南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
光学相控阵激光雷达系统具有体积小、扫描速度快等特点，但栅瓣问题很大程度上限制了它的性能。采用不等间距光学相控阵方法破坏光学相控阵周期性从而抑制栅瓣的生成。提出一种改进的粒子群算法，引入自适应参数优化、扰动策略和最优保留策略改善传统粒子群算法寻优效果，不断优化光学相控阵最优阵元分布，最终得到使栅瓣降至低水平的阵元间距值。对所提基于改进粒子群算法的栅瓣优化算法进行模拟实验，测试结果表明最大栅瓣值降低至0.0968，有效改善了栅瓣问题。最后使用所提算法对二维矩阵平面阵列进行研究，提出了二维非均匀光学相控阵的优化设计方法。
遥感 激光雷达 光学相控阵 粒子群算法 栅瓣抑制 非均匀间隔 激光与光电子学进展
2023, 60(20): 2028003
南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
转炉炼钢终点温度的精确控制能够提高最终出钢的质量。为了提高终点钢水温度的预测精度，使用一种修正的比色测温法计算炉口火焰温度，通过改进的竞争性自适应重加权算法提取火焰光谱特征波长，最后将图像和光谱特征融合分析，建立炼钢终点温度预测模型。模型预测结果的均方根误差为15.8556 K，预测误差在±20 K内的准确率为87.50%，±30 K内的准确率为95.00%。与单独使用图像特征或光谱特征建立的模型相比，所提模型的预测误差最小，准确率最高。所提模型能够有效地预测转炉炼钢终点温度，满足炼钢生产的现场要求。
光谱学 转炉炼钢 比色测温 竞争性自适应重加权算法 终点预测 激光与光电子学进展
2023, 60(4): 0430001
南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
对转炉炼钢终点的实时精准控制能够有效提高钢铁产出的质量, 炉口火焰光谱在炼钢不同时期的变化明显, 对其进行分析处理并与机器学习方法相结合可有效用于炼钢终点的实时控制。 针对炉口火焰光谱数据量大、 现有方法对光谱特征提取在可信度和实时性上不足的缺陷, 提出一种基于窗口竞争性自适应重加权采样(WCARS)结合迭代式连续投影算法(ISPA)的光谱特征波长选择方法, 该方法在有效解决模型过拟合问题的同时, 能够降低高维数据计算的复杂度。 将火焰光谱数据沿波长方向进行窗口划分后, 使用CARS进行计算选出特征窗口波段, 再将迭代式选择与传统连续投影算法相结合, 通过重复迭代精选出特征波长, 在此基础上使用支持向量机回归(SVR)建立炼钢终点碳含量预测模型。 实验采集363组炼钢后期的炉口火焰光谱数据作为样本, 并对其进行Savitzky-Golay平滑预处理。 使用WCARS-ISPA算法从全光谱数据中选出10个特征波长作为SVR模型的输入, 碳含量为模型输出, Kennard-stone算法对训练集和测试集进行划分, 选择碳含量的平均预测误差、 预测误差在±2%以内的命中率以及运行30次的平均时间作为模型评价指标。 实验结果显示, 模型的平均碳含量预测误差为1.413 2%, 命中率高达90.63%, 运行时间为0.019 679 s。 与使用全光谱和WCARS-ISPA, CARS-SPA, WCARS和SPA四种不同特征选择方法选出的特征波长建模得到的结果进行对比, 基于WCARS-ISPA方法选出的特征波长建立的终点碳含量预测模型误差最小、 命中率最高。 提出一种新的炉口火焰光谱特征波长提取方法, 使用窗口竞争性自适应重加权采样结合迭代式连续投影算法选取特征波长, 并在此基础上建立转炉炼钢终点碳含量预测模型, 实验结果表明, 该方法能够有效提取火焰光谱特征, 所建模型能够对转炉炼钢终点进行准确预测, 满足工业生产的实时控制要求, 为实际生产提供可靠帮助。
转炉炼钢 火焰光谱 窗口竞争性自适应重加权采样 迭代式连续投影算法 终点预测 BOF steelmaking Flame spectra Window competitive adaptive reweighted sampling Iterative successive projection algorithm End-point prediction 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2332
