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RSS2022年 46卷 第4期
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[摘要]
[PDF 251KB]
2022, 46(4): 444-453.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.002
[HTML全文]
摘要:
粒径测量技术广泛应用于能源、材料、医药、化工、冶金、电子、机械、轻工、建筑等诸多领域, 对于改善产品质量、提高生产效率、降低能源消耗、实现精准医疗、监测环境污染等具有十分重要的意义。基于光学原理的粒径测量方法具有响应速度快、粒径测量范围可达纳米级等优势, 但也存在一些问题, 需要不断完善。总结了基于光学原理的3类粒径测量方法, 即显微镜法、光散射法、激光成像法; 介绍了各种方法的测量原理和应用领域, 对比分析了不同粒径测量方法的测量范围和优缺点。在此基础上对粒径测量方法的发展方向进行了展望。
粒径测量技术广泛应用于能源、材料、医药、化工、冶金、电子、机械、轻工、建筑等诸多领域, 对于改善产品质量、提高生产效率、降低能源消耗、实现精准医疗、监测环境污染等具有十分重要的意义。基于光学原理的粒径测量方法具有响应速度快、粒径测量范围可达纳米级等优势, 但也存在一些问题, 需要不断完善。总结了基于光学原理的3类粒径测量方法, 即显微镜法、光散射法、激光成像法; 介绍了各种方法的测量原理和应用领域, 对比分析了不同粒径测量方法的测量范围和优缺点。在此基础上对粒径测量方法的发展方向进行了展望。
2022, 46(4): 499-510.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.010
摘要:
激光诱导等离子体作为一种宽光谱辐射源，能够产生X射线、紫外、可见、红外、太赫兹以及微波波段的辐射，可应用于天体物理、惯性约束核聚变、生物医学、材料科学、光谱分析、环境工程、信息技术、超快技术、光刻技术、成像技术、雷达技术、半导体技术等众多领域，具有较高的实用价值。迄今为止，有关激光诱导等离子体辐射特性的文献报道大多集中于描述激光与物质在单一波段的相互作用，对辐射的产生机理还未完全掌握，对完整光谱的研究综述依然比较缺乏。从电磁辐射光谱及其辐射机制的角度，对激光诱导等离子体的辐射特性做出了系统的梳理分类，对国内外相关团队的研究成果进行了总结和分析，特别从不同视角探究了等离子体与光谱辐射之间的物理关系。介绍了激光诱导等离子体各个波段的辐射特点，并讨论了影响辐射的相关因素。最后，对红外波段和太赫兹波段的研究前景进行了展望。
激光诱导等离子体作为一种宽光谱辐射源，能够产生X射线、紫外、可见、红外、太赫兹以及微波波段的辐射，可应用于天体物理、惯性约束核聚变、生物医学、材料科学、光谱分析、环境工程、信息技术、超快技术、光刻技术、成像技术、雷达技术、半导体技术等众多领域，具有较高的实用价值。迄今为止，有关激光诱导等离子体辐射特性的文献报道大多集中于描述激光与物质在单一波段的相互作用，对辐射的产生机理还未完全掌握，对完整光谱的研究综述依然比较缺乏。从电磁辐射光谱及其辐射机制的角度，对激光诱导等离子体的辐射特性做出了系统的梳理分类，对国内外相关团队的研究成果进行了总结和分析，特别从不同视角探究了等离子体与光谱辐射之间的物理关系。介绍了激光诱导等离子体各个波段的辐射特点，并讨论了影响辐射的相关因素。最后，对红外波段和太赫兹波段的研究前景进行了展望。
2022, 46(4): 454-459.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.003
摘要:
为了研究电控相位延迟对矢量涡旋光偏振态的影响规律, 采用半波液晶可变延迟器和液晶q波片搭建了电控矢量涡旋光的全斯托克斯偏振测试实验装置, 进行了电控矢量涡旋光的斯托克斯参量传输特性的Muller矩阵分析和实验验证。通过对输入偏振光进行连续相位调控, 获得了其通过调谐q波片后的输出光束偏振态演变规律。结果表明, 电控相位延迟会改变角向和径向偏振光的局域偏振椭偏度, 且随电压变化呈线性关系, 同时偏振态演变会影响矢量涡旋光的输出光强。此研究对于探索电控矢量涡旋光的偏振转换有着重要的意义。
