课程文献中心 更多>>

关键词： 新冠肺炎   X-ray图像分类   张量网络   模型优化   图像分类系统  

摘要： 新冠肺炎是近百年来人类遭遇的影响范围最广的全球性大流行病,人类生命安全和健康面临重大威胁。在全球疫情盛行的背景下,有限的医疗人员往往需要诊断海量的患者。而对这些大量疑似新冠患者的胸部X-ray图像进行诊断也需要多个科室的医生互相协助。但在疫情期间,医护人员比平时更繁忙,医院更是人山人海,这就可能导致无法第一时间对确诊患者进行隔离,或者出现医护人员对患者病情判断失误的情况。构建精准快速的辅助系统可以有效节省医疗资源,并为医生提供诊断参考意见。目前对于胸部X-ray图像的处理主要采用神经网络模型,但采用神经网络等深度学习模型存在模型复杂度过高、模型训练时间长、对硬件计算能力要求严格等问题。针对上述问题,本文致力于挖掘张量网络方法在机器学习中的应用,构建基于张量网络机器学习的新冠肺炎X-ray图像分类模型以及分类系统。本文主要研究工作围绕以下方面展开:(1)研究局部无序张量网络模型的结构组成和模型特点。针对医生手动分辨胸部X-ray图像这种传统方法,在解决新冠肺炎X-ray图像的分类任务时存在分类效率低、对医生的基本素质要求高等问题。基于以上问题,本文研究了局部无序张量网络模型的结构组成和模型特点。该模型通过使用图像扁平化和设置多层张量网络,让模型在训练时可以保留图像的空间结构信息和学习到图像更深层次的特征。同时模型还具有训练时间短、模型结构复杂度低的优点。(2)优化局部无序张量网络模型,并构建混合局部无序张量网络模型。局部无序张量网络模型在架构可扩展性和通用逼近能力上存在局限性。本文将从模型结构和模型性能的方向入手,对局部无序张量网络模型进行优化。模型结构方面通过引入卷积神经网络、在模型内部增加激活函数的方式,解决张量网络在机器学习中架构可扩展性受限和模型缺乏通用逼近能力的问题。模型性能方面通过实验选择模型分类效果最好的激活函数(Se LU激活函数),并加入Dropout方法避免模型过拟合,最终构建优化后的模型即混合局部无序张量网络模型。(3)利用公开的新冠肺炎X-ray图像数据集验证本文构建的混合局部无序张量网络模型的效果。包括混合局部无序张量网络模型的自身结构实验,混合局部无序张量网络模型与传统深度学习模型的对比实验,混合局部无序张量网络与局部无序张量网络的对比实验。实验结果表明,混合局部无序张量网络模型中卷积神经网络部分的隐藏层数量为2(两个卷积层和池化层),激活函数选择Se LU函数时,模型分类效果最好。混合局部无序张量网络模型与常见深度学习模型的实验指标数据相差无几,但模型体量和模型参数均小于对比模型。此外,混合局部无序张量网络模型对比局部无序张量网络模型在分类效果上有一定提升。综合以上实验结果,本文构建的混合局部无序张量网络模型效果好,给出的优化技术方法是有效的。(4)实现基于Flask web框架的新冠肺炎X-ray图像分类系统,底层模型采用本文构建的混合局部无序张量网络模型,并对其主要功能进行测试记录。通过Flask web等框架搭建的新冠肺炎X-ray图像分类web系统,可实现新冠肺炎X-ray图像三分类和记录测试图像信息的功能。系统测试500张图像,准确率达到98.2%。该系统可为基层临床医生诊断新冠肺炎X-ray图像提供辅助诊疗手段。

