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基于ZEMAX的柚果内部品质光谱无损检测光路仿真与试验

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华南农业大学学报 2024年第4期45卷 618-623页

作者：陈鑫徐赛陆华忠梁鑫华南农业大学工程学院广东广州510642 广东省农业科学院设施农业研究所广东广州510640 广东省农业科学院广东广州510640

[目的]解决柚果Citrus maxima在无损检测中采集的光谱信息较弱、柚果内部品质检测不准确的问题。[方法]采用ZEMAX软件对光谱无损检测光路进行光学仿真,并搭建实物装置进行测试与验证。为进一步验证该光路对柚果内部品质的无损检测效果,... 详细信息

[目的]解决柚果Citrus maxima在无损检测中采集的光谱信息较弱、柚果内部品质检测不准确的问题。[方法]采用ZEMAX软件对光谱无损检测光路进行光学仿真,并搭建实物装置进行测试与验证。为进一步验证该光路对柚果内部品质的无损检测效果,采集400~1 100 nm波段132个柚果光谱数据,理化测定其可溶性固形物含量并进行训练建模和测试验证。[结果]最优光路参数为:灯珠数量为7、柚果与光源间距为2 cm,探测器与柚果间距为0.5 cm。通过Savitzky-Golay (SG)平滑和标准正态变换(Standard normal variate,SNV)预处理,竞争自适应重加权采样(Competitive adaptive reweighted sampling,CARS)特征选择,建立柚果糖度偏最小二乘回归(Partial least squares regression,PLSR)预测模型,训练集R2和RMSE分别为0.81和0.85,测试集R2和RMSE分别为0.81和0.89。[结论]本研究得到的柚果光谱无损检测光路参数可用于柚果内部品质的无损检测,检测效果较好,也为其他大尺寸水果内部无损检测提供了参考。

关键词：柚果 ZEMAX 光路优化光学仿真无损检测建模识别

基于分数阶Tikhonov正则化的激光吸收光谱燃烧场二维重建光路优化研究

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物理学报 2023年第3期72卷 277-287页

作者：庞维煦李宁黄孝龙康杨李灿范旭东翁春生南京理工大学瞬态物理国家重点实验室南京210094

为探究基于激光吸收光谱技术的燃烧场二维测量光路布置方式,实现有限投影下更精确的燃烧场二维重建,根据分数阶微积分理论,提出一种基于分数阶Tikhonov正则化的光路优化方法.将经典的整数阶Tikhonov正则化推广到分数阶模式,建立了基于... 详细信息

为探究基于激光吸收光谱技术的燃烧场二维测量光路布置方式,实现有限投影下更精确的燃烧场二维重建,根据分数阶微积分理论,提出一种基于分数阶Tikhonov正则化的光路优化方法.将经典的整数阶Tikhonov正则化推广到分数阶模式,建立了基于分数阶Tikhonov正则化的光路设计目标函数.利用遗传算法分析(0,1)范围内不同阶数的计算结果,得到最佳光路布置方式.采用近红外波段7185.6 cm^(-1)的H_(2)O特征吸收谱线结合20条测试光路对10×10离散化网格区域进行计算,对比分析五种光路布置方式对多种分布模型的重建结果,结果表明,基于分数阶Tikhonov正则化的光路布置方式具有最佳重建效果.研究结果对有限投影条件下激光吸收光谱二维测量光路的优化设计理论研究具有重要意义,可以促进激光吸收光谱技术在复杂发动机燃烧场二维重建及燃烧效率提升方面的应用.

