2022年, 第43卷, 第3期　
刊出日期：2022-03-28

  

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无线电、时间频率计量
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  一种用于毫米波器件本征在片S参数校准的新方法

  王一帮,吴爱华,霍晔,梁法国,栾鹏,刘晨,杜静

  计量学报. 2022, 43(3): 293-298. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.01

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  提出一种用于毫米波器件本征在片S参数校准的新方法。对于毫米波频段电路而言,准确已知的仿真模型是必需的,因此,精确地去嵌入测试技术就显得尤为重要。在传统开路短路去嵌入算法的基础上,建立了新型去嵌入模型和求解算法。通过增加开路短路标准的传输线长度近似得到理想开路和短路,降低测试误差;同时在模型中增加了毫米波频段逐渐变大的微波探针之间的串扰误差项。考虑到串扰求取的复杂性,该算法中不需要知道串扰准确量值就能将其有效消除。研制了相应的校准件和被测件。110GHz无源器件测试表明,该算法准确度与NIST二次串扰修正算法相当,相比于传统测试结果的S;21最大改善了1.3dB。有源器件测试结果也表明,该算法在晶体管的最大稳定增益测试方面具有更高的准确度。
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  无源器件在片散射参数校准比较方法研究

  霍晔,吴爱华,王一帮,栾鹏,刘晨,梁法国,孙静,张立飞,胡海龙

  计量学报. 2022, 43(3): 299-305. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.02

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  为解决由于不同校准方法导致无源器件在片散射参数测试结果存在偏差的问题,通过以校准准确度高的多线TRL校准方法为参考基准,比较SOLT、LRRM校准方法与其误差项的差异。充分考虑了两个端口误差项的级联关系,推导得到误差项差异的数学模型,通过参数转换计算得到无源器件在片散射参数的最大偏差。在100MHz～67GHz频段范围内进行了试验分析, 与国外校准比较方法对比,相同校准方法的4个散射参数线性幅值偏差≤0.01。研究结果表明：该方法能够判断无源器件的在片散射参数测试结果是否真实有效,指导测试时选择合适的校准方法。
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  8bit量化误差对正弦参数拟合影响的误差界

  梁志国

  计量学报. 2022, 43(3): 306-317. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.03

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  针对量化误差对四参数正弦拟合带来的误差影响,分别在有效位数、幅度、频率、初始相位和直流分量5项参数上进行了拟合误差界的搜索。选取的条件变量分别是幅度、序列所含波形的周波数、初始相位、直流分量以及序列数据点数。以两两联动的双条件组合方式进行误差界搜索,获得了上述5项参数的误差界随不同条件变化而变化的曲线规律,筛分出了显著影响量和不显著影响量,以及明确的误差上界和下界。该结果可用于拟合参数的误差和不确定度估计,也可以在设定拟合误差和不确定度情况下,选择测量条件。
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  分数阶双稳系统随机共振现象研究及FPGA实现

  竺佐,郑永军,罗哉

  计量学报. 2022, 43(3): 318-324. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.04

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  相比整数阶微积分,分数阶对一些具有记忆依赖性以及空间相关性的复杂系统的描述更简明与贴合。利用分数阶微积分的这一优点并结合广义郎之万方程阻尼具有幂律衰减特性,选择合理的核函数,将整数阶郎之万方程推广至分数阶。以此为理论基础,提出了一种分数阶双稳态随机共振系统的FPGA实现方法。对该系统进行了仿真实验验证,仿真结果表明：在调节至合适的分数阶阶数时,系统可以产生随机共振现象,有效提高微弱信号的信噪比,并且存在一个最优分数阶阶次,使得系统输出信噪比增益最大。
光学计量
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  融合配准的多站室外大场景激光点云分割

  徐鹏,徐方勇,陈辉

  计量学报. 2022, 43(3): 325-330. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.05

