光纤光栅传感信号解调技术研究进展

光纤光栅传感器是一种新型传感器,有着非常广泛的应用前景。限制光纤光栅传感器大量实际应用的主要障碍是传感信号解调,因而,光纤光栅传感信号解调是光纤光栅传感器应用的关键技术之一。本文对现有已报道的光纤光栅传感信号的解调方法进行综述,并归类为:边缘滤波法、匹配滤波法、可调谐滤波法、光源波长可调谐扫描法、射频探测法、光栅啁啾法、CCD分光仪法、干涉法。对各种方法的原理及相关改进方法进行了阐述,并对其优缺点做了比较分析,最后,对光纤光栅传感信号的解调技术发展进行了展望。     

非荧光硫化锌纳米簇的信号放大效应用于生物分子的检测

利用非荧光硫化锌纳米簇(NCCs)阳离子交换(CX)反应检测痕量生物分子。水热法合成的纳米簇是多孔的,可以通过快速阳离子交换反应从纳米簇中释放大量的Zn2+,在锌响应试剂的作用下产生荧光信号,进行荧光检测。当纳米簇的平均直径分别为44,86和144 nm时,研究了Zn2+的释放效率和目标结合力与平均直径之间的关系。结果表明,最小的纳米簇表现出最高的阳离子交换效率,71%被封闭的Zn2+可以在2 min内通过微波辐射释放出来。当使用44 nm纳米簇夹心法测定免疫球蛋白E(IgE)时,检出限为5 ng/L,比ELISA法低1000倍。结果表明,利用硫化锌纳米簇的阳离子交换作用,所得结果在高扩增效率、稳定性和生物相容性方面优于传统的信号方法。     

采用时序多谱段信号分析的空间目标运动状态辨识EI北大核心CSCD

为表征在轨卫星的自旋稳定、三轴稳定和"翻滚"三种运动状态,提出了一种基于可见光时序多谱段信号分析的目标运动状态辨识方法,分析了目标运动状态与观测星探测视场内时变的目标表面材料间的对应关系,以及材料属性/种类与时序双色比聚类信息之间的关联性。提出了基于时序双色比特征高斯混合聚类的目标表面材料种类判别算法以及目标运动状态辨识算法。综合考虑卫星的背景特性、材料特性、结构特性、轨道特性,对三种运动状态卫星的多谱段信号进行了数学仿真,对目标运动状态辨识算法进行了验证,证明了所提出算法的有效性。     

基于地震波触发的战斗部动爆冲击波试验研究

提出了一种基于地震波触发的战斗部爆炸冲击波超压测试方法,该测试方法能可靠获取战斗部动爆冲击波超压峰值。采用提出的测试方法对着靶速度为0、535和980 m/s的战斗部空中爆炸冲击波分别进行了测试,并对战斗部动爆冲击波超压峰值测试结果和经验公式计算值进行了对比,定量分析了战斗部速度对冲击波压力场分布的影响。最后,在实测数据的基础上采用薄板样条插值方法重建了战斗部动爆冲击波超压三维可视化模型,为实战复杂环境下基于实测数据研究动爆冲击波特性提供了依据。     

