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关键词： 电场测量   多模干涉   电光效应   散斑  

摘要： 在高速发展的信息化时代,电场测量已经在电力行业、通信系统、航空航天等发挥着越来越重要的作用。常用的电场测量传感器包括电容式、场磨式和光学式。其中铌酸锂（LiNbO,LN）光学式的电场传感器具有大带宽、宽动态范围、小体积的特点。另外,铌酸锂电场传感器内部包含的金属结构少,甚至内部不含有金属电极,在测量时对待测电场引入的干扰较小。因此,该类传感器常被广泛应用在各个领域,甚至电晕间隙放电这类物理机制的研究也离不开它。高性能光学集成式传感器引发了一股研究浪潮。本文围绕多模干涉的电场测量展开研究,主要工作包含以下几个部分:1、首先介绍了电场测量的研究背景。根据它在电力行业、通信传输、航空航天的应用情况,阐明了电场传感器研究的必要性和重要性。接着以电场传感器发展历程时间线为轴,展开介绍了传感器的国内外发展历程,着重介绍了光学波导类电场传感器的主要原理、特点和发展概况。2、基于多模干涉散斑成像的电场测试研究。结合多模干涉的特点和规律,对输入端单模波导的模场进行了详细的分析,得到合适的输入端波导尺寸。接着对多模干涉区域的波导进行了尺寸优化,选择合适的宽度和长度,保证干涉结果的可使用性。最后根据设计好的多模波导结构完成待测电场的识别。最终仿真结果表明,在500 V/m～10～6 V/m电场测试范围内,灵敏度为500 V/m。该款传感器可用于低频变化电场或静电场的测试。3、基于多模干涉仪的电场测量研究。针对一般应用场景,通过利用特殊MMI结构使得温度引起输出端口功率同向变化,电光效应引起输出端口功率反向变化,采用平衡光电探测器接收输出端信号,不仅消除了温度带来的影响,而且放大了输出端信号的功率。仿真过程中,使用电压探针获取不同外电场环境下感应电压大小,得到其线性关系。根据外电场环境与多模干涉仪输出端端口功率之间的关系,给出功率与被测电场的线性表达式,实现电场的测量。

关键词： 动态称重   传感器设计   光纤光栅   治超  

摘要： 交通运输业对国民经济至关重要,但是营运车辆超载超限现象屡禁不止,如何有效管理营运车辆超载超限对于公路运输的管理、行车安全的保障日益重要。本文所研究的对象是车辆以一定速度行驶的情况下,对车辆进行重量检测,该项技术被称为车辆动态称重技术(Weigh-In-Motion,简称WIM)。与车辆静止下称重的设备比较,优点体现在成本低、耗时少、效率高及干扰小。但是,现有的车辆动态称重传感器还存在结构复杂、耐候性差、功能单一及灵敏度差等问题。本文的目的是设计出一款结构简单、抗干扰能力强、使用寿命长及安装维护成本低的新型车辆动态称重传感器。首先,基于光纤传感现有的模型,在现存问题之上进行结构分析,利用Solid Works设计出多种可能的结构,再依据ANSYS有限元仿真软件,优化设计出一款基于光纤光栅的传感器结构,包括载重板、弹性模块以及限位块等关键部件的设计,并对其尺寸以及材料选材进行仿真。在此基础上,依据仿真结果制作出传感器,并进行动态称重功能的实验室验证和实际场景的初步验证。最后,进一步利用ANSYS对传感器功能仿真,分析车辆轮距测量以及胎压检测这两项新功能,验证传感器的线性度以及灵敏度,从理论上证明了传感器的可行性。通过理论分析和实验研究,本论文设计的基于光纤光栅的车辆动态称重传感器具有灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强及功能丰富的特点,具有实际的应用价值。

关键词： 张量分解   脑机接口   随机奇异值分解  

摘要： 在脑机接口(Brain-Computerl Interface,BCI)技术的研究中,脑电信号(Electroencephalogram,EEG)由于其安全性高、价格低和使用方便等因素被广泛使用。但EEG信号具有非平稳、高维、信噪比低的特点,如何对EEG信号进行特征提取并进行分类是BCI研究的重点。张量分解作为一种高维数据分析工具能够结合多个模态的信息,获取具有判别信息的分类特征。因此,本文使用张量分解对EEG信号进行分析和研究。本文的主要研究内容和创新如下:针对在高维空间中进行张量分解存在计算复杂度高的问题,本文借助随机奇异值分解对于大规模矩阵分解速度快的特点,提出了基于随机奇异值分解的张量Tucker分解(张量R-Tucker分解)方法,并将其用于基于运动想象的左右手分类数据集BCICIV2b的特征提取和分类。实验结果显示,相比于张量Tucker分解,张量R-Tucker分解特征提取速度提升了22%,平均分类准确率达到了80.93%,与现有方法相比准确率提高了10.12%。由此可见,张量R-Tucker分解不仅可以融合多个模态的信息使其提取的特征更具有判别能力,而且能够提高张量Tucker分解的速度,有效解决张量Tucker分解计算复杂度高的问题。此外,本文使用基于Python的Django框架设计并开发了一个离线BCI数据可视化分析平台。该平台可以对多种格式的EEG数据进行分析,并且具有操作简单方便的优点,可以方便快捷的实现离线BCI数据的数据加载、数据可视化、滤波、分段、重参考、时频分析等EEG分析操作。综上所述,本文提出了一种张量R-Tucker分解方法,并将应用于BCI数据的分类研究中。该方法提高了BCI数据的特征提取速度和分类准确率。此外,本文设计并开发了一个离线BCI数据可视化分析系统。该系统具有用户界面友好、操作简单方便方便的优点。

