1 河南理工大学测绘与国土信息工程学院，焦作 454000
2 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
3 江苏省环境监测中心，南京 210019
利用卫星遥感反演水体中的悬浮物浓度对水质监测和保护具有重要意义，在悬浮物浓度反演过程中，如何避免或最大程度降低水体中叶绿素a、有色可溶性有机物（Colored Dissolved Organic Matter，CDOM）的干扰是当前的技术难点。文章针对可持续发展科学卫星1号（SDGSAT-1）MII传感器，利用Hydrolight辐射传输模型，从理论上挖掘只与悬浮物强相关的反演因子，以此构建适用于MII影像的太湖悬浮物浓度反演模型，通过水体的实测数据和遥感数据对模型应用效果进行验证。结果表明：反演因子$ R'{\text{(}}{B_{\text{5}}}{\text{/}}{B_{\text{3}}}{\text{)}} $与悬浮物浓度为强相关，同时与叶绿素a、CDOM浓度弱相关；利用$ R'{\text{(}}{B_{\text{5}}}{\text{/}}{B_{\text{3}}}{\text{)}} $作为反演因子构建的幂函数模型为最优反演模型；将幂函数模型分别应用于实测数据和2022年5月4日的太湖SDGSAT-1 MII数据，两次验证试验显示反演结果和现场测量结果具有较强一致性，模型适用性较好。该研究可为SDGSAT-1卫星在湖泊水体悬浮物浓度监测、水资源评估与保护等提供一些技术参考。
悬浮物浓度反演 可持续发展科学卫星1号 相关性 水体辐射传输模拟 遥感应用 suspended matter concentration retrieval SDGSAT-1 correlation water body radiative transfer simulation remote sensing applications
1 杭州医学院医学影像学院，浙江 杭州 310053
2 云南大学物理与天文学院云南省高校光电子器件工程重点实验室，云南 昆明 650500
3 中国科学院上海硅酸盐研究所人工晶体研究中心，上海 201899
采用高功率半导体激光端面泵浦技术，在均一浓度Nd∶YAG中心轴沿泵浦光通光方向可产生温度梯度，引起热透镜效应，降低激光输出功率与光束质量。本文结合静态热场数值仿真，建立Nd∶YAG在方形平顶光泵浦条件下的热源方程，研究渐变浓度Nd∶YAG在高功率激光泵浦下的温度分布。当初始泵浦功率为1000 W、泵浦脉宽时间为46 μs、重复频率为1 kHz时，均一浓度Nd∶YAG的吸收系数为5.8 cm-1，其中心轴沿通光方向的温度由185 ℃逐次下降到2、4、6、8 mm处的106、51、29、26 ℃；相应地，每经过2 mm，温度下降率分别为39.5、27.5、11.0、1.5 ℃/mm。与此相对应，本文构建出一款渐变浓度Nd∶YAG整体式结构，每段厚度均为1 mm，总长度为4 mm。将4段Nd∶YAG的吸收系数依次调控为1.5、2.1、3.3、9.7 cm-1，则沿泵浦光通光方向的中心轴温度基本维持在86.5 ℃，在渐变浓度Nd∶YAG中实现沿泵浦光传输方向的温度均匀分布。
均一浓度Nd∶YAG 渐变浓度Nd∶YAG 数值仿真 温度分布
闽南师范大学物理与信息工程学院光场调控及其系统集成应用福建省高校重点实验室，福建 漳州 363000
Ge/Si雪崩光电二极管（APD）被广泛应用于近红外探测领域，但由于Ge和Si之间存在4.2%的晶格失配，故难以获得高性能的Ge/Si APD。提出在Ge/Si键合界面处引入多晶硅（poly-Si）键合中间层，弱化Ge/Si失配晶格对APD器件性能的影响。poly-Si引入后键合界面电场发生变化，导致APD内部的电场重新分布，极大地影响了器件性能。因此，重点对Ge吸收层和Si倍增层的掺杂浓度进行调控，探究了掺杂浓度对Ge/Si APD电场、复合率、载流子浓度、碰撞电离等性能的影响，最终设计出高性能键合Ge/Si APD。本工作将为低噪声、高增益Ge/Si APD的研究提供理论指导。
材料 Ge/Si雪崩光电二极管 晶格失配 poly-Si键合层 掺杂浓度
1 中国气象局气象探测中心，北京 100081
2 中国气象局气象探测工程技术研究中心，北京 100081
3 北京工商大学轻工科学与工程学院，北京 100048
4 深圳市国家气候观象台，广东 深圳 518040
5 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
