1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
4 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230601
多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）结合计算机断层重建算法可获取目标痕量气体的空间分布情况。 为研究在具有背景浓度的条件下, 如城市背景下某个竖直截面上重建NO2空间分布的可行性, 设计了气体浓度可控条件下的验证性实验; 证明了利用MAX-DOAS在竖直平面重建NO2气体分布的可行性。 将充入标准气体的JGS1石英玻璃样品池作为研究对象, 使用两台MAX-DOAS采集光谱数据。 将气体浓度的梯度作为先验信息, 利用经典的ABOCS算法和Barzilai-Borwein算法重建了竖直平面内的NO2气体分布, 验证了利用MAX-DOAS在竖直平面内重建NO2气体空间分布的可行性, 同时确定了背景浓度对重建结果的影响。 研究结果表明, 以天空为背景的光谱作为参考谱和以空样品池为背景作为参考谱, 反演得到的NO2浓度非常接近, 因此研究对象中的样品池容器在NO2竖直平面分布重建方法中对实验结果的影响可以忽略。 实验中以市区为背景的MAX-DOAS具有较高的背景浓度, 特别是在仰角较低的情况下NO2背景浓度几乎达到6×1016 molec·cm-2, 以城市郊区没有明显的污染源为背景的MAX-DOAS, 背景浓度较低可以忽略。 重建结果显示, 当仰角为28°时, 气体沿光路的平均分子数密度为3.932 7×1015 molec·cm-2, 且在样品池内下部密度大, 上部密度小; 重建得到的SCD和测量得到的SCD符合比较好, 计算结果显示重建得到的气体分子数密度的峰值为5.77×1015 molec·cm-2, 与以城市郊区为背景的MAX-DOAS反演结果较为接近, 而以市区为背景时, 特别是仰角较小时, NO2背景浓度特别明显, 重建结果比测量结果的值小很多。 结果表明, 背景浓度在重建图像中表现为伪影, 影响对气体分布的观察, 而如果在重建算法时加入利用样品池内外气体存在浓度突变这一先验信息, 能够减轻背景浓度对重建结果造成的影响。
差分吸收光谱 浓度重建 多轴差分吸收光谱 迭代算法 数据拟合 Differential optical absorption spectrometer Gas reconstructing MAX-DOAS Iterative algorithms Data fitting 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2413
1 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
为了提高空间天文望远镜精密稳像系统中大口径压电快摆镜机构(Fast Steering Mirror, FSM)的控制精度, 采用迟滞前馈补偿和最优PID控制算法相结合的复合控制策略。针对基于广义Play算子的Prandtl-Ishlinskii (PI)模型可逆性受约束条件限制以及求逆过程中模型参数估计误差累加的问题, 提出了一种基于广义Stop算子的PI逆模型进行压电执行器(Piezoelectric Actuator, PZT)迟滞补偿。针对逆迟滞模型的不确定性和直接前馈控制抗干扰能力差的问题, 在控制系统中加入最优PID闭环控制器。采用自适应差分进化算法(Adaptive Differential Evolution, ADE)对迟滞逆模型参数和PID控制器参数进行寻优并引入混沌搜索机制来提高ADE算法的性能。实验结果表明: 与传统PI模型解析求逆方法相比, 基于广义Stop算子的PI逆模型能够更好描述逆迟滞曲线, 拟合频率为1 Hz的迟滞曲线, 拟合精度提高78.04%;实时跟踪频率分别为1、10、20 Hz的大口径快摆机构目标摆动位移, 复合控制策略的跟踪精度相比于直接前馈控制分别提高了38.56%,22.92%和13.5%。
大口径压电快摆镜 迟滞补偿 广义Stop算子 自适应差分进化算法 混沌搜索 复合控制 large-aperture piezoelectric FSM hysteresis compensation generalized Stop operator adaptive differential evolution chaotic search mechanism compound control 红外与激光工程
2019, 48(2): 0218004
