数字型太赫兹带通滤波器的逆向设计及优化

针对高性能太赫兹功能器件的规范化设计需求,本文将智能逆向设计方法应用于太赫兹带通滤波器的设计与优化中.建立与数字空间映射的亚波长超表面等效模型,从设定器件的目标功能和约束条件出发,利用智能算法探索整个解空间中的全部可能结构,迭代寻优至最优结构图案.本文利用搭建的逆向设计框架设计了中心频率为0.51 THz、带宽为41.5 GHz、插入损耗为–0.1071 dB的太赫兹带通滤波器.与传统的人工正向设计相比,逆向设计方法可解构出窄带、低插入损耗、带外抑制强、极化稳定性强的带通滤波器.     

基于模态振型和平稳小波变换的悬臂梁微小缺陷识别研究

结构损伤识别方法有很多种,通常结构振动模态振型对缺陷的损伤识别较为敏感,振型体现结构的固有属性及结构局部的特征,可以用于检测缺陷的存在及其位置。但是缺陷比较微小时,仅仅通过振型难以进行损伤识别。因此本文通过对振型进行平稳小波变换处理来检测悬臂梁的微小缺陷。通过有限元模态分析获得含不同缺陷深度、不同缺陷宽度、不同缺陷位置的悬臂梁模型的振型并利用平稳小波变换进行分析处理。结果表明:该方法可以准确判断缺陷的存在及其位置,并且平稳小波细节系数突变峰值随着缺陷深度增大而增大,随着缺陷宽度增大而增大;另外,该方法受振型节点影响,在工程实际应用时应综合前几阶次振型进行缺陷识别。     

热障涂层界面形貌参数对残余应力的影响

为了研究燃气轮机叶片热障涂层在降温过程中的应力场分布规律,基于ANSYS有限元分析软件,建立了微观二维涂层系统的数值模型;通过热-结构间接耦合获得了非齐次温度分布以及应力分布;主要研究了存在正弦形氧化层界面时界面路径及界面不平整度(幅值/波长)对涂层界面三个应力分量σx、σy、τxy的影响;通过分析沿氧化层上下界面各应力分量变化情况得到易起裂位置。结果表明:(1)σx的最大值出现在热障涂层与氧化层界面波峰处;σy的最大值出现在氧化层与粘结层界面波峰处;τxy的最大值出现在正弦氧化层拐点处;(2)热障涂层/氧化层界面波峰处易形成垂直界面的裂纹;氧化层/粘结层界面波峰处易形成沿界面方向的裂纹,发生分层破坏;氧化层层内正弦拐点处易形成分层裂纹;(3)分别改变幅值和改变波长时两种方式下的σy和τxy随不平整度的变化规律均趋于一致;当界面不平整度A/T的比值大于0.25时,σx在改变幅值情况下先增大后减小,在改变波长情况下先减小后增大。     

基于逆向设计的片上太赫兹解复用器和光栅耦合器

太赫兹解复用器和光栅耦合器的传统构建方法需借助经典理论和经验计算,故它们的设计流程复杂,而且性能依赖于单元结构参数。随着逆向设计方法的提出及应用,该方法可以在限定大小的基片上设计出符合功能需求的器件结构。基于此,将逆向设计方法应用于太赫兹解复用器和光栅耦合器的设计,器件的尺寸分别为3 mm×3 mm×200μm和12 mm×12 mm×200μm。FDTD(Finite-Difference Time-Domain)的仿真结果表明,太赫兹解复用器能够将一束含两种频率的太赫兹波完美地从两个端口分离,并且透射率在0.500 THz和0.417 THz频率处均高达0.75以上,其相邻通道间的串扰低于-19 dB。太赫兹光栅耦合器的耦合效率在0.32 THz频率处高达0.85。     

基于光学相干测振系统的微悬臂梁缺陷检测

提出了基于光学相干测振（optical coherence vibrometer, OCV）系统的微悬臂梁缺陷检测方法。自搭建的OCV系统最大振动位移量程、最大振动频率分别为2.574 mm和138.5 kHz,应用该系统对含缺陷微悬臂梁-附加质量块耦合结构进行振动测量获得其固有频率,并利用附加质量块对固有频率的影响特性实现了对缺陷的定位。在对系统采集到的干涉光谱信号处理的过程中,采用FFT（fast Fourier transform, FFT）+ FT（Fourier transform, FT）细化频谱校正算法进行误差校正,精度可提高1 000倍以上,使系统实现纳米量级的位移测量。实验结果表明,该方法能够有效识别微悬臂梁的缺陷位置,为微小型结构的缺陷检测提供了一种新的方法,同时拓展了光学相干测振技术在工程结构无损检测的应用。     