大气气溶胶是重要的大气污染物之一，气溶胶质量浓度的垂直分布及其与气象要素的相互影响，对理解大气污染传输具有重要意义。激光雷达因具有高时空分辨率的探测优势而成为研究气溶胶颗粒物立体分布的有力工具。本文利用深圳米散射激光雷达、微波辐射计和近地面气溶胶质量浓度监测仪，根据均方差选取最优参数，建立基于消光系数的温湿融合PM2.5质量浓度反演模型，并以深圳气象梯度观测塔4个高度的PM2.5质量浓度小时均值为基准，对模拟结果进行了验证分析。结果显示：模拟值与观测值两者的变化趋势一致性较好，相关系数受模拟高度、相对湿度影响，并进行了晴天、多云天气下的比对，深圳气象梯度观测塔上4个高度的模拟值和实测值相关系数均大于0.68，平均绝对误差和均方根误差最大值分别为6.88 μg/m3和18.56 μg/m3。比较4个季节的模拟效果发现，冬季的模拟结果准确性要低于其他三个季节。最后通过个例分析，结合地面温度、相对湿度、风场和气压场，分析了深圳夏季颗粒物质量浓度的时空分布特征。
激光雷达 PM2.5质量浓度 消光系数
1 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116
2 西安地球环境创新研究院，陕西 西安 710061
3 山西省生态环境规划和技术研究院，山西 太原 030000
由于二氧化氮（NO2）在大气中的存活寿命较短，卫星遥感反演的对流层NO2柱浓度与近地面NO2浓度关系密切。欧洲航天局（ESA）S5P卫星的对流层检测仪（TROPOMI）载荷提供了目前最高空间分辨率的对流层NO2数据，其在近地面NO2浓度估算方面的潜在优势亟待检验。为此，本文采用极限梯度提升（XGBoost）算法和4年（2018—2021年）的TROPOMI/臭氧检测仪（OMI）数据估算了我国近地面NO2浓度并开展了对比性分析。结果表明：1）TROPOMI的估算结果在精度和空间覆盖度两个方面，均明显高于OMI的结果；2）OMI数据由于自身空间分辨率的限制，无法和TROPOMI一样识别出NO2浓度高值区附近的空间分布细节，导致其估算结果存在更严重的高估或低估。进一步，针对机器学习方法估算近地面NO2普遍存在高值低估的现象，通过集成模型进行优化，得到了更优的结果（R2=0.85，slope为 0.89）。该研究结果有利于促进卫星遥感在近地面NO2浓度估算与暴露评估领域的深入应用。
遥感与传感器 近地面二氧化氮浓度估算 极限梯度提升算法 特征分析 估算优化
1 1.武汉理工大学襄阳示范区, 湖北隆中实验室, 襄阳 441000
2 2.武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
3 3.武汉理工大学 纳微结构研究中心, 武汉 430070
晶粒细化是提高Bi0.5Sb1.5Te3合金力学性能的有效途径, 但是粉末冶金过程中晶粒细化导致的类施主效应会严重劣化材料热电性能, 制约了Bi0.5Sb1.5Te3基合金在微型热电器件中的应用。本研究围绕p型Bi0.5Sb1.5Te3基合金, 采用实验结合理论计算系统研究了粉末冶金制备过程中研磨和脱附气氛对烧结样品中类施主效应和电热输运性能的影响规律和机制。Bi0.5Sb1.5Te3基合金破碎研磨过程中粉体表面产生缺陷$~\text{V}_{\text{Te}}^{\cdot \cdot }$和${{\text{{V}'''}}_{\text{Sb}}}$并物理吸附空气中的O2, 在烧结过程中与吸附的O2发生缺陷化学反应, 产生大量$\text{V}_{\text{Te}}^{\cdot \cdot }$空位和自由电子, 导致类施主效应, 使空穴浓度大幅降低。在保护气氛下(Ar气氛)研磨避免接触空气或在空气中研磨后放置在保护气氛下脱附O2, 都可以有效抑制类施主效应, 使样品保持较高的载流子浓度和电导率, 且性能在473 K下保持稳定。在空气中研磨后直接烧结的样品和放置在空气中粉体烧结的样品表现出明显的类施主效应, 样品的载流子浓度从保护气氛处理样品的4.49×1019 cm−3下降至3.21×1019 cm−3, 采用保护气氛处理的粉体烧结样品在402 K下获得最高的热电优值ZT为1.03, 平均ZTave为0.92。该研究为调控p型多晶Bi2Te3基化合物的类施主效应和优化其热电性能提供了新思路。
Bi0.5Sb1.5Te3合金 类施主效应 载流子浓度 热电性能 Bi0.5Sb1.5Te3 alloy donor-like effect carrier concentration thermoelectric property
贵州师范学院 物理与电子科学学院，贵州 贵阳 550018
