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关键词： 拉曼光谱   体全息光栅   光谱仪   月表矿物探测  

摘要： 月球表面资源的科学探测和开发是国际新一轮探月的重点,拉曼光谱技术可以定性定量地分析物质的种类、结构及化学成分等信息,能够为研究月表矿物组成及其分布机制等提供科学依据,月球激光拉曼光谱仪（LLRS）也因此在月表物质探测中具有重大的应用潜力。光谱仪光学系统作为LLRS核心组成部分,是实现微弱拉曼信号探测以及高光谱分辨率的关键结构,体全息光栅相比于传统的刻线光栅具有较高的衍射效率,对拉曼弱信号的探测具有一定优势,因此本文针对于月表矿物的拉曼光谱探测设计了一种透射式体全息光栅光谱仪结构,并对其光谱特性进行研究,主要研究内容如下:1.基于体全息光栅的衍射理论讨论和计算了光栅厚度、折射率调制度及刻线密度对衍射效率的影响。分析了系统光谱分辨率的影响因素,为后续光学设计提供理论依据。2.根据月表矿物的拉曼特性分析了体全息光栅光谱仪的设计背景,在150～3000cm的光谱范围内提出10cm的光谱分辨率指标。基于系统分光原理计算了各结构参量,并利用光学设计软件对体全息光栅光谱仪进行光学设计和公差分析,结果表明光谱范围内全视场MTF均可达到0.4以上,光谱分辨率符合指标要求并且具有良好的可加工性,最后基于设计结果对光谱性能进行评估。3.对体全息光栅光谱仪的拉曼光谱进行了定标与校正,并从光谱信噪比、光谱分辨率及光谱准确度三方面对光谱质量进行优化和提升。首先讨论了噪声来源并提出提高信噪比的方法,接着分析并校正了光谱仪的谱线弯曲现象来提升系统光谱分辨率,最后对比研究了两种不同的定标方法并分别对定标结果的光谱准确度进行了讨论。4.在实验室搭建基于体相位全息光栅的月球激光拉曼光谱仪（VPHG-LLRS）全系统原理样机,并对光谱性能进行测试,选择模拟月表矿物样品进行拉曼探测,综合验证了系统具备月表矿物拉曼探测的能力。

关键词： 分数阶基尔霍夫型波动方程   退化   结构阻尼   强阻尼   适定性   全局吸引子   分形维数   Z2指数  

摘要： 本文研究了一类具有结构阻尼或强阻尼的退化分数阶基尔霍夫波动方程,全文分为五章:第一章主要介绍了基尔霍夫波动方程的物理背景和相关研究,并在此基础上提出了本文所要研究的问题.此外,本章还着重介绍了本文所使用的研究方法和主要结果;第二章主要介绍了本文所使用的相关数学符号和泛函分析及索伯列夫空间中的一些重要结论;第三章主要利用Faedo-Galerkin方法和能量方法研究了模型解的适定性,并在此基础上得到了模型解生成的一个动力系统;第四章主要通过分析该动力系统的耗散性和渐近光滑性得到了全局吸引子的存在性;第五章利用Z指数理论证明了全局吸引子的分形维数为无穷大.

