Author Affiliations
Abstract
1 Tianjin University, Center for Terahertz Waves and College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Ministry of Education, Key Laboratory of Optoelectronic Information Technology, Tianjin, China
2 Tianjin University, College of Intelligence and Computing, Tianjin, China
3 Central South University, School of Physics and Electronics, Hunan Key Laboratory of Nanophotonics and Devices, Changsha, China
4 Guilin University of Electronic Technology, School of Optoelectronic Engineering, Guangxi Key Laboratory of Optoelectronic Information Processing, Guilin, China
5 Oklahoma State University, School of Electrical and Computer Engineering, Stillwater, Oklahoma, United States
Recently, deep learning has been used to establish the nonlinear and nonintuitive mapping between physical structures and electromagnetic responses of meta-atoms for higher computational efficiency. However, to obtain sufficiently accurate predictions, the conventional deep-learning-based method consumes excessive time to collect the data set, thus hindering its wide application in this interdisciplinary field. We introduce a spectral transfer-learning-based metasurface design method to achieve excellent performance on a small data set with only 1000 samples in the target waveband by utilizing open-source data from another spectral range. We demonstrate three transfer strategies and experimentally quantify their performance, among which the “frozen-none” robustly improves the prediction accuracy by ∼26 % compared to direct learning. We propose to use a complex-valued deep neural network during the training process to further improve the spectral predicting precision by ∼30 % compared to its real-valued counterparts. We design several typical teraherz metadevices by employing a hybrid inverse model consolidating this trained target network and a global optimization algorithm. The simulated results successfully validate the capability of our approach. Our work provides a universal methodology for efficient and accurate metasurface design in arbitrary wavebands, which will pave the way toward the automated and mass production of metasurfaces.
transfer learning complex-valued deep neural network metasurface inverse design conditioned adaptive particle swarm optimization terahertz 
Advanced Photonics Nexus
2024, 3(2): 026002
作者单位
摘要
中国电波传播研究所, 山东青岛 266071中国人民解放军 31007部队, 北京 100000
通信语音干扰效果评估, 是指对语音通信系统接收的受扰语音信号进行分析, 确定语音信号被干扰程度的技术。准确地评估干扰效果是研制通信对抗设备、评估电子对抗态势以及了解通信质量等活动的重要依据。针对超短波通信干扰系统, 提出了基于梅尔频率倒谱系数 (MFCC)特征、小波统计特征和感知特征的统计测度, 结合最小二乘、反向传播(BP)神经网络以及支持向量回归 (SVR)拟合回归模型的评估系统, 其预测值和主观评估值的相关系数达到 0.9以上, 保障了该干扰评估系统的实用性。研究了基于深度学习的无参考评估方法, 并利用实测数据验证了其有效性, 准确率达到了 87%, 高于多测度融合评估方法。
机器学习 深度神经网络 语音质量评估 干扰效果评估 machine learning Deep Neural Network(DNN) speech quality assessment jamming effect evaluation 
太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(10): 1217
作者单位
摘要
1 南京邮电大学通信与信息工程学院,南京 江苏 210023
2 固体微结构物理国家重点实验室,南京 江苏 210008
