多次散射情况下非视线光传输模拟

复杂地形条件下的非视线光传输模拟具有很现实的意义。目前国内外普遍采用单次散射近似方法进行非视线光传输研究,但该方法仅考虑一次散射后到达探测器的光子,在距离较远、天气较差的情况下误差大,因此无法解决光子必须经历两次或两次以上散射才可到达探测器的情况。本文基于蒙特卡罗方法,针对发射与接收没有公共视场的情形,运用多次散射模拟近似,对两种典型的收发无公共视场的情况进行了仿真模拟,解决了单次散射近似不适用的传输问题。实验测试结果验证了模拟结果的正确性,适用于较复杂地形条件,为发射和接收无公共散射体情况下的光传输提供一种理论模拟方法。     

多次散射情况下非视线光传输的模拟

基于蒙特卡罗方法,对两种典型的接收与发射无公共视场的情况进行了仿真模拟,解决了单次散射近似不适用的传输问题.对于1 W的光源,大气吸收系数ka=1.2 km-1、散射系数ks=1.5 km-1时,对于收发器背向情况,信号能量在距离为50 m处约为0.27 nW,其随距离增大呈指数衰减;对于接收视场受限情况,200 m远处信号能量约0.23 nW,并随距离增大迅速增强.实验测试结果验证了模拟结果的正确性,表明该方法适用于较复杂地形条件,为发射和接收无公共散射体情况下的光传输提供了一种理论模拟方法.     

独特谐振模式下薄膜体声波谐振器的设计

计算了四层复合结构的薄膜体声波谐振器(FBAR)的输入阻抗谱,各层采用的材料分别是Al/AlN/Al/Si,其尺寸为0.8 μm/1.9 μm/0.8 μm/100 μm,得出其有效机电耦合系数k²_eff随谐振模式的分布情况,从而得到最大k²_eff的独特谐振模式在1~2 GHz为第40阶谐振模式。从理论上探讨了各层的尺寸及材料属性对该独特谐振模式及其频移的影响,以及串联谐振品质因数FOM等滤波器设计的主要性能参数在该模式下的分布情况。实验结果表明,工作在独特谐振模式下的FBAR的性能依赖于各层材料尺寸,当压电层厚度从0.2 μm变到4.3 μm时,特殊谐振模式频率从1.2 GHz增加到4.8 GHz;当基底厚度变厚时,有效机电耦合系数从3.2%变到0.8%,串联品质因数从2 000变到700;而电极变厚后,有效机电耦合系数趋于一个稳定值。这些数据在实际设计过程中对滤波器的微调具有参考意义。     

磁悬浮平台系统的机电耦合动力学模型及稳定性分析

给出了系统完整的机电耦合动力学模型。利用拉格朗日方程建立了系统的力学模型,考虑了平台各个电磁力之间的耦合以及传感器组的几何中心与平台质心不重合带来的耦合效应;基于PID控制理论建立了平台控制系统的微分方程,分析了传感器与控制磁极非共点安装产生的耦合影响。最后,基于系统的机电耦合动力学模型,进行了平台运动稳定性分析,得到了平台实现稳定悬浮时控制参数的选择范围,垂直方向:0.3＜K_p＜141.5,0＜K_d＜0.052,水平方向:0.3＜K_p＜77.4,0.001＜K_d＜0.038。实验结果表明,控制参数选择范围准确,稳定悬浮时平台具有良好的动、静态性能。     

圆弧齿线圆柱齿轮传动误差研究

为了研究圆弧齿线圆柱齿轮传动误差,提出了圆弧齿线圆柱齿轮传动的扭转振动模型,并利用3D模型建立动力学模型,分析齿宽、齿线半径、负载及转速等对传动误差的影响。研究表明,不同结构参数和工况时,传动误差在0附近周期性波动;传动误差幅值随着齿宽增大而先减小后增大;传动误差幅值随齿线半径增大呈"W"形变化,即先随齿线半径增大而先减小后增大,然后再随齿线半径增大而先减小后增大;传动误差幅值随负载和转速增大而增大。研究结果为齿轮系统的降噪、润滑、故障诊断及轮齿几何修形等提供了理论基础。     

