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迈向万米深地:智能运维技术与仪器保驾护航
摘要：
深地工程是人类探索宇宙和生命的世界级重大工程,也是关系国家能源资源安全和可持续发展的战略选择。 2016 年,习近平总书记指出:“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。 “十五五” 时期,应协同推进战略性矿产勘查开发、深地科学探测与人工智能赋能自然资源保护利用,以基础科学、工程技术、高端装备的深度融合为支撑,推动资源开发与科学探索相互促进。其核心,是把工程上可以到达的深度,转化为科学上可以认识、产业上可以安全利用的空间。 2025 年,深地塔科 1 井以 10 910 米井深完成钻探,深地川科 1 井随后突破 10 000 米,标志着我国深地工程已进入万米探索的新阶段。 万米钻探获取的岩心、测井与原位资料,为研究特深层地质结构和油气赋存提供了直接依据。 国产万米自动化钻机及配套技术的工程应用,则展现了重大工程对科学认知、工艺方法和装备研制的联合牵引作用。 然而,突破深度纪录并不等于获得稳定的深地开发能力。 越是向深部延伸,工程决策的可靠性与作业安全性越需要以运行状态的连续感知和及时调控为支撑。 这一要求源于深部环境对工程问题的根本重塑。 高地应力、高地温、高渗透压与工程扰动相互耦合,使岩体变形破坏、井筒失稳和灾害演化呈现强非线性与显著不确定性。 超长管柱、多压力系统和窄安全密度窗口,又使局部异常可能通过结构与作业链条放大。 与此同时,岩样脱离原位环境后,温度、压力和受力边界的变化会削弱地面试验对深部真实状态的代表性。 因而,深地工程需要从依赖离线参数和事后处置,转向原位观测、在线认知和风险前馈。 在这一转变中,智能运维并非附加于工程末端的单项技术,而是连接地层、装备与作业过程的关键机制。 以深地钻井平台为例,地面提升、旋转和钻井液循环装备通过钻柱与井下作业耦合,套管与固井结构共同维持井筒完整性,近钻头仪器则承担地层和工程参数测量。 地层变化会改变钻进载荷,装备退化会扰动运行响应,作业调整又反向影响井下压力和结构受力。 只有把异常信号置于这一整体过程中解释,才能由状态检测走向灾害预警、预测性维护与作业优化。 要使智能运维贯穿深地工程全过程,基础条件是在极端环境中持续获得真实、可靠且可解释的原位信息。高温、高压、强振动与介质侵蚀会引起器件性能漂移、信号失真甚至功能失效,深地工程智能运维技术与仪器因而需要兼顾环境适应性、测量灵敏度与长期稳定性。 随着光纤、微机电、声波、电磁和机器视觉等技术由单一参数测量向多源连续感知发展,工程问题也由能否获取信号转向能否准确表征状态。 不同观测只有在明确敏感对象、时空尺度和误差来源的基础上建立物理关联,才能形成可供分析的状态信息。 在此基础上,人工智能为复杂状态的反演、识别和预测提供了新的方法。 然而,故障样本稀缺、类别分布不均、强噪声干扰和工况持续变化,使单纯依赖历史数据训练的模型难以覆盖实际工程条件。 将物理机理引入特征表达与状态反演,利用自适应方法识别工况变化,并通过现场数据校核模型边界,是提高模型可解释性和跨工况适用性的基本路径。 由此,可靠仪器、原位感知、状态认知与运行支持形成相互衔接的技术链,现场反馈则推动模型和测量方法持续修正,构成深地工程智能运维技术框架。 《仪器仪表学报》 “深地工程智能运维技术与仪器”专题共收录围绕该技术链条开展研究的 9 篇论文。 在作业前方感知方面,随钻声波前视研究分别围绕发射换能器、相控稀疏阵列和强干扰下的回波增强展开,形成由器件、阵列到信号处理的技术链。 随掘电法动态可视化则利用装备推进过程中的连续观测实现前方异常体成像。这些研究将探测范围由已揭露区域延伸至钻头或截割头尚未进入的空间,使地质风险识别逐步前移。 感知对象进一步由外部地质环境延伸至装备自身。深地钻探装备电磁无损检测研究梳理了不同方法的物理机制、适用边界及发展瓶颈;多层管柱壁厚反演通过互补观测与物理引导提高分层辨识能力;定滑轮组视觉诊断则根据运动学关系将绳槽磨损映射为可解释的转速偏离。 三类工作虽分属综述、反演与诊断,却共同建立了“损伤机制—测量响应—状态评估”的联系,体现出装备运维由异常检测向状态认知的发展。要使这种状态认知进一步服务于工程运行,还需要处理分布变化与信道干扰等现实约束。 盾构机刀盘扭矩预测以残差学习和测试时自适应跟踪跨地层工况,钻井液脉冲组合滤波则通过泵速反馈和相关匹配提升井下信息传输的可靠性。 它们分别回应了“模型失配”和“信号受扰”的典型难题,体现出相关方法对工况变化和传输条件等实际工程约束的关注。 这些成果勾勒了深地工程智能运维的技术轮廓,为相关技术的系统集成与工程应用奠定了基础。 在已有仿真、缩尺模型、实验平台及现场研究的基础上,下一步应着力加强器件、阵列、信号处理与决策模型之间的协同,持续开展长周期现场验证。 其目标,是推动相关技术从单点突破走向系统集成、从实验可行走向现场可用,并在长期运行中验证可靠性,使深地工程智能运维技术与仪器真正走向工程成熟。 这一过程不仅需要技术能力的持续提升,也离不开测量标准、评价方法与工程责任边界的逐步完善。 面向这一目标,需依托重大工程,协同攻关关键材料、敏感元件、耐高温电子与专用仪器,将标定、环境适应和寿命评估纳入研制全过程。 更为重要的是,应建立贯通地面与井下、地质与装备、建造与运维的数据基础,使施工记录、运行载荷、检测结果和维护效果得以连续积累。 通过跨工况试验与现场验证明确模型的适用边界,以统一的数据描述、质量评价和接口规范促进系统协同,使现场运行反馈能够持续修正模型、改进仪器、优化维护策略,形成闭环迭代。 深地开发的每一次跨越,都是对科学认知、工程装备与组织能力的共同检验。 智能运维的价值,正在于使仪器测量转化为对深部规律的认识,使工程数据转化为设计、作业和维护的知识。 期待本专题促进地学、力学、机械工程、仪器科学与人工智能的深度交叉,推动智能运维技术和自主仪器在重大工程中相互验证,为建设安全、高效、可持续的深地开发能力提供支撑。
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深地钻探装备电磁无损检测技术研究进展及展望
摘要：
