天津大学工程科学实验班《工程设计》实践教学改革探讨

天津大学为着眼于国家造就工程领军人才的战略需求,设立"工程科学实验班"。本文针对工程科学实验班《工程设计》实践课程环节固定,学生创造性体现不高,课题选择较少,实践内容陈旧,难以与学科最新进展前沿结合问题,提出科研式实践课程的创新。结合指导教师自身科研课题,设立研究型实践课题取代基础型实践,取得良好效果。本文介绍了《工程设计》实践课程改革相关内容和取得成果。

“光电检测技术与系统”实验教学的改革探讨

为能培养出适应新时代发展要求的综合性、创新型人才,使学生能具备科研和技术开发的相关技能,本文通过对天津大学"光电检测技术与系统"课程现有实验教学模式的研究,结合"光电检测技术与系统"对实验教学的基本要求,对该课程的实验教学内容、教学方法、考核方式等方面进行了初步的改革探索,并提出了科研式实验教学模式的实验教学改革思路。

面向新工科的光电检测技术混合式课程构建

面向新工科的教育教学发展要求,对天津大学光电信息方向本科专业的核心课程“光电检测技术与系统”进行了混合式课程构建与完善,提出了新工科背景下以科研为主线的教学方法,将天津大学精密仪器与光电子工程学院在光电检测技术的优秀科研成果和科研过程引入教学中,让学生在教学过程中体会到科研方法和科学思维,并根据以科研为主线的教学需要,完成了多层次、多类型的课程线上线下资源建设,取得良好效果。同时,介绍了光电检测技术混合式课程教学改革相关内容和取得的成果。

拉曼光谱技术在脑胶质瘤检测中的应用研究

脑胶质瘤是一种常见的颅内原发性肿瘤,具有治愈率低、复发率高等特点。脑胶质瘤边界的精准识别是减少患者术后复发、改善愈后状况的重要前提。因此,发展快速、高灵敏度、无标记的脑胶质瘤诊断方法具有重要的临床意义。拉曼光谱技术作为一种指纹谱,能够在分子水平上反映物质的化学和结构信息,已经在脑胶质瘤的定性定位识别中表现出巨大的应用前景。本文首先介绍了不同种类的拉曼光谱技术,其次梳理了拉曼光谱技术在脑胶质瘤中的研究现状,最后对拉曼光谱技术在脑胶质瘤检测中的未来发展进行展望。

太赫兹金属线波导传输特性实验研究及模拟分析

太赫兹波介于微波与红外之间,当前太赫兹波主要在自由空间中传输,金属线波导以低损耗、低色散等突出的传输特性被广泛关注.本研究首先根据太赫兹波在不同金属线表面的趋肤深度选择铜线作为研究对象,然后基于太赫兹时域光谱系统搭建可调节式金属线波导传输特性测试光路,采集到通过不同半径、不同长度、不同端口状态的单/双铜线传输的时域信号,最后利用有限元方法对不同半径、不同形变程度的单/双根铜线在空气域的传输特性进行仿真.实验结果表明,传输损耗会随着铜线长度的增加而增加,金属线越细传输速度越慢,端口形态对传输特性的影响不如长度变化对传输特性的影响明显,双金属线越粗传输速度越快.仿真结果表明,太赫兹波在单根金属线上传输时,电场主要分布在金属线表面,金属线越细表面等离激元的模场面积越小;当金属线形变成椭圆时,模场主要分布在长轴两端;当太赫兹波在双金属线中传输时,模场主要分布在两根金属线中间,且距离越远模场面积越小.本研究结合实验与仿真分析方法对单、双金属线的太赫兹传输特性进行研究,为后续开发高效太赫兹金属波导提供参考.

