仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2023年第2期

• 高频调制矢量原子磁力仪综述

  胡 敏，董海峰，江唯鸣，石 猛，王 翔

  通过施加调制磁场降低测量1/f噪声、实现矢量化测量,是原子磁力仪中常用的方法。根据调制磁场频率与弛豫率的相对大小,可以分为低频调制和高频调制两大类。本文对高频调制原子磁力仪进行了总结和分类,按照调制磁场方向与抽运光方向的相对位置分为平行调制与垂直调制两大类,之后再按照主磁场方向细分为七类不同的配置。详细分析了其中四类较为常见的配置,分别是垂直调制X型、垂直调制零场型、平行调制Z型和平行调制零场型。从Bloch方程出发,推导了这4类配置的测量解析模型,除了梳理和验证现有文献的理论分析之外,也得到一些现有文献没有提及的测量模型。采用MATLABSimulink模块进行了数值仿真,验证了解析模型推导过程一些简化处理的合理性。给出了Bloch方程的通用Simulink模型,可用于任意配置原子磁力仪的数值仿真。

• 基于相位拟合的绝对式光电精密测角方法

  张 寅，顾恩臣，闫钧华，谢 巍，邹弘扬

  单码道绝对式轴角编码器具有分辨力高、结构简单、可靠性强等优点。为实现角度高精度快速识别和细分测量,提出一种基于相位拟合的绝对式编码器角度细分方法。该方法利用最长线性反馈移位寄存器序列(m序列)进行单码道绝对式编码,首先对CCD采样电平信号进行计数,判断码值组合后得到粗码译码数据;接着利用牛顿迭代法实现三角函数拟合从而获取相位信息,并提出基于相位信息的角度细分算法获得细分角度;最后结合粗码数据与细分角度得到角度信息。实验结果表明,提出的新型测角方法测角标准偏差达到4.57″,最小分度误差仅为0.23″,该方法大大提高了分辨力和精度,并且从原理上避免了码盘粗大误差对测角的影响。

• 激光差动共焦透镜中心偏测量系统设计与实现

  章广威，崔 健，邱丽荣，王 允，赵维谦

  针对国内外透镜中心偏高精度测量的迫切需求,研制了一套激光差动共焦透镜中心偏测量系统。该系统从中心偏非接触测量的核心定焦原理入手,结合激光差动共焦定焦技术,解决了清晰度法定焦精度差的难题。在光学测量系统误差分析的基础上,对系统再次优化设计,并利用差动共焦轴向光强响应曲线过零点的位置与被测镜猫眼和共焦点精确对应这一特性,实现了透镜中心偏的高精度测量。通过实验表明,该系统测量精度为0.49%,与传统的清晰度法定焦测量相比,透镜中心偏的测量精度有效提高了6倍。该系统将差动共焦定焦技术有效的应用于透镜中心偏测量中,提高了被测镜猫眼和共焦位置的定焦能力,实现了高精度测量系统的设计,在光学测试和透镜加工及装配领域具有广阔的应用前景。

• 针对 3×3 耦合器幅相非对称的光纤水听器解调方法

  张 硕，王 敏，王 珂，杨 平，王月兵

  基于3×3耦合器法的光纤水听器解调容易受耦合器分光比非理想对称特性影响,导致水听器解调结果及测量信号不准确。为解决实际中3×3耦合器普遍存在的幅度、相位非对称引入的解调偏差问题,提出基于微分交叉相乘的干涉信号幅度和相位修正解调方法。通过对三路非对称干涉信号进行两两最小二乘椭圆拟合,得到干涉信号的实际幅度和相位参数,经去直流、归一化消除幅度不对称,并将所得包含非对称相位信息的信号两两微分交叉相乘,经三角函数变换解算信号相位及其修正系数,从而实现对光纤水听器输出信号的准确解调。仿真对比了本文方法和仅考虑幅度非对称情况的解调结果,并分析比较了两种处理方法随声信号频率、幅值变化的解调误差,前者得到接近理想信号波形的解调结果和更小的解调误差。依托消声水池开展了光纤水听器解调实验,在5~30kHz频率范围对解调方法进行了对比验证,证明了本文解调方法的有效性和稳定性。

