针对无人机数据链具有多业务融合、结构复杂、动态重构等特征, 而传统可靠性建模方法无法准确表征其同步、并发、分布、冲突、资源共享或竞争等现象的问题, 开展了基于GSPN构建数据链业务动态可靠性建模方法研究。通过GSPN模型中的资源、库所、变迁等概念描述数据链系统中的各种资源、状态、行为以及协作关系, 并以特定的随机变量表示部件状态及其持续时间, 模拟系统动态运行过程。采用PIPE软件工具对无人机数据链上行遥控、下行遥测以及下行任务载荷传输的3大业务形式化建模描述, 实现可靠性准确评价。案例表明, 所提方法可为无人机数据链提供可信的可靠性评价方法。
数据链 无人机 可靠性 仿真模型 资源竞争 data link UAV reliability GSPN GSPN simulation model resource competition
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
光声成像是一种以超声为媒介的功能性光学成像方法,近年来得到了迅速发展。非接触光声成像技术旨在无耦合液的条件下实现高灵敏、大带宽的光声信号接收以及高质量的图像重建,它在继承传统光声成像技术优势的基础上,提升了探测性能,并扩展了应用领域。本文综述了非接触光声成像的研究现状及其在生物医学领域的应用,概述了目前非接触光声成像技术的物理机理及成像系统的结构,介绍了该技术在无标记术中组织学成像、眼科成像和皮肤光学活检中的特色应用,最后总结了非接触光声成像技术的特点以及未来面临的挑战。
医用光学 光声成像 非接触 功能成像 多模态 生物医学 中国激光
2021, 48(19): 1918005
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
在光声层析成像重建方法中,当考虑超声换能器特别是大晶面超声换能器的尺寸影响时,经典的光声模型重建算法需将晶面离散化,通过分别计算每个离散点的正向模型并求和来建立最终的正向模型矩阵。这种基于模型的重建方法已被证明比传统的延迟叠加和反投影重建方法具有更高的精确性,但同时也会导致巨大的时间消耗和计算/存储空间。本文提出了一种基于虚拟平行投影的光声模型重建方法,该方法用直接建立虚拟平行投影的模型矩阵来代替晶面离散点模型矩阵之和,适用于使用大晶面柱形聚焦或平面超声换能器的光声层析成像系统。数值模拟、仿体实验及活体实验结果表明,所提方法与基于离散化晶面的光声模型重建方法具有相似的图像重建性能,但其重建过程的时间消耗和计算/存储空间需求显著降低。
医用光学 光声层析成像 虚拟平行投影 模型重建算法 中国激光
2021, 48(16): 1607001
Author Affiliations
Abstract
1 Tianjin University, School of Precision Instruments and Optoelectronics Engineering, Tianjin, China
2 Tianjin University, Center for Terahertz Waves, Tianjin, China
3 Ministry of Education, Key Laboratory of Optoelectronics Information and Technology, Tianjin, China
4 Oklahoma State University, School of Electrical and Computer Engineering, Stillwater, Oklahoma, United States
Radiation at terahertz frequencies can be used to analyze the structural dynamics of water and biomolecules, but applying the technique to aqueous solutions and tissues remains challenging since terahertz radiation is strongly absorbed by water. While this absorption enables certain analyses, such as the structure of water and its interactions with biological solutes, it limits the thickness of samples that can be analyzed, and it drowns out weaker signals from biomolecules of interest. We present a method for analyzing water-rich samples via time-domain terahertz optoacoustics over a 104-fold thickness ranging from microns to centimeters. We demonstrate that adjusting the temperature to alter the terahertz optoacoustic (THz-OA) signal of water improves the sensitivity with which it can be analyzed and, conversely, can reduce or even “silence” its signal. Temperature-manipulated THz-OA signals of aqueous solutions allow detection of solutes such as ions with an order of magnitude greater sensitivity than terahertz time-domain spectroscopy, and potentially provide more characteristic parameters related to both terahertz absorption and ultrasonic propagation. Terahertz optoacoustics may be a powerful tool for spectroscopy and potential imaging of aqueous solutions and tissues to explore molecular interactions and biochemical processes.
