课程文献中心 更多>>

关键词： 磁异常探测   磁梯度张量   磁性目标定位   张量不变量   误差校正  

摘要： 随着传感器技术的不断进步和应用需求的不断提升,磁异常探测技术从最初的总场测量、矢量及梯度测量逐渐发展到了磁梯度张量测量阶段。目前,磁梯度张量因包含的信息量大、抗干扰性强而备受关注。本文以磁偶极子模型为理论基础,对基于磁梯度张量的磁性目标定位方法进行了研究,主要工作如下:首先,通过仿真实验得出了将磁性目标视为磁偶极子的条件,推导了磁梯度张量和张量不变量的数学表达式,分析了十字形、双十字形和正六面体测量阵列引入的误差,实验结果表明三种阵列结构的测量误差均不超过0.7%,都适用于后续的测量中。其次,针对基于磁梯度张量的单点定位方法与两点定位方法易受地磁场干扰、实时性较低的问题,提出了双十字定位方法。通过仿真实验证明,该方法受地磁场干扰较小,定位精度较高。针对基于磁梯度张量不变量的定位方法将椭圆系数视为常数导致定位精度较差的问题,提出了基于张量几何不变量的定位方法,并根据麦克劳林公式推导了距离矢量模分别存在不同阶次误差时的计算方法。通过仿真实验验证了该方法定位精度明显优于基于磁梯度张量不变量的定位方法,并且证明存在一阶误差的距离矢量模与存在二阶误差的距离矢量模对定位精度的影响基本相同。此外,实验结果表明基线距离、传感器精度和定位距离对该方法的定位精度影响较大。然后,对测量阵列系统存在的误差进行了分析,得出传感器安装距离误差对测量结果影响较小,而单个传感器误差和阵列系统非对准误差为主要影响因素,故对其进行了校正,校正以后的均方根误差均降低到20n T/m以内,提高了测量结果的准确度。最后,搭建了实验系统并对实验系统进行了校正,接着设计实验方案进行定位实验,实验结果表明本文提出的基于张量几何不变量的定位方法在4.21m的距离内最大定位误差在2.4%以内,与原基于张量不变量的定位方法相比具有较好的定位效果。

关键词： 激活函数硬件实现   二次分段拟合   张量加速单元   形式属性验证   可移植激励标准  

摘要： 近年来基于神经网络处理单元（Neural network Processing Unit,NPU）的处理器犹如雨后春笋般深入人工智能物联网、自动驾驶等领域。激活函数的选取对神经网络学习的效率十分重要,非线性激活函数能够增加神经网络模型的表达能力,能更好地适应数据的复杂度。目前激活函数的硬件实现存在以下几个问题:多数研究者针对单一激活函数进行研究;即使是针对多个激活函数的硬件实现也没有统一的运算方式,导致较大的资源开销;目前主流的硬件实现方式精度不高。为解决以上问题,负责激活函数运算的张量加速单元（Generic Tensor Accumulator,GTA）架构设计与实现也日益复杂。仅依靠单一模拟验证方法无法满足验证要求,除此之外,面对逐渐缩短的研发周期,验证效率的提升也是目前验证所面临的挑战。 本文前部分主要研究激活函数的硬件实现,其中激活函数包括Sigmoid、Tanh、Swish、Mish、GELU五种。首先制定了三种激活函数拟合策略,发现利用Remez算法拟合效果较好,所以本文基于Remez算法对各个激活函数进行分段二次拟合,将拟合的系数存入查找表（Look Up Table,LUT）中,利用查找系数的方式进行运算。紧接着本文提出了一种适用于五种激活函数的统一运算方式,其实现方法为:采用16 bit系数量化;设计输入输出为4q28（整数部分4 bit和小数部分28 bit）的数据格式;在LUT中存储系数A、B、C以及偏移量D、E。经过对本文硬件实现激活函数的性能验证,几种激活函数的平均误差精度均达到了10-5数量级;与不做系数量化的方案相比LUT大小减少了70%;使用Synopsys的HAPS-80开发板进行硬件资源消耗分析,本设计仅使用了32个复杂运算单元（DSP）和0.05%的存储单元（REG）,较少的占用率为后续的开发工作提供较大资源空间。 本文后半部分主要对GTA验证困难和效率提升进行了研究,包括以下几个方面: （1）针对复杂控制逻辑且与时序强相关的模块,其状态空间庞大模拟验证无法100%覆盖的问题,本文利用形式属性验证（Formal Property Verification,FPV）方法对GTA的程序控制单元（Program Control Unit,PCU）展开验证,设计了验证环境,并引入了量子态信号来解决状态空间爆炸导致验证无法收敛的问题,同时给出了一系列流程以确保形式验证的完备性以及验证环境质量。最终验证结果COI覆盖率和FC覆盖率均达到了100%,且求解速度是未引入量子态信号的6-7倍。 （2）针对GTA的逻辑运算单元（Arithmetic Logic Unit,ALU）与乘法运算单元（Multiplier Functional Unit,MFU）所包含的指令操作逻辑进行数据路径验证（Data Path Validation,DPV）,设计了证明所有指令功能的自动化索引流程,仅用5小时即一次性证明了全部54条指令操作的正确性,相较于模拟验证的效率有很大提升。 （3）利用可移植激励标准（Portable Stimulus Standard,PSS）技术制定了GTA的子系统级验证方案,并设计PSS模型用于产生验证所需要的测试场景,解决了行为级System C模型、寄存器传输级（Register Transfer Level,RTL）模型以及参考模型不能使用同一套测试用例的问题,减少了测试场景的开发总体上缩短了验证时间。最后给出了PSS验证平台的设计流程。通过随机测试,RTL功能覆盖率和代码覆盖率均达到了100%,System C模型的冗余代码经过豁免后,其代码覆盖率也达到了100%。

