基于主成分分析的多重定量PCR荧光串扰校正

聚合酶链式反应(PCR)是分子生物学常用的检测手段,主要用于对生物的DNA或RNA进行检测。由于荧光光谱重叠和滤光片过滤带宽限制,检测时所获得的荧光数据通常会包含荧光通道之间的串扰,串扰的存在使PCR结果分析变得复杂,并可能影响最终的检测结果。选择合适的光学元件,并确定通道间的补偿矩阵,可以降低甚至消除荧光串扰。目前荧光补偿矩阵大多通过迭代计算获得,还没有一种简单的方法可以从混合的多通道荧光数据中找到荧光补偿矩阵。为了快速获得荧光补偿矩阵,减小计算量,采用主成分分析法(PCA)中确定主成分的方式,基于搭建的测试平台进行单一染料实验,获得染料的荧光信号在各个检测通道的分布情况,计算得到荧光补偿矩阵。通过分析补偿矩阵,发现对于搭建的硬件系统,Cy5染料对Cy5.5通道串扰较大,串扰比例为8.76%,同时Cy5.5染料对Cy5通道串扰影响也相对较大,比例约为6.2%;其次是ROX染料对HEX通道串扰,比例约为2.68%; HEX染料对FAM通道串扰,比例约为1.58%; FAM染料对HEX通道串扰相对较小,比例约为0.25%,其余通道无明显串扰,与荧光光谱反映的结果一致。采用得到的荧光补偿矩...     

多重定量PCR系统中多色荧光检测和光谱串扰校正方法

多色荧光的激发检测光路是多重定量聚合酶链式反应(PCR)系统的核心组成部分。根据系统对荧光激发的均一性、荧光检测的时间和灵敏度需求,提出一种基于磁光开关和光电倍增管(PMT)的多色荧光激发检测光路。通过四色LED单独激发和PMT检测来提高灵敏度;利用磁光效应实现光路的电控切换,配合一维扫描机构和滤光片切换装置,完成96孔标准PCR板的四色荧光扫描。该设计避免了多色荧光光路的系统串扰。由于荧光染料本身光谱特性产生的荧光光谱串扰是通过标准迭代的四维聚类分析算法计算串扰矩阵,并通过4种常用染料的实验研究,对所建荧光检测系统进行荧光光谱串扰评估。     

彩色复合条纹投影测量系统串扰消除方法

由于从一个彩色图像中可以提取多个条纹,复合条纹投影技术在三维测量领域得到了广泛的研究和应用。为了覆盖所有的光谱范围,投影和成像系统颜色通道间存在着串扰,从而改变了条纹的形状,最终影响三维数据测量的精度。综述了彩色复合条纹投影三维测量系统中颜色通道间串扰的补偿方法。针对彩色条纹投影系统中相机和投影仪颜色通道间的串扰问题,分析了其形成原因。对彩色条纹投影三维测量系统的串扰消除方法进行了分类和总结,并具体比较了各种方法对串扰消除的效果。所综述的方法对选择合适的串扰消除方法、提高彩色复合结构光投影三维测量系统的精度具有重要的应用价值。     

基于波长分离的结构光采集系统

彩色结构光系统利用彩色投影机与摄像机中的三个颜色通道,同时投影和采集三幅条纹图像,拍摄一次即可实现形貌测量,但其无法测量彩色物体,通道间的串扰也降低了精度。提出了一种新的系统,利用三个摄像机采集三个通道,并利用严格设计的分色棱镜和滤光片,消除了彩色结构光系统中常见的波长通道间的颜色串扰。基于三步位移法,分析了拍摄两次图像获得彩色物体形貌的过程,并针对该系统提出了校正方法。利用上述方法,拍摄两次即可得到彩色的物体形貌。     

