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关键词： 水下盾构隧道   光纤光栅   管片变形   结构感知  

摘要： 随着我国交通路网建设规模日益增长,盾构隧道作为跨江越海、连接各地理单元、克服水域阻碍的关键性工程,在促进区域经济单元间的流动与资源整合等方面具有重要作用。盾构隧道多建设于江河湖海之下,高水压、高地层荷载、断层破碎带等问题使得盾构隧道结构安全面临严峻挑战。众多问题中,又以水-土压力作用场景最为普遍与突出,且水-土压力引起管片横向收敛变形相反,成为影响隧道运营安全的重要因素。本文引入光纤布拉格光栅(FBG)传感技术,通过理论推导、数值仿真与模型试验等研究方法,以水下盾构隧道结构变形状态作为研究对象,结合光纤光栅变形感知方法,围绕水-土压力耦合作用下盾构隧道管片结构变形状态与变形规律开展研究,通过数值计算与模型试验对比验证,论文主要工作和研究成果如下:(1)基于剪切滞后原理和表贴式FBG传感元件结构,建立FBG传感元件与隧道管片之间应变传递力学模型,分析传感元件应变传递机制与影响因素,推导传感元件应变传递效率K与控制参数k的表达式。给出了元件与不同材料之间应变传递效率,通过数值模拟与模型试验,验证衬砌弹性模量和基材直径对应变传递效率的作用关系。通过曲率标定试验,给出了FBG传感元件对结构曲率的感知准确度与灵敏度,得到曲率感知精度与隧道直径的变化规律。(2)借助数值仿真手段,采用实体单元构建水下盾构隧道匀质圆环模型,通过细化网格尺寸的方法得到盾构隧道管片应变分析的最佳网格长度,给出了FBG传感元件应用的最优长度。通过各级水-土荷载工况的加载,得到了水下盾构隧道管片在不同工况下的结构变形趋势。给出了水压能有效降低管片因地层荷载引起变形的范围,表明一定的水压能稳定管片结构变形。(3)采用“盾构隧道-地层-水压复合试验系统”,制作盾构隧道管片衬砌缩尺模型,结合FBG传感技术,开展了水-土压力场景下盾构隧道相似模型试验,得到了管片模型结构变形信息,并与数值模拟所得信息对比验证,得到了可有效降低管片结构变形时水压与土压值,总结出水-土压力双因素作用下盾构隧道管片结构应变、曲率、位移三个参数的特征与变化规律。

关键词： DFB半导体激光器   高阶Bragg光栅   宽脊波导半导体激光器   侧向微结构   横向模式  

摘要： 分布反馈(DFB)半导体激光器因其良好的纵模选择特性在多个领域得到了广泛应用。由于无需二次外延工艺,相比于内置光栅激光器件,脊表面光栅DFB半导体激光器的制作工艺得到了显著简化。相较于目前研究较多的低阶脊表面光栅,高阶脊表面光栅则可以进一步降低DFB半导体激光器件的制作工艺。DFB半导体激光器通常通过缩窄脊波导宽度保证输出激光的横模特性,但随之而来的是器件输出功率的降低。近年来的研究表明损耗剪裁技术可以有效地改善高功率半导体激光的横模特性,然而目前却少见有关脊表面光栅DFB半导体激光器损耗剪裁技术的研究报道。本论文围绕高阶脊表面光栅DFB半导体激光器的损耗剪裁技术开展研究,探究了波导侧向微结构高阶横模抑制机理,提出了一种具有波导侧向微结构的高阶脊表面光栅DFB半导体激光器件,并开展了器件制备工艺研究。具体研究内容包括:(1)基于光栅反馈理论,分析了高阶脊表面光栅的纵模滤波特性,讨论了光栅周期等结构参数对光栅反馈特性的影响;仿真研究了基于波导侧向微结构的损耗剪裁技术,探究了波导侧向微结构的高阶横模抑制机理,分析了波导侧向微结构对激光器件横模特性的影响。(2)围绕具有侧向微结构的高阶脊表面光栅DFB半导体激光器开展研究。基于高阶脊表面光栅的纵模滤波特性和波导侧向微结构的高阶横模抑制机理,提出一种侧向微结构表面光栅DFB半导体激光器件(LMS-DFB),优化设计激光器件的外延结构及各项器件结构参数。(3)开展LMS-DFB器件的制备研究。基于紫外光刻工艺完成了器件微结构波导和脊表面光栅结构的制作,获得光栅周期为10μm的LMS-DFB激光器件样品;测试结果表明,相比于宽脊波导激光器件,LMS-DFB器件在保持约为350 m W输出功率不变的情况下,有效地消除了远场光斑的分瓣现象,改善了器件的横模特性;此外,LMS-DFB器件的光谱半高全宽由1 nm降低至0.2 nm。(4)围绕基于掩埋金属掩膜的侧向微结构高阶脊表面光栅DFB激光器件制作工艺开展研究。进一步优化LMS-DFB器件结构,针对器件制作工艺中遇到的问题,优化了器件制作工艺;预先制作光栅的Ni-Au硬掩膜,在形成脊波导表面的电极窗口后完成光栅刻蚀,制作获得激光器件样品;与常规工艺制备的激光器件相比,该激光器件光谱半高线宽由46 pm降低至35 pm,波长温漂移系数由0.4 nm/℃下降至0.18 nm/℃,在输入电流为1 A时两个器件的输出功率均约为240 m W,并获得了良好的光束质量。