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  针对室外场景范围广、分割难度大、识别效果不显著等问题,提出了一种融合多站点云配准的室外大场景分割方法。首先,根据室外场景视野大、点云数据量庞大特点,选取多个视角下重叠区域较多的建筑场景点集,结合SAC-IA和ICP方法进行点云自动配准,从而构建出点云密度相对均匀的室外大场景完整结构;然后,选用公共数据集Semantic3D训练基于PointNet++的室外点云分割模型,并在测试集上验证其算法效果;最终,调用该模型分割已构建的室外点云大场景。实验效果证明：多视角配准的点云场景能够解决点云场景的非均匀采样问题,从而使得基于深度学习的语义分割模型对其有更好的识别效果。
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  基于角膜反射法的视线追踪系统的视线落点校正研究

  胡锴,穆平安,黄世龙

  计量学报. 2022, 43(3): 331-337. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.06

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  为了提高视线追踪系统的精度,将屏幕均分为6行8列共48个区域,在每个区域的中央设立校准点,测试者依次注视每个校准点,从而计算出48个校准点处的误差,将误差分解为X轴和Y轴两向误差,并把两向误差作为校正值分别进行曲面插值,从而获得整个屏幕内任意位置的X向和Y向校正值,使用校正值对视线落点的坐标进行校正。相对于目前较好的校正方法,采用该方法校正后X向误差降低了35.8%,Y向误差降低了53.3%;该视线落点校正方法的校正效果明显提升,可以有效地提高视线落点预测的精度。
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  基于阈值增量的标准动态眩光源设计方法

  乔卫东,张恒,王嘉明,李奕

  计量学报. 2022, 43(3): 338-345. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.07

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  针对目前眩光测量装置面临的测量标准不统一的问题,提出了一种基于阈值增量(TI)的标准动态眩光源设计方法,建立了眩光测量仪校准系统。依据阈值增量的测量要求确定标准动态眩光源结构;眩光测量过程中,在保证实验室环境和现实路灯照明环境中的位置指数与立体角分别相等的前提下,规划眩光源的布局以及确定眩光源的发光面积;以最高为24Hz的频率模拟不同场景中的同一眩光值和不同场景中的不同眩光值,匹配各种环境中的眩光情况。实验结果表明：该标准动态眩光源覆盖阈值增量范围为8.0 %~26.7%,而且其闪烁频率可调节,最高频率达24Hz,模拟眩光的扩展不确定度为1.3%,满足各种眩光测量仪的校准需求。
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  MAGNet融合导向滤波的真实图像去雾方法

  桑榆,申红倩,张世辉,路佳琪,左东旭,牛景春

  计量学报. 2022, 43(3): 346-354. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.08

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  为了提高单幅图像去雾方法的准确性以及适用范围,提出一种MAGNet融合导向滤波的真实图像去雾方法。首先,根据雾在真实图像中分布特性以及成像原理,设计多注意力残差密集块,从而有效提取真实图像中与雾相关的特征并降低梯度消失风险;其次,构造基于所设计的多注意力残差密集块的端到端卷积神经网络,实现对有雾图像中雾的去除;最后,将导向滤波引入去雾问题中,实现对去雾后真实图像视觉效果的增强。实验结果表明：与已有代表性的图像去雾方法相比,该方法不仅能够对真实图像进行去雾,还可以对合成图像中的雾进行有效去除,且去雾效果更佳。
热学计量
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  可见光热反射成像测温中图像配准技术研究

  翟玉卫,刘岩,李灏,吴爱华

  计量学报. 2022, 43(3): 355-359. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.09

