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
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
厦门大学 航空航天学院, 福建 厦门 361005
针对电子器件的散热问题, 提出了四种具有对称和等距凹槽的微通道, 并通过三维数值模拟, 研究了不同雷诺数下凹槽形状及布局对微通道性能的影响。结果表明:在给定的雷诺数范围内, 圆形凹槽的传热性能仅次于三角凹槽, 而梯形和矩形凹槽的传热性能较差。三角凹槽压降最大, 其次是圆形, 而梯形和矩形凹槽压降差异较小; 同种形状不同布局的凹槽, 压降几乎一致, 这表明通过改变凹槽布局来提高性能不会产生额外压降损失。综合换热和压降特性, 微通道热性能系数先增后减, 故三角凹槽在雷诺数为600时获得最优热性能, 而在雷诺数为900时等距圆形凹槽的热性能超过三角凹槽。
微通道 凹槽 传热和流动性能 数值模拟 microchannel groove heat transfer and flow characteristic numerical simulation
1 厦门大学航空航天学院, 福建 厦门 361005
2 北京长城计量测试技术研究所国防科技工业第一计量测试研究中心, 北京 100095
在针尖增强拉曼光谱(TERS)形貌成像过程中, 由于针尖与扫描台无法绝对平行、 样品电子密度骤变处针尖快速升降以及扫描控制系统响应时间特性差等综合原因的影响, 往往使形貌图中带有倾斜或边界面卷曲的成像背景。 成像背景对样品形貌的识别和分析带来十分不利的影响, 而背景扣除就是解决该问题的重要手段, 也是形貌成像预处理的重要组成部分。 背景扣除的原理一般是通过拟合背景的方法来扣除成像中的背景。 传统的背景扣除方法是利用多项式拟合的方法对成像进行逐行的基线校正, 但是该方法在处理形貌成像时常常会由于过拟合而造成样品形貌的失真, 同时容易在图片上留下明显的线条纹理。 针对传统方法的缺点, 本文提出采用B样条曲面拟合方法, 直接对样品形貌图进行曲面背景拟合, 发挥B样条低阶光滑的优点, 能够有效克服传统方法的缺陷。 在实验中, 同时利用传统方法和该方法对金单晶和合成金片的形貌图进行背景扣除, 实验结果表明, 两种方法都能够扣除样品形貌图中的成像背景, 但与传统方法相比, 所提出的方法不会造成样品形貌的失真, 且不会留下线条纹理, 获得了更加良好的背景扣除效果, 为进一步分析样品形貌特征提供了更准确可靠的信息, 是一种更加有效的TERS形貌成像背景扣除算法。
背景扣除 TERS成像 形貌图 B样条曲面 Background subtraction TERS imaging Topographic image B-spline surface
1 厦门大学航空航天学院, 福建 厦门 361005
2 北京长城计量测试技术研究所国防科技工业第一计量测试研究中心, 北京 100095
为了提高拉曼光谱检测系统的时间分辨率, 常常需要采用较短的采样积分时间, 此时带有分子结构振动谱的有用拉曼信号可能完全淹没在噪声中, 严重影响信号的进一步分析, 因此有必要对测量所得的光谱信号进行噪声消除处理。 传统的消噪方法是基于信号与噪声在频域或统计特性之间的差异, 通过平滑滤波或取平均值的方法来消除噪声, 一般适用于噪声强度不高的情况, 对于信噪比较低的情况处理效果并不理想。 针对传统去噪方法的不足, 从信号重构的角度, 利用基于小波变换的谱峰识别、 半峰宽检测提取光谱特征参数, 再利用最小二乘拟合的方法, 能够有效地提取淹没于强噪声背景下的有用拉曼信号。 在仿真中, 运用该算法得到的光谱曲线光滑, 峰位置准确, 信噪比改善明显。 在实验中, 分别利用该方法处理头孢呋辛酯片和罗红霉素拉曼光谱数据, 得到了清晰的谱峰位置、 幅值及半峰宽信息, 实现了对短积分时间、 强噪声背景的拉曼信号的有效还原, 提高了检测系统的时间分辨率。 仿真和实验结果表明, 该方法需要调整参数少, 易于实现, 在信噪比比较低的情况下依然能够得到良好的去噪效果, 为进一步分析光谱数据提供准确可靠的信息。
拉曼光谱 去噪 谱峰识别 半峰宽 Raman spectroscopy De-noise Peak detection Peak half-width 光谱学与光谱分析
2016, 36(12): 4082
1 厦门大学航空航天学院, 福建 厦门 361005
2 北京长城计量测试技术研究所国防科技工业第一计量测试研究中心, 北京 100095
基于等离激元增强拉曼光谱技术, 研制出适合现场分析检测的食用合成色素快速检测系统, 适用于饮料、 肉制品、 蜜饯等食品中合成色素的快速检测。 检测系统的硬件部分主要由双CPU（ARM和FPGA）主控板、 样品前处理模块（含有增强粒子施加装置）、 半导体激光光源、 光谱数据采集模块构成; 软件部分控制样品前处理模块自动运行, 并可读取被测样品的拉曼谱图。 利用快速检测系统对三种实际样品（蜜饯、 汽水、 火腿肠）中的食用合成色素胭脂红、 柠檬黄、 诱惑红进行检测, 以验证该系统在食用合成色素检测中的性能。 样品检测结果的相对标准偏差小于±5%, 表明此检测系统具有良好的灵敏度和重现性, 且检测时间短, 能够满足食品中合成色素现场快速检测的要求。
