激光多普勒测速传感器

仪器信息网讯 2020年 12月1日23时11分，嫦娥五号探测器稳稳软着陆在月球，落月过程中，中国科学院上海技术物理研究所研制的激光测距测速敏感器发挥着重要作用，该多普勒激光测速精度可达0.1米/秒，将三个方向的多普勒激光测速的结果反馈给导航系统，确保航天器着陆更平稳。据悉，这也是多普勒激光测速技术首次在太空导航上得到应用。嫦娥五号激光测距测速敏感器和激光三维成像敏感器激光多普勒测速是什么？激光多普勒测速仪发展史又是怎样？本期，我们邀请北京航天光新科技有限公司 CEO 杨开健分享激光多普勒测速技术发展及应用。杨开健 北京航天光新科技有限公司 创始人兼CEO 1.激光多普勒测速仪原理激光多普勒测速仪基于光学多普勒效应利用多普勒频移实现对物体线速度的非接触测量。多普勒效应(Doppler effect)主要内容为：当声源与接收器(或观察者)之间存在相对运动时，使得接收器(或观察者)收到的声音频率，和声源发出的声音频率不同(出现频差)的现象。接收器接收的频率和声源发出的声波频率之间的差值就叫多普勒频率，其大小同声源与接收器之间的相对运动速度的大小、方向有关。多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波，包括电磁波。当然光波也具有多普勒效应。如图所示，激光多普勒测速仪出射的激光束入射到运动物体上，部分散射光仪器接收。由于仪器相对于物体有一定的运动速度，根据多普勒效应可知，仪器接收到散射光的频率与出射激光的频率不同，分别是和，这里指仪器出射激光的频率，指多普勒频率。多普勒频率与物体的运动速度有关，通过探测多普勒频率即可计算出物体的运动速度。激光多普勒测速仪原理示意图2.激光多普勒测速仪发展史——解决不同时代用户的需求痛点1964年Yeh和Commins首次观察水流中粒子的散射光频移，并证实了可利用激光多普勒频移技术来确定流动速度，Foreman和George，Golesfecion和Kreid，Pike，Huffaker等人进一步论述了多普勒技术原理、特点及其应用，使该项技术初步得以实用化，不仅可以测量液体流速，还可以测量气体的流速。70年代是激光多普勒技术发展最为活跃的一个时期，Durst和Whitelaw提出的集成光单元有了进一步的发展，使得该系统的光路结构更为紧凑。光束扩展、偏振分离、频率分离、光学移频等近代光学技术在激光多普勒技术中得到了广泛的应用，信号处理采用了计数处理、光子相关及其它一些方法使激光多普勒技术测量范围更广泛，它的精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大、非接触测量等优点得到了长足的发展。1975年在丹麦首都哥本哈根举行的“激光多普勒测速国际讨论会”标志着这一技术的成熟。80年代，激光多普勒技术进入了实际应用的新阶段，它在无干扰的液体和气体测量中成为一种非常有用的工具。可应用于各种复杂流动的测试，如：湍流、剪切流、管道内流、分离流、边界层流等。随着大量实际工程、机械测试的需要，目前，固态表面的激光多普勒技术也越来越受到重视：A. E. Smart，C. J. Moore等把该项技术应用到航空发动机的研究上 清华大学利用激光多普勒技术分析磁头的运行姿态溯；美、德开始激光光栅多普勒测量的研究，由光栅衍射主极大光束形成的多普勒信号，具有信噪比高、抗干扰能力强等优点，可用于各种机械的振动测量，但使用时须将光栅和测量目标相连接，限制了它的适用范围；F. Durst和M. Zare提出了PDA(相位多普勒)技术；他们研究发现，球形粒子对两束相交光束散射，会在周围光场形成明暗相间的干涉条纹。当用两个探测器接收多普勒信号时，两路信号之间存在的相位差与粒子大小成呈线性关系。这一技术被广泛应用于粒子大小的测量中，目前也被用于折射率的测量中；天津大学进行将激光多普勒技术用于固体表面面内位移远距离测量研究。3.从应用有限到技术逐渐商品化激光多普勒技术虽被证明是一种非常有用的技术，但它的仪器化产品在过去相当一段时期内受气体激光器体积庞大、信号处理技术相对落后的限制，在机械工业和大型工程领域的实际应用比较有限。近年来，许多微光学元件己经商品化，激光二极管的应用也为实现仪器小型化提供了便利条件，微小透镜取代了传统的透镜。计算机和数字信号处理技术的结合增大了振动量测量和分析的实时性和自动化程度，信号时域波形分析法、函数分析法、调和分析法等技术的成熟大大提高了测量的准确性和实用性。特别是随着传感技术和信息技术的发展，产生了一些新的测量方法，将多传感数据实时综合处理及分析变为可能，信号处理过程实现了信息化和综合化。半导体技术使得信号处理器体积减小的同时可靠性得到大大增强。这些技术的涌现，使得激光多普勒技术向着小型化、数字化、多维化、实用化、商品化等方向发展。目前，世界上许多国家已经有成熟的激光多普勒测速产品，如美国、德国、英国、丹麦、瑞典、新加坡等。应用于工业测量领域的光路结构大部分是双光束差动结构，该结构具有易对准、接收口径大等优点。该技术已经可以在钢铁、有色金属的轧机生产线的在线测量，或者用在线缆、造纸、印刷等行业的生产线的速度测量和长度累计。补充：国内激光多普勒技术研究现状据公开资料表明，国内目前从事激光多普勒技术研究的单位越来越多，清华大学、中国科学技术大学、大连理工大学、电子科技大学、国防科技大学、中国科学院上海技术物理研究所等单位都展开了激光多普勒测速技术研究。本网根据相关资料整理如下：（图源网络公开整理）欢迎广大业内人士分享更多科学技术干货内容，请投稿至liuld@instrument.com.cn

项目编号：SZDL2022002086（0868-2242ZD1174H）项目名称：扫描式激光多普勒测振仪采购预算金额：112.0000000 万元（人民币）采购需求：序号货物名称数量单位备注1扫描式激光多普勒测振仪采购1套接受进口合同履行期限：签订合同后120天（日历日）内交货本项目( 不接受 )联合体投标。

声学多普勒的水流测量系统是水与废水行业中的主要工具，不仅测量水流速度，还可以测量水位以及计算流量（排放量），并且测量数据的输出格式可轻松实现上传到商业数据记录器、SCADA系统、PLC以及远程遥测设备。仪器常用到名称如下：# ADFM–声学多普勒流量计# ADVM–声学多普勒流速# AVM–面积流速型流量计#“超声波”流量计上述术语有时可以互换使用，如“多普勒”。但并非所有多普勒系统均采用相同的工作方式，用于流量测量的多普勒系统大致可以分为两类：连续波 (CW) 和脉冲。SonTek声学多普勒系统（例如SonTek-IQ）就是脉冲多普勒，连续波式或脉冲式多普勒是否适合于特定场所将取决于环境因素和精度要求。价格通常被视为连续波式与脉冲式多普勒流量计之间的主要区别，有时这也是选择仪器时最重要的考量。然而，对大多数操作人员和管理人员而言，了解技术差异及其在野外环境的意义将有助于作出明智的选择，同样关系到设备操作、数据质量保障和未来的决策。本技术说明旨在从实践的角度阐明某些重要的技术差异。声学多普勒流速测量系统采用多普勒频移的物理原理来测量水流速度。多普勒原理指出了，如果声源相对于接收器运动，则接收器处的声音频率会与发射频率相偏移。请注意，多普勒系统实际上并未直接测量水流速度，而是测量悬浮在水柱中的散射颗粒的速度，并假设颗粒的运动速度与水流速度相同。如果没有反射信号的散射颗粒，则多普勒系统将无法测量速度。反射信号的振幅将随着水中散射颗粒的密度、颗粒材料及其在发射频率下的声波反射率以及与换能器的距离而变化。传输的声波信号从换能器呈几何图形传播，而且声音也被水所吸收。传输损耗与系统范围的平方成正比，而反射信号强度降低到系统噪声等级的距离决定了最大测量范围。需要注意的是此类多普勒系统无法直接测量流量（排放量）。流量是基于测得速度、测得水位和渠道截面积而计算出的参数。由于系统仅测量声波所在的渠道的部分水流速，因此使用教科书理论模型或特定于地点的校准（指标流速率定）将仪器测得的速度与平均流速相关联。然后将平均流速 (V) 乘以渠道截面积 (A) 以求出流量值 (Q=VA)，其中渠道截面积由用户提供的有关渠道几何形状、仪器位置以及所测水位的信息所确定。因此，流量的准确度部分取决于估算流量时，渠道流速分布的信息量。以下是笔直且洁净的混凝土衬砌运河（显示的典型现场照片）中不规则速度分布的部分示例，这是在SonTek-IQ的开发过程中使用FlowTracker手持式ADV系统在密集间隔的离散单点中测得的流速：如示例中所示，渠道中的速度分布通常是不均匀的，并且边界层（如渠道的底部或侧面）附近的速度通常明显较低。仪器常用到名称如下：# 由于速度数据中的任何误差都会导致计算出的流量出现误差，因此仪器的速度测量精度至关重要。# 用户给出的渠道几何形状和仪器位置的误差将导致计算出的流量出现误差。# 将仪器测得的速度与平均流速相关联的方法将影响所计算出的流量的精度。多普勒原理同其他原理比较时，“多普勒”概念容易被默认为成“连续波”，这种误解会导致混淆和歪曲。由于多普勒的脉冲和连续方式是完全不同的，因此了解引用哪种多普勒方法总是重要的，本节将对此进行解释。连续波系统通常是单波束解决方案，这意味着采用单波束来接收声波信号。如果多普勒系统没有被定位为“脉冲”、“剖析”或“距离选通”仪器，则通常默示其为连续波系统。连续波系统最常使用独立的发射和接收换能器，从而发射相对于水深的长声脉冲。本质上，系统将连续信号发射到水中，同时监听信号反射。因此，接收的信号是沿声束范围里，所有散射介质的反射信号振幅与相位组合，任何空间信息都是未知的，因为不可能将特定回声信号与沿波束的对应位置关联。尤其是在浅水区，有些连续波系统更容易测量到从水面或河床反射的信号，因为连续波系统不跟踪反射来自哪个位置。这些错误的边界反射会给真实的测量带来明显的噪声和偏差。脉冲式多普勒系统（如SonTek-IQ）在水中传输短的声波脉冲，然后分段侦听反射信号，依据脉冲传输后的时间转换成脉冲在水中的传播距离，从而确定了作为信号源颗粒的位置。通过测量发射脉冲后的特定时间内反射的声波信号，系统能够测量水速的剖面，其中的水柱分成多个深度单元（也称为距离单元或层）。在每个单元中，水速是根据测量的声学数据计算的。这样做的效果是提供了从底部到水面的许多离散的、紧密间隔的测量数据。一些脉冲多普勒系统将报告来自单个测量单元的流速，而不是输出测量的剖面流速。也就是说，他们在得到速度剖面后计算平均速度。由于每个脉冲多普勒换能器既是发射器又是接收器（称为“单站”），因此系统在发射信号后必须等待一小段时间，以便有时间从系统中清除发射脉冲。这种暂停会在系统旁边产生一个无法收集数据的区域，这被称为“盲区”。SonTek-IQ系统具有四个用于测量水流速度的换能器：两束与测量上游和下游的系统的轴线对齐两束对系统侧面进行测量的偏斜波束因此，SonTek-IQ可以解释整个渠宽上某些水平速度的变化。另外，除压力传感器外，还具有一束用于精确测量水深的声束。连续波 (CW) 多普勒系统通常使用单声束来接收已被水中悬浮颗粒所反射的信号。通常，将系统置于渠道、管道或水流的中间，这意味着要测量的水流速度处于仪器前方的渠道中心。有些型号集成了用于测量深度的压力传感器。脉冲多普勒系统使用两个或多个声束来接收已被水中悬浮颗粒所反射的信号。声束被进一步“划分”为可测量整个水柱中各层水流速度的离散单元。对于SonTek-IQ，共有四束声束-一束在渠道中心朝向上游，一束在渠道中心朝向下游，一束偏斜声束朝向渠道右侧，一束偏斜声束朝向渠道左侧。SonTek-IQ还具有用于测量水深的第五束声束以及压力传感器。SonTek-IQ Plus版本提供了流量监测解决方案，适用于深度最大为5m的较大运河和自然环境。具有在水平和垂直方向跨渠道采集小至2cm的单元中的速度分析数据的功能。连续式多普勒系统连续、同步收发的运行方式，其中一个影响称为范围偏置。由于传输的信号与系统的距离越来越弱，因此距离传感器较近的粒子的声学反射对接收信号的影响将大于距离较远的信号。如果通道中的速度分布均匀，则靠近传感器的散射粒子的影响就无关紧要了。但如前所述，通道中的速度通常不均匀。位于发射端附近的散射颗粒产生的更强信号影响，会导致对离系统更近的声波反射产生范围偏差。由于声传输损耗（衰减、吸收），测距偏差问题随着渠道深度的增加而增加。■ 因此由于最大速度通常出现在水面下方，连续波系统的最大渠道深度会受到限制。例如，在水面附近可能存在对实际总流量有着重大影响的高流速情况，但是来自近水面速度的信号输入可能比来自靠近底部的较慢速度的信号输入要弱。通常情况是，底部沉积物浓度较高或颗粒较大，因此具有较强的反射特性。更为复杂的是，这种偏差会随着时间和条件而变化。散射颗粒通常在整个水柱中分布不均匀，并且不同材料的颗粒将具有不同的反射特性。例如，矿物沉积物将具有不同于絮凝剂的散射和反射特性，并且水柱中是否存在沉积物云团及其位置都能够引起幅值不断变化的偏差。在高动态的环境条件下。■ 因此即使在不同流量下校准连续波系统的做法，也可能无法解释和满足存在的众多未知变量。脉冲多普勒系统不受测距偏差的影响。由于系统专为测量精确定时的、以空间为参考的速度数据而设计，因此诸如SonTek-IQ类的脉冲多普勒系统通常会提供更高的速度精度、更高的速度范围和深度范围，从而可以计算出准确的排放量（流量）数据。■ 因此脉冲多普勒系统被认为在更大范围的条件下，尤其在因水力学、水质、颗粒大小和成分而变化的环境中，有更高的可靠性。多普勒流量计（如图所示的SonTek-IQ）根据从水中颗粒反射回来的信号来测量水流速度。通常，水流速度（由箭头表示）随深度和与边界的距离而变化，从而形成速度（流量）剖面（由曲线表示）。对于诸如SonTek-IQ之类的脉冲多普勒系统，颗粒的形状、大小和在水中的分布不会使速度测量结果产生偏差，因为每个测量结果均由在水柱中多个已知位置进行的多次测量组成。即使条件发生变化，脉冲多普勒系统也会捕获速度剖面信息。当流量发生变化或颗粒浓度随每日、季节性或运行因素而变化时，这将获得更精确的测量结果。由于连续波系统缺乏检测流量剖面的能力，因此通常依赖于流量校准，对于每种新的流量或颗粒条件，都可能需要重新校准。SonTek-IQ在意大利普利亚地区Vasca Tavoliere的部署示例。该定制安装架是由Consorzio di Bonifica della Capitanata设计的，旨在安全高效地维护仪器。声学多普勒流量计的典型硬件组件。连续波 (CW) 和脉冲多普勒系统均可采用一体或分体式配置。脉冲多普勒SonTek-IQ（左图）由包含传感器、处理和通讯电子设备的单个单元组成。大多数连续波系统由两个组件组成，传感器通过电缆连接到装有处理和通信电子设备的顶盒。多普勒仪器的波束角（声束“向上投射”到水中的角度）取决于制造商和某种型号。由于波束角会影响本仪器的有效测量范围，因此是一个重要参数。SonTek-IQ采用与垂直方向成35°的波束角，这意味着波束更为垂直。相反，许多连续波系统采用更为水平的波束角，例如与水平方向成20°角。当以更大的水平角度发送时，声脉冲在到达水面之前有着更长的传播距离，传播距离越长，连续波系统的信号越易衰减。在某些情况下，较深的水环境可能导致信号强度不足以测量水柱的中层或上层。某些连续波型号在低功率设置（首先产生较弱的信号）下运行，这进一步增加了在较长距离下信号丢失的可能性。■ 因此在较高的水位下，较大的水平波束角会使测量结果偏向靠近河床的水流速度。同样，通常会针对此类偏差或无法测量的区域校准连续波传感器，但如果环境条件不够稳定，则水深、流态或颗粒条件的任何变化（无论好坏）都会影响信号衰减，因此需要更改校准以保持数据准确性。由于连续发射和接收信号，连续波系统通常具有最小盲区要求极低的优势。■ 因此连续波系统可以在比脉冲多普勒系统更浅的深度进行测量，具体取决于换能器的设计和尺寸。此外，连续波系统通常采用分体两件式设计，并使用一根小型水下传感器电缆将其连接到位于水面某处的大盒子上。由于可以将处理电子设备、记录器和通信模块放置在较大的顶侧盒中，因此可以将水下传感器外壳作得更小，并且可以在较浅的深度进行测量。脉冲多普勒系统可以采用一体或分体式设计。SonTek-IQ是单个单元，只需连接到外部电源即可运行。但是，由于系统包含处理电子设备和内部记录器并采用了更多的声换能器，因此其尺寸可能比大多数连续波设计中可能采用的小型水下传感器要大。此外，如前所述，诸如SonTek-IQ类的脉冲多普勒在传感器面附近设计了最小的盲区。有时，与连续波式多普勒相比，脉冲式多普勒对操作深度的要求更高。SonTek-IQ采用与垂直波束角呈35°的角度，而许多连续波系统则采用通常未在文档中指定的更为水平的波束角。由于波束角的不同，许多连续波系统在较高水位时可能遭受更大的信号衰减，从而导致流场上层的采样不足或完全不可测的区域。如果低流量和低速度是预期条件，则必须注意连续波系统的工作原理可能会更受限制。由于连续波系统同时发射和接收信号，发射信号会干扰连续波系统检测多普勒频移为零的能力；因此无法检测到零速或低速。因此，连续波系统将表现出最低流速限值，低于该速度将无法可靠运行。脉冲多普勒系统通常没有流速限值规定。由于发射和接收脉冲都是定时的，因此脉冲多普勒电子设备能够检测与发射信号分离的零多普勒频移信号。这样，最低流速限值实质上即为系统的速度分辨率。这在存在回水条件、双向流动和分层流动的区域中提高了脉冲多普勒的功效，在这些区域中，速度较低和接近零的可能性更大。任何多普勒仪器收集的原始数据都是速度数据。尽管经常被忽略，但需要注意的是多普勒仪器如何将测得的速度转换为流量值。正如前面所讨论的，连续波系统不提供任何有关水柱中速度分布的信息。其单一测量结果是波束路径中可检测到的所有声反射的组合。总信号可能受到水柱中沉积物浓度的衰减和变化以及总测距偏差的影响。■ 因此通常需要校准连续波系统，以便以任何精度将测得的速度与实际平均渠道速度相关联。进行此校准时，仅在特定的校准条件下才可靠。对于条件一致且不变的地点，连续波系统的性能应与脉冲多普勒系统类似。然而，为了使连续波系统能够提供准确的速度数据，流场条件的任何变化都需要重新进行校准。在由于降雨、回水、底部附近的高沉积物负荷等可能导致条件变化的应用场合，将需要重新校准以涵盖每种特定情况。如果需要一定的精度要求，则应谨慎考虑设备、人工或服务中的初始校准费用和和潜在的持续校准费用。某些连续波系统会发布流量精度规格，即使流量是如上所述基于环境因素以及客户提供的并非直接测得的详细信息（例如渠道截面积）而计算得出的参数。这些流量精度规格通常依赖于理想、简化和不变条件的假设，因此，应谨慎对待。SonTek-IQ标准模型可测量速度剖面，然后处理数据以输出单个测量单元，并使用理论模型计算流量。SonTek-IQ Plus和SonTek-IQ Pipe模型可提供速度剖面，计算流量时，它们允许用户在使用理论模型或指标速度校准之间作出选择。与连续波系统相同，特定场所的率定可以比理论模型更准确地将测量速度与实际平均渠道流速关联。SonTek-IQ对多波束的引用进一步满足了更多选择，在流场内找到一个波束和区域随着条件的变化，提供最稳定的关系。对于SonTek-IQ，流量算法专为应用于小渠道、灌溉沟渠、排水渠、管道等而设计，其独特的波束几何形状在详细研究此类应用（第2页的参考图）速度条件的基础上，考虑了渠宽上的水平速度变化并提高了理论流量计算的性能。由于流量计算的多个变量取决于操作人员和环境特征（渠道截面积测量、仪器安装与设置、水力特性等），因此，SonTek发布了SonTek-IQ系统的速度精度而不是流量精度规格。建议根据公认的ISO或其他政府规定的标准，采用适当的现场技术和仪器（例如便携式机械流量计、声学多普勒流速计或声学多普勒流速剖面仪）定期评估并检查现场的流量精度。SonTek可应要求提供有关这些标准和方法的其他参考资料。在多普勒系统中，SonTek-IQ的另一个特点是同时使用中心线波束和偏斜波束。偏斜波束允许朝着渠道两侧测量速度。这些附加信息有助于更全面地理解整个测量横截面的流量。如果并未测量某个点的实际速度剖面，则可能尤其难以准确量化明渠流量条件，即使只是偶尔作为检测分析也是如此。如果没有这些附加信息，则用于根据测得的速度数据计算流量的方法通常需要依赖假设和估计。SonTek-IQ Pipe旨在用作可在大多数工业或农业应用中使用的底部或顶部安装式流量计。它可以提供从0.5m一直到5.0m的管道中的精确流量值，而与是否满管无关。尽管多普勒流量计可能精度极高，但用户设置和对细节的关注同样可能影响流量数据的优劣。尤其重要的是应验证传感器安装处的横截面尺寸。参考文献：1.SonTek-IQ Principles of Operation (2017).SonTek, A Xylem Brand, version 2.1.2.Schmitt, A., Huhta C., and Sloat J. (2012) Flow Modeling and Velocity Distribution in Small Irrigation Canals, SonTek, A Xylem Brand.3.Cook, M., Huhta C. (2013).Improved Water Resource Management using an Acoustic Pulsed Doppler Sensor in a Shallow Open Channel, SonTek, A Xylem Brand.4.Polonichko, V., Romeo, J. (2007).Effects of Transducer Geometry and Beam Spreading on Acoustic Doppler Velocity Measurements Near Boundaries, SonTek, A Xylem Brand.5.Metcalf, M.A. and Edelhauser,M.(1997) Development of a velocity profiling Doppler flow meter for use in the wastewater collection and treatment industry.Paper Presented at WEFTEC ’97.6.Wastewater Quality Monitoring and Treatment Edited by P. Quevauviller, O. Thomas and A. van der Beken C _2006 John Wiley & Sons, Ltd.

