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关键词： 空间对光   集成光学芯片   编程   嵌入式Linux  

摘要： 近年来,环境污染、食品安全、新冠肺炎病毒等问题严重影响着人民的生活。市场急需开发出高效率、低成本的生物传感器。目前国内研制出了一款基于SOI的片上微环谐振器光学传感器,其具有高灵敏度、高集成度、低成本等特点。此款产品在进行片上实验时,需要将1550nm波段的红外光打入芯片的光栅来进行功率变化的探测。集成光学传感芯片的光栅面积一般为微米量级的,且在一个传感芯片上,通常具有很多这样的光栅来形成阵列,因此不仅要对光,还要使得光源可以在光栅之间进行快速切换扫描。目前实验室中对于光学传感芯片的光栅对光都是将激光通入单模光纤阵列中,再在显微镜下将单模光纤阵列的出光口对准光栅的入光口,然后用紫外固化胶将两者粘连起来。这种实验室中的对光操作极为复杂,不仅需要专业的操作人员,还需要大量的操作步骤,花费大量时间。此外光源如果需要在不同光栅之间切换,还需要将光源手动加载到不同的光纤上,在冗长复杂的实验下操作极为繁琐,也因此这种集成光学传感芯片一直难以走出实验室,进入大众视野。基于以上的问题,本课题提出一种集成光学传感芯片的空间光自动对光耦合系统,由嵌入式Linux程序控制扫描反射镜,再由聚焦系统将光源汇聚在芯片光栅上,同时通过扫描镜的转动可以完成在多光栅之间的快速切换。该系统大大简化了对光的操作难度,使本来需要人为对准光栅的操作,现在也可以通过程序和探测器来自动扫描对准。同时也使得整个对光仪器体积缩小,可以更好地应用于更多的场合,而不是仅限于实验室使用。本课题分别设计了对于芯片光栅耦合器相对应的光纤阵列的多路耦合平台和对芯片上2种不同光栅对光的光学平台,并且对其进行了实验。实验测得对于光纤阵列对光中的单模光纤平均插损为16.72d B,多模光纤的平均插损为2.31d B。针对光纤阵列的耦合对光,还进行了衍生的设计应用,通过使用此对光系统,就可以在仅使用一台功率计的情况下,在短时间内快速测试波分复用器各通道的光谱曲线。接着对光栅耦合器进行了耦合实验,测得用矩形光栅耦合时,插入损耗大于使用光纤阵列耦合芯片的插入损耗15.242d B,使用扇形光栅耦合芯片的损耗大于光纤阵列耦合芯片的插入损耗8.923d B,且在光栅之间得到切换速度约为1.2m S。虽然这种空间光的耦合损耗相比较光纤阵列耦合芯片的损耗有所增大,但是却大大提高了芯片的使用效率,缩短了对光所用时间。且在仅使用一个光源的情况下,就可以在芯片的光栅之间完成快速切换。这套空间光对光系统拥有很大的发展前景,也为微环谐振光学传感器步入市场开拓了新的道路。

关键词： 深度学习   元学习   张量表征   多头自注意力机制  

摘要： 人机物三元空间智能融合成为时代发展的新浪潮,如何有效处理和利用由人机物之间频繁交互而产生的大量高阶高维数据,是促进人机物智能快速发展所面临的重大挑战。传统深度学习算法经过多年发展,在对象检测、目标跟踪等领域取得了巨大的成功,而随着其与人机物智能的深度结合,传统深度学习面临的问题愈加凸显:第一,其大都是在向量空间中对数据进行表征和处理,在对信息-物理-社会系统中产生的高阶高维数据建模时,会破坏数据的原有结构,造成信息损失;第二,其大都是仅依赖卷积神经网络处理数据,由于感受野大小的限制,难以获取长距离依赖信息;第三,其在小样本困境下容易出现过拟合且泛化不佳的问题。针对上述问题,主要完成了以下工作。首先,针对传统深度学习模型难以获取长距离依赖信息的问题,选择使用Transformer模型来处理数据,通过切片操作和位置编码来建立起具有长距离间隔的数据特征之间的依赖关系。同时,为了更好地保持原有数据的空间结构,进一步将Transformer模型从向量空间引入到张量空间,提出了基于张量运算的Transformer模型,实现从多维度对样本数据包含的信息进行学习。其次,针对传统深度学习模型在小样本困境下容易出现过拟合且泛化不佳的问题,在提出的张量Transformer模型的基础上,进一步将其与元学习模型相结合,提出了结合元学习的张量Transformer模型,以更好地处理小样本相关任务。最后,针对张量Transformer模型,在MNIST和CIFAR10数据集上完成相关实验,并和向量空间中的Transformer模型的表现进行对比分析,验证了张量Transformer模型的有效性。针对结合元学习的张量Transformer模型,在CIFAR-FS和mini Image Net数据集上完成相关实验,分别在5-way 1-shot和5-way 5-shot分类任务上与当下先进的方法进行对比和分析,验证了结合元学习的张量Transformer模型的有效性。

