单模-空芯-单模光纤微结构应变传感特性研究

设计了一种单模-空芯-单模光纤微结构应变传感器,利用光束传播法进行仿真分析,建立了波长-应变关系模型,并对其应变特性、温度特性进行实验研究。实验结果表明,在0~340με范围内的拉伸应变灵敏度和-340~0με范围内的压缩应变灵敏度分别高达-4.19和-4.26 pm/με,线性度分别为0.9971和0.9981;在20~70℃范围内的温度灵敏度为9.6 pm/℃,线性度达到0.9909。该传感器制作简单且具有较高的应变灵敏度,可以实现应变测量。

“智能感知与自主系统”课程思政教学改革探索与实践

为培养新一代信息技术与人工智能等新兴战略产业和智能装备等国防科技前沿领域急需的高层次复合型创新人才,依托“智能感知与自主系统”硕士研究生专业选修课程,开展课程思政教学设计与实践探索。通过设计思政案例、创新教学方法、教学实践与效果反馈相结合,将思政元素有机融入课程教学,取得了良好的教学效果。研究成果对激发学生投身智能系统研发、服务国家战略需求、实现自我价值追求的爱国主义精神具有积极作用,可为其他工学类专业课程开展课程思政教学改革提供参考。

西南联大精神融入仪器专业课程思政建设探究

西南联合大学“刚毅坚卓”的校训精神孕育了一大批为国家振兴奋斗终生的顶尖人才,是我国教育史上的“珠峰”。当今在人工智能引领的新一轮科技和产业革命浪潮推动下,国家发展新兴战略产业急需大批的仪器人才。面向这一需求,北京信息科技大学“测控仪器设计”课程教学团队将西南联大精神融入课程教学,通过重构教学内容、创新教学方法、建设典型案例库、开展教学探索实践与效果评价,将课程思政与专业知识教学有机结合起来,培养学生仪器报国的精神素养和价值追求。

智能信息新技术导论课程思政建设探索与实践

智能信息新技术导论是测控技术与仪器专业面向新一代信息技术和人工智能等新兴科技发展前沿而开设的一门导论课。为了培养学生的使命意识、担当精神和爱国情怀,教学团队从民族精神、时代使命、能力素养三个维度挖掘思政案例,构建了人工智能起源、百年蜕变、扬帆起航、砥砺奋进四个全新篇章,通过显隐结合的方式将思政元素融入智能终端、移动互联和大数据的专业知识教学,同步提升了学生的思政素养和专业能力,可为高校工科专业课程思政建设提供参考。

大视场相机最优投影模型识别及星光标定方法

针对在轨摄影测量中近距离大尺寸测量需求,提出利用星光约束的大视场角摄影测量相机最优投影模型识别及标定方法。首先,构建了具备调节系数的星光几何投影分段函数模型。随后,针对分段星光投影模型开发多站位自标定光束平差算法。通过将光束平差算法与北方苍鹰寻优策略相结合,对投影模型调节系数、相机内方位参数、相机外方位参数及镜头畸变系数同步优化,直到星点像面重投影均方根误差达到全局最小,得到最优投影模型及其参数。实测实验表明,大视场角相机星光标定后,星点像面坐标的重投影均方根误差为1/9 pixel。在连续帧星光标定实验中,通过卡尔曼滤波算法对相机参数随机误差进行了有效消除。该方法可在相机星光标定过程中识别最优投影模型并标定全部成像参数,具备连续帧标定及参数校准能力。

一种基于光纤光栅传感器的机械手远程操控手套

由于远程操控的机械手具有灵活性大和环境适应性高的特点,在越来越多的特殊场合下,人类开始借助机械手完成任务。本文针对危险环境中机械手高精度远程操作的需求,提出了一种基于光纤光栅传感器的机械手远程操控手套。建立了手套中光纤光栅传感器的弯曲测量模型,发现光纤光栅的中心波长变化量与弯曲角度之间成正比关系。结合机械手舵机的控制,提出了利用光纤光栅传感器进行机械手远程操控方法,编写了上位机软件,实现了从光纤光栅中心波长到手指弯曲角度最后到机械手舵机控制编码的过程。完成了光纤光栅传感器的设计和封装,手套的四路探测光纤中共有12个栅区长度为10 mm的光纤光栅传感器,其中11个传感器被封装在人手关节的上方进行弯曲感知,1个光纤光栅温度传感器用于温度补偿,利用704硅橡胶对光纤光栅传感器进行封装。搭建了基于光纤光栅传感器的机械手远程操控系统,并对光纤光栅传感器进行了标定,实验结果表明在人手关节弯曲0°~90°的范围内,平均弯曲角度测量误差为1.147°,所有拟合直线的决定系数均大于0.993,最后设计了人机交互演示模块展示人手的运动。本文提出的基于光纤光栅传感器的手套具有小型化、高精度、抗电磁干扰的特点,在航天器在轨维修、远程医疗手术和高危排雷作业等方面具有潜在的应用前景。

