• 2023年第34卷第12期文章目次
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    • 一种基于并级联MZM的20倍频光生毫米波方案

      2023, 34(12):1233-1240.

      摘要 (176) HTML (0) PDF 1.50 M (329) 评论 (0) 收藏

      摘要:为进一步提高光载无线通信(radio over fiber,ROF)系统中光生毫米波的倍频系数,提出了一种基于4个马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator,MZM)共同作用的20倍频毫米波信号产生方案。推导了理想情况下倍频方案的产生机理,在仿真实验中,分别分析了非理想因素下调制器直流偏置电压漂移、调制指数、消光比等对系统性能的影响,结果显示,当合理设置各参数的取值范围,其光边带抑制比(optical sideband suppression ratio,OSSR)和射频杂散抑制比(radio frequency spurious sideband suppression ratio,RFSSR)的饱和值高达33.20 dB和27.21 dB;针对基于此倍频方案的ROF系统,对比分析了2.5 Gbit/s数据信号的单双边带调制两种不同传输方式,仿真结果表明,当光纤距离为40 km时,单边带依旧可达无差错传输,降低了传输过程中码间走离效应的影响,增加了系统的传输距离,更适合远距离传输,为微波光子学的发展提供了一种理论依据。

    • 基于柱矢量模式的光纤迈克尔逊传感特性研究

      2023, 34(12):1241-1248.

      摘要 (182) HTML (0) PDF 1.79 M (362) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于涡旋光纤(vortex fiber,VF) 激发的柱矢量模式(cylindrical vector modes,CVMs) 设计了迈克尔逊干涉仪传感器,并对轴向应变、温度和折射率传感特性进行了理论研究和实验验证。 通过对VF施加一个微弯长周期光栅(microbend long period gratings,MLPG),激发一阶CVMs(TE01、HE21和TM01);在VF尾端加反射镜,反射后纤芯中的基本模式HE11与环芯中的CVMs产生干涉,构成了迈克尔逊干涉仪。实验测得对应于柱矢量模式TM01、HE21和TE01的应变灵敏 度分别为-1.1 nm/mε、-1.1 nm/mε和-2.1 nm/mε,温度灵敏度分别为9.3 pm /℃,3.4 pm /℃和-2.4 pm /℃,而折射率不敏感。该传感器结构简单,且TE01模式具有最高应变灵敏度和最低温度灵敏度,可作为折射率不敏感的、温度交叉灵敏度低的理想无补偿应变传感器,是智能型工程结构中下一代传感器的理想选择。

    • 激光剪切干涉系统的设计与应用

      2023, 34(12):1249-1255.

      摘要 (133) HTML (0) PDF 3.89 M (378) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对以光相干为基础的无损、非接触测量研究,利用沃拉斯顿棱镜(Wollaston prism,WP) 作为剪切元件,设计了共光路激光剪切干涉的方法并组建系统。本文详细分析了其各个部件对所得干涉条纹成像质量的影响,得到了获取最优干涉条纹所需要满足的一系列条件。随后利用组建的系统获得了透明方腔内流体在温度梯度作用下的对流涡胞结构以及温度分布情况,初步验证了该系统在此研究领域应用的可行性。在以上研究的基础上,配合图像处理及迭代算法技术,该系统在三维场的重建中有较大的应用前景。

    • 类椭圆结构光纤横向压力传感器及其温度自补偿研究

      2023, 34(12):1256-1262.

      摘要 (124) HTML (0) PDF 1.51 M (358) 评论 (0) 收藏

      摘要:为解决光纤横向压力传感器灵敏度不高及温度交叉敏感的问题,提出了一种具有温度自补偿的类椭圆结构光纤横向压力传感器。传感器通过将标准单模光纤(single mode fiber,SMF)弯曲成类椭圆结构,并用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)封装形成,温度自补偿则通过将另一个近似孪生的类椭圆结构与测量端并联实现。类椭圆弯曲下SMF的纤芯模和包层模发生干涉,其干涉光谱随外界横向压力的变化发生漂移。实验结果表明,在0.25—0.5 N的横向压力范围内,传感器的特征波长随横向压力的变化呈线性关系,在33.5—44 ℃的温度范围内,温度自补偿后的灵敏度可达6.6 nm/N,温度交叉灵敏度仅为0.001 5 N/℃,温度补偿误差不超过0.089 nm。提出的横向压力传感器灵敏度高、成本低、结构简单,有一定的应用参考价值。

    • 基于偏振不敏感超材料的全光可调谐太赫兹慢光效应研究

      2023, 34(12):1263-1270.

