光强检测

光强检测（精选10篇）

光强检测 篇1

能源是人类社会赖以生存和发展的基础, 太阳能作为一种绿色环保的新型能源, 由于其零排放, 无污染而广泛应用于各个领域[1]。太阳能是利用太阳能电池板来吸收光线的辐射能量, 将其转化为电能, 再将电能进行储存。在整个转化过程中决定所产生能量大小的因素主要是:光照强度、光照面积和光照时间[2]。这些主要因素直接影响光伏发电的质量。由于太阳能电池板一般都是整装固定在地面或者固定在栏杆上, 而太阳却处于不停运动的状态, 因而光线强弱不停的发生变化[3]。所以研究和设计光伏发电自动跟踪系统, 即太阳能电池板会跟随着太阳的运动轨迹而转动, 始终让太阳能电池板的光照面积最大化, 具有很强的实用价值。

一、自动跟踪系统原理

光伏发电自动跟踪系统整体框图如图1所示, 该系统将光电跟踪方式与太阳运动轨迹追踪方式相结合, 以单片机控制器作为控制核心, 通过Modbus总线协议接收来自光强检测模块输出的光强值。太阳能电池板是安装在二维电机转动架上[5], 光强检测模块放置于太阳能电池板的正中央, 两者保持平行。根据光强值的大小, 控制二维电机的转动, 从而实现对太阳的跟踪。基于光强检测对整个自动跟踪系统的重要性, 本文主要对光强检测进行了设计和研究。

二、光强检测硬件设计

光强检测是光伏发电自动跟踪系统的重要环节, 自动跟踪系统是根据检测到的光强值来判断二维电机的运动方向。在设计光强检测模块时, 其基本出发点就是要合理的利用现有工艺条件, 采用单片机控制技术对实时采集的光强信号进行接收和处理, 经过A/D转换后的光强信号传输到单片机中, 单片机再通过Modbus总线协议传输给光伏发电自动跟踪系统的控制器。

2.1器件选型

本设计选用ATMEL公司的AVR系列单片机Atmaga8作为主控芯片, 其价格低廉, 具有功能强大的定时器/计数器及通讯接口, 并且内置EEPROM[4]。

作为光强检测, 光强传感器的好坏直接影响整个系统的运行情况。本设计采用TAOS公司推出的一款高速、低功耗、可编程的光强度数字转换芯片TSL256x。内部结构图如图2所示, 该芯片是第二代周围环境光强度传感器。

2.2原理图设计

光强检测原理图如图3所示, 将TSL2560T的引脚SCL连接于Atmaga8的PC5, 引脚SDA连接于单片机的PC4。单片机只需要以PC4和PC5来模拟SMBus总线就可以读取TSL2560T的ADC寄存器中的光强值。TSL2560T中有两个转换通道, 分别为通道0和通道1, 其中通道0是转换可见光和红外线的通道;通道1仅仅只转换红外线。自动跟踪系统只是跟随着可见光光强值最大的方向运转, 如此, 通道1是作为一个补偿的通道, 补偿掉通道0中的红外线, 最后可以唯一得到可见光的光强值。

为了实现将采集到的光强值正常传输给光伏发电自动跟踪系统的控制器, 本设计采用传输距离远, 传输可靠性高的Modbus总线协议。485通信芯片选择为SP3485E, 3.3V供电。其中R4为匹配电阻, 在远距离传输或者位于485总线上的最后一个从机时才使用。R3和R5分别为下拉电阻和上拉电阻, 保证485总线的初始状态。光伏发电跟踪系统难免处于比较恶劣的环境下, 为防止单片机程序跑飞, 本设计外置一个看门狗芯片X5043来保证光强检测模块的正常高效工作, 其原理图如图4所示。

三、软件设计

在软件设计中, 首先需要对看门狗芯片进行初始化, 然后读取光强传感器的参数值, 最后通过Modbus总线协议传输给光伏发电自动跟踪系统的控制器。

单片机通过对引脚PC4和PC5通用I/O口 (一根时钟线, 一根数据线) 进行SMBus读写协议模拟, SMBus和I2C协议的区别就是协议中应答 (ACK) 不一样, 所以可以依照I2C协议进行参考。SMBus协议的重点是数据传输的时序, 由开始位和停止位来控制。开始位为时钟信号的高电平, 将数据线的电平由高到低, 标志着数据传输的开始。停止位为时钟信号的低电平, 将数据线的电平由低拉到高, 标志着数据传输的结束。在写数据时, 先发送器件的地址, 然后发送要写入的数据。光强传感器芯片的写操作过程包括:先发送器件的地址, 然后写命令码, 命令码是往寄存器地址00H-0FH中写的数据, 其以字节、字或者块为单位进行写操作。在读数据时, 需要先写器件地址, 然后写命令代码, 再写入一次器件地址, 最后才是读取通道寄存器的数值。

看门狗X5043芯片是以SPI接口协议进行初始化, 初始化为1.4s, 在1.4s之内引脚CS如果没有接受来自单片机的上升沿或者下降沿, RST引脚就输出一个低电平的脉冲给单片机复位。本文Modbus总线协议在485通信接口的基础上, 以ASCII码通信格式来设计和实现。读取和传输光强值的程序流程图如图5所示。

四、总结

本文重点研究和设计了一种光伏发电自动跟踪系统中的光强检测模块, 其主要是基于Atmaga8单片机和TSL2560T光强传感器, 采用Modbus总线协议, 精确采集太阳 (或者模拟光源) 的光强值, 使得太阳能电池板始终朝向光强最大的方向, 达到自动跟踪的效果。通过实物验证, 结果证明本方案比目前广泛使用的光敏电阻等光强检测的方案要实用和优越, 通过本方案得到的光强值精度高, 效果好, 在极其恶劣的环境条件下也能正常稳定地运行。

参考文献

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[5]刘四洋, 伍春生, 彭燕昌等.主动式双轴太阳跟踪控制器[J].可再生能源.2007, 25 (6) :69-72

光强检测 篇2

菅寺学区 刘光强

通过学习《致青年教师成长》感想如下：

一、学会学习

“教育的核心即学习”，联合国教科文组织教育规划研究所负责人库姆斯提出的这一论断标志着教育发展史上教学重心的根本转变——从传统的以教师“教”为主过渡到现代的以学生“学”为主。我们如何在工作中做好这一点呢，我想至少有两个方面很重要。

1.我们自己要“学会学习”

作为青年教师可能有许多引以为豪的荣誉。例如你毕业于著名的高校，你的毕业成绩非常优秀，你拥有高学历等等。但是，处于信息化时代的今天，科学技术日新月异，你所拥有的这些知识或许很快将会过时，你原有的知识未必就是你的财富，甚至会成为你前进的绊脚石。如果不懂得在新的环境中努力学习新知识，培养新能力的话你可能很快就发现，你不能适应现代社会的飞速发展。正如美国著名未来学家约奈比斯特断言：“在不断变动的世界上，没有一门或一套课程可以供可见的未来使用或可供终生受用，现在需要的最重要的技能是学会如何学习。

2.教会学生如何“学会学习”

正如我上面所讲，为了跟上时代步伐，教育必须引导学生“学会学习”。在学习方式上，由知识性的记诵学习转变为智慧式的、创新性的学习；在教育目标上，由单纯的学习知识转变为启迪智慧，让教育真正成为学生享受幸福生活的过程。

客观的讲，我们今天还有不少地方，不少老师依然延续着落后的填鸭式的、反复记诵式的教育。我们年轻教师一定要从一开始就要注意到这个问题，不要再走弯路，教育理念一定要跟上新时代的要求。追求知识理所当然，无可厚非。但是，当我们把知识的获得作为教育之全部，为知识而知识，进而希冀以教育为手段把学生塑造成“知识人”，这便酿成了知识对智慧、知识对生活的虚妄僭越。在“知识人”理念的支配下，学生被看作是用知识一片一片搭构起来的，唯一充塞于心灵的就是知识，人性中的其他部分，如伦理道德、审美情操等则被虚无化，这不可避免地异化了教育的实践追求，遮蔽了教育那崇高的人文精神。

所以，我觉得培根的名言“知识就是力量”应转化为“怎样使知识有力量”，“哪些知识真正有力量”的追问。简答之，只有那些切实关涉个人幸福，能转识成智，臻达人生智慧的知识才真正有力量，才更值得学生学习。因此，把学生从知识至上、分数至上的苦海中解救出来，让他们学会学习，学会根据自己的兴趣、特长、能力有选择地获取知识，学校在这个方面已经做了很多有益的探索和尝试，并且也取得了很多成绩，那么如何继续探索、完善和推广就成为我们青年教师的一项重要使命。

