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关键词： 红外小目标检测   时空张量   字典学习   均衡化纹理结构表征  

摘要： 随着现代军事科技的快速发展,精确制导导弹技术在战争中扮演着越来越重要的作用,其中红外探测系统保证了对命中目标的检测和跟踪,是导弹精确制导的重要一个环节。随着现代航空航天技术的快速发展,对精确制导导弹的灵敏度、飞行速度和机动性等各方面的性能的要求也越来越高,因此对目标检测系统的性能提出了更高的要求。然而在实际情况中,背景对超远距离成像的效果具有很大的影响,从红外传感器获得的红外小目标图像的信噪比非常低,再加上图像中目标像素数量很少,导致从红外图像中的检测出正确的小目标非常困难。目前已有的红外小目标检测方法,往往在处理红外小目标图像中,存在各种偏重,往往不能够同时实现红外图像的目标增强和背景抑制,基于此,本文提出了一种基于时空张量的红外小目标检测方法。针对红外图像中背景表现出的低秩性以及一些强边缘表现出的稀疏特性,提出了一种有效的低秩张量补全方法,该方法同时利用低秩近似作为全局指导,并将稀疏表示作为张量补全的局部线索。为了更好的逼近张量的秩,我们引入了一种带有有效加权方案的加权核范数来近似张量的秩,它允许不同的奇异值以不同的阈值收缩,从而更好地逼近秩。对于强边缘的稀疏表示,将正交字典学习过程集成到稀疏编码阶段,以更有效地发现张量数据的局部特征。针对小目标图像中的目标表现出的稀疏性,且缺乏鲁棒性,我们注意到通过强度梯度两个属性可以刻画小目标的局部结构纹理表征。本文利用局部梯度和局部强度相结合形成的均衡化结构纹理表征对目标进行增强。该方法充分利用了红外图像中潜在空间的结构纹理,同时抑制背景杂波,提高红外小目标的检测概率。此外,我们还额外添加了一个平衡因子以应对不同场景,提高模型的适应能力。最后,通过交替方向乘子法(ADMM)对本文提出的基于时空张量的红外小目标模型进行求解。并与一些其他优秀的算法进行比较,通过BSF、SCRG等指标证明了本算法有更好的鲁棒性。

关键词： 光纤光学   光纤布拉格光栅   可调谐激光器   波长解调   寻峰算法  

摘要： 随着我国检测技术快速发展,传感器测量被广泛应用于矿山安全、温度、压力、振动和土木结构健康监测。传统的电子式传感器具有良好的检测精度和工作效率,但因其有源带电且抗电磁干扰能力较差,应用受到了限制。光纤光栅传感器因具备体积小、精度高、抗电磁干扰能力强等优点受到广泛关注并被应用于工程实践。光纤光栅传感器主要通过检测波长漂移来判断待测量的变化,而波长漂移对应的是反射谱中心波长位置的变化,因此光谱中心波长的快速准确解调是实现光纤光栅监测系统高精度检测的关键。本文首先阐述了课题的研究背景和意义,并对国内外光纤光栅和光纤光栅解调技术的发展状况展开论述。针对传统波长解调算法检测精度不高、效率低的问题提出了一种基于小波降噪的光纤布拉格光栅波长高精度解调算法,并将其应用于工程项目。其次本文说明了光纤光栅解调技术的理论基础和传感特性,同时对常用的光纤光栅解调方法进行了简要分析,并在解调精度、解调稳定性、解调能力、解调速度、测量范围和系统成本六个方面进行分析和比较。最终确定了可调谐激光器法作为本课题的解调方法。接着本文阐述了光纤光栅解调系统的硬件设计模块,并对激光器驱动模块、电流控制模块、温度控制模块、光电探测模块、稳压模块和数据采集模块的相关芯片和电路进行了详细介绍。然后文章详细介绍了基于小波降噪的光纤布拉格光栅高精度解调算法,采用计算机仿真对该算法进行验证,并与直接寻峰、多项式拟合、高斯拟合三种算法进行比较。仿真结果表明,小波降噪算法具有速度快、稳定性好等特点。在70℃至90℃测量范围内,测温精度达到±0.04℃,波长解调最大标准差优于1.67pm,运行效率比常用的高斯拟合算法提高了近一倍。最后搭建了一套基于VCSEL的光纤光栅传感器解调系统,解调算法采用基于小波降噪的光纤布拉格光栅波长高精度解调算法。实验结果表明,在恒定温度下,该系统可测量低温、中温和高温状态下的恒温水箱温度且测量误差小于±0.04℃;在变压器绕组70℃至90℃的动态温度范围中,温度检测误差优于±0.04℃。实验验证了小波降噪算法的可行性和可靠性,该算法可用于工业环境的光纤光栅高精度快速解调。

