摘要:在光纤表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)传感器表面修饰功能化膜层能够有效提升传感器灵敏度,但同时会导致传感器的透射光谱畸变,系统信噪比降低。因此本文通过引入变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)滤波算法提升系统的信噪比,引入非对称双S函数法拟合共振波长,改善信号的畸变问题。本文理论上阐述了VMD算法以及非对称双S函数应用于光纤SPR生物传感系统的理论基础。实验上搭建了光纤SPR生物传感系统,并对实验数据采用多种降噪以及拟合算法进行了处理。结果显示,在提升信噪比方面,与经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)算法相比,VMD滤波能够有效提升系统的信噪比(信噪比从53.72 dB提升到61.57 dB)。在解决信号畸变方面,与最小值法、质心法相比,非对称双S函数法拟合度更高。进一步地,使用所提出算法对光纤SPR传感系统监测C反应蛋白的透射光谱数据进行了解调,结果表明,传感器的最低探测浓度相比于EMD算法由1.119 μg/mL下降到0.429 μg/mL。这一研究结果对于提升光纤SPR生物传感系统的商业应用价值具有重要的意义。

摘要:为了提高片上光互连的传输容量,设计了一种基于多相位匹配原理的混合四模(解)复用器。该混合(解)复用器采用锥形非对称定向耦合器 (asymmetric directional coupler,ADC) 与传统的ADC相结合的方式。设计了一种基于三波导耦合结构的偏振分束器(polarization beam splitter,PBS) ,用于组合/分离TM0和TE0模式。ADC锥形化的设计可以加宽工作带宽、降低偏振依赖性、提高制造容差,而传统的非对称定向耦合结构可缩短原本因锥形波导而增加的器件总长度,使得器件总耦合长度仅为22.98 μm。模拟结果显示,两个高阶模式的插入损耗(insertion loss,IL) 均小于0.48 dB,中心波长处的模式串扰(crosstalk,CT) 小于-21.2 dB。

摘要:基于长周期光纤光栅(long-period fiber grating,LPFG)对环境折射率(refractive index,RI) 变化的敏感性,本文提出了一种基于强度检测的LPFG高灵敏度折射率传感方案。理论分析和仿真验证了LPFG谐振峰强度对外界折射率变化的敏感性；同时,仿真了应变对LPFG谐振峰强度的影响,通过对比0和200 με下LPFG谐振峰强度随环境折射率的变化,验证了增加应变可以实现折射率传感灵敏度的提升。经过实验验证,在1.449 8—1.455 8的折射率范围内,LPFG折射率传感初始灵敏度为1 985 dB/RIU；通过增加应变,在1.449 8—1.456 8的折射率变化范围内,LPFG折射率传感灵敏度提升到3 182.9 dB/RIU,可以实现高灵敏度的折射率传感。该传感方案具有结构简单,折射率传感灵敏度高等特点,在生物、化学及环境参数检测等领域具有潜在的应用价值。

摘要:本文提出了一种基于光子晶体AAH(Aubry-André-Harper) 腔的八信道密集波分复用器,结合耦合模理论建立模 型并分析传输性能,采用三维时域有限差分法(finite-difference time-domain,FDTD) 仿真验证。仿真结果显示,该器件在1 558.4 nm、1 557.6 nm、1 556.8 nm、1 556.0 nm、1 555.2 nm、1 554.4 nm、1 553.6 nm和1 552.8 nm工作波长下可实现信道间隔为0.8 nm密集波分复用(dense wavelength division multiplexing,DWDM) 功能,且插入损耗最低可达0.22 dB,信道串扰最低可达-61 dB。谱线宽度均为0.2 nm,八信道器件尺寸仅114.81 μm×10.75 μm×0.22 μm。该器件具备低损耗、低串扰、窄线宽的优点,且结构简单,易拓展信道数,可应用于高速大容量光通信系统。