关键词： 刻蚀衍射光栅   粗波分复用/解复用器   绝缘体上硅   时域有限差分法   平面光波导回路工艺  

摘要： 光纤通信技术无论是在国防还是民生领域都扮演了非常重要的角色,已经成为一项重大国家战略。凭借着带宽资源大、中继距离长、抗干扰强等优点,光纤通信成为了支撑21世纪信息化时代的关键。波分复用技术是当前提高光纤通信的传输速率及容量的最重要手段,它在5G传输、数据中心光互连等领域中都发挥着重大作用。其中,最为关键的器件就是波分复用/解复用器件,也始终是该领域的研究热点。而随着信息化技术的飞速发展,100G/400G甚至更高速率的光模块已经成为主流,这对光器件在传输速率、集成度及可靠性等多方面又提出了更高的要求和挑战。为了应对未来的发展需求,本文针对波分复用/解复用器件中极具潜力的一种——刻蚀衍射光栅(Echelle Diffraction Grating,EDG)展开了研究。刻蚀衍射光栅是基于平面集成光波导技术,有着结构紧凑、集成度高、易批量生产、成本小、可靠性好等众多优点,在未来小型化、集成化等多方面都更具竞争力,但EDG的优化仍是当前的一个难点。此外,绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)材料由于高折射率对比度及与COMS工艺兼容的特点,更利于实现小尺寸及低成本。因此,本文基于SOI材料展开了刻蚀衍射光栅波分复用器的优化设计与制造测试研究,主要的工作和发现包括:(1)对设计EDG所涉及的相关理论分析研究。探讨了平面光波导的电磁理论以及用以模拟光波导器件中光场传播行为的数值方法;对刻蚀衍射光栅的基本原理,如其结构原理、设计方法、重要参数及主要性能指标等进行了分析介绍,为后续设计及优化提供依据。(2)基于220 nm SOI平台对EDG的设计及优化方法进行了研究。基于时域有限差分法,研究了EDG的各设计参数对其光学性能影响规律及机制;据此优化了设计参数,并提出了进一步改进的优化方法;依据优化方法实现了光学性能良好且超紧凑的EDG设计。(3)研究了基于3μm SOI平台的偏振不敏感型EDG设计。首先分析了厚硅SOI平台在偏振不敏感等方面的优势;并以3μm厚硅SOI平台为例,设计了两种偏振无关型EDG以及保持其单模输入的波导组件;设计器件的模拟结果显示出良好的性能,特别是最大仅有0.11 d B的偏振相关损耗以及最大仅0.15 nm的偏振相关波长,验证了该设计的偏振无关性。(4)开展了设计器件的工艺制造及实验测试研究。在制造前对可能的制造误差进行了分析;基于平面光波导回路工艺,探究了器件的制造工艺流程及关键工艺;分析了器件测试方法并搭建了测试平台测试制造器件,验证了设计及制造工艺的可行性。图97幅,表9个,参考文献99篇

