光纖傳感技術(shù)論文精選(九篇)

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第1篇：光纖傳感技術(shù)論文范文

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第2篇：光纖傳感技術(shù)論文范文

【關(guān)鍵詞】光纖光柵傳感器 數(shù)據(jù)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(huán)境中參量變化（生物量、物理量或化學(xué)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(yōu)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(yōu)勢。光纖光柵傳感器有著很大的發(fā)展前途，它可以在需要精確定位或者是絕對數(shù)字測量時，可以構(gòu)成多光柵空間分布單一光纖傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

本文研究的基于光纖光柵的數(shù)據(jù)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(huán)境參量的變化而隨之變化，它廣泛應(yīng)用于壓力、溫度、應(yīng)變等參數(shù)的測量。

一、基于光纖光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

（一）光纖光柵傳感系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過光纖光柵傳感器采集數(shù)據(jù)，這是該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前提條件。不同功能的光纖光柵傳感器能夠?qū)⒉煌奈锢韰⒘咳鐪囟?、壓力、?yīng)變和加速度等調(diào)制為相對應(yīng)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(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)作用是將光纖光柵傳感器采集的光信號經(jīng)光纜的遠程傳輸后，將光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)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(shù)據(jù)庫中。

該系統(tǒng)主要由光開關(guān)、光纖光柵解調(diào)儀及光纖跳線組成。光纖光柵解調(diào)儀的作用是將光纖光柵中心波長解調(diào)為數(shù)字信號。光開關(guān)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(diào)儀，這樣就克服了光纖光柵通道數(shù)不能滿足工程應(yīng)用的缺點。

（三）光纖通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)

該系統(tǒng)由光纜和光纖適配器等組成。光纜是光信號傳輸?shù)耐ǖ?，光纖適配器連接光纜且損耗很低，這樣就可以避免工程現(xiàn)場的光纖熔接。單橋監(jiān)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(jiān)控室的數(shù)據(jù)處理及分析系統(tǒng)上。

（四）數(shù)據(jù)處理及分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)是對采集后的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理且分析，為后續(xù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)是由軟件系統(tǒng)組成，在現(xiàn)場工控機上運行，為專家評估系統(tǒng)奠定堅實的基礎(chǔ)平臺，是后續(xù)工作提供可靠的依據(jù)。

二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

在光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，首先運用了多線程技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)采集、實時顯示界面和數(shù)據(jù)存儲同時進行；其次，運用數(shù)據(jù)安全隊列來保護線程之間數(shù)據(jù)安全傳遞的同時，還要使采集到得數(shù)據(jù)可以在最快的時間內(nèi)得到顯示，最后在VS平臺下實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序，由于VS庫函數(shù)和空間豐富，編程環(huán)境界面友好，使得軟件不僅界面漂亮，而且開發(fā)難度大大的降低。數(shù)據(jù)采集的流程圖3-5所示。

在基于光纖光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了使數(shù)據(jù)采集、儲存和實時顯示同時進行，必須采用多線程技術(shù)。此外，還可以采用數(shù)據(jù)安全隊列使采集到的數(shù)據(jù)能夠在最快時間實現(xiàn)顯示并能夠保護線程之間數(shù)據(jù)的安全傳遞。由于VS平臺下庫函數(shù)和空間豐富、界面友好，采用VS平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序可以使開發(fā)難度大大降低且軟件界面漂亮。數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖2所示。

三、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)

隨著社會的發(fā)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(xué)管理的橋梁有著更好的安全性以及耐用性，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)是橋梁建設(shè)中不可少的一部分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是整個監(jiān)測系統(tǒng)的基石。對于橋梁健康監(jiān)測來說，傳感器具有數(shù)量大、種類多，信號采集的儲存實時性高等要求，這樣對于數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計及具體實現(xiàn)。

根據(jù)要求，傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。以某斜拉橋為例的健康監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用光纖光柵應(yīng)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(jiān)測斜拉橋應(yīng)力、溫度等參數(shù)。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(jīng)過解調(diào)儀解調(diào)，最后通過網(wǎng)口對解調(diào)儀采集到數(shù)字信號存入數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)做準備。

光纖光柵解調(diào)儀具有以太網(wǎng)接口，根據(jù)實際需要進行網(wǎng)絡(luò)編程，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)程序有很多種方式，Windows Socket是其中比較簡單的方法。本系統(tǒng)監(jiān)測對象比較多并且要求系統(tǒng)實時性高，多線程技術(shù)可以滿足系統(tǒng)要求，它支持系統(tǒng)一個進程中執(zhí)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(jīng)解調(diào)儀傳輸后是字節(jié)流，可以使用memmove函數(shù)對字節(jié)流進行分解處理。

（一）光纖光柵傳感器的配置

數(shù)據(jù)采集方案的確定和傳輸方式的選擇一般是根據(jù)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(shè)的傳感器的數(shù)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(shù)據(jù)采集方案和傳輸方式。

數(shù)據(jù)采集之前要確定傳感器的總數(shù)、解調(diào)儀的數(shù)量、所需通道數(shù)、采樣頻率和存儲頻率等各方面信息。傳感器的總數(shù)決定了數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的數(shù)量和數(shù)據(jù)的傳輸方式。傳感器的采樣頻率是由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的要求以及數(shù)據(jù)本身的動態(tài)特性決定的。在進行傳感器配置的時，采取四層結(jié)構(gòu)，采用樹形控件，應(yīng)用如圖3所示。第一層是光纖光柵系統(tǒng)，第二層是光纖光柵解調(diào)儀，第三層是通道，第四層是傳感器。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)首次運行時要進行初始配置，這樣才能提高系統(tǒng)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(nèi)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(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。

界面的配置步驟為：光纖系統(tǒng)總配置、光纖光柵解調(diào)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(yīng)變、報警上限、報警下限、標定系數(shù)、標定斜率、是否要溫度補償、基準波長、標定波長、所屬的解調(diào)儀和通道數(shù)等信息。

（二）網(wǎng)口采集

武漢某斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)需采集的信號數(shù)量大、實時性高、處理較復(fù)雜。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責將光纖光柵解調(diào)儀的信號通過網(wǎng)口以后，進行數(shù)據(jù)的采集、分析、轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)據(jù)儲存，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理以及安全評估提供可靠地實時數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)是采用開放式Windows系統(tǒng)平臺，軟件開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2005，把任務(wù)分成幾個獨立的線程，使用多線程方式，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)采集的實時性，用戶其他操作也能及時響應(yīng)，這樣提高了利用率和程序的運行效率。

光纖光柵解調(diào)儀主要作用是把光纖光柵中心波長解調(diào)出來，解調(diào)的機理有很多，本系統(tǒng)采用的解調(diào)原理是基于F―P濾波器的原理，基于網(wǎng)口的數(shù)據(jù)采集技術(shù)較成熟，解調(diào)儀的通信協(xié)議為UDP協(xié)議，傳輸速率要求能夠完全滿足系統(tǒng)要求。

對于UDP無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)，客戶機給服務(wù)機發(fā)送一個含有地址的數(shù)據(jù)報，客戶機和服務(wù)器并沒有建立連接。服務(wù)器是通過調(diào)用Recvfrom（）等待客戶端數(shù)據(jù)?；赨DP的socket編程思路為：首先創(chuàng)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(shù)據(jù)，最后關(guān)閉socket。

根據(jù)實際情況開發(fā)服務(wù)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(shù)據(jù)和UDP校驗等。實際開發(fā)，端口號為5000，首先使用“ping”命令判斷測試網(wǎng)絡(luò)是否連通，原理為發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包給對方主機，對方主機回復(fù)是否收到數(shù)據(jù)報，如果回復(fù)及時，則網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)連接，軟件流程如下圖4所示。

四、小結(jié)

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(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的組成，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行軟件設(shè)計和介紹基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵技術(shù)，最后對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實例應(yīng)用。

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第3篇：光纖傳感技術(shù)論文范文

關(guān)鍵詞：高等學(xué)校管理制度創(chuàng)新科技

科技創(chuàng)新作為高校創(chuàng)新的重要內(nèi)容，既是高校提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵，也是高校加快發(fā)展的主要動力和源泉，更是提高教師隊伍整體素質(zhì)和水平的重要手段。加強高?？萍紕?chuàng)新工作，對于提高高校創(chuàng)新能力和綜合實力，促進高校持續(xù)、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)、科學(xué)發(fā)展具有重要意義。

西安石油大學(xué)在國家“十五”科技工作方針指導(dǎo)下，結(jié)合學(xué)校實際，以特色求生存，以創(chuàng)新求發(fā)展，深入實施科技精品工程，以制度創(chuàng)新為總抓手，通過優(yōu)化管理體制機制，營造科研良好環(huán)境，發(fā)揮重大項目作用，加大科技獎勵力度，規(guī)范科技評價體系，擴大學(xué)術(shù)交流范圍等舉措，充分調(diào)動全校教師投身科技創(chuàng)新的積極性、主動性和自覺性，使學(xué)?？萍紕?chuàng)新工作實現(xiàn)持續(xù)健康發(fā)展。

1　優(yōu)化管理體制機制，構(gòu)筑科技創(chuàng)新基地

創(chuàng)新基地包括各級重點實驗室、工程技術(shù)研究中心和人文社會科學(xué)重點研究基地。創(chuàng)新基地建設(shè)是提高科技創(chuàng)新能力的重要手段，是進行科研工作的基礎(chǔ)和保證，是匯聚科技人才的根本途徑。對創(chuàng)新基地建設(shè)而言，完善的科技管理體制和運行機制是根本保證。為此，學(xué)校堅持與時俱進，不斷創(chuàng)新科技管理制度，建立有利于發(fā)揮創(chuàng)新基地學(xué)術(shù)環(huán)境優(yōu)勢，有利于學(xué)科交叉、隊伍整合和資源共享，有利于調(diào)動科技人員積極性，有利于優(yōu)秀拔尖人才脫穎而出的科技管理體制和運行激勵機制。經(jīng)過廣泛調(diào)研和科學(xué)論證，相繼制定了“重點實驗室管理辦法”、“工程技術(shù)研究中心管理辦法”、“人文社會科學(xué)重點研究基地管理辦法”等制度。同時學(xué)校也自籌資金7000多萬元用于基地建設(shè)，使得制度的導(dǎo)向和引領(lǐng)作用更加凸顯。學(xué)校緊跟國家創(chuàng)新體系建設(shè)、西部大開發(fā)、陜西建設(shè)西部強省的步伐，搶抓機遇，充分發(fā)揮石油石化主干學(xué)科優(yōu)勢、人才優(yōu)勢、成果優(yōu)勢，突出特色研究方向，通過資源整合、加強條件建設(shè)、技術(shù)裝備改造、增建實驗室等舉措，使創(chuàng)新基地得到快速發(fā)展。目前學(xué)校已擁有2個聯(lián)合建設(shè)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(shù)和研究中心，1個省部級人文社會科學(xué)重點研究基地。

