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关键词： 三维波动方程初至层析   单频走时敏感度核函数   单频梯度   随机边界条件   广义Rytov近似  

摘要： 地震波走时层析是主要的近地表速度建模技术.对于变速模型,尤其是复杂近地表模型,波动方程能够更加精确地描述地震波的一阶绕射效应,理论上反演精度高于射线(束)类层析.然而,波动方程的数值求解的计算量较射线理论增加了几个数量级,严重制约了波动方程走时层析技术的三维实用化.为解决波动方程走时层析中遇到的计算和存储问题,本文通过引入随机边界条件以及离散Fourier积分,提出了基于单频梯度反演策略的实用化三维波动方程初至层析方法.本文方法的优势在于:在计算和存储方面,相比于基于波场重构算法(需要三次波传播)的梯度计算策略,本文提出的单频梯度计算方法对内存需求极低(相对于波动方程正演,仅需要增加两个单频波场以及一个成像体),且计算量至少减少1/3(仅需要两次波传播且无需处理数值吸收边界).此外,随机边界的引入使得正演算法大幅简化因而更适用于GPU(Graphics Processing Unit,图形处理器)加速.在理论层面,由于影响地震波一阶散射效应的主要区域集中在连接炮检的中心射线邻域的第一菲涅尔带内,随机边界条件的引入降低了随机边界内产生的散射波的空间相关性,使得第一菲涅尔带内的单频梯度相干加强;同时,地震观测系统的多次覆盖特性有助于第一菲涅尔带外的高波数振荡相互干涉.数值实验表明,光滑处理后的单频梯度仍然保留了非常可观的低波数成分,有助于实现背景速度反演.此外,三维复杂模型反演结果验证了本文方法能够较为准确地反演近地表速度结构.相对于传统的波动方程走时层析实现方案,本文方法在显著降低内存需求的同时进一步提高了计算效率,有望将波动方程初至层析技术推向三维实用化.

关键词： 聚焦纹影   数值计算   光栅   菲涅耳光源   流场显示  

摘要： 聚焦纹影系统能对垂直于光轴的特定平面内的流场细节进行显示,避免了视场范围内其余非均匀流场对背景成像的干扰。为实现对收缩喷管出口超声速流场的观测,设计并搭建了小型聚焦纹影实验台和超声速流动实验台。超声速流动实验台由2组收缩喷管组成,相距15 cm,垂直摆放,利用高压气源供气,使喷管出口继续膨胀产生超声速气流。首次利用CAD设计胶片上格栅间距尺寸,验证了在胶片纸上进行源光栅、刀口栅改造的正确性。综合考虑超声速流动区域的大小,选取了锐利聚焦深度和非锐利聚焦深度等设计指标。完成了对小型超声速流动实验台流场的拍摄,获得了其流场结构图。通过对比聚焦纹影、计算流体力学(CFD)仿真和传统纹影的流场图,说明此聚焦纹影实验台原理正确,可以达到预期的显示效果。同时,针对聚焦纹影系统高速流场的显示,提出合理的建议。

关键词： 新工科   大学物理   Python   创新性  

摘要： 新工科建设是高等教育提出的一项工科人才培养的重要战略举措,作为工科专业的基础课程——大学物理对培养工科人才的作用尤其重要,如何在有限的学时内提升大学物理的教学有效性,则需要对教学的内容及教学方法进行改革.以Python语言作为切入点,通过分析目前工科大学物理的教学现状,结合一线教学实践,提出了Python语言与大学物理的融合,给出了提升工科学生创新性的策略和途径.

关键词： 超声声强   声光效应   半导体激光器  

摘要： 为将半导体激光器用于构建声光效应及声速声强测量教学实验装置,推导了超声光栅远场衍射光场分布,给出了超声光栅相位调制系数分别与声强和各级衍射光强度的关系,总结了从衍射光场图像提取声强值的数据处理方法.通过建立交替使用氦氖激光器或半导体激光器的实验系统,进行了液体中超声声强测量的比较实验,验证了半导体激光器作为光源实现声光衍射法超声声强测量的可行性.