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  为了消除被测件与测温仪器相对位移对光热反射成像测温结果的影响,研究了亚像素量级的图像配准算法,配合以基于压电陶瓷的三轴纳米位移台,实现了对位移的实时修正。采用傅里叶变换、频域卷积及sinc函数近似等方法完成了能够实现亚像素级图像配准的算法,实时计算被测件与测温仪器的相对位移;搭建了一套光热反射成像测温实验装置,采用了三轴压电平台实时调节被测件的位置;试验结果显示,当被测件温度从20℃升高至50℃时,被测件在水平方向上发生了明显的位移,采用实验装置能有效修正该位置偏移。对典型的GaN HEMTs器件进行了测试,测试结果与国外检测机构的结果基本一致,证明了图像配准方法的有效性。
流量计量
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  基于动态可变阈值的低功耗单声道气体超声波流量计

  江圳,徐科军,马杰,张伦,徐浩然

  计量学报. 2022, 43(3): 360-369. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.10

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  为克服气体涡轮流量计存在压损和需定期校准的缺点,研制了耐高压低功耗单声道气体超声波流量计。针对换能器因阻抗不匹配造成的回波信号质量差的问题,分析了回波信号的特征,提出了动态可变阈值和过零检测的数字信号处理方法。该方法可精准定位回波信号特征点。研制了以STM32为核心的低功耗气体超声波流量变送器。变送器采用了新的激励方式,既能防止MOSFET电路的两路输出同时导通,又节省激励功耗;采用脉冲累计发送和最优脉冲分频相结合的方式,减小脉冲上传误差。气体流量标定实验结果表明:研制的低功耗单声道气体超声波流量计满足1级精度指标的要求,量程比为1:21。
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  恒流源对近红外光谱传感器测量不确定度的影响

  方立德,徐潇潇,赵计勋,韦子辉

  计量学报. 2022, 43(3): 370-377. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.11

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  研究了近红外信号的稳定性, 近红外光源的稳定性影响近红外技术的可靠程度。为了改善实验室近红外技术的可靠程度, 使用高精密恒流源为近红外光源供电,对近红外技术的稳定性进行了实验研究。近红外光源的稳定性影响近红外技术的可靠程度。提高其电源的稳定性,可提高近红外光源的稳定性,改善实验室近红外技术在气液两相流的应用。使用高精密恒流源为近红外光源供电,进行了实验研究,结果表明：使用高精密恒流源时,近红外光源更稳定,输出电压值也更加稳定可靠,输出电压值的极差在0.12左右,标准差不超过0.00838;而在普通电源所得输出电压的极差在0.16左右,标准差不超过0.02193。
力学计量
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  基于多目标三维跟踪雷达的移动式机动车在线测速标准装置

  杜磊,孙桥,白杰,徐天琪,何国权

  计量学报. 2022, 43(3): 378-385. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.12

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  为了推广在线检定方法在机动车测速仪现场实车检定中的应用,研制了一套基于多目标三维跟踪雷达的移动式机动车在线测速标准装置。首先介绍了该套移动式在线测速标准装置的设计要求;其次分析了标准装置中的速度、距离和角度测量工作原理,描述了标准装置速度测量值的溯源方法,并对速度测量误差的不确定度进行了评定;最后进行了实验室全量程模拟校准试验及真实交通流量状况大样本现场比对试验。结果表明:标准装置的速度测量误差在10～100km/h测量范围内为±0.5km/h,在100～300km/h测量范围内为±0.5%,并且车道测量准确率可达到100%。
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  基于特征参数迁移的滚动轴承故障诊断

  唐波,陈慎慎,郭必奔,郝家琦

  计量学报. 2022, 43(3): 386-391. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.13

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  针对变工况下的滚动轴承无法获得大量带标签样本数据以及传统深度学习诊断方法识别率低的问题,提出一种基于迁移学习的卷积神经网络模型滚动轴承故障诊断方法。首先,采用短时傅里叶变换处理滚动轴承振动信号获得源域、目标域样本集;其次,利用源域样本预训练卷积神经网络模型;最后,通过目标域样本微调卷积神经网络模型实现滚动轴承故障诊断。通过2种不同滚动轴承振动数据进行迁移故障诊断实验,实验结果表明:相对于卷积神经网络的故障诊断方法,基于迁移学习的卷积神经网络故障诊断识别率提高了7%。
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  具有采样控制和量化的不确定模糊系统稳定性和镇定研究

