课程文献中心 更多>>

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： 弱对称非负张量   Z-谱半径   最佳秩一近似   量子纯态纠缠   几何测度  

摘要： 张量Z-特征值在数据分析、量子纠缠、信号与图像处理和磁共振成像等领域都有着广泛的应用.例如,在数据分析中最佳秩一近似率和量子纠缠中多部分纯态纠缠的几何测度都可以转化为寻找极限Z-特征值,寻找极限Z-特征值可以通过张量Z-特征值包含集得到.因此,研究张量Z-特征值包含集具有重要科学意义.本文通过分解张量的元素,提出了三个新的张量Z-特征值包含集并证明了其比现有的一些包含集更精确.其次,针对这三个Z-特征值包含集,本文给出了对弱对称非负张量Z-谱半径的估计;再次,作为弱对称非负张量Z-谱半径的应用,本文给出了弱对称非负张量的最佳秩一近似率的上下界和对具有多部分纯态量子纠缠的几何测度的估计;最后,本文用数值算例表明了本文提出所提出理论的有效性.第一章介绍了张量Z-特征值的理论背景和研究现状,并给出本文所使用的相关的预备知识,定义和引理.第二章主要考虑张量Z-特征值的包含集,给出了张量所有Z-特征值的三个新的包含集:第一个定理是根据Ostrowski提出的矩阵特征值定理推广得到的;第二个和第三个定理是根据S型划分方法得到的Z-特征值包含集.本文证明了第三个定理比第二个定理更精确,第二个比已有的定理更精确,并通过数值例子说明在某些情况下,我们的结果比已有的张量Z-特征值包含集更精确.第三章考虑的是弱对称非负张量Z-谱半径的上下界的估计.本章首先介绍了一些学者已经做出的结果,然后我们利用第二章得到的Z-特征值包含集,给出弱对称非负张量Z-谱半径的一些更紧的上界和下界,改进了已有的一些结果,并通过数值例子说明我们结果的有效性.第四章针对的是弱对称非负张量Z-谱半径的上下界在最佳秩一近似率上的应用.本章先介绍了最佳秩一近似率的定义以及其与弱对称非负张量的Z-谱半径之间的关系,然后,在第三章得到的弱对称非负张量的Z-谱半径的上下界的基础上,作为应用,给出张量的最佳秩一近似率的一些上界和下界,并通过数值例子说明我们的结果是有效的.第五章针对的是弱对称非负张量Z-谱半径的估计在多部分纯态量子纠缠的几何测度上的应用.本文根据纯态纠缠的几何测度与张量Z-特征值问题之间的关系,给出了两种不同定义的具有非负振幅弱对称纯态纠缠的几何测度的上下界,并通过数值例子说明我们的结果是有效的.

关键词： 少模光纤长周期光栅   模式转换   超宽带   双谐振耦合   熔融拉锥  

摘要： 少模光纤长周期光栅（Few mode fiber long-period grating,FMF-LPG）作为一种全光纤模式转换器件,因其制备简单、转换效率高、插入损耗低等优势,在模分复用光纤通信及传感等领域有着非常重要的应用前景。然而,由于光栅固有的强波长选择性,其带宽指标成为制约其应用的主要瓶颈之一。基于光纤色散转换点附近的双谐振耦合效应的宽带化方法为新型FMF-LPG器件的研发提供了一种优选方案。因此,分析基于双谐振耦合效应的FMF-LPG的模式耦合机理,提升其可控性和灵活性,深入探究其新型应用方式对光纤通信和光纤传感来说有重要的科研意义。本论文以FMF-LPG的双谐振耦合特性为核心,详细探讨了FMF-LPG在色散转换点迁移以及级联的情况下光谱的变化,并研究了基于FM-LPFG的干涉仪及其温度传感特性,提出并实现了基于FMF-LPG的超宽带模式转换器和高灵敏度温度传感器,实验结果对于光纤光栅在光纤通信、光纤传感等方面的应用有重要意义。本论文主要的研究内容与创新性成果如下:一、将熔融拉锥技术和长周期光纤光栅的双谐振耦合效应相结合,在二模光纤中成功实现了波长可调谐、超宽带、双锥长周期光纤光栅模式转换器,从而使双谐振耦合效应摆脱了光纤固有色散转换点的制约,大大扩展了其应用场景。理论模拟表明,模式转换带宽可以覆盖1270 nm～1565 nm。实验上分别演示了15d B（相当于96.8%的转换效率）带宽分别为148.8 nm（1229.0～1377.8 nm）、168.5nm（1319.7～1488.2 nm）和180.0 nm（1383.7～1563.7 nm）的双谐振耦合FMF-LPG,实现了从LP01到LP11的可控波段的超宽带模式转换。二、提出并实现了基于单色散转换点和双色散转换点的级联长周期光纤光栅超宽带模式转换器。我们首先将同一色散转换点附近的不同周期的光纤光栅级联,实现了包括四个谐振峰的超宽带光纤光栅;进而,我们又通过熔融拉锥将光纤的色散转换点平移,与原有色散转换点相结合,实现了基于双色散转换点的超宽带级联长周期光纤光栅。理论和实验上深入研究并分析了基于单色散转换点和双色散转换点的超宽带级联长周期光纤光栅的光谱演化规律。实验上成功实现了10 d B工作带宽达457.2 nm（1208.8～1666.0 nm）的超宽带模式转换器。三、研究了基于双谐振耦合效应的少模光纤长周期光栅模间干涉仪及其温度传感特性。实验上利用3 d B宽带FMF-LPG模式转换器辅以错位熔接单模光纤的方法实现了结构简单、高干涉对比度的模间干涉仪。利用光纤的色散转换点附近的双谐振耦合效应,在色散转换点附近构造出四组锐利的干涉峰,这些干涉峰进行温度感测时,会向不同的方向漂移,这不仅将干涉仪的温度灵敏度提升了两倍,而且使得干涉仪本身不依赖于绝对的标度,进而可以用干涉峰之间的相对位移来测量温度变化。实验结果表明此温度传感器具有较高的温度灵敏度和良好的回复特性。

