临近空间星敏感器观星能力研究

临近空间飞行器对星敏感器需求日益增加,与空间应用环境相比,临近空间包含大气消光、天空背景光、高速、高温和高动态等影响星敏感器观星能力的新环境.对影响临近空间星敏感器观星能力的因素进行逐级分解,得出视场、灵敏度、星点信噪比和图像处理算法等因素对观星能力的影响机理,并针对信噪比与环境因素和设计因素的关系进行量化分析,在此基础上提出临近空间星敏感器整机参数设计方法.针对特定需求开展原理样机的设计与试验验证,试验数据验证了原理样机能够满足应用需求.

激光近场探测传感器在机器人动态避障中的应用

普通传感器在工业机器人应用中,外部环境的不确定性会对机器人目标探测效果造成影响,导致机器人无法精准避障。为此,研究激光近场探测传感器在机器人动态避障中的应用。确立场景环境坐标系,并利用探测传感器探测出障碍物信息。基于此,采用多激光近场传感器信息融合技术,定位探测的障碍物,从中得出障碍决策值,最终根据障碍决策值,制定激光近场探测传感器动态避障行为,完成动态避障。实验结果表明,通过对该传感器开展机器人静态避障测试、动态避障测试,验证了该传感器应用后的避障精准度高。

纳米环-七聚体金属-介电结构的多重Fano共振特性

为实现可调谐的多重Fano共振特性及设计高灵敏度折射率传感器,本文提出一种纳米环-七聚体金属-介电纳米天线结构,利用有限元方法(Finite Element Method,FEM)研究了Fano共振特性的影响因素和变化规律。研究表明,纳米环-七聚体金属-介电纳米天线的Fano共振特性对高度、入射角度和结构间隙的变化非常敏感;纳米天线的电场强度和电偶极源激发下的珀赛尔系数(Purcell factor,PF)可达134.74 V/m和3214,使得纳米天线中心位置附近的电场强度得到大幅增强;复合纳米天线结构具有较高的灵敏度S和品质因数FOM,分别为1400 nm/RIU和17 RIU^(-1),可作为评价高灵敏度折射率传感器的重要性能指标。本文为实现复合纳米天线结构中Fano共振的可调谐特性提供了一种可行途径,为表面增强拉曼散射、量子发射器和折射率传感器等实际应用奠定了坚实的理论基础。

基于NFC的低能耗温湿度记录系统的设计与实现

针对现有温湿度监测系统存在成本和能耗偏高等问题,设计一款低能耗的温湿度记录系统。该系统基于近场通信(NearFieldCommunication,NFC)和温湿度传感等技术,硬件部分主要由温湿度传感器模块、NFC标签模块、实时时钟(Real Time Clock,RTC)模块以及主控制芯片组成。各模块由锂电池供电,系统提供有效的充电管理,主控制芯片通过输入输出(Input Output,IO)口输出电流给NFC标签等模块供电,以降低能耗。同时,为了方便查阅温湿度记录,设计基于NFC通信的App,可以使用智能手机等便利的移动终端读取温湿度数据,从而实现低成本记录、传输、监测数据。

便捷式智能化大米新鲜度检测系统设计与应用

目的:实现大米新鲜度的快速无损检测。方法:研制一套基于纳米色敏传感器结合近红外光谱分析原理的便携式装置系统。对所采集到的不同掺陈度大米样品所对应色敏传感器的光谱数据,进行多梯度掺陈大米的鉴别与跨批次大米新鲜度的预测。结果:使用Si-CARS-PLS提取光谱特征变量,经LDA算法建模后判别模型的识别率最高,训练集和预测集的识别率分别为97.22%和95.83%。同时,PLSR模型预测跨批次数据具有更强的稳定性,不同批次大米样品数据训练集和预测集的相关系数(R_(c)、R_(p))均稳定在0.95左右,均方根误差(RMSEC、RMSEP)均低于0.2,相对分析误差(RPD)均大于3。结论:该系统具有准确率高、便捷和预测模型鲁棒性好等特点,在大米新鲜度的现场检测中有很好的应用前景。

