光声光谱技术应用于痕量气体浓度测量的研究进展

光声光谱技术作为实现痕量气体浓度高效率、高精度测量的重要气体传感技术,因其响应速度快、灵敏度高、选择性好等优点被广泛应用到大气环境检测、电力系统故障诊断、医疗健康诊断等领域当中。首先介绍了光声光谱技术痕量气体浓度测量的基本原理,对应用光声效应实现痕量气体浓度测量的机理进行了简要的描述,同时,介绍了基于光声光谱技术的典型痕量气体浓度测量装置的结构。其次,从光声信号强度的理论分析出发,引出国内外学者在光声光谱痕量气体浓度测量领域的研究热点,为了实现基于光声光谱技术的痕量气体浓度测量装置更强的抗干扰能力、更紧凑的结构、更低的检测下限、更高的检测灵敏度,国内外学者的研究重点可以总结为以下三点:(1)辐射光源的选取和设计,以实现更佳辐射光源的输出波长、更宽的调谐范围、更高的辐射光源输出功率。(2)更优秀的光声池设计,以实现更高效的声能量积聚、更紧凑的结构和更强的抗干扰能力。(3)声敏探测器的设计,以实现更高的声音灵敏度、更高的信噪比。详细介绍了基于光声光谱痕量气体浓度测量装置的三个核心元件:辐射光源,主要介绍了相干光源和非相干光源的应用研究进展;光声池,主要介绍了光声池的设计原则以及非共振式和共振式光声池的应用研究进展;微音器,主要介绍了电容式微音器、压电式微音器的应用研究进展,并对近期研究热点石英增强光声光谱技术进行简要的介绍。在介绍目前辐射光源、光声池、微音器应用研究进展的同时,分析了各元件的优势和需要解决的问题。最后,总结了光声光谱技术应用于痕量气体浓度测量领域装置存在的信噪比不高、结构复杂、检测灵敏度和检测下限易受混合气体之间的交叉干扰等问题,并且对未来测量装置中的三个核心元件:辐射光源、光声池、微音器的发展趋势进行了展望。

三级反射式智能聚光塔仿真实验教学设计与改革

设计了一种新型塔式聚光器,分析了北斗定位追光算法对光能的利用率,运用模糊逻辑的PID控制算法,验证系统的鲁棒性,实现仿真实验教学研究与设计。对聚光镜场模型进行改进,得到三级反射光线分布规律。使用Tracepro软件进行光路仿真,根据计算和仿真得到的阈值,搭配两自由度舵机,建立三级反射式镜场。并通过引导学生改进实验算法和设计多级镜场来提高系统追光的准确性以及聚光的效率等。知识仿真实验设计涉及机械、光学、电路以及控制等学科知识,功能扩展性好,实用性高。知识探索光电控制系统设计的仿真实验教学改革路径。

基于HOE的全息显示双目视差构建方法

全息光学元件(Holographic Optical Element,HOE)是全息三维显示的重要器件之一。为了解决HOE用于双目全息显示时视差不匹配的问题,本文提出并实现了一种基于HOE的全息显示双目视差构建方法,同时对元件成像时的像差进行了分析校正。通过对HOE的制作原理和成像规律分析,结合光线跟踪技术渲染的虚拟模型和现实场景模型,设计了基于HOE的全息双目显示系统,提出了双目视差构建方法,即在获取人眼坐标位置时为观察者实时提供包含双目视差关系的视点图像。通过进一步分析全息显示系统内部的图像畸变产生原因及过程,提出了去畸变的优化处理算法。实验结果表明,提出的方法不仅能够实现HOE实时显示全息三维图像,而且解决了HOE在全息双目显示中视差不匹配以及成像畸变的问题。

交通事故中道路交通信号灯状态鉴定探讨

道路交通信号灯状态鉴定是交通事故痕迹物证鉴定中交通事故痕迹物证综合鉴定的一个事项。交通事故中在事故路口车与车、车与人发生的事故,不仅会涉及车的行驶速度,也涉及车、人通过事故路口基准位置时双方对应道路交通信号灯状态,是交通事故责任认定的重要依据。本文根据道路交通信号灯状态的4种不同鉴定条件,提出相应的鉴定方法,并结合鉴定案例对鉴定中一些鉴定内容和方法进行探究。

