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波前编码红外成像系统的温度梯度适应能力探究

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第5期57卷 521-529页

作者：盛婧蔡怀宇汪毅陈晓冬天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

利用波前编码技术为红外光学系统进行无热化设计可提高其在不同均匀工作温度下的适应能力,但针对温度突变、成像系统内温度分布不均情况,波前编码技术是否能正常进行成像及其适用的温度范围还有待进一步研究.为简化分析流程,采用温度梯... 详细信息

利用波前编码技术为红外光学系统进行无热化设计可提高其在不同均匀工作温度下的适应能力,但针对温度突变、成像系统内温度分布不均情况,波前编码技术是否能正常进行成像及其适用的温度范围还有待进一步研究.为简化分析流程,采用温度梯度模型来仿真非稳态下的温度变化.利用温度梯度模型来定性分析光学系统在轴向、径向温度梯度为系统引入的附加像差.计算两个方向下的光程差变化来比较两种温度梯度环境下系统的成像性能差异.在此基础上,为非稳态温度环境下红外光学系统的设计建立了结合光/机/热分析的无热化设计流程,通过ZEMAX设计了一套最大轴向尺寸为85 mm、最大径向尺寸为25 mm的红外光学系统,通过SolidWorks加载轴向和径向的热形变,探究所设计的系统能够适用的温度梯度范围.结果表明,结合光/机/热分析的无热化设计流程可以有效表明系统在非稳态温度下的成像情况.对上述采用三次相位板进行无热化设计的红外光学系统,在非稳态温度下可以适应±10℃的轴向温差范围,但是仅可以适应±1℃的径向温差范围.因此在进行红外波前编码光学系统的无热化设计时,需要对径向方向进行重点优化.

关键词：波前编码技术红外光学成像系统温度梯度三次相位板

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基于工业反光特征的高精度视觉SLAM方法

光学学报 2024年第11期44卷 85-96页

作者：郭朝杨泽任永杰孙岩标邾继贵天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

针对现有基于自然特征的视觉即时定位与地图构建(SLAM)精度无法满足工业级高精度测量定位需求的问题,提出一种基于工业反光特征的高精度实时视觉SLAM方法,将工业摄影测量使用的高反光特征引入到非结构化工厂场景中,利用图优化理论来实... 详细信息

针对现有基于自然特征的视觉即时定位与地图构建(SLAM)精度无法满足工业级高精度测量定位需求的问题,提出一种基于工业反光特征的高精度实时视觉SLAM方法,将工业摄影测量使用的高反光特征引入到非结构化工厂场景中,利用图优化理论来实现基于反光特征的实时高精度定位测量。先利用关键帧图像网络优化方法快速计算地图精确点坐标,再基于全局地图与辅助惯性里程计信息实时求解相机高精度六自由度位姿,最后将位姿测量结果与真值进行比较。实验结果表明,在缺少自然特征的场景中,反光特征的引入使得ORB-SLAM3算法的定位精度提高了74.5%。同时本文方法相较于采用反光特征的ORB-SLAM3、PnP算法在定位精度上平均提升了66.72%、12.93%。实验结果的绝对轨迹误差均小于2 mm,平均误差为1.5 mm,相对姿态误差则小于0.03°,实现了非结构化工业环境下的高精度实时定位。

关键词：测量反光特征关键帧图像网络优化全局信息辅助视觉惯性实时定位

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基于采样平均法相差检测的溶解氧测量方法

激光技术 2024年

作者：李天林刘天元黄梅珍上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系上海交通大学电子信息与电气工程学院电气工程系

在海洋科学、渔业养殖和污水处理等领域为了实现光学法溶解氧质量浓度的快速高精度测量，提出一种基于采样平均法检测相位差的溶解氧测量方法。该方法利用采样平均的方式消除单点误差的干扰、提高测量精度。并进行理论分析和实验验证，... 详细信息

在海洋科学、渔业养殖和污水处理等领域为了实现光学法溶解氧质量浓度的快速高精度测量，提出一种基于采样平均法检测相位差的溶解氧测量方法。该方法利用采样平均的方式消除单点误差的干扰、提高测量精度。并进行理论分析和实验验证，对该方法的测量精度和速度进行分析，同时研究了信号采样频率对测量误差的影响；与现有多种方法的性能进行了对比，并搭建溶解氧测量系统对测量效果进行验证。结果表明，采样平均法检测相位差的优势明显，其测量精度高（平均误差约为1.13°，测量标准差为1.24°），测量速度快；溶解氧测量系统相对测量误差为2.84%，相对测量标准差为4.51%，实现了较高精度的溶解氧质量浓度测量。此研究为光学法高精度溶解氧测量提供了一种更简单准确的相位差检测方法。

关键词：信号处理相位差测量采样平均法溶解氧荧光猝灭效应仿真分析

基于电化学传感技术的血液pH和PCO_(2)连续检测芯片装置

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光学精密工程 2024年第11期32卷 1701-1712页

