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关键词： 光纤传感器   生物传感器   马赫-曾德尔干涉仪   表面修饰   DNA检测  

摘要： DNA检测技术在生物筛查、疾病诊断、环境监测和法医鉴定等多个领域发挥着不可替代的作用。然而,传统的DNA检测方法,如PCR技术、荧光定量检测和电化学传感器技术,通常具有操作复杂、检测周期长、灵敏度受限或成本高昂等缺点。光纤DNA传感器作为一种快速发展的技术,拥有独特的工作原理和显著优势,包括低成本、高灵敏度、高特异性、高稳定性以及易于实现小型化和集成化。本论文研究了基于开腔式的光纤DNA生物传感器的设计原理、工作机制以及其在DNA检测中的应用,主要内容概述如下: (1)为适应液体样品的DNA检测需求,本论文设计了一种基于大错位熔接技术的微腔结构马赫-曾德尔光纤干涉仪,并对其传感特性进行了分析。为了提高传感器对DNA测试的检测能力,本文通过光干涉理论和数值仿真,分析了不同参数对传感器性能的影响。此外,还介绍了传感器的制造工艺和公差控制策略,制备腔长约200μm的MZI光纤传感器展现出约-18000 nm/RIU的折射率灵敏度。 (2)研究了不同马赫-曾德尔干涉型光纤传感器的表面修饰策略,主要涉及不同分子量的聚赖氨酸(PLL)溶液以及不同浓度的(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)溶液。研究了这些表面修饰策略对传感器表面固定探针DNA数量的影响。10%的APTES溶液与羧基修饰的探针DNA结合使用具有较好的效果,其固定探针DNA的数量显著高于其他方案。 (3)为满足不同浓度DNA的检测需求,研制了一种基于微腔结构的马赫-曾德尔干涉仪的光纤DNA传感器,采用APTES表面修饰方案以固定探针DNA于传感器表面。实验评估了传感器杂交检测性能、特异性、重复性和稳定性。该传感器能够有效区分1 f M至5 f M浓度范围内的目标DNA,其浓度灵敏度为0.32nm/fM,展现出优异的特异性、重复性和稳定性。传感器的DNA检测极限达到了48.9 aM,达到了国际先进水平。

关键词： 光纤传感   光纤干涉仪   Lyot滤波器   游标效应   温度补偿  

摘要： 温度和应变是日常生活和工业界中最常见的物理参数。随着现代社会的飞速发展,人们对这些参数测量的灵敏度提出了越来越高的要求。为满足参数测量高灵敏度要求,光纤传感器应运而生。这种传感器具有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强、重量轻等优点,对参数测量非常有利,不断成为研究人员关注的焦点。在众多光纤传感器结构中,基于光纤干涉仪的传感器易于制备,并且具有高灵敏度。此外,在基于光纤干涉仪的传感器中可以引入游标效应,以进一步显著提高其灵敏度。本文提出了一种基于游标效应的传感器,其基本结构为反射式光纤Lyot滤波器。本文从理论计算,仿真模拟,实验验证三个方面对温度和应变传感性能进行研究,主要研究内容如下: (1)介绍了光纤干涉仪和光纤Lyot滤波器的基本原理,对干涉式光纤传感器的传感机理进行说明。基于光纤干涉仪的理论模型,给出了级联游标效应和并联游标效应理论推导,并从两个干涉仪的光谱响应论证了包络的自由光谱范围和灵敏度放大之间的关系。 (2)基于反射式光纤Lyot滤波器的传感原理,对保偏光纤的双折射特性进行实验研究。研究结果表明,双折射随着温度升高而降低,随着应变增大而提高。基于保偏光纤双折射温度特性和应变特性,对反射式光纤Lyot滤波器的温度和应变传感性能进行研究,测得温度灵敏度为-1.65 nm/℃,应变灵敏度达到26.3 pm/με。 (3)为进一步提高灵敏度,本文提出了一种基于游标效应的传感器。其主要结构为一对保偏光纤构成的反射式光纤Lyot滤波器。理论分析表明,只要协调两根保偏光纤的长度,就可以很容易地实现高灵敏度。实验结果验证了该传感器在温度和应变测量上的可行性,其灵敏度分别为-51.744 nm/℃和838.2 pm/με,最小检测分辨率分别为0.0025℃和0.1673με。其中在应变测量中,考虑了温度串扰问题,并通过矩阵法实现对温度影响进行补偿。进一步的研究揭示了传感系统的高稳定性,以及应变测量的快速响应。

