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关键词： 铌酸锂薄膜   阵列波导光栅   可重构   波分复用器  

摘要： 近年来,随着网络强国战略的不断推进,下一代光通信网络技术正在朝着超高速率、高频谱效率、动态灵活的方向发展。阵列波导光栅(AWG)作为波分复用系统中关键的组网器件,使其具有可调谐、可重构的能力成为国际科研机构和设备制造商在技术研究中的重点需求。铌酸锂薄膜(LNOI)作为新兴的集成光电子材料平台,其优良的电光效应和更高的集成度引起了越来越多的科研人员的关注。基于LNOI平台的可重构AWG波分复用器,能够实现器件中心波长和通道带宽的动态可灵活重构,满足光通信网络灵活栅格的技术需求。本文基于LNOI平台对AWG波分复用器在中心波长和带宽可重构方面进行研究与设计,本论文的主要研究工作归纳如下:1.首先基于有效折射率法和时域有限差分仿真分析法设计LNOI脊波导单模传输结构。分析了基于LNOI波导的电光效应实现AWG可重构功能的设计方法,提出共面电极式LNOI脊波导的结构方案,并描述基于LNOI波导的AWG工艺可实现流程。介绍了 AWG的主要性能指标及相关计算公式,为后续章节对可重构AWG器件的设计及优化提供了理论基础。2.针对可重构AWG波分复用器的理论模型,本论文提出了 WDM-Phasar和Opti-BPM两款仿真工具联合研究的设计方法,首先得到器件静态特性时的输出光谱以及优化的器件结构参数设计,优化设计出1×48端口的可重构AWG波分复用器。器件在输出波长间隔为100 GHz时,得到主要性能指标参数包括插入损耗为-3.4 dB,3 dB带宽为81 GHz,0.5 dB带宽为37.5 GHz,相邻通道隔离度为20.3 dB,非相邻通道隔离度为31.86 dB,通道非均匀性小于0.5 dB。3.基于对AWG波分复用器的整体设计原理与分析方法,提出了可重构AWG波分复用器的中心波长与带宽调谐的设计方案,得到外加控制电场电压在-13.88V～13.88V的情况下,可重构AWG波分复用器4nm的中心波长移动量。并根据光通信网络带宽资源需求,分别设计“侧三角形”和“侧梯形”的带宽调谐电控区域,优化选取合适的控制电压值,得到可重构AWG波分复用器在200 GHz、400 GHz以及600 GHz波长间隔条件下相应程度的带宽展宽输出光谱,可重构AWG器件通道3 dB带宽可以展宽调谐至静态时的两倍、四倍甚至最高六倍的顶部平坦型输出频谱响应。最后对本文进行了总结,提出了可重构AWG波分复用器在应用中需要进一步解决的问题。

关键词： 管道腐蚀监测   光纤光栅   应变传递   管道厚度   磁吸力  

摘要： 随着能源市场的不断扩大,管道输送系统也不断结构化及规范化;管道尤其长输管道,运载的多是对城市、工业发展十分重要的能源原料,且其服役环境复杂,一旦发生破坏失效,造成的后果通常代价巨大,难以善后。而管道监测系统作为管道日常维护和失效预警的保护机制,其发展研究显得尤为必要。管道失效的原因通常包括第三方外力破坏、腐蚀、泄漏等,其中腐蚀引起的失效占有很大的比例。为了实现对管道腐蚀的实时监测,预防管道突然失效的发生,本文利用磁吸力大小随被测金属厚度变化而变化的特质,提出一种可实现管道腐蚀测量的方法,并基于光纤光栅传感技术设计了一种管道腐蚀测量传感器。主要内容及结论如下:1)建立光纤应变传递理论模型,对基体结构与光纤间的应变传递机制进行推导,得到光纤应变传递率与影响参数的理论关系式,并分析参数对应变传递的影响。2)为减少光纤应变传递过程中的应变损耗,基于影响参数的理论分析,利用分布式光纤传感器对主要影响参数进行试验研究,验证理论分析的正确性。试验得出不同影响参数下的应变曲线,总结出光纤应变传递规律,得到试验结论进而指导管道腐蚀测量传感器的设计。3)基于光纤光栅传感技术设计了一种管道腐蚀测量传感器,利用光纤光栅将设计传感器与被测金属间的磁吸力转换为光信号,实验验证了光纤光栅测量值与被测金属厚度间存在线性关系,验证了此种测量方法可以简单有效地运用在对管道腐蚀的测量上。基于此传感器进行了性能试验,得到不同金属厚度与测量距离下的光纤光栅应变值,并将实验值与理论值进行对比。

