一种新的光子多普勒速度频谱分析方法

光子多普勒速度计可给出飞层表面某一速度带内颗粒群速度随时间演化的频谱数据, 在冲击动力学实验尤其是微喷射及其混合研究中得到广泛应用. 本文提出一种新的光子多普勒频谱数据分析方法, 可推断出混合区厚度变化和前端等效颗粒尺度. 利用该方法, 对一些典型状态下喷射混合速度频谱开展分析, 获得了不同冲击压力、气体条件下颗粒度数据, 证实了气体环境下喷射颗粒的气动破碎现象, 以及破碎后尺度与初始条件的依赖性, 为喷射混合物理规律研究提供了重要依据.     

Photon Doppler Velocimetry and Simulation of Ejection of Particles from the Surface of Shock-Loaded Samples

The results of photon Doppler velocimetry of ejecta from shock-loaded metal samples are reported. The experiments have been performed with tin and lead samples of a given thickness and a given surface roughness. The direct numerical simulation of the process of mass ejection from the surface of shock-loaded samples is performed for conditions close to experimental by the smoothed particle hydrodynamics method. The areal density and initial velocity distribution of the volume density of ejecta are determined. Using these results, we calculate the time dependence of the profile of the volume density at the expansion of the formed dust cloud to air. Applying an approach based on the transport equation for the correlation function of the scattered field, the main parameters of the velocity distribution of ejecta, areal density of ejecta, etc. are reconstructed from spectral photon Doppler velocimetry data. The experimentally observed temporal dynamics of spectra, which is caused by the drag of dust in air, is described at an appropriately chosen size dispersion of dust particles. The masses of ejecta reconstructed from experimental data are in agreement with the smoothed particle hydrodynamics results.     

Application of three-component PIV to the measurement of hypervelocity impact ejecta

Three-component Particle Image Velocimetry has been applied to the measurement of hypervelocity ejecta from meteoritic impact experiments. This work represents the first attempt at measuring ejecta from a ballistic event using the PIV technique. The ejecta particles are measured directly, within a plane, at any controlled instant after the impact. The particle trajectories are observed at all azimuthal positions relative to the impact point thus revealing both the shape of the curtain and the distribution of velocities at a given instance. By seeding the target with 10 mm hollow spheres, the fluid flow associated with the impact in an atmosphere is simultaneously observed with the ejecta. 3C PIV is demonstrated to be an ideally suited technique for investigations on ejecta trajectories, ejecta curtain morphology and the fluid mechanics in the presence of an atmosphere. Sample results are presented.     

二维拉格朗日坐标系下气粒混合双向耦合对激波流场影响的计算

喷射颗粒与气体混合是内爆压缩领域的热点和难点. 针对喷射混合中的气粒双向耦合问题, 开展了理论建模、离散算法以及颗粒反馈对激波流场的影响研究. 建立了拉格朗日计算框架下的数学模型; 给出了耦合源项的离散算法; 开展了平面及汇聚构型条件下, 气粒双向耦合的数值模拟研究; 发现了颗粒反馈导致气体激波提速现象以及气区流场物理量分布形态的改变, 初步获得了量化分析结果. 本文建立的数学模型、计算方法和获得的新的物理认识, 为深入理解喷射混合现象、解决相关工程应用问题提供了重要理论支撑.     

用高速显微摄影技术测量神龙一号上回喷靶材速度

用高速显微摄影技术对强流脉冲电子束轰击钽金属靶的过程进行了研究,获得了“神龙一号”加速器上靶材回喷过程的实验图像.实验表明,钽金属靶在强流脉冲电子束的作用下,有强烈的热释光现象产生,靶材的回喷粒子的轴向速度可达4.7 mm/μs.     

颗粒溶液颗粒尺寸及浓度的差分偏振弹性散射光谱在线分析方法

偏振弹性散射光谱技术的基本原理为在偏振光入射条件下,根据出射光的偏振特性不同可以筛选出浅表层组织的单次散射光信息和深层组织的漫散射光信息。该研究的创新点在于将这种方法应用于颗粒溶液检测,目的是在颗粒溶液原始状态下实现对颗粒尺寸及浓度的同时检测。设计了一个共轴笼式光学系统,测量了聚苯乙烯微球颗粒溶液某一角度的背向散射信号,通过控制入射端和收集端偏振片的偏振方向获得了颗粒溶液的偏振平行光谱与偏振垂直光谱,两者之差即偏振差分光谱对应颗粒的单次散射信息,将该单次散射信息与Mie散射数据库进行比对获得颗粒的尺寸,然后在颗粒尺寸作为已知的条件下进一步分析偏振垂直光谱,将该垂直光谱对应的颗粒溶液的漫散射信息代入光漫散射下的近似表达式拟合得到颗粒的浓度信息。将实验结果与样品提供值进行了比对,并进一步分析了在获取颗粒数浓度时,颗粒直径的方差分布对结果的影响,最终验证了该实验方法的可行性。该方法的潜在应用包括对标准颗粒制造厂商的产品在线检测以及对牛奶制品中脂肪和蛋白质的浓度检测研究。     

