南华大学 电气工程学院衡阳 421001
2 中国科学院合肥物质科学研究院 等离子体物理研究所合肥 230031
3 中国科学技术大学研究生院 科学岛分院合肥 230031
4 合肥师范学院 物理与材料工程学院合肥 230601
开展托卡马克等离子体中杂质输运与杂质控制研究对于提升等离子体约束性能与保障装置安全有重要意义。为了在EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）托卡马克装置上开展杂质输运研究，需要发展一套用于注入示踪杂质粒子的激光吹气（Laser Blow-off，LBO）微量杂质注入系统。本文描述了一种用于EAST托卡马克装置上LBO系统的控制系统设计过程与测试结果。该系统采用了全新的自动控制流程，使得系统可以重复、定量地向EAST等离子体注入不同元素的示踪杂质粒子。该设计通过STM32单片机系统实现对聚焦透镜位移、激光器被触发时刻的准确控制，且激光光斑直径可调，以改变杂质注入量。测试结果显示，系统能快速检测到外触发信号并实现精确定时，激光光斑聚焦位置误差小于0.40 mm，达到激光吹气杂质注入实验要求。本研究对在EAST装置上开展等离子体杂质输运研究具有重要意义。
激光吹气杂质注入系统 杂质输运 STM32 控制系统 Laser blow-off impurity injection system Impurity transport STM32 Control system
1 南华大学电气工程学院, 湖南 衡阳 421001 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 23003
2 南华大学电气工程学院, 湖南 衡阳 421001
3 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 23003
4 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 23003中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
5 合肥师范学院物理与材料工程学院, 安徽 合肥 230601合肥综合性国家科学中心能源研究院, 安徽 合肥 230031
6 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 23003南华大学核科学技术学院, 湖南 衡阳 421001
近红外波段(NIR, 波长范围: 780～2 500 nm)在线光谱分析技术具有小型化、 快速检测、 结果稳定可靠等优点, 在工业现场检测领域有着广泛的应用。 由于近红外光谱分析系统受温度影响较大, 传统的光栅分光在线光谱分析系统所采用的光谱仪通常仅对探测器制冷, 光路部分仍然会受到温度影响产生波长漂移等测量误差。 此外, 系统也多采用PC计算机来进行数据采集和控制, 并通过配备独立的工业通讯模块实现光谱分析系统与产线总控系统的通讯, 不仅增加了设备成本与体积, 也显著降低了系统的稳定性。 针对这些问题, 基于STM32单片机开展了在线恒温光谱分析系统研制与测试。 系统采用STM32单片机来控制近红外光谱仪, 通过设定和修改采集间隔时间并采集光谱数据, 对光谱数据进行预处理, 来计算得到目标样品的理化指标。 对于温度控制, 开发了在STM32单片机上运行的基于比例-积分-微分(PID)控制算法的恒温控制系统, 对光谱仪整体(包含光路和电路部分)实现了闭环恒温控制。 同时, 开发了基于STM32单片机的工业通讯接口(包含Modbus协议通讯和4～20 mA电流信号通讯)。 系统实验测试结果表明, 该设计能够长时间稳定运行, 并有效降低了环境温度变化对光谱数据带来的干扰。 在长达48小时的系统运行过程中, 光谱仪温度稳定控制在5 ℃左右, 温控精度优于0.25 ℃。 相对于未恒温控制的运行模式, 恒温控制条件下的平均吸收光谱强度相对标准差显著减小, 并实现了数据采集、 预处理、 样品理化指标计算、 工业信号通讯及温度控制的一体化设计, 以满足工业现场在线检测需求。
在线光谱分析系 STM32单片机 比例-积分-微分控制 数据采集控制 On-line spectroscopic system STM32 single-chip microcomputer Proportional-integral-differential (PID) control Pctra data acquisition 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2734
1 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
4 合肥工业大学电气与自动化工程学院, 安徽 合肥 230009
