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RSS2023年 47卷 第1期
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[摘要]
[PDF 246KB]
2023, 47(1): 1-12.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.001
[HTML全文]
摘要:
在针对芯片的"卡脖子"技术中, 极紫外(EUV)光刻是最重要的一环。EUV光刻技术已经被广泛应用于最先进工艺节点的集成电路芯片制造之中。它的研发交叉融合了光学、机械、电子、控制、软件、材料、数学、物理等多个学科的知识。EUV光刻的发展反映了世界范围内联合研发的演变过程, 开放和合作是发展过程中的主旋律。回顾了EUV光刻的发展历史及所涉及的重大项目和机构, 讨论了全球唯一的EUV光刻机制造商——ASML公司的灵活多变的国际化合作路线, 分析了自1997年以来世界各代表性研发机构的研发趋势以及与EUV光刻发展的关系, 详叙了各参与机构在世界范围内的合作对EUV光刻发展的影响。该研究为研发先进光刻机等类似高端装备提供了一些启示和参考。
在针对芯片的"卡脖子"技术中, 极紫外(EUV)光刻是最重要的一环。EUV光刻技术已经被广泛应用于最先进工艺节点的集成电路芯片制造之中。它的研发交叉融合了光学、机械、电子、控制、软件、材料、数学、物理等多个学科的知识。EUV光刻的发展反映了世界范围内联合研发的演变过程, 开放和合作是发展过程中的主旋律。回顾了EUV光刻的发展历史及所涉及的重大项目和机构, 讨论了全球唯一的EUV光刻机制造商——ASML公司的灵活多变的国际化合作路线, 分析了自1997年以来世界各代表性研发机构的研发趋势以及与EUV光刻发展的关系, 详叙了各参与机构在世界范围内的合作对EUV光刻发展的影响。该研究为研发先进光刻机等类似高端装备提供了一些启示和参考。
2023, 47(1): 13-18.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.002
摘要:
为了研究7075铝合金在激光与外载荷联合加载下的失效行为, 采用最大拉力50 kN的拉伸伺服试验机与工作波长为1070 nm的6 kW连续光纤激光系统对7075铝合金进行了不同预载荷与不同激光功率密度下的联合加载实验, 获得了该材料的拉应力-时间曲线、温度-时间曲线、失效时间-功率密度曲线、失效温度-功率密度曲线等, 分析了功率密度与预载荷对失效过程、失效温度和断裂形貌的影响。结果表明, 在相同的预载荷下, 激光功率密度的增大会导致失效时间非线性下降, 失效温度是否有较大变化取决于预载荷的大小, 当预载荷大(330 MPa, 440 MPa)时, 失效温度随功率密度增加略有升高, 预载荷较小(110 MPa, 220 MPa)时, 失效温度变化规律不单调; 在相同的激光功率密度下, 预载荷增大, 失效时间减少, 功率密度较大、预载荷较小时, 失效行为变得相似; 在一定的功率密度(315 W/cm2, 351 W/cm2)下, 失效温度随预载荷的增大先增大后减小。该结果进一步揭示了7075铝合金的失效机理。
为了研究7075铝合金在激光与外载荷联合加载下的失效行为, 采用最大拉力50 kN的拉伸伺服试验机与工作波长为1070 nm的6 kW连续光纤激光系统对7075铝合金进行了不同预载荷与不同激光功率密度下的联合加载实验, 获得了该材料的拉应力-时间曲线、温度-时间曲线、失效时间-功率密度曲线、失效温度-功率密度曲线等, 分析了功率密度与预载荷对失效过程、失效温度和断裂形貌的影响。结果表明, 在相同的预载荷下, 激光功率密度的增大会导致失效时间非线性下降, 失效温度是否有较大变化取决于预载荷的大小, 当预载荷大(330 MPa, 440 MPa)时, 失效温度随功率密度增加略有升高, 预载荷较小(110 MPa, 220 MPa)时, 失效温度变化规律不单调; 在相同的激光功率密度下, 预载荷增大, 失效时间减少, 功率密度较大、预载荷较小时, 失效行为变得相似; 在一定的功率密度(315 W/cm2, 351 W/cm2)下, 失效温度随预载荷的增大先增大后减小。该结果进一步揭示了7075铝合金的失效机理。
2023, 47(1): 46-51.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.007
