紫外分析技术

紫外分析技术（通用9篇）

紫外分析技术 篇1

水污染是当今全球性话题, 是水环境面临的最严峻威胁之一, 如何科学、有效的控制水污染, 合理利用水资源已成为世界各国共同关注的焦点。水质监测以其能及时、准确、全面的反映水环境质量和污染状况受到社会各界人士的重视, 是制定切实、可行的水环境防治基础。在目前的水质监测技术当中, 常见的检测方法包含有水质移动检测技术、水质自动监测系统和紫外光谱分析技术等。这里我们主要分析和阐述了紫外光谱分析技术在水质监测系统中的应用情况, 旨在为我国水环境污染问题控制提供理论参考。

1 紫外光谱分析技术原理

水质监测是我国水资源管理、保护的重要途径, 是保护环境、保持生态平衡的重要手段。在面临洪水威胁、水资源短缺、水污染严重的新时期, 我国水质监测工作面临着许多新问题、新情况, 同时工作方式也发生了质的变化。基于这种时代背景下, 紫外光谱分析在水质监测工作中的应用日益广泛, 其主要工作原理如下。

紫外吸收法是目前监测工作中的惯用手段之一, 是通过物质不同波长对紫外线吸收率来测定物质成分和其他物质含量的一种检测手段。在水污染中, 有机污染物特别是那些不饱和的有机物, 在紫外线检验中对紫外线的吸收十分的明显, 所以可能通过检测水体紫外吸收光谱来综合计算, 从而得出相应的水质监测数据。在目前的检测工作中, 如果采用的是直接紫外光谱分析法, 那么在目前常见的检测方法主要包含有单光检测法、连续光谱检测法两种。其中单光谱检测法主要是利用朗伯-比尔定律为基础, 通过特定波长吸收度和吸收物质浓度来进行计算的;连续光谱检测法是在朗伯-比尔基础上, 加上其附加性质来综合分析的一种参数方法。

2 紫外光谱分析技术在水资源监测中的应用现状

紫外光谱分析技术是目前水质监测工作中的核心技术之一, 在工作中通常都是采用紫外分光光度技术和化学计量技术为基础进行的。在二十世纪八十年代, 随着小型二极管的产生, 传统的扫描栅实验室的紫外分光光度技术呈现出小型化、细分化和低成本化的发展流程, 其应用也逐渐从原来的实验室扩展到应用现场, 同时计量方法和剂量理论也发生了翻天覆地的变化。在这种条件爱你下, 传统的化学计量方法逐渐形成了最小二乘、主成份比例分析和偏最小二乘方法的计算方式。但是随着信息技术和计算机技术的不断进步, 在21世纪以来涌现出可许多计算新技术和检测新仪器, 有效解决了传统复杂多变的计算流程, 为整个工作的开展打下了坚实的理论基础。

2.1 单光谱检测。

单光谱检测在过去的水质监测工作中极为常见, 通常都是以单管探测器作为主要的探测技术, 以水质探测特征作为主要的探测量, 对其进行分析和研究, 从而得出紫光吸收量和水质参数变化, 这样我们可以在工作中根据关系计算出参数值。当前, 国内外许多企业和单位都已经对这些参数计算方法和检测仪器做了详细、深入的分析, 并生产出了许多的新设备。为检测工作的开展提供了设备基础。这些设备与传统的测试方法相比较, 单光谱检测有着无需化学试剂、结构简单、维护工作量小的特点, 而且对于不同性质的水体、其波长和光谱吸收值也存在着差异, 因此需要我们在工作中加以区分和研究。

2.2 连续光谱检测。

连续光谱检测方法为通过扫描水样连续紫外光谱区得到水样吸光度信息, 运用多元分析方法提取水质参数光谱数据特征信息, 并建立光谱数据和各水质参数浓度之间的校正模型, 再根据校正模型演算未知水样的COD/BOD等水质参数值。连续光谱检测方法可解决单光谱检测方法的相关性差、适用范围低、不适合复杂水样测量、精度低等问题, 通常结合化学计量学方法进行快速分析, 是近年来国际上研究的热点。

2.3 发展趋势及关键技术问题。

在工业在线监测和突发污染的现场快速检测对多功能、便携化检测仪器的迫切需求牵引下, 水质监测仪器正在向微型化、多功能、自动化、系统化和智能化的方向发展。近年来随着光学MEMS技术的迅速发展, 使得光学系统的微型化成为了可能, 因此光学监测技术, 特别是直接光谱监测技术正成为水质监测技术的研究热点和重要发展趋势。基于直接紫外光谱分析的现代水质监测技术存在以下几个发展趋势以及相应发展过程中厦待解决的关键技术问题。

2.3.1

为分析仪器的微小型化, 其中进一步研究低成本、高性能的微型化光谱仪和小型化紫外光源为其需要解决的关键技术问题。微型光谱仪已成为环境监测、生物医学、科技农业、军事分析以及工业流程监控等领域的研究热点。

同时为实现对水环境长期稳定、实时快速的监测, 研究长寿命、高稳定性、启动速度快的小型化紫外光源是其必然发展趋势, 目前小型化脉冲氙灯和无极氘灯成为主要研究方向。

2.3.2 为分析技术的自动化、网络化发展。

水质分析技术从人工采样实验室分析到在线自动采样分析发展到原位连续测量分析, 结合无线传感网络技术可实现对水资源区域内多处水质信息进行实时快速监测。为实现对水质的长期自动稳定检测, 探头自动清洗为其关键技术, 而实时的、能量有效的无线传感网络则是水质实时监测特别是对突发事件跟踪监测中亟待解决的关键技术问题。目前探头自动清洗主要有机械清洗和压缩空气清洗, 其清洗效果直接影响到测量结果的准确性及稳定性。我国水质监测方法是定时定点在河流的某些断面取瞬时水样, 带回实验室分析, 这种监测方法不能及时、准确地获得水质不断变化的动态数据。

结束语

基于紫外光谱分析的水质监测具有实时快速、微型便携、无需试剂、无二次污染、低成本及多参数监测的特点, 可广泛应用于饮用水、地表水、工业废水等水体的在线监测。随着分析仪器的微型化发展和分析技术的自动化、网络化发展, 基于微型紫外光谱仪和机器学习方法的多参数水质监测微系统网络将成为水质监测领域的一个重要发展方向。该微系统网络将更全面、快速地反映监测区域水质信息, 并大大降低如试剂消耗及人工维护等成本, 可广泛应用于工业水污染和流域水质监测各领域, 具有广大的市场和重大的社会效益。

参考文献

[1]王睿, 余震虹, 鱼瑛.紫外吸收光谱法研究硝酸盐溶液[J].光谱实验室, 2009 (2) .

[2]杨军, 王欣.紫外吸光度 (UV法) 在水环境监测中的应用[J].现代仪器, 2005 (4) .

[3]鞠挥, 吴一辉.微型光谱仪的发展现状[J].光学精密工程, 2001 (4) .

