雙脈沖測(cè)試_雙脈沖測(cè)試方法

　　本月15日雙脈沖測(cè)試，馬來西亞交通部發(fā)表聲明表示，今年6月份在坦桑尼亞海岸發(fā)現(xiàn)雙脈沖測(cè)試的飛機(jī)殘骸確認(rèn)是屬于MH370航班，這個(gè)殘骸是客機(jī)的外側(cè)襟翼殘片，襟翼是指現(xiàn)代機(jī)翼邊緣部分的一種翼面可動(dòng)裝置，用于在飛行中增加升力。根據(jù)澳大利亞聯(lián)合新聞社（AAP）報(bào)導(dǎo)，專家在研究這塊襟翼殘片時(shí)赫然發(fā)現(xiàn)，襟翼并未張開，調(diào)查小組負(fù)責(zé)人Peter Foley表示，襟翼并未像控制著陸時(shí)那樣停在正確位置，而是被停放在機(jī)翼中間。

　　如此將排除機(jī)長迫降的可能性，也間接證實(shí)當(dāng)時(shí)衛(wèi)星的觀測(cè)，F(xiàn)oley說，衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，MH370航班墜落的速度非常快，并在不斷增加，“墜落速度再加上襟翼的位置，幾乎可以確定排除人為控制的緊急迫降或者滑行”。專家稱這架波音777客機(jī)墜海前經(jīng)歷了可怕的“死亡之墜”（Death Dive），即以每分中高達(dá)20000英尺（約合6096米）的速度從35000英尺（10668米）的高空直墜入海，證明機(jī)長可能有意墜機(jī)。

　　自馬航370航班客機(jī)失蹤以來，澳大利亞一直主導(dǎo)在南印度洋的海底搜索行動(dòng)。今年7月22日，馬來西亞、澳大利亞和中國三方部長會(huì)議發(fā)布聯(lián)合公報(bào)說，如果在當(dāng)前劃定的12萬平方公里搜索區(qū)域內(nèi)未找到馬航370航班客機(jī)并缺乏新的可靠證據(jù)，搜尋行動(dòng)將中止。目前，海底搜尋行動(dòng)仍在南印度洋海域進(jìn)行。

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　　用數(shù)學(xué)算法確定殘骸位置

　　在歷史上的多次飛機(jī)船只等交通工具出現(xiàn)失聯(lián)情況的突發(fā)事件中，數(shù)據(jù)的收集、分析以及信息的及時(shí)發(fā)布都在搜尋中起到過關(guān)鍵的作用。比如在2009年，法國航空447號(hào)班機(jī)失去聯(lián)絡(luò)和蹤跡。當(dāng)時(shí)，有不少基于數(shù)據(jù)分析的文獻(xiàn)為失事飛機(jī)的搜尋提供了援助。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1948年至今，全球共有80架航班徹底失蹤，就這些飛機(jī)最后一次與地面聯(lián)系的位置來看，它們中近六成消失在海上。毫無異議，這些飛機(jī)應(yīng)該是失事了，只是在茫茫大海中找到殘骸的難度太大。不過，在面對(duì)這種困境時(shí)，搜救人員可采用統(tǒng)計(jì)學(xué)上一個(gè)叫 “貝葉斯”的方法來縮減搜索范圍。

　　18世紀(jì)40年代，蘇格蘭著名哲學(xué)家休謨提出一個(gè)觀點(diǎn)，認(rèn)為人們使用歸納法尋求自然現(xiàn)象之間的因果聯(lián)系只是人們養(yǎng)成的習(xí)慣，并不意味著這里面必定有著因果關(guān)系。舉個(gè)例子，當(dāng)有人連續(xù)100天看到公雞一叫，太陽就升起來，就以為太陽是公雞喚起的雙脈沖測(cè)試；并以歸納法推而論之，公雞第101天鳴叫，太陽也必定會(huì)第101次升起。

　　殊不知，公雞叫和太陽升起之間并沒有因果關(guān)系。比如在陰雨天，任憑公雞怎么叫，太陽都不會(huì)露臉。休謨認(rèn)為，我們迄今的所有認(rèn)識(shí)都是建立在歸納法基礎(chǔ)上的，而“以歸納法來認(rèn) 識(shí)世界并不科學(xué)”。雙脈沖測(cè)試他的觀點(diǎn)當(dāng)時(shí)在社會(huì)上引發(fā)很大的爭議， 也引起了一位 業(yè)余數(shù)學(xué)家托馬斯·貝葉斯的研究興趣。

