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基于卡尔曼滤波提高陀螺传感器测量精度的研究

基于卡尔曼滤波提高陀螺传感器测量精度的研究

引用

作者：朱枫中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

学位级别：硕士

航空光电稳定平台凭借图像探测装置实现对目标的自动跟踪和识别,被广泛应用于军事领域以及公安、环境监测等民用环境中。其中,陀螺传感器是航空光电稳定平台的核心敏感传感器,它被安装在运动载体上,敏感载体速度的变化从而隔离扰动,使... 详细信息

航空光电稳定平台凭借图像探测装置实现对目标的自动跟踪和识别,被广泛应用于军事领域以及公安、环境监测等民用环境中。其中,陀螺传感器是航空光电稳定平台的核心敏感传感器,它被安装在运动载体上,敏感载体速度的变化从而隔离扰动,使航空光电稳定平台尽可能的保持稳定,进而保证安装在平台内部载荷的视轴具有稳定指向。由于受到外界环境的干扰以及自身结构误差等因素的影响,航空光电稳定平台中的陀螺传感器在敏感平台速度变化时,往往会引入随机漂移和测量噪声,导致直流驱动电机的输出力矩无法完全精准地驱动平台的框架运动,如此一来,将会造成视轴不能稳定在目标理想位置。所以,想要提高航空光电稳定平台的视轴稳定精度,必须对陀螺传感器所输出的信号进行有效的滤波处理。卡尔曼滤波根据状态方程对动态系统进行描述,以线性最小方差作为估计准则,利用预测和修正的方法,对系统的状态进行最优估计。卡尔曼滤波以其实时性好、存储空间小、易实现等优点而得到广泛应用。考虑到实际的工程需求,本论文在两轴四框架航空光电稳定平台的环境下,利用强跟踪卡尔曼滤波算法,来为航空光电稳定平台中陀螺传感器所输出的信号滤除噪声干扰,从而提升航空光电稳定平台的伺服系统速度环的控制精度,本文研究的主要内容如下:(1)首先根据两轴四框架航空稳定平台的工作原理,对系统中存在的各类干扰因素进行综合分析,着重分析了陀螺传感器的测量噪声为视轴稳定精度带来的不利影响。(2)为了对陀螺传感器的输出信号进行有效滤波,对陀螺信号建立数学模型。时间序列法是本文所采用的建模方法,利用系统输出的数据对系统内部的特性和外部因素进行一个推测,同时对系统的未来状况做出预测。考虑到算法的复杂程度以及实际应用中的计算量,采用AR(1)模型作为陀螺传感器的数学模型。该模型可以为卡尔曼滤波中的参数设置提供参考。(3)在陀螺传感器数学模型的基础上,构建卡尔曼滤波的状态方程和量测方程,针对陀螺信号的测量噪声,采用卡尔曼滤波技术对其进行抑制。同时引入强跟踪算法,将卡尔曼滤波中的状态预测方差矩阵不断调整,强迫输出误差序列保持不相关的特性,构造强跟踪卡尔曼滤波器,从而提高系统的鲁棒性。(4)针对本文提出的强跟踪卡尔曼滤波器,与工程上常用的二阶巴特沃斯滤波器进行对照试验,从而验证强跟踪卡尔曼滤波器的滤波效果与鲁棒性。实验结果表明:相较于二阶巴特沃斯滤波器,强跟踪卡尔曼滤波器的输出信号在幅值和方差上均有明显的改善,优化了控制系统的动态性能,保证了信号的实时性。同时,本文所提出的强跟踪卡尔曼滤波器具有更好的鲁棒稳定性。

关键词：航空光电稳定平台卡尔曼滤波陀螺传感器强跟踪算法视轴稳定精度

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大口径球面/非球面疵病检测仪结构设计及实验研究

大口径球面/非球面疵病检测仪结构设计及实验研究

引用

作者：杨荟琦中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

学位级别：硕士

随着超精密光学技术的发展,球面/非球面光学元件的应用日益广泛,同时超精密光学元件表面疵病检测的要求也越来越高,因此能够对大口径球面/非球面光学元件表面疵病进行检测的疵病检测仪器的需求应运而生。目前已有的疵病检测系统和设备... 详细信息

