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双波带板X射线微分干涉成像与相位还原研究

双波带板X射线微分干涉成像与相位还原研究

作者：杨旻曦中国科学技术大学

学位级别：硕士

在惯性约束聚变(ICF)过程中发生的流体不稳定性会对靶丸的压缩壳层以及中心热斑的形成造成很大影响。而发展高空间分辨率诊断方法,一方面可以帮助研究流体不稳定性的机制,另一方面可用于检测冷靶,探测作为不稳定性源头的靶缺陷,因此对于... 详细信息

在惯性约束聚变(ICF)过程中发生的流体不稳定性会对靶丸的压缩壳层以及中心热斑的形成造成很大影响。而发展高空间分辨率诊断方法,一方面可以帮助研究流体不稳定性的机制,另一方面可用于检测冷靶,探测作为不稳定性源头的靶缺陷,因此对于ICF研究十分重要。X射线具有的短波长和高穿透性的特点使它能够以高分辨率探测物体内部,因而广泛的使用在ICF诊断中。传统的X射线主动式诊断方案完全依赖物体对X射线的吸收形成对比度,而ICF靶丸的主要构成元素为氘氚(DT),这类低原子序数物质对X射线的吸收远小于它们对X射线的折射效应。因此在形成对比度上,利用物体对X射线相移产生强度调制相衬成像方案优于传统的吸收式成像方案。本文将波带板结构与X射线相衬技术结合,提出了一种使用双波带板与正反投影法的X射线物体相位还原方案,还原方法的理论分辨率为使用波带板的极限分辨率。后续数值模拟结果与理论相符,提出方案可以准确的还原原始物体的相位分布,而对于最外环宽为80 nm的波带板,相位还原结果分辨率达到97.7 nm。本文最后初步分析了通过多角度投影成像,将提出方案扩展而实现三维还原物体折射率的可能性。模拟使用滤波反投影算法,结果表明提出方案能够准确的三维还原物体折射率的实数部分。

关键词： X射线成像双波带板正反投影法相位还原三维折射率还原

小波变换提取放大超短脉冲载波-包络相位的研究

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物理学报 2008年第11期57卷 7017-7021页

作者：邓玉强曹士英于靖徐涛王清月张志刚中国计量科学研究院光学与激光计量科学研究所北京100013 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 北京大学信息学院北京100871

提出了一种新的超短放大脉冲的载波-包络相位还原方法,应用小波变换从超短放大脉冲的光谱拍频干涉中直接提取载波-包络相位.消除了传统的Fourier变换方法不同宽度的滤波窗口引入不同程度的相位噪声而产生不确定性的影响,得到了更精确的... 详细信息

提出了一种新的超短放大脉冲的载波-包络相位还原方法,应用小波变换从超短放大脉冲的光谱拍频干涉中直接提取载波-包络相位.消除了传统的Fourier变换方法不同宽度的滤波窗口引入不同程度的相位噪声而产生不确定性的影响,得到了更精确的载波-包络相位信息,对于近单周期超短脉冲特性测量具有重要意义.

关键词：超短脉冲载波-包络相位相位还原小波变换

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无相位近场天线测量技术

西安电子科技大学学报 2017年第2期44卷 47-51页

作者：尚军平左炎春胡永浩王媛宋康西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室陕西西安710071

研究了利用天线近场幅度信息重构天线远场特性的无相位近场测量方法.该方法使用线极化探头在被测天线近场区两平行平面上采集场的幅度数据,通过迭代傅里叶变换算法复原一采样面上各采样点场的相位数据,然后通过近远场变换得到被测天线... 详细信息

研究了利用天线近场幅度信息重构天线远场特性的无相位近场测量方法.该方法使用线极化探头在被测天线近场区两平行平面上采集场的幅度数据,通过迭代傅里叶变换算法复原一采样面上各采样点场的相位数据,然后通过近远场变换得到被测天线的远场特性.通过理论研究和仿真实验表明,无相位近场天线测量技术可有效地重构天线远场,同时,合理地选择迭代初始相位将有助于提高算法的收敛速度和精度.

