仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2022年第8期

• 基于机器视觉的 PCB 缺陷检测算法研究现状及展望

  吴一全，赵朗月，苑玉彬，杨 洁

  印刷电路板(PCB)是电子零件的基板,需求量极大,承载着电路元件和导线的布局,其优良与否对电子产品的质量有着重要影响。由于电子产品的制作逐渐趋于轻薄、精小,基于机器视觉的PCB缺陷检测已成为一个具有挑战性的问题。为了加深研究人员对PCB缺陷检测的理解,本文从传统图像处理方式、传统机器学习及深度学习3大维度全面回顾了近10年基于机器视觉的PCB缺陷检测算法,并分析其优缺点;介绍了9个PCB数据集,给出了评价PCB缺陷检测算法的性能指标,且在PCB数据集及流行的小目标数据集上分别对典型的算法进行了对比分析;最后指出了PCB缺陷检测算法目前存在的问题,展望了未来可能的研究趋势。

• 图像式路基沉降监测系统的温度补偿方法

  杨 锋，闵永智，孙天放

  为减小图像式路基沉降监测系统中温度变化对测量结果的影响,通过对其核心设备—CMOS工业相机的温度漂移进行研究,提出一种针对该监测系统的温度补偿方法。首先,分析说明了温度变化会对监测系统测量精度造成影响;然后,建立漂移参数补偿模型并设置实验进行验证。漂移参数补偿模型使相机的像点误差从1.0~2.5pixel降低到0.1~0.4pixel,验证了该模型的正确性;同时设置对比实验,与系统辨识的方法相比,两种方案补偿效果接近,但提出的补偿方法过程简单,更具实用性;最后,提出路基沉降监测系统的温度补偿方法并验证。结果表明,该方法能够提高监测系统测量精度。所提补偿方法,对于提高图像式路基沉降监测系统的测量精度具有重要意义。

• 基于 Marker-SLAM 的视触觉增强现实交互算法

  刘 佳，徐 闯，陈大鹏，钱昌宇，石 豪

  视触觉增强现实是将触觉感知加入到增强现实中的一种新技术。不仅可以融合真实场景和虚拟对象,还能实现视觉和触觉的同步感知。基于3DSystemsTouch触觉设备提出一种新的视触觉交互算法。首先,基于Marker-SLAM算法搭建增强现实环境,用于实时获得相机在地图中的位姿;其次,为了将触觉信息融入到增强现实环境中,提出基于无跟踪器的触控笔尖端姿态优化算法;最后,分别采集测量点在触觉和世界坐标系中的三维信息,通过确定两个坐标系间的刚性变换,将触觉设备的正向运动模型映射到增强现实空间中。所提出的跟踪注册方法的注册准确率均达到90%以上,与基于跟踪器的方法相比,所提出的姿态优化算法获得的校正位置的平均误差为2.3±0.2mm。

• 基于梯度先验的水下图像恢复

  陈 哲，周 旭，沈 洁，徐立中

  由于水体对光线的吸收和散射作用,水下图像呈现出强衰减、高噪声和色彩畸变等问题,难以满足视觉观察和图像分析的需求。针对这一问题,提出了一种基于梯度先验的水下图像恢复方法,用以提高水下图像质量。首先,根据水下成像特性,建立水下图像梯度先验,水下图像中目标反射信息(水下清晰图层)的梯度大于散射噪声信息(水下噪声图层);其次,根据水下成像模型,对上述梯度先验进行表征建模;最后,建立水下图像的梯度分布优化函数,采用半二次优化方法分离出目标反信息,作为水下图像恢复结果。以UEIB和RUIE数据集为实验样本,与近年来所提出的5种水下图像处理方法进行比较,方法在定性和定量两类评价中均获得了出色的处理结果,峰值信噪比(PSNR)、结构相似性(SSIM)和水下图像质量评价指标(UIQM)评价指标分别达到20.0665、0.6961和3.9029,均优于对比方法。因此,该方法能够有效地抑制水下图像噪声,提高水下图像的信噪比、清晰度和对比度。