随着超精密光学技术的发展,球面/非球面光学元件的应用日益广泛,同时超精密光学元件表面疵病检测的要求也越来越高,因此能够对大口径球面/非球面光学元件表面疵病进行检测的疵病检测仪器的需求应运而生。目前已有的疵病检测系统和设备主要针对大口径光学元件或者平面光学元件,关于球面光学元件的疵病检测设备研究甚少,难以实现非球面光学元件的高精度检测,无法满足大口径球面/非球面光学元件表面疵病的检测需求。本文在光学检测技术已较为成熟的基础上,从表面疵病的检测需求出发,设计了用于大口径球面/非球面光学元件的疵病检测仪器机械结构。为保证机械结构的合理性,缩短样机研发周期,对机械结构进行了仿真分析并建立了相关数学模型。在疵病检测仪样机研制成功后进行了疵病检测实验研究,验证了疵病检测的能力。本文的主要工作内容如下:1.结合大口径球面/非球面光学元件的参数及光学检测方法,分析了实现高精度表面疵病检测所需机械结构的各项参数及接口需求。参考目前光学检测设备的一般结构形式,针对现有研发条件,综合考虑了操作难度、成本等因素,确定了高精度疵病检测仪的布局形式,并对各部分的机械结构进行了选型、设计,实现进行疵病检测所需的功能要求,完成疵病检测仪的结构设计。2.对疵病检测仪主要结构进行仿真分析,得出光学检测系统微调机构关键部件和光学检测系统关键部件在静载条件下的受力及变形情况,在此基础上对结构进行优化设计,减轻负载质量并减小因变形对检测精度的影响;通过模态分析得到光学检测系统微调机构关键部件、光学检测系统关键部件和整机的前6阶固有频率,与电机工作频率比较,确保在检测过程中不会发生共振造成探头的抖动,保证了结构的稳定性、设计的合理性。3.基于多体系统理论建立了疵病检测仪机械结构的刚性模型。通过低序体阵列和拓扑结构描述了疵病检测仪的结构特点,提出了疵病检测仪的运动学模型和精度模型。通过疵病检测仪的运动学模型可实现运动轴的路径反演,便于计算机根据待测光学元件面形自动计算运动轴轨迹。根据疵病检测仪的精度模型与典型非球面光学元件算例进行了误差补偿计算,对疵病检测仪的精度进行了预测,验证了整体机械结构的合理性,为疵病检测仪的误差补偿提供了基础。4.对各运动单元及功能机构进行安装、调试,标定了各项误差指标,制定了疵病检测仪器的操作步骤,并通过疵病检测实验得到疵病图像,验证疵病检测仪的检测能力。

关键词：疵病检测仪精密仪器机械结构设计运动学模型精度模型

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红外探测系统数字域TDI关键技术研究

红外探测系统数字域TDI关键技术研究

引用

作者：马贝中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)

学位级别：博士

红外数字域时间延迟积分(TDI)探测器是近年来出现的一种新型的探测器。该探测器以第三代红外焦平面探测器为基础,将探测器光敏元产生的信号先经过模-数转换,然后再进行时间延迟累加,通过增加曝光积分时间的方式有效提高红外目标探测灵... 详细信息

