基于谱线-高阶累积量的调制识别研究与实现

已发表的调制识别算法大多基于单一特征参数,识别种类较少,且往往很难在实际系统中布署。提出了一种基于谱线-高阶累积量的数字调制识别算法,该算法利用载波频率估计、符号速率估计、定时恢复、噪声功率估计等前处理手段,结合信号功率谱、二次方谱、四次方谱中的离散谱线和四阶归一化高阶累积量,可识别2ASK、4ASK、8ASK、2FSK、4FSK、8FSK、BPSK、QPSK、8PSK、OQPSK、MSK、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM 16种数字调制信号。基于该算法,设计并实现了一种数字调制识别处理系统,可实时识别上述16种调制信号。结果表明,该实时系统对大部分调制信号的识别准确率可达到99%以上,对8PSK、32QAM、128QAM等调制信号的识别准确率可达到94%以上。

基于改进谱线增强的光电编码器γ辐射噪声滤波算法研究

针对核辐射环境下光电编码器因受γ辐射总剂量效应影响而导致输出信号质量劣化的问题,提出了一种兼顾精度和效率的改进谱线增强算法(Improved Adaptive Line Enhancer Method,IALEM)。该算法引入Softsign函数建立误差与步长之间的非线性关系,通过在步长更新公式中引入前一时刻步长值,达到收敛速度快且稳态误差小的目的。分别在算法收敛速度、稳态误差、低信噪比输入、计算量4个方面与同类算法进行比较。结果表明,该算法在拥有较低计算量的同时,其收敛速度更快、稳态误差更小,并且对于低信噪比信号具有更好的滤波效果。最后,在光电编码器上对本文所提算法进行了现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)硬件实现;并在60Co γ辐射环境中对算法的滤波效果进行了实验测试。实验结果表明:所提出的算法可有效滤除光电编码器因γ辐射产生的噪声,提高光电编码器输出信号的质量。

一种新型静态样品池系统应用于高温谱线参数测量

在实际高温气体探测工况下,温度的变化往往会对所测气体谱线参数测量结果带来不同程度的影响,且有时难以实现实时在线测量。因此该研究旨在设计加工一个新型高温样品池模拟高温环境,并在其基础上搭建一套可调谐二极管激光吸收光谱测量系统用来对目标气体高温环境下的光谱进行探测,实现对谱线参数的精确检测。针对高温样品池的设计,采用Comsol对样品池材料的固体导热特性进行模拟分析,从而确定最佳加工所需尺寸和材质。经检测,设计加工后的高温样品池具有良好的性能,可在300~1000 K温度范围及-0.1~10 atm压力范围内工作,在1000 K温度下样品池温度的最大偏差为20 K;在真空条件下,当温度为300和1000 K时分别测量到的气体泄漏速率为5和10 Pa·min^(-1)。使用中心波长为1573 nm的分布反馈(DFB)半导体激光器作为光源测量了HITRAN2016数据库中参数较为准确的CO分子的部分高温光谱,并把依此反演得到的谱线参数与HITRAN数据库进行对比分析,误差基本在5%以内,证明了所设计加工高温样品池的良好性能,可为高温环境下的气体谱线参数测量提供帮助。

分光计测棱镜玻璃折射率实验的谱线形状函数

分光计测棱镜玻璃折射率实验的色散谱线因折射定律而成为曲线.长期以来,由于数学分析与计算的难度,解出该曲线的数学表达式——谱线形状函数成为数学上的一个难题.通过深入分析三棱镜对单色光折射的光路结构,确定了出射光的方位角,由此解出正交条件下谱线的形状函数,再通过坐标转换,导出一般情况下谱线的形状函数,解决了这一难题.谱线形状函数的图像与对应的实际谱线比较,两者一致.

基于TDLAS的CO_(2)高温高压谱线参数测量研究

气体谱线参数的准确性对于应用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)开展燃烧流场参数的精确测量十分重要。针对目前谱线数据库参数在高温高压环境的不确定性,以主要燃烧产物CO_(2)作为目标气体,开展了CO_(2)高温高压谱线参数测量研究。设计了耐高温高压气室,在三段管式炉上搭建了一套气体谱线参数高温高压校准装置,以分布反馈式(DFB)半导体激光器作为光源,对中心频率4 988.655 cm-1的CO_(2)吸收光谱进行了测量,获得了373~673 K温度范围内,1~3 atm多个压强下的纯CO_(2)高温高压吸收光谱,经过Voigt线型拟合等数据处理,得到了线强、自展宽系数、温度指数等谱线参数,与HITRAN2016数据库对应的参数进行对比,线强相对误差在-8.6%~-2.4%,线强不确定度约为4.1%,自展宽系数相对误差在-8.8%~2.1%,所测数据对现有的谱线数据库起到了修正和补充。

