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
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
针对传统跨域密钥协商协议安全性不足问题，提出一种新的跨域量子密钥协商协议。在无证书密钥协商体系下，采用量子密钥协商与经典密码算法结合的方案，提高了协议适应现有通信网络架构的能力。密钥协商过程使用三粒子量子隐形传态，利用量子态不可克隆定理保障协商过程中密钥的安全性。与其他方案相比，本协议具有较高的量子比特效率，并且可以抵抗中间人攻击、重放攻击等多种内部和外部攻击手段。
量子密钥协商 量子隐形传态 共享密钥 无证书 quantum key agreement quantum teleportation shared key certificateless 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(6): 1098
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 中国科学院大学, 北京 100049
为了在保证结构简单的前提下, 实现衍射光栅精密测量系统的大量程、高精度、多维度测量, 设计了能够同时测量位移和角度的五维自由度衍射光栅精密测量系统。基于利特罗对称式光路结构, 采用高刻线密度的一维衍射光栅以及外差干涉原理实现了沿光栅矢量方向和光栅法线方向的二维位移测量; 通过引入高精度的位置灵敏探测器, 结合±1级衍射光与光栅之间的角度变化关系实现了对光栅俯仰、偏摆和滚转三个维度的角度误差测量。实验结果表明: 该衍射光栅精密测量系统能够实现分辨力优于4 nm的二维位移测量以及分辨力优于1″的三维角度测量, 其位移测量范围只受限于光栅的尺寸, 量程大大增加。该衍射光栅精密测量系统在精密测量领域有重要意义。
衍射光栅 精密测量 五维自由度 grating precision measurement five-dimensional
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 中国科学院大学, 北京 100049
在扫描干涉场曝光(SBIL)系统中, 曝光光斑尺寸对干涉条纹的拼接精度、光栅制作效率及干涉场质量有着十分重要的影响。为获取合理的曝光光斑尺寸, 基于高斯光束的传输规律及扫描拼接数学模型进行了数值模拟,讨论了曝光光斑尺寸对干涉条纹的非线性误差、刻线拼接误差和曝光对比度的影响。结果表明: 小尺寸曝光光斑比大尺寸曝光光斑更有利于控制干涉条纹的非线性误差; 由于存在周期测量误差, 小尺寸曝光光斑有利于减小拼接后的刻线误差并提高曝光对比度。针对SBIL系统设计了曝光光路, 并对所设计的光路进行了优化。对干涉场左右光斑形貌及干涉条纹相位的非线性误差进行了测量, 结果表明: 曝光光斑的束腰半径约为0.9 mm, 干涉条纹相位的非线性误差峰谷值为21.8 nm。
光栅 扫描干涉场曝光系统 高斯光束 光斑尺寸 光路设计
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所国家光栅制造与应用工程技术研究中心, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了提升扫描干涉场曝光光束对准精度，保证制作的光栅掩模槽形的质量，建立了曝光光束对准误差模型，利用模型对光束对准误差进行了分析。同时为了满足系统对光束重叠精度的要求，设计研制了光束自动对准系统，并对曝光光束进行了对准实验。分析结果表明，当光束存在较大对准误差时，光栅基底表面曝光对比度大幅下降，而且由于采用步进扫描的曝光方式，光刻胶表面出现了各处曝光不均匀的现象，影响光栅掩模槽形的质量。设计的对准系统可以对光束角度与位置进行对准调节，系统整体表现出良好的收敛性能，多步调节后可使光束位置对准精度优于10 μm，光束角度对准精度优于9 μrad。这样的曝光光束对准精度可以满足系统要求，达到了预期的设计目的。
光学设计 光栅 扫描干涉场曝光 光束对准 曝光对比度 位置解耦 角度解耦
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光栅技术研究中心, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了提高全息光栅曝光系统的曝光对比度，抑制外部环境变化引起的曝光干涉条纹漂移，提出了一种移栅型干涉条纹锁定方法。采用分束光栅实现光源激光的分光及干涉条纹的相位调整。通过叠栅条纹间接测量干涉条纹相位变化，给出了双光电探测器的最佳探测位置。结合分光及相位调整功能，给出了分束光栅参数的设计方法。针对光栅曝光特点设计了控制器。从理论上对比了分束光栅与压电反射镜的相位调整性能。实验结果表明，采样频率为500 Hz时，干涉条纹的低频漂移得到有效抑制，相位锁定精度达到0.13 rad (3σ)，即条纹漂移量低于±0.021个周期。该方法可以实时有效地锁定曝光干涉条纹，提高曝光对比度。且分束光栅偏转对条纹周期影响小，相位调整性能仅与分束光栅参数相关，便于光路设计。
全息 全息光栅 干涉条纹锁定 分束光栅 叠栅条纹
1 中国科学院大学大珩学院, 北京 100049
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所国家光栅制造与应用工程技术研究中心, 吉林 长春 130033
为了提高二维工作台的定位精度, 提出了一种在线检测二维工作台x轴测量镜面形的方法。无需y轴测量镜, 利用三路激光干涉仪检测工作台x轴测量镜的二次微分信息, 对所得数据进行二次积分得到工作台测量镜的精确面形。分析了零点误差对工作台测量镜面形误差检测的影响, 并提出了相应的校正方案。对所提出的方法进行了理论推导和实验验证, 结果表明, 所提方法的检测重复精度优于2.6521 nm, 验证了该方法对工作台测量镜面形误差检测的正确性, 并且可对工作台x轴测量镜的面形误差进行实时补偿。
测量 光检测技术 二维工作台 测量镜面形 光栅 激光干涉仪
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所国家光栅制造与应用工程技术研究中心, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学大珩学院, 北京 100049
光束自动对准技术是扫描干涉场曝光系统中的关键技术之一，两曝光光束位置与角度的重合程度直接影响所制作光栅掩模的槽型质量。针对光束对准过程中光束调整的两个运动维度之间存在相互耦合的情况，推导了存在耦合时对准算法的收敛条件，并分析了光路中反射镜与解耦平面之间存在的装调误差对对准性能的影响。分析得出，装调误差降低了光束对准系统性能，甚至导致对准算法发散，通过调节光路中反射镜M2和解耦平面的距离L2与反射镜M1和解耦平面的距离L1的比值L2/L1可以优化系统的收敛性能。实验结果表明，当L2/L1较大时对准系统调节性能较差，收敛速率较低；当L2/L1较小时光束对准系统可以快速地收敛到目标位置，有效地对光束进行对准调节。推导证明与模拟分析可为光束对准系统以及整个曝光光路的设计提供理论指导。
光栅 扫描干涉场曝光系统 光束对准 收敛性能 装调误差 中国激光
2016, 43(12): 1205001
