随着无线通信领域的发展,具有诸多优点的可见光通信(VLC)已经发展成为了一种具有广阔前景的通信手段。然而,可见光通信中的各种非线性效应会给其信号处理带来诸多的困难,并恶化系统的性能。机器学习在解决非线性问题方面具有很大的优势和潜力,结合机器学习算法的可见光通信技术必然具有巨大的研究价值。已有研究表明,传统的机器学习算法如K-means、DBSCAN以及支持向量机(SVM)等在预均衡、后均衡、抗系统抖动,以及相位纠正等方面均有很好的表现。而深度神经网络(DNN)则因为其强大的非线性拟合能力能够更进一步提升VLC系统的性能。对以上几种方法进行了分析和介绍,并对其在可见光通信信号处理领域的应用进行了分析与总结,希望可以为机器学习解决可见光通信方面的各种非线性问题提供参考。

慢性肝脏损伤将导致肝纤维化,不及时诊断治疗易进一步发展为肝硬化等更严重的肝脏疾病。近年来,荧光成像及光谱分析技术以其快速、简便、无损等优势,极大地推进了肝纤维化疾病的检测和研究,具有良好的发展前景。重点综述了目前荧光成像及光谱分析技术在肝纤维化组织、细胞以及分子机制研究中的最新成果,并展望了其研究难点和潜在应用前景。

荧光光谱分析是一种重要的测试手段。近年来,基于光纤探针的荧光测试技术成为研究热点,这种方法具有高效、微观、实时、原位、体积小易集成等优势。简要综述荧光分析原理、光纤探针中激光发射与荧光收集的空间传导理论,以及光纤荧光探针的典型结构与制备,总结了应用于生物、环境和食品安全领域的研究状况。最后,对光纤荧光探针的发展趋势进行了展望。

超短超高能量脉冲激光作为研究光和物质相互作用的有力手段得到了广泛研究。啁啾脉冲放大系统是产生这种激光的关键部分,其中脉宽压缩光栅作为啁啾脉冲放大系统的核心组成器件,具有至关重要的作用。金属/介质膜光栅具有高衍射效率、宽工作带宽、高激光损伤阈值等优良特性,受到了广泛关注。详细综述了金属/介质膜脉宽压缩光栅的发展概况,重点分析了金属/介质膜光栅的设计原理和制作工艺,展望了金属/介质膜光栅的发展前景,旨在增进对金属/介质膜脉宽压缩光栅的了解。

超快激光加热技术逐渐应用于诸多领域,其中涉及到的导热机制受到了广泛关注。传统的傅里叶传热定律不足以正确描述超快速过程的导热机制,因此结合本课题组在超快激光加热技术传热理论领域的研究成果,综述了超快激光加热技术的传热理论研究概况,对近年来受到关注的格子Boltzmann方法、蒙特卡罗方法和分子动力学方法在超快激光加热传热理论研究中的应用也进行了介绍,并展望了超快激光加热技术传热理论的研究方向。

虚拟现实(VR)与其所衍生的增强现实(AR)和混合现实(MR)能把携带三维信息的虚拟场景与真实世界相互叠加,极大地提升用户感官世界的直观性、精准性、实时性。该技术的推广与应用,将会给医学领域带来变革式发展。本文剖析VR/AR/MR的概念并简述其发展历程,分别对虚拟现实和增强现实在医学领域的应用进行阐述,并通过微软产品HoloLens的特点分析基于混合现实的解决方案在医学领域的优势。最后对VR/AR/MR目前在医学领域所存在的不足进行归纳,并对未来的发展趋势进行展望。

以用户为中心的可见光通信协作传输是近年来出现的新架构,这导致虚拟小区之间出现重叠。为避免导频污染问题,每个虚拟小区中的光接入点(AP)或者虚拟小区中选择相同AP的用户发送的训练序列应该是正交的。针对可见光通信中以用户为中心的协作网络,研究训练资源的正交分配问题,提出了一种新的导频分配算法,联合导频分配和用户选择问题,以期最大限度地增加虚拟小区内可被接入的用户数。分析和仿真结果表明,该导频分配方案可以有效改善导频污染问题,提高训练资源利用率,并且相比已有的导频分配方案,性能有所改进。

