课程文献中心 更多>>

关键词： 信道估计   3D毫米波信道   多用户时变信道   张量分解   本质唯一性  

摘要： 在万物互联时代,无线通信业务的需求呈指数增长,无线通信技术需要进一步向高速率、大连接、低时延和低成本等方向发展以应对多样化的通信场景。毫米波大规模MIMO技术因其可使用的频谱资源丰富,并且能获得可观的天线增益和更高的吞吐量,被视为未来无线通信最有潜力的技术之一。通信系统的发展与变革是机遇与挑战并存的过程,技术提升带来的信道特性的变化、复杂度的提升和系统架构的升级都给信道状态信息的获取带来了更大的挑战。本文以毫米波大规模MIMO系统的信道参数估计问题为核心,通过大量的文献整理总结相关技术的发展现状,并重点探讨了毫米波信道的传播特性与模型。然后围绕信道估计算法的有效性、准确性和低开销三大要求,结合张量理论研究了毫米波应用场景中3D信道和多用户时变信道的参数估计问题。首先,本文通过整理经典文献介绍毫米波大规模MIMO系统的发展,对其中几个主要研究方向的研究进展进行介绍,并讨论了在毫米波大规模MIMO技术背景下信道估计遇到了哪些新的挑战。进一步,本文详尽的介绍了信道估计算法的研究现状,同时简要阐述了它们的研究思路和特点,并分析其存在的毫米波信道稀疏性挖掘不彻底、系统中信号的特殊结构被忽略、算法的稳定性不足和导频开销过高等问题。然后,结合毫米波传播特性引入几何参数模型,并分析不同条件下的表现形式,同时对本文使用的张量理论相关数学概念进行阐述。其次,本文从数字架构下的3D毫米波系统入手,提出了基于多维范德蒙德结构约束的3D毫米波上行信道估计算法。在该方法中,我们充分挖掘了毫米波信道稀疏性和均匀阵列响应信息,以空时对角码为导频,在基站端把接收信号建模为符合平行因子分解（CANDECOMP/PARAFAC Decomposition,CPD）的低秩张量并将阵列的空间响应关联为因子矩阵的范德蒙德结构,以此结构推导稳定的张量分解算法并从解得的因子矩阵中求解信道参数。理论分析和数值仿真表明,所提方法与压缩感知相关的传统算法和改进后的2D-ESPRIT算法相比实现了更低的复杂度,并且在算法稳定性和准确性方面都有一定的提升。最后,针对现实中无人机群和车联网等高速移动场景,研究了混合波束赋形架构下的多用户上行时变毫米波信道估计问题。为了更好的分离信道在时间维度上的动态变化,设计了在时间维度进行扩展的新型导频传输结构。基于这种结构,将接收端的导频信号组合为三阶低秩张量,从而实现导频同步下多移动端信道的联合估计。为了进一步降低导频开销,分析了在本质唯一性条件得到满足的前提下导频分配和信道传播路径数的关系,并在数值仿真中验证了时隙导频数和系统性能的关系,从而得出在本文环境配置下兼顾性能与开销的导频分配方案。数值仿真结果表明,和基于压缩感知及其改进的自适应算法等方案相比较,本文设计的方案可以在提升性能的同时降低导频开销。