二、学会创造

作为青年教师的我们一定要清醒的认识到，我们努力的学习前人经验。努力实现教学育人目标的过程中，一定要把自己的思想结合进去，经过不懈努力最终在教学工作中形成自己的特色，并且能够创造出前人没有的东西。只有学会创造才能使自己的工作不是简单枯燥的重复劳动，只有创造才能体现出一个教师的真正价值所在。不但能使我们的教学更加精彩，也使的学生受益匪浅。

教师是教材的实施者，更准确地说是教材的开发者。教师在教学设计中应充分发挥自己的创造性，完美地反映教材的思想。现行的教材并没有把教师教什么、怎样教、学生做什么都规定的非常详细，而应是粗线条式的，要留给教师足够的创造空间。在教学过程中使用什么样的教学策略和手段，教学情景设计、教师和学生活动的设计等等，都需要我们体现自己的创造性，我认为，教材的编写已经为教师的教学留下创造的空间，再加上现代教学技术的普及和发展，教学资源日益丰富，教师必须要学会创造性地使用教材，最大程度地发挥自己的聪明才智，使教学成为具有个性特征的艺术创造。这样的教学才是真正体现教师价值的教学。

光强检测 篇3

喝茶放点小金桔

戴光强一直被需要着。

做医生时，他被患者需要，甚至有很多患者觉得做他的病人很幸福;做卫生厅厅长时，他被老百姓需要，他时刻牢记：作为政府官员，代表的是老百姓的利益;退休后，他在全国各大讲坛、电视、电台、报纸杂志、网络上传播现代保健知识，他被全国热爱养生的“带鱼”（戴光强的粉丝称带鱼）们需要。

当记者始见到戴老时，他兴奋地告诉记者一个好消息：“我11月18日在东方卫视‘X诊所’做的“打破猝死的魔咒”节目，收视率在全国电视节目同时段中名列第二！这是‘实力+自信’的结果，完全在我意料之中。”

说完，戴老很客气地端上一杯热乎乎的“戴氏养生茶”，透明的玻璃杯里，碧绿的茶叶上下翻腾、舒展，一个被切成薄片的小金桔游弋在茶水中，绿茶的温润、金桔的香甜在此间搭配的恰到好处。我们的谈话就从这杯茶开始……

“你们知道我为什么要在茶叶里放上几片小金桔吗？这是有讲究的。茶叶不但可提神、助消化、开胃，还有降血脂、防癌等功效。而茶多酚就是茶叶中发挥其健康保健功效最主要的物质。但一般情况下人体对一杯茶中茶多酚的吸收率只在2%～5%，为了能加大人体对茶多酚的吸收，我们可以在绿茶中加入1～2个新鲜的小金桔。这是因为金桔中的维生素C可利于帮助人体吸收更多的茶多酚，吸收率可提高至13倍。而茶多酚也可促进人体对维C的吸收，维C是预防高血压的重要营养素。”“经常喝茶吃蘑菇的女性患乳腺癌的风险会大大下降，而经常喝茶的男性患前列腺癌的风险也会下降。”看来喝茶的好处还真不少！

除了“戴氏养生茶”，戴老还向我们的读者朋友们推荐了一款“戴氏强身茶”，常喝“强身茶”可提高人体的免疫力。这款茶的具体做法是：放6～7小片西洋参、20～30粒枸杞、2小片黄芪、再加茶叶，一定要用开水泡（茶不要太浓），可天天喝。现代科学研究证明，枸杞可降血脂、降血糖、降血压;西洋参和黄芪有提高身体免疫力的作用，三者强强联手，年轻人、中年人多喝可强身健体，老年人多喝则可延年益寿，所以此款茶又被称为“长寿茶”。

保健就在生活中

在吃上，戴老不太赞成中医的食物相克之说，他认为都是吃到肚子里了，有什么关系呢？吃，主要注意质和量。那么我们应该怎么吃呢？这里戴老着重强调要吃好早餐。因为，上午是一天中人体对食物的消化率、吸收率和利用率最高的时段，食物对人体的生理和健康价值性价比在上午时最高！

不吃早餐甚至还会引发很严重的疾病。如，不吃早餐是血胆固醇升高重要原因，不吃早餐者血液黏稠度增高，形成血栓的危险性是吃早餐者的3倍！不吃早餐者患胆结石风险增大！不吃早餐，不但不能减肥，反而会增肥！不吃早餐，患糖尿病的危险增加！既然不吃早餐有这么多的危害，那么我们该如何吃好早餐呢？戴老说，早餐吃好有两条标准：一是要吃饱，二是要吃好。

一份好的早餐讲究三个原则：第一，主食必须是丰富的碳水化合物，并注重粗粮与细粮的搭配，如馒头、花卷、面包、面条、蛋糕和大米粥、小米粥、麦片粥等;第二，有优质蛋白质（如牛奶、鸡蛋、肉类、豆制品）;第三，有蔬菜（如豆芽、菜花、白菜、芹菜、白萝卜、土豆、甜椒、黄瓜、菠菜、青笋、海带、番茄、苦瓜等用于炒食或凉拌）和水果（如香蕉、草莓、菠萝、樱桃、甜瓜等）。

随即，戴老抖出了一份他自己的早餐清单。“我有时候早上在家是这样吃的，吃一碗鸡汤面，面里放蘑菇、青菜，还有鸡肉和鸡蛋。吃完后再来杯牛奶或者豆浆，一份应季水果，这营养多全面啊。”“吃完早饭，去菜市场买买菜，买菜路上来个快步走，拎着菜篮子还能练臂力。回到家有时间再做3个小时的家务，既把家里收拾干净了，还锻炼了身体，何乐而不为？当然，不是每个人都得像我这样锻炼，关键是得有这个锻炼的意识，利用好时机锻炼。”

戴老家的客厅里，摆着一台跑步机，在跑步机上有节律地跑步，也是他锻炼法宝之一。

戴老平时在各地宣讲保健知识、或上电视录节目，很忙！但只要在家，他都会给他的爱人做“爱心午餐”。他的爱人是医生，还没有退休，平时从家里带到单位吃的午餐，都是戴老亲手做的。提到此事，戴老哈哈一笑，“你们看我，家里家外都得照顾着，很有能力吧。”

但是闲下来的戴老喜欢干两件事，一是打开音响，听听纯音乐，他感觉很享受，听完后心灵很安逸;二是跟年轻人一样，他喜欢看韩剧，一些老年人喜好的打牌、打麻将就都不在他的兴趣范围之内了。

戴老就这样践行着自己的健康观：在生活中保健，在保健中生活。

六好养生法

作为上世纪60年代初毕业的北京医学院（北京大学医学部）的大学生，戴老曾给自己制定过两大目标：第一，要当一名好医生。第二，要把医学保健知识尽可能接地气地传递给老百姓。针对越来越严重的慢性病危险，戴老认为医务工作者除了重视技术服务外，也要注重知识服务，要把最新的保健理念灌输到老百姓的生活中去，让他们在吃穿住行里获得健康，并能传递健康。

落实到实处就是戴老提倡的“六好养生法”，即喝好、吃好、科学运动好、休息睡眠好、补好，补好不是指中医的进补，是按照现代人营养素的缺乏，尤其是弄清营养素的缺乏与慢性病的关系后再进补，第六好是心态好。

戴老尤其强调，人到中年需“大修”，更需要注意这“六好养生法”。只有“拉长中年，才能更晚地步入老年嘛，85岁以后才应该算得上是老年。”

近几年戴老的健康科普工作就是围绕“六好养生法”延伸、展开的，关注了戴老微信、微博的“带鱼”们会发现，戴老经常会在微信、微博上晒保健心得，与粉丝们热情互动。这不，最近戴老在微信上会每日更新“维生素C与各种慢性病”的关系，相信只要你关注并阅读了戴老的微信内容，肯定会受益颇丰。当然，网友们也用很直接的方式表达了他们对戴老的喜欢，在39健康网创立的第七届中国健康年度总评选中，由4000万网民投票，选出医学领域的“健康传播风尚人物”，戴老入选并位居榜首。颁奖台上，戴老的获奖感言是：“人生价值的体现没有年龄的限制，我都快70了，仍可实现自己的价值，老有所为，人生在世吃得喝得，希望能吃出健康吃出美丽吃出长寿。”对于戴老来说，人人都能成为健康的受益者和传播者，正是他奋斗的目标所在。

光强检测 篇4

LED (Light Emitting Diode, 发光二极管) 正在改变着我们的生活和工作环境。目前, 所使用的大功率LED路灯大部分都是简单的直接照明, 缺少必要的智能控制。现有的照明管理系统大都采用有线电缆控制照明灯具, 对LED路灯进行调控, 建设成本和运营成本都比较高。本文所要解决的技术问题就是克服上述大功率LED路灯系统中所存在的缺陷, 而提供一种低成本、智能的自动控制系统。