关键词： 高血压脑出血   磁共振弥散张量成像   3D打印   皮质脊髓束  

摘要： 目的 探讨基于磁共振弥散张量成像(DTI)技术所设计的3D打印穿刺导板在高血压脑出血(HICH)微创治疗中的价值。方法 对徐州市中心医院神经外科2020年1月—2022年2月收治的24例HICH患者,运用术前颅脑薄层CT数据,通过计算机3D-Slicer软件分别重建大脑皮层、血肿等结构,按照血肿形状及位置设计穿刺导板。再融合DTI数据,三维可视化脑白质纤维束,验证所设计导板穿刺通道是否避开皮质脊髓束(CST),并根据其纤维束走形进一步调整穿刺路径。结果 所设计24例导板,9例(37.50%)术前模拟中可见导管切入CST,调整后使其避开。术前计算机导板设计时间(15.44±3.21)min,导板打印时间(2.56±0.45)h,手术时间(39.67±7.85)min。术后复查CT,置管位置均符合术前规划,术区未见新增出血。术后第3天血肿清除率(87.46±6.56)%。患者出院后随访3个月,行日常生活能力(ADL)评分示日常生活能力恢复情况总体优良率91.66%。结论 单纯依照传统CT扫描所设计的3D穿刺导板损伤纤维束几率高(37.50%),基于DTI纤维束示踪技术所设计的3D穿刺导板可以更好地避开CST神经纤维,为患者提供更精准、微创的治疗,且其临床疗效显著,具有一定的临床价值。

关键词： 环形激光器   全反射棱镜   模式选择   光阑  

摘要： 根据全反射棱镜式环形激光器(TRPRL)的矩阵光学理论和环形He-Ne激光器内环形激光的工作理论,研究了TRPRL的激光模式选择技术方法,可令环形激光器内的顺时针和逆时针两个方向上的激光工作在单谱线、单横模、单纵模的状态,从而在环形激光器内形成稳定的驻波,输出到光电探测器上稳定的干涉条纹信号波形。采用缩短TRPRL的毛细管直径方法,可抑制3.39μm谱线;由于TRPRL的特殊的环形激光器结构,采用分立式特殊结构设计的选频光阑,选频光阑可以放到环形激光器的光路任意位置处,而多个选频光阑即可有效抑制1.15μm的谱线;根据不同波长激光腰斑半径的不同,在光腰处采用特制的椭圆小孔光阑,抑制0.63μm激光的高阶横模。对于TRPRL在全反射棱镜式激光陀螺(TRPLG)中的应用具有重要意义。

关键词： 变化检测   视网膜眼底图像序列   张量鲁棒主成分分析   Tucker分解  

摘要： 在计算机辅助诊断系统中,视网膜眼底图像序列的变化检测是一项重要且具有挑战性的任务。针对视网膜眼底图像序列采样帧少、光照干扰大、难以获得稳健的背景模型,提出了一种基于张量鲁棒主成分分析(tensor robust principal component analysis,TRPCA)的变化检测方法。该方法以TRPCA为模型,通过对序列背景扩充,再利用张量分解而获得变化区域:首先,先选择出序列中最接近正常状态的一张图像作为背景模型;然后,通过预处理将单帧背景模型扩张成多帧背景使得背景模型包含更丰富的光照变化;接着,将整个序列建模为一个3维张量体;最后,利用总变分约束背景模型和变化区域的时空连续性,通过Tucker分解分离出背景模型,获得变化区域。实验结果表明,与基于矩阵的鲁棒主成分分析(matrix robust principal component analysis,Matrix RPCA)方法,Masked-RPCA方法以及不加总变分约束的TRPCA方法相比,基于总变分约束的TRPCA方法能够更准确地分离出变化区域,对血管和光照干扰更具有鲁棒性。

