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关键词： 红外小目标检测   图像增强   去雾模型   张量恢复  

摘要： 随着近年来红外成像技术的进步,红外小目标检测逐步从军事领域扩展到交通、安全防护、医疗、工程施工、紧急救援等诸多民用领域。当前大部分的研究成果聚焦于单帧图像的红外小目标或序列的红外小目标,红外数据库少,同时关注图像特征和检测对象的融合研究少有涉及。在应用中,红外热成像系统固有的成像机理会造成图像缺失色彩信息、质量差等问题,此外受限于成像距离、大气传输等因素,导致红外图像对比度低、图像模糊以及视觉效果差,与可见光的多雾图像相近。在检测对象方面,小目标外观形态复杂和纹理形状缺失使得小目标常淹没在复杂背景中(如厚云层、建筑、树木及高亮辐射源)。为此,本文从红外热像仪、图像和检测对象的基本特点出发,重点研究了可见光图像的去雾算法在红外图像上的迁移应用,并结合张量分析理论展开研究工作,主要工作归结如下:第一,针对红外图像对比度低、模糊和视觉效果差的问题,提出基于去雾增强模型的红外图像清晰化算法。受可见光图像去雾的启发,结合红外图像特点,以大气散射模型为理论基础,通过改进的暗通道先验算法去除造成红外图像模糊的成分,实现红外图像清晰化,从而改善视觉效果。第二,针对红外数据库少的问题,采用红外热成像设备和无人机构建红外小目标数据集。为提高算法检测精度,减少算法复杂度,提出基于去雾增强和张量分析的红外小目标检测算法。首先利用改进的暗通道算法对红外图像去雾增强,提高图像清晰度并增强图像的低秩性,再筛选匹配的张量正面切片去构建红外块张量模型,在张量奇异值分解的框架下,将小目标检测转化为张量恢复的研究;最后采用一种快速算法求解目标函数。所提去雾模型有效解决了红外图像中“薄雾”问题,增强图像低秩性,改进算法的局部对比度和清晰度相较于原图像显著提高。实验证明,所提算法能够有效抑制背景杂波,在构建的数据集和公开数据集都取得较优的检测准确率,复杂背景下的误检率可降低33%,在高亮背景区域中检测性能良好,表明该算法适用于复杂场景,剔除潜在虚警点。