关键词： 四旋翼飞行器   张量积模型变换   全驱控制   变输入方法   并行分布式补偿控制  

摘要： 四旋翼无人机的机械结构简单,广泛应用于植保、巡检、勘探等重要领域,它不仅可以执行狭小环境中的任务,且具有易于携带,后期维护成本低等优点,而且涉及诸多高精尖学科的交叉融合,因此具有十分广泛的研究价值。本文以四旋翼无人机非线性模型为研究对象,针对四旋翼无人机高阶系统控制的复杂性,提出了一种鲁棒性能好的双闭环控制策略来实现位置和姿态系统的跟踪控制。本文主要工作总结为如下几个方面:1)本文首先分析并建立四旋翼无人机非平衡点线性化的伪线性参变模型,给出了被控对象的数学模型,为后续的控制器设计与分析提供研究对象。2)针对四旋翼无人机高阶系统的强耦合、非线性的特点,将四旋翼无人机模型解耦为位置环子系统和姿态环子系统。针对姿态环子系统张量积模型中存在的非线性入口函数,由于经典等距采样方法无法精确获得模型的全部信息,提出了一种局部加细的张量积模型变换并行分布式补偿控制方法,仿真结果表明该控制算法的有效性。3)针对四旋翼无人机整体系统的控制,提出了一种新型双闭环控制策略,即位置环子系统使用全驱控制方法,利用极点配置的思想进一步设计反馈控制律;姿态环子系统使用基于张量积模型变换的并行分布式补偿控制方法,由于经典等距采样方法无法采样到模型全部信息,提出了一种基于变输入方法的并行分布式补偿控制策略,在此基础上加入均匀设计采样方法,仿真结果表明引入变输入方法以及均匀设计采样方法下张量积模型变换的并行分布式补偿控制的有效性。4)针对基于张量积模型变换的并行分布式补偿控制无法自适应调节相应参数,提出了量子细菌觅食算法的全局优化控制器,该算法能够保证控制参数在可行域内达到最优解,为后续虚拟现实仿真平台以及实物验证平台奠定了基础。5)通过MATLAB/SIMULINK搭建虚拟现实仿真平台,用以测试所提出的双闭环控制策略的有效性;搭建以Parrot Minidrone无人机为核心的实物验证平台,通过室内和室外的实验充分验证该双闭环控制策略的有效性以及全局优化控制器的必要性。

