呼吸声分类技术研究及检测系统设计*

患有呼吸问题的病人由于呼吸道腺体不受意识控制、异物或者其本身肺部病变等原因会出现呼吸异常。医护人员通过病人的呼吸状况可以找寻和分析病人出现这种呼吸状况的原因。而以往呼吸声的诊断方式是专业的医护人员通过使用听诊器对病人进行肺部听诊。但是听诊的结果取决于医护人员的经验与相关参数。在初级诊断治疗阶段,初级医生识别听诊声的效率以及准确率很低,一般从20%到80%不等。因此会存在10%到20%的高误诊率（漏诊、错诊和延误）。本文提出了一种利用PVDF薄膜传感器提取语声特征的检测系统,该检测系统根据病人发出声音的不同,提取呼吸声特征值判断病人的呼吸状况。通过PVDF传感器采集的微弱呼吸声再经过KNN算法分类之后其识别率可达90.6%,对于细分种较类多的湿罗声,其识别率在80.2%左右。综上表明相比于传统听诊方式通过PVDF传感器采集识别的结果具有更高的准确性和可靠性,其判断呼吸状况的结果可以为医护人员提供参考,更好的为患有呼吸疾病的病人提供监测。     

基于银/高纯铟复合膜的表面等离子体共振折射率传感器

为了解决单一金属膜结构的光纤表面等离子体共振（SPR）盐度传感器结构不稳定且灵敏度较低的问题,设计了一种高灵敏度的锥形三芯光纤结构的SPR盐度传感器。以银膜为激发表面等离子体共振的金属层,在其表面涂覆高纯铟以增强其稳定性。通过Kretschmann四层结构模型对传感器进行理论分析,结果表明,在光纤锥区纤芯模和包层模之间会出现强烈的模式耦合,在覆膜区会激发明显的等离子体共振。对涂覆银膜和高纯铟膜的SPR传感器进行折射率性能测试,在1.4%～3.6%的盐度变化范围内,涂覆银膜和高纯铟膜的SPR传感器灵敏度高达4989.34 nm/RIU,对应的盐度灵敏度为9.1 nm/%,比仅涂覆银膜的SPR传感器灵敏度提高了44%。     

类摩天轮型多孔纤芯超高双折射率太赫兹光子晶体光纤特性

提出一种以新型聚合物Topas作为基底材料的类摩天轮型多孔芯光子晶体光纤。利用时域有限差分法对光纤的双折射率、损耗及色散等特性进行数值模拟。结果表明：该光纤在3～6 THz的工作频段内可提供10^-1数量级的双折射率,在4 THz处达到0.1085的超高双折射率、10^-1 dB/cm的总损耗、10^-16 dB/cm的极低限制损耗和2.4×10^-14 dB/cm的低弯曲损耗;该光纤在3～5.5 THz频率范围内拥有近零色散值,为±0.11 THz^-2·cm^-1。该光纤的良好特性对太赫兹光器件以及偏振传感等领域的发展具有促进作用。     

基于空间像主成分分析的光刻投影物镜波像差检测技术

基于空间像主成分分析的波像差检测技术是一种原位光刻机投影物镜波像差检测技术。本文对该技术的检测模型和工程技术进行了系统研究。分析了照明条件、检测标记、空间像扫描范围等影响因素对检测精度的影响。研究了空间像传感器模型,并通过仿真和实验验证了传感器模型的有效性。研究了空间像定心误差对检测精度的影响,对比了不同定心方法下波像差检测模型的性能表现。分析了不同降噪方法的空间像降噪效果,并基于空间像噪声模型,提出了一种新的空间像降噪方法。仿真与实验结果表明,在各种影响因素中,照明部分相干因子和F方向采样范围对像差检测精度影响较大。定心方面,在X方向上六项模型定心精度更高,F方向上三项模型与六项模型各有优劣。平均值降噪法可以有效滤除空间像噪声,提高像差求解精度。像差漂移量仿真测试结果表明,该技术可用于校正光刻机的短期像差漂移。本文对该技术还给出了工程应用建议。     

基于对数双曲余弦比差异图构造与多区域特征卷积极限学习机的合成孔径雷达图像变化检测

针对合成孔径雷达（SAR）图像变化检测中差异图质量不佳、检测精度偏低以及检测时间长等问题,提出了一种基于对数双曲余弦比（LHCR）差异图构造与多区域特征卷积极限学习机的无监督变化检测新方法。该方法主要由差异图生成和差异图分析两个阶段组成。在差异图生成阶段,利用各向异性扩散滤波器对同一地区不同时间的两幅SAR图像分别滤波,使用对数双曲余弦变换对滤波后的图像进行增强,通过对数比处理得到LHCR差异图,在抑制相干斑噪声的同时,增强差异图的对比度。在差异图分析阶段,应用分层模糊C均值聚类得到变化类、不变类和中间不确定类的预分类结果;进而从差异图、双时相SAR图像中获取多区域样本块,构成三通道数据输入卷积层进行特征提取。特征具有强调中心区域、抑制边缘噪声的特点;最后,使用变化类和不变类的特征向量进行极限学习机分类训练,再用训练好的模型对中间不确定类像素自动分类实现变化检测。Radarsat-2和高分三号数据集的实验结果表明了所提方法的有效性。     