关键词：激光吸收光谱二维重建分数阶Tikhonov正则化光路优化

中国先进研究堆工程科学应力谱仪性能优化与刻度研究

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原子能科学技术 2024年第7期58卷 1588-1593页

作者：田庚方刘晓龙余周香李眉娟李玉庆刘蕴韬孙凯陈东风中国原子能科学研究院北京102413

为充分发挥中国先进研究堆工程科学应力谱仪在工程构件残余应力表征的作用,在常用金属测试所需的中子波长约0.164 nm下进行谱仪的性能优化和刻度研究。在此波长下,将Fe(211)衍射峰的峰位误差作为光路优化的品质因数,通过调整单色器的水... 详细信息

为充分发挥中国先进研究堆工程科学应力谱仪在工程构件残余应力表征的作用,在常用金属测试所需的中子波长约0.164 nm下进行谱仪的性能优化和刻度研究。在此波长下,将Fe(211)衍射峰的峰位误差作为光路优化的品质因数,通过调整单色器的水平聚焦和垂直聚焦姿态,获得了最优性能的聚焦光路。采用金箔活化法测试了样品处中子注量率,在反应堆满功率60 MW的条件下,样品处中子(波长0.164 nm)注量率为3.0×10^(7)cm^(−2)·s^(−1)(±4.5%),在衍射角约90°的分辨率为0.42%。使用带缝隙的镉片测试了探测器的位置分辨,获得探测器水平方向的位置分辨为(1.44±0.03)mm。本工作完成了谱仪的光路优化与性能刻度,为谱仪投入运行奠定了实验基础。

关键词：工程科学应力谱仪中子衍射残余应力光路优化样品处中子注量率

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光聚物全息光盘记录方法和光路的优化

光学学报 2003年第4期23卷 402-406页

作者：黄明举姚华文陈仲裕侯立松干福熹中国科学院上海光学精密机械研究所

提出了适用于光聚物厚膜盘状高密度全息存储的角度空间复用相结合的存储方法。研究了光路设置对记录容量和密度的影响 ,分析和计算表明 :对全息光盘光聚物全息存储介质来说 ,新方法可以获得比空间角度复用存储方法高近一个数量级的存储... 详细信息

提出了适用于光聚物厚膜盘状高密度全息存储的角度空间复用相结合的存储方法。研究了光路设置对记录容量和密度的影响 ,分析和计算表明 :对全息光盘光聚物全息存储介质来说 ,新方法可以获得比空间角度复用存储方法高近一个数量级的存储容量和密度 ,当使用平面波做参考光、介质内参物光入射角度在 32°时是获得最大存储容量和密度的最佳设置 ;对 5 0 0 μm厚的光聚物介质 ,存储密度可达到 42bit/ μm2 ,用CD ROM同样大小的全息光盘 ,在其相同的有效记录面积上 ,其总容量可以达到 40 0Gbit,表明新方法是实用化光聚物盘状全息存储比较理想的方法。

关键词：信息光学光聚物全息光盘记录方法光路优化存储密度高密度全息存储

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基于遗传算法的对地激光引信光路优化方法

探测与控制学报 2018年第6期40卷 14-17,22页

作者：吴鹏诸德放杨立安空军勤务学院航空弹药保障系江苏徐州221000

针对传统对地激光引信光路布局确定方法只依据典型目标尺寸与有效作用距离简单推算,不能充分发挥对地激光引信性能的问题,提出了基于遗传算法的对地激光引信光路优化方法。该方法依据目标识别概率量化论证光路布局方案优劣,并对方案进... 详细信息

针对传统对地激光引信光路布局确定方法只依据典型目标尺寸与有效作用距离简单推算,不能充分发挥对地激光引信性能的问题,提出了基于遗传算法的对地激光引信光路优化方法。该方法依据目标识别概率量化论证光路布局方案优劣,并对方案进行优化,解算出最优方案。实例分析表明,该方法能够有效优化对地激光引信的光路布局,在达到技术指标的前提下满足所需光路最少、识别概率最高的需求,充分发挥对地激光引信性能。

关键词：对地激光引信光路优化遗传算法

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飞秒激光跟踪仪跟踪光路的优化设计与分析

中国激光 2019年第3期46卷 184-191页

作者：劳达宝崔成君王国民周维虎中国科学院光电研究院北京100094 中国科学院大学北京100049

基于光学系统对跟踪探测的影响,结合仪器功能,提出了一种基于胶合透镜减小跟踪偏移量的方法,实现了对飞秒激光跟踪仪跟踪光路的优化;改进了准直扩束光路,细化了光学系统,分析了优化后光学系统在接收功率和杂光方面对跟踪探测的影响机理... 详细信息

