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关键词： 脑机接口   运动想象   识别算法   高阶张量   稀疏优化  

摘要： 脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)是人大脑与计算机设备直接进行信息传递的一种人机交互方式,它不需要人肌肉的参与,让人机交互更加简单快捷。运动想象脑机接口仅需要依靠虚拟运动想象即可实现对设备的控制,被广泛应用于脑认知科学、医疗康复和生活娱乐等众多领域。然而,目前运动想象脑机接口的研究存在脑电信号诱发质量低,脑电信号特征提取时部分维度特征丢失以及特征选取困难等问题。本文针对以上问题,展开了如下工作:(1)提出了带反馈的虚拟运动想象脑电信号诱发任务。将日常生活中带反馈的控制任务抽象为移动弧形容器且保证弧形容器中的小球不掉落的任务模型,根据达朗伯原理和受力方程进行了数学建模,并通过编程实现了这种任务模型在计算机中的虚拟运行。这种带反馈的虚拟运动想象脑电信号诱发任务保证了受试者的专注性,脑电信号诱发质量更高。(2)提出了基于集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEM-D)构建脑电信号高阶张量,结合高阶的多线性主成分分析(Multilinear Principal Component Analysis,MPCA)方法对张量进行降维的特征提取方法,同时保留了脑电信号时域、频域和空间域三个维度的特征。利用带反馈的虚拟运动想象任务采集到的脑电信号数据,设计了对照实验。实验结果表明,基于集合经验模态分解的脑电信号高阶张量构建方法优于基于小波分解的方法,基于多线性主成分分析的三阶特征提取方法优于基于2D主成分分析的二阶特征提取方法。(3)提出了基于稀疏共空间模式和稀疏逻辑回归的脑电信号识别算法。这种算法对基于共空间模式和线性判别分析的脑电信号识别算法进行了两次稀疏优化,利用特征提取和特征分类时的两次稀疏,自适应的保留了合适的分类特征,实现了通道和特征的自适应选择。并与使用相同公开数据集的类似研究结果进行综合比较,验证了提出方法的有效性。本文建立了带反馈的虚拟运动想象脑电信号诱发范式,并从脑电信号高阶张量表达和脑电信号特征稀疏优化两个角度进行了研究,为脑机接口中的信号识别方法提供了参考。

关键词： 光纤布拉格光栅(FBG)   医疗仪器   桡动脉脉搏波形   3D脉搏图像  

摘要： 脉诊是中医四诊之一。桡动脉手腕脉搏被证明是有关人体心血管系统的丰富信息来源。本研究提出了一种新型脉冲采集系统的设计,该系统使用具有耐用且灵活的传输结构的光纤布拉格光栅(FBG)传感器3x3+1阵列,以实现更好的灵敏度并消除FBG之间的串扰。所提出的设备原型采用具有九个自由度的机械和电子硬件设计,以实现更准确的脉冲检测。该设备旨在模拟实际医生基于三指九象理论(TPNI)进行的脉搏,以同时检测三个不同位置(村、关、池)的脉搏,或仅在一个位置检测脉搏。一次。1.6cm2的3x3+1 FBG传感器阵列安装在三个机器人指尖上,以检测和创建所需位置的3D脉冲图像。MATLAB编码的图形用户界面(GUI)也用于管理数据和控制设备,以方便使用。所设计的FBG传感器实现了 2.5 pm/kPa的灵敏度,远优于3.04 pm/MPa的裸FBG灵敏度。3D机器人手指移动并在每个点上施加三个不同级别的压力(Fu、Zhong和Chen)。获取的3D脉搏图像提供了动脉脉搏的空间特性(宽度、长度和峰值)。MATLAB GUI读取记录的数据文件,生成所需的3D脉搏图像,管理患者数据,保存/删除数据,并计算心率、收缩压和舒张压等生命体征。