紫外分析技术 篇2

太阳光紫外线强度检测技术研究

摘要：太阳光紫外线辐射对人体健康有很大影响,因此,及时方便的监测紫外线强度指数对保护人们身体健康有重要意义.本文研究设计了具有校准功能的便携式太阳光紫外强度监测装置,它可实时监测太阳辐射强度并分档显示,该装置采用一种标准的`紫外线专用传感器,光电信号经前置放大电路后,智能仪表中的单片机对信号进行数据补偿处理后显示输出.实际测量与本地气象台的测量数据进行了比对,紫外线指数测量数值与后者吻合的很好,能够满足一般的测量要求.作 者：赵小兰 聂飞 马国欣 丁志华 陈旭 Zhao Xiaolan Nie Fei Ma Guoxin Ding Zhihua Chen Xu 作者单位：华南理工大学电子与信息学院,广州,510640期 刊：电子测量技术 ISTIC Journal：ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY年，卷(期)：,31(1)分类号：X8关键词：太阳光 紫外线辐射 测量 智能

紫外分析技术 篇3

1 电气紫外线探伤检测在220KV升压站中应用的必要性

当前, 在大气环境下工作的变电站, 日晒雨淋和冷热变化等多种因素的作用, 导致升压站的悬挂式瓷瓶和支撑绝缘子的绝缘性能逐渐降低, 长此以往便会造成悬挂式瓷瓶被击穿、以及支柱瓷瓶断裂等故障, 对变电站的安全运行造成巨大威胁。鉴于此种情况, 就必须对悬挂式瓷瓶和支撑绝缘子进行必要的检测, 尤其是使用时间较长的劣质绝缘子的检测更是保证变电站安全运行的关键。传统的对升压站瓷瓶和绝缘子的检测方法即采用停电环境下超声波探伤或变电站工作人员的目视检查, 这两种方法, 一种严重影响用电客户的生活和工作, 一种变数较多, 并不科学, 而且人为的目视检查劳动量大, 总之, 两种方法都具有一定的局限性。随着人们生活水平的提高和对用电需求量的增加, 显然此两种方法已经无法满足变电站安全运行的需要。近年来, 随着科技的不断发展和创新, 利用缺陷设备的光学特征, 对设备进行带电紫外线电子光学测试的方法已经得到广泛应用, 这也为变电站瓷瓶和支撑绝缘子的检测问题带来了曙光。

2 电气紫外线探伤检测技术原理及优势

2.1 紫外线电子光学检测的原理

电气紫外线探伤检测技术, 是基于利用有缺陷设备的异常光学特征, 进而分析设备性能的技术。对升压站悬挂式瓷瓶和支撑绝缘子而言, 当其绝缘强度降低, 或是表面存在缺陷或污垢时便会产生明显的电晕和局部放电现象, 这两种现象发生过程中都会大量辐射紫外线, 如此便可根据电晕的产生, 以及表面局部放电的强弱评估升压站运行设备的绝缘状况, 进而及时发现绝缘设备的缺陷, 采取相应的处理措施。当前, 在220kv升压站中, 普遍采用的是利用高灵敏度的紫外线辐射接收器, 记录瓷瓶和绝缘子的电晕和表面放电过程, 然后根据此过程中辐射的紫外线情况进行分析、处理, 进而达到有效评价设备绝缘状况的目的。

2.2 紫外线电子光学检测的优势

紫外线电子探伤检测技术, 可有效提高变电站和其线路的维护水平。比如, 在传统人为检测中的听声检查, 即放电异常现象通过超声波故障检测即听声音或夜间巡查放电情况等方式进行检测, 此种方式虽然在一定程度上可以实现对设备的有效判断, 但是鉴于很多设备的放电现象有时并不影响其正常运行, 而听声音的方法亦不能将这些干扰因素和主观因素进行有效区分, 所以无法将干扰因素进行有效排除, 而且听声音的方法还受距离的限制, 所以并不能起到良好的设备检测判断作用。而若绝缘设备, 比如瓷瓶或绝缘子在夜间发出明显的可见光, 那么其缺陷已经十分严重, 可以说随时都有导致发生事故的可能, 这也是很多事故在没有出现可见光情况下突然闪络击穿而发生的原因。而紫外线探伤检测技术可在经验的基础上判断电晕是否正常, 进而达到动态监控设备异常现象的发生和发展速度, 所以说其可为变电站和线路维护工作提供有力的参考依据。与传统的停电检测和人为检测相比, 其存在的优点如下: (1) 其针对性明显, 紫外线探伤技术主要是针对电晕和表面局部放电的强弱程度而对设备进行检测评价; (2) 其可进行带电检测, 即不需要停电作业, 也无须人工到现场进行检测, 经济性和灵活性高; (3) 在现有的检测中, 它还具有明显的实时性, 即可随时通过电晕和放电过程中辐射紫外线强弱, 对瓷瓶和绝缘子的污染程度和缺陷状况进行检测和分析; (4) 采用紫外线探伤检测技术还可发现支撑绝缘子的内部缺陷, 这亦是传统方法无法实现的优点之一, 它可在一定的距离即灵敏度内对劣质绝缘子或复合绝缘子, 以及相应的护套电蚀检测进行准确的定位、测量, 然后评估其缺陷可能导致的危害性, 进而采取相应的解决措施。

紫外线探伤检测技术除了对瓷瓶和绝缘子进行有效的检测之外, 对于导线的情况亦可进行较为准确的检测。比如导线损伤是出于人为还是其他因素, 以及常见的断股和散股的检测。这也是根据电晕的原理, 因为当导线发生损坏时, 势必会导致其表面内部变形, 根据物理学原理其附近的电场必然会增强, 这就会产生相应的电晕, 显然这种相对轻微的损伤或缺陷, 在传统的人为检测或巡查中是很难发现的, 所以其意义不言而喻。除此之外, 在利用紫外线探伤检测技术进行带电设备检测时, 其检测结果还可为电力产品的绝缘诊断和使用寿命提供大量而准确的信息, 可方便工作人员建立相应的综合诊断档案和预测信息。

3 紫外线探伤检测技术在220kv升压站中的应用

以某220kv升压站内所有瓷支柱绝缘、悬瓶、导线和引线为检测对象。使用非林-6紫外电子光学探伤仪进行检测, 夜间进行, 环境温度>0℃。检测结果发现27处异常亮点, 比如220kv II母线南侧和I母线东侧的悬式绝缘子, 以及刀闸门型架构等等。

检测完毕后, 对拍摄到的异常图谱进行分析, 并对220Kv II、I母线进行分段停电检测, 经现场检测发现其确实存在低阻或零值的情况, 具体如下, 对刀闸门型架构进行停电处理后, 通过现场检查并未发现绝缘缺陷, 初步分析造成其异常亮光可能是因为此站的地理位置导致, 即此站属于工业区, 污染相对严重, 应是久积的污染物引起的。在对III母线进行停电处理后, 在电晕和局部放电较强区域, 分析原因可能是风沙过大导致其击打在这些导线上, 形成了粗糙表面, 进而产生了电晕和局部放电现象, 而对于个别特别强的电晕和局部放电现象, 可能是放电产生的臭氧在一些特定的环境下具有了一定的腐蚀性, 进而加速了该部位的缺陷程度, 所以其光谱异常明显, 而长此以往势必会形成恶性循环, 因此对这些部位必须进行及时处理。

4 总结

在使用紫外线探伤检测技术对升压站进行检测时, 应客观地看待其作用和地位, 将其作为一种对设备缺陷检测的辅助设备使用, 且不可鉴于其优势而舍大求小, 对一些光学特征异常的绝缘子或使用时间较长的悬式绝缘子应进行必要的定期停电检查, 而且在检测时不同的天气或时间都会对检测结果造成影响, 所以为取得有效且符合实际的检测结果, 在检测时应及时收听天气预报, 尽可能在雨雪等恶劣天气之前进行检测, 以便及时发现问题采取应对措施, 此外, 鉴于此种技术应用时间相对较短, 因此相关的使用规程和标准应及时的补充和完善, 以确保工作人员使用的科学性和合理性。

参考文献

[1]任秀勤.潘俊贵.李文忠.杨利忠.紫外线探伤检测技术在海勃湾发电厂110kv和220kv升压站的应用[J].电气, 2011 (3) .[1]任秀勤.潘俊贵.李文忠.杨利忠.紫外线探伤检测技术在海勃湾发电厂110kv和220kv升压站的应用[J].电气, 2011 (3) .