关键词： 结构健康监测   海上钢管桩   弱反射布拉格光栅   应变   挠度  

摘要： 钢管桩基础在土木工程领域运用广泛,近年来常用于近海风机基础。海上钢管桩在打桩静载运行期内均会受到多方面因素影响,其受力与变形状态复杂且直接影响上部结构的施工与运行安全,因此海上钢管桩的质量监测是桩基工程中重要的监测内容之一。传统桩基内力监测方式以点式监测为主,不适用于海上钢管桩。随着光纤感测技术在工程领域的不断发展,为海上钢管桩基础的监测提供了新的监测手段。目前在海上钢管桩质量监测中应用较为广泛的准分布式光纤感测技术与全分布式光纤感测技术仍存在一定的局限。近年来,弱光栅光纤传感技术凭借其远距离、多测点、成本低、即时监测、铺设简便等优点,开始应用于实际工程中。本文基于弱光栅技术,以海上钢管桩的变形监测为研究内容,采用理论分析、室内试验及实际工程相结合的方法进行研究。首先通过应变系数确定、回弹试验、弹性模量试验、长期稳定性试验等方面进行弱光栅标定试验。其次通过室内钢梁弯曲变形试验研究弱光栅在钢梁上的应变和挠度的变化并进行对比分析验证弱光栅的准确性。最后将其应用到实际工程中通过静载荷试验来验证弱光栅的可行性,并对钢管桩的承载能力进行分析研究。本文所完成的主要工作和取得的主要成果包括:(1)阐述了课题的研究背景、传统桩基检测技术的研究现状以及桩基传感技术的现状,对弱反射布拉格光栅技术原理及设备进行介绍。(2)进行弱光栅感测光缆性能评估研究。对不同弱光栅感测光缆进行拉伸试验,结果表明当应变系数取845με/nm时,弱光栅感测光缆的相对误差均不超过5%。对于不同封装方式的弱光栅感测光缆进行回弹性能测试时,回弹量与实测值之间的相对误差逐渐减小至10%以内。对不同的弱光栅感测光缆进行弹性模量试验中发现光缆的弹性模量均不超过400N/mm远小于钢材的弹性模量,极易与钢结构变形协调。在长期稳定性试验中对弱光栅光缆进行11h的稳定性检测,其应变差值在±5με以内,有较好的稳定性。(3)通过室内模型试验,进行钢梁弯曲变形试验研究。设计钢梁变形试验,在梁上下翼缘对称布设两种不同封装方式的弱光栅感测光缆各两根以及一根分布式应变感测光缆进行对比分析。通过应变分析可得J型光缆的应变相对误差平均值为5.0%而K型光缆的应变相对误差平均值为8.6%,由此可得封装方式对应变监测结果影响不大。分别用共轭梁法、二次积分法计算构件的挠度值并与千分表进行对比,结果表明两种方式所计算得出的钢梁变形与实测值误差均能保持在10%以内,从而验证弱光栅应用于钢材变形的可行性。(4)弱光栅感测光缆海上钢管桩监测。进行大型钢管桩承载力研究,通过静载荷试验,观测弱光栅波长变化并进一步计算钢管桩桩身的内力变化。通过水平静载荷试验可知,桩深应变先随着桩深增加而增加至埋深25m后应变随桩深增加而减小直至埋深40m后桩身不再受水平推力影响并通过弱光栅计算挠度与位移计实测值对比可得两者平均误差仅为16mm,相对误差在5.8%。通过竖向静载荷试验可计算出在埋深40m处应变有明显变化这与实际钢管板厚的变化相符,桩端阻力与侧摩阻力的变化可得此桩为端承摩擦桩。并由此得出桩顶沉降量与桩身压缩量和桩端沉降量的实际变化情况。从实际工程中进一步验证弱光栅感测光缆在实际工程中的可行性。

关键词： 无线电地图   张量理论   张量鲁棒主成分分析   张量补全  

摘要： 无线通信技术的快速发展带动了物联网、车联网等各种新技术的兴起,大量智能用频设备的投入使用使得频谱资源短缺问题日趋严重,然而,由于目前频谱资源分配策略发展得不够完善,频谱资源的利用率十分低下。基于无线电地图辅助的无线网络资源管理系统能够实现频谱资源的精细化管理,为提高频谱资源的利用率提供了一种有效的途径。频谱数据具有时间、空间、频率、信号强度等多个维度的特征,而张量是一种高维数组,基于张量表征的无线电地图能够同时从多个维度描述频谱资源的使用状态,在改善频谱资源管理方面具有巨大的优势和潜力。真实的通信环境是复杂多变的,这就导致无线电地图在构建过程中会存在掺杂噪声或数据缺失的情况。针对上述问题,本文围绕基于张量模型下的高阶无线电地图的去噪和补全问题进行了研究。论文的主要内容和创新点如下:一、基于频谱数据和稀疏噪声的特点,本文将去除高阶无线电地图模型中的稀疏噪声问题建模为张量鲁棒主成分分析(Tensor Robust Principal Component Analysis,TRPCA)问题,并提出了一种基于改进的加权核范数最小化的TRPCA算法。通过对张量核范数进行加权以及提取张量奇异值分解(Tensor Singular Value Decomposition,t-SVD)中的核矩阵的低秩成分,避免了传统的TRPCA算法中对较大的奇异值惩罚力度过重的问题,同时解决了 t-SVD中对第三维度上的低秩结构未充分利用的问题。基于交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)对所提出的TRPCA模型进行了求解,并通过仿真证明了所提的TRPCA算法在去噪性能上的优越性;二、针对高阶无线电地图中的数据缺失问题,本文提出了一种基于张量的截断核范数之和最小化的补全算法,通过张量补全算法实现对无线电地图中的缺失数据的补全。本文将张量补全算法模型建模为最小化各个模n张量的截断核范数之和的形式,改善了现有的张量核范数最小化模型的补全性能,同时避免了因为三阶张量核范数的方向相关性而导致的补全性能下降的问题。最后推导了所提出的补全模型的求解过程,并利用ADMM框架进行迭代优化。仿真结果证明了所提出的补全算法的良好性能。

