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关键词： 双相情感障碍   抑郁症   脑结构网络   富人俱乐部   图卷积网络   集成学习  

摘要： 双相情感障碍患者在疾病早期有严重的被误诊为单相抑郁的风险,误诊会造成严重后果。目前,临床的诊断方式严重依赖医生的主观判断。神经影像学的发展使寻找客观的单双鉴别生物学标记物成为可能,并为分类模型的建立提供数据支持。既往研究在结合弥散张量成像技术与图论方法后,在双相情感障碍患者与健康人之间发现了大量的脑网络拓扑属性差异,但在单相抑郁与双相情感障碍间脑网络信息分化与整合能力的差异,仍需要更多的研究。同时,针对抑郁症患者和双相患者的鉴别,仍缺乏可靠的分类模型。本研究中共纳入62名单相抑郁患者和112名双相情感障碍患者,围绕单双相患者的疾病差异机制,利用脑结构网络,研究两类疾病在网络中的拓扑属性差异,并对两类疾病构建基于图卷积的分类识别与辅助诊断模型,具体内容如下:1、研究双相情感障碍与单相抑郁患者脑结构网络rich club及拓扑属性差异。首先基于弥散张量成像数据构建患者的脑结构网络。之后,分别计算脑网络的rich club以及拓扑属性,并做统计比较。同时,基于先验知识定义本研究中的rich节点与non-rich节点。其中,连接rich节点和non-rich节点的边被定义为feeder连接,连接non-rich节点之间的边被定义为local连接。研究结果表明,双相障碍患者相比单相抑郁患者存在更多的大脑白质纤维束损伤,这些损伤更多地集中在feeder与local连接上,该结论与双相障碍患者网络全局效率显著降低一致。在双相障碍患者的左半脑区发现了feeder与local连接强度的降低,说明在左半脑区的非核心节点连接减弱。双相障碍患者在嗅皮质、后扣带回和颞叶中发现节点簇系数和节点特征向量中心性的显著性降低,说明其在情绪、认知和奖赏相关连接较单相抑郁患者受到的损伤更多。2、针对单双相患者的脑结构网络,构建图卷积池化模型,对单相抑郁与双相障碍患者进行分类。模型一方面避免了传统方法中特征提取导致的信息缺失,另一方面通过节点向量保留节点间的信息传递结果。研究结果表明,图卷积池化模型针对脑结构网络具有非常优秀的分类性能,在单双相患者的分类中达到了85.54%的准确率。模型在第二章的基础上进一步发现单双相患者在左杏仁核与脑岛的差异,说明双相情感障碍患者情绪管理功能的损伤。最后,使用流形降维方法验证模型分类性能。3、为了充分运用人脑的功能整合性,结合集成学习中输入属性扰动和训练样本扰动的集成策略,构建图卷积集成模型。基于rich club属性将脑网络分为五个层次化子网络,并使用集成策略提取层次化子网络与全脑的特征。为提高基学习器的分歧度并平衡训练集数据,采用组合的抽取方式构建每个基学习器的分类样本。研究结果表明,模型针对单双相分类问题达到了87.74%的准确率,并且更加稳定。对基分类器与子网络的研究证实了feeder与local连接在两类疾病间的差异。

关键词： 四阶波动方程   阻尼   存在唯一性   爆破   爆破时间  

摘要： 本文研究了一类具线性阻尼项和一般非线性项的四阶波动方程的初边值问题,我们主要考虑问题弱解的局部存在唯一性和有限时刻爆破性质.全文共分为三章.在第一章中,我们简要回顾本文所讨论问题的研究背景和国内外发展现状.在第二章中,我们给出一些必要的预备知识,包括一些定义、记号和证明主要结果所需的必要引理.在第三章中,我们叙述并证明文章的主要结果.首先,利用经典的Galerkin方法结合先验估计证明相应的线性问题弱解的存在唯一性;接着,借助Banach压缩映像原理给出原问题弱解的局部存在唯一性的证明;然后,我们证明当初值满足一定条件时不稳定集的不变性,基于这个不变性和Levine凹方法,我们证明了问题的弱解在有限时刻爆破并得到了爆破时间的上界估计;最后我们利用一阶微分不等式方法和嵌入不等式给出爆破时间的下界估计.需要指出的是,我们的结果表明至少对于特殊的非线性项,问题存在具任意高初始能量的有限时刻爆破解.