关键词： 岩土工程   岩石破裂   声发射监测   矩张量反演  

摘要： 岩石破裂机制及机理的确定是岩土工程领域的研究基础,声发射/微地震矩张量反演方法又是完成此类研究较为有效的手段。长期以来,由于影响矩张量反演精度的因素很多,较大的反演误差常常会误导对岩石/岩体破裂机制的认知,严重影响了矩张量反演方法在岩土工程领域的广泛应用。本文正是以在声发射/微地震监测中实现更高的矩张量反演精度为目标,从不同尺度出发(巴西劈裂试验、单轴压缩试验、地热开发以及水力压裂),多角度切入(传感器振幅校准、反演方法、传感器布局形式),展开了深入研究,较大幅度地提高了反演精度,并取得了如下创新性成果:(1)提出了一种新的传感器振幅校准方法:搜索校准法;该方法可在混合噪声和高噪声环境中获取更加准确的震源剪切成分及应力状态,有效提高了传感器振幅的校准精度。传统微震监测振幅校准法(监测网校准法和混合反演法)受系统性误差的影响较大,对整体监测结果不利;该方法较好地克服了原有校准法的弱点,成功应用于美国加利福尼亚州的Geysers地热田微震监测矩张量结果的优选。(2)提出一种新的矩张量反演方法:加权反演法;该方法根据不同质量振幅在声发射事件中的作用和演化特性,细分和调整了每个振幅在矩张量反演过程中的权重因子,获得了更加准确的矩张量反演结果。通过理论计算和多工况模拟分析,验证了相较于标准反演法和非线性STC反演法,加权反演法结果的准确度得到较大幅度的提高;将三种方法同时应用于巴西劈裂试验的矩张量反演研究中,相较于另外两种方法,加权反演法的结果能更准确地描述圆盘劈裂的过程及形式。(3)提出了“最优纵深比区间”的概念,并据此实现了平面监测微地震传感器阵列的布局优化,证明了传感器布局参数与矩张量反演结果的准确性关系密切。在规则网格布局形式的基础上,提出圆形布局的概念及相应优化方法,通过理论计算和模拟分析,证明了该布局相较于规则网格布局、星形布局和均匀球面布局可以获得更低的矩张量反演误差,且优化流程和相应结论不受传感器数量、震源类型和震级等因素的限制。

关键词： PMN-PT   透明陶瓷   电光效应   La掺杂   两步烧结法  

摘要： 光通信技术的蓬勃发展对于各类电光器件提出了更高的性能需求。相较于其他电光材料,Pb(MgNb)O-Pb Ti O(简称PMN-PT)透明电光陶瓷具有透明程度高、二次电光系数大、弱场致效应等显著的优点,可作为制备电光调制器、电光开关及电光衰减器等电光器件的核心光学材料,受到了国内外研究机构和学者们的广泛关注;但其苛刻的制备工艺条件和在制备兼具高透明度和其他优良性能的PMN-PT透明陶瓷过程中存在的诸多问题严重限制了其应用场景。为探索更简便有效制备高度透明且性能优异的PMN-PT透明电光陶瓷的制备工艺,本文采用无压氧气氛烧结制备La掺杂PMN-PT透明电光陶瓷,探讨了烧结过程中烧结温度和保温时间及粉体合成方法对透明陶瓷样品结构与性能的影响,主要结论如下:首先,采用无压氧气氛一步烧结法在1225～1300℃保温4～10h均能够制备出具有可观透光率(>61%@1550nm)、致密度较高(>96.71%)的纯相La掺杂PMN-PT透明陶瓷;其中最佳的烧结条件为1250℃保温8h,烧结后的La掺杂PMN-PT透明陶瓷相对致密程度达到了98.69%,光纤通信传输波长1550nm处透光率最高达65.149%;为进一步提高性能,提出并采用无压氧气氛高低温两步烧结制备方法。实验结果表明:最佳烧结条件为高温段在1330℃下保温1min后在1250℃下保温8h,制备得到La掺杂PMN-PT透明陶瓷样品1550nm处透光率可达69.710%,已十分接近其理论透光率71%,其相对致密度为99.63%,二次电光系数为22.7×10 m/V。无压氧气氛高低温两步烧结法最佳烧结工艺下制备的La掺杂PMN-PT透明陶瓷相较一步烧结法透光率、相对致密程度均得到了有效地提升。最后,固相反应法和无机盐-凝胶法均能够成功制备3mol%La掺杂的纯相PMN-PT透明陶瓷。无机盐-凝胶法合成的PMN-PT陶瓷粉体相较于固相反应法具有更小的颗粒尺寸,且粉体团聚现象明显,烧结后制备的陶瓷样品透光率、电学及电光性能相较固相反应法制备的样品更差;固相反应法是更适合无压氧气氛烧结的粉体制备工艺。