关键词： 太赫兹   超光栅   衍射   偏振   偏折   超透镜  

摘要： 近年来,太赫兹波因在通信、成像、检测等领域的潜在应用前景引起了科学家们的广泛关注,而太赫兹功能器件是实际应用系统中的基石。超表面通过人工设计的微结构为操控太赫兹波的相位、偏振、振幅等属性提供了极高的自由度;此外,相比传统体材料器件而言,其具有体积小、损耗低、灵活度高等多种优势。本文在介绍太赫兹技术和超表面器件发展历史的基础上,总结了太赫兹超表面用于偏振和波前调控的最新研究现状,指出了现有太赫兹超表面在大梯度波前调控和宽带偏振控制方面的局限性,并介绍了超光栅这一新颖波束调控概念。本文围绕超光栅衍射调控思想,分析介质超光栅内模式相互作用对衍射效率和衍射相位的调控机理,重点开展了宽带偏振控制器件和大梯度波前调控器件的研究,采用3D打印技术对器件进行了加工,并对器件性能进行了数值模拟及实验测试。主要工作及创新成果如下:1.采用低折射率介质超光栅实现了宽带太赫兹半波片,利用超波长尺度的光栅周期内多模式的有效激发及低色散特性,在130-165 GHz的范围内消除了相移色散,实现了效率大于80%的正交偏振转化。并通过旋转和拼接该超光栅构造了宽带太赫兹矢量光束产生器,利用3D打印加工了样品,并实验测试了径向和角向偏振光束的产生。2.基于超光栅的一阶和高阶衍射调控设计并实验论证了高效率的太赫兹大角度波束方向控制器件。采用反射式单层超光栅和透射式双层超光栅在140 GHz处实现了对正入射波束高达80°的波束偏折。运用模式分析理论研究了超光栅内模式数目对多级衍射调控自由度的影响,其中双层透射式80°偏折器的仿真和实验测试效率分别为71%和55%,且工作带宽高达25%。并采用双层超光栅实现了对正反方向入射波束的非对称衍射调控,实验测试能量利用率达80%。进一步利用3D打印超光栅悬空无衬底的优势,设计了“手风琴”结构超光栅,通过机械压缩改变超光栅的周期,并结合样品旋转,实现了仰角范围覆盖54°-74°、方位角范围覆盖0-360°的太赫兹波束动态扫描,以及角度自适应的大角度高效率回射器。3.提出了基于超光栅非局域衍射调控实现任意波前整形的通用理论。不同于采用亚波长单元构造梯度相位的传统方法,该理论将连续的相位曲线分割为若干段,每一段通过超光栅的特定衍射调控进行复现,可实现更高效、更准确的波前调控。并将该理论应用于高数值孔径(0.94)太赫兹单焦点和多焦点柱透镜、三维聚焦超透镜的设计。柱透镜仿真和实验的聚焦效率分别为52%和29%,三维超透镜实验的成像分辨率达0.65λ。且该方法对不同材料、不同频段和不同幅面大小的大梯度相位调控器件的设计具有良好的普适性。

