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关键词： 二维材料   高阶拓扑绝缘体   拓扑相变   磁光克尔和法拉第效应  

摘要： d维高阶拓扑绝缘体(higher-order topological insulator,HOTI)是一种体态绝缘但具有(d-2)维边界态的材料,其高阶拓扑性质通常受系统对称性保护。目前二维高阶拓扑绝缘体的检测还很困难,文章针对这个问题,研究二维HOTI中的磁光克尔和法拉第效应,探讨二维HOTI在光学测量中的表征行为。我们研究了具有面外磁化的二维高阶拓扑绝缘体(HOTI)中的极性磁光克尔和法拉第效应。我们发现,不依赖于电子轨道的塞曼项不破坏系统的高阶拓扑性质以及角态的存在,但是不能产生非零的霍尔光电导。依赖于电子轨道的塞曼项可能带来新的拓扑相变,产生陈绝缘体相。拓扑相变点对应于光电导的峰值或跃变点。在面外磁化的作用下,依赖于轨道的塞曼项会导致HOTI相中出现能带交叉,而对于平庸相则不存在。在弱磁化状态下,这些交叉导致HOTI相的克尔角和法拉第角(椭圆度)出现跳变(峰值)。在强磁化状态下,我们发现在HOTI相布里渊区的高对称点处形成了两条近似的平带。这些平带导致克尔角和法拉第角(椭圆度)出现两个连续的巨大跳跃(峰值)。这些现象为表征和检测二维HOTI相提供了新的可能性。

关键词： 自身免疫性脑炎   病毒性脑炎   扩散张量成像   基于区域的空间统计  

摘要： 【目的】探讨自身免疫性脑炎(autoimmune encephalitis,AE)与病毒性脑炎(Viral encephalitis,VE)患者脑白质微结构改变的差异及扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)技术对VE及AE的诊断价值。【方法】收集云南省第一人民医院确诊为AE和VE的患者和健康对照者(Healthy control,HC)进行液体衰减反转恢复序列(fluid attenuated inversion recovery,FLAIR)及DTI扫描。比较AE和VE患者在FLAIR上的差异。基于区域的空间统计方法,比较所有的脑炎患者与HC组的DTI参数差异;再分别比较AE组、VE组与HC三组组间DTI参数的差异,两组间比较采用双样本t检验,三组间比较采用方差分析,p<0.05为差异有统计学意义。将有差异区域DTI参数值与患者的临床特征进行相关性分析,用ROC曲线评估DTI参数对AE与VE的诊断及鉴别诊断效能。【结果】AE和VE患者在FLAIR上的影像学特征无统计学差异(p>0.05)。脑炎组双侧丘脑前辐射、皮质脊髓束等区域的MD、RD值较HC组减低,结果有统计学差异(p<0.05)。AE组、VE组、HC组三组间比较,发现:与AE相比,VE组的FA、AD值均显著降低;VE组丘脑前辐射、下额枕束等区域的FA、AD值低于AE组;与HC组相比AE组的FA、AD值显著升高,而VE组的FA及AD值显著降低;与HC组相比AE组及VE组的MD值及RD值均显著增高,差异有统计学意义(p<0.05)。脑炎组大钳、双侧丘脑前辐射及皮质脊髓束等区域的MD值与RD值与影像学评分、病程、改良m RS评分间存在相关关系(p<0.05)。VE组右侧下额枕束的AD值与病程呈与病程呈正相关关系(r=0.542,p=0.024)。右侧皮质脊髓束的FA值对AE及VE的鉴别诊断效能最佳,敏感度73.9%,特异度94.1%(AUC=0.898,p<0.001)。【结论】脑炎患者的脑白质微结构存在广泛的改变,且部分白质纤维束微结构的损伤与临床特征之间存在相关性。与AE患者相比,VE患者脑白质微结构损伤更显著且存在持续性损伤;与HC组相比亚急性早期AE患者的脑白质微结构可能存在代偿性重塑。DTI技术具有区分VE和AE的潜力。