关键词： 超短脉冲光纤激光器   啁啾光纤布拉格光栅   相位掩模板扫描刻写系统   色散特性  

摘要： 超短脉冲光纤激光器结构紧凑、转化效率高，在工业、医疗和军事等领域都有广泛应用。而光纤光栅具有插入损耗低、易于调节、灵敏度高等特点，且不同结构光纤光栅具有不同性能，可满足光纤激光系统振荡器构建、脉冲展宽和压缩以及选频滤波等应用需求，是搭建全光纤结构超短脉冲光纤激光器的关键器件。本论文主要研究光纤光栅的制作和应用。通过分析光纤光栅的波导特性，搭建并优化光纤光栅相位掩模板法刻写系统，实现了多结构光纤布拉格光栅的刻写，并用自制的啁啾光纤布拉格光栅分别作为展宽器和压缩器搭建了全光纤啁啾脉冲放大系统。具体内容如下:　　1、基于光纤光栅布拉格方程和描述光在光纤光栅中传播的耦合模理论，对不同结构光纤光栅的反射和透射光谱进行了模拟，讨论了结构参数对光谱宽度、中心波长以及峰值高度等的影响，结合相位掩模板法刻写光纤光栅的基本原理，确定了啁啾光纤布拉格光栅与相位掩模板的具体参数。　　2、基于以上原理，结合所用紫外光源输出光斑小的特点，设计并搭建了相位掩模板扫描刻写系统。充分考虑了系统的倾斜误差、相位掩模板参数不可调以及多种尺寸光纤对刻写光斑的要求，分别设计了相位掩模板倾斜控制装置、预紧力调节装置和双柱透镜聚焦系统，以实现同一相位掩模板下光栅长度、倾斜角度、中心波长以及光纤尺寸可同时精准调控的光纤光栅刻写。在此基础上，通过控制运动函数实现了高斯型切趾光纤光栅的刻写和长周期光纤光栅的逐点刻写。克服了相位掩模板技术刻写参数单一的局限性，获得了多结构多种类光纤光栅，以满足超短脉冲光纤激光器中不同的应用需求。　　3、依据啁啾光纤布拉格光栅的色散特性，设计并制作了啁啾光纤布拉格光栅级联展宽器和串联展宽器，分别从提高光栅色散D和拓宽补偿带宽△λ''两个角度提升了通过同一相位掩模板所制作的展宽器可提供的色散积累。将两种展宽器性能进行对比并结合对光纤放大器色散的模拟结果，选择两级级联单模啁啾光纤布拉格光栅结构作为展宽器，啁啾体布拉格光栅作为压缩器构建了啁啾脉冲放大系统。调整系统中种子光源和放大器的光谱，将种子源15 mW、34 ps的脉冲激光放大后再压缩至111.4 W、1.5 ps输出，且光束质量良好。该工作提高了同一相位掩模板所制作的啁啾光纤布拉格光栅展宽器的色散积累，以全光纤展宽器和放大器结构搭建了啁啾脉冲放大系统并获得百瓦量级亚皮秒脉冲激光输出，展示了啁啾光纤布拉格光栅作为脉冲展宽器的优势所在。　　4、为构建全光纤的啁啾脉冲放大系统，分别以10/130 μn和30/250 μm大模场双包层光纤上所刻写的啁啾光纤布拉格光栅替换空间器件啁啾体布拉格光栅作为压缩器。根据色散模拟结果和所用光纤环形器可承受的最高功率，选择单级单模啁啾光纤布拉格光栅作为展宽器并优化系统放大器结构。平均功率由种子光源150 mW分别放大至5.25W和40.2W后进行压缩，得到602 mW、43 ps和10.1 W、73 ps的脉冲激光输出，并对两种尺寸压缩器的实验数据进行对比分析。实现了真正意义上的全光纤啁啾脉冲放大系统，为激光器的全纤化提供了全新解决思路，推动了超短脉冲光纤激光技术的进一步发展。

关键词： Sylvester方程   梯度迭代   Einstein乘积   嵌套分裂   共轭梯度  

摘要： 本文主要研究了两类张量方程的求解,分别提出了一种求解张量Sylvester方程的梯度算法和一种求解在Einstein乘积下的张量方程的嵌套分裂共轭梯度算法.本文第二章研究了一种求解张量Sylvester方程的基于梯度的迭代方法.首先,我们将基于雅可比梯度的迭代算法推广到求解张量Sylvester方程.为了改进提出的基于雅可比梯度的迭代算法,我们又进一步引入了N+1个松弛因子来加速前一步提出的算法的收敛速度,从而得到了一种基于雅可比梯度的求解张量Sylvester方程的加速算法.我们对提出的两种算法进行了收敛性的分析,结果表明,在步长满足一定条件的情况下,我们的算法产生的迭代解总是收敛于任意初值的精确解.在第三章,本文在原有求解在Einstein乘积下的张量方程的共轭梯度算法基础之上,提出了一种求解在Einstein乘积下张量方程的嵌套分裂的共轭梯度算法.我们对提出的算法进行了收敛性分析,从理论层面证明了算法的收敛性,并利用数值例子证明了所提出算法的有效性.

