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光谱学与光谱分析 2024年第1期44卷 82-87页

作者：郑培超尹义同王金梅周椿棪张莉曾金锐吕强重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室重庆400065

在工业锅炉中随着水蒸气蒸发,大量的钙镁离子留在炉水中,如果不加处理,在水冷管中会形成水垢,造成爆管停炉。为了保障设备的安全运行,消除安全隐患,工业上通过维持水中一定含量的磷酸根离子来去除锅炉中的钙、镁水垢。传统的磷酸根离子... 详细信息

在工业锅炉中随着水蒸气蒸发,大量的钙镁离子留在炉水中,如果不加处理,在水冷管中会形成水垢,造成爆管停炉。为了保障设备的安全运行,消除安全隐患,工业上通过维持水中一定含量的磷酸根离子来去除锅炉中的钙、镁水垢。传统的磷酸根离子检测技术主要有比色法、分光光度法、色谱法、电位法等,这些方法前期处理步骤较繁琐且耗时较长。光谱法是通过测定物质的吸收光谱并建立和浓度关系的数学模型,对物质浓度定量的一种分析方法。为了满足磷酸根离子快速、实时测量的要求,提出了一种基于紫外吸收光谱结合SPA-ELM算法快速测量磷酸根离子的方法。按照我国《工业锅炉水质GB/T 1576—2018》中所规定的进入热水锅炉前的水质参数要求,配置37份浓度范围在5~100 mg·L^(-1)磷酸根溶液,使用搭建的实验装置,采集紫外吸收光谱。使用SPXY将样品按照7∶3的比例随机划分训练集、测试集;使用Savitzky-Golay(S-G)滤波对数据预处理以提高光谱的信噪比;通过连续投影算法(SPA)压缩光谱数据,筛选出5个与磷酸根强相关的特征波长;使用极限学习机(ELM)将特征波长处的吸光度与样本浓度进行拟合,以决定系数R2和均方根误差RMSE作为模型评价指标,建立磷酸根离子的回归模型。采用所提出的建模方法所建立的模型训练集的R2与RMSE分别为0.9972和1.3015 mg·L^(-1),测试集的R^(2)与RMSE分别为0.9995和0.5174 mg·L^(-1)。为了验证所提出的SPA-ELM预测模型效果,另外建立了LASSO-ELM、PCA-ELM、SPA-PLS和SPA-SVR四种预测模型进行对比。实验结果表明,SPA-ELM建立的预测模型的R2和RMSE均优于其他四种预测模型,说明采用的特征选择方法和回归方法均为最优,能够对磷酸根浓度范围为5~100 mg·L^(-1)的水体进行准确预测,为水中磷酸根离子的检测提供了一种新的解决方法。

关键词：磷酸根离子紫外吸收光谱连续投影算法极限学习机

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基于KPCA-PSO-ELM算法的地表水化学需氧量紫外-可见吸收光谱检测研究

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光谱学与光谱分析 2024年第3期44卷 707-713页

作者：郑培超周椿棪王金梅尹义同张莉吕强曾金锐何雨欣重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室重庆400065

化学需氧量(COD)是水质检测重要指标之一,反映水体有机物含量。传统的COD化学检测方法存在操作繁琐,等待时间长,二次污染等缺点。紫外-可见吸收光谱法是目前水体化学需氧量检测中应用最为广泛的方法之一,具有检测快速、无污染等特点。... 详细信息

