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关键词： 超表面   超构光栅   波束调控   衍射模式  

摘要： 在无线通信技术高速发展和通信需求日益增长且趋向多样化的时代背景下,传统天线形式已经无法满足应用市场的需求,开发具有高增益、小型化、易集成、方向图可重构的天线成为亟需解决的问题。本文通过整理归纳现有用于波束调控的超表面器件、方向图可重构天线结合新兴发展的在大角度波束调控有独特优势的超构光栅器件,从理论层面介绍了超表面以及超构光栅调控电磁辐射波的机理,并通过仿真设计了传统不可调波束偏转超表面及超构光栅,分析了二者的区别与联系,同时基于超构光栅的设计原理,深入仿真探究了其在波束赋能方面的能力,最后通过引入有源器件,设计了能够有效用于波束电控扫描以及波束赋能的可重构超构光栅。本文的主要研究内容有:(1)通过广义Snell定律和广义边界条件结合Floquet衍射模式理论借助电容负载线型结构分别设计了一款能够使波束偏转41.8°的相位梯度超表面和超构光栅,通过仿真效果对比了其性能差异,从理论层面分析了超表面与超构光栅的区别与联系。(2)基于粒子群算法优化和软件仿真优化介绍了超构光栅单元的设计方法,仿真并验证了一款能够工作于高阶衍射模式(±2、±1、0)、实现-2、+1、0、+1、+2阶衍射模式波束按0:1:0:0:1比例赋能的超构光栅。(3)通过引入有源器件变容二极管设计了一款电控可重构超构光栅,仿真验证了其能够实现衍射波束0°、19.4°、56.4°、72.2°偏转,并且能够实现-1、0、+1阶衍射模式波束按1:0:0、1:0:1、1:1:1以及1:0:2比例进行能量分配。相较于现有研究理论,本文可能存在的意义及创新点包括:(1)将超表面与超构光栅进行了对比分析,从理论层面找到了二者的区别与联系,从仿真辐射效果上进行了对比。(2)详细阐述了基于Floquet理论分析超构光栅的衍射原理,介绍了基于粒子群算法的超构光栅设计流程,并展示了通过软件仿真优化设计超构光栅单元的方法,为设计超构光栅提供了新方法、新思路。(3)利用变容二极管实现了可重构超构光栅的设计,能够实现波束大角度扫描及波束赋能功能,对基于超构光栅的波束可重构天线进行了探索。(4)设计的超构光栅避免了超表面在波束大角度扫描因离散相位限制导致辐射效率低下的问题,为波束大角度扫描应用提供新器件。(5)设计的超构光栅有望与FPGA器件组装成为高增益小型化集成可重构天线,为新一代无线通信技术的发展创造了条件。

关键词： 张量分解   多维聚类   数据压缩   数据补全  

摘要： 随着数据规模的急剧增长,如何从海量高阶数据中挖掘有价值的信息成为大数据分析的关键挑战之一。张量分解为高阶张量数据提供了强大的处理和分析手段。而聚类分析作为重要的无监督学习方法,可在无标签条件下实现高效的数据压缩和特征学习。多维聚类不仅继承了经典聚类分析的优势,而且能充分利用高阶数据的多线性内部结构,实现多个维度的同步聚类,从而挖掘高阶张量数据多个维度之间的复杂关系。因此,多维聚类分析具有重要的理论研究价值和应用场景。然而,现有多维聚类算法通常先进行张量分解,然后在各个维度调用传统的聚类算法(如K-means),从而难以获得最优性能,且无法应对交叉隶属问题,同时也缺乏有效手段应对大规模或不完整数据带来的挑战。本文针对张量大数据聚类分析的交叉隶属、大规模和数据缺失三大挑战展开研究,取得的原创性成果包括:1.针对多维聚类的交叉隶属分析,提出一种基于近似正交非负Tucker分解的柔性多维聚类模型(AONTD)。该模型利用非负约束与聚类的等价性原理,揭示潜藏的稀疏“张量块”结构,实现高阶张量数据多维度间的同步聚类。另外,通过施加近似正交约束,使得模型能灵活应对多隶属或单隶属(“软/硬”)两种聚类任务,并且有效抵抗噪声干扰。而且,该模型还考虑了交叉隶属度“和为1”的约束,进一步保障交叉隶属分析结果的准确性。在算法优化方面,引入加速近端梯度(APG)和分层交替最小二乘(HALS)助力算法迭代,相比同类方法能获得更具竞争力的聚类表现。2.针对大规模张量数据的压缩处理,提出一种分布式随机Tucker分解算法(RandTucker)。该算法将大型张量分割为易处理的子张量并存贮在各个算力受限的计算机,从而将大张量的分解转化为多个小张量的分解。以此为基础实现灵活快速的CP分解(FFCP)和基于AONTD的高效多维聚类分析,为大规模张量的数据压缩和数据挖掘提供重要工具。3.针对数据的不完整性,提出了基于聚类框架的数据补全策略。传统补全策略主要利用数据的低秩特性,通过奇异值分解或其变式实现数据补全。由于奇异值分解会破坏数据的物理特性,本文提出了将多维聚类嵌入到张量填充过程的张量补全新策略。通过聚类分析与张量填充交互迭代,同步提升数据挖掘和数据补全的性能。该方法实现简单,而且可以保留数据的物理特性。总体而言,本文的研究为张量大数据分析提供了重要手段,进一步拓宽了张量分解的应用领域。