关键词： 衍射光栅   位移测量   锥面衍射   量程扩展   小型化设计  

摘要： 精密测量技术是现代超精密加工及超精密控制技术的重要保障手段,兼顾大量程高精度小型化的精密测量技术为高端加工设备中的超精密位置定位提供了合适的技术手段。光栅位移测量系统作为一种以光栅栅距为基准的测量设备,其测量精度高、环境适应性好的优点使其应用于多种高端加工设备。近年来,尽管国内外学者进行了各个方面的研究,但光栅位移测量系统仍存在大量程、高精度、小型化相互制约的矛盾,即系统中光学元件的加工及安装误差影响整体测量精度,测量光栅加工制造误差难以标定,单块大尺寸高精度测量光栅加工制作困难限制测量量程,系统结构臃肿不适用于应用环境等。这些问题限制了光栅位移测量系统的应用范围,严重制约其从实验室技术向产品化发展,不能满足市场对超精密定位产品的需求。因此,本文从光栅位移测量系统相互制约的三个矛盾出发,旨在寻求矛盾平衡点,使其综合性能提高;刨析应用所需难点并解决,使光栅测量系统走向产品化。本文的具体研究内容如下:第一,开展了光栅衍射特性与干涉位移测量原理的研究。进行了严格耦合波方法对光栅衍射效率计算的阐述,分析了入射光束与衍射光束的空间关系;阐述了光栅多普勒效应对测量光束频率的影响;分析了干涉测量中干涉光相位变化与位移变化的关系;列举了常用的相位提取方法,如零差四步相移、差频干涉相移提取。第二,开展了基于锥面衍射调制的光栅位移测量方法研究。利用严格耦合波方法分析了测量光束经锥面衍射的效率变化与偏振态变化,分析了不同光栅参数下锥面衍射结构的普适性,并根据衍射光相位变化分析工作台运动误差引起的测量误差;进行了基于锥面衍射的光栅位移测量系统的搭建与实验,分析与补偿重复测量中的误差,43mm量程的测量精度为45nm。验证了锥面衍射对光束偏振的调制作用与锥面位移测量结构的高精度。第三,开展了基于锥面衍射的光栅面形误差消除研究。分析了多点测量中光栅面形误差及刻线误差对测量误差的影响,并采用锥面衍射式结构实现对称结构单点测量,消除多点测量受光栅面形误差与利特罗式单点测量杂散光混叠的问题;进行了测量光栅面形的检测与数据处理,对比了测量误差与刻线误差,两类误差基本一致;分析了测量光束不重合而残余的面形误差,43mm量程残余面形误差0.2nm。验证了锥面衍射测量方法的面形误差消除特点,也为后续量程扩展和小型化设计提供高精度的读数头研究基础。第四,开展了光栅位移测量系统的大量程拓展研究。采用短尺寸高刻线密度光栅进行拼接,分析了多光栅拼接间隙引起的光栅测量系统切换过程中的动态误差,并探究测量数据补偿与切换传递方法;设计并搭建了多块光栅拼接的光栅测量系统,将测量光栅以部分重叠的方式进行放置,特殊设计的双层读数头可同时采集两光栅测量数据;进行了拼接测量中重叠区域的数据延迟补偿和姿态不一致引起的误差补偿,实现了均匀拼接中缝隙引起的数据丢失和切换前后光栅姿态不一致误差的消除。验证了拼接数据补偿与数据切换方法在更大量程扩展中的可适用性。第五,开展了小型化测量结构误差确定与分配研究。以高精度锥面衍射光栅测量结构为基础,结合锥面衍射空间分布,设计了测量精度高、空间利用率高的光栅位移测量结构;采用ZEMAX分析了测量结构中的杂散光影响,并根据光线向量的光线追迹程序分析了干涉光束在不同误差下的重合度,以此确定光机元件的加工误差容限并进行误差分配;对设计完成的小型化测量光机结构进行装配步骤设计,实现了48mm*40mm*20mm的小型化读数头设计与装配。

关键词： 阵列波导光栅   集成光子器件   聚合物波导   波分复用器件  

摘要： 随着通信行业的发展,通信网络中传输的数据量正以指数级速度增长,现有的电子通信方案已趋近于传输极限,光通信技术以其较为成熟的波分复用技术(WDM)成为有效解决当前问题的方案。阵列波导光栅(AWG)是一个波分复用设备,常用在WDM系统中。该器件使用平面波导回路(PLC)技术完成制备,具有低插入损耗、高信号平坦性和易于集成等优点。基于聚合物材料的AWG具有性价比高、工艺简单和易于多层制备的优点,本文选用聚合物波导平台进行三维光子器件的研制,并成功设计制备了双层AWG器件,主要工作内容概括如下:首先论述光波导和AWG的理论,给出了AWG器件的设计参数和功能指标,为后续的仿真设计和测试分析提供了理论根据。其次使用有效折射率法对AWG器件进行了模拟仿真和参数优化。设计了4个具有不同中心波长的40通道AWG器件,器件波长间隔为200 GHz,并通过对其结构布局的设计实现了在同一块芯片上分上下两层集成4个AWG的光刻掩模版,通过创新的中心镜像对称设计,设计使用同一块掩模版经过旋转进行两次光刻的版图。最后进行了双层制备工艺并进行芯片性能测试。本文选用韩国ChemOptics公司ZPU-12系列紫外固化聚合物作为本设计的制备材料,针对光刻负胶使用了二次光刻的制备工艺,成功研制出了通道间隔为200 GHz的双层AWG器件,单个芯片尺寸为1 cm×3 cm,并进行了性能测试。最终测试结果显示,AWG芯片插入损耗在3.26 dB～4.65 dB,整体带宽为112 nm,插入损耗变化小于1.4 dB。