关键词： 重构-等效啁啾   采样莫尔光栅   电吸收调制器   光子集成  

摘要： 双波长半导体激光器在太赫兹/毫米波通信、双频激光器雷达、微波光子学等领域具有十分广泛的应用前景。传统的双波长半导体激光器都是基于分立器件实现的,体积庞大,系统复杂,稳定性差,很难实用化。如何实现单片集成的双波长半导体激光器具有十分重要的研究价值。集成化双波长半导体激光器的实现方式有多段式分布反馈(Distributed Feed Back,DFB)激光器、Y-波导型双波长激光器、侧面光栅双波长激光器等,但是单片集成的双波长激光器结构复杂,制作工艺难度大,制作成本高。降低单片集成双波长半导体激光器芯片的制作难度和制造成本,提高双波长半导体激光器的工作性能是研究的关键。本论文采用重构-等效啁啾技术(Reconstruction-equivalent-chirp,REC)的思想,设计并且制作了一种基于采样莫尔光栅的双波长半导体激光器。利用REC技术可以利用微米级的加工工艺等效实现纳米级的加工精度,并且REC技术与普通的DFB激光器制作工艺平台兼容,因此制作成本更低。在此基础上,研制了集成电吸收调制器的采样莫尔光栅双波长激光器芯片,实现了激光器双模之间功率的调节,提高了双波长激光器芯片的稳定性。本文的主要研究内容如下:(1)将重构-等效啁啾技术应用于采样莫尔光栅的设计中,确定了采样莫尔光栅的长度和初相位,在谐振腔中产生两个π相移点,从而使±1级信道内产生了双波长激射。采样莫尔光栅具备的余弦切趾效应能够降低谐振腔中的F-P效应,提高边模抑制比。通过仿真分析了不同光栅长度、不同折射率调制深度、脊波导处于光栅交界不同位置下对双模激射的影响,计算了脊波导截面的模式场分布。设计、制作完成了基于REC技术的莫尔光栅双波长半导体激光器芯片,并进行性能测试。实验结果表明激光器芯片在290 m A电流下内呈良好的双波长激射,且双波长间隔随注入电流的增大而减小。在19℃-34℃的温度变化范围内,激光器的波长差、边模抑制比、主模功率差较为稳定。(2)研制了集成电吸收调制器(EAM)的采样莫尔光栅双波长激光器。由于电吸收调制器对激光腔内的增益分布产生影响,使两个模式在某一个EAM电压下达到较好且稳定的相位关系,由此产生四波混频(FWM)现象。利用四波混频(FWM)的特性,调节纵模的相位差,进行光信号相位的锁定,增强EAM中两个纵模之间的耦合,提高拍频性能。完成了单片集成采样莫尔光栅双波长半导体激光器与电吸收调制器的流片工作,并进行性能测试。实验结果表明通过给EAM注入反向偏置电压,实现激光器双模之间功率差的调节,在230 m A-320 m A的电流范围内达到良好的双波长激射特性,提高了双波长激光器芯片的稳定性。在19℃-34℃的温度变化范围内,激光器的波长差、边模抑制比、主模功率差均无明显变化,状态稳定。

关键词： 张量   张量分解   并行计算   因子矩阵   核心张量  

摘要： 大数据时代数据具有4Vs特征,张量作为能对数据有效表示的工具走进人们的视野,它可以充分表示数据间的关联关系,有效挖掘数据隐含的深层次信息。当前对张量数据进行分析的主要手段是张量分解,张量Tucker分解方法作为一种通用的分解方法在多个领域得到了广泛应用,因此本文针对张量Tucker分解进行研究。由于数据通常是流式产生且在多个维度增长,因此本文针对多模增长的增量式张量Tucker分解方法进行研究,当前针对该方法的研究主要集中在单机领域上,对并行的计算方法的研究还很少,因此本文针对并行的多模增长的增量式张量Tucker分解方法进行研究。本文主要工作及成果如下:(1)提出并行的基于动态规划的子张量划分算法。当前已有的划分算法在统计非零元素数量时是串行执行的,实验结果表明大规模数据集下该步骤占到划分算法执行总时间的95%以上,且算法的划分结果不够均匀,极易出现严重的计算资源倾斜问题。为此,本文提出并行的基于动态规划的子张量划分算法,该算法将统计非零元素过程改为并行执行,同时引入动态规划的思想对子张量进行划分,可以极大提高执行效率,实现更均匀任务划分。实验结果表明,在千万级数据规模并行度为4的情况下,相比于已有算法,该算法的执行效率提升接近400%,划分结果均匀性提升20%以上,证明了算法的有效性。(2)提出两层并行的因子矩阵核心张量更新方法。对因子矩阵和核心张量进行更新时,已有的更新方法主要存在并行程度不高的问题,因此本文提出两层并行的更新方法。对因子矩阵进行更新时,该方法首先基于张量划分算法将子张量划分到不同任务节点,然后基于并行的MTTKP计算策略实现第一层并行更新,进一步根据同一分类下子张量更新不同因子矩阵的无关性实现第二层并行更新。在对核心张量进行更新时同样首先基于并行的MTTKP计算策略实现第一层并行,然后基于累加结果的无关性实现第二层并行更新。实验结果表明,在三阶张量情况下,相比于单层更新算法,该算法的执行效率提升接近300%,证明了算法的有效性。(3)设计并实现基于张量的高效并行计算系统。本文根据实际场景需要设计并实现基于张量的高效并行计算系统,该系统包括用户管理模块、张量表示模块、张量分解模块以及数据存储模块,同时给出了以上模块的详细设计与实现。进一步,为了验证系统可靠性,本文对系统进行了详细的功能测试,同时还使用加州PeMS交通真实数据集对分解算法进行了测试,实验结果证明系统可以稳定有效运行。

