高能激光光束质量β因子测量方法

高能激光光束质量β因子测量装置主要用于强激光系统状态调试和综合性能参数诊断,用于评价激光系统出光性能以及远场光斑可聚焦的能力。针对接近衍射极限光束质量β因子测量过程中被测光斑在面阵相机上所占的像素点太少等缺陷,研究了采用聚焦显微放大与高精度扫描狭缝相结合的光束质量β因子测量方法,并对相关方案进行了分析计算。此外还设计了采用固定像差元件及平行光管光源组合的激光光束质量β因子测量结果验证方案,对研制的高能激光光束质量β因子测量装置进行了不确定度分析,测量不确定度优于10%。

多路激光集束的焦斑测试技术

为了实现多路激光集束焦斑测量,给出其时间和空间分辨的特性,搭建了基于成像系统、光电管结合示波器、条纹相机和科学CCD等主要部件组成的焦斑光学测试平台。实验之前,对科学CCD的灵敏度和动态范围及条纹相机增益系数、狭缝宽度、扫描时间等性能参数进行离线测试标定。采用CCD测试多路激光时间积分的集束焦斑空间分布;采用光电管结合示波器及条纹相机对多路激光到达靶点的时间同步进行测试;开展高质量集束焦斑的时间分辨特性测试,获得了光谱色散匀滑光束焦斑精细的时空演化图像。多路激光集束焦斑形态及多路光束时间同步测试为提升高功率激光装置焦斑测试技术和方法提供了支撑。

圆结构光系统深孔圆度测量方法研究

圆结构光系统测量深孔(通孔)圆度时存在激光器、相机和深孔难以保持平行或同轴的问题,导致无法测量准确的圆截面,从而产生系统误差。搭建了基于圆结构光的测量系统,分析了系统误差的产生机理并提出了一种基于圆结构光系统测量圆度的方法,可对系统误差进行一定补偿:首先,获取待测深孔的内表面高分辨率三维点云,拟合点云轴线,通过刚体变换将三维点云变换到深孔轴线与相机光轴平行的位置;然后,选定一个测量截面,搜索该截面上的点和与该截面范围较近的点作为圆度评定点;最后,采用网格搜索算法完成圆度评定。测量实验的结果表明,该方法对于圆度误差的补偿效果良好,其中测量不确定度为4.78μm。

基于双斜坡法的光纤应变快速测量方法

为了提高基于布里渊散射的光纤应变测量的实时性,将仅根据两个工作点布里渊增益计算布里渊频移的双斜坡法用于光纤应变测量。介绍双斜坡法的基本原理,基于仿真布里渊谱研究左右两侧工作点选择对布里渊频移计算准确性的影响规律,确定最佳的工作点。基于确定的最佳工作点和不同信噪比的布里渊谱,研究信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)对双斜坡法和最小二乘拟合法准确性的影响规律。结果表明:双斜坡法的两个工作点围绕光纤沿线布里渊频移的均值对称时误差最小;随两个工作点频率之差的增加布里渊频移误差先减小后增大。相似准确性下双斜坡法的布里渊谱测量时间仅为最小二乘拟合法的约1/30,布里渊频移的计算时间仅约为后者的1/480。

直角三棱镜补充视角的密封圈缺陷检测研究

为解决三维激光检测中被测物体底面点云无法被高效获取的问题,本文提出了基于直角三棱镜折射原理的补充视角三维点云扫描获取方法。该方法使用直角三棱镜将底面图像折射到侧面,弥补了三维检测的底面检测视角缺失的问题,补充了底面检测视角。本文以密封圈作为缺陷检测对象,采用结构光三维相机采集三维点云。与直接扫描法相比,本方法可以一次性实时、快速地寻找出密封圈完整的表面缺陷,尤其使底面缺陷检测变得更容易,且无需设置特殊的夹取装置或复杂的机械臂等机械结构,仅需增加一块直角三棱镜。实验证实,直角三棱镜补充视角的点云扫描方法能够达到成像要求,对常见的密封圈断裂缺陷与塌陷缺陷均可很好的检出,检测准确率可达到100,满足密封密封圈缺陷检测的需求。

高速精确的光纤光栅信号解调方案设计

为提升光纤光栅的应用效果,为此,设计高速精确的光纤光栅信号解调方案。依据LPFG的光纤光栅信号解调原理,设计两个LPFG双边缘滤波器处理两路反射光,并且利用光电探测器探测光功率结果,以此解调光栅的中心波长;采用光纤干涉仪检测解调频率,对其进行正反扫描,依据光传播时延引起的解调误差和解调频率扫描方向之间的关联,完成解调结果补偿。测试结果显示:该方案具有较好可行性,光谱发生不同程度重叠时,光纤光栅信号的解调结果标准差均小于1.85 pm;光栅波长的解调误差均在-5~5 pm之间;有效降低解调误差,提升光纤光栅解调精度,可靠获取信号中的信息。