摘要:在复杂的多机台、多任务并行生产环境中,产能预测面临数据量大、时空特征非线性耦合等挑战。现有方法如卷积神经网络(convolution neural network,CNN) 、门控循环单元(gated recurrent units,GRU) 、长短时记忆网络(long short-term memory netwrok,LSTM) 和卷积神经网络-长短时记忆网络(CNN-LSTM)混合模型多侧重于单一特征的提取,未能充分挖掘时空特征的关联性,导致模型泛化能力弱、预测精度不足。为此,本文提出一种基于注意力的卷积神经网络-长短时记忆网络 (CNN-LSTM-Attention) 混合模型,对某工厂车间2018—2022年的真实生产数据进行实验研究。实验采用平均绝对误差(mean absolute error,MAE) 、均方根误差(root mean square error,RMSE) 、对称平均绝对百分比误差(symmetric mean absolute percentage error,sMAPE) 和精度等评估指标,结果表明,CNN-LSTM-Attention模型在短周期和长周期预测中均达到了0.9以上的精度,显著优于传统方法,验证了其在实际应用中的可行性与有效性。

摘要:针对现有桥梁路面裂缝分割方法对微小变化的裂缝定位不准,分割效果不佳的问题,提出一种基于双分支特征融合增强网络的小样本桥梁路面裂缝分割方法。该方法以支持分支和查询分支的双分支网络建立基线模型,首先利用预训练的Swin Transformer和ResNet- 50网络提取支持分支中桥梁路面裂缝图片的多尺度特征。然后,利用多尺度特征增强注意力促进特征之间的交互,并在交互特征上生成原型集。最后,逐位置计算查询特征与原型集的相似度,并根据最大相似度值逐像素分割出查询图片中的裂缝区域。在自建数据集上进行了大量实验,所提出方法 实现 了72.04%的 mIoU和91.32%的FB-IoU,同时获得了95.23%的Precision、95.08%的Recall和95.02%的F1得分,综合性能优于当前主流的分割模型。

摘要:针对现有肠道息肉分割模型的性能过度依赖逐像素标注的训练样本以及对有限标注的息肉图片利用不充分的问题,提出一种基于交互引导网络的小样本肠道息肉分割新方法。首先,利用支持图片的真实掩码将支持图片的编码特征划分为目标前景和背景,并在前景特征上计算自注意力,增强目标区域特征的鲁棒性。其次,建立支持前景和查询混合特征的交叉注意力,促进查询混合特征的前景和背景分离,降低查询混合特征中无关背景噪声的干扰。最后,以交叉融合特征生成指导查询分支中未知区域掩码预测的原型集。实验结果表明:所提出方法分别在bkai- igh-neopolyp、CVC-ClinicDB和EndoTect_2020_Segmentation_Test_Dataset数据集上实现了85.8%、87.0%和88.6%的mIoU,以及91.2%、93.4%和92.7%的Dice,优于同类对比方法。

摘要:针对YOLOv7算法在复杂背景下对输电线路中绝缘子与均压环进行检测时易出现漏检、误检的问题,提出一种改进YOLOv7的输电线路绝缘子与均压环缺陷检测方法。首先,在主干网络中引入GSConv模块,实现通道间特征信息的交换,提高检测精度并降低参数量；其次,将基于归一化的注意力模块(normalization-based attention,NAM)与C2f(csplayer_2conv)结构相结合,构建NAM-C2f模块,重构Head网络,增强特征融合质量；再次,引入全局注意力机制(global attention mechanism,GAM),提升对缺陷目标的识别能力；最后,采用MPDIoU Loss作为边框回归损失函数,提高模型收敛速度和回归精度。实验结果表明,改进后算法的平均精度均值达到95.13%,相比于原算法提升6.57%,参数量下降了5.59 MB,有效提高了对绝缘子与均压环缺陷目标的检测精度,改善了检测任务中的漏检和误检问题。

摘要:碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)的多相体系结构特点使得其在加工和使用过程中易产生分层、孔隙和脱粘等缺陷/损伤。缺陷/损伤的存在会极大影响材料的使用寿命,传统的检测方法难以实现对CFRP内部不同类型和大小的缺陷/损伤的准确识别,因此可远距离激励及大角度入射的激光超声技术在CFRP缺陷/损伤无损检测中有良好的应用前景。本文基于激光热弹效应,采用有限元方法分析了不同参数脉冲激光作用下CFRP内部的温度、应力和应力位移分布,并对超声波在碳纤维不同方向的传播特性进行了对比研究。在此基础上,在多层CFRP层间设置缺陷,通过对反射回波信号的特征分析实现对CFRP分层缺陷的定位。研究结果表明,当分层缺陷位于一、二层之间时,通过反射纵波可以实现对缺陷长度不小于0.1 mm的分层缺陷的定位检测,不同探测点的检测误差都可以控制在2%以内。当缺陷位于二、三层之间时,利用反射回波也能检测到长度大于0.5 mm的分层缺陷。