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： 弹性成像法   波速反演   唯一可解性   椭圆切片采样算法   混合算法  

摘要： 生物学和医学表明,肿瘤等病变组织同周围健康组织在硬度上有着较为明显的区别.临床医学中的触诊技术作为一项基本且有效的检查方法,可使医生通过触摸发现人体组织中硬度异常的病变组织.然而触诊是一种定性的检查方法,且很大程度上受医生触觉敏感性的限制,应用范围较局限.随着科学技术的发展,出现了一种新型的医学影像技术—弹性成像法,它可以用来模拟实现触诊,对人体组织中的硬度异常部位进行发现诊断.弹性成像法的主要思想是先测量得到位于人体内部传播的弹性横波的位移量的信息,即内部测量值,再通过反演算法得到人体内部波速分布的信息,进而通过波速与硬度的对应物理关系得到人体组织的硬度分布,最后通过硬度的差异区分病变组织和非病变组织.本文基于简化后的一维弹性波模型,针对弹性成像法对应的正问题和反问题,进行了严谨的阐述.特别是对于反问题,即通过内部测量值反演波速的问题,进行了唯一可解性的证明.之后在数值反演部分,本文尝试采用一种统计反演算法—椭圆切片采样算法.该采样算法具有不依赖于初值,无需设定建议分布,拒绝率较低的优点.通过对波速为光滑函数形式和分片常数形式这两种情形下的数值反演算例,验证了该采样算法的有效性以及相较传统常用数值反演算法—Levenberg-Marquardt算法的优势.进一步,本文融合了这两种算法,提出了一种新的算法—混合算法.相关数值算例实验也显示该混合算法能够兼具椭圆切片采样算法不依赖初值和Levenberg-Marquardt算法反演速度快的优点,可用作弹性成像法的一种高效的数值反演算法.

关键词： 光互连   光栅耦合器   亚波长光栅   低损耗   多层光栅耦合器  

摘要： 信息化时代的快速发展,推动数据通信流量快速增长,新一代的通信需求显著增加。相较于传统电互连,硅基光子集成技术能够利用光信号的带宽大和传播延迟小的特性,有效满足通信需求,且能够与CMOS工艺兼容,实现小体积,低功耗的光芯片设计。而光芯片与光纤之间,由于存在较大的模场尺寸之差,实现二者之间的低损耗耦合是硅光研究中的重点。光栅耦合器则是解决这一耦合问题的主流设计器件之一。本论文以单偏振低损耗设计为目标,设计了工作在不同波段的光栅耦合器。本文主要取得以下成果:1.提出一种用于多参数优化的定向优化方法,在切趾优化中实现快速收敛。采用鲁棒性版图设计,提高器件刻蚀对准容差,结合交错刻蚀和切趾设计,实验证明光栅的耦合效率为-2.2d B。该结果为130nm CMOS工艺节点下商用硅光工艺制造的C波段硅光栅最低损耗结果。2.提出一种折射率渐变的亚波长结构概念,在新型的梯形亚波长光栅结构下,实验证明单刻蚀梯形亚波长辅助光栅耦合器的耦合效率为-1.73d B,这一结果为O波段同类单刻蚀光栅世界最低损耗结果。3.设计并实验证明了工作在O波段的硅-氮化硅双层光栅耦合器,将氮化硅层设计为增透膜结构,实现高耦合效率双层切趾光栅设计,实验得到双层光栅的耦合效率为-3.15d B。

