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关键词： 有机发光二极管   时域有限差分法   光提取效率   光栅结构  

摘要： 有机发光二极管（OLED）具有环保、低功耗、宽色域、自发光特性,被广泛应用在显示和照明领域。目前,OLED的内量子效率几乎能达到100%,然而由于OLED多层结构的特点,各层介质间发生反射而形成波导模式,使一部分器件发出的光被束缚在器件内部,造成OLED外量子效率的降低。为了提高OLED的发光效率,进一步提高OLED的发光性能,运用一些光学手段来提高OLED光提取效率是行之有效的方法。在考虑偶极子光源取向和位置影响的前提下,利用时域有限差分法研究了具有不同光栅结构的单层和双层OLED的发光效率,并探索发光效率提高的机理,主要研究如下:首先,研究了单层平面结构OLED单色光的提取效率。对单层平面OLED的ITO层及有机层厚度进行优化,得到优化后单层平面结构提取效率是优化前的1.55倍,并揭示了有机层和ITO层的光学长度对电场分布和远场功率影响规律。其次,研究了绿光在具有光栅结构的单层OLED中的提取效率。分别在单层平面OLED的ITO层构建直角三角形光栅、等腰三角形光栅、等腰梯形光栅、矩形光栅以及半圆形光栅,计算各类光栅OLED的相对提取效率以及光栅的最佳结构参数。其中对OLED的提取效率提高效果最好的为占空比0.4、半径600 nm的半圆形光栅,光提取效率是优化后平面OLED的1.2倍,并通过几何光学的辅助分析探索了发光效率提高的原因。再次,研究了高折射率材料对提取效率的影响。以高折射率材料构建光栅结构,通过对光栅折射率和结构的优化,得到的最优结构为折射率为2.6、占空比0.5、半径840 nm的半圆形光栅结构OLED,其提取效率是优化后单层平面OLED的1.47倍。在单层OLED的玻璃衬底层构建了一层半圆玻璃光栅,当玻璃光栅的占空比为0.4、半径为880 nm时,相比无玻璃光栅的OLED光提取效率提高了1.1倍。最后,研究了三原色光在双层OLED中的提取效率。对480 nm、550nm、680 nm的入射光,分别计算其最佳的双层OLED结构,以CIE色谱图评价其照明特性,其中半圆结构OLED能够发出纯净的白光,最适合于照明。本研究对OLED的结构设计有一定的理论意义。

关键词： 光学薄膜   三级公自转行星系统   相对膜厚分布模型   弯月透镜   膜厚均匀性  

摘要： 三级公自转行星系统是仿照天体行星运动所研发出的一种夹具运动机构。运用在薄膜物理气相沉积系统中,可以有效的提高平面、球面、非球面、以及弯月透镜等各种复杂样片表面膜厚均匀性和膜层的质量。本文理论分析了点、面蒸发源的余弦发射特性,推导了旋转球面系统、二级公自转行星系统、三级公自转行星系统中的膜厚均匀性计算公式,其中对三级公自转行星系统中弯月透镜表面膜厚均匀性进行了主要研究。构建三级公自转行星盘运动轨迹方程,并根据膜厚计算公式,使用开发软件Visual Studio研发了一款相对膜厚分布模型,利用软件可仿真出弯月透镜表面相对膜厚与三级盘倾角、三级盘高度、公转半径、蒸发源位置等条件之间的关系。采用电子束蒸发和离子束辅助沉积技术对分布模型进行了实验验证。此外,根据多次实验结果优化三级公自转行星系统结构参数,以提高弯月透镜表面的膜厚均匀性。实验结果表明,在未使用修正挡板技术的情况下,当公转半径为650mm、倾角为60°时,可将弯月透镜凸面表面膜厚不均匀性控制在±2.45%以内;在公转半径为740mm、倾角为65°时,将弯月透镜凹面表面的膜厚不均匀性控制在±0.73%以内,与仿真结果相吻合,验证仿真程序的正确性。利用相对膜厚分布模型在三级公自转行星系统中,对不同尺寸的弯月透镜表面膜厚分布进行仿真计算,结果表明对半张角大小为90°、曲率半径为10mm弯月透镜凸面而言,在张角范围为(-19°～+19°)之间时,可将膜厚不均匀性控制在±2.0%以内。对半张角大小为90°、曲率半径为2.5mm弯月透镜凹面而言,在张角范围为(-63°～+63°)之间时,可将膜厚不均匀性控制在±1.0%以内。对各种尺寸弯月透镜表面膜层的镀制有一定的指导意义。