• 互补格雷码双 N 步相移的彩色编码光栅投影轮廓术

  韩叔桓，杨延西，张新雨，刘 伟

  在三维轮廓测量领域,互补格雷码相移法能够得到连续的展开相位,然而,单组相移条纹导致其测量精度极易受到周围环境变化的影响,且传统投影方式增加了干扰的引入。针对此问题,本文提出了一种基于彩色编码光栅投影的互补格雷码双N步相移法。首先将双N步相移条纹和互补格雷码条纹混合编码成彩色条纹,然后依次投射到目标表面,最后从采集的彩色条纹中提取相位信息分别进行相位解算、融合后求得表面三维形貌。为了验证本文所提方法,将该方法与传统互补格雷码N步相移法以及三频外差法进行了对比实验。实验结果证明,本文方法能够获得高精度表面形貌信息,有效降低测量误差,同时检测效率提高50%。

• 增量式光学编码器 IAS 信号误差建模及补偿

  尹兴超，郭 瑜，樊家伟，邹 翔，陈 鑫

  增量式光学编码器在制造与安装的过程中不可避免的会出现刻线误差和细分误差,这些误差会降低角度测量的精度并导致瞬时角速度(IAS)信号波动,研究刻线与细分误差的补偿途径有重要意义,但现有方法存在误差补偿效率低,不易现场应用等局限。针对上述问题,本文首先对增量式光学编码器的刻线误差与细分误差进行分析并建立误差模型,揭示了刻线误差、细分误差与IAS信号波动之间的联系。在此基础上提出了一种使用IAS信号对增量式光学编码器刻线与细分误差进行补偿的方法,该方法具有效率高、无需对编码器进行改装等优点。通过仿真分析对本文所建立的误差模型的正确性与误差估计方法的可行性进行了验证,并在RV传动实验台上对伺服电机末端的增量式光学编码器进行刻线与细分误差补偿,最后使用光学旋转平台对增量式光学编码器误差进行测量,通过对比分析验证了本文所提方法的有效性。

• 基于凹面光栅的可调高分辨率单色仪结构设计及波长重复性分析

  陈建波，杨小虎，孙昱来，李继峰，林冠宇

  凹面光栅兼具成像和色散的能力,采用凹面光栅分光的单色仪能够很好实现小型化设计和应用到低于200nm的真空紫外波段。光谱分辨率和波长重复性是单色仪的重要指标,针对单色仪的光谱分辨率,本文将光栅固有分辨率和由狭缝引起的增宽相结合推导出单色仪的光谱分辨率计算模型,利用自研微动狭缝进行实验验证,单色仪分辨率符合理论模型,极限分辨率优于0.1nm;针对单色仪的波长重复性,在单色仪光机结构参数转换的基础上对波长重复性影响因素进行分析,推导出单色仪的波长重复性计算模型,利用汞灯作为光源进行波长重复性验证其波长重复性优于0.02nm符合理论计算模型,验证了光机结构设计的有效性和理论分析的正确性。

• 基于主动构造温差变量的机床温度敏感点选择方法

  徐 凯，王文辉，李喆裕，李国龙，苗恩铭

  温度敏感点显著影响机床热误差模型的性能。针对现有温度敏感点选择中需要布置多个温度测量点,且可能遗失关键温差信息问题,本文提出了一种基于主动构造温差变量的温度敏感点选择方法。通过从有限个温度测量点中组合并构造温差变量,作为原始温度变量的扩展补充,重新基于模糊聚类和相关系数分析进行温度敏感点选择,并用于热误差建模。该方法可弥补现有方法中潜在关键温度信息缺失问题,且具有更高的精度与稳定性。实验结果表明重构温差变量方法相比传统温度敏感点选择方法,可将模型预测结果的平均均方根误差由11.1、10.3μm降低至3.6μm,效果显著。