关键词： 光纤布拉格光栅   触觉传感器   融合递归图算法   卷积神经网络   互易点学习   开集识别   应力应变仿真  

摘要： 触觉传感器是智能机器人对外界环境进行感知的重要桥梁,也是智能感知与人机交互的核心部件。光纤触觉传感器凭借其不易受电磁干扰、体型轻便和灵敏度高等优点,逐渐成为触觉传感器研究的主流。本文以光纤布拉格光栅(FBG)为传感元件,设计并搭建了基于多路信号特征融合与卷积神经网络识别的触觉传感系统。全文实现了从触觉传感器硬件系统、信号采集处理,及触觉信号分类识别算法的多方面改良,主要工作有:(1)研究FBG传感特性,设计并搭建了三通道FBG干涉传感光路,实现了三路FBG触觉信息的清晰采集。三维建模仿生三指柔性机械爪,通过有限元分析法对其进行应力应变仿真得出应力形变曲线,在最佳应变点处封装传感FBG。(2)将采集到的6类果蔬触觉信号进行处理并制成数据集,利用权重卷积神经网络进行初步分类,并针对多维时间序列分类时的特征提取与融合问题,提出改进的融合递归图(RP)编码算法将信号编码为图像,以更深层地提取信号动态波动信息,保留阈值梯度等特征,并将三通道信号特征融合于一张图像。使用VGG网络对融合RP数据集进行分类,测试准确率达到99.79%,算法耗时总计不超过0.3s,达到了实时化准确分类的标准。(3)针对实际开放环境中,触觉传感系统面对未知类物体导致识别准确度大幅下降的问题,提出了基于互易点学习的开集识别方法。将六类触觉传感信号多次抽取一至三类作为未知信号,其余作为已知信号使用训练好的网络模型进行识别,平均准确率可达91.78%,平均AUROC在0.9以上。设计类增实验,添加噪声信号为第七类样本,各实验指标受影响均不超过3%,验证了拟议方法可降低经验分类与开放空间风险,并具有良好的鲁棒性。

关键词： 二维激光告警   光斑中心定位   大视场   曲线拟合   非均匀性校正  

摘要： 激光技术在现代社会飞速发展,种类繁多的激光武器也不断被应用在现代化战场上,为了应对激光武器带来的巨大威胁,世界各国正在积极研究激光对抗设备,激光告警技术及设备的相关研究也随即展开。激光告警设备是一种能够对来袭激光进行探测,获得来袭激光的波长及二维方向等信息,并向我方人员发出警告信号的新一代光电探测设备。大视场、高精度、宽谱段的激光告警系统是目前激光探测设备的重要研究方向。首先,对光栅衍射型宽波段大视场二维激光告警系统基本原理进行分析研究,获得来袭激光方位角、俯仰角及波长计算公式;根据技术指标对激光告警系统中的光栅及大视场镜头进行设计并仿真。其次,研究二维激光告警系统成像特点及系统噪声来源,设计盲元补偿和图像非均匀性校正算法,提高图像信噪比;针对衍射光斑中心定位问题,提出改进灰度重心算法,根据设定阈值对图像二值化处理,并进行连通区域标记,将面积小于设定值的连通区域剔除,对剩余连通区域求取光斑中心;为消除大视场、宽波段、消色差镜头的畸变影响,提出拟合修正畸变算法,对光斑中心x方向、y方向所在像素位置进行拟合,获得来袭激光方位角、俯仰角计算公式,对1级和0级间距离均值进行拟合,获得波长计算公式。最后,实验验证图像处理算法,采用不同波长的激光器从不同角度进行入射,将光斑中心计算结果与标定值统计对比,结果表明,该激光告警图像处理算法可探测波长范围为450nm～1600nm,波长误差优于10nm,可实现方位视场角100°,俯仰视场角80°,且角度误差优于1°。

