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基于超表面光场调控的全息成像与图像处理研究

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基于超表面光场调控的全息成像与图像处理研究

作者：许继莲山东师范大学

学位级别：硕士

光场振幅、相位和偏振等参量的调控通常需要借助光栅、透镜、波片和偏振片等器件或者它们的组合实现,这些光学器件需要空间积累以达到对光场参量调控的目的,所以这些光学器件体积大。近年来,随着光场调控和光信息处理对设备和系统小型... 详细信息

光场振幅、相位和偏振等参量的调控通常需要借助光栅、透镜、波片和偏振片等器件或者它们的组合实现,这些光学器件需要空间积累以达到对光场参量调控的目的,所以这些光学器件体积大。近年来,随着光场调控和光信息处理对设备和系统小型化需求的不断增加以及纳米刻蚀技术的快速发展,传统的光学器件和光学系统已不再适用。由纳米单元组成的超表面通过调整超表面的结构参数就可以实现光场调控,并且超薄的厚度和紧凑的结构使其易于集成,因此利用超表面实现光场调控引起人们的广泛关注。研究人员也利用超表面强大的光场调控能力设计了超透镜、超锥镜、等效波片、超薄偏振转换器等等各种类型的功能器件,进而实现光束聚焦、光束整形和偏振转换。因此利用超表面设计光学功能器件并进行光场调控和光信息处理的研究具有重要的科学意义和广阔的应用价值。光学成像是光场调控和光信息处理的基础。全息成像则是利用全息的原理实现物体成像的技术。超表面全息是将光学全息与超表面结合,利用超表面强大的光场调控能力实现全息成像的功能。超表面全息具有体积小、噪声低、信息容量大、成像性能高的优点,因此它被应用于并行光信息处理中。相对于二维观察面内的光信息处理,三维光场传输轨迹的调控对于光信息加密传输和三维并行信息处理具有更广泛的应用空间。获得光场的可控传输是实现可控轨迹光场的前提,基于超表面的光场调控可实现可控轨迹的无衍射光束的产生。此外,在光信息处理和传递过程中,图像识别更是机器视觉、安全检测和医学造影等应用的基础。图像加减是图像识别的基本操作,不仅可以去掉图像的噪声,还可以增强图像差异、识别目标和检测各类运动。因此设计紧凑的平面器件实现图像加减具有实际意义。本文是基于超表面的光场调控能力开展全息成像与信息加密、可控轨迹光场传输以及图像加减处理的理论和实验工作,通过探究超表面对光场振幅、相位和偏振的调控,实现光学成像、光场可控传输和图像处理。本文的创新性工作有以下三个方面:一是提出了波长敏感的全息超表面的设计思路,实现了基于全息超表面的多路复用全息成像,呈现出设计简洁、噪声低、信息容量大和成像质量高等优势。二是提出了三维相位和偏振控制的有效方法,基于超表面得到了三维无衍射光束和三维矢量光,简洁的理论模型、简单的数学操作和紧凑的超表面全息图有利于对光场相位和偏振的控制。三是设计了可以实现图像加减的超表面图像处理器,具有很高的灵敏度,这一设计有利于拓展平面集成图像处理系统的设计和应用。本文工作包含五章的内容,具体的安排如下:第一章是本文的绪论。作为相关研究的基础,本章首先介绍了全息记录和再现的工作原理,包括菲涅耳全息成像原理和傅里叶全息成像原理,随后剖析了超表面的光场调控机制,从相位调控、振幅调控、相位与振幅同时调控三个方面列举了超表面的光场调控性能,对全息超表面研究中的最新进展进行了简单的回顾,最后给出了本文的安排。第二章基于全同纳米孔组成的单一超表面提出了波长和偏振复用的全息超表面设计思路,实现了目标图像的全息成像。为了尽可能降低各通道信息间的串扰,提出了多波长的Gerchberg-Saxton(G-S)迭代算法设计超表面结构。理论上实现了包括面内彩色成像和三维波长加密成像在内的波长可控的全息成像,并通过实验证实了超表面全息成像的光学性能。这一工作有利于全息超表面在扩大容量及图像加密等方面的应用。全息超表面的设计为后续工作的开展奠定了基础。第三章基于超透镜的工作原理和点源光场叠加,提出了一种产生三维无衍射光束和矢量光的有效方法,利用全息技术设计超表面结构实现对光场传播轨迹和光场波前的有效操纵,灵活地产生了按需轨迹传输的无衍射涡旋光束和矢量光。三维光场的控制不仅获得了沿多拐点复杂轨迹传输的光场,同时实现了携带螺旋相位的涡旋场和非均匀偏振的矢量光场。具有相位、偏振和传输轨迹可控功能的超表面的设计有助于无衍射光束和矢量光束更广泛的应用。第四章基于光学滤波和图像成像原理,推导了实现图像加减处理过程中物体的位置、滤波器的频率以及成像透镜焦距的依赖关系,基于双原子结构设计超表面图像加减处理器实现了两图像的加减运算。设计的超表面同时完成了光学滤波和透镜成像的功能,超表面的振幅和相位调控通过转动双原子来完成。理论结果证实了图像加减方法的可行性,模拟结果证实了超表面图像加减处理器的工作性能。基于超表面的图像加减处理的研究可促进超表面在更多光学计算中的研究。第五章是全文总结与展望,本章总结了本文的主要内容和创新点,最后讨论了本文研究内容存在的不足以及给出了未来工作的规划。

