Biomolecules with different chirality have different or even opposite biological and pharmacological activities. Since vibration and rotation energy levels of many biomolecules lie within the terahertz range, terahertz spectroscopy has emerged as a useful tool for biomolecular identification. Nevertheless, linearly polarized light sources which are commonly used in terahertz time-domain spectroscopy are ineffective for identifying chiral compounds. We theoretically construct a circularly polarized Jones matrix by using a linearly polarized Jones matrix model and calculated the transmission circular dichroism spectrum of the sample based on the difference in transmittance of circularly polarized light, offering a useful technique for describing various chiral compounds. The spectra of (R)-(−)-Ibuprofen and (S)-(+)-Ibuprofen were measured using a terahertz time-domain spectroscopy system, and the linear polarization biased transmittance and circular polarization based transmittance of (R)-(−)-Ibuprofen and (S)-(+)-Ibuprofen were calculated. Additionally, the transmittance circular dichroic spectra of two Ibuprofen were calculated, and the chiral compounds’ circular dichroic values reached 0.015, successfully attaining the (R)-(−)-Ibuprofen and (S)-(+)-Ibuprofen recognition effect. This technique serves as a guide for chiral molecule identification and detection using terahertz spectroscopy technology.
电磁超材料由亚波长尺寸的人工单元结构周期或非周期排列组成,可以实现天然材料不具备的奇特性质.超表面作为二维特殊形式超材料,具有剖面低、易集成、低成本等优点.随着有源器件、传感元件与智能算法的引入,超表面进一步实现了对电磁波的实时可编程与智能调控.目前多数电磁超表面研究致力于反射波或透射波调控,事实上,电磁超表面对辐射波同样具有强大的调控能力.本文系统介绍电磁超表面调控辐射波幅度、相位、极化等维度的相关研究进展,以超表面与馈源的集成方式和超表面对辐射波的调控原理为分类依据,重点介绍折叠阵超表面、法布里-珀罗超表面、漏波超表面和辐射式超表面,对应空间馈电、表面波馈电、缝隙耦合馈电、同轴馈电等方式,从无源与有源两个角度介绍这四类超表面对辐射波的调控机理与应用,最后对电磁超表面调控辐射波的未来研究方向进行展望.
超表面在控制电磁波的强度、相位、偏振和复杂波前等方面发挥了重要的作用,通过与各种主动调控手段结合可实现动态可调谐器件.本文分析总结了近期基于Ge2Sb2Te5(GST)的太赫兹超表面器件的研究进展,介绍了GST在太赫兹波段的光谱特性和可逆相变条件,重点回顾了GST与超表面设计相结合用于实现对太赫兹波的振幅、偏振以及波前的非易失、可重构、和多级操纵的前沿研究工作,并讨论展望了未来的发展前景和需要解决的问题.
全金属超表面是由亚波长金属单元所组成的结构阵列，其在调控电磁波相位方面展现出了效率高、带宽大等特点，并且相较于金属-介质混合型超表面，全金属超表面具有优良的热学和机械性能，如耐高温、强度大、延展性好等，这使得其可以应用于高温高压等极端复杂环境中。本文对近年来全金属超表面取得的研究进展进行了简要的归纳总结，主要介绍了其在构建高效、多功能平面光学器件以及多频谱电磁隐身中的应用，并对其未来的发展方向进行了展望。
随着移动通信的高速发展和通讯环境的日益复杂,多波束天线在多目标雷达、卫星通信以及多点无线通信等领域有着广泛的应用需求.轨道角动量是电磁波的基本属性之一,它具有螺旋形波前,可独立于振幅、相位、偏振等基本属性,能为电磁波提供新的复用维度.基于亚波长金属波导阵列对电磁波优异的调控能力,我们设计了一种多波束可旋转的太赫兹(THz)阵列天线,通过调控入射波两正交偏振分量的相位分布,可将其分别转化成强度分布一致、阶数相反的涡旋波束.通过改变两分量的相位差,可实现45°偏振方向上波束的干涉图样发生旋转.此外,该阵列天线还展现出了高增益(31 dBi)和宽带宽(61 GHz)的特性.该工作可为基于多波束阵列天线的方位角测量提供新的思路,对丰富THz频段的阵列天线设计具有重要意义.