红外数字域时间延迟积分(TDI)探测器是近年来出现的一种新型的探测器。该探测器以第三代红外焦平面探测器为基础,将探测器光敏元产生的信号先经过模-数转换,然后再进行时间延迟累加,通过增加曝光积分时间的方式有效提高红外目标探测灵敏度。采用数字域时间延迟积分技术的红外探测系统,积分方式更加灵活,在天基弱小目标探测方面具有非常重要的应用。由于红外数字域TDI探测采用数字域时间延迟积分技术,使其在系统设计和信息处理等许多方面与传统的红外TDI探测有明显的不同。本文开展了数字域TDI探测器的特性研究和弱小目标探测领域的关键技术研究工作,并以国产红外数字域640×8TDI探测器为核心搭建了红外数字域TDI探测实验系统,验证了理论分析正确性及探测方法的可行性。论文系统介绍了红外TDI探测器的国内外研究及空间应用状况,建立了红外数字域TDI弱小目标探测的数学模型,详细分析了非均匀性、盲元及速度失配对弱小目标探测的影响,重点研究了TDI探测器的盲元检测与补偿方法以及非均匀性校正技术。论文着重研究了红外数字域TDI弱小目标检测时的速度失配问题,提出了一种速度失配率的检测方法,并探讨了在存在速度失配情形下实现弱小红外目标探测的可能性。论文通过理论分析,得到了数字域TDI成像系统的信噪比提高与积分级数的关系。论文提出了一种采用帧间交错补偿方式进行探测器盲元补偿的方法。论文建立了数字域TDI探测器的速度失配模型和过采样模型,指出了速度失配的本质,给出了速度失配的极限条件,针对全局曝光TDI探测器在应用中根据帧间成像关系和速度失配条件提出了计算TDI的概念。论文还给出了数字域TDI系统实验测试结果。论文主要创新点如下:(1)盲元检测过程中同样采用行列分别检测的方法进行探测系统的盲元检测,补偿过程中利用探测系统扫描成像特性,采用帧间交错补偿使盲元获得其瞬时视场内的真实响应。(2)给出了一种基于帧间匹配的速度失配量检测方法。利用该检测方法可以获得速度失配率,通过设置合适的数字域TDI积分级数,可以实现一定速度失配情况下的弱小目标检测。论文研究结果对红外数字域TDI探测器及其在红外高分辨率成像和天基弱小目标探测系统中的应用具有重要的理论指导意义。

关键词：数字域TDI 红外成像盲元补偿速度失配率弱小目标

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微纳卫星低照度成像像质提升研究

微纳卫星低照度成像像质提升研究

引用

作者：张洋中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

学位级别：硕士

在以夜间、晨昏为代表的低照度环境,我国对地遥感信息采集尚未实现,实际应用中目前仍处于空白阶段。低照度遥感信息的获取,对于军事国防、灾难应急乃至信息商业化都具有重要意义,这种全天候的态势感知能力急待补全,对实现对地遥感的全... 详细信息

在以夜间、晨昏为代表的低照度环境,我国对地遥感信息采集尚未实现,实际应用中目前仍处于空白阶段。低照度遥感信息的获取,对于军事国防、灾难应急乃至信息商业化都具有重要意义,这种全天候的态势感知能力急待补全,对实现对地遥感的全面信息化具有重要意义。遥感图像采集模块主要由遥感传感器与遥感平台两部分组成。目前,新兴的敏捷型微纳卫星平台给我们带来了一种获取低照度遥感图像的途径,利用这种卫星平台具有的快速调节能力,可以实现凝视模式的成像方式,能够大幅度的提升积分时间,在这种情况下结合微光成像传感器,最终实现低照度遥感图像的采集。本文通过对国内外现有相关领域的研究成果调查研究,深入研究了这种方法的可行性与限制因素,进行建模分析,最终针对这种方法获取的低照度遥感图像的像质进行提升研究。敏捷型微纳卫星平台凝视姿态下,可以实现积分时间的大幅度延长,这是原有传统卫星很难达到的,本文首先利用遥感平台成像方式与遥感器成像性能,对低照度遥感图像信噪比与所需积分时间的进行建模分析,得出其间的数学关系。其次,考虑到卫星平台现有精度在实际长时间积分条件下,振动将会引起图像的退化,为了明确这种退化对低照度遥感图像的影响,对平台的稳定精度造成的像移进行计算研究像质退化程度,并提出低照度遥感图像基础评价标准。再针对这种退化,进行图像复原与增强。由于卫星平台的抖动的随机性,图像模糊也是随机的,需要盲去卷积来实现图像的恢复与像质提升,本文对模糊核进行了初始估计与精细化估计的研究,利用快速傅里叶变换进行图像复原。与此同时,由于低照度图像噪声大,对比度差,结合形成机理,寻找适合低照度图像的增强方法。最终,在实验室对像质提升算法进行验证,用局部方差法、刃边法测量,发现图像信噪比、传函、对比度都得到了较大提升。实验结果表明,利用凝视姿态进行低照度遥感图像获取是具有发展空间的,后端的图像处理能够很好的提升低照度遥感图像像质,对低照度遥感成像领域的发展将会有很大的推动作用。