1 中国科学院 红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100039
3 中国科学院 上海技术物理研究所, 上海 200083
为提高空间天文望远镜稳像系统中压电快摆镜(Fast Steering Mirror, FSM)的动态性能, 对压电执行器(Piezoelectric Actuator, PZT)动态迟滞补偿和控制进行研究。鉴于基于广义Play算子Prandtl-Ishlinskii(PI) 模型的求逆复杂性和迟滞曲线的非对称性, 构造一种基于广义Stop算子PI逆模型来补偿压电执行器迟滞非线性。采用Hammerstein模型对压电执行器动态迟滞特性进行建模, 以广义PI模型和自回归遍历模型(Auto-regressive Exogenous Model, ARX)分别表征Hammerstein迟滞模型中的静态非线性和率相关性, 并针对迟滞率相关模型不确定性问题, 提出一种前馈补偿和线性二次型Gauss最优控制算法(Linear Quadratic Gaussian, LQG)相结合的复合控制策略。利用自适应差分进化算法(Adaptive Differential Evolution algorithm, ADE)辨识和整定模型及控制器参数。实验结果表明: 该动态迟滞模型能够有效描述1~100 Hz频率范围内压电执行器迟滞曲线, 拟合均方根误差为0.077 1 μm(@1 Hz)~0512 3 μm(@100 Hz), 相对误差为0.31%(@1 Hz)~2.09%(@100 Hz); 实时跟踪幅值为24.5 μm的变频目标位移, LQG控制算法的跟踪精度相比于直接前馈控制和PID控制分别提高48.6%和27.02%。
压电执行器 动态迟滞特性 Hammerstein模型 广义Stop算子 LQG最优控制 piezoelectric actuator dynamic hysteresis hammerstein model generalized stop operator LQG optimal control 光学 精密工程
2018, 26(11): 2744
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
噪声对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪信噪比具有重大影响, 其是衡量光谱仪成像质量和痕量气体反演能力的标准。 为量化并去除光谱仪系统噪声从而提高信噪比, 分析了光谱仪噪声来源并给出了相应噪声模型, 在此基础上建立了光谱仪信噪比模型。 研究了入射光强度、 积分时间和系统增益对系统信噪比的影响。 通过光谱仪辐射定标试验数据对不同工作模式和不同参数与信噪比的关系进行了对比验证。 并提出主要系统噪声的处理方法: 利用线性拟合取截距法确定系统偏置噪声; 在地面利用暗电流温度相关性获得温度修正因子实现载荷在轨暗电流校正; 在探测器响应线性范围内利用两点校正法对PRNU噪声进行修正。 结果表明: 全幅成像模式下, 可见1通道电子学偏置噪声响应DN值2 625, 可见2通道电子学偏置噪声响应DN值2 763; 暗电流噪声在CCD成像面温度高于0 ℃时占主要部分, 温度下降至-20 ℃时其余噪声起主导作用, 验证了CCD最佳制冷温度; 光谱仪信噪比随着入射光响应和积分时间的增加而增大, 系统增益不会影响信噪比; PRNU噪声通过校正得到明显改善, 由3.32%下降到0.47%, 提高了光谱仪成像质量。 该噪声分析和处理方法对后期光谱数据的痕量气体反演提供帮助。
暗电流噪声 成像光谱仪 信噪比 CCD CCD Dark current noise Imaging spectrometer PRNU PRNU SNR 光谱学与光谱分析
2018, 38(9): 2976
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 合肥 230031
为减小紫外成像光谱仪中CCD暗电流噪声, 提高系统信噪比, 需要对CCD进行制冷.为此采用模拟比例-积分-微分电路设计了CCD制冷电路, 利用Zregler-Nicholas经验整定方法确定比例-积分-微分参量,以实现降温速率不大于5℃/min、温度稳定度为±0.05℃, 满足最大制冷温差.将该制冷系统应用于机载成像光谱仪进行了测试, 结果表明: 环境温度变化不会影响制冷效果, 在达到制冷目标温度－20℃后, CCD探测器暗背景下光谱维噪声平均灰度响应值为1 072, 暗背景信号非均匀性下降到0.5%, 满足光谱数据反演要求.