基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术由于选择性强、灵敏度高、精确度高、非侵入式测量等优点,被广泛应用于大气环境监测、燃烧流场诊断、工业过程控制、人体呼吸探测等领域。直接吸收技术和波长调制技术是可调谐二极管激光吸收光谱技术两种不同的测量手段,其中直接吸收技术测量系统结构简单、信号处理相对容易、成本较低、避免提前标定,在测量气体为常量组分时广泛使用。直接吸收技术测量气体浓度时,首先需要从光谱吸收信号中得到一条表示未吸收的基线信号,这一过程被称为基线拟合。基线拟合不准确会给测量结果带来较大误差,这也是直接吸收技术难以达到低探测限的原因之一。针对上述问题,基于梯度下降法,将基线、气体浓度、吸收线型等作为未知量,通过建立激光吸收光谱信号的数学模型,对透射信号直接拟合,最终得到气体的浓度信息。这种方法同步拟合了线型和基线,相比传统的积分面积法,增强了拟合的整体一致性。在近红外激光吸收光谱气体浓度检测系统上,利用中心波长在1 580 nm处的分布反馈式激光器,通过该方法对实际浓度为10%,12%,14%,16%,18%和20%的CO₂进行了测量,并将测量结果与积分面积法测量结果进行对比。研究结果显示,六种浓度下直接拟合法的曲线拟合方差均小于1×10-4,测量浓度的最小相对误差仅为0.90%,最大相对误差为4.40%,此时迭代时间在4 s以内,计算检测限为0.39%;直接拟合法和积分面积法得到的浓度平均相对误差分别为2.63%和5.74%,直接拟合法优于积分面积法。实验研究验证了基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法的可行性与准确性,为直接吸收技术提供了一个新的思路。     

基于近红外光谱的SG-MSC-MC-UVE-PLS算法在全血血红蛋白浓度检测中的应用

为提高全血血红蛋白浓度预测模型的预测精度,基于近红外光谱分析,首先对原始全血透射光谱数据分别进行均值中心化、标准化、标准正态变量变换(SNV)、多元散射校正(MSC)以及Savitzky-Golay（SG）卷积平滑结合MSC的预处理操作,最终选择预处理效果最好的SG-MSC方法作为数据预处理方法,其最大相关系数达到0.944 1。对SG平滑的平滑窗口宽度进行讨论,找出平滑效果最好的窗口宽度为27。数据预处理消除了全血吸收光谱的基线失真,提高了全血吸收光谱数据的信噪比。将190个样本（190个血红蛋白浓度对应的透射光谱数据）分为具有相近血红蛋白浓度分布的校正集和测试集,其中校正集为143个样本（对应血红蛋白浓度分布为10.6～17.3 g·dL-1）,测试集为47个样本（对应血红蛋白浓度分布为10.3～17.3 g·dL-1）,确保建立模型的适用性。对校正集数据预处理后利用蒙特卡洛无信息变量消除（MC-UVE）方法对其进行波长变量选择,剔除含信息量少的波长点,提高含信息量多的波长占比。设置蒙特卡洛迭代次数为1 000,最终从全血吸收光谱的700个波长变量中筛选出191个波长变量用于建立全血血红蛋白浓度偏最小二乘（PLS）回归模型。对比分析原始全血透射光谱全谱PLS模型、原始全血吸收光谱全谱PLS模型、预处理全血吸收光谱全谱PLS模型、SG-MSC-MC-UVE-PLS模型以及已有二阶导数PLS模型的模型效果,表明基于SG-MSC-MC-UVE-PLS算法的全血血红蛋白浓度预测模型效果较其他模型效果更优,预测相关系数由0.676 3提高到0.979 1,预测集均方根误差由0.898 1减小到0.220 3,最大绝对误差由2.426 1减小到0.411 2。同时,利用MC-UVE方法进行波长变量选择,在保证预测精度的前提下,筛选出建模的波长个数更少,有利于提高模型计算效率。研究结果表明,SG-MSC-MC-UVE-PLS方法能够提高全血吸收光谱信号的信噪比,简化模型结构,提高模型的预测精度和计算效率,对推动血红蛋白浓度检测技术的发展具有进步意义。     