• 基于耦合源误差分析的转子振动信号识别方法

  李胜波，柳一凡，林志树，舒金 吉尼斯，罗 远

  转子振动信号实时监测是保障旋转机械健康运行的关键,转子圆度误差和电涡流位移传感器误差的耦合源误差在以往的研究和振动监测中很少考虑,使得转子振动信号有一定的失真,甚至会引起误判。以实际转子为例,提出了圆度误差测量表达式;测量和分析了两种常用电涡流位移传感器的误差,利用傅里叶拟合方法构建了圆度误差和电涡流位移传感器耦合源误差表达式,建立了耦合源误差与转子振动信号之间的映射关系。提出了点-点法、平均值法与最大值法3种转子振动信号识别方法,3种方法都能有效识别转子振动信号,其中点-点法最精确,识别误差占比约20%;平均值法计算简便,识别误差占比约10%;最大值法偏保守,但可有效避免误判,识别误差占比约32%。

• 基于 Lissajous 输出拟合的非平衡 M-Z 干涉仪相位解调

  王 彦，蒋 超，朱 伟，汪俊亮，徐浩雨

  搭建基于3×3耦合器的非平衡马赫-曾德尔(M-Z)干涉系统,将3×3耦合器解调与相位载波结合,通过引入载波调节M-Z干涉仪的输出相位进行动态解调。载波信号为频率2kHz,电压为0、2、6、10、16V的余弦信号,通过Throlabs光学能量计测量干涉仪输出功率随时间变化曲线,针对3×3耦合器分光比不均等为1∶1∶1,即相位差不为120°,将输出干涉光采用经验模态分解并构建带通滤波器进行去噪,将处理后的信号用最小二乘法进行李萨如曲线拟合,求得椭圆具体参数,利用反正切函数求解相位差。得出电压相移系数以及电压波长偏移系数分别为0.7577(°/V)、0.7258×10-3(nm/V),在MATLAB中拟合一阶线性曲线,拟合优度R2在0.98以上。最后将此解调系统应用于光纤光栅串(FBG)的应力负载试验并与微光光学解调仪(MOI)相对比,结果表明本系统准确度高,对1560nm的FBG解调效果较MOI更佳。

• 基于埃特金逐步插值滤波器的 TIADC 时间误差校准方法

  许川佩，江 林，黄喜军

  拉格朗日插值滤波器可以应用于TIADC时间误差校准,并且该方法有较好的校准效果。但是拉格朗日插值滤波器的阶数不易调节,这使得该滤波器在实际应用时不灵活。本文针对此问题,提出了基于埃特金逐步插值滤波器的TIADC时间误差校准方法。本文化简了埃特金插值多项式的计算公式,并设计了一种新增插值结点的选取方法,从而将埃特金逐步插值算法应用于时间误差的校准。本文方法能根据TIADC采样系统的输入信号频率和设定的精度要求自动调节埃特金逐步插值滤波器的阶数。仿真结果表明,在90%的奈奎斯特频带范围内,本校准方法能有效抑制时间误差引起的杂散分量,且能自动调节滤波器的阶数,当输入信号的归一化频率为0.35时,校准后的SNDR提高了40.37dB。并通过实验验证本校准方法的效果。

• 一种基于神经网络的 THD 参数快速估计算法

  侯琳杰，解维坤，陈世博，刘雨涛，赵贻玖

  模数转换器(ADC)测试主要包括静态参数和动态参数两个测试过程。随着性能的提升,ADC的测试复杂度和成本也急剧增加。替代测试,即通过分析两类参数间的关系来实现一个测试过程得到两类参数,已被证明是降低ADC测试复杂度和成本的主要方案之一。本文通过构建基于人工神经网络的参数预测模型来实现替代测试,模型以总谐波失真为预测目标,以静态性能参数为输入特征。针对高维的ADC非线性曲线,文章结合统计分析和主成分分析设计了专用的特征提取方法,在降低特征维度的同时尽可能地减少了信息损失。模型在测试集上的预测结果与参考值的均方误差和拟合优度分别达到了1.15dB和0.6,显著优于相关对比模型。此外,在SHAP解释器的框架下分析了上述模型的预测目标和特征变量之间的依赖关系,并得到了有意义的结果。