貝葉斯決定使用數(shù)學(xué)來驗(yàn)證“以歸納法來認(rèn)識(shí)世界是否科學(xué)”。

　　他設(shè)想了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：假想有一張臺(tái)球桌，以及一顆白球和許多紅球。這些球投在桌面，不會(huì)彈跳，也無法掉下桌去，只能在桌面有限地滾動(dòng)。球和球之間也不會(huì)相撞。一顆球停在桌面任何位置的概率是均等的。

　　設(shè) 想一名助手幫著投 球，在實(shí)驗(yàn)中，貝葉斯本人則蒙上眼睛，不能看桌面上的情形。助手先將白球投擲到桌面，接下去投出一顆顆紅球，每投一次，就報(bào) 出紅球相對(duì)白球的位置，貝葉斯 根據(jù)聽到的情況進(jìn)行猜測(cè) 。比如，當(dāng)助手報(bào)出“紅球在白球左 側(cè)”，貝葉斯會(huì)猜測(cè)“白球在桌面右側(cè)”。隨后助手繼續(xù)扔紅球并報(bào)告兩球相對(duì)位置，貝葉斯繼續(xù)猜測(cè)白球的位置——如果第二個(gè)紅球落在白球右側(cè)，貝葉斯則會(huì)猜測(cè)“白球在桌面右側(cè)，但不會(huì)處于右側(cè)邊緣”。

　　做這個(gè)猜測(cè)的道理是顯然的：如果白球處于桌的右側(cè)邊緣，那么白球和右側(cè)桌 沿之間的空間已經(jīng)很小，再塞進(jìn) 一個(gè)球的概率是很小的。

　　這樣，相比第一次，貝葉斯對(duì)白球位置的猜測(cè)更準(zhǔn)確了。而臺(tái)球桌面積有限，隨著投出的紅球數(shù)量增加，白球位置的范圍越這樣，相比第一次，貝葉斯對(duì)白球位置的猜測(cè)更準(zhǔn)確了。而臺(tái)球桌面積有限，隨著投出的紅球數(shù)量增加，白球位置的范圍越來越窄，盡管貝葉斯無法得出白球的具體位置，但由于獲得大量新信息，他對(duì)于白球位置的判斷越來越精準(zhǔn)，最后鎖定白球最有可能在桌面上的范圍。比如，在一個(gè)極端的情況下，如果所有紅球都落在了白球的左側(cè)，那么他就可以推斷，白球位于桌面右側(cè)邊緣。

　　貝葉斯想通過這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)證明，隨著獲得越來越多的新信息，我們對(duì)事實(shí)最初的猜測(cè)會(huì)逐漸得到修正和完善，越來越接近真相——所以休謨的觀點(diǎn)不正確，通過歸納是可以認(rèn)識(shí)世界真相的。

　　貝葉斯的結(jié)論可以用一個(gè)公式來表達(dá)：

　　初始猜想+最新的客觀數(shù)據(jù)=一個(gè)新的改進(jìn)了的猜想。

　　然后，當(dāng)又有新數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，我們把上輪“改進(jìn)了的猜想”當(dāng)作“初始猜想”，迭代到公式中，形成一個(gè)更新的猜想，如此周而復(fù)始。這個(gè)方法現(xiàn)在被稱為“貝葉斯方法”。

　　當(dāng)我們?cè)谒丫冗^程中逐漸收集到更多更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，科學(xué)地結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)、科學(xué)知識(shí)、以及主觀經(jīng)驗(yàn)無疑可為找尋失聯(lián)客機(jī)帶來一線曙光。在統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域，貝斯方法（Bayesian Methods）提供了一個(gè)可以將觀測(cè)數(shù)據(jù)、科學(xué)知識(shí)以及各種經(jīng)驗(yàn)結(jié)合在一起的應(yīng)用框架。

　　貝葉斯對(duì)數(shù)學(xué)的最大貢獻(xiàn)就是解決了如何計(jì)算逆概率問題。而這個(gè)逆概率，正是關(guān)切搜尋失事飛機(jī)的一個(gè)重要的數(shù)學(xué)問題。那么，什么是逆概率雙脈沖測(cè)試？正概率問題是知道了原因，推測(cè)發(fā)生某個(gè)結(jié)果的概率。而逆概率問題則反過來，知道了結(jié)果，要倒推原因。

　　再舉一例。小紅是一名愛美的女孩，夏天晴朗的天氣都要打傘?，F(xiàn)在正概率問題是：“下雨天小紅打傘的概率有多大？”毫無疑問，這個(gè)概率幾乎是100%。而逆概率問題則是：“如果看到小紅打傘，那么這一天下雨的概率有多大？”顯然，這一天是雨天的概率不可能是10 0%，因?yàn)槟且惶煲灿锌赡苁窍奶炖锬硞€(gè)晴朗的日子。

