去卷积数字全息重构的微球位置精确测量

微球三维位置的精确测量是单分子力谱测量技术中的关键。采用同轴数字全息技术对微球的三维位置进行测量。通过同轴数字全息显微系统采集一系列微球的全息图像,利用瑞利-索末菲传播原理对全息图进行三维重构,同时对重构光场进行去卷积运算,消除了散斑、离焦信号等噪音,并对微球球心纵向光场分布进行多项式拟合,提高了微球三维位置测量精度。实验表明,该方法不仅能够对全视场中的微球进行并行测量,而且能够对交叠微球进行测量,纵向分辨力达到2 nm,在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。     

离焦图像的互相关匹配法测量微球三维位置研究

为了提高在液态环境中对直径微米量级微球三维位置测量的空间分辨力,尤其是轴向的测量精度,将互相关算法对相似图像高精准的匹配特性与离焦成像法测量微球三维位置的思想相结合,讨论基于互相关匹配的离焦成像法测量微球三维位置的方法。实验表明,该方法对微球轴向位置4 min内连续定位的测量标准差约为0.64 nm,已实现对微球三维方向1 nm阶跃变化的分辨测量,这在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。相同实验条件下,与同轴数字全息显微术对微球三维位置的对比测量和分析也初步说明了该方法在实际测量应用中的可行性与高精度的特点。     

双波长数字显微像面全息术测量微结构表面形貌EI北大核心CSCD

为了扩大传统双波长数字全息显微技术在实时微结构表面形貌测试中的有效测量视场,提高实时响应速度并降低噪声,将传统双波长数字全息术和数字显微像面全息术相结合,提出了一种双波长数字显微像面全息方法。该方法在记录像面全息图后,无需进行衍射重构,直接在全息面提取相位和强度信息达到测量样本形貌的目的。基于该方法对微米级高度的台阶结构进行三维形貌测试,同时对比了传统双波长数字全息显微系统和机械探针轮廓仪的微台阶测试结果。从三者的对比分析中可知,双波长数字显微像面全息的这种测试技术是有效可行的,且具有单曝光、全视场,响应速度快以及噪声较低的特点,对于阶跃高度达到微米级的微器件形貌测试尤为适用。     

倾斜计算全息板标定补偿器误差EI北大核心CSCD

为了标定利用补偿器检测非球面的精度,提出采用倾斜计算全息法(CGH)校验补偿器,并将补偿器精度提高。介绍补偿器检测离轴非球面基本原理,同时结合工程实例,设计补偿器检测860 mm×600 mm的离轴高次非球面,通过加工与装配,仿真分析出装配后的补偿器精度为2.91 nm[均方根(RMS)值]。设计了利用倾斜式的计算全息板检测该补偿器的实验,并分析出利用该CGH校验补偿器的精度为1.79 nm(RMS值)。结果表明,受限于补偿器光学元件加工和组装精度,其检测精度未知,通过对补偿器误差进行检测与标定,可以确定利用该补偿器检测非球面的可行性并将其精度提高。     

聚苯乙烯相对分子量对薄壁聚苯乙烯空心微球质量的影响北大核心CSCD

激光惯性约束聚变(ICF)作为探索受控核聚变的有效途径,有望获得清洁无污染的能源,而薄壁聚苯乙烯(PS)空心微球是ICF物理实验中亟需的一类微球。针对薄壁空心微球因径厚比(直径/壁厚)增大导致其在干燥、使用中易开裂的问题,研究了PS原料对薄壁微球质量的影响,探讨了其影响机制。结果表明:当油相PS质量分数为4%时,随着油相粘度增加,W1/O/W2复合乳粒稳定性逐渐提高;当油相质量分数不低于8%时,复合乳粒稳定性良好。PS原料对微球表面粗糙度影响较小,微球球形度和壁厚均匀性随初始油相粘度的增大而降低,在干燥过程中微球开裂率随原料力学性能提高而减小。在外水相中引入氟苯(FB)液滴,延缓固化速率,可减小油相粘度增加对微球球形度和壁厚均匀性的不利影响。     

基于散斑照明和全息的穿透散射介质成像EI北大核心CSCD

目前,穿透散射介质的成像技术因其在生物医学成像和安防领域的巨大应用价值而受到广泛关注。虽然存在不同穿透散射介质的成像技术,但实现实时成像依然存在问题。提出了一种结合散斑照明、傅里叶全息成像和浴帘效应的快速穿透散射介质成像方法。该方法对单幅原始散斑图像进行一次傅里叶变换运算就可以恢复隐藏物体的信息,简单的图像处理过程使得系统具备实时成像的能力。从理论和实验上,对该方法的非侵入、实时成像能力进行了验证,成功地对隐藏在散射体之间的物体进行了探测,并实现了实时成像。另外,也给出了物体尺寸的计算公式。该方法有利于推动对抗散射成像技术的实用化。     

基于数字全息干涉术测量液相云微物理起伏的湍流参数表征

针对云降水物理研究中湍流的测量需求,提出了一种基于数字全息干涉术测量液相云微物理起伏的湍流参数表征方法.该方法无需假设云滴谱分布函数及调整相关参数即可获得实际湍流影响的液相云微物理起伏.利用定常湍流影响的雾滴模拟液相云滴,采用像元尺寸1.67μm的相机时序记录雾滴谱,获得含水量与雾滴平均半径的起伏.根据湍流理论,计算了...     