关键词： 菲涅尔波带片   飞秒激光   衍射特性   空间光调制器   方形波带片   环形波带片  

摘要： 菲涅尔波带片是重要的衍射光学元件,在航空母舰光学助降、太空望远镜柔性透镜、电脑断层扫描、太阳能光伏等方面有广泛的应用,是强化国家战略科技力量、抢占科技制高点的核心所在。随着光、机、电系统一体化、集成化发展,菲涅尔波带片的特征尺寸已达到微米、纳米级。传统的微光学元件制备采用掩模光刻法,加工环节多,掩模板制作复杂。飞秒激光直写加工技术无需掩模板,且具有加工材料范围广、加工精度高、加工非热熔性等突出优势,成为了制作微型菲涅尔波带片的重要方法。在菲涅尔波带片的飞秒激光加工和衍射特性研究中,存在几个问题亟待解决:飞秒激光直写加工效率较低、表面质量有待提高,须优化加工工艺;光学系统对菲涅尔波带片衍射特性要求越来越高,衍射率、分辨率和焦深需要进一步提高;随着应用领域的扩展,传统圆形结构波带片已无法满足非圆周对称光束整形的应用需求,亟需研发新型波带结构。针对上述问题,本文开展了如下研究:(1)基于湿法腐蚀和空间光调制的方法,实现了飞秒激光加工表面质量和加工效率的提高。通过湿法腐蚀工艺,将微槽壁面和底部的突起物腐蚀掉,使粗糙度下降75.68%。当低于烧蚀阈值的飞秒激光辐照砷化镓时,辐照区产生氧化物,材料晶胞增大、晶向改变,腐蚀效率提高近10倍;利用空间光调制器对飞秒激光进行相位调制,消除零级光的影响,将激光光场的高斯分布调控为环形分布。调制后加工过程从单焦点串行加工优化为图案化加工,可实现单次曝光加工一个波带,使单波带片的加工时间从90分钟缩减到90秒,极大提高了加工效率。(2)优化了圆形菲涅尔波带片的衍射特性,实现了衍射率、焦深、分辨率的提升。基于物理光学模型对菲涅尔波带片建模,以仿真计算和实验加工的方法研究衍射特性优化规律。通过提高波带高度一致性、增加高宽比、消除改性区,使波带片衍射率从6.96%增加到8.4%;分割传统波带片设计了分形波带片,焦深从6 mm提高到10mm,有效提升了焦深,且未对分辨率造成负面影响;合并外圈波带设计了拓展波带片,焦点半径从12.6μm减小到8μm,不仅突破了加工最小线宽的限制,还有助于提高成像分辨率;此外,将圆形波带片应用到多模光纤,在纤芯端面制备出半径为52.5μm的微尺度透镜,使出射光发散角减小19%,可提高光耦合效率。形成了半径82.5μm、宽度11.82μm的聚焦环,可应用于高精度光镊粒子操作。(3)创新了菲涅尔波带片结构,实现了新的衍射特性。设计制备了环形结构波带片,聚焦后得到了中心没有亮斑的单环激光束和双环激光束,弥补了现有环形光束存在中心亮斑的缺陷。调节结构参数,可以灵活实现环形光束的半径和焦距调节;设计制备了多种方形波带片,对比研究了线性波带片、正方形波带片、正交波带片与圆形波带片衍射特性的异同,实现了线聚焦和十字聚焦。通过相位平移,实现了井字聚焦,还调整得到了任意长宽比的矩形衍射图样。非传统形状的激光束在光束整形、光学涡旋、阵列发生器等领域拥有广阔的应用前景。图122幅,表9个,参考文献193篇

