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最新刊期
2022 年 第 10 期
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LED光疗仪在皮肤中的穿透评估
摘要：基于LED光源的低强度光治疗（LLLT）是一项快速发展的非侵入式光治疗技术。相比于激光，LED光疗能轻易产生较大面积的治疗光斑，并且获得与激光几乎一致的治疗效果。在LED光疗仪设计及光疗方案制定时，考虑到边缘光线与皮肤间角度过大会影响光的穿透效果，因此需要一个皮肤模型分析大面积光斑时的光穿透情况。首先，本论文根据皮肤组织的光学特性建立了一个通用的皮肤模型样本。然后，利用蒙特卡洛模拟方法对LED光源发出的光进行追迹，并分析了不同波长、不同发散角的光，在该样本中的光分布和能量吸收情况。最后，根据人体肩部、前臂背侧、臀部三个部位皮肤的参数，与样本模型进行对照，验证模型的可靠性。模拟的最终结果给出了大尺寸LED光斑在皮肤中的传输情况，并且在不同部位皮肤的模拟实验中，均得到需要将光斑发散半角控制在30°以内的结论，为LED光治疗领域提供了重要参考。关键词：LED光疗;低强度光治疗;皮肤模型;蒙特卡洛模拟;光发散角;光穿透- 227
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发布时间：2022-06-21 -
腔增强气体拉曼光谱仪在气测录井中的应用
摘要：目前气测录井主要采用气相色谱分析，气相色谱需要氢气助燃，氢气和持续的火焰有一定危险性需要远离井口，从而导致气体探测时间延迟，拉曼光谱有望解决这一问题。针对气测录井现场高灵敏度、快速多组分气体检测的需求，研发了一套基于腔增强的气体拉曼光谱检测系统，该系统灵敏度高、体积小、安全方便、可实现烷烃、氢气和二氧化碳等多种气体同时探测。本文首先描述了系统的设计与参数，然后在实验室测试了该系统对于烷烃气体和非烃气体进行分析的工作性能，实验结果表明该气体拉曼光谱检测系统对甲烷、氢气和二氧化碳的探测线性度良好，检测限分别为30 ppm、201 ppm和495 ppm。之后将该系统于山东东营胜利油田进行了现场试验，并与气测录井的气相色谱仪分析结果进行对比，实验结果表明，拉曼光谱系统与气相色谱仪分析结果吻合度较高，相比气相色谱具有更高的时间分辨率，同时能够探测到气相色谱所不能探测的氢气等气体浓度变化趋势，满足气测录井现场高灵敏度、快速及多组分检测的需求。关键词：拉曼光谱;腔增强;气测录井- 258
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发布时间：2022-06-21 -
电力传输线异常放电紫外光检测定位仿真与模拟验证
摘要：输电线路异常放电检测对电网安全运行有重要意义。为了实现对输电线、绝缘子等电力设备异常放电的探测与定位，首先，基于遍历微元法建立了电晕放电紫外探测模型，研究了紫外光在大气信道的传输特性，给出不同电晕放电朝向条件下路径损耗与检测设备位置之间的关系。其次，考虑检测装置与放电点之间的相对位置关系，基于检测装置运动速度和接收紫外光功率极大值时的转向角度给出电晕放电点定位方法；基于检测距离和接收紫外光功率给出反演模拟放电功率的方法，进而判定模拟放电是否异常。最后，搭建实验平台，在户外对算法进行了实验验证。实验结果表明，在巡检距离分别为15 m、20 m、25 m和30 m时，该算法对放电点的定位误差小于8%，反演的模拟放电功率误差小于10%，证明了该算法的有效性。关键词：异常放电;紫外探测;遍历微元法;定位- 118
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发布时间：2022-06-21 -
基于三角位移法姿态矫正的激光线扫描海底地形三维测绘
摘要：作为一种三维成像技术，激光线扫描技术在海底目标探测和地形地貌测绘中获得了广泛应用。本文搭建了一套水下激光线扫描实验装置，对经过标定的激光线扫描装置获得的图像进行激光光条提取、特征提取匹配等图像处理后进行三维重建。在光条提取算法方面，针对水下散射粒子等干扰，结合单通道阈值法和灰度重心法提高了光条提取的精度，较其他光条中心提取算法有更强的鲁棒性；在特征提取匹配方面，提出了一种基于图像的三角位移估计法用于系统定位和位姿矫正，该方法利用线结构光三角测量原理估计场景深度，结合特征点匹配计算系统位移，然后融合点云数据完成姿态矫正。利用自研的线扫描系统在实验室进行了标准球精度测试，在800 mm~2 500 mm的工作距离内误差可以控制在1 mm以下。2019年和2020年该设备搭载遥控无人潜水器进行了深海海底地形三维成像试验，在海底沙坡区域对本文提出的三角位移法姿态校正方法成功进行了验证，并进一步对不同条件的海底地形进行测试，结果表明校正后的激光线扫描成像装置能够快速准确地成像，具有较高的形貌还原度。关键词：三维成像;激光线扫描;姿态矫正;海底地形扫描- 216