紫外分析技术 篇4

探讨了紫外线消毒在污水处理中的影响因素,并得到了辐射强度、浊度、水层厚度、辐射强度和辐射时间与总大肠菌群存活率之间的.关系,为消毒器的设计提供依据.

作 者：余海静 杨高峰 YU Hai-jing YANG Gao-feng 作者单位：余海静,YU Hai-jing(平顶山工学院,河南,平项山,476001;华中科技大学,武汉,430074)

杨高峰,YANG Gao-feng(平顶山工学院,河南,平项山,476001)

紫外线水处理技术 篇5

紫外线, 英文名Ultravioletray或Ultravioletradiation, 简称UV, 是由德国科学家里特发现的, 紫外线是电磁波谱中波长从100~400nm (纳米) 辐射的总称。紫外线是一种肉眼看不见的光波, 波长范围为100~40nm (纳米) 存在于光谱紫外线端的外侧, 故称之为紫外线, 依据不同的波长范围, 被割分为A、B、C三种波段, 其中的C波段紫外线 (UVC) 波长在240~260nm之间, 为最有效的杀菌波段, 其中杀菌能力最强是253.7nm波长。C段紫外光是最易被DNA (核糖核酸) 吸收, 当水中的细菌、病毒、藻类生物等受到一定剂量的紫外C光照射后, 其细胞的DNA、RNA结构被破坏, 细胞复制、转录封锁受到阻碍, 从而引起其内部蛋白质和酶的合成障碍, 细胞再生无法进行, 从而达到水的消毒和净化的目的。

2 紫外线杀菌效果

1878年人类发现太阳光中的紫外线具有杀菌消毒作用。人类对紫外线消毒技术在城市污水处理中的应用则始于20世纪60年代中叶, 经过几十年的研究与发展, 在国外各个领域得到了广泛的运用。UVC水消毒技术对细菌病毒以及其它致病体的消毒效果已得到全世界的公认。UVC水消毒技术具有下列明显的优点。能杀死一切微生物, 包括细菌、结核菌、病毒、芽孢和真菌等, 除去率99.99%以上。表1是紫外辐射强度30m W/cm2对常见细菌杀菌效率表。

3 紫外线水中消毒技术的应用

1970年美国环保局完成了第一个污水紫外线消毒的示范工程, 现已在美国和加拿大普遍应用。紫外线消毒技术作为物理消毒方式的一种, 具有广谱杀菌能力, 无二次污染, 经过40多年的发展, 已经成为成熟可靠高效环保的消毒技术, 在国外各个领域得到了广泛的运用。

3.1 紫外线水处理设备分类

紫外线消毒设备根据紫外灯类型可分为:低压灯系统, 低压高强灯系统, 中压灯系统。其中低压灯系统是指紫外消毒设备中单根紫外灯输出功率为30W~40W, 它主要用于小型水处理厂或低流量水处理系统的应用。低压高强灯系统指紫外消毒设备中单根紫外灯输出为100W左右, 它主要适用于中型污水处理厂的应用。中压灯系统指紫外消毒设备中单根紫外灯输出在420W以上, 它主要用于大型污水处理厂和高悬浮物, 紫外线穿透率 (WT) 低的水处理系统。

紫外线消毒设备按水流边界的不同分为敞开式和封闭式, 其中敞开式主要有明渠式紫外线消毒设备, 封闭式主要有压力式管道式消毒设备。, 其中明渠式紫外消毒设备主要应用于市政污水、中水回用、自来水深度净化和其它工业领域。压力管道式紫外消毒设备主要应用于水产养殖用水、食品加工用水、医药用水等消毒。

3.2 紫外线水消毒设备有效剂量指标

紫外消毒技术因其具有操作简单、无有害副产物、经济高效等优势, 在污水处理中越来越广泛被应用。但它无剩余消毒能力, 微生物在光照条件下进行修复而实现复活, 从而导致出水微生物数量增多。为保证达到良好的消毒效果, 必须保证紫外的剂量。按照GB18918要求二级标准和一级标准的B标准, 紫外线有效剂量不应低于15m J/cm2。一级标准的A标准, 紫外线有效剂量不应低于20m J/cm2, 紫外线消毒作为生活饮用水主要消毒手段时, 紫外线有效剂量不应低于40 m J/cm2。紫外线消毒作为城市杂用水主要消毒手段时, 紫外线消毒设备在峰值流量和紫外灯运行寿命终点时, 紫外线有效剂量不应低于80m J/cm2。

3.3 紫外线水消毒设备第三方生物验定剂量验证

平均剂量是平均紫外光强乘以平均辐照时间的值。但事实上, 这个值和真正生物验证实验测量出来紫外消毒反应器的剂量值是不同的。为了反应真实性, 使紫外消毒设备达到消毒要求, 生物验证必须是由具有一定资质的独立第三方来操作。第三方生物验定剂量是体现在紫外线消毒设备生产厂家提供的第三方生物验定剂量验证报告内的, 该报告应是由权威的第三方机构用该型设备做微生物灭活实验, 通过实验结果而测出在各种水质条件下, 设备可输出到水中微生物的紫外剂量, 即消毒器实际能够传递给微生物的有效紫外剂量。从这个道理上讲, 在评估紫外消毒反应器的性能、紫外剂量是决定紫外消毒系统规模, 生物验证是唯一合理可靠的手段。目前在中国国内还没有权威的认证机构。在国际上的几家权威机构分别是Dillon Consulting, Carollo Engineers, Hydro Qual Scie ntis ts and Engine e rs, GAP (Good Agricultural Practice s) , DVGW。认证的依据是美国环保局的《紫外消毒设计手册》或德国DVGW 294的相关规定。

4 结论

紫外指纹图谱技术检验鞋油的研究 篇6

在日常生活中鞋油广泛应用于皮鞋护理,其使用具有较强的个体差异性,不同的人会有使用不同品牌或不同颜色鞋油的习惯,其使用频次也因人而异。

在一些案件中,当嫌疑人穿着用鞋油护理过的皮鞋作案时,鞋子与墙壁、纺织品、地毯等物品会有接触,鞋油很有可能发生转移从而形成相应污痕或瘢渍,因此通过对此类痕迹的检验鉴别,可以为侦查破案提供线索,指明方向,为证实犯罪提供科学的依据。

鞋油有液体鞋油和固体鞋油之分,其主要成分是石蜡、虫蜡、松节油、棕榈油等[1,2,3,4]。

指纹图谱技术是目前较为新颖检测技术,由于不同物质其组成成分不同、组成成分含量有区别,其反映在紫外吸收曲线上的峰高、峰形及相对强度则存在差异,可据此进行物质的定性检验[5,6,7,8,9,10]。