　　由此可見，正概率跟逆概率不是一回事。不過，兩者是有聯(lián)系的，這個(gè)聯(lián)系就是貝葉斯公式。

　　在現(xiàn)實(shí)世界，不確定因素很多，而人類的觀察能力是有局限性的，不可能把所有有用的信息都搜集到（就好比猜黑白球的例子中，只允許從袋子中摸3次球），這時(shí)就需要大膽猜測(cè)。而猜測(cè)同樣具有不確定性，很可能有多種猜測(cè)都能滿足目前的觀測(cè)，但我們可以利用貝葉斯方法不斷更新猜測(cè)，以求接近真相。與猜黑白球的游戲類似，飛機(jī)失事也是一個(gè)典型的逆概率問題。

　　貝葉斯搜索理論利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)理論搜索失蹤物，曾被多次用于搜救失蹤的船只和飛機(jī)。一般的流程如下：

提出所有關(guān)于失蹤事件的假設(shè)。

針對(duì)每一假設(shè)，構(gòu)造失蹤對(duì)象位置的空間分布概率。

針對(duì)每一位置，假設(shè)已知對(duì)象位于此處，計(jì)算能找到失蹤對(duì)象的概率分布。在海洋中，這一般取決于水深：在淺水處找到失蹤物的機(jī)會(huì)比在深水處大。

結(jié)合上述兩個(gè)概率分布，構(gòu)造整體的搜索成功的概率分布。

構(gòu)造搜索路徑：始于高概率區(qū)，經(jīng)過居中概率區(qū)，最后搜索低概率區(qū)。

在搜索過程中，持續(xù)更新上述概率分布。例如，如果在某處未能找到失蹤物，那么失蹤對(duì)象位置分布于此的概率要被降低。這一更新過程需要用到貝葉斯定理。

　　貝葉斯搜索不僅可以綜合多個(gè)信息來源，而且可以自動(dòng)估計(jì)搜索成功的概率。即使在搜索前，我們可以估計(jì)“5天內(nèi)找到失蹤物的概率是65%。在搜索十天后，這個(gè)概率會(huì)升高到90%。15天后，升高到97%”。如此，在分配搜索資源前可以評(píng)估可行性。

　　2009年的失聯(lián)法航客機(jī)447的搜尋過程中，以貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法為基礎(chǔ)，經(jīng)過三次失敗的搜尋，終于在第四次找到了飛機(jī)。在正常的情況下，地面控制臺(tái)每5分鐘就會(huì)收到飛機(jī)發(fā)回的信息，其中包括飛機(jī)的位置、高度、航速和航向等。信號(hào)消失前飛機(jī)最后所在的位置乘以5分鐘時(shí)間，就能確定出一個(gè)以飛機(jī)最后所在的位置為中心，以當(dāng)時(shí)航速條件下5分鐘能走的距離為半徑的一個(gè)圓，這就是飛機(jī)落水的最大海域范圍。也就是說，如果是由飛機(jī)故障問題或飛行員操作失誤所造成的飛機(jī)失事，這架飛機(jī)一定在這個(gè)圓的范圍內(nèi)，而這個(gè)圓的半徑大約為40海里（約1.7萬平方公里）。

　　可是要在這個(gè)圓內(nèi)找到飛機(jī)也不是一件容易的事。通常的做法是用聲吶儀在附近進(jìn)行高密度地尋找。在大多數(shù)情況下，飛機(jī)應(yīng)當(dāng)離飛機(jī)最后所在的位置不遠(yuǎn)的位置。但由于法航客機(jī)最后所在的位置范圍內(nèi)的海區(qū)有4000米之深，且處于復(fù)雜海脊帶，所以用高密度尋找方法未能找到。當(dāng)人們?cè)诤Ｃ嫔习l(fā)現(xiàn)了有遇難者的遺體后，反演至飛機(jī)失事時(shí)的位置，見下圖：

　　通過反演以及對(duì)當(dāng)?shù)厮鞯难芯浚瑢＜掖_定出四個(gè)可能的地點(diǎn)：第一地點(diǎn)就在飛機(jī)最后所在位置附近，第二地點(diǎn)是在東北海域內(nèi)，第三個(gè)地點(diǎn)在飛機(jī)航線后方（那里曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過油跡），第四個(gè)地點(diǎn)在航線右后方的最大圓之外。最后經(jīng)過依次搜尋，終于在第一個(gè)地點(diǎn)的海底找到了飛機(jī)殘?bào)w。

