中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院, 北京 100083
沉积岩石的强度往往会受到水的影响, 含水量不同其影响程度也不相同。 因此, 沉积岩石的含水量测定对于后续评估其物理力学特性具有重要的价值。 在岩石含水量测定方面, 传统的方法往往费时、 费力, 而且破坏了工程结构的完整性。 近红外光谱分析技术是一种非常有潜力的方法, 具有实时、 无损等优点。 基于近红外光谱分析技术对砂岩的光谱特征以及含水量的反演进行了研究。 首先, 通过室内试验获取了砂岩试样不同饱和度的近红外光谱曲线; 然后, 对原始光谱曲线进行了异常曲线剔除以及一阶导数预处理, 消除噪声、 环境等因素的影响; 其次, 对R1(1 400 nm)和R2(1 900 nm)附近的两个吸收峰进行光谱特征变量提取以及归一化处理, 消除量纲和域值的影响; 接着, 基于最大信息系数对提取的光谱特征变量进行分析和筛选; 最后, 基于筛选后的光谱特征变量采用自行搭建的BP神经网分类器对砂岩的含水量进行了反演。 结果表明: (1)含水砂岩的近红外光谱吸收曲线在1 400和1 900 nm附近有着明显的吸收峰, 位于1 400 nm附近的吸收峰, 谱带比较宽缓, 位于1 900 nm附近的吸收峰, 谱带比较尖锐; 随着含水量的增加, 近红外光谱曲线在1 400和1 900 nm附近吸收峰的吸收强度也在增加, 具有明显的正相关性, 可作为砂岩含水量分析、 反演的主要谱段。 (2)根据计算的最大信息系数值, 1 400 nm附近的峰高与含水量的相关性最强, 同样1 900 nm附近的峰高与含水量的相关性最强; 1 400 nm附近的峰面积、 峰高和1 900 nm附近的峰高、 峰面积、 半高宽、 右肩宽, 共6个光谱特征变量, 其最大信息系数值>0.9, 可作为BP神经网络反演砂岩含水量的特征变量。 (3)利用最大信息系数筛选出1 400和1 900 nm附近两个吸收峰的特征变量进行BP神经网络建模, 所建立的砂岩含水量反演模型训练集准确率为90.3%, 测试集的准确率为83.9%, 说明基于近红外光谱分析技术砂石含水量的反演方法是可行的。
岩石 含水量 近红外光谱 光谱特征 人工神经网络 Rock Water content Near-infrared spectroscopy Spectral characteristics Artificial neural network 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3368
1 中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083
2 河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口，075000
3 深部岩土力学与地下工程重点实验室，北京 100083
主动红外热像检测技术中，红外图像的缺陷信息提取是其核心内容。传统的红外图像处理方法 在一定程度上可以消除噪声、提高图像的对比度，但是仍存在一些问题，如：需要手动选择特征信息 丰富的红外图像，红外图像增强和图像分割过程中会引入主观成分，仅仅分析单张红外图像可能存在 信息丢失等问题。针对上述问题，本文根据主动红外热成像的数据特征提出了一种基于时序信息的红 外图像缺陷信息提取方法。首先，通过室内实验制作含缺陷分层的混凝土试块；然后，利用主动红外 热像检测技术进行三维红外图像数据的采集，提取每个像素点的时序信息；最后，采用基于时序信息 的 K-means 方法进行缺陷特征提取。结果表明，基于时序信息的缺陷提取方法是可行的，其可以提取 到隐藏的分层缺陷信息，提取效果优于基于空域信息的 K-means 方法。
主动红外热像检测技术 混凝土 时序信息 图像分割 active infrared thermography technology, concrete,
1 中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 北京 100083
2 中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院, 北京 100083
