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关键词： 全反射X射线荧光光谱法   多金属矿   关键元素   样品预处理   悬浮液制备  

摘要： 全反射X射线荧光(TXRF)是一种测定地矿样品的简洁高效分析工具,拥有很高的灵敏度。然而,TXRF分析结果的好坏在很大程度上取决于样品制备环节。尤其对于高比重且含有强疏水性硫化物矿,常用的分散剂Triton X-100难以应对该样品物理化学特性对悬浮液稳定性的影响。基于此,本文采用了高粘度分散剂应用于该种矿石的分析。为建立对多金属矿关键元素准确、快速的TXRF分析方法,本文从样品预处理因素对分析结果的影响出发进行系统研究,建立了铜镍矿、铜钴矿、富钴结壳等多金属矿样品中关键金属元素准确分析的TXRF方法。本文主要研究内容如下:(1)悬浮液样品制备条件初步探索。将甘肃金川铜镍硫化矿JC-A制备成悬浮液,系统考察载物片的疏水化、样品用量、分散剂体积、样品粒径以及分散剂类型等单一条件变化对沉积薄膜样品宏观形貌的影响。载物片疏水化、样品用量为5、10和20mg、分散剂体积为1和2m L、样品粒径为<25μm以及分散剂为乙二醇和1%Triton X-100的实验条件是制备悬浮液的初步制备策略。(2)悬浮液样品制备条件优化研究。在初步的样品制备策略基础上开展TXRF元素分析,重点对相对标准偏差、相对误差及回收率等分析性能指标进行计算和数据比对评估,确认出最佳的样品制备条件:样品用量5mg、分散剂体积1m L、样品粒径为小于7.5μm,乙二醇为分散剂。将该预处理策略应用于同一矿区产出的铜镍硫化矿JC-B和JC-C,目标元素Cu和Ni的RSD<10%,相对误差小于10%。(3)关键金属元素TXRF分析性能验证与应用。利用国家标准物质铜镍钴矿石(GBW07368)和富钴结壳(GBW07337)对本文建立的TXRF分析方法进行验证。分析结果表明,富钴结壳中的Ca、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Pb,以及铜镍钴矿石中的Ca、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和As与标准值相比有很高的一致性,方法的RSD<10%,目标元素的回收率在80～120%,表明本文建立的TXRF分析方法有一个好的准确性和可靠性。(4)硫化物矿悬浮液稳定性影响评估。以乙二醇作为分散剂制备铜镍硫化矿JC-A(S元素含量9.01%)和铜镍钴矿石(S元素含量17.01%)的固体悬浮液。在悬浮液均质后的0s、30s、60s、120s、180s和300s时取样进行TXRF分析,与以1%Triton X-100作为分散剂时的分析结果进行对比。结果表明,相比于1%Triton X-100,利用乙二醇制备的悬浮液更稳定。铜镍硫化矿JC-A中Mn、Fe、Ni和Cu在1min内有较好的稳定性,而对于铜镍钴矿石中的Fe、Ni、Co和Zn在30s内有一个好的稳定性。作为对比,对于不含硫的富钴结壳,使用乙二醇制备悬浮液中的Mn、Cu、Fe、Ni、Zn和Co在2min内仅仅发生轻微变化。硫化物矿对悬浮液稳定性影响较大,样品中S元素含量越高,现象越明显。将乙二醇作为分散剂,有效提升了悬浮液的稳定性与TXRF分析性能。

