近海微塑料含量的相干反斯托克斯拉曼光谱成像研究

由于塑料工业的发展,微塑料成为一种主要的环境污染物。它在自然界中不易降解,对人类的生存环境及健康都存在不可忽视的潜在危险。因此,环境中微塑料的检测和分析,成为了近年来研究的热点问题。目前人们大多数采用浮选法、密度分离法、离心法等方法提取微塑料,然后放在显微镜下进行目视观察,并结合拉曼光谱分析、傅里叶红外光谱分析、高光谱成像等方法进行分析鉴别,这些方法需要较长时间的等待或预处理,且易受主观因素的影响。因此提出一种快速、准确鉴别环境中是否含有微塑料的技术是必要的。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱成像技术是一种基于化学键振动的非侵入性、非破坏性且无需特殊标记的实时成像方法,由此提出使用多通道图像采集(含有白光通道成像及CARS光谱成像)的方法快速、准确鉴别环境中微塑料的分布。将直径为10μm的聚苯乙烯微球掺入到收集的海水及沙子中,模拟被微塑料污染的海水及沙子,在不作任何处理的情况下对海水及沙子进行多通道图像采集。通过多通道图像采集可以快速直观地检测到海水中聚苯乙烯微球的分布。在对沙子中的聚苯乙烯微球进行多通道图像采集的同时,采用拉曼光谱检测与之对照。在拉曼光谱检测中,聚苯乙烯微球的信号易受沙子荧光信号干扰,且只有在激光聚焦在聚苯乙烯存在的位置时,才能检测到微弱的信号。在多通道图像采集检测中,可以看到沙子中存在的聚苯乙烯微球,且采用形态学分析中先腐蚀后膨胀的开运算算法同时结合中值滤波的算法后,可以实现突出显示聚苯乙烯信号的目的。多通道图像采集可以在无任何预处理的情况下检测出海水及沙子中的微塑料,具有快速简便的优势,对实现环境中微塑料的检测具有一定的潜在应用价值。

可见光通信中GaN-LED PN结面积对调制带宽的影响机理

在可见光无线通信中,用于照明的LED光源的调制带宽很低,只有几MHz,限制了基于LED光源的可见光通信的信息传输容量和速度。为构建高带宽LED,研究影响LED调制带宽的因素和机制。设计3组PN结面积分别为200μm×800μm,300μm×900μm和300μm×1200μm的LED芯片并倒装封装成LED器件,测试这3组器件的光电特性和调制带宽,并比较3组样品的电容曲线,分析调制带宽的主要影响因素之一——电容对LED器件的影响机制。实验结果表明PN结面积为200μm×800μm的LED器件具有最小电容,且具有最高的49.9 MHz的-3 dB调制带宽。由于封装、测试电路等引起寄生电容对LED器件调制带宽有重要影响,通过优化器件倒装结构、LED驱动电路等方法可以大幅度减少测试系统的寄生电容,提高LED器件的调制带宽。

多光谱真温快速反演方法

材料的未知发射率是辐射测温的一大障碍,它导致了无法依靠单组测量数据获得材料的真实温度,人们只能通过假定材料发射率模型来计算出材料的亮度温度等非真实温度。基于这样的背景,Gardner J等科学家们提出了多光谱测温法并不断完善其理论,如今多光谱测温广泛应用于高温和超高温测量、高温目标的热性能测量、真实温度动态测量等。2005年,孙晓刚提出了二次测量法,二次测量法属于多光谱真温反演算法的一种,其通过两组测量数据之间的迭代运算解决了反演真温与反演各波长下材料发射率的难题,并且通过构建大量发射率模型来确保各波长下反演出的发射率的精度,但是其在数学运算和软件运行中需要构建数量庞大的发射率模型库、通过匹配库中所有发射率模型来得到真温最优解,这不仅需要大量计算时间而且占用大量软件资源。提出了新的多光谱真温快速反演方法,理论推导出了的材料辐射能量当量与发射率之间的不等式方程组,在二次测量法算法中添加了对发射率模型库优化筛选步骤,这一措施能够筛选掉发射率模型库中不合理的模型以缩小发射率模型库的规模,从而节省大量计算时间和软件资源。首先进行了0.400~1.100波段的仿真实验,实验中分别对六种发射率模型进行了多光谱真温快速反演方法和二次测量法的反演结果对比,结果表明,对于同一个被测目标在相同的温度初值和相同的发射率搜索范围下,真温快速反演方法不仅保证了反演精度,而且相比于二次测量法减少了29%~64%的发射率模型数和26%~57%的计算时间。进行了0.574~0.914波段的实测对比实验,实验结果表明对于相同条件下,真温快速反演方法在保证精度的前提下,相比于二次测量法减少了42%~48%的发射率模型数和35%~49%的计算时间。实验证明真温快速反演方法可行,对于大规模多光谱真温测量和在线多光谱真温测量有重要价值。

基于二分迭代递推的多光谱辐射测温反演算法

多光谱辐射测温是高温测量的最有力工具之一,它通过光学瞄准系统对准待测点,经分光光路后获得多个光谱通道的辐射信息,利用光电探测器转化为电信号,通过对多个光谱辐射通道的电信号进行数据处理后同时获得待测目标的真实温度和光谱发射率。待测目标的温度反演结果受未知的发射率影响难以直接反演。为解决待测目标发射率模型难以确定的问题,基于参考温度模型,提出一种无需假设发射率模型的多光谱辐射测温数据处理方法。利用同一时刻获得的各个通道反演的温度值与平均值的差值趋近于“零”的约束条件,根据精度要求,设置合理的截止条件,设计合适的发射率迭代步长,可以使反演精度满足实际要求。在提高反演速度方面,提出“二分法”,即在上一次发射率获得温度与平均温度偏差结果引导下,利用“二分法”快速减小发射率搜索区间,直到满足截止条件,即每个光谱通道反演温度趋于相等,从而实现快速反演的目标。基于二分迭代法的多光谱辐射测温反演新算法在未知发射率先验知识的情况下,可实现多光谱辐射测温数据的真实温度反演。基于光纤光谱仪设计了一套多光谱辐射测温实验装置,利用成像透镜将目标聚焦于分化板上的十字叉丝处,叉丝处粘贴有一个45°反射棱镜,将辐射信息反射至光纤后进入光谱仪实现多光谱测温。对一生物质锅炉炉膛火焰通过观察窗进行温度测量并与热电偶测量结果进行比对,结果表明与热电偶测量结果(1000 K左右)相对误差小于4.4%。同时用普通计算机课实现毫秒级实时反演,表明该算法满足在线测量要求,算法进一步完善了多光谱辐射测温理论,为多光谱辐射测温技术在生物质火焰高温测量领域的应用提供了理论支撑。