弱光探测器中复合抛物面聚光镜(CPC)的优化设计

基于非成像光学的原理,设计并研制了一种新的复合抛物面聚光镜(Compound parabolic concentrator,CPC)。提出基于遗传算法的聚光镜优化设计方法,将透过率作为遗传进化的目标函数,通过控制遗传算法的遗传进化方向,对CPC的结构进行优化调整。仿真实验结果表明,优化后的聚光镜入射孔径100mm,聚光比2.5:1,轴向长度84mm。当入射角为30°时,透过率达到75%以上。将此聚光镜应用于弱光探测器中,可以较好地满足器件的需要。     

样条函数在光学器件设计和优化中的建模与应用

讨论了样条函数在光学器件设计和优化过程中的建模方法与应用。提出了用样条函数进行太阳能会聚器的优化设计。根据太阳能会聚器曲面的设计要求,首先讨论了抛物面与高次非球曲面的光学性能,然后给出了样条函数的数学模型和优化设计过程。基于光学设计软件CODE V的计算机仿真结果表明,它与通常的抛物面会聚器相比,样条函数方法具有太阳能转换效率高、系统可实现间断跟踪太阳和成本低等优点。     

极紫外光谱仪光学系统的优化设计

将平面对称光学系统的像差理论应用于极紫外(XUV)光栅仪器的评价函数,可以得到评价函数关于光学参量的解析表达式。应用合作型协同进化遗传算法来解决多参量评价函数的优化问题,建立了优化程序。应用该程序对XUV摄谱仪系统进行优化设计,并运用光线追迹程序Shadow对该光学系统进行数值成像计算和比较,研究结果表明发展的评价函数在XUV多元件光栅光学系统优化设计中是十分有效的。     

多层膜聚光镜对Schwarzschild显微镜成像均匀性的影响

 提出了利用多层膜聚光镜提高Schwarzschild显微镜成像均匀性的方法。设计了聚光镜的光学结构,使80%的等离子体辐射能量会聚在约0.8 mm直径的范围内。根据成像系统的工作波长和光线在聚光镜表面的入射角度,设计了Mo/Si周期多层膜,制备了聚光镜光学元件,膜层周期厚度为9.64 nm,周期数为30,对18.2 nm波长的峰值反射率为51.7%。利用所设计的聚光镜作为照明系统,对Schwarzschild物镜进行了网格成像实验。结果表明:在1.2 mm视场内可以实现2.5 μm的空间分辨力,并且完全消除了物镜中心遮拦所造成的像面光强分布不均匀性。     

基于加权实数编码遗传算法的超材料优化设计

针对超材料优化设计参数多、权重各异的特点,提出一种基于加权实数编码的遗传算法,该算法采用等位基因或双倍基因实现对遗传基因的加权编码,是二进制编码中加权思想的推广,与普通遗传算法相比,加权实数编码遗传算法加入了人工选择因素,既可以加快种群收敛速度,又可以提高算法的求解质量,尤其适用于种群规模较大的遗传优化计算,文中以一个超材料吸波体的优化设计为例,对算法进行了验证。     

大口径主镜轻量化结构参数的优化设计

针对空间遥感器中大口径主镜的轻量化结构设计引入了基于Kriging近似模型的多目标遗传优化方法,以2 m口径SiC主镜为例对其轻量化结构参数进行了优化设计。采用拉丁超立方法对优化参数进行试验设计,建立了Kriging模型,并用多目标遗传算法迭代求得了最优解。优化后得到了质量为243 kg的2 m口径SiC主镜,其面形精度达到了25.7 nm PV,4.7 nm RMS,轻量化率为84%。试验结果验证了此优化设计方法的可行性,为大口径主镜的轻量化结构参数优化设计提供了借鉴和参考。     

遗传算法在激光器谐振腔优化设计中的应用

讨论了用遗传算法优化设计普通激光器谐振腔参量的方法.以典型的50 cm长的氦氖(He-Ne)激光器为例,进行了具体计算.结果表明:对于输出相同的激光功率,模拟优化的谐振腔参量与传统局域化设计(非优化)的结果基本一致.通过适当匹配谐振腔参量,仍可提高激光(单模)的输出功率.     