基于图像压缩传感的自动式光学单点成像系统

基于图像压缩传感理论,在手动式光学单点成像系统的基础上研究了自动式光学单点成像系统。主要介绍了系统中自动编码转盘的设计以及编码块的获取,采用一系列优化的编码块图案作为测量矩阵,并利用最小均方差线性估计（MMSE）重构算法进行实验。实验研究表明,通过7.8% 低采样率即可实现对字符样本的重构。该自动编码转盘系统自动化程度较高,误差较小,而且可随意改变测量次数。     

基于平稳小波变换的时域光学相干层析系统

以平衡检测原理为基础,利用中心波长为700 nm的宽带低相干白光光源,在自由空间中搭建了分辨率为0.93 m的基于平稳小波变换（SWT）的时域光学相干层析（TDOCT）系统,并将其应用于塑料薄片与透明胶纸多层薄膜结构的无损评价。针对现有算法重构效果不够理想的问题,通过对OCT成像过程中的图像增强手段的对比,提出利用SWT分解算法处理多层薄膜结构的光学相干层析二维图像。由薄膜检测的实验结果可知,从SWT细节系数中可以提取更显著的多层薄膜界面干涉信号,从而提高多层薄膜界面的增强效果。     

辅助质量块—单裂纹悬臂梁耦合系统固有频率的理论研究及其应用

论文研究了辅助质量块—单裂纹悬臂梁耦合系统的固有频率,用无缺陷悬臂梁固有振型叠加一个多项式来近似拟合含单裂纹悬臂梁的振型,由动力学方法推导了辅助质量块—单裂纹悬臂梁系统的固有频率方程的解析形式,系统频率随着质量块在梁上位置改变而改变,即可得到固有频率曲线,此频率曲线包含了缺陷信息,因此可对固有频率曲线进行平稳小波变换来识别梁上的缺陷.同时用有限元计算结果对上述固有频率理论推导进行验证,有限元结果与论文理论推导结果相一致.最后论文数值计算了质量块大小、缺陷深度、位置等因素对系统固有频率的影响,也探讨了平稳小波变换用于识别损伤,结果验证了该理论推导的可靠性和损伤识别的准确性.     

基于汉宁窗变密度条纹的储罐沉降视觉测量方法

针对储罐沉降问题,提出一种基于汉宁窗变密度条纹和二维视觉的储罐沉降测量系统。将设计的汉宁窗变密度条纹附于被测储罐的表面,在一定距离处通过远焦成像相机对表面的条纹进行实时采集,再通过特定的图像处理算法对图像进行处理以提取储罐的沉降位移。通过SOLIDWORKS三维建模、运动仿真和图像成像模块模拟了不同条件下储罐沉降的图像序列,对主要的测量性能影响因素、测量可行性和准确性进行了模拟分析。搭建了储罐沉降模拟实验测量系统,对系统的测量性能进行了实验分析。结果表明,本测量方法可实现储罐沉降位移的实时监测,在7.5 m距离外沉降位移测量精度优于10μm。     

基于高斯混合模型的液体电磁参数太赫兹测量方法

针对使用透射式测量系统难以提取太赫兹波段高吸收样品电磁参数的难题,采用反射式时域光谱系统分别测量了极性液体和非极性液体的时域光谱。通过时域有限积分算法对太赫兹波在样品中的传播特性进行建模,并使用高斯混合模型重新构建反射光谱,从噪声中恢复了原始的太赫兹时域信号,解决了反射式系统信号易受干扰导致的电磁参数发生伪波动的问题。实验结果表明,使用恢复信号计算得到的水和液体石蜡在0.4 THz～2 THz波段的折射率和消光系数,与使用原始信号计算得到的结果相比,有效地消除了波动现象,去趋势波动分析（detrended fluctuation analysis, DFA）标度指数较之原始信号计算值分别上升了7%、3%、29%、31%,验证了该方法的有效性和正确性。