• 2025年第34卷第3期文章目次
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    • >光电子器件与系统
    • 新型光子晶体滤波分束器融合设计

      2025(3):225-230. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0524

      摘要 (21) HTML (0) PDF 1.75 M (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于对光分束器与滤波器这两类光子晶体功能器件结构的研究,本文设计了一款全新结构的二维三角晶格光子晶体滤波分束器,能够同时实现功率分束和滤波的功能。利用时域有限差分法分析光波在新结构中的传输特性。结果表明,所提出的结构成功融合了滤波和分束两种特性,在不同波长的入射光情况下能同时实现良好的滤波和分束两种功能。对于波长为1.527 μm和1.550 μm的光波,入射光波基本对称分束输出,透射率分别为66.77%和95.22%。同时,对于这两个波长的入射光波,该结构同时具有较好的滤波性能,对应的滤波效率分别为70.62%和92.76%。此外,该结构对于波长为1.577 μm的入射光波主要起到滤波功能,滤波效率达到了98.11%。

    • 基于F-P腔的高灵敏光纤振动传感器

      2025(3):231-238. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0554

      摘要 (29) HTML (0) PDF 1.40 M (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文基于F-P腔干涉理论与弹性膜片谐振系统,设计了一种新型光纤振动传感系统,从理论上分析了其振动传感原理,利用Solidworks构建了有限元模型,并对传感器进行了模态分析和谐振特性响应分析。采用多峰解调算法实现了对绝对腔长的实时采集,具有分辨率高,动态范围大的优点,能适应腔长变化较大的场合。通过实验研究了其在周期性频率变化下的动态响应特性,实验结果表明:传感器有效频率区间为5—200 Hz,谐振频率为260 Hz,5—20 Hz的低频段有平坦的幅频响应曲线,实验最低检测加速度为0.1 m/s2,传感器在0.1—10 m/s2加速度下稳定工作,轴向灵敏度为8.19 μm/g,加速度分辨率为1.5×10-5 g,可应用于对管道泄漏低频次声波的监测。

    • FBG振动传感器相位生成载波解调算法研究

      2025(3):239-247. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0530

      摘要 (5) HTML (0) PDF 1.77 M (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:为避免相位生成 载波(phase generated carrier,PGC) 解调算法在解算光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)振动传感器信号时,调制深度不稳定导致的FBG中心波长解算存在的较大误差,本文提出了一种相位生成载波解调-反正切-寻峰(PGC-arctangent-peak finding, PGC-Arctan-PF)联合解调的算法。首先,将光路的输出信号分别与载波信号的基频和二倍频率相乘,经过低通滤波器(low-pass filter,LPF) ,得到含有待测振动信息的不同幅值的正交信号;其次,对该正交信号逐一寻峰,分别计算两路信号的幅值均值,将幅值均值与两路信号交叉相乘,使正交信号幅度平齐;最后,进行反正切运算和高通滤波(high-pass filer,HPF)处理 ,准确解算出FBG拉伸的频率和幅度。通过仿真和实验验证了该算法的可行性。该算法可以准确解算100—1 000 Hz的振动信号,FBG波长解算相对误差小于0.81%,可以有效避免调制深度起伏对算法解算精度的影响。

    • >图像与信息处理
    • 利用高光谱图像实现生菜失水率和新鲜度预测

      2025(3):248-257. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0481

      摘要 (9) HTML (0) PDF 1.84 M (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了验证光谱与生菜失水率、叶绿素和新鲜度之间的关系,本文利用可见光近红外(Vis-NIR)(280—1 100 nm)的高光谱成像系统,采集不同存放条件、不同存放时间的生菜光谱数据,同时测量其失水变化量和叶绿素含量。采用标准正态变异( standard normal variate, SNV)、多元散射校正(multicative scatter correction, MSC)、卷积平滑法(Savitzky-Golay, S-G)对原始光谱进行预处理,随后采用一阶差分、二阶差分方法进行光谱分析,在此基础上以竞争自适应重加权采样(Competitive adaptive reweighted sampling, CARS)算法和连续投影算法(successive projection algorithm, SPA)选择特征波长。利用偏最小二乘支持向量机(partial least squares support vector machine, PLS-SVM)和BP神经网络(BP neural network, BPNN)分别建立原始光谱和特征波长的预测模型,实现对生菜新鲜度和失水率的预测。结果表明,BPNN预测效果较好,失水率预测精度达82.5%,新鲜度预测精度高达95%。最后利用主成分分析(principal component analysis, PCA)方法分析不同存放时间的光谱变化,提取主成分图像,可视化蔫萎过程,与室温相比,泡水和冷藏存放条件下的新鲜生菜在蔫萎过程中表现出明显的延迟。此外,由于叶绿素含量在不同时间段内呈现先增加后减小的趋势,故用叶绿素含量无法正确描述生菜新鲜度。可见,高光谱成像技术可实现生菜新鲜度和失水率的有效判定。

