关键词： 地基合成孔径雷达   干涉测量   形变监测   序贯平差   大气补偿  

摘要： 地表承载着人类的生活,是人们生产活动的基石。地表稳定性关系着群众的人身安全以及人们生产生活的有序进行。近二十年来,在全球气候变暖的背景下,极端天气的发生频率逐年增多,地质灾害的危害也不断加剧,这也对地表形变监测提出了更高的要求。相对于传统地表形变测量技术,合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)因具有全天时、全天候、高分辨率与大范围的优点,成为了地表形变监测的有利手段之一。星载SAR在重访周期以及成像几何等方面有着固有的缺陷,无法满足突发性自然灾害监测的需求。与星载SAR相比,地基合成孔径雷达(Ground-based Synthetic Aperture Radar,GBSAR)因具有高时间分辨率(分钟级至秒级)、高空间分辨率(亚米级)、高精度(亚毫米级)等优点,在精细化实时形变监测中展现出了卓越的性能,成为了星载SAR的一种有效补充。因此,基于地基合成孔径雷达干涉测量(GB-In SAR)技术,积极开展地表形变监测技术研究,对灾害监测预警、抢险救灾应急测绘具有重要的实际意义。目前,地基SAR的数据处理方法大多借鉴了星载In SAR技术。由于地基SAR独特的高时间采样频率特性,使得某些常规的In SAR数据处理技术在地基SAR中无法得到较好应用。此外,目前的地基SAR数据处理方法不能快速应对高时间分辨率带来的大数据量实时处理的情景。鉴于此,本文开展了地基SAR形变监测数据处理技术研究与应用,主要研究内容及创新之处如下:(1)针对利用传统FFT进行距离向成像时出现的频谱泄漏的问题,提出了一种基于全相位FFT的地基SAR距离向成像算法,实现了抑制频谱泄漏的效果,提高了观测目标的辨识度,减弱噪声。该算法将传统的FFT替换为全相位FFT,结合了全相位FFT具有优良的抑制频谱泄漏性能与“初始相位不变”的重要特性,实现最高谱线的初始相位严格等于输入信号的初始相位,保证了最高谱线不受频谱扩散的影响。使用模拟实验与真实实验对该算法进行了验证,与传统FFT相比,全相位FFT的频谱图中,观测目标所对应的主频线更加明显,周围的旁频线得到了有效抑制。在该成像算法下,地基SAR在室内的形变测量精度可达到亚毫米级。(2)针对已有的大气延迟相位补偿方法难以区分地基SAR高频观测信号中的形变与大气延迟变化的问题,提出了一种地基SAR地表形变与大气模型参数联合估计模型,利用形变的时空特征以及大气延迟的空间特征,使用最小二乘实现了形变参数与大气模型参数的联合估计,提高了形变估计的精度。该方法的核心思想是对选取的PS点的地表形变相位和大气延迟相位分别进行建模,再构建干涉相位与地表形变和大气模型参数之间的函数模型与随机模型,并利用最小二乘方法进行参数估计,从而反算求解大气延迟相位。通过设计实验对该算法进行可行性分析,同时为了验证该估计模型的精度优越性,对该联合估计方法与经典的外部气象参数校正法、多项式拟合校正法进行了对比实验,使用均值、标准差以及均方根误差等指标进行精度评估。实验结果证明,本文提出的联合估计方法处理得到的结果标准差和均方根误差相对于其它两种方法都有显著的提高,验证了该联合估计方法的可靠性和精度优越性。此外,将该方法应用在湖南省长沙市实地的大桥振动监测中,成功地将桥梁振动与大气延迟分离。(3)针对地基In SAR后处理效率低,现有的地基In SAR实时处理算法实时性差的问题,提出了一种基于参数可变的序贯平差地基In SAR实时形变函数模型,科学建模了形变参数的动态变化;基于建立的实时形变函数模型及形变参数和大气联合估计方法,构建了一套地基In SAR实时动态处理方法,实现了地基In SAR数据的实时高精度动态处理。使用地基SAR对四川省丹巴县的一处滑坡进行7个小时的连续观测,共计137景SLC影像。使用本文提出的实时动态处理方法对其进行处理,得到了观测期间内滑坡的累积形变结果与平均速率图。从处理结果可以看出,该观测区域有多处滑坡正在发生,累积形变量最大可达20厘米。对实验结果进行分析,参数估计的残余形变的均方根误差90%分布在1mm之内,均值为0.61mm。解缠误差在第一阶段为4%左右;在第二阶段开始,由于观测目标数量突减,严重影响了相位时空三维解缠的精度,解缠误差突增至20%;随着观测目标个数趋于稳定,影像解缠误差稳定在1%左右。随着观测量增多,待求的未知参数也逐渐增多,单个观测耗时也逐渐增长,其中“形变参数解算”环节所耗时间逐渐成为观测总耗时的主要部分,但仍然满足实地观测场景中数据实时处理的需求。(4)针对地基SAR软件可视化程度低,人机交互性弱的需求,研发了地基SAR成像、D-In SAR与PS-In SAR处理软件;开展了地基SAR与高频GNSS桥梁稳定性监测综合实验,成功监测了桥梁的高频振动,验证了本文发展的