关键词： 单管半导体激光器   光谱合束   光束质量   光谱线宽  

摘要： 半导体激光器具有电光效率高、体积小、重量轻、易于集成等优点,因此被广泛应用于诸多领域,但是半导体激光器光束质量差的问题制约了其发展,针对这些问题,激光合束技术会是一个很好的解决方法。单管半导体激光器具有受热效应影响小、不存在“smile效应”的特点,同时具有单个器件输出功率有限的缺陷。本文基于单管半导体激光器的光谱合束技术,以获得光束质量与单个发光单元相同,输出功率为所有发光单元功率之和的激光输出模块为研究目的展开研究。主要工作如下:1.基于双光栅光谱合束理论,研究了参与合束的单管的数量、间距和聚焦透镜焦距对谱宽、波长间隔的影响,以及光束入射角对光栅衍射效率的影响。建立光谱合束单元的合束效率模型,分析了合束效率的影响因素。2.基于ZEMAX软件建立了多单管的双光栅光谱合束模型。设计了基于快轴准直镜(FAC)、慢轴准直镜(SAC)以及传输透镜的光束准直整形系统,并建立等效反馈光路,分析了聚焦透镜焦距对光谱合束效率的影响;基于光谱合束系统效率模型,讨论了光栅衍射效率和外腔镜反射率对合束效率的影响。3.提出了一种基于平行双光栅结构的光谱合束系统。通过后置一个与一次光栅完全平行的二次光栅让合束光束两次经过光栅进行衍射,通过光学模拟,可实现合束光谱间隔的压缩。4.搭建了单管半导体双光栅光谱合束实验平台,利用阶梯式空间合束将单管激光在快轴方向上进行合成,在输入电流12A的情况下,空间合束后功率48.24W,利用400nm转换透镜进行双光栅光谱合束实验,得到激光输出32W,合束效率66%,各个子光束波长间隔0.8nm,总体谱宽6.4nm,整体光束质量为4.48mm·mrad的激光输出,光束质量接近单个发光单元的光束质量,验证了平行双光栅合束结构能够有效压缩光谱间隔,可在相同的增益谱线范围内成倍增加发光单元的数量,进而提高激光模块的亮度和功率密度。5.采用三倍缩束系统将发光单元间距从3mm降低至1mm,从而将输出光谱的整体线宽从6.4nm压缩至2.2nm。实验获得28W的激光输出,合束效率55%,整体光束质量4.50mm·mrad,通过三倍缩束系统的方式压缩了波长间隔,降低了整体谱宽,提高了激光亮度。6.采用望远系统和孔径光阑抑制串扰现象,通过调整外腔反馈镜和望远系统的距离实现了阻止发散光进入光学系统而发生的串扰问题。

