基于NIM-Sr1光晶格钟驾驭氢钟产生本地时标的研究

光钟在生成高性能原子时标方面有很大的潜力。本文介绍了以中国计量科学研究院(NIM)的NIM-Sr1光晶格钟为参考生成本地时标的基本思路,评估了实验室目前用作飞轮振荡器的HM57氢钟的噪声参数。针对NIM-Sr1光晶格钟作为基准钟长期间歇运行时的运行率和时间分布,设计了对测量数据的分段处理方式。通过对2022年9月和10月NIM-Sr1光晶格钟与HM57氢钟比对数据的后处理,生成了光钟驾驭的纸面时标TS(P),其在60天内相对于TT(BIPM22)的最大时间偏差为0.7 ns,验证了驾驭方法的可靠性。搭建了以NIM-Sr1光晶格钟为参考驾驭HM57氢钟生成本地实时物理时标的实验系统,并评估了2023年4月生成的实时物理时标TS(R)的性能,其在30天内相对于UTC的最大时间偏差为0.89 ns。

智能优化算法应用于近红外光谱波长选择的比较研究

近红外光谱(NIRS)是一种间接分析技术,其应用需建立相应的校正模型。为了提高模型的解释能力、预测准确度和建模效率,需要对NIRS进行波长选择,优选最小化冗余信息。智能优化算法是以生物的行为方式或物质的运动形态为背景,经过数学抽象建立算法模型,通过迭代计算来求解组合最优化问题,其核心策略是以某种目标函数为标准,基于多元校正建模并以逐步逼近的方法筛选出有效的波长点。选用蚁群优化(ACO)、遗传优化(GA)、粒子群优化(PSO)、随机青蛙(RF)和模拟退火(SA)5种智能优化算法对烟叶总氮和烟碱近红外光谱数据进行特征波长选择,结合偏最小二乘(PLS)算法,构建了多个烟叶总氮和烟碱的校正模型,结果显示:所选用两个数据集的总氮最优模型分别为PSO-PLS和GA-PLS模型,烟碱最优模型分别为GA-PLS和SA-PLS模型,五种智能优化算法所建模型预测性能并非全部优于全谱PLS模型,但是通过智能优化算法进行波长选择后建立的PLS模型大大简化,模型的预测精度、可解释性和稳定性均有所提高。同时也对优选波长进行了解释和分析,烟叶总氮特征波长优选组合为4 587~4 878和6 700~7 200cm-1;烟叶烟碱特征波长优选组合为4 500~4 700和5 800~6 000cm-1,优选出来的特征波长具有实际物理意义。

天空偏振光测量系统的设计(英文)

根据一束光的偏振特性可以由斯托克斯矢量来表征的原理,设计搭建了一种天空偏振光测量系统。该系统由计算机、赤道仪、光纤光谱仪和配备了可旋转偏振片的改进式天文望远镜组成,在400～900nm的光谱分辨率为1.4nm。赤道仪经过标定后可以实现0～180°方位角以及0～90°高度角的调整,角度分辨率为2.5°。系统的光学全视场为4.5°,使用该系统可以测量全天空的光强辐射度、偏振度以及偏振方位角。由标定结果可知,系统光强测量的重复率在450～500 nm为99 %,在500～900 nm为(95±3)%;在400 ～750nm偏振度测量误差<2 %,在475nm处达到1.2 %。偏振方位角的测量误差<2°。

岩心扫描仪光谱数据质量评估方法研究

岩心光谱扫描仪是近年来发展起来、用于岩心光谱和图片在线检测的仪器,它可以对岩心进行数字化,从而实现岩心自动编录,为地质科研、矿床研究和外围找矿提供依据,同时通过岩心数字化,可以建立岩心网上数据库,解决岩心保存带来的成本问题,实现资源共享。岩心光谱测量数据的质量直接影响矿物识别、参数反演结果的可靠度,因此进行岩心光谱测试服务之前针对拟采用仪器进行数据质量评估是一项非常重要的工作。结合自主研发的CSD350A型岩心光谱扫描仪,以光谱学基本理论、光谱分析方法、岩心光谱分析要求等为基础,深入探讨了岩心光谱数据质量评估方法、评价准则、目标参数等关键问题,对自主研发的岩心光谱扫描仪数据质量进行了全面评估,表明仪器光谱测试功能的可靠性和有效性。实验测试表明,本方法所涉及的检测项目和检测参数,能够很好地反映岩心光谱扫描仪所测光谱的反射率光谱、波长精度、重复性及信噪比指标,从而对岩心光谱扫描仪数据质量做出正确评价,为商业服务提供数据质量依据。在目前缺少相关评估标准的情况下,本研究提出的评估方法对于岩心光谱测试工作的开展具有较大的应用价值。