关键词： 数值模拟   BSO算法   非对称性弹性波动方程  

摘要： 随着地震学研究的不断深入，介质微观结构相互作用引起的非均质性对地震波传播的影响受到越来越多的关注。Wang等（2020）提出在广义连续介质力学理论的框架内来描述介质的复杂微观结构，并推导出了包含介质特征尺度参数的非对称性弹性波动方程。此外，在考虑到介质的微观结构相互作用时，地震波传播中会出现尺度效应。本工作为了更好地分析波场的尺度效应并提取微结构相互作用引起的波场新分量，我们提出了一种基于改进的BSO算法来得到优化的常规网格有限差分方法，然后利用优化后的有限差分方法对考虑了介质微观结构的非对称性弹性波动方程进行数值模拟。数值频散分析表明，优化后的常规网格有限差分方法具有较高的精度。根据使用优化后的有限差分方法得到的数值模拟结果，可以清楚地观察到，在考虑介质的微观结构时，地震记录中出现了新的波场成分表现出了明显的尺度效应。

关键词： 光纤光栅   软体手   触觉传感   滑觉传感   形状检测  

摘要： 世界上首台机器人诞生至今已有60多年,随着社会进步和工业化程度的提高,机器人技术得以与各行各业的发展需求相结合,在工业、农业、建筑业和生物医疗等领域展现出很高的生产效率和巨大的发展潜力。与此同时,人们对机器人提出了更高的要求,人机交互安全性和柔顺性也成为评价机器人性能的重要指标,因此使用柔性材料制作的软体机械手凭借其柔软、灵巧、弹性好等优势成为机器人操作部件的新选择。此外,在传感元件的选择方面,相较于柔顺性不足的传统电类触觉传感器,光纤光栅触觉传感器因其质量轻、体积小、抗电磁干扰和柔顺性好等优点在应用于软体手中具备了天然的优势。因此,本论文提出了一种新颖的基于内嵌型光纤光栅的柔性软体手,可被用于压力、滑觉等触觉量的传感,并能实现物体检测。具体的工作内容如下:首先,在建模软件中通过草图绘制、凸台拉伸和抽壳操作等步骤完成柔性软体手的三维模型设计,再通过模具浇铸法经过硅胶制备、注模成型、加热固化和取出模具等步骤制得了内嵌光纤光栅的硅胶软体手。其次,基于制得的软体手展开了压力传感实验,并对比了光纤光栅内嵌与外粘两种类型的软体手在不同气压下的压力传感灵敏度。其中,在对软体手充气15 KPa的情况下,光纤光栅内嵌型软体手与外粘型软体手的压力传感灵敏度分别为33.07pm/N和3.32 pm/N,有接近一个数量级的差异。再次,基于内嵌型软体手开展了对不同目数砂纸的滑觉传感实验,多次反复测量与数值模拟,建立了软体手光纤光栅中心波长漂移最大值与砂纸目数之间的联系,其灵敏度达到-0.26 pm/目,证明制得的软体手具备检测不同粗糙度表面的能力。最后,进行了软体手的物体检测实验,该实验对象分为平面与曲面、以及起伏表面。平面与曲面检测实验中,分析了软体手在滑过平面和曲面时不同的波长漂移趋势及其成因,并对光纤光栅嵌于手指内侧与外侧的两种软体手进行了对比。起伏表面检测实验共对三种占空比的表面进行检测,实验结果表明软体手能够检测物体表面的凹凸,在软体手接触到凹陷部分的表面时其光栅中心波长会发生红移,且凹陷的程度越大,波长漂移的幅度也越大。上述对平面、曲面和起伏表面的检测实验证明软体手已具备基本的物体表面检测能力。

