细菌群体感应信号分子的光电检测技术

群体感应(quorum sensing,QS)是一种依赖菌群密度的细菌交流系统。在探究细菌群体感应系统的调控机制中,对QS信号分子的鉴别和检测是不可或缺的环节,其对生命科学、药学等领域涉及细菌等微生物的相互作用、高效检测和作用机制解析等具有重要的参考意义。本文在总结不同类型细菌QS信号分子来源和结构的基础上,对QS信号分子的光电检测方法和技术进行了综述,重点对光电传感检测的敏感介质、传感界面、传感机制及测试效果进行探讨,同时关注了将微流控芯片分析技术应用于细菌QS信号分子原位监测的相关研究进展。

基于微流控芯片的细胞-细菌相互作用光电检测技术

细胞/细菌及其相互作用研究对于生命科学、药物研发、医学诊疗等领域的研究具有重要意义。微流控芯片分析技术因微环境可控、生物相容性好、检测并行性、微型化等特性,正发展成为细胞/细菌及其相互作用研究的高效手段。本文在简要介绍基于微流控芯片分析技术的细胞-细菌分析方法和技术基础之上,对微流控芯片上细胞-细菌相互作用模型的建立进行了讨论,重点针对细胞-细菌及其相互作用过程的芯片检测进行了综述,尤其对芯片集成的光电检测技术及其测试效果进行总结和比较。通过芯片集成微流体控制、多种光电传感监测模块,使微流控芯片分析技术成为细胞/细菌及其相互作用过程分析和检测的支撑平台和优势手段。最后,对微流控光电检测技术在细胞-细菌相互作用检测中面临的挑战及发展趋势进行了讨论和展望。

复杂结构光场的多自由度协同调控技术研究进展

对光场各自由度的单一或协同调控获得的结构光场由于具有新颖的物理性质,展现了重要的研究意义和应用价值。例如,轨道角动量作为一种全新的调控自由度直接影响光场相位与空间分布,常通过单独作用或共同作用构造高维空间,调控生成的涡旋光场及矢量光场已广泛应用于超大容量光通信、遥感探测、量子通信等领域。在此基础上,针对日益发展的前沿应用需求,引入新的光场调控自由度与传统自由度结合,进一步拓展高维和多维的结构光场研究成为了亟待解决的问题。本文首先从双自由度调控技术出发,以矢量涡旋光场为重点介绍了两种典型内癝自由度的耦合以及作用方式;在此基础上,结合本课题组的相关工作,系统综述了超越传统自由度并打破双自由度数目限制的复杂结构光场调控技术。

水下光电成像技术与装备研究进展(下)

鉴于对深海资源开发、海洋科研以及水下工程作业、考古和救援的迫切需求,使得水下光电成像技术研究和装备研制成为当前国内外重点研究方向之一。介绍了扫描激光、偏振成像、结构光成像、光-声混合成像以及水下图像处理等水下光电成像技术,分析了部分技术应用情况,并讨论了其技术特点。论文对于发展海洋资源开发、水下勘探与研究、水下救援以及国防等所需的水下光电成像技术和装置具有意义。

微光(可见光)／红外彩色夜视技术处理算法及系统进展

彩色夜视技术是国内外重点发展的关键技术之一,将多波段图像融合成一幅适于人眼观察及目标探测的彩色图像。按照彩色夜视融合算法进展及融合结果的自然感程度,介绍并分析了基于色彩传递的自然感彩色夜视算法及最新进展,基于ICA域的真彩色融合算法。随着先进夜视成像装置和实时信号处理技术的飞速发展,国内外已提出多种彩色夜视融合系统,部分已进入使用/装备阶段。介绍并分析了几种已使用/装备的光学式实时彩色夜视融合系统和数字式实时彩色夜视融合系统。

水下光电成像技术与装备研究进展(上)——水下激光距离选通技术

激光距离选通成像技术是当前国内外不断发展且应用有效的水下光电成像技术之一,国外20世纪90年代后陆续公开了一些水下光电成像探测系统和实验结果。结合海洋资源勘探、水下救援和侦察等应用领域的需求,全面介绍并对比分析了当前国内外典型水下激光距离选通成像装置和性能水平,讨论了其技术特点,对水下激光距离选通成像技术的发展和装置应用具有意义。

微光偏振成像系统设计及实验

为了实现对运动目标或变化场景的同时成像,根据偏振成像原理,基于孔径分割技术设计了一套微光偏振成像系统.开展了微光偏振成像实验,在实验室条件下定性分析了偏振成像的优势,研究了不同照度下偏振成像的准确度.通过改变偏振出射光束的照度,运用获得的偏振图像计算了该照度下光束的偏振度和偏振角.与真实偏振度、偏振角信息对比分析表明,当环境照度大于10-2 lx时,偏振成像能够比较准确地还原场景的偏振信息,改善微光成像质量.经过优化,该系统MTF在56lp/mm处所有视场下均不小于35%.

