中国电子科技集团公司第十二研究所, 北京 100015
针对高波段空间行波管的卫星通信应用需求, 介绍了 E波段连续波空间行波管的研制情况。该行波管通过进一步优化折叠波导慢波结构参数和调整周期跳变方案, 实现改善带内增益波动性、提高效率的目的。研制出的样管在 14.7 kV、74 mA条件下, 实现电子注动态流通率高于 98%, 在 71~76 GHz范围内, 输出功率大于 85 W, 总效率大于 37%, 增益大于 40 dB。
E波段 折叠波导 连续波 空间行波管 E-band Folded Waveguide Continuous Wave space Traveling Wave Tube 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(10): 1194
1 北京理工大学物理学院, 北京 100081
2 宝瑞激光科技(常州)有限公司, 江苏 常州 213000
采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对复合肥样品中氮(N)、磷(P)和钾(K)等营养元素进行定量分析。实验中一共选取20个样品,由于样品量较少,为了提高预测精度,采取一种新的数据提取方式来建立训练集和预测集。利用PLS结合主成分分析(PCA)为训练集的光谱数据建立定标模型,定标过程中选取12个主成分。N、P、K三种元素定标模型的决定系数分别为0.99、0.98、0.99;20个样品中 N、P、K元素含量(质量分数,下同)预测的平均相对误差分别为2.33%、0.70%、3.00%。之后对定标模型的鲁棒性进行检验,其中N、P的平均相对误差大多维持在12%以下。采用基于统计学原理的数据抽取方式扩充样本光谱数据后,与未扩充时相比,被测元素含量的平均相对误差降幅均在10%以上。实验结果表明,当样本数量较少时,利用所提的数据提取方法结合PLS定量分析可以提高检测的准确度,实现复合肥样品中N、P、K等营养元素的快速检测。
光谱学 激光诱导击穿光谱 复合肥 偏最小二乘法 小样本量 中国激光
2021, 48(23): 2311003
1 北京理工大学物理学院, 北京 100081
2 宝瑞激光科技(常州)有限公司, 江苏 常州 213000
基于激光诱导击穿光谱(LIBS)对铁矿石、锰矿石和铬矿石中的Fe元素进行定量分析。由于矿石成分复杂,采取一系列的光谱预处理来降低由激光能量波动及样品不稳定烧蚀所造成的光谱波动。本文将分类和定量分析方法结合,首先通过支持向量机对光谱进行分类以避免不同类矿石间的基体效应。然后通过相关性变量筛选偏最小二乘回归分析(R-PLS)改进算法进行分析,发现三类矿石的预测集方均根误差分别降至0.975%、0.418%、0.123%,平均相对误差分别降至1.46%、6.72%和1.09%。实验结果表明,矿石分类后再进行相关性变量筛选偏最小二乘回归分析的方法可以有效提升预测准确度,为矿石成分在线检测的应用提供了可靠依据。
光谱学 激光诱导击穿光谱 矿石 定量分析 偏最小二乘回归 主成分分析 支持向量机 中国激光
2021, 48(16): 1611002
随着“绿色轮胎”概念的深入, 轮胎橡胶的有效成分直接关系到橡胶合格与否, 而轮胎橡胶对于检测部门而言是一个“黑色”分析系统, 如何利用现有手段进行橡胶成分的准确检测至关重要。 太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术已经成功应用于物质检测分析当中, 但是在许多情况下, 从橡胶这个复杂样品中观察到的太赫兹光谱数据代表了几个相互关联的组分或特征成分共同作用的综合结果, 原始数据中包含的实际信息可能会重叠, 进而影响橡胶混合物中各组分的分析。 为了解决太赫兹光谱重叠的问题, 利用太赫兹光谱矩阵连续平滑和浓度矩阵稀疏的特点, 将具有平滑特性的2范数和具有稀疏特性的1/2范数引入到非负矩阵分解方法, 提出基于光谱特征约束非负矩阵分解(constraint non-negative matrix factorization, CNMF)的太赫兹混叠光谱分离方法。 