厦门大学航空航天学院仪器与电气系, 福建 厦门 361005
拉曼成像是拉曼光谱技术非常重要的一个环节, 通过生成光谱数据的伪彩图像, 可以得到采集区域中某物质组分的浓度和位置分布信息, 当前, 拉曼成像技术已经逐渐成为监测生物活性以及物质组分的最优解之一。 为了得到清晰的成像效果, 采集过程中的数据量不宜过小, 否则成像效果差、 锯齿感较重, 从而导致视觉效果不好。 但是, 数据量的增加虽然可以得到更好的成像效果, 但会增加时间成本、 降低仪器寿命。 因此, 在不增加时间和硬件成本的情况下, 对采集点数据进行插值提高成像的空间分辨率、 降低时间分辨率是很有意义的。 提出了一种基于研究拉曼光谱波形结构物理特性的图像插值算法。 区别于传统的图像插值算法仅对图像像素值进行处理, 通过结合拉曼信号的物理特性, 选取最小二乘法和物理特性上最适合解析拉曼谱峰的数学模型Voigt函数对现有光谱数据进行数学拟合提取特征值, 并对提取出的特征值通过线性插值方法计算出未知插值点的Voigt函数的特征值, 从而计算出插值点的Voigt函数, 可以直接提高现有拉曼图像的空间分辨率, 同时通过该方法也可以缩短扫描时间, 提高拉曼成像的时间分辨率。 同时, 为了验证算法的有效性和可行性, 对一种药物和一种生物细胞的原始拉曼成像进行图像插值, 并采用直方图的欧几里得距离求解相似度和结构相似度算法(SSIM, 一种权威的图像相似度评价算法)对插值效果进行评价。 实验结果表明, 在图像像素点增量分别为50%和75%的情况下, 该算法能够很好地保留样本组分的分布和浓度等重要信息。 该算法可以在不升级硬件的情况下提高拉曼成像的性能, 推荐作为拉曼成像数据处理和软件的有效补充。
拉曼成像 图像处理 空间分辨率 Voigt函数 Raman imaging Image processing Spatial resolution Voigt function 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1478
暨南大学信息科学技术学院，广东 广州 510632
为了提高水下光无线通信（UOWC）的频谱效率和功率效率，提出了一种基于多层非对称剪裁光正交频分复用（Layered-ACO-OFDM）的UOWC系统。该系统通过对子载波分层调制的方法，充分利用了传统非对称剪裁光正交频分复用（ACO-OFDM）中损失的频谱资源，极大地提高了光无线通信系统的频谱效率。此外，Layered-ACO-OFDM系统不需要加入直流偏置，故功率效率也得到了大大提升。考虑了可见光在海水中传输过程中的吸收和散射效应，建立了基于蒙特卡罗方法的UOWC信道模型，并较为全面地研究了海水中不同叶绿素浓度和不同接收机参数下的信道响应。结果表明，与传统ACO-OFDM相比，基于Layered-ACO-OFDM的UOWC系统具有频谱效率高的优势。同时，当信噪比为27 dB时，在清澈海水中其可以实现10 m距离下1 Gb/s的高速率通信。
激光与光电子学进展
2021, 58(21): 2106005
1 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150000
2 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150000
船舶运输作为大宗货物的重要流通手段, 为我国经济社会发展做出了巨大贡献, 但与此同时船用柴油机带来了严重的污染排放问题。 在全球排放限制日益严峻的背景下, 实现对其排放参数的实时监测, 对环境保护、 节能减排、 优化柴油机控制策略与燃烧性能等都具有重要意义。 近年来可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术因其精度高、 响应快等优点逐渐受到青睐, 该技术的广泛应用对其的研究提出了更高要求, 因此利用数学软件对其进行仿真模拟, 对测试系统的开发、 参数调整都具有一定价值。 结合目前的船舶排放检测问题, 以其中最具代表性的污染物NO为目标气体, 利用软件制作了气体浓度测量仿真模型。 检测系统仿真模型主要由光源调制、 线型函数拟合、 模拟气体吸收、 线强函数S(T)拟合、 锁相放大器等各部分组成。 采用波长调制的方法对浓度测量过程进行仿真, 将高频正弦波和低频锯齿波相叠加用以调谐激光, 激光经过气室进行模拟吸收后, 信号经过锁相放大器调解得到各阶谐波信号。 将二次谐波比一次谐波的峰值点作为信号, 采用最小二乘法进行浓度-信号幅值曲线拟合并以此进行浓度反演和误差计算, 反演误差在2.5%以内。 分析了温度、 压力等环境因素对信号幅值的影响并绘制了谐波图线, 通过引入参考气室来消除环境波动对结果造成的影响, 在环境变动时不需要重新拟合浓度-峰值曲线, 可直接得到结果。 尝试了不同的正弦波频率和调制系数等参数, 分析了调制参数对信号幅值的影响, 选取了较为合适的参数范围。 为柴油机在线排放测试系统的构建和参数选择提供了一定参考。
