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关键词： 分布式应变传感   光纤光栅   微波光子滤波器  

摘要： 作为一种将光学和微波技术相结合的新型交叉领域，微波光子学集成了两种技术的优点，具有低损耗、高带宽和不易受电磁干扰等优势，已广泛应用于传感网络、国防系统、航天航空和卫星通信等领域，其表现出的巨大发展潜力和广阔的应用前景也受到了广泛的关注。随着微波光子技术的发展，微波光子滤波器(Microwave photonic filters,MPF)在微波信号处理中的重要作用也逐步体现出来。MPF是一种利用光学手段处理微波信号并实现滤波处理的光电子器件，能够克服传统电滤波器的不足，具有带宽大、可调谐性良好、重构灵活等显著优势。因此，本论文从MPF基本理论入手，主要从理论和实验上研究了基于MPF的光纤光栅分布式应变传感方面的应用，开展了如下的研究:　　(1)提出了一种基于MPF的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)阵列准分布式应变传感系统。经过调制后的宽带光进入光栅阵列中，多个FBG反射的光信号构成了MPF的多个抽头，由于抽头之间的时延非均匀，MPF的频率响应的固定自由光谱范围(Free spectral range,FSR)的周期性模式被破坏，难以通过频域响应获得传感量。可以通过对S21曲线进行快速傅里叶逆变换(Inverse fast Fourier transform,IFFT)得到时域响应，时域脉冲间隔对应抽头间的时延。FBG受到应变引起的波长变化转化为时域脉冲时间上的变化，因此通过追踪时域脉冲的时间信息可以恢复FBG上的应变信息。对传感单元由五个FBG串联的传感系统进行了理论仿真，验证了该方案的可行性。在实验中将四个FBG串联并粘贴于悬臂梁表面，通过对悬臂梁自由端施加位移将非均匀应变传递至FBG阵列，根据上述原理可以实现FBG阵列的准分布式应变传感。实验结果表明，时间延迟变化与应变之间具有良好的线性关系，四个FBG的应变灵敏度分别为0.016 ns/με、0.009 ns/με、0.021 ns/με和0.012 ns/με，因此在时域响应中追踪每个FBG对应的脉冲时延改变，可以较好地反映出悬臂梁所受到的非均匀应变。　　(2)提出了一种基于MPF的线性啁啾光纤布拉格光栅(Linearly chirped fiber Bragg grating,LCFBG)分布式应变传感系统。相较于FBG阵列，LCFBG可以反射连续波长的光信号，因此可以实现在光栅内的任意点进行传感，无测量暗区，空间分辨率高。该传感系统是基于一个双抽头MPF结构实现，一个抽头使用固定波长的光源，另一个抽头使用可调谐光源，其扫描波长在LCFBG的宽带范围内。不同的扫描波长下两个抽头之间的时延不同导致其产生的S21曲线的FSR不同，因此建立了波长与FSR之间一一对应关系。当LCFBG受到应变时，扫描波长反射位置发生改变，最终导致固定波长下产生的S21曲线的FSR改变，因此LCFBG受到不同应变时，可以建立波长与FSR之间一一对应关系，结合光波长和LCFBG轴向位置一一对应的关系，通过追踪FSR的变化可以恢复LCFBG的分布式应变。实验结果表明，在27 mm长的LCFBG上，实现了～0.2mm的高空间分辨率和＜1με的高应变分辨率传感。