关键词： 光纤传感器   强耦合多芯光纤   超模   光纤布拉格光栅   多参量测量  

摘要： 多芯光纤(MCF)因其具有体积小、结构紧凑、空间多样性以及自温度补偿等诸多优点,近年来在光纤传感领域引起了学者们广泛的关注。传统基于MCF的传感器或传感系统绝大多数使用非/弱耦合型MCF,因而不可避免的需要使用特制扇入/扇出设备来提取MCF中每个纤芯信道中的传感信息,这无疑增加了传感解调系统的复杂度和成本。为解决现有MCF传感器件或系统存在的问题,本论文开展基于强耦合多芯光纤(SCMCF)的传感器研究,首次将光纤布拉格光栅(FBG)与SCMCF相结合,设计并验证了两款新型的光纤传感器,具体研究成果如下:针对传统曲率传感器存在的曲率-温度交叉敏感问题,本论文提出了一种新型的温度不敏感光纤曲率传感器。该传感器将2 mm长低反射率FBG写入到SCMCF中,并通过将其一端与标准单模光纤(SMF)熔接实现传感信息的提取。由于所用SCMCF的中心纤芯中仅支持两个非零强度的超模传输,因此FBG的反射光谱包含两个谐振峰,并且在两谐振峰之间由于干涉效应形成了一个深陷的波谷。实验结果表明,该波谷的深度随曲率单调变化,在小曲率测量范围下,所设计曲率传感器的灵敏度可达15.9 d B/m。此外,该传感器的波谷深度几乎不随温度变化,因此采用测量波谷深度的解调方法,可实现温度不敏感的曲率解调,温度与曲率间的交叉敏感性小于0.001 m/?C。为实现基于SCMCF的多点多参量传感,首先在一段SCMCF中写入FBG,进而将其两端与SMF熔接,构造出基于超模干涉的干涉仪结构。实验结果表明:刻写于SCMCF中的FBG对温度以及横向载荷均具有良好的线性响应,其灵敏度分别为9.77 pm/?C和-157.3 pm/(N/mm);利用波分复用技术,通过级联不同布拉格波长的FBG可实现沿光纤长度方向上的多点传感;利用干涉仪结构中超模干涉所产生的干涉谱对振动敏感的特点,通过测量干涉光谱的周期性位移可实现高精度的振动监测;由于在振动传感中测量的是干涉谱的周期性变化而不是波长的绝对变化,因此可以有效消除交叉灵敏的问题,有利于实现多参量传感。

关键词： 光纤光栅   双波长差分解调   光学移频器   超导纳米线单光子探测器   卡尔曼滤波  

摘要： 近年来,大规模的密集时分复用光纤光栅传感系统已经成为目前光纤传感领域的热点之一。然而,在传统的时分复用光纤光栅传感系统中,由于光电探测器的灵敏度与带宽之间的矛盾限制了系统的空间分辨率和波长分辨率。本文以同时实现高空间分辨率和高波长分辨率为目标,结合了量子信息技术和传统光纤光栅解调方法,提出了基于光子计数和双波长差分解调的光纤光栅传感系统,分析了其测试原理和特点,并对其测试性能进行了相应的讨论。主要研究内容如下:(1)详细分析了基于光子计数与双波长差分解调的光纤光栅传感系统性能。通过理论仿真分析了传感系统的灵敏度、测量范围、空间分辨率和波长分辨率,并提出使用单脉冲激光器和光学移频器产生双波长光脉冲抑制光源噪声。(2)制作了基于增益开关的半导体皮秒脉冲激光器和基于电光相位调制器的光学移频器。根据理论计算和仿真结果,设计了激光器和光学移频器的驱动电路,实现了脉冲宽度为200 ps的脉冲激光器和波长偏移为0.08 nm的光学移频器,并基于这两种器件搭建了具有高稳定性的双波长脉冲光源。(3)使用超导纳米线单光子探测器获取光纤光栅传感系统的反射光子信号,得益于其单光子灵敏度,极低的暗噪声以及较小的时间抖动,实现了5 cm的空间分辨率;在温度传感实验中,测量得到的光子计数噪声达到了光子的标准量子极限,550 pm的测量范围下对光纤光栅传感器实现了0.5 pm的波长分辨率,对应0.05℃的温度分辨率,进一步增加脉冲重复频率可将温度分辨率提高到0.01℃。(4)使用卡尔曼滤波算法进一步提高光纤光栅传感系统的传感精度和测量时间。数据处理结果表明,对测量时间为1 s的时间序列信号使用卡尔曼滤波算法进行降噪,可获得0.05℃的温度分辨率,实现了快速且具有高空间分辨率和高波长分辨率的时分复用光纤光栅传感系统。