具有自标定功能的光纤光栅位移传感器

为了解决光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)位移传感器易受温度、振动等外界因素影响而导致测量重复性差的问题,本文利用磁铁非接触的力传递特性,以光纤光栅为核心元件,工字型梁、永磁体等为辅助元件研究了一种无接触的FBG位移自校准装置。利用移动端磁铁与位置标定端磁铁位置重合时,工字型梁所受磁力最大,进行位置信息的自校准,进而提高FBG位移传感器的测量重复性和测量精度。通过将自校准装置安装在卷尺结构的位移传感器上,对其传感特性展开实验研究,结果表明:在0~360 mm的测量范围内,校准前平均均方根误差为5.838 mm,校准后平均均方根误差为0.953 mm。本文采用自校准装置在很大程度上提高了FBG位移传感器的测量重复性,为位移传感器的环境适应性优化提供了一种新方法。

超快吸附过程太赫兹时间分辨光谱表征与评价

挥发性有机物(VOCs)污染防治是国家环境保护和人群健康防护的迫切需求,吸附法被认为是最有效的VOCs处理方法之一。当前吸附机理认知存在局限性,阻碍了其工业应用,探明微观吸附机理是实现高效处理VOCs急需解决的关键问题。现有常规微观吸附特征表征方法无法直接实时监测超快吸附现象,需要不断发展新理论、新技术。近年来,太赫兹波在表征吸附过程方面展现出巨大潜力:吸附过程中弱相互作用(范德华力、氢键)的振动模式均在太赫兹波段,化学键断裂与生成引起的表界面移动载流子变化随浓度不同太赫兹响应特征不同,利用太赫兹波谱光学参量(吸收峰、幅值、波形等)在表征吸附特征方面取得了重要进展。吸附过程中化学键的断裂、生成均在皮秒量级,太赫兹波因时间分辨率局限性无法直接获取亚飞秒时间尺度下的有效信息。太赫兹时间分辨光谱在超快过程监测领域的不断突破,在时间尺度上满足了探究超快吸附过程的需求,为揭示微观吸附机理奠定了基础。详细介绍了吸附特征太赫兹波谱表征与评价的研究进展,总结了近几年太赫兹时间分辨光谱在表征超快过程方面的突破性研究,最后提出了太赫兹时间分辨光谱在超快吸附领域的发展方向和面临的主要挑战。

面向光轴指向测量系统的光斑质心高精度实时解算方法

针对遥感卫星相机光轴指向测量系统的CMOS图像传感器易受空间环境影响,导致图像缺陷,进而影响光斑质心解算精度的问题,本文提出了一种高精度的光斑质心实时解算方法。仿真分析结果表明该方法能够准确地追踪图像中光斑位置的变化,从而验证了其分步解算策略的可行性。分别采用分步法、OTSU质心法和高斯拟合法对测量系统所采集的图像进行光斑质心的实时解算。实验结果显示,分步法的实时性好,光斑识别成功率最高,质心解算平均偏差和标准差最小,分别为0.026和0.029 pixels。该方法可以为光轴指向测量系统提供可靠的数据支撑。

圆片级封装中的二次硅-玻璃键合工艺研究

针对MEMS谐振器真空封装更高的要求,将盖帽硅片、器件硅片(Si)和玻璃衬底通过二次Si—玻璃(D-SOG)阳极键合工艺,实现了MEMS谐振器加工的同时,完成MEMS谐振器的6in圆片级高真空度封装。通过优化两次键合工艺参数,第二次键合温度由第一次键合温度350℃调整到380℃,键合压力分别为800N(第二次键合)和600N(第一次键合);优化第二次键合封装密封环的键合面积宽度为700μm;达到良好的MEMS谐振器封装效果,器件的泄漏速率为3.85×10^(-9) Pa·m^(3)/s。该研究可以有效降低加工成本和工艺难度、提高器件可靠性,满足了MEMS器件对封装密封性的要求,后续可广泛应用到基于D-SOG的MEMS谐振器封装工艺中,具有良好的应用前景。

基于冗余第二代小波变换的光纤陀螺实时降噪算法研究

提出了一种基于冗余第二代小波变换的光纤陀螺实时降噪算法,该算法直接利用插值补零后的预测器和更新器对信号进行分解和重构,确保逼近信号和细节信号的长度与原始信号相同,避免重构后信号失真。模拟信号和光纤陀螺输出信号的仿真实验结果表明,该算法能够较好地保留信号的时域特征,保证信号的完整性和准确性,不受降噪过程的影响,同时量化噪声降低了约50.23%,角度随机游走降低了约19.14%,零偏不稳定性降低了约53.02%,为光纤陀螺信号处理提供了一种有效的方法。

