国际空间站宇航光纤通信器件发展综述

光纤通信技术在国际空间站(ISS)上首次大规模应用,是光通信技术从地面进入太空应用的一个重要里程碑。回顾了ISS舱内光纤通信所用宇航光缆和光纤连接器的技术发展历程,阐述了ISS对光纤通信技术的特殊需求;介绍了美国航空航天局(NASA)开展的光纤器件空间适应性试验研究情况,NASA和欧洲太空总署(ESA)负责建造舱段的光纤通信系统,以及NASA针对ISS光纤通信器件缺陷问题的质量调查情况和整改过程;结合ISS光纤通信器件质量问题的案例分析,总结了宇航光缆和光纤连接器在制造、工艺、材料、环境、检测和管理方面存在的问题和经验教训。最后,对宇航光纤通信器件的研发方向进行了展望。

基于衍射透镜接收的激光雷达特性分析及测试

在激光雷达系统设计中,光学系统的优化与设计是一个重要的研究方向,本文利用衍射光学元件(DOE)的设计自由度高和色散大等优势,将DOE用于激光雷达接收端,同时实现聚焦和滤光作用,降低了光学系统复杂度。本文基于DOE的原理,仿真分析了DOE的光学特性,并且以DOE作为激光雷达的光学接收端,完成了激光雷达测距实验,证明了DOE同时具有聚焦作用和窄带滤光作用,实验结果与仿真基本一致。本文利用DOE在激光雷达中的优势,实现激光雷达的轻量化、集成化和高效化。

国外光电瞄准吊舱探测系统总体构架的对比分析

回顾了国外军队装备的四代光电瞄准吊舱的技术特点和发展历程,定义了光学口径和吊舱舱径之比(光舱比)作为衡量集成度的标准,重点针对第三代的Sniper XR ATP和ATFLIR两型采用共光路串联布局吊舱的探测系统进行了分析和正向设计:二者均拥有Φ150 mm口径,约1.5°×1.5°视场,在0.7~0.9μm和3.7~4.8μm波段的传递函数接近衍射限,前者为透射式前置望远系统,后者为离轴三反式前置望远系统,二者的结构布局为:前置望远系统置于吊舱前部压缩光束,通过光学铰链和快反镜将光束导入吊舱中,部分光进入各自的探测通道或激光发射通道。其中,类ATP的透射式前置望远系统可在汇聚光路中折叠形成俯仰/方位正交轴系并置于305 mm舱径内,光舱比约0.492;类ATFLIR的离轴三反式前置望远系统可在压缩后的平行光路中折叠形成方位/俯仰两个正交轴系并置于Φ330 mm的球体内,光舱比约0.455。作为对比,采用共光舱并联布局的第四代Litening 5和Talios吊舱探测系统将所有光学载荷和伺服框架平台置于吊舱前部的Φ406 mm球体内,光舱比约0.37,其并联共光舱设计架构的集成度较低。针对未来可能的升级要求,类ATFLIR吊舱比ATP吊舱具有更强的生命力,其采用纯反射式的前置望远系统可以更方便地增加波段和拓展功能。

透明硬脆材料激光剥离关键问题研究(特邀)

透明硬脆材料由于其优异的力学性能、热稳定性、耐腐蚀性以及光电性能,广泛应用于半导体与电子领域。传统透明硬脆材料切片方法效率低、材料损耗大,制约了硬脆材料的推广应用。激光剥离技术是近年来新兴的一种透明硬脆材料切片新方法,较传统金刚线切割方法大幅提升硬脆材料的切片效率和材料利用率,目前已发展成为硬脆材料激光加工领域学术研究与产业应用的焦点。文中深入分析透明硬脆材料激光剥离物理过程,归纳激光剥离过程关键科学问题:透明硬脆材料对激光的非线性吸收、激光作用下材料内部微观结构演化与缺陷扩展规律,以及激光光场调控对材料改质影响机制等。基于这些科学问题,综述了近年来激光剥离不同类型透明硬脆材料的研究进展,目前用于激光剥离的材料已涵盖了SiC、Si、GaN、金刚石等半导体材料,蓝宝石、多晶Al_(2)O_(3)、氧化锆等陶瓷材料,激光剥离技术已发展出超快激光双脉冲诱导剥离、超快激光-化学辅助剥离、多激光复合剥离等。激光剥离物理过程是一个典型的激光-材料-热学-力学多学科交叉问题,尽管在实验结果方面获得了显著突破和迅猛发展,但目前对于工艺机理仍缺乏深入的理论与数值建模研究。未来透明硬脆材料激光剥离技术将会朝着百微米以下超薄厚度剥离、改质层低损伤、工艺自适应等方向发展,将为半导体与电子等领域快速发展提供更大的技术支撑。