    • 基于残差密集块与注意力机制的偏振图像融合算法

      2025(3):258-267. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0552

      摘要 (7) HTML (0) PDF 2.08 M (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对可见光强度图像在一些环境下无法准确表达场景信息的问题,本文提出了一种基于残差密集块与注意力机制的偏振图像融合算法。算法网络包括编码器、融合模块和解码器。在编码器中,构建残差密集块,保留更多的特征信息,增加网络的稳定性;在融合模块中,将通道注意力机制嵌入到强度特征图提取网络,空间注意力机制嵌入到偏振度特征图提取网络,采用Sobel算子提取浅层特征图的梯度信息,增强网络的细节特征提取能力,提升特征图的利用率;在解码器中,将编码器中的特征图跳跃连接到解码器的对应卷积层中,以保留更多特征信息。实验结果表明,该算法得到的融合图像不仅在多个客观评价指标上取得最佳值,而且具有更好的视觉效果,更符合人眼的视觉感受。

    • >测量·检测
    • 一种基于光纤环镜的保偏光纤对轴方法

      2025(3):268-275. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0486

      摘要 (8) HTML (0) PDF 1.82 M (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文提出并实现了一种新颖的基于光纤环镜(fiber loop mirror,FLM) 的保偏光纤(polarization maintaining fiber,PMF) 对轴方法。该方法把两段待熔接的保偏光纤接入3 dB耦合器,将它们的端面对接,构成含两段保偏光纤的环镜。对环镜的透过光谱进行数据处理和分析,计算出对轴角度,从而实现保偏光纤的对轴。本文推导了含有两段保偏光纤的光纤环镜的透过率函数,分析得到了根据透过率光谱反演对轴角度的方法,并进行了数值仿真和实验研究。该方法直接根据偏振轴的夹角来定轴,适用于所有类型的保偏光纤,具有实际应用价值。

    • >模式识别
    • 基于多传感融合的海缆裸露状态识别

      2025(3):276-283. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0538

      摘要 (1) HTML (0) PDF 1.72 M (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对分布式光纤传感信号非平稳、非线性且易受噪声干扰的特点,以及单一传感器对海缆状态识别率偏低的问题,提出一种基于多传感融合的海缆裸露状态识别方法。首先,采用优化变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)处理光纤传感信号,并利用相关系数法筛选本征模态函数(intrinsic mode function,IMF);其次,将多传感筛选出的IMF分量依次排列并编码成灰度图像;最后,设计深度卷积神经网络(deep convolutional neural networks,DCNN)结构,将训练集输入网络进行训练,测试集验证网络的有效性,实现海缆裸露状态识别。利用现场采集的海缆光纤温度数据和振动数据进行验证,测试准确率达到99.90%,结果表明,该方法能够准确识别海缆裸露状态;对原始信号加入高斯噪声后的测试准确率达到99.75%,证明该方法具有良好的泛化能力和抗噪性能。

    • >材料
    • 介电匹配层间隔的金属纳米结构表面等离激元研究

      2025, 34(3):284-291. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0511

      摘要 (362) HTML (0) PDF 1.99 M (1979) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对精准调控金属-介电纳米复合结构的表面等离激元(surface plasmon,SP) 特性的难题,本文设计了一种介电匹配层间隔的复合结构,通过时域有限差分法(finite-difference time-domain method,FDTD) 研究金属纳米颗粒粒径、间距以及介电匹配层的介电常数、厚度与近场局域增强和远场散射特性的数值关系。结果表明,在400—900 nm入射光范围内,随着金纳米颗粒的增大、颗粒间距的缩小,复合结构共振峰发生红移。复合结构的能量高度聚焦在介电匹配层,并且介电常数在3—5之间可以诱导局域表面等离激元(localized surface plasmon,LSP) 和传播SP的耦合,显著提升SP的电场强度,同时介电匹配层的厚度的增加可以实现共振峰的红移。本文的结果验证了通过金属纳米颗粒和介电匹配层的结构综合调控SP特性方法的可靠性。

    • >激光应用
    • 激光抛光316L不锈钢表面熔池演变的数值模拟与分析

      2025(3):292-302. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0446

      摘要 (1) HTML (0) PDF 2.56 M (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:激光抛光是一种新型的表面处理技术,可有效改善金属材料的表面粗糙度。为了研究激光抛光对316L不锈钢表面形貌的影响,本文建立了二维轴对称瞬态激光抛光数值模型,采用移动高斯脉冲激光为热源,构建与实际材料表面轮廓一致性较高的模型曲面,模拟了抛光模型表面的温度分布、速度大小以及熔池演变过程。结果表明,在熔池表面曲率较大时,毛细力主导熔融材料从波峰向波谷流动;当熔池表面较平滑时,热毛细力主导熔融材料向熔池两侧边缘流动。熔池深度及持续时间对抛光效果有较大影响,熔池深度小且持续时间短时与熔池深度大且持续时间长时表面粗糙度结果均较差,分析得出一组抛光结果较好的激光参数并进行实验,发现抛光后材料表面粗糙度降低了69.5%,验证了数值模拟模型有较高的准确性。

