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关键词： 推荐算法   自动编码器   Cauchy损失函数   高维稀疏数据  

摘要： 随着互联网技术的迅速发展,数据化交互已经成为人们生活不可或缺的一部分,涵盖了诸如网络社交、短视频互动、电商交易等多个领域。这些活动不仅牵涉到大量参与者,也导致了海量数据的持续生成。由于用户行为的多样性、物品的长尾分布以及冷启动问题等因素,生成的数据呈现出稀疏的分布状态。同时,高维数据中常常存在一些偏离整体数据分布规律的异常值。近年来,自动编码器在推荐算法中的应用大幅提升了推荐算法的性能。然而,现有基于自动编码器的推荐算法存在一些限制。首先,目前自动编码器通常采用单层网络结构,未能充分关注高维数据中的稀疏分布问题,难以捕捉稀疏数据的深层特征。其次,在自动编码器的表征学习过程中往往忽略了高维数据中的异常值,这些异常值可能导致模型的偏斜,从而降低模型的泛化能力。针对以上问题,本文提出了一种基于多层级自动编码器的鲁棒协同过滤推荐算法,主要工作内容如下: (1)构建了一种适用于高维稀疏数据的多层级自动编码器表征结构。该结构采用多层编码器和解码器构成,允许模型在多个层次上逐步学习数据的抽象表示。在每一层的编码器中,通过对输入数据进行非线性映射和压缩,可以提取出数据中的深层特征。解码器则通过逆向映射和解压缩过程,将抽象表示还原为原始数据的近似形式。通过对数据进行逐层的变换和重构,模型可以逐渐提高对数据的理解能力,并生成更准确的数据表征。 (2)基于Cauchy分布函数的特性提出了一种增强模型鲁棒性的方法,即在多层级自动编码器的训练过程中嵌入Cauchy损失函数,旨在减少自动编码器对异常值的敏感性。传统的L1损失函数对异常值的影响较小,但在零点处不平滑;与此相反,L2损失函数会过于关注异常值,因而可能导致过拟合问题。相比之下,Cauchy损失函数通过其尾部缓慢衰减的概率密度函数,在处理异常值时能够平衡损失函数的梯度变化,减少了异常值对模型训练的影响。这种特性使得Cauchy损失函数能够有效提升模型的鲁棒性,尤其适用于存在异常值的数据场景。 (3)提出了一种基于静态阈值的Cauchy损失自适应策略,通过动态调整Cauchy损失函数的参数γ以应对不同的误差情况。传统方法通常采用固定的γ值,而该策略则根据预测值和真实值的绝对误差大小动态选择γ值。当误差较大时,选择较小的γ值,使损失函数更陡峭,从而更强烈地惩罚异常值,增强模型的鲁棒性;而当误差较小时,选择较大的γ值,使损失函数更平滑,有助于稳定模型训练,提高泛化能力。这一策略的优势在于综合考虑了损失函数对异常值的惩罚和对整体数据结构的学习能力,通过动态调整γ值,有效结合了不同损失在不同训练阶段的优势,模型能够更灵活地适应不同数据情况。