衍射深度神经网络(D2NN)通过无源衍射层的深度学习,可实现快速高效的深度学习功能。利用多组不同湍流强度干扰下的轨道角动量(OAM)态和目标OAM态组成的训练数据集对设计的D2NN网络组件进行训练,更新和优化组件中各参数,直到由D2NN输出的OAM态与目标OAM态的平方误差损失函数达到预定的阈值,便可获得实现高速、高精度的OAM波前校正的D2NN组件。测试结果表明:D2NN迭代次数、衍射层数、训练参数的选择会对组件的校正速度和准确度产生影响,通过D2NN可以实现受大气湍流干扰的OAM态的高精度校正;当大气湍流强度为10-14 m-2/3、D2NN网络层层数为8时,组件性能最佳,其损失函数相比5层网络层的D2NN降低超过45.45%;而对于更强大气湍流的干扰,可以通过增加网络训练时的迭代次数来提高校正的准确度,迭代20次后损失函数的值降低率达到98.03%;对于湍流强度较弱的干扰,训练时采用纯相位参数,组件的性能更优;而对于强湍流的干扰,训练时采用相位参数与振幅参数两者相结合的方法,组件的性能更优;除此之外,OAM态的拓扑荷值越小,校正后的失真度越小。
衍射深度神经网络 无源衍射层 轨道角动量态 大气湍流 相位屏 
光学学报
2023, 43(24): 2401008
作者单位
摘要
1 西南石油大学 电气信息学院,成都 610500
2 西南石油大学 理学院,成都 610500
为了提高基于结构光法的3维重建精度,采用机器学习中的回归模型对物体进行了3维形貌测量,通过以单目式获取对象高度点不同方向的光强信息簇样本,将其作为回归模型的训练集,在训练好回归模型后,直接建立起条纹图案的光强信息分布与对象高度之间的映射函数关系,完成对目标的3维测量;将调制条纹光数值信息以特征形式导入回归模型,获得端到端高度信息,验证了机器学习的神经网络回归模型在3维面形重建上的可行性。结果表明,该模型即使在投影特征模糊或噪音较大的情况也能较精确地重建3维面形,平均重建误差为1.40×10-4 mm,优于一般面形重建方法的数据。该研究为物体在强干扰条件下的单目式高精度3维面形重建提供了参考,简化了繁琐的计算过程和测量过程,提高了测量精度。
信息光学 高精度3维面形重建 深度神经网络 结构光 单目式 形变条纹 information optics high precision 3-D surface reconstruction deep neural network structured light monocular stripe of deformation、 
激光技术
2023, 47(6): 831
Author Affiliations
Abstract
1 Minzu University of China, School of Science, Beijing, China
2 Peking University, Collaborative Innovation Center of Quantum Matter, Nano-Optoelectronics Frontier Center of Ministry of Education, State Key Laboratory for Mesoscopic Physics, Department of Physics, Beijing, China
3 Shanxi University, Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Taiyuan, China
4 Peking University Yangtze Delta Institute of Optoelectronics, Nantong, China
As a successful case of combining deep learning with photonics, the research on optical machine learning has recently undergone rapid development. Among various optical classification frameworks, diffractive networks have been shown to have unique advantages in all-optical reasoning. As an important property of light, the orbital angular momentum (OAM) of light shows orthogonality and mode-infinity, which can enhance the ability of parallel classification in information processing. However, there have been few all-optical diffractive networks under the OAM mode encoding. Here, we report a strategy of OAM-encoded diffractive deep neural network (OAM-encoded D2NN) that encodes the spatial information of objects into the OAM spectrum of the diffracted light to perform all-optical object classification. We demonstrated three different OAM-encoded D2NNs to realize (1) single detector OAM-encoded D2NN for single task classification, (2) single detector OAM-encoded D2NN for multitask classification, and (3) multidetector OAM-encoded D2NN for repeatable multitask classification. We provide a feasible way to improve the performance of all-optical object classification and open up promising research directions for D2NN by proposing OAM-encoded D2NN.
diffractive deep neural network deep learning orbital angular momentum multiplexing optical classification 
Advanced Photonics Nexus
2023, 2(6): 066006
作者单位
摘要
