近红外光谱吸收技术的无线电子鼻设计

基于近红外光谱吸收技术,设计并开发出了一套能够高效、准确地对目标气体进行检测的电子鼻系统。电子鼻系统主要包括近红外激光发射单元、气室单元、系统控制单元、人机界面单元。主成分分析(PCA)算法和反向传播(BP)神经网络通过LabVIEW所提供的MATLAB Script节点,集成到上位机软件中,并用来对采集到的数据进行分析。结果表明,该电子鼻在网络训练次数达到1 000次以上时达到稳定,且精度达到0.000 1。对白醋、米醋和苹果醋进行食品分辨,识别准确率达到100%,实现了高精度、高稳定度和高分辨率的设计目标,具有较好的应用前景。     

掺Tm光纤MOPA准相位匹配单程倍频的单频激光器

为获得0.9 μm近红外波段连续波单频激光输出,用50 mm长的PPLN晶体对掺Tm光纤激光MOPA的连续波1 925.08 nm单频激光输出进行单程倍频,通过聚焦参数和准相位匹配温度优化,在43.4 W基频光功率实现了最高9.07 W的962.5 nm二次谐波输出,转换效率达到20.9%。二次谐波为单纵模运转,水平和竖直方向光束质量因子分别为1.36和1.52。实验中研究了聚焦因子和相位匹配温度对倍频转换效率的影响,并讨论了聚焦条件和准相位匹配温度带宽之间的相互关系。实验结果表明:Tm光纤激光准相位匹配单程倍频是获得0.9 μm波段连续波单频激光输出的有效方法。     

空间运动模拟平台中的滑车运动信息采集系统设计

滑车运动信息采集系统使用有效的信息检测方法,精确地取得滑车在运动过程中的实时信息,为空间运动模拟平台提供了反馈数据。该系统以高性能的微控制器为核心,以CPLD相辅助,使用高精度光电编码器来协助微控制器精确采集滑车的速度信息;使用红外光电传感器对滑车的位置进行粗测,使用光电编码器对滑车的位置进行精测,将二者相结合取得了精确的位置信息;使用单片机内部的高精度定时器取得了当前的时间信息;使用ZigBee无线通信模块向微控制器发送来自滑车本身的触发信号。微控制器将上述数据整理后以特定的通信协议上传到主控计算机和控制单元,实现对滑车的状态分析和运动控制。空间运动模拟平台在教学和科研方面都具有很好的使用价值和实际意义。     

绿光泵浦的黄光波段可调谐窄线宽光学参量振荡器

为实现波长可调谐的窄线宽黄光波段激光输出,设计搭建了以倍频声光调Q Nd:YAG激光器的532 nm脉冲绿光输出为泵浦源、以II类相位匹配磷酸钛氧钾（KTP）晶体为非线性介质的折叠腔光学参量振荡器（OPO）。首先产生腔内振荡的近红外可调谐闲频光,在此基础上基于LBO晶体I类非临界相位匹配方式对OPO的闲频光进行内腔倍频,得到波长调谐范围587.2~595.2 nm的黄光波段输出。为改善OPO光谱特性,在OPO闲频光谐振腔内插入熔融石英标准具,有效压缩了OPO输出黄光的光谱线宽。绿光泵浦源脉冲重复频率10 kHz、平均功率24.0 W下在波长591.2 nm处获得了最高黄光输出功率2.89 W,光束质量因子M2=3.4,从532 nm泵浦光到黄光输出的转换效率为12.0%,脉冲宽度37 ns,对应峰值功率7.8 kW。此时黄光光谱半高全宽为0.15 nm,相比未在OPO腔内插入标准具自由运转状态下的光谱得到明显改善。     

水质浊度红外光检测及聚类灰色融合预测模型

为了对水处理过程中水质浊度进行实时、准确检测,设计了基于红外光的散射浊度检测系统,并提出一种聚类灰色融合的预测模型对水质浊度的变化趋势进行有效预测。利用890 nm波长的红外发光二极管作为发光器件,光敏二极管作为接收器,检测装置响应时间短,零点误差小。采用灰色预测算法和聚类融合的方法对传感器所采集的数据进行处理,将聚类融合处理后的数据作为灰色预测控制的输入数据,灰色预测控制的输出数据与融合数据进行对比分析,确定预测浊度值。通过实际项目进行了数据跟踪和运算,聚类灰色融合算法的浊度预测输出值和实测值的平均误差值为0.008 7 NTU,聚类灰色融合算法预测性能优于单一的灰色预测算法,能够保证水质浊度参数的平稳,满足了水质的要求。     