摘要:
现有轨道交通定位和测速方法易受到外界环境干扰, 具有不稳定性。为了解决这些难题, 结合光纤光栅绝缘、抗干扰能力强、耐腐蚀等特性, 提出了一种基于弱光栅阵列的结合波分和光时域反射仪技术的高精度列车测速定位系统方案, 通过密集型复用方式实现光栅点的绝对定位需求, 并设计了根据不同光栅分区定位结果及其波长漂移规律来计算实时速度和位置的数据处理方法。为验证系统性能, 搭建了模拟运行环境, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 该方案能实现厘米级的定位精度和1 km/h的测速精度。该研究在轨道交通方面具有广泛的应用前景。
现有轨道交通定位和测速方法易受到外界环境干扰, 具有不稳定性。为了解决这些难题, 结合光纤光栅绝缘、抗干扰能力强、耐腐蚀等特性, 提出了一种基于弱光栅阵列的结合波分和光时域反射仪技术的高精度列车测速定位系统方案, 通过密集型复用方式实现光栅点的绝对定位需求, 并设计了根据不同光栅分区定位结果及其波长漂移规律来计算实时速度和位置的数据处理方法。为验证系统性能, 搭建了模拟运行环境, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 该方案能实现厘米级的定位精度和1 km/h的测速精度。该研究在轨道交通方面具有广泛的应用前景。
2023, 47(1): 52-58.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.008
摘要:
为了研究复合涂层中碳化钨(WC)组织演变对裂纹产生的影响机理, 采用单层激光熔覆、过渡层梯度熔覆与双层熔覆制备3种Ni50A/WC复合涂层对比的方法, 分析涂层的形貌与组织、裂纹产生特点以及原因, 探究WC的组织演变对裂纹产生的影响。结果表明, 不同熔覆方法的WC组织演变对裂纹产生的影响主要由残余WC颗粒内部开裂形成裂纹源、硬质相元素引起成分偏析等作用组成; 双层熔覆、梯度熔覆涂层与单层熔覆涂层相比, 由于粉末吸收了更多的能量, 残余WC颗粒含量降低了32.7%与37.9%, 减少了涂层内部裂纹源; 共晶化合物的W元素质量分数也从单层熔覆涂层的0.534分别下降到双层熔覆涂层的0.417与梯度熔覆涂层的0.386, 降低了硬质相元素集中程度, 减少了涂层成分偏析, 降低了涂层开裂敏感性。该研究对改善激光熔覆复合涂层的开裂问题、提高复合涂层的成品率有一定的指导意义。
为了研究复合涂层中碳化钨(WC)组织演变对裂纹产生的影响机理, 采用单层激光熔覆、过渡层梯度熔覆与双层熔覆制备3种Ni50A/WC复合涂层对比的方法, 分析涂层的形貌与组织、裂纹产生特点以及原因, 探究WC的组织演变对裂纹产生的影响。结果表明, 不同熔覆方法的WC组织演变对裂纹产生的影响主要由残余WC颗粒内部开裂形成裂纹源、硬质相元素引起成分偏析等作用组成; 双层熔覆、梯度熔覆涂层与单层熔覆涂层相比, 由于粉末吸收了更多的能量, 残余WC颗粒含量降低了32.7%与37.9%, 减少了涂层内部裂纹源; 共晶化合物的W元素质量分数也从单层熔覆涂层的0.534分别下降到双层熔覆涂层的0.417与梯度熔覆涂层的0.386, 降低了硬质相元素集中程度, 减少了涂层成分偏析, 降低了涂层开裂敏感性。该研究对改善激光熔覆复合涂层的开裂问题、提高复合涂层的成品率有一定的指导意义。
2023, 47(1): 67-72.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.010
摘要:
为了研究云粒子微观特性, 采用激光成像技术、高斯光束匀化处理技术、高分辨率阵列探测器以及图像抽帧还原算法, 研制出激光云粒子成像仪。通过地面模拟测量及实际飞行试验, 对仪器性能进行了测试。结果表明, 研制仪器可实现对25 μm~1550 μm云粒子的成像, 分辨率为25 μm, 粒径测量误差小于9.5%;实测的冰晶粒子形态符合云粒子自然分布规律, 粒子尺度谱符合指数分布, 决定系数在0.58~0.97之间。该研制仪器可为云降水微物理研究提供基础观测数据。
为了研究云粒子微观特性, 采用激光成像技术、高斯光束匀化处理技术、高分辨率阵列探测器以及图像抽帧还原算法, 研制出激光云粒子成像仪。通过地面模拟测量及实际飞行试验, 对仪器性能进行了测试。结果表明, 研制仪器可实现对25 μm~1550 μm云粒子的成像, 分辨率为25 μm, 粒径测量误差小于9.5%;实测的冰晶粒子形态符合云粒子自然分布规律, 粒子尺度谱符合指数分布, 决定系数在0.58~0.97之间。该研制仪器可为云降水微物理研究提供基础观测数据。