    • >光电子信息技术
    • 基于BPS算法的一种100 Gb /s /λ零差相干DP-16QAM PON系统

      2025(3):303-309. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0483

      摘要 (0) HTML (0) PDF 1.58 M (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着接入网带宽需求的增加,100 Gb/s/λ的相干无源光网络(passive optical network, PON) 成为未来PON的关键。本文提出一种基于盲相位搜索(blind phase search, BPS)算法的100 Gb/s/λ零差相干DP-16QAM(dual polarization-16 quadrature amplitude modulation)PON系统。该系统在光线路终端(optical line terminal, OLT)一侧采用经过脉冲整形的偏振复用(polarization division multiplexing, PDM)16QAM信号,以降低符号速率。在光网络单元(optical network unit, ONU)一侧,采用零差相干检测技术接收信号,并在数字信号处理(digital signal processing, DSP)过程中使用BPS算法对系统相位噪声进行处理。仿真结果显示,该系统在经过20 km标准单模光纤(standard single-mode fiber, SSMF)传输后,可以实现32.2 dB的功率预算。同时,通过使用具有较大线宽容忍度的BPS算法,当误码率(bit error rate,BER)为10-4时,经过20 km光纤传输后,10 MHz的激光器线宽仅比0.1 MHz多0.6 dB的灵敏度损失,使得相干PON系统可以在OLT一侧使用大线宽激光器来降低系统成本。

    • 基于级联光纤光栅的DCF后补偿优化方案研究

      2025(3):310-316. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0534

      摘要 (0) HTML (0) PDF 1.43 M (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了减小光信号在光纤中的色散,提高系统的输出性能,本文提出了一种级联光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)结构。首先分析了色散补偿光纤(dispersion compensating fiber,DCF)的3种补偿方案(前补偿、后补偿、对称补偿),得出使系统性能最佳的是后补偿,接着分析了后补偿在不同色散补偿方式下对系统的影响。然后针对后补偿方案,在其发射机后级联光纤光栅,以获得光信号的窄线宽和最小化反射率旁瓣,减少传播延迟提高系统性能。在有无级联光纤光栅两种情况下,分析了输入功率和传输距离对系统的影响。结果表明,DCF后补偿方案级联光纤光栅之后,传输距离240 km,最佳输入功率为21 dBm时,Q值从37.152 75提高到了60.552 1,系统的性能提高了63%,证实了在系统中级联光纤光栅可以提高系统的整体输出性能。可见该结构为未来大容量、长距离的光纤传输提供了坚实的基础,具备良好的发展前景。

    • Tb/s量级单载波相干光纤通信系统偏振模色散影响分析

      2025(3):317-323. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0519

      摘要 (2) HTML (0) PDF 1.02 M (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:在超高速相干光纤通信系统中,单载波信号速率的提升通常被认为是波分复用(wavelength division multiplexing,WDM),乃至整个通信系统速率提升的基础。而在单载波速率提升的过程当中,偏振模色散(polarization mode dispersion,PMD)被认为是制约光纤通信系统速率提升的最重要因素之一。进行相应的PMD仿真运算,一方面有望提供PMD角度的解决方案来突破速率;另一方面可为后续Tb/s速率实验和商业应用打下良好的基础。本文由此从误差矢量幅度(error vector magnitude,EVM)和误码率(symbol error ratio,SER)的角度定量分析了单载波速率Tb/s量级时,一阶、二阶及更高阶、全阶PMD对相干光纤通信系统的影响。其次,分别进行了恒模算法(constant modulus algorithm,CMA)对一阶、二阶及更高阶、全阶PMD补偿的分析。最后,计算了三种情况的PMD中,CMA算法的最优抽头数值。结果表明,只含一阶、二阶及更高阶PMD时系统的光信噪比(optical signal-to-noise ratio,OSNR)容限值可分别改善6.7 dB和6 dB。单载波速率为1.2 Tb/s时,CMA算法对二阶及更高阶PMD的补偿效果要优于一阶PMD,且最优抽头数在三种情况下各不相同。

    • >生物医学光子学
    • 一种结合STB和FSASC的视网膜图像血管分割新方法

      2025(3):324-336. DOI: 10.16136/j.joel.2025.03.0521

      摘要 (2) HTML (0) PDF 2.38 M (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:视网膜血管分割是医学图像分析中一个重要而困难的任务,常规方法难以有效检测细小密集的血管结构。为了解决这一问题,本文提出了一种结合swin transformer block(STB)与全尺度注意力跳跃连接(full-scale attention skip connection, FSASC)机制,实现视网膜血管高精细、高准确分割的新方法。该方法通过构建U型编码器-解码器网络,实现了从局部到全局的自注意力,使模型可以更多关注关键的血管特征;采用FSASC结构对不同特征进行融合,为模型学习图像多尺度语义与空间信息提供了一种简单而强大的机制。利用公开数据集DRIVE和STARE对本文方法进行了实验,实验结果表明,本文方法可实现对视网膜血管结构的高质量、高精准分割,与Unet等其他方法相比,本文方法在细节特征分割和分割准确率上均有更好的性能表现。