光纖傳感技術論文精選(九篇)
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第1篇：光纖傳感技術論文范文
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第2篇：光纖傳感技術論文范文
【關鍵詞】光纖光柵傳感器 數據采集 光纖布拉格光柵
光纖傳感器是通過檢測光信號來測量環境中參量變化（生物量、物理量或化學量），這些參量變化會引起光的傳輸特性變化。光纖傳感器有很多種類，按照傳感機理它可以分為強度型、干涉型和光纖布拉格光柵型這三種。這其中光纖布拉格光柵不僅具有強度型和干涉型的優點，并且具有波長分離能力強、靈敏度高、傳感精度好、抗干擾能力強等優勢。光纖光柵傳感器有著很大的發展前途，它可以在需要精確定位或者是絕對數字測量時，可以構成多光柵空間分布單一光纖傳感網絡系統。
本文研究的基于光纖光柵的數據采集，光纖光柵傳感器即采用的是光纖布拉格光柵，光纖光柵的原理如圖1所示。
光纖布拉格光柵的中心波長隨著外界環境參量的變化而隨之變化，它廣泛應用于壓力、溫度、應變等參數的測量。
一、基于光纖光柵數據采集系統的組成
（一）光纖光柵傳感系統
該系統通過光纖光柵傳感器采集數據，這是該數據采集系統的前提條件。不同功能的光纖光柵傳感器能夠將不同的物理參量如溫度、壓力、應變和加速度等調制為相對應的光柵波長。光纖光柵傳感器輸出光波以后直接通過光纜便可以進行遠距離傳送。
（二）光纖光柵網絡分析系統
該系統作用是將光纖光柵傳感器采集的光信號經光纜的遠程傳輸后，將光信號轉化為數字量并以物理參量的方式在計算機終端記錄、顯示或存入數據庫中。
該系統主要由光開關、光纖光柵解調儀及光纖跳線組成。光纖光柵解調儀的作用是將光纖光柵中心波長解調為數字信號。光開關的主要作用是將多路光信號一起或是分別進入光纖光柵解調儀，這樣就克服了光纖光柵通道數不能滿足工程應用的缺點。
（三）光纖通訊傳輸網絡
該系統由光纜和光纖適配器等組成。光纜是光信號傳輸的通道，光纖適配器連接光纜且損耗很低，這樣就可以避免工程現場的光纖熔接。單橋監控室采用光纜以低損耗方式接連光纜，將遠距離采集的光信號引入中心監控室的數據處理及分析系統上。
（四）數據處理及分析系統
該系統是對采集后的數據進行預處理且分析，為后續系統的基礎。該系統是由軟件系統組成，在現場工控機上運行，為專家評估系統奠定堅實的基礎平臺，是后續工作提供可靠的依據。
二、數據采集系統的設計
在光纖數據采集系統中，首先運用了多線程技術，以保證數據采集、實時顯示界面和數據存儲同時進行；其次，運用數據安全隊列來保護線程之間數據安全傳遞的同時，還要使采集到得數據可以在最快的時間內得到顯示，最后在VS平臺下實現數據采集系統程序，由于VS庫函數和空間豐富，編程環境界面友好，使得軟件不僅界面漂亮，而且開發難度大大的降低。數據采集的流程圖3-5所示。
在基于光纖光柵數據采集系統中，為了使數據采集、儲存和實時顯示同時進行，必須采用多線程技術。此外，還可以采用數據安全隊列使采集到的數據能夠在最快時間實現顯示并能夠保護線程之間數據的安全傳遞。由于VS平臺下庫函數和空間豐富、界面友好，采用VS平臺實現數據采集系統程序可以使開發難度大大降低且軟件界面漂亮。數據采集的流程圖如圖2所示。
三、數據采集系統的程序實現
隨著社會的發展，大型橋梁的安全問題越來越受到人們的重視，為了保證橋梁運行的安全性、可靠性及耐久性等，研究表明，得到科學管理的橋梁有著更好的安全性以及耐用性，橋梁健康監測系統已經是橋梁建設中不可少的一部分，數據采集系統則是整個監測系統的基石。對于橋梁健康監測來說，傳感器具有數量大、種類多，信號采集的儲存實時性高等要求，這樣對于數據采集和處理系統有較高要求。本文以武漢某大型斜拉橋為例，研究基于光纖光柵的數據采集系統的軟件設計及具體實現。
根據要求，傳感器數據采集系統能夠提供監測數據。以某斜拉橋為例的健康監測系統中，系統采用光纖光柵應力傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵位移傳感器、壓電式低頻加速度傳感器等等監測斜拉橋應力、溫度等參數。本文主要針對的是光纖光柵型傳感器，將采集到的光信號通過光纜傳輸后經過解調儀解調，最后通過網口對解調儀采集到數字信號存入數據庫中，為后續監測系統做準備。
光纖光柵解調儀具有以太網接口，根據實際需要進行網絡編程，實現網絡程序有很多種方式，Windows Socket是其中比較簡單的方法。本系統監測對象比較多并且要求系統實時性高，多線程技術可以滿足系統要求，它支持系統一個進程中執行多個線程，多個操作可以在不同線程中同時進行。光信號經解調儀傳輸后是字節流，可以使用memmove函數對字節流進行分解處理。
（一）光纖光柵傳感器的配置
數據采集方案的確定和傳輸方式的選擇一般是根據傳感器空間分布情況確定的。斜拉橋的跨度比較大，一般為幾百米到幾千米，橋上敷設的傳感器的數量種類也特別多，這個時候為了減少信號在傳輸中受到干擾、衰減失真等情況，首先要對傳感器進行配置，再選擇合適的數據采集方案和傳輸方式。
數據采集之前要確定傳感器的總數、解調儀的數量、所需通道數、采樣頻率和存儲頻率等各方面信息。傳感器的總數決定了數據傳輸設備的數量和數據的傳輸方式。傳感器的采樣頻率是由數據處理系統對數據的要求以及數據本身的動態特性決定的。在進行傳感器配置的時，采取四層結構，采用樹形控件，應用如圖3所示。第一層是光纖光柵系統，第二層是光纖光柵解調儀，第三層是通道，第四層是傳感器。在數據采集系統首次運行時要進行初始配置，這樣才能提高系統的運行速率。傳感器配置有兩種方式，一種是在界面進行配置，第二種是修改配置文件的內容。開始配置時首先將配置信息顯示在界面上，對界面進行配置，然后將數據寫入數據庫。
界面的配置步驟為：光纖系統總配置、光纖光柵解調儀配置、通道配置、傳感器配置。將每一個配置的傳感器編號，通過傳感器編號可以查詢具體信息。比如：傳感器的名稱、類別、位置、初始應變、報警上限、報警下限、標定系數、標定斜率、是否要溫度補償、基準波長、標定波長、所屬的解調儀和通道數等信息。
（二）網口采集
武漢某斜拉橋健康監測系統需采集的信號數量大、實時性高、處理較復雜。數據采集系統負責將光纖光柵解調儀的信號通過網口以后，進行數據的采集、分析、轉化為相應數據儲存，為后續的數據分析處理以及安全評估提供可靠地實時數據。本系統是采用開放式Windows系統平臺，軟件開發環境為Visual Studio 2005，把任務分成幾個獨立的線程，使用多線程方式，這樣就能夠保證數據采集的實時性，用戶其他操作也能及時響應，這樣提高了利用率和程序的運行效率。
光纖光柵解調儀主要作用是把光纖光柵中心波長解調出來，解調的機理有很多，本系統采用的解調原理是基于F―P濾波器的原理，基于網口的數據采集技術較成熟，解調儀的通信協議為UDP協議，傳輸速率要求能夠完全滿足系統要求。
對于UDP無連接的數據報服務，客戶機給服務機發送一個含有地址的數據報，客戶機和服務器并沒有建立連接。服務器是通過調用Recvfrom（）等待客戶端數據。基于UDP的socket編程思路為：首先創建套接字（socket），然后將套接字綁定到一個本地端口和地址上，等待接收的數據，最后關閉socket。
根據實際情況開發服務端軟件基于UDP的，UDP能夠提供端口機制便于UDP用戶使用。UDP長度中包括UDP本身長度、源端口、目的端口、用戶數據和UDP校驗等。實際開發，端口號為5000，首先使用“ping”命令判斷測試網絡是否連通，原理為發送UDP數據包給對方主機，對方主機回復是否收到數據報，如果回復及時，則網絡已經連接，軟件流程如下圖4所示。
四、小結
光纖光柵傳感器使用越來越普遍，本文介紹基于光纖光柵傳感器的數據采集監測系統的組成，對數據采集系統進行軟件設計和介紹基于網絡的數據采集的關鍵技術，最后對數據采集系統進行實例應用。
參考文獻：
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第3篇：光纖傳感技術論文范文
關鍵詞：高等學校管理制度創新科技
科技創新作為高校創新的重要內容，既是高校提高人才培養質量的關鍵，也是高校加快發展的主要動力和源泉，更是提高教師隊伍整體素質和水平的重要手段。加強高校科技創新工作，對于提高高校創新能力和綜合實力，促進高校持續、穩定、協調、科學發展具有重要意義。
西安石油大學在國家“十五”科技工作方針指導下，結合學校實際，以特色求生存，以創新求發展，深入實施科技精品工程，以制度創新為總抓手，通過優化管理體制機制，營造科研良好環境，發揮重大項目作用，加大科技獎勵力度，規范科技評價體系，擴大學術交流范圍等舉措，充分調動全校教師投身科技創新的積極性、主動性和自覺性，使學校科技創新工作實現持續健康發展。
1 優化管理體制機制，構筑科技創新基地
創新基地包括各級重點實驗室、工程技術研究中心和人文社會科學重點研究基地。創新基地建設是提高科技創新能力的重要手段，是進行科研工作的基礎和保證，是匯聚科技人才的根本途徑。對創新基地建設而言，完善的科技管理體制和運行機制是根本保證。為此，學校堅持與時俱進，不斷創新科技管理制度，建立有利于發揮創新基地學術環境優勢，有利于學科交叉、隊伍整合和資源共享，有利于調動科技人員積極性，有利于優秀拔尖人才脫穎而出的科技管理體制和運行激勵機制。經過廣泛調研和科學論證，相繼制定了“重點實驗室管理辦法”、“工程技術研究中心管理辦法”、“人文社會科學重點研究基地管理辦法”等制度。同時學校也自籌資金7000多萬元用于基地建設，使得制度的導向和引領作用更加凸顯。學校緊跟國家創新體系建設、西部大開發、陜西建設西部強省的步伐，搶抓機遇，充分發揮石油石化主干學科優勢、人才優勢、成果優勢，突出特色研究方向，通過資源整合、加強條件建設、技術裝備改造、增建實驗室等舉措，使創新基地得到快速發展。目前學校已擁有2個聯合建設的國家工程實驗室，1個省部共建教育部重點實驗室，8個省部級重點實驗室，7個省級工程技術和研究中心，1個省部級人文社會科學重點研究基地。
2 營造良好科研環境，推進創新人才培養
高校由于“擴招”導致教師缺編嚴重，使得青年教師過早地擔負起教學科研的重任。據調查，全校40歲以下的青年教師占整個教師隊伍的三分之二左右。青年教師以后要成為學校教學和科研的主力，但是他們普遍缺乏系統的科研訓練，能力和經驗也都不足，也缺乏科研啟動資金。為此，學校專門制定了《科技創新基金管理辦法》，引導和資助青年教師開展科學研究工作。同時對獲得博士學位的教師，學校也給與科研啟動金，資助他們開展科學研究、參加學術交流。近幾年學校共投入200多萬元，資助了200多位青年教師，占青年教師總數的三成以上。青年教師的科學研究能力得到了鍛煉和提高，他們中的許多人已快速成長為學校教學科研的骨干。
3 發揮重大項目作用，凝聚科技創新團隊
科技創新團隊的建設是高校教學、科研和學科建設的重要保障。要建設一流高校，必須要有一批素質優良、結構合理、專兼結合、相對穩定的創新團隊。國家中長期科學和技術發展綱要指出：“爭取政府資源是高校自身發展的需要，也是高校科技創新實力的集中展現。高校圍繞國家目標開展創新活動，可以不斷提高自身創新能力和學術地位，促進高質量人才的培養，促進科技創新團隊的形成。”目前，許多高校都存在科研團隊整體素質不高、隊伍不穩定的現象。針對國家級科研目標開展科技攻關，進行學科交叉，可以穩定科技隊伍，凝聚科技創新團隊，改變這種現狀。