深地工程作为国家重大战略方向，钻探装备的结构健康是保障其安全运行的基础，无损检测是该领域的关键支撑技术。电磁无损检测凭借高效率、高灵敏度及缺陷参数可定量表征等优势，在金属结构缺陷检测中具有重要应用价值。深地钻探装备具有大型化和复杂化特征，检测环境严苛、被检结构多样，对电磁无损检测技术在精度、环境适应性及智能化水平等方面提出了更高要求。针对上述背景，系统梳理电磁无损检测技术的研究进展与发展趋势。首先，从电磁机理出发，围绕电磁感应、电磁扩散及多场耦合等理论基础，系统总结涡流检测、脉冲涡流检测、磁涡流检测、漏磁检测、交流电磁场检测及电磁超声典型方法的工作原理和适用范围，明确不同技术在导电材料、铁磁材料及复杂结构中的应用边界与优势；其次，结合深地钻探工程中高温高压、厚壁结构、多层介质及强噪声干扰等复杂工况，分析当前电磁检测技术在可靠性与自动化方面的关键瓶颈；最后，面向深地钻探装备的检测需求，从先进传感、新型激励和智能反演角度展望未来发展方向，并引入具身智能理念，构建“感知-决策-执行-优化”多环节协同的闭环检测模式。本研究可为电磁检测技术在深地钻探工程中的应用提供系统性技术范式与发展路径支撑。
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煤矿掘进机前向待掘区域动态可视化方法
摘要：
针对煤矿掘进过程中掘进机前向待掘区域危险源信息难以获取、异常结构缺乏直观表达的问题，提出煤矿掘进机前向待掘区域动态可视化方法，将截割头与可控伸缩装置作为双激励源，将双激励源与掘进机装备进行一体化设计，构建了掘进机前向待掘区域双激励源视电阻率及动态探测理论模型，分析了巷道空间边界效应与掘进机本体金属装备对双激励源电场的扰动影响，探索了在前向待掘区域动态探测中掘进机定位误差对探测结果的影响，并推导了掘进机定位误差的允许范围；开展了正演模拟研究，对比分析了单、双激励源电场分布及视电阻率响应特征，结合正则化约束与随掘动态反演算法，对比分析了待掘区域动态反演与静态单次反演成像效果，实现了对待掘区域多种复杂地质异常体的辨识；将石墨粉与石灰按照3∶1均匀混合制作模拟煤壁，设计了模拟截割臂并制作样机，搭建了待掘区域动态可视化实验系统，结果表明，该方法对待掘区域中单一异常体以及多异常体均具有良好的动态成像与可视化效果。研究结果可为煤矿智能化掘进提供一种高精度、高集成度的前向待掘区域动态可视化技术方案。
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随钻前视探测中声波偏转聚焦的相控稀疏阵列优化设计方法
摘要：
深海深地复杂油气藏勘探开发成本高、风险大，将钻井、测井和油藏工程技术融为一体的随钻地质导向钻井技术应用越来越广泛。随钻前视探测能实时“看清”钻头前方的未钻地层构造，是随钻地质导向钻井的核心技术，基于声相控阵的随钻声波前探已成为该领域极具潜力的研究方向。然而，传统均匀线阵在70°~80°大角度波束调控过程中，存在波束宽度展宽、栅瓣干扰及旁瓣过强等固有缺陷，难以满足高精度地质探测的工程需求。针对上述技术瓶颈，提出一种适用于一维声学相控稀疏阵列的新型最小冗余线阵（MRLA）设计方案——改进型混沌模糊离散粒子群混合优化方法（ICFDPSO）。该方法创新性地融合了最小冗余线阵的设计原理与改进型混沌模糊离散粒子群优化算法（PSO）。相较于传统粒子群优化算法，改进后的算法不仅收敛速度更快、全局寻优能力更强，还能实现显著的旁瓣抑制效果（多元阵旁瓣抑制深度可达-19.49 dB），同时有效降低了计算复杂度。通过结合最小冗余线阵设计原理，优化后的阵列主瓣宽度缩减40%，在实现旁瓣均匀抑制的同时，保持了高角分辨率特性。仿真验证、砂岩缩尺模型实验及声学水池测试结果表明，该优化稀疏阵列可实现70°精准波束调控，综合性能显著优于传统均匀线阵——主瓣更窄、旁瓣更低，且水池测试与仿真结果的相对误差仅为6%。该阵列结构紧凑、效能优异，为地质导向钻井中的随钻声波前视探测提供了一种高效、实用的技术途径。
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随钻声相控阵前视探测中发射换能器设计及实验
摘要：
针对随钻声波相控阵前探系统中传统圆柱压电换能器径向-纵向耦合振动强、纵向寄生振动易激发沿钻铤传播的钻铤波、径向有效声能辐射不足，进而削弱相控阵聚焦效果和前探回波信噪比的问题，开展了径向优先振动发射换能器的设计、仿真与实验研究。首先推导径向极化圆柱压电换能器的径向——纵向耦合机电等效电路，揭示了耦合振动能量分配规律与纵向寄生振动抑制机理；据此提出压电陶瓷周向均等切割、填充缓冲材料并交替激励的新型结构，通过材料选型与参数优化确定PZT-5A为压电材料、6 mm厚环氧树脂-II为填充介质；构建钻铤-井孔-地层耦合有限元模型开展仿真，并制作样品完成实物测试。结果表明，新型随钻前探专用换能器在10~15 kHz工作频带内具备更高电声转换效率与井下环境适应性，发射电压响应（TVR）提升6.38%，径向位移峰值提高185.7%，导纳值达到了常规换能器的2.6倍，同时纵向位移峰值降低88%。这表明该结构能够显著降低钻铤波激发源强度并增强径向有效声辐射能力，可有效抑制纵向振动引发的钻铤波干扰，在10~15 kHz工作频带内具备更高电声转换效率与井下环境适应性。研究成果为高性能随钻声波前探相控阵系统研发提供核心器件支持。
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基于迭代解耦奇异谱分析的随钻前探回波增强方法
摘要：
随钻声波前视探测中，接收器阵列获取的钻前地层回波受复杂井孔模式波的严重干扰，极大制约着后续成像分析。现有波场分离方法受限于频带混叠，难以有效提取微弱地层回波。特别是对于垂直于井轴的水平地质边界，回波信号更加难以分离。为此，提出一种基于迭代解耦奇异谱分析（ISSA）的地质边界回波增强方法，旨在提升微弱反射信号的信噪比和可检测性。首先，基于共源集阵列信号进行延时嵌入编码，将一维时间序列转换为满足矩阵分解要求的可逆几何矩阵结构；然后，利用低秩奇异值分解技术分解全波信号，初步分离具有低秩特性的井孔直达波和非低秩特性的地质边界回波。进而，将直达波压制转换为低秩近似重建反演问题，引入双因子梯度下降算法迭代解耦直达波结构及幅值特性；同时，采用残差加权机制对直达波重建残差施加动态非零权重以引导梯度方向，并对弱反射波施以零梯度保护机制，实现两者独立解耦；最后，结合指数衰减步长策略稳定解耦并加速收敛，获得最佳分离效果。多种合成阵列及模拟井声波数据验证表明：对于不同地层属性和不同倾角地质边界的微弱回波，信噪比可提升5~20 dB，结构相似度达0.90以上；即便在强随机噪声干扰下仍表现出良好的适应性。结果证明，该方法能显著抑制同频带井孔直达波，且有效保持弱反射波的波形结构与幅值特征，具有重要的理论意义与应用价值。
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基于组合滤波器的泥浆脉冲信号处理算法研究
摘要：
