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关键词： 随机波动方程   白噪声   有限差分法   收敛性   稳定性  

摘要： 随机波动方程作为一类重要的随机偏微分方程,在声学、信号学、流体力学、地质学等学科上具有广泛的应用.但随机波动方程往往因其复杂性难以求得其精确解形式,大部分学者研究课题集中在解的长时间性质上,对其数值格式的讨论大都为基于随机Taylor展式的Euler-Maruyama方法等.本文结合在微分方程上应用广泛的有限差分法,主要讨论高斯白噪声与泊松白噪声驱动的随机波动方程,并对其白噪声项进行数值模拟,得到完整的有限差分格式,其中包括显式差分格式与隐式差分格式,并利用计算机对给定参数的系统表现进行模拟,并对照验证差分格式理论上的稳定性结论.

关键词： 光纤光栅   涡街流量计   悬臂梁   集合经验模态  

摘要： 计量是工业生产的眼睛，流体在管道内的流动几乎存在所有的工业生产和装备中，流量的传输离不开液压管路，对液压管路进行监测十分关键，影响着整个系统的运作。在石油工业生产中，从石油的开采、运输、炼冶、加工都离不开的流量测量，否则无法保证石油工业正常生产。在化工生产中，化学试剂的配比必须要有严格的计量，否则会发生安全隐患。在航空航天工业生产中，航空燃油的监测对发动机的控制起着关键作用，火箭发动机一次消耗大量的液体燃料，如果测量不准，不仅造成经济损失严重还会，而且还会造成射程偏远。其中涡街流量计属于流体振荡式流量计具有压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。　　近年来发现光纤光栅具有抗电磁干扰、电绝缘性能好、体积小、重量轻、防腐蚀、灵敏度高等优点。本文通过对液压小管路的研究设计一种基于频率测量的光纤光栅流量计，流量计设计基于卡门涡街原理，通过测量流体振动频率从而测得流量。更适用于易燃易爆、强电磁干扰等特殊场合。主要研究内容如下：　　（1）根据流体力学的基础知识，利用相关的有限元软件，完成对光纤涡街流量计中传感悬臂梁探头的受力分析、稳定性分析、位置固定的分析以及流体的流场参数分析。确保光纤悬臂梁可以安放在一个稳定的涡街场中。　　（2）对光纤光栅涡街流量计进行了总体结构设计。主要包括壳体的设计、三角柱发生体尺寸设计、密封装置设计、光纤光栅悬臂梁设计、光纤的选择、光纤位置的固定。完成了光纤光栅涡街流量计实验平台的搭建。实验完成了光纤光栅涡街流量计结构和性能的测试与分析。　　（3）将基于Hilbert-Huang变换数据处理方法和基于集合经验模态数据处理方法应用于涡街流量计信号处理上。用频域相对误差将两种方法进行比对，发现基于集合经验模态数据处理方法优于基于Hilbert-Huang变换数据处理方法。

关键词： 激光三角法   扩展量程   光栅衍射   棱镜正像   重心识别  

摘要： 激光三角测量应用广泛,为了进一步拓展其应用场景,本文对其进行了扩程研究。传统激光三角测量量程和精度的矛盾难以克服,因此本文在利用光栅衍射实现CCD分段复用的基础上,提出使用棱镜正像的方法改善了光路,设计了一套大量程激光三角测量系统,该系统在大量程范围内具有较小的重复性测量误差。本文的主要工作如下:(1)详细分析了利用光栅衍射实现CCD分段复用方法的优缺点,针对其问题,提出了使用棱镜正像减小其光学像差,并给出了大量程激光三角测量的整体方案。(2)对大量程激光三角测量系统进行了设计计算。其中对光路进行了仿真分析,得到的仿真结果的点列图RMS(均方根半径值)和GEO(几何半径)均不超过5μm。根据仿真结果设计了一套机械装夹机构,在此基础上使用了平面反射镜将光路进行折叠,缩小了整体结构尺寸。(3)在光路调整过程中,本文利用光的可逆性提出了一种棱镜调节的新方法,成功解决了本系统棱镜调整的难题。(4)在光斑重心识别上,本文介绍了传统质心法相关算法、Hough变换法和高斯拟合法,并做了对比实验。除此之外,针对本系统又采用柱面镜将点斑转化为线斑进而使用曲线拟合法较高精度地识别了光斑重心。同时还给出了光斑分级算法。(5)对本测量系统分别进行了点焦标定测量实验和线焦标定测量实验。线焦测量实验结果表明:在0～12.2mm量程范围内具有±4μm以内的重复性测量误差,在12.2～21.4mm量程范围内具有±15μm以内的重复性测量误差。