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发布时间：2022-06-21
现代应用光学
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电子束直写大深宽比Si3N4薄膜支撑的光栅X射线准直器
摘要：为了开发新的X射线准直器，利用电子束光刻（EBL）技术，结合电镀和湿法化学刻蚀工艺，在悬空的Si3N4隔膜上制作了大面积、高深宽比、微米周期的Au光栅。调整场拼接区域的曝光剂量解决了大面积的EBL光刻问题；用加强筋结构克服了制作高深宽比、高密度光刻胶模板时线条倒塌问题；通过在Si3N4隔膜下面保留很薄一层Si（25 nm 厚）和改善显影工艺，克服了厚光刻胶在300 nm 厚的Si3N4隔膜上显影时，光刻胶的断裂问题。实验结果显示，所制备的2 μm周期、深宽比为5.5，面积为400 μm×1 000 μm 的Au光栅可以对光子能量为8 keV的X射线进行调制。所制备的Au光栅狭缝可以用作线平行X射线断层成像系统的探测器准直器件，或面平行X射线断层成像系统的光源准直器件，提高系统的成像速度。关键词：X射线准直器;Au光栅;电子束光刻;大深宽比;金电镀- 222
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发布时间：2022-06-21
微纳技术与精密机械
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融合NFFD与图卷积的单视图三维物体重建
摘要：为了解决复杂拓扑结构及非规则表面细节缺失等导致的单视图三维物体重建结果不准确问题，本文提出了一种融合非均匀有理B样条自由形变（NFFD）与图卷积神经网络的三维物体重建方法。首先，通过引入连接权重策略的控制点生成网络对2D视图进行特征学习，获得其控制点拓扑结构。然后，利用NURBS基函数对控制点坐标自适应特性建立点云模型轮廓间顶点的形变关系。最后，为增强细节信息，将混合注意力模块嵌入图卷积网络对形变后的点云位置进行调整，从而实现复杂拓扑结构和非规则表面的高效重建。在ShapeNet数据集的实验表明，CD指标平均值为3.79，EMD指标平均值为3.94，并在Pix3D真实场景数据集上取得较好重建效果。与已有的单视图点云三维重建方法比较，本文方法有效地提高了重建精度，具有较强的鲁棒性。关键词：NURBS自由形变;三维重建;图卷积网络;混合注意力;控制点生成网络- 148
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发布时间：2022-06-21 -
残差混合注意力结合多分辨率约束的图像配准
摘要：医学图像配准在图谱创建和时间序列图像对比等临床应用中具有重要意义。目前，使用深度学习的配准方法与传统方法相比更好地满足了临床实时性的需求，但配准精确度仍有待提升。基于此，本文提出了一种结合残差混合注意力与多分辨率约束的配准模型MAMReg-Net，实现了脑部核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging， MRI）的单模态非刚性图像配准。该模型通过添加残差混合注意力模块，可以同时获取大量局部和非局部信息，在网络训练过程中提取到了更有效的大脑内部结构特征。其次，使用多分辨率损失函数来进行网络优化，实现更高效和更稳健的训练。在脑部T1 MR图像的12个解剖结构中，平均Dice分数达到0.817，平均ASD数值达到0.789，平均配准时间仅为0.34 s。实验结果表明，MAMReg-Net配准模型能够更好地学习脑部结构特征从而有效地提升配准精确度，并且满足临床实时性的需求。关键词：医学图像处理;单模态配准;深度学习;注意力机制;多分辨率约束- 163
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发布时间：2022-06-21 -
基于多尺度密集特征融合的单图像翻译
摘要：为了解决现有的单图像翻译模型生成的图像质量低、细节特征差的问题，本文提出了基于多尺度密集特征融合的单图像翻译模型。该模型首先借用多尺度金字塔结构思想，对原图像和目标图像进行下采样，得到不同尺寸的输入图像。然后在生成器中将不同尺寸的图像输入到密集特征模块进行风格特征提取，将提取到的风格特征从原图像迁移到目标图像中，通过与判别器不断的博弈对抗，生成所需要的翻译图像；最后，本文通过渐进式增长生成器训练的方式，在训练的每个阶段中不断增加密集特征模块，实现生成图像从全局风格到局部风格的迁移，生成所需要的翻译图像。本文在各种无监督图像到图像翻译任务上进行了广泛的实验，实验结果表明，与现有的方法相比，本文的方法训练时长缩短了75%，并且生成图像的SIFID值平均降低了22.18%。本文的模型可以更好地捕获源域和目标域之间分布的差异，提高图像翻译的质量。关键词：单图像翻译;图像风格迁移;生成对抗网络;密集特征融合;多尺度结构- 163
