Φ-OTDR系统的数字信号处理及应用

相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)传感系统具有高动态响应、高灵敏等特点,在大型工程结构健康监测领域具有巨大的应用潜力。而Φ-OTDR系统仪器化水平和工程应用很大程度上取决于数字信号处理(DSP)技术。本文对比分析了近年来Φ-OTDR系统在信号的量化、解调、抑噪以及模式识别上主要的数字信号处理方法和技术,并通过架空输电线路状态监测、埋地电缆外破预警两个应用实例,阐述了工程应用中数字信号处理与行业背景知识相结合的重要性和方法,并对Φ-OTDR系统中数字信号处理方法的发展现状和趋势进行了总结与展望。

材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建立

材料科学与工程作为一门实验性较强的学科,需要进行大量的实际操作实验,才能使学生对一些材料的结构与形成原理有清楚的了解,然而材料科学的实验往往需要一定的特殊环境条件,这些条件限制了实验的教学体验,产生昂贵的教学费用,同时加大了安全隐患。通过建立虚拟仿真实验教学中心,不仅使学生能够更好地学习材料的结构与原理,而且实现绿色节约、安全可靠和可视化的虚拟仿真实验教学平台。

锂离子电池硅基负极界面工程的研究进展

Si基负极材料具有比容量高和嵌锂电势低等优点,已成为提高锂离子电池能量密度的关键材料.但其巨大的体积膨胀和与电解液间的副反应造成了严重的界面问题.本文从硅负极界面的定义出发,对界面问题、成因和形成机制进行了综合评述;并分别从结构优化、人工界面构筑、电解液配方优化和固态电池中的界面问题4个方面阐述了硅基负极界面工程的发展现状;最后,对硅基负极界面问题的解决方案进行了总结与展望.

月球资源开发利用的进展与展望

中国探月工程“绕、落、回”三步走圆满收官,后续将建立国际月球科研站,并进一步规划建立月球基地。月球探测任务由探测勘察进入到开发利用新阶段,月面资源的勘查、开发和利用是未来月球探测的重点任务。总结了月球资源开发利用方面的国内外重要进展,涉及月球资源勘探、水冰等挥发分分析、月球矿物冶炼与材料制备、月面建造与月壤3D打印等四个方面。同时,月球资源开发利用面临极端月面环境、独特月壤理化特性、全流程无人自主控制等重大挑战,为解决这些问题,提出了未来月球资源开发利用的重点任务和研究思路,可为后续科学研究和工程任务实施提供参考。

教育、科技、人才一体推进背景下高等教育对基础研究资助的新需求

基础研究是整个科学体系的源头,是所有技术问题的总机关,目前正在由快速增长转为高质量发展。在这个关键转折点上,国家自然科学基金作为我国基础研究主要的资助渠道,如何在教育、科技、人才的统一战略布局下优化资助,成为了首要关注的问题。在此背景下,本文依据党的二十大报告中“实施科教兴国战略,强化现代化建设人才支撑”的战略部署,深入阐述了新形势下基础研究资助面临的挑战,分析了国内外基础研究的发展动态和需求。通过调研,发现了我国在人才、学科教育、科研组织模式等方面的不足,总结了高等教育对于基础研究资助在学科建设、产学研一体化、人才培养等方面的新需求,并以南京大学为例进行了阐述说明,以期为国家自然科学基金的全面深化改革提供具体的建议和决策参考。

多措并举强基础研究 协同发力促技术创新

2023年2月21日,习近平总书记在二十届中央政治局第三次集体学习时强调,“加强基础研究,是实现高水平科技自立自强的迫切要求,是建设世界科技强国的必由之路”。习近平总书记的重要讲话,统揽基础研究发展全局,深刻阐明了基础研究对实现高水平科技自立自强和建设世界科技强国的重大意义,深入分析了当前我国科技创新和基础研究面临的新形势和新挑战,对基础研究工作提出了新要求和新任务,非常具有前瞻性和针对性。

基于多维参量分布式光纤传感的架空输电线路覆冰监测技术

对比总结了典型DOFS技术的基本原理与系统结构,对现有输电线路覆冰监测技术发展现状进行介绍。在此基础上提出了一种多维参量分布式光纤传感技术,能够实现对线路的应变、温度、振动、衰耗等状态参数进行分布式的实时监测。与现有的单参量、双参量传感监测方案相比,使用多维参量方案对线路进行融合感知,可以有效提高监测的准确度,降低误判率、误报率,为输电线路的安全稳定运行提供重要保障。

晶圆级薄膜铌酸锂波导制备工艺与性能表征

随着光子集成和光通信技术的快速发展,低损耗波导是实现高效光子传输的关键元件,其性能直接影响整个集成芯片的性能。因此,低损耗波导的制备技术是当前铌酸锂集成光子技术研究的热点和难点。本研究针对晶圆级低损耗薄膜铌酸锂波导的制备工艺进行了深入研究,在4英寸的薄膜铌酸锂晶圆上,基于深紫外光刻和电感耦合等离子体刻蚀技术,成功制备出了传输损耗低于0.15 dB/cm的波导,同时刻蚀深度误差控制在10%以内,极大地提高了波导结构的精确度。此外,本研究还提出了一种基于微环谐振腔的晶圆上波导损耗的表征方案,能更精确地评估波导性能。通过测试,发现所制备的波导合格率超过85%,显示出良好的可重复性和可靠性。本文中发展的晶圆级薄膜铌酸锂加工工艺,对推进铌酸锂波导的大规模制备和应用具有重要意义。

