南京理工大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210094
本文利用宏观传热传质与微观组织演变耦合模型，对激光焊接IN718合金的宏观传热传质、微观组织演变过程进行了定量模拟。通过流体体积（VOF）方法对宏观传热过程的熔池形貌与温度场分布进行模拟计算，用温度场分布替代相场控制方程中的相关凝固参数，并将其代入到相场模型中进行微观组织演变过程模拟。结果表明：宏观温度场中1~4位置处模拟所得微观组织均呈柱状晶结构；沿着熔池自上而下，凝固速度R由6.7 mm/s到3.1 mm/s逐渐减小，温度梯度G由410 K/mm到673 K/mm逐渐增大，对应的冷却速率G·R由2747 K/s到2086.3 K/s不断下降；1~4位置处的枝晶间距随着冷却速率下降由4.52 μm增大到7.12 μm，与实验结果一致；在柱状晶间隙的液相位置处，Nb元素含量显著升高，且越靠近柱状晶底部Nb元素含量越高，其质量分数最高达到了7.377%；模拟得到的Laves相中Nb元素的分布呈液滴状，与实验所得Laves相的分布近似一致。
激光技术 激光焊接 镍基合金 数值模拟 相场模型 凝固组织 中国激光
2024, 51(12): 1202102
1 青岛农业大学茶叶研究所, 山东 青岛 266109
2 山东省农业科学院茶叶研究所, 山东 济南 250100
3 日照市农业科学研究院茶叶研究所, 山东 日照 276800
4 青岛农业大学茶叶研究所, 山东 青岛 266109 山东省农业科学院茶叶研究所, 山东 济南 250100
低温冻害是茶园中最常见的自然灾害之一。 茶树叶片低温胁迫的定量监测对于评估茶园冻害程度和及时采取措施具有重要意义。 茶树低温胁迫的传统检测方法, 主要是通过人工观察和理化指标的测定, 存在精度低、 效率低和主观性强等问题, 严重影响了灾害后期的茶树管理。 该研究提出了一种基于高光谱成像的茶树冻害程度定量判断方法。 首先, 利用高光谱成像设备采集自然环境中茶树叶片在无冻害发生、 冻害初期和冻害后期三个阶段的光谱数据, 提取叶片的平均反射率; 测定相应叶片中的相对电导率（REC）、 叶绿素（SPAD）和丙二醛（MDA）等生理生化指标。 其次, 利用多元散射校正（MSC）、 一阶导数（1-D）和平滑滤波（S-G）算法对采集的原始高光谱数据进行预处理, 并利用无信息变量消除（UVE）和竞争性自适应重加权（SPA）算法筛选预处理后高光谱数据的特征波段。 最后, 利用卷积神经网络（CNN）、 支持向量机（SVM）和偏最小二乘法（PLS）建立REC、 SPAD和MDA含量的定量预测模型。 结果表明: （1）经MSC+1-D+S-G算法预处理的光谱曲线比原始光谱曲线的波峰和波谷更加突出, 提高了光谱的分辨率和灵敏度, 有利于提高后期回归模型的精度; （2）UVE算法筛选的特征波段数量最多, 后期建模效果更优; SPA算法筛选的特征波段数量最少, 更适合用传统的机器学习方法建立回归模型; （3）SPAD、 REC和MDA的最佳预测模型分别为SPAD-UVE-CNN（R2P=0.730, RMSEP=3.923）、 REC-UVE-SVM（R2P=0.802, RMSEP=0.037）和MDA-UVE-CNN（R2P=0.812, RMSEP=0.008）。 利用高光谱成像技术与多种算法相结合, 可以实现对茶树叶片低温胁迫程度的无损、 准确和定量监测, 对快速预测茶园冻害发生和采取必要措施具有重要意义。
茶树 冻害 高光谱成像 深度学习 Tea plant Freezing injury Hyperspectral imaging Deep learning 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2266
浙江师范大学 精密机械与智能结构研究所，浙江金华321004
针对现有风致振压电俘能器工作风速范围窄、高风速下振幅过大等问题，提出一种可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器，主要由可变形式翼型钝体、悬臂梁以及压电组合梁构成，钝体的弹性翼受风力影响产生形变，从而实现系统振动特性的自我调节，以期提高俘能器的环境适应性。建立了俘能器的COMSOL有限元模型，通过仿真与试验分析了风速对其钝体形状及振动特性的影响，并获得了迎风角和弹性翼厚对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：选取迎风角120°和弹性翼厚0.15 mm时俘能器的工作风速范围达到21 m/s，且当风速小于8 m/s时，弹性翼变形较小，系统以驰振为主，输出电压随风速增加而增大；当风速在8~17 m/s时，弹性翼形变量进一步增大，系统由驰振逐渐向涡振转变，输出电压变化较小；当风速在17~25 m/s时，钝体因弹性翼变形过大呈弯弧状，系统以涡振为主，其振幅被有效控制，输出电压随风速增加而减小；存在匹配电阻为250 kΩ时俘能器所产生的最大输出功率为3.78 mW。因此，该风致振压电俘能器在满足结构可靠、起振风速低及风速范围宽条件下同时可输出较大的电能。