基于线阵CCD的光谱仪定标研究

光谱仪是一种基本光谱检测和分析仪器,以线阵CCD为探测核心是设备微型化的重要手段,CCD各光敏像元输出信号与待测光谱波长及光谱辐射通量之间对应关系成为定标的主要内容。研究了常规线性拟合方法,应用校准结果测量发现有时误差较大,利用低压汞灯特征谱线为基准,采用最小二乘法曲线拟合完成波长定标,计算出拟合曲线的3阶校正参数;利用辐射标准灯完成光谱辐射定标,解决了光束经过光学系统传输损耗及线阵CCD光谱响应灵敏度测量的困难,并对定标方案进行了数学推导证明。对大量实验数据进行分析表明,该定标方法是切实可行的,并成功应用到微型光谱仪器的生产过程。

面向大型工件现场测量的光笔式视觉测量系统

研制了一种面向大型工件现场测量的光笔式视觉测量系统,对其中的关键技术进行了深入研究。该系统主要由带有红外LED光点的光笔、1台CCD摄像机、靶点亮度控制器、一维标定尺以及安装有测量软件的计算机组成。在对LED点光源光强控制方式及成像系统工作原理进行分析的基础上,设计并实现了以多靶点亮度自适应控制技术和主动离焦模糊技术相结合的靶点光斑图像生成技术。该技术保证了在大跨度测量范围内均能获得高质量的靶点光斑图像,解决了对焦成像中摄像机视场范围与景深有限的问题;针对光笔标定问题,提出了一种简便易行的现场标定方法,此方法只需要若干个辅助靶点和2个以上间距已知的圆锥孔,就可以同时确定光笔上各靶点及光笔测头在光笔坐标系下的坐标。实验结果显示：该测量系统在2-10 m空间长度测量标准差不大于0.095 mm,能够满足中等精度的大型工件现场测量要求。

利用Mirau显微干涉仪测量微器件的纳米级运动

描述了一种用于微机电系统(MEMS)纳米级微运动测量的Mirau显微干涉系统.该系统利用商业化的Mirau显微干涉仪,它直接安装在光学显微镜上,用于测量一个表面微加工水平谐振器的三维运动.面内运动取决于亮场在最佳焦平面处的图像,而离面运动则取决于频闪得到的干涉图像,该图像在物镜纳米定位器的8个不同位置处得到.实验结果表明了系统进行面内和离面运动测量的纳米级分辨力.

成像光谱仪一体化设计

随着超光谱成像技术的发展,超光谱成像光谱仪的要求也随之提高,小型化、高光谱分辨率和高空间分辨率成为发展趋势,这就要求设计者在进行仪器设计的过程中不断完善和优化设计。提出了成像光谱仪一体化设计的方法,即不单纯地进行光谱仪分光系统的设计,而是将光谱仪分光系统置于整体结构中进行整体系统设计和优化,从而实现超光谱成像光谱仪的最佳设计结果,并以近年来应用较为广泛的凸面光栅成像光谱仪为例,较为详细地阐述了成像光谱仪一体化设计方法在系统研制过程中的应用,并通过对该凸面光栅成像光谱仪的测试验证了该方法的正确性。

基于多变量属性分类的图像形态滤波方法研究

针对复杂结构图像中形态滤波的单一属性难以判定最大树节点状态的问题,提出了基于多变量属性分类的最大树图像形态滤波方法。首先标记图像的各个连通区域,将图像转换为最大树数据结构,然后计算最大树各个节点的面积、灰度值及Zernike矩属性值,并构成节点的属性向量,运用属性样本数据对支持向量机进行训练,获得支持向量机分类模型,最后根据多变量属性分类结果给出节点的枝剪策略。实验结果表明,该方法能有效地滤除复杂结构图像中不同灰度级、大小及形状的噪声区域,同时保留图像目标区域的细节特征。