电磁超构表面是一类由单层或多层亚波长人工微结构组成的平面电磁材料,可以在亚波长尺度下实现对电磁波的振幅、相位、波前、色散、偏振态以及角动量等多个维度的精准调控,其中无反射电磁超构表面为实现高效率电磁器件提供了新理论与新方案.本文综述了无反射电磁超构表面的理论与应用,从惠更斯原理、电磁谐振、布儒斯特效应三个方面阐明了无反射超构表面的基本原理,介绍了相关的重要应用,包括异常折射、偏振操控、超构减反膜、电磁波完美吸收等,并对该领域面临的挑战和发展前景进行了总结与展望.
光学模拟计算通过在空间域直接对光学输入进行调控,避免了各种应用场景中光电之间的转换.因此在图像处理等应用领域成为人们研究的重点.本文用拓扑优化方法设计了一类利用格林函数法的偏振复用光学模拟计算超表面结构.在不同线偏振光入射下,该拓扑优化超表面可以独立地对透射光场的振幅和相位进行调控.实现了在正交偏振态下,分别呈现明场成像与一维二阶微分运算,以及偏振控制微分方向的复用微分系统.这种偏振复用的设计可以在更多的光学计算应用场景中发挥重要作用.
准连续域束缚态(Quasi-BIC)是超表面中一种特殊共振模,具有极高的品质因子,可以极大地提高光与物质的相互作用,在荧光增强、纳米激光、光传感以及非线性光学等领域均有重要应用.本文基于我们前期对quasi-BIC产生的理论,研究quasi-BIC介质超表面在折射率传感方面的应用.本文给出了传感系统的基本结构,利用电子束光刻技术结合注塑工艺完成了样品光流控结构的制备,并初步测试性能.研究结果表明,得益于产生quasi-BIC的新方法,该超表面具有两个高Q值quasi-BIC共振峰(1.523 μm和 1.570 μm,品质因子分别为 3069和 4071).以四种折射率溶液(n分别为1.450/1.462/1.470/1.480)为样品的测试实验表明,两个共振峰均能完成折射率检测,灵敏度S分别为452 nm/RIU、428 nm/RIU,性能评价指标FOM分别为376.7、372,优于现有文献;共振波长和折射率之间线性度良好,展现了quasi-BIC超表面在折射率传感中的应用潜力.
硅基片上功率分束器是光子集成电路的重要组成,具有广泛的应用,比如反馈电路、抽头功率监测和光学量化等.纳米光子器件的设计方法大致可以分为正向设计方法和逆向设计方法.本文概述了正向设计方法和逆向设计方法的区别与联系,并且对逆向设计算法进行了归纳分类,此外,总结了近年来具有代表性的逆向设计的硅基片上功率分束器,包括多通道功率分束器、任意分束比功率分束器、多模式功率分束器、宽带功率分束器和多功能功率分束器,最后对逆向设计算法以及逆向设计的功率分束器的发展趋势进行了总结与展望.
针对车辆因姿态、视角等成像差异造成车型难以识别问题,提出一种基于渐进式多粒度ResNet车型识别网络.首先,以ResNet网络作为主干网络,提出渐进式多粒度局部卷积模块,对不同粒度级别的车辆图像进行局部卷积操作,使网络重构时能够关注到不同粒度级别的车辆局部特征;其次,对多粒度局部特征图利用随机通道丢弃模块进行随机通道丢弃,抑制网络对车辆显著性区域特征的注意力,提高非显著性特征的关注度;最后,提出一种渐进式多粒度训练模块,在每个训练步骤中增加分类损失,引导网络提取更具辨别力和多样性的车辆多尺度特征.实验结果表明,在Stanford cars数据集、Compcars网络数据集和真实场景下的车型数据集VMRURS上,所提网络的识别准确率分别达到了95.7%、98.8%和97.4%,和对比网络相比,所提网络不仅具有较高的识别准确率,而且具有更好的鲁棒性.