关键词： 可穿戴   光子集成芯片   光纤光栅解调   温度   心音   脉搏   血压  

摘要： 相较于传统的电学传感器而言,光纤传感器有其无法比拟的优势,其具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积较小等,并且光纤传感器能够织入织物内部,成为了可穿戴传感技术的关键。硅基光子学的发展为光学系统的微型化提供了可行性,微型化的光纤光栅解调系统可以更好的服务于对人体的温度、脉搏、心音等各项生理指标参数进行光子传感与检测。 本论文的主要工作结合国家自然科学基金、天津市重点研发计划等项目的研究内容与研究目标开展。我们基于比利时微电子研究机构(IMEC)的i Si PP50G工艺研制了硅基光子集成芯片,并且利用光子集成芯片设计了解调系统,制作了柔性解调手环电路,可实现对人体温度、心音、脉搏和血压参数进行实时监测。论文的主要研究内容如下: 1.设计了一种基于硅基光子集成芯片的微型光纤光栅解调系统。为提高解调系统集成度,选用SLD光源芯片作为光子集成芯片的光源;利用光纤对准耦合封装技术对光子集成芯片和光源芯片进行了水平耦合封装;利用线径为25μm的金线完成了光子集成芯片和光源芯片的键合;设计了滤波电路、I/V转换电路、蓝牙电路及电源管理电路,并制作了柔性光纤光栅解调手环电路。 2.提出了一种基于数学形态学的人体心音信号处理算法。利用小波变换提取第一心音(S1)和第二心音(S2),并通过余弦结构元素对去噪后的心音信号进行心音包络提取,通过所提取的心音包络识别心音信号的峰值点和起止点,并提取特征参数进行分类诊断,根据心率、第一心音时限、第二心音时限和心力诊断结果判断人体健康状态。 3.提出了一种基于脉搏波的血压检测算法,通过小波阈值去噪对脉搏波进行预处理,提取脉搏波特征参数,选取与血压相关性高的特征参数,利用偏最小二乘法建立人体血压估算模型。该算法计算出的收缩压、舒张压与电子血压计的结果有较好的一致性,收缩压SBP和舒张压DBP的误差分别为3.24±2.87mm Hg和3.75±3.01mm Hg。 4.提出了一种利用热熔压工艺将传感器植入衣物的方法,通过阵列波导光栅解调法,实际人体穿戴下对温度、心音和脉搏信号进行检测。实验结果表明:解调系统的动态波长检测范围为1545 nm-1555nm,温度监测范围为35℃-42℃,误差为±0.2℃,解调系统分辨率为±0.122pm;可实时检测人体心音和脉搏信号,运动前后可穿戴系统检测的收缩压SBP、舒张压DBP和心率均具有较好准确性。

关键词： 半线性波动方程   呼吸子解   时间周期解   变分方法  

摘要： 非线性波动方程可以刻画包括流体力学、化学等多个科学领域的非线性现象,研究其解性质能为其他科学领域研究提供理论依据.非线性波动方程的呼吸子解(空间局域化的时间周期实值解)在线性色散方程中观察不到,是真正的非线性现象,因此对于非线性波动方程呼吸子解的研究有着十分重要的意义.本文研究如下R × R中的1+1维半线性波动方程其中V,q ≥0是2π-周期分布势,满足V(x)=α+β1δ1per(x)+β2δ2per(x),q(x)=τω2V(x),α>0,β1>0,β2=Mβ1,M≥ 1,且δ1per(x),δ2per(x)分别是集合Iδ1:={2nπθ:n ∈ Z},Iσ2:={2nπ:n ∈Z}上的 2π 周期延拓,0≤|τ|<τ0.f(x,u)为 2π-周期函数且满足 |f(x,u)|≤c(1+|u|p),c>0,p>1.本文主要利用变分方法证明了该半线性波动方程存在呼吸子解,具体的证明过程主要分为如下三个部分:第一部分:首先利用解的傅里叶级数展开,将波动算子分解成一组椭圆Hill-型算子(Lk)k∈Zodd,再利用Floquet理论对波动算子进行谱分析,可得它的谱远离原点,即在0附近存在谱间隙.0附近的谱间隙是通过强不定泛函的变分临界点方法找到呼吸子解的前提.第二部分:这部分内容主要研究了算子Lk的性质及呼吸子解的泛函分析框架.首先利用0附近的谱间隙对椭圆算子|Lk|进行估计,得到两个双线性形式估计,然后定义了一个呼吸子解所在的Hilbert空间H,由于双线性形式估计,可以证明此Hilbert空间在一个Lebesgue空间中存在嵌入性质,这种嵌入性质是之后利用变分方法控制非线性项的关键.第三部分:本文所研究的半线性波动方程可以看成是泛函J的Euler-Lagrange方程,从而定义一个广义Nehari流形,由于广义Nehari流形不能生成Lagrange乘子,它可以看成是一个极小化约束,利用广义Nehari流形变分方法在函数工作空间H中找到泛函J的临界点作为弱解,从而证明本文的主要结果,半线性波动方程呼吸子解的存在性和正则性.