本文利用紫外—可见分光光度仪,对30份鞋油的有机成分进行分析,使用优选出的检测方法,对膏状鞋油样品进行了谱图采集,依据每个样品的紫外光谱图进行指纹图分析,并对该方法的重现性进行了考查,所测样品均得到较好区分。该方法可以为公安实践部门检验鞋油物证提供借鉴。

1 试验条件

样品:常见液体和膏体鞋油样品30份,见表1。

试剂:蒸馏水、甲醇、乙醇、乙腈、丙酮、乙醚、乙酸乙酯、二氯甲烷、三氯甲烷(均为分析纯)。

仪器及试验条件:TU-1950双光束紫外可见分光光度仪(北京普析),波长范围190～300nm;分辨率0.5nm。

2 试验方法

2.1 膏状鞋油检测方法的选择

2.1.1 提取剂

根据溶解能力选择提取剂,试验发现,除蒸馏水以外,所选溶剂均能溶解鞋油样品,这是由于鞋油多数为油溶性物质,可溶于有机溶剂。根据溶解能力大小,选择乙醇、丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷作为提取剂。

将鞋油样品分别配成质量分数为25mg/mL的鞋油/乙醇溶液、鞋油/丙酮溶液、鞋油/二氯甲烷溶液与鞋油/三氯甲烷溶液,并分别以各自的空白溶剂作为参比液进行对照试验,在波长为190～300nm进行光谱扫描,根据谱图质量确定提取剂,见表2。

2.1.2 扫描波长的选择

将鞋油样品配制成质量分数为25mg/mL的鞋油/乙醇溶液,按一定比例稀释后作为待测液,在乙醇溶液为参比条件下,对待测样品进行光谱扫描。以波长为横坐标、吸光度值为纵坐标,绘制紫外吸收光谱图,根据紫外吸收峰分布情况确定扫描波长。

2.1.3 样品浓度的选择

如果使用样品原液直接进样测试,紫外吸收响应值过高,易超出仪器量程,因此需要确定合适的样品稀释浓度,将5#鞋油样品配制成质量分数为25mg/mL的鞋油/乙醇溶液,再使用乙醇分别按照1:2、1:3、1:5、1:10、1:15进行稀释,以乙醇溶液为参比,波长190～300nm下进行光谱扫描,按照吸收峰强度确定样品配制浓度。

2.1.4 样品载体物的选择

选择14#样品“意尔康”牌黑色膏状鞋油,分别等量涂抹于洁净无纺布与载玻片上,待挥干后用乙醇溶解,于相同试验条件采集扫描光谱。

2.2 特异性检验

将23#鞋油溶液,按照1:2、1:3、1:5、1:6、1:7、1:9、1:10的比例进行稀释,按照上述试验条件扫描光谱,检验稀释浓度对紫外谱图特异性的影响。

2.3 重现性检验

选择2#、19#鞋油样品,稀释1:5后,重复测定3次谱图,观察谱图重复性。

3 试验结果分析与讨论

3.1 试验条件的确定

3.1.1 提取剂

由表2可知,使用乙醇作为鞋油样品的提取剂,溶解效果较好,且乙醇在190～300nm范围内无干扰,所以本试验采用乙醇做提取剂。

3.1.2 样品浓度

根据朗伯—比尔定律,物质吸光度与物质的浓度在一定范围内成正比,当溶液过浓时(物质浓度超过0.01mol/L),吸光粒子由于间距减小,摩尔吸光系数将发生变化,导致吸收曲线线形改变[11]。

将5#样品使用乙醇溶液按照1:2、1:3、1:5、1:10、1:15稀释,进行紫外曲线扫描,结果如图1所示。

由图1可知,当样品浓度过高(稀释比1:2)时,紫外曲线相应值过高,出现吸光度大幅度跃升,曲线峰形出现改变,样品在稀释比1:15时,吸收曲线虽然有完整峰形,但响应值过低,峰形不能完整反映鞋油样品所含信息。

当稀释比在1:5时,紫外吸收曲线响应值适中,并且峰形完整,因此样品稀释比例最终确定为1:5,即按照上述试验条件,取30份鞋油样品,分别配制为25mg/mL鞋油/乙醇溶液,按照1:5稀释后扫描光谱,重复3次,绘制鞋油吸收谱图。

3.1.3 扫描波长的选择

经过试验发现,鞋油样品的紫外吸收峰均集中在190～250nm之间,为鞋油中杂原子不饱和基团C=O和=N的不饱和n→π紫外吸收峰,因此将扫描波长定为190～400nm。

3.2 鞋油样品紫外光谱指纹特异性分析

3.2.1 数据处理

紫外吸收光谱曲线相似度:

式中:n—数据点个数;h1j,h2j—第1,第2条曲线中第j个点的吸光度值。

以相似度s=0.90为临界值,当s>0.90时,认为2条曲线为相同鞋油紫外扫描曲线;当s<0.90时,认为2条曲线为不同鞋油紫外扫描曲线。所得数据使用Excel软件进行处理。

3.2.2 鞋油样品特异性分析

1#～15#鞋油样品紫外吸收曲线如图2所示,16#～30#鞋油样品紫外吸收曲线如图3所示,1#～30#样品紫外吸收曲线相似度对比如表3所示。

由图2、图3、表3可知,30份鞋油样品的紫外吸收曲线均能表现出足够的特异性,鞋油的紫外吸收曲线特异性来源有两个,第一为样品中紫外吸收活性物质的含量,第二为样品紫外吸收活性物质的组成,其中后者是造成鞋油紫外曲线特异性的主要原因。

从表3可看出,s>0.9为相同成分,差异较小,s<0.9则认为成分不同,差异显著。

在3 0份样品的两两比较结果中,大部分的样品可以得到较好的区分,区分率为96.8%。其中即使是相同品牌不同批次的鞋油,相互之间相似度也有差异,如“奇伟”牌新旧两款鞋油的紫外吸收曲线相似度为0.39,说明两款产品在生产配方上有一定的差异,导致曲线变化。使用紫外分光光度检验鞋油样品,具有较好的区分度。

3.2.3 鞋油样品紫外光谱特征

通过分析鞋油样品紫外谱图,发现具有共同特征:在200nm存在一个较强吸收峰,这是由于多元醇和酚产生缔合现象,-OH基的n→π紫外吸收峰发生红移作用,由原来的190nm向200nm移动。

部分鞋油样品的紫外谱图,在225nm,出现一个中等强度的吸收峰。

由此可以推测出鞋油中有N或S等杂原子未成对电子跃迁吸收。根据鞋油样品的紫外吸收峰在225nm附近有无吸收峰,可以将30个样品分为两大类,第Ⅰ类为225nm附近有吸收峰,该类鞋油样品共有6个品牌8个样品;第Ⅱ类为225nm附近没有吸收峰,该类鞋油样品共有15个品牌22个样品。见图4、图5。

3.2.4 相同样品、不同浓度的检验

选择“万金”黑色膏状鞋油(23#)样品,配制25mg/mL鞋油乙醇溶液,分别按照溶液比乙醇1:2、1:3、1:5、1:6、1:7、1:9、1:10进行稀释,其紫外线图谱及相似度对比如图6、表4所示。