2　營造良好科研環(huán)境，推進創(chuàng)新人才培養(yǎng)

高校由于“擴招”導(dǎo)致教師缺編嚴重，使得青年教師過早地擔負起教學(xué)科研的重任。據(jù)調(diào)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(xué)校教學(xué)和科研的主力，但是他們普遍缺乏系統(tǒng)的科研訓(xùn)練，能力和經(jīng)驗也都不足，也缺乏科研啟動資金。為此，學(xué)校專門制定了《科技創(chuàng)新基金管理辦法》，引導(dǎo)和資助青年教師開展科學(xué)研究工作。同時對獲得博士學(xué)位的教師，學(xué)校也給與科研啟動金，資助他們開展科學(xué)研究、參加學(xué)術(shù)交流。近幾年學(xué)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(shù)的三成以上。青年教師的科學(xué)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(xué)校教學(xué)科研的骨干。

3　發(fā)揮重大項目作用，凝聚科技創(chuàng)新團隊

科技創(chuàng)新團隊的建設(shè)是高校教學(xué)、科研和學(xué)科建設(shè)的重要保障。要建設(shè)一流高校，必須要有一批素質(zhì)優(yōu)良、結(jié)構(gòu)合理、專兼結(jié)合、相對穩(wěn)定的創(chuàng)新團隊。國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要指出：“爭取政府資源是高校自身發(fā)展的需要，也是高?？萍紕?chuàng)新實力的集中展現(xiàn)。高校圍繞國家目標開展創(chuàng)新活動，可以不斷提高自身創(chuàng)新能力和學(xué)術(shù)地位，促進高質(zhì)量人才的培養(yǎng)，促進科技創(chuàng)新團隊的形成?！蹦壳?，許多高校都存在科研團隊整體素質(zhì)不高、隊伍不穩(wěn)定的現(xiàn)象。針對國家級科研目標開展科技攻關(guān)，進行學(xué)科交叉，可以穩(wěn)定科技隊伍，凝聚科技創(chuàng)新團隊，改變這種現(xiàn)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(jīng)費資助辦法》。學(xué)校組織各學(xué)科技術(shù)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(shè)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(xué)校投入配套資金400多萬元，極大地促進了科學(xué)研究工作的發(fā)展。對加強科技團隊建設(shè)，穩(wěn)定學(xué)術(shù)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(xué)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(xué)基金項目17項。主持國家社會科學(xué)基金項目3項。其中，我校承擔的國家“863”計劃“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心器工程化技術(shù)研究”項目，經(jīng)費達1500萬元，是建校以來第一個經(jīng)費突破千萬元的科研項目。學(xué)校科研經(jīng)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(wěn)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(shù)研究”創(chuàng)新團隊，取得了多項創(chuàng)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(chuàng)新成果

學(xué)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(shù)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(quán)的專利技術(shù)、高水平的論文、經(jīng)費數(shù)額較大的橫向科研項目進行獎勵。獎勵以工資或現(xiàn)金形式兌現(xiàn)，幾年來共發(fā)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(chuàng)新熱情，也調(diào)動了更多的教師，特別是中青年教師的科研積極性，使得學(xué)?？萍脊ぷ鞒尸F(xiàn)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(xué)科建設(shè)和科技創(chuàng)新工作的跨越式發(fā)展。

近幾年學(xué)校主持完成的“氣田污水綜合處理與防腐阻垢技術(shù)”、“油氣管線分布式光纖光柵智能傳感系統(tǒng)研究”等4項成果榮獲陜西省科學(xué)技術(shù)獎一等獎，“高溫高壓分布式光纖光柵傳感技術(shù)”成果榮獲2007年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎，此外學(xué)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(xué)術(shù)專著100多部。

5　規(guī)范科技評價體系，激勵教師創(chuàng)新熱情

高校近年來存在單純以論文數(shù)量考核教師的現(xiàn)象，導(dǎo)致大量低水平重復(fù)的論文出現(xiàn)。學(xué)校為此制定了《權(quán)威期刊、核心期刊認定辦法》，從自然科學(xué)到人文社會科學(xué)，從國內(nèi)核心期刊到國外核心期刊，從不同角度規(guī)范和引導(dǎo)教師通過科技創(chuàng)新和長期積累，發(fā)表高質(zhì)量、高水平的學(xué)術(shù)論文，促進學(xué)校科技創(chuàng)新工作再上新臺階。

學(xué)校的科技評價體系是引導(dǎo)教師進行科技創(chuàng)新的指揮棒。在強化科技業(yè)績考核的同時，一定要處理好數(shù)量指標與質(zhì)量指標的關(guān)系。學(xué)校制定了《教師科技工作業(yè)績與成果量化計算辦法》，與學(xué)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(xué)校科技成果認定更加公平合理。科技工作業(yè)績評價更加科學(xué)規(guī)范，形成了積極有效的激勵機制，教師的科技創(chuàng)新熱情進一步高漲。僅2008年一年就申請發(fā)明專利20多項，超過了學(xué)校前十年申請量的總和。

6　擴大學(xué)術(shù)交流范圍，增強學(xué)校學(xué)術(shù)影響

學(xué)校的科學(xué)研究要想創(chuàng)一流，就要積極開展各種學(xué)術(shù)合作與交流，就要選擇高水平的合作伙伴，了解本學(xué)科的前沿領(lǐng)域和發(fā)展方向，提高科學(xué)研究的起點。通過國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流可及時獲取最前沿的學(xué)術(shù)信息。許多創(chuàng)新的想法、概念和思路，往往就是在學(xué)術(shù)交流中提出或受到啟迪。

第4篇：光纖傳感技術(shù)論文范文

關(guān)鍵詞 光電信息 實踐教學(xué) 實驗室建設(shè)

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(yè)目錄的指導(dǎo)思想，我校光電信息工程專業(yè)的培養(yǎng)目標為：培養(yǎng)既具有扎實的數(shù)理基礎(chǔ)，又熟練掌握光電技術(shù)、光學(xué)工程、信號處理、計算機應(yīng)用與控制方面的知識和各種實驗測試技能，了解有關(guān)光學(xué)工程、光纖通信技術(shù)、電子技術(shù)、光電圖像處理等方面的基礎(chǔ)知識，能在光電系統(tǒng)與信息處理、光纖通信與傳感及其相關(guān)領(lǐng)域從事科研教學(xué)、科技開發(fā)、工程技術(shù)及生產(chǎn)管理的綜合型人才。①與機械、電氣、電子、材料等專業(yè)相比，光電信息工程專業(yè)具有非常鮮明的特點，就是其知識的廣泛交叉性。②③本專業(yè)學(xué)生不僅在光電信息的獲取、傳遞、處理及應(yīng)用等方面具有堅實的理論基礎(chǔ)，同時還需在光電信息處理、光電系統(tǒng)設(shè)計、光電技術(shù)及其應(yīng)用等專業(yè)領(lǐng)域具有扎實的專業(yè)知識和熟練的實踐技能。④

針對本專業(yè)實踐教學(xué)中普遍存在的實驗課課時數(shù)不足、學(xué)生開展自主創(chuàng)新實驗機會不多、學(xué)生實驗動手能力不強以及實驗教學(xué)內(nèi)容明顯落后于技術(shù)發(fā)展等問題，本文提出以行業(yè)和社會需求為導(dǎo)向、鼓勵學(xué)生自主探究和創(chuàng)新、專業(yè)實驗與專業(yè)實踐環(huán)節(jié)相結(jié)合的實踐教學(xué)理念，構(gòu)建科學(xué)的實踐教學(xué)內(nèi)容，建立分層次、多模塊、系統(tǒng)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，進一步優(yōu)化和完善學(xué)生知識結(jié)構(gòu)體系，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

1 實踐教學(xué)體系的設(shè)計

1.1 實踐教學(xué)層次設(shè)計

根據(jù)本專業(yè)實踐教學(xué)的要求、功能及特點，實驗教學(xué)內(nèi)容可由基礎(chǔ)演示型、應(yīng)用提高型、綜合設(shè)計型以及研究創(chuàng)新型等四個不同層次的實驗組成。

基礎(chǔ)演示型實驗：實驗教學(xué)內(nèi)容與光電專業(yè)基礎(chǔ)理論課內(nèi)容相對應(yīng)，進行基本的專業(yè)技能訓(xùn)練。通過開展這類實驗項目，幫助學(xué)生加深對所學(xué)專業(yè)課程內(nèi)容的理解與掌握，并使學(xué)生有機會學(xué)習(xí)正確使用本學(xué)科領(lǐng)域的常用儀表和設(shè)備。

應(yīng)用提高型實驗：它是基礎(chǔ)演示型實驗的提高和拓展，根據(jù)本專業(yè)發(fā)展方向和實驗室特點，主要實驗內(nèi)容應(yīng)包括光纖通信與傳感技術(shù)、光電檢測技術(shù)以及激光技術(shù)等。通過開展這類實驗項目幫助學(xué)生了解光電專業(yè)知識在實際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用領(lǐng)域、光電技術(shù)的應(yīng)用原理和測量方法，提高學(xué)生解決實際問題的能力，增強學(xué)生的就業(yè)競爭能力。⑤

綜合設(shè)計型實驗：它涉及的專業(yè)知識內(nèi)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(shù)的部分實驗。這類實驗內(nèi)容比較豐富，實驗儀器比較復(fù)雜，開展這類實驗可以培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)專業(yè)知識解決復(fù)雜問題的能力。實驗可在老師指導(dǎo)下，由學(xué)生自行設(shè)計實驗方案、實驗步驟，并由學(xué)生自行實施完成。

通過以上三個層次實驗課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)如何做好實驗，掌握研究光電規(guī)律和分析光電實驗現(xiàn)象的思想和方法，學(xué)會分析和評價實驗結(jié)果，達到激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)的目的。由以前教師安排好實驗、準備好實驗儀器、學(xué)生來做實驗的狀態(tài)，過渡到學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，自己設(shè)計實驗，自己準備實驗儀器完成實驗，從而培養(yǎng)和提高學(xué)生的綜合思維和創(chuàng)造能力。