為了激勵教師積極爭取和承擔國家、省部級科研項目，同時保障高層次科研項目的順利實施，制定了《縱向科研項目經費資助辦法》。學校組織各學科技術骨干組成科研團隊，積極申請國家自科基金、社科基金、國家科技支撐計劃、國家“863”計劃及各省市設立的重大科技項目，以重大科技項目為載體凝聚科技力量，培育科技精品。幾年來，學校投入配套資金400多萬元，極大地促進了科學研究工作的發展。對加強科技團隊建設，穩定學術隊伍，堅持自身特色，形成新的科研方向起到了重要作用。近五年，學校主持和參加國家“863”計劃項目9項，參加國家“973”計劃項目5項，主持和參加國家科技支撐計劃項目9項，主持和參加國家自然科學基金項目17項。主持國家社會科學基金項目3項。其中，我校承擔的國家“863”計劃“旋轉導向可控偏心器工程化技術研究”項目，經費達1500萬元，是建校以來第一個經費突破千萬元的科研項目。學校科研經費大幅度增長，由2003年的3100多萬元增加到2008年的1億多元，年均增幅達30％以上。通過重大項目形成了多個穩定的科研方向，凝聚了多支科研團隊。比較典型的是“光纖光柵傳感技術研究”創新團隊，取得了多項創新成果，獲得了2008年“全國五一勞動獎狀”。
4 加大科技獎勵力度，催生科技創新成果
學校革新科技獎勵辦法，拓展授獎范圍，加大獎勵力度，制定了《科技獎勵辦法》。對高水平的理論和技術成果進行獎勵，對省部級以上的科技項目、獲省部級以上獎勵的科技成果、獲授權的專利技術、高水平的論文、經費數額較大的橫向科研項目進行獎勵。獎勵以工資或現金形式兌現，幾年來共發放獎金300多萬元。此項制度在教師中反響很大，極大地鼓舞了大家的創新熱情，也調動了更多的教師，特別是中青年教師的科研積極性，使得學校科技工作呈現出了“長江后浪推前浪，一浪更比一浪強”的可喜局面，有力地促進了學科建設和科技創新工作的跨越式發展。
近幾年學校主持完成的“氣田污水綜合處理與防腐阻垢技術”、“油氣管線分布式光纖光柵智能傳感系統研究”等4項成果榮獲陜西省科學技術獎一等獎，“高溫高壓分布式光纖光柵傳感技術”成果榮獲2007年度國家技術發明二等獎，此外學校還獲得了130多項各級科技獎勵。近五年6000余篇、被SCI、EI、ISTP收錄近500篇，出版學術專著100多部。
5 規范科技評價體系，激勵教師創新熱情
高校近年來存在單純以論文數量考核教師的現象，導致大量低水平重復的論文出現。學校為此制定了《權威期刊、核心期刊認定辦法》，從自然科學到人文社會科學，從國內核心期刊到國外核心期刊，從不同角度規范和引導教師通過科技創新和長期積累，發表高質量、高水平的學術論文，促進學校科技創新工作再上新臺階。
學校的科技評價體系是引導教師進行科技創新的指揮棒。在強化科技業績考核的同時，一定要處理好數量指標與質量指標的關系。學校制定了《教師科技工作業績與成果量化計算辦法》，與學校的其他科技管理制度一起，形成了科技評價體系。此辦法的實施使得學校科技成果認定更加公平合理。科技工作業績評價更加科學規范，形成了積極有效的激勵機制，教師的科技創新熱情進一步高漲。僅2008年一年就申請發明專利20多項，超過了學校前十年申請量的總和。
6 擴大學術交流范圍，增強學校學術影響
學校的科學研究要想創一流，就要積極開展各種學術合作與交流，就要選擇高水平的合作伙伴，了解本學科的前沿領域和發展方向，提高科學研究的起點。通過國內外學術交流可及時獲取最前沿的學術信息。許多創新的想法、概念和思路，往往就是在學術交流中提出或受到啟迪。
第4篇：光纖傳感技術論文范文
關鍵詞 光電信息 實踐教學 實驗室建設
中圖分類號：G424 文獻標識碼：A
Optical Engineering Professional Practice Teaching
System Construction and Exploration
XIAO Yanshan， WANG Fei， HE Huiling
（College of Science， China Three Gorges University， Yichang， Hubei 443002）
Abstract According to Optical Engineering expertise structural characteristics and social requirements， combined with our school practice for Optical Engineering practice teaching system optimization， raised my school Optical Engineering Professional Practice teaching training objectives， build professional practice teaching content， build professional practice teaching hierarchical， multi-module， the system architecture to further improve students 'knowledge， cultivate students' innovative spirit and practical ability， so that students can better serve the photovoltaic industry and the local economic and social development.
Key words optical; practice teaching; laboratory construction
0 引言
按照國家專業目錄的指導思想，我校光電信息工程專業的培養目標為：培養既具有扎實的數理基礎，又熟練掌握光電技術、光學工程、信號處理、計算機應用與控制方面的知識和各種實驗測試技能，了解有關光學工程、光纖通信技術、電子技術、光電圖像處理等方面的基礎知識，能在光電系統與信息處理、光纖通信與傳感及其相關領域從事科研教學、科技開發、工程技術及生產管理的綜合型人才。①與機械、電氣、電子、材料等專業相比，光電信息工程專業具有非常鮮明的特點，就是其知識的廣泛交叉性。②③本專業學生不僅在光電信息的獲取、傳遞、處理及應用等方面具有堅實的理論基礎，同時還需在光電信息處理、光電系統設計、光電技術及其應用等專業領域具有扎實的專業知識和熟練的實踐技能。④
針對本專業實踐教學中普遍存在的實驗課課時數不足、學生開展自主創新實驗機會不多、學生實驗動手能力不強以及實驗教學內容明顯落后于技術發展等問題，本文提出以行業和社會需求為導向、鼓勵學生自主探究和創新、專業實驗與專業實踐環節相結合的實踐教學理念，構建科學的實踐教學內容，建立分層次、多模塊、系統的實踐教學環節，進一步優化和完善學生知識結構體系，培養學生的創新精神和實踐能力。
1 實踐教學體系的設計
1.1 實踐教學層次設計
根據本專業實踐教學的要求、功能及特點，實驗教學內容可由基礎演示型、應用提高型、綜合設計型以及研究創新型等四個不同層次的實驗組成。
基礎演示型實驗：實驗教學內容與光電專業基礎理論課內容相對應，進行基本的專業技能訓練。通過開展這類實驗項目，幫助學生加深對所學專業課程內容的理解與掌握，并使學生有機會學習正確使用本學科領域的常用儀表和設備。
應用提高型實驗：它是基礎演示型實驗的提高和拓展，根據本專業發展方向和實驗室特點，主要實驗內容應包括光纖通信與傳感技術、光電檢測技術以及激光技術等。通過開展這類實驗項目幫助學生了解光電專業知識在實際生產生活中的應用領域、光電技術的應用原理和測量方法，提高學生解決實際問題的能力，增強學生的就業競爭能力。⑤
綜合設計型實驗：它涉及的專業知識內容較廣泛，包括光電檢測與傳感的部分實驗，光纖通信的部分實驗以及激光技術的部分實驗。這類實驗內容比較豐富，實驗儀器比較復雜，開展這類實驗可以培養學生利用所學專業知識解決復雜問題的能力。實驗可在老師指導下，由學生自行設計實驗方案、實驗步驟，并由學生自行實施完成。
通過以上三個層次實驗課程的學習，學生學習如何做好實驗，掌握研究光電規律和分析光電實驗現象的思想和方法，學會分析和評價實驗結果，達到激發學習熱情、變被動學習為主動學習的目的。由以前教師安排好實驗、準備好實驗儀器、學生來做實驗的狀態，過渡到學生在老師的指導下，自己設計實驗，自己準備實驗儀器完成實驗，從而培養和提高學生的綜合思維和創造能力。
研究創新型實驗：主要安排融合各分支學科和交叉學科的綜合創新性實驗。特別是突出光電技術與計算機技術、信息前沿科學發展的融合。部分實驗項目采用項目式管理模式，題目由學生自由選擇，實驗時間不受限制，實驗室對學生實行全方位開放。由學生自己查閱資料、設計實驗方案、選擇實驗儀器、獨立完成實驗、撰寫總結報告并口頭交流，注重創新意識和創新能力的培養，為學生提供發展個性和施展才能的機會。
1.2 實踐教學模塊設計
本專業的實踐教學模塊可分為四類，如表1 所示。第一類是基礎實驗，主要開設在大一、大二學年。這一環節的實驗內容主要有計算機語言程序設計、物理實驗、數電模電實驗以及工程基礎訓練。這一實驗模塊主要是學生自己動手進行實物制作，從而提高動手能力。第二類是專業課程設計，包括光電檢測與信號處理課程設計、電子線路設計與PCB、光學軟件設計、光電子系統課程設計等。課程設計內容與專業理論課知識相銜接，使學生將理論課中學到的知識應用到實踐中去。大三年級以后，每學期都開設有專業課程設計環節，而且課程設計的內容逐步與生產實踐相結合。第三類是專業綜合類實驗，包括學科基礎實驗、光電子學專業實驗、畢業設計等。通過這類專業綜合實驗，來系統訓練學生的光電信息專業知識，提升學生的光電信息專業素養。第四類是社會生產實踐，包括生產實踐、畢業實習等。這類實驗包括大學生光電設計競賽、大學生電子設計大賽、大學生數學建模大賽、寒暑期勤工儉學、畢業實習等。通過統籌安排這些實踐內容，使學生盡快了解、認識社會、企業對光電信息專業的實際需求，真正理解專業學習目的，以增加學生畢業后的就業競爭力。
表1 光電信息工程專業實踐教學模塊
2 實踐教學內容的實施
2.1 基礎實驗
在大二年級之前完成全部基礎類實踐教學環節，主要是關于儀器、儀表的使用、基本量測量、基本實驗技能的訓練和基本測量方法等，設計物理、電子學以及計算機技術實驗的一些基本實驗技能和基本知識點，培養學生的觀察能力、分析能力和判斷能力。除了傳統的演示實驗，還包含學生自己動手操作完成的實驗，讓學生在實驗中通過探索獲取知識和經驗。
通過該實踐教學環節，可以使學生具備基本實驗技能，學會基本測量儀器的使用，掌握基本的實驗方法和經驗，為下一階段的學習打下良好的基礎。⑥
2.2 課程設計
課程設計是實踐教學體系的重要環節，是理論課程的互補，理論課程中抽象的理論知識可以在課程設計中直觀地反映。指導老師根據所學專業課內容給出多個設計題目，學生選擇后自己查閱相關資料對所選題目做出課程設計報告。課程設計分布在第2學年與第3學年，這一階段學生已經有了一定的理論基礎及實踐基礎，可以完成相關課程設計要求。
通過課程設計這一實踐教學環節，可以提升學生的思維能力，尤其是鍛煉學生應用理論知識解決實際問題的能力。
2.3 專業實驗