关键词：低照度遥感成像凝视像质评价信噪比调制传递函数像质提升

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氢氘气相分离中的温度场分布模拟及实验

氢氘气相分离中的温度场分布模拟及实验

引用

第二届中国氚科学与技术学术交流会

作者：胡鹏肖成建付小龙氘氚燃料循环团队中国工程物理研究院核物理与化学研究所

大量氢同位素气体分离对于聚变堆、聚变-裂变混合堆燃料循环和氚环境安全约束十分重要。气相色谱法具有技术设备简单可靠、系统搭建费用低廉、分离系数大、氚滞留量少以及能够实现自动循环分离等技术优势,逐渐成为中、大规模氢同位素分... 详细信息

大量氢同位素气体分离对于聚变堆、聚变-裂变混合堆燃料循环和氚环境安全约束十分重要。气相色谱法具有技术设备简单可靠、系统搭建费用低廉、分离系数大、氚滞留量少以及能够实现自动循环分离等技术优势,逐渐成为中、大规模氢同位素分离工程应用重点研究发展方向。由于工业生产中大容量、宽柱径色谱柱内梯度温度场对单次循环气体分离、组分提取时机控制以及生产能耗等影响巨大,本文对氢氘体系在色谱柱中的动态吸附和脱附过程建立了模型方程,设定不同规格的色谱柱,模拟计算不同操作条件下柱内温度场分布以及对各组分浓度分布的影响,并通过实际色谱分离的实验数据对模型进行检验和修正。考虑到数学模型的通用性,建模过程采用粒径约20目的 5A分子筛均匀填充到一定长度的金属管中作为分离色谱柱,二维动态模拟了以氦为载气、氢氘组分在色谱柱内的吸附和脱附变换。模型构建了质量衡算方程、热量衡算方程、动量衡算方程、传质速率方程以及吸附等温方程,根据色谱分离流程设定了定解条件,采用有限差分和松弛迭代方法对方程组进行求解。结果表明,随着色谱柱直径的增加,色谱柱内轴向和径向的温度梯度逐渐增大,尤其是脱附过程中由壁面到中心温度明显降低,使得柱径增加不能等比例地增加处理量,氢氘吸附与解吸过程增长,组分间分离的难度增大,见图1及图2。与实际实验数据进行比较,所建模型能够正确模拟氢同位素分离的操作过程,基本反映了色谱分离中温度场分布情况及影响规律,可为大规模氢同位素色谱分离工艺的优化设计提供参考。

关键词：氢同位素色谱分离温度场模拟

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几种智能高分子的多重响应与分子间相互作用研究

几种智能高分子的多重响应与分子间相互作用研究

引用

作者：刘表兰中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)

学位级别：博士

随着智能高分子凝胶在生物医学领域应用研究的深入,对智能高分子凝胶提出了新的要求,如快速／多响应、精确的选择性、规则构造等。单响应的宏观凝胶已经不能满足应用需求,迫使我们寻求新的结构可控多重响应微／纳米凝胶的制备方法。材... 详细信息