关键词： 弹性成像法   波速反演   唯一可解性   椭圆切片采样算法   混合算法  

摘要： 生物学和医学表明,肿瘤等病变组织同周围健康组织在硬度上有着较为明显的区别.临床医学中的触诊技术作为一项基本且有效的检查方法,可使医生通过触摸发现人体组织中硬度异常的病变组织.然而触诊是一种定性的检查方法,且很大程度上受医生触觉敏感性的限制,应用范围较局限.随着科学技术的发展,出现了一种新型的医学影像技术—弹性成像法,它可以用来模拟实现触诊,对人体组织中的硬度异常部位进行发现诊断.弹性成像法的主要思想是先测量得到位于人体内部传播的弹性横波的位移量的信息,即内部测量值,再通过反演算法得到人体内部波速分布的信息,进而通过波速与硬度的对应物理关系得到人体组织的硬度分布,最后通过硬度的差异区分病变组织和非病变组织.本文基于简化后的一维弹性波模型,针对弹性成像法对应的正问题和反问题,进行了严谨的阐述.特别是对于反问题,即通过内部测量值反演波速的问题,进行了唯一可解性的证明.之后在数值反演部分,本文尝试采用一种统计反演算法—椭圆切片采样算法.该采样算法具有不依赖于初值,无需设定建议分布,拒绝率较低的优点.通过对波速为光滑函数形式和分片常数形式这两种情形下的数值反演算例,验证了该采样算法的有效性以及相较传统常用数值反演算法—Levenberg-Marquardt算法的优势.进一步,本文融合了这两种算法,提出了一种新的算法—混合算法.相关数值算例实验也显示该混合算法能够兼具椭圆切片采样算法不依赖初值和Levenberg-Marquardt算法反演速度快的优点,可用作弹性成像法的一种高效的数值反演算法.

关键词： 大学英语   期末考试   命题  

摘要： 大学英语期末考试是大学英语教学的重要一环。通过对高校大学英语期末考试设计与命题过程的分析，指出大学英语期末考试在形式上片面向全国性统考看齐，忽视了考试的信度与效度，依然受到传统高考应试模式的影响，未遵循语言学习的规律，并提出了纠正建议与措施。

