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关键词： 表面等离子体激元   模耦合理论   双重Fano共振   PSO-SVM   高通量传感器  

摘要： 多层膜复合结构因具有独特的光学特性在传感领域有着广泛的应用。其中亚波长光栅,金属-电介质-金属(Metal-dielectric-metal,MDM)波导以及一维光子晶体(One-dimensional photonic crystals,1DPC)等光学结构备受关注。然而对于多层膜复合结构的耦合共振理论、光谱的演变规律以及高通量传感等方面的研究较少。故本文主要研究了亚波长光栅与多层膜结构间的耦合特性,详细地解释了结构中多重共振的形成机制,并采用智能算法寻优结构参数的方式,提高了高通量传感结构的性能。首先,基于衍射效应及模耦合理论,提出了一种由亚波长金属光栅和缺陷态光子晶体组成的复合结构,根据反射谱及磁场分布,探究了光的传输特性和双反射峰的产生机理。在波长调制下,详细地阐述了结构参数对双洛伦兹(Lorentz)线型的影响,并在光子晶体缺陷层和金属光栅凹槽处设置了高低折射率传感区,独立分析了不同波长范围内双传感区的性能,在传感结构中初步实现了对样本的高通量检测。进而,基于表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)及模耦合理论,提出了一种由亚波长介质光栅/MDM波导/周期性光子晶体组成的高通量传感结构。结合角谱图详细地解释了双重Fano共振的形成机制,研究了结构参数对双Fano线型的影响,并探究了双重Fano共振的演变规律。分别在介质光栅凹槽及MDM波导中间层设置低折射率和高折射率传感区,独立分析角度调制下双传感区的传感性能,可得到结构的品质因数(Figure of merit,FOM)最高可达4.00×10。最后,基于导模共振(Guided mode resonance,GMR)及模耦合理论,提出了一种由亚波长介质光栅/周期性光子晶体/介质平板波导组成的复合结构。结合角谱图和电磁场分布,研究了双重Fano共振的形成机制。分别在平板波导中间层和介质光栅上表面设置了高低折射率传感区。采用粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)-支持向量机(Support vector machine,SVM)来优化结构参数,以加权处理后的双FOM值为输出指标。最后通过全局寻优,高通量传感结构的FOM值可高达1.40×10。