从图6、表4可以看出,稀释比在1:10～1:3之间,紫外吸收曲线峰形基本不发生变化,相似度均在0.99～0.98之间。

说明在该浓度范围内同一样品的紫外吸收曲线线形保持稳定,样品中各组分在同比例增加或减少的情况下不会形成差异。

但当稀释比小于1:2时,峰形发生较大变化,说明浓度过大时,样品中对紫外线吸收响应较大的物质会产生较强的掩蔽效应,造成曲线变形。

3.2.5 相同样品、相同浓度、不同载体的检验

实际办案条件中,采集到的鞋油检材均为不新鲜的、转移型的鞋油痕迹,为模拟现场情况,选择“意尔康”黑色膏状鞋油(14#)样品,配制成25mg/mL的鞋油/乙醇溶液后,再用乙醇稀释1:5,均匀涂抹于洁净玻璃板与洁净白色无纺布上,干燥后使用乙醇浸泡溶解,采集光谱,见图7。

由图7可知,从不同的载体上采集到样品的吸收曲线峰形基本不发生变化,曲线之间的相似度均在0.98以上,仅仅在吸收强度上略有变化(1:5稀释溶液最高,玻璃载体其次,无纺布载体最低)。

这主要是因为转移到载体上的鞋油成分不能全部回收,造成浓度降低的缘故。因此,使用紫外指纹图谱技术检验鞋油,载体的不同不会引起相同样品的误判。

3.2.6 重现性试验

在相同的试验条件下,对“庄臣”黑色膏状样品(2#)和“红鸟”黑色膏状鞋油样品(19#)进行重复试验表明,该方法的重现性良好,4次试验中相对峰高比值的变异系数均<0.1%。

4 结论

利用紫外光谱可以对不同品牌、同一品牌不同批次的鞋油样品进行鉴别,该方法操作简便快速,结果准确可靠,重现性高,可以在实际办案中对现场中提取到的膏状鞋油物证进行检验。

关键词：鞋油,紫外光谱,比较研究,法庭科学

参考文献

[1]谢增瑞,杜建平,马俊福.皮鞋油的紫外光谱法检验[C].第三届微量物证检验学术交流会论文汇编.北京:中国人民公安大学出版社,1993:138-140

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[3]盛旋,胡艳云,张蕾,等.正相液相色谱-蒸发光散射测定食品中的石蜡[R].分析化学研究报告,2009(12):1765-1770

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[5]解东华,布丽君.基于紫外指纹图谱技术的食醋品种检测方法[J].农业机械学报,2009,40(4):135-138

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紫外检测技术在云南电网的应用 篇7

高压设备电气放电时, 根据电场强度的不同, 会产生电晕、电弧或闪络。在放电过程中, 空气中的电子不断获得和释放能量, 而当电子释放能量 (即放电) , 便会释放出紫外线。紫外线的波长范围是10nm~400nm, 太阳光中的紫外线由于地球的臭氧层吸收了部分波长的分量, 实际上辐射到地面上的太阳紫外线波长大都在300nm以上, 低于300nm的波长区间称为太阳盲区。阳光和电晕电磁波谱辐照度及波长的比较。

高压电气设备放电光谱波长范围为230nm~405nm, 其中240nm~280nm的光谱段称为太阳盲区, 在此波长范围内由太阳发射的紫外光量极低。装有太阳盲滤镜紫外成像仪, 可以在阳光底下探测到240-280nm的微弱电晕辐射, 接收设备放电时产生的紫外信号, 经处理后与可见光影像重叠, 显示在仪器的屏幕上。利用紫外成像仪 (工作波段在240nm~280nm之间) 来检测带电设备的电晕情况, 统计出单位时间内测得的紫外光子数, 以此确定电晕的位置和强度, 可为电气设备的状态监测提供依据。

2 紫外技术在电网的应用

2.1 导线电晕质检

采用紫外成像仪进行导线的电晕试验, 经过夜晚和白天的多次比较, 紫外成像仪观察导线的起晕情况与传统方法 (夜晚用望远镜观察) 基本一致, 紫外成像仪更准确和严格。

2.2 变电站电晕检测

对500kV变电站内35kV#0站用变高压侧电缆进线及PT柜发出的异常声响进行检测。

用紫外成像仪对故障柜进行了仔细的检查后, 未发现声响源。在柜内发现一个安全隐患, 35kV C相进线电缆头电晕较大。

经过分析和排查, 最后找到发出异常声响的是柜内一组电容器, 该电容器提供柜上信号电源同时作为接地刀闸的支柱, 型号为CG1 -35 , 电容量47μF。

2.3 线路检测及试验

通过检测可以直观的观测到放电源的位置, 并可估计出放电的强度。紫外检测技术的特点主要为:

1) 不停电、不改变设备运行状态下, 监测到设备的运行信息。

2) 以图像的形式, 直观形象地显示故障情况。

3) 仪器采集信息迅速, 为线路故障巡检提供了技术手段。

4) 电晕检测技术为设备状态检修提供了技术保障, 可发现早期故障。

3 影响紫外检测的因素

3.1 距离因素

检测距离对检测结果影响显著。当距离增加时, 检测视角将减小, 对应的灵敏度随之降低。理想条件下, 均匀介质中的点光源所发射光波的强度与距离的平方成反比。但实际条件与理想条件可能存在很大差别, 为了确定距离与电晕计数的关系, 模拟了一个点电晕源, 记录不同距离下的紫外计数和平均值。得到的规律为:放电计数与距离的平方近似成反比关系;随着距离的增大, 放电计数次数减小。此外也有放电计数与距离的一次方成反比关系, 随着距离的增大, 放电计数次数减小的报道。在实际应用中需要进一步总结。

3.2 增益的影响

紫外光谱在电晕光谱中所占比例较小, 经过仪器的光学系统传输, 最终到达CCD板的紫外光子数损失很多。为了提高仪器的灵敏性, 仪器内部对进入光学系统的紫外光子进行增益处理。增益后, 紫外计数的数值随之发生改变, 影响对电晕强度的评价。

通过实践总结, 在紫外计数小于200的情况下, 可选择高的增益大于150, 以便发现较弱的电晕源;紫外计数大于200小于5000时, 一般可在90-150区间选取增益, 方便比较。紫外计数大于5000时, 选取小的增益大于80, 以便避免紫外图像相互叠加, 从而准确定位电晕源。

3.3 气压和温度的影响

气压和温度的变化可改变空气的密度, 影响电离过程, 从而气压与温度的变化影响仪器采集到的紫外光子数量。一般情况下, 高气压、温度低条件下紫外计数要比低气压、高温度条件下的紫外计数低。

在实际应用中, 温度和气压的差异引起的偏差较小, 可能淹没在仪器本身的误差和测量的偏差中。因此, 一般不对气压和温度的差异进行修正。

3.4 湿度的影响

湿度的增加, 在有些情况下可降低电晕的强度;而在多数情况下, 湿度的增加会引起电晕强度的增长。由于污秽成分和湿润情况的不确定性, 目前还没有办法对它进行修正。

4 结束语

紫外成像技术是一种新的技术手段, 可以检测绝缘子、导线等电气设备的电晕情况。检测时, 不影响设备的运行状态, 安全可靠;仪器操作简便, 监测结果直观, 值得推广应用。

目前, 紫外成像技术只能做到定性检测, 还不能做到定量检测。同时, 仪器的检定还是一个未能解决的问题。在电网中, 紫外成像技术的应用将为设备的安全可靠运行提供强有力的技术支持。

参考文献

[1]马斌, 周文俊等.基于紫外成像技术的极不均匀电场电晕放电[J].高电压技术2006, 7.

