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关键词： 超精密位移测量   光栅干涉   涡旋光   轨道角动量   圆周角度细分  

摘要： 精密位移测量技术及传感部件,作为精密定位与运动控制的“眼睛”,直接决定装备的精度。光栅干涉测量技术,因其物理栅尺稳定、干涉光程短,对环境扰动不敏感,成为当前最受关注的大量程纳米测量技术之一。本文提出以涡旋光为载体的光栅干涉位移测量新方法,围绕涡旋光干涉位移测量模型、涡旋光干涉传感光路设计、涡旋光干涉信息解析等方面开展研究,主要研究工作和结果如下: (1)研究了涡旋光与光栅相互作用过程的衍射、干涉效应,建立了涡旋光激励的精密光栅干涉位移测量模型。采用标量衍射理论,研究涡旋光束的衍射干涉效应,建立了考虑涡旋光束和光栅参量的涡旋干涉条纹表达式,分析了栅距、衍射级次和拓扑荷数等参数对干涉图案的影响;研究光栅待测位移对涡旋干涉条纹的调制规律,阐明了以涡旋光为载体的光栅干涉位移传感机理,建立了涡旋光激励的精密光栅干涉位移测量模型。结果表明:相比于传统光栅线性条纹的单点明暗变化,与位移成比转动的菊花状条纹因其天然2π计量基准,具备天然的动态相位解调能力与可溯源优点,配合相机高精像素分辨率与解析算法,测量精度最高可达皮米级。 (2)研究了涡旋光调制、衍射及光栅干涉的光路设计准则,设计了涡旋光激励的精密光栅干涉传感光路,开展了传感光路的静/动态仿真。采用Tracepro仿真软件,验证了系统设计光路基本参数。搭建了以Virtuallab fusion为基础的物理光学仿真模型,分析了条纹形态与拓扑荷的静态关系,进一步调整了光栅位置参数,验证了位移与转角的动态映射关系。结果表明:传感光路设计合理,测量模型正确。且干涉条纹形态只相关于拓扑荷,动态转动比例关系与栅距p、衍射级次m成正比,与拓扑荷数反比,为0.216°/nm。 (3)研究了涡旋光干涉条纹的解析方法,设计了基于图像处理的涡旋光干涉解析算法,实现了干涉条纹高倍率的有效相位识别。采用图像处理技术,研究了花瓣质心精准识别及中心拟合算法,进一步提高干涉图样的定位和圆周角度细分精度。设计并研制了软硬件结合的高速信号处理方案,编写了对应的上位机程序。结果表明:解析方法及器件在位移解调方面的可靠性与有效性,在维持高精测量分辨率的同时,提高了量程。 (4)搭建了涡旋光束激励的光栅干涉测量试验台,进行了干涉测量系统实验、分析了分辨力、绝对精度及重复精度的性能测试实验结果。结果表明,系统进行0.1μm多步长测试时,分辨力达亚微米级,若精度能达到0.001°,则皮米级。重复性测量采用激光干涉仪做标定,进行多组10μm单向行程运动,误差结果表明重复精度为18.88nm。

关键词： 光栅   非晶合金   表面图案化   衍射效率  

摘要： 随着科技的飞速发展，越来越多的科学研究聚焦于微型领域，设计和制造的产品尺寸也越来越小，甚至达到了微纳米尺度。当物体的尺寸达到微纳米级别后，其光学性能会发生明显改变，对光的吸收和传输等特性都会产生极大的影响。光栅作为微纳元件的一种，有许多优异的特性，如分束、偏振、色散、相位等，是重要的光学器件。因此，被广泛应用于光通信技术、激光器、诊断测量等众多领域。伴随着科学技术的发展，人类对光栅的要求也不断的提高。基于此，研究学者们对光栅的加工工艺及其所用材料展开了一系列研究。介绍了光栅的定义、分类以及应用等，综述了传统光栅的制备技术和利用非晶合金制备光栅的研究现状及尚未解决的科学问题，并对非晶合金光栅未来的发展机遇与挑战进行了展望。为非晶合金在微机电系统领域的应用提供了理论基础，对推动非晶合金这一新型材料的工程化应用有重要的理论和实际意义。