关键词： V2X通信   毫米波大规模MIMO   稀疏恢复   张量分解   信道估计   混合预编码  

摘要： 毫米波大规模MIMO通信系统通过波束形成,可以在某个特定方向上形成高路径增益的波束,以减弱多径衰落对信号的影响。在高速环境下由于多普勒频移的存在,车辆用户的信道更加复杂。特别是在毫米波大规模MIMO车联网系统中,信道衰落表现的更加明显。张量由于其降低多维数组复杂性的能力,可以在对高维数据处理时实现更低的计算复杂度。本文针对毫米波大规模MIMO车联网系统高速环境下提高系统稳定性问题,利用张量对车联网信道估计和混合预编码进行了研究。首先,为了解决高速环境下车联网信道的快速衰落,无法准确获得V2X通信的信道估计,导致系统数据传输效率降低的问题,提出了一种基于贝叶斯张量的毫米波大规模MIMO车联网信道估计方案。首先建立了毫米波车联网时变信道模型,设计超分辨率网格来准确估计信号到达角和离开角。通过对车辆用户接收信号进行低秩张量分解,从而准确得到毫米波信道增益矩阵和多普勒频移。为了解决用户高速移动性导致到达角的非实时问题,利用到达角通感一体化获得准确的实时性信道角域信息。仿真结果表明相比于其他算法,所提算法在高速环境下依然具有更高的准确性。其次,由于毫米波大规模MIMO车联网信道的快速衰落,导致无法获得准确的波束赋形,从而降低了系统频谱效率。本文针对车辆通过路口导致波束频繁切换问题,设计了一种多车辆大规模MIMO混合预编码方案。以最大化用户的SNR为目的,设计了多车联合优化模拟波束对准算法用于训练最佳的模拟发射矩阵和组合矩阵。为了减少用户间波束赋形干扰,扩展时间维度构建用户的等效基带张量信道,以最优化用户信漏噪比获得数字预编码矩阵。通过使接收信号均方误差最小得到数字组合矩阵。仿真结果表明所提算法在系统频谱效率方面优于其他方案。最后,通过构建真实道路场景和毫米波大规模MIMO车联网通信系统对上述算法进行实验验证。针对常见的两种车联网通信场景,验证上述信道估计和混合预编码方案的实用性。实验结果表明,所提出的信道估计和混合预编码方案对高速环境具有鲁棒性,在误码率和吞吐量等性能上表现优异。