智能驾驶车载激光雷达关键技术与应用算法

随着全球智能驾驶进入产业化与商业化的准备期,车载激光雷达凭借其优异性能已成为不可或缺的环境感知传感器并在硬件技术和应用算法上得到迅猛发展。文章以激光雷达扫描方式及相关技术为切入点对智能驾驶车载激光雷达硬件关键技术进行了介绍,分别讨论了机械式、混合式和全固态车载激光雷达的原理、特点及现状;以智能驾驶应用任务为导向,对点云分割、目标跟踪与识别、即时定位与地图重建这三类车载激光雷达应用算法进行了归纳总结。分析可见,车载激光雷达为降低成本、提升性能、满足智能驾驶需求将进一步走向固态化、智能化和网络化;应用算法研究的追求目标则是实时、高效和可靠。

太赫兹波三维成像技术研究进展

太赫兹波具有良好的光谱特性、非电离性和对许多非极性材料具有穿透性,在无损探伤、安检、生物医学诊断、艺术品鉴别等领域表现出许多独特的优点。特别是,太赫兹波三维成像技术能够实现样品内部信息探测,逐渐成为当前的研究热点,并展现出广阔的发展前景。本文重点介绍了太赫兹波三维成像的几种常用技术,包括其基本原理和对应的研究进展,并分析了存在的问题和发展趋势。

基于全相位滤波技术的FBG降噪解调算法

提出一种基于全相位滤波技术的光纤布喇格光栅降噪解调算法,该算法根据信号的数字频率特征快速配置适应于该信号的滤波器系数,由传感信号的数字截止频率控制滤波器边界,有效滤除混杂在光纤布喇格光栅信号中的高频分量.推导了滤波器解析表达式,结合光纤布喇格光栅信号的数字频率特征分析了滤波器幅频特性.实验结果表明,该算法对不同采样间隔下的传感信号能够实现适应性降噪;与高斯拟合法相比,解调波长稳定性相近,但平均解调时间缩短了10倍,与质心法相比,解调波长稳定性提高了30%.

基于Nd:YAG/LBO倍频蓝光的全固态激光综合实验系统

基于Nd:YAG/LBO内腔倍频开发了一套多功能全固态激光综合实验系统。创新性地引入准三能级Nd:YAG激光器、非线性光学倍频技术及独立温控技术,扩展了全固态激光器实验教学的内容,能够全面锻炼学生在全固态激光及非线性光学领域的实践能力,尤其是对激光二极管(LD)泵浦源、Nd:YAG晶体能级结构及倍频的相位匹配等概念与技术的理解。该综合实验系统在经济性、适用性、功能性及科学前沿性等方面与现有装置相比均具有明显优势,相关实验受到了学生的欢迎。

基于太赫兹光谱的大鼠脑缺血早期诊断技术的研究

脑缺血是一种常见的突发性脑外科疾病,具有较高的致死致残率,快速、准确对脑缺血程度进行检测对脑缺血的诊断与治疗工作具有重要意义。基于衰减全反射式太赫兹时域光谱技术,分别对脑缺血时间为0,0.5,1,2,4,6和24 h的大鼠脑脊液和血清进行光谱检测,并对不同缺血时间的大鼠脑脊液和血清的吸收系数和折射率随缺血时间的变化规律进行分析。结果表明,与对照组相比,不同缺血时间的大鼠脑脊液和血清的吸收系数和折射率均存在一定的差异。在此基础上,根据不同缺血时间的大鼠脑脊液和血清的吸收系数,采用主成分分析法和机器学习算法对大鼠的脑缺血程度进行自动分类识别。其中,基于脑脊液吸收系数的支持向量机分类模型的识别准确率相对较高,达到了89.3%。该方法为脑缺血的早期诊断提供一种新的检测方法。

免调试激光器与谐振激光自适应无线传能技术(特邀)

作为最具代表性的定向能载体,激光可用于高功率、长距离的无线能量传输。传统上激光无线传能一般通过跟瞄系统实现,而近年来发展的谐振激光自适应无线传能技术提供了一种无需跟瞄的新解决思路,受到广泛关注。文中分析比较了这两种方法的特点,展望了未来发展趋势,并对后者的核心免调试激光器的实现方法进行了总结。