关键词： 痉挛型脑瘫   极早产儿   弥散张量成像   早期诊断  

摘要： 目的: 研究弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)在早期诊断极早产儿发生痉挛型脑瘫(cerebral palsy,CP)中的应用价值。 方法: 回顾性纳入从2018年6月至2023年2月在海南省妇女儿童中心儿童康复科就诊的64例4-10月龄(矫正月龄)极早产儿作为研究对象,所有研究对象均行DTI头颅平扫。在15-24月龄(矫正月龄)行标准化的神经发育评估,根据评估结果,排除不随意运动型CP患儿4例和混合型CP患儿1例,最终纳入结果为非CP组39例和痉挛型CP组20例,对痉挛型CP患儿进行粗大运动功能分级系统(gross motor function classification system,GMFCS)评估。DTI后处理方法:(1)使用工作站后处理软件自动生成FA图,手动勾画胼胝体膝部、胼胝体压部、双侧内囊前肢、双侧内囊膝部、双侧内囊后肢作为感兴趣区域(region of interest,ROI)得出部分各向异性指数(fractional anisotropy,FA)。(2)运用DSI studio软件进行确定性纤维追踪,对双侧皮质脊髓束、下纵束及丘脑后幅射进行三维重建,取双侧纤维束平均FA值。分析两组间FA值的差异,采用受试者工作曲线(receiver operating characteristic curve,ROC)分析两组间差异有统计学意义的FA值对痉挛型CP的早期诊断效能,并采用Spearman分析痉挛型CP组受损部位的FA值与GMFCS评估之间的相关性。 结果: 1.痉挛型CP组较非CP组的FA值降低的部位为胼胝体压部、左侧内囊后肢、双侧皮质脊髓束、左侧丘脑后幅射(<0.05)。***分析结果显示胼胝体压部、左侧内囊后肢、左侧皮质脊髓束、右侧皮质脊髓束、左侧丘脑后幅射的FA值早期诊断效能曲线下面积(area under curve,AUC)分别为0.76、0.72、0.71、0.67、0.68,上述指标联合诊断时早期诊断效能进一步提升,其AUC为0.82,灵敏度及特异度为60%,92%。3.双侧皮质脊髓束的FA值与GMFCS评估呈负相关(左侧皮质脊髓束,=-0.627,=0.003;右侧皮质脊髓束,=-0.547,=0.012),其余部位FA值与GMFCS不相关(>0.05)。 结论: 1.胼胝体压部、左侧内囊后肢、双侧皮质脊髓束以及左侧丘脑后幅射的FA值下降在早期诊断极早产儿发生痉挛型CP中起着关键作用。2.痉挛型CP患儿早期的皮质脊髓束FA值与其后续粗大运动功能发展有着显著相关性。

关键词： 高光谱图像去噪   多模混合先验   低秩逼近   加权自适应   张量奇异值分解  

摘要： 高光谱遥感技术通过高光谱成像系统实现,由于它能够捕获地物连续的光谱数据,被广泛应用于资源勘测、地形监测、和生态环境研究等领域。然而,在获取和传输高光谱图像数据的过程中常常遭受噪声的干扰,这种干扰显著降低了后续分析的效率和准确性,通常需要进行图像恢复处理。鉴于高光谱图像本质上是端元的线性组合,因此,它们在光谱维度上展现出明显的低秩特性,于是,近年来很多低秩表示方法在高光谱图像去噪领域取得了显著进展,然而无论是低秩矩阵表示,还是低秩张量表示,都只重点关注图像光谱模的低秩性,忽略了图像在空间模的冗余以及非局部模的相似性;此外,低秩表示是从全局角度出发,未能充分利用高光谱图像在其他变换域（如差分域和小波域）的先验信息,尽管有些研究尝试引入多个非局部先验正则项,但高光谱图像的高维结构特性使得模型求解复杂,且在迭代过程中,不同强度的先验信息可能会相互干扰,影响恢复效果。 为了应对这些挑战,本文深入探讨了高光谱图像的内在特性,在对现有去噪技术进行全面回顾的基础上,特别关注高光谱数据的高阶张量特征和多维空谱结构,进一步挖掘高光谱图像在多个模式和多个变换域下的先验信息,主要研究内容如下: （1）提出了一种基于张量多模低秩逼近与全变分先验的高光谱图像去噪方法。该方法结合了高阶张量加权核范数和级联式探索技术,有效捕获了张量的低秩特性和高维结构相关性。通过在光谱基上施加L21稀疏约束,保证光谱信息的平滑连续性,同时,引入一种自适应加权机制建模梯度系数张量,在保留图像边缘和结构信息的同时降低计算复杂度。最后,利用ADMM算法迭代更新相关变量,成功重构出清晰图像。实验结果表明,本方法的去噪效果优于其他先进方法。 （2）提出了一种基于全局低秩和非局部混合先验的的高光谱图像去噪方法。该方法在非局部层面设计了一种新颖的即插即用去噪器,借助奇异值分解,深入分析非局部系数张量的空间自相似性、光谱低秩性以及差分域组稀疏性。在全局层面,利用基于对数的三向张量核范数来逼近高光谱图像张量的纤维秩,并引入差分连续正则化表征光谱基的平滑连续性。最后,通过结合交替乘子法（ADMM）与增广拉格朗日乘法（ALM）,有效地求解所提出的模型。在模拟和真实数据集上的大量实验表明,该方法在去除混合噪声方面,性能优于现有的先进去噪方法。