随着智能高分子凝胶在生物医学领域应用研究的深入,对智能高分子凝胶提出了新的要求,如快速／多响应、精确的选择性、规则构造等。单响应的宏观凝胶已经不能满足应用需求,迫使我们寻求新的结构可控多重响应微／纳米凝胶的制备方法。材料在应用上的可持续发展,离不开理论基础的突破,而理论研究的突破可以进一步应用于新材料的设计。PNIPA作为典型的温度响应高分子材料,其响应性能获得研究人员的广泛关注。相比应用研究,这类材料的基础理论研究相对滞后。PNIPA类高分子材料的相变机理依然存在较大争议,氢键作用、亲水作用、疏水相互作用等在这其中起着怎样的作用,人们各执其词。尤其是PNIPA在混合溶剂中呈现出的非共溶剂效应,大多数解释都是基于各自研究的少数体系,而由于研究方法和研究广度的限制,至今未有一个经得起推敲的理论解释。本论文以典型的温度响应高分子聚(N,N’-二乙基丙烯酰胺)(PDEA)和聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPA)及pH响应高分子聚(N,N’-二甲基氨基丙烯酰乙酯)(PDM)和聚(N,N’-二乙基氨基丙烯酰乙酯)(PDE)为研究对象,结合NMR实验技术和分子动力学模拟,从PDEA凝胶的相变与大分子-溶剂分子间相互作用到多响应嵌段共聚物(PDM-b-PNIPA和PDE-b-PNIPA)的自组装与分子链段间相互作用,最后回归单分子链的构象转变与分子间相互作用的理论模拟探索。利用HR MAS NMR方法研究了PDEA凝胶在混合溶剂中的相变与择优吸附行为。发现不具有酰胺质子的PDEA在水／异丙醇和水／正丙醇混合溶剂中也存在非共溶剂效应。PDEA对醇的择优吸附随着疏水基团的增大而增强,相变后疏水基大的醇分子残留在凝胶网络中的数目多于疏水基小的醇。通过原位计算相变的脱水过程发现PDEA对醇的择优吸附并没有增强脱水,且相变后PDEA侧链甲基质子运动性随着醇疏水基团的增大而增强。说明酰胺质子并非非共溶剂效应的决定性因素,疏水相互作用在PDEA的相变过程中起着重要的作用。另外,PDEA在水/DMSO混合溶剂中存在非共溶剂效应而在水／丙酮混合溶剂中相变温度升高,且对丙酮有择优吸附而对DMSO没有择优吸附。分析相变脱水过程发现极性大的DMSO更容易与水一起排出凝胶网络,而丙酮则更容易被PDEA凝胶网络保留,推测丙酮的加入更有利于PDEA的溶剂化,而DMSO与PDEA竞争水分子,不利于PDEA的溶剂化,进一步导致非共溶剂效应的产生。对比PDEA在水／质子溶剂体系和水／非质子溶剂体系的相变,非共溶剂效应不能简单的归因为某个因素,如大分子内部氢键、择优吸附,而应该综合考虑大分子-溶剂分子及溶剂分子-溶剂分子之间的相互作用。利用可逆加成断裂链转移(RAFT)自由基聚合合成嵌段比相同的多响应嵌段共聚物PDM-b-PNIPA和PDE-b-PNIPA,通过控制不同外界刺激(温度、pH)条件,研究大分子内相互作用对其相变与聚集行为的影响,进一步探索具有快速响应性的多响应核／壳纳米凝胶的制备。碱性溶液(pH=12)中,室温下PDM-b-PNIPA为略微收缩的分子链,PDE-b-PNIPA则自组装成以PDE为疏水核PNIPA为亲水壳的胶束。升温后,PDM-b-PNIPA两嵌段均塌缩,形成约200 nm的近球状胶束,且这种胶束的疏水核和亲水壳中均含有PDM/PNIPA分子链。PDE-b-PNIPA在升温过程中呈现两步相变,首先,壳层PNIPA从核壳界面逐步塌缩,导致胶束尺寸减小,随着嵌段共聚物亲水质量分数下降到临界值后,胶束结构转化为尺寸略微增大的囊泡结构。酸性条件下,PDM和PDE侧链质子化,升温后形成以PNIPA为疏水核、PDM/PDE为亲水壳的核壳胶束。通过在酸性溶液中,于298 K和323 K加入水溶性天然聚阴离子海藻酸钠,分别制备了核交联和壳交联纳米凝胶,基于其多响应性,有望应用于不同亲疏水性药物的控制释放体系。利用分子动力学模拟探索PDEA和PNIPA单分子链在纯水溶液和水／甲醇、水／乙醇、水／丙酮、水/DMSO二元混合溶剂体系中的相互作用。相比能形成分子内氢键的PNIPA, PDEA需要更大的聚合度才能在高温发生链塌缩,且其在360K的塌缩需要更长的模拟时间。此外,大分子酰胺基团附近通过非氢键作用的水分子以及分子链表面溶剂化层的水分子在PDEA的链塌缩过程中起着重要的作用。在水／醇混合溶剂体系中,PNIPA和PDEA与醇分子之间的相互作用强于与水分子之间的相互作用。升温后大分子-水分子之间氢键减少,而大分子-醇分子之间的氢键作用变化较小,而大分子侧链烷基与醇分子烷基之间疏水相互作用变得显著,表现为对醇的择优吸附。计算大分子周围溶剂个数比例发现大分子对乙醇的择优吸附比甲醇强,与实验结果相符。在水／丙酮二元溶剂体系中,无法与丙酮形成氢键的PDEA对丙酮的择优吸附主要体现

