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深层生物组织光学技术发展及其应用(特邀)

中国激光 2024年第1期51卷 330-353页

作者：赖溥祥赵麒周颖颖程圣福胡子敏李焕浩余志鹏黄夏子姚靖庞未然李浩然黄浩梵李文钊郑源东王志远袁楚琪仲天庭香港理工大学生物医学工程系中国香港九龙999077 香港理工大学深圳研究院广东深圳518055 香港理工大学光子技术研究院中国香港九龙999077 香港理工大学体育科技研究院中国香港九龙999077

光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色,其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究,包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀... 详细信息

光学技术在生物医学中扮演着越来越重要的角色,其非电离辐射、高分辨率、高对比度和对生物组织异变高度灵敏等特性使其非常适用于生物组织的研究,包括成像、传感、治疗、刺激以及控制等。然而由于光折射因子在生物组织中的分布是不均匀的,光在生物组织中的传播会受到很强的散射影响,故纯光学技术的穿透深度和空间分辨率是“鱼和熊掌不可兼得”;高分辨率光学成像应用仅限于样品浅表层,当成像深度增加时分辨率急剧下降。实现光在深层生物组织里的高分辨率成像或应用是人们期盼已久的目标。近年来,为解决这一问题,研究者提出了不同的方法,例如切换到更长的光波长以减小组织散射系数,在信号检测时将漫射光转换为散射不明显的超声信号,逆转或者预先补偿由光的多次散射所带来的相位畸变,或借助光纤等微创光学通道实现深层生物组织的高分辨率光学成像、刺激等。基于团队在深层生物组织光学相关领域多年的耕耘,从光在生物组织中的传播特性出发,梳理和总结了近年来研究人员在光-声结合和光学波前整形技术等方面展开的诸多探索,以及在生物组织操控、成像、光学计算以及人工智能等领域中的应用尝试。虽然尚有诸多不足,但随着硬件设备的更新和计算技术的发展,在不远的将来有望实现活体深层生物组织光学高分辨率应用。在这一求索过程中,新方法和新能力将不断激发新的应用灵感,为光学尤其是生物医学光子学带来全新的理念和机遇。

关键词：生物光学光学成像生物医学光子学深层组织光学波前整形光声成像

C+L波段低弯曲损耗非耦合三模组渐变折射率光纤设计

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电子学报 2024年第8期 2659-2667页

作者：王卓崔明杰余长源香港理工大学电机及电子工程学系香港理工大学光子研究院香港理工大学深圳研究院

光纤是现代通信网络中最为稳定的信号传输媒介，提升光纤模式的数量是满足通信容量日益增加的有效方法.本文设计了低弯曲损耗的非耦合三模组(LP01,LP11,LP21)渐变折射率光纤，运用分层分析法给出了渐变折射率光纤中模组的严格截止条件.... 详细信息

光纤是现代通信网络中最为稳定的信号传输媒介，提升光纤模式的数量是满足通信容量日益增加的有效方法.本文设计了低弯曲损耗的非耦合三模组(LP01,LP11,LP21)渐变折射率光纤，运用分层分析法给出了渐变折射率光纤中模组的严格截止条件.此外，利用有限元仿真软件求解光纤模式的有效模场面积和弯曲损耗，得到低弯曲损耗条件下在C+L波段（1 530～1 625 nm）传输三模组的设计区间.揭示了纤芯中心折射率凹陷和沟槽层共同作用可促进光纤径向高阶模式的截止.模拟结果表明，所设计光纤的模组间有效折射率差大于等于3×10-3，弯曲半径为30 mm时的最大弯曲损耗为1.3 d B/km，符合ITU-T推荐的低弯曲损耗条件.而且，在1 550 nm波长下，模组内简并模有较小的差分模式群时延（≈176 ps/km），可通过4×4多输入多输出技术补偿简并模之间的串扰.该光纤可适用于C+L波段上实现模组间非耦合的空分复用信号传输.