基于物理信息神经网络的金属表面吸收率测量方法

漫反射金属吸收率的准确测量十分重要且比较困难.量热法可靠性较高,但是参数反演较为困难.为此,建立了一种物理信息神经网络方法.该方法通过神经网络拟合温度上升段曲线,进而获得吸收率.为了验证该方法,开展了数值仿真和实验研究.数值仿真结果表明,该方法适用于吸收率测量,抗干扰能力强,反演精度高,在0.05—0.2的吸收率范围内,最大误差为0.00092.实验以喷砂镀金铝板为被测对象,受表面粗糙度、镀金工艺等影响,这些样品的吸收率处于2%—10%之间,测量重复精度优于1%.基于物理信息神经网络的吸收率测量方法有望成为一种有力的金属表面吸收率测量方法.

无线光通信一对多发射天线研究进展

无线光通信是一种新兴的通信技术,具有高速、大容量和安全性好等优势。然而,传统的无线光通信系统存在着单对单通信模式限制,无法满足多用户同时通信的需求。无线光通信中光学天线起着发射和接收耦合光信号的作用,一对多点发射天线可以拓展无线光通信的应用。对国内外一点对多点光学天线的发展进行总结,介绍了一对多光学天线的基本原理。对目前现有的几种一对多光学天线设计方案进行讨论。最后对该领域的发展趋势和未来发展方向进行展望。

高重复频率飞秒光纤激光技术进展

为解决高重频飞秒光纤激光器基本重复频率较低,输出脉冲宽度较宽等问题,对高重复频率光纤超短脉冲激光器的主要发展方向及面临的瓶颈展开研究。详细阐述了SESAM锁模、NPR锁模、NALM锁模等常用高重复频率飞秒光纤激光器锁模技术及发展现状,并讨论了当前高重复频率飞秒光纤激光领域的难点与科技问题。在此基础上,总结了以下领域的最新研究进展,包括新型高重复频率锁模技术的探索、高重复频率光纤飞秒激光在输出波长方面的拓展,以及超高稳定性高重复频率光纤光梳研究。最后,简述了GHz飞秒光源在光丝激光雷达、光学频率梳以及生物探测等领域的典型应用,并对其前景进行展望。

无线光通信中的信道均衡研究进展

在无线光通信中,信道不理想是影响系统可靠性的主要因素,而在接收端放置一个与信道特性相反的均衡器可以抵消信道对信号产生的负面影响,从而校正多径时延等因素带来的码间串扰问题,使信号在接收端得到恢复和重建。文章在总结国内外均衡技术研究进展的基础上,对比总结了各个典型信道均衡技术以作参考,包括迫零均衡、最小均方误差均衡、判决反馈均衡、Volterra均衡等。在实际应用中可以根据具体需求及均衡算法特点选择适当的均衡器来实现信道均衡。最后,展望了无线光通信中信道均衡技术的发展前景,为后续研究者在该领域的探索提供新的思路和参考价值。

中长波Cr^(2+)/Fe^(2+)∶CdSe激光晶体生长及元件制备

本文采用自主研发的双温区真空石墨加热单晶炉,通过钼坩埚密封布里奇曼法成功生长出了Cr^(2+)∶CdSe晶体和Fe^(2+)∶CdSe晶体,晶体尺寸达Φ51 mm×110 mm。Cr^(2+)∶CdSe晶体和Fe^(2+)∶CdSe晶体分别在1400~2400 nm和2500~5200 nm波段存在明显的吸收,同时,Cr^(2+)∶CdSe晶体和Fe^(2+)∶CdSe晶体在7~15μm波段透过率均接近CdSe晶体透过极限(~70%),换算吸收系数约为0.005 cm^(-1)。采用钼坩埚密封布里奇曼法制备的Cr^(2+)/Fe^(2+)∶CdSe晶体具有过渡金属离子掺杂浓度可控、掺杂均匀、晶体品质高等优点,可同时作为中波红外激光晶体和长波红外非线性光学晶体材料。

