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关键词： 岩土体   渗压监测   波纹膜片   光纤光栅   光纤布拉格光栅传感技术  

摘要： 在水利工程中,渗压是监测边坡及坝基工作性态的重要测量项目,然而传统渗压监测中使用的传感器普遍存在精度不高、长期稳定性差、抗电磁干扰能力弱等缺点,很难满足实际工程监测需要,而光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）传感技术可发挥其灵敏度高、长期性能稳定可靠的独有优势,避免了上述传统手段的缺陷。本研究根据波纹膜片的压力敏感特性,以及光纤光栅的应变传感特性,研制了一种光纤光栅渗压传感器。将波纹膜片在岩土体孔隙水作用下的挠度变形通过压力导杆转化为压力光栅的轴向应变,以实现渗压的传感。本文的研究内容和成果如下:（1）波纹膜片式光纤光栅渗压传感器的设计。提出了一种波纹膜片式光纤光栅渗压传感器方案;采用合适的温度补偿方法来解决光纤光栅的温度-应变交叉敏感问题;建立了波纹膜片和传感结构的传感数学模型。（2）波纹膜片式光纤光栅渗压传感器的研制。设计和加工了可适用于渗压传感器的波纹膜片;完成了传感器各部件的设计、研制和组装;完成了光纤光栅的布置,确保波纹膜片上受到的压力能够转化为光纤光栅的中心波长;完成传感器的初步研制后进行了防水密封,并进行了渗漏性试验、预载试验和零点漂移。（3）波纹膜片式光纤光栅渗压传感器的测试。分析了渗压传感器的设计原理,建立了渗压传感系统并确定其理论参数;进行了渗压传感器的测试,包括恒温条件下的标定,确定了波纹膜片所受压力大小与FBG中心波长之间的对应关系,进行了传感器的温度标定和温度补偿效果试验,避免FBG的温度-应变交叉敏感特性对其中心波长的影响;明确了传感器的性能指标。（4）光纤光栅渗压传感器的试验研究。阐述了基于光纤光栅的渗压监测的原理和背景,建立了FBG中心波长与渗压的数学关系模型;开展了相应渗压测试和模型试验,并对试验结果进行分析,验证了该传感器能够满足实际应用的要求。

关键词： 高光谱遥感图像   图像超分辨率   联合正则化   非局部低秩   融合  

摘要： 由于丰富的光谱信息,高光谱图像在海洋探测、地质勘察、精准农业和生物医药等领域都具有十分重要的应用价值。然而,由于传感器成本高、成像平台多、信噪比低等原因,高光谱图像的空间分辨率普遍不高。这极大地影响了高光谱图像在上述领域上的应用。在同一场景下,相较于高光谱图像,多光谱图像具有空间分辨率高,光谱分辨率低的特点。因此,为了得到高空间分辨率的高光谱图像,人们通常利用图像超分辨率技术对原始高光谱图像进行处理。具体来说,通过将同一场景的高分辨率多光谱图像(High-resolution Multispectral Image,HR-MSI)和低分辨率高光谱图像(Low-resolution Hyperspectral Image,LR-HSI)进行融合,可以达到改善高光谱图像空间分辨率的目的。论文围绕高光谱图像超分辨率技术这一研究热点,以基于矩阵分解和张量分解作为重点进行研究,主要工作及贡献如下:(1)针对目前基于张量分解的高光谱图像超分辨率算法没有充分考虑到高光谱图像高维流形结构,且对异常值和噪声都很敏感的问题。本文提出了一种基于联合正则化张量分解(Joint Regularization Tensor Decomposition,JRLTD)的新方法,从张量的角度来解决高光谱图像超分辨率问题。该模型利用经典的Tucker分解方法对高光谱数据进行处理,并引入了图正则化和单向全变分正则化(Total Variation,TV),在有效保留空间和光谱信息的同时,减少了图像中异常噪声值的存在。(2)针对目前基于矩阵分解的高光谱图像超分辨率算法会破坏高光谱图像的空间结构和各个模态之间的关联,且会导致光谱失真的问题。本文提出了一种基于非局部低秩的高光谱图像超分辨率算法(Nonlocal Low-Rank Regularization,NLLR),该算法将gamma函数作为低秩正则项引入到所提模型中,利用高光谱图像的非局部相似性,将全波段张量块从图像中提取出来,并进行分块聚类,之后对每一类中的张量块进行分解,最后逐类重建融合目标图像。实验结果证实了NLLR算法不仅能够非常好地保留高光谱图像各个模态之间的联系,又能有效地避免图像失真,保留图像特征。在论文的实验部分,采用两个公共数据集:Pavia University数据集、Washington DC数据集,以及一个真实数据集:Ningxia Sand Lake数据集来模拟生成HR-MSI与LR-HSI,以评价本文所提的两个算法。将所提算法与几种最先进的高光谱图像超分辨率算法进行了比较,对比算法包括耦合非负矩阵分解(Coupled Nonnegative Matrix Factorization,CNMF),耦合稀疏张量分解(Coupled Sparse Tensor Factorization,CSTF)等。实验结果表明,所提算法可以有效提高高光谱图像的空间分辨率,具有良好的融合性能。