金微纳阵列表面等离激元中红外波段光谱特性

表面等离激元是金属表面自由电子在入射光激发下产生的电子集体振荡行为及其相应的电磁场分布。目前，金微纳颗粒表面等离激元除了在可见光波段内被大量研究和应用外，在中红外波段内也显示出独特的光谱特性，具备设计生产优良传感器的潜力，因而同样备受瞩目。研究表明，在中红外波段内设计表面等离激元传感器的关键问题在于如何有效地调节共振谱的共振波长、峰值吸收率以及半峰宽等主要特征参数。相比于单个微纳颗粒而言，阵列结构由于拥有良好的周期性，从而能够在上述参数的宽光谱调节方面具有独特的优势。基于此，提出一种基于金微纳颗粒组成的阵列结构，利用时域有限差分方法，在4～18 μm波段范围内，通过分别改变该阵列的结构参数，包括颗粒半径、高度、间距及颗粒形状等，系统地研究了该微纳阵列结构在中红外波段对入射光的反射光谱、透射光谱和吸收光谱等特性的影响。研究发现，在8～10 μm光谱内，入射光能够与其所激发的金微纳阵列表面等离激元产生共振效应，表现出明显的共振峰特性。可以通过分别改变上述结构参数来有效调节吸收率谱线共振峰的共振波长、峰值吸收率和半峰宽等主要特征参数。研究结果对中红外光谱内基于金微纳阵列结构传感器的科学研究和实际设计具有独特的理论应用价值。     

Simulations of light scattering spectra of a nanoshell on plane interface based on the discrete sources method

The resonance properties of nanoshells are of great interest in nanosensing applications such as surface enhanced Raman scattering or biological sensing. In this paper the discrete sources method has been applied to analyze the spectrum of evanescent light scattering from a nanoshell particle deposited near a plane surface. Based on the rigorous theoretical model, which allows to take into account all features of the scattering problem as: medium with frequency dispersion, presence of the interface, the objective aperture and its location and core-shell asphericity, the scattering spectrum of nanoshells was calculated. The dependence of the local nanoshell spectral density behavior on its properties is discussed.     

积雪与气溶胶粒子混合的光谱反照率模拟研究

积雪中的黑碳气溶胶粒子会导致积雪光谱反射率显著下降,进而引起的气候辐射变化会推迟或提前积雪融化时间,严重影响了干旱区地表径流特征、区域水循环过程,由此引起的干旱区生态水文问题也越来越受到关注。2018年1月在新疆北疆地区开展积雪中气溶胶粒子观测实验,借助ASD地物光谱仪、Snow Folk积雪特性仪与HR-1024外场分光辐射度计等仪器获取原始积雪光谱数据与其他积雪参数,应用Snow,Ice,and Aerosol Radiation model(SNICAR)模型模拟了不同雪粒径下、不同太阳天顶角、不同Black Carbon(BC)浓度下的积雪光谱反照率变化状况,讨论了BC、雪粒径在不同光谱范围内敏感性,结果表明:太阳天顶角对雪面光谱反照率的影响在近红外波段比其他波段表现得更明显,在积雪光谱曲线中太阳天顶角从0°变化到80°,可见光波段600 nm处光谱反照率升高了0.045,近红外波段1000,1200和1300 nm处光谱反照率分别升高了0.16,0.225和0.249;在天顶角为60°时,雪粒径从100μm增大到800μm,对应的光谱反照率减少量最大可达到0.15,且100~300μm范围内的雪粒径比400~800μm范围内的引起光谱反照率的下降量明显增大,雪粒径的增大能使吸光性颗粒物的光吸收效应增强;随着BC浓度的增加,积雪反照率会显著下降,且不同浓度的BC对积雪的反照率的差值不同,随着BC浓度的增加,反照率的差值量越来越小。不同的BC浓度在近红外波段对光谱反照率影响较小,影响较大的范围主要集中可见光波段,在光谱800和1100 nm处,5μg·g-1的BC浓度使光谱反照率减小了0.13和0.04,5μg·g-1的BC可使350与550 nm处的光谱反照率减小0.25与0.23;比较不同粒径下,BC浓度对积雪光谱宽波段反照率的减少情况可发现,在BC存在的情况下,雪粒径的增加会增大BC的光吸收效应,且浓度越高,吸收增加的越多;从光谱指数角度表明BC在可见光波段350~740 nm比较敏感,相关系数较高;雪粒径在近红外波段1100~1500 nm比较敏感,尤其在1000与1300 nm左右,BC与雪粒径在积雪光谱曲线中的敏感波段相关性都较高,R 2高达0.9以上;最后将模型模拟的积雪反照率与实测数据进行验证对比,R 2为0.738,模拟效果较好,可为干旱区积雪光谱反照率的研究奠定数据基础。     