关键词：全息超表面无衍射光束矢量光光学加密图像处理

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吡啶保护的烯醇作为构建α-氟甲基酮的平台

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作者：许继君上海师范大学

学位级别：硕士

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基于机器学习和资产特征的投资组合选择研究

系统工程理论与实践 2024年第1期44卷 338-355页

作者：李斌屠雪永武汉大学经济与管理学院武汉430072 武汉大学金融研究中心武汉430072

随着可投资资产与资产信息的爆炸式增长,投资组合选择研究面临资产和特征双重高维挑战.为此,本文提出一个基于机器学习和资产特征的投资组合选择框架,该框架借助机器学习技术的天然优势,运用高维特征直接预测投资组合权重,避开了常规的... 详细信息

随着可投资资产与资产信息的爆炸式增长,投资组合选择研究面临资产和特征双重高维挑战.为此,本文提出一个基于机器学习和资产特征的投资组合选择框架,该框架借助机器学习技术的天然优势,运用高维特征直接预测投资组合权重,避开了常规的两步投资组合管理范式中的收益预测过程,并用于中国股票市场的资产配置研究.结果显示:1)基于此框架提出的投资策略能够捕捉高维特征中的增量信息,并挖掘资产特征与投资权重之间线性与非线性关系,大幅提升了投资绩效;2)交易摩擦类特征是投资权重预测中最为重要的资产特征;3)策略在套利限制较为严重的股票上回报更高,而对宏观经济状态变化的敏感性较低;在其他经济约束下,策略表现依然稳健.本文拓展了现代投资组合理论的研究框架,促进了人工智能与量化投资领域的交叉融合发展.

关键词：投资组合选择人工智能资产特征大维资产配置量化投资

基于改进人工势场法的RRT^(*)无人船路径规划算法

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中北大学学报（自然科学版） 2024年第2期45卷 123-131页

作者：周卫祥许继强上海海事大学信息工程学院上海201306

为了使RRT^(*)能够更好地适应不同复杂程度的环境,并快速生成一条平滑的较优路径,本文在RRT^(*)算法的基础上引入人工势场法,设计了基于改进人工势场法的RRT^(*)算法。首先,对全局地图进行划分,并进行分区偏置采样;然后,改进节点拓展方... 详细信息

为了使RRT^(*)能够更好地适应不同复杂程度的环境,并快速生成一条平滑的较优路径,本文在RRT^(*)算法的基础上引入人工势场法,设计了基于改进人工势场法的RRT^(*)算法。首先,对全局地图进行划分,并进行分区偏置采样;然后,改进节点拓展方式,引入障碍物大小因子来改进斥力势场函数,引导新节点的生成;同时,引入自适应变步长策略,根据距离障碍物的远近,以不同的步长拓展路径点。为了使规划路径更符合无人船的航行特性,采用三次非均匀B样条对改进算法生成的路径进行了平滑处理。为了验证本文改进算法的优势,通过设计特殊障碍物环境、简单障碍物环境以及复杂障碍物环境,对比分析了RRT、RRT^(*)、人工势场法和本文算法,发现了本文改进算法生成的路径平均长度短于RRT、RRT^(*)和人工势场法所规划的路径长度,路径规划效率更高,面对不同障碍物环境有更好的适用性。