      摘要 (149) HTML (0) PDF 1.54 M (354) 评论 (0) 收藏

      摘要:太赫兹(terahertz,THz) 慢光效应可以有效地提升THz脉冲数据传输的安全性和存储性,而一般THz慢光器件对入射THz波偏振态变化敏感。本文设计了一种超材料结构,其微结构单元由一个十字型谐振器和4个U型谐振器构成。研究表明:基于超材料的THz慢光效应对线偏振光和圆偏振光均不敏感。通过对超材料结构的参数优化,获得到了最大群折射率为1 618的慢光效应。另外,本文在超材料微结构层和SiO2衬底之间嵌入了一层二硫化钼(MoS2)薄膜,当MoS2的载流子浓度从1.7×1017 cm-3增大到5.1×1019 cm-3时,群折射率从1 566减小到26。实现了偏振不敏感全光可调谐的THz慢光效应。该研究有望为偏振不敏感和全光可调谐的THz慢光器件设计提供崭新的研究思路。

    • 双重JPEG压缩图像篡改区域检测与定位

      2023, 34(12):1271-1278.

      摘要 (163) HTML (0) PDF 1.49 M (384) 评论 (0) 收藏

      摘要:对JPEG(joint photographic experts group)图像实施篡改往往会产生双重JPEG(double JPEG,DJPE) 压缩痕迹,分析该痕迹有助于揭示图像压缩历史并实现篡改区域定位。现有算法在图像尺寸较小和质量因子(quality factor,QF) 较低的时候性能不佳,对两个QF的组合情况存在限制。本文提出了一种端到端的混合QF双重JPEG压缩图像取证网络,命名为DJPEGNet。首先,使用预处理层从图像头文件中提取表征压缩历史信息的量化表 (quantization table,Qtable) 特征,将图像从空域转换至DCT(discrete cosine transform)域构造统计直方图特征。然后,将两个特征输入到由深度可分离卷积和残差结构堆叠而成的主体结构,输出二分类结果。最后,使用滑动窗口算法自动定位篡改区域并绘制概率分布图。实验结果表明,在使用不同Qtable集生成的小尺寸数据集上,DJPEGNet所有指标均优于现有最先进的算法,其中ACC提高了1.78%,TPR提升了2.00%,TNR提升了1.60%。

    • 基于自注意力机制和CycleGAN的高分三号ScanSAR图像的扇贝效应抑制

      2023, 34(12):1279-1287.

      摘要 (152) HTML (0) PDF 4.07 M (385) 评论 (0) 收藏

      摘要:高分三号卫星是我国首颗分辨率达到1 m的C波段 多极化合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR) 卫星,其中扫描 式合成孔径雷达(scan synthetic aperture radar,ScanSAR)模式是高分三号卫星重要的工 作模式之一,由于该模式的工作机制导致生成的图像可能发生扇贝效应,一般呈现为明暗相 间的条纹。本文针对高分三号卫星ScanSAR模式下存在的扇贝效应,提出自注意力机制与循 环一致对抗网络(cycle-consistent adversarial networks,CycleGAN)结合的模型对Scan S AR图像进行处理,从而抑制扇贝效应产生的条纹现象。本文所示方法与传统扇贝效应抑制方 法和深度学习相关算法进行比较,并通过亮度均值、平均梯度等指标进行分析。实验结果表 明,本文方法可以对高分三号ScanSAR图像存在的扇贝效应进行较好的处理,有效抑制图像 的条纹现象,使得图像质量得到提升,具有较大的实用意义。

    • 基于改进欧式聚类算法的双目主动视觉点云目标检测研究

      2023, 34(12):1288-1297.

