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关键词： 脉冲神经网络   张量分解   轻量化   张量环分解  

摘要： 脉冲神经网络(Spiking Neural Network,SNN)是一种受人脑结构和功能启发的机器学习算法,被称为第三代神经网络。目前,SNN在人工智能领域中的应用十分广泛,特别是在时空信息处理和节能计算方面表现出了巨大的潜力。然而,随着深度学习问题的日益复杂,SNN网络的参数数量也进一步增大。这导致SNN在硬件上运行占用的空间内存和时间成本极大。为了更高效地使用SNN,需要轻量化技术对SNN进行压缩。为此,本论文选择张量分解理论构建张量化SNN模型,分别对三类数据集进行分类实验,以验证其压缩性能。取得了如下的结果:第一、通过把四种基本张量分解方法(张量列、标准分解/平行因子、高阶主成分分析、张量环(Tensor Ring,TR))应用于SNN卷积层和全连接层,总结了张量化卷积层和全连接层分解的模式:卷积分解为多次卷积、全连接分解为多次张量缩并。在此基础上,理论分析表明,TR网络模型相对更优。同时,证明了张量化SNN的空间利用率和计算效率均高于原始网络。第二、通过在典型数据集上对四种张量化SNN实验,发现其均可以实现在对SNN参数量和计算量进行压缩的同时,准确率损失值不大。并且,卷积层上TR分解在同样的参数压缩率和计算量下,有更高的网络准确率;全连接层上在相同的准确率损失下,TR分解所需参数量也更少,网络参数压缩率更低,与张量化SNN的理论分析相符。第三、通过在静态、动态视觉和语音三种分类数据集上的实验发现,张量化SNN可以在网络压缩率在1%-2%、乘加计算量压缩5-10倍的情况下,保持准确率损失不超过5%,表明张量化SNN有轻量化效果显著、模型泛化能力高的特点。对比现有算法结果,张量化网络能在保证准确率损失在5%-8%以内时,网络压缩率进一步降低;在相同压缩率下,比现有大部分方法准确率损失更小。本研究表明,张量分解对于轻量化SNN是非常有效的,在分类任务上泛化能力强。同时,相对于现有的方法,它表现出了更强的性能优势,为SNN的轻量化提供了新的解决方案。本研究充分结合了张量分解和SNN,并总结了张量化网络模型的相关模式,从而为新的张量分解方法的应用和性能测试提供了支持和参考。

关键词： 太赫兹   超构表面   超构光栅   超表面透镜   衍射调控  

摘要： 超表面器件可以实现高效灵活的电磁波操控,在通信、传感和成像等领域具有巨大的应用前景。其中,超表面透镜能够精确的操控电磁波的角度、相位、偏振、振幅等,并具有轻薄和易集成的优点。本文研究了太赫兹波段全介质超构光栅的衍射调控现象,并基于太赫兹超构光栅设计了太赫兹超表面透镜,主要研究内容包括: （1）研究了超构光栅衍射调控原理,分析了调控级次和角度的关系、复振幅的调控效应,建立了基于超构光栅衍射调控的超表面透镜设计方法。设计了一种全介质太赫兹超构光栅,并以T衍射级次的衍射效率最高为目标进行了结构单元的仿真和优化。当入射频率为0.14 THz时,对应输入TE和TM模式太赫兹波时,衍射效率分别为54.09%和39.26%。进一步,研究和分析了圆柱高度、圆柱的直径和圆柱之间的间距等结构参数以及太赫兹波斜入射对衍射效率的影响。 （2）利用光固化3D打印技术制备太赫兹超构光栅,并对其衍射调控效应进行了实验表征。对太赫兹波垂直入射至超构光栅的衍射效率开展了实验研究。入射频率为0.14 THz时,在电场和磁场下超构光栅的T衍射级次透射损耗为-6.1 d B和-7.2 d B,均小于T和T衍射级次透射损耗。同时,本文研究了全介质超构光栅的角度调控特性,调控的范围可达46 GHz。 （3）基于阵列超构光栅设计了长焦深太赫兹超表面透镜,并分析了圆柱高度和入射太赫兹波频率对焦距、焦点处电场强度的影响。搭建了太赫兹透射扫描系统对制备超表面透镜的聚焦特性进行实验研究,利用实验测得超表面透镜的光斑大小为2.0 mm*2.0 mm,焦距为117.8 mm,焦深为47.9 mm。最后,基于超表面透镜搭建了太赫兹透射成像系统,并利用USAF 1951分辨率板对成像分辨率进行实验验证。结果表明,USAF 1951分辨率板中2 mm的直线和间距都可以清晰呈现。