泥浆脉冲随钻测量技术是井下工程参数、地层地质参数实时动态传输的核心关键技术，可为钻井地质导向、钻井施工参数动态优化及油气资源高效开发提供实时的数据支撑。然而，钻井液传输信道长期受周期性泵噪声与宽带随机噪声的叠加干扰，极易掩盖微弱的井下压力脉冲有效信号，降低脉冲信号识别精度与遥测数据解码可靠性，制约随钻测量系统的现场应用效果。针对传统单一滤波算法在泵频波动、低信噪比等复杂钻井工况下存在的噪声抑制不充分、有效信号易失真损伤等技术缺陷，提出一种多级组合滤波的泥浆脉冲信号处理算法。该算法采用分层递进的降噪处理架构，首先依托带通滤波器完成信号预处理，滤除信号中的低频基线漂移与高频随机噪声；其次基于实时泵转速信息构建级联陷波器，动态跟踪并抑制泵体基频及各次谐波干扰；最后引入相关匹配滤波算法强化脉冲信号细节特征，提升脉冲信号检测精度与识别准确率。现场实钻试验结果表明：在4 000 m深井实钻测试中，算法解码序列与实际编码高度吻合，误码率降至2.1%。该算法能够有效滤除泵噪声线谱干扰，清晰提取脉冲信号。面对钻井现场时变、非平稳的复杂噪声环境，算法表现出优异的鲁棒性，可提升泥浆脉冲遥测系统的数据传输可靠性，具备较高的工程应用价值与推广前景。
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基于物理引导多尺度残差网络的多层管柱脉冲涡流壁厚反演方法研究
摘要：
多层铁磁管柱脉冲涡流检测中，层间强电磁耦合与深层响应扩散衰减并存，使各层壁厚定量解耦成为典型的非线性病态逆问题。针对传统数据驱动方法物理约束不足、样本依赖性强和泛化能力有限等问题，提出一种基于物理引导多尺度残差网络的多层管柱脉冲涡流壁厚反演方法。首先，建立多层管柱脉冲涡流的截断区域本征函数展开半解析正演模型，实现有限长轴对称电磁边界问题的快速求解与响应计算，并构建对数域灵敏度矩阵与相对贡献度指标。在此基础上，引入灵敏度梯度方向与通道互补性分析，揭示各层壁厚敏感性由内层向外层迁移的时域演化规律，从而为多时间通道特征提取和长短线圈信息联合观测提供物理依据。然后，构建以多尺度一维卷积为主体的深度残差网络，在输入端融合长短线圈互补信息并嵌入物理先验。同时，特征端和损失端分别引入阶段注意力聚合机制和物理一致性约束，引导网络学习符合电磁响应机理的壁厚映射关系。最后，基于半解析正演模型与COMSOL仿真构建的混合数据集开展训练与验证，并通过3层铁磁管柱试件进行实测实验。结果表明，所提方法在仿真测试集上的3层平均绝对误差为0.150 mm，R2达到0.995 6，在完整壁厚实测条件下的平均绝对误差为0.251 2 mm，能够较好地反映多层管柱壁厚变化规律。
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基于残差测试时自适应图神经网络的盾构机刀盘扭矩预测方法研究
摘要：
盾构机在复杂地质环境下的掘进参数预测面临数据分布非平稳、噪声干扰及地层突变引发的概念漂移等难题。针对上述问题，提出了一种基于残差测试时自适应图神经网络的预测方法（RTG-Net）。首先，针对跨地层条件下扭矩量纲差异大及统计特性变化剧烈的问题，引入残差学习机制，将绝对值预测转化为增量建模，并结合 Huber 鲁棒损失函数构建稳定优化目标，从而抑制异常噪声对模型的干扰。其次，构建基于特征空间相似性的多尺度动态时空图拓扑，通过异构图卷积与双向长短时记忆网络（BiLSTM)级联架构，解耦瞬时地质状态特征与长期时序演化依赖，从而充分挖掘非连续相似工况下的关联，提升复杂工况下的特征表达能力。最后，针对未知地层引发的概念漂移，设计测试时在线特征自适应策略，通过引入经验回放机制对输入特征权重进行动态更新，实现模型在未知地层条件下的自适应调整。工程验证表明，该方法在跨地层测试集单步预测的决定系数（R2）为 0.992 7，平均绝对误差（MAE）为 73.26 kN·m，均方根误差（RMSE）较对比方法降低 38% 以上。在2~5步的多步预测任务中仍保持较高的精度与稳定性，且平均单步推理时间为 3.13 ms，满足实际工程的实时性要求。该方法有效缓解了跨地层预测的性能衰退，为盾构机的智能前瞻性辅助驾驶提供了技术支撑。
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基于机器视觉转速提取的定滑轮组故障诊断方法
摘要：
针对钻机提升系统定滑轮组在线监测中存在的安装空间受限、倍率耦合导致故障定位困难以及速度波动易掩盖微弱磨损特征等问题，提出了一种基于机器视觉转速提取的钻机提升系统定滑轮组故障诊断方法。该方法通过在滑轮轮缘预置恒密度条纹，利用面阵相机采集滑轮旋转过程中的动态条纹图像序列，将滑轮的机械旋转运动映射为图像灰度变化信号；随后结合互相关分析与时频分析技术，提取互相关系数的时频脊线，进而实现多目标滑轮瞬时转速的同步提取。进一步针对变转速工况下整体速度波动对诊断特征的干扰，构建转速比相对偏差矩阵作为故障诊断特征，通过转速比相对偏差矩阵有效抵消全局扰动，突显绳槽磨损引起的滑轮转速异常偏离特征，从而实现磨损滑轮的识别与定位。为验证方法有效性，基于钻机提升系统故障模拟实验台开展对比实验。结果表明，该方法在电机恒定转速（最高设置为2 800 rpm）、电机时变转速（1 600-2 800-1 600 rpm）以及不同负载（40、80 kg）等多种工况下，平均准确率达到了86.11%±2.90%，平均F1-Score为86.05%±2.90%，表明该方法具有较好的鲁棒性与泛化能力，可为钻机提升系统滑轮磨损识别提供一种非接触式、在线、不依赖模型训练、对转速工况不敏感且适用于多目标滑轮同步监测的工程技术方案，为后续状态评估与故障维护决策提供数据支撑。
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面向空间应用的微腔光学频率梳设计研究综述
摘要：
光学频率梳能够在为光学频率与微波频率之间建立相干连接，是空间高精度授时、精密测距、深空探测和相干光通信等空间应用中的重要支撑技术。相比传统锁模激光光频梳，微腔光学频率梳具有可大规模制造、高重复频率、多波长相干输出和微小型化等优势，有望成为未来空间领域可集成光频梳系统的重要技术路线。微腔光梳依托高品质因子微腔中的四波混频效应产生，在特定泵浦失谐与色散条件下可形成高相干、低噪声的耗散克尔孤子态。然而，其微腔光梳的光谱范围、相干特性、噪声水平和光谱形貌受到波导几何、材料色散、非线性效应、泵浦失谐和耦合状态等因素共同影响，传统依赖经验扫描和迭代仿真的正向设计方法难以高效满足复杂应用场景下的多目标设计需求。综述围绕面向空间应用的微腔光梳设计方法展开，首先介绍微腔光梳的产生机制及其色散与和非线性动力学基础，随后总结波导几何调控、光子晶体微环和耦合微环结构等正向设计方法，以及神经网络加速的孤子动力学分析；并进一步综述基于伴随优化、遗传算法和神经网络的数据驱动逆向设计方法及其在目标光梳定制中的应用，最后在设计制造和空间适应性等方面展望微腔光梳设计方法在面向空间应用的发展趋势。
