专业工程硕士毕业论文十篇

本文是一篇工程硕士论文，工程硕士专业学位是一种适合我国国情的学位类型和人才培养规格。从发展的势头看，工程硕士教育充满着活力。在当今贯彻科教兴国、可持续发展和人才强国三大战略，全面建设小康社会的时期，学位与研究生教育如何发挥更好的作用，值得我们认真地研究和规划。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇工程硕士论文，供大家参考。

 

专业工程硕士毕业论文篇一

 

第 1 章  绪   论  

 

1.1  课题研究背景及意义 

在国家能源格局结构调整的大背景下，油气的需求和进口持续快速增长，油田采集、油气水混流输送都是今后国家能源战略研究的重要方向。在原油的挖掘开采和管道运输过程中，流体以烷烃、环烷烃、芳香烃、天然气、轻烃、非轻烃气体，矿化水以及少量砂砾、泥沙、蜡固体等各种有机和无机物质的混合状态存在，这些物质混合在一起流动构成各种“相”，相通常指某一系统中具有相同成分或者相同化学、物理性质的均匀物质部分，其中油、气、水三相占各相比例较大，其余相我们在计量考虑时忽略不计。这里的油相是指包含烷烃、环烷烃、芳香烃在内的各种液烃相，气相是指天然气、轻烃、非轻烃等气体，水相多指流体中的矿化水[1,2]。 温度、压力、流量和物位是过程测量常用的四个参数，其中流量是石油测井流量计量的重要参数和指标。流量检测仪表的结构形式、工作原理各异，应用范围、场所不同，擅长优势也不一样。比如，涡轮流量计结构简单，加工零部件少，重量轻，主要适用于高温或低温、高压的极端测试环境；电磁流量计精确性、可靠性高，功能全面且耗能低，主要应用于食品工业、制药生产、石油、冶金、化工等方面。流体振动流量计与涡轮流量计有相似之处，他们都没有无可动部件，输出信号是脉冲信号，不存在零漂问题。多相流量计是专门针对多相流的复杂性和随机性的工业流量计，考虑到油田采集到的流型包含油气水三相，首先考虑多相流量计进行测量，多相流流量计检测包含单向流量仪表和多相流量测试模型组合测量量法和机遇软测量技术的软测量方法，具体包含多普勒流速计、LP型多相流量计、MPFM型多相流量计、EUROMATIC型多相流量计、德士古海底多相流量计、MCF351型多相流量计、Scroll  Flo型多相流量计、非侵扰式多相流量计、FLOCOMPⅡ型多相流量计、WELLCOMP型多相流量计[3-5]。多相流参数需要根据实际现象、获得概念、通过建模进行预测、设计和控制，由于多相流中各并非均匀混合切不规则，而且以不同的速度流动，各项之间的速度是相对的，相与相之间存在相互作用，这些造成了多相流的复杂性和随机性，多相流量计并没有很好地解决这些难题。 

........

 

1.2  国内外研究现状

电磁流量传感器相关技术理论的提出为油井测量多相流体带来了强有力的技术手段，因为相关法可适用于任何流体系统的流量测量，相关法自 20 世纪 60 年代中期被提出，发展已经超过半个世纪，成为目前多相流流量测量技术中少数成为工业型仪表的流量测量技术之一。运用相关技术处理，将油管内部被测流体的随机流动噪声信号的“流量总和”的流动速度识别处理，进而将速度作为一种流量的识别变量，这就是相关流量计的测量原理。 1832 年法拉第第一次提出应用电磁感应的原理利用地球形成的磁场测量到了泰晤士河的流速，这一发现，开启了 20 世纪 50 年代电磁流量计在工业领域应用的兴起[6,7]。1957 年，中国研制出第一支电磁流量计，并掀起了国内生产电磁流量计技术的高潮，然而，由于我国电磁技术发展起步晚，科研力量不集中，电磁流量计的研发一直止步不前，落后于国外同期水平。随着电子科学和信息技术的发展，电磁流量计已经发展到相当成熟的地步，利用电磁流量计测量流体，不受密度、黏度、温度、压力的影响，在一定范围内也不受电导率的干扰，所以利用电磁流量计不能测量石油、石油制品、气体以及有机溶剂等不导电的液体的原理，可以测量出流量中的含水量[8]。 在石油生产测井技术发展之初，科研人员找不到专门适合油气水三相流流量测量的仪表，只能尝试把油气水三相分离出来运用单相流流量测量的仪器设备测量[9-11]，然而单相流量计测量结果不能尽如人意。比如在石油原液流量较小时，单相流量计启动排量受限而使得精度受到影响；井下少量固体残渣会使三相流流体的密度发生很大的变化，干扰油气水流量的测定从而造成很大误差[12,13]。为了研制一种能够应用于石油生产测井方面的油气水三相流流量测量仪器仪表，科研人员做出了不懈的努力。Adamovskii L A 等人尝试将电磁流量计与相关法测量技术相结合，通过使用两个电磁流量计对钠冷却剂的测量信号测量并进行相关法运算，获取钠冷却剂的流速，在控制钠冷却剂投放量上取得了突破。

..........

 

第 2 章  基于 FLUNT 电磁相关传感器电极结构仿真分析 

 

在诸多流量计中，相关法电流量计能够实现扩展多相流中油气等非导电相含率的量程范围的效果，所以电磁相关流量测量传感器在油田实际测量中有着广泛的应用。电磁相关流量测量传感器是一种综合电磁学、材料学、流体力学、信号处理等各种领域的精密测量仪表，在各个参数的设定精度都要求非常高，尤其是信号的输出端——传感器的电极结构参数对传感器流量和流速的信号测量都有着重要的影响。本章依据电磁相关流量测量传感器的原理，利用 FLUNT 软件对电磁相关流量测量传感器的电极结构进行仿真分析，据此构建电磁相关传感器模型，研究当电磁相关传感器上、下游电极间距和管道内径变化时，流过传感器流体的流速变化，以实际流速和相关流速作为电极结构的优化指标，为下一步构建神经网络模型奠定基础。

 

2.1 电磁相关流量测量传感器的理论基础 

电磁相关流量测量传感器励磁线圈有矩形、圆形和椭圆形几种基本形式，其计算的基础都是电磁学的基本定律——法拉第的毕奥萨伐尔定律，马鞍形励磁线圈能够突破生产测井的狭小空间的局限，比矩形励磁线圈在传感器中测量管内部z=0 径向平面中产生的磁感应强度分布情况较好一些[16]。在此基础上，本章根据流体流量测量的基本要求，主要针对马鞍形励磁线圈产生磁场构建传感器电机结构模型进行分析，并给出了马鞍形励磁结构电磁相关流量测量传感器模型的外观构造和剖面示意图，如图 2-1 所示为马鞍形励磁结构传感器模型的外观整体结构图。 

........

 

2.2 基于 FLUNT 的传感器电极结构仿真模型

在自然界中，速度、温度、压力、浓度等物理量随着时间和空间发生变化，他们在能量守恒、质量守恒、动量守恒的基础上，在各种力的作用下形成了连续量场力学运动规律。计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)可以通过一些边界条件、离散化编程对经典流体力学进行数值计算、数值模拟和数值分析。通常情况下，通过传感器两对电极测量得到信号是普遍认可的可以作为仿真原始数据的方法，但是考虑到实际实验环境下提取的信号，需要无干扰的环境，即使是微弱的干扰都会对数据造成很大的误差，接下来的实验处理都将在此实验数据基础上计算建模，实验采集到的数据误差将造成后续数据的计算误差，这样优化传感器电极的间距就没有实际意义了。为了精确设定油气水三相相关流量测量传感器上下游电极的间距和传感器管道内经的大小，我们使用 FLUNT 软件对该流量模型进行仿真。FLUNT 是 CFD 软件包中主要用于流体及其传热的计算的软件，采用有限差分法求解差分方程，基于 C 语言编程开发，适用于多种操作系统。利用 FLUNT 仿真软件需要前处理、仿真计算和后处理三个过程。前处理包括计算区域计算机识别，通过将 Solid Works 模型导入到 Gambit 中，作为输入将对生成区域进行剖分，生成计算所用的网格，选用适当求解器，标识计算区域边界类型。Solid Works 是用来绘制高质量三维机械制图的软件，本文中所模拟的油气水三相流传感器管道就是用该软件绘制的，该软件功能强大、易学易用和技术先进，提供不同的设计方案，能够减少设计过程中的错误，是领先的、主流的三维 CAD 制图软件。FLUNT 软件通过有限差分法求解差分方程进行仿真计算，对计算结果进行归纳总结，FLUNT 通过菜单接口和编程接口与用户进行信息交互，提供等压线、等温线、热流曲线、阻力与阻力系数、升力与升力系数、速度矢量图、对流换热系数、壁温等直观图对数据进行显示。通过 FLUNT 软件对所需要构建的电磁流量计传感器电极结构模型，首先进行物理层面的分析，从而确定仿真模型的大体结构；之后根据分析过的物理模型建立仿真模型，并对仿真模型进行设置，来最终达到可以替代物理结构完成测试的目的；最终对建立的仿真模型进行进一步的细分、设计，包括网格划分、单元属性分配以及仿真模型各个区域的划分。 

...........

 

第 3 章  基于神经网络电磁相关传感器电极结构模型构建 ........21 

3.1 基于 RBF 神经网络拟合非线性模型的基本思想 ........... 21 

3.1.1 RBF 神经网络的组成和结构 ...........21 

3.1.2 RBF 神经网络拟合非线性模型的方法 ....22 

3.2  基于 RBF 神经网络的电磁传感器电极结构模型 ........... 26 

3.2.1  基于  RBF 神经网络电极结构特征参数提取 .............26 

3.2.2  电磁传感器电极结构 RBF 神经网络模型 ........30 

3.3  本章小结 .... 32 

第 4 章  基于燕群算法电磁相关传感器电极结构优化设计 ........33 

4.1 基于燕群算法电磁相关传感器电极结构优化的原理和步骤 ............. 33 

4.1.1 基于燕群优化算法的传感器电极结构优化设计原理 ...........33 

4.1.2 基于燕群优化算法的传感器电极结构优化设计的步骤 .......40 

4.2  电磁相关传感器电极结构优化设计结果分析 ...... 42 

4.3  本章小结 .... 47 

 

第 4 章  基于燕群算法电磁相关传感器电极结构优化设计

 

本章引入一种阐述群体智能的多目标求解的燕群优化算法(swallow  swarm optimization,  SSO)得出电磁相关传感器电极部件的最优化结构。将构建的电磁相关传感器结构模型进行权值分配，从而将多目标优化问题转化为单目标优化问题，并利用一种燕群优化算法寻找单目标优化问题的最优结构参数解，完成对电磁相关传感器电极结构的优化。 

 

4.1 基于燕群算法电磁相关传感器电极结构优化的原理和步骤 

科学家通过对生物种群在捕食、聚群、迁徙、繁殖方面的研究观察，探索到一些能够解决优化问题的生物启发式算法现今应用最广泛的有人工鱼群算法和益群算法。英国科学家 Rob G. Bijlsma 和 Bennie van den Brink 进行了大量的调查，发现燕子是生活高度集群化的鸟类，每个燕群包含数万甚至十万只燕子，每年跨越大陆飞行 17000 公里[49]。燕子不仅在迁徙数量上位居生物界的前列，更是以 170公里每小时的迁徙速度创下了高速记录。燕群这一特性非常适用于增快有效粒子的收敛速度和最短时间解决优化概率问题。燕群自身的飞行轨迹是混沌无章的，但又能迅速完成集体活动，根据燕群迁徙以及他们的日常行为特征抽象成数学算法，实现全局最优搜索。2013 年，Mehdi Neshat，Ghodrat Sepidnam，Mehdi Sargolzaei根据燕群生物行为原理提出燕群优化算法(swallow swarm optimization, SSO)，算

法将燕子种群分为探索粒子，指引粒子和盲目粒子三种粒子，运用用数学语言对燕群行为进行描述，并通过同一函数的寻优时间和迭代次数与传统粒子算法做出比较，证明了燕群算法的优秀特性[50]。 在燕群迁徙的过程中，一些燕子总是飞出燕群区域，像是在扰乱燕群的秩序。但这些燕子在燕群中起着至关重要的作用，他们往往刚刚成年不会拘束在燕群约定俗成的区域里而更有机会找到燕群集中区域以外的食物，然后呼叫其他成员一起搬运食物。同时他们也很敏感，他们能迅速发现天敌即将发起攻击，并且通过声音告知其他成员这些危险的信号。以上的启示应用于燕群算法中，将这些燕子定义为盲目粒子(Aimless particle)，符号 oi ，盲目粒子可以增加找到最佳点的机会，并且如果其他粒子收敛在一个错误的局部最优点，盲目粒子可以通过独立的移动增强随机突破局部收敛而找到更优点的几率。 

..........

 

结   论 

 

电磁相关流量测量传感器的设计水平决定着是否可以准确地测量油井的流量，进而在一定程度上也影响着石油行业的发展前景。本文在分析了电磁相关流量测量传感器的关键部件电磁相关传感器电极结构的设计原理，在此基础上提出了一种集合传感器流量有限元仿真、神经网络的非线性建模、燕群优化算法技术的方法，得到了最优电磁相关传感器的电极结构参数。具体研究成果如下所述：

(1)  实现了电磁相关流量测量传感器电极结构的 FLUNT 仿真分析。在对电磁相关传感器物理模型进行分析的基础上，利用 FLUNT 有限元仿真软件对电极结构模型进行网格划分、边界设定、流速生成，分别对总流量为 20m3/d，80m3/d，150m3/d 下电磁相关流量测量传感器上、下游电极间距变化的仿真速度云图和管道内径变化 MATLAB 三维流速图。

(2)  建立了电磁相关传感器电极结构参数变化下的非线性系统模型。提取FLUNT 软件获得的仿真数据特征参数，以流体实际流速和相关流速的误差作为电极结构优化评价指标，作为训练样本训化 RBF 神经网络，得到以上下游电极间距和管道半径为输入，以优化评价指标为输出的非线性函数。 

(3)  选取了燕群优化算法并据此得出了电磁相关流量测量传感器电极结构模型的最优参数解。在不同权重参数下得出了优化评价指标的最优解为 0.1159，0.1019，0.1021，对比仿真误差与优化误差的值，在三个最优解的情况下得出电磁相关流量测量传感器电极的最佳距离是 10.75mm,管道内径为 16.1mm。 

.........