2、系统的硬件设计

该智能控制系统以AT89C51中央控制器为核心, 其它各模块均受控制器控制。具体的来说, 该控制器实现的功能如下:安装在灯具光源部分的光学传感器检测到灯具的光亮度、照度或光通量信号, 经过A/D转换, 转换成数字信号, 输入到MCU控制器。MCU内部经过编程, 对输入的灯具工作参数进行分析判断, 然后发出控制信号, 控制LED恒流驱动器输出电流的大小, 从而达到智能调控LED灯具的目的。在该系统中, 单片机软件系统主要完成的任务有:测量光强、控制判断、输出PWM控制信号等, 其中基于TSL256X的光强检测模块为核心技术模块。

本系统的测光强模块选用TAOS公司推出的一款高速、低功耗、可编程的光强度数字转换芯片TSL256x。该芯片是第二代周围环境光强度传感器。其内部结构如图1所示。

从上图可知, TSL256x内部包含有两个积分式A/D转换器, 用于对两个光敏二极管的电流进行积分, 并且对这两个电流的积分是同时进行的。通道0和通道1是两个光敏二极管, 其中通道0对可见光和红外线都敏感, 而通道1仅对红外线敏感。积分式A/D转换器对流过光敏二极管的电流进行积分, 并转换为数字量, 在转换结束后将转换结果存入芯片内部通道O和通道l各自的数据寄存器中, 作为数据的缓冲器。这种采用双缓冲器的转换过程能够确保维持数据的完整性。当一个积分周期完成之后, 积分式A/D转换器将自动开始进入下一个积分转换过程。微控制器和TSL2560可通过标准的SMBus V1.1或V2.O实现, 而TSL2561则可以通过I2C总线协议进行访问。

TSL256x的访问遵循标准的SMBus和I2C协议, 我们的智能控制系统采用的是TSL256l芯片, TSL2561芯片可以通过I2C总线进行访问, 所以该模块的硬件电路方面比较简单。由于微控制器内部没有自带的上拉电阻, 所以需要用2个上拉电阻R5和R6连接到总线上。硬件电路连接如图2所示。

3、系统的软件设计

单片机和光强传感器TSL2561是通过I2C总线协议来通信的, 该总线协议需要一根时钟线, 一根数据线。I2C协议的重点是数据传输的时序, 这是由开始位和停止位来控制的。开始位是在时钟信号的高电平, 将数据线的电平由高拉到低, 标志着数据传输的开始;停止位则是在时钟信号的高电平, 将数据线的电平由低拉到高, 标志着数据传输的结束。I2C协议的数据传输需要应答, 每接收一字节的数据, 需要将数据线拉低作为应答, 发送方发送完数据后, 则检查数据线是否为低电平来判断接收方是否受到数据。

在写数据时, 先发送器件的地址, 然后发送要写入的数据TSL2561芯片的写操作过程如下:先发送一组器件地址, 然后写命令码, 命令码是用来指定接下来写寄存器的地址00H~0F和写寄存器的方式, 是以字节、字或块 (几个字) 为单位来进行写操作的, 最后发送要写的数据, 根据前面命令码所规定的写寄存器的方式, 可以连续发送要写的数据, 内部写寄存器会自动加1。

在测光强模块里, 我们首先向I2C总线上发送器件地址, 以便和光强传感器建立通信。光强传感器的特定地址是0x29, 当它收到我们发送的地址时, 便会做出应答。然后我们向TSL2561的命令寄存器写入0x03的指令, 该指令要求TSL256上电, 并开始对光强信号进行A/D转换。

在延时等待1s后, 我们再次向I2C总线上发送0x29, 选择TSL2561, 并向它发出读取光强的指令, 该指令从内部寄存器0x0c开始, 连续读取四个字节的光强转换结果, 至此, 测量光强度的任务完成。

4、结语

本文针对目前LED路灯系统中存在的缺陷而提出了一种全新的低成本、智能的LED路灯控制系统。该控制系统由以下几部分构成:作为主控制器的MCU、光强度检测模块等模块。对整个控制系统分别进行了软硬件设计, 并进行调试, 结果证明了本文所设计的LED路灯无线智能控制系统在实验室环境下可以正确、稳定的运行。

参考文献

[1]半导体照明改变光世界.电源世界, 2006.

[2]黎平等.高亮度LED驱动器概述.电气应用, 2007.

[3]半导体照明改变光世界.电源世界, 2006.

光强检测 篇5

为解决红外迷彩对传统热成像系统的干扰问题，达到在战场上识别红外伪装目标的目的，进行了长波红外偏振成像与光强图像融合的实验研究。采集了典型战场背景的长波红外偏振图像，利用MATLAB编程对红外偏振图像处理得到了长波红外偏振度图像，进一步对偏振度图像和光强图像进行了融合。实验结果表明，红外偏振度图像比原始红外图像的灰度均值提高了53%，灰度标准差提高了90%，平均梯度提高了2.04倍；融合后的图像比红外偏振度图像的灰度均值提高了15%，灰度标准差提高了4%，平均梯度提高了17%。

关键词：

长波红外偏振成像； 图像融合； MATLAB

中图分类号： TN 219文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.05.006

引言

红外热成像系统具有隐蔽性强、全天候工作、识别可见光伪装、视距远等优点，已成为各国军方主战夜视装备^[1]。工作于8～14 μm的长波红外热成像系统主要用于对地面和水面目标的侦察、瞄准和跟踪，其大规模投入战场已成为改变作战模式和影响未来战争走向的因素^[2]。随之出现的红外伪装技术，通过降低或扭曲军事目标表面热辐射特征，严重影响传统红外热成像系统的作战效能^[3]，探索与之对抗的伪装识别系统十分必要。目前红外伪装识别技术主要有多光谱或高光谱成像^[4]、背景减除算法^[5]、伪彩色编码和图像融合^[6]、红外偏振成像等。其中红外偏振成像具有识别效果好、系统结构简单等优点。

由于红外光强成像与红外偏振成像在特征量、目标和背景的辐射特性、成像过程、图像特征等方面的不同，同一场景的红外光强图像与偏振图像具有差异性和互补性^[7]，利用图像融合技术将红外光强与偏振图像融合起来，可以综合二者的优势^[8]。

本文在8～14 μm的长波红外波段，通过在红外热成像系统之前加装可旋转的红外偏振片，获取了目标与背景的偏振图像。基于MATLAB平台编程对偏振图像进行处理，得到了场景的红外偏振度图像和偏振角图像。利用MATLAB小波工具箱对偏振度图像和原始光强图像进行了融合。结果表明：融合图像比原始偏振图像的灰度均值提高了15%，灰度标准差提高了4%，平均梯度提高了17%，获得了更加丰富的纹理细节特征，增强了对比度，明显增强了观察效果。

1偏振的描述

根据菲涅尔公式的有关理论可知，光在介质表面上的反射将改变其偏振态^[9]，由能量守恒定律，物体的热辐射同样也存在偏振分量，其偏振特性和物体本身有关。对偏振光的描述常用的有琼斯矢量和斯托克斯矢量。琼斯矢量用振幅和相位描述光波的偏振态，斯托克斯矢量则利用4个参量（斯托克斯参量）来描述光波的偏振态和强度。与琼斯矢量的参量不同的是，斯托克斯参量均是光强的时间平均值，具有强度的量纲，可以直接被探测器探测^[10]，因此应用更加广泛。其形式为^[11]：

因此只需测出3个不同方向的线偏振分量光强，即可解得斯托克斯参量S0、S1、S2。本文中测量与X轴夹角为0°、60°、120°方向上的光强，记为I0、I60、I

2实验方法与过程

2.1实验装置

为实现目标的热辐射偏振信息获取及处理，实验系统由检偏器、红外热成像系统、数据采集与处理系统三个部分构成。

实验系统采用Thorlabs公司的KRS5偏振片作为检偏器，有效光学口径50 mm，栅网间距0.37 μm，透过率为70%（在波长为12 μm处），偏振度为99.6%，消光比为300∶1。偏振片由旋转支架支撑并放置于热成像系统之前。

采用FLIR公司SC325型热像仪，探测器为非制冷焦平面阵列，工作波段7.5～13 μm，像元总数320×240，帧频60 Hz，热灵敏度<0.05 ℃（在+30 ℃条件下）。利用热像仪自带的数字接口把成像结果送入计算机。

2.2目标的选择

实验目标包含了山地、林地、道路。涵盖了战场条件下常见的环境要素。实验日期为2012年3月18日。实验现场温度16.5 ℃，湿度79%，晴空无云，微风。

2.3实验过程

由于实验数据需要获取三个方向偏振图像，采用手动旋转偏振片的方式实现。为尽可能消除误差影响，采用连续测量16组数据并求平均的方式。

3实验结果处理与分析

利用实验装置采集到长波红外偏振图像，利用式（3）方法，基于MATLAB平台编写了程序，计算得到S0、S1、S2分量，并利用式（4）方法计算得到偏振度图像（见图2）。