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用于地磁测量的矢量原子磁力仪研究进展综述
摘要：
地球科学研究、深空探测与地磁导航等领域对磁力仪的地磁场矢量测量能力提出了更高的要求，磁力仪不仅要兼具高灵敏度与宽测量范围，还要实现高正交度以降低磁场方向测量误差。传统的磁通门磁力仪虽能实现地磁测量，但精度不高，超导量子干涉磁力仪受限于测量范围、体积和低温工作条件，而新型光学矢量原子磁力仪凭借高灵敏度、室温工作及小体积低功耗等优势，已成为地磁测量技术的重要发展方向。围绕用于地磁测量的三种主流矢量原子磁力仪方案展开综述，从工作机制与功能特点出发，将其归纳为3类：基于标量原子磁力仪调制解算的矢量方案（含线圈辅助和光调控两种路径）、无自选交换弛豫矢量磁力仪和金刚石氮-空位色心矢量磁力仪。系统阐述了3类矢量原子磁力仪的基本原理、国内外研究现状与关键进展，分析了各自在灵敏度、测量范围、正交度控制与工程化程度等方面的特点。之后对比了3类方案的优缺点与指标情况，并进一步指出测量范围和三分量正交性误差是三类方案走向地磁测量实用化共同面临的核心挑战。最后对三轴矢量原子磁力仪在未来地磁测量方向的技术发展进行了展望。
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铷喷泉原子钟研究进展
刘国栋，王秀梅，任士卿，李悦宝，王一非，王丹阳，王亮，张升康
摘要：
随着喷泉钟的可靠性提升和激光冷却技术的逐渐成熟，喷泉钟不仅可作为基准钟驾驭原子时标，提升原子时标的精度，而且越来越多地通过驾驭氢钟形成复合守时钟，在时频领域占据越来越重要的位置。对其进行研究，并不断提高其频率稳定度等指标，具有重要的实用价值和科学意义。其中，铷原子的基态超精细能级跃迁作为秒定义的次级表示，具有碰撞截面小的优势，同时冷却激光运行可靠性高，因此铷喷泉钟具有更好的应用前景，且已经逐步进入实用化阶段。从长期精度方面，铷喷泉钟目前可以达到较高的精度水平，天稳在10-16量级；半月稳和月稳在小系数10-16，其中俄罗斯铷喷泉钟最优可以达到大系数10-17；年稳为小系数10-17；准确度为10-16量级；漂移率为小系数10-18/d。国内外相关研究机构，在激光冷却与光学、微波腔与Ramsey干涉、频移评估与不确定性、工程可靠性等方面各有侧重，为铷喷泉钟的发展提供了不同的思路，并不断促进其在性能指标的提高和应用方面的推广。首先简要介绍铷喷泉钟的工作原理，然后对国内外相关机构的研究进展及频率稳定度指标进行概括和分析，通过对各机构特色和技术路线的阐述，突出了铷喷泉钟的主要关键技术，最后进行总结和展望，铷喷泉钟应一方面不断提高其频率稳定度等性能指标，另一方面通过小型化和轻量化，走向工程化应用和推广。
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冷原子滤光器研究与应用
摘要：
原子滤光器是借助原子共振跃迁光谱特性实现频率选择功能的量子器件，通常具有高峰值透过率、窄带宽以及优良的带外噪声抑制等优点。近十几年来，以法拉第反常色散原子滤光器和感生二向色型原子滤光器为代表的双折射型原子滤光器发展迅速，工作波长已涵盖从可见光到近红外波段，并在激光通信、雷达以及稳频激光等领域展现出独特的应用价值。然而，受限于热原子高速运动、频繁碰撞带来的多普勒展宽、碰撞展宽等因素影响，现有热原子滤光器的透射带宽很难压窄到自然线宽量级，限制了其在极窄带滤波领域的应用。冷原子滤光器的提出和实现为进一步压窄原子滤光器的透射带宽提供了一种新思路。通过激光冷却技术使原子减速，与原子运动速度相关的多普勒效应被显著抑制。基于这一原理，目前已实现的冷原子滤光器根据冷却方式和旋光原理的不同，可划分为两大类：基于磁光阱冷却原子的法拉第滤光器和感生二向色型滤光器，以及基于漫反射激光冷却原子的法拉第滤光器。本研究详细介绍了这两类冷原子滤光器的旋光原理、实验方案及实验进展，并与国际先进指标进行对比，分析各自的优势与不足。最后，展望了冷原子滤光器在实现法拉第主动光频标、水下光通信及单光子源方面的巨大潜力，有望为量子精密测量及量子通信网络技术的发展开辟新途径。
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基于冷原子干涉方法的空间重力梯度仪
摘要：
空间重力梯度测量可对地球重力场的中短波信息进行观测。基于静电加速度计的星载重力梯度仪对构建全球重力场模型起到了重要作用。但是，其仍然面临由检验质量结构、热环境和卫星平台扰动等因素导致的低频测量噪声问题，如重力场和稳态海洋环流探测(GOCE)卫星在轨的实际低频噪声为24 mE/Hz。而得益于空间微重力环境，空间冷原子干涉重力梯度仪预期可实现远优于地面的重力梯度测量精度，并且，由于其绝对重力梯度测量的特点，可弥补静电加速度计的低频噪声和漂移问题，是下一代重力梯度卫星的重要候选载荷。梳理了星载静电重力梯度仪的参数指标、地面原子干涉重力梯度仪的机理及发展历程、空间原子干涉仪的研究现状与未来规划。对比了欧空局冷原子重力梯度仪(ESACGG)计划、空间冷原子传感器质量观测(MOCASS)任务、量子重力梯度仪探路者(QGGPF)计划以及中国提出的星载三轴重力梯度仪计划设想，梳理了各计划的技术路线，归纳出各方案在超冷原子源温度与长干涉时间方面的共同设计要求，并给出了其在拉曼与布拉格干涉机制、径向与横向测量轴选择上的具体设计差异。同时以 ESACGG 方案为例，梳理其在5 mE/Hz的设计灵敏度指标下的设计参数、载荷指标以及卫星转动稳定度等关键技术要求以及工程问题。通过调研，梳理了未来空间原子干涉重力梯度仪的技术难点和发展方向，为后续基于空间原子干涉方法的重力梯度项目的设计提供参考。
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中国空间站冷原子锶光钟天地差异分析
摘要：