关键词： 光纤传感技术   切趾光纤光栅   飞秒激光   高温传感  

摘要： 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)高温传感器在金属冶炼、铁路运输、航空航天领域具有重要的研究意义和应用价值。随着航空航天领域技术的发展,航空发动机需要在更加恶劣的极端环境中如超高温、超高压、高转速中运行工作,基于飞秒激光制备的Type II型FBG,以其耐受高温、抗电磁干扰、可大规模集成等特点,在航空航天领域中是一种优秀的温度传感器。切趾光纤光栅可以显著抑制光纤光栅反射谱中的旁瓣,利于波分复用光栅阵列的大规模集成。本文基于飞秒激光直写法制备光纤光栅阵列,提出了一种基于飞秒激光逐线法制备切趾光纤光栅的方法,并开发了一套光纤光栅信号解调系统,研究了光纤光栅的高温响应特性。具体研究内容如下:1.基于飞秒激光直写系统,制备了逐点/逐线扫描的光纤光栅,提出了一种采用飞秒激光逐线法写制切趾光纤光栅的新途径,包括两种方法,一是沿着光纤轴向改变激光刻线长度,二是刻线长度不变,改变其横向位置。基于光纤的耦合模理论和传输矩阵法,利用MATLAB对FBG的光谱进行仿真,研究光栅长度和折射率调制深度对均匀FBG光谱的影响,研究不同切趾函数和折射率调制深度对切趾FBG反射谱边模抑制比(sidemode suppression ratio,SMSR)的影响,并通过实验验证了仿真结果,利用线长变化为高斯函数的逐线法切趾技术,制备出SMSR为20.5 d B的切趾FBG,并将本技术应用在相移光纤光栅、啁啾光纤光栅等特种光纤光栅和波分复用光栅阵列的制备中。2.搭建了一套光纤光栅传感信号解调平台。硬件方面,基于成像光谱解调原理,利用宽带光源、隔离器、环形器、体光栅和线阵CCD解调模块等元件搭建了光纤光栅解调仪。软件方面,研究了针对FBG光谱反射峰的寻峰算法,基于Lab VIEW编写配套的传感信号解调软件,将多种算法集成于软件中可供选择,软件功能包括对解调仪光谱数据的获取,光谱中各光栅反射峰的分割与寻峰,并将寻峰波长结果根据设置的FBG温度响应函数转换为温度进行实时动态显示。进一步研究了基于时分复用和波分复用的大规模弱反射率光栅阵列信号的解调技术方案。3.提出了一种适用于8 nm波长范围内不同中心波长的光纤光栅的温度响应拟合公式。研究了FBG的高温特性,通过对光纤光栅阵列进行高温管式封装和195小时下700℃的高温退火处理,提升了传感器的机械强度和稳定性。基于Lab VIEW编写程序控制高温炉、解调仪和电脑,实现了对光栅阵列的自动温度标定。从光栅方程出发,推导出FBG的中心波长对温度的响应可用三次函数进行拟合,提出了一种适用于不同中心波长的FBG高温响应拟合函数的建立方法,使中心波长在1536-1544 nm间的不同光栅在700℃范围内标定拟合误差小于27 pm,传感测量误差小于1.8℃。在同一设定温度下,传感器测试的重复性误差仅为0.1427%,拥有良好的稳定性。本文提出的飞秒切趾光栅制备方法,降低了波分复用光栅阵列中光栅间信号的串扰,利于大规模密集波分复用光栅阵列的制备,同时通过对FBG高温响应特性的研究,实现了700°C高温环境的高精度温度测量。通过与航天科工三院开展密切合作,对光纤光栅高温传感器进行了某主动冷却结构地面测温试验。试验结果有效地支撑了结构温度响应在线监测的地面原型系统构建,有望解决超高声速飞行器高温结构健康监测的国家重大战略需求。