terahertz optoacoustics terahertz pulse time-domain detection label-free water Advanced Photonics
2021, 3(2): 026003
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
搭建了一套多角度扫描的高灵敏度光声介观(OPAM)实验系统,可同时实现高灵敏度测量和多角度信息获取,并利用该系统对小动物肿瘤的结构信息与功能信息进行了初探。通过仿体实验验证了所搭建系统的空间分辨能力,满足OPAM成像需求;通过对两种小动物肿瘤模型进行OPAM实验,可获得肿瘤的结构图像以及两种肿瘤较为明显的类型特征;之后利用该系统在双波长测量条件下获得了肿瘤的血氧饱和度值。实验表明,该OPAM系统可以为肿瘤学研究提供一定的参考与指导,在生物医学研究领域具有较好的应用前景。
医用光学 光声介观 双波长 聚焦超声探测器 多角度扫描 肿瘤实验
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
为捕捉生物组织体内快速变化的荧光信号, 并借鉴扩散荧光层析在穿透深度、高灵敏度等方面的优势, 设计了一套具备快速实时采样能力的动态扩散荧光层析成像在体测量系统.该系统采用多光源-探测器布配方案, 结合光电倍增管探测器与锁相光子计数检测技术, 具有高空间采样密度、高探测灵敏度、大动态测量范围以及高性价比等优势.有效性评估实验表明: 该系统具备良好的稳定性和很强的环境光抑制能力, 频率串扰率低于1.39%.仿体成像实验表明: 该系统能够有效地对单个和多个目标体成像.活体健康小鼠吲哚菁绿肝代谢实验进一步表明: 该系统可有效捕捉小鼠体内快速变化的荧光信号, 能够用于荧光剂药代动力学研究.
光学层析 荧光 药代动力学 动态系统 锁相光子计数 Optical tomography Fluorescence Pharmacokinetics Dynamic system Lock-in photon counting
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 光电信息技术科学教育部重点实验室(天津大学), 天津 300072
不规则粗糙粒子广泛存在于粒子场中, 为获得其尺寸信息, 建立激光干涉成像系统, 提出了不规则粗糙粒子尺寸计算方法。基于光学传输矩阵理论, 模拟了不规则粗糙粒子激光干涉离焦像, 分析得到粒子尺寸与离焦像2D自相关的关系, 给出不规则粗糙粒子尺寸计算公式。以砂砾为样本进行激光干涉成像实验, 采集不同转向下的离焦像并进行频率分析获得粒子尺寸, 实验结果表明, 测量误差不超过10.4%, 满足微小粒子的测量要求, 对实际粒子场的测量具有重要意义。
激光干涉成像 不规则粗糙粒子 离焦像 2D自相关 laser interferometric imaging irregular rough particles defocused image 2D autocorrelation
兰州交通大学电子与信息工程学院， 甘肃 兰州 730070
针对多聚焦图像融合中聚焦物体边缘衔接处产生伪影的问题，提出一种基于非下采样Contourlet变换(NSCT)与引导滤波的多聚焦图像融合算法。该算法对多聚焦图像进行NSCT分解后，利用基于边缘的加权融合方案处理低频子带系数，利用双向拉普拉斯滤波器提取带通方向子带系数的边缘和显著信息，通过引导滤波器对初始融合权重进行修正，最后利用NSCT重构获得融合后的多聚焦图像。实验结果表明，与其他融合算法相比，本文算法提高了融合图像的信息丰富度和清晰度，避免在聚焦物体边缘衔接处产生伪影，提高了融合图像的总体质量。
图像处理 图像融合 非下采样Contourlet变换 引导滤波 空间一致性 激光与光电子学进展
2018, 55(7): 071007
兰州交通大学电子与信息工程学院, 甘肃 兰州 730070
针对多聚焦图像融合中目标物边缘处产生虚影的问题,提出一种基于引导滤波与改进脉冲耦合神经网络(PCNN)的多聚焦图像融合算法。该算法利用引导滤波器对源图像进行多尺度边缘保持分解,对分解得到的基本图像和细节图像采用不同的引导滤波加权融合策略进行初步融合;将初步融合图作为外部输入激励刺激改进的PCNN模型;根据融合权重图对多幅源图像进行融合,获得最终的融合图像。实验结果表明,与传统融合算法相比,本文方法较好地保留了源图像的边缘、区域边界以及纹理等细节信息,避免了目标物边缘处产生虚影,提高了融合图像的质量。
图像处理 图像融合 多聚焦图像 改进脉冲耦合神经网络模型 引导滤波器
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
3 天津医科大学附属肿瘤医院, 天津 300060
为实现小动物吲哚菁绿(ICG)药代动力学成像, 设计了一套高灵敏度扩散荧光层析成像系统。该系统采用了基于离散光纤耦合光子计数采集的仿计算机断层成像扫描方式, 在保障高灵敏度和大动态范围测量的前提下, 可有效提高系统的空间采样分辨率; 同时采用了基于光开关切换四通道串-并混和的测量模式, 兼顾了测量时间分辨率和系统性价比之间的平衡。为验证实验系统的有效性, 设计了可模拟小动物体内ICG代谢规律的动态仿体, 并结合实验室开发的荧光剂药代动力学直接重建算法, 实现了ICG代谢速率的重建。实验结果表明, 该系统具有较高的空间分辨率、灵敏度和量化性。
医用光学 扩散荧光层析成像 药代动力学 吲哚菁绿 光子计数 动态测量 动态仿体