研究創(chuàng)新型實驗：主要安排融合各分支學(xué)科和交叉學(xué)科的綜合創(chuàng)新性實驗。特別是突出光電技術(shù)與計算機技術(shù)、信息前沿科學(xué)發(fā)展的融合。部分實驗項目采用項目式管理模式，題目由學(xué)生自由選擇，實驗時間不受限制，實驗室對學(xué)生實行全方位開放。由學(xué)生自己查閱資料、設(shè)計實驗方案、選擇實驗儀器、獨立完成實驗、撰寫總結(jié)報告并口頭交流，注重創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為學(xué)生提供發(fā)展個性和施展才能的機會。

1.2 實踐教學(xué)模塊設(shè)計

本專業(yè)的實踐教學(xué)模塊可分為四類，如表1 所示。第一類是基礎(chǔ)實驗，主要開設(shè)在大一、大二學(xué)年。這一環(huán)節(jié)的實驗內(nèi)容主要有計算機語言程序設(shè)計、物理實驗、數(shù)電模電實驗以及工程基礎(chǔ)訓(xùn)練。這一實驗?zāi)K主要是學(xué)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(yè)課程設(shè)計，包括光電檢測與信號處理課程設(shè)計、電子線路設(shè)計與PCB、光學(xué)軟件設(shè)計、光電子系統(tǒng)課程設(shè)計等。課程設(shè)計內(nèi)容與專業(yè)理論課知識相銜接，使學(xué)生將理論課中學(xué)到的知識應(yīng)用到實踐中去。大三年級以后，每學(xué)期都開設(shè)有專業(yè)課程設(shè)計環(huán)節(jié)，而且課程設(shè)計的內(nèi)容逐步與生產(chǎn)實踐相結(jié)合。第三類是專業(yè)綜合類實驗，包括學(xué)科基礎(chǔ)實驗、光電子學(xué)專業(yè)實驗、畢業(yè)設(shè)計等。通過這類專業(yè)綜合實驗，來系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)生的光電信息專業(yè)知識，提升學(xué)生的光電信息專業(yè)素養(yǎng)。第四類是社會生產(chǎn)實踐，包括生產(chǎn)實踐、畢業(yè)實習(xí)等。這類實驗包括大學(xué)生光電設(shè)計競賽、大學(xué)生電子設(shè)計大賽、大學(xué)生數(shù)學(xué)建模大賽、寒暑期勤工儉學(xué)、畢業(yè)實習(xí)等。通過統(tǒng)籌安排這些實踐內(nèi)容，使學(xué)生盡快了解、認識社會、企業(yè)對光電信息專業(yè)的實際需求，真正理解專業(yè)學(xué)習(xí)目的，以增加學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)競爭力。

表1 光電信息工程專業(yè)實踐教學(xué)模塊

2 實踐教學(xué)內(nèi)容的實施

2.1 基礎(chǔ)實驗

在大二年級之前完成全部基礎(chǔ)類實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，主要是關(guān)于儀器、儀表的使用、基本量測量、基本實驗技能的訓(xùn)練和基本測量方法等，設(shè)計物理、電子學(xué)以及計算機技術(shù)實驗的一些基本實驗技能和基本知識點，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析能力和判斷能力。除了傳統(tǒng)的演示實驗，還包含學(xué)生自己動手操作完成的實驗，讓學(xué)生在實驗中通過探索獲取知識和經(jīng)驗。

通過該實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生具備基本實驗技能，學(xué)會基本測量儀器的使用，掌握基本的實驗方法和經(jīng)驗，為下一階段的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。⑥

2.2 課程設(shè)計

課程設(shè)計是實踐教學(xué)體系的重要環(huán)節(jié)，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(shè)計中直觀地反映。指導(dǎo)老師根據(jù)所學(xué)專業(yè)課內(nèi)容給出多個設(shè)計題目，學(xué)生選擇后自己查閱相關(guān)資料對所選題目做出課程設(shè)計報告。課程設(shè)計分布在第2學(xué)年與第3學(xué)年，這一階段學(xué)生已經(jīng)有了一定的理論基礎(chǔ)及實踐基礎(chǔ)，可以完成相關(guān)課程設(shè)計要求。

通過課程設(shè)計這一實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可以提升學(xué)生的思維能力，尤其是鍛煉學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力。

2.3 專業(yè)實驗

充分利用現(xiàn)有實驗室設(shè)備設(shè)計專業(yè)實驗，可將專業(yè)實驗劃分到多個實驗室，指導(dǎo)教師在固定實驗室指導(dǎo)，學(xué)生分組完成規(guī)定的實驗，有效地克服了實驗設(shè)備臺數(shù)不足的問題。畢業(yè)設(shè)計是教學(xué)過程中最重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)前的一個重要的綜合性實踐環(huán)節(jié)。該實踐環(huán)節(jié)的任務(wù)是，通過指導(dǎo)教師對學(xué)生有針對性的指導(dǎo)，讓學(xué)生系統(tǒng)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(huán)節(jié)，深入探討專業(yè)知識，綜合運用專業(yè)技能，學(xué)會選用合適的研究方法，從而完成畢業(yè)論文。畢業(yè)設(shè)計的目的在于通過這些環(huán)節(jié)，使學(xué)生鞏固所學(xué)的光電專業(yè)知識和各項技能，對培養(yǎng)學(xué)生開拓務(wù)實的工作學(xué)習(xí)作風(fēng)、拓寬專業(yè)視野、鍛煉專業(yè)技能有很好的幫助作用。

2.4 社會實踐

社會實踐是本專業(yè)教學(xué)計劃中非常重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，實踐形式包括校內(nèi)實踐和校外實踐。通過社會實踐讓學(xué)生真正接觸、了解社會實際。一方面讓學(xué)生認識到光電信息專業(yè)在社會經(jīng)濟建設(shè)中的地位和作用，了解光電信息技術(shù)的發(fā)展前沿;同時增加學(xué)生對光電信息專業(yè)的認識和理解，通過本專業(yè)知識在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用來鞏固所學(xué)習(xí)的理論知識，培養(yǎng)學(xué)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(xué)生熟悉工程技術(shù)人員的工作職責和工作程序，學(xué)習(xí)組織和管理生產(chǎn)的初步知識，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹認真的科學(xué)態(tài)度和嚴謹求實的工作作風(fēng)。

3 結(jié)束語

根據(jù)光電信息工程專業(yè)知識結(jié)構(gòu)特點和社會對本專業(yè)學(xué)生的要求，結(jié)合我校實際對光電信息工程專業(yè)實踐教學(xué)體系進行優(yōu)化，在拓展學(xué)生專業(yè)知識面的同時，更加注重現(xiàn)代光電信息領(lǐng)域的高、新、尖技術(shù)，并且充分利用校內(nèi)外教學(xué)資源，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，促進教學(xué)改革、科研和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

基金項目：三峽大學(xué)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(xué)校本科專業(yè)設(shè)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(yè)建設(shè)的探索與實踐[J].光學(xué)技術(shù)，2007（S1）：293-294.

③ 劉向東，劉旭，劉玉玲.從高等教育的發(fā)展到光學(xué)工程類專業(yè)研究型人才培養(yǎng)方案再調(diào)整的思考[J].光學(xué)技術(shù)，2007（S1）：276-277，279.

④ 劉蓉，侯宏錄，陳海濱.電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)體系優(yōu)化建設(shè)的探索[J].科級信息，2011（19）：198-199.

第5篇：光纖傳感技術(shù)論文范文

【論文摘要】：機電一體化是一種復(fù)合技術(shù)，是機械技術(shù)與微電子技術(shù)、信息技術(shù)互相滲透的產(chǎn)物，是機電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。本文簡述了機電一體化技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)組成和主要應(yīng)用領(lǐng)域，并指出其發(fā)展趨勢。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，引起了工程領(lǐng)域的技術(shù)改造與革命。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。

一、機電一體化的核心技術(shù)

機電一體化包括軟件和硬件兩方面技術(shù)。硬件是由機械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動單元等部分組成。因此，為加速推進機電一體化的發(fā)展，必須從以下幾方面著手：

（一） 機械本體技術(shù)

機械本體必須從改善性能、減輕質(zhì)量和提高精度等幾方面考慮。現(xiàn)代機械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質(zhì)量除了在結(jié)構(gòu)上加以改進，還應(yīng)考慮利用非金屬復(fù)合材料。只有機械本體減輕了重量，才有可能實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的小型化，進而在控制方面改善快速響應(yīng)特性，減少能量消耗，提高效率。

（二） 傳感技術(shù)

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(guān)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(fā)展非接觸型檢測技術(shù)。

（三） 信息處理技術(shù)

機電一體化與微電子學(xué)的顯著進步、信息處理設(shè)備（特別是微型計算機）的普及應(yīng)用緊密相連。為進一步發(fā)展機電一體化，必須提高信息處理設(shè)備的可靠性，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)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(qū)動技術(shù)

電機作為驅(qū)動機構(gòu)已被廣泛采用，但在快速響應(yīng)和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發(fā)展內(nèi)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(qū)動單元。

（五） 接口技術(shù)

為了與計算機進行通信，必須使數(shù)據(jù)傳遞的格式標準化、規(guī)格化。接口采用同一標準規(guī)格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡化設(shè)計。目前，技術(shù)人員正致力于開發(fā)低成本、高速串行的接口，來解決信號電纜非接觸化、光導(dǎo)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(shù)

軟件與硬件必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展。為了減少軟件的研制成本，提高生產(chǎn)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(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

（一） 數(shù)控機床

數(shù)控機床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過40年的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具體表現(xiàn)在：

1、 總線式、模塊化、緊湊型的結(jié)構(gòu)，即采用多CPU、多主總線的體系結(jié)構(gòu)。

2、 開放性設(shè)計，即硬件體系結(jié)構(gòu)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(shù)和智能化。系統(tǒng)能提供面向車間的編程技術(shù)和實現(xiàn)二、三維加工過程的動態(tài)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(yīng)用和軟件的模塊化設(shè)計，不僅豐富了數(shù)控功能，同時也加強了CNC系統(tǒng)的控制功能。

5、 能實現(xiàn)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(wù)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(tǒng)中去。

6、 系統(tǒng)的多級網(wǎng)絡(luò)功能，加強了系統(tǒng)組合及構(gòu)成復(fù)雜加工系統(tǒng)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(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)控裝置。

（二） 計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）

CIMS的實現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng)的簡單組合，而是全局動態(tài)最優(yōu)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(xiàn)從經(jīng)營決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準備、生產(chǎn)實驗到生產(chǎn)經(jīng)營管理的有機結(jié)合。企業(yè)集成度的提高可以使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到更好的優(yōu)化，各種生產(chǎn)要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮。

