分数阶双涡旋光束的实验研究

具有分数阶拓扑荷数的涡旋光束的产生及其传输是近几年来人们感兴趣的研究课题． 本文提出了一种新型的分数阶双涡旋光束, 该光束是由两束带有不同分数阶拓扑荷数的涡旋光束共轴叠加产生, 其光强分布为双环结构．我们对该光束分别进行了理论模拟和实验研究．研究表明, 分数阶双涡旋光束的双环携带不同的轨道角动量, 且相互独立地传输．这种新型的涡旋光束相对于整数阶或单个分数阶拓扑荷数的涡旋光束更具有控制多样性, 有望在光学镊子、光学扳手等微粒子操控领域开发新的应用．     

涡旋光束的产生与干涉

分别从理论上和实验上研究了涡旋光束的产生和干涉现象.理论上分析了分数阶和整数阶涡旋光束同球面波以及平面波的干涉情况,并从实验上得出了其干涉图形.实验结果和理论模拟基本上一致.研究表明,随着涡旋光束拓扑荷数的变化,干涉图形也会产生变化.这一现象可用于测定分数阶涡旋光束的拓扑荷数.     

骨关节炎软骨的近红外光谱学研究及分期诊断

骨关节炎是一种威胁中老年人群公共健康和生活质量的重大医学疾病。骨关节炎的早期病变主要表现在细胞外基质成分含量的变化,患者自身很难发现,现有的临床方法和实验方法也不能较准确地识别骨关节炎的早期病变。近年来,傅里叶变换近红外（FTNIR）光谱技术因为其分析速度快、成本低、易于穿透组织获得样本的光谱信息等特点已被用于手术导航、无损检测和疾病诊断等各个领域。基于以上优势,采用FTNIR技术对不同深度分区（表层区、过渡区、深层区）的健康和骨关节炎的关节软骨进行NIR光谱采集和预处理,结合主成分分析（PCA）和Fisher判别（FDA）分别研究不同的预处理方式对判别结果的影响、不同深度下基质成分含量的变化以及骨关节炎分期识别。比较其他2种（基线校正、二阶导数3次多项式25点Savitzky-Golay平滑）预处理方式,同分区中一阶导数2次多项式21点Savitzky-Golay平滑预处理的判别结果最优,其中表层区的识别率高达95%（初始案例）和90%（交互验证案例）;表层区的判别结果优于过渡区,更优于深层区,恰可证明骨关节炎的早期病变主要发生在表层区。在骨关节炎分期识别中,经数据优化后模型的初始案例识别率为100%,交互验证识别率为93.3%,预测集的识别率为87.5%。结果表明：NIR光谱的一阶导数预处理结合PCA-FDA方法能有效地鉴别关节软骨病变与否并进行骨关节炎的分期诊断,对骨关节炎监测和早期诊断研究具有重要意义,并有潜力应用于骨关节炎的原位分期和早期临床诊断。     

障碍物遮挡下漂移涡旋光束拓扑荷数的测量

复杂环境中漂移扰动和不透明障碍物破坏光振幅和光相位,给拓扑荷数（TC）精准测量带来挑战。分析了两种均匀离轴的多中心涡旋光束和一种随机离轴的漂移涡旋光束经扇形不透明障碍物（SSOO）后的传输情况,提出一种利用单柱透镜测量漂移涡旋光束TC的方法。对比光强法、傅里叶变换法以及相位法在极端条件下对漂移涡旋光束TC测量的结果,发现在以上3种方法失效时,所提方法仍可对输入光束的TC值大小及符号作出准确判断。这种抗光束漂移和抗遮挡的TC测量法对基于涡旋光的光通信和光加密具有重要应用价值。     