多TDICCD拼接遥感相机成像串扰分析与抑制

为了解决多时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)拼接遥感相机不同CCD通道间的成像串扰问题,提高相机信噪比(SNR)和成像质量,利用周期信号的傅里叶级数分析法推导成像串扰的数学模型。根据理论分析结果提出多TDICCD成像串扰的根本原因是CCD工作不同步造成TDICCD成像电路电源的地平面高频扰动影响到了相邻通道CCD有效视频信号的采集。从工程研制实际出发,采取CCD通道之间的工作电源隔离以及共用统一的系统时钟等措施对多TDICCD成像电路系统进行改进,抑制成像串扰的发生。对改进后的多TDICCD成像电路系统进行成像和信噪比测试。实验结果表明,采取的措施有效地去除了CCD通道间成像串扰条纹,相机信噪比得到了显著的提高,在相机入瞳辐亮度为42.6W/(m2·Sr)的条件下,相机信噪比提高18.85dB,达到了50.42dB,且外场成像质量高,满足实际工程的需求。     

工业CT图像边缘伪影校正

为了去除工业CT图像中的边缘伪影,提高CT图像的识别能力和尺寸测量精度,提出一种降低串扰的系数修正法。首先分析得出边缘伪影主要是由散射射线在相邻探测通道之间的串扰所导致,并给出了探测通道串扰的数学模型;然后根据数学模型设计实验方案,通过对影响串扰率的主要因素进行实验分析,得到串扰率随入射X射线能量和被测物体厚度变化关系,再通过最小二乘拟合得出投影数据关于串扰率的函数;最后利用此函数对投影数据进行校正,降低了串扰的影响。实验结果表明,探测器间一级串扰率约为9.0%,二级串扰率约为1.2%,其中一级串扰是造成边缘伪影的主要因素,采用本文方法能够有效地抑制边缘伪影,同时较好地保留了图像细节和边缘。     

面向荧光剂药代动力学的动态扩散荧光层析系统

为捕捉生物组织体内快速变化的荧光信号,并借鉴扩散荧光层析在穿透深度、高灵敏度等方面的优势,设计了一套具备快速实时采样能力的动态扩散荧光层析成像在体测量系统.该系统采用多光源-探测器布配方案,结合光电倍增管探测器与锁相光子计数检测技术,具有高空间采样密度、高探测灵敏度、大动态测量范围以及高性价比等优势.有效性评估实验表明:该系统具备良好的稳定性和很强的环境光抑制能力,频率串扰率低于1.39%.仿体成像实验表明:该系统能够有效地对单个和多个目标体成像.活体健康小鼠吲哚菁绿肝代谢实验进一步表明:该系统可有效捕捉小鼠体内快速变化的荧光信号,能够用于荧光剂药代动力学研究.     

低串扰的多波长光纤光栅色散补偿器

分析了光纤光栅色散补偿系统中的串扰，并比较了几种常用的多波长光纤光栅色散补偿器的串扰特性，结合串联的窄带光纤光栅和取样光纤光栅的优点，提出一种抑制光纤光栅色散补偿系统串扰的方法.它通过在邻近信道间引入随机时延差，既能改善取样光纤光栅的线性串扰特性，又能抑制交叉相位调制效应和四波混频等非线性串扰.使用该方法可以得到具有低串扰的多波长光纤光栅色散补偿器.     

微型化多通道滤光片光谱串扰模型的建立和评价

多光谱成像可以从背景中凸显出目标物,但微型多通道滤光片在不同通道之间存在光谱串扰问题,影响目标的识别。通过光谱串扰分析,建立光谱串扰模型,提出光谱串扰系数,通过灰度值统计的方法定量评价光谱串扰。对已加工的一种光谱串扰程度约为16.74%的微型多通道滤光片获取的多光谱图像进行了对比分析,经过串扰模型处理后的图像与原始图像相比,其对比度有了显著的提高。实验分析结果表明,该模型对评价多通道微型多光谱滤光片的光谱串扰具有很强的针对性,对提高多光谱图像目标识别效果明显。     

6.25 Gbps×12通道小型甚短距离并行光收发模块的研制

 介绍了一款基于系统级封装技术的低成本、收发一体、可带电热插拔的12通道小型光模块的研制。该光模块采用850 nm垂直腔面发射激光器阵列及其驱动器作为发射端,光电探测器阵列及其跨阻放大器作为接收端,通过光路无源对准实现了低成本光互连。高速度、高密度封装下的瞬态同步开关噪声、芯片间电磁干扰、通道间串扰、反射等电学问题是实现模块整体性能的难点。基于埋入技术的新型滤波器的使用实现了封装尺寸小型化且改善了电源网络的完整性;基于电磁场、传输线理论的信号完整性设计减小了通道间串扰且通过补偿阻抗不连续结构增加了通道带宽。模块背靠背眼图测试结果显示6.25 Gbps速率下系统传输零误码。     