关键词：温度响应 pH响应水凝胶纳米凝胶混合溶剂嵌段共聚物多响应择优吸附相转变自组装 NMR 分子动力学模拟

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一种在轨运行的宽波段卫星遥感器的光谱响应获取方法

一种在轨运行的宽波段卫星遥感器的光谱响应获取方法

引用

作者：陈正超张兵张浩张文娟高建威李柏鹏 100094 北京市海淀区邓庄南路9号

遥感器光谱响应是评价遥感器光谱性能的必要参数，是遥感器把接收到的地物辐射量转换到遥感信号的关键参数，在遥感数据定量处理和应用中必不可少。本发明从理论上提出、并形成一种不依赖于实验室测试数据和星上光谱定标数据的在轨运行... 详细信息

标准号: CN106940219B

遥感器光谱响应是评价遥感器光谱性能的必要参数，是遥感器把接收到的地物辐射量转换到遥感信号的关键参数，在遥感数据定量处理和应用中必不可少。本发明从理论上提出、并形成一种不依赖于实验室测试数据和星上光谱定标数据的在轨运行宽波段卫星遥感器的光谱响应获取方法。本发明通过分析遥感器成像机理和辐射传输过程，结合优化计算方法建立宽波段卫星遥感器光谱响应解算模型；利用地物光谱库和模拟图像来分析模型解算对数据要求与解算规则；利用同步高光谱遥感图像获取满足模型解算要求的解算样本，并最终实现宽波段卫星遥感器光谱响应的数学解算。

关键词：光谱响应解算卫星遥感器宽波段遥感器高光谱遥感图像实验室测试遥感器成像必要参数地物光谱定标数据分析模型辐射传输关键参数模拟图像数据要求遥感数据遥感信号优化计算在轨运行辐射量模型解数学解上光地物光谱样本转换应用分析

来源：评论

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动物肺部气血交换的超极化129Xe磁共振研究

动物肺部气血交换的超极化129Xe磁共振研究

引用

作者：张智颖中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)

学位级别：博士

人口健康直接影响到一个国家的经济发展和社会进步。近年来,慢性阻塞性肺疾病、哮喘、尘肺等肺部疾病的发病率逐年上升,肺部重大疾病形势格外严重。下呼吸道感染、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary diseases, COPD)以及... 详细信息

