1 西安理工大学 自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
2 西安理工大学陕西省智能协同网络军民共建重点实验室, 陕西 西安 710000
3 齐鲁工业大学海洋仪器仪表研究所, 山东 青岛 266001
作为一种新型的激光探测雷达, 布里渊激光雷达可以用于海水参数的监测。针对现有的布里渊激光雷达反演模型存在反演精度和参数范围较小的缺点, 将频移和线宽作为自变量, 采用最小二乘法对温度与盐度进行了拟合, 提出了新的温度与盐度的反演模型。该模型提高了海水温度和盐度的反演精度与范围, 并从灵敏度、误差、不确定度三个方面对反演模型进行了分析。结果表明, 利用布里渊频移和线宽可以实现海洋温度和盐度的同步监测。在温度反演模型中, 布里渊线宽对温度的影响要大于频移对温度的影响, 新的模型温度反演范围从15 ℃≤T≤30 ℃扩大为10 ℃≤T≤30 ℃, 最大误差为0.17 ℃, 平均误差为0.07 ℃, 平均相对误差为0.27%, 比现有模型的精度提高了63.16%; 在盐度反演模型中, 布里渊频移对盐度的影响要大于线宽对盐度的影响, 该模型的反演范围也从30‰≤S≤35‰扩大为15‰≤S≤35‰, 最大误差为0.20‰, 平均误差为0.09‰, 平均相对误差为0.29%, 比现有模型的精度提高了77.50%。研究结果对布里渊激光雷达探测海水温度和盐度具有指导意义。
布里渊频移 布里渊线宽 温度 盐度 拟合模型 Brillouin frequency shift Brillouin linewidth temperature salinity inversion model
1 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110004
2 微纳米精密光学传感与测量技术河北省重点实验室，河北 秦皇岛 066004
为了实现对海水温度与盐度变化的同时监测，提出了一种基于光子晶体光纤（PCF）的表面等离子体共振（SPR）传感器。该传感器探头通过在两段多模光纤之间熔接一段PCF实现，并在PCF表面镀金膜用以激发SPR现象。该方案将光纤SPR传感探头与温敏材料聚二甲基硅氧烷相结合形成双重SPR效应，实现了海水的温度与盐度同时检测。实验结果表明：该传感器的最大温度灵敏度为-2.021 nm/℃，最大盐度灵敏度为0.418 nm/‰。该传感器体积小、制作简单、性能优异，适用于海水的多参数、分布式测量，在液态物质测量中有较好的应用前景。
光纤 表面等离子体共振 盐度 温度 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106026
Author Affiliations
Abstract
The Brillouin scattering spectrum has been used to investigate the properties of a liquid medium. Here, we propose an improved method based on the double-edge technique to obtain the Brillouin spectrum of a liquid. We calculated the transmission ratios and deduced the Brillouin shift and linewidth to construct the Brillouin spectrum by extracting the Brillouin edge signal through filtered double-edge data. We built a detection system to test the performance of this method and measured the Brillouin spectrum for distilled water at different temperatures and compared it with the theoretical prediction. The observed difference between the experimental and theoretical values for Brillouin shift and linewidth is less than 4.3 MHz and 3.2 MHz, respectively. Moreover, based on the double-edge technique, the accuracy of the extracted temperatures and salinity is approximately 0.1 °C and 0.5%, respectively, indicating significant potential for application in water detection and oceanography.The Brillouin scattering spectrum has been used to investigate the properties of a liquid medium. Here, we propose an improved method based on the double-edge technique to obtain the Brillouin spectrum of a liquid. We calculated the transmission ratios and deduced the Brillouin shift and linewidth to construct the Brillouin spectrum by extracting the Brillouin edge signal through filtered double-edge data. We built a detection system to test the performance of this method and measured the Brillouin spectrum for distilled water at different temperatures and compared it with the theoretical prediction. The observed difference between the experimental and theoretical values for Brillouin shift and linewidth is less than 4.3 MHz and 3.2 MHz, respectively. Moreover, based on the double-edge technique, the accuracy of the extracted temperatures and salinity is approximately 0.1 °C and 0.5%, respectively, indicating significant potential for application in water detection and oceanography.