  赵志伟,杨柳,谢立典,葛超

  计量学报. 2022, 43(3): 392-398. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.14

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  考虑到模糊隶属度函数(FMFs)是T-S模糊模型的主要特征,建立了包含状态变量和依赖隶属度函数的李雅普诺夫泛函,对带有量化和不确定性的模糊系统的稳定性和镇定问题进行了研究。同时,为更充分地容纳关于实际抽样的信息,抽样间隔两侧的状态也被加入到泛函当中。当对泛函进行求导的时候,出现了由隶属度函数的导数和泛函系数组成的乘积项。然后,通过讨论隶属度函数的导数正负确保其负数定义。进一步求解,得到了以线性矩阵不等式形式表达的稳定性定理。在得到最优参数之后,通过LMI工具箱进行求解,可得到控制器的增益参数和最大抽样间隔上界的数值。数值仿真实例证明对T-S模糊倒立摆系统控制的最大抽样间隔提升到0.040s。
声学计量
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  基于FPGA的激光外差干涉仪反正切解调技术

  柯伟,冯秀娟,杨平,何龙标,邢广振,王敏

  计量学报. 2022, 43(3): 399-404. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.15

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  针对高频声学应用中多普勒信号软件解调的局限,提出了一种基于FPGA的数字硬件信号解调方案。基于AD9467设计了高速ADC采集系统,以实现原始多普勒信号的奈奎斯特采样或带通采样;基于Xilinx Zynq-7000片上芯片系统设计数字信号处理系统,实现了DDS合成参考信号与多普勒信号混频、低通滤波产生I&Q基带信号对,采用CORDIC算法对I&Q基带信号对反正切解调得到待测振动位移,实现了多普勒信号的实时解调。50～500kHz范围的数值仿真和50～300kHz范围的初步实验结果验证了设计方案的可行性。
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  一种水声声速的时频测量综合算法研究

  鲍晶晶,蒋志迪,刘尉悦

  计量学报. 2022, 43(3): 405-411. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.16

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  针对飞行时间测量法中信号起振点难以检测而导致的测量误差问题,提出了一种基于时频的综合测量算法,以获得高精度超声波声速。首先运用信号时域互相关法,测量声波飞行的整周期时间;再利用信号频域信息中相位差,获得超声传播群延时信息;最终通过时域与频域综合信息获得高精度的飞行时间测量,从而提高声速的测量精度。声速测量平台采用“FPGA+微处理器”架构,对提出的方法进行验证,实测数据结果表明该声速时频测量算法有效,并具有较好的实用价值。
电磁学计量
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  用于量子电压基准中约瑟夫森结阵列的CMP平整化工艺研究

  赵欣,曹文会,李劲劲

  计量学报. 2022, 43(3): 412-415. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.17

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  化学机械平坦化(chemical mechanical planarization, CMP)工艺处理SiO2绝缘层是一种获得高度集成化超导电路的关键技术,尤其适合于多层堆叠约瑟夫森结阵列器件的平整化。设计了应用于热氧化生长的SiO2薄膜和化学气象沉积生长的SiO2薄膜的CMP工艺,得出两种薄膜的抛光速率分别为2nm/s和3nm/s,晶圆的全局材料去除高度差均在20nm以内。并将CMP工艺应用到约瑟夫森结阵列的制作流程,结单元结构AFM高度轮廓扫描显示台阶高度由240nm减小到约25nm,其上的SiO2绝缘层2×2μm²区域内的表面粗糙度为0.535nm,提供了后续器件制备所需的工艺窗口。
电离辐射、标准物质与生物计量
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  基于Herriott吸收池的固定源二氧化碳浓度测量研究

  马路遥,马若梦,祝晓轶,罗永嘉,任歌,林鸿

  计量学报. 2022, 43(3): 416-419. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.18