关键词： 微创手术   光纤Bragg光栅   多维力   有限元分析   传感实验  

摘要： 智能机器人的使用离不开力触觉传感器,其可帮助机器人更准确地感知环境信息,与外界进行交互。当今业内已诞生多种类型的力触觉传感器,而光纤Bragg光栅(FBG)力触觉传感器以其体积小、重量轻、结构简单和不受电磁场干扰等优点受到了广泛关注,尤其是医学微创手术领域。本文针对胸腔穿刺等微创手术中作用力感知缺乏及获取力觉信息方向单一的问题,设计了一款基于光纤Bragg光栅的多维力触觉传感器,其能同时精准测量手术中的轴向力、径向力与扭矩力,本论文围绕该FBG力触觉传感器展开了研究,进行了一系列工作。首先,本文设计了FBG力触觉传感器的结构,传感器模型总体可拆分为5个零件,模型包括轴向力、径向力与扭矩力传感结构,其中轴向力传感方面在穿刺针柱体上制有圆弧形凹槽;径向力传感方面将穿刺针尖设计为空心结构,并拆分为上下两部分,针尖内装载有4个空心圆管结构;扭矩力传感方面针柱装有轮辐式十字梁,十字梁上下两端对位方形切口。本文选取力传感光栅FBG1～FBG6分别集成于相应力传感结构处,通过测量FBG波长变化实现对应力的传感;此外选用FBG7作为参考光栅集成于模型结构上,可消除温度对传感效果的干扰。其次,本文进行了传感器的受力模拟仿真,将传统结构传感器与新型结构传感器模型导入相关有限元分析软件中,分别施加一定的轴向力、径向力和扭矩力载荷,仿真结果显示设计的新型传感器各个力的测量灵敏度皆有所提升,传感性能较好。最后,本文对传感器分别进行了轴向力、径向力和扭矩力传感实验,通过对实验结果数据进行分析,得出设计的传感器测量轴向力的线性度为0.9997,灵敏度为0.07234nm/N,重复性为1.84%FS;测量4组径向力的线性度分别为0.9998、0.9997、0.9998与0.9998,灵敏度分别为0.07999nm/N、0.07968nm/N、0.08022nm/N与0.07979nm/N,重复性分别为1.11%FS、1.20%FS、1.27%FS与1.19%FS;测量扭矩力的线性度为0.9991,灵敏度为0.01367nm/m N·m,重复性为0.80%FS。传感器具有较优越的传感性能,能够提升微创手术的安全性,为手术成功提供准确数据支撑。

关键词： 光纤光栅   水听器   抗加速度   减振结构  

摘要： 海洋是重要的国家战略资源基地,发展高性能的水声探测装备将为海洋资源勘探、维护国家海洋安全、实施海洋强国战略提供强有力的支撑。光纤光栅水听器是一种以光纤光栅为传感元件的水下声学传感器,因其独特的优势被用于拖曳线阵列对船只和水下潜艇、舰艇进行跟踪、定位和识别。然而,监测过程中拖曳线阵列的变速运动,使水听器输出信号中包含加速度信息,干扰了水听器对声信号的测量。为提高光纤光栅水听器的测量精度,推进其工程化应用,本文设计了一种抗加速度型光纤光栅水听器。首先,基于光纤光栅传感原理和弹性力学的薄板小挠度弯曲理论阐明了光纤光栅水听器的声压测量原理。在单自由度弹簧阻尼系统和C型弹簧减振模型的基础上提出抗加速度型光纤光栅水听器的设计思路,使其具有较高的声压灵敏度和较低的加速度响应。其次,建立抗加速度型光纤光栅水听器和参考光纤光栅水听器的模型,仿真分析了其特性,仿真结果表明,“C型弹簧”减振结构在不影响水听器的声压响应的同时可有效降低其加速度响应。再次,仿真分析了抗加速度型光纤光栅水听器的结构参数与水听器性能指标之间的关系,根据工程应用需求和仿真结果,优化了水听器的结构参数。选择弹性膜片半径6mm、厚度0.1 mm,C型弹簧数量4个、半径6 mm、厚度0.16 mm、宽度2.3 mm,固定帽半径1 mm、长度4 mm,封装了抗加速度型光纤光栅水听器。最后,搭建了声压和加速度测试系统,对抗加速度型光纤光栅水听器进行测试。结果表明,设计的抗加速度型光纤光栅水听器样品在100～1000 Hz频率范围内,声压-波长灵敏度为-23.19 d B ref pm/Pa,加速度灵敏度为-40.40 d B ref pm/g,比参考光纤光栅水听器加速度灵敏度减小了14.26 d B ref pm/g,证明本文提出的抗加速度型光纤光栅水听器可有效降低加速度信号的响应,为抗加速度型水听器设计提供了新的思路。

摘要： 一位哲人说过：“你的心态就是你真正的主人。”在我们的成长路上，要面对各种挑战。目前，学业和一些重要的考试是我们面临的最大、最多的挑战。有同学为考试焚膏油以继晷，也有同学视考试如家庭作业……准备考试的方法因人而异，迎接考试的心态也千差万别，但追求理想成绩的目标是一样的。那么，我们怎样成为自己心态的主人，让自己发挥出最好的水平呢？

