基于火光辐射的射流速度测试技术研究

为了满足超高速聚能射流的测速要求,采用狭缝光阑与高速光电探测器构成被动探测模块,探测射流的自身火光辐射。测速系统以多级光阑前后排列的方式限制探测幕面的视场与厚度。分别对两级、三级光阑2种滤光模式建立了光学模型,模拟射流过靶时各级光阑的滤光性能。仿真结果表明,三级光阑可以有效衰减射流自身的强辐射,并且可以滤除探测幕范围之外的爆炸火光以及设备内的反射光,滤光效果超过99.25%。采用三级光阑逐级滤光的方法,解决了射流辐射亮度强并且伴随有杂散光导致其速度不易测试的难题。最后在外场进行射流测速试验,得到的信号波形印证了仿真结果的正确性。对过靶信号进行相关性分析处理得到射流的精确过靶时间,计算得到的射流速度为6500 m/s左右。将测得数据结果与高速摄影测速结果进行对比验证,测速系统的不确定度低于1.9%,验证了系统的可行性。

基于PSD传感器的炸点三维坐标测量方法研究

针对野外炸点空间三维坐标测量的问题,提出了基于二维PSD位置传感器的炸点位置测量方法,构建了基于二维PSD位置传感器的炸点三维坐标测量系统;基于双目视觉原理建立了炸点空间三维坐标测量数学模型;研究了被动探测系统在野外远距离下的标定技术;通过系统误差分解传递,分析了各参数的误差;在Matlab中分别绘制了炸点位置坐标3个维度的误差分布图,并分析了测量系统误差随炸点实际位置变化的分布情况;根据误差分布图得到了在理论100 m测试距离下X坐标最大测量误差约为0.292~0.303 m,Y坐标最大测量误差约为0.251~0.371 m,Z坐标最大测量误差0.270~0.336 m;最后通过静爆实验对测量方法正确性、被动探测系统标定技术可行性和测量系统功能性进行了验证,结果表明测量系统响应速度快且功能正常,被动探测系统标定技术具备可行性且操作方便,可适用于野外炸点位置的快速测量。

以课群建设为抓手推进国家一流本科专业建设的探索

课程是组成专业培养方案及体现专业特色的重要元素,是教学组织实施和实现毕业要求的重要抓手。工科专业的核心课程是指通识教育以外与专业关系较密切的专业基础和专业方向课程。以中北大学光电专业国家级一流本科专业建设点为例,通过对现状的分析与思考,开展核心课程群构建及相关运行机制的探索与实践,并提出了以课群建设为抓手的课群内涵及一流本科专业建设思路。

非优势学科研究生实践创新教学体系改革探索

针对当前普通型高校工科硕士研究生培养中生源基础差且跨专业调剂较多、培养方案缺乏完善的实践体系以及导师更多关注科研项目的状况,以中北大学光学工程专业为例,提出实践创新教学体系改革与重构的方案,强化同一学校同一学科的研究生要有相近的学科基础实践教学环节与完善的实践创新能力培养体系,避免学生差别很大、课程老师随机性大、学科基本不管、导师各自为政的实践教学情况,通过“本科实验室补齐、利用学科平台增加专业基础课实践内容、学术活动与开题等加强指导与交流、论文与项目提高科研与创新能力”的措施,构建完整的实践教学与科研创新体系,并进行初步实践。为研究生实践创新能力的提高提供制度和措施保障,获得较好的效果。

