河南工业大学信息科学与工程学院，河南 郑州 450001
相移轮廓术由于其高测量精度和高鲁棒性已广泛应用于各个领域。然而，由于需投射多幅条纹图到物体表面，因此要求物体在测量过程中保持静止。另一方面，当重建高反光运动物体时，不仅出现过曝光现象，过曝光位置还将随着物体运动而变化，对测量提出了挑战。基于此，提出一种测量高反光运动物体的算法。过曝光位置随着物体运动变化意味着并非所有条纹图都存在过曝光。首先，投射双频率条纹图到运动物体表面并拍摄。其次，识别所有条纹图中的过曝光区域，并记录物体上每一点的非过曝光条纹图。再次，基于非等间隔相移的非过曝光条纹图进行相位提取，获得双频率相位分布。最后，对双频率相位分布进行运动补偿，并基于双频率解包裹算法实现正确解包裹，完成高反光运动物体三维重构。实验结果表明，该算法能有效减小高反光运动物体引起的测量误差，具有较高的工业应用价值。
条纹分析 三维重构 相移轮廓术 高动态范围 过曝光 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0412005
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
二氧化氮(NO2)是大气中的主要污染物之一, 在对流层和平流层大气化学中发挥关键作用, 不仅参与对流层臭氧的催化形成, 而且还有助于气溶胶的生成并导致酸雨等气候灾害, 危害人体健康。 人为源排放(工业, 电厂、 交通等排放)的NO2占氮氧化物排放总量的大部分。 传统的监测手段例如卫星遥感技术对对流层底部没有足够的敏感度, 原位采样仪器则只能获得近地面的污染物浓度信息。 近年来广泛使用的多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)不仅对近地面观测敏感, 还拥有时间分辨率高, 探测下限低, 可以同时监测多种污染物等优点。 为了实时监测上海市NO2对流层柱浓度的变化特征, 在上海市徐汇区搭设了地基MAX-DOAS仪器, 进行了长期的持续观测。 分析2019年6月至9月的MAX-DOAS观测数据, 发现NO2VCDs(垂直柱浓度)受交通排放影响显著, 一般上午9:00左右达到峰值(1.56×1016 molec·cm-2), 随光照增强浓度降低明显, 午后达到最低值(1.21×1016 molec·cm-2), 傍晚交通排放增强16:00以后浓度再次抬升。 工作日早高峰期间的NO2VCDs明显高于周末(高出约11.8%), 而周末傍晚NO2VCDs较工作日傍晚大幅上升。 将MAX-DOAS观测结果与TORPOMI卫星观测数据对比发现, 两个数据具有良好的一致性, 相关性系数r为0.87。 采用HYSPLIT后向轨迹模型对观测期间500 m高空气团输运后向轨迹进行聚类分析, 发现上海市NO2污染受沿海区域污染气团输送影响较大。 研究表明, 地基MAX-DOAS系统作为一种实时、 快速、 连续的大气监测手段, 可以广泛应用于城市区域污染监测应用中。 上海市对流层NO2的观测研究为上海市大气污染防治提供了一定的数据支持。
对流层NO2 地基多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS) 柱浓度 对流层监测仪 Tropospheric NO2 Ground MAX-DOAS Column density TROPOMI 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2720
安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
甲醛(HCHO)对人体、 气候、 环境影响巨大, 也是大气光化学反应的重要中间产物。 重庆市作为我国西南工业重地, 是全国人口最多、 面积最大的直辖市。 其以燃煤为主的能源结构与环保设施的落后, 以及特殊的地形与气候特征, 导致空气污染极为严重。 因此研究重庆地区大气中的甲醛浓度变化规律, 具有重要意义。 于2018年12月, 在中国重庆市江北区凤凰座区域搭建了地面多轴差分吸收光谱监测系统(MAX-DOAS)。 结合光谱处理软件QDOAS利用非线性最小二乘拟合算法反演甲醛的差分斜柱浓度(DSCD), 并通过几何近似的方法得到大气质量因子(AMF), 然后将甲醛的斜柱浓度(SCD)转换为柱浓度(VCD)。 分析显示, 甲醛的日平均变化和周平均变化相似。 甲醛VCD的最小和最大平均浓度值分别为0.982×1016和9.221×1016 molecule·cm-2。 其平均日变化较为明显, 表现为早晚较高, 中午最低。 从甲醛VCD的平均周变化可以看出, 基本趋势与平均日变化基本一致。 周一整体偏低, 周二中午出现明显高值, 但无明显的周末效应, 也没有任何明显的周循环。 对比地基MAX-DOAS测量数据与 (臭氧监测仪器)卫星产品TROPOMI观测值, 二者的一致性较好, 且相关系数为0.84。 但是, TROPOMI观测值平均比MAX-DOAS 的甲醛VCD低21.5%。 研究表明, 地基MAX-DOAS可以对城市区域污染气体如甲醛的实时快速监测及变化规律的研究分析提供一种有效手段, 也可以对卫星数据来源进行有效校验。