基于射线追踪法的矿井可见光通信信道特性分析

提出了一种新颖的基于射线追踪法的矿井可见光通信信道特性分析方法。首先,结合煤矿工作面可见光应用场景和煤矿工作面特点,基于射线追踪法建立可见光通信信道模型;其次,通过米尔散射理论对煤尘粒子对可见光的散射特征进行分析,计算得出消光系数、散射系数和吸收系数与煤尘粒子大小的关系;最后,针对不同煤尘粒子浓度的吸光度和粒子半径之间的关系进行仿真,分析煤尘粒子浓度对吸光度的影响。实验结果表明,矿井可见光通信信道特性受煤尘粒子半径和浓度影响较大,当煤尘粒子半径小于1μm时,对光的散射和吸收极为敏感,随着煤尘粒子半径的增大,消光系数趋于稳定。此外,相同煤尘粒子半径下,煤尘粒子浓度越高,吸光度越大,散射越明显。

Light scattering by a spherical particle with multiple densely packed inclusions

This paper calculates light scattering by a spherical water particle containing densely packed inclusions at a visible wavelength 0.55 μm by a combination of ray-tracing and Monte Carlo techniques. While the individual reflection and refraction events at the outer boundary of a sphere particle are considered by a ray-tracing program, the Monte Carlo routine simulates internal scattering processes. The main advantage of this method is that the shape of the particle can be arbitrary, and multiple scattering can be considered in the internal scattering processes. A dense-medium light-scattering theory based on the introduction of the static structure factor is used to calculate the phase function and asymmetry parameters for densely packed inclusions. Numerical results of the single scattering characteristics for a sphere containing multiple densely packed inclusions are given.

基于多波段光源的智能痕迹分色方法

针对常规分色摄影技术难以获得清晰可辨的图像信息和丰富的纹理特征,设计了一种基于多波段光源的痕迹分色摄影智能系统。通过STM32、LED、加色效应、互补色原理设计多波段光源模块,解决不同痕迹背景对应单色光的选择问题;通过混合式步进电机、DEV8825电机驱动模块和STM32,设计可上下、左右移动的光源模块,解决最佳配光位置的寻找问题;通过改进的FS-SIFT配准算法和引入二代Curvelet融合算法,设计两者相结合的图像处理系统,解决了常规摄影中痕迹提取与图像处理未同步的问题。实验结果表明,该系统摄影的痕迹图像,其背景与痕迹间的亮度反差更大,质量更好;经改进的FS-SIFT算法配准及二代Curvelet算法融合处理后,图像标准差平均提升1.25倍,信息熵平均提升1.70倍,平均梯度平均提升1.46倍,所得图像平均信息量和纹理特征更丰富。

基于线索KD-Tree的射线追踪并行计算

针对射线追踪过程中,由于射线数目巨大、部分目标场景复杂,造成计算效率低下的问题,采用线索KD-Tree (K-dimensional tree)空间加速算法,将目标场景进行有序组织,通过对线索KD-Tree进行无堆栈遍历,加快射线与目标场景求交的计算速度。为解决传统方法中,串行计算射线与目标求交过程中造成待遍历射线多的问题,采用图形处理器(graphics processing unit, GPU)在统一计算设备架构(compute unified device architecture, CUDA)平台下并行处理所有射线,加快计算速度。实例仿真计算结果表明,基于线索KD-Tree的射线追踪并行计算相比于串行计算,计算效率提高,获得了很好的加速效果。

Measurements of NO_2 mixing ratios with topographic target light scattering-differential optical absorption spectroscopy system and comparisons to point monitoring technique

A topographic target light scattering-differential optical absorption spectroscopy （＇IbTaL-DOA~） system is de- veloped for measuring average concentrations along a known optical path and studying surface-near distributions of atmospheric trace gases. The telescope of the ToTaL-DOAS system points to targets which are located at known dis- tances from the measurement device and illuminated by sunlight. Average concentrations with high spatial resolution can be retrieved by receiving sunlight reflected from the targets, A filed measurement of NO2 concentration is performed with the ToTaL-DOAS system in Shijiazhuang in the autumn of 2011. The measurement data are compared with con- centrations measured by the point monitoring technique at the same site. The results show that the ToTaL-DOAS system is sensitive to the variation of NO2 concentrations along the optical path.