（三） 柔性制造系統(tǒng)（FMS）

柔性制造系統(tǒng)是計算機化的制造系統(tǒng)，主要由計算機、數(shù)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(chǎn)其能力范圍內(nèi)的任何工件，特別適于多品種、中小批量、設(shè)計更改頻繁的離散零件的批量生產(chǎn)。

（四） 工業(yè)機器人

第1代機器人亦稱示教再現(xiàn)機器人，它們只能根據(jù)示教進行重復(fù)運動，對工作環(huán)境和作業(yè)對象的變化缺乏適應(yīng)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(yè)環(huán)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(xiàn)出低級智能，已開始走向?qū)嵱没?；?代機器人即智能機器人，具有多種感知功能，可進行復(fù)雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業(yè)環(huán)境中獨立行動，與第5代計算機關(guān)系密切。

三、機電一體化技術(shù)的發(fā)展前景

縱觀國內(nèi)外機電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和高新技術(shù)的發(fā)展動向，機電一體化將朝著以下幾個方向發(fā)展：

（一） 智能化

智能化是機電一體化與傳統(tǒng)機械自動化的主要區(qū)別之一，也是21世紀機電一體化的發(fā)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(tǒng)的集成化與智能化為嵌入智能控制算法創(chuàng)造了條件，有力地推動著機電一體化產(chǎn)品向智能化方向發(fā)展。智能機電一體化產(chǎn)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(tǒng)化

系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進行任意的剪裁和組合，同時尋求實現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)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(xiàn)遠程及多系統(tǒng)通信聯(lián)網(wǎng)需要的局部網(wǎng)絡(luò)正逐漸被采用。未來的機電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，如何賦予機電一體化產(chǎn)品以人的智能、情感、人性顯得越來越重要。機電一體化產(chǎn)品還可根據(jù)一些生物體優(yōu)良的構(gòu)造研究某種新型機體，使其向著生物系統(tǒng)化方向發(fā)展。

（三） 微型化

微型機電一體化系統(tǒng)高度融合了微機械技術(shù)、微電子技術(shù)和軟件技術(shù)，是機電一體化的一個新的發(fā)展方向。國外稱微電子機械系統(tǒng)的幾何尺寸一般不超過1cm3，并正向微米、納米級方向發(fā)展。由于微機電一體化系統(tǒng)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(yī)學(xué)、航空航天、信息技術(shù)、工農(nóng)業(yè)乃至國防等領(lǐng)域，都有廣闊的應(yīng)用前景。目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，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(chǎn)品的一個發(fā)展趨勢，是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)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(chǎn)品單元是一項復(fù)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(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)可利用標準單元迅速開發(fā)新產(chǎn)品，同時也可以不斷擴大生產(chǎn)規(guī)模。

（五） 網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展對機電一體化有重大影響，使其朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。機電一體化產(chǎn)品的種類很多，面向網(wǎng)絡(luò)的方式也不同。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠程控制的終端設(shè)備本身就是機電一體化產(chǎn)品。

（六

） 綠色化

工業(yè)的發(fā)達使人們物質(zhì)豐富、生活舒適的同時也使資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴重污染，于是綠色產(chǎn)品應(yīng)運而生。綠色化是時代的趨勢，其目標是使產(chǎn)品從設(shè)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(tài)環(huán)境無危害或危害極小，資源利用率極高。機電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時不污染生態(tài)環(huán)境，報廢時能回收利用。綠色制造業(yè)是現(xiàn)代制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式。

綜上所述，機電一體化技術(shù)是眾多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。它促使機械工業(yè)發(fā)生戰(zhàn)略性的變革，使傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法和設(shè)計概念發(fā)生著革命性的變化。大力發(fā)展新一代機電一體化產(chǎn)品，不僅是改造傳統(tǒng)機械設(shè)備的要求，而且是推動機械產(chǎn)品更新?lián)Q代和開辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機械工業(yè)的必由之路。

參考文獻

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第6篇：光纖傳感技術(shù)論文范文

王文生，博士，研究員，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所副所長，科技部國家農(nóng)村信息化專家委員會評審組組長，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專家委員會成員。主要研究方向為農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算在農(nóng)業(yè)農(nóng)村應(yīng)用，運用新一代信息技術(shù)解決“三農(nóng)”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(nóng)業(yè)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(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，出版英文《信息和通信技術(shù)對中國農(nóng)戶的影響》專著1部，主編《中國農(nóng)村信息化服務(wù)模式與機制研究》《農(nóng)業(yè)網(wǎng)格技術(shù)研究與應(yīng)用》《大數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)應(yīng)用》著作3部，參編中英文著作6部。

大數(shù)據(jù)主要來源于大聯(lián)網(wǎng)、大集中、大移動等信息技術(shù)的社會應(yīng)用，不但是信息技術(shù)從單項應(yīng)用到多項融合的結(jié)果，而且是信息技術(shù)從前端簡單處理向后端復(fù)雜分析演變的表現(xiàn)，更是社會高度信息化的必然產(chǎn)物。大數(shù)據(jù)將給我們帶來更大的視野和更新的發(fā)現(xiàn)，進而改變我們的生活、工作和思維方式。許多科學(xué)家預(yù)言，在21世紀，無論是自然科學(xué)領(lǐng)域還是社會科學(xué)領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)都將帶來無限的發(fā)展機遇。

計算機技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)已有30多年的歷史了，經(jīng)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(nóng)業(yè)與農(nóng)村信息技術(shù)的研究和應(yīng)用進入高速發(fā)展階段，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要標志。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中每一項技術(shù)的進步，都從某種程度上加深了農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)存在和研究的必要性。

我國是農(nóng)業(yè)大國，一直非常重視全國性的農(nóng)業(yè)科技信息資源數(shù)據(jù)資源建設(shè)。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是大數(shù)據(jù)產(chǎn)生的無盡源泉，具有浩大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。隨著各種智能傳感終端在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)來源更加廣泛、新穎、迅速，類型更加多樣，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模態(tài)多變、實時性強、關(guān)聯(lián)度高，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行農(nóng)業(yè)相關(guān)應(yīng)用研究，其意義將非常明顯。

一、 大數(shù)據(jù)

與云計算的橫空出世非常相似，大數(shù)據(jù)似乎也在一夜之間家喻戶曉。但略有不同的是，云計算發(fā)展早期主要由企業(yè)推動，而大數(shù)據(jù)則幾乎同時得到了政府、企業(yè)、學(xué)術(shù)界等各界的共同青睞。大數(shù)據(jù)最早是由著名未來學(xué)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(shù)據(jù)稱為“第三次浪潮的華彩樂章”。大數(shù)據(jù)具備3個基本特征：體量浩大（volume）、模態(tài)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(shù)據(jù)。

二、 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)

（一）農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)內(nèi)涵

農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)主要是對各種農(nóng)業(yè)對象、關(guān)系、行為的客觀反映，一直以來都是農(nóng)業(yè)研究和應(yīng)用的重要內(nèi)容，但是由于技術(shù)、理念、思維等原因，對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的開發(fā)和利用程度不夠，一些深藏的價值關(guān)系不能被有效發(fā)現(xiàn)。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)在各行各業(yè)廣泛研究，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)也逐漸成為當前研究的熱點。

農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)解決的問題不是存量數(shù)據(jù)激活的問題，而是實時數(shù)據(jù)的快速采集和利用的問題；農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)解決的問題不是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫集成共享的問題，而是不同行業(yè)、不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)交叉分析的問題。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)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(xiàn)代信息采集技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工以及農(nóng)產(chǎn)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(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)被大量采集，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的獲取方式、獲取時間、獲取空間、獲取范圍、獲取力度發(fā)生深刻變化，極大地提高農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集能力。

跨領(lǐng)域、跨行業(yè)、跨學(xué)科、多結(jié)構(gòu)的交叉、綜合、關(guān)聯(lián)的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)集成共享平臺取代了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫成為數(shù)據(jù)存儲與管理的主要形式，基于數(shù)據(jù)流、批處理的大數(shù)據(jù)處理平臺在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越頻繁，交互可視化、社會網(wǎng)絡(luò)分析、智能管理等技術(shù)在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源、設(shè)施農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)等環(huán)節(jié)大量應(yīng)用。

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的政府、科研機構(gòu)、高校、企業(yè)達成競爭與合作的平衡，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)協(xié)同效應(yīng)得到更好的體現(xiàn)。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)形成一個可持續(xù)、可循環(huán)、高效、完整的生態(tài)圈，數(shù)據(jù)隔離的局面被打破，不同部門樂于將自己的數(shù)據(jù)共享出來，全局、整體的產(chǎn)業(yè)鏈得以形成，數(shù)據(jù)獲取的成本、渠道大大降低。

大數(shù)據(jù)的理念、思維被政府、企業(yè)、農(nóng)民等廣泛接受，海量的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)成為決策的依據(jù)和基礎(chǔ)，天氣信息、食品安全、消費需求、生產(chǎn)成本、市場價格等多源數(shù)據(jù)被用來預(yù)測農(nóng)產(chǎn)品價格走勢，耕地數(shù)量、農(nóng)田質(zhì)量、氣候變化、作物品種、栽培技術(shù)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、農(nóng)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(yè)服務(wù)水平、農(nóng)民生產(chǎn)能力都得到大幅度提高。

（二）農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)獲取

農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)獲取是指利用信息技術(shù)將農(nóng)業(yè)要素數(shù)字化并進行有效采集、傳輸?shù)倪^程。目前，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)積累還處于相對初級階段，達不到電信、金融、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)積累水平。然而農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)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(xiàn)，數(shù)據(jù)的實時、高清以及長久保存等需求，使得農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)成為可能。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)源來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)科技、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)流通等方方面面，不同的數(shù)據(jù)源，對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。從目前情況分析，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)獲取主要包括以下幾方面。