化学需氧量(COD)是水质检测重要指标之一,反映水体有机物含量。传统的COD化学检测方法存在操作繁琐,等待时间长,二次污染等缺点。紫外-可见吸收光谱法是目前水体化学需氧量检测中应用最为广泛的方法之一,具有检测快速、无污染等特点。为了满足地表水化学需氧量快速、实时、在线监测等要求,采用紫外-可见吸收光谱进行测量,提出了内核主成分分析(KPCA)结合粒子群优化极限学习机(PSO-ELM)预测模型,满足当前对地表水化学需氧量快速、实时监测的要求。对光谱进行Savitzky-Golay(SG)滤波以降低随机噪声的影响;用积分光谱代替原光谱,以降低信号波动带来的影响;再将得到的光谱信息归一化,消除不同光谱数据量纲的影响。将预处理后的数据利用KPCA算法将全光谱数据压缩为5个特征,有效解决光谱信息冗余的问题;采用PSO算法对ELM的权重和偏置进行优化极大提高了模型的精度。对217个河流、长江及支流、湖库等地表水样本按照7∶3随机划分成训练集和测试集,并进行建模测试,其中训练集拟合优度(R2)为0.930 2、均方根误差(RMSE)为0.363 0 mg·L^(-1)、测试集拟合优度R2为0.931 9、均方根误差(RMSE)为0.400 7 mg·L^(-1)。为了验证提出的基于KPCA全光谱数据压缩方法对预测模型的提升效果,分别对比了主成分分析(PCA)、连续投影算法(SPA)、套索回归(LASSO)等特征处理算法。PCA-PSO-ELM模型的RMSE为0.715 1 mg·L^(-1)、 SPA-PSO-ELM模型的RMSE为0.473 7 mg·L^(-1)、 LASSO-PSO-ELM模型的RMSE为0.412 6 mg·L^(-1), KPCA-PSO-ELM模型较上述三种模型,RMSE分别降低了78.46%、 18.22%、 2.97%,结果表明KPCA是一种高效的光谱降维算法,能够有效消除光谱冗余信息,提升模型预测精度。基于KPCA-PSO-ELM预测模型结合紫外-可见吸收光谱可以实现对地表水COD快速、实时检测,为在线COD检测场景提供方法支撑。

关键词：化学需氧量紫外-可见吸收光谱内核主成分分析极限学习机

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表面增强拉曼散射信号长程探测研究进展

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光谱学与光谱分析 2023年第8期43卷 2325-2332页

作者：赖春红张芝峻文靖曾诚张琦重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室重庆400065

表面增强拉曼散射(SERS)技术具有灵敏度高、检测速度快、能够实时分析等优势,广泛应用于医疗、生物、食品安全、环境监测等领域。目前SERS信号探测方式主要有单点探测、长程探测两种方式。由于存在样品分子分布不均、激光光斑探测范围... 详细信息

表面增强拉曼散射(SERS)技术具有灵敏度高、检测速度快、能够实时分析等优势,广泛应用于医疗、生物、食品安全、环境监测等领域。目前SERS信号探测方式主要有单点探测、长程探测两种方式。由于存在样品分子分布不均、激光光斑探测范围有限等因素干扰,单点探测方式的重复性易受到影响。为了弥补单点探测的不足,近年来以光波导和光纤为载体的拉曼信号长程探测被大量研究。归纳总结了近几年SERS信号长程探测的研究进展,并分析了当前长程探测方式面临的挑战和未来发展趋势。首先,介绍了单点探测和长程探测基本原理。其次,介绍了基于光纤的SERS信号长程探测研究进展。基于光纤的SERS信号长程探测方式包括空心光纤和实心光纤两类。基于空心光纤的SERS信号长程探测方式采用空心光纤作为液体输运与信号传输的复合通道,具有厘米量级的有效探测距离以及较高灵敏度,但该探测方式进样困难且复合通道内待测样本分子不易彻底清洗;基于实心光纤的SERS信号长程探测,通常使用物理或化学手段对实心光纤的固有结构进行处理,探测距离一般在微米至毫米量级,该类型的制作难度相对较高。然后概述了基于光波导的SERS信号长程探测研究情况。基于液芯光波导的SERS信号长程探测方式将微流体与SERS相结合,可有效增加样品分子与SERS“热点”的接触面积,提高其探测灵敏度。该方式可达到单分子检测水平,但在微通道中制备增强介质存在困难。基于固体光波导的SERS信号长程探测目前大多处于理论分析阶段,常通过仿真软件对SERS长程探测结构进行研究分析,探明其作用过程机理。最后,对SERS信号长程探测方式研究进展进行了总结和展望,并提出可行的研究建议,为SERS信号长程探测相关研究提供参考依据。

关键词：表面增强拉曼散射长程探测光纤光波导

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基于SG-Lasso-PLS融合算法的水体硝酸盐氮紫外光谱检测研究