2023, 47(1): 87-91.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.013
摘要:
为了反映器件几何尺度上各个区域的性能分布, 采用波长为852 nm且可调聚焦面积的激光束作用在CdTe薄膜太阳电池的P-N结微区表面, 产生定域诱导光致电流响应, 并通过设置样品台的步进方式, 得到了所测器件在几何面积范围内的微区光谱响应分布图, 获得更直观的器件电流分布均匀性和P-N结特性。结果表明, 这种测试方式能够简化且低成本地建立与CdS/CdTe异质结制作技术密切相关的沉积与后处理工艺参数和材料特性的联系, 进而获得异质结界面分布均匀性与太阳电池电流-电压(I-V)特性参数均匀性的对应关系。该研究可为提高太阳电池的性能提供实验测试依据。
为了反映器件几何尺度上各个区域的性能分布, 采用波长为852 nm且可调聚焦面积的激光束作用在CdTe薄膜太阳电池的P-N结微区表面, 产生定域诱导光致电流响应, 并通过设置样品台的步进方式, 得到了所测器件在几何面积范围内的微区光谱响应分布图, 获得更直观的器件电流分布均匀性和P-N结特性。结果表明, 这种测试方式能够简化且低成本地建立与CdS/CdTe异质结制作技术密切相关的沉积与后处理工艺参数和材料特性的联系, 进而获得异质结界面分布均匀性与太阳电池电流-电压(I-V)特性参数均匀性的对应关系。该研究可为提高太阳电池的性能提供实验测试依据。
2023, 47(1): 92-97.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.014
摘要:
为了提高远距离测速精度, 采用一种基于小波分解与重构(WDR)联合快速傅里叶变换(FFT)的信号处理方法(WDR & FFT), 进行了理论分析与实验验证, 取得了不同速度下的硬目标脉冲相干测速数据。结果表明, WDR & FFT方法可准确地分辨速率变化为0.02 m/s的目标。该研究为远距离低速目标的高分辨率测速提供了参考。
为了提高远距离测速精度, 采用一种基于小波分解与重构(WDR)联合快速傅里叶变换(FFT)的信号处理方法(WDR & FFT), 进行了理论分析与实验验证, 取得了不同速度下的硬目标脉冲相干测速数据。结果表明, WDR & FFT方法可准确地分辨速率变化为0.02 m/s的目标。该研究为远距离低速目标的高分辨率测速提供了参考。
2023, 47(1): 98-102.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.015
摘要:
为了解决外鼓式热敏计算机直接制版(CTP)设备的制版镜头因畸变、场曲过大而导致制版质量不良问题, 采用ZEMAX光学仿真软件, 设计了一款低畸变、低场曲的制版镜头光学系统, 并对其进行了公差分析和实验验证。结果表明, 该光学系统由6片透镜组成, 工作波长为830 nm, 场曲小于1 μm, 畸变小于0.1%, 调制传递函数在全视场200 lp/mm处大于0.7, 并且镜片都采用标准球面设计, 制版效果良好。该系统能够满足实际制版生产需求, 具有一定的市场前景。
为了解决外鼓式热敏计算机直接制版(CTP)设备的制版镜头因畸变、场曲过大而导致制版质量不良问题, 采用ZEMAX光学仿真软件, 设计了一款低畸变、低场曲的制版镜头光学系统, 并对其进行了公差分析和实验验证。结果表明, 该光学系统由6片透镜组成, 工作波长为830 nm, 场曲小于1 μm, 畸变小于0.1%, 调制传递函数在全视场200 lp/mm处大于0.7, 并且镜片都采用标准球面设计, 制版效果良好。该系统能够满足实际制版生产需求, 具有一定的市场前景。
2023, 47(1): 108-114.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.017
摘要:
为了满足大功率半导体激光器脉冲应用的实际需求, 针对单脉冲内电流平顶下降问题和重复性情况下电流稳定性降低的问题, 设计了一种多参数宽范围可调的高精度高稳定脉冲驱动电源。该电源以大功率场效应晶体管为核心, 通过现场可编程门阵列产生的高精度时序波形来完成单脉冲内的上升沿调控和栅极控制电压补偿, 通过微控制器结合电流采样的闭环控制方案实现重频运行下的电流高稳定输出。结果表明, 在输出电流100 A、脉冲宽度400 μs、重复频率1 kHz的最大功率输出驱动二极管负载时, 驱动电流上升沿过冲幅度小于0.5%、单脉冲内电流衰减小于0.2%、重复率脉冲不稳定度小于0.1%;在同样输出条件下驱动半导体激光器, 其在单脉冲内光功率过冲小于2%, 重复光脉冲不稳定度小于0.2%。该研究有助于提高脉冲电源脉冲电流稳定性, 对现有脉冲电源结构的改进具有一定的参考意义。
为了满足大功率半导体激光器脉冲应用的实际需求, 针对单脉冲内电流平顶下降问题和重复性情况下电流稳定性降低的问题, 设计了一种多参数宽范围可调的高精度高稳定脉冲驱动电源。该电源以大功率场效应晶体管为核心, 通过现场可编程门阵列产生的高精度时序波形来完成单脉冲内的上升沿调控和栅极控制电压补偿, 通过微控制器结合电流采样的闭环控制方案实现重频运行下的电流高稳定输出。结果表明, 在输出电流100 A、脉冲宽度400 μs、重复频率1 kHz的最大功率输出驱动二极管负载时, 驱动电流上升沿过冲幅度小于0.5%、单脉冲内电流衰减小于0.2%、重复率脉冲不稳定度小于0.1%;在同样输出条件下驱动半导体激光器, 其在单脉冲内光功率过冲小于2%, 重复光脉冲不稳定度小于0.2%。该研究有助于提高脉冲电源脉冲电流稳定性, 对现有脉冲电源结构的改进具有一定的参考意义。
2023, 47(1): 115-120.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.018
摘要:
为了实现大气湍流动态干扰下望远镜对远距离目标的超衍射极限成像, 采用光学超振荡原理局部衍射压缩光学系统点扩散函数, 并对提高成像分辨率效果进行了理论研究。结果表明, 中等湍流强度校正后, 波前残差均方根约为波长的1/15(波长λ=632.8 nm)时的干扰下, 超振荡光场调制能够实现望远系统点扩散函数的衍射压缩, 衍射压缩倍率为0.75;对不同中心间距双孔的成像研究验证了超振荡望远系统约0.80倍瑞利衍射极限的超分辨成像效果; 波前残差的均方根大小可能会导致望远系统点扩散函数的衍射压缩倍率和成像分辨率存在差异。此研究结果可应用于高精度星点定位、超分辨望远等领域。
为了实现大气湍流动态干扰下望远镜对远距离目标的超衍射极限成像, 采用光学超振荡原理局部衍射压缩光学系统点扩散函数, 并对提高成像分辨率效果进行了理论研究。结果表明, 中等湍流强度校正后, 波前残差均方根约为波长的1/15(波长λ=632.8 nm)时的干扰下, 超振荡光场调制能够实现望远系统点扩散函数的衍射压缩, 衍射压缩倍率为0.75;对不同中心间距双孔的成像研究验证了超振荡望远系统约0.80倍瑞利衍射极限的超分辨成像效果; 波前残差的均方根大小可能会导致望远系统点扩散函数的衍射压缩倍率和成像分辨率存在差异。此研究结果可应用于高精度星点定位、超分辨望远等领域。
2023, 47(1): 25-31.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.004
摘要:
为了比较分析纳秒激光和皮秒激光剥离微型发光二极管(micro-LED)时AlN上GaN的热传导效果, 采用了改进的实时紫外光吸收和热传导的激光剥离理论模型进行计算分析的方法, 取得了在不同的激光波长、激光脉冲宽度、激光能量密度下的紫外波段光辐照时和停止辐照后GaN材料热场分布等数据, 并获得了适合micro-LED器件剥离的所用纳秒激光和皮秒激光的阈值条件。结果表明, 激光脉宽、激光波长、激光能量密度是实现激光剥离工艺的关键因素; 较适合的激光波长为209 nm~365 nm的紫外波段; 皮秒激光的剥离效果优于纳米激光, 且激光的脉冲宽度越短, 激光的波长越短, 剥离所需激光脉冲阈值能量也越低, 则对LED芯片区域的热影响也越小。该研究可为开发新型激光剥离设备和相关工艺应用提供重要参考。
为了比较分析纳秒激光和皮秒激光剥离微型发光二极管(micro-LED)时AlN上GaN的热传导效果, 采用了改进的实时紫外光吸收和热传导的激光剥离理论模型进行计算分析的方法, 取得了在不同的激光波长、激光脉冲宽度、激光能量密度下的紫外波段光辐照时和停止辐照后GaN材料热场分布等数据, 并获得了适合micro-LED器件剥离的所用纳秒激光和皮秒激光的阈值条件。结果表明, 激光脉宽、激光波长、激光能量密度是实现激光剥离工艺的关键因素; 较适合的激光波长为209 nm~365 nm的紫外波段; 皮秒激光的剥离效果优于纳米激光, 且激光的脉冲宽度越短, 激光的波长越短, 剥离所需激光脉冲阈值能量也越低, 则对LED芯片区域的热影响也越小。该研究可为开发新型激光剥离设备和相关工艺应用提供重要参考。