关键词： 液晶偏振光栅   斜入射   光束偏转技术   衍射效率   扩展琼斯矩阵  

摘要： 液晶偏振光栅是一种基于几何相位的衍射光学元件,具有体积小、重量轻、可编程控制等特点,在激光雷达、空间光通信、自动驾驶等领域有着广泛的应用,其通过电控方式改变液晶的取向,从而调控入射光的相位与偏振态,实现非机械式光束偏转,克服了传统机械式光束偏转系统体积大、功耗高、控制系统复杂的缺点。然而,单片液晶偏振光栅只能偏转三个角度,为实现多角度与大视场的光束偏转,需要将多片液晶偏振光栅级联使用。但是级联技术会导致光束倾斜入射到后面的液晶偏振光栅,此外,在实际工程应用中,系统装调不匹配会造成入射光倾斜入射到级联系统,这两种情况都会造成液晶偏振光栅工作电压改变与衍射效率下降。因此,本文开展了液晶偏振光栅斜入射下光束偏转技术的研究。论文主要工作如下:研究了液晶偏振光栅光束偏转机理与衍射特性,首先探究了液晶的各向异性和连续弹性体形变理论,明晰了光的偏振及其表示方法;然后从制备原理出发,研究了液晶偏振光栅的基本结构,探索了液晶偏振光栅的光束偏转机理;最后研究了液晶偏振光栅的电光特性,结合琼斯矩阵推导出垂直入射下液晶偏振光栅相位延迟量与衍射效率的关系,分析了垂直入射下液晶偏振光栅的衍射特性,为斜入射下液晶偏振光栅光束偏转技术研究提供理论支撑。研究了斜入射下液晶偏振光栅光束偏转特性,分析了液晶盒厚度、双折射率和菲涅尔损耗对液晶偏振光栅衍射效率的影响,提出了一种液晶偏振光栅斜入射下衍射效率分析方法。该方法在液晶连续体弹性形变理论基础上,采用差分迭代法求解了驱动电压与液晶分子倾斜角的关系,推导了不同斜入射角度下液晶偏振光栅的相位延迟量,利用扩展琼斯矩阵表征了不同入射角度下液晶偏振光栅的透过率,结合矢量衍射理论,得到了斜入射角度-驱动电压-衍射效率的数学表达式。搭建斜入射下液晶偏振光栅衍射效率测试实验平台,对所提方法进行了验证。结果表明:通过该方法可定量求解出不同斜入射角度下液晶偏振光栅最优衍射效率与最优工作电压。开展了级联式液晶偏振光栅设计与斜入射下系统性能研究,探索了二进制、二进制和值及类二进制级联方案,对三种方案的液晶器件个数、系统透过率、最大偏转角进行了对比分析,设计了基于类二进制的光束偏转系统,实现了最大偏转角度为10.05°,角度分辨率为0.67°的光束偏转;研发了级联系统的多路可编程驱动器与控制软件,提出了一种级联液晶偏振光栅斜入射下光束偏转特性分析方法,利用该方法分析了入射光束倾斜与级联系统内部的斜入射对系统衍射效率和工作电压的影响。通过实验对两种斜入射情况进行了验证。结果表明:当光束垂直入射时,由于级联内部结构造成的斜入射,导致级联系统在不同偏转角度下,出射光束的衍射效率也不相同,并且随着光束偏转角度的增大,液晶偏振光栅的工作电压逐渐增加,在光束偏转10.05°时,系统斜入射角度为4.69°,工作电压增加了0.1V,通过修正工作电压衍射效率提高了3%;当光束倾斜10°入射到级联系统时,工作电压变化了0.2V,系统衍射效率降低了17.4%,通过修正工作电压衍射效率提高了5%。

关键词： 光纤光栅压力传感   啁啾效应   C型弹簧管   双参数测量  

摘要： 随着全球对能源需求的日益膨胀以及陆上能源的日益枯竭,发展海洋能源已成为必然趋势。在海洋能源发展中,压力是管道输送油气和深海勘探资源时保证其生产系统安全运行的重要指标,因此压力传感和测量在涉及管道运输和水下勘探方面具有关键和重要的作用。传统电学类压力传感技术由于受限于技术本身和信号传输在具体应用场景下存在的问题,难以满足海洋能源开发的未来发展需求。而光纤传感技术凭借其结构紧凑,抗电磁干扰,耐腐蚀,响应快,能够远距离工作以及分布式阵列组网等优良性能已逐渐发展成一种有效可靠的传感解决方案。本论文围绕基于光纤Bragg光栅(以下简称光纤光栅)的压力传感技术及特性进行研究,以管道压力和水下压力的传感和测量为应用对象,针对实际应用时环境温度对压力测量有较大影响且需要对压力和温度同时测量这一问题,基于光纤光栅在压力传递元件-弹簧管上不同的安装方式,提出两种可同时测量管道或水下压力和温度的新型光纤压力与温度双参数传感测量方案,设计制作了相应的传感器,并在实验上做了验证。论文的主要研究内容有:1、为了实现压力与温度的同时测量,根据光纤光栅在非均匀应变作用下会产生啁啾光谱且光谱中不同反射峰波长与被测压力和温度具有不同响应系数的特性,提出一种基于光纤光栅啁啾光谱响应的压力-温度双参数同时测量方法,并借助仿真软件验证了该测量方法的可行性。2、通过理论仿真获得压力变化时C型弹簧管表面不同区域应变分布的情况和特点,提出一种基于双光纤光栅的C型弹簧管的压力与温度同时传感的纵向粘接方案。即将两个光纤光栅分别粘接在弹簧管表面具有相反应变作用的区域,通过分别测量其中心波长的变化并进行相关计算,就可获得压力和温度信息,解决压力与温度交叉敏感问题。3、为了进一步简化传感测量方案,提出一种基于单光纤光栅横向粘接C型弹簧管的压力传感器,通过分析可知这种横向粘接方式能使光纤光栅在压力传感测量中受到非均匀应变作用,因而反射光谱中会出现两个易于识别且对压力和温度具有不同响应的特征峰,从而通过跟踪特征峰波长漂移量即可解调出压力和温度的变化,实现压力和温度的同时精确测量。经过理论研究和实验证明,以上提出的两种新型光纤光栅压力传感器在管道压力和水下压力的应用中切实可行,且还有结构稳定、灵敏度高、成本低等优点,所以在实际中具备广阔的应用前景。