关键词： 重性抑郁障碍   失眠症状   弥散张量成像   TBSS  

摘要： 背景:重性抑郁障碍(Major depressive disorder,MDD)在全球范围内广泛流行,症状常常包括情绪低落、愉快感丧失、兴趣减退、体重反常增加或降低、精力下降等,严重者可能产生自杀倾向,位居精神类疾病前列。许多患者常常以躯体症状为主诉前来就诊。失眠症状是重性抑郁障碍患者较为常见的躯体症状,且常常作为首发症状出现,研究表明,大概92%的重性抑郁障碍患者存在睡眠障碍,其中85.2%的重性抑郁障碍患者存在着失眠问题,大多数患者表现为难以入睡、早醒、反复觉醒。既往研究表明,具有睡眠问题的重性抑郁障碍患者临床症状复杂、自杀意念增强、认知功能损伤加重。可见,重性抑郁障碍与失眠症状之间具有复杂的关系,但目前针对伴失眠症状的重性抑郁障碍发作机制的研究尚不充分,且现有研究的结论同质性较低。弥散张量成像(Diffusion tensor imaging,DTI)作为神经影像学的重要组成部分,已逐渐被应用于精神疾病神经病理学机制的探讨,因此可以采集研究伴失眠症状的重性抑郁障碍患者、不伴失眠症状的重性抑郁障碍患者及健康参与者的弥散张量成像,探究伴失眠症状的重性抑郁障碍神经影像学机制,进一步探究其白质纤维束结构的异常与临床特征之间的相关性。方法:依据纳入和排除标准,从大样本中筛选出一般人口学资料相匹配的首次发作且未接受过药物治疗的重性抑郁障碍患者60例,同时期健康参与者30例。同时使用匹兹堡睡眠质量指数量表(Pittsburgh sleep quality index,PSQI)和临床问诊评估60例患者的睡眠情况及失眠症状,根据测评结果将重性抑郁障碍患者分为伴失眠症状重性抑郁障碍组(30例)与不伴失眠症状重性抑郁障碍组(30例);使用24项汉密尔顿抑郁量表(Hamilton depression scale 24,HAMD-24)评估参与者的抑郁程度;使用贝克自杀意念量表中文版(Beck scale for suicide ideation-Chinese version,BSI-CV)评估参与者的自杀意念;基于重复性成套神经心理状态测试(Repeatable battery for the assessment of neuropsyehological status,RBANS)评估参与者的认知功能。所有参与者均接受DTI图像扫描,基于约翰?霍普金斯大学白质纤维束造影图谱(JHU whitematter tractography atlas),使用基于纤维束示踪的空间统计分析方法(Tractbased spatial statistics,TBSS),对DTI数据进行预处理、配准、分析,以各向异性分数(Fractional anisotropy,FA)为指标,得到全脑20条白质纤维束的结构完整性情况。对三组参与者的数据进行方差检验(F-test),得出具有显著差异的白质纤维束,继而进行事后检验,确定伴失眠症状重性抑郁障碍组患者的异常结构纤维束。最后将得到的异常纤维束FA值与临床量表评分进行相关性分析。结果:本研究发现,在全脑白质纤维束中,与健康对照组相比,伴失眠症状重性抑郁障碍组参与者的右侧皮质脊髓束(Corticospinal tract R,CST)FA值增加,右侧下额枕束(Inferior fronto-occipital fasciculus R,IFOF)、胼胝体辐射线额部(Forceps minor,FMi)、右侧丘脑前辐射(Anterior thalamic radiation R,ATR)FA值降低;与不伴失眠症状组相比,伴失眠症状组左侧下纵束(Inferior longitudinal fasciculus L,ILF)、左侧丘脑前辐射(Anterior thalamic radiation L,ATR)FA值降低,无FA值增加的脑区;白质纤维束结构的改变与患者临床特征显著相关,其中右侧皮质脊髓束与伴失眠症状患者的认知功能相关,左侧丘脑前辐射与伴失眠症状患者自杀意念相关。结论:伴失眠症状的重性抑郁障碍患者白质纤维束结构存在异常,主要包括右侧皮质脊髓束、右侧下额枕束、胼胝体辐射线额部、右侧丘脑前辐射、左侧下纵束、左侧丘脑前辐射,以上白质纤维束结构的改变可能与伴失眠症状的重性抑郁障碍的神经病理学机制相关,同时右侧皮质脊髓束的结构完整性与患者认知功能相关,左侧丘脑前辐射的结构完整性与患者的自杀意念相关,本研究从神经影像学角度为伴失眠症状重性抑郁障碍的成因提供了新的证据。