• 高速并行数字调制信号的产生与实现

  李 浩，王厚军，肖 磊，王志刚，李 涛

  数字调制技术是高速通信传输系统的关键技术之一。本文提出了一种全并行的高速数字调制信号产生架构,该架构可以在现场可编程门阵列(FPGA)硬件平台中通过算法级的流水线实现。通过理论分析与推导,并行频域成型滤波器中的DFT/IDFT可以由低复杂度的两个基-8FFT算法级联构成,进一步给出了具体的FPGA架构和实现方法。另外,为了进一步降低硬件资源,本文分析并设计了一种适用于并行实现的免混频数字正交上变频架构。仿真实验对高速并行数字调制架构中的并行频域成型滤波器在时域和频域分别进行了算法验证,FPGA硬件实现结果验证了高速并行数字调制信号产生的频谱性能。

• 基于对数分布参考点 LDRP 的分解多目标进化 MOEA/ D 算法实现模拟电路故障参数估计

  杨成林，张棋皓，王 浩

  模拟电路随工作时长的增加,其健康状态也在不断下降。及时对早期故障状态的元件进行参数估计,可以准确地评估设备健康状态,为故障预测提供参考。基于被测电路的传递函数和实测的故障响应,可反推出可能的故障参数。由于容差的影响,有很多参数组合可以产生相同的故障响应。本文通过数学分析,将故障参数估计问题转化为多目标优化问题,并针对优化目标量级相差巨大、难以合理生成权重向量进行环境选择等问题,提出基于对数分布参考点来指导种群进化,并提出了一种基于对数分布参考点的分解多目标进化算法,该.法能够准确且稳定地找到故障参数估计问题的最优解,通过仿真跳藕滤波电路,验证了随容差的增.,参数范围越来越宽,且所有标准偏差最大仅18.616Ω,在时间效率上,具有3种不同容差的12个故障实例的运行时间没有显著差异,平均运行时间为0.7s,和实际电路实验证明了该算法的正确性和鲁棒性,并通过对比该方向前沿研究的其他多种算法,验证了本文的方法在精度上优于双目标进化算法2~3个数量级,对比Tadeusiewicz提出的方法具有更宽的故障区间等,验证了本文的方法具备更高的准确性和有效性,体现了本文方法的优越可靠。

• PCBA 板载 DDR 芯片焊点缺陷检测研究

  姜 也，黄一凡，熊美明，刘智勇，廖广兰

  板载芯片朝着小尺寸高密度方向发展,隐藏于芯片封装内部的微焊球缺陷检测愈发困难。针对工业高密度集成印刷电路板组件(PCBA)板载集成电路(IC)内部故障定位难、效率低的问题,提出一种芯片功能测试过程中采用红外热成像检测结合深度学习的多类型缺陷识别方法。以现场可编程门阵列(FPGA)单板双倍数据速率(DDR)存储芯片为对象,建立了芯片缺陷检测模型,搭建检测平台开展芯片内部焊点故障检测试验研究。设计程序实现芯片的数据存储与读出,同步采集红外图像序列,分析存储芯片读写过程中温度变化,并提取不同敏感测量区域热信号。构建卷积神经网络(CNN)分类模型,并进行超参数调优,实现了内部隐藏缺陷包括不同地址、数据、地址空间焊点故障的高效准确识别。引入迁移学习拓展应用于芯片其他9种不同焊点缺陷的检测,在10、20dB高斯白噪声条件下分别达到95%、92%以上的准确率,从而为实际工业高密度集成PCBA板载微电子封装及可靠性分析提供了一种快速、有效的方法。