水声JANUS信号的分数低阶时频谱迁移学习识别方法

非合作第三方水下标准协议信号识别在水声通信信号识别中具有重要研究意义。针对浅海水声JANUS信号的特征提取因易受脉冲噪声和多径效应等复杂水声环境影响而导致识别率低下的问题,提出一种分数低阶时频谱和ResNet18 （Residual Network 18）相结合的迁移学习识别方法。首先,选取JANUS固定前导作为识别对象,设计分数低阶傅里叶同步压缩变换（FLOFSST）,以分数低阶操作抑制脉冲噪声,以时频重排特性增强时频集中性。其次,将基于ImageNet的ResNet18预训练模型微调,迁移至JANUS信号和常见水声信号时频图集。仿真表明所提算法在信噪比为-10 dB时JANUS信号的识别率为96.15%,能够有效抑制脉冲噪声并减小多径效应影响,比传统算法识别性能好。海试中JANUS信号识别率达90.00%,证明算法识别准确率和网络的泛化性较高。      

基于改进Xception实现涡旋光束轨道角动量识别

当光束在海洋中传输时,湍流的存在会严重影响光束的质量,导致接收端光场产生扭曲和退化现象。为解决该问题,提出一种基于改进深度可分离网络（IXception）的方法,用于实现通过海洋湍流传输的涡旋光束轨道角动量模态识别。采用分步相位屏的思想,基于功率谱反演法仿真涡旋光束在海洋中的传输过程,并建立入射光场发生的退化、扭曲的散斑场数据集,用数据集来训练IXception识别散斑场中涡旋光束的轨道角动量。IXception延用Xception架构思想,结合了残差结构和倒置残差结构,能够提取高度空间深度特征,减少网络结构参数的冗余,增强泛化能力。研究结果表明,IXception在20 m和80 m湍流中对扭曲光场轨道角动量的识别率达到了99.20%与97.9%。随着传输距离的增加,IXception的识别率会略有降低,但与Xception模型相比,IXception识别性能更好。     

基于光谱相似性分析的水体致病菌种类识别方法

水体致病菌的快速识别和检测对于水质安全预警具有重要意义。以大肠埃希菌、肺炎克雷伯氏菌、金黄色葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌为研究对象,对其多波长透射光谱进行测量,提出了一种基于相似学原理、余弦相似度、皮尔逊相关系数和联合相似度算法的水体细菌种类识别方法。结果表明:不同的相似度算法对不同细菌的光谱差异性的敏感度不同,相似学原理对肺炎克雷伯氏菌的识别率最高,可达98.2%;余弦相似度和皮尔逊相关系数对金黄色葡萄球菌的识别率均为100%;联合相似度算法可实现不同算法的优势互补,有效提高识别结果的可靠性与稳定性,对低浓度肺炎克雷伯氏菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌和大肠埃希菌的识别率分别为98.2%、100%、94.1%和91.4%,对较高浓度的上述4种细菌的识别率分别为100%、100%、100%和96%。     

径向偏振螺旋贝塞尔光束的传输特性及其自重建

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射理论,导出径向偏振螺旋贝塞尔光束的光场表达式,研究了该光束的传输特性和传输过程中光束偏振态的变化,及其通过扇形障碍物后的自重建特性.理论分析和数值计算发现:径向偏振螺旋贝塞尔光束在自由空间传输时,在一定传输区域内,光束以空心光束的形态绕光轴做离轴螺旋传输,光束的发散角为零并一直保持着径向偏振的特性;在光束的自重建过程中,始终保持离轴螺旋传输特性,随着传输距离的增加,原本在遮挡区域消失的能量,被逐渐衍射至障碍物遮挡区域的相反位置.     

一种基于光纤布喇格光栅振动传感器的光纤围栏入侵监测系统及其模式识别

基于高灵敏度光纤布喇格光栅振动传感器,提出了一种光纤围栏入侵监测系统及其模式识别方法.该方法通过具有自适应动态阈值的时域统计特征提取算法对异常事件信号进行特征提取,将特征矢量输入到一个基于三层BP神经网络而设计的分类器中对目标事件进行识别和分类.通过仿真目标信号和实际采样数据进行测试,对系统的报警识别率进行了验证,结果表明:对于仿真信号,系统的平均正确识别率达到了100%;对于实际采样数据,系统的平均正确识别率可以达到96.83%.     