人口健康直接影响到一个国家的经济发展和社会进步。近年来,慢性阻塞性肺疾病、哮喘、尘肺等肺部疾病的发病率逐年上升,肺部重大疾病形势格外严重。下呼吸道感染、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary diseases, COPD)以及肺癌均已排在我国人群死因的前十位。临床上常用于肺部疾病检测的影像学技术有胸透、计算机断层扫描(CT)和正电子发射计算机断层扫描口ET)等。但是这些方法都具有放射性,会对受试者造成一定的放射性损伤,另一方面,这些成像技术都不能全面提供衡量肺部交换功能的指标——肺部气-气交换和气-血交换功能。传统磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)是基于人体中水质子(1H)的信号,而肺部是空腔结构,其水质子浓度比正常组织低约1000倍。因此,肺部是传统磁共振成像中的唯一“盲区”。目前还没有一种能够无侵入、无放射性地对肺部气体交换功能进行可视化的成像方法,亟需一种能在肺部疾病早期阶段,即气血交换功能改变阶段,对肺部进行早期诊断。利用超极化的方法,可以把核自旋极化度提高4到5个量级,极化度的提高可以直接增强MRI的信号强度,从而提高磁共振成像的灵敏度。超极化的新技术在MRI中的应用为增强肺部成像的灵敏度和对比度提供了巨大的潜力。超极化(3He,13C,83Kr和129Xe) MRI可以对肺部的结构、功能和代谢的改变进行评价。本论文的主要研究内容是超极化气体肺部气血交换功能研究以及脑部功能研究。首先介绍了我国肺部疾病的发病情况及肺部疾病的检测和评价方法,指出了超极化129Xe肺部磁共振成像研究的重要性与必要性,介绍了超极化129Xe肺部磁共振研究的原理与相关应用。随后,使用一系列自主研发的装置,在大鼠身上实现了超极化129Xe肺部磁共振研究,实现了超极化129Xe肺部气血交换动力学的直接检测,通过对单次屏气呼吸采样法与多次屏气呼吸采样法所得到的气血交换动力学参数的对比,发现两种呼吸模式下得到的肺部气血交换功能参数存在可替代性,同时也证实了由于心脏搏动所造成的超极化129Xe信号的波动,并不会影响肺部气血交换功能的研究。使用多次屏气呼吸采样法实现了对放射性肺损伤大鼠的检测,成功区分了健康与疾病模型。为了在较低信号强度的情况下实现肺部气血交换动力学的检测,探索肺部的气血交换功能,建立了COPD模型大鼠。使用间接检测的方法,对健康及模型大鼠进行了有效区分。为了比较直接检测的方法与间接检测的方法所测得的超极化129Xe交换动力学是否有一致性,我们建立了吸烟模型大鼠,通过对不同方法所得到的肺部气血交换功能进行比较,结果表明,两种方法都能够很好地区分健康与疾病模型。超极化129Xe也能够用于脑部磁共振的研究,但是,较低的信号强度导致其发展很慢。通过对超极化129Xe到达大鼠脑部过程的研究,提出了表观弛豫时间常数TO-C,用于评价吸入不同浓度的氧气对大鼠脑部信号的影响。通过理论计算和实验验证,得到了最优的肺内氧气浓度,最终实现了超极化129Xe脑部磁共振成像。

关键词：肺部气血交换肺部磁共振成像脑部磁共振成像超极化129Xe

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超冷原子气体中涡旋物质波干涉的实验研究

超冷原子气体中涡旋物质波干涉的实验研究

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作者：孔令冉中国科学院大学(中国科学院精密测量科学与技术创新研究院)

学位级别：博士

超冷原子气体具有体系纯净、相互作用可控、自由度丰富等特点,它是研究物质量子特性的理想体系。自1995年在碱金属气体中实现玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)以来,其各方面物理的特性和应用前景得到了广泛研究,特别是对涡旋态玻色-爱因斯坦凝... 详细信息

