1 上海理工大学 机械工程学院，上海 200093
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163
通过调节反向偏置电压可以改善电场渗透对质谱仪的影响，提高质谱仪的分辨率。为了满足质谱仪对脉冲电场的不同要求，提出了一种可以同时输出两路极性相反脉冲电场的脉冲电源，且高压正脉冲叠加幅值可调的直流负偏置电压。该电源只需一个充电源便可以产生正负两路脉冲电场。分析了串联开关同步驱动效果，随后通过增加补偿绕组和并联电阻优化了串联电容的分压不均的问题，并验证一个磁芯加多个副边绕组的方案可进一步降低充电电压不均。最终实现了4个电容器的充电电压与平均电压相差不超过0.1%。搭建了一台4级的电源样机，实验表明，其可以在容性负载上产生一路幅值为0～1.5 kV、脉宽为2～10 µs可调的高压正脉冲且叠加幅值为0～−200 V的反向偏置电压，和一路幅值为0～−1.5 kV、脉宽为2～10 µs可调的高压负脉冲，频率高达10 kHz，正负脉冲的前沿均小于30 ns，脉冲波形平稳。该脉冲电源结构紧凑，并且输出电压、脉宽、频率均连续可调。
高压脉冲电源 脉冲发生器 脉冲电场 方波脉冲 谐振充电 high-voltage pulsed power supply pulse generator pulsedelectric field rectangular pulse resonant charging 强激光与粒子束
2024, 36(3): 035002
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室，上海 201800
3 中国科学院大学，北京 100049
铷87的双光子光谱具有高信噪比、无多普勒展宽、窄线宽等特点。构建了基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考，分析测试了影响其短期稳定度的因素。利用778 nm外腔半导体激光器激发双光子跃迁产生420 nm荧光信号，通过荧光信号锁定激光器频率。探讨了谱线线宽、信噪比、功率、温度相关的谱线展宽、光频移、系统结构稳定性和调制宽度等对频移和稳定度的影响。采用螺栓锁紧结构固定光学元件，大幅改善了光学对准引起的稳频误差，通过直接调制激光器电流实现了秒级稳定度为1.5×10-12、500 s稳定度为2.88×10-13的光学频率参考。与其他基于饱和吸收的光学频率参考相比，构建的基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考的稳定度提高了10~100倍。光学对准对于提高荧光探测信噪比和优化长期稳定度具有重要意义。验证了内调制实现双光子光学频率参考的可行性，并提出了进一步优化短期稳定度和长期稳定度可采用的技术方案。
激光器 双光子跃迁 激光稳频 光学对准 频率稳定度 中国激光
2023, 50(23): 2301013
1 上海理工大学上海 200093
2 中国科学院上海应用物理研究所上海 201800
3 中国科学院大学北京 100049
核能科学与技术和人们的生活联系紧密，但同时核辐射也可能危害人们的身体健康，因此需要加强对核辐射的监测。有线核辐射监测系统布线复杂、施工周期长、成本较高，且移动性差、故障排查较为困难。为了满足便捷测量γ辐射环境的需求，基于LoRa无线通信技术，设计了γ辐射监测系统。该系统的主要功能包括数据采集、数据处理及数据传输，采用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）闪烁体探测器进行数据采集，STM32单片机作为核心处理器对采集的数据进行处理、打包，由LoRa无线通信模块进行数据传输。针对可能存在的因复杂电磁环境、传输距离等因素导致监测系统断线及数据传输频繁时造成的区域内信道拥堵问题，设计了动态最优路径通讯算法，通过筛选中继节点，寻找最优重连路径以及实现数据发送的优先级分配。实际测试结果表明：闪烁体探测器测试辐射数据结果可靠，且基于LoRa的γ辐射监测系统数据传输稳定性达到99.57%以上。该系统具有组网灵活、传输距离远、成本低、拓展性强等优点，具有广泛的应用前景。
SiPM γ辐射 核辐射监测 LoRa无线通信 SiPM Gamma radiation Nuclear radiation monitoring LoRa wireless communication
1 运城学院 物理与电子工程系，山西 运城 044000
2 河北工程大学 数理科学与工程学院，河北 邯郸 056038
3 联想（北京）信息技术有限公司，北京 100095
4 南开大学现代光学研究所，天津 300350
5 河北工业大学 先进激光技术研究中心，天津 300401