摘要： 光纤光栅水听器是光纤水听器研究的热门技术,具有体积小、复用能力强、成本低等优点。本文对光纤光栅水听器领域的专利申请情况进行分析,主要介绍光纤光栅水听器技术的专利发展历程、IPC分布、申请原创国和目标国、主要申请人及典型专利技术。

关键词： 图像融合   张量鲁棒主成分分析   视觉显著性检测   局部能量特征   引导滤波   空间一致性  

摘要： 图像融合是对多源通道采集的同一场景的图像数据进行融合,力求最大限度地提取各通道中的有利信息,从而生成高质量的融合图像。融合后的图像包含了更丰富、更清晰的场景信息,从而更好地满足人类视觉和计算机处理的需求。图像融合技术在近几十年里已广泛应用于军事侦察、医疗诊断、航空航天等领域。但是,由于各信道采集的图像数据之间存在较大的信息差异,很难从单一源图像中得到目标场景的全部信息,从而难以满足后期的技术需求。因此,图像融合技术仍然存在很大发展空间。本论文主要研究的工作如下:1、针对现有红外与可见光图像融合方法的融合结果对比度低,存在伪影等问题,提出了基于张量鲁棒主成分分析和视觉显著性检测的红外与可见光图像融合方法。该方法利用张量鲁棒主成分分析模型对源图像进行分解处理,可以有效地从源图像中将所需要的背景纹理分量和显著目标分量分离。再利用视觉显著性检测操作对背景细节分量进行融合处理,可以使融合图像对比度退化的问题得到有效地改善。同时,利用局部能量特征融合规则对显著目标分量进行融合处理,可有效地融合所需要的目标信息。实验结果表明,该方法得到的融合图像主观视觉清晰,无伪影和其他噪声,同时在客观指标上较其他方法也有良好表现。2、针对大多数空间域多聚焦图像融合方法存在聚焦区域检测难等问题,提出了基于张量鲁棒主成分分析的多聚焦图像聚焦区域检测方法。该算法基于张量鲁棒主成分分析模型可以通过凸优化从噪声观测值中恢复低秩分量和稀疏分量的优点,利用其分离出的稀疏分量实现聚焦区域的检测。为了确保检测到的焦点区域与源图像在空间中的焦点区域一致,利用引导滤波器对其进行优化处理以便得到后期所需的决策图和融合结果图像。实验证明,该方法融合图像较好地保留了源图像中的聚焦清晰部分。并且在主观视觉和客观指标上都有着很好的表现。

