2023, 34(4):337-343.
摘要:像素探测器一直是高分辨率、高速率粒子跟踪的工作平台。本文以多晶硅/氧化硅(poly-Si/SiOx)钝化接触异质结结构设计了硅像素探测器,为了实现探测器的超快响应,采用Silvaco TCAD对异质结硅像素探测器进行器件仿真,一方面研究了不同衬底厚度对载流子输运和收集的影响,另一方面研究了器件结构设计对异质结像素探测器击穿电压的影响。仿真结果表明:在相同的偏置电压下,较薄的硅衬底可以获得更强的漂移电场,进而提高器件对信号电荷的输运与收集速率,有利于提高探测器的时间响应。较小的保护环-有源区间距有利于提高器件的击穿电压,而在保护环-有源区间距较大的情况下,在有源区边缘设计金属场板结构,也能够有效提高器件的击穿电压,使探测器可以工作在较高电压下,从而提升探测器的响应速率。
2023, 34(4):344-350.
摘要:本文提出了一种基于光谱积分宽度法来测量发光二极管 (light emitting diode,LED)结温的新方法,并进行了理论分析和实验研究。本方法主要分为光谱数据采集、定标函数的测定和结温测量三个过程。首先,为了测量成本的降低和精度的提高而采用在正常工作电流下采集LED光谱数据,并通过采用不同温度下的光谱积分宽度与选定的某一基准状态下的值逐差可得到线性度达0.99以上的定标函数,并通过此定标函数可实时测定任意状态下的结温。其次,为了比较本方法测量结温的精确性,分别对单色和白光LED采用本方法和业界主流的正向电压法,通过自行设计的基于积分宽度法结温测量系统和美国Mentor Graphics公司的T3Ster型仪器的测量结果进行比较,两种方法测出的结温最大偏差为2.1 ℃,在可接受的误差范围内。实验结果表明积分宽度法测结温具有高效便捷且低成本的的特点,具有一定的应用前景。
张蓉 , 邵敏 , 高宏 , 乔学光 , 富志鹏 , 赵力国
2023, 34(4):351-357.
摘要:为了实现对环境温度的精确测量,提出了一种基于七芯光纤(seven-core fiber,SCF) 的迈克尔逊干涉型温度传感器。该传感器由单模光纤(single mode fiber,SMF)和SCF熔锥构成,当光由SMF进入SCF时,由于光纤直径的急剧变小,在光纤细锥区域会激发出SCF中的高阶模,这些高阶模与纤芯基模经SCF端面反射后,再次回到细锥区域时发生干涉,并经由SMF输出。制作了不同长度SCF的传感器样品,并分别进行了温度传感实验研究。温度响应实验结果表明,在20—160 ℃温度范围内,长度为47 mm的传感器的温度灵敏度为0.127 4 nm/℃,拟合线性系数为0.998 3,温度测量分辨率为0.007 8 ℃,稳定性实验测得传感器的测量标准偏差为0.289 6 ℃。该温度传感器结构紧凑、易于制作、成本低廉、灵敏度高且测量范围大,在温度监测领域具有一定的应用潜力。
张琛辉 , 李冲 , 王智勇 , 李巍泽 , 李占杰 , 杨帅
2023, 34(4):358-363.
摘要:本文针对大功率垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)阵列热阻大、出光不均匀的问题,研究p-GaAs层欧姆接触电阻值的作用机理,降低欧姆接触串联电阻的方法,以提高VCSEL阵列出射光功率的均匀性。基于3种常用欧姆接触金属Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al /Ti/Au,研究各层金属厚度和金属组合对与p型欧姆接触电阻的作用规律;结合等离子体表面处理工艺,改变金属/p-GaAs界面态,研究界面态对欧姆接触电阻的影响规律。实验对比分析得到金属Ti/Au结构电极欧姆接触的比接触电阻率最低,为3.25×10-4 Ω·cm2;基于金半接触势垒模型,通过表面等离子体处理,界面势垒可降低12.6%(0.269 2 eV降至0.235 3 eV),等离子体轰击功率可调控金半界面的势垒和态密度。
2023, 34(4):364-370.
