一种激光外差多普勒玻璃厚度测量方法

提出了一种应用激光外差测量技术结合激光多普勒技术的玻璃厚度测量方法.论述了该方法的理论依据,并结合实际应用介绍了外围硬件电路的设计方法,运用Matlab软件结合FFT技术进行了数值仿真实验,结果表明该方法在测量1~10 mm的平板玻璃时,误差小于1%.     

基于深度物理启发神经网络的微波波导器件逆设计方法

使用物理启发的神经网络方法求解物理逆问题正成为一种趋势,但仅通过损失函数引入物理信息的方案难以求解.为解决电磁器件逆设计中物理启发神经网络模型不易收敛的问题,本文引出了深度物理启发神经网络.深度物理启发神经网络使用偏微分方程的基本解构成的网络替代传统的前馈神经网络,将数学物理模型嵌入网络结构.这一特点使深度物理启发网络的训练参数具有实际物理意义,相较传统物理启发神经网络拥有更简洁的损失函数,计算效率和稳定性也有明显提升.以二端口波导的散射参数设计为例,数值实验结果表明该方案在保证与设计目标相关性系数大于0.99的同时,最快可在25 s实现器件逆设计,且能够获得多样化的结构设计结果.本文提出的方法为逆物理问题求解构建及神经网络的物理信息嵌入探索提供了新思路.     

一种线性相位反演波前测量方法的原理和性能初步分析

对一种基于线性相位反演的新型波前测量方法的基本原理和性能进行了研究。事先对成像光学系统的自身像差进行定标并记录下定标图像。传感器工作时只需测量出有像差时的一幅远场图像与定标图像的差,就可以用线性矩阵相乘方法得到待测像差对应的泽尼克多项式系数。讨论了这种线性相位反演波前测量方法中确定泽尼克模式复原矩阵的方法。以大气湍流畸变波前像差的测量为例,对这种线性相位反演波前测量方法进行了数值仿真研究。结果表明,这种线性相位反演算法具有空间分辨力高、对小像差测量精度高的特点,但测量动态范围有限。这种线性相位反演波前传感器将适用于自适应光学闭环系统。     

对一种线性相位反演波前测量方法的数值仿真

利用数值仿真方法对一种基于线性相位反演波前测量方法的性能进行了详细分析。讨论了这种线性相位反演波前测量方法的定标过程,描述了基于线性相位反演算法的波前传感器的基本组成结构。利用数值仿真计算,分析了系统自身像差和模式标定系数对这种波前传感器性能的影响,通过复原矩阵条件数,分析了靶面像素和这种波前测量方法的空间分辨力的关系。仿真结果验证了该种新型线性相位反演波前测量方法的可行性。     

支撑点与振源重合的圆形薄板二维驻波的实验与仿真研究

通过实验和MATLAB软件对支撑点与振源在圆心重合的圆形薄钢板上的二维驻波进行了测量、数值计算和仿真研究,测量结果和数值计算以及仿真均与理论计算吻合,并给出一种测量材料杨氏模量的简单方法.在大学物理层面,对于物理实验和仿真做了有意义的尝试.     

对一种线性相位反演波前测量方法的数值仿真

 利用数值仿真方法对一种基于线性相位反演波前测量方法的性能进行了详细分析。讨论了这种线性相位反演波前测量方法的定标过程,描述了基于线性相位反演算法的波前传感器的基本组成结构。利用数值仿真计算,分析了系统自身像差和模式标定系数对这种波前传感器性能的影响,通过复原矩阵条件数,分析了靶面像素和这种波前测量方法的空间分辨力的关系。仿真结果验证了该种新型线性相位反演波前测量方法的可行性。     

基于彩虹现象的光学测粒技术研究

对基于彩虹现象的光学颗粒测量进行研究,提出了一种新的参数反演模型和算法,可同时测量颗粒的粒径和折射率.新算法基于经验模态分解的去噪技术,并采用一种特征点提取技术和基于Debye理论的反演最优点搜索算法,能较精确的迅速找到反演最优点.数值模拟结果表明,当信噪比降至5 dB时,直径反演最大误差小于10%,折射率反演最大误差小于0.1%.对不同温度下自由下落的水滴进行实验研究,水滴由波长532 nm功率14 mW的连续激光源照射, 产生的彩虹光线经大口径透镜收集,被位于透镜焦平面的CCD相机接收.实验结果同样表明此测量方法具有较好的精度和可靠性.     

基于物理信息神经网络的光斑质心计算

为了实现强噪声干扰下的远场光斑质心高精度计算,研究了一种基于物理信息神经网络的质心定位方法—质心物理信息神经网络(centroid-PINN),该方法利用U-Net神经网络优化质心计算误差损失.为了验证该方法,利用模拟产生不同强度的两种类型噪声(斜坡噪声和白噪声)干扰下的高斯光斑训练网络.通过两种类型的光斑(高斯光斑和类Sinc函数光斑)测试神经网络,均得到了较高的质心定位精度.相比传统质心定位计算方法, centroid-PINN无需根据噪声水平设置参数,特别是能够处理斜坡噪声的干扰,获得高精度定位结果.成果可用于高性能激光光斑质心参数测量设备的研制,对于夏克-哈特曼波前测量装置的研制也有一定的借鉴意义.     