提出了一种基于轨道角动量全息(Orbital Angular Momentum, OAM)和频移的大容量光学信息加密方法。该方法实现了对多个图像信息的并行加密。首先，对多幅原始图像进行采样，采样阵列的采样间隔取决于具有不同拓扑荷数的螺旋相位的空间频率。然后，多个采样图像信息经过随机相位调制、傅里叶变换和频移相位调制后相干叠加构成轨道角动量保留全息图。最后，将不同拓扑荷的螺旋相位分别编码到轨道角动量保留全息图中，得到轨道角动量选择全息图，进行相干叠加后构成最终的单个加密全息图。解密时，轨道角动量复合选择全息图被加载到空间光调制器上，用包含特定拓扑荷数的涡旋光束照射，并经过傅里叶变换获得多个解密信息。该加密系统具有极高的加密灵活性和极大的加密容量，不仅可以在同一拓扑荷下，设计不同的频移因子来并行加密一组多个图像信息，还可以利用不同拓扑荷对多组图像信息进行加密。该方法将涡旋光束的模式设定为一个新的光学密钥，极大地提高了光学加密系统的安全性。此外，该光学加密方法中，待加密图像信息的尺寸不受空间光调制器的像元数量限制，极大地提高了光学实现信息加密的可行性和有效性。仿真实验结果表明该方法具有较高的安全性、抗噪性和抗剪切能力。
光学信息加密 轨道角动量 全息 频移 optical information encryption OAM holography frequency shift 红外与激光工程
2023, 52(7): 20230313
1 郑州西亚斯学院电子信息工程学院, 郑州 451000
2 郑州大学信息工程学院, 郑州 450000
为了克服未知的执行器故障对四旋翼无人机编队飞行的影响, 提出了一种基于动态规划的最优协同容错控制律。首先, 建立了四旋翼无人机模型, 然后, 基于动态规划设计了最优协同控制律, 利用RBF神经网络逼近最优性能指标函数, 设计了自适应律来估计未知的执行器故障, 最终得到的最优协同容错控制律可实现对无人机编队飞行的高精度控制。通过对比仿真验证了设计的控制律具有更优的编队控制效果, 编队飞行的最大轨迹跟踪误差仅为0.04 m, 控制精度较高, 设计的自适应律具有更优的故障估计效果, 最大估计误差仅为0.05 N·m, 实现了对四旋翼无人机编队的安全稳定控制。
无人机编队 未知执行器故障 动态规划 RBF神经网络 自适应律 最优协同容错控制律 UAV formation unknown actuator failure dynamic programming RBF neural network adaptive law optimal cooperative fault-tolerant control law
1 河北工程大学数理科学与工程学院，河北 邯郸 056038
2 河北工业大学先进激光技术研究中心，天津 300401
3 南开大学现代光学研究所，天津 300350
提出一种基于全矢量光场调控和傅里叶变换频移的多图像非对称偏振光学加密新方法。首先，多幅待加密图像经过随机相位调制、傅里叶变换和频移相位调制后相干叠加构成一幅复振幅光学图像；然后将其干涉分解成两块纯相位掩模，并编码加载到基于4F系统的全矢量光场调控系统中；最后全光调控矢量光场经过偏振片后输出振幅型加密图像和密钥，它们被CCD接收，实现多幅图像的并行加密。解密时，在正确密钥条件下，根据调控光场的全矢量分布与加密图像的关系获取多幅解密图像。偏振片旋转的任意角度和干涉分解得到的纯相位图像作为密钥，极大地提高了光学图像加密系统的安全性。此外，多幅图像加密为单幅振幅型加密图像，便于保存和传输，加密系统的加密效率得到极大提高。仿真实验验证了所提多图像加密方案的有效性和可行性，实验结果表明所提方法具有很高的安全性、抗噪性、抗剪切能力和抗选择明文攻击性，具有一定的应用前景。
光学图像加密 光场调控 频移 干涉分解 多图像加密 激光与光电子学进展
2023, 60(10): 1010016
江苏大学食品与生物工程学院, 江苏 镇江 212013
人造植物肉在其原料运输、 制糜和包装等加工环节时有发生异物污染事件, 误食异物会严重损害人的身体健康。 常规食品异物检测方法容易检测出如金属、 石头等坚硬、 深色异物, 而软质、 浅色、 透明异物却是食品异物污染事件中的主要来源且是检测的难点。 根据异物和人造肉各自化学组成成分的差异, 提出了一种人造肉中低色度差异物的高光谱成像检测方法, 根据异物与人造肉光谱信息的差异, 建立模式识别模型, 来进行人造肉中低色度差异物的判别, 最后结合数字图像处理技术对异物进行空间分布可视化。 选取了聚碳酸酯(PC)、 涤纶树脂(PET)、 聚氯乙烯(PVC)、 硅胶、 玻璃五种食品生产加工过程中常见的低色度差异物为研究对象, 模拟人造肉压片的工业制作流程, 将异物混入人造肉肉糜中, 制备混有异物的人造肉样品, 分别采集异物和人造肉感兴趣区域(ROI)的反射高光谱数据, 采用SG, SNVT, MSC, VN, 1ST及2ND六种不同的光谱预处理方法对原始光谱数据进行预处理, 然后采用主成分分析法(PCA)对预处理后的光谱数据降维, 采用连续投影算法(SPA)提取人造肉的特征波长。 