关键词： 3D slicer   DTI   CSM   白质纤维前索和侧索  

摘要： 研究目的:探讨弥散张量成像(diffusion tensor imaging DTI))在脊髓型颈椎病(cervical spondylotic myelopathy CSM)早期患者(T2WI无高信号),白质纤维前索及侧索中应用3D slicer软件测量的各参数值对临床的评估作用。材料与方法:采用回顾性研究方法分析我院2021年3月至2022年11月收集的88例CSM早期患者(按照国际通用的影像学颈椎管狭窄程度Grade分级为1、2级)的临床资料,对照组为同期检查的26位健康志愿者(Grade分级为0级),所有人均进行DTI扫描,后应用3D slicer软件进行测量,测量实验组患者颈脊髓最大受压节段和C1,2节段层面白质纤维前索及侧索各参数值,对照组测量C1,2、C2,3、C3,4、C4,5、C5,6、C6,7节段颈髓白质纤维对应部位的各参数值,并计算与C1,2节段各参数的比值,分析比较实验组和对照组间白质纤维前索及侧索各向异性分数(fractional anisotropy FA)、平均扩散率(mean diffusion MD)、轴向扩散系数(axial diffusion AD)及径向扩散系数(radial diffusion RD)的变化及差异,探讨DTI相关参数FA值、MD值、AD值及RD值及其比值对CSM早期患者白质纤维前索及侧索的诊断价值,以及与JOA评分相关性及诊断价值。研究结果:最终88例患者纳入研究,女性54例,男性34例,平均年龄57.73±10.15岁,CSM患者中:5例单节段脊髓受压,83例多节段脊髓受压(其中C2,3节段3例,C3,4节段55例,C4,5节段73例,C5,6节段81例,C6,7节段66例),均未见脊髓变性(无T2WI高信号)。椎管狭窄程度:轻度(Grade 1级)185节,中度(Grade 2级)93节。对照组各项DTI参数差异有统计学意义(P<0.05),且研究发现对照组颈髓FA值及AD值在C1,2水平最高,C1,2～C6,7节段呈下降趋势(P<0.05),MD值及RD值在C1,2节段最低,C1,2～C6,7节段呈上升趋势(P<0.05)。实验组与对照组DTI各参数差异有统计学意义(P<0.05),实验组,Grade1级、2级之间DTI各参数值差异有统计学意义(P<0.05),MD值和RD值联合模型对CSM的预测较好,其中联合模型预测效能最高(灵敏度98.8%,特异度96.2%),有显著诊断效能(P<0.05)。实验组和对照组组间白质纤维前索及侧索的各参数值及其比值差异具有统计学意义(P<0.05);组内两两比较差异具有统计学意义(P<0.05)。在白质纤维侧索及前索中JOA评分轻度患者与非轻度者DTI参数的ROC曲线中,MD值与RD值的联合模型AUC值较大,相应参数的灵敏度较高。研究结论:1.通过3D slicer软件对DTI序列各参数进行更加准确和精细的定量测量,可以对疾病的诊断提供量化指标,从而明确患者的早期诊断。***早期患者损伤部位白质纤维前索及侧索的MD值及RD值测量结果对识别症状具有相对较高的可靠性,且MD值及RD值敏感性和特异性均较高,对评估CSM早期患者白质纤维前索及侧索的细微变化有重要意义,以提高早期诊断率,进而根据脊髓损伤的程度和功能,帮助指导临床治疗方案的选择。3.在白质纤维侧索及前索中JOA评分轻度患者与非轻度者DTI参数的ROC曲线中,MD值与RD值的联合模型灵敏度较高,可以较好的反应神经纤维的改变,提高疾病的诊断效能。