关键词： 超图   张量   Cheeger不等式   依赖边的顶点加权的随机游走  

摘要： 图上的随机游走是组合图论中的经典问题,图上的随机游走是一种离散的马尔可夫链,表现为图上的点沿边的随机运动形成的点边序列,与图论的许多研究分支有密切的关系,其基本性质研究源于图谱理论,图的电阻距离理论。在数据科学中图上的随机游走是提取信息的重要技术,也可以用来度量网络中节点的中心性等。1998年前后Brin和Page利用图上的随机游走建立了Google搜索引擎的Page Rank算法,开启了基于随机游走的算法研究热潮。图上的随机游走模型广泛应用于网络信息检索与生物信息数据挖掘中,也是检测网络社团结构的一种重要方法,图上的随机游走理论为谱聚类算法概率解释提供了基础。近年来,许多专家学者将图上的随机游走发展到了超图上,由此可见,超图上的随机游走是十分重要的,在前人研究的基础之上,本文主要介绍了依赖边的顶点加权的超图=(V,E,w,r)在本文所定义的s顶点walk上的随机游走的一些相关结论,先给出了概率转移张量,通过求极限的方式,得到了随机游走的稳态分布;又利用概率转移张量和由稳态分布的元素构成的对角张量构造了拉普拉斯张量,进而得到了规范拉普拉斯张量,再通过规范拉普拉斯张量倒数第二小特征值和本文所定义的Cheeger常数,得到张量版本的Cheeger不等式;又由于超图上的随机游走是顶点上的马尔可夫链,因此,如果两个随机游走具有相同的概率转移张量,则它们是等价的,得出了关于超图上的等价随机游走的一些结果。

关键词： 衍射光栅   光学干涉   光学传感   角度测量   振动测量  

摘要： 高性能运动参量传感器作为精密定位系统的重要组成部分,普遍应用于精密工件台等精密机械检测、测量装置。在过去的几年中,基于电磁效应、激光干涉、莫尔条纹和光栅衍射干涉等不同原理的传感器已被用于上述应用领域的振动和角度等运动参量测量。在几种方法中,基于光栅的运动参量检测方法以其高分辨率、良好的稳定性和多自由度测量能力而受到持续关注。然而该方法通常使用超过10μm周期的光栅,导致分辨率较低,且很难实现小型化设计。面向光刻机、高精密机床、电子显微镜等集成化设备的定位系统研发中角度、振动等运动参量的测量需求,需要开发设计出高性能、多功能的小型化传感器。本文重点研究基于双光栅结构自成像效应的角度和振动的测量,主要研究内容如下:首先分析角度、振动等运动参量测量技术的发展现状,并对比现阶段几种主流的振动和角度位移传感器的测量方式,总结现有检测技术的优点和存在的问题。充分利用光栅传感器的技术特点与应用优势,提出了将微纳光栅自成像效应用于小型化高性能的多功能传感器的设计思路。基于光栅自成像理论分析了双光栅面内振动和角度敏感机理,构建了双光栅振动和角度测量模型,并对本传感器中采用的双层光栅结构模型进行了仿真分析。发现对于面内振动位移,双光栅结构后总透射率随位移正弦变化。而对于随上层光栅俯仰角变化的双层光栅结构,双光栅结构的总透射率与两个光栅之间的相对俯仰角呈近似线性关系。对标现有振动传感器参数,确定振动传感器的核心指标。根据面内振动仿真模型和核心指标要求设计光路并进行传感器关键指标的实验系统测试。通过实验证明,传感器使用周期为3μm的光栅,其面内振动位移在1 mm量程范围内位移分辨率可达0.737nm。同时,实验结果还表明传感器能够检测低于900 Hz的面内振动频率。对标现有角度传感器参数,并进行仿真分析确定角度传感器核心指标。在仿真中,通过设置光栅的不同参数(如光栅周期、光栅线数和两个光栅之间的距离),证明了基于双光栅结构自成像效应的角度传感器具有可调谐的灵敏度和测量范围。并且,实验测试结果证明所设计传感器在396角秒的量程范围中实现了0.19 m V/arcsec的灵敏度和0.27%/arcsec的相对灵敏度,表明所提出的传感器具有超紧凑的结构和高灵敏度的优点。最终,对本文所述研究工作进行了总结和展望。通过对具体工作进行分析,最终总结了传感器的检测性能和对于目前位移检测现状的研究意义。同时,结合目前研究成果,对后续研究方向进行了展望,提出了优化方向。