紫外光刻光源设计与分析 篇8

光栅位移传感器[1]是主要用于数控机床的长度测量工具。数字微镜[2]具有成像精确、光效率高、数字掩膜[3]等优点, 可以作为光刻系统中的核心器件。由于DMD芯片对紫外光具有较强的反射性[4], 因此设计了一种使用波长为405nm的LED进行照明的紫外光刻光源, 应用于线位移光栅刻划。

2 光路设计

紫外光刻光源主要由光路部分和机械结构部分两大部分组成。

2.1 光路部分

光路部分的设计要求为: (1) 光斑大小14mm×10mm, 且光斑均匀; (2) 发光半角小于4°。

由于发光半角要求较小, 如果LED芯片发出的光直接由光学系统出射, 光线近似于平行光, LED芯片内的金属丝线将会投影到照明面上, 严重影响照度的均匀性。因此考虑将LED发出的光通过耦合透镜耦合到光纤中, 采用光纤匀光, 再经过准直透镜, 实现小角度均匀照明, 可以提高照明均匀性。

紫外光刻光源的光路部分主要由紫外LED、耦合透镜组、快门、光纤、准直透镜等组成, 如图1所示。芯片参数:波长405nm, 光功率600mW。

快门安装在光纤和耦合透镜组之间用来控制光线的通断, 完成光刻过程中的照明和曝光。光刻开始时快门打开, LED发出的光线通过耦合透镜组后, 穿过快门进入光纤进行匀光, 匀光后经过准直透镜对DMD芯片进行照明。曝光的时候快门关闭, 光线无法对DMD芯片进行照明。

2.2 光源机械结构设计

紫外光刻光源的机械结构主要对光路部分进行支撑, 在设计光源机械结构的过程中需要考虑的注意事项有: (1) 散热设计:LED芯片长时间工作容易发热, 降低发光效率, 并且降低其使用寿命。 (2) 快门设计:快门垂直于光轴插入光路, 其外形和安装位置受制于其它零部件的尺寸、空间位置约束;快门运动时还要尽量降低振动, 减少对光路中其它部件的影响。 (3) 位置调节设计:LED芯片本身存在制造误差, 此误差会使耦合透镜组、LED芯片之间的距离与设计的理论距离值存在偏差。

如图2所示, 机械结构主要由散热器、镜头组件、准直透镜组件、快门组件、绝缘板、底板等组成。

底板作为安装基准, 各组成部分均安装在底板上。镜头组件固定在散热器上。快门组件固定在底板上, 快门由镜头组件上的C形开口插入光路, 且不与镜头组件接触。准直透镜组件安装在底板上, 与镜头组件通过光纤连接在一起。绝缘板采用聚甲醛制成, 聚甲醛材料具有机械强度高、机械加工性能强、尺寸稳定性好的特点, 并且其绝缘性可以将散热器、镜头组件与底板绝缘。光源的具体结构如图3所示。

1.散热器2.镜筒一3.导向螺钉4.差动螺母5.镜筒二6.镜筒三7.光纤8.编码器9.电机压盖10.电机11.电机座12.底板13.调节垫14.快门15.紧定螺钉16.耦合透镜组17.LED芯片18.绝缘板

作为光源的LED芯片17长时间工作容易发热, 针对此问题设计了散热器1, 并在IED芯片17和散热器1接触面之间涂导热硅胶, 使两个面紧密接触达到最好的散热效果。

快门组件由快门14、电机10、编码器8、电机压盖9、电机座11、调节垫13等组成。电机压盖9和电机座11对电机10进行夹持, 快门14固定在电机10轴上。通过修整调节垫13, 可以使快门14与镜筒三的C形切口的端面保持平行。快门14的运动由电机10、编码器8进行闭环控制。

快门的开关依靠转动运动来实现, 其产生的机械冲击较小, 因此设计的快门结构如图4所示, 将其按90°角

度间隔分成通光区域和遮光区域。工作时快门14沿同一方向转动, 在照明状态下, 快门14转到通光区域;在曝光状态下快门14转到遮光区域。

为了使快门14的尺寸和转动惯量最小, 将快门组件自下向上安装于镜头组件正下方。

LED17与镜头组件分别安装在散热器上。在装调时除了要求耦合透镜组16与LED芯片17同轴外, 同时由于LED芯片17自身存在的制造误差, 导致其与耦合透镜组16之间的空气间隔需要经过调节才能达到最佳的照明效果。

针对以上情况, 设计了具有差动螺母调节机构的镜头组件。由于快门组件自下向上安装于镜头组件正下方, 因此在调节耦合透镜组16和LED芯片17之间距离的时候应该保证耦合透镜组16只沿光轴直线移动, 而不能转动。

镜头组件由耦合透镜组16、镜筒一、导向螺钉、差动螺母、镜筒二、镜筒三、光纤7、紧定螺钉15及固定螺栓组成。镜筒一、导向螺钉3、差动螺母4、镜筒三、紧定螺钉15组成差动位移调节机构。镜筒二和镜筒三固定在一起组成镜筒, 此镜筒在导向螺钉3的限位下只能沿镜筒一的轴线移动。耦合透镜组16安装在镜筒内。差动螺母4与镜筒三之间的螺纹为M34×0.5, 差动螺母4与镜筒一间的螺纹为M44×0.75。转动差动螺母4一周, 可以使其向左移动0.75mm, 同时差动螺母4带动镜筒三向右移动0.5mm, 所以镜头组件相当于整体向右移动0.75-0.5=0.25mm, 即镜头组件向LED芯片17移动了0.25mm。如果在差动螺母4外表面上等分50格刻度, 相当于每转1格调节量为0.25÷50=0.005mm。在装配时, 先将透镜组镜头组件预装在距离理论位置±0.1mm处, 调节差动螺母机构, 以达到最佳照明效果, 最后将紧定螺钉15拧紧, 保持此位置不变。

3 结语

本文对DMD用紫外光刻光源的光路部分和机械结构部分进行了设计。提出了设计过程中的注意事项。有针对性的使用散热器和导热硅胶解决LED芯片的散热问题;设计了一种可以进行闭环角度控制的转动机械快门, 完成照明和曝光过程的切换;同时采用差动螺母机构, 调节光源达到最佳照明效果。

摘要：设计了一种应用于以数字微镜为核心器件的光刻系统中的紫外光刻光源。提出了设计过程中需要注意的散热、快门、位置调节等事项, 并针对性的对光源进行了详细设计。

关键词：紫外光刻光源,散热,快门,位置调节

参考文献

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[2]严伟, 等.基于DMD的步进式无掩模数字曝光方法及装置[J].电子工业专用设备, 2008 (165) :14-16.

[3]饶玉芬.无掩膜光刻系统的研究与设计[D].南昌:南昌航空大学, 2010.