关键词： 张量恢复   红外虚警源检测   非凸张量秩近似   图像分类  

摘要： 红外成像目标探测是对地观测和天基预警系统的重要探测模式之一,为了提高红外目标检测的准确性,检测虚警源成为一种重要的辅助手段。红外图像的场景复杂多变,虚警源的形态各异,要实现检测模型对不同种类,或是同一种类不同形态的虚警源进行检测,是一个难点。红外虚警源虽然成像各异,不同虚警源有着不同的形态纹理,但红外虚警源图像均具有低秩稀疏的特点,因此,可以考虑结合张量恢复相关理论与鲁棒主成分分析共同完成虚警源检测。本课题结合结构张量提取的先验信息,或利用先验信息生成掩膜,结合空时张量模型,研究并建立了基于空时张量的红外虚警源检测方法,将虚警源的检测问题转化成了建立优化模型,进行数值求解的问题。除此之外,本文还对虚警源分类算法进行了研究,考虑到红外数据的特性,采取了基于支持向量机的红外虚警源分类方案。本课题的研究内容主要由以下的几个部分组成(1)分析了红外虚警源的成像特性,开展了虚警源视觉检测分类的基础理论研究,如形态学处理、矩阵张量恢复,以及张量的展开、奇异值分解等。最后,将鲁棒主成分分析引入张量的低秩稀疏分解。(2)提出了分形特征约束的空时张量模型红外虚警源检测方法。为了解决传统方法中对背景的秩表示不准确,虚警源稀疏性较差等问题,引入基于Gamma函数的非凸张量秩替代;通过基于分形特征的结构张量提取先验信息,结合空时张量模型进行虚警源检测,与其他基本方法相比,所提出的算法具有较好的检测能力。(3)提出了视觉显著性掩膜联合非凸张量秩替代的红外虚警源检测方法。针对分形特征不能较好的表示体积较大的虚警源,利用分形特征计算时间较长的问题,引入基于Laplace函数的非凸张量秩替代;通过计算虚警源图像的视觉显著性,获得包含虚警源区域的掩膜。同时,改进了空时张量的构建方式,使其更加符合红外图像的特性。实验表明,所提出的模型在对体积较大的虚警源检测时有着显著的优势(4)提出了基于支持向量机的红外虚警源分类算法。利用样本的特征,训练多分类支持向量机进行虚警源分类。考虑到红外虚警源数据集的特性,采用纹理特征构建特征向量,实现了复杂场景虚警源的高精度分类。

