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关键词： 高折射率差亚波长光栅   偏振分束器   功率分束器   谐振增强型光电探测器   量子效率   响应带宽  

摘要： 在当今信息化的时代大趋势下,光通信系统的快速发展对光电子器件的性能提出了更高的要求,促使光电子器件朝着高性能、小体积、易集成的目标发展。高折射率差亚波长光栅结构具有体积小、功能强、衍射效率高等优点,对促进多功能集成器件发展具有极其重要的意义。本论文提出采用湿法氧化工艺实现AlGaAs与AlO交替排布的新型高折射率差亚波长光栅结构,基于严格耦合波分析理论方法和有限元理论方法对其开展设计优化,通过对主要结构参数仿真与选取,实现具有偏振分束、功率分束和反射功能的新型高折射率差亚波长光栅结构,并将新型高折射率差亚波长光栅反射镜与光电探测器集成,实现了高性能谐振增强型光电探测器。本文主要研究内容和研究成果如下:1、提出一种新型AlGaAs/AlO高折射率差亚波长光栅结构,该结构由AlGaAs和AlO交替排布组成。基于严格耦合波分析理论方法和有限元理论方法对光栅结构进行分析和设计,分别实现偏振分束和功率分束的功能。偏振分束器在800-880nm的宽光谱范围内对TE模式偏振光的反射率大于95%,对TM模式偏振光的透射率大于96%,在850nm波长时偏振消光比可达41.37d B,此外,对入射光具有8°的角度容忍性,且具有20nm的工艺容差。功率分束器在850nm波长TM模式偏振光入射条件下,4路分光由左至右与入射光的功率效率依次为21.05%,19.36%,19.32%,21.01%,总体透射率可达81%,具有良好的1×4分束效果。2、提出一种基于AlGaAs/AlO高折射率差亚波长光栅的谐振增强型光电探测器。将AlGaAs/AlO高折射率差亚波长光栅结构设计为反射镜,该结构具有偏振不敏感特性,对TE模式偏振光反射率达到99.8%,对TM模式偏振光反射率达到99.1%。将该反射镜与PIN光电探测器进行集成,实现谐振增强型光电探测器,基于传输矩阵理论方法和数值计算方法对整体器件进行仿真。仿真结果表明,该谐振增强型光电探测器量子效率达到了90.6%,半高全宽接近于0.2nm,在反偏电压为3V,光源的光功率为1m W的情况下,该结构的带宽可达34.54GHz,带宽效率积为31.3GHz。

关键词： 高光谱图像去噪   张量分解   字典学习理论   非参数贝叶斯模型  

摘要： 高光谱图像包含几十个甚至上百个光谱带。与只有三个光谱带的RGB图像相比,高光谱图像含有更丰富的光谱信息,这些信息揭示了隐藏在光谱域中的物体的特征。高光谱图像应用十分广泛,包括矿物识别、农业监测、环境监测和军事应用,以及图像修复、目标跟踪、图像超分辨率和人脸识别等计算机视觉领域的任务。然而,图像获取过程中总会受到各种干扰,如噪声的干扰。高光谱图像应用对图像的质量要求较高。因此,作为一种重要的图像预处理技术,高光谱图像去噪在工农业领域和高级计算机视觉任务中应用广泛。计算机视觉领域的一个研究热点是基于过完备字典的稀疏表示方法。然而传统的2D图像稀疏字典学习方法直接应用于高光谱图像,去噪效果较差。随着数据量的增长,张量表示方式和自适应学习等方面发展迅速。张量分解不仅是高维数据低秩表示的有效方式,而且能保持张量的几何结构。本论文通过研究现有的去噪方法以及高光谱图像的特性,确定了张量分解和字典学习理论相结合的算法思路,并采用自适应推断模型参数的求解方式。张量分解主要包括两种方式:Tucker分解和CP分解。本论文提出了基于Tucker分解的非参数贝叶斯张量字典学习去噪算法和基于CP分解的非参数贝叶斯张量分解去噪算法,并通过在真实高光谱图像数据上叠加噪声进行去噪仿真实验。实验结果表明,本论文提出的两种去噪算法相较于其他算法均有不同程度的性能提升。基于CP分解的算法相较于Tucker分解算法,探索了字典因子间的相关性,进一步提高了噪声精度推断的准确性和重建图像的质量。最终在多种噪声环境下,图像重建的效果优于其他算法,证明了算法的有效性。

