2020, 31(12):1239-1244.
摘要:为了提高梁式结构光纤光栅振动传感器的测量灵敏度,设计并提出了一种悬臂梁结构 的光纤光栅振动传感器。首先对悬臂梁结构的光纤光栅振动传感器的工作原理进行理论上的 分析,其次对结构中悬臂梁长度和光纤光栅有效长度与固有频率和灵敏度的关系进行了仿真 ,以便传感器获得较高的灵敏度。仿真结果表明,固有频率随光纤光栅有效长度的增加而逐 渐减小,但灵敏度随悬臂梁长度的增加而增大。而当光纤光栅有效长度增大时,光纤的固有 频率和灵敏度有减小的趋势。根据理论上分析和仿真结果,最终确定了‘E’型梁结构的最 佳参数和光纤的有效长度,这一点在实验中得到了很好验证。实验结果表明,传感器的平坦 区域为15 Hz~60 Hz,其固有频率为83Hz,灵 敏度高达481.32 pm/g。该振动传感 器在振动信号检测中的良好表现,这将在桥梁、建筑等振动传感领域具有重要的研究意义。
2020, 31(12):1245-1252.
摘要:NO(一氧化氮)是一种有毒气体,主要来源于机 动车尾气等,会导致酸雨,损坏人类 呼吸道。因此,对NO浓度的检测具有重要的环保意义。论文介绍了基于朗伯比尔定律的NO浓 度检测原理,对用于便携式NO浓度检测的滨松L9455-1脉冲氙灯的特 性开展了实验研究,获 得了最为合理的光源工作参数,即:光源的脉冲频率为5Hz,光谱仪的积分时间为 200 ms,光 谱数据的平均次数为10次。此外,还将氙灯与氘灯光源进行了浓度检 测效果的对比,体现了 L9455-1在便携式NO浓度检测方面的优势。再将上述实验的结果应用 于不同浓度NO的吸光度 检测,测量结果证明采用实验研究得到的参数来设置L9455-1脉冲氙 灯的工作指标,能让实 验平台获得较为准确的NO吸光度,从而为便携式检测系统精确测量NO的浓度奠定良好的基础。
2020, 31(12):1253-1261.
摘要:本文对双包层光子晶体光纤热效应及其模式特性的 影响进行了深入的分析和研究,采 用有限元方法构建了双包层光子晶体光纤的多物理场耦合模型。建立了双包层光子晶体光纤 截面的热传导方程,分别研究了双包层光子晶体光纤径向温度分布与光纤结构参数、换热条 件和热负载的关系。进一步地研究了热效应对光纤基模的有效折射率、有效模场面积和模场 分布的影响。双包层光子晶体光纤的径向温度分布与其结构参数紧密相关。最高温度位于纤 芯的中心,并且随着空气孔比例的增加而增大。同时纤芯的温度随着换热系数和热负载的降 低而降低。光纤的温度梯度随着换热系数和热负载的增加而线性增加。热效应同样影响光纤 基模场的分布。热负载从10 W/m增加到30 W/m 时,基模有效折射率 逐渐增加,基模的有效面积线性降低。并且波长越短,基模场收缩越明显,热效应越严重。
2020, 31(12):1262-1269.
摘要:为降低光载无线(RoF)通信系统复杂度并提高倍频 系数,提出了一种基于偏振复用技术和级联马赫曾德尔调制器(MZM)的16倍频光载毫米波方 案。推导了方案的毫米波产生机理,讨论了MZM消光比、射频驱动信号相移、偏振控制器方 位角和线偏振器角度对光边带抑制比(OSSR)和射频杂散抑制比(RFSSR)的影响,在此基础上 研究了基于本方案的RoF系统传输性能。结果表明通过合理控制参数偏移量,在保持较宽的 偏移量最佳区间同时可以产生高性能的光载毫米波信号,其对应的最优OSSR和RFSSR分别为 30 dB和22.6 dB。当误码率(RBE)为10-9时,传输40 km 和背靠背传输相比功率代价为2.4 dB,相应的功率预算可达 50 dB。该方案结构简单且性能高效,在整个系统中并未使用光滤波器等波长 相关器件,可与现有WDM无源光网络兼容,同时该方案也为RoF系统设计提供了参考依据。
2020, 31(12):1270-1277.