关键词： 水体悬浮颗粒物   静态光散射   CMOS图像采集   PMT探测器   粒度测量  

摘要： 水体悬浮颗粒物是各种污染物重要富集载体，其粒径水平是水环境污染监测的关键指标之一，实现水体悬浮颗粒物粒度的自动在线测量，对水质监测评估及水生态环境保护起着至关重要的作用。静态光散射法具有测量快速、动态范围宽、自动化程度高等优势，已成为水体悬浮颗粒物粒度快速在线测量的主流技术。然而，现有散射光探测技术受限于探测器结构与尺寸大小，致使粒度测量精度低及动态范围窄。论文重点开展了大动态范围、高角分辨率散射光探测技术研究，完成主要研究工作与取得成果如下：　　（1）基于Mie散射理论，推导了光电探测器散射光能分布与颗粒粒度分布关系;针对大粒径颗粒前向散射光探测中环形光电探测器分辨率低、操作繁琐的问题，提出了基于高分辨CMOS图像传感器的前向小角度散射光探测方法;针对小粒径颗粒侧向和后向散射光探测中多探测器阵列分辨率低、结构复杂的问题，提出了大角度散射光采用光电倍增管（PMT）单探测器多角度连续扫描测量方法。　　（2）完成了基于IMX294图像传感器与CX3核心控制器的图像采集系统硬件与驱动软件设计，实现了高分辨率的散射图像的采集。为了提高前向小角度散射光测量系统的粒径测量下限，提出了双CMOS拼接探测结构，研究了双CMOS传感器的散射光图像拼接方法，实现了从散射图像到样品的散射谱的获取;提出了一种消除背景干扰的CMOS探测器分环方式，提高了基于CMOS探测器的大粒径颗粒粒度测量系统的测量上限;搭建的双CMOS散射光探测系统实现了1000μm至2μm水体悬浮颗粒物粒度的准确测量，其中1000μm、500μm、120μm、9.86μm、5μm和2μm标样D50测量相对误差分别为0.7%、0.1%、2.1%、2.2%、1.4%和2.6%。　　（3）完成了基于PMT单探测器电机扫描和微弱光信号高灵敏检测的大角度散射光采集电路设计，实现了侧向与后向散射光高角分辨率测量。实验结果表明，2μm、1.5μm、0.5μm和0.3μm标样的D50测量相对误差分别为17.7%、1.3%、4.0%和5.7%。　　根据设计的小角度双CMOS与大角度PMT单探测器连续扫描模块搭建多角度散射光探测系统，为基于静态光散射的水体悬浮颗粒物大范围粒度准确测量提供技术基础。

关键词： 布尔网络   矩阵半张量积   牵制控制   可观测性   镇定性  

摘要： 随着生物医学与系统科学的快速发展,布尔网络不仅是描述基因调控网络的有效工具,而且广泛应用于智能电网、交通网络等研究领域.应用矩阵的半张量积,布尔网络转化为离散时间线性系统,从而促进了逻辑动态系统的研究,推动了现代控制理论的进一步发展.借助于矩阵半张量积,本文研究了布尔控制网络的可观测性,概率布尔网络的镇定性及其扰动分析问题.具体内容如下.1.研究带多个信道布尔控制网络的可观测性问题.利用矩阵的半张量积,给出带多个信道的布尔控制网络的代数表示.基于该代数表示,验证了自由控制序列与状态反馈控制下布尔控制网络可观测的充分必要条件,进一步给出可观测的反馈控制矩阵算法.2.研究概率布尔网络牵制鲁棒镇定性问题.应用矩阵的半张量积,给出带有干扰的概率布尔网络的代数表示.通过设计牵制控制器,改变状态概率转移矩阵的列,得到鲁棒镇定的概率布尔网络,验证了牵制反馈矩阵的可解性并得到牵制控制器的设计算法.3.研究概率布尔网络牵制镇定性的扰动分析问题.应用矩阵的半张量积,给出概率布尔网络在牵制控制下的代数表示.在此基础上,通过构造一个参数集,给出确定性函数扰动下,概率布尔网络保持有限时间牵制镇定与变为渐近镇定的条件.