2022年发射入轨的世界第一台空间光钟已经开始在轨实验。空间光钟独特的物理特性和复杂的结构使其在地面调试阶段与在轨运行阶段产生明显的差异性。从物理角度和技术角度分析了空间光钟的天地重力差异、温度场差异以及磁场差异，得出空间光钟引力红移频移的评估方法，提出了微重力环境窄带原子俘获的技术方案，并对空间站温度和磁场的环境对光钟的影响进行了讨论。在地面实验中，通过翻转物理真空腔，使原子感受到的重力方向改变180°，随后在磁光阱的反亥姆霍兹磁场基础上增加并精密调节亥姆霍兹补偿磁场，实现了二级磁光阱原子团中心位置的精确移动。在补偿磁场达到120 μT时，二级原子的荧光强度恢复到重力方向翻转之前的状态，为在轨实验红磁光阱原子位置移动技术进行了验证。本文分析了在轨科学腔温度数据，使用指数函数对数据进行了拟合，得出在轨科学腔温度热时间系数约为138(7) min，为未来空间光钟的在轨黑体辐射频移评估提供了数据基础；测试了磁屏蔽罩对磁场的屏蔽系数，结合理论分析可知磁屏蔽罩可以将外界磁场衰减约120倍，其设计和加工可满足空间光钟在轨实验需求。通过理论分析和实验验证，不仅对空间光钟在轨实验提供了数据和技术支持，而且为下一代空间光钟的设计提供了重要的参考。
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铷原子磁力仪气室加热结构优化及性能提升
摘要：
在铷原子磁力仪中，传统大尺寸气室加热结构因加热面数量受限、散热路径不对称等问题，导致气室内部温度场分布不均，最终制约仪器测量性能的提升。针对该问题，提出一种适用于立方体铷原子气室的外部加热优化结构，通过增加加热面数量并引入填充二氧化硅气凝胶隔热材料的夹层结构，重构气室周边导热路径与热阻分布，从热源布置优化与热损耗抑制两个维度改善气室内部温度均匀性，以此提升磁力仪整体探测性能。研究采用有限元稳态导热仿真方法，系统开展加热面空间布置方式、隔热材料厚度及热导率等关键参数的优化设计，明确了多面加热与隔热夹层对温度场匀化的协同作用机制。搭建光泵浦铷原子磁力仪实验平台，开展气室内部温度分布特性、磁力仪频率响应的对比实验研究。实验结果表明，改进后的加热结构使气室内部温度变异系数由0.003 9降低至0.002 2，温度均匀性较传统结构提升约43.59%；对应磁力计在1~100 Hz全测试频段内的频率响应幅值平均提升16.15%。该气室加热结构可在满足无磁加热工程设计约束的前提下，通过多面加热与隔热夹层的协同作用实现温度场整体匀化，显著改善气室温度均匀性并提升频率响应幅值，为铷原子磁力仪的高灵敏度测量和工程化应用提供了可行的温控技术方案。
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面向角速度测量的小型化束流式原子干涉仪
摘要：
原子干涉惯性技术凭借其超高灵敏度、超高精度等优势近年来成为了新一代惯性技术的重要发展方向，并处于从实验室环境走向工程应用的重要阶段。国外已开展了原子干涉惯性测量单元的机载试验验证工作，国内仍处于原理样机研制阶段，在小型化方面较为落后。面向工程环境应用需求，以束流式原子干涉仪的小型化设计与实现为主要研究目标，研制了国内首个面向角速度测量的小型化束流式原子干涉仪装置。该装置通过优化原子炉和真空腔体结构设计、减小表头光机结构件等方式，将传统束流式原子干涉仪1 m以上的表头长度压缩至0.6 m。基于该装置实现了原子干涉信号的检测与原子干涉相位的提取，并完成了陀螺效应的验证，表明该装置具备角速度测量能力。采用传统陀螺仪对该装置进行标定，得到角速度测量的标度因数为5.45×107 LSB/(°/s)，与理论值5.16×107 LSB/(°/s)误差为5.3%。经测试，该装置实现角速度测量的角随机游走指标为5.5×10-3°/h1/2，量程约为（-640°/h，640°/h），数据输出率为190 Hz。该装置方案具有结构紧凑、表头体积小、测量数据率高等优势，基于该方案可进一步开展双路对射原子干涉惯性仪表的研制，实现加速度和角速度的闭环解耦输出，提升动态性能的同时扩大其测量范围，为研制工程环境可用的小型化束流式原子干涉惯性测量单元奠定技术基础。
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稳定度2×10-13 / τ的双光子跃迁光频标实验装置研究
摘要：
高精度时间频率标准是卫星导航系统、通信系统、深空探测、空间基础物理研究等航天任务的核心支撑技术之一。 基于热铷（Rb）原子的双光子跃迁光频标, 无需复杂的原子冷却系统、超高真空环境及超稳腔频率预稳, 将激光频率锁定至消多普勒展宽的窄线宽原子跃迁线, 可获得较高的频率稳定度, 从而满足星载等复杂环境下的长期高精度守时需求, 受到了广泛的关注和研究。本研究研制的基于87Rb原子双光子跃迁的光频标实验装置, 以1 556 nm激光器为种子光源，由激光倍频产生的778 nm钟激光激发气室中的87Rb原子发生5S1/2→5D5/2双光子跃迁, 观测到原子辐射的420 nm荧光，利用光电倍增管能够实现荧光的高效收集。 通过增大激光光斑直径抑制渡越时间展宽,将跃迁谱线线宽从1 800 kHz压窄至600 kHz; 采用聚焦透镜、遮光罩及带通滤光片组合,将谱线信噪比较直接收集荧光方式提升14倍。 光频标锁定后, 通过光学频率梳将光频段的频率稳定度转换至射频频段后与主动氢钟比较，得到其频率稳定度为2.2×10-13/τ(1~100 s)，积分4 000 s后达到9.1×10-15。评估了装置的光频移系数为-6.7×10-13/mW, 碰撞频移系数为-5.6×10-13/℃, 分析得出光频移是限制本装置长期频率稳定度的主要因素，后续可通过减小功率反馈环路漂移、设计集成化物理部分等方式进行抑制。 该研究为未来高性能、集成化光频标的实现奠定了重要的技术基础。
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空间复杂环境下自主导航微系统关键技术研究
摘要：
自主导航微系统是新一代国家综合定位、导航与授时体系下终端用户导航系统向微小型化、集成化与智能化发展的核心技术方向之一,在深空探测、微小卫星及空间飞行器自主运行等领域具有重要的应用价值。针对空间复杂环境下自主导航微系统非平稳漂移与多模式失效等问题,提出一种硬件加固与软件智能协同增强的系统性解决方法,从微结构、算法到系统集成3个层面综合提升其精度保持能力与环境适应性。在硬件层面,设计并实现了抗辐射加固的微惯性器件结构与低噪声专用集成电路,从物理源头提升在力学、热真空及辐射复合环境下的本征鲁棒性;在软件层面,提出一种基于全温分段多项式拟合的器件级补偿方法,通过自适应温区划分与在线参数微调机制,实现对相关误差的实时动态补偿。在此基础上,设计并研制低功耗、高可靠的工程样机,并开展涵盖温度循环、振动冲击及总剂量辐照的空间综合环境试验。实测结果表明:所研制的自主导航微系统角速度零偏稳定性均优于2°/h(1 σ,10 s),加速度零偏稳定性均优于100 μg(1σ,10 s);各角速度测量轴振动前后零偏变化小于50°/h;各加速度测量轴振动前后零偏变化小于6 mg;在40 krad（Si）总剂量辐照前后的零偏变化小于16%,为微小型空天飞行器长寿命高可靠自主导航提供支撑。