关键词： 大规模多输入多输出   信道估计   张量分解   离散傅里叶变换   自回归模型  

摘要： 大规模多输入多输出(Massive Multiple-Input Multiple-Output,Massive MIMO)是第五代移动通信系统(fifth generation,5G)的物理层关键核心技术之一.相比在长期演进(Long Term Evolution,LTE)中被广泛应用的传统MIMO,大规模MIMO具有成倍的系统容量,且在理论上具有极高的频谱效率,因此数十年来其一直是学术界和工业界的研究热点.大规模MIMO的工作十分依赖于基站端拥有准确的下行信道状态信息(Channel State Information,CSI),然而在实际的工作场景中,这一信息的获取十分困难,这个特点大大限制了大规模MIMO在实际环境中的性能.而本文即围绕如何让基站获取尽可能准确的信道信息这一问题进行分析和讨论.　　显而易见,大规模MIMO相较于传统MIMO最直接的改变便是基站配备了由大量天线组成的大规模天线阵列,这使得大规模MIMO基站能够获得更高的空间分辨率,且传统的信道矩阵也因为天线数目的增加转变为高维度的信道张量.因此,本文将以大规模MIMO信道张量为研究对象,将张量代数的方法用于处理信道张量,并结合经典的无线信道物理多径模型推导出了信道张量多元规范分解(Canonical Polyadic Decomposition,CPD)模型.并以此为契机,基于张量分解的方法,提出了可行的解决方案来应对大规模MIMO系统中的两个亟待解决的问题:时分双工(Time Division Duplex,TDD)系统高速移动场景下的信道老化问题,以及频分双工(Frequency Division Duplex,FDD)系统中的下行信道估计、反馈及重构问题.　　对于TDD高速移动场景下的信道老化问题,一个普遍的思路是在基站端引入信道预测,从而在一定程度上克服信道老化现象.在本文中,首先在大规模MIMO外场实测数据(工作于2.6GHz频段,基站天线为64组双极化天线)上,基于时域相关性说明了信道的可预测性.之后将信道预测问题分为了两个阶段:信道结构变换和变换后信道成分的时间序列预测.基于张量分解的思路,给出了在用户高速移动(如典型的城区车速40km/h)场景下的信道张量CP分解方案,作为对比,还给出了一种采用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)的结构变换方法,并以自回归模型(autoregressive model,AR)为预测器,提出了CPD-AR和DFT-AR两种方案.同时,考虑到信道中存在大量相关性较高的多径(如来自于同一反射簇的数条多径具有高度相似的时延、角度、复幅度等参数),很难将这些相关性极高的多径一一提取出来.因此提出了CPD-AR的改进方案RCPD-AR,改进后的方案会使得数条相似的多径合并成一条,可以在合理地放弃一定分解精度的情况下,保证张量分解结果的正确性.针对两种方案,首先基于经典信道模型的合成信道数据,分析评估了二者对信道的解析能力;之后基于外场实测数据,以预测误差和系统和速率为量度,评估了两种方案在不同场景下的信道信道预测以及对抗信道老化的能力.　　对于FDD大规模MIMO系统中下行信道估计、反馈及重构问题,以信道压缩为基本思路,同样给出了基于张量分解和DFT的两种基本方法.基于信道张量CP分解,首先给出了基于瞬时信道分解的三维张量分解方案,之后又结合了信道的时变特性,提出了基于时域联合分解的四维张量分解模型.作为对比,还介绍了基于DFT的信道压缩方法,并针对不同极化天线的CSI分别反馈的方案;对以上两种方案,基于3GPP三维城市宏区(three Dimension Urban Macro,3D-UMa)模型数据,以重构下行信道的重构误差、重构奇异向量与标准奇异向量的互相关性为量度,对二者在FDD下行信道重构问题上的性能做了评估和分析.　　本文以大规模MIMO为背景,以张量分解为手段,说明了将张量分解算法应用于大规模MIMO信号处理的可能性.并针对信道老化问题和FDD下行信道估计、反馈及重构问题提出了对应的解决方案.为大规模MIMO系统中的信号处理提供了新的思路.