为提高光纤传感器磁场检测中的敏感度,进一步实现弱磁场环境中的高精度场强勘测,提出一种基于磁流包覆与冷却拉锥透射式全光纤高灵敏磁场传感器,拉锥过程采用间歇式停顿冷却技术,可更加便捷获得高质量干涉谱,减缓光子晶体光纤空气孔塌缩,制作工艺简单,具有可操纵性强、灵敏度高、损耗小等优势,实现了高灵敏磁场环境实时在线检测,并对传感器的变温影响进行了讨论。实验结果表明,光子晶体光纤的拉锥长度为5.5 mm、腰椎直径为75 μm时,可得到良好的干涉光谱,在0~78 Oe(1 Oe =^79.578 A·m -1)磁场范围内,灵敏度达95 pm/Oe,线性拟合度为98.31%。

对于传统蚁群算法用于云计算资源分配和调度问题过程中存在的不足,提出了一种可以提高负载均衡度、缩短任务执行时间、降低任务执行成本的改进自适应蚁群算法, 改进算法以能够基于用户提交的任务求解出执行时间较短、费用较低,负载率均衡的分配方案为目标,通过CloudSim平台对传统蚁群算法、最新的AC-SFL算法、改进自适应蚁群算法进行仿真实验对比。实验数据表明,改进后的自适应蚁群算法能够快速找出最优的云计算资源调度问题的解决方案,缩短了任务完成时间,降低了执行费用,保持了整个云系统中心的负载均衡。

关键尺寸扫描电镜(CD-SEM)是对微纳尺寸线距标准样片定标的标准器具。为提高标准样片的定标准确度,研究一种基于图像处理技术的测量算法。首先,对研制样片的特征进行分析;其次,研究线性近似算法和线距测量算法,并分别对100 nm~10 μm的线距标准样片进行测量;最后,利用纳米测量机进行对比实验研究。实验结果表明,线性近似算法的相对误差可以控制在0.45%以内,相比之下,线距测量算法的相对误差可控制在0.35%以内。因此,线距测量算法提高了线距的测量精度,为提高线距测量类仪器量值的可靠性、保证半导体器件制造精度提供了一种测量方案。

相机和投影仪的标定精度决定光栅投影三维系统的测量精度。提出一种改进的标定方法。该方法在逆向相机模型的基础上对投影仪进行标定,利用相位编码法进行绝对相位展开,避免相机标定误差的引入,在标定过程中减少投影仪投射图案的数量,使标定操作更加简单、快速。在系统的标定过程中,利用投影仪投射的垂直、水平两组光栅图像,建立其与相机图像的对应关系,进而求得标志点圆心在投影仪图像上的像素坐标;然后利用带有径向畸变的相机模型对投影仪进行标定;最后进行系统的立体标定,确定相机和投影仪间的相对位置关系。实验结果表明所提方法切实可行。

在摄像机标定过程中,较差的光照条件和镜头畸变会造成棋盘格角点漏检和角点冗余。分析了角点的灰度分布特性,提出一种基于角点灰度分布特征的棋盘格角点检测算法。为确保在较差光照条件和镜头畸变下,棋盘格图像角点不漏检,算法首先利用角点的灰度分布特性提取候选角点;然后通过迭代的方式提高候选角点的精度并再次结合棋盘格角点的灰度分布特性剔除候选角点中非角点处的伪角点,避免棋盘格角点冗余;最后通过角点处的邻近点合并获得最终的棋盘格角点坐标。实验结果证明,在较差的光照条件和镜头畸变条件下,本算法角点无漏检和冗余。将该算法提取的棋盘格角点应用于摄像机标定,结果显示重投影误差的均方差在0.1 pixel范围以内,优于其他算法。

基于Add-Drop型氮化硅微环滤波器,利用光学单边带调制和光载波分离的方法,实现可重构微波光子带通滤波器。滤波器带宽和带外抑制比分别达到726 MHz和37.0 dB。并且通过改变光载波波长实现1.64~23.41 GHz的滤波器频率调谐;通过调节微环耦合系数实现0.683~2.246 GHz的滤波器带宽调谐,在带宽调谐范围内带外抑制比大于26 dB。