压电俘能器 风致振动 可变形钝体 驰振 涡激振动 piezoelectric energy harvester wind-induced vibration deformable blunt body galloping vortex-induced vibration 光学 精密工程
2023, 31(24): 3570
空军工程大学信息与导航学院通信系统教研室，陕西 西安 710077
雷达通信一体化是指在实现二者硬件共用的基础上，进一步进行波形融合，即用一个信号同时执行雷达和通信功能的技术，以优化系统性能，节约频谱资源。阐述了一体化的技术内涵及发展阶段，分析了线性调频（LFM）信号在一体化系统中的应用潜力，总结了LFM一体化波形设计、高频宽带LFM信号以及LFM一体化波形光学产生和处理的研究进展。分析认为，微波光子将在雷达通信一体化系统中发挥重要作用，未来的雷达通信一体化系统不仅是光学和电学技术相融合的系统，也是模拟和数字技术相结合的系统。
光通信 射频光子 雷达通信一体化 波形融合 线性调频 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0500003
Author Affiliations
Abstract
1 College of Information and Navigation, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China
2 Chongqing Optoelectronics Research Institute, Chongqing 400060, China
A compact and cost-effective photonic approach for generating switchable multi-format linearly chirped signals is proposed and experimentally demonstrated. The core component is a dual-drive Mach–Zehnder modulator driven by a coding sequence and a linearly chirped waveform. By properly setting the amplitudes of the coding sequence, a linearly chirped signal with different formats, including the frequency shift keying (FSK), phase shift keying (PSK), dual-band PSK, and FSK/PSK modulation formats, can be generated. Experiments are conducted to verify the feasibility of the proposed scheme. Linearly chirped signals with the above four formats are successfully generated. The scheme features multiple formats and high tunability based on a compact structure, which has potential applications in modern multifunctional systems.
microwave photonics linearly chirped signal switchable format Chinese Optics Letters
2022, 20(6): 063901
空军工程大学信息与导航学院通信系统教研室，陕西 西安 710077
