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关键词： 天然气火焰   图像处理   张量分解   特征提取   平行因子分析  

摘要： 为了保障经济社会的持续健康发展,我国提出了一系列的政策去积极推动能源供给革命,大力的推进天然气在城镇燃气、工业燃料、燃气发电、交通运输等领域的大规模利用,加快对绿色低碳能源的转型。在燃气设备的使用过程中,燃烧状态稳定不仅能够保证设备的安全运行,同时也能提高燃烧的效率,降低污染物的排放。在分析燃烧过程时,不同阶段燃烧所产生的火焰是不同的,因此,可以拍摄燃烧的火焰图像,分析火焰图像的变化,以此来达到对燃烧状态的识别。目前,传统的火焰图像识别的算法通常是对火焰的特征进行提取,根据火焰的颜色空间提取火焰的图像的静态特征,对图像进行滤波,边缘检测等方法对火焰图像的动态特征进行提取征,以此来对燃烧过程中燃料的燃烧状态进行识别。但这些传统的火焰识别算法依然存在一些不足之处,例如使用颜色空间识别时识别精度受拍摄到的火焰图片的影响大,而动态特征提取时需要针对不同的图像找到合适的算法,面对图片数量多时模型受限大,且仅仅针对单一图片进行处理,不能够快速有效的对连续的图像序列进行识别。因此,为了对连续的火焰图像序列进行有效的识别,张量作为向量和矩阵的高维扩展,能够将数据以高维的形式展现出来。因此,根据火焰图像成像规则,本文对采集到的火焰图像序列从三个通道进行张量构建,在不破坏火焰图像数据结构的前提下,基于张量分解的平行因子分析方法从三个不同的维度分析,寻找火焰图像序列之间的区别与联系,以此来对整个燃烧过程进行识别。本文搭建了燃烧实验台,获取了不同工况下的天然气燃烧火焰图像,通过研究表明,相较于传统的火焰图像识别方法,基于张量的火焰图像平行因子分析识别方法可以对连续的火焰图像序列识别,该方法不需要前期的预处理,减少了对图像中信息的破坏,并且直接能够找到图像之间的区别与联系,更加准确的分析燃烧过程状态,并且获得了燃烧时不同空间、不同曝光时间、不同燃料量对火焰图像识别的影响。经过计算发现,本文基于张量的平行因子分析识别方法对燃烧过程中最佳空燃比的平均识别准确率达到99.581%,相较于传统的静态特征提取算法准确率平均提高了1.342%,相较于传统的动态特征提取算法准确率平均提高了0.588%,是一种更加有效的火焰图像识别方法。

关键词： 心理问题   打篮球   期末考试   亲子关系  

摘要： 作为身处一线的老班主任，今天和大家讲一个孩子的故事。这个故事，既有特殊性，更有普遍性。在落实双减政策和《家庭教育促进法》的背景下，更有现实意义。

关键词： 视频转码   一致性   流式计算   张量  

摘要： 随着视频的播放需求不断扩大,互联网上出现了各式各样的视频服务产品。视频转码(Video Transcoding)技术在这些产品中有着广泛的应用,它被用于解决原始视频与播放需求在码率、编码方式、封装格式等方面不符的矛盾。近年来高清晰度视频直播的流行,使得视频服务呈现出数据量大、时效性强的新特点,视频转码也经历了由批处理模式到分布式计算再到流式计算的发展。然而视频转码技术的发展引入了网络的不确定性,由此产生的不一致问题会让转码过程出现额外的画面失真。本文针对流式视频转码中的一致性优化技术进行研究,主要做了以下三个方面的工作:(1)针对流式视频转码过程中的不一致问题,提出了一种利用张量技术,从出错预防和错误恢复两方面同时入手的一致性优化算法。一方面通过Qt多线程的基本一致性机制和Paxos算法,尽可能减少转码过程中出现的不一致问题。另一方面通过基于张量补全的图像修复技术,降低未能避免的不一致问题带来的影响。实验结果表明,使用本文提出的方法可以使目标视频的三种典型一致性指标均有所提高,有效减少了使用流式计算模式在视频转码过程中产生的不一致问题。(2)针对在优化一致性时会降低可用性和分区容错性的问题,提出了一种基于CAP(Consistency-Availability-Partition tolerance,一致性-可用性-分区容错性)约束关系的综合优化技术。首先根据使用的最终一致性模型给出张量化视频副本的一致性度表达式,并推导一致性与可用性、分区容错性之间的约束关系。然后对流式视频转码系统中的不同参数进行分类,结合约束函数形成三目标优化问题。最后使用非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II,NSGA2),求解出系统资源的最优分配方案集合。实验结果表明,当系统参数在合理的范围内时,该算法可以正确描绘出三目标优化问题的Pareto最优前沿面。本文所提的方法对CAP问题进行了定量分析,不再局限于传统的定性分析,使得对视频转码进行一致性优化时能兼顾地考虑到可用性和分区容错性。(3)基于以上两种一致性优化技术,设计并实现了视频流转码原型系统。该系统采用模块化设计,用户可以调整设置应对不同的转码需求。此外系统还附带一致性指标计算及对比功能,方便维护人员评估一致性优化技术的效果。在测试中,系统能够完成对实录视频的转码及一致性优化,验证了本文所提方法的有效性和实际应用价值。