关键词： 智能蒙皮天线   数字孪生   温度场重构   传感器布局   损伤识别  

摘要： 智能蒙皮天线之所以“智能”,是因为它在满足共形承载要求、保证散热功能的情况下,能根据服役过程中结构变形、温度信息实时进行电磁性能自主调控;并可以根据应变测量信息完成天线健康状态监测,因此广泛应用于各类武器平台。本文以智能蒙皮天线为研究对象,针对其服役期间受高温、震动、潮湿等恶劣工作环境影响,导致性能下降、可靠性降低问题,详细研究了温度场重构和结构损伤识别问题,并结合已有技术提出了面向智能蒙皮天线可靠服役的数字孪生框架,具体工作内容如下:1.提出了面向智能蒙皮天线的温度场时空分离重构方法。该方法融合仿真和测量数据,采用正则化最小二乘法实时计算时间模式系数;并采用卡尔曼滤波算法最优估计时间模式系数;然后利用仿真数据本征正交分解得到的空间基函数和最优估计时间模式系数组成的降阶模型实时重构温度场。最后以智能蒙皮天线的高密度收发组件为实验对象对提出的温度场时空分离重构方法进行了验证,证明了本方法的有效性。2.提出了面向温度场重构的递增式传感器布局方法。该方法以QR分解为基础,以条件数最小为目标,以传感器安装位置的最小距离、空间基函数的相似性为约束,对传感器位置进行优化和求解。最后以智能蒙皮结构为实验对象对提出的布局方法进行了验证,证明了本方法在工程运用中的实用性。3.提出了面向智能蒙皮天线的概率迁移主成分分析-支持向量机损伤识别方法。该方法通过主成分分析和概率迁移模型计算应变数据的特征,并根据该特征对损伤状态进行判断;其次将仿真数据特征作为输入,已知损伤位置作为输出,采用支持向量机对损伤定位模型进行有监督分类训练;然后将实际测量数据的特征作为该模型输入,则输出为损伤位置。最后以微观封装系统和智能蒙皮天线罩为实验对象对提出的方法进行了验证,证明了本方法的准确性。4.提出了面向智能蒙皮天线可靠服役的数字孪生框架。该数字孪生框架主要包括应变场、位移场、温度场重构和预测,电磁性能调控和预测,结构损伤识别和预测三个方面,每个方面均由物理测量数据、仿真先验知识和可视化显示构成。该数字孪生框架能够对智能蒙皮天线温度、应变进行测量,并根据温度场、位移场的重构和预测结果对电磁性能进行主动在线调控,根据应变测量数据进行结构健康监测。最后以相控阵天线为研究对象,以数字孪生软件形式完成了应变场、位移场、温度场、电磁场和健康状态的实时监测、预测和调控。

关键词： 特发性震颤   弥散张量成像   运动症状   非运动症状   量表  

摘要： 目的:通过DTI（diffusion tensor imaging,弥散张量成像）的检查观察ET（essential tremor,特发性震颤）人群不同感兴趣区的FA、ADC值的变化,用量表评估的方式了解ET患者和对照人群的运动症状和非运动症状情况,明确不同发病年龄、病程和遗传史的ET患者的DTI值情况和相关因素,探究DTI在ET患者的临床应用价值。方法:选取2020年12月至2021年12月在内蒙古医科大学附属医院诊断ET患者81人为病例组,年龄不超过60岁,选取同期与病例组年龄、性别相匹配的健康人群80人为对照组。对病例组进行TETRAS（the essential tremor rating assessment scale,特发性震颤量表）评估后,对两组人群行Mo CA（Montreal cognitive assessment,蒙特利尔认知评估量表）、HAMD（Hamilton depression scale,汉密尔顿抑郁量表）、CHHIE-S（Chinese version hearing handicap inventory for the elderly screening,中文版听力筛查量表）评估,再行DTI检查,观察两组人群的双侧额叶皮层、顶叶皮层、丘脑、小脑、红核、黑质、纹状体的FA、ADC值的情况,并用统计学方法分析得出结果。结果:病例组Mo CA得分比对照组低,存在统计学差异（P＜0.05）;病例组HAMD、CHHIE-S得分较对照组高,存在统计学差异（P＜0.05）;病例组在顶叶、额叶、小脑、丘脑部位的FA值低于对照组上述各区域FA值,有统计学差异（P＜0.05）,两组其它区域FA值无统计学差异（P＞0.05）;病例组顶叶、额叶、小脑、丘脑的ADC值高于对照组上述各区域ADC值,差异有统计学意义（P＜0.05）,两组其它区域ADC值无统计学差异（P＞0.05）;年龄＜40岁病例组TETRAS得分低于年龄＞40岁病例组;年龄＜40岁病例组Mo CA得分高于年龄＞40岁病例组,差异有统计学意义（P＜0.05）;两组其他量表得分,无统计学差异（P＞0.05）;年龄＜50岁病例组TETRAS和CHHIE-S得分低于年龄＞50岁病例组,Mo CA得分高于年龄＞50岁病例组,上述差异有统计学差异（P＜0.05）;两组其他量表得分无统计学差异（P＞0.05）;病程＜10年病例组TETRAS得分低于病程＞10年病例组,差异有统计学意义（P＜0.05）,两组其余量表评分无统计学差异（P＞0.05）;有家族史病例组的病程、TETRAS得分、顶叶ADC值较无遗传史病例组高,差异有统计学意义（P＜0.05）;有家族病史组顶叶、额叶FA值较无遗传史病例组低,有统计学差异（P＜0.05）;此外,ET患者年龄与Mo CA得分呈负相关（r=-0.676 P﹤0.001）,与TETRAS、HAMD、CHHIE-S得分呈正相关（r=0.799 P﹤0.001;r=0.588 P﹤0.001;r=0.734 P﹤0.001）;病例组患者病程与TETRAS得分呈正相关（r=0.345 P=0.002）,与顶叶ADC值负相关（r=0.446 P﹤0.001）;ET患者TETRAS得分与CHHIE-S、HAMD得分正相关（r=0.663 P﹤0.01;r=0.549 P﹤0.001）,与Mo CA得分负相关（r=-0.589 P﹤0.001）;Mo CA得分与HAMD得分负性相关（r=-0.350 P﹤0.001）;HAMD得分与顶叶FA值负性相关（r=0.786 P﹤0.001）;其余各测量数值间,未见相关性。结论:对ET患者小脑、丘脑、额叶、顶叶等区域行DTI检查,观察到ET患者上述区域FA值、ADC值较同期对照人群有明显统计学差异,且数值变化与震颤程度具有相关性,可反映ET患者病变情况。随着患者发病年龄增大、病程时间的增加会出现明显震颤表现。发病年龄越大,遗传史越明确,患者认知功能障碍、听力障碍和抑郁症状越重。因此,我们可以将DTI的检查与量表相结合,尽早识别患者并诊断,提高其生活质量。