一种高精度激光吸收率测量装置

针对现有激光吸收率测量的不足，在总结现有激光吸收率测量方法基础上，设计了一种积分球法激光吸收率测量装置。增加了导光管结构，并对光源进行了监测，对光束进行了调制。采用相关检测和同步采集等方法，有效地去除了背景噪声、探测器及检测电路噪声对测量的影响。并实验比较了安装导光管前后装置对样品吸收率的测量影响，并对多个样品进行实验。结果表明，对于样品反射率在10×10-6~10 000×10-6范围内，装置的测量误差可以达到±2%以内，实现了激光吸收率的高精度测量。     

基于Kramers-Kronig关系建立金属太赫兹色散模型

提出了一种基于测量反射率谱、使用Kramers-Kronig(KK)关系建立金属太赫兹色散模型的方法.结合合金铝和合金铜4—40 THz的测量反射率谱,通过反射系数振幅和相位的KK关系,采用高频端指数外推,低频端常数外推的方法,反演金属复折射率.以KK反演的复折射率作为实验值,以拟合复折射率和实验值误差最小为准则,使用遗传优化算法,拟合了合金铝和合金铜的Drude色散参数(等离子频率和碰撞频率).基于优化的Drude模型计算了0.1—40 THz材料的复折射率,与椭偏仪的实测结果符合,验证了模型的准确性.该方法理论与实验相互验证,以测量的复折射率作为实验定标,将远红外频段的色散信息拓展到太赫兹频域,确定了太赫兹频段金属的微观物理参数,提供了太赫兹频段色散和散射机理的研究依据.     

基于分子弛豫模型的混合气体多物理场二维重建算法

基于气体分子弛豫模型,研究声波传播的弛豫吸收与混合气体浓度及温度的关系,以CO-N₂-O₂混合气体为例,分别建立声速和声弛豫吸收同混合气体温度、浓度关系的三维模型.提出一种在二维空间中同时重建混合气体的温度场、浓度场和流场的算法,并对混合气体多物理场进行仿真重建.数值实验证明了算法的可靠性及实际应用的可行性,并可以将此算法应用到其它混合气体的测量,为混合气体的复杂多物理场测量提供了一种新的有效测量方法.     

基于阻抗匹配条件的树枝状超材料吸收器

基于树枝状金属结构单元的电磁谐振特性,设计了一种双面大小树枝状结构的超材料吸收器,该结构分别是正面二级树枝及正对的背面三级树枝.通过仿真模拟设计了不同的阻抗匹配方式,调节相应的结构参数,找到了阻抗匹配对吸收特性的影响.在最佳的阻抗匹配条件下,得到最大吸收率.实验测量表明,阻抗匹配条件下双面大小树枝模型可以实现90.01%吸收率.增加样品层数可以有效的增加吸收率,3层样品就可以达到99%以上的吸收率,实现工程意义的完美吸收.     

NO紫外宽带吸收光谱的非线性响应及实验

紫外宽带吸收光谱(UV-BAS)作为一种气体定量检测技术,常用于检测NO等气态污染物,然而光谱仪对真实光谱的展宽作用会导致吸收率随光学厚度的变化偏离线性关系.本文针对NO吸收光谱的非线性效应进行了理论与实验研究,通过建立NO吸收率峰值非线性数据库,提供了一种基于插值多项式的NO浓度测量方法.首先理论推导出吸收率随光学厚度的非线性变化关系.通过对单谱线进行仿真分析,探究仪器展宽给非线性变化关系带来的影响;然后定量计算不同仪器展宽下γ (0, 0)谱带吸收率峰值随光学厚度的变化关系,并给出多项式模型的非线性表达式并建立系数数据库,同时对同一展宽不同NO振动谱带的非线性问题进行了比较与分析.最后,通过采用不同展宽光谱仪实验测量NO吸收光谱并对上述理论研究结果进行验证,吸收率峰值实验结果与理论计算的相对误差小于4%,与数据库插值多项式的误差小于8%,证明了理论计算的准确性与数据库的可靠性.     

调制噪声下激光检测气体吸收光谱信号处理研究

为减小调制噪声背景的干扰,提出了直接吸收光谱激光检测气体浓度反演的三级卷积降噪信号处理方法.以谱线6 612.939cm-1附近氨气分子吸收为例,分析了该降噪方法对氨气浓度反演的有效性.实验结果表明,经三级卷积降噪后的氨气原始吸收谱线信号整体均方根误差由初始8.53降至1.01,基线扣除归一化得到的氨气光谱吸收率谱线信噪比提高3.3倍;连续5次测量浓度5%标准氨气,反演浓度值平均偏差为0.0743%,相对标准偏差为1.4%,优于原始吸收谱线信号的小波降噪和不降噪处理反演值.采用三级卷积降噪方法预处理原始吸收谱线信号,提高了气体浓度反演精度,可为工业过程高浓度气体激光在线检测提供参考.     