3.1定性分析

从实验结果可以看出，融合以后的图像比偏振度图像的对比度有了明显提高，纹理细节更丰富，对目标具有更高的发现和识别概率。

3.2定量分析

根据参考文献[12]的评价指标（灰度均值、灰度标准差和平均梯度）对原始长波红外辐射强度图像和处理得到的偏振度图像进行了评价。

从表1和表2中可以看出：（1）场景的红外偏振度图像比原始红外图像的灰度均值提高了53%，灰度标准差提高了90%；融合后的图像比原始红外图像的灰度均值提高了76%，灰度标准差提高了98%。（2）红外偏振度图像平均梯度显著增大，比原始红外图像平均梯度提高2.04倍；融合后的图像比原始红外图像平局梯度提高了2.56倍。与前文定性分析结果相符。（3）融合后的图像比偏振度图像的灰度均值提高了15%，灰度标准差提高了4%，平均梯度提高了17%，明显增强了观察效果。

nlc202309032224

4结论

搭建了长波红外偏振成像实验系统并利用MATLAB平台编程对采集到的原始红外偏振图进行处理，得到了场景的长波红外偏振度图像，并进一步对偏振度图像和光强图像进行了融合。实验结果表明，红外偏振度图像比原始红外图像的灰度均值提高了53%，灰度标准差提高了90%，平均梯度提高了2.04倍；融合后的图像比红外偏振度图像的灰度均值提高了15%，灰度标准差提高了4%，平均梯度提高了17%，获得了更加丰富的纹理细节特征，增强了对比度，明显增强了观察效果。

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[10]王新，王学勤，孙金祚.基于偏振成像和图像融合的目标识别技术[J].激光与红外，2007，37（7）：676-678.

[11]施志华.成像偏振测量技术及其应用[J].红外，2002，23（4）：1-5.

[12]徐参军，苏兰，杨根远，等.中波红外偏振成像图像处理及评价[J].红外技术，2009，31（6）：362-366.

光强检测 篇6

关键词：卤虫幼体,光照强度,温度,盐度

卤虫 (Brine shrimp) , 俗称丰年虫, 为小型低等甲壳动物, 分布极广。卤虫具营养价值高、繁殖周期短、生长快速、成本低等特点, 其幼虫是对虾等各类海水养殖的首选优质饵料, 成虫也是一种重要的水产饵料, 其蛋白质含量高达60%, 且富含必需氨基酸、类胡萝卜素、鱼虾味觉诱引剂等[1]。

卤虫与糠虾在水产动物苗种生产中都是极优质的活饵料[2]。但糠虾人工养殖难度较大, 而卤虫易孵化, 稳定性好, 消化率高, 对水质的影响小, 便于大规模养殖[3], 因而卤虫养殖成为热点。目前已开发出日晒盐场增殖, 粗放式卤虫养殖, 半精养卤虫养殖等养殖方式, 并取得了相当引人注目的经济效益和社会效益。卤虫生活于盐田等高盐水体[4], 生长发育受到盐度, 温度, 光照强度等因素的影响。因此对适宜卤虫生殖培养的盐度, 温度, 光照强度等条件的研究对卤虫的人工养殖具有重大意义。研究对温度、盐度以及光照条件对卤虫的发育生长的影响进行了探讨, 找出能使卤虫幼体最长的温度, 盐度以及光照条件。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验用卤虫卵为山东廊坊的丰年虫卵, 在p H值为8, 温度18~22℃的海水中连续光照充气孵化36 h, 分离出无节幼体, 用于实验。实验用小球藻来源于宁波大学藻种实验室保存的种质。

1.2 实验设计

光强实验设5个光照强度, 分别为0.5×103、1.5×103、3×103、5×103、8×103lx, 每个光照强度设3个重复。光周期12 L∶12 D。

实验温度分别为18、22、26、28和30℃, 每个温度重复3次实验。光周期为12 L∶12 D。

实验盐度分别设14.80、29.61、44.42、59.23、74.03、88.84, 6个实验盐度分别重复3次。

1.3 数据处理

1.3.1 日平均生长速率计算

日平均生长速率= (Lt-L0) /t。其中:Lt为t天后各组的卤虫的平均体长 (mm) , L0为第一次测量时各组卤虫的平均体长 (mm) , t为所经历的天数 (d) 。

1.3.2 特定生长率计算

特定生长率SGR=[ (Lt/L0) 1/t-1]×100%。其中:Lt为t天后各组的卤虫的平均体长 (mm) , L0为第一次测量时各组卤虫的平均体长 (mm) , t为所经历的天数 (d) 。

卤虫幼体体长在各处理间的比较与分析采用ANOVA, 差异状况采用Dunn检验。

2 结果

2.1 光照强度对卤虫幼体生长的影响

光照实验中, 各组卤虫生长较慢。培养第8天对卤虫长度进行第一次的测量, 实验结果方差分析显示:光照0.5×103 lx组除了与光照3×103 lx组和光照5×103 lx组无显著性差异外 (P>0.05) , 与其他各组都存在显著性差异 (P<0.05) 。光照1.5×103 lx组与光照3×103 lx组之间无显著性差异 (P>0.05) , 与其他各组间存在显著性差异 (P<0.05) 。光照为3×103lx组除了与上述两组间无显著性差异 (P>0.05) , 与其他各组都存在显著性差异 (P<0.05) ;而光照为8×103 lx组与其他各组都存在显著性差异 (P<0.05) 。平均体长的大小顺序是:光照1.5×103>3.0×103>0.5×103>5.0×103>8.0×103lx。即卤虫体长在光照为1.5×103 lx的条件下达到最长。培养第10天, 对卤虫的体长进行第二次测量, 测量结果方差分析显示:光照0.5×103 lx组与其他各组都存在显著性差异 (P<0.05) 。培养第12天, 第三次测量结果显示, 光照0.5×103 lx是培养卤虫的最适光照强度。3次测量阶段, 卤虫的生长速率比较所示, 在光照为0.5×103 lx时, 卤虫的生长速率远大于其他光照条件组。在0.5×103 lx光照条件下, 卤虫的特定生长率最高 (表1) 。

2.2 温度对卤虫幼体生长的影响

在培养的第6天对卤虫幼体的体长进行第一次测量 (表2) 。方差分析显示:温度为18℃组与其他各组差异显著 (P<0.05) 。22℃, 28℃, 30℃实验组间差异不显著 (P>0.05) 。26℃组与其他各组差异显著 (P<0.05) 。不同温度下卤虫平均体长顺序:26℃>22℃>28℃>30℃>18℃, 即26℃是卤虫最适生长温度。

为进一步证明此结论, 在培养的第8天和第10天对卤虫体长分别进行了第二次和第三次测量 (表2) 。第二次测量结果方差分析显示:温度为18℃和26℃组仍与其他各组存在显著性差异, 组间也存在显著性差异。28℃组与其他各组存在显著性差异。30℃和22℃组间无显著性差异, 与其他各组存在显著性差异。第三次测量结果方差分析显示, 各组间都存在显著性差异。26℃组的卤虫体长仍最长。所以, 卤虫的最佳生长温度为26℃。通过比较不同温度梯度下卤虫特定生长率, 可知其与生长速率的变化形式基本一致, 都在26℃达到最大。

2.3 盐度对卤虫幼体生长的影响

第6天对卤虫幼体的体长进行第一次测量 (表3) 。方差分析显示:盐度为74.03组与其他盐度组差异显著 (P<0.05) , 平均体长最大。盐度为59.23组与其他盐度组也都存在显著差异 (P<0.05) , 其平均体长次之。盐度为29.61, 44.42, 88.84组间无显著性差异 (P<0.05) , 体长平均值分别为1.93, 2.14和2.10mm。盐度为14.80组体长平均值最小, 为1.72 mm, 且与其他各组存在显著性差异 (P<0.05) 。结果表明卤虫在盐度为59.23~74.03的条件下能够得到最大体长。

为进一步证明此结论, 在培养的第8天和第10天, 再次对卤虫体长进行测量 (表3) 。方差分析显示盐度74.03组, 仍是平均体长最长, 与其他培养组存在显著性的差异 (P<0.05) 。盐度为59.23组次之。第三次测量的结果, 仍与前2次结果类似。由此得出, 卤虫的适宜生长盐度为59.23~74.03。在得到最适培养盐度后, 我们又对从培养第6天到第10天的卤虫生长速率进行了比较。在最适盐度条件下, 卤虫的生长速率最大。卤虫在盐度为74.03时, 特定生长率最大。这进一步说明了74.03盐度是卤虫最适生长盐度。