提出一种基于啁啾极性调制的线性调频(LFM)信号光学产生和应用方案。利用两台并联的马赫-曾德尔调制器和一台相位调制器产生跳频载波，将单啁啾LFM信号调制到该载波上，经过光电转换后，可以产生啁啾极性可调的LFM信号，且实现了载频和带宽的四倍频。仿真验证了所提方案产生倍频LFM信号、测量多普勒频移以及在无线通信上应用的可行性。输入频率为4～6 GHz和5～6.5 GHz的LFM信号时可分别产生16～24 GHz与20～26 GHz的三角波调频信号，时宽带宽积扩展为8倍；对速度为800 m/s的运动目标进行速度测量，并利用模糊函数分析该信号对距离多普勒耦合问题的改善效果；在通信功能的仿真验证中，接收端匹配滤波成功恢复出码率为0.1 Gbit/s的10位二进制序列。所提方案结合了啁啾极性调制和微波光子倍频技术，可产生三角波调频信号，从而实现雷达的速度、距离联合测量，提升雷达探测分辨率，并且利用啁啾极性调制实现通雷一体化应用。
光通信 线性调频信号 啁啾调制 时宽带宽积 三角波调频信号 通雷一体化
上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室, 上海 200240
基于背向瑞利散射和啁啾探测脉冲的分布式光纤传感器,能够利用单个探测脉冲获取待测光纤的瑞利散射频谱,突破测量精度与空间分辨率之间的矛盾,实现动态应变信号的测量。瑞利散射频移的检测是应变传感的关键,为此,提出了一种基于频率轴方向的瑞利频移检测方案,与之前距离轴方向的瑞利频移检测方案相比,该方案利用了更多的瑞利频谱特征信息,进一步提高了应变信号测量的信噪比。在验证实验中,该方案成功还原出在10 km待测光纤末端上施加的幅度为100 nε的正弦振动波形,系统的空间分辨率为1 m,应变分辨率为157 pε/ ,在不需任何平均处理下,信噪比达到32.5 dB。
光纤光学 分布式光纤传感 瑞利散射 中国激光
2021, 48(11): 1110002
1 空军工程大学信息与导航学院, 陕西 西安 710077
2 数字工程与先进计算国家重点实验室, 江苏 无锡 214123
3 中国空间技术研究院西安分院, 陕西 西安 710077
提出一种可实现相位调谐的微波光子上、下变频信号生成方案,其主要器件为偏振复用-双驱动马赫-曾德尔调制器(PDM-DMZM)。在所提方案中通过调节调制器直流偏置点实现上、下变频信号的切换,通过调节偏振控制器实现相位连续调谐,该方案可扩展为多通道独立相位调谐系统。仿真结果表明,频率为10GHz的射频信号可以分别转换为下变频信号(1GHz)和上变频信号(19GHz),其相位可在0°~360°范围内连续调谐,且不同相位下生成信号的功率最大波动在0.3dB以内,杂散信号抑制比可保持在20dB以上,系统的最大输入频率可调范围为0.5~65.0GHz,生成的移相信号频率可覆盖几GHz到130GHz。
光通信 微波光子 上、 下变频 全范围移相 多通道独立相位调谐系统 中国激光
2020, 47(12): 1205004
1 空军工程大学信息与导航学院, 陕西 西安 710077
2 中国空间技术研究院西安分院, 陕西 西安 710077
提出了基于偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器(PDM-DPMZM)的基频/倍频三角波和方波产生方案。DPMZM1加载驱动射频信号,DPMZM2不加载驱动射频信号仅进行光载波相移时,检偏拍频后可产生载波基频的三角波和方波信号;当DPMZM1和DPMZM2同时加载驱动射频信号,且相位差控制为90°时,两路偏振光独立拍频后,可以产生载波二倍频的三角波和方波信号。通过改变射频信号的相位差和连接方式,仿真中分别产生了重复频率为10 GHz和20 GHz的三角波方波信号,通过射频信号幅度偏移和直流偏置漂移验证了方案的稳定性。所提方案采用了单调制器,且无需光电滤波处理,具有产生信号格式可重构、信号参数可调谐的优势,可满足未来高频电子系统的应用需求。
光通信 微波光子 三角波 方波 偏振复用调制器 激光与光电子学进展
2020, 57(17): 170603
空军工程大学信息与导航学院, 陕西 西安 710071
提出了一种基于扫频激光器的超宽带线性调频(LFM)信号产生和传输的方法。该方法使用扫频激光器产生频率随时间周期性变化的光信号,注入马赫-曾德尔调制器后产生载波抑制双边带光信号,利用嵌有光纤光栅(FBG)的Sagnac环完成双边带光信号的分离。Sagnac环的透射光信号经延时后与反射光信号拍频,从而产生了超宽带LFM信号。仿真分别产生了载频30 GHz、带宽16 GHz、时宽带宽积8000的超宽带连续波LFM信号和超宽带脉冲波LFM信号。所提方案解决了天线拉远场景中超宽带LFM信号经光纤传输时的功率周期性衰落问题。在多目标探测分析中,方案产生的信号表现出高精度临近目标分辨能力。所提方案具有载频、时宽、啁啾率和啁啾符号独立调谐的优点,可实现高载频、超宽带LFM信号的产生和功率周期性衰减抑制传输。
光通信 扫频激光器 超宽带雷达 微波光子 线性调频信号 大时宽带宽积 可调谐
