华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200241
具有长波长荧光发射特性的碳点(CDs)材料由于其在生物领域的广阔应用而受到越来越多的关注。 长波长发射荧光碳点的合成主要基于高温高压的方法, 室温合成的方法和研究还比较少。 采用碱催化的方式, 将氢氧化钠溶液与果糖溶液混合后透析, 无需加热和其他额外的能量输入即可制备出一种蓝绿色发光可调的碳点, 并通过透射电子显微镜、 紫外-可见分光光度计、 稳态荧光光谱仪等光谱技术对合成碳点进行了表征。 进一步采用圆二色分光光度计和皮秒时间相关单光子计数等测量系统对碳点与牛血红蛋白(BHb)之间的相互作用进行了探究。 虽然已有较多应用碳点检测BHb的研究, 但这些研究更注重分析BHb检测的效果, 而对BHb猝灭碳点荧光的机理还缺少较为详细的系统性证明。 测量得到了二者在不同温度下相互作用的Stern-Volmer图像, 以及碳点在BHb加入前后的荧光寿命, 结果表明BHb对碳点荧光的猝灭是一个静态的过程。 并且在该过程中, BHb的α-螺旋含量下降了约3%, 证明了碳点会使蛋白的结构发生改变。 BHb与碳点混合后形成了复合物, 导致碳点的荧光下降。 通过分析干扰样品以及反应时间对检测BHb的影响, 证实了碳点检测BHb具有良好的选择性和稳定性。 另外, 碳点荧光强度下降, 下降比例与BHb浓度成线性关系, 因此可以设计基于碳点荧光猝灭的血红蛋白生物传感器, 用于微量BHb的特异性检测, 所检测的线性范围为0～5 μmol·L-1, 检测限为243 nmol·L-1(S/N=3)。 所合成的碳点还可以实现双波长激发检测, 实验证实在370和425 nm激发下, 碳点的荧光猝灭程度和BHb的浓度之间表现出良好的线性关系, 这为该荧光探针检测BHb提供了更多的应用价值。 由于该碳点的合成手段简便, 操作技术难度低且合成原料容易获得, 该荧光探针对BHb的微量检测在生命科学研究和刑侦领域都具有十分重要的意义。
碳点 血红蛋白 荧光探针 荧光猝灭 光谱技术 Carbon dots Hemoglobin Fluorescent probe Fluorescence quenching Spectroscopy 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3365
1 合肥工业大学计算机与信息学院，安徽 合肥 230601
2 智能互联系统安徽省实验室，安徽 合肥 230601
针对阴影造成的低光照、低对比度和高噪声等问题，为提高阴影下目标的检测、识别精度，借鉴生物偏振视觉机理，在偏振距离理论及算法的基础上，提出一种与“色调-饱和度-强度”颜色空间（HSI color space）融合的偏振距离强度（PDI）模型。该模型利用偏振角信息作为估算方式设定阈值范围，将偏振距离信息与原始光强信息融合为新的强度通道，并与原始色调及饱和度信息融合，最终获取PDI模型映射结果。搭建实测实验装置，并开展4组对比实验。结果表明，与其他3种现有目标增强算法相比，所提算法在灰度对比度、信杂比和Fish距离指标上均取得显著提升，能够使阴影下目标与背景间的差异得到明显提高。
图像处理 偏振成像 阴影 偏振距离 目标增强 图像融合 激光与光电子学进展
2023, 60(12): 1210024
1 厦门大学航空航天学院, 福建 厦门 361000
2 厦门大学福建省传感技术重点实验室, 福建 厦门 361000
高斯型掺铒光纤光源稳定性高, 可有效减小光纤陀螺相位误差, 从而提高光纤陀螺的测量精度。通过对掺铒光纤光源的经典结构进行理论分析, 提出了由双程前向结构和单程后向结构复合而成的双级单泵浦结构, 并对其进行光路结构仿真, 以确定最佳的光路参数范围。泵浦输出波长和功率的稳定性直接影响光源的功率稳定性和平均波长稳定性, 因此针对电流驱动型泵浦激光器设计了恒流驱动方案和恒温控制方案。试验结果表明, 所研制的掺铒光纤光源在-45~65 ℃的温度范围内, 全温功率变化率为8.27%, 全温平均波长稳定性为1.7×10-6 K-1。
激光器与激光光学 陀螺仪 掺铒光纤光源 双级单泵浦结构 恒流、恒温控制 lasers and laser optics gyroscopes doped fiber light source two-stage single-pump structure constant current and constant temperature control
中国建筑材料科学研究总院有限公司, 北京 100024