关键词： 光纤传感器   光纤光栅   应变测量   智能化仪器  

摘要： 光纤光栅应变传感器以其体积小、耐高温、远距离传输、抗电磁干扰等优点,成为当前应变传感器的研究热点,在冶金工业、电力、石油化工等重工业中具有广阔的应用前景。光纤光栅具有较高的反射率和较窄的反射带宽,其波长对应变、温度的变化比较敏感。高温环境下光纤光栅应变监测的关键问题在于如何消除温度对应变的影响,围绕此问题本文设计制作了光纤光栅高温应变传感器及其解调系统,具体内容如下:(1)研究分析了光纤布拉格光栅的传感理论,针对光纤光栅温度应变交叉敏感度的问题,设计制作了基片式双光栅高温应变传感器。采用双光栅形式,在单根酰亚胺涂覆层光纤上使用飞秒激光逐点刻写温度光栅和应变光栅,使用Solid Works设计基片式封装结构,通过仿真软件对封装结构仿真优化,使封装后传感器的温度光栅仅对温度敏感,应变光栅对温度和应变敏感,利用温度光栅的测量结果对应变光栅的监测结果进行热补偿,消除温度对传感器应变监测的影响。(2)设计基于FPGA的光谱仪解调系统,以SLD为系统光源,采用光谱仪模块完成光信号到模拟信号的转换,通过AD采样电路将模拟信号转换为数字信号,采用FPGA控制电路对AD采样后的信号进行高斯平滑滤波处理和质心寻峰,最终将传感器的反射光谱和中心波长通过串口发送到上位机中进行显示,实现高信噪比、高功率窄线宽信号中心波长的解算。(3)搭建实验平台,对传感器进行应变测量实验和温度传感实验,实验证明封装后传感器的应变范围为3000με,是未封装传感器应变范围的2.4倍,温度光栅和应变光栅的温度灵敏度分别为12.94 pm/℃和13.89 pm/℃。使用自制解调仪和封装后的传感器进行高温应变测量,实验表明温度补偿后传感器应变光栅的中心波长漂移从4.6 nm降为0.2 nm,应变灵敏度为1.91 pm/με,温度光栅的中心波长均保持在1571.633 nm,实现了温度和应变的同时测量,有效解决了光纤光栅温度应变交叉敏感的问题。

关键词： 矩阵补全   总行差   截断核范数   奇异噪声   张量补全  

摘要： 随着科学技术的飞速发展,大数据已成为这个时代的标签。海量数据爆炸式产生,数据规模及维数不断增加。图像、视频等高维数据在产生、传输、存储过程中,不可避免的出现部分数据缺失、损坏等问题,这给进一步的数据分析与处理带来影响,因此,如何将部分缺失的数据补全,降低数据损坏的影响一直是一个热点问题。为解决这类问题,数据补全技术不断发展,并被广泛应用于图像处理、视频恢复、推荐系统等领域。常见的数据补全方法有矩阵补全和张量补全,在该领域,有大量学者研究出成熟且高效的方法。但在实际应用中,传统的补全方法在面对奇异噪声时,往往会出现不够鲁棒的情况。为进一步提升模型的恢复性能,本文主要工作如下: 1、在矩阵补全模型的建立中,我们发现缺失矩阵的振荡程度往往比原始矩阵要高,而以往的核范数最小化模型都力求更准确地描述秩函数,忽略了缺失矩阵本身的振荡对补全过程的影响,这使得在面对被奇异噪声损坏的矩阵时,算法往往会出现鲁棒性不足的状况。为了控制缺失矩阵的振荡,降低数据缺失部分对补全过程的影响,本文提出了一种基于总行差(Total Row Difference,TRD)的鲁棒性矩阵补全方法,该方法采用截断核范数作为秩函数的近似,用行差绝对值的和,即总行差来约束缺失矩阵的振荡,我们将这种基于TRD的截断核范数正则化(Truncated Nuclear Norm regularization,TNNR)矩阵补全方法称为TNNR-TRD。该模型通过最小化目标中的总行差值,控制矩阵补全过程中的振荡,减少缺失部分的影响。在此基础上,我们设计了一个两步迭代算法框架,并应用交替方向乘子优化算法求解模型。实验表明,该算法性能稳定,恢复效果较好,且能够改善传统TNNR模型对截断秩参数的高敏感性。 2、张量作为向量、矩阵向高阶的推广,可以很好的保留多维数据的结构信息。现有的低秩矩阵补全方法大多以二维方式处理输入数据,在补全具有高维结构的缺失张量数据时往往会丢失部分结构信息。为更好的利用张量数据所包含的丰富潜在信息,提升补全算法的恢复效果,张量补全技术应运而生并不断发展。然而,现存的张量补全方法,忽略了缺失张量本身的振荡对补全过程的影响,因此,本文将总行差的概念推广至张量,并提出一种鲁棒的张量补全方法,该方法使用张量截断核范数(Tensor Truncated Nuclear Norm,T-TNN)作为秩函数的近似,用行差绝对值的和,即总行差来约束缺失数据的振荡,我们将这种张量补全方法称为T-TRD。在算法的求解过程中,本文设计的描述张量振荡的算子避免了对张量求逆的步骤。实验表明,该算法性能稳定,能够得到更好的恢复效果。

