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关键词： T-乘积   T-DMP逆   T-CMP逆   T-EP张量   T-加权EP张量  

摘要： 本文主要研究T-乘积下的张量广义逆、张量广义Cayley-Hamilton定理以及几类特殊张量的刻画,全文共分为四个部分。第一部分,介绍广义逆理论,EP矩阵理论以及张量广义逆理论的发展,并介绍张量T-乘积的发展、应用及研究现状。随后介绍本文的主要研究内容,并给出符号说明。第二部分,介绍张量在T-乘积下的基本概念和引理,为后文张量广义逆理论以及特殊张量的研究奠定基础。第三部分,引入三阶张量在T-乘积下T-DMP逆、T-CMP逆及T-加权Moore-Penrose逆的定义,进一步给出它们的若干刻画和性质。第四部分,首先将三阶张量的Cayley-Hamilton定理推广到T-Drazin逆与T-DMP逆上,然后研究三阶T-range Hermitian（T-EP）张量的定义及等价刻画,进一步通过T-加权MoorePenrose逆引入T-加权EP张量的定义和等价刻画。

关键词： 服务质量预测   张量   时间序列   耦合矩阵-张量分解   协同过滤  

摘要： 随着移动互联网和无线技术的快速发展,移动边缘计算中的边缘服务器提供了大量的移动服务来开发高级应用程序。服务质量(Quality of Service,QoS)是从众多候选移动服务中进行选择和推荐的重要标准。然而在真实的服务调用场景中,用户仅调用某些特定的移动服务,获取到的QoS记录是稀疏的,因此如何根据稀疏QoS数据预测缺失值成为移动服务相关操作中的关键问题。移动边缘计算环境中QoS数据的高维高稀疏性、随时间的动态易变性等特征限制了一些传统协同过滤算法的应用。因此考虑严重影响QoS数据的时间和位置因素,本文研究时序正则化张量分解方法以及基于梯度下降的耦合矩阵-张量分解方法来提高移动边缘计算环境下缺失QoS预测准确度。详细的研究工作如下:(1)针对移动边缘计算环境下QoS数据的高维高稀疏性以及随时间的动态易变性,将严重影响QoS属性值的时间因素考虑在内,提出了一种基于混合协同过滤的时序正则化张量分解方法(Temporal Regularized Tensor Factorization,TRTF)用于移动服务的QoS预测。首先基于时间感知张量构造算法构建用户-服务-时间三阶张量模型来表示已有QoS记录的整体结构。其次,考虑QoS数据的时间序列特征,在CP分解的基础上引入基于AR模型的时序正则项以挖掘相邻时间间隔中QoS值之间的潜在关系。最后,使用交替最小二乘法对近似张量进行迭代优化,得到目标张量的低秩估计来预测QoS缺失值。基于公开的大规模QoS数据集WS-Dream上的一系列实验研究结果表明,在不同的张量密度下,该算法都有更高的预测精度,能更好地处理随时间动态易变的QoS数据。(2)基于移动边缘计算环境下用户以及服务所处位置对服务质量预测精度的影响,在考虑时间上下文的基础上引入用户和服务的位置信息,提出了一种基于梯度下降的耦合矩阵-张量因子分解方法(Coupled Matrix and Tensor Factorizations,CMTF)用于移动服务的QoS预测。首先将基于时间感知张量构造算法构建的用户-服务-时间三阶张量与用户和服务位置矩阵分别在共享的用户阶和服务阶进行耦合,因此可联合构建为耦合矩阵-张量模型。然后使用梯度下降法对耦合模型进行迭代优化,获取理想的潜在因子矩阵来补全张量中的QoS缺失值。该方法同时考虑时间和位置信息并构建耦合模型来缓解QoS数据的稀疏性并提高预测准确度。基于公开WS-Dream的改进数据集上的一系列实验研究结果表明,在QoS数据极其稀疏的情况下,该算法有更高的预测精度。