瑞沃德新一代激光散斑血流成像系统采用全新的LSCI (Laser Speckle Contrast Imaging）技术，集成照明光源和血流成像激光光源的一体化设计，无需任何调节，开机即可成像使用，极大的提高了用户的使用便利性性能特色RFLSI Ⅲ 激光散斑以非接触、高时间和空间分辨率、全场快速成像的技术优势，为广大科研工作者提供了一种实时动态血流监测和视频成像记录手段，是了解组织、器官病理或生理指标至关重要的依据。激光散斑成像仪器无需任何造影剂，时间分辨率可达毫秒量级，空间分辨率可达微米量级，实现了科研人员及医疗实时观察微血管的血流分布状态及血流数值相对变化的功能需求。散斑倒置支架：主要用于MCAO造模过程中从底部观察动物颅脑血流变化。动物固定器：特制简易动物固定器，在散斑观察过程中，可以简易将小鼠头颅固定。技术参数应用领域生命科学基础研究与药物开发脑血流 、MCAO模型 肠胃血流 、下肢缺血／血管生成烧伤评估 、 皮肤斑贴实验 脑皮层扩散抑制 、其它应用案例分享关键搜索查找：激光多普勒, 激光散斑, 血流仪创新点：（1）全场成像，非显微镜局部成像，可应用于大面积大视野观测需求的应用。（2）采用高分辨率工业级CMOS相机，分辨率上升至4K水平，拍摄速率大幅提升，同时降低功耗更为环保。（3）激光二极管电流及功率更稳定，数据波动小。（4）采用明场和激光双相机，可记录不同类型是实验数据，明场图像和激光图像位置通过软件校正，无位移。RFLSIⅢ激光散斑血流成像系统 激光多普勒 血流仪

项目编号：0716-224SCC911358项目名称：中国科学院光电技术研究所三维扫描式激光多普勒测振仪采购项目预算金额：510.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：490.0000000 万元（人民币）采购需求：序号设备名称数量买方名称交货地点交货期1三维扫描式激光多普勒测振仪1套中国科学院光电技术研究所中国四川省成都双流西航港光电大道1号合同生效后5个月内设备到达用户场地 合同履行期限：合同生效后5个月内设备到达用户场地本项目( 不接受 )联合体投标。

2021年7月7日，《自然通讯》（Nature Communications）杂志在线发表了武汉光电国家研究中心王健教授团队题为“Vectorial Doppler metrology”的最新研究成果。此研究将具有空间变化偏振分布的矢量光场应用于光学测量，提出并实现了新型矢量多普勒测量仪，其对于复杂运动信息的全矢量测量具有重要意义。多普勒效应是一种经典的物理现象，属于波的基本特性之一。该效应来源于波源与观测者之间的相对运动，使得观测者接收到的波的频率相对于波源频率具有一定偏移量。无论是机械波，还是电磁波，通过测量其多普勒频移，可以推算出观测者相对于波源的运动速度。多普勒效应已广泛应用于医学诊断、交通测速、精密测量、激光制冷以及天文学与航空航天等领域。光波属于电磁波，相对于机械波，如声波、水波等，具有超高速、大带宽、方向性好且能在真空中传播等优点，因此开发光的多普勒效应具有独特的优势。对于传统的平面相位光束，不考虑相对论效应，只有当运动物体在光束传播方向上有相对运动才能产生多普勒频移，称之为线性（或纵向）多普勒效应。最近二三十年，随着科学家对光的基本属性的进一步认知，光学研究已由简单的平面光束向更复杂多样的结构光束展开。结构光束的旋转（或横向）多普勒效应也受到了越来越多的关注，这为光学多普勒测量提供了更多的可测量维度。纵观多普勒效应的发现及发展应用历程，该效应针对的只是波的标量属性，即由相位（或强度）的连续改变产生多普勒频移。对于本振频率比较低的机械波，通常可以直接提取其多普勒频移，从而测定目标物体的运动速度与方向信息。对于光波（电磁波），由于其超高的本振频率，提取多普勒频移必须采取与参考光进行干涉拍频。然而，干涉拍频虽然能提取多普勒频移量，但却丢失了符号信息，即无法区分多普勒蓝移与红移。因此，如果不采用额外的测量手段，如外差检测或双频检测，直接基于干涉测量提取多普勒频移无法推断出目标运动物体的方向信息，这无疑导致了光学多普勒测量的应用局限。光波是一种横波，除了振幅与相位自由度，还有偏振自由度。光的偏振描述的是电磁场在正交于传播方向的平面上的谐振情况。传统的平面相位光束，其偏振取向在光束横截面上是均匀分布的。对于一类特殊的结构光场，其偏振取向在横截面上呈空间周期性变化分布，称之为矢量光。针对这类矢量结构光场，近期，华中科技大学武汉光电国家研究中心多维光子学实验室（MDPL: Multi-Dimensional Photonics Laboratory）王健教授团队研究发现，粒子在这类光场中运动能产生新的多普勒效应，即矢量多普勒效应。区别于基于标量光场的传统多普勒效应（多普勒信号表现为随时间变化的一维强度信号），基于新的矢量结构光场的矢量多普勒效应，其多普勒信号表现为随时间变化的二维偏振信号。这类新的多普勒偏振信号，除了携带目标运动物体的速度大小信息外，还同时携带了速度方向信息。具体表现为，不同的运动方向导致多普勒偏振信号呈现出不同的旋转手性，如图1和图2所示。实验或实际应用中，利用两个检偏器分析两路信号光的相对相位差，就能轻松分辨出多普勒偏振信号的旋转手性，进而直接测定目标物体的运动速度大小与方向。研究还发现，基于矢量结构光的矢量多普勒效应，不仅能直接测定粒子的运动矢量信息（速度大小与方向），还能潜在地追踪粒子运动的瞬时相对位置与瞬时速度，并且测量无须参考光束干涉，有很强的抗环境干扰能力。进一步，针对各项异性的运动粒子，理论分析发现，即使粒子在旋转的同时还处于自旋状态，通过对多普勒偏振信号进行标准的斯托克斯参数分析，或简单地利用两个检偏器分析，能同时测定粒子的旋转速度矢量（大小与方向）和自旋速度矢量（大小与方向）。该工作于2021年7月7日以Vectorial Doppler metrology为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上，华中科技大学武汉光电国家研究中心为论文第一单位，华中科技大学武汉光电国家研究中心博士后方良与硕士生万镇宇为共同第一作者，华中科技大学名誉教授、南非金山大学Andrew Forbes教授为论文合作者，华中科技大学武汉光电国家研究中心王健教授为论文唯一通讯作者。该项工作是对传统基于标量光场多普勒效应的一次突破，极大丰富了多普勒测量的内涵，同时对于矢量结构光场的基础研究及拓展应用研究具有重要科学意义。Liang Fang, Zhenyu Wan, Andrew Forbes, Jian Wang*, “Vectorial Doppler metrology,” Nature Communications, 12, 4186 (2021).https://www.nature.com/articles/s41467-021-24406-z图1矢量多普勒效应概念示意图图2基于矢量结构光场的矢量多普勒效应测量粒子的运动矢量（速度大小和方向）。(a)(c)相反运动的粒子在矢量结构光场（以HE31为代表）中与局部偏振光相互作用示意图。(b)(d)粒子采样反射或散射的二维多普勒偏振信号因粒子运动方向不同表现出不同的手性。二维多普勒偏振信号同时携带粒子运动的速度大小与方向信息。多维光子学实验室（MDPL）研究人员（从左至右）：方良、王健、万镇宇

现状马来西亚雨水管理和公路隧道（"SMART"）项目的规模宏大--隧道长度为12公里，直径为11.8米，可收集多达400万立方米的洪水--这是一个艰巨而伟大的项目。这条隧道的设计概念极富创意，让人叹服，可以在旱季通过地下隧道疏导吉隆坡拥挤的交通，并在洪灾期间将雨水安全地分流到市中心地下。同时，支持这项大规模隧道和大型集水盆地的系统也同样令人惊叹，它被称为SMART工程的智能系统。这是一个由洪水检测设备和自动化管理机械组成的网络，与监控数据采集和控制 (SCADA)“大脑”连接，利用其收集的信息自动启动洪水管理闸门和水泵。技术由系统集成商Greenspan Technology Pty Ltd，设计的洪水检测和自动化管理系 统通过28个远程监测站来指导项目沿线31个闸门、7个大型水泵和4个独立发电装置（发电机组）的决策。三级系统Greenspan公司驻新加坡的国际经理Bruce Sproule解释，SMART项目设计为分三个阶段运作，以防止类似2007年那样的洪水对城市造成严重破坏。准确及时的流量和流速信息对SMART项目的成功和吉隆坡180万居民 的安全至关重要。为了确保高质量的数据流，Sproule的团队在项目总监Mark Wolf和项目经理Marc Schmidt的带领下，布置了一个由22个雨量计、50个与气泡系统相连的压力传感器和16个SonTek Argonaut声学多普勒测流组成的阵列。Greenspan公司的控制中心运营小组在Mark Van Elswyk的带领下，维护着由高频电台、GSM、光纤信号和微波传输组成的通信系统，以保持传感站点和SCADA系统之间的持续通信。通过以太网连接的Argonauts每分钟报告一次数据；通过高速VHF连接的Argonauts每5至10分钟广播一次。SCADA工程师Jarrah Watson、Nick Hitchins和Peter Johnson保持控制/采集系统精细地调整。河流、暂存池和隧道的数据与Greenspan公司的时间序列数据库中的降雨信息相结合，然后通过该公司的预测模型进行传输。结果驱动自动闸门，控制进入SMART集水井和隧道的流量，并在下游水量可以积累到排放水平时，启动大型水泵，对隧道进行排水。这是更准确的信息，Sproule说。如果受到潮汐影响或回水影响，可能会出现滞后现象，水深得来的流量数据是不准确的。Sproule说，当水位上升并且下游潮汐对吉隆坡洪水的影响越来越大时，预警模型就会从气体吹扫压力传感器的读数切换到声学多普勒测流仪的数据，以跟踪流量情况。他解释说，下游潮汐效应会产生滞后现象，从而减缓了洪水对来自上游力量带来的通常变化。关键是要追踪河流中到底发生了什么，而不是依赖于基于无障碍重力驱动条件的简单数学估计，这点非常重要。“这是更准确的信息，”Sproule说。“如果受到潮汐影响或回水影响， 水深换算的流量可能会出现滞后现象，而且数据不准确。”他补充说，Greenspan公司开发了自己的流速率定软件，以确保流量的准确计算。由于具有多个测量方向，SonTek-IQ非常适合存在滞后的情况。专有流量算法非常适合在灌溉渠道、天然河流和管道中收集数据。该仪器采用SonTek独有的SmartPulseHD自适应采样。使用垂直声束和压力进行水位自动校准。精心布置Sproule指出，在隧道内部和周围，SonTek Argonaut SL（侧视）测流仪布置在精心确定的高度，以便为高流量情况做好准备。两个Argonaut SW（浅水）测流仪测量下游排放点的双箱涵的流量和流速，为流量模型提供信息。即使洪水没有来临，信息流也提供了有价值的洞察力。Sproule指出，事实上，来自SW的数据显示，在洪水事件发生后，发现在其潜水面中储存了惊人数量的水，并在比Greenspan模型最初假设的更长的时间内才可以释放了这些水。Sproule指出，在洪水期间保护贵重设备可能是一项挑战。Greenspan公司的Wayne Farrell设计了“骑士头盔”站，用自动缩回的头盾保护传感器，让人想起中世纪的骑士头盔。“骑士头盔”站精心放置在测量系统中高水位的最佳高度，每次洪水过后都必须进行维护。Sproule 指出：“设计这些装置是为了防止仪器被大型残片冲走，但这些装置确实已经变成淤泥收集器。”他补充说，Greenspan公司开发了自己的校准软件，以方便测流仪的日常和暴雨后维护。该公司还开发了一个专有系统，为每个采样点建立8万个点的横断面。Sproule说，Greenspan团队还包括水文测量技术员BenNoble Clem Williams和Faizal Yusoff，他们认为SonTek Argonauts是SMART项目的必然选择。他解释说：“我们曾考虑过雷达/声纳，但价格非常昂贵，而且我们有很多使用SonTek设备的经验。”“在这个项目中，这是最简单、最准确的方法。我们在新加坡有一个八人的雨水监测小组，使用SonTek的设备已经14个月了，所以我们知道它能做什么，不能做什么。”服务支持很好，设备也很可靠。他补充道。仪器很可靠，一旦出现问题，公司会迅速做出响应。对于像SMART这样大规模的项目，快速响应至关重要。在2007年9月的一次系统测试中，该系统提前30分钟准确预测到了河流水位会上升，成功分流50万立方米水。随着车流穿过巨大的隧道，无声的传感器网络向Greenspan公司的SCADA系统报告时，Sproule对SMART项目进行了反思。“这是Greenspan公司设计过的最复杂的系统，”他指出，该系统平稳运行和保护吉隆坡11.8米高的隧道一样，是一个令人惊叹的奇迹。

摘要：新一代走航式声学多普勒水流剖面仪M9克服了早期仪器的缺陷，采用多频、智能的多种工作模式，解决了困惑水文的高、低流速测流难题。M9灵活的配置，考虑不同用户的需求，可实现无线通讯、内置GPS、遥控，解决河床走底引起的多普勒流速仪流量测验误差。列举了各种不同条件、环境的河道，采用 M9实测的案例，显示了该仪器的优异性能。关键词：M9；多频；智能；脉冲相干、宽带、窄带多种工作模式自动切换；高、低速测流前言采用多普勒频移原理研制的走航式声学多普勒水流剖面仪，应用于水文测验已经有二十多年的历史。由于制作复杂、生产成本高、以及使用量不大等原因，世界上能够生产该类仪器的著名厂家仅为可数的几家，而且基本上集中在美国。近几年，国内部分厂家开始研制类似产品，并陆续投放市场。二十余年来，厂家历经了数次的改进，生产出了不少型号和不同工作频率的仪器，供不同条件和环境下的使用。其性能虽有了很大的提高，但因为最初的设计是针对海洋测流需要，这对于在内河河道上的使用，带来了一些不足；在水文测验中还是感到有些不尽人意。一直以来，困惑水文的高、低流速测流难题，仍然没有给出有效的解决方案。经过多年的研究和总结了目前所有多普勒流速仪产品存在的问题；美国赛莱默公司旗下的SonTek 公司在2009年开发出了最新一代的走航式声学多普勒水流剖面仪 M9/S5。经过数年多在世界各地的实际使用和比测，效果非常之好，成为了目前世界上最先进的一种声学多普勒流量计。M9 的技术指标和配置 考虑到不同用户的需要，M9系列的仪器有着灵活的配置。其标准配置为：仪器主机＋10米电源/通讯电缆线（可延长）；可安装在船舷边使用；实现主机与计算机之间的直接通讯。若装备有小型载体（船体）时，可配置无线电台的通讯方式，通讯距离可达1500米，实现主机与计算机之间的无线通讯。为了满足在河床走底情况下测流的需要，还可以选配内置的 GPS，有二种供选择；即 SonTek 的DGPS（亚米级精度），和SonTek 的RTK GPS（0.03米精度）。此外，M9/S5系列的仪器还可以配置SonTek自行研制的单体船，以及其它公司配套的三体船或自带动力的遥控船；这种浮体保证了仪器在测量时的平稳和较小的仪器入水深度。从上述技术指标可以看到，M9 从很浅的不到0.3米处河岸开始测量，一直到最深达80米的河床深度，仍然可以一次完成测量并计算出该测流断面的流量，这大大满足了全世界 85 % 以上河道测流的需求。M9/S5 的特点和优势作为一种全新的M9/S5，实际上是一款专为河流流量测验所设计的仪器。与老一代所有现有的多普勒流速仪相比，有以下几个特点：1、多种频率换能器的配置。4个一组的二种不同频率换能器用于流速的测量，满足了从浅水到深水的不同河床条件，只用一款仪器进行流量测验的需要。2、垂直声波探头专用于水深的测量。改变了原先采用斜向测速声波测量流速的同时，测量水深的方法。直接提高了水深的测量精度，以及流量的测量精度。500KHz工作频率的波束使得仪器的测量范围增加到80米之深。3、全自动的测量方式，有四种自动转换的功能工作模式的自动转换。仪器采用了一种 SmartPulseHD智能脉冲功能，基于实测动态的水深和流速，自动地选择 脉冲相干（PC）工作模式、或 宽带工作模式、或 窄带工作模式，这三种不同的工作模式都有其优点和弱点。M9/S5充分发挥了各种模式的优势，自动切换，使得仪器始终处于高分辨率的最佳性能比。? 测量单元的自动转换。可根据实测水深和流速，自动选择从0.02～4米的测量单元。保证在浅水时具有很高的分辨率；在深水时有更大的测量范围。? 二种不同频率换能器工作状态的转换。可根据实测的水深和流速，在浅水时采用高频的3MHz换能器测量流速，在深水时采用低频的1MHz换能器测量流速；仪器始终保持最佳的工作状态。? 采样频率的自动转换。可根据水深的变化，自动调整仪器每秒钟的采样频率，其最高采样频率达到 70Hz。在水深变化的情况下，尽可能地获取更多的采样数，以提高仪器的测量精度。以下图为例，在同一个测流断面上，用二种不同的仪器测量的成果。上图是采用老一代多普勒流速仪实测的成果；下图是M9 采用智能脉冲功能所表现的高分辨率，犹如HD“高清电视”的效果。测量精度大为提高。4、仪器内部的流量计算功能。内置微处理器直接计算流量数据，而不再依赖于外部的计算机和测量软件进行实测数据的处理和计算。M9在测量过程中，即使通讯中断，也不会影响到测量的过程，更不会因此而丢失数据。仪器测量运行时甚至可关闭计算机；而重新开机通讯后仍可获得全部数据。大大提高了测量的可靠性。16G内存可用于保存实测的流速、水深流量、GPS等大量数据5、可内置的GPS，满足了在走底河床情况下，仍然采用声学多 普勒 原理测量流量的可能性，而不必过虑因为采用外置GPS 所带来的不兼容等问题的困惑。SonTek 自行研制配套的DGPS（亚米级精度），和RTK GPS（0.03米精度），不同于市场上所选用的各种型号的GPS。DGPS不需要寻找地面上设置的基站，直接接收地球上空静止卫星的差分信号，以获得差分GPS 的精度。RTK GPS也不需要地面上已知点的支持，而自行在河岸的任何开阔处设立一个RTK基站。使得仪器的使用非常之灵活和简单。保证了在走底河床情况下的正确测流。6、多种通讯方式 － 有线与无线的选择。对于无线通讯，也可以根据需要，采用无线电台的通讯方式。有效的通讯距离达1500米。除了可使用计算机与主机之间的通讯之外，还可以采用平板电脑来控制主机测量的开始和结束，并在平板电脑屏幕上给出实测的各种数据、航迹和图表。使用非常方便。7、支持多国语言的操作、数据处理的计算机软件。可提供大量的实测数据，和经过计算、分析后的数据，同时提供多种方式，方便用户自行修正和处理数据。软件还可用于控制、下载、查看、分析数据等。

