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关键词： 古器物   点云补全   编码器   解码器   多特征融合   点金字塔解码器  

摘要： 古器物作为文物的重要分支,蕴含了丰富的历史、艺术和科学价值。三维点云重建技术不仅实现了古器物数字化展示,还有助于更好地保存和传承文化。然而,古器物的破损和缺失是常见问题,因此,点云补全技术变得至关重要。基于深度学习的点云补全算法在此领域发挥了关键作用,特别是针对补全残缺部分点云的算法,更能保持古器物的真实性。PF-Net是补全残缺部分点云算法的代表,但存在局部特征获取不充分、点云扩散等问题,这将导致在古器物点云补全任务中可能出现局部补全效果差、补全部位扩散等情况。为此,本文提出了一种基于PF-Net的多特征融合和改进点金字塔解码器的古器物点云补全方法,以改善古器物点云补全效果。研究内容如下: (1)针对PF-Net在古器物点云补全任务中存在的补全后点云“细节部分扩散”的问题,提出了一种基于PF-Net的多特征融合编码器古器物点云补全网络(Multi-feature Fusion PF-Net,M-PF-Net)。M-PF-Net的多特征融合编码器由基于球采样的多特征点云输入层和基于混合池化的多层感知机构成,旨在通过优化局部特征提取能力改善细节部分扩散问题。在Shape Net和Cultural Relic-3D数据集上进行实验,实验结果表明,与其他网络相比,M-PF-Net在整体补全效果和改善“局部细节扩散”方面均有提升。 (2)在M-PF-Net改进编码器的基础上,进一步改进解码器,提出一种基于M-PF-Net的改进点金字塔解码器古器物点云补全网络(M-PF-Net with Improved Point Pyramid Decoder,IPPD-M-PF-Net)。IPPD-M-PF-Net的解码器由逐级生成解码器和组合损失函数构成。逐级生成解码器通过先“升维”后“降维”的处理方式,提高对细节特征重构的能力,组合损失函数在倒角距离(Chamfer Distance,CD)损失函数的基础上引入推土距离(Earth Mover's Distance,EMD)来约束局部“扩散”。在Shape Net和Cultural Relic-3D数据集上进行实验,实验结果表明,该网络增强了古器物点云补全任务中的细节重构能力,有效改善了“局部细节扩散”的问题。对不同缺失程度目标开展点云补全实验,实验结果表明网络具有一定的鲁棒性。消融实验验证了本文提出的改进模块(球采样模块BS、混合池化多层感知机模块HP-MLP和改进点金字塔解码器模块IPPD)对提升网络在古器物点云补全任务中的性能起到了关键作用。

关键词： 一体化装置   集成化控制系统   表面等离子体共振   氧化石墨烯   金纳米粒子  

摘要： 突发性疫情通常具有传播速度快和蔓延范围广的特点,气溶胶粒子作为疫情传播的重要途径之一,对其开展快速和实时的采集检测变得尤为关键。目前市场上的气溶胶采集检测仪器多为分离式,存在检测成本高、周期长等缺陷。 开发一种集成化的气溶胶采集检测装置显得尤为关键。为解决这一问题,将光纤表面等离子体共振技术(Surface Plasmon Resonance,SPR)与气溶胶快速采样模块相结合,制备了一种简便、灵敏度高和实时监测的气溶胶采集检测装置。该装置不仅具备高效的生物气溶胶采集功能,还实现了实时监测和报警功能。本文利用Lab VIEW软件设计平台,开发了生物气溶胶报警系统,同时实现了生物气溶胶采集控制模块、气溶胶样本注入系统与气溶胶样本检测系统的高效衔接,并实现了对可编程逻辑器、光源和光谱仪等器件的集成化控制。 本文进行了生物气溶胶采集检测实验,以验证一体化装置的综合性能。首先,研究了氧化石墨烯对SPR技术的增敏原理,并结合金纳米粒子信号增强技术,对比了传统光纤SPR检测系统与一体化装置病原样本检测装的实验结果,从而验证了一体化装置生物病原检测数据的可靠性。接下来,为了证明一体化装置采集检测气溶胶的可行性,进行了对大肠杆菌气溶胶的采集检测实验。结果表明,生物气溶胶采集检测一体化装置能够高效检测环境中的大肠杆菌气溶胶,对于低浓度的气溶胶环境具有显著的信号反馈。制作的生物气溶胶采集检测一体化装置具有检测周期短、便携性高和操作简便等优点,能够实现对生物气溶胶样本的实时监测,对于降低气溶胶病原体危害、有效防控具有重要意义。