作者：于海霞刘家乐范译心谭志广郭庆天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

为了连续检测血液透析患者血液的酸碱度,降低血液透析患者的死亡率,基于电化学传感原理和微流控技术,研究了一种能够连续监测血液pH和PCO_(2)的芯片。芯片中pH电极和CO32-电极以共用参比电极的方式实现pH和PCO_(2)的联合检测,利用微型... 详细信息

为了连续检测血液透析患者血液的酸碱度,降低血液透析患者的死亡率,基于电化学传感原理和微流控技术,研究了一种能够连续监测血液pH和PCO_(2)的芯片。芯片中pH电极和CO32-电极以共用参比电极的方式实现pH和PCO_(2)的联合检测,利用微型化测试腔保证血液的连续流通和检测,并防止空气对血液检测的干扰,提高血液pH和PCO_(2)的检测精度。采用pH 6.00~9.00的Tris-HCl溶液测试芯片的pH检测性能,其检测灵敏度达到61.2 mV/pH,连续检测同一样品的标准差小于0.01(n=10),再现性测量的平均相对误差为0.46%(n=6),在pH 6.00~9.00内实现了样品溶液pH值的准确检测。利用联合传感芯片分别进行血气质控液和血液测试实验,在血气质控液中检测pH和PCO_(2)的绝对误差分别低于0.04和306.64 Pa(2.30 mmHg),平均相对误差分别为0.23%和1.94%;在血液中检测pH和PCO_(2)的绝对误差分别低于0.05和466.63 Pa(3.50 mmHg),平均相对误差分别为0.36%和2.60%。与血气分析仪相比,该芯片体积小,与血液透析管路连接可以实现血液中pH和PCO_(2)的连续在线检测。

关键词：微流控技术血液透析酸碱平衡电化学传感器连续血液检测

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激光诱导击穿光谱的自适应基线校正方法

光子学报 2024年第6期53卷 264-274页

作者：闫红宇赵宇陈媛媛刘昊王杰张瑞王志斌中北大学仪器与电子学院太原030051 中北大学信息与通信工程学院太原030051

为了降低远程激光诱导击穿光谱原位分析中连续背景辐射、随机噪声和样品基体效应对特征光谱的影响,提出一种通过适应度函数将粒子群优化和非对称重加权正则最小二乘相融合的自适应基线校正方法,旨在提高远程激光诱导击穿光谱的分析能力... 详细信息

为了降低远程激光诱导击穿光谱原位分析中连续背景辐射、随机噪声和样品基体效应对特征光谱的影响,提出一种通过适应度函数将粒子群优化和非对称重加权正则最小二乘相融合的自适应基线校正方法,旨在提高远程激光诱导击穿光谱的分析能力。以三种掺杂相近微量元素的铝基合金标样为研究对象,相同实验条件下利用所提出的基线校正方法研究并对比自适应迭代重加权正则最小二乘算法、非对称重加权正则最小二乘算法处理后的光谱信噪比与拟合基线的变化趋势。为了验证所提方法的有效性,构建了三次核函数支持向量机的铝基合金标样精细分类模型,其独立测试集的混淆矩阵分类准确率为100%。结果表明,自适应基线校正方法所拟合的基线变化趋势与激光诱导击穿光谱的实际基线轨迹相吻合,且特征光谱能够清晰地分离。该方法可有效降低随机噪声对光谱数据分析的影响,对于提高远程激光诱导击穿光谱原位分析的准确性和可靠性具有意义。

关键词：远程激光诱导击穿光谱基线校正方法原位分析核函数支持向量机铝基合金标样

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基于FPGA的实时荧光相关光谱三元数字相关器的设计与实现

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激光与光电子学进展 2024年第9期61卷 419-427页

作者：孙亚楠蔡萍王伟达陆欣伟董朝青任吉存上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系上海200240 上海交通大学化学化工学院上海200240

面向荧光相关光谱分析应用,研究基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)技术的多通道实时荧光相关光谱三元数字相关器的实现方法。硬件结构基于寄存器级硬件描述语言设计和实现。基于荧光相关光谱的特点,采用多采样时间相关和模块“分时复用”... 详细信息

面向荧光相关光谱分析应用,研究基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)技术的多通道实时荧光相关光谱三元数字相关器的实现方法。硬件结构基于寄存器级硬件描述语言设计和实现。基于荧光相关光谱的特点,采用多采样时间相关和模块“分时复用”的设计思想,有效减少了运算量和硬件资源消耗。将二元相关的分时复用思想扩展至三元相关,提出了适用于三元相关的分时复用方法,实现了基于FPGA的实时计算的三元数字相关器。通过对称归一化的计算方法保证了相关函数的计算精度。光子相关器基于Xilinx Zynq-7100 FPGA芯片实现,实现了三路自相关、三路互相关和一路三元相关的实时计算。实验验证了相关计算的准确性,最高时间分辨率可达40 ns,动态范围为1.57×10^(7)。