关键词： 气管插管   光纤布拉格光栅   形状感知   曲线重构  

摘要： 气管插管术作为一种有效的人工通气手段,在患者抢救与全麻手术中发挥着举足轻重的作用。但当前临床上均由医师手动完成插管操作,面临着插管成功率低、易引起术后并发症、医患交叉感染风险高、麻醉医师短缺等问题,因此亟需研发一种能代替人工完成高质量气管插管操作的机器人系统。在机器人介入呼吸道的过程中,其末端位置乃至整体姿态的实时感知对机器人的精确安全控制至关重要,而监测插管机器人的实时形状是在狭窄呼吸道中获取其位姿信息的首选方法。鉴于光纤传感器结构紧凑、抗电磁干扰、生物相容性高等优点,本文以气管插管机器人为感知对象,将光纤布拉格光栅(FBG)传感器集成在机器人上,以实现插管机器人的实时形状感知,对提高气管插管手术质量、保障医护人员生命安全具有重大意义。首先,研究了 FBG应变测量的基本原理,对基于FBG波长信号的曲率与挠率信息解算进行了详细推导,并针对传感器结构建立了4层应变模型,计算了层间的应变传递系数,通过数值分析手段与有限元仿真验证了传递模型的正确性,对基于FBG波长信号的曲线信息解算公式做出了修正。其次,以插值得到的离散曲率与挠率值为信息,在传统重构算法的基础上,分别提出了基于曲率与挠率拟合以及分段重构拼接的曲线重构改进算法,并对比验证了三种算法通过离散曲率和挠率信息还原出曲线的重构精度表现,结果证明:改进算法重构的曲线与真实曲线间的弗雷歇距离在1.0mm左右及以下,曲线终点的欧氏距离百分误差小于0.3%,且算法用时在1s左右,证明了改进算法在重构精度与算法速度上的优越性。随后,设计并制作了适用于气管插管机器人的形状传感器,并对传感器进行了参数标定和修正,对每个FBG的波长与曲率间的关系进行线性拟合,得到对应的灵敏度与初始波长。分别对形状传感器进行了二维及三维形状感知实验,得到重构曲线终点的平均欧氏误差分别为1.120mm和1.358mm(分别占全长的0.560%和0.679%),平均弗雷歇距离分别为1.922mm和2.533mm,满足对插管机器人反馈控制的精度需求。最后,制作了气管插管连续体机器人原型机并将形状传感器安装至其中,同时搭建了配套的形状感知解调平台及上位机人机交互界面,构成一套完整的气管插管连续体机器人形状感知系统,并对气管插管机器人展开了实时形状感知实验,结果证明:所设计的形状传感器与形状重构算法可满足机器人控制算法所需的反馈精度与速度需求,能够保障插管操作的及时性与安全性。本文所得理论同样适用于其他经自然腔道手术机器人的形状感知和导航定位。