大幅面气动光学波前畸变场测量与重构EI北大核心CSCD

各类高速飞行器所装备的光电成像探测与侦察系统、光电跟踪瞄准系统、定向能攻击武器和光通讯系统,都需要开展气动光学波前畸变场测量与校正技术研究。为此,提出大幅面气动光学波前畸变场测量与重构方法,将光束偏折位移场测量值转化为光束从摄影中心出发穿过扰流区到人工点的光程差,并研究了Zernike多项式阶数与波前畸变重构精度的关系。2m超声速风洞中某跨大气层飞行器模型实验结果表明:该方法可以定量测量波前畸变场,测得机头与机翼的斜激波所致的波前畸变结构正确。该方法光路简单、无需使用价格昂贵的相干光源,为气动光学效应的测试及校正技术的研究提供了新途径。     

基于数字全息干涉的实时微振动检测

基于数字全息理论的方法,构建了一套微振动实时测量的实验系统。通过运用基于全息干涉图像的振动快速解算算法,直接从记录的全息图中提取振动信息,实现对振动物体振幅值进行实时测量。该系统的接收光为散射光,使得测量角度不受被测物体结构的影响。通过测量由标准正弦波驱动的被测物微振动情况,对该实验系统进行了实验验证,实验结果表明,该系统能够实时测量微振动的振幅值（算法处理时间约为0.11 ms）,在550～2700 Hz频段内被测物的振幅较为稳定,系统稳定性误差为1.66%,真实地反映了其振动情况。     

采用相位半角的两步相移法EI北大核心CSCD

针对经典两步相移算法对光强不均匀分布和物体不均匀反射率处理能力不强的问题,分析相移量为90°的情况,采用光强模型,直接对光强进行数据操作,利用三角关系,给出了求解折叠相位相位半角的计算方法,通过高度-相位差公式得到物体的三维形貌数据,避免了因归一化操作过程中取最值方法引起的误差.实验对比分析了经典四步相移法和两步移相法,表明在环境光强可以忽略不计或足够小的情况下,该方法误差范围为±0.2mm,结果优于经典两步相移法,接近于测量误差最小的四步相移法.     

表面微腔光子晶体LED的光提取特性EI北大核心CSCD

提出并研究了一种基于表面微腔光子晶体的发光二极管(LED),利用多个谐振腔出射光之间的相干耦合作用产生束流准直效应,从而在提高光提取效率的同时,也改善了出射光的空间指向性。通过对表面光子晶体LED结构进行优化设计,使得表面微腔光子晶体LED的光提取效率较完整光子晶体LED提高了77.3%,而较普通平板LED提高了1.8倍以上。同时,微腔光子晶体LED相对普通平板LED和完整光子晶体LED来说具有更加明显的远场能量汇聚效应,让出射光具有更好的空间指向性。     

基于多尺度并行残差网络的图像去雾算法北大核心CSCD

雾降低了图像的清晰程度和细节信息,从而对后续视觉信息处理的影响是一个具有挑战性的问题。现有的图像去雾算法虽能去除雾度,但对处理户外浓雾场景的效果较差。为了突破现有去雾算法的局限性,结合大气散射物理模型,提出了一种端到端的多尺度并行融合去雾网络。采用多尺度卷积从整体到局部提取不同尺度的特征,并对这些特征进行多次并行融合;通过引入残差模块对细节特征进行深入学习,可以恢复出更多的图像细节。实验结果和数据分析表明,提出的方法在合成图像和真实图像上都能表现出良好的去雾性能,PSNR和SSIM指标平均同比提升3%。     

基于CT的数字体散斑法测量物体内部三维变形场EI北大核心CSCD

提出了用于测量物体内部三维变形场的数字体散斑(DVSP)法。利用计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、激光扫描共焦显微镜(LSCM)或光学相干断层成像术(OCT)获取具有散斑特征的物体变形前后的三维立体图像,将其分别分割成若干具有相同尺寸的子块体,对相对应的子块体进行第一步三维快速傅里叶变换,在频谱域进行数值干涉得到合成谱,对合成谱进行第二步三维快速傅里叶变换,得到含位移信息的扩展脉冲函数,通过求取峰值位置得到子块体的位移矢量,对所有变形前后相对应的子块体逐一进行上述两步三维快速傅里叶变换,就可以求出所有子块体的位移矢量,从而获得物体内部三维变形场。利用模拟生成的三维散斑体图像,通过数字实验,分析了散斑尺寸、数目、子块体尺寸、图像对比度和亮度对DVSP法精度与准确性的影响。利用DVSP法测量了红砂岩单轴压缩内部的三维应变场,由位移场及应变场分布可直观地揭示试件内部变形特征。     