对不同岩性的岩石构建近红外光谱含水量反演模型过程中, 其特征集是否会因岩性不同而变化, 是建模时必须面对的关键问题。 针对该问题, 首先利用深部软岩水理作用智能测试系统进行了岩石吸水室内实验, 分别采集了砾岩、 粉砂岩、 夯土不同时刻3种不同岩性的含水岩石的近红外光谱各为51条、 106条和149条; 然后, 采用一阶导数法对原始光谱进行预处理, 消除环境干扰等对光谱的影响; 接着, 采用几何特征法提取光谱特征, 进行归一化处理, 消除量纲和变化幅度不同带来的影响; 分析了初始特征变量之间以及初始特征变量与含水量之间的相关程度, 并通过抑制阈值大小, 剔除冗余特征, 得到了两个强相关谱段处的特征变量; 最后利用最大信息系数（MIC）值作为度量标准, 对比分析了不同岩性的含水岩石近红外光谱的特征选择结果, 以期评价岩性对含水岩石光谱特征的影响。 结果表明: （1）砾岩、 粉砂岩、 夯土三种含水岩石的近红外光谱在1 400和1 900 nm附近都有着明显的吸收峰, 且随着含水量的变化, 吸收强度越来越强, 与含水量大小有明显的相关性; （2）对比砾岩、 粉砂岩、 夯土近红外光谱特征变量与其含水量的最大相关系数MIC值, 表明夯土的近红外光谱与含水量之间的相关性最强; （3）不同岩性的近红外光谱各个特征值与含水量的相关程度不同, 具体表现为在1 400 nm附近峰高、 右肩宽与含水量都具有较高相关系数, 只是相关性大小会因岩性不同而不同, 1 900 nm附近的右肩宽和峰面积与含水量都具有较高相关系数, 且右肩宽的相关程度高于峰面积; （4）不同岩性的含水岩石介质近红外光谱的特征变量与含水量相关性具有相似规律: 峰高、 右肩宽、 峰面积是相关程度最高的三个特性。
岩石 光谱特征 含水量 最大信息系数 相关性 Rock Spectral characteristics Water content Maximal information coefficient Correlation
1 南京航空航天大学, a.自动化学院
2 南京航空航天大学, b.无人机研究院, 南京 210016
针对倾转旋翼机过渡过程中操纵面冗余、通道耦合严重的问题, 对飞行器在过渡模式下的舵面分配策略以及控制通道切换策略进行了研究, 并开展基于自抗扰控制的姿态控制器设计。根据飞行控制的特点, 将自抗扰控制器的结构进行优化, 减少了扩张状态观测器的阶数, 采用跟踪微分器的微分输出作为姿态角速率指令, 简化了姿态控制器的结构。通过对无人倾转旋翼机全包线的飞行控制仿真, 验证了控制系统的有效性、舵面分配策略和通道切换策略的合理性。
倾转旋翼机 过渡过程 自抗扰控制 舵面分配 通道切换 tiltrotor aircraft transitioning process active disturbance rejection control rudder distribution channel switching
华中科技大学 光学与电子信息学院, 武汉 430074
为了研究调谐过程中外腔半导体激光器的模稳定性, 采用多光束干涉理论推导Littrow结构外腔半导体激光器的腔增益, 并模拟其模结构。分析了光栅面和转臂不在同一平面的情形下, 在光栅转动调谐时, 通过匹配光栅的反馈波长变化率与外腔波长变化率, 推导出最佳的初始外腔长度, 并研究了动态模稳定(无跳模调谐)的范围; 采用严格的耦合理论和光线变换矩阵分析了准直(耦合)透镜的位置对系统后向耦合效率的影响。结果表明, 系统后向耦合效率最大可达99%, 极大地压窄了中心波长为780nm半导体激光器的线宽, 外腔半导体激光器的理论线宽为未加外腔时的0.96%, 动态模稳定范围可达6.8nm。
激光器 半导体激光器 模稳定性 外腔 多光束干涉 耦合效率 lasers semiconductor laser mode stability external cavity multiple-beam interference coupling efficiency
华中科技大学 光学与电子信息学院，武汉 430074