关键词： 扩散张量成像   扩散张量纤维束成像   急性脑梗死   皮质脊髓束   运动功能预后  

摘要： 目的:应用磁共振扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)及纤维束成像(diffusion tensor tractography,DTT)评估急性脑梗死患者的皮质脊髓束(corticospinal tract,CST)完整性,并分析各CST损伤指标与患者运动功能预后的关系。方法:选取自2021年12月到2022年10月期间在本院神经内科住院的急性脑梗死患者32例作为病例组,所有患者均为首次发病、发病7天内、单侧病灶且有不同程度的肢体运动功能障碍,并选取门诊匹配年龄及性别的18名志愿者作为健康对照组。所有被试者均行DTI扫描,并通过DTT技术追踪出健康对照组的皮质脊髓束模板。测量急性脑梗死患者双侧CST的各项异性分数(fractional anisotropy,FA),包括病灶同侧FA(FAipsilesional)、对侧FA(FAcontralesional),并进一步计算出FA比率(fractional anisotropy ratio,r FA)及FA不对称性(fractional anisotropy asymmetry,FAasy),绘制病灶图测量病灶体积,并将病灶区域与健康对照组的CST模版重叠计算出“CST损伤值”。脑梗死患者均在发病7天内接受“手+腕”及上肢运动功能评分(Fugl-Meyer Assessment,FMA),并随访3个月(90±15天)。做急性脑梗死患者FAipsilesional、r FA、FAasy、CST损伤值与7天内、3个月“手+腕”FMA(FuglMeyer Assessment-Wrist+Hand,FMA-WH)及上肢FMA(Fugl-Meyer Assessment-Upper Extremities,FMA-UE)之间的相关性分析。根据3个月后FMA-UE将病例组分为预后良好组和预后不良组,比较两组之间FAipsilesional、r FA、FAasy、CST损伤值的差异,对差异有统计学意义的CST损伤指标绘制受试者特征(Receiver Operating Characteristic,ROC)曲线,分析各CST损伤指标在预测患者运动功能预后中的效能。结果:1.急性脑梗死患者病灶同侧CST FA值较对侧显著下降(t=-6.679,P<0.001);与健康对照组相比,病例组r FA显著降低(t=-5.330,P<0.001),而FAasy显著升高(t=5.210,P<0.001);2.年龄、病灶体积与急性脑梗死患者7天内及3个月FMA-WH、FMA-UE均无明显相关性(P>0.05);FAipsilesional、r FA、FAasy、CST损伤值与急性脑梗死患者7天内及3个月FMA-WH、FMA-UE均有显著相关性(P<0.05),且与FMA-WH相关性更强。FAipsilesional与FMA-WH(0)、FMA-WH(3)、FMA-UE(0)、FMAUE(3)呈正相关(分别为r=0.451、r=0.383、r=0.554、r=0.520,P<0.05),r FA与FMA-WH(0)、FMA-WH(3)、FMA-UE(0)、FMA-UE(3)呈正相关(分别为r=0.543、r=0.470、r=0.620、r=0.560,P<0.05),FAasy与FMA-WH(0)、FMA-WH(3)、FMA-UE(0)、FMA-UE(3)呈负相关(分别为r=-0.541、r=-0.470、r=-0.621、r=-0.562,P<0.05),CST损伤值与FMA-WH(0)、FMA-WH(3)、FMA-UE(0)、FMA-UE(3)呈负相关(分别为r=-0.581、r=-0.547、r=-0.701、r=-0.651,P<0.05);3.急性脑梗死患者预后不良组与预后良好组在FAipsilesional、r FA、FAasy、CST损伤值的差异均有统计学意义。与预后不良组相比,预后良好组FAipsilesional、r FA升高(t=2.906、t=3.207,P<0.05),而FAasy、CST损伤值降低(t=-3.267、t=-3.125,P<0.05);4.急性脑梗死患者FAipsilesional、r FA、FAasy、CST损伤值ROC曲线下面积分别为0.818、0.801、0.801、0.758(P<0.05)。结论:通过磁共振DTI及DTT可以评估急性脑梗死患者的CST完整性,得到的CST损伤指标可以作为预测上肢特别是手腕部运动功能恢复的良好指标。急性脑梗死患者发病7天内病灶同侧CST FA值显著下降。FAipsilesional、r FA值越高提示预后越好,FAasy、CST损伤值越高提示预后越差。CST损伤值在评价急性脑梗死患者三个月后上肢运