关键词： 模式转换器   SOI平台   亚波长光栅   模分复用  

摘要： 随着计算机技术和半导体技术的飞速发展,集成在单个芯片上的处理器数量激增,这导致片上网络的传输容量面临着巨大的挑战。目前基于硅光子SOI(Silicon-On-Insulator)平台的光互连技术由于其大容量、高带宽、低功耗、低通信时延和低电磁干扰等优势,正逐渐替代传统的电互连,成为芯片内主流的互连方式。片上的模分复用技术,被认为是一种很有潜力的光互连复用技术,通过控制光波导中传播的本征模,可以满足片上网络在数据通信时极大的传输容量需求。而可实现基模与高阶模式之间转换的模式转换器,作为模分复用系统中的重要一环,直接影响着模分复用系统的总传输容量。基于此,本论文共研究了五种不同功能的硅基模式转换器。为了提升器件性能,在设计时选择引入了亚波长光栅结构,通过在单个硅波导上刻蚀经过精心设计的亚波长光栅,实现了TE偏振态的模式转换。具体研究内容如下:1、论文提出了两种新型基于亚波长光栅的硅基模式转换器,实现了TE-TE和TE-TE的模式转换。通过设计的亚波长光栅刻蚀,改变波导的折射率分布,在模式耦合的作用下,使得输入的TE模式积累相位差,生成高阶模式。TE-TE(TE-TE)转换器在1.55μm波长下的转换效率可以达到92.1(95.6)%,模态串扰为-17.5(16.7)d B,插入损耗为0.65(0.5)d B,器件长度为3.3(4.32)μm,器件带宽110 nm。2、对提出的TE-TE和TE-TE的模式转换器进行拓展,又设计了TE-TE和TE-TE两种模式换器。在考虑了TE(TE)模场分布后,对TE-TE和TE-TE器件结构进行改动,在输出端口生成了TE(TE)。TE-TE(TE-TE)转换器在1.55μm的转换效率可以达到82.5(83.2)%,模态串扰为-14(11)d B,插入损耗为1.4(1.37)d B,器件长度为10.8(9.5)μm,器件带宽120 nm。3、创新性地提出了一种基于亚波长光栅的双向转换的模式转换器。利用同一个器件,可以实现TE和TE的之间相互转换,并且模式转换的效果十分接近。通过在波导上刻蚀了一个倒置的“V”形结构,使波导折射率分布沿光输入方向不再对称,通过相位匹配实现模式的相互转换。在1.55μm工作波长下,实现TE-TE(TE-TE)转换时,转换效率可以达到83.4(84.5)%,模态串扰-14.6(14.17)d B,插入损耗1.05(1)d B,器件的长度仅3.3μm,带宽可以达到150 nm。