关键词：无相位测量相位还原迭代傅里叶变换算法近场测量

复制脉冲对的时间延迟对光谱相位相干直接电场重建法测量飞秒脉冲的影响

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中国激光 2010年第7期37卷 1827-1831页

作者：曹士英邓玉强孙青于靖张志刚王清月中国计量科学研究院北京100013 北京大学信息科学技术学院北京100871 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

光谱相位相干直接电场重建法(SPIDER)是测量飞秒脉冲激光参数快速而准确的方法。通过实验研究了SPIDER方法在实际测量时,两复制脉冲对的不同时间延迟对还原光谱相位和重建脉冲时域波形的影响。实验表明,时间延迟在0.22～1.82 ps范围内... 详细信息

光谱相位相干直接电场重建法(SPIDER)是测量飞秒脉冲激光参数快速而准确的方法。通过实验研究了SPIDER方法在实际测量时,两复制脉冲对的不同时间延迟对还原光谱相位和重建脉冲时域波形的影响。实验表明,时间延迟在0.22～1.82 ps范围内变化时,重建的脉冲时域宽度最大相对标准偏差小于2.76%。证明了光谱相位可以在较宽的时间延迟范围内得到精确的还原结果,降低了对光谱仪分辨率的要求,也简化了寻找最佳时间延迟的实验调试过程。

关键词：超快光学飞秒激光测量光谱干涉相位还原

基于插值算法和源重建法的无相位近场天线测量研究

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基于插值算法和源重建法的无相位近场天线测量研究

作者：王媛西安电子科技大学

学位级别：硕士

传统的近场天线测量技术需要在天线近场区使用线极化探头获取一个扫描面上均匀离散点处的电场幅值和相位,且离散点间距需满足奈奎斯特采样定理,通过近远场变换算法得到天线远场方向图。对于微波及毫米波等高频天线,其近场采样间距过小,... 详细信息

传统的近场天线测量技术需要在天线近场区使用线极化探头获取一个扫描面上均匀离散点处的电场幅值和相位,且离散点间距需满足奈奎斯特采样定理,通过近远场变换算法得到天线远场方向图。对于微波及毫米波等高频天线,其近场采样间距过小,且相位震荡剧烈,不仅会对天线测量系统提出极高的要求,而且会增加工作量进而提高测量成本。本文针对高频天线的近场采样间距过小和相位获取困难的问题,提出使用插值算法解决密集幅值测量问题,使用源重建法避免相位测量步骤,为高频天线测量系统提供了一种高可靠性、低成本的近场测量方案。首先,本文对多种插值算法在各个领域中的应用进行了深入研究,并对几种常用的插值算法进行了详尽的理论推导。在众多算法中,最邻近插值算法计算量最小,但只在矩阵元素值起伏不大时能得到令人满意的结果;样条插值算法插值精度高,性能稳定,但其需要求解方程组,且不可进行局部控制;双线性插值算法综合以上两种算法的优点,对计算量和插值精度进行了很好的折中。由于远场方向图的计算精度对近场幅值波动具有高敏感性,且近场幅值通常有局部强起伏变化,因此,本文提出在天线近场幅值测量中,先以?为间隔采样幅值,再使用双线性插值算法获取虚拟采样点(半波长采样点)处的幅值数据,最终得到以0.5?为间隔的近场幅值数据。其次,在传统的近场天线测量技术的基础上,提出使用基于源重建法的无相位近场天线测量技术解决高频天线的相位获取难题,即以天线近场幅值为参考条件,在天线的一个包围面上放置等效电流元,使用粒子群优化算法对该面电流分布进行优化,使优化后的电流分布产生的场与采样平面上场幅值的误差最小,并将优化后电流元产生的近场相位作为初始迭代相位,再使用迭代傅里叶变换算法(IFT)对相位进行精细还原,最终得到天线近场一个平面上的还原相位。最后,本文以半波振子阵列天线和角锥喇叭天线为模型,对天线近远场变换算法、基于插值算法和源重建法的无相位近场天线测量技术进行了仿真验证。仿真结果表明,双线性插值算法得到的近场插值幅值与理论幅值的吻合度良好;相比随机初始迭代相位,源重建法能够得到一组更优质的初始迭代相位,在相位还原过程中能够避免相位还原算法陷入局部最优解,并使算法有更快的收敛速度和精度,最终得到的天线远场方向图与理论方向图吻合度也满足实验要求。