基于遗传算法的磁自抑制加热器的设计与优化

超低磁噪声(0~10 nT)的碱金属加热技术是无自旋交换弛豫原子磁力仪实现超高灵敏度的关键,文章提出一种基于遗传算法的磁自抑制加热器多目标优化设计方法。该方法基于毕奥-萨伐尔定律推导目标函数新模型,优化的目标包括加热丝的长度、宽度、厚度和电流方向4类(18个)参数,以此获取加热器最佳磁自抑制性能。利用有限元分析方法,仿真分析了目标区域的磁场分布和温度分布,结果表明:加热器在目标区域的中心区域产生0.02 nT/mA的平均磁场和180.34℃的平均温度。实验测试结果显示:目标区域的磁通密度取值在0.13 nT/mA和0.14 nT/mA范围内,这表明加热器的磁场自抑制性能较好。该研究有助于进一步提高原子磁力仪的性能。

基于全方位深层加权轻量化网络的冠脉造影图像超分辨率重建方法

针对介入手术中对冠状动脉造影图像纹理清晰的需求,本文提出一种基于全方位深层加权轻量化网络的超分辨率图像重建方法。首先通过设计局部卷积模块,降低特征图的维度减小其参数量,加快模型的处理速度;接着采用自注意力机制模块,融合图像的通道和空间信息,获得图像的丰富高频细节特征;此外,为了进一步提取图像的深层特征信息,研究设计了级联和权重匹配的层注意力结构,为图像不同深度的特征分配不同的权重,实现图像的超分辨率重建。最后为了使本文所研究方法在真实介入手术冠脉造影图像中有更强的泛化能力,本文构建了冠脉造影图像数据集(CAID)用于网络模型的训练和测试。实验测试结果表明,与Omni-SR算法相比,本文所提出算法在参数量减少32.3%、运行时间减少17.74%的同时,其重建图像的质量在客观指标和主观感受上均优于其他对比算法,且在放大倍数为4时,PSNR和SSIM的平均值在CAID数据集上分别提高了0.72 dB和0.012 2,在公共数据集上分别提高了0.13 dB和0.004 4。

大功率脉冲量子级联激光器锥形波导光学与热学仿真设计

针对脊形波导结构的大功率脉冲量子级联激光器面临的光束质量差和热积累严重的问题,研究了一种新型锥形波导量子级联激光器结构设计方法。通过COMSOL软件仿真优化脉冲功率60 W,重复频率10 kHz输出的锥形量子级联激光器光学和热学特性,分析了不同几何参数对波导光场模式分布、传输特性和最大内部温度的影响以及不同热沉材料、热沉温度和脉冲宽度对核心层内部温度分布的影响。结果表明,在4.6μm的波长下,直波导宽度为5μm,在锥度角为1.9°,直波导/锥形波导长度比为1∶3,可以保证直波导产生TM基模输出,整个端口的透射率、反射率、损耗、光限制因子达到最好效果。在同脊宽条件下,对于3 mm腔长,该锥形波导结构激光器核心区的面积对比条形的脊波导结构大10倍左右,更有利于大功率输出。此外,基于该结构进行了不同脉冲模式下的热学仿真分析,为器件工作模式和封装方式的选择提供有益参考。文中研究相关结论可为后续工艺设计和实验验证提供数据支持。

中红外量子级联激光器1×16锁相阵列设计

针对中红外波段单管量子级联激光器存在输出功率有限的问题,提出相干阵列通过光放大后合束提升激光器功率的方法,研究波长为4.6μm的1×16量子级联激光器锁相阵列的结构设计与优化。通过设计低传输损耗、高光限制因子的单模波导确定器件各层材料外延厚度;通过设计由100%反射率和50%反射率的布拉格反射镜组成的种子激光器实现4.6μm单波长激光输出;通过设计由1×2多模干涉耦合器(MMI)和弯曲波导组成的1×16分束器实现低损耗均匀分束并锁相;通过设计输出端口的Al_(2)O_(3)增透膜厚度并利用电注入放大的方式实现激光器阵列的大功率输出。最终确定波导上GaInAs层厚度为0.25μm,下GaInAs层厚度为0.1μm,上包层InP厚度为3μm,下包层InP厚度为1μm。当单模波导宽度为5μm时,波导损耗为0.055 dB·cm^(-1),光限制因子为0.733。100%反射镜刻蚀深度为0.2μm,周期为728 nm,占空比为0.5,周期数为1000;50%反射镜刻蚀深度为0.2μm,周期为727 nm,占空比为0.1,周期数为690;当阵列间距为35μm时,分束器尺寸为3080μm×605μm,损耗为0.254 dB,其中MMI尺寸为19μm×126μm;出射端口采用0.7μm的Al_(2)O_(3)增透膜,透射率达到0.975。最后比较了不同放大器阵列间距的温度与远场分布,相关研究结论可为量子级联激光器锁相阵列的研制提供设计参考。

