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硬件可重构近红外波长调制甲烷传感器及应用(特邀)

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光子学报 2023年第10期52卷 80-91页

作者：师月崇李亚飞宋芳郑传涛王一丁吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室长春130012 吉林省红外气体传感技术工程研究中心长春130012

为了加快气体吸收光谱分析算法的求解速度、重构算法的硬件逻辑,采用现场可编程门阵列(FPGA)器件,结合波长调制光谱技术,研制了一种硬件可重构波长调制甲烷传感器。根据应用功能需求,可在硬件层面重构逻辑电路,从而更新系统工作模式和... 详细信息

为了加快气体吸收光谱分析算法的求解速度、重构算法的硬件逻辑,采用现场可编程门阵列(FPGA)器件,结合波长调制光谱技术,研制了一种硬件可重构波长调制甲烷传感器。根据应用功能需求,可在硬件层面重构逻辑电路,从而更新系统工作模式和探测参数。采用流水线技术,对光谱分析算法进行了硬件加速,光谱分析部分的输入与输出之间的时间延迟仅为4.05 ms。实验分析了该传感器在连续、间歇两种工作状态下的波形与电流,证明了该系统工作模式的可重构特性,也证实了采用间歇式工作降低激光气体传感器功耗的可行性。采用正弦信号对FPGA算法部分的功能进行了测试,结果表明,测得的信号幅值与输入信号幅值的线性度达到了99.99%。采用中心波长为2334 nm的分布式反馈激光器作为光源、光程为25 m的赫里奥特气室作为气体吸收池,开展了甲烷检测实验。传感器的线性度为99.97%,响应时间约为4.9 s。艾伦方差结果表明,当积分时间为0.5 s时,传感器的检测下限为7.8×10^(-6)。开展的甲烷泄露实验证实了该传感器的现场应用能力。设计的FPGA算法,通过硬件编程,可实现传感器工作模式与参数的灵活重构,在激光气体传感领域具有较好的片上集成应用前景。

关键词：光电检测技术红外吸收光谱波长调制光谱现场可编程门阵列气体检测

浪致混合对2016年北太平洋海表温度季节性预测的影响

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海洋学报 2019年第3期41卷 52-61页

作者：赵一丁尹训强宋亚娟乔方利中国海洋大学海洋与大气科学学院山东青岛266100 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266071 自然资源部海洋环境科学和数值模拟重点实验室山东青岛266061

上层海洋通过海气交换影响大气-海洋耦合系统,海浪引起的垂向混合影响上层海洋结构,从而在气候预测过程中发挥着重要的作用。本文基于国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式(FIO-ESM),以2016年为例,分别开展了耦合和关闭海浪模式情况下... 详细信息

上层海洋通过海气交换影响大气-海洋耦合系统,海浪引起的垂向混合影响上层海洋结构,从而在气候预测过程中发挥着重要的作用。本文基于国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式(FIO-ESM),以2016年为例,分别开展了耦合和关闭海浪模式情况下的短期气候预测实验,分析浪致混合对北太平洋海表温度(SST)季节性预测的影响。通过对模式预测的SST异常(SSTA)进行定量评估发现,浪致混合能够显著降低北太平洋高纬度海区预测误差,在(45°N,150°E)附近海区SSTA改善可达1℃,气候模式能够更好地预测SSTA的经向分布特征,特别是能够准确地反映25°～45°N海区SSTA分布特征。通过分析有浪和无浪两个实验的热收支贡献发现,垂向混合是导致上层海洋温度差异的主导影响因子。海浪通过改变垂向混合,使2016年北太平洋SST在高纬度海区大幅降低,在低纬度海区略有升高,最终提升了模式对北太平洋SST的季节性预测能力。

关键词：季节性预测北太平洋海表温度浪致混合气候模式

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一种红外检测气室结构的设计和优化

半导体光电 2010年第1期31卷 144-147页

作者：叶玮琳王一丁宋占伟吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区长春130012

鉴于传统气室结构检测灵敏度较低的问题,设计了一种椭球体反射镜气室结构,建立了椭球反射镜的数学模型,给出了其结构参数与探测器接收光强之间的关系表达式。为了获得最大的接收光强,优化了椭球镜结构尺寸。当探测头直径为2cm时,所优化... 详细信息

