仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2022年第4期

• 声发射在复合材料贮箱上的应用研究进展

  王奕首，王明华，刘德博，梁智洪，吴会强，卿新林

  复合材料贮箱作为未来航天运载动力系统的关键部件,其结构的状态监测与性能评价是保证航天器安全运行的关键问题之一。声发射作为一种新型动态无损检测/监测技术为复合材料贮箱结构性能监测提供了一种行之有效的技术手段。本文以复合材料贮箱为背景,首先介绍了复合材料贮箱的失效模式及常见的健康评价技术;其次介绍了声发射检测技术的基本原理,并综述了声发射技术在复合材料贮箱损伤表征上的应用研究现状,最后讨论了声发射技术应用于复合材料贮箱的发展趋势及面临的挑战。

• 多应力下电能计量设备基本误差预估

  覃玉红，唐 求，邱 伟，段俊峰，韩 敏

  针对典型环境应力下电能计量设备基本误差受环境应力影响大,且多电应力间关系难以刻画的问题,提出一种改进粒子群长短时记忆网络(IPSO-LSTM)的电能计量设备基本误差预测方法。首先,对典型环境下多种应力数据进行归一化、数据集分配预处理;针对误差时序数据波动趋势,构建一种挤压LSTM网络结构以分析误差数据的变化趋势特征,以改善多应力数据下的模型非线性拟合能力;利用改进PSO算法对模型超参数进行寻优,减少模型超参数影响,增强模型预测效果。在实验部分,依据某公司的多个电能计量设备,结合新疆地区典型运行试验室测量的环境应力及其误差数据对所提出算法进行验证分析。结果表明,本文的样本预测精度指标RMSE分别达到1.08%和1.19%,MAE分别达到0.88%和0.96%。

• 基于优化自适应阈值的非线性机电系统传感器 故障检测和主动容错控制

  郁 明，李旺林，蓝 盾

  针对具有参数不确定性和传感器故障的非线性机电系统,提出一种基于优化自适应阈值和故障重构策略的主动容错控制方法。首先,利用线性分式变换理论对存在参数不确定性的非线性机电系统进行建模,并提出基于粒子群优化算法的优化自适应阈值以提高参数不确定条件下的故障检测性能。其次,通过解析冗余关系推导出系统的动力学方程,并提出一种基于递归终端滑模的跟踪控制策略,以实现系统健康状态下的负载位置跟踪。当系统发生故障时,构建自适应滑模观测器进行传感器故障重构,根据重构结果设计自适应主动容错控制律,并利用故障检测结果进行控制律的实时切换。实验结果表明,所提出的故障检测和主动容错控制方法能在0.06s内准确的实现传感器故障检测和容错控制,验证了该方法的可行性。

• 改进 DV-Hop 定位算法在钢构建筑健康监测中的应用

  刘瑞兴，段中兴，李 博

  针对钢构建筑中故障点定位精度不高的问题,提出了一种改进的DV-Hop定位算法,设计出无线传感网络技术检测故障点的方案。描述了钢构建筑健康监测系统中故障点定位方式,分析传统DV-Hop算法节点定位精度不高的缺陷,并对其进行针对性的3点改进:首先采用四通信半径来细化节点间的跳数;然后利用加权处理平均跳距进行修正;最后通过改进的麻雀搜索算法对故障点进行位置定位。以秦始皇陵兵马俑一号展厅钢构屋盖作为仿真对象,通过MADIS_GEN软件进行建模和降维化处理,将改进的ISSADV-Hop与传统DV-Hop、IPSODV-Hop和IGWODV-Hop算法应用于钢构建筑中故障点定位进行仿真对比,结果表明归一化定位误差分别降低了19.64%、14.87%、8.96%,验证了本文设计方案能够有效地提高定位精度,更适合于钢构建筑健康监测系统中故障点定位。

