福州大学机械工程及自动化学院, 福建 福州 350116
赤潮是一种由海洋藻类引发的水质污染, 部分赤潮藻有毒性, 对海洋渔业发展有严重危害。 快速、 准确地鉴定赤潮藻种及其细胞浓度对污染的控制和治理具有重要意义。 传统的显微镜检测和基因测序等方法时效性低, 遥感检测易受到环境干扰导致精度低, 荧光光谱检测因设备昂贵无法大范围推广, 高光谱成像(HSI)技术为赤潮藻种提供了一种快速、 无损的检测方法。 搭建了HSI检测系统, 针对福建地区常见的甲藻(强壮前沟藻)、 硅藻(中肋骨条藻和三角褐指藻)和针胞藻(赤潮异湾藻)构建了大量高光谱样本库, 分别采用2种分类方法和3种回归方法建立藻种鉴别和细胞浓度测量模型, 并比较了7种光谱预处理(标准化、 归一化、 多元散射校正、 变量标准化、 Savitzky-Golay平滑、 基于SG的一阶导数、 基于SG的二阶导数)和2种波段提取方法(遗传算法和连续投影算法)对建模精度的影响。 结果表明： 基于SG的二阶导数(SG+2nd)预处理方法可以提高波段筛选和建模的准确率, 遗传算法(GA)所提取特征波段更具代表性和有效性。 SG+2nd-GA组合所提取特征波段(644.7、 547.8、 562.6、 829.4、 832 nm)与所选藻类中特定色素的吸收光谱波段相对应, 再结合支持向量机(SVM)或反向传播神经网络(BPNN)建模实现了利用高光谱成像技术有效鉴别强壮前沟藻、 赤潮异湾藻、 中肋骨条藻、 三角褐指藻。 在细胞浓度测量中, 支持向量回归(SVR)建模效果优于多元线性回归(MLR)和偏最小二乘算法(PLS), 四种藻SG+2nd-GA-SVR细胞浓度预测模型的决定系数(R2)均大于0.98。 其中强壮前沟藻和中肋骨条藻模型浓度预测范围分别在1.05×103~1.05×104和1.13×104~2.38×105 cells·mL-1, 最低测量浓度达到该藻种发生赤潮时的基准浓度。 三角褐指藻模型浓度预测范围为1.06×105~4.36×106 cells·mL-1, 最低测量浓度低于现有光谱技术对其测量的浓度。 本研究为快速、 准确、 无损探测赤潮提供了新方法。
赤潮 高光谱成像 藻种鉴别 浓度测量 Algal blooms Hyperspectral imaging Species identification Concentration measurement 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3629
光学 精密工程
2023, 31(12): 1827
1 福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350000
2 清华大学 物理系，北京 100084
光电探测器在许多应用中发挥着关键作用，例如遥感、夜视、侦察、医学成像、热成像和化学检测。随着光电探测任务的逐渐复杂化，工作在不同波段的光电探测器逐渐被集成用于对同一场景的宽光谱探测。受限于集成系统的体积和任务模块，常规的宽谱探测任务往往需要多个不同波段的探测器协同工作，极大增加了系统复杂度，因此具有超宽带探测（紫外-可见-红外-太赫兹）能力的光电探测器逐渐成为国际研究的前沿热点。但是迄今为止，有关超宽带光电探测器的综述还没有见诸报道。因此，本文系统整理了超宽带光电探测器在过去十年的研究进展。文章首先介绍了衡量光电探测器响应性能的指标以及常见光电探测器的主要类型，在此基础上重点回顾了不同类型超宽带光电探测器的研究进展、发展现状、面临的挑战，并展望了未来的研究方向。
超宽带 光电探测器 响应机理 器件类型 ultra-broadband photodetector response performance device type
福州大学机械工程及自动化学院, 福州 350000
