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关键词： 低秩高阶张量补全   鲁棒低秩高阶张量补全   高阶张量奇异值分解   正则化方法   交替方向乘子法  

摘要： 随着大数据、人工智能、第五代移动通信(5G)等新兴信息技术的飞速发展,医学成像、计算机视觉、模式分析等应用领域源源不断地产生了大量具有体量大、维数高且结构复杂等显著特征的张量型数据。通常地,这类张量型数据在采集和传输过程中极易受各种退化因素的影响,如噪声污染、信息缺损、野点干扰等。近年来,以张量潜在的低秩性为假设前提,利用多学科知识建立起来的低秩张量恢复开始成为处理与分析这些数据的流行方法。然而,目前依托于张量奇异值分解的方法主要聚焦于与三阶张量相关的实际问题,但是大数据环境下的真实应用频繁面临的是d-阶(d>3)张量数据,如彩色视频、人脸图像数据集、双向纹理函数图像数据集、交通流量数据集、地震数据集。此外,目前基于三阶张量奇异值分解的代数理论已具雏形,而基于d-阶张量奇异值分解的代数空间依然不够完善,这极大地限制了其在低秩高阶张量恢复中的广泛应用。因此,发展以d-阶张量奇异值分解代数框架为载体的低秩高阶张量恢复模型、算法及其理论显得尤为关键和紧迫,尤其是较为典型的、可延伸的低秩高阶张量修补。针对上述关键问题,本文首先提出一个广义的d-阶张量奇异值分解代数基础,进而对低秩高阶张量修补问题进行深刻的研究,主要取得了以下研究成果:针对带有缺失值的高阶张量数据,在提出的d-阶t-SVD代数框架下,我们设计出一个基于广义张量核范数极小化的低秩高阶张量补全模型。理论上,在标准的d-阶张量不相干性条件下,所提出的模型可以从部分的观测数据中高概率地恢复出原始具有低t-SVD秩的d-阶张量,同时严格地建立了d-阶张量精确补全的理论采样下界。我们利用交替方向乘子法算法框架设计出一个高效求解算法,并在模拟实验和基于彩色视频、高光谱视频、人脸图像数据集、光场图像数据集的真实应用中验证了算法的有效性和理论的正确性。实证结果表明,与现有的低秩张量补全方法相比而言,所提出的算法在定性和定量指标方面都具有很强的竞争力。针对带有缺失值和受噪声污染/异常值干扰的高阶张量数据,在前一部分低秩高阶张量修补模型的基础上,我们进一步研究灵活的鲁棒低秩高阶张量修补模型,其中低秩分量受在理论上对高阶张量t-SVD秩的逼近比广义张量核范数更紧的广义加权张量Schantten-p(0