使用声学多普勒水流剖面系统 (ADCP) 进行河流流速和流量测量时，最常被忽视的错误或问题来源之一是选址。您可能在仪器操作、安装等方面做到一切正确，但是如果您选择的地点违反了 ADCP 河流测量的基本假设，那么您仍然无法获得准确的数据。选择测量地点时，目标是能够测量代表平均河道流速的速度。理想情况下，将有一段适当长度的顺直河道，不受河道弯曲、水中障碍物、流入、流出等造成的流动干扰。一般建议，测量或安装位置应在任何流动干扰源的上游和下游至少 5-10 个河道宽度，这样可保持充分的线性距离，从而使任何湍流、涡流、上升流、回水效应等均能稳定为均匀而稳定的水流。河道中的植物生长会对水流情况产生影响，河道的底部地形也会产生影响，因为水面以下可能存在不可见的显著流动干扰源。使用多波束声学多普勒测流系统时请注意的相关事项。同质条件使用任何多波束声学多普勒测流系统进行测量的基本假设之一是，各个波束在相似条件下进行测量，因此各个波束的平均速度将提供准确的平均速度。空间平均使用多波束声学多普勒测流系统（如 RiverSurveyor S5/M9、SonTek-SL 和 SonTek-IQ），报告的速度是单个声束测量的速度的平均值，这些声束非常窄。报告的速度近似于根据 2、3 或 4 个波束测量的速度计算出的空间平均值，平均面积随着与系统的距离而增加。SonTek 系统的离轴波束角为 25 度*，因此在距系统的任何特定距离（即范围）处，波束间隔的距离为 (0.93 x 范围)。例如，使用 2 波束 SonTek-SL 系统，在 10m 范围内，波束间隔为 9.3m。湍流/涡流当河道中存在明显的湍流或涡流时，各个波束可能会在截然不同的条件下进行测量（因此违背了均质条件的假设），从而导致其平均流速明显不同于实际平均流速。例如，在某些情况下，大涡流会导致波束测量相反方向的速度，从而导致平均速度为零。河道中通常存在一定程度的湍流或涡流，尤其是自然河道，但在适当长的时间内对速度数据进行平均，有助于改善结果。如速度误差和相关性等参数将提供测量均匀性指示。磁场影响另一个选址考虑因素是局部磁场，它会影响配备罗盘的系统，例如 RiverSurveyor S5/M9/RS5。磁干扰源可能包括钢桥、混凝土桥梁、结构中使用的钢筋以及电力线。以下示例显示了河流横断面的带有速度矢量的船迹，其附近的桥柱对罗盘造成了磁干扰：根据可用的测量地点，上述建议和考虑可能并不总是可行的。没有任何地点是完美的，但在选择地点时牢记基本假设非常重要。

OTT SLD 固定式多普勒流量计在人工渠道上的应用背景介绍人工渠道作为连接自然河道的补充部分，对于水资源运送和调度起到很大的作用。渠道按用途可分为：灌溉渠道、动力渠道（用于引水发电）、供水渠道、通航渠道和排水渠道（用于排除农田涝水、废水和城市污水）等。了解这些渠道内部的水流量对于反映当地水资源的可利用量以及利用效率尤为重要。本案例为南方某市水务局为监测其市内主要的排水渠及景观河的流量情况，使用OTT SLD固定式多普勒流量计在若干个重点监测区域实现24小时在线流量监测，监测渠道内部流量变化情况，掌握各个渠道水资源动态变化特征的基本信息数据，为防洪排涝和水资源调度提供依据。应用情况 OTT SLD固定式多普勒流量计被安装于人工渠道侧岸之上，侧岸呈垂直状，使用可提拉式滑动支架固定于石质基质上，安装在固定位置进行测量，非测量时段可以提出水面进行仪器维护清洁。岸上集成自动监测的附属设备包括太阳能板、电池、控制器、数据采集器、通讯模块和视频监控等，流量计通过水下电缆与这些设备连接，监测数据通过移动网络上传至客户数据中心查看下载。OTT SLD固定式多普勒流量计通过确定河岸形状进行流量率定得出最终流量值。定时进行设备维护和清洁，以提供精确数据。本案例中OTT SLD固定式多普勒流量计进行24小时连续的流量实时监测，了解市内水资源运移情况调配水量。自动监测无需人工现场操作，节省人力成本。 优势特点§ 无人值守监测§ 方便维护且维护量小§ 同时获得流速、水位、流量数据§ 流量率定方式简便快捷 总结 本案例中的SLD固定式多普勒流量计进行24小时在线实时测量，安装于人工渠道(排水渠、景观河)河岸平直区域流量有代表性的地点，除流量数据外，还可同时得到流速和水位数据，便于客户了解渠道内水量情况，为客户监测域内水资源状况提供帮助。本站点数据变化规律稳定可靠，得到客户认可，可以很好的反映监测区域内的流量情况。

M9自从2009年在世界范围内正式发布以来，已有2000多个用户和单位正在使用。在国内，也已经有超过1000个用户正在使用中，发挥了很大的作用和产生了很好的效果。主要用户覆盖了全国各省市；包括了广东、广西、云南、贵州、浙江、宁波、福建、四川、重庆、江苏、上海、安徽、山东、河北、河南、北京、湖南、湖北、江西、海南、新疆、西藏、黑龙江、吉林、辽宁、长委、松辽委、珠委、海委、淮委等30余省市、流域机构的水文系统、环保系统、以及科研单位和大专院校。案例一：浙江省水文局直属的之江水文站位于钱塘江的河口，是流入杭州湾的最后一个控制站，河宽近1000米，最大流量达13800 m3/s。该站配置了四套带有RTK GPS的 M9，用于潮汐变化大、河床走底现象严重的流量测验任务；很好地解决了以前测流困难、测验误差大等问题。采用M9仪器，配合遥控船的过河装置，还可以从一岸的不到1米的水边开始，一直测流达到对岸的也是不到1米的水边，完整地实测到整个测流断面的资料。下图是实测的数据，与测站的流量过程线非常吻合。下图是放大的右岸开始水边的剖面数据，可以看到实测到的第一个测量单元离开水面仅为0.18米（还包含了换能器在水下0.08米的入水深度），而测量单元大小只为0.02米；做到了非常小的盲区和非常高分辨率。M9在这样的情况下，是采用了脉冲相干的工作模式，保证了在浅水和低流速的情况下的测流精度。案例二：位于武汉的长江流域汉口水文站，是长委水文局的一个窗口。M9曾经在该站进行过多次的测量，下图为2009年6月12日的一次实测成果。M9可以同时显示采用底跟踪作参考的航迹（下图中间蓝色的航迹线），和采用GPS作参考的航迹（下图中间橙色的航迹线）。如果测量时河床没有产生走底的现象，那么这二种不同参考的航迹应该是重叠的。但是，如果河床底部的流沙在移动，即产生走底时，这二条航迹就不会重叠，通常底跟踪的航迹线会向上游方向漂移。走底现象越严重，漂移的程度就越大，而且实测的流量也会随之偏小。我国的测验规范中明确指出：测流断面有底沙运动时，是不能用底跟踪测流，应采用GPS测量船速。M9采用了内置DGPS（或RTKGPS）很好地解决了走底河床的测流问题。汉口水文站用RTK GPS实测的流量（二个测回的平均值）是28500m3/s，与汉口站的流量过程线的数值非常吻合。而如果采用底跟踪作参考进行流量计算，显示的实测流量仅为26800m3/s；会偏小了1700m3/s，测验误差会达6.3 %之多，而且测量的当天流速不大，相对来说，走底并不严重。下表是二个测回，即4个航次的成果表。相对误差仅为0.5 %。在汉口水文站，我们还进行了采用外置GPS罗盘的方式测流的演示。这样的配置，对于使用大型铁质测船测流是有很大的现实意义。至今为止，所有的多普勒流速仪都是采用内置的磁罗盘来测量流速和流向的。而对于固定安装在船舷边的仪器内置罗盘，会受到铁船影响，罗盘不再准确地指向正北方向，从而影响了测量精度。为了彻底解决大型铁船对多普勒流速仪的影响，M9可以直接采用外置的GPS罗盘，既可取代内置的磁罗盘，又可以取代用于测量船速的GPS。2011年7月12日，我们在汉口水文站采用GPS罗盘进行了一次演示。实测流量为31800 m3/s，与汉口站流量过程线的数值非常接近。

创新助力高原科考，科技成为破译青藏天气气候的“金密码”。赛莱默旗下品牌SonTek声学多普勒水流剖面仪RiverSurveyor M9助力青藏科考。无需断面索或卷尺结合RiverSurveyor Stationary Live软件，使用配备DGPS或RTK GPS 的系统即可自动测量站点之间的距离。个性化手动配置可以为动船测量方法设置盲区、单元大小以及单元数量。实时QA/QC警告在可能出现问题之前实时预警以排除隐患。全新文件压缩功能新增并改进了压缩和自动解压缩功能，提升大量数据的访问速度。样品过滤帮助您轻松删除随机的速度异常值！

项目编号：中大招（货）[2022]680号、中大招（货）[2022]689号项目名称：中山大学物理学院电子束离子束双束电子显微镜采购项目、中山大学物理学院多普勒干涉原子力显微镜采购项目预算金额：1310.0000000 万元（人民币）采购需求：1、招标采购项目内容及数量：电子束离子束双束电子显微镜，1台（本项目允许产自中华人民共和国关境外的进口货物投标；本项目不属于专门面向中小企业采购项目。本项目所属行业为工业。具体内容及要求详见公告附件招标文件）。项目预算及经费来源：项目预算 7600000.00 元人民币。经费来源为财政性资金。2、招标采购项目内容及数量：多普勒干涉原子力显微镜，1套（本项目允许产自中华人民共和国关境外的进口货物投标；本项目不属于专门面向中小企业采购项目。本项目所属行业为工业。具体内容及要求详见公告附件招标文件）。项目预算及经费来源：项目预算 5500000.00 元人民币。经费来源为财政性资金。合同履行期限：收到发货通知后240日内完成交货及安装。本项目( 不接受 )联合体投标。中大招（货）[2022]680号_中山大学物理学院电子束离子束双束电子显微镜采购项目（正稿）.pdf中大招（货）[2022]689号_中山大学物理学院多普勒干涉原子力显微镜采购项目（正稿）.pdf

我们很高兴的通知大家，赛莱默分析仪器旗下品牌SonTek新型“FlowTracker2” 声学多普勒流速仪正式上市！ 在采集水流速和流量信息的仪器演变过程中，声学多普勒流速仪 (ADV) 被视为是旗舰性质的进步。多年以来，对于全世界的政府水务机构和环境监测组织而言，当需要测量河流、溪流和运河中水量和流速时，ADV 成为了一项不可或缺的工具。 利用世界知名水文学家、研究人员和科学家在技术和应用专业知识方面的成就，SonTek 很高兴能揭示一款全新的（但又广为人知的）涉水型流量仪 — FlowTracker2！ FlowTracker2 具有原型 FlowTracker 的所有特性，用户对此已经有所了解并抱有信心。但现在的新型号包含现代化、人性化且直观的新特性，可优化数据采集过程，但又能持续为用户提供无与伦比的数据测量精度 — 尤其是在浅水的测验环境中。这些特性包括： SonTek 拥有专利的“SmartQC”，可确保用户知晓何时会出现质量问题，挽救数据（节省时间！）； 改善的 ADV 声学测量技术：更高的采样频率、更低的噪音和更低的标准误差； 复杂但易用的高科技技术，可创建表格及时间序列图形，用于编辑复杂、专业的报告； 可通过 蓝牙 或 USB 接口与计算机连接； 还有更多！ SonTek 总经理 Hakan Erdem 说：“由于流量测验的需求不断增长，我们承诺将致力于提供尖端技术，为我们地球村健康和安全重大决策的人们提供可靠数据。”另一方面，“在为客户研制可靠、顶尖的仪器领域，我们是骄傲的领先者，而且我们将沿着这一方向继续前进。” FlowTracker2 可用于以下领域：流量监测、灌溉规划、社区发展和可持续性、洪水模拟和响应等更多方面。 欲知更多有关 FlowTracker2 的详情，请联系赛莱默分析仪器区域销售，或拨打4008-150-062免费咨询电话。

尊敬的合作伙伴：●Argonaut-MD锚系式声学多普勒流速仪即将停产，且不会出现在我公司2014年的报价单中。●我公司接受该产品订单截止至2014年7月1日，其报价请参照2013年的报价单。●由于考虑到零部件及人员情况，2014年7月1日后需要本产品的，参照订制产品的价格。●该仪器我公司提供5年保修（至2019年1月1日，参照实际购买日期），维修安排视当时零部件及人员情况而定。●同类产品建议您详细了解并购买我公司Aanderaa产品(DCS head, RCM Blue, SeaGuard 等)。请关注以上信息。如有任何问题，请与我们联系。

1 引 言激光干涉位移测量技术具有大量程、高分辨力、非接触式及可溯源性等优势，广泛应用于精密计量、微电子集成装备和大科学装置等领域，成为超精密位移测量领域中的重要技术之一。近年来，随着这些领域的迅猛发展，对激光干涉测量技术提出了新的测量需求。如在基于长度等量子化参量的质量基准溯源方案中，要想实现1×10−8 量级的溯源要求，需要激光干涉仪长度测量精度达0. 1 nm 量级；在集成电路制造方面，激光干涉仪承担光刻机中掩模台、工件台空间位置的高速、超精密测量任务，按照“ 摩尔定律”发展规律，近些年要想实现1 nm 节点光刻技术，需要超精密测量动态精度达0. 1 nm，达到原子尺度。为此，国际上以顶级的计量机构为代表的单位均部署了诸如NNI、Nanotrace 等工程，开展了“纳米”尺度测量仪器的研制工程，并制定了测量确定度在10 pm 以下的激光干涉测量技术的研发战略。着眼于国际形势，我国同样根据先进光刻机等高端备、先进计量的测量需求，制定了诸多纳米计量技术的研发要。可见，超精密位移测量技术的发展对推进我国众多大高端装备具有重要战略意义，是目前纳米度下测量领域逐步发展的重大研究方向。2 激光干涉测量原理根据光波的传播和叠加原理，满足相干条件的光波能够在空间中出现干涉现象。在激光干涉测量中，由于测量目标运动，将产生多普勒- 菲佐（Doppler-Fizeau效应，干涉条纹将随时间呈周期性变化，称为拍频现象。移/相移信息与测量目标的运动速度/位移关系满足fd = 2nv/ λ ， （1）φd = 2nL/ λ ， （2）式中：fd为多普勒频移；φd为多普勒相移；n 为空气折射率；v 和L 为运动速度和位移；λ 为激光波长。通过对干涉信号的频率/相位进行解算即可间接获得测量目标运动过程中速度/位信息。典型的干涉测量系统可按照激光光源类型分为单频（零差式）激光干涉仪和双频（外差式）激光干涉仪两大类。零差式激光干涉测量基本原理如图1 所示，其结构与Michelson 干涉仪相仿，参考光与测量光合光干涉后，经过QPD 输出一对相互正交的信号，为Icos = A cos (2πfd t + φ0 + φd ) ， （3）Isin = A sin (2πfd t + φ0 + φd ) ， （4）式中：（Icos， Isin）为QPD 输出的正交信号；A 为信号幅值；φ0 为初始相位。结合后续的信号处理单元即可构成完整、可辨向的测量系统。图1　零差激光干涉测量原理外差式激光干涉仪的光源是偏振态相互垂直且具有一定频差Δf 的双频激光，其典型的干涉仪结构如图2 所示。双频激光经过NPBS 后，反射光通过偏振片发生干涉，形成参考信号Ir；透射光经过PBS，光束中两个垂直偏振态相互分开，f2 光经过固定的参考镜反射，f1 光经运动的测量镜反射并附加多普勒频移fd，与反射光合光干涉后形成测量信号Im。Ir = Ar cos (2πΔft + φr ) ， （5）Im = Am cos (2πΔft + φm )， （6）式中：Δf、A 和φ 分别为双频激光频差、信号幅值和初始相位差。结合式（5）和式（6），可解算出测量目标的相位信息。图2　外差激光干涉测量原理零差式激光干涉仪常用于分辨力高、速度相对低并且轴数少的应用中。外差式激光干涉仪具有更强的抗电子噪声能力，易于实现对多个目标运动位移的多轴同步测量，适用于兼容高分辨力、高速及多轴同步测量场合，是目前主流的干涉结构之一。3 激光干涉测量关键技术在超精密激光干涉仪中，波长是测量基准，尤其在米量级的大测程中，要实现亚纳米测量，波长准确度对测量精度起到决定性作用。其中，稳频技术直接影响了激光波长的准确度，决定激光干涉仪的精度上限；环境因素的变化将影响激光的真实波长，间接降低了实际的测量精度。干涉镜组结构决定光束传播过程中的偏振态、方向性等参数，影响干涉信号质量。此外，干涉信号相位细分技术决定激光干涉仪的测量分辨力，并限制了激光干涉仪的最大测量速度。3. 1　高精度稳频技术在自由运转的状态下，激光器的频率准确度通常只有±1. 5×10−6，无法满足超精密测量中10−8~10−7的频率准确度要求。利用传统的热稳频技术（单纵模激光器的兰姆凹陷稳频方法等），可以提高频率准确度，但系统中稳频控制点常偏离光功率平衡点，输出光频率准确度仅能达2×10−7量级，无法完全满足超精密测量的精度需求。目前，超精密干涉测量中采用的高精度稳频技术主要有热稳频、饱和吸收及偏频锁定3 种。由于激光管谐振腔的热膨胀特性，腔长随温度变化呈近似线性变化。因此，热稳频方法通过对谐振腔进行温度控制实现对激光频率的闭环调节。具体过程为：选定稳定的参考频标（双纵模激光器的光功率平衡点、纵向塞曼激光器频差曲线的峰/谷值点），当激光频率偏离参考频标时，产生的频差信号用于驱动加热膜等执行机构进行激光管谐振腔腔长调节。热稳频方法能够使激光器的输出频率的准确度在10−9~10−8 量级，但原子跃迁的中心频率随时间推移受腔内气体气压、放电条件及激光管老化的影响会发生温度漂移。利用稳频控制点修正方法，通过对左右旋圆偏振光进行精确偏振分光和对称功率检测来抑制稳频控制点偏移的随机扰动，同时补偿其相对稳定偏置分量。该方法显著改善了激光频率的长期漂移现象，阿伦方差频率稳定度为1. 9×10−10，漂移量可减小至（1~2）×10−8。稳频点修正后的激光波长仍存在较大的短期抖动，主要源于激光器对环境温度的敏感性，温差对频率稳定性的影响大。自然散热型激光器和强耦合水冷散热型激光器均存在散热效果不均匀和散热程度不稳定的问题。多层弱耦合水冷散热结构为激光管提供一个相对稳定的稳频环境，既能抑制外界环境温度变化对激光管产生的扰动，冷却水自身的弱耦合特性又不影响激光管性能，进而减小了温度梯度和热应力，提高了激光器对环境温度的抗干扰能力，减少了输出激光频率的短期噪声，波长的相对频率稳定度约为1×10−9 h−1。碘分子饱和吸收稳频法将激光器的振荡频率锁定在外界的参考频率上，碘分子饱和吸收室内处于低压状态下（1~10 Pa）的碘分子气体在特定频率点附近存在频率稳定的吸收峰，将其作为稳频基准后准确度可达2. 5×10−11。但由于谐振腔损耗过大，稳频激光输出功率难以超过100 μW 且存在MHz 量级的调制频率，与运动目标测量过程中产生的多普勒频移相近。因此，饱和吸收法难以适用于多轴、动态的测量场合。偏频锁定技术是另一种高精度的热稳频方法，其原理如图3 所示，通过实时测量待稳频激光器出射光与高精度碘稳频激光频差，获得反馈控制量，从而对待稳频激光器谐振腔进行不同程度加热，实现高精度稳频。在水冷系统提供的稳频环境下，偏频锁定激光器的出射光相对频率准确度优于2. 3×10−11。图3 偏频锁定热稳频原理3. 2　高精度干涉镜组周期非线性误差是激光干涉仪中特有的内在原理性误差，随位移变化呈周期性变化，每经过半波长，将会出现一次最大值。误差大小取决光束质量，而干涉镜组是决定光束质量的主导因素。传统的周期非线性误差可以归结为零差干涉仪的三差问题和外差干涉仪的双频混叠问题，产生的非线性误差机理如图4 所示，其中Ix、Iy分别表示正交信号的归一化强度。其中，GR为虚反射，MMS 为主信号，PISn 为第n 个寄生干涉信号，DFSn 为第n 阶虚反射信号。二者表现形式不完全相同，但都会对测量结果产生数纳米至数十纳米的测量误差。可见，在面向亚纳米、皮米级的干涉测量技术中，周期非线性误差难以避免。图4　零差与外差干涉仪中的周期非线性误差机理。（a）传统三差问题与多阶虚反射李萨如图；（b）多阶虚反射与双频混叠频谱分布Heydemann 椭圆拟合法是抑制零差干涉仪中非线性误差的有效方法。该方法基于最小二乘拟合，获得关于干涉直流偏置、交流幅值以及相位偏移的线性方程组，从而对信号进行修正。在此基础上，Köning等提出一种基于测量信号和拟合信号最小几何距离的椭圆拟合方法，该方法能提供未知模型参数的局部最佳线性无偏估计量，通过Monte Carlo 随机模拟后，其非线性幅值的理论值约为22 pm。在外差干涉仪中，双频混叠本质上是源于共光路结构中双频激光光源和偏振器件分光的不理想性，称为第1 类周期非线性。对于此类周期非线性误差，补偿方法主要可以从光路系统和信号处理算法两个方面入手。前者通过优化光路可以将非线性误差补偿至数纳米水平；后者通过椭圆拟合法提取椭圆特征参数，可以将外差干涉仪中周期非线性误差补偿至亚纳米量级；两种均属补偿法，方法较为复杂，误差难以抑制到0. 1 nm 以下。另一种基于空间分离式外差干涉结构的光学非线性误差抑制技术采用独立的参考光路和测量光路，非共光路使两路光在干涉前保持独立传播，从根本上避免了外差干涉仪中频率混叠的问题，系统残余的非线性误差约为数十皮米。空间分离式干涉结构能够消除频率混叠引起的第1 类周期非线性误差，但在测量结果中仍残余亚纳米量级的非线性误差，这种有别于频率混叠的残余误差即为多阶多普勒虚反射现象，也称为第2 类周期非线性误差。虚反射现象源自光学镜面的不理想分光、反射等因素，如图5所示，其中MB 为主光束，GR 为反射光束，虚反射现象普遍存在于绝大多数干涉仪结构中。虚反射效应将会使零差干涉仪中李萨如图的椭圆产生畸变，而在外差干涉仪中则出现明显高于双频混叠的高阶误差分量。图5　多阶虚反射现象使用降低反射率的方法，如镀增透膜、设计多层增透膜等，能够弱化虚反射现象，将周期非线性降低至亚纳米水平；德国联邦物理技术研究院Weichert等通过调节虚反射光束与测量光束间的失配角，利用透镜加入空间滤波的方法将周期非线性误差降低至±10 pm。上述方法在抑制单次的虚反射现象时有着良好的效果，但在面对多阶虚反射效应时作用有限。哈尔滨工业大学王越提出一种适用于多阶虚反射的周期非线性误差抑制方法，该方法利用遗传算法优化关键虚反射面空间姿态，精准规划虚反射光束轨迹，可以将周期非线性误差抑制到数皮米量级，突破了该领域10 pm 的周期非线性误差极限。3. 3　高速高分辨力相位细分技术在激光干涉仪中，相位细分技术直接决定系统的测量精度。实现亚纳米、皮米测量的关键离不开高精度的相位细分技术。相位的解算可以从时域和频域两个角度进行。最为常用的时域解算方法是基于脉冲边缘触发的相位测量方法，该方法利用高频脉冲信号对测量信号与参考信号进行周期计数，进而获取两路信号的相位差。该方法的测量速度与测量分辨力模型可表达为vm/dLm= Bm ， （7）式中：vm 为测量速度；dLm 为测量分辨力；Bm 为系统带宽。在系统带宽恒定的情况下，高测速与高分辨力之间存在相互制约关系。只有提高系统带宽才能实现测量速度和测量分辨力的同时提升，也因此极度依赖硬件运行能力。在测量速度方面，外差激光干涉仪的测量速度主要受限于双频激光频差Δf，测量目标运动产生的多普勒频移需满足fd≤Δf。目前，美国的Zygo 公司和哈尔滨工业大学利用双声光移频方案所研制的结构的频差可达20 MHz，理论的测量速度优于5 m/s。该方法通过增加双频激光频差来间接提升测量速度，频差连续可调，适用于不同测量速度的应用场合，最大频差通常可达几十MHz，满足目前多数测量速度需求。从干涉结构出发，刁晓飞提出一种双向多普勒频移干涉测量方法，采用全对称的光路结构，如图6所示，获得两路多普勒频移方向相反的干涉信号，并根据目标运动方向选择性地采用不同干涉信号，保证始终采用正向多普勒频移进行相位/位移解算。该方法从原理上克服了双频激光频差对测量速度的限制，其最大测量速度主要受限于光电探测器带宽与模/数转换器的采样频率。图6 全对称光路结构在提升测量分辨力方面，Yan 等提出一种基于电光调制的相位调制方法，对频率为500 Hz 的信号进行周期计数，该方法实现的相位测量标准差约为0. 005°，具有10 pm 内的超高位移测量分辨力，适用于低速测量场合。对于高速信号，基于脉冲边缘触发的相位测量方法受限于硬件带宽，高频脉冲频率极限在500 MHz 左右，其测量分辨力极限约为1~10 nm，难以突破亚纳米水平。利用高速芯片，可以将处理带宽提升至10 GHz，从而实现亚纳米的测量分辨力，但成本较大。闫磊提出一种数字延时细分超精细相位测量技术，在硬件性能相同、采样频率不变的情况下，该方法利用8 阶数字延迟线，实现了相位的1024 电子细分，具有0. 31 nm 的位移测量分辨力，实现了亚纳米测量水平。该方法的等效脉冲频率约为5 GHz，接近硬件处理极限，但其测量速度与测量分辨力之间依旧存在式（7）的制约关系。德国联邦物理技术研究院的Köchert 等提出了一种双正交锁相放大相位测量方法，如图7所示，FPGA 内部生成的理想正交信号分别与外部测量信号、参考信号混频，获取相位差。利用该方法，可以实现10 pm 以内的静态测量偏差。双正交锁相放大法能够处理正弦模拟信号，充分利用了信号的频率与幅值信息，其测量速度与测量分辨力计算公式为vm/0. 1λ0= Bm ， （8）dLm/0. 5λ0=Bs/dLc， （9）式中：Bs为采样带宽；dLc为解算分辨力。图7 双正交锁相方法测量原理可见，测量速度与测量分辨力相互独立，从原理上解决了高测速与高分辨力相互制约的矛盾，为激光干涉仪提供了一种兼顾高速和高分辨力的相位处理方法。在此基础上，为了适应现代工业中系统化和集成化的测量需求，美国Keysight 公司、Zygo 公司及哈尔滨工业大学相继研发出了光电探测与信号处理一体化板卡，能够实现高于5 m/s 的测量速度以及0. 31 nm 甚至0. 077 nm 的测量分辨力。此外，从变换域方面同样可以实现高精度的相位解算。张紫杨等提出了一种基于小波变换的相位细分方法，通过小波变换提取信号的瞬时频率，计算频率变化的细分时间，实现高精度的位移测量，该方法的理论相位细分数可达1024，等效位移精度约为0. 63 nm。Strube 等利用频谱分析法，从信号离散傅里叶变换（DFT）后的相位谱中获取测量目标的位移，实现了0. 3 nm 的位移测量分辨力。由于采用图像传感器为光电转换器，信号处理是以干涉条纹为基础的，适用于静态、准静态的低速测量场合。3. 4环境补偿与控制技术环境中温度、气压及湿度等变化会引起空气折射率变化，使得激光在空气中传播时波长变动，导致测量结果产生纳米量级的误差。环境误差补偿与控制技术是抑制空气折射率误差的两种重要手段。补偿法是修正空气折射率误差最常用的方法，具有极高的环境容忍度。采用折光仪原理、双波长法等可以实现10−7~10−8 量级的空气折射率相对测量不确定度。根据Edlen 经验公式，通过精确测定环境参数（温度、湿度和大气压等），可以计算出空气折射率的精确值，用于补偿位移测量结果，其中温度是影响补偿精度的最主要因素。采用高精度铂电阻传感器，设备可以实现1 mK 的温度测量精度，其折射率的补偿精度可达10−8量级，接近Edlen 公式的补偿极限。环境控制技术是保证干涉仪亚纳米测量精度的另一种有效方法。在现行的DUV 光刻机中，采用气浴法，建立3 mK/5 min 以内恒温、10 Pa/5 min 以内恒压、恒湿气浴场，该环境中能够实现10−9~10−8 量级空气折射率的不确定度。对于深空引力波探测、下一代质量基准溯源等应用场合，对激光干涉仪工作的环境控制要求更为严苛，测量装置需置于真空环境中，此时，空气折射率引入的测量误差将被彻底消除。4 激光干涉测量技术发展趋势近年来，超精密位移测量的精度需求逐渐从纳米量级向亚纳米甚至皮米量级过渡。国内在激光干涉仪中的激光稳频、周期非线性误差消除和信号处理等关键技术上均取得了重大的突破。在LISA 团队规划的空间引力波探测方案中，要求在500 万千米的距离上，激光干涉仪对相对位移量需要具有10 pm 以内的分辨能力。面对更严苛的测量需求，超精密位移测量依然严峻面临挑战。激光干涉测量技术的未来发展趋势可以归结如下。1）激光波长存在的长期漂移和短期抖动是限制测量精度提升的根本原因。高精度稳频技术对激光波长不确定度的提升极限约为10−9量级。继续提升激光波长稳定度仍需要依托于下一阶段的工业基础，改善激光管本身的物理特性，优化光源质量。2）纳米级原理性光学周期非线性误差是限制激光干涉仪测量精度向亚纳米、皮米精度发展的重要瓶颈。消除和抑制第1 类和第2 类周期非线性误差后，仍残余数十皮米的非线性误差。由于周期非线性误差的表现形式与耦合关系复杂，想要进一步降低周期非线性误差幅值，需要继续探索可能存在的第3 类非线性误差机理。3）测量速度与测量分辨力的矛盾关系在动态锁相放大相位测量方法中得到初步解决。但面对深空引力波探测中高速、皮米的测量要求，仍然需要进一步探索弱光探测下的高分辨力相位细分技术；同时，需要研究高速测量过程中的动态误差校准技术。高速、高分辨力特征依旧是相位细分技术今后的研究方向。全文下载：亚纳米皮米激光干涉位移测量技术与仪器_激光与光电子学进展.pdf