• 非色散红外气体传感器稳态扩散高斯分布浓度校正方法

  强振峰，王 雪，张效天

  流程工业中气体浓度测量至关重要。非色散红外传感器是一种基于不同气体对红外光吸收强度差异性测量气体浓度的传感器,气体浓度测量精度高,广泛用于流程工业中CO2和N2O气体浓度测量。非色散红外传感器内气体不均匀扩散使气体浓度测量会产生原理性误差,需要得到气体在传感器气室内达到稳态扩散时间降低浓度测量误差,提高测量精度。本文提出一种非色散红外传感器高斯分布扩散模型预测气体稳态扩散时间计算方法,14组不同条件下CO2和N2O的仿真实验得到本文提出高斯扩散模型的拟合度分别为0.82和0.80,验证所提出高斯模型预测气体稳态扩散时间的鲁棒性。本文所提方法非色散红外传感器浓度测量不均匀扩散产生误差补偿提供保障。

• 液位-液压-温度同时检测光纤隔膜传感器

  姚建南，刘志成，钟年丙，何雪丰，张天恒

  为了实现液位液压及温度三参数同时准确检测,本文首先采用光纤Bragg光栅(FBG)、弹性隔膜、微腔、FBG固定板及导气管构建了光纤隔膜传感器,搭建了测量系统。其次,建立了传感器测量理论模型,实验研究了传感器对液位、液压及温度的响应特性。最后,为了研究传感器对外界环境变化的抗干扰能力,实验研究了温度、倾角和液位动态变化速率对液位及液压测量结果产生的影响。研究结果表明:当液位变化速率为10~100cm/min、传感器倾斜角度在-30°~30°范围、温度在20℃~60℃范围时,传感器输出信号与液位0~220cm及液压0~22kPa间具有线性关系,液位及液压测量结果不受液位变化速率、传感器倾角及温度变化的影响;传感器液位、液压及温度灵敏度分别为35.16pm/cm、359.46pm/kPa和10.07pm/℃,最大相对误差为5.6%。

• 基于多模感知的上肢康复训练轨迹跟踪研究

  尹相国，张岱岩，林明星，石朝国

  面向上肢康复训练过程中的人机交互应用场景,针对单一传感器难以准确、稳定跟踪上肢运动轨迹的问题,提出了基于惯性传感器与Kinect传感器的多模感知融合方案;为解决惯性传感器在轨迹跟踪过程中的累积误差问题,提出了多项式补偿与零值约束相结合的误差修正算法;针对Kinect传感器深度图像成像质量影响骨骼跟踪效果的问题,提出了变参数像素滤波器对深度图像进行修复。通过惯性传感器运动实验,验证了累积误差修正算法的有效性,X轴位移误差为7.8mm;深度图像修复结果表明,深度像素损失点数减少约50%,图像更为清晰,并通过实验验证了基于深度图像能够有效跟踪骨骼运动轨迹;最后,通过轨迹数据融合实验验证了基于多模感知的上肢运动轨迹跟踪方案的可行性与有效性,计算时延仅1.2s。

• 用于缺陷检测的指尖型大面积光学式触觉传感器设计与性能研究

  吴衔誉，庄嘉权，林忠麟，黄 峰，杨 铮

  对各种具有复杂曲面及平面的材料进行缺陷检测的过程中,传统触觉传感器存在探测面积小、探测效率低等缺点。针对这些问题设计并制备了一种指尖型大面积光学式触觉传感器,并将该传感器应用于多种材料的表面缺陷探测中。所设计的传感器外形类似人类手指尖端,同时具备指型曲面和平面双接触面,可满足各种复杂接触面的探测需求。传感器中设计了微型传动装置用于带动摄像头转动以提高成像质量,并通过转动采集多张图像使用APAP图像拼接算法对其进行拼接,增大单次探测有效面积。通过模拟多种材料表面缺陷并制作触觉图像数据集,采用DeepLabv3模型对其进行训练。实验结果表明,在单次采集的情况下,有效探测面积达到16.3cm2,模型通过训练MIoU达到91.2%,可实现多种材料复杂曲面和平面的缺陷探测。

