沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，辽宁沈阳110000
基于卷积神经网络的目标检测算法发展迅速，随着计算复杂度增加，对设备的性能及功耗要求越来越高。为了使目标检测算法能够部署在嵌入式设备上，本文采用软硬件协同设计方法，使用FPGA对算法进行硬件加速，提出了ZYNQ平台下的Yolo v3-SPP目标检测系统。本文将该系统部署在XCZU15EG芯片上，并对系统所需的功耗、硬件资源及性能进行了分析。首先对要部署的网络模型进行优化，并在Pascal VOC 2007数据集上进行训练，最后使用Vitis AI工具对训练后的模型进行量化、编译，使其适用于ZYNQ端的部署。为了选取最佳的配置方案，探究了各配置对硬件资源及系统性能的影响，从系统功耗（W）、检测速度（FPS）、各类别平均精度的平均值（mAP）、输出误差等方面对系统进行了分析。结果表明：在300 M时钟频率下，输入图片大小为（416，416）时，针对Yolo V3-SPP和Yolo V3-Tiny网络结构，检测速度分别为38.44 FPS和177FPS，mAP分别为80.35%和68.55%，片上芯片功耗为21.583 W，整板功耗23.02 W。满足嵌入式设备部署神经网络模型的低功耗、实时性、高检测精度等要求。
目标检测 硬件加速 ZYNQ Yolo v3-SPP Yolo v3-Tiny object detection hardware acceleration ZYNQ Yolo v3-SPP Yolo v3-Tiny
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院安徽省信息材料与智能感知实验室，安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
4 合肥学院生物食品与环境学院，安徽 合肥 230601
浮游藻类的种类多样性和群落结构是水生态环境建设评价的重要指标，利用细胞图像对其进行识别是实现浮游藻类检测的重要手段。相较于传统的显微镜检法，基于深度学习的目标检测算法因更高效的检测能力而越来越多地被运用到浮游藻类检测领域。针对YOLOv3目标检测算法对部分形态小、边界模糊和粘连浮游藻类的检测精度低等问题，采用空间金字塔池化（SPP）结构改进了YOLOv3目标检测算法的特征提取方式，采用广义交并比（GIoU）边界损失函数改进了YOLOv3目标检测算法的边界损失函数，最终构建了一种基于SPP和GIoU改进的YOLOv3浮游藻类检测算法（SPP-GIoU-YOLOv3）。实验结果表明：在检测速度无明显差异的情况下，所提SPP-GIoU-YOLOv3分类检测算法对实验藻类的平均精度均值达95.21%，比YOLOv3目标检测算法提高了4.24个百分点。本研究为发展准确快速的浮游藻类检测方法技术提供了一定的基础。
机器视觉 SPP-GIoU-YOLOv3 目标检测 深度学习 浮游藻类 激光与光电子学进展
2023, 60(2): 0215003
1 燕山大学电气工程学院，河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学工业计算机控制工程河北省重点实验室，河北 秦皇岛066004
在港口门机抓斗装卸干散货的作业过程中，人眼观察无法精确判断抓斗所在位置，会带来工作效率低下及安全性等问题。为解决该问题首次提出了一种基于深度学习的门机抓斗检测方法。利用改进的深度卷积神经网络YOLOv3-tiny 对抓斗数据集进行训练及测试，进而学习其内部特征表示。实验结果表明，基于深度学习的门机抓斗检测方法可实现门机抓斗检测速度每秒45 帧，召回率高达95.78%，在很好满足检测实时性与准确性的同时，提高了工业现场作业的安全性及效率。
抓斗检测 深度学习 空间金字塔池化 反转残差组 空洞卷积 grab detection deep learning YOLOv3-tiny YOLOv3-tiny SPP inverted residual group dilated convolution
1 渤海大学新能源学院, 辽宁 锦州 121013
2 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
为提高红外微测辐射热计的光谱吸收率, 设计一种基于表面等离激元的金属光栅促吸收结构, 研究光栅结构参数对光谱吸收率的影响规律。 以金作为光栅材料, 利用等离激元的谐振结构, 克服金属材料的高反射特性, 增强红外微测辐射热计的红外吸收能力。 通过改变光栅的结构参数, 对等离子共振波长进行调节, 提高红外微测辐射计工作波段内的光谱吸收效率。 利用有限差分法, 分析光栅参数对光谱吸收率的影响机理, 研究金属光栅的周期、 占空比和高度对光谱吸收率的调控规律。 随着光栅周期由2 μm逐渐增加到5 μm, 吸收峰的峰值波长发生明显的红移现象, 吸收峰高度呈现出较明显的下降趋势。 随着光栅占空比从0.2逐渐增加到0.5, 红外吸收峰的峰值波长向短波长移动, 吸收峰高度也逐渐增高, 但吸收峰宽度逐渐变窄。 光栅厚度对吸收峰的峰值影响不大, 当厚度达到一定程度后, 峰值基本保持不变。 峰值波长随厚度增加出现不同程度的减小, 当厚度不足100 nm时, 峰值波长减小的程度较大, 随着厚度的继续增加, 下降趋势逐渐变缓, 基本维持在10.6 μm附近。 通过分析光栅结构参数对光谱吸收率的影响机理, 对光栅结构参数的进一步优化, 大幅提高氧化钒红外微测辐射热计的红外光谱吸收率, 8～14 μm的平均吸收率达61.6%, 峰值吸收率在99%以上。 金属光栅的光谱吸收率促吸收结构研究, 对高性能红外微测辐射热计的设计具有重要的指导意义。
光谱吸收率 光栅 红外微测辐射热计 等离激元 Spectral absorptivity Grating Infrared Microbolometer SPP 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2647
1 School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 Department of Electro-Optics and Photonics, University of Dayton, 300 College Park, Dayton, Ohio 45469, USA
3 Advanced Photonics Center, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China
4 School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China
5 School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Frontiers of Optoelectronics
2019, 12(1): 0188–96