关键词： 半导体激光器   光谱合束   平行平板光束整形   光束质量   双光栅   串扰抑制  

摘要： 高功率半导体激光器已经成为目前激光加工领域的主力光源之一,同时也是光纤激光器的重要泵浦源。但是半导体激光器自身的结构特点和封装因素导致其发射单元具有低输出功率、较差的光束质量以及低功率密度等缺陷,因此必须通过合束等技术来获得高功率、高光束质量的输出。光谱合束技术是一种利用光学色散元件以及外腔反馈结构,将多个半导体激光器单元的光束锁定在不同的波长上并以同一衍射角合并输出的技术。本文基于半导体激光器光谱合束技术,针对合束输出光束总功率以及光束质量的优化进行了深入研究,对于光谱合束技术的进一步发展具有一定的参考价值。主要的研究内容如下:(1)分析了基于平面光栅的半导体激光器外腔反馈光谱合束系统的基本结构并以五个激光单元进行了光谱合束设计与仿真。研究了合束系统中各个元件的选择对于合束的影响,系统仿真快慢轴准直后残余发散角分别为1.900 mrad和6.100 mrad,准直效果良好,五个激光单元合束输出光束在快慢轴方向的光束质量分别为0.336mm·mrad和0.494 mm·mrad,成功实现共孔径输出。(2)利用平行平板镜组进行光谱合束实现同等线宽下更高功率的输出。为了解决低占空比半导体激光器阵列光谱合束系统中,相邻激光发射单元之间光谱间隔过大导致可合束激光单元数量较少、总输出功率较低问题,提出采用由平行平板镜组构成的整形结构,在合束前对参与合束的多组激光光束进行整形,以实现减小相邻合束单元之间线宽最终增加可参与合束的激光单元总数目的。采用两个中心波长为808 nm的半导体激光器阵列作为光谱合束光源,对具有整形结构的光谱合束系统进行理论计算和仿真设计,实现两激光阵列的光谱合束,相对于传统的光谱合束系统,在线宽7 nm下最大合束单元数量由5个增加至10个,成功使合束输出功率提升。(3)研究了光栅色散对于半导体激光器光谱合束输出光束质量的影响,采用双光栅合束结构来消除因光栅色散引入的光束质量劣化,仿真对比双光栅与单光栅光谱合束结构的输出光束质量,验证了双光栅光谱合束结构对于输出光束质量的优化作用。推导双光栅外腔反馈结构中发射单元的输出模式,分析半导体激光器双光栅合束结构中输出模式与光栅参数的关系,发现增加光束照射到的光栅线数量以及增大光栅衍射效率可获得更为稳定的、高光谱纯度的输出。(4)首次从理论上分析了半导体激光器光谱合束结构中影响合束单元间固有串扰强度的结构因素。传输透镜焦距、光栅与输出耦合镜间距、相邻激光发射单元间距以及单元束腰半径会影响光谱合束输出串扰强度。通过减小传输透镜焦距、增大光栅与输出耦合镜间距、增大相邻激光发射极间距以及单元束腰半径等方法可减小光谱合束系统的固有串扰。(5)进行了多组光谱合束对照实验以验证合束系统结构参数对于合束单元间固有串扰强度的影响。实验以填充因子80%的半导体激光器阵列为合束光源,测量了主光斑和各阶串扰光斑的远场光场分布。当光栅与输出耦合镜间距为50 mm,传输透镜焦距为200 mm时,一阶串扰峰值能量与中心光束峰值能量之比约为0.34。当光栅和输出耦合镜间距增加至300 mm时,该比值降至0.035。在传输透镜前加入放大倍率为2的倒置开普勒望远镜系统时,该比值降低到0.085。当传输透镜焦距减小为80 mm时,该比值减小到0.07。实验结果验证了光谱合束系统结构参数对合束单元间固有串扰的影响,增加光栅与输出耦合镜间距、在合束系统中加入倒置开普勒望远结构放大光源或减小传输透镜焦距等方法,可以有效抑制固有串扰。