铁质破片的高光谱图像识别研究

高光谱成像凭借高的光谱分辨率、图谱合一、波段多的特点,能够为待分类目标提供多维的参考信息,从而提高分类精度。爆炸破片的识别回收能够为爆炸威力的评估和防爆措施的设计提供参考。针对当前破片检测中多采用可见光波段或红外波段等单个波段进行检测,忽略了破片目标与背景对不同波长的光有着不同的吸收程度,没有将多波段破片特征充分利用,为此结合高光谱检测手段,提出了一种空间分割结合光谱信息的爆炸破片识别方法。在实验室环境下,首先采集铁质破片、石头、树叶的高光谱图像,对采集的样本图像数据做预处理,包括去噪声以及黑白校正反演反射率信息等,感兴趣区域随机提取三类样本像素点共750个,随机选取600个点作为训练集其余作为测试集,通过训练后得到预测准确度分别为88%、88%、94%的决策树模型。其次模拟了铁质破片散落在含有石头树叶的沙土中的场景并采集其高光谱数据,通过前后级联的空谱融合方法,在空域经过图像增强和去噪等预处理之后,采用边缘检测结合区域生长以及形态学处理的方法对空间图像进行分割,得到沙土上有形态的目标,空间分割的交并比(IOU)达到93.5%,真阳率(TPR)达到97.4%;然后结合光谱域训练得到的决策树模型,对各个分割区域的每个像素点进行谱域的类型识别,参与分类的三类像素点个数分别为146172、50484、213438,识别准确度分别为87%、86%、96%;最后将分类结果可视化,以每个区域像素点最多的一类代表该区域类别,将目标破片与石子和树叶两种背景进行了准确的识别,以标定后的分割图像为标准,三类像素点个数分别为155502、52045、217794,识别率分别为94%、97%、98%。分析结果表明空间分割结合光谱信息的识别方法能够有效利用空间和高光谱的特征信息对铁质破片目标进行准确识别。同时验证了使用高光谱成像进行空谱联合识别爆炸破片的科学性以及可行性,对未来采用智能化识别破片的方式评估破片战斗部威力具有一定的实用意义。

VirtualLab Fusion在光偏振教学改革中的应用探索

偏振是光的基本特性之一,在工业生产和科学研究领域应用广泛。在大学物理实验和物理光学课程中,光的偏振都是重要内容之一。本文将VirtualLab Fusion仿真软件应用于光的偏振教学过程中,结合科研项目对旋光度的测量和矢量光场的产生进行了理论分析和VirtualLab Fusion建模仿真。该仿真立体直观,有利于激发学生的学习热情、培养学生的创新意识和创新能力。该研究能够对大学物理实验教学和物理光学课程教学模式改革提供一定的借鉴作用。

基于Autodyn靶材优化的新型梳状靶破片测试技术

针对现有破片参数测试方案中测试结果易受到现场恶劣环境影响且无法有效测试中靶坐标的缺点,开展了基于Autodyn的靶材优化仿真与基于FPGA采集控制逻辑相结合的研究。设计研制了一种新型梳状传感破片参数测试系统,并进行了弹道枪破片射击及静爆测试试验,试验结果表明该测试系统可实现对破片测试速度最小衰减以及破片中靶坐标精准测试,其中系统测速精度误差小于1%,中靶坐标区域精度为50mm。