半导体激光阵列谱合束系统中光束串扰物理机制分析

在外腔反馈半导体激光谱合束系统中,由于半导体激光阵列的“smile”效应、外腔中光学元件制作误差等因素,激光阵列一子单元发射光束经过外腔返回注入其他子单元,在两子单元之间形成光束串扰并影响合束特性.本文从耦合腔光束谐振角度出发,基于光反馈半导体激光器速率方程,构建了耦合腔谐振模型,推导了激光器稳态输出时能在耦合腔中起振的光束模式.结合耦合腔模式竞争机制与耦合腔谐振模型分析由两子单元间距变化引起的不同串扰对锁定光谱和合束效率的影响.结果表明子单元间的串扰行为会造成光谱峰值下降、光谱偏移、边缘毛刺以及合束效率劣化.相比距离更远的两子单元之间的高阶串扰,距离更近的两子单元间的低阶串扰对合束特性的劣化程度更大.最后,为证明该模型的正确性和有效性,对所得分析结果进行了实验验证,实验观测到在串扰影响下的光谱结构与理论分析一致.     

光纤耦合GAGG＿Ce型X射线探测器高分辨成像

闪烁屏信号串扰是影响X射线探测器空间分辨率的主要因素,基于点扩散函数理论对光纤耦合GAGG_Ce单晶闪烁屏型CCD/CMOS探测器的空间分辨率进行了研究。利用蒙特卡罗程序EGSnrc和光学仿真软件Zemax分别对GAGG_Ce单晶闪烁屏射线串扰和荧光串扰进行了仿真。仿真结果表明,对于低能X射线辐射成像,荧光串扰是影响探测器空间分辨率的最主要因素。此外,研究了通过降低光纤面板数值孔径以抑制荧光串扰的方法,得到了光纤面板数值孔径与探测器空间分辨率和X射线转换因子间的关系,并通过自制CCD探测器测试验证了仿真结果的正确性。     

基于荧光成像技术的土壤芳香烃总量快速检测方法

针对土壤芳香烃总量快速检测难题，研究了基于荧光成像技术的土壤芳香烃荧光信号获取、特征提取方法和质量分数总量反演的方法。基于发光二极管(LED)紫外激发光源、面阵CCD相机、透镜等器件搭建了实验系统，获得了最佳光源激发能量、激发角度等参数，并对实验系统检测能力进行了分析。利用这一实验系统获取了质量分数范围为0～25000×10^-6的标准土壤中机油的系列荧光图像，基于高斯降噪处理和最大类间方差法研究了图像噪声抑制与荧光信号提取方法，建立了标准土壤中机油芳香烃总量的反演模型，并利用反演模型对待测样本的机油芳香烃总量进行了预测。结果表明：总量反演模型的决定系数(R2)达到了0.9889，检测限为82.18，对20个样品测试的误差基本在12%以内。     

一种准分布式光纤光栅漏油传感器

分别对两种结构的传感头组成的分布式光纤Bragg光栅漏油传感器进行实验后得出,具有限位装置的传感头组成的传感系统综合性能好于由另一种结构传感头组成的传感系统。具有限位装置的传感头不仅有较好的漏油检测响应性能,而且能防止相邻信号间的串扰,同时能很好保护光纤光栅不被拉断,更重要的是它受温度干扰较小。     

少模多芯光纤的纤芯排布方法

提出一种3模12芯光纤的纤芯排布优化方法.在分析芯间串扰、弯曲半径阈值和相对纤芯多重性因子等特性后,给出了单圆形结构和方点阵结构的纤芯排布方法及优化方案.对于单圆形结构,在波长为1 625nm的情况下很难找到合适纤芯排布以使芯间串扰小于-30dB/100km并且使光缆截至波长小于1 530nm.对于方点阵结构,在波长为1 625nm,且弯曲半径大于弯曲半径阈值时,可使芯间串扰小于-30dB/100km,最大光缆截至波长不大于1 530nm,纤芯多重性因子可达到~15,这表明方点阵结构是一种比单圆形结构更适合3模12芯光纤的纤芯排布结构.     