多光束激光外差高精度测量玻璃厚度的方法

利用基于激光外差测量技术和激光多普勒技术的非接触式多光束激光外差测量方法,得到了光电探测器输出电流的谐波表达式.讨论了该测量方法用于玻璃厚度超精密测量的可行性及理论依据,并利用Matlab软件对不同情况进行了仿真实验.结果表明：该方法在不同入射角时测量平板玻璃厚度最大的误差为0.3%,明显比其他测量方法精度高. 关键词： 外差探测 多光束激光外差 激光多普勒技术 非接触式测量     

神经网络反演算法在超声测量单向复合纤维材料特性中的应用

提出了一种神经网络反演算法,用于超声测量单向复合纤维材料的参数。算法基于Chistoffel方程,将单向复合纤维材料视作六角对称晶体,通过测量纤维样品中的声速,可以反演出五个独立的弹性系数C₁₁,C₁₂,C₁₃,C₃₃和C₄₄。反演方法则利用了神经网络反复学习不断用较好样例更新的训练样本集,克服了由于学习样例数目有限而使神经网络在预测过程中所产生的误差,提高了计算精度。并将该方法用于单向复合材料S2/DET85的弹性系数的实验测量和反演,所得声速与实验测量值吻合较好。该方法实现了超声测量单向复合纤维材料特性的自动递进反演过程。     

图像动态光散射法纳米颗粒粒度分布反演算法研究

针对基于整体相关的图像动态光散射法(IDLS)测量颗粒粒径分布(PSD)问题,研究了全局搜索(GS)算法反演颗粒粒径分布,对峰值为79nm、多分布指数(PDI)为10%的单峰颗粒系和峰值分别为79nm与352nm、多分布指数均为10%的双峰颗粒系进行了反演数值仿真,结果表明全局搜索算法能较好地反演出颗粒粒径分布情况。以此为基础,对峰值为79nm的单峰分布颗粒系,峰值为79nm和352nm、79nm和482nm的两组双峰分布颗粒系进行了实验测量及算法对比研究,结果表明在单峰分布颗粒系下,相对于累积量法,全局搜索算法反演效果较好;在双峰分布颗粒系下,全局搜索算法与双指数法反演结果基本一致。由此可知,对于图像动态光散射颗粒粒径分布测量方法,全局搜索算法能够有效地反演出单峰分布和双峰分布颗粒系的颗粒粒径分布,是反演多分散颗粒系的一种有效方法。     

变质量冷却法测定油品比热容

电热法是油品比热容物理实验中一种常用的测量方法,实验中加热功率的不稳定因素导致输入总热量无法精确定量而给结果带来一定的误差.本文基于牛顿冷却定律,推导了不同质量油品测试样品的系统比热容与散热速度的关系,设计了通过改变被测油品的质量确定其比热容的测量方案.实验测量结果表明,冷却变质量法的测量相对误差可控制在3%以内,测量过程与数据处理简便且该方法完全不受加热功率不稳定因素的影响.     

气体自发瑞利-布里渊散射的理论分析及压强反演

气体压力是描述体系状态的重要参数,许多物理、化学性质都与压力有关.传统侵入式的压力测量方法会对气体状态产生干扰,影响测量精度,因此需要一种无扰式的测量方法.本实验测量了压强为2,4和6 atm(1 atm=1.01325×10~5 Pa)下加入气溶胶的N2在90?散射方向的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用卷积后的Tenti S6模型对测量光谱进行直接拟合,拟合得到的压强值总体误差小于6.0%,求和归一化的均方根误差总体小于6.5%;利用理想的Tenti S6模型对经维纳滤波器反卷积处理后的测量光谱进行拟合,拟合得到的压强值误差总体小于5.0%,求和归一化的均方根误差总体小于6.0%.通过对两种方法的详细对比,发现压强低于2 atm时,对测量光谱进行反卷积处理在一定程度上可以消除仪器函数的影响,提高测量光谱的准确性,其光谱拟合效果和压强反演精度要优于卷积光谱.而在压强高于2 atm的情况下,卷积光谱的拟合效果和压强反演精度要优于反卷积光谱.     

利用卫星云图反演云导风的新思路

本文首先借助于近年来发展起来的数值微分方法,从图像灰度中提取出图像梯度信息;然后利用正则化方法,实现了云导风反演;最后采用仿真和实际试验两种方法,对云图中有扰动时加入灰度梯度信息和未加入灰度梯度信息的风场反演结果进行比较.结果表明,加入图像灰度梯度信息所实施的新反演方法可有效减小图像干扰的影响,同时也大大提高了风矢量反演的精度,为卫星云图反演云导风探索一条新路子. 关键词： 云导风 数值微分 图像灰度梯度 正则化