关键词： 光纤传感器   长周期光纤光栅   回音壁模式谐振腔   物理传感   生物传感  

摘要： 光纤传感器因其体积小、抗电磁干扰、能够在恶劣环境下工作等优点,在传感领域引起了广泛的兴趣。随着材料科学、纳米技术、微电子等前沿领域的突破以及经济社会发展的需求,一些传感器已成功商业化,并广泛用于复合材料、大型土木工程结构和定量化学过程等健康和安全监测。本文的主要工作是基于长周期光纤光栅(long period fiber grating,LPFG)及回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)微谐振器的传感实验研究,内容如下:一、提出并实验验证了一种新型的侧抛光LPFG传感器。侧抛光纤可以提供比传统光纤光栅更强的倏逝场,并带来优越的折射率灵敏度,比传统电弧放电法制备的LPFG高出数倍。在该传感器表面涂覆一层氧化石墨烯(graphene oxide,GO)纳米薄膜,实现了高灵敏度的相对湿度传感。此外,侧抛光打破了横截面光场分布的对称性,实现了弯曲矢量传感。所制备的传感器灵敏度高、材料成本低及性能稳定,具有良好的应用潜力。二、制备了基于多种高分子材料的WGM微瓶谐振腔,并进行了实验研究。通过锥形光纤激发WGM,并对所有聚合物微瓶腔的光谱特性进行了评价,如质量因子(Q)、自由光谱范围(Free spectral range,FSR)和偏振模式(TE和TM)。研究了温度和折射率传感特性以及Q值的变化,并首次介绍了紫外光强传感在聚合物微瓶腔中的新应用。采用浸渍法在微瓶腔上制备一层GO薄膜,通过高温退火技术,实现了低温串扰的高分辨率湿度传感。这些传感器结构简单,材料成本低,具有广阔的应用前景。三、提出了一种基于石英玻璃材料的WGM微瓶谐振腔,并实验证明了其用于人绒毛膜促性腺激素(human chorionic gonadotropin,h CG)的检测。采用电弧放电法制备了扁长型微瓶腔,通过光纤锥形波导耦合对光谱中的WGM进行了良好的模态定位和识别。利用β-h CG抗体功能化,可以在WGM微谐振腔表面形成紧密稳定的蛋白膜,从而实现对h CG的检测。h CG的检测极限(detection limit,Lo D)为2.14×10m IU/ml,是目前报道最好的。该生物免疫分析法具有成本低、制造简单、无标记和重复性好等优点。

关键词： 图像复原   稀疏特性   低秩近似   张量   核范数约束  

摘要： 21世纪是大数据时代,伴随着互联网流量的兴起以及多媒体应用的全面普及,图像/视频在人们日常生活中扮演者不可或缺的角色。然而人们在利用设备拍摄时受到的外界客观因素影响或人为操作失误等最终都反映为数字图像的失真,并影响图像后续的传输和处理过程。图像失真也就是图像退化,通常在视觉上表现为像素缺失、分辨率降低和模糊等不清晰现象。因此,利用退化图像进行恢复的图像复原技术,一直以来都是数字图像处理领域的研究热点。本文主要利用张量描述自然图像的低秩先验特性,并为建立的低秩正则化复原模型设计高效求解算法。具体研究内容分为以下两部分:第一,提出一种基于张量核范数最小化的图像复原方法。传统的单幅图像全局低秩和基于图像块级的低秩模型都难以保持图像中的相关性和潜在结构信息。针对此问题,本文利用自然图像在小波域下的稀疏特性,通过对小波系数组成的张量施加核范数约束建立最小化复原模型。四幅小波子带构成的张量同时刻画了图像在不同小波尺度间系数的稀疏特性,同一子带图像内由于具有相似结构采用核范数约束其低秩特性,对图像在小波尺度内系数的低秩性进行了统一表征。利用交替方向乘子法迭代求解本文所提模型中的变量,图像修补、图像去模糊和图像去噪三个应用验证了所提算法的有效性。第二,提出一种基于张量多重约束模型的彩色图像复原方法。传统基于矩阵的复原方法需要将数据样本转换为向量,这往往会破坏图像内固有的空间结构,导致复原结果不准确。针对此问题,本文采用张量对图像进行线性表示,有效保留了图像内在空间结构信息,避免了基于矩阵方法的降维缺陷。采用张量核范数和l范数的多重约束充分利用到图像内在的低秩特性。同时利用初始重构图像学习字典,增强了对图像线性表示的能力。实验结果证明提出的方法取得较目前主流算法相当甚至更好的性能。

