1 中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300
2 中国民航大学空中交通管理学院，天津 300300
为解决复杂多变环境下光纤入侵事件因噪声干扰识别困难、误报率高的问题，提出了基于改进的奇异谱分析和遗传算法优化的双向长短期记忆神经网络的入侵事件识别方法。首先，为了减少噪声对识别效果的影响采用改进的奇异谱分析法去噪，对入侵信号及其分量进行迭代奇异谱分析去噪，并利用信号贡献率的大小来确定信号重构的秩阶次，调节信号分量去噪的程度，实现光纤信号的去噪。然后，利用遗传算法优化神经网络结构参数，构建双向长短期记忆神经网络提取光纤信号空间特征，最后基于以上方法对攀爬、跑动、敲击、静态、大风、雨天6种实测信号进行入侵事件识别实验，实验结果表明，在双Mach-Zehnder光纤周界传感系统识别入侵事件过程中，改进的奇异谱分析相比普通的奇异谱分析，去噪信噪比有明显提高，平均信噪比提高了12.79 dB，平均均方根误差略有减少。遗传算法优化的双向长短期记忆神经网络较未优化神经网络平均识别率提高了5.7%，识别准确率最高可达98.1%。
光纤传感 奇异谱分析 遗传算法 长短期记忆神经网络 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0506001
1 常州工学院光电工程学院，江苏 常州 213032
2 南京大学智能光传感与调控技术教育部重点实验室，江苏 南京 210093
3 得克萨斯州立大学英格拉姆工程学院，美国 得克萨斯78666
噪声的抑制对于相位光时域反射仪实现相位信号的精确测量至关重要。为此，在相干探测型相位光时域反射仪中采取了幅度形式噪声抑制和相位形式噪声抑制的双层处理方法，并且在“慢时间轴”和“快时间轴”两个方向上对相位形式的噪声进行抑制。首先，在正交解调时采用数字低通滤波器抑制幅度形式的噪声，以正确求解未解缠绕的包裹相位；接着，在“慢时间轴”方向上采用小波分解与重构的方法实现噪声的抑制，并借助相干探测型相位光时域反射仪相位变化线性分布的空间特征和噪声的随机性同时结合相关计算获得最佳小波分解层数；最后，在“快时间轴”方向上使用整体最小二乘的数据拟合方法进行噪声的抑制。实验结果表明：采用三重降噪得到的相位信号的均方根误差为0.17832 rad，比没有采用“慢时间轴”小波降噪的二重降噪方法降低了23.3%。这表明使用包含“慢时间轴”方向小波降噪的三重降噪方法能够实现更精确的相位信号测量。
光纤光学 光纤传感 相位光时域反射仪 定量测量 噪声抑制 小波降噪
1 中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所，四川绵阳62000
2 中国空气动力研究与发展中心 空气动力学国家重点实验室，四川绵阳61000
为了测量复杂流动速度分布，基于分子标记示踪原理建立了飞秒激光电子激发标记（FLEET）测量装置。开展了超声速混合流动速度分布测量实验，获得了马赫数3.0射流分别与马赫数2.0，2.5及2.9射流形成的混合流动速度分布的测量结果；结合大涡模拟和纹影实验，显示了混合层的流场结构。利用延迟10 μs的荧光标记线与荧光基线的位移差，分析得出实验中FLEET速度测量的不确定度优于5 m/s；在高低速主流区，FLEET测量的速度结果与计算结果基本一致；在混合层，FLEET实现了较大梯度的速度分布测量，混合层的厚度与纹影实验结果符合较好。实验表明，建设的FLEET装置具有较强的工程实验能力，能够实现超声速混合层等复杂流动速度的分布测量。
飞秒激光 分子示踪 速度测量 超声速混合层 femtosecond laser molecular tagging velocity measurement supersonic mixing layer 光学 精密工程
2023, 31(19): 2781
利用自制聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)温敏凝胶制备水泥材料, 并开展硫酸盐溶液侵蚀试验, 测量试件质量与强度变化; 同时采用SEM、MIP和水化热测试等手段, 研究PNIPAM凝胶对水泥材料抗硫酸盐侵蚀性能的影响机理。结果表明, PNIPAM凝胶相变会释水, 促进水泥材料的水化, 改善内部孔结构, 提高水泥材料力学性能; 质量分数为1.0%的PNIPAM凝胶可降低水泥材料受硫酸盐侵蚀的质量损失和强度损失; PNIIPAM凝胶具有相变特性, 可以抵消部分膨胀型侵蚀产物对水泥材料内部造成的破坏, 提高水泥材料的抗硫酸盐侵蚀性能。