• 基于 SURF 的快速图像匹配改进算法

  崔建国，孙长库，李玉鹏，付鲁华，王 鹏

  针对传统SURF算法在图像匹配中使用固定阈值提取的特征点不均匀、匹配正确率低以及时间复杂度高的问题,提出一种基于SURF算法的快速图像匹配改进算法。首先,通过对Hessian矩阵行列式值分布的统计分析,提出一种阈值自适应方法来提取更有效的特征点;然后采用四叉树方法对所提特征点进行均匀化以降低误匹配率,并提出一种划分深度自适应的方法对四叉树算法进行改进,防止四叉树过度划分;最后,本文首次将BEBLID二进制描述子与改进SURF算法相结合,利用基于机器学习的采样模式对特征点构建具有强描述性的二进制描述子,在提升匹配正确率的同时加快匹配速度。实验结果证明,本文所提算法在Mikolajcyzk图片数据集测试中的匹配正确率比传统SURF算法高9.7%~27.0%,算法速度比SURF提高了50%以上。对比SIFT、SURF、BRISK、ORB算法,本文所提改进算法具有更优的鲁棒性和实时性。

• 异形管道内跨模式全景深成像方法与装置

  王爽杰，邢 强，王周义，徐海黎，戴振东

  异形管道在特种行业中具有极为重要的作用,对其内表面细微缺陷进行检测时所面临的空间小、径向尺寸变化自由等结构特征,使得传统管道内成像检测方式面临着因连续成像景深尺度变化大而造成的失焦问题,影响系统的高分辨力成像。针对这一问题,提出了跨模式全景深成像方法:通过融合成像表面深度数据与成像系统参数数据,自适应的决策当前的聚焦模式,并输出相应的合焦面深度集合。研制了具备深度感知的跨模式成像装置,并针对异形管道内壁细纹特征进行了成像实验。实验结果表明:本成像装置能够自适应的获取单聚焦图像或叠焦序列图像;对叠焦序列图像进行小波多聚焦融合,可获取全景深图像;所获取的全景深图像能够在40~1000mm内分辨出0.5mm宽微小细纹。本成像方法及装置能够为异型管道等场景内的缺陷检测及损伤分析提供可靠的图像支撑。

• 基于 RA-Unet 的 CT 图像肝脏肿瘤分割

  邸拴虎，杨文瀚，廖 苗，赵于前，杨 振

  CT图像肝脏肿瘤分割是进行肝癌前期诊断、肿瘤负荷分析和放射治疗的重要前提。为实现肿瘤的精确自动分割,提出一种融合残差模块和注意力机制的深度U形网络。该网络首先在跳跃连接层中引入一条带有反卷积与激活操作的残差路径和卷积模块,实现图像特征的分离传递以及高级表征,确保跳跃连接层主要传递图像边缘信息和小目标全局信息,其次在解码路径中引入注意力机制,通过将跳跃连接层与反卷积解码获得的特征信息赋予不同权重,进一步增强肿瘤特征,抑制其他无关信息。提出方法在LiTS数据集上获得的全局Dice值高达86.71%,明显高于其他多种现有方法,且相较于其他方法,该方法对于小尺寸、对比度低、边界模糊的肿瘤具有明显的分割优势。

• 融合层次特征和注意力机制的轻量化矿井图像 超分辨率重建方法

  程德强，陈 杰，寇旗旗，聂帅杰，张剑英

  针对矿井图像灰暗模糊、边缘不清晰等问题,提出了一种融合层次特征和注意力机制的轻量化矿井图像超分辨率重建方法。首先设计一种残差坐标注意力模块,在残差块中融入坐标注意力机制,使网络获得更丰富的高频细节信息;其次采用层次特征融合机制,对不同网络层次的特征信息进行特征融合,促进边缘细节信息的重建。最后,再对融合后的特征进行降维以减少模型计算量和参数量。为了使模型在真实矿井场景中具有更好的泛化能力,构建了一种煤矿井下图像数据集CMUID用于网络模型的训练和测试实验。实验结果表明,本文算法的重建图像质量在客观指标和主观感受上均优于其他对比算法。当缩放因子为4时,与OISR算法相比,在煤矿井下数据集上PSNR和SSIM的平均值分别提升了0.3185dB和0.0126,在公共数据集上PSNR和SSIM的平均值分别提升了0.1dB和0.0035;网络模型参数量减少了70.7%。