参考文献(略)

 

 

第 1 章  绪论 

 

1.1  人眼波前技术及视觉矫正 

人眼经过长期进化已趋于完善，作为整体，人眼是一个结构复杂且功能完善的视觉系统，然而作为个体来看，人眼并非是理想的光学系统。个体人眼除受衍射极限和视锥细胞的结构限制了其分辨极限外，还因个体眼存在的像差使其视力与理想情况存在很大的差距[1-5]，因此，人眼像差的矫正一直是人们关注并努力探索的科学领域。人眼除离焦和像散之外，还存在着许多其它的像差，如球差、彗差和非规则高阶像差等，这些像差同样对视觉有严重的影响。但是，人们一直未能对人眼存在的这些像差进行详细且精确地描述，所以，百余年来只是采用球-柱眼镜矫正人眼的离焦和像散[6,7]。 直到上世纪 90 年代德国海德堡大学的 Josef  F.  Bille 博士和梁俊忠博士开创了采用 Hartmann-Shack 波前传感器测量人眼波前像差技术，使人眼的初级像差和高阶像差得以精确地测量，才使得人眼高阶像差的矫正、视觉的改善成为可能。Josef  F.  Bille 博士和梁俊忠博士应用 Hartmann-Shack 波前技术将人眼像差以Zernike 项的形式进行描述[8-10]，并结合自适应光学技术，揭示了人眼高阶像差给视觉成像带来的影响，他们的研究为眼科学和视觉领域带来革命性的变化。 随着人眼波前技术的出现，使视觉质量的改善和提高有了突破性的进展。波前技术是进行视觉诊断的有效手段，它可以给出眼睛波前像差所需的全部光学信息，所测量的波前能够反映出从角膜到晶状体的整个眼睛的光学缺陷。波前像差不仅为患者提供了视觉矫正的处方，还为视网膜成像质量提供一个完整的描述方法[11]。波前技术已逐步被应用在视觉和眼科学领域，并取得了引人瞩目的成就，同时也成为世界范围内的研究热点[12]。

.......

 

1.2  人眼波前技术及视觉矫正国内外发展概况 

人眼像差的研究历史悠久，从 Yong 和 Helmholz 最先报道了眼睛作为一种光学系统，也和其他光学系统一样具有光学像差，之后人们进行了各种人眼像差测量方法的研究。Thomas Yong[13]（1801）和 Volkman[14]（1846）最先使用主观光线追踪技术对人眼的球差进行了测量。Ivanoff[15]分别在 1946 年和 1953 年对主观光线追踪技术进行了改善，引入了双通道技术，使得测量方法更具有可行性，同时还应用这种双通道技术对人眼的球差及色差进行了测量。1962 年，Smirnov[16]通过对主观光线技术的改进处理，第一次得到了确切的人眼波前像差。然后Howland 在 1976 年[17]和 1977 年[18]在主观光线追踪技术基础上，使用自制的主观像差仪测量了人眼的波面像差，并首次提出采用 Zernike 多项式表示波面像差。人眼波面像差可分为低阶像差和高阶像差：Zernike 多项式 3 阶以下的像差称为低阶像差，即临床上所称的屈光不正，包含传统意义上的近视、远视和散光；3阶和 3 阶以上的像差称为高阶像差，即临床上统称的不规则像差，包含球差、慧差、像散等。1990 年 Cambell  和 Smironet[19]、1992 年 Webb 等人[20]、1996 年 Woods等人[21]、以及 1998 年 Cui 和 He 等人[22]都曾对主观光线追踪技术进行了各种改进与优化，并对人眼波前像差及其视觉矫正等问题进行了更加深入的研究和讨论。但这测量方法都过重地依赖于被测者的反应能力，具有高度的主观性。于是在 1984 年 Walsh 等人[23]重新修改了 Howland  像差仪，研究出了另一种人眼像差的测量方法，称作双程技术。1995 年 Atchison  和 Walsh  等人[24]又对双程技术进行了完善。双程技术是利用视网膜上的像得到对应光线像差，然后将其转换为波前倾斜，从而计算得出人眼波前像差值。所以，视网膜上像的质量对结果有着重大影响。同样在 1995 年，Collins 等人[25]研究发现双程技术存在一定的局限性，其采样率较低并且无法表示出高阶像差。 

..........

 

第 2 章  实际人眼光学系统的建立 

 

在当今社会，视觉矫正技术的研究发展迅猛，简单的眼模型早已不能满足研究的需要。不同人眼的生理结构会导致其具有个性化的光学特性和成像质量，在视觉矫正过程中需要考虑个体人眼的生理特征，因此，构建实际人眼的光学系统，对其进行相应的视觉矫正，才能更好地改善人眼的成像质量。也就是说，实际人眼光学系统的建立是我们开展视觉矫正工作的基础。在本章，结合临床检测出的实际人眼光学系统的相关参数，应用光学设计软件 ZEMAX 的优化功能[42,43]，构建出实际人眼光学系统。 

 

2.1  实际人眼光学系统的建立方法 

图 2.1 是人眼光学系统结构示意图。人的眼睛近似球形，正常成年人眼球的前后径平均为 24  mm，垂直径平均 23  mm，人眼结构从外到内依次为角膜、前房、瞳孔、晶状体、玻璃体及视网膜。角膜（Cornea）是眼睛最前面的透明部分，覆盖虹膜、瞳孔及前房，为眼睛提供大部分屈光力；角膜后方与虹膜之间的空腔称为前房（Anterior chamber），从光学观点出发，前房深度是很重要的，因为它会影响眼光学系统的总体屈光力；虹膜（Iris）位于眼球中部，眼睛的颜色就由虹膜所体现，虹膜中心带有圆孔，称为瞳孔（Pupil），瞳孔口径随环境的明暗不同会自动放大和缩小来控制进入人眼的光量强度；晶状体（Lens）位于虹膜之后，呈双凸透镜状，是眼球屈光系统的重要组成部分，也是唯一具有调节能力的屈光介质，晶状体的调节能力随着年龄的增长而逐渐降低；玻璃体（Vitreous body）是无色透明胶状物体，充满于晶状体后面的空腔里，其折射率为 1.336；视网膜（Retina）居于眼球壁的内层，是一层透明的薄膜，视网膜上分布着视锥细胞、视杆细胞层，神经节细胞，神经纤维等感光器和传导器，视网膜就像一架照相机里的感光底片，专门负责感光成像。 人眼成像过程是周围物体发射或反射出来的光，经过角膜和晶状体的共同作用，聚集在眼睛后面的视网膜上，形成物体的像，视网膜上分布的视觉细胞受到光的刺激产生兴奋，并经视神经把信息传送到大脑，在大脑皮层形成视觉，人眼就能看到了物体。在成像过程中，角膜承担了主要的屈光作用，晶状体完成调节功能。 

...........

 

2.2  实际人眼光学系统的建立

应用 OrbscanⅡ眼前节分析仪测量实际人眼的角膜厚度、角膜前后表面参考球面曲率半径和前后表面各点高度。图 2.3 和图 2.4 分别是所测得的 qw 右眼角膜前表面和后表面地形图。图 2.3 和图 2.4 中给出的角膜厚度为 0.558 mm，角膜前后表面参考球面曲率半径分别为 7.57 mm 和 5.90 mm。角膜地形图给出的角膜表面各点的高度值 h，是该点角膜曲率半径 r 与参考球面曲率半径 R 的差值，即 h＝r-R。根据角膜前表面和后表面高度数据，将角膜前、后表面表示为多项式的形式。考虑到应用ZEMAX 光学设计软件进行晶状体结构优化时，需要角膜的面型结构参数，选用ZEMAX 光学设计软件中带有高次非球面的奇次非球面（Odd Asphere）多项式表示角膜前后表面的面型。 

.............  

 

第 3 章  角膜和晶状体像差补偿关系研究 ........ 21 

3.1  角膜和晶状体几何像差研究 ......... 21 

3.2  角膜和晶状体波前像差分析 ......... 22 

第 4 章  波前引导的激光角膜手术研究 ..... 25 

4.1  波前引导的激光角膜手术矫正面像差数据获得方法 .... 25

4.2  波前引导的激光角膜手术偏差容限研究 .......... 28 

第 5 章  个性化人眼高阶像差矫正镜头研究 .... 35 

5.1  研究背景 ...... 35 

5.2  个性化人眼高阶像差矫正镜头研究 .... 35

5.2.1  目视矫正镜头的初始结构 .......... 36 

5.2.2  目视矫正镜头的优化设计 .......... 37 

5.3  目视矫正镜头研究结果 .......... 42 

 

第 5 章  个性化人眼高阶像差矫正镜头研究 

 

5.1  研究背景

目镜是用来观察前方光学系统所成图像的光学器件，是目视光学仪器的重要组成部分。无论是望远镜、显微镜还是许多其它的光学仪器都需要目视系统[57,58]。通常经由目镜所成的像将直接由人眼接收，而人眼光学系统本身所存在的像差会对目视效果产生影响，降低目视仪器应有的分辨率和使用性能[59]。所以，如何将人眼光学系统存在的高阶像差矫正引入目视仪器，从而使目视仪器获得本应达到的最佳指标，是视觉矫正研究需要解决的关键问题之一。 迄今为止，所有目视仪器如显微镜、望远镜、头盔显示器等在设计时都是只考虑了人眼的离焦特性，虽然顾及了眼睛调焦、双眼汇聚以及它们之间失配的影响，但对仪器使用性能产生更大影响的人眼球差、彗差和高阶像差尚未进行矫正，大大降低了仪器的使用性能[60]。而目前在实际应用时，对目视仪器分辨率的要求也都大大提高了，如上世纪 80 年代后发展起来的显微外科技术是借助于显微镜的放大，使用精细的显微器械对细小组织进行精细手术，现已广泛应用于妇科、泌尿科、神经科、眼科、鼻科、喉科各个专业，光学放大设备性能的提高，是显微外科技术发展的必备条件[61]；军事上各种需要目视的武器和军用成像装置，如军用望远镜、军用瞄准镜、军用夜视镜等，如果能配有矫正人眼高阶像差的个性化目镜，将会更有效地提高武器的使用精度[62]；对于像差检测和矫正的自适应光学技术，最早、最成功的应用就是解决了地对空观测光学成像和天基对地遥感观测高分辨率光学成像问题，应用自适应光学技术来补偿大气湍流引起的包括高阶像差在内的波前畸变，使物镜得到接近衍射极限的目标像，而地对空观测光学成像系统的目镜设计[63,64]，没有考虑人眼高阶像差的矫正问题，使整个观测系统的分辨率远低于衍射极限。因此，如何将人眼高阶像差的矫正引入目视仪器，使人眼达到分辨极限，是目前急需解决也具有广泛应用价值的科学问题。 本章将开展用于目视光学仪器的人眼高阶像差矫正镜头的研究，使目视光学仪器达到最佳使用效果。对于目视光学仪器来说，相对人眼的物距是不变的，这样人眼在使用目视光学仪器时，眼的调节基本不变或变化很小，因此像差矫正镜头的视觉矫正效果会十分理想，有很好的应用前景。 

...........

 

总结 

 

本文研究了实际眼光学系统的构造方法，并利用测量得到的 qw 右眼角膜地形图、眼轴长度、波前像差等数据，通过光学设计软件 ZEMAX 的优化功能，构建出了实际人眼光学系统结构。根据实际眼光学系统，研究了角膜和晶状体的像差补偿关系，给出了数值结果；研究了波前引导的激光角膜手术矫正面像差数据的获得方法和手术偏差容限；研究了人眼高阶像差目视矫正镜头和双焦点高阶像差矫正眼镜。 本章对论文的研究内容及结果进行了总结，并对需要进一步讨论的问题进行了展望。由 Orbscan II 角膜地形图仪测量出实际人眼角膜表面参数，并将其拟合为光学设计软件 ZEMAX 所需面形；应用 BMF-200 眼科 A/B 型超声波测量出眼轴向各部分长度；应用 Hartmann-Shack 波前传感器测量出人眼波前像差，并利用已有的眼球各部分光学常数，应用 ZEMAX 光学设计软件的优化功能，优化出实际人眼晶状体的光学结构参数，进而构建了实际人眼光学系统结构。其中所得到的实际人眼晶状体的光学结构参数如下：晶状体前、后表面曲率半径分别为8.449025  mm 和-6.0  mm；晶状体前表面为泽尼克标准矢高面（Zernike  Standard Sag Surface），晶状体后表面为偶次非球面（Even Asphere）。 

.........

参考文献(略) 

 

 

第一章  绪论 

 

1.1 研究背景和意义

人类互相沟通交流最简单最直接的方式就是语言表达。混响存在于我们日常生活的方方面面，古人就有“余音绕梁，三日不绝”来形容混响。但混响也是不容忽视的问题。由于环境的多样性，尤其是在相对封闭的室内空间中，如音乐厅、教室和会议厅等，当麦克风和说话者之间的距离较远的时候，麦克风接收到的语音信号所含混响声[1]就比较明显。混响的存在使接收到的说话者的声音清晰度降低，混淆不清，甚至严重地影响了语音音质的清晰度和可懂度。 近年来，数字信号处理技术得到迅猛发展，并广泛地应用于人们的学习，工作和生活中。随着人们对语音通信质量的需求不断地增加，对通信设备的要求逐渐提高。混响不仅影响人们的听觉，特别是有听觉障碍的患者，而且对通信设备的联络和自动语音识别等系统的性能也产生不可忽视的干扰，严重时可能导致系统的瘫痪。因此，抑制或消除混响的影响，分离目标语音非常必要。 混响语音分离是从房间混响中提取目标信号，这类似于“鸡尾酒会”问题（Cocktail-Party）[2]，抑制、降低噪声的干扰，选择并提取感兴趣的声音信号。DSP 技术发展的日臻成熟，语音分离技术被广泛应用于各个领域，比如语音识别、说话人识别、无线电视电话会议、电子耳蜗、助听器研究和声源定位等[3]。语音分离技术的研究是一个科学热点和难点课题，具有较强的理论意义和广阔的发展前景。 

........

