基于紫外光谱的水体硝酸盐浓度混合预测模型研究

水体中的硝酸盐浓度过高不仅会造成水环境污染而且会对人类身体健康造成很大威胁，传统的检测硝酸盐的方法检测时间长且操作复杂。针对水体中硝酸盐氮难以快速在线检测的问题，基于紫外吸收光谱，提出了一种混合预测模型结合光谱积分快速定量检测水体中硝酸盐浓度的方法。混合预测模型为低浓度样本建立的双波长法预测模型与高浓度样本建立的偏最小二乘支持向量机(LS-SVM)预测模型数据融合之后的模型。按照合适的浓度梯度配备了19组硝酸盐氮标准溶液，通过实验测得不同浓度硝酸盐氮样本的光谱数据。首先基于双波长法对所有样本进行回归分析，按照A=A₂₂₀-2A₂₇₅计算不同实验样本的吸光度A，其中A₂₂₀和A₂₇₅是220和275 nm处样本的吸光度，将吸光度A与样本浓度值进行线性回归，拟合出样本浓度的预测值。结果显示当样本浓度较小时，相关性很好，r为0.997 4，随着实验样本浓度的上升，曲线发生严重的非线性漂移，因此双波长法只适合低浓度样本预测模型的建立。对于高浓度样本，光谱重叠严重，适合建立非线性的预测模型，支持向量机(SVM)与LS-SVM都适合小样本的非线性数据建模，LS-SVM预测精度稍高，运算速度稍快。通过对所有的实验样本进行全波长光谱积分，比较相邻样本光谱积分的变化率可以筛选出样本的临界浓度值，4 mg·L-1的硝酸盐样本积分值前后变化率最大，因此选择4 mg·L-1作为临界浓度值较为合适。浓度高于4 mg·L-1的实验样本建立LS-SVM预测模型，通过交叉验证的方法选择出合适的参数，正则化参数γ=50，核函数选择高斯核，核函数宽度σ２=0.36，训练样本之后进行回归；其余样本建立双波长法预测模型，最后进行两种模型的数据融合，形成从低浓度到高浓度的水体中硝酸盐浓度的检测。为了验证混合预测模型的预测精度，另外建立了SVM，LS-SVM，偏最小二乘(PLS)等模型，并求出r，预测值与真实浓度值平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)对模型进行评价。验证结果表明，相比于SVM，LS-SVM和PLS等模型，提出的混合模型回归的相关系数为0.999 86，分别提高了1.8%，1.6%和0.45%，预测值与真实浓度的平均绝对误差为2.55%，分别降低了6.27%，4.49%和1.01%，均方根误差为0.303，为四种预测模型中最小，SVM与LS-SVM的相对误差相对较高，PLS模型相对误差上下波动比较大，混合预测模型相对误差最为稳定，并保持在较低水平，由此可见混合预测模型的预测效果明显优于其他几种模型。并与文献[5-7]中的测量方法进行对比，该混合预测方法可以简单快速的测量水体中硝酸盐氮的浓度，且不需要试剂，无二次污染，与文献[9]中的预测模型相比，预测精度明显提高。因此提出的混合模型可正确快速地预测水体中硝酸盐氮的浓度，可为在线监测水体中硝酸盐浓度提供有效的技术参考。     

表面覆膜波导光栅共振光谱特性及传感机理分析

基于波导光栅共振原理和古斯-汉欣(Goos-Hänchen)位移理论，提出一种表面覆膜波导光栅传感结构，并研究其共振光谱特性。通过在光栅表面涂覆低折射率聚合物功能膜层优化其共振光谱特性，选用多孔硅作为待测物承载单元，可以使光学探针更充分地接触待测样本，从而提高其检测性能。根据波导光栅共振相位条件，建立了共振波长和样本折射率之间的数学模型，通过检测共振位置的改变进而对样本浓度进行检测。研究表明，该表面覆膜波导光栅传感结构具有线型对称和窄线宽的共振光谱特性，可实现高品质因数(Q值)和高灵敏度的传感特性，其Q值为1 488，对折射率的检测极限可达5×10-4 RIU(RIU为折射率单位)。通过检测不同浓度的葡萄糖溶液对其传感特性进行验证分析，结果表明，共振波长与葡萄糖溶液浓度之间具有良好的线性关系，对葡萄糖溶液的检测灵敏度为1.12nm/1%，证明了该表面覆膜波导光栅传感结构的有效性，可以用于对低浓度样本溶液的实时动态监测，并为波长调制型光学折射率传感器的研究提供理论指导。     

对称双缺陷光子晶体的可调谐滤波特性分析

基于光子晶体的光子局域特性,并利用光子晶体的介观压光效应,提出了一种新型的双通道可调滤波器结构.采用传输矩阵法对该滤波器的光学传输特性进行了理论推导,建立了透射谱与光子晶体结构参数的关系,讨论了介观压光效应对双缺陷光子晶体透射谱的影响,并对所设计的光子晶体结构进行了数值模拟.结果表明:随着入射角度的增大,缺陷峰发生蓝移.随着各介质层折射率或几何厚度的增加,缺陷峰发生红移.当光子晶体发生轴向拉伸应变时,缺陷峰的位置向长波长移动,但缺陷峰的峰值大体不变,从而验证了此滤波器的可调节性.该光子晶体滤波器结构紧凑,可调谐性好,为光子晶体激光器及传感器的设计提供了一定的理论参考.     