• 基于扭摆的落体质心与光心距离的高精度测量

  王若琳，胡 翔，余 烨，黄安贻，包 福

  在激光干涉绝对重力仪中,落体的旋转导致重力测量不准确。为了减小旋转误差对重力测量的影响,提出了一种能够实现高精度测量落体质心与光心间距的方法。该方法基于扭摆装置,使用扭丝横向悬挂落体,通过导引激励扭丝,落体将绕扭丝扭转,用正交干涉仪测量落体在扭转模式下光心沿着测量方向的位移信号,光电自准直仪同步测量落体扭转的角度信号。用遗传算法分别扣除了单摆与扭转一倍频分量的影响;其次构造一个随时间衰减的角度信号,消除气体阻尼对二倍频幅值衰减的影响。结果表明,光心与质心间距在重力方向的偏移量δz的扩展不确定度小于0.58μm。考虑到在NIM-3A绝对重力仪上测得的最大角速度为24.67mrad/s,绝对重力测量中的旋转误差可以降低到0.035μGal。

• 大尺寸带翼飞行器质心测量新方法

  张晓琳，赵子娟，张 斌，王 军，唐文彦

  现有的大尺寸带翼飞行器质心测试方法在精度和效率上无法兼顾。针对该问题,提出了一种质心测量新方法,并研制了一套质量质心测试系统。该系统采用激光跟踪仪用于得到测量设备坐标系与产品坐标系的转换关系,解决了现有的小角度翻转法的原理弊端,从根本上提高了测量精度。本方法的优势在于进行产品测量时候只需测量一组产品关键点及测试设备参考点坐标,相对于现有的坐标定位-称重法,提高了测量效率。仿真结果表明,倾斜角度为15°时,质心测量标准不确定度低于1.91mm,实验结果表明,相对于传统方法,采用本方法测得质心误差减小了1/3左右。

• 渐开线纯滚动测量中展开长度的确定方法

  凌 明，凌四营，刘祥生，石照耀，王立鼎

  双滚轮-导轨式渐开线测量仪一种无阿贝误差、误差源少、测量精度高的渐开线测量仪器,常用来测量1级齿轮渐开线样板或1级标准齿轮,但是双滚轮-导轨式渐开线测量仪不易准确获得渐开线的齿廓偏差与展开长度的对应关系。而渐开线齿面的齿根部容易累积较多的加工误差和测量误差,1级齿轮渐开线样板要求齿廓偏差需要从展开长度3或5mm处开始计值,如果展开长度存在偏差将会影响齿廓偏差的测量结果。为了获得齿廓偏差与展开长度较为准确的对应关系、实现齿轮渐开线样板的精确计值,本文研究了双滚轮-导轨式渐开线测量仪测量齿轮渐开线样板时齿轮渐开线样板齿顶圆角、齿顶圆偏差和滚轮半径偏差对展开长度的影响,提出一种基于机器视觉的双滚轮-导轨式渐开线测量仪测量策略和展开长度修正方法,通过机器视觉判断渐开线样板理论齿顶点和起始测量位置,并根据滚轮半径对展开长度进行修正。本文对一件齿轮渐开线样板进行了测量实验,齿廓形状偏差的测量结果与齿轮测量中心的差异不大于0.1μm,且齿廓偏差曲线具有一致性,说明该测量策略可以获得齿廓偏差与展开长度的对应关系。

