福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建 福州 350007
近几年新型冠状病毒COVID-19的迅速传播，引起了全球对传染病防控和快速病毒检测技术的高度关注。表面增强拉曼光谱（SERS）作为一种光学分析技术，凭借其独特的分子指纹特性和高检测灵敏度的特点，成为生物医学检测领域的有力工具，对可能大规模暴发的流行性病毒灵敏迅速的检测以及监控提供新颖、高效的光学解决方案。本文对从2021年以来开展的DNA、RNA病毒，尤其是威胁人类生命健康的流行性病毒检测工作当中使用的标记、非标记SERS技术进行梳理，从SERS基底结构建构及功能化修饰，分子探针的设计，高速响应、高灵敏度检测模型构建，生物技术、机器学习方法的联合使用等方面，特别是基于便携式、手持式拉曼光谱仪的研究，对SERS技术在病毒检测领域的应用进展进行了总结和展望。
医用光学 表面增强拉曼光谱 病毒检测 生物传感器 纳米光子学 纳米医学
Author Affiliations
Abstract
1 Tianjin University, Center for Terahertz Waves and College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, and Key Laboratory of Optoelectronics Information and Technology, Tianjin, China
2 China University of Mining and Technology, School of Materials Science and Physics, Xuzhou, China
3 Guilin University of Electronic Technology, Guangxi Key Laboratory of Optoelectronic Information Processing, School of Optoelectronic Engineering, Guilin, China
4 Oklahoma State University, School of Electrical and Computer Engineering, Stillwater, Oklahoma, United States
Valley topological photonic crystals (TPCs), which are robust against local disorders and structural defects, have attracted great research interest, from theoretical verification to technical applications. However, previous works mostly focused on the robustness of topologically protected edge states and little attention was paid to the importance of the photonic bandgaps (PBGs), which hinders the implementation of various multifrequency functional topological photonic devices. Here, by systematically studying the relationship between the degree of symmetry breaking and the working bandwidth of the edge states, we present spoof surface plasmon polariton valley TPCs with broadband edge states and engineered PBGs, where the operation frequency is easy to adjust. Furthermore, by connecting valley TPCs operating at different frequencies, a broadband multifunctional frequency-dependent topological photonic device with selectively directional light transmission is fabricated and experimentally demonstrated, achieving the functions of wavelength division multiplexing and add–drop multiplexing. We provide an effective and insightful method for building multi-frequency topological photonic devices.
multi-frequency topological device photonic valley Hall effect valley edge state photonic bandgap Advanced Photonics Nexus
2024, 3(3): 036004
1 鲁东大学信息与电气工程学院，山东 烟台 264025
2 烟台理工学院信息工程学院，山东 烟台 264003
3 山东大学软件学院，山东 济南 250014
图像分割是计算机视觉领域的重要研究方向。模糊聚类方法由于其无监督的特性，在图像分割中得到了广泛的应用。然而，传统的模糊聚类方法在处理含高强度噪声和复杂形状的图像时，往往分割效果不理想。为了解决这一问题，提出了一种基于显著性检测的权重因子，用于构建加权滤波器和像素相关性模型，从而提高算法的抗噪能力。所提加权滤波器在结构相似性上比传统滤波器的最优结果高出0.1。此外，引入核度量以适应复杂图像的分割需求。在合成图像、自然图像、遥感图像和医学图像上进行了大量实验，结果表明，所提算法在视觉效果上优于传统方法，并且在分割精度上比传统方法的最优结果高出2%。
图像分割 模糊聚类 加权滤波 核度量 像素相关性 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0837005
1 中国北方车辆研究所 武器控制系统技术部，北京 100072
2 陆军北京军代局，北京 100071
连续变焦系统是一种能够进行连续视场变换的光电成像装置，可对目标进行连续探测和识别，具有快速、稳定的特点。针对其高精度，高稳定控制需求，提出一种分数阶PID（proportion integration differentiation）控制器设计方法，该方法利用内模控制策略构造含有3个整定参数的分数阶PID控制器，且这3个参数通过给定系统穿越频率和相位裕度获得，大大简化了分数阶PID控制器的设计，同时提高了控制器的可实现性。在Matlab平台同传统整数阶PID进行了控制效果对比，仿真结果表明：分数阶PID控制器将稳态误差由0.1 mm提升至0 mm，具有抗干扰性强、鲁棒性强、数字实现后无超调、静差小的特点。最后将数字分数阶PID应用于实际的连续变焦系统，系统可获得清晰稳定的图像，验证了控制策略的有效性。