电流密度分布是等离子体物理研究的关键分布参数, 在托卡马克先进运行模式发展, 电流驱动, 约束与输运等方面发挥着重要的作用。 中性束与等离子体相互作用产生的分裂光谱, 包括σ分量与π分量, 水平观测时, σ分量的偏振方向垂直于等效电场的方向, π分量的偏振方向平行于等效电场的方向, 通过测量分裂光谱的偏振方向可以反演出等离子体电流密度分布。 基于光弹调制器的偏振检测系统具有检测精度高、 时间响应迅速的独特优点, 非常适用于等离子体电流快速变化下的电流密度分布测量。 光弹调制器的双折射晶体在周期性外部驱动源的作用下发生弹性形变, 其折射率会产生周期性的变化, 当偏振光通过时, 出射光的偏振特性将相应产生周期性变化, 再经过偏振片, 形成调制的光强变化。 运动斯塔克效应(MSE)诊断的偏振检测系统由两个光弹调制器(PEM)和一个偏振片组成, 通过检测不同调制频率的调制强度的比值, 从而快速、 精确地获得分裂光谱的偏振方向的实时变化, 进而得到等离子体电流密度分布。 详细介绍了东方超环托卡马克(EAST)装置上的MSE诊断, 初步完成了离线测试与标定, 参与中性束电流本文驱动物理实验, 初步获得了等离子体电流密度分布的信息。
光谱诊断 偏振检测 光弹调制器 Spectroscopic diagnostics Polarization detection Photoelastic modulators
1 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
3 南华大学核科学与技术学院, 湖南 衡阳 421001
便携式近红外光谱仪现场快速检测是近红外光谱分析领域的一个重要的发展趋势。 为了实现快速检测, 便携式近红外光谱仪一般不配备温控装置, 因此环境温度的变化会带来较大的测量误差。 如何降低环境温度对检测结果带来的误差, 是便携式近红外光谱仪在现场快速检测领域大规模推广所需要解决的一个重要问题。 柴油的凝点值是评价柴油品质和适用范围的一个重要指标, 对柴油凝点进行快速检测有重要的经济意义。 通过便携式光谱仪采集了50种具有不同凝点的柴油样品在近红外波段(950~1 650 nm)的吸收光谱, 研究了环境温度变化下的基于近红外光谱分析的柴油凝点快速检测方法。 此光谱仪为基于数字微镜设计的便携式光谱仪, 针对现场快检而研发, 未配备温控样品池。 在环境温度T0=25 ℃时基于偏最小二乘法建立了柴油凝点的预测模型, 并分别将不同环境温度(TE=-10, 0, 10, 20, 30, 40和50 ℃)条件下测量的近红外光谱带入上述凝点预测模型, 分析预测偏差随环境温度相对参考值变化(TE-T0)的依赖关系。 通过一次函数对预测误差随环境温度的变化关系进行拟合, 发现凝点预测偏差的平均值随环境温度的变化关系为Δc=-0.019 8(TE-T0)。 将环境温度的修正因子带入25 ℃条件下预测模型, 建立了针对环境温度变化的温度修正模型。 在温度修正以后, 10 ℃条件下预测凝点的均方根误差由原来的14.6降为8.8, 相关系数由原来的0.4提升为0.7。 研究表明, 本温度修正模型可以有效降低环境温度对预测结果带来的误差。 基于此温度修正模型, 可以显著降低近红外光谱分析建模过程的工作量, 在某一特定温度条件下建立预测模型后将此温度修正项带入模型即可用于在其他环境温度条件下进行柴油凝点值的预测, 而不需要在其他多个温度条件下分别建立预测模型, 可显著提高建模效率和便携式近红外光谱快速检测的温度适应性。
便携式近红外光谱仪 温度修正 偏最小二乘法 柴油凝点 Portable near infrared spectrometer Temperature compensation model Partial least square method Condensation point of diesel 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3111
山东省济南生态环境监测中心，山东 济南 250101
2017年11月1日~2018年5月15日在济南市泉城广场空气质量监测点位开展微脉冲激光雷达水平探测，实验期间能见度、常规污染物浓度以及PM2.5化学组分同步观测，定义能见度仪所在处为参考层处，采用Fernald方法计算水平气溶胶消光系数，进一步利用线性回归模型建立PM2.5浓度、消光系数、PM2.5化学组分之间的关系式，通过趋势比对、相关系数和标准化平均偏差研究该关系式的反演精度。结果显示：结合能见度仪反演消光系数更为准确；反演的消光系数与PM2.5质量浓度之间具有较好的正相关关系(相关系数R=0.75)，同时消光系数、PM2.5质量浓度均与PM2.5化学组分中的SO■■、NH■■ 、OC、NO■■、EC有较高的相关性，利用线性回归模型建立PM2.5浓度、消光系数、PM2.5化学组分之间的关系式，该定量关系式反演的PM2.5质量浓度与实际监测值在趋势上基本一致，二者相关性较好，相关系数为0.83。标准化平均偏差为18%，相对偏离程度较小。
微脉冲激光雷达 能见度 水平消光系数 化学组分 PM2.5质量浓度 MPL visibility Fernald Fernald horizontal extinction coefficient chemical composition PM2.5 mass concentration 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200367
1 中国科学院大学，北京 100049
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
3 中国科学院红外探测器与成像技术重点实验室，上海 200083