关键词： 光声内窥成像   成像稳定性   数据实时处理   肿瘤微血管  

摘要： 肠胃道癌症的早诊早治对提高患者的治愈率和生存率,减少治疗负担至关重要。肿瘤滋养血管的生成和发育是肿瘤发生发展过程中的一个非常重要特征,实现肿瘤滋养血管的检测有望带动癌症早诊早治的重大发展,但是目前临床尚未有相关的成像技术可以高分辨、高灵敏地提供相关信息。 光声成像作为一种新型的成像技术,可以在没有外源性标记的情况下进行高灵敏微血管成像,实现对滋养血管无创、精确、长时间连续观察,有望在癌症早诊早治方面发挥重要价值。前期的光声肿瘤血管成像研究主要聚焦在体外,已经初步证明了该技术的临床应用潜力。为了能够将光声成像技术应用在消化道内窥领域,研究人员已经开发了各种形式的光声内窥成像设备,并已充分证明了该技术的体内成像能力。实现基于内源性对比机制的活体状态下肿瘤滋养血管显微可视化,是研究人员一直以来追求的目标之一。但目前的研究报道主要集中在声学分辨率成像,实现光学分辨率光声活体内窥成像还存在成像稳定性要求高以及数据难以实时处理等挑战。 本文以实现消化道肿瘤微血管高分辨成像为目标,研究内容主要从以下几个方面展开。 首先,本文基于光声成像的基本原理,对光声信号在消化道狭窄小环境中的传播和接收特性做了详细分析。在此基础之上,本文设计并实现了具有光学分辨率的光声内窥成像系统,其成像分辨率达到了26.7μm,可以获取肿瘤滋养血管高分辨率成像结果。所设计成像导管直径2 mm,兼容现有临床内镜2.8 mm仪器通道,使之具备一定临床应用可能性。 本文还对内窥成像下因活体高分辨成像带来成像稳定性和数据实时处理问题做了重点研究。首先光学分辨率对成像过程的稳定性提出了更高的要求,为了衡量系统成像稳定性,本文提出了一种基于图像处理的无接触式测量方法,可以在保持与成像过程一致的条件下量化成像扫描稳定性。借助这一方法,本文完成了导管设计优化和关键部件选型优化,最终成像过程中的扫描波动标准差降至0.54。光学分辨率带来的另一大问题是使得成像数据量陡增,加大了数据处理和分析的难度。在内窥成像中,由于不能直接观察到成像部位的状态,没有实时成像结果作为反馈将会大大加剧成像难度。为此,本文设计了基于FPGA和GPU的联合加速处理系统,将处理速度提高了107倍,满足实时成像的需求。另外,在数据量化分析阶段,本文还提出了一种并行化量化算法,相比现有算法速度提升了3倍,节省了数据分析的时间。 最后,本文还进行了活体大鼠直肠肿瘤微血管成像实验。得益于分辨率的提高、成像稳定性改进以及实时成像的辅助,成像系统能够获取较高质量的微血管网络图像,可以分辨出肿瘤微血管和正常组织血管在形态和分布上的差异。进一步的,本文还对成像结果做了量化分析,通过与病理切片比较发现,量化分析结果与病理切片结果具有较好的一致性。 本文的研究内容,在保证内窥成像导管的尺寸具有临床实用价值的前提下,实现了分辨率提升、成像稳定性提升、数据处理速度提升,获得了肿瘤微血管高分辨率成像结果和量化分析结果,有望为消化道癌症早期发现和诊断提供切实可行的帮助。