• 利用摩擦纳米发电机进行液固检测效果 可靠性影响因素分析

  李 萌，龙 威，冯 朗，向 琴

  摩擦纳米发电机技术采用非接触式感应电测量方法,在自发电领域和智能传感领域得到了迅速的发展,但摩擦界面间起电原理和电荷转移过程受材料和环境影响,难以精确操控。本文利用气液间断型摩擦纳米发电机(L-STENG)检测技术对PTFE管内流动介质进行实时监测,分析环境因素和结构参数对输出电特性的影响,揭示液-气-固三相在接触起电和感应电输出过程的作用机理及影响规律。研究发现:对于单电极L-STENG系统,随着铜电极宽度的增加,开路电压显著增大,宽度从1mm增至3mm时,开路电压增长了1.32倍,当宽度增至6mm时,较最初增长了1.9倍;随着液相温度从1℃升高到55℃时,开路电压呈现先升高后降低的趋势;随着管道老化程度的增加,转移到PTFE管壁的电子数降低,铜电极感应到的电荷数减少,电能转换效率降低;随着湿度的增加,相界面间的内源摩擦电效应减弱,开路电压降低;当环境中有强激光照射时,可以有效激发界面上载流子的能量水平,使系统输出性能和电能转换效率大幅提高。

• N-IGBT 正偏压温度不稳定性阈值电压综合退化模型

  孙 豪，何怡刚，袁伟博，王 涛

  N型绝缘栅双极型晶体管(N-IGBT)凭借其优良性能广泛应用于现代工业各个领域,预测特定条件下器件退化情况对提高N-IGBT可靠性具有重要意义。然而,随着N-IGBT制程的降低,因正偏压温度不稳定性(PBTI)造成的栅氧化层退化进一步加剧,退化宏观表现为器件剩余有用寿命(RUL)的降低和阈值电压的改变。基于经典PowerLaw模型和Arrhenius模型,以退化时间为切入点,提出了相对精度更高的三阶段PowerLaw-Arrhenius综合退化模型;通过加速退化实验模拟了正偏压温度不稳定性对N-IGBT的退化作用,并在退化后对反映功率器件剩余有用寿命的特征参数阈值电压进行测量;基于遗传优化算法和加速退化实验数据对综合退化模型参数进行优化拟合,确定了N-IGBT综合退化模型的一般数学表达形式,得出其精度在85%以上,并高于传统的PowerLaw模型精度。

• 高速漏磁检测过程中管道内外壁缺陷定位方法研究

  耿 浩，夏 浩，王国庆

  管道内外壁缺陷的有效区分是对缺陷进行有效量化的前提,提出一种基于动生涡流的高速漏磁检测过程中管道内外壁缺陷的定位区分方法,利用涡流磁场与外磁场的耦合作用时内外壁磁场信号的变化差异特征区分缺陷位置。首先建立高速漏磁检测数学模型,分析了涡流分布特点以及涡流磁场与外磁场耦合作用规律,利用有限元方法计算分析不同位置时,耦合作用规律对管道内外壁磁化状态影响及内外壁缺陷漏磁场信号差异特征;设计高速漏磁检测实验平台,对不同运行速度、不同检测位置处钢管内外壁缺陷区分效果进行实验研究。结果表明,接近磁化线圈位置时,管壁内产生的涡流磁场方向与管道外壁磁场方向相同、与管道内壁磁场方向相反,在离开磁化线圈位置时,涡流磁场方向与管道外壁磁场方向相反、与管道内壁磁场方向相同;不同检测位置处,管壁磁场变化规律相反,且速度越快,磁化状态影响受影响程度越大,内外壁漏磁场信号差异特征越明显,高速检测时可有效对管道内外壁缺陷进行定位区分,实验结果和理论分析具有很好的一致性。

• 低 SNR 场景下微型无人机跟踪-检测融合方法

  方 鑫，朱 婧，黄大荣，张振源，肖国清

  针对低信噪比(SNR)场景下微型无人机探测难题,本文提出了一种基于序贯蒙特卡罗-检测前跟踪(SMC-TBD)的多输入多输出雷达目标跟踪-检测融合方法。区别于跟踪和检测过程相互独立的传统方法,本文方法直接利用三维傅里叶变换后未经阈值处理的雷达原始数据,通过SMC方法计算目标累积存在概率,在实现微型无人机连续检测的同时,完成目标轨迹的高精度跟踪。本文方法的创新在于通过融合检测和跟踪过程,实现了时间-距离-多普勒-方位域目标能量累积,提高了低SNR场景下微型无人机探测性能。实验结果表明,本文方法在SNR低于-20dB时,微型无人机跟踪性能才逐渐恶化,相比于雷达量测、扩展卡尔曼滤波和粒子滤波提升了约8dB。