高光谱成像的垃圾分类识别研究

高光谱成像因光谱分辨率高、图谱合一、可实现快速无损检测等特点现已广泛应用于农业、医学、遥感等领域。现有的对可回收生活垃圾检测与分类的方法,都存在检测时间长,分类效率低,而大量多种垃圾无法同时快速分拣等问题。考虑到不同类别的生活垃圾由于其主要组成分子结构的差异,对不同波长的光有不同的吸收特性。高光谱图像在记录待分类垃圾的空间信息的同时,可以获得垃圾对不同波长的光的反射率光谱信息,通过建立识别分类模型对反射率光谱信息进行分析可以实现对高光谱图像中待分类垃圾的识别与分类。收集常见纸质、塑料、木质三种材料的可回收的垃圾样本,包括塑料瓶、食品包装袋、塑料玩具(饰品)碎片、一次性筷子、雪糕棒、木制家具碎片、木制包装盒、废旧课本、广告纸、办公用纸等多种物品共30个样本,进行清洗和裁剪处理,避免样本表面污渍对样本反射率产生影响。利用高光谱成像系统采集样本在近红外(780～1 000 nm)范围内的高光谱图像,其中18个样本做训练样本集, 12个样本做测试样本集。对采集的样本图像数据做预处理,包括去噪声以及黑白校正反演反射率信息等处理;通过主成分分析(PCA)方法对训练样本集感兴趣区域(ROI)进行分析,提取到的特征波段为795.815, 836.869, 885.619, 916.409, 929.239, 934.37, 957.463, 972.858和988.253 nm;在特征波段下分别提取这三种类别垃圾的参考光谱,通过光谱角度填图法(SAM)对测试样本ROI区域内提取的测试样本点集在特征波段下与参考光谱进行匹配,由匹配程度进行样本点归类,分析结果表明,测试样本集中纸制样本(A类别)、塑料样本(B类别)、木制样本(C类别)的分类准确度分别为100%, 98%和100%,测试样本点集整体的分类准确度为99.33%;通过Fisher判别方法分析训练样本集得出判别函数式和判别准则,对测试样本点集分类,评价结果为A, B和C类样本分类准确度分别为100%, 100%和97%,测试样本点集整体分类准确度为99%。通过SAM和Fisher两种判别方法对测试样本集的光谱图像进行目标物的检测与分类,结果表明,利用SAM判别方法在可回收垃圾的高光谱图像中实现检测与分类有更高的分类准确度,可达到99.33%。同时,也验证了使用高光谱成像进行可回收垃圾快速分类的科学性以及可行性,对未来系统化、机械化、智能化地解决生活中可回收垃圾的分类具有一定的实用意义。

基于涡旋光与球面波干涉的微位移测量研究

基于涡旋光与球面波的干涉原理,提出一种物体微位移的光学测量方法。改进马赫泽德干涉光路,其中一束光照射至空间光调制器产生涡旋光束作为参考光,另一束光经透镜变为球面波后照射至物体上,两束光干涉后干涉条纹呈螺旋状分布。当物体发生微小位移时两束光的光程差改变,螺旋干涉条纹发生旋转,通过干涉条纹的旋转角度可以确定物体的微位移量。经理论分析、仿真和实验证明:基于涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化能够实时监测物体位移量的变化,同时可以有效计算物体的微位移。实验中,测量物体的产生位移量为27 nm,通过涡旋光与球面波干涉螺旋条纹旋转角度的变化实际测得物体的位移为25.75 nm,误差为1.25 nm。

共轭涡旋光干涉位移测量拓扑荷优化实验研究

以共轭涡旋光干涉原理为基础,理论分析了干涉图像旋转角度和位移量的对应关系,利用光学仿真系统验证了理论的可行性。采用基于空间光调制器和改进型的马赫-泽德干涉仪组成的共轭涡旋光干涉测量系统,利用不同拓扑荷数的共轭涡旋光实验测量了纳米位移台的位移变化。实验结果表明,在位移量为100 nm、200 nm和250 nm的情况下,拓扑荷数为3时的相对误差最小,分别为2.19%、1.28%和1.27%。研究结果有助于提高基于共轭涡旋光干涉位移测量的精度。

基于大面积激光光幕的弹丸速度测试技术研究

针对弹道散布范围大或被测飞行物体尺寸大的测速场合,介绍了一种实现大面积有效靶区激光光幕速度测量的方法.采用圆弧柱面反射镜及置于其两共轭点上的半导体激光二极管和大面积光敏器件形成大面积有效光幕区.当高速飞行物体穿越激光光幕时,光通量的变化被转变为电信号并采集到计算机进行数据处理.文中对圆弧柱面反射镜所引起的像差及有效光幕区内的光功率密度的分布进行了建模分析;利用有效光幕区为900 mm×900 mm及500 mm×500 mm的系统分别对5.6 mm弹丸穿越动物及某大口径弹丸的速度进行了测试,并给出了试验波形及测试数据.试验表明,该测速系统具有有效光幕区面积大、灵敏度高、响应速度快、工作可靠的优点.