充分利用現有實驗室設備設計專業實驗，可將專業實驗劃分到多個實驗室，指導教師在固定實驗室指導，學生分組完成規定的實驗，有效地克服了實驗設備臺數不足的問題。畢業設計是教學過程中最重要的實踐性教學環節，是本專業學生畢業前的一個重要的綜合性實踐環節。該實踐環節的任務是，通過指導教師對學生有針對性的指導，讓學生系統完成選題、文獻檢索、文獻綜述、開題、實證研究、論文撰寫、論文修改、答辯等各個具體環節，深入探討專業知識，綜合運用專業技能，學會選用合適的研究方法，從而完成畢業論文。畢業設計的目的在于通過這些環節，使學生鞏固所學的光電專業知識和各項技能，對培養學生開拓務實的工作學習作風、拓寬專業視野、鍛煉專業技能有很好的幫助作用。
2.4 社會實踐
社會實踐是本專業教學計劃中非常重要的實踐性教學環節之一，實踐形式包括校內實踐和校外實踐。通過社會實踐讓學生真正接觸、了解社會實際。一方面讓學生認識到光電信息專業在社會經濟建設中的地位和作用，了解光電信息技術的發展前沿;同時增加學生對光電信息專業的認識和理解，通過本專業知識在實際生產中的應用來鞏固所學習的理論知識，培養學生分析和解決工程實際問題的能力;最后通過社會實踐讓學生熟悉工程技術人員的工作職責和工作程序，學習組織和管理生產的初步知識，培養學生嚴謹認真的科學態度和嚴謹求實的工作作風。
3 結束語
根據光電信息工程專業知識結構特點和社會對本專業學生的要求，結合我校實際對光電信息工程專業實踐教學體系進行優化，在拓展學生專業知識面的同時，更加注重現代光電信息領域的高、新、尖技術，并且充分利用校內外教學資源，提高學生的綜合素質，促進教學改革、科研和產業的發展。
基金項目：三峽大學教研項目（J2014069）
注釋
① 中華人民共和國教育部高等教育司.中國普通高等學校本科專業設置大全[M].北京：高等教育出版社，2003：201-202.
② 郁道銀，蔡懷宇，葛寶臻，李清，陳曉冬.光電信息工程專業建設的探索與實踐[J].光學技術，2007（S1）：293-294.
③ 劉向東，劉旭，劉玉玲.從高等教育的發展到光學工程類專業研究型人才培養方案再調整的思考[J].光學技術，2007（S1）：276-277，279.
④ 劉蓉，侯宏錄，陳海濱.電子科學與技術專業實踐教學體系優化建設的探索[J].科級信息，2011（19）：198-199.
第5篇：光纖傳感技術論文范文
【論文摘要】：機電一體化是一種復合技術，是機械技術與微電子技術、信息技術互相滲透的產物，是機電工業發展的必然趨勢。本文簡述了機電一體化技術的基本結構組成和主要應用領域，并指出其發展趨勢。
現代科學技術的發展極大地推動了不同學科的交叉與滲透，引起了工程領域的技術改造與革命。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化，使機械工業的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，使工業生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發展階段。
一、機電一體化的核心技術
機電一體化包括軟件和硬件兩方面技術。硬件是由機械本體、傳感器、信息處理單元和驅動單元等部分組成。因此，為加速推進機電一體化的發展，必須從以下幾方面著手：
（一） 機械本體技術
機械本體必須從改善性能、減輕質量和提高精度等幾方面考慮。現代機械產品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質量除了在結構上加以改進，還應考慮利用非金屬復合材料。只有機械本體減輕了重量，才有可能實現驅動系統的小型化，進而在控制方面改善快速響應特性，減少能量消耗，提高效率。
（二） 傳感技術
傳感器的問題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢。對外部信息傳感器來說，目前主要發展非接觸型檢測技術。
（三） 信息處理技術
機電一體化與微電子學的顯著進步、信息處理設備（特別是微型計算機）的普及應用緊密相連。為進一步發展機電一體化，必須提高信息處理設備的可靠性，包括模/數轉換設備的可靠性和分時處理的輸入輸出的可靠性，進而提高處理速度，并解決抗干擾及標準化問題。
（四） 驅動技術
電機作為驅動機構已被廣泛采用，但在快速響應和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發展內部裝有編碼器的電機以及控制專用組件-傳感器-電機三位一體的伺服驅動單元。
（五） 接口技術
為了與計算機進行通信，必須使數據傳遞的格式標準化、規格化。接口采用同一標準規格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設計。目前，技術人員正致力于開發低成本、高速串行的接口，來解決信號電纜非接觸化、光導纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標準化等問題。
（六） 軟件技術
軟件與硬件必須協調一致地發展。為了減少軟件的研制成本，提高生產維修的效率，要逐步推行軟件標準化，包括程序標準化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。
二、機電一體化技術的主要應用領域
（一） 數控機床
數控機床及相應的數控技術經過40年的發展，在結構、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具體表現在：
1、 總線式、模塊化、緊湊型的結構，即采用多CPU、多主總線的體系結構。
2、 開放性設計，即硬件體系結構和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標準，能最大限度地提高用戶的使用效益。
3、 WOP技術和智能化。系統能提供面向車間的編程技術和實現二、三維加工過程的動態仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機制。
4、 大容量存儲器的應用和軟件的模塊化設計，不僅豐富了數控功能，同時也加強了CNC系統的控制功能。
5、 能實現多過程、多通道控制，即具有一臺機床同時完成多個獨立加工任務或控制多臺和多種機床的能力，并將刀具破損檢測、物料搬運、機械手等控制都集成到系統中去。
6、 系統的多級網絡功能，加強了系統組合及構成復雜加工系統的能力。
7、 以單板、單片機作為控制機，加上專用芯片及模板組成結構緊湊的數控裝置。
（二） 計算機集成制造系統（CIMS）
CIMS的實現不是現有各分散系統的簡單組合，而是全局動態最優綜合。它打破原有部門之間的界線，以制造為基干來控制“物流”和“信息流”，實現從經營決策、產品開發、生產準備、生產實驗到生產經營管理的有機結合。企業集成度的提高可以使各種生產要素之間的配置得到更好的優化，各種生產要素的潛力可以得到更大的發揮。
（三） 柔性制造系統（FMS）
柔性制造系統是計算機化的制造系統，主要由計算機、數控機床、機器人、料盤、自動搬運小車和自動化倉庫等組成。它可以隨機地、實時地、按量地按照裝配部門的要求，生產其能力范圍內的任何工件，特別適于多品種、中小批量、設計更改頻繁的離散零件的批量生產。
（四） 工業機器人
第1代機器人亦稱示教再現機器人，它們只能根據示教進行重復運動，對工作環境和作業對象的變化缺乏適應性和靈活性；第2代機器人帶有各種先進的傳感元件，能獲取作業環境和操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，做出一定的判斷，對動作進行反饋控制，表現出低級智能，已開始走向實用化；第3代機器人即智能機器人，具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業環境中獨立行動，與第5代計算機關系密切。
三、機電一體化技術的發展前景
縱觀國內外機電一體化的發展現狀和高新技術的發展動向，機電一體化將朝著以下幾個方向發展：
（一） 智能化
智能化是機電一體化與傳統機械自動化的主要區別之一，也是21世紀機電一體化的發展方向。近幾年，處理器速度的提高和微機的高性能化、傳感器系統的集成化與智能化為嵌入智能控制算法創造了條件，有力地推動著機電一體化產品向智能化方向發展。智能機電一體化產品可以模擬人類智能，具有某種程度的判斷推理、邏輯思維和自主決策能力，從而取代制造工程中人的部分腦力勞動。
（二） 系統化
系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態，進行任意的剪裁和組合，同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現特征之二是通信功能大大加強，一般除RS232等常用通信方式外，實現遠程及多系統通信聯網需要的局部網絡正逐漸被采用。未來的機電一體化更加注重產品與人的關系，如何賦予機電一體化產品以人的智能、情感、人性顯得越來越重要。機電一體化產品還可根據一些生物體優良的構造研究某種新型機體，使其向著生物系統化方向發展。
（三） 微型化
微型機電一體化系統高度融合了微機械技術、微電子技術和軟件技術，是機電一體化的一個新的發展方向。國外稱微電子機械系統的幾何尺寸一般不超過1cm3，并正向微米、納米級方向發展。由于微機電一體化系統具有體積小、耗能小、運動靈活等特點，可進入一般機械無法進入的空間并易于進行精細操作，故在生物醫學、航空航天、信息技術、工農業乃至國防等領域，都有廣闊的應用前景。目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。
（四） 模塊化
模塊化也是機電一體化產品的一個發展趨勢，是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、信息接口的機電一體化產品單元是一項復雜而重要的事，它需要制訂一系列標準，以便各部件、單元的匹配和接口。機電一體化產品生產企業可利用標準單元迅速開發新產品，同時也可以不斷擴大生產規模。
（五） 網絡化
網絡技術的飛速發展對機電一體化有重大影響，使其朝著網絡化方向發展。機電一體化產品的種類很多，面向網絡的方式也不同。由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。
（六
） 綠色化
工業的發達使人們物質豐富、生活舒適的同時也使資源減少，生態環境受到嚴重污染，于是綠色產品應運而生。綠色化是時代的趨勢，其目標是使產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個生命周期中，對生態環境無危害或危害極小，資源利用率極高。機電一體化產品的綠色化主要是指使用時不污染生態環境，報廢時能回收利用。綠色制造業是現代制造業的可持續發展模式。
綜上所述，機電一體化技術是眾多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求。它促使機械工業發生戰略性的變革，使傳統的機械設計方法和設計概念發生著革命性的變化。大力發展新一代機電一體化產品，不僅是改造傳統機械設備的要求，而且是推動機械產品更新換代和開辟新領域、發展與振興機械工業的必由之路。
參考文獻
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3、 王中杰，余章雄，柴天佑.智能控制綜述[J].基礎自動化，2006(6).