关键词： 众包   强化学习   深度学习   社交网络   张量表征  

摘要： 随着新兴互联网商业模式的蓬勃发展,众包通过利用集体智慧已经成为一种解决大规模、复杂问题的高效、分布式范式,其中人员选择和用户激励是众包系统中最受关注的两个问题。但是,传统的人员决策和激励机制存在以下不足之处:第一,没有充分考虑用户间复杂的关联关系;第二,决策过程只注重短期利益;第三,缺乏对复杂任务的良好建模,因此很难满足日益复杂的众包任务需求。鉴于上述情况,结合强化学习考虑长期回报的特性以及张量强大的数据表征能力,设计了基于张量强化学习的社交众包团队推荐及激励机制。针对复杂任务中的人员选择问题,考虑在社交网络中进行众包团队推荐,使用强化学习提供智能化的人员决策方案。为了能够更好保持状态元素之间的关联关系,提高数据利用率,使用张量对复杂任务环境进行建模,提出基于张量Q学习的人员决策算法。为加快张量Q学习的收敛速度,深度挖掘数据潜在信息,将张量分解与张量Q学习相结合,提出基于Canonical Polyadic(CP)分解的张量Q学习人员决策算法。基于两个数据集的实验结果表明,与传统强化学习算法相比,基于CP分解的张量Q学习所需收敛时间减少了6.7%,模型收敛后选出团队的利用率提高了22.1%。为提高选出人员参与任务的积极性,针对用户激励问题,将强化学习中的深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)模型从向量空间扩展到张量空间,提出基于张量DDPG模型的用户激励机制。实验结果表明,基于张量DDPG模型的激励机制通过加强对过去经验的学习,能够为用户制定更为合理的平台定价,最终使得平台的效用函数值相较于对比算法提高了21.2%。