针对少量样本条件下模型易过拟合、目标错检与漏检问题,本文基于TFA(two-stage fine-tuning approach)提出了一种在线推断校准的小样本目标检测框架.该框架设计了一种全新的Attention-FPN网络,通过建模特征通道间的依赖关系选择性融合特征,结合分级冻结的学习机制引导RPN模块提取正确的新类前景目标;同时,构建了一种在线校准模块对样本进行实例分割编码,对众多候选目标进行评分重加权处理,纠正误检和漏检的预测目标.结果表明,所提算法在VOC数据集Novel Set1中,五个任务的平均nAP50提升10.16％,在性能上优于目前的主流算法.
本文首先介绍了2022年国家自然科学基金(NSFC)在资助导向、评审机制、学科布局等方面的主要改革举措;其次统计和分析了改革举措下"光学和光电子学"学科面上、青年、地区、重点和优青项目的申请、受理与资助情况;然后,围绕实行分类评审、构建"负责任、讲信誉、计贡献"(RCC)评审机制、完善智能辅助受理三大重要举措在本学科的工作开展情况进行了分析与探讨;最后,结合上述完善评审机制的三大举措在本学科的实践情况,对申请人和专家提出了建议.
针对基于CNN的立体匹配方法中特征提取难以较好学习全局和远程上下文信息的问题,提出一种基于Swin Transformer的立体匹配网络改进模型(stereo matching net with swin transformer fusion,STransMNet).分析了在立体匹配过程中,聚合局部和全局上下文信息的必要性和匹配特征的差异性.改进了特征提取模块,把基于CNN的方法替换为基于Transformer的Swin Transformer方法;并在Swin Transformer中加入多尺度特征融合模块,使得输出特征同时包含浅层和深层语义信息;通过提出特征差异化损失改进了损失函数,以增强模型对细节的注意力.最后,在多个公开数据集上与STTR-light模型进行了对比实验,误差(End-Point-Error,EPE)和匹配错误率3 px error均有明显降低.
纤维状光电探测器因具有柔性可编织、全角度光探测等特性,有望在可穿戴电子领域取得广泛应用.现已报道的纤维状光电探测器多采用无机光敏材料,器件存在机械柔性受限、制备工艺复杂等问题.本文提出制备纤维状有机光电探测器(FOPD),采用浸渍提拉法依次在锌丝表面制备电子传输层(ZnO)、有机体异质结光敏层(PBDB-T:ITIC-Th)和空穴传输层(PEDOT:PSS)等功能层,最后缠绕银丝或碳纳米管纤维(CNT)作为外电极,制备了两种柔性FOPD.结果表明,两种器件在可见光波段均具有优良的响应,整流特性明显,在?0.5 V偏压下比探测率均可达1011 Jones(300 nm～760 nm).其中,CNT外电极与光敏层的界面接触更佳,器件具有更低的暗电流密度(9.5×10?8 A cm?2,?0.5 V)和更快的响应速度(上升、下降时间:0.88 ms、6.00 ms).本文的研究有望为柔性纤维器件和可穿戴电子领域的发展提供新思路.
基于卷积神经网络(CNN)的识别器,由于其高识别率已经在人脸识别中广泛应用,但其滥用也带来隐私保护问题.本文提出了局部背景区域的人脸对抗攻击(BALA),可以作为一种针对CNN人脸识别器的隐私保护方案.局部背景区域添加扰动克服了现有方法在前景人脸区域添加扰动所导致的原始面部特征损失的缺点.BALA使用了两阶段损失函数以及灰度化、均匀化方法,在更好地生成对抗块的同时提升了数字域到物理域的对抗效果.在照片重拍和场景实拍实验中,BALA对VGG-FACE人脸识别器的攻击成功率(ASR)比现有方法分别提升12％和3.8％.
