1 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
2 长光卫星技术股份有限公司, 吉林 长春 130000
本文针对空间目标受到的太阳辐射、地球辐射、地球反照辐射，采用蒙特卡洛（Monte Carlo）法，基于非结构四面体网格编写了仿真程序，并对计算结果进行了对比验证。进一步地，对太阳同步轨道卫星受到的轨道外热流，采用带帆板的网格对有无遮挡情况下各表面受到的轨道外热流进行了分析。结果显示，在对地模式下考虑遮挡后，−Y表面平均热流值降低了53.79 W/m2，+Y−Z侧帆板表面平均热流值降低了32.05 W/m2。结合表面材料属性，分析了各表面的温度特性，并结合帆板温度的在轨遥测数据，验证了计算的准确性。最后，计算了两种模式下各方向的红外辐射强度。结果表明，不同观测模式下各表面受热流的影响不同，对地模式下各表面温度随时间变化较大，而对日模式下各表面热流较为稳定。两种模式下，太阳能帆板的温度较高，辐射强度较大，具有明显的红外特征，便于开展红外观测。
轨道外热流 空间目标探测 红外辐射 蒙特卡洛方法 orbit external heat flow space target detection infrared radiation Monte Carlo method
1 1.上海师范大学 化学与材料科学学院, 上海 200234
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 201899
3 3.上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200444
在轨高真空环境下, 航天器所用非金属材料会释放出碳氢类、硅氧烷等有机分子污染物, 沉积在航天器光学系统等敏感表面, 影响航天器性能和使用寿命。沸石分子吸附涂层可以实时吸附空间污染物, 但对其吸附作用机制还缺乏深入研究。为深入分析空间污染物分子在沸石内部的吸附机制, 本工作采用巨正则蒙特卡洛方法模拟计算了NaY沸石对三种典型空间污染物(甲苯(C7H8)、邻苯二甲酸二甲酯(C10H10O4)和八甲基环四硅氧烷(C8H24O4Si4))的吸附行为(吸附等温线、吸附热曲线和粒子密度分布图)。模拟和实验数据的对比分析验证了计算模型和方法的合理性。在超高真空条件下, NaY沸石对空间污染物表现出较高的吸附量, 但其饱和吸附量随着分子尺寸的增加而降低(C7H8>C10H10O4>C8H24O4Si4), 其中八甲基环四硅氧烷分子的饱和吸附量仅为8个分子, 远低于甲苯的36个分子。污染物分子在沸石内部的密度分布图显示, 三种污染物均优先吸附于NaY沸石的“超笼”位点。本研究系统分析了NaY沸石对典型污染物的吸附机制, 为高吸附性能的沸石分子筛吸附涂层的研发提供了理论指导。
蒙特卡洛模拟 NaY沸石 吸附机理 空间污染物 Monte Carlo simulation NaY zeolites adsorption mechanism space contaminants
随着用户对定位精度的要求越来越高，遥感器对视轴稳定性的要求指标也越来越高。随着相机系统复杂性的提高，部组件设计完毕后复算视轴稳定性的迭代设计方法越来越不可取。为将视轴稳定性指标分解到部组件，利用线性光学理论，以某相机为例，使用CODEV得到光学系统的视轴灵敏度矩阵。在此基础上，使用蒙特卡洛法将相机总体视轴稳定性指标分解到了各部组件。结果表明，若要视轴保持0.45″（CE90）的稳定性指标，主镜、次镜、三镜应分别保证最大平移不超过0.76、1.5、2.5 μm，最大角位移不超过0.1″、0.4″、0.8″。最后，根据设计后的相机模型复算了相机视轴稳定性，结果表明满足总体指标。该方法可为复杂遥感器设计之初的视轴稳定性指标分解提供参考。
遥感器 视轴 稳定性 灵敏度矩阵 蒙特卡洛法 camera line of sight stability sensitivity matrix Monte Carlo 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230354
