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关键词： 再生光纤光栅   折射率调制   再生速率   白光干涉   有效折射率  

摘要： 光纤光栅作为一种优良的光无源器件,因其灵敏度高、抗腐蚀性强、抗电磁干扰等特性而广泛应用于传感领域。但普通的光纤光栅只能应用于常温下,当温度达到300℃以上时,光纤光栅的光谱会衰减甚至消失,这也成为光纤光栅在高温环境下应用的一大掣肘。再生光纤光栅是I型光纤光栅在高温下退火再生得到的一类耐高温光纤光栅,可以在1000℃以上的高温环境中长时间稳定工作,相比较其他耐高温光纤光栅,再生光纤光栅制作成本低、流程简便,因此在高温传感领域被广泛研究,本文针对光纤光栅再生过程中光纤光栅折射率调制及有效折射率等的变化进行一系列讨论研究。 首先回顾了光纤光栅的发展历程和不同类型的耐高温光纤光栅,顺势引出了再生光纤光栅,并详细介绍了再生光纤光栅的发展现状,包括再生机理的研究以及再生过程及其影响因素的研究现状,并对本文工作进行具体安排。 其次,对光波在光纤光栅中的传输原理进行介绍,详细推导了耦合模理论与基于多层膜的传输矩阵理论,还对目前再生光纤光栅的两种再生机理进行了分析介绍,最后制备了再生光纤光栅。 再次,提出利用光学低相干反射计对光纤光栅完整再生过程进行表征来分析光纤光栅的再生速率,介绍了白光干涉的原理,利用切趾光纤光栅再生过程轴向的不同干涉峰的强度变化,得到了不同折射率调制深度的光纤光栅再生速率始终一致的结论,利用光纤光栅的反射率变化对白光干涉监测结果进行了验证,并提出了在光纤光栅上加入相移引入干涉峰的方式来增强光纤光栅再生过程的监测能力。 最后,研究了应力对光纤光栅再生过程的影响,利用再生过程光纤光栅中心波长的变化引入光纤有效折射率的变化并提出光纤纤芯中元素向包层的扩散和芯-包界面的应力反转导致了有效折射率的变化,其中后者为主要原因,利用去包层光纤光栅与带包层光纤光栅分别再生,对比分析光纤光栅再生过程中光纤有效折射率的变化情况,去包层后的光纤光栅由于纤芯与包层之间应力消失,证明了有效折射率的变化是纤芯与包层之间应力变化,同时对比两者的反射强度变化,发现应力变化不是导致光纤光栅再生的主要原因。

关键词： 精确能控性   波动方程   Hilbert唯一性方法   非柱状区域   能观性  

摘要： 本文主要研究两类波方程的精确能控性.根据方程类型的不同,控制所施加位置的不同,先后研究了具有局部分布控制的波动方程在非柱状区域上的精确能控性以及退化波动方程在非柱状区域上的精确Neumann边界能控性,利用Hilbert唯一性方法和乘子方法,建立了这两类波方程在非柱状区域上的精确能控性,并对控制时间给出估计.具体工作如下: 第1章为绪论,主要介绍本文的研究背景和国内外研究现状,还给出了一些预备知识. 在论文的第2章,研究了在非柱状区域上,控制施加在内部,波动方程的精确能控性.首先将非柱状区域变换成柱状区域,然后对该区域上的对偶系统运用乘子方法证明了能观性不等式,进而证明了原系统的精确能控性并且给出了控制时间的估计. 第3章,研究了控制施加在边界并且是Neumann控制,退化波动方程在非柱状区域上的精确能控性.首先利用合适的乘子导出能量等式,进而建立了能观性不等式,然后利用Hilbert唯一性方法,证明了控制施加在边界时控制系统的精确能控性.