多轴差分吸收光谱 甲醛 卫星校验 重庆 MAX-DOAS HCHO Satellite calibration Chongqing 
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
2 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
气溶胶通过吸收和散射效应与太阳辐射相互作用, 对地球辐射收支和气候造成扰乱, 对云凝结核形成和云的光学性质造成间接影响。 利用黑碳仪和积分浊度计于2019年11月5日至12月10日在合肥市分别开展了气溶胶吸收系数(σap)、 散射系数(σsp)的外场观测, 结合气象数据, 分析了气溶胶吸收系数(σap)、 散射系数(σsp)的日变化特征及风依赖性。 结果表明, 合肥市秋季PM2.5, σsp和σap均值分别为(43±25) μg·m-3, (238.70±161.52) Mm-1, (32.04±17.01) Mm-1。 研究期间σsp, σap的时间变化趋势与PM2.5较为一致。 PM2.5, σsp和σap均具有显著的双峰日变化特征, 分别在早8点至10点和晚20点至21点出现峰值, 主要与交通排放和气象条件有关。 合肥市气溶胶光学性质的风依赖性主要体现在PM2.5, σap与σsp的高值大多处在弱风(风速<3 m·s-1)的区域, 低温高湿小风的天气条件有利于污染物的积累和形成, 但较高的风速也易输送周边的污染物, σsp和σap部分高值主要受西北风向的污染气团影响。 同时, 基于HYSPLIT后向轨迹模型, 通过聚类分析不同输送途径的空间特征, 并利用潜在源贡献法(PSCF)和浓度权重轨迹法(CWT), 探讨了研究期内合肥σsp的潜在源区分布及其贡献特性。 结果发现污染气团主要来源于合肥的西北方向, 占比最高的气团1和3来自于内蒙古自治区和新疆维吾尔自治区, 而对散射系数贡献较大的气团2来自于陕西省宝鸡市, 气团6源于内蒙古, 途径山西省、 山东省、 江苏省, 从安徽省的东南方向到达合肥, 携带较多的污染物。 PSCF较大值(>0.5)主要分布在合肥的西北方向和西南方向。 合肥冬季CWT高值主要分布在河南省东北部、 山东省西南部、 安徽省北部地区。 尤其是山东济宁市、 河南商丘市的污染物远距离传输是影响合肥地区秋季空气质量的重要源区。
气溶胶 风依赖 散射系数 合肥 潜在源区 Aerosol Wind dependence Scattering coefficient Hefei Potential source region 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3014
北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100876
提出了一种基于底部反射增强的GaAs纳米线径向p-i-n结阵列的太阳能电池,利用有限差分时域法和有限元方法对其光谱吸收和光伏性能进行了研究。结果表明,将聚合物和衬底之间的SiO2替换为低折射率的MgF2介质层,不仅显著降低了衬底的吸收损耗,还显著提高了纳米线阵列在整个波长范围内对光的吸收率。此外,通过优化i区厚度和纳米线长度,可将太阳能电池的光电转换效率提升至13.9%。该研究为实现低成本、高性能的纳米太阳能电池提供了一条可行途径。
集成光学 纳米线 太阳能电池 底部反射 转换效率 光学学报
2021, 41(20): 2013001
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
