声波在含气泡液体中传播特性及产热效应*

该文对含气泡液体中的声波方程采用线性分析方法,研究了超声波在含气泡液体中的传播特性以及产热效应。当声波在含气泡液体中传播时,气泡的存在会影响声波的传播,在声波频率接近气泡共振频率的频段内,声信号在液体中传播时剧烈衰减,而在声波频率远远高于或低于气泡共振频率时,声波的传播基本不受影响。在接近气泡共振的频段内,声波耗散的能量最终转化为热能。同时液体中的气泡会在声波驱动下径向振动并辐射声波,伴随气泡壁在液体中的粘滞振动,热量随之产生。结果表明,两种产热机制分别在不同频段起主导作用。     

天光背景下混浊大气中成像质量的分析方法

调制传递函数(MTF)定量描述混浊介质对图像质量的影响,它是混浊介质的固有光学特性,利用等效原理可以获得MTF从低频到高频的完整特征.在实际应用中,混浊介质中的图像质量不仅取决于介质的MTF,还与图像的背景辐射密切相关.本文从混浊大气中图像退化机理出发,理论分析了空间频域中天光背景下图像质量的退化过程.参考等效原理,提出了一种考虑天光背景的表观MTF,得到了表观MTF与介质MTF和天光背景的定量关系,从而得到了一种分析背景辐射下混浊介质中图像质量的有效便捷方法.针对图像质量优化方法,从空间频域的角度提出了一种评价原则.     

双光程光声光谱甲烷传感器

利用甲烷(CH₄)气体分子在1.6 μm的吸收特性,使用中心波数为6 046.96 cm-1的蝶形分布反馈式(DFB)激光器和自制的大内径光声池,设计了一款紧凑高灵敏的CH₄气体传感器。为了进一步增强输出光声信号强度,一个具有高反射率的平面镜放置在光声池后,使透射光束被反射后,二次通过光声池,增强了光与被测气体的作用距离,使光声信号提高了1.9倍。传感器各项参数,包括调制频率、调制深度及气体流速被优化。在标准大气压和1 s的积分时间下,该传感器最终获得的探测灵敏度为0.21 ppm,1σ归一化等效噪声系数(NNEA)为2.1×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。该甲烷传感器使用性价比高的DFB近红外激光二极管作为激发光源,装置简单,成本低廉可以满足大气环境检测、矿井瓦斯监测、工业过程控制及无创伤医疗诊断等领域的需求。     

准连续调制激光吸收谱测量封闭室内O2浓度的研究

在开采煤矿的生产活动中,遇到煤矿爆炸或地震、地质等自然灾害,会导致坍塌、掩埋、堆积等情形,进而形成复杂的封闭环境。如果发生人员被困等突发情况,破灾救援、挽救生命工作显得至关重要。封闭环境中O₂的浓度随时间的变化直接威胁到被困人员的生命安全,及时掌握被困人员所处环境的O₂浓度变化对破灾救援机器人作业实施有着非常重要的指导意义。为准确测量O₂的浓度,以封闭室内O₂为研究对象,综合应用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术和波长调制光谱(WMS)技术,设计了一套准连续调制激光吸收谱实验测量O₂浓度系统,对24 h封闭室内O₂的浓度随时间变化情况进行测量研究。实验结果表明,封闭室内O₂的浓度受到室内人员活动的影响,准连续调制激光吸收谱测量方法可以准确测量封闭室内的氧气变化。     

激光诱导熔石英表面损伤修复中的气泡形成和控制研究

基于熔石英材料在CO_2激光作用下的温度分布和结构参数变化的计算结果,对熔石英损伤修复中的气泡形成和控制进行了研究.针对损伤尺寸介于150—250μm之间的损伤点,提出了一种能够有效控制气泡形成的长时间低温预热修复方法.基于低温下熔石英材料结构弛豫时间常数较长的特点,该方法在不引起熔石英材料结构发生显著变化的同时,能够解吸附表面和裂纹处所附着的气体和杂质,可有效降低裂纹闭合过程中气泡形成的概率.实验结果表明,长时间低温预热修复方法的成功修复概率可达到98%.     

利用相位啁啾单色中红外激光场产生高次谐波

本文通过求解薛定谔方程,理论探索了高次谐波及孤立阿秒脉冲在相位调制的单色中红外激光场中的产生.研究结果表明,通过加入含时相位啁啾小量,能够有效的提高高次谐波的产生效率,获得超宽平台谐波谱及超短孤立阿秒脉冲.特别是在相位为0.3π的基础上,同时加入啁啾小量βt,在β=0.3时,可得到带宽为822 e V的超连续高次谐波平台.最后通过叠加第二平台高次谐波,可得到带宽仅为2.7 as的孤立阿秒脉冲.且脉冲强度比没有加入啁啾小量的情况下显著增强.     