• 滚珠丝杠副传动效率的模型建立及试验研究

  张敏华，祖 莉，徐子杰

  传动效率是衡量滚珠丝杠副的传动性能的重要指标,目前传动效率的研究对接触面的摩擦润滑情况缺少深入分析,试验研究较少且多是针对某型号样件。为了得到更符合实际情况的传动效率模型并对传动效率影响因素进行分析,基于载荷分布理论,分析考虑工艺误差的滚珠丝杠副承载运动情况,再结合弹流润滑理论得到滚珠丝杠副在不同工况下的摩擦系数变化规律,从而得到新的传动效率模型,再对传动效率影响因素进行计算和分析,最终设计试验验证传动效率模型并分析不同轴向负载、转速、预紧力、润滑粘度对传动效率的影响。试验结果表明新模型的计算值与试验值的相对误差最大为6.42%,验证了新模型的有效性与合理性。

• 钢板硬斑的增量涡流扫查成像方法与仪器

  邢智翔，何存富，刘秀成，张建卫

  硬斑测试是高端钢板产品质量评价的关键内容。本文基于增量涡流检测原理,研制了国产化的钢板硬斑磁检测仪器,并对仪器功能和性能进行了实验测试。首先,研制了增量涡流检测传感器,开发了基于交流电桥测试和相位旋转解调方法的增量涡流检测电路,集成了专用仪器;其次,利用仪器在Cr12MoV钢板和X70管线钢中开展了多组检测试验,结果表明:传感器的横向分辨率可达10mm,增量涡流信号解调波形峰峰值Up随表面硬度增加近似线性下降。在高出基准34.8%的硬斑区域内,Up值下降约75%。利用Up这一敏感参数对X70管线钢进行扫查成像,可准确识别出宽约10mm的硬斑。上述研究结果为高端钢板硬斑的在线无损检测提供了方法和仪器支撑。

• 一种快速计算二维缺陷漏磁场的有限元建模和求解方法

  刘真伟，韩文花，杨 婷

  漏磁检测的速度快,灵敏度高,检测过程操作简单,是一种常用的铁磁材料无损检测方法,其中有限元模型被广泛用于漏磁检测中。有限元模型的求解精度高但是计算时间较长,因此,本文提出了一种快速计算二维缺陷漏磁场的有限元建模和求解方法,在保证精度的同时缩短计算时间。通过对有限元数值计算的理论推导,建立了漏磁场的有限元模型,首先采用六节点三角形单元划分网格,其次使用稀疏矩阵的形式求解方程组,再利用边界条件矩阵零空间的正交基求解出磁势。与COMSOL仿真软件的计算结果进行比较,表明本文所建模型是正确可行的。经过实测数据验证,该模型相比于传统有限元模型有明显的性能提升,精度上最大提高83.49%,计算时间能减少95.43%,为研究不规则缺陷的漏磁重构提供了快速有效的正演模型。

• 半主动电流控制阻尼器的调谐减振性能研究

  张雨蒙，杨文荣，杨晓锐，尉德杰

  随着建筑高度不断增加,低频振动严重影响其安全运行。被动式阻尼器仅在调谐点处具有良好的减振效果,存在减振带宽较窄的问题,磁性液体为解决这个问题提供了新的途径。以磁性液体为工作液体,提出一种半主动调谐式电流控制阻尼器。首先,建立了阻尼器固有频率的理论模型,表明通过调节电流可改变固有频率。其次,搭建测试平台,进行了不同激励下阻尼器的调谐减振能力测试。结果表明半主动电流控制阻尼器的减振率为22%左右,调谐液体滚球阻尼器的减振率仅为12.3%左右,且调谐液体滚球阻尼器与主结构的频率比>1.11时,减振率将低于10%,半主动电流控制阻尼器则具有良好的鲁棒性,可以有效降低位移响应,弥补了被动式阻尼器减振带宽较窄的不足。