日冕仪系统中三种杂散光的判定与实验研究

针对日冕仪中对杂散光的抑制要求,分析了日冕仪系统中的三种杂散光,包括日冕仪物镜二次反射产生的鬼像点、日冕仪物镜散射点、以及日冕仪孔径光阑衍射光。利用光学建模软件对日冕仪系统进行仿真和分析,发现这三种杂散光的成像位置十分接近且不易区分,并会对系统的检测过程和检测结果产生干扰。根据仿真结果,给出了这三种杂散光的判定与抑制方法,并利用一台视场为±1.08 R⊙~±2.5 R⊙(R⊙表示太阳半径),工作波段为530.3~637.4 nm,通光口径为220 mm,系统总长为4321 mm的内掩式日冕仪进行了理论验证和实验对比,验证了判定方法的可行性。同时设计了掩体和鬼像遮拦结构对杂散光进行抑制,增加了日冕仪系统杂散光抑制的选择方案,提升了日冕仪杂散光检测的准确率。

基于时空重采样的实时随机光源裁剪

为了渲染含大量动态光源的动态场景,提出一种时空重采样算法.首先利用实时随机光源裁剪对光源进行重要性采样,生成重采样样本;然后提出一种快速时空样本有效性判断方式,通过检查几何属性与可见性,避免错误选择重采样样本而引入误差;最后通过重采样复用时空样本,依样本权重选择重要样本进行着色,提高样本质量.自建场景与NVIDIA ORCA场景的实验结果表明,所提算法能够取得较好的采样质量,通过修改空间重采样数可平衡该算法的耗时与渲染质量,使之具有一定的拓展性;与实时随机光源裁剪算法相比,在相同采样数时该算法能够取得更高的渲染质量,而渲染质量相近时该算法耗时可减少20%~40%.

空间探测相机光学系统的杂散光分析和优化设计

由于空间光环境的复杂性,抑制杂散光对保证空间相机成像性能尤其重要,该文针对宽光谱波段成像的空间探测相机光学系统进行杂散光分析和抑制优化设计。通过SOLIDWORKS和TracePro的无损式数据交互建立光机模型,并从光机材料的表面特性、机械结构、镜片透过率等多角度优化杂散光模型,再利用朗伯体光源分别对正反向进行光线追迹,然后结合光机模型的半剖图对系统关键表面进行重点取样分析。分析结果表明:优化后的光机系统在离轴角10.3°~15.4°内,点源透过率值与优化前的系统相比下降了66%~99.4%,在离轴角大于14.2°时点源透过率值接近10^(−4)量级,在离轴角18.4°处杂散光的点源透过率约为10^(−4)量级。最后通过鬼像实验,进一步证明了优化后的光机系统设计方法具有良好的杂散光抑制效果。

红外辐射测量系统内部杂散辐射建模与仿真

杂散辐射是影响光学系统性能的重要因素,对于红外光学系统,除了外部杂散辐射,还须考虑系统自身结构产生的内部杂散辐射。为提高红外辐射计内部杂散辐射分析的精度,建立了1种基于复合蒙特卡洛法的内部杂散辐射数学模型。首先,将红外辐射计的内部杂散辐射源根据位置分为2部分:遮光罩入瞳处的热辐射和辐射计内部光学元件、机械部分所发出的热辐射。对于遮光罩入瞳处和辐射计内部光机元件发出的杂散辐射,分别采用正向蒙特卡洛法和反向蒙特卡洛法进行追踪,得到探测器接收面入瞳处的杂散辐射辐照度分布,进而分析不同位置的发射源对接收面入瞳处的杂散辐射贡献。最后,与直接模拟仿真结果进行对比。实验结果表明,在追迹光线数相等的情况下,该方法的精度更高。仿真结果体现了红外辐射计各部分杂散辐射对探测器入瞳面接收到的杂散辐射造成的影响,对后期开展内部杂散辐射抑制提供了方向。

抬头显示系统的杂散光分析与仿真

随着汽车工业的发展和人们对安全驾驶的重视,汽车安全配置也更丰富。汽车抬头显示系统作为提高行车安全配置之一,配置率也逐年提高。HUD是一个光学产品,其杂散光会严重影响产品品质和行车安全。在产品设计中消除杂散光干扰,对提高成像品质尤为重要。本文简单介绍HUD杂散光典型路径、杂散光仿真以及消除方法。

基于序列影像的飞机姿态跟踪测量方法研究

探讨了一种基于序列影像的飞机姿态获取方法。基于这些影像和运动轨迹 ,从摄影测量和投影几何的角度出发 ,深入探讨了利用序列影像对空中飞行的目标进行姿态跟踪测量的方法 ,并提出了利用广义点反馈迭代的最小二乘方法 (parapointfeedbackiteration ,PFI)和模拟影像与真实影像匹配的目标姿态跟踪求解方案。

