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关键词： 光栅选择性结构   严格耦合分析法   辐射制冷功率   粒子群优化算法   无源天空辐射制冷系统  

摘要： 天空辐射制冷作为一种新兴节能技术,旨在利用辐射器的辐射特性在太阳能波段反射大部分太阳辐射,在8～13μm波段内的“大气窗口”将热量发射给天空,实现自身的辐射冷却,以无额外消耗任何能源和不产生污染物的优势将多余的热量传递到外太空,这使得它在缓解温室效应和城市热岛效应的方面具有巨大的应用潜力。正是这样的辐射特性,为解决能源短缺和减少碳排放等问题提供了新的方案和思路。基于此,本文提出一种光栅选择性结构,利用光栅微结构表面特性对其辐射特性的影响,凭借其所产生的电磁特性,对辐射器的波长选择性进行调控,深入探究微尺度结构下辐射特性的调控方法。根据影响光栅结构吸收特性的关键性因素,利用粒子群优化算法对光栅选择性结构进行参数优化。将优化结构应用到实际的制冷循环中研究其制冷性能,充分利用其特性解决现有问题,提高辐射器的制冷性能,为光栅选择性结构在天空辐射制冷技术中的实际应用提供一定的理论基础。本文主要研究内容如下:鉴于周期性光栅结构在不同尺度下具有不同的辐射机制,本文研究了简单光栅辐射特性随光线入射角度、光栅周期、光栅高度、光栅占空比的变化规律。研究结果表明磁极化对光线入射角度不敏感,比表面等离子激元极化更适宜作为调控辐射特性的共振机制,其主要出现在中远红外波长区域,是激发高吸收峰的主要共振机制。光栅高度对光栅吸收率的影响最大,可通过调节光栅高度的大小来调节磁极化共振峰值大小,以激发更多的高吸收率峰。此外,调节光栅区域的不同材料的占比,也可以产生最大的共振效应,获取最佳的吸收率。为了获得最佳的光谱吸收率,本文在光栅结构关键性因素下,对光栅选择性结构进行参数优化。研究表明最优光栅选择性结构在太阳直射下可以反射95.1%的吸收,大气窗口波段内的平均发射率为88.04%。白天在太阳直射下可以实现72.42 W/m的制冷功率,在夜间可以实现121.47 W/m的制冷功率,其制冷能力优于80%以上的辐射器。通过辐射特性分析结果可知,从结构上调控光谱特性可以通过增加光栅层高而获得高吸收峰,从材料上调控光谱特性可以选择不同的材料交替作为光栅层材料来获得更加高而宽的吸收率带。从理论的角度分析得出最优光栅选择性结构具有良好的制冷性能。研究光栅选择性结构在实际制冷系统的影响因素有助于提高其在实际应用中的制冷能力。本文利用最优光栅选择性结构搭建了光栅选择性无源天空辐射制冷系统,研究了南昌地区最热月室内温度、系统运行性能及系统能效的变化规律。研究表明在每日工作时间段室内平均温度比室外温度平均低10.44～18.33℃,室外风速是光栅选择性无源辐射制冷系统制冷性能的最大影响因素。当采用该系统时建议在辐射器周围加装挡风装置以增加净制冷量。此外,采用蓄冷罐给房间供冷的运行模式,即可满足制冷的需求。

