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摘要： 长江CAG-T08DNE红外光栅传感器由主机及从机配对组成，通过2-12束红外线对射构成一个隐形防范平面，当有物体穿越该平面，遮断红外线时，光栅探测器主机就输出报警信号。本产品专业用于门窗、通道围墙、出入口等周界防范，也可用于车辆越线检测、超高超限检测、计数检测等。

关键词： 重力   重力梯度张量   多层级方法   多重网格   快速正演   快速反演  

摘要： 近几十年来,随着航空重力测量技术的快速发展,使得大尺度、多面积、大数据量的重力数据及其梯度张量数据的精细反演成为可能,这也导致如何进行大规模数据的快速重力正反演成为一个亟待解决的难题。对于地球物理的正反演问题,实质上可以看作数学问题,即求解微分方程,而多层级法便是求解这一问题的最有效的方法。正演是反演的基础,正演算法的计算效率在一定程度上能够决定反演算法的计算效率。为实现海量重力观测数据的快速、高精度正演、高效、精细反演和多、弱异常源多尺度分离,论文在多层级算法的框架基础上利用核矩阵具有的平移等效性等性质,引入几何构架等效压缩存储技术,能够在很大程度上减少计算机物理内存消耗和计算量。同时,引入多尺度小波,借鉴代数多重网格等逐级分层思想,将多层级迭代法与多尺度小波分解重构耦合起来,借助多层级框架中不同层核系数矩阵间的传递算子和多尺度小波的多分辨特性,提取异常源的多尺度信息。鉴于此,本论文以多尺度核函数的快速更新、不同尺度核系数矩阵间的传递算子、避免核矩阵存储以及构建基于多层级方法的正则化反演方法为研究目标,从而开展大尺度重力梯度及其张量数据快速正演、多尺度反演的研究。最后,为验证本文算法的有效性和可靠性,对设置的地球物理模型进行快速正演模拟,并与点元法和等效几何格架技术等进行对比,数值试验结果表明本文算法能够很好的减少内存消耗、加快计算速度。此外,将多层级反演和Occam反演方法分别应用于加拿大Geoscience BC项目的实测航空重力数据,结果表明了本文算法的有效性。

关键词： 非线性阻尼   解的适定性   正则化技术  

摘要： 本文考虑非线性波动方程utt-△u+|u|k|ut|m-1ut=|u|p-1u,u(x,0)=u0(x),ut(x,0)=u1(x),初值问题在H1(Rn)×L2(Rn)中解的整体适定性,其中p,k≥ 1,0k+m的情形,利用波动方程解的有限传播性质证明解在有限时间内Blow-up.

关键词： 光纤光栅   岩石   裂纹扩展   带宽展宽   反射率   损伤变量  

摘要： 我国地质灾害、煤矿事故频发,而大多事故的发生都是由于对岩石裂纹扩展机理及内部应力状态不了解所致。通过先进的监测手段及时掌握岩石裂纹扩展过程机理,并采取一定的预防措施可在很大程度上减少灾害的发生。光纤光栅传感技术具有精度高、抗外界干扰及灵活易布置等独特优点,可被用于岩体变形破坏过程的监测。而岩石裂纹的扩展及损伤演化为非线性变形,借助光纤光栅监测时必须解决裂纹与光纤的力学作用机理、光谱演化特征等关键科学问题。基于此,本论文研究了岩石裂纹扩展光栅监测机理,并开展了相关的实验研究。通过理论分析,分别对光纤光栅在均匀及非均匀应变作用下的光谱特性进行了分析,得出了非均匀应变作用下光谱的非线性变形特征;开展了裂纹扩展光栅监测的标定实验,通过线性拟合得到了带宽展宽量及反射率峰值随局部拉伸和剪切应变增加的线性规律。借助断裂力学和剪滞理论分别建立了Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹与光纤光栅的力学模型,得出了不同类型裂纹扩展时裂纹尖端处光纤光栅的受力状态,并通过应变传递模型得到了裂纹尖端处光纤光栅的应变真值。开展了岩石裂纹扩展光栅监测的岩石力学实验,将光纤光栅分别粘贴于不同类型的裂纹表面进行加载,得到了裂纹扩展过程光谱非线性变形及演化特征,并通过带宽展宽量及峰值反射率的变化分析了裂纹扩展过程。通过对光纤光栅粘贴角度的分析,得出光纤光栅与裂纹垂直时带宽展宽量最大,但容易发生断裂,粘贴角度为60°时监测效果最佳,表明粘贴角度对监测过程有一定程度的影响。定义了损伤变量D来对不同类型裂纹扩展的损伤程度进行统计分析,结果表明,Ⅰ型裂纹扩展时损伤变量的累计集中体现在峰前阶段,无典型的初始压密及弹性变形阶段;Ⅱ型及Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹通过光栅带宽展宽表征的损伤变量,将岩石压缩破坏的全过程划分为损伤稳定演化、损伤加剧演化和峰后残余强度三个阶段,表明该损伤变量能够较好的反映裂纹扩展过程。本研究对于岩体裂纹损伤光纤传感监测的理论体系及本安型矿井灾害监测方法的形成等具有重要意义。本文图78幅,参考文献84篇。