激光雷达是集激光、全球定位系统（GPS）、和IMU（惯性测量装置）三种技术于一身的系统，相比普通雷达，激光雷达具有分辨率高，隐蔽性好、抗干扰能力更强等优势。随着科技的不断发展，激光雷达的应用越来越广泛，在机器人、无人驾驶、无人车等领域都能看到它的身影，有需求必然会有市场，随着激光雷达需求的不断增大，激光雷达的种类也变得琳琅满目，按照使用功能、探测方式、载荷平台等激光雷达可分为不同的类型。激光雷达类型图激光雷达按功能分类激光测距雷达激光测距雷达是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。传统上，激光雷达可用于工业的安全检测领域，如科幻片中看到的激光墙，当有人闯入时，系统会立马做出反应，发出预警。另外，激光测距雷达在空间测绘领域也有广泛应用。但随着人工智能行业的兴起，激光测距雷达已成为机器人体内不可或缺的核心部件，配合SLAM技术使用，可帮助机器人进行实时定位导航，实现自主行走。思岚科技研制的rplidar系列配合slamware模块使用是目前服务机器人自主定位导航的典型代表，其在25米测距半径内，可完成每秒上万次的激光测距，并实现毫米级别的解析度。激光测速雷达激光测速雷达是对物体移动速度的测量，通过对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，从而得到该被测物体的移动速度。激光雷达测速的方法主要有两大类，一类是基于激光雷达测距原理实现，即以一定时间间隔连续测量目标距离，用两次目标距离的差值除以时间间隔就可得知目标的速度值，速度的方向根据距离差值的正负就可以确定。这种方法系统结构简单，测量精度有限，只能用于反射激光较强的硬目标。另一类测速方法是利用多普勒频移。多普勒频移是指目标与激光雷达之间存在相对速度时，接收回波信号的频率与发射信号的频率之间会产生一个频率差，这个频率差就是多普勒频移。激光成像雷达激光成像雷达可用于探测和跟踪目标、获得目标方位及速度信息等。它能够完成普通雷达所不能完成的任务，如探测潜艇、水雷、隐藏的军事目标等等。在军事、航空航天、工业和医学领域被广泛应用。大气探测激光雷达大气探测激光雷达主要是用来探测大气中的分子、烟雾的密度、温度、风速、风向及大气中水蒸气的浓度的，以达到对大气环境进行监测及对暴风雨、沙尘暴等灾害性天气进行预报的目的。跟踪雷达跟踪雷达可以连续的去跟踪一个目标，并测量该目标的坐标，提供目标的运动轨迹。不仅用于火炮控制、导弹制导、外弹道测量、卫星跟踪、突防技术研究等，而且在气象、交通、科学研究等领域也在日益扩大。按工作介质分类固体激光雷达固体激光雷达峰值功率高，输出波长范围与现有的光学元件与器件，输出长范围与现有的光学元件与器件(如调制器、隔离器和探测器）以及大气传输特性相匹配等，而且很容易实现主振荡器-功率放大器（MOPA）结构，再加上效率高、体积小、重量轻、可靠性高和稳定性好等导体，固体激光雷达优先在机载和天基系统中应用。近年来，激光雷达发展的重点是二极管泵浦固体激光雷达。气体激光雷达气体激光雷达以CO2激光雷达为代表，它工作在红外波段 ，大气传输衰减小，探测距离远，已经在大气风场和环境监测方面发挥了很大作用，但体积大，使用的中红外 HgCdTe探测器必须在77K温度下工作,限制了气体激光雷达的发展。半导体激光雷达半导体激光雷达能以高重复频率方式连续工作，具有长寿命，小体积，低成本和对人眼伤害小的优点，被广泛应用于后向散射信号比较强的Mie散射测量，如探测云底高度。半导体激光雷达的潜在应用是测量能见度，获得大气边界层中的气溶胶消光廓线和识别雨雪等，易于制成机载设备。目前芬兰Vaisala公司研制的CT25K激光测云仪是半导体测云激光雷达的典型代表，其云底高度的测量范围可达7500m。按线数分类单线激光雷达单线激光雷达主要用于规避障碍物，其扫描速度快、分辨率强、可靠性高。由于单线激光雷达比多线和3D激光雷达在角频率和灵敏度反映更加快捷，所以，在测试周围障碍物的距离和精度上都更加精 确。但是，单线雷达只能平面式扫描，不能测量物体高度，有一定局限性。当前主要应用于服务机器人身上，如我们常见的扫地机器人。多线激光雷达多线激光雷达主要应用于汽车的雷达成像，相比单线激光雷达在维度提升和场景还原上有了质的改变，可以识别物体的高度信息。多线激光雷达常规是2.5D，而且可以做到3D。目前在国际市场上推出的主要有 4线、8线、16 线、32 线和 64 线。但价格高昂，大多车企不会选用。按扫描方式分类MEMS型激光雷达MEMS 型激光雷达可以动态调整自己的扫描模式，以此来聚焦特殊物体，采集更远更小物体的细节信息并对其进行识别，这是传统机械激光雷达无法实现的。MEMS整套系统只需一个很小的反射镜就能引导固定的激光束射向不同方向。由于反射镜很小，因此其惯性力矩并不大，可以快速移动，速度快到可以在不到一秒时间里跟踪到 2D 扫描模式。Flash型激光雷达Flash型激光雷达能快速记录整个场景，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦，它运行起来比较像摄像头。激光束会直接向各个方向漫射，因此只要一次快闪就能照亮整个场景。随后，系统会利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束。Flash LiDAR有它的优势，当然也存在一定的缺陷。当像素越大，需要处理的信号就会越多，如果将海量像素塞进光电探测器，必然会带来各种干扰，其结果就是精度的下降。相控阵激光雷达相控阵激光雷达搭载的一排发射器可以通过调整信号的相对相位来改变激光束的发射方向。目前大多数相控阵激光雷达还在实验室里呆着，而现在仍停留在旋转式或 MEMS 激光雷达的时代，机械旋转式激光雷达机械旋转式激光雷达是发展比较早的激光雷达，目前技术比较成熟，但机械旋转式激光雷达系统结构十分复杂，且各核心组件价格也都颇为昂贵，其中主要包括激光器、扫描器、光学组件、光电探测器、接收IC以及位置和导航器件等。由于硬件成本高，导致量产困难，且稳定性也有待提升，目前固态激光雷达成为很多公司的发展方向。按探测方式分类直接探测激光雷达直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。工作时，由发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，则可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度。相干探测激光雷达相干探测型激光雷达有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径，并由发送-接收开关隔离。而双稳系统则包括两个光学孔径，分别供发送与接收信号使用，发送-接收开关自然不再需要，其余部分与单稳系统相同。按激光发射波形分类连续型激光雷达从激光的原理来看，连续激光就是一直有光出来，就像打开手电筒的开关，它的光会一直亮着（特殊情况除外）。连续激光是依靠持续亮光到待测高度，进行某个高度下数据采集。由于连续激光的工作特点，某时某刻只能采集到一个点的数据。因为风数据的不确定特性，用一点代表某个高度的风况，显然有些片面。因此有些厂家折中的办法是采取旋转360度，在这个圆边上面采集多点进行平均评估，显然这是一个虚拟平面中的多点统计数据的概念。脉冲型激光雷达脉冲激光输出的激光是不连续的，而是一闪一闪的。脉冲激光的原理是发射几万个的激光粒子，根据国际通用的多普勒原理，从这几万个激光粒子的反射情况来综合评价某个高度的风况，这个是一个立体的概念，因此才有探测长度的理论。从激光的特性来看，脉冲激光要比连续激光测量的点位多几十倍，更能够精确的反应出某个高度风况。按载荷平台分类机载激光雷达机载激光雷达是将激光测距设备、GNSS设备和INS等设备紧密集成，以飞行平台为载体，通过对地面进行扫描，记录目标的姿态、位置和反射强度等信息，获取地表的三维信息，并深入加工得到所需空间信息的技术。在军民用领域都有广泛的潜力和前景。机载激光雷达探测距离近，激光在大气中传输时，能量受大气影响而衰减，激光雷达的作用距离在20千米以内，尤其在恶劣气候条件下，比如浓雾、大雨和烟、尘，作用距离会大大缩短，难以有效工作。大气湍流也会不同程度上降低激光雷达的测量精度。车载激光雷达车载激光雷达又称车载三维激光扫描仪，是一种移动型三维激光扫描系统，可以通过发射和接受激光束，分析激光遇到目标对象后的折返时间，计算出目标对象与车的相对距离，并利用收集的目标对象表面大量的密集点的三维坐标、反射率等信息，快速复建出目标的三维模型及各种图件数据，建立三维点云图，绘制出环境地图，以达到环境感知的目的。车载激光雷达在自动驾驶“造车”大潮中扮演的角色正越来越重要，诸如谷歌、百度、宝马、博世、德尔福等企业，都在其自动驾驶系统中使用了激光雷达，带动车载激光雷达产业迅速扩大。地基激光雷达地基激光雷达可以获取林区的3D点云信息，利用点云信息提取单木位置和树高，它不仅节省了人力和物力，还提高了提取的精度，具有其它遥感方式所无法比拟的优势。通过对国内外该技术林业应用的分析和对该发明研究后期的结果验证，未来将会在更大的研究区域利用该技术提取各种森林参数。星载激光雷达星载雷达采用卫星平台，运行轨道高、观测视野广，可以触及世界的每一个角落。为境外地区三维控制点和数字地面模型的获取提供了新的途径，无论对于国防或是科学研究都具有十分重大意义。星载激光雷达还具有观察整个天体的能力，美国进行的月球和火星等探测计划中都包含了星载激光雷达，其所提供的数据资料可用于制作天体的综合三维地形图。此外，星载激光雷达载植被垂直分布测量、海面高度测量、云层和气溶胶垂直分布测量以及特殊气候现象监测等方面也可以发挥重要作用。通过以上对激光雷达特点、原理、应用领域等介绍，相信大家也能大致了解各类激光雷达的不同属性了，眼下，在激光雷达这个竞争越来越激烈的赛道上，打造低成本、可量产、的激光雷达是很多新创公司想要实现的梦想。但开发和量产激光雷达并不容易。丰富的行业经验和可靠的技术才能保障其在这一波大潮中占据主导地位。

背景在恶劣环境中的设施将大大增加对气象海洋学参数信息的需求。处于这些环境中的操作员们希望能减少安装的传感器平台数量以提升效率。欧洲大型传感器平台的一家主要制造商选择与我们合作，结合利用 Aanderaa MOTUS 波浪传感器与 Aanderaa 多普勒流速剖面仪，以监控海浪和洋流。通过联合激光雷达与其他传感器，我们致力于为最终用户提供完整的解决方案以实现高质量的气象海洋学监控。MOTUS 波浪传感器MOTUS 波向传感器的产品经理 Stig B. Øen 为我们介绍了更多有关 MOTUS 传感器的最新动态：针对来自 MOTUS 传感器用户和 MOTUS 浮标用户的反馈，我们始终用心倾听并积极响应，为此我们专门对传感器进行了升级：添加了一些基于竖向时间序列位移的波浪参数，并新增了 NMEA AIS 模式。MOTUS 传感器中的新增参数包括：平均波周期 T1/3；有效波高 H1/10；平均波周期 T1/10波；高 H1/1；平均波周期 T1/1；参考东向和北向水平时间序列，可配置为 2Hz 或 4Hz 采样。有关 MOTUS 波浪传感器的参数，请查阅数据表。MOTUS 适用于不同尺寸的浮标为了测量海浪特征，在理想情况下，传感器平台应完美地跟随水面运动。如果未应用补偿，则 MOTUS 传感器会根据安装位置的竖向平台位移计算波高。波向则基于水平浮标位移的方向。为了在众多不同类型的浮标中脱颖而出，MOTUS 传感器提供以下补偿功能。偏心补偿：在不同形状的大型浮标的旋转原点处安装传感器通常难度较大。通过向传感器提供其安装位置相对于旋转原点的信息并激活传感器偏心补偿功能，可以补偿误差。浮标响应/传递函数：如果浮标无法满足在所有频率下均理想地跟随水面，则可以通过激活和修改浮标传递函数来补偿限制。Anderaa 开发了一款简单工具，以帮助您了解不同尺寸形状浮标的期望阻尼因子。磁性：如果传感器受到电磁干扰，则可以将外部罗盘直接连接到 MOTUS 传感器。MOTUS 适用于海上风力/海上设施结合使用 Aanderaa 提供的海浪和洋流传感器与其他传感器（例如环境传感器和激光雷达），可为您提供完整的预研究平台和全面投产的海上风电场。MOTUS 传感器可在其内部完成对波浪参数的所有处理，通过实时/近实时输出基于频率和时间的参数，提供风浪和涌浪的全波频谱。对于海上风电场的运营来说，监控该区域的海浪将有助于确定是否将船只或技术人员派往现场、缩短停运时间，以及对健康、安全和环境保持高度关注。