针对无人机航拍图像中存在目标尺寸小、数量多和背景复杂等问题, 提出了一种基于改进YOLOv4-tiny的无人机航拍目标检测算法。该算法在原有网络的基础上扩大了检测尺度范围, 提高对不同尺寸目标的匹配程度, 并利用深层语义信息自下而上地与浅层语义信息进行融合以丰富小目标的特征信息。同时引入注意力机制模块, 在主干网络后的每个尺度上进行感兴趣区域特征信息的二次筛选, 过滤冗余特征信息, 保留重要特征信息。在无人机航拍数据集上进行对比实验, 实验结果表明, 所提算法在满足实时性的基础上, 平均精确率比原网络提高了5.09%, 具有较好的综合性能。
无人机航拍 目标检测 图像处理 注意力机制 UAV aerial photography object detection image processing YOLOv4-tiny YOLOv4-tiny attention mechanism
福州大学机械工程及自动化学院, 福建 福州 350108
太赫兹解复用器和光栅耦合器的传统构建方法需借助经典理论和经验计算,故它们的设计流程复杂,而且性能依赖于单元结构参数。随着逆向设计方法的提出及应用,该方法可以在限定大小的基片上设计出符合功能需求的器件结构。基于此,将逆向设计方法应用于太赫兹解复用器和光栅耦合器的设计,器件的尺寸分别为3 mm×3 mm×200 μm和12 mm×12 mm×200 μm。FDTD(Finite-Difference Time-Domain)的仿真结果表明,太赫兹解复用器能够将一束含两种频率的太赫兹波完美地从两个端口分离,并且透射率在0.500 THz和0.417 THz频率处均高达0.75以上,其相邻通道间的串扰低于-19 dB。太赫兹光栅耦合器的耦合效率在0.32 THz频率处高达0.85。
集成光学 太赫兹 逆向设计 解复用器 光栅耦合器 FDTD
1 福州大学物理与信息工程学院, 福建 福州 350108
2 福州大学机械工程及自动化学院, 福建 福州 350108
光在透过散射介质后发生散射现象,在成像系统焦平面形成无序的随机散斑图像,因此人们无法直接观测到隐藏在散射介质后的目标的图像信息与光谱信息。利用基于光学记忆效应的散斑相关成像技术,可以实现透过散射介质的目标重建,但当前研究主要针对单波段照明条件下的图像信息恢复,而目标的光谱信息在成像过程中易丢失。提出采用快照式微滤光片阵列多光谱探测器进行多光谱散射成像的方案,通过实验得到宽谱氙灯光源照明条件下的穿透散射介质成像结果。提出了基于光学记忆效应的穿透散射介质目标多光谱信息重构方法,实现了对隐藏在散射介质之后的目标多光谱信息的探测成像。针对多光谱探测器所造成的成像质量差的问题,提出了利用自相关预处理方法提升穿透散射介质多光谱成像质量的方法。
成像系统 散斑相关成像 快照式多光谱探测器 光学记忆效应 散射介质
光子学报
2021, 50(12): 1229001
福州大学机械工程及自动化学院, 福建 福州 350108
旋转双棱镜系统具有扩大视场的特点,在大视场、高精度目标跟踪领域具有广泛的应用前景。通过增大棱镜顶角可以提高视场放大倍率,但同时增大了系统装配误差对目标指向精度的影响。针对大顶角旋转双棱镜系统指向精度不高的问题,提出一种基于粒子群算法的旋转双棱镜指向误差校正方法,搭建了棱镜顶角为14.85°、棱镜折射率为1.515的旋转双棱镜成像系统;基于理想模型的指向测试结果,建立了基于装配误差分析的实验样机数学模型,实现对反向求解算法中棱镜顶角设定值和折射率设定值的参数辨识,最后在实验样机中进行指向测试。实验结果表明该方法可以有效提高大顶角棱镜的旋转双棱镜系统的指向精度,校正前后的最大指向误差减小了52.4%,平均指向误差减小了43.3%,均方根误差减小了44.0%,最小二乘法拟合圆半径减小了44.7%。
测量 棱镜 旋转双棱镜 大顶角棱镜 粒子群算法 指向误差校正 光学学报
2021, 41(24): 2412004
红外与激光工程
2021, 50(9): 20200467