原向反射式激光光幕测速技术研究

为满足弹道散布范围大或大口径弹丸的测速场合,提出了一种原向反射式激光光幕测速的方法.采用半导体激光器、柱透镜、中心留有激光出射孔的光敏检测器件和原向反射屏形成大面积光幕探测区,当高速飞行物体穿越激光光幕时,光通量的变化被光敏管阵列转变为电信号并采集到计算机进行数据处理.提出了玻璃微珠原向反射器的剩余发散角这个重要概念和利用数字CM O S相机对其进行测试的方法和结果.利用有效光幕区为Φ500 mm的激光测速系统对7.62 mm弹丸的速度进行了测试,给出了试验波形和一组测试数据.试验证明:该方法具有可形成的有效光幕区面积大、光路调整简单、成本低、灵敏度高等优点.

表面等离子体共振传感理论仿真研究

以薄膜光学理论为基础对表面等离子体共振SPR(Surface Plasmon Resonance)传感器的特性进行分析,给出了SPR传感器光强反射率的数学模型.分别采用角度调制与波长调制,利用Matlab仿真分析棱镜类型、金属薄膜介电常数和厚度、入射光波长或角度等参数对SPR反射吸收峰的影响,给出了仿真结果,并结合实际分析了其传感特性.

大面积激光光幕靶有效靶区的建模分析及优化

目的 研究大面积激光光幕靶有效靶区的光路结构合理性 .方法 对椭圆柱面反射镜及圆柱面反射镜分别进行了建模分析及优化 .结果 分析结果表明 ,两种模型都能满足大面积有效靶区及像差要求 ,且各有优势 .

一种利用激光后向散射测量弹丸炮口速度的方法

本文介绍了一种新型的炮口测速传感器,即利用激光后向散射的光电传感器。详细描述了该传感器的组成及其工作的原理,建立了基本的测试系统,并给出了实测曲线。

对半导体激光光源实现微弱幅度的单脉冲调制

目的 为满足某些光电探测系统的需求 ,实现对半导体激光器微弱幅度的单脉冲调制 .方法 文章根据半导体激光器的典型功率电流 (P-I)特性曲线 ,利用导通电阻较小的模拟开关及单稳态触发器来完成 .结果与结论 给出了对某激光器调制后的探测波形 。

光电检测系统中对干扰光的抑制方法研究

光电检测系统具有测试精度高、容易实现非接触测试等优点,但却容易遭受太阳光、火光及各种杂散光的影响.文章提供了三种有效抑制干扰光的方法.一是选用合适的干涉滤光片或带通滤光片组合在光入射光敏检测器件前首先进行滤光;二是差分补偿法,选用与主光敏探测器对称的辅光敏检测器件,对其入射的干扰光进行补偿;三是调制解调方案,通过对激光器进行调制,对光敏检测信号进行解调的方法.实验证明,这三种方法能有效地抑制干扰光的影响.

新工科背景下创新创业教育模式研究

新经济的快速发展迫切需要新型工科人才支撑,新工科人才必须具备更强的创新创业能力。文章在分析目前高校工科专业创新创业教育现状和新工科人才能力需求的基础上,提出新工科人才创新创业教育实施的五个原则:全覆盖、全过程、全链条、产教融合多方协同和注重学科交叉融合,并给出了新工科专业创新创业教育的实施策略和创新创业实践平台的建议模式。

一种高速大面积接收光电探测器

针对高速小钢珠测速过程中的特殊要求，设计了一种大面积、高速度、低噪声光电探测系统，经实弹测试，证明其性能优良．

数字光纤传输技术在电热炮参数测试中的应用

电热化学炮工作时常伴随高压脉冲大电流放电,由此而产生的强电磁干扰对其瞬态参数的测试产生严重影响.文章提出采用数字光纤传输技术,应用高速光收发模块、复杂可编程逻辑阵列CPLD,设计了一种抗电磁干扰性强、采样频率高、传输速率快的数字式光纤传输测试系统.给出了某实验室采用光纤传输技术及屏蔽措施对电热化学炮膛压测试曲线,并与传统方法的膛压测试结果进行了比较.该方法可拓展应用到各种抗强电磁场干扰的参数测试场合.