关键词： 多视图聚类   张量奇异值分解   加权张量核范数   低秩约束   稀疏表示  

摘要： 随着大数据时代和电子信息技术的飞速发展,多视图数据的身影时常出现在不同领域的科学研究和各种实际应用场合中。与单视图数据相比,多视图数据因为可以提供更多对学习任务有用的信息,所以对于聚类和分类学习任务具有更好的性能,因此多视图学习一直是人工智能和数据挖掘等众多领域的重要研究方向。近年来,基于张量奇异值分解(t-SVD)的多视图聚类算法,充分利用张量数据的低秩特性,可以更高效、更彻底地探索多视图数据之间的内在联系和本质结构,在提高算法聚类性能中取得了令人瞩目的成绩。然而,已有的基于t-SVD的张量核范数低秩约束方法忽视了不同奇异值之间的贡献度差异,导致处理噪声(含有光照、遮挡)数据时,算法聚类精度和稳定性出现明显退化。针对此问题,本文为了改进张量核范数低秩约束存在的不足,提出了两个更加有效和鲁棒的算法模型,本文具体工作如下:基于t-SVD的张量核范数忽略了不同奇异值之间的贡献度差异,导致算法聚类性能退化,为解决这一问题,本文提出了基于加权张量核范数低秩约束的多视图聚类模型(WTN-MVC)。该模型使用加权张量核范数对张量进行低秩约束,给每个奇异值分配不同的权重,有效地利用了不同奇异值间的贡献度差异先验信息。在此基础上,本文使用交替更新方法(ADMM)对所提模型进行有效的优化,并给出了完整的优化算法,在不同数据集上的聚类结果均表明本文所提模型明显提高了聚类性能。基于加权张量核范数低秩约束的多视图聚类模型(WTN-MVC)虽然嵌入了奇异值贡献度差异这一先验知识,但是只对子空间张量进行低秩约束,忽略了每一个视图下自表示系数矩阵的稀疏性。针对WTN-MVC模型所存在的问题,本文提出了基于加权张量核范数和稀疏表示的多视图聚类模型(SWTN-MVC)。引入l范数对每一个视图的自表示系数矩阵施加稀疏约束来描述高维数据的局部结构,用低秩和稀疏表示同时约束自表示系数矩阵,进一步提高聚类算法的稳定性和准确性。同时,本文给出了完整且有效的优化算法,并对模型在不同的数据集上进行大量实验,不同数据集的聚类结果均比同类型算法聚类结果有明显提高。

关键词： 连续激光   薄膜器件   温升   光谱效率   损伤阈值  

摘要： 高功率激光系统已成为国防战略、前沿科技和新兴产业的制高点之一,对国家安全和国民经济建设有重大作用。大口径高性能反射薄膜、高精度分光薄膜和高性能激光光谱合束镜是控制激光系统光路传输的三类关键元件。随着高功率固态激光器技术突破和输出功率的提高,激光系统对这三类薄膜器件的综合性能提出了更加苛刻的要求。首先,薄膜器件需具备高的光谱效率以保证激光光束高效率地传输;其次,薄膜器件要有良好的抗激光损伤能力以保证系统长期稳定地工作;最后,薄膜器件在服役时还需要保持较低的温升以确保激光光束质量不发生恶化。当前研究在解决三种器件不能同时实现高光谱效率、低温升和高损伤阈值这一问题上,还存在一些认识上的不足和局限性。具体地,对于大口径高性能反射薄膜和高精度分光薄膜,目前缺乏一种可以同时实现低吸收、低散射、高阈值和低温升特性的多功能兼顾的高折射率薄膜;对于高性能激光光谱合束镜,目前缺乏一种可以兼顾高制备可行性和低驻波电场强度的薄膜设计结构。为了解决这些关键问题,本文将主要开展三方面的研究工作:一、研究了SiO掺杂含量和退火温度对IAD(ion-beam assisted deposition)-HfSiO混合膜的微观结构特性和光学特性的影响。探索了HfSiO混合膜晶向结构、结晶度、晶粒尺寸和薄膜表面形貌、表面粗糙度之间的关系,明确了薄膜结构缺陷、化学计量比失调缺陷与薄膜吸收之间的联系。在此基础上,解决了IAD-Hf O薄膜吸收大、易结晶的问题,得到了大口径高性能反射薄膜的最佳制备工艺。最后利用IAD-HfSiO混合膜制备了高光谱效率、低温升和高损伤阈值的高性能反射薄膜:反射率高于99.98%;在130 k W/cm的高功率连续激光辐照下,温升只有4.9 ℃;在高浓度碳污染条件下,其损伤阈值高于EBE(electron beam evaporation)-Hf O/Si O反射膜,温升低于IAD-TaO/Si O反射膜。二、研究了子层HfO厚度和退火温度对IBS(ion beam sputtering)-HfSiO叠层膜的微观结构特性和光学特性的影响。探索了HfSiO叠层膜孔洞缺陷、晶向结构、结晶度、晶粒尺寸和薄膜表面形貌、表面粗糙度之间的关系,明确了薄膜结构缺陷、化学计量比失调缺陷与薄膜吸收之间的联系。在此基础上,消除了IBS-Hf O薄膜特有的孔洞缺陷,解决了IBS-Hf O薄膜吸收大、易结晶的问题,得到了高精度分光薄膜的最佳制备工艺。最后利用IBS-19层HfSiO叠层膜,制备了高光谱效率、低温升和高损伤阈值的高性能分光薄膜:在1050～1080 nm反射率高于99.968%,在1030 nm透射率为97.1%,在600～900 nm平均透射率为98.3%;在130 k W/cm的高功率连续激光辐照下,温升只有5 ℃;在高浓度碳污染条件下,其温升低于IBS-Hf O/Si O和IBS-TaO/Si O反射镜,预期具有更高的抗污染损伤阈值。三、提出了一种兼顾高制备可行性和低驻波电场强度的消偏振合束镜薄膜设计结构。利用此结构制备了高光谱效率、高损伤阈值和低温升的45度消偏振合束镜。该合束镜在1080 nm处透射率为98.57%,在1064 nm处反射率为99.52%,具有良好的光谱效率;在130 k W/cm高能连续激光辐照下,其温升只有14 ℃,且不发生损伤。