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光谱学与光谱分析 2023年第4期43卷 1037-1042页

作者：王金梅何适张航熙杨晨尹义同张莉郑培超重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室重庆400065

硝酸盐氮(NO3-N)是水中“三氮”(硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮)之一,能够反映水体受污染的程度,是水质评估的一项重要指标。水体中的硝酸盐氮浓度过高不仅会导致水环境污染加重,而且会对人畜及水产构成较大威胁。传统的硝酸盐氮检测必须... 详细信息

硝酸盐氮(NO3-N)是水中“三氮”(硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮)之一,能够反映水体受污染的程度,是水质评估的一项重要指标。水体中的硝酸盐氮浓度过高不仅会导致水环境污染加重,而且会对人畜及水产构成较大威胁。传统的硝酸盐氮检测必须先反应后测定,具有时间长、操作复杂、有二次污染等缺点。光谱法具有快速、无损、无试剂消耗等显著优点。针对硝酸盐氮难以快速检测的问题,提出了一种基于紫外吸收光谱的快速定量分析硝酸盐氮的方法。采集42份浓度为0~20 mg·L^(-1)的硝酸盐氮标准溶液样本的紫外吸收光谱,每份样本经11次平均处理以减少仪器噪声和环境的影响。采用SPXY算法按照7∶3的比例划分训练集、测试集,对紫外吸收光谱数据使用Savitzky-Golay(SG)滤波算法进行预处理,通过10折叠交叉验证获得套索回归(lasso regression)合适的正则化参数λ=0.2036,再使用Lasso回归在全光谱范围内筛选出与硝酸盐氮相关的光谱特征波长,将特征波长处的吸光度与样本浓度进行偏最小二乘(PLS)拟合建立硝酸盐氮的回归模型。采用此建模方法所建立的模型训练集的R2与RMSE分别为0.99991和0.06015 mg·L^(-1),测试集的R2与RMSE分别为0.99972和0.04691 mg·L^(-1)。为了验证提出的SG-Lasso-PLS预测模型效果,另外建立了Lasso-PLS,SG-PCA-PLS和SG-PCA-SVR三种预测模型进行对比。验证结果表明,SG-Lasso-PLS建立的预测模型的R2和RMSE均优于其他三种预测模型。说明SG滤波能够消除光谱信号的随机噪声,提高模型的预测精度。与PCA数据降维算法相比,Lasso可实现全光谱范围内的光谱特征选择和数据降维,能有效消除光谱数据的冗余信息,提高模型的预测精度。因此,本文提出的SG-Lasso-PLS混合模型能够快速准确的对水体中的硝酸盐氮进行预测。作为硝酸盐氮浓度检测的基础研究,能为快速无污染的水质在线监测场景提供算法参考。

关键词：硝酸盐氮紫外吸收光谱 Lasso回归 PLS回归

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基于LIBS技术结合内标法的烧结矿碱度测量研究

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中国激光 2023年第22期50卷 167-174页

作者：王金梅卢健树郑培超刘少剑李刚陈光辉重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室重庆400065

对检测烧结矿的实验参数进行优化,使其光谱信号的相对标准偏差(RSD)维持在4%左右。再结合内标法,分别选择合适的Fe元素谱线作为Ca、Si元素的内标谱线,利用内标后的比值与碱度值进行拟合分析。相比于无内标方法,其校准模型的决定系数(R2)... 详细信息

对检测烧结矿的实验参数进行优化,使其光谱信号的相对标准偏差(RSD)维持在4%左右。再结合内标法,分别选择合适的Fe元素谱线作为Ca、Si元素的内标谱线,利用内标后的比值与碱度值进行拟合分析。相比于无内标方法,其校准模型的决定系数(R2)从0.468提升至0.951,且预测值的相对误差最高为1.14%。结果表明,在实验条件优化下,内标法对烧结矿碱度的预测精确度高。

关键词：光谱学激光诱导击穿光谱内标法烧结矿碱度稳定性

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RIS 辅助的MIMO系统安全鲁棒资源分配算法

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信号处理 2025年第3期41卷 504-514页

作者：李国权刘婷刘梦洁庞宇林金朝重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065 光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室重庆400065