关键词：无人船 RRT^(*) 人工势场法三次非均匀B样条路径规划

基于混合裁剪失衡数据增强与SwinNet网络的滚动轴承故障诊断

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振动与冲击 2024年第6期43卷 64-74页

作者：火久元李宇峰常琛李超杰许继豪兰州交通大学电子与信息工程学院兰州730070 兰州瑞智元信息技术有限责任公司兰州730070

针对在滚动轴承故障诊断领域中存在的故障样本较少,健康样本丰富所导致的故障类别失衡问题以及环境中存在噪声与人为噪声标签干扰等问题,提出了一种基于混合裁剪失衡数据增强与SwinNet网络相结合的故障诊断模型(fault diagnosis model c... 详细信息

针对在滚动轴承故障诊断领域中存在的故障样本较少,健康样本丰富所导致的故障类别失衡问题以及环境中存在噪声与人为噪声标签干扰等问题,提出了一种基于混合裁剪失衡数据增强与SwinNet网络相结合的故障诊断模型(fault diagnosis model combining mixed-cutout imbalance data augmentation and SwinNet,SwinNet-MCIDA)。首先,借鉴图像分类数据增强方法,利用混合裁剪失衡数据增强算法对失衡类别的数据进行裁剪、混合处理生成新的故障样本来增加样本量,构造出增强数据集,然后对增强数据集进行小波变换转换成时频图像,将所得图像输入到卷积神经网络与Swin Transformer编码器相结合的SwinNet网络模型中,进行特征提取和故障分类,从而实现滚动轴承故障的高效诊断。试验结果表明,该文所提出的SwinNet-MCIDA故障诊断方法不仅可以很好地解决滚动轴承故障诊断领域故障类别失衡问题,而且也可以很好地应对故障数据中存在环境噪声问题与人为噪声标签干扰问题。

关键词：滚动轴承故障诊断数据增强卷积神经网络 Swin Transformer

带环形弹簧的自复位摩擦阻尼器滞回性能理论及有限元分析

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工程力学 2024年

作者：王建军韩建平许继祥兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室兰州理工大学土木工程学院

提出了一种带环形弹簧的自复位摩擦阻尼器（RS-SCFD），介绍了其基本构造及工作原理，对RS-SCFD的受力性能进行了理论分析，通过与有限元计算结果的对比证明了理论公式的适用性和准确性，以环簧-螺栓组件中的螺栓预紧力、核心板和盖板... 详细信息

提出了一种带环形弹簧的自复位摩擦阻尼器（RS-SCFD），介绍了其基本构造及工作原理，对RS-SCFD的受力性能进行了理论分析，通过与有限元计算结果的对比证明了理论公式的适用性和准确性，以环簧-螺栓组件中的螺栓预紧力、核心板和盖板间的摩擦系数、开槽板斜面倾角等为变量进行了参数分析。研究表明，随着预紧力增大，RS-SCFD的临界荷载和耗能能力略有增加，但其刚度和自复位能力基本保持不变。摩擦系数的增加同样提升了RS-SCFD的临界荷载和耗能能力，但摩擦系数越大，RS-SCFD的加载刚度越大，卸载刚度越小，自复位能力越弱。此外，核心板和盖板上的斜面倾角越大，RS-SCFD的刚度、临界荷载以及耗能和自复位能力均随之增大。

关键词：环形弹簧自复位摩擦阻尼器滞回性能理论分析有限元分析

车载GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合导航方法

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测绘学报 2024年第3期53卷 425-434页

作者：穆梦雪赵龙北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学数字导航中心北京100191 北京航空航天大学飞行器控制科学与技术实验室北京100191

为提升复杂环境下低成本车载导航系统的容错性能,本文研究了基于次优增益融合(SGF)算法的GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法。该方法首先根据阿克曼转向几何建立了四轮里程计测速补偿模型,提升了惯性测量单元(IMU)安装中心处的前向和... 详细信息