关键词： H-张量   严格对角占优张量   非零元素链   不可约张量正定性   迭代算法  

摘要： 张量是矩阵的推广,被应用于许多科学领域.H-张量拥有着特殊的结构和性质,使其在张量分析及运算上凸显出不可或缺的作用.因此,H-张量的结构性质、判定准则以及迭代算法近年来广受专家学者的关注.由于偶数阶齐次多项式正定性在医学成像、非线性自制系统的稳定性分析、多元网络可行性分析等方面的广泛应用,所以对于如何判定一个偶阶齐次多项式是否正定显得越来越重要.由于H-张量与张量正定性具有一致性,因此可基于此解决多项式正定性的问题.本文在矩阵理论研究的基础上,对H-张量的判定进行了研究.首先,通过构造不同的正对角矩阵变换因子,并结合不等式的放缩技巧,给出了 H-张量的几个比较实用的判定准则,且在每一个判定准则之后都给出数值算例,表明了这些判定准则的合理性及有效性.其次,将一些迭代条件算法化,得到H-张量的迭代算法,并证明该算法在有限步内停止,通过数值试验,表明了H-张量的非参数迭代判别算法的有效性.最后,作为这些判断方法的重要应用,给出了判定偶数阶实对称张量正定性的判定准则,即高次偶次多元齐次多项式正定性问题的判定准则.同样也在每一个准则之后给出一些数值算例,说明了结果的优越性.

关键词： 精密电铸   光学薄膜   Cr纳米离散晶核   电化学沉积   脱模强度   表面改性  

摘要： 近年来,随着科学技术的不断进步,以智能电子设备柔性屏,高端反光材料等行业中所需的高端光学薄膜的需求愈加强烈。制备此类光学薄膜需要高精度的母模具,再通过电铸转印成工作模具,最后通过压印成型等工艺获得反光膜材料。由于母模具与电铸子模在脱模过程中的塑性变形而产生的误差是造成模具精度不高的主要原因。因此,研发具备调节电铸界面结合力的纳米涂层是获得高精度光学模具的有效手段。本文针对脱模过程中结合力过大导致模具精度降低的问题,制备了一种辅助脱模的Cr纳米离散晶核防粘层,并研究了防粘层在脱模中的作用。以电解Cu作为原始模具,使用电化学沉积的方式制备Cr纳米离散晶核,对Cr纳米离散晶核辅助精密电铸脱模进行了系统的实验研究,分析了Cr纳米离散晶核降低Cu/Ni界面结合力的主要机理;将电沉积Cr纳米离散晶核法与Zn纳米离散晶核、重铬酸钾法进行了实验对比与理论分析,试图寻找一种新的辅助精密电铸脱模的方法,并优化了制备工艺,主要工作为以下几个方面:（1）Cr纳米离散晶核辅助精密电铸脱模工艺研究:通过电化学工作站研究发现Cr离散纳米晶核的形核特性符合三维瞬时形核特性,实验发现电沉积Cr晶核密度越大,脱模强度越小,脱模后的电铸Ni层表面粗糙度越小。（2）Cr纳米离散晶核辅助精密电铸脱模机理研究:通过XRD测试分析可知,随着Cr晶核形核密度的增加,电铸Ni层的晶格常数和晶粒尺寸降低,导致Cu基底与电铸Ni层之间的晶格失配度增加;通过XPS图谱分析可知电沉积Cr离散晶核被氧化后形成CrO钝化物,CrO钝化物对Cu表面具有显著的改性作用;基于表面能理论对比分析了CrO钝化物对于Cu表面的改性情况,Cu-Cr表面比Cu表面更趋于疏水性。（3）Cr纳米离散晶核制备工艺优化:通过SEM、EDS以及XPS来对Cu、Cu-Zn和Cu-Cr表面进行测试分析,实验结果表明Cu-Cr表面的金属氧化物CrO含量占比（87.87%）明显大于Cu表面Cu O含量占比（4.77%）及Cu-Zn表面Zn O含量占比（6.02%）,且CrO钝化层对金属表面有着较强的改性作用,基于表面能理论计算得到多晶Cu、Cu-Cr和Cu-Zn的表面能大小依次为:多晶Cu>Cu-Zn>Cu-Cr;通过对比Cr离散晶核和重铬酸钾辅助脱模后Ni模具的表面粗糙度和Cu模具的使用次数,证实了Cr纳米离散晶核对重铬酸钾的可替代性;设计单指标正交实验并通过理论计算得到最优的工艺参数:电沉积电压为-1.5 V,主盐浓度为40 g·L,镀液pH值为3.0,温度为45℃,各因素影响大小排序为:过电位>pH>浓度>温度。