• 高速摄影仪成像噪声去除方法研究

  陈怀安，卢小银，单奕萌，阚 艳，金 一

  高速摄影仪在超高帧率下(>10000FPS)易产生噪声,该噪声分布复杂,难以获取与有噪图像完全对应的清晰图像。针对该问题,提出一种基于非理想配对图像的卷积去噪网络训练方法。首先利用高速和低速摄影仪拍摄相同场景图像,获得有噪图像及与其对应的非理想配对清晰图像;然后,建立基于卷积神经网络的深度去噪模型,结合亮度一致化和图像对齐方法,实现非理想配对图像的监督学习,从而去除成像噪声;最后,引入模型量化技术将模型参数和激活值由32位浮点数量化为8位定点数,降低模型大小、内存需求和运行时间。实验结果表明,提出的去噪方法可有效去除高速摄影仪成像噪声,相比于其他方法,去噪图像峰值信噪比提高1.96dB,结构相似性提高1.95%;通过模型量化,模型大小降低4倍,内存需求降低45.62%,运行时间降低37.5%。

• 血管介入手术导丝末端检测方法研究

  董兆苒，董明利，何彦霖，历文宇

  介入手术导丝的末端检测是保证手术精准控制和安全性的关键,本文针对术中导丝末端检测的临床需求,提出一种基于改进YOLOv4Tiny网络的导丝末端检测方法。该方法基于YOLOv4Tiny网络架构,通过优化特征提取网络中的残差结构,增加注意力机制和混合膨胀卷积网络,实现算法对小目标特征提取能力和检测精度的提升、感受野的扩大,且在保证图像的分辨率的同时不增加计算量。为了验证本文改进算法的有效性,对算法在构建数据集和实际手术数据集中分别进行了测试。实验结果表明:本文改进算法在构建数据集中的平均精度可达97.6%,导丝末端的检测误差不足5%,在实际手术数据集中的平均精度为92.8%。本文改进算法为介入手术导丝的末端检测提供了有效方法,在生物医学机器人等领域具有广阔的应用前景。

• 采用自适应背景聚类的激光雷达与相机外参标定优化方法

  吴 军，袁少博，祝玉恒，郭润夏，张晓瑜

  针对在复杂外部环境下激光雷达外参标定过程中遇到的标定板三维点云提取不准确的问题,提出一种基于背景聚类的激光雷达和相机外参标定优化方法,避免了在整个三维点云中盲目检测标定板点云,而导致标定结果存在较大误差以及需要人工手动纠正错误特征点的问题。该方法利用无标定板的背景点云与有标定板的目标点云之间部分空间域内的密度差异性,通过自适应空间阈值模型获得标定板点云与背景点云之间的差异系数K,然后聚类两点云中的部分三维点,完成标定板的三维点云提取。实验证明,该方法可以在复杂环境中准确高效地提取标定板三维点云,从而提高激光雷达和相机外参标定的准确性,在此基础上点云正确投影比例可达97.43%,与对比方法相比投影误差降低25.33%左右。

• 基于语义分割的船闸水位检测方法研究

  曹文卓，王太固，徐 兵，冯玉凯，王化明

  针对船闸水位传感器精度易受水质影响、传统图像检测方法适应性差等问题,提出一种基于语义分割和由粗到精策略的水位线检测方法,建立分段对照的标定模型计算水位。结合水位线长程相关性的特点,设计条带状空洞空间金字塔池化模块,针对分割边界模糊的问题,设计多路聚合上采样模块并引入在线困难样本挖掘,提升语义分割模型的分割精度。采用改进的语义分割模型在由原图像经压缩后的低分辨率图像中进行粗检测,分割图像中的水区域与非水区域,根据模型输出的掩膜图得到水位线的粗检测结果,然后在原图像中裁剪粗检测水位线的邻域并采用该模型进行精检测,得到水位线的精检测结果。建立分段对照的标定模型,获取像素坐标与世界坐标之间的映射关系,根据水位线精检测结果计算水位。在构建的水位图像数据集上进行试验,结果表明:在验证集上,改进后的语义分割模型粗检测和精检测的平均交并比分别提升了2.58%和1.98%,水位线精检测结果的平均像素误差为1.89pixel,相比粗检测结果降低了52.3%,以水尺人工观测的读数为基准,摄像机在23m工作距离下水位测量结果置信水平为95%的不确定度为0.026m。所提方法对晴天、阴天、雨天、雪天等多种室外环境具有良好的适应性,为船闸水位检测提供了一种可行的方法。