氮氧化物是大气主要污染物之一, 选择性催化还原(SCR)是国内外工业锅炉(窑炉)烟气脱硝的主要技术途径。脱硝催化剂是SCR技术的核心, 近几十年来为人们所关注和广泛研究。金属氧化物催化剂材料来源广泛, 制备简单, 脱硝效率稳定, 在工业锅炉(窑炉)烟气脱硝中具有广阔的应用前景, 因而成为人们研究关注的重点。本文基于SCR烟气脱硝理论现状, 归纳了金属氧化物催化剂优化设计的关键与重要基础, 同时, 梳理了目前备受研究关注的钒基、锰基、铈基、铁基等四种典型金属氧化物催化剂的研究进展, 系统介绍了不同氧化物催化剂的脱硝机理、本质特征、元素改良、结构和形貌设计, 以及存在的问题等, 并展望了今后金属氧化物催化剂研究的发展趋势, 为今后工业锅炉(窑炉)烟气高效脱硝催化剂的研发提供参考借鉴。
氮氧化物 选择性催化还原 机理 烟气脱硝 金属氧化物 催化剂 nitrogen oxide selective catalytic reduction mechanism flue gas DeNOx metal oxide catalyst
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
1 中国石油化工集团公司胜利油田分公司，山东 东营 257000
2 齐鲁工业大学（山东省科学院）激光研究所，山东 济南 250014
研制了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）和非本征法布里-珀罗干涉仪（EFPI）的高精度井下长期在线温度压力监测系统。该系统通过EFPI的腔长变化监测压力，通过FBG的波长变化监测温度，同时实现对压力的温度补偿。标定结果表明，该系统的压力测量范围为0.1~42 MPa，压力灵敏度为203.8 nm/MPa，精度为±0.05%F.S（F.S表示满量程），压力分辨率达到0.0007 MPa。将该系统在胜利油田桩西某生产井进行了工程示范，实时监测井下温度和压力5个月。结果表明，该系统能反映油井生产状态，实现重要参数的在线监测，对提高油气采收率具有重要指导意义。
光纤光学 光纤布拉格光栅 非本征法布里-珀罗干涉仪 压力 温度 在线监测 激光与光电子学进展
2022, 59(17): 1706006
1 合肥工业大学计算机与信息学院，安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学图像信息处理研究室，安徽 合肥 230009
3 合肥高创股份有限公司，安徽 合肥 230088
大气偏振模式在导航等领域具有广阔的应用前景，但是由于受到大气偏振信息采集装置物理特性的限制，在同一时刻只能获得局部的、不连续的偏振信息，对实际应用产生影响。针对此问题，本文通过挖掘大气偏振模式分布的连续性，提出一种大气偏振模式生成方法，从局部的偏振信息生成全天域的大气偏振模式。此外，偏振信息往往受到不同的天气条件、地理环境等因素的影响，而这些偏振数据在真实环境中难以采集。针对此问题，本文挖掘不同天气、地理条件下有限样本数据之间的多样性关系，以此关系将生成的大气偏振模式泛化到不同的条件下。本论文在仿真数据和实测数据上进行了实验，并与其它最新方法进行对比，实验结果证明了本文方法的优越性和鲁棒性。
大气偏振模式生成 有限样本驱动 偏振数据挖掘 atmospheric polarization mode generation few-shot driven polarization data mining
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 军事科学院 系统工程研究院, 北京100141
2 北京市芦城体育运动技术学校, 北京100141
3 中国电子科技集团公司 第三十四研究所, 广西 桂林541004
远程供电系统的供配电能力直接影响了海洋综合信息光网络的发展建设, 供电网络结构、大功率岸基电源和高功率水下电源转换单元是其中需要解决的关键问题。针对不同应用特点的海洋综合信息光网络, 通过理论分析网络结构和应用环境, 提出了相应的远程供电系统方案及功率预算方法, 给出了岸基设备(岸站大功率输出)和海底单元(水下电源高功率转换)实现方案, 最后指出了未来海洋综合信息光网络远程供电技术的发展方向。
海洋综合信息光网络 远程供电系统 岸基设备 海底单元 marine integrated information optical network remote power supply system shore-based power feeding equipment submarine unit