关键词： 重力基准   国家重力基本网   粗差   抗差估计   Helmert方差分量估计  

摘要： 地面重力测量作为大地测量学的主要任务之一,不仅为获取地球重力场信息提供基础数据,其解算成果在解释地球运动机理的基础上,加强人们对地球内外部信息的准确认知,更为太空探索、军事科技、地质灾害和国民经济建设提供精准的地学信息。国家重力基本网是我国现代测绘体系的重要组成部分,它的实现由分布在地表、具有一定密度的高精度重力控制点来体现,仅仅依靠绝对重力测量无法完成大规模实测任务,相对重力测量成为建立重力控制网的重要手段,不同的观测方式包含不同的误差。如何合理处理重力测量数据获得控制点的高精度重力值是建立重力控制网的一项关键技术。本文着重研究了重力基本网的解算方法和原理,编写了数据预处理、参数估计方法和重力网平差算法的程序。主要工作包括:(1)对我国建立的三代重力基本网的分析比对,分析总结各时期国家重力基本网的特点,包括控制网构成、测量方式、数据处理方法、成果精度等,在此基础上提出了下一代重力基本网的建设建议。(2)根据测量仪器特点误差源特性,详细讨论了地面重力测量观测数据预处理各项改正,包括地球固体潮改正、气压改正、极移改正、仪器有效高度改正、光速有限改正、地下水影响改正和重力垂直转换高度改正等,并给出了各项改正的计算公式。考虑到观测仪器具有系统误差的客观设计,讨论了顾及仪器参数影响的平差模型,并给出了参数检验方法。(3)考虑到重力观测数据中不可避免存在异常观测情况,在数据探测和稳健估计的基础上讨论了不同的粗差控制策略,并探讨了其在不同应用场景的适用性和可靠性。基于算法用时考虑,拉伊达准则、RFP法和抗差估计为最优选择;基于定位角度来说,拉伊达准则、相邻方差比检验和RFP法较为合适;基于定值角度,则优先选择相邻方差比检验和RFP法;从控制效果来说,拉伊达准则为最优,其他几种方案均较为接近。综合考虑,在大型实测重力网平差计算中,粗差处理优先使用抗差估计方法。(4)为抑制观测数据异常误差的影响,同时考虑不同仪器类型对重力观测数据处理结果的影响,使用抗差Helmert方差分量估计平衡不同仪器观测量的贡献。2000重力基本网实测数据试验结果表明,采用抗差估计较最小二乘估计,重力点平均精度由7.64μGal提高至6.77μGal,提高约11%;按绝对观测固定权、相对联测观测量进行方差分量估计重力点平均精度为6.77μGal,而采用不同仪器的重力观测数据分类其重力点平均精度为5.78μGal,提高约15%。