关键词： 数字滤波多址-无源光网络系统   色散补偿   单边带调制   可重构光分插复用器  

摘要： 随着5G时代的到来,各种新兴应用不断发展,终端用户对光接入网传输性能提出了更高的要求。无源光网络(Passive Optical Network,PON)以其低成本和易部署等优良特性成为广受关注的光接入网解决方案。然而,传统的PON系统由于不支持动态服务模式,需要预定义物理连接、灵活性低等问题,无法满足未来光接入网的需求。因此,具有高度动态、可重配置和高灵活性的数字滤波多址(Digital Filtering Multiple Access,DFMA)PON系统应运而生。同时,考虑到系统实现的成本和复杂度等原因,直接检测(Direct Detection,DD)被广泛应用于PON系统中。但是,DD系统在接收端进行光电转换时易受光纤色散而引起频率选择性衰落,导致系统性能下降。为解决该问题,本文从光域角度开展了理论分析和仿真研究,主要研究内容及创新成果包括:(1)在DFMA PON系统中使用单边带调制技术抑制由光纤色散引起的频率选择性衰落,进而解决光纤色散问题。本方案在已仿真的DFMA PON系统的基础上,利用IQ调制器产生单边带信号进行传输。由于传输单边带信号不会产生频率选择性衰落现象,这有效地解决了光纤色散对传输系统带来的影响。但是传输单边带信号会引入信号与信号的拍频干扰,因此,本方案在接收端利用Kramers-Kronig(KK)算法来消除此干扰。最后仿真结果表明,在不采用其他色散补偿算法的情况下,单边带传输系统较双边带传输系统的性能有显著提升,同时与接收端不采用KK算法的单边带传输系统相比,本方案在经过25 km标准单模光纤传输后,接收机灵敏度最高可提高约5 dB。(2)在DFMA PON系统中使用可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer,ROADM)避开由光纤色散引起的频率选择性衰落,进而解决光纤色散问题。本方案在已仿真的DFMA PON系统基础上,在光纤传输后加入ROADM器件,根据此器件下载的理论特性获取目标波长信号。通过控制可调谐光滤波器,实现波长信号动态下载的目的。最后仿真结果表明,在不采用其他色散补偿算法的情况下,本方案在经过25 km标准单模光纤传输后,对比传输相同带宽的传统系统,两路波长信号在接收光功率为-11 dBm时,均能正常解调。

关键词： 高光谱图像去噪   全变分   张量   低秩矩阵恢复  

摘要： 高光谱图像同时携带地物信息和光谱信息,可以更好地对地物进行判别与分类,在诸如军事侦察、农业生产、目标检测等领域都获得了广泛的关注。但在其通过成像光谱仪进行成像、以及数据传输的过程中经常会产生多种噪声,如高斯噪声、椒盐噪声、死线和条纹等,噪声的存在不仅会降低图像质量,还会影响后续工作。因此,作为高光谱图像数据应用的预处理步骤,给高光谱图像数据进行去噪处理具有重要的学术意义和研究价值。本文将围绕高光谱图像去噪算法进行重点研究,主要工作如下:阅读大量文献,分析了高光谱图像去噪算法的研究现状,并对基于全变分(Total Variation,TV)、低秩矩阵和张量的高光谱图像去噪算法进行了深入研究,总结出现有算法的优势和不足。现有的高光谱图像去噪算法未能充分探索图像的结构信息和细节信息,使得结果图像过平滑,并且在高斯噪声强度较大的情况下去噪性能不佳。针对以上问题,提出了一种新的高光谱图像去噪算法——基于中心差分全变分和局部低秩特性的高光谱图像混合噪声去噪算法(Hybrid Noise Denoising Model For Hyperspectral Images Based On Local Low-rank Properties and Central Difference Total Variation,LLCDTV)。该算法提出了能够探索图像结构信息的中心差分全变分模型(Central Difference Total Variation,CDTV),并对高斯噪声进行了约束。仿真实验表明,该算法对于去除高光谱图像中的混合噪声而言,具备良好的性能。在基于中心差分全变分和局部低秩特性的高光谱图像混合噪声去噪算法中,中心差分全变分模型对噪声较为敏感,导致算法的鲁棒性较弱。针对以上问题,提出了一种新的高光谱图像去噪算法——基于空间中心差分全变分和波段融合策略的高光谱图像混合噪声去噪算法(Hybrid Noise Denoising Algorithm for Hyperspectral Images Based on Spatial Center Difference Total Variation and Band Fusion Strategy,SCDTVBF)。该算法将中心差分全变分模型优化为空间中心差分全变分模型(Spatial Center Difference Total Variation,SCDTV),并提出了用于二次去噪的波段融合策略。仿真结果表明,该算法克服了基于中心差分全变分和局部低秩特性的高光谱图像混合噪声去噪算法的不足,表现出更加优越的去噪结果。对于现有的基于低秩特性的高光谱图像去噪方法而言,仍存在一些普遍的弊端,如较容易丢失图像的细节内容,并且算法鲁棒性较弱,并且对于现有的基于张量的算法而言,也存在耗时较长等弊端。针对以上问题,提出一个新的高光谱图像去噪算法——基于空间-光谱因子正则化的低秩张量高光谱图像加权混合噪声去噪算法(Low-rank Tensor Hyperspectral Image Weighted Hybrid Noise Denoising Algorithm Based on Space-spectral Factor Regularization,WSSFR)。该算法将低秩张量去噪模型和高斯噪声约束模型相结合,提出了一个去噪效果佳、具备较强的鲁棒性的高光谱图像去噪模型。经过一系列实验,仿真结果表明,该算法能够克服上文提到的现有的基于低秩矩阵恢复的高光谱图像混合噪声去噪算法的不足,能够更好地实现图像信号与噪声的分离。