• 可抑制端部效应的平面磁场式直线时栅位移传感器

  杨继森，卢 渝，吴 灼，周 润，张 迪

  针对前期研制平面磁场式直线时栅位移传感器存在的端部效应致使匀速运动坐标系均匀度降低的问题,提出了一种抑制平面线圈端部效应的方法,构建均匀性更高的交变磁场,并研制出了一种可抑制端部效应的新型平面直线时栅位移传感器。建立了平面线圈励磁数学模型,分析端部效应对均匀磁场的影响程度,提出了双层互补式激励线圈结构抑制端部效应方案;建立了新型平面直线时栅位移测量模型,采用空间正交的双列激励单元,实现了行波信号的合成并通过仿真验证了方案的有效性;建立了仿真模型,分析端部效应对传感器测量精度的影响,并优化传感器参数;基于PCB工艺制造了量程为228mm的新型传感器样机并与传统传感器样机展开了对比实验,实验结果表明,新型平面直线时栅位移传感器能够有效地抑制传感器的端部效应,提高测量精度,传感器对极内原始测量精度从±20μm提高到±10μm。

• 基于平行四边形机构的推力器推力测量研究

  朱春源，赵美蓉，张 宏，杨 永，郑叶龙

  推力的精确测量在卫星姿态控制、引力波探测等领域均有重要应用,已经成为限制推力器技术发展的关键问题。国内外开展了很多推力测量相关的研究,但仍难以兼顾重负载和高精度。本文针对小推重比推力器推力测量困难的问题,提出了一种基于平行四边形机构的测量方法,并搭建了一套推力测量装置,其具有承载能力强、精度高、稳定性好的优点。其中平行四边形机构既作为推力器承载部件,又作为将推力转化为单自由度线性位移的弹性元件。微小位移由激光干涉仪测量,后基于胡克定律计算得到待测力值。设计了合理的机构参数,并对机构进行了力学仿真分析,理论承载能力达140kg。利用电磁力测试了装置的力学响应,实验结果表明,在2.5kg的实际承重下,测量系统可分辨的最小力值为17.2μN,量程为17.2~2789.9μN,相对不确定度为1.26%。该方法适用于推力器推力的测量,对推力器技术的发展具有重要意义。

• 压电执行器的非对称动态迟滞特性建模研究

  周民瑞，周振华，刘 鑫，曹太山，李战慧

  传统Bouc-Wen模型难以精确表征压电执行器固有非对称率相关动态迟滞非线性,因此提出一种广义Bouc-Wen(GBW)迟滞模型用于精确表征压电执行器的迟滞非线性。首先,基于传统Bouc-Wen迟滞模型引入两项非对称项和二阶IIR滤波器表征压电执行器非对称迟滞及高频相位滞后特性,进一步分析了模型参数值与频率变化规律并确定了模型的率相关参数。然后,搭建了基于NICompactRIO测控系统的压电执行器精密定位实验平台,通过粒子群优化算法完成GBW模型的参数辨识,并对提出的GBW模型进行实验验证。实验结果表明,对于变频率正弦激励信号,GBW模型的最大误差为0.1906μm,均方根误差为0.0431μm仅占压电执行器位移行程的0.65%,相较于传统Bouc-Wen(CBW)模型及改进Bouc-Wen(EBW)模型分别下降了82.07%和62.10%。对比CBW模型和EBW模型,所提出的GBW模型精度和宽频性能均有显著提升,并且解析逆模型存在易于控制器设计,有助于实现压电执行器在超精密仪器设备中宽频、高速精密定位。

• 测头半径对 1 级渐开线样板齿廓偏差测量的影响

  凌 明，凌四营，刘远航，张志豪，王立鼎

  按齿轮渐开线样板国家标准推荐,1级齿轮渐开线样板的齿廓形状偏差需从展开长度3或5mm开始计值,齿根部非计值区间对应渐开线弧长仅为0.03~0.18mm,导致1级齿轮渐开线样板齿根部的渐开线齿廓难以精确测量。为了能更好发挥1级齿轮渐开线样板的量值精准传递作用,分析了1级齿轮渐开线样板结构的特殊性以及测头半径对渐开线齿廓偏差测量结果的影响,结果表明,在齿根展开角误差时,测头半径引入的测量误差会随着测头半径的增大而增大,并随着展开长度的减小而增大,在基圆附近的测量误差可以达到齿廓偏差的50%~200%;当仅渐开线齿面存在加工误差时,测头半径引入的测量误差和展开长度受影响的范围会随着测头半径的增大和被测渐开线基圆半径的增大而增大,在齿根部展开长度10%的范围内测量误差约齿廓形状偏差的10%~60%。通过选取测头半径rp=0.5和2.5mm的测头对同一齿轮渐开线样板验进行了测量实验验证了上述结论。研究为1级齿轮渐开线样板的精密制造、精密测量及使用展开长度区间选取提供了支持。

