基于生物光学算法的海洋赤潮监测

机载海洋激光雷达具有高效搜索的能力,已成为海洋环境监测的重要手段。以机载蓝绿激光雷达监测海洋赤潮为研究应用背景,通过检测海洋中叶绿素的质量浓度来实现对海洋赤潮消长信息的获取。在分析海水固有光学性质的基础上,基于生物光学算法,构建了机载蓝绿激光雷达后向散射信号检测的的叶绿素质量浓度监测模型。仿真计算证明该模型能够有效探测出叶绿素质量浓度的大小,为机载海洋赤潮监测增加了一种方法。     

赤潮生消过程中的水体固有光学性质分析

在珠江口海域海洋光学浮标实验中获取一次聚生角毛藻赤潮生消过程的水体光学数据和相应的生化数据.利用该数据,分析了赤潮生消过程中水体光谱吸收和后向散射等光学性质的时间序列变化.研究发现,在赤潮生消过程中,浮游植物色素、非藻类颗粒物以及黄色物质等水体组分吸收变化显著,赤潮爆发期各组分光谱吸收增强并达到最大值,赤潮消亡期各组分...     

海洋光学浮标实时图像监测系统的设计与实现

设计了依托于海洋光学浮标平台的图像监测系统,可实时采集浮标点海面与水体的图像数据。采用新型的图像采集装置,解决了图像监测系统因浮标浮动而导致的图像失真问题,克服了在DOS系统下对USB设备存储介质读取的难题,运用两种无线网络的同时传输增大了实验室与浮标数据交换的可靠性,举例分析了图像监测系统所获得的实时数据,验证了其正确性。     

基于机载激光雷达监测海洋赤潮模型研究

提出了基于机载激光雷达应用于海洋赤潮的监测与预报方法,以检测激光水下后向散射光信号,实现对海洋赤潮藻密度信息的获取.引入赤潮藻散射系数的概念,建立了机载激光雷达的赤潮藻散射系数探测模型.通过仿真计算,证明该模型可以有效评估出赤潮藻密度的大小,进而实现对赤潮消长过程的判断.     

复杂海况下海洋生态环境多维度光学监测方法

针对溢油、赤潮等典型海洋生态环境污染和灾害,传统监测手段在海雾、耀斑、复杂光照等复杂海况干扰下存在“看不远”“辨不出”“认不清”三大难题。通过对比多种光学监测手段的优缺点,提出“光谱+偏振+红外探测”的多维度光学监测方法,梳理了典型海洋目标多维特性生成、传输、获取、处理与识别反演方法的现状与不足,提出了海洋目标多维度光学信息获取机制、复杂海况下多维度光学特性生成机理和传输演化机理、海洋目标多维度高分辨信息解混、重构与增强方法,以及目标识别反演方法等5个重点发展方向,指明了技术路线和解决途径,设计了多维度光学监测系统总体方案。最后,在室外开展了5种溢油种类、2种赤潮优势种的定性和定量化可控试验,利用偏振探测实现了油种的分类和赤潮优势种的区分,这为机载多维度高分辨海洋光学监测系统的深入研究与应用奠定了基础。     

海洋光学浮标的设计及应用试验

海洋光学浮标在水色遥感现场辐射定标和数据真实性检验、海洋科学观测、近海海洋环境监测等方面有重要应用价值。采用子母浮标技术设计了海洋光学浮标系统,该系统可同步测量海面和海水近表层及真光层的光谱辐照度和光谱辐亮度分布、水体光谱吸收/散射系数,以及风速风向等辅助参数。浮标利用GPS定位,采用低功耗的PC104嵌入式电脑作为控制核心实现数据的自动采集,采用CDMA/GPRS无线网络与海事卫星两种方式实现数据和指令的实时传输。近海试验表明,设计的子母浮标能较好地满足水下光辐射测量对浮标姿态和稳性的要求,系统的数据采集和远程传输技术可靠,光学仪器防污染技术能确保光学浮标长期有效地工作。     