关键词： 张量填充   张量-张量积   临近交替极小化   变换域  

摘要： 张量填充问题被应用于机器学习、图像修复等领域,在过去几年内受到广泛关注。在许多张量应用中,张量数据集由于各种不可避免的情况受到损坏,变得不完整。张量低秩填充模型可以保留高维数据的内部结构,故在高光谱图像(HSIs)恢复、多光谱图像(MSIs)恢复和灰度视频恢复等领域广受青睐。本文研究了基于酉变换张量低多管秩分解的张量填充模型,并将其中正则项的1-范数改为一类非凸函数。具体研究内容如下:(1)本章提出了一种基于酉变换张量低多管秩分解的张量填充方法。低秩约束可以用来刻画数据的全局结构,张量多管秩(multi-tubal rank)可以有效利用图片及视频数据每个维度的信息。受多光谱图像中空间光谱平滑性特征的启发,在原有模型中加入了空间平滑正则项(TV),建立了UTCTFTV模型,并使用临近交替极小化(PAM)算法求解该模型,证明所提算法具有全局收敛性。多光谱图像仿真实验表明本章的UTCTFTV模型优于相比较的其它方法。(2)上章提出的UTCTFTV模型在仿真实验中取得了很好的恢复效果,但UTCTFTV模型中的正则项对于0-范数的逼近不够准确。因为非凸非光滑函数相较于1-范数可以更加近似的表示0-范数,所以我们将原模型中的1-范数正则项变为非凸非光滑函数正则项,提出了改进的MTRTC-NRTV模型。选用PAM算法求解所提模型,高光谱图像、多光谱图像和灰度视频等数值实验结果说明,MTRTC-NRTV模型可以取得更好的恢复效果。

关键词： 倾斜光纤布拉格光栅   深度学习   卷积神经网络   折射率解调  

摘要： 近年来，倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）作为一种具有独特模式耦合机制的光纤传感器，在多种传感应用中都有涉及;将其与表面等离子体共振技术相结合的TFBG-SPR传感器更是具有灵敏度高、响应速度快以及重复性好等优点，并在生物医学、环境监测、工业制造等领域有着广泛应用。折射率传感的检测结果本质上可以与待测物质的物理、化学以及生物特性相关联，折射率传感可以作为其他传感应用的基础验证。为了实现折射率的高效分析，传感光谱的准确解调是关键所在。由于透射谱本身的复杂性，很难建立一个精确的解析模型来描述光谱信号对待测量的依赖关系。本文通过利用深度学习方法对数据样本强大的特征学习能力，避免了传统解调方法中人工分析或数据拟合的非智能化处理，设计了一种基于卷积神经网络的光谱解调算法。论文主要工作有：　　1.搭建传感装置并构建用于网络训练的大量光谱样本数据;基于python语言以及TensorFlow深度学习框架设计了一种基于多层卷积神经网络的折射率解调算法，对TFBG以及TFBG-SPR的折射率传感光谱进行解调分析。网络模型中使用基本的卷积运算，包含卷积层、池化层以及全连接层;通过对大量训练样本进行迭代学习并调整模型参数，实现了折射率的准确预测。　　2.对于复杂光谱变化解调效果较差的问题，进行了算法优化工作。通过借鉴残差学习的思想，在加深网络层数的情况下引入跳层连接，避免了网络训练中梯度消失、梯度爆炸等问题的出现，最终提出一种优化后的残差卷积神经网络模型，对复杂光谱信息实现了高精度的折射率解调。该模型包括三大块：输入块、残差块以及输出块，拥有更复杂的网络结构以及更多的模型参数。对折射率的预测误差最低可达10-5量级。　　3.利用低成本、小型化的I-MON解调仪模块替代传统的光谱采集设备，其较低的波长分辨率减少了光谱数据的维度，节约了计算资源并提高了训练速度，通过解调算法的验证能够实现与高波长分辨率数据同等量级的解调精度。　　4.验证了不同训练样本对解调算法的影响，所设计的解调算法能够在少量的训练样本以及稀疏的折射率种类下保持良好的解调性能。　　5.针对于不同传感器光谱形状的差异，使用了迁移学习微调的模型优化策略，通过冻结网络的低级别权重参数，结合新传感器的光谱样本对高级别的特征进行再训练，所得到的解调算法能够同时解调不同的传感器光谱信号。另外对于实际传感测量中偏振态扰动的问题，验证了解调算法的抗干扰性以及鲁棒性。

