动态应力场作用下线性啁啾光栅光谱特性研究

目前柔性结构损伤检测需多个传感器,且需要探测器具有极高的采集频率。光纤光栅具有动态响应快、易实现分布式测量等特点,为解决上述问题提供了有效的途径,提出采用线性啁啾光栅(LCFBG)实现动态应力场探测。首先,用传输矩阵理论建立了LCFBG反射光谱应变传感模型,用衰减正弦函数模拟沿LCFBG分布的动态应力场。通过仿真实验,详细研究了LCFBG反射光谱对不同振幅、不同衰减系数与不同传播速度动态应力场的响应特性。实验结果表明,LCFBG反射光谱的反射率、波长变化与光谱形状均与动态应力场上述参数有关,但是LCFBG反射光谱对动态应力场不同参数的响应规律不同。在一定范围内,LCFBG反射光谱的最大反射率随动态应力场幅值与速度的增大而增大,最终趋于一稳定值,但其随阻尼系数增大而减小。最后,研制了以LCFBG为敏感元件的传感器,并构建了动态应力场实验平台,实验结果与仿真实验数据基本一致。提供了一种通过实时采集LCFBG全光谱信息探测动态应力场的新方法。     

基于纤芯失配型马赫曾德尔光纤折射率和温度同时测量传感器的研究

设计和制作了一种基于单模多模细芯单模光纤马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪结构,可同时测量折射率和温度的传感器。该传感器中,多模光纤和细芯单模熔接点充当光耦合器。导入光纤中传输的光经多模光纤后在细芯光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模,不同模式光在细芯光纤中传输时将产生光程差,再经细芯单模熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模而干涉。传感器透射光谱随着环境折射率和温度的变化发生漂移,通过监测不同级次的干涉谷可实现折射率和温度的同时测量。通过对传感器的透射光谱进行傅里叶变换分析可知该透射光谱主要由LP01模和LP16模干涉形成。该传感器透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-55.90nm/RIU和0.0501nm/℃(其中RIU为折射率单位);1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-56.26nm/RIU和0.0505nm/℃。在折射率和温度的变化范围分别为1.3449~1.3972和20℃~90℃的环境中对传感器的响应特性进行实验研究,结果表明:透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-53.03nm/RIU和0.0465nm/℃;1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-54.24nm/RIU和0.0542nm/℃。理论分析与实验结果相一致。该传感器在生物医学领域有较好的应用前景。     

纳米多孔金膜表面等离子体共振传感器的制备与表征

采用射频溅射技术在平板玻璃基底上淀积约60nm厚的金银合金薄膜,然后在室温下通过化学脱合金法形成附着力强、大面积均匀的纳米多孔金膜(NPGF)。利用自建的宽光谱表面等离子体共振(SPR)检测平台获得了暴露于空气中的NPGF在可见-近红外波段的共振光谱,利用菲涅耳公式结合Bruggeman介电常数近似方程拟合实验结果,得到NPGF的孔隙率约为0.38。研究了NPGF-SPR传感器对不同浓度水溶液中的Pb2+离子和三聚氰胺的响应特性,结果表明该传感器能够对水溶液中浓度为1nmol·L-1的Pb2+及三聚氰胺作出明显响应。对比实验显示NPGF-SPR传感器的灵敏度远高于常规的致密金膜SPR传感器。     

数码相机CMOS图像传感器的特性参数与选择

介绍了数码相机的核心器件———CMOS图像传感器的特性参数和在数码相机设计过程中CMOS图像传感器的选择。选择CMOS图像传感器,不仅需要考虑包括传感器的尺寸、像素总数和有效像素数、最小照度、动态范围、灵敏度、分辨力、光电响应不均匀性以及光谱响应等在内的特性参数,而且还要考虑电源管理和功耗、模数转换位数、开发的简便性以及成本等因素。     