关键词： 光栅尺   误差补偿   变分模态分解   超分辨率重建  

摘要： 直线光学编码器（又称光栅尺）是一种基于光学原理进行精密测量的仪器，它可以将物体的位移转换为光信号，从而实现高精度的测量。由于其高精度、低成本以及稳定性好等优点，在高精度设备中具有广泛的应用，例如跟踪系统、机器人、高端数控机床和坐标测量机。这些高精度设备的性能很大程度上取决于光栅尺的测量精度。然而，光栅尺在测量过程中必然地会受到测量系统本身以及外界环境的干扰，例如温度变化、振动、尺身污染等，从而导致测量精度下降，进而限制了高精度设备的性能。因此，对光栅尺的测量误差进行分析和补偿是十分关键和必要的。　　已有研究和实验表明，测量误差可以表征为随机误差和系统误差的组合。通常，可以采用基于软件的误差补偿方法对系统误差进行补偿，而随机误差由于不可确定性而难以补偿。为此，以光栅尺测量误差为研究对象，提出了一种基于变分模态分解的光栅尺误差补偿方法以自适应地重建测量误差的系统误差。同时利用图像处理技术减弱测量误差对测量结果的影响，并且结合超分辨率重建技术实现光栅尺的超分辨测量。其主要贡献工作有以下两点：　　（1）根据光栅尺测量误差的多误差耦合的数据特性，提出了一种基于变分模态分解的误差补偿方法。该方法充分利用了变分模态分解的抗模态混叠、非递归和低计算成本的优点，以此来获取合理的带限本征模函数。为了提高变分模态分解的分解性能，提出了一种结合相关系数和变分能量熵的参数选取方案来确定变分模态分解的惩罚因子和子信号分解数目。此外，为进一步提高系统误差的重建性能，提出了一种由粗到精的自适应选取方案，基于排列熵的粗选方案加速了系统误差的重建，而基于贡献因子的精细选择方案用于自适应地选择最优的带限本征模函数，从而确保更好地重建出系统误差。　　（2）为了提高光栅尺的测量精度，采用了超分辨率重建技术，对受环境因素干扰的光栅尺码道图像进行了边缘精细化处理，增强了边缘识别的准确性。同时，提出了一种基于变分模态分解的边缘检测方法来消除环境因素的干扰，从而获得清晰准确的图像边界。然后，采用二阶导数方法提高边缘检测算法的鲁棒性，获得更加准确的边界位置。由于码道图像经过超分辨率重建，可以获得更加精细准确的测量结果，从而实现了光栅尺的亚像素级测量。　　经过实验验证，所提出的误差补偿方法可以有效地降低系统误差，优于现有的补偿方法，可以获得0.332μm的均方根误差和95%置信区间（?0.015，0.015）μm的良好补偿精度。而所提出的码道图像边缘检测方法可以更鲁棒地识别光栅线边界，能够有效地提高光栅尺测量精度。

