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关键词： 张量分解   张量神经网络   推荐系统  

摘要： 随着大数据时代的来临,应用服务中充斥着海量信息,使得用户难以从中有效的挖掘出所需的高质量信息。而推荐系统则可以有效的解决“信息超载”问题,依据用户的喜好,为其精准的推荐感兴趣的潜在商品信息。然而现有的推荐算法普遍存在以下两个问题:1)数据稀疏问题;2)没有利用辅助侧信息且未对多源异构和高阶多维的非线性信息进行统一建模。鉴于此,本文结合张量分解和张量神经网络,设计了高效精准的混合推荐算法。首先,提出了基于张量分解和张量神经网络的混合推荐算法模型。张量分解可以高效的提取高阶多维的高层次数据的特征信息,并且极大程度缓解了数据稀疏问题。此外,神经网络推荐系统可以有效的捕获多模态、大规模和数据异构辅助信息中的潜在特征因子,且缓解了冷启动问题。因此,将张量神经网络提取潜在神经网络因子矩阵与张量分解捕获的张量潜在因子矩阵进行张量融合和张量还原操作,得出近似评分矩阵,探讨是否可以实现更精准的推荐并且研究算法中张量分解方法的抉择问题,由此提出CPNN算法以及Tucker NN算法。在Movie Lens 100k和Movie Lens 1M数据集上进行了实验,并与CP分解、Tucker分解、TT分解算法进行不同Top K值下的实验对比分析,CPNN的各项评价指标皆高于基准实验中最优值,结果表明CPNN算法模型能有效地提升推荐系统的有效性。此外,现有的大部分推荐方法以及本文提出的CPNN算法仅专注于建模用户对单一“用户-项目”交互的偏好,无法处理“用户-项目”交互之间的动态结构依赖关系。为了解决这一难题,提出了基于张量分解的多行为张量图变换网络(KHGTT),通过张量图变换网络进行信息传播与聚合,利用行为层次依赖模型从聚合信息中提取潜在因子矩阵,并与张量分解提取的潜在因子矩阵进行张量融合与还原。KHGTT模型在Movie Lens 10M和Yelp数据集上得出的评价指标在与最新基准模型进行比较中处于绝对优势地位。

关键词： 光纤光栅传感   热塑性复合材料   自动铺放成型   应变监测   温度监测  

摘要： 热塑性复合材料具有比强度高、耐腐蚀性能好、设计性强等优点,在航空制造、汽车轻量等领域得到了广泛的应用。相比于热固性复合材料,其可以进行二次加工且生产周期更短,因此成为了近年来复合材料领域研究的重点。传统复合材料成型方法普遍存在成型周期长,受工艺条件限制大等问题,因此提出了基于自动铺丝装置(AFP)的自动铺放成型技术。然而,由于成型过程受铺丝温度、铺丝速率、铺丝压力、及模具温度等工艺参数影响,导致结构件机械性能下降甚至发生形变,因此,有必要对热塑性复合材料成型过程中的温度及应变进行实时监测来进一步优化成型质量。 传统的超声波监测法不适用于热塑性复合材料铺丝过程中高温高压的极端环境,且稳定性较差难以实现准确测量。其次,传统应变片由于采集频率较低无法实时对快速变化的温度应变进行响应,且能经受300℃以上温度的应变片价格十分昂贵。此外,传统的红外热成像监测方法图像对比度低,细节识别能力差,无法准确地反映出成型过程中材料的实时变化状态,难以用于大型热塑性复合材料结构件应变监测。 因此本文采用聚酰亚胺光纤光栅作为主要传感元件搭建实时监测系统,该传感系统能实现380℃以上高温监测和20000με以上的复杂动态应变监测,采样频率能达到1000Hz。通过与传统监测手段热电偶和应变片、毛细管金属管封装的温度计光纤光栅、高精度飞秒光纤光栅和保偏光纤光栅进行监测结果对比,验证监测系统的可靠性。通过对热塑性复合材料自动铺丝工艺中四个主要影响参数,即铺丝温度、模具温度、铺丝压力和铺丝速率进行三类分组实验,通过将模具温度设置为40℃和120℃,铺丝温度设置为250℃和380℃;铺丝压力设置为500N、1000N、1500N和2000N,铺丝速率设置为6%(3.6m/min)、10%(6m/min)和20%(12m/min)共设置了十个系列40组监测实验,研究了单一参数改变条件下对热塑性复合材料成型过程中温度及应变的影响规律,探究了铺丝过程中单个参数改变对成型结构件的影响规律,得到了单个工艺参数改变应变峰值变化的规律以及对结构件最终成型的影响规律。通过与实物件进行对比,分析了影响规律的可能原因,验证了光纤光栅监测数据的可靠性,为光纤光栅在热塑性复合材料监测领域提供了可以参考的理论结果。实验所监测的温度分辨率达到了0.1℃,应变监测分辨率达到了1με。同时通过实验对自主设计的基于边沿滤波解调法的线性解调器进行了验证,该解调器的解调范围为1544nm～1556nm,带宽为12nm,波长-功率线性率为2.21d B/nm,可解调温度范围约为1200℃,可解调应变范围约为12000με。通过与高精度快速解调仪采集到的波长数据进行对比,分析了其结果并提出了优化方案,为今后将线性解调器应用与热塑性复合材料成型过程监测提供了研究基础,同时也为搭建更为简便成本更低的光纤光栅监测系统提供了实验依据。