2023, 47(1): 103-107.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.016
摘要:
为了研究超短超强椭圆偏振激光初始相位对于高能电子辐射特性的影响, 采用了Lorentz方程与电子能量方程构造高能电子与强激光场的对撞模型的方法, 并使用MATLAB进行数值模拟, 获得了电子的运动轨迹以及激光场空间辐射的功率与能量分布的数据与图像, 对不同的激光初始相位所对应的3维空间辐射特性进行了研究。结果表明, 当激光脉冲撞击电子时, 电子产生辐射, 且辐射功率呈现出双峰形; 高能电子的辐射功率图像在初始相位为0°, 180°和360°时表现为对称型双峰, 而在其它相位下则呈现出非对称型双峰。该结论为超短超强椭圆偏振激光的初始相位3维反探测研究提供了一定的基础。
为了研究超短超强椭圆偏振激光初始相位对于高能电子辐射特性的影响, 采用了Lorentz方程与电子能量方程构造高能电子与强激光场的对撞模型的方法, 并使用MATLAB进行数值模拟, 获得了电子的运动轨迹以及激光场空间辐射的功率与能量分布的数据与图像, 对不同的激光初始相位所对应的3维空间辐射特性进行了研究。结果表明, 当激光脉冲撞击电子时, 电子产生辐射, 且辐射功率呈现出双峰形; 高能电子的辐射功率图像在初始相位为0°, 180°和360°时表现为对称型双峰, 而在其它相位下则呈现出非对称型双峰。该结论为超短超强椭圆偏振激光的初始相位3维反探测研究提供了一定的基础。
2023, 47(1): 135-139.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.021
摘要:
为了探究超强激光偏振参数的梯度变化对场内高能电子运动及辐射特性的影响, 首先以电磁学基本方程为基础, 推导并建立了初始动量为0的相对论性单电子加速模型, 其次编写无近似的数值模拟仿真程序进行迭代计算与理论分析, 取得了不同偏振参数的超强激光作用下单电子的运动以及空间辐射可视化数据。结果表明, 随着偏振参数δ由0到1逐渐增大, 电子的运动轨迹由2维平面振荡逐渐过渡为3维螺旋状前进, 绕旋幅度逐渐增大且轨迹投影逐渐趋向于正圆; 电子的功率辐射空间分布也从平面线性逐渐变为3维涡旋状, 由上下针状分叉逐渐变为平滑连接, 总体变化趋势可按形态划分为δ=0, δ∈(0, 0.6], δ∈(0.6, 0.99]以及δ=1共4个阶段。该结果为高能电子辐射研究提供了多视角的理论及数值依据, 对实际应用中精确探测超强激光各项参数是有帮助的。
为了探究超强激光偏振参数的梯度变化对场内高能电子运动及辐射特性的影响, 首先以电磁学基本方程为基础, 推导并建立了初始动量为0的相对论性单电子加速模型, 其次编写无近似的数值模拟仿真程序进行迭代计算与理论分析, 取得了不同偏振参数的超强激光作用下单电子的运动以及空间辐射可视化数据。结果表明, 随着偏振参数δ由0到1逐渐增大, 电子的运动轨迹由2维平面振荡逐渐过渡为3维螺旋状前进, 绕旋幅度逐渐增大且轨迹投影逐渐趋向于正圆; 电子的功率辐射空间分布也从平面线性逐渐变为3维涡旋状, 由上下针状分叉逐渐变为平滑连接, 总体变化趋势可按形态划分为δ=0, δ∈(0, 0.6], δ∈(0.6, 0.99]以及δ=1共4个阶段。该结果为高能电子辐射研究提供了多视角的理论及数值依据, 对实际应用中精确探测超强激光各项参数是有帮助的。
2023, 47(1): 140-146.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.022
摘要:
为了探索微纳米物质在1维载体上的可控输运问题, 采用聚焦激光辐射输运载体获得温度梯度的方法, 进行了微纳米石蜡球在单根碳纳米线圈上输运问题的实验研究和理论分析。结果表明, 温度梯度可以驱动碳纳米线圈上的微纳米石蜡由高温区域向低温区域移动, 即发生输运现象; 调整激光的聚焦位置可以实现输运方向的可控, 调节聚焦激光输出功率可以实现输运距离和输运质量的可控; 激光电流为33.0 mA, 36.0 mA, 39.0 mA, 42.0 mA时, 微纳米石蜡球输运距离分别为0.69 μm, 1.40 μm, 2.00 μm, 2.50 μm。该研究为微纳米物质的可控输运提供了新方法, 对进一步研究微纳米物质输运问题是有帮助的。