鉴于传统气室结构检测灵敏度较低的问题,设计了一种椭球体反射镜气室结构,建立了椭球反射镜的数学模型,给出了其结构参数与探测器接收光强之间的关系表达式。为了获得最大的接收光强,优化了椭球镜结构尺寸。当探测头直径为2cm时,所优化的椭球镜长轴为16cm,焦距14.96cm。实验结果表明,该光路结构可使探测器输出信号幅度提高约1.7倍,这将有利于后级电路的信号放大、数模转换等处理过程,从而提高气体浓度检测的灵敏度和精度。

关键词：光电检测红外检测椭球镜气室

透明导电CuCr_(1-x)Mg_(x)O_(2)(x=0-0.08)薄膜的固溶度扩展和c轴外延生长

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材料导报 2021年第10期35卷 10008-10012页

作者：沈艳刘丹丹宋世金唐艳艳胡一丁武浩荣虞澜昆明理工大学材料科学与工程学院昆明650093

采用脉冲激光沉积(PLD)技术,在0~15°斜切的α-Al_(2)O_(3)(0001)衬底上生长了c轴外延的CuCr_(1-x)Mg_(x)O_(2)(x=0-0.08)系列薄膜。随Mg掺杂量增加,薄膜均为单相铜铁矿结构,表现出符合Arrhenius热激活模式的半导体电输运行为,室温电阻... 详细信息

采用脉冲激光沉积(PLD)技术,在0~15°斜切的α-Al_(2)O_(3)(0001)衬底上生长了c轴外延的CuCr_(1-x)Mg_(x)O_(2)(x=0-0.08)系列薄膜。随Mg掺杂量增加,薄膜均为单相铜铁矿结构,表现出符合Arrhenius热激活模式的半导体电输运行为,室温电阻率单调下降2~3个数量级,热激活能由0.22 eV下降至0.025 eV,由此推断薄膜中Mg的固溶度至少为0.08,与多晶(~0.03)相比显著扩展。这是由于PLD薄膜生长具有非平衡、瞬时爆炸特征,使靶材第二相(MgCr_(2)O_(4))中的Mg重新以等离子态定向运输到衬底上,迁移固溶到薄膜晶格中,固溶度扩展。薄膜(x=0,0.02)在380~780 nm可见光区的透过率为60%~80%,直接光学带隙E g分别为3.06 eV、3.04 eV。更多Mg^(2+)替代Cr^(3+)时,会在价带顶上方引入受主能级并展宽,使热激活能显著下降,产生更多空穴载流子,透过率和光学带隙略有下降;Mg固溶到晶格中,促进薄膜层状晶粒长大,外延性提高,使电阻率进一步下降。

关键词： CuCr_(1-x)Mg_(x)O_(2)薄膜透明导电脉冲激光沉积固溶度扩展 c轴外延生长

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片上红外气体传感技术的研究进展(特邀)

光子学报 2023年第3期52卷 92-109页

作者：皮明权郑传涛梁磊宋芳王一丁吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区长春130012 吉林省红外气体传感技术工程研究中心长春130012 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室长春130033

片上集成的光波导气体传感器具有体积小、重量轻、功耗低、无需光路校准等优点,近年来光学气体传感器逐渐由体积较大的分立系统向片上集成系统演变。中红外波段的气体吸收系数大,但二氧化硅在中红外波段的损耗较大,所以常用的绝缘衬底... 详细信息

片上集成的光波导气体传感器具有体积小、重量轻、功耗低、无需光路校准等优点,近年来光学气体传感器逐渐由体积较大的分立系统向片上集成系统演变。中红外波段的气体吸收系数大,但二氧化硅在中红外波段的损耗较大,所以常用的绝缘衬底上的硅材料体系不适用于中红外波段。因此,片上气体传感器需要采用硫系玻璃、锗等中红外透明材料来拓宽工作波段。同时,波导结构直接影响了气体对光的吸收,而且气体传感技术也会影响传感器性能。本文总结了基于红外吸收光谱的片上气体传感器的最新进展。介绍了片上气体传感方法、波导材料、波导结构、片上气体传感的理论和实验进展。阐述了矩形波导、狭缝波导、悬浮波导、微环谐振波导和光子晶体波导在片上气体传感领域的应用现状。最后对基于红外吸收光谱的片上气体传感器进行了展望。