关键词： 亚波长光栅   深度学习   神经网络   正向模拟   逆向设计  

摘要： 亚波长光栅作为近些年来新兴的光学器件,受到研究人员的密切关注,其广泛的应用于滤光片,太阳能吸收薄膜,偏振片等多种光学功能器件。在进行亚波长光栅的结构设计时,往往需要通过设定的几何参数,求解麦克斯韦方程组,设定优化算法求解出最优解,消耗大量的时间和计算资源。因此如何快速并精确的进行亚波长光栅的设计,以满足现实需要,是光栅设计中亟待解决的问题。深度学习的方法开展亚波长光栅的设计,通过构建神经网络进行光学器件结构和功能的学习,实现逆向设计亚波长光栅,为光学领域的设计研究提供新的思路。文章的研究内容与结果如下:（1）构建亚波长光栅数据集:基于严格耦合波分析分析（RCWA）的Rsoft软件对亚波长光栅进行建模,参数设置,对其进行仿真,得到亚波长光栅结构参数以及光谱响应曲线,建立所需的数据集。其中一维亚波长光栅数据集46200组,其中80%作为网络的训练集,20%作为网络的测试集。二维亚波长光栅数据集46080组,其中80%作为网络的训练集,20%作为网络测试集。（2）确立光栅模型以及神经网络模型:基于传统的求解亚波长光栅模型的光谱响应理论,以及亚波长光栅物理结构,结合深度学习理论和神经网络框架;研究了不同结构的亚波长光栅其滤波特性,搭建了适合滤波特性的光栅和深度神经网络（DNN）。对于一维亚波长光栅网络包含输入层、隐藏层、以及四个隐藏层,隐藏层各层节点分别为（200,200,500,200）。二维亚波长光栅网络层隐藏层的各层节点分别为（128,512,512,128）。（3）实现对亚波长光栅的正向模拟以及逆向设计:通过深度学习光栅结构参数以及光谱响应之间的关系,优化了神经网络的结构参数,实现了正向模拟计算,其中一维亚波长光栅计算误差小于0.014,二维亚波长光栅计算误差小于0.023,并且传统方法所消耗的时间为该方法的817倍,该方法明显优于传统方法的计算时间;并且实现了光栅的逆向设计,输入所需的光栅光谱响应曲线,计算光栅的几何结构参数,响应时间为1.35s,和理论光谱的相关度大于0.65,属于强相关。（4）实验验证了一维和二维滤波光栅的正向模拟以及逆向设计:利用训练好的网络,将已发表文献所制作出来的光栅结构输入DNN,进行正向模拟,通过对DNN网络给出的光谱响应以及参考文献进行相关性,其相关性都大于0.5,属于强相关。对于逆向设计,分析分别设计了一维和二维亚波长光栅;通过输入目标光谱曲线,DNN网络能够给出正确的光栅结构,且其对应的光谱曲线和目标光谱曲线相关度大于0.6,属于强相关;本文基于光栅的结构以及特性,搭建深度神经网络（DNN）,获得该数据集的先验知识,学习光栅结构参数以及光谱响应之间的关系,最后通过预先设置好的测试集进行神经网络的性能测试,并通过已发表的参考文献进行神经网络的实验验证,当网络性能达到预期目标之后,只需输入光栅的几何结构参数,就可以在1.2s得出光栅的光谱响应曲线。更重要的,输入所需的光栅光谱响应曲线,能正确的得出光栅的几何结构参数。