关键词： 作物分类   多时相PolSAR数据   张量仿射变换网络   卷积神经网络   局部张量仿射变换网络  

摘要： 农作物分类是农业监测和粮食估产的重要依据。近年来,随着星载极化合成孔径雷达(Pol SAR)系统数量的不断增加,多时相Pol SAR影像为农业生产提供了丰富的水文地质信息,有效地提高了农作物分类精度。传统的神经网络在处理多时相数据时需要大量的参数,往往导致网络无法完成训练,通常需要借助于降维方法来对数据进行压缩,但这又使得农作物分类中的降维网络与分类网络相互脱节,最终降低了分类精度。论文针对以上问题,从张量分析的角度试图提出降维与分类的一体化解决方法,取得的主要研究成果如下:(1)论文将张量仿射变换应用于BP神经网络的前向计算,提出了张量仿射变换神经网络模型(TATN)。提出的网络模型将农作物特征数据以原始高阶张量的形式输入网络,在隐藏层采用张量仿射变换来提取特征,显著降低了隐藏层的参数数量和计算量,输出层以张量加权和softmax回归实现分类。论文推导了基于误差反向传播的参数训练方法,完成了网络训练。TATN可以直接处理多时相数据,避免了使用降维方法,形成了单一网络模型的农作物分类。张量仿射变换在处理多时相数据时会可以保留其结构信息,从而实现农作物的精确分类。实验结果表明,与搭配稀疏自编码器(SAE)的支持向量机网络(SVM)和卷积神经网络(CNN)相比,TATN网络分类精度更高,相较于SAE-SVM提高了23.7%,而相较于SAE-CNN提高了4.7%。(2)为了进一步提高TATN网络的分类性能,受启发于CNN的局部感知特点,论文提出了局部张量仿射变换网络(LTATN),提出的网络模型以更小的变换矩阵对张量完成局部仿射变换,加快了网络的训练速度,并且提升了分类性能。在多时相数据的农作物分类上,LTATN的分类精度可以达到99.36%,优于TATN网络以及CNN网络。

关键词： 循环神经网络   张量火车分解   交替方向乘子法   张量核范数   情感分类  

摘要： 循环神经网络(Recurrent Neural Network,RNN)是深度学习中的重要网络模型,且应用广泛。然而其庞大的参数量使得这一学习过程需要耗费大量的计算资源,使得训练的时间效率较低,且可能因过拟合造成预测精度不理想。为缓解这一问题,张量神经网络借助低秩张量分解来减少模型参数,进而实现对神经网络的压缩。为了进一步减少模型参数的冗余,提升预测准确率,本文将张量火车分解与RNN相结合,并引入张量核范数正则项,构建新的张量循环神经网络模型,继而开展如下工作:(1)建立正则化张量火车循环神经网络模型(Regularized Tensor Train-Recurrent Neural Network,RTT-RNN)的张量优化模型,并借助变分分析工具,建立这一非凸非光滑张量优化的一阶最优性条件,为后续的算法设计提供理论基础;(2)借助最优性条件,特别是张量核范数的微分性质,以及张量TT分解的特征,设计交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)求解我们提出的非凸非光滑张量优化问题;(3)将该模型及其算法应用于情感分类,分别在IMDB和SST数据集上进行数值实验。通过与传统的RNN方法以及张量火车分解的张量RNN方法进行比较,验证了我们提出的模型与算法的有效性。