关键词： 光纤Bragg光栅   重叠光谱   畸变光谱   粒子群优化算法   一维卷积神经网络  

摘要： 随着光纤传感技术的不断发展,由多种复用方式构成的光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感网络被广泛应用于大型工程结构健康检测、周界安防等需要多点监测的领域。然而,随着FBG传感网络传感器复用数目的增多、监测范围的扩大,光谱信号易出现重叠与畸变,这降低了FBG传感网的解调精度。为此,对FBG光谱解调技术的精准度提出了更高的要求。谱形复用技术的引入增加了FBG反射光谱重叠的概率,而当前常用解调方法在重叠光谱上的解调精度有限,故FBG重叠光谱难以实现精准解调的难题制约了FBG传感网的复用能力;此外,受器件性能与噪声等影响,FBG反射光谱会出现畸变,致使FBG传感网的检测精度下降。本文在此背景下,设计了相应的光谱解调方法,以提高FBG传感网的复用能力。本文的研究主要内容包括:第一,针对光谱重叠造成的码间串扰问题,本文首先通过综合考虑故障修复、光谱解调和带宽分配等功能模块,构建了一种具有带宽灵活分配功能的光谱智能解调系统。在此基础上,采用连续小波变换-粒子群优化(Continuous Wavelet Transformation-Particle Swarm Optimization,CWT-PSO)算法解调FBG重叠光谱,并根据光谱重叠程度对光谱信号进行分类及解调。CWT-PSO算法通过缩小粒子的搜索空间以提高解调速率和解调精度。结果分析表明,在解调具有部分重叠与完全重叠的8峰光谱信号时,粒子群算法、动态的粒子群优化算法与CWT-PSO算法的解调时间分别为5.4 s、3.9 s、1.5 s,CWT-PSO算法的解调速率更快。粒子群优化算法、动态的粒子群优化算法与CWT-PSO法在完全重叠光谱处的均方根误差分别为21 pm、3.4 pm、1 pm,CWT-PSO算法解调精度更高,且不易陷入局部最优。第二,针对传统高斯拟合算法受光谱类型影响严重的缺陷,本文首先基于一维卷积神经网络,设计了一种FBG畸变光谱分类算法以识别光谱的畸变类型。在此基础上,设计了自适应噪声完备集合经验模态分解-小波阈值去噪(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN-WTD)基线校正算法,消除信号中的高斯白噪声,并达到基线漂移校正的目的。仿真结果分析表明,基于一维卷积神经网络的畸变光谱分类算法的准确率基本达到了100%,损失值基本接近于0。CEEMDAN-WTD校正算法在基线斜率为1.3,分峰阈值为0.5时,信号存活率可提升66.7%。当基线斜率为0.25时,经验模态分解校正算法与CEEMDAN-WTD校正算法的平均解调精度分别为1.47 pm、0.37 pm,CEEMDAN-WTD校正算法的校正效果更好更稳定。

关键词： 非互易小型化   铌酸锂原子包层波导   频率转换探测   光学薄膜  

摘要： 铌酸锂波导具有插入损耗小、弯曲半径小的的特点,是将光学非互易器件小型化集成化的良好平台。小尺寸的铌酸锂波导产生的强倏逝场与波导表面的原子产生相互作用形成原子包层波导。利用多普勒效应,将热原子感知到倏逝场的不同频移与倏逝场—原子的相互作用结合,对不同端口的探测场产生不同响应从而实现光的非互易传输。基于此方案通过时域有限差分算法模拟了铌酸锂波导的传输损耗和耦合损耗,结果表明在780nm波段铌酸锂波导损耗较低。在实验中,搭建了铌酸锂波导耦合及观测平台,将780nm激光耦合进铌酸锂波导中并观测到了波导出射光斑图像;为了将热原子充覆到波导表面,设计并搭建了在光与原子相互作用真空平台,在内置的毛细管中测到了铷原子的吸收光谱,证实了真空充覆平台在微小结构中的热原子充覆能力。制备的片上波导原子气室通过了真空性测试,已解决了此方案的大部分难题。光与原子相互作用产生非互易的过程中,探测光场需要与原子共振,很难与现有的通讯波段兼容,将铌酸锂非互易器件拓展到通讯波段是未来重要的工作之一。在此过程中,低成本的波长转换探测技术将会被需要。因此,本文将上转换效应用到频率转换探测领域,制备了将通讯波段拓展到可见光波段的复合物光学薄膜。使用光学薄膜在波长转换成像光路中得到良好的成像效果,而且在不同环境下均表现出良好的稳定性。