由于二氧化氮(NO2)在大气的物理和化学机制进程中有着十分重要的作用, 并且对环境、 气候以及人体健康产生影响, 合理、 有效地监测和控制大气中NO2浓度已成为十分重要的课题。 地基多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)仪是利用太阳散射光的被动DOAS仪器, 相较于小范围测量的点式仪器、 利用光源和反射装置的主动DOAS仪器, 具有时间分辨率高、 高灵敏度、 测量范围广和不受搭建平台制约等优势特点。 2018年在北京中国气象科学研究院(116.32°E, 39.95°N)开展了基于地基MAX-DOAS的对流层NO2全年连续观测, 采集得到原始吸收光谱并运用光谱处理软件QDOAS进行反演得到NO2斜柱浓度(SCD), 选择较为简单的几何近似方法计算求出大气质量因子(AMF), 从而将NO2SCD转换为垂直柱浓度(VCD), 据此研究分析了北京地区NO2VCD月均值和季节均值变化、 季节的日平均变化以及一周内日平均变化的特征。 结果表明, 北京地区对流层NO2VCD随季节变化较为明显, 呈现冬季最高而夏季最低的趋势, 其中冬季季节均值达到2.94×1016 molec·cm-2, 为夏季的1.6倍, 不同季节的日均变化一般在下午表现出明显的差异, 最大相差为2.17×1016 molec·cm-2。 一周内每日的浓度变化有一定规律性, 周日平均浓度较其他时间降低17%左右, 出现了一定程度的周末效应。 通过将地基MAX-DOAS观测结果和地面国控站点官园监测站(116.339°E, 39.929°N)2018全年数据结果进行对比, 显示出两者变化趋势具有好的一致性, 相关系数r可达0.81。 研究表明, 地基MAX-DOAS不仅可以对区域污染气体如NO2的实时快速监测及变化规律的研究分析提供一种有效手段, 也可以对其他数据来源进行校验。
地基多轴差分吸收光谱 北京 二氧化氮 垂直柱浓度 MAX-DOAS Beijing NO2 Vertical column concentration 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2153
1 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系, 安徽 合肥 230026
3 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
4 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
自2013年国务院颁布《大气污染防治行动计划》等大气综合治理政策以来, 我国东部地区大气颗粒物等重要污染物得到了有效控制。 伴随着我国能源政策的变化, 西北地区在加大能源开发力度的同时, 大气污染亦呈现加剧趋势, 但在之前的研究中未得到重视。 卫星遥感的监测手段较地面观测具有不受地域限制, 观测时间长, 观测污染物种类多等优势。 其中, 星载紫外-可见高光谱仪OMI自2005年在轨运行, 在大气污染的时空变化趋势探测、 排放源估计以及模式的同化和验证等科学应用中得到广泛应用。 中国科学技术大学的卫星对流层NO2柱浓度产品, 通过对OMI原始测量光谱的二次标定和气体反演算法的关键优化, 在与地基观测的结果对比验证中呈现良好的相关性, 适合用于我国高气溶胶背景下的大气污染分析。 结合中国科学技术大学OMI NO2数据产品, 我国新疆地区大气NO2污染的时空分布特征得以表征。 在2007年—2017年期间, 新疆地区的NO2污染集中分布于北疆, 其中“乌鲁木齐—昌吉—石河子”城市群（乌昌石地区）与新疆总体NO2水平月变化相关性很强（相关性系数r=0.942, p-value<0.01）。 新疆NO2年际变化存在明显阶段性特征, 与相关政策以及能源行业排放变化相符: 2007年—2010年变化趋势不明显, 2014年较2010年总体年平均浓度增长18.5％, 其中乌昌石地区增长41.3％; 2017年较2014年总体平均浓度下降26.4%, 乌昌石地区下降42.8%。 乌昌石地区由于石油化工企业, 经济开发区等分布密集, 成为NO2污染的聚集区, 与乌鲁木齐市, 昌吉市NO2变化具有强相关性（r=0.982, p-value<0.01; r=0.951, p-value<0.01）。 受采暖时期排放以及特殊气象条件控制, 乌昌石地区NO2污染峰值为12月, 冬季污染尤其显著; 在2007年—2016年采暖期间（每年10月—次年4月初）, 乌昌石地区NO2水平有显著上升趋势（显著性水平α=0.01）, 在未来大气治理中需要格外关注。