关键词： 光栅   FPGA   宏微复合   实时高精度   测距系统  

摘要： 随着发达国家技术的封锁和打压,我国加快了在高速高精密先进制造装备领域实现国产化的步伐,高速下的高精度定位测量方法和算法上的突破,不仅引导未来精密设备的研发和生产,而且对我国走向自主研发道路具有深远意义。与激光干涉仪、编码盘等昂贵的精密测距仪器相比,光栅尺测量传感器在保证较高精度的同时具备了分辨率高、结构紧凑、维护简易和价格低等优势,在各个领域都具有广泛的应用前景。增量式光栅测距系统是对基于物理刻线的莫尔条纹进行计数,通过解码计数值进而获取位移值的一种精密测量仪器。为了提高光栅测距仪的测量精度,可对莫尔条纹进行不同方式的细分处理,或者在加工制造过程中减小栅纹的宽度,但是随着莫尔条纹细分的复杂化,测量过程中就极易受到信号噪声的干扰从而降低精度,而减小栅纹宽度就会使制造工艺和制造环境要求变的极其复杂和严格,难以达到产品高速测量的使用要求,因此,本文针对增量式光栅测距系统中测量精度与运动速度相互制约,相互冲突的问题,开发了基于FPGA的光栅实时高精度位移测量系统,研究内容如下:首先,利用FPGA的并行处理优势,提出通过FPGA解析光栅位移图像信息输出位移值的理念,设计一套基于FPGA的光栅实时高精度位移测量系统,以代替传统的光栅测距方式。其中,本文采用高频、高分辨率的线阵相机采集运动光栅图像,利用线阵相机高行频特性,最大化保留高速运动状态下光栅的图像质量和位移信息;同时为了提高系统测量精度,本文通过设计旋转结构,将线阵相机感光像元和光栅尺栅纹形成一个最优夹角方式提升图像采集分辨率,进而获取更加细分的光栅图像。其次,在实验平台部件选择方案上,采用高频线阵相机、转接件、物镜、线阵光源、光源控制器等硬件组成光学图像采集控制平台,采用matrox图像采集卡和FPGA数据加速板卡来对图像数据进行高速采集和处理,为了减小运动平台高速运动过程中的机械振动对后续系统测量精确度带来的误差,根据运动平台的结构和尺寸,设计相机三维调节支架。然后,在软件算法处理方案上,通过verilog HDL硬件编程语言完成位移算法加速器的设计,算法加速器主要包括光栅图像的采集、图像预处理、运动方向识别算法、自动阈值算法以及宏微复合位移算法等代码的编写,并针对图像数据量巨大存储问题提出了跨BANK的方式进行存储处理;通过C#编程语言完成人机交互界面的开发,便于实时观察和调试实验过程中系统输出的实时位移值和运动方向。最后,设置各硬件参数并搭建实验平台,在相同实验条件下使用激光干涉仪和本系统进行位移测量对比实验,通过对系统处理时间的延迟误差以及位移测量值的误差进行分析归纳。实验结果表明,系统测量的最高运动速度为0.8m/s,最高分辨率0.06μm,系统处理时间最低为148ms,位移精度为±2.5μm。本文在图像处理层面上设计的基于FPGA光栅实时高精度位移测量方法,为光栅测量系统框架设计提供了新的思路和方向。

关键词： 色温   滤光片   颜色玻璃   光学薄膜  

摘要： 随着工业技术的发展,各类光辐射测量的要求与显示器色彩矫正、工业印刷的辩色要求,需要光谱连续性好、显色指数高的光源。卤素灯作为辐射谱线为标准黑体辐射曲线的光谱连续光源,显色指数Ra高达99.1%,一直应用广泛。但是标准卤素灯光源的色温或者说光谱相对分布是固定的,实际应用往往需要改变光源的色温,来满足实际的测量要求。首先,为了得到不同光源色温的辐射谱,根据目标要求,对通过滤光器变换光源辐射谱和合成光谱之间的差异进行了研究。结合实际情况提出了基于颜色玻璃和光学镀膜相结合的方法进行光源的色温变换。根据目标色温辐射谱线,建立了颜色玻璃数据库并编写Python程序寻找合适镀膜基底。以标准2979K色温的卤素灯作为固定光源,基于色度学基础和薄膜理论,使用Essential Macleod薄膜设计软件采用三种不同设计方法将其变换成3900K、6500K色温光源和4800K标准黑体辐射色温光源。然后,在实验室基于ZSGA-A1100箱式镀膜系统,使用物理气相沉积(PVD)技术,并辅以离子辅助沉积(IAD),完成对滤光片的镀制工作。经过积分球的测试,镀膜滤光片可将2979K色温卤素灯光源变换成3910K、4853K、6486K色温光源,其中4853K色温光源与标准的黑体辐射4800K色温光源的光谱偏离度指数为7.2%,从结果上看满足设计目标。最后,分析光源入射角度对变色温滤光片的影响,为满足光源不同入射角度需求,设计了以颜色玻璃拼接代替光学镀膜的方案以降低光源入射角的影响。最终通过拼接的方法获得的滤光片可将卤素灯光源色温变为3914K、4784、6459K,经过测试,颜色玻璃拼接滤光片对光源入射角度的适应性增强。结果表明,通过颜色玻璃为基底镀制光学薄膜和颜色玻璃拼接的方法都能有效的将标准卤素灯光源的色温变换成目标值,满足不同的应用场景。通过上述方法,使得色温变化过程更为简洁,也可作为共用方法,同样适用于其他的相关色温目标的变换,解决一些市场中存在的色温滤光片的色温变换值固定和偏差较大的问题,在实际应用中具有较好的前景。