      摘要 (66) HTML (0) PDF 2.76 M (381) 评论 (0) 收藏

      摘要:双目视觉立体匹配时,在同色调表面因为缺乏纹理信息,不仅计算量大且匹配度低, 而且生成的 场景中的点云又具有非结构化、近密远疏的性质, 因此,提高双目视觉匹配的精度与速度, 以及准确分割点 云目标, 一直是点云获取及目标检测中的难点问题。 针对以上问题, 本文首先提出了一种融合主动激光 的 3D 点云目标采集方法, 快速准确地获得原始点云数据; 其次提出了一种基于欧式聚类的改进算法, 使用距离阈值和角度阈值作为阈值分割判断条件进行分段聚类, 得到边界明确的 3D 点云目标检测框。 实验结果表明:所设计的 3D 点云成像系统能够有效获取前方物体的 3D 点云信息,且具有比激光雷达成 本低、易实现、信息丰富等优势;改进后的欧式聚类算法能有效改善传统算法对阈值较为敏感导致的物 体易出现欠分割或过分割的问题, 提高了目标检测的准确率, 在室内场景下具有良好的检测效果。

    • 基于ConvGRU和注意力特征融合的人体动作识别

      2023, 34(12):1298-1306.

      摘要 (85) HTML (0) PDF 1.38 M (354) 评论 (0) 收藏

      摘要:在动作识别任务中,如何充分学习和利用视频的空间特征和时序特征的相关性,对最终识别结果尤为重要。针对传统动作识别方法忽略时空特征相关性及细小特征,导致识别精度下降的问题,本文提出了一种基于卷积门控循环单元(convolutional GRU, ConvGRU)和注意力特征融合(attentional feature fusion,AFF) 的人体动作识别方法。首先,使用Xception网络获取视频帧的空间特征提取网络,并引入时空激励(spatial-temporal excitation,STE) 模块和通道激励(channel excitation,CE) 模块,获取空间特征的同时加强时序动作的建模能力。此外,将传统的长短时记忆网络(long short term memory, LSTM)网络替换为ConvGRU网络,在提取时序特征的同时,利用卷积进一步挖掘视频帧的空间特征。最后,对输出分类器进行改进,引入基于改进的多尺度通道注意力的特征融合(MCAM-AFF)模块,加强对细小特征的识别能力,提升模型的准确率。实验结果表明:在UCF101数据集和HMDB51数据集上分别达到了95.66%和69.82%的识别准确率。该算法获取了更加完整的时空特征,与当前主流模型相比更具优越性。

    • 基于反应显微成像谱仪测定氮、氧同位素的方法研究

      2023, 34(12):1307-1312.

      摘要 (91) HTML (0) PDF 1.17 M (319) 评论 (0) 收藏

      摘要:同位素在农业、医学、军工武器、能源环境等领域都发挥着重要作用,同位素的测定在其应用过程中尤为重要,本文给出了一种新的基于反应显微成像谱仪的同位素测定手段。氮和氧是构成空气主要成分氮气和氧气的基本元素,同时对于生物体的各项生命活动具有重要意义。由于氮、氧元素在自然界均具有稳定的同位素且存在显著的同位素效应,因此关于它们同位素的测定就非常重要。本文借助第三代反应谱仪即反应显微成像谱仪装置,选取氮气和氧气为靶气体开展电子碰撞实验,成功测定出氮和氧靶气体中的同位素,同时在结果中得到了和自然界中相同的同位素丰度比,验证了利用反应显微成像谱仪测定同位素的可靠性,能区分质量分数仅相差一的同位素也证明当前反应谱仪装置具备超高测量精度。

    • 闪电AR谱的多重分形特性分析及放电类型的识别

      2023, 34(12):1313-1320.