• 基于热弹性理论与温度场积分中值定理的 电主轴热误差研究

  黄 华，李旭东，赵丛林

  电主轴热误差的精确建模较困难,且大多数仅关注轴向热误差而忽略径向热误差。因此,提出了基于热弹性理论与温度场积分中值定理的热误差建模方法。用热弹性理论建立了电主轴轴承温度—热变形模型,将积分中值定理运用在轴向热误差建模中,得到了关键点温度—轴向热变形的线性模型,仅需一个传感器测量关键点温度就可得到主轴末端伸长量。分析电主轴径向和轴向误差机理,得到耦合热误差模型。设计了利用球杆仪快速测量电主轴热误差的新方法,将误差理论建模数据与实际测量数据作对比,验证了其可行性,并将热误差模型导入自主开发的外挂式误差补偿器中,实验表明加工孔径热误差降低了73.5%左右,证明该方法合理、有效。

• 结构光检测点云精简与重构参数自动调节方法

  李茂月，赵伟翔，马康盛，王 飞

  针对薄壁叶片的点云扫描采样会产生特征消失、三角重构会产生孔洞现象的问题,提出一种改进的点云精简以及重构的方法。首先,根据法向量夹角阈值和欧氏距离提取叶片外轮廓;其次,计算点云的平均曲率和高斯曲率,设定阈值对点云划分子集,采用索引空间法对点云数据进行精简;然后,采用贪婪算法针对距离阈值系数和三角形参数对叶片点云进行实验分析,得出没有孔洞的贪婪三角参数经验值;最后对距离阈值系数和点云平均间距拟合出关系式,实现贪婪重构的参数自动调节。实验结果表明,在总体精简率为90%左右时,相较于另外两种方法,标准偏差分别下降了26.45%和19.92%,外轮廓尺寸平均偏差分别下降了79.81%和47.97%。按照提出的方法设置重构参数,重构质量良好,对薄壁叶片实现在机智能加工检测具有良好的应用参考。

• 考虑温度效应的静力水准仪测试精度修正模型

  肖 兴，吴 琪，陈 果，张先伟，陈国兴

  为系统研究温度效应对静力水准测试系统(HLS)测试精度的影响,降低HLS测试误差。结合笔者前期已完成的环境温度研究,搭建了温度梯度试验平台,开展了系列不同温度梯度条件下HLS测试精度试验研究,对升/降温模式、温度梯度TG变化量、冷媒膨胀系数γdi和联通管系数γpi、测点间距Dtest的影响程度进行了定量化研究。结果表明:升温或降温模式的温度梯度影响系数ΔPt-G仅差0.003mm/℃,升/降温模式对HLS测试精度没有显著影响;测点高程与TG具有明显相关性;ΔPt-G与(γdi-γpi)呈线相关性,且ΔPt-G与Dtest存在幂函数关系。以此建立了HLS温度效应修正模型,并在南京长江隧道和太湖隧道的沉降监测中验证了模型的可靠性和适用性。

• 双轴驱动式人造肛门括约肌系统经皮无线供能的优化

  华芳芳，颜国正，王立超，柴川页，肖敦玺

  现有人工肛门括约肌系统均缺乏一种稳定、长期且安全的能量供给途径,大大降低了其在医疗中的实用价值,本文介绍的人工肛门括约肌系统采用了满足人体安全性要求的经皮无线供能来实现系统的能量供给。本文结合双轴驱动式人造肛门括约肌系统,主要针对现有经皮无线供能存在的传输距离较短、发热较严重等问题,对现有线圈的线径、匝数、铁芯形状、线圈结构以及发射线圈和接收线圈之间的传输距离等参数进行优化。实验结果表明,经优化后经皮无线供能系统在传输距离为20mm时,传输效率可达到77.64%,传输距离为30mm时,传输效率仍可达到52.59%。而优化后的发射线圈充电温度降低了55.6%。优化后的参数即满足双轴驱动式人造肛门括约肌系统性能要求,亦为以后研究工作的开展提供理论基础与数据支持。