关键词： 表面等离子共振   生物传感器   光学薄膜   二维材料   传感特性  

摘要： 表面等离子体共振(SPR)技术已经广泛应用于生物传感的研究,由于其对生物分子水平检测具有无损、实时监测和记录、快速及高灵敏度的特点,因而在食品安全,医疗诊断,生物识别等方面发挥重要作用。通常由Kretschmann结构所激发的表面等离子体波(SPW)对传感介质的十分敏感,当SPW与传感介质折射率微小变化相互作用时,共振曲线会发生显著的变化,因而可以实现对传感介质的检测。然而传统的SPR生物传感器通常在灵敏度(S)和检测精度(DA)上存在不足,因此有必要研究如何提升表面等离子体共振生物传感器的性能。近年来,二维材料和光学薄膜为SPR传感器的开发提供了全新的可能。大量的理论和试验研究表明,二维材料和光学薄膜的加入可以显著提高SPR生物传感器的性能。因此,本文主要研究二维材料和新型光学薄膜在增强SPR生物传感器性能方面的作用并做了以下几个方面的研究工作:(1)设计了一种基于金属-BiFeO-石墨烯结构的SPR生物传感器。其中,BiFeO(BFO)光学薄膜的高折射率和低损耗的特性不仅能增强灵敏度还可以保证较高的检测精度,而石墨烯的加入有助于吸附和识别生物分子。首先我们分析了金属层厚度对SPR效应的影响并以此来选择最佳的金属层厚度。随后对不同结构的SPR生物传感器的性能进行比较,结果发现金属-BiFeO-石墨烯结构的SPR生物传感器性能比其他结构更优异。接着分析了BFO厚度和石墨烯层数对SPR传感器性能的影响。结果表明了BFO厚度的增加能在保证检测精度的条件下显著增强SPR生物传感器的灵敏度。最后,研究了传感介质折射率对SPR生物传感器的影响,结果显示本文所设计的SPR生物传感器能在较大的检测范围内工作。(2)设计了一种新的具有低折射率二氧化硅薄膜的长程表面等离子体共振(LRSPR)传感器。在铝层的表面加入一定厚度的Si O作为介质缓冲层,来激发LRSPW。首先比较了传统的SPR传感器和所提出的长程SPR传感器的灵敏度和检测精度。结果发现,所提出的长程SPR传感器的灵敏度和检测精度相比于传统的SPR传感器都有极大的提升。随后我们对所加入的铝膜和Si O层的厚度同时进行了优化,在此基础上确定最佳的Si O层的厚度。最后我们讨论了TMDs层数对于传感性能的影响,发现单层WS修饰的LRSPR传感器灵敏度比具有单层Mo S的传统SPR传感器提高了35.74倍。此外,就半高全宽(FWHM)和品质因子(FOM)参数而言,基于单层TMDs的LRSPR传感器的性能优于基于多层TMDs的LRSPR传感器。

关键词： 倾斜光纤光栅   VT-DBR激光器   折射率   解调  

摘要： 近几十年来,电子传感器在工业和科研测量领域发挥着重要作用。但电子传感器在特定的应用场合存在着一定的局限,例如传感器易受到电磁干扰、电信号传输损耗大限制使用距离等。而光纤传感器用光代替电流、用光纤代替铜线,在抗电磁干扰等方面有较大的优势。与电子传感器相比,光纤传感器在实施方式和信号处理等方面有着多种不同的优点。近年来,光纤传感器和很多相关光学测量仪器已经从实验室的研究阶段发展到了现场工程的应用阶段。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）传感器是光纤传感器中应用最广泛的器件之一,其反射光的波长易受环境温度或应变等参量的影响,从而实现相应参量的传感。倾斜光纤布拉格光栅（Tilted Fiber Bragg Grating,TFBG）作为一种具有特殊结构的光纤光栅,能够实现包层模式和纤芯模式的耦合,对外界环境折射率参量的敏感性比FBG更强,为生化参量传感方面开辟了新的道路。本文介绍了TFBG的原理、发展背景、应用现状、制备方法及多种传统解调方法的对比,提出了将波长扫描激光光源与同步光电探测器相结合的解调方法。本文根据当前TFBG在测量领域的使用需求及信号解调方式的局限性,开发了一套基于游标调谐分布式布拉格反射激光器（Vernier Tuned-Distributed Bragged Reflector,VT-DBR）的TFBG解调系统,并重点介绍了此新型解调系统的搭建,分别介绍了VT-DBR激光器的原理、相关配置电路的设计、上位机通信方式和系统的优势等,并做了TFBG在折射率测量方面的应用,实验结果验证了波长扫描激光在TFBG测量解调应用领域的可行性。本系统通过高度集成模块化电路,具有低成本、可靠性强、适合工程现场应用测量等优势,使用独立设计的对数放大器制作光电探测器提高了系统的输入动态范围,目前系统对溶液折射率测量的精度约为0.0003RIU。系统选用的VT-DBR激光器具有宽调谐范围（40nm）、微小调谐间隔（8pm）、40d B以上的边模抑制比等优点。本文先用波长解调方法、强度解调方法分别研究TFBG透射光谱中谐振点的强度值和波长值与环境折射率的变化关系,得出在一定范围内,包层模的谐振波长的漂移量与环境折射率存在线性增加关系,不同模式的包层模对环境折射率的灵敏度和动态范围不同。本实验中波长解调方法的最大灵敏度约为37.4nm/RIU。随着环境折射率逐渐增加,高阶包层模比低阶包层模先截止,因此高阶包层模对环境折射率的响应动态范围比低阶包层模小。强度解调方法得出在一定折射率范围内某阶包层模谐振点的强度变化与环境折射率具有线性增加关系,但随着折射率增加,单一包层模式会趋向截止,所以曲线的灵敏度会逐渐增加。最后提出并使用固定工作点的方法研究光谱中某最大斜率波长点的强度值与折射率的变化关系,得出当某一低阶包层模的谐振点强度或波长不能够分辨出环境折射率的变化时,固定工作点方法仍然可以响应环境折射率的变化,且线性度较高,本实验中固定工作点方法最大灵敏度约为1671d Bm/RIU。