关键词： 螺旋中周期光纤光栅   椭圆芯光纤   环境折射率传感   偏振转换器  

摘要： 螺旋光纤光栅(Helical Fiber Grating),也被称为手性光纤光栅(Chiral Fiber Grating),指沿着光纤轴向存在螺旋式的折射率调制或者在纤芯内存在周期性的螺旋式形变。由于其固有的螺旋结构,螺旋光纤光栅在光学领域表现出优异的性能,被扭转后独特的光学特性被“冻结”在光纤内,且这种扭曲微形变的玻璃材料依然坚固,能在广泛的环境条件下工作,可用于偏振控制、环境传感、光纤通信、光纤激光器、轨道角动量模式转换器、光放大器和全光纤带阻滤波器等领域。在环境传感方面,折射率是一个重要的参数,生物或化学量浓度的变化导致折射率的改变,引起光栅谐振波长的漂移,而外界其它因素比如温度改变会引入串扰,影响传感的准确度,所以需要保证高折射率灵敏度的同时降低外界其它因素的干扰;在偏振控制方面,现有的技术通常采用体光学波片和偏振片等器件来实现偏振态的转换,但这种空间光学结合光纤光学的布局通常是庞大的,且需要仔细地手动调整来进行光学对准,而与体光学波片相对应的光纤偏振转换器,可以提高系统的稳定性、简化仪器的整体布局,具有小型化、成本低、兼容性好的优点,能更好地优化光学器件的工作状态。本文研究内容一为:基于螺旋中周期光纤光栅(Helical Intermediate Period Fiber Grating,HIPFG)的小尺寸、低温度串扰的环境折射率传感技术;研究内容二为:基于椭圆芯啁啾螺旋光纤(Elliptical Core Chirped Helical Fiber,ECHF)的全光纤偏振转换技术。主要工作内容如下:1、改进并优化了氢氧焰螺旋光纤光栅制备系统,首次利用该装置在单模和椭圆芯光纤上制备了一系列螺旋中周期光纤光栅,研究其透射光谱,给出了HIPFG透射谱谐振波长随周期变化的演变过程,进一步研究其传感特性,发现周期大小减小到百微米以下时,光栅温度灵敏度降低、更低折射率范围的环境折射率灵敏度提高,实验表明,HIPFG在RI=1.37处的折射率灵敏度为855 nm/RIU,比本实验中普通螺旋长周期光纤光栅(Helical long period fiber grating,HLPFG)在RI=1.37处的折射率灵敏度(8.5 nm/RIU)高出两个数量级;且HIPFG从20℃到100℃的温度灵敏度为3～5 pm/℃,比本实验中HLPFG的温度灵敏度(77.3 pm/℃)低一个数量级,有效地降低了在进行折射率传感时温度所带来的串扰。2、首次利用氢氧焰螺旋光纤光栅制备系统在椭圆芯光纤上制备啁啾螺旋光纤,介绍了啁啾螺旋光纤的偏振转换基本原理和样品制备流程,并描述了光偏振态和光栅周期沿啁啾螺旋光纤轴线的变化过程。设计搭建了模场测试装置,用于研究均匀螺旋中周期光纤光栅和啁啾螺旋光纤的偏振特性,实验证实,基于单模光纤制备的均匀HIPFG不改变入射光的偏振态,具有偏振无关性;而对于啁啾螺旋光纤,当入射的线偏振光偏振方向分别对准椭圆芯的快慢轴(即偏振方向分别为0°或90°)时,入射线偏振光可以在ECHF末端(快速旋转端)转换为左或右旋圆偏振光;此外,利用飞秒激光微加工制备系统制备了45°倾斜光纤光栅(45°TFG),用于替代起偏器获得线偏振光,结合45°TFG和ECHF同样实现了偏振态的转换效果,且在1550 nm通信波长附近初步实现了线偏振光转圆偏振光的功能,大大地提高了偏振转换的稳定性、降低了偏振转换器件的成本,且尺寸小型化、兼容性更好。

