1 南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 211106
2 南方科技大学电子与电气工程系，广东 深圳 518055
3 高速载运设施的无损检测监控技术工信部重点实验室，江苏 南京 211106
4 鹏城实验室，广东 深圳 518055
5 智能光传感与调控技术教育部重点实验室，江苏 南京 210023
针对光频域反射（OFDR）分布式光纤传感在长距离、大量程应用场景中，参考光谱与测量光谱间的相似度（SD）退化及由此造成的鲁棒性下降的问题，本文研究了可调谐激光光源调谐非线性补偿模型，发现补偿的残余误差会引起传感单元产生随机位置偏差（PoD）。基于对PoD的统计学分析，建立了参考和测量光谱间SD的评价体系，并提出一种基于卡尔曼预测和局部寻优的传感单元随机PoD补偿方法，实现了参考和测量光谱位置的高效、精准匹配。本文所提方法能够在50 m的传感光纤上以5 mm的空间分辨率实现大量程传感（最高温度~450 ℃，最大应变~10000 με），且兼顾高鲁棒性和高速度（计算量可降低到原来的5.8%~28.6%）。这些优点使该方法能够广泛应用于现有的光频域反射分布式光纤传感系统。
光纤传感器 分布式传感 光频域反射计 卡尔曼预测
针对计算鬼成像采样过程中由于外界影响而出现的物体信息缺失问题，将小波分析应用于计算鬼成像系统中，同时在此系统中引入图像融合方法，构建一种基于图像融合的计算鬼成像系统，对此问题进行了仿真模拟与实验研究。并对结果进行了分析，结果显示此系统可以有效恢复待测物体信息、提高成像质量，相较于传统的计算鬼成像系统更加适用于实际应用环境。
鬼成像 小波分析 信息恢复 图像融合 成像系统 激光与光电子学进展
2023, 60(20): 2011001
1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
空间调制型偏振检测技术是利用微偏振片阵列、角向或径向偏振片、涡旋波片等器件对光强分布进行空间调制以实现偏振信息测量的一种技术，具有光路结构简单、稳定性好、测量速度快、精度高等优势，在目标探测识别、工业及生化检测等领域具有重要应用。首先，对各种空间调制型Stokes矢量和Mueller矩阵偏振检测技术的工作原理、技术特点进行综述分析；然后，对近年来发展迅速的基于涡旋波片的空间调制型偏振检测技术进行详细阐述，重点对基于涡旋半波片和1/4波片的Stokes偏振仪、基于双涡旋波片的Mueller矩阵偏振仪的工作原理、检测效果和误差校准等内容进行介绍；最后，对空间调制型偏振检测技术的主要发展趋势进行展望。
偏振检测 空间调制 Stokes矢量 Mueller矩阵 涡旋波片 光学学报
2023, 43(17): 1712004
1 中国科学院微电子研究所光电技术研发中心，北京 100094
2 中国科学院大学，北京 100049
3 常州大学机械与轨道交通学院，江苏 常州 213164
为提高偏振调制激光测距方法精度，针对采样信号存在波形变形问题，提出了基于改进移动最小二乘（IMLS）算法的偏振调制激光测距方法。首先，基于偏振调制测距原理分析了调制信号波形变形产生的原因和频率解算准确度对测距精度的影响；然后，提出了基于IMLS算法的偏振调制激光测距算法，搭建了偏振调制激光测距系统；最后，分析和验证了IMLS算法的权函数、影响半径等参数对测距精度的影响，并对所提算法、摇摆法、最小二乘法进行了测距精度对比分析和验证。实验结果表明：在11.94 m的被测距离下，选用正态加权函数作为权函数，形状参数为3，影响半径为500 kHz时，基于IMLS算法的偏振调制激光测距算法的误差最小，仅为0.111 mm，此方法的测距精度优于摇摆法和最小二乘法。基于IMLS算法的测距方法适用于偏振调制测距系统，可有效提升测距精度。
测量 激光测距 偏振调制 改进移动最小二乘法 极值检测 中国激光
2023, 50(14): 1404003
为了实现兰州百合关键营养物质蛋白质和多糖的快速无损检测, 在12 000~4 000 cm-1光谱范围内采集了59份兰州百合粉的近红外光谱(NIRS)。 首先运用SG、 Normalize、 SNV、 MSC、 Detrend、 OSC、 SG+1D、 SG+Normalize、 SG+SNV和SG+Detrend十种预处理方法对原始光谱数据进行处理, 确定蛋白质的最佳预处理方法为SG+Detrend、 多糖的最佳预处理方法为Detrend; 然后运用CARS、 SPA和PCA三种算法对预处理的光谱数据进行特征波长筛选, 确定蛋白质和多糖的最佳特征波长提取方法均为SPA算法; 最后采用PLSR法建立了兰州百合关键营养物质蛋白质和多糖含量的预测模型, 结果显示, 经过SG+Detrend_SPA处理所建立的蛋白质PLSR模型中, 预测集相关系数Rp为0.810 6, 预测集均方根误差RMSEP为1.195 3; 经过Detrend_SPA处理所建立的多糖PLSR模型中, 预测集相关系数Rp为0.810 9, 预测集均方根误差RMSEP为2.0946。 考虑到经典PLSR无损预测模型精度的限制, 在该研究中提出SOM-RBF神经网络无损预测模型。 首先利用SOM网络对数据样本进行聚类, 然后将得到的聚类类别数和聚类中心作为RBF网络的隐层节点个数和隐层节点数据中心, 以此来优化RBF的结构参数。 在建立的蛋白质SOM-RBF神经网络模型中, 预测集相关系数Rp为0.866 6, 预测集均方根误差RMSEP为1.038 5; 建立的多糖SOM-RBF神经网络模型中, 预测集相关系数Rp为0.868 1, 预测集均方根误差RMSEP为1.799 4。 比较PLSR和SOM-RBF两种模型对两种物质的预测结果, 确定了SOM-RBF神经网络模型为最优建模方法, 最终确定在蛋白质检测中, 最优模型为基于SG+Detrend_SPA_SOM-RBF建立的模型, 模型的预测集相关系数较PLSR高5.6%, 预测集均方根误差较PLSR低0.156 8; 在多糖检测中, 确定的最优模型为基于Detrend_SPA_SOM-RBF建立的模型, 模型的预测集相关系数较PLSR高5.72%, 预测集均方根误差较PLSR低0.295 2。 研究结果表明, 运用NIR和SOM-RBF技术可以实现对兰州百合关键营养物质蛋白质和多糖的快速无损检测, 为今后快速无损检测兰州百合营养物质提供理论依据。