关键词：红外吸收光谱气体传感器光波导传感器集成光学可调谐半导体激光吸收光谱

蚯蚓吞食过程中土壤理化性质与放线菌多样性的变化特征

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生态学报 2017年第4期37卷 1199-1210页

作者：袁向华周艳玲宋清姿脱红梅马沁沁王一丁四川师范大学生命科学学院成都610101

为探明土壤理化性质与放线菌多样性在蚯蚓吞食过程中的变化特征,将蚯蚓生活土壤、肠道内容物和蚓粪视作蚯蚓吞食前、中、后阶段的3种特殊生境土壤,采用纯培养法分离纯化3阶段中的放线菌;克隆文库法分析3阶段中的放线菌多样性;国标法测... 详细信息

为探明土壤理化性质与放线菌多样性在蚯蚓吞食过程中的变化特征,将蚯蚓生活土壤、肠道内容物和蚓粪视作蚯蚓吞食前、中、后阶段的3种特殊生境土壤,采用纯培养法分离纯化3阶段中的放线菌;克隆文库法分析3阶段中的放线菌多样性;国标法测定吞食前、中、后土壤的基本理化性质;并利用主成分分析与相关性分析法分析土壤理化性质与放线菌多样性的相关性。结果显示:从生活土壤、肠道内容物和蚓粪中分别获得27株、15株和17株放线菌,形态、培养特征及16S rDNA序列鉴定生活土壤放线菌分为链霉菌属、拟诺卡氏菌属、束丝放线菌属,肠道内容物和蚓粪放线菌均属链霉菌属;放线菌多样性从生活土壤、蚓粪、肠道内容物依次递减。生活土壤文库含40个OTUs,分为11科,未知菌占24%,类诺卡氏菌科是优势菌群;肠道内容物文库含20个OTUs,分为6科,未知菌占3.3%,微杆菌科是优势菌群;蚓粪文库含30个OTUs,分为6科,未知菌占11.7%,链霉菌科是优势菌群。3种土壤全磷含量无显著差异,生活土壤其余理化含量均最低,肠道内容物速效氮含量最高,蚓粪的有机质、全氮、钾及有效磷、钾含量最高。主成分分析和相关性分析显示:蚯蚓吞食过程中,土壤有效磷、全氮、全钾、速效钾和有机质含量对放线菌多样性影响较大,其中全氮、有效磷与放线菌多样性显著负相关,相关系数分别为-0.998、-1,从而为明确蚯蚓、土壤与放线菌的相互关系提供了理论依据。

关键词：放线菌多样性蚯蚓土壤理化性质纯培养 16S rDNA克隆文库主成分分析相关性

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片上中红外铟镓砷悬浮波导气体传感器

光子学报 2023年第10期52卷 159-169页

作者：王雪莹张哲宁皮明权彭子航郑传涛宋芳杨悦王一丁吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区长春130012 吉林省红外气体传感技术工程研究中心长春130012

为研究中红外波段的片上波导传感性能,针对2172.75 cm-1处的一氧化碳吸收线,提出基于InGaAs-InP平台的悬浮光子晶体波导传感器和悬浮脊形波导传感器。基于朗伯—比尔定律,通过Rsoft和COMSOL软件设计波导结构,优化了光子晶体波导的晶格... 详细信息

为研究中红外波段的片上波导传感性能,针对2172.75 cm-1处的一氧化碳吸收线,提出基于InGaAs-InP平台的悬浮光子晶体波导传感器和悬浮脊形波导传感器。基于朗伯—比尔定律,通过Rsoft和COMSOL软件设计波导结构,优化了光子晶体波导的晶格常数、孔半径、中心孔半径和脊形波导的脊宽、条宽、脊高和条高。仿真结果表明,光子晶体波导和脊形波导的功率限制因子分别为250.69%和115.65%。对两种传感器进行计算和性能评估,得到两种传感器的传输损耗分别为27.5 dB/cm和3 dB/cm,最佳波导长度分别为72μm和162μm。设定探测器最小可检测信噪比为10,得到两种传感器的最小可检测气体浓度分别为9.13×10-6和8.51×10-6。讨论了波导传输损耗对传感器性能的影响,若能有效降低波导损耗,可进一步降低最小可检测气体浓度。对比两种传感器,光子晶体波导具有更大的功率限制因子,脊形波导具有低传输损耗和横磁模兼容性的优点。