 

1.2 研究现状 

语音分离主要对提取声音信号的交互方式进行假定，尝试从被污染的语音中分离目标语音。盲源分离（Blind Sources Separation, BSS  ）[4]是语音信号处理领域中重要的研究方向，它的提出始于20世纪80年代。盲源分离模型的定义是在源信号和传输通道参数都未知的情况下，仅由观察到的混合信号恢复出目标源信号的过程。 1986年，在美国Utah州召开的神经网络计算会议上，Jeanny Herault和Christian Jutten提出了一个递归网络模型，基于类似Hebb学习规则的算法，实现混合信号中独立源信号的盲分离，奠定了后期算法的基础，开启了盲源分离标志性的研究时代。 Comon 于 1994 年首次提出了独立分量分析   (Independent  Component  Analysis ，ICA)[5][6]的概念，ICA的基本原理是：利用信号的高阶统计量，经过适当的线性变换，使各个源信号之间彼此独立，然后分离出目标源信号。独立分量分析法自提出后就被越来越多的研究人员关注，1995年美国加州圣地亚哥大学的Bell和Sejnowski提出了信息最大化的方法解决盲源分离问题[7]。1996年B. A.Pearlmutter基于ICA的原理，引入最大似然准则函数[8]。1997年Hyvarien提出了快速固定点算法[9]，即Fast ICA算法，该算法计算简单且快速收敛，具有良好的稳定性，被广泛应用于盲源分离中。2000年后，对ICA算法的研究取得了更多成果。Herrnann提出了基于源特性的目标函数[10]，Eriksson于2003年提出了利用傅立叶系数构建最小化特征函数的ICA算法[11]，Almeida于2004年提出了基于互信息的ICA算法[12]。至今，  ICA仍是盲源分离的研究热点。 计算听觉场景分析（Computational Auditory Scene Analysis，CASA）[13]能够模拟人类的听觉感知系统，成为盲源分离的重要研究方向。自Cooke提出的早期CASA语音分离系统后，得到了巨大的发展。CACA系统模型基于一个很重要的生理感知能力——听觉掩蔽效应[14]，较强能量的声源信号会掩蔽掉较弱能量的声源信号。

.........

 

第二章 混响的基本知识 

 

混响是生活中很常见的现象。声源发出后，在室内各壁面（包括地面）上连续发生多次反射形成交叉混和在一起的多重回声形成混响。在信号处理中，对相对封闭的空间采集或录制声音信号时，麦克风接收到的信号不仅包括声源直接传输的直达声，还包括声源经其他反射面或障碍物反射得到的叠加反射声波，除此之外还可能包括其他声源产生的干扰叠加信号。 

 

2.1 房间混响

声源发出的声波在房间内传播时，由于天花板、墙壁和地板等障碍物发生的反射，并且经反射后都要被障碍物吸收一部分。反射后语音信号幅度变大，相位产生变化，与声源信号波形相似，但由于后续的反射信号叠加产生“污染”。当声源在室内和相对封闭的空间里停止发声后，声音信号在房间内经过障碍物的多次反射和吸收，到达麦克风的声音信号除了直达声外还包含声音信号经其他反射面传来的反射声音信号，形成一系列叠加信号，这种现象叫做房间混响。一般来讲，麦克风接收到的混响信号包括直达声（声源直接传播到麦克风的声音），前期混响（Early Reverberation，声源经过反射面较短时间到达的反射部分）和后期混响（Late Reverberation，声源到达后较长时间的反射部分）[24]。室内混响如图 2.1 所示。 

.......

 

2.2 混响的模型

研究混响语音分离问题的过程中，现有的实验条件难以满足要求，因此采用混响语音仿真模型，模拟房间脉冲响应适用最广的就是镜像源（Image-source  model,  ISM）模型。Allen和Berkley[27]等人基于统计声学的研究，提出经典的ISM模型。镜像源模型依据镜面反射原理，求得镜像声源的反射轨迹。该模型假定房间是矩形的，各障碍物表面都是光滑的，对声波呈镜面反射，且每次反射都损失部分能量。将此现象看作是一系列信号强度逐渐衰弱的镜像源，语音质量是指语音中所含字、词和句的清晰程度。语音质量评价不仅与信号处理有关，而且与心理学、生理学的研究密不可分。在选择语音质量评价时既要有主观感受也要有客观分析。进行语音质量评价需要综合多学科信息，最大可能严谨、科学地分析和评估语音质量。因此，如何准确合理地选择语音质量评价方法，是一个相当棘手的难题。 实现混响语音分离后，需要对实验结果进行科学地评估和比较，分析目标语音分离的效果。语音质量根据混响语音分离的效果从主观和客观两个方面进行评价。主观的效果主要依赖人们的听觉，比较直接、便捷，而客观评价方法通过对生成数据的分析和处理，准确直观地反映语音分离的效果。 

.............

 

第三章  基于计算听觉场景分析的混响语音分离 .... 17 

3.1 引言 ..... 17 

3.2 算法框架 ....... 17 

3.3 实验结果与分析 ..... 29 

3.4 本章小结 ....... 33 

第四章  基于深度神经网络的混响语音分离 ............ 35 

4.1 深度神经网络 ......... 35 

4.1.1 深度神经网络的结构 ....... 35 

4.1.2 深度神经网络的训练 ....... 36 

4.2 基于 DNN 学习的单声道混响语音分离 ...... 37 

4.2.1 特征提取 ....... 37 

4.2.2 DNN 的模型训练 ............. 38 

4.2.3 后期处理 ....... 39 

4.3 基于 DNN 分类的双声道混响语音分离 ...... 40 

4.3.1 算法原理 ....... 41 

4.3.2 特征提取 ....... 42 

4.3.3 DNN 分类 ..... 46 

4.4 实验结果与分析 ..... 48 

4.5 本章小结 ....... 51 

第五章  总结与展望 ............ 53 

5.1 全文总结 ....... 53 

5.2 研究展望 ....... 54 

 

第四章 基于深度神经网络的混响语音分离 

 

4.1 深度神经网络 

深度神经网络（Deep Neural Network，DNN）实质上就是拥有多层网络结构的人工神经网络，通常指隐藏层的个数多于1的人工神经网络。早期人工神经网络的延伸和发展形成深度神经网络结构。多伦多大学Hinton[38]教授于2006年发表了一篇介绍新的神经网络模型的论文《Reducing the dimensionality of data with neural networks》以来，深度学习引起了相关研究者的热情和兴趣。其基本原理是建立模拟人脑的认知模型，通过整合低层的特征，生成抽象表达的高层信息，然后利用高层的信息来表现属性、目的或者特征，挖掘数据的特征表达式分布，它能够对大规模的数据进行聚集、分类和处理信息，使计算机仿照人脑认知能力解释数据。近些年来，深度学习理论的研究在语音、图像和人工智能等各个领域都取得了迅速的发展。 深度神经网络通过用数学模型建立和设定一定的激励函数进行有监督或无监督式训练，提取得到数据的网络参数来用于比如特征提取等任务中。大量神经元组成的层级式的拓扑网络结构模拟人的神经网络系统，神经元之间通过不同的权重相互刺激，拟合数据间的复杂关系，挖掘数据间更深层的信息，影响整个神经网络的输出。随着其深度的加深，深度神经网络的优点也越来越凸显，隐藏层的增加大幅度提高其网络的自适应性和自组织能力。 

.........

 

总结 

 

随着人机交互需求的日益增加，在通信和信号处理等领域，从带有噪声和干扰的复杂的观测信号中提取人们所需要的目标信号都有实际的应用。像在房间混响这样复杂的环境中，谐波特征被破坏，观测信号也变得十分复杂，提取目标信号就变的十分困难。混响语音分离一直都是语音信号处理研究的热点和难点，在实时语音通讯设备、助听器、自动语音识别技术等应用中具有广阔的发展前景。 根据本文对混响语音分离初步研究工作，重点研究了两个比较前沿的科学热点领域：计算听觉场景分析和深度神经网络。基于对以上课题的深入研究，提出了三种不同的混响语音分离的模型，主要完成了以下几项任务： 

1.详细阐述了混响的基本知识，包括混响语音的产生过程，特征参数和其影响，以及混响的特点。重点分析了混响的数学模型和仿真模型——ISM模型，介绍了混响语音分离后的效果的评估，引出主观和客观的评测指标，分析了这几种指标的实现方法。 

2.由于混响环境下系统脉冲响应时间过长，甚至超过信号的平稳时间，谐波结构受到很大的破坏，传统的基音检测和单元标记方法不能适用。针对房间混响条件下基音检测算法性能严重降低，提出了一种基于多基音检测和监督学习的分离算法。算法采用隐马尔可夫模型对选择的通道进行多个基因跟踪，并通过多层感知器对时频单元标记。为提高标记的准确性，对语音和非语音模型分别训练，并使用最大似然比检验选择训练模型，通过实验仿真证明，提出的算法优越于Jin算法，能够保持良好的性能。 

3.针对混响和加噪条件下语音可懂度和音质的大幅度降低，提出两种基于DNN的混响语音分离算法。基于DNN的单声道混响语音分离算法通过学习从污染语音到纯净语音的量级频谱图的映射，对深度神经网络进行直接训练，实质上衰减了由混响环境和背景噪声导致的失真。基于DNN的双声道混响语音分离算法则利用深度神经网络强大的学习能力，通过实现时频单元的分类任务，完成目标语音的提取。使用双耳间时差和强差的双声道特征以及Gammatone频率倒谱系数的单声道特征作为分类的主要听觉特征。评估和对比表明基于DNN的混响语音分离算法在各种多声源混响条件下产生良好的分离结果。 

.........

参考文献(略)

 

 

第一章 绪论

 

1.1 课题的研究背景及意义

目前 SVM 已经成功的运用于 ECG 的检测和识别、文本识别、手写字体识别、人脸图像识别、基因分类等研究中。近些年来，医学专家和学者发现了许多电生理现象与 J 波有着密切的关系。其中有生理性的心电图变异，主要的表现为 ERS，在正常人群的检出率一般在 2.5%到 18.2%之间，也有由低温、高血钙、脑外伤等引发的病理性变异，如 Brugada 综合征、猝死综合征及特发性心室颤动等，在心脏疾病患者中的发生率在 27.3%到 34.6%之间，我们统称为 J 波综合征。近期的相关研究同时表明，幅度超过 0.1mv 的 J 波同时伴有 ST 段的变化（生理性变异）将会产生恶性的过早复极综合征，存在上述过早复极综合征的患者容易引起恶性的心律失常、致命性的 MI，甚至可能导致猝死。因此，J 波和 J 波综合征可以作为一个新的指标来预警恶性室性心律失常、心脏性猝死等一系列心脏疾病，有着十分重要的临床研究意义，使得如何快速识别 J 波变得很有现实和可操作的意义。目前 J 波的许多研究主要处于临床阶段，医生通过观察被检测者的心电图寻找 J 波，但因 J 波幅值不太大，有时不容易被发现，所以将 J 波从心电信号中快速并准确识别出来具有现实的意义。现大多有关的研究从细胞电生理、离子流机制和遗传学基础等方面出发来研究变异的 J 波，虽然能相对准确的检测出来，但因为需要较长的分析时间而不利于及时诊断病情。因此快速识别 J 波是一个很重要的研究课题，尤其随着动态心电监护仪的大幅度的普及，如何实时的检测出 J 波使本课题变得更加有了现实的意义。本文的主要采用 SVM 从 ECG 信号中分类出 J 波信号，为后续 J 波的良心与恶性的具体分类奠定了基础，从而为心肌梗死、恶性心率失常、心肌缺血等疾病预防、发现和治疗提供参考，以降低恶性心脏病变的死亡率。

..........

 

1.2 J 波及 J 波综合征研究概况

虽然属于最早被研究的一种生物电信号，但因它拥有较直观的规律性、比其它电信号更易检测的特性，心电信号已经渐渐成为医生及学者最常用的一种生物电信号。随着不断成熟的心电图分析技术，许多很难发现的疾病都很快的被检测出来。自 Einthoven发明心电图记录仪起，人们便坚持不懈的研究心电记录仪保留下来的纸质心电图的各个变异波对应的临床意义。经过大量学者和专家不断的探索，人们渐渐的发现，波形的不同其实代表着心脏健康状态的不同，心电图局部的变化可能预示了某种心脏疾病的产生。多学科的交叉融合、科研手段不断细化使得心脏病专家及学者正在慢慢的揭示更多的心电图的奥妙[1]。众所周知，心脏有节奏的收缩和舒张运动过程中会不断释放生物电刺激，在整个电刺激的传递过程中，心脏的每个组织都会发生电位的变化，变化的电位传递至身体表面进而会产生心电信号。将电极放置到身体上的几个特定的位置（比如胸前或者四肢），从而能获得心脏的由除极到复极相互交替循环中产生的多种形式的电位变化图形，我们简称为心电图。一个正常的体表心电图周期由 P 波、Q 波、R 波、S 波、T 波和 U 波组成，连接各个波的间期分别为 PR、QT、ST 等[2]。图 1-1 为心电信号的一个周期。

..........

 

第二章 支持向量机及特征向量相关理论

 

2.1 支持向量机

自从 Vapnik & Cortes[31]等人 1995 年首次提出 SVM 后，因其十分重要的理论和实际价值，SVM 逐渐变为机器学习领域的研究焦点和热点。其中 SVM 是一种数据挖掘算法，存在结构风险最小化、比非线性函数逼近方法有更强的泛化能力、能够达到最小经验风险和置信范围等一系列的优势，目前 SVM 已经非常成功地处理了回归问题和模式识别（分类问题、判别分析）等诸多问题，在综合预测、评价等领域中也有所建树[31,32,33]。SVM 是一种以统计理论为基础学科的算法，其应用范围受到统计学习理论重点研究情况的制约，即主要适用于小样本数据规律及性质的研究。因此本文在介绍 SVM 前先对统计学理论做个简单的介绍。Vapnik 等人在小样本统计理论的基础上提出了统计学理论，其重点是如何在小样本的应用中解决统计规律和学习方法性质等难题。统计学习理论的核心思想包括[34,35]：统计学习一致性的条件是如何在经验风险最小化准则下建立的；统计学习方法推广性的界的结论是怎样在上述条件下完成的；小样本归纳推理准则是如何在上述界的基础上建立的；实现这些新的准则的实际算法。本节主要介绍经验风险最小化、结构风险最小化。

..........