• 一种基于时间寄存型脉宽比较器和离散时间微分器的 无采样时钟准数字 FSK 解调器

  阴亚东，黄怡涛

  本文提出并实现了一种高载波频偏抑制、无采样时钟的准数字频移键控(FSK)解调器。解调器采用了一种对工艺、温度和电压等变化具有较好鲁棒性的准数字时间寄存器构造成脉宽比较器,无需高频采样时钟便可对FSK信号的载波周期进行精确鉴别从而实现信号的解调。同时在解调器中集成了一种离散时间微分器,可有效地抑制FSK信号载波频率偏差和漂移对解调性能的影响。本文完成了解调器的原型设计、原理分析、制作和测试。测试结果显示解调器只需最低10.7dB的信噪比,便可对调频系数0.5、数据率1Mpbs的FSK信号实现解调(误码率不超过10-3),同时能够对-0.56~0.48MHz范围内变化的载波频偏和频漂进行有效抑制。

• Vienna 整流器网压重构功率控制

  向文凯，郭 强，肖蕙蕙，陈 岚，胡前云

  在电网电压不平衡下采用双闭环PI控制策略需对电网电压正负序分量分别控制,同时其参数整定较为复杂、稳定性能较差。为了简化在不平衡下的控制结构,提高系统的整体控制效果,提出了一种在电网不平衡下的Vienna整流器网压重构功率控制策略。首先,通过在αβ两相静止坐标系下对电网不平衡电压采用网压重构控制进行处理,减少了坐标变换,取消了正负序分量分离;然后,从优化整定参数复杂性的角度,建立以瞬时功率理论为基础的预测功率数学模型,取消了PI控制器参数的整定;最后,通过在MATLAB/Simulink中搭建基于网压重构的预测功率控制与PI双闭环控制策略的仿真模型进行对比分析。对比分析表明,相比于传统PI控制策略,控制策略在电网不平衡下降低了网侧电流总畸变率约70%,在电网不平衡且负载突变下降低了约40%,并进一步在实验平台上验证了该控制策略的可行性。

• 压电陶瓷执行器迟滞非线性补偿与最优控制

  高源蓬，张 泉，李清灵，尹达一

  为提高空间望远镜精密稳像系统中压电驱动快摆镜(FSM)的摆动精度,对压电陶瓷执行器迟滞非线性补偿和控制技术进行研究。针对压电迟滞的非对称性以及Duhem模型求逆过程复杂的问题,对Duhem模型中的微分方程进行变换,直接建立Duhem非对称逆迟滞模型作为迟滞前馈补偿器,并利用免疫差分进化算法辨识模型参数。在Duhem逆模型补偿压电静态迟滞非线性的基础上,引入基于优化参考跟踪的线性二次型高斯(LQG-ORT)控制方法进一步提高压电执行器的动态定位精度,采用动态迟滞率相关自回归各态历经模型(ARX)建立状态空间方程,用于卡尔曼滤波器预测状态变量和控制器计算状态变量的最优控制系数矩阵。实验结果表明:直接建立的Duhem非对称逆迟滞模型能有效描述压电执行器非对称逆迟滞曲线,拟合均方根误差为0.6359V(0.5Hz),相对误差为0.79%(0.5Hz);实时跟踪幅值为24μm,频率范围1~80Hz的目标位移信号,LQG-ORT算法的跟踪误差为0.0655μm,相对误差为0.27%。

• 油液磨粒感应电压特征辨识研究

  罗久飞，郑 睿，王鑫宇，陈 平，冯 松

  准确监测滑油液中磨损微粒的大小和分布信息是评估机械设备服役状态和预测剩余生命的重要手段。然而在实际应用中,感应式磨粒检测传感器输出信号常常伴随着各种噪声和干扰,导致微弱的磨粒信号特征难以准确辨识。为此,本文提出了一种自适应感应电压特征辨识方法。首先对检测信号进行多尺度滤波,利用多组不同截止频率滤波结果之间的稳定性进行目标信号的定位和分割。然后,根据信号的数学模型提取数值特征并进行感应电压辨识,从而实现磨损微粒的精确计数和特征分析。实验结果表明,新方法能较为完整地保留磨粒信号的形态特征,并成功提取出直径70μm磨损颗粒所产生的感应电压信号,对传感器检测精度的提高以及磨损状态准确评估提供了基础。