基于统计特征和显著度的光谱信号提取算法

各类光谱信号都会受到噪声和基线畸变的影响,在提取光谱信号过程中若不考虑基线畸变和噪声的影响,将会严重影响信号提取的精度和准确性,所以需要在信号提取前消除噪声和基线畸变的影响。大多数信号提取算法的步骤是先提取整体基线,再提取信号,这样难以保证基线的提取精度。为了降低信号提取过程中背景噪声、基线畸变等不利因素的影响,根据信号的存在总是会导致该区域的统计特征不同于背景的特点,提出了一种基于显著度和统计特征的光谱信号检测与提取算法（SSD算法）。首先,在待测数据的不同尺度空间中计算出信号在各尺度下的显著度,将检测出的显著信号点作为候选信号点;其次,利用信号特征去除候选信号点中的伪信号点;最后,对候选信号点所在区域采用二次多项式进行基线拟合以剔除伪信号区域并实现最终的信号提取。为验证SSD算法的综合性能,首先,通过仿真的方法对高斯信号和矩形信号在不同基线类型、不同信噪比下进行实验;然后将该算法与AirPLS算法、Wavelet算法以及DoG算法对两种信号在不同信噪比,不同基线类型下的提取结果进行比较。仿真实验结果表明：与其他算法相比,SSD算法信号提取结果基本不受信号类型和基线畸变类型的影响,且当信噪比大于40时基本不受信噪比的影响;在不同基线畸变类型下,SSD算法对两种信号提取结果的准确度、稳定性、离散度均较好,其他算法则只适用于某种基线畸变类型。从总体提取结果上看,SSD算法提取结果的绝对误差的均值仅为AirPLS算法的8.71%、Wavelet算法的3.52%、DoG算法的2.01%;绝对误差的均方根也仅为AirPLS算法的13.08%、Wavelet算法的5.45%、DoG算法的3.11%。因此,所提出的SSD算法在提取信号时具有良好的综合性能,能够在不同的信噪比及基线畸变情况下准确的提取出信号。     

Characteristic parameters from a human of electromagnetic signals heart system

The electromagnetic field of a human heart system is a bioelectromagnetic field. Electrocardiography （ECG） and magnetocardiography （MCG） are both carriers of electromagnetic information about the cardiac system, and they are nonstationary signals. In this study, ECG and MCG data from healthy subjects are acquired; the MCG data are captured using a high-Tc radio frequency superconducting quantum interference device （HTc rf SQUIDs） and the QRS complexes in these data are analysed by the evolutionary spectrum analysis method. The results show that the quality factor Q and the central frequency fz of the QRS complex evolutionary spectrum are the characteristic parameters （CHPs） of ECG and MCG in the time-frequency domain. The confidence intervals of the mean values of the CHPs are estimated by the Student t distribution method in mathematical statistics. We believe that there are threshold ranges of the mean values of Q and fz for healthy subjects. We have postulated the following criterion： if the mean values of CHPs are in the proper ranges, the cardiac system is in a normal condition and it possesses the capability of homeostasis. In contrast, if the mean values of the CHPs do not lie in the proper ranges, the homeostasis of the cardiac system is lacking and some cardiac disease may follow. The results and procedure of MCG CHPs in the study afford a technological route for the application of HTc rf SQUIDs in cardiology.     

基于热释电探测器的重频脉冲激光诊断

摘以热释电探测器的工作原理为基础,研究了热释电探测器对重频脉冲激光的瞬态响应特性,建立了热释电探测器对单脉冲激光辐照响应的工作模型,分析了影响探测器频率特性的主要因素。根据材料和结构参数模拟计算了实际应用中的响应模型。设计了信号检测电路并对其进行计算仿事。完成了探测器的频率响应、脉宽响应等实验测量,验证了热释电探测器用于高重频、窄脉冲激光能量测量的可行性。     

Highly birefringent octagonal photonic crystal fibers with two zero-dispersion wavelengths

A new highly birefringent octagonal photonic crystal fiber(Hi-Bi OPCF) with a rectangular array of four elliptical airholes in the fiber core region is proposed and analyzed using the full-vector finite element method with anisotropic perfect match layer absorbing boundaries.Numerical results show that the phase birefringence of the photonic crystal fiber(PCF) reaches 3.43×10-2 at the wavelength of 1 550 nm.Moreover,two zero-dispersion wavelengths are achieved in the visible and near infrared wavelength regions for one polarization state but not in the other.