二维多丝室探测器读出方法的优化

中国散裂中子源将建设一台基于~3He气体的二维多丝室,作为多功能反射谱仪束线的中子探测器.基于已有的研究,为优化选择二维多丝室探测器的丝结构,本文研究了三种不同的丝结构,并采用重心读出方法和数字读出方法进行了探测器的性能测量,得到了满足多功能反射谱仪探测器需求的读出方法.实验结果表明:对同种丝结构的二维多丝室探测器,重心读出方法的位置分辨和成像性能都好于数字读出方法;基于重心法读出的多丝室探测器位置分辨率可以达到约160μm,基于数字读出方法的多丝室探测器位置分辨率可以达到约400μm.优化设计的丝结构为:基于重心读出法的阳极丝间距1.5 mm、读出通道间距4 mm,基于数字读出法的阳极丝间距1.5 mm、读出通道间距2 mm.优化设计的丝结构均能满足谱仪的位置分辨要求.     

复合抛物面聚光器作为可见光通信光学天线的设计研究与性能分析

针对室内可见光通信的特点, 选择复合抛物面聚光器作为可见光通信系统光学天线, 介绍了复合抛物面聚光器的几何结构和光学特性, 利用光学仿真软件 TracePro对复合抛物面聚光器进行了设计、建模与仿真. 通过对不同光源条件下复合抛物面聚光器聚光特性的仿真发现: 在光源为朗伯辐射模型时复合抛物面聚光器的聚光性能更好, 且视场角越小增益越高; 但接收端与光源的相对位置对小视场复合抛物面聚光器的实际增益有明显影响, 在仿真条件下, 视场角为10°的复合抛物面聚光器实际增益为22.88, 比理论值降低了31%. 在此基础上, 在一个5 m×5 m×3 m的房间中对采用复合抛物面聚光器为光学天线的室内可见光通信系统进行了建模, 分别得到了直射链路和非直射链路下房间内各个位置的光功率分布. 仿真结果表明, 采用一个视场角为60°的复合抛物面聚光器为光学天线, 两种链路下平均接收功率分别提高了4.29 dBm和4.77 dBm, 非直射链路比直射链路的平均接收功率提高了11.2%.     

基于相关光子的单光子探测器量子效率测量系统

为准确测量近红外波段单光子探测器量子效率,搭建了基于自发参量下转换效应的测量系统.系统利用中心波长为518nm的脉冲激光泵浦周期极化磷酸氧钛钾晶体,通过自发参量下转换过程产生相关光子对,分别测量了Si和InGaAs雪崩光电二极管单光子探测器在778nm和1 550nm波长点的量子效率,并对测量不确定度进行了分析.实验表明,该装置可以测量近红外单光子探测器量子效率参量,测量不确定度均优于1%.     

远红外光区域的单层光栅结构宽带滤波器的设计

在基底层厚度固定的情况下, 通过采用基于全局搜索的遗传算法可以在远红外光区域来设计单层光栅的结构参数, 从而获得所需要的宽带滤波器。结果表明, 该滤波器在较宽的光谱范围内具有相对稳定而且很高的反射率值。     

紫外通信中复合抛物面聚光器的优化

为了提高紫外通信系统中接收机探测信号的灵敏度和效率,设计光学天线增强对大气中微弱信号的收集能力。结合紫外光通信系统的实际工程背景,对光探测中的复合抛物面聚光器（CPC）进行旋转、平移、截顶和截底4种优化,并做了详细的计算、模拟与仿真;通过对不同优化方法的最大入射角、接收光通量效率以及入射角与采集率关系的计算分析,得出不同参数优化后的工程适用条件,即负向旋转法可用于视线直射远距通信,截底法适用于非视线散射近距通信,而截顶法可用来替换标准CPC并达到节约材料成本的目的。     

GA optimization on multi-segments muffler under space constraints

Whilst the space volume of muffler in noise control system is often constrained for maintenance in practical engineering work, the maximization on muffler’s performance becomes important and essential. In this paper, a novel approach genetic algorithms (GAs) based on the principles of natural biological evolution will be used to tackle this optimization of muffler design [M. Mitchell, An Introduction to Genetic Algorithms, The MIT Press, Cambridge, MA, 1996]. Here, the shape optimization of multi-segments muffler coupled with the GA searching technique is presented. The techniques of binary genetic algorithms (BGA) together with the commercial MATLAB package [G. Lindfield, J. Penny, Numerical Method Using Matlab, second ed., Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 2000] are applied in GA searching. In addition, a numerical case of pure tone elimination with 2-5 segments on muffler is introduced and fully discussed. To achieve the best optimization in GA, several GA parameters are on trial in various values. Results show that the GA operators, including crossover mutation and elitism, are essential in accuracy. Consequently, results verify that the optimal sound transmission loss at the designed frequency of 500 Hz is exactly maximized. The GA optimization on multi-segments muffler proposed in this study surely provides a quick and correct approach.     