• 基于耦合自适应距离的高维异常检测算法

  周金浛，于劲松，宋 悦，梁思远

  距离聚类方法是航天器等复杂系统实现遥测参数异常检测的常用方法之一,但在面对高维遥测数据进行异常检测任务时,往往会暴露出效率低下、精度劣化等严重问题。针对基于高维遥测数据的航天器异常检测难题,提出了一种基于耦合自适应的改进距离定义,并针对归纳监视系统(IMS)算法这一经典距离聚类算法进行了改进。该方法利用历史数据的分布特征,在进行聚类的同时,对于参数耦合性进行动态挖掘,并将挖掘到的知识高效地投入到异常检测任务。最后,采用运载火箭电源系统的真实高维遥测数据对所提方法进行了应用验证。在与多种传统基于IMS的异常检测方法的对比实验中,该改进算法检测效率与准确率较另两类IMS算法中的最优方法分别提升了41.83%和69.03%,验证了运用该距离定义的检测方法在效率与精确率上的优越性。

• 基于相位特征的多波束测深声呐多回波检测方法研究

  高家伟，周 天，杜伟东，徐 超

  现代多波束测深声呐在检测海底地形的同时往往也有检测水中目标的需求,常见的多回波检测方法基于回波幅度设置检测门限,其对波束内幅度相当的回波检测是有效的,但是当多目标反向散射能力强弱导致的回波幅度悬殊时,基于幅度门限方法难以奏效。针对此问题,提出了一种基于瞬时频率方差及谱特征联合加权的方法,在利用回波幅度的基础上进一步利用了相位信息。首先利用回波信号相位特性求得回波信号的瞬时频率方差,其次对信号的谱特征进行分析求取回波信号的等效带宽,最后利用所得的等效带宽数值与瞬时频率方差数值极低甚至近似为0的特性,联合对回波幅度进行加权,凸显被强目标信号淹没的弱目标回波信号,便于强弱目标的同时检测,提高对弱目标的检测能力。计算机仿真结果显示经过联合加权后,强弱目标的相对幅度提升了近30%,并且检测能力得以有效提高。通过外场试验数据处理结果可以发现,经过瞬时频率方差及谱特征加权处理的目标回波检测能力得到明显的改善。

• 基于灰狼优化的埋地管道泄漏双波谱定位方法

  郑晓亮，谢晓贤，王 强

  为实现对埋地输气管道泄漏的高效准确定位,提出基于灰狼优化和双波谱估计的泄漏振动声源三维定位方法。该方法根据地面加速度传感器阵列的P1波、S波混合信号模型构建双波谱函数,利用双波谱峰叠加特性进行双波速度匹配搜索以实现波速估计,再将波速估计结果代入三维空间谱函数中进行泄漏三维定位。将三维空间谱函数作为适应度函数,使用灰狼优化算法代替三维空间谱网格搜索,实现对双波速度匹配和三维定位过程的优化。实验证明,该方法可实现对泄漏振动声波在土介质中的传播速度以及地下泄漏源位置的准确估计;与传统三维空间谱搜索方法相比,定位精度提高25.85%,三维空间谱搜索耗时减少99.95%。