为了研究电控相位延迟对矢量涡旋光偏振态的影响规律, 采用半波液晶可变延迟器和液晶q波片搭建了电控矢量涡旋光的全斯托克斯偏振测试实验装置, 进行了电控矢量涡旋光的斯托克斯参量传输特性的Muller矩阵分析和实验验证。通过对输入偏振光进行连续相位调控, 获得了其通过调谐q波片后的输出光束偏振态演变规律。结果表明, 电控相位延迟会改变角向和径向偏振光的局域偏振椭偏度, 且随电压变化呈线性关系, 同时偏振态演变会影响矢量涡旋光的输出光强。此研究对于探索电控矢量涡旋光的偏振转换有着重要的意义。
2022, 46(4): 556-560.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.019
摘要:
为了探究高能电子辐射与其初始位置间的关系, 依据拉格朗日方程构建了单个高能电子与高斯激光脉冲相互作用发生散射的模型, 并采用数值模拟的方法通过MATLAB获得了电子运动轨迹及散射光的空间辐射特性, 具体分析讨论了电子初始位置对空间能量辐射的影响。结果表明, 初始状态静止的高能电子经与线偏振紧聚焦强激光相互作用, 其在平面内沿+z方向先做振荡运动, 然后沿直线行进; 最大辐射能量及其辐射方向均受到电子初始位置的较大影响, 前者随电子初始位置朝z轴正向移动出现极大值, 而后者在方位角恒定的同时极角逐渐减小并最终稳定; 全空间最大辐射能量在电子初始位置位于(0, 0, -7λ0)(λ0为激光波长)、极角和方位角分别为23.5°和180°时取得。此结果说明通过合理设置电子的初始位置可以获得强度尽可能大的辐射。
为了探究高能电子辐射与其初始位置间的关系, 依据拉格朗日方程构建了单个高能电子与高斯激光脉冲相互作用发生散射的模型, 并采用数值模拟的方法通过MATLAB获得了电子运动轨迹及散射光的空间辐射特性, 具体分析讨论了电子初始位置对空间能量辐射的影响。结果表明, 初始状态静止的高能电子经与线偏振紧聚焦强激光相互作用, 其在平面内沿+z方向先做振荡运动, 然后沿直线行进; 最大辐射能量及其辐射方向均受到电子初始位置的较大影响, 前者随电子初始位置朝z轴正向移动出现极大值, 而后者在方位角恒定的同时极角逐渐减小并最终稳定; 全空间最大辐射能量在电子初始位置位于(0, 0, -7λ0)(λ0为激光波长)、极角和方位角分别为23.5°和180°时取得。此结果说明通过合理设置电子的初始位置可以获得强度尽可能大的辐射。
2022, 46(4): 561-566.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.020
摘要:
为了研究激光脉宽对撞击电子后产生的辐射能量分布, 采用模拟计算的方法, 以Lorentz方程以及电子辐射方程为基础, 建立了紧聚焦激光作用于静止单电子模型, 并通过MATLAB软件模拟了不同脉宽下的激光脉冲与电子作用后产生的电子辐射能量分布, 对飞秒紧聚焦椭圆偏振激光脉冲的脉宽与电子间的辐射功率峰值进行了深入研究。结果表明, 当紧聚焦激光脉冲遇到静止单电子, 在激光脉冲撞击电子时, 电子会发出辐射; 散射辐射在散射方向的中心呈尖锥状积累; 随着激光脉宽的增加, 辐射功率分布逐渐呈现出双峰形; 脉冲宽度越宽, 电子辐射功率峰值越小, 脉宽为10λ0时的峰值功率仅为脉宽为0.1λ0时峰值功率的1%(初始脉宽λ0=3.33fs), 同时辐射功率达到峰值所需时间越长, 最高峰的持续时间越长, 频谱函数的截止频率越低, 高频分量变少, 谐波次数增加。该结果对激光空气等离子体诊断方面具有重要意义。
为了研究激光脉宽对撞击电子后产生的辐射能量分布, 采用模拟计算的方法, 以Lorentz方程以及电子辐射方程为基础, 建立了紧聚焦激光作用于静止单电子模型, 并通过MATLAB软件模拟了不同脉宽下的激光脉冲与电子作用后产生的电子辐射能量分布, 对飞秒紧聚焦椭圆偏振激光脉冲的脉宽与电子间的辐射功率峰值进行了深入研究。结果表明, 当紧聚焦激光脉冲遇到静止单电子, 在激光脉冲撞击电子时, 电子会发出辐射; 散射辐射在散射方向的中心呈尖锥状积累; 随着激光脉宽的增加, 辐射功率分布逐渐呈现出双峰形; 脉冲宽度越宽, 电子辐射功率峰值越小, 脉宽为10λ0时的峰值功率仅为脉宽为0.1λ0时峰值功率的1%(初始脉宽λ0=3.33fs), 同时辐射功率达到峰值所需时间越长, 最高峰的持续时间越长, 频谱函数的截止频率越低, 高频分量变少, 谐波次数增加。该结果对激光空气等离子体诊断方面具有重要意义。
2022, 46(4): 573-578.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.022
摘要:
为了研究光注入半导体激光器(SL)产生的光子微波信号的性能, 基于SL的速率方程和光纤布喇格光栅(FBG)滤波理论, 采用数值仿真的方法进行了理论分析, 得到了各种注入参量下的光谱、功率谱和线宽, 并讨论了反馈参量对微波线宽的影响, 考虑到光注入下产生的微波线宽较宽, 进一步引入FBG光反馈窄化了微波信号的线宽。结果表明, 当SL仅在光注入作用下时, 通过改变注入参量, 可实现微波频率连续可调谐和微波强度最大化; 微波线宽随着反馈强度的增加逐渐变窄, 通过适当调节反馈参量可将微波线宽压缩到10kHz以下。该研究结果可为半导体激光器在光生微波中的应用提供一定的理论参考。
为了研究光注入半导体激光器(SL)产生的光子微波信号的性能, 基于SL的速率方程和光纤布喇格光栅(FBG)滤波理论, 采用数值仿真的方法进行了理论分析, 得到了各种注入参量下的光谱、功率谱和线宽, 并讨论了反馈参量对微波线宽的影响, 考虑到光注入下产生的微波线宽较宽, 进一步引入FBG光反馈窄化了微波信号的线宽。结果表明, 当SL仅在光注入作用下时, 通过改变注入参量, 可实现微波频率连续可调谐和微波强度最大化; 微波线宽随着反馈强度的增加逐渐变窄, 通过适当调节反馈参量可将微波线宽压缩到10kHz以下。该研究结果可为半导体激光器在光生微波中的应用提供一定的理论参考。
2022, 46(4): 435-443.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.001
摘要:
为了保证雷达观测数据的准确性, 2017年9月中国气象局气象探测中心在国内首次开展了组网气溶胶激光雷达标定实验, 通过采用单部雷达的光电系统标定和基于统计分析策略的多部雷达比对观测标定方法, 对组网试验雷达共有的532nm米散射通道进行了检查标定。结果表明, 标定完成后, 532nm通道的后向散射系数的相对标准差在1km~2km高度范围从90.8%降低到20.4%, 在2km~5km高度范围从244.3%降低到了35.9%, 数据质量得到了较大提高。此次气溶胶激光雷达标定试验, 使雷达后向散射系数差异显著减小, 大大地改善了雷达观测数据的一致性, 这将为气溶胶激光雷达组网应用提供很好的硬件质控保证。
为了保证雷达观测数据的准确性, 2017年9月中国气象局气象探测中心在国内首次开展了组网气溶胶激光雷达标定实验, 通过采用单部雷达的光电系统标定和基于统计分析策略的多部雷达比对观测标定方法, 对组网试验雷达共有的532nm米散射通道进行了检查标定。结果表明, 标定完成后, 532nm通道的后向散射系数的相对标准差在1km~2km高度范围从90.8%降低到20.4%, 在2km~5km高度范围从244.3%降低到了35.9%, 数据质量得到了较大提高。此次气溶胶激光雷达标定试验, 使雷达后向散射系数差异显著减小, 大大地改善了雷达观测数据的一致性, 这将为气溶胶激光雷达组网应用提供很好的硬件质控保证。
2022, 46(4): 460-465.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.004
摘要:
为了缩减ARJ21飞机与前机的尾流间隔、提高空域容量和机场运行效率, 采用基于机场激光测风雷达实际探测飞机尾涡数据, 结合国产客机ARJ21空气动力学响应模型, 进行了理论分析和实验验证, 取得了ARJ21飞机在不同前机尾流作用下受到的气动力和力矩随时间的变化情况。结果表明, ARJ21飞机作为后机跟随重型机B747, 间隔9.3km, 此时处于无颠簸状态, 滚转力矩系数小于极限范围; ARJ21飞机作为后机跟随中型机A320、B737, 间隔6km, 此时处于无颠簸状态, 滚转力矩系数小于极限范围。此研究结果说明ARJ21飞机尾流间隔具有一定的缩减空间。
为了缩减ARJ21飞机与前机的尾流间隔、提高空域容量和机场运行效率, 采用基于机场激光测风雷达实际探测飞机尾涡数据, 结合国产客机ARJ21空气动力学响应模型, 进行了理论分析和实验验证, 取得了ARJ21飞机在不同前机尾流作用下受到的气动力和力矩随时间的变化情况。结果表明, ARJ21飞机作为后机跟随重型机B747, 间隔9.3km, 此时处于无颠簸状态, 滚转力矩系数小于极限范围; ARJ21飞机作为后机跟随中型机A320、B737, 间隔6km, 此时处于无颠簸状态, 滚转力矩系数小于极限范围。此研究结果说明ARJ21飞机尾流间隔具有一定的缩减空间。
2022, 46(4): 466-473.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.005