关键词： 相位展开   枝切法   点扩散函数   误差补偿  

摘要： 基于光栅投影法的测量技术,首先通过反三角函数进行求解,得到的主值相位被包裹在-π到π之间,必须通过相位展开恢复物体的真实相位。经学者研究,发展了多种相位展开算法,一般包括两大类:一类是基于路径跟踪的相位展开算法,另一类则是与路径无关的相位展开算法。但是在实际情况下,由于噪声和不连续区域等问题使相位展开变成了一种很不容易处理的问题,现在仍然没有任何一个办法能够彻底处理相位展开中的这种问题,通过各种算法得到的也只有近似解法。本文研究了常用的相位展开算法,主要工作如下:首先对一维相位开展基本原理和二维相位开展基本原理分析,发现引起相位展开出错的最基本的因素便是由于各种原因所引起的残差点的产生,而相位展开的核心也便是怎样减小甚至抵消残差点产生对相位展开的负面影响。由此,对路径相关及路径无关算法中较为典型的算法进行了研究,并详细地介绍了其基本原则、步骤、优缺点,以及适用性。根据枝切法相位展开计算的基本原理和目前面临的实际问题,并利用枝切问题与旅行商问题之间的等值性,通过遗传模拟退火算法对传统Goldstein相位展开中枝切线安排策略加以改良与完善,从而有效地缩短了枝切线的总长度,也避免了传统枝切法在设置枝切线时,容易产生大范围"孤岛"的现象。并利用仿真证明了该方案的有效性。对于具有不连续边缘的物体,在图象采集中由于相位的不连续和遮挡容易导致数据的遗漏,从而形成了残差区,存在着展开错误的问题,建立基于点扩散函数的结构光三维成像方法的不连续区域误差模型,提出DMA误差补偿算法,对不连续边界进行误差补偿。通过对不同孔径、不同厚度的工件进行实验可以得出,采用本文提出的相位展开算法展开误差控制在0.05mm之内。

ISBN: (纸本)9787030736123

摘要： 本书内容涉及量子力学基本概念、三种著名的量子算法、张量基础、张量网络与量子多体物理系统、量子多体系统的张量网络态算法和基于张量网络的量子机器学习。

关键词： 图像复原   结构张量   非局部算子   全变分   各向异性扩散  

摘要： 基于变分偏微分方程理论,将平滑结构张量与非局部思想相结合,构建了非局部平滑结构张量。同时,以非局部平滑结构张量为基础,提出了非局部平滑结构张量自适应的全变分图像复原模型和非局部平滑结构张量驱动的各项异性扩散图像复原模型,并整合相关算法设计了局部结构保持的单幅图像复原系统,其具体内容描述如下:构建了非局部平滑结构张量自适应的全变分图像复原模型。首先,将非局部思想应用于平滑结构张量的改进,构建了一种非局部平滑结构张量(Nonlocal Smoothed Structure Tensor,NLSST)。其次,以局部对比度来度量局部区域的结构相似性以构建结构一致性度量,另外借助归一化结构相似参数对传统的灰度度量进行加权构建综合一致性度量,构建一个包含两项的权值函数。再次,基于非局部平滑结构张量的特征值进行建模,建立一种三项式的自适应正则化参数,三项分别为一致性度量、边缘指示子和角点描述子。最后,基于分裂布雷格曼算法提出了模型的快速求解算法。数值实验证明,在峰值信噪比提升的基础上,改进后的模型对图像中的边缘、角点、流状结构和纹理等结构的保持效果较好,是一种有效的图像复原算法。构建了非局部平滑结构张量驱动的各向异性扩散图像复原模型。首先,利用非局部平滑结构张量去构建非局部边缘增强型和非局部相干增强型扩散张量;其次,引入平衡参数,构建一种非局部综合扩散张量,并以此扩散张量为驱动构建一种非局部平滑结构张量驱动的各向异性扩散图像复原模型。最后,对于所提出的模型,采用了半点离散的思想,以有限差分法为基础为模型设计了一种高效的离散求解算法。数值实验证明,改进后的模型在平坦区域能够有效去噪,而在结构区域更好地保持边缘和纹理,整体的复原效果更好。设计了一种局部结构保持的单幅图像复原系统。整合了包括前述两种改进算法及实验中采用的其他对比算法,采用Matlab Application Designer工具,以Matlab为开发语言。各类算法的有效性,已在前述模型的对比实验中有所展示。