1 南京理工大学 近程高速目标探测技术国防重点学科实验室, 江苏 南京 210094
2 南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
脉冲激光测距系统由于其精度高、抗干扰能力强等优点, 广泛应用于激光雷达、激光引信等领域, 但是常用的时刻鉴别法存在误差, 制约了动态测距精度的提升, 主要原因是回波脉冲的衰减和展宽。针对这一问题, 提出一种采用恒阈值和峰值双通道的时刻鉴别新方法。该方法通过引入激光发射脉冲的理论方程, 建立了回波波形的时域分布模型, 可以实现不受到衰减和展宽的影响的准确回波鉴别。在此基础上设计了双通道时刻鉴别的脉冲激光测距系统。实验结果表明, 采用双通道时刻鉴别方法可以将近程测距的误差控制在±3 cm以内, 并可通过多次测量对精度进一步提升, 解决了时刻鉴别误差制约测距精度提高的瓶颈问题。
激光测距 时刻鉴别方法 双通道 时域分布 laser ranging timing discrimination method dual-channel time domain distribution 红外与激光工程
2019, 48(6): 0606002
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
2 上海航天控制技术研究所, 上海 200233
针对转炉冶炼终点传统人工肉眼看火判断存在着诸多不确定性问题, 研究了一种基于模糊支持向量机的光辐射状态识别实现转炉终点判断的方法。设计了非接触式炉口光辐射采集系统, 基于炉口火焰辐射规律分析, 分别提取了通过高斯函数拟合表征光谱整体特征的三参数和两个发射峰离散谱参数作为支持向量机的输入, 通过相关性分析选出生产过程中氧量、动枪幅度、爽枪时间、加料量参数构建子样本特征量, 采用样本到类间距离的方法计算隶属度因子, 建立了模糊支持向量机识别模型并进行了测试实验。实验结果表明, 提出的方法对不同操作工况下的终点光辐射识别精度优于人工方法和传统SVM方法, 可为转炉终点的准确判断提供依据。
光谱分析 识别 模糊支持向量机 转炉炼钢 spectral analysis recognition fuzzy support vector machines (FSVM) BOF steelmaking 红外与激光工程
2018, 47(7): 0726004
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
2 上海航天控制技术研究所, 上海 200233
转炉终点碳含量在线检测对实现炼钢终点准确控制, 提高钢铁产品质量, 降低能耗, 减少废气排放具有重要意义。 针对转炉冶炼终点控制及碳含量检测的难题, 研究了一种新的基于炉口辐射光谱分析的非接触式在线碳含量检测方法。 方法基于辐射光谱的支持向量机回归(SVR)实现转炉终点前过程的碳含量预测。 通过远距离光谱采集系统获取炉口火焰光谱信息, 基于冶炼过程炉口火焰辐射光谱变化规律的分析, 分别提取了表征辐射光谱整体特征的两个参数即总谱宽和辐射峰值、 以及表征发射谱的三个特征波长600, 630和775 nm处的幅值作为支持向量机的输入, 结合脱碳理论和实测碳值拟合重构的脱碳函数曲线作为支持向量机的输出, 利用支持向量机回归方法建立光谱分布与碳含量的关系模型。 通过训练样本集和测试集循环优化确定模型最佳参数。 设计的仪器和优选的模型已安装在转炉生产现场长时间运行, 现场实验结果表明, 终点碳含量检测准确率为90.2%, 测量时间小于0.3 s, 可实时在线检测, 能够满足生产需求, 为转炉冶炼终点的精确控制提供了重要依据。
光谱分析 转炉炼钢 支持向量机 回归 Spectral analysis BOF steelmaking Support vector machines Regression 光谱学与光谱分析
2018, 38(6): 1804
南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