      摘要 (71) HTML (0) PDF 928.67 K (381) 评论 (0) 收藏

      摘要:对闪电时域波形的分形研究由于忽略了其频率特性,致使复杂多变的闪电过程的全部特性无法得到充分表征。针对此问题,本文将多重分形理论引入到现代谱估计中,提出了一种基于AR(auto-regressive)谱的闪电电场信号的多重分形特性分析及放电类型的识别方法。首先基于AR模型谱估计法获得闪电电场信号的功率谱,然后,通过多重分形去趋势波动分析(multifractal detrended fluctuation analysis,MF-DFA) 法验证了闪电AR谱序列具有多重分形特性,并进一步对AR谱序列的Hurst指数以及多重分形谱进行了讨论,最后将相关参数作为闪电信号的有效特征值输入支持向量机进行了云闪(intracloud lightning) 和地闪(cloud-to-ground lightning,CG) 不同放电类型的识别。实验结果表明,本文方法对云、地闪信号的有效识别率达到了94%以上,该研究成果对闪电的特性研究与自动化识别技术均具有一定的参考价值。

    • 部分相干径向偏振拉盖尔-高斯脉冲光束在大气湍流中传输的光谱移动和光谱开关

      2023, 34(12):1321-1330.

      摘要 (110) HTML (0) PDF 1.01 M (363) 评论 (0) 收藏

      摘要:研究了部分相干径向偏振拉盖尔-高斯(partially coherent radially polarized Laguerre-Gaussian, PCRPLG)脉冲光束在大气湍流中传输时的光谱移动和光谱开关。研究发现,在湍流大气传输时,光束轴上点光谱因受湍流影响产生的双谱峰现象会发生跃变,湍流越强,光谱在跃变后相对谱移变化越稳定,而轴外点光谱在越强的湍流中相对谱移变化范围越小。研究还发现,适当增加脉冲宽度会明显减小大气湍流对光束轴上点和轴外点光谱移动的影响。在不同脉宽下,轴上和轴外点光谱均会出现光谱开关,且轴外点光谱会产生两次光谱跃变的独特现象。在固定的传输距离上,拓扑荷越大,轴上点光谱移动越小,近轴范围内光谱相对谱移的变化范围越小,此外,不同拓扑荷下光谱均会出现谱开关。相干度越大时,光谱的变化越稳定,轴外点光谱的光谱开关发生位置越远。本文的研究结果为多普勒激光雷达的应用提供理 论依据,PCRPLG脉冲光束本身具有较强抗湍流能力,且通过调控光束参数可以减小光束光谱移动。

    • 基于亮度温度模型的多光谱真温反演算法研究

      2023, 34(12):1331-1336.

      摘要 (69) HTML (0) PDF 748.20 K (375) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对传统的非接触式真温反演算法存在反演速度慢和精度低等问题,提出新的基于亮度温度模型的约束真温反演算法(constrained true temperature inversion algorithm,CTTIA)。 在建模过程中,发现发射率和亮度温度存在内在联系:由亮度温度到发射率的普适规律和由发射率到亮度温度的普适规律。通过仿真实验发现当发射率的样本数量巨大时,CTTIA不但可以为实验提供理论指导,还可大大提升发射率样本的选取效率。在1 800 ℃和2 000 ℃两个温度点下建立9个波长通道对被测目标进行测量计算。结果表明,CTTIA与二次测量算法 (second measurement method,SMM) 相比,精度基本相同,反演时间最高节约了82%。说明该方法的研究是非常关键且重要的,是很有研究价值的。

    • 基于改进3D UNet的前列腺MR图像分割

      2023, 34(12):1337-1344.

      摘要 (138) HTML (0) PDF 929.85 K (373) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对前列腺磁共振 (magnetic resonance, MR)图像边缘模糊、对比度较低,灰度值分布不均衡而导致分割精度较差的问题,提出了一种结合双路径注意力(dual path attention,DPA) 和多尺度特征聚合(multi-scale feature aggregation,MFA) 模块的改进3D UNet网络模型。首先,对数据集进行重采样和裁剪处理以适应模型输入。然后,在3D UNet网络的编码器各层引入DPA 并添加残差连接,加强特征的 编码能力。同时,在网络解码器中加入MFA模块,以充分利用空间上下文信息,增强语义信息。最后,在公开数据集PROMISE12上进行验证,所提出的模型的Dice系数为89.90%,Hausdorff 距离为9.37 mm。相比较于其他模型,所提出模型的分割结果更优,且参数量和运算量更少。