1 河北工业大学机械工程学院，天津 300130
2 哈德斯菲尔德大学精密技术中心，英国 西约克郡 HD1 3DH
提出了一种基于远心镜头与曲面屏的非连续镜面三维形貌测量新方法，在增加大曲率镜面成像范围的同时，提高了三维数据的测量精度。首先，在显示屏上显示标准正弦条纹图，相机分别记录经由平面参考镜和被测镜面反射的正弦条纹图像。然后，利用四步相移法和最佳三条纹选择法得到对应的相位分布值。接着，与平面参考镜比较，得到经由被测镜面物体表面调制后的相位变化。根据所建立的数学模型，推导相位与深度间对应关系，并对其系统参数进行标定。最后，对大曲率镜面和非连续镜面标准台阶进行了测量，验证了该方法的精度和有效性。
测量 远心镜头 曲面屏 相位测量偏折术 光学面形测量 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0724001
1 燕山大学信息科学与工程学院, 燕山大学海洋科学与工程研究院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 暨南大学, 暨南大学赤潮与海洋生物学研究中心, 广东 广州 510632
近年来, 我国沿海赤潮发生的次数和面积持续增加, 经济损失严重。 根据赤潮的毒性特点, 通常分为三类, 分别为无毒赤潮、 鱼毒性赤潮和有毒赤潮。 其中有毒赤潮产生的毒素主要是麻痹性贝毒, 其由于分布广, 毒性强成为危害最大的生物毒素之一。 根据麻痹性贝毒的摄入量不同, 人类误食染毒的贝类后, 身体各部位会出现刺痛或灼热的感觉, 然后全身麻痹, 严重者甚至在短时间内死亡。 近年来, 多地出现人类误食染毒的贝类后死亡的事件。 麻痹性贝毒的摄入量主要取决于产麻痹性贝毒藻的浓度, 因此, 对产麻痹性贝毒藻浓度的监测就显着尤为重要。 提出了用三维荧光光谱结合化学计量学方法建立产麻痹性贝毒藻定量分析模型。 首先, 利用F-4600荧光光度计采集微小亚历山大藻(Alexandrium minimum)、 链状裸甲藻(Gymnodinium catenatum)和太平洋亚历山大藻(Alexandrium pacificum)三种典型的产麻痹性贝毒藻类三维荧光光谱数据, 获取藻类样本的三维荧光光谱等高线图, 并进行图谱分析; 然后, 利用不同激发波长下的发射光谱数据建立产麻痹性贝毒藻三维荧光光谱的串行表示模型, 提取新的特征; 最后, 将新的特征数据分别作为粒子群优化最小二乘支持向量机算法(particle swarm optimization-least squares support vector machine, PSO-LSSVM)和偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)的输入, 建立产麻痹性贝毒藻的定量分析模型。 结果表明, 运用粒子群优化最小二乘支持向量机算法建立的产麻痹性贝毒藻的定量分析模型普遍优于偏最小二乘回归算法。 当激发波长选择460和530 nm, 发射波长选择650~750 nm作为PSO-LSSVM的输入数据, 建立的产麻痹性贝毒藻的定量分析模型效果最好, 结果显示Rc=0.999 9, RMSEC=0.017 1, Rp=0.949 2, RMSEP=0.291 0。 这体现出三维荧光光谱结合PSO-LSSVM定量分析模型可有效地监测活体产麻痹性贝毒藻的浓度数值, 为产麻痹性贝毒藻浓度检测提供了一种在线检测的新方法。
三维荧光光谱 产麻痹性贝毒藻 粒子群-最小二乘支持向量机算法 偏最小二乘法 Three dimensional fluorescence spectroscopy Paralytic shellfish poison producing algae Particle swarm optimization-least squares support vector machine Partial least squares regression 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3480
1 燕山大学信息科学与工程学院, 燕山大学海洋科学与工程研究院, 河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
总有机碳(TOC)是指溶解和悬浮在水中的有机物的总含碳量, 是以含碳量表示水体中有机物总量的综合指标。 TOC的测定通常采用的是国标燃烧法和湿化学法, 但这两种传统方法都具有测试方法复杂、测量时间长、速度慢等缺点, 对大气环境会产生一定污染且仅能在实验室内完成, 无法进行海水的原位在线测量。 而该研究采用紫外吸收光谱法测量TOC, 通过燕山大学自主研发的光谱技术与集成电路相结合研制的TOC光学原位传感器, 能够快速、不添加试剂、不产生二次污染的测量海水中总有机碳的浓度, 且可以不受实验室环境的制约实现海水TOC的在线原位测量。 将基于该方法研制的传感器进行实地下海实验, 测量不同海域（河北沧州黄骅港周边海域、秦皇岛市周边海域）的TOC值, 将传感器测量的结果与国标法测量结果的相关性、一致性、误差等方面进行对比。 