采用非均匀采样与功率谱反演法产生与湍流尺度相关的各向异性非Kolmogorov湍流随机相位屏，进而利用空间光调制器模拟研究圆艾里高斯涡旋光束在大气湍流中的漂移特性和轨道角动量态变化。数值模拟和光学实验结果均表明，圆艾里高斯涡旋光束的漂移值随光束衰减系数、光束主半径、大气湍流外尺度和传输距离的增大而增大，随湍流各向异性系数和光束拓扑荷值的增大而减小，并且在湍流幂律值为3.3附近有极大值。此外，通过对比圆艾里高斯涡旋光束经过大气湍流前后的干涉条纹图样，发现整数阶时拓扑荷值越小，光束经过湍流之后拓扑荷值稳定性就越好。
大气光学 非均匀采样 圆艾里高斯涡旋光束 空间光调制器 漂移
南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
转炉炼钢的终点控制包括钢水出钢时温度及其成分的控制, 炉口火焰能够反映炉内脱碳速率及转炉运行参数等。 工业炉燃烧火焰可见光谱段, 普遍存在着钾(K)和钠(Na)等碱金属元素的原子发射谱线, 利用K的特征谱线相对比值可以计算火焰温度。 基于辐射双色法, 三色法和谱线相对强度法对转炉口火焰温度进行了测量; 数据处理过程中对特征谱线进行了基线拟合提取, 小波脊线拟合提取; 特征谱线进行了Gauss函数和Lorenz函数拟合。 结果表明, 辐射测温法对谱线比较敏感, 选择合理的波段能够有效, 精确地测量火焰温度; 采用谱线相对强度法受制于特征谱线的数学模型、 谱线的跃迁机率、 能级的简并度及火焰的光学厚度, 需要分辨率非常高的光谱仪才能进行高温转炉火焰中电子温度的测量。
氧气顶吹回转炉 辐射测温 原子发射光谱 火焰温度 小波脊线 Basic oxygen furnace Radiation thermometry Atomic emission spectroscopy Flame temperature Wavelet ridge 光谱学与光谱分析
2017, 37(4): 1243
南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
转炉炼钢的铁水终点温度是衡量铁水是否符合出钢要求的一个重要指标, 目前仍主要依靠人工经验进行控制, 其预测精度难以保证。 为了能够有效的预测终点铁水的温度, 并能满足不同的转炉炉口尺寸的要求, 提出了一种基于炉口火焰温度测量的转炉终点铁水温度预测的新方法。 利用可以采集可见光和近红外波段的微型光谱仪作为关键器件构建了炉口火焰辐射信息的采集系统, 实现对转炉炼钢现场的炉口火焰辐射信息进行实时、 有效的采集。 同时综合考虑了炉口火焰的实际温度范围和现场的测量距离, 通过改进的系统标定方法, 对所构建的辐射信息采集系统进行标定, 并利用双波长法获得了炉口火焰的辐射温度。 鉴于炉口的火焰温度与炉内的铁水温度之间存在着一定的联系, 还利用所测得的火焰温度以及与铁水温度相关的转炉吹炼过程参数, 建立了基于支持向量机的炉内铁水温度的回归预测模型。 对68炉现场采集到的转炉吹炼数据进行验证实验后表明该方法的预测精度要优于人工经验, 且接近采用副枪的铁水温度测量方式, 可为中小型转炉的终点温度预测提供一种有效可行的方案。
辐射测温 火焰温度 转炉炼钢 支持向量机 Radiation thermometry Flame temperature Basic oxygen furnace Support vector machine 光谱学与光谱分析
2015, 35(11): 3023
南京理工大学电子工程与光电技术学院光学工程系, 江苏 南京 210094
基于高斯谢尔模型光源模型及柯林斯衍射积分公式，通过近似求解得到了随机电磁光束通过像散光学系统传输后其偏振度保持恒定的充分条件。解析结果及数值模拟仿真结果均显示，当光学系统像散系数足够大且与光源参数存在一定的制约关系时，光束传输后参考平面处偏振度保持恒定并且与光源处初始偏振度相同。该充分条件的成立性不受光学系统元素及传输距离等其他因素的制约，因此具有一定的独立性。该充分条件对于光学系统偏振成像及光路偏振探测等实际应用工程具有潜在的理论参考价值。
物理光学 偏振恒定 像散光学系统 随机电磁光束 偏振成像