在电子稳像领域，传统求取图像的旋转角是从连续帧图像序列中提取相关信息计算的，其缺点是计算量大、实时性不高等。本文在惯导模块给出的航向角、横滚角和纵倾角 3个姿态角以及伺服模块给出的方位角和俯仰角两个角度的基础上，利用四元数法，结合空间解析几何知识，推导出图像旋转角。通过车载运动平台线列图像的验证实验表明，旋转角的推导正确，图像经矫正后起到了电子稳像的效果。
车载运动平台 红外图像 四元数 vehicle moving platform infrared image quaternion
1 中国科学技术大学核科学技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
3 安徽大学物理与材料科学学院, 安徽 合肥 230601
4 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
5 中国科学院合肥大科学中心, 安徽 合肥 230031
电荷交换复合光谱诊断（CXRS）是在核聚变装置上测量离子温度和旋转速度分布的常规诊断方式之一。通过测量等离子体中完全电离的碳离子（C6+）与高能中性氘之间发生电荷交换辐射出的碳谱线（C VI， 529.059 nm，n=8→7）的多普勒频移来计算C6+的速度，而准确测量的前提是波长的精确标定。介绍了东方超环托卡马克装置（EAST）上CXRS系统的离线波长标定和实时波长标定方法，详细分析了二者的优缺点，针对EAST等离子体及CXRS诊断现状提出了一套应用激光（波长为532.1 nm）作为波长实时标定光源的方案，同时对该方法的有效性进行了仿真分析及实验验证。结果表明使用该方案和利用常用标准灯得到的标定结果一致。
光谱学 光谱诊断 波长标定 标准灯 激光 光谱仪
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
2 School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
3 Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
A new filter spectrometer for the simultaneous measurement of plasma ion temperature and rotation velocity on the experimental advanced superconducting tokamak is proposed. The Doppler broadening and Doppler shift of the plasma spectral line is determined by the signal intensity ratio of the three-filter channels that have different peak wavelengths. A rapid calculated algorithm of the temperature and rotation velocity is presented. This filter spectrometer will allow researchers to measure spectra with a temperature and velocity range of 0.1–5 keV and 250 to 250 km/s, respectively.
Chinese Optics Letters
2015, 13(Suppl): S21202
给出了355 nm激光雷达与布设在中国科学院大气物理研究所325 m铁塔上的BAM-1020颗粒物监测仪对比观测实验的结果，通过2011年9月21日至10月21日一个月的对比实验发现，激光雷达探测的气溶胶消光系数与实测的PM2.5浓度之间存在较好的相关性。利用线性回归模型建立消光系数与颗粒物浓度之间的关系式，并通过铁塔实测的PM2.5浓度对该关系式在垂直高度上的反演精度进行研究。结果显示，在63，80，120，160 m高度处雷达反演的PM2.5与实测值之间的相关系数分别为0.9447，0.9331，0.9284，0.9308，说明激光雷达能有效探测颗粒物的垂直分布状况。激光雷达探测将有利于研究污染物的空间分布状况和污染物跨界输送问题，并为区域大气联防联控制定政策和措施提供数据支持。
大气光学 激光雷达 PM2.5浓度 消光系数 反演精度 气象因子
1 解放军理工大学气象学院, 南京211101
2 中国人民解放军94195部队, 甘肃 临洮730500
针对复杂气象条件下的无人机航迹寻优问题, 用栅格法进行环境建模；在基本蚁群算法的基础上, 用确定性选择与随机性选择相结合的方法对节点的状态转移规则进行改进。用精英蚂蚁系统、最大最小蚂蚁系统及最好最差蚂蚁系统思想更新信息素规则, 对部分参数进行自适应处理, 并将遗传操作融入航迹搜索过程中, 同时对航迹进行平滑处理。仿真结果表明, 改进的蚁群算法具有较强的航迹搜索能力, 较好地克服了基本蚁群算法早熟及陷入局部最优等缺点, 通过规避风险及禁飞区, 找到适合无人机飞行的最优解或近似最优解。
无人机 航迹规划 气象威胁 蚁群算法 遗传算法 UAV route planning weather threat Ant Colony Algorithm(ACA) Genetic Algorithm(GA)