关键词： 水浸超声C扫描检测系统   均值漂移算法   灰狼优化算法   特征提取   缺陷定位  

摘要： 为了避免因金属材料缺陷而导致的质量问题,超声检测技术在无损检测领域中得到广泛应用。然而,传统人工接触式超声检测技术存在稳定性差、易磨损、检测效率低等问题,已无法满足当前的检测需求。为此,论文首先基于水浸超声C扫描检测原理开展了检测实验台的设计与搭建,然后构建了基于改进灰狼算法的均值漂移特征提取模型,最后开发了数据分析及缺陷定位识别软件。论文主要内容如下: (1)针对传统接触式超声检测技术检测稳定性差、效率低的问题,设计搭建了水浸超声C扫描检测实验台。实验台主要由机械系统、控制系统、软件系统、水浸超声探头组成。机械系统包括水槽框架、运动模组以及曲面辅助装置等,该系统在扫查过程中起驱动与定位的作用。控制系统是检测平台的核心,主要由超声板卡和电控箱两部分组成,在检测过程中发挥控制与转接的功能。选取适配的水浸超声探头,实现超声信号的接收与发送。通过人机交互软件进行扫描参数的设定并开展检测实验,结果表明,搭建的实验台能够以较高的准确性、稳定性和效率完成工件的缺陷扫查工作。 (2)针对不规则缺陷的边缘深度变化导致超声C扫描成像不清晰问题,构建了基于改进灰狼算法的均值漂移特征提取模型。采用混合非线性收敛因子、随机狩猎机制、动态概率切换三种策略对灰狼算法进行改进并提升其全局搜索能力和收敛速度。提出了一种通过改进灰狼算法优化选取均值漂移算法搜索参数的方法来减小聚类误差。最终将改进后的特征提取模型应用到不规则缺陷检测样品的水浸超声C扫描数据分析研究中。结果表明,与C扫描图像相比,提出的模型具有良好的特征提取能力,能够清晰的识别工件缺陷的尺寸和位置信息。 (3)为了对超声C扫描数据进行自动化分析,并准确评估工件的健康状态,开发了数据分析与缺陷识别软件。该软件主要由数据分析、聚类优化分析、缺陷定位分析、缺陷误差分析四个功能模块组成。通过基于改进灰狼算法的均值漂移特征提取模型对检测数据进行自动化分析,提高了对金属工件缺陷的识别与定位能力。

关键词： 光纤耦合效率   非均匀相干结构   大气湍流  

摘要： 随着时代的发展,科技的更新迭代,科学的新发现,光通信技术是目前人们接触到最高效、最快速的通信手段,为了满足市场需求,一种速率高、低消耗、可靠性高的通信技术:空间光通信技术(FSO),逐渐进入人们的视野。自由空间激光通信是以激光作为信息的载体,信息的传输在自由空间进行,自由空间激光通信有着容量大、速率高、保密性好、低消耗等优点,完全符合上述所需的通信技术。自由空间激光通信需要运用到空间光—光纤耦合技术,通过该技术进行信息的传递和交换。然而在光—光纤耦合之前,在通信的路径中,由于大气湍流会影响空气的折射率,造成折射率的随机起伏,空间光在传输时会产生波前相位畸变并且空间的相干性下降。因此,研究如何降低或者克服大气湍流对光纤耦合效率的负面影响,提高光束质量和光纤耦合效率迫在眉睫。 在长期研究如何提高光纤耦合效率的过程中,人们发现部分相干光束相比于对应的其他相干光束具有更强的对抗湍流的能力,对提高光纤耦合效率可能有效果。于是大量的有关研究围绕其展开,部分相干光束的相干结构调控概念被提出。本论文从光在湍流中的传输特性出发,通过对光场的非均匀调控,实现光纤耦合效率的提高。论文的主要工作如下: (1)分析了部分相干光束在湍流环境中的传输特性,分析了光束质量、传输距离与环境湍流强度之间的关系。研究结果表明,非均匀相干光束具有更强的对抗湍流的能力,主要归功于其自聚焦光束特性。 (2)利用模拟仿真的方法,对不同非均匀光束(包括厄密非均匀光束和拉盖尔非均匀光束)在光纤中的耦合效率的评估和对比。主导了数据的采集、处理和分析工作,通过对比分析,揭示了不同非均匀光束在光纤耦合效率中的性能差异。研究结果表明,厄密非均匀(HNUC)光束在短距离的传输中,光纤耦合效率比拉盖尔非均匀(LNUC)光束要高。 (3)为了进一步提高湍流中非均匀随机结构光束的光纤耦合效率,本文提出了一种选择和控制非均匀相干结构的通用有效策略。研究结果表明,调整此类光束的权重分布是掌握该策略的关键。选择权重分布集中在短/长焦距模式的光束,最大光纤耦合效率较高/较低,适用于短/远距离传输情况。此外,调整所选光束的初始相干长度和光束顺序将有助于用户进一步提高光纤耦合效率。