基于可见-近红外光谱技术的葡萄酒真伪鉴别的研究

研究收集了不同品牌的90个葡萄酒样品,为了消除各光谱基线不同带来的影响,对所有光谱曲线都进行了一阶求导,以一阶导数谱线作为有效数据,通过独立主成分(PC)分析可知,前两个主成分的贡献率达到80%以上,主成分聚类使得真伪葡萄酒样品明显分为两类;以前四个主成分作为BP神经网络的输入建立了一个三层人工神经网络的识别模型,该模型对葡萄酒样品的预测识别率达到100%。研究表明,可见-近红外透射光谱结合主成分分析建立的BP神经网络模型能为快速、无损鉴别葡萄酒真伪提供一种准确可靠的新方法。     

无衍射 Mathieu光束自重建特性的理论和实验研究

首次对无衍射Mathieu光束的自重建特性进行理论和实验研究, 利用Mathieu-Hankel波理论分析了Mathieu光束的自重建机理. 基于菲涅尔衍射积分理论, 推导出了高斯吸收型圆形障碍物部分遮挡后的Mathieu光场重建后的解析表达式, 并数值模拟了无衍射Mathieu光束的经圆形障碍物部分遮挡后光场的自重建过程. 采用柱透镜-轴棱锥组合光学系统产生近似零阶无衍射Mathieu光束, 实验分别验证了轴上和轴外障碍物遮挡时近似零阶无衍射Mathieu光束的自重建特性. 理论模拟与实验结果相符.     

光电混合内积型关联识别系统

提出把图象信息提取与光学内积关联技术结合起来识别图象的方法,并按照此原理,设计与组建了一个光电混合图象信息提取与关联识别系统。用0～9十个印刷体阿拉伯数字和八种中外飞机作为试验目标在系统上进行了识别实验。结果表明,印刷体数字和八种飞机的(可允许左右15°转动)识别率达100%,手写体数字的识别率也能达到70%左右。     

基于2D-Gabor滤波器的虹膜噪音检测方法

在虹膜检测方法中易受到部分眼睑和睫毛的遮挡,从而降低虹膜识别的准确性,针对该问题,提出了一种基于2D-Gabor滤波器的虹膜噪音检测方法.该方法首先利用2D-Gabor检测归一化后虹膜图像中的眼睑和睫毛等噪音,然后记录噪音干扰区域,最后在匹配时去除虹膜代码中的干扰位来尽量避免噪音对于虹膜识别的影响.在CASIA(3.0)图库上进行实验的结果表明,采用噪音检测操作时正确识别率为99.02%,不采用噪音检测时正确识别率仅为98.46%.     

角向偏振无衍射光束的传输特性及其偏振态研究

从理论和实验两个方面研究角向偏振无衍射光束在自由空间和障碍物空间中的传输特性. 理论上模拟了角向偏振无衍射光束在自由空间以及障碍物空间传播过程中的光强分布与偏振态变化情况. 实验中利用高斯光束先通过偏振转换仪, 再入射到轴棱锥上产生角向偏振无衍射光束. 进而研究其在空间中的传输情况, 并通过分析其经过扇形障碍物后光强分布变化情况讨论障碍物对偏振态的影响和光束的自重建特性. 结果表明: 障碍物遮挡区域光强沿z轴方向逐渐恢复, 且阴影区域沿障碍物所在位置的相反方向移动; 光束的偏振态局部发生变化, 该变化与障碍物所在位置有关. 理论仿真和实验结果一致.     