LDV/PDPA 、PIV及V3V原理、系统构成与典型应用LDV/PDPA 与PIV硬件安装、调试与维护LDV/PDPA 与PIV软件参数设置与使用实验（加湿器与磁力搅拌器涡流实验）激光流体测量技术在消防与发动机喷嘴，汽车外形，飞机机翼，搅拌槽桨片，大型水坝等机械设计与制造，和湍流、边界层等复杂流动的研究中具有越来越重要的作用。TSI公司是专业的流体测量仪器生产供应商。从1984年进入中国，目前已经成为中国市场占有率最高的流体测量仪器厂家。为了提高用户的应用水平，TSI公司特举办此次研讨会，将系统的介绍LDV/PDPA、PIV及V3V原理、构成及应用，还将进行硬件及软件的实际操作培训。 相位多普勒粒子分析仪(LDV/PDPA)是单点、非接触式、高精度与高响应频率的测量工具，利用流体中运动微粒散射光的多普勒频率与相位变化来获得流体一维至三维速度与微粒粒径信息。 粒子图像测速仪(PIV) 通过对比分析一定时间间隔连续拍摄的两张示踪粒子的图像，获得流场中一平面上两维或三维的速度场。 体三维速度场仪(V3V)，将激光流场测量技术带入了一个全新的层面，能在真实的流体立方体积内测量完整的体三维速度场。 会议安排2011年6月21日上午：理论培训及讨论：原理及系统构成介绍、系统各部件介绍与典型应用下午：硬件操作培训：LDV/PDPA（激光器安装及激光准直、分光器与耦合器安装、发散接收探头光斑重合度检验及校正、粒径测量探头安装）；PIV（激光器操作、相机操作与系统标定） 2011年6月22日上午：软件操作培训：LDV/PDPA（Flowsizer）、PIV（Insight3G）软件参数设置及基本操作下午：实验：加湿器喷雾及磁力搅拌器会议地点北京市蟹岛绿色生态农庄(蟹岛度假村)电话：010-84324910/12地点：北京市朝阳区蟹岛路1号(首都机场辅路中段南侧)签到时间：6月20日中午后交通：北京市内用户可乘641路公交车直达蟹岛度假村东门，或乘10号线地铁于三元桥倒641路到达；乘飞机到达的用户可从首都机场乘出租车直接前往机场辅路中段南侧蟹岛路1号的蟹岛度假村。

无人机自动分析识别检测系统方案一、方案背景低空无人机(Unmanned Aerial Vehicle缩写 UAV )也称为无人航空器或遥控驾驶航空器，是一种由无线电遥控设备控制，或由预编程序操纵的非载人飞行器。无人机具有机动灵活的特点，它体积小，重量轻，可随时运输和携带。它对起降的要求低，随时飞降。无人机一般在云下低空平稳飞行，弥补了卫星光学遥感和普通航空摄影经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷。除了具有广阔的军事应用前景外，用无人机替代有人飞机执行高风险任务，也是当今国际航天领域一个重要发展方向。特别是在近几年国际局部战争中无人机被大量地使用。对无人机的监管存在盲区，无人机的大量使用更是给公共安全带来隐患。本来是为合法用途使用的无人机越来越多的被用于犯罪目的。公众已经日渐强烈的意识到了无人机可能造成的危害。无人机能窥探隐私/技术；无人机能影响民航 – 接近撞机；无人机可能会出现在敏感地区、关键位置和政府设施区域；无人机甚至能自动射击… … 最近两年，全国已发生多起无人机空中逼停飞机事件，成为民航飞行的“隐形杀shou”。2013年底，北京一家公司在没航拍资质、未申请空域的情况下航空测绘，造成多架次民航飞机避让延误。2017年浙江萧山机场、绵阳机场，此次成都机场都是由于不明无人机，导致了数百架飞机延误，数万人滞留，给国家和人民带来的损失是数以亿计的。二、无人机监测与反制现状2.1无人机控制链路介绍无人机如何控制呢？无人机使用无线链路进行远程控制和视频数据回传，超过90% 的无人机使用ISM频段 (2.4GHz) 操作，包括跳频， Wi-Fi等， 其中控制链路采用：常用的频率为 ISM 频段: 2.4 GHz， 5.8 GHz很少使用: 433 MHz， 比2.4GHz传播距离更远少量使用过时的遥控频段: 27 MHz， 35 MHz， 72 MHz (使用 PCM 或模拟编码)，这类无人机逐步消失了。无人机根据价格水平有不同的控制方式，比如一些低成本的无人机采用蓝牙技术（ISM2.4GHz）；大部分无人机采用Wi-Fi或跳频（ISM2.4GHz）；也有部分高端无人机采用基于预设路径的卫星导航。 2.2无人机主要监控方式各国对无人机的监控主要的手段分为两种方式：行政监管、技术防范。2.2.1行政监管：日本为了加强无人机管理，实施了新的《航空法》，规定人口集中的地区一律禁止飞无人机，防止无人机引发事故或被用于犯罪，违者将处以50万日元的罚款；英国对无人机使用也作出规定，航空法第166条第三款规定，小型无人机操作员必须保持时时刻刻能看见无人机，对无人机能够完全掌控，在飞行时应与其它飞行器、人群、车辆以及建筑保持一定的距离，以免发生碰撞事故。2.2.2技术防范从技术角度来说。目前，国外无人机反制技术大致有信号干扰、雷达探测、激光炮击落、综合型技术等几大类。（1）信号干扰：无人机工作时需要知道自己的精确位置，但无人机自身无法获得足够精确坐标数据，因此，无人机上通过安装GPS信号接收机，采用GPS卫星导航系统与惯性导航系统相结合的方式进行飞行控制。信号干扰技术是通过影响无人机的GPS信号接收机，使其只能依靠基于陀螺仪的惯性导航系统，而无法获得足够精确的自身坐标数据。美国DroneDefender电波枪打击技术美国俄亥俄州非盈利开发机构“巴特尔”(Batfeoe)最近推出了一种DroneDefender反无人机设备。DroneDefender设备前端上部安装了一根白色的杆状天线。这种设备采用非破坏性技术，是首款能移动、精准、快速阻止可疑无人机靠近的专用设备。用户只需将其指向空中的无人机，扣下扳机，就可以将目标“击落”。该设备只对实时遥控型无人机或依靠GPS导航的无人机有效(如常见的四轴飞行器和六轴飞行器)，打击范围约400米；欧洲空客集团反无人机系统，空中客车防务及航天公司研发了一种反无人机系统，采用干扰技术对目标信号的频率进行干扰，而不会影响到周围其他频率的信号。该系统可远距离侦察在争议地区飞行的非法无人机并实施打击，同时又能尽可能地减少对其他物体的影响。该系统具备信号分析技术和干扰功能，并配有雷达、红外相机和定向仪，可以侦察到5至10公里范围内的无人机，还可对无人机的威胁性做出判断。基于庞大的信息库信息，该系统还可以对无人机的信号进行分析，一旦发现问题，系统就会通过干扰台切断无人机与其操作人员之间的联系，然后定向仪会追踪到无人机操作人员的具体位置，便于实施抓捕行动。（2）雷达探测：瑞典“长颈鹿”雷达系统，据美国H JS　Jane’s国防、安全情报网站2015年9月1 6日报道，瑞典萨博公司在苏格兰的西弗瑞格(WestFreuqh)靶场演示验证了其“长颈鹿”捷变多波束(AMB)雷达系统对低空、低速小型目标的探测能力。此次试验名为“布里斯托15”，显示了该雷达对低空、低速小型目标强大的探测能力(ELSS)，该雷达在执行全部空中监视任务的同时，能够执行反无人飞机系统(UAS)作战任务。在“布里斯托15”试验中，雷达散射截面精确到0.001平方米，增强了对低空、低速小型目标的探测能力，可自动识别低空、低速小型目标并对其进行跟踪，业余爱好者操作低速、小型四轴无人飞机系统。“长颈鹿”捷变多波束雷达系统属于地面和海洋的二维或三维G／H波段被动电子扫描阵列雷达家族系列，可在提供海岸监视能力的同时，对固定翼飞机、直升机、地面目标、干扰机和弹道目标进行分类与跟踪；意大利“猎鹰盾”系统2015年9月15日，在英国伦敦举办的英国军警装备展DSEI上，意大利芬梅卡尼卡集团SeIex ES公司展示了其研发的“猎鹰盾”无人机系统。该系统能够定位、辨识和控制对公共安全或是私人构成威胁的远程微型或者小型无人机，即所谓的“流氓无人机”。该公司称，这种设备的市场价值可能达数亿英镑；“猎鹰盾”系统利用摄像机、雷达和先进的电子设备监控无人机接收和传输的信号，从而对其进行追踪并确定其类型。一旦锁定目标，“猎鹰盾”就会利用其专有技术控制无人机，甚至将其坠毁。与其他企业利用电子战击毁无人机的系统相比，“猎鹰盾”优势在于，在精准击落“流氓”无人机的同时，可以有效避免对周边建筑物等环境造成伤害。此外，发送无线电信号控制无人机时，还不会妨碍紧急救援服务甚至移动通讯等其他重要信号的传输；墨西哥JAMMER公司防卫系统墨西哥JAMMER公司开发了Tamce Bloqueador Direccional Anti-Drone防卫系统，用于家庭防空。系统的干扰功率为20瓦，可压制几百毫瓦的无人机。启动开关后，干扰器可以干扰2．4G和5．8G信号，这对于大部分消费级无人机来说，遥控信号和图传信号都会丢失，丢失了信号后无人机只能返航或者原地降落；美国Drone Shield公司监测系统美国无人机探测系统制造商Drone Shield研发出了利用雷达或麦克风来监测无人机的技术。它内置了Raspberry Pi、信号处理器、麦克风、分析软件、无人机声音特性的数据库，通过监听周围环境的声音，通过声音对比确定是否有无人机。当有无人机在附近时，通过邮件或者短信发出警报。从原理上来看，预警技术并不难，因此监控的准确性和低误报率就非常关键，在这方面，Drone Shield拥有自己的专利技术。据悉，美国当局已经利用这种系统来为监狱、体育赛事和政府大楼提供安保。（3）综合型技术:英国反无人机防御系统AUDS，2015年10月，英国广播公司、美国国土安全新闻网、俄罗斯卫星网等网站分别对英国完全集成的“反无人机防御系统(AUDS)”进行报道。该系统俗称电磁干扰射线枪，由英国的三家防务技术公司(Blighter Surveillance　Systems，Chess Dynamics和Enterprise　Control Systems公司)联合研发，可以探测、跟踪并摧毁小型和大型无人机。该系统可以全天24小时开机，全自动运行。首先使用雷达和光学仪器(即雷达探测系统)搜索无人机，当雷达或光学系统探测到目标后，动态定位和视频追踪系统进行跟踪，随后定向射频干扰系统开始工作，发射定向的大功率干扰射频，干扰无人机自控系统，切断无人机与后方控制中心之间的数据联接或无线电通讯，致使无人机无法自主飞行，导致坠毁、迫降或者返航。AUDS系统的售价约为100万美元，可以安装在车载平台上，部署到军事前线、偏远边境或城市地区执行反无人机任务。该系统由三个子系统和一套总控设备组成。三个子系统分别是雷达探测系统、动态定位和视频追踪系统、定向射频干扰装置。雷达探测系统由Blighter公司研制，据称可探测反射面积0.01平方米大小的目标，最远探测距离可达8公里，并通过选配不同的天线来实现俯仰角度和水平旋转角度的变化；动态定位和视频追踪系统由CHESS dynamic公司开发，由一个可以旋转的机械平台加上高分辨的摄像机和热成像相机组成，以实现视频追踪，可以选装光学干扰装置发出高密度光束；定向射频干扰装置由Enterprise Control Systems公司研发，它使用高增益四频段天线来对准目标发出电波，可以使在C2频道下工作的无线遥控装置失灵，无法接收到指令的无人机只能盘旋不动，直到电力耗尽坠毁。报道称，该系统于2015年5月首次公开亮相，并在欧洲(如英国、法国)和北美(如美国)野外与城市等不同地形环境中进行了测试；泰利斯公司组合装备泰利斯公司正在推出一种由雷达、声像探测器、定向仪、射频和视频定位器和激光扫描装置组成的组合设备。对非法无人机的压制任务由动能杀伤武器完成，也可以通过激光干扰、选择性干扰、GPS电子欺骗、电磁脉冲来完成，还可以用另外一架装备干扰设备的无人机进行拦截。泰利斯公司已经针对4旋翼无人机和其他小型无人机进行过反无人机的技术试验。（4）其他技术：无线电控制采用接收器追踪并确定无人机，使用足够强大的电子信号照射无人机，夺取其无线电控制权。操作过程中，一旦无人机不能接收信号，就会坠毁，通过借助阻截无人机使用的传输代码，进而控制无人机，令其返航。美国联邦航空管理局(FAA) 与信息技术公司CACI推出了SkyTracker系统，该系统可在敏感地带如机场周围构建电子边界线。CACI表示，该系统可利用无人机无线电线路来识别和定位在禁飞或受保护空域内飞行的无人机，还可定位无人机的操纵人员。CACI网站提到：“CACI系统可精确定位黑飞无人机，并可将同一空域内其它无人机与此区别出来。”CACI称，SkyTracker还可有效地阻止指定无人机；微波干扰，微波武器又叫射频武器，这种武器可利用高能量的电磁波辐射去攻击和毁伤目标。与激光武器相比，微波武器作用距离远，受气候影响小，火力控制方便。军事专家们预测，随着新技术、新材料的不断发展，微波武器将会发挥越来越多的作用。俄罗斯联合仪表制造集团已制成超高频率微波炮，可用于帮助地对空导弹“山毛榉”攻击无人机及高精度武器电子设备。微波炮射程超过10公里，将其安装在特殊平台上可实现360度全方位防御。该款武器除了可搭配“山毛榉”地对空导弹用于防空外，还可检测俄军电子系统抗微波辐射能力；声波干扰，声波干扰技术就是利用声波使陀螺仪发生共振，输出错误信息，从而导致无人机坠落。研究人员发现，如果声音足够强(例如达到140分贝)，声波可以击落40米外的无人机。韩国2015年8月公开了一种利用声波干扰陀螺仪击落无人机的技术。研究人员给无人机接上非常小的商用扬声器，扬声器距离陀螺仪4英寸(约10厘米)左右，然后通过笔记本电脑无线控制扬声器发声。当发出与陀螺仪匹配的噪声时，一架本来正常飞行的无人机会忽然从空中坠落。当然，在真实的攻击场景中是不可能把扬声器接到无人机上的，这种方法还不是真正有效的反无人机措施。目前存在的难点在于瞄准和跟踪，未来可能与跟踪雷达配合使用。三、系统实现 目前国内低慢小目标探测需求突现，其中蕴藏的巨大市场需求。本系统依托激光雷达技术，多无人机进行实时在线监测。该系统可以全天24小时开机，全自动运行。首先使用激光雷达和光学仪器(即雷达探测系统)搜索无人机，当雷达或光学系统探测到目标后，动态定位和视频追踪系统进行跟踪。 整套系统由三部分组成：激光雷达探测系统、旋转云台、动态定位和视频追踪系统、定向射频干扰系统。光电设备，先由激光雷达，最远探测距离可达20公里，最小分辨率可达0.01m2大小的目标，发现目标后，动态视频追踪系统根据目标距离自动调节光学摄像机和热成像相机焦距，依靠旋转云台进行动态定位及视频追踪，提高系统检测的准确性及无人机的移动趋势；定向射频干扰系统根据无人机运行轨迹及距离，定向发射射频干扰或捕捉网等手段，对无人机进行干扰及捕捉。系统可以安装在车载平台上，部署到军事前线、偏远边境或城市地区执行反无人机任务。四、优势比较到目前为止，大多数雷达都是所谓的脉冲雷达。例如，这适用于几乎所有用于空中交通管制的雷达。脉冲雷达以固定的间隔发射短而强大的脉冲，并且该脉冲的一些被物体反射。通过测量发送和接收反射信号之间的时间，可以计算到物体的距离。脉冲雷达系统擅长检测大面积天空内的物体，并确定与物体的距离。另一方面，它们不太适合确定物体的速度和方向。多普勒雷达系统传输恒定信号。利用多普勒效应，当发射它的物体远离观察者时，信号的波长增加，而当物体向观察者移动时，信号的波长减小。正是这种效应导致救护车警报器在驶过后发出不同的声音。物体移动得越快，效果越强。因此，多普勒雷达可以基于从物体反弹回来的信号波长的变化以非常高的精度确定物体的速度。还可以以非常高的精度确定物体的运动方向。多普勒雷达系统提供了有关被检测物体的更多信息。另一方面，教科书会说多普勒雷达在覆盖大片天空和确定物体距离方面不如脉冲雷达。无人机的飞行速度非常慢。这使得它们难以使用脉冲雷达进行检测，也不适用于多普勒雷达系统。因为即使整个无人机移动缓慢，转子也会快速移动，并在多普勒雷达中产生独特的信号。“除了它们的小尺寸以及它们可以飞得极低的事实之外，无人机还带来了其他一些挑战。无人机尤其具有极强的机动性。熟练的操作员可以利用它来将无人机隐藏在不相关的物体之间，如树木，建筑物，鸟类等。这需要雷达集成的光学系统。通过组合雷达和光学传感器，跟踪无人机同时避免误报，例如当一只鸟飞过时更加可行。光学传感器还有助于识别无人机。激光雷达，采用不可见光对空域进行360°全方位不间断探测，整个系统具有以下优势：1、测量精度更高：激光雷达在测距领域拥有突出优势，测量更加准确。2、全机型覆盖式监测：激光雷达通过发出的光路对空域进行不间断扫描，当无人机出现在空域后，根据反射光的区别进行监测。完全覆盖全部无人机机型，从根本上解决了依靠不同频段监测对应频段无人机的弊端，真正实现了全机型覆盖式监测。3、高可靠性：动态视频追踪系统根据目标距离不同自动调节光学摄像机和热成像相机焦距，依靠旋转云台进行动态定位及视频追踪，大大提高系统检测的准确性，降低系统误报记录，可靠性高。五、系统结构图 创新点：通过组合雷达和光学传感器，跟踪无人机同时避免误报，例如当一只鸟飞过时进行区分。光学传感器还有助于识别无人机。激光雷达，采用不可见光对空域进行360° 全方位不间断探测，整个系统具有以下优势：1、测量精度更高：激光雷达在测距领域拥有突出优势，测量更加准确。2、全机型覆盖式监测：激光雷达通过发出的光路对空域进行不间断扫描，当无人机出现在空域后，根据反射光的区别进行监测。完全覆盖全部无人机机型，从根本上解决了依靠不同频段监测对应频段无人机的弊端，真正实现了全机型覆盖式监测。3、高可靠性：动态视频追踪系统根据目标距离不同自动调节光学摄像机和热成像相机焦距，依靠旋转云台进行动态定位及视频追踪，大大提高系统检测的准确性，降低系统误报记录，可靠性高。

p /pp style="text-align: center "img title="1.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/318b981e-2228-459f-9191-905c9b9c37ec.jpg"//pp style="text-align: center "strongRaw lidar signals over 1 h/strong/pp　　中国科学技术大学窦贤康课题组夏海云与潘建伟课题组张强合作，在国际上首次实现基于超导纳米线单光子探测器的双频多普勒测风激光雷达。采用最精简的光学结构实现了系统最高稳定性，提高了测风激光雷达的实用性和可靠性，更适合机载、星载平台运行。研究成果发表在《光学学报》上。9月6日，美国光学协会（OSA）、美国科学促进会（AAAS）官方网站以“新闻发布(News Release)”形式，首次对我国激光雷达研究进行了专题采访报道。/pp　　测风激光雷达具有广泛的社会效益，如精确的大气风场数据可应用于大气污染溯源和扩散预报、航空气象保障、气象气候学研究、风电系统的管理和调配等，此外还可应用于军事。/pp　　当采用更短激光脉冲提高多普勒激光雷达的距离分辨率时，传统相干探测激光雷达的相干效率就会下降，实时数据采集和处理均面临挑战。相干激光雷达本质是单模探测，需要大气回波和本振信号波前匹配，增加了制造和运行难度。直接探测激光雷达则可以避免这些问题。由于直接探测测风激光雷达可以利用大气分子、气溶胶的回波信号反演风场，其工作波长可以覆盖紫外到红外。/pp　　该直接探测激光雷达工作在1548.1纳米，该红外波长人眼允许曝光功率最高、大气透过率最优、太阳和天空辐射背景低。该工作波长属于光纤通信C波段，光电集成器件成熟。全光纤构造的系统采用了单个双频光纤激光器、单个单通道光学鉴频器、单个单模探测器，不需要重复校准。这种最精简的构造提高了系统稳定性，并可以模块分离式安装。因此，该系统更适合在机载、舰载、星载等大温差、强震动平台上运行。该系统采用双频激光器替代传统的多通道鉴频器，实现了激光器和光学鉴频器的高精度锁频（误差小于0.08米/秒）。该激光雷达采用超导纳米线单光子探测器：其理想的高量子效率和低暗计数噪声保证了最高的探测信噪比；其100兆/秒的最大计数率避免了激光雷达的信号饱和现象。该激光雷达采用时分复用技术，基于集成光电子学器件实现不同方向的径向风探测，无机械扫描器件。/pp　　在实验室内，该系统10天重复测量误差小于0.2米/秒。在比对试验中，将激光雷达测量的水平风速数据与超声波风速传感器的数据进行了比对，风速和风向的平均误差分别小于0.1米/秒和1度。在外场试验中，采用弱激光光源（脉冲能量50微焦）、小望远镜（口径80毫米），在10米高度分辨率、10秒时间分辨率条件下，实现了2.7km高度以下大气的风切变探测。/pp原文：Dual-frequency Doppler lidar for wind detection with a superconducting nanowire single-photon detector/pp /p