结果表明: 在黄骅港海域采取的13个不同水样和秦皇岛周边海域采取的14个不同水样用国标法和TOC光学原位传感器测量的浓度值变化趋势基本一致, 有较好的相关性和一致性, 存在极个别水样产生偏离整体样本曲线的情况。 实验数据经过线性拟合结果显示相关性较好, 对两处不同海域的数据拟合曲线和常规残差分析, 显示黄骅港海域水样的拟合相关系数r为0.859 0, 残差平方和数值为0.165 4, 秦皇岛周边海域水样的拟合相关系数r为0.939 9, 残差平方和为3.513 1。 由于相关系数r=0.939 9＞r=0.859 0, 所以秦皇岛周边海域的水样线性拟合效果好于黄骅港实验。 常规残差0.165 4<3.513 1, 是因为秦皇岛周边一些样本如河流入海口是污染的重灾区, 生活污水和工业污水使水质存在更多干扰因素, 这些干扰因素对海洋TOC光学原位传感器的准确性和稳定性造成了一定的影响。 由于基于紫外吸收光谱法研制的TOC光学原位传感器与传统的国标法测量原理不同, 样本集比较少, 样本浓度覆盖面不大, 海洋环境复杂多变, 存在多种影响因素, 如浊度、 温度、 pH、 浮游生物等, 传感器无法彻底消除所有影响因素引起的误差, 所以测量结果与国标法结果存在一定的误差。 后续工作如何消除海洋环境复杂干扰因素的影响, 减小传感器测量值的误差, 使测量结果更加精确和真实, 需要进一步讨论和更加详细的分析和研究。
紫外吸收光谱 在线 光学原位传感器 拟合曲线 TOC TOC Ultraviolet absorption spectrum On-line Optical in-situ sensor Curve fitting 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2484
1 北方广微科技有限公司, 北京 100089
2 昆明物理研究所, 云南昆明 650223
研制出一种全画幅 QXGA(Quad Extend Graphic Array)非制冷氧化钒红外焦平面探测器。探测器阵列规模达到 2048×1536, 像元尺寸为 17 .m×17 .m, 有效光敏面积约为 35 mm×26 mm。读出电路面积达到 41.34 mm×39.37 mm, 采用 8英寸 0.18 .m 1P6M一版多曝的缝合拼接曝光工艺设计及加工, 电路奇偶行同时积分、读出, 有效提高像元积分时间。探测像元采用成熟的 17 .m氧化钒微桥结构, 超大面积 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)结构采用“多版一曝”、“一版多曝”的组合拼接曝光设计及加工技术。探测器采用高可靠性的标准金属真空封装。测试结果表明, 器件的噪声等效温差( NETD)小于 45 mK, 热响应时间小于 7 ms, 响应率非均匀性小于 8%, 器件帧频大于 60 Hz。
非制冷 红外焦平面 氧化钒 全画幅 读出电路 Uncooled, IRFPA, VOx, Full-Picture, ROIC
1 北方广微科技有限公司，北京 100089
2 昆明物理研究所，云南 昆明 650223
研制出一款640×512 高性能17 μm 非制冷氧化钒红外焦平面探测器。读出电路输入级采用镜像电路获得盲像元（Rd）和感光像元（Rs）电流差的积分电流（Iint），并能够有效抑制输入偏压噪声；同时采用逐行积分、逐列读出模式。氧化钒采用单层微桥工艺；像元桥臂间距缩至0.8 μm，以尽可能增大桥面及VOx 面积，有效提高像元响应率。器件采用高可靠性的金属真空封装。测试结果表明，器件的噪声等效温差（NETD）小于45 mK，响应率大于15 mV/K，热响应时间小于10 ms。
非制冷 红外焦平面 氧化钒 读出电路 uncooled IRFPA VOx ROIC NETD
1 辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001
2 辽宁工业大学 化学与环境工程学院，辽宁 锦州 121001
3 辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001
采用高温熔融淬火法成功的合成了Tm3+/Yb3+共掺杂的含有不同浓度Tm3+的氟氧化物碲酸盐玻璃.测量了样品的吸收光谱，结果表明Yb3+和Tm3+成功掺入到玻璃基质中.在 980 nm激发下，样品在801 nm（3H4→3H6）发射最强，在476 nm（1G4→3H6）和651 nm（1G4→3F4）发射较弱；分析了上转换发光强度与Tm3+浓度依赖关系，确定了上转换发光的最佳掺杂浓度为 0.1% Tm2O3；探讨Tm3+的上转换发光机理和Tm3+的浓度猝灭机理，结果表明在980 nm激发下Tm3+获得的能量主要来自于Yb3+→Tm3+的量传递，Tm3+的浓度猝灭机理为Tm3+-Tm3+之间的交叉弛豫导致的无辐射能量传递，根据能量匹配的原则，给出可能的交叉弛豫通道.此外，在980 nm 激发以 3F2,3 和 3H4作为热耦合能级研究分析了Tm3+在氟氧化物碲酸盐玻璃中的温度传感性能，结果表明灵敏度随温度的升高而升高，说明Tm3+掺杂的氟氧化物碲酸盐玻璃可以作为光纤传感材料，且在高温灵敏度更佳.