关键词： 教学设计   全反射   光纤技术   普适性   分组实验  

摘要： 通过设计三种不同介质的实验，来强化学生全反射现象产生条件的普适性观念；通过演示实验和分组实验的结合，来培养学生实验设计、合作交流的能力；通过教具演示和递进式讲解，来加强应用实例的直观性及其之间的关联性。

关键词： 压缩感知   非下采样轮廓波变换   半张量积   迭代重加权最小二乘法  

摘要： 随着信息化时代的到来,人们对图像信息处理的需求愈来愈高。传统的基于奈奎斯特采样定理的图像处理方式由于冗余数据多、采样成本高的缺点已无法满足当今社会对图像处理的要求。在使用压缩感知(Compressed Sensing,CS)算法对信号进行采样的过程中,可以使用远低于奈奎斯特采样定理的频率,并通过重构算法成功恢复出原始信号。CS算法大幅度降低了对存储容量的要求,已成为当前图像信息处理的研究热点。针对图像CS算法重构细节缺失、重构时间过长的弊端,在对多尺度几何变换和半张量积运算进行深入研究的基础上,提出了一种应用于二维图像的快速、高效的CS算法。主要研究内容及创新点为:(1)针对图像重构质量不高的问题,就多尺度几何变换展开研究,将非下采样轮廓波变换(Non-Subsampled Contourlet Transform,NSCT)应用到CS算法中,提出了基于NSCT和迭代重加权最小二乘法(Iterative Reweighted Least Square,IRLS)的图像CS算法(NSCT-IRLS)。通过NSCT对二维图像信号进行稀疏变换后,采用随机高斯矩阵作为测量矩阵对稀疏信号进行线性投影,使用IRLS算法对图像进行重构。对灰度及彩色的自然图像、医学图像和遥感图像进行压缩重构仿真。为了验证算法的抗干扰能力,在图像中加入标准差为5、10和15的随机高斯噪声。仿真结果表明:采样率在0.1～0.6区间时,本算法较现有算法相比,提升了图像的重构质量。尤其在采样率较低时,图像重构质量的提升更明显。采样率为0.1时,对图像进行重构得到的峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio,PSNR)与现有算法相比提高了0.9～5.5d B。图像中插入噪声后,经过本算法重构的图像仍然较现有算法的PSNR更高。采样率为0.3,且加入标准差为5的随机噪声时,重构灰度图像的PSNR仅下降了0.029～0.143 d B。(2)针对CS重建过程占用内存大、重构时间长、重构速度低的问题,提出了基于特征值分解的半张量积压缩感知模型(EIG-STP)。采用NSCT对原始图像进行稀疏变换得到稀疏信号,然后对测量矩阵进行特征值分解得到列相关性更低的优化测量矩阵,再对矩阵维数不匹配的优化测量矩阵和稀疏信号进行半张量积运算,最后利用IRLS算法对投影矩阵进行图像重构。按比例降低测量矩阵的大小,比较算法重构图像的质量及重构时间。仿真结果表明:测量矩阵大小按比例降低时,重构图像的PSNR基本不变而重构时间大幅降低。当重构分辨率为1024*1024的图片,且测量矩阵的行列数降低32倍时,重构时间降低24.138～119.37倍,极大地提高了算法的实时性。