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基于温度非线性效应的尾波干涉螺栓预紧力监测方法
摘要：
螺栓松动是螺栓连接结构的典型失效形式，对其预紧力的定量评估对于结构安全维护和事故预防至关重要。针对传统超声检测方法易受温度干扰且信号解释困难的局限，提出一种基于尾波干涉法（CWI）的螺栓预紧力监测方法，将环境温度从传统认知的干扰噪声转变为可控的主动激励源，主动利用温度引起的非线性效应。通过综合考虑热膨胀与热软化的耦合作用，建立了温度变化与尾波特征参数（相对速度变化Δv/v及去相关系数Kd）之间的非线性理论模型。实验采用铜铝异质材料螺栓连接结构，选取同一侧换能器布置方案以提升信号稳定性，在22.5℃~31.0℃范围内以0.5℃为步长，对15、10和6 N·m这3种扭矩状态（分别对应缓慢、快速、严重松动阶段）进行温控实验与尾波信号采集分析。结果表明，尾波对温度变化的敏感性显著高于直达波。在30℃时，3种扭矩状态下尾波的皮尔逊相关系数（PCC）分别降至0.72、0.41和0.05，降幅最高达93.06%，而直达波降幅仅为7.37%。Δv/v与ΔT呈强二次负相关（R2>0.99），其线性系数随扭矩增大而增大；Kd与ΔT呈强二次正相关（R2>0.99），其二次项系数随扭矩减小而增大，可作为区分螺栓松动程度的有效特征参数。本研究证实了利用尾波干涉法监测螺栓连接热软化效应的可行性，为变温环境下螺栓松动监测提供了基于主动温度激励的新策略，突破了传统补偿方法的局限。
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动态雾散射环境下的自适应非均匀采样量子成像方法
摘要：
基于纠缠光子对的量子成像在复杂环境中表现出独特优势，然而在动态非均匀雾散射场景下，受雾场时空随机散射效应与非均匀光场衰减影响，二阶关联函数呈现非平稳退化，导致传统采样方式易出现采样失配、成像分辨率劣化等问题。针对这一问题，提出一种基于二阶关联曲线统计特性的非均匀采样量子成像方法。首先，通过全域粗采样获取成像区域内各像素点的二阶关联曲线，提取峰背比（PBR）并构建对应的空间分布矩阵；进而引入二维滑动窗口并结合切比雪夫不等式进行循环迭代，剔除散射噪声导致的潜在目标离群点，从而估计局部纯背景像素的峰背比统计均值与方差；接着依据奈曼-皮尔逊（NP）判决准则自适应求解各窗口的动态检测阈值，生成目标与背景的空间二值掩码矩阵；最终对目标区域执行非均匀细采样以积累有效信号，并与背景粗采结果合并重建图像。仿真与实验结果表明，在强烟雾散射环境下，该方法能有效抑制非平稳背景噪声并提升成像质量；相较于传统量子成像（TQI）及双步自适应采样优化（TASO）量子成像方法，其峰值信噪比（PSNR）分别提升了11.49和9.24 dB，均方误差（RMSE）分别下降了0.31和0.096，结构相似性（SSIM）始终保持在0.6以上，展现出优异的抗散射干扰能力与环境鲁棒性。
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基于最小核范数与结构稀疏的探地雷达杂波抑制方法
摘要：
探地雷达（GPR）在道路病害检测中易受耦合波、地表直达波等杂波干扰，而现有的低秩-稀疏杂波抑制方法采用L1范数进行稀疏正则化，虽能刻画空洞等点状目标，但难以保持脱空、松散等结构性病害的连续结构特征。为此，提出一种基于加权核范数最小化与结构化稀疏约束的探地雷达杂波抑制方法。该方法利用加权核范数建模杂波的低秩特性，通过随奇异值自适应变化的权重，对大奇异值对应的强杂波施加更强收缩，保留小奇异值对应的弱目标成分。同时，在稀疏项中联合引入L1范数与分组稀疏正则化约束，以分别表征点状稀疏特征目标和结构特征目标。在求解策略上，采用快速交替方向乘子法（ADMM）对低秩-稀疏分解模型进行高效迭代，实现低秩背景与结构性目标的高效分离，并以截断奇异值分解（SVD）替代全局 SVD，降低计算复杂度。仿真与实测数据实验表明，所提方法在道路空洞与疏松场景下均取得显著性能提升，在仿真数据上，其峰值信噪比（PSNR）较减均值（MS)、主成分分析（PCA）、奇异值分解（SVD）及鲁棒非负矩阵分解（RNMF）等方法平均提升约3 dB以上，结构相似性（SSIM）最高达0.971 8；在实测探地雷达数据上，信号杂波比（SCR）提升至9.49，改善因子（IF）达32.87，显著优于对比算法。结果表明，该方法能有效抑制强杂波、增强结构性病害目标响应，具备良好的鲁棒性与工程适用性。
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基于椭圆包络恢复的CW 雷达正交失衡校正方法
摘要：
微波回波信号的正交失衡校正是连续波雷达测量系统实现高精度位移测量的关键基础。然而，在近距离测量场景中，回波信号存在幅值相位不平衡、直流偏置，且耦合未知幅值调制项。这种未知幅值调制会破坏信号轨迹的几何特性，导致传统校正方法难以适用，严重干扰位移测量精度。为克服上述问题，提出一种基于椭圆包络恢复校正（EERC）的I/Q失衡多参数同步估计方法，旨在解决未知幅值调制影响下正交失衡参数估计难题。该方法首先依据信号周期性特征对I/Q信号进行分组，分别完成多组椭圆参数估计，并通过多组参数均值获得初始失衡参数;然后在优化过程中引入幅值恢复项，以补偿未知幅值调制对参数估计的影响; 随后，从几何、时域双角度联合构建优化目标函数，以幅值恢复后圆度及线性偏移误差最小构建目标优化函数，实现多个失衡参数同步获取。仿真和实验结果表明，EERC方法能够有效克服现有正交失衡校正技术在未知幅值调制下的局限性。在20 mm位移测量实验中，平均位移测量误差为2.5 μm，非线性度<0.05%，较现有方法平均误差降低38.91%；在两组非线性位移测量中的平均位移测量误差分别为1.9和2.6 μm，重复性测量误差优于1.1 μm。结果验证了所提方法在I/Q正交失衡校正及位移测量中的高精度与鲁棒性。
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基于GP-GatED 的应力场快速演算方法
摘要：