关键词： 弹光调制   双折射   数字锁相   弹光调制器控制   谐振跟踪  

摘要： 双折射是一种各向异性光学材料的固有特性。当光束入射到各向异性光学材料时会分解成振动方向互相垂直、折射率不同的o光和e光。各向同性材料受到分布不均匀的应力时也会发生双折射现象。因此对双折射的精确测量能够作为光学材料及其元器件的光学均匀性分析的有效手段。目前,双折射测量方法主要有偏光干涉法、补偿法和调制法。偏光干涉法和补偿法系统结构简单,成本低,但灵敏度受限于机械旋转偏振元件,且测量耗时;调制法以弹光调制器(Photoelastic Modulators,PEM)为核心,弹光调制器具有调制纯度大、调制频率高、通光孔径大、光谱范围宽等优点,调制法逐步取代偏光干涉和补偿法。本文以弹光调制技术为核心,研究了一种基于双弹光调制的双折射测量方法以及系统,主要研究内容如下:首先,对双弹光调制的双折射测量技术展开了研究,分析了双弹光调制的双折射测量系统测量原理。针对弹光调制器的谐振频率温漂特性,对弹光调制器的稳定控制技术展开了研究,构建了一种弹光调制器及其高压谐振驱动电路的复合谐振网络模型,创新性提出了一种基于复合谐振网络幅频特性的谐振频率自跟踪方法;针对双弹光调制信号解调以及幅频特性跟踪系统信号的幅值测量需求,设计了一种结构简单,便于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现的积分平均的数字锁相放大器。其次,以FPGA为控制与数据处理核心对双折射测量的软硬件系统进行了设计。通过对信号调理与采样电路、高压驱动电路、通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)传输电路以及FPGA的外围电路设计,完成了双折射测量系统的控制和采集的硬件平台;并设计了基于FPGA的数字锁相放大器,实现了对弹光调制信号的解调,将解调的结果通过USB传输到上位机进行进一步解算得到双折射参数;并设计了基于FPGA的弹光调制器谐振自跟踪算法,实现了弹光调制器的稳定控制。最后,在完成软硬件设计的基础上,对双折射测量系统的性能进行了测试。搭建了弹光调制器驱动控制测试平台对驱动电路以及弹光调制器的稳定性进行了测试,验证了该谐振跟踪方案明显提高了弹光调制器的稳定性。搭建了双弹光调制的双折射测试平台,对波片相位延迟的测量标准偏差不超过0.029nm,快轴方位角的标准偏差不超过0.016°。采用相位延迟可调的索里尔巴比涅补偿器对系统进一步测试,相位延迟标准偏差不超过0.03nm,当相位延迟大于70nm时,快轴角的标准偏差可达0.069°,验证了该系统在不同的相位延迟下都有较好的重复性,满足本设计要求。

关键词： 伽马暴   千新星   余辉   数据处理   喷流   GRB 070707   GRB 191221B  

摘要： 伽马射线暴是宇宙中最剧烈的天体爆发事件之一。从第一个伽马暴被发现至今,已有半个多世纪,这几十年来伽马暴领域取得了迅速的发展。从持续时标上伽马射线暴可以分为两类:一类是长暴,其持续时标长于2秒;持续时标短于2秒的暴称为短暴。现阶段人们普遍认为长暴诞生于大质量恒星的死亡,而短暴源于双中子星或中子星-黑洞的合并。伽马暴多波段余辉的观测,极大地加深了人们对伽马暴的理解。特别是在爆发的极早期阶段,详细研究喷流内部的各种辐射成分及其演化,能够对伽马暴的理论模型进行很强地限制。利用伽马暴余辉的光学数据,可以深入探究伽马暴的内部物理过程、相对论喷流特性及其与环境的相互作用等。中子星并合(双中子星并合或中子星-黑洞并合)后抛射出的富中子物质是合成r过程元素的重要场所之一。多年来的理论研究认为,这些r过程元素衰变产生的能量在热化后将形成光学-近红外辐射,这种光学-近红外暂现现象由于它们的典型峰值亮度约为典型的新星亮度的1000倍,因此被称为“千新星”。千新星现象是最有前景的引力波电磁对应体之一,对千新星的观测研究能帮助人们检验短暴前身星理论,更好地了解致密星并合过程。分析伽马暴历史光学数据也是寻找千新星信号的重要手段。本文主要介绍通过光学数据处理,分析伽马暴的多波段余辉,寻找余辉中的千新星信号并对伽马暴喷流的物理参数进行限制。第一章对伽马暴和千新星进行了介绍。在伽马暴部分主要介绍了伽马暴研究的历史背景、观测特征和理论模型。对火球模型和余辉辐射机制进行了具体的描述。对千新星介绍包括千新星研究的发展历史和物理模型,以及双中子星并合事件GW170817/AT2017gfo和它的重要意义。第二章详细描写了光学数据处理的方法和流程。以几个伽马暴的数据为例,从对图像进行预处理开始,到测光以及星等误差、极限星等的计算方法等,还有对光谱图像的处理方法进行了介绍。用到的软件有IRAF、GAIA-starlink等。第三章是对GRB 070707的数据处理和分析。这个暴的光变曲线与AT2017gfo相似,于是我们通过IRAF等软件对甚大望远镜(VLT)、哈勃望远镜(HST)拍摄的光学图像进行处理、测光,得到了其R波段、J波段图像的星等。我们假设附近的一个红移为0.2394的星系是它的宿主星系,其偶然巧合概率为Pcc=0.046。然后通过构建物理模型对伽马暴GRB 070707的光学数据进行分析拟合,发现用正向激波辐射和能量注入情况都不能很好解释其余辉行为,而用余辉加千新星的模型可以拟合得很好,表明了 GRB 070707余辉中可能存在千新星成分。另外还处理了该暴的宿主星系的光谱,对星系性质进行分析,这个星系的高金属丰度、低恒星形成率和较老的星族年龄与其他千新星成协的伽马暴的宿主星系相似。GRB 070707是INTEGRAL卫星发现的第一个短暴,如果存在千新星则强烈表明千新星在中子星并合事件中普遍存在。第四章是对GRB 191221B的数据处理和分析。这个暴在前人的工作中被发现余辉光变曲线存在一个光学平台,这在伽马暴中是比较奇特的。我们通过Heasoft等软件处理了 Swift卫星和其他地面望远镜的图像数据,得到了 GRB 191221B的多波段余辉的光变曲线,通过对该伽马暴的光学、紫外、X射线、射电等多波段数据进行分析,表明该伽马暴可以用“双成分喷流”结构解释,模型包含一个有较高初始洛伦兹因子(Γ0=400)的窄喷流(θj=0.025 rad)和一个较宽(θj=0.048 rad)但较慢的(Γ0=25)喷流。其中窄成分主导了早期的衰减,宽成分造成了光学平台的出现并主导了晚期的衰减。我们还用反向激波辐射来解释了早期2000秒前后UVOT数据与Rc波段的光变衰减指数不一致的问题。最后一章对本论文的工作进行总结,并对未来中子星并合事件电磁辐射的观测和研究进行了展望。