关键词： 长周期光纤光栅   模式转换器   宽带模式转换   柱矢量模式   轨道角动量   级联长周期光纤光栅   锁模光纤激光器  

摘要： 结构光束一般指强度、相位和偏振等在空间呈现特殊分布的光束,在粒子操控、高分辨率成像、材料加工、近场光学及大容量光通信等领域具有重要的应用。这些结构光束通常需要通过模式转换得到。光纤作为一种导光介质,具有结构轻便、传输损耗低、抗弯折、抗腐蚀、抗电磁干扰等多种优势。同时,光纤具有圆对称结构,它是柱对称结构光束激发和传输的优秀载体,利用全光纤结构实现多阶次、多种类结构光的激发和产生是目前的国际研究热点。在光纤中实现多阶次模式的激发、传输和应用,模式转换器必不可少。长周期光纤光栅(Long-period fiber grating,LPFG),因其制备简单、转换效率高、插入损耗低等优势,成为了全光纤模式转换器件的优选。随着模分复用系统的发展和对脉冲激光输出光束多样性的特殊需求增长,对长周期光纤光栅模式转换器的多阶次模式激发和宽工作带宽提出了迫切需求。然而,目前的LPFG模式转换器大多以一阶模式的激发为主,对于二阶及更高阶次模式的激发,无法保证器件同时具有高转换效率、低插入损耗和高器件鲁棒性;在LPFG的工作带宽方面,大多以10d B工作带宽进行衡量,导致部分波长处转换效率有限,更高效率、更宽带宽的模式转换方法和器件还有待进一步研发。本文在国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持下,从长周期光纤光栅的应用需求和当前面临的技术瓶颈出发,围绕高效、低插损、宽工作带宽的多阶次少模光纤长周期光栅的成栅机理、制备技术及其在锁模脉冲激光器中的应用展开研究。论文的主要研究内容和创新性成果如下:1、针对现有长周期光纤光栅很难同时实现低插损、高效率激发二阶模式的技术瓶颈,深入开展了基于长周期光纤光栅的二阶模式激发与产生的理论与实验研究。通过对二氧化碳激光器写制的LPFG的成栅机理、折射率调制区域和光谱特性的深入分析,提出了一种基于折射率调制区域的LPFG耦合效率分析方法,从理论上诠释了高阶模式激发和耦合难点,理论研究结果表明,在特定角度的折射率调制下能够极大提升LPFG中基模与二阶模式的耦合效率;实验上,提出了通过预设扭转引入角向调制折射率来实现二阶及更高阶模式高效激发的创新思路和制备方法,实现了LPFG中特定角度的角向折射率调制,最终实现了低插损的LPFG二阶模式高效激发。