云台一米镜卡焦摄谱仪重力弯沉的谱线位移及展宽效应

本文在理论上着重分析了云台一米镜卡焦摄谱仪中准直镜和照相机的重力弯沉效应。并拍摄了一米镜处于四十五个不同指向时的铁谱,测量重力弯沉效应引起谱线位移的大小。表明,重力弯沉引起谱线位移为μ的数量级,在观测中的连续变化产生特殊的谱线展宽效应。实验与理论分析的拟合基本一致。并讨论了重力弯沉对波长测量、谱线轮廓测量、光谱分辨率测量的影响以及克服的方法。

试验器燃气组分吸收谱线筛选及激光器选频

本文开展试验器燃气组分吸收谱线筛选及激光器选频研究,确定了气体组分吸收谱线筛选及激光器选频流程,利用经典的HITRAN/HITEMP光谱数据库确定分子吸收谱带;根据吸收谱线选择原则确定合适的谱线,并在不同试验工况下,不同温度下三种待测气体(CO、CO_(2)、H_(2)O)吸光度曲线仿真。依据筛选的谱线数据和不同组分在待测工况下吸收曲线仿真后,进行激光器选频。

基于ALMA高分辨率的多谱线数据对NGC 1068核区中物理性质的研究

利用ALMA干涉阵望远镜(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)的高分辨(~0.2′′-0.7′′)的多谱线数据,包括CO(1-0)、CO(2-1)、CO(3-2)、HCN(1-0)、HCO^(+)(1-0)、HCN(3-2)、HCO^(+)(3-2)、HCN(4-3)和HCO^(+)(4-3),并结合连续谱数据对近邻星系NGC 1068核区的物理性质进行了研究.速度积分强度图显示核周盘(CircumNuclear Disk,CND)呈现不对称的环状结构,尺度~300 pc.各分子谱线均显示,CND上的东发射结(E-knot)比西发射结(W-knot)有着更强的发射,且E-knot处表现出的分子气体的速度比W-knot更高.致密分子气体含量占比(用HCN或HCO^(+)不同转动跃迁线与CO(1-0)的积分强度比值表示),以及致密分子气体比值(HCN/HCO^(+))均在CND的东部表现出更高的值,意味着CND东部和西部有着不同的物理环境或化学组成.CO(3-2)/CO(1-0)的积分强度比值在E-knot很高,意味着该处极端的物理环境导致分子激发增强.通过与单镜望远镜JCMT(James Clerk Maxwell Telescope)比较HCN(4-3)和HCO^(+)(4-3)的流量,得到高分辨率ALMA成图测量的致密分子气体在1 kpc尺度上的流量损失为10%~20%.各分子谱线在E-knot和W-knot的流量比为1.8~3.9,CND中E-knot和W-knot的差异可能与活动星系核(Active Galactic Nucleus,AGN)的反馈有关.此外,在AGN位置处的CO(2-1)、CO(1-0)和HCO^(+)(1-0)的谱线发现了吸收特征.这种吸收主要为其背景的强连续谱辐射导致,同时AGN附近的气体下落也可能产生自吸收现象.

基于铷原子双光子跃迁的原子谱线展宽机制教学演示

测量原子光谱是揭示微观粒子微观结构与运动规律的重要手段,因而从本科到研究生阶段都会涉及到相关领域的教学,特别是光谱的相关教学。然而,由多普勒效应等引起的非均匀展宽及原子碰撞等引起的均匀展宽极大限制了谱线的分辨精度。在科学技术的发展中,为了获得更高的分辨精度,消除原子谱线的展宽成为重点研究方向。而在相关教学方面,碱金属原子体系由于其优异的能级特性,成为了研究展宽机制的有效途径。而在目前的本科教学中,缺乏除对多普勒展宽以外的多种原子谱线展宽机制的演示。因此,本文利用铷原子5S_(1/2)→5P_(3/2)→5D_(5/2)双光子跃迁谱线,测量改变激光功率、原子池温度等条件下引起的原子谱线半宽变化,验证双光子跃迁的同时,重点演示了原子谱线展宽的机制以及谱线半宽的测量方法。通过本实验,本科生一方面可以掌握原子谱线展宽与双光子跃迁的相关知识,以更深刻地理解了理论知识的内涵,另一方面通过自主搭建实验仪器锻炼了本科生的动手能力,对提升物理专业本科学生的素养尤为重要。本文所展示的实验装置简单,易于搭建,适合课堂演示和实验教学。