关键词： 杂化量子系统   Bell态   受控相位门   电光效应  

摘要： 以量子状态的叠加性和纠缠性为基础,具有指数型增长的巨大计算空间和更高效计算能力的量子计算在处理特定问题上的速度远远超过经典计算。目前已有多种用于研究实现量子计算的量子系统,且结合不同系统的优势构成的杂化量子系统也备受关注。近年来,基于超导量子电路的局域量子计算研究取得了很大进展,但用光子将量子芯片连接在一起的量子网络和非局域量子计算(分布式量子计算)的研究还处于初期阶段。因此,基于超导量子电路和光子系统的量子纠缠操作成为了热门研究方向之一。为了获得基于超导量子电路和光子系统的高保真且快速的量子纠缠操作,本文旨在寻找合适的光学系统与超导量子电路耦合的杂化量子系统,并在其中利用合适的快速量子操作构建基于光学系统与超导量子比特的量子纠缠以及多量子比特普适量子逻辑门操作。 本课题的具体研究内容是在由光学腔、超导谐振器和超导transmon量子比特组成的杂化量子系统中,利用多步量子共振操作的方法给出构建基于光学腔和transmon量子比特的Bell态纠缠和受控相位门的操作方案,并在考虑到实验已实现的参数的情况下对系统的动力学演化进行数值模拟以验证方案的实验可行性。结果表明多步量子共振操作使方案能够在短时间内达到超过容错量子计算阈值的保真度。

关键词： 磁定位   磁梯度张量   交变磁信号源   锁相放大   扩展卡尔曼滤波  

摘要： 随着磁传感器测量精度和信号处理技术的不断提高,磁定位技术得到了快速的发展。梯度张量法作为磁定位技术中应用最多的方法之一,具有其独特的优势。磁梯度张量定位法测量方式简单,获得的磁场信息量大,且梯度张量定位系统的稳定性强,在测量过程中能够表现出较好的抗干扰性,可广泛应用于军事和医疗等相关领域。针对传统基于静态磁性目标的定位系统中定位结果容易受到环境噪声和地磁场等干扰因素的影响及单点定位算法精度不足的问题,本文对基于交变磁源的定位方法展开了研究。分析了交变磁信号的解调原理,在此基础上,研究了圆形平面螺旋线圈作为交变磁信号源时定位系统的抗干扰效果。为了提高定位算法的精度,研究了基于扩展卡尔曼滤波的磁梯度张量定位算法,通过仿真对比该算法与传统单点定位算法的定位效果,验证了本文中算法的可行性。最后基于交变磁信号源进行了定位实验,定位结果与真实轨迹比较吻合,验证了本文工作的有效性。论文的主要研究内容为:(1)为降低地磁场和测量环境中的其他干扰磁场对磁性目标源定位结果产生的影响,本文研究了交变磁信号源定位方法。以通电圆形平面螺旋线圈为磁信号源,信号发生电路为驱动装置,使线圈产生较强且稳定的交变磁场。在接收端的传感器测量阵列测得交变磁场信号之后,经过锁相放大处理后得到直流信号,然后采用定位算法求解磁信号源的位置信息。(2)针对发射线圈的结构设计问题,对比了方形平面螺旋线圈和圆形平面螺旋线圈在空间中的磁场分布情况。在相同仿真条件下,根据二者的磁场分布结果可以看出,无论是产生的感应磁场的大小还是磁场分布的均匀度,圆形平面螺旋线圈相比于方形平面螺旋线圈都具有明显的优势。(3)为提高定位算法的精度,研究了基于扩展Kalman滤波的磁梯度张量定位算法。以扩展Kalman滤波算法和单点定位算法为基础,结合磁梯度张量定位模型,对磁性目标的位置信息进行求解,通过多组路径定位仿真对算法的有效性进行验证。在仿真结果有效的基础上进行了实际测试,结果表明,基于扩展Kalman滤波的磁梯度张量定位算法具有较高的定位精度,与传统单点定位算法相比能够得到更接近真实值的定位结果。