一种基于交指结构传感器的非金属膜厚度检测方法

金属部件常常在易摩擦损坏金属表面的环境中使用,为了保护金属,常常在金属部件外镀一层非金属膜保护金属。若非金属膜太薄将不能起到保护金属部件的作用,若非金属薄膜太厚,膜表面的均匀度控制较难,非金属膜厚度的不均匀性进而会导致薄膜器件的特征波长度发生变化,而膜层整体误差则会导致非金属膜的性能下降。微波在检测领域有很大的优势,通过微波对非金属材料具有很大的穿透性可以检测非金属膜的厚度。本文提出了一种基于交指结构的新型传感器,用于测量薄膜涂层金属的涂层厚度。实验成功检测到0.9mm~1.2mm镀在铝表面的PVC膜厚度。

近红外传感器测量不同种类土壤含水率的适应性研究

采用我国不同土壤类型地区的5种土壤样品，利用自行设计的近红外传感器测量不同土壤含水率对应的反射光强。选取中心波长1940nm的近红外光为测量光，1800nm为参考光，将两波长的反射光强值换算为相对吸收深度。实测结果表明，随着土壤含水率的增加，相对吸收深度增加，两者间呈线性相关关系。选取独立样品对线性标定模型进行验证，除红土外，其他4种样品的均方根误差均小于6％。通过标定，所设计的传感器能够较好地测定不同土壤的含水率。

基于近红外视觉的机器人室外定位系统

在光照条件可变且存在电磁干扰的环境下,针对机器人室外导航任务,提出了一种基于全景近红外视觉和编码路标的自定位系统.通过近红外光源照明,利用全景视觉识别采用条形编码格式的路标,并利用扩展卡尔曼滤波算法(EKF)融合视觉数据和里程计数据,从而实现机器人自定位.实验证明,该方法消除了室外大范围导航时光照变化对机器人定位结果的影响.