关键词： 光悬浮纳米粒子   旋转   散射光干涉  

摘要： 近年来，真空中光悬浮微纳米粒子引起了广泛关注，成为了精密测量和基础物理研究不可或缺的平台。光学悬浮颗粒处于自由空间，可以实现与热环境以及基片引起的退相干。并且由于高Q因子，而使其对周围环境的变化非常敏感，成为超精密测量高频引力波、短程力的理想候选者。最近已经实现了被捕获纳米粒子的质心运动的量子基态冷却，这可用于检验宏观量子叠加和退相干理论。此外，光场角动量的转移导致各向异性粒子以非常高的速度旋转，可用于超灵敏扭矩测量。　　首先，本论文简要讨论了微纳米粒子捕获的历史，详细分析了光悬浮粒子捕获的实验原理，主要阐述三种不同的方法来计算与粒子直径(d)和激光波长(λ)相关的纳米/微球上的光场作用力。如果d?λ,则可以使用几何光学方法;如果(d?λ),那么瑞利散射会更合适;最后，讨论d≈λ时,需要应用Mie散射方法。由高数值孔径强聚焦的激光束在焦点区域产生稳定的三维势阱，使粒子囚禁在势阱中，而对于光俘获粒子的运动，可利用朗之万方程和涨落耗散定理，研究了粒子的运动，以及阻尼率与压力的关系，并进一步讨论了的质心运动冷却的实现方法。　　其次，描述了光学悬浮纳米粒子系统的基本结构与实验方法。实验上，我们利用1064nm激光进行捕获，同时探测捕获光束与散射光，来检测纳米粒子的质心运动、扭转和旋转信号。为此，设计了一个套的真空系统，包括：真空室、真空阀、真空管、电极、真空计和真空泵。考虑到高真空环境下捕获的稳定性，我们选择球形二氧化硅纳米颗粒作为研究对象。针对光悬浮系统中粒子质心运动信号微弱的特点，采用平衡探测方法对粒子在轴向和径向的运动信号进行检测。以x方向为例对数据记录和分析进行了概述。　　然后，实验研究了在不施加反馈冷却的情况下，采用竖直光路设计和利用高数值孔径物镜对单个纳米粒子的捕获。当捕获激光为线偏振时，我们测量了粒子质心运动，并测量粒子的扭转运动。通过将捕获光的线偏振改变为圆偏振，我们用利高速光纤探测器检测到纳米粒子的高速旋转频率（4.9GHz），高速机械转子可用于极端情况下材料特性检测与真空摩擦的相关研究。　　最后，我们利用散射成像研究了在单个势阱中光学悬浮的两个二氧化硅纳米粒子散射光的干涉，真空悬浮提供了一个无粒子-基片相互作用的环境。实验中，我们使用两束指向有微小差别的1064nm激光束捕获两个纳米粒子。其中一束1064nm激光由马达驱动的反射镜精确控制，使两势阱重叠，然后将两个粒子囚禁在单个势阱中。另一束线偏振532nm激光垂直于捕获激光束的方向照射两个纳米粒子，两个纳米粒子的散射光由同一物镜收集，在CCD上成像。通过旋转捕获光束偏振和照明光束偏振，在像空间和傅立叶空间（k空间）中测量散射光的干涉。该系统可用于悬浮粒子动力学特性、散射各向异性、近场光学以及成像领域的相关研究。

关键词： 光纤传感   光纤光栅   现场可编辑门阵列   振动检测  

摘要： 振动作为设备和基础设施在使用过程中产生的关键参量,是对工程系统进行故障诊断和科学管理的重要检测内容,其特征信息反映了设备运行情况和工程结构健康状态。光纤布拉格光栅传感技术是当前一种较为新颖的环境参量传感技术,其根据布拉格光栅中心波长对温度及应变敏感的特性,提取中心波长漂移量进行应变参量的动态转换,从而实现以光信号作为传感媒介进行振动参量的测量,具有抗电磁波干扰能力强、耐腐蚀性高、输出距离远等优势。而振动参量的动态测量对光纤光栅传感系统的信号解调速率要求较高,所需处理的数据量庞大,一定程度上限制了光纤光栅传感技术的进一步发展。由此,本文提出了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的光纤光栅振动传感系统,针对光纤光栅双通路信号解调,设计了一种具备数据并行与流水线处理特性的FPGA逻辑架构,提高光纤光栅振动传感系统的数据吞吐速率和处理速度,实现振动信息的实时解调。本文基于光纤光栅传感技术理论对现有解调方案进行对比分析,确定了基于扫描激光器的光纤光栅高速解调方案,根据方案需求设计了基于FPGA的光纤光栅双通道高速信号解调系统,设计了基于Qt框架的光纤光栅振动传感系统上位机软件,搭建了实验平台并完成了双通道多传感器解调的光纤光栅振动传感系统工程样机研制。本文工作内容主要为以下几个方面:(1)基于耦合模式理论,本文研究了光纤光栅的基本原理,主要包括:光纤光栅传感模型、温度对光纤光栅振动传感的影响、光纤光栅振动传感的应变特性、光纤光栅振动传感模型;研究了当前应用较为广泛的解调方案,包括:光谱仪检测法、匹配光栅检测法、非平衡马赫-曾德尔干涉检测法、扫描激光器检测法和可调谐法布里-珀罗滤波器法;通过对比分析各方案的优势与不足,选择了基于扫描激光器的高速解调方案,确定了光纤光栅高速解调方案的系统组成和其中的关键光路器件。(2)分析了光纤光栅高速解调方案的数据特征,提出了系统硬件电路和FPGA总体逻辑架构的设计,针对光纤光栅高速信号的采集、处理和传输方案设计了相应模块,主要包括:波形采集控制模块、平滑滤波算法模块、快速多点寻峰算法模块及USB数据传输控制模块。设计中结合FPGA的架构特性对多种滤波算法进行了实验分析与对比,选取了适合本方案的滑动平均算法,验证了各模块的正确性,实现了光波信号的稳定采集、双通道多峰信号的波峰索引快速解调和对上位机的高速传输。(3)基于Qt编写了光纤光栅振动传感系统上位机软件,根据基于FPGA的光纤光栅双通道高速信号解调设备与上位机的联调分析,对特定格式的数据进行了提取与分组功能设计,以功能区、设置区及显示区的布局划分设计了多种功能模块,包括有:设备检测控制、数据导出控制、扫描激光器设置、传感器参数设置、光栅选择控制、波形时域显示和频域显示。(4)将各设计方案进行了集成并组装了光纤光栅振动传感原型样机,采用了多种实验装置验证本系统各项性能指标,设计了温度和应变实验方案,对波长解调精度、波长解调稳定性、波长解调线性等波长解调性能指标进行了测试,设计了振动实验方案,对多频率振动传感性能和振动传感重复性及线性度进行了测试。研究表明,基于FPGA的光纤光栅振动传感系统,能够实现实时检测双通道多光纤光栅传感器的振动情况。根据性能测试结果显示,该系统的波长解调精度可达±3 pm,波长解调稳定性为±3 pm,波长解调速度为1 kHz,在250 Hz频率验证范围内振动传感的频率检测精度为3%,振动传感的幅值响应线性效果良好,振动传感测量结果具有一致性。