Brillouin scattering spectrum double-edge technique temperature salinity oceanography Opto-Electronic Advances
2023, 6(1): 220016
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 光子网络技术研究室，西安 710119
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安 710119
3 中国科学院大学，北京 100049
针对湍流对水下成像系统的影响，基于Yao折射率起伏功率谱，推导了平面波的波结构函数，完善了水下光学成像模型，其优势在于将难以测量的微观参量如动能耗散率和温度耗散率，用平均温度和平均盐度等宏观参量代替。数值仿真了不同平均温度与平均盐度条件下水下湍流通过改变波前，进而对成像系统调制传递函数产生影响。仿真结果表明，平均温度与平均盐度升高，均会造成系统成像质量下降，进一步研究发现平均盐度增加，不同空间频率的调制传递函数值均线性下降，且下降幅度基本一致；随着平均温度升高，调制传递函数值线性下降，且高频成分的调制传递函数值下降得更快。为验证成像模型的正确性，设计搭建了3 m长的水下光学成像实验平台，利用相机记录分辨率板透过湍流的成像情况，得到不同平均温度与平均盐度条件下的调制传递函数曲线。对比实验与仿真结果发现，在平均温度10 ℃~30 ℃与平均盐度0 ppt~30 ppt范围内，对比度随平均温度与平均盐度变化趋势相同。该研究对水下光学成像系统的设计优化及水下图像处理具有一定的参考价值。
水下湍流 折射率起伏功率谱 波结构函数 调制传递函数 温度 盐度 Underwater turbulence Power spectrum Wave structure function Modulation transfer function Temperature Salinity 光子学报
2022, 51(12): 1211004
1 南昌航空大学江西省光电信息科学与技术重点实验室，江西 南昌 330063
2 南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063
3 南昌航空大学无损检测与光电传感技术与应用国家工程实验室，江西 南昌 330063
为实现海水温度和盐度的同步测量，理论和实验研究了受激布里渊散射（SBS）频移和线宽相结合的数据反演方法。理论上根据经验公式，拟合了SBS频移、线宽随温度、盐度的变化关系。实验上测量了不同温度、盐度下海水的SBS频移和线宽，并利用理论反演模型反演分析了海水的温度和盐度。研究结果表明，利用频移和线宽相结合的方法可实现海水温度和盐度的同步反演，温度反演误差的最小值为0.04 ℃、最大值为0.41 ℃，盐度反演误差的最小值为0.09‰、最大值为0.65‰。
散射 受激布里渊散射 频移 线宽 温度 盐度 光学学报
2022, 42(24): 2429001
华侨大学 信息科学与工程学院 福建省光传输与变换重点实验室，福建 厦门 361021
研究光束在海洋湍流中的传输特性尤为重要。为了更贴近实际情况，人工搭建了能控制水下湍流强度和盐度的装置来研究涡旋光束和高斯光束在水下湍流中的传输特性。结果表明：相比于未添加海盐的水下湍流，光束在增添海盐的水下湍流中传输光斑会更加弥散，光强会更弱。无论是强湍流还是弱湍流，m=2的涡旋光束在盐度为4.35‰的水下湍流中的闪烁因子都大于其在盐度为2.42‰的水下湍流中所对应的闪烁因子。另外，m=2的涡旋光束传输到相同的距离时，其闪烁因子随着水下湍流的盐度和强度的增大而增大。不同盐度条件下，m=2的涡旋光束的径向闪烁因子随径向距离的增大呈先减小后增大的变化趋势。另外，搭建了传输距离更长的实验装置，在20米的传输距离内，拓扑电荷m=2的涡旋光束的闪烁因子远高于高斯光束所对应的闪烁因子，且m=2的涡旋光束和高斯光束的闪烁因子都随着传输距离的增大而增大。
涡旋光束 水下湍流 闪烁因子 盐度 传输 vortex beam underwater turbulence scintillation index salinity propagation
Author Affiliations
Abstract
1 Faculty of Engineering, Department of Power and Machines Ain Shams University, Cairo, Egypt
2 Faculty of Engineering Department of Electrical Engineering Aswan University, Aswan, Egypt
This paper presents the modification occurred to the dielectric strength feature of low density polyethylene compounded with nano magnesia (LDPE/MgO). MgO nanoparticles were prepared using sol–gel technique, MgO filler surface was functionalized to improve the interfacial bonding. Specimen’s groups of composites with different filler concentrations were fabricated by mix blend method. Samples exposed to various salinity media by immersion, dielectric strength test was applied on each set according .material. Tests results utilized to learn Artificial Neural Network in order to acquire the value of dielectric strength of compounds having similar composition but containing different doping amounts or influenced with various salinity level media. The dielectric strength is enhanced by the addition of MgO nanofiller. From the investigation of the obtained results, it is concluded that additives of 1.4% filler concentration by weight is the optimum MgO content for LDPE/MgO nanofiller material. We think that this paper may promote a good researching methodology that gather both empirical work and numerical tools in this field.