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　　光譜技術(shù)助力殘骸分析

　　在確定了殘骸可能出現(xiàn)的位置之后，接下來的工作就是開展殘骸搜尋打撈工作。黑匣子雖然能夠給出最詳實(shí)的飛行數(shù)據(jù)，但其搜索打撈工作難度極大，并且數(shù)據(jù)的保存、復(fù)原、解析等一系列工序極其繁復(fù)，往往耗時(shí)數(shù)年。在一些空難中，飛機(jī)的機(jī)體殘骸也十分重要，因其體積大、目標(biāo)明顯而易于搜索，并且可能提供更加直接的分析憑據(jù)。

　　工作人員在鑒定馬航MH370飛機(jī)殘骸

　　回收機(jī)體殘骸的主要目的就是交由飛機(jī)制造商進(jìn)行鑒定處理，以憑借殘骸推斷失事前飛機(jī)的狀態(tài)，如：整機(jī)墜毀還是空中解體、部件故障還是外力破壞、是否發(fā)生爆炸等等。這些深入的分析不能僅憑照片進(jìn)行，必須回收殘骸原件，進(jìn)行金相分析和力學(xué)分析。

　　定量金相

　　定量金相技術(shù)是指在金相觀測(cè)中對(duì)金相組織進(jìn)行幾何學(xué)定量測(cè)定的技術(shù)，也稱立體金相。為研究金屬材料的金相組織和性能的定量關(guān)系，常需將檢驗(yàn)面上二維空間的組織參數(shù)，依立體幾何和體視學(xué)原理換算成三維空間參數(shù)進(jìn)行分析。1938年美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定ASTM-E八級(jí)晶粒度標(biāo)準(zhǔn)，定量金相技術(shù)就開始應(yīng)用于金屬材料的檢驗(yàn)和研究。60年代，由于可自動(dòng)測(cè)量的定量金相顯微鏡的制成和體視學(xué)的應(yīng)用，金相定量測(cè)定的技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展和推廣。應(yīng)用定量金相技術(shù)來測(cè)定第二相體積分?jǐn)?shù)、第二相尺寸、質(zhì)點(diǎn)間距、對(duì)有方向性組織的取向程度、比相界面、近鄰率、連續(xù)性等。有比較法和測(cè)量法兩類。

　　金相分析

　　金相分析是金屬材料試驗(yàn)研究的重要手段之一，采用定量金相學(xué)原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測(cè)量和計(jì)算來確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。將圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用于金相分析，具有精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高工作效率。

　　在坦桑尼亞海岸發(fā)現(xiàn)的飛機(jī)殘骸確認(rèn)屬于MH370航班.（澳大利亞媒體）

　　機(jī)翼材質(zhì)中的金屬元素也是解開飛機(jī)失事之謎的重要技術(shù)之一。最新研制的分析金屬材料成分的方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜法、激光誘導(dǎo)等離子體光譜法、電感耦合等離子原子發(fā)射光譜法等。

　　激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是一種激光燒蝕光譜分析技術(shù)，激光聚焦在測(cè)試位點(diǎn)，當(dāng)激光脈沖的能量密度大于擊穿閾值時(shí)，即可產(chǎn)生等離子體。基于這種特殊的等離子體剝蝕技術(shù)，通常在原子發(fā)射光譜技術(shù)中分別獨(dú)立的取樣、原子化、激發(fā)三個(gè)步驟均可由脈沖激光激發(fā)源一次實(shí)現(xiàn)。等離子體能量衰退過程中產(chǎn)生連續(xù)的軔致輻射以及內(nèi)部元素的離子發(fā)射線，通過光纖光譜儀采集光譜發(fā)射信號(hào)，分析譜圖中元素對(duì)應(yīng)的特征峰強(qiáng)度即可以用于樣品的定性以及定量分析。

　　為了提高LIBS技術(shù)的準(zhǔn)確可靠性與經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，目前的研究熱點(diǎn)主要集中在增強(qiáng)光譜信號(hào)強(qiáng)度，降低連續(xù)譜強(qiáng)度，降低基體效應(yīng)，提高信背比，降低相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與檢出限以及提高元素定量分析的精確性等方面?隨著激光技術(shù)和光譜探測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，LIBS技術(shù)也有了蓬勃的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了納秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜（nanosecond-LIBS，ns-LIBS）、飛秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜（femtosecond-LIBS，fs-LIBS）、飛秒激光成絲誘導(dǎo)擊穿光譜（femtosecond filament-LIBS，filament-LIBS）、偏振分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜（polarization resolved LIBS，PRLIBS）、雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜（dual pulse LIBS，DP-LIBS）等諸多技術(shù)?