移动机器人中激光雷达测距测角标定方法

针对目前移动机器人对环境地图构建精度低的问题,分别提出了激光雷达测距、测角的标定方法。通过误差传播定律分析引起激光雷达的测距误差因素,可知激光雷达测距误差主要是由回波强度和测量距离引起的,推导出测距误差修正模型。通过分析激光雷达测角误差因素,针对机械扫描轴与几何旋转中心偏心引起的误差,提出了一种三角形标定方法,建立测角误差修正模型。根据激光雷达测距、测角误差修正模型修改移动机器人坐标转换系统。实验结果表明,测距标定使平面障碍物数据纵坐标差值的标准差提高了30%~60%,接近物体真实几何特征;测角标定方法使障碍物数据的重合效果提高了30%,标定方法提高了移动机器人地图构建的精度。     

环境特征自适应激光雷达数据分割方法

针对目前激光雷达数据分割算法不能适应环境特征确定连续准确阈值的问题,提出一种环境特征自适应激光雷达数据分割算法。依据二维激光雷达的数据特点以及室内环境的几何特征,以激光雷达数据的邻近点拟合虚拟环境线,以虚拟环境线和邻近激光扫描射线的交点作为参考点,确定自适应阈值,完成激光雷达数据的预分割。针对用上述方法完成的数据预分割结果中存在的缺陷,提出数据预分割后伪断点的判断方法,对算法进行了优化。并将此算法与分段阈值分割算法、线性方程阈值分割算法进行比较和分析。环境特征自适应激光雷达数据分割算法对实验数据的分割成功率达到98%,具有更强的环境适应能力和更高的分割准确度。     

离轴三反光学系统中反射膜的研制

离轴三反光学系统由于具有工作波段宽,像质优良且杂散光易于控制等优势,因而被广泛用作光谱成像系统的设计方案。文中采用Code V软件,对光学系统进行了设计,基于光的偏振理论,推导出薄膜样品和系统的偏振保真度与相位差之间的换算关系,选择铝材料作为基底材料,银(Ag)、三氧化二铝(Al₂O₃)和二氧化钛(TiO₂)为镀膜材料。根据光学薄膜基础理论,设计出光线38.5°入射,在1 545~1 555 nm处R_S>99.96%,R_P>99.8%,P光和S光相位延迟小于1°的反射膜。结合膜系设计软件进行膜系设计和模拟分析,在德国莱宝光学公司设计生产的高性能光学镀膜机上完成了离轴三反光学系统中铝合金表面反射膜的制备。采用Lamda1050光谱仪对镀膜样品的S光、P光反射光谱和相位进行测试,测试结果满足设计要求。该研究具有重要的实际意义和工程价值。     

星敏感器光学系统设计及杂散光抑制技术研究

在星敏感器实际应用中,光学系统杂散光的存在会引起星点模糊或者被遮挡。文中根据星敏感器对口径、视场、光谱范围和探测能力的要求,采用Code V软件完成了星敏感器光学系统的设计,最终设计参数为口径15 mm、视场18°、光谱范围400~750 nm、探测能力5等星,并利用CAD画图软件设计了锥形结构遮光罩,遮光罩叶片视场边界为19°,共9片挡光环,最前端面距离窗口玻璃190.76 mm,最前端面口径108.76 mm,太阳规避角25°,同时利用ASAP软件分析了光学系统对杂散光的抑制能力,根据杂散光评价指标点源透射比(PST),在25°太阳规避角时,系统满足5等星探测能力需求,验证了杂散光分析方法、分析模型的正确性。     

室内激光雷达导航系统设计

小型无人机和移动机器人技术迅速发展,对室内导航技术的要求越来越高,针对当前室内导航精度不高、导航设备比较复杂的问题,提出一种采用激光雷达定位和地磁传感器检测相结合的室内主动导航方法。该方法首先使用激光雷达扫描室内环境,用采集到的数据拟合出室内地图,根据目的地信息和室内的环境信息来规划行进的路线;然后在行进中使用激光雷达连续地扫描得到数据与地图数据进行比较,来确定所处的位置,同时使用地磁传感器取得行驶的方向,二者相结合判断是否在规划的路线上行驶,及时地对出现的偏差进行纠正;最后通过搜索RFID地标确定是否已经到达指定位置。仿真和实验的结果表明:所设计的室内激光雷达导航系统结构简单、可靠性高,能够较好地满足室内导航的要求。