1 1.武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
2 2.武汉理工大学 纳微结构研究中心, 武汉 430070
3 3.那慕尔大学 无机材料化学实验室, 那慕尔 B-5000, 比利时
锂离子电池已广泛应用于各种便携式电子设备及新能源汽车等领域, 但随着电子设备的不断更新换代及电动汽车的快速发展, 理论比容量较低的传统石墨负极(372 mAh/g)已无法满足社会的需求。基于此, 本工作设计并制备了一种Zn基金属有机物框架(ZIF-8)衍生的三维网络状硅碳(Si@NC)复合材料用于锂离子电池性能研究。首先对纳米硅表面进行化学改性,然后在改性的硅表面原位生长ZIF-8小颗粒(Si@ZIF-8), 最后对Si@ZIF-8碳化得到Si@NC复合材料。研究表明, Si@NC复合材料的三维网络状多孔结构既可以很好地限制硅的体积膨胀, 又能极大地提升材料的电导率, 展现出稳定的循环性能和良好的倍率性能, 在5 A/g的大电流下能保持760 mAh/g的放电比容量。与商业三元正极材料组装的全电池也表现出较好的性能, 在0.4C (1C =160 mA/g)下循环50圈依然可以保持60.4%的比容量。这些研究结果说明该Si@NC复合材料具有较好的应用前景。
负极 硅/碳 锂离子电池 三维网络状 anode silicon/carbon lithium-ion battery three-dimensional network
天津大学电气自动化与信息工程学院, 天津 300072
现有的解码算法在识别具有复杂3D失真(比如柱面失真)的快速响应(QR)码时会遇到困难,导致数据无法被提取。为此,提出了一种低成本而高效的3D柱面失真QR码的修复算法。所提算法包括三个阶段:首先,通过逆向透视变换还原出3D真实世界的柱面失真QR码;然后,失真的QR码被展开成平面;最后,使用与第一阶段超参数相同的透视变换获得修复QR码。实验结果表明,所提算法可以处理不同柱面失真的QR码,并且仅使用少量的相机内部参数即可工作。
图像处理 QR码 柱面失真 透视变换 逆向透视变换 激光与光电子学进展
2021, 58(8): 0810015
L-苯丙氨酸和L-酪氨酸在合成神经递质和激素的过程中起到了重要的作用。 这两种氨基酸具有极为相似的分子结构, 但在生物功能上却具有明显区别。 前人的研究表明, 这两种氨基酸在低频振动上存在显著差异。 近年来, 太赫兹(THz)光谱学技术作为研究生物分子低频动力学的有效手段被广泛应用, 通过太赫兹光谱对氨基酸进行研究, 对进一步了解蛋白质和相关生物活性具有重要意义。 多变量校准方法已成功应用于太赫兹多组分光谱数据定量分析研究中。 然而, 传统校准技术由于仅在光谱和目标之间建立单个模型预测未知样品, 其预测性能有时仍不尽人意。 因此, 具有更好精度的集成建模方法(ensemble modeling method)应运而生。 集成建模的基本概念是组合多个单独模型的优势以产生更好的预测结果。 由黄锷博士提出的经验模态分解(EMD)的方法, 可以将信号自适应地分解为一系列的本征模式函数(IMF), 成功地应用于信号和光谱处理中。 基于该方法的信号分析也已在太赫兹波段开始使用。 然而, 在对物质进行定量分析的过程中, 目前还没有报道基于EMD方法的太赫兹光谱偏最小二乘(PLS)回归的相关工作。 提出了一种基于PLS的EMD分析, 并对不同浓度氨基酸混合物的太赫兹光谱进行了定量研究。 具体而言, 原始的太赫兹时域信号首先通过EMD手段在不同频段被分解为一系列的IMF和一个残差函数。 随后, 将前几个IMF相加作为一个整体(此处研究了前两、 三、 四和五个IMF叠加的结果), 对其进行吸收光谱的重建。 最后, 建立PLS回归模型, 用于进一步的物质定量分析。 预测结果表明, 与原始吸收光谱及其他分解后重组光谱的PLS结果相比, 基于前四个IMF信号之和的吸收谱具有更高的R(0.9961)和最小的RMSEP(0.019 8)。 由此可知, EMD-PLS法可以在太赫兹波段对两种氨基酸混合物进行有效地定量分析, 实现较为理想的预测精度。
太赫兹 经验模态分析 偏最小二乘法回归 氨基酸 Terahertz Empirical mode decomposition Partial least squares Amino acids 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3061