本文作者：清华大学张书练教授1. 激光干涉仪的发展史做衣量身、体检量高都由尺子完成，这些日常的尺子的刻度是毫米。机械零件加工和检验都要用尺子，在机械制造企业，卡尺、千分尺随处可见，其精确度是0.1 μm，1 μm。1887年迈克尔逊（Michelson）和莫雷（Morley）研究以太[1]是否存在，使用了光。他们以光波长作尺子刻度测量了水平面和垂直面的光速之差，第一次否定了以太的存在。他们利用的是光的干涉现象，这就是光学干涉仪的诞生。注[1]：根据古代和中世纪科学，以太被称为第五元素，是填充地球球体上方宇宙区域的物质。以太的概念在一些理论中被用来解释一些自然现象，例如光和重力的传播。19世纪末，物理学家假设以太渗透到整个空间，以太是光在真空中传播的介质，但是在迈克尔逊-莫利实验中没有发现这种介质存在的证据，这个结果被解释为没有光以太存在。1961年研究人员发明了氦氖激光器，开始用氦氖激光器作为迈克尔逊干涉仪的光源，从而诞生了激光干涉仪。图1是迈克尔逊干涉仪简图。迈克尔逊干涉仪是普通物理的基本实验之一。但今天在科学研究和工业中应用的激光干涉仪出于迈克尔逊，但性能远远胜于迈克尔逊。图1 迈克尔逊干涉仪简图基本上，激光干涉仪都使用氦氖激光器的632.8 nm波长的光，橙红灿烂的光束射向远方，发散角可以小到0.1 mrad，光束截面的光斑均匀。氦氖激光器还可输出绿光、黄光、红外光，但只有632.8 nm波长的光适合作激光干涉仪的光源。其它类型的激光器，如半导体（LD）、固体激光器等的相干等性能都远不及氦氖激光器，研究人员多有尝试，但都没有成功。激光干涉仪有很多应用，但本质都是测量中学课本讲的“位移”，诸多应用都是“位移”的延伸和转化。激光干涉仪有两个主流类型：单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。单频干涉仪能做的双频激光干涉仪都能做，但双频干涉仪能做的单频干涉仪不见得能做。由于历史、技术和商业原因，两种干涉仪都有着广泛应用。但在光刻机上，双频激光干涉仪独占市场。单频干涉仪不需要对市场上的氦氖激光器进行改造，直接可用。但双频激光干涉仪用的激光器需要附加技术使其产生双频（两个频率）。历史上，双频激光干涉仪测量位移的速度不及单频激光干涉仪，自发明了双折射-塞曼双频激光器，双频激光干涉仪的测量速度也达到每秒几米，与单频激光器看齐了。按产生双频的方法，双频激光干涉仪分为塞曼双频激光（国外）干涉仪和双折射-塞曼双频激光（国内）干涉仪。现在干涉仪的指标：最小可感知1 nm（十亿分之1 m），可以测量百米长的零件，且测量70 m长的导轨误差仅为几微米。2. 测量位移的干涉仪和测量表面的干涉仪？有几个概念的定义比较混乱（特别是有些研究发展趋势的报告），需要注意。一是“激光测距”和“激光测位移”没有界定，资料往往鹿马不分。二是不少资料所说“激光干涉仪”实际上包含两种不同的仪器，一种是测量面型（元件表面）的激光干涉仪，一种是测量位移（长度）的激光干涉仪。如海关的统计和一些年度报告往往混在一起。激光测距机发出的激光束是一个持续时间纳秒的光脉冲，利用光脉冲达到目标和返回的时间之半乘以光速得到距离，完全和光的干涉无关。尽管激光波面干涉仪和测量位移（长度）的干涉仪都是利用光干涉现象，但仪器的设计、光路结构、探测方式、应用场合几乎没有共同之处。激光波面干涉仪能够测量光学元件表面的形貌，光束直径要覆盖被测零件，在整个零件表面形成系列干涉条纹，根据测量条纹的亮度（也即相位）算出表面的形貌，其光束口径、零件直径可达百毫米；另一种则是测量位移（长度）干涉仪，光干涉发生在直径几毫米光路上，表现为只有光电探测器（眼睛）正对着射来的光线才能“看”到光强度的波动，由波动的整次数和（不足半波长的）小数算出被测件的位移。 3. 双频激光干涉仪的原理和构成当图1的可动反射镜有位移时，光电探测器光敏面会感受到的光强度正弦变化，动镜移动半个波长，光强变化一个周期。光电探测器将光强变化转化为电信号。如探测到电信号变化了一个周期，我们就知道动镜移动了半个波长。计出总周期数测得动镜的位移。 （1）式中：λ为激光波长，N 为电脉冲总数。今天的激光干涉仪使用632.8 nm波长的激光束，半波长即316.4 nm。动镜安装在被测目标上与目标一起位移，如光刻机的机台，机床的动板上。为了提高分辨力，半波长的正弦信号被细分，变成1 nm甚至0.1 nm的电脉冲，可逆计数器计算出总脉冲数，再由计算机计算出位移量S。也常用下式表示动镜的位移， （2）其中∆f为目标运动速度为V时的多普勒频移。式（1）和（2）是等价的，可以互相推导推出来，仅是表方式的不同。图2是今天的双频激光干涉仪框图。它由7个部分构成。图2 双频激光干涉仪原理框图（1） 双频氦氖激光器氦氖激光器上有磁体。磁体为筒形，激光器上加的是纵向磁场，称为纵向塞曼双频激光器。四分之一波长（λ/4）片把激光器输出的左旋和右旋光变成偏振态互相垂直的线偏振光。前文所说的双折射-塞曼双频激光器则是在激光器内置入双折射元件（图内未画出），并加图2所示的磁条。双折射元件使激光器形成双频，横向磁场消除两个频率之间的耦合。双折射-塞曼双频激光干涉仪不需使用四分之一波长片。双频激光器是双频激光干涉仪的核心，很大程度上，它的性能决定激光干涉仪的性能，要求波长（频率）精度高，功率大，寿命长，双频间隔（频差）大且稳定，偏振状态稳定，两频率之间不偏振耦合。这一问题的解决是作者较突出的贡献之一。（2） 频率稳定单元它的作用是保证波长（频率）这把尺子的精确性，达到10-8甚至10-9，即4.74×1014的激光频率长期的变化仅1 MHz左右。（3） 扩束准直器实际上是一个倒装的望远镜，防止光束发散。要求激光出射80 m，光束光斑直径仍然在10 mm之内。（4） 测量干涉光路测量干涉光路包括：从分光镜向右直到可动反射镜（实际是个角锥棱镜），向下到光电探测器2。可动反射镜装在被测目标上（如光刻机工作台上的反射镜），目标的移动产生激光束的频移Δf，Δf和目标速度成正比，积分就是目标走过的距离（位移或长度）。积分由信号处理单元完成。（5） 参考光路参考光路由分光镜-偏振片-光电探测器1实现，参考光路中没有任何元件移动，它测得的位移是“假位移”真噪声。噪声来自环境的扰动。信号处理单元从干涉光路的位移中扣除这一噪声。（6） 温度和空气折射率补偿单元干涉仪测量的目标位移可能长达百米，空气折射率（及改变）和长度的乘积成为激光干涉仪的最主要误差来源之一。用传感器测出温度、气压、湿度，信号处理单元计算出空气折射率引入的假位移，并从结果中扣除。（7）信号处理单元光电探测器1和2，分别把信号f1-(f2±∆f)和f1-f2的光束转化为电信号，±∆f是可动反射镜位移时因多普勒效应产生的附加频率，正负号表示位移的方向。电信号经放大器、整形器后进入减法器相减，输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算即可得出可动反射镜的位移量。环境温度，气压，湿度引入的折射率变化（假位移）送入计算机计算，扣除他们的影响。最后显示。相当多的应用要求计算机和应用系统通讯，实现对加工过程的闭环控制。4. 激光干涉仪的应用一般说来，激光干涉仪的主要用途是测量目标的运动状态，即目标的线性位移大小、旋转角度（滚转、俯仰和偏摆）、直线度、垂直度、两个目标在运动的平行性（度）、平面度等。无论光刻机的机台，还是数控机床的导轨（包括激光加工机床），不论是飞行物，还是静止物的热膨胀、变形，一旦需要高精度，都要用激光干涉仪测量，得到目标的运动状态。运动状态用由多个参数给出。以光刻机两维运动中的一个方向运动时为例，位移（走过的长度）、机台位移过程中的偏 转（ 角 ）、俯仰 （ 角 ）和滚转（角）都需要测出。很多类型的设备需要测量，如各类机床、三坐标测量机、机器人、3D打印设备、自动化设备、线性位移平台、精密机械设备、精密检测仪器等领域的线性测量。图3（a）（b）（c）（d）（e）是几个应用的例子。美国LIGO激光干涉仪实验室宣称首次直接测量到了引力波(2016)，使用的仪器是激光干涉仪，单程臂长4 km。见图4。图3 激光干涉仪几个应用的例子来源：(a)(b)(c)由北京镭测科技有限公司提供，(d)(e)来自深圳市中图仪器股份有限公司网页图4 LIGO激光干涉仪来源：https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20150731c 5. 双频激光干涉仪发展存在的问题（1）国内外单频和双频激光干涉仪的进展及问题多年来，国内外在单频和双频激光干涉仪方面进步不大，特例是双折射-塞曼双频激光器的发明。由于从国外购买的激光器不能产生大间隔的双频光，原有国内双频激光干涉仪的供应商基本停产。以前作为基础研究的双折射-塞曼双频激光器被推到前台。双频激光器是干涉仪的核心技术，走在了世界前端，也解决了国内无源的重大难题。北京镭测科技有限公司的开发、纠错，终于使双折射-塞曼双频激光干涉仪实现产品化，进入先进制造全行业，特别是光刻机。北京镭测科技有限公司双折射-塞曼双频激光器达到指标：频率间隔可在1 ~ 30 MHz之间选择，功率可达1 mW。 频率差与激光功率之间没有相互影响，没有塞曼效应的双频激光器高功率和大频率差不能兼得的缺点。尽管取得进展，但氦氖激光器的制造工艺等是个系统性技术问题，需要全面改善。特别是，国外双频激光干涉仪的几家企业的激光器都是自产自用，不对外销售，因此，我们必须自己解决问题。（2）业界往往忽略干涉仪的非线性误差很长时期以来，业界认为单频干涉仪没有非线性误差。德国联邦物理技术研究院(PTB) 经严格测试发现，单频干涉仪也存在几纳米的非线性误差，甚至大于10 nm。塞曼效应的双频干涉仪也有非线性误差，也是无法消除。对此干涉仪测量误差，大多使用者是不知情的。到目前，中国计量科学院的测试得出，北京镭测科技生产的双频激光干涉仪的非线性误差在1 nm以下。建议把中国计量科学院的仪器批准为国家标准，并和德国、美国计量院作比对。非线性误差发生在半个波长的位移内，即使量程很小也照样存在。图5 中国计量科学研究院：镭测LH3000双频激光干涉仪在进行测长比对6. 双频激光干涉仪的未来挑战本文作者从事研究双折射-塞曼双频激光器起步到成批生产双折射-塞曼双频激光干涉仪，历经近40年，建议加强以下研究。（1）高测速制造业的发展很快，精密数控机床运动速度已达几m/s，有特殊应用提出达到10 m/s的要求。目前单频激光的测量速度还没有超过5 m/s。双折射-塞曼双频激光干涉仪的测速也处于这一水平，但其频率差的实验已经达到几十MHz，有待信号处理技术的跟进发展，实现10 m/s以上的测量速度。（2）皮米干涉仪市场上的干涉仪基本都标称分辨力1 nm，也有0.1 nm的广告。需要发展皮米分辨力的激光干涉仪以满足对原子、病毒尺度上的观测要求。（3）溯源前文已经提到，小于半波长的位移是把正弦波动信号电子细分得到标称的1 nm，和真实的1 nm相差多少？没有人知道，所以需要建立纳米、皮米的标准。作者曾做过初步努力，达到10 nm的纯光学信号，还需做长期艰苦的研究。（4）提高氦氖激光器寿命在未来很长一段时间，氦氖激光器仍然是激光干涉仪最好的光源，但其漏气的特点导致其使用寿命有限，替换寿命终结的氦氖激光器导致光刻机停机，会带来巨大经济损失。因此，延长氦氖激光器寿命十分有必要。没有测量就没有科学技术，没有精密测量就没有当今的先进制造，为此作者最近出版了题名《不创新我何用，不应用我何为：你所没有见过的激光精密测量仪器》的书籍，书的主标题似是铭志抒怀，而实际内容是一本地道的学术专著，书籍内容为作者的课题组近40年做出的创新成果总结。作者简介张书练，清华大学教授，博导。曾任清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室主任，清华大学光学工程研究所所长，主要研究方向为激光技术与精密测量，致力于激光器特性的研究和把这些特性应用于精密测量，是国内外正交偏振激光精密测量领域的的主要创始人。

p　　光纤传感器是近年来势头正猛的“科技新贵”，因为它有极高的灵敏度和精度、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、能与数字通信系统兼容等优点，已被广泛应用于电网系统、道路监控、轨道交通、食品安全等领域。/pp　　紧贴时代发展趋势，由中国光学工程学会光纤传感技术专家工作委员会、中国光纤传感技术及产业创新联盟组织的2019第八届中国(北京)国际光纤传感技术及应用大会暨展洽会将于2019年8月5日-7日在北京国家会议中心组织召开。/ppstrong　　科技新贵之光纤传感器/strong/pp　　光纤传感技术是一种新型传感技术。通过光的反射、折射和吸收效应，光学多普勒效应、声光、电光、磁光和弹光效应等，可使光波的振幅、相位、偏振态和波长等参量直接或间接地发生变化，因而可将光纤作为敏感元件来探测各种物理量。/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 404px height: 263px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201907/uepic/b0818f87-2205-4c37-9840-bd1f8c595af5.jpg" title="113.jpg" alt="113.jpg" width="404" height="263"//pp　　中国已成为全球光纤传感器消费最大国，在国产化进程有一定的突破。据了解，以南京大学、深圳中科传感为代表的大学及研究院等机构，基本掌握了全套的光纤传感器方案。而在光纤传感系统的核心部件上，厦门彼格的窄带光源、世维通的铌酸锂波导等为代表相关的器件，都不甘落后争相实现自主研发。/pp　　纵观整个行业市场，目前中国光纤传感器的自主研发仍是“短板”，总体市场化水平仍落后外国。据统计，中国传感器新品研制率落后美日等国近10年，产业化水平落后10-15年。未来，中国光纤传感市场产业化格局有待提升，物联网技术的加持，将推动中国光纤传感市场走向新一轮发展高峰。/pp　　strong光纤传感器应用场景分析/strong/pp　　物联网俨然已经成为光纤传感器国产化的重要推手。物联网的发展必须要借助大量传感器获得各种环境参数，从而为物联网提供更可靠的数据信息，再经过系统的处理，得到人们需要的结果。可见，光纤技术在物联网中有很广阔的应用前景。/pp　　正是敏锐捕捉到光纤传感器技术在上述领域日益紧密的行业风向，第八届中国(北京)国际光纤传感技术及应用大会暨展洽会致力于全面拓展光纤传感器科技应用领域终端，聚焦智能电网、矿山安全、轨道交通、海洋与环境、地质与水利等各个应用行业，展现国内巨头企业相应的创新综合解决方案。/pp　　光纤传感器在智能电网领域起到重大作用。利用光纤传感技术对输电线路进行安全监控，通过对输电线路上发生的触碰光缆、接头盒、光芯等扰动的实时监测，采集和分析信息，判定扰动发生的位置、类型、强度，以帮助线路维护人员及时发现输电线路的破坏行为，有效解决对线路损毁的预警监测，为电力系统提供告警、智能分析和辅助决策支持。/pp　　光纤传感器也同样发力道路安全领域。伴随着工业与交通运输的发展，桥梁的跨度增加以及结构的复杂趋势，使得其安全隐患受到更多的关注。把光纤传感系统埋入水泥结构形成能够感知应力和断裂损伤的能力。同时，利用张力传感器感受隧道容易发生塌方的局部的变形情况，这些信息可以与互联网相结合，实现对这些基础设施的长期稳定的实时监测，减少事故的发生。/pp　　光纤传感器在轨道交通领域的作用也不容小觑。以中国自主研发的高铁列车代表作——和谐号380AL为例，一辆列车里的传感器数量多达1000多个，平均每40个零部件里就有一个是传感器。它们承担着状态监视、故障报警、车载设备控制等功能。中国工程院院士、中车株洲所总经理丁荣军曾一语道破光纤传感器的重大作用，它对于收集列车的运行状态信息、高速综合检测列车、钢轨探伤、轨道状态远程监测、室内外环境综合传感等方面都起到了不可或缺的作用。/pp　strong　行业翘楚荟萃 看点十足/strong/pp　　第八届中国(北京)国际光纤传感技术及应用大会暨展洽会目前已进入倒计时，诚邀您八月相聚北京国家会议中心，感受这个绽放出耀眼科技光芒的盛会!/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 514px height: 295px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201907/uepic/f9808917-ffd1-4382-89fa-a8893f2e65a4.jpg" title="115.png" alt="115.png" width="514" height="295"//pp　strong　看点一：大咖领衔名企云集 定义光智造未来/strong/pp　　会议将邀请清华大学教授廖延彪、北京航空航天大学张惟叙教授、加拿大皇家科学院院士鲍晓毅及国内光纤传感领域的优秀研究团队等亲临现场助阵。会议内容涉及光纤传感系统在轨道交通、海洋与环境领域应用、矿山安全、智能电网、地质与水利工程中的应用等。/pp　strong　看点二：匠心巨制 同期展会争奇斗艳/strong/pp　　会议现场将同期举办第十一届光电子· 中国博览会，会议还将呈现激光智能制造、全球高校· 研究所· 重点实验室创新技术、红外微光技术及应用、智能信息、光学制造、精密光学与光电检测六大主题展，吸引了从光学元器件到终端用户应用的众多行业龙头企业及科研机构参展。/pp　　strong看点三：精准孵化采购新商机尊享高端定制贵宾服务/strong/pp　　第十一届光电子· 中国博览会将为光电行业的高管及专业买家提供新产品、新资讯、新方向、新商机贵宾导向服务，提升买家参观体验感，使买家豪享高端定制上中下游产品的一站式采购服务。/pp　　本届光博会展商参展/参观登记/参会注册均已全面上线，欢迎登陆展会官网或官方微信预约登记。/pp　　展会报名地址：http://www.cipeasia.com//ppbr//p