关键词： 光栅拼接   干涉测量   中阶梯光栅   变栅距光栅   双闪耀光栅  

摘要： 衍射光栅凭借其出色的色散能力,已成为现代实验科学中最重要的光学元件之一。大面积光栅一些领域有着极其重要的作用,但目前的制造技术在制作米级以上尺寸光栅时都存在技术难度大、成本高昂等问题。于是研究人员在近三十年间开发和改进了光栅拼接技术,即将两个或以上相对面积更小的光栅组合为大面积光栅组,并使其性能相当于相同面积的大光栅。研究人员已建立了光栅拼接误差的基础理论,并针对不同工程应用提出了多种拼接误差校正技术,但是这些技术的专用性较强,针对不同光栅的特殊性质的拼接方法和技术研究还不够全面。因此本文针对中阶梯光栅、平面变栅距光栅和双闪耀光栅三种非典型光栅的拼接技术展开研究,具体内容包括:第一,光栅拼接技术的原理分析。推导拼接误差与衍射波前关系的数学模型,分析了两种常规误差检测和校正技术:远场衍射光斑法和近场干涉条纹法的原理。第二,中阶梯光栅拼接技术研究。提出将常规拼接技术用于高衍射级次的波前误差检测时需要做出调整,即必须测量两个衍射级。基于平行平板剪切干涉技术提出一种适用于中阶梯光栅的拼接误差检测技术,设计并搭建拼接装置,使用两块50mm×50mm、79gr/mm中阶梯光栅完成原理验证实验,位移误差调节精度达到10nm,旋转误差调节精度达到1arcsec。第三,平面变栅距光栅拼接技术研究。分析了使用双球面波曝光法制作变栅距光栅产生的栅线弯曲问题,提出使用半宽光栅并联拼接制作变栅距光栅的方法。以一款极紫外波段光栅设计为例,使用光程函数法和光线追迹法计算分析了拼接误差对光栅光谱成像质量的影响,并从理论上讨论了拼接误差的检测方法。第四,双闪耀光栅拼接技术研究。提出一种机械拼接法制作分区耀光栅的技术,以获得较为均匀的宽波段衍射效率曲线。将闪耀光栅表面划分为不同分区,每个分区具有相同的栅线密度和不同的闪耀角,将各分区制作为独立光栅,再通过机械拼接技术组合为分区闪耀光栅。试制了一款紫外-可见光波段双闪耀光栅样品,拼接光栅波前优于0.4(=632.8nm),在90%工作波段上衍射效率高于20%。

