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最新刊期
2022 年 第 3 期
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激光扫描共聚焦光谱系统设计
摘要：为提高激光扫描共聚焦显微镜光谱模块的分光性能，设计了双Amici棱镜光谱结构。根据棱镜色散特性，计算得到Amici棱镜和双Amici棱镜的线性与非线性数学模型，给出直视型棱镜结构参数。比较相同色散条件下Amici和双Amici棱镜结构，得到双Amici棱镜组能提供更好的色散线性度。在光谱波段400~700 nm，中心波长偏向角为- 431
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发布时间：2022-02-17 -
波导式偏振调制测距系统
摘要：为消除体相位调制器工作过程中热效应对偏振调制测距精度的影响，提出了利用波导式相位调制器替代体相位调制器的全光纤波导式偏振调制测距方法。对波导式偏振调制测距系统进行原理分析，利用琼斯矩阵得出传输过程中测量光偏振态的变化规律，建立调制信号频率、偏振光强度与被测距离的函数关系。然后，进行了直波导相位调制器特性测试，验证其半波电压随调制频率在3.5~7 V之间变化，正反电光响应一致性为-2%~3%。最后，构建波导式偏振调制测距系统装置并进行实验验证，重复性测试实验中测量平均误差为0.44 mm，测量重复性为0.54 mm，变距离实验中测量平均误差为0.39 mm。波导式偏振调制测距系统能够实现距离的有效测量，具有不产生热效应，结构简单等优点，在激光测距方面具有应用价值。关键词：激光测距;波导相位调制器;偏振调制;保偏光纤- 134
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发布时间：2022-02-17 -
青藏高原卫星紫外后向散射辐射的正演仿真
摘要：为了定量评估像元下垫面反射率等要素对青藏高原卫星臭氧遥感数据精度的影响，设计了青藏高原卫星太阳紫外后向散射辐射的正演仿真计算。首先提取NOAA卫星SBUV/2青藏高原像元下垫面的观测数据，结合提取的臭氧垂直廓线数据，设计青藏高原正演仿真计算的输入参数，最后输入风云三号卫星紫外臭氧垂直探测仪正演仿真计算系统开展正演仿真计算，利用计算结果，考察卫星紫外臭氧垂直探测仪通道辐射观测值随下垫面特征参数的变化特征。结果表明：当太阳天顶角在30°~88°内变化时，仪器各个通道的辐亮度观测值都随太阳天顶角增大而减小，变率在-0.002%~-46.24%，变率随着波长的增大而增大，其中第12通道的最大达到-46.24%；当像元下垫面反射率在0~0.8内变化时，仪器通道辐亮度观测值的变化特征随波长不同而有显著差异，其中短波长的第1~6通道，对观测值的影响几乎可以忽略不计，而长波长的第7~12通道，观测值随着下垫面反射率的增大而增大，而且这种变率随着波长的增大而快速增加，第12通道的最大变率达到2 903.2%；像元下垫面有效气压的改变，对仪器通道辐亮度观测值的影响可以忽略不计。关键词：卫星遥感;青藏高原;紫外臭氧垂直探测仪;正演计算;辐射传输- 114
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发布时间：2022-02-17 -
基于光纤布拉格光栅的压力蒸汽灭菌器气体质量监测
摘要：基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）的灭菌全过程物理参数实时动态监测系统，提出基于聚酰亚胺涂覆的FBG（Polyimide-Coated FBG， PI-FBG）对灭菌器气体的质量进行监测，研究其可行性和监测方法。评估PI-FBG的温度稳定性及温度灵敏度，通过考查合格灭菌器排气期和干燥期传感器的响应，得出动态温度及压力条件下传感器对水分子密度的响应，提出由PI-FBG和毛细不锈钢铠装FBG温度传感器配合判断灭菌期水蒸汽是否合格的方法。在灭菌器工作温度范围内，传感器具有良好的温度稳定性，温度灵敏度为- 199
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发布时间：2022-02-17 -
基于SSA-ELM的双层十字梁结构光纤布拉格光栅传感器三维力解耦
