基于经验模态分解的单端BOTDA系统降噪方法研究

针对单端布里渊光时域分析(BOTDA)系统存在噪声大、信噪比较低等不足,提出一种基于经验模态分解的降噪方法。理论分析经验模态分解的降噪原理和少模光纤单端布里渊光时域分析传感原理,通过搭建的单端结构布里渊光时域分析温度传感系统,对经验模态分解的降噪效果进行对比分析。实验和仿真结果表明,经验模态分解算法对温度传感系统具有良好的降噪效果,降噪后信噪比提升了约3.06dB,温度测量精度提升了约0.98℃。

基于NSGA-Ⅱ传感位置优化的曲面重构及误差补偿方法

通过优化光纤布拉格光栅形状传感技术中传感点位置和补偿重构结果来提高薄层合金板三维形状重构精度。通过ANSYS workbench建立合金板仿真模型,提取应变和位移模态振型,根据模态置信准则、转换矩阵稳定性和模态振型相似性分别设计了三个目标函数,采用快速和精英机制的多目标遗传算法优化传感器位置。将镍钛合金板弯曲成不同曲率半径的弧形,利用光纤布拉格光栅中心波长漂移量和线性插值算法计算得出不同形状下的结构应变,重构合金板形状,均方根误差和最大误差相较于单目标优化算法分别减小30%和15%。利用粒子群优化径向基函数神经网络算法拟合误差与位移的关系实现误差补偿,均方根误差和最大误差比无补偿时分别减小了90%和70%,最大相对百分比误差仅为5%,提高了三维形状重构算法精度。

基于基片集成波导加载开口环的介电测量传感器

基于微扰理论,提出了一种在基片集成波导(SIW)结构上加载椭圆形开口环的小型化介电常数测量传感器。在传感器表面刻蚀椭圆开口环,增加电流路径的同时,降低工作频率,实现器件的小型化。在中心区域挖有通孔,当放入具有不同介电常数的待测物体时,传感器的S参数会发生改变。通过仿真软件对传感器进行分析,介电常数实部从1至10变化,频率的相对偏移达到32.4%。测量结果表明:传感器对介电常数的测量误差小于3%,具有很好的测量效果。

基于纳米铂黑材料的超高辐射率MEMS红外光源研究

本文基于微机电系统(MEMS)设计和加工技术,研制了一种高辐射率、低功耗、高调制速率的MEMS红外(IR)光源,通过在工艺中引入高可靠的纳米铂黑(Pt-black)材料作为红外辐射层,在2~14μm光谱范围内成功实现了99.5%以上的平均辐射效率。在5V驱动电压下,该MEMS红外光源的辐射区温度达到407℃,响应时间(T90)为17ms,在10Hz和100Hz工作频率下的调制深度分别达到100%和42%。最后,把该MEMS红外光源芯片集成在一种微型二氧化碳(CO_(2))气体传感器样机中进行了实验验证,结果表明:该器件具备良好的辐射特性和温度特性。该MEMS红外光源可以用于常规的CO_(2)和甲烷(CH_(4))气体检测,以及二氧化硫(SO_(2))、硫化氢(H_(2)S)、六氟化硫(SF_(6))、氨气(NH_(3))等多种工业气体检测。

从单星观测到体系协同:风云卫星智慧协同观测体系的技术特征与发展展望

风云卫星是我国民用遥感卫星中应用范围最广泛、成效最为显著的卫星系列之一,在推动国民经济发展和加强装备自主建设等方面发挥了重要作用。面向气象高质量发展、防灾减灾、应对气候变化、生态文明建设和国家安全等多重挑战,风云卫星将坚持创新驱动发展战略,以体系化、智能化为主要发展方向,突破平台和载荷关键技术,构建智慧协同观测体系。本文探讨了风云卫星智慧协同观测体系在气象综合观测效能提升、体系化智能化网络赋能及全方位环境保障等方面的必要性,在分析国内外气象卫星发展历程的基础上,提出了新一代风云气象卫星构建智慧协同观测体系的建设思路和初步方案,并对体系构建中的关键技术进行了分析。最后,展望了风云卫星智慧协同观测体系的应用前景。