关键词： FBG   F-P标准具   C2H2气室   波长解调   高精度   宽波段  

摘要： 光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）传感器采用波长变化反应被测量大小,因此提高FBG的波长解调精度具有重要意义。然而,受解调系统中的器件温漂、系统噪声干扰和光谱畸变等因素的影响,现有FBG解调方法的解调精度仍有待进一步提高。因此,针对上述问题,本文提出了高精度、宽波段的多峰复合参考FBG波长解调方法。该方法以可调谐法布里-珀罗（Fabry-Perot,F-P）滤波器检测法为基础,将乙炔（Acetylene,C2H2）气室和F-P标准具结合在一起实现FBG波长解调。本文对FBG的传感特性进行了研究,并分析对比了F-P标准具与参考光栅、干涉仪和气室构成的复合参考波长解调系统的优缺点。在此基础上,设计了带有差分平衡光电探测器的C2H2气室和F-P标准具复合参考的FBG波长解调系统,减小了气室透射谱受光源光谱平坦度影响产生的垂直畸变问题。并对该系统主要功能器件的特性进行分析和选型,进一步提高了系统的解调性能。为了减小噪声对光谱信号的影响,以及进一步改善光谱的垂直畸变问题,本文提出了光谱信号预处理方法。研究分析了小波阈值法和滑动平均滤波法的降噪效果,并结合两种降噪算法的特点,对采集到的原始光谱进行降噪处理;提出了包括基线拉平、对数化、抽取和截取在内的光谱信号整形方法,得到了更为理想的光谱数据,有利于后续的多峰检测工作。针对气室光谱参考范围窄,以及可调谐F-P滤波器扫描非线性等因素导致的光谱横向畸变问题,本文提出了基于F-P标准具全光谱范围内的FBG波长解调算法。设计了阈值迟滞分割法,弥补了希尔伯特变换、墨西哥帽小波变换对密集多峰区域识别模糊、效率较低的问题;研究了气室波段内的光谱校正算法,通过X-d B带宽法、气室参考峰选取法以及气室多峰参考校正法,得到了气室波段内的光谱波长;提出了气室波段外光谱的畸变解调算法,采用拟合法、外推法和数据融合法,得到了气室波段外的FBG中心波长,实现了高精度、宽波段的FBG波长解调。实验测试了系统的重复性和温度稳定性,结果表明,在1510～1590nm范围内,FBG波长重复性误差最大为2.51pm、线性度可达99.9%以上;-20℃到60℃的工作环境下,全量程误差最大不超过±1.71pm,与只采用F-P标准具参考的解调方法相比,采用气室复合参考方法将精度提高了64.8%,标准差降低了75.6%。