利用YAG脉冲激光焊接系统对1 mm厚的1Cr17Ni2不锈钢薄板进行对接焊接试验,通过焊缝组织分析、拉伸测试和显微硬度测试,研究了离焦量对焊接接头组织与性能的影响。结果表明:采用激光对1Cr17Ni2薄钢板进行对接焊后,焊接接头出现了组织分区,母材区组织主要是铁素体和马氏体,热影响区组织为板条马氏体组织和少量呈带状分布的δ铁素体,而焊缝区组织则主要以马氏体为主;随着离焦量增加,焊缝熔深逐渐减小,熔宽先增大后减小,焊缝处的马氏体含量逐渐减少,接头的抗拉强度先增大后减小;焊缝区的硬度最大,母材区的硬度最小,热影响区的硬度介于两者之间;焊缝区的整体硬度随着离焦量的增大而减小;当离焦量为-5.5 mm时,热影响区中马氏体板条束群细小均匀,焊接成形质量好,接头的拉伸性能优良。

基于严格耦合波理论设计了一种以液晶为低折射率材料的Si-SiO2复合高对比光栅,该光栅适合用于实现液晶可调谐功能的垂直腔面发射半导体激光器件。当940 nm 的TM偏振光入射时,通过优化参数可得到宽带(Δλ=256 nm)高反射率(R>99%)且具有偏振稳定性的光栅结构,满足垂直腔面发射半导体激光器顶部腔面反射镜要求。液晶折射率的改变不会影响光栅的性能,未来有望将高对比光栅或混合光栅与液晶可调谐垂直腔面发射半导体激光器相结合,实现可调谐半导体激光器。

针对选区激光熔化(SLM)工艺参数的匹配性对成形质量的影响,选取三种激光功率在不同的扫描速度和扫描方式下进行实验,研究了激光功率对熔池形貌及残余应力的影响。结果表明:随着激光功率增大,熔池的几何尺寸和成形件中的残余应力均变大。这主要是因为在上述参数序列下,随着激光功率增大,热流密度增大,相同层厚与截面下的温度梯度增大,熔池温度升高,熔池尺寸变大,从而导致成形件熔融时的晶面夹角及晶界间距较大,进而产生了较大的热应力,成形件冷却凝固后的残余应力过大。在实际应用中,通过合理设计匹配的工艺参数,可以得到较适合的熔池几何尺寸(即较合理的温度梯度分布),从而减小热应力,进而减小残余应力,得到成形质量较高的SLM工件。

采用光纤激光器对300M超高强度钢进行激光表面重熔处理,分析了不同激光功率和扫描速率下重熔表面的显微组织、硬度以及电化学腐蚀行为。结果表明:表面重熔区域的显微组织主要由马氏体以及残余奥氏体组成;扫描速率越大,显微硬度越高,显微硬度的均值约为704 HV;激光重熔后,材料表面的自腐蚀电位正移,腐蚀电流密度下降;在激光功率为300 W和扫描速率为33 mm/s条件下得到的重熔层的耐蚀性最好。

采用光纤激光器对卷取机卷筒主轴常用的40CrNiMoA钢进行了激光淬火实验,采用金相显微镜观察试样表面的显微组织,采用维氏硬度计测试相变硬化层的显微硬度,采用立式万能摩擦磨损试验机评估试样的摩擦磨损性能,采用体视显微镜观察试样截面的宏观组织及磨损形貌,采用电化学工作站测试试样的耐蚀性能。结果表明:40CrNiMoA钢经激光淬火后,表面会出现一层相变硬化层,其显微组织主要为细小的马氏体、少量的残留奥氏体以及部分弥散的碳化物;硬化层深度约为200 μm,硬度值可达638.3~711.2 HV,约为基体的2.6~2.8倍;平均摩擦因数为0.506,与基体相比下降了42.5%,磨损量为1.3 mg,仅为基体的36.1%,其主要磨损机制为磨粒磨损;腐蚀电位为-0.497 V,自腐蚀电流密度为2.16789×10 -9 A/cm 2,与基体相比,腐蚀电位略有提高,而自腐蚀电流密度有所降低,耐腐蚀性能得到了较大提升。