关键词： 药物不良反应   数据处理   不成比例分析法   深度森林  

摘要： 在过去几十年,药物服用导致的不良反应已经对全球的人力与财力造成了重大损失,因此上市前对目标药物进行临床试验是不可缺少的环节。但由于临床试验仅能从药物的化学组成成分出发,且研究时间有限、样本稀少等因素。因此在药物通过临床试验后,建立药物与不良反应的自发报告系统(Spontaneous Report System,SRS),并同步进行数据统计分析是非常有必要的。本次研究选取了FDA药物不良事件报告系统(FDA Adverse Events Reporting System,FAERS)数据库中2015年-2022年数据,对该年限数据进行了预处理和统计分析。此外,基于观察医疗结果伙伴关系(Observational Medical Outcomes Partnership,OMOP)提供的399对药物与不良反应金标准,在预处理后的FAERS数据中,对每一种药物与反应进行分析,获得对应的统计数据。经典的药物与不良反应分析方法主要是基于频率法与贝叶斯方法,本文全面分析了该类方法在FAERS与OMOP数据上对399对药物与不良反应的关联信号。通过接受者操作特征(Receiver Operating Characteristic,ROC)曲线,可以看出基于贝叶斯的两种方法在统计量较大的急性肾损伤与急性肝损伤反应中的AUC(Area Under Curve)值与尤登指数(Youden Index)均高于频率法的两种方法,但是在统计量较小的急性心肌梗死与慢性胃肠道出血反应中两种方法的统计指标相差不大。为了充分挖掘药物与不良反应之间的关联性,本文提出了两个基于深度森林的药物与不良反应之间的关联分析方法,分别是基于深度森林的集成特征方法和基于深度森林的全相关特征筛选方法。该类基于深度森林的方法是由多个随机森林组成的深层结构。实验结果表明基于深度森林的集成特征方法在四种不良反应上的AUC值与尤登指数均高于随机森林,尤其在急性肾损伤反应中的AUC值较随机森林提高了0.03,尤登指数提高了0.02;基于深度森林的全相关特征筛选方法在统计量较少的反应中拥有良好的表现,在急性心肌梗死反应中的AUC值较深度森林集成特征方法提高了0.06,尤登指数提高了0.06。此外,基于深度森林的两种方法均优于经典的药物与不良反应分析方法。本次论文开发了一个药物不良反应的上报查询系统,普通用户与医护管理人员均可以通过该系统后台嵌入的算法模型进行数据查询,了解药物与不良反应的关联性。此外,管理人员可以通过后台进行药物与不良反应的统一管理,方便后期对数据库和算法升级。