上转换 浓度猝灭 稀土掺杂 温度传感 光学材料 光谱 Upconversion properties Concentration quenching Doping Temperature sensing Optical material Optical spectrum Tm3+ Tm3+ Yb3+ Yb3+
1 北方广微科技有限公司, 北京 100089
2 北方夜视科技集团有限公司, 云南 昆明 650223
本文介绍了国外非制冷红外成像系统在**热瞄具(Thermal Weapon Sight, 简称 TWS)、手持热像仪、驾驶视觉增强(Driving Vision Enhancer, 简称 DVE)、轻型反坦克导弹、小型无人机等陆军装备中的应用现状; 分析了用于陆军装备的非制冷红外成像系统中探测器及成像机芯组件的技术特点; 提出了应用于陆军装备的非制冷红外成像系统的探测器及机芯组件的技术发展趋势。
非制冷焦平面 红外成像 陆军装备 uncooled FPA infrared imaging army equipment
1 北方广微科技有限公司, 北京 100089
2 昆明物理研究所, 云南 昆明 650223
3 63961部队, 北京 100012
随着非制冷探测器技术的迅猛发展,中大规模、高灵敏度的非制冷焦平面器件实现工程化应用。使用非制冷焦平面器件的红外成像导引头具有效费比高、结构紧凑、易维护等优点,已成为红外成像导引头的重要成员之一。介绍了国内外几款采用非制冷红外成像导引头的反坦克导弹、精确攻击导弹、精确炸弹、反舰导弹,以及所使用的非制冷焦平面器件的性能参数,总结了用于红外成像制导系统的非制冷焦平面器件的特点及发展趋势。
非制冷红外焦平面 导弹 红外成像制导 uncooled focal plane arrays detector missile infrared imaging guidance
研制出一种高性能弹用凝视型碲镉汞（ MCT）中波红外焦平面 CMOS读出电路（ ROIC）芯片。读出电路采用快照（ Snapshot）积分模式，具有积分后读出（ ITR）、积分同时读出（ IWR）、长/短帧组合（ COMBINED）积分和长 /短帧插入（ INTERLACED）积分 4种模式可选功能，有效解决高灵敏度和大动态范围的矛盾；其他特征包括抗晕、多级增益可选、串口功能控制，以及全芯片电注入测试功能。该读出电路采用 0.35.m DPTM标准 CMOS工艺，工作电压 5.0 V。测试结果体现了良好的性能：在 77 K条件下，全帧频可到 250 Hz（插入积分模式），功耗典型值为 20 mW。
弹用读出电路 组合积分 插入积分 快照模式 read out integrated circuit in missile combined integration interlaced integration snapshot
77 K低温参数是制冷型碲镉汞红外焦平面探测器读出电路设计与精确仿真的关键点之一。通过研究 MOSFET非固有电容的特性, 并基于 BSIM3通用模型对电容的描述, 在 77 K低温下进行测试提取, 得到了相关的模型参数。嵌入 SPICE软件仿真对比, 证明了参数的准确性。
77 K低温 非固有电容 参数提取 77K cryogenic MOSFET MOSFET extrinsic capacitance parameter extraction
