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关键词： 表面增强拉曼光谱   表面等离子体共振   纳米颗粒   时域有限差分法   光栅  

摘要： 贵金属纳米颗粒的局域表面等离子共振(LSPR)特性对入射光场的场增强效应,使得表面增强拉曼光谱(SERS)成为一种分析和检测痕量物质的手段。SERS技术的核心是SERS基底,通常由金属纳米颗粒致密排列形成,通过纳米颗粒之间LSPR的耦合在间隙处形成增强拉曼信号的热点区域。这类基底存在热点区域狭窄,对拉曼信号增强的效果有限的缺点。考虑到金属光栅可以在其表面激发表面等离子共振(SPR),通过金属纳米颗粒和金属光栅的组合,实现LSPR-SPR耦合,从而在复合结构的表面广泛区域产生热点,提高SERS基底的整体增强效果。本文设计并制备了金纳米颗粒/金光栅(Au NPs/Au grating)、银纳米颗粒/金光栅(Ag NPs/Au grating)两种双共振耦合SERS基底,仿真结果和实验结果表明,双共振基底比纳米颗粒基底在检测分析物时具有更高的灵敏度。本文的主要研究内容如下:首先,为了确定组成双共振耦合结构的光栅和纳米颗粒的参数,通过时域有限差分法对金光栅(Au grating)的结构参数进行优化以及金、银纳米颗粒(Au NPs,Ag NPs)的电场增强进行了仿真。得到光栅的参数为:周期567 nm、栅脊高度30 nm、厚度20 nm、占空比0.47时,电场增强效果最好。考虑栅槽宽度有限和金、银颗粒的电场增强能力不同,分别选取粒径25 nm的金颗粒和50 nm的银颗粒与光栅组成两种双共振基底。对纳米颗粒/光栅复合结构的吸收特性和电场分布进行仿真,结果表明,LSPR与SPR之间的耦合能够极大地提高电场强度,强电场分布的区域也更加广泛。其次,根据仿真结果提供的几何参数制备光栅和金、银纳米颗粒。利用电子束曝光技术制备的金光栅,测得周期569 nm,栅脊高度33 nm和占空比约0.492。结构参数与仿真优化的参数基本一致。采用一步合成法制备的金颗粒,平均粒径25.1 nm;采用种子生长法,通过优化反应物用量,制备了平均粒径为50 nm银颗粒。此外,基于制备50 nm银颗粒的基础,制备了平均粒径85 nm的银颗粒,作为后续测试SERS增强基底性能的对照组。最后,以R6G为被测物,对双共振SERS基底和纳米颗粒基底进行SERS测试。在532 nm波长下,Au NPs/Au grating复合基底的检测限为10 mol/L,对应的金颗粒检测限为10 mol/L;Ag NPs/Au grating复合基底的检测限为10 mol/L,对应的银颗粒检测限为10 mol/L。在633 nm波长下,Au NPs/Au grating复合基底的检测限为10 mol/L,对应的金颗粒检测限为10 mol/L;Ag NPs/Au grating复合基底的检测限为10 mol/L,对应的银颗粒检测限为10 mol/L。以福美双为被测物,在785 nm激发波长下,Ag NPs/Au grating复合基底的检测限为10 mol/L,对应的银颗粒检测限为10 mol/L;可以看到,双共振耦合基底相比单共振基底,对被测物浓度的检测限提高了1～2个数量级。