关键词： 柔性PDLC光栅   电控特性   衍射效率   曲率半径   响应时间   温度监控  

摘要： 衍射光栅是具有周期性折射率调制的重要色散光学元件。随着科技的进步,对光栅灵活性的要求越来越高,探究制备工艺简单、低成本、高效可调的柔性光栅是非常有必要的。液晶具有介电和光学各向异性,是制备具有电可调功能衍射光栅的良好候选者。本文提出了利用聚合物分散液晶(PDLC)和ITO-PET柔性基板制备一维、二维柔性PDLC光栅。首先,运用标量衍射理论分别推导出柔性PDLC光栅衍射效率的表达式,并用Matlab进行了数值模拟。在数值模拟的过程中通过控制变量的方法,得到光栅的衍射效率随液晶折射率和柔性盒盒厚的增大呈现先增大再降低的周期性分布,最大衍射效率为30.4%。当柔性PDLC光栅的曲率半径分别为2 cm、3 cm、4 cm、5 cm时,光栅的衍射效率几乎不变;当其曲率半径小于1 cm时,光栅边缘处的衍射效率逐渐降低。其次,利用聚合物诱导相分离方法制得一维、二维柔性PDLC光栅。其在不同曲率半径下均可通过外加电场实现光栅衍射级次的调制,并且还具有低驱动电压、低饱和电压和快速响应的特点。一维柔性PDLC光栅的驱动电压和饱和电压分别为0.8 V和12 V,其上升和下降时间分别为3.225 ms、98.29 ms,中心处的一级衍射效率为9.1%。二维柔性PDLC光栅的驱动电压和饱和电压分别为2.5 V、16.5 V,其上升和下降时间分别为3.362 ms、75.46 ms,中心处的一级衍射效率为7.58%。最后,通过实验证明了柔性PDLC光栅不仅可以实现分光还可以实现温度监控的功能。在20-55℃温度范围内,测得该光栅在不同电压、不同频率及不同曲率半径下的电容变化率、电阻变化率、ln(RC)与温度的关系。结果表明:ln(RC)作为测温变量可以在降低功耗的同时提高测温精度。在1 V、500 Hz时,其灵敏度在25℃可达-4.42%/℃;弯曲后ln(RC)与温度仍有较高的线性拟合度。此外,通过对其进行性能测试,证明了它具有稳定性好、恢复性佳、耐用性好等优点。