关键词： 稀疏张量   秩一逼近   随机近似算法   概率不等式   近似下界  

摘要： 张量是向量和矩阵的高阶推广,在处理和分析高维数据集时显示出天然的优势.在信号和图像处理、统计学、生物医学和机器学习等多个领域,张量都展现出了显著的应用价值.张量的最佳秩一逼近(Best Rank-1 Approximation,简称BR1Approx)问题,是张量分解及相关张量模型中最重要和基础的问题之一.由于求解稀疏张量的最佳秩一逼近问题是非凸NP-hard的,因此,针对该问题开展近似算法的研究具有重要意义. 本学位论文专注于稀疏张量BR1Approx问题的随机近似算法研究.主要成果包括提出三种随机近似算法,并分析了它们的近似下界.前两种算法基于稀疏化随机向量,将原问题转化为求解稀疏矩阵的奇异值问题,并利用现有算法进行求解.这两种随机近似算法本质上是对求解稠密张量BR1Approx问题已有的随机近似算法进行稀疏推广,他们的近似下界依赖于稀疏向量情形下推导出来的概率不等式.第三种算法在低秩近似矩阵上进行,并利用球面空间的ε-Net生成足够的随机样本点,以期使得近似解尽可能接近最优解.该算法实质上高阶推广了已有的矩阵BR1Approx问题的随机近似算法,其近似下界依赖于低秩近似矩阵的谱衰减. 最后我们通过数值实验验证了所提出的随机近似算法的有效性和效率.

关键词： 故障诊断   轴向柱塞泵   信号降噪   张量特征   核支持张量训练机  

摘要： 作为液压传动系统的“动力心脏”,轴向柱塞泵的可靠性对整个液压系统的稳定运行具有重要意义。本文以轴向柱塞泵为研究对象,融合信号处理、机器学习和优化算法等智能科学,探究故障诊断的新思路、新方法。为保证整个设备的安全运行提供保障和理论依据。 本文主要研究内容如下: 综合分析了轴向柱塞泵的结构和典型故障产生机理,并组建了轴向柱塞泵故障模拟实验测试系统。设计了实验方案,成功实现了典型故障模式的人工模拟。随后利用多个传感器监测泵的性能,将运行状态信号数据存储于计算机中,为接下来的故障诊断模型的训练与验证提供了数据支撑。 轴向柱塞泵的声音信号和振动信号容易被强背景噪声掩盖。针对这一问题,研究了直接快速迭代滤波算法在信号分解精度和分解效率方面的性能。随后提出鲸鱼优化算法改进的直接快速迭代滤波自适应信号降噪方法。应用实测声音信号和振动信号对以上方法的信号降噪效果进行实验验证。 针对轴向柱塞泵故障特征难以有效提取的问题,提出一种基于小波包分解-复合多尺度排列熵的三阶张量故障特征提取方法。提取的张量特征表现形式为“频率范围×时间尺度×信号种类”,可以体现不同信号在不同频率范围和时间尺度下的复杂度。声振信号的张量特征可视化图形展示出该方法的有效性。 针对在高维张量空间中的轴向柱塞泵故障诊断问题,提出樽海鞘群算法优化的核支持张量训练机多类分类器模型。以上文构造的张量特征作为故障诊断模型的输入,对轴向柱塞泵的健康状态识别和故障模式分类两类具体问题进行实验研究。结果表明所提方法相较于常见的机器学习方案更为准确高效。