非球形烟尘粒子后向散射场的光谱分析

在利用后向散射法测量烟尘浓度和粒径的过程中,对烟尘粒子模型的后向散射光谱特性进了计算,确定影响后向散射光谱强度的主要因素并进行分析。对实际排放的烟尘进行显微观察表明,利用椭球、圆柱和广义切比雪夫3种非球模型可以较好地模拟烟尘粒子,其等效直径约1μm。通过"T矩阵法"对这3种非球形粒子模型后向散射场的光谱特性进行了分析,结果表明:非球形粒子的可见/红外波段后向散射现象较球形粒子明显,特别是广义切比雪夫粒子的后向散射光强最高可达到前向的3.5倍;对于吸收性非球形粒子(复折射率m=1.57-0.56i),后向散射光强远大于非吸收性非球形粒子(复折射率m=1.57-0.001i);随着粒子等效半径的增大,光源波长也应随之增加。这为在实际测量时光源及方位的选择提供了理论依据。     

颗粒系的可见消光光谱分析及最佳波长的选择

在光全散射法颗粒粒径测量中,被测颗粒系的消光光谱包含有颗粒粒径、折射率等信息。对常用的单峰及双峰R-R分布的可见消光光谱进行模拟,分析了可见消光光谱随粒径和相对折射率变化的规律。选取二阶微分可见消光光谱不连续点对应的波长作为测量波长,并将可见光边界波长同时作为测量波长,在非独立模式下,采用遗传优化算法反演粒径分布。仿真计算与实验验证结果表明,通过消光光谱分析,可以预先确定被测颗粒系的分布状况,缩小优化算法中反演参数的搜索范围。结合最佳波长选择方法,使测量的精度和可靠性明显提高。对测量光谱加入1%随机噪声时,单峰及多峰分布粒径反演均能得到满意的结果。     

Ejecta from periodic grooved Sn surface under unsupported shocks

Dynamic failure and ejection characteristics of a periodic grooved Sn surface under unsupported shock loading are studied using a smoothed particle hydrodynamics method. An "Eiffel Tower" spatial structure is observed, which is composed of high-speed jet tip, high-density jet slug, longitudinal tensile sparse zone, and complex broken zone between grooves. It is very different from the spike-bubble structure under supported shocks, and has been validated by detonation loading experiments. In comparison with that under supported shocks at the same peak pressure, the high-speed ejecta decreases obviously, whereas the truncated location of ejecta moves towards the interior of the sample and the total mass of ejecta increases due to the vast existence of low-speed broken materials. The shock wave profile determines mainly the total ejection amount, while the variation of V-groove angle will significantly alter the distribution of middle-and high-speed ejecta, and the maximum ejecta velocity has a linear correlation with the groove angle.     

A novel THz spectroscopy recognition method for transgenic organisms based on APSO combined with SVM

Currently, the transgenic products detection methods are mostly based on visible/near-infrared light spectrum. In addition, it is hard to set up the parameters in the support vector machine (SVM) model and there is a large amount of calculation on spectrum data. To solve these problems, this paper proposed an algorithm based on terahertz (THz) spectrum and SVM using adaptive particle swarm optimize (APSO-SVM) for building up the classifications of transgenic cotton seed. To conduct the transgenic cotton seed classification, within the wavelength region 150 μm—3 mm, the THz spectrums are first sampled from 165 samples of three newest transgenic cotton seeds. Then, the 165 transgenic cotton seeds are recognized based on the APSO-SVM. Experiment results indicate that the total recognition rate is up to 97.3%, which prove that the THz spectrum combined with APSO-SVM can provide a reliable, rapid, simple and nondestructive detection method for transgenic cotton seed.     