• 不依赖精密转台的 MEMS-IMU 误差标定补偿方法

  鹿珂珂，刘陵顺，寇昆湖，唐大全

  微机电惯性测量单元(MEMS-IMU)具有尺寸小、重量轻、成本低、可靠性高等优点,在机器人、虚拟现实以及智能穿戴等诸多领域广泛应用。低成本的微机电惯性测量单元在使用过程中受噪声和零偏误差等影响,需要通过测试和误差补偿手段来提高其实际使用精度。本文提出了一种全面测试和补偿惯性测量单元误差的方法,通过建立MEMS-IMU的误差模型,使用优化方法标定误差模型中的系统误差参数;使用Allan方差分析方法确定随机误差参数;基于上述结果,采用与视觉融合的非线性优化方法在线实时估计并补偿零偏,最终达到提高定位精度的目的。通过实验分析,上述组合方法不需要使用专门测试标定设备,能够有效补偿低成本微机电惯性测量单元的误差,提高定位精度。

• 一种基于 D-H 参数的 7 自由度机械臂 机构精度综合方法研究

  高 跃，房立金，姜雪洁，巩云鹏

  提出了一种基于最佳精度模型的机械臂机构精度综合的方法,利用遗传算法对D-H参数公差优化分配,为机械臂的精度设计提供理论依据。以一种基于双电机伺服驱动关节的7自由度协作机械臂为研究对象,机械臂的几何定位精度的设计目标为1.4mm,建立该型机械臂末端执行器的几何定位误差模型;对参数误差进行敏感性分析,找出对机械臂末端执行器几何定位误差影响相对较大的参数误差;根据最佳精度数学模型,利用遗传算法对D-H参数公差优化分配;经过对误差仿真计算分析,机械臂的最大几何定位误差为1.2267mm,均值为0.4859mm,方差为0.2165mm,满足设计要求。为该机械臂的制造装配提供了理论参考依据。与基于最小成本模型的精度综合法相比,提出的精度综合方法不需要统计加工制造成本信息,能够确保机械臂的设计精度满足设计要求,可用于单个或者小批量生产制造机械臂的精度设计。

• 全站仪测量自行火炮身管指向的方法改进

  程泽俊，滕红智，王怀光，石志勇

  在实现自行火炮身管指向测量的各类方法中,全站仪测量法综合性能表现良好。但传统全站仪测量身管指向方法存在缺乏北向基准、存在轴线模拟误差的问题,因此提出了一种基于旋转矩阵的全站仪测量自行火炮身管真实指向方法。然后,利用欧拉-罗德里格斯公式推导出标记点连线与真实轴线指向的偏差公式,进而得到了真实指向相对于各观测量的不确定度模型。随后,为了减小测量方法的误差,研究了全站仪最佳布站位置,并基于蒙特卡罗方法原理进行寻优解算。最后,进行了模拟身管实装实验,实验结果表明,最佳布站方式下的测量不确定度在0.1以内,验证了本方法的可行性和准确性,抑制了由于布站方式引起的测量误差。

• NO2 双通道光谱成像定量监测技术研究

  吴 靖，张朋朋，黄 峰，孔 迪

  二氧化氮(NO2)是危害环境和人类健康的主要污染气体之一,需要对其排放进行监测以实现更好的治理。现有成像监测方法具有大范围实时的优点,但存在重建背景准确性和适用性不足的问题。本文提出了一种利用双通道光谱图像对气体浓度进行定量监测的方法,通过405和470nm双通道光谱图像反演NO2浓度,开展了以下理论与实验研究:进行了理论推导,得到气体柱浓度与双通道光强比之间的关系式;分析了双通道曝光时间对标定公式的影响,比较了采集的双通道光强比值与理论值,两者相差0.26%;采集了北纬26.08°不同气象条件的太阳散射辐射光谱,给出了不同太阳天顶角下的双通道光强比经验值;对探测相机系统性能进行了分析,探测限为19.6×10-6m;浓度标定与反演实验给出了标定函数,反演了扩散中的气体浓度二维分布图,验证了双通道光谱成像方法定量检测气体浓度的可靠性。