信息业务的快速发展使得无线通信系统对频谱效率和系统容量的要求更高。可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)能够通过调整反射单元的反射系数来重新配置无线传输环境,从而有效提升系统性能和频谱效率。然而,无线信... 详细信息

信息业务的快速发展使得无线通信系统对频谱效率和系统容量的要求更高。可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)能够通过调整反射单元的反射系数来重新配置无线传输环境,从而有效提升系统性能和频谱效率。然而,无线信道的开放性使得传输数据的安全性无法得到有效保证。物理层安全(Physical Layer Security,PLS)技术充分利用无线信道的物理特性对传输信息进行加密,是从物理层解决无线通信易受到窃听攻击的重要手段,但其安全性能又受到用户信道状态信息(Channel State Information,CSI)的影响。针对无线通信系统的高频谱效率需求和用户CSI不完美导致的系统安全性能损失较大的问题,构建了一个存在多个窃听用户的RIS辅助多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统模型,并提出了一种安全鲁棒资源分配算法。首先,在基站(Base Station,BS)发射功率和RIS相移约束下,针对窃听用户CSI不完美的情况,建立了一个联合优化BS天线功率分配和RIS无源波束成形最大化合法用户保密速率的资源分配模型。随后,提出了一种针对上述多变量耦合的具有无穷多非凸约束的非凸问题求解算法。针对多变量耦合难以求解的问题,利用交替优化方法将原问题转化为了BS发射协方差矩阵优化和RIS相移优化两个子问题,并采用Charnes-Cooper变换、S-Procedure方法和基于惩罚函数的凸差算法分别转化为凸优化问题完成问题求解。最后通过收敛性和复杂度分析,证明了算法的可行性和有效性。仿真结果表明,所提算法在存在多窃听用户和窃听信道有界不确定性的情况下具有更优的合法用户保密速率和鲁棒性。

关键词：多输入多输出可重构智能表面鲁棒资源分配非完美信道状态信息保密速率

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RIS辅助的MISO系统安全鲁棒波束赋形算法

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电子与信息学报 2023年第8期45卷 2867-2875页

作者：李国权党刚林金朝徐勇军黄正文重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065 光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室重庆400065

为解决无线信道开放性导致的信息传输安全及信道估计误差等不确定性带来的系统传输性能恶化问题,该文提出一种存在用户窃听的可重构智能超表面(RIS)辅助多输入单输出(MISO)系统的Charnes-Cooper鲁棒波束赋形算法。针对窃听用户建立有界... 详细信息

为解决无线信道开放性导致的信息传输安全及信道估计误差等不确定性带来的系统传输性能恶化问题,该文提出一种存在用户窃听的可重构智能超表面(RIS)辅助多输入单输出(MISO)系统的Charnes-Cooper鲁棒波束赋形算法。针对窃听用户建立有界信道不确定性模型,并通过约束最大发射功率以及RIS相移,联合优化基站波束和RIS相移来最大化用户保密率。为求解该非凸问题,首先通过变量替换、Charnes-Cooper方法和S-procedure方法将其转换为凸优化问题,进而采用间接交替优化耦合变量来获得鲁棒波束赋形矩阵和RIS相移。仿真结果表明,该文提出的基于RIS的联合优化算法具有更好的用户保密率和鲁棒性。

关键词：多输入单输出智能反射面非完美信道状态信息保密率可达速率

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单腔多增益介质单频激光器强度噪声表征

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光学学报 2024年第23期44卷 153-159页

作者：郭永瑞黄磊徐学森陈珊珊杨桓张娜娜重庆邮电大学光电工程学院重庆400065 光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室博士后科研工作站重庆400065

针对现有激光器强度噪声理论不能直接用于模拟单腔中含有多块单独泵浦的相同增益介质单频激光器强度噪声的问题,对现有的强度噪声理论中表征增益介质激活原子数与腔内光子数相互作用强度的激光受激辐射速率进行了修正。在此基础上,利用... 详细信息