关键词： 光纤光栅   倾角   光照强度   传感器  

摘要： 随着人们对电力行业的认识不断深入和对可靠电力需求的不断提高,建设更加安全可靠的电力体系已成为全球电力行业的共同目标。高压输电线路安全监测是电力部门正在进行研究的重点,因此对输电线路的各项参数指标进行实时监测,为电力系统的可靠运行提供数据指导是十分必要的。光照强度传感器是监测输电线路环境微气象的重要节点,倾角传感器是监测输电线路上的杆塔沉降与形变的重要节点,二者都是高压输电线路安全监测系统的重要组成。然而,传统的电子式设备难以完成在恶劣气象和复杂电磁环境下的实时测量目标。随着物联网和光纤传感技术的发展,无源化的输电线路监测逐渐成为了现实。因此基于光纤光栅传感技术,设计开发具有无源化、抗电磁干扰、耐恶劣气象条件的倾角传感器和光照强度传感器,在高压线路输电实时安全监测领域具有重大实用价值。本文主要研究工作及成果如下:1.基于光纤光栅设计并制作了倾角传感器的内核和外部封装。对倾角传感器核心的悬臂梁的尺寸和开槽进行了理论分析和建模仿真,发现其最佳应变性能。对倾角传感器进行标定和测试,得到传感器的量程范围为-5°～+5°,线性度为1.27%FS,灵敏度为0.1011nm/°,回程误差为1.21%,重复性误差为2.97%FS。2.分析了三种以太阳能电池板为感知器件的光纤光栅光照传感器,选择了悬臂梁式的结构,并改进了该结构,得到体积更小的光照强度测量方案,传感结构长度小于10cm。对光照传感器进行标定及测试工作,其测量结果相比与标准电子式照度计测量结果,误差在10%以内。3.设计基于FBGA传感解调模块设计了光纤光栅解调仪,设计并搭建了传感监测系统,实现了输电线路状态实时监测和异常报警功能,为两种传感器的实用化提供支持。