摘要：针对三维力传感器维间耦合干扰严重的问题，以双层十字梁结构光纤布拉格光栅三维力传感器为研究对象，提出了基于麻雀搜索算法优化极限学习机（Sparrow Search Algorithm–Extreme Learning Machine，SSA-ELM）的解耦算法。首先，研究了光纤布拉格光栅的传感及测力原理，揭示该三维力传感器波长漂移量和力的映射关系，分析其结构耦合特性；然后，构建标定实验系统进行标定实验；最后，建立了极限学习机非线性解耦模型，利用麻雀搜索算法优化模型，获得网络最佳初始权值和阈值，兼顾解耦精度和效率，寻找极限学习机隐含层节点与SSA迭代次数的最优参数组合，解耦后Ⅰ类误差最大为1.18%，Ⅱ类误差最大为1.14%，解耦训练时间为1.778 6 s。为验证解耦效果，将SSA-ELM算法与最小二乘法、极限学习机算法解耦结果对比。实验结果表明：SSA-ELM算法解耦训练速度较快，能更有效地构建三维力的维间耦合关系，降低传感器Ⅰ，Ⅱ类误差，具有较好的非线性解耦能力。关键词：光纤布拉格光栅;三维力传感器;维间解耦;极限学习机;麻雀搜索算法;误差分析- 120
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发布时间：2022-02-17
现代应用光学
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混沌流微混合器的性能优化
摘要：为提高低雷诺数层流条件下被动式微混合器的效率，依据“三维马蹄变换”数学模型，对流体进行“挤压拉伸”“弯曲折叠”“二次折叠”和“逆变换-交集”操作，得到了一款包含6个混合单元，总长度为15 mm的混沌流微混合器。仿真研究表明：在“低流速-扩散主导”阶段u=2×10-4 m/s时，t=300 s后混合器进入稳定混合状态，出口处的混合指数αOutlet=97.82%；在“中流速-湍流发展”阶段u=5×10-3 m/s时，t=70 s后进入稳定混合状态，经3个混合单元后混合指数αInlet4=98.89%；在“高流速-湍流主导”阶段u=8×10-2 m/s时，t=22 s后进入稳定混合状态，经2个混合单元后混合指数αInlet3=99.35%。采用基于面投影微立体光刻的3D打印技术整体制备了混合器芯片，借助显微镜用可视化方法对不同进样流速下的混合器性能进行了验证，示踪剂颜色变化实验结果与表面浓度云图的仿真结果一致。关键词：微流体;混沌混合器;三维马蹄变换;3D打印;一体化制备- 115
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发布时间：2022-02-17 -
实现微米级灭菌范围控制的微细等离子体射流装置
摘要：为了实现微细等离子体的精准灭菌，设计了新型微细等离子体射流装置，并对该装置产生的含氧活性粒子（Reactive Oxygen Species， ROS）和含氮活性粒子（Reactive Nitrogen Species， RNS）分布范围及其灭菌范围进行研究。淀粉碘化钾混合溶液里的碘离子可以被微细等离子体射流产生的ROS，RNS氧化成碘单质，根据淀粉遇碘变蓝的显色原理，使用含有淀粉碘化钾混合溶液的琼脂培养基表征该装置射流中ROS，RNS的分布范围。将菌液涂布在琼脂培养基上，使用微细等离子体射流装置在相同的条件下处理不同的时间，于生化培养箱中37 ℃培养以进行灭菌范围的表征。最后在Ts2FL尼康倒置荧光显微镜下进行观察。实验结果表明，在交流电压幅值为5 kV，中心频率为10 kHz，作用时间为10，20和30 s时，灭菌范围分别控制在30，65和75 μm的直径内。等离子体射流与处理物体表面不直接接触和等离子体与物体表面直接接触两种作用方式相比，前者的灭菌范围更小，更容易实现精准控制。该装置将目前毫米量级的灭菌范围提高到了微米量级，对等离子体医学研究具有重要意义。关键词：微细等离子体;灭菌;淀粉碘化钾混合溶液;微米级- 102
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发布时间：2022-02-17 -
非对称截面螺旋流道中微粒的惯性聚焦效应
摘要：为实现生物微粒/细胞的精确操控，提出了一种非对称截面螺旋流道结构的惯性微流控芯片。基于仿真和实验的方法，对不同尺寸微粒在微流道中的惯性聚焦行为进行了研究。设计了一种“L”形截面的螺旋流道，采用仿真软件COMSOL研究微流道中的二次流场及微粒的运动轨迹。使用UV激光切割与等离子清洗键合的工艺制作芯片样件，采用高速摄像机和荧光显微镜分别拍摄6，10和15 μm粒子在微流道中不同流量时的运动轨迹。最后，对粒子运动图片进行堆叠分析，研究微粒的惯性聚焦迁移机理。结果表明：“L”形截面中产生了两对强度不同的非对称二次流场，使得10 μm和15 μm粒子在微流道外圈实现了强聚焦，而6 μm粒子实现了粗聚焦。该研究表明利用非对称二次流可以调节微粒的聚焦位置，为微粒和细胞的精准操控提供新的思路。关键词：微流控;非对称二次流;惯性聚焦;微粒操控;激光加工- 97
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发布时间：2022-02-17