基于光学系统对跟踪探测的影响,结合仪器功能,提出了一种基于胶合透镜减小跟踪偏移量的方法,实现了对飞秒激光跟踪仪跟踪光路的优化;改进了准直扩束光路,细化了光学系统,分析了优化后光学系统在接收功率和杂光方面对跟踪探测的影响机理。基于优化的光学系统设计,搭建实验系统进行了探测实验。实验结果表明,补偿后的跟踪探测精度可达3μm,这满足仪器精密跟踪要求。

关键词：测量光路优化激光跟踪位置灵敏探测器激光跟踪仪杂散光

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气体浓度场二维重建光路分布优化及数据仿真

激光与光电子学进展 2016年第7期53卷 137-143页

作者：房鹏飞贾兆丽陈东王尹秀合肥工业大学智能制造技术研究院安徽合肥230009 合肥工业大学数学学院安徽合肥230009 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院安徽合肥230009

通过计算机仿真技术,针对不同的光路分布结构进行了气体浓度场二维分布重建模拟,研究了光路的分布与重建精度的联系。并通过计算归一化平均绝对距离判据比较不同光路分布下的重建精度,得到重建精度较高的光路分布形式。结果表明,在光路... 详细信息

通过计算机仿真技术,针对不同的光路分布结构进行了气体浓度场二维分布重建模拟,研究了光路的分布与重建精度的联系。并通过计算归一化平均绝对距离判据比较不同光路分布下的重建精度,得到重建精度较高的光路分布形式。结果表明,在光路数量较少的情况下,提高光路的利用率可以提高重建精度。通过计算评估优化后的光路分布下的重建精度,验证了结论的正确性。

关键词：图像处理激光光学可调谐半导体激光吸收光谱二维重建浓度检测光路优化

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真空调频原子力显微镜测量单元关键技术研究

真空调频原子力显微镜测量单元关键技术研究

作者：温阳中北大学

学位级别：硕士

调频原子力显微镜(FM-AFM)是一种高精度测量仪器,可用于表征材料表面的物理化学性质。它能够测量表面均匀的绝缘体,并实现真正的原子分辨率,同时可以测量原子力谱,电势差等,因此成为强大的原子/分子尺度表征工具。广泛应用于开发和表征... 详细信息

调频原子力显微镜(FM-AFM)是一种高精度测量仪器,可用于表征材料表面的物理化学性质。它能够测量表面均匀的绝缘体,并实现真正的原子分辨率,同时可以测量原子力谱,电势差等,因此成为强大的原子/分子尺度表征工具。广泛应用于开发和表征纳米电子部件、分析材料的表面化学反应、生物大分子的高清晰度成像等领域。然而,现有工作于大气环境或液相环境中的商业AFM,通常采用调幅(AM)模式进行测量。但在这种情况下,品质因子Q通常小于1000,这大大限制了其高分辨成像能力。为了提高分辨率,使AFM测量系统拥有高Q值,使用真空AFM测量环境,采用调频工作模式,本文对测量单元关键技术进行了研究,对测量单元中关键模块进行了进一步优化设计,研究内容如下:第一、对测量单元中光偏转检测系统的原理进行了深入研究,以降低偏转噪声、提高灵敏度等为目标,分析了光偏转检测系统优化的关键参数,完成了对光路的优化设计,包括:优化了激光的准直和聚焦,选择了高谐振频率短悬臂的探针,测定了最优激光功率为2.5m W。第二、以扫描样品时探针的角度为出发点,研究了光偏转检测系统的布局结构,重新设计优化了光偏转系统以及系统中的关键器件。对光偏转检测系统进行了测试,结果表明较未优化前提升了光路品质,提高了实验效率,偏转噪声减小到95.26fm/√Hz,提高了光偏转检测系统的灵敏度。第三、建立了压电扫描平台原理模型,提出了更加精确的压电扫描器设计模型,基于此对压电扫描平台进行了结构和参数设计。通过实验测试结果,对扫描器的压电常数进行了测定和校准,结果表明设计误差小于3%,验证了模型的精确性。对惯性位移平台及压电扫描器进行了测试,实现并验证了压电位移平台功能。第四、设计搭建了测量单元平台,提高了设计与加工精度,并在真空环境中对系统进行了整体的测试,实验结果表明系统关键测量部具有良好的稳定性,实验结果表明系统关键测量部具有良好的稳定性,系统噪声基本被抑制在5m Hz/√Hz以内,较优化前更低。第五、通过测量标准样品,对AFM系统扫描进行了非线性校准;使用搭建的真空原子力显微镜系统对云母样品表面进行扫描,观测到了清楚的台阶信息,台阶高度约2.5nm,表明系统的分辨率达到纳米级别。综上所述,通过本研究优化设计,提升了测量单元光偏转检测系统的光路品质,降低了偏转噪声,提高了灵敏度;验证了压电扫描器的新设计模型和非线性校准模型。总结了测量单元平台优化的思路和方法,为原子力显微镜设计提供了新思路。