等离激元增强拉曼光谱 合成色素 样品前处理 检测系统 PERS Synthetic pigments Sample pretreatment Detection system 光谱学与光谱分析
2016, 36(8): 2487
厦门大学物理与机电工程学院, 福建 厦门 361005
基线校正是一种常用的消除光谱荧光干扰的方法, 是拉曼光谱数据处理的必要步骤之一。 传统的多项式拟合基线校正算法, 简单且易于实现, 但是拟合阶次难以确定, 灵活性较差。 使用非均匀B样条代替多项式进行拟合, 在保留原有算法优点的基础上, 利用原始拉曼谱图的峰位置信息自适应地确定非均匀B样条的节点向量, 然后以固定阶次拟合光谱基线。 B样条自身具有分段光滑的特性, 而计算样条节点的节点向量自适应选取算法中的峰位置信息通过使用两次具有不同母函数的连续小波变换（continuous wavelet transform, CWT）来获取, 既加强了原始光谱数据与B样条算法本身的联系, 也克服了传统多项式拟合的不足。 为了验证本文算法的有效性, 选取了甲基对硫磷和某品牌菜籽油两种被测物进行实验, 并使用该算法进行了基线校正, 并与两种其他的基线校正算法与进行了对比。 实验结果表明, 该方法利用固定的拟合阶次就能达到较好的校正效果, 所需要的参数较少, 校正结果不会出现过拟合或欠拟合的现象, 是一种有效的拉曼光谱基线校正算法。
拉曼光谱 基线校正 非均匀B样条 节点向量 峰位置 Raman spectroscopy Baseline correction Non-uniform B-spline Node vector Peak position
1 厦门大学 航空航天大学，福建 厦门 361005
2 北京长城计量测试技术研究所 国防科技工业第一计量测试研究中心，北京 100095
拉曼光谱检测常常受到荧光干扰，而移频激发拉曼差分光谱法(SERDS)是一种有效抑制拉曼光谱荧光背景的方法。基于该方法，采用两个波长相近、基于体布拉格光栅技术的固定波长激光器，设计了一套拉曼光谱测试系统。通过控制激光器的功率和温度，保证了输出波长的稳定性。采用高灵敏度的薄型背照式面阵CCD，设计了光谱数据采集光路和电路。同时，在软件上实现了差分光谱的三种重构算法，即简单积分算法、带数值插值的简单积分算法和多重约束解卷积算法。在实验中，利用文中系统对强荧光背景的某品牌香油进行了拉曼光谱测量，分别采用这三种算法处理差分光谱进行光谱重构，并对比了重构效果。实验结果表明，设计的系统能够有效抑制荧光对拉曼光谱检测的影响。
移频激发 拉曼光谱 荧光抑制 重构算法 shifted excitation Raman spectroscopy fluorescence suppression reconstruction algorithm 红外与激光工程
2016, 45(1): 0106005
为克服分立式便携拉曼光谱仪光通量低的缺点，设计了一种集拉曼探头光路与分光系统于一体的光学系统。探头光路采用大数值孔径的非球面透镜实现样品的有效激发和信号的高效收集，通过胶合透镜组缩小会聚光路尺寸、消除轴向色差。分光系统基于交叉非对称Czerny-Turner结构，为获得期望的光谱分辨率和光谱范围，建立了分光系统光谱分辨率及光谱范围与交叉非对称Czerny-Turner结构参数的关系。由测得的汞灯谱图可知，分光系统的光谱分辨率优于6 cm-1 (0.37 nm)，光谱范围为790~950 nm (200~2000 cm-1)。将设计的光学系统对CCL4 进行测试，实验结果表明在相同积分时间内由这种整体式的光学系统检测到的CCL4光谱谱峰强度是用商业探头通过光纤连接分光系统检测到的近3倍，验证了光学系统设计的合理性。
光学设计 拉曼光谱 拉曼光谱仪 探头光路 交叉非对称Czerny-Turner结构
1 厦门大学 机电工程系，福建 厦门 361005
2 北京长城计量测试技术研究所 国防科技工业第一计量测试研究中心，北京 100095
热学特性是影响功率型LED光学和电学特性的主要因素之一，设计了一套基于脉冲式U-I特性的功率型LED热学特性测试系统，可以测试在不同结温下LED工作电流与正向电压的关系，从而获得LED的热学特性参数。该系统通过产生窄脉冲电流来驱动LED，对其峰值时的电压电流进行采样，同时控制和采集LED的热沉温度，从而获得不同温度下LED的U-I特性曲线。与其他U-I测试系统相比，文中采用了窄脉冲(1 μs)工作电流，LED器件PN结区处于发热与散热的交替过程，不会造成大的热积累，大大提高了测量精度。实验中，对某功率型LED进行了测试，获得了该器件的电压、电流和结温特性曲线，并利用B样条建立该器件的U-I-T模型，进而实现了对其结温的实时在线检测。
脉冲注入式 U-I特性 高功率型LED 热学特性测试 B样条 pulse injection U-I characteristics high power LED thermal performance testing B-spline