3 讨论

3.1 光强对卤虫幼体生长的影响

光强也是影响卤虫卵孵化和卤虫生长发育的重要因素。Vander等[5]曾经报道, 光照对卤虫卵的孵化有重要作用, 而且不同品系虫的卵对光强要求不同。对于光照强度对卤虫生长的影响, 由本实验的实验结果可见, 第一次测量中, 1.5×103 lx光照强度下卤虫的平均长度最长, 但与光照强度为3×103 lx的一组无显著性差异。第二次测量中, 0.5×103 lx光照强度下卤虫的平均长度最长, 且与其他各组都存在显著性差异。第三次测量仍然是0.5×103 lx光照强度下卤虫的平均长度最长, 且与其他各组都存在显著性差异。在对第一次到第三次测量这段时间内卤虫的生长速率进行比较后可得, 0.5×103lx光照条件下卤虫生长速率远高于其他光照强度下的生长速率。卤虫具有趋光性, Patrick Lavens等[6]就曾指出光照影响卤虫的游泳, 黑暗条件下卤虫的游泳速度较在光照条件下慢。Frank H.Hoff[7]认为在高光照强度下, 卤虫会由于趋光性而增大游泳速度, 造成更多的营养消耗, 从而降低其生长速率, 影响卤虫的生长。在低光照强度下, 卤虫分散在培养容器里, 游泳速度很慢, 能减少营养的消耗, 获得高的能量转化。因此, 较低的光照应该有利于得到体长较长的卤虫。第一次测量时, 1.5×103 lx光照强度下卤虫个体最长可能是由于卤虫是非选择性的滤食动物, 其摄食与运动密切相关。在低光照条件下, 虽然低的游泳强度会降低能量的消耗, 但同样也会导致低的摄食率。所以在第一次测量中, 0.5×103 lx光照强度下卤虫的长度会低于1.5×103 lx条件下卤虫的长度。在后两次的测量中, 由于卤虫个体已较大以及投喂量的加大, 低的游泳速率也可以大量的小球藻, 所以低光照强度下卤虫的个体最长。从生长速率曲线上, 也可以明显的看出, 由于低光照强度下卤虫的游泳速度慢, 其获得的能量大部分用于生长发育, 其生长速率最大。所以, 可以得出0.5×103 lx是卤虫幼体最适生长光照强度的结论。但是, 卤虫幼体的特定生长率并没有随着光照强度的增加而减少, 反而有一定程度的上升, 这可能是由于光照与温度的交互作用影响所致, 而且光照越强卤虫的游泳强度越高, 摄食量就越高, 而此时卤虫消耗的能量也越多, 从而使卤虫的特定生长率随着这两个因素的影响而变化。所以光照越强, 游泳强度越高, 并不一定就意味着特定生长率就低。

3.2 温度对卤虫幼体生长的影响

温度是影响卤虫卵孵化和卤虫生长的重要环境因子。温度对卤虫孵化的影响, Vanhaecke等[8]研究结果是温度对其所研究的20个卤虫品系卵的孵化都有显著影响, 孵化率一般是在25~30℃的温度范围内达到最大。张春丹和李明云[9]指出温度对卤虫无节幼体的发育有着明显影响, 青海尕湖卤虫在12~30℃内发育速度随温度升高而加快, 高于30℃后则趋于平缓。Frank H.Hoff[7]研究了一些不同产地卤虫的适宜生长温度, 其结果显示:美国旧金山湾的卤虫适宜生长温度范围为21~24℃;美国大盐湖卤虫为26~31℃, 巴西的卤虫为21~26℃。实验表明:实验卤虫幼体最适生长温度为26℃。在3次的测量中, 此温度下卤虫的平均个体最长, 与其他各温度下卤虫体长差异最显著。生长速率在26℃前随着温度的升高而加快, 超过26℃后随着温度的升高而降低。特定生长率也与生长速率变化形式基本一致, 这进一步证明了26℃是其最适生长温度。温度和盐度对卤虫种群的作用是相互影响的, 温度变化的同时会影响卤虫对盐度的耐受范围, 反过来盐度的变化也会影响温度对卤虫的作用。但也有许多研究发现虽然盐度和温度对种群的生长和生殖都有影响, 但是温度的作用更大一些。而且温度与盐度间的交互作用影响不明显[10]。Wear[11]等人在研究温度和盐度对A.franciscana (来自旧金山的卤虫) 的成熟率和繁殖率的作用时发现, 温度和盐度在世代周期、繁殖次数、产后代数及繁殖期长度等参数上都有影响, 但是在世代周期、繁殖期长度、及50%的性成熟率3个参数上, 温度是主要的作用因子。Browne[12]的温度盐度组合实验中也发现, 在有的品系中, 温度是主要的作用因子, 生殖参数时温度的作用较大, 而盐度的影响不明显。与本实验结果一致。虽然本实验是单因素实验, 但是从温度和盐度对卤虫的平均体长和发育速率的影响来看, 温度的作用比盐度的作用要显著。

实验虽然测出26℃是实验中所采用卤虫的最佳生长温度。但其他研究成果表明, 不同品系的卤虫最佳生长温度是不一样的, 有的甚至差别会很大。因此, 其他品系卤虫的最佳生长温度, 有待于进一步研究, 为生产和研究提供更加详实的数据。

3.3 盐度对卤虫幼体生长的影响

光强检测 篇7

LED进入照明领域后, 凭借低能耗、高光效、快响应、长寿命等诸多优势迅速成为照明行业的骄子, 这十几年来飞速发展, LED统领照明领域已成不可阻挡之势。但LED发出的光为朗伯分布, 很难更广泛用于照明, 由于不同照明场景有着不同的要求, 需要进行光学设计, 于是一门崭新的学科——LED二次光学设计应运而生。对LED芯片的封装等视为一次光学设计, 根据一次光学设计的结果设计出折射透镜及反光罩等光学元件以满足应用的光学设计过程视为二次光学设计。二次光学设计的主要任务是将朗伯型配光改造成能应用于不同场景照明的配光, 对LED在照明领域的应用起着至关重要的作用。

自从H.Ries[1]等人于2002年提出曲面裁剪法计算自由曲面以来, 国内外许多学者展开了对LED自由曲面透镜的大量研究, 计算思路主要分为两种:一种是曲面裁剪法[2,3,4,5];另一种是解微分方程法[6,7,8]。设计完成后若不能满足要求需对透镜进行优化[9]。解微分方程法精确、误差小, 效果很好, 但不够灵活;曲面裁剪法灵活但误差较大, 可通过增加计算点的数量来减小误差, 将误差控制在可以接受的范围。以上两种方法都是基于等照度进行设计的, 对于观察者而言观察面上各点的反射系数差异很大, 如道路照明中便有CJJ45-2015城市道路照明设计标准[10]中给出相对于观察者不同位置处的亮度系数, 实践已经证明等照度配光在被照面会产生严重的斑马纹, 是照明中需要避免的。此时等照度照明已经不再适用, 等亮度照明能够很好地解决这一问题。设计者可根据标准中的简化系数表计算出各点所需光强, 继而根据光强分布进行透镜设计, 使得照明面各点亮度一致。文中首次提出根据光强分布进行LED二次光学透镜的方法, 该方法从光通量及光强的关系出发, 严格遵从能量守恒, 将灯珠出射某一立体角内的光通量与经透镜折射后的另一立体角对应, 将LED灯珠近乎所有光线折射于照明面, 充分利用了光源的光能量。再根据给定的配光要求设计出了旋转对称的蝙蝠翼配光透镜, 所得结果与目标值在极小的误差范围内一致, 充分说明根据光强分布进行透镜设计方法的可靠性与精确性。研究结果对于LED光源的二次光学设计有参考意义, 能够大幅度提升二次光学设计的效率, 有助于进一步推进LED在各领域的普及。

1 理论分析

1.1 能量守恒

为便于表述, 先确定坐标系, 采用球坐标系, 如图1所示, 其中ρ为空间一点A到原点的距离, φ为OA与y轴夹角, θ为OA在xz平面的投影与z轴的夹角。

令LED光源位于原点位置, 最大光强为I0, 则出射光强空间分布为:

不计任何损耗, 经透镜折射后出射的光通量与光源出射的光通量应等值, 表示为:

式中:

Ω——为光线从光源出射所对应的立体角;

Ω'——为光线经透镜折射后所对应的立体角;

γ——为经透镜折射的出射光线与z轴的夹角;

I (γ) ——为光强与的函数, 如图2所示。

对立体角微分得:

公式 (2) 的微分形式可写为:

现只分析xz平面, 等式两边均为与φ无关的量, 整理后得到:

将上式离散化得:

依据此式定义γ1即可求出γ2, 依次类推可得到离散化后的所有值。由于透镜与照明面距离远大于透镜尺寸, 可近似把目标照明面上的点与透镜外表面出射点的连线视作目标照明面上的点与原点的连线, 从而可由几何关系得到出射光线与z轴夹角为γi的光线与目标照明点Txi的关系:

1.2 折射定律

折射定律向量表达式为:

式中:

——曲面法向量;

——光线入射透镜的入射向量;