 

2.2 特征向量选取方法

特征向量的选择在回归分析、数据挖掘及模式识别中是一个十分重要的过程，因为特征向量包含了描述一个数据样本属于哪种类型的所有信息。随着科技不断的进步和发展，人们获取更深层次信息的技术和能力不断在提高，加上存储设备容量大幅的提升，我们能够获得的数据面越来越广，信息越来越全面。在信息量增大的同时，对相应的分类器的性能也有了更高的条件，不然肯定会出现“灾难维数”、数据冗余量大幅增加。这些信息是否含有冗余成分和过多的相似成分，是否完整等一系列问题直接决定我们建立模型的准确程度。如果有用的样本太多或者太少都会影响模型的建立，因此在正确设计分类器之前需要一个完整、无干扰、相互独立的样本集。在特征向量的选择上，使用较多的方法有特征选择和提取等。其中特征选择是指在所获得的特征集中选出一个能够达到最优的特征子集的过程，特征提取是指通过变换得到一个新的特征空间，在这个空间中选取一定的特征来作为对模式的描述[45,46]。其中有无在特征空间上进行变换是二者最大的区别，二者虽然实现的途径不同，但是从某种意义上讲二者目的是相同的，都是为了降低特征向量的数目，减少计算量。

..........

 

第三章 基于支持向量机的 J 波分类算法...........19

3.1 ECG 波形介绍与 J 波信号采集..... 19

3.2 基于 SVM 的 J 波分类......... 20

3.3 算法性能分析.... 26

3.3.1 分类评价标准....27

3.3.2 仿真分析............ 28

3.4 本章小结.............30

第四章 基于变步长支持向量机的 J 波检测算法.........31

4.1 变步长理论.........31

4.2 变步长 SVM 的 J 波分类算法.......33

4.2.1 全局特征和局部特征........... 34

4.2.2 ICA 及特征融合...........37

4.2.3 分类...........38

4.3 算法性能分析.... 39

4.4 本章小结.............42

第五章 总结与展望.........43

5.1 总结............ 43

5.2 下一步工作及前景展望.........44

 

第四章 基于变步长支持向量机的 J 波检测算法观察分析 

 

SVM 的基本原理，不难发现两个比较重要的参数，即惩罚因子 C 和对应核函数参数?，前者表示训练中对超出设定误差的样本的惩罚系数，决定着支持向量机的惩罚程度，后者是径向基函数的宽度参量，两者共同控制着向量机的泛化能力[63]。所以两个参数的设置一直是此分类器的重点和难点，根据以往经验，一般选取 C?2 ，??5.0 作为最优参量。但是如何在 SVM 分类问题中，动态的找到适合各自场景的最优参数，是需要迫切解决的问题。针对上述问题，部分学者提出固定步长的参数寻优方法，其中网格搜索法为最常用的的方法之一，它将待优化的参数按照下降的顺序划分为等值网格，随后从小到大遍历所有的参数值来得到最优的区间[64,65]。这种算法较经验参数的 SVM，在分类的精度上会有一定的提高，但是对寻找最优参数问题仍存在一定的缺陷，当参数的数目较多的时候，计算的时间会非常的长。那么如何更加快速准确的找到最优的参数呢？本章主要采取变步长盲源分离算法的相关原理对参数进行优化。

 

4.1 变步长理论

因为其计算量较小、运行简单和操作方便的特点，传统的 BSS 算法分离过程中常采用固定步长进行寻优。但是会出现收敛速度和稳态性能无法同时兼顾的矛盾关系，因为小步长会带来计算时间长的问题，有时甚至到了收敛阶段，信号还未得到分离而永远无法分离出源信号；步长大时却又无法得到精确的分离信号，从而不能真实反应出源信号的模样[63-65]。因此，如何有效的控制步长来更好的完成分离任务是当时学者们研究的工作重点。

...........

 

总结

 

心源性猝死、致命性梗塞等重大疾病的发生经常会伴有 J 波的出现，因此如何快速、准确、及时的识别出 J 波并给出适当的治疗方案进而有效地避免 SCD 等重大疾病带来的死亡，是一个迫切需要解决的难题。支持向量机因为有着出色的学习能力、令人满意的泛化能力和推广能力。它能高效地找到整个过程中的最佳解，已经被应用到很多非线性的真实环境中，并成功地应用于处理回归问题、分类问题、判别分析、预测和综合评价等诸多问题。支持向量机已经广泛地应用于航空航天、卫星通信、生物医学、互联网等一系列关乎国家命脉的行业中。本篇论文的研究重点是如何快速并准确地识别出 J 波片段和 NJ 片段，为下一步从 J 波片段中区分出良性和高危状态奠定了基础，主要涉及了支持向量机算法、小波变换算法、曲线拟合、变步长算法、主成分分析算法、独立分量分析等内容，具体的工作内容如下所示：

（1） 阐述了课题的研究背景及其研究的目的和意义、J 波及其 J 波综合征的医学诊断标准。同时，简单介绍机器学习之原理，为后文做铺垫；

（2） 主要对支持向量机理论知识进行简单阐述，并且对于怎样选择特征向量进行说明。从统计学理论知识入手，阐述了早期机器学习在有限样本过程中仅依靠经验结构风险最小化来预测其性能所存在的致命缺陷，接着引入了本篇论文的核心分类算法-SVM。接着，逐步推导 SVM 原理并总结了 SVM 有关参数的优化问题。同时阐述了特征降维的两种方法：特征选择及特征提取，为后续的研究工作提供理论基础。

（3） 基于上述的理论支撑，本文创新性地将支持向量机应用于 J 波分类问题中，取得了一定成效。获得 J 波的数据库之后，首先对预处理好的正常信号和病变信号进行特征点定位（主要是定位 R 点），从而可以粗略地截取到 J 波所在的大概位置。利用 8阶傅里叶曲线拟合方法拟合出所截取的片段特征向量、db6 对截取的片段进行小波变换得到其小波系数的高阶统计量、信号的 HRV 信息及其片段的波形信息作为特征向量。利用 PCA 减小维数，接着多次训练 SVM 获得类似支持向量。最后利用少量类似支持向量训练并检测 J 波分类效果.

.........

参考文献(略)

 

 

第一章  绪论 

 

1.1 课题研究的背景及意义 

1905 年，马克尼通过改进赫兹所用的天线系统发明了方锥形天线，接着在随后的一年里，创办了正规的无线电通讯服务，揭开了无线通讯的帷幕。 步入 20 世纪，无线通信技术得到了突飞猛进的发展。导航雷达、空间探测、电子信息对抗和射电天文等无线电应用领域[4]的出现加速了无线电技术的发展，与此同时制作精度、加工工艺的不断提升，特别是 VLSIC 技术、LTCC 技术、MIC 技术[5]的出现，使得现代通讯设备的体积变得越来越小，重量越来越轻，可并行处理信息的能力不断提升，工作频带越来越宽。这些发展趋势使得移动设备的射频前端——天线部分遇到前所未有的挑战[6]。如何才能设计出具有体积小、工作频带宽、可实现多点通信的印制天线是每个射频研发人员需要考虑的问题。而微带天线具有占用空间小、辐射能量集中、可与其它元器件集成到微波电路中、加工成本低等优势，目前广泛用于雷达、导航、空间探测、以及其它无线通信领域。基于此，本文对天线的结构进行全新的设计，并利用高频电磁仿真软件对其进行仿真优化，设计了几款具有小型化、宽带化以及双频段等特性印制天线。 随着生产、制造技术的不断提升，汽车工业发展到一个鼎盛的时期。大量车辆的涌现，使原本畅通的道路变得十分拥挤，交通事故频繁发生。根据日本 2003 年的道路交通事故统计数据，汽车追尾事件的发生率占该国交通事故的 30%以上，造成经济损失约为 1230 亿元美元。相对于日本，美国的交通事发生的更加频繁，预计到 2020 年将有1500 亿美元的经济损失是由交通事故造成的[7-8]。

.........

 

1.2 国内外研究现状

随着通讯业务的不断拓展以及用户数量的增加，现有的频率资源已经变得十分枯竭，无法满足客户的需求，需要通过一些技术手段来拓宽频带，提高频率资源的利用率，而传统意义上的天线只能单独工作在某一个特定的频带，如果能够设计一款天线使其工作在多个频段，不但简化了无线通信设备的复杂性，而且使得电子设备更加小型化、多任务化。 微带天线、缝隙天线、倒 F 天线以及单极天线是几种常见的多频带印刷天线[11-12]。其中，微带天线具有低剖面、易于集成、定向辐射、工作频带窄的特点[13-17]。关于如何实现微带天线的多频带化，文献[18-24]提供了一些可供参考的设计方法。如文献[18]中的 E 形天线是通过在矩形贴片边缘开槽的方式实现三频段工作；文献[19]中的 E 形和 U形宽带天线分别通过探针、孔径耦合馈电方式来实现 WLAN 频段的工作，其中孔径耦合馈电可拓宽频带的宽度；文献[22]中的多频段天线是通过采用弯折技术和开槽的方法实现 Wi MAX 频段通信。 倒 F 天线是由 1/4? 单极子天线衍变而来的。通过在接地平面和辐射单元间引入短路金属片来增加天线的感性阻抗部分，保持天线的谐振特性。该印制天线具有非对称的辐射方向图、较小的尺寸、易于集成等特点，通常在 WiFi， Wi MAX ，WLAN 以及军事方面[25]、ISM, HIPERLAN 和  UNII 频段[26-28]  、笔记本电脑[29]、移动手机[30-33]等领域有广泛的应用。 印刷单极天线在水平方向上呈现全向辐射特性，具有设计简单、占地面积小、频带较宽、易于集成特点，广泛应用于现代通讯中。印刷天线的多频段、宽频段特性的实现可以归纳为下面的几种方法：  第一种是增加谐振枝节法。随着通信技术和制作工艺的不断提升，人们希望设计出几款能够工作在某些特定频段的天线。而 N 端口馈电网络理论的成熟，为设计者提供了一些设计思路即在单一频段的天线结构上加入几段谐振枝节，使其具有多频段的工作特性，针对此国内外的一些学者进行了初步的探索。文献[34]中给出了一种采用共面波导馈电的双频单极子天线，该印制天线更容易和微波电路集成、具有双频段的工作特性，短的谐振枝节工作在第一谐振模式(1781MHz 附近)，长的谐振枝节工作在第二谐振模式(2540MHz 附近)；文献[35]介绍了一种共面波导馈电的三频段单极子天线，该天线通过在单极子天线上附加加两个谐振枝节实现 2.4GHz、3.5GHz 和 5.8GHz 这三频段的通信。文献[36]给出了一种微带线馈电的多频段单极子天线，该天线是由 E 型结构和 C 型结构构成，通过增加多个谐振枝节，构成多个等效谐振电路来实现多频段工作特性。 

...........

 

第二章  天线及其阵列的基本理论

 

信息的传输促进了人与人之间的交流，使人们的生活方式变的丰富多彩，而人们生活水平的不断提高，反过来对信息的传输提出了新的要求。从古代的烽火到近代的旗语、电报、电话，再到现代的无线电技术，人类从未停止过对高速有效传输方式的探索。天线作为现代无线通信系统中重要的部件，提供了从传输线上的波导或电路中的高频电流到空间电磁波的转化。本章将系统的阐述天线的基本性能参数和组阵列理论，为后面几章中的天线设计提供理论指导。

 

2.1 天线概述

天线是具有接收和发送功能的部件，可作为无线电子设备的射频前端，完成信号的传递。作发射时，首先将无线电通信线路中发射器或发射机携带的信息，转化成与其匹配线路上的导行波，然后沿着渐变张开的传输线，将导行波向自由空间辐射，完成信息的发送，如图 2.1(a)所示；作接收时，将自由空间中与天线极化方向相匹配的电磁波，转化成电路中的电流信号，最后通过中频信号处理模块将获取的模拟信号转化成一定的信息，完成信息的传递。如图 2.1(b)所示。天线的种类繁多，根据不同的分类方式可分为不同类型的天线。本节根据其应用的不同，将前人设计出来的天线分为以下几种情况：  ① 线天线(wire  antenna)：如单极子天线、偶极子天线、环形天线等其他结构。这类天线工作频率低、频带窄、增益低、重量轻、设计简单、价格便宜，通常用在 HF 到UHF 频段。 ② 印制天线（printed antenna）：印制偶极子天线、印制缝隙天线和微带电路天线。这类天线通过光刻的方法将辐射元件和相应的馈电电路蚀刻在介质基片上，易于集成，常用在微波和毫米波电路设计中。 ③ 阵列天线(array antenna)：由某种特定规则排列的天线阵元和相应的馈电网络组成的一个定向辐射器件。根据几何结构又可以分为：直线阵、平面阵和共形阵。 ④ 孔径天线(aperture  antenna):是微波和毫米波频段普遍应用的天线，包括矩形喇叭、圆形喇叭、终端开路波导、发射器以及透镜。 

...........

 

2.2  天线的基本参数

天线作为收发器件，位于传输线的终端，可视为高频电路中传输线的一个负载[46]，其二端口网络如图 2.2 所示。辐射方向图(Field Pattern)是指天线辐射特性（如电场强度、相位大小、功率值和极化）与空间坐标的函数图形。在没有特别说明的情况下，辐射方向图就是指场强方向图，该图形的获取可通过两种方法得到：一是对复杂的电磁问题建模并利用数学物理方法对该模型进行理论分析、求解，得到远场区的辐射特性，计算并绘制出相应的方向图；二是对待测的天线进行测量、记录、分析数据，描绘出相应的辐射方向图。 天线的极化是用来描述天线在远场区最大增益方向上电磁波的极化特性。对于发射天线来说，天线的极化是指该天线在主波束范围内最大增益处的极化特性；对于接收天线，其极化通常是指所接收到最大可用功率的电磁波极化特性。 根据极化方式的不同可以分为：线极化(Linearly  Polarized)、圆极化(Circularly Polarized)、椭圆极化(Elliptically Polarized)；线极化又包括水平极化(Horizontal Polarized)和垂直极化(Vertical Polarized)，区分的标准是电场矢量与地面的关系，若是平行关系就是水平极化，垂直关系则为垂直极化；对于圆极化和椭圆极化根据电场矢量的旋转方式分为右旋极化或左旋极化.

...........  