复杂结构应力场的高精度仿真在工程分析中至关重要,但传统有限元法(FEM)高昂的计算成本限制了其在实时响应场景中的应用。针对这一瓶颈,提出一种基于几何-物理图注意力编解码网络的应力场快速演算方法(GP-GatED)。该方法通过将有限元网格单元映射为图节点,融合几何属性、物理特征与全局边界条件构建增强型图结构,基于单元的共享拓扑关系引入特定边权重函数,以表征单元间的力学耦合关系。针对大规模网格结构下模型训练的效率需求,结合研究对象的几何旋转对称性,引入基于圆周角划分的子图构建策略与并行训练方案,有效提升了大规模结构数据的处理速度。本研究以风电主轴轴承为验证对象,在300组工况下的实验结果显示,预测的Von-Mises应力场与有限元基准值高度一致,其决定系数R2达到0.999 8,平均相对误差小于1%。同时,该方法单次演算耗时0.017 7 s,相较于传统有限元分析实现了约7 500倍的加速,计算效率提升超过3个数量级。为了进一步验证模型对真实物理量的还原能力,利用5组典型工况下的试验数据进行对比,模型演算值与实测值的平均相对误差为13.25%,证实了该方法在处理真实物理数据时的性能优势。本研究为复杂结构应力场的在线映射与快速演算提供了一种兼顾保真度与计算效率的代理建模途径。
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基于视觉测量的民机PFD 状态量时序解析方法
摘要：
现有民机驾驶舱飞行任务中主飞行显示器(primary flight display, PFD)状态信息多依赖人工判读,其显示形态差异显著、界面信息密集,智能化提取难度较高,而机载数据接口常受权限管理、适航认证和平台开放性限制,基于外部相机的非接触式视觉感知具有较好的部署灵活性,提出一种基于视觉测量的PFD多状态量提取与时序修正方法,为飞行过程中的动作触发和辅助决策提供状态输入。首先,采用改进YOLOv8模型完成PFD区域识别与定位,并基于ORB特征匹配对显示界面进行透视校正,以提高状态解析的空间一致性。其次,针对PFD显示对象在视觉特征、颜色属性及几何构型上的差异构建状态解析策略,实现多类关键状态量的协同提取。此外,建立二阶常速度状态空间模型,结合序贯卡尔曼滤波与基于量测预测残差统计的异常检验机制,对状态量进行递推估计修正。基于X-Plane仿真环境和半实物驾驶舱平台的实验结果表明,所提算法能够获得较稳定的PFD定位结果,MCE、MWE和MHE分别为5.44、14.15和5.81 pixels。连续状态量估计中,空速、爬升率、气压高度和无线电高度的MAE/RMSE分别为0.06/0.08 kt、0.07/0.14、10.16/25.98 ft和1.55/1.98 ft,表明所提时序修正方法在受控半实物仿真条件下能够有效抑制异常感知,并提高PFD多状态量解析结果的时序稳定性。
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基于物理信息引导的强化学习阵列涡流缺陷具身感控检测方法
摘要：
针对导电金属构件阵列涡流检测中扫查一致性差、探头耦合不稳定、固定激励参数适应性不足及检测结果难以三维表达等问题，提出一种基于物理信息引导强化学习的阵列涡流缺陷具身感控检测方法。构建由双机械臂、红绿蓝-深度（red-green-blue depth，RGB-D）视觉、阵列涡流检测单元和数字孪生平台组成的自动检测系统，结合视觉三维重构、检测面分割、覆盖式轨迹规划和数字孪生验证，实现异形金属构件安全自动扫查。针对视觉粗引导下提离和姿态波动导致的耦合不稳定，提出基于软门控混合专家模型的电磁反馈位姿校正方法，实现探头位姿闭环补偿。进一步，将阵列激励参数优化建模为序贯决策问题，提出物理信息引导的优势行动者-评论家（physics-informed advantage actor-critic，Physics-A2C）方法，嵌入电磁孪生物理先验，实现多通道激励幅值与相位自适应调节；并结合扫查位姿与点云表面映射，实现视觉—电磁融合三维成像与定位。实验结果表明，所提方法在3类金属试件上的覆盖率达到96%以上，重叠率控制在5%以内；闭环校正后检测信号基线标准差降低80%以上，缺陷信噪比提升0.5~5.2 dB；激励自适应调控后，多类缺陷平均灵敏度提升率达到72.4%，可检测0.1 mm宽、1 mm深缺陷；平板与曲面试件的缺陷三维定位误差控制在毫米级。结果验证了所提具身感控方法在稳定扫查、灵敏度提升和三维空间表达方面的有效性。
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电涡流透壁位移探测最优激励频率确定方法
摘要：
电涡流位移检测作为一种可实现穿透导电金属屏蔽层非接触位置测量的有效方法，在磁悬浮泵、无轴承电机以及超纯流体密封输送设备等封闭金属结构中具有重要应用价值。其检测性能与激励频率密切相关，若仅依靠经验选取频率，容易造成位移响应不足或检测灵敏度降低。针对穿透固定金属屏蔽层电涡流位移检测中激励频率缺乏选择依据的问题，提出了一种基于线圈阻抗解析模型的电涡流透壁位移探测最优激励频率确定方法。首先，建立穿透固定金属屏蔽层检测内部复合金属运动目标的可变间隙的多层导电结构模型，推导不同空气隙高度和激励频率下线圈复阻抗的计算表达式。然后，搭建穿透金属层电涡流位移检测实验平台，对解析模型数值计算结果进行实验验证，并针对高频段模型偏差引入一阶等效寄生参数修正模型。实验表明，解析模型能够较好反映线圈阻抗随空气隙变化规律，在1 000 kHz以下计算值与实测值具有较好一致性。最后，以线圈电感等电参数的相对变化率作为激励频率评价指标，对线圈电阻、电感及复阻抗随目标位移变化的响应特性进行分析。研究结果表明，对于所研究的透壁位移检测结构，其复阻抗相对变化率随频率增加呈先增大后减小趋势，最优激励频率为400 kHz。所提出的方法将经验式频率选择转化为基于模型计算和实验响应的定量评价过程，可为导电屏蔽层后方运动目标的透壁位移检测频率优化提供参考，也可用于封闭结构内部位置检测反演。
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基于ZBLAN 的PCF-SPR 磁场和温度双参量传感器的设计
摘要：
针对传统石英基光子晶体光纤表面等离子体共振(PCF-SPR)传感器在多参量同步检测中存在的灵敏度低的问题，提出了一种基于ZBLAN玻璃的磁场与温度双参量PCF-SPR传感器，以实现两种参量的高灵敏度检测。传感器采用3层正六边形分布的空气孔结构，在关于纤芯对称的两个较大空气孔传感通道中分别填充磁流体(MF)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并在通道中引入金纳米线以激发SPR效应，同时用五氧化二钽包裹磁流体通道中的金纳米线，并研究了其对模式耦合和传感性能的影响。采用有限元法(FEM)对传感器的空气孔直径、空气孔间距、通道直径、金纳米线直径和五氧化二钽包裹层厚度等对传感器的模式特性和传感灵敏度进行系统分析。结果表明，五氧化二钽包裹层可以有效提高传感器与磁场的耦合；在30~350 Oe磁场范围内，x偏振和y偏振方向的最高磁场灵敏度分别达到0.877 nm/Oe和0.9152 nm/Oe，表明y偏振对磁场响应更敏感。在-10~80℃温度范围内，x偏振方向两个通道的最高温度灵敏度分别为-2.526 nm/℃和-1.864 nm/℃；在-10~30℃范围内，y偏振方向两个通道的最高温度灵敏度分别为-3.171 nm/℃和-1.9 nm/℃。本工作为磁场-温度双参量光纤传感器的结构设计提供了新思路，设计的传感器结构简单、具有较高灵敏度，在地质勘探、海洋环境监测等领域具有潜在应用价值。