关键词： 高光谱图像去噪   低秩先验   稀疏先验   光谱和空间梯度域   张量核范数   去条纹   张量子空间低秩表示   非局部自相似性  

摘要： 高光谱遥感是遥感技术的前沿领域,它通过结合成像技术和光谱技术来获取高光谱图像(Hyperspectral Image,HSI)数据。所获取的HSI数据具有波段数目多、高光谱分辨率和高冗余性等特点,能够提供十分丰富的地物特征,因此被广泛应用于环境监测、农业遥感、地质勘探、军事侦察等众多应用领域。然而,由于成像光谱仪在成像的过程中,容易受到自身设备和外界环境因素的影响,所获取的HSI通常会受到各种混合噪声的干扰(如高斯噪声、椒盐噪声、条纹和坏线等),不仅严重影响图像的质量,还对后续的处理与应用造成极大影响。作为改善高光谱图像质量的一种重要且有效的方案,高光谱图像去噪问题旨在从含有混合噪声的高光谱图像中恢复出干净的高光谱图像。因此,本文围绕高光谱图像去噪问题,对高光谱图像中混合噪声和条纹噪声的去除进行研究,利用高光谱图像的张量结构特性并联合空谱结构保持,在高光谱图像的张量表示建模基础上,重点研究高光谱图像潜在的张量低秩特性、稀疏噪声的稀疏特性、以及条纹噪声的低秩特性先验建模,提出了基于张量低秩与稀疏先验的高光谱图像去噪方法。本文的主要研究工作如下:(1)提出了一种基于空谱梯度域张量低秩先验的高光谱图像去噪方法。首先,研究HSI在光谱梯度域中的光谱梯度低秩特性,提出了基于加权核范数的光谱梯度低秩先验项。然后,研究HSI在空间梯度域中的空间梯度张量的空间模式低秩特性,提出了基于张量核范数的空间梯度张量低秩先验项。最后,联合稀疏噪声的张量稀疏先验项,提出了统一的基于空谱梯度域张量低秩先验的高光谱图像去噪模型,并设计了模型的优化求解算法。(2)提出了一种基于张量子空间非局部与全局低秩先验的高光谱图像去条纹与去噪方法。首先,利用张量核范数对HSI的光谱维张量低秩特性进行建模。其次,研究HSI的张量子空间低秩表示系数张量的非局部自相似性,并施加了非局部低秩先验项。然后,基于条纹噪声的特殊性,研究了条纹噪声的全局低秩特性建模,提出了基于核范数的条纹噪声全局低秩先验项。最后,联合稀疏噪声的张量稀疏先验项,提出了统一的基于张量子空间非局部与全局低秩先验的高光谱图像去条纹与去噪模型,并设计了模型的优化求解算法。通过在模拟和真实HSI数据集上进行了大量实验,并与一些主流的HSI去噪方法进行了比较。实验结果表明,所提出的方法在视觉和定量比较方面能够优于许多主流的方法,表现出更好的视觉去噪效果,以及相对更优的MPSNR、MSSIM和SAM结果。

