摘要:随着集成光路器件研究的发展,多功能光子晶体器件的需求越来越多,目前报道的光子晶体器件大多为单一波段单一功能,为解决光分束器多波段多功能集成化的问题,本文提出了一种基于多波段多功能一体化融合设计方法的二维三角晶格光子晶体类X形双波段四通道分束器,包括输入通道、双频耦和腔和输出通道3个部分,该器件能够在双波段四通道实现分束。通过时域有限差分法 (finite-difference time-domain,FDTD) 分析光波在该结构的传输特性,结果表明该结构在两个不同波段同时实现了分束。第1个波段中,对于波长为1.437 μm的入射光波,通过右侧双通道对称分束输出,总透射率为96.32%。第2个波段中,对于波长为1.642 μm的入射光波,通过左侧双通道对称分束输出,总透射率为82.36%。此外,该结构在两个波段中还能实现良好的滤波特性,滤波效率分别为99.5%和88.2%。

摘要:随着光载无线通信(radio over fiber,ROF)系统的快速发展,光电转换效率已成为衡量其性能的重要因素。本文通过理论分析、仿真研究和系统实验探讨了影响光电转换效率的关键因素。首先,通过理论分析表明,当光斑形状与探测器光敏面匹配时,可实现最佳的光电转换效率；然后,通过ZEMAX仿真发现,在给定光源和传输距离的条件下,当光斑半径是探测器光敏面半径 的1/2时,接收的光功率最大；继续改变激光发散角从3°增大至30°,光功率从3 mW迅速下降至0.56 mW、且光斑图像趋于饱和；此外,激光传输距离的增加也会导致光束束宽和发散程度增大,从而降低探测器的接收光功率。最后,搭建了一套小型ROF实验系统,通过CMOS相机光斑采集以及光功率探测实验验证了仿真结果的正确性。

摘要:针对传统光频梳(optical frequency comb,OFC) 产生系统结构复杂、控制难度大的问题,设计了一种基于单相位调制器的光频梳产生方案。利用两路射频(radio frequency,RF) 信号混频驱动相位调制器,仅通过调整调制指数和射频信号相移,即可获得多梳线、高平坦性光频梳。建立了方案的理论模型,仿真研究了调制指数、射频信号相移和梳线间距对光频梳平坦度的影响,最后进行了实验验证。结果表明理论研究、仿真分析与实验结果三者较为吻合,当两路射频信号的频率分别为f1和2f1、移相器(phase shifter,PS) 相移为45°、调制指数为1.431时,可以获得谱线间距为f1、平坦度为0.8 dB、谱线数为9条的光频梳,其功率效率可达79.91%。

摘要:针对结肠息肉区域误识别、边界定位模糊及复杂样本分割困难的问题,本文提出一种双聚合与代理注意力的结肠息肉分割方法。该方法通过Agent-PVT (agent pyramid vision transformer) 网络提取上下文信息,利用代理注意力在减少计算量的同时保留全局建模能力；提出了一种全局到局部聚合注意力模块(global-to-local aggregation module,GLAM),捕捉特征图的全局和局部纹理特征,同时引入边界聚合模块(boundary aggregation module,BAM),高效聚合边界和语义信息。此外,在损失函数中引入批量核范数最大化(batch nuclear-norm maximization,BNM),增强对复杂样本的判别能力。提出的方法在5个数据集上进行了实验分析,实验结果表明该方法具有良好的息肉分割性能,其中在Kvasir-SEG数据集上,mDice和mIoU分别达到了92.83%和88.16%。

摘要:目前,基于合成数据集训练的有监督增强模型难以精确模拟水下成像的物理机制,难以适应复杂多变的实际场景；无监督模型多依赖循环一致性框架,结构复杂且效率较低。为此,本文提出了一种基于对比学习的无监督快速水下图像增强算法,通过从浑浊域到清晰域的单向风格转换实现高效增强。算法采用沙漏型瓶颈结构、多特征选择(multi-feature selection,MFS) 和亚像素卷积融合(subpixel convolutional fusion,SCF) 构建生成器,在保障特征提取性能的同时降低复杂度并加速推理速度；优化的对比损失正负样本提取方法提升了模型对多变水下数据的适应性。实验表明,算法的PSNR和UIQM分别提升6.5%和5.3%,推理时间缩短至0.04 s,GPU内存占用减少至少65%,在性能与复杂度间实现了良好平衡。

摘要:针对敦煌壁画修复过程中存在空间特征冗余和特征交互不充分的问题,提出一种融合多尺度特征与空间重构的敦煌壁画修复模型。该方法首先利用空间重构单元(spatial reconstruction unit,SRU),通过特征分离与重构操作来优化特征学习能力。其次,设计了一种结合多尺度融合与门控残差连接的聚合多尺度上下文模块(aggregated multi-scale context module,AMC),用于更新缺失区域特征。最后,在结构纹理特征融合网络中引入3D排列的全局注意力机制(global attention mechanism,GAM),从而强化纹理和结构特征之间的交互。在敦煌壁画数据集上的实验结果表明,所提方法能够有效修复破损的敦煌壁画,修复后的壁画具有较好的结构及细节信息,且在大面积破损修复及复杂纹理修复方面表现出较强的性能。