关键词： 电化学传感器   碳循环要素   海水分析   多参数检测   聚合物膜离子选择性电极  

摘要： 基于全固态聚合物膜离子选择性电极和丝网印刷技术，构建了以NiCo2S4材料为离子-电子转导层的芯片式全固态聚合物膜离子选择性电极阵列，并基于此研制了一种便携式海水碳循环要素同时分析系统，实现了对海水中钙离子(Ca2+)、碳酸根离子(CO32–)和p H值的同时测定。此分析系统检测海水基体中Ca2+和CO32–的线性响应浓度范围分别为1.0×10–5～1.0×10–1mol/L和3.2×10–5～1.9×10–3mol/L，检测p H值的线性范围为pH 5～9。本方法连续测定的相对标准偏差小于2.5%，单个样品全程分析时间少于15 min，测定结果和比测设备结果的相对偏差小于2.0%。此电化学传感器系统已成功应用于实际海水样品分析。

关键词： 光纤通信   模分复用   波分复用   相干检测   非线性均衡  

摘要： 基于传统多模光纤的模式资源，来构建多维复用超大容量光纤传输系统可以有效提升通信系统传输容量，满足急剧增长的数据业务需求.在本文中，我们联合波分复用、偏振复用和模分复用技术，基于传统OM2光纤实现了40个波长信道（1 535.04～1 566.31 nm）×2个模式信道（LP01和LP11b）的60 G波特偏分复用16阶正交幅度调制（Polarization Division Multiplexing 16-ary Quadrature Amplitude Modulation,PDM-16QAM）信号的短距模分复用相干光传输.整个模分复用链路由一对基于多平面光转换（Multi Plane Light Conversion,MPLC）的模式复用/解复用器和20 m OM2光纤构成.由于高模式隔离度的模式信道特性（<-20 dB），本系统无需相应数字信号处理算法进行模式解复用，而仅需2×2的多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）算法完成偏振解复用.在实验中，除了对系统关键参数，包括脉冲成型滤波器的滚降因子、削峰比及接收光功率进行了优化外，还引入了Volterra判决反馈均衡方案.该均衡方案不仅能够补偿调制器引入的非线性信号损伤，而且能够缓解前馈均衡方案导致的高频噪声增强问题.最终，实验结果显示所有80个信道的误码率皆低于20%软判决前向误码纠错（Soft Decision Forward Error Correction,SDFEC）阈值2.7×10-2，系统总容量达38.4 Tbit/s，表明基于多模光纤的模式复用相干光传输方案在未来超大容量短距光互联系统中具有应用潜力.

关键词： 道路照明检测   车载式   北斗卫星系统   NMEA0183协议   RF射频   经纬度换算  

摘要： 随着城市道路照明建设的不断发展，为了更好优化城市道路照明的质量控制体系，车载式道路照明检测系统应运而生。然而随着对采集数据的分析，发现检测速度对于检测结果的准确性有很大影响。因此为更好提高数据采集的准确性和全面性，设计了车载式道路照明检测系统的测速模块。该模块利用北斗卫星系统提供的定位服务，采用NMEA0183协议作为数据传输协议，利用RF射频技术进行定位和导航，实现了对测量车辆位置和速度的高频率更新。通过经纬度的换算，获取车辆的位置、速度等信息。在测量的过程中，通过对数据检测时速度的控制，以及对比不同速度下数据的变化情况，有效地提高了检测的准确性。在测量时还可以采集行驶的实时速度、平均时速、行驶的里程数等。

关键词： 智慧农业   深度学习   蚕体检测   精细化饲育  

摘要： 随着经济全球化、农业产业化的快速发展，蚕业生产技术水平提升迅速。借助自动化技术和人工智能技术发展智慧农业已经成为提高蚕桑产业竞争力的重要手段。为了解决规模化蚕业生产中的精细饲育问题，本文设计和开发了一套基于深度学习技术的蚕体检测系统。该系统通过摄像头实时采集家蚕的图像数据，利用深度学习算法对家蚕图像进行实例分割和目标检测任务，实现对蚕体的计数和蚕龄识别。系统为家蚕养殖的自动化提供了利于精细化饲育的技术辅助。