关键词： 光纤通信   四波混频   色散补偿   信道分配   预啁啾   误码率  

摘要： 随着网络流量的爆炸性增长,光纤通信系统的传输能力和带宽需求也在不断增长。波分复用（Wavelength division multiplexing,WDM）技术的引入,则是一项重要的突破,极大地推动了光纤通信的发展。WDM技术可以同时传输多个独立的信号,避免了频谱资源的浪费。光波的频带宽度很大,通过合理设计和调制,可以在一条光纤中同时传输数十个或数百个信道的信号,大大提高了通信系统的容量。然而,非线性效应成为WDM系统中需要解决的一个重要问题。特别是四波混频（Four-wave Mixing,FWM）效应,它会导致信号的频率转换和光信号失真,限制了系统的可靠性和传输性能。因此,抑制光纤通信中的FWM效应成为研究的重点。本文针对光纤通信系统中FWM的抑制研究,分析了FWM产生的机理,建立数值计算系统,主要开展以下研究内容: 1.从麦克斯韦方程组出发,通过对其求解,得出了波动方程,之后详细地推导了FWM的耦合方程组及其近似解。根据非线性薛定谔方程以及光纤通信的基本理论,针对WDM光网络系统,构建了光纤通信中FWM的理论分析模型。 2.针对WDM全光网络传输系统,分析了FWM产生的机理,提出了一种色散补偿光栅与波长分配相结合的方案。在2-7信道系统下分别对此方案与传统方案、波长分配方案、信道间距100GHz方案、使用色散补偿光栅方案进行数值实验。随着WDM全光网络系统中信道数的增加,波长分配方案效果逐渐降低,而利用色散补偿光栅对抑制FWM效应的效果逐渐增加,并且色散补偿光栅的色散值也在逐渐增加。在信道数较小时,采用波长分配方案,信道的平均BER为6.5×10,本文方案的信道平均BER可达1.07×10;当信道数较大,采用色散补偿光栅方案,信道的平均BER为1.36×10,本方案的信道平均BER可达3.34×10。研究结果对于WDM光网络中FWM最小化具有重要意义。 3.在密集波分复用（Dense wavelength division multiplexing,DWDM）光网络传输系统中,针对FWM产生机理,提出了一种抑制WDM光网络中FWM效应的方法。该方法分别在有无预啁啾的情况下确定了第一、第二和第三优化优先级参数（如有效面积、信道间距、入纤功率）的单个和组合效应对FWM效应的影响,对系统BER进行数值计算,分析系统性能。在16信道系统中,随着有效面积的增加、输入功率的减小和信道间距的增加,光纤中的FWM效应得以降低,且在预啁啾情况下FWM效应降至更低。在预啁啾为800 ps/nm时,三种参数优化组合使信道中的最小BER为8.16×10,相比无参数优化和预啁啾的光纤通信系统,性能提升130.9 d B。研究表明所提出的基于预啁啾的参数优化策略是DWDM系统性能优化的理想方案。 4.提出分离色散与增益抑制DWDM系统中FWM效应的方法。该方法首先在不同数据速率的光网络中比较分析三种色散补偿方式,确定分离色散的色散补偿方式,在8信道和16信道的通信系统中分别对此种色散补偿方式和增益进行分离确定FWM效应的影响,并在多次分离后利用预啁啾进一步抑制FWM效应,对信道BER进行数值计算,分析系统性能。结果表明,在8信道和16信道系统中,随着色散与增益分离次数的增加,光纤中的FWM效应得到了有效的抑制,且在预啁啾情况下FWM效应降至更低,信道中的最小BER分别为5.89×10和8.77×10,可为下一代高容量光纤通信系统的发展提供重要的参考和指导。

关键词： 自动倾翻   图像识别   路径规划   自动扒渣   自动判定  

摘要： 宝钢股份武钢有限炼钢厂围绕智能制造技术，在铁水预处理工序上开展研究，开发了一套基于智能传感控制技术及机器视觉的自动扒渣检测系统，实现了对扒渣过程的智能判定，替代了人工判定扒渣等级，取得了较好的应用实践效果。铁水自动扒渣检测系统采用高分辨率摄像机观察铁水罐中实时情况，通过工控机采集成像，分析图像中铁渣的厚度和范围，并对照评级工艺条件评判出扒渣的等级。系统实现了铁水车自动倾翻、扒渣机自动扒渣和自动判定扒渣终点等功能，减轻了铁水脱硫工序劳动强度，降低了扒渣铁损，缩短了脱硫工序时间，提高了脱硫铁水质量。并通过远程集控改造，实现了远程自动扒渣，改善了铁水脱硫操作人员工作环境。

关键词： 自由空间光通信   单模光纤耦合   激光章动   模糊控制   参数自调节  

摘要： 针对空间激光通信单模光纤耦合系统中，传统激光章动算法参数固定，导致系统收敛速度与收敛稳定性无法兼得的问题，提出了一种基于模糊控制的参数自调节光纤章动耦合算法。该算法以快速反射镜（Fast steering mirror, FSM）为执行单元，根据实时耦合能量反馈值，在激光章动收敛过程中自调节算法参数，以提升系统的收敛速度与稳态精度。仿真结果表明：在无扰动条件下，参数自调节章动耦合算法的耦合效率、耦合精度、耦合速度均优于传统激光章动算法；在有扰动条件下，传统激光章动算法仅对一定条件下的扰动具有较好的抑制效果，参数自调节章动耦合算法对于1～20 Hz的扰动均有着较好的抑制效果，并且在耦合效率及耦合稳定性方面有着明显优势，更加适合应用于激光通信链路。