基于球差选模的激光器横模特性实验

开发了面向光电子专业高年级本科生的基于球差选模的固体激光器横模特性实验系统,在激光谐振腔内使用短焦距透镜引入球差,使具有不同光斑尺寸的各阶横模的空间光路发生分离,从而便捷地实现对不同阶数横模的选择和切换.该实验系统综合激光原理中的腔模理论和几何光学中的像差理论,学生可以直观地观察到透镜的球差对激光器工作状态的影响和稳定的高阶横模图像;通过定性和定量分析,直接体现球差、激光器的模式匹配、谐振腔的稳区、激光的横模等重要知识点及其对激光器工作状态的影响.同时该实验提高了学生在激光器调试准直和工具软件使用方面的实践技能.

基于激光雷达和相机信息融合的目标检测及跟踪

环境感知系统是智能车辆的重要组成部分,它主要是指依赖于车载传感器对车辆周围环境进行探测。为了保证智能车辆环境感知系统的准确性和稳定性,有必要使用智能车辆车载传感器来检测和跟踪可通行区域的目标。本文提出一种基于激光雷达和摄像机信息融合的目标检测和跟踪算法,采用多传感器信息融合的方式对目标进行检测和跟踪。该算法利用激光雷达点云数据聚类方法检测可通行区域内的物体,并将其投射到图像上,以确定跟踪对象。在确定对象后,该算法利用颜色信息跟踪图像序列中的目标,由于基于图像的目标跟踪算法很容易受到光、阴影、背景干扰的影响,该算法利用激光雷达点云数据在跟踪过程中修正跟踪结果。本文采用KITTI数据集对算法进行验证和测试,结果显示,本文提出的目标检测和跟踪算法的跟踪目标平均区域重叠为83.10%,跟踪成功率为80.57%,与粒子滤波算法相比,平均区域重叠提高了29.47%,跟踪成功率提高了19.96%。

磁干扰环境下基于多传感器的内窥镜姿态定位技术

在内窥镜临床检查中,医生往往依靠病理经验来判断内窥镜探头在人体内的姿态方位,具有较大的主观误差,影响病灶的诊断结果。虽然电磁跟踪技术EMT(Electro-Magnetic Tracing)可以对内窥镜的探头进行科学定位从而解决上述问题,但是在铁磁性医疗仪器的干扰下,磁场模型的畸变导致该方法的精度严重下降。提出一种基于多传感器的姿态收敛技术,在电磁定位的基础上增加IMU惯性测量单元,通过四元数微分方程以及双矢量误差收敛模型得到稳定的姿态输出结果;其中,收敛模型采用分离式收敛的FQA算法降低了三轴MEMS磁场传感器的误差发散性,并结合磁干扰阈值判断,保证了在磁干扰环境下内窥镜姿态解算的精度和鲁棒性,实验表明该系统的姿态定位误差小于1°且具有较强的抗干扰性。

频率调制连续波激光雷达技术基础与研究进展

在现有的激光雷达技术中,频率调制连续波体制的激光雷达相比于传统的飞行时间激光雷达具有分辨力高、测量准确度高、设备轻巧、功耗低等优势;得益于使用连续光信号进行测量,调频连续波激光雷达还具有高灵敏度、信息量丰富、处理解调容易等特有的性能。对高分辨力、高准确度的探测需求而言具有很强的竞争力,并具有非常好的集成化、小型化、低能耗的潜力。本文介绍了调频连续波激光雷达的基本工作原理和重要参数,根据实现频率调制连续波的激光光源方案,分类介绍了近十几年来调频连续波雷达的研究进展,并探讨了各种方案的特点。