第6篇：光纖傳感技術論文范文
王文生，博士，研究員，中國農業科學院農業信息研究所副所長，科技部國家農村信息化專家委員會評審組組長，農業部農業物聯網專家委員會成員。主要研究方向為農業農村信息化，物聯網、大數據和云計算在農業農村應用，運用新一代信息技術解決“三農”問題。部分科研成果先后入選科技部國家“十一五”重大成果和農業部十年重大科技成果，獲國家專利和軟件登記30多項，在國內外發表學術論文50余篇，出版英文《信息和通信技術對中國農戶的影響》專著1部，主編《中國農村信息化服務模式與機制研究》《農業網格技術研究與應用》《大數據與農業應用》著作3部，參編中英文著作6部。
大數據主要來源于大聯網、大集中、大移動等信息技術的社會應用，不但是信息技術從單項應用到多項融合的結果，而且是信息技術從前端簡單處理向后端復雜分析演變的表現，更是社會高度信息化的必然產物。大數據將給我們帶來更大的視野和更新的發現，進而改變我們的生活、工作和思維方式。許多科學家預言，在21世紀，無論是自然科學領域還是社會科學領域，大數據都將帶來無限的發展機遇。
計算機技術應用于農業已有30多年的歷史了，經歷了從起步、普及、提高、推進等一系列階段。進入21世紀以來，農業與農村信息技術的研究和應用進入高速發展階段，已成為現代農業的重要標志。農業領域中每一項技術的進步，都從某種程度上加深了農業大數據存在和研究的必要性。
我國是農業大國，一直非常重視全國性的農業科技信息資源數據資源建設。農業領域是大數據產生的無盡源泉，具有浩大的數據基礎。隨著各種智能傳感終端在農業領域的應用，農業數據來源更加廣泛、新穎、迅速，類型更加多樣，農業數據體量大、結構復雜、模態多變、實時性強、關聯度高，利用大數據技術進行農業相關應用研究，其意義將非常明顯。
一、 大數據
與云計算的橫空出世非常相似，大數據似乎也在一夜之間家喻戶曉。但略有不同的是，云計算發展早期主要由企業推動，而大數據則幾乎同時得到了政府、企業、學術界等各界的共同青睞。大數據最早是由著名未來學家阿爾文?托夫勒在1980年提出的，他在《第三次浪潮》書中，將大數據稱為“第三次浪潮的華彩樂章”。大數據具備3個基本特征：體量浩大（volume）、模態繁多（variety）、生成快速（velocity），或者就是簡單的“3V”，即龐大容量、極快速度、種類豐富的數據。
二、 農業大數據
（一）農業大數據內涵
農業數據主要是對各種農業對象、關系、行為的客觀反映，一直以來都是農業研究和應用的重要內容，但是由于技術、理念、思維等原因，對農業數據的開發和利用程度不夠，一些深藏的價值關系不能被有效發現。隨著大數據技術在各行各業廣泛研究，農業大數據也逐漸成為當前研究的熱點。
農業大數據解決的問題不是存量數據激活的問題，而是實時數據的快速采集和利用的問題；農業大數據解決的問題不是關系型數據庫集成共享的問題，而是不同行業、不同結構的數據交叉分析的問題。農業大數據至少包括下述幾層含義：
基于智能終端、移動終端、視頻終端、音頻終端等現代信息采集技術在農業生產、加工以及農產品流通、消費等過程中廣泛使用，文本、圖形、圖像、視頻、聲音、文檔等結構化、半結構化、非結構化數據被大量采集，農業數據的獲取方式、獲取時間、獲取空間、獲取范圍、獲取力度發生深刻變化，極大地提高農業數據的采集能力。
跨領域、跨行業、跨學科、多結構的交叉、綜合、關聯的農業數據集成共享平臺取代了關系型數據庫成為數據存儲與管理的主要形式，基于數據流、批處理的大數據處理平臺在農業領域中的應用越來越頻繁，交互可視化、社會網絡分析、智能管理等技術在農業生態環境監測、農產品質量安全溯源、設施農業、精準農業等環節大量應用。
農業產業鏈各個環節的政府、科研機構、高校、企業達成競爭與合作的平衡，農業大數據協同效應得到更好的體現。農業大數據形成一個可持續、可循環、高效、完整的生態圈，數據隔離的局面被打破，不同部門樂于將自己的數據共享出來，全局、整體的產業鏈得以形成，數據獲取的成本、渠道大大降低。
大數據的理念、思維被政府、企業、農民等廣泛接受，海量的農業數據成為決策的依據和基礎，天氣信息、食品安全、消費需求、生產成本、市場價格等多源數據被用來預測農產品價格走勢，耕地數量、農田質量、氣候變化、作物品種、栽培技術、產業結構、農資配置、國際市場糧價等多種因素用來分析糧食安全問題，政府決策更加精準，政府管理能力、企業服務水平、農民生產能力都得到大幅度提高。
（二）農業大數據獲取
農業大數據獲取是指利用信息技術將農業要素數字化并進行有效采集、傳輸的過程。目前，農業領域的數據積累還處于相對初級階段，達不到電信、金融、互聯網等領域的數據積累水平。然而農業數據采集方式的變化，自動化、智能化、人工化信息終端的大量涌現，數據的實時、高清以及長久保存等需求，使得農業大數據成為可能。農業大數據源來自農業生產、農業科技、農業經濟、農業流通等方方面面，不同的數據源，對應不同的數據獲取技術。從目前情況分析，農業大數據獲取主要包括以下幾方面。
1. 農業生產環境數據獲取
農業生產環境數據獲取是指對與動植物生長密切相關的空氣溫濕度、土壤溫濕度、營養元素、CO2含量、氣壓、光照等環境數據進行動態監測、采集，主要依靠農業智能傳感器技術、傳感網技術等。隨著多學科交叉技術的綜合應用，光纖傳感器、MEMS（micro-electro mechanical systems）微機電系統、仿生傳感器、電化學傳感器等新一代傳感器技術以及光譜、多光譜、高光譜、核磁共振等先進檢測方法在植物、土壤、環境信息采集方面廣泛應用，農業生產環境數據的精度、廣度、頻度大幅度提高。與此同時，傳感器終端的成本逐漸降低，大范圍、分布式、多點部署成為現實，數據量呈級數增長。
2. 生命信息智能感知
生命信息智能感知是指對動、植物生長過程中的生理、生長、發育、活動規律等生物生理數據進行感知、記錄，如檢測植物中的氮元素含量、植物生理信息指標，測量動物體溫、運動軌跡等。常用的生命信息感知技術包括光譜技術、機器視覺技術、人工嗅覺技術、熱紅外技術等。生命信息智能感知改變了原有的、以經驗為主的、人工檢測模式，使生命信號感知更加科學、更加智能，實時性、動態性、有效性得到大大提高。農業生命信息是對農業生產對象本身的數字化描述，是對生命個體進行監測管理的重要依據，具有典型的時效性。
3. 農田變量信息快速采集
農田變量信息快速采集主要是對農田中的土壤含水量、肥力、土壤有機質、土壤壓實、耕作層深度和作物病、蟲、草害及作物苗情分布信息采集，一般分為接觸式傳感技術、非接觸式遙感技術。國內在農田空間信息快速采集技術領域已經積累了較豐富的理論基礎和實踐經驗，已設計出便攜式土壤養分測試儀、基于時域反射儀（TDR）原理的土壤水分及電導率測試儀、基于光纖傳感器土壤pH值測試儀，并在作物病蟲草害的識別、作物生長特性與生理參數的快速獲取等方面開展了有益的探索。精準農業是農業信息化的重要方向，快速、有效采集和描述影響作物生長環境的空間變量信息，是精準農業的重要基礎。高密度、高速度、高準確度的農田信息具有數據量大、時效強、關聯度高等特點。農田變量信息主要服務于精準農業生產，強調實時性、精準性等特點，屬于局部、微觀、持續的農業數據。
4. 農業遙感數據獲取
農業遙感數據獲取是指利用衛星、飛行器等對地面農業目標進行大范圍監測、遠程數據獲取，主要采用遙感技術。遙感技術是一種空間信息獲取技術，具有獲取數據范圍大、獲取信息速度快、周期短、獲取信息手段多、信息量大等特點。農業遙感技術可以客觀、準確、及時地提供作物生態環境和作物生長的各種信息，主要應用在農用地資源的監測與保護、農作物大面積估產與長勢監測、農業氣象災害監測、作物模擬模型等幾個方面。農業遙感數據能反映大面積、長時間的農業生產狀況，屬于宏觀、全局層面的農業數據。
5. 農產品市場經濟數據采集
農產品市場經濟數據采集是指對農產品生產、質量、需求、庫存、進出口、市場行情、生產成本等數據進行動態采集，涉及農業流通、農產品價格、農產品市場、農產品質量安全等，具有較強的突發性、動態性、實時性、變化性，一般由“智能終端+通信網絡+專業群體”組成。隨著科學技術的發展，移動終端諸如手機、筆記本、平板電腦等隨處可見，加上網絡的寬帶化發展以及集成電路的升級，人類已經步入了真正的移動信息時代，基于智能終端的農產品市場經濟數據采集越來越頻繁，數據量越來越大，圖片、視頻等數據格式激增。基于3G的基層農技推廣平臺等是農產品市場經濟數據采集的典型應用。
6. 農業網絡數據抓取
農業網絡數據抓取指利用爬蟲等網絡數據抓取技術對網站、論壇、微博、博客中涉農數據進行動態監測、定向采集的過程。網絡爬蟲（網頁蜘蛛），是一種按照一定的規則，自動地抓取萬維網信息的程序或者腳本，有廣度優先、深度優先2種策略。農業網絡數據是在互聯網層面對農業各方面的客觀反映，具有規模大、實時動態變化、異構性、分布性、數據涌現等特點。搜農、農搜等搜索引擎都是基于主題爬蟲的農業數據獲取平臺，在農業網絡數據獲取方面具有一定基礎。
（三）農業大數據現狀
1. 農業大數據重要性日益凸顯