关键词： 人工智能   知识图谱   张量   知识推理   表示学习   图神经网络  

摘要： 知识的积淀与传承铸就了人类文明的璀璨,也将推动机器智能的创新发展。通过建立数据到知识库中实体、概念等的逐一映射,并利用知识要素之间的关联关系对事物进行深度理解,知识图谱弥合了人类智能与人工智能之间的语义鸿沟,赋予智能体逻辑推理、精准决策等能力,是机器由感知智能过渡到认知智能的必要驱动。知识推理是大规模知识图谱构建和知识驱动的上层应用的核心技术,然而现有知识推理方法在邻域结构信息捕获、复杂关系语义学习、时序相邻模式构建等方面存在挑战,因此论文从知识图谱自身关联复杂、时间依赖、动态演化等特性出发,依托张量在全面知识表达、潜在交互特征捕获、语义可解释性等方面的优势,在静态知识推理、时序知识推理、增量知识推理三个方面开展了一系列理论、方法、技术的研究。主要研究内容和创新成果如下:首先,针对知识图谱具有高度关系异构性,而现有图神经网络存在无法同时捕获关系语义以及局部结构信息的问题,在单知识图谱推理方面,研究了基于张量图神经网络的知识图谱补全方法:提出面向知识表示学习的张量图注意力网络,采用张量运算来建模实体、关系以及三元组之间的交互以突破矩阵运算带来的限制,并进一步利用张量塔克算子及其性质对补全网络进行压缩及约简;在跨知识图谱推理方面,研究了基于多关系图神经网络的实体及关系联合对齐方法:进一步提出了多关系图注意力机制来学习关系表示,在关系聚合的过程中为关联实体分配不同权重,并提出新的实体及关系联合对齐网络及全局评估指标。实验结果表明,与现有先进静态推理方法相比,提出模型最高可将推理准确性提升7.6%。其次,针对时序知识图谱中的实体分布具有稀疏性和可变性,而静态模型缺乏在时间上下文中捕获事实相关性的能力,在时序内推方面,研究了基于张量的时序交互嵌入方法:显式地讨论了时序知识图谱中实体、关系和时间之间的交互影响,提出交叉卷积以捕获不同四元组背景下的潜在交互模式,进一步采用张量神经网络保持交互信息结构,并从不同的角度提取有效特征以提升时序预测;在时序外推方面,基于张量图注意力网络研究了演进时序推理方法:面向并发事实,提出细粒度张量图注意力模型,以充分利用稀疏时序子图的信息,学习实体关系级注意力系数及自注意力系数,面向时序相邻事实,采用门控循环单元递归建模其顺序模式,使学习到的嵌入涵盖历史信息,并在时序和结构因素的双重作用下增强知识表示,提高知识演化学习效果。实验结果表明,与现有先进时序推理方法相比,提出的模型最高可将时序推理准确性提升5.9%。最后,在大数据不断生成以及知识提取技术不断提高的背景下,知识图谱中的事实随时间推移而增加和演化,针对现有方法在进行知识图谱推理时存在效率低下并缺乏可解释性的问题,研究基于布尔张量分解的增量知识推理方法:首先提出了增量布尔张量分解方法,包括知识图谱表示张量的因子更新和布尔特征合并算法,避免了大量重复计算并提高了分解效率;进一步,通过利用布尔张量分解捕获知识图谱潜在语义信息,基于因子重构张量进行增量知识推理,并结合布尔张量分解的可解释性,对推理结果进行合理解释。实验结果表明,与非增量推理方法相比提出模型可将推理效率提高10倍以上。论文提出的基于张量的知识推理方法可以赋能知识图谱突破自身局限,为人工智能向更高层次的认知智能形态迈进积蓄动能。