关键词： 高光谱图像   盲解混   非负张量分解   低秩性   稀疏性  

摘要： 高光谱图像（HSIs）是由成像技术和光谱技术联合产生的三维图像数据。然而受传感器低空间分辨率和复杂地物特征分布等影响,高光谱图像中多存在着大量的混合像元,制约着其分析和利用。因此,高光谱图像解混技术应运而生,旨在确定混合像元中的纯物质（端元）及其所占的比例（丰度）。基于非负矩阵分解（NMF）的高光谱解混方法能同时获取端元和丰度,是典型的盲解混方法之一。然而NMF需将高光谱图像展开为二维矩阵,会破坏高光谱图像的空谱结构。基于非负张量分解的高光谱解混方法能无损地表示高光谱图像,但是它的目标函数是非凸的,导致其解空间不唯一且求解时间长。为改善上述问题,本文充分挖掘了丰度图的先验信息。在矩阵-向量非负张量分解（MV-NTF）的框架下引入加权核范数和L范数同时约束丰度图的低秩性和稀疏性,提出了一种新的张量解混模型。该模型使用加权核范数替代了MV-NTF中的低秩矩阵分解对丰度图进行低秩约束,无需预先估计丰度图的秩。此外,为更细致地刻画丰度图的特性,本模型还建立了一个自适应更新机制:在同时考虑丰度图的低秩和稀疏约束时,又根据每个丰度图实际表现的低秩和稀疏度差异,使用自适应参数区别地对待每个正则约束。进一步,本文设计了增广乘性迭代算法求解该模型。特别地,该算法利用了MV-NTF与NMF之间的等价关系,减少了张量运算的计算量。最后,将提出的解混方法分别在模拟数据实验和真实数据实验中进行了测试。实验结果表明,本文提出的方法较现有的几种同类高光谱盲解混方法在解混效果和求解速度方面均有明显提升。

关键词： 张量耦合   重子-重子相互作用   手征对称性   双重子态   散射相移  

摘要： 重子-重子相互作用和双重子奇特态的研究一直是中高能核物理领域的前沿热点.直到最近,实验发现ΔΔ双重子束缚态,其结合能很大,更激发了人们对相关研究的兴趣.量子色动力学(QCD)被认为是描述强相互作用的基本理论.手征和推广手征SU(3)夸克模型是具有QCD精神的模型,它们不仅理论上满足手征对称性的要求,也成功应用于统一描述重子基态结合能,氘核结合能,核子-核子散射以及核子-超子散射实验结果,而且其预言ΔΔ双重子态结合能的理论值与后来的实验结果完全一致,更加证明了该模型的合理性和有效性.本文在推广手征SU(3)夸克模型下,利用共振群方法,分别研究了张量耦合对核子-核子散射,核子-超子散射相移的影响,并利用相同的模型参数进一步研究了张量耦合对Σ*Δ系统的影响.结果表明:1)通过对NN散射各个分波进行动力学计算,发现张量耦合fchv/gchv对自旋单态1S0和1D2分波影响相对较大,对自旋三重态3PJ=0,1,2分波和3DJ=0,1,2分波也提供一定的吸引相互作用,使得散射相移增大.对F分波的影响可以忽略.2)张量耦合对NΣ系统提供吸引相互作用,使得各个分波散射相移增大,但只对低次分波影响相对明显,对高次分波情况可以忽略.3)张量耦合对NΛ系统的影响,使S波散射相移增大.由于NΣ道的耦合效应,在3S1和3D1分波78 MeV处形成cusp峰.对1P1分波,张量耦合提供较大排斥力,但是对3PJ=0,1,2分波提供吸引相互作用,对其它分波影响较小.4)张量耦合对Σ*Δ系统提供排斥相互作用,使得系统结合能减小,均方根半径增大.本文在推广手征SU(3)夸克模型下分别研究了张量耦合对重子-重子散射及双重子态的影响,弥补了以前计算的不足,得到了有意义的结果,为今后相关问题的研究提供了有价值的帮助信息.

关键词： 高光谱图像压缩成像   压缩感知   Tucker分解   深度学习  

摘要： 高光谱图像是由多个相邻波段的光谱图像组成的三维图像,其中蕴含丰富的空间和光谱信息,广泛应用于目标识别、物质检测等任务。然而,高光谱图像的大量数据会给存储和传输带来巨大的压力,因此如何在获取更少数据的情况下获取高质量的高光谱图像是一个重要问题。基于压缩感知理论的快照压缩光谱成像只需要获取少量的二维测量信息,通过重构算法即可获得高光谱图像,能够有效地降低采样时间和系统成本。然而,传统的压缩重构算法存在重构时间长、重构质量差等问题,严重限制了压缩光谱成像的应用。本文基于Tucker分解和深度先验充分利用图像结构信息,研究了一类高光谱图像压缩重构方法,主要工作如下:针对传统迭代优化算法在高光谱图像重构方面存在重构时间长和重构质量差及基于深度学习的算法对图像结构信息利用不充足的问题,提出了基于深度Tucker分解和空谱学习网络的高光谱图像压缩重构算法。该算法结合张量分解设计了一种Tucker分解模型以学习图像的低秩先验特征,并通过级联不同层次的特征来提高特征表达能力。同时,结合U-Net结构的空谱学习网络学习多尺度的空间相关性和光谱相关性,进一步提高图像的重构质量。实验结果表明,在仿真数据和真实数据上该算法在时间效率和重构质量方面表现优良,有助于光谱成像系统实现实时采集和重构。针对端对端神经网络可解释性差的问题,进一步结合传统迭代优化算法和Tucker分解模块提出了联合Tucker分解-光谱Transformer深度展开式网络的高光谱图像压缩重构算法,以实现更强的可解释性和高质量的图像重构。该算法将Tucker分解模块嵌入到Transformer中构建了联合Tucker-光谱Transformer模块,同时学习图像的低秩先验和全局光谱信息。使用该模块构建一个U-Net结构的网络,并作为迭代优化过程中求解的近似算子。通过将所有迭代优化阶段展开级联,形成一个端对端训练的神经网络完成重构。经实验证明,在高光谱图像压缩重构任务中,该算法在提高可解释性的同时保证了重构质量。

