1 苏州科技大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215009
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林 长春 130033
针对传统水接触角测量过程需要人工干预，导致测量结果精度低、可复现性差等问题，提出一种基于改进Faster RCNN的水接触角测量方法。首先，把Faster RCNN骨干网络VGG16替换为ResNet101，在其残差块末尾处添加注意力机制模型convolutional block attention module（CBAM），增强网络提取特征的能力；其次，融入特征金字塔网络（FPN），充分提取不同尺度下的特征信息，此外，引入Focal损失函数来解决正负类样本不均衡的问题；最后，对定位到的水滴进行边缘检测和角点提取，再利用迭代重加权最小二乘法（IRLS）拟合椭圆轮廓计算水接触角。实验结果表明，改进后的Faster RCNN目标检测算法与原算法相比，平均精度均值提高10.794%，速度提升11 frame/s，水接触角测量结果平均标准偏差为0.109°。
图像处理 水接触角 特征金字塔网络 注意力机制 Faster RCNN 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0812002
1 湖南省畜牧兽医研究所, 长沙 410128
2 湖南农业大学动物医学院, 长沙 410128
为建立一种能够快速检测非洲猪瘟病毒(ASFV)的普通PCR方法, 本研究分别以ASFV B646L和F778R基因为靶序列设计了两对特异性引物, 建立ASFV B646L和F778R双基因普通PCR方法, 并对其特异性、灵敏性及重复性进行检测。结果显示: 该PCR体系(25.0 μL体系)的最优组合为Pfu酶0.2 μL、10×Reaction Buffer 2.5 μL、2.5?mmol/L dNTP Mixture 2.5 μL、B646L上下游引物各1.5 μL、F778R上下游引物各0.5 μL、DNA模板1.0 μL; 退火温度为57℃、退火时间为30 s、72℃延伸2.5 min, 30个循环。该方法仅针对ASFV B646L和F778R基因进行特异性扩增, 无交叉反应。同时对B646L和F778R阳性质粒的最低检测下限分别为7.2×107 copies/μL、1.5×106 copies/μL, 试验重复性良好。本研究对于提高ASFV临床诊断的准确性、特异性和高效性具有重要价值, 为其快速检测提供了可靠的技术支撑。
非洲猪瘟病毒 多重PCR B646L基因 F778R基因 快速检测 African swine fever multiplex PCR B646L gene F778R gene quick detection
1 华北光电技术研究所，北京100015
2 河北工业大学，天津300000
清洗是混成式探测器芯片器件制造过程中的一道关键工序。探测器芯片表面所吸附的有机物沾污是清洗的主要目标。使用第一性原理与分子动力学相结合的方法研究了丙酮、乙酸乙酯对InSb晶面有机物沾污（主要成分为502）的清洗机理。第一性原理计算结果表明，丙酮与乙酸乙酯的分子反应活性位点均离域在杂原子上，两者可通过杂原子对吸附在InSb表面的502解吸附以达到清洗的目的。分子动力学模拟结果表明，乙酸乙酯可以促进丙酮分子在502膜层中的扩散能力，以此加强丙酮对502的去除作用。
清洗 混成式芯片 第一性原理 分子动力学 InSb InSb cleaning hybrid detector chip first principle theory molecular dynamics
1 内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司, 内蒙古 呼和浩特 011500
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
随着生活和消费水平提高, 消费者对于乳制品食品安全及品质的要求越来越高。 原料奶质量直接影响乳制品的生产与消费安全, 在牛奶收储及生产环节都需要对各种非法添加物进行严格检测, 以保证产品质量。 目前常用的检测方法主要以化学法与仪器分析方法为主, 需要针对不同类型添加物设计前处理步骤, 过程繁琐, 检测效率低, 无法满足实时在线需要。 针对多种类掺假异常牛奶样品实时在线检测需要, 研究了基于中红外光谱的非靶向检测方法。 实验样品选择蒙牛公司六个奶质稳定的奶源地收集到的天然原奶样品, 并配制含有多种掺假物的异常牛奶样品集。 采集样品中红外光谱, 并针对在线检测过程中的干扰来源, 选择平滑滤波、 多元散射校正、 基线校正及归一化等预处理方法, 提高光谱信噪比与一致性。 为了提高非靶向模型识别准确度及稳健性, 根据牛奶样品中红外光谱特征, 选择无信息变量消除（MC-UVE）、 无变量信息消除-连续投影（UVE-SPA）与竞争自适应重加权采样（CARS）三种方法, 筛选原始光谱中的特征波长变量。 在得到的不同特征波长变量组合的基础上, 分别建立基于偏最小二乘判别（PLS-DA）及支持向量机（SVM）的鉴别模型, 对多种掺假物异常牛奶样品进行非靶向鉴别。 实验结果表明, SVM模型鉴别准确度优于PLS-DA, CARS方法筛选得到的变量组合应用于不同鉴别模型的效果均较优, 与SVM模型结合对训练集与测试集的分类准确率分别达到97.84%与94.55%。 分析特征波长变量分布可知, CARS方法筛选出的变量主要集中在异常牛奶样品光谱特征比较明显的区域。 样品误分类结果表明, 该模型组合可以较为准确识别异常牛奶样品, 具有较好的特异性。 研究结果表明, 基于红外光谱技术建立非靶向鉴别模型可以实现多种异常牛奶样品快速准确识别, 为牛奶掺假及生产过程在线检测提供了支持。