关键词： 集成光学   硅基光子学   波分复用   阵列波导光栅   偏振分束器   亚波长光栅   光子晶体  

摘要： 波分复用(WDM)技术可显著提高光通信的容量和传输速率。作为重要的波分复用器件,阵列波导光栅(AWG)在光通信、数据中心等领域得到了广泛的研究和应用。为了进一步提高芯片上光互连通信容量,减小器件尺寸,本论文围绕硅基平台偏振无关以及反射型AWG器件开展研究。论文主要工作如下:分析了波分复用技术的相关背景和研究现状,对光波导的结构和理论进行了介绍。详细阐述了AWG的基本结构、工作原理、设计流程、仿真方法以及版图绘制,并引入了几个常用的性能评价参数,为之后的工作提供了优化方向和评价依据。提出了一种基于超薄氮化硅光波导的16通道、通道波长间隔为0.8nm的偏振无关AWG。通过引入亚波长光栅结构以及三波导耦合结构,设计了一种超薄氮化硅波导偏振分束器,其耦合区长度小于190μm。理论上,在1480～1600nm的宽谱范围内,TE/TM模式对应的插入损耗小于0.40d B/0.41d B,相邻通道间串扰小于-24.0d B/-15.3d B。将偏振分束器与AWG结合,实现了偏振无关的AWG。对于TE模式,AWG插入损耗在1.1～2.1d B范围内,相邻通道间串扰小于-40d B。对于TM模式,AWG插入损耗在2.2～3.1d B范围内,相邻通道间串扰小于-30d B,对应的偏振相关损耗约为1.1d B。基于SOI平台设计了一种8通道、通道波长间隔为0.4nm的反射型密集波分复用AWG。分别利用亚波长光栅、光子晶体结构设计出两种波导反射镜,将其连接在AWG阵列波导末端,构成反射型AWG。理论计算表明,中心波长处,反射型AWG的插入损耗约为1.5d B,相邻通道间串扰约为-40d B。对上述器件进行了制作与测试,亚波长光栅作为反射镜的AWG的插入损耗在7.6～9.3 d B范围内,相邻通道间串扰约为-8.9～-11.1d B。光子晶体作为反射镜的AWG的插入损耗在8.2～9.7d B范围内,相邻通道间串扰约为-6.4～-9.8d B。

关键词： T-乘积   T-DMP逆   T-CMP逆   T-EP张量   T-加权EP张量  

摘要： 本文主要研究T-乘积下的张量广义逆、张量广义Cayley-Hamilton定理以及几类特殊张量的刻画,全文共分为四个部分。第一部分,介绍广义逆理论,EP矩阵理论以及张量广义逆理论的发展,并介绍张量T-乘积的发展、应用及研究现状。随后介绍本文的主要研究内容,并给出符号说明。第二部分,介绍张量在T-乘积下的基本概念和引理,为后文张量广义逆理论以及特殊张量的研究奠定基础。第三部分,引入三阶张量在T-乘积下T-DMP逆、T-CMP逆及T-加权Moore-Penrose逆的定义,进一步给出它们的若干刻画和性质。第四部分,首先将三阶张量的Cayley-Hamilton定理推广到T-Drazin逆与T-DMP逆上,然后研究三阶T-range Hermitian（T-EP）张量的定义及等价刻画,进一步通过T-加权MoorePenrose逆引入T-加权EP张量的定义和等价刻画。

关键词： 模式转换器   SOI平台   亚波长光栅   模分复用  

摘要： 随着计算机技术和半导体技术的飞速发展,集成在单个芯片上的处理器数量激增,这导致片上网络的传输容量面临着巨大的挑战。目前基于硅光子SOI(Silicon-On-Insulator)平台的光互连技术由于其大容量、高带宽、低功耗、低通信时延和低电磁干扰等优势,正逐渐替代传统的电互连,成为芯片内主流的互连方式。片上的模分复用技术,被认为是一种很有潜力的光互连复用技术,通过控制光波导中传播的本征模,可以满足片上网络在数据通信时极大的传输容量需求。而可实现基模与高阶模式之间转换的模式转换器,作为模分复用系统中的重要一环,直接影响着模分复用系统的总传输容量。基于此,本论文共研究了五种不同功能的硅基模式转换器。为了提升器件性能,在设计时选择引入了亚波长光栅结构,通过在单个硅波导上刻蚀经过精心设计的亚波长光栅,实现了TE偏振态的模式转换。具体研究内容如下:1、论文提出了两种新型基于亚波长光栅的硅基模式转换器,实现了TE-TE和TE-TE的模式转换。通过设计的亚波长光栅刻蚀,改变波导的折射率分布,在模式耦合的作用下,使得输入的TE模式积累相位差,生成高阶模式。TE-TE(TE-TE)转换器在1.55μm波长下的转换效率可以达到92.1(95.6)%,模态串扰为-17.5(16.7)d B,插入损耗为0.65(0.5)d B,器件长度为3.3(4.32)μm,器件带宽110 nm。2、对提出的TE-TE和TE-TE的模式转换器进行拓展,又设计了TE-TE和TE-TE两种模式换器。在考虑了TE(TE)模场分布后,对TE-TE和TE-TE器件结构进行改动,在输出端口生成了TE(TE)。TE-TE(TE-TE)转换器在1.55μm的转换效率可以达到82.5(83.2)%,模态串扰为-14(11)d B,插入损耗为1.4(1.37)d B,器件长度为10.8(9.5)μm,器件带宽120 nm。3、创新性地提出了一种基于亚波长光栅的双向转换的模式转换器。利用同一个器件,可以实现TE和TE的之间相互转换,并且模式转换的效果十分接近。通过在波导上刻蚀了一个倒置的“V”形结构,使波导折射率分布沿光输入方向不再对称,通过相位匹配实现模式的相互转换。在1.55μm工作波长下,实现TE-TE(TE-TE)转换时,转换效率可以达到83.4(84.5)%,模态串扰-14.6(14.17)d B,插入损耗1.05(1)d B,器件的长度仅3.3μm,带宽可以达到150 nm。