为了探索微纳米物质在1维载体上的可控输运问题, 采用聚焦激光辐射输运载体获得温度梯度的方法, 进行了微纳米石蜡球在单根碳纳米线圈上输运问题的实验研究和理论分析。结果表明, 温度梯度可以驱动碳纳米线圈上的微纳米石蜡由高温区域向低温区域移动, 即发生输运现象; 调整激光的聚焦位置可以实现输运方向的可控, 调节聚焦激光输出功率可以实现输运距离和输运质量的可控; 激光电流为33.0 mA, 36.0 mA, 39.0 mA, 42.0 mA时, 微纳米石蜡球输运距离分别为0.69 μm, 1.40 μm, 2.00 μm, 2.50 μm。该研究为微纳米物质的可控输运提供了新方法, 对进一步研究微纳米物质输运问题是有帮助的。
2023, 47(1): 19-24.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.003
摘要:
为了在中红外波段获得多阶表面等离激元法诺共振, 设计了结构简单、制备方便的非对称石墨烯纳米片二聚体阵列超表面。采用有限元分析方法, 对各阶法诺共振峰产生的物理机制, 费米能级、纳米片结构及相对位置等因素对法诺共振的影响进行了理论分析。结果表明, 随着费米能级的增加, 法诺共振发生蓝移; 表面等离激元共振效应增强, 同时增强了近场的局域效应; 随着纳米片二聚体的大小和位置的不对称性增加, 法诺线型的非对称性也随之增加; 这种结构简单的多阶表面等离激元法诺共振有望在生物传感及相关领域得到广泛应用。该研究为进一步的实验研究提供了理论参考。
为了在中红外波段获得多阶表面等离激元法诺共振, 设计了结构简单、制备方便的非对称石墨烯纳米片二聚体阵列超表面。采用有限元分析方法, 对各阶法诺共振峰产生的物理机制, 费米能级、纳米片结构及相对位置等因素对法诺共振的影响进行了理论分析。结果表明, 随着费米能级的增加, 法诺共振发生蓝移; 表面等离激元共振效应增强, 同时增强了近场的局域效应; 随着纳米片二聚体的大小和位置的不对称性增加, 法诺线型的非对称性也随之增加; 这种结构简单的多阶表面等离激元法诺共振有望在生物传感及相关领域得到广泛应用。该研究为进一步的实验研究提供了理论参考。
2023, 47(1): 32-40.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.005
摘要:
为了研究强电磁干扰环境下无人机防撞编队的避障控制效果, 采用无人机编队间紫外光通信模型, 对传统人工势场法进行改进, 给出了具体无人机编队机间和无人机与障碍物的势场函数, 实现无人机编队在飞行的同时可以进行局部避障。结果表明, 在相同条件下, 改进后的人工势场法比传统人工势场法的避障时间减少了7.38%, 避障总路径减少了5.8%, 将改进后的避障算法应用到编队中可实现无人机编队的机间避障与外部障碍物的规避, 且编队间能够保持固定队形飞行至目标点。这一结果对强电磁干扰环境下无人机编队避障的研究有一定的应用价值。
为了研究强电磁干扰环境下无人机防撞编队的避障控制效果, 采用无人机编队间紫外光通信模型, 对传统人工势场法进行改进, 给出了具体无人机编队机间和无人机与障碍物的势场函数, 实现无人机编队在飞行的同时可以进行局部避障。结果表明, 在相同条件下, 改进后的人工势场法比传统人工势场法的避障时间减少了7.38%, 避障总路径减少了5.8%, 将改进后的避障算法应用到编队中可实现无人机编队的机间避障与外部障碍物的规避, 且编队间能够保持固定队形飞行至目标点。这一结果对强电磁干扰环境下无人机编队避障的研究有一定的应用价值。
2023, 47(1): 41-45.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.006
摘要:
为了测量液位在警戒值附近变化的情况, 采用新款光纤熔接机制作了一种基于锥形结构的长周期光纤光栅测量液位的光纤传感器, 对传感器进行了理论分析, 搭建了液位传感实验系统, 根据传感器对外界环境的折射率灵敏度, 测量浸没在液体中的光纤长度。结果表明, 在0 mm~12 mm的液位测量范围内, 光纤液位传感器的峰值波长灵敏度和透射功率灵敏度分别是0.700 nm/mm和1.377 dB/nm。该传感器对液位变化测量较为准确, 且采用刻栅方式可有效解决传统长周期光纤光栅中存在的非对称模耦合和偏振依赖性高等问题, 同时具有制作简单、成本低和应用前景广泛等优点。