基于混合卷积窗六谱线插值的全相位谐波检测算法

非线性负荷的接入使得电网中存在大量的谐波,为了减小传统傅里叶变换在非同步采样中出现的频谱泄露以及栅栏效应等问题,文中提出了一种基于Blackman和Nuttall混合卷积窗六谱线插值的新型谐波检测算法。相比于传统的一些窗函数,文中提出的混合卷积窗具有较好的主瓣以及旁瓣特性,通过结合六谱线插值以及改进的全相位傅里叶算法对谐波的幅值、频率、相位3大参数进行检测。采用与其他算法对复杂谐波信号检测的仿真对比,验证了Blackman和Nuttall混合卷积窗六谱线插值算法在检测复杂信号更好的优越性以及更强的抗干扰能力。

去极化电流弛豫谱线特性的油纸绝缘老化判别研究

为深入研究油纸绝缘老化状态与介质内部弛豫响应的内在联系,首先对去极化电流(DC)内部弛豫特性进行研究,引入弛豫谱线和弛豫谱线能量这2个新特征量,其次应用二次微分法确定去极化电流弛豫谱线个数,并探讨弛豫谱线个数及弛豫谱线能量与绝缘老化状况间的关系,从而得到油纸绝缘老化的判别方法。研究结果表明,随着绝缘系统老化程度加重,去极化电流所含的弛豫谱线个数增加,且弛豫谱线能量对老化变化灵敏,它随绝缘水平的降低而显著增加。因此,弛豫谱线个数和弛豫谱线能量可作为绝缘诊断的判据,其为准确评估油纸绝缘老化状态提供一种可靠有力的分析手段,具有一定的参考价值。

介质阻挡放电中体放电和沿面放电的光谱线形研究

在放电间隙较大的介质阻挡放电中,利用高速照相机,同时观察到了体放电(VD)和沿面放电(SD)。采用光谱法,研究了VD和SD的光谱线形随放电参数的变化。在氩气介质阻挡放电中,测量了VD和SD的ArⅠ(2P2→1S5)谱线展宽和频移随气压及放电间隙的变化。结果发现:SD的展宽和频移均比VD的大,说明SD的电子密度高于VD的电子密度;随着压强从40kPa增大到60kPa,VD和SD的谱线展宽及频移均增加,表明它们的电子密度均随压强的增大而升高;随着d值从3.8mm增大到4.4mm,VD和SD的谱线展宽也增加,反映它们的电子密度均随d值的增大而增加。

RbⅧ—NbⅫ离子n=4complex跃迁谱线、波长和振子强度

用HXR方法计算了类锌等电子序列RbⅧ—NbⅫ离子n =4complex组态能级。通过对各能级值沿等电子序列的变化规律分析 ,找出了ΔE随Zc 变化的一种新的拟合公式 ,运用此公式和我们自己设计的FOR TRAN程序对上述组态各能级值进行了系统的拟合计算。给出了 4s2 4s4 p ,4s4 p 4s4d 跃迁谱线波长和相应的振子强度。

基于Nuttall窗四谱线插值FFT的电力谐波分析

快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)在非同步采样和非整数周期截断时难以精确检测谐波各参数。加窗和插值算法可提高FFT的精确度。分析了Nuttall窗的频谱特性,提出了基于Nuttall窗四谱线插值FFT的电力谐波分析算法。该算法充分利用峰值谱线频点附近的四条谱线进行加权运算以提高谐波分析精度,运用多项式拟合推导出实用的插值修正公式。仿真结果验证了在非同步采样时,该算法检测谐波的精度更高,有效地抑制了频谱泄漏。

城市空气质量监测系统(DOAS)谱线漂移问题及解决方法

城市空气质量监测系统中差分光学吸收光谱法的光学部分受到外界影响(温度、光纤位置等),或是氙灯自身的变化,都会引起测量谱线的漂移。如果灯信号谱与大气测量信号谱谱线漂移不一致而产生谱线相对偏移,将直接影响测量结果的准确性。因此,在运用DOAS方法进行大气痕量气体污染物浓度反演时,必须对大气测量信号谱和灯信号谱进行波长匹配。文章通过对氙灯自身发射光谱特殊结构的研究,提出了利用氙灯特征发射峰,通过对两个信号光谱进行最小二乘拟合,达到谱线校正的方法。实验结果证明,这种方法可以有效地减小谱线相对偏移对大气痕量气体污染物浓度反演结果的影响。

用多谱线法计算闪电通道等离子体温度

以一次闪电回击过程的光谱为例,采用二谱线法和多谱线法对通道温度进行了计算.对比所得数据发现,多谱线法可以部分地消除二谱线法中因所选谱线组不同而引起的计算结果在一定程度上的不确定性.因此,在利用谱线相对强度进行闪电通道温度研究时,运用多谱线法是最佳的选择.