关键词： 张量分解   网络流量恢复   差分隐私   多模态融合   推荐系统  

摘要： 目前已经进入了 5G物联网时代,5G网络拥有容量大、传输速度快等特点,因而成千上万的设备(包括手机、电脑、手表、AR/VR眼镜等)通过物联网进行连接,并通过短视频等快销娱乐形式在网络中进行快速传播。庞大的用户数量和复杂的物联网服务系统也因此产生了高阶、高维和稀疏的张量(High-Order,High-Dimension,and Sparse Tensor,HOHDST)数据,该数据包含了用户的隐私信息。HOHDST通常采用稀疏张量分解(Sparse Tensor Factorization,STF)技术来发现规则、获取完整数据,并进行实时准确分析。于是为了解决网络连接过程中的隐私保护问题,本文分别对网络连接涉及的底层基础流量数据和应用业务层数据展开了研究。本文提出了一种用于网络流量恢复的基于STF的多策略差分隐私框架(Multiple-strategies Differential Privacy framework on STF,MDPSTF),联合考虑底层数据恢复和隐私安全问题,用于底层基础流量的数据恢复和隐私保护。该框架包括三种隐私机制:ε-差分隐私、中心化差分隐私和本地化差分隐私,分别应对第三方服务器可信、不可信以及本地客户端可信的应用场景。最后给出了各机制隐私界限的理论证明。本文在两个真实的网络流量数据集Abilene和GEANT上进行了实验。实验结果表明,MDPSTF能满足不同程度的隐私保护要求,并且对HOHDST具有较高的恢复精度。本文提出了一种基于STF和差分隐私的多模态短视频推荐系统(Multi-modal Micro-video Recommendation System based on STF and Differential Privacy,MRTFDP),考虑应用业务层数据的安全问题,用于短视频的推荐和用户兴趣点隐私保护。关注当前热门的短视频应用,因为短视频本身具有多模态特征,又包含着个人属性和兴趣点等信息,所以短视频推荐需要在推荐分析过程中对用户的隐私信息进行保护。MRTFDP由双线性Tucker融合、差分隐私和神经协同过滤三部分组成,同时给出了差分隐私的理论证明。通过在公开可用数据集Movielens和Tiktok上的大量实验表明,本文提出的MRTFDP模型对短视频数据集具有较高的推荐精度,并且能实现对用户隐私信息的保护。综上所述,网络连接涉及到的数据内容均与使用者的隐私息息相关,为了保障使用者隐私安全,需要密切关注该类数据中包含的隐私信息并给予保护。人们日益增长的美好生活需要依赖于新时代网络的发展,但与此同时也要兼顾网络连接和隐私保护的全面发展要求。

摘要： 据英国媒体报道称，研究人员创造了一种被他们描述为人造雾的东西。研究团队采用了与石墨烯相关的超薄材料，通过将红、蓝、绿三色激光照射到六边形氮化硼材料制成的扩散器上就能产生白光，在扩散器中，它们被微管的纳米管壁强烈而随机地多次散射。让人感到惊讶的是，该材料由99.99%的空气组成。其最大的特点是不会像普通灯泡那样损坏，这一发现最终可以取代灯泡。

关键词： 数值仿真   光纤光栅   镀膜工艺参数   耐久度   应变监测  

摘要： 随着中国航天事业的持续发展和创新,我国在航天领域的地位逐步上升,每年发射航天器的频率逐年升高。作为航天器的动力源,航空航天发动机的稳定运行,是航天器安全运行的保障。航空发动机外部结构面临着外来物体高速或低速冲击,内部面临着氢气泄露的危险,对能安全实时监测航空发动机内外的传感器提出较大的需求。本文基于有限元平台,对光纤栅区表面形成氢敏膜层过程及小球冲击铝板表面过程进行数值仿真。并通过氢敏测试、耐久性测试及小球跌落试验验证数值仿真结果,获得最佳镀膜工艺参数及传感器布设方案。内容总结如下:(1)针对光纤光栅氢气传感器耐久性不高的问题,基于数值仿真,利用生死单元法模拟通过镀膜工艺在栅区表面形成一层对氢气敏感膜层的过程,探索镀膜工艺参数对膜层-栅区表面残余应力的影响,寻求最优镀膜工艺参数。基于最优工艺参数,进行传感器氢敏测试及耐久性测试,试验结果与数值仿真结果相近。结果表明,传感器制备参数最优解:200nm厚的氢敏覆膜、62.5μm/s的薄膜形成速度、3层氢敏薄膜层数。并根据此工艺参数重新设计的光纤光栅氢传感器,其最佳工作环境为周围氢气体分数为0.5%～1%。为日后传感器耐久性提高提供了新的思路及试验依据。(2)针对航空航天发动机外表面结构健康监测问题,基于数值仿真,动态模拟小球冲击铝板表面,探究不同冲击载荷、冲击角度对铝板表面真实应变值的影响。结果表明:小球冲击铝板表面的真实应变值最大值出现在冲击点处,随着测量点远离冲击点,铝板表面的真实应变值逐渐减小,且以冲击点为圆心,远离冲击点的距离为半径,螺旋式减小。铝板表面真实应变值随冲击载荷的增加而增加,随冲击角度的增大而增大,但角度因素对铝板表面真实应变值影响较小。(3)基于数值仿真结果,在铝板表面布设应变传感器,利用跌落试验台,进行小球冲击试验,通过改变小球直径、材质及铝板与试验台底座间夹角进行应变传感器精度测试,试验结果与数值仿真结果相近。通过数值拟合的方式得到冲击点应变与冲击物冲击载荷、冲击角度间的经验公式,可通过传感器系统测得的数据快速判断铝板所受冲击力及冲击物冲击角度。为航空航天发动机表面结构健康监测提供参考依据。