关键词： 张量Tucker分解   矩阵低秩近似   随机算法   素描   幂迭代  

摘要： 随着大规模数据集的广泛使用,对高维数据进行压缩近似处理的需求越来越迫切。基于Tucker分解进行张量低秩近似的算法得到了广泛研究,并在机器学习、图像处理等实际应用中取得了显著的成功。在张量低秩Tucker近似的传统确定性算法中,计算中间矩阵的奇异向量需要对矩阵进行完整的奇异值分解,这个计算过程通常是十分耗时的,导致了计算成本过高的问题。矩阵低秩近似的随机化算法已经被广泛研究并应用于实际问题中,其基本思想是通过采样或投影来对大规模数据进行降维,然后求解矩阵低秩近似。与确定性算法相比,随机化算法的计算成本更低,通常能够在较短的时间内获得较好的近似结果。在张量低秩Tucker近似中,可以借鉴矩阵低秩近似的随机化思想,来计算中间矩阵的奇异向量,从而有效地改进传统的确定性算法。本文主要通过矩阵两边素描算法和幂迭代对STHOSVD算法进行改进,来解决STHOSVD算法中求解中间矩阵奇异向量计算成本过高的问题。主要研究内容如下:(1)矩阵两边素描算法是一种快速随机算法,用于计算矩阵低秩近似。本文将该算法应用于STHOSVD算法中,提出了 一种新的张量Tucker近似随机算法,该算法显著提高了计算效率,并具备理论上的收敛性分析和实验验证。在多个张量数据上的实验结果表明,该算法在保持较高近似精度的同时,可以显著减少计算时间。(2)当数据矩阵的奇异值衰减速度较慢时,简单的矩阵两边素描算法可能会导致较差的近似结果。为了提高算法精度,本文引入了幂迭代技术来加速奇异值的衰减,从而提高矩阵两边素描算法的性能。实验结果表明,结合子空间幂迭代的素描算法在各种数据集上都取得了相对较优的结果。(3)将结合子空间幂迭代的两边素描算法应用于STHOSVD算法,本文提出了一种更有效的张量低秩Tucker近似随机算法。实验结果表明,该算法相对于其他方法具有更好的性能表现,能够在优化计算成本的同时,达到和确定性算法相似的近似精度。