——光线经透镜折射后的出射向量;

n——为透镜折射率。

根据以上步骤确定了从光源出射与z轴成θi的光线经透镜折射后要入射到照明面Txi点上, 现只需结合几何折射定律确定各条光线经透镜折射的出射点也就是透镜外曲面上点的位置即可。采用迭代算法:

(1) 将θ离散化为θ1, θ2, …, θi;

(2) 根据公式 (6) 、 (7) 依次计算出Tx1, Tx2, …, Txi;

(3) 令透镜外曲面上点的位置为 (x1, z1) , (x2, z2) …, (xi, zi) 求出光线入射透镜外曲面的向量及光线经透镜折射后的出射向量;

(4) 根据公式 (8) 求出1, 2, …, i;

(5) 步骤 (4) 中求出的法向量为曲面的法向量, 若两点之间间隔足够小, 可将该两点的连线视为曲面的切向量, 又知曲面切向量与法向量垂直, 从而可依次求出曲面上各点坐标 (x1, z1) , (x2, z2) , …, (xi, zi) 。

2 设计

假定所要得到的光强分布为旋转对称, 具体分布如图3所示。

对此配光进行数据读取, 并根据所得坐标点进行函数拟合, 可将光强分布拟合为的函数, 如下所示:

目标光强分布为旋转对称的, 采用1.2节中步骤 (1) 至 (5) 可以得出一条曲线, 将曲线导入Solid Works软件中进行建模, 在透镜底部挖掉一个半球以便嵌入灯珠, 得到透镜外形如图4所示。

3 验证

将透镜导入Trace Pro中进行光线追迹, 在原点处设置一个朗伯型点光源, 追迹光线100万条, 得到的配光如图5所示, 与图3中光强分布几乎一致, 可见计算的精确性。图6为距离光源10 m处接收面的照度图, 有90%以上的能量都被接收到, 证明透镜对光线的控制很精确, 充分利用了光源能量。

4 案例分析

根据上述设计方法, 设计一款LED透镜, 应用于LED灯具上。图7为90P透镜, 图8为采用90P透镜的LED路灯, 功率为130W。采用DIALux软件进行模拟, 双向四车道, 双侧对称排列, 模拟结果如图9所示, 图10为伪色显示图。从图9可知, 观察器1至观察器4的平均亮度基本相同, U0、Ul值基本相同, 实现等亮度照明。

5 结论

文中首次提出根据光强分布进行LED二次光学设计的理论, 从能量守恒出发, 围绕光通量与光强的关系进行探究, 得到了根据光强分布即可逆向推算出透镜的方法。用一实例证明了该方法不仅简单直观, 而且精确可靠, 为LED二次光学透镜提出了一种全新的设计方法, 随着LED在各个领域的普及, 这种简单精确的设计理论也将有广阔的应用空间。

参考文献

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[6]丁毅, 自由曲面光学器件的设计及其在照明系统中的应用[D].杭州:浙江大学, 2009:22-37.

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[8]罗元, 毛建伟.一种利用自由曲面透镜的LED路灯设计与研究[J].光学仪器, 2012, 34 (2) :72-75.

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智能单缝衍射光强测试仪的研制 篇8

关键词：单缝衍射:光强测试,单片机

0 引言

单缝衍射实验是大学物理中光学方面重要的实验之一,根据单缝衍射条纹计算单缝宽度是实验的一个重要应用。现在实验室中所用的测量仪器为数字检流计,实验中是利用光电探头检测光强分布,并将各个位置的光强数据转换为不同大小的电流显示在数字检流计上,人工转动手轮每隔0.5mm记录一次数据,需要记录大量数据,然后经过计算和画图得出单缝衍射图像。笔者设计制造了智能单缝衍射光强测试仪,利用单片机控制电机模块、光强检测芯片、显示模块和数据传输模块,然后由MATLAB自动绘图和计算数据,简洁明了,误差大大减小。

1 仪器设计

1.1 仪器硬件设计

本设计采用STC89C52,LCD1602,BH1750和ULN2003电机驱动模块构成。BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路,利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。将BH1750FVI芯片固定在螺杆上,由STC89C52控制ULN2003电机转动,电机的转动带动螺杆的转动,从而使光强检测芯片BH1750FVI匀速移动。芯片记录单缝衍射条纹不同位置的光强大小,在LCD液晶显示屏上显示,并且将数据实时传输给电脑,在MATLAB界面实时绘图,最后根据光强分布图像,自动计算出单缝缝宽。

1.2 仪器软件设计

利用C语言程序编写程序,以单片机为核心,将各个模块连接起来,并用串口通信将测得光强数据传输给计算机,利用VB制作的绘图软件实时绘出数据曲线。系统上电后默认进入光强检测模式,可以根据需要通过按键进行不同功能的选择。

2 仪器的应用与效果展示

该仪器可应用于关于光学学习的各个方面,比如大学光学实验中光强测试部分、光学相关课程课堂实验演示、微小物体的直径测量等,本仪器相对现有的测试仪器更加自动化并且误差更小。

实验数据对比:

其他仪器:

笔者作品

由图可知,实验室原有的仪器误差接近30%,笔者作品的仪器误差仅为8%,因此该仪器更加自动化和实用性强。

3 结束语

智能光强检测仪有自动化和精度高的优点,在实验和测量方面有广泛应用,对学生对衍射的理解更加深刻和形象。

参考文献

[1]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2009.

[2]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京:高等教育出版社,2006.

光强检测 篇9

半导体激光器具有体积小、寿命长、重量轻、结构简单、功率转换效率高和稳定性好等优点,在激光通信、光电检测和印刷制版等领域有着广泛的应用。自从大功率激光器,特别是连续大功率蓝光、橙光激光器研制成功后[1,2],由于其节能环保、亮度高等优势,激光进入日常照明领域的前景也一片光明。

激光应用于日常的照明领域时,首先要将纯色激光转变为白光激光。目前实现白光激光的办法有3种:一种是将红色、橙色、绿色和蓝色等多种颜色的激光经过镀有特殊薄膜的棱镜进行合束,然后经过衍射结构,使得各激光波长在空间中充分混合,实现白光激光照明;另一种办法是用高功率蓝光激光打在透明介质上,使透明介质被电离,激光束的自聚焦和等离子体的散焦作用同时存在,产生一些非线性现象[3],使得激光光谱得以很大程度地展宽,并且经过橙黄滤光结构,橙黄光混合剩余的蓝光得到白光激光出射;第3种方法是将红色、橙色、绿色和蓝色等多种颜色的激光分别耦合到一根光纤内,多种波长的激光在光纤中充分混合后,得到白色激光输出。在这3种实现白光激光的方案中,第1种方案是利用激光衍射来进行各激光波长混合,照明空间不容易控制,能量的有效利用需要更多机构的参与,较难推广;第2种方案利用的介质处于电离状态,并且强激光经过橙黄色滤光材料,状态不稳定。这两种方案所需的光机结构都非常复杂,精密度要求高,不容易加工装配实现。第3种方案利用光纤合束法将不同波长、光斑各异的激光束耦合到同一根光纤内,原理与技术相对成熟,其关键技术是如何让各种模式的激光在光纤内充分混合。

本文通过计算机光学软件OptiBPM模拟仿真得到,对于任何多模激光光束,只要其水平宽度与耦合光纤的纤芯直径保持一致,激光运行50mm以上的长度后,各模式激光光强在光纤内将得到最均匀的分布。也就是说,各种波长的激光在光纤内将充分混合,在光纤的出射端会得到光强分布均匀的白光激光。

1 多波长激光的光纤合束理论

光纤合束就是将多束激光通过光纤耦合技术导入到同一根光纤内,从而形成一条光束。如图1所示,左侧为4个不同波长的半导体激光器,分别将各波长激光耦合进各自对接的光纤,然后将这4根光纤通过合束器,将光线导入到同一根光纤中。这样各波长激光束在同一根光纤内反复全反射混合传输,预期混合的白色激光将从光纤右侧的端口出射。

本文讨论及仿真的光纤是二层均匀光纤,激光在光纤中无损传输是因为激光在纤芯内以全反射的方式传输。在光纤内传输的模式遵从光纤传输的特征方程[4]:

式中,J、K均为Bessell函数;U2=(k02n12-β2)a2,W2=(β2-k02n22)a2,a为纤芯的半径,n1为光纤纤芯折射率,n2为光纤包层折射率,k0为真空中单位长度的波数,β为相移常数。根据不同的参数组合,可以得出相应可传输的光束模式。

半导体激光器的激射模式可以是基模,也可以是多模,但不管是基模还是多模,其激光光强的空间分布都极不均匀,示意图如图2所示。图中,横轴为距离尺寸,为激光器水平方向的宽度;纵轴为光场强度。由于光强分布不均匀,导致不同波长的光线在空间直接混合成均匀的白色变得非常困难,因此很难应用到日常照明领域中。

