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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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基于深度强化学习的IRS辅助认知无线电系统波束成形算法

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电子与信息学报 2025年第3期47卷 657-665页

作者：李国权程涛郭永存庞宇林金朝重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065 光电信息感测与微系统重庆市重点实验室重庆400065

为进一步提升多用户无线通信系统的频谱利用率,该文提出了一种基于深度强化学习的智能反射面(IRS)辅助认知无线电网络次用户和速率最大化算法。首先在考虑次基站最大发射功率约束、次基站对主用户的干扰容限约束以及IRS相移矩阵单位模... 详细信息

为进一步提升多用户无线通信系统的频谱利用率,该文提出了一种基于深度强化学习的智能反射面(IRS)辅助认知无线电网络次用户和速率最大化算法。首先在考虑次基站最大发射功率约束、次基站对主用户的干扰容限约束以及IRS相移矩阵单位模量约束的情况下,建立一个联合优化次基站波束成形和IRS相移矩阵的资源分配模型;然后提出了一种基于深度确定性策略梯度的主被动波束成形算法,联合进行变量优化以最大化次用户和速率。仿真结果表明,所提算法相对于传统优化算法在和速率性能接近的情况下具有更低的时间复杂度。

关键词：智能反射面认知无线电深度强化学习波束成形

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AgNPs/CNTs复合结构自标定拉曼增强特性

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中国激光 2024年第19期51卷 285-292页

作者：张晓蕾蒋杰赖春红王泽渌重庆邮电大学光电工程学院重庆400065 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博士后科研工作站重庆400065

利用时域有限差分(FDTD)技术对银纳米粒子/碳纳米管(AgNPs/CNTs)复合结构和银纳米粒子结构进行了电磁仿真分析,仿真结果表明,复合结构的电磁增强因子比银纳米粒子结构提高了约1倍。采用化学自组装方法制备了AgNPs/CNTs复合结构,并采用... 详细信息

利用时域有限差分(FDTD)技术对银纳米粒子/碳纳米管(AgNPs/CNTs)复合结构和银纳米粒子结构进行了电磁仿真分析,仿真结果表明,复合结构的电磁增强因子比银纳米粒子结构提高了约1倍。采用化学自组装方法制备了AgNPs/CNTs复合结构,并采用扫描电镜对其进行了表征,表征结果显示,碳纳米管上的银纳米粒子分布得比较均匀,覆盖范围广。以罗丹明6G(R6G)和孔雀石绿(MG)为待测分子进行了拉曼自标定实验,得到了不同浓度下R6G和MG的拉曼光谱,并根据归一化k值法得出R6G和MG待测分子的k值线性拟合度均达到95%以上,实现了AgNPs/CNTs复合结构的SERS自标定检测。

关键词：表面增强拉曼散射碳纳米管复合结构自标定

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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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信息年龄和能耗联合优化的无线体域网卸载和调度策略

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通信学报 2024年第9期45卷 92-100页

作者：张政谢鑫柏桐林金朝李章勇重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065 重庆邮电大学光电信息感测与微系统重庆市重点实验室重庆400065 重庆邮电大学自动化学院重庆400065 重庆邮电大学光电工程学院重庆400065

在无线体域网(WBAN)中,为保障生理数据的实时传输并降低节点能耗,提出了一种联合优化的卸载与调度策略。该策略通过选择在传感节点或Sink处理数据,最小化信息年龄(AoI)与能耗的加权和。为解决卸载和调度决策的强耦合问题,采用双层马尔... 详细信息

在无线体域网(WBAN)中,为保障生理数据的实时传输并降低节点能耗,提出了一种联合优化的卸载与调度策略。该策略通过选择在传感节点或Sink处理数据,最小化信息年龄(AoI)与能耗的加权和。为解决卸载和调度决策的强耦合问题,采用双层马尔可夫决策过程(MDP),并通过深度强化学习(DRL)应对维数灾难。仿真结果表明,DRL策略在性能上接近MDP,且在节点增加时,相较于RRG与EG策略,平均加权和分别降低约3.58%和24.9%,收敛速度约为MDP的2倍。

关键词：无线体域网卸载调度信息年龄能耗

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STAR-RIS辅助的CR-SWIPT系统安全波束成形算法

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电子学报 2024年第12期52卷 4002-4008页

作者：李国权胡航王玥涛谢宗霖林金朝重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065 光电信息感测与微系统重庆市重点实验室重庆400065

为解决认知无线电(Cognitive Radio,CR)系统动态开放性带来的信息传输安全问题,本文提出了一种同时透射和反射的可重构智能表面(Simultaneously Transmitting And Reflecting Reconfigurable Intelligent Surface,STARRIS)辅助CR系统安全波束成形算法.在考虑认知基站(Cognitive Base Station,CBS)发射功率、次用户(Secondary User,SU)能量收集等约束下,联合优化SU功率分配(Power Splitting,PS)系数等耦合变量,以最大化SU最差保密率.通过连续凸逼近(Successive Convex Approximation,SCA)算法将其转化为凸问题,利用半定松弛(Semi-Definite Relaxation,SDR)等算法求解耦合变量.仿真结果表明,所提出的联合优化算法相较于其他方案具有更高的SU保密率,且引入人工噪声(Artificial Noise,AN)可以进一步提升系统的安全性.

关键词：同时透射和反射的可重构智能表面认知无线电无线携能通信物理层安全保密率

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高速移动环境下OTSM迭代检测算法研究

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电子与信息学报 2023年第6期45卷 2098-2104页

作者：李国军龙锟叶昌荣梁佳文重庆邮电大学超视距可信信息传输研究所重庆400065 重庆邮电大学光电工程学院重庆400065 重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065 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博士后科研工作站重庆400065

正交时序复用(Orthogonal Time Sequency Multiplexing,OTSM)通过级联时分和沃尔什-哈达玛(WHT)复用将信息符号在时延和序列域进行复用。由于WHT在调制解调过程不需要进行复杂的乘法运算,相比于正交时频空(OTFS)调制有更低的调制复杂度... 详细信息

正交时序复用(Orthogonal Time Sequency Multiplexing,OTSM)通过级联时分和沃尔什-哈达玛(WHT)复用将信息符号在时延和序列域进行复用。由于WHT在调制解调过程不需要进行复杂的乘法运算,相比于正交时频空(OTFS)调制有更低的调制复杂度。该文针对高速移动环境下的OTSM系统提出了一种二级均衡器:首先利用信道矩阵的稀疏性和带状结构在时域逐块进行低复杂度MMSE检测;随后采用高斯-赛德尔(GS)迭代检测进一步消除残余符号干扰。仿真结果表明,所提算法与基于单抽头频域均衡的GS迭代检测算法相比,采用16QAM调制且误码率为10–4时有1.8 dB性能增益。

关键词：正交时序复用时延-序列域沃尔什-哈达玛变换高斯-赛德尔迭代检测

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