利用色散管理抑制半导体光放大器引起的信道间串扰

理论研究了半导体光放大器增益饱和效应引起的信道间串扰,数值模拟了多路信道复用时系统的误码率随复用信道数和光功率的变化情况,发现随着复用信道数的增加,半导体光放大器增益饱和引起的信道间串扰越来越严重.对利用色散管理技术抑制半导体光放大器引起的信道间串扰进行了实验研究,实验验证了信号色散补偿之前用半导体光放大器放大可以抑制半导体光放大器引起的信道间串扰.结果表明,采用先放大后色散补偿这种新的色散补偿方案,可以有效抑制半导体光放大器引起的信道间串扰.     

细菌自体荧光检测装置的研究与设计

细菌感染会造成伤口愈合延迟，增加患者和医疗卫生系统的负担，因此非常需要对伤口细菌进行及时检测和适当的处理。基于细菌自发荧光原理，设计了一种对伤口常见细菌快速检测成像的系统，可用于辅助识别伤口细菌负荷和判断感染情况，无需采样培养或染色鉴定。使用智能手机采集细菌荧光图像，以405 nm LED作为细菌激发光源，配合荧光图像信息提取和定量算法能够快速识别提取图像上的感兴趣区域并对荧光信号进行量化，定位细菌荧光信号区域。梯度浓度实验证实了荧光强度与细菌浓度高度相关，荧光强度与浓度之间存在线性关系，随着细菌浓度的降低，荧光信号强度呈下降趋势，系统最小检测限约为10⁵ CFU/mL。与传统细菌检测方法相比，本装置具有操作简单、检测速度快、成本低等特点，为伤口细菌检测提供了一种新的手段。     

光纤光栅和环形器组成的光分插复用器同频串扰特性研究

对三种不同结构的光纤光栅和环形器组成的光分插复用器的同频串扰进行了实验研究。实验表明，与常规的I型结构光分插复用器相比，Ⅱ型和Ⅲ型结构中由上载端泄漏到下载端的同频串扰分别减少了24．4dB和39．3dB，由下载端泄漏到上载端的同频串扰分别减少了23．6dB和24．6dB。     

多光谱可见光通信信道串扰分析

在可见光通信领域, 通过波分复用技术可以增加信道个数, 从而提高系统通信容量. 然而发光二极管(LED)的辐射光谱具有一定线宽, 当信道个数增加, 信道间隔将变小, 尽管有滤光片的通道选择, 但LED的辐射光谱会出现重叠从而产生信道串扰. 本文基于LED光谱重叠现象分析了多光谱波分复用可见光通信系统的信道串扰问题. 首先结合LED的物理机制和实际LED的光谱形状对其光谱进行建模; 然后根据光谱重叠现象和可见光通信信道推导出信道串扰公式; 最后利用不同中心波长的LED在两通道可见光通信系统中验证了信道串扰公式的正确性. 仿真和实验结果表明, 当两信道的信道间隔大于28 nm时, 两信道之间的信道串扰不超过-13.6 dB. 对多光谱波分复用可见光通信系统的信道串扰分析对未来可见光通信增加信道数量有一定指导作用.     

一种通带平坦的粗波分复用/解复用器件的研制

随着粗波分复用(CWDM)系统在城域网和接入网中日益广泛的应用,人们对粗波分复用／解复用器的研究也逐渐展开。报道了一种8通道波长间隔为20nm的粗复用／解复用器。该器件基于阵列波导光栅(AWG)原理设计,利用平面光波导技术(PLC)制作,采用多模干涉输入结构和“S”形阵列波导结构,实现了较宽的通带宽度和较低的串扰。实验测得1dB带宽大于10nm,相邻串扰大于24dB,非相邻串扰大于32dB。介绍了其设计原理和制作过程,给出了光束传播法(BPM)数值模拟结果,并和实验结果进行了对比。