关键词： 光纤光栅   高灵敏   地震检波器   品质因子  

摘要： 随着油气资源勘探难度的增加,油气资源的需求量远大于供给量,研究新型油气勘探技术刻不容缓。地震勘探技术具有简单、快速、低成本、可以获得更高地层分辨率以及成像精细等诸多优点,故它在油气资源勘探领域应用较为广泛。光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)作为一种波长型器件,因具有体积小、质量轻、易复用和抗电磁干扰能力强等优点,FBG检波器在油气资源勘探领域具有重要的潜在价值。本文以FBG为敏感元件,建立FBG检波器串并联理论力学模型,提出增敏方案,阐明增敏优化设计的依据,并研制2种高灵敏检波器样品。论文主要工作如下:(1)对当前油气资源勘探中常用的方法进行了概述,总结各种电类检波器的基本组成、工作原理与优缺点,对比与分析FBG检波器的技术优势,讨论FBG检波器的分类与技术特点。根据FBG检波器国内外研究现状,给出当前地震检波器面临的难题,提出本文的研究工作。(2)理论研究FBG加速度检波器的增敏机理。首先,以耦合模理论为基础,推导FBG的温度应变传感理论公式。根据温度应变传感机理,建立FBG加速度检波器理论力学模型,推导灵敏度与谐振频率的解析表达式;其次,依据FBG检波器的封装特点,建立串联与并联检波器的理论模型,对比两种模型的特征,研究检波器增敏机理,引入“品质因子”来优化、评价增敏效果;最后,分析与讨论检波器的主要技术参数。(3)设计并研制一种“涡轮型”加速度检波器样品。首先,建立FBG加速度检波器并联理论模型,分析检波器的工作原理,推导灵敏度和谐振频率的解析表达式;结合品质因子,利用有限元分析和数值模拟,对检波器的结构参数进行优化,实验研究检波器的响应特性。实验结果表明FBG加速度检波器在5-70 Hz的频率范围内的平坦度小于2.20 dB,灵敏度的变化范围为651.0-850.5 pm/G,品质因子优于87.9 nm·Hz/G,交叉灵敏度约为-16.4 dB,动态范围为68.6 dB,工作频带内的噪声水平范围为0.149-0.659 mG/(?)。(4)设计并研制一种“镂空型”加速度检波器样品。以提高主轴灵敏度、降低交叉轴灵敏度为设计思想,建立镂空型检波器模型,结合品质因子,优化检波器的结构参数来实现增敏,研究其响应特性。实验结果表明,检波器在5-60 Hz的频率范围内具有较好的平坦区,灵敏度为763.2 pm/G,平坦度小于3 dB,品质因子为78.6 nm·Hz/G,交叉灵敏度约为-24.76 dB,动态范围为71.1 dB,工作频带内的噪声水平范围为0.064-0.285 mG/(?)。

关键词： 外差干涉测量技术   光学混叠   周期非线性误差   光栅干涉仪  

摘要： 超精密测量与定位是精密制造、半导体生产和纳米科学技术的基石。由于光栅干涉仪位移测量系统具有周期非线性误差,因此有必要进行周期非线性误差分析与建模,为减小和补偿光栅干涉仪的周期非线性误差提供理论依据。本文首先分析了光栅干涉仪位移测量系统中引起周期非线性误差的误差源,建立了周期非线性误差综合模型,并分析了各种误差源对光栅干涉仪的周期非线性误差的影响,研究了减小周期非线性误差的方法,有助于光栅干涉仪位移测量系统进一步向亚纳米精度发展。本文的主要研究内容如下:1.针对四倍程光栅干涉仪光路结构,利用衍射干涉原理对光栅进行了周期非线性误差影响机理的分析,并建立了光栅存在误差源的周期非线性误差模型。光栅二次衍射的衍射效率、两偏振光的衍射效率不等、光栅栅线方向与偏振分光镜分光轴的角度偏转均会影响周期非线性误差。2.针对光栅干涉仪周期非线性误差综合模型的问题,建立了包含6种误差源的周期非线性误差综合模型,并利用该模型对光路中各器件存在误差与周期非线性误差之间的关系进行了分析和仿真。研究结果表明,对光栅干涉仪周期非线性误差影响较大的因素有:激光束偏振非正交、偏振分光镜的消光差异和光栅二次衍射的衍射效率会影响周期非线性误差幅值;偏振非正交角度的正负、偏振椭圆化的椭圆比会对周期非线性误差初始相位有影响;在考虑实际安装误差与各光学元件性能情况下,测量系统的周期非线性误差会达到2.32nm。3.针对光栅干涉仪的周期非线性误差测量,设计了一种基于双相位测量法的光栅干涉仪光路;通过正交解调测量法和频谱分析测量法对现有的四倍程光栅干涉仪进行测量实验,测得的周期非线性误差分别约为8.00nm和7.44nm。