关键词： 卫星遥感   张量理论   目标识别   特征张量融合   特征张量迁移   异质支持张量机  

摘要： 目标识别是遥感解译的研究热点。考虑遥感卫星对地观测的实际情况,一方面,某些类型目标,特别是军事目标,可能仅有少量样本;另一方面,由于不同卫星有着不同轨道与重访周期,可获得的观测同一区域的目标数据为不同分辨率、角度卫星的异质数据的任意组合。面对该情况,广泛使用的基于深度学习的目标识别方法依赖于大量样本,且其处理流程不适于多星数据的异质结构,更无法适应不同卫星组合的输入。对于基于机器学习的目标识别方法,其普遍遵循目标检测、特征提取以及型号识别的流程,具有小样本的性能优势,特别是近年来受到遥感领域广泛关注的基于张量模式的机器学习算法,天生适于处理具有多路结构的遥感数据。然而,现有的基于张量模式的机器学习算法仅能处理同质、固定分辨率与角度的卫星输入的遥感数据,难以适应异质、不同分辨率与角度的卫星组合的遥感数据以支撑多星遥感目标识别应用。为此,本文从张量理论出发,充分发挥张量在多星异质遥感数据度量、表征与处理方面的优势,深入挖掘多星异质数据的内在结构与属性信息,将传统基于向量与同质张量的目标识别框架拓展为基于张量模式的目标检测,特征张量处理、以及型号识别一体化的多星遥感目标识别框架,有效适应小样本与不同卫星异质数据组合输入的实际情况。本文的主要工作如下:对于目标检测阶段,针对典型检测方法依赖样本量大且易受影响于目标旋转尺度变化的问题,提出张量广义霍夫变换方法有效检测不同方向与尺度的目标,其利用基于张量的参考表取代传统离散表格函数捕获目标在不同朝向、尺度的轮廓特性,并结合基于解析张量的投票机制与提出的多阶二叉搜索树方法,减小轮廓提取过程的空间复杂度,再通过将目标检测问题转化为解析优化以衍生两类虚警移除策略,进而改善检测结果精度。对于特征处理阶段,首先根据检测的切片构建多属性特征张量。针对单星数据,为了扩容特定分辨率与角度的单星样本,提出基于耦合异质Tucker分解的异质特征张量迁移方法,借助耦合的核心张量驱动多模投影搜索不同分辨率、角度异质特征张量的潜在域适应表示,突破经典基于向量与同质张量的特征迁移算法无法适应多星异质数据复杂结构的限制,实现样本跨星复用。针对多星数据,为了整合多星异质数据的互补信息以强化后续识别结果,提出基于图与分类器嵌入的异质特征张量融合方法,利用自更新图嵌入机制与分类器导向特征判别项在融合过程挖掘多星异质数据隐含的局部关系并增大基于异质支持张量机的分类间隔,输出融合的特征张量用于后续型号识别。对于目标型号识别阶段,针对典型分类器仅能处理同质、固定卫星数据而无法支持异质、不同卫星组合数据输入的问题,本研究提出自适应异质支持张量机,利用不同卫星组合异质数据联合学习多异质张量空间的共享分类超平面,在单模型条件有效识别不同卫星组合描述的目标。另一方面,针对典型支持张量机仅能处理二分类、固定尺寸切片的目标而难以处理多类、多尺寸目标的问题,提出多分类-多尺度支持张量机以突破现有分类器要求输入切片大小一致的限制,利用多尺度投影张量将多尺寸目标映射至类别空间,实现多类多尺寸目标型号识别。为了验证提出的基于张量模式的目标识别框架的性能,利用多分辨率多角度光学卫星数据集以及其他公开获取的遥感图像全面评估提出的目标检测、特征处理以及异质支持张量机方法,结果表明提出方法能够在小样本、不同卫星异质数据组合条件下获得优于典型机器学习与深度学习方法的目标识别准确率。