1 中国建筑材料工业建设西安工程有限公司, 西安 710065
2 武汉理工大学 资源与环境工程学院, 武汉 430070
延期时间的优选对于矿山爆破振动的控制以及爆破技术经济效果的保障都至关重要。改进的线性叠加法可用于研究爆破振动质点峰值振速(PPV)与不同延期时间的关系。首先, 利用傅里叶级数来表示实测单孔爆破振动波形; 其次, 在傅立叶级数展开式的系数和相位中加入随机变量生成指定数量的单孔爆破振动波形; 再次, 利用蒙特卡洛模拟计算0 ms到250 ms之间每个延期时间对应的PPV均值, 得到PPV随延期时间变化曲线。实例分析结果表明: 若以距离爆源531 m处的民房为保护目标, 以0.45 cm/s为峰值质点振速控制标准, 7 ms以上的延期时间均可选择, 并且当延期时间增大, PPV呈减小趋势。结合矿山岩石破碎效果试验, 大块量随米延期时间增大呈先减小后增大的抛物线变化规律, 其最小值出现在米延期为7 ms/m处。若以爆破振动监测所在矿山的6 m孔距算, 其岩石破碎最优延期时间约为40 ms。综合爆破振动蒙特卡洛模拟结果和矿山岩石破碎效果试验结果, 得到该矿山爆破最优延期时间可选择为40 ms。
爆破振动 延期时间 改进的线性叠加 蒙特卡洛模拟 岩石破碎效果试验 blasting vibration delay time improved linear superposition Monte Carlo simulation rock fragmentation effect test
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
在基于近红外光谱法的无创血糖测量领域, 受人体皮肤状态波动的影响, 血糖预测模型无法长时间使用, 极大地限制了该方法在临床上的应用。 皮肤血流灌注是与人体生理状态密切相关的参数, 直接影响着皮肤中水分的流动, 它还难以像温度、 压力那样借助外部手段进行控制。 在皮肤光谱的测量中, 血流灌注会通过水分的迁移间接影响真皮层的厚度, 并使得光谱产生较大变化。 借助蒙特卡洛模拟方法仿真了在1 000~1 700 nm波段真皮层厚度变化±30 μm时三层皮肤的漫反射光强、 光子穿透深度与平均光程, 研究了真皮层厚度变化后的光谱变化规律。 对两个光源-探测器距离下的衰减度进行差分, 用于消除真皮层厚度变化的影响, 对1 000~1 700 nm的波长均给出了适宜的差分测量距离。 发现1 200 nm波长附近, 当真皮层厚度变化时, 漫反射衰减度在每个测量距离下的变化都非常小, 因此是较适宜的测量波长。 而对于水的吸收峰1 450 nm附近的波长而言, 漫反射衰减度随着光源-探测器距离的增加而变大, 且在一定范围内急剧变化; 因此, 应避免选择这些光源-探测器距离。 对于常用的血糖测量波长1 200、 1 300及1 600 nm波长而言, 光源-探测器距离可选在小于0.1 cm或大于0.4 cm的范围, 此处漫反射衰减度变化随着光源-探测器距离变化较缓慢, 采用差分处理可较好地消除真皮层厚度变化对光谱的影响。 考虑到不同光源-探测器距离下对应的真皮层光子百分比不同, 可选择主要对应于真皮层的光源-探测器距离, 该工作采取80 %真皮光子百分比为界限。 综上, 综合现有仪器能达到的测量精度水平, 对于1 200、 1 300和1 600 nm波长, 可选择0.03~0.1 cm范围内的两个光源-探测器距离进行差分测量, 可以较好地抑制真皮层厚度变化的影响, 从而有效减小皮肤血流灌注变动的影响。
近红外漫反射光谱法 无创血糖测量 蒙特卡洛模拟 皮肤血流灌注 三层皮肤模型 真皮层厚度 差分测量 Near-infrared diffuse reflectance spectroscopy Non-invasive blood glucose measurement Monte Carlo simulation Cutaneous blood perfusion Three-layered skin model Dermal thickness Differential measurement 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2699