1. 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)獲取

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)獲取是指對與動植物生長密切相關(guān)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、營養(yǎng)元素、CO2含量、氣壓、光照等環(huán)境數(shù)據(jù)進行動態(tài)監(jiān)測、采集，主要依靠農(nóng)業(yè)智能傳感器技術(shù)、傳感網(wǎng)技術(shù)等。隨著多學(xué)科交叉技術(shù)的綜合應(yīng)用，光纖傳感器、MEMS（micro-electro mechanical systems）微機電系統(tǒng)、仿生傳感器、電化學(xué)傳感器等新一代傳感器技術(shù)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(huán)境信息采集方面廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)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(xiàn)實，數(shù)據(jù)量呈級數(shù)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(fā)育、活動規(guī)律等生物生理數(shù)據(jù)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(shù)包括光譜技術(shù)、機器視覺技術(shù)、人工嗅覺技術(shù)、熱紅外技術(shù)等。生命信息智能感知改變了原有的、以經(jīng)驗為主的、人工檢測模式，使生命信號感知更加科學(xué)、更加智能，實時性、動態(tài)性、有效性得到大大提高。農(nóng)業(yè)生命信息是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對象本身的數(shù)字化描述，是對生命個體進行監(jiān)測管理的重要依據(jù)，具有典型的時效性。

3. 農(nóng)田變量信息快速采集

農(nóng)田變量信息快速采集主要是對農(nóng)田中的土壤含水量、肥力、土壤有機質(zhì)、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(shù)、非接觸式遙感技術(shù)。國內(nèi)在農(nóng)田空間信息快速采集技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)積累了較豐富的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，已設(shè)計出便攜式土壤養(yǎng)分測試儀、基于時域反射儀（TDR）原理的土壤水分及電導(dǎo)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(shù)的快速獲取等方面開展了有益的探索。精準農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)信息化的重要方向，快速、有效采集和描述影響作物生長環(huán)境的空間變量信息，是精準農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)。高密度、高速度、高準確度的農(nóng)田信息具有數(shù)據(jù)量大、時效強、關(guān)聯(lián)度高等特點。農(nóng)田變量信息主要服務(wù)于精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，強調(diào)實時性、精準性等特點，屬于局部、微觀、持續(xù)的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)。

4. 農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)獲取

農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)獲取是指利用衛(wèi)星、飛行器等對地面農(nóng)業(yè)目標進行大范圍監(jiān)測、遠程數(shù)據(jù)獲取，主要采用遙感技術(shù)。遙感技術(shù)是一種空間信息獲取技術(shù)，具有獲取數(shù)據(jù)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(nóng)業(yè)遙感技術(shù)可以客觀、準確、及時地提供作物生態(tài)環(huán)境和作物生長的各種信息，主要應(yīng)用在農(nóng)用地資源的監(jiān)測與保護、農(nóng)作物大面積估產(chǎn)與長勢監(jiān)測、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測、作物模擬模型等幾個方面。農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)能反映大面積、長時間的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，屬于宏觀、全局層面的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)。

5. 農(nóng)產(chǎn)品市場經(jīng)濟數(shù)據(jù)采集

農(nóng)產(chǎn)品市場經(jīng)濟數(shù)據(jù)采集是指對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、質(zhì)量、需求、庫存、進出口、市場行情、生產(chǎn)成本等數(shù)據(jù)進行動態(tài)采集，涉及農(nóng)業(yè)流通、農(nóng)產(chǎn)品價格、農(nóng)產(chǎn)品市場、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全等，具有較強的突發(fā)性、動態(tài)性、實時性、變化性，一般由“智能終端+通信網(wǎng)絡(luò)+專業(yè)群體”組成。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，移動終端諸如手機、筆記本、平板電腦等隨處可見，加上網(wǎng)絡(luò)的寬帶化發(fā)展以及集成電路的升級，人類已經(jīng)步入了真正的移動信息時代，基于智能終端的農(nóng)產(chǎn)品市場經(jīng)濟數(shù)據(jù)采集越來越頻繁，數(shù)據(jù)量越來越大，圖片、視頻等數(shù)據(jù)格式激增?；?G的基層農(nóng)技推廣平臺等是農(nóng)產(chǎn)品市場經(jīng)濟數(shù)據(jù)采集的典型應(yīng)用。

6. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)抓取

農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)抓取指利用爬蟲等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)抓取技術(shù)對網(wǎng)站、論壇、微博、博客中涉農(nóng)數(shù)據(jù)進行動態(tài)監(jiān)測、定向采集的過程。網(wǎng)絡(luò)爬蟲（網(wǎng)頁蜘蛛），是一種按照一定的規(guī)則，自動地抓取萬維網(wǎng)信息的程序或者腳本，有廣度優(yōu)先、深度優(yōu)先2種策略。農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是在互聯(lián)網(wǎng)層面對農(nóng)業(yè)各方面的客觀反映，具有規(guī)模大、實時動態(tài)變化、異構(gòu)性、分布性、數(shù)據(jù)涌現(xiàn)等特點。搜農(nóng)、農(nóng)搜等搜索引擎都是基于主題爬蟲的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)獲取平臺，在農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取方面具有一定基礎(chǔ)。

（三）農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

1. 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)重要性日益凸顯

經(jīng)過多年的發(fā)展，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫、農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)遙感、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中應(yīng)用取得了非常顯著的成果。云存儲、數(shù)據(jù)倉庫等技術(shù)為數(shù)據(jù)的海量存儲提供了可能，傳感器、遙感數(shù)據(jù)、移動終端、網(wǎng)絡(luò)等都積累了大量的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)。伴隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展必然從“技術(shù)驅(qū)動”向“數(shù)據(jù)驅(qū)動”轉(zhuǎn)變。目前，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域都在積極部署農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)相關(guān)方面的研究，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)重要性日益凸顯。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所發(fā)起了信息聯(lián)盟，旨在促進涉農(nóng)信息資源與專家隊伍的集成、共享，聯(lián)合推進農(nóng)業(yè)信息云服務(wù)；山東農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)起了農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（http：//.cn/），以期促進大數(shù)據(jù)在山東農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究及成果應(yīng)用發(fā)展。2014年，科學(xué)數(shù)據(jù)大會舉行，專門設(shè)立農(nóng)業(yè)與農(nóng)村信息化大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用分論壇。

2. 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)積累初具規(guī)模

我國農(nóng)業(yè)信息化研究長期以來一直非常重視農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的積累，目前農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)已經(jīng)具備了一定的規(guī)模，數(shù)據(jù)的存儲格式以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主，視頻、圖片等數(shù)據(jù)量也在不斷攀升。農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心（試點）項目于2003年正式啟動，重點采集作物科學(xué)、動物科學(xué)與動物醫(yī)學(xué)類科學(xué)、農(nóng)業(yè)科技基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等農(nóng)業(yè)科技類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。截至2012年，農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)總量448.93GB。全國基層農(nóng)技推廣信息化平臺，構(gòu)建了糧食作物、經(jīng)濟作物、蔬菜、果樹、畜牧等農(nóng)業(yè)技術(shù)數(shù)據(jù)庫，面向全國70萬農(nóng)技員提供服務(wù)，總記錄超過10萬條，視頻數(shù)據(jù)超過5000個。中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)中心研發(fā)的地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http：///），現(xiàn)有地學(xué)遙感數(shù)據(jù)資源約280 TB，以中國區(qū)域為主，覆蓋全球地理范圍。中國作物種質(zhì)資源信息網(wǎng)（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(zhì)、基因信息。

3. 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)研究具備了一定基礎(chǔ)

農(nóng)業(yè)信息化研究工作一直與農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)密切相關(guān)，相關(guān)方面的研究主要集中在監(jiān)測與預(yù)警、數(shù)據(jù)挖掘、信息服務(wù)等方面，基于數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)信息處理分析具備了一定的基礎(chǔ)條件。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國與農(nóng)業(yè)相關(guān)的主要監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)共有84個，其中食物保障預(yù)警系統(tǒng)12個，食品安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)18個，市場分析與監(jiān)測系統(tǒng)35個，作物分析與預(yù)警系統(tǒng)19個；中國搜農(nóng)作為國內(nèi)首款農(nóng)業(yè)垂直搜索引擎，持續(xù)穩(wěn)定運行6年，獲取了海量的農(nóng)業(yè)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(jiān)控3萬多個農(nóng)業(yè)網(wǎng)站的超過2萬多個農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)、集貿(mào)市場的2萬多個農(nóng)產(chǎn)品品種的價格、供求等信息。

三、 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用展望

基于大數(shù)據(jù)的理論和技術(shù)，不斷推進傳統(tǒng)領(lǐng)域創(chuàng)新與應(yīng)用實踐，為國家經(jīng)濟社會發(fā)展提供了新的生長點。在農(nóng)業(yè)信息化不斷發(fā)展的過程中，已有部分領(lǐng)域完成了大數(shù)據(jù)積累，具備了利用大數(shù)據(jù)理論與技術(shù)進行深入數(shù)據(jù)分析和價值發(fā)現(xiàn)的條件。根據(jù)當前農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展的現(xiàn)狀，筆者認為大數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在以下幾個方面。

（一）精準農(nóng)業(yè)可靠決策支持系統(tǒng)

變量決策分析是精準農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中的核心，致力于根據(jù)農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和相關(guān)因素，在農(nóng)田內(nèi)的空間差異性，實施分布式的處方農(nóng)作。高密度的農(nóng)田信息獲取后，怎樣根據(jù)這些不同角度的農(nóng)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(xué)科交叉的研究課題。專家系統(tǒng)、作物模擬模型、作物生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)傳統(tǒng)的生產(chǎn)決策技術(shù)取得了一些成果，但效果并不理想。利用大數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)，集成作物自身生長發(fā)育情況以及作物生長環(huán)境中的氣候、土壤、生物、栽培措施因子等數(shù)據(jù)，綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展的目標，突破專家系統(tǒng)、模擬模型在多結(jié)構(gòu)、高密度數(shù)據(jù)處理方面的不足，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策者提供精準、實時、高效、可靠的輔助決策。

（二）國家農(nóng)村綜合信息服務(wù)系統(tǒng)