低损耗超声波金属化光纤布拉格光栅传感特性研究

传统胶粘式表贴封装的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器在长期使用过程中易出现蠕变、老化等现象,采用性质稳定的金属材料代替高分子聚合物胶粘剂封装可解决上述问题。采用超声波焊接法对FBG进行全覆盖式封装,实现了超低损耗表贴式金属化封装结构,并研究了其温度和应变传感特性。结果表明:采用超声波焊接法进行金属化封装对FBG造成的传输损耗仅为0.04dB,封装后FBG传感器的温度灵敏度系数为26.44pm/℃,应变灵敏度系数为1.18 pm/με,温度和应变传感拟合R-Squared均达到0.9996以上。可见,采用超声波焊接法能够实现结构简单、传感性能可靠的低损耗金属化FBG温度和应变传感器的制作。

基于GST薄膜的弯曲波导相变光学器件光学仿真与分析

研究了相变光学器件的光传输性能,使用时域有限差分法建立覆盖Ge_(2)Sb_(2)Te_(5)(GST)薄膜的弯曲波导模型,得到了在晶态和非晶态两种情况下GST的面积、厚度和在弯曲波导中的位置对光传输效率及损耗的影响规律。结果表明:GST的最优覆盖面积为0.415μm^(2),厚度为17nm,器件光传输不受GST覆盖位置影响,光传输对比度最佳达到90.8%,插入损耗低至0.321dB,在1500~1670nm波长范围内能够实现宽光谱并行传输。该器件尺寸小,消光比大,理论上满足提高光计算准确率的需求。研究结果对于非易失性、并行集成光子矩阵计算单元器件的研制具有一定的参考意义。

用于FBG解调的AWG芯片的设计、仿真与制备

设计、仿真并制备了一种用于光纤布拉格光栅(FBG)解调的阵列波导光栅(AWG)芯片。该芯片基于SOI衬底进行制备,并在AWG的输入/输出波导、阵列波导与平板波导之间采用双刻蚀结构进行优化。经仿真,该AWG的插入损耗为1.5 dB,串扰小于-20 dB,3 dB带宽为1.5 nm。优化后的AWG芯片采用深紫外光刻技术、电感耦合等离子体等技术制备。经测试,该AWG的插入损耗为3 dB,串扰小于-20 dB,3 dB带宽为2.3 nm。搭建了基于该AWG的解调系统,解调实验结果表明,该系统在0.8 nm范围内的解调精度可达11.26 pm,波长分辨率为6 pm。

变臂关节式坐标测量机的参数自标定方法研究

为了有效地提高关节式坐标测量机的测量精度,变臂关节式坐标测量机通过锁定坐标测量机的前2个关节,减小前端关节转角误差的引入降低系统传递误差。经D-H方法建模,变臂关节式坐标测量机和关节式坐标测量机具有相同的数学方程,但是两者具有不同的结构参数,主要差别体现在前2个关节转角。提出了一种基于逆运动学分析方法和非线性规划遗传算法的参数自标定方法。首先,采用Robotics Toolbox中的逆运动学分析方法反求到达同一标定点的多组可能位姿;其次,根据这些反求的位姿结合测量模型计算标定点的坐标值;最后,以单点重复误差为目标函数通过遗传算法进行全局搜索并利用非线性规划算法进行局部搜索获取最优标定结果。实验结果表明,所提出的参数自标定方法使得变臂关节式坐标测量机的单点测量精度提高1 000倍,长度测量精度提高8倍。

一种提高全自动酶免分析仪微量移液精度的方法

为提高全自动酶免分析仪等微量移液系统的移液精度和可靠性,提出了一种动态法液位探测和双极值法压力监控相结合提高微量移液精度的方法。首先,通过探针式电容传感器动态法进行液位探测,有效减小电机运动惯性以及浸润现象产生的毛细管作用对液位探测精度的影响;然后,用双极值法对移液过程进行压力监控,避免堵针、样本量不足、气泡等异常移液现象对移液精度的影响。在此基础上,利用基于GM(1,1)模型的灰色动态滤波方法对电容传感器、压力传感器的输出进行滤波,提高传感器输出的稳定性,从而提高对液位判定及移液异常现象判定的准确性。通过微量移液实验对该方法进行了验证,实验结果表明,基于探针式电容传感器的液位探测动态法与传统单向测量法相比,液位探测精度由±0.3 mm提高到±0.1 mm;在保证液位探测精度的前提下进行基于双极值法压力监控的微量移液操作,能够对移液过程中异常移液现象进行实时判断并保证压力曲线信息的完整性,将移液精度由±5.0%提高到±2.4%。