关键词： 卡尺   自动检定仪   CCD   示值误差   内量爪平行度  

摘要： 目前对卡尺的示值误差和内量爪平行度等的检定方法主要是人工检定，成本大、耗时长，为了满足现代工业的自动化及高效的生产需求，文章设计了一种高精度卡尺自动检定仪，该检定仪能够实现检定规程中的最主要项目的自动检定，很好地提高了检定效率，并且精度高和数据管理强。

关键词： 空芯光纤   光纤传感   法布里-珀罗干涉仪   马赫-曾德尔干涉仪   萨格纳克干涉仪   游标效应   谐波游标效应  

摘要： 由于折射率、气压、温度等环境参数逐渐成为日常生活及工业生产中重要的指标,环境参数检测已经成为人们广泛关注的问题。相较于电学传感器而言,光纤传感器具有安全、简易、可重复、高灵敏度和高分辨率等特点,被广泛应用于环境监测等领域。在各种光纤传感器中,空芯光纤(Hollow core fiber,HCF)构成的法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Pérot interferometer,FPI)、光纤马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)等被科研工作者广泛关注和研究。大量空芯光纤制备的FPI传感器和MZI传感器被运用于工程工业中实现对环境的监测,目前如何解决空芯光纤传感器制备困难的问题。本文利用传统光学游标效应和一阶谐波游标效应,设计了三种基于空芯光纤制备的高灵敏度光纤传感器。本文详细研究如何提高传感器灵敏度的物理机制,下面为主要内容: (1)简述光纤传感器的研究背景和本次课题的研究意义,重点讨论了干涉型光纤传感器:光纤法布里-珀罗干涉仪、光纤马赫-曾德尔干涉仪、光纤萨格纳克干涉(Sagnac interferometer,SI)。从信号叠加原理出发,讨论了传统光学游标效应和谐波游标效应的基本原理,为后续设计各种类型的空芯光纤传感器提供了理论基础。 (2)提出了一种两个FPI级联的高灵敏度游标效应的折射率传感器。其中一个FPI作为传感腔,由空芯光纤构成的法布里-珀罗腔通过飞秒激光在腔体同侧并排打孔,便于折射率溶液的进出,用于检测液体折射率的变化。参考干涉仪同样是由空芯光纤制成的FPI,不做打孔处理,两个FPI级联产生游标效应。实验表明,单个FPI测量液体折射率变化的灵敏度可以达到-110.61 nm/RIU,通过级联另一个参考FPI进行游标放大后的灵敏度可以达到-1072.72 nm/RIU,灵敏度放大了近10倍。实验结果也证实了所提出的传感器具有较好的灵敏度,因此该传感器有望在精确和高灵敏度的液体折射率测量中发挥关键作用。 (3)研究了一种基于级联熊猫光纤制备的SI和空芯光纤制备的MZI实现经典游标效应的高灵敏度光纤气体压力传感器,并对其传感特性进行了验证。SI由一个3 d B耦合器和一段熊猫光纤(Panda Fiber,PF)组成,SI被用作滤波器。作为传感部件,MZI具有高灵敏度和良好的稳定性。它包含了空芯光纤、单模光纤(Single-mode Fiber,SMF)、多模光纤(Multi-mode Fiber,MMF)三部分,然后通过控制两个干涉仪的空芯光纤的长度,以此来保证传感MZI和参考SI两个干涉仪的自由光谱范围(Free Spectrum Range,FSR)相似但不相等。由此,级联两个干涉仪后产生游标效应,可以放大传感器的气压灵敏度。实验结果表明,单个MZI的气体压力灵敏度仅为-7.75 nm/MPa。级联后的结构可以将气体压力灵敏度放大到-211.9 nm/MPa,放大因子为27.3,与理论分析结果(27.5)一致。此外,该传感器具有良好的重复性和稳定性。 (4)提出了一种基于空芯光纤构成的FPI和SI级联的高灵敏度谐波游标效应气压传感器。FPI由一个具有微孔的法布里-珀罗腔组成,用于检测环境气压的变化。参考干涉仪SI由PF环组成,并与传感干涉仪FPI级联产生谐波游标效应。在谐波游标效应传感器中,利用内包络(Internal envelope,in-envelope)线的交点测量气压可以获得更精确的灵敏度和测量精度。同时,谐波游标效应对两个干涉仪之间的FSR匹配要求较低,更容易实现谐波游标效应,其灵敏度是传统谐波效应的i+1倍。实验中获得的一阶谐波游标效应传感器的灵敏度为132.32nm/MPa,而相应的经典游标效应传感器只有68.78 nm/MPa的灵敏度,几乎翻了一番。实验结果证实提出的气压传感器具有良好的稳定性和重复性。同时,所提出的空气压力传感器的温度交叉灵敏度仅为0.0124 MPa/℃,这是较小的。该传感器有望在精度和高灵敏度的空气压力测试应用中发挥关键作用。