Ta2O5对B2O3-La2O3-CaO系统玻璃生成范围的影响

本文研究了在B₂O₃—La₂O—CaO三元系统中,当Ta₂0₅的含量分别为5、10、15、20wt%时,该系统的玻璃生成范围.结果表明,随着Ta₂O₅含量的增加,系统的玻璃生成范围向贫B₂O₃,富La₂O₃边界扩充.当Ta₂O₅的含量为10wt%时,玻璃的生成区域最大.通过差热分析确定了玻璃析晶温度,并用X射线衍射进行了物相鉴定.结果表明,随Ta₂O₅取代La₂₃其主结晶相的放热峰或吸热峰的位置变化不同,所析出的结晶物质亦不同.     

Mg(PO3)2-AlF3-PbF2系统玻璃振动光谱的研究

由FT—IR和Raman光谱的结果得出:该三元系统玻璃在高磷区为偏磷酸盐结构。其结构网络主要由[O=PO_3/2四面体组成的链状和少许环状分子构成。随着PbF₂含量的增加,链开始断裂。当过渡到中磷区时,又主要以[Al(O,F)₄]和[P(O,F)₄]四面体及焦磷酸盐结构状态存在。当[Al(O,F)₄]和[P(O,F)₄]两者的比值为1∶1时,将无法形成玻璃。实验结果还指出,上述系统在中磷区的形成玻璃的范围是很小的。到低磷区时,由磷氧构成的网络几乎不存在,仅以孤立的[P(O,F)₄]四面体即氟正磷酸盐结构存在,同时双键氧P=O也消失。     

准分子屈光手术中非球面系数对球差以及切削深度的影响

角膜前表面是人眼屈光系统的主要组成部分,屈光手术通过角膜模型定量计算角膜的修正值,因此角膜模型的精确与否直接决定了手术的效果。一般认为角膜前表面是旋转对称的二次曲面,该曲面的一个重要参数是非球面系数Q。目前大部分的角膜切削模型都没有考虑Q对切削深度和像差的影响,本文基于Littman-Gullstrand模型眼建立模型,分析Q值对屈光手术中透射率、球差以及切削深度的影响。模拟结果显示,Q值对球差和切削深度有显著影响,Q绝对值逐渐增大时,球差S₁从正变为负,在Q＝－0.528处,可以认为角膜前表面产生的S₁为零。Q绝对值增大时,相对切削深度增大,即角膜边缘与角膜中央切削深度差异减小。     

铌硼酸盐玻璃熔融态的高温振动光谱

本文首次采用高温Raman光谱和高温红外光谱研究了铌硼酸盐玻璃熔融态的结构。在硼玻璃中,化学键B^Ⅲ—O—B^Ⅳ*是极不稳定的。当热场作用时,处于环结构中的B^Ⅲ—O—B^Ⅳ键将转化为一个较稳定的大混合π键,而连接各集团之间的B^Ⅲ—O—B^Ⅳ的化学键断开。当引入Nb₂O₅时,则集团[NbO₆]和[NbO₄]取代[BO₈]进入网络,在高温状态下[NbO₄]结构的电子云变形,使位于870cm^-1的Raman张量元为零,但骨架没有塌落,同时[NbO₆]失去了O_h群的对称性,出现了新的散射峰,（化学键没有断裂）。本工作建立了铌硼酸盐玻璃熔融态的结构模型。     

单雾滴与雾滴气溶胶红外辐射特性参数变化规律分析

采用Mie散射理论计算分析了单个雾滴和雾滴气溶胶在0.8-20微米波段内的红外辐射特性变化规律。分析表明,单个雾滴的光学效率因子都是随着粒径增大而趋于收敛,消光因子趋于2,散射因子和吸收因子都收敛于1;消光系数随波长的变化不明显,而散射系数和吸收系数近似以1/2的消光系数为轴对称。单个雾滴的散射相函数波动性非常明显,而雾滴气溶胶的散射相函数则较为平滑。单雾滴的不对称因子随雾滴粒径增大趋于0.5,而雾滴气溶胶的不对称因子随波长的增大趋于0.5。单个雾滴的单次反照率随雾滴半径的增大趋向于定值,且接近于1;而雾滴气溶胶的单次反照率随波长的增大无明显规律。     