 

第三章  双频带印刷天线设计与分析 .... 17 

3.1 微带天线基本理论 ........... 17 

3.1.1 微带天线结构及工作原理 ......... 17 

3.1.2 微带天线馈电方式 ........... 19 

3.2 双频段微带天线设计 ....... 19 

3.2.1  双 1 型双频微带天线设计与分析 ...... 20 

3.2.2 应用于 GSM/ DCS 的双频微带天线设计与分析 ............. 24 

3.3 本章小结 ....... 30   

第四章  宽频带印刷天线设计与分析 ..... 31 

4.1  微带天线频带拓宽技术 ............. 31

4.2  宽频带印刷天线设计 ....... 34 

4.2.1 树叶形宽带天线设计与分析 ...... 34 

4.2.2 酒杯形宽带天线设计与分析 ...... 39

4.3 本章小结 ........ 44 

第五章  车载防撞雷达天线阵列的设计与分析 ......... 45 

5.1 车载防撞雷达系统介绍 .... 45

5.2 微带天线阵基本原理 ........ 47 

5.2.1  微带线阵 ....... 48 

5.2.2  微带面阵 ....... 48 

5.3 24GHz 车载防撞雷达天线阵列设计 ............. 49

5.4 本章小结 ........ 57 

 

第五章  车载防撞雷达天线阵列的设计与分析 

 

现代电子技术的出现以及生产制造技术的不断提升，促进了我国汽车制造业的发展。特别是汽车的出现加快了城镇化的进程，同时也给城市的交通带来了一些问题，建立一套完善的现代交通体系——智能交通系统 ITS  ( Intelligent Transportation System )刻不容缓。车载防撞雷达是一种微波、毫米波雷达，具有高精度、体积小、易于集成、体积小等特点，广泛应用于汽车防撞系统中。本章在介绍车载防撞雷达原理以及天线阵的基础上，设计了一款工作在 24GHz 频点处的宽频带、高增益的车载防撞雷达天线。 

 

5.1 车载防撞雷达系统介绍 

车载防撞雷达系统是由接收天线、接收前端、发射天线、发射前端、信号处理模块、报警模块以及汽车控制装置这几个部分组成，其原理框图如图 5.1 所示。 其中收发天线模块通常是以微带天线阵列实现的，具有易于集成、占用空间小、可靠性高、成本低等特点。收发前端作为车载防撞雷达系统的射频部分，主要完成信号的调制和解调，以及射频信号的收发。信号处理模块属于该通信系统的中频部分，用来消除信道中的噪声提取有用的信号或者信息，通过报警模块提醒使用者或者直接控制车辆，避免交通事故的发生。 FMCW 雷达的工作原理可概括为：馈电部分将电信号传递给天线阵列，通过该天线将电信号转化为一系列的连续调频毫米波向特定的方向辐射出去，当碰到障碍物或者检测目标以后被反射回来，反射信号与本振信号经混频器混频得到中频信号，通过对中频信号的处理，获得目标物体的距离和车速等信息。图 5.2 为车载雷达测距原理，其中发射信号的频率是按照三角波调制电压信号变化而变化的，由于收发信号的波形一样，只是时间上有一个延迟，所以收发信号的波形图与下图 5.2(a)波形相吻合。

...........

 

结论

 

无线通信技术的飞速发展以及系统集成度的不断提高，大大减小了通信系统的体积，提高了系统稳定性。天线作为无线通讯设备的收发前端，其体积的大小将影响整个系统的性能。印制天线具有体积小、易于集成等特点，可使设计出来的设备具有高集成度和稳定性。 传统的印制天线增益低、带宽窄、工作频带单一，不能满足宽带通信系统的要求，如何才能设计出具有高增益、较宽的频带或者是多频段的印制天线是当前的研究热点。本文针对这些问题设计了几款天线，可用来解决频带单一、增益低、带宽窄的问题。 车载防撞雷达系统是为了解决交通问题，欧美国家提出了一种新的思路，该系统将新的信息处理技术、通信技术、控制技术、电子集成技术等新型技术手段应用在道路交通上，使交通系统协调统一，减少事故的发生。由于应用于汽车上所以要求该雷达应具有易于集成、高增益、体积小的特点，同时收发天线要尽可能的集成在一块印制板上。本文针对此设计了一款高增益、易集成、体积小、具有一定的隔离度的车载防撞雷达天线阵。 

.........

参考文献(略)

 

 

第一章 绪论

 

1.1 人脸识别技术的研究背景

随着现代智能信息技术的发展，计算机及互联网技术越来越发达，人们面对的信息安全性方面的挑战也愈加强烈。怎样使身份得到准确、迅速的鉴别和确认已经成为社会急需解决的问题[1]。个人证件或密码是目前社会上主要应用的身份鉴别方法，经过长时间的实践得知，证件的遗失及密码的丢失已经严重威胁到人们日常生活与工作的信息安全。为寻求安全性更高的身份识别方法，研究人员通过人体特征不可复制这一特性将生物特性识别应用于身份识别中。随后，生物特征识别方法迅速发展并得到应用，与过去常用的密码及证件识别方法相比，其在身份识别应用中具有快速准确、安全、不可复制、不易伪造等诸多优点[2]。众所周知，生物特征（如指纹、基因、轮廓、语音等）是一个人独特的特征，具有唯一性，按照此生物特征，现阶段基于计算机基础已经开发设计出诸多技术手段，用来对人体身份进行识别，包括语音识别技术等，此方面的识别技术已经得到认可并受到广泛应用[3]。在以上的人体特征识别技术中，由于交互更加友好、使用时无心理障碍等优势，人脸识别技术广受用户好评，其次，人们还可以利用对人脸表情进行分析可以获得与其他识别方法难以获取的信息[4]。除此之外，其还具有识别时的无接触性、无强制性、无侵犯性等优势，且人脸相比人体其他部位来说更容易产生记忆。所以对人脸识别技术具有非常重要的研究意义，其也是目前身份识别、图像处理等学科的研究热点方向[5]。 对人脸识别技术进行探索具有重要科学价值，主要体现在：首先，对人脸识别技术研究可以使人类视觉系统的认识得到深化；其次，对其研究可为人工智能应用提供依据。所以，能够在计算机上建立相应的人脸识别系统，对人脸图像的识别有着巨大的应用价值和应用前景[6]。 

.........

 

1.2 人脸识别算法的国内外研究现状

现阶段，关于人脸识别技术国际上越来越多的国家组织开始研究，主要包括欧美、日本等国家和地区，其中对人脸识别技术的研究较为领先的有美国 MIT 的媒体实验室，CMU 的人机交互研究机构，微软研究中心，英国的剑桥工学院等机构。自上世纪 90 年代来，人脸识别技术随着高速计算机的发展已经跨入了机器自动识别阶段。 在人脸识别方面，国外大部分大学已经取得了一定成果，涉及领域较为广泛[7]，其中，基于心理学层面来对人脸机理进行探索，（如美国德克萨斯大学达拉斯分校的 Abdi和 Toole 小组[8]，研究的主要内容是人类怎样感知到人脸），有研究大脑对人脸识别中作用的（斯特灵大学的 Bruce 教授和格拉斯哥大学的 Burton 教授，主要对大脑对人脸识别的影响进行研究，进一步构建了人脸认知的两大功能模型），有通过视觉机理研究人脸识别，还有学者从生理学角度对人类视觉系统进行研究（以荷兰罗宁根大学的 Petkov小组为代表）。其他更多数的研究人员则把他们的研究重点放在了通过输入图像进行智能人脸识别上。 随着人脸识别技术的不断发展，目前此技术在国际的研究主要分为下面几个方向： （1）以几何特征为基础的人脸识别，目前以 MIT 的 Brunelli 和 Poggio 研究组为代表[9]，其将改进积分投影法应用于人脸识别技术，将 35 维人脸特征矢量采用欧氏距离表示。 （2）以模版匹配为基础的人脸识别，目前以哈佛大学 Smith-Kettlewell 眼睛研究中心为代表，将眼睛与嘴巴的轮廓利用弹性模版提取，并利用活动轮廓模版将眉毛、下巴、鼻孔等描述出来。 （3）以 K-L 变换为基础的人脸识别，目前以 MIT 的 Pentland 小组为代表[10]，还出现了基于此类的各种改进技术，例如耶鲁大学的 Fisher 方法。 

..........

 

第二章 经典的人脸识别系统介绍 

 

2.1 人脸图像预处理 

人脸识别技术具有很大的实践意义，它主要以实际应用为基础，利用人脸数据库检测对比识别算法的功能性，由此为算法的深入探讨与研究提供可靠依据。现今，国际上使用较为广泛的人脸数据库类型较多，但是不管哪种类型的人脸数据库均有着基本相同的特性，如成像条件、数据规模、脸部图像尺寸、样本复杂程度等[16]。下表列出了部分通用人脸数据库。该研究是基于 MATLAB2013a 完成的，并分别使用 Yale 人脸识数据库、ORL 人脸识数据库、FERET 人脸识数据库模拟开发人脸识别程序。并基于各种算法进行 MATLAB运算系统模拟，进而求得各个算法的对于人脸的识别率、运行速度及抗干扰能力，并在此基础上分析、研究识别算法的性能及优缺点。下文将重点阐述 Yale 人脸识数据库、ORL 人脸识数据库与 FERET 人脸识数据库。它主要由 AT&T 研究中心（剑桥大学）开发，该实验随机抽取了四十名志愿者，每人采集十张图片（尺寸为92?112），共计四百张，每个志愿者的所有图片需保证面部表情、角度等特征不同。耶鲁大学的计算机视觉和控制研究机构研发出 Yale 人脸数据库，该实验随机抽取了十五名志愿者，每个志愿者采集十一张照片（尺寸为100?100），共计一百六十五张。需确保每个志愿者的所有图片光照、表情等特征的不同。美国军主数据库项目中心研发出的 FERET 人脸识别系统，随机抽取二百名志愿者，每名志愿者采集七张照片（尺寸为128?128），共计一千四百张照片，每个志愿者的所有图片需保证面部表情、角度等特征不同。因美国军方数据库统计的面部特征丰富，所以普遍用于人脸识别程序的模拟检测中。 

..........

 

2.2 基于主成分分析法的人脸特征提取

人脸识别主要应用高维识别方式，学者 Sirovich&Kirby 于一九八七年提出 K-L 变换方法，以减小人脸识别的维度[25]。指出将人脸图像以具有特征矢量的线性组合方式进行反映。具体操作如下：把人脸图像当作高维向量，并通过 K-L 变换来组建脸部特征空间，然后把初始图像放在特征空间中一一投影，进而得到相应的图像特征描述。二十世纪九十年代初，学者 Matthew  Turk 基于 K-L 变换理论将“特征脸”引入人脸识别系统，并成功在人脸识别系统中应用 PCA 方法（主成分分析法）。它不仅能够对数据进行分类处理，而且可以降低图像的高维，大体思路为在数据空间中制定二维坐标系，把高维向量投影至坐标系上。它的优点为实现了各种类型的数据向量间的互换，可对数据进类别划分，并删除多余无用的坐标空间，进而缩小数据存储量，并起到了降维作用 由人脸空间至特征空间的映射，即所谓的特征提取。而所谓的映射原则即为特征空间能够将数据的重要分类信息保留，但相较于原始数据空间，特征空间的维数很低。基于映射原则的 K-L 变换算法能够对数据进行分类与压缩。 

..........

 

第三章  Gabor 小波和 LBP 的基本原理 ........ 23 

3.1Gabor 小波 ....... 23 

3.1.1 Gabor 小波变换知识介绍 ........ 23 

3.1.2 2D-Gabor 小波变换原理 .......... 24 

3.1.3 基于 Gabor 变换的人脸特征提取 .... 27 

3.2 局部二值模式（LBP）基本原理 ...... 29 

3.3 本章小结 ......... 36 

第四章  基于 2D-Gabor 小波和均匀模式 LBP 结合的特征提取算法 ..... 37 

4.1 2D-Gabor 小波和均匀模式 LBP 相结合算法的介绍 .......... 37 

4.2 2D-Gabor 小波和均匀模式 LBP 相结合的算法流程 .......... 37 

4.3  实验结果与分析 ..... 40

4.4 本章小结 ......... 48 

第五章  总结及展望 .... 49 

5.1 工作总结 ......... 49 

5.2 研究展望 ......... 49 

 

第四章 基于 2D-Gabor 小波和均匀模式 LBP 结合的特征提取算法 

 

4.1 2D-Gabor 小波和均匀模式 LBP 相结合算法的介绍

在人脸识别研究过程中，特征提取方法对识别结果有着重大且至关重要的作用，寻找一种不但可以反映图像整体特征性信息，而且可以兼顾图像局部特征信息的特征提取方法是现今人脸识别技术研究的关键。由于图像细节信息的缺乏能够降低特征提取的识别率，但是细节信息过多又会加大图像维数，进而造成样本量大、过于散乱、类与类之间界线不清，无法有效进行特征归类。所以该论文例用 2D-Gabor 小波对原始图像进行特征提取，包括多角度特征提取与多尺度特征提取，以有效降低光照、旋转等对图像提取的干扰性，得到的图像可利用 LBP 算法进行编码、组建直方图，由此对图像细节信息进行充分的表现，而后使用 PCA 方法琮降低图像维数。 LBP 运算过程中通过灰度对比对最后的提取值进行选定，位置相近的两个编码具有一定的关联性，会受到噪声干扰的影响，若先用 2D-Gabor 小波对图像进行特征提取便可克服这一问题。运用 2D-Gabor 小波来过滤图像，脸部图像卷积时至少使用两个以上的通道，使提取的细节特征更加完善、有用，增强图像细节抗干扰能力。 2D-Gabor 小波可以增强抗干扰能力，同时可能对多个尺度、方向的特征信息进行提取，针对局部纹理的提取，LBP 算法可以较好的表现出图像的局部特征，同时能够有效的减少维数，所以运用 2D-Gabor 小波过滤图像后，可使用 LBP 算法对其编码，可以有效弥补 Gabor 小波提取算法的不足。 

..............