关键词： 毫米波   MIMO-OFDM   张量模型   信道估计   RIS  

摘要： 无线电频谱的低端频率占用已经趋于饱和,频谱资源稀缺的问题日益突出,高端频谱的开发成为未来通信的必然。毫米波大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术被认为是实现第五代移动通信(5th Generation Mobile Communication,5G)的关键技术之一,也是第六代移动通信(6th Generation Mobile Communication,6G)的研究热点。毫米波大规模MIMO系统与正交频分复用(Orthogonal-Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术相结合的信道估计问题是当今的研究热点课题之一,本文将毫米波系统通信场景与张量分解技术结合,并针对不同毫米波大规模MIMO-OFDM系统,提出了对应基于张量分解的信道估计方案。本文首先针对点对点毫米波大规模MIMO-OFDM系统的信道估计问题进行研究,提出了一种基于PARAFAC张量分解的多用户信道参数联合估计方法。该方法在基站处对接收信号构建三阶低秩PARAFAC张量模型,首先利用加速三线性交替最小二乘(Accelerated Trilinear Alternating Least Squares,ATALS)算法,将该张量分解为包括信道参数的三个因子矩阵;再利用基于一维搜索的算法估计信道参数。此外,推导出了多用户场景下信道参数的克拉美罗界(Cramér-Rao Bound,CRB)。理论分析与仿真结果表明,在大幅度减少训练开销的情况下,该算法表现出良好的性能,且信道参数的均方误差接近于其对应的CRB结果。与其他已有算法相比,本文所提出的算法在估计精度和计算复杂度方面都有明显的优势。针对无源智能反射面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)辅助毫米波大规模MIMO-OFDM系统,本文利用毫米波信道的稀疏性,将移动用户处的接收信号拟合为三阶低秩PARAFAC张量,并提出了一种基于PARAFAC张量分解的毫米波信道估计算法。该算法分为三个阶段。第一阶段利用ATALS算法实现低秩PARAFAC分解;第二阶段利用基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的Khatri-Rao 分解(Khatri-Rao Factorization,KRF)算法与 Kronecker 分解(Kronecker Factorization,KF)算法,从因子矩阵中提取包含相关角度的导向矩阵;第三阶段,从已获取的相关矩阵中估计未知角度参数。所提算法不仅能准确估计级联信道,在允许尺度模糊的条件下,还能实现对基站-RIS的分段信道和RIS-移动端的分段信道的估计。理论分析与仿真结果表明,在大量减少导频开销的情况下,所提算法表现出良好的性能,且所提算法在估计精度和计算复杂度方面均优于其他已有算法。