紫外光通信技术发展及应用研究 篇9

1 紫外光通信的特点

紫外光通信作为一种特殊保密通信手段, 其以低背景的大气紫外“日盲区” (200~280 nm) 为媒介, 利用紫外光在大气中传输的强吸收和散射特性进行自由空间直视型 (Line of Sight, LOS) 或非直视型 (NonLine of Sight, NLOS) 的近距离通信, 并在一定区域外无法截获/侦听和干扰。

现代高科技战争中战斗单元间的信息交流多采用无线电通信或无线激光通信等手段, 两者各有优势, 但同时又存在不足: (1) 无线电通信易受到干扰而失效, 在复杂战场环境中, 无线电通信设备不仅互相之间产生干扰, 且会受敌方的强电磁辐射干扰。 (2) 无线电通信的保密性较低, 其发射的电磁波可在较远的地方监听、干扰和探测, 装备具有良好电子战设备的敌人, 在距离行动地点较远的地方就能接收到我方的无线电通信, 这给敌人破解我方情报的可能。 (3) 无线激光通信方式虽具有较强地通信抗干扰性及保密性, 但由于激光是沿直线传播的, 不能跨越障碍物进行通信, 因此不适合在地形环境复杂的环境中使用。

与传统的无线电通信和无线激光通信等通信手段相比, 紫外光通信技术的优势在于: (1) 通信保密性高, 由于大气的强吸收作用, 紫外光通信信号的强度按指数衰减, 这种强度衰减是距离的函数。克服了短波、超短波、微波等通信手段有可能在极远距离发现通信信号的弱点。且可根据通信距离的要求来调整系统的辐射功率, 使其在通信范围以外的辐射功率衰减至最小, 提高通信保密性。 (2) 全方位性。上述提到了紫外通信主要是利用了紫外线的散射能力。在以光源为中心的有效半径内均可接收到通信信息, 不会像激光一样具有强烈的方位性。当然, 在聚光设备的辅助下, 其也可工作在广义的定向方式下。 (3) 可用于非视距通信, 紫外光在传输过程中会因在大气中存在大量的颗粒碰撞而产生散射现象。因此, 紫外光通信系统能以非直视方式 (Non-Line of sight, NLOS) 传输信号, 从而能适应复杂的地形环境, 克服其他自由空间光通信系统必须以视距通信的弱点。 (4) 抗干扰性能力强, 紫外光信道无法用常规方式进行干扰, 另外其在大气中衰减强烈使得对其进行同频干扰也较为困难。 (5) 无需复杂的自动跟踪捕获 (ATP) 技术便可快速建立通信, 开通方便。 (6) 可采用无线自组网方式构成可全向通信的紫外光网络, 故抗毁性强。

2 紫外光通信技术国内外研究进展

2.1 国外研究进展

紫外光通信由于其安全、保密、抗干扰的特点在军事上应用广泛。早在20世纪70年代末, 美国军方开始资助对紫外光在大气中的传输特性与紫外散射大气通信的可行性试验研究。80年代中期, 美军试制了一种紫外日盲型短距离通信试验系统, 实现了短距离3 km内低比特率数据<10 kbit·s-1的传输。90年代, 美军对战场短距离通信技术进行了全面的研究, 实现了1.2 Mbit·s-1的数据在2 km内的传输。

2001年美国通用电器 (GTE) 公司为美军研制了一种实用的新型隐蔽式紫外光无线通信系统, 并已装备部队。该系统通信速率提高到4.8 kbit·s-1, 误码率达到了10-6, 非视距条件下通信距离为1~3 km, 视距条件下可达10 km。该系统不易被探测和接收, 且适用于多种近距离抗干扰通信环境, 尤其是特别行动和低裂度冲突, 因此可满足战术通信要求。

2003年以来, 紫外光通信的部分关键技术还逐步应用于军事传感器网络领域, 美国Lincoln Laboratory的Gary.A.Shaw等人的研究组已试验了以紫外光为传输载体的传感器网络[3]。紫外光传输一方面丰富了传感器网络的传输手段。同时, 传感器网络的发展也为紫外无线光通信技术带来了更大的应用空间, 确保实现隐蔽通信。

麻省理工大学在2005年制作了一套紫外光通信试验样机, 采用美国国防高级研究计划局 (DARPA) 在2002年所研制出的274 nm紫外LED作为光源, 采用10组24支紫外LED阵列, 共240支紫外LED, 其光功率可达45 m W。实验时采用非直视通信, 在100 m的范围内通信速率为200 bit·s-1[4]。实现隐蔽通信, 当舰队或前沿阵地必须保持无线电静默或在秘密行动过程中, 若用常规无线电通信, 难以防止不被敌方发现时, 可用紫外光通信系统来提供分队或阵地之间的近距离通信。而红外无线光通信只能进行视距通信, 不能适应多种地形环境下作战的需要, 而紫外光通过散射则可实现非视距通信。故应以紫外光传输作为传感器网络的通信手段。

2006年Ben-Gurion University探讨了紫外光通信系统组网方案, 包括无线传感器网络和自组织网络, 同时对紫外链路模型进行了研究, 并分析了不同接收信噪比下的网络节点数量。2009年研究了水下紫外光通信技术应用, 当误码率<10-4, 传输速率为100 Mbit·s-1时, 对于紫外波长520 nm, 在干净的海洋中, 传输距离>170 m, 在海港水质下通信距离降低为15 m;当紫外波长为270 nm时, 通信距离为11.6 m, 该系统采用Si PM探测器阵列和UV LED阵列[5]。

2009年加利福尼亚大学 (University of California) 详细研究了非直视紫外光信道传输特征, 分析了发射机仰角与接收机仰角对紫外通信误码率和数据传输率的影响, 并对不同紫外探测器APD和PMT的作出了性能分析;比较了不同调制方式对接收误码率的影响;建立了紫外光单次散射模型和基于Monte Carlo的紫外光多次散射模型, 并认为多次散射模型相比单次散射模型具有更好地仿真紫外光信道, 基于此分析了不同模型的脉冲响应[14]。

2010年, 加利福尼亚大学的陈刚, 徐正元等建立了一个窄脉冲展宽实验平台, 发射机采用一种紧凑型Q开关, 四倍频的Nd:YAG激光器, 波长为266 nm, 外接一个10 Hz的矩形脉冲信号发生器, 产生相应的在10 Hz的激光脉冲序列;每个脉冲宽度为3~5 ns, 能量为3~5 m J;接收端探测器采用雪崩光电二极管 (APD) 和倍增管PMT, 探测器后面接一个高增益的前置放大器。在通信距离为100 m时, 测试了不同发射视场角和不同接收机视场角下的非直视信道脉冲响应, 从而对脉冲展宽进行实验验证, 通过与仿真结果对比发现两者较吻合。

国外在紫外光通信方面进行了大量的研究, 且已有实用化的紫外光通信系统装备部队。但其研究工作的具体情况和技术细节处于高度保密状态。

2.2 国内研究进展

针对紫外光通信, 国内研究相对于国外起步较晚, 目前在紫外光信道仿真及关键技术取得了较大进展, 尤其是紫外光通信系统试验样机的制作成功, 这为实现紫外通信系统在工程化和使用化方面起到了重要的推动作用。

国内自1988年开始对紫外光通信进行研究、跟踪和检索;2005年底, LOS原理样机达到通信距离2~6 km, 数据通信波特率达到2.4 kbit·s-1, 误码率低于10-4, 实现了数据和语音通信。“十一五”期间, 开始探索车载NLOS紫外光通信是研究的关键技术;2009年开展舰艇编队应用长距离通信的演示验证研究, 实现全天候通信距离3~8 km, 通信速率9.6 kbit·s-1, 误码率<10-5。