微型激光测振仪在超声领域的应用最近几年，超声技术在各个领域的应用越来越多，比如利用超声波原理进行医学治疗的设备也在临床实践中被广泛应用。医学超声设备主要是基于高频振动波（超声波）传入人体组织，并在局部产生热效应、机械效应和空化效应，引起目标组织的改变，从而达到治疗的目的。昊量光电全新推出的微型激光测振仪是一种非接触式的振动测量仪器，能够精确测试医学超声设备的超声振动特性和模态，在产品的研发、质检和性能优化过程中起到了至关重要的作用。激光测振仪在医学超声领域的应用具有如下优势：1、激光聚焦光斑小、空间分辨率高，能够快速定位并测量超声手术刀、洁牙器等小尺寸超声器件；2、采用非接触式的测量方法，高效便捷，可以快速检测产线上的超声设备性能，确保产品一致性，甚至可以检测超声设备在工作状态下的超声波输出特性，更加真实地反映设备的实际使用性能；3、超声检测带宽大，最高可检测5MHz左右的高频超声，同时能满足20pm以下的微弱振动分辨率要求，检测精度极高；4、集成式光学自研芯片，无需额外控制器，体积小巧使得安装测试变得更加便捷，提高测量精准性！一、 超声换能器测振超声换能器是一种将电磁能转化为机械能（声能）的装置，通常由压电陶瓷或其它磁致伸缩材料制成，常见的超声波清洗器、超声雾化器、B超探头等都是超声换能器的应用实例。针对超声领域应用需求，昊量光电全新推出了一套完整的台架式超声振动测量仪。作为这款测量仪核心部件的激光传感器，利用了集成光学技术将原有复杂光学元器件集成于微小芯片中，结合具有自主知识产权的调频连续波（FMCW）相干光检测原理，以小型集成化的设计模式，实现了传统复杂大型设备的测量能力。测试：20kHz 频率功率换能器，工作距离：375px振动图谱：在换能器在各个位置的测量结果。当换能器频率在 Mhz 附近时，幅度测量对测量精度的要求大大提高。结果显示，昊量测振传感器能很好的分辨振幅的实时波形，得到 nm 级的测量精度。二、 超声手术刀超声手术刀是一种通过激发20 kHz~60 kHz 超声振动的金属探头（刀头），对生物组织进行切割、消融、止血、破碎或去除的外科手术仪器。超声手术刀的工作性能一般与刀头的超声输出功率、频率直接相关，因此对刀头的超声特性探测至关重要。超声手术刀的刀头尺寸一般为5-10 mm，这种小尺寸结构很难采用接触式传感器测量其超声特性，而激光测振仪则可以轻松将激光聚焦到刀头位置，精确测量超声振幅与频率。三、 超声洁牙器 超声洁牙器主要工作原理是：将高频振荡信号作用于超声换能器，利用逆压电效应（或磁致伸缩效应）产生超声振动并传递至工作尖，工作尖受到激励产生共振，利用工作尖的超声波共振可以将牙齿表面的菌斑、结石或牙周表面的细菌等清除。依据我国医药行业标准（YY 0460-2009）和国际电工委员会标准（IEC 61205：1993）,超声洁牙器工作尖的超声输出特性是重要的检测指标。常规超声洁牙器工作尖振动频率主要设计范围在18 kHz~60 kHz，其中以42 kHz工作频率最为常见。同时工作尖尺寸往往较小（＜1mm），无法采用传统的接触式振动传感器进行检测。因此，对于超声洁牙器振动性能的检测，通常采用激光测振仪完成，其非接触式的检测方式便于开展产线上产品的逐个检测，是产品良率和一致性的有力保障。某品牌的洁牙器尖端测振四、 超声焊接 超声波焊接是通过超声波发生器将50/60赫兹电流转换成15、20、30或40 KHz 电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的变幅杆装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将塑料化。超声波不仅可以被用来焊接硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜。五．技术参数介绍昊量光电全新推出的微型超声测振仪光学元件集成化可以实现更加复杂的设计和更多的功能。集成光学芯片可以在一个单一的光学基底上包含数十到数百个光学元件，包括激光器、调制器、光电探测器和滤波器等。相对于传统基于分立器件的多普勒测振仪，MV-H以其低功耗、高性能、小型化的优势，为客户带来了低成本、便于集成的解决方案，也为激光振动传感器的广泛应用奠定了基础。1.产品参数指标2.软件功能完善3.丰富的配件可选上海昊量光电作为这款微型超声测振传感器在中国大陆地区蕞大的代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。 更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电关于昊量光电：上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

激光外差干涉技术在光刻机中的应用 张志平*，杨晓峰 复旦大学工程与应用技术研究院上海市超精密运动控制与检测工程研究中心，上海 201203摘要 超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一，而基于激光外差干涉技术的超精密位移测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程和数米每秒的测量速度等优点，是目前唯一能满足光刻机要求的位移测量系统。目前应用于光刻机的超精密位移测量系统主要有双频激光干涉仪和平面光栅测量系统两种，二者均以激光外差干涉技术为基础。本文将分别对这两种测量系统的原理、优缺点以及在光刻机中的典型应用进行阐述。关键词 光刻机；外差干涉；双频激光干涉仪；平面光栅1 引言集成电路产业是国家经济发展的战略性、基础性产业之一，而光刻机则被誉为集成电路产业皇冠上的明珠［1］。作为光刻机三大指标之一的套刻精度，是指芯片当中上下相邻两层电路图形的位置偏差。套刻精度必须小于特征图形的1/3，比如14 nm节点光刻机的套刻精度要求小于5.7 nm。影响套刻精度的重要因素是工件台的定位精度，而工件台定位精度确定的前提则是超精密位移测量反馈，因此超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一［2-4］。随着集成电路特征尺寸的不断减小，对位置测量精度的需求也不断提高；同时，为了满足光刻机产率不断提升的需要，掩模台扫描速度也在不断提高，甚至达到 3 m/s 以上；此外，为了满足大尺寸平板显示领域的需求，光刻机工件台的尺寸和行程越 来越大，最大已达到 1. 8 m×1. 5 m；最后，为了获得工件台和掩模台良好的同步性能，光刻机还要求位置测量系统具备多轴同步测量的功能，采样同步不确定性优于纳秒级别［5-8］。 综上，光刻机要求位置测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程、数米每秒测量速度、闭环反馈以及多轴同步等特性。目前，在精密测量领域能同时满足上述测量要求的，只有外差干涉测量技术。 本文分别介绍外差干涉测量技术原理及其两 种具体结构——双频激光干涉仪和平面光栅测量系统，以及外差干涉技术在光刻机中的典型应用。 2 外差干涉原理 2. 1 拍频现象 外差干涉又称为双频干涉或者交流干涉，是利用“拍频”现象，在单频干涉的基础上发展而来的一 种干涉测量技术。 假设两列波的方程为 x1 = A cos ω1 t ， （1） x2 = A cos ω2 t 。 （2） 叠加后可表示为（3）拍频定义为单位时间内合振动振幅强弱变化 的次数，即 v =| (ω2 - ω1)/2π |=| v 2 - v 1 | 。 （4） 波 x1、x2 以及合成后的波 x 如图 1 所示，其中包 络线的频率即为拍频，也称为外差频率。如果其中一个正弦波的相位发生变化，拍频信号的相位会发生完全相同的变化，即外差拍频信号将完整保留原始信号的相位信息。 图 1. 拍频示意图Fig. 1. Beat frequency diagram对于激光而言，因为频率很高（通常为 1014 Hz 量级），目前的光电探测器无法响应，但可以探测到两束频率相近的激光产生的拍频（几兆到几十兆赫兹）。因此拍频被应用到激光领域，发展成激光外差干涉技术。2. 2 外差干涉技术 由拍频原理可知 ，所谓外差就是将要接收的信号调制在一个已知频率信号上，在接收端再将该调制信号进行解调。由于高频率的激光信号相位变化难以精确测量，但利用外差干涉技术可以用低频拍频信号把高频信号的 相位变化解调出来，将大大降低后续精确鉴相的难度。因此，外差技术最显著的特点就是信号以交流的方式进行传输和处理。 与单频干涉技术相比，外差干涉技术的突出优点是：1）由于被测对象的相位信息是加载在稳定的差频（通常几兆到几十兆赫兹）上，因此光电探测时避过了低频噪声区，提高了光电信号的信噪比。例如在外界干扰下，测量光束光强衰减 50% 时，单频干涉仪很难正常工作，而外差干涉仪在光强衰减 90% 时仍能正常工作 ，因此更适用于工业现场 。 2）外差干涉可以根据差频信号的增减直接判别运动方向，而单频干涉技术则需要复杂的鉴相系统来 判别运动方向。单频干涉技术与外差干涉技术对比如表 1 所示。表 1. 单频干涉技术与外差干涉技术对比Table 1. Comparison between homodyne interferometry and heterodyne interferometry3双频激光干涉仪 3. 1 双频激光干涉仪原理 双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上结合外差干涉技术发展起来的，其原理如图 2 所 示。双频激光器发出两列偏振态正交的具有不同频率的线偏振光，经过偏振分光器后光束被分离。 图 2. 双频激光干涉仪原理图Fig. 2. Schematic diagram of dual frequency laser interferometer设两束激光的波动方程为 E1 = E R1 cos ( 2πf1 t ) E2 = E R2 cos ( 2πf2 t ) ， （5） 式中：ER1和 ER2为振幅；f1和 f2为频率。 偏振态平行于纸面的频率为 f1 的光束透过干涉仪后，被目标镜反射回干涉仪。当被测目标镜移动时，产生多普勒效应，返回光束的频率变为 f1 ± Δf， Δf 为多普勒偏移量，它包含被测目标镜的位移信息。经过干涉镜后，与频率为 f2 的参考光束会合，会合后光束发生拍频，其光强 IM函数为 （6） 式（6）包含一个直流量和一个交流量，经光电探测器转换为电信号，再进行放大整形后，去除直流量，将交 流量转换为一组频率为 f1 ± Δf- f2的脉冲信号。从双频激光器中输出频率为 f1 - f2 的脉冲信 号，作为后续电路处理的基准信号。测试板卡采用减法器通过对两列信号的相减，得到由于被测目标 镜的位移引起的多普勒频移 Δf。被测目标镜的位移 L 与 Δf的关系可表示为 （7） 式中：λ 为激光的波长；N 为干涉的条纹数。因此， 只要测得条纹数，就可以计算出被测物体的位移。 3. 2 系统误差分析 双频激光干涉仪的系统误差大致由三部分组成：仪器误差、几何误差以及环境误差，如表 2 所示。 三种误差中，仪器误差可控制在 2 nm 以内；几何误 差可以通过测校进行动态补偿，残差可控制在几纳米以内；环境误差的影响最大，通常可达几十纳米到几微米量级，与测量区域的环境参数（温度、压 力、湿度等）有关，与量程几乎成正比，因此大量程测量时，需要对环境参数进行控制。 表 2. 双频激光干涉仪系统误差分解Table 2. System error of dual frequency laser interferometer4 平面光栅测量系统 双频激光干涉仪在大量程测量时，精度容易受 温度、压力、湿度等环境因素影响，研究者们同样基于外差干涉原理研发了平面光栅测量系统，可克服双频激光干涉仪的这一缺点。 4. 1 基于外差干涉的光栅测量原理 众所周知 ，常规的光栅测量是基于叠栅条纹的，具有信号对比度差、精度不高的缺点。基于外差干涉的光栅测量原理如图 3 所示，双频激光器发出频率 f1 和 f2 的线偏振光，垂直入射到被测光栅表面，分别进行+1 级和−1 级衍射，衍射光经过角锥反射镜后再次入射至被测光栅表面进行二次衍射， 然后会合并沿垂直于光栅表面的方向返回。由于被测光栅与光栅干涉仪发生了相对运动，因此，返回的激光频率变成了 f1 ± Δf和 f2 ∓ Δf，其中 Δf为多 普勒频移量，它包含被测目标镜的位移信息。 图 3. 基于外差干涉的光栅测量原理Fig. 3. Principle of grating measurement based on heterodyne interference会合后的光束 f1 ± Δf 和 f2 ∓ Δf 发生拍频，其频率为 ( f1 ± Δf ) - ( f2 ∓ Δf ) = ( f1 - f2 ) ± 2Δf。（8） 式（8）的信号与双频激光器中输出频率为 f1 - f2 的 参考信号相减，得到多普勒频移 Δf。被测目标镜的位移 L 与 Δf的关系可表示为（9） 式中 ：p 为光栅的栅距 ；N 为干涉的条纹数 。 因此，只要测得条纹数 ，就可以计算出被测物体的位移。 上述原理推导是基于一维光栅刻线的，只能测量一维运动。为了获得二维测量，只需将光栅的刻线由一维变成二维（即平面）即可。 4. 2 两种测量系统优缺点对比 由此可知，基于外差干涉的光栅测量原理与双频激光干涉仪几乎完全相同，主要的差别是被测对象由反射镜换成了衍射光栅。两种测量系统的优缺点如表 3 所示。表 3. 双频激光干涉仪与光栅测量系统对比Table 3. Dual frequency laser interferometer versus gratingmeasurement system5外差干涉测量在光刻机中的应用 发展至今，面向 28 nm 及以下技术节点的步进扫描投影式光刻机已成为集成电路制造的主流光刻机。作为光刻机的核心子系统之一的超精密工件台和掩模台，直接影响着光刻机的关键尺寸、套刻精度、产率等指标。而工件台和掩模台要求具有高速、高加速度、大行程、超精密、六自由度（x、y 大 行程平动，z 微小平动，θx、θy、θz微小转动）等运动特点，而实现这些运动特点的前提是超精密位移测量反馈。因此，基于外差干涉技术的超精密位移测量子系统已经成为光刻机不可或缺的组成部分。 4. 光刻机中的多轴双频激光干涉仪［10］Fig. 4. Multi-axis dual frequency laser interferometer in lithography machine[10]图 4 为典型的基于多轴双频激光干涉仪的光刻机工件台系统测量方案［10］，在掩模台和硅片台的侧面布置多个多轴激光干涉仪，对应地在掩模台和硅 片台上安装长反射镜；通过多个激光干涉仪的读数解算出掩模台和硅片台的六自由度位移。 然而，随着测量精度、测量行程、测量速度等运动指标的不断提高，双频激光干涉仪由于测量精度易受环境影响、长反射镜增加运动台质量致使动态性能差等问题难以满足日益提升的测量需求。因 此，同样基于外差干涉技术的平面光栅测量系统成为了另一种选择［8］。 光刻机工件台平面光栅测量技术首先由世界光刻机制造巨头 ASML 公司取得突破。该公司于 2008 年 推 出 的 Twinscan NXT：1950i 浸 没 式 光 刻机，采用了平面光栅测量技术对 2 个工件台的六自 由度位置进行精密测量。如图 5 所示，该方案在主基板的下方布置 8 块大面积高精度平面光 栅（约 400 mm×400 mm），在两个工件台上分别布置 4 个 平面光栅读数头（光栅干涉仪），当工件台相对于平 面光栅运动时，平面光栅读数头即可测出工件台的 运动位移［2，5，9］。图 5. ASML 光刻机的平面光栅测量方案［2，5，9］Fig. 5. Plane grating measurement scheme of ASML lithography machine[2,5,9]相比多轴双频激光干涉仪测量方案，平面光栅测量方案具有以下优点：1）测量光路短（通常小于 20 mm），因此测量重复精度和稳定性对环境变化不 敏感；2）工件台上无需长反射镜，因此质量更轻、动态性能更好。 然而，平面光栅测量方案也有其缺点：1）大面积高精度光栅制造难度太大；2）由式（9）可知，位移 测量结果以栅距 p 为基准，然而受栅距均匀性限制， 测量绝对精度不高。为了获得较好的精度和线性度，往往需要利用双频激光干涉仪进行标定。 面临极端测量需求的挑战 ，Nikon 公 司 在 NSR620D 光刻机中采用了平面光栅和双频激光干涉仪混合测量的技术方案［9］，如图 6 所示。该方案 将平面光栅安装在工件台上表面，而将光栅读数头安装在主基板下表面，同时增加了双频激光干涉仪，结合了平面光栅测量系统和双频激光干涉仪的 优点。在读头与读头切换时采用双频激光干涉仪进行在线校准。 图 6. Nikon光刻机混合测量方案［9］Fig. 6. Hybrid measurement scheme of Nikon lithography machine [9]6激光外差干涉系统的发展趋势 无论是双频激光干涉仪还是平面光栅测量系统，要想获得纳米级测量精度，既需要提高测量系统本身的精度，更需要从使用的角度努力，即“三分 靠做，七分靠用”。 就激光外差干涉测量系统本身而言，误差源主要来自于光学非线性误差。在外差干涉测量系统 中，由于光源及光路传输过程各光学器件性能不理想或装调有偏差，会带来两个频率的光混叠现象， 即原本作为测量信号频率 f1（或 f2）的光中混杂了频 率 f2（或 f1）的光，或原本作为参考信号频率 f2（或 f1） 的光中混杂了频率 f1（或 f2）的光。在信号处理中该混叠的频率信号会产生周期性的光学非线性误差。尽管目前主流的双频激光干涉仪厂家已经将非线性误差控制在 2 nm 以内［10- 12］，但应用于 28 nm 以下光刻机时仍然需要进一步控制该误差。国内外众多学者从非线性误差来源、检测和补偿等角度出发，进行了大量研究并取得了丰硕成果［13- 17］。这些成果有望对非线性误差的动态补偿提供理论支持。 从应用角度，研究热点主要集中在应用拓展、 安装误差及其测校算法、环境参数控制及其补偿方法研究等方面。在应用拓展方面，激光外差干涉技术除了应用于测长之外，还在小角度测量、直线度、平面度、反馈测量等方面取得了应用［18- 20］。在安装误差和环境误差补偿算法方面，主要聚焦于多自由度解耦算法、大气扰动补偿等研究方向［4，21- 27］。 7 总结 阐述了光刻机对位移测量系统大量程、亚纳米 分辨率、纳米精度、高测速及多轴同步的苛刻要求。 概述了激光外差干涉技术原理，指出目前为止，激光外差干涉技术是唯一能满足光刻机上述要求的超精密位移测量技术。并综述了两种基于激光外差干涉技术的测量系统：双频激光干涉仪和平面光栅测量系统。总结了这两种位移测量系统在光刻机中的典型应用，以及激光外差干涉技术的当前研究热点和发展趋势。全文详见：激光外差干涉技术在光刻机中的应用.pdf

地球大气为人类生存和发展提供了非常重要的保障，研究该区域中的大气环境与物理和化学过程，对于航天、国防、人类生活以及地球生物圈的安全至关重要。　　武汉大学研制的拉曼激光和钠荧光激光雷达的发射单元　　 　　中国科学技术大学研制的车载多普勒测风激光雷达系统　　识风须追风　　中高层大气研究关注的主要参数包括中性大气的密度、温度和风场、电离成分、微流星体、辐射场等。　　“研究中高层大气的结构和变化特征对于理解发生在这个区域中的基本物理过程，保障航天器和航天活动的安全具有重要意义。”武汉大学教授易帆对《科学时报》记者说，“这些航天器在高层大气环境中能否正常工作，将直接影响通信中继、电视转播、导航定位等。近年来，平流层飞艇由于多用途和低能耗被称为‘多功能绿色航空器’，要保证其在节能条件下稳定运行，该高度上大气风场信息极为关键。因此，这一研究与人类生活密切相关。”　　中高层大气的主要热源来自太阳的极紫外辐射和X射线对氧分子的加热以及高能粒子在大气层中的沉降。太阳活动剧烈时，高能粒子在大气层中沉降事件增加，这会加热高层大气并使之密度上升，从而增加低轨道飞行器的阻力并降低其轨道。此时如果飞行器不能及时变轨，将大大影响飞行器的使用寿命。对于低轨道飞行器来说，中高层大气的密度、成分温度和压力会影响到飞行器的轨道定位、轨道衰减速率和在轨寿命。　　另外中高层大气也会影响到飞行器表面的温度和姿态控制，其化学组分——例如原子氧等——也有可能对飞行器造成化学损伤，另外，飞行器表面的辉光现象也与大气成分有关。所以，设计飞行器时，必须根据其飞行高度和飞行时间研究中高层大气对飞行器的影响，确定携带轨道修正推助器的质量，以及合适选用的表面材料和必要的防护措施。　　仪器是利器　　因为中高层大气离人类住居的地表较远，通常需采用无线电和光学遥感探测技术才能实现对其参数的测量。由于起步较晚，我国中高层大气激光雷达探测技术曾经十分薄弱。　　“探测是中高层大气研究的基础和出发点，而我国缺乏大型探测设备和自主观测资料等因素，极大地限制了该学科的发展。”易帆说，“80km至100km高度范围的金属成分是流星消融的产物，其行为(结构和变化)反映了大气和太空的过渡区域中的物理特征。当前人们对金属成分的认识还很肤浅，许多问题都无法解释。”　　由于中高层大气研究对大型仪器的依赖，我国中高层大气观测相对其他领域显得薄弱一些。　　“对中高层大气重要参数，其中包括动力学参数(风速、温度、密度)、化学成分分布和大气辐射的研究都依赖观测仪器。国际上也存在同样的问题。这一领域很多一手资料都是近些年才积累起来的。” 中科院空间科学与应用研究中心研究员徐寄遥对《科学时报》记者说，“观测技术本身就是一个很大的研究课题。因此仪器研制也成为中高层大气研究的重要部分。”　　近年来，在基金委、教育部和科技部的支持下，我国科技工作者自主研发出多种不同功能的大型激光雷达，将我国的中高层大气遥感探测和研究推向国际前沿。　　以武汉大学为主的研究团队经过十多年的艰苦努力，研制出7台大型激光雷达系统，形成了当今亚洲功能最强大的中高层大气激光雷达综合探测平台。他们研制的世界第二台铁波尔兹曼中层顶测温激光雷达系统，在我国首次实现了80km~100 km中层顶大气温度的激光雷达测量。　　该团队完全采用激光雷达技术，实现了对3km~100km高度范围大气温度的同步遥感探测。这是国际上第二次完全采用激光雷达技术，实现从近地面到100km大气温度剖面的测量。这种激光雷达综合探测技术可广泛应用于大气科学研究，对环境变化研究具有重要意义。他们研制出的偏振激光雷达与国际上的星载激光雷达进行了细致的比对，获得了定量的一致，表明他们完全掌握了偏振激光雷达技术。最近，我国继韩国之后，研制出世界上第二台全水谱拉曼激光雷达，能测量云中水的相态(液态或气态)，在天气预报中具有重要意义。　　中国科学技术大学研究团队先后建立了米/瑞利/钠荧光双波长激光雷达系统和车载多普勒测风激光雷达系统。该雷达所达到的技术指标与国际上唯一报道的一台车载平流层多普勒测风雷达技术指标相当。　　2010年2月， 中国科学技术大学车载多普勒测风激光雷达系统通过专家鉴定，专家组一致认为：该仪器首次在国内实现了多普勒测风激光雷达对40km高度平流层大气风场的探测，且具有可重复部署性。　　由这些激光雷达构成的探测平台使我国的中高层大气探测能力进入国际前沿。激光雷达观测导致了一些新现象的发现，也给我国的国防、航天和大气空间环境研究提供了数据基础。　　有术更有效　　我国学者在过去十年里自主研制出多台不同功能的大型激光雷达系统，这些雷达系统能观测该区域多种大气参数和金属原子层，建立了在国际上有影响的中高层大气观测站。　　“近十年我国在中高层大气研究方面进步很快，发现了一些新现象，在中高层大气观测和模拟研究上也取得了有国际影响力的研究成果，总体上正逐渐逼近国际先进水平。”徐寄遥说，“这得益于我国仪器研制的成果和子午工程等的带动。目前我国在主动光学探测仪器，例如测风测温激光雷达，以及光学干涉仪和全天空气辉成像仪等被动光学仪器的研制方面初步形成规模。”　　在观测研究方面，我国学者利用地球卫星、激光雷达和车载多普勒测风激光雷达等加深了对中高层大气动力学过程的理解。在中层顶金属层激光雷达观测研究，在0km~100 km 高度范围大气温度的激光雷达测量，在车载多普勒测风激光雷达研究，在激光雷达和其他仪器的联合观测方面都取得了较有影响力的成果。　　在模式研究方面，我国学者揭示了大气波动非线性传播行为的有效方法，建立了高精度的全非线性动力学模式，对重力波的非线性传播研究取得一系列成果，已走在国际前列。我国自主建立了完全基于大气探测数据的第一代临近空间大气动力学模式。该模式与国际上公开发表的大气温度和密度经验模式(NRLMSISE-00)以及大气水平风场经验模式(HWM)相比，某些区域的精度有明显提高。