摘要:
为了解决基于机载激光雷达(LiDAR)点云提取道路时多重特征阈值设定难、普适性低的问题, 采用了随机森林分类模型提取道路点云进而获得道路中心线的方法。首先使用渐进加密三角网滤波获取地面点云, 根据山区道路特性, 计算地面点云各点在邻域范围的坡度、粗糙度、高差方差、点密度及反射强度, 组成点的分类特征; 随后手动采集正负样本训练点云随机森林分类模型, 将地面点云通过模型分类得到初始道路点云; 再通过基于密度的噪声应用空间聚类算法去除噪声点精化道路点云; 最后矢量化道路点云获取道路中心线。结果表明, 以Entiat River地区山区LiDAR点云数据进行实验验证, 道路点云提取的正确率达到95.29%, 完整率达到92.96%, 提取质量达到88.88%。该方法能解决多重阈值难以确定的问题, 能较高精度地提取到山区道路点云, 进而获取有效道路中心线, 对山区道路信息的研究有一定的参考价值。
为了解决基于机载激光雷达(LiDAR)点云提取道路时多重特征阈值设定难、普适性低的问题, 采用了随机森林分类模型提取道路点云进而获得道路中心线的方法。首先使用渐进加密三角网滤波获取地面点云, 根据山区道路特性, 计算地面点云各点在邻域范围的坡度、粗糙度、高差方差、点密度及反射强度, 组成点的分类特征; 随后手动采集正负样本训练点云随机森林分类模型, 将地面点云通过模型分类得到初始道路点云; 再通过基于密度的噪声应用空间聚类算法去除噪声点精化道路点云; 最后矢量化道路点云获取道路中心线。结果表明, 以Entiat River地区山区LiDAR点云数据进行实验验证, 道路点云提取的正确率达到95.29%, 完整率达到92.96%, 提取质量达到88.88%。该方法能解决多重阈值难以确定的问题, 能较高精度地提取到山区道路点云, 进而获取有效道路中心线, 对山区道路信息的研究有一定的参考价值。
2022, 46(4): 474-480.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.006
摘要:
为了获得气孔率低、玻璃料完全熔化、形貌良好的焊缝, 采用响应面法中的设计原理, 建立了玻璃激光焊接中焊缝缺陷面积占比率与工艺参数(预烧结峰值温度、激光功率、焊接速率和离焦量)的数学模型。基于所建模型, 理论分析了各工艺参数对焊缝缺陷面积占比率的交互影响趋势, 并对工艺参数进行了优化。结果表明, 在预烧结峰值温度为440℃、激光功率为37W、焊接速率为0.1m/min、离焦量为14.4mm的优化参数下进行实验, 焊缝中气孔面积和玻璃料未完全熔融面积之和仅占焊缝总面积的0.512%, 与模型预测结果吻合, 焊缝表面形貌良好, 焊缝剪切强度为17.765MPa, 高于标准值。该模型优化出的工艺参数是合理的, 该研究有助于提高玻璃激光焊接质量。
为了获得气孔率低、玻璃料完全熔化、形貌良好的焊缝, 采用响应面法中的设计原理, 建立了玻璃激光焊接中焊缝缺陷面积占比率与工艺参数(预烧结峰值温度、激光功率、焊接速率和离焦量)的数学模型。基于所建模型, 理论分析了各工艺参数对焊缝缺陷面积占比率的交互影响趋势, 并对工艺参数进行了优化。结果表明, 在预烧结峰值温度为440℃、激光功率为37W、焊接速率为0.1m/min、离焦量为14.4mm的优化参数下进行实验, 焊缝中气孔面积和玻璃料未完全熔融面积之和仅占焊缝总面积的0.512%, 与模型预测结果吻合, 焊缝表面形貌良好, 焊缝剪切强度为17.765MPa, 高于标准值。该模型优化出的工艺参数是合理的, 该研究有助于提高玻璃激光焊接质量。
2022, 46(4): 481-485.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.007
摘要:
为了明晰光丝距离对激光填丝焊接过程影响规律, 采用高速摄像、外观检查、宏观金相等方法, 对3种光束模式下不同光丝距离与激光堆焊关系进行了理论分析和实验验证, 得到了光丝距离对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池波动和焊缝凝固的稳定性影响数据。结果表明, 光丝位置由相交(-5mm)向相离(+5mm)变化时, 熔滴过渡经历"液滴→液滴+液桥→液桥→液滴+液桥"阶段; 相同光丝距离时, 单光束激光模式、双光束激光串行模式和双光束并行模式的焊缝熔深依次降低, 甚至出现焊缝偏移和无熔深现象; 单光束模式和双光束串行模式对焊丝熔化和熔池的影响规律近似, 但双光束并行模式下具有特殊性; 单光束激光焊接时, 随着离焦量的增加, 焊缝的熔深由最大值409.8μm迅速减小到282.6μm; 双光束激光串行模式时, 焊缝的最大熔深仅为328.4μm, 随着离焦量降低而减小, 但正离焦量为焊缝截面呈现不对称状态; 双光束激光并行焊接模式时, 焊丝偏向小功率激光束时, 焊缝无熔深; 随着焊丝向大功率激光束移动, 形成仅有226.5μm小熔深焊缝。该研究为铝合金激光增材和焊接提供了参考。