水泥材料 温敏凝胶 硫酸盐侵蚀 孔结构 干湿循环 水化热 cement material thermosensitive gel sulfate attack pore structure dry-wet cycle hydration heat
1 华中科技大学机械科学与工程学院数字制造装备与技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074
2 广东省智能机器人研究院，广东 东莞 523808
异质材料连接，尤其是金属和玻璃，广泛应用在各种工业产品上。超快激光焊接异质材料是一种快速、清洁和非接触的新技术，近年来得到了广泛研究。采用分子动力学方法对飞秒激光作用铝和石英玻璃界面进行了理论模拟研究，模拟根据石英玻璃的熔点和弹性常数，构建了石英玻璃的Lennard-Jones（LJ）相互作用势函数。根据铝-石英玻璃之间的黏附功，建立了铝-石英玻璃之间的LJ相互作用势函数，从而在保持宏观特性的同时简化和加速模拟过程。采用耦合到分子动力学的双温模型对飞秒激光作用铝和石英玻璃界面进行了小规模分子动力学模拟。飞秒激光辐照后，焊接区局部瞬时温度高达10000 K，应力高达20 GPa，出现铝原子向石英玻璃一侧扩散移动的现象。铝和石英玻璃的混合区由于高温粒子的持续碰撞而不断扩大，同时两种材料的混合区域中心向石英玻璃一侧移动，在微观上揭示了飞秒激光作用铝-石英玻璃界面皮秒时间尺度的分子动力学演化过程，为飞秒激光焊接异质材料提供理论基础。
超快激光焊接 势能函数 玻璃 铝 分子动力学仿真 异质材料 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0114011
中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
海洋与大气交换的CO2通量是研究海-气之间碳循环过程及海洋酸化问题的重要指标, 其估算方法主要依赖于海水中CO2的测量。 可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)作为一种常用的气体浓度检测技术, 因其具有较好的环境适应性、 选择性和较高的灵敏度, 亦可发挥出水中溶存气体原位测量的潜力。 为验证将TDLAS技术应用到海洋中溶存CO2原位探测的可行性, 将渗透膜脱气技术与实验室研发的TDLAS气体探测样机相结合, 实现了海水中溶存CO2的原位探测。 为适应水下的复杂环境, 样机整体被设计为铝合金密封舱结构, 具有良好的密封性、 耐压性与耐腐蚀性。 激光光源采用中心波数位于4 990 cm-1的DFB激光器, 其波数扫描范围为4 992~4 994.5 cm-1, 可覆盖CO2在4 992.51和4 993.74 cm-1的相邻两条吸收谱线。 渗透膜采用具有优秀耐压性与透气性的Teflon AF-2400 X, 可满足样机在深水区长期探测的目的。 为兼顾较高探测灵敏度与较快响应速率双重指标要求, 样机采用了一种小型化多次反射式气体吸收池, 有效吸收光程可达8 m, 内部仅需气体量24 mL, 具有良好的吸收特性。 在实验室对样机进行校正实验, 使用样机对5种不同浓度(202.8×10-6, 503×10-6, 802×10-6, 1 006×10-6和2 019×10-6)的标准CO2气体进行测量, 测量值与实际值的线性相关度R2高达99.94%, 最大相对误差小于8%, 减小了样机误差对测量值的影响。 为评估样机长时间工作的稳定性, 使用样机对浓度为802×10-6的标准CO2气体进行了30 min的连续测量, 平均测量浓度为802.6×10-6, 其波动范围仅为10×10-6, 样机精度约为0.5%, 可满足水中溶存气体探测的要求。 选取水深3米的近海码头进行试验, 成功获得了24 h水中CO2的典型吸收光谱及浓度时间序列测量结果, 验证了样机水下工作的能力与稳定性。 通过在东海海域五处不同深度的区域进行现场试验, 成功获取溶存CO2的典型吸收光谱, 证明了结合渗透膜脱气技术的TDLAS探测样机在30 m以浅水域的工作适应性。