关键词：高频天线测量无相位近场天线测量粒子群优化算法源重建法相位还原插值算法

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无相位近场天线测量与口径诊断技术研究

无相位近场天线测量与口径诊断技术研究

作者：岳希博西安电子科技大学

学位级别：硕士

近场天线测量利用扫描架系统采集天线辐射近场区(菲涅尔区)一个扫描面(平面、柱面或球面)上的切向复电场(幅度和相位)信息,然后通过波谱展开法计算得到天线的远场辐射信息。电子信息产业飞速迭代发展,为了满足应用需求,天线的工作频率... 详细信息

近场天线测量利用扫描架系统采集天线辐射近场区(菲涅尔区)一个扫描面(平面、柱面或球面)上的切向复电场(幅度和相位)信息,然后通过波谱展开法计算得到天线的远场辐射信息。电子信息产业飞速迭代发展,为了满足应用需求,天线的工作频率不断提高,这对天线测量系统提出了极高的要求。受扫描架定位精度有限、射频收发器不稳定等多因素影响,高频天线的相位精确测量难以实现。针对高频天线近场相位测量不准确的问题,学者们对无相位近场天线测量进行了研究。顾名思义,无相位近场天线测量就是省略相位信息的采集,仅依靠近场幅度根据相位还原算法对相位进行还原,实现高可靠性的高频天线近场测量。实现深空探测是各大国的战略目标,其深度依赖着大型反射面天线。而面形精度是影响大型反射面天线性能的关键指标,随着口径与工作频率不断提高,面形精度诊断方法也在不断突破以满足与日俱进的应用需求。本文将无相位近场天线测量应用于大型反射面天线面形精度诊断,试图为大型反射面天线的诊断提供一种新的解决思路。首先,本文详细介绍了无相位近场天线测量与大型反射面天线面形精度诊断的研究背景与意义,并阐述了相位还原算法与大型反射面天线面形精度诊断的研究现状。然后,本文分析了相位还原的原理,并展开了基于双平面的无相位近场天线测量技术的研究,通过在天线辐射近场区采集两组平面幅度数据,利用相位还原算法对采样点的相位进行还原。具体相位还原过程为:首先使用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)优化生成初始迭代相位,并且论文创新性的将并行计算引入PSO中,极大程度的加速计算过程。然后将初始迭代相位作为迭代傅里叶变换(Iterate Fourier transform,IFT)算法的输入继续精细化还原采样点的相位,最后在IFT算法收敛稳定后加入随机相位,其目的是解决IFT算法陷入局部最优解的问题使其继续收敛,从而提高相位还原精度。为了验证相位还原算法的有效性,本文仿真了三款天线对算法进行验证,最终结果表明了本文的相位还原算法优越性。然后分析了无相位近场天线测量对于位置误差的鲁棒性。最后,为了实现口径场诊断,本文介绍了三种近场-口径场变换算法,并针对大型反射面天线,详细分析了反射面相位形变几何关系,展开了大型反射面天线面形精度诊断研究。依据相位还原算法与基于近场全息测量的近场-口径场变换算法,本文以反射面天线为模型进行了仿真与实测验证,最终结果表明了无相位近场天线测量应用于大型反射面天线面形精度诊断的有效性。并且文章分析了该方法的误差来源。

