• 2022年第33卷第3期文章目次
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    • >光电子器件和系统
    • 光纤光栅加速度传感器高灵敏理论模型研究

      2022, 33(3):225-229.

      摘要 (557) HTML (0) PDF 897.71 K (262) 评论 (0) 收藏

      摘要:以提高光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)加速度传感器灵敏度为导向,理 论研究增敏机理模型,并建立优化和综合性能评价判据。首先,依据惯性器件工作的机理, 建立FBG加速度传感器的通用物理新模型,讨论分析传感器的敏感结构体与FBG的设计方 式,研究其灵敏度的响应机理。其次,分析惯性质量、封装光纤长度、敏感结构体刚度和光 纤的杨氏模量对灵敏度的影响,探寻敏感结构体刚度的阈值边缘条件,实现其高灵敏度。最后, 提出FBG加速度传感器“品质因子”的概念,结合传感器的物理参数的阈值条件,研究品 质因子与惯性质量和封装光纤长度的关系。这不仅为FBG加速度传感器综合性能的评判提 供可靠的依据,还对传感器的设计与优化具有重要的理论指导意义和实际的应用价值。

    • 狄拉克光子晶体在面发射激光器中的应用

      2022, 33(3):230-240.

      摘要 (707) HTML (0) PDF 2.14 M (211) 评论 (0) 收藏

      摘要:光子晶体由于具有可设计、可调谐以及对光的超 常调控等优异性能,近年已成为重 要的光学拓扑态研究平台。狄拉克(Dirac)锥型线性色散的奇异特性可实现丰富的物理现 象,诸如Dirac振荡、拓扑边缘态、零折射率等,更是凝聚态拓扑现象的物理根源。本文重 点对近年Dirac光子晶体在面发射激光器中的应用进行了详细介绍,指出将Dirac光子晶 体引入到半导体激光器中,可 实现大面积超低阈值、高亮度、单纵模和单横模的拓扑腔面发射激光器(topological cavity surface emitting lasers,TCSELs),同时对基于Dirac光子晶体原理发展出的TCSELs进行了总结与展望。

    • 一种基于CEEMDAN-改进小波阈值的OTDR信号去噪算法

      2022, 33(3):241-247.

      摘要 (478) HTML (0) PDF 1.11 M (242) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了解决光时域反射仪(optical time domain reflectometer,OTDR)中背向散射信号受 噪声干扰严重问题,本文提出了一种 基于自适应噪声完备集合经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise,CEEMDAN) 和改进小波阈值的OTDR信号去噪算法,利用CEEMDAN分解算法具有的抗模态 混叠现象和降低重构误差等优点,将信号分解为若干IMF分量,根据相关系数的分析方法, 找到噪声占主导的本征模态函数(intrinsic mode function,IMF)分量和信号占主导的IMF 分量的临界点,去除噪声占主导的IMF分量, 并将改进的小波阈值去噪方法对信号占主导的IMF分量进行去噪,最后重构信号。结果表明 , 本文提出的方法与传统的硬阈值方法、CEEMDAN-硬阈值方法和改进的小波阈值方法相比, 能 更好地抑制噪声,并达到更好的去噪效果,突显OTDR事件特征,更易于事件的检测。

    • 标准测试条件下人造太阳光源的谱失配及影响

      2022, 33(3):248-255.

      摘要 (400) HTML (0) PDF 1.37 M (221) 评论 (0) 收藏

      摘要:标准测试条件下,人造太阳光源的光谱形式、辐 照强度、光谱失配因子等是影响太 阳电池器件测试结果准确性的重要因素。本文以标准太阳光谱AM1.5 为参考,从光谱失配角 度,计算和分析了4种常用人造太阳光源(Arc lamp灯、Q-Flash灯、Q-Flash W灯和ELH 灯)与标准太阳光谱AM1.5之间的光谱失配因子的变化和这四种人造 太阳光源辐照下晶硅电 池的输出参数的变化。计算结果表明:Arc lamp型人造太阳光源的光谱失配因子为 0.979, 晶硅电池输出参数最接近标准太阳光谱AM1.5辐照下的输出参数 ;因光谱失配影响,4种不同人造太阳光源辐照下晶硅电池的输出参数较标准太阳光谱AM1.5辐照下的输出 参数会发生明显变化。

    • 基于宇称-时间对称光子晶体结构的磁场传感器研究

      2022, 33(3):256-263.

      摘要 (313) HTML (0) PDF 1.17 M (222) 评论 (0) 收藏

      摘要:提出了一种基于宇称-时间(parity-time,PT) 对称结构的磁场检测微腔模型,利用水 基Fe3O4磁流体介质层的磁光效应和PT对称结构的光放大效应,当磁场强度发生变化时 ,引 起结构禁带中缺陷模位置的改变。因此,可以通过检测缺陷模位置实现磁场强度的检测。本 文利用传递矩阵法(transfer matrix method,TMM)从理论上分析了结构的透射光谱,在此 基础上对结构周期、介质层厚度、PT对称单元中宏观洛伦兹振荡强度等参数进行了数值优化 。优化后的仿真结果表明,该传感器能够实现有效的磁场磁强检测,磁场强度在0—500Oe 的 范围内,传感器的灵敏度可以达到97.14 nm/RIU,优值和检测极限分 别可以达到104和10-7 RIU。同时, 传感器的分辨率数值最小可以达到0.05 Oe和最 大可以达到2Oe。本文所设计的传感器结构可用于高综合性能磁场强度检测设备的设计。

    • >图像与信息处理
    • 一种有效融合多尺度特征的图像语义分割方法

      2022, 33(3):264-271.