关键词：少模光纤渐变折射率低弯曲损耗空分复用光纤通信

基于时空协同的多数据中心虚拟电厂低碳经济调度策略

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电力系统自动化 2024年第18期48卷 56-65页

作者：文淅宇朱继忠李盛林董瀚江华南理工大学电力学院广东省广州市510641 香港理工大学电机及电子工程学系香港999077

数据中心因其负荷具有时空双尺度可调特性,可被视为庞大且极具潜力的新型需求响应资源,是虚拟电厂的行业案例。然而,在以往数据中心经济调度的研究中,环境效益和租户的计算体验未得到充分考虑,需求响应后的执行效果评估多被忽略。对此,... 详细信息

数据中心因其负荷具有时空双尺度可调特性,可被视为庞大且极具潜力的新型需求响应资源,是虚拟电厂的行业案例。然而,在以往数据中心经济调度的研究中,环境效益和租户的计算体验未得到充分考虑,需求响应后的执行效果评估多被忽略。对此,提出基于时空协同的多数据中心低碳经济调度策略。首先,对数据中心工作负载的时空可调特性进行精细化建模,明晰需求响应和可再生能源消纳的具体实现路径。其次,量化租户对需求响应的满意度以保证用户侧服务体验,并在目标函数中引入碳交易成本以引导源侧减碳。最后,在中国广东电力市场日前邀约需求响应模式下,使用典型数据中心数据进行算例分析。仿真结果表明,所提方案能够有效激发数据中心灵活资源的时空调节潜力,在实现整体经济性提升的同时兼顾环境效益和租户满意度。

关键词：数据中心虚拟电厂需求响应经济调度碳交易时空协同

基于相干光调控的无透镜光纤成像及其应用(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第6期61卷 25-53页

作者：程圣福仲天庭胡子敏李浩然赖溥祥香港理工大学生物医学工程学系中国香港香港理工大学光子技术研究院中国香港香港理工大学深圳研究院广东深圳518063

基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展,有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控,该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响,在无需光纤末端... 详细信息

基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展,有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控,该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响,在无需光纤末端透镜或扫描器件的情况下实现高分辨率的聚焦、成像及相关应用。此外,在无透镜光纤内窥成像或图像传输等场景下,通过构建物理或深度学习模型,从光纤输出测量中也能实现物体信息重建。对相干光纤无透镜成像技术的发展进行综述,首先说明无透镜光纤成像的基础原理,并从主动波前调控和被动目标重建这两类角度阐述无透镜光纤成像方法,接着介绍一些先进光纤成像模态和技术,列举光纤成像相关应用,最后分析该领域所面临的挑战,总结并展望其进一步发展方向和应用前景。

关键词：多模光纤多芯光纤波前整形内窥成像光学显微成像深度学习

基于相干光调控的无透镜光纤成像及其应用（特邀）

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激光与光电子学进展 2024年第6期 35-63页

作者：程圣福仲天庭胡子敏李浩然赖溥祥香港理工大学生物医学工程学系香港理工大学光子技术研究院香港理工大学深圳研究院

基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展，有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控，该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响，在无需光纤末... 详细信息

基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展，有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控，该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响，在无需光纤末端透镜或扫描器件的情况下实现高分辨率的聚焦、成像及相关应用。此外，在无透镜光纤内窥成像或图像传输等场景下，通过构建物理或深度学习模型，从光纤输出测量中也能实现物体信息重建。对相干光纤无透镜成像技术的发展进行综述，首先说明无透镜光纤成像的基础原理，并从主动波前调控和被动目标重建这两类角度阐述无透镜光纤成像方法，接着介绍一些先进光纤成像模态和技术，列举光纤成像相关应用，最后分析该领域所面临的挑战，总结并展望其进一步发展方向和应用前景。

关键词：多模光纤多芯光纤波前整形内窥成像光学显微成像深度学习

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考虑间断速度场的光滑有限元极限分析上限法

岩土力学 2024年第9期45卷 2849-2858页

作者：戴北冰袁新周锡文刘锋涛中山大学土木工程学院广东广州510275 香港理工大学土木与环境工程系中国香港桂林理工大学土木与建筑工程学院广西桂林541004

基于应变光滑技术的有限元极限分析方法,为岩土工程稳定性分析提供了一种有效和高精度的数值分析途径。通过改进基于节点光滑域的方法,使其可以考虑间断的运动许可速度场,提出一种新型节点光滑有限元极限分析上限法。在土与结构接触面... 详细信息

基于应变光滑技术的有限元极限分析方法,为岩土工程稳定性分析提供了一种有效和高精度的数值分析途径。通过改进基于节点光滑域的方法,使其可以考虑间断的运动许可速度场,提出一种新型节点光滑有限元极限分析上限法。在土与结构接触面处引入间断速度场,以间断面处节点速度差表征间断速度场的大小,进而基于间断节点重新构造节点光滑域。在Mohr-Coulomb屈服准则和关联流动法则的基础上,分别计算间断面和光滑域内的内能耗散,并将屈服准则和流动法则的约束条件转化为一系列的二阶锥约束方程,最终将考虑间断速度场的节点光滑有限元上限法转化为标准的二阶锥规划模型。此模型可以采用高效的原对偶内点算法进行求解。通过岩土工程中经典问题的数值分析,验证了新方法的可靠性,并通过数值分析发现,结构与土体接触的强度性质对结构的失稳模式和极限承载力具有明显的影响。