关键词： 张量   关联张量   无信号性   贝尔局域性   张量分解   CHSH型不等式  

摘要： 贝尔非局域性、量子纠缠、量子导引、量子关联,以及量子相干是量子力学区别于经典理论的显著特征.当一个复合物理系统被多个远距离观测者同时测量时,其观测结果的联合概率分布形成一个非负张量,称之为一个关联张量.贝尔非局域性与无信号性作为关联张量的两种重要特性,在许多量子信息处理过程中都起着非常重要的作用,成为量子信息领域关注的热点课题.本文应用算子理论与矩阵理论,系统研究关联张量的无信号性和贝尔局域性的等价刻画与张量分解.全文共分为四章,具体内容如下:第一章为绪论部分,介绍本文的研究背景、研究现状,以及本文的主要工作.第二章介绍张量和关联张量的相关概念与符号表示,并介绍了张量的相关运算,如张量积与张量收缩.第三章研究关联张量的无信号性.首先,介绍了关联张量无信号性的概念与性质;然后,应用行和为定值的矩阵分解定理和矩阵的奇异值分解定理,证明了一个2体无信号关联张量可以分解成2个确定关联张量的外积与1个准概率分布张量的收缩,并类似讨论了3体无信号关联张量的网络分解;最后,通过引入关联型张量的概念,应用数学归纳法,将无信号关联张量的网络分解推广到一般情形中,证明了任何一个9)体无信号关联张量都可以分解成9)个确定关联张量的外积与1个准概率分布张量的收缩.第四章研究关联张量的贝尔局域性.首先,证明了任何一个9)体贝尔局域关联张量都可以分解成9)个确定关联张量的外积与1个概率分布张量的收缩,从而得到每一个贝尔局域的关联张量一定是无信号的;然后,证明了任意一个无信号关联张量都可以表示为两个贝尔局域关联张量的广义凸组合;最后,根据我们得到的贝尔局域关联张量的分解定理,得到了贝尔局域关联张量之集的代数与分析性质,建立了关于关联张量的CHSH型不等式.

关键词： 光纤传感   全同弱反射光栅   时分+波分复用   解调算法  

摘要： 光纤光栅应变传感器所具有的重量轻、易安装、可复用以及抗电磁干扰等优点使其可以很方便进行应变场的长期监测,这一特性在结构健康监测领域中有着重要应用。基于全同弱反射光栅阵列的分布式高速应变测量系统采用时分+波分复用的解调方式,与布里渊散射技术实现的分布式应变传感系统相比有着更高的解调速度,同时,相较于普通光栅技术实现的应变传感系统其有更长的探测距离以及更大的光栅容量。本文以基于全同弱反射光纤光栅阵列应变解调技术与系统为研究对象,采用中心波长、带宽、敏感特性均一致的全同弱反射光栅结合时分和波分复用技术构建传感网络并对系统的组成、解调算法及系统采集电路进行研究。主要内容如下:(1)本文研究了传统分布式长距离应变传感系统与基于光栅阵列的准分布式系统的发展现状。使用模耦合理论分析了光纤光栅反射光谱特性,根据理论推导了光纤光栅应变传感原理以及对不同的光栅阵列解调方式进行了对比。通过理论研究了系统可复用光栅总量并代入实际参数进行了计算。(2)搭建了应变解调系统的光路,对于EDFA的放置位置和放大倍数进行了设计。编写了系统采集模块中的FPGA程序,采集板卡采样率为200MHz,与PC端的数据传输最高可达到150Mbit/s。(3)本文对比了系统在不同寻峰算法下解调波长的稳定性和线性度,结合各算法的计算复杂度和实验表现选择质心算法作为系统寻峰算法。针对在光强下降时使用质心算法求解光谱中心波长会出现数值不稳定的问题提出了优化方法,经测试系统12小时波长波动范围在±3pm内。使用搭建的系统进行了静态与动态应变测量实验,实验结果与理论模型吻合,证明系统具备静态和动态应变监测能力。