关键词： 主被动双损耗调Q   速率方程   热效应   PtS2   光参量振荡  

摘要： 近年来,对人眼的损害较小且处于大气主要传输窗口的1.5-1.6μm近红外激光受到了人们的广泛关注。近红外激光由于具有高峰值功率、窄脉冲宽度以及高稳定性等特点,在激光雷达、环境监测、医疗诊断、激光工业加工以及国防和军事等领域中均有重要的应用价值。受限于目前激光增益介质所能辐射的波长,传统的固体激光器和光纤激光器只能产生特定波长的脉冲激光。与其他技术手段相比,光学参量振荡器（Optical Parametric Oscillation,OPO）因其低阈值、高转换效率、调谐覆盖范围宽等优点,成为近年来有效获取近红外波段相干光源的重要技术手段。本文对LD泵浦的全固态主被动双损耗调制的腔内KTP OPO进行了理论分析和实验研究。实验方面,通过主被动双损耗调制技术获得的基频光泵浦内腔光学参量振荡器（Intracavity OPO,IOPO）。主被动双损耗调制技术结合主动调制器件和被动调制器件的优点来调制激光谐振腔中的基频光进而优化OPO腔中信号光的输出,使获得的脉冲更加稳定,脉冲宽度更窄,峰值功率和单脉冲能量更高。理论方面,用速率方程来描述参量振荡器的工作特性,与平面波近似结果相比高斯分布下的理论计算数值与实验结果更符。在考虑腔内光子数密度和初始反转粒子数密度的空间高斯分布的情况下,建立了高斯假设下有可饱和吸收体（Saturable Absorber,SA）参与调制的IOPO的动态速率方程,并利用速率方程对SA被动调Q输出特性进行数值模拟,理论计算和实验结果相符合。实验中用到的被动调制材料是二维纳米材料中的一种——二硫化铂（Platinum disulfide,PtS）。因其具有独特的光电特性、高开关比和良好的非线性吸收效应,作为被动调制器件应用于本论文研究。本论文的主要研究内容如下:（1）以提升参量光转换效率的方法为主线,总结概括了光参量振荡器的国内外研究进展,并以材料为主线,分析了主被动双调Q的研究进展,明确了全固态主被动双损耗调制的腔内KTP-OPO的技术优势与研究意义。（2）介绍了二维纳米材料的可饱和吸收特性以及可饱和吸收体的制备方法,详细阐述了如何用电子束蒸发法（Electron beam evaporation,EBE）结合后硫化法制备少层PtSSA,并对样品材料的光学显微镜图、拉曼光谱、原子力显微镜图进行分析,结果表明,厚度为6.2nm、约8层的PtS SA具有可饱和吸收特性。利用双光路法,通过实验和理论计算获得PtS非线性透过率曲线,13%的调制深度表明PtS SA可以很好的实现对脉冲的调制。（3）实验方面,测量并对比了由AOM和PtS双调制Nd:YVO/KTP内腔光参量振荡器和AOM单调制Nd:YVO/KTP IOPO的输出特性。实验观察到由于PtS SA的非线性可饱和吸收效应使得双调Q的IOPO的峰间稳定性提高了76.6%,信号光的脉冲宽度被压缩了64.3%,峰值功率提高了131%。特别是,由于PtS SA的优化,IOPO的转换效率提高了13.2%,泵浦光到信号光转换效率高达3.29%。（4）理论方面,对非线性光学频率变换进行阐述,推导出三波混频的耦合波方程组。考虑腔内光子数密度、反转粒子数密度的高斯空间分布,给出高斯近似下LD泵浦的AOM-PtS主被动双调Nd:YVO/KTP IOPO特性有关的动态速率方程。将实验研究以及理论计算得出PtS SA的关键参数带入速率方程中可以计算出输出脉冲的脉宽、脉冲重复周期等相关参数,理论值与实验值符合较好。

