红外与激光工程
2023, 52(1): 20220339
1 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室, 陕西 西安 710049
2 海南电网有限责任公司电力科学研究院, 海南 海口 570125
绝缘纸的老化状态决定了油浸式变压器的剩余寿命, 对绝缘纸的老化状态进行快速有效的评估具有重要意义。 聚合度是表征纤维素绝缘纸老化程度最直接可靠的参量, 在实验室中通过粘度法检测获得, 但该方法需要获得设备纸样, 不但检测耗时长, 还会对变压器类设备的绝缘造成破坏。 近红外光谱分析技术可以快速有效测定物质中的组分含量, 检测过程非侵入、 对绝缘无损, 目前已成功应用于多个领域, 有望成为替代传统聚合度检测的新方法。 然而, 现有的近红外光谱定量分析方法尚不能满足绝缘纸聚合度的预测精度需求, 建立了基于高斯过程回归(GPR)的绝缘纸老化状态定量评估方法。 构建了不同老化程度绝缘纸样本—近红外光谱数据库, 使用Savitzky-Golay卷积平滑算法对光谱数据进行平滑处理以提高信噪比; 研究了不同核函数GPR模型并开展了模型预测精度分析与参数敏感性检验。 结果显示, Exp核模型泛化性能较差, Matern32核、 Matern52核以及RQ核模型对参数敏感性较高、 模型稳定性较差, 最终选择了SE核GPR模型作为最优模型。 将SE核GPR模型与近红外分析领域常用的PLS, SVR与BPNN模型进行性能对比, 结果表明, GPR模型对校正集以及验证集样本的预测误差均最小(RMSE分别为65.5与70.6), 且预测结果与粘度法结果相关系数最高(r分别为0.94与0.93)。 与其他三种模型相比, GPR模型的RMSE比PLS, SVR与BPNN模型低54.1%, 58.8%和12.9%, 显示GPR模型在绝缘纸近红外光谱老化评估领域具有一定优势。
油纸绝缘 近红外光谱 老化状态 定量分析 高斯过程 Oil-paper insulation Near-infrared spectroscopy Aging condition Quantitative analysis Gaussian process 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3073
1 哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
随着我国航空航天、微电子和医疗等领域的快速发展，组成元件逐步迈向微型化和精细化，这对零部件的切割以及微米级孔、槽等结构的加工质量和加工精度提出了更高要求。与传统的机械加工、电火花加工和电化学加工相比，激光加工可实现“非接触”加工，加工材料的适应性好、柔性大。但单一的激光加工得到的切口存在明显的锥度，且易出现热影响区、毛刺、裂纹等缺陷。水导激光加工技术利用水射流“同轴”全反射导引激光，兼具高质量和高效加工的优势，因而得到了广泛研究和应用。为对水导激光加工技术进行较为详尽的综述，本文首先讨论了水射流的形成、衰减和发散过程，然后从水的光学特性、全反射形成条件以及耦合能束传输等方面对激光-水射流耦合进行了分析，最后介绍了水导激光在金属、半导体以及复合材料等领域的应用现状，并针对现有技术的不足，对其发展趋势进行了展望。
中国激光
2022, 49(10): 1002404
强激光与粒子束
2021, 33(6): 065001
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 教育部光电成像技术与系统重点实验室, 北京 100081
3 中国气象局国家卫星气象中心, 北京 100081
4 中国遥感卫星辐射测量和定标重点实验室, 北京 100081
太阳参考光谱是星上辐射定标和波长定标的基准。 太阳活动周期内, 太阳辐照度光谱幅值存在周期性波动, 紫外波段光谱幅值变化达10%以上, 相对于3%的星上绝对定标需求, 太阳的时变特性不可忽略。 针对不同分辨率和采样率的太阳参考光谱, 首先研究了插值间隔和卷积间隔对计算MgII参数的数值影响, 通过分析比较后选择合适的插值、 卷积间隔, 并基于Climate和SORCE的MgII参数时间序列完成太阳周期性变化建模。 然后选择2003年8月21日至2012年4月15日期间80组数据, 每组包含2个不同日期的不同波长的辐照度光谱幅值和MgII值, 针对该80组数据使用一阶拟合取代比值方法计算得到转换因子, 将不同日期的太阳参考光谱幅值修正到同一日期并与实际观测真值比较; 结果表明了一阶拟合与比值方法相比有着更高的反演精度及预测精度。 