关键词： 磁共振弥散张量成像   外伤性迟发性癫痫   正电子发射断层计算机扫描技术  

摘要： 目的:分析磁共振弥散张量成像(DTI)在外伤性迟发性癫痫(PTE)中的诊断价值探。方法:选取合作医院2016年1月—2022年12月69例疑似PTE患者进行研究,所有患者均接受脑电图、DTI、正电子发射断层计算机扫描技术(PET-CT)进行诊断,并以双侧海马硬化MRS表现联合临床表现诊断结果为金标准。分析三种诊断方式下对患者诊断准确率。结果:DTI诊断结果准确率显著高于脑电图与PET-CT诊断结果准确率(P<0.05)。结论:DTI在PTE患者的临床诊断中具有更佳的诊断准确率,其在诊断中能够清晰的看到神经纤维束,可以应用脑组织诊断进行直观判断,对患者疾病的诊断提供重要的依据,值得广泛推广,有望在司法鉴定领域中帮助法医更为客观有效的认定外伤性迟发性癫痫。

关键词： 光频率梳   薄膜铌酸锂波导   正常色散   电光效应   Kerr效应   欧拉弯曲   微腔耦合  

摘要： 光频率梳是一种优良的多波长相干光源,且梳齿频率间隔严格相等,可准确的测量频率,在光谱分析、光通信、精密测距学等领域得到广泛应用。在正常色散区产生的光频率梳具有泵浦转化效率高、可芯片集成、频谱包络平坦性好等优点。本文针对薄膜铌酸锂波导在正常色散区利用电光效应和非线性Kerr效应产生光频率梳进行了系统设计和仿真,取得主要研究成果如下:(1)对基于薄膜铌酸锂平台的行波电极结构电光调制器进行优化设计。电极结构是影响电光调制器半波电压和调制带宽的重要因素。利用有限元分析法对电极结构进行仿真,研究了包括电极间距、电极厚度、上下包层厚度等参数对半波电压和带宽的影响。实现了半波电压长度乘积低至2.99 V·cm的高带宽电光调制器。(2)提出了在正常色散区利用薄膜铌酸锂微环谐振腔基于电光效应和Kerr效应产生光频率梳的新方案。对脊型薄膜铌酸锂微环谐振腔进行优化设计,确定了微腔波导几何尺寸、非线性系数、微腔半径、微腔色散、耦合状态等参数。利用改进的Lugiato-Lefever Equation(LLE)方程进行光频率梳产生仿真。研究了优化泵浦失谐时光频率梳时频演化过程,同时探究了其他参数对光频率梳产生的影响,包括:泵浦功率、微腔波导损耗、微腔波导色散、耦合状态、电光调制强度、电光调制频率等,仿真产生的平坦光频率梳带宽可覆盖1510 nm-1590 nm。(3)对几种薄膜铌酸锂微环谐振腔耦合模型进行了优化设计,实现了基模耦合效率提升,并抑制高阶模式激发。优化方案包括:利用pulley耦合结构代替点耦合结构;利用90°欧拉弯曲波导优化圆形弯曲波导形成欧拉微腔;利用π型欧拉弯曲优化跑道型微腔弯曲部分,并基于欧拉跑道型微腔设计平行对称耦合以及pulley耦合两种耦合结构;以及利用欧拉微腔双微环优化普通圆形双微环耦合结构。利用时域有限差分法(FDTD)仿真了上述优化耦合模型的耦合系数、输出波导高阶模式激发占比以及耦合区电场强度分布图等。对比了不同耦合模型的优化效果,其中基于欧拉弯曲的pulley耦合结构实现基模耦合占比可达99.7%。并利用以上优化模型完成了基于电光效应和非线性Kerr效应的薄膜铌酸锂光频率梳系统芯片版图设计。