关键词： 光纤布拉格光栅   悬臂梁   横向抗干扰   三分量   地震检波器  

摘要： 近年来,我国国内经济增长迅速,对石油、天然气的需求也在如日递增,对石油、天然气开采工作的井中地震勘探技术也愈加成熟,其中针对深层勘探的低频地震检波技术也有了长足地进步。低频地震检波对于地震勘探领域来说具有非常重要的意义,现有的井中低频地震勘探技术多依赖于电类检波器,但在实际应用中有诸多如易受电磁干扰、不耐高温等不可避免的缺陷,而井中低频光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)地震检波器因其抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、可多路复用等诸多优点成为现有地震勘探技术中使用最多、运用范围最广的地震检波器之一。为此,本文围绕光纤光栅井中低频地震检波器展开研究,主要工作如下:(1)调研分析了光纤光栅井中低频地震检波器的传感原理及研究现状,通过FBG的应变传感原理以及地震检波器的一般力学模型为基础,建立FBG地震检波器模型。(2)研究设计了一种空心三角梁式FBG地震检波器,对其检波器特性进行理论推导,通过仿真优化其结构参数和封装制作。实验结果表明该检波器的固有频率为61 Hz,在0.6 Hz～50 Hz有良好的动态响应,在x、y方向上的横向干扰度分别为2.8%和4.6%,且灵敏度为120.12 pm/g,在重复实验中平均线性拟合度为99.8%。(3)研究设计了一种三分量光纤光栅地震检波器,依据加速度检波理论,理论分析并推导其固有频率与灵敏度相关公式,通过仿真优化确定其检波器最终参数,实验结果表明:检波器的平坦区为0.6 Hz～50 Hz,检波器的一阶固有频率为56 Hz,二阶固有频率为59 Hz,三阶固有频率为63 Hz,三个方向的线性灵敏度分别为284.47 pm/g、218.25 pm/g、249.67 pm/g,三个方向横向抗干扰度均小于5%。

