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ISSN1001-3806CN51-1125/TN 网站地图

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2020, 44(5): 0-0.
摘要:
特色专栏——激光测风雷达
激光测风雷达分析典型高原机场风场特征
范琪, 朱晓林, 周鼎富, 周杰, 罗雄, 陈春利, 童文皓, 杨泽后
2020, 44(5): 525-531. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.001
摘要:
为了对激光测风雷达在民用机场的运行环境适应性及综合保障能力进行评估,采用国产自研激光测风雷达在典型高原机场为期3个月的风场联合监测试验数据,结合同址相关气象资料,分晴、多云、阴、雾及降水等不同气象条件,对激光测风雷达的风场数据进行了分析,以揭示典型高原机场的风场特征,检验国产激光测风雷达的综合保障能力。结果表明,在不同天气类型下,激光雷达的测风性能存在明显的差异,其在晴、多云、阴天整体表现较优,水平最大探测距离最远可达6623m,垂直最高可达2895m;同时,激光测风雷达能精准捕捉到高原机场的风场在时间尺度和空间尺度上的典型变化特征。该研究为雷达在民航的应用提供了参考。
基于激光测风雷达的低空急流结构特征研究
黎倩, 郑佳锋, 朱克云, 张文玲, 许皓琳, 张杰
2020, 44(5): 557-562. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.006
摘要:
低空急流对航空安全保障以及灾害性天气预警预报等具有重要意义。为了研究低空急流的结构特征,基于激光测风雷达收集的数据,对西宁机场2017-11-30~2017-12-01的气象资料进行了分析。结果表明, 低空急流风速随高度先增大后减小,强度和厚度随时间减弱,急流轴高度随时间升高,在急流中心出现了强的冷暖平流,并随急流减弱而减弱,急流顶风向随高度顺转,湍流较强,01:30时急流结构受到破坏,湍流强度达到最大; 21:00以后低空急流中出现湍流团,风速波动较明显,湍流团尺度先增大后减小。这一结果说明高激光测风雷达对低空急流的结构特征以及低空急流内部强度和脉动有很好的探测效果。
激光测风雷达研究微下击暴流引发的低空风切变
张涛, 黎倩, 郑佳锋, 张文玲, 范琪, 张杰
2020, 44(5): 563-569. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.007
摘要:
较强的低空风切变会引发超低空复飞,对飞机安全威胁较大。为了提高飞行安全保障能力,利用激光测风雷达和风廓线雷达提供的资料,对2018-04-26西宁机场突发的一次风切变进行了细致结构分析和形成机理研究。结果表明, 微下击暴流是造成此次低空风切变的主要原因,雷暴高压向外辐散气流和环境风同向叠加是低空风切变形成的直接原因; 干冷空气在2.0km高度处加速下沉,到达近地面形成雷暴高压,随后外流形成水平尺度约3.0km的辐散气流,而触发低空风切变; 此次低空风切变影响时间约8min,对飞行安全威胁最大是下击暴流产生初期; 0.4km~2.0km高度处上升气流迅速转为下沉气流的时刻,较低空风切变发生有约4min的提前量。该研究对如何利用测风雷达进一步提高飞行安全保障能力是有意义的。
激光测风雷达在航空保障中的典型应用分析
华志强, 黎倩, 黄轩, 马晓玲, 田维东, 赵启娜
2020, 44(5): 600-604. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.012
摘要:
为了研究激光测风雷达在航空气象保障中的监测和预警能力,利用激光雷达的多种模式测量数据,对西宁高原机场2019-04-10一次典型风切变天气演变监测过程进行了详细分析,并与机场现有的测风设备数据、机组报告数据进行了对比。结果表明,激光测风雷达在此次风切变探测过程中,能清楚地探测到风切变的结构、位置、高度和移动方向; 激光测风雷达与自观数据相比,实现提前10min左右的预警; 激光雷达对风切变过程的监测结果与机组报告的结果有较好的一致性。该研究对于民航机场利用激光测风雷达预报风切变天气和保障飞行安全具有一定的参考与指导意义。