关键词：荧光相关光谱数字相关器多采样时间相关法光子脉冲计数分时复用

基于总体最小二乘-旋转不变算法的地表核磁共振信号参数估计

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电子与信息学报 2024年第2期46卷 720-727页

作者：于晓辉冯海田宝凤孙海欣孙晓东吉林大学通信工程学院长春130022 吉林大学仪器科学与电气工程学院/地球信息探测仪器教育部重点实验室长春130026 长春大学电子信息学院长春130022

在地表核磁共振(SNMR)找水系统中,根据SNMR信号的参数能够预估地下含水层的储水量、导电性以及孔隙结构等信息。然而在实际应用中探测现场采集的SNMR信号十分微弱,易受到环境噪声干扰,导致无法直接获取SNMR信号的参数。针对这一问题,该... 详细信息

在地表核磁共振(SNMR)找水系统中,根据SNMR信号的参数能够预估地下含水层的储水量、导电性以及孔隙结构等信息。然而在实际应用中探测现场采集的SNMR信号十分微弱,易受到环境噪声干扰,导致无法直接获取SNMR信号的参数。针对这一问题,该文提出基于总体最小二乘-旋转不变法(TLS-ESPRIT)的地表核磁共振信号参数估计方法。基于谐波噪声与SNMR信号的相似信号特征构成一个由多个正弦衰减信号叠加的混合信号模型,使用TLS-ESPRIT将混合信号参数提取问题转换为旋转不变矩阵的广义特征值求解,从而获得SNMR信号的拉莫尔频率和弛豫时间,并结合最小二乘法求得其初始振幅和相位。仿真信号和实测信号实验结果表明此方法能够估计出混有随机噪声和工频谐波噪声的SNMR信号的参数,相比传统的谐波建模方法,在参数提取精度上效果更好。

关键词：地表核磁共振总体最小二乘-旋转不变法谐波噪声

基于频域控制约束的物理神经网络非线性系统预测方法

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电子科技大学学报 2024年第2期53卷 227-234页

作者：钱夔宋爱国田磊南京工程学院自动化学院南京211167 东南大学仪器科学与工程学院南京210096 东南大学深圳研究院深圳518071

针对现有物理信息神经网络利用数值模拟近似物理控制方程带来的高计算代价、边界条件限制等问题,提出一种基于频域控制约束的物理神经网络非线性系统预测方法。首先构建时序特征交替更新的非线性预测网络模型,再在频域建立基于傅里叶谱... 详细信息

针对现有物理信息神经网络利用数值模拟近似物理控制方程带来的高计算代价、边界条件限制等问题,提出一种基于频域控制约束的物理神经网络非线性系统预测方法。首先构建时序特征交替更新的非线性预测网络模型,再在频域建立基于傅里叶谱方法(FSM)的物理控制方程约束,时空数据在网络模型与频域控制约束耦合下实现无标签数据加速训练,完成系统演化学习。最后在Burgers系统上进行湍流预测验证,实验结果表明该方法可在物理规则约束下实现无标签非线性复杂建模,对比主流PINN模型及其变体,具有更快的学习速度与预测准确率。在t≤0.25 s、t≤0.5 s短时预测情况下,经前期20次训练后系统预测均方误差(MSE)相比主流基准模型同期预测,MSE降低了86%与95%,在t≤2 s长时预测情况下,经充分训练后系统预测MSE能降低80%。

关键词：物理信息神经网络傅里叶谱方法频域控制方程约束 Burgers系统非线性系统预测

碳达峰背景下中国制造业结构的多目标协同进化预测

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系统工程理论与实践 2024年

作者：牛鸿蕾刘志勇徐州工程学院土木工程学院徐州工程学院管理工程学院

制造业结构的高质量转型是进一步挖掘节能增效与碳减排潜力的重要可行选项。为精准预测制造业结构调整的趋势，本文以增长、就业、节能、降碳为多重目标，以投入产出方程及碳达峰目标为主要约束条件，构建制造业结构的多目标优化模型，... 详细信息

制造业结构的高质量转型是进一步挖掘节能增效与碳减排潜力的重要可行选项。为精准预测制造业结构调整的趋势，本文以增长、就业、节能、降碳为多重目标，以投入产出方程及碳达峰目标为主要约束条件，构建制造业结构的多目标优化模型，并利用基于双群体的协同进化框架求解，得出如下结论。在确保碳达峰的前提下，制造业结构的调整能有效促进各目标之间的权衡、取舍及协调统一。随着所占比重的持续增加，通讯设备、计算机及其他电子设备制造业，仪器仪表及其他制造业最终将成为在制造业中占比最大的两类行业。制造业的低碳高质量发展不能简单地依赖于压缩高耗能的产能，实现生产原料、生产过程、产品等的深度低碳化转型或结构优化才是关键所在。

关键词：碳达峰制造业结构多目标协同进化