将这样的激光耦合进光纤中,光束中心的光线将慢慢扩散到纤芯的边缘,而原来边缘的光线将全反射到纤芯的中心,原来极不均匀的光强分布将会发生一些变化。如果光束光斑的对称性与光纤的对称性不一致,那么在反复全反射传输的过程中,原来不同角度、不同方位的光线所形成的光束包络将逐渐分离,同时还会慢慢形成新的光束包络。光线在光纤内传输距离足够长之后,必将慢慢呈现光纤传输模式的特点,在光纤横截面上将得到满足光纤边界条件的光强分布。

如果半导体激光器的激射模式函数用M1来表示,光纤传输函数用M2来表示,那么光线经光纤传输后的模式函数M3可以表示为

式中,M2是根据式(1)和式(2)计算得到的光纤约束光线的传输函数。式(3)的参数多,相互关联复杂,想通过公式推导的方式来确定输入激光光束和光纤的NA(数值孔径)等参数的要求,从而获取均匀光强输出的办法几乎行不通。本文采用数值计算的方法,运用光学软件OptiBPM来仿真不同形状的光束在不同口径的光纤中的传输,并对比分析各种仿真结果,从而确定光束以及光纤的优化参数。

2 OptiBPM仿真及结果分析

2.1 优化输入激光束

大功率半导体激光器的水平宽度都很大,可达到几十、一百甚至几百微米,考虑到目前成熟的商用产品一般为100!m,所以本文仿真用的激光近场光斑最大选为100!m。半导体激光器为基模激射,并且波形矫正成中心对称的高斯光束耦合进光纤。光纤直径为100!m,入射光斑半径r分别为50、30和15!m。通过光学软件OptiBPM数值计算公式(3),观察激光束在光纤内的光强分布,仿真的光纤长度为20 mm。所用光纤的纤芯折射率为1.46,NA为0.22。仿真结果如图3所示。可以看出,图(a)中光强分布基本保持入射光斑的光强分布;图(b)中纤芯边缘和中心的光强呈周期性变化;图(c)的规律与图(b)一样,且周期性得到了加强。也就是说,如果入射光斑与光纤的对称性一样是圆对称,那么无论如何调整入射光斑的大小,或者改变纤芯直径的大小,都无法得到均匀的光线输出。

当入射光束水平方向光斑半径维持为50!m,而垂直方向的半径分别收缩到10和5!m时,光纤内的光强分布分别如图4和图5所示。

从图中可以看出,入射光斑的水平方向半径维持50!m,垂直方向压缩到10!m时,光线有所分离,但是聚集性还很明显;而压缩到5!m时,原来的光线才能得到有效地分散,光纤横截面的各个模式分布均匀,高度基本一致。有理由相信,光斑垂直方向进一步压缩时,光纤中的光强分布将更加均匀。但是考虑到垂直方向的准直只用一根光纤或者是圆柱镜子,光斑压缩到半径为5!m的尺寸是合理的。

当半导体激光器不以基模激射,而是以多横模激射时,入射光束的不对称性与单模激光对比将得到加强,那么光纤内的光强分布将会更加均匀。图6所示为水平方向为5个横模叠加,总宽度为100!m,垂直方向为10!m的激光光束入射的情况。由图可见,无论是传输方向还是横截面上的光强分布,都比图5单模激射时要均匀。

2.2 优化光纤的口径

半导体激光束垂直方向角度较大,需要用光纤或细微圆柱镜子准直,而水平方向光束发散角度不大,到光纤耦合端,光斑也就扩散1~2!m,因此如果激光器水平方向出光口径为100!m,则100!m直径的光纤可以将绝大部分光线截获。图7所示为相应的仿真结果。这里仍然使用上面确定的100!m宽、10!m高的多模光束来进行仿真,光纤的直径分别变为120、150和180!m。

从图中可以看出,光线进入光纤后得到了充分扩散,纤芯边缘和中心都充满了光线。同时还可以看出,随着纤芯直径的增大,Y方向两侧的模式的峰值越来越突出,说明光强分布的均匀度在下降,其原因是随着纤芯直径的增大,入射光束与光纤的对称不一致性在降低。

结合图6和图7的光纤横截面上光强分布可以得出如下结论:光纤直径与耦合光束水平宽度保持一致时,光纤出射端可获得最均匀的光强分布。

以上仿真及结果分析表明,水平宽度为100!m的大功率多横模的蓝色、橙色半导体激光,垂直方向的光斑半径都压缩到5!m以下,分别耦合进入光纤,然后将它们合束,在同一根直径为100!m的光纤内混合传输。通过调整蓝光与橙光的功率比例,在光纤出射端可以得到光强分布均匀的白光激光。为了提高白光激光照明的显色性,在光纤中还可以加入绿光激光和红光激光,它们的光束大小同样要求为100!m"10!m。

3 结束语

本文仿真分析了激光在多模光纤中的传输,光强分布的仿真结果表明,光束与光纤对称关系的不一致性是光纤横截面上获得均匀光强分布的关键因素。如果把大功率多横模的蓝光、橙光、绿光和红光激光通过光纤合束的办法耦合进同一根光纤内,其中垂直方向的光束尺寸尽可能压缩,纤芯的直径与激光器的水平宽度保持一致,激光在纤芯内将得到充分混合,可以得到光强分布均匀的白色激光。使用该方法生成的光强分布均匀的激光,具有结构简单、稳定好等优点。

参考文献

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光强检测 篇10

羊栖菜(Hizikia fusiforme)是一种大型经济褐藻,在中国近海潮间带广泛分布。由于具有较高的营养和药用价值[16],人们对其的过度采集已造成当前羊栖菜自然资源的严重锐减。近年来国内学者对羊栖菜的人工繁育进行了初步的研究并取得一定的进展[17,18],其人工繁育和栽培在浙江近海形成了一定的规模,这使羊栖菜成为近海富营养化海水修复的潜在品种。文章以羊栖菜为研究材料,在实验室可控条件下探讨温度、光照和营养史等环境因子对其无机磷吸收的影响,试图为其在海水富营养化生物修复功能中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

野生羊栖菜采自汕头南澳岛潮间带,采集时选择健康一致、体长5 cm左右的孢子体,放于4 ℃保温箱3 h内运到实验室,暂养在经高压灭菌的自然海水中备用。暂养海水pH为8.2,盐度为33,无机氮浓度为10 μmol·L-1,无机磷浓度为0.5 μmol·L-1。培养温度为20 ℃,光照强度为10 000 lx,光照周期为亮(L)∶暗(D)=12∶12,24 h充气。

1.2 不同培养条件的设置

1.2.1 不同温度条件的设置

光照控温培养箱设置10 ℃、20 ℃和30 ℃ 3个温度梯度,不同温度下培养光照强度(photons)均为10 000 lx,培养密度(湿质量,FW)为10 g·L-1,培养海水(2 L)初始N浓度为200 μmol·L-1,初始P浓度为31 μmol·L-1。初始N、P浓度分别通过向自然海水中添加硝酸钠(NaNO3)和磷酸二氢钠(NaH2PO4)获得。

1.2.2 不同光照强度条件的设置

光照控温培养箱设置0、1 500 lx和6 500 lx 3个光照强度梯度,不同光强下温度均为20 ℃,培养密度(FW)为10 g·L-1,培养海水(2 L)初始N浓度为200 μmol·L-1,初始P浓度为31 μmol·L-1。初始N、P浓度分别通过向自然海水添加NaNO3和NaH2PO4 获得。

1.2.3 不同营养史的获得

1)F/2加富人工海水的配制。

首先在蒸馏水中溶解氯化钠(NaCl)450 mmol·L-1、氯化钾(KCl)10 mmol·L-1、氯化钙(CaCl2)10 mmol·L-1、硫酸镁(MgSO4)30 mmol·L-1、碳酸氢钠(NaHCO3)2.2 mmol·L-1,获得人工海水[19],然后参照BOROWITZKA[20]的方法进行F/2配方营养加富,其中不添加N和P,使培养水体中不缺乏其他营养元素而保证N和P浓度为零。

2)不同P营养史的获得。

健康一致的羊栖菜孢子体于0、5 μmol·L-1或50 μmol·L-13种P浓度条件下分别适应培养96 h,获得具有不同P营养史的试验材料。培养温度为20 ℃,光照强度为10 000 lx,光照周期为L∶D=12∶12,N浓度为200 μmol·L-1。培养密度(FW)为 10 g·L-1,不间断充气,每24 h分别更换培养海水。培养海水使用如1)配制的人工海水,通过添加NaH2PO4 获得不同的P浓度。

3)不同N营养史的获得。

孢子体于0、10 μmol·L-1或200 μmol·L-13种N浓度条件下分别适应培养96 h,获得具有不同N营养史的试验材料。培养温度为20 ℃,光照强度为10 000 lx,光照周期为L∶D=12∶12,P浓度为50 μmol · L-1。培养密度(FW)为10 g·L-1,不间断充气,每24 h分别更换培养海水。培养海水使用如1)配制的人工海水,通过添加NaNO3 获得不同的N浓度。