基于双目立体视觉的无线柔性坐标测量系统

便携式坐标测量技术是近年来测量领域的研究热点之一。本文以双目立体视觉为基础,实现了一种简便易行的无线柔性坐标测量系统,该系统由两台CCD相机、一台电脑以及贴有标记点的测笔组成。通过手持测笔使其测端接触待测目标点,双CCD相机监控测笔上的标记点并解算出测端的三维坐标,来实现目标点三维坐标的测量。着重针对测笔标记点以及测端的标定这一关键问题,提出了一种简单有效的解决方法。讨论了双目立体相机与被测对象相对位置不变的单站式测量的原理和方法,同时为了克服相机视场的有限性,通过粘贴拼合标记点的方式,实现了相机在多个位置上的拼合测量,增强了系统的实用性。通过标定实验和测量实验对系统进行了验证。

用于亚微米颗粒测量的后向散射光谱法

针对后向散射光谱粒径测量法对亚微米颗粒测量准确度较差的问题,提出了一种采用紫外光作为光源的测量方法.通过快速傅里叶变换计算了粒径为0.25～1μm的聚苯乙烯亚微米颗粒的后向散射频谱,将频谱峰值对应的频率值与相应的颗粒粒径进行线性回归,各粒径值相对于回归直线的平均误差为±0.02μm.结果表明,本文提出的300～400nm的紫外光适用于测量0.25～1μm的亚微米颗粒,相比目前国外最新的采用可见光谱或红外光谱的方法准确度提高了一个数量级,同时该方法也适用于测量双峰分布亚微米颗粒系.

平面光栅双单色仪的光学系统设计

平面光栅双单色仪是构成光栅衍射效率测试仪的重要组成部分,为了完成光栅衍射效率测试仪的研制,需要对平面光栅双单色仪的光学系统进行设计和模拟。仪器主要由光源、前置单色仪、测量单色仪和探测器组成;结合仪器的实际使用需要,确定了光源、探测器和光路结构,根据仪器的设计要求,分别对前置单色仪和测量单色仪的光学系统进行设计和模拟,给出了各自光学系统的像面点列图和实际光线追迹数据。设计结果保证了仪器光学系统的测量准确性。

自由曲面超精密车削加工路径优化设计

加工路径优化设计是提高自由曲面超精密车削表面质量和形状精度的关键技术.采用NURBS插补模型进行自由曲面的描述,提出柱面坐标加工模型进行自由曲面超精密车削加工分析,借助矢量数学对刀位点进行刀具参数的优化补偿,并采用螺旋投影驱动方式实现加工路径的规划.对各种类型自由曲面进行加工实验,表面粗糙度达到5.16 nm,路径优化设计后加工形状精度提高近10倍.实验结果表明,提出的路径优化设计方法可以高效可靠地加工光学质量表面的自由曲面.

日盲紫外滤光片的带外截止深度测试

针对全日盲紫外滤光片,建立了以窄带光发射二极管（LED）作为基本光源的超大动态范围滤光片带外截止深度测试系统,并分析了系统的测试误差.该系统主要由LED光源,已知衰减系数的标准反射式中性衰减片以及光电倍增管组成.基于替代法,系统测试时将LED光源通过衰减片后的输出电流作为参考电流值替代光源的初始电流值,通过对比运算获得滤光片的带外截止深度.针对系统中的反射式衰减片,文中还提出一种组合衰减片方法,以保证光电倍增管始终工作在线性响应范围内,从而实现对滤光片的超大动态范围的截止深度测试.实验结果表明,在350～800 nm谱段内,该测试系统可测滤光片的带外截止深度延伸至11-OD,不确定度小于2％,相对重复性误差小于0.2％.该系统结构简单,测试谱段范围宽、可测动态范围大且精度高,可广泛用于滤光片的截止深度测试.