为了明晰光丝距离对激光填丝焊接过程影响规律, 采用高速摄像、外观检查、宏观金相等方法, 对3种光束模式下不同光丝距离与激光堆焊关系进行了理论分析和实验验证, 得到了光丝距离对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池波动和焊缝凝固的稳定性影响数据。结果表明, 光丝位置由相交(-5mm)向相离(+5mm)变化时, 熔滴过渡经历"液滴→液滴+液桥→液桥→液滴+液桥"阶段; 相同光丝距离时, 单光束激光模式、双光束激光串行模式和双光束并行模式的焊缝熔深依次降低, 甚至出现焊缝偏移和无熔深现象; 单光束模式和双光束串行模式对焊丝熔化和熔池的影响规律近似, 但双光束并行模式下具有特殊性; 单光束激光焊接时, 随着离焦量的增加, 焊缝的熔深由最大值409.8μm迅速减小到282.6μm; 双光束激光串行模式时, 焊缝的最大熔深仅为328.4μm, 随着离焦量降低而减小, 但正离焦量为焊缝截面呈现不对称状态; 双光束激光并行焊接模式时, 焊丝偏向小功率激光束时, 焊缝无熔深; 随着焊丝向大功率激光束移动, 形成仅有226.5μm小熔深焊缝。该研究为铝合金激光增材和焊接提供了参考。
2022, 46(4): 486-491.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.008
摘要:
为了满足用户对虚拟现实头戴显示器大视场和高分辨率的需求，采用逆向设计方法，通过理论计算与软件仿真，设计了一种同轴大视场虚拟现实型头戴显示器的光学结构。结果表明，每个通道采用3片非球面透镜，全视场角为90°，出瞳直径为8mm，出瞳距离为13mm，在奈奎斯特频率10.58lp/mm处调制传递函数大于0.3，最大畸变为6.1%；与参考文献相比，此结构分辨率高、畸变小、像差平衡合理。该设计为优化大视场头戴显示器的光学结构提供了参考。
为了满足用户对虚拟现实头戴显示器大视场和高分辨率的需求，采用逆向设计方法，通过理论计算与软件仿真，设计了一种同轴大视场虚拟现实型头戴显示器的光学结构。结果表明，每个通道采用3片非球面透镜，全视场角为90°，出瞳直径为8mm，出瞳距离为13mm，在奈奎斯特频率10.58lp/mm处调制传递函数大于0.3，最大畸变为6.1%；与参考文献相比，此结构分辨率高、畸变小、像差平衡合理。该设计为优化大视场头戴显示器的光学结构提供了参考。
2022, 46(4): 492-498.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.009
摘要:
为了在成型过程中，方便地在零件上按需获得梯度材料成分，采用了集成同步送粉碰撞混合、锥形聚集混合、气流混合等多重混粉动作的实时混粉方法，研制成梯度材料激光选区熔化增材制造系统，并展开了梯度材料成型实验验证，结合试样照片、显微图像及能谱仪检测，分析了成型效果。结果表明，系统可自由按需在水平及垂直方向添加成分渐变材料，可方便获得具有复杂外形结构的梯度材料零件；成型件梯度材料区域微区成分分析显示，各微区内元素平均质量分数离散程度小，成型过程中每层平均混粉时间10s~15s时，各微区主要元素变异系数不超0.59，达到了较好的混合均匀性。该研究为自由制造梯度材料零件提供了新途径。
为了在成型过程中，方便地在零件上按需获得梯度材料成分，采用了集成同步送粉碰撞混合、锥形聚集混合、气流混合等多重混粉动作的实时混粉方法，研制成梯度材料激光选区熔化增材制造系统，并展开了梯度材料成型实验验证，结合试样照片、显微图像及能谱仪检测，分析了成型效果。结果表明，系统可自由按需在水平及垂直方向添加成分渐变材料，可方便获得具有复杂外形结构的梯度材料零件；成型件梯度材料区域微区成分分析显示，各微区内元素平均质量分数离散程度小，成型过程中每层平均混粉时间10s~15s时，各微区主要元素变异系数不超0.59，达到了较好的混合均匀性。该研究为自由制造梯度材料零件提供了新途径。
2022, 46(4): 511-515.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.011