經過多年的發展，農業數據庫、農業信息系統、農業專家系統、農業遙感、農業物聯網等現代信息技術在農業生產活動中應用取得了非常顯著的成果。云存儲、數據倉庫等技術為數據的海量存儲提供了可能，傳感器、遙感數據、移動終端、網絡等都積累了大量的農業數據。伴隨著大數據技術的飛速發展，農業信息化的發展必然從“技術驅動”向“數據驅動”轉變。目前，農業領域都在積極部署農業大數據相關方面的研究，農業大數據重要性日益凸顯。中國農業科學院農業信息研究所發起了信息聯盟，旨在促進涉農信息資源與專家隊伍的集成、共享，聯合推進農業信息云服務；山東農業大學發起了農業大數據產業技術創新戰略聯盟（http：//.cn/），以期促進大數據在山東農業領域研究及成果應用發展。2014年，科學數據大會舉行，專門設立農業與農村信息化大數據技術與應用分論壇。
2. 農業大數據積累初具規模
我國農業信息化研究長期以來一直非常重視農業數據的積累，目前農業大數據已經具備了一定的規模，數據的存儲格式以結構化數據為主，視頻、圖片等數據量也在不斷攀升。農業科學數據共享中心（試點）項目于2003年正式啟動，重點采集作物科學、動物科學與動物醫學類科學、農業科技基礎數據等農業科技類基礎數據。截至2012年，農業科學數據中心數據總量448.93GB。全國基層農技推廣信息化平臺，構建了糧食作物、經濟作物、蔬菜、果樹、畜牧等農業技術數據庫，面向全國70萬農技員提供服務，總記錄超過10萬條，視頻數據超過5000個。中國科學院計算機網絡中心研發的地理空間數據云平臺（http：///），現有地學遙感數據資源約280 TB，以中國區域為主，覆蓋全球地理范圍。中國作物種質資源信息網（CGRIS），擁有糧食、 纖維、油料、 蔬菜、果樹、糖、煙、茶、桑、牧草、綠肥、熱作等200種作物，41萬份品種、種質、基因信息。
3. 農業大數據研究具備了一定基礎
農業信息化研究工作一直與農業數據密切相關，相關方面的研究主要集中在監測與預警、數據挖掘、信息服務等方面，基于數據的農業信息處理分析具備了一定的基礎條件。據不完全統計，目前全國與農業相關的主要監測、預警系統共有84個，其中食物保障預警系統12個，食品安全監測預警系統18個，市場分析與監測系統35個，作物分析與預警系統19個；中國搜農作為國內首款農業垂直搜索引擎，持續穩定運行6年，獲取了海量的農業信息，信息總量超過100TB，信息更新周期平均為30min，目前每周平均信息增長量3GB，每天監控3萬多個農業網站的超過2萬多個農產品批發、集貿市場的2萬多個農產品品種的價格、供求等信息。
三、 農業大數據應用展望
基于大數據的理論和技術，不斷推進傳統領域創新與應用實踐，為國家經濟社會發展提供了新的生長點。在農業信息化不斷發展的過程中，已有部分領域完成了大數據積累，具備了利用大數據理論與技術進行深入數據分析和價值發現的條件。根據當前農業信息化發展的現狀，筆者認為大數據在農業領域的應用主要集中在以下幾個方面。
（一）精準農業可靠決策支持系統
變量決策分析是精準農業技術體系中的核心，致力于根據農田小區作物產量和相關因素，在農田內的空間差異性，實施分布式的處方農作。高密度的農田信息獲取后，怎樣根據這些不同角度的農田信息，推出一整套具有可實施性的精準管理措施，是需要多學科交叉的研究課題。專家系統、作物模擬模型、作物生產決策支持系統傳統的生產決策技術取得了一些成果，但效果并不理想。利用大數據處理分析技術，集成作物自身生長發育情況以及作物生長環境中的氣候、土壤、生物、栽培措施因子等數據，綜合考慮經濟、環境、可持續發展的目標，突破專家系統、模擬模型在多結構、高密度數據處理方面的不足，為農業生產決策者提供精準、實時、高效、可靠的輔助決策。
（二）國家農村綜合信息服務系統
國家農村綜合信息服務，按照“平臺上移，服務下延”的思路，集成與整合各分散的信息資源與系統，在全國范圍實現信息資源的共享，數據資源體量大、數據處理流程復雜、信息服務模式多樣，需要實現海量農業信息化數據獲取、傳輸、加工、服務一體化處理。利用大數據處理分析技術，研究復雜多樣、動態時變用戶需求的快速聚焦與大規模服務及用戶動態需求組合的學習和進化機制模型，突破農戶需求智能聚焦技術，實現信息服務按需分配以及云環境下大規模部署的智能系統服務與龐大“三農”用戶群的多樣性、地域性、時變性等個性化需求快速對接。
（三）農業數據監測預警系統
農業數據監測預警是指對農業生產、市場運行、消費需求、進出口貿易及供需平衡等情況進行的全產業鏈信息采集、數據分析、預測預警與信息，其主要任務包括感知市場異常波動、實時監控生產風險、及時應對突發事件、推動管理關口前移等。2002年以來，農業部開始建立農產品市場監測預警系統，啟動了稻谷、小麥等關系國計民生的7種重點農產品的市場監測預警工作。目前，監測預警技術已在農產品質量安全、農業病蟲草害、農產品價格、農產品市場等領域進行了廣泛應用。利用大數據智能分析和挖掘技術，實現農業信息流監測、農業數據關聯預測、農業數據預警多維模擬等，大幅度提高農業監測預警的準確性。
（四）天地網一體化農情監測系統
農情信息遙感監測主要是指利用遙感等信息技術對農業生產情況信息，如作物面積、長勢和產量信息、農業災害信息、農業資源信息等進行遠程監測和綜合評價，輔助農業生產決策的過程。基于遙感-地面-無線傳感網的一體化農情信息獲取體系，在解決了數據時空不連續的難點的同時，也帶來了海量農情數據融合處理的問題。與此同時，遙感技術飛速發展，特別是傳感器分辨率的提高、新型傳感器的應用等，遙感影像的數據量急劇增加，海量數據的存儲、快速產生、信息提取、融合應用等，為遙感數據分析帶來了挑戰。利用大數據分析處理技術，研究天地網一體化農業監測系統中的多源多類數據的智能融合與分析、定量化反演以及網絡化集成與共享關鍵技術，實現全局數據發現與跨學科的數據集成和互操作，為農業遙感信息的深入分析提供支撐。
（五）農業生產環境監測與控制系統
第7篇：光纖傳感技術論文范文
(一)背景及意義
二十一世紀我國將面臨人口眾多、交通擁擠、醫院容量有限,以及由于獨生子政策導致的日益嚴重的人口老齡化等一系列嚴重的社會問題,遠程醫療技術的發展可望為我們提供一個緩解上述問題的有效途徑。最簡單的遠程醫療形式是通過PSTN(公共電話網絡)進行心電(ECGs)的遠程解釋,但目前的遠程醫療技術研究與試驗則是伴隨當前IT技術的發展而發展的一個范圍更加廣泛,意義更加深遠的新興領域。它是現代通訊技術和計算機與現代醫學相結合的產物,它利用電子通訊及多媒體技術實現遠距離醫學檢測,監護,咨詢,急救,保健,診斷,治療,以及遠距離教育和管理等等。遠程醫療旨在通過提供一種管理良好、高效和跨越時空障礙的全新醫療保健服務模式,最終達到共享醫療保健資源,降低醫療保健費用,提高醫療效率和質量的目的。另外,在戰場救護,交通等意外事故危重病人的緊急處理等方面,遠程醫療技術也有很大的應用價值!廣義地講,遠程醫療是指醫護人員利用通訊和電子技術來跨越時空障礙、向人們提供醫療保健服務。根據不同的應用,遠程醫療又可分類為遠程監護,遠程治療,遠程會診和遠程教育等等。
(二)發展過程
最早的遠程醫療雛形可以追溯到1905年Einthoven等人利用電話線進行的心電圖數據傳輸實驗。但真正具有一定實用價值的遠程醫療系統在50年代才開始出現,該系統可以通過電話線和專用線傳送簡單的醫學數據。而在70~80年代遠程醫療開始利用電視系統傳輸醫學圖像,即以遠程放射醫學(Tele-radiology)為主。隨著現代微電子學、通訊技術、計算機及網絡技術的發展,在90年代人們開始實踐與評估該系統在遠程醫療咨詢、遠程教育、遠程專家會診等多方面的應用。近幾年來,隨著醫用數字影象設備如CT、MRI、B超以及DSA等的迅速普及,促使越來越多的醫院采用數字圖像存儲通訊系統(PACS,PictureArchivingandCommunicationSystem),逐步實現醫院的無膠片管理,為普及遠程醫療奠定了良好基礎。當前,遠程醫療系統技術的技術支持有:交互視頻影像設備(interactivevideo),高分辨監視器(high-resolutionmonitors),計算機網絡(computernetworks),蜂窩電話(cellulartelephones),高速開關系統(high-speedswitchsystems),以及以光纖和衛星通信為核心的信息高速公路等。需要說明的是,在目前的中國,由于網絡的普及面仍然十分有限,在一些中小縣城市,既缺少高水平的醫療專家又缺少足夠帶寬的信息網絡,患者的經濟能力也十分有限。在這種背景下,基于電話線的遠程醫療服務在一定程度上滿足了當前的需求,顯示出了一定的發展空間,值得國內的醫療電子企業重視。
(三)適宜范圍和初步的臨床效果