Polymer nanocomposites salinity surface treatment breakdown strength artificial neural network. Journal of Advanced Dielectrics
2021, 11(4): 2150016
山东师范大学地理与环境学院, 山东 济南 250014
滨海盐碱区土壤盐分的快速、 准确监测对土地合理利用和保护具有重要意义。 可见光近红外(Vis-NIR)光谱技术已广泛用于土壤属性的高效估测。 然而, 水分对含盐土壤光谱的干扰导致传统土壤盐分估测模型的精度降低。 旨在探究分段直接标准化(PDS)和正交信号校正(OSC)在含水条件下土壤盐分估测中的应用, 从而建立面向滨海盐碱区的“除水”Vis-NIR定量模型。 为此, 将获取的144份黄河三角洲滨海盐碱区表层(0~20 cm)土壤盐分数据划分为建模集(17个样本)和验证集(127个样本)。 通过严格加水控制实验, 测量10个含水率梯度(0%, 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40%和50%)的建模集土壤光谱数据, 验证集的土壤光谱则是根据生成的1~50随机整数, 通过随机加水实验测量获取。 采用PDS和OSC与偏最小二乘回归(PLSR)结合的建模策略, 构建土壤盐分估测模型, 并进行性能验证和比较。 结果表明, OSC比PDS更能有效减轻水分在土壤盐分估测中的建模干扰。 具体来说, 光谱校正前后生成的所有PLSR模型均取得一定的成功($R^{2}_{p}$=0.79~0.91, RMSEP=2.6~3.98 g·kg-1, RPD=1.98~2.37)。 OSC-PLSR模型的土壤盐分估测精度提高, $R^{2}_{p}$, RMSEP和RPD分别为0.91和2.6 g·kg-1和2.37。 而PDS-PLSR模型效果不理想, $R^{2}_{p}$, RMSEP和RPD分别为0.79, 3.98 g·kg-1和1.98。 模型整体表现出了OSC-PLSR>PLSR>PDS-PLSR的土壤盐分估测性能。 此外, 提出了变量投影重要性(VIP)和Spearman相关系数(r)结合的分析策略, 进一步探究了模型的估测机理。 模型的重要波长(VIP>1)与土壤盐分敏感波长(|r|>0.4)吻合, 对估测模型有重要意义。 比较而言, OSC-PLSR精确提炼了位于830, 1 940和2 050 nm附近的模型估测的关键波长, 而常规的PLSR和PDS-PLSR包含了大量的冗余信息。 综合来看, OSC-PLSR模型在Vis-NIR土壤盐分估测中具有较好的除水效果, 为土壤含水状态下的土壤盐分研究提供可靠方法。
Vis-NIR光谱 土壤盐分 水分校正 正交信号校正 滨海盐碱区 Vis-NIR spectroscopy Soil salinity Moisture correction Orthogonal signal correction Coastal saline region 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3077