2002年后, 开展了紫外光通信原理样机、大气散射传输理论和外场实验研究, 系统采用异步串行方式进行数据传输, 实现通信距离1.6 km。此外, 还有其他研究单位对紫外光通信关键技术进行了研究。同年还开始了紫外光通信的系统构成和关键技术研究, 并进行样机试制。对紫外光通信系统的光源、发射器结构、光源驱动和调制方法、滤光系统、探测器设计、紫外光大气传输特性的建模仿真等进行较为详细的调查研究, 发表论文多篇。目前通信样机已实现了200 m距离的语音、数据传输;2009年, 研究了JPEG编码算法与RS232串口通信协议, 搭建了图像发射端的软硬件平台, 通过对紫外光通信图像传输系统进行的实验, JPEG图像数据能以较低的误码率和延迟在紫外光信道中顺利传输, 实现了通信双方的可见性需求。

3 紫外光通信军事应用模式

紫外光通信作为新型保密通信方式。在军事上, 无论是对海陆空三军, 还是特种部队, 紫外光通信系统均有广泛的应用价值, 对未来战争、现代化国防也具有重要意义。

其在机械化部队运动中的作战通信, 坦克、炮兵和导弹部队的保密通信, 特种作战小分队、直升机小分队、海军舰队秘密集结、隐蔽航渡、舰船进港导引、航母机群起降过程、战地指挥所内部间的通信等方面均有重要应用。而在无线电静默、复杂电磁环境等情况下, 高速紫外光通信是一种重要的保障通信手段之一。在形成移动作战小组间的局域通信能力方面, 其具有无线电通信和红外视距通信所不可替代、并与之互补的独特优势。

尤其是实现了高速业务通信的紫外光通信技术, 不但可发挥其抗干扰力强、保密性能好、可全向收发、可跨越障碍物和通信传输速率高等技术优势, 同时可与我军通信设备广泛使用的E1业务接口、数据链业务接口无缝连接, 成为通信链中的重要一员。

紫外光通信系统在地面上可采用车载式, 空中可采用机载式, 海上可采用舰载式, 因此可实现自组织网络移动式通信, 克服了传统有线或无线通信需铺设电缆和基站的缺点, 达到了跟随部队快速机动, 适应战场环境的目的。

3.1 海军应用

美国、俄罗斯等海军强国早已将紫外光通信应用于舰艇通信多年, 且技术成熟。美海军已研制出应用于舰艇和舰载直升机的紫外光通信系统, 为舰船和直升机之间提供通信。此外, 还将紫外光通信应用于航空母舰和舰载机之间的甲板通信, 也可应用于海军舰队秘密集结、隐蔽航渡、舰船进港导引、在航母机群起降导引、对潜通信等。其海军应用领域及特点:

(1) 代替旗语和灯语。目前舰艇所使用的灯语和旗语通信有明显缺点:信息容量小、通信速率慢、误码率高、自动化程度低、恶劣环境下无法工作。而紫外光通信系统克服了以上缺点, 即使在恶劣环境下, 非视距通信也可达1~3 km, 视距通信可达5 km以上, 且夜晚相比白天工作距离更远。

(2) 紫外夜视系统。随着海战场由近岸到近海, 再到远海的转变, 海战场环境信息化保障面临新的挑战。在索马里或其他远洋运行中, 我军舰艇为了保密需要, 一般采取夜间补给方式, 而夜间补给双方因无法看见对方而导致补给困难, 灯光照明方式又易被敌人发现。而红外夜视系统, 由于采用被动接收辐射图像, 只能分辨出船体发热区域, 无法覆盖整个船体。采用紫外夜视系统主动照明方式, 发射源采用紫外光波段, 则可防止可见光暴露, 接收可利用紫外CCD成像。由于紫外光在大气中衰减强烈, 因此在一定距离外敌方无法探测。

通过结合紫外光通信系统, 在战舰补给中采用紫外夜视系统, 实现了无灯光保密作业, 采用紫外光通信实现了无线电静默。一方面提高了海军补给的保密性, 降低了夜间补给难度;另一反面由于补给中通信、作业等安全, 给予海军战士心理上的保证。

(3) 海军舰艇编队内保密通信。当舰队必须保持无线电寂静时, 可用紫外光通信系统提供舰船之间的近距离通信, 具体功能可实现如下:1) 舰艇编队内部舰-舰战术协同通信、报文和话音业务。2) 单舰或舰艇编队通过沿海观通信站或雷达站, 需要战术情报或警报报知时的报文、话音通信。3) 舰或舰艇编队通过沿海观通站或雷达站, 需转发机要报时。4) 单舰或舰艇编队进、出港, 需与本军信号台联络等场合。

(4) 舰载飞机导引系统。紫外光通信技术可用于改进舰载飞机的惯性导航系统, 与其他通信方式相同, 航母飞行甲板通信系统将同时沟通航母通信与所有飞机之间的通信, 紫外光发射机安装在航母的舰桥上, 以水平方式向甲板辐射紫外光信号, 每架飞机上装有一台小型轻便接收机, 面朝天安装, 以收集散射在大气层中的脉冲编码惯性导航数据, 这样飞机便可自由移动, 并能同时收发数据, 如图3所示。

(5) 紫外敌我识别系统。可采用“日盲区”紫外光源作为发射源, 前面加滤光片滤除可见光, 并可连续发射敌我识别码, 由于紫外光强烈衰减特性, 故不会出现暴露可能。

(6) 紫外告警系统。

(7) 航母舰面内部保密通信。

(8) 海军两栖作战部队通信。

3.2 陆军应用

在机械化部队运动中的作战通信, 坦克、炮兵和导弹部队的保密通信, 特种作战小分队、战地指挥所内部间的通信等方面均有重要应用, 传统通信方式的电缆或基站一旦被摧毁将会导致通信彻底中断, 对于战场环境, 是无法接受的;紫外光信号在战场上难以被侦测到, 作为攻击目标的可能性小。即使被破坏, 由于其机动性强, 可使用备份设备, 快速抢通战时通信系统。紫外光通信过程中, 发射机以某一方向和一定发射功率向通信范围内不断发射音频紫外光载波信号。对于地形复杂的地区, 若数据链路的可视距方式无法实现, 则可采用非视距通信方式来克服建筑物、树木等障碍物的影响。在接收端, 接收机在有效范围内可方便地接收话音信号, 同时还可自由移动并保持良好的话音质量。

在城区或地形复杂区域巡逻的小分队, 若视距通信无法实现, 也可采用紫外光通信系统传递秘密信息, 以协调地面行动。如图4和图5所示。

3.3 空军应用

紫外光通信系统可用于超低空飞行的直升机小队进行不问断的内部安全通信。使用该系统的每架飞机均装备有一套收发系统, 发射机以水平方向辐射光信号, 接收机则面朝天安装, 以收集散射到其视野区内的紫外光信号, 从而使全小队的电机均可收到相同的通信信号。另外, 还有一种方案是在该方案的基础上引申出来的, 其可用于与地面部队通信。因直升机驾驶员了解通信无法被敌人探测, 故可向其的地勤人员传送话音或数据[8]。

4 结束语

紫外光通信具有其他无线电通信和红外视距通信等手段所不可替代、并与之互补的独特优势, 因此具有良好的军事应用前景。从长远发展的角度来看, 紫外光通信的发展方向主要分两种:一种是基于短距离通信的便携式高速紫外光通信设备, 可主要在单兵便携使用或装甲车上使用, 该设备要求体积小、重量轻、功耗低、便于携带。第二种是基于较长距离的紫外光通信系统, 采用先进的大功率紫外光源及大视场范围紫外接收系统, 使紫外光通信设备向长距离的方向发展, 使之应用范围更广, 其可被安装于通信车、飞机或舰艇上使用。

参考文献

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