关键词： 近场声全息   卡尔曼滤波   时域平面波叠加法   非稳态声场   非稳态振速  

摘要： 近场声全息(NAH)是一种在声源识别和声场可视化方面具有强大功能的声学技术。它可以通过测量声源附近的声压或振速分布,预测声源表面或声源近场的声振特性。在实际工程中,平面声源无处不在。因此,研究平面声源的声学传播特性极为重要,也有助于我们更好地理解复杂形状声源的声学特性。时域平面波叠加法(TDPWSM)是一种典型的可以对平面声源辐射的声场进行重建的声学方法。但是,TDPWSM在重建声场过程中的求解逆运算过程以及正则化的使用,会导致累积误差,甚至会使重建结果发散。本文针对TDPWSM在重建非稳态声场时的不足,并结合卡尔曼滤波正向迭代运算的特点,提出了基于卡尔曼滤波的时域平面波叠加法(KF-TDPWSM)的非稳态声场重建方法。通过仿真和实验验证了所提的KF-TDPWSM的有效性,并通过参数讨论,突出了KF-TDPWSM相较于TDPWSM在重建过程中可以减小累积误差且具有更高稳定性的优势。由于声源表面的振动特性对于工程研究也具有重要的价值,因此提出基于KF-TDPWSM的非稳态振速重建方法,并通过实验验证了该方法的有效性。具体研究内容如下:第一章阐述了NAH的背景及意义,然后介绍了NAH发展趋势及研究现状,最后根据TDPWSM在重建非稳态声场中的不足以及卡尔曼滤波算法的优势,确定了本文的研究内容。第二章介绍了卡尔曼滤波原理,并对卡尔曼滤波算法的五个核心公式进行了总结。然后,对基于TDPWSM的非稳态声场重建方法进行了理论推导,并通过数值仿真对板声源产生的非稳态声场进行了重建,验证了其有效性。第三章分析了基于KF-TDPWSM的非稳态声场重建方法。首先对该方法进行了理论推导,然后通过数值仿真对该方法进行验证。在仿真中,对理论声压与重建声压的时域波形、时空分布、空间分布以及相位和幅值评价因子进行了分析,证明了该方法的有效性。另外,通过分析虚源面的位置、全息面的位置以及波数Q等参数,证明了相较于TDPWSM所提的KF-TDPWSM能够更稳定地重建非稳态声场的优势。为了进一步验证所提的KF-TDPWSM的有效性,在半消声室中进行了冲击平面钢板实验,且验证方法和参数讨论与数值仿真一致。第四章提出了基于KF-TDPWSM的非稳态振速重建方法。首先对该方法进行了理论推导,然后通过一个冲击平面钢板实验对该方法进行了验证。在实验研究中,通过对实测振速和重建振速的时域波形、空间分布以及相位和幅值评价因子进行分析,验证了该方法的有效性。第五章对本文的研究内容进行了总结,并提出了未来需要解决的问题。

关键词： 空间环境   热控涂层   低吸收   辐照损伤  

摘要： 热控涂层涂覆于航天器外表面,通过自身热物理特性实现对航天器表面热平衡的控制。当前国内外在役热控涂层突出存在太阳光谱反射率低和空间环境辐照稳定性差等不足之处,难以满足快速发展的水星、太阳等高温强辐射环境下服役的近日深空探测器和空间低温天文观测望远镜等航天器的苛刻热控需求。本论文基于光谱设计和微结构调控与构筑,探索设计制备了一种可全反射空间太阳热流的低吸收耐辐照热控涂层,重点研究了全反射涂层的合成工艺、空间光热特性及其抗辐照性能。本文采用高温烧结法,以ZnO粉体与纳米SiO为原料,成功对ZnO进行包覆改性。探索了烧结温度、混合比例等工艺参数对颜料晶体结构和热物性的影响。同时,对比研究了ZnSiO、ZnO、GaO、Ca（PO）、MgO五种宽禁带热控颜料的光谱特性,通过模拟典型空间辐射环境90Ke V质子辐照试验,分析了五种颜料辐照稳定性。辐照过后,Ca（PO）具有较好的综合性能。基于水热合成法,将片状KOH与纳米SiO于水中共混,经高温高压反应制备了硅酸钾无机水玻璃粘结剂。探索了硅酸钾模数对贮存稳定性、涂层光学性能、电学性能及力学性能的影响,发现当硅酸钾模数为3.5时,各项综合性能最优,满足低吸收热控涂层对粘结剂的要求。通过与商用硅酸钾对比元素组成、粒径分布以及制备得到的涂层光谱反射率,证明了自制硅酸钾具有更高的纯度、更好的贮存稳定性及光学性能。此外,还对自制硅酸钾粘结剂进行了90Ke V质子辐照,发现辐照后透过率仅降低了0.038,证明其具有良好的辐照稳定性。本文最终确定并优化了颜基比、涂层厚度等热控涂层制备工艺,制备的ZnO、GaO、Ca（PO）、MgO涂层太阳吸收比分别为:0.160、0.095、0.094、0.128,红外发射率分别为0.904、0.892、0.880、0.886;通过对比4种涂层的面密度、热控性能、耐高低温性等,发现Ca（PO）涂层综合性能相当优异;经90Ke V质子辐照后,ZnO、GaO、Ca（PO）、MgO涂层太阳吸收比分别为0.224、0.123、0.161、0.112,红外发射率小幅上升。其中,Ca（PO）涂层具有最优的耐辐照性,太阳吸收比仅退化0.018,红外发射率从0.880上升至0.923,吸辐比从0.107升至0.121,可以满足近日探测航天器热控系统对热控涂层太阳光谱全反射的需求。