关键词： 服务质量预测   张量   时间序列   耦合矩阵-张量分解   协同过滤  

摘要： 随着移动互联网和无线技术的快速发展,移动边缘计算中的边缘服务器提供了大量的移动服务来开发高级应用程序。服务质量(Quality of Service,QoS)是从众多候选移动服务中进行选择和推荐的重要标准。然而在真实的服务调用场景中,用户仅调用某些特定的移动服务,获取到的QoS记录是稀疏的,因此如何根据稀疏QoS数据预测缺失值成为移动服务相关操作中的关键问题。移动边缘计算环境中QoS数据的高维高稀疏性、随时间的动态易变性等特征限制了一些传统协同过滤算法的应用。因此考虑严重影响QoS数据的时间和位置因素,本文研究时序正则化张量分解方法以及基于梯度下降的耦合矩阵-张量分解方法来提高移动边缘计算环境下缺失QoS预测准确度。详细的研究工作如下:(1)针对移动边缘计算环境下QoS数据的高维高稀疏性以及随时间的动态易变性,将严重影响QoS属性值的时间因素考虑在内,提出了一种基于混合协同过滤的时序正则化张量分解方法(Temporal Regularized Tensor Factorization,TRTF)用于移动服务的QoS预测。首先基于时间感知张量构造算法构建用户-服务-时间三阶张量模型来表示已有QoS记录的整体结构。其次,考虑QoS数据的时间序列特征,在CP分解的基础上引入基于AR模型的时序正则项以挖掘相邻时间间隔中QoS值之间的潜在关系。最后,使用交替最小二乘法对近似张量进行迭代优化,得到目标张量的低秩估计来预测QoS缺失值。基于公开的大规模QoS数据集WS-Dream上的一系列实验研究结果表明,在不同的张量密度下,该算法都有更高的预测精度,能更好地处理随时间动态易变的QoS数据。(2)基于移动边缘计算环境下用户以及服务所处位置对服务质量预测精度的影响,在考虑时间上下文的基础上引入用户和服务的位置信息,提出了一种基于梯度下降的耦合矩阵-张量因子分解方法(Coupled Matrix and Tensor Factorizations,CMTF)用于移动服务的QoS预测。首先将基于时间感知张量构造算法构建的用户-服务-时间三阶张量与用户和服务位置矩阵分别在共享的用户阶和服务阶进行耦合,因此可联合构建为耦合矩阵-张量模型。然后使用梯度下降法对耦合模型进行迭代优化,获取理想的潜在因子矩阵来补全张量中的QoS缺失值。该方法同时考虑时间和位置信息并构建耦合模型来缓解QoS数据的稀疏性并提高预测准确度。基于公开WS-Dream的改进数据集上的一系列实验研究结果表明,在QoS数据极其稀疏的情况下,该算法有更高的预测精度。