光谱异同性和多尺度卫星雪盖差异分析——以MODIS和HJ-1B为例

为了探索不同类型遥感传感器对地物反射光谱响应的异同和卫星遥感监测雪盖空间尺度的差异,收集了2007年—2013年冬春季川西北米亚罗地区、青海省祁连山区和新疆北疆地区各种积雪、植被和裸土反射光谱数据,经中分辨率成像光谱仪MODIS和环境与灾害监测预报小卫星HJ-1B传感器响应函数完成地基光谱到传感器可见光、近红外及短波红外通道反射率的转换。分析了新旧融雪、不同雪深及不同积雪覆盖下的反射光谱特征及不同传感器对地物反射光谱响应的异同性,并结合同期同区域影像分析了MODIS和HJ-1B积雪监测空间尺度的效果差异。结果表明,可见光波段范围内,各传感器对新雪和污雪反射光谱响应一致性很高;对裸土和矮株植被反射光谱响应程度较为一致;对其他类型积雪反射光谱响应程度有所不同,尤其是消融积雪和冻结积雪,反射光谱响应性差异很大;全雪覆盖下,深度不同的积雪NDSI值域相对稳定,不同传感器NDSI具有很好的趋势一致性;MODIS和HJ1B NDSI法监测积雪空间尺度差异明显,很好的解释了混合像元存在的成因。     

ASTER和Landsat-7 ETM+两种多光谱传感器影像的交互对比

20世纪末以来,多种新型传感器的升空使得不同传感器之间的互为比较成为一个新的研究热点,但是ASTER和Landsat-7 ETM+传感器多光谱数据之间的全面对比在国内外尚未报道,为此,该文对AS-TER和Lanolsat-7 ETM+传感器影像数据进行了对比互补研究.文章从传感器的轨道特征、扫描方式、光谱范围和光谱响应特征等方面对二者进行机理上的分析和对比.在此基础上,基于3对同步过空的影像对和大面积同质感兴趣区的实验和统计分析,研究了ASTER与Landsat-7 ETM+传感器在可见光-近红外、短波红外各对应光谱波段之间的关系,提出了各对应波段相互转换的关系方程式,验证了所求的关系方程的有效性.最后对两种传感器影像对应光谱波段的差异进行了分析.验证结果表明,所求的关系转换方程具有较高的精度.     

地物光谱仪测量中的温湿度影响

地物光谱仪在遥感领域的应用日益重要,可用于研究不同地物条件下可见和红外的光谱辐射特性,从而获得地表的光谱辐射亮度、光谱辐射照度或方向反射因子等信息。地物光谱特性的准确测量是光学遥感定量分析的基础,对于航天传感器定标、遥感数据反演等具有极其重要的意义。地物光谱仪在测量前必须进行光谱辐射定标,一方面定标过程中地物光谱仪的光谱响应特性可能发生漂移,另一方面测量时的环境与定标环境可能差异较大,都会影响测量的准确性。在恒温恒湿条件下,实验采用谱线灯光源和积分球光源考察了地物光谱仪波长和光谱响应度随探测器温度的变化。数据显示当光谱仪内部硅阵列探测器温度上升时,波长位置并未发生改变;而光谱仪的光谱响应度随着温度上升明显增大。当硅探测器温度从28.3 ℃升至35.2 ℃时,光谱仪在380～990 nm的光谱响应度变化达到1.8%～7.3%;同时近红外1 000～1 800 nm的平均变化约3.0%,2 000～2 500 nm的变化约1.9%。当改变环境温度和湿度时,测量数据表明湿度影响主要在大气中水分子的吸收峰附近波长,对其他波长影响很小;光谱仪光谱响应度与内部探测器的温度近似存在一一对应关系,环境温度的影响可以近似根据内部探测器温度变化予以表征。理论上当环境条件改变时,根据光谱响应度随温度的变化和探测器的监测温度,可以进行光谱数据修正。最后,实验测量了一组探测器温度下对应的光谱响应度,采用多项式拟合和最小二乘法建立了地物光谱仪光谱响应度与温度的函数关系。根据函数关系插值得到的光谱响应度修正因子和直接测量得到的数据基本一致,全谱段的差异几乎都小于0.2%,表明光谱响应度与温度的对应关系可用于解决不同环境条件下的测量准确性。     

石墨烯量子点法布里珀罗光纤湿度传感器

制作了一种利用普通单模光纤和石墨烯量子点材料共同构建的法布里珀罗湿度传感器.利用搭建的实验系统,在环境相对湿度11%RH～85%RH范围内进行了湿度响应实验,并对湿度上升和下降过程分别进行了测量.湿度上升过程中灵敏度为0.560 6nm/RH%,线性度为0.999 47;湿度下降过程中灵敏度为0.565 5nm/RH%,线性度达0.999 36.实验结果表明,该湿度传感器具有较高的响应灵敏度、较好的线性响应特性和测量重复性.另外对该传感头的温度响应特性进行实验研究,得到了较好的线性响应结果,温度响应灵敏度为0.035nm/℃,残差平方和为0.012 41,灵敏度标准差为2.305×10-4,湿度响应灵敏度约为温度响应的17倍.对其动态响应特性进行了典型测试,在相对湿度43%条件下得到了干涉光谱波长漂移的动态响应数据,得到了较快的动态响应,其响应时间和恢复时间分别为6.5s和9.0s.研究结果为研制低成本、易制作、高灵敏的光纤湿度传感器提供了一种有益的探索.     