关键词： 光栅光谱质量   畸变光谱特征   自适应识别   DFA算法  

摘要： 为了解决在线制备光纤光栅写入过程中出现的断栅、漏栅等质量问题,防止光纤光栅应用于隧道、电力、边防等领域时由于传感性能差而导致误监测的出现。本文围绕弱光栅阵列光谱存在的质量缺陷问题,从分析光纤光栅传感机理及关键技术出发,针对光栅光谱质量特征识别方法和光栅光谱质量评价这两个关键问题展开探索研究,从而实现大容量光栅阵列的质量检测。论文主要工作有以下几个方面:首先,本文在对国内外光栅光谱质量检测技术研究分析的基础上,为实现光栅光谱质量的检测,通过分析畸变光谱的特征及其成因,建立相应的畸变光谱模型。提出一种自适应SVM-DCAS/PS识别算法,对SVM识别算法进行优化,并选用不同核函数下的SVM识别算法进行训练,分析比较了四种核函数的识别结果,与其它三种核函数相比,使用Poly核函数时,光栅光谱质量的识别精度可达99%以上。然后采用DCAS/PS修正算法对畸变光谱进行修正处理,验证结果表明:该算法对畸变光谱具有良好的修正效果。其次,本文还完善了光栅光谱质量评价体系。本文从传统光栅光谱质量评价方法入手,使用均方根误差、回归线、统计量可绝系数对不同核函数下的自适应SVM-DCAS/PS识别算法的性能进行了对比分析,并且获得了较好的结果。最后,引用DFA算法对四种核函数进行了仿真验证,当使用Poly核函数的自适应SVM-DCAS/PS识别算法时,斜率最高可达到1.9701,性能最好。最后,本文设计并搭建了大容量弱光栅阵列光谱质量特征识别系统实验平台,用于验证本文所提出的光栅光谱质量特征识别方法的可行性。在0℃至120℃的测试温度区域内,使用自适应SVM-DCAS/PS识别算法对120℃时的光栅阵列的光谱质量进行识别与修正测试,并分析了光栅阵列的光谱特征随温度变化的趋势。测试结果表明:该方法对光栅阵列的光谱质量识别精度达到了99.6%以上,并且畸变光谱修正后的效果明显,拟合度均达到了99%以上。对于光栅阵列的光谱质量检测具有一定的应用参考价值。

关键词： 矩阵  

ISBN: (纸本)9787030750020

摘要： 本书内容包括两个部分：一般有限集合上的动态系统的建模与控制，主要介绍有限集 (包括有限环与有限格) 上的动态系统。跨维数欧氏空间的拓扑结构、等价性与商空间、跨维数动态系统及跨维半群系统的建模与控制。矩阵半张量积为这两类系统的研究提供了有效的工具，本书所需要的预备知识仅为工科大学本科的数学知识，包括线性代数、微积分、常微分方程、初等概率论，相关的线性系统理论及点集拓扑、抽象代数、微分几何等的初步概念在卷一附录中已给出。

关键词： 长周期微纳光纤光栅   折射率传感   Plateau-Rayleigh不稳定效应   光敏聚合物  

摘要： 传感器的性能取决于其信号载体及结构,经过几十年的发展,长周期光纤光栅(Long-Period Fiber Grating,LPFG)已经成为传感器的重要组成部分,具有体积小、制作工艺成熟、灵敏度高、无后向反射、以及损耗小等优点,在生活生产和科技发展等领域都展现出良好的应用前景。LPFG传感器的发展主要体现在高灵敏度、微型化和低成本等方面。虽然在LPFG的研究上已经完成了大量的工作,但设计不同结构和制作工艺的优异LPFG传感器件,仍是传感领域的重要研究目标之一。微加工技术和材料的发展为LPFG传感器设计提供了良好的基础和发展思路。使用三维微加工调节架操纵悬挂光敏聚合物的载体,将光敏聚合物以匀速轴向刷涂过光洁的微纳光纤锥腰区。根据Plateau-Rayleigh不稳定性效应,微纳光纤表面的液体薄膜会快速地自发分裂成一系列光敏聚合物点,形成包层扰动结构,获得一种基于光敏聚合物的微纳光纤LPFG。这种LPFG的光栅参数灵活性强,通过仿真实现光栅参数的优化。包层扰动结构属于强折射率调制结构,其光栅结构紧凑。利用微纳光纤的强倏逝场特性和包层调制结构的强耦合特性,制成的LPFG具有高折射率传感灵敏度。将LPFG与敏感材料相结合,完成湿度和温度的传感实验,该类型的传感器件应用广泛。通过模拟仿真,验证本文提出的LPFG的可行性,对比分析不同的栅格参数下,LPFG的透射谱输出和折射率传感结果,这些栅格参数包括微纳光纤直径、光栅周期、光敏聚合物点的高度和折射率等。研究Plateau-Rayleigh不稳定效应,在不同直径的微纳光纤表面完成基于光敏聚合物的刷涂实验。结合仿真优化的结果和刷涂对比实验的结果,制作LPFG样品,完成折射率传感实验,折射率灵敏度最大为10419 nm/RIU,并对其重复性、温度串扰和时间稳定性做相关实验和分析。将湿敏材料包覆在LPFG表面,监测其湿度传感响应;使用可固化温敏材料替换掉光敏聚合物,结合逐点点涂的制作工艺,制作样品并监测其温度传感响应。本文提出的LPFG具备高灵敏度、小尺寸、传感应用广泛、制作方法灵活性高、生产快等优点,在环境检测、生物化学研究、食品安全等领域都有应用和进步前景。