关键词： 凸透镜成像规律   光的色散   初中物理教学   光的折射   光的直线传播   反射定律   不可见光   平面镜成像  

摘要： 在初中物理教学内容中,光学内容是一个教学重点,也是中考中的一个热点.具体的考点有:光现象基本知识,包括光源、光的色散、色光的混合、不可见光和光的直线传播等;光的反射定律和应用、光的折射规律和应用、视力的缺陷及矫正,以及一些相关的实验探究.其中光学的基本实验以平面镜成像特点、凸透镜成像规律的探究、反射定律和折射特点的探究为主。

关键词： MG-Y激光器   激光器控制系统   正交试验   波长校准   自适应   高稳定度  

摘要： 针对半导体激光器在实际应用中波长、功率稳定性较差以及控制系统复杂等问题,设计了一套高稳定度调制光栅Y分支型激光器控制系统。该系统利用模糊比例-积分-微分控制算法稳定功率,并通过两次正交试验优化算法参数,减小功率超调量,同时提出电流自适应补偿的波长校准算法,提升不同功率下的波长稳定性,解决电流内环反馈时引起的波长和功率交叉影响问题。结果表明,仿真优化后的激光器功率超调量从1.528%降低至0.014%,系统调整次数由21减小至17;测试调制光栅Y分支型激光器60 min内的功率漂移量仅为0.0044 mW,稳定度达到0.0604%,波长漂移量为1.9 pm,稳定度达到1.22×10^(−6)。经校准,激光器的半导体光放大器电流在28~78 mA范围内,波长变化量从23.4 pm减小至2.6 pm。

关键词： 集成扫描光栅微镜   MOEMS   微型近红外光谱仪   光谱分辨率   C-T光学结构  

摘要： 近红外光谱分析技术在航空航天、生物医药、环境检测、食品安全等众多领域均有广泛应用。高性能、微型化、低成本近红外光谱仪是制约基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备发展的主要瓶颈,是当前光谱仪发展的主要研究方向。提出了一种基于微光机电系统(Micro-optical electro-mechanical system,MOEMS)集成扫描光栅微镜和改进型非对称式切尼-特纳(Czerny-Turner,C-T)光学结构的微型近红外光谱仪系统结构,分析了光谱仪系统和集成扫描光栅微镜的工作原理,基于光栅相关参数和光谱仪性能指标要求确定了集成扫描光栅微镜最大扫描角度。分析了改进型非对称式C-T初始光学结构像差,基于ZEMAX光学设计平台完成了光谱仪光学系统的仿真和优化设计,确定了系统关键参数。仿真分析了平凸柱面透镜对改进型非对称式C-T光学结构系统分辨率、检测灵敏度等性能参数的影响。基于仿真优化结果,完成了微型近红外光谱仪机械结构设计、加工与装调,搭建实验平台完成了光谱仪相关性能参数测试。结果表明,设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪,采用重庆大学自主研发的谐振频率为677.1 Hz的MOEMS集成扫描光栅微镜来实现同步扫描和分光,0.8 ms时间内即可完成一次波长范围800~1800 nm的光谱测量,光谱准确性与国外品牌光谱仪比较无明显差异,光谱整体分辨率半峰全宽(FWHM)≤11 nm,波长稳定性≤±1 nm;基于平凸柱面透镜的光学结构设计可将探测输出光强值提高15%以上,可有效提高光谱测量的灵敏度;同时,经过平凸透镜二次聚焦后的光斑尺寸更小,可选用感光面积小、截至频率大的单管探测器实现光谱探测,可降低系统成本、抑制外部光噪声,满足扫描频率较高的扫描光栅式光谱仪的光谱分辨率需求。因此,提出的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的近红外光谱仪满足高性能、微型化和低成本的光谱仪发展需求。