关键词： 信赖域反演算法   多重网格法   二维波动方程  

摘要： 在地球物理学几十年的蓬勃发展中,地震探勘是一个不可或缺的部分,地震勘探技术能够深入地研究地震波在地下未知介质的传播情况,而地下介质的构造具有十分复杂的性质,波动方程反演方法能够恰当地利用地震波场动力学等特征,识别得到地下介质的参数。故本论文以波动方程为数学模型,波动方程的反演需要波动方程的正演作为重要的组成部分,得到的结果可以用来模拟地下的真实情况,因此本论文的研究具有应用价值。首先,本论文介绍了数学物理反问题的基础理论、波动方程反演方法以及多尺度方法的理论和研究进展,并详细地介绍了本论文所需的基础理论知识。然后,本论文利用信赖域算法解决反演问题,并进行了一些改进,即在数值模拟过程中,对于边界的速度值进行赋值,利用割线法求取目标函数值的梯度以及Jacobi矩阵,在每次迭代过程中将正则化参数调整为原来的一半,使改进的单尺度信赖域算法更好地应用于本文的模型中,将单尺度信赖域反演算法与多尺度方法结合,即在二重网格中进行迭代,首先在细网格上使用单尺度信赖域反演算法迭代,目的是使初始解尽可能地光滑化,将得到的解利用限制算子限制到粗网格,继续使用单尺度信赖域反演算法迭代,得到粗网格上的近似解,将粗网格上解的变化使用插值算子插值到细网格上,在粗网格迭代的目的是使校正解落在最优解的领域内,最后在细网格上运用单尺度信赖域反演算法迭代,得到的校正解将会更加趋近于最优解。本论文应用构造的两种反演算法分别针对单异常体、多异常体以及三层介质的情况进行波动方程的数值模拟。通过对反演数值结果的分析,表明了单尺度信赖域反演算法、多尺度信赖域反演算法具有可行性以及适应性。

关键词： 强激光   等离子体   聚束   等离子体光栅   粒子模拟  

摘要： 上世纪八十年代中期,啁啾脉冲放大技术（chireped pulse amplification tech-nology,CPA）的提出使激光强度得到了飞跃式的提高。超强超短脉冲激光的出现拓宽了激光与物质相互作用的研究领域,催生了强场物理这门学科。物质在与强激光相互作用时,极易被电离,产生等离子体。在激光与等离子体相互作用中,会产生丰富的物理现象,比如激光加速和激光诱导等离子光栅的产生等等。其中,加速后的高能带电粒子束,不但在在粒子物理和核物理等基础研究领域能发挥重要的作用,在医疗和核聚变点火等应用领域也有重要的应用。而等离子体光栅则可以有效地用于强光的调制、整形,还能增强高次谐波的产生效率等。本文基于超强超短脉冲激光和固体密度等离子体靶的相互作用,使用粒子模拟（particle-in-cell,PIC）方法对被激光加速的等离子块的聚束以及一种新的等离子体光栅产生机制进行了研究。主要的研究成果包括以下两个方面的内容:1、提出了一种基于具有梯度密度的等离子体靶和强激光相互作用的的等离子体块聚束方案。该方案中等离子体靶的密度沿激光传播方向呈线性下降,入射激光为I≈1020W/cm2的圆偏振激光脉冲。通过参数调整和优化,我们不但获得了被激光加速后的一系列等离子体块,而且观察到这些等离子体块的聚束效应。聚束后的等离子块离子密度比使用均匀密度靶产生的离子密度增加了近一个数量级。研究表明,该聚束效应的产生主要是由于等离子体块加速对靶材密度有很强的依赖性。当靶密度较高时,加速后的等离子块具有较低的速度。因此,对方案中使用的具有梯度密度的靶,先获得加速的等离子体块速度比后获得加速的等离子块速度要慢,从而产生聚束。2、利用皮秒强激光脉冲（I～1015W/cm2）与超临界密度固体靶（粒子数密度n～10nc）相互作用,发现一种等离子体数密度光栅产生的新机制。在该机制下,强激光首先在固体靶中激发等离子体密度波;然后,该等离子体波在固体靶后表面发生反射;最后,通过干涉,形成驻波,即产生等离子体数密度光栅。和传统的通过两束激光在稀薄等离子体中干涉产生的等离子体光栅相比,这一机制具有两个优势。首先,只需要单束激光就可以激发产生,其持续时间可达数皮秒量级,即激光作用结束后,仍旧可以稳定存在很长时间。该光栅具有纳米尺度的空间周期,远小于常规的和入射激光波长相当的微米尺度等离子体光栅空间周期,从而有望在x波段的强光操控方面获得重要的应用。