摘要:选取YIQ域的颜色空间将共轭对称扩展傅立叶数 字全息技术与Contourlet-SVD域 进行结合,提出一种基于YIQ和Contourlet-SVD域的彩色图像全息水印算法。由于在RGB 图像的任一分量嵌入水印对视觉影响较大,所以选择将RGB图像转换成YIQ域的颜色空间, 选取亮度分量Y进行2层Contourlet变换,在得到的细节子带中选取低频系数进行SVD奇 异值分解,将对水印图像进行共轭对称扩展傅立叶数字全息方法所生成得水印信息隐藏。 最后的实验结果表明,该算法可以保证水印嵌入足量的基础上,确保了水印信息的较强抵 抗能力。该算法对高斯噪声、JPEG压缩攻击的鲁棒性较强,NC值均达到0. 91
2020, 31(12):1278-1287.
摘要:白平衡是带摄像头电子产品的必备功能,传统的 白平衡算法对输入图片进行无区分性 的处理,严重 降低了处理效率和图片质量。本文结合深度卷积神经网络在传统白平衡方法中引入智能分类 器,判断输入 图片是否带有色偏,只针对色偏图片进行白平衡。本文的研究内容及学术贡献包括:(1) 首次提出了先判 断再处理的智能白平衡思想,仅对色偏图片进行针对性处理,而对正常图片直接输出;(2) 应用提出的三 随机数方法构建了一套有效的色偏图片分类训练集和测试集,训练集包括34250张图片,其中色偏图片的 生成具有极强的随机性;(3) 通过学习率衰减和交叉熵损失函数,对开源的VGG16网络模 型进行优化, 训练得到了一个收敛快、精度高的色偏图片二分类器。实验结果表明,识别正常图片和色偏 图片的准确率 分别为0.89。将该分类器与直方图平移 方法结合,实现了智能白平衡。本 文将人工智能引入到传统白平衡,实现了智能化图像处理,提高了处理效率和图片质量。
2020, 31(12):1288-1298.
摘要:在高维特征选择过程中最优特征子集生成和分类器 参数优化方面,提出一种基于贝叶斯粗糙集(BRS)、遗传算法(GA)和布谷鸟算法(CS) 的两阶段优化高维特征选择算法。该算法首先分析3000例肺部肿瘤CT图像的形状、灰度和纹理特征,提取104维特 征分量共同量化ROI;然后进行两阶段优化:(1) 从全局相对增益函数的角度分析了属性 重要度,结合属性约简长度和基因编码权值函数的加权和构造适应度函数,通过选择、交叉 和变异等遗传操作生成最优特征子集,在不降低分类精确度的前提下降低特征维度;(2) 利用CS对支持向量机(SVM)参数进行全局寻优;最后通过实验验证本文算法的可行性和有 效性。实验结果表明,该算法有效提升了肺部肿瘤良恶性识别能力,降低了算法的时间复杂 度。
2020, 31(12):1299-1305.
摘要:分布式温度传感(Distributed Temperature Sensing,DTS)技术是一种实时监测被测环境温度场的新型传感技术,较于传统的井温测量技术,具有无源工作、分布采集、布设简单等优势。煤层气井的开采对井下的剖面温度和产层流量都有着明确的计量需求。本文简要介绍DTS设备和产量解释的原理,结合DTS设备在国内某煤层气井的实际温度监测试验,验证了DTS在生产测井温度监测方面的可行性,并通过解释软件初步测算煤层气井产层流量。通过与传统的测试方式对比,目前分布式温度传感的测温精度和分辨率分别达到1℃和0.1℃,产层流量计算误差控制在大约3%的水平。
周鑫 , 刘新 , 吴陆益 , 喻雄 , 高光珍 , 蔡廷栋
2020, 31(12):1306-1312.