关键词：近场天线测量无相位测量相位还原口径场诊断反射面诊断

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干涉型分布式光纤周界及其定位技术研究

干涉型分布式光纤周界及其定位技术研究

作者：任广武汉邮电科学研究院

学位级别：硕士

干涉型分布式光纤传感技术是20世纪90年代发展起来的一种新技术，由于其灵敏度高，可用于长距离感知而受到人们的广泛关注和研究。本文将基于Fox-Smith结构提出一种干涉型分布式光纤传感系统，该系统结构简单，灵敏度高、定位精度高，... 详细信息

干涉型分布式光纤传感技术是20世纪90年代发展起来的一种新技术，由于其灵敏度高，可用于长距离感知而受到人们的广泛关注和研究。本文将基于Fox-Smith结构提出一种干涉型分布式光纤传感系统，该系统结构简单，灵敏度高、定位精度高，是一种长距离分布式光纤传感的可行性方案。本课题研究了分布式光纤传感的现有技术，重点研究了基于Sagnac结构和基于Mach-Zehnder结构的干涉传感技术，针对这些技术的缺点，提出了一种基于Fox-Smith结构的分布式光纤传感器。对系统结构进行了推导并对相位还原算法进行了理论分析和仿真。对结构中的核心器件3×3耦合器和法拉第旋光反射镜进行了分析。利用琼斯矩阵探讨系统的偏振稳定性，并使用Matlab进行了仿真分析，证明了使用法拉第旋光反射镜能够提高系统稳定性。通过对系统进行实验，获得了在34.793km的传感光纤上±83m的定位误差。显示了系统在长距离传感上的可行性和相位还原算法的正确性。本文针对系统需求设计了光发送接收模块，对光接收模块的光电转换模块和前置放大电路进行了详细的设计和噪声分析。对光发送模块的恒流源设计和温控电路进行了详细的设计说明和分析。测量了光接收模块与光输入功率的线性关系，测量结果表明，在光强很弱的时候(nW)，光电转换斜率变小。测量了温度与光源稳定性关系，表明光源在温度低于-15oC的时候，光源参数受到影响，在-15oC0oC之间光源稳定性较好。本文的研究为分布式光纤传感提供了一种新的结构。在长距离监测和定位上具有重要的理论意义和实用价值。

关键词：光纤 Fox-Smith干涉仪相位还原陷波点扰动定位

基于FPGA、CPU和GPU协同处理的光纤振动传感系统性能优化研究

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基于FPGA、CPU和GPU协同处理的光纤振动传感系统性能优化研究

作者：吕悦娟太原理工大学

学位级别：硕士

分布式光纤传感器利用通信光纤作为感知与传输单元,可以实现对振动、温度、应变等物理量的分布式传感与测量。其中,基于相位敏感光时域反射计（Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,φ-OTDR）的分布式光纤振动传感系统... 详细信息