关键词： 光栅选择性结构   严格耦合分析法   辐射制冷功率   粒子群优化算法   无源天空辐射制冷系统  

摘要： 天空辐射制冷作为一种新兴节能技术,旨在利用辐射器的辐射特性在太阳能波段反射大部分太阳辐射,在8～13μm波段内的“大气窗口”将热量发射给天空,实现自身的辐射冷却,以无额外消耗任何能源和不产生污染物的优势将多余的热量传递到外太空,这使得它在缓解温室效应和城市热岛效应的方面具有巨大的应用潜力。正是这样的辐射特性,为解决能源短缺和减少碳排放等问题提供了新的方案和思路。基于此,本文提出一种光栅选择性结构,利用光栅微结构表面特性对其辐射特性的影响,凭借其所产生的电磁特性,对辐射器的波长选择性进行调控,深入探究微尺度结构下辐射特性的调控方法。根据影响光栅结构吸收特性的关键性因素,利用粒子群优化算法对光栅选择性结构进行参数优化。将优化结构应用到实际的制冷循环中研究其制冷性能,充分利用其特性解决现有问题,提高辐射器的制冷性能,为光栅选择性结构在天空辐射制冷技术中的实际应用提供一定的理论基础。本文主要研究内容如下:鉴于周期性光栅结构在不同尺度下具有不同的辐射机制,本文研究了简单光栅辐射特性随光线入射角度、光栅周期、光栅高度、光栅占空比的变化规律。研究结果表明磁极化对光线入射角度不敏感,比表面等离子激元极化更适宜作为调控辐射特性的共振机制,其主要出现在中远红外波长区域,是激发高吸收峰的主要共振机制。光栅高度对光栅吸收率的影响最大,可通过调节光栅高度的大小来调节磁极化共振峰值大小,以激发更多的高吸收率峰。此外,调节光栅区域的不同材料的占比,也可以产生最大的共振效应,获取最佳的吸收率。为了获得最佳的光谱吸收率,本文在光栅结构关键性因素下,对光栅选择性结构进行参数优化。研究表明最优光栅选择性结构在太阳直射下可以反射95.1%的吸收,大气窗口波段内的平均发射率为88.04%。白天在太阳直射下可以实现72.42 W/m的制冷功率,在夜间可以实现121.47 W/m的制冷功率,其制冷能力优于80%以上的辐射器。通过辐射特性分析结果可知,从结构上调控光谱特性可以通过增加光栅层高而获得高吸收峰,从材料上调控光谱特性可以选择不同的材料交替作为光栅层材料来获得更加高而宽的吸收率带。从理论的角度分析得出最优光栅选择性结构具有良好的制冷性能。研究光栅选择性结构在实际制冷系统的影响因素有助于提高其在实际应用中的制冷能力。本文利用最优光栅选择性结构搭建了光栅选择性无源天空辐射制冷系统,研究了南昌地区最热月室内温度、系统运行性能及系统能效的变化规律。研究表明在每日工作时间段室内平均温度比室外温度平均低10.44～18.33℃,室外风速是光栅选择性无源辐射制冷系统制冷性能的最大影响因素。当采用该系统时建议在辐射器周围加装挡风装置以增加净制冷量。此外,采用蓄冷罐给房间供冷的运行模式,即可满足制冷的需求。