近红外与可见光双通道传感器信息融合的去雾技术

为了对雾霾天气下的图像进行去雾处理,多幅图像去雾算法是常用的方法之一。多幅图像去雾算法也有多种形式,部分算法面临硬件实现困难、获取途径受限或者可实施性弱等问题,而且多幅图像比对处理时常常涉及图像配准,造成算法的实时性差、计算复杂度高等问题。针对以上问题,提出的算法为多幅图像去雾提供了新的思路,基于双目传感器硬件架构能够同时捕获近红外和可见光图像,将近红外传感器图像作为新的数据源,近红外传感器能够在一定程度上穿透雾霾,在雾天捕获可见光传感器无法捕获的图像细节,而且硬件实现简单。可见光图像的颜色信息较丰富,近红外传感器图像对近处场景细节的描述能力较好,捕获的图像稍加校正就能实现完全配准,将近红外图像与可见光图像进行融合,在去雾的同时,可以将近红外传感器图像中的原始细节提取融合到彩色可见光传感器图像中,得到边缘、轮廓等细节信息更加丰富的去雾图像。基于上述思路,借助近红外传感器对边缘细节的描述能力和可见光传感器对颜色信息的反映能力,提出了一种基于近红外与可见光双通道传感器图像融合的去雾算法。首先,将彩色可见光图像转换到HIS彩色空间,分别得到亮度通道图像、色调通道图像和饱和度通道图像。先将其亮度通道图与近红外图像进行融合去雾处理。采用非下采样Shearlet变换(NSST)进行分解,对得到的高频系数进行双指数边缘平滑滤波器保边滤波处理,对低频系数进行反锐化掩蔽处理,通过融合规则和反向变换得到新的亮度通道图像。然后,在对可见光图像的色彩处理中,建立饱和度图的退化模型,采用暗原色原理对参数进行估计,得到估计的饱和度图。最后,将新的亮度通道图像,估计的饱和度图像和原色调图像反映射到RGB空间得到去雾图像。为了验证新算法的有效性,特选取四组雾天拍摄的真实近红外图像与可见光图像进行融合去雾处理,将融合结果与其他两种去雾方法对于彩色可见光图像的去雾效果进行比较。实验结果表明,该算法在提高图像的边缘对比度和视觉清晰度上有较好的效果。并提出将近红外传感器图像作为新的数据源,采用双通道图像融合方法进行去雾处理,为图像去雾提供的新的技术思路是可行的。该算法的优势在于:首先提出将图像融合方法与去雾算法相结合,得到了新的去雾算法的思路。将彩色可见光图像转换到HSI色彩空间,将其亮度通道图与近红外图像采用非下采样Shearlet变换方法进行融合处理,在去雾的同时,可以将近红外传感器图像中的原始细节提取融合到彩色可见光传感器图像中,使得去雾图像中的边缘、轮廓等细节信息更加丰富。其次,提出了在图像去雾算法中采用新的数据源——近红外传感器图像,从图像处理的角度,近红外传感器能够在一定程度上穿透雾霾,对于近处场景细节的描述能力较好,而且硬件实现简单,捕获的图像稍加校正就能实现完全配准,为后续的融合去雾算法带来了便利,为图像去雾提供了新的技术途径和路线。再次,采用的是多幅图像去雾算法,该算法基于双目传感器获取图像,可见光图像的颜色信息较丰富,近红外图像对于近处场景细节的描述能力较好,相对于单幅图像去雾算法,有更好的效果。最后,将可见光传感器图像映射到其他色彩空间,对于每个通道的图像根据其特征有针对性地进行处理。可见光图像的亮度通道图和近红外图像的处理采用了图像融合和增强处理,对于可见光图像饱和度通道的处理采用了图像复原算法,可以从整体上提升去雾效果,对细节特征有了进一步增强。该算法为图像去雾提供了新的技术途径和路线。

近红外传感器在汽车改造技术中的应用研究

利用反射式近红外传感器及语音录放组件,研究了汽车倒车防撞语音提示器。当汽车倒车时,只要距车身后尾一定的距离内有人或物体存在,就会有一部分红外光信号经人或物体反射回来,被与发射管同排安装的光敏接收管收到并转换成同频率的电信号后,由模块内部电路进行放大、解调、整形、比较处理后,在输出端输出控制信号,控制语音录放组件工作,告诉司机车后有人、车后有物体。由于近红外线传感器、语音录放组件均为一体化结构,成本低、接线简单、抗震能力强、测量准确、工作稳定可靠,适合在汽车上安装使用。

土壤成分与特性参数光谱快速检测方法及传感技术

近红外光谱技术在分析土壤成分含量以及理化特性参数方面获得了良好的预测精度。人工神经网络、遗传算法、小波变换和支持向量机等现代数据处理算法的应用,最大限度消除了光谱外界干扰、提取了光谱有效信息,使得土壤特性参数预测分析模型更准确、稳定。在进行土壤参数原位实时光谱检测时,如何消除土壤含水率、土壤粒度等的影响,还需要技术突破。开发便携式或车载式农田土壤光谱实时分析仪,是促进精细农业实践的重要措施,已开发的车载式土壤在线光谱仪可以实现多个土壤参数的分析,并达到了相当高的精度。进一步开发多功能土壤在线检测系统,利用土壤介电特性或机械特性与光谱特性测量结果相互补偿与校正以消除误差并提高测量精度,是未来的发展方向之一。光声光谱、激光诱导击穿光谱和太赫兹光谱技术等现代光谱分析方法在土壤成分与特性参数分析方面表现出很强的能力,开展基础研究,揭示这些光谱技术在不同土壤类型、不同土壤成分条件下的吸收特征参数,是未来的研究方向。