分布式光纤传感器利用通信光纤作为感知与传输单元,可以实现对振动、温度、应变等物理量的分布式传感与测量。其中,基于相位敏感光时域反射计（Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,φ-OTDR）的分布式光纤振动传感系统可以实现振动信号的分布式定位与还原,由于其具有灵敏度高、检测距离长且响应速度快等优势,广泛应用于周界安防、油气管线、建筑结构健康监测以及智能电网等多个领域。相干探测φ-OTDR系统通过对相干瑞利散射信号进行采集,利用正交解调算法获取传感信号的强度和相位信息,从而实现外界扰动事件的快速定位与相位还原。当前,实际应用领域对φ-OTDR系统的测量时间、信噪比和相位还原程度提出了更高的要求。因此,本文以φ-OTDR系统为研究对象,在深入研究和分析系统传感原理和信号解调算法理论的基础上,提出了通过算法优化来提升系统性能的方案,分别引入并行计算思想减少测量时间、采用图像处理方法优化振动定位曲线的信噪比,利用经验模态分解算法消除低频相位漂移。研究内容主要包括以下四个方面:第一、研究了φ-OTDR系统的振动传感原理与信号解调方案。从后向瑞利散射理论出发,深入分析φ-OTDR系统外部振动对光相位调制原理,进而构建了数学模型描述其传感原理,并以此搭建了φ-OTDR系统的光路结构。而后对传感信号的解调原理进行了分析,深入讨论了正交解调的幅值解调与相位解调过程。最后讨论分析了系统测量时间、信噪比等关键性能参数。第二、基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）、中央处理器（Central Processing Unit,CPU）和图形处理器（Graphic Processing Unit,GPU）技术,引入了并行处理思想用于提高系统测量时间。深入分析了传感系统的并行处理需求,从φ-OTDR系统的数据采集、传输与处理出发,设计了协同并行处理方案。构建了基于FPGA的数据采集系统,实现下位机传感系统的控制、数据的采集与传输相并行,提高了采集效率;基于CPU的数据流控制系统,实现数据传输与处理;基于GPU的数据处理系统,实现了传感数据的多线程并行解调,从而大幅减少系统的测量时间。第三、深入分析φ-OTDR系统幅值解调过程,开展了测量时间优化与信噪比提升研究。针对测量时间优化,本文设计了基于GPU的并行解调方案。分别对差分算法与快速傅里叶变换算法进行实验验证。结果表明,在采样总点数为5000*21411时,对于差分算法,并行处理方案比单线程处理方法的速度快93倍左右;在采样总点数为8192*20000时,快速傅里叶变换经并行处理后数据运算时间缩减了约96倍。针对信噪比提升,本文设计了基于二维数字图像处理技术的方案用以实现强度信息降噪。通过采用二维高斯滤波和Sobel边缘检测算法,振动定位曲线的信噪比为27.1 d B。与差分算法和快速傅里叶变换算法相比,经图像处理后的幅值信号信噪比分别提升了11.54 d B和14.36 d B。第四、深入分析φ-OTDR系统相位解调过程,针对相位还原中存在的低频漂移噪声消除进行了研究。从影响相位还原的因素出发,理论分析了相位漂移的产生机理与漂移特性。通过原理分析,证明相位漂移主要由激光器频率漂移和相位累加噪声组成。依据其缓慢漂移特性,本文提出采用经验模态分解算法消除相位漂移噪声。经实验验证,经验模态分解可有效消除相位漂移从而实现振动准确还原,最终实现0.3 Hz的低频振动信号还原,同时信噪比达到64.44 dB。

关键词： φ-OTDR 性能优化并行处理信噪比相位还原

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超短脉冲激光时域参数计量标准装置

计测技术 2022年第5期42卷 97-102页

作者：邓玉强中国计量科学研究院光学所北京100029

长期以来,由于缺乏超短脉冲激光时域参数计量标准装置,导致超短脉冲激光器和超短脉冲激光测量仪器无法溯源。针对此问题,研制了超短脉冲激光光谱相位干涉测量仪,利用小波变换技术实现了飞秒脉冲激光光谱相位的自动准确提取,精确还原了... 详细信息

长期以来,由于缺乏超短脉冲激光时域参数计量标准装置,导致超短脉冲激光器和超短脉冲激光测量仪器无法溯源。针对此问题,研制了超短脉冲激光光谱相位干涉测量仪,利用小波变换技术实现了飞秒脉冲激光光谱相位的自动准确提取,精确还原了超短脉冲光谱相位,重建了脉冲时域波形,测量范围覆盖10~500 fs,测量不确定度U_(rel)=8%(k=2);研制了大量程自相关测量装置,实现了10 fs~50 ps量程超短脉冲宽度的准确测量和量值溯源,解决了超短脉冲时域参数测量仪器的溯源问题,测量不确定度U_(rel)=10%(k=2);建立了“超短光脉冲自相关仪校准装置”国家计量标准,测量范围覆盖10 fs~12 ps,测量不确定度U_(rel)=10%(k=2),为超短脉冲测量仪器提供了精确校准手段,对于保障超短脉冲时域参数测量结果精准统一具有重要意义。

关键词：超快光学计量计量标准相位还原自相关法