遠程醫療技術(Tele-medicine)最大的作用在于它對農村和不發達國家的那些得不到良好服務的人群提供健康護理服務。在這些地方,合格醫生的缺乏是一個很大的問題。其他需要遠程醫療的地方包括:邊遠的兵站,需要保密的地方,出院后病人的監護,家庭監護,病人教育,醫學教育等。有些醫學部門,如放射學(radiology),病理學(pathology)和心臟病學(cardiology),他們需要高保真的電子醫務數據和圖像為診斷服務,因而特別適合于采用遠程醫療。隨著遠程醫療技術的成熟,它能夠提供服務的醫學部門和范圍也會隨之相應地增加。比如,以下這些領域的遠程醫療實踐正在逐步增多:矯形外科學(orthopedics),皮膚病學(dermatology),精神病學(psychiatry),腫瘤學(oncology),神經病學(neurology),兒科學(pediatrics),產科學(obstetrics),風濕病學(rheumatology),血液學(hematology),耳咽喉科學(otolaryngology),眼科學(ophthalmol-ogy),泌尿科學(urology),外科(surgery)等。總的來說,有關報告顯示,遠程醫療提供了醫生與遠端之間的可靠的高質量的數據和音頻視頻通信。通過將遠程醫療和直接的醫生診斷相比較發現,二者沒有大的差異。這些初步的結果說明,遠程醫療提供了與醫院相當的服務質量。目前,遠程醫療已被成功地用于直接的病人監護,它明顯地改進了醫生的診斷能力和對病人的處理選擇。遠程醫療在臨床醫學中的作用已被完全證實,它的使用情況已經超過了立法和行政部門的步伐。因此,在未來健康監護工業的發展策略中,遠程醫療應是一個不可忽略的因素。一個重要的目標是實現兩個“所有”:方便地實現所有的醫學服務和面向所有的地方。
(四)遠程醫療系統與信息技術
很顯然,遠程醫療(Tele-medicine)應當有許多不同的系統和技術要求(分級的)。但大致可分為兩類:實時的(RealTime,RT)和先收集后處理的(store-and-forward,SAF)。對于RT交互模式,病人與現場醫生或護理人員一起在遠處,專家在醫學中心。對于SAF模式,所有相關的信息(數據、圖形、圖像等)用電子方式傳到專家處,在這里,專家的反應不必是立即的。在大多數情況下,幾小時或幾天后才能收到專家的報告。一種理想的遠程醫療系統當然是同時具備RT和SAF兩種模式,但顯然這種復合模式意味著顯著增加的費用。例如,一個理想的RT-SAF組合,需要在急診室內或附近有一個基站,并在遠處有多個對病人實施治療計劃的地方,那里帶有診斷室或移動的監護單元。基站需要有控制系統或工作站、在線的醫學數據庫、視頻相機和監護儀、微型耳機和話筒以及圖形圖像輸入設備。在遠端,需要有完全可移動的視頻相機和監護儀、各種診斷設備、圖形圖像輸入設備、PC或工作站等。如上所述,當前的技術可以使得遠程醫療系統具有可靠的高質量的數據和視頻-音頻通信(在醫學中心的醫生和遠端病人之間),能夠提供與到醫院就診相當的服務。隨著遠程醫療的范圍和廣度的擴展,需要進一步關注的技術和臨床問題包括:傳輸的圖像、視頻信息的知覺質量以及其他臨床完善性所要求的程序;當前技術能夠提供的檢查的透徹性,以及遠程醫療服務和當前臨床常規檢查的有機結合問題等。遠程醫療當中的一個重要技術成份是通信系統,它的基本的傳輸介質是銅質電纜、光導纖維,微波中繼,衛星轉發。一個混合的網絡可能是,衛星傳送用于很遠距離的情況,光纖用于視頻圖像,銅電纜傳數據、信號和控制信息。RT、SAF兩種模式的通信要求都可以預測。RT模式要求短時間內傳送大量的信息,它強調的重點是傳輸、交換和交互的時間。它的決定性因素是容許能力(傳輸速率和帶寬)。而SAF模式則對傳輸速率和帶寬的要求不大。只要能將整塊的數據傳送就行。一般的多媒體遠程醫療系統應具有獲取、傳輸、處理和顯示圖像、圖形、語音、文字和生理信息的功能。按照遠程醫療系統的組成劃分,它一般由三個部分構成:用戶終端設備,醫療中心終端設備和聯系中心與用戶的通訊信息網絡。不同的遠程醫療應用,對通訊系統和系統終端設計又有不同的要求。相應的設備費用也依要求的不同而變動較大。
(五)相關的有待解決的技術問題
仍然有待解決的,與遠程醫療全面、廣泛地實施有關的關鍵技術問題包括:數碼醫院的建立,目前有些醫院己有醫院信息系統(HIS)和圖像歸檔與通信系統(PACS—picturearchivingandcommunicationsystem)和DICOM(Digitalimagingandcommuni-cationsinmedicine)。醫院現有的這些系統是遠程醫療的重要組成部分,它們的擴展是建立遠程醫療系統的一個有利條件。此外,還需要建立標準的醫學信息庫;開發功能可靠、操作方便的終端設備•以及接口技術問題,因為遠程醫療系統涉及多種醫療設備與通訊系統的連接,建立通用的標準接口將會減少系統建立時的復雜程度和節省費用;系統加密問題,以確保醫療數據在通訊網絡傳輸中的安全性,維護病人的隱私權;家庭以及偏遠地區的寬頻通訊問題,初期通訊網絡的鋪建應考慮到遠程醫療的用途。目前,有關研究主要集中在:(1)人-機接口和通訊網絡的研究,主要解決各種信息的有效上網和傳送;(2)傳感器技術的研究,目標在于研制有源、無線和小型的換能器,實現生理信號的方便而可靠、準確而無損的測量;(3)各種先進的數據與圖像壓縮方法的研究,在盡可能減低有用信息丟失的同時,達到盡可能高的壓縮率,最終實現遠程醫療數據與圖形圖像信息的的高效傳輸;(4)醫學信息與數據傳輸安全問題的研究,為相應的立法等提供技術保證。
二、醫學成像技術與三維醫學圖像處理
(一)醫學成像技術
1895年德國物理學家倫琴發現了X射線,并被應用于醫學,產生了以X光照片為標志的醫學影象學。此后的整個20世紀可以說是醫學成像的盛世。面對各種紛紛涌現的眾多成像模式,我們不僅要問:這些成像技術各有何特點?它們的發展前景又如何呢?到目前為止出現的所有成像方法,幾乎都與核或電磁有關。如果從利用的電磁波的頻率高低上對醫學成像模式進行分類,在靜態場領域有電生理成像,低頻領域有阻抗CT,高頻領域有微波CT,光領域有光學CT,在更高的頻率領域有X線CT。其中X線CT早已進入實用的階段。此外還有利用磁場相互作用機制的磁共振成像技術(MRI)。加上最近受到重視的一些功能成像方法,如功能磁共振成(fMRI)和正電子發射斷層掃描技術(PositronEmissionTomography,PET)等,如此眾多的醫學影象手段提供了大量的有關病人的各種信息,包括形態的和功能的、靜態的和動態的等,被廣泛應用于診斷和治療,成為現代化中必不可少的手段和工具。
1•電阻抗斷層成像技術
電阻抗斷層成像技術(ElectricalImpedanceTomography,EIT)是近些年來興起的一項醫學成像技術。其基本思想是利用人體組織的電特性差異形成人體內部的圖像。它通過體表電極向人體送入一交流電流,在體表不同部位測量產生的電壓值,由此重檢一幅電極位置平面的人體組織電特性圖像。這種圖像不僅包含了解剖學信息,更為重要的是,某些組織和器官的電特性隨其功能狀態而改變,因此圖像也包含了功能信息在內。此外加上對人體幾乎無創傷、廉價、操作簡便等優點,EIT受到了日益廣泛的關注。但由于受到數據采集系統和算法等因素的限制,目前該技術并不十分成熟,基本處于實驗室階段。EIT技術根據測量目標的不同可以分為兩類:靜態EIT和動態EIT。靜態EIT以測量對象內部電阻(導)率的分布為成像目標;而動態EIT則是測量對象內部的電阻(導)率的相對變化量的分布為成像目標。由于動態EIT技術只需反映阻抗的相對變化量,相應地,其算法簡便、快速,可以實時成像,而且系統對具體目標形狀有較高的魯棒性。雖然由于假設條件難以滿足、推導過程不嚴格等缺點使得動態EIT的成像質量不高,但由于其對人體形狀和電極擺放位置的適應性強、能反映變化的信息等優于靜態EIT的這些優點,它已被用來進行臨床研究。相信隨著算法的改進和成像質量的提高,動態EIT有望在臨床上發揮更大的作用。
2•電生理成像技術
電生理成像技術指基于體表電磁信號的觀測,進行的體內電活動情況成像的技術。具體有心電磁和腦電磁問題兩大類。但兩類問題在技術上是密切相關的,它們分別是利用測量得到的心電圖(Electrocardiogram,ECG)和腦電圖(Electroen-cephalogram,EEG)來研究人體的功能。這里以腦電為例,其中又可以分為兩個層次,一為腦電源反演,一為成像。在成像方面,人們希望能從頭皮上獲得的空間分辨率較低的電位分布推算出皮層表面上空間分辨率較高的腦電電位分布,因也稱為高分辨率EEG成像。人們相繼發展了等效源方法(Sidmanetal,1992;Yao,2000),有限電阻網絡法(楊福生等,1999),和球諧譜分析方法(Yao,1995)。腦電源反演就是利用測得的頭皮電位,推算顱骨內腦電活動源的空間位置的一項技術。其具體方法有非線性優化算法和子空間分解算法。在這些方法中,大都是以某一時刻的電位觀測值為已知信息,唯有子空間分解算法是直接建立在一段觀測記錄之上,從而較好地同時利用了觀測記錄中的時間和空間信息,因而受到了廣泛的重視(Mosher,1992;堯德中,2000)。電生理成像技術與其它的醫學成像技術如CT、MRI等相比,具有其不可替代的獨特功能。它檢測的是生物體的自發(或誘發)的功能信息,是一種真正的非損傷性的成像技術,且可以進行長期檢測,而fMRI等只能檢測誘發的間接的功能信息。另外一個優點就是它具有很高的時間分辨率。目前的一個重要發展方向是,電生理成像技術與其它影像技術相結合(如EEG與fMRI結合),實現優勢互補,以得到兩“高”(高時間分辨率和高空間分辨率)的結果,幫助研究人員進行更精確的分析和判斷。
3•微波CT