为了测量液位在警戒值附近变化的情况, 采用新款光纤熔接机制作了一种基于锥形结构的长周期光纤光栅测量液位的光纤传感器, 对传感器进行了理论分析, 搭建了液位传感实验系统, 根据传感器对外界环境的折射率灵敏度, 测量浸没在液体中的光纤长度。结果表明, 在0 mm~12 mm的液位测量范围内, 光纤液位传感器的峰值波长灵敏度和透射功率灵敏度分别是0.700 nm/mm和1.377 dB/nm。该传感器对液位变化测量较为准确, 且采用刻栅方式可有效解决传统长周期光纤光栅中存在的非对称模耦合和偏振依赖性高等问题, 同时具有制作简单、成本低和应用前景广泛等优点。
2023, 47(1): 59-66.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.009
摘要:
为了解决地面激光点云角分辨未知和点密度变化的问题, 提出了一种顾及密度变化与未知角分辨率的地面激光点云分类方法。采用随机邻域分析的角分辨率估算法改进传统点密度计算方法, 结合角分辨率提出顾及密度变化的格网特征提取方法, 并将本文中所提出的方法在3组数据上进行了实验验证。结果表明, 该角分辨率估算方法的估算误差小于0.002°, 能够准确地估算点云角分辨率; 与传统点密度特征相比, 本文中提出的相对投影密度可以提高点云分类的整体精度, 以及在车、杆状物等地物类别上的分类效果。该方法能准确估算点云角分辨率, 以较高精度实现点云分类, 可为大规模地面激光点云的密度自适应处理提供参考。
为了解决地面激光点云角分辨未知和点密度变化的问题, 提出了一种顾及密度变化与未知角分辨率的地面激光点云分类方法。采用随机邻域分析的角分辨率估算法改进传统点密度计算方法, 结合角分辨率提出顾及密度变化的格网特征提取方法, 并将本文中所提出的方法在3组数据上进行了实验验证。结果表明, 该角分辨率估算方法的估算误差小于0.002°, 能够准确地估算点云角分辨率; 与传统点密度特征相比, 本文中提出的相对投影密度可以提高点云分类的整体精度, 以及在车、杆状物等地物类别上的分类效果。该方法能准确估算点云角分辨率, 以较高精度实现点云分类, 可为大规模地面激光点云的密度自适应处理提供参考。
2023, 47(1): 73-79.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.011
摘要:
为了实现高精度的数字全息相位解包裹, 采用基于Unet网络框架中集成MobilenetV3的轻量级深度学习网络, 设计了UMnet网络以实现全息相位的精准解包裹。网络中融和轻量级注意力机制、多尺度卷积来增强网络精度与泛化能力, 同时运用hard-Swish激活函数提高网络学习能力; 运用模拟数据集进行网络训练, 对生成网络模型进行降噪能力测试, 并经过了实际样品全息图的测试验证。结果表明, UMnet比深度学习相位解包裹网络的结构性相似指数值提升了6.6%。UMnet能够简单、快速、高效地实现数字全息相位解包裹。
为了实现高精度的数字全息相位解包裹, 采用基于Unet网络框架中集成MobilenetV3的轻量级深度学习网络, 设计了UMnet网络以实现全息相位的精准解包裹。网络中融和轻量级注意力机制、多尺度卷积来增强网络精度与泛化能力, 同时运用hard-Swish激活函数提高网络学习能力; 运用模拟数据集进行网络训练, 对生成网络模型进行降噪能力测试, 并经过了实际样品全息图的测试验证。结果表明, UMnet比深度学习相位解包裹网络的结构性相似指数值提升了6.6%。UMnet能够简单、快速、高效地实现数字全息相位解包裹。
2023, 47(1): 80-86.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.012
摘要:
为了解决无人机机载激光雷达采集到的点云数据存在密度高但分布不均匀的现象, 以及绝缘子表面纹理信息不全等问题, 提出了一种基于机载激光点云的电网绝缘子识别方法。首先分析杆塔中不同部位的强度值直方图, 用强度值滤波剔除大部分的杆身点云; 然后采用主成分分析法计算局部点云特征值, 根据特征值构建的局部熵函数和空间分布特性删除冗余的平坦区域点云, 并通过栅格修补的方法避免出现点云空洞; 最后针对传统采样一致性初始配准(SAC-IA)算法精度低和速度慢的问题, 通过增加采样点对的距离约束关系和自适应调整参数改进SAC-IA算法完成绝缘子的位姿估计。结果表明, 该方法能正确高效地识别杆塔中的绝缘子, 运行时间大幅减少, 提取正确率达到95.16%。该研究在无人机自主巡检航线规划中具有良好的应用价值。