一次赤潮生消过程的水体光谱模拟

基于Mie散射理论,利用一次聚生角毛藻赤潮生消过程的水体吸收光谱数据,反演了藻细胞的折射率虚部,开展了细胞平均吸收效率因子(Qa)、后向散射效率因子(Qbb)和散射相函数的光谱模拟与分析。研究发现:(1)均匀球模型(Mie理论)能较好地重现聚生角毛藻的吸收光谱特征,Qa平均相对误差在11%以内。(2)Qbb受吸收影响,这一方面体现于Qbb在400～700nm波段的光谱变化,即吸收极大值的波长处Qbb取极小值;也体现在整个赤潮生消过程中,赤潮爆发前Qbb大,赤潮爆发后Qbb变小。(3)总散射与粒径参数(表征粒径相对于波长的大小)成正比,受吸收的影响小;总散射与角度散射强度反比于波长。     

热作用过程中生物组织特性变化的光学监测

基于热作用下生物组织特性的理论，描述了最新的理论研究进展，介绍了将光学监测技术用于热致组织特性变化研究的原理与方法，并给出了典型的实验结果；生物组织的散射系数与损伤特性的关联：生物组织的吸收系数对脱水量的依赖性；热作用下血液灌注的光学成像监测。将光电技术用于热作用过程中生物组织特性变化的监测，对进一步完善热疗理论、实现热疗的在体监测具有重要的理论意义与实践意义。     

基于声发射的光学元件损伤监测方法研究

光学元件损伤是限制激光通量水平提高的重要因素之一。为快速、准确地检测光学元件损伤是否产生,支撑光学元件循环修复策略的使用,研究并提出了基于声发射技术的光学元件损伤检测方法,通过研究光学元件损伤产生的声发射信号特征,判断光学元件是否发生损伤,使用一种基于二次相关和相关峰精确插值（FICP）的时延估计算法,通过仿真验证了该算法的可行性,结合时差定位原理建立了损伤位置求解方法,并通过实验进行了验证。研究结果表明:该方法能从监测信号中快速地获得损伤的位置估计,其平均定位误差为8.61 mm,计算时间为0.143 s/次,对大口径光学元件的损伤在线监测具有应用潜力。     

基于光学相干层析的激光焊接熔深监测方法

针对熔深间接测量方法测量精度低的问题,基于光学相干层析（OCT）的激光焊接熔深监测方法通过直接测量熔池小孔深度,实现在线质量监测。该方法基于低相干干涉精密测距原理,将测量光束与焊接光束同轴,具有测量精度高、抗干扰能力强的优点。搭建了基于谱域OCT(SD-OCT)的激光焊接熔深测量系统,在深熔焊条件下测量了熔池小孔深度,并应用百分位滤波算法从测量数据中提取出熔深曲线。针对百分位滤波算法的熔深提取精度受限于OCT测量数据噪声点和该算法需要根据焊接工况来调整滤波参数等问题,提出了一种基于局部离群因子（LOF）和最大值滤波的OCT熔深提取方法,通过与焊缝纵切面的熔深曲线对比发现,熔深提取精度最大提升了32%。实验结果表明,所提方法可有效提高熔深提取精度,且不需要调整算法滤波参数,适用性更强。     

基于光纤光栅传感的化学镀膜过程本征应力监测

为了研究化学镀膜过程中本征应力的演变过程,建立了基于光纤光栅传感的本征应力计算模型,提出了一种监测化学镀膜过程本征应力演变的方法.通过记录光纤光栅中心波长的偏移量,结合裸光栅进行补偿,实现了在线监测化学镀膜过程产生的本征应力.使用光纤光栅传感器对化学镀Cu过程中本征应力进行监测.结果表明:在化学镀Cu过程中,光纤光栅中心波长蓝移,本征应力表现为压应力,且本征应力随时间的增加而增大;监测光栅的压力灵敏度为4.10 pm/MPa,监测准确度可达到0.24 Mpa.     

牙齿组织光学穿透深度有限元仿真分析

利用有限元方法对光在二维牙齿双层有限尺寸模型中传输的扩散方程进行求解,获取了光能在组织体内部的分布情况,并对牙釉质和牙本质在不同光学参量模型下的光学穿透深度进行仿真分析.结果发现,穿透深度随牙釉质散射系数的增大而减小,随牙本质的散射系数增大而增大.但牙釉质的穿透深度随散射系数的变化率（βe=0.007 97）要远远大于牙本质（βd=0.000 828）.采用Monte Carlo随机统计方法验证了本文有限元求解扩散方程的正确性.     