关键词： 图像对齐   变换张量积   张量分解   非凸优化   收敛性  

摘要： 线性相关图像的对齐问题受到越来越多的关注,实际中获取到的图像通常会受到稀疏噪声、高斯噪声等噪声的干扰,给现有方法带来很大挑战。给定一组图像,把每一幅图像按照前切片的形式进行排列,使多幅图像数据堆栈成三阶张量数据。线性相关的图像堆栈出的张量数据具有低秩结构。在此背景下,现有文献提出了多种方法刻画张量的低秩性,但这些方法获得的张量的秩往往不是很低。针对线性相关图像的对齐问题,首先,本文结合张量分解和变换张量积刻画张量的低秩性,将低秩张量分解为两个较小张量的酉乘积,通过控制两个较小张量的大小控制目标张量的秩。相比于传统张量积,利用张量酉乘积可以获得更加低秩的张量。本文把图像受到的干扰噪声分解为稀疏噪声和高斯噪声的和,应用张量lp（0＜p＜1）范数度量稀疏性。与张量l1范数相比,张量lp范数可以得到更加稀疏的解。利用观测到的张量数据与低秩张量、稀疏噪声差的张量Frobenius范数度量高斯噪声。其次,在所提模型中,有关非线性域变换的求解是比较困难的,本文利用广义高斯-牛顿算法进行求解,通过线性近似逼近非线性变换。模型中子问题的目标函数是非凸的,本文提出邻近高斯-赛德尔算法对模型中子问题进行求解,证明了通过该算法得到的序列可以收敛到子问题目标函数的稳定点。根据子问题目标函数的Kurdyka-Lojasiewicz性质,分析了邻近高斯-赛德尔算法的收敛率。最后,在不同的数据集上的图像对齐实验结果证明了本文所提方法的有效性。与常用的几种图像对齐方法相比,本文所提方法的重建误差最小,从视觉效果上看,恢复出来的图像对齐效果更好,并且,本文所提算法运行时间更快。

关键词： 光纤布拉格光栅   飞秒激光器   矢量传感   加速度传感   井中地震检波  

摘要： 针对油气勘测中电类地震波勘探检波仪器耐高温性能差、体积较大、级数受限等难点问题,本论文提出了基于包层型光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)的矢量振动加速度传感技术,具有方向识别、微型化、可复用等明显优势,适用于井中三维地震波精细勘探。其中,重点解决了基于单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)的矢量振动加速度传感技术难题。为进一步研制井中光纤三维检波器阵列系统奠定了基础,积累了素材和经验。本论文主要内容包括:1.综述了光纤矢量传感技术的国内外研究现状,对比分析了FBG矢量传感机理和方法,介绍了实验室制备FBG的实验平台及实验方案。2.光纤矢量弯曲传感是实现矢量加速度传感的基础。基于包层模式激发的FBG矢量传感机理,提出了三种一维矢量弯曲和加速度传感器:(1)利用飞秒激光逐点法在SMF纤芯制备偏心FBG,以激发超强的包层模式(>40 d B),通过锥形耦合在反射光谱中形成“ghost”模式,该模式对加速度表现出显著方向相关性,实现了一维矢量振动加速度测量,正反两个方向的加速度灵敏度分别为35.62 m V/g和-35.92 m V/g。(2)利用飞秒激光结合相位掩模板法在边孔光纤纤芯和内包层同时制备FBG,光纤自身的非圆对称性导致FBG透射强度具有弯曲方向相关性,实现了一维矢量弯曲测量,纤芯模式和包层模式的最大弯曲灵敏度分别为-3.41 d B/m和-4.05 d B/m。(3)利用飞秒激光结合相位掩模板法在多包层光纤纤芯及单侧内包层制备FBG,激发独立且单一的纤芯和包层模式,包层模式最大弯曲灵敏度为-2.05 d B/m,可以实现一维矢量弯曲测量;通过在同一段光纤中两次刻写FBG,并行集成正交内包层FBG,实现了二维矢量弯曲测量,测量曲率大小的最大误差为20.3%,最小误差为0.3%,最大角度偏差为8.79°,最小偏差为0.3°。3.基于包层FBG激发基模反射峰的矢量传感机理,提出了两种二维矢量弯曲和加速度传感器:(1)利用飞秒激光逐点法在SMF并行集成制备正交包层FBG,实现了二维矢量弯曲和加速度传感,最大弯曲灵敏度为-0.55 d B/m,测量弯曲曲率大小的最大误差为5.0%,最小误差0.1%;最大角度偏差为5.0°,最小偏差为0.1°;当谐振频率为30Hz时,x、y分量的最大加速度灵敏度分别为21.3 m V/g和20.3 m V/g,测量加速度的最大角度偏差为4.1°,最小偏差为0.1°。(2)在光纤边缘芯制备单个包层FBG,利用反射峰波长和强度的方向相关性,首次报道了仅利用单个FBG实现二维矢量弯曲测量,反射峰的波长和强度值与弯曲的大小和方向对应,最大波长灵敏度59.7 pm/m,强度灵敏度0.22 d B/m。4.研究了光纤矢量加速度计的机械封装及增敏结构,通过二维矢量与z分量组合,研制了基于SMF正交包层FBG的三维矢量加速度传感器,实现了基于单根光纤的三维矢量加速度传感,器件直径仅23 mm。x、y、z三个分量的最大加速度灵敏度分别为151.8 m V/g、146.3 m V/g、201.9 m V/g,x和y分量的谐振频率均为151 Hz,z分量的谐振频率为137 Hz,通过机械结构封装同时提高了灵敏度和谐振频率。