卫星光谱遥感 新疆 NO2污染 乌昌石地区 Satellite spectrum remote sensing Xinjiang Uygur autonomous region NO2 pollution “Wuchangshi” area 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1631
安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
二氧化氮(NO2)在大气光化学中发挥着重要作用, 不仅参与了对流层臭氧(O3)的催化生成, 同时也能促进生成二次气溶胶。 NO2作为交通运输和工业过程中的重要排放产物, 通常也被视为一种评估人为污染源排放的指示物, 因此, 开展城市NO2分布与排放研究对于城市大气污染管控与治理具有重要意义。 2018年1月和2月期间, 基于车载多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)对衡水市区开展了4次走航观测实验, 获取了衡水市区环城路上对流层NO2垂直柱浓度(VCD)的空间分布, 其浓度范围为0.89×1015~56.33×1015 molecule·cm-2, 均值在22.42×1015~30.20×1015 molecule·cm-2。 观测结果表明衡水市NO2污染源主要分布在城外东南方向的工业聚集区, 以及市区环城路东部的立交桥路段; 而城市西部和北部则较为干净, 当风场来自该区域会对污染源区起到一定的清洁作用, 可使源区NO2浓度降低20%以上。 航测期间进行了站点对比观测, 综合两者的观测结果评估了衡水市东部污染区域的相对贡献, 其NO2含量比西部洁净区域高出了30.1%~61.9%、 贡献值高7.89×1015~13.32×1015 molecule·cm-2。 将NO2城市分布与WRF模式模拟的气象数据相结合, 可计算出目标区域的NO2本地排放通量为0.86×1024 molecule·s-1, 该结果相对较低, 一方面说明衡水市区相对于其他研究区域, 其NO2污染源并非在集中在市区内部; 另一方面是因为本次实验研究区域的面积仅有50 km2, 远小于其他研究的城市区域范围。 对于实验测得的衡水市区输出总通量, 其中96.16%来源于外部传输, 3.84%为本地排放造成, 进一步证明了衡水市NO2主要污染源位于城外。 通过实验期间衡水市区的后向轨迹气团与OMI卫星的NO2平均结果可看出, 衡水市除城市东部和东南部的本地污染源外, 也受到了北部的保定、 廊坊和西北部的石家庄等地的污染传输影响。 总体来看, 车载多轴差分吸收光谱技术对于城市NO2等污染气体的源区确认、 污染贡献评估和排放通量计算方面有较出色的应用前景。
车载多轴差分吸收光谱技术 空间分布 排放通量 Mobile MAX-DOAS NO2 Distribution Emission flux NO2
武汉大学物理科学与技术学院, 湖北 武汉 430072
采用拟谱法和劈裂算符法，数值模拟了脉冲激光场与氢原子系统相互作用液化过程。当输入激光场为正弦波形式时，氢原子电子的拉比振荡波形为正弦波; 当输入激光场为调幅场时，其拉比振荡波形为方波，但 存在较严重的布居泄露;当对氢原子外加限制势时，在保证拉比振荡为方波的前提下，可以通过降低激光场的强度来减少布居泄露， 达到完全布居传输的目的。
量子光学 布居囚禁 拟谱分裂算符法 布居传输 quantum optics population trapping splitting-operator spectral method population transfer
1 燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛066004
实现篦冷机内部冷却风的合理分配，需要实时获得水泥熟料的厚度信息。针对篦冷机内温度高，难以实时测量的问题，提出了基于网格候选点的立体视觉在线测量方法。用相交光轴的两台摄像机组成双目立体视觉系统获取料层图像，在世界坐标系内建立代表深度信息的网格候选点用于深度测量。利用小波多分辨率算法快速筛选候选点，满足传送中熟料在线测量的实时性需求。引入了可信系数的概念，对容易出现歧义的少数候选点根据直方图分布判断该窗口内图像是否包含丰富的纹理信息，选择较大或较小的匹配窗口用于二次匹配，减少了匹配歧义带来的测量误差。实验结果表明，测量系统的均方根误差为4.29 mm，能够满足实时厚度测量的精度要求。提出的方法测量精度高、计算速度快，能够稳定用于篦冷机内熟料厚度的在线测量。
机器视觉 三维测量 深度候选点 水泥熟料 machine vision 3D measurement depth candidate cement clinker