关键词： CGS方法   光栅相对面内倾角   光栅相对面外倾角   误差分析   条纹倍增   高温超导薄膜应力   相位解调   相移技术  

摘要： 长期以来,对材料变形的高精度测量一直是实验力学领域不断追求并为之奋斗的目标。基于电阻应变片的电测法具有方便易行、高灵敏度和高测量精度,目前已成为工程测量中应用最广泛的测量方法。然而该方法最主要的问题是单点测量,不能实现全场测量。近些年发展迅速并已取得诸多应用成效的数字图像相关法(DIC)具有全场测量的优点,但是面临计算模型不统一、测量精度严重依赖于散斑的制备技术,导致其精度普遍不高的问题。基于相干光的干涉测量,兼具了全场和高精度(波长量级)的优点,但是对外界振动非常敏感,导致干涉测量仅限于实验室,严重限制了其工程应用。基于剪切干涉的相干梯度敏感法(简称:CGS)具有全场、外界振动不敏感、高测量精度及适用范围广的优点,已成功应用于高温和低温极端环境下材料的变形测量中,然而涉及该方法的关键测量误差分析一直没有得到有效解决。此外,对于高杨氏模量或极低温下的待测结构,由于变形相对较小,因此在视场内的有效条纹数目偏少(称为:稀疏条纹),造成解调条纹相位过程难度很大,且伴随较大的误差。传统上多通过添加光学部件或采用三角函数的倍角关系实现条纹的倍增,但是这些方法光路上不具有通用性,且从数学原理上看仅可实现有限次的整数倍增,因此实现任意倍数(含小数倍)的条纹倍增是干涉测量领域面临的一个难点。最后,在干涉条纹解调相位过程中,多采用传统四步相移的方式,这对测量过程的精确控制带来了很大挑战,如何实现简洁、高效且不降低测量精度的相移模式成为了另一个需要重点关注的课题。本博士学位论文以CGS为研究对象,围绕CGS核心部件光栅的倾角对其测量结果的影响进行了系统的理论分析和实验研究,在给出误差分析及修正方法的基础上,提出了一种基于CGS的稀疏条纹倍增和两步(角)相移方法,最后将这些技术与方法应用到高温超导薄膜应力的研究中,主要的研究工作如下:1.研究了 CGS系统中光栅存在面内相对倾斜角时CGS方法的测量误差,并实现了误差的修正。首先通过干涉光路分析,得到了当光栅存在面内相对倾斜角时相位φ和曲率Kxx、Kyy、Kxy的控制方程。对比标准CGS系统的测量结果后,发现光栅面内相对倾斜角会在相位φ和扭率分量Kxy的测量结果中引入较大误差。在此基础上,提出了误差修正公式。采用标准球面镜作为样品,验证了理论推导和误差矫正方法的正确性。结果表明,可将扭率分量Kxy的平均绝对误差值由修正前14.1%降至0.4%。2.研究了 CGS系统中光栅存在面外相对倾斜角时CGS方法的测量误差,并实现了误差的修正。同样的,首先通过干涉光路分析,得到了当光栅存在面外相对倾斜角时相位φ和曲率Kxx、Kyy、Kxy的控制方程。对比标准CGS系统的测量结果后,发现光栅面外相对倾斜角会在相位φ和曲率分量Kxx、Kyy的测量结果中引入误差,由此给出了误差修正公式。实验上利用标准球面镜作为样品,同样验证了理论推导和校正方法的正确性,结果表明可将曲率分量Kyy的平均绝对误差值由修正前17.2%降至2.4%。3.提出了基于CGS系统的条纹倍增新方法,可实现任意倍(含小数倍)的条纹倍增。在不额外引入其他光学部件的前提下,通过将CGS系统光栅G2面内偏转不同的角度,来达到条纹倍增的目的。结果表明,不仅可以方便、快捷的实现整数倍的条纹倍增,还可以实现小数倍的倍增效果,为后续的条纹求解提供了基础和保障。4.提出了基于CGS系统的两步(角)相移新技术,实现了简洁、快速、高精度的条纹相位解调。通过将CGS系统光栅G2面外偏转不同角度的方式引入角相移,得到了相位重构的控制方程,并通过实验对该理论进行了验证。该方法在保证计算精度的同时,还可直接进行相位方向的判定,且只需要两步相移,易操作,成本低。5.最后,将该方法应用到高温超导薄膜温度应力的研究中,建立了薄膜各个温度应力分量和曲率变化量之间关系的方程,研究了光栅面内倾角对高温超导薄膜温度应力分布测量结果的影响规律。