关键词： 磁光晶体   法拉第效应   光纤磁场传感器   消偏器   三维磁场  

摘要： 磁场传感与测量在地球物理、空间科技、工业、医学、等领域有着十分广泛的应用。相对于传统磁场传感技术,基于光纤磁场传感器具有诸多优点:体积较小,可以适用于多种环境受限的区域,可以得到较高的空间分辨率;绝缘性能好,Si O光纤本身的绝缘性就优于带电金属的传感器;抗干扰能力强,光纤传输时以光为传输信号,有非常好的抵抗电磁干扰的能力;安全性高,光纤将光约束在纤芯中且不向外辐射。本文基于磁光晶体研究了一种光纤三维磁场传感器。设计和构建了光纤三维磁场传感器传感探头,搭建了光纤三维磁场测量系统,并对矢量磁场进行了测量实验。首先分析了三维磁场传感器中三个传感器灵敏度归一化、非正交误差产生原因及补偿原理。设计实验研究平衡光电探测器(BPD)对光信号测量输出不平衡误差对系统测量结果的影响,并通过标定补偿抑制该误差。分析了实验系统中光路内偏振态变化对磁场测量系统的影响,设计并制作了光纤消偏器加入BPD探测器前以降低外界环境变化对系统的影响。同时完成了基于三个磁场晶体传感单元光纤三维磁场传感探头的结构设计与制作。随后,搭建实验测试系统:基于磁光晶体三个传感单元搭建了光纤三维磁场传感器;利用单一通电螺线管实现三个磁场传感探头系数归一化;利用一对通电线圈构建一维磁场对光纤三维磁场传感器系统进行三维正交标定,三轴标定精度分别为:0.19°、0.25°、0.22°。最后,对基于磁光晶体的光纤三维磁场传感器进行测试验证实验,通过一可旋转的磁场矢量,观察记录三维磁场传感器对矢量磁场强度的分辨率,且三个正交传感器测量值符合磁场转动规律;验证三维磁场传感器对磁场角度的分辨率,实验结果表明该基于磁光晶体的光纤三维磁场传感器可实现0.2μT磁场强度的分辨率,0.5°角度分辨率的磁场测量。对单个磁柱和二维磁柱阵列进行了测量,利用基于磁光晶体的光纤三维磁场传感器实验获得了磁柱的磁力线分布情况。证明此基于磁光晶体光纤三维磁场传感器可对空间磁场矢量实现矢量测量。

关键词： 光波导   铌酸锂晶体   波导耦合器   离子注入   标准光刻   金刚石精密切割   湿法腐蚀  

摘要： 集成光学,这一概念起源于20世纪60年代末、70年代初。因为种种原因,比如:热容量较大、大都是多模结构,传统的体型光学器件不适用于集成光路。光波导结构可以将光波限制在很小的体积内传输从而提高光密度,有利于集成光学的发展与应用。光波导作为集成光学器件的基本元件,其质量会大大影响集成光路的性能,所以,制备质量高、性能优良的光波导结构一直是集成光学领域研究者们的追求。得益于微纳加工技术与理论研究的发展与进步,越来越多的手段被应用到制备结构复杂、性能优良的光波导结构中。离子注入是一种成熟有效的波导制备技术,该技术是基于离子与固体之间的相互作用,具有很强的可控性和重复性。自20世纪60年代被用于材料表面改性和材料分析以来,它受到了极大关注,并被成功地应用于各种材料中。通过改变离子注入的条件,可以制备厚度不同、折射率剖面不同的光波导结构。如果采用不同能量的连续离子注入技术制备光波导,则称为多能量离子注入。采用多能量离子注入会使注入离子浓度呈现阶梯分布,拓宽波导“位垒”宽度从而减少波导往衬底中的光波泄露。本文主要内容是以同成分z切铌酸锂晶体作为衬底,采用离子注入结合标准光刻的方法制备了条形光波导、通过离子注入结合精密金刚石切割技术制备了脊形光波导,并对两者的光学特性进行研究分析;探索了基于离子注入方法制备对称定向耦合器的条件:利用离子注入结合选择性湿法腐蚀制备了具有脊形光波导结构的波导对;采用离子注入结合光刻技术制备出了具有条形光波导结构的定向耦合器,并揭示了在特定条件下影响耦合器耦合特性的因素。本文的具体研究内容如下:将能量为500 ke V,剂量为1.5×10ions/cm的离子注入到具有掩模的z切铌酸锂衬底中制备了波导宽度为10μm的条形光波导。在相同的注入条件下,制备了平面光波导,在退火之后采用精密金刚石切割技术制备了宽度为15μm和25μm的脊形光波导。为了对比条形光波导与脊形光波导的光学特性,采用实验手段和数值方法获得了其近场光强分布,两者具有高度的一致性。利用端面耦合装置测试了波导的传输损耗,条形光波导、15μm宽和25μm宽的脊形光波导的传输损耗分别为3.42 d B/cm、12.4 d B/cm、1.97 d B/cm。该工作对基于离子注入制备的条形光波导与脊形光波导进行了对比研究,分别确定了标准光刻和金刚石切割技术制备二维波导的适用范围,对铌酸锂波导在集成光子器件中的应用具有参考价值。探索了基于离子注入工艺制备定向耦合器的条件。首先,通过离子注入结合选择性湿法腐蚀来制备具有脊形光波导结构的耦合器,利用金相显微镜观察样品形貌,脊形波导对被成功制备,但是,在端面耦合的实验中,并没有观察到光波在波导对中的耦合现象。尽管此次的尝试没有成功,但为今后的工作积累了丰富的经验,为后续实验的成功奠定了一定的基础。此外,通过数值方法在薄膜铌酸锂上成功地模拟了可以实现不同分光比的低损耗定向耦合器,其中,脊形部分是通过沉积宽度为2μm、厚度为0.2μm的氮化硅获得。利用离子注入与标准光刻技术制备了具有条形光波导结构的对称定向耦合器,并实现了不同的分光比。在注入之前,利用SRIM 2013模拟了离子注入过程,计算了dpa剖面,以量化主要损伤的产生,从而确定单能量离子注入与多能量离子注入的条件。最终,确定了如下注入条件,单能量氧离子注入:能量为2.2 Me V,剂量为6×10 ions/cm,多能量O离子注入:能量(2.0+1.8+1.6)Me V,剂量:(3.5+1.3+1.3)×10 ions/cm。在633 nm波长处,单能量离子注入制备的定向耦合器的耦合长度、分光比分别为18.6 mm、60%:40%,而多能量离子注入制备的器件的耦合长度、分光比为3.2 mm、70%:30%。该工作第一次从理论和实验两个方面证明采用离子注入结合标准光刻技术在铌酸锂晶体上制备定向耦合器的可行性。