关键词： 终末期肾病   认知   脑白质   弥散张量成像   磁共振成像  

摘要： 背景:随着我国社会人口老龄化的加剧,终末期肾病（ESRD）的发病率逐年上升。ESRD患者通常表现出各种类型的神经系统损害,影响着患者的预后及生活质量,其中认知功能障碍容易被忽视,而其具体机制并不明确。通过弥散张量成像技术可以检测脑白质结构改变,结合相关临床生化指标及认知功能检测,从而探究ESRD患者认知功能损害的相关神经机制。目的:应用弥散张量成像的TBSS分析方法及XTRACT纤维束提取技术探究终末期肾病患者脑白质微观结构改变与认知功能受损的潜在机制。方法:共募集64名（男24人,女40人）ESRD患者和年龄、性别及教育年限与之相匹配的47名（男24人,女23人）健康对照组。收集两组被试者的弥散张量数据,使用TBSS分析方法及XTRACT白质提取技术进行检测,并对两组扩散数据进行两独立样本t检验,分析两组被试者脑白质结构改变情况,可得到存在显著差异的脑区。同时,对两组被试者进行神经心理学的认知量表测试,包括简易智能精神状况检查量表（MMSE）、连线实验（TMT-A）及蒙特利尔认知评估量表（Mo CA）。并收集患者组的血清肌酐、尿素氮和血红蛋白等血液生化指标。最后,将ESRD患者组具有显著差异的脑白质区域与临床资料、血液生化指标及神经心理学认知量表测试评分进行Pearson相关分析。结果:1.两组被试者一般临床资料及认知量表测试结果终末期肾病患者组与健康对照组的性别、年龄及教育年限均无显著性差异（P＜0.05）。与健康对照组相比,ESRD患者组的MMSE、Mo CA量表评分降低（P＜0.01）,TMT-A评分增高（P＜0.05）。2.两组被试者脑白质分析比较结果与健康对照组相比,ESRD患者组全脑多个相关区域的FA值减低,而MD值、AD值及RD值增高,主要表现在弓状束、听辐射、丘脑前辐射、扣带回背侧、右侧扣带回膝部、扣带回颞侧、皮质脊髓束、额斜束、大钳、下额枕束、下纵束、小脑中脚、中纵束、视辐射、左侧上纵束II、上纵束III、丘脑上辐射、钩束、左侧垂直枕束等脑区的白质纤维束,差异均有统计学意义（P＜0.05）。3.脑白质纤维束与认知量表、生化指标及病程的相关性分析结果ESRD患者组中,弓状束FA值与血红蛋白水平及Mo CA评分呈正相关,其MD、RD值与肌酐、血红蛋白水平呈正相关,与MMSE、Mo CA评分呈负相关。听辐射FA值与肌酐、尿素水平及TMT-A评分呈负相关,与MMSE、Mo CA评分及血红蛋白水平呈正相关,其MD、RD值与肌酐、尿素水平及TMT-A评分呈正相关,与MMSE、Mo CA评分呈负相关。视辐射FA值与肌酐水平及TMT-A评分呈负相关,与Mo CA评分及血红蛋白水平呈正相关,其RD值与尿素水平呈正相关。丘脑前辐射FA值与肌酐、尿素水平呈负相关,与Mo CA评分及血红蛋白水平呈正相关,其MD、RD值与尿素水平呈正相关。扣带束FA值与肌酐、尿素水平及TMT-A评分呈负相关,与Mo CA评分及血红蛋白水平呈正相关,其MD、RD值与肌酐、尿素水平呈正相关,与血红蛋白水平呈负相关。皮质脊髓束FA值与血红蛋白水平及Mo CA评分呈正相关,其MD、AD、RD值与尿素水平呈正相关,与血红蛋白水平呈负相关。额斜束FA值与Mo CA评分呈正相关,其MD、AD、RD值与尿素水平呈正相关。大钳FA值与尿素水平呈负相关,其MD、AD、RD值与血红蛋白水平呈负相关。下额枕束FA值与肌酐水平呈负相关,与Mo CA评分呈正相关,其MD、AD、RD值与血红蛋白水平呈负相关。右侧下纵束FA值与肌酐水平呈负相关,与血红蛋白水平呈正相关,其MD、RD值与血红蛋白水平呈负相关。中纵束FA值与肌酐水平呈负相关,与血红蛋白水平及Mo CA评分呈正相关,其MD值与血红蛋白水平呈负相关。上纵束、丘脑上辐射FA值与尿素水平呈负相关,与血红蛋白水平及Mo CA评分呈正相关。上纵束MD、AD、RD值与尿素水平及病程时长呈正相关,与血红蛋白水平呈负相关。钩束、垂直枕束FA值与肌酐水平呈负相关,与血红蛋白水平呈正相关。垂直枕束MD、RD值与肌酐、尿素水平呈正相关,与血红蛋白水平呈负相关。小脑中脚FA值与病程时长呈负相关。穹隆MD、AD值与肌酐、尿素水平呈正相关。结论:ESRD患者脑白质微观结构存在广泛受损,与患者认知功能减退及肌酐、尿素氮、血红蛋白等生化物质显著相关。这提示了ESRD患者脑白质广泛受损涉及多种认知功能障碍的神经机制。血肌酐、尿素氮及血红蛋白水平异常可能是导致ESRD患者全脑白质纤维束损伤的危险因素,而脑白质损伤也联系着认知功能的减退。