微波CT可以說是一種比較新的成像模式,它是1978年才被提出來的。它的基本原理是:利用電磁波的傳輸特性,通過測定透過身體的電磁波來重建體內圖像。微波CT大體可以分為兩大類:被動測定型和主動測定型。被動測定型也可以稱為無源型,利用的是由生物體發出的屬于微波范圍的那一部分電磁波,如人體熱輻射等,最終獲得熱圖像(因此,類似的還有紅外成像);主動測定型也叫有源型,是用外部入射微波照射生物體,然后利用透過微波和反射微波重構圖像,獲得的是形態圖像。微波CT作為一種醫學成像模式,它的主要特點是,同X-CT相比更容易查出癌變組織;與超聲相比更有利于肺的診斷;不存在電離輻射的危險性。微波CT需要解決的最大問題是如何提高空間分辨率。要想提高分辨率,必須縮短波長,提高頻率,但波長愈短其在體內的衰減愈大。同時,微波在介質中傳播時產生的衍射和散射會造成重建圖像的模糊。所以提高微波CT的圖像分辨率是一件極為困難的工作。隨著技術的進步和圖像分辨率的提高,微波CT將很有希望成為新一代的醫學成像手段。
4•光學CT
光學CT也將是21世紀的重要研究領域。其基本思路是將光輸入待測組織,測量其輸出,重建該組織。由于人體對可見光是屏蔽的,但對紅外或紅外波段的光有一定的穿透能力,利用它進行斷層成像。光學CT大致可以分為內稟(Intrinsic)光學成像、光學相干層析成像、光子遷移技術成像等幾種。內稟信號指的是,由組織活動(如神經元活動)引起的有關物質成分、運動狀態的改變而導致起光學特性發生變化,而這種變化在與某些特定波長的光量子相互作用后得到的包含了這些特性的光信號。通過成像儀器探測到這些光信號的某一時間間隔內的空間分布,進而重建組織圖像。無損傷內稟光學成像方法近年來正加緊研究,以期用于人腦功能的研究。光學相干層析成像,即將光學相干剖析術(OCT)用于成像,它是采用低相干的近紅外光作為光源,采用特制干涉儀完成光的相干選通,這樣接收到的信號就只包含尺度相應于相干長度的一薄層生物組織的信息。若同時加以掃描,就能得到三維剖析圖像。OCT技術從提出至今雖然只有短短幾年的時間,但已表現出極為誘人的應用前景。目前它已在視網膜及黃斑疾病的早期診斷,皮膚、腸、胚胎檢測等領域發揮出巨大的作用。這種技術已成為國內外在生物光學方面的一個活躍點。利用靈敏的探測器和適當的重檢算法,就可以確定測量組織的光學特性。通過檢測組織的光學特性,可用于腫瘤診斷、代謝狀態動態監護、藥物分析及光動力學治療等場合。光子遷移技術成像(PhotonMigrationImaging,PMI)利用的是在紅光和近紅外光譜區,生物組織的某些不同成分對于光的散射和吸收表現出不同特性,而且在不同生理狀態下的組織光學參數也不大相同。高頻調控的正弦入射光經組織傳播后,由于吸收和散射延遲了光子行程時間,引起了相位和光子能量密度的變化,顯著和精確的相位變化體現了吸收的變化。光學方法正處于迅速發展之中,一方面,與XCT、MRI等其它成像方法相比,光學CT具有價格低廉、運行安全,另一方面,它體積小重量輕,特征信號容易獲得,技術發展成熟。光學CT還有一個吸引人的優勢是,它在空間分辨力和時間分辨力這兩個基本的成像性能上可以說是首屈一指,目前已達約5mm的物方象素和每秒25幀以上的視頻速度。因而可以預料,光學CT會在醫學研究和臨床等方面發揮越來越大的作用。
5•正電子發射斷層掃描技術
正電子發射斷層掃描技術(PositronEmissionTomography,PET)作為一種傳統的核醫學成像技術,它的歷史可以追溯到1932年,在那一年CarlAnderson在研究宇宙射線所拍的云室照片時發現了β+的存在;此后不久ErnestLawrence發明了可發射β+核素的回旋加速器,這些是實施PET的兩個不可缺少的前提條件。PET的成像原理是,將由發射正電子β+的核素標記的藥物由靜脈注入人體,隨血液循環至全身。正電子與人體內的電子相遇并湮滅產生兩個背對背的γ光子,這對具有確定能量的光子可以穿透人體,被體外的探測器接收,從而得到正電子在體內的三維密度分布及這種分布隨時間變化的信息。PET的標記藥物很豐富,且這些核素的半衰期都很短,病人所受到的輻射劑量可以說是微乎其微,并可在短期內進行重復測量。盡管PET具有近乎無損的測量、三維動態成像、定量檢測化學物質分布及實現真正的功能成像等獨特的優點,但早期由于對短壽命核素認識的不足及探測技術缺乏等原因,直到1976年第一臺全身(whole-body)PET才正式投入市場并應用于臨床。此后PET才真正開始進入了一個蓬勃發展的時期。目前全世界已有上百家的PET中心,利用PET進行臨床醫學、基礎醫學、腦科學等方面的研究。在臨床方面,主要用于診斷神經類疾病、心臟疾病、癌癥等,也可輔助設計治療方案和評估藥物療效,并可用于探討一些神經類疾病的發病機制。因為各種精神類疾病,如癲癇、精神分裂癥、癡呆等,以及腦腫瘤、腦血管病等,都將引起血流、葡萄糖和氧代謝的異常,PET即可通過測量這些生理參數來診斷疾病。同時,PET的獨特優點也給神經科學提供了觀測手段,被越來越多地用來研究人類的學習、思維、記憶等的生理機制,幫助人類進一步了解自身。因為給正常人不同的刺激(如光、語言等)或讓其進行不同的活動(如記憶、學習、喜怒哀樂等),也將引起不同腦區域的血流和代謝的變化,進而幫助研究腦的功能。相信在不遠的將來,隨著PET技術的進一步成熟,PET將會成為診斷和研究上不可缺少的工具。
6•X-線成像技術
X-線成像技術可以說是在醫院當中應用的最傳統、最廣泛的一種醫學影象技術。X-線圖像建立在當X-線透過人體時,各種臟器與組織對X-線的不同吸收程度的基礎上,因而接收端將得到不同強度的射線,傳統的做法是將之記錄在膠片上得到X膠片。隨著電子技術的發展,這種傳統方法的弊端日趨突顯出來。當X-線圖像一旦形成,其圖像質量便不能做進一步改善;不便于計算機處理,也不便于存儲、傳輸和共享等。在評價20世紀X成像技術時,多數資深專家均認為影像的數字化是最新、最熱門及最重要的進展。數字化成像可以利用大容量磁、光盤存儲技術,以數字化的電子方式存儲、管理、傳送、處理、顯示醫學影象及相關信息,使臨床醫學徹底擺脫對傳統硬拷貝技術的依賴,真正實現X-攝影的無膠片化。目前采用的直接數字化X-線影象的方法主要有兩種:直接X-線影象探測儀(DirectRadiographyDetector,DRD)和平板探測儀(FlatPanelDetector,FPD)。DRD最早由Sterling公司申請專利,現已進入商品化階段。FPD由Trexell公司研制成功。這兩項技術的發展方向均是設法進一步提高分辨率和實時性。數字影像可以說是伴隨著計算機技術的發展應運而生。1981年第15屆國際放射醫學會議上首次展出了數字放射新產品。進入90年代中后期,國外已經推出了多種新型的數字化X-線影象裝置;傳統X-線裝置中的X-線乳腺影像設備也已數字化。到目前為止,市場上的數字化的X-線影像設備已占70%以上。可以預期,數字化的X-線影像設備將逐步成為市場的主宰,并將使21世紀的X-線診斷發生令人矚目的變化。
7•磁共振成像(MRI)
在磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)領域,自從1946年哈佛大學的E•M•Purcell和斯坦福大學的F•Bloch發現了核磁共振現象并因此獲得1952年諾貝爾物理獎起,直到70年代初,它一直沿著高分辨核磁共振波譜學的方向發展,成為化學、生物學等領域研究分子結構不可缺少的分析工具。1972年R•Damadian注冊了第一個關于核磁共振成像的專利,提出了磁共振成像的思想,并指出可以用磁共振成像儀掃描人體檢查疾病。1982年MRI掃描儀開始應用于臨床。由于質子(1H)結構簡單,磁性較強,是構成水、脂肪和碳水化合物的基本成分,所以目前醫學上主要利用質子(1H)進行MRI成像。其成像主要利用磁共振原理,以一定寬度的射頻脈沖磁場使具有磁性核的原子產生共振激發;被激發的原子核的退激時間的長短反映了磁性核周圍的環境情況。通過測量生物組織退激過程中磁化強度的變化,即可獲取反映內部結構的圖像。磁共振成像由于其空間分辨率高、對人體危害性小、又能提供大量的解剖結構信息等優點而被廣泛應用于臨床診斷。隨著技術的發展和需求的提高,動態成像或功能成像是未來世紀MRI的研究方向(functionalMRI,fMRI)。一個成功的應用是用外面的造影劑或內生的血氧度相關效應(BOLD)描述視覺皮層的活動。BOLD的成像原理是基于血紅蛋白的磁化率隨脫氧過程而急劇變化。在靜脈血管內脫氧血紅蛋白濃度發生變化時,會在血管周圍引起磁場畸變,而這種變化可以被探測記錄下來。在功能神經科學研究領域中,BOLD成像有很多優點。這類研究完全非侵入性,產生的圖像數據與解剖結構的數據是完全配準的。BOLD技術已經發展得比較好,它在解釋大腦在正常和病理狀態的功能方面很有前途。迄今為止,fMRI雖然只有短短幾年的歷史,但理論與實驗都已取得了許多有重要意義的結果。它的最大優點是無損傷(不用外源介質),可以直接進行反復的非侵入性的功能測量。與同樣屬于功能成像的PET相比,fMRI則是更新的技術,成像速度比PET快,而且提供了更好的空間分辨率。fMRI未來的發展方向是,一要進一步加強對fMRI信號的實質的認識和理解,這是基本的前提。另一方面,從實驗設備的硬件和軟件的結合上進一步提高靈敏度和分辨率(包括時間分辨率和空間分辨率),這是核磁共振現象的本質決定的一個永恒的研究主題。除了以上與電磁或射線相關的成像技術外,還有基于超聲波的多種結構、組織和功能的成像技術,這里不再詳述。