基于EMD和数学形态学的多环芳烃光谱去噪EI北大核心CSCD

基于多环芳烃中苯并[k]荧蒽(BkF)的强荧光特性,构建了荧光检测实验系统,并制备了10个不同浓度的BkF甲醇溶液样品,分析了样品荧光特性。为了更好地进行定性和定量分析,采用经验模态分解(EMD)改进阈值法结合数学形态学对荧光光谱信号进行去噪处理,并与EMD阈值去噪法进行对比。结果表明,提出的方法使去噪后的荧光光谱更加平滑,荧光强度与样品浓度的线性相关系数更高,达到0.99746;信噪比有所提高;原始信号与去噪后信号的均方误差由0.0053降低至0.0012。提出的方法去噪效果显著,有效地提高了光谱的分析精度,为荧光光谱预处理提供了一种新方法。     

基于EMD-LWT的低浓度石油类污染物荧光光谱去噪法EI北大核心CSCD

石油类污染物是造成雾霾等空气污染问题的重要原因.去噪处理的有效性是石油类污染物荧光光谱检测中的热点问题.提出一种基于经验模态分解-提升小波变换(EMD-LWT)相结合的低浓度石油类污染物荧光光谱去噪方法.经验模态分解法(EMD)可自适应地滤除微弱荧光信号中的噪声,但去噪过程中第一个本征模态函数(IMF)包含的频率范围过宽,影响了去噪准确性和有效性.引入提升小波变换(LWT)对IMF1实现更精细的分解,有效分离出IMF1的有用信息,改善信噪分离效果.将EMD-LWT联用方法和传统的EMD或LWT去噪法分别运用于煤油荧光光谱检测中,仿真结果表明,与只用EMD或LWT相比,EMD-LWT相结合的光谱去噪法得到的信噪比和均方根误差均显著提高,验证了该方法的有效性和可行性.     

间距可调的双模正方形微腔激光器(特邀)EI北大核心CSCD

针对双波长激光器间距精细调谐的需求,基于正方形微腔的模场分布,设计了中心及四个角区电流注入窗口的正方形微腔激光器。利用有限元法对提出的结构进行分析,发现改变腔体折射率分布差,可以调控基横模和一阶横模的波长间距。基于半导体平面加工工艺成功制备了边长为30μm的非均匀注入正方形微腔激光器。当注入电流从42 mA增加到53 mA时,该激光器的波长间隔从0.18 nm减小到0.1 nm,强度比小于4 dB。除此之外,继续增加电流,由于双模间隔的进一步减小,出现了明显的单周期振荡现象。     

基于绝缘硅超小微环谐振器的微波光子相移器设计EI北大核心CSCD

设计了一种基于绝缘硅材料的超小微环相移器,能够在自由频谱范围内实现2π相移的同时相移达到最佳线性化.根据全通微环谐振器的相移特性可知,在临界耦合点时微环谐振器达到π的相移,在过耦合领域达到2π相移.分析了直波导宽度及间距两个参量,用精细度F表征间距,讨论了由于这两个参量变化对微环谐振器相移的影响,并且给出了设计的相移范围和相应的功率变化.实验结果表明:若采用40GHz的射频信号,设计的微环相移器射频相移范围为0～4rad,功率变化不到6dB.     

基于分组三维离散余弦变换字典的植物高光谱数据去噪方法EI北大核心CSCD

针对植物高光谱图像各波段噪声强度不同,以及空间域和谱域均存在噪声污染的问题,提出了一种基于分组三维(3D)离散余弦变换(DCT)字典的稀疏表示去噪方法。首先分析了植物光谱特征,根据谱间相关性对波段进行分组;然后采用边缘块剔除的局部均值标准差法对高光谱图像进行噪声标准差估计,为去噪算法提供参考阈值;最后构建三维DCT字典的稀疏表示去噪方法,对植物高光谱图像进行去噪。实验结果表明,与原始数据和二维DCT字典去噪方法相比,谱域噪声评估中平均信噪比分别提高18.2dB和9.2dB。因此,该方法不仅具有较好的空间域去噪能力,也有较好的谱域去噪能力。     

X射线微焦CT测量燃料颗粒分布均匀性的表征方法北大核心CSCD

在某燃料元件产品中,燃料颗粒随机分布在非金属材料中,为了测量燃料颗粒的分布均匀性,提出一种基于X射线微焦CT三维图像区域统计的热图方法对均匀性进行表征。首先,采用微焦CT方法对该类产品进行三维扫描成像,然后通过图像三维分割方法提取燃料颗粒,接着对三维图像进行立体区域划分,进而统计每个区域内燃料颗粒的体积占比,最后用热图方式表征出来。采用微焦CT对燃料元件进行检测和处理并采用统计热图方式,直观的表征了燃料元件中燃料颗粒的分布均匀性。