关键词： 光纤布拉格光栅   畸变光谱   波长检测   多目标优化   可靠性  

摘要： 作为一种波长调制型的光学器件,光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器在拥有抗电磁干扰和抗辐射能力强的同时又兼备尺寸小,可多路复用等优点,因此,其通常工作在传统电学类传感器难以适应的复杂恶劣环境中。在长期的服役过程中,因外界环境因素的影响以及自身制备工艺的限制,FBG的工作性能不可避免地会产生衰退,随之产生的后果之一就是反射光谱出现畸变现象。然而,传统的解调技术难以适应恶化的光谱信号,容易造成波长检测结果准确性的降低,进而影响传感信息的可靠传递。其次,在采取波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)的方式进行FBG传感网络的部署时,需要让每个FBG都拥有独立的工作区域,以避免相邻FBG之间出现波长串扰的问题,但这会使传感网络复用的FBG数量受到带宽资源的约束。针对上述问题,本文提出了基于深度学习的光谱解调技术,同时构造了一个多目标优化模型用以寻找最佳的波长配置方案,以此提高FBG传感网络的可靠性和复用能力。 为解决FBG传感网络因畸变光谱难以解调而造成传感数据不再准确的问题,本课题提出了一种基于门控制单元(Gated Recurrent Unit,GRU)网络的光谱解调技术,根据光谱数据存在明显的序列特征,利用GRU拥有对时序数据优秀的特征学习能力,来对大量畸变光谱数据进行训练,从而得到波长检测模型。实验结果表明相比于传统解调方法,该检测模型在处理不同畸变程度以及不同数量的畸变光谱时具有更高的检测精度。 为增加采用WDM技术的FBG传感网络复用容量,本课题从工作区域可重叠的角度出发,充分考虑反射光谱畸变所造成的影响,构造了一个多目标优化模型,其目标函数分别是传感网络所占用的带宽资源量和反射光谱的平均重叠度。然后再借助NSGA-Ⅱ算法对该模型进行求解,从所得解集中选取出合适的波长配置方案。实验结果表明通过该多目标优化模型可以寻找到一种设计方案,能够节约超过50%的带宽资源量,同时又不会引入过多的测量误差。 为验证本课题所提出的光谱解调技术和带宽优化方法的效用,设计了FBG节点可靠度函数,并借助冗余系统的可靠性理论,得到FBG传感网络可靠度的计算方法。通过对比不同光谱解调方法与不同波长配置方案下FBG传感网络的可靠性曲线可知本课题所提出的技术方案能够有效地提高传感网络的可靠性。