首先通过THz-TDS获取丁腈橡胶(NBR)与硫化促进剂2-巯基苯并噻唑(MBT)二组分混合物, 以及NBR、 MBT和一硫化四甲基秋兰姆(TMTM)三组分混合物的时域光谱; 然后对时域光谱进行傅里叶变换得到其频域光谱, 进而获取混合物所对应的吸光度混叠光谱矩阵; 光谱分离之前对获得的光谱矩阵进行主成分分析, 初步判定混合物组分数, 最后利用非负矩阵分解算法(non-negative matrix factorization, NMF)、 基于纯变量初始化的非负矩阵分解(purity non-negative matrix factorization, PNMF)和CNMF三种方法对混叠光谱进行光谱解析。 对比发现, 相较于NMF和PNMF方法, CNMF算法的分离效果更佳, 特征吸收峰对应结果更准确, 针对不同组分混合物分离结果的相关系数均高于89%, 光谱角小于0.5, 具有较高的纯净物光谱还原度。 将带有约束的非负矩阵分解算法引入到太赫兹混叠光谱的分离上, 较好的提取出复杂混合物中单一成分的特征信息, 为后续的太赫兹多组分混合物的定性分析和定量计算奠定了较好的基础, 在绿色轮胎及橡胶的质量检测领域具有一定的研究前景。
太赫兹时域光谱 光谱分离 非负矩阵分解 轮胎橡胶 黑色分析体系 THz-TDS Spectral separation Non-negative matrix factorization Tire rubber Black analysis system 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3736
根据在线补偿对于实时性和精度的要求，提出利用粒子群算法优化支持向量回归的方法建立光纤陀螺温度误差补偿模型，并采用多数据窗的温度变化率实时获取方法，满足在线补偿和模型输入的要求.将光纤陀螺置于温箱内进行-15~50℃变温试验，获得实测数据，将温度和温度变化率作为输入，分别进行最小二乘、径向基函数神经网络以及粒子群优化支持向量回归建模，对比结果表明，提出的模型取得了最佳的补偿效果.通过实时补偿对比试验，验证了提出的模型具有良好的实时补偿性能及对于非训练数据的泛化能力.
光纤陀螺 温度误差 粒子群算法 支持向量回归 实时补偿 Fiber optic gyroscope Temperature error Particle swarm optimization Support vector regression Real-time compensation 光子学报
2019, 48(12): 1206002
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
2 广西自动检测技术与仪器重点实验室, 广西 桂林 541004
3 国家橡胶及橡胶制品质量监督检验中心（广西）, 广西 桂林 541004
近年来, “绿色轮胎”发展备受关注。 在绿色轮胎制造过程中需要多种橡胶添加剂, 而橡胶添加剂的含量与绿色轮胎能否达标密切相关, 因此, 对轮胎橡胶中相关橡胶添加剂的定量检测具有重要意义。 太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术已经成功应用于物质定量分析领域, 但当定量分析对象为多组分混合物时, 由于混合物光谱出现重叠和失真等原因, 会导致定量分析结果不理想。 针对此问题, 将Zernike矩作为一种光谱预处理技术引入到橡胶添加剂多组分混合物的太赫兹光谱定量分析中, 提出了基于Zernike矩结合支持向量回归（Zernike moment-support vector regression, ZM-SVR）的太赫兹光谱定量分析方法。 首先, 以影响绿色轮胎质量能否达标的三种橡胶添加剂氧化锌、 白炭黑和2-巯基苯并噻唑（MBT）为定量检测对象, 将3种橡胶添加剂与丁腈橡胶构成多组分混合物实验样本, 并通过太赫兹时域光谱系统测得样本的太赫兹光谱; 然后, 对太赫兹光谱进行分析与处理, 得到其吸收系数、 消光系数和折射率3种光学参数后, 将3种光学参数构建为样本的太赫兹三维光谱, 并利用Zernike矩提取太赫兹三维光谱灰度图的特征信息; 最后, 利用支持向量回归建立样本太赫兹三维光谱灰度图特征信息和目标成分含量之间的定量模型, 从而对混合物样本中目标成分含量进行分析。 