激光诱导击穿光谱元素谱线自动识别方法研究

根据激光诱导击穿光谱谱线展宽机制,对NIST标准谱线数据库中的发射谱线进行了模拟,并与实验光谱进行对比,在对比分析中引入相似性测度,得到模拟光谱和实验光谱的相似程度。对元素谱线的自动归属识别方法进行分析和研究,通过相似性计算对土壤样品340～345nm波段光谱进行了识别分析,利用最小二乘原理计算各谱线之间的比例系数,实现了光谱识别,实验结果验证了基于相似性测度的光谱识别方法的可行性及其自动识别的优越性。

激光诱导击穿光谱法铁基合金谱线选择研究

内标法是激光诱导击穿光谱(LIBS)最常用的定量分析方法之一。为了提高定量分析精度,研究了谱线强度比的相对波动特性随分析线和内标线之间激发能级差(ΔE)和波长差(Δλ)变化的规律。在局部热力学平衡条件下,建立了考虑等离子体中某元素电子上能级跃迁到下能级产生原子发射谱线的激发能级差、等离子体温度、配分函数和离子密度等强度影响因素的数学模型,对模型中激发能级差对谱线强度相对波动的影响进行了研究。得到在-2eV<ΔE<2eV和等离子体温度范围在3 000～15 000K条件下,谱线强度随着ΔE和T变化的趋势:随着ΔE变大,谱线强度比呈上升,在ΔE=2eV,T=3 000K时谱线强度比最大;并且谱线强度比相对波动对ΔE和T敏感,ΔE趋近于零时相对波动变小,T对谱线强度比相对波动影响变化不大,整体趋势平稳。在T=10 000K时,ΔE<0相对波动比ΔE>0时小,因此理论上优先选择ΔE<0的谱线对。通过理论分析得出|ΔE|越接近于零,谱线强度比相对波动越小。实验装置中采用工作波长1 064nm,脉冲能量85mJ,重复频率1Hz,脉冲宽度13ns的Nd∶YAG脉冲激光诱导击穿样品;采用工作波长200～975nm,光学分辨率优于0.05nm的Andor公司Mechelle 5000光谱仪,配合Andor New iStar型号ICCD采集光谱;利用激光诱导铁基合金等离子体光谱进行验证。实验中,以Fe为内标元素,Cr和Mn为分析元素。筛选NIST谱线库中跃迁概率在106以上的谱线,并优先选择共振线能级差相近的非共振线进行对比分析。结果表明,选择激发能级相近或波长相近的谱线作为分析谱线的原则有一定的局限性。对于Cr和Fe,|ΔE|在0.14和1.51eV时得到的谱线强度相对标准偏差(RSD)分别为6.7%和4.6%,其谱线强度比理论值和实际值之差分别为1.14和0.59;|Δλ|在11.7和50.8nm时得到的RSD分别为6.3%和4.4%,其谱线强度比理论值和实际值之差分别为1.69和0.62。分析表明,相比于波长差,激发能级差对Cr/Mn相对波动影响较大。分析元素Cr/Mn与内标元素Fe波长差绝对值不断增大,RSD反而不断减小;在1.50eV和90nm较大约束范围内,|ΔE|大的谱线得到的谱线强度比相对波动相对较小,Cr和Fe的RSD最大相差为2.06%;|Δλ|大的谱线得到的谱线强度比相对波动相对较小,Cr和Fe的RSD最大相差为1.35%。由以上实验结果得出,在实际选择分析谱线时,尽量选择激发能级和波长相近的谱线原则有一定的局限性。|ΔE|或|Δλ|大的谱线得到的RSD较小,选择谱线强度比理论值和实际值最接近的谱线可以作为谱线选择依据。另外,选择谱线强度比理论值和实际值最接近的谱线,可以降低谱线强度比相对波动。

紫铜等离子体特征谱线及其展宽形成机制

利用波长为1064nm,最大能量为500mJ的Nd:YAG脉冲激光器对紫铜进行冲击,并且改变激光能量,获得一系列等离子体特征谱线,结果表明:本实验条件下,获得铜原子谱线不完整,只有5条明显激发谱线,分别为:CuⅠ406.33nm,CuⅠ458.69nm,CuⅠ521.8nm,CuⅠ529.25nm,CuⅠ578.2nm。根据跃迁原理,得出激光不能使铜原子完全受到激发;选取CuⅠ521.8nm原子光谱与CuⅠ578.2nm的原子光谱谱线线型作为分析对象,发现其展宽线型不同,分别为Lorenz线型与Gauss线型。通过对应线型曲线方程分析得出,同一原子光谱不同波段对应形成光谱展宽机制不同。