所制备的LPFG二阶模式转换器件耦合峰深度为22.83d B(对应耦合效率99.47%),插入损耗仅有0.27d B。同时,器件还具有较高的鲁棒性。该制备方法极大的降低了二阶模式LPFG转换器件的制作难度。2、针对均匀LPFG工作带宽有限的缺点,深入开展了长周期光纤光栅模式转换器的宽带化研究,提出了啁啾级联LPFG、色散补偿级联LPFG和级联角向折射率调制LPFG三种拓宽LPFG工作带宽的方法。理论和实验研究结果证明:三种方法均可以有效的实现宽带、高效、低插入损耗的模式转换。在实验上,利用啁啾级联LPFG,实现了10d B带宽超过184.21nm、13d B(对应转换效率95%)带宽145.10nm的一阶模式宽带激发;利用色散补偿级联LPFG,实现了15d B工作带宽149.76nm的一阶模式宽带激发;利用变折射率级联角向调制LPFG,实现了15d B带宽超过103.24nm的二阶模式宽带激发。其中,啁啾级联LPFG打破了传统啁啾LPFG耦合效率低下的限制,实现了宽工作带宽、高转换效率的模式转换;色散补偿级联LPFG实现了基于LPFG一阶模式转换器件15d B工作带宽的最高值;级联角向折射率调制LPFG则首次在实验中实现了宽带、高效的二阶模式转换。同时,三种方法并不依赖于光纤本身的结构特性,原理上只要所使用少模光纤支持目标模式,提出的几种级联LPFG方法可以在任意波段实现宽带的模式转换。3、开展了基于宽带长周期光纤光栅的矢量光束输出锁模光纤激光器的实验研究。利用LPFG一阶模式及二阶模式宽带模式转换器,搭建多种高阶矢量光束输出的全光纤锁模脉冲光纤激光器系统,实现了一阶模式和二阶模式的锁模脉冲的全光纤化激发。分别在2μm波段实现了一阶模式传统孤子锁模脉冲、在1.55μm波段实现了二阶模式传统孤子锁模脉冲、在L波段实现了一阶模式以及二阶模式宽光谱(一阶模式光谱3d B带宽47.69nm,二阶模式光谱3d B带宽33.18nm)耗散单孤子、多孤子锁模脉冲。特别地,分析对比了脉冲光束在经过LPFG前后的时域特性,首次将时间拉伸色散傅里叶变换(TS-DFT)技术引入到高阶矢量输出光束的时域探测中,对LPFG模式转换器件的影响做了深入分析。实验结果表明:所提出的几种宽带化LPFG方案均可以实现对高阶模式的宽带高效激发;同时,在生成高阶模式脉冲过程中,这些LPFG模式转换器不改变脉冲的时域和频域特性,仅改变其横向光场分布。