关键词： 光栅干涉仪读头设计   八倍光学倍程   光路仿真   误差分析  

摘要： 光栅干涉仪位移测量技术作为精密位移测量的重要工具,应用于精密机床加工、机器人技术、半导体制造等领域。随着精密制造的飞速发展对测量精度和分辨力提出了新的要求,针对该要求本文设计了一种基于利特罗角入射条件下对称式八倍光学倍程的光栅干涉仪读头。通过理论计算与仿真模拟相互验证的方法分别对光栅干涉仪读头的设计理论、结构、功能做了分析,研究了不同光学元件存在安装误差的情况下对光栅干涉仪测量系统测量信号的影响。论文工作具体如下:1.光栅干涉仪读头结构设计。本文基于衍射光栅干涉测量原理设计了一种外差式利特罗结构的八倍光学倍程读头。两束测量光以利特罗角入射,经角锥镜、透射光栅以及反射镜后能够分别叠加四倍位移信息,从而使得该读头实现了八倍光学倍程。将该读头结构应用于光栅干涉仪测量系统中,可以减小测量过程中引起的非线性误差,同时提高了光栅干涉仪测量系统的分辨力,为电子细分信号处理提供了更高精度的基准。2.光栅干涉仪读头光路仿真和测量信号对比度仿真。本文构建光栅干涉仪读头的测量模型,实现光栅干涉仪读头仿真,获得的相干相位图样验证了读头结构的可行性。对光栅干涉仪读头测量信号的对比度进行动态仿真,测量信号的对比度为0.426。3.光栅干涉仪测量系统误差分析。本文分析了光栅干涉仪测量系统的三种误差源,针对光路误差中激光源不稳定、光栅周期不均匀性和环境误差中温度的影响进行了研究。通过仿真分析了光栅干涉仪读头中各光学元件多角度旋转对测量光束光斑重合度和测量信号对比度的影响。实验结果表明,反射镜、角锥镜多角度旋转时,测量光束光斑重合度优于0.8;光栅绕Z轴旋转对测量信号对比度影响较大,光栅旋转±0.2°时测量信号对比度优于0.4。

关键词： 一维波动方程   Backstepping   非局部项   PDE-ODE   镇定问题  

摘要： 在分布参数系统控制理论中,波动方程是一类典型的双曲型方程,其在实际中具有很多的应用,理论上也具有重要研究意义.本文将研究带有边界扰动的一维波动方程的边界镇定问题.全文包括四章.第一章介绍了带有边界扰动的波动方程镇定问题的背景,国内外研究现状,并且给出了相关的预备知识.第二章研究了带有非局部项ut（x0,t）和一般匹配扰动的一维波动方程的边界反馈镇定问题.首先,我们构造一个辅助系统,借助此辅助系统,利用自抗扰控制方法,我们设计了一个扰动估计器;接下来,我们设计了原系统的观测器,并证明其指数收敛于原系统;然后,我们设计输出反馈控制器,利用算子半群理论证明闭环系统解存在并且有界.特别地,原系统状态指数衰减;最后给出数值模拟来验证理论结果的有效性.第三章讨论了带有非局部项和一般匹配扰动的级联波PDE-ODE系统的边界输出反馈镇定问题.级联波PDE-ODE系统相对于一般波动方程在结构上更复杂一些,其PDE和ODE的状态衰减性都要进行考虑,另外Backstepping的具体形式也不同于一般的形式,这增加了控制器设计的难度.首先,我们构造一个辅助系统,借助此辅助系统,利用自抗扰控制方法,我们设计了一个扰动估计器;接下来,我们设计了原系统的观测器,并证明其指数收敛于原系统;然后,我们设计输出反馈控制器,利用算子半群理论证明闭环系统解存在并且有界.特别地,原系统状态指数衰减;最后给出数值仿真验证设计控制器的有效性.第四章总结全文内容,并对未来的工作做出展望.