关键词： 扭矩传感器   小量程   光电原理   静态扭矩   光栅  

摘要： 轴承作为旋转机械系统中降低摩擦系数的关键性部件,其摩擦力矩大小直接关系到仪器设备的工作精度以及工作可靠性,在一些高精度的航空航天仪器如陀螺仪中轴承摩擦力矩甚至能直接决定产品合格与否,然而常用的小型轴承以及一些精密轴承的摩擦力矩极其微小,难以测量。为此,本文基于平衡法研制一款高精度的光电式小量程静态扭矩传感器以解决微小静态力矩测量的技术难题。按照扭矩传感器的功能以及性能指标要求对传感器的总体设计方案展开了研究,确定了基于光电转换原理的扭矩传感器设计方案,并仔细分析了光电式扭矩传感器的组成以及工作原理。详细设计了光电式扭矩传感器的机械结构,阐述了敏感元件弹性轴、交错光栅的材料、尺寸参数对扭矩传感器静态工作性能的影响,同时分析了机械误差引起的扭矩传感器测量误差,确定了传感器各零部件的尺寸以及相对位置参数。基于光电转换的原理详细设计了扭矩传感器的光电转换电路、电源电路、高精度电压采样电路以及主控制电路,实现了传感器调零、频率输出、顺逆时针测量等相关技术要求,编写了扭矩传感器的控制程序,实现了扭矩传感器输出信号的采样、滤波处理,保证了输出结果更加稳定与可靠。研制了扭矩传感器的静态性能测试工装,选用高精度的砝码以及小摩擦的气浮轴承对传感器进行标准静态扭矩的加载,通过大量重复试验测试获得了扭矩传感器的零漂、采样精度、线性度、迟滞性、重复性等关键性能参数,结果表明研制的光电式小量程静态扭矩传感器的线性度、迟滞性、重复性均满足±0.5%F.S.的设计指标要求。从总体技术指标看,该传感器已达到国际同类先进传感器水平。

