水体中过高浓度的有机污染物含量危害巨大, 不仅会造成严重的环境污染, 而且会危害人类身体健康。 化学需氧量(COD)表征了水体中有机污染物的污染程度。 提出了一种将紫外(UV)光谱和近红外(NIR)光谱进行多光谱数据级融合(LLDF)和特征级融合(MLDF), 进而构建基于生成对抗式网络(GANs)算法的COD浓度定量预测模型。 首先按照一定的浓度梯度配制COD标准液样本, 分别采集标准液的UV光谱(190~310 nm)和NIR光谱(830~2 100 nm), 对获取到的UV和NIR光谱数据进行一阶导数和Savitzky-Golay (S-G)平滑的预处理, 消除基线漂移和干扰噪声; 基于预处理过的光谱, 直接进行数据级和特征级的数据融合, 结合GANs算法搭建COD浓度预测模型。 并使用评价参数相关系数的平方(R2)、 预测值与真实浓度值的均方根误差(RMSEP)和预测偏差来对模型进行评价。 结果表明, 不论是特征级融合模型还是数据级融合模型都不够理想。 分析原因可知, 由于UV和NIR波段数据量不均衡, 导致NIR波段掩盖掉了UV光谱的模型贡献度, 让光谱融合失去意义。 为了避免融合失败, 拟采用归一化的方法处理多光谱数据, 并讨论了标准归一化(SNV)、 最大最小归一化(MMN)和矢量归一化(VN)对建模的影响。 将经过归一化后的UV和NIR光谱数据再次进行融合, 分别作为GANs模型的输入X, 将真实测量COD值作为输出值Y, 建立不同归一化方法处理后的COD浓度预测模型。 建模结果显示, 采用不同归一化方法对多光谱数据融合模型的影响较大, 不论是数据级融合模型还是特征级融合模型的预测精度较未归一化之前有明显的提升, 其中采用最大最小归一化的预测模型效果提升最为明显。 与单一谱源的全波长UV波段的GANs预测模型、 全波长NIR波段的GANs预测模型进行对比来验证多光谱数据融合GANs预测模型的精度, 结果表明: 基于UV和NIR光谱的特征级光谱融合模型的R2为0.994 7, RMSEP为0.976, 比数据级融合的预测模型误差降低了52.9%, 预测回收率为98.4%~103.1%, 远好于其他几组, 模型的泛化能力更强, 预测精度也更高。 与单一谱源的预测模型相比, 多光谱数据融合能反应更多的水体样品的化学信息, 更加全面揭示水体的污染物程度, 从不同的层面上反应水体中污染物的差异, 为在线监测水体中COD浓度提供一定的技术支持。
紫外光谱 近红外光谱 数据融合 GANs模型 COD浓度预测 UV spectrum NIR spectrum Data fusion GANs model COD concentration prediction
1 燕山大学电气工程学院测试计量技术与仪器河北省重点实验室,河北 秦皇岛 066004
2 河北先河环保科技股份有限公司, 河北 石家庄 050035
基于表面等离极化激元在亚波长结构的传输特性,提出了一种含单挡板的金属-介质-金属(MIM)波导耦合双T型谐振腔的结构。在近场耦合作用下,单挡板形成的较宽连续态与单T型腔形成的较窄离散态,经过复杂的干涉相消形成非对称的双重Fano共振峰。基于耦合模理论,研究了单挡板MIM波导耦合单T型腔Fano共振的产生机理,并采用有限元分析法对该结构进行了模拟仿真。在此基础上,研究了含双T型腔结构的四重Fano共振形成过程,分析了上下T型腔结构参数对Fano共振峰的影响。结果表明,上下T型腔产生的Fano共振峰互不影响,且由单个T型腔可以实现两个Fano共振峰独立可调谐,故含金属挡板的MIM波导耦合双T型腔结构可以实现四个Fano共振峰独立可调谐。该结构可为差动传感器和波分复用器的设计提供有效的理论参考。
激光技术 表面等离极化激元 T型腔 挡板 Fano共振
1 燕山大学电气工程学院测试计量技术与仪器河北省重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学信息科学与工程学院河北省特种光纤与光纤传感器重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
3 河北先河环保科技股份有限公司, 河北 石家庄 050000