关键词： 图像复原   张量补全   核范数极小化   低秩矩阵分解   块连续上界极小化算法  

摘要： 图像数据作为信息传递的一个重要载体，被广泛应用在新闻报道、安全监控、军事侦察、医疗和科学研究等领域。在图像数据的获取和传输过程中，由于传感器损坏或恶劣的传输环境，会导致图像部分信息缺失，而恢复丢失的数据信息则被认为是后续图像处理的基础。张量分解作为高维数据处理的有效工具，在图像复原领域得到广泛应用。最近，基于张量链式分解(tensor train decomposition/TTD)的低秩张量补全模型展示出了良好的复原效果，取得了突破性的进展。　　然而，为了捕获图像的局部隐藏信息，该模型使用kat augmentation(KA)将张量数据进行高阶化处理。KA使用固定的规则来堆叠从原始数据中提取的块，没有考虑块与块之间固有的相关性。这实际上破坏了张量的原始结构，导致对张量的全局结构信息获取不足。造成如下两个问题:1、在较大区域的结构性缺失情况下，无法对缺失区域复原;2、在较大缺失率的随机缺失情况下，出现严重的棋盘效应。本文针对以上两个问题，研究张量的秩极小化模型，借鉴图像处理领域的相关工作，提出了两种张量补全模型。主要工作如下:　　(1)针对问题1，提出一种多秩张量补全模型。该模型融合了张量的Tucker秩与TT秩，其中Tucker秩用来捕获图像的全局结构信息，TT秩用来捕获图像的局部隐藏信息。基于交替方向法，设计了一种通过交替极小化两个秩函数实现缺失数据补全的新算法，该算法使用KA变换与逆KA变换分离出两个秩极小化子问题，分别使用核范数极小化和低秩矩阵分解进行求解。对彩色图像、多光谱图像等多种张量数据的复原实验结果表明，该模型适用范围更广，在随机采样、结构性采样等各种场景下均展示出了良好的效果。　　(2)针对问题2，提出一种非局部自相似张量补全模型。利用即插即用(PnP)框架，在基于TT秩极小化的张量补全模型中设计了一个隐式正则化器来插入块匹配三维去噪器。通过低秩正则化项与隐式正则化项，该模型能够同时利用图像的低秩先验和非局部自相似先验。基于块连续上界极小化算法，设计了一种在PnP框架下的张量补全算法来对模型进行有效求解。彩色图像和视频数据上的实验结果表明该模型具有较高的精度，在质量评价指标和图像的视觉效果上均优于其他张量补全模型。