关键词： 集成光学   硅基光子学   波分复用   阵列波导光栅   偏振分束器   亚波长光栅   光子晶体  

摘要： 波分复用(WDM)技术可显著提高光通信的容量和传输速率。作为重要的波分复用器件,阵列波导光栅(AWG)在光通信、数据中心等领域得到了广泛的研究和应用。为了进一步提高芯片上光互连通信容量,减小器件尺寸,本论文围绕硅基平台偏振无关以及反射型AWG器件开展研究。论文主要工作如下:分析了波分复用技术的相关背景和研究现状,对光波导的结构和理论进行了介绍。详细阐述了AWG的基本结构、工作原理、设计流程、仿真方法以及版图绘制,并引入了几个常用的性能评价参数,为之后的工作提供了优化方向和评价依据。提出了一种基于超薄氮化硅光波导的16通道、通道波长间隔为0.8nm的偏振无关AWG。通过引入亚波长光栅结构以及三波导耦合结构,设计了一种超薄氮化硅波导偏振分束器,其耦合区长度小于190μm。理论上,在1480～1600nm的宽谱范围内,TE/TM模式对应的插入损耗小于0.40d B/0.41d B,相邻通道间串扰小于-24.0d B/-15.3d B。将偏振分束器与AWG结合,实现了偏振无关的AWG。对于TE模式,AWG插入损耗在1.1～2.1d B范围内,相邻通道间串扰小于-40d B。对于TM模式,AWG插入损耗在2.2～3.1d B范围内,相邻通道间串扰小于-30d B,对应的偏振相关损耗约为1.1d B。基于SOI平台设计了一种8通道、通道波长间隔为0.4nm的反射型密集波分复用AWG。分别利用亚波长光栅、光子晶体结构设计出两种波导反射镜,将其连接在AWG阵列波导末端,构成反射型AWG。理论计算表明,中心波长处,反射型AWG的插入损耗约为1.5d B,相邻通道间串扰约为-40d B。对上述器件进行了制作与测试,亚波长光栅作为反射镜的AWG的插入损耗在7.6～9.3 d B范围内,相邻通道间串扰约为-8.9～-11.1d B。光子晶体作为反射镜的AWG的插入损耗在8.2～9.7d B范围内,相邻通道间串扰约为-6.4～-9.8d B。

关键词： 波动方程   分数阶微分控制   多项式稳定性   数值逼近  

摘要： 波动方程是一种重要的偏微分方程，主要描述自然界中的各种的波动现象，研究波动方程的稳定性以及镇定具有重要意义。分数阶控制的波动方程在数学、医学等领域都是值得研究和讨论的对象。对于分布参数控制系统来说，由于系统是由偏微分方程或偏微分方程组描绘，数值逼近问题不但具有很大难度，而且还有与有限维控制系统不同的新问题出现。因为分数阶控制的波动方程的特殊性质与数值方法的分析难度，所以关于它的研究还相对比较少。但是随着技术的不断地提高，分数阶控制的波方程的研究逐渐受到数学家、控制学家和工程技术人员的广泛关注，从数值分析的角度给出初值的数值逼近也具有工程意义。　　为了验证边界具有分数阶微分的波动方程的多项式稳定和数值逼近，本篇文章将以时间分数阶控制的波方程入手，从三个方面进行细致的研究:第一方面是对方程进行了简单的处理，变为整数阶微分方程的增广形式，再定义算子，使其得到一个强连续的半群，然后根据算子半群的能量以及傅里叶变换等方法验证其指数稳定性等性质;第二方面是在以上的基础上，对方程所形成的算子半群进行构造矩阵，通过计算有界算子，使其满足一致性和稳定性，进而得到系统的收敛性;第三方面是根据方程本身的性质，将它进行平均化格式处理，再对原系统进行进一步的离散，根据有限差分法将其进行时间离散化，并验证得到的时间离散化系统是耗散的，从而得出系统的范数的单调性。