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基于同步共轴结构的辐射层析测温仪设计

仪器仪表学报 2023年第9期44卷 237-245页

作者：管今哥卫娜瑛郑永秋陈坤中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室太原030051

光学辐射测温技术因时空分辨率高、测温范围宽等优势在燃烧场温度时空演化特性表征领域具有重要应用价值。固体火箭发动机燃烧室内可测试空间受限,基于多视线投影的三维温度场重构方法因光线遮挡而失效。针对该问题,在傅里叶光学理论基... 详细信息

光学辐射测温技术因时空分辨率高、测温范围宽等优势在燃烧场温度时空演化特性表征领域具有重要应用价值。固体火箭发动机燃烧室内可测试空间受限,基于多视线投影的三维温度场重构方法因光线遮挡而失效。针对该问题,在傅里叶光学理论基础上,建立了燃烧断面与像靶平面之间的物像空间映射关系模型,设计加工了光机电一体化的动态辐射层析测温仪,实现了多个像探测器共光轴且能够同步聚焦于不同空间位置的燃烧断面。试验结果表明,通过对某型号开窗燃烧室内固体推进剂药条燃烧辐射采样数据的卷积与反卷积处理,堆栈的燃烧断面在沿着仪器光轴方向上能够相互分离,在光电信号关系标定基础上利用普朗克辐射定律对已分离的燃烧断面温度分布进行测量过程中,测温的相对误差小于8%。该仪器能够在单向投影光路上以层析方式实现对动态三维燃烧温度场的解析。

关键词：可测试空间受限同步共轴燃烧场三维层析成像温度表征

基于多CCD同步耦合的动态燃烧场三维辐射测温(特邀)

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红外与激光工程 2022年第10期51卷 41-50页

作者：段鹏程程博管今哥陈坤张成飞程耀瑜薛晨阳郑永秋中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原030051 内蒙航天动力机械测试所内蒙古呼和浩特010076

为满足燃烧场温度参量时空演化特征诊断的需求,提出了基于多CCD同步耦合的动态三维辐射测温方法。在多视线方向测量基础上,通过代数重建技术对燃烧场进行体素分割,根据Plank辐射定律采用标准黑体辐射源对光电信号的映射关系进行标定,利... 详细信息

为满足燃烧场温度参量时空演化特征诊断的需求,提出了基于多CCD同步耦合的动态三维辐射测温方法。在多视线方向测量基础上,通过代数重建技术对燃烧场进行体素分割,根据Plank辐射定律采用标准黑体辐射源对光电信号的映射关系进行标定,利用比色法实现三维温度场表征。进一步在时间序列上控制多CCD相机来同步获取燃烧场不同视线方向的辐射信息,基于R、G通道内的灰度信息,对实验室蜡烛火焰与外场某型号固体火箭发动机试验器尾喷焰的瞬态燃烧场温度参量进行了测试。结果表明,在实验室内,蜡烛火焰温度分布范围为805.4~1280.8 K,使用热电偶进行时空点位验证,平均误差为3.8%,最大误差为4.36%;固体火箭发动机试验器尾喷焰最高温度为2125.7 K,经近红外测温仪验证,测试误差在8%以内。该研究能够在保证时间、空间分辨率的条件下对燃烧场的三维温度参量进行特征诊断,在航天测试领域,对固体火箭发动机的温度参量测量提供了一种有效的方法。

关键词：动态燃烧场三维温度场普朗克黑体辐射定律比色测温法

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

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物理学报 2015年第22期64卷 137-143页

作者：管今哥朱京平田恒侯洵西安交通大学电子科学与技术系电子物理与器件教育部重点实验室西安710049 西安交通大学电子科学与技术系陕西省信息光子技术重点实验室西安710049

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题,在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值.传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制,限制了其在水下成像过程中的实时探测性能.本文... 详细信息

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题,在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值.传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制,限制了其在水下成像过程中的实时探测性能.本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型,从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统,并进行了实验验证.研究结果表明,基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果,更重要的是可以实现快速成像过程.该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统,实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像,进一步提高水下物体探测与识别的效率.