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  准确的碳排放计量是实现“碳峰化、碳中和”目标的重要一步。在所有碳排放源中,固定排放源排放的CO2是温室效应的主要因素。因此,精确测量固定排放源CO2的浓度尤为重要。基于近红外分子吸收光谱原理并结合多次反射直接吸收光谱技术,利用35% CO2/N;2混合物,建立了精确测量CO2浓度的方法,测量了293K和0,4.1,8.1,13.3kPa下,CO2在6359.97cm-1的(30012)←(00001)R16e和6361.25cm-1的(30012)←(00001)R18e跃迁谱线,计算了R18e的谱线强度,通过比较35% CO2/N2混合物和其它CO2/N;2混合物的吸收面积,可以得到15%,10%,5%的CO2/N;2混合物的浓度。结果表明所建立的理论方法和实验结果能够较好地表征待测气体的浓度,测量不确定度与基于天平的称重法相当。
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  企业核算碳排放量不确定度评估

  蒋忠,张亮,王海峰,赵军帅,赵不贿,王池

  计量学报. 2022, 43(3): 420-426. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.19

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  企业是我国碳交易市场的主体交易者,由于在碳核查中大量使用缺省数据,造成排放量数据可信度下降,并且企业排放量数据的不确定度未曾评估。在对3个行业的6家企业进行了碳排放量实测后,使用蒙特卡罗法(MCM)不确定度评估方法对采用缺省值、实测值及两者组合计算得到的碳排放量数据进行不确定度分析研究。6家企业的平均计算结果表明,与全部采用缺省值相比,使用氧弹法实测低位发热量可以将排放量扩展不确定度降低9.0%;使用工业分析法实测低位发热量可将排放量扩展不确定度降低8.3%;同时实测低位发热量(氧弹量热法)和单位热值含碳量可将排放量扩展不确定度降低16.6%;低位发热量(氧弹量热法)、单位热值含碳量和碳氧率均实测可将排放量扩展不确定度降低16.9%;若对所有参数进行实测,则可将排放量扩展不确定度降低17.1%。
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  尿沉渣白细胞计数标准物质的研制

  刘瑛颖,张玲,杨乔斯

  计量学报. 2022, 43(3): 427-432. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.20

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  运用扫描电子显微成像技术拍摄经过固定处理的人血液白细胞,确定其细胞形态真实性后,分散重悬制备成尿沉渣白细胞计数标准物质候选物。使用高通量显微成像法和流式细胞术对标准物质候选物进行联合定值;通过方差分析法和回归曲线法考察了其均匀性和稳定性;与20份临床样本进行了评价基质效应的互通性验证,并对标准物质候选物进行了不确定度评定。研制得到的尿沉渣白细胞计数标准物质浓度水平为(516.0±50.5)cells/μL(k=2),均匀性和稳定性良好,4℃可保存12个月,与临床样本具有良好的互通性。该标准物质可用于临床检测中的全自动尿沉渣分析仪中白细胞项目的周期校准、质量控制,以及相关检测项目的分析方法确认和验证。
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  低浓度氟化氢标准气体的FTIR分析方法研究

  李龙,张体强,姚强,胡树国,邱妮,邓保家,张盈,张施令,盖良京

  计量学报. 2022, 43(3): 433-436. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.03.21

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  提出一种基于FTIR的氟化氢标准气体分析方法,使用其特征吸收区域(波数4100～4300cm-1)进行定量分析。通过稀释方法形成120、 100、 80.0、 60.0、 40.0、 20.0μmol/mol共6个浓度点的氟化氢标准气体,并对其重复性、标准曲线线性、检出限进行考察。结果显示：在20.0～120μmol/mol范围内仪器响应值与标气浓度呈线性,R2为0.9979; 各浓度点的重复性介于0.34%～1.1%之间; 检出限约为2.04μmol/mol。