关键词： 管道   监测   光纤光栅   传感器   腐蚀   泄漏   负压波   压缩感知   变形   逆有限元法   变形重构   系统  

摘要： 随着我国工业化和城镇化的推进,石油和天然气资源需求总量日益增长,我国油气管道建设规模正在进一步扩大。然而,随着管道服役期的增加,管道失效事故频发。管道一旦发生失效事故,不但会导致能源损失、财产损失、造成环境污染,更严重的话,还会直接危害到人民的生命安全。因此,针对导致管道失效事故的管道泄漏、管道内部腐蚀和管道变形,这三大主要原因及特点,提出有效的管道内部腐蚀监测方法、管道泄漏监测与定位方法和管道变形监测方法,并建立管道安全监测系统以实时获得管道的运营状况,对管道失效事故及时发出预警,将对减少能源损失和环境污染,保护人民生命财产安全具有重要的意义。然而,目前的管道内部腐蚀监测方法、管道泄漏监测与定位方法和管道变形监测方法,依然存在3个主要问题:(1)缺少可以准确监测管道内部腐蚀和管道泄漏的无损监测传感器;(2)无法准确获得负压波(NPW)信号到达时间差,并缺少无需对NPW信号达到时间差求解便可实现管道泄漏定位的方法;(3)缺少能够准确重构管道变形且可在实际工程中实时监测管道变形的方法。本文针对上述3个问题,进行理论与试验研究,并整合研究成果,设计研发了一套管道安全监测系统。具体的研究工作及主要结论如下:(1)研发了可同时对管道内部腐蚀和管道泄漏进行监测的光纤光栅(FBG)管径夹传感器。该传感器基于管道直径变化的测量原理,直接安装在待测管道外表面,无需破坏管道外表面的防腐层且避免了应变传递损失问题,是一种管道无损监测传感器。通过有限元模拟和结构优化设计,解决了FBG管径夹传感器对管道壁厚和内压测量不准确,且管道内压测量范围受限的问题。进而,提出了基于FBG管径夹传感器的管道内部腐蚀监测方法。管道内部腐蚀监测模拟试验结果表明:该方法可针对管道实际腐蚀过程中可能出现的不同腐蚀程度,进行灵敏且稳定的内部腐蚀监测,并以0.1mm的壁厚测量精度评价管道内部腐蚀程度。(2)针对管道泄漏定位方法需要对NPW到达时间差求解,定位精度较低且定位结果不稳定的问题,提出了基于压缩感知理论(CS)和FBG管径夹传感器阵列的管道泄漏监测与定位方法,实现了无需对NPW信号时间差求解的管道泄漏点定位。并且在不增加FBG管径夹传感器数量的前提下,只需增加每相邻两传感器距离的等分段数,便可实现泄漏点定位精度的提升。管道泄漏模拟试验结果证实:由5个FBG管径夹传感器组成传感器阵列,当基于CS理论的管道泄漏定位方法选取最优相对定位系数b=0.5时,可实现泄漏点在2m定位精度下的准确定位,且定位结果对于不同泄漏点和泄漏率依然十分稳定,定位误差均保持在2m以内。(3)提出了基于逆有限元变形重构法的管道变形监测方法,并通过管道变形数值模拟测试,验证了该方法的管道变形重构能力。基于两节点逆单元“i Beam3”,该方法无需管道的材料和受力加载信息,只需获得FBG应变传感器实时测量得到的变形应变值,便可建立应变-节点相对位移关系,并通过一个简单的矩阵-向量乘积来重构管道变形,实现管道变形的实时监测。通过真实的管道变形试验,分析了管道在不同加载方式和不同加载等级下对该方法变形重构精度的影响。并将该方法成功应用到土体冻融循环作用下的管道变形监测试验中,实现了埋地管道在土体冻胀和融沉过程中的全过程实时变形监测。(4)结合本文提出的管道内部腐蚀监测方法,管道泄漏监测与定位方法和管道变形监测方法,利用Lab VIEW平台与MATLAB进行混合编程,设计了一套可实时监控管道运行状态的管道安全监测系统。进一步地,基于管道安全监测系统的设计流程,建立了油气管道泄漏监测与定位系统,并将其应用到液体管道泄漏模拟试验平台中。系统监测结果表明:该系统各界面交互性良好,传感器配置、实时监控、信号处理和预警分析功能实现良好,可及时发出管道泄漏预警信息并可视化显示管道泄漏点位置。