• 基于期望块对数似然的激光吸收光谱层析成像

  司菁菁，刘 鑫，王晓莉，程银波，刘 畅

  可调谐二极管激光吸收光谱层析成像(TDLAST)是一种重要的非侵入式燃烧检测技术。然而,TDLAST逆问题的欠定性使得传统算法重建的气体吸收密度存在较大误差。本文将期望块对数似然先验引入TDLAST逆问题的求解,提出基于高斯混合模型(GMM)正则化的温度重建算法(GMMTRT)。该方法利用GMM建模燃烧场气体吸收密度的局部分布特性,采用半二次分裂方法求解引入GMM正则化的TDLAST逆问题。利用火灾动力学模拟器生成的仿真数据与利用TDLAST实验系统获得的实际数据进行的重建实验均表明,GMMTRT重建的温度图像能够准确定位火焰位置,并清晰描述燃烧场感兴趣区域的温度分布。与现有的基于Tikhonov正则化的温度重建算法和同时代数重建算法相比,GMMTRT的重建误差分别能够降低15.42%~36.16%和23.10%~44.79%。

• 基于时间序列匹配的过山车定位法

  孙艺峰，王华杰，吕梦南

  针对过山车难以精准定位的问题,本文提出了一种基于时间序列匹配的过山车定位方法。该方法首先使用动态时间规整(DTW)对惯性测量单元(IMU)的实测与仿真数据进行序列匹配,得到位置估计结果。之后将估计结果作为观测量,在误差状态卡尔曼滤波器(ESKF)中修正IMU预测结果,得到精准的定位结果。为了提高估计结果的准确度,本文提出了分段重组动态时间规整(SRDTW)算法,解决了DTW的匹配失真问题。使用本文方法对过山车进行了定位实验,结果表明,使用Z向加速度和俯仰角进行序列匹配可得到较为准确的估计结果;ESKF滤波后的平均定位误差可达0.24m,较估计结果的定位误差减小45.6%。

• 变分非线性单分量 Chirp 模态提取及其在电机轴承诊断中的应用

  蒋婷婷，张 庆，张钧深，魏晓晗

  变频驱动下旋转机械设备的振动信号具有调制成分复杂、涉及频带较宽和噪声干扰严重等问题,造成与故障相关的单分量调制成分提取困难。为此,提出了一种新的变分非线性单分量chirp模态提取(VNSCME)方法,建立单个目标模态解调频带最窄与残余分量能量最小组合约束的变分优化模型,迭代提取特定的单分量非线性调制成分。预设一个有关目标模态瞬时频率的先验知识,VNSCME能够独立地提取出特定的单分量调制成分并准确估计其瞬时频率。与现有研究相比,VNSCME具有不受时频分布分辨率限制、初始化简单和计算效率高的特点。将VNSCME与阶次跟踪技术相结合,应用于变频驱动电机轴承故障诊断。分别对仿真和实测的故障振动信号进行处理,结果显示瞬时转频估计的相对误差低于0.76%,提取单个目标模态的计算时间低于11.9s,验证了所提方法的有效性。

• 车载时间敏感网络链路冗余调度性能分析

  罗 峰，马逸飞，郭 怡，王子通，吴名芝

  TSN协议中802.1CB协议是保障车载以太网网络可靠性的重要角色,其通过链路冗余确保报文的稳定传输,而不同冗余链路间的传输特性不一致可能会对后续流量调度产生影响,因而需要探讨链路冗余对调度性能影响。本文从汽车网络拓扑冗余结构出发,分析了冗余协议和调度协议的关联性,并探讨了链路冗余对802.1Qbv分时调度机制以及802.1Qch循环队列与转发机制的影响。最后本文构建了链路冗余调度性能评价模型,并基于OMNeT++平台和实物验证平台,对上述影响进行仿真验证。结果表明链路冗余产生的冗余流量抵达间隔和链路跳数差异分别对802.1Qbv和802.1Qch有显著影响,另外需要关注冗余拓扑中网桥端口速率变化所带来的影响。