• 梯度引导电学成像自适应网格生成方法

  王 语，任尚杰，董 峰

  电学层析成像是一种观测场域内电导率分布的无损检测技术。有限元法是求解电学层析成像问题的常用方法。其作为线性化的近似方法,剖分单元的大小会影响有限元法求解的精度。更密的尺寸可以提高重建图像的空间分辨率,但会增加计算成本,同时未知量个数的增加会加剧逆问题的欠定性。针对上述问题,提出一种基于图像梯度的自适应网格生成方法。根据初始重建图像的梯度,自适应地提高内含物区域的网格密度,降低其他区域的网格密度,并对场域边界进行精确拟合来优化被测场域的网格剖分。通过仿真与实验研究对比分析了所提方法与常用网格剖分方法。结果表明,所提方法的重建结果图像误差平均降低15%,相关系数平均提高7%,因此所提方法在不显著增加或减少网格数的情况下,可以有效提高内含物的重建精度和图像重建质量。

• 面向盾构导向激光标靶的抗杂光算法研究

  黄 喆，赵世艺，周卫斌，徐叶倩，沈小玲

  由于施工现场杂光的干扰,盾构导向激光光斑无法被准确识别。针对这一问题,利用导向激光的脉冲特性,提出了一种基于数字图像处理的抗杂光算法。首先,对工业相机曝光时间与激光脉冲周期之间的关系进行分析,通过调节工业相机曝光时间,可以有效地采集到导向激光产生脉冲的前后两帧图像;之后,差分两帧图像以获得目标光斑;最后,利用合适的结构元素腐蚀图像中的杂光残影,彻底地消除杂光带来的不良影响。实验结果表明:在激光标靶适用距离内,利用本文抗杂光算法,导向激光光斑的识别准确率优于93.75%;通过与其他抗杂光算法进行对比,在近中远距离下,识别准确率分别提升了21.87%、23.13%、26.87%,能够满足盾构导向施工要求,具有良好的应用前景。

• 流体粘度对涡轮流量计计量特性影响研究

  孙兴伟，李宜霖，杨赫然，董祉序，王海燕

  固井泥浆流量计是应用在油田固井工程中进行泥浆流量计量的仪器,属于切向式涡轮流量计。为探究流体条件对其计量特性的影响机理,首先建立流量计叶轮驱动力矩和阻力矩的数学模型,在此基础上建立仪表系数K的模型,并发现流体粘度是影响因素之一。其次,考虑到实际固井作业中,粘度对仪表计量特性的影响规律较为复杂,因此使用有限元分析软件,建立6DOF叶轮被动旋转流体仿真计算模型,对多种流体粘度35、45、55、65、75mPa·s条件下的流场特性以及仪表系数特性进行仿真分析,总结粘度变化对流量计计量特性的影响规律。最后通过实际采集的固井测量数据和仿真数据进行比较,平均误差为1.38%,验证了建立的仿真模型的有效性。

• 基于两步修正法的 MEMS 三轴陀螺仪标定方法

  邹泽兰，徐同旭，徐 祥，赵鹤鸣

  针对目前三轴陀螺仪标定存在依赖于昂贵的转台设备或标定参数不完全的问题,本文提出了一种了基于两步修正法的MEMS三轴陀螺仪标定方法。该方法首先使用六位置法对加速度计12参数模型、三轴陀螺仪比例因子、三轴陀螺仪静态零偏进行标定补偿,然后对三轴陀螺仪非正交误差模型建模,进行系统级标定。两步修正法可实现在无精密设备条件下快速准确的对各项误差进行辨识,获得良好的标定效果。仿真实验表明,本文算法所获得的非正交误差均值接近1%,标准差小于0.1%;比例因子误差均值小于0.14%,标准差小于0.004%,且具有很好的一致性。实际实验表明,65s纯惯性导航姿态更新结果中,该标定方法的俯仰角误差精度可以达到0.624°,横滚角误差精度可以达到0.67°。