关键词：水下成像偏振散射光学信息处理

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浑浊介质中图像对比度与成像方式的关系

物理学报 2016年第8期65卷 123-129页

作者：田恒朱京平张云尧管今哥侯洵西安交通大学电子物理与器件教育部重点实验室陕西省信息光子技术重点实验室西安710049

浑浊介质中图像对比度的物理增强方法一直是研究热点,目前学者们提出的距离选通成像、偏振差分成像和偏振距离选通成像均能提高图像的对比度,但提高效果与成像距离的关系尚不明确.本文分别利用以上三种成像方式及普通强度成像对处于不... 详细信息

浑浊介质中图像对比度的物理增强方法一直是研究热点,目前学者们提出的距离选通成像、偏振差分成像和偏振距离选通成像均能提高图像的对比度,但提高效果与成像距离的关系尚不明确.本文分别利用以上三种成像方式及普通强度成像对处于不同浓度浑浊介质中的目标进行成像,研究了图像强度和对比度随成像距离的变化情况.结果表明:从滤除的散射光强来看,偏振距离选通成像最优,而偏振差分成像在成像距离较远时优于距离选通成像;三种成像方式滤除的散射光强值趋于稳定的阈值距离各不相同;对比度改变相同量时,偏振距离选通成像对应成像距离的变化量最大,偏振差分成像次之,强度成像最小,且均与散射系数成反比.本文对浑浊介质成像效果及机理的分析,对进一步提高浑浊介质中目标的分辨及识别具有重要意义.

关键词：偏振差分距离选通偏振距离选通对比度

1 km以浅多参量混合编帧式数据采集系统设计

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仪表技术与传感器 2022年第2期 65-69,74页

作者：郑永秋王旋刘亚兵景俊民张浩凌管今哥臧俊斌中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原030051 华阳新材料科技集团有限公司装备管理部山西阳泉045008

km级以浅水下多参量数据同步采集是海洋观测装置的关键技术,全海深海洋剖面仪子设备在越过1 km以浅海域释放的过程中,需要水下多参量信息的实时采集传输并存储。以FPGA为核心时序控制芯片,采用RS232、RS485数字接口实现对温度、盐度、... 详细信息

km级以浅水下多参量数据同步采集是海洋观测装置的关键技术,全海深海洋剖面仪子设备在越过1 km以浅海域释放的过程中,需要水下多参量信息的实时采集传输并存储。以FPGA为核心时序控制芯片,采用RS232、RS485数字接口实现对温度、盐度、深度、多轴姿态等数据的接收;采用双通道同步模数转换芯片ADS8353,设计实现2路湍流数据的同步采集。根据所接收的数字量信号和模数转换采集速率,设计了可变长度的混合帧传输结构,实现了多参量数据不同传输速率在数据实时传输和存储上的帧匹配。该设计电路和数据帧结构传输模式在实验初期应用于多参量海洋剖面仪的水库试验,实验结果表明,实时传输数据和存储回读数据无丟数,验证了设计的可靠性,能够广泛地应用于各种海洋环境监测和深海深资源探测的系统和建设中。

关键词： FPGA 多参量数据采集数据传输 FLASH存储混合编帧

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基于激光诱导击穿光谱技术的煤灰分特征研究

激光与红外 2023年第11期53卷 1657-1664页

作者：李云红余天骄周小计管今哥郑永秋张成飞程博西安工程大学电子信息学院陕西西安710048 北京大学电子学院北京100871 中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室山西太原030051 内蒙航天动力机械测试所内蒙古呼和浩特010076

灰分是衡量煤炭质量优劣的关键指标,是衡量煤矿和选煤厂煤炭产品质量的主要指标之一。针对传统煤灰分含量识别效率低、煤样本质量不高的问题,本文基于粒子群优化算法(PSO)和BP神经网络,提出了基于粒子群神经网络的煤炭灰分预测模型。目... 详细信息

灰分是衡量煤炭质量优劣的关键指标,是衡量煤矿和选煤厂煤炭产品质量的主要指标之一。针对传统煤灰分含量识别效率低、煤样本质量不高的问题,本文基于粒子群优化算法(PSO)和BP神经网络,提出了基于粒子群神经网络的煤炭灰分预测模型。目的是快速识别出煤炭产品中灰分的含量,为煤炭开采提供技术支撑。研究选取了180个标准煤粉样品,1~140号样本数据用于训练集,141~180号样本数据作为测试集。应用PSO-BP模型对煤炭灰分特性进行了研究,仿真结果表明:优化后的6维BP神经网络模型,决定系数R^(2)为0.88501越接近1,表明建立的PSO-BP模型具有较好的预测性能,灰分预测值与灰分真值无限逼近。进而表明所构建的灰分预测模型具有较高的预测精度,提升了模型的泛化能力和预测精度,为后续的LIBS术应用于煤炭检测提供一定的理论依据。

关键词：煤灰分 BP神经网络粒子群算法 LIBS 光谱强度

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基于激光诱导击穿光谱的煤样典型特性研究

激光与红外 2023年第10期53卷 1505-1512页

作者：李云红余天骄周小计管今哥郑永秋张成飞程博杨婷西安工程大学电子信息学院陕西西安710048 北京大学电子学院北京100871 中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室山西太原030051 内蒙航天动力机械测试所内蒙古呼和浩特010076