关键词： 光栅投影三维测量   投影仪标定   系统标定   神经网络  

摘要： 光栅投影三维测量技术以测量速度快、精度高、全场测量能力强、点云重构效率高等优点被广泛应用在各个领域。系统标定是光栅投影三维测量技术的关键步骤。本文针对投影仪标定、系统标定进行了研究。主要研究内容包括: (1)针对难以准确获得标定点的投影仪图像坐标导致投影仪标定困难、精度低的问题,本文提出基于GWO-MLP神经网络的投影仪标定方法。GWO-MLP网络是使用灰狼优化算法(GWO)优化多层感知机(MLP)网络参数得到的拥有最优网络参数的四层MLP网络。建立相机图像平面与投影仪图像平面之间的射影变换矩阵,再根据GWOMLP网络补偿误差,实现标定棋盘格角点的相机像素坐标准确变换为投影仪像素坐标。通过此坐标,利用张氏标定法实现了投影仪的标定。同时将该坐标作为神经网络训练集的一部分应用于系统标定,对于后续的系统标定有着相当的帮助。 (2)针对系统标定模型复杂、精度低的问题,本文提出基于SGWO-MLP神经网络的系统标定方法。SGWO-MLP网络是使用改进的GWO算法,即SGWO算法,优化网络参数得到的拥有最优网络参数的五层MLP网络。标定角点的投影仪图像像素坐标、相机图像像素坐标和已知的实际世界坐标组成网络训练集。训练集输入SGWO-MLP网络进行训练,训练完成就建立了二维映射三维的关系,输出对应角点的三维世界坐标,从而完成系统标定。 (3)搭建光栅投影三维测量系统标定平台,进行方法验证实验。本文的投影仪标定方法与基于二元四次多项式拟合、MLP网络的投影仪标定方法进行对比实验。实验结果显示三种方法得到的标定参数比较接近,证明了投影仪标定方法的有效性,得到的角点投影仪像素坐标足够准确,可以用于系统标定中。对三种方法得到的标定角点的投影仪像素坐标进行了精度对比实验。本文的投影仪标定方法与多项式拟合方法、MLP网络方法相比,坐标精度分别提高了62.16%、18.77%,表明提高了投影仪标定精度,保证了系统标定的网络训练集精度。本文的系统标定方法与基于GWO-MLP网络的系统标定方法进行了精度对比实验,实验结果表明本文方法的精度提高了82.68%。 综上所述,本文提出的基于GWO-MLP神经网络的投影仪标定方法,提高了标定点的投影仪图像坐标精度,提高了投影仪标定精度;提出的基于SGWO-MLP神经网络的系统标定方法,简化了标定过程,提高了标定精度,为高精度三维测量提供了保障。

关键词： 光纤Bragg光栅   化学镀   金属封装   寻峰算法   低温传感特性  

摘要： 从极地科学到航空航天,从医疗设备到工业生产,在这些需要对温度进行高精度监测的低温环境下,传统的电气传感器会面临性能下降、甚至失效的风险。基于FBG的低温光纤传感器凭借其性能优、价格低、耐腐蚀、结构小巧、灵敏度高、抗电磁干扰、可复用性高、可远程监测等优异的性能,成为恶劣低温环境下温度监测的重要元器件。 由于裸FBG元件非常脆弱,且低温环境下的温度灵敏度较低。因此,若要进行工程应用,一般需要将裸FBG进行封装,对其进行增敏和保护。本文对基于FBG的低温传感器进行研究,通过金属涂覆和铜管封装工艺处理,提升其在低温应用下的传感性能。该研究对光纤传感器在低温环境下的工程应用具有一定的借鉴意义。主要内容如下: 首先,分析了光栅长度L、光栅周期p、折射率调制深度Δn、以及有效折射率neff等不同参数对FBG反射谱的影响。结果可以帮助我们得到影响FBG反射谱波长偏移的参数,从而更有助于我们选择合适的方法提高其温度灵敏度,为后续章节的研究工作提供了重要的理论和数据支持。 其次,成功地在裸FBG表面进行化学镀镍和化学镀铜,搭建了低温传感实验平台,测量了它们的的温度传感性能。本文金属涂覆主要包括表面预处理和化学镀金属两个过程。表面预处理包括去保护层、除油、粗化、敏化和活化,化学镀过程包括镀镍和镀铜。实验结果表面:在裸FBG表面进行化学镀镍和化学镀铜,能有效地提高其温度灵敏度。化学镀镍FBG温度灵敏度系数较裸FBG温度灵敏度系数升高约0.0016 nm/℃,化学镀铜FBG温度灵敏度系数较裸FBG温度灵敏度系数升高约0.0026 nm/℃。 改进了传统的FBG金属管式封装方法,提出了两种不同的FBG毛细铜管封装工艺,并详细介绍了它们的具体结构和封装步骤。通过对铜管封装前后裸FBG性能的比较分析,本文选取了一种更优的封装工艺,分别对化学镀镍和化学镀铜后的FBG进行封装,进一步提高其温度灵敏度的同时增强其抗环境干扰能力。实验结果表明:两种不同的毛细铜管封装方法均能够提高FBG的温度灵敏度,且封装方法二比封装方法一效果更好。化学镀镍后再采用封装方式二封装后的FBG升温灵敏度系数为0.01151nm/℃,拟合度为99.98%,降温灵敏度系数为0.01149 nm/℃,拟合度为99.98%;化学镀铜后再采用封装方式二封装后的FBG升温灵敏度系数为0.01244 nm/℃,拟合度为99.98%,降温灵敏度系数为0.01251 nm/℃,拟合度为99.98%,相较于封装前温度灵敏度系数都有明显的提升。 最后,为了增强传感系统的信号分辨率和检测灵敏度,本文采用多种寻峰算法用来准确提取反射谱的峰值,详细介绍了质心探测法、三次样条插值法、一般多项式拟合法、高斯非线性拟合法的等几种常见的典型寻峰算法的原理,并提出了一种利用神经网络拟合算法进行峰值探测的方法,研究了强度阈值对以上寻峰算法的影响,得出了各算法的最佳阈值。实验结果表明:阈值对于寻峰算法至关重要,寻峰算法的误差可以通过优化阈值减小。除神经网络算法外,阈值的选取对4种典型的算法的寻峰结果都有影响,特别是在阈值很小的时候,影响尤为显著。其中,质心探测法、三次样条插值法、一般多项式拟合法、高斯非线性拟合法的最佳阈值分别在6、5、4.5、5左右。