國家農(nóng)村綜合信息服務(wù)，按照“平臺上移，服務(wù)下延”的思路，集成與整合各分散的信息資源與系統(tǒng)，在全國范圍實現(xiàn)信息資源的共享，數(shù)據(jù)資源體量大、數(shù)據(jù)處理流程復(fù)雜、信息服務(wù)模式多樣，需要實現(xiàn)海量農(nóng)業(yè)信息化數(shù)據(jù)獲取、傳輸、加工、服務(wù)一體化處理。利用大數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)，研究復(fù)雜多樣、動態(tài)時變用戶需求的快速聚焦與大規(guī)模服務(wù)及用戶動態(tài)需求組合的學(xué)習(xí)和進化機制模型，突破農(nóng)戶需求智能聚焦技術(shù)，實現(xiàn)信息服務(wù)按需分配以及云環(huán)境下大規(guī)模部署的智能系統(tǒng)服務(wù)與龐大“三農(nóng)”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(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警是指對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、市場運行、消費需求、進出口貿(mào)易及供需平衡等情況進行的全產(chǎn)業(yè)鏈信息采集、數(shù)據(jù)分析、預(yù)測預(yù)警與信息，其主要任務(wù)包括感知市場異常波動、實時監(jiān)控生產(chǎn)風(fēng)險、及時應(yīng)對突發(fā)事件、推動管理關(guān)口前移等。2002年以來，農(nóng)業(yè)部開始建立農(nóng)產(chǎn)品市場監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，啟動了稻谷、小麥等關(guān)系國計民生的7種重點農(nóng)產(chǎn)品的市場監(jiān)測預(yù)警工作。目前，監(jiān)測預(yù)警技術(shù)已在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)業(yè)病蟲草害、農(nóng)產(chǎn)品價格、農(nóng)產(chǎn)品市場等領(lǐng)域進行了廣泛應(yīng)用。利用大數(shù)據(jù)智能分析和挖掘技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息流監(jiān)測、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)預(yù)測、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)警多維模擬等，大幅度提高農(nóng)業(yè)監(jiān)測預(yù)警的準確性。

（四）天地網(wǎng)一體化農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)

農(nóng)情信息遙感監(jiān)測主要是指利用遙感等信息技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況信息，如作物面積、長勢和產(chǎn)量信息、農(nóng)業(yè)災(zāi)害信息、農(nóng)業(yè)資源信息等進行遠程監(jiān)測和綜合評價，輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策的過程?；谶b感-地面-無線傳感網(wǎng)的一體化農(nóng)情信息獲取體系，在解決了數(shù)據(jù)時空不連續(xù)的難點的同時，也帶來了海量農(nóng)情數(shù)據(jù)融合處理的問題。與此同時，遙感技術(shù)飛速發(fā)展，特別是傳感器分辨率的提高、新型傳感器的應(yīng)用等，遙感影像的數(shù)據(jù)量急劇增加，海量數(shù)據(jù)的存儲、快速產(chǎn)生、信息提取、融合應(yīng)用等，為遙感數(shù)據(jù)分析帶來了挑戰(zhàn)。利用大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，研究天地網(wǎng)一體化農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中的多源多類數(shù)據(jù)的智能融合與分析、定量化反演以及網(wǎng)絡(luò)化集成與共享關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)全局數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)與跨學(xué)科的數(shù)據(jù)集成和互操作，為農(nóng)業(yè)遙感信息的深入分析提供支撐。

（五）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)

第7篇：光纖傳感技術(shù)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(yī)院容量有限,以及由于獨生子政策導(dǎo)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(yī)療技術(shù)的發(fā)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(yī)療形式是通過PSTN(公共電話網(wǎng)絡(luò))進行心電(ECGs)的遠程解釋,但目前的遠程醫(yī)療技術(shù)研究與試驗則是伴隨當前IT技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的一個范圍更加廣泛,意義更加深遠的新興領(lǐng)域。它是現(xiàn)代通訊技術(shù)和計算機與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物,它利用電子通訊及多媒體技術(shù)實現(xiàn)遠距離醫(yī)學(xué)檢測,監(jiān)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(yī)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(yī)療保健服務(wù)模式,最終達到共享醫(yī)療保健資源,降低醫(yī)療保健費用,提高醫(yī)療效率和質(zhì)量的目的。另外,在戰(zhàn)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(yī)療技術(shù)也有很大的應(yīng)用價值!廣義地講,遠程醫(yī)療是指醫(yī)護人員利用通訊和電子技術(shù)來跨越時空障礙、向人們提供醫(yī)療保健服務(wù)。根據(jù)不同的應(yīng)用,遠程醫(yī)療又可分類為遠程監(jiān)護,遠程治療,遠程會診和遠程教育等等。

(二)發(fā)展過程

最早的遠程醫(yī)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(shù)據(jù)傳輸實驗。但真正具有一定實用價值的遠程醫(yī)療系統(tǒng)在50年代才開始出現(xiàn),該系統(tǒng)可以通過電話線和專用線傳送簡單的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)。而在70~80年代遠程醫(yī)療開始利用電視系統(tǒng)傳輸醫(yī)學(xué)圖像,即以遠程放射醫(yī)學(xué)(Tele-radiology)為主。隨著現(xiàn)代微電子學(xué)、通訊技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,在90年代人們開始實踐與評估該系統(tǒng)在遠程醫(yī)療咨詢、遠程教育、遠程專家會診等多方面的應(yīng)用。近幾年來,隨著醫(yī)用數(shù)字影象設(shè)備如CT、MRI、B超以及DSA等的迅速普及,促使越來越多的醫(yī)院采用數(shù)字圖像存儲通訊系統(tǒng)(PACS,PictureArchivingandCommunicationSystem),逐步實現(xiàn)醫(yī)院的無膠片管理,為普及遠程醫(yī)療奠定了良好基礎(chǔ)。當前,遠程醫(yī)療系統(tǒng)技術(shù)的技術(shù)支持有:交互視頻影像設(shè)備(interactivevideo),高分辨監(jiān)視器(high-resolutionmonitors),計算機網(wǎng)絡(luò)(computernetworks),蜂窩電話(cellulartelephones),高速開關(guān)系統(tǒng)(high-speedswitchsystems),以及以光纖和衛(wèi)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(wǎng)絡(luò)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(yī)療專家又缺少足夠帶寬的信息網(wǎng)絡(luò),患者的經(jīng)濟能力也十分有限。在這種背景下,基于電話線的遠程醫(yī)療服務(wù)在一定程度上滿足了當前的需求,顯示出了一定的發(fā)展空間,值得國內(nèi)的醫(yī)療電子企業(yè)重視。

(三)適宜范圍和初步的臨床效果

遠程醫(yī)療技術(shù)(Tele-medicine)最大的作用在于它對農(nóng)村和不發(fā)達國家的那些得不到良好服務(wù)的人群提供健康護理服務(wù)。在這些地方,合格醫(yī)生的缺乏是一個很大的問題。其他需要遠程醫(yī)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(jiān)護,家庭監(jiān)護,病人教育,醫(yī)學(xué)教育等。有些醫(yī)學(xué)部門,如放射學(xué)(radiology),病理學(xué)(pathology)和心臟病學(xué)(cardiology),他們需要高保真的電子醫(yī)務(wù)數(shù)據(jù)和圖像為診斷服務(wù),因而特別適合于采用遠程醫(yī)療。隨著遠程醫(yī)療技術(shù)的成熟,它能夠提供服務(wù)的醫(yī)學(xué)部門和范圍也會隨之相應(yīng)地增加。比如,以下這些領(lǐng)域的遠程醫(yī)療實踐正在逐步增多:矯形外科學(xué)(orthopedics),皮膚病學(xué)(dermatology),精神病學(xué)(psychiatry),腫瘤學(xué)(oncology),神經(jīng)病學(xué)(neurology),兒科學(xué)(pediatrics),產(chǎn)科學(xué)(obstetrics),風(fēng)濕病學(xué)(rheumatology),血液學(xué)(hematology),耳咽喉科學(xué)(otolaryngology),眼科學(xué)(ophthalmol-ogy),泌尿科學(xué)(urology),外科(surgery)等。總的來說,有關(guān)報告顯示,遠程醫(yī)療提供了醫(yī)生與遠端之間的可靠的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和音頻視頻通信。通過將遠程醫(yī)療和直接的醫(yī)生診斷相比較發(fā)現(xiàn),二者沒有大的差異。這些初步的結(jié)果說明,遠程醫(yī)療提供了與醫(yī)院相當?shù)姆?wù)質(zhì)量。目前,遠程醫(yī)療已被成功地用于直接的病人監(jiān)護,它明顯地改進了醫(yī)生的診斷能力和對病人的處理選擇。遠程醫(yī)療在臨床醫(yī)學(xué)中的作用已被完全證實,它的使用情況已經(jīng)超過了立法和行政部門的步伐。因此,在未來健康監(jiān)護工業(yè)的發(fā)展策略中,遠程醫(yī)療應(yīng)是一個不可忽略的因素。一個重要的目標是實現(xiàn)兩個“所有”:方便地實現(xiàn)所有的醫(yī)學(xué)服務(wù)和面向所有的地方。

(四)遠程醫(yī)療系統(tǒng)與信息技術(shù)

很顯然,遠程醫(yī)療(Tele-medicine)應(yīng)當有許多不同的系統(tǒng)和技術(shù)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(xiàn)場醫(yī)生或護理人員一起在遠處,專家在醫(yī)學(xué)中心。對于SAF模式,所有相關(guān)的信息(數(shù)據(jù)、圖形、圖像等)用電子方式傳到專家處,在這里,專家的反應(yīng)不必是立即的。在大多數(shù)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(yī)療系統(tǒng)當然是同時具備RT和SAF兩種模式,但顯然這種復(fù)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(nèi)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(jiān)護單元。基站需要有控制系統(tǒng)或工作站、在線的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫、視頻相機和監(jiān)護儀、微型耳機和話筒以及圖形圖像輸入設(shè)備。在遠端,需要有完全可移動的視頻相機和監(jiān)護儀、各種診斷設(shè)備、圖形圖像輸入設(shè)備、PC或工作站等。如上所述,當前的技術(shù)可以使得遠程醫(yī)療系統(tǒng)具有可靠的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和視頻-音頻通信(在醫(yī)學(xué)中心的醫(yī)生和遠端病人之間),能夠提供與到醫(yī)院就診相當?shù)姆?wù)。隨著遠程醫(yī)療的范圍和廣度的擴展,需要進一步關(guān)注的技術(shù)和臨床問題包括:傳輸?shù)膱D像、視頻信息的知覺質(zhì)量以及其他臨床完善性所要求的程序;當前技術(shù)能夠提供的檢查的透徹性,以及遠程醫(yī)療服務(wù)和當前臨床常規(guī)檢查的有機結(jié)合問題等。遠程醫(yī)療當中的一個重要技術(shù)成份是通信系統(tǒng),它的基本的傳輸介質(zhì)是銅質(zhì)電纜、光導(dǎo)纖維,微波中繼,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)。一個混合的網(wǎng)絡(luò)可能是,衛(wèi)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(shù)據(jù)、信號和控制信息。RT、SAF兩種模式的通信要求都可以預(yù)測。RT模式要求短時間內(nèi)傳送大量的信息,它強調(diào)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(shù)據(jù)傳送就行。一般的多媒體遠程醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)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(yī)療系統(tǒng)的組成劃分,它一般由三個部分構(gòu)成:用戶終端設(shè)備,醫(yī)療中心終端設(shè)備和聯(lián)系中心與用戶的通訊信息網(wǎng)絡(luò)。不同的遠程醫(yī)療應(yīng)用,對通訊系統(tǒng)和系統(tǒng)終端設(shè)計又有不同的要求。相應(yīng)的設(shè)備費用也依要求的不同而變動較大。