4)培养后P吸收的测定。

具有不同营养史的孢子体材料,转入相同的培养条件的2 L培养海水中分别测定其P吸收情况。培养条件为温度20 ℃,光照强度10 000 lx,培养密度(FW)为10 g·L-1,培养海水初始N浓度为200 μmol·L-1,初始P浓度为31 μmol·L-1。

1.3 P吸收速率的测定

不同温度、光照强度或营养史条件下培养的羊栖菜,分别于第0小时、第0.5小时、第1小时、第2小时、第4小时、第6小时和第9小时测定培养海水中的P浓度,以P浓度的变化来表示羊栖菜对P的吸收情况。吸收速率计算公式为:

吸收速率 = (N0-Nt)×V×(t×W0)-1

其中,N0为初始培养海水中的P浓度,Nt为测量结束时的P浓度(μmol·L-1),V为培养海水的体积(L),W0为初始时藻体的湿质量(FW,g),t为试验时间(h),吸收速率(FW)的单位为μmol·(h·g)-1。培养海水中P浓度的测定采用磷钼蓝分光光度法[21]。

1.4 数据处理和统计分析

所有测定结果表示为平均数±标准差undefined)(n=4),用单因子方差分析(One-way ANOVA)和t检验进行差异显著性分析,以P<0.05作为差异的显著性水平。

2 结果

2.1 不同温度下羊栖菜对P的吸收

不同温度培养下羊栖菜培养海水中P浓度随时间变化情况见图1-a。培养液中P浓度随时间逐渐下降,20 ℃时下降最快,10 ℃最慢,说明羊栖菜对P的吸收速率在20 ℃时达到最大,在10 ℃时最小。9 h内羊栖菜对P的平均吸收速率在不同温度条件之间存在显著性差异(P<0.001),吸收速率(FW)分别为10 ℃时(0.105±0.001) μmol·(h·g)-1;20 ℃时 (0.197±0.005) μmol·(h·g)-1;30 ℃时(0.169±0.001) μmol·(h·g)-1。

2.2 不同光照强度下羊栖菜对P的吸收

不同光照强度条件下羊栖菜培养海水中P浓度的变化情况见图1-b。随着光照强度的增加,P浓度的下降速度与程度都明显增加,说明羊栖菜对P的吸收速率随着光强升高而显著增大(P<0.001),9 h内各光强下羊栖菜对P的平均吸收速率为无光照(0)时(0.148±0.002) μmol·(h·g)-1;1 500 lx时(0.197±0.005) μmol·(h·g)-1;6 500 lx时(0.241±0.010) μmol·(h·g)-1。

2.3 不同营养史的羊栖菜对P的吸收

具有不同P营养史的羊栖菜,在相同培养条件下藻体对于P的吸收速率呈现出显著的差异(P<0.05),其培养海水中P浓度的变化见图2-a。不同营养史的羊栖菜对P的吸收速率的特点为营养史中培养海水P浓度越高,其吸收速率则越低,9 h内平均吸收速率分别为无磷(0)营养史的藻体P吸收速率为(0.173±0.001) μmol·(h·g)-1;5 μmol·L-1营养史的藻体P吸收速率为(0.160±0.001) μmol·(h·g)-1;50 μmol·L-1营养史的藻体P吸收速率为(0.144±0.000) μmol·(h·g)-1。

具有不同N营养史的羊栖菜,在相同培养条件下其培养海水中P浓度的变化见图2-b。高氮(200 μmol·L-1)营养史藻体的P浓度随时间下降显著,而低氮(10 μmol·L-1)和无氮(0)营养史的藻体培养海水中P浓度随时间变化不明显,并且两者在9 h内对P的平均吸收速率之间无显著性差异(P>0.1)。无氮(0)、低氮(10 μmol·L-1)和高氮(200 μmol·L-1)3种N营养史的藻体9 h内对P的平均吸收速率分别为 (0.072±0.003) μmol·(h·g)-1、(0.068±0.004) μmol·(h·g)-1 和(1.155±

0.007) μmol·(h·g)-1。

3 讨论

P是大型海藻生长的必需元素,海藻对P的吸收为主动吸收[22],一般情况下其吸收特点符合典型的酶促反应动力学曲线特征[15,22]。P的吸收代谢与细胞的核酸合成、膜结构组装、识别调节蛋白和酶活性等生化过程密切相关[11],与海藻的生长以及光合作用紧密联系[23,24],因此,影响海藻生长和光合作用的环境因子也必将影响海藻对P的吸收代谢过程。

PEDERSEN等[25]研究了温度对几种紫菜(Porphyra)营养盐吸收速率的影响,结果表明,在P供应充足的条件下海藻对P的吸收速率随温度的升高而加快,温度每升高10 ℃吸收速率就增为2倍,即温度系数Q10=2。笔者研究中温度从10 ℃升到20 ℃时羊栖菜对P的吸收速率从(0.105±0.001) μmol·(h·g)-1升高到(0.197±0.005) μmol·(h·g)-1,Q10约为1.88,这与PEDERSEN等[25]的研究结果相似。其原因可能是由于在较高的温度下P主动吸收需要的各种酶的活性增强,同时随温度而加快的呼吸作用也能为其提供充足的能力,因此能够保持藻体较快的P吸收速率。但当温度为30 ℃时羊栖菜对P的吸收反而出现了一定程度的降低[(0.169±0.001) μmol·(h·g)-1],这可能是高温对P吸收作用相关酶的活性产生了影响。许忠能等[7]早在2002年在对细基江蓠(Gracilaria tenuistipitata)的研究中就发现温度的升高没有使藻体对P的吸收增强,而徐智广等[15]对龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)P吸收的研究结果显示,在不同的底物浓度下温度对P吸收特性各个参数的影响也存在差别。温度变化对P吸收影响的差异,除了与不同的海藻种类相关外,很可能受到不同条件下海藻其他生理活动的影响,如光合作用、N的代谢等[23]。

光照对营养盐吸收代谢的影响一般通过光合作用的变化实现。光合作用可以为P吸收提供代谢和相关酶合成所需的碳骨架,保证主动运输过程所需的能量供应[22],因此,光照强度的变化与P吸收具有一定的相关性。有研究表明,在一定条件下光照强度与海藻的P吸收速率呈近似的直角双曲线关系[26]。笔者研究证实,随着光照强度的增强,羊栖菜对P的吸收速率逐渐增强,而此前在对龙须菜的研究中却发现当光强较高(10 000 lx)时,海藻对P的吸收受到抑制[15]。羊栖菜与龙须菜P吸收对于光照强度的不同响应,可能是因为红藻特有的天线色素的高效捕光能力使龙须菜更能适应低光生活,而较高光照强度反而容易引起光抑制,对藻体的生理产生不利的影响。从此研究结果可以看出,羊栖菜更能有效抵制高光带来的光抑制等不利影响,从而可以为P吸收提供更多的能量和碳骨架。此试验结果也和羊栖菜分布于潮间带的中潮位,龙须菜分布于潮间带的低潮位,适应不同的光照强度的自然现象相一致。

大型海藻对P的吸收不仅与光合作用联系紧密,同时也与海藻本身的N、P营养史密切相关。LUNDBERG等[27]通过核磁共振的方法研究了绿藻石莼(Ulva lactuca)对N和P的吸收利用关系,结果显示当硝氮的供应增加时,藻体内的多聚磷酸盐含量反而降低,海藻对P的吸收也受到抑制。这一现象的原因可能是硝氮的代谢争夺光合作用供应的能量和碳骨架,从而抑制多聚磷酸盐的合成,最终反馈抑制P的吸收。而李再亮等[28]对羊栖菜的研究表明,P吸收速率与N/P比密切相关,在特定的N/P比下达到最大。笔者研究中高浓度的硝氮刺激了羊栖菜对P的吸收,与LUNDBERG等[27]的结果不同,而与李再亮等[28]的研究结果相似。这一结果也符合大型海藻生长对N、P按一定比例需求的规律[29]。另外,海藻对P的吸收与细胞内磷库的含量呈典型的负相关关系,这在很多微藻的研究中已经得到了证实[30]。笔者研究中也发现了类似的结论:羊栖菜对P的吸收速率与营养史中P的培养浓度刚好呈相反的趋势(图2-a)。而HURD和DRING[31]对5种墨角藻(Fucus)P吸收动力学的研究表明,在开始的30 min内有一个快吸收,随后的30 min内几乎不吸收,然后维持稳定的中等吸收速率。这种吸收速率随时间变化的原因可能是藻体细胞内的营养库导致,开始的快吸收(10~60 min)用于充盈细胞内的磷库,随后吸收速率下降则是胞内磷库反馈调节的结果,最后的稳定速率则说明在保持一定磷库含量的情况下磷的吸收与同化速率达到了平衡[32]。