摘要:为了消除液位测量过程中环境温度漂移的影响,本文提出了一种渐变热压塑料光纤(plastic optical fiber,POF)和聚乙烯(polyethylene,PE)干涉膜复合结构传感器。基于液位改变引起渐变热压光纤中透射光强的正比变化,采用透射光强解调液位高度；同时通过POF间固化PE薄膜构建F-P干涉仪(Fabry-Pérot interferometer,FPI),用于感测环境温度的影响；最后借助同时解调某一干涉峰的峰位波长和透射光强,实现液位和温度的同步测量,进而消除液位测量过程中环境温度的交叉影响。实验结果证明,在0—65 mm液位范围内,液位感测灵敏度可达0.552%/mm。该传感器具有成本低、易于批量生产、强的鲁棒性,尤其可通过增加串联热压光纤段数目,按需增大液位测量范围等优点,可广泛用于石油储运、化工、智能制造等领域。

摘要:路径纠缠态是利用空间路径进行信息编码的量子资源,它在量子测量、量子通信等领域具有十分重要的应用价值。本文基于周期极化铌酸锂(periodically poled lithium niobate,PPLN)波导提出一种产生双光子高维路径纠缠态的理论方案。利用耦合模式方程,分析了光在波导系统中电场横向分布模式,推导出自发参量下转换过程产生的双光子态函数。通过激发特定的相位匹配条件,调控泵浦光的振幅和相位,从波导系统中产生确定性双光子路径纠缠态。该方案可从两波导系统推广至多波导系统,从而产生高维路径纠缠态。方案无需对波导极化区域长度进行精确控制,具有较强的稳定性和扩展性。该研究对推动高维路径纠缠源的发展起到重要作用,并为集成化量子信息处理提供了新的可能性。

摘要:旋转波片型偏振仪是最常用的测量光束偏振态的仪器。基于旋转波片型偏振仪可以通过傅里叶变换解调将斯托克斯(Stokes)参量的计算问题转化为定积分的求解问题。在该系统中,波片快轴方位角误差是影响旋转波片型偏振仪的主要误差源之一。同时求解定积分所采用的解算算法也会影响Stokes参量最终获取精度。为了探究波片方位角误差和Stokes参量解算算法对获取被测目标Stokes参量的影响,本文首先对旋转波片型偏振仪中的波片方位角误差在复化梯形、复化辛普森(Simpson)、龙贝格数值积分3种解算算法下进行仿真分析,然后在波片方位角误差一定时,对不同偏振态下的目标进行了Stokes参量的误差分析。仿真结果表明,3种算法的全Stokes参量的解算误差都随着波片方位角误差的增大而增大,同时随着采样点的增加,全Stokes参量的解算误差也会越来越小。使用龙贝格数值积分算法的解算误差最小,S0、S1、S2、S3的解算误差分别为0.009 2%、0.018 4%、0.313 3%、0.078 5%(波片方位角误差在[-2°,2°],采样点数n=128时)。不同偏振态对各Stokes分量测量误差影响不一致,经计算各Stokes参量的最大误差均出现在目标反射光Sin=[1 1 0 0]附近。该研究方法和结果可以为基于旋转波片型偏振成像仪的误差分析研究提供一定的研究思路和理论参考。

摘要:主成分分析(principal component analysis,PCA)作为经典的数据分析和降维方法,在图像压缩、特征提取等领域得到广泛应用。然而,PCA对噪声极为敏感,以致降低了其鲁棒性。与鲁棒PCA低秩分解算法不同(后者旨在从图像中移除噪声) ,鲁棒PCA低维表征算法力求在不去噪的情形下提升鲁棒性。本文以目标函数和距离度量方式作为切入点,对当前主要的鲁棒PCA低维表征算法展开分析。首先,基于数据样本的处理形式、目标函数的优化方法 和距离度量准则等,对鲁棒PCA低维表征算法予以基本阐述。其次,按照目标函数的距离度量方式,深入剖析了一阶到高阶PCA的诸多典型算法,揭示了距离度量方式对PCA的特征提取、重构误差等性能的影响。最后,对4个国际标准数据集进行实验分析,在不同噪声条件下验证了典型PCA低维表征算法的鲁棒性。