• 基于正则化 AdaBound 的区间二型模糊 神经网络软测量建模

  冯 琳，赵涛岩，曹江涛，李 平，商 瑀

  针对复杂化工过程中存在强非线性、多变量耦合、参数时变及大时滞等因素,导致监测变量软测量精度不高的问题,提出了一种基于正则化AdaBound的区间二型模糊神经网络(RAIT2FNN)软测量建模方法。首先为了解决区间二型神经网络(IT2FNN)结构难以确定的问题,提出了一种采用激励强度和相似度定义增长和删减指标的自组织产生规则的算法。该算法利用激励强度的大小决定是否产生规则,并根据相似度进行规则的删减从而确定了区间二型模糊神经网络的结构。其次,本文提出正则化和AdaBound相结合的算法对RAIT2FNN模型相关参数进行修正,使得不同参数具有有界的自适应学习速率。最后将RAIT2FNN作为软测量模型应用于环己烷无催化氧化过程尾氧浓度预测问题中。实验结果为测试时间为0.0082,训练RMSE为0.0182,测试RMSE为0.0096,表明RAIT2FNN作为软测量模型具有预测及时且预测精度较高的优点。

• 凝结核粒子计数器的流场数值模拟及流量配比优化

  郭皓天，刘俊杰，韩晓霞，余来华，肖 骥

  为推进凝结核粒子计数器(CPC)的研发并提升其检测性能,系统开展了CPC粒子生长器内的流场数值模拟和流量配比优化研究。对粒子生长器的基本结构和分析模型进行设计建立,通过Fluent软件模拟研究了粒子生长器内流场的参数分布情况,以及流量配比对饱和度等参数变化和CPC理论计数效率的影响。模拟结果表明,鞘流结构能够约束气溶胶颗粒保持在流场轴心处饱和度高的位置流动,且流量比越高,气溶胶颗粒的扩散范围越小;在一定范围内提升流量比可以增大蒸汽质量分数以及饱和度的值,降低临界直径。在最优化流量参数下,所设计粒子生长器颗粒扩散范围仅4mm,流场内最高饱和度值可达7以上。基于数值模拟数据,自主研发了CPC测量系统,并开展了计数效率校准实验,结果表明在7~200nm粒径范围内13个点位的校准相对误差均低于9%,符合校准规范。因此,基于数值模拟的CPC内粒子生长器结构设计及操作参数优化对CPC的研发具有指导意义。

• 基于四阶累积量的测深侧扫声纳波达方向 估计方法研究

  董聚兵，刘晓东

  针对高频测深侧扫声纳工作时会受到高斯色噪声影响的问题,提出基于四阶累积量及幅相误差自校正的波达方向估计方法。首先,计算声纳回波信号的四阶累积量,得到协方差矩阵;其次,采用加权平均算法对协方差矩阵进行降维处理,得到构造矩阵;再次,通过恢复构造矩阵的Toeplitz特性完成幅相校正,并增加相位线性拟合算法进一步提升校正效果;最后,采用求根多重信号分类(Root-MUSIC)算法求解得到波达方向估计。仿真结果表明,本文算法的角度估计均方误差相对于基于自校正的RootMUSIC算法有约0.07°的提升,改善了四阶累积量算法在阵元幅相误差条件下估计精度下降的问题。海试数据分析表明,本文算法的相对测深精度相对于基于自校正Root-MUSIC算法有约0.03%~0.08%的提升,且在水平距离90m范围内的满足0.75%的测深精度标准。仿真和海试数据均证明了本文算法在高斯色噪声及阵元幅相误差条件下的DOA估计性能优于传统算法。

• 基于超快速 ΔLOD/ UT1 融合的近实时 UT1 序列

  李西顺，吴元伟，叶仁琼，杨旭海，张首刚

  针对目前世界时(UT1)产品滞后的现象,不能满足用户实时性需求,提出将超快速日长变化(ΔLOD)序列与甚长基线干涉测量(VLBI)观测的UT1序列使用Vondrak算法进行融合,并在融合过程中结合马尔科夫链蒙特卡罗模拟方法研究UT1和ΔLOD的权比选择,从而得到优化的近实时UT1产品,填补国内外超快速融合UT1产品的空白,并为UT1预报提供数据支撑。使用该方法将国家授时中心的UT1序列和iGMAS的超快速ΔLOD序列、IVS的UT1序列和IGS的超快速ΔLOD序列分别进行融合,并将融合后的数据和IERS的每日预报数据分别与IERSC04UT1序列进行精度评估,结论表明,使用超快速ΔLOD序列融合后可得到近实时UT1产品,且国外和国内融合后,UT1精度分别达到45.91μs、87.40μs,精度均优于IERS的每日预报产品。