面向电力管廊外破监测的分布式光纤传感技术研究

电力管廊是城市里重要的基础设施,对其结构和状态进行监测及评估备受关注。本文针对电力管廊外力破坏监测的问题,提出一种基于衰减补偿的光时域差分曲线方差阈值定位振动事件的方案,并通过实验论证了其定位外破事件的准确性。该方案基于相敏型光时域反射系统架构,根据管廊外破事件引起的光纤振动导致光时域反射曲线在该事件位置处混乱度急剧增加的现象,对不同测量序列得到的光时域反射曲线作差,然后对光纤各位置对应的差值向量数据求方差,设定方差阈值定位外破事件。同时,考虑到光纤衰减导致方差阈值随距离增加而降低的问题,采用衰减补偿算法使光纤上任意散射位置对应相同的脉冲功率水平,从而修正光纤衰减对方差阈值的影响。实验搭建了分布式光纤振动传感系统,采用脉宽为30 ns、峰值功率为30 dBm的光脉冲,在约25 km的光纤范围,获得±3 m的定位精度。电力管廊外力破坏事件,具有低频、大扰动、持续长的特点,所提出系统方案通过曲线平均抑制瑞利散射衰落噪声,结合光纤衰减补偿校正散射信号幅值,从而将振动事件引起的光信号相位变化作为探测曲线波动的主导因素,以确保对外力破坏事件不漏报、不误报。

低功耗检测CO_(2)的MEMS红外光源结构设计与仿真

传统的二氧化碳传感器存在着体积大、功耗高等问题,近年来随着半导体技术和材料的发展,MEMS技术逐渐成为传感器的研究重点。研究并设计了一种适用于二氧化碳传感器的微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)红外光源芯片结构,采用硅(Si)作为基底,氧化硅(SiO_(2))-氮化硅(Si_(3)N_(4))-氧化硅(SiO_(2))作为红外光源的支撑层材料,辐射区的加热电阻采用延展性良好的铂(Pt),以铝(Al)为电极。光源的支撑层采用四轴大圆角悬空结构,极大减少了辐射区热量向衬底的热传导且稳定性较好,通过有限元仿真分析,该光源具有低功耗和结构稳固的特点。

上消化道肿瘤光动力治疗中光敏剂的应用综述

国家癌症中心统计数据显示,2022年我国上消化道肿瘤死亡病例近50万,严重威胁人民群众的健康安全。光动力治疗上消化道肿瘤是通过内镜及传导光纤将治疗激光束引入体内对病灶进行靶向治疗,已成为近年来临床治疗肿瘤的效果最佳、副作用最少的医学方式。影响光动力治疗效果的关键因素之一是光敏剂的类型和剂量。通过研究光敏剂发展情况、在上消化道肿瘤治疗中的应用现状以及治疗效果等,对比国内外研究进展,分析了光动力治疗中对光敏剂的特性要求以及未来的研究方向。

基于嵌入式计算机的激光防御低慢小目标识别

针对现有激光防御低慢小目标识别准确率差的问题,提出基于嵌入式计算机的激光防御低慢小目标识别方法。本次研究先对激光雷达目标探测、识别原理进行分析,完成基于嵌入式计算机的激光防御系统架构设计,然后通过目标局部特征提取方法及目标识别检测方法完成激光防御低慢小目标的识别设计,最后开展仿真实验证明所提方法应用效果。实验结果表明,应用所提方法开展低小慢目标的识别准确率较高,均高于91.5%,而且其特征提取平均时间小于11.3 ms,均优于对比方法。

光源近场空间分布多路测试系统的设计

在LED光学设计中,多将LED看作各向同性的点光源,并不能精确地描述光源的空间光分布情况。LED光学设计的关键点是快速精确地获取光源近场信息,包括LED光源的近场信息。文章设计了一种光源近场空间分布特性的多路测试系统,该套系统采用CCD光谱仪与十六路光复用器,同时基于PC和Delphi开发测试软件能够方便快速地进行LED光源的二维近场空间分布特性的测试。通过精心设计的旋转机制,能够使十六路光纤进行旋转,从而高效地获取LED光源的三维光照强度空间分布立体图;能够将光谱仪采集到的光谱进行相关处理,得到众多光色参数,如辐照度、光照度、色坐标、色温、显色指数、峰值波长、主波长以及光通量等。与德国IS公司原配的光照强度分布测试系统相比测量误差整体保持在7%之内。研究表明,该套系统具有测试速度快、测量精度高、可靠性强等特点,能多方位得到光源近场空间分布。