关键词： 光栅   FPGA   宏微复合   实时高精度   测距系统  

摘要： 随着发达国家技术的封锁和打压,我国加快了在高速高精密先进制造装备领域实现国产化的步伐,高速下的高精度定位测量方法和算法上的突破,不仅引导未来精密设备的研发和生产,而且对我国走向自主研发道路具有深远意义。与激光干涉仪、编码盘等昂贵的精密测距仪器相比,光栅尺测量传感器在保证较高精度的同时具备了分辨率高、结构紧凑、维护简易和价格低等优势,在各个领域都具有广泛的应用前景。增量式光栅测距系统是对基于物理刻线的莫尔条纹进行计数,通过解码计数值进而获取位移值的一种精密测量仪器。为了提高光栅测距仪的测量精度,可对莫尔条纹进行不同方式的细分处理,或者在加工制造过程中减小栅纹的宽度,但是随着莫尔条纹细分的复杂化,测量过程中就极易受到信号噪声的干扰从而降低精度,而减小栅纹宽度就会使制造工艺和制造环境要求变的极其复杂和严格,难以达到产品高速测量的使用要求,因此,本文针对增量式光栅测距系统中测量精度与运动速度相互制约,相互冲突的问题,开发了基于FPGA的光栅实时高精度位移测量系统,研究内容如下:首先,利用FPGA的并行处理优势,提出通过FPGA解析光栅位移图像信息输出位移值的理念,设计一套基于FPGA的光栅实时高精度位移测量系统,以代替传统的光栅测距方式。其中,本文采用高频、高分辨率的线阵相机采集运动光栅图像,利用线阵相机高行频特性,最大化保留高速运动状态下光栅的图像质量和位移信息;同时为了提高系统测量精度,本文通过设计旋转结构,将线阵相机感光像元和光栅尺栅纹形成一个最优夹角方式提升图像采集分辨率,进而获取更加细分的光栅图像。其次,在实验平台部件选择方案上,采用高频线阵相机、转接件、物镜、线阵光源、光源控制器等硬件组成光学图像采集控制平台,采用matrox图像采集卡和FPGA数据加速板卡来对图像数据进行高速采集和处理,为了减小运动平台高速运动过程中的机械振动对后续系统测量精确度带来的误差,根据运动平台的结构和尺寸,设计相机三维调节支架。然后,在软件算法处理方案上,通过verilog HDL硬件编程语言完成位移算法加速器的设计,算法加速器主要包括光栅图像的采集、图像预处理、运动方向识别算法、自动阈值算法以及宏微复合位移算法等代码的编写,并针对图像数据量巨大存储问题提出了跨BANK的方式进行存储处理;通过C#编程语言完成人机交互界面的开发,便于实时观察和调试实验过程中系统输出的实时位移值和运动方向。最后,设置各硬件参数并搭建实验平台,在相同实验条件下使用激光干涉仪和本系统进行位移测量对比实验,通过对系统处理时间的延迟误差以及位移测量值的误差进行分析归纳。实验结果表明,系统测量的最高运动速度为0.8m/s,最高分辨率0.06μm,系统处理时间最低为148ms,位移精度为±2.5μm。本文在图像处理层面上设计的基于FPGA光栅实时高精度位移测量方法,为光栅测量系统框架设计提供了新的思路和方向。

关键词： 色温   滤光片   颜色玻璃   光学薄膜  

摘要： 随着工业技术的发展,各类光辐射测量的要求与显示器色彩矫正、工业印刷的辩色要求,需要光谱连续性好、显色指数高的光源。卤素灯作为辐射谱线为标准黑体辐射曲线的光谱连续光源,显色指数Ra高达99.1%,一直应用广泛。但是标准卤素灯光源的色温或者说光谱相对分布是固定的,实际应用往往需要改变光源的色温,来满足实际的测量要求。首先,为了得到不同光源色温的辐射谱,根据目标要求,对通过滤光器变换光源辐射谱和合成光谱之间的差异进行了研究。结合实际情况提出了基于颜色玻璃和光学镀膜相结合的方法进行光源的色温变换。根据目标色温辐射谱线,建立了颜色玻璃数据库并编写Python程序寻找合适镀膜基底。以标准2979K色温的卤素灯作为固定光源,基于色度学基础和薄膜理论,使用Essential Macleod薄膜设计软件采用三种不同设计方法将其变换成3900K、6500K色温光源和4800K标准黑体辐射色温光源。然后,在实验室基于ZSGA-A1100箱式镀膜系统,使用物理气相沉积(PVD)技术,并辅以离子辅助沉积(IAD),完成对滤光片的镀制工作。经过积分球的测试,镀膜滤光片可将2979K色温卤素灯光源变换成3910K、4853K、6486K色温光源,其中4853K色温光源与标准的黑体辐射4800K色温光源的光谱偏离度指数为7.2%,从结果上看满足设计目标。最后,分析光源入射角度对变色温滤光片的影响,为满足光源不同入射角度需求,设计了以颜色玻璃拼接代替光学镀膜的方案以降低光源入射角的影响。最终通过拼接的方法获得的滤光片可将卤素灯光源色温变为3914K、4784、6459K,经过测试,颜色玻璃拼接滤光片对光源入射角度的适应性增强。结果表明,通过颜色玻璃为基底镀制光学薄膜和颜色玻璃拼接的方法都能有效的将标准卤素灯光源的色温变换成目标值,满足不同的应用场景。通过上述方法,使得色温变化过程更为简洁,也可作为共用方法,同样适用于其他的相关色温目标的变换,解决一些市场中存在的色温滤光片的色温变换值固定和偏差较大的问题,在实际应用中具有较好的前景。