连续变焦系统 分数阶PID 内模控制 伺服控制 continuous zoom system fractional-order PID internal mode control servo control
中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060
声表面波器件内连的主流工艺是硅铝丝超声键合，而跟部微损伤是该工艺最大的质量隐患。该文从超声键合原理和工艺技术出发，对造成跟部微损伤的影响因素进行了分析，并给出了相应的解决方案。该方案使声表面波器件的键合点跟部微损伤得到有效控制。
声表面波器件 超声键合 跟部微损伤 SAW device ultrasonic bonding heel micro-crack
1 西安邮电大学 电子工程学院，陕西西安702
2 西安电子科技大学 电子工程学院，陕西西安710071
针对高光谱遥感图像的特征提取与地物分类，提出一种基于分数阶微分的高光谱图像特征提取方法，设计二维分数阶微分掩模提取高光谱图像的像素空间分数阶微分（SpaFD）特征，并提出一种空谱联合准则用于选取微分掩模阶数。为充分利用高光谱图像的空间特征与光谱特征，将SpaFD特征与原始特征直连融合获得SpaFD-Spe-Spa混合特征，并采用三维卷积神经网络（3DCNN）、先采用主成分分析（PCA）对像素光谱进行降维处理再送入三维卷积神经网络（3DCNNPCA）以及采用混合光谱网络（HybridSN）验证SpaFD-Spe-Spa混合特征的有效性。实验中分别采用3✕3，5✕5和7✕7的分数阶微分掩模进行空间特征提取，4个真实高光谱图像的实验结果表明，所提取的SpaFD特征和SpaFD-Spe-Spa特征可有效提升高光谱图像的地物分类精度，且SpaFD-Spe-Spa特征对地物分类准确率的提升更为明显：SpaFD特征相比原始特征在Indian Pines，Botswana，Pavia University和Salinas 4个数据上的分类识别率在最优情况下分别提升了3.87%，1.42%，2.41%和2.87%；SpaFD-Spe-Spa特征相比原始特征在Indian Pines，Botswana，Pavia University和Salinas 4个数据上的分类识别率在最优情况下分别提升了3.90%，5.62%，3.35%和5.18%。
高光谱图像分类 分数阶微分 特征提取 卷积神经网络 hyperspectral images classification fractional differentiation feature extraction convolutional neural network 光学 精密工程
2023, 31(21): 3221
1 天津城建大学 计算机与信息工程学院，天津300384
2 天津城建大学 地质与测绘学院，天津300384
针对高分辨率遥感影像中建筑物形状多样、大小不一引起建筑物提取精度低及传统分割模型存在参数量大等问题，提出一种基于编码-解码的轻型多尺度差异网络LMD-Net（Lightweight Multi-scale Difference Network）。首先，为了避免单一的特征处理单元堆叠使得模型性能弱化而产生无效参数，通过融合编解码结构的功能差异性，设计出一种轻型差异模型优化性能。其次，引入一种多尺度膨胀感知模块（Multi-Scale Dilation Perception，MSDP）来增强网络捕捉多尺度目标特征的能力。最后，通过双融合机制有效聚合深层跳跃连接和深层解码器两组的特征信息，从而实现增强解码器的特征恢复能力。为验证轻型多尺度差异网络LMD-Net的有效性和适用性，以开源WHU building dataset数据集作为数据源，对LMD-Net网络与常用语义分割网络及近年相关文献研究成果进行了精度、效率方面的评估实验。结果表明：LMD-Net网络在效率与精度两方面均表现出明显优势，不仅很大程度上减少模型的参数量和计算量，而且交并比、准确率分别提高了3.23%，2.57%。表明在基于高分辨率遥感影像建筑物提取领域中，该模型所表现的优势具有良好的城市空间信息库价值。
高分辨率遥感影像 多尺度 建筑物提取 编码-解码 轻型 high resolution remote sensing image multi-scale building extraction coding-decoding light weight 光学 精密工程
2023, 31(22): 3371
南京邮电大学 集成电路科学与工程学院， 南京 210023
基于110 nm CMOS工艺设计了一种应用于HDMI接收端电路的宽频带低抖动锁相环。采用一种改进型双环结构电荷泵，在25～250 MHz的宽输入频率范围内实现了快速锁定。通过高相噪性能的伪差分环形振荡器产生了调谐范围为125 MHz～1.25 GHz的时钟信号。仿真实验结果表明，该锁相环的锁定时间小于1.2 μs，在振荡器工作频率为0.8 GHz时，其相位噪声为-100.0 dBc/Hz @1 MHz，输出时钟峰峰值抖动为4.49 ps。
锁相环 宽频带 双环电荷泵 伪差分环形振荡器 phase-locked loop wide band double loop charge pump pseudo-differential ring oscillator
1 南京邮电大学 电子与光学工程学院， 南京 210003
2 南京邮电大学 射频集成与微组装国家地方联合工程实验室， 南京 210003
基于EPC Class-1 Generation-2协议规定，对工作于全球UHF RFID频段的频率综合器的设计指标进行了分析。采用标准0.18 μm CMOS工艺，集成自适应频率校准模块设计了一种新颖的低相位噪声、快速锁定的小数频率综合器。其中，LC-VCO基于无尾电流源式设计，利用二次谐波滤波技术显著降低了带内相位噪声；自适应频率校准电路则区别于传统的二进制比较法，基于新颖的逐次比较法以减小VCO的4位数控逻辑电压的比较次数，因而可以快速确定VCO的控制字并缩短锁定时间。仿真结果表明，自适应校准阶段的时间仅约6.3 μs，环路整体锁定时间低于23.2 μs，100 kHz频偏处的相位噪声性能为-106.3 dBc/Hz，1 MHz频偏处为-126.1 dBc/Hz，整体功耗为84 mW。与最近发布的先进的CMOS小数频率综合器的性能相比，所设计的小数频率综合器实现了更优的相位噪声性能，同时能以较短的锁定时间以及较低的功耗工作。
小数频率综合器 自适应校准电路 混合集成电路 fractional-N frequency synthesizer adaptive calibration circuit hybrid integrated circuit
1 南京邮电大学 电子与光学工程学院， 南京 210003
2 南京邮电大学 射频集成与微组装国家地方联合工程实验室， 南京 210003
基于广义时间常数和传递常数法，提出了一种新颖的快速电路分析方法，同时系统总结归纳了传递函数分子分母所有项的系数及其特征方程的根-零极点的推导。该方法的优势有：1) 无需复杂计算，可快速分析出系统传递函数及零极点，且精确性有保证；2) 分析具备直观性，可指出电路中限制系统带宽的关键因素，方便进行电路拓扑修改；3) 求解精度可依据需求而定。
广义时间常数和传递常数法 快速分析法 传递函数 零极点分析 generalized time and transfer constants method fast circuit analysis transfer function pole-zero analysis