核爆与雷电电磁脉冲识别

用经验模态分解和分形分析相结合的方法对核爆和雷电电磁脉冲信号进行了识别研究。计算了核爆和雷电电磁脉冲原始信号的盒维数,以及原始信号经验模态分解后前4阶固有模态分量（IMF）的盒维数。用最近邻法对核爆和雷电进行了识别,实验结果表明:原始信号经验模态分解后一阶、二阶IMF盒维数的识别率要略高于三阶、四阶IMF盒维数的识别率;原始信号盒维数的识别率高于经验模态分解后各阶IMF盒维数的识别率;二维和三维特征的识别率要高于一维特征的识别率,另外二维和三维特征的识别率更加趋于稳定,并且三维特征的识别率都在90%以上。     

分数傅里叶变换面上余弦-高斯光束的变换特性

 利用Wigner分布函数的方法，研究了余弦-高斯光束的分数傅里叶变换特性。导出了余弦-高斯光束在分数傅里叶变换面上光强分布和束宽的解析计算公式，并对此进行了数值模拟计算。研究表明：分数傅里叶变换阶数对余弦-高斯光束的光强分布有明显影响，余弦-高斯光束的轴上光强随分数傅里叶变换阶数呈周期性变化，束宽随分数傅里叶变换阶数也呈周期性变化，周期为2；对给定调制参数的余弦-高斯光束，通过适当选取分数傅里叶变化阶数可以获得平顶的光强分布。     

基于分数阶PID的连续变焦控制系统设计与实现

连续变焦系统是一种能够进行连续视场变换的光电成像装置，可对目标进行连续探测和识别，具有快速、稳定的特点。针对其高精度，高稳定控制需求，提出一种分数阶PID(proportion integration differentiation)控制器设计方法，该方法利用内模控制策略构造含有3个整定参数的分数阶PID控制器，且这3个参数通过给定系统穿越频率和相位裕度获得，大大简化了分数阶PID控制器的设计，同时提高了控制器的可实现性。在Matlab平台同传统整数阶PID进行了控制效果对比，仿真结果表明：分数阶PID控制器将稳态误差由0.1 mm提升至0 mm，具有抗干扰性强、鲁棒性强、数字实现后无超调、静差小的特点。最后将数字分数阶PID应用于实际的连续变焦系统，系统可获得清晰稳定的图像，验证了控制策略的有效性。     

分数阶超混沌Chen系统和分数阶超混沌 Rössler系统的异结构同步

分数阶系统具有更大的密钥空间, 然而异结构的分数阶系统在保密通信领域更具有普遍性, 因此, 研究异结构的分数阶同步问题具有重要的意义. 本文讨论了分数阶超混沌Chen系统和分数阶超混沌Rössler系统的异结构同步问题, 基于分数阶系统稳定性理论, 应用主动控制同步法和自适应控制同步法来设计各自不同的控制器, 使得响应系统和驱动系统同步. 数值仿真表明了本文所研究方法的可行性和有效性.     

分数阶超混沌Chen系统和分数阶超混沌Rssler系统的异结构同步

分数阶系统具有更大的密钥空间,然而异结构的分数阶系统在保密通信领域更具有普遍性,因此,研究异结构的分数阶同步问题具有重要的意义.本文讨论了分数阶超混沌Chen系统和分数阶超混沌Rossler系统的异结构同步问题,基于分数阶系统稳定性理论,应用主动控制同步法和自适应控制同步法来设计各自不同的控制器,使得响应系统和驱动系统同步.数值仿真表明了本文所研究方法的可行性和有效性.     

傅里叶-梅林变换(FMT)在畸变-不变图像识别中的应用

针对尺度缩放和角度旋转变化目标相关识别率低的问题,在联合相关识别中加入傅里叶-梅林变换方法.采用傅里叶-梅林变换(FMT)中的对数极坐标变换、梅林变换、傅里叶变换具有的旋转、尺度、平移(RST)不变性,可以提高JTC图像识别的性能,实现畸变-不变图像的识别.利用联合变换相关器对角度旋转0°～40°、尺度变化0～20%的目标进行计算机仿真实验.实验结果表明:在JTC中采用FMT可以实现畸变-不变图像的识别.