基于双端Mach-Zehnder的电缆舞动监测系统设计

针对传统电缆舞动检测器在面对电磁干扰和持续供电时灵敏度低、信噪比差、安装复杂和需额外供电等问题,提出一种新型双端Mach-Zehnder(M-Z)电缆扰动监测系统.该系统采用双端光纤M-Z光路结构,可实现长距离、大尺度、多维度的在线监测和结构安全预警,从而实时定位舞动位置.该系统的检波器力学单元采用硅胶弹性体和黄铜质量块推挽式结构,经ANSYS软件进行参数化建模和有限元分析后,得出其固有频率为106.77 Hz,与实验所测数据的相对误差仅为1.65%.实验结果表明,该检测器在0~140 Hz内的相对灵敏度为41.25~66.78 dB (rad/Pa),对舞动信号具有较高灵敏度的检测能力.

基于PSO-SVM的Φ-OTDR系统模式识别研究

针对相位敏感光时域反射仪(phase sensitive optical time domain reflectometer,Φ-OTDR)系统中误报率高的问题,提出一种多域特征提取与粒子群算法优化支持向量机(particle swarm optimization-support vector machine,PSO-SVM)相结合的模式识别算法。首先,对原始信号进行差分处理后提取时域特征,并利用小波包分解方法,通过验证不同分解层数下的事件分类准确率,设定最优分解层数为6层,提取差分信号的能量特征。然后以SVM分类器为基础,利用PSO算法优化SVM分类器参数,提高光纤振动信号识别准确率。最后利用Φ-OTDR事件数据集进行验证,实验结果表明,该模式识别算法达到了95.6%的振动事件分类准确率。

低温共烧陶瓷激光测厚系统设计与误差分析

基于提升低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic,LTCC)厚度的检测精度、测量效率和可溯源性的需求,设计一套LTCC激光测厚系统。针对测量精度难以满足需求的问题,对存在误差进行分析,采用厚度测量用调整夹具消除同轴度误差和线性度误差,优化设计结构降低倾角误差,循环传感器标定消除重复度误差,通过数据优化和滤波处理降低机械振动误差,提高了系统测量精度。与实际产品厚度数据对比,最终精度误差≤5μm,符合产品的应用要求,具有广阔的应用市场。

基于改进随机森林的高光谱激光雷达信号分选研究

高光谱激光雷达数据在频谱维度上具有很高的维度,包含大量的波段或频带,易出现忽视频谱带中有用信息的情况,进而导致高光谱激光雷达信号分选效果较差。为此,提出基于改进随机森林的高光谱激光雷达信号分选研究。首先,采用变分模态分解算法对高光谱激光雷达含噪信号展开去噪处理;然后,采用长短期记忆神经网络算法对去噪后的高光谱激光雷达信号展开特征提取,并利用自编码神经网络对提取的特征展开重构处理,以获取重构后的雷达信号特征;最后,采用随机森林算法根据高光谱激光雷达信号特征完成信号分选。实验结果表明,所提方法的SNR为30.648 dB,RMSE为0.1498,预测分选类别与实际分选类别几乎一致,分析时间始终未超过5 s,表明所提方法的分选性能较好,具有实用性。

复杂光线环境下星载激光光斑图像特征参数提取

星载激光光斑图像易受采集时复杂光线背景的影响,导致激光光斑特征参数提取精度不佳,由此提出复杂光线环境下星载激光光斑图像特征参数提取方法。首先,基于光照校正的Retinex图像增强算法光照补偿及增强星载激光光斑图像,以消除复杂光线环境的影响;其次,基于二次阈值分割与形态学消噪结合方法提取光斑边界;最后,使用一阶灰度重心法与椭圆拟合结合方法完成激光光斑图像特征参数提取。仿真结果表明,所提方法的星载激光光斑图像特征参数提取精度保持在95%以上,具有较好的提取性能。

便携式双向反射分布函数测量系统研究

双向反射分布函数(BRDF)是对材料表面的散射和反射特性进行描述,鉴于目前BRDF测量系统具有结构复杂、不易拆卸、光路调试困难等特点,设计了一套便携式双向反射分布函数测量系统。该测量系统主要是由光源系统、探测系统以及转角装置3个部分组成,其中对转角装置和探测部分在机械结构上进行了优化。为了验证所设计的测量系统的综合性能,利用该测量系统对典型涂层材料表面进行实验测量,分析了入射角度对物体表面反射特性的影响。实验结果表明典型涂层材料石英、氧化铝及氧化锆的表面粗糙度越大,其镜反射所占比例越小,在0°~60°的入射角之间,随着入射角度的增加,表面BRDF值也不断增加。再利用改进的Torrance-Sparrow模型所预测得测量数据与实验数据进行拟合分析,拟合结果表明测量的实验数据与理论模型预测数据拟合程度较好,最小拟合度大于96%。