关键词： 张量填充   张量列   多向张量列   临近交替极小化  

摘要： 随着信息技术的迅猛发展和普及,社会信息化程度持续提高,应用数据呈爆炸式增长。由于代价昂贵或设备故障,采集到的数据集往往是不完整的,这大大降低了数据的可用性。为进一步挖掘数据背后的价值,恢复缺失数据至关重要。然而,当前的数据通常具有多维结构,传统的矩阵填充方法难以处理。近年来,低秩张量填充(LRTC)模型因其能很好保留高阶数据的复杂结构,在视觉数据恢复、流量数据恢复等领域广受青睐。本文以张量列(TT)分解为切入点,探索其在3阶张量填充问题中的应用,提出一种新颖的基于TT分解的LRTC模型。然后,本文将TT分解进行多向推广,提出基于多向张量列(MTT)分解的改进LRTC模型。本文的主要研究内容如下:(1)本文使用TT分解刻画目标张量的低秩性,当目标张量的阶为3时,它的TT分解形式为“矩阵-张量-矩阵”,这意味着3阶张量可以按片(侧向切片)更新。鉴于许多真实数据表现出时间/空间平滑性,本文使用Toeplitz(-1,1,0)作为时空约束矩阵,提出一种新颖的融合TT分解与平滑正则项的LRTC模型TTD2R,并采用一种高效的临近交替极小化(PAM)算法求解,该算法具备理论和数值上的收敛性。由于TTD2R是基于分解的模型,在每次迭代中可避免计算SVD,在大规模数据计算中还能通过并行提高计算效率。在彩色图像、灰度视频等视觉数据与网络、交通流量数据上的数值结果和可视化结果表明,TTD2R在恢复精度和视觉效果方面优于其他比较算法。(2)上面提出的TTD2R模型,在彩色图片和流量数据上,取得了良好的恢复效果。但是,该模型框架缺乏对目标张量不同模上先验信息更准确的刻画。为此,本文将TT分解进行多向推广,定义了模-k张量列分解,并运用MTT分解和3维加权差分算子,提出一种改进模型MTTD3R,该模型能够充分利用张量数据不同模的低秩和平滑先验。同样采用PAM算法求解,在彩色图像、灰度视频和高光谱图像等视觉数据上的大量实验结果表明,MTTD3R可以准确且灵活地刻画3阶张量任意模上的低秩性和平滑性,取得更好的恢复性能。

关键词： 时变张量   动态低秩逼近   多线性正交投影   顺序截断的高阶奇异值分解  

摘要： 张量的动态低秩逼近在张量逼近中扮演着非常重要的角色.近年来,关于张量的低秩逼近已有许多研究.本文主要考虑时变张量A(t)∈R秩为r=(r,r,···,r)的基于次序截断高阶奇异值分解(ST-HOSVD)的张量动态低秩逼近(t).首先,将一系列基于ST-HOSVD的张量动态低秩逼近Y(t),(k2[d])的导数正交投影到张量流形M的切空间TM上,得到了便于求解的非线性微分方程.在数值求解过程中,我们主要应用了ST-HOSVD的分解因子的增量,而不是张量k模展开矩阵的矩阵分解.其次,我们分析了这种方法的逼近特征,同时说明了该方法同样也适用于张量微分方程的解的动态低秩逼近问题.最后我们通过一些数值实验验证了该方法的可行性和有效性.