关键词： 帕金森病   扩散张量   早期诊断   磁共振   Hoehn-Yahr分级  

摘要： 背景:帕金森病（Parkinson’s disease,PD）是全球常见神经系统变性疾病,发病率逐年上升,从表现为非运动症状到出现静止性震颤、肌强直、运动迟缓、姿势步态异常四大典型主征可长达20年,由于缺乏特异性早期诊断方法常延误病情,导致患者生活质量及健康状况明显下降。磁共振扩散张量成像（Diffusion tensor imaging,DTI）技术能够无创直观显示神经纤维束走行并定量分析神经纤维微结构异常,因此在帕金森病早期诊断研究中具有重要作用。目的:本研究旨在通过分析早期PD神经纤维束DTI参数（FA、ADC、RA、VR、GA值）变化情况以及与Hoehn-Yahr分级的相关性,探讨DTI对早期PD的诊断价值及神经纤维束损伤与早期PD分级的关系。方法:本研究收集十堰市人民医院神经内科住院及门诊早期PD患者30名为实验组,选取年龄性别匹配的健康志愿者27名作为正常对照组。所有研究对象均使用德国Siemens Magnetom Skyra 3.0T磁共振扫描仪进行头部常规序列及DTI序列检查,采集的DTI数据自动传输至工作站,使用工作站后处理软件对图像进行计算,得到ROI区彩色纤维图,手动勾画38个ROI区并获得相应参数值。将所获得数据使用SPSS 25.0统计学软件进行差异性及相关性分析,检验水准α为0.05。结果:基于感兴趣区的分析结果显示:与NC相比早期PD额叶、颞叶、顶叶、胼胝体、红核、黑质、丘脑、半卵圆中心等多个脑区多个参数值有明显统计学差异（P＜0.05）,其中以右侧红核FA值检验效能最大。早期PD分级比较显示多个脑区有明显统计学差异（P＜0.05）,且与早期H-Y分级存在一定相关性。对早期PD组内分析发现丘脑ROC曲线下面积最大（P＜0.05）。单侧发病早期PD组多个ROI区双侧神经纤维束参数值有明显统计学差异（P＜0.05）。结论:早期PD脑白质及灰质核团纤维束广泛损伤且损害程度不同。早期PD皮质-脑桥-皮质环路明显受损,红核可作为NC-早期PD鉴别诊断重要影像学定量标志,具体医学参考值范围需加大样本量进一步研究。丘脑损害程度可作为早期PD病程发展特征性影像学标识。单侧发病早期PD双侧神经纤维束发展不对称,且以先发病侧神经纤维束损伤更明显,说明早期PD神经纤维束损伤部位具有一定顺序,该问题需进行纵向研究进一步分析。