关键词： 咀嚼肌   扩散张量成像   不同颌位   可重复性  

摘要： 目的:探讨扩散张量成像（DTI,diffusion tensor imaging）评价不同颌位咀嚼肌形态和功能的可行性及可重复性。材料和方法:分析20名成年健康志愿者的影像学资料。所有健康志愿者均分别于颌骨处于姿势位、开口位和ICP紧咬位（clenching in the intercuspal position,ICP clench）时,行DTI及3DT1成像检查。并于7～9天后对其中的10名志愿者进行三个不同颌位的第二次扫描。计算咀嚼肌（咬肌、翼外肌、翼内肌、颞肌）在不同颌位的各向异性分数（fractional anisotropy,FA）、平均扩散系数（mean diffusivity,MD）、三个特征值（λ、λ、λ）和平均肌纤维束长度(fiber length,)),采用配对样本t检验和Wilcoxon符号秩和检验比较不同颌位咀嚼肌扩散参数差异。计算两次测量扩散张量参数的可重复性,用变异系数（coefficient of variation,CV）和成对差值的标准差来评价两次测量的可重复性,CV小于10%时认为重复性是良好的。结果:（1）咬肌:与姿势位比较,开口位的FA增加19.8%（P<0.05）,而MD、λ和λ分别减少10.6%、12.4%和16.5%（P<0.05）;两组间的λ和)差异无统计学意义（P>0.05）。同样与姿势位比较,ICP紧咬位)减少6.1%（P=0.019）;两组间的FA、MD、λ、λ和λ差异无统计学意义（P>0.05）。（2）翼外肌:与姿势位比较,开口位的MD、λ、λ和λ分别增加17.0%、14.6%、18.6%和18.8%（P<0.05）,而FA和)分别减少12.3%和12.4%（P<0.05）。同样与姿势位比较,ICP紧咬位MD、λ、λ、λ以及)减少9.4%、9.9%、9.1%、9.4%、6.6%（P<0.05）;两组间的FA差异无统计学意义（P=0.335）。（3）翼内肌:与姿势位比较,开口位的FA增加了11.7%（P=0.005）;两组间的其他扩散张量参数(MD、λ、λ、λ及))差异无统计学意义（P>0.05）。同样与姿势位比较,ICP紧咬位)减少12.6%（P<0.05）;两组间的其他扩散张量参数（MD、FA、λ、λ、λ）差异无统计学意义（P>0.05）。（4）颞肌:与姿势位比较,开口位的MD、λ、λ分别减少6.0%、7.8%、11.6%（P<0.05）,而FA、)增加21.4%、17.2%（P<0.05）;两组间的λ差异无统计学意义（P=0.491）。同样与姿势位比较,ICP紧咬位λ减少4.4%（P<0.05）;两组间的其他扩散张量参数(MD、FA、λ、λ以及))差异无统计学意义（P>0.05）。（5）姿势位时,所有的差值标准差和变异系数非常低,咀嚼肌的所有扩散参数（平均CV为2.767%,范围1.06%～8.56%）和纤维束长度（平均CV为2.99%,范围2.02%～4.12%）具有很高的可重复性。开口位时,整体咀嚼肌的所有扩散张量参数（平均CV为2.871%,范围0.8%～10.43%）和纤维束长度（平均CV为3.915%,范围1.49%～8.58%）具有很高的可重复性。紧咬位时,整体咀嚼肌的所有扩散张量参数（平均CV为17.976%,范围2.4%～97.48%）的可重复性性较差,但纤维束长度（平均CV为7.54%,范围2.19%～17.91%）具有较高的可重复性。结论:3.0T的DTI在测量姿势位和开口位咀嚼肌的扩散张量参数时可重复性良好,但ICP紧咬位的可重复性较差。此外,扩散张量参数对咀嚼肌在不同颌位运动中的形态和功能变化敏感,并且它的改变能够反应不同颌位引起的肌纤维结构变化,这为DTI研究咀嚼肌的病理（生理）状态奠定了基础。