多稳态力学超构材料研究进展

通过人工设计的微结构,力学超构材料能实现天然材料不具备的超常力学性能,如负泊松比、负热膨胀、多稳态、可调刚度等等。其中,多稳态力学超构材料因具有可重复使用、能量存储与吸收、快速变形和放大输出力等优异性能,激发了研究人员的兴趣。多稳态力学超构材料通常是利用双稳态结构单元的串联和/或并联实现的,在外界载荷作用下展示出多个稳定构型且可以互逆切换,具有广阔的应用前景。该文综述了多稳态力学超构材料主要设计策略及最新的研究进展,阐述了双稳态的概念、稳态转换势垒及相应的力学响应特性,分析了双稳态单元的设计原则;根据研究对象的不同,对双稳态单元及其多稳态超构材料研究进展进行了分析;讨论了多稳态构成的力学超构材料在能量吸收、软驱动、机械计算和波调控等领域的应用前景。最后,对多稳态力学超构材料的研究进行了总结,并对未来可能遇到的挑战和机遇进行了展望。

碳中和目标下电化学储能技术进展及展望

针对碳中和目标下可再生能源并网引发的电力系统不稳定的现状,介绍了电力系统各个环节对于储能的需求特性,讨论了电化学储能,包括超级电容器、碱金属离子电容器、碱金属离子电池、液流电池、其他二次电池、氢能等技术的特点与发展现状,分析了它们在适配大规模储能时所面临的挑战,展望了其未来应用前景和发展趋势。最后指出,电化学储能技术应朝着“高性能、高安全性、低成本”的方向发展。

介孔TiO_2的材料合成及其在光催化领域的应用

在紫外光照射下TiO2是一种高效的光催化材料,具有重大的应用价值。近年来,随着纳米材料科学的发展,介孔材料的独特性质越来越受到人们的重视。介孔TiO2材料被证明在降解有害气体、有机染料等方面具有比传统颗粒TiO2更高的光催化活性。本文综述了介孔TiO2材料的合成方法及其在光催化领域的应用。

激光超声技术在工业检测中的应用与展望

国防和工业现代化建设的发展对无损检测技术的需求越来越高,激光超声技术(laser ultrasonic technology,简称LUT)作为一种完全非接触式无损检测技术(nondestructive testing,简称NDT),可以在高温、高压、辐射等环境中对复杂结构件进行原位检测与监测。首先,介绍了超声的激光检测技术及LUT的优势;其次,举例说明激光超声无损检测技术(LUT&NDT)在工业中的具体应用案例以及存在的一些问题,并给出解决途径;然后,对超声信号的处理方法进行阐述;最后,对LUT&NDT在先进制造中的应用前景进行了讨论与展望。

光控取向引导的液晶序演变

液晶独特的取向序和位置序为其带来奇特的物理性质,使其在凝聚态软物质中占据了重要的地位。由于液晶有序结构中连续对称性的破缺,引入了拓扑缺陷。而拓扑缺陷在相变过程中的转变机制及其在外场作用下的有序控制生成一直广受关注。通过控制液晶系统的空间尺度、边界条件和外场刺激,以及引入不同的热力学过程,液晶分子将呈现截然不同的组装行为,伴随各种拓扑缺陷的出现,以实现系统自由能的最小化。然而目前对液晶相变过程中拓扑缺陷的有序控制和动力学演变、外场作用下的受控转变行为和机制,以及拓扑缺陷应用探索等方面仍有待进一步研究。本文综述了本课题组利用光控取向技术实现高精度任意可编程的二维平面锚定设计,通过二维光取向层引导了液晶分子的三维排列,从而实现了不同相态下拓扑缺陷的可控有序大面积生成。进一步借助Landau-deGennes理论,揭示了拓扑缺陷在相变过程中的演化机制,并挖掘了其背后的演化规律。本研究丰富了人们对有序系统自组装行为的理解,为探索拓扑缺陷的可控生成及应用探索铺平了道路。

近晶相液晶超结构的多元外场调控

利用液晶的自组装和刺激响应特性,实现近晶相液晶多层级超结构的灵活构筑、动态操控和多功能应用对于激发更多前沿的创新性功能器件并推动液晶超结构的实用化进程具有重要意义。本文从近晶相液晶超结构的生长制备、多元外界刺激对缺陷结构的调制方法和动态调控规律等方面进行系统研究。首先,探究了图案化取向场和旋涂条件对近晶相液晶拓扑超结构的形态与大小的操控;然后,验证了焦锥畴超结构的微透镜成像功能,并通过材料复合优化和引入聚合物稳定策略,实现了正方焦锥畴阵列在35℃下(向列相)的电刺激动态调控性能;最后,研究了手性、光场和热场对双相态液晶超结构带来的多维度调控。本研究充分利用光取向场、聚合物网络、电场、手性、光场等多元外场刺激,实现了对近晶相液晶多层级超结构的多维度调控。