激光物理、材料与器件
1.55μm单光子源用Si/SiO2-InP微柱腔的鲁棒性研究
黄帅, 张伟, 席琪, 赵新华, 谢修敏, 徐强, 周强, 宋海智
2020, 44(5): 532-537. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.002
摘要:
为了评估实际制备中工艺偏差对此前设计的Si/SiO2-InP微柱腔性能的影响,采用了基于有限时域差分法的模拟仿真,从工艺缺陷以及工艺误差两个角度,模拟了非理想工艺条件对Si/SiO2-InP微柱腔性能的影响。结果表明,在目前可达到的加工精度下,如椭圆因子为0.1、锥形侧壁角度为3°、尺寸误差为5%,Si/SiO2-InP微柱腔仍能保持满足应用需求的性能,证明了设计的1.55μm量子点单光子源有很高的鲁棒性。该研究为通信波段单光子源提供了切实可行的方案。
小纵横比光电器件发射端耦合工艺研究及优化
江秋月, 仲顺顺, 周雄锋, 吴国栋, 马著, 孙翔
2020, 44(5): 546-552. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.004
摘要:
为了系统研究影响耦合效率的因素,采用仿真和实验的方法建立了半导体激光器与单模光纤的耦合模型,并搭建自动耦合平台,进行了理论分析和实验验证,得到了模型的耦合效率与各个方向位移敏感度的关系以及实际耦合过程中耦合效率与各个方向容忍度的关系。结果表明,耦合效率对水平方向位移最为敏感,其后依次是角度旋转和纵向位移; 仿真与实验最大耦合效率分别为64.29%与51.46%,误差在合理范围之内,结果具有较高可信度。这一结果对实际光电器件封装耦合效率的提高是有帮助的。
基于国产芯片的千兆皮秒脉冲激光器模块研制
刘云, 吴敏, 朱向冰, 王宝慧, 李风雨, 马伟, 徐焕银
2020, 44(5): 643-646. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.020
摘要:
皮秒脉冲光源是量子密钥分配系统核心器件。为了实现皮秒脉冲光源的国产化,基于国产芯片研制了一种千兆皮秒脉冲激光器模块。该模块采用比例-积分-微分算法控制温度,使光波长漂移在0.01nm以内,使用外部光电二极管探测光功率,反馈调整激光管驱动电流,进行了实验验证。结果表明,利用国产单片机精确控制恒流源和窄脉冲电路驱动激光管发光,输出光脉冲频率达到1.25GHz,脉冲宽度约为50ps,光功率为-3dB对应的谱宽小于0.2nm,输出光波长和功率稳定。此研制的国产化皮秒脉冲激光器模块可满足量子密钥分配系统对光源稳定性的要求。
纳秒激光耦合金属靶辐射电磁脉冲的实验研究
杨燕飞, 李廷帅
2020, 44(5): 647-651. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.021
摘要:
为了研究电磁脉冲(EMP)强度和分布与激光参量、靶体材料、结构等之间的关系,采用靶室内部的超小B-dot天线对强激光打靶过程中产生的电磁脉冲进行了测量,分析了不同辐射方位的脉冲强度,同时探讨了靶体支撑杆为绝缘体和导体两种情况下的电磁辐射行为。结果表明,不同方向和不同靶杆测得的电磁脉冲明显不同,如在法线方向的电磁辐射达到20V,导电靶杆最大达到22V的辐射,说明强激光打靶诱导的EMP具有很强的极化方向,并且在导体靶杆情况下,能够产生更强的电磁辐射。该研究有助于揭示激光打靶产生的EMP在靶室内部的传输极化特性以及其强度与靶杆导电性的关系。
综述与评述
激光无线能量传输技术的发展
赵长明, 王云石, 郭陆灯, 张海洋, 张子龙, 张立伟, 郑征, 李建
2020, 44(5): 538-545. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.003
摘要:
无线能量传输技术包括微波无线能量传输与激光无线能量传输(LWPT)两种技术途径。介绍了LWPT技术的基本概念,综述了LWPT技术的国内外发展历史和现状,分析了LWPT技术的主要研究内容,预测了LWPT技术的发展方向和可能的应用。对比国内外情况可知,国内LWPT研究还处于理论和应用初期,需要更多地投入推动其发展进步。