关键词： 激光雷达   光学相控阵   光栅天线   辐射性能   硅基光电子  

摘要： 激光雷达(Light Detection and Ranging,LiDAR)是一种利用激光感知周围信息,由云计算系统分析,实现环境实时监测的主动遥感设备。该设备因具备测距精度高、方向性强、响应速度快和不受外界杂波干扰等优势,成为了目前智能汽车环境感知的最有效解决方案。激光雷达分为机械式和固态式,固态激光雷达因其体积较小,可靠性更稳定,测量精度高,结构简单易于隐藏在车体内且不影响美观等特点,逐步成为各大汽车品牌的首选车载雷达。最有望满足车规要求的是采用光学相控阵(Optical Phased Array,OPA)原理实现的全固态激光雷达,光束偏转时无需任何宏观和微观上的运动部件。所有光电元器件集成在一块硅基光芯片上,偏转波束更为灵活;制造技术与传统的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)技术相互兼容,能够实现批量生产。目前OPA技术难点主要集中于如何减小阵列串扰、提高辐射光功率、增大扫描角度、提高扫描精度等问题。本文希望通过光栅天线的结构设计和参数优化,去改善天线远场衍射时的辐射效率、远场光斑、扫描范围、波束宽度和光栅强度等性能,以强化OPA发射端的远场辐射能力。具体工作如下:1.为了提高光栅天线的辐射效率,提出了一种基于Si3N4的锥尖式双层辅助光栅天线,天线由两个偏置的Si3N4光栅层组成,上层为传统矩形式结构,下层采用倒锥尖式结构。研究发现在1450nm-1600nm的研究波段内,该光栅天线单元波束辐射自由空间的衍射效率超过72%,其中1550nm处达到97.5%的最高值,整体方向性远远优于传统矩形式双层光栅。随后,演示了 10个光栅单元阵列组成的光栅天线阵列,天线间隔大于半个波长,串扰在整个波长范围内低于-16dB;在研究波段范围内光束远场发散角为1.3°×3°,视场范围超过28.12°×23.43°,最大范围不超过108.45°×23.43°。若在无限大平面上,当光栅天线达到极限长度1.6 cm,阵列扩展通道数量增至1000个时,其远场发散角能减小到0.0081°×0.03°。分析结果表明:锥尖式结构和双层偏移设计能够有效增大底层光栅的反射效果,降低波导内剩余光功率衰减速率,进而提高向上辐射的方向性和远场辐射性能。这是由于上下层结构的不同会影响远场干涉效果,方向性越高表示远场波束能量更集中,干涉能力越强;而特定偏移量会导致每段相应的有效折射率不同,折射率的扰动会直接影响器件的衍射性能。2.在双层光栅结构基础上,进一步研究了亚波长波导光栅天线(Waveguide Grating Antenna,WGA)—基于CMOS工艺亚波长月牙弧形结构的毫米级WGA,在传统条形硅波导两侧等间距放置月牙弧型的亚波长硅段,其中月牙弧面是采用曲率均匀的Y=AX2函数来设计。研究发现,优化该WGA最佳的阵列间距为1.35μm时,光串扰整体都低于-20 dB;在所研究的1500nm-1600nm波段范围内,远场发射角在θ方向能实现0.134°/nm的波长调谐精度,纵向扫描更为灵敏。此外,月牙弧形亚波长WGA相比于传统矩形亚波长WGA,其光传输时剩余光功率呈幂指数衰减,传播至5mm时光功率衰减至0,最终4mm的WGA在远场能实现0.058°的窄波束宽度。结果分析表明:消逝场等间距放置的亚波长段和月牙弧形结构可以有效提高WGA的光栅极限长度和单向辐射性。由于月牙弧面是采用曲率均匀的Y=AX2函数来设计,二次函数的开合程度对于衍射时的“聚光”能力有很大影响。优化最佳月牙弧的开合值,能进一步增大光栅天线的极限长度,远场波束将会更窄。此外,该天线在垂直和水平方向都有光传输,光能量损耗严重,这不利于该器件的单向发射;同时还恶化了远场的光斑质量,导致远场出现至少两个光斑的现象。为此,通过调控亚波长段光栅参数,导致消逝场内产生连续束缚态效应来抑制横向出射,减少底部光吸收能力,进而改善WGA的单向辐射和远场光斑质量。

关键词： 蓝宝石光纤   耦合模理论   算法模型建立   光栅结构设计  

摘要： 在光纤温度传感的应用中,与其他光纤相比,蓝宝石光纤与布拉格光栅结构相结合同样具备温度传感特性且具有更高的温度稳定性,这使其在航空航天等工业领域具有巨大应用潜力。对于透明材料而言,飞秒激光微纳加工技术是一种具有高精度、真三维以及突破材料限制等特性的卓越加工技术,非常适合于光纤布拉格光栅的制备。然而由于蓝宝石光纤是一种多模光波导,检测光束进入蓝宝石光纤时会任意激发光纤中的多种模式,这时反射光谱谐振峰杂乱且强度较低强烈干扰了温度传感。光栅改性结构可以直接影响反射光谱,而目前国内外对蓝宝石光纤光栅的少模、基模强反射光谱输出的探究还主要在实验探索方面,对蓝宝石光纤光栅结构与输出光谱之间的关系并没有详细的理论研究,且对于飞秒激光制备的局域性光栅结构也未有较为合适的仿真软件能直接对该种结构进行仿真设计。基于此,本文对光纤和飞秒激光的相关理论进行分析,推导并建立了适合于多模蓝宝石光纤局域型光栅反射光谱计算的算法模型,并基于此模型利用Matlab进行光栅结构设计以及反射光谱计算,对具备良好光谱特性并适合飞秒激光制备的光栅结构参数进行系统研究。具体研究内容如下:1)从光纤基本理论出发对适合于多模光纤局域型光栅改性结构反射光谱计算的算法模型进行推导及建立,并通过实际结果对算法进行验证。研究结果表明:仿真输出光谱与实际光谱极为相似并且基模谐振峰反射强度与实际结果相当,该种算法模型可用于飞秒激光制备的蓝宝石光纤光栅反射光谱仿真。2)通过重叠积分对蓝宝石光纤耦合强度进行分析,基于此对光栅结构进行不同参数设计,利用上述算法模型对设计后的光栅结构进行耦合因子强度图以及反射光谱的计算,研究结果表明:耦合强度相对于光纤中间区域有近似的对称分布,且靠近光纤中心区域有更高的耦合强度,当改性结构是圆环型结构时能抑制高阶模式且保证基模强度,当圆环中心在光纤中间附近时具有最多的零耦合强度区域,此时具有最多的高阶模式被抑制,且在环间距为2μm时就具有较高的基模谐振强度,适合于飞秒激光制备。3)对圆环结构进行优化,优化后的结构为圆加圆环结构,在合适圆环结构参数的基础上设置中心圆的参数,对优化后光栅的耦合因子强度图与反射光谱进行计算,研究结果表明:优化后的结构避免了圆环型改性结构与蓝宝石光纤模式重叠积分较小从而导致的基模强度较小的影响,并且中心圆结构的加入还抑制了基模的邻阶模式,使基模谐振峰更加显著,更适合于后续传感的应用。本文模型围绕飞秒激光局域型光栅制备特性进行建立,该模型的建立为飞秒激光制备多模光纤光栅提供了设计和仿真方法,并为多模光纤光栅的模式探究提供了理论分析手段,为后续蓝宝石光纤传感应用的工业化进展提供了铺垫。