基于近晶相液晶环面焦锥超结构的矢量光阵列

本文从近晶相液晶超结构的生长制备优化、矢量结构光阵列产生和微透镜成像等方面进行系统研究。在实验中基于光控取向技术,精确控制液晶分子在微观尺度上的排列,设计并优化了液晶盒内近晶相环面焦锥畴阵列的制备流程,成功产生并检测到偏振阶数P=2的偏振矢量光阵列并且探讨了环面焦锥畴阵列作为微透镜阵列的多功能应用潜力。本研究将液晶微结构的拓扑属性与结构光场的拓扑特性交叉融合,充分发挥液晶材料在自组装制备方面的独特优势,不仅为特殊结构光场的产生、调控、探测提供了可能,而且还预示着在精确控制应用领域,如光学陷阱、微流控制和高分辨率成像等方面,可能引发一系列创新性的应用。

基于机器学习的架空输电线路分布式光纤风速监测方法

相位敏感型光时域反射技术(φ-OTDR)与光纤架空复合地线(OPGW)中的既有通信光缆相结合,能够获取架空输电线路沿途风致舞动引发的光纤振动。但是振动信号与实际风速之间的映射规律难以获取,传统上多依赖人工判断。为了解决这个问题,将随机森林算法引入分布式光纤风速监测的数据分析中,在一条全长约44.16 km的220 kV线路上进行了为期3个月的现场实测。实验结果表明,所提出方案能够分布式实时预测风速并评估其对架空输电线路的影响,辅助评估风荷载可能带来的潜在风险,指导后续的运维和改造,确保架空输电线路的安全可靠运行。

负性向列相液晶电致缺陷的产生与湮灭过程

取向有序的液晶材料具有丰富的物理各向异性、外场响应性、物理效应,催生了新一代的光电应用.利用电场可在液晶中产生拓扑缺陷.缺陷动态过程受材料自身特性和外界条件的影响尚未明晰.本文选用介电各向异性△ε在-1.1到-11.5之间的7种向列相液晶材料,通过施加线性增加的交流电场,研究了负性向列相液晶电致脐点缺陷产生到湮灭过程中材料特性(△ε)和外界条件(温度、外加电场参数)对脐点缺陷的标度规律及湮灭快慢的影响.结果表明:在不同的△ε、温度和电场频率下,缺陷产生过程均满足Kibble-Zurek机制,即缺陷密度与电场变化率之间存在标度关系,且标度指数约为1/2;温度越高,产生缺陷密度越大;△ε越强或电场变化越快,缺陷湮灭速度越快.本文的研究厘清了拓扑缺陷产生湮灭与材料特性和外界条件的依赖关系,有利于对软物质中拓扑缺陷动态过程的认识和理解.

Chromonic溶致液晶及调控研究进展

Chromonic溶致液晶(Lyotropic Chromonic Liquid Crystals,LCLCs)是由可溶性芳香族化合物自组装形成的一类溶致液晶。由于其丰富的物理各向异性、生物兼容性以及可调控性,LCLCs在生物检测、细菌操控等应用领域具有重要的研究价值。本文回顾了LCLCs调控方面的研究,简要介绍了其特性,重点分析了外场调控、掺杂等调控手段对LCLCs的影响,最后讨论和总结了可行的调控手段和未来的发展路线。

新型无碳前体在高k氧化物薄膜化学气相沉积上的应用

通过一种简便可行的合成工艺,成功合成了3种具有良好挥发性的无碳前体:无水硝酸钛、硝酸锆和硝酸铪。以这些无水金属硝酸盐为前体,采用化学气相沉积(CVD)工艺成功淀积了具有良好介电性能的3种高介电常数(high-k)氧化物薄膜:TiO2、ZrO2和HfO2薄膜。这类不含碳的金属前体能直接在Si衬底上气相沉积,无需引入氧化气体,且沉积温度较低,可避免低介电常数界面层生成,在化学气相沉积栅介质薄膜方面独具优势。

扫描透射电子显微镜(STEM)在新一代高K栅介质材料的应用

扫描透射电子显微镜(STEM)原子序数衬度像(Z-衬度像)具有分辨率高(可直接"观察"到晶体中原子的真实位置)、对化学组成敏感以及图像直观易解释等优点,成为原子尺度研究材料微结构的强有力工具。本文介绍了STEM Z-衬度像成像原理、方法及技术特点,并结合具体的高K栅介质材料(如铪基金属氧化物、稀土金属氧化物和钙钛矿结构外延氧化物薄膜)对STEM在新一代高K栅介质材料研究中的应用进行了评述。目前球差校正STEM Z-衬度的像空间分辨率已达亚埃级,该技术在高K柵介质与半导体之间的界面微结构表征方面具有十分重要的应用。对此,本文亦进行了介绍。