Graphical offline analysis software of electron multiplier pulse signals北大核心CSCD

电子倍增器（electron multiplier,EM）工作于脉冲状态下,其阳极上输出离散的信号,考虑到电子倍增过程具有一定的统计性规律,研究EM在脉冲状态下的性能参数,需要对阳极输出的脉冲信号进行大量测试和分析。以基于打拿极电子倍增器的光电倍增管（photomultiplier tubes,PMT）为例,通过改变入射光强度使其工作在脉冲状态,利用高带宽、高采样率示波器采集其阳极输出信号。基于Python开发了一种图形化数据分析软件,用来对示波器采集的大量脉冲信号数据进行离线分析,从中可以获得PMT的电荷积分谱、增益、分辨率、后脉冲率、前沿时间等性能参数,软件采用模块化结构,根据不同的测试需求各个模块可以单独工作。该软件可以快速实现EM在脉冲状态下的性能参数分析,为EM制作工艺的优化及其在微弱信号探测领域中的应用提供了一种便利的分析手段。     

基于梯度响应面模型的优化设计

本文主要研究一种梯度响应面模型及其在气动优化设计中的应用. 目前应用广泛的多项式响应面模型是连续可导的, 采用梯度信息构造完全二阶多项式响应面模型, 所需样本数与设计参数个数呈线性关系. 首先通过改进实验设计方法, 快速生成满足精度要求的样本并确定梯度响应面模型. 随后通过函数实验验证梯度响应面模型的精度, 及该模型在多极值函数最值搜索中的有效性. 最后由伴随方法快速求解气动优化设计目标函数的梯度信息, 并开展基于梯度响应面模型和复合形法的叶片压力反设计和效率优化设计. 结果表明: 基于梯度响应面模型的优化方法在全局最优及提高优化效率两方面均有出色表现, 基于该优化方法的气动优化设计能够显著改善叶片的气动性能. 关键词： 气动优化设计 响应面模型 伴随方法 复合形法     

High-efficiency design of combustion kinetic experiments based on genetic algorithm

Experimental data is essential for the improvement of combustion kinetic models. Experimental design based on model analysis results can screen optimal experimental conditions with maximum information content. However, the computational cost of designing experiments by enumeration becomes unaffordable when an enormity of conditions with different temperatures/pressures/mixtures are to be investigated. An approach to facilitate the efficient discovery of optimal experimental conditions based on the genetic algorithm (GA) is proposed in this work. This approach regards the task of experimental design as an optimization problem to minimize an objective function that measures the information content provided by an experiment. The sensitivity entropy and surrogate model similarity are combined to form the objective function of optimization. Three designs of dimethyl ether experiments are provided to demonstrate the approach. The first case utilizes a benchmark for optimal experiments to validate the effectiveness of GA. The results show that GA can achieve better design results than the traditional enumeration strategy with less than 10% computational cost. The second case illustrates how GA is applied in the design of multiple experiments. The last one is an application in designing multiple experiments of various types, including ignition, species measurements in a jet-stirred reactor (JSR) and a plug flow reactor (PFR). The model parameters are calibrated with the designed experimental data using a Bayesian-based optimization approach. The uncertainties of model parameters are significantly reduced after the optimization.     

连续面型高效率光栅分束器件的设计

阐述了用虚源法设计连续面型光栅分束器件的原理 ,提出了一种局部搜索遗传算法 ,并将其用于优化器件的性能。局部搜索遗传算法结合了局部搜索算法和遗传算法的优点 ,可以有效地克服遗传算法的“早熟收敛”现象 ,具有更强的全局收敛能力。用文中给出的方法可以得到具有较好均匀性的、高衍射效率的连续面型光栅分束器件。     

基于复合抛物面集光器的LED教室灯具的配光设计

为了对LED教室灯具配光,建立了复合抛物面集光器配光系统。分析了LED光源发光特性,阐明了对LED光源进行二次配光的必要性。建立了三维复合抛物面集光器（CPC）模型,并由边缘光线原理计算得出三维复合抛物面集光器（CPC）模型各参数与最大出射半角m的关系,分析了m的制约因素。由阅读灯照度均匀度要求,确定了复合抛物面集光器（CPC）模型各参数的值,在光学分析软件Tracepro中建立了CPC模型,将LED光源置于其焦平面上,结合教室桌面与灯具距离,模拟了基于CPC配光的LED教室灯具的照度分布。试验结果表明,CPC配光系统最大出光半角为30时,光照均匀度超过0.7,满足建筑照明设计标准 GB 50034 2004对阅读照明的要求,该灯具有效光通可达95%以上。