卫星用高能激光防护技术发展现状

高能激光技术不断发展,逐渐成为卫星在轨安全的威胁。介绍了高能连续激光和脉冲激光武器对卫星损伤机制的研究进展。针对卫星太阳电池阵、相机、星敏感器等光学系统以及热控多层、复合材料推进剂储箱等非光学关键结构防护特点,总结分析了线性光学防护薄膜、非线性光学防护薄膜、相变材料、机械快门、高损伤阈值薄膜和防护罩等各种高能激光防护技术的主要原理、发展现状和技术特点。

基于二维光子晶体非线性效应的全光逻辑门

基于光子晶体非线性效应和线性干涉效应设计了全光异或、非和与逻辑门。应用反演定理拆分较复杂逻辑表达式,通过级联组合设计了全光或非门和四输入与门逻辑器件。本文利用时域有限差分法进行仿真模拟计算,对非线性环形腔的耦合特性进行了分析,然后在信号波长为1.47μm条件下设计了上述逻辑器件,且通过可扩展输入端可设计出更多输入的器件。分析了信号功率对四输入与逻辑器件逻辑功能的影响。结果表明信号光源功率在1.1 W/μm2到3.4 W/μm2之间时,输出端的逻辑对比度均大于10 dB。所设计器件响应时间最短仅1.6 ps,占用面积小,易于扩展与集成,在光处理系统和集成光路中有较大应用前景。

光纤耦合光学系统的单模耦合效率研究

单模耦合是光纤耦合光学系统中的关键技术,当前单模耦合过程中还存在一些难题,直接影响单模耦合结果,为了获得更优的单模耦合结果,对光纤耦合光学系统的单模耦合效率进行分析和研究。首先根据单模耦合原理设计了光纤耦合光学系统,并设计了发射端与接收端,然后构建光纤耦合光学系统的单模耦合模型。测试结果表明,设计系统的单模耦合模型优越性十分明显,耦合效率得到了明显提升,为相关光纤耦合光学系统提供了有价值的参考意见。

智能制造对制造企业创新效率的非线性影响——基于制造业服务化的调节效应

增强制造业创新能力是实施制造强国的重点任务,深度探究制造业转型升级中的创新效率问题有助于推动制造业创新发展。基于2013—2019年中国沪深A股制造业上市公司的数据,通过实证考察智能制造对制造企业创新效率的非线性影响,并探究制造业服务化在其中的调节作用,研究结果表明:智能制造对我国制造企业创新效率具有显著U型影响效应,主要影响机制是通过降低内部组织成本、减少企业内部融资两个途径提升制造企业创新效率。通过非线性影响的调节效应模型检验发现,制造业服务化对智能制造与制造企业创新效率的非线性关系起到正向调节作用,制造业服务化水平越高,智能制造前期对企业创新效率的负面影响就越弱。异质性分析发现,在大规模或实施策略性创新的企业中智能制造与制造企业创新效率的U型影响关系较显著。为此,企业应系统应对智能制造应用过程中不同阶段对企业创新驱动的作用效应,充分发挥服务化转型对推动智能制造创新发展的重要作用,要根据自身规模和创新方式等选择适宜的智能制造推进路径。同时,应充分发挥政府对智能制造的协调、支持作用。

基于可重构智能表面的二维高精度角度估计方法

可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface)因其提高频谱和能量使用效率、成本低等特点,被认为是未来无线通信和目标感知的关键性技术。RIS在平面上集成了大量低成本的无源反射元件,通过连接RIS的智能控制器,可以控制入射到这些可重构元件的信号的相位和幅度,从而重新配置入射信号的传播。波达方向(Direction of Arrival)估计问题是实现目标感知的重要组成部分,而RIS因其能够重新配置信号的特性被用来提高DOA估计的准确性。然而,在实际使用RIS时,由于元件之间的距离小于半波长而引起的互耦效应以及无法完美控制反射过程导致的反射失配(反射相位和幅度误差)等问题会严重影响RIS的性能。本文针对基于RIS系统的二维DOA估计问题,建立了考虑互耦效应和反射失配的RIS系统模型;并基于该模型,提出了一种新的二维角度估计方法用于DOA估计。该方法首先通过深度神经网络(Deep Neural Network)将RIS接收的信号进行重构,以降低互耦效应和反射失配的影响,再进一步使用非线性最小二乘法(Nonlinear Least Square)进行高精度的DOA估计。本文通过仿真验证了算法的估计性能,并与快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation)、正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit)等传统方法进行比较,结果表明相对于快速傅里叶变换、正交匹配追踪等传统方法新算法具有更好的估计性能。