关键词： 交通数据恢复   时空约束   异常检测   张量理论   深度展开  

摘要： 随着科学技术的进步,机动车的数量持续增加,交通问题日益明显。由于传感器的故障和网络延时,数据缺失和异常是智能交通系统中越来越常见的问题。数据缺失和异常对智能交通系统在交通管理和规划方面的应用影响巨大,例如交通数据采集和交通疏导,数据污染会降低智能交通系统进行交通指导和规划的准确性和可靠性。虽然基于矩阵和张量的方法在数据恢复方面取得了有效的成果,但这些方法某些情况下不能挖掘数据的高维特征和缺乏相应的约束条件,恢复精度还是受到了不同程度的影响。利用完整的交通数据可以准确的对交通状况进行分析,减缓城市道路拥堵状况,方便人们的出行。因此,研究出一种精确且高效的交通数据恢复方法是具有现实意义和学术价值的。 针对以上问题,本文提出了一种基于张量理论的交通数据恢复算法,将交通数据构造成一个三阶张量,交通数据存在明显的时空相关性,构造相应时空约束可以提高交通数据的恢复性能。另外提出了一种基于深度展开的交通数据恢复方法,将提出的算法展开到神经网络中训练,从训练中获取最优的参数,进一步提高数据的恢复精度。本文的主要研究内容如下: (1)为有效挖掘交通数据潜在的时空相关性并提高数据恢复精度,提出一种时空张量鲁棒主成分分析算法。首先利用拉普拉斯矩阵和托普利兹矩阵分别构造空间约束张量和时间约束张量,然后基于张量鲁棒主成分分析方法,建立凸优化数学模型,同时引入低秩张量分解降低算法的复杂度。最后利用交替方向乘子法对所提出的优化问题进行迭代求解,将复杂的求解问题转化成多个具有封闭解的子问题,并设置异常阈值来实现数据异常检测。实验表明,本文提出的算法即使数据严重损坏也具有最佳的数据恢复和异常检测性能。 (2)为充分利用神经网络高效的学习能力和进一步提升数据恢复精度,提出基于深度展开的交通数据恢复方法,该方法将迭代算法与神经网络相结合。本文将提出的算法展开到神经网络中训练,将时空约束的构造用卷积层代替,通过优化损失函数调整网络参数,最后将训练的模型用于交通数据的恢复和异常检测。实验表明,相较于传统的迭代方法,深度展开神经网络中训练的模型具有更高的数据恢复精度和异常检测性能,同时可以实现快速的实时交通数据恢复,而且具有层级结构的深度展开网络相较于深度神经网络有很好的可解释性。

关键词： 近眼显示系统   光波导   出瞳扩展   亮度均匀性   光栅占宽比   光刻胶灰化技术  

摘要： 增强现实(Augmented Reality,AR)技术可以将虚拟的图像信息叠加到外部的真实环境中,使观察者既能沉浸在现实世界中又能接受到显示设备提供的信息,被普遍认为是下一代主流显示技术。作为实现AR显示的重要手段,基于衍射光栅的波导式近眼显示设备在紧凑性和便携性等方面有着突出的优势,逐渐取代了传统的折反射式设备,成为目前AR设备的首选设计方案。出瞳扩展作为光波导近眼显示系统的优点之一,可以为人眼提供更大的观察范围,提高用户的佩戴舒适性。然而,光线在扩瞳过程中存在能量损失,造成显示系统出瞳范围内的亮度分布不均匀,直接影响了虚拟信息的完整性,降低了设备的图像显示质量。中国科学技术大学衍射光栅团队,承担了惯性约束聚变的高功率激光系统所急需的大口径脉冲压缩光栅的研制,发展了米量级口径的全息-离子束刻蚀光栅技术。本文以提高出瞳亮度均匀性为研究目标,对近眼显示系统的光栅光波导结构进行设计与优化,并进行了初步试验验证。论文的主要工作及成果包括以下几个方面:1、根据近眼显示系统的成像原理和光栅衍射理论对作为光学耦合元件的两块一维表面浮雕光栅进行分析与设计,并通过Rsoft软件对设计出的光栅结构进行仿真,根据仿真实验结果和矢量衍射理论优化光栅槽形。2、提出了一种具有可变占宽比结构的输出耦合光栅,目的是使输出光线的衍射效率在扩瞳方向上尽可能保持一致,以提高显示系统的出瞳亮度均匀性。通过LightTools软件对光栅光波导显示系统的进行建模,仿真模拟了出瞳的亮度分布情况,验证了变占宽比结构对于提高出瞳亮度均匀性的可行性。仿真模拟结果表明,当耦出光栅的占宽比分布采用最优组合参数时,相比于占宽比均匀分布时,显示系统的出瞳亮度均匀性得到了将近40%的提升,高达92.83%。3、设计了一系列占宽比调制实验,利用光刻胶灰化技术使光栅侧壁发生一定程度的收缩以实现变占宽比结构。分别研究了灰化时间和灰化位置对光刻胶光栅占宽比的影响,实验结果表明,可以利用纵向等离子体分布不均匀这一特性使得光栅表面不同位置处占宽比出现不同程度的减小。最终经过多轮实验条件探索确定了合适的灰化参数并制作出符合优化结果的变占宽比结构。光栅形貌的测试结果表明,本文提出的方法可以实现光栅占宽比的有效调制,为基于光栅光波导技术的近眼显示系统提供了提高出瞳亮度均匀性的新方案。