• 具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器

  王希鑫，赵 勇，吕日清，郑洪坤，周怡凡

  提出了一种基于铽镝铁(TbDyFe)的具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器。传感器由光纤布拉格光栅(FBG),拱形微纳光纤和TbDyFe组成,拱形微纳光纤通过紫外胶(UVglue)粘接在TbDyFe上。与非拱形微纳光纤相比,拱形光纤可将TbDyFe的伸长转化为光纤曲率半径的变化,引起干涉波长偏移,从而实现磁场灵敏度的提高。随着磁场强度升高,拱形微纳光纤的干涉波长蓝移,灵敏度为47.81pm/mT,FBG对磁场不敏感,拱形微纳光纤传感器的磁场灵敏度比非拱形高11.66倍。升温过程中拱形微纳光纤的干涉波长发生蓝移,温度灵敏度为43.02pm/℃,FBG的干涉波长发生红移,温度灵敏度为9.34pm/℃。磁场传感器显示出良好的重复性和线性,级联的FBG对磁场不敏感,可以实现对磁场传感器的温度补偿。

• 光纤光栅柔性触觉传感器的材质识别功能研究

  钱牧云，张姣姣，魏新园

  针对目前应用于电子皮肤的触觉传感器不能兼具柔韧性和多模态信息感知等问题,对封装于同一柔性聚合物传感单元中的两根光纤光栅触觉传感器的材质识别功能进行了有限元仿真和实验研究。首先,推导了光纤光栅触觉传感原理和基于热传递的接触物体材质识别机理;然后,对封装材料和接触物体进行了热力学仿真分析;最后,搭建了实验系统平台,对光纤光栅柔性触觉传感器进行了材质识别实验研究。仿真和实验结果表明,当接触物体为70℃的铝、铁、塑料等材质时,由于热传递引起的光纤光栅温度传感器中心波长漂移最大值分别为:ΔλB1=0.5889nm、ΔλB2=0.2773nm和ΔλB3=0.1692nm,且在接触的前10s内中心波长漂移随时间变化率分别为k1=31pm/s、k2=19pm/s和k3=6pm/s。扩展光纤光栅触滑觉传感器的接触物体材质识别功能,可实现电子皮肤更多模态信息的感知,具有一定的应用价值。

• 基于惯性传感组件和 BP 神经网络的 防冲钻孔机器人钻具姿态解算

  司 垒，王忠宾，王 浩，魏 东，谭 超

  钻孔卸压是高地应力矿井治理冲击地压的首要措施,对实施钻孔作业的防冲钻孔机器人钻具姿态准确测量是保障钻孔位置及卸压效果的前提。为此,本文提出了基于惯性传感组件和BP神经网络的防冲钻孔机器人钻具姿态解算方法,通过设计惯性传感组件的空间阵列式布局方式(空间阵列式IMU),建立了空间阵列式IMU的数据融合模型及位姿解算模型,实现了钻具姿态的高精度解算。在此基础上,提出了基于BP神经网络的惯性传感组件误差补偿方法,建立了钻具姿态解算误差补偿模型,并通过钻具模拟运动的解算分析对空间阵列式IMU解算和误差补偿方法的可行性进行了验证。最后,通过搭建的防冲钻孔机器人钻具姿态监测实验平台,对不同方法的钻具解算结果进行对比分析。实验结果表明,在BP神经网络模型进行误差补偿后,本文所提方法解算出的钻具姿态精度明显提高,钻具方位角、倾角和横滚角的平均误差分别为0.099°、0.079°和0.045°,有效抑制了惯性传感组件的漂移和误差积累,且钻具姿态解算误差曲线没有出现发散现象。因此,该方法可以持续稳定地对防冲钻孔机器人钻具姿态进行可靠监测,具有较高的推广应用价值。

• 噪声混响下说话人跟踪的多特征自适应 UPF 算法

  刘望生，潘海鹏，王明环

  为了提高噪声混响环境下说话人跟踪系统的精度和稳健性,提出了一种多特征自适应无迹粒子滤波(MFAUPF)算法。该算法以语音信号的多特征作为观测信息,采用多假设和频选函数构建了时延选择机制和波束输出能量优化机制,并在两种机制融合的基础上构建了似然函数,弥补了单特征不能同时稳健噪声和混响的不足。由于说话人运动具有随机性,建立了声源跟踪的自适应CV模型,在此基础上将无迹卡尔曼滤波(UKF)与抗差估计理论相结合作为提议分布,提高了模型的适配能力。文中仿真和实测结果表明,在AUPF下,多特征算法比SBFSRP算法位置平均RMSE减少了18%以上,在多特征观测下,AUPF算法比CV算法位置平均RMSE减少了14%以上,所提算法具有跟踪精度高和数值稳定性强的特点。