关键词： 光纤布拉格光栅   俯卧撑运动   感知单元   解调系统   远程监测  

摘要： 人体运动监测对人体的身体状况分析具有重要的意义。在科技迅速发展的时代,为了增强全民体质,我们可以借助科技产品来辅助改善我们的身体状况。俯卧撑是人们喜爱的健身运动之一。本文采用光纤光栅评估俯卧撑运动的典型特征参数,用以评判俯卧撑运动能力。光纤布拉格光栅(FBG)传感器相比于传统传感器具有质量轻、体积小、易构建传感网络实现多点测量以及免疫电磁干扰可用于复杂的环境中等优势。本文基于光纤布拉格光栅传感理论以及俯卧撑这项运动的特征,设计了一种压力感知单元作为对俯卧撑各项特征提取的基本单元。以下是本文的主要内容:1.叙述不同类型压力传感器在国内外的发展现状以及传感原理。介绍了几种常用的光纤光栅解调技术以及复用技术和解调方法。2.设计了一种基于FBG的俯卧撑感知单元,感知单元是采用简支梁结构实现对传感器的增敏。通过对感知单元仿真分析,实现了对感知单元压力与应变的线性描述,证实感知单元的可行性。然后再对感知单元进行理论分析求出其灵敏度的理论值为186.5pm/N,并通过压力标定实验对传感器的传感特性进行分析,得出传感器的重复性误差为8.94%,压力传感器的迟滞性误差为1.49%,传感器的加载试验中正反行程的中心波长压力线性拟合度均大于99%,定量证实了传感器的线性度、重复性、迟滞性这些性能很好,并通过实验数据拟合绘制图表的方式定性的说明了传感器这些性能良好。三组实验中灵敏度理论值的平均灵敏度偏差率最低为2.53%,即与理论值偏差最小,因此使用灵敏度177.55pm/N作为最后传感器的标定值。3.基于LabVIEW软件设计出了一套俯卧撑特征提取系统,根据解调方案对俯卧撑解调系统中硬件平台器件的选型以及搭建,并在上位机中的Lab VIEW软件编写俯卧撑特征提取软件部分程序,实现对俯卧撑手部压力、个数、频率等特征提取显示。俯卧撑个数误差在1-2个,该解调系统可以精确的获取俯卧撑的基本特征,具有实用性。然后通过GRMOPC无线通讯装置与上位机通讯,搭建出了远程监测系统,实现手机APP以及网页端对俯卧撑特征的远程监测以及手机的短信查询功能。最后总结了课题的研究现状以及不足之处,提出了改善的思路,并对未来的工作进行了展望。

关键词： 多孔弹性   超奇异算子   边界积分方程方法   解析预处理   声波半空间  

摘要： 各类波动方程散射问题在实际科学工程领域有着广泛应用,多年来一直受到工程师和数学家的关注。本文研究了二维和三维多孔弹性波外诺伊曼边值问题以及半空间声波散射问题,它们都是无界区域问题。与区域离散方法相比,边界积分方程方法具有只需要离散边界和自动满足无穷远处辐射条件等优点,适合用来处理此类波散射问题。本文研究内容主要分为如下两个部分:第一部分是关于二维和三维多孔弹性波外诺伊曼边值问题数值算法的研究;第二部分是针对含有局部缺陷的二维和三维半空间声波散射问题的数值算法的研究。对于二维和三维多孔弹性波外诺伊曼边值问题,本文基于Burton-Miller形式和间接法分别构造了两种边界积分方程。这两种边界积分方程都涉及到了强奇异和超奇异边界积分算子,它们分别只能在柯西主值和Hadamard有限项意义下定义,难以被直接计算。此外,超奇异积分算子的特征值的谱聚点是无穷大。因此,利用krylov-子空间迭代求解器(如GMRES)求解积分方程通常需要大量迭代次数。为了克服这些困难,一方面借助于Günter导数,斯托克斯公式以及分部积分的思想,将两类算子都转化为只包含弱奇异积分和切向微分算子的形式,这也使本文能够以简单的方式证明多孔弹性位势和边界积分算子的跳跃关系。另一方面,基于对多孔弹性波问题的Calderón关系和相关边界积分算子谱性质的研究,本文提出了一种解析预处理方法,由此可以得到Burton-Miller形式和间接法的正则化边界积分方程。这两种边界积分方程都具有良好的谱性质,它们的特征值的谱聚点都远离零点和无穷。与原边界积分方程相比,正则化后的边界积分方程迭代求解时所需的迭代次数明显降低。然后通过构建Nystr(?)m型离散方法和基于切比雪夫多项式的矩形-极坐标求解器分别求解了二维和三维情形下多孔弹性波问题的数值算例,验证了所提方法的准确性和有效性。对于含有局部缺陷的二维和三维半空间声波散射问题,本文提出了基于完美匹配层(PML)的边界积分方程方法。通过PML技术可以将原散射问题截断到有界区域上,假设PML边界上的散射场消失,仅利用PML变换后的自由空间格林函数和四种标准边界积分算子:单层位势算子,双层位势算子及其转置和超奇异算子,就可以在包含局部缺陷的有限界面上建立用以求解声波半空间狄利克雷和诺伊曼边值问题的第二类Fredholm边界积分方程。另外,本文将基于切比雪夫多项式的矩形-极坐标求解器推广到当前四种边界积分算子的数值实现中,其中,针对超奇异边界积分算子,给出了正则化公式,将其转化为弱奇异积分和切向导数的组合。通过对二维和三维问题的数值实验,验证了所提求解器的准确性和高效性。