单挡板金属-电介质-金属波导耦合圆盘腔级联多Fano共振差动传感

基于表面等离子亚波长结构的传输特性与光子局域特性,提出了一种单挡板金属-电介质-金属(MDM)波导耦合圆盘级联结构。由圆盘级联形成的孤立态与金属挡板形成的较宽连续态干涉相长相消,形成了两种不同模式的Fano共振。结合耦合模理论,分析了该结构形成Fano共振的传输特性,采用有限元分析法对结构进行了模拟仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性影响。根据折射率变化的物理机制,分析了温度和湿度在实际测量过程中对测量结果的影响,并采用差动传感的方法有效解决了传感过程中的交叉敏感问题。     

亚波长介质光栅/MDM波导/周期性光子晶体中双重Fano共振的形成及演变规律分析

基于衍射原理和模耦合理论,提出了一种由亚波长介质光栅/金属-电介质-金属(metal-dielectric-metal,MDM)波导/周期性光子晶体组成的复合微纳结构.结合反射角谱深入分析了表面等离子激元的传输特性以及在固定波长下不同入射角时刻形成的双重Fano共振的产生机理.研究表明,双重Fano共振是由在亚波长介质光栅/MDM波导结合的上层结构中产生的独立可调的双离散态分别与在周期性光子晶体中形成的连续态相互耦合形成的.接着定量讨论了结构参数对双重Fano特性的影响,探究了双重Fano共振的演变规律.结果表明,改变结构参数可实现双Fano共振曲线和谐振角度之间的调谐,且在最优条件下,共振A区FR a和FR b的品质因数(figure of merit,FOM)可高达460.0和4.00×10~4,共振B区FR a和FR b的FOM值可高达269.2和2.22×10~4.该结构可为基于Fano共振的折射率传感器设计提供有效的理论参考.     

多通道可调TM偏振滤波特性研究

基于光子晶体的光子局域特性,并利用液晶的电控双折射效应,设计了一种新型的多通道可调滤波器。采用传输矩阵法对该滤波器的光学传输特性进行了数值模拟,分析了透射谱与晶体结构参数的关系,讨论了大角度入射光子晶体时电控双折射效应对透射谱的影响。结果表明:当入射角为89°时会出现多个间距不等的高透射率的透射峰。随着各液晶层折射率的增加,缺陷模发生红移。当向光子晶体施加电压时,透射峰的位置发生蓝移,但透射峰峰值大体不变,从而验证了此滤波器的可调节性。该光子晶体滤波器结构简单,可调谐性好,在波分复用系统光源、光谱分析仪和信道监测中有一定的应用价值。     

基于改进雁群PSO算法的模糊自适应扩展卡尔曼滤波的SLAM算法

针对扩展卡尔曼滤波同时定位与地图创建算法中难以建立准确的先验噪声模型的问题, 提出一种基于改进雁群粒子群算法的模糊自适应卡尔曼滤波算法. 利用分数阶微积分改进粒子进化速度, 利用混沌来改进粒子的初始化和发生早熟时的处理. 改进后的雁群粒子群算法在收敛速度与避免早熟方面有了很大改进, 并将改进的雁群粒子群算法用于模糊自适应扩展卡尔曼滤波同时定位与地图创建算法的训练, 并与用雁群粒子群算法训练的模糊自适应扩展卡尔曼滤波同时定位与地图创建算法进行对比, 其在定位与构图方面有很大的提高. 关键词： 同时定位与地图创建 雁群粒子群算法 分数阶微积分 混沌     

多系双局域态光子晶体的可调谐滤波特性分析

利用紧束缚方法分析了双局域态光子晶体产生双缺陷模的机理, 采用传输矩阵法研究了一维光子晶体的光学传输特性, 并得到了透射谱与晶体结构参数的关系, 在此基础上讨论了光子晶体在受到单轴应力时所表现出的介观压光效应, 据此设计了一种结构简单的应力调制的近红外波段的多通道滤波结构.通过数值模拟可以看出, 随着各介质层折射率或厚度的增加, 缺陷模发生红移.当对多系双局域态光子晶体施加单轴拉伸应力时, 各缺陷峰都向长波长移动, 且缺陷峰峰值基本不变.经过数值拟合, 缺陷峰中心波长与对光子晶体施加单轴拉伸应力所产生的应变呈线性关系.该滤波器结构简单、可调谐性好, 在一系列精巧的光子晶体激光器、波分复用器或者其他精密仪器的制造中有一定的应用价值.     

基于PSO算法的WDM系统中自适应PMD补偿的性能分析

提出了一种应用于WDM系统中的自适应偏振模色散(PMD)补偿方法。将偏振扰频器与基本正交偏振分束探测相结合,首先由偏振信号光功率PS和消偏的背景噪声PN得到光信噪比(OSNR),然后再通过OSNR与偏振度(DOP)的关系来实现多信道DOP的监测。采用粒子群优化(PSO)算法实现了DOP的搜索和跟踪,并经D/A转换,将对应的电压施加在偏振控制器上。调制电压范围为0~10V,调节信号的基本偏振态,从而形成闭环反馈控制模块。通过多次迭代,得到了DOP的最佳值,实现了对PMD的自适应补偿。补偿后,眼图张开度得到了明显的改善。论证了补偿方法的有效性。