摘要:为了实现大跨度桥梁中拉索构件的二维(two-dimensional,2D) 振动信号高精度测量,本文设计并研究了一种小型化的新型2D光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)加速度传感器,以解决现有FBG加速度传感器体积与质量较大的问题。所设计的FBG加速度传感器主要由含有质量块的双轴圆弧铰链、4个固定支架,以及刻有4段阵列FBG的光纤组成。通过建立FBG加速度传感器的动力学普遍方程,得到灵敏度与固有频率的理论数值,另外辅以Abaqus软件对其进行有限元仿真以验证理论推导的结果。实验测试数据表明,FBG加速度传感器的固有频率约为500 Hz,双FBG的布置使其灵敏度可以达到595.2 pm/g,此外对称推挽的圆弧铰链设计还具有优异的横向抗干扰和温度自补偿性能。最后以某中承式钢管混凝土拱桥为实际工程案例,使用所设计的2D FBG加速度传感器实现了吊索索力的有效测量。
2023, 34(4):371-377.
摘要:监控视频运动分割是视频浓缩、行为识别等视频智能处理的基础和前提,是计算机视觉领域的研究热点。现存运动分割方法大多步骤繁琐、计算量大,难以应用于计算能力有限的领域。为此,提出了一种联合二分思想和时空管道的监控视频运动分割方法。该方法首先使用嵌套椭圆时空管道模型计算初始累计时空流量来判断目标轨迹完整性(completeness of target trajectory,CTT);然后结合二分思想动态地调节椭圆采样线,自适应地捕捉采样区域的运动目标;最后提取采样线上的全部像素点形成自适应时空管道进行运动分割。实验结果表明,所提方法在保证精 度的同时计算速度明显优于对比方法,且所提方法鲁棒性强,对运动情况多变的监控场景同样适用。
2023, 34(4):387-396.
摘要:针对图像去雾中由于景深和大气光估计不准确等问题,导致军事监测、目标检测、导航、无人驾驶等系统成像设备获取到的图像质量下降,提出一种结合线性景深估计和自适应雾浓度估计的去雾算法。首先,依照景深与亮度分量和饱和度的关系,利用双滤波优化二者高亮区域,结合线性转换建立线性模型估计景深。然后,提取纹理特征构造雾浓度模型求取自适应散射系数,通过所求景深与自适应散射系数得到透射率。最后,根据对雾图是否含有天空区域的判决,采用两种不同的大气光估计方法。实验结果通过与不同去雾算法定性和定量分析,所提出的方法在保留深度边缘、颜色质量及细节方面具有良好的有效性和鲁棒性,图像恢复质量也相对较佳。
2023, 34(4):405-412.
摘要:针对存在明显光照变化或遮挡物等室外复杂场景下,现有基于深度学习的视觉即时定位与地图构建(visual simultaneous localization and mapping,视觉SLAM)回环检测方法没有很好地利用图像的语义信息、场景细节且实时性差等问题,本文提出了一种YOLO-NKLT视觉SLAM回环检测方法。采用改进损失函数的YOLOv5网络模型获取具有语义信息的图像特征,构建训练集,对网络重训练,使提取的特征更加适用于复杂场景下的回环检测。为了进一步提高闭环检测的实时性,提出了一种基于非支配排序的KLT降维方法。通过在New College数据集和光照等变化更复杂的Nordland数据集上进行实验,结果表明:室外复杂场景下,相较于其他传统和基于深度学习的方法,所提方法具有更高的鲁棒性,可以取得更佳的准确率和实时性表现。
2023, 34(4):413-421.
摘要:随着现代科学技术的进步,图像编辑工具的发展极大地降低了篡改所需成本。图像篡改手段有多种,现有的方法往往存在通用性差的问题。同时,这些方法只关注篡改定位而忽略对篡改手段的分类。本文提出一种基于改进的Mask R-CNN两阶段网络模型用于图像篡改取证。在特征提取部分,结合空域富模型(spatial rich model,SRM) 和受约束卷积对输入图像进行预处理,再输入到ResNet101前4层中,以建立能够有效体现各种篡改痕迹的统一特征表示。一阶段网络通过注意力区域提议网络(attention region proposal network,A-RPN) 检测篡改区域,预测模块实现篡改操作分类和粗略篡改区域定位。继而,一阶段网络得到的定位信息引导二阶段网络学习局部特征以定位出最终的篡改区域。本文所提出的模型能检测3种不同类型的图像篡改操作,包括复制-粘贴、拼接和移除。实验结果表明,本文所提出的方法在NIST16、COVERAGE、Columbia和CASIA数据集的F1值分别达到了0.924、0.761、0.791和0.473,优于传统方法和一些主流深度学习方法。
孙佳星 , 李红莲 , 吕贺帅 , 李小亭 , 吴启东 , 杨小娜
2023, 34(4):422-428.