• 一种用于超声信号降噪的非凸变量重叠 群稀疏变分方法

  张家玮，焦敬品，陈昌华，高 翔

  粗大晶粒产生的大量散射噪声而导致的超声检测信号信噪比低问题是粗晶结构超声检测面临的一大难题。针对现有稀疏降噪方法在波形失真和幅值衰减方面的不足,本文提出了一种基于非凸变量重叠群稀疏变分的超声信号降噪方法。基于含散射噪声的典型超声信号,分析了非凸变量重叠群稀疏变分方法的主要参数(如非凸变量函数类型、正则化参数和乘法因子等)对其降噪效果的影响,并确定了适合超声信号降噪处理的参数选择依据。在此基础上,将非凸变量重叠群稀疏变分方法应用于典型钢锭超声检测信号的降噪处理。结果表明,该方法能够很好剔除钢锭超声检测信号中的散射噪声,提高了钢锭超声全聚焦成像的信噪比6dB以上,研究工作为粗晶材料超声检测作了有益探索。

• 基于通道压缩的原子范数最小化 DOA 估计算法

  陈 涛，申梦雨，史 林，杨 健

  针对波达方向(DOA)估计算法的精度以及分辨率受通道数目影响的问题,本文提出了基于通道压缩的原子范数最小化(CC-ANM)无网格DOA估计算法。该算法首先对通道数进行压缩,然后对压缩之后数据的协方差矩阵进行特征值分解,利用分解得到的特征值和特征向量构建新的观测向量,以此来构建单快拍模型下的ANM问题,最后根据半正定规划问题的最优解建立Toeplitz矩阵,通过其Vandermonde分解获得信号DOA参数的估计结果。仿真实验验证了CC-ANM算法在阵元数为20,压缩率为2,信噪比为20dB,快拍数为200时,估计精度可以达到0.1°以下。对于角度间隔2°以上的信号可以达到100%的测量。对仪器接收入射角度为0°实测数据进行测试,该算法估计精度在0.3°以下,要优于同等条件下的压缩感知类算法。

• 基于脉冲激光负阶跃响应的高速热电偶 时间常数测量方法

  刘 宁，徐 毅，刘显明，熊 兵，雷小华

  热电偶的时间常数是表征其动态特性的关键参数,利用激光激励获得温度阶跃是测量高速热电偶时间常数的主要手段。本文对比分析了正、负阶跃激光激励时的热电偶传热过程,指出负阶跃过程更符合时间常数测量的基本理论。通过建立阶跃调制激光和脉冲调制激光的负阶跃过程中热电偶的响应模型并计算,表明脉冲激光激励可有效解决阶跃调制激光测试结果偏慢的问题。通过搭建实验系统,相同条件下测得时间常数分别为73.78和41.34ms,脉冲激光测试更能体现热电偶的极限测温速度。实验结果还表明不同脉冲能量对时间常数测量结果基本没影响,更小尺寸热电偶响应速度更快,强制对流环境对热电偶时间常数测量结果影响巨大。

• 相速度近似匹配情况下的 Lamb 波非线性特征研究

  朱 颖，黄嘉诚，陈祎婷，陆铭慧，朱 萍

  基频Lamb波模式的选择和激发条件的确定对非线性Lamb波技术起重要作用。利用积累距离定义二次谐波激发窗口,讨论谐波产生对基频Lamb波激发条件严苛性的要求。利用二次谐波表面位移振幅评价谐波激发效率,讨论相速度近似匹配对谐波激发效率的影响及不同模式Lamb波间二次谐波激发效率的大小。理论结果表明,在积累距离内,传播距离的增加,会提高二次谐波激发效率,却使谐波产生条件更为严苛;一定程度的相速度近似匹配,会使二次谐波的激发效率提高;激发模式不同,其谐波激发效率及对谐波产生条件的严苛性均不同。实验测量并比较了纵波型S2/S4模式对在90、150mm传播距离下以及纵波型S1/S2、S2/S4模式对在150mm传播距离时的激发窗口与相对非线性系数大小,测量结果与理论分析结论一致。本文对于相速度近似匹配情况下Lamb波非线性效应的讨论,为Lamb波实际应用提供了分析方法与依据。