 

总结

 

目前，在人脸识别领域，图像数据的分类与特征提取有着十分重要的意义，脸部图像特征的提取算法为核心技术，直接关系着系统识别的正确率，2D-Gabor 小波对外界干扰如光照、姿态、表情等变化具有较强的鲁棒性。但其同时也存在诸多问题。本文采用 Gabor 小波和 LBP 相结合的特征提取方式来分析人脸识别技术，并研发出基于 Gabor算法与均匀模式 LBP 算子的特征提取算法。能够大幅提升人脸识别系统识别的速度与正确率，有效缩减了数据量，并且与多种通用人脸数据库相兼容。 本文内容工作如下所示： 

1.首先，对人脸识别技术的研究背景和意义进行了介绍。然后阐述了现有的国内外人脸识别算法，并逐一阐述了它们的优缺点。接着指出该课题研究时所用的新型算法，并对课题的核心内容与论述顺序进行了阐述。 

2.从以下几点对应用较为广泛人脸识别程序进行分析：一，人脸数据库；二，图像的预处理；三，分类器的研究设计；四，主要的人脸识别技术：在主成分分析原理的基础上，对人脸识别算法进行实验仿真。 

3. Gabor 变换，该部分主要论述了核方程及滤波装置组参数的确定；并对详细论述了在 Gabor 小波变换基础上实现的人脸特征提取法。局部二值模式（LBP），包括：LBP算子介绍、和均匀模式 LBP 算法； 

4.重点对本文使用的人脸特征提取算法进行阐述。对在 2D-Gabor 小波算法与均匀模式下 LBP 算子的基础上实现的人脸特征提取算法进行了详细的论述，后将其应用于不同的人脸数据库进行理论研究与模拟实验，同时把它和传统的特征提取算法进行对比论述，以验证它的可行性与有效性。 

.........

参考文献(略)

 

 

第一章  绪论 

 

1.1  引言 

早期的语音与音频系统是针对模拟声信号的，它实现起来容易，但是存在易受噪声干扰的缺点。随着信息技术的发展，数字信号处理的方法在越来越多领域得到应用。数字信号易于远距离传输和存储，抗干扰能力强，无累积失真，数字化存储的信息还可以被高品质的还原，这一系列的优点促使音频技术逐步走向数字化的方向发展。 事实上，即使经过了数字化处理，语音信号的传输仍然需要付出很多的代价。语音信号携带的信息量巨大，一段语音不仅表达出了文字内容的意思，还携带了音高、音强、音长、说话人的情绪和语气等特征信息，与文本信息相比，用语音表达相同的一段内容，信息量要比文本信息大十倍以上。尤其是近年，语音通信多与其他多媒体通信方式相结合，例如电视电话会议、微信语音聊天等。随着这些应用的流行，人们不仅对语音信息量的需求在逐渐变大，对语音质量的要求也迈上了新的台阶。因此，在尽量保证语音通信可靠性的情况下，如何高效地对语音信号进行压缩编码，降低数码率、减少占用带宽，显得十分重要。 近年来，对语音信号处理的研究和探索集中在以下几个主要的方面。语音编码、信道编码、语音增强、语音识别、语音情感识别、说话人识别、以及语音压缩感知等。无论是哪个课题，当前的研究方法都是去除语音信号的冗余信息，降维，提取主要特征。许多自然界的信号，如图像和语音，大多是稀疏或近似稀疏的。稀疏性是信号固有的特性，可以作为先验知识。如果把语音信号处理比作一座大厦，那么语音信号的稀疏表示就是大厦的基石。实现上述语音领域的研究基础就是语音信号可以被稀疏表示。 近年来信号处理领域的一个热点研究是压缩感知[1]，压缩感知理论指出，如果信号具有稀疏性，就可以投影至某个基矩阵，得到比奈奎斯特采样定理更少的采样点，并且可以利用少量的样点完整的恢复信号。压缩感知中最重要的就是感知矩阵，而感知矩阵与稀疏基有密切的关系。语音信号的稀疏表示是语音压缩感知的重要组成环节。 

........

 

1.2  语音稀疏表示理论研究现状 

信号处理中最重要的事情之一是有效表示信号。首先，数据存储和传输的资源是有限的，这就需要高效的信号表示以节省存储空间。其次，信号不可避免地受到噪声污染，需要不受噪声影响的表征。第三，对于如检测和分类等对信号的分析，信号的稀疏表示可以捕获更有用的信号特征。特别是语音信号，语音信号在时频上具有近似稀疏性。因此，用语音的稀疏表示可以从本质上降低语音信号处理的成本。 早期的线性表示都是基于线性分辨率变换，例如熟悉的快速傅里叶变换（FFT）、离散余弦变换（DCT）和主成分分析（PCA）等。这些方法的一个重要特点是任何一个信号的表示都会用到所有的元素。随后，类似于短时傅里叶变换（STFT）、Gabor 变换和小波分析等非线性分辨率变换的方法出现，这些方法通过利用基函数中不同的元素组合获得更好的近似表示。近几年，一种新的信号表示方法被提出了并取得了极大的成功——稀疏编码[5]，这种技术采用一种过完备字典（也称冗余字典）来替代各种变换，字典中包含大量的元素信号，这些元素信号被称作原子。每一个信号由部分原子的线性组合来近似表示。每一个信号可以看成多个原子的线性组合，并允许少量的原子存在非零系数。需要注意的是，表示信号所需的原子个数远小于过完备字典中含有的原子个数。 

.........

 

第二章  语音稀疏表示理论 

 

2.1  稀疏表示理论基础 

信号处理过程中，为了便于分析，将信号进行稀疏化处理是一种有效的信号处理方式。稀疏化处理方式可以通过某一个变换域上的一组基，将信号进行投影，在投影中有效值的数目尽可能少的条件下，投影结果还能完全表现信号的本质特征。 狭义的线性信号表示是将信号用一组基的线性组合来表示。例如，任意连续信号都有傅里叶变换，也就是可以用无数个正弦函数叠加而成。

......

 

2.2  稀疏表示理论的关键技术 

基于冗余字典的信号稀疏表示主要包含两个热点研究内容：一是构造过完备字典；二是稀疏分解算法,稀疏分解算法目的是在给定的字典 D 中寻找出T 个适合的原子的线性组合，也就是寻找稀疏系数。匹配追踪算法[6]是最先被提出的一种稀疏分解算法，属于贪婪算法的一种。MP 算法的主要思想是每一步迭代都选择最匹配的原子，多次迭代后可实现对信号的逼近。相比上面提到的 BP 算法，MP 算法并不追求全局最优解，只是局部最优解，并且收敛速度很慢，因此，MP 算法的稀疏分解质量也相对较低，只能得到信息的某个用少量原子表示的逼近值。 （3）正交匹配追踪算法（Orthogonal Matching Pursuit, OMP） 正交匹配追踪算法也属于贪婪算法的一种，它与 MP 算法十分近似。唯一不同的是OMP 算法会对迭代中选出的原子进行 Gram-Schmidt 正交。MP 算法进行稀疏分解时候迭代次数很多，收敛的很慢。这是由于每次迭代的残余项mfR 仅与当前选出的原子正交，而不是与前面的每个原子正交。如图 2-2 所示。

.......

 

第三章  基于 K-SVD 的过完备字典构造方法研究 ......... 15 

3.1  字典构造原则... 15 

3.2 K-Means 算法 .... 15 

3.3 MOD 算法 ......... 18 

3.4 K-SVD 算法 ...... 19 

3.5  本章小结 ........... 22 

第四章  基于新型 BDS 模型的语音信号字典构造方法 ............ 23 

4.1  引言 ........ 23 

4.2 BDS 模型原理 ... 24 

4.3  基于 BDS 模型的字典构造实现..... 28 

4.4  实验与分析 ....... 30 

4.5  本章小结 ........... 35 

第五章  基于非线性核字典的语音信号稀疏表示方法 ... 37 

5.1  引言 ........ 37 

5.1.1  非线性稀疏表示 .......... 37 

5.1.2  语音信号的非线性特点 ........ 39 

5.2  非线性核字典算法原理 ........ 41 

5.3  非线性核字典的实现 ............ 47 

5.4  实验与分析....... 48 

5.5  本章小结 ........... 51 

 

第五章  基于非线性核字典的语音信号稀疏表示方法 

 

5.1  引言 

前面章节中介绍的内容都属于线性范畴。然而，线性表示不适用于实际中的一些非线性结构的数据。目前常用的稀疏算法都是利用线性模型，用这些算法解决非线性结构问题结果会很差。K-SVD 算法作为一个典型的稀疏分解算法，可用于解决分类问题。但如果所分类的两类目标是非线性的，采用 K-SVD 算法进行分类，其分类结果将出现较大偏差。如图 5-1，两类目标是以非线性规律存在的，如果使用 K-SVD 算法线性模型对这两类符号进行分类，将可能会产生如图 5-1（b）的效果。显然，这个分类结果不理想，这是由于线性模型的局限性，导致分类只能局限于线性分类。图（c）是利用非线性模型分类的结果。 在信号表示中，许多信号并不能直接用字典原子的某一线性组合精确表示，而是可以精确地表示成一部分原子的非线性组合，这样就导致在低维空间出现线性不可分。针对这一不足，文献[47]中的非线性聚类分析方法，把之前线性不可分的样本通过一种非线性映射投影到一个高维特征空间，并通过核函数在高维空间采用某种线性的分类或回归技术实现分类。这样就避免了确定非线性映射函数和运算时出现  “维数灾难”等问题。 

...........

 

总结 

 

现今，语音仍是使用最广泛的交流方式。有效的表示语音信号仍是信号处理中重要的事情之一。尤其是当今通信行业面临的最大问题之一就是传输信道的带宽有限，这就需要高效的信号表示以节省传输空间。另外，还有其他对语音信号的分析和识别等，希望可以捕获语音信号中更有用的信号特征。语音信号的稀疏表示研究也随之展开了。 2006 年，Candes，Tao 和 Donoho 提出了压缩感知理论。压缩感知理论是对传统的奈奎斯特定理进行的一场革命，而它是以信号的稀疏性为前提条件，随着压缩感知研究的发展，对信号的稀疏表示的研究也越来越得到人们的重视。本文对语音信号的稀疏表示进行了深入研究。 自然界的信号大多是稀疏的，语音也不例外。在第一章中，本文验证了语音信号的稀疏性，简述了稀疏表示理论的发展历程和国内外研究现状，并详细解释了稀疏理论和语音信号处理结合研究的必要性和先进性。 在第二章中，详细介绍了稀疏表示理论。首先，详细研究了线性稀疏表示理论的数学模型及度量标准。随后，介绍了稀疏表示理论中的两个关键技术：一个是稀疏分解算法，另外一个是稀疏基的构造。稀疏分解算法中较常用的是正交匹配追踪算法，因为其收敛速度快。关于稀疏基的构造，本文分析了各种稀疏基的特点，认为使用冗余字典作为稀疏基最具有灵活性，由于其冗余性，更容易得到更稀疏的表示。最后，本章将稀疏表示与压缩感知联和起来，简单介绍了压缩感知理论和压缩感知中两个主要技术手段。说明了语音信号的重构依靠压缩感知。  

.........

参考文献(略)

 

 

第一章  绪论 

 

1.1 选题背景和意义 

大数据时代，信息海量增长，数据的尺寸越来越大，对数据的处理和存储管理也越来越受到重视，尤其是应用在航天、卫星遥测等方面的信息采集和存储对存储性能的要求不断提高。随着互联网技术的日趋成熟，互联网+将带动各行各业快速发展，以电子商务为代表的互联网运营模式已经被广大用户接受，人们更多地创造数据而不是被动地接受信息[1]。百度、阿里巴巴和腾讯这三大国内互联网巨头正在加快自己的数据中心建设，以便更好地存储和管理 PB 乃至 ZB 级数据。如何高速可靠地处理和存储数据是人们一直追求的目标，面对日益增长的数据，传统的存储模式已不再适用，这主要表现在两方面：一方面高性能设备的价格昂贵；另一方面硬件的发展速度跟不上数据的产生速度。新的存储设备应具有以下特点：一、速率高，并行接口不利于提升访问速率，并行接口总线之间的干扰会因提高时钟频率越发严重[2]。目前串行接口已经成为主流方式，SATA、USB 等串行接口设备应用广泛。串行接口提升传输速率有明显的优势，例如SATA1.0  速率是 1.5Gbit/s，而 SATA2.0 和 SATA3.0 的传输速率分别提高到 3Gbit/s 和6Gbit/s[3]。二、容量大，由于技术和工艺水平的限制，单一存储设备的容量已经很难突破，将多个存储介质组织在一起构成存储阵列，对外形成一个大的存储设备可以成倍地提高系统的存储容量[4]。三、稳定可靠，大量数据的传输需要保证其传输的正确性，传输过程中需要有相应的校验机制，确保接收设备接收到的数据准确无误。对已经存入设备的数据，需要在某个存储设备损坏时，可以有效恢复其中数据。但是存储介质依靠提升时钟频率来提速的空间已经很有限[5]，形成设备接口速度远远低于主机带宽的困境，有必要设计一种新的体系结构来支持设备带宽的汇聚和卸载。 

........

 

1.2  国内外研究现状

1956 年 9 月，IBM 推出首个硬盘，打开了硬盘存储的时代。1968 年，IBM 提出的“温彻斯特”技术，奠定了硬盘发展的方向，并于 1973 年设计出使用该技术的第一块硬盘，容量为 30MB[6]。之后硬盘的发展越来越快，转速最高已达 15000r/min，容量也从原来的 MB 级别发展到现在的 TB 级别。 现存的硬盘主要有两种：采用磁介质的机械硬盘（HDD）和采用半导体作为存储介质的固态硬盘（SSD）[7]。机械硬盘在读取速度、抗震能力、功耗、运行声音以及发热方面不如固态硬盘，但是在容量、价格、写入次数和数据恢复方面要比固态硬盘有较大优势。两者各有优劣，但主要考虑到价格和容量两个因素，市场上的多数电脑依然采用机械硬盘作为存储设备。硬盘在逻辑上划分为磁道（Header）、柱面（Cylinder）和扇区（Sector），简称 CHS，硬盘上的数据就是按照这种方式组织和管理的。每个盘片划分为多个同心圆，成为不同的磁道，从外向里依次编号为 0、1、2……所有盘片相同编号的磁道构成一个圆柱，称为柱面，柱面数即为磁道数[7]。将每个磁道等分为若干个弧段，形成多个扇区，用来存放数据，每个扇区的大小为 512B，硬盘扇区结构如图 1-2 所示。 

...........