关键词： 飞秒激光   长周期光纤光栅   光纤布拉格光栅   光纤传感   高功率光纤激光器  

摘要： 光纤光栅是一类重要的光纤无源器件,已广泛应用于光纤传感、光纤通信、光纤激光器等领域。目前采用最多的刻写方法是基于紫外激光曝光,但是对光纤光敏性要求较高,一般需要高压载氢,刻写完成后还需要退火,制备工艺流程较为复杂。本文研究的飞秒激光刻写技术对光纤的光敏性没有要求,因此不需要高压载氢和退火,工艺流程大大简化,还可以无需相位掩模板进行直接刻写,非常灵活,可以制备出各种类型的光纤光栅,受到了广泛的关注。尽管飞秒激光刻写技术发展了二十多年,但是制备的光纤光栅主要应用于光纤传感领域,在高功率光纤激光领域应用较少。本文旨在研究基于飞秒激光刻写的光纤光栅制备及在高功率光纤激光器中的应用,主要内容包括:1.开展了光纤光栅的耦合模理论分析与耦合系数计算。利用有限元法对光纤的模式进行了仿真计算,在此基础上根据光纤光栅的耦合模方程建立了耦合系数的理论模型,利用该模型分别对Ⅰ型光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG),Ⅱ型FBG以及长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating,LPFG)的耦合系数进行了计算,结果表明光纤光栅横向折射率分布对模式耦合有较大的影响,为飞秒激光刻写光纤光栅提供了理论指导。2.利用飞秒激光直写技术制备了不同类型的LPFG,并对其光学特性进行了研究。搭建了基于长工作距离物镜的飞秒直写刻写平台。制备了周期在10μm以下的超短周期LPFG,其兼具LPFG与FBG的性质,超短周期LPFG在光纤折射率传感以及偏振相关器件等领域中都具有应用前景。制备了Ⅱ型方波调制的LPFG,研究表明在这种LPFG中高阶谐波折射率调制与基频折射率调制共存,高阶谐波谐振的存在会增加LPFG的插损。提出并验证了一种利用正弦调制的飞秒激光直写LPFG的方法,这种方法能够抑制LPFG的高阶谐振,从而降低LPFG的插损。这部分工作揭示了轴向折射率分布对LPFG模式耦合的影响,并通过控制轴向折射率分布抑制了高阶谐振,从而降低Ⅱ型LPFG的插损,以满足高功率光纤激光器的应用需求。3.利用飞秒激光逐线刻写技术制备了FBG,并开展了其应用研究。研究了线位置对逐线刻写FBG包层模耦合的影响,研究表明偏芯刻写能够压缩布拉格谐振的带宽,并能够产生更加丰富的包层模耦合,通过让所有线依次穿过纤芯区域,可实现切趾逐线刻写FBG。研究了逐线刻写倾斜光纤布拉格光栅(Tilted Fiber Bragg Grating,TFBG)的光学特性,实验研究表明光栅平面位置、倾斜角度以及光栅谐波阶数都会影响TFBG的光谱,扭转(或偏振)也会影响TFBG的光谱。利用飞秒激光逐线刻写技术实现了掺铒FBG(Erbium Doped Fiber Bragg Grating,EDFBG)的刻写,基于此实现了一体化掺铒光纤振荡器的制备,并对其出光特性进行简单测试。这部分工作实现了逐线刻写局域化FBG的制备,并对此类FBG的光学特性进行了较为深入的研究,对于集成光纤光学意义重大,且逐线刻写FBG插损极低,适用于光纤激光器的应用情况。4.开展了飞秒激光与相位掩模板结合动态刻写FBG的研究,成功在大模场双包层光纤上刻写FBG,并应用于高功率光纤振荡器。搭建了可见飞秒激光与相位掩模板结合动态刻写系统。在大模场双包层光纤上(纤芯/内包层直径为20/400μm)刻写了一对FBG,将这对FBG用于搭建了输出波长约为1080nm高功率全光纤振荡器,输出最高功率超过3.2 kW,斜率效率为77.9%,光束质量M为1.28,这一工作证实了可见飞秒激光刻写高功率FBG的可行性。通过更换相位掩模板并优化刻写工艺,在传能大模场双包层光纤上刻写了一对谐振波长约为1070 nm的FBG,利用制备获得的FBG搭建了双向泵浦全光纤振荡器,实现了5 kW的输出功率,斜率效率为82.1%,光束质量M为1.6,这是目前飞秒激光刻写的FBG实现的最高输出功率。5.通过飞秒激光相位掩模板扫描法在双包层增益光纤上刻写了一对FBG,实现了无熔接点的一体化有源腔,由于增益光纤能够吸收信号光,高反射FBG只能准确测量到透射谱。利用该有源腔搭建了全光纤结构振荡器,实现了520 W的功率输出。由于泵浦光通过增益光纤时会发生无辐射跃迁过程,FBG的温度随着泵浦功率的增加而迅速升高,需要对FBG提供制冷以避免其损毁。该工作提供了实现无熔接点一体化光纤激光器的方案,对集成化高功率光纤激光器具有重要意义。