中红外光谱 非靶向检测 变量选择 判别模型 Mid-infrared spectroscopy Untargeted detection Variable selection Discriminant models 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3009
1 江南大学人工智能与计算机学院，江苏 无锡 214122
2 江南大学先进技术研究院，江苏 无锡 214122
3 江苏省模式识别与计算智能工程实验室，江苏 无锡 214122
4 苏州科技大学电子与信息工程学院，江苏 苏州 215000
针对红外与可见光图像融合方法存在的对源图像特征分离不充分、可解释性低且融合规则难以准确设计等问题，提出基于互信息特征分离表达的红外与可见光图像融合方法，有效分离特征的同时保留源图像的典型信息。首先，采用互信息约束的编码网络提取特征，最大化源图像与特征间互信息来保留源图像的特征表示，同时通过最小化私有和公有特征的互信息来达到分离表达的目的；其次，特征融合阶段设计了层级特征自适应融合模块来有效融合不同层级的特征信息，减小语义差距并调整感受野，增强网络对特征的学习能力；此外，损失函数采用软加权强度损失来平衡红外与可见光特征分布；最后，对比实验的主客观评价结果表明，所提方法能有效融合红外与可见光图像的重要信息，具有良好的视觉感知。
图像处理 红外与可见光图像 互信息 分离表达 层级特征自适应融合 软加权强度损失 激光与光电子学进展
2023, 60(24): 2410002
1 南京大学超导电子学研究所，江苏 南京 210023
2 网络通信与安全紫金山实验室，江苏 南京 211111
3 江苏亨通太赫兹技术有限公司，上海 200120
在自行搭建的双焦点太赫兹主动成像系统基础上，建立了与角度相关的拟合函数，并利用最小二乘拟合多项式的方法对拟合系数进行计算，成功将扫描轨迹的几何光学追迹计算过程简化成为二元函数计算。该系统为收发同路式像方旋转镜扫描。由于拟合自变量对太赫兹图像的影响很大，采用两种不同的拟合自变量进行计算，并且通过数值分析和成像结果分析比较两者的优劣。实验结果表明，当以旋转镜法向量的坐标分量作为拟合自变量时，计算扫描轨迹的速度减小至3 s/frame，且太赫兹图像非常准确。该系统实现了在约8 m处，50 cm×100 cm视场内达3 cm空间分辨率的快速精确成像。这为扫描式太赫兹快速成像系统提供了有价值的参考，对实时太赫兹安检、无损检测等领域有着实用意义。
成像系统 太赫兹主动成像 最小二乘拟合多项式法 拟合轨迹 快速成像 激光与光电子学进展
2023, 60(12): 1211003
Author Affiliations
Abstract
1 Research Institute of Superconductor Electronics (RISE), School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China
2 Jiangsu Hengtong Terahertz Technology Inc., Shanghai 200120, China
3 Purple Mountain Laboratories, Nanjing 211111, China
We simulate the measurements of an active bifocal terahertz imaging system to reproduce the ability of the system to detect the internal structure of foams having embedded defects. Angular spectrum theory and geometric optics tracing are used to calculate the incident and received electric fields of the system and the scattered light distribution of the measured object. The finite-element method is also used to calculate the scattering light distribution of the measured object for comparison with the geometric optics model. The simulations are consistent with the measurements at the central axis of the horizontal stripe defects.