为了实现紧凑结构下光的主动调控,设计了一种基于表面等离激元解复用器结构的双通道全光开关。该器件由金属-克尔非线性材料-金属的波导结构和谐振腔组成,具有主动光控功能。通过对该开光结构进行优化,实现了735 nm抽运光调控1310 nm信号光。该信号光在左右两个端口可实现输出与截止,消光比可达到29.4 dB,开关响应时间可达到50 fs。该双通道开关具有结构简单紧凑、易于集成、响应速度快等优点,将在纳米集成光学中具有重要的应用价值。
表面光学 全光开关 表面等离激元 解复用器 时域有限差分方法 非线性材料 激光与光电子学进展
2018, 55(2): 022401
1 桂林电子科技大学 1. 广西精密导航技术与应用重点实验室
2 2. 广西信息科技实验中心
3 桂林电子科技大学 3. 计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
提出了一种H型金属孔阵列结构, 利用该结构形成的法布里-珀罗腔加强表面等离激元耦合作用, 以期获得较好的强透射现象。采用有限时域差分法(FDTD)对该结构进行数值仿真, 并详细研究了H型金属孔阵列中水平方向矩形孔和竖直方向的两相同对称矩形孔的长和宽等参数对强透射特性的影响; 同时研究了基于该现象的折射率传感特性。结果表明: 当水平方向矩形孔的长和宽分别为300和120nm、竖直方向的两相同对称矩形孔的长和宽分别为60和10nm时, 强透射现象较好, 并在此基础上获得了389RIU/nm的折射率灵敏度。这些研究结果有望为高性能微纳等离子体传感器的设计提供理论参考。
H型金属孔阵列 强透射现象 法布里-珀罗腔 表面等离子激元 传感特性 H-shaped metal hole arrays extraordinary optical transmission property Fabry-Perot cavity surface plasmon polarizations (SPP) sensing characteristics
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
本文利用严格数值仿真研究了550~700 nm波段的可见光通过金属光栅耦合方式激发的表面等离激元(SPP)波在金属表面的光栅衍射行为与现象。研究结果表明: SPP波在金属表面的衍射行为与自由空间光相比有极大不同, 由于SPP波的近场属性, 经金属光栅衍射后在近场可表现出明显的光栅分光现象, 但经过一段传输距离后则分光现象消失而表现为不同级次的光合为同一束光; 在近场衍射情况下, 其情况与自由空间光衍射行为类似, 对SPP亚波长金属光栅来说同样只有零级透射光; 而当金属光栅周期大于SPP波长时, 高级衍射级次则开始出现。研究结果对下一步在金属表面上实现微米级片光谱仪器具有重要借鉴意义。
表面等离子体波 金属光栅耦合 近场衍射 微纳尺度 surface plasmon polariton(SPP) wave metallic grating coupler near field diffraction micro/nano-scale
1 中国石油大学 胜利学院, 山东 东营 257061
2 宿州学院, 安徽 宿州 234000
3 早稻田大学 国际情报通信研究科, 日本 东京 169-8050
为了进一步改善R-SPP(正反馈表面等离子体激元)在非对称波导结构中的性能, 设计了一种新型的平面型非对称波导结构。研究了入射角和波长取一定值时, 传播距离函数导致的显著振荡特性, 分析表明, 该结构在核芯厚度一定时, 能够通过改变入射角实现长距离的传播SPP模式, 且在700～1 500 nm的入射波长下能够实现5～50 μm的传播距离。通常传统的SPP的传播距离约为2 μm, 而该结构的最大传播距离可达50 μm, 这一结果对于SPP在新型光子器件中的推广应用有一定的理论和实际意义。
正反馈表面等离子体激元 非对称波导 表面等离子体激元模式 positive feedback surface plasmas asymmetric waveguide SPP mode
1 State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China
2 College of Physics, Jilin University, Changchun 130023, China
In this paper, we demonstrate a color tunable white organic light-emitting devices (WOLEDs) based on the two complementary color strategies by introducing two-dimensional (2-D) dual periodic gratings. It is possible to tune the color in a range between cold-white and warmwhite by simply operating the polarization of polarizer in front of the microstructured WOLEDs. Experimental and numerical results demonstrate that color tunability of the WOLEDs comes from the effect of the 2-D dual periodic gratings by exciting the surface plasmon-polariton (SPP) resonance associated with the cathode/organic interface. The electroluminescence (EL) performance of the WOLEDs have also been improved due to the effective light extraction by excitation and out-coupling of the SPP modes, and a 39.65% enhancement of current efficiency has been obtained compared to the conventional planar devices.
dual periodic grating dual periodic grating surface plasmon-polariton (SPP) surface plasmon-polariton (SPP) color tunable color tunable white organic light-emitting devices (WOLEDs) white organic light-emitting devices (WOLEDs) Frontiers of Optoelectronics
2016, 9(2): 283