被动差分光学吸收光谱法监测污染源排放总量研究

研究了一种测量污染源污染气体(如SO2、NO2)排放总量的光学遥测方法,即采用被动差分光学吸收光谱(DOAS)系统在移动平台(如汽车)上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分光学吸收光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取柱密度,在结合测量时段的气象(风场)信息后获得污染气体的排放通量,最终得到排放总量。着重描述了获得烟羽垂直柱密度的差分光学吸收光谱方法以及污染气体排放通量的计算方法,并利用车载被动差分光学吸收光谱系统对某一热电厂SO2排放进行了外场测量,实验结果与在线设备的对比表明:这种基于被动差分光学吸收光谱光学遥测方法能够用于污染源排放总量的快速测量。     

基于Mie散射的卷云光学特性

基于中纬度卷云冰晶双峰、热带卷云冰晶三峰分布模型,利用Mie散射理论计算了1～13脚范围内中纬度及热带卷云的消光系数、散射系数、吸收系数。计算结果表明,由不同形状冰晶构成的热带卷云的相应光学参数比中纬度卷云的光学参数大些,但11支子弹玫瑰形状的相应参数要小一些;两种卷云在2．8～3．1μm,9．8～13μm范围内都存在两个基本相同的透射通带;在计算中纬度卷云的光学参数时,可以只考虑中空六棱柱与实心六棱柱中的一种,但计算热带卷云的光学参数时,实心六棱柱与空心六棱柱需要同时考虑。     

基于差分吸收光谱技术监测苯-甲苯-二甲苯的实验研究

苯-甲苯-二甲苯(BTX)是大气挥发性有机物(VOCs)的重要组成成份,人类长期暴露在苯系物的环境中致癌风险将极大提高.利用B T X在紫外波段有明显的光谱吸收特征,选取250～275 nm作为研究波段,该波段可将BTX的主要特征吸收包含在内.设计了一套由标准BTX液体制备标准气态BTX的装置,采用连续紫外光源和差分吸...     

基于Madaline网络的气溶胶消光系数反演算法

运用激光雷达监测气溶胶是大气环境监测的一项重要内容,通过激光雷达方程可以反演得到气溶胶消光系数,并进而获得气溶胶的其他特性。然而传统方法在反演气溶胶消光系数时需要很多假设,使得反演精度受到很大限制。提出了一种利用多层自适应线性(Madaline)人工神经网络来反演气溶胶消光系数的方法,通过对网络进行训练,可由激光雷达回波信号直接反演气溶胶消光系数,从而可有效避免传统方法的诸多假设。对比实验表明该方法使反演精度大大提高,获得了很好的反演结果。     

一种基于阶梯状非线性光纤的新颖脉冲压缩方法(英文)

提出了一种基于阶梯状非线性光纤的脉冲压缩方法.阶梯状非线性光纤包括普通单模光纤,色散位移光纤和高非线性光纤.数值模拟中所使用的所有元件均在现实中存在,并且与其他脉冲压缩方法相比,此方法成本低且易于控制.数值模拟表明:12.5 ps脉宽,300 mW峰值功率的双曲正割脉冲可被压缩至1.28 ps脉宽,1.3 W峰值功率的脉冲.     

近地面层热通量和气体通量光学监测新方法研究

监测地气间动量、热量和痕量气体等的交换对水文、气象和生态环境等有着重要的意义。阐述了一种利用自行研制的大口径闪烁仪(LAS)、光学温度梯度仪和基于可调谐二极管激光吸收光谱术(TDLAS)的开放光路痕量气体监测系统,实现了较大区域热通量和二氧化碳等气体通量快速监测的方法。实验结果表明,所测数据与涡动相关(EC)仪的数据比较,显热通量的相关系数为0.91,二氧化碳通量的相关系数为0.74。由此,用大口径闪烁仪监测区域热通量和基于TDLAS光学技术连续可靠监测陆地区域碳通量是完全有可能的,这种方法在大区域热通量和气体通量监测将会有很好的应用前景。