关键词： 长周期光纤光栅   二维材料   重金属离子检测   生化检测  

摘要： 光纤传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰和制作成本低等优点,可以对许多参量实现无标记、高灵敏度、以及复杂环境下的测量。因此,光纤传感器在现代测量技术的发展中具有良好的潜力和应用价值。长周期光纤光栅(Long period fiber grating,LPFG)由于其特殊的模式耦合,穿透包层的倏消逝波对其表面介质周围折射率(Surrounding refractive index,SRI)、浓度、等变化较为敏感,从而对传感测量和表面功能化方面具有独到的优势。本文中,改进了使用CO激光器制备长周期光纤光栅的方法,使用透镜聚焦激光之后软化加热单模光纤的方法制备出微锥型长周期光纤光栅(Micro tapered Long Period Fiber Grating,MTLPFG)这种周期性调制光纤的物理结构激发包层传输模式,使得对折射率的改变变得敏感。通过引入石墨烯的衍生物氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)和二维材料碳化钛(TiCT-MXene)对制备出的MTLPFG进行表面功能化之后,将其应用于生物化学传感实现对重金属钴离子和铅离子溶液进行了浓度检测和胃蛋白酶生物分子检测。本论文的主要研究成果有:1.基于聚多巴胺氧化石墨烯(PDA-GO)沉积的LPFG应用于对重金属钴离子溶液的浓度检测。制备了一种高灵敏度的、用于检测重金属离子的无标签化学传感器。分别为氧化石墨烯(GO)功能化的MTLPFG和聚多巴胺修饰(PDA)掺杂的氧化石墨烯功能化的MTLPFG。结合了化学键合与光镊效应的沉积方法,材料被均匀沉积在MTLPFG表面。采用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform infrared spectroscopy,FT-IR)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)对PDA-GO这种复合材料的形貌和吸附过程中的化学键合进行了表征。在实验中,测量了检测钴离子在宽浓度范围从1 ppb到10 ppb,光谱中表现出在PDA浓度为0.05 g/L,并且在表征的角度证明了这一结论。相比较之下PDA-GO-MTLPFG的灵敏度高于GO-MTLPFG与MTLPFG,所对应的灵敏度为2.4×10 d B/ppb,并且具有良好的可复用性,提出的PDA-GO-MTLPFG在化学传感方面具有较高的应用价值。进一步地,将TiCT粉末通过液相剥离的方法制备成少层的TiCT分散液并且将其均匀地沉积在MTLPFG表面,制备成为TiCT-MTLPFG器件实现了对1 ppt-10ppt的铅离子溶液浓度的检测。对其表面进行了扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)和拉曼光谱(Raman spectra)表征,验证了器件的制备成功性。设置对照实验为MTLPFG测试铅离子溶液,对比之后发现TiCT-MTLPFG对于铅离子溶液的灵敏度高于MTLPFG。具体表现为TiCT-MTLPFG的中心波长的变化量相比较于MTLPFG有接近4倍的提高,而透射深度变化量相比较于MTLPFG提高了接近5倍,而对实验数据的散点拟合图分别表现出光谱的红移和透射深度的增加,推测是由于TiCT材料对铅离子的吸附导致了MTLPFG的模式耦合发生了变化。2.基于GO沉积的MTLPFG将其应用于对胃蛋白酶生物分子的浓度检测。提出了一种基于氧化石墨烯(GO)功能化的无标签、对折射率变化敏感的GO-MTLPFG传感器用于胃蛋白酶检测。通过使用EDC/NHS交联剂来活化GO表面的羧基(-COOH)基团使得更好的捕获溶液中的生物分子。得益于氧化石墨烯具有较大的比表面积和丰富的含氧基团,生物分子与氧化石墨烯之间可通过π-π键相互作用形成酰胺键。传感过程中的光谱变化趋势遵循朗缪尔吸附模式,说明生物分子在氧化石墨烯层上的吸附为化学吸附过程。对比了MTLPFG和GO-MTLPFG的检出限(LOD)分别为56.1ng/ml、10.8 ng/ml,对应有效检测范围分别为50～1000 ng/ml、10～1000 ng/ml。

关键词： 飞秒激光加工   少模光纤   长周期光纤光栅   模式转换器   全光纤  

摘要： 由于极短脉冲宽度和超高峰值功率,飞秒激光与透明介质材料的相互作用能诱导出高度局域化的折射率调制,规模化商用的飞秒激光已成为材料微加工领域的新一代加工光源首选,在全光纤型微纳器件制备过程中体现出加工精度高和应用灵活性好的优点。模式选择性转换器是基于少模光纤的模分复用光传输系统的核心,论文基于飞秒激光直写技术开展长周期少模光纤光栅模式转换器的设计、制备、及性能测试研究,主要研究内容包括:(1)概述了飞秒激光微加工的特点,介绍了其与透明介质材料的相互作用过程,及飞秒激光诱导折射率调制的三种类型,综述了长周期少模光纤光栅模式转换器和飞秒激光制备长周期光纤光栅的国内外研究进展,重点分析了飞秒激光轴向直写光纤器件存在的聚焦畸变问题。(2)阐述了少模光纤的模式理论及长周期光纤光栅耦合模理论,介绍了少模长周期光纤光栅的模式转换特性;基于长周期少模光纤光栅耦合模理论,理论分析了少模长周期光纤光栅的模式转换特性,提出一种飞秒激光径向线扫描刻写的改进方案。(3)完成宽波段长周期光纤光栅模式转换器的设计,搭建优化了飞秒激光直写平台,实现了全光纤型模式转换器的制备及性能测试,在C+L工作波段可以实现90%以上的平均模式转换效率、小于5 d B的平均插入损耗、及小于3 d B的偏振相关损耗。