超冷原子气体具有体系纯净、相互作用可控、自由度丰富等特点,它是研究物质量子特性的理想体系。自1995年在碱金属气体中实现玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)以来,其各方面物理的特性和应用前景得到了广泛研究,特别是对涡旋态玻色-爱因斯坦凝聚体的研究贯穿始终。产生涡旋态物质波的技术不断创新,例如利用磁场转动、激光束“搅动”、磁场拓扑相位刻印、涡旋光拉曼转移轨道角动量、光场相位刻印等方法。涡旋态凝聚体对于研究拓扑量子态,例如斯格明子、涡旋-反涡旋对、条纹相等具有重要意义;同时,玻色-爱因斯坦凝聚体的相干性对于人们研究物质波干涉现象提供了很好的平台,科学家们利用玻色-爱因斯坦凝聚体的外部动量态、或内部自旋态的布居数,制备出了物质波干涉仪,从而可以测量物质波的相对相位,并能够以较高分辨率测量磁场、转动、相互作用等物理参数。作者在攻读博士学位期间,以87Rb玻色-爱因斯坦凝聚体为研究对象,对自旋-轨道角动量耦合及其基态相图、非绝热过程中的涡旋态物质波干涉仪和轨道角动量叠加态的BEC三个方面进行了实验研究。论文主要成果概括如下:第一、解决了高阶角动量涡旋光场耦合超冷原子气体的关键技术。包括光纤光偶极阱的搭建,参数可控的涡旋光的制备以及高阶角动量涡旋光的像差校正等。在绝热实现自旋-轨道角动量耦合的基础上,探究了基态耦合的相变过程,沿着不同的双光子失谐量和拉曼耦合强度的扫描路径观察到了相变过程,并对相变边界进行了标定。接着,在此实验平台上通过相关实验技术改进了实验系统的稳定性,优化了实验结果:一,设计搭建了光纤传输的光偶极阱,将BEC在光阱中的平均抖动降低到2.5 μm以下,提高了双光子拉曼过程的重复性;二,利用空间光调制器产生了相对相位、相对幅度以及角动量量子数可控的涡旋光,并利用像差矫正技术避免了高阶角动量涡旋光的劈裂,成功制备出角动量量子数为2的涡旋光。第二、建立了相位锁定的无损涡旋物质波干涉仪。在玻色-爱因斯坦凝聚体的自由膨胀过程中,利用8.8 G的磁场产生的二阶塞曼效应,选取了 87Rb超精细基态上的一对磁子能级作为赝自旋态,利用一对同向传播的拉盖尔-高斯光束作为拉曼光,通过光学拉曼过程和射频过程结合的方法,在25 ms的时间飞行(TOF)过程中实现了 Ramsey构型的涡旋物质波干涉仪。理论上给出了“无损”干涉仪的数学描述,并在实验上通过定量分析玻色-爱因斯坦凝聚体干涉条纹的拓扑结构、空间取向角等信息证明了该干涉仪“无损”的特性不取决于与角动量量子数、TOF时间等参数。强调了“无损”关系对涡旋物质波干涉仪的必要性。初步设计了测量磁场的方案,给出了演化过程中拉莫尔进动导致的干涉仪转动与对应磁场的定量关系的数学描述,结合初步的实验测量结果,预估了干涉仪测量磁场的灵敏度。第三、制备了轨道角动量叠加态的BEC。利用空间光调制器,结合像差矫正技术,制备了多种轨道角动量组合的两组分轨道角动量叠加态的涡旋拉曼光,并通过非绝热拉曼过程将叠加态转移到BEC。理论上分析指出转移过程中叠加态的涡旋光和涡旋物质波中的参数有确定的对应关系,并在实验上定量分析了角动量相位比例、角动量相位差以及叠加态的角动量量子数组合,证明了该对应关系,说明了该叠加态的轨道角动量的相对幅度、相对相位以及角动量量子数等参数是完全可控的。进一步,实现了三组分轨道角动量叠加态BEC的制备,观测到三组分叠加态BEC随着三个角动量组分的比例变化发生拓扑结构变化的现象,利用该现象证明了三组分叠加态的存在。指出了该系统可以实现更多组分的角动量及更高阶角动量量子数的叠加态的制备。声明了该工作对于将量子比特和高维量子比特用于量子存储以及在BEC中模拟多进制量子计算等应用方向打下了基础。

关键词：玻色-爱因斯坦凝聚涡旋光自旋-轨道角动量耦合干涉仪叠加态

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无金属条件下BODIPY染料胺化研究

无金属条件下BODIPY染料胺化研究

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The First Asian Conference on Porphyrins, Phthalocyanines and Related Materials (ACPP-1) &The Sixth Conference on porphyrins, phthalocyanines ,and related materials(NCPP-6)(第一届亚洲卟啉、酞菁及相关材料学术会议(ACPP-1)暨中国化学会第六届卟啉、酞菁及相关材料学术研讨会(NCPP-6)

作者：王艺潼周志宽盖立志卢华杭州师范大学有机硅化学及材料技术教育部重点实验室浙江杭州311121

BODIPY染料母核结构稳定，易于修饰，具有许多优异的光物理化学性质，如具有较高的摩尔消光系数;较窄的发射谱带;较高的荧光量子产率;良好的光稳定性;易于进行官能化修饰衍生等[1-3]。这些性能使其在生物成像、探针与传感应用、光学工... 详细信息

BODIPY染料母核结构稳定，易于修饰，具有许多优异的光物理化学性质，如具有较高的摩尔消光系数;较窄的发射谱带;较高的荧光量子产率;良好的光稳定性;易于进行官能化修饰衍生等[1-3]。这些性能使其在生物成像、探针与传感应用、光学工程等领域都有着广泛的应用前景。

关键词： BODIPY 胺化反应光学性能理论计算

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