为了解决无人机机载激光雷达采集到的点云数据存在密度高但分布不均匀的现象, 以及绝缘子表面纹理信息不全等问题, 提出了一种基于机载激光点云的电网绝缘子识别方法。首先分析杆塔中不同部位的强度值直方图, 用强度值滤波剔除大部分的杆身点云; 然后采用主成分分析法计算局部点云特征值, 根据特征值构建的局部熵函数和空间分布特性删除冗余的平坦区域点云, 并通过栅格修补的方法避免出现点云空洞; 最后针对传统采样一致性初始配准(SAC-IA)算法精度低和速度慢的问题, 通过增加采样点对的距离约束关系和自适应调整参数改进SAC-IA算法完成绝缘子的位姿估计。结果表明, 该方法能正确高效地识别杆塔中的绝缘子, 运行时间大幅减少, 提取正确率达到95.16%。该研究在无人机自主巡检航线规划中具有良好的应用价值。
2023, 47(1): 121-126.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.019
摘要:
为了准确地对陆基成像条件下高光谱图像的噪声水平进行评估, 提出了一种基于边缘剔除后残差调整的局部标准差法。首先将获取的高光谱图像分成若干个大小合适的子块, 而后利用Canny边缘检测算子检测出图像的边缘信息, 判断并剔除其中含有边缘的子块, 将剔除边缘子块后的均匀子块采用多元线性回归后求取残差的方法进行噪声估计。结果表明, 对同一幅陆基高光谱图像的不同子区域进行4×4像元与8×8像元分块, 得到的噪声总误差值分别为1.985×103与2.197×103。该噪声估计方法对陆基成像条件下高光谱图像的噪声评估具有较强的鲁棒性, 可为后续陆基高光谱图像处理与应用提供参考。
为了准确地对陆基成像条件下高光谱图像的噪声水平进行评估, 提出了一种基于边缘剔除后残差调整的局部标准差法。首先将获取的高光谱图像分成若干个大小合适的子块, 而后利用Canny边缘检测算子检测出图像的边缘信息, 判断并剔除其中含有边缘的子块, 将剔除边缘子块后的均匀子块采用多元线性回归后求取残差的方法进行噪声估计。结果表明, 对同一幅陆基高光谱图像的不同子区域进行4×4像元与8×8像元分块, 得到的噪声总误差值分别为1.985×103与2.197×103。该噪声估计方法对陆基成像条件下高光谱图像的噪声评估具有较强的鲁棒性, 可为后续陆基高光谱图像处理与应用提供参考。
2023, 47(1): 127-134.
doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.01.020
摘要:
为了提高输电线路状态感知实时性, 将单斜坡法和基于伪Voigt模型的最小二乘谱拟合法用于架空线路复合光纤应变的测量, 基于实测布里渊谱系统, 研究了工作点增益的信噪比和布里渊频移对单斜坡法准确性的影响。结果表明, 随着工作点增益信噪比增加, 布里渊频移误差近似成指数规律减小; 随着布里渊频移与工作点频率之差的增加, 布里渊频移误差先快速下降, 然后略有增加; 当工作点处布里渊增益的信噪比不小于25 dB且工作点频率始终小于(或大于)布里渊频移时, 单斜坡法应变误差小于60 με; 根据不同布里渊频移下60 με对应的临界信噪比, 可插值获得不同情况下对应的临界信噪比; 单斜坡法的谱测量时间和计算时间分别为谱拟合法的1/161和1/600左右。该工作为提高智能化光纤复合架空线路态势感知实时性奠定了基础。
为了提高输电线路状态感知实时性, 将单斜坡法和基于伪Voigt模型的最小二乘谱拟合法用于架空线路复合光纤应变的测量, 基于实测布里渊谱系统, 研究了工作点增益的信噪比和布里渊频移对单斜坡法准确性的影响。结果表明, 随着工作点增益信噪比增加, 布里渊频移误差近似成指数规律减小; 随着布里渊频移与工作点频率之差的增加, 布里渊频移误差先快速下降, 然后略有增加; 当工作点处布里渊增益的信噪比不小于25 dB且工作点频率始终小于(或大于)布里渊频移时, 单斜坡法应变误差小于60 με; 根据不同布里渊频移下60 με对应的临界信噪比, 可插值获得不同情况下对应的临界信噪比; 单斜坡法的谱测量时间和计算时间分别为谱拟合法的1/161和1/600左右。该工作为提高智能化光纤复合架空线路态势感知实时性奠定了基础。