针对视网膜血管分割任务中存在的毛细血管分割遗漏和断连的问题,从最大限度地利用视网膜血管的特征信息的角度出发,添补视网膜血管的全局结构信息和边界信息,在U型网络的基础上,提出边界注意力辅助的动态图卷积视网膜血管分割网络.本模型先将动态图卷积嵌入到U型网络中形成多尺度结构,提升模型获取全局结构信息的能力,以提高分割质量,再利用边界注意力网络辅助模型,增加模型对边界信息的关注度,进一步提高分割性能.将模型在DRIVE、CHASEDB1和STARE三个视网膜图像数据集上进行实验,均取得了较好的分割效果.实验结果证明,该模型能较好地区分噪声和毛细血管,分割出结构较完整的视网膜血管,具有泛化性和鲁棒性.
多目标跟踪(Multi-object tracking,MOT)是计算机视觉领域的一项重要任务,现有研究大多针对目标检测和数据关联进行改进,通常忽视了不同帧之间的相关性,未能充分利用视频时序信息,导致算法在运动模糊,遮挡和小目标场景中的性能显著下降.为解决上述问题,本文提出了一种时空特征对齐的多目标跟踪方法.首先,引入卷积门控递归单元(convolutional gated recurrent unit,ConvGRU),对视频中目标的时空信息进行编码;该结构通过考虑整个历史帧序列,有效提取时序信息,以增强特征表示.然后,设计特征对齐模块,保证历史帧信息和当前帧信息的时间一致性,以降低误检率.最后,本文在MOT17和MOT20数据集上进行了测试,所提算法的MOTA(multiple object tracking accurary)值分别为74.2和67.4,相比基准方法FairMOT提升了0.5和5.6;IDF1(identification F1 score)值分别为73.9和70.6,相比基准方法FairMOT提升了1.6和3.3.此外,定性和定量实验结果表明,本文方法的综合跟踪性能优于目前大多数先进方法.
光学斯格明子为实现结构光场以及时空光场的拓扑属性提供了新的研究方法与研究思路。本文在4π聚焦系统中，通过对两对入射柱矢量光束进行偏振与相位调控，实现了聚焦光场纵向分量与横向分量的独立控制，在焦平面上得到了Néel型与Bloch型的电磁矢量光学斯格明子。在4π聚焦系统内调控两对反向传播的径向偏振光时，焦平面处将产生Néel型的电场矢量斯格明子。将其中一对替换为角向偏振光时，焦平面处将同时产生Bloch型的电场矢量斯格明子与相位超前π/2的磁场矢量斯格明子。本工作为进一步研究自由空间中微纳尺度电磁矢量光学斯格明子与物质的相互作用提供了理论基础。
调频连续波激光干涉技术在精密测量领域中应用广泛,针对其高精度位移解调问题,本文将质心法应用于其拍频信号的解调中,提出了一种基于质心寻峰法的相位解调算法并进行实验与分析.提出的算法在对截取的拍频信号进行平滑滤波与分峰截幅等处理基础上,通过质心坐标公式得到拍频信号的质心,质心横坐标即为峰值位置,最后通过相位鉴别算法解调出位移.在仿真中设置信噪比(SNR)为 15 dB,算法的相位误差为 0.016 rad,位移误差为 2.04 nm.搭建调频连续波激光干涉位移测量系统进行实验验证,实验结果表明:当固定距离为44 mm时,位移随机误差标准差为2.18 nm.与常规的过零点检测法进行对比分析,结果表明该算法的测量误差降低了49%,分辨率获得了提高,具有广泛的应用前景.
针对侧向激光雷达应用于气溶胶探测领域时,雷达回波信号易受噪声影响这一问题,本文提出了一种基于神经网络的激光雷达信号去噪算法.该算法在卷积神经网络基础上融合残差学习法和批量标准化,引入了注意力机制,改进激活函数,提升了网络性能和学习效率.采用本文提出的方法对噪声进行预测,实现了信号和噪声的有效分离,提高了侧向激光雷达CCD图像的信噪比.实验结果表明,使用本文提出的去噪算法对侧向激光雷达CCD图像进行去噪,图像的峰值信噪比提高了约5 dB,信号相对误差减小至9.62%,本文提出的去噪算法优于小波变换、维纳滤波等去噪方法,验证了该方法的可行性和实用性.