γ射线等高能射线会使掺镱光纤产生暗化效应,降低掺镱光纤激光器长时间运行的可靠性。测量了γ射线辐照总剂量对大模场掺镱光纤的损耗特性,结果表明,待测光纤损耗随辐照总剂量线性增大。基于辐照导致的损耗的测量结果和速率方程模型,研究了辐照损耗产生后具有不同结构参数的激光器的效率变化。结果显示,仅考虑辐照损耗效应时,976 nm泵浦的光纤放大器对辐照附加损耗的敏感性最低;待测光纤最优信号光的中心波长为1070 nm,但是在1060~1100 nm范围内最小与最大效率仅相差2%。本研究从掺镱光纤激光器系统层面开展探索研究,为后续激光器的设计和实际应用提供了参考。

傅里叶域锁模(FDML)技术可在保持扫频光源各项指标性能优越的前提下,将扫频速度提高至调谐滤波器的设计极限。为进一步提升FDML扫频激光光源的扫频速度,在激光谐振腔内引入光学缓存装置来实现对扫频光的备份。实验中基于环腔内光学缓存装置的扫频光源中心波长为1310 nm,扫频范围为95 nm,瞬时线宽为0.1 nm,扫频速度翻倍提升至202 kHz,平均输出光功率为7.5 mW。利用光学缓存装置可将传统FDML高速扫频光源的扫频速度翻倍提升,对提升扫频光学相干层析成像(SS-OCT)系统的综合成像性能具有重要意义。

采用纳秒激光在纯钛片表面制备微织构,并辅助化学处理的方法,获得了类似“荷叶效应”且润湿稳定的超疏水表面。通过调整激光加工工艺参数,获得了具有不同润湿性的微纳米结构;在此基础上,采用全氟癸基三甲氧基硅烷和乙醇溶液的混合溶液在微结构表面制备涂层。采用扫描电子显微镜和能谱分析后可知钛板在激光作用下产生了多尺度的氧化钛多孔微结构;通过接触角测量表征进一步分析了钛片表面的亲水性与微纳米结构表面变化规律的关系,以及涂层对表面润湿性的影响,为生物医学药物输送方面的研究提供了参考。

为实现InP基单片集成光电子器件和系统,对InGaAsP/InGaAsP分别限制异质结多量子阱激光器结构展开量子阱混杂(QWI)技术研究。在不同能量P离子注入、不同快速热退火(RTA)条件以及循环退火下,研究了有源区量子阱混杂技术,实验结果采用光致发光(PL)谱进行表征。实验结果表明:在不同变量下皆可获得量子阱混杂效果,其中退火温度影响最为显著,且循环退火可进一步提高量子阱混杂效果;PL谱蓝移随着退火温度、退火时间和注入能量的增大而增大,退火温度对蓝移的影响最大,在注入剂量为1×10 14 ion/cm 2,注入能量为600 keV,750 ℃二次退火150 s时获得最大蓝移量116 nm。研究结果为未来基于QWI技术设计和制备单片集成光电子器件和系统奠定了基础。

以316L不锈钢粉末为原料,采用等离子弧沉积技术在高沉积速率下获得了致密无缺陷的单道试样。首先研究了沉积电流、扫描速度、送粉速度与沉积层高度、沉积层宽度、沉积角之间的关系,然后对沉积试样的微观组织和组成成分进行了检测与分析。结果表明:沉积角随着送粉速度的增大而增大,随着沉积电流的增大而减小;沉积角主要是锐角,有利于试样的沉积;沉积电流对沉积层宽度的影响最大,扫描速度对沉积层高度的影响最大,稀释率随着扫描速度的增大而减小,随着沉积电流的增大而增大,随送粉速度增大而减小;沉积试样成分均匀,凝固组织为奥氏体和铁素体。

在制备石墨烯/聚乳酸(PLA)复合材料的基础上,利用熔融沉积成型技术快速制备了单层均质样件,研究了石墨烯含量对其电磁参数的影响规律,并基于传输线理论计算分析了其吸波效果;选择石墨烯含量较低的复合材料作为透波层的打印材料,石墨烯含量较高的复合线材作为吸收层和再次吸收层的打印材料,并基于四分之一波长匹配理论确定了吸收层、再次吸收层的匹配厚度范围。设计制造了由不同石墨烯/PLA复合材料组合而成的三层吸波体,测试结果表明:三层吸波体的吸波效果远优于单层均质吸波体,且当选取石墨烯质量分数分别为5%、7%、8%的复合材料作为透波层、吸收层和再次吸收层打印材料时,可以获得最佳的吸收效果,此吸波体在13.3~18 GHz频段内的反射率均小于-10 dB,在17 GHz时有-30 dB的最大吸收峰值。