defect detection terahertz terahertz imaging Chinese Optics Letters
2023, 21(6): 061102
哈尔滨学院, 黑龙江省寒区湿地环境与生态研究重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150086
以叶绿素荧光分析为技术手段, 通过研究土壤中多环芳烃(菲)胁迫对野生大豆叶绿素荧光特性以及光能分配参数的影响。 结果表明: 土壤菲胁迫降低了PSⅡ反应中心活性和电子传递能力, 导致其光能利用能力降低。 200 mg·kg-1菲胁迫促使Fv/Fm, qP, ETR和NPQ的发生变化, 降低了光合电子传递链上的电子传递能力和光合反应活性; 在不同光强的调控下, 土壤菲胁迫浓度的增大使得大豆幼苗叶片叶绿素荧光响应曲线ФPSⅡ和qP参数呈现降低趋势, NPQ的上调启动了叶黄素循环途径耗散过剩的辐射激发能, 以维持光合机构的正常生理功能。 土壤菲胁迫下野生大豆叶片的Fm, Fv/Fm, Fv/Fo和PIABS等参数均随着菲含量的增加而降低, 即土壤菲胁迫抑制了野生大豆叶片的PSⅡ光化学活性。 通过对PSⅡ电子供体侧和受体侧的电子供应及传递能力的研究发现, 土壤菲胁迫下野生大豆叶片OJIP曲线上0.3 ms时(即K点)的荧光强度增加, 即放氧复合体(OEC)活性降低。 土壤菲胁迫还导致OJIP曲线上J点和I点荧光强度的增加, 说明土壤菲胁迫导致了野生大豆叶片PSⅡ受体侧电子接受能力的降低, 使电子由QA向QB传递受阻。 野生大豆叶片的光能吸收和分配参数也明显受到土壤菲胁迫的影响; 随着土壤菲浓度的增加野生大豆叶片PSⅡ反应中心吸收光能用于Q-A以后的电子传递能量比例和单位反应中心捕获用于电子传递的能量降低, 即吸收的光能用于光化学反应的比例降低。 因此, 土壤菲胁迫下导致PSⅡ电子供体侧OEC的损伤和PSⅡ电子受体侧电子传递能力的降低, 以及光能分配利用的改变均是导致其PSⅡ反应中心的活性降低的重要原因。 研究结果表明, 以叶绿素荧光分析技术可为环境中多环芳烃(菲)胁迫对植物光合作用的影响机理研究提供指导。
野生大豆 多环芳烃 荧光分析 荧光参数 荧光曲线 Glycine soja PAHs Fluorescence analysis Fluorescence parameters Fluorescence curves 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2207
1 北京工业大学理学部，北京 100124
2 北京工业大学材料与制造学部新能源材料与技术研究所，北京 100124
石墨烯基复合材料在红外探测隐身方面具有广泛的应用前景，但如何提升其宽带全方位红外吸收特性还缺少系统的研究工作。设计了一种光学介质层与石墨烯层交替分布的二元石墨烯基复合微纳结构红外吸收器，并采用传输矩阵方法系统地研究了其红外吸收特性。结果表明，可通过调控石墨烯层数以及结构周期使红外电磁波在该结构中产生显著的增益和损耗共振耦合效应，在8~14 μm全波段内的吸收率高于80%，在10.0~13.3 μm波段内的吸收率高于90%，带宽最大为3.3 μm。此外，该微纳结构在大角度（0°~60°）斜入射下表现出红外吸收偏振不敏感特性。该研究结果将为新一代石墨烯基柔性宽频带大角度可调谐红外吸收微纳结构的设计与应用提供新思路，也为实现新一代柔性轻质隐身或伪装薄膜材料提供了可行的技术方法与实现途径。
材料 多层石墨烯 微纳结构 红外吸收调控 传输矩阵法 介质材料 激光与光电子学进展
2022, 59(17): 1716005
1 哈尔滨学院, 黑龙江省寒区湿地生态与环境研究重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150086
3 东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江 哈尔滨 150038
4 北京市农林科学院植物营养与资源研究所, 北京 100097
工程施工时基坑排水是保障基坑安全的必要措施, 排出水进入城市内河, 对内河及下游水生态安全产生影响。 该研究采集哈尔滨市何家沟欧亚之窗公园段建筑工程施工过程中基坑排出水(W1)、 排水口上游100 m处(W2)、 排水口处(W3)、 排水口下游50 m处(W4)、 排水口下游100 m处(W5)、 排水口下游200 m处(W6)的水体样品, 应用三维荧光光谱-平行因子分析方法, 测定溶解性有机质(DOM)的荧光光谱特征, 分析DOM的组成和来源, 探究基坑排水对城市内河水体环境的影响。 结果表明: 内河水体腐殖化指数(HIX)在0.337~0.381范围内, 腐殖化程度低, W1, W3~W6的HIX差异不显著, 均显著低于W2, 说明排水进一步降低了内河水体腐殖化程度。 荧光指数(FI370)介于2.330~2.900范围内, 生物指数(BIX)在0.897~1.140范围内, W1和W2的FI370和BIX均显著高于W3~W6, 两者具有极强的自生源特征, 说明排水使下游水体自生源特征降低。 水体样品DOM中共识别出2类4种有机组分: 可见类富里酸组分(C1)、 类色氨酸组分(C2)、 紫外类富里酸组分(C3)和类酪氨酸组分(C4), 即类富里酸物质(C1、 C3)和类蛋白物质(C2、 C4), 两者间成负相关关系。 FI370与4种有机组分间均呈极显著的相关性, 说明DOM组成简单。 W2具有相对较高的DOM浓度, 而排水口下游水体DOM浓度低, 基本保持稳定。 类蛋白物质在上游水体中占有相对较高的比重, 在W4中, 4种有机组分相对比重差异不显著, W5和W6类富里酸物质的相对比重有升高趋势, 同样说明基坑排水导致内河水体自生源特征降低。 除pH值升高外, 下游水体样品溶解氧(DO)、 总氮、 总磷等理化指标含量均降低, pH值与类富里酸物质呈正相关, 与类蛋白物质呈负相关, 而DO、 化学需氧量及水体养分指标与之相反。 水体DOM有机组分与理化指标的相关性不同, 可直接或间接影响DOM组成。 因此, 工程施工基坑排水可降低城市内河水体DOM浓度, 改变了水体DOM组成。
三维荧光光谱 城市内河 排水 溶解性有机质 Three-dimensional fluorescence spectroscopy Urban river Drainage Dissolved organic matter