一种利用旋转台运动的点云多视拼接方法

点云多视拼接在制造业领域中自动化测量方面具有重要作用。目前,点云多视拼接的技术在拼接效率和拼接精度上存在不足。提出一种新的利用旋转台运动的点云多视拼接方法。使用特征简单的圆环形校准件,校准过程更加灵活,适用性更强。在ICP配准算法运行前进行点云摆正与旋转变换,提高了算法的运行效率与精度。首先利用对旋转台旋转角度的精确控制,采集校准件全部视角的点云数据,进行分析与处理后,实现旋转台在点云空间坐标系里的位置校准。之后利用旋转台运动完成点云多视拼接,使用ICP配准算法进一步提高拼接精度。试验表明,该方法拼接时间短,效果好。

基于光纤传感技术的手臂弯曲角度检测系统教学仿真设计

随着光纤技术与传感器技术的快速发展,光纤传感具备高灵敏度、强抗干扰能力、体积小、重量轻、低成本等特点,在测量受伤患者手臂弯曲角度时具有独特优势。同时,光纤传感技术也能够很好地应用在动态角度测量中,有助于解决在医疗康复中角度测量设备体积大、测量精度差、成本高等问题。本文基于光纤传感技术设计了手臂弯曲角度检测教学仿真系统,使用TracePro光学仿真软件建立光纤弯曲模型,采用光纤弯曲代替手臂弯曲,对光纤在不同弯曲角度下光强度变化规律进行仿真,得到总光通量随光纤弯曲角度的变化关系。

基于工业相机的枪弹测速系统

针对法庭科学领域小口径枪弹瞬时速度测量需要,设计了一种基于工业相机的枪弹测速系统,结合了高速摄影测速和光幕靶测速的优点,采用标准工业相机代替高速摄影机,通过前级激光光幕探测子弹,触发后级工业相机测量系统,使用高亮度频闪光源进行补光照明,记录弹丸瞬间拖影,获取空间图像信息,配套软件实现数据采集、运动颗粒识别、速度计算等功能。系统可测弹丸直径2~8 mm,速度范围在20~1 000 m/s之间,测速间距5 mm以内。实际应用表明,系统测量值更接近瞬时速度,小口径弹丸检测率优于目前使用的测速系统,且一体化便携设计,操作简单,在法庭科学领域具有较大的应用价值。

基于双色PLIF的推进剂燃烧场定量测温方法

在燃烧学研究领域中,平面激光诱导荧光(PLIF)可以有效鉴别组分类型,获取火焰中微量组分的二维平面成像以及通过分子振动能级的分布测量温度。本文基于双色PLIF技术搭建PLIF测温实验系统,以推进剂燃烧作为研究对象,采用—OH基中的Q_(2)(11)与P_(1)(7)2条谱线开展双色PLIF技术测温实验,结合采集到的—OH基荧光图像,获取推进剂火焰二维温度场分布。通过火焰二维温度场分布情况与热电偶的测温结果进行对比及误差分析。对比结果表明:双色PLIF测温技术的测温误差为12.2 K,不确定度小于5%。该方法具有非接触、高灵敏度等特性,适用于稳态燃烧场温度测量。

基于TDLAS技术的甲烷气体泄漏成像检测

传统的甲烷气体泄漏检测方法主要以单点测量和红外热成像为主。前者由于测量点密度小且气体易于流动,很难确定泄漏点;后者根据气体云团与周围环境温度差异检测成像,温差较小时,成像对比度低、分辨力弱。根据以上局限性,提出一种甲烷气体泄漏成像检测技术。该技术结合TDLAS(Tunable diode laser absorption spectroscopy)遥测技术与激光主动成像方法对气体泄漏区域进行主动探测,然后采用SSIM(Structural Similarity)与混合高斯背景建模法相结合的算法对气体泄漏区域进行提取,实现对甲烷气体泄漏气团的成像检测。实验中对甲烷气体在不同泄漏流量、不同视频记录长度、不同环境下进行了检测。实验表明,该技术可实现对甲烷气体泄漏的主动成像检测,并且成像清晰、检测率高、实时性好、可准确呈现气体泄漏点。