关键词： 光纤FP腔麦克风   TDOA   声源定位   轨迹重建   Chan-Taylor协同算法  

摘要： 博物馆因其阴暗、潮湿、安静的环境,成为了各类昆虫的栖息天堂,而博物馆内的文物也遭到昆虫的危害;博物馆常用害虫防治方法防治效果有限,且存在较大不足。一般而言,害虫都是在人们不知情的情况下进入到博物馆文物展柜或储藏柜内,所以从源头上治理就显得尤为关键;第一时间发现昆虫进入博物馆文物展柜或储藏柜内,从而及时清理昆虫。随着基于位置信息的服务业的发展,声源定位技术受到越来越多的关注和研究,基于超声波的室内定位技术的定位精度也达到了厘米级,但是由于室内环境不可避免的存在各种障碍物,各种障碍物组成的非视距环境会降低室内定位精度,因此室内定位技术在室内小范围空间如博物馆文物展柜或储柜内的定位精度大大降低。光纤声传感器灵敏度高,能够感知一定范围内的微小振动,其体积小,结构紧凑,能够灵活多变应用于各种复杂环境,所以,本文针对如博物馆展柜这类室内小范围空间,利用光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)腔麦克风对出现在目标室内小范围空间内的发声物进行探测。本文主要由以下几个方面研究内容: (1)分析光纤FP腔基本原理以及光纤FP腔声传感原理,为研制自准直光纤FP腔麦克风的制备提供理论基础;研究分析三类声源定位方法:最大输出功率可控波束形成声源定位、高分辨率谱估计声源定位和到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)声源定位,结合实际应用环境,选择TDOA声源定位方法;介绍麦克风阵列结构以及进行相应的阵列模型分析,选择适用于研究场景的二维平面麦克风阵列。 (2)研究时延估计方法,开展声源定位算法研究。在不同信噪比下,对不同加权函数下的广义互相关进行仿真分析;详细阐述基于TDOA的Chan定位算法和Taylor定位算法,将由Chan算法得到声源估计坐标作为初始值提供给Taylor算法进行迭代,从而Chan算法和Taylor算法结合形成Chan-Taylor协同算法,并对Chan算法与ChanTaylor协同算法进行仿真分析对比,分析对比Chan算法与Taylor算法结合后的定位性能变化,仿真结果表明,Chan-Taylor协同算法的定位性能优于Chan算法的定位性能。 (3)开展自准直光纤FP腔麦克风的制备和封装研究。试制备封装完成的光纤FP腔麦克风频率响应,测试多个光纤FP腔麦克风的响应一致性:频率响应一致性和声压响应一致性,测试范围为50 Hz～4000 Hz,测试光纤FP腔麦克风的声学指向性。测试结果表明:三个自准直光纤FP腔麦克风在80 Hz～2200 Hz范围内有较为平坦的频率响应特性,并且在这个范围内的波动小于15 m V/Pa,麦克风的峰值响应在2700Hz左右,并且这三个自准直光纤FP腔麦克风具有相近的声压响应;三个麦克风均具有良好声学指向性,当声源位于光纤FP腔麦克风正前方(0°处)时,三个麦克风均有最大声压灵敏度,分别为197.36 m V/Pa、189.64 m V/Pa、186.64 m V/Pa;当声源位于光纤FP腔麦克风侧面(75°、285°处)时,三个麦克风的声压灵敏度分别为182.34m V/Pa、163.12 m V/Pa、169.46 m V/Pa,比最大声压灵敏度分别小7.61%、13.98%、9.2%;当声源位于光纤FP腔麦克风后侧(180°处)时,声压灵敏度下降幅度较大,表明光纤FP腔麦克风对于环绕声波或反射声波具有良好的屏蔽作用,能够有效减小环绕声波或反射声波等加性噪声的影响。 (4)搭建实验平台,在二维平面内,分别对2 m×2 m、1 m×1 m内的定点声源进行探测实验,并进行1 m×1 m范围内移动声源轨迹重建实验。在2 m×2 m定点声源定位实验中,声源坐标位置与实验估计坐标在x轴方向上的最大偏差小于2.80 cm,在y轴方向上的最大偏差小于2.65 cm,且二者间的最大欧氏距离为3.41 cm;在1m×1 m定点声源定位实验中,声源坐标位置与实验估计坐标在x轴方向上的最大偏差小于2.32 cm,在y轴方向上的最大偏差小于2.35 cm,且二者间的最大欧氏距离为3.30 cm。在声源移动轨迹重建实验中,分别测试三种声源运动轨迹,实验结果表明,所提出的声源定位能够比较准确地重建声源的运动轨迹。