针对BP(back propagation)神经网络直接逆向模型精度低、耗时长、易振荡等缺点,提出一种联合改进蚁群算法(IACO)与贝叶斯正则化算法(BR)的BP神经网络逆向建模方法。通过改进蚁群算法,根据搜索阶段设置挥发因子、路径优劣程度更新信息素,并在启发式因子中考虑出发点、终点与各节点的间距等,优化正向模型的权值,提高整体模型精度;之后使用L1/2范数的贝叶斯正则化算法逆向迭代正向模型的输入,达到提高网络稳定性的目的。将本文方法应用于可重构功率放大器中,实验结果表明:相比于直接逆向建模方法和自适应η逆向建模方法,本文方法的建模精度分别提高99.77%、90.70%,平均运行时间分别减少35.76%、2.05%;本文方法可降低功放设计的复杂度,提高其设计速度。

根据城市夜光遥感相机研制要求,采用COOK TMA离轴三反光学结构形式,设计了一个视场为5°×2°,焦距为500 mm,F数为3.8,工作波段为0.4~0.8 μm的全反射式夜光遥感相机光学系统,采用主镜、次镜、三镜共光轴设计,提高了光学装调的可行性。选择合适的初始结构参数,利用CODE V软件进行光线追迹和优化设计,结果表明:光斑的方均根直径为2.305 μm,小于1/8像元,在25 lp/mm奈奎斯特频率处的光学调制传递函数大于0.92,接近衍射极限。采用外遮光罩、挡光环、光阑及消光漆等消杂光设计来降低杂散光水平,利用Tracepro软件对光机系统进行杂散光的仿真分析,结果表明:轴外视场为1°~80°时,点源透过率在10 -11~10 -3量级;太阳抑制角为65.96°~80°时,点源透过率小于1×10 -9,满足应用要求。

提供了一种基于机器视觉的双视野双光路远心系统设计方案,以折射棱镜为分界,将远心系统分为物镜部分与目镜部分,通过增加或更换目镜,即可在原有系统中同时实现不同的光学放大率,提高了远心系统在不同场合的适用性。设计了一款具有双视野的双远心系统。该系统工作距离为130 mm,物方视场分别为40 mm与80 mm,搭配 ON Semiconductor公司生产的型号为SN5000A的成像芯片,光学放大倍率分别为-0.275与-0.1375,并且满足低畸变(各视场畸变均小于0.1%)、高分辨(105 lp/mm处大于0.3)、高远心度(小于0.1°)等设计要求。

以同轴三反像差理论为基础,运用仿真软件确定满足设计要求的初始结构参数,基于三镜同轴,入射光束离轴,主镜和三镜顶点相交的光学设计理念,设计出一种易于装调、精度保证的离轴三反光学系统。该系统结合数字微镜器件目标生成器为装甲车辆提供动态实时模拟目标。该光学系统的工作波段为200~1200 nm,焦距为2800 mm,视场为2°,入瞳直径为350 mm。设计结果表明,本光学系统最大相对畸变为0.1056%,各视场的波像差均优于λ/40(主波长λ=636.3 nm)。在70 lp/mm下,本系统的调制传递函数(MTF)均优于0.54,接近衍射极限,成像质量好,满足无穷远动态目标模拟需求;对加工和装配进行公差分析后可知,光学系统的MTF值大于0.4。

为了获得高质量的虹膜图像,采用光学设计软件ZEMAX设计了一款手机虹膜识别镜头,该镜头由4片塑料非球面透镜组成,工作距离为200~330 mm,总长为4.09 mm,F数为2.4。设计结果显示,工作距离为275 mm时,镜头在1/2奈奎斯特频率处的调制传递函数大于0.4,光学畸变小于0.6%,相对照度大于83%。通过像质评价及公差分析可知,该光学系统的畸变小,可变工作距离大,像质优异且性能稳定,可以满足虹膜识别镜头的加工要求。