关键词：极限分析上限法节点光滑有限元间断速度场二阶锥规划(SOCP)

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基于多示例学习图卷积网络的隐写者检测

自动化学报 2024年第4期50卷 771-789页

作者：钟圣华张智深圳大学计算机与软件学院深圳518060 香港理工大学电子计算学系中国香港999077

隐写者检测通过设计模型检测在批量图像中嵌入秘密信息进行隐蔽通信的隐写者,对解决非法使用隐写术的问题具有重要意义.本文提出一种基于多示例学习图卷积网络(Multiple-instance learning graph convolutional network,MILGCN)的隐写... 详细信息

隐写者检测通过设计模型检测在批量图像中嵌入秘密信息进行隐蔽通信的隐写者,对解决非法使用隐写术的问题具有重要意义.本文提出一种基于多示例学习图卷积网络(Multiple-instance learning graph convolutional network,MILGCN)的隐写者检测算法,将隐写者检测形式化为多示例学习(Multiple-instance learning, MIL)任务.本文中设计的共性增强图卷积网络(Graph convolutional network, GCN)和注意力图读出模块能够自适应地突出示例包中正示例的模式特征,构建有区分度的示例包表征并进行隐写者检测.实验表明,本文设计的模型能够对抗多种批量隐写术和与之对应的策略.

关键词：图像隐写者检测图卷积网络多示例学习示例包表征

“中文+常识”在香港非华语小学生中文教学中的应用研究

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语言教学与研究 2024年第5期 26-36页

作者：梁慧敏王莎香港理工大学中文及双语学系中国香港

香港特区非华语学生在使用中文学习其他科目时面临着学科和语言的双重障碍。对非华语学生而言,中文是他们的第二语言或外语,如果中文欠佳,势必影响学科知识的学习。本研究采用“内容与语言整合学习”的4Cs模式,为香港地区的非华语小学... 详细信息

香港特区非华语学生在使用中文学习其他科目时面临着学科和语言的双重障碍。对非华语学生而言,中文是他们的第二语言或外语,如果中文欠佳,势必影响学科知识的学习。本研究采用“内容与语言整合学习”的4Cs模式,为香港地区的非华语小学三年级学生设计了一套融合常识科内容的中文学习材料和框架,聚焦于小学常识科的六大学习范畴,展开跨学科协作模式,统整学科与中文作为第二语言的学习内容。创新的“中文+常识”课程旨在融合学科教育来提升学生中文水平,同时透过针对性语言教学深化学科知识的掌握。本研究的意义在于,首先让香港非华语中文教学突破单一的语言课堂,平衡“目标语言”和“工具语言”的教学,增强学生通过中文学习常识等其他学科的能力﹔其次,亦希望本课题可以抛砖引玉,为国际中文教育中“中文+其他学科”的教学模式提供香港地区经验。

关键词：香港非华语小学生中文+常识内容与语言整合学习 4Cs教学框架

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基于相干光调控的无透镜光纤成像及其应用

激光与光电子学进展 2024年

作者：程圣福仲天庭胡子敏李浩然赖溥祥香港理工大学深圳研究院香港理工大学生物医学工程学系香港理工大学光子技术研究院

基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展，有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控，可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响，在无须光纤末端透镜... 详细信息

基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展，有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控，可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响，在无须光纤末端透镜或扫描器件的情况下，实现高分辨率的聚焦、成像及相关应用。此外，在无透镜光纤内窥成像或图像传输等场景下，通过构建物理或深度学习模型从光纤输出测量中也能实现物体信息重建。本文将对相干光纤无透镜成像技术的发展进行综述，首先说明无透镜光纤成像的基础原理，并从主动波前调控和被动目标重建这两类角度阐述无透镜光纤成像方法，接着介绍一些先进光纤成像模态和技术，列举光纤成像相关应用，最后分析该领域所面临的挑战，总结并展望其进一步发展方向和应用前景。

关键词：多模光纤多芯光纤波前整形内窥成像光学显微成像深度学习