CCD器件相对光谱响应测试仪

设计并实现了一种涵盖400~950 nm的全自动CCD器件相对光谱响应测试仪。分析了成像器件的相对光谱响应测试原理,采用宽光谱、高灵敏度响应的科学级光纤光谱仪QE65000作为参考探测器,基于单光路直接比较法,构建了CCD器件相对光谱响应测试仪器。该装置可全自动完成CCD器件的相对光谱响应测量,不确定度分析结果表明,该装置对CCD器件开展相对光谱响应测试的最大不确定度为6.21%,满足应用需求,可为CCD等图像传感器甄选、参数性能评价及后续整机测试提供关键数据支撑。     

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.     

激光光刀法三维测量系统中的光谱匹配问题

用激光光刀法三维工业测量系统在室外进行大型堆场体积测量时，太阳幅射形成强烈的背景噪声，严重影响激光光刀图像的对比度，甚至湮没掉光刀图像。通过埘太阳光谱特性、大气吸收特性、被测物体的反射特性、光学成像系统的透过特性及CCD图像传感器的光谱响应特性的分析，提出了激光波长的选择与CCD光谱响应特性的匹配原则，并给出了相应实验结果。     

光电倍增管光谱特性实验设计

提出了把光电倍增管光谱特性作为研究性实验内容的设计方案,通过实验可以测定白炽灯辐射的相对功率的光谱分布曲线、光电倍增管的相对光谱响应曲线,标定光电倍增管响应的峰值波长,研究缝宽、温度、磁场等对光电倍增管光谱特性的影响,也可以利用此实验平台研究其它光电器件的光谱特性。     

用于Z箍缩物理实验中光电管与光电倍增管相对灵敏度标定方法

软X光闪烁体功率计(闪烁体光电管系统)是阳加速器及PTS装置上进行Z箍缩实验获取软X光总辐射功率及能量等参数的主要设备,光谱响应灵敏度是这套设备最关键的物理参数。为获取闪烁体功率计系统的光谱响应灵敏度,在北京同步辐射实验室进行了闪烁体与光电倍增管系统的光谱响应灵敏度标定,而要将闪烁体与光电倍增管系统的光谱响应灵敏度转换成Z箍缩实验需要的闪烁体与光电管系统的光谱响应灵敏度,还需要进行光电管与光电倍增管相对灵敏度标定,为此研制了一套光电管与光电倍增管光谱响应灵敏度相对标定系统。应用此系统进行标定实验,得到了光电管与光电倍增管的相对灵敏度,进而推出了功率计系统的光谱响应灵敏度。     

光谱匹配因子对GF-1/WFV时间序列交叉定标的影响分析

在轨运行的传感器辐射性能由于受到元部件老化、外太空辐射等因素的影响,会发生变化,通过传感器在轨定标可以及时追踪传感器在轨运行期间的辐射性能变化。利用Terra/MODIS(Terre卫星中分辨率成像光谱仪)参考,GF-1/WFV(高分-1号卫星视场传感器)传感器为目标,基于敦煌校正场的实测地表光谱数据,在考虑两传感器成像时刻的不同观测角度、光谱响应、大气条件和地表特性的匹配贡献的基础上,获得交叉定标光谱匹配因子,进一步得出WFV自发射后的时间序列交叉定标系数。以此辐亮度定标系数得到的表观辐亮度值与MODIS表观辐亮度值进行比对,开展光谱匹配因子对GF-1/WFV定标系数的影响分析。分析认为：在不同波段,光谱匹配因子变化趋势总体一致,大于0.9的光谱匹配因子比重分别为53.1%,75%,81.2%和93.8%;辐亮度定标系数的时间序列变化趋势与光谱匹配因子的时间变化趋势呈现负相关;匹配因子越接近1,两传感器辐亮度值的相对偏差越小。     

数字相机传感器光谱灵敏度的测量

为了测量数字相机传感器的光谱灵敏度,提出了一种数字图像测量方法。在自然日光下,用被测相机采集一副标准色卡的图像,在对图像进行均匀性和线性校正后,从标准色卡图像各色块的相机响应中计算出光谱灵敏度,并在不同的照明光源下,用成像方法验证数字图像测量方法与传统的单色仪测量方法的结果,比较了两种测量方法的优缺点和精确度。实验结果表明,两种测量方法均能获得较高精度的光谱灵敏度。     