关键词： 相位光栅   吸收光栅   各向异性湿法腐蚀   加压填充   填充率  

摘要： 中子成像技术因其强大的无损检测能力,可以实现对物体内部进行检测,被广泛地应用于工业、国防等众多领域。基于光栅的中子相衬成像技术利用中子的波动性和散射效应,可以对弱吸收物质实现较高的图像衬度,获得更多的样品信息,有非常广泛的应用前景。相位光栅和吸收光栅是相衬成像系统中的核心元件,光栅的制作质量会严重影响成像的效果。本文开展了中子相位光栅和吸收光栅的相关工艺研究。首先,基于单晶硅的各向异性湿法腐蚀工艺制备了相位光栅,同时利用湿法腐蚀制作出硅光栅结构并结合颗粒填充法制备了吸收光栅。通过对湿法腐蚀和颗粒填充工艺的优化,实现了光栅结构的精确控制,降低工艺难度的同时提高了光栅质量,使得制作的光栅可以满足成像系统的需求,为更高分辨率相衬成像系统制作出大高宽比、精细的光栅。本论文开展的主要工作如下:1.为了精确控制湿法腐蚀制作出的光栅结构,分析讨论了湿法腐蚀中影响光栅参数的相关因素。利用扇形条纹精确对准(111)晶面方向来控制对准角度,并通过实验测量出(110)晶面的腐蚀速率以及两晶面的腐蚀速率比,从而精确控制横向腐蚀宽度。研究分析了影响湿法腐蚀均匀性的相关因素,通过引入摇床工艺使腐蚀液浓度均匀,并向腐蚀液中加入无水乙醇来解决氢气泡的吸附影响,从而改善了腐蚀的均匀性。为了精确测量出硅光栅的高度,利用HMDS辅助PDMS脱模间接测量出硅光栅的高度。通过优化湿法腐蚀工艺成功制作出周期40μm、占空比1:1、高度37 μm的中子相位光栅,并为7.92 μm周期的相位光栅摸索出了相关工艺条件。2.研究讨论了颗粒填充法制作吸收光栅时存在的填充率不高的问题,引入加压填充法来提高光栅槽内的填充率。为了探究加压填充方法的可行性,利用COMSOL软件分析了加压过程中颗粒填充率的变化情况。模拟结果表明加压填充法可以有效地增加颗粒填充率,显著降低光栅的制作难度。分析讨论了影响填充率的相关因素,并通过仿真得到:施加的力越大,光栅槽宽越大,可实现的填充率越大。分析了影响吸收光栅均匀性的相关因素,并研究了不同填充率、不同占空比、不同光栅槽深的情况下槽内填充情况,结果表明加压填充方法其自适应性非常好,可以在大尺寸光栅里实现均匀填充。针对多次加压填充方法制作吸收光栅效率低的问题,进行了工艺探索,给出了相应的工艺优化方案。利用加压填充法成功制作出周期40 μm、占空比1:1、槽深70μm的吸收光栅,并为4μm周期的吸收光栅的研制提供了一个有效的解决方案。

关键词： 撞击定位   光纤布拉格光栅   敏感范围   阵列布置  

摘要： 航空航天器设备在飞行过程中常常会受到其它物体撞击,例如飞行碎片、冰雹、鸟类和弹击等,导致设备表面或内部出现损伤。如果可以及时定位撞击位置,在设备后期大面积检修时,可以极大提高检测效率。航空航天设备大部分是由铝合金材料制作而成的。光纤布拉格光栅(FBG)传感器因为易于组网、抗电磁干扰等优点被大量使用在航空航天设备的健康监测中。目前FBG传感器阵列粘贴于铝合金结构表面进行撞击监测正在被广泛使用,但大部分研究中未考虑到传感器的敏感特性和敏感范围,只是简单的将敏感范围视为正方形,随后利用正方形的紧密布置特性来完成传感器阵列的布置设计,造成传感器利用率低、定位结果不准确题等问题。因此,本文基于FBG传感原理,研究FBG传感器在撞击载荷作用下的应变传递特性,重点针对铝合金材料撞击定位问题展开深入研究,提出撞击定位中FBG传感阵列的布置优化方法。首先本文介绍了撞击定位中使用到的传感器以及这些传感器的研究现状,提出撞击定位的准确度和传感器的布置位置和数量有着很大的关系,对目前撞击定位中FBG传感器网络的布置进行总结。其次使用仿真软件进行钢球撞击铝合金板的过程仿真,以铝合金板背面正中心位置处10mm处代表FBG传感器的位置,记录该位置处的应变分布情况。分析FBG传感器应变传递特性,得出FBG传感器的敏感范围。依据此敏感范围提出四种FBG传感器阵列粘贴方案,撞击仿真模型中的样本点,记录传感器位置处的应变数据并对其进行小波包分解,提取各频段能量特征向量并建立样本库。取参考点附近不同距离的点作为测试点进行撞击,这些距离可以代替实际撞击过程中引入的误差影响,比较测试点与样本点之间的相似度,确定测试点定位位置,可以比较不同误差下四种布置方式的定位准确性。最后,进行钢球撞击铝合金板实验,对FBG传感器从不同距离和不同角度进行撞击实验,验证传感器的在各个方向上的应变传递特性和敏感范围。建立样本库,对撞击后的信号去除基频干扰,利用小波包分解技术以及小波包信号幅值能量特征提取方法进行相似度比较,对比四种粘贴方案定位结果的准确性,为后续其它材料的撞击定位研究奠定基础。