关键词： 光波导   硫系玻璃   布拉格光栅   窄带滤波器  

摘要： 当前,新一轮产业革命和科技变革正在全球范围内持续深入地进行着。随着5G技术和光纤通讯的发展,用户对于通讯的速率与带宽有了更高的要求。作为前沿技术之一,光子通讯技术成为解决未来带宽需求的重点。光子器件具有低功耗、低成本、小尺寸和兼容性好等独特的优势,其中窄带滤波器在高精度光学信号处理、波分复用领域具有现实的应用价值,是研究人员长期研究的方向之一。实现窄带滤波功能的结构有很多,布拉格光栅因具有结构灵活可变、无自由频谱范围限制等优点而备受关注。基于传统硅材料的布拉格光栅窄带滤波器在近红外波段已经得到了充分研究,但是最小特征尺寸较小,增加了制备工艺的难度;同时,硅基平台由于材料自身属性的限制无法实现中远红外波段的应用。相比之下,硫系玻璃由于具有宽红外透过窗口、高线性和非线性光学性能、低双光子吸收等优点成为红外集成光子器件领域的理想材料。本文通过热蒸发镀膜在基片上沉积一层GeSeSb薄膜,通过测试表征得到薄膜折射率为2.72。在此基础上,利用仿真软件优化设计获得硫系布拉格光栅滤波器的结构尺寸,通过探索硫系布拉格光栅滤波器的光刻和刻蚀工艺,制备出高性能的硫系布拉格光栅窄带滤波器,并且对滤波器的性能进行表征测试。本论文主要的研究内容如下:第一章首先提出了几种常见的光波导器件,然后简述不同结构的光滤波器,最后介绍了硫系玻璃的特性、薄膜制备工艺、波导制备方法和硫系布拉格光栅研究现状,并提出了本课题的研究内容和创新点。第二章概述了波导的模式理论、模式的计算方法以及波导的光场传输计算方法,介绍了波导模式计算中常用的有限元法、有限差分法和波导光场计算中用到的光束传输法、有限时域差分法、本征模式展开法。第三章介绍了布拉格光栅滤波的基本原理并研究了光栅结构参数对滤波性能的影响,为后期设计和制备布拉格光栅滤波器提供重要的理论依据。最后根据仿真结果绘制掩模版。第四章对布拉格光栅滤波器的制备流程进行了介绍,描述了前期的薄膜制备过程,优化制备关键技术电子束曝光和等离子刻蚀工艺,观察到了滤波器良好的表面样貌。第五章测试了硫系布拉格光栅滤波器的滤波效果。通过测试得到在实验中结构参数对光栅滤波器滤波性能的影响,分析导致不同滤波效果的原因。实验最终获得的窄带滤波效果:对称型硫系布拉格光栅滤波器的带宽为0.97 nm,非对称型硫系布拉格光栅滤波器带宽为0.32 nm。第六章对本论文工作进行总结,同时指出了研究中的一些不足之处和接下来的研究方向。