关键词： 垂直腔面发射激光器   泰尔伯特位移光刻   光栅   偏振控制   可调谐  

摘要： 垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting lasers:VCSEL)问世于20世纪70年代后期,与边发射激光器(edge-emitting laser,EEL)相比,具有体积小、功耗低、光束质量好和易于集成等优点,被广泛应用于半导体激光器、光通信、和传感等领域。然而VCSEL因横向尺寸大且为圆形对称结构,导致输出激光的偏振态不稳定。因此,对其偏振态的稳定控制成为半导体激光器领域的研究热点。目前,解决VCSEL偏振不稳定的方法主要有:制备外腔反馈结构、半导体介质光栅和表面浮雕结构等。其中,最受青睐的是在VCSEL表面出光口制备周期性的光栅结构。该结构的制备通常采用电子束曝光技术、纳米压印技术、微接触光刻技术以及全息光刻技术。然而这些制备方法不但成本高且耗时多,很难实现批量化生产。因此,经济、省时、可靠的制备VCSEL表面介质光栅技术成为了该领域需要突破的关键技术。本文围绕VCSEL的偏振控制问题展开,首先运用泰尔伯特位移光刻曝光技术制备光栅,然后制备表面介质光栅VCSEL,并对表面光栅VCSEL进行光谱和偏振测试,得到VCSEL的偏振抑制比。论文主要创新工作如下:1.运用泰尔伯特位移光刻曝光技术在Ga As衬底上制作周期光栅,研究了工艺参数和抗反射层对光栅质量的影响。首先,利用二次光刻工艺和反应离子蚀刻工艺在Ga As衬底上制备圆孔阵列周期光栅。然后,通过电感耦合等离子体蚀刻设备制造均匀光栅。实验结果表明,该工艺流程可制备深度为20～150 nm的动态可调圆孔阵列周期光栅,当曝光剂量为30 m J cm,曝光光强度为2 m W cm,显影时间为1 min时,曝光出的周期光栅符合实验要求。2.采用Ga As衬底上制备圆孔阵列周期光栅的工艺,成功制备中心波长为894nm、周期为300 nm、占空比为0.5、刻蚀深度为60 nm的表面光栅VCSEL。同时,对制备的表面光栅VCSEL进行光谱测试,测得的偏振抑制比为14 d B。3.设计具有偏振选择特性的Ga As/AlO的HCG,并将其应用到VCSEL。创建三维HCG-VCSEL仿真模型,对HCG-VCSEL的模式、损耗、容差等特性进行分析。在此基础上,对AlGaAs材料的选择性湿法腐蚀进行实验研究,对实验结果进行了分析,并提出改进的实验方案。本文主要的研究成果为在Ga As衬底上制作周期光栅和在制备好的光栅上制备表面光栅VCSEL以及对可调谐HCG-VCSEL的研究。周期光栅的成功制备以及表面光栅VCSEL的测试表明泰尔伯特位移光刻曝光技术的在微纳器件加工中有着独特的优势,对VCSEL的应用以及发展有着重要的作用。对可调谐HCG-VCSEL的初期研究则为下一步制备该器件提供了重要依据。

关键词： 张量填充   张量-张量积   管核范数   t-SVD   张量火车(TT)分解   邻近交替极小化   交替方向乘子法  

摘要： 在大数据和人工智能时代,越来越多的决策需要基于大量的数据分析来做出,而进行数据分析往往需要收集大量的信息.这些信息通常具有复杂的结构(或多标签)和更高的维度.矩阵作为处理二维数据的方法,利用其处理高维数据时往往会忽略数据内部的联系.现有文献显示,基于张量的模型能更好挖掘数据的内部的结构信息.这使得张量在机器学习、模式识别、信号处理和数据挖掘等领域均有着广泛的应用.然而,受多种现实因素的影响,张量数据经常面临丢失和被噪声污染等问题.因此,如何利用不完整的数据来恢复或估计出原始数据是至关重要的.本文专注于研究张量填充方法的设计与应用,其主要内容由第三章和第四章组成.在低秩张量填充问题中,张量(矩阵)核范数广泛地被用于近似刻画张量(矩阵)填充问题中张量(矩阵)的低秩性.然而在求解基于核范数最小化的模型时,往往需要做奇异值分解(SVD),对于大规模矩阵而言其计算代价是极高昂的.因此在第三章中,基于一般可逆线性变换下张量-张量积(T-积)的定义,首先建立了目标张量的管核范数与其两个因子张量的F-范数平方之和最小值之间的等价关系;其次引入了一种沿模展开(在互联网、交通数据集恢复的文献中通常称其为“时空”)的正则项挖掘张量数据中隐藏的结构信息;最后,提出了一个利用交替方向乘子法求解所给出的张量优化模型的算法,并给出其收敛性分析和计算复杂性分析.值得注意的是,我们所提出的方法不需要进行任何SVD,并且该算法中的所有子问题都具有显式解.与一些现有的张量核范数最小化方法相比,我们所提出的算法对交通、彩色图像和视频等数据集的修复效果更佳.大量的数值实验显示所提出的免t-SVD模型不仅能获得满意的精度,且所需的计算时间也更短.在第四章中,提出了一个基于张量火车(TT)分解的张量填充模型.在此模型中,引入核张量稀疏约束与“时空”正则项分别刻画核张量的稀疏性和数据固有的块相似性.根据问题的结构特点,引入辅助变量将原模型等价转化成可分离形式,并采用邻近交替极小化(PAM)与交替方向乘子法(ADMM)相结合的方法求解所提出的模型.数值实验表明,正则项的引入提高了模型的稳定性和实际恢复效果,同时显示出所提出的方法优于其它比较方法.尤其是在图像采样率较低或出现结构性缺失时,该方法效果尤为显著.