关键词： 轻离轴数字全息   光栅相移   相位重建   GPU   相位解包裹  

摘要： 轻离轴数字全息技术具有非接触式、高分辨和高效率等优点。该技术可以通过两幅干涉图相减来去除直流分量,增大了横向分辨率,从而提高了重建像质量,因此被广泛应用于显微测量、三维重建、无损检测等领域。目前轻离轴数字全息技术主要存在以下两方面问题。一方面,大部分轻离轴数字全息光学成像系统在设计方面使用了复杂的光学元件,使得系统在安装和调节方面不够灵活;另一方面,相位重建过程中解包裹部分较为耗时,在处理大数据量时无法实现快速测量。因此,近年来越来越多的研究人员将以上问题作为重点研究内容,其具有重要的学术价值和实际意义。本文针对以上问题主要研究内容如下:首先,针对光学成像系统设计较为复杂,安装与调节不够灵活等问题,提出一种基于光栅相移的轻离轴数字全息成像系统。该成像系统通过移动透射式光栅可以自由调节两个干涉图之间的相移,从而提升相移值设定的灵活性。由于该设计无需使用复杂的光学元件,所以具有安装简单、调节灵活以及低成本等优点。在此基础上,本文推导出基于随机相移的轻离轴数字全息相位重建算法,而后通过对多种不同被测样本进行相位重建实验,并对结果进行分析,验证本文所提方法的有效性和准确性。其次,针对轻离轴数字全息相位重建过程中计算量大,运算时间长等问题。对轻离轴数字全息相位重建过程进行并行化设计,并利用CUDA编程模型,在GPU平台上对相位重建过程进行加速。在对离散余弦最小二乘解包裹算法进行并行化实现的过程中,应用共享内存技术提升线程读取数据的效率,缩短算法执行时间,进一步提高相位重建的速度。通过比较相位重建过程在GPU和CPU平台上的运行时间,验证该并行化设计能够有效提升相位重建过程的速度。最后,基于Windows 10和Visual Studio 2019软件开发平台设计实现轻离轴数字全息光学图像处理系统。该系统包括图像读入与显示、干涉图像数据处理、图像数据输出与保存等功能模块,实现了轻离轴数字全息相位重建结果的可视化。

关键词： 钢筋混凝土结构   腐蚀监测   布拉格光栅   多模光纤  

摘要： 目前钢筋混凝土的结构健康监测已经成为世界各国学者研究的热点。钢筋混凝土因其优异的抗拉、抗压性能，价格低廉等特点成为了目前基础设施中应用最广泛的结构形式之一。而随着建筑结构的多样化、功能化元素的增加以及建筑环境要求的愈加复杂，结构耐久性的问题凸显出来，其中钢筋腐蚀是结构耐久性不足的主要问题之一，因此对钢筋腐蚀的结构健康监测尤为重要。　　本文将钢筋腐蚀与光纤传感领域相结合，通过利用多模干涉效应的单模-无芯-单模光纤(Singlemode-None-Core-Singlemode）与光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)结构来监测钢筋腐蚀与应变双参量并进行其可行性与敏感性分析。　　首先介绍了目前钢筋腐蚀的监测方法并分析其优缺点，进而提出运用光纤传感器监测钢筋腐蚀的方法，阐述了SNCS光纤传感器监测腐蚀的传感原理，并进一步对FBG-SNCS光纤结构监测腐蚀应变双参量的理论及原理进行分析。随后对SNCS光纤结构进行更深一步的研究，引入了新兴材料-氧化石墨烯(Graphene Oxide),并对SNCS光纤结构进行了数值模拟及试验验证。　　随后对新兴材料-氧化石墨烯的性质及特点进行了阐述，介绍了GO薄膜的制备方法，将其涂覆在SNCS光纤来验证GO薄膜及其厚度影响SNCS光纤传感器对环境折射率的敏感性问题。试验中将涂覆不同厚度GO薄膜NCF部分浸入不同质量分数NaCl溶液中，采用光谱仪记录光谱变化，试验结果表明GO涂层会提高SNCS光纤传感器对环境折射率的灵敏度，并且随着涂层厚度逐渐增大，灵敏度会逐渐提高。　　最后进行了钢筋腐蚀应变双参量试验，将SNCS光纤与FBG光纤熔接，形成FBG-SNCS光纤，利用SNCS光纤部分监测钢筋腐蚀导致的环境折射率变化，用FBG光纤监测应变情况并消除SNCS光纤对应变腐蚀交叉敏感问题。试验中考虑了不同长度NCF及不同GO涂层厚度对FBG-SNCS光纤传感器监测钢筋腐蚀灵敏度问题，通过光谱仪记录钢筋腐蚀引起的透射光谱变化，同时在此基础上利用开路电位和线性极化阻抗监测方法，实现对钢筋腐蚀电势、电流密度的计算与分析，并将钢筋累积腐蚀量与光纤特征波长的偏移量进行线性拟合得到两者关系。结果表明，钢筋腐蚀引起的质量损失与钢筋表面的FBG-SNCS的NCF部分在对应时间段的特征波长偏移量为线性正相关。并对SNCS光纤结构建立了敏感交叉矩阵，消除了腐蚀-应变交叉敏感性问题达到了同时监测钢筋腐蚀与应变的目的。