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS) 谐波检测 NO浓度测定 仿真建模 Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) Harmonic detection NO concentration determination Simulation modeling 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3262
拉曼光谱是一种无损快速检测技术, 可以提供材料的定性和定量信息, 因而在医药、 化工等诸多领域得到了广泛的应用。 但是, 由于样品荧光背景噪声的影响, 造成拉曼光谱信号出现基线漂移现象, 这给拉曼光谱的特征峰识别和拉曼成像带来十分严重的影响。 目前, 改进实验方法和数值处理是解决该问题的两种重要手段。 改进实验方法上, 有偏振调制法和高频调制法等, 但存在实验设备复杂, 检测技术难度大等缺点; 数值处理上, 有多项式拟合和小波变换等, 但容易出现欠拟合和过拟合等现象。 本文在不改换高精密设备的前提下, 针对传统基线校正的方法进行了改进, 提出一种基于自适应加窗spline曲线拟合的拉曼光谱去基线方法。 首先, 基于谱峰识别算法和初始搜索步长求得谷值的最优搜索间距, 并利用谱谷识别算法完成谷值曲线的拟合; 其次, 利用最优搜索间距和谱峰识别算法, 求得谷值曲线峰值位置, 并在该位置处对称添加自适应矩形窗函数去除峰值, 重新划分整个区间, 拟合谷值曲线; 再次, 逐点比较拟合曲线与原拉曼光谱信号, 取较小值, 拟合曲线; 最后, 重复加窗去除峰值操作, 直至自适应窗函数宽度低于阈值, 完成拉曼光谱信号的基线拟合。 在实验中, 选用乙酸丁酯、 聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)作为实验样品, 利用该方法对其拉曼光谱信号进行了基线校正, 观察并比较该方法和传统方法的校正结果。 实验结果表明, 该方法能够有效地消除拉曼光谱信号的基线漂移, 较好的保留一些较弱的拉曼特征峰, 且不易出现欠拟合和过拟合的现象, 获得了良好的基线校正效果, 为进一步分析光谱数据和实现拉曼成像提供准确可靠的信息。
拉曼光谱 基线漂移 基线校正 最优搜索 Raman Spectroscopy Baseline drift Baseline correction Optimal search
1 厦门大学航空航天学院仪器与电气系, 福建 厦门 361005
2 传感技术福建省高等学校重点实验室, 福建 厦门 361005
拉曼成像是一种无损伤、 无需标记的光谱成像技术, 在生物医学领域得到了广泛的应用。 然而, 由于大多数生物样本中的自发拉曼信号都很弱, 为了获得较好的成像结果, 需要较长的时间来获取高信噪比的拉曼光谱, 严重影响了拉曼成像的时空分辨率, 阻碍了其在快速动态体系中的应用。 多通道拉曼成像是解决这一问题的有效途径之一, 在多通道拉曼成像技术中, 完整拉曼光谱的标定-重建算法是关键。 目前, 适用于光谱重建的算法有伪逆法、 Wiener估计算法等, 这些方法虽然简单且易于实现, 但是在应用于多通道拉曼成像时, 一方面易受噪声、 振动等非线性因素的直接干扰, 另一方面在多通道拉曼成像中, 数量相对较少的训练样本和坏样本的存在均很容易影响重建效果。 为解决这两类因素的影响, 本文提出了一种基于训练样本优化和主成分分析(PCA)的拉曼光谱重建算法。 首先, 利用滤光片理论响应矩阵函数计算训练样本的模拟窄带测量值, 借助Wiener估计重建完整拉曼光谱, 得到重建光谱的模拟窄带测量值, 比较样本与重建光谱的窄带测量值, 完成训练样本的优化; 然后, 基于多项式回归, 拓展优化处理后的窄带测量值, 降低非线性因素的干扰; 最后, 利用主成分分析, 提取训练样本主要信息, 完成转移矩阵的计算, 并引入归一化处理, 实现拉曼光谱的快速重建。 在试验中, 选取有机玻璃(PMMA)作为实验样本, 利用伪逆法、 Wiener估计算法和本算法, 分别完成拉曼光谱重建。 采用均方根误差, 评价拉曼光谱的重建精度。 结果证明, 该算法优于传统算法, 为拉曼成像技术进一步在快速动态体系中的应用提供了理论支持。