最后, 基于一阶拟合转换因子和MgII参数时间序列对现有光谱进行时间和格式归一化, 通过分波段筛除偏离较大光谱数据的方法构建了2008年6月25日, 分辨率为1 nm、 采样率为0.1 nm的太阳参考光谱。 原有的12条光谱经过筛除后, 留下全波段均位于中位的光谱6条, 所构建的光谱同筛选出的6条光谱平均值相比, 绝对误差在0.982%以内。 所构建的光谱可以通过MgII参数时间序列和转换因子计算得到任意日期下的光谱。 针对该参考光谱利用KNMI高光谱进行分辨率和采样率提升, 最终基于我国计划发射的风云三号紫外高光谱臭氧探测仪（OMS）在轨观测和星上定标需求, 构建得到了波长范围250～500 nm, 分辨率0.1 nm, 采样率0.01 nm的太阳参考光谱。
太阳参考光谱 紫外波段 太阳周期变化 MgII参数 星上定标 光谱定标 Solar reference spectrum Ultraviolet band Solar cycle variation MgII index On-board calibration Spectral calibration 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2332
1 北京理工大学 光电学院，北京 100081
2 中国气象局 国家卫星气象中心 中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，北京 100081
3 中国科学院安徽光学精密仪器研究所 通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
一般交叉定标方法是利用普通最小二乘法的回归方式对时间、空间、观测几何、光谱匹配得到的近一致观测数据点对来计算定标系数，该方法忽略了各数据点对的质量差异，降低了定标系数的有效性。针对此问题，本文提出了基于不确定度计算的定标改进方法，利用不确定度分析方法计算数据点对中各辐射基准值的不确定度并给出权重系数，采用加权最小二乘法回归定标系数。选取与在研的基准载荷参数最为接近的HYPERION作为辐射基准替代载荷，分别利用普通最小二乘法和加权最小二乘法对MODIS CH1~7进行了定标，采用MODIS官方定标系数作为真值对定标结果进行验证。结果表明，采用加权最小二乘法对MODIS的1、2、4、5、6、7通道回归的定标系数更接近真值，定标结果的最大相对误差与传统方法相比降低了3%~5%，平均相对误差降低了0.5%~1.5%，说明本文的加权最小二乘法可进一步提升交叉定标精度。
基准载荷 太阳反射波段 交叉定标 加权最小二乘法 不确定度 radiance standard solar reflective band cross-calibration weighted least square uncertainty
针对小型化反射式光学系统的设计要求, 采用新型的离轴三反光路形式和自由曲面, 实现了F#为1.8, 对角线视场角7.5°的紧凑型自由曲面离轴三反系统, 光线在系统内多次重叠, 系统波像差全视场平均值为0.017λ(λ=10 μm)。相比非球面离轴三反系统, 该系统具有体积小、透过率高、大视场、无中心遮拦、多波段成像等优点。
光学设计 自由曲面 波像差 离轴三反系统 optics design freeform surface wave abberation off-axial three-mirror
大孔径红外光学系统往往易受自重和环境温度影响造成像质恶化, 引入自适应光学技术的红外自适应系统能够很好地解决该问题, 为此设计了一个用于Hartmann-Shack波前检测的红外自适应光学系统。重点设计了10×可见光与中波红外双波段望远镜, 物镜为卡赛格林反射物镜组, 无需消色差, 在可见光与中波红外2个波段实现了消色差目镜设计; 还设计了红外成像中继光学系统, 可实现100%冷光阑效率, 并补偿望远镜在中波红外波段的残余像差, 使最终设计的光学系统MTF接近衍射极限, 达到了0.5以上, 满足设计指标要求。
双波段 可见光 中波红外 自适应光学 dual-waveband visual mid-infrared adaptive optics
给出了一种可用于红外热成像、激光测距(照射)及可见光电视的多波段共用离轴反射式望远光学系统, 可结合快速反射镜构成复合稳定光电系统, 具有结构紧凑、重量轻和无中心遮拦的特点, 其中的反射镜均为二次曲面或平面, 相对于常规离轴三反系统具有较好的加工和装调工艺性。
光学设计 反射式光学系统 多波段共光路 optical design reflective optical system multispectral optical system
