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关键词： 光纤布拉格光栅   长短期记忆卷积神经网络   隧道火灾   解调技术   温度预测  

摘要： 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器近年来备受关注。它具有高灵敏度、小巧轻便、高准确性、抗电磁干扰等优点,目前已被广泛应用于火灾报警、损伤识别、医疗诊断、运输和结构健康监测等方面。 针对大规模实时监测的实际需求,克服地铁隧道火灾中温度解调传统拟合方法的局限性,本文将光纤布拉格光栅的传感原理和深度学习技术相结合,提出一种基于LSTM-CNN模型的解决方案,其充分利用LSTM(长短期记忆网络)和CNN(卷积神经网络)的优势,为温度监测提供更为可靠的方法。 在数据进入LSTM-CNN模型训练之前,需要对数据进行预处理。本文采用基于新阈值函数的小波阈值去噪算法对其噪声进行处理,并引入SNR和RMSE作为MATLAB仿真实验的比较分析指标。实验结果表明,相较于传统的硬阈值函数和软阈值函数方法,本文提出的方法在信噪比方面有所提高,同时均方根误差也有所降低,这表明去噪算法为LSTM-CNN模型输入数据处理提供了基础。 最终搭建基于LSTM-CNN超弱光纤光栅温度测量系统的监测平台,通过长短期记忆-卷积神经网络算法对其传感信号进行预测,选取18000个光谱作为样本数据进行训练,训练时使用Adam W随机优化算法,在25℃-75℃的温度范围内,进行FBG的温度标定和解调误差分析,对比GRU算法、LSTM算法及传统的最大峰值法,本文算法效果佳,且能够有效地提高测量精度,实验结果表明:本文对温度波长预测解调精度可达99.27%,均方根误差(RMSE)为0.08528℃,通过实验,验证了本文所提出的方法在理论和技术方面具有一定的参考和支撑意义。适用于地铁隧道火灾危险的识别与监测,并且在光栅阵列传感解调系统的信号处理方面也具备应用价值。

关键词： 波动方程   非局部项   自适应调节器   扰动抑制   Backstepping变换  

摘要： 在分布参数系统控制理论中,偏微分方程系统始终是大量研究者密切关注的对象.此领域的一个核心研究方向是输出调节问题,而带有非局部项的一维波动方程的输出调节问题在理论探索和现实应用中均占据着重要的地位.因此,本文主要研究带有非局部项的一维波动方程的输出调节和扰动抑制问题.全文主要分为四个章节. 第一章介绍了带有非局部项的一维波动方程输出调节问题的研究背景,并给出与之有关的预备知识. 第二章考虑了具有非局部项的一维波动方程的输出跟踪和扰动抑制问题.性能输出是中间点位移,并且控制与一般扰动相匹配.我们首先使用自抗扰控制方法设计扰动估计器来估计扰动.然后,我们提出了一个观测器,并证明所设计的观测器以指数方式收敛到原系统.接下来,根据设计的观测器构建了输出反馈控制器.验证了闭环系统是适定的,所有内部信号都是有界的.此外,性能输出以指数方式跟踪参考信号.最后,给出了一些数值模拟来验证理论结果. 第三章考虑了具有非局部项的一维波动方程的误差反馈调节问题.系统所有通道都有谐波扰动,参考信号也是谐波类型.我们首先引入一个可逆变换,使扰动仅在左边界,而左边界与控制非同位.然后,我们利用可测量的非同位跟踪误差及其导数,提出了一种基于自适应误差的观测器.接下来,构建了一个基于观测器的误差反馈控制器使得跟踪误差渐近调节为零,并使所有内部信号有界.最后,结果通过仿真得到了验证. 第四章总结全文,并对未来的工作做出展望.