微纳技术与精密机械
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基于WEMD和生成对抗网络重建的红外与可见光图像融合
摘要：针对红外与可见光图像融合中边缘模糊、对比度较低的问题，提出一种二维窗口经验模式分解（WEMD）和生成对抗网络重建的红外与可见光图像融合算法。将红外和可见光图像进行WEMD分解得到内蕴模式函数分量和残余分量，将内蕴模式函数分量通过主成分分析进行融合，残余分量用加权平均进行融合，重构得到初步融合图像，再将初步融合图像输入生成对抗网络中与可见光图像进行对抗博弈，补全背景信息，得到最终的融合图像。客观评价指标采用平均梯度、边缘强度、熵值、结构相似性和互信息，与其他5种方法相比，本文算法的各项指标分别平均提高了46.13%，39.40%，19.91%，3.72%，33.10%。实验结果表明，该算法较好地保留了源图像的边缘及纹理细节信息，同时突出了红外图像的目标，具有较好的可视性，而且在客观评价指标方面也有明显的优势。关键词：图像融合;红外与可见光图像;窗口经验模式分解;生成对抗网络- 138
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发布时间：2022-02-17 -
融合分层连续梯度特征的高铁隧道漏缆卡扣检测
摘要：基于局部二值模式的深度挖掘算法和多特征融合算法是提取铁路隧道漏缆卡扣特征的有效方法，但它们存在描述子表述性不强且特征维度过高的问题。提出分层连续梯度二值模式，能够实现卡扣轮廓特征的尺度变换并降低描述子的特征维度，提高故障卡扣图像的分类准确率。首先采用改进的中心对称局部二值模式和根据全局灰度均值获得的自适应阈值，计算采样圆域的梯度方向特征，得到完整的初步梯度方向特征图；然后在此特征图上进行两次连续的下采样迭代，并分别提取这两幅下采样特征图的连续梯度特征；最后，将这两层不同尺度的连续梯度特征串联作为描述子，用支持向量机完成漏缆卡扣图像的故障检测任务。实验结果表明，本文所提算法的召回率和精准度分别达到了0.923和0.857，相较于局部二值模式、中心对称局部二值模式、以及该系列的多种变体算法有明显的优势。关键词：故障检测;漏缆卡扣;尺度变换;连续梯度;局部二值模式- 106
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发布时间：2022-02-17 -
多阶段边界参考网络的动作分割
摘要：针对现有动作分割算法中过分割问题导致预测错误、造成分割质量下降的现象，提出一种可调视频动作边界信息作为参考的多阶段参考网络，在基于多阶段时间卷积网络的主干网络中，为每个阶段独立引入视频动作边界信息作为参考。各阶段使用相同的边界信息会使模型固化，为使主干网络能够调整参与各阶段输出计算的边界值，对不同样本区分处理，提出多层并行卷积组成的权重调节单元。多阶段参考网络由于利用可调边界信息作为参考，按照时序平滑处理各阶段输出，能显著减少过分割错误。实验表明，该方法在三个视频动作分割数据集GTEA，50Salads和Breakfast中的性能优于现存同类方法，与BCN（Boundary-Aware Cascade Networks）算法相比，分割编辑分数平均提升1.7%，准确率与召回率的调和分数平均提升1.5%。关键词：视频动作分割;时间卷积网络;视频动作边界;未裁剪视频- 88
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发布时间：2022-02-17 -
强噪声下自适应Canny算子边缘检测
摘要：针对传统Canny算子不能有效滤除图像在解码处理和传输过程产生的椒盐噪声、无法保留边缘细节的问题，提出强噪声下Canny算子图像边缘检测算法。依据椒盐噪声的极值性、灰度差值性，将像元点划分为噪声点、疑似噪声点；根据分类之后的像元点自适应地改变滤波器窗口的大小和权值，在降低噪声影响的同时能较好地保留图像细节。引入8个方向模板的 Sobel算子计算梯度幅值以提高滤波后的边缘定位效果。使用迭代自适应阈值算法与Otsu算法选择最佳阈值，实现阈值自适应设定，提高边缘连接效果。实验结果表明：图像去噪后的结构相似度为0.949，峰值信噪比相较于传统算法提升了10.97 dB。边缘评价指标提高27.2%，F1值提高了34.6%。该算法能有效去除椒盐噪声，具有更好的边缘细节保护能力。关键词：计算机视觉;边缘检测;图像去噪;Canny算法;自适应滤波;自适应阈值- 268
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发布时间：2022-02-17
信息科学
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