关键词：波导传感器中红外吸收光谱气体传感器光子晶体波导脊形波导

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片上中红外波长调制光谱气体传感技术

光学学报 2023年第18期43卷 171-177页

作者：皮明权黄一俊郑传涛赵焕彭子航杨悦闵昱婷宋芳王一丁吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室吉林长春130012 吉林省红外气体传感技术工程研究中心吉林长春130012

制备了下包层为氟化镁、芯层为硫系玻璃的梯形光波导甲烷传感器,采用片上波长调制光谱技术,开展了气体检测实验,将仿真结果与实验结果进行了对比,证明了基于波长调制光谱的仿真模型的准确性。狭缝波导是常用的非悬浮波导气体传感器结构... 详细信息

制备了下包层为氟化镁、芯层为硫系玻璃的梯形光波导甲烷传感器,采用片上波长调制光谱技术,开展了气体检测实验,将仿真结果与实验结果进行了对比,证明了基于波长调制光谱的仿真模型的准确性。狭缝波导是常用的非悬浮波导气体传感器结构,优化了下包层为氟化镁、芯层为硫系玻璃的狭缝波导传感器结构,外限制因子达到了42%。根据实验测试得到的噪声幅值,理论研究了狭缝波导气体传感器和波长调制光谱技术结合的性能,分析了环境压强和工艺误差对狭缝波导气体传感器性能的影响。本工作为基于波长调制光谱的片上气体传感器的设计提供了指导。

关键词：光波导波长调制光谱片上集成光波导传感器气体传感器

成都平原农地利用方式转变下表层土壤速效钾变化特征

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农业资源与环境学报 2023年第6期40卷 1435-1442页

作者：宋靓颖冉敏李呈吉李文丹董琴李一丁李启权四川农业大学资源学院成都611130

为了掌握区域土壤速效钾含量变化特征及其影响因素,本研究在成都平原选择184个20世纪80年代第二次土壤普查时采集的样点数据和176个2016—2017年获得的样点数据,采用一般统计和单因素方差分析法(ANOVA)探究了近40年成都平原农地表层(0~2... 详细信息

为了掌握区域土壤速效钾含量变化特征及其影响因素,本研究在成都平原选择184个20世纪80年代第二次土壤普查时采集的样点数据和176个2016—2017年获得的样点数据,采用一般统计和单因素方差分析法(ANOVA)探究了近40年成都平原农地表层(0~20 cm)土壤速效钾含量变化特征及其与农地利用方式转变和母质类型的关系。结果表明:研究区农地表层土壤速效钾含量从44.44 mg·kg^(-1)增加至57.24 mg·kg^(-1),增幅为28.80%(P<0.05)。与20世纪80年代传统稻-麦/油轮作相比,2016—2017年稻-蔬轮作和稻-麦/油轮作表层土壤速效钾含量分别增加了103.83%(P<0.05)和17.64%,而园林地表层土壤速效钾含量则减少了11.95%。不同母质类型上,灰棕冲积物发育的土壤表层速效钾含量增幅最高,为82.08%(P<0.05),其次是更新统老冲积物(25.48%)和灰色冲积物(9.82%)。与传统稻-麦/油轮作相比,稻-蔬轮作下灰棕冲积物发育的土壤速效钾含量增幅(135.97%,P<0.05)远高于更新统老冲积物(116.03%,P<0.05)和灰色冲积物(79.31%,P<0.05),而园林地灰棕冲积物和更新统老冲积物发育土壤的速效钾含量增加,灰色冲积物发育土壤的速效钾含量降低。研究表明,农地利用方式的转变改变了研究区表层土壤速效钾累积特征,但其对累积规律的影响依赖于成土母质类型。

关键词：速效钾农地利用方式转变土壤母质成都平原

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