关键词： 铌酸锂   电场传感器   电光效应   集成光波导   微结构  

摘要： 电场传感器在汽车、航空电子、医疗器械、电力系统以及高能物理研究等领域具有广阔的应用前景，相关研究在工程技术和科学研究领域具有重要意义。介绍了电场传感器的几种工作原理，对比分析了基于铌酸锂电光效应的电场传感器的优势。分别推导了集成光波导马赫-曾德尔结构和基于共振峰漂移的微结构电场传感器的工作原理。总结和分析了铌酸锂块状晶体型和薄膜铌酸锂型的电场传感器近年来的研究进展，还重点讨论和分析了传感器件结构在灵敏度、线性动态范围、频率响应、器件尺寸等工作性能指标上的提升和关键技术。对未来基于铌酸锂电光效应的电场传感器发展前景和所面临的挑战进行了展望。

关键词： 声光效应   平面声波   涡旋光束   相位   跨介质  

摘要： 光波和声波在介质中的传播一直是学者们研究的重点。当光波在介质中传播时,介质折射率变化会对光波的传播产生影响。声波是机械波,在介质中传播时会引起介质物理参数的改变,进而改变光波的传输特性。大气和水是人类生存发展十分重要的因素,因此,研究气/水介质中声光耦合作用以及声波传播对光波传输特性的影响具有重要意义。本文利用声波主动扰动介质,变“被动”为“主动”,改变介质折射率分布,达到利用声波调节光波传输特性的目的。本文基于拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束和平面声波,主要开展气/水介质中声光耦合同轴传输的涡旋光场相位特性研究。主要工作有: 1.基于声光效应推导了平面声波扰动的均匀、非均匀大气介质和纯水介质的折射率表达式;对平面声波扰动前后的介质折射率分布情况进行了仿真模拟;分析了声波参数变化对折射率分布的影响。 2.建立了 LG光束在气/水介质中声光耦合同轴传输模型,光束传输方向和声波传输方向同轴;结合平面角谱展开法以及电磁场边界连续性对LG光束传输相位特性进行了数值模拟分析;改变光束拓扑荷数以及声源频率和声压幅值,分析平面声波对光束传输相位特性的影响。 3.建立了 LG光束在大气-纯水跨介质中声光耦合同轴传输模型,通过数值仿真对其相位特性进行了分析。 结果表明:均匀大气折射率在受到平面声波扰动时,会产生周期性波动,呈现均匀层状;非均匀大气介质折射率本身分布随高度增加而变小,经平面声波扰动后,围绕本身折射率分布产生波动;纯水折射率分布本身随着深度增加折射率增大,经平面声波扰动后折射率分布出现分层;声源频率越大,折射率周期性变化越密,声源频率的改变仅会影响折射率变化的疏密程度,不改变其数值的大小;声压幅值只影响折射率数值的大小,其变化的疏密程度不会改变;LG光束在平面声波扰动的大气以及纯水介质中传输时,在不同传输距离处,入射场s波和透射场s波相位分布始终相同,由中心向四周旋转开,随着传输距离增加,等相位线弯曲,p波的相位分布始终出现中心轴;当拓扑荷数相反时,s波相位旋转方向相反,p波相位旋转方向相反且相位结构发生改变;声波频率和声压幅值不同导致LG光束传输路径上的折射率分布不同,从而影响LG光束传输的相位;LG光束在平面声波扰动的大气-纯水跨介质中传输时,在非均匀大气介质中传输20m后,透射场s波等相位线出现弯曲,透射场p波的相位分布始终出现中心轴;经过大气-纯水界面前后透射场的相位并未出现明显差异,反射场s波相位发生旋转,反射场p波相位分布发生变化,出现中心对称半圆状;经过大气-纯水界面进入纯水中传输20m后透射场s波相位发生旋转,透射场p波相位发生变化。