关键词： 碳量子点   非线性光学   双光子吸收   光限幅  

摘要： 超快激光技术在国防、工业、医疗等领域具有重要的应用价值,基于对人眼和光电器件的保护需要,开发光限幅材料成为目前光电产业发展的核心工作之一。双光子吸收是光限幅效应的主要机理之一,是一个瞬态响应的非线性吸收过程。碳量子点(Carbon quantum dots,CQDs)具有原料广泛、制备简单、低生物毒性以及突出的线性和非线性光学性质等优点,所以,基于双光子吸收机制的CQDs可作为一种潜在的光限幅材料。但是,关于双光子吸收CQDs的研究目前多基于其液态体系,而对于实用化的光限幅器件,需要具备良好光限幅性能的固态材料。本论文以制备对飞秒激光具有光限幅效应的双光子吸收CQDs固态薄膜为目标,首先通过微波法快速制备具备供体-π-受体结构的双光子吸收N、B共掺杂CQDs(N,B-CQDs),然后将该N,B-CQDs与不同的成膜剂进行复合得到具有光限幅功能的薄膜,最后优选一种光限幅性能良好的双光子吸收CQDs材料。通过对不同掺杂的CQDs及其薄膜的结构、线性光学和光限幅等非线性光学性能进行表征和分析,主要研究内容及其结果如下:1、以均苯三甲酸、尿素和硼酸为反应原料,使用微波法快速制备具有双光子吸收的N,B-CQDs,其直径为3.3 nm,具有高结晶度的碳核,表面含有大量羧基等含氧官能团,具有良好的水溶性。通过Z-扫描技术测试发现线性透过率为50%的N,B-CQDs溶液,在532 nm、330 fs激光照射下具有明显的来自于双光子吸收的反饱和吸收现象和自散焦效应共同导致的光限幅特性:归一化透过率降低到43%,非线性吸收系数为3.1×10 m/W。该工作为低成本、快速制备具有高结晶度双光子吸收CQDs提供了一种可靠的方法和思路。2、将制备的具有双光子吸收特性的N,B-CQDs与不同成膜剂(硅烷偶联剂KH792、聚乙烯醇PVA和聚乙烯吡咯烷酮PVP)复合得到三种薄膜,研究不同成膜剂对N,B-CQDs双光子吸收以及光限幅性能的影响。三种薄膜均在线性透过率达到50%以上时,具有不同的非线性光学特性:与PVA复合的薄膜具有饱和吸收的现象;与PVP复合的薄膜不再发生非线性光学现象;与KH792复合的薄膜在线性透过率为68%时光限幅的效果与N,B-CQDs溶液在线性透过率70%时光限幅的效果基本相当。总之,通过简单易行的微波法快速制备具有双光子吸收的N,B-CQDs,并且该CQDs溶液具有反饱和吸收和自散焦共同作用导致的光限幅现象。通过与三种不同成膜剂复合,得到CQDs基复合薄膜,其中与KH792进行复合制备得到的薄膜可以保持N,B-CQDs的双光子吸收和光限幅的性能,为实现低成本制备具有良好光限幅性能的固态薄膜材料提供了一种有效方法。