关键词： 数字报   安全出版   数据安全   数据处理  

摘要： 为了确保新闻媒体信息的权威性，保障数字报的安全出版，本文在数字报实践的基础上，从数据安全的角度对数字报的工作流程、内容的编辑、技术保障等方面研究探讨数字报安全出版的相关因素及其措施，认为数字报是原报在网络和智能移动终端的再出版和扩充，数字报的内容会被多次利用和传播，需要加强对数字报的编辑、发布和修改的管理，在流程、内容和技术上保证数字报的出版安全。本文以《广西日报》数字报为例，探讨研究数字报安全出版的相关因素及其保障措施。

关键词： 时间飞行法   时间数字转换器   多通道高速数据接口   实时数据采集   粗计数误差消除  

摘要： 直接时间飞行法(Direct Time of Flight,d TOF)是通过测量物体或者粒子在介质中的传播时间来计算距离的方法。其中精确时间测量主要采用时间数字转换器(Time to Digital Converter,TDC)实现,TDC的时间测量精度决定了整个d TOF系统的性能。基于标准CMOS工艺设计的多通道皮秒分辨率TDC芯片是d TOF系统中精确测时的主要技术方案,已成为国际上科研机构和工业界的共同研究热点。多通道TDC芯片测时数据的实时片上处理与数据接口的传输性能已经成为影响TDC芯片性能的主要因素之一,提高TDC片上数据实时处理系统性能以减少测量死时间,加快TDC测量速度是提高多通道TDC芯片性能的重要技术手段。研究TDC测时数据的实时片上处理方案与高速数据接口不但是多通道精确时间测量技术发展的需要,还可以为3D成像等TDC的产业化应用提供有力技术支撑。 本文的工作主要分三个方面。首先,面向多通道高精度TDC芯片测时数据实时片上处理与数据传输的需求,设计了低延时温度计码译码器、多通道TDC二级缓存数据接口和基于SPI的配置寄存器接口。所有设计成功集成在项目组的多通道TDC芯片中,经流片验证,达到了多通道TDC芯片实时数据处理的要求。其次,面向多通道TDC芯片测试需求,采用STM32F103 MCU和Altera Cyclone IV EP4CE6 FPGA设计了多通道TDC芯片数据采集系统。采用STM32F103构建了多通道TDC芯片控制接口,实现芯片工作状态控制;采用Altera Cyclone IV EP4CE6构建了高速数据采集接口,实现了多通道TDC测量数据的实时不间断采集。最后,针对输入信号与工作时钟不同步带来的粗计数误差问题,提出了一种可以降低、消除粗计数误差的技术方案。通过FPGA测试,本文设计的方案可以有效降低甚至消除TDC测量中因为输入信号不同步带来的粗计数误差。

关键词： 目标检测   数据处理   隧道病害   机器学习  

摘要： 地铁隧道由于所处的地下环境复杂,投入运营后会不可避免的出现裂缝、渗漏水等表观病害,威胁隧道结构健康。随着我国城市轨道交通运营里程的飞速增长,对于隧道表观病害检测和健康状况评估的需求日益增加,传统的人工检测和评估方式难以满足当下对于精度和效率的需求。为此,开展高精度、高效率、智能化的病害检测与健康状况评估方法研究是十分必要的。基于此,本文提出了一种基于深度学习的地铁隧道表观病害检测和评估系统,旨在实现裂缝、渗漏水病害的实时检测与量化计算,以及隧道健康状况的多元异构数据耦合分析。首先,针对地铁盾构隧道采集环境的特点,提出了快速巡检和精细化探查相结合的采集方案,并据此完成对工业相机、镜头、采集卡等前端硬件设备的选型。同时引入云计算-边缘计算融合技术,进一步降低储存成本和算力消耗。检测平台搭载4台面阵相机进行同步采集,并且能够根据检测速度和精度要求对触发频率进行调整,最大检测速度达30m/s,最高检测精度达0.2mm。其次,对于表观病害的实时检测与量化计算,本文提出了基于YOLO v7的隧道表观病害检测算法。通过对现有的病害图像进行筛选、扩充和标注,构建多类别隧道表观病害数据集用于算法训练。算法在训练集上的均值平均精度达到0.936,其中裂缝和渗漏水的平均精度分别为0.896和0.976。通过降低置信度阈值,裂缝和渗漏水病害的查全率分别可达95.94%和98.10%,能够满足表观病害检测的要求。随后基于算法生成的病害识别框,根据光学成像原理提出了表观病害量化计算方法,在误差允许范围内实现了高维图像数据的降维,为后续的健康状况评估提供了数据支撑。随后,通过查阅相关文献和现场调研,整理并分析了常用的盾构隧道健康状况评价指标,建立了适用于物联网监测和隧道快速无损检测技术的评价体系。根据选取的评价指标,经过数据预处理,最终得到包含441个样本、7个特征的盾构隧道健康评估数据集。基于Scikit-learn机器学习模型库,分别建立了决策树、支持向量机、随机森林、极限梯度提升模型,并且根据学习率曲线、总泛化误差曲线、网格搜索技术确定了4个模型的最优超参数组合。模型在测试集上的预测结果表明,极限梯度提升模型拥有最佳的预测性能,集成学习模型相较于传统机器学习模型能够更好兼顾查准率与查全率。最后,在青岛地铁8号线大洋站-青岛北站区间展开现场实验,验证地铁隧道表观病害检测和评估系统的可靠性与可移植性。通过与人工巡检记录复核,裂缝和渗漏水病害的查全率均超过90%。健康状况评估结果表明,区间整体健康状况良好,在部分断层破碎带处有较大竖向沉降,需要加强日常对于隧道结构变形的监测。