激光3D成像系统主被动探测技术的研究进展

随着探测器件技术的进步,新概念的主/被动3D成像技术将主被动探测技术优势有机结合起来,能同时获得目标更加丰富的图像信息(如距离像、强度像、距离-角度像等),从而为正确识别和跟踪目标提供更多的决策信息,大大提高了目标识别概率和可靠性。本文首先介绍了激光3D成像系统的发展现状,重点介绍了林肯实验室研制的Gen-III系统和美国航空航天局的自主精确着陆和危险的检测避免技术项目的 3D闪光激光雷达系统,接着结合HgCdTe雪崩光电二极管(APD)器件的特点介绍了下一代激光3D成像系统主被动探测技术的发展。最后对激光3D成像系统主被动探测技术的未来应用前景进行了展望。

考虑探测器γ特性的光电偏振成像系统偏振信息重构方法

由于探测器响应的γ特性,造成光电偏振成像中直接利用图像灰度重构的偏振信息与真实目标场景偏振信息的严重偏离,基于重构偏振信息的后续定量化处理将完全失去意义.为此,提出了一种考虑探测器γ特性的光电偏振成像系统偏振信息重构方法,分别针对分时和同时偏振成像模式分析了实现方法,并设计进行了实际偏振成像实验.实验数据表明:探测器γ特性直接影响偏振成像系统重构的斯托克斯矢量和偏振度,γ值偏离1越大,直接利用图像灰度重构的偏振度的重构误差也越大;该偏振信息重构方法能够准确地重构出目标场景的斯托克斯矢量和偏振度信息,为后续偏振成像的研究和定量应用奠定了理论基础.

多孔径仿生复眼成像系统技术进展综述

昆虫复眼是一种理想的小型化、多孔径、大视场的视觉系统,具有智能特征,虽然由于每个复眼的孔径尺寸和数值孔径都很小,使昆虫复眼的视力较差,但是其对运动目标却有很高的探测灵敏度,且对光的强度、波长和颜色等都有较强的分辨力。长期以来,人们一直致力于昆虫复眼的特性以及仿生昆虫复眼的研究。对目前常见的复眼类型和现有的各种类型的仿生复眼系统研究进展进行了深入分析,对比了各种类型仿生复眼系统的结构和技术特点,并对仿生复眼系统的发展趋势进行了展望。

多传感器大视场成像系统设计及关键技术研究

为完成大幅面静态图像的采集,设计了基于多传感器阵列的大视场成像系统。提出了一种改进的基于SIFT算子的图像匹配方法对采集的图像进行匹配,有效地降低了误匹配率。推导了目标视场角与图像间重叠区域的关系以及成像平台参数和图像间重叠区域的关系,用于计算图像间的重叠比例,并只在重叠区域内进行特征点的定位、图像的匹配及拼接,有效地缩短了图像拼接时间。提出了一种改进的重叠区域渐入渐出融合算法对图像进行融合,得到了理想的融合效果。

超能见度光电成像系统的最低工作照度转换问题

通过近红外高通滤波和数字图像处理技术,可明显提升低能见度条件下光电成像系统的作用距离,但是近红外高通滤波也提高了系统的最低工作照度。根据光电成像原理,研究了超能见度光电成像系统的最低工作照度转换问题,给出了在实际光学系统F数和近红外高通滤波条件下的最低工作照度计算方法,对光电成像系统的设计分析具有理论指导作用。

红外偏振成像系统性能评估模型

红外偏振成像系统快速发展且应用广泛,但评估其性能的成像系统性能模型发展不足。迫切需要能够与先进的偏振成像系统相匹配的性能模型。利用深度学习网络的训练过程与人脑提取认知信息过程的相似性,本文首次将深度学习方法引入系统性能模型领域,提出了一种基于二维图像的可自动评估系统性能的红外偏振成像系统性能模型。该模型主要包含两个主要模块:退化模块、性能感知模块。在评估一个新的系统时,需要输入高质量的原始图像,并根据系统的硬件参数量身定制成像系统退化模块,退化完成后输入性能感知模块,从而得到最终的目标获取性能。为验证模型有效性,本文基于红外辐射理论自建了面向海面场景的红外偏振数据集,训练网络并进行测试。应用该模型对红外偏振成像系统的性能进行评估,评估结果与主观感知具有较好的一致性。

多通道能谱分析系统的通道复用技术

能谱分析是一种重要的核辐射分析方法,探测器将接收到的核辐射脉冲转化为电信号,经电路整形后送入ADC进行数模转换,然后再经处理器处理得到能谱数据。ADC采样率和采样位数越大,测得的核脉冲信号就越准确,系统的能量分辨率就越高。而高采样率与采样位数往往不可兼得,为了提高能谱分析系统采样率,提出采用通道复用技术让多个16位ADC并行采样以提高采样率。使用NI公司的8通道USB-7845R数据采集卡,将两个采样率为500k/s的ADC复用得到1 M/s的采样率,构建了4通道的能谱分析系统,验证了通道复用技术的可行性和稳定性。实验结果表明,多通道复用技术可以在不改变硬件电路的情况下提高能谱分析系统的采样率,从而提高能量分辨率。