为了研究射频板条CO2激光器射频频率波动对输出光束的影响，采用等效电路分析和实验测量的方法研究了射频频率对激光器输入输出特性的影响。计算得到射频频率变化2MHz时引起的阻抗实部变化率为0.01%，说明射频频率漂移对放电部分等效电路参量影响很小。射频频率采用79.4MHz，80.0MHz，80.7MHz，81.4MHz，82.0MHz和82.7MHz，以设计频率81.4MHz对应的输出功率为基准,占空比设置为80%时，频率漂移 1MHz则激光功率下降约150W。激光功率随频率变化趋势与理论结果一致。结果表明，射频频率变化引起的阻抗匹配问题是导致输出功率波动的主要原因，可以通过改进匹配网络来克服射频频率的波动对激光器性能的影响。
激光技术 射频板条CO2激光器 阻抗匹配 频率波动 射频放电 laser technique RF-excited slab CO2 laser impedance matching frequency drift RF discharge
1 中国电子科技集团公司第 41研究所, 山东 青岛 266555
2 电子测试技术国家重点实验室, 山东 青岛 266555
在分布式光纤传感系统中, 由于生产厂家、材料、掺杂及生产工艺等的不同, 传感光纤的折射率、应变系数及温度系数等基本参量各有差异, 在投入使用前必须对其进行标定。提出了基于拉伸装置标定光纤应变系数的方法并系统地进行了误差分析。采用 G.652单模光纤, 针对不同初始长度进行了多次标定实验, 标定的应变系数在 0.050 2～0.051 2 (MHz/με)之间, 重复性好。通过 BOTDR验证, 实测应变值与理论计算结果吻合的得较好。实验结果表明: 该标定方法切实可行、易于实现, 既可用于对光纤传感系统的标定, 也能用于 BOTDR在生产过程中的应变校准。
分布式光纤传感 应变系数标定 光纤拉伸装置 布里渊光时域反射计 (BOTDR) distributed optical fiber sensing strain coefficient calibration stretching device Brillouin optical time domain reflectometer (BOTDR
采用变分法讨论了放大器自发辐射(ASE)噪声对色散管理光孤子脉冲参数的影响。讨论了ASE噪声对脉冲相位、 脉冲中心时间和中心频率的影响,并且对比讨论了采用密集色散管理系统和降低平均色散值后, ASE噪声对脉冲的影响, 结果表明：密集色散管理孤子系统和平均色散接近于零的色散管理系统更有利于降低放大器噪声对脉冲的扰动。
非线性光学 色散管理孤子 放大器自发辐射噪声 数值模拟 nonlinear optics dispersion-managed soliton amplifier spontaneous emission noise numerical simulation
为了探究色散管理孤子系统抗微小扰动的能力，从色散管理孤子的调制不稳定性出发，利用孤子传输满足的非线性薛定谔方程，采用线性稳定性分析和数值模拟，得到色散管理系统中调制不稳定性的增益谱；得出色散管理孤子各阶调制不稳定性的增益曲线，并分析了基阶调制不稳定性起主导作用的条件，讨论了色散图中路径平均色散值。结果表明，色散深度对基阶调制不稳定性增益谱有影响，在平均色散为负值的情况下，平均色散值βav(βav＜0)越大，色散波动幅度越小，基阶调制不稳定性的增益越小，更有利于抑制调制不稳定性增益；但将平均色散值降至更小时，调制不稳定性增益谱不再连续。
非线性光学 色散管理孤子 调制不稳定性 数值模拟 nonlinear optics dispersion-managed soliton modulation instability numerical simulation
为了讨论光孤子在色散管理系统中传输的特性,分别模拟了孤子在平均 色散为负(反常色散)、正(正常色散)的 不同色散深度色散管理系统中演化的情况,结果表明,随着周期色散图色散深度的增大,稳定传输的脉冲峰 值功率增大,且脉冲周期性振幅的波动幅度增大,并且发现了亮孤子可以在平均色散为正的光纤系统中传输, 但传输质量较差,传输距离有限。
非线性光学 色散管理孤子 色散图 平均色散 数值模拟 nonlinear optics dispersion-managed soliton dispersion map averaged dispersion numerical simulation