摘要:
为了提高光纤脉冲相干激光测风雷达性能，采用数学建模的方法来分析光学天线特性。利用后向传播本振原理，讨论光学天线口径对系统载噪比的影响，以及光瞳截断比对天线效率的影响; 提出光学接收耦合效率的定义，研究不同大气折射率结构常数条件对耦合效率和测程的影响；通过搭建实验平台，测量不同距离门内的载噪比和频谱强度等参数，验证了仿真结果。结果表明，当远场探测距离在7km~10km范围内变化时，天线最优口径为100mm，光瞳截断比最优值为0.8;相较弱湍流情况，强湍流会使同一系统测程下降近30%。此研究为光学天线的优化设计提供了理论依据。
为了提高光纤脉冲相干激光测风雷达性能，采用数学建模的方法来分析光学天线特性。利用后向传播本振原理，讨论光学天线口径对系统载噪比的影响，以及光瞳截断比对天线效率的影响; 提出光学接收耦合效率的定义，研究不同大气折射率结构常数条件对耦合效率和测程的影响；通过搭建实验平台，测量不同距离门内的载噪比和频谱强度等参数，验证了仿真结果。结果表明，当远场探测距离在7km~10km范围内变化时，天线最优口径为100mm，光瞳截断比最优值为0.8;相较弱湍流情况，强湍流会使同一系统测程下降近30%。此研究为光学天线的优化设计提供了理论依据。
2022, 46(4): 532-537.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.015
摘要:
为了研究残缺蛋壳的分类方法以及某些蛋制品中存在的食品安全问题，采用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)和反向传播神经网络(BPNN)相结合的方法开展了对于蛋壳元素的探究、不同种类蛋壳的甄别以及蛋壳中污染元素的检测工作。结果表明，鸭蛋壳中含有Si，Cu，Ca，Mg，C，Na和Al等元素；采用LIBS测量并标定污染的皮蛋壳中的元素组成，成功探测到了明显的铅元素特征峰；对鸡蛋壳、鸭蛋壳和鹌鹑蛋壳进行快速的甄别，得到了94.167%的准确率；对鸭蛋壳和皮蛋壳进行不同制作方法的蛋壳分类，获得了97.5%的准确率。LIBS与BPNN的结合为蛋壳的分类与甄别提供了一个新的思路与研究方法。
为了研究残缺蛋壳的分类方法以及某些蛋制品中存在的食品安全问题，采用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)和反向传播神经网络(BPNN)相结合的方法开展了对于蛋壳元素的探究、不同种类蛋壳的甄别以及蛋壳中污染元素的检测工作。结果表明，鸭蛋壳中含有Si，Cu，Ca，Mg，C，Na和Al等元素；采用LIBS测量并标定污染的皮蛋壳中的元素组成，成功探测到了明显的铅元素特征峰；对鸡蛋壳、鸭蛋壳和鹌鹑蛋壳进行快速的甄别，得到了94.167%的准确率；对鸭蛋壳和皮蛋壳进行不同制作方法的蛋壳分类，获得了97.5%的准确率。LIBS与BPNN的结合为蛋壳的分类与甄别提供了一个新的思路与研究方法。
2022, 46(4): 538-544.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.016
摘要:
为了得到稳定的激光双电弧复合焊接过程, 采用空间重构技术对不同焊丝间距下焊接过程特征电流最大李雅普诺夫指数(LLE)进行了数值计算, 通过理论分析和实验验证, 取得了不同焊丝间距焊接电流的LLE和标准偏差数据。结果表明, 激光位于两弧中心, LLE小于0.61、间距为3mm~9mm时, 热源耦合良好, 焊接过程稳定; 焊丝间距为7mm时最佳, 焊缝表面平整光滑且熔深最大; LLE可以作为焊接稳定性的判据, 且与电信号、电弧形态和熔滴过渡的观察结果吻合度较高。这一结果对保证焊接过程的稳定和安全是有帮助的。
为了得到稳定的激光双电弧复合焊接过程, 采用空间重构技术对不同焊丝间距下焊接过程特征电流最大李雅普诺夫指数(LLE)进行了数值计算, 通过理论分析和实验验证, 取得了不同焊丝间距焊接电流的LLE和标准偏差数据。结果表明, 激光位于两弧中心, LLE小于0.61、间距为3mm~9mm时, 热源耦合良好, 焊接过程稳定; 焊丝间距为7mm时最佳, 焊缝表面平整光滑且熔深最大; LLE可以作为焊接稳定性的判据, 且与电信号、电弧形态和熔滴过渡的观察结果吻合度较高。这一结果对保证焊接过程的稳定和安全是有帮助的。
2022, 46(4): 551-555.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.018
摘要:
为了提高TC4合金表面的硬度和减磨性、优化工艺参数, 采用多组工艺参数(不同功率、不同TiO2粉末含量)在TC4板表面制备不同比例的Fe60-TiO2复合涂层, 分析了熔覆层宏观形貌、表面维氏硬度和减磨性。结果表明, 当激光功率为500W、TiO2质量分数为0.10时, 熔覆层表面较平整; 通过X射线衍射分析熔覆层生成较多Ti化合物, 这些Ti化合物对提高熔覆层硬度和减磨性非常有利; 熔覆层硬度比基体提高了约2.5倍; 摩擦系数较基体相比有所降低, 熔覆层的平均摩擦系数约为0.46。此研究结果对TC4钛合金表面熔覆Fe基复合涂层的硬度和减磨性工艺参数有一定指导作用。
为了提高TC4合金表面的硬度和减磨性、优化工艺参数, 采用多组工艺参数(不同功率、不同TiO2粉末含量)在TC4板表面制备不同比例的Fe60-TiO2复合涂层, 分析了熔覆层宏观形貌、表面维氏硬度和减磨性。结果表明, 当激光功率为500W、TiO2质量分数为0.10时, 熔覆层表面较平整; 通过X射线衍射分析熔覆层生成较多Ti化合物, 这些Ti化合物对提高熔覆层硬度和减磨性非常有利; 熔覆层硬度比基体提高了约2.5倍; 摩擦系数较基体相比有所降低, 熔覆层的平均摩擦系数约为0.46。此研究结果对TC4钛合金表面熔覆Fe基复合涂层的硬度和减磨性工艺参数有一定指导作用。
2022, 46(4): 567-572.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.021
摘要:
为了解决40Cr钢零部件表面磨损问题, 结合表面织构理论, 采用激光相变硬化工艺制备分布规则的不同形状(圆形、条状)软硬耦合表面。通过扫描电镜、X射线衍射、摩擦磨损实验和超景深显微镜分别分析相变区微观组织、物相, 评估表面抗磨损性能、磨损表面形貌。结果表明, 圆形相变区截面硬度高于条状, 平均介于(720±3)HV0.1, 且淬硬层较深; 相变后生成马氏体、Cr7C3、Fe7C3; 对比40Cr钢未处理表面与软硬耦合表面摩擦系数, 软硬耦合表面摩擦系数均低于0.5且波动小, 具备好的摩擦稳定性; 磨损表面损伤小, 源于磨损过程硬质相能够阻碍磨屑运动、减少表面损伤, 软相区可以缓存能量和碎屑, 软相区以梨削、粘着损伤为主, 硬相区以小点蚀坑为主, 900W圆形软硬耦合表面减磨耐磨效果最好; 塑韧好、表面规律分布、一定比例(50%)硬质相能够有效提升和改善材料工作表面抗磨损性能, 改善对磨副接触表面, 进而能够稳定摩擦系数。该研究可为改善40Cr零部件表面磨损提供参考。
为了解决40Cr钢零部件表面磨损问题, 结合表面织构理论, 采用激光相变硬化工艺制备分布规则的不同形状(圆形、条状)软硬耦合表面。通过扫描电镜、X射线衍射、摩擦磨损实验和超景深显微镜分别分析相变区微观组织、物相, 评估表面抗磨损性能、磨损表面形貌。结果表明, 圆形相变区截面硬度高于条状, 平均介于(720±3)HV0.1, 且淬硬层较深; 相变后生成马氏体、Cr7C3、Fe7C3; 对比40Cr钢未处理表面与软硬耦合表面摩擦系数, 软硬耦合表面摩擦系数均低于0.5且波动小, 具备好的摩擦稳定性; 磨损表面损伤小, 源于磨损过程硬质相能够阻碍磨屑运动、减少表面损伤, 软相区可以缓存能量和碎屑, 软相区以梨削、粘着损伤为主, 硬相区以小点蚀坑为主, 900W圆形软硬耦合表面减磨耐磨效果最好; 塑韧好、表面规律分布、一定比例(50%)硬质相能够有效提升和改善材料工作表面抗磨损性能, 改善对磨副接触表面, 进而能够稳定摩擦系数。该研究可为改善40Cr零部件表面磨损提供参考。
2022, 46(4): 519-524.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.013
摘要:
为了提高室内可见光定位的精度，采用了基于Levy飞行变异机制、结合自适应移动因子、改进黄金正弦算法的接收信号强度指示可见光定位方法, 将室内屋顶的发光二极管灯按3×3网格状排布，接收到光强信号通过朗伯模型得到未知节点与参考节点的距离，并采用Levy飞行变异机制提升算法搜索空间的多样性，结合自适应移动因子提高算法收敛速度，使得个体更新受局部极值约束力下降。结果表明, 改进算法平均定位误差为1cm，平均迭代次数40次~80次; 改进黄金正弦算法的定位速度和定位精度均得到提升。该研究对室内大型场所实时、快速精确定位有帮助。