关键词： 广义Sylvester矩阵方程   广义Sylvester张量方程   混合结构解   最佳逼近   Kronecker积   Einstein积  

摘要： 四元数和广义Sylvester矩阵方程在量子力学、计算机科学、矢量传感器信号处理、航天控制与模式识别等领域有着重要的应用.张量方程可用于模拟工程科学中的材料行为问题,也可用于连续介质力学研究.本文根据某些结构矩阵的特性,利用矩阵或张量的分解技术,研究广义Sylvester矩阵方程及张量方程的混合结构解.本文主要由5个章节组成,具体内容如下:第1章主要介绍矩阵方程及张量方程的研究背景及研究现状,提出本文的主要研究内容,并给出相关的基本概念和引理.第2章针对一类含有未知矩阵X,Y的复系统ΣAX B+ΣCY D=E,给出三对角-箭形同元双结构矩阵对的概念,并研究该系统的同元双结构解及其最优逼近问题.利用三对角矩阵和箭形矩阵的特征结构,构造其拉直向量的紧凑格式,并借助Kronecker积把原结构方程转化为无约束矩阵方程,从而得到原方程具有所提同元双结构解的充要条件及其通解表达式.同时在解集(X,Y)非空条件下,利用矩阵分块及范数性质,获得与预先给定的三对角矩阵M和箭形矩阵N有极小Frobenius范数的最佳逼近解.第3章讨论了四元数广义Sylvester矩阵方程AX-YB=C的一类M自共轭混合结构解,其中X为酉相似块对角M自共轭矩阵,Y为自共轭矩阵.主要根据所提结构矩阵的特点,将原方程转化为等价的无约束矩阵方程组,获得该方程组可解的充要条件及其通解的理论表达式,从而得到原方程的M自共轭混合结构解.特别地,导出矩阵方程AX=C的酉相似块对角M自共轭解的表达式.当M=0时,利用四元数矩阵对的CCD-Q分解,获得广义Sylvester矩阵方程满足||Y||=min的约束混合结构解集.第4章讨论了Einstein积意义下广义Sylvester张量方程(?)*X-Y*B=C的一种混合结构解,其中X,Y分别是未知Hermitian张量与Skew-Hermitian张量.利用四元数张量共轭转置的性质,将原结构方程转化为一个等价的无约束张量方程组,根据四元数张量的M-P广义逆,获得等价方程组可解的充要条件及其通解表达式,从而得到原方程的混合结构解.特别地,导出了张量方程(?)*X=与Y*B=-C分别具有Hermitian张量解与Skew-Hermitian张量解的条件及其解的表达式.第5章总结本文的主要研究工作,并提出一些后续的研究方向.