关键词： 地铁隧道   超弱光栅传感阵列   异常信号识别   无监督学习   卷积神经网络   长短时记忆网络  

摘要： 地铁运营期间,列车轮和轨道,轨道和道床结构间的长期相互作用,会导致地铁隧道结构出现不同程度的故障和损伤。因此,监测地铁隧道的结构状态对列车安全运营十分重要。随着分布式光纤传感技术的发展,实现地铁沿线结构的全时全域监测变为可能。光栅阵列传感装置可以采集地铁列车经过监测区域时激发的振动响应,而该振动响应的波形特征与监测区域以及列车状态密切相关。因此,检测列车经过监测区域时采集的异常振动响应对预警监测区域结构和列车的状态意义重大。作为智慧地铁的重要组成,地铁结构健康监测系统在长期运转中,可采集大量结构稳定状态下的振动响应,这类具有一致性的振动响应可以视为正常序列。相对而言,异常序列的表现则形式多样,分布几率具有随机性,该情况导致建立具有一定规模且带标签的异常信号样本库十分困难。所以,采用主流的有监督分类方法对异常信号进行识别存在限制条件多、应用范围窄的问题。因此,本文针对振动序列波形特征在时间上存在的关联性,利用无监督网络预测模型学习正常振动序列的波形特征。将预测误差视为判别异常序列的基准,提出了基于无监督学习的异常振动序列检测方法,主要研究工作如下:(1)设计了基于无监督学习的异常振动序列检测流程。将网络模型输出的预测序列与真实序列间的重构误差作为评判标准。基于重构误差设计了完整的异常检测流程,主要包括异常信号指标计算和异常阈值选择策略。采用长短时记忆(Long Short Term Memory,LSTM)网络作为网络预测模型,对和地铁道床振动响应具有类似性的结构健康监测振动数据集进行异常序列检测的预试验,分析了基于无监督学习的异常振动序列检测原理的合理性及异常检测流程的可靠性。实验结果发现,常规的LSTM网络预测模型对含有不同程度噪声的正常序列的非线性拟合和泛化能力较低,导致识别异常振动序列的能力有限。(2)针对网络预测模型对序列的非线性拟合和泛化能力不足的现象,提出了组合LSTM和卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)并结合注意力机制(Attention Mechanism,AM)的网络预测模型。针对统一的预试验数据集,揭示了卷积核数目、LSTM堆叠层、LSTM单元数目和预测延迟等主要超参数对确立最优网络预测效果的影响。为评价建立的最优网络模型性能,将其与循环神经网络网络、LSTM网络和自编码网络模型开展了比较。基于AUC指标量化了四种异常指标对异常数据识别的影响。最后通过接收者操作特征曲线下方的面积(Area Under Curve,AUC)指标验证了CNN-LSTM-AM网络在选取的预试验数据集上识别异常序列具有的优势。(3)分析了列车行车激励下结构振动序列特征和异常振动序列产生的原因和波形特征。首先,提出了基于联合统计特征对列车行车激励下的结构振动序列进行端点检测的方法。其次,将经过预试验检验的CNN-LSTM-AM方法用于处理实际工程中采集到的地铁道床振动序列数据集。针对工程中异常标签样本不足的情况,根据真实异常序列特点模拟了三种不同异常程度序列。然后,通过AUC指标并结合真阳性率(True Positive Rate,TPR)和假阳性率(False Positive Rate,FPR)分析和评估了不同异常指标计算方式的性能。最后,利用准确率和F1-score作为评价指标,将提出的异常序列检测方法与其他典型异常序列检测方法的实验效果进行了对比。结果显示基于CNN-LSTM-AM的检测方法可以显著提升对部分连续序列偏离正常状态时的识别效果。