天津大学电气自动化与信息工程学院, 天津 300072
基于深层孪生网络的目标跟踪算法普遍缺乏目标模板在线更新方法,从而在某些复杂应用场景中适应能力较差。针对这一问题,提出一种基于光流映射的目标模板在线更新算法,该算法能够在保证实时性的前提下有效提高对复杂场景的适应能力。首先在跟踪过程中计算模板帧之间的光流信息;其次由光流映射和残差计算获取目标的运动变化信息。除此以外,还提出一种基于奇异值分解的由初始帧生成的修正项以修正目标位置偏差的方法。在OTB100和VOT2016数据集上对所提算法进行测试评估,结果显示,所提算法可以较好地优化新生成的目标模板,增强算法的鲁棒性,且与现有的跟踪算法相比,所提算法结果更佳。
机器视觉 目标跟踪 孪生网络 光流映射 模板更新 激光与光电子学进展
2020, 57(22): 221507
1 School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing0008, China
2 Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministry of Education, Capital Normal University, Beijing100048, China
3 School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing0008, China
研究了一种太赫兹光调制超材料传感器。该器件由金属-半导体复合结构（开口谐振环（SRR））和柔性聚酰亚胺衬底组成。光敏硅材料填充在器件上方的两个开口处。模拟结果表明，通过改变外激励泵浦光的功率，光敏硅的电导率发生改变，从而实现对复合超材料结构谐振峰的调制。进一步分析该结构在谐振频率下的电场和表面电流密度分布情况，讨论了其物理机制。此外，随着待测溶液（氯化钙）浓度变化，传感器谐振峰发生红移，其灵敏度为11.4 GHz/M。该器件可作为太赫兹波段液体传感器使用。
太赫兹 超材料 液体传感器 terahertz metamaterial liquid sensor
天津大学电气自动化与信息工程学院, 天津 300072
直接使用原始微表情序列对微表情进行识别的效果一般,且已有的算法往往利用单一的特征图而没有对多种特征图进行融合来识别微表情。针对这些问题,提出一种新的微表情识别算法,该算法对多种运动特征图进行特征提取之后再进行融合,以获得更准确的识别结果。所提算法利用卷积神经网络(CNN)和长短期记忆(LSTM)网络结合的深度学习框架。在CASMEII微表情数据库上对不同算法进行测试。实验结果表明,与其他识别算法相比,所提算法取得了更加优良的效果。
机器视觉 微表情识别 运动特征图 人脸关键点 光流 光学应变 激光与光电子学进展
2020, 57(14): 141504
1 北京林业大学材料科学与技术学院, 北京 100083
2 中国林业科学研究院木材工业研究所, 北京 100091
卢氏黑黄檀和染料紫檀木材特征与檀香紫檀相似, 特别是两者经过加色精的木蜡油涂饰后, 用肉眼很难与珍贵的檀香紫檀分辨。 市场上销售的很多红木家具为了达到防腐、 防尘、 防开裂的性能以及提高红木表面光泽度和显现珍贵木材的纹理, 大都进行了木蜡油表面涂饰加工, 因而只研究木材本身的鉴别不能满足市场需求。 借助红外光谱(FTIR)结合二阶导数红外光谱(SDIR)和二维相关红外光谱(2D-IR)技术, 对经过木蜡油涂饰的檀香紫檀(Pterocarpus santalinus)、 染料紫檀(P.tinctoricus Welw)和卢氏黑黄檀(Dalbergia louuelii)进行了红外光谱分析。 通过打磨—涂底油—打磨—涂面油—干燥的涂饰工艺对3个树种进行表面涂饰。 分别取3个树种素材的木粉和经过表面涂饰的木材表面的木粉进行FTIR, SDIR和2D-IR三级鉴别分析, 同时测定了木蜡油的FTIR谱图。 