关键词： 旋转光力学系统   回音壁模式谐振腔   量子相干   非互易  

摘要： 量子相干源自量子态叠加原理,它是产生各种干涉现象的核心。量子相干已作为一种可利用的资源被广泛应用于量子信息处理、量子计算、量子计量学前沿领域。近年来,人们对于探究宏观系统中的量子相干特性倾注了大量热情,宏观量子相干性的研究逐渐成为量子光学的一个热门方向。本论文旨在研究旋转光力学系统中单模、双模和三模宏观量子相干问题,探索由旋转所引起的宏观量子相干的非互易性。本论文的理论模型是一个旋转的回音壁谐振腔光力学系统,回音壁谐振腔通过锥形光纤与外加光束进行倏逝耦合。回音壁光学谐振腔的腔场由顺时针传播和逆时针传播的两个光学模式组成,它们之间通过背向散射相互耦合。两个光学模式与回音壁光学谐振腔的机械振动模式通过辐射压而产生耦合。论文研究了两个光学模式和机械振动模式各自的单模相干、耦合后的双模相干和三模相干特性,通过数值模拟分析了系统中各物理量对量子相干的影响。具体而言,本文包括如下两个方面的研究内容:第一,在不考虑离心力的情况下,研究了当外加光场驱动顺时针传播的腔模时,旋转回音壁系统的单模,双模和三模量子相干。通过数值模拟研究了外加光场的驱动功率光模耦合常数、光模衰减机械模衰减谐振腔转速Ω等物理因素对各种量子相干的影响。我们发现,单模相干的变化趋势对双模相干和三模相干有很大的影响,说明经过耦合之后得到的双模和三模量子相干中,单模量子相干性仍起主要作用;当激光场的驱动方向与谐振腔的旋转方向一致时,量子相干随转速Ω的增加而单调增加,反之量子相干则单调减少,这反映旋转所致的萨格纳克效应会引起回音壁光力学系统的量子相干的非互易性,且转速越大量子相干的非互易性越明显。第二,研究了考虑离心力情况下旋转回音壁谐振腔系统的双模和三模量子相干。通过数值模拟,我们发现当考虑离心力时,量子相干随谐振腔转速Ω的增大会出现一个凹陷。离心力的存在,使得系统哈密顿量中增加了一项离心力依赖项,该项对量子相干的影响机制更加复杂,导致凹陷的出现。我们发现当考虑离心力后量子相干的最大非互易性发生在凹陷处。另外,通过对相干性差异的分析,表明单模量子相干仍然在二模相干和三模相干中占据重要地位。

关键词： Nonlinear wave equations  

ISBN: (纸本)9787030730466