近红外反射高含量泥沙传感器研制

水流含沙量测量是水土流失监测体系的重要内容,开展含沙量测量传感器的研究对于实时监测具有重要意义。为了实现对水流高含沙量的测量,该文根据含沙水对不同光谱的吸收和反射特性,采用1800nm(强水分反射波长)和1940nm(强水分吸收波长)近红外光源开发了泥沙测量传感器和测量装置,并对新型传感器进行了标定试验,分别建立了取自黄河、渭河和天水的泥沙与传感器输出信号之间响应关系。结果表明,当含沙量小于300kg/m3时,测量得到的反射光强度随含沙量的增加而增加,传感器输出信号与含沙量之间具有很好的线性相关性,并建立了线性模型,决定系数均大于0.9。为了验证模型的精度,将实际含沙量与模型计算含沙量进行比较,结果表明,二者回归系数接近于1,相对误差小于10%,可以使用模型计算值代替实际含沙量。2种波长的传感器对含沙量的测量范围均为1～300kg/m3,当含沙量大于10kg/m3时测量精度大于90%,同时传感器精度受到泥沙种类、吸光物质和气泡等其他因素的影响。设计的传感器可以满足对高含沙量水流的测量要求,适用于土壤侵蚀严重的地区。研究结果在水土流失自动监测中具有良好的应用前景。

Progress of Materials and Devices for Neuromorphic Vision Sensors

The latest developments in bio-inspired neuromorphic vision sensors can be summarized in 3 keywords:smaller,faster,and smarter.(1)Smaller:Devices are becoming more compact by integrating previously separated components such as sensors,memory,and processing units.As a prime example,the transition from traditional sensory vision computing to in-sensor vision computing has shown clear benefits,such as simpler circuitry,lower power consumption,and less data redundancy.(2)Swifter:Owing to the nature of physics,smaller and more integrated devices can detect,process,and react to input more quickly.In addition,the methods for sensing and processing optical information using various materials(such as oxide semiconductors)are evolving.(3)Smarter:Owing to these two main research directions,we can expect advanced applications such as adaptive vision sensors,collision sensors,and nociceptive sensors.This review mainly focuses on the recent progress,working mechanisms,image pre-processing techniques,and advanced features of two types of neuromorphic vision sensors based on near-sensor and in-sensor vision computing methodologies.

基于Overhauser传感器的近地表UXO磁梯度法探测技术

实现对UXO的有效探测对保障战时己方人员安全与装备机动,以及战后人民生命财产安全和地区经济发展都具有重要的意义。目前,我国在UXO探测领域,方法理论研究方面,存在基础相对较薄弱、相关文献很少的问题;探测仪器方面,存在传感器灵敏度低(不能分辨小型航弹产生的微弱异常场)、信号提取手段落后的问题。针对这些问题,通过采用磁梯度探测方法、高精度Overhauser传感器来提高UXO探测灵敏度。首先,建立了适合航弹磁法探测的三度体的圆柱体模型,并对航弹的ΔT磁异常和垂直磁梯度异常进行了数值模拟和比较;然后,进行了背景磁场干扰和物理模型实验,验证了磁梯度法的可行性和优势;在此基础上,研究了动态核极化效应、自由基物质、Larmor信号的处理和抗干扰设计,并最终研制了基于动态核极化效应的Overhauser传感器及样机,在人工磁场发生空间中的测试结果表明其不确定度和国外主流传感器一致,均为0.3 nT。最后,在野外进行了对25 kg航弹的探测实验,测试结果表明其极限探测距离可以达到2.5 m,优于国产现役的探测器。

基于近场通信技术的无线无源体温传感器

该文设计了一种无线体温传感器(WBTS),无需单独电源供电,使用时只需将WBTS与具有近场通信(NFC)功能的手机贴近即可在应用程序上实现体温数据的实时采集。WBTS主要由数字体温探头(d-BTP)、NFC模块和天线三部分组成。d-BTP采用单片芯片实现体温数据的采集和处理,NFC模块和天线实现NFC手机和WBTS之间的无线能量传输和数据通信。d-BTP和NFC模块之间采用通用异步传输收发器通信协议,并采用数据压缩技术提高传输效率和降低功耗。经过测试,在(32~42)℃范围内,WBTS的误差为±0.1℃。WBTS具有精度高、功耗低、抗干扰能力强、无需独立电源供电等特点,可以集成到可穿戴设备中用于体温监护和健康管理。

