TDLAS氧气测量系统中激光器调谐性能测试与优化

TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术以其分子光谱高选择性、速度快、灵敏度高、非接触测量等难以取代的优势,成为燃烧过程诊断等应用的首选,可以有效用于氧气测量。DFB(分布反馈)半导体激光器以其体积小、功耗低、寿命长、线宽窄、波长可调谐等优点成为TDLAS系统的主要选择,而其调谐特性是制约系统测量性能的关键因素。根据TDLAS氧气测量系统工作要求,采用一种简单易行的实验方法对系统中用到的764 nm DFB激光器的电流波长、温度波长和电流功率等重要调谐特性进行了测试和分析,发现出射光谱窄线宽、高边模抑制比和宽波长可调谐范围等特点明显,电流波长调谐曲线近似但并非严格线性、调谐速率约0.023 nm·mA-1,温度越高阈值电流越大、PI曲线也并非严格线性,温度调谐特性曲线线性较好、波长温度调谐速率基本保持恒定约为0.056 nm·℃-1。可见各种调谐曲线的非线性失真比较明显,影响氧气测量精度。温度调谐非线性可以通过温控精度的提高来消除,电流功率调谐非线性可以通过设置参考光强来消除。为了进一步解决电流波长调谐非线性问题,根据DFB半导体激光器的调谐机理和电流波长测试结果的多项式拟合,考虑通过DA控制注入电流的方式对电流波长调谐非线性进行补偿。这种方法针对不同激光器只需在系统初次工作之前进行一次多项式拟合,方案合理、实现简单且不影响测量过程。实验证明,补偿之后的λI曲线线性拟合残差小于1 pm,远小于补偿前的22 pm,效果明显,为氧气各种参数TDLAS精确测量和反演提供了依据。     

Dual-mode registration of dynamic contrast-enhanced ultrasound combining tissue and contrast sequences

This study proposes a new method for automatic, iterative image registration in the context of dynamic contrast-enhanced ultrasound (DCE-US) imaging. By constructing a cost function of image registration using a combination of the tissue and contrast-microbubble responses, this new method, referred to as dual-mode registration, performs alignment based on both tissue and vascular structures. Data from five focal liver lesions (FLLs) were used for the evaluation. Automatic registration based on the dual-mode registration technique and tissue-mode registration obtained using the linear response image sequence alone were compared to manual alignment of the sequence by an expert. Comparison of the maximum distance between the transformations applied by the automatic registration techniques and those from expert manual registration reference showed that the dual-mode registration provided better precision than the tissue-mode registration for all cases. The reduction of maximum distance ranged from 0.25 to 9.3 mm. Dual-mode registration is also significantly better than tissue-mode registration for the five sequences with p  -values lower than 0.03$0.03$. The improved sequence alignment is also demonstrated visually by comparison of images from the sequences and the video playbacks of the motion-corrected sequences. This new registration technique better maintains a selected region of interest (ROI) within a fixed position of the image plane throughout the DCE-US sequence. This should reduce motion-related variability of the echo-power estimations and, thus, contribute to more robust perfusion quantification with DCE-US.     

Frenkel-Kontorova模型中基底势振动的影响

基于一维Frenkel-Kontorova模型, 研究了振动的基底势对系统纳米摩擦现象的影响. 分别在相邻原子间的距离与周期势场的周期比为不公度(incommensurate)、可公度(commensurate)两种情形下, 探讨了基底势振动的振幅和频率对滞回现象(hysteresis)、最大静摩擦力以及超滑现象的作用机理. 两种情形下, 固定频率, 随着振幅的增大, 滞回区域的面积以及最大静摩擦力都将减小, 对于不同的频率, 减小的趋势不同. 系统甚至产生了超滑现象. 但当频率过大时, 振幅的改变不会影响滞回区域的面积以及最大静摩擦力的大小, 此时与基底不加振动时的情形一致; 当振幅固定, 随着频率的增大, 滞回区域的面积将增大, 对于不同振幅, 增大的趋势不同. 特别地, 对于某些固定的振幅, 最大静摩擦力随着振动频率的增大先逐步减小直至出现超滑现象, 再进一步增大频率, 最大静摩擦力又转而逐步增大. 这一现象类似于共振, 表明存在最佳的振动频率促进系统内所有原子的共同运动, 使得整个系统的最大静摩擦力几乎消失. 另外, 两种情形的区别是, 对于某些固定的频率(如ω= 0.5)和不同的小振幅, 不可公度情形往往具有相同的平均终止速度, 而可公度情形则不同, 表明相同前提下后者具有更复杂的动力学行为. 关键词： Frenkel-Kontorova模型 滞回 最大静摩擦力 超润滑     

多孔金属薄膜阻尼减振微观机理研究

研究了多孔金属薄膜的阻尼性能和微观机理. 采用分子动力学方法及扫描电镜(SEM) 原位观察实验手段对多孔金属薄膜阻尼进行研究, 得出金属薄膜应变滞后于应力周期性变化以及弹性势能周期性衰减的规律, 并通过应变滞后应力的时间差求得损耗因子; 从微观结构上可看出, 在薄膜孔缺陷附近\langle110angle晶向上经历了位错产生、 并且位错呈阶梯状向前发射的变化; 在SEM原位拉伸、卸载实验中观察到有微裂纹的萌生、斜向阶梯扩展、收缩及消失的周期过程. 结果表明: 在周期载荷作用下, 多孔金属薄膜的孔缺陷附近产生的位错可以挣脱开弱钉扎点并限制在强钉扎点上, 由于位错的变化及附近晶界间的相对滑动产生内摩擦, 消耗了系统的部分弹性势能, 引起金属薄膜的阻尼减振效应, 从而揭示了多孔金属涂层阻尼产生的微观机理.     