基于TFBG边缘滤波的FBG温度传感器

为了提高系统的温度灵敏度,设计了一种基于倾斜光纤光栅(TFBG)边缘滤波的光纤布喇格光栅(FBG)温度传感器。该系统在常规的TFBG边缘滤波解调系统上引入一个光纤环形镜,将从TFBG透射的光信号反射回来,使其能再次通过TFBG,以增加TFBG透射谱的深度,并对传感光栅进行封装。实验结果表明:封装前和封装后的传感光栅在所测量的温度区间内中心波长的漂移量分别为0.55 nm和7 nm,封装后的漂移量扩大了十多倍;同时,由于TFBG边缘滤波解调传递函数的斜率得到提高,传感器波长解调后的温度灵敏度也得到了改善,是未级联光纤环形镜传感器的1.6~2.4倍。

基于U型光纤中瑞利散射光谱探测的分布式折射率传感技术研究(特邀)

折射率是材料的重要参数,对于折射率的检测和测量,已广泛应用在化学分析、环境保护和医疗卫生等诸多领域。其中,弯曲(U型)光纤是实现折射率传感的最简单结构,利用光纤的U型弯曲损耗可以受到弯曲光纤外部环境影响的基本原理,结合普通单模光纤高柔韧性不易折断等优点,提出了一种基于U型光纤中瑞利散射光谱探测的高灵敏度、结构简单和价格低廉的分布式折射率传感方案。当弯曲直径为0.7 cm时,在1.333 0~1.377 3的折射率测量范围内,其灵敏度达到42.57 nm/RIU的最佳值,并呈现良好的线性传感响应,使得医用等一次性廉价折射率传感探头的使用和普及成为可能。

基于少模光纤的单端BOTDA温度传感研究

提出了一种基于少模光纤的分布式温度传感系统,理论分析了少模光纤的布里渊散射谱和温度传感特性,将光纤末端产生的菲涅尔反射光作为探测光,搭建单端结构的布里渊光时域分析(BOTDA)系统,实现阶跃折射率两模光纤的温度传感测量。实验结果表明,阶跃两模光纤的布里渊频移与温度呈良好的线性关系,并在1 km长光纤上实现了4.5 m的空间分辨率、6.29℃的温度测量精度。

基于应变模态振型和误差补偿的形状重构方法

形状传感技术是近年来传感领域备受关注的新研究方向,具有广阔的应用前景。文章提出了一种基于应变模态振型和误差补偿的形状重构方法,通过测量物体部分位置点的应变数据,采用模态理论实现应变-位移转换,进而重构物体形状。以长宽高分别为1 000,1 000和0.5 mm的钛合金板作为研究对象,通过ANSYS workbench18有限元仿真软件获取位移模态振型及应变模态振型,依据有限元仿真中位置点模态的相似性,采用K-means++聚类算法对应变测量点位置进行优化,在合金板上表面施加400 N的力使其产生形变。该算法的形状重构误差小于常规的均匀分布算法。采用径向基函数神经网络对误差和重构位移数据集进行了训练,依据拟合重构误差和重构位移的关系,补偿误差后重构误差不大于3.5%。

中波2.79μm Er,Cr:YSGG激光器的泵浦模式研究综述

中波2.79μm波段的激光在生物医学、非线性光学以及军事等领域有着广泛的实用前景和发展空间。目前用于获得中波2.79μm波段激光的增益介质主要为Er:YSGG或Er,Cr:YSGG等激光晶体,由于基质YSGG热导率低,致使激光器在运行时产生的热效应比较严重,因此,开展其泵浦技术研究有重要的实际意义。针对Er,Cr:YSGG晶体的泵浦技术开展了详细的分析和讨论,并结合近年来新出现的泵浦模式,对下一步的技术发展进行了分析和展望。