关键词： 飞秒激光微纳加工   纳米光栅   光学晶体   增强抗反射  

摘要： 在过去的几十年中,从表面改性到三维打印再到纳米结构加工,飞秒激光微纳加工技术在精度、效率和创新性等方面为固体加工领域带来了一场前所未有的革命性变革。飞秒激光超短脉冲宽度意味着能量可以在极短时间内传递给材料,从而减少热影响区域,降低加工过程中的材料变形和损伤风险,这使得飞秒激光微纳加工技术成为处理各种复杂材料的理想选择。飞秒激光诱导周期性表面结构(LIPSS)是利用飞秒激光单步扫描产生的亚微米量级的周期性波纹结构。该结构具有偏振依赖性、腐蚀选择性、可擦除重写等独特性质,且加工效率高、材料适用性广,在过去十年中得到了广泛关注,已成为调控材料表面光学,机械和化学等特性的有效手段。然而,飞秒激光与材料相互作用诱导周期性表面结构的机理尚未明确,需要通过实验和仿真模拟等手段进一步研究,寻找更加精确的理论模型来解释这一现象,为其在更广泛领域的应用奠定基础。 本论文中,我们利用飞秒激光微纳加工技术在Nd:LGGG晶体表面产生了多种类型的微纳结构,并对微纳结构的形成机理制和演变过程进行深入研究。实验研究结果表明,飞秒激光诱导的周期性表面纳米光栅结构的形成仅限于相对较窄的参数窗口,并且随着参数的改变,这种结构进一步演变成由激光烧蚀的微槽和底部纳米光栅构成的复合结构。实验研究和数值模拟证明了表面等离子体激元的激发在纳米光栅结构的形成中起到了关键作用。此外,微纳结构演变和纳米光栅周期对加工参数的依赖性主要归因于激光诱导纳米光栅和微米沟槽的反馈机制。我们基于凹槽底部纳米光栅结构提出了一种新的方法来制备具有正交双周期的二维表面。与传统的由一维纳米光栅构成的表面结构相比,这种二维双周期表面结构在较长波段范围内(紫外-近红外)都具有偏振敏感的增强抗反射性。

关键词： 中阶梯光栅光谱仪   数据处理   干扰校正   软件开发  

摘要： 中阶梯光栅光谱仪具有宽波段、高衍射效率、高分辨率等优点,在各行业的应用中有着不可替代的优势。本文基于实验室研发的电感耦合等离子体(ICP)中阶梯光栅光谱仪,对谱图数据处理与校正进行深入分析研究,开发配套仪器的上位机软件,并基于国家发射光谱仪检定规程进行计量性能检定实验。 文中对中阶梯光栅光谱仪谱图还原、去噪、基线校正和谱峰识别等进行分析研究。基于Zemax中搭建的分光光路模型,在Matlab中调用ZOS-API建立波长-坐标谱图还原数据库;基于结合谱峰剔除的S-G滤波去噪方法在去除背景噪声的同时保留元素特征谱峰信息;基于自适应迭代加权惩罚最小二乘法(air PLS)避免了基线过拟合,并有效抑制边缘数据对基线拟合的影响;基于标准偏差的局部极大值对称零面积寻峰算法有效抑制假峰的影响,准确识别重叠峰和弱峰。 文中还对实验条件、仪器状态等因素造成的谱图干扰进行分析研究。基于自适应曝光时间序列的谱图校正算法,有效提升了特征谱线二维谱图的成像质量,增强标准曲线的线性相关性;基于谱线偏差的非线性全谱波长校正算法有效减小了仪器工作波段范围内波长提取的误差;基于Voigt谱峰参数拟合的重叠峰快速校正算法能够有效分离重叠峰,进一步提升定量分析的准确性,提高实验分析的效率。 基于上述谱图分析方法与抗干扰处理,针对实验室自主研发的中阶梯光栅光谱仪开发了上位机软件,实现了不同下位机模块之间的通讯,且具备谱线查询、仪器优化、谱图标定、实验设置、谱图编辑和数据存储等功能。 最后,基于JJG 768-2005国家发射光谱仪检定规程,配制系列标准溶液建立标准曲线并进行了相关计量性能检定实验。实验结果表明,仪器波长提取误差小于0.009nm,仪器的最小光谱带宽、检出限、重复性及稳定性均符合国家检定规程A级标准。