为提升复杂环境下低成本车载导航系统的容错性能,本文研究了基于次优增益融合(SGF)算法的GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法。该方法首先根据阿克曼转向几何建立了四轮里程计测速补偿模型,提升了惯性测量单元(IMU)安装中心处的前向和侧向测速精度;然后设计了基于卡方检验统计量的故障检测与分类准则,充分利用了可获取的观测信息;最后构建了随机模型和信息分配因子(ISF)弹性优化模型,分别从传感器层和决策层减少了异常观测的影响,实现了车载多源信息的弹性融合。通过实际跑车数据对GNSS/SINS/里程计分布式弹性融合方法进行测试验证。试验结果表明,本文方法能有效减少子系统故障对全局状态估计的影响,提升复杂环境下系统的容错性能。此外,与经典的联邦卡尔曼滤波(FKF)算法相比,SGF算法全局融合精度损失有限,计算效率却显著提升,有利于多源信息弹性融合的实际工程应用。

关键词：多源信息弹性融合 GNSS/SINS/里程计融合里程计测速补偿模型次优增益融合分布式滤波

基于改进AHP法的农旅产品包装设计策略探析

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生态经济 2024年第1期40卷 204-210页

作者：许继峰吴彤东南大学艺术学院江苏南京211189

基于改进AHP法构建农旅产品包装设计的系统框架,可为农旅产品的包装设计提供借鉴。论文通过钻石模型及多种调研方法明确产品定位,剖析用户需求,转译为设计要素并构建设计要素的层级模型,进而建立判断矩阵推算设计要素的权重和重要性排... 详细信息

基于改进AHP法构建农旅产品包装设计的系统框架,可为农旅产品的包装设计提供借鉴。论文通过钻石模型及多种调研方法明确产品定位,剖析用户需求,转译为设计要素并构建设计要素的层级模型,进而建立判断矩阵推算设计要素的权重和重要性排序。排序结果显示:包装色彩搭配要素是最重要的,满足包装礼品互赠的情感价值;其次,赋予包装农旅融合的文化价值及商业价值是基本要求,绿色生态的质感能为包装增色。在该排序指导下生成的设计方案评分优秀。通过设计实例证明了基于改进AHP法的包装设计框架能够有效提升农旅产品的包装品质,具有可行性。

关键词：改进AHP法农旅产品包装设计

基于多链的果蔬全程全息信息管理模型构建与系统化实现

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农业机械学报 2024年第6期55卷 365-379页

作者：张新刘崇宣许继平王小艺于家斌赵峙尧北京工商大学计算机与人工智能学院北京100048 中国音乐学院北京100101

果蔬全供应链既具有业务环节繁杂、数据多源异构、利益角色众多等通用食品供应链特征,又具有风险演变趋势复杂、时效性要求强、存在突发新发风险等特性。为有效解决传统果蔬供应链监管方案存在的监管覆盖面不足、溯源效应周期长、各主... 详细信息

果蔬全供应链既具有业务环节繁杂、数据多源异构、利益角色众多等通用食品供应链特征,又具有风险演变趋势复杂、时效性要求强、存在突发新发风险等特性。为有效解决传统果蔬供应链监管方案存在的监管覆盖面不足、溯源效应周期长、各主体间协同效应差等问题,构建了基于区块链多链的果蔬全程全息信息管理模型,并进行了系统化验收。首先,在果蔬全程全息信息解析的基础上,构建基于多链的果蔬全程全息信息管理模型。然后,提出一种基于区块综合索引指数的果蔬信息快速检索方法,并设计了基于公证链的果蔬信息跨链安全交互机制。其次,基于长安链开源区块链平台设计并开发了果蔬全程全息信息管理原型系统。最后,进行了实验验证和系统案例应用分析。结果表明,本系统公开数据上链平均耗时为589.03ms,隐私数据上链平均耗时为708.59ms,公开数据查询平均耗时为26.87ms,隐私数据查询平均耗时为30.67ms。本文设计的基于多链的果蔬全程全息信息管理模型及系统在满足不同需求用户对于不同权限信息的上链和查询需求的同时,实现了对果蔬全程全息信息的穿透式监管,满足了企业对隐私数据的权限控制与安全共享需求,提高了果蔬信息检索效率,为果蔬全程全息信息管理模型开发提供参考与借鉴。

关键词：果蔬全程全息多链信息管理区块综合索引指数公证链长安链

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