关键词： 高功率窄线宽光纤激光器   非线性折射效应抑制   窄线宽相移长周期光纤光栅   级联  

摘要： 高功率窄线宽光纤激光器因为线宽窄、单色性好、相干长度短和光束质量高,在先进工业制造、国防科技、精密测量、光束合成等领域均有广泛的应用。但是,随着光纤激光器输出功率的提升,非线性效应中的非线性折射效应会导致高功率窄线宽光纤激光器线宽展宽。因此必须抑制非线性折射效应,才能使高功率窄线宽光纤激光器迈向更窄线宽。然而现有的使用相移长周期光纤光栅（PS-LPFG,Phase-Shifed Long Period Fiber Grating）抑制非线性折射效应的方法,由于其5nm的光栅通带线宽,已经无法抑制现有输出激光光谱线宽为2nm以下的高功率窄线宽光纤激光器中的非线性折射效应。针对这一问题,本文提出了一种利用将两线宽不同的PS-LPFG（PS-LPFG-Ⅰ和PS-LPFG-Ⅱ）级联,组成窄线宽相移长周期光纤光栅（NL-PS-LPFG,Narrow Linewidth Phase-Shifed Long Period Fiber Grating）来抑制光纤激光器中的非线性折射效应的方法。 PS-LPFG的通带线宽与光栅的周期数成反比,周期数越多,PS-LPFG的通带线宽越窄。若采用两耦合至同一阶次包层模的PS-LPFG级联,周期数的增加会导致整体光栅太长,难以制备。针对这一问题,本文提出了将纤芯模耦合至不同阶次包层模的设计方案。首先基于PS-LPFG的数学模型,仿真分析不同模式下的周期、折射率调制深度等因素的变化对PS-LPFG光谱线宽的影响,分别设计出将纤芯模耦合至LP、通带线宽2.08nm、光栅长度96.76mm的PS-LPFG-Ⅰ,与将纤芯模耦合至LP、通带线宽3.96nm、光栅长度100.73mm的PS-LPFG-Ⅱ。 为保证刻写时的精度与速度,本文设计并搭建了能够通过计算机控制线性位移平台进行自动刻写并实时监控光纤光栅光谱与成栅质量的紫外逐点光刻系统。并且基于该刻写系统,研究了在实际刻写过程中的三个主要工艺参数:周期、曝光时间、紫外激光器功率,对PS-LPFG-Ⅰ与PS-LPFG-Ⅱ透射谱的影响。最终通过级联形成一个中心波长1080.28nm、通带线宽1.88nm、整体线宽15.52nm的NL-PS-LPFG。 为了验证NL-PS-LPFG对光纤激光器中非线性折射效应的抑制效果,搭建了中心波长1080nm的振荡级光纤激光器系统作为该光纤光栅的测试系统,比较测试系统接入NL-PS-LPFG前后的激光输出光谱,结果表明,NL-PS-LPFG有效抑制了非线性折射效应,使振荡级光纤激光器输出光谱3d B线宽窄化18.8%,20d B线宽窄化29.5%。