 

第二章  可堆叠存储介质 

 

本章提出一种新的可堆叠存储设计思路，抽象出可堆叠的本质，介绍了可堆叠存储介质，分析和测试了一种可堆叠控制芯片 PM（端口倍增器）的工作原理和读写访问。 

 

2.1 可堆叠原理

 

2.1.1  自主访问的存储设备 

存储系统中，主机访问存储设备需要靠控制器来完成。并行接口存储设备不带有控制器，控制器在主机端，主机访问这种设备时，通过控制器发送读写命令和数据，依赖于总线传给设备，设备直接接收命令并执行读写操作。这种设备不能自己生成命令，是一种非自主访问的存储设备。图 2-1 所示为非自主访问的存储结构。 串行接口存储设备带有控制器，主机访问这种设备时，将命令和数据封装成消息，通过消息通道传给设备控制器，控制器解析消息生成操作时序，读写访问存储设备[29]，因此串行接口存储设备是自主访问的存储设备。图 2-2 所示为自主访问的存储结构。 以 ATA 和 SATA 为例，ATA 是并行总线接口，主机要读写 ATA 硬盘时，由控制器发送命令和数据，通过 ATA 总线直接读写硬盘。SATA 是串行接口，主机要访问 SATA硬盘时，将封装有命令和数据的消息通过消息通道发送给 SATA 硬盘控制器，控制器解析消息，提取命令和数据，生成操作时序读写硬盘[30]。 自主访问的存储设备和主机之间通过消息访问，更容易通过提高时钟频率来提高传输速度，也不会造成总线间干扰的问题[31]。但是，自主访问的存储设备不带有设备地址，多个设备堆叠在一起时无法区分，因此不具有可堆叠性。 

.........

 

2.2  可堆叠控制芯片 PM 

Marvell 公司推出的多种端口倍增芯片都是可堆叠控制芯片，以其中两种为例：一种是通过 PCIe 接口与主机相连，扩展 4 个 SATA 端口的 88SE9235 芯片；一种是通过SATA 接口与主机相连，扩展 5 个 SATA 端口的 88SM9705 芯片。 88SE9235 提供一个 PCIe x2 接口和 4 个 SATA 接口，支持 PCIe 2.0 和 SATA 3.0，PCIe单通道传输速率可以达到 5Gbps，并向下兼容 PCIe1.0 协议；SATA 接口速率可以达到最高 6Gbps，并向下兼容 SATA  2.0 和 SATA  1.0 协议[33]。88SE9235 提供了一个两通道的PCIe 接口和 SATA 控制器功能，可以将 PCIe 通道传输的数据卸载到 4 个 SATA 通道，实现单一硬盘接口的 4 倍扩容。 88SM9705 提供 1 个 SATA 主机端口和 5 个 SATA 设备端口，最高支持 SATA 3.0 协议[34]。88SM9705 是一个 SATA 端口倍增器，能够识别 SATA 协议的 FIS，允许一个 SATA接口向下连接最多 5 个 SATA 设备，从而实现单一硬盘接口的 5 倍扩容。88SM9705 的典型配置方式如图 2-4 所示。所有设备端和主机端都可以通过主机端口或 UART 串口与主机建立通信，实现 SATA 自测。 

.............

 

第三章  可堆叠系统 ....... 27 

3.1 系统架构 ........ 27

3.2  消息交换模块....... 30 

3.3  消息交换结构 MES .... 31 

3.4  阵列管理模块....... 34

3.5 可堆叠存储阵列 .......... 39 

3.6  分布式存储管理.......... 40 

3.7 FPGA 芯片选型 .... 41 

3.8  本章小结........ 43 

第四章  硬件电路与结构 ...... 45 

4.1  硬件系统设计....... 45 

4.2  电源电路设计....... 46 

4.3  时钟电路设计....... 48

4.4  系统复位电路....... 50 

4.5 外围电路及其接口设计 ..... 50 

4.6  结构设计 ........ 58 

4.7  本章小结 ........ 61 

第五章  总结与展望 ....... 63 

5.1  总结 ......... 63 

5.2  展望 ......... 64 

 

第四章  硬件电路与结构 

 

针对本论文提出的可堆叠存储架构，搭建了硬件环境，设计了硬件系统，并具体设计了电源、时钟、复位以及必要的外围设备和接口的模块电路。完成了系统结构设计，便于实现工业化。 

 

4.1  硬件系统设计 

系统采用 Xilinx XC7K325T-2FFG900 作为 FPGA 芯片，SATA 端口倍增器 88SM9705作为可堆叠控制芯片 PM，搭建了可堆叠存储阵列的硬件平台 CCS2040，具体如下：利用 FPGA 的 16 个高速串行收发器 GTX 连接 10 个 PM，每个 PM 连接 5 个 SATA 硬盘，用于系统扩容。10 个 PM 共同构成 10 个通道，FPGA 同时访问 10 个 PM，理论上最高可以达到 60Gbit/s 的带宽汇聚和卸载能力，在扩容的同时提速。系统可以连接最多 50个硬盘，形成可堆叠的硬盘阵列。系统还利用 Freescale 的 T2080 开发板作为 CPU 板，充分利用其上的 4 个 10Gbit 光纤接口实现 40Gbit 的高带宽网络接入；系统还保留了两个 12G 的 SAS 接口，实现非网络环境下的数据通信。

............

 

总结 

 

针对目前存储技术扩容和提速不能同步实现的问题，本论文提出了一种可堆叠存储介质的概念，并搭建了可堆叠存储阵列，是一个解决方案。系统的整体解决方案包括T2080 上移植操作系统，通过文件系统管理可堆叠存储阵列；文件系统底层驱动程序实现块 I/O 到超扇区 I/O 的映射，并按照新定义的 MES 结构封装消息；MES 中定义用于确定阵列中存储设备地址的 GSC 参数字段，使自主访问的存储设备具有可堆叠性；消息交换模块将块 I/O 请求交换到 FPGA，由 FPGA 的阵列管理模块解析消息，并按照 GSC方式将数据拆分并校验后分配到每个通道，并行驱动各通道设备的读写访问；消息交换模块是基于 PCIe  x4 的物理层接口来交换消息的。系统可以通过 T2080 的 4 个 10Gbit光纤接口接入网络，在 T2080 上部署 NAS/SAN，实现网络文件系统结构，或通过 2 个12Gbps 的 SAS 接口接入带有接口的主机。系统利用 FPGA 的并行处理和可堆叠控制芯片 PM 的端口倍增功能实现扩容同步提速的目标。 至此，论文完成了以下工作：

1.  提出可堆叠存储的设计思路，介绍了可堆叠存储介质和可堆叠存储阵列，详细分析了可堆叠控制芯片 PM 的工作原理，在 FPGA 中建立了 PM 驱动模块，并通过两种方法调试 PM 并完成读写测试。 

2.  可堆叠存储阵列按照群组方式组织，设置群组参数 GSC 作为阵列参数，定义了一种新的消息帧结构 MES 传递 GSC 参数，访问存储阵列。 

3.  提出扇区堆和超扇区的概念，并详细给出它们的实施方案，初始化时可以通过配置参数设置超扇区的大小。超扇区作为访问可堆叠存储阵列的最小单元，与块 I/O 之间的映射关系使主机可以同时访问存储阵列一个组的多个通道，实现系统的扩容和提速。 

4.  设计了可堆叠存储阵列的消息交换模块、群组控制器和通道管理模块，划分了各模块的功能，具体设计各模块结构。 

.........

参考文献(略)

 

 

第一章 绪 论

 

1.1 引言

经济全球化的飞速发展导致能源安全和生态环境面临严峻挑战，传统能源的消耗已达到顶峰，同时给人们带来各种危害环境的污染问题。因此，开发环保高效可持续利用的新能源材料成为当今的研究热点。目前，锂离子电池，燃料电池及超级电容器等清洁可再生资源受到越来越多研究者的关注。这些电池在满足人们需要的同时也存在着自身的一些缺陷，如锂离子电池在充电过程中容易发生短路、过充等现象，易发生爆炸或失效，容量也会缓慢衰退；钽电容器在高过载条件下容易出现“软击穿”及脱落现象[1]。而超级电容器作为人们新研发出的储存能量的装置，具有众多优点，如功率密度高、充电时间短、循环寿命长、绿色环保等。基于上述优点，超级电容器的研究最为广泛。随着信息技术的进步，高端电子设备朝小型化、便携式、长寿命方向发展，要求电子器件中的电容器容量大、功率密度高、体积小[2]。因此，微型超级电容器的研究越来越受到科研机构和科研人员的重视。选用 MEMS 技术制备微型超级电容器，可实现器件的小型化和集成化，有效增加了器件的性能。MEMS 微型超级电容器是超级电容器的一种特殊形式，其不仅具有传统超电容的普遍优势，而且自身也表现出微型化配置、生产工艺可重复批量化等特点。在微机电系统（MEMS）技术的带动下，MEMS 微型传感器不断发展和日益成熟，凭借其优良的性能条件以及抗恶劣环境等优势，正逐步取代传统机械传感器的主导地位，推动微加工技术走向成熟[3-4]。

.........

 

1.2 超级电容器的简介

超级电容器的分类有多种，我们从储能机理的角度出发，将超级电容器分为双电层电容器和赝电容器[5]。双电层电容器的储能机理是通过电极材料与电解液界面之间形成双电层来储存电荷的。图 1-1 为双电层电容器的原理。给超级电容器的两个极板施加一定的外部电压，与传统电容器的表现一样，施加正电压的极板存储正电荷，施加负电压的极板存储负电荷，正负极板所储存的电荷积累到一定程度会形成一定的电场，在电场的作用下，电解液中的离子向电极移动，于是在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，由于极性相反的电荷在不同的体系界面上形成，并且两种不同的体系界面相隔距离极短，把这种电荷的分布层叫做双电层，由于电子和电极表面电荷之间的距离（d）很小，由电容公式可知，超级电容器表现出很大的电容量。外加工作电压存在一定的范围限制，如其小于电解液的分解电压，电荷保持在电解液界面上，超级电容器维持稳定工作状态，若电容器外加电压超过电解液的分解电位时，超级电容器将不能保持正常工作状态。当超级电容器正常放电时，两极板上的电荷离开电解液界面，导致界面上的电荷减少。由此得出：双电层电容器的工作原理是伴随着物理过程的重复充放电反应，整个过程不涉及任何化学反应。因此性能是稳定的。

..........

 

第二章 实验材料及表征方法

 

2.1 实验方法及基本方案

本论文中，制备硅基底上的 Ni O/Ti O2 纳米管微电极材料的实验方案大致分为三步：（1）在硅基底上氧化一层二氧化硅做绝缘层，然后在二氧化硅表面通过磁控溅射法溅射一层金属钛薄膜；（2）通过阳极氧化法在硅基底上制备排列有序的 Ti O2 纳米管阵列；（3）用化学镀镍方法在 Ti O2 纳米管表面沉积金属镍，然后通过热处理完成 Ni O 材料的沉积。磁控溅射是物理气相沉积技术的一种，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点,能够实现在低温环境下制备各种高熔点材料的薄膜并保持组成成分不变，是目前制备薄膜材料的重要方法之一，在 MEMS 微加工领域具有广泛的应用。磁控溅射的工作原理是电子在高压电场的作用下，将带电荷的粒子加速并引向靶材，并用产生的高能量轰击靶材表面，使靶材发生溅射，溅射出的粒子在电场作用下沿着一定的方向运动最终沉积在基片上形成薄膜。磁控溅射是在原有的溅射理论基础上将磁控原理融入的新型溅射工艺，磁控溅射工艺大幅度提高了溅射效率、沉积速率，实现了镀膜的厚度和均匀性可控。其加工的产品已广泛应用于集成电路、微机电系统、先进封装等领域。图 2-1 为磁控溅射镀膜机实物图。

........

 

2.2 实验原料及仪器设备

扫描电子显微镜分析（SEM）是测试观察样品形貌结构的常用工具。其基本原理是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。样品为块状或粉末颗粒，由电子枪发射的电子束在扫描线圈驱动下，在样品表面按一定时间、空间顺 序作栅网式扫描运动，在样品表面产生背散射电子、二次电子、可见荧光、X 射线，二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，然后通过视频放大后输入到显像管栅极，然后调节显像管亮度至合适范围，得到反映样品表面形貌特征的图像。本实验过程中运用日本 JEOL 公司的 JSM-7001F 电子扫描电镜来观察 Ti O2 纳米管阵列及 Ni O 沉积过程的形貌变化图。能谱仪（EDS）是用来对样品材料的一个区域进行元素种类测试和含量判定，配合扫描电子显微镜使用，通常作为扫描电镜自带的附件，在获得样品部分区域形貌的同时，分析该区域的元素成份。各种元素具有自己的 X 射线特征波长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量△E，能谱仪就是利用不同元素 X 射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的。

..........

 

第三章 硅基二氧化钛纳米管阵列制备研究........... 21

3.1 实验部分......21

3.1.1 硅基底上金属钛薄膜的制备.......21

3.1.2 硅基底上 Ti O2 纳米管阵列的制备......22

3.2 实验结果与讨论........... 23

3.3 本章小结......34

第四章 硅基 Ni O/Ti O2 微电极的制备及其电容性能测试.......35

4.1 实验部分......35

4.1.1 硅基 Ni O/Ti O2 微电极材料的制备......35

4.2 实验结果与分析........... 36

4.2.1 SEM 形貌分析.....36

4.2.2 硅基 Ni O/Ti O2 电极材料电化学性能测试........... 37

4.3 本章小结......39

第五章 基于 Ni O/Ti O2 三维叉指微电极 MEMS 超级电容器的设计...... 41

5.1 结构设计......41

5.2 Ni O/Ti O2 叉指电极超级电容器的工艺制作...........44

5.3 本章小结......46

 

第五章 基于Ni O/Ti O2三维叉指微电极MEMS超级电容器的设计

 

MEMS 超级电容器是一种先进的能量储存装置，通过双电层离子的吸引或高度可逆的氧化还原反应进行能量的积累，在传统电池和传统静电式电容器之间搭建起了桥梁。MEMS 超级电容器的性能与电极结构和电极材料有着密不可分的联系。传统的超级电容器电极多为块体，尺寸大并且离子和电子的传输及扩散路径远，限制了超级电容器性能的表现。本章设计将前面制备得到的 Ni O/Ti O2 微电极材料搭建在叉指结构上，利用叉指电极的特殊结构优势，即增大电极表面积、缩短电极间离子和电子的扩散路径、降低电极间的间距等，有效增大 MEMS 超级电容器的特性。

 

5.1 结构设计

超级电容器的性能指标与电极的比表面积息息相关，表面积越大，其电荷存储能力就越强，超级电容器性能就越好，所以研究者们一直致力于寻找比表面积大的电极材料。同时，也有人们探索一些电极新结构用于增大表面积，如叉指电极、管状结构、卷绕式圆筒状结构等，2008 年，Bakri-Kassem[55]等人利用 CMOS 工艺，研发出卷曲极板的微型可变电容器，由于其尺寸极小，因此被利用在片上系统中。2009 年，法国科学家 DavidPech[56]在硅基底上制备出一种特殊的梳齿状 MEMS 超级电容器，该结构采用喷墨打印技术制备而得，由 20 个间距相等、长度为 40 μm 梳齿结构组成，超级电容器的比电容量为 2.1 m F/cm2。2011 年，美国佐治亚理工学院的王中林教授[57]带领其研究小组成功研制出新型的可卷曲的 MEMS 超级电容器，这使得柔性微型超级电容器的研究又向前迈出了一大步。该电容器体积小，特性好，并且可织入纺织物中，所以其在日常生活中得到广泛运用，比如可为玩具车、小型电子产品等电子设备持续提供能量，满足设备的用电需求。

...........