关键词： 两轮机器人系统   张量积模型变换   变论域   区间Ⅱ型模糊集   优化算法  

摘要： 两轮机器人是欠驱动系统中的经典模型之一,具有多变量、不稳定、非线性、强耦合等特点。因此,两轮移动机器人被当做验证控制算法品质的典型平台之一。本文以两轮机器人为被控对象,提取机器人的伪线性参变模型,并展开张量积模糊控制方法的研究。本文的主要工作如下:1.构建轮式机器人的非线性扰动模型。针对定点线性化模型所设计的控制器具有鲁棒性低的弊端,采用拉格朗日建模方法对两轮机器人进行物理建模。同时,考虑机器人左、右轮受到相同扰动以及不同扰动的情况,从而获得机器人的伪线性参变模型。2.基于张量积（TP）的变论域区间II型模糊逻辑控制器设计。针对模糊控制方法的模糊规则数多、计算量增大的问题,基于线性变参数技术和变论域区间II型模糊方法设计控制器。使用线性矩阵不等式来解决变论域误差和误差导数增益,从而简化控制器的设计。通过仿真结果可以看出,改进后的控制方法具有响应速度快、镇定时间短的优势。3.变结构张量积模糊控制器设计。TP模型的等距采样方式容易造成局部极值信息的丢失。通过对输入空间变化的模型加入局部极值来细化入口函数划分的凸包操纵方法,即该方法是基于变输入伪线性参变状态空间模型设计的,实现在高度逼近模型的基础上减少计算量的设计。同时,对TP模型变换使用非固定时间步长采样方法。通过最小体积单纯形方法分别优化Hammersley采样方法和均匀设计方法,从而实现非均匀采样方法的设计。通过仿真对比结果可以看出,新控制方法具有强鲁棒性。4.虚拟现实场景下的最优路径追踪控制器设计。现有的分布式补偿控制器是利用线性矩阵不等式寻找可行解,控制器参数的优化尚未深入研究。通过常用的仿生算法对基于TP模型变换的分布式补偿控制器的增益参数进行优化,展示算法全局优化的能力。随后,搭建控制器的参数优化界面,提高优化算法的便捷性。通过仿真对比可以看出,优化算法提高控制器的控制性能,使得路径的追踪速度最快、产生的位移超调最小。5.基于树莓派搭建两轮机器人的测试平台,对上述改进并设计的控制方法进行实验验证。同时,对固高两轮机器人完成3D建模,通过虚拟现实场景验证新控制器的有效性。