摘要:为提高激光诱导击穿光谱(laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术定量分析的精度,开展了磁场约束下LIBS技术对土壤中重金属元素检测的研究,并采用多谱线强度归一化内标法进行数据处理。通过比较磁场强度分别为0 T、0.3 T、0.8 T、1.25 T时的光谱特性,得到光谱强度和信噪比(signal-to-noise ratio,SNR) 随磁场强度增大而增大,在1.25 T磁场强度时,样品 元素Cd和Cu的光谱强度和SNR要比无磁场作用分别增强了34.77%、56.33%和40.83%、74.12%,构建了磁场强度为1.25 T时的Cd和Cu元素定量分析模型。结果显示,相对于传统内标法,采用多谱线强度归一化内标法的元素检测限分别从52.78 mg/kg和49.18 mg/kg降低到23.87 mg/kg和18.06 mg/kg;相关系数分别从0.961 3和0.942 7提高到0.996 9和0.999 3。本实验研究改善了LIBS的光谱特性,提高了定量分析的精度,采用多谱线强度归一化内标法降低了重金属的检出限和测量误差。
2023, 34(4):429-433.
摘要:折射率(refractive index,RI ) 是眼镜镜片的重要参数,影响眼镜镜片的厚度和舒适程度。RI的精确测量,能够为屈光不正患者选择合适的镜片提供指导。本文提出了一种利用频域光学相干层析(optical coherence tomography,OCT) 系统测量成型眼镜镜片RI的方法。利用放置镜片前后两次干涉的图样和简单的数据分析计算即可得到待测成型镜片的RI。介绍了使用这种方法的工作原理以及装置,首先对一个K9玻璃材质透镜RI进行测量,结果为1.507(1 310 nm),相对误差不超过2%,以此验证了该方法的合理性、可行性。随后利用此方法对一只成型眼镜镜片进行了测量,得到其RI为1.554(1 310 nm),测量结果的扩展不确定度为0.008 6(k=2)。该方法属于非接触测量,不会对成型镜片造成损坏,操作简便,测量相对误差较低,可基本满足对于成型眼镜镜片RI的测定精度要求。
2023, 34(4):434-440.
摘要:针对自动化激光除漆领域铝合金表面除漆质量无法快速检测这一问题,设计了基于机器视觉的嵌入式铝合金激光除漆检测系统,嵌入式系统采用工业相机实时采集工作画面;基于Wi-Fi(wireless fidelity)无线模块,通过RTP(real-time transport protocol)和UDP(user datagram protocol)协议实现了工作画面的实时传输,通过TCP(transmission control protocol)协议实现了指令与检测数据的可靠传输;利用机器视觉算法实现了除漆不合格区域的准确检测,实际测试表明,嵌入式激光除漆检测系统能够稳定地传输工作画面、指令与检测数据,可快速、高效地识别除漆不合格区域,检测准确率94%以上。
2023, 34(4):441-448.
摘要:超声成像因非侵入式、成本低且实时性好而被广泛应用。超声系统需要大量的采集通道数据和较高的采样率来提高图像重建质量,导致成像耗时,系统复杂。压缩感知(compressed sensing,CS) 算法能够在欠采样的条件下用较少的测量值重构出原始信号。因此,针对系统面临的采样率高,数据量大的问题,本文将CS理论中的DWT-IRLS算法应用在超声成像中,通过离散小波变换基(discrete wavelet transformation,DWT)对超声数据进行稀疏转换,对高低频系数进行采样测量,并使用迭代重加权最小二乘法(iterative reweighted least squares,IRLS)进行测量系数重构,最后对变换域系数进行DWT逆转换得到重建图像。通过实验分析,以50%原始数据重建图像效果逐渐趋于稳定,在均方误差和峰值信噪比方面进行对比分析,DWT-IRLS算法相比较于DWT-OMP、DWT-CoSamp和DCT-IRLS等重构算法,成像质量更高,细节特征更为明显。