结果表明: (1)木蜡油FTIR谱图在2 925, 1 733, 1 465和1 378 cm-1较强的特征峰出峰位置与3个树种木材本身的出峰位置基本重合, 且在2 854 cm-1处归属于亚甲基C—H对称伸缩振动, 1 233 cm-1处归属于羧基C—O伸缩振动, 729 cm-1处归属于长链的亚甲基C—H弯曲振动的特征峰在涂饰后三种样品的FTIR谱图中有相同的体现, 说明木蜡油涂饰未对3个树种红外谱图的特征峰产生影响; 3个树种表面涂饰前后FTIR谱图的相关系数同时可以对木蜡油涂饰未对3个树种的特征峰产生影响进行佐证; (2)FTIR谱图在1 595, 1 060和836 cm-1处可以将染料紫檀与檀香紫檀和卢氏黑黄檀两个树种区分开; SDIR谱图可以在1 551 cm-1将卢氏黑黄檀区分开, 并能进一步对染料紫檀的特征峰进行验证; 在2D-IR光谱中, 在1 425~1 800和850~1 300 cm-1两个波段范围, 檀香紫檀的自动锋明显区别于其他两个树种, 在1 250 cm-1处归属于醚类化合物的吸收峰可以将檀香紫檀区分开。 目前红木识别主要利用木材解剖方法, 表面涂饰大多集中在木材材色变化研究。 借助红外光谱技术, 最终利用各个树种和木蜡油在红外光谱谱图中不同的特征峰体现的官能团差异直接推测特征成分的含量差异, 无须测定其特征成分的具体物质, 进而实现准确、 快速地把经木蜡油表面涂饰的檀香紫檀及与其易混淆的染料紫檀和卢氏黑黄檀区分鉴别。
檀香紫檀 木蜡油 红外光谱 鉴别 Pterocarpus santalinus Wood wax oil Infrared spectroscopy Identification 光谱学与光谱分析
2019, 39(12): 3816
针对空间站用光学仪器上微尺度力学敏感器件随机振动响应值过大的问题, 对该器件进行微尺度、精细化建模, 研究其力学特性, 并对其随机响应采取有效抑制措施。首先, 探讨了微尺度模型边界协调和微尺度有限元变分问题, 根据微尺度结构特点, 建立4种模型, 在整机中进行系统级随机振动仿真分析, 研究了4种模型微尺度结构的力学特性。接着, 在分析比较随机加速度响应值、位移响应值与应力响应值的基础上, 对力敏器件微尺度建模方法进行了深入讨论。然后, 对力学敏感器件采取了随机响应抑制措施, 并进行了仿真分析。最后, 对该光学仪器进行了力学试验、热试验和测试试验。结果表明, 该光学仪器功能正常, 微尺度结构随机加速度响应RMS值最大降低42.4%, 随机应力响应降低均在20%以上, 应力安全裕度均远大于零; 仿真与试验加速度响应结果最大相对误差均在10%以内。证明了所提出的微尺度结构截面四单元建模方法精准、可靠。
微尺度 精细化建模 随机响应 光学仪器 力敏器件 振动抑制 micro-scale fine modeling random response optical instrument mechanical-sensitive component
浙江大立科技股份有限公司, 浙江杭州 310053
基于辐射源的定标校正法在工程应用中易受到特殊应用场合以及仪器工作状态偏移等因素影响, 输出图像质量欠佳。针对此问题, 基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)硬件平台实现了全变分模型场景实时校正算法, 阐述了模型的应用原理及抑制图像鬼影、退化问题的相关措施。在制冷型长波红外探测器上完成了功能调试及性能测试。实验结果表明, 该算法能在20帧图像内完成校正收敛, 达到良好的成像校正效果。
非均匀性校正 全变分模型 图像鬼影 correction of non-uniformity total variation model ghost artifact FPGA FPGA
1 北京理工大学 光电学院, 北京 100081
2 首都师范大学 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
3 清华大学 电子工程系, 北京 100084
利用太赫兹时域光谱系统对三种反谐振波导的太赫兹谱进行了研究, 这三种波导分别是PMMA管型波导, PMMA自支撑结构波导和SiO2管型波导.该研究验证了三种波导的太赫兹传输基于反谐振理论, 并在实验上实现了PMMA自支撑结构波导超过2 THz的宽光谱传输.同时, 对基于反谐振原理的太赫兹物质传感进行了理论和实验分析, 为物质探测提供了一种可行的手段.
聚合物波导 光纤传感器 太赫兹光谱 宽谱传输 反谐振原理 polymer fiber optics fiber optics sensors terahertz spectroscopy broadband transmission anti-resonance