关键词： FBG   高速解调   ARM   FPGA  

摘要： 随着5G时代的到来,物联网迎来了前所未有的发展机遇,传感器作为构建万物互联的基础,其发展更是势如破竹。光纤传感因其绝缘、抗电磁干扰等优势备受青睐,其中FBG类传感器的应用最为广泛。FBG是一种对应变和温度敏感的无源器件,对FBG采用不同的封装方法,并结合波分复用和时分复用技术可以实现多种参数的感知监测。同时,FBG传感离不开用于信号采集与处理的解调设备,新一代的光纤光栅传感技术具有高速、大规模的特点,目前市面上大多数高速解调仪解调频率有限且成本较高,无法满足实际监测需求。基于以上情况,本文开展了 FBG相关传感解调技术的研究,设计实现了高速多通道光纤光栅传感解调系统,具有重要的应用前景。本文的主要研究内容如下:1.对比了国内外FBG传感解调技术的发展现状,研究了 FBG解调原理,分析了相关解调技术以及寻峰算法的优缺点,兼顾高速和高精度,选用基于透射式衍射光栅解调模块并采用改进的质心寻峰算法。从整体上设计了系统架构,本系统由下位机硬件部分和上位机软件部分组成。2.给出了光纤光栅传感解调系统的详细软硬件设计,完成了相应模块的选型以及光路的搭建;设计完成了硬件解调板卡,该板卡采用ARM+FPGA的架构,板卡上包含ADC采集电路、USB2.0数据传输电路、串口通信电路、温度补偿电路、光开关切换电路和电源电路;设计完成了底层ARM和FPGA的驱动程序;设计完成了与解调电路板卡人机交互的上位机软件,上位机界面可以实现积分时间、光开关等参数的配置以及波长、光谱等系统信息的显示,最后完成了数据库的设计,对波长数据实现持久化存储。3.对设计的光纤光栅解调系统进行性能测试,实验结果表明本课题设计的解调系统解调稳定性为±1pm,解调精度为±1pm,系统温度稳定性良好,能够实现四通道的光路解调,最大解调频率可以达到10kHz。

关键词： 磁异常探测   磁梯度张量   误差校正   探测定位  

摘要： 磁异常探测是地球物理探测的重要组成部分,相较于其他非磁探测技术,磁异常探测技术有着较强的隐蔽、识别、定位能力,且受环境限制少,目前在军事和民用等领域发挥着巨大作用。基于磁梯度张量的磁探测技术以磁梯度张量作为信息源,可以获得更丰富的信息,是目前应用最广泛的磁探测技术之一。西方科技强国早在上世纪四十年代便展开研究,目前已取得一些试验成果,而我国起步较晚大多还停留在理论层面,迫切地需要突破技术壁垒,因此开展磁梯度张量定位技术研究具有重要的意义。本文首先对磁探测定位方法和张量测量系统的国内外研究现状进行了阐述,然后分析磁异常产生的机理,对于目前磁探测领域的前沿发展方向,即磁梯度张量探测进行深入研究,介绍了磁梯度张量探测技术中磁梯度张量的基本理论。针对五种常见的张量测量系统构型,对每种构型下系统测量梯度张量的原理进行了推导。分析不同构型的优缺点,因十字形构型张量测量误差较低且结构简单,最终本课题选择使用十字形构型搭建磁梯度张量测量系统。其次,建立磁偶极子模型,结合磁梯度张量理论,详细阐述并推导了三种基于磁梯度张量信息的目标定位算法原理,分析各算法的优缺点,最后针对三种定位算法的不足,提出了一种基于磁梯度张量几何不变量的目标定位算法。仿真试验表明该方法消除了背景地磁场,降低了干扰磁场噪声的影响,不受方向角度限制,且定位精度有了较大提升。而后,进行磁梯度张量测量系统误差展开研究,分析单个传感器制造误差及测量系统非对准误差的产生机理,建立误差模型,最后提出一种基于多传感器正交系间线性关系进行误差校正的方法,仅需采集4组姿态信息即可完成校正。仿真分析中误差角度预测精度高于99.7%,实测校正后张量分量RMSE值降低到65n T/m以内,有效提高了张量测量系统的探测精度。最终,设计试验验证了磁偶极子模型的正确性,搭建磁目标定位系统进行现场定位试验。试验结果表明磁目标定位系统对小型铁磁体在6m内定位误差小于5%,在6m～8m内定位误差小于10%,具有良好的定位效果,为磁目标探测定位提供了一种可行的方案。

关键词： 张量积  

ISBN: (纸本)9787567427761

摘要： 本书内容包括: 保矩阵张量积秩的线性映射的刻画、保Hermite矩阵张量积秩1的线性单射的刻画、保矩阵张量积幂等的线性映射及应用、保持纯乘积态到纯态的跃迁概率的映射等。