波长可调谐和异步双波长锁模掺铒光纤激光器

利用激光诱导沉积法制备了碳纳米管可饱和吸收体,结合偏振控制器和保偏光纤产生的双折射滤波效应,在同一个环形掺铒光纤激光器中实现了波长可调谐,并获得了两种异步双波长锁模状态。通过调节泵浦功率和偏振控制器,获得了中心波长在1550 nm附近稳定可自启的锁模,波长可调谐范围为8.88 nm。同时,获得了两种异步双波长锁模状态,重复频率均约为49.9 MHz,脉冲重复频率差分别为1395 Hz和1089 Hz。     

湿端结构极简的低噪声低串扰光纤光栅水听器阵列

由于湿端极简化,光纤光栅水听器系统中普遍存在的偏振诱导信号衰落和随机相位衰落等关键问题仅能采用复合型调制解调手段解决;光纤光栅的双向反射特性会引起传感通道间信号串扰增加等新问题。报道了一种光纤光栅水听器阵列,水下仅采用80个光纤光栅构成64基元水听器阵列。采用相位生成载波与偏振切换调制解调方案,系统本底相位噪声达到■,等效噪声压为36 dB@1 kHz。系统采用低反射率光纤光栅,结合8空分×2波分×8时分复用结构设计,系统的时分、空分和波分通道串扰均稳定在-40 dB以下。该研究为光纤光栅水听器的工程实用化提供了重要的实践探索。     

基于碘分子吸收池的新型瑞利多普勒激光雷达

研制了一套使用种子源直接放大激光器和时分复用收发的新型瑞利多普勒激光雷达。激光器通过对种子源进行多级光纤和固体功率放大,获得了稳定的60 W高平均功率脉冲激光输出。脉冲激光通过时分复用发射系统向垂直、正西和正北方向交替发射进入大气,从三个方向接收到的激光大气回波信号经过光纤合束后送入同一套碘分子吸收池中进行多普勒鉴频。基于上述系统设计开展了系统探测性能仿真研究和实验验证对比分析,仿真结果表明,系统能够在时间分辨率为30 min、垂直高度分辨率为1 km条件下完成大气温度和经纬向水平风速的同步测量,其中60 km高度处温度理论测量误差为1.99 K,经纬向水平风速理论测量误差为4.78 m/s。系统的验证实验结果表明,60 km高度处大气温度的实测误差为2.4 K,经纬向水平风速的实测误差分别为8.7 m/s和8.5 m/s,反演结果与大气模式和卫星探测结果进行对比呈现了较好的一致性。     

基于窄线宽扫频光源的高分辨率阵列式光纤光栅温度传感系统

高精度温度传感器在地球物理、海洋科学、石油化工等领域具有广泛应用。针对传统光纤光栅温度传感器分辨率较低的问题,提出一种基于光纤光栅的高精度多点复用温度传感系统,该系统采用封装好的不同中心波长的π相移光纤光栅作为温度敏感单元,以扫频激光器和波分复用技术检测各光纤光栅谐振波长,并引入氰化氢标准气体吸收室作为波长参考,用非平衡马赫-曾德尔干涉仪补偿光源扫频过程中的非线性,以提升波长测量精度。实验实现了对10个温度传感探头的同时探测,温度分辨率达到10^-4℃水平,测量范围达到0～100℃。该光纤光栅温度传感系统在高精度温度测量领域具有广阔的应用前景。     

冷原子系综中光纤腔增强且高保真度的光学存储

利用原子系综中的Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ)过程可产生光与原子记忆(自旋波)量子纠缠,该纠缠可作为量子中继的重要元件.随着量子信息研究的深入发展,人们对量子信息存储其灵活多样性、可控性等方面提出更高的要求.本文在冷原子系综中演示了一种基于DLCZ过程的光纤腔增强且高保真度的光学存储方案,即将87Rb原子系综放于设计的光纤腔中,通过光纤腔增强“写出”和“读出”光子与原子系综的耦合实现自旋波量子信息的有效恢复,同时具有较高的保真度.观察到有腔且锁定的情况下斯托克斯光子产生概率比无腔时增加4.6倍,原子自旋波读出效率增加1.6倍,实验实现22%的读出效率并具有92%的量子态保真度,该读出效率对应一个40%的本质读出效率.这种高度可恢复、高量子态保真度的原子-光子纠缠源,可为未来长距离量子通信及广域大规模量子网络构建的实现提供另一种有效的途径.