关键词： 光纤光栅   平衡反馈控制   高频解调系统   激光调谐  

摘要： 光纤光栅传感器是一种新型的光无源器件,突破了传统电子类传感器的应用场景限制,在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度、耐腐蚀性等方面具有独特的优势。目前,光纤光栅传感器已经在石油化工、电力系统、土木工程、生物化学及医学等领域得到了广泛应用。但是现有的解调系统还往往难以实现多点光纤光栅检测高频(尤其大于20k Hz)信号的稳定同步解调。因此,本文提出一种基于光纤光栅的平衡反馈型多路高频解调系统,在温度及应力变化的检测环境中,不断反馈补偿光源波长,以实现稳定解调。并通过实验验证该系统的传感解调稳定性与准确性。主要研究内容如下:(1)确定了整个传感解调系统的基本解调方法,对传感解调系统的传感光路进行设计,对系统所需硬件进行选型;构建软件系统的总体框架,基于Lab VIEW程序进行软件系统开发,对可调谐激光光源的输出波长控制与反馈、光开关多光路控制切换、高频声发射信号采集、检测信号的转换与显示上、下位机软件进行设计。(2)确定了由光电探测器数据转换、数据卡数据采集、上位机软件数据解调处理、反馈控制可调谐激光光源进行波长平衡匹配的整体控制流程。并进行光纤光栅波长位移与应力关系标定实验与光电探测器输出电压与应力关系标定实验,在两个实验数据基础上拟合出光电探测器电压与光纤光栅中心波长位移关系公式,将此公式补充进传感解调系统中。(3)进行温度变化与应力变化下的平衡反馈型光纤光栅多路高频解调系统软件功能验证实验,在恒温箱内温度升降和室温变化的情况下进行系统稳定性实验研究,记载温度变化时光纤光栅的中心波长位移量,对比解调系统软件控制激光调谐的波长变化,验证恒温箱内温度变化和室温变化时解调软件控制激光调谐前后的解调系统光电转化的电压幅值变化情况。在光纤光栅受静应力的情况下进行功能验证,记载应力变化时光纤光栅的中心波长位移量,对比解调系统软件控制激光调谐的波长变化,验证应力加载前后和解调软件控制激光调谐前后的光纤光栅信号检测的示波器信号电压幅值变化。根据测量的数据结果可知,系统软件能够反馈控制可调谐激光光源输出光匹配光纤光栅波长位移。实验证明,设计的平衡反馈型光纤光栅解调系统,可实现四通道信号的同步解调,理论解调频率高达250k Hz,该解调系统,在温度波动和静应力的干扰环境下,仍然工作在较优的线性工作区,保持较高的输出信号幅值。