酒精浓度的非接触式测量是一种新型的测量方法。对一些特殊行业有着很大的帮助，比如酿酒业测量酒的酒精浓度，工业上生产工业酒精等。为了便于测量不能接触的酒精溶液，文中设计了一种基于近红外吸收光谱特性的酒精浓度测量系统，可以对不同浓度的酒精溶液进行非接触式连续测量。对于酒精来说，在1300~1 350 nm的光谱段浓度定性反应非常明显，使用处于该波段的红外LED发光二极管，加上光电二极管、模数转换芯片、单片机和LCD屏幕组成该系统。通过使用该系统对不同浓度的酒精进行测量，利用最小二乘法找到酒精浓度和电压信号之间的函数关系式。这样就能通过测量电压值来反推出酒精浓度值。实验表明，在该红外波段下，采集到的电压值和酒精浓度之间有良好的二次函数关系，拟合优度达到了0.99946。测量结果显示，测量值和标准值之间的相关系数R为0.999911，平均绝对误差为0.64。与传统酒精计的0.5相差不大，重复测量和连续测量的方差分别为0.0044和0.0056，证明了该装置的稳定性和可靠性符合预期。而且通过优化电路和程序，选择更为精确的酒精计作为标准，可以使误差更小。该方案相比传统测量方法结构简单，速度更快，还可以进行连续测量。在现实生活中，制酒业、医疗行业和工业生产等行业都对于测量酒精浓度有着很高的需求。该装置可以在不损坏产品的情况下进行酒精浓度测量，它的连续检测能力对某些行业的批量生产有着很大的帮助。通过改良，可以实现自动化检测。除了企业生产，也可用于制造日常使用的便携式酒精浓度测量仪。
酒精浓度测量 近红外吸收光谱特性 非接触测量 光电二极管 红外LED光源 measurement of ethanol concentration near infrared spectrometry characteristics non-contact measurement photodiode infrared LED light source 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230510
1 安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖 241002
2 中国科学院合肥物质科学研究院，安徽合肥 230031
二氧化碳（carbon dioxide, CO2）浓度监测是实现碳达峰、碳中和的重要基础，非分散红外（non-dispersive infrared, NDIR）检测技术作为温室气体测量领域应用最为广泛的技术之一，如何有效抑制温度漂移、确保长期监测数据的稳定性和可靠性是研究重点。实验表明，光源光功率、气体吸收线强、滤光片中心波长等容易受到环境温度影响。文中提出一种红外气体检测的温度补偿方法，研制了用于大气二氧化碳浓度红外检测的分析仪。选取以 4.26.m为中心波长的 CO2气体吸收线；利用高低温试验箱，对分析仪进行温度补偿实验研究；配置标准 CO2气体浓度，对分析仪进行浓度标定实验研究。测量结果表明，红外 CO2气体分析仪浓度测量稳定，温度补偿显著，具有快速响应、应用范围广等优点。该红外 CO2气体分析仪为陆地生态系统碳收支监测等领域提供可靠数据支撑。
二氧化碳 非分散红外 温度补偿 浓度标定 carbon dioxide, non-dispersive infrared, temperatu
1 中国海洋大学物理与光电工程学院, 山东 青岛 266100
2 中国海洋大学电子信息工程学院, 山东 青岛 266100
拉曼光谱检测技术具有快速、 高效、 无需样品预处理和非接触检测等独特优势, 是实现大批量样品高通量无损在线检测的理想方法, 同时也是实现白酒产品中乙醇浓度快速筛检的适宜手段。 然而与纯水溶液不同, 在激发光激励下大部分白酒的光谱中除了乙醇和水的拉曼特征峰外, 还存在明显的本底荧光干扰, 给酒精度检测精度带来负面影响。 因此, 基于拉曼特征峰峰强比值法检测乙醇浓度, 在进行数据处理前需人为选取进行荧光本底拟合的数据点, 主观性强, 数据处理效率低, 难以充分满足高通量样品在线筛检的技术需求。 针对上述问题, 基于自主搭建的激光偏振拉曼光谱检测系统, 对不同偏振角度线偏振光激发下四种白酒样品的拉曼特征峰和荧光本底干扰的偏振特性开展了详细研究, 并根据二者间的偏振特征差异提出了偏振拉曼光谱辅助的白酒乙醇浓度快速检测方法。 实验结果表明, 在差分偏振拉曼光谱的辅助下, 三次多项式拟合的相关系数超过0.99, 可实现3%~97%vol范围内乙醇浓度的准确反演, 且四种白酒样品乙醇浓度的反演精度明显高于传统方法, 显著提升了白酒酒精度检测的效率和精度。
拉曼光谱 乙醇浓度 偏振 回归 定量检测 Raman spectroscopy Ethanol concentration Polarization Regression Quantitative detection 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2768