被动差分吸收光谱法测量气体浓度时Ring效应的影响及修正研究

基于散射光、利用痕量气体指纹吸收特性反演气体浓度的方法称为被动差分吸收光谱法(passive DOAS)。因其具体结构简单,易于平台搭载等优点近年来获得了长足发展。被动DOAS中利用太阳散射光作为光源解析大气污染气体柱浓度时,会受到太阳弗朗和费光谱的"填充线"即Ring效应的强烈影响,尤其是对浓度很低的痕量气体,致使不易获取其浓度、影响其测量精度。文章以反演大气中NO2气体为例,介绍了稳定天气条件下Ring效应造成的影响、分析了Ring效应影响与太阳天顶角的关系,提出了根据不同太阳天顶角选取不同Ring光谱参与拟合的修正方法,并且利用该处理方法反演了在3天稳定天气条件下不同仰角下的斜柱浓度。实验证明该修正方法的可行性。

三光束光内同轴送丝激光熔覆成形新方法研究

目的研究"三光束光内同轴送丝"激光熔覆新方法以及单向、多向单道熔覆成形效果。方法采用光线追迹法分析了三光束光斑几何特性,运用TracePro分析了光斑能量分布。利用研制的三光束光内送丝装置进行了单向以及多向单道熔覆实验,对其展开成形表面质量以及单道熔覆层的组织和硬度分析。结果 "三光束光内同轴送丝"激光熔覆新方法可以将原始圆形激光束整形为周向均匀分布的三个扇形光斑,三个光斑光通量均沿着z轴方向呈"尖顶状"分布,丝材能够被三个光斑均匀包裹。基材和丝材采用不锈钢304材料,丝材线径为0.8 mm,负离焦量为2.5 mm,激光功率为1500 W,扫描速度为3.5 mm/s,送丝速度为20.5 mm/s,展开单向和多向单道熔覆成形测试,丝材熔化充分,熔覆层表面均匀平滑。熔覆层形貌和质量基本不受扫描方向的影响。单道熔覆层和基体结合良好,组织整体比较细密,无气孔和裂纹等缺陷,熔覆层底部到顶部晶粒形态主要为树枝晶、柱状晶、胞状晶和树枝晶,熔覆层组织为铁素体δ和奥氏体γ,凝固模式为FA模式,熔覆层底部到顶部铁素体δ的主要形态为板条状铁素体、蠕虫状铁素体、骨架状铁素体和板条状铁素体。熔覆层的平均硬度(228HV)明显高于基材硬度,熔覆层底部到顶部的硬度过渡平稳,不存在明显软化区,组织整体比较细小致密,晶粒分布均匀。结论 "三光束光内同轴送丝"激光熔覆新方法可以实现光、丝耦合,基材和丝材采用不锈钢304材料,选择合理的工艺参数,可以获得理想的单向以及多向单道熔覆成形效果。

光学系统杂散光分析

杂散光是光学系统中所有非正常传输光的总称,杂散光对光学系统性能的影响因系统不同而变化。因此,在现代光学设计中,杂散光分析成为光学设计工作中的一个重要环节。杂散光产生的原因比较复杂,讨论了漏光和透射面残余反射引起的杂散光,针对漏光杂散光给出了高密度取样的分析方法,对于残余反射的杂散光建立了带能量因子的光线光学模型和光线二叉树的数据结构,在保证计算精度的同时减少了计算时间。对一个卡塞格林光学系统进行了漏光杂散光分析和光学表面残余反射杂散光的近轴与实际光线分析,得到减少杂散光的措施,达到了杂散光分析的目的。

一种基于光线光学的杂光分析模型

光学系统的杂散光极易在系统内形成多个鬼像,这不仅严重影响光束质量和传输特性,并可能对系统光学元件造成永久性损伤。该文提出了一种基于光线追迹的分析光学系统杂光影响的有效方法,建立适合各类光学系统杂散光及鬼像分析的数理模型。编制了专门的杂散光分析软件,通过计算机光路模拟,对光学系统中的鬼光束进行全面、系统分析,可得出系统鬼像及关键元件处的能量密度,从而在光学系统设计阶段排除鬼像的潜在危害。

复杂光学系统鬼像分析的单向链表实现算法

光学系统的杂散光极易在系统内形成多个鬼像,严重影响光束质量和传输特性。主要研究了复杂光学系统中折射面的多次反射和衍射面的多级衍射而形成的杂散光及其数学模型与计算方法,提出了一种采用单向链表数据结构进行鬼像分析的更加简洁、高效的实现算法。编制了专门的杂散光分析软件,实例计算表明,采用该软件可以快速地分析含衍射元件的复杂光学系统的杂散光,全面描述鬼像在像面的位置和能量分布,分析结果对在光学系统设计阶段排除鬼像的潜在危害具有重要参考价值。