关键词： 蓝宝石光纤   飞秒激光   逐线扫描   螺旋扫描   切趾光栅   晶体衍生光纤  

摘要： 随着科技和工业的不断发展,人们在追求更快、更高、更强的目标同时,也面临着更加严苛的应用环境。在金属冶炼、能源勘探、航空航天等领域存在着高温高压、强辐射、强化学腐蚀、强电磁干扰等诸多类型的苛刻环境。如何在这种极端环境下实现参数的准确监测和设备的健康评估是各相关领域亟待解决的重要问题,同时也推动了传感技术的不断发展。在应对上述苛刻环境的传感监测中,光纤传感器以其耐高温、抗电磁干扰、易复用组网等优点,具有电子传感器无法比拟的优势。以石英光纤为代表的光纤传感器在过去的几十年里发挥了重要作用,超快激光加工技术为高温光纤光栅的制备与应用提供了先决条件。但受限于掺杂石英光纤高温下元素扩散以及低的软化点,很难将其长期应用于1000℃以上的高温环境。单晶蓝宝石光纤以其高熔点(2053℃)、优异的光学特性和稳定的理化性能等优势,在超高温光纤传感中得到了重要应用。但由于蓝宝石光纤无包层、折射率高并且模场直径大,使其高度多模且表面易受污染,这对基于蓝宝石光纤的光栅制备和进一步应用提出了更高要求。基于上述石英光纤和蓝宝石光纤发展中存在的一些问题和挑战,本论文针对高温苛刻环境的应用需求,以飞秒激光加工为主要技术方法,目的是提高光纤传感器在极端苛刻环境下的稳定性和耐受能力。主要研究内容和成果如下:(1)通过光纤光栅耦合模理论,对均匀Bragg光栅的理论模型进行了推导,从而确定了影响光谱质量的特征参数。利用MATLAB软件对均匀Bragg光栅光谱进行了仿真分析,探究了不同参数对光谱反射率和波长的影响。分析了飞秒激光与透明材料的非线性作用机理,从物理过程和时间尺度上讨论了等离子体的产生和弛豫机制。分析了掺锗石英光纤带隙能与激光光子能量关系,并对高斯光束聚焦特性和加工精度的影响因素及优化方法进行了分析。(2)通过飞秒激光逐线扫描的方法在直径60μm的蓝宝石光纤中制备出了反射率为15%,半高全宽为5.72 nm,信噪比为10 d B的Bragg光栅。另外,通过飞秒激光螺旋扫描的方法,在蓝宝石光纤中制备出了具有结构高度对称性的螺旋形Bragg光栅,是一种真三维体光栅,并继续制备了3个不同波长级联的光栅阵列。当螺旋直径为30μm时,获得的光谱反射率为40%,半高全宽为1.56 nm,信噪比为16 d B。经弯曲测试表明:该螺旋形Bragg光栅具有很好的抗弯曲性能,最小弯曲半径为5 mm时,仍能保持比较好的光谱质量。分别测试分析了逐线扫描法和螺旋扫描法制备的蓝宝石光纤Bragg光栅的高温和应变响应特性,温度测试最高到1600℃,应力测试最大到1.5 N。结果表明:所制备的光栅具有很好的高温稳定性和灵敏度,高温区温度灵敏度为35 pm/℃,应变灵敏度为1.45 pm/με(@1600℃)。总结分析了晶体光纤的制备方法和蓝宝石光纤的理化性质及传输损耗成因。通过优化熔接参数,实现了蓝宝石光纤与石英光纤的稳定耦合,并对比了蓝宝石光纤端面不同处理方法。利用飞秒激光振镜扫描系统实现了对蓝宝石光纤0°、8°和45°不同角度的切割。(3)通过飞秒激光逐点法在直径为60μm,长度为8.5 mm的蓝宝石光纤中并行制备了反射率为15%的Bragg光栅。结合石英光纤兼容性好、损耗低和蓝宝石光纤熔点高、热光系数大的优点,共同集成制备了蓝宝石光纤探头传感器,高温区温度灵敏度可达30.19 pm/℃,高于石英光纤光栅温度灵敏度2倍以上。利用光束质量分析仪对不同长度蓝宝石光纤端面模场进行了测试和分析,结果表明:随着蓝宝石光纤长度的增加,高阶模式更容易被激发。同时通过在蓝宝石光纤端部制备减反射球透镜结构,有效提高信噪比到22 d B。测试分析了该探头传感器在1200℃和1300℃的高温稳定性,结果表明:该传感器可在1200℃下长时间(大于24小时)稳定工作,可在1300℃下短时间工作。(4)提出了一种能量切趾的方法来高效制备切趾光栅,该方法是采用半波片和偏振分光棱镜组合的方法通过步进电机和上位机软件实现激光能量的实时调控。通过该方法在标准单模光纤和细芯光纤中制备出了反射率为75%,边模抑制比分别为25 d B和32 d B的光栅。经高温(800℃)测试表明:该能量切趾型光栅具有很好的高温稳定性,为TypeⅡ型光栅。(5)通过熔芯法分别制备出了蓝宝石晶体衍生光纤和YAG晶体衍生光纤,并对其端面组分和折射率分布进行了表征,结果表明:这两种晶体衍生光纤均是纤芯折射率呈渐变分布的少模光纤。利用飞秒激光逐点法分别在这两种晶体衍生光纤中制备出了均匀和切趾Bragg光栅,并测试分析了其高温和应变响应特性,测试温度最高到1000℃,温度灵敏度分别为15.64 pm/℃和13.74 pm/℃,应变灵敏度分别为1.33 pm/με和1.25 pm/με。本论文面向高温苛刻环境,以制备耐高温光纤光栅为目标,从光纤光栅结构制备