关键词： 光纤光栅阵列   分布式声传感   光脉冲编码   时分复用   正交频分复用  

摘要： 振动传感器广泛应用于边界安防、油气管道安全维护、地质勘探、水声探测等领域。相比电类传感器,光纤传感器因具有灵敏度较高、抗电磁干扰、适用于腐蚀和其它恶劣环境等优点而更有优势,其中光纤分布式声传感(Distributed Acoustic Sensing,DAS)技术由于其灵敏度高、分布式测量的特点被广泛应用。但随着系统传感距离的增长,系统反射光功率逐渐下降,造成解调信号信噪比降低,这要求系统的高入射光能量。增强DAS系统的脉冲光能量可以通过增加脉冲峰值功率或脉冲宽度实现:脉冲峰值功率增加到一定程度后系统将会发生受激布里渊散射这种非线性效应,影响系统解调,所以用这种方法提升入射光能量的效果有限;增加脉冲宽度会导致系统空间分辨率下降。综合这两点,长距离DAS系统的空间分辨率和传感距离存在制约关系,光脉冲编码技术能有效解决此问题。目前,编码DAS主要集中于基于光纤的DAS中,仍存在一些局限:受到干涉衰落的影响,编码实现的信噪比提升性能下降;编码系统测量时间较长,一般为单脉冲系统测量时间的数倍到数十倍。针对以上两点问题,本文使用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)阵列作为传感器,研究光纤光栅型DAS编解码方法,并将正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术应用于光纤光栅型DAS编码系统,缩短了测量时间,主要工作内容如下:(1)光纤光栅型DAS的编解码方法研究。分析Golay码的结构、数学特性和编解码原理,研究基于光纤光栅型DAS的Golay编解码方法、解码流程中数据重采样、信号处理方法,分析不同因素影响下编码系统性能。(2)光纤光栅型DAS正交频分复用编解码方法研究。分析OFDM技术提高光纤光栅型DAS解调速度的基本原理,讨论脉宽、载频以及脉冲形状等因素对频率复用的影响;研究应用OFDM技术的光纤光栅型DAS编解码方法,通过理论推导此方法下的信噪比增益和系统响应带宽,分析各因素对解码效果的影响,制定解码信号处理流程;(3)编码实验研究与性能分析。根据系统需求,对光路各元器件进行器件选型和性能分析,设计解调光路;设计单脉冲解调以及时分复用编码方式解调的实验,验证时分复用编码解调信噪比提升;设计OFDM编码方式解调的实验,对比时分复用方式解调结果验证解调信噪比提升以及解调速度提升;设计编码系统线性响应测试实验,测量编码系统对外界扰动测量的线性度;设计长距离编码实验,测试长距离下编码系统性能。

关键词： 光场调制   散射光聚焦   波前反馈整形   水下光学成像  

摘要： 在江河湖海等浑浊水域中,光会发生严重的散射从而导致对藏匿于水下的目标进行光学成像变得十分困难,散射介质扰乱了光传播的波前,导致成像模糊不清。现有的水下光学成像方法将散射光视为对成像有害的噪声,采用各种方法将散射光滤除,仅用弹道光成像,然而这部分目标散射光仍然包含着目标的成像信息。聚焦是实现成像的必要条件,水下散射光聚焦技术可以将携带目标信息的散射光充分利用起来,显著提高成像光束的质量和能量密度,从而可以实现更大穿透距离和更高信噪比的成像,对促进水下救援、水下探测等领域的发展有着非常重要的意义。 本文重点以波前反馈整形方法为核心开展研究,探究空间光场调制对水下散射光聚焦的质量影响。首先从光在介质中的传播模型入手,基于统计光学相关理论详细介绍了随机散射介质聚焦光波的基本原理,随后设计并搭建了闭环反馈波前调制系统,基于调相聚焦反馈控制算法分别实现光透过稳态散射介质和水体动态散射介质的聚焦。本文的主要工作包括: (1)设计并搭建了波前反馈聚焦实验系统。该实验系统分为光路部分和软件部分。光路部分主要包括光源、波前调制单元和图像采集单元;软件部分主要包括空间光调制器掩模加载控制程序、图像采集程序以及优化算法。光路部分和软件部分共同组成了闭环波前反馈调制系统,为后续实验的顺利开展奠定了基础。 (2)开展了激光穿透稳态散射介质聚焦的研究。首先介绍了连续序列算法、粒子群算法和遗传算法三种算法的原理,然后基于这三种优化算法依次实现了调控光束通过散射介质后的重聚焦。探究了空间光调制器划分的调制单元个数对聚焦质量的影响,实验表明,三种算法都与调制单元个数有关,且调制单元个数越多,聚焦光斑质量就越好。根据聚焦的优化时间和增强因子,对三种算法的特点和适用范围进行分析。结果表明:遗传算法收敛速度较快,且能获得较高的光强增益,该特性使得遗传算法在通过光斑相干时间较短的非稳态散射介质聚焦中有一定的应用前景。 (3)开展了激光穿透水体动态散射介质聚焦的研究。以收敛速度快、光强增益高的遗传算法作为迭代优化算法,实现了调控光束透过不同浑浊度水体动态散射介质的重聚焦。随后对其调制时效性进行验证分析,实验结果表明:经波前调制后,目标点光强显著提高,为调制前的8倍,且在150s的时间尺度内维持较为稳定的水平,证明该聚焦方法具有良好的时间稳定性,基本可以满足绝大部分成像的需求。