衍射散射式颗粒粒度测量法的研究新进展

介绍了衍射散射式颗粒粒度测量法的基本光路结构和理论模型,讨论了决定其性能优劣的重要指标——测量下限,对影响测量下限向小粒径范围延伸的参数进行了分析。继而介绍了近年来国内外主要粒度仪品牌在光学结构和散射理论模型方面所做的改进,阐述了它们的工作原理和性能特点。最后对衍射散射式颗粒粒度测量法的发展前景做出了展望,从修正理论模型、改进反演算法、提高探测器性能、缩小测量系统体积等几个角度提出了改进的想法和实例,并介绍了一种称为后向散射光谱傅里叶分析法的新方法,此方法有望大幅延伸测量下限。

便携式逆反射系数测试仪

根据相关国标设计了一种便携式逆反射系数测试仪,用于测量交通标志、机动车车身标识和高能见度警示服等材料的逆反射系数。分析、比较了逆反射系数测量原理,基于相对测量法研制了逆反射系数测试仪。该逆反射系数测试仪以白色发散光作为光源,可以在近距离下模拟逆反射标识的实际工作状况,完成逆反射系数的测量。介绍了逆反射系数测试仪中光学系统、光电转换电路和STM32F103C8T6单片机控制系统的设计方法,建立了基于最小行车安全距离的逆反射系数测试角度的选择模型,完成了逆反射系数测试仪不确定度的评估。最后,利用研制的便携式逆反射系数测试仪进行了实验测试。结果显示:在测试条件为(0.1~199.9)cd·lx-1·m-2时,其示值误差的最大值为4.40%;当测试条件大于199.9cd·lx-1·m-2时,示值误差的最大值为1.31%,符合GB 26377-2010对示值误差的要求。设计的逆反射系数测试仪具有小型化和智能化的优点,对现场检测交通安全标识、机动车车身标识等具有实际意义。

应用CCD和液晶图形发生器的光学多参数综合测试技术研究

研究CCD摄像器件和图像处理技术在光电自动化测试中的应用.在采用CCD摄像机、LCD图形发生器和数字图像处理技术的基础上,讨论光学多参数测量新方法及其测量系统,实现了焦距、视放大率、调制传递函数以及视差等参数的测量,并着重论述了光电自动定焦在光学参数测量中的应用.实验证实,该类光学参数测量方法比传统人工目视测量更客观、更准确,测量效率更高,可逐渐取代部分传统目视测量方法.

小麦叶绿素、氮素、水分一体化测定仪的开发与测试

开发了一款便携式小麦叶绿素、氮素、水分一体化测定仪,可以一次测量小麦叶片的三种生化指标,为肥水诊断提供充分依据。本测定仪由光路和电路两部分组成,光路部分采用LED加滤光片构成的组合光源,电路部分由微控制器、LED驱动电路、检测电路、通讯电路、键盘电路、液晶显示电路等组成。经过田间测试,证明此测定仪有良好的准确性和重复性。叶绿素、氮素测量的相对误差均值在10%左右,水分相对误差均值为4%,三项指标测量值变异系数均低于1.5%。测试结果表明测定仪可以用于指导小麦实际生产。

基于四象限探测的激光粒度仪自动对中技术

针对激光粒度仪手动对中自动化程度低、不易调整等问题,提出了基于四象限对中单元的新型50通道光电探测器的自动对中方法。该方法根据光束是否处于四象限探测器的感光范围,将自动对中过程分为粗对中和精对中两部分。当光束不在四象限探测器的感光范围内时,可根据探测器的特定结构进行粗对中;当光束处于四象限探测器感光范围内时,根据四象限探测器产生的光电流强弱判断探测器的运动方向进行精对中。在粗对中过渡到精对中后采取变步长方式,通过比较对中精度和对中所需时间确定算法的最佳截止条件。完成了激光粒度仪自动对中系统硬件和软件的设计,实验验证了对中系统的可靠性与准确性。结果表明,最终的对中分辨率高于5μm。使用该技术对标准颗粒样品进行了测量实验,结果证实自动对中后的测量数据符合国家激光粒度仪校准规范的要求。

自动Ⅴ棱镜折射仪

自动V棱镜折射仪主要用于玻璃、晶体等固体和液体材料折射率、色散系数和部分色散精密测量,与传统的目视V 棱镜折射仪相比,具有精度高、自动测量、自动计算和自动打印测量结果等特点,同时排除了目视测量引起的主观误差,提高了工作效率。仪器采用了一种新颖的总体结构方案,并且应用了微机技术,圆光栅测角技术、光电瞄准技术和自动寻的技术等近代科学技术,从而研制出一种操作方便、性能稳定,具有实用价值的国内外第一台自动V 棱镜折射仪。仪器测量光谱范围为400～750nm 内的七条主谱线折射率;可测量折射率范围1.3～1.95(在此范围之外精度降低);仪器的测量精度优于±1.5×10^(-1.5)。