      摘要 (637) HTML (0) PDF 1.15 M (302) 评论 (0) 收藏

      摘要:卷积神经网络在高级计算机视觉任务中展现出强 大的特征学习能力,已经在图像语义 分割任务 中取得了显著的效果。然而,如何有效地利用多尺度的特征信息一直是个难点。本文提出一 种有效 融合多尺度特征的图像语义分割方法。该方法包含4个基础模块,分别为特征融合模块(feature fusion module,FFM)、空 间信息 模块(spatial information module,SIM)、全局池化模块(global pooling module,GPM)和边界细化模块(boundary refinement module,BRM)。FFM采用了注意力机制和残差结构,以提高 融合多 尺度特征的效率,SIM由卷积和平均池化组成,为模型提供额外的空间细节信息以 辅助定 位对象的边缘信息,GPM提取图像的全局信息,能够显著提高模型的性能,BRM以残差结构为核心,对特征图进行边界细化。本文在全卷积神经网络中添加4个基础模块, 从而有 效地利用多尺度的特征信息。在PASCAL VOC 2012数据集上的实验结 果表明该方法相比全卷积神 经网络的平均交并比提高了8.7%,在同一框架下与其他方法的对比结 果也验证了其性能的有效性。

    • 多尺度特征融合双U型视网膜分割算法

      2022, 33(3):272-282.

      摘要 (558) HTML (0) PDF 1.96 M (282) 评论 (0) 收藏

      摘要:视网膜血管形态结构是反映人体健康的重要指标 ,针对现有视网膜血管分割存在主 血管模糊、微细血管断裂和视盘误分割等问题,提出多尺度特征融合双U型视网膜分割算 法。首先,利用低层U-Net高效循环残差模块对眼底图像进行粗粒度分割,得到视网膜血 管 初步轮廓。其次,将粗分割图与原始特征图像素相乘送入高层U-Net,利用其缩放宽残差 模 块进行细粒度图像解码,丰富视网膜血管细节信息。同时利用3路径注意力机制复合性连接 双网络的编码层与解码层,实现特征映射跨网络传播,减小上下文语义差异。最后,融合双 层网络输出提取血管区域,双U 型网络能够更深层次提取血管像素,精准分割出视网膜细 节。在DRIVE与STARE数据集上进行实验,其准确率分别为96.45%和97.02%,敏感度分 别为83.35%和81.40%,特异性分别为98.38%和 98.83%,总体性能优于现有算法。

    • 基于多尺度局部极值分解与ResNet152的红外与可见光图像融合

      2022, 33(3):283-295.

      摘要 (524) HTML (0) PDF 2.53 M (264) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了进一步提升红外与可见光图像融合方法的性能 ,本文提出了一种基于多尺度局部极值分解与深度学习网络ResNet152的红外与可见光图像融合方法。首先,利用多尺度局部极值分解 (multiscale local extrema decomposition,MLED)方法将源图像分解为近似图像和细节图 像,分离 出源图像中重叠的重要特征信息。然后采用残差网络ResNet152深度提取源图像的多维显著 特征, 以l1-范数作为活性测度生成显著特征图,对近似图像进行加权平均融合,以保持能量和残 留细节 信息不丢失。在细节图像中,利用“系数绝对值取大”规则获得初始决策图,源图像作为引 导图像, 初始决策图作为输入图像进行引导滤波处理,得到优化决策图,计算加权局部能量得到能量 显著 图,对细节图像进行加权平均融合,使融合图像具有丰富的纹理细节和良好的视觉边缘感知 。最 后,对近似融合图像和细节融合图像进行重构,得到融合图像。实验结果表明,与现有的典 型融 合方法相比,本文所提出的融合方法在客观评价和视觉感受方面都取得了最好的效果。

    • >测量·检测
    • 基于偏振紫外光单次散射的非视距目标定位方法研究

      2022, 33(3):296-304.