摘要:光声光谱技术是一种以光声效应为基础,具有响 应速度快、测量时间短、检测灵敏度 高等优点的新型光谱分析检测技术,已成为一种快速、安全、可靠的痕量气体检测手段。本 文利用中心波长位于2.0 μm的分布反馈式可调谐二极管激光器作为 光源,搭建了二氧化碳(C O2)光声光谱测量系统,实验中采用对样品气体加湿的方式,通过引入弛豫速率快的H2O 分子 有效降低CO2分子的弛豫时间,增加了CO2气体的光声信号强度,提高了系统的探测灵敏 度。 测量中选取4998.35 cm-1处的CO2吸 收谱线为研究对象,结合波长调制技术,对CO2气体进 行了探测研究。首先通过对系统的评估,确定了系统的最佳调制频率和最佳调制振幅为785 Hz和7.586 cm-1。然后通过对一系列 不同浓度的CO2-N2混合样品气体在最优实验条件下的测 量研究发现,所测光声信号与CO2气体浓度之间具有良好的线性关系,进而反演出大气中C O2气体的含量,其浓度值约为3.82×10-4。最后利用此系统对 室外大气中CO2含量进行了连续 24小时的连续实时测量,得到了CO2气体在一天中的浓度变化情况,并利用Allan方差对系 统 的长期稳定性进行了分析,当系统平均时间为1000 s时,探测灵敏度 约为1×10-7,证实了系统具有良好的稳定性和探测灵敏度。
2020, 31(12):1313-1319.
摘要:本文通过激光诱导击穿光谱技术研究了锌等离子 体在空间膨胀时其特性的演化,并研 究了等离子体产生对激光脉冲能量的依赖关系。在大气环境下将脉冲激光聚焦于锌金属靶表 面烧蚀并产生等离子体,采集等离子体膨胀方向不同距离处的时间分辨荧光光谱,确定等离 子体的电子温度及电子数密度参数,研究等离子体特性随空间膨胀距离及时间的演化关系。 然后改变激光脉冲能量,采集特定位置的锌等离子体荧光光谱,确定等离子体特征参数及其 时间演化特性对激光脉冲能量的依赖关系,研究激光脉冲能量对等离子体形成的影响。结果 表明,等离子体形成后其早期膨胀过程为超音速绝热膨胀,随等离子体空间膨胀距离的增加 电子温度先降低后升高,电子数密度先升高后降低。当延迟时间增加至2.2us时,随着空间 距离的增加,电子温度持续下降,电子数密度基本维持不变,此时超音速绝热过程消失。当 激光脉冲能量增加时,锌元素特征谱线强度逐渐饱和,电子数密度增加速率逐渐降低,等离 子体寿命持续增加。当激光脉冲能量低于100 mJ时,电子温度随激光 脉冲能量的增加而快速 上升。当激光脉冲能量高于100 mJ时,电子温度维持在 8500 K上下波动。因此,随着激光脉 冲能量的增加,等离子体屏蔽效应逐渐明显,脉冲激光与锌金属靶相互作用前期产生的等离 子体吸收激光脉冲能量维持自身的存在,最终导致仅有部分激光脉冲能量与金属发生相互作 用,使得谱线强度及电子温度的上升出现阈值。
2020, 31(12):1320-1327.
摘要:为了提高基于白光LED的可见光通信系统传输性能,本文围绕提高频谱效率及可靠性展开研究,提出一种兼顾功率效率和频谱效率的混合调制方案。该方案采用无载波幅度相位调制(CAP)与脉冲间隔调制(DPIM)相结合,发送端在DPIM的脉冲时隙上加载直流偏置CAP信号(DCO-CAP),生成混合调制信号,接收端采用提出的修正硬判决检测算法及最大似然检测完成混合调制信号的串行解调。考虑室内环境光的影响,推导了基于Lambertian光照模型并在高斯信道下二维DCO-CAP-DPIM方案的误比特率(BER)及误帧率(FER)解析表达式,仿真实验验证了理论解析式的准确性以及提出的修正 硬判决检测算法的有效性。对于8m×6m×3m实验场景,通过数值仿真,分析对比了DCO-CAP,以及不同混合调制在相同频带利用 率下的性能,结果表明:当频谱效率相同时,混合二维DCO-CAP-DPIM调制系统较单一调制可靠性提高2-12dB。且调制参数相同时,基于硬判决的修正算法使系统可靠性提高5dB。
2020, 31(12):1328-1332.