1 昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南 昆明 650550
2 昆明理工大学生命科学与技术学院,云南 昆明 650550
针对蛋白质质谱数据检索研究中由于样本单一、数据不平衡导致传统的相似性匹配检索方法效率低且精度不高的问题,提出一种基于复杂的放回抽样(Flex-Bootstrap)和多次卷积神经网络(Multi-CNN)与深度神经网络(DNN)融合模型的检索方法,并与DNN模型、CNN与DNN融合模型相比较。Flex-Bootstrap方法结合Multi-CNN与DNN融合模型应用于蛋白质质谱数据种类预测时取得了较好的效果,其测试集的准确率提升至98.82%,损失函数值降低至0.0397。该模型不仅有效解决了使用DNN模型、CNN与DNN融合模型进行数据检索时存在的欠拟合问题,同时提高了预测的准确率以及质谱数据库的搜索效率。
医用光学 蛋白质种类 复杂的放回抽样 深度神经网络 卷积神经网络 质谱数据预测 
激光与光电子学进展
2023, 60(16): 1617001
作者单位
摘要
新疆大学建筑工程学院, 乌鲁木齐 830017
尺寸效应对混凝土材料力学性能和结构设计有重要影响。目前试验测试仍是混凝土尺寸效应研究主要手段, 受限于样本制作周期及复杂的边界和加载条件, 综合成本高, 结果离散性较大。本文基于深度学习和贝叶斯优化算法, 以大量试验数据为基础, 建立了不引入任何简化计算假设的混凝土抗压强度尺寸效应深度神经网络模型(BO-DNN), 并与已有尺寸效应模型进行了比较分析, 通过改变选定特征参数的值来考察各参数对抗压强度尺寸效应的影响。结果表明: 水胶比对抗压强度尺寸效应影响显著, 水胶比越小, 尺寸效应越明显; 抗压强度尺寸效应随骨料粒径的增大呈递增趋势, 但增幅随粒径的增大有所减缓; 高宽比小于2的试件抗压强度尺寸效应随高宽比的增大而增大, 超过2以后尺寸效应基本不再增大; 试件形状对抗压强度尺寸效应的影响较小; 龄期越大, 尺寸效应越显著, 但龄期超过90 d后尺寸效应现象趋于稳定。本文提出的预测模型泛化能力强, 具有更高的精度和稳定性, 能较好地挖掘各特征参数之间复杂的非线性关系, 为混凝土材料和结构的工程设计提供理论依据和参考。
混凝土 抗压强度 尺寸效应 深度神经网络 贝叶斯优化算法 concrete compressive strength size effect deep neural network Bayesian optimization algorithm 
硅酸盐通报
2023, 42(5): 1650
作者单位
摘要
1 重庆大学 微电子与通信工程学院,重庆400044
2 安徽大学 物质科学与信息技术研究院,安徽合肥30039
从极少量的测量值中有效且高概率高质量恢复出原始信号是压缩感知图像重建研究的核心问题,学者们相继提出了传统和基于深度学习的压缩感知图像重建算法,传统算法通常基于优化模型迭代求解,重建质量和重建速度都无法保证;基于深度学习的算法重建质量相对较高,但缺乏物理可解释性。受滤波流的启发,本文提出了联合全局与局部的深度压缩感知图像重建模型(G2LNet),其以卷积层执行压缩采样以及初始重建过程,利用快速傅里叶卷积与滤波流,同时考虑了图像全局上下文信息和图像像素局部邻域信息,联合学习优化测量矩阵与滤波流,建立了完整的端到端可训练的深度图像压缩感知重建网络。经实验验证,在压缩感知图像重建领域常用的Set5,Set11,BSD68测试集上取得了良好的重建效果,在采样率为20%的情况下,G2LNet的图像重建质量相比于经典的传统算法MH与基于深度学习的算法CSNet的平均PSNR分别提高了2.29 dB,0.51 dB,有效提升了重建图像质量。
压缩感知 图像重建 快速傅里叶卷积 滤波流 深度神经网络 compressive sensing image reconstruction fast Fourier convolution filter flow deep neural network 
光学 精密工程
2023, 31(14): 2135
作者单位
摘要
1 华中师范大学 夸克与轻子教育部重点实验室 武汉 430079
2 美国劳伦斯伯克利国家实验室 核科学部 伯克利 加州94720
高能重离子碰撞将夸克和胶子从原子核中释放出来,形成一种新的核物质形态,即解禁闭的夸克胶子等离子体(Quark-Gluon Plasma,QGP)。研究普通核物质或强子共振气体到夸克胶子等离子体的相变,需要在超级计算机上数值求解格点量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)。但是,格点QCD只能给出零重子化学势以及附近可泰勒展开区域的核物质状态方程,并预测这种条件下QGP到强子共振气体之间的相变为平滑过渡。在不能做泰勒展开的有限重子化学势区域,格点QCD会遭遇著名的符号问题,无法给出有效的核物质状态方程以及QCD相变类型。本文综述了利用机器学习在核物质状态方程、相变分类以及临界点寻找方面的研究。这些研究大致分为两类:第一类在高能重离子碰撞实验数据以及相对论流体力学模拟和分子动力学模拟中,利用核碰撞末态粒子分布来确定核物质状态方程以及相变种类;另一类是利用机器学习直接帮助格点QCD的采样,解决有限密系统中的符号问题。
重离子碰撞 机器学习 QCD相变 深度神经网络 Ai4Science Heavy ion collisions Machine learning QCD phase transition Deep neural network Ai4Science 
核技术
2023, 46(4): 040014
作者单位
摘要
1 湖北大学微电子学院,湖北 武汉 430062
2 华中科技大学光学与电子信息学院下一代互联网接入系统国家工程研究中心,湖北 武汉 430074
提出了一种基于信号光谱和多任务深度神经网络(MT-DNN)的多信道并行光性能监测(OPM)方案,采集多信道光谱图进行预处理来设计幅度直方图(Ahs),可实现波分复用(WDM)系统多信道调制格式识别(MFI)和光信噪比(OSNR)监测。在建立的3信道WDM相干光通信系统中,对由PDM-4QAM/16QAM/64QAM组合的10种调制格式的3信道信号实现了MFI准确率为100%、OSNR监测的平均绝对误差(MAE)为0.16 dB的精准监测。为进一步研究所提OPM方案的性能以应对复杂的传输环境,提出了迁移学习辅助的多任务深度神经网络(TL-MT-DNN)用于多信道MFI和OSNR并行监测。结果表明,所提方案可移植性较好,还可节省大量样本和训练周期,其MFI准确率仍可达100%,3信道OSNR监测的MAE分别为0.24 dB、0.20 dB和0.19 dB。
机器视觉 光性能监测 波分复用 光信噪比 调制格式识别 迁移学习 多任务深度神经网络 
光学学报
2023, 43(7): 0715002

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