关键词： 张量互补问题   光滑谱共轭梯度法   光滑HS共轭梯度法   全局收敛  

摘要： 张量互补问题作为一类特殊的非线性互补问题,近年来引起国内外优化领域学者们的广泛关注。随着张量在信号处理、数据分析、图像处理等领域的不断应用,张量互补问题从理论到求解方法再到应用也都得到了广泛的研究。本文对求解张量互补问题的光滑梯度类算法进行了研究,主要研究内容如下:(1)简述了互补问题以及张量互补问题的发展,通过互补函数与光滑函数对张量互补问题转化,构建张量互补问题与无约束优化问题的等价关系。(2)分别提出了在Armijo线搜索条件下求解张量互补问题的一种新光滑谱共轭梯度法,以及在Wolfe型线搜索条件下求解张量互补问题的一种新光滑HestenesStiefel(HS)共轭梯度法,在温和的条件下给出各算法的全局收敛性分析与相关的数值实验。(3)对张量互补问题求解一类多人非合作博弈问题的应用进行了研究,利用此类博弈问题与张量互补问题的等价关系,通过所提出的光滑梯度类算法对其进行转化求解,相关的数值实验表明了算法的稳定性与有效性。

关键词： 倾斜光纤布拉格光栅   折射率计   截止模   上、下截止模   包络导数法   精度和灵敏度测量  

摘要： 光纤传感器在近几年获得了极大的发展,相比于传统传感器其具有小型化、成本低、抗电磁干扰等优点,倾斜光纤布拉格光栅因其不用破坏光纤结构在众多光纤传感器中脱颖而出,特别是它的灵敏度会比传统传感器要高好几个数量级。利用解调出的倾斜光纤布拉格光栅的光谱信息,可实现对生物、化学量以及电化学的测量。在一定范围内,倾斜光纤光栅截止模的波长漂移与环境折射率变化呈现线性响应关系,可以实时反映外界折射率的变化信息。但是截止模的使用一直以来存在问题,一是无法准确确定截止模的具体位置,二是对于发生和未发生跳模的情况,需要分开监测截止模的波长漂移和强度漂移,最重要的是由于倾斜光纤光栅包层模式的离散频谱特性,目前其测量小梯度折射率变化的能力受到限制,这就使得在小梯度范围内截止模存在灵敏度偏低、动态响应范围窄(跳模引起)、线性度差等不足。因此,改进截止模在小梯度范围内的光谱解调特性意义重大。在这里,我们提出了一种方法,通过测量整个包层模式包络强度的导数,以高精度和高灵敏度测量小的和大的折射率变化。导数曲线的峰值提供了对折射率变化的连续和线性响应,提升了倾斜光纤光栅进行折射率测量的分辨率。具体如下:(1)本研究的第一个目的是为了解决上述现有技术的缺陷,提供了一种基于包络导数法的倾斜光栅折射率测量技术,即对倾斜光纤光栅光谱的上、下包络求一阶导数,利用导数曲线上的最值点来反映待测液的折射率信息。导数曲线上的最值点是唯一的,避免了人工选择截止模的问题,同时避免了以往截止模跳模的问题,包络导数法为首次原创提出。(2)本研究的第二个目的基于导数曲线的峰值对折射率变化提供连续的线性响应,包络导数法利用上、下截止模来进行大梯度折射率溶液和小梯度折射率溶液的表征,表明该方法对不同梯度折射率溶液的优势。(3)折射率梯度变化比较小时,利用上、下包络导数曲线上最值点波长位置的平均值来表征折射率变化。结果表明,与传统的截止模相比,在小梯度折射率范围内,所提方法仍具有良好的线性度。包络导数法将测量灵敏度提升十倍以上,并带有线性响应(优于98%)。此外,这种方法提供了温度串扰校准的能力,为生化检测提供了强大的新工具。