鲁棒的车载红外视频电子稳像算法

针对车辆行进中,红外热像仪拍摄的视频序列存在复杂的随机抖动,提出基于BRISK特征点匹配的运动估计算法,计算出高精度全局运动矢量,同时对于特征点匹配时出现误匹配及场景中存在前景运动物体的情况,采用模糊聚类法分离全局运动和局部运动,提高了算法的鲁棒性。提出了基于Kalman粒子滤波算法,有效实现了复杂扫描运动和随机抖动的分离,并利用双线性插值法进行图像补偿。采用快速图像拼接法进行未定义区域处理,实现了图像全景输出。还利用车载红外热像仪实际拍摄的红外视频进行了稳像实验。实验结果表明,视频序列获得了很好的稳像效果,能够满足实际应用要求。     

高功率隔离器热致退偏分析与补偿设计

针对磁光晶体在大功率光隔离器中的应用,结合实际光学元件参数,利用琼斯矩阵分析了隔离度与入射光功率间的关系。提出基于外置材料,对磁光晶体热致退偏效应的补偿方案:针对两种不同的常见补偿材料,给出了它们的设计参数,并对两种材料的补偿效果进行对比。结果表明,在50 W的光功率下,利用CaF2晶体和SiO2,可分别提高隔离度约15dB和4dB。     

光学补偿LD侧向非均匀泵浦全固化激光器

采用定向棱镜谐振腔、半圆柱面LD阵列交错侧向泵浦两根串接NdYAG激光棒、热传导冷却结构,研制出了一台工程实用的全固化激光器.定向棱镜腔内振荡光线平行于光轴的对称位置交换穿行,匀化了增益,降低了模序数;同时,定向棱镜准相位共轭特性和自准直作用在一定程度上修正波前畸变、热光楔以及热致双折射,保证了大的动态范围内热稳定性,改善了光束质量.激光器采用Cr4+YAG被动调Q,在室温条件下,工作电流为53 A、频率10 Hz时,1.06 μm单脉冲激光能量高于150 mJ、脉宽9 ns、输出稳定度±3%、束散度2.5 mrad且光轴指向稳定,远场分布近似相干平顶高斯光束.     

道威棱镜的偏振特性及偏振补偿研究

为了避免机载光电吊舱中共口径光学系统内部由于道威棱镜旋转引起的激光照射脉冲偏振态的变化,利用琼斯矩阵对道威棱镜的偏振特性与四分之一波片、半波片补偿道威棱镜旋转引起的激光脉冲偏振态变化进行了理论分析和实验验证。结果表明:线偏振的激光脉冲通过旋转一定角度的道威棱镜时,激光脉冲偏振态变为椭圆偏振,偏振态发生变化;而激光脉冲首先通过旋转一定角度的四分之一波片与半波片时,可使通过道威棱镜系统的激光脉冲偏振态保持不变,且两波片旋转角度与道威棱镜旋转角度之间存在一种非线性关系。采用偏振补偿方法可有效避免机载共口径光学系统中道威棱镜引起的激光脉冲偏振态变化,提高激光脉冲能量利用率,降低激光脉冲后向散射抑制难度。     

基于黑体标定的红外图像非均匀性校正系统设计

为提高某中波红外探测器的图像质量,设计了基于FPGA的红外图像实时处理系统,系统能够完成实时的非均匀性校正与盲元补偿处理。介绍了目前常用的非均匀性校正、盲元识别和补偿算法,并结合实际工程需求采用多点法进行非均匀性校正以及8点平均法进行盲元补偿。在仿真实验成功的基础上,基于FPGA平台构建了硬件平台。系统可以实现系数自定义更新,可以手动或自动完成非均匀性较正系数计算,以及实现盲元列表的自动更新操作。利用某国产中波红外探测器对处理系统进行了测试试验,实验结果表明:校正后图像非均匀性0.3%,盲元率0.001%。系统工作稳定、可靠,图像处理满足实时性和精度要求。     

静止无功补偿器和发射器在电弧炉动态无功补偿系统中的应用

发展高效绿色电炉冶炼技术是淘汰落后产能、钢铁产业调整升级的重要举措。电弧炉作为核心生产设备,防止其生产运行中无功冲击造成的电压跌落至关重要。而目前单一的有源、无源补偿方式无法同时满足电弧炉负荷日益增长的大容量且快速响应的无功补偿需求。研究了静止无功补偿器(SVC)和静止无功发射器(SVG)相结合的混联补偿方式,分析了SVC在分相不平衡大容量补偿及SVG在无功快速响应方面中的特性,并针对某钢厂电弧炉工作运行情况,计算其无功需求,充分利用其原有的SVC装置,设计混联SVG方案来抵消剩余无功缺口,使用PSCAD/EMTDC进行了联合应用仿真,证实其理论有效性。