关键词： 冲击定位   损伤辨识   薄板结构   模态常数   模态叠加  

摘要： 金属薄板件被广泛的作为承载结构应用于各种工程领域,然而当薄板结构遭受外物碰撞时,其冲击极易造成金属结构内部破坏,对结构的安全运行带来隐患,甚至可能使整个系统存在突发性或灾难性失效的危险。因此,冲击位置的在线识别与结构损伤的实时监测对机械工程系统的安全运行至关重要。在本文中首先通过对结构受到冲击时的响应机理研究,揭示了不同冲击位置与结构振动模态常数之间的变化规律。然后,基于模态叠加理论建立了结构在受到冲击后的理论响应模型,提取了结构各个位置受冲击后响应信号的模态常数,通过k-均值聚类法建立多个聚类中心,形成基于模态常数的匹配数据库。最后,通过冲击实验验证了基于模态常数定位冲击位置方法的可行性。同时根据冲击造成的裂纹损伤会导致应变模态振型在相同位置发生局部变化的规律,提出了基于应变模态振型的结构损伤辨识方法。本文的主要研究工作如下:1.基于有理分式多项式与传递率法融合的运行模态识别方法研究。首先根据环境激励或正常运行下任意输出点的动态应变响应计算功率谱密度函数,利用基于有理分式多项式方法估计分母多项式的根(即系统固有频率),同时提取出各阶模态对应的模态常数。然后,利用传递率法和系统极点的相关知识,通过输出响应便可提取出系统任意阶应变模态振型。为薄板结构冲击位置的识别和冲击损伤的监测提供了理论基础。2.基于模态常数的薄板结构冲击位置识别研究。本文以一维结构(连续梁结构)和二维结构(弹性薄板结构)为研究对象,基于模态振型的正交性和模态叠加法建立了其受到外界冲击后响应的数学模型,得到两种结构受到冲击后各个FBG传感器处的全结构冲击的理论响应,通过k-均值聚类法建立多个聚类中心,形成模态常数数据库。搭建了两种结构模态分析及冲击定位的测试实验平台,通过力锤敲击实验,证明了本文提出的冲击定位方法具有良好的定位识别效果。3.基于应变振型的薄板冲击损伤研究。首先基于基尔霍夫薄板理论建立了板结构健康态及损伤态的动力学模型。利用振动理论与摄动理论分别对两种状态下的模态参数进行求解,根据解析结果分析了两种状态下的应变振型参数变化规律,验证了基于应变振型变化的板结构冲击损伤在线检测方法的正确性。然后依据相应仿真软件对该模型进行了理论模态分析,将仿真结果与解析结果相对比验证了解析模型的正确性;最后通过对搭建的板结构冲击检测实验平台进行单点损伤检测实验,证明了本文提出的冲击损伤识别方法具有良好的损伤辨识效果。

关键词： 推荐系统   协同过滤   张量分解   非采样学习  

摘要： 随着信息技术服务发展,信息量日益增长,帮助用户过滤信息的推荐系统逐渐得到重视。推荐系统需要使用大量用户数据,最常用的是用户历史行为数据。传统的单行为推荐算法仅使用目标行为的交互数据而面临数据稀疏问题。多行为推荐系统,利用辅助行为的历史交互信息提高目标行为的推荐效果,逐渐受到关注。已有的多行为推荐算法往往不能对不同行为间的关系很好地建模,同时面临引入辅助行为信息后负采样方法采样偏差增大而非采样方法复杂度高的问题。针对不同行为间关系建模的问题,论文提出了基于张量分解与非采样学习的非采样异构块项分解算法(Non-Sampling Heterogeneous Block Term Decomposition,NHBTD)。NHBTD通过块项分解得到表达能力更强的多组用户、物品和行为嵌入向量并设计不同的块项结构学习行为间关系,通过权重向量控制不同块项的输出,使用多任务学习方法调整不同行为数据的权重。此外,模型采用非采样策略从所有数据中学习。在五个数据集上的实验证明引入多行为数据的必要性,以及NHBTD能更好地捕获到行为间关系,取得优异的推荐效果,有助于缓解目标行为数据稀疏问题。针对块项分解与非采样策略的复杂度高的问题,通过共享不同块项间的用户和物品嵌入向量,以及将一种损失函数优化方法推广到张量分解上,论文在NHBTD基础上进一步提出高效非采样异构块项分解推荐算法(Efficient Non-Sampling Heterogeneous Block Term Decomposition,ENHBTD)。此外,论文探索了用注意力机制代替NHBTD中的权重向量。三个数据集上的实验表明ENHBTD降低了参数量与训练时间,同时没有损害模型性能,注意力机制的引入有助于进一步提高推荐效果。