关键词： 高光谱图像解混   Tucker张量分解   低秩   自编码网络   深度奇异值分解  

摘要： 高光谱卫星遥感图像,是通过卫星搭载的成像光谱仪获得的包含多个波长范围图像的三维立方体。其包含了非常丰富的光谱信息,在许多领域中有非常重要的作用。但由于卫星遥感成像的局限性,多个地物的光谱在传播过程中会发生线性或非线性的混合,导致高光谱图像中的混合像元往往包含多种纯净地物的光谱信息,而高光谱图像中广泛存在混合像元。这对后续的应用造成了极大的阻碍。为了得到纯净的地物光谱及其组成比例,基于低秩矩阵的解混方法近年得到了广泛的研究与应用。然而,将高光谱遥感图像降维成二维矩阵会破坏相邻光谱波段间光谱的联系,无法充分利用高光谱图像相邻光谱相似性以及空间结构相关性;通常为了不损失这一部分的空谱信息,研究者们会增加多个正则项来保证解混的精度,而由于高光谱图像的单个数据量大,这一类的方法的运算效率通常较低,求解过程会比较复杂和繁琐。因此,为了提高解混的精度,得到更为准确的端元以及其对应的丰度,本文探索了张量以及自编码网络框架下的解混方法,进一步提升模型提取高光谱图像端元光谱以及丰度反演的性能。主要包括以下内容:(1)提出了一种基于L范数和Tucker张量分解的高光谱图像盲解混方法。该方法在处理过程中保持高光谱图像的三阶张量结构,通过Tucker张量分解来利用高光谱图像的低秩特性,以张量的形式实现对高光谱图像空间信息的利用。同时,在模型中添加L范数实现对高光谱图像稀疏性的利用。在实验中与当前在解混问题中表现优异的方法进行了对比,结果表明,本章方法无论是端元提取还是丰度反演,都优于其他对比方法。(2)提出了一种基于深度奇异值分解网络的高光谱图像解混方法。该方法以自编码网络为基础,在编码器中使用一维卷积代替全连接网络进行编码降维编码,以保持高光谱图像的三维立体结构充分利用高光谱图像的空间信息。此外,通过自编码网络结构模拟奇异值分解刻画高光谱图像的低秩结构,同时,在深度奇异值分解模块中通过自定义的阈值激活函数深度挖掘高光谱图像的稀疏特性。该方法中还在损失函数中引入了差分正则项以利用相邻光谱间的相关空间信息。通过添加不同信噪比噪声的模拟数据以及公开的真实数据,验证了方法的优越性。

关键词： 光栅标记对准   相位调制   相位提取   对准误差修正  

摘要： 光刻对准技术作为光刻机的关键核心技术之一,其性能水平直接影响光刻机的套刻精度指标。光刻对准系统的对准精度为光刻机套刻精度的1/5-1/3,目前主流光刻机的套刻精度指标已经达到了纳米量级,这对光刻对准系统的对准精度提出了更高的要求。ASML公司采用的光栅衍射光束干涉对准方法具有测量精度高、测量速度快以及工艺适应性强等优势,已成为了一种主流的对准技术方案。然而,现有的光刻对准系统主要存在杂散反射光束与测量光束干涉形成杂散干涉条纹信号难以有效抑制、多级次衍射光束的干涉对准信号难以有效分离与相位信息难以高精度提取以及测量光栅标记非对称形变导致的对准位置测量误差难以修正的问题。 针对上述问题,本文开展了“基于相位调制的光栅衍射干涉对准方法研究”,主要研究内容如下: (1)开展了基于光栅衍射光束干涉的对准方法研究。建立了光栅衍射光束干涉对准理论模型,并分析了系统的对准过程。阐明了利用相位调制技术抑制系统内部杂散反射光束的机理,并分析了不同相位调制参数对测量结果的影响。仿真结果表明:加入相位调制后,由杂散干涉条纹信号引起的测量光栅标记位移误差平均减小了86.47%。 (2)开展了多级次混叠对准信号分离与相位提取方法研究。设计了一种基于Prony模型的多级次混叠对准信号分离与相位提取方法,该方法通过构造多项式拟合函数来实现对多级次混叠对准信号的分离与相位信息提取。仿真结果表明:利用该方法对单一级次对准信号的相位提取精度优于±0.003°,对多级次混叠对准信号中各级次对准信号的相位提取精度优于±0.02°。 (3)开展了光栅标记非对称形变对准误差修正方法研究。建立了非对称形变光栅的衍射场理论模型,并分析了光栅标记非对称形变对系统的对准位置测量精度的影响。设计了一种基于多级次对准信号的对准误差修正方法,该方法根据不同级次对准信号对光栅标记非对称形变程度的差异性,以及各级次对准信号所包含的对准位置偏差测量信息,来修正由光栅标记非对称形变引入的对准位置测量误差。仿真结果表明:采用该方法进行修正后,由光栅标记非对称形变所引入的对准误差小于0.2 nm。 (4)开展了基于相位调制的对准系统设计及实验验证。该系统使用相位调制模块对激光光束进行射频相位调制,利用自参考干涉镜组模块实现多级次衍射光束的混叠,采用归一化对准信号探测模块实现多级次混叠对准信号的测量。实验结果表明:加入相位调制后,系统在4μm测量范围内单一位置重复测量的标准差由19.2 nm减小至13.5 nm,在10个不同标记位置处的对准位置偏差重复测量结果与压电陶瓷位移台的实时位置数据相比,其对比误差范围由±42.5 nm减小至±33.4nm。