针对现有激光器强度噪声理论不能直接用于模拟单腔中含有多块单独泵浦的相同增益介质单频激光器强度噪声的问题,对现有的强度噪声理论中表征增益介质激活原子数与腔内光子数相互作用强度的激光受激辐射速率进行了修正。在此基础上,利用等效受激辐射速率模型和求解激光器输出功率所应用的等效原子数模型,对单腔中增益介质个数N=1、2、4所对应的激光输出功率分别为50、101、140 W单频Nd∶YVO_(4)激光器的强度噪声进行了模拟,并将模拟结果与激光器的实际激光强度噪声进行了比较。研究表明,相比于等效原子数模型,采用等效受激辐射速率模型对单腔多增益介质激光器强度噪声进行模拟时,模拟结果更能真实反映激光器的强度噪声特性。

关键词：全固态激光器多增益介质端面泵浦激光受激辐射速率激光强度噪声

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CO-OFDM系统中分块拉格朗日插值的CKF相位噪声补偿算法

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光学学报 2022年第16期42卷 29-35页

作者：袁建国李阳旭左智航重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室重庆400065

针对相干光正交频分复用(CO-OFDM)系统中相位噪声造成的严重影响,提出了一种基于次符号进行分块二阶拉格朗日插值(BSSLI)的容积卡尔曼滤波(CKF)的相位噪声补偿算法。该算法先利用导频估计的时域OFDM符号相位噪声值进行第一次二阶拉格朗... 详细信息

针对相干光正交频分复用(CO-OFDM)系统中相位噪声造成的严重影响,提出了一种基于次符号进行分块二阶拉格朗日插值(BSSLI)的容积卡尔曼滤波(CKF)的相位噪声补偿算法。该算法先利用导频估计的时域OFDM符号相位噪声值进行第一次二阶拉格朗日插值(SLI),得到相位噪声粗略估计值,再将每个OFDM符号在时域分割成若干个次符号,将每个次符号的估计值作为它中间采样点的估计值进行第二次SLI,从而在提高时间分辨率的同时提升补偿精度,最后利用CKF对残余的相位噪声进行补偿。仿真结果表明:该算法在16阶正交振幅调制(16QAM)下,激光线宽为800 kHz时,其误码率(BER)接近于10^(-7)且降低了错误平层;该算法在32阶正交振幅调制(32QAM)下,激光线宽为800 kHz时,其BER达到10^(-3)以下;本文算法相较于线性插值与子符号光相位噪声补偿(LI-SCPEC)算法和基于拉格朗日插值的扩展卡尔曼滤波(LRI-EKF)算法补偿效果更优,有效改善了系统的性能。

关键词：光通信相干光正交频分复用相位噪声二阶拉格朗日插值容积卡尔曼滤波

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掺铽氟化物晶体可见光激光器研究进展

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发光学报 2024年第11期45卷 1871-1882页

作者：刘子琪徐学森蒋艳梅郭永瑞重庆邮电大学光电工程学院重庆400065 光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室博士后科研工作站重庆400065

掺铽氟化物晶体激光器由于可直接产生覆盖500~700 nm可见光波段激光输出,相对于传统变频可见光激光器,具有结构紧凑、转换效率高等优势,因此在科学研究和工业领域具有广阔的应用前景。当前,掺铽氟化物晶体可见光激光器发展的关键在于提... 详细信息

掺铽氟化物晶体激光器由于可直接产生覆盖500~700 nm可见光波段激光输出,相对于传统变频可见光激光器,具有结构紧凑、转换效率高等优势,因此在科学研究和工业领域具有广阔的应用前景。当前,掺铽氟化物晶体可见光激光器发展的关键在于提升激光输出功率。本文首先从掺铽氟化物晶体的基质、晶体结构及光谱特性等方面展开介绍;然后,重点分析了基于倍频的光泵浦半导体激光器(2ω-OPSL)和可见激光二极管(LD)泵浦的掺铽氟化物晶体可见光激光器在连续激光、脉冲激光和深紫外激光输出方面的发展历程;最后,分析了掺铽氟化物晶体可见光激光器当前存在的问题并展望了该激光器的发展前景。

关键词：掺铽氟化物晶体可见光激光器连续激光脉冲激光深紫外激光

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