关键词：调频原子力显微镜（FM-AFM）光偏转检测光路优化压电扫描非线性校准

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玻璃药瓶光学干涉噪声抑制方法研究与实现

玻璃药瓶光学干涉噪声抑制方法研究与实现

作者：赵志明中南大学

学位级别：硕士

玻璃药瓶密封完整性表征阻止环境污染物侵入瓶内药品的能力,药瓶泄漏引发瓶内氧气含量超标,劣化药品质量。基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)联合波长调制(WMS)技术检测瓶内氧气含量是保障无菌制剂药品质量的有效途径。由于玻璃瓶内... 详细信息

玻璃药瓶密封完整性表征阻止环境污染物侵入瓶内药品的能力,药瓶泄漏引发瓶内氧气含量超标,劣化药品质量。基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)联合波长调制(WMS)技术检测瓶内氧气含量是保障无菌制剂药品质量的有效途径。由于玻璃瓶内待测氧气浓度较低、吸收强度微弱、吸收光程较短,导致其残氧量快速精确检测极具挑战。研究表明,提升光谱检测灵敏度和稳定性的最有效两种途径是通过增加瓶内有效吸收光程和光学干涉噪声抑制。本文从光学和电学两个方面入手,通过理论推导、3D模型光路仿真和试验验证来提升检测灵敏度同时抑制光学干涉影响,研究工作的创新点如下:(1)从光学角度入手,通过研究玻璃药瓶几何特性,探明了玻璃瓶内光学干涉的产生机理,研究出激光入射角大于8.64°时有利于抑制此类干涉噪声;针对玻璃药瓶内激光吸收光程极短的实际问题,提出了基于药瓶外壁镀膜的轴截面内多次反射光路优化方法,实现了光学干涉噪声的鲁棒抑制,突破了传统直接透射检测方法的光程限制。(2)轴截面内多次反射光路优化方法显著提升了相邻浓度的可区分性,但因激光在单侧瓶壁内表面和外表面间的标准具效应仍不可忽略,多次测量结果依然存在较大波动。针对此问题,从电学角度提出了一种可调谐二极管激光多频调制技术,通过求解零阶贝塞尔函数的首个零点,优化第二调制信号(抖动信号)幅值,从而消除背景信号中二次谐波分量,显著减小了同浓度标准瓶的多次测量标准差。(3)设计出激光器、探测器、玻璃药瓶的三轴精密调校方案,形成所提出光路优化方法的验证平台;研制出基于ZYNQ的TDLAS调制解调分析板,可调谐激光波长扫描步进精细至6.1×10nm,吸收光谱信号采集分辨率高达0.122m V,对所提出多频调制方法进行性能评估和验证,具有硬件可灵活重构的技术优势。本文含有图53幅,表7个,参考文献74篇

关键词： TDLAS-WMS 光谱检测镀膜光路优化腔体增长多频调制光学干涉