      摘要 (380) HTML (0) PDF 1.39 M (224) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文从紫外光通信技术的发展趋势及研究背景出发 ,针对特定环境下实现目标定位的 应用需求,结合偏振光的振动特性,提出了基于偏振紫外光单次散射实现非视距目标定 位的方法。首先,基于紫外光大气散射传输特性,建立了偏振紫外光非视距单次散射模型, 利用矩阵光学的方法推导了紫外光偏振散射传输特性;建立了接收光强与方位角及收发距离 之间的关系。其次,利用Matlab软件仿真并分析了收发仰角及视场角对接收光强及方位角测 量范围的影响,选取了合适的收发仰角及视场角。根据接收信号光强随方位角的变化获得目 标方位角,并通过解算得出收发距离,理论上验证了系统可行性,并对各误差影响进行了仿 真分析,在距离500 m,收发仰角偏离(预设值25°)3°时,距离测量误差为25.3 m。噪声对光 强的影响导致方位角判定误差对测距误差的影响较小,但方位角判定误差为3°时,会引起 距 离500 m时真实位置横向偏离误差26.2 m。本 文研究结果为拓展紫外光通信系统的功能及实 际应用提供了理论基础,有一定的指导意义。

    • >光电子信息技术
    • 光电混合数据中心的流量分级分类调度研究

      2022, 33(3):305-311.

      摘要 (370) HTML (0) PDF 1.16 M (261) 评论 (0) 收藏

      摘要:光电混合数据中心中的电分组交换可以灵活交换 突发小流量但不能有效传输持续时间 长的大流量,而光路交换正好相反。为此,在基于阵列波导光栅路由器(arrayed waveguide grating router,AWGR)的光电混合数 据中心网络中,提出一种采用主动队列检测的流量分级分类调度策略,由电交换和光路交换 共同实现大小流量的有效调度。根据数据中心的流量模型设计了仿真实验,分析了不同流量 模型下各架构的平均时延和吞吐量。结果表明,和带宽收敛比为1∶1 的树型、Fat-tree型 和C-Through型相比,随机流量模型下AWGR模型的吞吐量增幅达19.43%,时延 降幅达45.73%。点对点流量模型下,随 着K从1增大到4,相比于其它 3种模型,AWGR模型的 吞吐量降幅和时延增幅最低,分别为2.85%和46.98%。说明所提设计方案能有效地提高数据 中心吞吐量和降低时延。

    • 八边形空气孔环绕-双模大模场面积多芯光纤

      2022, 33(3):312-320.

      摘要 (364) HTML (0) PDF 1.62 M (226) 评论 (0) 收藏

      摘要:为实现多芯光纤的严格双模传输和大模场面积, 将多芯光纤引入空气孔并排列成八 边形结构,利用COMSOL软件建立该光纤的电磁场模型,再采用有限元方法系统地分析相 对孔径大小、纤芯与包层折射率差和纤芯之间的间距等3个结构参数对光纤模式特性及有 效模场面积的影响,最后讨论了不同弯曲半径下光纤的弯曲损耗。根据分析结果并结合归一 化频率常数找到合适的结构参数,此时光纤的基模模场面积在平直状态下可达到1730 μm2, 当弯曲半径大于0.45 m时,弯曲损耗小于10-3 dB/m,基模模场面积仍可达到1685 μm2。该 光纤保持少模传输并实现了大模场面积和低弯曲损耗,在大容量、高功率光纤传输系统中具 有广阔的应用前景。

    • >光物理
    • 随机电磁涡旋光束在光纤中光谱相干度的变化

      2022, 33(3):321-329.

      摘要 (386) HTML (0) PDF 1.77 M (203) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于广义惠更斯菲涅尔原理和相干偏振统一理论 ,推导了随机电磁高斯涡旋光束在梯 度折射率 光纤传输中交叉谱密度矩阵元的解析表达式,并用以研究了随机电磁高斯涡旋光束在梯度折 射率光 纤中光谱相干度的变化。研究结果表明,随机电磁高斯涡旋光束在梯度折射率光纤中传输时 ,光谱 相干度分布的周期与梯度折射率系数β相关。光束波长越长梯度折射率光纤对 光谱相干度分布的聚 焦作用越明显。光谱相干度分布暗环数与拓扑荷数m相同,自相关空间长度σxx会改 变光谱相干度 沿径向的变化速度,而互相关空间长度σxy不改变光谱相干度分布。本文研究结果对 随机电磁涡旋光 束在光纤中的传输具有指导意义,在高速率大容量光纤保密通信方面有参考价值。

    • >信息安全
    • 采用几何校正优化的轮廓波水印算法

      2022, 33(3):330-336.

      摘要 (304) HTML (0) PDF 1022.78 K (207) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对目前的图像水印难以同时抵抗常规攻击和几 何攻击的不足,提出一种新的轮廓波 水印算法。水印嵌入阶段,该方法将宿主图像进行离散小波变换和非下采样轮廓波变换,并 将水印嵌入到熵值最大的高频子带,解决了将水印嵌入低频无法抵抗几何攻击及高频不能 很好抵抗滤波等常规攻击的问题。在水印嵌入前对嵌入区域进行加密处理,提高算法的安全 性。水印提取阶段,利用Zernike矩对含水印图像进行几何校正再进行提取,进一步提高了 算法的抗几何攻击能力。最后利用峰值信噪比和归一化系数对算法进行评价,验证算法的不 可感知性和鲁棒性。仿真实验结果表明,算法在不同的宿主图像和水印图像上均表现良好。 该算法在具有较好不可见性的基础上,除了对常规攻击具有很好的抵抗力,对几何攻击也具 有强鲁棒性,归一化系数(normalization coefficient,NC)均达到了0.99