关键词： 氦原子光泵磁力仪   饱和吸收谱   AC Stark效应   AC Zeeman效应   转向差  

摘要： 微弱磁场的精确测量是一种研究磁体和分析物质形态以及性质的重要方法。自1946年Felix Bloch和Edward Purcell发现核磁共振以来,量子磁探测技术在科学和技术领域有了诸多应用,包括军事潜艇探测、地球物理勘探、磁异常探测、地图测绘、生物磁场探测、油气管道检测等。目前常见的量子磁力仪种类包括质子磁力仪、超导量子干涉磁力仪、光泵磁力仪、相干布居数囚禁磁力仪等。其中,光泵磁力仪具有测量范围广、精度高、灵敏度高、无需温控等优点,本文对Mz型氦原子光泵磁力仪进行了研究并改善了系统中产生的转向差问题。本文从课题研究背景入手,首先介绍了量子磁力仪的国内外研究现状以及对于磁力仪转向差问题的研究,说明了课题的研究意义;针对氦光泵磁力仪性能提升项目的课题,首先分析了Mz型标量磁力仪的系统组成以及磁探测的物理原理;结合量子相干效应,分析、研究了泵浦光与检测光的偏振态对于饱和吸收信号以及稳频性能的影响;通过理论分析及桌面实验系统验证造成转向差的原因;并将改进方法应用于磁力仪样机,测试最终的改进效果。论文主要的研究工作和成果归纳如下:1、分析了He原子在外磁场中的塞曼效应、光泵作用以及磁共振作用,解释了氦原子光泵磁力仪进行磁测的理论基础。研究了氦原子光泵磁力仪桌面以及设备系统的组成,阐述了光泵磁力仪转向差和灵敏度指标的测试和计算方法。2、针对桌面磁力仪系统,从理论与实验方面研究了量子相干效应对饱和吸收谱的影响。阐述了饱和吸收信号产生的原理以及量子相干效应原理。研究了泵浦光与检测光不同的偏振态对饱和吸收信号的影响,结合量子相干效应定性地解释了这种现象产生的原因。开展稳频实验并通过数据的艾伦方差验证稳频效果。实验结果表明,当检测光与泵浦光均为线偏振光且偏振轴方向相同时,饱和吸收信号最大,稳频效果最好。3、基于磁力仪指标优化项目实际需求,测试激光氦光泵磁力仪设备转向差指标并进行优化。首先探究了造成转向差的具体原因,并对其进行理论研究,主要包括材料剩磁、光源和射频线圈的影响。利用桌面实验验证了光源带来的AC Stark效应以及射频线圈带来的AC Zeeman效应和射频线圈的调制系数对转向差的影响,并给出了消除转向差的具体方法,通过外场实验测试了方案的可行性,将转向差减小至0.3nT左右。