多通道拉曼成像 训练样本优化 光谱重建 Multi-channel image Sample optimization PCA PCA Spectral reconstruction 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2495
1 中南大学交通运输工程学院, 湖南 长沙 410075
2 汉阳大学机械工程学院, 首尔04763, 韩国
在车轮廓形动态检测过程中,线激光传感器只能安装在轨道旁作业,线激光测量平面与车轮表面交线无法通过车轮轮心,导致采集到的大量车轮廓形数据存在仿射畸变,难以用传统迭代最近邻(ICP)算法进行准确匹配,测量精确性与鲁棒性难以保证。提出了一种基于感兴趣域的加权尺度迭代最近邻 (ROI-RSICP) 算法,对存在仿射畸变的磨耗车轮廓形实现了精确测量。首先,根据车轮廓形磨耗特征和大量磨耗车轮数据,采用PointNet深度学习网络,将采集的车轮廓形点集分成磨耗感兴趣区域(ROI)和非磨耗区域;然后,通过对磨耗ROI和非磨耗区域赋予不同权重值,提出了ROI-RSICP方法,并实现了仿射畸变磨耗车轮廓形与标准廓形的精确配准;最后,通过Hausdorff距离算法实现了车轮磨耗可视化处理。实验对比了ICP算法、Scaling ICP算法、ROI-RSICP算法以及第四种检查器的测量结果,验证了所提算法对仿射畸变磨耗车轮廓形动态检测的可行性。
测量 线激光 车轮廓形 点云配准 中国激光
2020, 47(11): 1104006
中南大学交通运输工程学院, 湖南 长沙 410075
针对线激光位移传感器采集的圆弧特征数据对应整圆的角度偏小、特征点存在噪声及离群点等严重影响圆中心定位精度的问题,提出半径约束迭代重加权最小二乘圆拟合(RC-IRLSCF)方法。为了克服既有圆弧特征检测过程中存在的噪声及离群点对检测精度的影响,构建基于半径约束及鲁棒损失函数的圆拟合目标优化模型,采用迭代重加权与Levenberg-Marquardt算法渐进优化求解模型,实现圆弧特征的精确拟合与定位。通过服役车轮踏面检测实验表明:利用线激光检测轮廓圆弧特征,在光散射和局部变形等原因产生邻近离群点的条件下,所提方法可实现圆弧的精确拟合与定位,具有一定的鲁棒性与抗噪性。
测量 线激光 迭代重加权 最小二乘法 半径约束 圆拟合 车轮踏面检测
青岛科技大学机电工程学院, 山东 青岛 266061
将压缩传感理论与偏折角修正迭代技术相结合解决光偏折层析极少方向的投影重建，提出了一种新的偏折角压缩传感修正重建算法。该算法以待测场梯度的l1 范数为稀疏性先验模型，结合最速下降法进行全变差调整，并引入压缩传感权重因子对迭代过程进行优化。在极少方向投影条件下对双峰温度场进行模拟重建，并在相同条件下与已有算法进行比较。结果表明，在6 方向投影数据条件下，新算法在峰值构建和重建平滑度方面均表现出显著的优越性，新算法的峰值误差和标准距离误差分别比现有算法降低了18.32%和46.67%。通过对喷焰温度分布的实验测量证明了该算法的有效性。
图像系统 光偏折层析 压缩传感 重建算法 激光与光电子学进展
2014, 51(5): 051102
由于运动注意力模型不合理、光流估算的局限性和噪声影响, 对于复杂运动场景, 现有运动注意力计算方法往往不能准确计算出运动显著图。本文提出了一种新的运动注意力计算方法, 该方法首先根据注意力形成机理构建运动注意力模型; 在可变块大小运动估计的基础上计算运动注意力; 最后采用空间多尺度融合得到最终的运动显著图。通过对多个高清视频序列的测试, 表明本文提出的方法比现有方法更能准确地计算出运动显著图。
运动注意力 可变块运动估计 多尺度融合 motion attention variable block motion estimation multi-scale fusion