关键词： 三维测量   相位计算   全局照明   阴影  

摘要： 光栅投影三维测量技术准确度高、设备简单,因而得以广泛应用。相位测量是该技术中重要的内容,然而,测量过程中由于投影引起的诸如全局照明、阴影等难以避免的问题,会给相位测量带来较大误差,最终影响三维测量的整体质量。针对这些问题,本课题展开了深入研究,主要做出了以下创新工作:1、在相移法结合格雷码法的相位测量技术中,系统的全局照明中间接光照过强,会导致格雷码的二值分割与解码出现错误,最终导致相位展开出现严重偏差。本文首先分析了全局照明中直接光照和间接光照的产生及对相位测量带来的误差影响;然后,通过理论推导,提出了使用高频光特性分离直接光照和间接光照的方法,进而在格雷码图像中检测出可能产生误差的点集;接着,构建了深度学习网络来实现格雷码图像的二值化;最后,根据前面检测的误差点集,将传统方法和深度学习方法的结果进行融合,有效实现了传统格雷码法相位误差的修正。2、在光栅测量过程中,投影照明产生的阴影会导致相位测量中出现许多无效点,给最终结果带来较大误差。针对该问题,本文首先分析了阴影问题的产生以及它对各种三维测量系统带来的误差影响,然后,基于方向感知空间上下文模块提出了一种适用于条纹图的阴影检测网络;随后,利用条纹图中的背景条纹信息,提出了一种阴影区域的修复方法。本文提出的方法保持了单帧测量,不需要额外投拍图案,可以有效地对阴影问题带来的相位误差进行修正。

关键词： 偏振片阵列   亚波长金属光栅   阵列结构设计   偏振器件性能测试  

摘要： 基于像素式微偏振片阵列的偏振成像技术能够同时获得多个斯托克斯矢量信息,在生物传感、医学诊断、伪装识别等领域展现出了巨大潜力。然而,现有的像素式微偏振片阵列器件仍然存在透光率低,材料体系难以兼容半导体工艺,器件光学性能测试困难等问题,制约了微偏振阵列器件性能进一步提升。为此,本课题以像素式长波红外微偏振片阵列为研究对象,开展器件阵列结构及其性能,材料体系优化和光学性能测试系统的研究,旨在进一步提高长波红外偏振片阵列器件的性能,论文的主要研究内容包括: 微偏振阵列器件超像素中单元的排列方式对器件性能有着重要的影响。为此,基于斯托克斯理论,根据传统四方向型阵列结构,结合全通空白单元,组成6种不同的超像素排列结构,并通过理想透射率指标分析了6种结构的性能参数,为进一步仿真模拟实验提供模型。接着,通过分时成像模拟的方法,通过抽取不同偏振图像相应位置的像素值构造微偏振阵列的超像素,通过偏振图像融合方法合成不同模型的红外偏振成像图像,基于图像信噪比指标,对6种阵列模型的成像性能进行评估。 基于等效介质理论以及时域有限差分法,运用FDTD Solutions软件对6种不同结构的微偏振片最小周期单元进行建模分析。基于前期的研究成果,确定了光栅层的材料和结构参数。在基底材料的选择方面,基于透光率的性能指标,综合比较了硅、硫化锌、硅基镀硒化锌增透膜作为基底材料的器件性能,由此确定了铝-硒化锌-硅三层材料体系,使得微偏振阵列器件能够兼容半导体制造工艺。最后,通过比较不同相位偏振光对6种不同模型的透射情况,分析像素间串扰现象产生的原因并给出了评价指标,进而对不同阵列模型进行性能评价。 基于微偏振片阵列微结构单元在不同相位偏振光照射下图像灰度值会发生变化的原理,搭建了一套像素级的长波红外偏振器件测试系统。首先完成对光路系统的设计,包含光源、各部件的选型与控制系统搭建。然后根据成像理论研究,确定光路的放大倍数在16-35倍之间时,可以观测到较为清晰的阵列微结构,以提取阵列微结构单元灰度图像。进而根据灰度图像的归一化理论,对图像进行分割以及灰度值提取,以获取器件的性能指标。 最后,以不同器件的透射率指标作为研究对象,对本课题研究内容的正确性进行验证。实验结果表明,增透硅基底材料实际透射率测试结果与仿真结果相同,金属线栅透射率结果与商品参数相符,根据模型6结构制作出器件原型的不同点位透射率平均值56%,与仿真结果基本相同,初步验证本文研究内容的正确性。本课题的研究成果有助于设计新型排列组合的微偏振片阵列,从而改善阵列器件的性能,为进一步提高偏振成像精度奠定基础。