关键词： 二维波动方程   交替方向隐式格式   高阶紧致格式   Richardson外推法   稳定性  

摘要： 关于求解二维波动方程数值解的差分格式的研究,本文主要考虑结合交替方向隐式(Alternation Direction Implicit,ADI)、显式与高精度的六阶、四阶紧致格式等构造高阶紧致差分格式。针对二维波动方程,对计算区域进行剖分,并简单介绍了提高空间和时间精度的高阶紧致差分格式,在此基础上,本文的主要研究内容如下:针对二维常系数波动方程,构造一种高精度紧致显式差分格式。首先,对时间项的离散利用中心差分格式,在空间方向上,利用六阶紧致格式逼近空间二阶导数,提出一种空间和时间精度分别为六阶和二阶的显式格式。其次利用Richardson外推法实现时间层的高阶近似,即将时间精度由二阶提高至四阶。然后利用Fourier级数法得到稳定性条件。最后,计算结果验证本文格式的精确性。针对二维常系数波动方程,构造一种高精度紧致ADI格式。首先,对空间项的逼近采用四阶紧致格式,对时间项的离散利用中心差分格式,进而建立一种空间四阶、时间二阶精度的紧致ADI格式,并通过Richardson外推法提高空间和时间精度,使其分别达到六阶和四阶精度。其次,通过Fourier级数法证明了格式的无条件稳定性。然后,利用多重网格法进行迭代求解进而提高计算效率。最后,与其它格式进行对比分析,验证本文格式的稳定性和高效性。针对二维变系数波动方程,建立两种高阶紧致ADI格式。首先将紧致格式和空间四阶、时间四阶精度的差分格式进行结合,构造一种时间和空间精度均为四阶的紧致ADI格式,并利用能量法分析该格式的稳定性。其次,时间精度保持不变,空间导数项利用六阶紧致格式进行离散,提出另外一种空间和时间精度分别为六阶和四阶的紧致ADI格式。然后,对系数做出了相应调整,即取计算区域内的最大值作为常系数,并利用Fourier方法进行稳定性分析。最后,数值结果验证了上述空间六阶精度的ADI格式的数值精确性和高效性。

关键词： 光纤布拉格光栅   压差式流量传感器   低启动流量测量  

摘要： 流量测量在石油生产测井领域中起着至关重要的作用。精确测量油气井下流体流量信息,对于井中安全监测,提高采收率等意义重大。近年来,随着石油产业的不断发展,以及人民群众对石油能源需求量的不断提高,石油生产已经逐步从常规化生产转向高含水油气、页岩气等复杂环境下生产。由于开采难度的提高,传统的流量检测方式由于其灵敏度低、耐高温高压能力弱等原因,逐渐无法满足人们的勘探需求。而光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感技术由于其具有灵敏度高、耐高温高压、抗电磁干扰且尺寸小等优点,逐步得到了广大科研人员的关注,成为了目前研究的重要方向。本论文提出的光纤光栅压差式流量传感器因其具有低启动、高灵敏的特点,适用于油气井中小流量的实时监测。本文基于压差式传感机理,结合光纤光栅传感基本理论,进行了一系列流量传感研究,主要内容包括传感器结构设计、仿真优化和实验测量等相关工作。具体内容包括:(1)对当前油气井下流量测量的常见方式进行分析,总结各电类流量传感器的组成结构、工作原理和优缺点,对比分析FBG流量传感器的优点,讨论各类FBG流量传感器的特点。根据油气井下流量测量面临的实际问题,提出本文的工作内容。(2)从理论层面上阐述了FBG压差式流量测量的传感机理,包括耦合模理论、Bragg条件、热光效应、弹光效应和热膨胀效应等。分析计算在流体域中流量与应变之间的关系,建立相关物理模型。(3)设计并研制了一种基于差压式传感机理的低启动光纤光栅流量传感器。分析了FBG及压差式传感机理,推导了其中心波长变化量与流量之间的关系。通过温度试验确定了可消除温度应变的交叉敏感,然后通过静压实验验证了理论部分的正确性,最后通过动压实验得到传感器的灵敏度。实验结果表明,封装后的传感器静压响应灵敏度分别为86.6925 nm/MPa和68.6286 nm/MPa;两根FBG的温度灵敏度分别为0.0298 nm/℃和0.0288 nm/℃。因此可以消除温度对流量测量的影响;该流量传感器灵敏度为0.00029 L/s。(4)提出了一种使用扁平固支梁进行流量转换单元的FBG流量测量方法。以提高灵敏度、降低传感器尺寸为设计思想,建立流量传感器模型,结合油气井下对于传感器的实际要求,优化传感器各项参数。首先通过温度试验确定了可消除温度应变的交叉敏感,然后通过动压实验得到传感器的灵敏度。实验结果表明,两根FBG的温度灵敏度几乎一致,分别为0.0279 nm/℃和0.0287 nm/℃。因此可以消除温度对流量测量的影响;该流量传感器灵敏度为0.00017 L/s。