安徽理工大学2021年高峰学科仪器设备购置项目招标公告项目概况安徽理工大学2021年高峰学科仪器设备购置项目 的潜在投标人应在安徽省政府采购网获取招标文件，并于 规定时间 前递交投标文件。项目基本情况 项目名称：安徽理工大学2021年高峰学科仪器设备购置项目总预算金额：5142.5万元采购内容如下：项目包号包名设备名称单位数量最高限价（万元）提交投标文件截止（开标）时间（一）1台式顺磁波谱仪等设备（进口）▲台式顺磁波谱仪台12632021年8月16日9点00分微型快速气相色谱系统套1空气动力学粒径谱仪台1激光衍射粒度分析仪台1研究级接触角测量仪台12多通道热裂解多相动态综合分析系统等设备（进口）▲多通道热裂解多相动态综合分析系统套1238固液两相红外光谱仪台13热导黏弹测试系统等设备（进口）▲热导黏弹测试系统套1301离子减薄仪台14激光多普勒动态测速与粒径分析仪等设备（进口）▲激光多普勒动态测速与粒径分析仪套1343机械研磨仪台1力学法智能表面张力仪台1项目包号包名设备名称单位数量最高限价（万元）提交投标文件截止（开标）时间（二）1安全科普实验室等设备安全科普实验室▲套13702021年8月21日上午9点00分管式反应炉台3在线质谱分析仪套1高压反应釜套1消防水系统灭火实训系统套12低场核磁仪专用三轴夹持器等设备低场核磁仪专用三轴夹持器▲套1329游离二氧化硅测定仪台1粉尘分散度测定系统台1高性能比表面及孔径测定仪台1微电泳仪台1煤钻屑瓦斯解吸仪套6瓦斯突出参数参数仪套6突出危险预报仪套6旋风除尘与袋式除尘组合实验装置台1粉尘分散度测试仪台4安全用电实训装置套4双球法测量材料导热系数实验系统台6饱和P-V-T关系实验仪台6气体定压比热测试实验系统台6压力传感器标定实验系统台4中央空调系统实训平台台1热泵-压缩机性能实验系统套1通风系统基础测试仪表套6监测监控系统升级改造台13矿井采空区灾害模拟测试与预警系统等设备煤低温氧化全过程多功能测试系统套1160.5矿井采空区灾害模拟测试与预警系统▲套14长压短抽通风除尘综合实验平台长压短抽通风除尘综合实验平台▲套11255真空爆炸容器及采集系统真空爆炸容器及采集系统▲套1139项目包号包名设备名称单位数量最高限价（万元）提交投标文件截止（开标）时间（三）1高倍光学显微镜等设备（进口）▲高倍光学显微镜台167.52021年8月19日9点00分微型气相色谱台12矢量网络分析仪（进口）▲矢量网络分析仪台11103气相色谱质谱联用仪等设备（进口）▲气相色谱质谱联用仪台1122.5超高效液相色谱仪台14超高速非接触全场应变测试系统等设备（进口）喷雾粒度仪套1165▲超高速非接触全场应变测试系统套15等温量热仪等设备（进口）C80微量热仪升级套1326▲等温量热仪台1620L球形液体燃料爆炸测试系统等设备▲20L球形液体燃料爆炸测试系统套168动光弹改造升级套1注“▲”的产品为标包中主要（核心）产品。项目包号设备名称单位数量最高限价（万元）提交投标文件截止（开标）时间（四）1煤矿典型动力灾害预警平台硬件部分套12542021年8月13日上午8:30时2深地共伴生资源协调开采原位实验系统 套13883ZS-B二维可变刚度动力破坏模拟实验系统套12004随钻取样煤层瓦斯含量快速测定实验系统套1171（五）1低浓度瓦斯安全稳定燃烧实验系统套11482021年8月17日上午8:30时2高压容量法吸附装置等装置、仪器套11003煤岩多相多场真三轴动态渗流和煤层生物增透分子实验系统套13404煤岩动态灾害测试和智能通风系统套13185高精度计量级环形低速风硐装置套196

一种实用的水流和波浪测量解决方案Argonaut-XR为水流剖面应用提供了非凡的价值。Argonaut-XR的小尺寸 、 坚固的构建质量和灵活的编程选项使它对于实时操作和自主部署都非常有吸引力。具有独立于流速剖面的主测量单元， Argonaut-XR可以是单元水流计，也可以是剖面仪，或者两者兼备。例如， 除了可以编程系统进行流速剖面之外，还可以设置固定大小和在水柱中的任何位置的动态测量单元， 测量单元也可以配置为随着水位的变化而改变其大小或位置（自动潮沙功能）。基本的自主配置包括外部电池 、内部记录器 、罗盘／倾斜传感器 、压力和温度传感器。增加SonWave包或温盐传感器等选件， 使Argonaut-XR成为整个海洋系统的核心。

超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器 杨宏兴 1，2，付海金 1，2，胡鹏程 1，2*，杨睿韬 1，2，邢旭 1，2，于亮 1，2，常笛 1，2，谭久彬 1，2 1 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150080； 2 哈尔滨工业大学超精密仪器技术及智能化工业和信息化部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080 摘要 针对微电子光刻机等高端装备中提出的超精密、高速位移测量需求，哈尔滨工业大学深入探索了传统的共 光路外差激光干涉测量方法和新一代的非共光路外差激光干涉测量方法，并在高精度激光稳频、光学非线性误差 精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技术方面取得持续突破，研制了系列超精密高速激光干涉仪，激 光真空波长相对准确度最高达 9. 6×10-10，位移分辨力为 0. 077 nm，光学非线性误差最低为 13 pm，最大测量速度 为 5. 37 m/s。目前该系列仪器已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测 试领域，为我国光刻机等高端装备发展提供了关键技术支撑和重要测量手段。 关键词 光学设计与制造；激光干涉；超精密高速位移测量引 言 激光干涉位移测量（DMLI）技术是一种以激光 波长为标尺，通过干涉光斑的频率、相位变化来感知位移信息的测量技术。因具有非接触、高精度、高动 态、测量结果可直接溯源等特点，DMLI 技术和仪器被广泛应用于材料几何特性表征、精密传感器标定、 精密运动测试与高端装备集成等场合。特别是在微电子光刻机等高端装备中嵌入的超精密高速激光干涉仪，已成为支撑装备达成极限工作精度和工作效率的前提条件和重要保障。以目前的主流光刻机为例，其内部通常集成有 6 轴至 22 轴以上的超精密高速激光干涉仪，来实时测量高速运动的掩模工件台、 硅片工件台的 6 自由度位置和姿态信息。根据光刻机套刻精度、产率等不同特性要求，目前对激光干涉的位移测量精度需求从数十纳米至数纳米，并将进一步突破至原子尺度即亚纳米量级；而位移测量速度需求，则从数百毫米每秒到数米每秒。 对 DMLI 技术和仪器而言，影响其测量精度和测量速度提升的主要瓶颈包括激光干涉测量的方法原理、干涉光源/干涉镜组/干涉信号处理卡等仪器关键单元特性以及实际测量环境的稳定性。围绕光刻机等高端装备提出的超精密高速测量需求，以美国 Keysight 公司（原 Agilent 公司）和 Zygo 公司为代表的国际激光干涉仪企业和研发机构，长期在高精度激光稳频、高精度多轴干涉镜组、高速高分辨力干涉信号处理等方面持续攻关并取得不断突破， 已可满足当前主流光刻机的位移测量需求。然而， 一方面，上述超精密高速激光干涉测量技术和仪器 已被列入有关国家的出口管制清单，不能广泛地支撑我国当前的光刻机研发生产需求；另一方面，上述技术和仪器并不能完全满足国内外下一代光刻机研 发所提出的更精准、更高速的位移测量需求。 针对我国光刻机等高端装备研发的迫切需求， 哈尔滨工业大学先后探索了传统的共光路双频激光干涉测量方法和新一代的非共光路双频激光干涉测量方法，并在高精度激光稳频、光学非线性误差精 准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等关键技术方 面取得持续突破，研制了系列超精密高速激光干涉 仪，可在数米每秒的高测速下实现亚纳米级的高分辨力高精度位移测量，已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域。该技术和仪器不仅直接为我国当前微电子光刻机研发生产提供了关键技术支撑和核心 测量手段，而且还可为我国 7 nm 及以下节点光刻机研发提供重要的共性技术储备。高精度干涉镜组设计与研制 高精度干涉镜组的 3 个核心指标包括光学非线性、热稳定性和光轴平行性，本课题组围绕这 3 个核心指标（特别是光学非线性）设计并研制了前后两代镜组。 共光路多轴干涉镜组共光路多轴干涉镜组由双频激光共轴输入，具备抗环境干扰能力强的优点，是空间约束前提下用于被测目标位置/姿态同步精准测量不可或缺的技术途径，并且是光刻机定位系统精度的保证。该类干涉镜组设计难点在于，通过复杂光路中测量臂和参考臂的光路平衡设计保证干涉镜组的热稳定性，并通过无偏分光技术和自主设计的光束平行性测量系统，保证偏振正交的双频激光在入射分光及多次反射/折射后的高度平行性［19- 20］。目前本课题组研制的 5 轴干涉镜组（图 11） 可实现热稳定性小于 10 nm/K、光学非线性误差小于 1 nm 以及任意两束光的平行性小于 8″，与国 际主流商品安捷伦 Agilent、Zygo 两束光的平行性 5″~10″相当。 图 11. 自主研制的共光路多轴干涉镜组。（a）典型镜组的3D设计图；（b）实物图非共光路干涉镜组 非共光路干涉镜组在传统共光路镜组的基础上， 通过双频激光非共轴传输避免了双频激光的频率混叠，优化了纳米量级的光学非线性误差。2014 年，本课题组提出了一种非共光路干涉镜组结构［2，21］，具体结构如图 12 所示，测试可得该干涉镜组的光学非 线性误差为 33 pm。并进一步发现基于多阶多普勒 虚反射的光学非线性误差源，建立了基于虚反射光迹精准规划的干涉镜组光学非线性优化算法，改进并设计了光学非线性误差小于 13 pm 的非共光路干涉镜组［2-3］，并通过双层干涉光路结构对称设计保证热稳定性小于 2 nm/K［22- 25］。同时，本课题组也采用多光纤高精度平行分光，突破了共光路多轴干涉镜组棱镜组逐级多轴平行分光，致使光轴之间的平行度误差 逐级累加的固有问题，保证多光纤准直器输出光任意 两个光束之间的平行度均小于 5″。 图 12. 自主设计的非共光路多轴干涉镜组。（a）典型镜组的3D设计图；（b）实物图基于上述高精度激光稳频、光学非线性误差精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技 术，本课题组研制了系列超精密高速激光干涉仪 （图 17），其激光真空波长准确度最高达 9. 6×10-10 （k=3），位移分辨力为 0. 077 nm，最低光学非线性误差为 13 pm，最大测量速度为 5. 37 m/s（表 2）。并成功应用于上海微电子装备（集团）股份有限公司 （SMEE）、中国计量科学研究院（NIM）、德国联邦物理技术研究院（PTB）等十余家单位 ，在国产光刻机、国家级计量基准装置等高端装备的研制中发挥了关键作用。 图 17. 自主研制的系列超精密高速激光干涉仪实物图。（a）20轴以上超精密高速激光干涉仪；（b）单轴亚纳米级激光干涉仪；（c）三轴亚纳米级激光干涉仪超精密激光干涉仪在精密工程中的实际测量， 不仅考验仪器的研制水平，更考验仪器的应用水 平，如复杂系统中的多轴同步测量，亚纳米乃至皮 米量级新误差源的发现与处理，高水平的温控与隔 振环境等。下面主要介绍超精密激光干涉仪的几 个典型应用。 国产光刻机研制：多轴高速超精密激光干涉仪 在国产光刻机研制方面，多轴高速超精密激光 干涉仪是嵌入光刻机并决定其光刻精度的核心单元之一。但是，一方面欧美国家在瓦森纳协定中明确规定了该类干涉仪产品对我国严格禁运；另一方面该类仪器技术复杂、难度极大，我国一直未能完整掌握，这严重制约了国产光刻机的研制和生产。 为此，本课题组研制了系列超精密高速激光干涉测量系统，已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域，典型应用如图 18 所示，其各项关键指标均满足国产先进光刻机研发需求，打破了国外相关产品对我国 的禁运封锁，在国产光刻机研制中发挥了重要作用。在所应用的光刻机中，干涉仪的测量轴数可达 22 轴以上，最大测量速度可达 5. 37 m/s，激光真空 波 长/频 率 准 确 度 最 高 可 达 9. 6×10−10（k=3），位 移 分 辨 力 可 达 0. 077 nm，光 学 非 线 性 误 差 最 低 为 13 pm。 配 合 超 稳 定 的 恒 温 气 浴（3~5 mK@ 10 min）和隔振环境，可以对光刻机中双工件台的多维运动进行线位移、角位移同步测量与解耦，以满足掩模工件台、硅片工件台和投影物镜之间日益复杂的相对位置/姿态测量需求，进而保证光刻机整体套刻精度。图 18. 超精密高速激光干涉测量系统在光刻机中的应用原理及现场照片国家级计量基准装置研制：亚纳米精度激光干涉仪 在国家级计量基准装置研制方面，如何利用基本物理常数对质量单位千克进行重新定义，被国际知名学术期刊《Nature》评为近年来世界六大科学难题之一。在中国计量科学研究院张钟华院士提出的“能量天平”方案中，关键点之一便是利用超精密激光干涉仪实现高准确度的长度测量，其要求绝对测量精度达到 1 nm 以内。为此，本课题组研制了国内首套亚纳米激光干涉仪，并成功应用于我国首套量子化质量基准装置（图 19），在量子化质量基准中 国方案的实施中起到了关键作用，并推动我国成为首批成功参加千克复现国际比对的六个国家之一［30- 32］。为达到亚纳米级测量精度，除了精密的隔振与温控环境以外，该激光干涉仪必须在真空环境 下进行测量以排除空气折射率对激光波长的影响， 其测量不确定度可达 0. 54 nm @100 mm。此外，为了实现对被测对象的姿态监测，该干涉仪的测量轴 数达到了 9 轴。图 19. 国家量子化质量基准及其中集成的亚纳米激光干涉仪 结论 近年来，随着高端装备制造、精密计量和大科学装置等精密工程领域技术的迅猛发展，光刻机等高端制造装备、能量天平等量子化计量基准装置、 空间引力波探测等重大科学工程对激光干涉测量技术提出了从纳米到亚纳米甚至皮米量级精度的 重大挑战。对此，本课题组在超精密激光干涉测量方法、关键技术和仪器工程方面取得了系列突破性进展，下一步的研究重点主要包括以下 3 个方面： 1）围绕下一代极紫外光刻机的超精密高速激光干涉仪的研制与应用。在下一代极紫外光刻机中，其移动工件台运动范围、运动精度和运动速度将进一步提升，将要求在大量程、6 自由度复杂耦合、高速运动条件下实现 0. 1 nm 及以下的位移测量精度，对激光干涉仪的研发提出严峻挑战；极紫外光刻机采用真空工作环境，可减小空气气流波动和空气折射率引入的测量误差，同时也使整个测量系统结构针对空气- 真空适应性设计的复杂性大幅度增加。2）皮米激光干涉仪的研制与国际比对。2021年， 国家自然科学基金委员会（NSFC）联合德国科学基 金会（DFG）共同批准了中德合作项目“皮米级多轴 超精密激光测量方法、关键技术与比对测试”（2021 至 2023 年）。该项目由本课题组与德国联邦物理技术研究院（PTB）合作完成，预计将分别研制下一代皮米级精度激光干涉仪，并进行国际范围内的直接 比对。3）空间引力波探测。继 2017 年美国 LIGO 地面引力波探测获诺贝尔物理学奖后，各国纷纷开展了空间引力波探测计划，这些引力波探测器实质上就是巨型的超精密激光干涉仪。其中，中国的空间引力波探测计划，将借助激光干涉仪在数百万公里距离尺度上，实现皮米精度的超精密测量，本课题组在引力波国家重点研发技术项目的支持下，将陆 续开展卫星- 卫星之间和卫星- 平台质量块之间皮米级激光干涉仪的设计和研究，特别是皮米级非线性实现和皮米干涉仪测试比对的工作，预期可对空间引力波探测起到积极的支撑作用。本课题组在超精密激光干涉测量技术与仪器领域有超过 20 年的研究基础，建成了一支能够完全自主开发全部激光干涉仪核心部件、拥有完整自主知识产权的研究团队，并且在研究过程中得到了 12 项国家自然科学基金、2 项国家科技重大专项、2 项 国家重点研发计划等项目的支持，建成了超精密激光测量仪器技术研发平台和产业化平台，开发了系列超精密激光干涉测量仪，在国产先进光刻机研发、我国量子化质量基准装置等场合成功应用，推动了我国微电子光刻机等高端装备领域的发展，并将通过进一步研发，为我国下一代极紫外光刻机研 发、空间引力波探测、皮米激光干涉仪国际比对提供支撑。全文详见：超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器.pdf

近期国家计量技术规范制修订征求意见信息汇总专业计量技术委员会计量技术规范（点击可打开相关材料下载）全国生物计量技术委员会全自动酶联免疫分析仪校准规范生物安全采样舱性能参数校准规范生物降解试验中接种物活性定量测量方法负压隔离舱生物安全参数校准规范移动生物检测实验舱性能参数校准规范负压救护车医疗舱性能参数校准规范 全国流量计量技术委员会液体容积式流量计检定规程液体容积式流量计型式评价大纲激光多普勒流速仪热式燃气表检定规程热式燃气表型式评价大纲烟道气体流速测量三维皮托管校准规范固定污染源烟气流量比对装置校准方法全国流量计量技术委员会液体流量分技术委员会标准刮板油流量计校准规范热量表通信技术协议计量技术规范全国声学计量技术委员会环境噪声自动监测仪高强度定向声源测试规范骨导助听器校准规范超声探伤仪检定规程毫瓦级超声功率源检定规程全国光学计量技术委员会光传输用稳定光源透射式能见度仪校准规范阿贝折射仪全国标准物质计量技术委员会电子探针显微分析标准物质研制规范检验医学标准物质互换性评估规范稳定同位素标准物质研制规范有机同位素稀释质谱法定值规范全国气象专用计量器具计量技术委员会大气电场仪校准规范气象湿度传感器气象用红外地温传感器自动气象站风向传感器自动气象站数据采集器气象专用计量器具国家计量技术规范体系构架全国温度计量技术委员会温度变送器校准规范热电偶、热电阻自动测量系统校准规范温度传感器动态响应校准规范全国压力计量技术委员会相对法压电式压力传感器校准规范防水卷材不透水仪校准规范锰铜电阻压力计（静态）校准规范全国几何量工程参量计量技术委员会焊接检验尺校准规范光谱共焦传感器校准规范缝隙、段差测量仪校准规范大量程数显千分表校准规范漆膜划格器校准规范全国电离辐射计量技术委员会放射治疗模拟定位X射线辐射源检定规程机动车测速仪现场测速标准装置校准规范 汽车行驶记录仪校准规范全国振动冲击转速计量技术委员会恒转速源校准规范机动车测速仪现场测速标准装置校准规范 汽车行驶记录仪校准规范高加速寿命和应力筛选试验系统校准规范行星式水泥胶砂搅拌机校准规范轮速传感器检测装置校准规范索力动测仪（振动法）校准规范出租汽车计价器检定装置检定规程地球重力法低频振动校准规范工业机器人校准规范全国计量器具管理标准化技术委员会企业能源计量器具配备率检查方法（征求意见稿）全国环境化学计量技术委员会波长色散 X 射线荧光光谱仪校准规范环境空气挥发性有机物采样器校准规范