摘要:基于波动光学模型分析了像差存在时光谱共焦系统的光谱响应,并提出了像差校正方法。首先,介绍了系统的工作原理和色散物镜的色散模型,并建立了基于波动光学模型的光谱响应模型,研究并分析了像差对轴向光谱响应的影响；仿真结果表明,球差、彗差及像散会引起峰值高度降低；球差和像散会引起峰值波长发生偏移；而像散会使信号产生次峰现象,且导致边缘信号产生畸变。其次,基于计算像差理论,提出了对像差影响的峰值误差校正方法。最后,利用光谱响应信号的半高全宽(full width at half maximum,FWHM) 验证了像差校正方法的有效性。结果表明,校正后的光谱响应峰值位置更加准确,信号更集中,分辨率提高。本文的研究内容对提高光谱共焦系统的测量精度和分辨率有一定的指导意义。

摘要:由于多频外差法的双目结构光三维测量系统的参数模型具有复杂的非线性特征,传统方法很难实现其测量不确定度的准确评定。针对此问题提出了双目结构光三维测量系统的蒙特卡洛评定方法 (Monte Carlo method,MCM)。首先,根据各坐标系转换关系和多频外差法原理建立三维测量模型,分析主要误差源对测量结果的影响；其次,建立各不确定度分量的概率密度函数,获得各参数的分布规律；最后,建立测量系统各参数与被测件表面参数之间的MCM模型,通过大规模随机数值模拟,实现测量结果不确定度评定。为了验证本文方法的有效性,用标准球和标准量块进行实验。测量数据表明,通过MCM得到的结果均能包含标准量具的标称值范围,评价结果准确。

摘要:精密刀具表面凸起齿的正刀口在使用过程中容易产生磨损和磕碰缺陷,该缺陷存在尺度小、纹理多样等特点,传统机器学习模型难以实现高精度检测。为此本文提出一种基于改进YOLO-v8 (you only look once version 8)的刀具缺陷检测方法(CutterNet)。首先,提出CSPMSAM (cross-stage partial multi-scale attention module),用于提取刀具局部缺陷特征,增强模型对不同尺度缺陷的检测能力；其次,引入AFPN (asymptotic feature pyramid network) ,加强不同尺度特征间融合,缩小它们之间的信息差距；最后,使用Inner-CIoU替换YOLO-v8中完全交并比 (complete intersection over union,CIoU)损失函数,增强边界框的回归结果。实验结果表明,改进后的算法在检测准确率方面提升了3.1%,模型参数量下降30.12%,推理速度由58 FPS提升到60 FPS,优于其他大多数主流目标检测模型,该算法已经应用到刀具缺陷实时检测系统。

摘要:为了解决方形平顶脉冲激光去除钢材表面环氧树脂底漆的问题,使用有限元软件建立激光去除钢材表面漆层的数值模型。根据热传导方程和热烧蚀建模理论,对比高斯光束除漆和方形平顶激光除漆效果,探究光斑长度和光斑搭接率对方形平顶激光除漆的影响。研究结果表明:方形平顶光束比高斯光束能量利用率高,切口干净,适用于大范围去除漆层。激光功率为60 W、重复频率为100 kHz时,烧蚀深度最大值随光斑搭接率增大而增加,热影响区宽度随光斑搭接率增加而减小；烧蚀深度最大值和热影响区宽度随光斑长度增加而减小。在光斑搭接率为30%,光斑长度为100 μm参数下,环氧树脂底漆可以很好被去除且表面粗糙度较小。该研究结果可为方形平顶激光加工材料过程提供参考。

摘要:量子计算在解决某些问题上具有经典计算机无法比拟的优势,但量子系统本身的脆弱性使得量子计算的实现困难重重。基于稳定的经典光系统对量子计算进行模拟,可以有效避免量子系统面临的困难,具有重要的研究价值。根据已有的经典光模拟理论,本文基于光场的路径与偏振自由度构建了控制非(control-not, CNOT)门,并利用CNOT门的组合实现了对交换 (SWAP)门的模拟；设计了Hadamard门与受控S门的实现光路,结合SWAP门实现了两比特的量子傅里叶变换(quantum Fourier transform,QFT) 算法。与基于量子系统的方案相比,本文的方案装置简单、操作方便,大幅降低了实验实现的难度与成本,为量子计算提供了有趣的可能和途径。

摘要:针对无源光网络(passive optical networks,PONs)中高速传输和平滑升级问题,本文提出了一种基于多阶差分相移键控(differential phase shift keying,DPSK) 的PONs向未来高速PONs平滑升级的方法。新PON信号应用多阶DPSK ,从多阶DPSK调制的新PON信号到共存的幅移键控(amplitude shift keying,ASK) 调制的旧PON信号的串扰几乎被消除。利用多阶调制,新PON信号可通过目前商用带宽有限的收发器以高比特率传输。新PON信号应用波分复用(wavelength division multiplexing,WDM) 技术倍增了下行带宽,由于利用多阶DPSK调制的下行信号对ASK重调制的上行信号产生较小的串扰,所以可以通过上行重调制实现透明光网络单元(optical network unit,ONU) 。通过仿真验证了基于6阶DPSK和基于8阶DPSK的方案,所有信号实现了无差错操作。新的PON下行信号对共存的旧PON下行信号和重调制后的上行信号产生的串扰很小,在现有的12.5 G级收发器中,新PON信号的比特率超过了每波长30 Gb/s。