解调带宽对船舶辐射噪声调制谱的影响

利用傅里叶分解原理建立了幅度调制的船舶辐射宽带噪声信号数学模型,导出了基于平方解调算法船舶辐射噪声调制谱数学表达式。通过理论分析和仿真计算得到了关于调制谱分析两个新的结论:(1)解调性能与解调处理带宽关系:在声呐接收的船舶辐射噪声各频带调制度相同时,解调性能正比于解调所采用的带通滤波带宽,解调所采用的带通滤波带宽越宽,解调谱信噪比越高;(2)宽带解调谱和子频带解调谱之间关系:船舶辐射噪声宽带解调谱可以近似认为各子频带解调谱之和。为了验证以上两点结论,对实际船舶辐射噪声解调谱进行了相应处理,结果与仿真计算吻合较好。      

基于锁模光学频率梳的高速数据传输

大数据时代网络数据流量的爆炸式增长给通信系统的容量和数据传输速率带来极大的挑战.本文基于锁模光学频率梳的宽光谱范围和高相位相干性提出了一种高频正交幅度调制信号生成方法,通过电光调制器对光学频率梳进行幅度相位整形并下变频至射频域,生成携带编码信息的高速、高阶、低相位噪声的调制信号,再结合锁模光学频率梳窄线宽、多波长的特性,仅使用单个激光器即可实现基于波分复用技术的大规模并行高速通信.仿真验证了该方案的可行性,随后在100 m的自由空间光链路中使用光子微波信号进行16元正交幅度调制通信实验,实现了误码率低于10^-6的14 Gbit/s数据传输.     

基于磁光调制的多光谱目标识别系统的研究

基于特征光谱的目标识别技术具有检出能力强,可分辨目标种类等优点,但也存在一定的问题,即需要事先获取背景光谱作为先验知识且要求背景光谱随时间的变化较小。由此限制了其在新环境、复杂环境中实时目标识别方面的应用。设计了一种采用磁光调制配合特征光谱分析的技术手段,使目标识别过程中无需事先获取背景谱,从而实现了一次采集获取被测目标信息的功能,相比传统的目标检测方法而言,对战场的适应能力更强,具有较好的实用意义。同时,磁光调制技术有效地抑制了背景杂散光的干扰,从而提高了目标识别概率。由于磁光调制提供了目标光谱的累加迭代信息,故即使未知背景光谱或者背景光谱变化较大时,也可以通过目标光谱的迭代信息大幅提高目标识别率。针对不同被测目标的回波光强与背景光强值进行实验分析,结果显示,三种目标对调制线偏振光的反射能力明显强于背景。采用伪装色的被测目标对可见光成像目标识别影响很大,而调制偏振型系统仍能很好地识别目标。在此基础上,对0.5～2 km范围内的目标进行多特征波长目标种类识别。采用三个特征波长时,目标识别概率在2 km左右明显降低,采用四个或五个特征波长位置时,可以实现95.0%以上的目标识别概率,同时为了降低运算量提高系统的实时检测能力,最终采用四个特征波长。     

基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计

为了实现傅里叶变换成像光谱仪的静态化与高通量,提出一种基于多级微镜的时空混合调制成像光谱仪,其干涉系统是利用一个多级微镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面镜,其显著特点是无运动部件和限制系统光通量的狭缝,可同时获得目标的干涉图与二维空间图像。该成像光谱仪利用前置成像系统将目标成像到干涉系统的平面镜与多级微镜上,利用多级微镜的结构特点对两成像光束的光程差进行调制,然后通过后置成像系统获得不同干涉级次的目标图像。首先通过对该成像光谱仪干涉系统光谱信噪比的分析,明确了光谱信噪比与图像信噪比之间的关系,确定了多级微镜的特征参数。为了确保每个阶梯面所对应光程差的恒定性,通过对前置成像系统成像过程的分析,确定了前置成像系统像方远心的光路结构;通过对系统视场角与光程差之间关系的分析和计算,确定了前置成像系统的设计指标并完成了光学设计。为了保证后置成像系统不引入额外的光程差,通过对后置成像系统成像特点的分析,确定了后置成像系统双远心的光路结构;通过对系统入射孔径角与阶梯级数之间关系的分析和计算,最终设计出满足系统性能需求的后置成像系统。通过对各单元系统的理论分析与光学设计,为静态化与高通量成像光谱仪的发展提供了一种新的思路。