关键词： 扭曲型SPR传感器   光纤SPR灵敏度调节   SPR特异性检测   食品检测  

摘要： 以表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）为原理的光纤传感器,由于具有体积小、快速检测、可实时在线检测等优点,已经成功应用于食品安全检测领域。然而,目前的光纤SPR传感器与传统的检测技术相比,还存在传感器灵敏度不够高与特异性检测食品困难两个瓶颈问题需要解决。为了解决这两个问题,本论文提出了两种通过光纤微结构调节入射角从而调节灵敏度的光纤扭曲型SPR传感器,并在光纤扭曲型SPR传感器表面修饰分子识别元件（Molecular recognition element,MRE）,实现食品的特异性检测。具体的工作包括: （1）为解决光纤SPR传感器灵敏度不够高的问题,本论文提出两类方法来提高光纤SPR传感器灵敏度。首先,本论文通过光纤微加工技术改变光纤几何形状,提出并制作了两种光纤扭曲型SPR传感器（包括光纤U型锥SPR传感器和光纤S型锥SPR传感器）,调节SPR入射角以提升灵敏度。其中,光纤U型锥SPR传感器是通过在光纤上制作U型锥结构,调节其光纤类型、锥区直径和弯曲直径,得到了最佳的实验参数:阶跃折射率多模光纤（SI105/125-22/250,Wuhan Changfei Optical Fiber Cable Company,SIMMF）、U型锥的锥区直径为48μm、弯曲直径为0.3cm;使得传感器灵敏度调节提升至4324.845nm/RIU。光纤S型锥SPR传感器则是通过在单模光纤（SMF-28e,corning,SMF）上制作S型锥微结构,调整S型锥的轴向偏移量和S型锥的锥区直径,得到了最佳的实验参数:轴向偏移量为90μm,锥区直径为35μm;使得传感器灵敏度调节提升至3244.62nm/RIU。其次,本论文在光纤扭曲型SPR传感器表面分别修饰氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）和金纳米（Gold nanoparticles,Au NPs）粒子,通过重新排布金膜表面的电子来增强SPR信号,从而进一步提高光纤SPR传感器的灵敏度。通过在光纤U型锥SPR传感器表面静电自组装修饰氧化石墨烯,调节提升了传感器灵敏度,使得传感器灵敏度调节提升到了4505.06nm/RIU。通过在光纤S型锥SPR传感器表面静电自组装修饰金纳米粒子,调节提升了传感器灵敏度,使得传感器灵敏度调节提升至3507.37nm/RIU。 （2）为了解决光纤SPR传感器特异性检测食品困难的问题,本论文在参数最佳的两种扭曲型SPR传感器表面分别修饰其目标分析物所对应的分子识别元件,实现食品中D-甘露糖（D-mannose）、重金属镍离子(Heavy metal nickel ion,Ni)、抗生素卡那霉素（Antibiotic kanamycins）的特异性检测。具体如下:（1）在光纤U型锥SPR传感器表面修饰刀豆凝集素A,实现了不同浓度的D-甘露糖的特异性检测,其检测灵敏度为0.18nm/（pg/m L）,检测限为0.93pg/m L。（2）在光纤S型锥SPR传感器表面修饰双链DNA,实现了不同浓度的镍离子的特异性检测,其检测灵敏度为3.587nm/lg（mg/m L）,检测限低至8.56pg/m L。（3）在光纤S型锥SPR传感器表面修饰卡那霉素适配体,实现了不同浓度的卡那霉素的特异性检测,其检测灵敏度为3.66nm/lg（mg/m L）,检测限低至0.53ng/m L。

关键词： 掺铒光纤放大器   C+L波段   增益带宽   长周期光纤光栅  

摘要： 通过增加光纤放大器的增益带宽，可以有效提升光纤通信系统的传输容量。目前，C+L波段掺铒光纤放大器（EDFA）通常采用C波段和L波段EDFA并联的方式，但这种方法会在两个增益波段之间产生带宽“死区”。为了解决这一问题，以Bi/Er共掺石英光纤作为主要增益介质，在二级双程放大结构的基础上，通过插入波长匹配的长周期光纤光栅进行“削峰补谷”操作，成功拓展了增益带宽。这种新型的C+L波段全覆盖高增益掺铒光纤放大器，其25 dB增益带宽和20 dB增益带宽分别达到了78 nm(1529～1607 nm)和85 nm(1527～1612 nm)，最高增益可达51.2 dB，同时噪声系数降至3.9 dB。该研究不仅消除了C+L波段EDFA的带宽“死区”问题，而且通过结合长周期光纤光栅，实现了单个EDFA对C+L波段的高增益全覆盖。该EDFA有望在未来高容量长距离光纤传输系统中获得重要应用。

关键词： 液压传感器   多传感器系统   智能控制   Zigbee   温度补偿  

摘要： 传统供水系统性能受温度影响较大，为了改善供水系统的工作性能，本研究设计一种新型的智能液压控制系统，该系统首先用多传感器信息融合的方式进行液压监测，同时运用ZigBee无线传感网络和继电器进行控制，从而实现了通过云平台实现实时监控供水系统的液压状态。多传感器系统可以有效提高压力测量的准确性和量程，最高可达60MPa。试验结果表明，传感器工作时的温度补偿，确保测量结果的准确性。

关键词： 清管器   光纤振动传感系统   跟踪定位  

摘要： 针对清管器在工作时出现的堵塞问题和跟踪定位设备不能持续实时跟踪的问题，提出了利用分布式光纤振动传感系统实现清管器在线跟踪定位的方法。通过采集分布式光纤振动信号，优化清管振动信号处理流程，进行清管振动信号筛选及识别，构建清管过程中对振动信号的识别模型，实现对采集的振动信号的自动分析判断。通过现场试验，验证了该项技术可以实现清管器的实时跟踪定位。