关键词： 加速度传感器   摩擦纳米发电机   光栅结构   自驱动   车辆约束系统  

摘要： 加速度传感器在地震预警,人体动作识别,汽车运动传感等领域有着广泛的应用。基于其物理原理可以把传统的商用加速度传感器分为电容式、压阻式和压电式的加速度传感器。然而,电容式和压阻式的加速度传感器需要额外的电源才能够工作;压电式的加速度传感器是自驱动的但输出较小,这些不足限制了它们在物联网时代的应用。本文提出了一种基于光栅结构独立层式摩擦纳米发电机(grating-structured freestanding triboelectric nanogenerator,GF-TENG)的自驱动加速度传感器。实现了对于加速度的实时传感,完整组装的器件能够实现对于汽车运动的传感和碰撞的预警。论文的主要研究内容如下:(1)为了实现对于加速度的实时传感,制作了由有着一套平行的电极的滑子和有着两套平行电极的定子组成的GF-TENG。滑子在定子上滑动,利用摩擦起电效应和静电感应耦合效应形成较大的自驱动交流电压信号。通过分析电压信号峰值间隔的数量和变化趋势,可以得到位移、速度和加速度的值,对于位移的最小分辨值为0.4 mm。经过对电极宽度和电极间隙进行仿真和实验上的优化之后,可以实现在0.8 mm的尺度上对加速度进行传感,并且能够良好传感随时间变化的加速度。此外,虽然GF-TENG的电学输出会随着湿度变化,但是其波形不会改变,因而并不会对它的传感能力造成影响。(2)为了拓展加速度传感范围,将GF-TENG与弹簧组合成基于光栅结构独立层式TENG的加速度传感器。它能够通过调节弹簧常数和质量块的质量,以拓展至期望的加速度传感范围,例如4-45 m/s。对于加速度传感器来说,需要传感加速度方向和加速度大小两个重要的参量。传感加速度的方向是通过两个弹簧与质量块连接起来作为传感电压信号的开关。对于不同方向的加速度,信号会在不同的通道出现,以此实现加速度方向的区分。传感加速度的大小则是利用反应时间与加速度的大小为对数关系,可以通过加速度传感器的反应时间来计算加速度的大小。(3)为了展示加速度传感器在实际中的应用,将其安装在模型小车上进行实验,证明了其能够较好的对模型小车的运动进行传感。由于反应时间能够满足车辆约束系统的要求,加速度传感器也被证明了在发生碰撞时能够及时开启安全气囊保护乘客的安全。本研究工作拓宽了基于TENG的自驱动传感器的应用场景,为自驱动加速度传感器的制作提供了新的思路。在将来的研究中,通过提高电路制造工艺,加速度传感的精度能够进一步提高。此外,可以对加速度传感器的维度进行拓展,在机器人、人体运动识别等方面得到应用。