关键词： 光器件测量   光矢量分析   高精度   宽带   大动态范围  

摘要： 光子芯片的突破创新和研制生产不仅决定于设计和制造工艺,还依赖于测量手段。只有对光子芯片的多维参数进行高精度测量,才能对芯片设计和加工参数进行快速优化迭代。光矢量分析技术是测量多维(幅度、相位等)频谱响应的有效手段,现已成为光子芯片创新突破和研制生产的重要支撑。然而,光子芯片显著的耦合损耗和片上插损要求光矢量分析具备大动态范围,从而精确获取光子芯片的频谱响应。本文提出了基于受激布里渊散射的大动态光矢量分析技术,采用理论分析、数值仿真和实验验证相结合的方式,开展了受激布里渊散射提升光矢量分析动态范围的研究,有效提升了测试系统的动态范围。研究内容具体如下:建立了受激布里渊散射提升光矢量分析动态范围的数学解析模型,理论分析研究了受激布里渊散射提升基于光单边带扫频光矢量分析和基于调制相移法光矢量分析动态范围的机理,建立了受激布里渊散射增益与动态范围提升量之间的数学关系。结果表明,采用受激布里渊散射可有效提升光矢量分析的动态范围,还可以有效抑制非线性误差,提高测量精度。提出了面向基于光单边带扫频光矢量分析的动态范围提升技术。采用受激布里渊散射增益谱放大光单边带扫频信号的+1阶扫频边带,提升信号的边带抑制比,进而实现动态范围的提升。实验结果表明,光单边带中+1阶扫频边带放大了31.48 d B,动态范围提升了17.53 d B。此外,得益于+1阶扫频边带的增益,信号的边模抑制比得到提升,有效降低了非线性激励出的高阶边带引入的测量误差。提出了面向基于调制相移法光矢量分析的动态范围提升技术。采用受激布里渊散射增益谱放大强度调制信号的+1阶边带,同时采用损耗谱抑制-1阶边带,将强度调制信号转换为高边带抑制比的光单边带信号。+1阶边带的增益可有效提升动态范围,-1阶边带的抑制可消除大色散器件测量时的功率衰落。实验结果表明,+1阶边带放大了34.05 d B,-1阶边带抑制了22.85 d B,边带抑制比达56.90 d B,动态范围提升了14.01 d B。此外,还开展了基于受激布里渊散射的光矢量分析仪器化研究。所研制的原理样机测量范围覆盖C波段,动态范围大于67 d B,幅度测量精度优于±0.15 d B,时延测量精度优于±0.5 ps,相位测量精度优于±3°。综上所述,本文提出的基于受激布里渊散射的大动态光矢量分析技术,有效提升了光矢量分析的动态范围,可为光子芯片的突破创新和研制生产提供有力的支撑。