(二)三維醫學圖像處理
醫學圖像處理是指對已獲得的圖像作進一步的處理,其目的或者是使不夠清晰的圖像復原,或者是為了突出圖像中的某些特征信息,或者是對圖像做模式分類等。隨著技術的發展,醫學圖像的處理已開始從二維轉向了三維,以求從中獲得更多的有用信息。三維醫學圖像分析所包含的研究問題很廣,目前主要有:圖像的分割、邊緣檢測、多模式圖像和數據的配準(Registration)和融合(Fusion)、虛擬現實技術、圖像的快速重建和顯示、圖像處理算法性能評估、信息集成(Informationintegration)和傳輸技術等。所有這些的研究都可以集中到如下兩個方面:
1•圖像的融合和可視化
醫學影象技術的發展為臨床診斷和治療提供了包括解剖圖像和功能圖像在內的多種圖像模式。臨床上通常需要將同一個病人的多種成像結果結合起來進行分析,以提高醫學診斷和治療水平。比如在放射治療中,CT掃描可以用于計算放射劑量的分布,而MRI可以很好地定位病灶區域的輪廓。常規的方法(如將幾張圖像膠片掛在燈箱上)使醫生很難對幾幅不同的圖像進行定量分析,首先要解決的這幾幅圖像的嚴格對準問題。所謂醫學圖像配準與融合,就是通過尋找某種空間變換,用計算機圖像處理技術使各種影象模式統一在一個公共坐標系里,融合成一個新的影象模式顯示在計算機屏幕上,使多幅圖像的對應點達到空間位置和解剖結構上的完全一致,并突出顯示病灶或感興趣部位,幫助醫生進行臨床診斷,制定放射治療計劃和評價等。近年來醫學圖像配準和融合技術的研究和應用日趨受到醫學界和工程界的重視。對醫學圖像匹配方法的分類可以有多種不同的標準。1993年,VandenElsen等人對醫學圖像匹配的方法進行了分類,歸納出了多達七種分類標準。一般的匹配方法的實現步驟為:特征提取;特征配對;選取圖象之間的幾何變換、確定參數;執行變換。基于特征點選取的不同,匹配算法可以分為兩種:基于外部特征的圖像配準方法和基于內部特征的圖像配準方法。基于外部特征的圖像配準通常是在研究對象上設置一些標志點(如采用螺絲植入骨頭方法固定立體定位框架等),使這些標志點在不同的影象模式中均有顯示,然后以這些共同的標準點為標準對圖像進行配準。這種配準方法因為不受圖像畸變等因素的影響,所以精度很高,可達1~2mm,可以作為評估基于內部特征的圖像配準方法的標準。但其植入式的特點會給患者帶來一定的痛苦,一般僅限于手術室使用。目前的研究集中在基于內部特征的圖像配準方法上,這種方法一般是用圖像分割方法提取醫學圖像中相對運動較小的解剖結構,如點(血管分叉點等)、2D輪廓線、3D曲面等。用這些提取出來的特征對之間的位置變化和變形來確定圖像之間的變換和配準。配準的精度取決于圖像分割的準確性。這種方法優點之一就是其回溯性,即以前獲取的圖像(沒有外標記點)也可以用內部特征點進行匹配。目前,基于內部特征的圖像配準方法比較成熟并已廣泛應用于臨床。但目前大多數模糊動態圖像的精確分割和特征提取仍是一個尚未完全解決的問題。最近又發展了一種直接利用所謂的基于體素相似性的配準方法,又稱為相關性方法,它是直接利用不同成像模式的灰度信息的統計特性進行全局最優化匹配,不需要進行分割和特征提取。因此這種方法一般都較為穩定,并能獲得相當準確的結果。但是它的缺點是對圖像中的噪聲信號敏感,計算量巨大。在目前出現的各種相關性算法,如互相關法(correlation)、聯合熵法(jointentropy)、相對熵法(relativeentropy)等算法當中,臨床評估的結果是相對熵法(又稱為互信息法,mutualinformation)是最精確的。醫學影像的三維重建和可視化也是一個值得關注的問題。常規影像如CT、MRI等得到的均為組織的二維切片,醫生很難直接利用它們進行分析、診斷和治療。三維醫學圖像的重建將有助于觀察復雜結構的立體形態;有利于醫生制定放射治療計劃;有助于神經外科手術的實施;有助于對不同治療方案進行評估等。對三維圖像重建算法的研究,近幾年來國內外學者進行了許多探討。目前通用的做法是,先從切片圖像中提取出物體輪廓信息,重建三維結構,再由計算機圖形學中的光線跟蹤法(RayTracing),根據一定的光照模型和給定的觀察角度、光源強度和方位來模擬自然景物光照效果,計算物體表面各點的灰度值,最終構成一幅近似自然景物的三維組織或器官圖像。目前各種各樣的圖像所涉及的數據量越來越大,各種算法也越來越復雜,所以處理時間也較長,而用戶則希望實時、快速地得到圖像處理結果,及時用于診斷與治療。因此,醫學圖像處理的加速也是一個主要的研究方向。為了提高系統的運行速度,當然有許多方法可以考慮。除了算法上的改進外,應用多處理器進行醫學圖像處理與分析的加速是一種不錯的方法。在有些情況下可以直接利用DSP進行加速。
2•基于影象的計算機輔助治療方法及系統
發展各種醫學影象的最終目的就是為了更細致的了解人體的結構和功能,輔助醫生對病人做出診斷和治療,提高人類的生活質量。目前以此為目標的研究主要有:基于影象的三維放療計劃系統、立體外科手術仿真系統、醫學中的虛擬現實系統等。在過去的放射治療時,先有醫生根據CT或MRI膠片上的定位標志點來計算病灶的三維坐標,然后根據病灶位置和形狀布置焦點,經計算機計算出等劑量線,在燈箱上用打印輸出的劑量線與膠片上的病灶進行對比,如不吻合則重新規劃焦點。反復重復直到滿意為止。最后計算出每個焦點的治療時間。總的說來這個過程很不方便,而且可能會引起很大的誤差。目前臨床上開始采用的三維放射治療計劃系統則大大方便了腫瘤醫師的工作。在整個治療計劃的計算機化過程中,可以說是涉及到了三維醫學圖像處理的各個環節,如圖像配準與融合、輪廓提取、三維重建等。三維放療計劃系統的推出不僅提高了醫生的工作效率,而且精度大大提高,是以后腫瘤治療中心制定放療計劃的常規工具。今后放射治療的方向是適形放射治療(ConformalRadiotherapy,CR)。該方法通過旋轉照射或靜態多射野照射,使得高劑量區劑量分布的形狀在三維上與靶區(病灶)的實際形狀一致,同時盡可能地降低靶區周圍的健康組織和重要器官(如脊髓)的照射量,從而大大提高治療效果。CR由于能夠調整射野內的射線強度分布,故又稱為調強放療(Intensity-modulationRadiotherapy,IMRT)。調強算法根據醫生指定的限制因素計算每個射野的最接近醫生要求的強度分布,是一個典型的多參數優化問題。1989年,英國科學家S•Webb首次提出采用模擬退火法求解最佳強度分布。此后各種調強算法可以說是層出不窮,成為當今放療中的一個熱點。隨著多葉準直器技術(Multiple-LeafCollimator,MLC)的發展,醫生可望給出單次腫瘤致死劑量,起到外科手術的效果。虛擬現實(VirtualReality,VR)就是力求部分或全部地用一個計算機合成的人工環境代替一個現實世界的真實環境,讓使用者在這個三維環境中實時漫游和交互操作。VR是綜合人機界面、圖形學、傳感技術、高性能計算機和網絡等的一門新興學科,涉及學科面廣且發展十分迅速。VR在醫學領域的應用前景非常廣泛,Rosen認為,VR將構成最終實用的手術模擬器。隨著醫學成像可視化和虛擬現實技術的發展,科學家們已經有可能建立起一個具有部分人體特性的虛擬人體。由美國國家醫學圖書館(NLM)發起的可視人計劃(VisibleHumanProjects,VHP)正是基于這樣的目的。虛擬人體可以提供模擬的診斷、治療、計算機成像、內窺鏡手術等等。例如在內窺鏡手術中,外科醫生通過觀察電視屏幕來操作插入病人體內的手術器械。虛擬環境技術可大大改善這種手術過程。事實上,虛擬內窺鏡系統(Virtualendoscopy)是目前發展比較快的一個方面。
三、網絡化醫學儀器人才的培養
生物醫學工程專業的范疇很廣,各高校的側重點各不相同。我校本學科專業與其它高校相比具有明顯的時代特色。我們一向以電子學、計算機科學為支撐平臺,強調與生物醫學、醫療儀器相結合,在醫療儀器的智能控制、管理方面有很強的優勢。隨著以上醫學信息技術的發展,我們提出了依拓本校的優勢專業如通信、計算機、自動控制、儀器測試等,在我校生物醫學工程學科培養網絡化、智能化醫學儀器方向人才的設想。
(一)培養網絡化醫學儀器人才的依據
計算機及網絡技術飛速發展,世界正進入一個數字化的時代。在醫療領域,數字診斷設備也逐漸成為一種新標準,被越來越多的醫院和用戶所接受。各大廠商相繼推出數字X光機、CT、B超等,在一些發達國家,已經取代常規設備成為臨床診斷的主流。醫療設備已經到了一個更新換代的時期。而DICOM標準的制訂,則使醫療信息實現了網絡模式的資源共享和遠程傳輸。無疑,數字化、網絡化將是21世紀醫學發展的主流。而遠程醫療系統則以其迅猛的發展勢頭為人們勾畫出了一幅“讓每一位醫生都成為專家,讓每一位患者都能請得到專家”的美好前景。社會的需求為高等院校的人才培養提出了新的要求,同時具有醫學知識和網絡技能的復合型人才將會受到社會的廣泛青睞。“網絡化醫學儀器”作為本學科領域出現的新方向,在國內外沒有現成的模式可以借鑒,為此我們提出了以下建設計劃。