为了准确检测煤样的各种元素含量、灰分和发热量等工业指标,提出利用激光诱导击穿光谱技术进行煤样的光谱强度信息采集。激光诱导击穿光谱技术作为一种新型的元素分析技术,通过高能脉冲激光聚集在样品表面,分析等离子体释放出的元素谱... 详细信息

为了准确检测煤样的各种元素含量、灰分和发热量等工业指标,提出利用激光诱导击穿光谱技术进行煤样的光谱强度信息采集。激光诱导击穿光谱技术作为一种新型的元素分析技术,通过高能脉冲激光聚集在样品表面,分析等离子体释放出的元素谱线信息,得出样品元素含量和组成。而光谱信息采样的延迟时间是光谱检测中一个非常重要的参数,为了研究延迟时间对煤样激光诱导击穿光谱信号强弱的影响,提出了通过连续背景强度变化和相对标准偏差计算来判定测量煤样的最佳延迟时间。本研究选取山东济南众标科技有限公司的三种标准煤样作为研究对象,实验测试使用Nd∶YAG脉冲激光器,波长为1064nm。对于煤质的检测,采用AvaSpec Dual型光纤光谱仪,光谱探测波长范围为两通道195~467nm和615~973nm。延迟时间为247~252μs对三种标准煤样ZBM100、ZBM101、ZBM104的光谱信息进行特征分析,通过光谱信号强度和连续背景强度随延迟时间变化的关系,判断出247~252μs范围内的最佳延迟时间。随着延迟时间的增加,连续背景强度快速衰减,在250μs时,连续背景强度和光谱信号强度分别衰减到延迟时间为247μs时的30和50。其次通过在不同延迟时间下相对标准偏差的计算,判断出标准煤样样本中Al、Si、Fe三种元素最佳延迟时间为247μs、248μs、249μs所对应的标准偏差达到最小值,得到因选用标准煤样对象不同其相对标准偏差对应元素的最佳延迟时间也会有所差异。研究结果表明,三种标准煤样ZBM100、ZBM101、ZBM104的光谱强度在247~252μs的最佳采样延迟时间为250μs。此实验研究结果,为激光诱导击穿光谱技术探测和分析煤质检测的最佳延迟时间提供了依据。

关键词：煤质检测激光诱导击穿光谱延迟时间谱线强度相对标准偏差

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基于级联分光成像的动态火焰层析表征方法

光学学报 2023年第9期43卷 85-96页

作者：卫娜瑛管今哥郑永秋张成飞刘喆岳博坤薛晨阳中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室山西太原030051 中国航天科工集团第六研究院六〇一所内蒙古呼和浩特010010 北京大学电子学院北京100084

提出一种多相机共光路层析成像方法,对火焰的时空演化特性进行表征。首先,在成像光路结构中利用级联分光棱镜将光能量分配到不同探测通道,在同步控制器驱动下,成像系统能够对瞬态火焰的不同断面同时进行聚焦。其次,建立光学层析系统的... 详细信息

提出一种多相机共光路层析成像方法,对火焰的时空演化特性进行表征。首先,在成像光路结构中利用级联分光棱镜将光能量分配到不同探测通道,在同步控制器驱动下,成像系统能够对瞬态火焰的不同断面同时进行聚焦。其次,建立光学层析系统的空间物像映射关系,基于反卷积算法实现火焰不同断面位置处自发辐射特性的数值解析。实验结果表明,不同相机能够同步独立地获取火焰辐射信息,可实现对动态火焰的高空间分辨率测试。

关键词：成像系统层析重构分光探测物像映射动态火焰高时空分辨率

Polarimetric Laser Range-Gated Underwater Imaging

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Chinese Physics Letters 2015年第7期32卷 54-58页

作者：管今哥朱京平田恒 Key Laboratory for Physical Electronics and Devices of the Ministry of Education Xi'an Jiaotong University Xi'an 710049 Shaanxi Key Lab of Information Photonic Technique Xi'nn Jiaotong University Xi'nn 710049

For conventional laser range-gated underwater imaging （RG[） systems, the target image is obtained based oil the reflective character of the target. One of the main performance limiting factors of conventional RGI is that, when the underwater target has the same reflectivity as the background, it is difficult to distinguish the target from the background. An improvement is to use the polarization components of the reflected light. On the basis of conventional RGI, we propose a polarimetric RGI system that employs a polarization generator and a polarization analyzer to detect and recognize underwater objects. Experimental results demonstrate that, by combining polarization with intensity information, we are better able to enhance identification of the underwater target from other objects of the same reflectivity.

关键词： Polarimetric Laser Range-Gated Underwater Imaging