关键词： 光纤传感   光纤光栅   超声波探测   水听器   光纤抛磨  

摘要： 超声波作为信息传输的有效载体,被广泛应用于水下长距离信息传输。传统水声传感器(水听器)通过对收集到的超声波进行转换,可实现水下目标体位置信息的探测与识别。传统的压电陶瓷超声传感器检测效率低下、检测成本高。鉴于此,研究一种具有高灵敏度和稳定性的超声波传感器,可以为我国超声波探测技术和应用系统在国防、军事及民用工业领域中所遇到的问题提供新的解决方案,尤其是在海洋超声探测领域中有重大现实意义。本课题基于侧边抛磨光纤光栅(SPFBG)技术,设计了一种水下超声波探测传感器,主要工作如下。首先,介绍了超声波基本理论和光纤光栅传感机理,论证了SPFBG探测识别超声波的可行性。研究了超声波对SPFBG的作用影响并讨论了SPFBG关于横向、径向两种接收模式的差异性。其次,使用有限元仿真软件建立光纤光栅的单侧、双侧抛磨光学模型,探究了侧边抛磨深度与光纤光栅特性之间的关系。使用轮转式光纤抛磨机对光纤光栅进行加工,制备得到了D型和扇形两种结构的SPFBG,并对光纤光栅抛磨区域的平坦特性进行了验证。再次,设计了水下超声波探测传感系统实验方案及设备组成,优化了超声信号解调方案。搭建水温传感系统,对SPFBG的水温灵敏特性进行了探究以消除水温对传感结果的影响。最后,搭建了水下超声波探测传感实验系统,对制备的SPFBG与仿真结果进行对比探究,验证了传感单元的性能。从频率响应、幅度响应、探测方向等指标对原光纤光栅和SPFBG进行超声传感特性对比测试。研究及实验表明,本课题设计的水下超声波传感系统可以检测、还原超声信号,并且与原光纤光栅相比,SPFBG的水下超声波探测性能有着明显提升,为水下超声波探测器的发展提供了理论支持及实验依据。

关键词： 高维地震重建   交替最小二乘算法   张量字典学习   同时去噪  

摘要： 随着地震勘探复杂度和精细度的不断提高,以及两宽一高采集技术的普及,对地震数据的质量提出了更高的要求,但是在实际采集中会因为各种因素造成地震数据的缺失,因此有效的地震数据重建技术是预处理中重要的一步。稀疏变化在地震信号处理领域有很好的应用效果,字典学习不同于固定基函数的稀疏变化方法,能够根据数据训练出一套自适应的过完备字典。本文受启发于经典的K-SVD算法,结合张量的Tucker分解,将高维地震数据重建推广到张量空间下进行,能够充分利用高维数据的空间特征,提高重建的可信度。在稀疏表示方面,本文采用基于张量的正交匹配追踪算法(TOMP)求取稀疏系数张量,采用交替最小二乘算法(ALS)更新字典张量,通过对残差的最优求解不断进行迭代,训练出一套合适的字典张量和系数稀疏张量。由于地震数据具有良好的冗余性,可以根据观测数据的主要特征来预测缺失的数据,实现地震数据的重建。在三维地震数据和五维地震数据的数值模拟中,本文采用的张量字典学习算法(TDL)在缺失数据的恢复中取得了较好的重建效果,能够保持同相轴的连续性以及地震波的振幅值,同时也进行了不同缺失率下的重建对比,验证了高维重建算法在大规模缺失中的实用性。由于在实际地震数据的重建中,经常会掺杂有随机噪音的存在,本文也对同时插值和去噪的情况进行了研究,验证了TDL算法在重建的同时具有良好的抗噪性。根据实际地震数据的处理效果对比,表明本文提出的方法具有一定的应用前景。