兰州百合 蛋白质 多糖 近红外光谱 无损检测 SOM-RBF神经网络 Lanzhou lily Protein Polysaccharide Near infrared spectroscopy Nondestructive testing SOM-RBF neural network 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2025
1 中国科学院微电子研究所 光电技术研发中心, 北京 100029
2 中国科学院大学, 北京 100049
测量技术正不断向着精密化、智能化、集成化的方向发展, 具有代表性的光谱共焦测量技术是在激光共焦显微技术的基础上发展而来, 利用色散原理和光谱仪解码分析实现高精度测量。光谱共焦测量技术可进行位移测量、三维重建、表面粗糙度检测和厚度检测, 具有无接触、高效率、在线测量等优点, 在精密测量中发挥着重要作用, 被广泛应用于微电子、工程材料、生物医学和航空航天等领域。近年来, 光谱共焦系统在光学系统结构、光学镜头设计、光源优化和数据处理算法等各个方面取得了重大进展。文章对光谱共焦测量技术进行综述, 论述了光谱共焦测量技术相较于其他测量方法的优势, 综述了光谱共焦技术的测量原理、发展历程与应用进展, 并对光谱共焦测量技术的发展趋势进行了展望。
光谱共焦显微术 激光共焦扫描显微术 微纳测量 精密测量 chromatic confocal microscopy laser scanning confocal microscopy micro-nano measurement precision measurement
1 中国科学院微电子研究所, 光电技术研发中心, 北京100094
2 中国科学院大学, 北京100049
3 中钞印刷技术研究院有限公司, 北京 100070
微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）具有小型化、高集成度的特点，随着MEMS结构深宽比的不断增大，对MEMS结构尺寸的测量提出更高的要求。过焦扫描光学显微技术（Through-focus Scanning Optical Microscopy，TSOM）是一种高精度无损的光学测量方法，通过采集一组离焦图并沿扫描方向截取TSOM图像，利用库匹配的方法从中提取待测结构的尺寸信息。该方法对于纳米级结构测量有着极高的灵敏度，然而对于微米级特征尺寸存在建库困难且易受环境干扰的问题。本文针对微米级MEMS沟槽结构，在传统的光学显微镜基础上进行改造，建立了TSOM光学系统采集离焦图像，利用图像特征提取方法生成TSOM特征向量集，结合机器学习的方法建立不同槽宽尺寸的回归预测模型，对微米级MEMS槽宽尺寸实现纳米级测量精度，单点重复性测量2 μm槽宽的相对标准差（Relative Standard Deviation，RSD）在1%左右，10 μm和30 μm槽宽RSD分别低于0.2%和0.35%，结果表明该方法对于微米级MEMS沟槽测量具有极高的应用前景。
MEMS 机器学习 过焦扫描光学显微法 微纳测量 MEMS machine learning TSOM micro-nano measuring
计算鬼成像由于具有分辨率高和抗干扰能力强等特点，近年来被广泛研究。区别于传统成像方案，由于成像机制，计算鬼成像对物体成像时需要进行大量的测量，因此提高它的成像效率一直是一个重要的研究内容。在此背景下，由于可以较好地对信号进行去相关，进而对信号进行大幅压缩，小波变换受到了广泛的关注。近年来，不少学者将Haar小波引入计算鬼成像系统中，成像效率得到了提高。然而，小波函数的种类有很多，性质各异，关于其他小波函数在计算鬼成像系统中的应用鲜有报道。大部分小波函数只能进行连续小波变换，直接应用于计算鬼成像系统中会面临许多问题，针对这个情况，提出了准连续小波变换架构，在实验上实现了基于Mexihat和Gauss小波的计算鬼成像。实验结果表明，这两种连续小波方案既能够进行正常成像，同时相比于Haar小波，它们也表现出了更强劲的抗干扰能力，更加适用于实际应用环境。
计算鬼成像 Gauss小波 Mexihat小波 连续小波变换 成像系统中的噪声 激光与光电子学进展
2022, 59(18): 1811002
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Physics, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
2 School of Physics and Electronics, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, China
Ghost imaging (GI) is a technique to retrieve images by correlating intensity fluctuations. In this Letter, we present a novel scheme for GI referred to as second-order cumulants GI (SCGI). The image is retrieved from fluctuation information, and resolution may be enhanced compared to traditional GI. We experimentally performed SCGI image reconstruction, and the results are in agreement with theoretical predictions.
ghost imaging cumulants resolution Chinese Optics Letters
2022, 20(11): 112602