熔融拉锥型光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉仪传感特性EI北大核心CSCD

基于熔融拉锥型光子晶体光纤（PCF）的马赫-曾德尔（M-Z）干涉仪是在一段实芯PCF两端分别熔接单模光纤后进行熔融拉锥制作而成的,该传感器透射光谱的干涉条纹对比度可达2．23dB。利用该传感器实现了对不同质量浓度氯化钠溶液传输光谱的检测,研究了其传输光谱与外界折射率的响应关系。实验结果表明,在折射率变化范围为1．333-1．349时,该传感器对于不同质量浓度氯化钠溶液的折射率测量灵敏度为210．075nm／RIU在温度测量范围为20℃-70℃时,其温度灵敏度约为0．0018nm／℃,在测量中能够克服温度交叉敏感问题。     

飞秒激光加工微悬臂梁薄膜光纤声波传感器

设计并制作了一种光纤微悬臂梁传感器,由于悬臂梁在受迫振动过程中不会产生拉伸变形,与四周固定的圆形密闭薄膜相比,会产生更高的声波灵敏度。采用飞秒激光加工制作微悬臂梁薄膜光纤声波传感器,制备出长宽均为500μm,厚6μm的微悬臂梁结构。通过实验得到其反射光谱对比度为8.8 dB,自由光谱范围为7.72 nm,理论计算得光纤法布里-珀罗腔长为155.6μm。研究结果表明,该光纤声波传感器在2 200 Hz处出现明显的共振峰,对应的声压灵敏度为414 mV/Pa,在300 Hz时有最大的灵敏度675 mV/Pa,与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比灵敏度显著提高。理论计算硅橡胶微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率为198 Hz,与实验测得的共振频率较为接近。同时悬臂梁传感器的声压灵敏度可达675 mV/Pa,声压响应线性度为0.994。     

CD盘纳米结构传感器的应用研究

将CD光盘的聚碳酸酯基底纳米条纹作为光子晶体传感器,考察了其传感性质。在40~120℃温度范围内,CD光子晶体的反射光谱强度由64.5%上升到99.1%,且温度与反射光谱强度的变化呈线性响应,相关系数R2为0.999 5。结果表明,该聚碳酸酯光子晶体膜可以作为温度传感器。另外,还考察了不同的有机醇对传感器的反射光谱强度的影响。发现在甲醇中,最大反射率与作用时间呈线性关系,在乙醇、正丙醇、正丁醇中也有同样的规律,不同醇的介电常数与反射光谱强度也有线性关系,表明本传感器还可以作为醇的检测手段。     

基于偏芯结构的光纤传感器的振动传感特性研究

提出了一种基于偏芯熔接结构的光纤振动传感器,该传感器具有较好的梳状滤波特性和较高的消光比。通过对该结构的传感器的弯曲响应特性进行分析,实验结果表明该传感器对弯曲变化表现出了近似线性响应的特性。在此基础上进一步研究了传感器的振动响应特性,对传感器工作在线性响应区域和非线性响应区域的振动响应特性进行了分析和对比。实验结果表明,该传感器在线性工作区域表现出了极好的振动响应特性,其振动响应谱线与马赫曾德尔型光纤干涉仪相类似。此外,该传感器在无振动情况下的噪声极低,具有较好的实际应用价值。     

固态图像传感器的电离辐射响应均匀性

研究并对比了6类电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体图像传感器的辐射响应均匀性。设计辐射实验,对像素阵列中响应信号在不同统计区域内的像素值增量平均值和非均匀度进行分析与讨论,重点研究了各类固态图像传感器像素阵列全局、区域和代表像元的辐射响应均匀性。实验结果表明:在稳态γ射线辐射场辐照条件下,帧图像中的响应信号增量并非固定值;像素阵列各区域内响应信号的均匀性不因辐照剂量率的变化而变化,对于相同的图像传感器,辐射在任意帧图像中产生辐射响应信号的分布与像素阵列中任意像素在多帧图像中出现辐射响应的分布相同,但由于传感器的本底噪声存在差异,单个像元、区域像素的统计结果与全局存在偏差。本研究为提高基于图像传感器的γ射线辐射探测技术,实现无遮光条件下在线辐射探测提供了理论依据和数据支持。