关键词： Schur-Weyl对偶   Sn,r型复反射群   张量积   B型  

摘要： 本文在回顾已有的A型的Schur-Weyl对偶证明的基础上,参照Itoh的张量代数构造,得到复反射群S的Schur-Weyl对偶,并推出B型的Schur-Weyl对偶这一推论.这篇论文首先给出了一个自然的张量代数,并基于这个张量代数给出了两种算子(形似对张量积的“左乘”和“微分”)和复反射群S在该张量代数上的右乘作用.接下来计算了两种算子的交换性、与给定的半单李代数g在V上表示的关系并给出了(由两种算子构造的)Euler算子的定义的性质.之后具体给出由两种算子生成的张成空间A并先验证了S的右乘的交换性,然后借助双中心化子定理验证了给出的两种算子生成的张量空间A和S的右作用的中心化子互为彼此.然后再验证两种算子生成的张量空间和g的泛包络代数等价.

关键词： 一维完全非线性波动方程   一维拟线性波动方程   Cauchy问题   初边值问题   全局存在性  

摘要： 在本文中,我们首先研究满足零条件的一维完全非线性波动方程的Cauchy问题,通过将一维完全非线性波动方程化为一维拟线性波动方程组,利用拟线性情形的结论,证明小初值经典解的整体存在性。其次,我们将在R+×R+上讨论一类带零条件的一维拟线性波动方程的初边值问题。首先证明对于齐次Dirichlet边界条件和充分小的初值,经典解总是全局存在的。随后证明全局解将散射,也就是说,当时间趋于无穷时,全局解在能量意义下趋于一维齐次线性波动方程的解。最后证明下列关于刚性的结论:如果散射数据为零,那么全局解亦必恒为零。

关键词： 光栅自成像   离面位移测量   光电探测   参数仿真   结构紧凑  

摘要： 高精度微位移测量对于精密机械、微电子制造、航空航天、生物技术、军事等科学技术应用都至关重要。多年来,光学微位移技术由于其分辨率高、抗干扰性强、易于操作等优点被广泛开发研究使用。其中,光栅位移传感器因其分辨率主要是受其周期影响而备受青睐,光栅周期越小,对应的分辨率也就越高,但是纳米光栅周期变小的同时,加工工艺难度就会提高上来,微米光栅加工工艺相对较简单,但其分辨率较低。通过对工艺难度以及传感器设计指标的综合考量,本文采用双层微米光栅设计一种离面位移检测传感器,并对其涉及的关键技术进行研究分析。该系统设计方案基于微米光栅自成像效应,利用四象限探测器结合高倍率电学细分来实现高分辨率的离面位移检测。本文主要按照以下几个方面的内容进行研究:首先,调研并分析了目前常用离面位移测量方法,并且进行了检测原理分析、给出了对应的分辨率以及可以实现的量程,然后讨论总结了这些方法在高分辨率与量程中的局限性。提出了利用光栅自成像效应进行离面位移检测的检测方法。其次,归纳总结了波动光学中单层光栅衍射和干涉效应,基于傅里叶光学原理分析研究了光栅自成像效应的触发条件和空间场强分布,分别分析了单光栅、双光栅结构的位移检测模型理论,并提出了双光栅离面位移传感器的设计的方案。之后,基于光栅自成像效应对光栅位移检测传感器进行结构设计,介绍该检测结构的工作原理,并对位移传感器的指标进行设计,对设计的光学部分进行相应的仿真,通过不断优化得到光栅周期、光源波长、占空比等参数的数值,完成双光栅检测系统的模块设计,为设计系统的搭建与性能数据的测试收集做好准备。最后,对设计的离面位移检测系统进行搭建和测试,在实验中,利用高精度的光电探测技术,实现了对位移信号的正弦信号输出,通过高倍率细分电路完成了对系统检测分辨率的跨量级提升。实验结果表明,离面位移传感器的分辨率为11.23nm,量程达到1mm。该传感器系统结构与传统检测技术相比,具有光路设计简单、系统结构紧凑的优势,为小型化、集成度高的系统应用提供了理论和技术基础。