数字经济、农业产业结构升级对农民增收的效应

【目的】数字经济作为我国经济发展的新动能,对农民增收具有重要作用。研究两者之间的关系及其作用机制,可以丰富数字经济与农民收入的研究内容,充实经济高质量发展的经验证据,为加快数字乡村战略的实施进程提供启示。【方法】基于农业产业结构升级视角,运用2012—2021年全国31个省份的面板数据,构建数字经济评价指标体系,采用熵值法测算数字经济发展水平,借助固定效应模型和最小二乘法(OLS)探究数字经济对农民增收的影响及其作用机制,并运用面板门槛模型分析数字经济对农民增收的非线性溢出特征,最后借助分位数回归等方法分析数字经济对农民增收的异质性。【结果】(1)数字经济能够促进农民增收,经过工具变量法、改变样本容量等一系列检验后,结论依然成立。其中数字经济对农民的家庭经营性收入、工资性收入、财产性收入产生显著促进效应,对农民转移性收入的影响不显著。(2)数字经济的发展提升了农业产业结构的合理化以及高级化水平,助推农业产业结构的升级,从而促进农民收入的增长。(3)数字经济的增收效应具有非线性特征,且该效应在农业产业结构合理化的调节作用下得到进一步强化。(4)数字经济会长期带动农民收入增长;数字经济对不同收入水平农民增收的影响效应呈“倒U型”,其中中等收入阶层是数字经济发展的最大受益者;数字经济发展对中、西部农民增收的推动力明显强于东部地区。【结论】数字经济、农业产业结构升级是提高农民收入水平的关键要素,基于此,提出加强数字经济建设力度、创新数字经济和农业产业结构融合发展机制、完善数字经济发展的利益分配机制以及促进区域数字经济与农业产业结构统筹联动等对策建议。

变频电流激励下GIS隔离开关机械缺陷的振动非线性行为及其辨识方法

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)机械缺陷是导致设备故障的关键因素之一,为此开展了变频电流激励模式下隔离开关底座松动缺陷的时频域振动图谱变化规律研究,进行了波形因子、重心频率等6个振动特征量的量化分析,采用灰狼算法优化的支持向量机研究提出了变频电流激励模式下GIS隔离开关底座松动缺陷严重程度辨识方法。结果表明:GIS隔离开关缺陷振动信号特征量与电流激励频率具有强相关性,与单一工频电流激励模式相比,变频电流激励具备更有效检测GIS设备机械缺陷的优势;基于126 kV真型GIS试验平台验证获得构建的隔离开关底座松动缺陷辨识模型的平均识别准确率达90%以上。该研究成果为揭示GIS设备的非线性机械振动特性及提升其机械缺陷检测水平提供了重要参考。

超磁致伸缩致动器非线性动力学的分数阶时滞反馈控制

设计了一种分数阶时滞反馈控制器,用于控制单自由度的超磁致伸缩致动器(GMA)的非线性动态响应。考虑到预压碟形弹簧机构引入的几何非线性因素影响,建立了GMA系统的非线性数学模型。利用平均法求解系统在含分数阶时滞反馈控制策略下主共振的幅频响应方程,根据Routh-Hurwitz准则得到系统的稳定性条件。通过数值模拟研究GMA系统中关键结构参数对幅频响应特性的影响,以及主共振峰值和系统稳定性随每个时滞反馈参数变化的特性规律;通过分岔图和Lyapunov指数图得到外激励幅值对系统混沌运动的影响;最后调节时滞反馈增益和分数阶次抑制系统的混沌运动。结果表明,时滞反馈增益和分数阶次能够有效抑制系统的主共振峰值和不稳定区域,可以将系统响应从混沌运动调整为稳定的周期运动,提高系统的稳定性。