关键词： 集成电路   光刻机   光学系统   偏振检测   光栅结构  

摘要： 浸没式光刻机是实现28nm以下技术节点集成电路制造的主流光刻设备。光刻分辨率直接决定集成电路图形的特征尺寸。增大投影物镜数值孔径是提高光刻分辨率的有效途径之一。大数值孔径曝光光学系统的偏振性能严重影响光刻成像质量。对光刻机曝光光学系统偏振参数进行有效调控的前提是实现其高精度检测。曝光光学系统的偏振检测通常在掩模面或硅片面进行。为实现浸没式光刻机偏振检测装置的小型化，满足其高精度在线、原位检测需求，结构紧凑且性能良好的偏振器件是关键。亚波长金属光栅因其体积小、易集成且偏振性能优异而广泛用于各种光学系统中。现有深紫外光栅偏振器的消光比和透射率低，无法满足光刻机偏振检测需求。本文以小型化光刻机偏振检测装置为目标，深入研究了深紫外反常偏振光栅的异常透射特性，优化设计了双层金属光栅偏振器，并基于光栅建立了偏振检测严格仿真模型，主要内容包括以下几个方面:　　1、研究发现了反常偏振效应下，锥形狭缝光栅中TM偏振的异常透射抑制特性。分析了光栅高度对无基底和有基底锥形狭缝光栅中异常透射抑制的影响，提出反常偏振中TM偏振异常透射具有锥角无关性。基于理论计算和截面场分布的研究结果表明，当无基底锥形狭缝光栅的高度接近表面等离子体在介质中的穿透深度时，锥形狭缝的异常透射抑制效应消失。对于有基底锥形狭缝光栅，不同光栅高度下异常透射抑制对应于固定的孔径宽度，且出射端栅线宽度接近表面等离子体共振波长的一半。利用该特性，能快速确定具有良好偏振性能的锥形狭缝光栅结构参数。　　2、基于反常偏振效应和双层金属光栅对TE偏振的透射增强，设计了一种深紫外双层金属光栅偏振器。通过表面等离子体共振及类F-P共振条件，确定了该偏振器的初始结构参数。仿真分析了各结构参数对光栅偏振性能的影响，提出中间层高度是调制TE偏振透射的主要因素。光栅截面场分布表明，周期性相位奇点相关的光学旋涡增强了TE偏振透射，而表面等离电荷的低频运动模式极大抑制了TM偏振透射，提高了消光比。该偏振器在保证高透射率的同时，消光比相比同波段光栅偏振器提升了四个数量级。工艺容差分析表明，在较大的误差范围内该光栅均具有良好的偏振性能。　　3、基于双层金属光栅结构和锥形狭缝光栅对TM偏振的异常透射抑制，设计了深紫外双层金属锥形光栅偏振器。仿真分析了各结构参数对其偏振性能的影响。结果表明大孔径收集更多的TE偏振光进入中间介质腔，腔内共振效应增强导致透射增强。同时破坏了两倾斜侧壁表面等离子体间的共振耦合，使得TM偏振光更多被反射而透射减弱，进一步提高了消光比。与双层金属光栅相比，该光栅TE偏振透射率提高5％，同时消光比提升了一个数量级。　　4、提出了一种基于光栅和波片阵列实时偏振检测技术，建立了偏振检测严格仿真模型。根据光刻机偏振检测精度需求，提出对偏振器的性能指标。进行检测系统数值仿真，利用系统矩阵的条件数优化了波片阵列的快轴方向和偏振器透光轴方向。分析了不同参数误差对入射偏振态重建误差的影响。结合所设计的光栅，进行检测系统严格仿真，采取局部周期仿真方式减少串扰并提高仿真精度，完成入射偏振态的重建，其偏振度和偏振强度重建精度满足光刻机的检测需求。

关键词： 高压直流电   电压传感   光纤布拉格光栅   压电陶瓷   光纤传感  

摘要： 目前众多工业、军事以及民用领域都对高压直流电有着广泛的应用需求。传统的直流高压测量方法,如高阻分压器、静电电压表等,都存在精度不高、可靠性低、操作复杂等缺点,无法满足对测量精度和响应速度的需求。鉴于此,本课题拟研究电压等级为6k V,体积小、重量轻、使用方便、能够以较高的精度和响应速度对高压直流电压进行测量的新型光学电压传感技术,为直流高压测量技术在工业和军事领域的应用提供新思路和新方法。主要工作内容如下。首先,从理论上明确压电陶瓷的逆压电效应响应特性以及光纤光栅的传感特性,构建了传感单元的基本模型;利用参考光栅法解决光栅温度和应变的交叉敏感性,阐述了基于光纤光栅的直流电压传感技术的基本原理及设计方案。其次,对比分析不同压电陶瓷的材料、结构尺寸及加压方式对灵敏度的影响规律,优化了实验方案;基于耦合模理论对光栅光谱特性进行仿真分析,研究了施加轴向预应力和剥离涂覆层对光纤光栅传感特性的影响;设计传感单元封装结构来规避压电位移的损耗,并对该结构实际应用效果进行了验证。然后,在低电压环境中对传感器进行基本传感特性测试。设计了温度特性检测方案,分析了参考光栅温度补偿方法的可行性和具体效果。最后,在高电压环境中进一步研究传感器的传感性能及测量性能。对传感器的重复性、稳定性和误差进行了分析。研究结果表明,本文设计的传感器具有良好的线性度及重复性,可以实现直流高电压的快速准确测量。