传感网支持下的洪涝事件过程监测与准实时服务方法及验证

洪涝过程探测与准实时服务对于保障人民生命和财产安全意义重大。通常洪涝探测仅关注洪涝断面/平均状态,缺乏对洪涝从发生、发展乃至最后结束的全过程的整体认知,且洪涝探测和服务被动滞后。本文制定洪涝过程探测规则,改进水位预测模型,并将其作为理论基础,与传感网信息模型和服务接口相结合,提出了洪涝过程动态探测与准实时服务(process-based flood detection and service,PFD&S)方法。以PFD&S方法为基础,设计并开发了PFD&S原型系统,该系统由传感器层、数据接入层、洪涝探测层和用户交互层4层组成,且具备传感器数据发布和洪涝事件订阅两种使用模式。文中以2016年夏季发生在黄汉流域的洪涝事件为例,对PFD&S方法的可行性和有效性进行验证。结果表明,PFD&S方法和系统能够精准判断洪涝事件所处阶段,并根据不同阶段的需求提供水位预测、洪涝预警或洪涝信息统计等服务,且方法具备准实时性和可扩展性特征。

血氧含量和血流量变化光纤检测系统的研制

提出了一种利用内耳血氧含量及血流量变化作为检测参数的测量系统。在波长分别为660 nm和810 nm处,利用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对近红外光的吸光系数不同的原理,依据朗伯-比尔定律推导出适于测量血氧含量及血流量变化的工程公式,设计的传感器实现了测量内耳组织血氧饱和度和血流量变化两种人体生理信号的采集和转换。该系统通过输送数据到PC机,实时反映二者的关系,实验结果表明,在20%~100%血氧饱和度范围内,测量精度为3%,从而为人体眩晕判断提供了较有力的理论依据。

基于双电磁矢量传感器的近场源多参数估计

基于双电磁矢量传感器(EVSs),提出一种新的近场源频率、波达方向(DOA)、距离和极化参数联合估计方法。该方法首先计算近场源的频率以及其在两个电磁矢量传感器处的二维DOA和极化参数,然后利用几何方法或搜索方法,得到近场源的距离估计。该方法仅需要两个电磁矢量传感器,节约了阵列孔径,适合于阵列孔径有限的场合。估计过程中仅需一次互相关以及特征分解等简单的运算,且各参数自动配对,节省了运算量。实验结果验证了该方法的有效性。

能量自采集近红外创伤治疗系统

为解决传统伤口治疗系统硬质电池的痛点,同时提供更加精准且便携的红外治疗服务,文中设计一种全集成且无源无线的近红外创伤治疗系统。该系统将近场通信(NFC)和柔性电子技术相结合,可以使用柔性化电路和智能手机实现无线能量采集、数据传输、现场信号处理及红外光释放控制。手机靠近系统时,传感器实时采集伤口和正常皮肤的温度差数据,以此判定伤口状态并发送至手机,同时控制红外二极管发送近红外光对伤口进行治疗。生物实验结果表明,所设计系统能够加速伤口愈合,在伤口治疗方面是有效的。文中系统利用近场通信和红外治疗的优势,实现传感和治疗的无电池集成设计,可为开发集监测、诊断和治疗于一体的闭环红外医学系统提供一个可行的解决方案。

近红外二极管激光气体光学传感器发展现状及其应用

介绍了以近红外二极管激光吸收光谱为基础的气体光学传感器的测量原理以及二极管激光光学传感技术在垃圾焚烧炉实时监控、气体管道泄漏检测、汽车尾气排放等方面应用的最新进展,并对二极管激光光学传感的发展趋势进行了展望。