分别以全波段光谱、 特征波长和主成分变量作为模式识别模型输入变量, 对比LDA, KNN, BP-ANN, LS-SVM四种模式识别模型的准确率, 优选出最佳的定性识别模型, 设置优选模型异物类别输出变量为1、 人造肉类别为0, 生成二值图像, 再结合数字图像处理技术实现人造肉中异物分布可视化, 进而实现人造肉中低色度差异物的识别。 结果表明, 采用SG预处理后的光谱在降噪方面优于其他预处理方式。 SPA法优选了人造肉10个特征波长。 全波段主成分变量结合BP-ANN模型的检测效果最佳, 准确率达98.33%。 验证了高光谱技术应用于人造肉中低色度差异物检测的可行性。
人造肉 低色度差异物 高光谱成像技术 模式识别 分布可视化 Soy protein meat Low chromaticity difference foreign matter Hyperspectral imaging technology Pattern recognition Distribution visualization 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1299
1 清华大学机械工程系, 北京 100084
2 中冶建筑研究总院有限公司, 北京 100088
3 钢铁研究总院焊接所, 北京 100081
对高质量、高效率、高柔性和绿色环保连接技术的需求,以及不断涌现的各种新材料的连接需求,促进了激光焊接技术的研究和进步。得益于激光器及其配套设备的快速发展,以及对激光与材料相互作用机理认识的深入,激光焊接技术在过去30年实现了由实验室研究走向规模化工业应用的转变。激光能量能够在时空尺度上进行精确调控,高能量密度和小热输入为激光焊接精确控制接头熔化形状和抑制焊接热循环对母材的不良影响提供了可能。然而,高的激光能量密度导致金属蒸发形成匙孔,匙孔坍塌引起的气孔是激光焊接中的常见缺陷。此外,小的热输入导致了较快的冷却速度,影响了焊缝和热影响区的微观组织。熔深、气孔和微观组织的调控均与激光能量密切相关。本文依托钢铁材料、镁合金、钛合金和异种材料连接方面的典型案例,介绍了激光能量对焊接熔深、气孔及微观组织的影响及调控,指出了激光焊接技术的特点和优势,对利用激光焊接技术解决新材料和新结构的焊接难题提供了有益借鉴。
激光技术 激光焊接 熔深 气孔 微观组织 能量密度 热输入 中国激光
2021, 48(15): 1502005
江苏大学食品与生物工程学院, 江苏 镇江 212013
近红外光谱（NIR）具有快速、 无损、 操作方便的特点, 故广泛用于食品分析。 作为一种间接的分析技术, NIR需要建立光谱与待测浓度之间的统计模型来实现检测。 故模型的维护有助于保证NIR的预测准确性。 在外界条件发生变化的情况下, 诸如样品性状的改变、 仪器对理化指标函数关系的变化、 湿度和温度等环境因素的改变, 会导致相同样品的光谱信号发生偏移, 进而使得原有模型的预测精度下降。 此时, 如果重新建模, 虽然可以解决光谱偏移对建模的影响, 但是重新建模将耗费大量的人力物力。 对此, 模型转移可以在避免重新建模的情况下, 校正光谱的偏移, 进而提高模型预测精度。 通常模型转移算法多用全光谱进行模型转移, 这种方法计算量较大, 且不能找到合适的有化学意义的波段。 故提出一种基于模型转移中的变量选择方法: 向后迭代区间选择法（IIBS）, 通过计算主光谱（用于建模的那组光谱）和从光谱（发生偏移, 需要通过模型转移算法将其校正的光谱）中, 变量区间的重要性信息（回归系数（β）、 残差向量（Res）以及变量重要性投影（VIP））。 进而通过计算该区间变量重要性信息的几何平均数, 并以此作为该区间的区间重要性指标。 接着根据区间的重要性, 删除重要性信息较小的变量区间。 然后对主光谱和从光谱重复迭代上述过程: 计算变量的重要性信息, 计算区间的重要性信息, 删除重要性信息较小的区间。 最后, 比较不同的主光谱和从光谱区间组合的验证均方根误差（RMSEV）, 选择RMSEV最小的主光谱和从光谱区间作为最优区间。 玉米、 小麦两套NIR数据测试了该算法。 结果显示, 与全波段相比, β, Res以及VIP均可以从主光谱和从光谱中选择较少的, 有化学意义的区间, 提高模型转移的精度。 在比较不同变量重要性向量方面, 基于β的变量选择算法, 模型转移的计算误差较小。
近红外光谱 模型转移 变量选择 回归系数 残差向量 VIP值 Near infrared spectra Calibration transfer Variable selection Regression coefficient Residual error VIP 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1789