差分电容式MEMS加速度计的结构设计及仿真

为了扩大加速度计的测量范围、提高其灵敏度并且控制成本,提出一种差分电容式MEMS加速度计,并介绍了其敏感机理,即输入加速度时硅质量块产生相应位移,与钯银电极形成差分电容。通过建立输入加速度、电容差及输出电压三者之间的关系,即可检测z轴加速度。使用有限元分析,设置加速度为±100g范围内,对该加速度计支撑梁厚度变化时其应力、位移变化情况进行计算和分析。结果表明,差分电容式MEMS加速度计具有加速度计效应,加速度在±100g范围内线性度良好。加速度计在梁厚为0.058 mm时,输入加速度和位移的最佳比例系数为10-7m/g,其机械灵敏度、位移灵敏度和电容灵敏度较梁厚为0.075 mm时分别提高了10%、38%和37.9%。该研究为后续结构改进、性能优化奠定了理论基础。

基于水光动能的织物激光清洗技术研究综述

激光清洗技术在医学外科清创、微电子工业清洗、文物艺术品清洗保护、模具清洗以及超精密光学清洗等领域的应用都取得了很好的效果,应用范围广泛。激光清洗织物是利用水对特定波长激光的高吸收特性,形成水光动能来破坏污染物和织物之间的作用力,从而达到清洗目的。概述了激光清洗技术的发展现状,分析并展望了激光清洗技术的发展趋势。

采用CMOS传感器的宽照度静态图像采集方法

介绍一种基于CMOS有源像素传感器为感光元件的宽照度范围的静态图像采集方法.采用非线性曝光二值化图像叠加技术,达到有效降低图像的饱和溢出和改善图像暗场空缺的目的;利用CMOS图像传感器输出像元信号电压与曝光时间的线性响应关系,给出一种非线性曝光时间计算方法,使像元输出电压随光照度变化在一定范围内满足对数响应关系.实验分别采用白色背景下的黑色条带图像采样、室内灯光场景的景物图像采样和室外强光直射场景的仿车牌信息图像采样.结果表明,该方法获得的图像偏差率仅为传统CMOS相机探测的图像偏差率的1/7,实现了光照度在60 dB内变化图像信息的清晰识别,可应用于宽照度下车辆牌照等静态图像采集.

基于传感器阵列结合GA-BP算法对VOC的识别研究

为提高空气中挥发性有机物(VOC)检测可靠性,提出了一种基于气敏传感器阵列结合遗传算法(GA)优化反向传播(BP)神经网络算法的VOC检测模型。选用多个气体传感器组建阵列对VOC混合气体样本进行响应测试,使用主成分分析(PCA)对响应数据进行数据降维及初步分类探索,使用构建的GA-BP神经网络算法模型在PCA探索性分析的基础上进行定性及定量识别,并与BP神经网络识别结果进行对比。结果表明:遗传算法优化后的BP神经网络多元分类和回归模型性能优良且稳定,气体分类识别准确率达96%,浓度回归预测均方根误差为1.8×10-2,平均相对误差为5.2%,平均训练耗时分别降至1.5 s和1.12 s,效果显著优于BP神经网络算法模型。这些研究结果进一步拓展了GA-BP算法结合气敏传感器在挥发性有机物检测识别中的应用前景。

基于表面微结构与深沟道隔离协同的近红外响应增强CMOS图像传感器设计

阐述普通单晶硅在近红外区域消光系数偏低,需要设计不同表面微纳结构提升光程,以增加对近红外光的吸收,提高信噪比。然而,表面微纳结构将恶化传感器的暗电流和光学串扰,降低清晰度和分辨率。因此,在设计端需要将微纳结构与深沟道隔离协同处理,已达到提升红外吸收与降低光学串扰,同时平衡外延硅层结构破坏带来的噪声。探讨光学仿真和实验倒金字塔型与几何沟槽型表面微结构的红外增强水平,对比测试了其光学性能、暗电流与白点水平,得到电学与光学性能的平衡设计方案。