关键词： 光栅   疵病检测   图像处理   卷积神经网络  

摘要： 啁啾脉冲放大技术是实现超短超强脉冲激光放大的核心技术,而脉冲压缩光栅是该技术的核心光学元件。脉冲压缩光栅在制备工艺过程(镀膜,涂胶,曝光,显影,清洗,离子刻蚀等步骤)中会存在各种疵病,这些疵病会产生杂散光,并且会导致激光损伤阈值下降,影响光栅的实际使用性能。开展相关疵病检测工作,对改进光栅制造工艺和提升光栅的性能有着重要的研究意义和应用价值。本文围绕光栅表面疵病检测开展如下研究工作:1、基于传统图像处理技术开展疵病检测算法研究。针对低倍(5倍)物镜放大率下采集的疵病图像,提出了改进的基于区域生长的疵病提取算法。首先通过图像预处理、阴影校正、形态学处理等步骤找到用于区域生长的种子点播撒区域,其次设置合理的种子播撒条件确定种子点,最后通过设置合理的用于区域生长的自适应生长阈值条件和自适应截止阈值条件,实现疵病的提取,疵病提取准确率达到96%以上。根据低倍物镜放大率下疵病图像的几何特征,将其分为麻点状、点晕状、擦痕状三类。对于疵病可能存在跨多幅子图像的情况,利用理论位置拼接方法和特征点拼接方法进行图像拼接处理。针对在图像采集过程中相邻两幅图像之间存在重叠区域或疵病可能存在断点等情况,开展了疵病大小测量与疵病数量统计方案研究。2、基于U-Net语义分割网络技术开展疵病检测算法研究。针对高倍下常见的点状、断线状两类疵病进行了研究。高倍(100倍)物镜放大率下采集的疵病图像在疵病提取过程中,会受到栅线背景噪声、点状疵病边缘模糊等因素影响,容易造成疵病错检或漏检,本文利用深度学习方法,建立了疵病图像数据集,选用U-Net语义分割网络进行疵病检测。通过建立神经网络训练平台,网络训练后实现了一定的效果,平均交并比达到70.64%,成功检测出大部分疵病,但仍存在点状疵病分割精度不够以及断线类型疵病边缘模糊或边缘预测错误的问题。对此本文提出了改进的基于U-Net语义分割网络,将批量归一化层(BN层)和卷积注意力模块(CBAM)加入原始U-Net网络后,可以有选择性地关注疵病图像的细粒度特征信息并提高模型的分割精度。改进后的模型预测效果得到提升,平均交并比大于75%。3、搭建了一套光栅表面疵病检测系统。硬件平台主要由二维位移台、显微成像系统、上位机组成,并基于应用程序开发框架QT编写了相应的平台控制和疵病图像采集分析软件。实验采用同轴照明方式采集疵病图像,并按照“S”型路径扫描采集图像。利用该系统开展了疵病检测实验,分别在5倍和100倍物镜放大率下对3个光栅样片的同一区域进行四次重复性实验,统计结果的相对误差较小,表明系统具有良好的重复性。

关键词： 高维多视图数据   张量低秩   组合模型   数值模拟  

摘要： 大数据时代不仅带来了数据量的提升，丰富的数据特征也被系统地采集和保存。随之而来的是数据形态的变化，即由传统的低维数据，发展到具有矩阵、张量结构的高维多视图数据，比如脑成像数据，气象学数据，基因-环境交互数据等。由于统计是一门基于数据的科学，新数据类型的出现必然促使新统计研究方法的突破。因此，对于这类多视图数据而言，如何研究发现内部的潜在结构、挖掘其中互补且一致的信息，也就具有非常重要的理论意义和实用价值。由于多视图协变量和多响应变量的整合能够更好地描述复杂疾病的生物学机制，而高维多元可加模型又能很好地刻画协变量与响应变量的非线性关系，研究高维多元可加模型在生物学多视图数据上的应用是很有意义的。　　本文主要研究内容包含以下三部分:首先，本文提出了一种稀疏张量降秩方法来研究多视图数据的高维多元可加模型(MARM)。利用B样条近似技术，以及假设潜在协变量和潜在函数的存在下，我们将每个视图的样条系数重排列为三阶张量，并利用张量低秩假设大大降低参数维度，提升模型的估计效果。本节还给出了理论，数值模拟并应用在皮肤黑色素瘤的基因-环境交互数据。其次，本文考虑组间信息会存在，提出一种整合组间信息的高维多元可加模型(Structural MARM)。将具有相同组大小的视图所对应的样条系数重排列为一个四阶张量，并假设其具有张量低秩结构，进一步降低待估参数个数，同时提出一个组合模型整合MARM和Structural MARM的优势，拓展了模型的适用场景。对皮肤黑色素瘤的mRNA，CNA，DNA甲基化和microRNA四个视图数据的应用也展现了组合模型的优势。最后，本文提出一个高维多类别逻辑回归可加性模型(MLAM)来刻画协变量和多类别响应变量之间的非线性关系。同样利用张量分解的方法，并给出理论和数值模拟展示模型的适用性。