关键词： 线阵CCD   莫尔条纹细分   MPFFT   编码技术   光学仿真  

摘要： 绝对式光栅尺具有分辨率高、量程大、响应速度快的优点,且重新上电后无需“寻零”操作,被广泛应用于数控机床、测量仪器等高精度测量领域。绝对式光栅尺同时包含绝对码道和增量码道,通常采用CCD或CMOS探测绝对位置,并采用光电池阵列识别增量信号,采集四路莫尔条纹来提升测量精度。然而,莫尔条纹信号的质量对细分倍率及测量误差影响较大。此外,传统的编码技术依靠一组m序列进行编码,在量程一定的条件下,绝对位置分辨率低,且译码量大。基于此,本文采用双CCD探测绝对和增量信号,降低莫尔条纹信号质量对测量误差的影响,同时采用两组m序列融合编码,提高位置分辨率,且译码简便。 首先,对绝对式光栅尺测距原理进行研究,分析其增量位置与绝对位置的生成原理,给出最终的位移计算公式。为了解明增量码道莫尔条纹信号对系统误差的影响,采用Multisim对增量位置幅值细分法的信号调理电路进行设计,同时采用MATLAB对产生的初始信号中存在的系统误差进行数学分析,得出其反映在位移上的误差为1.919μm。本文采用线阵CCD探测一路莫尔条纹,并采用相位细分方式,配合多相位快速傅里叶变换(MPFFT)算法实现莫尔条纹细分。MATLAB仿真结果显示,在光栅副夹角为0.28°,栅距为20μm且CCD像元尺寸为8μm的条件下,增量位置理论上能够达到0.04μm的分辨率,测量误差小于0.11μm。 其次,对绝对位置编码技术进行研究,给出了一种求解本原多项式系数方法。设计了m序列与最大m序列相融合的两组序列组合编码及译码方案。相较于一组m序列,该方案不仅能够在有限的量程内产生更多的编码位置,还能大大降低译码的工作量。根据需求分析,进一步设计了光学准直透镜及光学显微系统。其中准直透镜采用ZEMAX的序列模式及非序列模式结合设计,获得平行光源。光学显微镜选择对称式结构进行建模,分别建立CCD物镜和编码尺物镜,然后将两个物镜进行组合,形成整体结构,通过8X放大实现最佳像元匹配。 最后,利用EDA工具设计系统硬件电路,包含增量信号处理模块和绝对位置信号采集模块。增量位置处理模块包含TCD1304AP驱动电路、滤波电路以及IIC驱动电路等;而绝对位置信号采集模块包含TCD2901D驱动电路、供电电源电路以及ADC采样缓冲电路等。在光学平台上搭建了绝对位置信号采集实验系统,完成编码图案的采集及绝对位置的读取。并连续采集莫尔条纹信号,通过测相算法求取两次莫尔条纹间相位差来获取精细增量位移。初步实验结果表明,所设计的双CCD探测光栅测量系统能够实现绝对位置的高精度测量。