关键词： 等离子体共振   等离子体光栅   激光诱导周期表面结构   激光干涉光刻   湿法刻蚀  

摘要： 当入射光沿金属表面的波矢和表面等离激元(SPP)波矢相等时会激发共振,引起特定波长或特定角度光波的吸收,局部电磁场会被大大增强,这种现象称为表面等离子体共振(SPR)。在过去的几十年里,SPR的这一特性在SPR传感器、表面增强拉曼散射(SERS)、表面增强荧光光谱(SPFS)及增强非线性等诸多领域有着重要应用。近年来随着纳米加工技术的快速发展,结构简单、成本低、易集成的小型化光栅耦合SPR(GCSPR)传感器受到广泛的关注。尽管目前有多种制造周期性微纳结构的方法,如电子束光刻(EBL)、聚焦离子束刻蚀(FIB)、纳米压印(NIL)、自组装等,但是它们存在成本高、耗时长、缺乏灵活性等局限性,如何大规模低成本地制备高质量等离子体光栅仍是一个挑战。相比其它传统加工方法,脉冲激光的发明为在样品表面制备周期结构提供了一种无掩膜、非真空和低成本的加工方法。本论文研究了两种基于脉冲激光,快速、低成本且形貌可控地制备高质量等离子体光栅的方法,并将所制备的纳米光栅应用于SPR折射率传感器中。本论文主要工作内容如下:(1)随着飞秒激光器的普及化,飞秒激光诱导周期表面结构(Laser-induce periodic surface structures,LIPSS)近年来成为微纳制造领域的研究热点。然而在一般的LIPSS中,微纳结构是由于材料被蒸发去除而产生的,因此会带来许多的表面碎屑和缺陷,极大影响条纹的质量。本文采用湿法刻蚀辅助的加工方法:在非消融状态下,飞秒激光以一定速度扫描硅表面,在几乎不去除任何材料的情况下诱导出交替的晶态-非晶条纹。然后基于两种晶态硅在KOH溶液中刻蚀速率有着显著差异的特点,刻蚀出均匀规则的亚波长周期纳米光栅。这可以极大减少碎屑和缺陷的产生,大大提升了纳米光栅的质量,并且其形貌可以通过刻蚀进一步调控。实验中在0.9 mm/s的样品扫描速度、0.115 W激光功率条件下,成功地制备出约3×6 mm大小的均匀纳米光栅。另外,还探究了激光偏振、脉冲能量、扫描速度和刻蚀时间对光栅形貌的影响。通过自搭建的一套SPR测量装置测量并分析该金属光栅的光学性能。结果显示该方法制备的金属光栅可以有效的激发SPR,其如灵敏度、品质因数及折射率分辨率分别为707.4 nm/RIU、13.37和5.3×10RIU。该制备方法简单快速,且通过刻蚀可以灵活的调制光栅形貌,这种形态可控的周期纳米结构在光通信、光传感器等领域具有广阔的应用前景。此外,等离子体纳米结构也常被用来增强非线性,因此本章还测量了金膜的增强倍频效应。(2)研究并改善了纳秒激光干涉光刻直写制备光栅的方法。首先分析了在烧蚀状态下不同能量和脉冲数量对制备纳米光栅深度的影响,并通过两次正交曝光制备了二维点阵结构。由于烧蚀原因,直写制备的光栅周期和深度范围有限,且形貌质量不佳。因此,本文在上述方法的基础上研究了结合化学处理的加工方法,制备了周期大于383.5 nm、深度在0-200 nm范围内可调的高均匀纳米光栅。原子力显微镜(AFM)表征显示,光栅质量得到了显著提升,形貌可控范围进一步增加。然后,使用自搭建的SPR装置测量其光学性能,该方法制备的金属光栅灵敏度为527.7 nm/RIU、品质因数为20.6、折射率分辨率达3.1×10RIU。本实验制备的周期纳米光栅性能接近商用DVD、CD等金属光栅。本论文提出的两种方法可以低成本、快速地制备形貌可控的高质量金属光栅,为优化小型化GCSPR传感器提供了有力的制备技术。本论文提出了一种低成本、高效地制造长程有序、高均匀周期表面结构的方法,可以广泛应用于光学器件和传感器等领域。