　　自從1960年第一臺(tái)紅寶石激光器的發(fā)明為原子光譜分析注入新鮮血液之后，類似于火花源的激光光束聚焦擊穿現(xiàn)象即見諸文獻(xiàn)報(bào)道。1962年 Jarrell-Ash的Brech發(fā)表第一篇關(guān)于用激光產(chǎn)生等離子體進(jìn)行分析的文章，標(biāo)志著激光燒蝕分析技術(shù)的誕生。1964年，得益于激光器Q開關(guān)脈沖技術(shù)，使得激光燒蝕無需通過輔助電極放電，直接通過激光產(chǎn)生等離子體進(jìn)行分析，這也是今天LIBS的雛形。至20世紀(jì)80年代，美國Los Alamos實(shí)驗(yàn)室利用激光等離子體的光譜信息實(shí)現(xiàn)了對(duì)于物質(zhì)元素信息的測(cè)量，從而將該技術(shù)正式命名為LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy)。本世紀(jì)分析領(lǐng)域的一大新聞就是美國NASA采用LIBS技術(shù)作為火星車表面礦物分析手段——ChemCam，并出色地完成了科考任務(wù)。因而，LIBS技術(shù)的應(yīng)用也相應(yīng)地成為了一大研究熱門。與其他常用元素分析的方法相比，其主要優(yōu)點(diǎn)有:

　?。?） 利用激光特有的性能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、在線元素檢測(cè)。

　　（2） 儀器體積相對(duì)較小，適用于現(xiàn)場分析、可在惡劣條件下進(jìn)行測(cè)定。

　?。?） 可用于各種形態(tài)的固體、液體甚至氣體分析，而且無需繁瑣的樣品前處理過程，分析簡便、快速。

　　（4） 可測(cè)定難溶解的高硬度材料，對(duì)樣品尺寸要求不嚴(yán)格，且對(duì)樣品的破壞性小，實(shí)現(xiàn)微損甚至近于無損檢測(cè)，樣品消耗量極低(約0.1μg-0.1mg)。

　?。?） 分析時(shí)間短，從激光脈沖發(fā)射到信號(hào)收集的整個(gè)過程僅僅需要毫秒級(jí)別的時(shí)間。

　　（6） 可進(jìn)行多元素同時(shí)檢測(cè)。

　　遠(yuǎn)距離輻射光接收技術(shù)及光纖傳感技術(shù)的迅速發(fā)展使得激光技術(shù)對(duì)高溫、惡劣環(huán)境下的非接觸分析得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)環(huán)境的較好適應(yīng)性使其成為優(yōu)秀的原位監(jiān)測(cè)手段，賦予其優(yōu)異的實(shí)用性。憑借著以上優(yōu)勢(shì)，LIBS技術(shù)在光譜分析領(lǐng)域的舞臺(tái)上嶄露頭角。在過去的三十多年中，國際研究者對(duì)LIBS的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了大量的研究工作。主要集中于高速相機(jī)拍攝LIBS等離子體形貌、不同物質(zhì)時(shí)間分辨譜圖、LIBS等離子體溫度及電子數(shù)密度的估算、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理的研究等。

　　2015年1月29日，馬來西亞民航局宣布，馬航MH370航班失事，并推定機(jī)上所有239名乘客和機(jī)組人員已遇難。MH370航班上載有227名乘客（其中中國大陸153人，中國臺(tái)灣1人），機(jī)組人員12名。據(jù)外媒報(bào)道，按照造就制定好的計(jì)劃，MH370客機(jī)再次起航，到達(dá)南印度洋上空后實(shí)施技術(shù)墜毀，而美國輿論媒體讓所有人認(rèn)為飛機(jī)是因?yàn)槿加秃谋M后墜毀，并將責(zé)任歸咎于飛機(jī)駕駛員。239條鮮活的生命就這樣隕落，這個(gè)事件的真相雖然很難挖掘，但是為了告慰這239條生命，馬航MH370失聯(lián)真相必將有一天會(huì)浮出水面，給所有人一個(gè)交代！

　　參考文獻(xiàn)

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薛廣鵬，《淺析金屬材料的分析方法》

吳治華，《用數(shù)學(xué)方法尋找飛機(jī)殘骸》

　　編輯·整理·校對(duì)丨丑燦

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