• 一种线性调频连续波探测抗雷达辐射源干扰方法

  胡泰洋，邵晓浪，肖孟煊，李凡奇，薛 文，肖泽龙

  随着各类军用、民用辐射源频段的不断扩展以及功率的不断提升,线性调频连续波(LFMCW)探测器面对此类干扰的威胁也愈加严重。然而,目前关于LFMCW体制抗干扰技术的研究主要围绕在对抗有源干扰,鲜有针对强辐射源干扰的研究。针对上述问题,以对抗大功率雷达辐射源干扰为背景,本文对常规脉冲和线性调频脉冲信号两种典型的雷达辐射源信号进行建模,并分析其对LFMCW探测器的干扰机理。根据目标回波信号和干扰信号在时频域上的差异,提出了一种基于时频变换和边缘检测的干扰抑制算法。首先使用短时傅里叶变换(STFT)获得接收信号的时频图像,利用脉冲干扰在时间轴上的周期截断特征,在时频域进行干扰的粗滤波;然后结合边缘检测技术,沿着频率轴使用Sobel算子进行卷积,进一步滤除残留的干扰,重构滤波后的频谱,提取目标信息。仿真及实验结果表明,该算法能够有效地抑制两种典型的脉冲体制雷达辐射源信号干扰,在干扰背景下提取目标差频频率的精度优于3%。

• 基于频谱的篦齿轴向窜动与叶尖间隙测量方法

  李发富，段发阶，易 亮，牛广越，刘 昊

  航空发动机低压涡轮带冠叶片篦齿和机匣之间的叶尖间隙参数以及篦齿轴向窜动参数的在线高精度测量是保证涡轮发动机安全运作和气动效率的关键。传统的电容式叶尖间隙测量系统对噪声敏感度大,且不能对篦齿的轴向窜动参数同时进行测量。因此研制了一种“人”字形电容传感器,提出了一种基于频谱的篦齿叶尖间隙参数和轴向窜动参数的提取方法。建立了“人”字形电容传感器测量模型。仿真分析了测量信号的幅度谱特征并提出了一种最优谱线选择方法。提出了基于转速和信号特征频率估计的自适应频域滤波,信号整周期等角度采样,幅度谱估计以及二元多项式曲面拟合相融合的信号处理方法,实现了叶尖间隙参数和轴向窜动参数的动态测量。在实验室环境下搭建了篦齿叶尖间隙参数和轴向窜动参数测试实验平台,完成了标定和测量实验。实验结果显示,篦齿盘工作在1900r/min以下时,测量系统在0.5~1.5mm叶尖间隙及±1mm轴向窜动范围内,叶尖间隙测量精度达18μm,轴向窜动测量精度达30μm。

• 含柔性吸附材料的攀爬机器人振动特性 与稳定性分析研究

  王学军，张 帆

  为了提升攀爬机器人壁面运动稳定性从而提高其工程应用能力。针对攀爬机器人壁面运动过程的振动与动力学耦合特性问题,本文设计制作了一种含柔性吸附材料的攀爬机器人。基于刚柔耦合原理,获得刚性体与柔性体运动学递推关系,利用拉格朗日原理建立攀爬机器人动力学方程。推导得到反应动力学耦合程度的数学模型。通过仿真分析得到运行相同位移情况下,通过调整加减速时间比例使得机器人振幅下降35%,分析得到一定范围内攀爬机器人刚性质量与吸附材料弹性模量增加通过降低动力学耦合程度降低攀爬机器人振动响应。通过样机实验测量了攀爬机器人负载能力与不同运动阶段真空度与流量的稳定性。研究为攀爬机器人的驱动控制策略与工程应用奠定基础。