无线日盲紫外光测距定位方法

在无人机的自主飞行及着陆引导中,测距与定位是其中的关键问题。本文提出了一种基于无线紫外光的测距定位方法,对无线紫外光直视通信模型和非直视通信模型进行了分析,推导出直视和非直视情况下的距离计算公式。根据四节点定位算法,可以解出未知节点的位置坐标。使用波长为255nm的"日盲"紫外LED及光电倍增管作为收发器件,测距信号采用10kHz的方波信号,在不同天气情况下进行测距实验。实验结果表明:在直视情况下,被测距离真值为0~100m的测距误差均小于5m;在非直视情况下,由于多径散射的影响,有效测距距离降为0~70m。当发送仰角和接收仰角均小于10°时,测距误差较小,均小于5m,当发送仰角和接收仰角均大于10°时,随着发送仰角和接收仰角的增大,有效测距距离明显降低。总的来说,该算法有着较高的精度,在GPS无法正常使用时能够为无人机提供导航数据,基本能够满足自主降落和飞行引导的要求。     

谱域光学相干层析成像量化技术及其在生物组织定量分析中的应用

研究了谱域光学相干层析(SDOCT)成像系统的量化技术,通过量化OCT图像来获得生物组织内部的信息特征对组织光学散射特性进行定量分析.给出并讨论了单次散射模型,具有轴向点散射函数(PSF)的单次散射模型和多次散射模型,利用平均A-scan算法和非线性最小二乘法曲线拟合,研究不同浓度IntralipidTM溶液的散射特性.实验显示,IntralipidTM溶液的散射系数与浓度在1％～10％间基本呈线性关系,验证了具有PSF的单次散射模型比较适用于本文的谱域光学相干层析成像系统.利用该模型对小鼠的新鲜肝脏进行量化研究,得到小鼠新鲜肝脏在波长λ.为1550 nm时的散射系数为8.9 mm-1.本文的研究为该项技术今后在临床医学上对各种疾病的诊断和治疗奠定了基础.     

软X射线界面传输特性及应用研究

对软X射线与界面相互作用的规律进行初步研究,给出了软X射线界面散射的一级近似一般理论推导,从中给出了粗糙界面软X射线的散射传输特性,表明在粗糙表面上软X射线的镜向反射系数,需要做与粗糙度有关的数学修正。作为形式上的一种方法,本文还给出了粗糙表面对软X射线全反射的动力学模型,以及一维软X射线散射测量粗糙度原理。通过实验测量了λ=243Å,256Å时具有超光滑表面的Mo,Si样品之反射率和λ=44.6Å时石英超光滑样品的反射率。采用镀碘化铯的方法,使“真空紫外-软X光反射率计”的可测量短波长从200Å降至10Å.对44.6Å进行了散射测量,可以明显看到软X射线的非正常反射现象;还对积分散射测粗糙度方法进行了初步研究。最后给出了X线聚焦装置的理论公式和设计实例。     

Study of sample temperature compensation in the measurement of soil moisture content

Since the near-infrared (NIR) spectrum is susceptible to sample temperature fluctuations, we investigate the influence of sample temperature on the predictive power of calibration model for soil moisture content (MC) and propose the multi-source information fusion technology based on back propagation neural network (BPNN) to compensate for sample temperature effect. With the discrete wavelet transform (DWT) as the pre-processing method and the least squares support vector machine (LS-SVM) regression as the modeling method, a model at 20 °C to predict MC of the soil samples at other temperatures was established. The results show that except for 20 °C, the root mean square error of prediction (RMSEP) are large. We analyze the predicted results with the dual-factor analysis of variance without duplication and the result shows that the effect of sample temperature on the prediction model for soil MC is significant. A temperature compensation model was then established with combining of soil MC and sample temperature based on BPNN. The predicted results showed that the prediction precision of the model was improved significantly.     