关键词： 通关散总苷元   紫杉醇口服生物利用度   P-gp   CYP3A4   CYP2C8  

摘要： 目的:紫杉醇是一种广谱抗癌药物,但由于溶解度差且为P-gp和CYP450共同底物,口服生物利用度很低,口服剂型的应用受限。其临床应用剂型主要为注射剂,紫杉醇注射液疗效确切但副作用也很明显。因此提高紫杉醇口服生物利用度,发展患者依从性高、成本低、无创安全的紫杉醇口服制剂一直以来都是研究热点。改善紫杉醇口服生物利用度低的首要关键在于促进紫杉醇在肠道的吸收。通光散总苷元(Total aglycones of Marsdenia tenacissima,TAMT)是将中药通光散(Marsdenia tenacissima)乙酸乙酯提取部位经酸水解制备所得,富含多种通光藤苷元乙(tenacigeninB)的酯类衍生物。本课题前期研究发现TAMT能显著增强紫杉醇对异种移植的KB-3-1和HeLa实体瘤的生长抑制作用;TAMT的主要成分之一11α-O-2-Methylbutanoy1-12β-O-tigloyl-tenacigenin B(MT2),对多药耐药蛋白 MDR1(P-gp)、肝代谢酶 CYP3A4 和CYP2C8活性均抑制作用,能显著提高紫杉醇(注射)在大鼠体内的达峰浓度(Cmax)和药时曲线面积(AUC(0-t),降低表观分布容积(VZ/F)的作用;显著增强紫杉醇注射剂对紫杉醇诱导多药耐药(MDR)的人宫颈癌HeLa/Tax异种移植瘤的生长抑制作用。因此,我们推测TAMT可通过抑制肠道P-gp促进紫杉醇在肠道的吸收,可作为紫杉醇增敏剂协助紫杉醇口服剂型的开发和临床应用。基于此,本课题对TAMT是否能够提高紫杉醇的口服生物利用度、促使口服紫杉醇发挥体内抗肿瘤作用展开研究。本研究可为TAMT应用于抗肿瘤药紫杉醇口服剂型的开发和临床应用提供实验依据。方法:一、TAMT的药效物质基础研究1.采用HPLC对TAMT中的主要成分进行定性分析。2.采用Q Exactive LC-MS/MS技术,对TAMT中的通光散苷元乙酯类衍生物进行鉴定。二、TAMT提高紫杉醇口服生物利用度的实验研究SD大鼠随机分为5组,分别灌胃给予30 mg/kg的紫杉醇(OP组)、30 mg/kg紫杉醇和 400 mg/kg(OP-TH 组)或 200 mg/kg TAMT(OP-TL 组),或尾静脉注射 10 mg/kg紫杉醇(VP组)、紫杉醇10 mg/kg并灌胃给予400 mg/kgTAMT(VP-TH组)。分别在给药后不同时间点采集眼眶血分离血浆,UPLC-Q/TOF-MS法测定血浆中紫杉醇浓度,计算各组紫杉醇的药代动力学参数。根据TAMT对紫杉醇在大鼠体内药代动力学行为的影响评价其提高紫杉醇、尤其是口服紫杉醇生物利用度的能力。三、TAMT促进口服紫杉醇发挥体内抗肿瘤作用的实验研究1.荷瘤模型建立:将1x108个/mL的HeLa/Tax细胞悬液与基质胶1:1比例混匀以200 μL体积注射于雌性BALB/C裸鼠皮下建立荷瘤模型。2.动物分组和治疗:将42只肿瘤体积为50～100 mm3的荷瘤小鼠按每组7只随机分为6组,分别灌胃给予10 mL/kg的空白溶剂(Model组)、20 mg/kg紫杉醇(OP组)、200mg/kg TAMT(TL 组)、20mg/kg紫杉醇联合 200mg/kg TAMT(OP-TL组),或腹腔注射阳性药消癌平注射液10mL/kg(IX组)、口服20mg/kg紫杉醇联合腹腔注射消癌平注射液10mL/kg(OP-IX)。隔日给药一次,连续10次,给药结束后停药观察2天结束实验。实验期间定期记录小鼠体重和肿瘤体积变化。3.取材和检测:实验结束后剥取各组肿瘤,拍照称重。采集心、肝、脾、肺、肾,H&E染色观察组织病理学改变情况。根据结果评价TAMT是否能促进口服紫杉醇发挥体内抗肿瘤作用,以及TAMT联用是否对小鼠造成毒害。部分肝脏组织和肿瘤组织采用4%多聚甲醛固定,用于后续的免疫组化分析。四、TAMT提高紫杉醇口服生物利用度、协助口服紫杉醇发挥体内抗肿瘤药效的作用机制研究***在Caco-2单层细胞上对紫杉醇的吸收和转运的影响及机制研究(1)紫杉醇的吸收和转运:将人结肠癌细胞Caco-2接种于12-Transwell嵌入式培养板的顶侧(AP)小室,使其生长至完全融合并形成符合要求的单层以模拟体内肠道吸收环境。随后,将紫杉醇(5 μM)加入到细胞单层的培养液中,同时加入或不加入一定浓度的TAMT(10或20 μg/mL)进行孵育。采用UPLC-Q-TOF-MS法在孵育的不同时间点检测侧(AP)和基底侧(BL)小室培养液中紫杉醇的量,计算AP→BL转运和BL→AP转运的表观渗透系数Papp以及外排比ER,评价TAMT对紫杉醇的吸收和转运的影响。(2)P-gp转运功能:将Rhodamine 123(Rh-123,P-gp荧光底物)作为荧光探针检