关键词： 光纤光学   光纤激光器   空芯反谐振光纤   激光传输  

摘要： 高功率光纤激光器凭借其转换效率高、性能稳定、光束质量好以及结构紧凑等优点在诸多领域被广泛应用。随着输出功率的不断提升，输出光谱范围不断拓宽，传统石英光纤由于材料损伤、非线性以及材料本征吸收等因素无法满足高功率激光柔性传输的需求。近年来，空芯反谐振光纤的快速发展吸引了高功率激光传输领域科研人员的广泛关注。该光纤通过反谐振反射光波导效应将光限制在纤芯空气介质中传输，极大地降低了模场与石英材料的重叠度，具有高损伤阈值、低非线性等优良性能，在激光传输领域取得了一系列突破性进展。在传输功率方面，目前国际上基于空芯反谐振光纤已经实现了1 kW连续激光1 km传输、30 mJ单脉冲能量纳秒激光传输以及20 GW峰值功率超短脉冲激光传输，展现了其在功率提升方面的潜力。在传输波段方面，空芯反谐振光纤通过调节石英壁厚对传输通带进行调控，已经实现了从紫外波段到中红外波段激光传输。北京工业大学先进激光及光纤技术研究团队基于高性能空芯反谐振光纤的设计及制备技术，在国内率先开展了基于空芯反谐振光纤的高功率激光传输研究，已经实现了3 kW连续激光百米传输和26.8 MW皮秒脉冲激光柔性传输，传输波段从紫外355 nm拓展至中红外4.35μm，其中在3.1μm波段传输的平均功率突破了20 W，处于世界领先水平。本文简要介绍了空芯反谐振光纤的发展历程，并对基于该光纤的高功率激光传输关键技术及研究进展进行了相关讨论。

关键词： 超精密位移测量   光栅干涉   涡旋光   轨道角动量   圆周角度细分  

摘要： 精密位移测量技术及传感部件,作为精密定位与运动控制的“眼睛”,直接决定装备的精度。光栅干涉测量技术,因其物理栅尺稳定、干涉光程短,对环境扰动不敏感,成为当前最受关注的大量程纳米测量技术之一。本文提出以涡旋光为载体的光栅干涉位移测量新方法,围绕涡旋光干涉位移测量模型、涡旋光干涉传感光路设计、涡旋光干涉信息解析等方面开展研究,主要研究工作和结果如下: (1)研究了涡旋光与光栅相互作用过程的衍射、干涉效应,建立了涡旋光激励的精密光栅干涉位移测量模型。采用标量衍射理论,研究涡旋光束的衍射干涉效应,建立了考虑涡旋光束和光栅参量的涡旋干涉条纹表达式,分析了栅距、衍射级次和拓扑荷数等参数对干涉图案的影响;研究光栅待测位移对涡旋干涉条纹的调制规律,阐明了以涡旋光为载体的光栅干涉位移传感机理,建立了涡旋光激励的精密光栅干涉位移测量模型。结果表明:相比于传统光栅线性条纹的单点明暗变化,与位移成比转动的菊花状条纹因其天然2π计量基准,具备天然的动态相位解调能力与可溯源优点,配合相机高精像素分辨率与解析算法,测量精度最高可达皮米级。 (2)研究了涡旋光调制、衍射及光栅干涉的光路设计准则,设计了涡旋光激励的精密光栅干涉传感光路,开展了传感光路的静/动态仿真。采用Tracepro仿真软件,验证了系统设计光路基本参数。搭建了以Virtuallab fusion为基础的物理光学仿真模型,分析了条纹形态与拓扑荷的静态关系,进一步调整了光栅位置参数,验证了位移与转角的动态映射关系。结果表明:传感光路设计合理,测量模型正确。且干涉条纹形态只相关于拓扑荷,动态转动比例关系与栅距p、衍射级次m成正比,与拓扑荷数反比,为0.216°/nm。 (3)研究了涡旋光干涉条纹的解析方法,设计了基于图像处理的涡旋光干涉解析算法,实现了干涉条纹高倍率的有效相位识别。采用图像处理技术,研究了花瓣质心精准识别及中心拟合算法,进一步提高干涉图样的定位和圆周角度细分精度。设计并研制了软硬件结合的高速信号处理方案,编写了对应的上位机程序。结果表明:解析方法及器件在位移解调方面的可靠性与有效性,在维持高精测量分辨率的同时,提高了量程。 (4)搭建了涡旋光束激励的光栅干涉测量试验台,进行了干涉测量系统实验、分析了分辨力、绝对精度及重复精度的性能测试实验结果。结果表明,系统进行0.1μm多步长测试时,分辨力达亚微米级,若精度能达到0.001°,则皮米级。重复性测量采用激光干涉仪做标定,进行多组10μm单向行程运动,误差结果表明重复精度为18.88nm。