天然气泄漏被动式红外成像检测技术及系统性能评价研究进展

由于被动式气体红外成像检测技术具有检测效率高、直观可视和不需要激光照明等特点,成为石油天然气泄漏检测的重要手段。从红外成像检测石油天然气等烷类气体泄漏的原理出发,重点介绍了国内外具有代表性的红外探测器、气体泄漏红外成像检测系统,分析了其技术特点和成像系统中的一些关键技术;归纳总结了气体探测系统性能评价技术的发展现状,对于气体检测技术应用和系统性能改善具有较大的参考作用。最后,分析了烷类气体泄漏红外成像检测技术发展的方向及存在的问题。

用于并行压缩感知成像系统的观测矩阵优化算法

压缩感知理论为遥感空间超分辨技术提供了一种新的实现方式。其中观测矩阵决定着压缩感知的采样规则,设计和优化观测矩阵对于保证信号的重构品质具有重要意义。文章在并行压缩感知成像系统的基础上,提出了一种基于列独立性和互相关性的观测矩阵优化算法。算法通过正交三角分解增强观测矩阵的列向量独立性,再通过特征值分解和等角紧框架约束来降低观测矩阵与稀疏矩阵之间的互相关性。同时,文章还提出了一种基于阈值分割的优化方法,将观测矩阵转化为便于硬件实现的二值矩阵,在降低了硬件加工难度的同时,进一步增强了观测矩阵的效果,提高了优化算法的实用性。仿真实验证明,文章提出的优化算法相较于传统优化算法在峰值信噪比方面提升1~2 dB,具有更好地优化效果。

环形腔单频激光振荡及功率放大系统研究

设计研制了波长为1064 nm的半导体激光器泵浦单频Nd∶YAG激光振荡及功率放大系统。仿真分析了激光晶体的端面温度分布,采用低掺杂浓度激光晶体和端面键合方式有效改善了晶体棒的端面热效应。激光振荡级采用环形腔内插入法拉第旋光器、偏振片、半波片和声光Q开关的方式,在重复频率25 Hz下获得了能量2.18 mJ、脉冲宽度63.2 ns的单向单频脉冲激光输出。经过一级放大后,最终获得了能量15.85 mJ、脉冲宽度62.7 ns的单频脉冲激光输出。

Time-of-Flight透散射介质成像技术综述

Time-of-Flight (ToF)成像是利用光在目标和相机之间的飞行时间来获取场景的深度信息,具有体积小、成本低、实时成像等优势。在散射环境中,由于散射介质对光的散射作用,ToF成像受到多径干扰的影响,深度测量误差较大,限制了ToF相机在散射场景中的应用。ToF透散射介质成像技术是校正因散射光引起的多径干扰效应,从传感器接收到的混叠信号中分离出目标分量,实现散射场景中的深度信息恢复,其在雾天自动驾驶、水下勘测、生物医学等领域具有广阔的应用前景。依据ToF成像系统的不同,详细介绍了PL-ToF和CW-ToF成像的基本原理,阐述和分析了散射场景中ToF稳态成像和瞬态成像的机理和特点,分别回顾和总结了ToF稳态成像和瞬态成像的透散射介质成像研究现状,并介绍了ToF透散射介质成像的应用前景,最后依据现有ToF透散射介质成像技术的优缺点,对未来发展趋势进行了展望。

化工园区工业气体泄漏气云红外成像检测技术与国产化装备进展

化工园区工业气体泄漏防范预警是当前生产过程的重要环节,关系到安全、双碳达标、环境保护问题。本文在介绍工业气体泄漏常规单点检测、激光检测、红外成像检测等先进技术的基本原理和典型产品的基础上,分析了适合现场泄漏气云红外成像检测技术及其国产化装备特点,对实验室理论和关键技术突破后进一步实现工程化应用需要解决的关键技术进行了分析,对促进国内化工园区气体泄漏防范技术发展和装备推广具有意义。

基于分子印迹技术的细菌传感检测

分子印迹因其材料结构的稳定性及靶标物识别的特异性而被广泛应用于生化分离分析的相关领域。近年来,将具有选择性捕获、分离和富集靶标物等优势的分子印迹技术与生化传感检测技术有机结合,是目前细菌等微生物高效检测领域备受关注的研究热点。本文就分子印迹技术在细菌分析中的印迹方法、分析检测技术和典型应用等方面的最新进展进行综述。首先介绍了细菌分子印迹原理,对表面印迹的材料以及直接压印、间接印迹和电聚合等制备方法进行了总结和归纳;重点对基于荧光、电化学、石英晶体微天平(QCM)等检测模式的细菌印迹传感监测在细菌分析检测及其与微流控芯片技术耦合的应用和进展进行了综述;最后,提出了存在的挑战及发展的趋势。