关键词： 铜氧化物高温超导体   Bi2223   角分辨光电子能谱   能带结构   Bogoliubov杂化   层相互作用模型   降噪   神经网络   ARPES数据处理  

摘要： 作为人类最早发现的宏观量子现象,超导一直都是科学研究的一个重点问题。它不仅揭示了物质中电子的量子行为,促进了强关联电子体系、量子多体理论等相关领域的发展,还为许多实际应用提供了重要的基础。铜氧化物高温超导体的发现,不断提高最高常压超导转变温度的上限,激发了众多物理学家的研究热情。对于高温超导体的研究,虽然已经有了很大进展,但现今并没有一个完善的微观理论能够对大部分实验现象做出统一的,令人满意的解释,该领域仍存在许多亟待研究的问题。角分辨光电子能谱（Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy,ARPES）是研究电子能带结构最有效的工具之一,它能够直接探测材料的电子结构,获得所有占据态的单粒子响应,在高温超导体的研究中发挥着重要作用。本文重点介绍了硕士期间在ARPES仪器设备上所作的工作,和对铜氧化物高温超导体Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ（Bi2223）所作的研究,以及在神经网络ARPES数据处理上所作的探索。1、介绍超导体的发展历程和进展,重点介绍了铜氧化物高温超导体的晶体结构,相图,电子结构等方面的特点。2、介绍角分辨光电子能谱的基本原理,包括实验原理和光电子发射理论,并结合所在实验室的真空紫外激光角分辨光电子能谱系统,从光源,分析器,超高真空系统和低温传样系统等方面具体介绍ARPES系统的结构。重点介绍了我所负责维护和修复的自旋分辨ARPES系统。3、介绍了在铜氧化物高温超导体Bi2223中所作的研究工作。在该项工作中,我们在Bi2223中首次观察到三层劈裂的费米面,以及在超导态时三个能带间具有选择性的Bogoliubov杂化以及不同寻常的能带排序关系。基于这些实验数据,我们改进了三层相互作用的紧束缚模型,拟合出了表征各个微观过程的参量和其函数形式,从中发现了铜氧面间不同寻常的电子跳跃和配对。这些结果表明高的超导转变温度可能是由过掺或最佳掺杂铜氧面提供相位刚度,欠掺铜氧面提供配对强度,两种铜氧面耦合共同实现的。这揭示了Bi2223在Bi系铜氧化物高温超导体中最高超导转变温度的电子起源以及其超导转变温度在过掺区域对于掺杂的不敏感性的微观原因。这些发现为我们寻找更多高超导转变温度的材料以及解释其微观机理提供了新的思路。4、介绍了使用神经网络进行ARPES数据处理方面所作的探索。概述了神经网络在ARPES数据处理领域的研究进展。详细介绍了神经网络的基本原理、ARPES数据以及噪声的特点。阐述了我们所采用的针对ARPES数据降噪的神经网络结构和数据集构建的方法,并展示了该方法在ARPES数据降噪处理方面的实际效果。最后,我们讨论了神经网络在ARPES数据降噪方面尚需解决和进一步尝试的一些问题。