Investigation of the overall friction coefficient in single-pass scratch test

Single-pass scratch test on bilinear elastic–plastic materials with a conical indenter was simulated using a three-dimensional finite element model. The influence of the interfacial friction coefficient μ_s and the apical angle α of the indenter on the induced maximum tangential force F_T, normal force F_N, and the overall friction coefficient μ=F_T/F_N, were systematically studied. It was found that the induced tangential force is greater than the normal force when the apex is small and vice versa when the apex is large. The tangential force increases with μ_s, but the normal force decreases with μ_s. The overall friction coefficient μ was found to increase linearly with μ_s and tangent of the attack angle of the indenter. The relationship between the adhesion frictional component (μ_a), the plowing frictional component (μ_p), and the interfacial friction coefficient μ_s was analyzed. An analytical model for the overall friction coefficient μ was also developed based on the interaction between the indenter and the specimen and compared to the numerical results. The model was found to yield a good agreement with the finite element simulation results.     

基于结构光测量系统的误差传递分析

结构光系统作为视觉测量中常见的技术之一,其测量精度直接影响了该系统的应用范围。针对交比不变原理的结构光光平面标定方法,利用误差分析理论和矩阵扰动原理分别从系统的测量误差和光平面标定误差进行分析,提出了结构光测量系统的误差传递模型。并给出了一个特例情况下的精度要求,即满足在1000mm的测量距离上获得±0.5mm的测量精度情况下,各标定参数所需要满足的精度要求,以及标定样本提取的精度要求。通过实测实验结果验证了误差分析的有效性。该误差分析为提高结构光系统的测量精度提供了理论依据。     

Analysis of the atomic force microscopy vibration behavior using the Timoshenko theory by multi‐scale method in the air environment

This article deals with the modeling and simulation of the vibration behavior of piezoelectric micro‐cantilever (MC) based on the Timoshenko theory and using multi‐scale (MTS) method in the air environment. In this regard, the results are compared with the previous literature, such as the finite element method and the MTS method. The analysis of the piezoelectric MC vibrating behavior is investigated in a dynamical mode including non‐contact and tapping modes. The dynamics of this system is affected by interferential forces between probe tip and sample surface, such as van der Waals, capillary, and contact forces. According to the results, the forces applied to the probe tip reduce the amplitude and the resonance frequency. The simulation of surface topography in non‐contact mode and tapping for rectangular and wedge‐shaped roughness in the air environment are presented. Various experiments have been conducted in Ara research Company using the atomic force microscopy device in the amplitude mode. In the NSC15 Cantilever, the first natural frequency is derived from the results of the MC simulation based on Timoshenko beam theory, the practical results are 295.85 and 296.12 kHz, and the error rate is 0.09; at higher natural frequencies, the error rate has been increased. The γ _f coefficient is a measure of the nonlinear effects on the system; the effect of the piezoelectric length and width on γ _f coefficient is also investigated.     

基于高频柱面超声导波的螺栓轴向应力测量

基于金属杆件中高频超声导波的传播特性,提出使用柱面导波高阶不同模态群速度比值的单探头螺栓轴向应力测量方法。使用数值方法求解考虑晶粒散射衰减的Pochhammer-Chree方程,得到了导波群速度衰减系数频散曲线,并分析了其在高频区的传播规律。结合非线性声学以及弹性力学理论,推出基于群速度比值的螺栓轴向应力测量方法。搭建超声应力测量平台,讨论了脉冲超声激励下的实测导波信号特点并提出使用经验小波算法对信号进行模态分解,有效获取了信号中特定模态的群速度。使用该方法以及传统的纵横波声时比法进行了螺栓轴向应力对比标定和测量实验,结果表明前者平均测量误差约为4%,其精度明显高于传统方法(平均测量误差6%)且具有更简便的测量流程。