关键词： 特征选择   特征提取   张量计算   最优化理论   算法设计  

摘要： 无监督特征选择与提取是现代数据分析不可或缺的一部分。尽管经过二十余年的发展,这些技术已经较为成熟,但它们仍在一些方面存有改进空间。例如,几乎所有现有的无监督特征选择方法都是基于矩阵优化的,而这样的框架损失了张量型数据内在的结构信息;许多现有的基于张量优化的无监督特征提取方法都没有内置的抗噪声机制,而这将导致它们在面对不确定数据时的性能退化。为了突破上述限制,本文提出了新颖且有效的基于张量优化的无监督特征选择与鲁棒特征提取方法。具体贡献如下:1.对于无监督特征选择任务,本文首先提出了基于非负张量CANDECOMP/PARAFAC(CP)分解的无监督特征选择方法(Nonnegative Tensor CP Decom-position-Based Unsupervised Feature Selection,CPUFS)。CPUFS 方法开创性地采用了张量CP分解来生成数据伪标签,并设计了崭新的面向张量的线性分类器、特征选择矩阵以及基于l2,1范数和Khatri-Rao积的特征选择机制来进行特征选择,从而能够在整个无监督特征选择的过程中都全然保留张量的结构信息。在CPUFS方法的基础上,本文还提出了一个对其线性分类器施加非负约束的变体,将其推广到了更高阶形式。2.对于无监督特征提取任务,本文分别提出了基于l1范数和l∞范数的鲁棒张量Tucker分解的两种方法(l1方法和l∞方法)。l1方法将所有数据样本的Tucker分解拟合误差之和作为其目标函数,从而在一定程度上抑制了数据中的噪声及离群点所带来的负面影响。l∞方法将所有数据样本的最大Tucker分解拟合误差作为其目标函数,从而更进一步地提升了在噪声环境下的特征提取的鲁棒性。对于这些提出的方法,本文分别研发了高效的优化算法,并从理论上进行了收敛性与计算复杂度分析。在大量真实世界基准数据集上进行了广泛且丰富的实验,实验结果表明所提出方法比前沿方法更具优越性和有效性。

关键词： 效度验证   评分量表   多面Rasch分析   翻译测试  

摘要： 目前很少研究专注于高校内部的翻译院系的汉译英期末考试的评分问题。大部分汉译英期末考试的试卷由任课老师凭印象和直觉评分。本文采用语言测试的理论和方法,力图针对校内汉译英期末考试,设计一则评分量表并验证其效度。翻译测试的关键一环是评分量表。评分量表包括分项或维度、描述语以及等次等要素。评分量表要反映所测量的翻译能力,同时,评分人需要识别与量表一致的文本特征,量表的分数段及功能要符合预期。根据这些要求,本文要回答以下三个研究问题:(1)在文献法的基础上是否可以证明期末考试汉译英量表的合理性?(2)评分人在评分过程中能否关注到与量表所吻合的文本特征?(3)量表功效是否符合预期?上述三个研究问题具有内部的逻辑体系。量表的设计方法是改编及文本分析,为此需要从文献出发论证量表的理论基础,并通过与其它有影响的测试量表的对比捍卫本文所设计量表的描述语的合理性。为此,主要通过文献法完成。这是问题1所关注的。设计好量表之后,必须关注评分过程,即评分人实际评分中所关注的文本特征是否与量表描述语一致,这是问题2所关注的,为此主要通过有声思维实验完成。评分结果是评分过程的反映,因此,要基于事后验证的角度验证,为此,主要通过多面Rasch分析完成。这是问题3所关注的。研究结果如下:(1)所设计的量表能够具备理论模型的支撑,体现为根据PACTE所建构的专门解释该量表的能力模型,量表描述语能获得其它量表的支撑。(2)有声思维实验发现,评分人所关注到译文特征符合量表描述语,进一步说明量表描述语的合理性。(3)多面Rasch分析显示,量表能把考生能力分布于一个连续体中,量表维度具备独立性、评分人严厉度都在合理范围内。以上初步构成一个推理链条:因为量表描述语能够反映翻译能力模型,而且评分人评分的时候关注了与描述语一致的文本特征,而且量表本身的功效(即维度设置和分数段设置等)也具备合理性,据此,我们可以从评分结果推断考生的翻译能力,因此,量表效度得以验证。同时,本文还指出了量表值得改进的地方,为日后量表完善奠定基础。