关键词： 近场声全息   卡尔曼滤波   时域平面波叠加法   非稳态声场   非稳态振速  

摘要： 近场声全息(NAH)是一种在声源识别和声场可视化方面具有强大功能的声学技术。它可以通过测量声源附近的声压或振速分布,预测声源表面或声源近场的声振特性。在实际工程中,平面声源无处不在。因此,研究平面声源的声学传播特性极为重要,也有助于我们更好地理解复杂形状声源的声学特性。时域平面波叠加法(TDPWSM)是一种典型的可以对平面声源辐射的声场进行重建的声学方法。但是,TDPWSM在重建声场过程中的求解逆运算过程以及正则化的使用,会导致累积误差,甚至会使重建结果发散。本文针对TDPWSM在重建非稳态声场时的不足,并结合卡尔曼滤波正向迭代运算的特点,提出了基于卡尔曼滤波的时域平面波叠加法(KF-TDPWSM)的非稳态声场重建方法。通过仿真和实验验证了所提的KF-TDPWSM的有效性,并通过参数讨论,突出了KF-TDPWSM相较于TDPWSM在重建过程中可以减小累积误差且具有更高稳定性的优势。由于声源表面的振动特性对于工程研究也具有重要的价值,因此提出基于KF-TDPWSM的非稳态振速重建方法,并通过实验验证了该方法的有效性。具体研究内容如下:第一章阐述了NAH的背景及意义,然后介绍了NAH发展趋势及研究现状,最后根据TDPWSM在重建非稳态声场中的不足以及卡尔曼滤波算法的优势,确定了本文的研究内容。第二章介绍了卡尔曼滤波原理,并对卡尔曼滤波算法的五个核心公式进行了总结。然后,对基于TDPWSM的非稳态声场重建方法进行了理论推导,并通过数值仿真对板声源产生的非稳态声场进行了重建,验证了其有效性。第三章分析了基于KF-TDPWSM的非稳态声场重建方法。首先对该方法进行了理论推导,然后通过数值仿真对该方法进行验证。在仿真中,对理论声压与重建声压的时域波形、时空分布、空间分布以及相位和幅值评价因子进行了分析,证明了该方法的有效性。另外,通过分析虚源面的位置、全息面的位置以及波数Q等参数,证明了相较于TDPWSM所提的KF-TDPWSM能够更稳定地重建非稳态声场的优势。为了进一步验证所提的KF-TDPWSM的有效性,在半消声室中进行了冲击平面钢板实验,且验证方法和参数讨论与数值仿真一致。第四章提出了基于KF-TDPWSM的非稳态振速重建方法。首先对该方法进行了理论推导,然后通过一个冲击平面钢板实验对该方法进行了验证。在实验研究中,通过对实测振速和重建振速的时域波形、空间分布以及相位和幅值评价因子进行分析,验证了该方法的有效性。第五章对本文的研究内容进行了总结,并提出了未来需要解决的问题。

关键词： 椭圆涡旋光束   椭圆波带片   菲涅尔衍射   干涉检测法  

摘要： 涡旋光束是一类拥有奇特性质的光束,其复振幅的表达式都携带有exp(ilθ)的涡旋项,最显著的特征是具有螺旋向前的波前,且截面光强呈环形。通常涡旋光携带的轨道角动量与其拓扑荷数的大小有关,而不同的轨道角动量表征的模态之间又相互正交,这样的特性决定了它在许多领域的应用价值。近年来研究如何产生高质量的涡旋光束也是国际上的热点,本文对涡旋光的产生方法进行了研究,并基于相位补偿的原理设计了椭圆螺旋波带片产生了不同种类的椭圆涡旋光。论文的主要内容如下:(1)首先介绍了涡旋光束的概念、特性以及国内外的研究现状,随后分析了拉盖尔-高斯光束和贝塞尔-高斯光束的特性。然后阐述了三种产生涡旋光束的常用方法,并分析了这些方法的优劣。(2)介绍了光场计算的常用理论,作为本文光场研究的理论基础,然后给出了涡旋光轨道角动量的计算和检测方法。并根据传统菲涅尔波带片的设计原理,找到了光束经过各环带后相位之间的关系,作为本文椭圆菲涅尔波带片的设计基础。(3)详细研究了相位补偿椭圆波带片的设计方法,并生成了A、B、C三种椭圆涡旋光束。此外,基于菲涅耳衍射理论分析了光场的分布,同时进行了仿真和实验,结果表明:这三种类型的光束都具有良好的可控性,但又存在一些特性上的差异。A型和C型椭圆涡旋光具有良好的椭圆形状,其拓扑荷数可以用干涉测量法检测,B型椭圆涡旋光的拓扑荷数可以通过直接观察光斑中间的分裂零点得到。而C型椭圆涡旋光具有长焦深的性质,在偏离焦距后仍能接收到较高质量的光束。这三类椭圆涡旋光束在光通信和微粒操纵领域都有着潜在的应用价值。