关键词： 遥感探测   浸没式中阶梯光栅   红外光谱仪   光学设计   杂散光分析  

摘要： 光谱仪是融合了光学技术、计算机科学技术、电子技术等于一体的基本光学仪器设备,是光谱分析的重要媒介。借助光谱仪我们可以对某些特定物质的成分、内部结构等特征进行测量和分析。随着光栅光谱仪在各个领域的迅速发展,光谱仪已经广泛应用于天文、国防、农业、生物等领域,并逐渐向高精度、便携、智能化方向发展。宽波段红外高分辨率光谱仪一直是空间和机载任务以及地基望远镜的挑战性课题。然而,由于传统光谱仪技术的能力有限,传统的傅里叶变换光谱仪具有极高的背景噪声,这限制了其观察微弱物体的灵敏度,并且体积、空间非常庞大,无法适应干涉仪臂的长扫描,无法满足高分辨率的要求。为实现远程物质中红外波段的探测研究的科学目的,本文进行了基于浸没式中阶梯光栅红外光谱仪技术的研究工作,对高色散衍射光栅与交叉色散光栅相结合的光谱仪进行了系统研究,主要研究内容如下:1.介绍了中阶梯光栅的背景和发展过程,综述了平面反射中阶梯光栅、浸没式光栅在高分辨率光谱仪中的优势及相关应用国内外研究现状,分析了平面反射式中阶梯光栅在红外波段应用局限性。2.根据设计参考指标和相关理论进行光谱仪光学系统设计。提出了基于离轴三反光学系统(TMA)的中红外高分辨率浸没式光谱仪(λ～3.3μm,R～30000);结合中阶梯光栅理论进行交叉色散光谱仪的设计。利用离轴三反光学系统无色差、大视场、紧凑性等优势,实现光谱仪的高分辨率、轻量化设计。3.提出了双光栅浸没式光谱仪。利用凹面光栅的聚焦和色散双重作用,简化系统结构;并且凹面光栅Wadsworth装置下,提高了系统光通量。通过光学设计软件Ansys Zemax将Czerny-Turner光谱仪与浸没式光栅结合。分析了成像性能与光学参数的关系,并在此基础上提出了该类型光谱仪的详细设计方法。同时对会聚系统进行了无热化设计;通过点列图,能量集中度等指标对系统进行光学评价。4.对浸没式光栅的分光技术进行研究,从红外材料的光学特性入手,分析影响浸没光栅材料的关键因素。同时对光栅的参数包括闪耀角、光栅常数、衍射面积等进行计算;分析讨论了材料内部吸收损耗、介质面菲涅尔损失;基于严格耦合波方法(RCWA),通过Rsoft软件Diffract MOD模块以及Gsolver光栅设计软件对浸没式光栅在中红外波段TE/TM反射特性以及场分布进行了分析。5.对光学系统进行杂散光分析,分析了浸没式光栅光谱仪杂散光的来源。结合光学设计软件Ansys Zemax以及杂散光分析软件Tracepro进行建模仿真,计算了系统外内杂散光抑制指标——点源透射比(PST)和有效发射率(Effective Emissivity),结果表明杂散光抑制能力满足使用要求。

关键词： 非线性结构   矩阵补全   张量   CUR分解   鲁棒恢复  

摘要： 科技的发展和数据采集的效率提升,使得数据的规模和复杂度不断增加。许多情况下,这些大规模数据都存在着能够保留大部分有效信息的低维子空间。具体到矩阵形式的数据,这种低维子空间对应于矩阵的“秩”性质,即矩阵的秩越低,其子空间的维度越低。当前许多数据处理模型都利用“低秩”性质对数据建模。对于非线性数据的恢复问题,最近的研究提出了二次张量化矩阵恢复算法,但存在着鲁棒性缺失和严重的计算效率低下的问题。论文针对上述问题进行深入的分析和讨论,提出多个非线性低秩矩阵恢复模型与优化算法,有效推动数据恢复的发展:(1)针对非线性结构矩阵恢复的鲁棒性问题,提出了基于LADMC的鲁棒SVT算法(LADMC-SVT)和基于LADMC的鲁棒Schatten-ALM算法(LADMC-Schatten-ALM)。低秩是线性数据的一个性质,非线性结构不具有低秩性质,基于低秩假设的方法无法有效处理高秩矩阵。通过利用张量化,将原始空间的非线性结构张量化到高维空间的线性结构,这样就可以用线性方法SVT和Schatten-ALM对线性结构进行数据恢复。(2)针对大规模数据的计算效率低的问题,尤其是非线性结构的数据映射到高维空间是指数级别增长,对大规模数据的计算效率有着很大的挑战性。“低秩”结构的计算通常涉及到计算消耗相对较大的奇异值分解问题,因此提出了基于CUR分解的低秩补全算法(LADMC-CUR)。LADMC-CUR通过添加CUR分解,进一步优化了LADMC模型,使大规模的数据恢复问题转化为小规模问题,在图像恢复的实验上验证了该算法的有效性。本文通过对低秩矩阵补全、非线性结构数据和CUR分解的研究,提出相关改进算法,对图像补全和推荐系统等实际应用有较大使用价值。