关键词： 光频率梳   铝镓砷光波导   Kerr氮化硅微环   正常色散   欧拉弯曲   双层倒锥子  

摘要： 光频率梳由一系列离散等间距的周期脉冲序列组成,由于其频谱谱线数量多,而且谱线频率间隔相同,能够精准的测量未知频率,在激光雷达、光通信、天文学中有着大量应用。在正常色散区基于非线性Kerr效应产生的光频率梳具有平坦性好,泵浦效率高,相干性好等特点。基于非线性Kerr效应产生光频率梳主要有基于无腔光纤/光波导或微环谐振腔两种方式,本文研究了双频激光泵浦无腔非线性光波导基于超连续谱展宽产生光频率梳,以及脉冲/双频激光泵浦微环谐振腔产生光频率梳两种方案,取得主要研究成果如下:(1)对多模铝镓砷光波导中的TE基模进行色散调控实现正常色散,将双频激光经过脉冲压缩后,注入正常色散非线性铝镓砷光波导,利用正常色散、自相位调制、光波分裂效应产生平坦的光频率梳。对双频激光经过脉冲压缩及在正常色散非线性铝镓砷光波导中传输的时频演化过程进行仿真研究,实现了平坦度为5d B,带宽约125nm的光频率梳,研究了改变双频激光频率间隔,双频激光功率占比,经脉冲压缩及整形后的脉冲形状等不同参数对最终产生的光频率梳的影响。(2)对多模氮化硅微环谐振腔中的TE基模进行色散调控实现正常色散,利用双频激光/电光调制脉冲激光作为泵浦源注入正常色散Kerr氮化硅微环谐振腔中产生光频率梳。对双频激光/电光调制脉冲激光作为泵浦源注入正常色散Kerr氮化硅微腔中随着泵浦失谐改变时光频率梳产生的时频演化过程进行仿真研究,实现了带宽约100nm的光频率梳,研究了改变输入总功率,腔内损耗,腔内色散等不同参数对最终产生的光频率梳的影响。(3)对90度欧拉弯曲和180度欧拉弯曲进行了优化设计,实现弯曲光波导和直线光波导的连接,有效抑制了多模光波导中的高阶模式激发。利用90度欧拉弯曲设计了Spiral螺旋线多模铝镓砷光波导,利用180度欧拉弯曲设计了FSR为100GHz的跑道型微腔,并绘制了相应的阵列化版图。其次,为了提升高数值孔径光纤与铝镓砷光波导的耦合效率,提高铝镓砷光波导的功率承受能力,设计了一种基于氮化硅辅助的双层倒锥子耦合结构,通过3D FDTD进行建模仿真,仿真实现了85%的耦合效率。

关键词： FBG   F-P标准具   C2H2气室   波长解调   高精度   宽波段  

摘要： 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器采用波长变化反应被测量大小,因此提高FBG的波长解调精度具有重要意义。然而,受解调系统中的器件温漂、系统噪声干扰和光谱畸变等因素的影响,现有FBG解调方法的解调精度仍有待进一步提高。因此,针对上述问题,本文提出了高精度、宽波段的多峰复合参考FBG波长解调方法。该方法以可调谐法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)滤波器检测法为基础,将乙炔(Acetylene,CH)气室和F-P标准具结合在一起实现FBG波长解调。本文对FBG的传感特性进行了研究,并分析对比了F-P标准具与参考光栅、干涉仪和气室构成的复合参考波长解调系统的优缺点。在此基础上,设计了带有差分平衡光电探测器的CH气室和F-P标准具复合参考的FBG波长解调系统,减小了气室透射谱受光源光谱平坦度影响产生的垂直畸变问题。并对该系统主要功能器件的特性进行分析和选型,进一步提高了系统的解调性能。为了减小噪声对光谱信号的影响,以及进一步改善光谱的垂直畸变问题,本文提出了光谱信号预处理方法。研究分析了小波阈值法和滑动平均滤波法的降噪效果,并结合两种降噪算法的特点,对采集到的原始光谱进行降噪处理;提出了包括基线拉平、对数化、抽取和截取在内的光谱信号整形方法,得到了更为理想的光谱数据,有利于后续的多峰检测工作。针对气室光谱参考范围窄,以及可调谐F-P滤波器扫描非线性等因素导致的光谱横向畸变问题,本文提出了基于F-P标准具全光谱范围内的FBG波长解调算法。设计了阈值迟滞分割法,弥补了希尔伯特变换、墨西哥帽小波变换对密集多峰区域识别模糊、效率较低的问题;研究了气室波段内的光谱校正算法,通过X-d B带宽法、气室参考峰选取法以及气室多峰参考校正法,得到了气室波段内的光谱波长;提出了气室波段外光谱的畸变解调算法,采用拟合法、外推法和数据融合法,得到了气室波段外的FBG中心波长,实现了高精度、宽波段的FBG波长解调。实验测试了系统的重复性和温度稳定性,结果表明,在1510～1590nm范围内,FBG波长重复性误差最大为2.51pm、线性度可达99.9%以上;-20℃到60℃的工作环境下,全量程误差最大不超过±1.71pm,与只采用F-P标准具参考的解调方法相比,采用气室复合参考方法将精度提高了64.8%,标准差降低了75.6%。