关键词： 微型近红外光谱仪   MOEMS   光谱信号获取   FPGA  

摘要： 微型近红外光谱仪作为一种精密检测仪器以其体积小、成本低等特点被广泛应用于农业检测、工业生产、食品安全、地质勘探等领域。论文面向电磁式MOEMS(Micro-Optic-Electro-Mechanical-System)扫描光栅微镜为核心器件的微型近红外光谱仪的需求,针对光谱信号的准确提取与光谱数据的采集、大容量存储以及实时传输等问题。开展基于电磁式MOEMS扫描光栅微镜的微型近红外光谱仪光谱信号获取关键技术的研究,需求明确。论文在分析研究国内外基于MOEMS技术的微型近红外光谱仪与光谱信号获取系统研究现状的基础上,分析了基于电磁式MOEMS扫描光栅微镜的微型近红外光谱仪光谱信号获取系统的工作原理和设计需求;提出了光谱信号获取系统的总体设计方案,完成了光谱信号获取系统的硬件电路制作与软件系统开发,在搭建的测试平台上完成了光谱信号获取系统的性能测试,为基于电磁式MOEMS扫描光栅微镜的微型近红外光谱仪开发奠定一定的基础,论文的主要工作总结如下。(1)在分析研究微型近红外光谱仪与光谱信号获取系统国内外研究现状的基础上,结合现有的微型近红外光谱仪的光谱信号获取系统的技术难点,提出了本文的主要研究内容;在分析电磁式MOEMS扫描光栅微镜和微型近红外光谱仪的结构与原理的基础上,确定了光谱信号获取系统的设计需求以及关键技术,提出了光谱信号获取系统的总体设计方案;(2)完成了光谱信号获取系统的硬件电路设计。从高增益、低噪声的角度对工作在光伏模式下的G12181-005K光电探测器的预处理电路进行理论分析与仿真设计,旨在降低外界环境噪声对目标信号的影响。针对光谱信号获取系统高精度、实时性等要求,设计了由AD9826、EP4CE10F17C8N、W9812G6KH-75、CY7C68013A等构成的高速实时数据采集系统。结合信号完整性的知识与相应的电路设计软件,完成了光谱信号获取系统四层PCB版的绘制;(3)基于光谱信号获取系统的功能需求,完成了光谱信号获取系统的软件设计。通过Quaturs II和Altera-Modelsim软件设计基于Verliog HDL语言的时序逻辑控制系统;为了保证数据能够被实时有效的传输至上位机,通过Cy Suite USB开发套件完成了USB2.0固件和驱动程序的编写,并在Visual Stutdio 2013的MFC环境下开发并发布了基于C++语言的上位机软件;(4)完成了光谱信号获取系统的硬件电路测试、时序控制逻辑的板级验证以及上位机软件的功能测试。在搭建的测试平台上进行了光谱信号获取系统的性能测试。其前置放大电路的信号测量均值为344.2 m V,信号误差范围为1.27%;数据采集系统的上传速率最高可达39.02 Mbit/s,数据误差范围为1.7%,数据存储容量最大为128 Mbit。测试结果表明光谱信号获取系统满足设计需求。