 

总结

 

随着经济全球化的快速发展，绿色环保新能源技术的研究越来越受到人们的重视，同时伴随着微型能源器件的发展，小型储能装置的探索和研究成为能源领域新的研究方向。基于 MEMS 技术的超级电容器以它高功率、高寿命、高充放电速率的特点吸引了人们的眼球，成为了下一代储能装置竞争中的佼佼者。氧化镍活性材料作为一种金属氧化物，能够发生高度可逆的氧化还原反应，并且具有良好的化学稳定性，在超级电容器电极材料研究中得到广泛的应用，为了提高氧化镍电极材料在超级电容器中应用的高度，我们选择二氧化钛纳米管阵列作为其载体，制备氧化镍/二氧化钛纳米管复合电极材料。同时，我们从制备微型电容器和可集成的电容器的角度出发，选取了硅片作为超级电容器的基底，利用 MEMS 技术在硅基底上溅射钛薄膜，然后完成后续的实验工作。因此我们的实验研究思路首先主要是探索和寻找在硅基底上阳极氧化钛薄膜制备 Ti O2 纳米管阵列的最佳条件，然后再沉积氧化镍测试其电容性能。研究得到的主要结论如下：通过调控分析阳极氧化的工艺条件，包括氧化电压、电解液浓度及电解液成份等，探索实现了在硅基底上阳极氧化钛薄膜制备 Ti O2 纳米管阵列。实验结果表明，氧化电压及电解液浓度均对 Ti O2 纳米管阵列的形貌具有重要影响，低电压 0.5 V 和低浓度 0.05 wt%的 HF 电解液更适合钛薄膜的阳极氧化过程。优化阳极氧化反应条件后，我们采用两步法施加电压方法，并进一步优化氧化时间，在硅基底钛薄膜上制备出管径为 100 ~ 270 nm 结构紧密有序的 Ti O2 纳米管阵列。最佳工艺条件为：在 0.05 wt%HF 溶液中，施加 10 V 电压 20 s，然后施加 0.5 V 电压 25 min。阳极氧化过程中，二氧化硅与钛薄膜间的粘附性是保证硅基底上成功制备 Ti O2 纳米管阵列的首要因素。实验结束后，我们对二氧化硅与钛薄膜间的粘附性进行了表征，通过 SEM 图可看出，二者间粘附性很好，没有出现裂缝，有利于扩展硅基底上氧化制备 Ti O2 纳米管阵列的应用范围。

.........

参考文献(略)

 

 

第一章  绪论 

 

1.1  论文研究背景与意义

随着计算机技术的快速发展以及智能移动终端设备的普及，移动用户对位置感知的实时性和就地性的需求与日俱增  [1]，使得位置感知技术得到越来越多的关注。根据定位技术所应用的环境的差异，可以把定位技术分为室内定位和室外定位两种。目前，室外定位系统主要有全球定位系统（GPS,  Global  Positioning System）[2]，蜂窝网定位系统[3]，A-GPS（Assisted Global Positioning System）辅助全球定位系统[4-5]等，在空旷的室外环境，GPS 的定位误差已达到 10m 以内，完全可以满足人们对日常位置信息的需求。然而，现有的室外定位技术并不适用于复杂的室内环境，因为 GPS 在室内无法搜索到足够的卫星数量进行精确定位，蜂窝网定位系统定位精度较低无法满足需求，使得如何实现在复杂的室内环境进行稳定和高精度定位成为定位技术研究的热点[6]。 近年来，人们深入的研究了室内定位技术并提出了多种解决方案[7]。主要有射频标签（RFID）定位系统[8]、蓝牙室内定位系统[9-10]、超宽带室内定位系统(UWB)[11-12]等。然而，这些定位系统都需要额外的专用设备、需要重新部署设备间的网络连接并且应用范围较小，导致它们都未能得到大范围的推广。 自 1990 年无线局域网络标准制定以来，无线局域网获得快速的发展和普及[13]；基于 WLAN 具有成本低，安装简单方便，传输速率快、抗干扰能力强等优点，WLAN 被广泛的应用到社会的不同环境当中，如学校、办公大楼、医院和家庭等。现在 WLAN 几乎已经成为一种基本的基础设施，覆盖了人们活动的绝大多数室内环境。基于 RSS 的 WLAN 的定位不用添加其他装置，仅通过纯软件编码便可以在任何一款内置无线模块的智能移动设备上实现定位，且利用指纹法可以有效的降低多径传播和阴影衰落对定位系统的影响，成为本文研究的出发点[14]。目前，WLAN 指纹室内定位技术仍不成熟，推广前还有许多问题需要解决。例如，离线阶段工作量大、实时性较差、系统的普适性低等。本文围绕如何降低终端差异对 WLAN 指纹定位系统的影响，提高定位系统的定位精度和普适性这一关键问题进行研究和分析，针对这一问题提出加权余弦相似度算法，并在加权余弦相似度算法的基础上开发了便携式室内 WiFi 定位系统，该系统可应用在监护老人、看护病人和室内火灾救助等领域，具有广阔的商业开发前景。 

.....

 

1.2  国内外研究现状

本节首先分析了几种经典的室内定位系统的定位原理、定位精度和定位系统的优缺点，其次研究了几种典型的 WLAN 指纹定位系统。近年来，红外线(Infrared)在室内定位技术中得到广泛的应用。红外线室内定位系统的工作原理是在室内环境布置密集的传感器，通过事先布置的传感器采集由室内红外线移动标签发射的红外线来进行估算红外线移动标签在待测区域的位置信息。 Active Badge 室内定位系统[15]是由Cambridge大学首次开发的利用红外线进行室内定位的系统，系统有移动标签，传感器和服务器组成；移动标签连续地向周围发射用于唯一标识的红外信号；安装在室内的传感器网络捕捉到移动标签发射的信号并传输到服务器，服务器采用近似法估算出移动标签所在的区域。但是Active Badge 系统仅能实现对移动标签做出区域判别。为了降低红外线定位系统的定位误差，可以在室内部署大量的光感传感器并且与光学照相机进行联合定位。Firefly 系统[16]是一款经典的利用密集型传感器和光学照相机相结合来实现高速实时光学跟踪室内定位系统，系统定位精度可达到3mm。但是，由于系统要用到相机阵列，设备成本较高；要在室内待测区域事先安装密集的红外线接收设备，工作量大；另外，Firefly 系统所覆盖的范围也比较小。 综上所述，虽然利用红外线进行定位能够实现较高的定位精度。但是需要布置大量的传感器，成本较大，并且定位系统只适合在空旷的室内环境，定位系统的定位误差受环境光线的影响较大等原因，导致其无法在大型超市、博物馆、展览厅等公共建筑内应用。 

....

 

第二章  WLAN 指纹室内定位技术的理论基础 

 

2.1 WLAN 信号强度的特征 

本次实验选择在人员走动较少的时间段内收集数据，用红米 note 手机在室内某一参考点上对特定的 AP 采集 100 次，参考点距离特定 AP 的距离为 4 米左右，手机平放在桌面上，在采集数据过程中保持手机静止，记录每一次的 RSS，图 2.1 为在室内某一参考点对特定 AP 在不同时间进行采样而形成的直方图。由此可知，同一个参考点在不同的时间，所采集到的 AP 的信号强度是不同的，最大值和最小值相差 8dBm，大部分信号强度集中在 43dBm 和 45dBm 之间。RSS 时变特性的具体原因有以下几点：a、多径效应：一般的室内环境比较小而且环境复杂障碍物较多。使得电磁波在传播过程中发生反射、折射的现象，导致电磁波信号经过多种不同的路径到达某一点，并不是仅通过直线传播到达某一点，这使得在某一点的信号强度会不断发生变化。 b、2.4GHz 电磁波信号的干扰：由于 WLAN 工作的 2.4GHz 频段是免费开放的频段，容易受到在这一频段工作的电磁设备产生的信号的干扰，例如无线打印机、蓝牙信号、ZigBee 信号、微波炉等。

...........

 

2.2 WLAN 指纹室内定位系统概述

由于电磁波在室内环境传播时受到的干扰较多，导致采用传统的路径损耗法进行定位会产生较大定位误差[38]，而场景分析法有利于减弱电磁波多径传播等对定位精度造成的影响，使得基于场景分析法的 WiFi 室内定位技术成为目前研究的热点。场景分析法并不是把 WiFi 信号强度直接转换为距离，而是利用 WiFi信号在不同的空间位置表现出的独特的、易辨识的特性建立 RSS 与位置的映射关系，并利用该关系对移动用户在待测区域内的位置进行估计。场景分析法定位系统一般由离线阶段和在线阶段完成定位。系统的定位原理框如图 2.4 所示，离线阶段建立有效的指纹库是定位系统的根本，把室内空间均匀地按照适当的间隔划分为不同的区域，形成参考点网格，在每一个参考点处接收周围的 AP 的 RSS并建立样本向量，每个参考点的位置信息与对应的 RSS 样本向量构成位置指纹，然后，将所有参考点的位置指纹信息存储起来构成指纹库。WLAN 信号强度与空间位置的映射特性是 WLAN 定位技术的基础。但是，室内环境的不可预测性严重影响着定位系统的定位精度。另外，终端差异使得在线阶段测量的 RSS 向量与所建立的指纹库不能有效的匹配，降低了定位系统的普适性。 

...........

 

第三章  降低终端差异性算法研究 ....... 19 

3.1 移动智能终端信号差异概述 ........... 19 

3.2 不同移动定位终端的接收 AP 的 RSS 的差异性 ........... 20 

3.3 指纹差值法 ....... 20 

3.4 加权余弦相似度算法 ....... 21

3.5 算法仿真分析 ........... 26 

3.5.1 实验场景 ........ 26 

3.5.2 指纹库的建立 ........ 26 

3.5.3 算法的定位精度 .... 27 

3.6 本章小结 ........... 29 

第四章  便携式室内定位系统的开发 ........... 30 

4.1 开发平台介绍 ........... 30

4.2 便携式定位系统总体设计 ....... 31

4.3 便携式定位系统实现的过程 ........... 32 

4.4 移动定位终端开发 ........... 33

4.5 服务器开发 ....... 36

4.6 系统性能测试 ........... 40

4.7 本章小结 ........... 43 

第五章  总结与展望 ....... 44 

 

第四章  便携式室内定位系统的开发 

 

通过前几章的研究，本文选用加权余弦相似度算法来提高定位系统的精确度，并通过实验仿真验证了算法的有效性，开发了便携式室内 WiFi 定位系统。该系统能够对待测区域内的移动定位终端实现定位，可通过移动监测端实时查看移动定位终端在待测区域内的位置。 以下将从系统的总体设计、移动定位终端开发、服务器开发与系统性能测试四个方面进行介绍。 

 

4.1 开发平台介绍 

本系统的移动定位终端和移动监测终端选择 Android 系统智能移动设备[50]。Android 操作系统的架构由四层（Linux 内核层、系统运行库层、应用框架层、应用层）组成；另外，Android 操作系统还提供了四大组件、丰富的系统控件、SQLite 数据库、地理位置服务和传感器等丰富的工具，由于 Android 系统的这些特点，使得Android操作系统快速地发展并占领移动设备市场的90%以上的份额，并依然在快速的发展。 因此，移动定位终端和监测终端选择基于 Android 平台开发，使得所开发的便携式室内定位系统获得更广泛的应用。 

...........

 

结论

 

近年来，随着人们对室内位置信息的需求越来越强烈，室内定位技术受到越来越多的关注并得到快速的发展。但是，智能移动设备的多样性给定位系统带来了巨大的挑战。目前，室内定位系统仅适用于离线阶段和在线阶段移动终端相同的情况，在存在终端差异时，定位系统的精度较低，甚至会出现定位失败的可能。本文针对以上问题主要做了如下研究。 

（1）介绍了室内定位系统经典算法和面临的挑战，并通过对比在实际的环境内采集 AP 的信号强度，并对采集的实际数据进行分析，找出了不同因素对RSS 造成的影响。 

（2）研究了终端差异产生的原因，利用不同智能移动设备在实际环境中采集 AP 的信号强度，并对采集的数据进行分析，得出移动定位终端在同一参考点接收 AP 的信号强度的趋势相同的结论。 

（3）针对终端差异的问题，提出了加权余弦相似度算法，对加权相似度算法进行详细的论述，并通过采集实际环境的数据，验证了在存在终端差异的情况下算法的有效性，有效的降低了终端差异对定位系统的影响。 

（4）结合上述研究，本文基于 Android 平台开发了一种利用 WiFi 信号特征的便携式室内定位系统。该系统采用加权余弦相似度算法，提高该系统在存在终端差异情况下的定位精度。该系统可以通过移动监测终端实时的查看移动定位终端的位置信息，具有便于携带和易于查看的优点，在监护老人、孩子和病人等方面具有广阔的商业开发前景。

.........

参考文献(略)