大孔柚子型微结构光纤探针的表面增强拉曼散射性能研究

随着光纤制备工艺以及纳米材料制备技术的发展,光纤探针已成为一种新型的表面增强拉曼散射(SERS)基底,通过在普通单模光纤或多模光纤上制备不同的结构并修饰相应的纳米材料,可以得到多种类型的光纤表面增强拉曼散射探针,并实现较好的检测效果。但受限于光纤本身的结构,普通光纤仅能利用端面或侧表面提供拉曼检测的“热点”区域,限制了其SERS性能的进一步提高。因此制备了大孔柚子型微结构光纤(MSF)表面增强拉曼散射(SERS)探针,其中大孔柚子型MSF SERS探针结构通过一段阶跃多模光纤与柚子型微结构光纤熔接制得。实验分别对自制的纳米银溶胶基底以及大孔柚子型MSF SERS探针的SERS性能进行检测。采用溶胶自组装法制备负载银纳米颗粒的MSF SERS探针,通过控制自组装时间制备不同光纤SERS探针(Ag/MSF-x,其中x为自组装时间,分别为15、30、45、60 min)。采用溶液检测方法,利用Ag/MSF-x探针对10^(-3) mol·L^(-1)的亚甲基蓝(MB)探针分子进行检测,通过比较相同条件下的增强效果筛选得到Ag/MSF-45探针。为进一步检测Ag/MSF-45探针的SERS性能,制备不同浓度的MB溶液,分别利用纳米银溶胶基底和Ag/MSF-45探针对其进行检测。实验结果表明,纳米银溶胶基底对MB的检测限(LOD)为10^(-6) mol·L^(-1),Ag/MSF-45探针对MB的检测限(LOD)为10^(-7) mol·L^(-1);拉曼信号的再现性结果表明纳米银溶胶基底以及Ag/MSF-45探针在各个特征峰处的RSD值均在合理范围内;在1619 cm^(-1)拉曼位移处对纳米银溶胶基底以及Ag/MSF-45探针检测MB的拉曼强度和浓度进行对数转换拟合,纳米银溶胶基底的拟合优度R2达0.91628,Ag/MSF-45探针的拟合优度R2达0.98848;纳米银溶胶基底和Ag/MSF-45探针的再现性结果表明,其在各个特征峰处的RSD值均处于合理范围,但Ag/MSF-45探针的各特征峰RSD值均小于纳米银溶胶基底,最大为13.89%;利用10^(-6) mol·L^(-1)的MB对Ag/MSF-45探针的增强因子(AEF)进行计算,Ag/MSF-45探针的AEF达到6.09×10^(6),表现出良好的增强效果。因此,基于大孔柚子型MSF SERS探针凭借独特的空气孔结构使其具有较高的灵敏度以及良好的再现性,且其SERS性能均优于纳米银溶胶基底,在农业、化学分析、生物检测等领域及大分子物质检测等方面应用前景广泛。

光电薄膜的检测与表征研究进展:角度、空间、时间分辨技术

高效、准确、全面地衡量光电薄膜,可以深入了解其结构特性、电学与光学特性等方面的信息,在器件的设计和性能优化方面发挥着关键作用。同时,光电薄膜的检测与表征也为光电薄膜材料的研究和开发提供了重要的理论基础和指导,推动了光电器件领域的技术进步和应用拓展,具有重要的学术意义和应用价值。近些年,涌现出多种新型检测与表征技术,然而相关综述文献较少,难以直观地了解各种最新表征方法的原理及其在器件性能优化中的具体应用。文章围绕角度分辨、空间分辨、时间分辨三个表征维度,综述了目前光电薄膜检测与表征技术的基本原理和特点,并介绍了相关技术在光电薄膜的发光特性、可视化空间异质性、载流子动力学等方面的应用进展。最后,讨论并展望了光电薄膜检测与表征技术的未来发展趋势。

2.7~3.0μm波段高反镜反射率测量研究

中红外激光领域广泛使用高性能高反射光学元件,高反射率高精度测试技术是制备高性能反射光学元件的基础。针对2.7~3.0μm波段光学元件高反射率测量的实际需求,基于量子级联激光器建立了连续光腔衰荡反射率测试实验装置,通过优选2.7~3.0μm波段反射带内水汽吸收较弱的测试波长,分析空气中水汽吸收对衰荡时间和反射率测量的影响,并比较空气和氮气环境下反射率测量结果,实现了2.7~3.0μm波段高反镜反射率的准确测量,在反射率约99.95%时绝对测量精度优于2×10-5。实验结果显示,采用测试波长2.9μm并在测量时保证初始腔和测试腔腔长相同,无需使用氮气环境,直接在实验室空气环境可实现高反射率的精确测量。