溶存CO2气体 可调谐半导体激光吸收光谱 渗透膜 原位测量 Dissolved carbon dioxide gas Tunable diode laser absorption spectroscopy Permeable membrane In-situ measurement 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1264
1 河南中医药大学药学院, 河南 郑州 450046
2 中国中医科学院中药资源中心道地药材国家重点实验室培育基地, 北京 100700
3 航天恒星科技有限公司大数据项目办公室, 北京 100086
4 中国科学院空天信息创新研究院国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100094
5 中国中医科学院道地药材国家重点实验室培育基地, 北京 100700
6 中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省遥感重点实验室, 甘肃 兰州 730000
7 中国科学院长春应用化学研究所吉林省中药化学与质谱重点实验室, 吉林 长春 130022
8 航天工程大学航天信息学院, 北京 101416
人参是传统中药材中的贵重品种, 具有较高的经济价值。 人参生长的地域性很强, 不同产地人参有效成分含量存在差异, 人参因“道地”与否, 会导致其质量、 医学效用和经济价值的差异, 因此人参产地识别的意义重大。 目前常通过磨粉提取等制备, 再采用化学或光学等多种手段检验人参产地, 但会造成样本破坏。 而基于外观性状或芦头特征的鉴别, 因主观性差异不能作为标准化的识别方法。 如何用高精度、 无损、 快速检测识别的方法, 对人参的产地进行识别分析, 是该研究的主要立足点。 通过采用高光谱成像技术, 对已知产地信息的人参样本, 通过获取从4002 500 nm的反射光谱, 经过基于白板的绝对和相对辐射校正处理, 构建了高光谱反射率数据集。 采用随机森林的机器学习方法, 构建了基于高光谱数据的全光谱人参产地识别模型, 并对不同尺度的地域划分规则分别开展了产地识别精度验证, 发现不同产地的人参光谱有明显区别。 其中东三省与否的产地识别精度, 可以达到98.2%。 同时利用随机森林基于决策树构建的优势, 获得了人参产地识别的光谱重要性结果, 为专用轻量化仪器研发指明特征光谱。 高光谱人参产地识别研究作为严格的无损检测方式, 将对人参等道地药材的产地识别、 药材图谱指纹认知和挖掘、 药材鉴定和质量评价等提供理论支撑和技术手段。
高光谱 随机森林 可解释性 人参 中药材 产地 Hyperspectral Random forest Interpretability Ginseng Traditional Chinese medicinal materials Origin 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1217
随着信息安全与通信技术的发展，随机数在安全芯片、保密通信等领域得到了广泛应用。为提高随机数在线检测速度，针对128 bit、256 bit和512 bit中每种随机数检测长度，通过推导去除卡方检验公式中计算复杂的部分，得到易于硬件实现的公式，并对公式进行硬件优化与实现。通过VCS和Verdi仿真，验证了设计的正确性。采用Design Compiler工具，基于UMC55工艺库，将设计综合，得到了面积为1 411 GE(等效与非门数)的128 bit卡方模块。在实现较小面积的同时，达到了较为显著的优化效果。512 bit卡方模块与软件实现对比，速度提升50.08%，达到较高的随机数在线检测速度。该模块适用于需求较小面积和较高速率的硬件实现场景。
信息安全 随机数 卡方检验 硬件实现 information security random number Chi-square test hardware implementation