利用该方法得到的定量模型预测集相关系数均大于等于0952 2, 均方根误差均小于等于2267 2%。 为进一步验证该方法的有效性, 将定量分析结果与常规方法PLS和SVR的结果进行了对比。 对比发现, 相比常规方法得到的定量分析结果, Zernike矩结合支持向量回归方法所得结果的准确性和稳定性均得到了明显提升。 因此, Zernike矩结合支持向量回归方法为橡胶添加剂多组分混合物的太赫兹光谱定量检测提供了新思路, 在绿色轮胎及橡胶的质量检测领域具有广阔应用前景。
太赫兹时域光谱 定量分析 Zernike矩 橡胶添加剂 多组分混合物 Terahertz time-domain spectroscopy Quantitative analysis Zernike moment Rubber additives Multicomponent mixtures 光谱学与光谱分析
2019, 39(9): 2725
1 西安建筑科技大学冶金工程学院, 陕西 西安 710055
2 西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室, 陕西 西安 710016
3 西安文理学院陕西省表面工程与再制造重点实验室, 陕西 西安 710065
采用选区激光熔化成形制备TC4钛合金, 分析了沉积态和热处理态下TC4钛合金微观组织, 并通过拉伸试验, 测试了热处理态下TC4钛合金抗拉强度和延伸率。结果表明, 沉积态钛合金在快速冷凝下组织几乎全为非平衡相α′, 组织细密。当固溶热处理工艺为960 ℃、2 h、AC(Air cooling)时, 钛合金组织由非平衡相α′全部转换为平衡相α, 组织粗化为板条状, 试样的抗拉强度最高可以达到1 056 MPa, 延伸率达到16.9%, 整个断面有均匀密集分布的等轴韧窝, 属于典型的韧性断裂, TC4钛合金在热处理下获得较佳的强度-塑性匹配。
选区激光熔化 TC4钛合金 固溶热处理 力学性能 laser additive manufacturing TC4 titanium alloy solution heat treatment mechanical properties
1 北京理工大学 物理学院，北京 100081
2 中国科学院 武汉物理与数学研究所，湖北 武汉 430000
激光诱导击穿光谱技术是一种新的材料识别及定量分析技术。但是光谱的重复性低限制其由定性分析向定量分析的发展。因此提高激光诱导等离子光谱信号信噪比及等离子体的空间稳定性对于提高光谱信号的可重复性、降低基体效应等不利因素影响有着积极的作用。同时光谱信号信噪比的增强可降低对激光器输出能量的要求，有效降低了激光诱导击穿光谱集成系统的成本，有利于此技术向更多领域拓展。本文对实验中采用的双脉冲或多脉冲增强，放电脉冲再激发，空间限域，磁场束缚和微波辅助增强四大类方法加以总结及概括。在此基础上深入探讨光谱增强的物理机制，从而为进一步提高光谱信号稳定性及定量化分析的精确度提供有力的理论支持。
激光诱导击穿光谱 等离子体 信号增强 检出限 定量分析 laser induced breakdown spectroscopy plasma signal enhancement detection limit quantitative analysis
本文主要综述了国内外便携式激光诱导击穿光谱(LIBS)系统的研究进展和应用情况。目前该系统主要针对金属元素进行检测，对非金属等轻元素的定量分析需要较大能量的激光激发，但受限于激光器和光谱仪等组件体积的影响，研发便携式、高精度LIBS系统有较高难度。本文针对全元素检测便携设备的研发，利用限域和高压放电脉冲得到了增强的LIBS信号，降低了激光能量，从物理机理上给出了便携式LIBS设备研发的新方向。
激光诱导击穿光谱 便携式 等离子体 光谱分析 光谱信号增强 laser-induced breakdown spectroscopy portable system plasma spectral analysis spectrum signal enhancement