关键词： 光波导谐振腔   高品质因子   PDH锁频   宽频水声传感   强度解调  

摘要： 随着水声传感器在水下目标探测、海洋资源勘探、地震波检测、蛙人探测、探雷避碰声纳等军事和民用领域的广泛应用,人们对于高灵敏度、宽频响应范围的水声传感器的需求显著增加。相比于传统电式水声传感器,光学水声传感器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、重量轻等不可替代的优势。光学谐振腔品质因子高、尺寸小,以光学谐振腔为敏感单元的声传感器有望实现高灵敏、超宽频的声波探测,对于提高声传感器应用的普适性提供了可行的手段。针对目前光学水声传感器工作频率范围窄难以满足宽频声波应用需求的问题,本文基于光学谐振腔提出了一种无振膜、全固态、高灵敏、超宽频的二氧化硅光波导谐振腔声传感器（Optical Waveguide Resonator Acoustic Sensor,OWRAS）,并设计了OWRAS的宽频水声检测系统。作为一种新的宽频水声传感器,OWRAS能够实现超宽频、高灵敏度的水声信号测量,满足宽频声波领域的应用需求。本文相关研究内容如下: 1.基于量子光学原理建立了光波导微环谐振腔敏感单元与声场强度间的映射模型;分析了水声与光波导有效折射率之间的关系,揭示了光波导谐振腔与水声耦合作用机理;并对谐振腔频响性能及温度特性进行了理论分析,为高灵敏度宽频水声探测提供了理论基础。 2.设计了高Q值槽式SiO2光波导谐振腔。为了使谐振腔具有最大的谐振深度和较高的Q因子,将谐振腔的耦合状态设计为临界耦合;为了增强声波与谐振腔耦合区域的相互作用,对谐振腔耦合区域进行了刻槽,根据仿真结果将微槽尺寸设计为40μm×40μm和180μm×180μm;采用等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）及电感耦合等离子体刻蚀技术（ICP）对槽式光波导谐振腔进行加工;用玻璃套管对波导的输入输出端与保偏光纤进行耦合封装。经测试,谐振腔的品质因子Q达到2.3×10～7。 3.针对测试环境中系统噪声及温度波动噪声对声信号检测的影响,设计了基于PDH（Pound-Drever-Hall）锁频技术的OWRAS水声测试系统。该系统通过反馈误差信号实现对激光频率的控制,将激光频率实时锁定在谐振腔的谐振点上,从而降低了噪声对声信号测试的影响,提高了检测精度。为了获得更好的信噪比,研究了调制频率对解调信号的影响,确定了系统最优调制频率为9 MHz。最后通过实验对OWRAS进行了水声传感效应验证,并研究了温度波动、微槽尺寸对OWRAS的性能影响。实验结果表明,OWRAS检测系统可以实现40-1250 Hz的水声信号测量,平均灵敏度为-173.4 d B（re 1V/μPa）,其中在1 k Hz频率下灵敏度响应达到-163.1 d B;最小可测声压为50 m Pa/Hz1/2@1 k Hz;系统分辨率为1 Hz,且系统对水声信号测量的重复性和稳定性良好;在室温附近的微小温度波动范围内系统灵敏度不受其影响。 4.针对目前光学水声传感器工作频率范围窄的不足,提出了基于强度解调法的OWRAS宽频水声检测方法。首先理论分析了谐振腔Q因子以及腔长对灵敏度的影响,优化了光波导谐振腔的结构,进一步提高了谐振腔的Q值;之后分析了光电探测器的输入功率对信噪比的影响;为确保中高频水声检测的准确性,还详细说明了OWRAS中高频水声测试方法,包括远场测试距离的必要性以及声源发射不同频率的超声信号的脉冲数量。最后,通过实验验证了基于强度解调法实现OWRAS宽频水声检测的可行性。实验结果表明,OWRAS可以实现10 Hz-1.2 MHz的高灵敏度宽频水声信号测量,且10 Hz-2 k Hz频率范围内OWRAS的平均灵敏度达到-139.1 d B（re1V/μPa）,波动范围为±4 d B,同时具有67.6 d B@1 k Hz的等效噪声压,低于海水的背景噪声水平,具备应用于海洋水下声信号探测的能力;在10 k Hz-1.2 MHz频率范围内平均灵敏度达到-167.1 d B,波动范围为±4 d B。该方法很大程度上扩展了OWRAS在宽频水声检测领域的应用范围。 本文首次提出了高Q值槽式光波导谐振腔应用于宽频水声检测,并能够实现从低频10 Hz到高频1.2 MHz的高灵敏度宽频水声信号测量。本文的研究为宽频声波检测技术提供了新方向,也为二氧化硅光波导谐振腔声传感器的工程应用奠定了研究基础。