关键词： 光纤布拉格光栅   传感器   医疗仪器   桡动脉脉搏波形   3D脉搏图像  

摘要： 脉诊是中医四诊之一。桡动脉手腕脉搏被证明是有关人体心血管系统的丰富信息来源。本研究提出了一种新型脉冲采集系统的设计，该系统使用具有耐用且灵活的传输结构的光纤布拉格光栅(FBG)传感器3x3+1阵列，以实现更好的灵敏度并消除FBG之间的串扰。所提出的设备原型采用具有九个自由度的机械和电子硬件设计，以实现更准确的脉冲检测。该设备旨在模拟实际医生基于三指九象理论(TPNI)进行的脉搏，以同时检测三个不同位置(村、关、池)的脉搏，或仅在一个位置检测脉搏。一次。1.6cm2的3x3+1FBG传感器阵列安装在三个机器人指尖上，以检测和创建所需位置的3D脉冲图像。MATLAB编码的图形用户界面(GUI)也用于管理数据和控制设备，以方便使用。　　所设计的FBG传感器实现了2.5pm/kPa的灵敏度，远优于3.04pm/MPa的裸FBG灵敏度。3D机器人手指移动并在每个点上施加三个不同级别的压力(Fu、Zhong和Chen)。获取的3D脉搏图像提供了动脉脉搏的空间特性(宽度、长度和峰值)。MATLABGUI读取记录的数据文件，生成所需的3D脉搏图像，管理患者数据，保存/N除数据，并计算心率、收缩压和舒张压等生命体征。

关键词： 单细胞RNA序列   低秩张量   迹范数   ADMM算法  

摘要： 新兴的单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术使得研究人员能够以单细胞级别的分辨率研究细胞的基因表达,这让研究细胞的异质性信息成为可能,具有重要的研究价值。但由于捕获效率,批次效应等技术缺陷,scRNA-seq中的Dropout现象导致所获取的基因表达矩阵存在缺失值和噪声,阻碍后续的细胞下游分析。本文在考虑单细胞数据的异质性和低秩性的基础之上,对单细胞数据集的补全进行研究,主要工作如下:（1）参考经典的矩阵分解的方法,并综合考虑单细胞的低秩性和异质性,构建三阶低秩张量,相比传统的矩阵分解方法,一方面张量包含了更多的同类细胞信息,另一方面,张量的构建避免依赖聚类算法的结果,更大概率的将同类型的单细胞数据整合在同组中,在高缺失率的情况下仍能够保持较好的结果。（2）本文设计了一种针对单细胞的补全方法scLRTC。对构建的三阶低秩张量进行建模,通过分析比较各种张量补全的优劣,并综合考虑单细胞数据的特性,采用张量秩最小化模型,通过张量迹范数跟踪张量的秩,并使用ADMM算法进行求解,最后将张量按照特定规则转化整合为矩阵。从而完成对单细胞基因表达矩阵的补全。（3）为了说明scLRTC的对单细胞数据的补全效果,本文在9个单细胞数据集上,从5个方面设计实验验证。实验结果表明,scLRTC与其他7种方法相比,误差最小,且对高缺失率的数据仍能保持较好的效果。能够大幅提高聚类算法的效果;改善单细胞数据的降维可视化结果;恢复数据集中细胞-细胞和基因-基因的相关性,得到最接近真实数据集的差异表达基因。此外,对于有时间序列信息的单细胞数据集,scLRTC还可以提高细胞发育轨迹的推断算法的准确性。最后,本文对单细胞数据补全的研究工作进行了总结,并对今后的工作进行展望。