关键词： 子空间表示   加权低秩张量正则化   高光谱图像去噪  

摘要： 高光谱图像是一种高维图像,可以反映真实场景的空间信息和光谱信息。高光谱图像将表征被拍摄对象特定性质的光谱信息和揭示其空间几何关系的空间信息结合在一起,对场景进行了更加多维、细致和可靠的描述。由于图像获取过程中的种种不可控因素,例如传感器的灵敏度、光子效应和校准误差,图像中会不可避免地存在噪声。这些噪声严重影响图像中信息的传达和后续的处理,为其在视觉领域的进一步应用带来负面影响。图像去噪作为视觉领域的预处理步骤,旨在去除图像中的噪声成分,从被观测的噪声图像中恢复真实图像。基于空间非局部自相似性和全局光谱相关性两种先验信息设计合适的正则化项是一种高光谱图像去噪的思路。许多高光谱图像去噪方法从图像中提取具有低秩性的分量后,对其进行低秩约束用于去噪分析。然而,一些方法将具有低秩性的三维张量展开成二维矩阵或一维向量的形式来挖掘图像中的先验信息,破坏了高光谱图像内在结构相关性,使得图像中的先验信息没有得到充分地利用,影响图像恢复的效果。此外,在大多数基于低秩的去噪方法中,构造低秩分量涉及到的图像块匹配操作和在原始高维空间上的矩阵和张量的奇异值分解操作往往会带来较大的计算负担。我们提出一种基于子空间表示和加权低秩张量正则化的方法去除高光谱图像中的混合噪声。子空间表示的引入使得提出的算法具有较低的算法复杂度,简化去噪过程的同时可以去除图像中的部分噪声。具体地说,利用光谱频带之间的相关性,选取合适的正交矩阵,将高光谱图像投影到低维子空间中。为了保留高光谱图像的内在结构相关性,去噪过程基于从简化图像中提取的低秩张量进行,引入加权低秩张量正则化项表征简化图像子空间的先验信息,基于张量Tucker分解中核范数的物理意义构建合理的加权机制。此外,我们设计了一种基于迭代最小化的方法用于求解提出的非凸去噪模型。模拟和真实数据集上的实验表明提出的子空间表示和加权低秩张量正则化方法在定量和定性分析上都取得了较好的去噪效果。

关键词： 循环四能级原子系统   增益相位光栅   弱信号场能量放大   全光调制技术   全光逻辑门  

摘要： 近年来，全光调制作为全光通信网络的重要基础技术受到研究人员的广泛关注。通过研究，人们发现了一种电磁感应光栅，其独特的光学特性，可以用于实现主动控制的全光开关、全光路由、全光逻辑门等光学器件。本文主要研究了一种循环四能级原子系统中的增益相位光栅效应，该光栅可以将弱信号场能量放大，具有很强的衍射能力，而且调控过程中有可控的阈值，可用于实现基于光栅特性的全光调制。　　本文的研究内容分为以下三个部分：　　1.介绍了光信息网络中的光调制技术，包括传统光调制和全光调制技术。在光与原子相互作用产生的电磁感应透明效应中，原子介质对于探测光的吸收和色散特性可以通过耦合光来控制，因此可以将电磁感应透明效应应用于全光调制。　　2.分析讨论了光与N型四能级原子相互作用时，在不同条件下形成的三种光栅效应：电磁感应相位光栅、主动拉曼增益相位光栅、近共振增益相位光栅。当只有振幅调制时，电磁感应相位光栅的零阶衍射效率为97%，一阶和高阶衍射效率几乎为零，信号场能量没有被放大，而主动拉曼增益相位光栅和近共振增益相位光栅的信号场能量分别被放大了4.7倍和4倍，因此光栅系统中的增益机制可以将信号场的能量放大。当加入相位调制后，光栅零阶衍射方向的能量会被转移到高阶衍射方向，增大了光栅的高阶衍射效率，例如电磁感应相位光栅、主动拉曼增益相位光栅和近共振增益相位光栅的一阶衍射效率分别增加了34%、44%和76%。　　3.研究了一个循环四能级原子系统中的增益相位光栅效应，分析了抽运场、调制场和耦合场对信号场衍射强度的作用。结果表明，合适的抽运场、调制场和耦合场共同作用，使得信号场产生增益。只有振幅调制时，信号场的能量被放大约19倍，加入相位调制后，能量从零阶衍射方向转移到高阶衍射方向，一阶衍射效率可达427%。此外，在调制过程中抽运场强度存在阈值。该光栅在全光开关、全光调制、全光逻辑门等新型光子器件中具有重要的应用。