关键词： 弥散张量成像   抑郁症   脑白质网络   拓扑属性  

摘要： 目的:基于弥散张量成像技术和图论的分析方法探讨首发未治疗抑郁症患者大脑白质网络全局和局部拓扑属性的可能性改变,进而从脑白质网络的角度来寻找首发未治疗抑郁症的影像学标志,进而深入探讨抑郁症发病的神经病理学机制。方法:本研究纳入了2020年01月至2021年04月在吉林大学白求恩第一医院心理卫生科及神经内科收集确诊为抑郁症的门诊患者30例,均为首次发病且未经过任何方式的治疗,病程均在2周以上。选择同一时间段年龄、性别和其他数据相符的正常受试者21例。所有患者的诊断均符合美国精神病协会《诊断与统计手册-精神障碍》DSM-V抑郁诊断标准。入组患者的汉密尔顿抑郁量表（HAMD）-17评分均大于等于14分。使用同一台PHILIPS 3.0T全身MRI机器对两组所有被试者进行T1结构像和弥散张量成像（DTI）的图像采集。首先,对全部被试者的DTI数据进行头动涡流校正、剥脑和空间配准等预处理;然后以先验解剖自动标定模板（AAL）将整个大脑分为90个脑区,基于PANDA软件,使用确定性纤维追踪的算法追踪全脑白质纤维,确定脑区之间纤维的存在与否,构建大脑白质网络的;最后使用基于MATLAB 2013b的Gretna软件对脑白质网络的拓扑属性指标进行计算。使用Shapiro-Wilk法检验两组一般临床资料和拓扑属性指标的正态性。首先用SPSS 25.0软件对一般临床资料进行组间比较。在控制年龄、性别等协变量的基础上,对全局、局部属性指标进行两组组间差异比较,当P＜0.05时,认为差异有统计学意义。对于节点属性指标,为了控制假阳性率,进行FDR多重比较校正。结果:（1）两组受试者在年龄、性别及受教育时间上均无明显统计学差异（P＞0.05）。（2）两组受试者的脑白质网络均存在小世界属性,抑郁症组的聚类系数（P=0.007）和网络局部效率（P=0.008）减低。（3）首发未治疗抑郁症患者在右侧眶部额下回（P=0.011）、左侧枕中回（P=0.002）节点聚类系数减低;右侧眶部额下回（P=0.012）节点局部效率减低。结论:（1）抑郁症组与健康对照组均存在小世界属性;右侧眶部额下回、左侧枕中回节点拓扑属性发生了改变。（2）抑郁症患者脑网络的全局和局部拓扑属性部分发生了改变,提示入组患者局部脑网络出现了异常,全局网络有所保留。（3）右侧眶部额下回和左侧枕中回可能与抑郁症的发生有关。

关键词： 红外图像去噪   张量鲁棒主成分分析   随机张量奇异值阈值算法   最小二乘   一维梯度域引导滤波  

摘要： 随着信息技术快速发展,人们对数据信息可视化及其应用需求不断提高。红外成像系统通过接收物体发出的红外辐射进行可视化,可以得到其它成像系统无法获取到的图像信息,具有重要研究意义。红外成像技术凭借其较强的环境适应性和抗干扰能力等优势,已在许多领域得到广泛应用。然而,红外信号在传输和转换过程中易受沟道势垒、电路故障及外部环境等因素干扰,导致输出红外图像中含有不同种类噪声,严重影响了红外图像质量,给图像信息提取和后续目标检测与跟踪等应用带来挑战。随着数字图像处理技术不断发展,国内外学者针对处理不同种类图像噪声进行了大量研究,但大部分已有图像去噪算法在应用于对比度低且分辨率差的红外图像中时会存在边缘模糊、细节丢失和计算复杂等问题,使去噪后图像质量仍难以满足实际应用需求。针对上述问题,以红外图像中常见的脉冲噪声和条纹噪声为研究对象,分别基于张量鲁棒主成分分析（Tensor Robust Principal Component Analysis algorithm,TRPCA）和最小二乘（Least Squares,LS）对红外图像去噪算法开展研究。通过与目前主流去噪算法的对比实验,验证了所提出算法的有效性。本文主要内容和贡献如下:（1）提出了一种基于张量鲁棒主成分分析的红外图像脉冲噪声去除算法。传统的TRPCA算法采用张量奇异值分解算法来求解模型中的张量核范数,这种求解方法会降低算法的工作效率。为克服该问题,本文提出一种随机张量奇异值阈值算法用于求解张量核范数,并进一步结合图像分块提高了算法的工作效率。此外,针对去噪后图像中的刮痕现象,通过结合截断全变分算法对图像进行后处理优化,降低了刮痕现象的影响,提高了去噪后图像的质量。（2）提出了一种基于最小二乘的红外图像条纹噪声去除算法。目前,已有去条纹算法大多使用平滑滤波算法直接处理含条纹的红外图像。此类方法易导致图像信息的丢失,并且随着噪声浓度增大,仅采用平滑滤波算法去噪难以完全去除噪声,图像中仍存在残留不均匀条纹。针对上述问题,提出一种基于最小二乘的去条纹算法。首先,采用嵌入双边滤波的最小二乘平滑算法对图像进行平滑处理,将原图像与平滑后的图像执行减法操作得到图像高频信息分量。然后,在传统梯度域引导滤波局部线性模型的基础上,提出一种一维列梯度域引导滤波,用于提取图像高频信息中的条纹噪声分量,使用局部列窗口代替传统的二维正方形搜索窗口,能够更准确、高效的提取图像中的垂直条纹噪声分量。最后,将含噪图像与提取的条纹噪声图像相减得到去噪后的图像。该条纹噪声去除算法处理真实噪声图像平均耗时0.1264秒,便于集成到硬件中并应用于红外成像系统实时处理。