1 海军工程大学 兵器工程学院，湖北 武汉 430000
2 中国人民解放军 92038部队，山东 青岛 266000
针对无人机载光电吊舱总体设计过程中高效便捷地分配各测量模块的误差，以便确定最优器材选型方案的需求，提出了一种基于单纯形策略的改进麻雀算法，从多目标优化角度对小微型无人机载光电吊舱观瞄角误差分配问题进行研究。首先根据小微型无人机载光电吊舱的特点建立坐标系，利用空间齐次坐标变换法推导目标定位及观瞄角测量模型；然后分析误差主要来源，建立观瞄角误差模型，基于蒙特卡洛模拟法进行误差分析；最后以观瞄角误差模型为基础，采用平均分配法、加权分配法以及改进麻雀算法进行误差分配，并对分配结果进行对比分析。仿真实验结果表明，载机偏航角误差和振动偏航角误差对观瞄角总误差影响最大，误差传递效率近似为100%，载机横滚角误差和振动横滚角误差对观瞄角总误差影响最小，误差传递效率仅约34%；改进麻雀算法的误差分配余量能够达到 $ 1{0}^{-8} $量级，与传统误差分配方法相比显著提高了分配效率，验证了基于单纯形策略的改进麻雀算法解决小微型无人机载光电吊舱观瞄角误差分配问题的有效性。
机载光电吊舱 观瞄角 误差分配 蒙特卡洛 麻雀算法 airborne electro-optical pod viewing angle error distribution Monte Carlo method sparrow algorithm 红外与激光工程
2023, 52(11): 20230238
红外与激光工程
2023, 52(11): 20230133
光子学报
2023, 52(11): 1111005
1 海军工程大学 电子工程学院, 湖北 武汉 430034
2 海军航空大学 青岛校区, 山东 青岛 266041
为了提高激光光尾流制导距离和探测信噪比，研究不同距离、不同气泡尺度、不同气泡数密度和不同气泡层厚度的气泡目标的后向散射特性具有重要的理论和应用价值。采用蒙特卡洛仿真和室内实验研究了前述舰船尾流气泡目标的激光后向散射特性。结果表明：近距离的气泡要比远距离的气泡更容易被检测到；在气泡数密度为102~108 m−3，气泡层厚度大于0.05 m时，大尺度和小尺度气泡始终存在回波信号，气泡层厚度小于0.05 m时无回波信号，此时，气泡层厚度特性对气泡后向散射的影响最大；在气泡数密度为109 m−3，气泡层厚度为0.05 m以下时，大尺度气泡回波信号脉冲宽度会展宽。在这种情况下，气泡数密度和尺度特性对气泡后向散射的影响最大。搭建了水下典型气泡尺度下的激光后向散射测量系统，验证了不同舰船尾流气泡目标特性对激光后向探测系统的影响。本文研究成果可为舰船尾流激光探测工程提供支撑。
舰船尾流 蒙特卡洛 后向散射 目标特性 ship wake Monte Carlo backscattering target characteristics
1 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院, 中国科学院原子频标重点实验室, 湖北 武汉 430071
2 中国科学院大学, 北京 100049
从量子力学原理出发, 结合光钟的锁定算法, 分析了光钟输出频率噪声的产生机制; 并以钙离子光钟为例, 用蒙特卡洛方法在计算机上模拟了光钟运行, 获得光钟的稳定度, 且在同样参数下, 与实验测得的稳定度进行了比较, 结果表明两者具有较好的一致性。同时, 通过修改光钟运行中的参数, 研究了反馈周期内每个频率点探测离子次数N、增益系数g及激光的线性漂移对光钟稳定度的影响。结果表明光钟的秒稳对每个反馈周期内探测离子的次数N不敏感; 且在g> 0.45时, 稳定度开始变差; 此外, 相对于钟激光的线性漂移, 量子投影噪声对稳定度起主导作用。本研究提出的模拟光钟运行的方法能方便地应用到其他离子与原子光钟上, 可对不同实验参数下光钟的稳定度进行评估。
量子光学 稳定度 蒙特卡洛方法 光频比对 quantum optics stability Monte-Carlo method optical frequency comparison 