(五)相關(guān)的有待解決的技術(shù)問題

仍然有待解決的,與遠程醫(yī)療全面、廣泛地實施有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題包括:數(shù)碼醫(yī)院的建立,目前有些醫(yī)院己有醫(yī)院信息系統(tǒng)(HIS)和圖像歸檔與通信系統(tǒng)(PACS—picturearchivingandcommunicationsystem)和DICOM(Digitalimagingandcommuni-cationsinmedicine)。醫(yī)院現(xiàn)有的這些系統(tǒng)是遠程醫(yī)療的重要組成部分,它們的擴展是建立遠程醫(yī)療系統(tǒng)的一個有利條件。此外,還需要建立標準的醫(yī)學(xué)信息庫;開發(fā)功能可靠、操作方便的終端設(shè)備•以及接口技術(shù)問題,因為遠程醫(yī)療系統(tǒng)涉及多種醫(yī)療設(shè)備與通訊系統(tǒng)的連接,建立通用的標準接口將會減少系統(tǒng)建立時的復(fù)雜程度和節(jié)省費用;系統(tǒng)加密問題,以確保醫(yī)療數(shù)據(jù)在通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸中的安全性,維護病人的隱私權(quán);家庭以及偏遠地區(qū)的寬頻通訊問題,初期通訊網(wǎng)絡(luò)的鋪建應(yīng)考慮到遠程醫(yī)療的用途。目前,有關(guān)研究主要集中在:(1)人-機接口和通訊網(wǎng)絡(luò)的研究,主要解決各種信息的有效上網(wǎng)和傳送;(2)傳感器技術(shù)的研究,目標在于研制有源、無線和小型的換能器,實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)遠程醫(yī)療數(shù)據(jù)與圖形圖像信息的的高效傳輸;(4)醫(yī)學(xué)信息與數(shù)據(jù)傳輸安全問題的研究,為相應(yīng)的立法等提供技術(shù)保證。

二、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)與三維醫(yī)學(xué)圖像處理

(一)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)

1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線,并被應(yīng)用于醫(yī)學(xué),產(chǎn)生了以X光照片為標志的醫(yī)學(xué)影象學(xué)。此后的整個20世紀可以說是醫(yī)學(xué)成像的盛世。面對各種紛紛涌現(xiàn)的眾多成像模式,我們不僅要問:這些成像技術(shù)各有何特點?它們的發(fā)展前景又如何呢?到目前為止出現(xiàn)的所有成像方法,幾乎都與核或電磁有關(guān)。如果從利用的電磁波的頻率高低上對醫(yī)學(xué)成像模式進行分類,在靜態(tài)場領(lǐng)域有電生理成像,低頻領(lǐng)域有阻抗CT,高頻領(lǐng)域有微波CT,光領(lǐng)域有光學(xué)CT,在更高的頻率領(lǐng)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(shù)(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(fā)射斷層掃描技術(shù)(PositronEmissionTomography,PET)等,如此眾多的醫(yī)學(xué)影象手段提供了大量的有關(guān)病人的各種信息,包括形態(tài)的和功能的、靜態(tài)的和動態(tài)的等,被廣泛應(yīng)用于診斷和治療,成為現(xiàn)代化中必不可少的手段和工具。

1•電阻抗斷層成像技術(shù)

電阻抗斷層成像技術(shù)(ElectricalImpedanceTomography,EIT)是近些年來興起的一項醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。其基本思想是利用人體組織的電特性差異形成人體內(nèi)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(chǎn)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(xué)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(tài)而改變,因此圖像也包含了功能信息在內(nèi)。此外加上對人體幾乎無創(chuàng)傷、廉價、操作簡便等優(yōu)點,EIT受到了日益廣泛的關(guān)注。但由于受到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和算法等因素的限制,目前該技術(shù)并不十分成熟,基本處于實驗室階段。EIT技術(shù)根據(jù)測量目標的不同可以分為兩類:靜態(tài)EIT和動態(tài)EIT。靜態(tài)EIT以測量對象內(nèi)部電阻(導(dǎo))率的分布為成像目標;而動態(tài)EIT則是測量對象內(nèi)部的電阻(導(dǎo))率的相對變化量的分布為成像目標。由于動態(tài)EIT技術(shù)只需反映阻抗的相對變化量,相應(yīng)地,其算法簡便、快速,可以實時成像,而且系統(tǒng)對具體目標形狀有較高的魯棒性。雖然由于假設(shè)條件難以滿足、推導(dǎo)過程不嚴格等缺點使得動態(tài)EIT的成像質(zhì)量不高,但由于其對人體形狀和電極擺放位置的適應(yīng)性強、能反映變化的信息等優(yōu)于靜態(tài)EIT的這些優(yōu)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(zhì)量的提高,動態(tài)EIT有望在臨床上發(fā)揮更大的作用。

2•電生理成像技術(shù)

電生理成像技術(shù)指基于體表電磁信號的觀測,進行的體內(nèi)電活動情況成像的技術(shù)。具體有心電磁和腦電磁問題兩大類。但兩類問題在技術(shù)上是密切相關(guān)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(fā)展了等效源方法(Sidmanetal,1992;Yao,2000),有限電阻網(wǎng)絡(luò)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(nèi)腦電活動源的空間位置的一項技術(shù)。其具體方法有非線性優(yōu)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(shù)與其它的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)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(fā)(或誘發(fā))的功能信息,是一種真正的非損傷性的成像技術(shù),且可以進行長期檢測,而fMRI等只能檢測誘發(fā)的間接的功能信息。另外一個優(yōu)點就是它具有很高的時間分辨率。目前的一個重要發(fā)展方向是,電生理成像技術(shù)與其它影像技術(shù)相結(jié)合(如EEG與fMRI結(jié)合),實現(xiàn)優(yōu)勢互補,以得到兩“高”(高時間分辨率和高空間分辨率)的結(jié)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(nèi)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(fā)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(gòu)圖像,獲得的是形態(tài)圖像。微波CT作為一種醫(yī)學(xué)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(nèi)的衰減愈大。同時,微波在介質(zhì)中傳播時產(chǎn)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(shù)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(yī)學(xué)成像手段。

4•光學(xué)CT

光學(xué)CT也將是21世紀的重要研究領(lǐng)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(xué)CT大致可以分為內(nèi)稟(Intrinsic)光學(xué)成像、光學(xué)相干層析成像、光子遷移技術(shù)成像等幾種。內(nèi)稟信號指的是,由組織活動(如神經(jīng)元活動)引起的有關(guān)物質(zhì)成分、運動狀態(tài)的改變而導(dǎo)致起光學(xué)特性發(fā)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(nèi)的空間分布,進而重建組織圖像。無損傷內(nèi)稟光學(xué)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(xué)相干層析成像,即將光學(xué)相干剖析術(shù)(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(yīng)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(shù)從提出至今雖然只有短短幾年的時間,但已表現(xiàn)出極為誘人的應(yīng)用前景。目前它已在視網(wǎng)膜及黃斑疾病的早期診斷,皮膚、腸、胚胎檢測等領(lǐng)域發(fā)揮出巨大的作用。這種技術(shù)已成為國內(nèi)外在生物光學(xué)方面的一個活躍點。利用靈敏的探測器和適當?shù)闹貦z算法,就可以確定測量組織的光學(xué)特性。通過檢測組織的光學(xué)特性,可用于腫瘤診斷、代謝狀態(tài)動態(tài)監(jiān)護、藥物分析及光動力學(xué)治療等場合。光子遷移技術(shù)成像(PhotonMigrationImaging,PMI)利用的是在紅光和近紅外光譜區(qū),生物組織的某些不同成分對于光的散射和吸收表現(xiàn)出不同特性,而且在不同生理狀態(tài)下的組織光學(xué)參數(shù)也不大相同。高頻調(diào)控的正弦入射光經(jīng)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(xiàn)了吸收的變化。光學(xué)方法正處于迅速發(fā)展之中,一方面,與XCT、MRI等其它成像方法相比,光學(xué)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(shù)發(fā)展成熟。光學(xué)CT還有一個吸引人的優(yōu)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(yù)料,光學(xué)CT會在醫(yī)學(xué)研究和臨床等方面發(fā)揮越來越大的作用。

5•正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)

正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)(PositronEmissionTomography,PET)作為一種傳統(tǒng)的核醫(yī)學(xué)成像技術(shù),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(fā)現(xiàn)了β+的存在;此后不久ErnestLawrence發(fā)明了可發(fā)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(fā)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(huán)至全身。正電子與人體內(nèi)的電子相遇并湮滅產(chǎn)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(nèi)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(nèi)進行重復(fù)測量。盡管PET具有近乎無損的測量、三維動態(tài)成像、定量檢測化學(xué)物質(zhì)分布及實現(xiàn)真正的功能成像等獨特的優(yōu)點,但早期由于對短壽命核素認識的不足及探測技術(shù)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(yīng)用于臨床。此后PET才真正開始進入了一個蓬勃發(fā)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(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、腦科學(xué)等方面的研究。在臨床方面,主要用于診斷神經(jīng)類疾病、心臟疾病、癌癥等,也可輔助設(shè)計治療方案和評估藥物療效,并可用于探討一些神經(jīng)類疾病的發(fā)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(shù)來診斷疾病。同時,PET的獨特優(yōu)點也給神經(jīng)科學(xué)提供了觀測手段,被越來越多地用來研究人類的學(xué)習(xí)、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(xué)習(xí)、喜怒哀樂等),也將引起不同腦區(qū)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(shù)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(shù)