• 基于堆叠有监督降噪自编码的运行状态评价

  刘 炎，龚思哲，王福利，马 喆

  本文针对非线性和噪声干扰的工业生产数据,提出一种基于堆叠有监督降噪自编码(SSDAE)的过程运行状态评价方法。首先,提出一种有监督降噪自编码模型,将状态等级标签引入到模型训练中,使得有监督DAE学习与过程运行状态密切相关的特征并具备较强的状态等级区分能力。其次,利用由多个有监督DAE模型堆叠而成的SSDAE提取过程数据中与运行状态密切相关的深层特征,并作为SoftMax分类器的输入建立过程运行状态评价模型。最后,将所提方法应用于湿法冶金过程运行状态评价,仿真结果表明,对数据按30%比例随机置零的方式进行损坏后,该方法的评价准确率高达95%,明显优于其他几种比较方法,验证了所提方法在强噪声干扰条件下良好的性能和可行性。

• 基于人工蜂群-自适应遗传算法的仓储机器人路径规划

  李艳生，万 勇，张 毅，匡衡阳

  为了规划出一条更加节能的拣选路径,针对基本遗传算法的性能依赖于初始种群的质量、遗传算子的选择、交叉和变异操作,提出一种适用于仓储机器人路径规划的人工蜂群-自适应遗传算法。首先通过人工蜂群算法初始化种群以增强种群多样性;将路径长度、转弯次数和机器人运行能耗作为适应度函数的评价指标;然后基于三角函数设计自适应策略调整的交叉、变异算子以提高算法的收敛速度。仿真实验表明,在20×20大小的栅格地图中,本文提出的人工蜂群-自适应遗传算法规划的路径能耗比基本遗传算法减少5.22%;而在40×40大小的栅格地图中,本文提出的人工蜂群-自适应遗传算法规划的路径能耗比基本遗传算法减少9.08%。最后实验表明,采用本文提出的人工蜂群-自适应遗传算法规划的能耗减少7.64%,且规划的路径更平滑,更加适用于仓储机器人的路径规划。

• 面向变化场景的 LiDAR 鲁棒定位与地图维护方法

  吕 品，季博文，赖际舟，方 玮，郑国庆

  无人车在工业场景自主运行时,通常基于先验地图匹配对自身进行定位,然而场景变化会影响其定位精度。针对于此,本文提出了一种面向变化场景的激光雷达鲁棒定位与地图维护架构,其包括地图匹配、定位优化、地图维护模块。在该架构中,提出了一种基于变化检测的匹配算法,降低了变化场景引起的匹配误差;设计了基于激光雷达里程计与先验地图匹配的因子图融合模式,提高了定位解算鲁棒性;提出了一种基于最近点搜索的误检测点滤波方法,提高了变化点检测准确性。最后,通过仿真与试验搭建了变化场景验证环境,对基于Loam的匹配算法与本文算法进行了对比验证。结果表明,本文算法可以有效抑制场景变化引起的匹配误差,在实际场景中定位均方根误差优于3cm,定位精度相较于传统算法提高67.4%。

• 高指向性声阵列后向辐射抑制及优化方法

  王 波，赵治华，陆智淼，胡安琪，张 磊

  按一定几何结构排布的离散声阵列具有能量集中、辐射方向可调、布置灵活等优点。针对声阵列辐射高强度低频声波时定向难度大和后向辐射能量难以屏蔽的问题,提出一种阵列布局及优化方法。利用横向布置的线型阵限制主波束的宽度,给出了指向性的设计准则;通过控制多层线型阵的纵深位置和相位延迟实现了对后向辐射的抑制;最后提出一种改进的遗传模拟退火算法用于优化阵元的横向位置,进一步降低方向图旁瓣。仿真和声场测试结果表明该设计方法可以有效对阵列指向性和后向辐射水平进行控制,设计的纵深相控阵在发射100Hz声波时前向4m处的半功率角为21.91°,50°~60°方向上的平均抑制比为8.82dB,90°~180°方向上的抑制比超过20dB。