为了提高室内可见光定位的精度，采用了基于Levy飞行变异机制、结合自适应移动因子、改进黄金正弦算法的接收信号强度指示可见光定位方法, 将室内屋顶的发光二极管灯按3×3网格状排布，接收到光强信号通过朗伯模型得到未知节点与参考节点的距离，并采用Levy飞行变异机制提升算法搜索空间的多样性，结合自适应移动因子提高算法收敛速度，使得个体更新受局部极值约束力下降。结果表明, 改进算法平均定位误差为1cm，平均迭代次数40次~80次; 改进黄金正弦算法的定位速度和定位精度均得到提升。该研究对室内大型场所实时、快速精确定位有帮助。
2022, 46(4): 525-531.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.014
摘要:
为了解决直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM)水下可见光通信系统中存在的高峰均功率比(PAPR)问题，采用了一种基于范德蒙类矩阵(VLM)预编码与改进的自适应缩放联合PAPR抑制的算法。首先，该算法利用VLM对频域信号进行预编码处理，以此降低其自相关性，再通过比值计算方式改进的自适应缩放因子对时域信号进行缩放，使其更好地减小发光二极管带来的非线性失真，最后实现了抑制系统PAPR的效果。结果表明，在互补累计分布函数为10-3时，相比于原始系统，此联合算法的PAPR下降了3.2dB。由此可知，该研究对抑制DCO-OFDM水下可见光通信系统的PAPR是有帮助的。
为了解决直流偏置光正交频分复用(DCO-OFDM)水下可见光通信系统中存在的高峰均功率比(PAPR)问题，采用了一种基于范德蒙类矩阵(VLM)预编码与改进的自适应缩放联合PAPR抑制的算法。首先，该算法利用VLM对频域信号进行预编码处理，以此降低其自相关性，再通过比值计算方式改进的自适应缩放因子对时域信号进行缩放，使其更好地减小发光二极管带来的非线性失真，最后实现了抑制系统PAPR的效果。结果表明，在互补累计分布函数为10-3时，相比于原始系统，此联合算法的PAPR下降了3.2dB。由此可知，该研究对抑制DCO-OFDM水下可见光通信系统的PAPR是有帮助的。
2022, 46(4): 545-550.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.017
摘要:
为了解决传统相位生成载波(PGC)解调算法在光强扰动和调制深度漂移引起的解调失真现象, 采用基波混频和差分自乘的改进PGC解调算法, 进行了相关的理论分析和仿真验证。结果表明, 该算法能很好地抑制光强扰动引起的失真, 在引入1.5rad~3.5rad的光强扰动时可以达到近30dB的信纳比, 比传统的离散余弦变换算法高出近15dB; 同时能消除对调制深度C的依赖性, 可以实现低于0.1%的总谐波失真和30dB的信纳比, 比传统算法高出近10dB, 线性度高达99.99%。该研究为光纤干涉型传感的解调提供了一种新的方案。
为了解决传统相位生成载波(PGC)解调算法在光强扰动和调制深度漂移引起的解调失真现象, 采用基波混频和差分自乘的改进PGC解调算法, 进行了相关的理论分析和仿真验证。结果表明, 该算法能很好地抑制光强扰动引起的失真, 在引入1.5rad~3.5rad的光强扰动时可以达到近30dB的信纳比, 比传统的离散余弦变换算法高出近15dB; 同时能消除对调制深度C的依赖性, 可以实现低于0.1%的总谐波失真和30dB的信纳比, 比传统算法高出近10dB, 线性度高达99.99%。该研究为光纤干涉型传感的解调提供了一种新的方案。
2022, 46(4): 516-518.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2022.04.012
摘要:
为了验证近红外激光在水面大气传输时的热晕效应，采用缩比实验方法，克服了大口径和高功率系统复杂、实验成本高等实际问题，以理论分析为基础设计了高效的实验方案，对1000nm左右的激光水面大气传输热晕效应进行了实验研究，取得了重要的外场实验数据。结果表明，在选择合适的功率和发射口径情况下，1000nm左右的高能激光水面传输热晕效应可忽略。这一结果对大口径和高功率激光系统设计是有帮助的。
为了验证近红外激光在水面大气传输时的热晕效应，采用缩比实验方法，克服了大口径和高功率系统复杂、实验成本高等实际问题，以理论分析为基础设计了高效的实验方案，对1000nm左右的激光水面大气传输热晕效应进行了实验研究，取得了重要的外场实验数据。结果表明，在选择合适的功率和发射口径情况下，1000nm左右的高能激光水面传输热晕效应可忽略。这一结果对大口径和高功率激光系统设计是有帮助的。