东海OBN和三维DAS-VSP数据的联合采集与处理方法研究

近年来,光纤传感技术已经应用于地面地震数据、海洋地震数据、井中地震数据和井地联合地震数据的采集,推动了光纤传感技术在地球物理特别是地震数据采集中的应用。井地或井海联合地震勘探是陆地或海洋三维地震与三维DAS-VSP勘探相结合形成的三维立体地震勘探方法,利用井海联采的三维DAS-VSP数据,可以获得地下井周围准确的时深关系、地层速度、反褶积算子、球面扩散补偿因子、吸收衰减因子、各向异性参数和井筒周围的高分辨率构造成像,这些参数可以基于井驱处理提高陆地或海洋三维地震数据的处理质量。在中国东海某OBN数据勘探中首次开展了井下套管内铠装光缆同步采集的三维DAS-VSP数据的处理方法研究以及成像处理。首先,采用常规的三维VSP数据成像处理技术对三维DAS-VSP数据进行常规处理,具体处理流程包括:观测系统定义、预处理、初至拾取、静校正、振幅补偿、反褶积、波场分离、速度分析与建模和利用上行反射波进行井周围地层的构造成像;然后,再根据海上三维DAS-VSP数据下行多次波的特点,研发了海上三维DAS-VSP数据的下行多次波成像技术,扩展了三维DAS-VSP数据成像范围,提高了三维DAS-VSP数据成像的整体质量。与本工区早期的三维OBC数据成像结果相比,本次三维DAS-VSP数据的下行多次波成像结果表明,井周围三维构造成像质量得到了显著改进,大幅度扩展了成像范围;新采集的OBN数据和三维DAS-VSP数据的成像结果展示了更为详细和较高分辨率的构造成像,基于新的成像资料,对储层顶部和储层内流体的识别与追踪变得更加容易和清晰。井海联采技术生产效率高且成本低,既能快速获得三维DAS-VSP数据及成像,还能对三维海洋地震数据进行井驱提高分辨率处理。此外,三维OBN或OBC数据和三维DAS-VSP数据还能够进行融合处理,实现井地或井海同步采集数据的联合偏移成像,可以大幅度提高三维海洋地震数据的成像品质,值得在有条件的地方推广应用。

非线性相互作用引起的双模Dicke模型的新奇量子相变

量子相变是量子光学和凝聚态物理领域的一个重要课题.本文在标准双模Dicke模型的基础上引入原子-光的非线性相互作用,研究其所引起的量子相变.利用自旋相干态变分法从理论上给出有两个参量的基态能量泛函.两模光场采用四种不同的比例关系进行研究,并且在实验参数下,通过可调的原子-光的非线性相互作用参量,给出了宏观多粒子量子态的丰富结构.本文主要呈现了在蓝失谐和红失谐下,双稳的正常相、共存的正常-超辐射相和原子数反转态等丰富的基态特性.原子-光的非线性相互作用在蓝失谐可以引起标准的双模Dicke模型的正常相到超辐射相的二级量子相变.在红失谐时引起新奇的基态特性,新奇的量子相变,即反转的超辐射相到反转的正常相的二级逆量子相变.原子-光的非线性相互作用和两模光场比例不同时,对量子相变的相边界和基态物理量的值有较大影响.

相干衰落抑制Φ-OTDR的分布式光纤周界安防技术

基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统在铁路周界安防中有着重要的应用前景.为降低Φ-OTDR中固有的相干衰落对相位解调的影响,提高扰动信号识别率,提出一种基于矢量旋转滑动平均(MVRA)的相干衰落抑制方法.首先,对探测信号复矢量化,并对各位置的复矢量信号按初相角进行旋转对齐;然后,采用滑动平均的方法缓和信号幅度起伏以及减小噪声功率,提高信噪比,进而抑制相干衰落;其次,从衰落抑制信号解调出扰动信号,将MVRA与频谱提取重组(SERM)、数字向移变换(DPST)方法进行对比,通过差分相位标准差验证抗衰落效果;最后,通过搭建分布式光纤周界入侵检测实验平台,模拟环境噪声、应力破坏、攀爬、剪网4种防护扰动信号,以解调的相位灰度图作为特征图像,使用卷积神经网络进行模式识别.实验结果表明:相比SERM、DPST,MVRA能更高效地抑制衰落,当滑动窗长50 ns时,MVRA提高11.2 dB信噪比;扰动信号的识别率由衰落抑制前的88%提高到衰落抑制后的92%.