半导体量子点量子光源研究进展
徐强, 谢修敏, 张伟, 袁菲, 胡卫英, 邓杰, 赵新华, 宋海智
2020, 44(5): 575-586. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.009
摘要:
半导体量子点被认为是制备量子光源的最佳方案。量子点量子光源的可控性、纯度、亮度、全同性和相干性都有了很大的提高,已接近于应用水平。归纳了基于半导体量子点的量子光源研究进展中的关键问题,指出了半导体量子点量子光源在3个方面的主要进展,并讨论了关键制备技术,即半导体量子点作为单光子光源,实现了高全同性、高纯度、高收集效率等特性; 通过降低精细结构分裂效应等措施,量子点量子光源实现了具有高比特率、高保真度特性的光子纠缠; 量子点量子光源与平面电子线路和纳米光子系统的芯片集成取得了显著成效。在此基础上,对半导体量子点量子光源在量子信息领域的研究前景进行了展望。
激光与光电子技术应用
一种径向偏振光的产生方法
王莫, 陈培锋, 王英, 龚磊, 李航, 蔡雯
2020, 44(5): 553-556. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.005
摘要:
为了产生径向偏振光,采用组合半波片和组合线偏振片在腔外对线偏振光做极化整形的方法,进行了理论分析和实验验证。为检测该径向偏振光产生系统的性能,采用旋转检偏器法对输出光束的偏振分布进行了检测,并用经典斯托克斯参量测量法计算了偏振纯度,最后基于马赫-曾德尔干涉的原理,检测了径向偏振光对称区域的线偏振相位关系。结果表明,当组合线偏振片为4个分块时,获得了偏振纯度为80.5%的径向偏振光,并检测出光斑对称区域的线偏振相位差为π。这一结果对在低成本条件下产生高纯度的径向偏振光是有帮助的。
激光焊接缺陷多向磁场激励下磁光成像检测
王聪毅, 高向东, 马女杰, 张艳喜, 游德勇
2020, 44(5): 592-599. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.011
摘要:
为了研究交叉焊缝缺陷的磁光图像特征,对中碳钢板进行十字对接激光焊,获得同时具有横向和纵向焊后裂纹的试验样本,同时采用恒定磁场和交变磁场对试验样本进行多角度励磁, 用磁光成像传感器采集不同角度磁场激励下焊接缺陷处的磁光图像,并对磁光图像的缺陷特征进行分析。结果表明,多向磁场激励下的磁光成像技术能明显检测出多角度的焊接缺陷,且能有效避免曲线裂纹在焊接缺陷检测中的漏检现象; 同时,交变磁场激励下, 同一裂纹成像的分辨率提高了40pixel~50pixel,能更精确地定位缺陷位置。此研究为提高焊接缺陷的检出率提供了依据。
基于激光散射的表面粗糙度测量系统研究
蔡雯, 陈培锋, 王英, 张恒, 王莫, 王钇苏
2020, 44(5): 611-615. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.014
摘要:
为了测量金属和绝缘表面两种材料的粗糙度参量,采用了基于激光散射法的斜入射粗糙度测量系统。用半导体激光器作光源,用互补金属氧化物半导体工业相机拍摄粗糙度表面的散射光斑,分析光斑特征参量与粗糙度之间的对应关系,通过理论分析和实验验证了特征参量与粗糙度值之间存在单调性关系,利用MATLAB设计图形用户界面,实现粗糙度值的一键式测量功能。结果表明,该系统的系统结构简单,对金属样品和塑料绝缘表面进行测试,测量结果与触针式测量之间的误差小于8%(其中绝缘表面小于5%),能够实现不同材料表面的粗糙度值测量。这一结果对物体表面的粗糙度测量研究是有帮助的。
激光切割碳纤维复合材料的温度场仿真
底才翔, 孙艳军, 王菲, 陈燨, 丁伟
2020, 44(5): 628-632. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.017
摘要:
为了揭示激光切割碳纤维复合材料过程中温度场的分布规律、材料对能量的吸收和传递规律以及热影响区的形成机制,采用碳纤维复合材料为研究对象,建立激光切割碳纤维复合材料的多物理场模型,计算仿真了激光切割碳纤维复合材料过程中温度场分布及激光参量对碳纤维复合材料温度和热影响区影响规律,得到了激光切割碳纤维复合材料过程中的3维温度场分布。结果表明,激光切割过程中,碳纤维复合材料表面温度场近似为椭圆形,且碳纤维复合材料中能量的传递和扩散主要沿着碳纤维铺设方向;激光功率20W、光斑半径100μm、切割速率50mm/s的激光沿垂直于碳纤维铺设方向切割时,激光光斑作用处碳纤维温度远低于树脂层温度;随着切割光斑半径和激光功率的增加,碳纤维复合材料中最高温度逐渐增加,热影响区逐渐增大;随着切割速率的增加,碳纤维复合材料中最高温度逐渐减小,热影响区逐渐变小。该研究为了解激光切割碳纤维复合材料过程中的热损伤机理及材料高质高效的加工提供了一定的理论指导。
光通信与光信息技术
用于数字化标定的光纤光栅应变检测系统
王建颖, 刘智超, 林雪竹, 侯茂盛, 李丽娟
2020, 44(5): 570-574. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.008
摘要:
在装配过程中因工件不同摆放方式或夹持方式造成表面形变,为了减小其引起基准点、对接位置等的偏差,采用光纤光栅传感器应变检测方法,设计了基于光纤布喇格光栅(FBG)的3维应变场实时监测系统。通过正交结构FBG应变片组实时监测工件的应变场分布变化,并利用ANSYS仿真分析了工件受力后表面形变偏移量分布。结果表明,仿真分析与视觉检测绝对误差为0.72mm,应变检测与视觉检测结果的绝对误差为0.52mm,均在误差范围内; 对比仿真结果、应变检测结果和视觉检测结果,样本偏差为0.19mm。通过建立3维应变场与工件形变偏移量之间关系,实现了形变偏移量补偿并辅助精密装配。该系统在大型工件数字化精密装配中具有重要作用。
一组波峰波谷实现光纤环镜传感器在线测量
江莺, 段峥, 张晓丽, 胡兴柳
2020, 44(5): 587-591. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.010
摘要:
为了实现传感光纤长度较短的双折射光纤环镜(Bi-FLM)传感器的在线测量,提出通过一组相邻的波峰波谷波长实现Bi-FLM应变传感器在线测量的方法。采用典型通讯波长1550nm附近的波峰波长、波谷波长及其双折射光纤初始条件,计算了应变大小。结果表明,该方法计算应变均与给定应变基本吻合,3组不同的组合方式计算的应变与给定应变的最大误差为0.0296%,最小误差为-0.0003%;该方法无需人为判断,有助于实现计算机在线测量; 与监测点无关,无需校准; 只需0.5个周期的干涉波形,需要的信息量少。这一结果对实现传感光纤长度较短的Bi-FLM传感器在线测量是有帮助的。
掺杂型双芯光子晶体光纤高灵敏声压传感结构
钱诗婷, 廖秋雨, 张煜熔, 张克非, 刘维光
2020, 44(5): 605-610. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.013
摘要:
为了解决石英材料高杨氏模量对光纤传感器均匀径向上灵敏度提升的限制,提出一种掺杂型双芯光子晶体光纤传感结构。该设计将圆形空气孔分列在光纤包层上,构成六边形晶格,在其单侧空气孔环绕的基材区域掺入聚甲基丙烯酸甲酯材料。利用COMSOL分析了均匀应力作用下光纤截面参量对声压灵敏度的影响,得到最优参量匹配结构。结果表明, kPa量级的声压作用下,自由光谱宽度约13nm; MPa量级的声压作用下,自由光谱宽度约2.5465nm, 在1550μm波段下,x偏振声压灵敏度达0.15942nm/kPa; 相比Saganc光子晶体光纤压力传感器,传感尺寸小,均匀径向灵敏度提高了46.6倍。该研究对下一代水下声压传感器的设计有帮助。
基于自适应区域的光斑中心鲁棒性研究
王国军, 黄亚新, 赵启林, 张冬冬
2020, 44(5): 616-622. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.015
摘要:
激光光斑中心检测中,为了在保证光斑中心定位精度的前提下提高计算效率,采用改进的模板匹配算法, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 在未曝光的情况下,自适应感兴趣区域(ROI)平均计算时间为897s,而传统的模板匹配算法的平均计算时间为3388s;存在曝光的情况下,自适应ROI的平均计算时间为921s,传统模板匹配算法的平均计算时间为3389s。改进的自适应算法在激光光斑定位的实验测试方面表现优异,表明其可以在保证精度的前提下较好地提高计算效率。
基于光谱角背景纯化的高光谱异常检测算法
王强辉, 华文深, 黄富瑜, 严阳, 张炎, 索文凯
2020, 44(5): 623-627. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.016
摘要:
为了解决利用高光谱图像进行异常检测时结果不准确、虚警率较高的问题,提出了一种基于光谱角背景纯化的异常检测算法。该算法以局部RX算法为基础,根据光谱角距离分离出内外窗口间背景像元中的异常成分,得到纯化后的背景像元,然后进行异常检测。为验证算法的有效性,选取了两组机载可见光/红外光成像光谱仪真实高光谱数据进行仿真实验,并与经典的全局RX、局部RX算法进行对比。结果表明,与局部RX算法相比,该算法在两组数据下的曲线下面积分别提高了0.0317和0.0053。这些结果为下一步的研究方向提供了参考。
基于FBG的复杂面形应变场检测系统研究
李莹莹, 刘智超
2020, 44(5): 652-656. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.022
摘要:
为了实时采集在受力条件下复杂面形的应变分布,为复杂面形结构的健康程度评估提供数据支撑,设计了一种基于光纤传感网络的复杂面形应变分布实时检测系统。系统由光纤激光器、耦合器、解调仪、光纤传感阵列组成,采用与光学扫描检测数据对比的方法,进行了多种不同施力条件下待测件应变分布的理论分析和仿真计算;实验中采用4组光纤光栅传感器在待测面上正交排布的形式,针对5.0mm铝板进行了测试,并与仿真数据进行了对比。结果表明,应变分布与施力位置、大小、表面结构均有关;实验测得最大波长偏移量为1.324nm,2.547nm和1.643nm,其分别对应的位移偏移量为0.244mm,0.523mm和0.347mm,与激光扫描法标定数据对比,相对均小于10%。该测试数据能够反映面形变化趋势,符合设计要求。
光电对抗与强激光技术
“猫眼”效应在激光干扰效果实时评估中的应用
陈琳, 何衡湘, 万勇, 邓洪峰
2020, 44(5): 633-638. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.018
摘要:
为了对非合作条件下激光干扰效果进行实时评估,根据“猫眼”效应形成原理,提出一种利用猫眼回波强度来评估激光干扰效果的新方法。分析了激光入射角、激光发射功率与距离对“猫眼”回波功率的影响,研究并实验验证了“猫眼”回波功率与光电成像系统被激光干扰效果之间的关系。结果表明,“猫眼”回波功率受激光干扰距离和干扰激光入射角影响最大, 当对抗反坦克导弹时,回波探测器离激光源的距离超过50m, 回波功率和干扰持续时间显著下降,可见“猫眼”效应原理用于激光定向干扰效果实时评估是可行的。这一结论对激光定向干扰设备技术研究具有一定的参考意义。
强脉冲激光照射TC11合金组织和抗氧化性能分析
王一刚
2020, 44(5): 639-642. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.05.019
摘要:
为了改善TC11钛合金表面性能,采用强激光照射方法对其进行表面辐照处理,并研究脉冲能量密度对激光照射TC11钛合金表面形貌及性能的影响。结果表明,经过1J/cm2的强脉冲激光照射后,合金表面出现熔融,随着脉冲能量密度增大,合金表层的熔坑外径变大;激光照射后合金表层形成了约1.5μm外径的微孔,其构成元素主要为Mg,O,S,C;经脉冲照射处理后TC11合金显微硬度明显增大;当脉冲能量密度增加后,合金显微硬度也随之上升,合金试样的抗高温氧化性能得到明显的提升;合金表层形成的氧化物包含颗粒状和层状两种形貌类型,氧化物主要由Al2O3与Cr2O3构成。该研究对提高TC11钛合金表面抗氧化性能是有帮助的。