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发布时间：2022-06-21 -
多元信息聚合的人群密度估计与计数
摘要：人群密度估计与计数是指对拥挤场景中人群分布及数量进行统计，对安全系统、交通控制等具有重要意义。针对高密度图像在人群密度估计中特征提取困难、空间语义信息获取较难、特征融合不充分等问题，本文提出一种多元信息聚合人群密度估计方法（Multivariate information aggregation，MIA）。首先，设计多元信息提取网络，采用VGG-19作为骨架网络提高特征提取深度，利用多层语义监督策略编码低层特征方式提高低层特征的语义表达，通过空间信息嵌入丰富高层特征空间信息表征；其次，设计多尺度上下文信息聚合网络，通过两个带有步长卷积的轻量级空洞空间金字塔池化（Simplify-atrous spatial pyramid pooling，S-ASPP）结构在进行全局多尺度上下文信息聚合的同时缓解模型参数冗余；最后，网络末端采用步长卷积，在不影响精度的前提下加快网络运行速度。采用ShanghaiTech、UCF-QNRF、NWPU数据集进行对比实验，实验结果表明：在典型数据集ShanghaiTech的Part_A部分上的MAE、MSE分别为59.4、96.2，Part_B部分分别为7.7、11.9；超高密度多视角场景数据集UCF-QNRF的MAE为89.3，MSE为164.5；NWPU数据集的MAE为87.9，MSE为417.2。本文方法较对比方法性能有一定提升，且实际场景应用结果验证了本文方法效果较好。关键词：人群密度估计;语义监督;空间信息嵌入;信息聚合;步长卷积- 122
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发布时间：2022-06-21 -
等效时间采样压缩感知高频信号重建
摘要：为在欠采样率条件下实现高频信号的测量与恢复，本文使用自研国产皮秒级等效时间采样光取样示波器对频率10~100 GHz的简谐波信号进行采集和恢复。该示波器中，分别采用粗、细两级延迟进位产生延迟分辨率5 ps、动态范围10 μs的触发序列，驱动高带宽取样器对信号进行取样，取样信号通过50 kHz 模数转换器输出得到测量值，即每间隔20 μs增加5 ps延迟的方式对高频信号进行一次取样，压缩比约为106，实际采样率远低于奈奎斯特定理限制。根据压缩感知原理，通过傅里叶变换及等效时间采样构成测量矩阵，构成该信号测量过程的稀疏化表示，并求解L1范数最小化问题，恢复得到被测信号波形。结果表明，最高可实现100 GHz的高频信号均方根误差小于5×10-5的欠采样恢复，拓展了该类型示波器测量的动态范围。关键词：光取样示波器;压缩感知;信号重建- 137
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发布时间：2022-06-21 -
适应性双通道先验的图像去雾方法
摘要：图像是现代化战争的重要信息来源，雾天环境下图像质量下降，严重妨碍光电侦察识别能力。为提高雾气环境下图像有效利用性，开展了适应性双通道先验的图像去雾方法研究。首先，以暗通道先验理论与亮通道先验理论为基础，将有雾图像从 RGB 空间转换到 HSV 颜色空间，使用饱和度和亮度分量的阈值来检测有雾图像中分别不满足暗通道先验和亮通道先验的白色或亮色像素点和黑色或暗色像素点；然后，选用超像素作为暗通道和亮通道计算的局部区域，估计局部透射率和大气光值；最后，由于亮暗双通道方法对白色和黑色像素点的透射率和大气光值进行错误估计，采用本文提出的适应性双通道先验方法进行矫正，通过导引滤波器对透射率图和大气光图进行滤波，代入到大气散射模型中，求得清晰的去雾图像。实验结果表明，去雾后的图像恢复了真实颜色、视觉效果自然、清晰，准确高效地实现图像的去雾处理；在FRIDA数据集上进行去雾处理，采用本文方法的去雾图像与真值的均方误差优于现有方法，相较于双通道先验去雾方法的均方差值降低了15%。关键词：图像去雾;双通道先验;超像素- 172
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发布时间：2022-06-21
信息科学
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