关键词： 分布式光纤声波传感   入侵事件   模式识别   开集识别  

摘要： 周界安防入侵监测问题始终是各地区安全工作的核心要点,非法入侵事件不仅对人的生命安全构成威胁,还可能造成重大的财产损失。由于人为事件的复杂多变与不可预测性,防范工作变得复杂艰巨。传统安防设备主要依赖于电子传感器和摄像头,但受环境影响大且成本高昂,难以实现长距离分布式监控。相比之下,分布式声波传感技术(Distributed optical fiber Acoustic Sensing,DAS)凭借其紧凑的设计、轻量化的特性以及卓越的抗电磁干扰和抗腐蚀能力,逐渐崭露头角并获得用户广泛认可。然而,由于DAS系统的高灵敏性和长距离探测特性,在实际应用中仍存在局限和不足:(1)常出现漏报和误报现象,降低了系统预警的可信度。(2)实际应用中存在不可控的未知事件,导致识别模型无法正确识别训练集外的未知类别,造成系统识别精度下降。 针对上述问题,本文对周界安防入侵事件识别系统的关键模块及未知判别方法进行了以下研究: (1)本文从瑞利散射机理出发,深入剖析了分布式光纤传感技术的核心原理。随后,搭建了DAS系统及实地测试场景,实现对现场数据的精准采集。在此基础上进行数据处理,共提取6154组入侵事件样本,完成了周界安防入侵事件数据集的构建,为后续的入侵事件识别提供了丰富的数据支持。 (2)设计并实现了基于1-D MFCNN的入侵事件识别模型。将DAS系统采集的扰动信号作为输入,通过四路并行的卷积层提取信号特征,完成入侵事件识别。此外,为深入探究不同网络模型对识别效果的影响,设计了多组对照实验,并对实验结果进行了详尽的分析与总结,结果表明提出的模型有着更短的模型训练时间与更高的测试准确率。 (3)提出了基于深度学习的入侵事件开集识别模型,提出Extended Open Max方法,在原有输出概率的基础上进行拓展,新增专门用于识别未知类别的维度。对测试集样本进行对比和分析发现,所提方法对于三个已知事件类别,平均识别准确率可达99.6%。在添加2个未知事件类别后,准确率仍高达96.9%。此外,设计多组对比实验并进行对比分析,结果表明所提方法在入侵事件的识别上具有较高的识别准确率。

关键词： 光纤激光   高功率   光束合成   功率合成   光谱合成   相干合成   复合合成   人工智能  

摘要： 光束合成是突破单纤激光功率输出极限、获得更高功率激光输出的有效技术方案。近年来，功率合成、光谱合成、相干合成等多种类型的光束合成均取得突破性进展，输出功率与单纤最高功率值相比，均实现了量级上的提升。多种光束合成类型的复合应用，有望进一步提升激光功率、压缩激光脉宽，实现更高性能的激光系统。为此分析高功率光纤激光光束合成的最新研究进展，提炼研究动向，概括研究特点，对未来更多类型光束合成系统研发面临的挑战和关键技术进行分析与展望。