X-線成像技術(shù)可以說是在醫(yī)院當中應(yīng)用的最傳統(tǒng)、最廣泛的一種醫(yī)學(xué)影象技術(shù)。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(chǔ)上,因而接收端將得到不同強度的射線,傳統(tǒng)的做法是將之記錄在膠片上得到X膠片。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,這種傳統(tǒng)方法的弊端日趨突顯出來。當X-線圖像一旦形成,其圖像質(zhì)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(shù)時,多數(shù)資深專家均認為影像的數(shù)字化是最新、最熱門及最重要的進展。數(shù)字化成像可以利用大容量磁、光盤存儲技術(shù),以數(shù)字化的電子方式存儲、管理、傳送、處理、顯示醫(yī)學(xué)影象及相關(guān)信息,使臨床醫(yī)學(xué)徹底擺脫對傳統(tǒng)硬拷貝技術(shù)的依賴,真正實現(xiàn)X-攝影的無膠片化。目前采用的直接數(shù)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(xiàn)已進入商品化階段。FPD由Trexell公司研制成功。這兩項技術(shù)的發(fā)展方向均是設(shè)法進一步提高分辨率和實時性。數(shù)字影像可以說是伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運而生。1981年第15屆國際放射醫(yī)學(xué)會議上首次展出了數(shù)字放射新產(chǎn)品。進入90年代中后期,國外已經(jīng)推出了多種新型的數(shù)字化X-線影象裝置;傳統(tǒng)X-線裝置中的X-線乳腺影像設(shè)備也已數(shù)字化。到目前為止,市場上的數(shù)字化的X-線影像設(shè)備已占70%以上?？梢灶A(yù)期,數(shù)字化的X-線影像設(shè)備將逐步成為市場的主宰,并將使21世紀的X-線診斷發(fā)生令人矚目的變化。

7•磁共振成像(MRI)

在磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)領(lǐng)域,自從1946年哈佛大學(xué)的E•M•Purcell和斯坦福大學(xué)的F•Bloch發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)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(xué)的方向發(fā)展,成為化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域研究分子結(jié)構(gòu)不可缺少的分析工具。1972年R•Damadian注冊了第一個關(guān)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(yīng)用于臨床。由于質(zhì)子(1H)結(jié)構(gòu)簡單,磁性較強,是構(gòu)成水、脂肪和碳水化合物的基本成分,所以目前醫(yī)學(xué)上主要利用質(zhì)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(chǎn)生共振激發(fā);被激發(fā)的原子核的退激時間的長短反映了磁性核周圍的環(huán)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)信息等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于臨床診斷。隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的提高,動態(tài)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(yīng)用是用外面的造影劑或內(nèi)生的血氧度相關(guān)效應(yīng)(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(nèi)脫氧血紅蛋白濃度發(fā)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(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域中,BOLD成像有很多優(yōu)點。這類研究完全非侵入性,產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)與解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)是完全配準的。BOLD技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較好,它在解釋大腦在正常和病理狀態(tài)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(jié)果。它的最大優(yōu)點是無損傷(不用外源介質(zhì)),可以直接進行反復(fù)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(shù),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(fā)展方向是,一要進一步加強對fMRI信號的實質(zhì)的認識和理解,這是基本的前提。另一方面,從實驗設(shè)備的硬件和軟件的結(jié)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(xiàn)象的本質(zhì)決定的一個永恒的研究主題。除了以上與電磁或射線相關(guān)的成像技術(shù)外,還有基于超聲波的多種結(jié)構(gòu)、組織和功能的成像技術(shù),這里不再詳述。

(二)三維醫(yī)學(xué)圖像處理

醫(yī)學(xué)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(fù)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(shù)的發(fā)展,醫(yī)學(xué)圖像的處理已開始從二維轉(zhuǎn)向了三維,以求從中獲得更多的有用信息。三維醫(yī)學(xué)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(shù)據(jù)的配準(Registration)和融合(Fusion)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、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(shù)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(yī)學(xué)影象技術(shù)的發(fā)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(nèi)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(jié)果結(jié)合起來進行分析,以提高醫(yī)學(xué)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(qū)域的輪廓。常規(guī)的方法(如將幾張圖像膠片掛在燈箱上)使醫(yī)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(yī)學(xué)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(shù)使各種影象模式統(tǒng)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(yīng)點達到空間位置和解剖結(jié)構(gòu)上的完全一致,并突出顯示病灶或感興趣部位,幫助醫(yī)生進行臨床診斷,制定放射治療計劃和評價等。近年來醫(yī)學(xué)圖像配準和融合技術(shù)的研究和應(yīng)用日趨受到醫(yī)學(xué)界和工程界的重視。對醫(yī)學(xué)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(yī)學(xué)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(xiàn)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(shù);執(zhí)行變換?；谔卣鼽c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(nèi)部特征的圖像配準方法?；谕獠刻卣鞯膱D像配準通常是在研究對象上設(shè)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(nèi)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(shù)室使用。目前的研究集中在基于內(nèi)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(yī)學(xué)圖像中相對運動較小的解剖結(jié)構(gòu),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(yōu)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(nèi)部特征點進行匹配。目前,基于內(nèi)部特征的圖像配準方法比較成熟并已廣泛應(yīng)用于臨床。但目前大多數(shù)模糊動態(tài)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(fā)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(guān)性方法,它是直接利用不同成像模式的灰度信息的統(tǒng)計特性進行全局最優(yōu)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(wěn)定,并能獲得相當準確的結(jié)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(xiàn)的各種相關(guān)性算法,如互相關(guān)法(correlation)、聯(lián)合熵法(jointentropy)、相對熵法(relativeentropy)等算法當中,臨床評估的結(jié)果是相對熵法(又稱為互信息法,mutualinformation)是最精確的。醫(yī)學(xué)影像的三維重建和可視化也是一個值得關(guān)注的問題。常規(guī)影像如CT、MRI等得到的均為組織的二維切片,醫(yī)生很難直接利用它們進行分析、診斷和治療。三維醫(yī)學(xué)圖像的重建將有助于觀察復(fù)雜結(jié)構(gòu)的立體形態(tài);有利于醫(yī)生制定放射治療計劃;有助于神經(jīng)外科手術(shù)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(nèi)外學(xué)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(jié)構(gòu),再由計算機圖形學(xué)中的光線跟蹤法(RayTracing),根據(jù)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(gòu)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(shù)據(jù)量越來越大,各種算法也越來越復(fù)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(jié)果,及時用于診斷與治療。因此,醫(yī)學(xué)圖像處理的加速也是一個主要的研究方向。為了提高系統(tǒng)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(yīng)用多處理器進行醫(yī)學(xué)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(tǒng)

發(fā)展各種醫(yī)學(xué)影象的最終目的就是為了更細致的了解人體的結(jié)構(gòu)和功能,輔助醫(yī)生對病人做出診斷和治療,提高人類的生活質(zhì)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(tǒng)、立體外科手術(shù)仿真系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等。在過去的放射治療時,先有醫(yī)生根據(jù)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(jù)病灶位置和形狀布置焦點,經(jīng)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(guī)劃焦點。反復(fù)重復(fù)直到滿意為止。最后計算出每個焦點的治療時間?？偟恼f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(tǒng)則大大方便了腫瘤醫(yī)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(yī)學(xué)圖像處理的各個環(huán)節(jié),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(tǒng)的推出不僅提高了醫(yī)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(guī)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(zhuǎn)照射或靜態(tài)多射野照射,使得高劑量區(qū)劑量分布的形狀在三維上與靶區(qū)(病灶)的實際形狀一致,同時盡可能地降低靶區(qū)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(diào)整射野內(nèi)的射線強度分布,故又稱為調(diào)強放療(Intensity-modulationRadiotherapy,IMRT)。調(diào)強算法根據(jù)醫(yī)生指定的限制因素計算每個射野的最接近醫(yī)生要求的強度分布,是一個典型的多參數(shù)優(yōu)化問題。1989年,英國科學(xué)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(diào)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(shù)(Multiple-LeafCollimator,MLC)的發(fā)展,醫(yī)生可望給出單次腫瘤致死劑量,起到外科手術(shù)的效果。虛擬現(xiàn)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(huán)境代替一個現(xiàn)實世界的真實環(huán)境,讓使用者在這個三維環(huán)境中實時漫游和交互操作。VR是綜合人機界面、圖形學(xué)、傳感技術(shù)、高性能計算機和網(wǎng)絡(luò)等的一門新興學(xué)科,涉及學(xué)科面廣且發(fā)展十分迅速。VR在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣泛,Rosen認為,VR將構(gòu)成最終實用的手術(shù)模擬器。隨著醫(yī)學(xué)成像可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)家們已經(jīng)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(yī)學(xué)圖書館(NLM)發(fā)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(nèi)窺鏡手術(shù)等等。例如在內(nèi)窺鏡手術(shù)中,外科醫(yī)生通過觀察電視屏幕來操作插入病人體內(nèi)的手術(shù)器械。虛擬環(huán)境技術(shù)可大大改善這種手術(shù)過程。事實上,虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)(Virtualendoscopy)是目前發(fā)展比較快的一個方面。

三、網(wǎng)絡(luò)化醫(yī)學(xué)儀器人才的培養(yǎng)

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的范疇很廣,各高校的側(cè)重點各不相同。我校本學(xué)科專業(yè)與其它高校相比具有明顯的時代特色。我們一向以電子學(xué)、計算機科學(xué)為支撐平臺,強調(diào)與生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)療儀器相結(jié)合,在醫(yī)療儀器的智能控制、管理方面有很強的優(yōu)勢。隨著以上醫(yī)學(xué)信息技術(shù)的發(fā)展,我們提出了依拓本校的優(yōu)勢專業(yè)如通信、計算機、自動控制、儀器測試等,在我校生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化醫(yī)學(xué)儀器方向人才的設(shè)想。

(一)培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)化醫(yī)學(xué)儀器人才的依據(jù)

計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展,世界正進入一個數(shù)字化的時代。在醫(yī)療領(lǐng)域,數(shù)字診斷設(shè)備也逐漸成為一種新標準,被越來越多的醫(yī)院和用戶所接受。各大廠商相繼推出數(shù)字X光機、CT、B超等,在一些發(fā)達國家,已經(jīng)取代常規(guī)設(shè)備成為臨床診斷的主流。醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)到了一個更新?lián)Q代的時期。而DICOM標準的制訂,則使醫(yī)療信息實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)模式的資源共享和遠程傳輸。無疑,數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化將是21世紀醫(yī)學(xué)發(fā)展的主流。而遠程醫(yī)療系統(tǒng)則以其迅猛的發(fā)展勢頭為人們勾畫出了一幅“讓每一位醫(yī)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(yǎng)提出了新的要求,同時具有醫(yī)學(xué)知識和網(wǎng)絡(luò)技能的復(fù)合型人才將會受到社會的廣泛青睞。“網(wǎng)絡(luò)化醫(yī)學(xué)儀器”作為本學(xué)科領(lǐng)域出現(xiàn)的新方向,在國內(nèi)外沒有現(xiàn)成的模式可以借鑒,為此我們提出了以下建設(shè)計劃。