为了解决国内传统二氧化硫检测仪在光路上存在荧光数量少、采集精确度低等问题,提出了一种改进的光路系统。点光源通过透镜进行平行准直及会聚,利用窄缝减弱杂散光的干扰,改善了传统光路结构上光会聚效果差的缺陷,提升了检测精度。运用Zemax对新光路和传统光路进行仿真,通过对比点列图、探测视图得出新光路的方均根半径减小到35.439 μm,几何最大半径减小到50.194 μm,气体与光源接触区域的光强提高。对其进行实验检测,数据表明改进后的光路系统的二氧化硫浓度示值误差由传统仪器的2%缩减为1%,提高了检测精度。新研制的光路系统能有效解决上述问题,适用于二氧化硫检测仪的设计。

通过原子-微腔耦合体系,在绝热近似条件下得到了系统的有效哈密顿量,实现了海森堡自旋XY模型的量子模拟过程。为了获取量子资源,基于相对熵判据分析了任意两体量子系统的量子相干性。通过严格的解析过程获得了在任意间距下两个微腔原子系统的量子相干度。随两体间距增大,远程量子相干度按幂指数规律逐渐减小。当改变系统参量时,远程量子相干度在量子临界点附近出现了数值突变现象,这为表征量子相变提供了一种可能的序参量。在考虑光场噪声对量子相干性影响后,量子相干度随着时间振荡衰减,并逐渐消失。

为了实现木器漆的快速无损检测以及精确识别与分类,采集并获取了晨阳等3种品牌木器漆样本的拉曼光谱,并考察了基线校正、Savitzky-Golay九点平滑法、一阶导数和二阶导数等不同预处理方法的处理效果,建立了特征波段比值、Fisher判别、K近邻(KNN)模型。结果表明:特征波段比值法能以1358 cm -1/1239 cm -1表征3种木器漆的特征;基于Fisher判别的基线校正、平滑和二阶导数处理的拉曼光谱模型的分类准确率最高,能实现100%区分;在相同的预处理下,KNN判别模型的准确率仅为88.5%。基于二阶导数的拉曼光谱结合特征波段-Fisher-KNN法能为不同品牌木器漆的准确检测提供一种新的快速无损分析手段,具有普适性和一定的借鉴意义。

基于可见/近红外漫透射光谱技术,探讨了对不同产地石榴的品质进行快速无损检测的可行性。首先,利用能够有效抑制杂散光影响的动态在线检测装置采集石榴的近红外光谱,测试石榴糖度的真值;然后结合主成分分析法对不同产地的石榴进行聚类分析,大致将样品分为两类;最后建立不同产地石榴的偏最小二乘判别分析模型,模型的判别准确率为97%以上。采用多种预处理方法(S-G平滑、归一化、基线校正、MSC等)建立了两类石榴的单一模型,结果表明:基线校正的效果明显优于其他方法,所建立的四川石榴模型的预测集相关系数Rp为0.82,预测集均方根误差(RMSEP)为0.37,建模集相关系数Rc为0.90,建模集均方根误差(RMSEC)为0.31;云南石榴模型的Rp为0.81,RMSEP为0.33,Rc为0.87,RMSEC为0.27。在后期采用未参与建模的样品的分选验证实验中,两个产地石榴的判别率为95%,糖度的分选准确率可达92.5%。结果表明,近红外光谱在石榴产地的判别和糖度的分选上具有重要意义,可为以后的石榴在线分选研究提供依据。

在光谱色彩管理色域映射中,针对查找表建立过程中高维光谱数据计算的一系列问题,提出了一种非线性的高维光谱降维方法。对同色异谱黑进行偏最小二乘分析,提取潜在成分,获得了KMN向量,将其与Lab向量组合成6维向量,并作为中间转换空间LabKMN,实现高维光谱数据与低维基向量组合之间的相互转换。LabPQR空间的前3个维度是在特定光照条件下的CIELAB值,后3个维度(PQR)用于描述同色异谱黑的光谱重建维度。对两种方法在光谱精度和色度精度两方面进行比较,基于1600个孟塞尔样本数据的实验计算表明,与LabPQR方法相比,LabKMN的方均根误差均值由0.0164降低到0.0139,光谱精度提高了15.24%,色度重建误差由2.8706降低到1.8138,平均色差降低了36.81%。LabKMN方法降维后的重建精度大幅提高,能够较好地实现更高精度的原始色彩光谱空间的描述。