基于Fano共振原理,提出光子晶体纳米梁侧耦合孔径啁啾光子晶体纳米梁腔结构。由光子晶体纳米梁所产生的宽的连续态与由光子晶体纳米梁腔所产生的窄的离散态干涉相消实现Fano共振。基于耦合模理论,定性分析该结构中Fano共振的产生机制,利用时域有限差分法对该结构进行模拟仿真,定量分析结构参数对折射率传感特性的影响,并对结构参数进行优化分析。结果表明,优化后的结构品质因子值可高达5.1×10 3,这将为集成光子晶体波导传感器件设计提供有效的理论参考和技术指导。
光学器件 光子晶体 Fano共振 光子晶体纳米梁腔 时域有限差分法 品质因子 光学学报
2019, 39(11): 1123002
燕山大学电气工程学院测试计量技术与仪器河北省重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
基于表面等离子激元的传输及耦合特性,设计了一种耦合内嵌银条圆盘腔的金属-介质-金属弯曲波导滤波器结构。并应用有限元法对该结构的光谱特性及滤波特性进行了分析。结果表明,内嵌的银条打破了结构的对称性,实现了双模式共振效应,且该结构由于具有双边耦合效应,获得了比单边耦合更高的耦合效率,透射谱中出现了两个明显的阻带,获得了很好的双频窄带滤波功能,相比已报道的同类滤波器得到了更高的品质因子;改变圆盘谐振腔半径或腔内介质折射率,可实现滤波波长的近似线性调节。
表面光学 表面等离子激元 有限元法 圆盘谐振腔 耦合效应 滤波器
1 燕山大学电气工程学院测试计量技术与仪器河北省重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学信息科学与工程学院河北省特种光纤与光纤传感器重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
基于表面等离子亚波长结构的传输特性与光子局域特性,提出了一种单挡板金属-电介质-金属(MDM)波导耦合圆盘级联结构。由圆盘级联形成的孤立态与金属挡板形成的较宽连续态干涉相长相消,形成了两种不同模式的Fano共振。结合耦合模理论,分析了该结构形成Fano共振的传输特性,采用有限元分析法对结构进行了模拟仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性影响。根据折射率变化的物理机制,分析了温度和湿度在实际测量过程中对测量结果的影响,并采用差动传感的方法有效解决了传感过程中的交叉敏感问题。
测量 金属-电介质-金属波导 Fano共振 单挡板 级联结构 差动传感
1 燕山大学电气工程学院测试计量技术与仪器河北省重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 河北科技大学信息科学与工程学院, 河北 石家庄 050018
3 河北先河环保科技股份有限公司, 河北 石家庄 050000
基于表面等离激元在亚波长结构的传输特性,提出了一种含双金属挡板的金属-电介质-金属(MDM)波导耦合方形腔结构。法布里-珀罗(F-P)谐振腔产生的宽连续态与由方形谐振腔产生的窄离散态干涉相消,形成了Fano共振。基于耦合模理论,定性分析了该结构Fano共振的产生机理。利用有限元法对该结构进行了仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性的影响。结果表明,优化参数后该结构的折射率灵敏度高达1080 nm/RIU,优质因子高达7.35×10
5。
表面光学 表面等离极化激元 波导 双金属挡板 方形腔 Fano共振
1 燕山大学电气工程学院测试计量技术及仪器河北省重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学信息科学与工程学院河北省特种光纤与光纤传感器重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
3 河北先河环保科技股份有限公司, 河北 石家庄 050000
基于表面等离激元在亚波长结构的传播特性, 提出了一种含矩形腔的金属-介质-金属(MIM)波导与T型腔耦合的结构。T型腔形成的较窄离散态与矩形腔形成的较宽连续态相互耦合, 经过干涉相消形成Fano共振。采用耦合模理论, 分析了Fano共振的形成机理; 运用有限元分析法对该结构进行模拟仿真, 分析结构参数对其折射率传感特性的影响。结果表明, 经过结构参数的优化, 其优质因子可达6.04×104, 灵敏度为1120 nm/RIU, 该研究结果可为光子回路的集成及纳米级传感器的设计提供理论参考。
表面光学 表面等离子激元 波导 矩形腔 T型腔 Fano共振