摘要:本研究利用血清拉曼光谱结合模式识别技术直接 对乙肝和丙肝进行分类。实验中 测量了480名乙肝患者和346名丙肝患者的血清样本用于分析。通过基线校正对采集到的原始 光谱进行预处理,然后使用主成分分析技术(PCA)降低光谱数据维度提取有效的光谱数据 特征,最后使用支持向量机(SVM)等算法评估乙肝与丙肝之间的差异。本文研究了粒子群 优化(PSO)和网格寻优(GS)两个不同寻优算法的支持向量机模型对乙肝患者和丙肝患者 分类,此外还通过学习矢量量化(LVQ),极限学习机(ELM),线性判别分析(LDA)等模 式识别算法对乙肝和丙肝分类与支持向量机模型进行了对比。在当前的研究中,PSO-SVM算 法模型取得了最佳的分类性能,准确率达到96.74%。本研究结果表明 ,血清拉曼光谱技术结 合PCA-PSO-SVM算法用于区分乙型肝炎和丙型肝炎具有很大的潜力,该技术可用于乙肝和 丙肝的区分。
王康维 , 赵磊 , 黄鑫炎 , 彭玉发 , 马思远 , 范虹伯
2020, 31(12):1333-1340.
摘要:二值化是光学文字识别(OCR)的重要步骤,直接影响到光学文字识别的成功率。目前基 于亮度分割局域二值化算法效果好,但是过程复杂、运算耗时。快速二值化算法流程简单、 噪声敏感。低亮度图片一般有不可忽略的噪声,并且文字对比度低。为获取低对比度文字, 快速二值化算法需对亮度梯度敏感,但是也会导致快速二值化结果文字断裂、丢失、背景噪 声大。为实现高质量快速二值化,本文采取非局域均值滤波算法抑制噪声,同时避免过度平 滑图片。采用改进的Bradley算法提取低对比度文字,并解决了文字断裂等问题。最后采用 膨胀腐蚀算法抑制二值化噪声。本方法适用于非均匀低亮度和高亮度的图片。实验结果表明 ,本方法在非均匀高亮度下,表现和其他快速二值化算法相同。在非均匀低亮度下,提取文 字更多、文字断裂更少、噪声更小。本方法二值化结果的OCR召回率达到了93.5%。
蒋宇飞 , 赵士龙 , 郭凌伟 , 叶仁广 , 华有杰 , 张军杰 , 陈亮 , 徐时清
2020, 31(12):1341-1347.
摘要:为了稳定高功率半导体激光器的输出波长并且压缩 其光谱带宽,通常采用反射式体布拉格光栅(VBG)作为反射镜来构造外腔半导体激光器。V BG是利用激光全息技术,在一种特殊的感光玻璃上制作的周期性调制折射率结构。采用传统 的高温熔融-淬火工艺设计并制备了一种新型的光热敏折变(PTR)玻璃。测定了PTR玻璃的 玻璃转变温度和软化温度。在400 nm波长以上,获得了高达 91%的透过率。通过紫外全息曝光和两步热处理工艺成功实现了NaF纳米晶在PT R玻璃中的析出。在PTR玻璃上记录了布拉格波长为975.80 nm的反射 式VBG,并将其用于高功率半导体激光器(LD)的波长锁定。利用衍射效率为13.97%的反射式VBG,可实现半导体激光器输出波长准确地锁定在975.80 nm。输出线宽被有效压缩到0.4 nm以下。在相同的水冷 温度下,不同输入电流(2A→10 A)实现了仅仅0.06 nm的红移。在输入功率为10.2 W时,单管LD的最大输出功率 为9.7 W。
2020, 31(12):1348-1354.
摘要:三七在现代中成药市场作为原料有着巨大的消耗 量,根源是其具有重要的药物价值,因此对三七的 研究具有着现实意义。但是三七含有几十余种化学成分,是典型的多组分物质,普通二维荧 光光谱对其难 以进行定量分析。本文应用FLS920荧光光谱仪测量了22个不同浓度的三七粉水溶液样本的三维同步荧光 光谱,结合二阶校正算法以及分半信度法(Split half Method)、核一致诊断算法(Core Consistency Diagnostic) 等分析确定三七粉水溶液的平行因子模型组分数为3。第一组分荧光特征峰区间λEx=380 nm, λEm=465 nm;第二组分荧光特征峰区间λEx=465 nm,λEm=515 nm;第三组分荧光特征峰区间 λEx=330 nm,λEm =415 nm。其第三组分荧光可能是人参 皂苷Rg1的荧光表现。实验发现,对于多组 分物质应用三维同步荧光光谱法结合二阶校正算法进行分析,可以去除冗余干扰信息,简化 光谱分析难度,从全局视角表达三七的整体荧光特性,为天然药物的分析提供建议与帮助。