基于衰减全反射式太赫兹时域光谱技术的食用油光谱特性研究

食用油是人类营养和能量的重要来源,为人体提供必需的脂肪酸,研究食用油在太赫兹波段光学特性,对食用油成分分析及品质评价具有重要价值。衰减全反射式太赫兹时域光谱技术是一种新型的太赫兹时域光谱技术,通过样品与倏逝波的相互作用,获取样品的太赫兹光谱。与透射式或反射式太赫兹时域光谱技术相比,该技术能有效地避免测量食用油等液体样品时样品池对光学参数的影响,并能获得样品的精确光学参数。分别利用透射式太赫兹时域光谱技术和衰减全反射式太赫兹时域光谱技术测量了大豆油的吸收光谱。结果表明,与透射式太赫兹时域光谱技术相比,衰减全反射式太赫兹时域光谱技术能更有效地提取大豆油的吸收系数、吸收峰分布等光学特性。进一步利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了大豆油、核桃油、葡萄籽油在太赫兹波段的光学特性,获得了三种食用油在1~1.8THz范围内的折射率谱和吸收光谱。利用密度泛函理论计算了食用油中四种主要成分(软脂酸、硬脂酸、油酸和亚油酸)在太赫兹波段的振动、转动模式,理论计算结果同实验测量结果吻合较好。研究表明,在太赫兹波段食用油的吸收峰与所含脂肪酸分子种类与含量有关,其主要来源为脂肪酸分子的低频振动和转动。研究成果对食用油成分定性定量分析及品质检测等具有指导意义。

光纤法珀压力传感系统设计与风洞初步实验

针对航空领域对大气压力的测量需求,基于光纤法珀传感和低相干干涉技术,搭建了光纤法珀多通道压力传感系统。介绍了系统解调算法及工作原理,对光纤法珀压力传感器的标定和温度补偿方法进行理论分析,将非恒温条件下的传感器拟合误差降低至0.134%F.S.。在风洞环境中,在侧滑角-4°~4°变化范围内,对飞机实体模型的三个监测点进行压力测量实验,并将压力测量结果与Ansys-Fluent软件模拟仿真结果做对比。结果显示,光纤法珀压力传感系统与模拟仿真数据变化趋势相同,全量程误差为0.38%F.S.,证明此系统能够提供可靠的压力数据,真实反映飞机模型被监测位置在风洞中的受力情况。

基于伺服电动机目标位置控制实验平台

针对传统三闭环控制方法无法满足一些高性能位置伺服控制的问题,为提高伺服系统自动化和电气工程及其自动化专业的工程创新教学水平,自主设计和开发可验证、可评价的开放性实验项目。搭建了基于PLC的工艺对象驱动伺服电动机控制平台,采用博图软件对控制器和驱动器进行硬件组态,实现伺服电动机实时转速、转向、制动和定位等功能设置。以圆盘同步设备操作为例设计切纸机操作系统,指导学生完成牵引辊和横切刀的点动、回零、定位和同步功能设置。以项目实施的形式进行实践教学,提高新工科背景下学生解决复杂工程问题的能力。

基于多级冲击高压发生装置的虚拟仿真实验平台

针对冲击高压试验存在高危险性、高耗能和高成本等问题,依托国家级虚拟仿真教学实验中心,开发了多级冲击高压发生装置的虚拟仿真教学资源。基于HTML5技术设计了3级冲击电压发生器模型,明确了冲击高压的获取及测量方法;根据多级测量法和升降测量法,分析不同工况下U50%击穿特性;设计了棒-板间隙极性效应测试模型,展示了自持和非自持放电阶段空间电荷发展过程。解决了冲击高压实验平台建设成本高、破坏性实验不可重复、实验现象非可视化的问题,增强学生对冲击高压实验现象的直观认知,提升冲击高压实验教学效率,有利于推动实践型人才的培养。

基于色彩信息的自适应进化点云拼接算法

针对现有进化点云拼接算法未使用点云色彩信息的局限性,提出一种基于色彩信息的自适应进化点云拼接算法。使用随机采样与色彩特征点相结合的方式对输入点云进行采样,通过最小化包含色彩约束的点对距离中值建立目标函数,利用自适应进化算法求解两片点云间的最优空间变换,实现点云的有效拼接。对四幅彩色点云进行拼接实验,结果表明,与仅使用空间信息的自适应进化点云拼接算法和其他两种较新的进化拼接算法相比,所提算法在保证同等拼接精度的情况下能够有效缩短拼接时间。