成像光谱仪 温度控制 差分吸收光谱 模拟比例-积分-微分控制 半导体制冷器 Imaging Spectrometer Temperature control Differential optical absorption spectrometry Analog proportion integration differential control Thermoelectric cooler
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
随着航天遥感载荷的日益复杂,CCD成像电路中相关双采样芯片(CDS)和通用A/D芯片构成的 模数转换电路已不能满足要求。提出了基于集成相关双采样电路和A/D电路的单芯片(AD9814)CCD模 数转换电路方案,用于星载光谱仪设备。介绍了该方案的芯片选择、软硬件设计和实验电路构建,并 进行了相关实验,结果表明此光学系统的信噪比优于12 bit, AD9814的抗辐照指标为15 krad, 所提出方案可用于航天工程。
图像处理 相关双采样 成像光谱仪 航天器件 imaging processing correlated double-sampling imaging spectrometer space devices
南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室, 江苏 南京 210016
对自动显微镜的自动聚焦评价函数及聚焦控制策略进行了研究。首先, 介绍了频域聚焦函数提升小波变换及时域聚焦函数Sobel-Tenengrad算子, 通过将提升小波变换和Sobel-Tenengrad算子有机组合提出了一种新型聚焦评价函数。然后, 利用离焦、正焦样本图像对自组织算法进行无监督训练, 使用粒子群优化算法加速训练过程, 并以经过学习的自组织映射算法作为聚焦控制器。最后, 进行了显微视觉自动聚焦实验。实验结果表明：新型组合算子具有单峰性, 峰值处变化陡峭, 对不同样本、不同倍数物镜均可在正焦位置达到最大值, 鲁棒性强; 经过学习控制器后平均仅用7.6步即可完成自动聚焦, 与爬山法相比, 该聚焦算法不仅大大提高了聚焦速度且性能稳定, 对每幅输入图像处理、识别时间约为120 ms; 满足了显微视觉自动聚焦要求, 获得了良好聚焦效果。
显微视觉 自动聚焦 聚焦策略 离散小波变换 自组织映射 粒子群优化 micro vision auto focus focused controller Discrete Wavelet Transform(DWT) Self-organizing Map(SOM) Particle Swarm Optimization(PSO)
1 华中科技大学,光电子工程系,湖北,武汉,430074
2 福州康顺光通讯有限公司,福建,福州,350014
为解决专门制备DWDM薄膜滤光片的Leybold APS 1104DWDM镀膜机制备包含几十层膜层的非规整膜系存在一定困难的问题,分析了非规整膜系光控曲线中关键区产生的原因,认为这是触发点位置与非理想环境因素共同作用造成触发点漂移产生的结果.误差校正功能的实现与监控曲线的走值趋势密切相关,曲线必须存在理论触发点和至少一个拐点.实验结果表明,采用准规整膜系设计方法能有效避免关键区的危害,同时充分发挥误差校正的功能.利用该镀膜机在精度、灵敏度和算法等方面的优势,设计出了与其配套的膜系,成功?刂票噶烁髦指咝阅鼙∧ぢ斯馄?
多层膜 莱宝 非规整膜系 镀膜机
利用多层膜的干涉性质可以设计出各种指标的膜系,而电介质薄膜材料由于其独特的优势而被广泛地使用.详细介绍了光通信中主要使用的几种薄膜滤光片的结构特点、主要改进及发展水平和趋势.
电介质 薄膜滤光片 波分复用 增益平坦 分束 色散 激光与光电子学进展
2003, 40(12): 49
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江大学光及电磁波研究中心,杭州,310027
基于Giles模型并考虑了ASE噪音,对各种泵浦方式下的掺铒光纤放大器(EDFA)进行了数值模拟.提出了一种新的分析方法(增益-噪音指数全局分析法),直观有效地分析了EDFA的增益和噪音指数与掺铒光纤长度和泵浦功率的依赖关系,并对各种EDFA的性能作了全面的比较.
掺铒光纤放大器 增益 噪音指数