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基于单偏振调制与改进型麻雀搜索算法的全光纤电流传感温漂补偿研究
摘要：
全光纤电流传感器具备优异的绝缘性能、抗电磁干扰能力与动态响应特性，能够满足高压电力系统下不同的电流测量场景。然而，光纤及光学器件易受温度变化影响，引入附加双折射，且现有光路结构复杂度较高，加剧了传感器的温度耦合。因此，温漂与结构复杂性问题是当前阻碍全光纤电流传感器测量稳定性的瓶颈。为此,提出了一种基于单偏振调制与改进型麻雀搜索算法的全光纤电流传感方法，可在简化的光路结构下实现温漂补偿。首先，在传感环两端分别连接单偏振环形器与法拉第旋转镜。环形器在输出入射光与接收反射光的同时进行单偏振调制，可实现电流传感。通过琼斯矩阵理论，推导传感输出的表达式，并分析温度对传感参数的影响机理。其次，将参数分为电流相关参数与电流无关参数，并根据后者的变化对前者进行自适应调节，可在解调电流的同时实现温漂补偿。由于两种参数之间呈现高度非线性，采用非线性支持向量机进行拟合，并通过改进型麻雀搜索算法确定最优超参数，以提高补偿性能。最后，通过-20~66℃的温度实验验证，补偿后的最大比差从1.30%降低至0.49%，且仅需2个光调制器件，均优于现有偏振式全光纤传感方法。
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基于柔性多功能传感的轮轴力-热-振动监测
摘要：
针对高速列车轮轴在复杂服役中持续承受交变载荷，现有监测器件面临几何失配、多维信号交叉串扰等瓶颈。设计了一种双侧空间隔离拓扑多模态柔性传感器，通过硬件架构创新有效抑制串扰，实现轮轴应变-温度-振动实时监测。该器件以十字形聚酰亚胺为绝缘隔热屏障，顶层旋涂集成掺杂氮化硼纳米片与钛酸钡颗粒的聚偏氟乙烯压电复合薄膜，用于宽频振动参数实时采集；底层基于图案化丝网印刷等工艺，共面异构集成液态金属与聚乙烯醇交联网络的应变单元，及具面内拉伸顺应性的蛇形银浆温度单元。整体以聚酰亚胺封装，并在底层测温区局部集成高面外热导率的热塑性聚氨酯与氮化硼复合薄膜，从而在物理拓扑层面构建力、热、振动信号的正交解耦机制与高效热传导路径。性能评估表明：在10~50 Hz频带内振动灵敏度达0.404 V/N；应变敏感层最高规范系数达32.11，响应延迟低至26 ms，具备二维交变应力场矢量解算能力；温度单元在0~120℃宽温域内分辨率达0.5℃，且8%机械拉伸下应变交叉干扰率低于0.3%。该双侧空间隔离拓扑结构能够有效抑制多模态监测中的物理参量交叉干扰，无需复杂后端补偿算法，经模拟台架实验证实，实现了强耦合工况下多物理量的高保真同步独立提取，为高速列车旋转部件原位状态评估提供数据支撑。
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运动与环境感知引导的自适应滑窗LiDAR-IMU 融合定位方法
摘要：
滑动窗口因子图优化因兼顾计算效率与估计精度，已成为激光雷达与惯性融合定位与建图系统中的关键优化框架。然而，现有滑动窗口策略大多采用固定窗口长度或基于经验规则的动态调整机制，难以有效适应载体运动状态及环境观测质量的动态变化，在剧烈运动或退化环境下易引发窗口内观测信息分布失衡，进而导致位姿估计精度下降，甚至造成优化发散。针对上述问题，提出了一种面向运动状态与环境观测联合感知的自适应滑动窗口优化方法。该方法利用惯性测量单元预积分残差的卡方统计量实时刻画载体运动状态，实现对急加速、急转弯等运动突变工况的准确识别。基于克拉美-罗下界理论构建环境观测质量评价模型，通过信息矩阵对激光点云配准过程中的位姿可观测性及估计精度进行定量评估。进一步融合运动状态与环境观测质量评价结果，设计联合感知驱动的滑动窗口自适应调节策略，并结合多状态边缘化机制，在窗口规模动态变化过程中保持历史信息的连续性与优化模型的一致性。实车测试结果表明，所提方法的定位均方根误差(RMSE)相较于采用固定滑动窗口策略的误差降低了57.5%，验证了所提自适应滑动窗口策略能够有效抑制误差累积，显著提升系统定位精度。
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SnSe2 / MoWSe4范德华异质结宽谱偏振光电探测器
摘要：
近年来，二维材料在原子尺度展现出优异的光电响应能力，以二维材料为核心的材料体系已成为光电探测器领域重要的组成部分。在器件结构上，构筑异质结是优化二维光电探测器性能的一种有效策略,其优势是将两种或多种具有不同能带结构的材料在原子或纳米尺度上进行组合，所形成的内建电场可以有效促进光生载流子的分离与输运。近年来，过渡金属硫族化合物因其原子级厚度、高载流子迁移率、可调带隙以及强光-物质相互作用等本征物理特性，在低维光电器件领域获得了广泛的研究关注。提出了一种基于SnSe2/MoWSe4异质结构的可见至近红外宽谱偏振光电探测器，由于MoWSe4自身具备各向异性，其与SnSe2异质集成后形成范德华异质结，实现宽波段探测的同时兼具偏振光探测能力，所形成的内建电场促进了光生载流子的分离和输运，提高了器件综合性能。器件响应波段从可见光拓展到红外(532~1 550 nm)，在532 nm激光下响应度高达51.5 A/W，比探测率为6.9×1010 Jones，良好的外部量子效率(12 010%)和3.5 ms/19 ms的快速上升和下降响应时间展现了其优异光学性能。此外，该器件在532 nm偏振激光下具有高达8.8的各向异性比，976 nm波长处的各向异性比也可以达到6.7，凸显了SnSe2/MoWSe4异质结偏振探测潜力，为发展新一代高性能宽波段偏振光电器件提供了新的设计思路。
深地工程智能运维技术与仪器
第二十八届中国科协年会学术论文——量子信息技术及其航天应用
信息处理技术
传感器技术
期刊介绍
主管单位：中国科学技术协会
主办单位：中国仪器仪表学会
主编：王巍
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