碎片云动量特性数值仿真研究

 铝合金球形弹丸高速撞击薄铝板时,会造成薄铝板穿孔并自身发生破碎,在铝板前后两侧产生碎片云,分别为反溅碎片云和穿透碎片云。反溅碎片云及穿透碎片云具有各自的动量特性,对其动量特性的研究有助于为碎片云理论建模提供依据。采用AUTODYN V6.0软件对直径为6.35 mm的Al 1100-O球形弹丸高速正撞击6种厚度的Al 6061-T6薄板进行了数值仿真计算,撞击速度为1.0～5.0 km/s。得到上述两种碎片云的动量,确定了动量值随撞击速度v及薄板厚度δ的变化规律。同时,利用仿真得到的动量数据,采用多元回归方法,分别建立了两种碎片云动量模型。最后,对美国国家航空航天局（NASA）报告给出的7种工况下的撞击实验进行了数值仿真计算,并将动量值与实验结果进行了比较,得到的比较结果可用以分析数值仿真的有效性。     

多次漫反射法测量粉末中的杂质吸收光谱及其计算机模拟

本文提出了用多次漫反射法来测定粉末样品的杂质吸收光谱,其结果与同材料的透明片状样品的杂质吸收光谱基本一致,为了验证更普遍的对不同折射率粉末情况,文中采用假设模型,以计算机模拟方法,其所得的结果说明,当颗粒足够小,色散又不太大时,所得的粉末样品与透明片状样品的吸收光谱一致,只差一个未知的吸收光程,如再与另一特性参数(寿命或量子效率)测量相结合,即可用来确定稀土杂质在材料中的辐射跃迁几率等物理参数。     

冲击波作用下微米尺度金属颗粒群的动力学行为

基于平面化爆驱动飞片高压加载技术和激光测速技术,研究了冲击波加载不同粒径锡颗粒群的微喷射行为以及在空气中的减速规律.实验结果表明,锡颗粒的最快喷射速度随粒径增大而显著增大.通过对微喷射形成过程的三维光滑粒子流体动力学方法数值模拟发现,大粒径锡颗粒之间存在较大的空隙结构,冲击波与空隙结构的相互作用诱导产生高速汇聚射流,空隙结构越大对应的喷射速度也越高.此外,通过研究不同粒径颗粒在复杂流场中的减速规律,进一步深化了对微喷射破碎后的颗粒尺度状态以及混合输运特性的认识.研究结果对于预测和分析冲击波加载微米颗粒群的微喷混合特性具有一定价值.     

钝感炸药冲击起爆反应过程的 PDV 技术

为研究A型钝感炸药冲击起爆反应演化过程,进行了火炮驱动蓝宝石飞片的一维平面冲击实验。实验中采用光子多普勒测速仪(Photonic Doppler velocimetry,PDV)技术测量冲击起爆后台阶型炸药的粒子速度。在炸药不同厚度台阶的后界面固定镀铝膜的楔形氟化锂(LiF)窗口,利用阻抗匹配将PDV测量的LiF窗口波后粒子速度转化为炸药样品波后粒子速度。比较组合式电磁粒子速度计和PDV两种测速技术,结果表明,相较于组合式电磁粒子速度计,PDV测量的粒子精度更高。简要分析了PDV测速探头角度、探头孔径、窗口折射率等影响,得到PDV测速的相对不确定度小于1%。     

数值模拟微米粒子的体全息记录与再现

体全息对小粒子记录及再现的影响关系到体全息材料在粒子场检测领域的应用前景,提出结合角谱传播理论与多光栅耦合波理论进行体全息图衍射分析的方法,并数值模拟了微米量级小粒子衍射光场的体全息记录与再现。数值分析结果表明体全息理论并不能像薄全息理论那样精确的再现出原始物光。其再现光场的角谱分布相对于原始光场存在高阶衰减,这使得再现光场成像后的图像边缘模糊,而且模糊程度还会随着粒子尺寸的下降逐渐上升。虽然这一现象为粒子边缘判读带来困难,但是再现图像的径向强度分布可为提高判断精度提供有益的参考。     

光子多普勒速度测量系统的数据处理方法

光子多普勒速度测量（Photonic Doppler Velocimetry,PDV）系统是一种新型的激光测速系统,可广泛用于冲击波、爆轰波以及其他短时高速运动的测量。数据处理是PDV测速技术重要的组成部分,旨在从含有大量噪声的测量数据中获得靶面等运动体的速度信息。在分析PDV系统测速原理的基础上,讨论了激光冲击强化实验PDV数据中噪声的来源和特点,解释了条纹法的去噪原理,并针对小波变换的去噪问题,提出了一些新的处理方法。分别采用条纹法,短时傅里叶变换和小波变换法对激光冲击强化实验中的PDV数据进行了处理,从误差、处理的实时性和通用性等角度对三种方法进行了比较,并说明了小波变换法特别适合激光冲击强化实验PDV测速数据的处理。