关键词： 水下无线光波传播   各向异性倾斜角   闪烁指数   路径损耗   指向误差   海洋湍流   脉冲位置调制   通信性能  

摘要： 作为人类可持续发展的重要基地,海洋蕴含了大量的生物资源、矿产资源和能源,在国民经济、科技和军事领域中的地位逐渐显现。科学研究、环境监测、资源采集等日益频繁的海洋活动以及水下自主航行器、水下传感网络等技术的广泛应用需要更高要求的水下无线通信技术。与水声通信和电磁波通信相比,水下无线光通信因其较高的传输速率、较高的安全性和较低的成本得到广泛应用。然而,受水下传播信道中路径损耗、指向误差以及湍流效应的影响,水下无线光通信仍然面临着诸多挑战。水中介质对光波的吸收和散射作用引起信号衰减和时延扩展。指向误差造成接收光信号质量的下降。湍流造成光束偏移、扩展、抖动和光强闪烁等不利影响,很大程度上降低通信性能。因此,研究诸多因素引起的光信号衰落特性及抗衰落技术,对于水下无线光通信有效性和可靠性的提高具有重要意义。本论文主要研究各向异性海洋湍流信道下,球面波的闪烁指数模型以及通过运用多进制脉冲位置调制技术,针对信号衰落模型,研究和分析光波在水下传播的关键性能,具体研究工作如下:1、针对各向异性海洋湍流效应对闪烁指数的影响,推导各向异性海洋湍流功率谱模型,给出非零内尺度和有限外尺度影响下的孔径平均闪烁指数表达式,并详细分析相关信道参数和系统参数对于闪烁指数的影响。结果表明,闪烁指数随湍流外尺度的增加而增加,而与内尺度呈现相反的变化趋势。在弱海洋湍流条件下,内尺度对水下无线光通信的影响大于外尺度。此外,孔径平均可以很好降低由湍流效应引起的闪烁。2、针对各向异性海洋湍流中各向异性倾斜角对闪烁指数的影响,分别研究水下无线光通信在水平和垂直两个方向上的系统链路。推导考虑各向异性倾斜角的各向异性海洋湍流谱模型,给出水平和垂直链路的闪烁指数表达式,分析各向异性倾斜角的影响。并且在垂直链路中考虑海洋深度对于闪烁指数的影响。结果表明,各向异性倾斜角对水平链路闪烁指数无显著影响,而在垂直链路中,闪烁指数强烈依赖于海洋深度和各向异性倾斜角。3、针对水下无线光通信系统在海洋信道的性能评估,使用多进制脉冲位置调制技术,建立考虑路径损耗、指向误差和各向异性海洋湍流影响下的复合信道模型,分析水下无线光通信系统的关键性能。一方面,推导水下无线光通信系统平均误符号率的闭式表达式;另一方面,推导平均功率和峰值功率限制下系统平均信道容量的闭式表达式。进一步分析噪声、水质条件等对于水下无线光系统性能的影响。结果表明,高阶调制能够提高系统的平均误符号率性能。仅在平均功率约束下,与同时具有平均功率和峰值功率约束下相比,水下无线光通信系统存在较高的信道容量。此外,在海洋环境中,热噪声和量子噪声比背景噪声对系统误符号率和信道容量的影响更为严重。论文研究结果为水下高速光通信系统的设计和性能评估提供理论依据,对于有效开展相关海洋活动具有广泛的应用前景及现实意义。

关键词： M(?)bius第二基本形式   极小模张量   超曲面   M(?)bius不变量  

摘要： M(?)bius几何是球面上在M(?)bius变换群下子流形的共形几何,子流形的M(?)bius第二基本形式B是一个基本的M(?)bius不变量.极小模张量是指一个n阶张量和所有r次缩并后的张量与对应的r个度量张量做张量积的线性组合后得到的张量中模最小的那个.本文运用极小模张量原理证明了不等式|▽B|2≥2n(n-1)/n+2 |Φ|2-6n/n+2B(▽F,ξ),等号成立当且仅当Bij,k=-n/n+2(Ciδjk+Cjδik-2/nCkδij)+2/n+2∑lFl(Bilδjk+Bjlδik+Bklδij)-(FiBjk+FjBik+FkBij),且给出了满足等号成立时的所有超曲面.

关键词： 偏光全息   介电张量   曝光响应系数   线偏振光   衍射光  

摘要： 偏光全息通过干涉可以同时在各向异性介质上记录光的振幅、相位和偏振态。因为偏光全息能够在全息图中额外记录信号光的偏振信息,故在全息领域独具优势。近年来对于偏光全息的研究是基于张量的偏光全息理论开展的,该理论可以解释一些不同干涉条件下的实验现象。近期的研究显示,偏光全息在光学存储、元器件制备、光场调控等方面都具有潜在的应用。当已知干涉角、信号光、参考光、读取光和曝光响应系数α/β时,根据张量偏光全息理论就可以推导出衍射光的表达式。然而许多与理论相符的实验特征的出现需要α/β满足一些特殊的条件。在偏光全息理论中,α和β是指光致变化所导致介电张量的标量和张量部分的系数,α/β则是称之为曝光响应系数,这一系数是控制衍射光偏振态的关键因素之一。菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯光致聚合物(PQ/PMMA)具有光致收缩小、感光灵敏度高和光致各向异性的特点,故作为本工作的实验记录材料。研究内容主要针对线偏光全息中曝光响应系数α/β的变化规律进行探究,通过改变记录过程中一系列的曝光条件,测量了PQ/PMMA的曝光响应系数。这一研究主要选取了两种特殊的实验情况进行测量,并对曝光响应系数的初始值进行了分析和整理,找到了其变化规律并拟合出相关的数学表达式。最后经过实验验证,证明了该公式可以用于预测曝光响应系数α/β的初始值,为日后控制衍射光的偏振态提供了便利条件。