关键词： 张量深度卷积计算模型   差分隐私   安全多方计算   张量梯度下降   张量梯度裁剪  

摘要： 随着大数据时代的到来,大量的感知设备产生了海量的多源异构数据。为了更好地挖掘这些数据,深度计算被广泛运用于图片和视频处理领域。然而在数据带来便利的同时,也伴随着严重的隐私泄露风险。因此结合中心化差分隐私技术和张量深度卷积计算模型,提出了中心化差分隐私张量深度卷积计算模型。但是该模型尚存在一些问题。一是中心化差分隐私张量深度卷积计算模型只能保证输出模型的隐私性,但无法避免数据挖掘者对隐私数据的窥视。二是中心化差分隐私技术影响了张量深度卷积计算模型的准确度。针对上述两个问题,主要研究内容如下:针对中心化差分隐私张量深度卷积计算模型无法避免数据挖掘者对隐私数据窥视的问题,提出了两方中心化差分隐私张量深度卷积计算模型。该模型有机地结合了中心化差分隐私技术与安全多方计算技术。然后为了衡量该模型单次迭代中的梯度损失,提出了张量梯度损失评估约束函数。在此基础上,针对中心化差分隐私技术影响张量深度卷积计算模型准确度的问题,首先指出影响模型准确度的主要原因是梯度的方向偏差和添加噪音的相对大小。然后提出批量分析思想来更好地权衡模型的隐私与效用。最后提出了差分隐私动态批量变化算法和差分隐私大批量张量梯度近似同比例裁剪算法来提高模型准确度。具体地,在差分隐私动态批量变化算法中,预先设定了批量变化公式,它能够满足模型训练过程中对梯度精度的不同需求。在差分隐私大批量张量梯度近似同比例裁剪算法中,使用了新的梯度裁剪公式来修正方向和大的批量来缓解噪音干扰。针对上述模型和算法,在MNIST,Fashion MNIST和CIFAR10数据集上进行了实验验证。实验结果表明,与本地化模型相比,提出的模型在三个数据集上的准确度均提升3%以上。与现有的多种算法相比,提出的算法在相同隐私预算下的准确度均有不错的提升。

关键词： 光纤电流传感器   法拉第效应   温度补偿   静态偏置   神经网络  

摘要： 光纤电流传感器具有受电磁干扰小、绝缘性能好、故障响应快、动态范围广、体积小、重量轻等优点,在发电机的故障检测和保护、高压输电网络故障检测、风力或太阳能发电网络计量和监测等方面有重要的应用价值。但由于磁光晶体容易受环境温度的影响,限制了磁光式电流传感器在实际工程中的应用。因此对磁光式光纤电流传感器的温度补偿方法进行研究,提高传感器精度,对实现其广泛应用具有重要意义。本文对磁光式光纤电流传感器的温度补偿方法进行了研究,完成的主要工作如下:1.提出了一种基于静态偏置的温度补偿方法。通过在传感头两端添加一对磁环,引入一个静态偏置磁场,理论和实验结果表明,仅需测量总磁场和偏置磁场引起的法拉第旋转角,即可实现温度补偿。2.设计和搭建了实验系统,对温度补偿方法进行了实验研究。研究结果表明,在-20℃-60℃的温度范围内,相对误差由补偿前的±8.0%降到了±2.0%。进一步校正法拉第晶体的非线性响应后,相对误差进一步减小到±1.0%。3.对温度补偿智能算法进行了研究。采用BP神经网络算法,通过优化参数,在-20℃-60℃的温度范围内,可将传感器的相对误差减小到±0.5%。