仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2023年第4期

• 航天器电源建模仿真综述与展望

  赵光权，王 盟，刘大同，陈威铮，彭喜元

  电源系统是航天器上必不可少的重要分系统,用于产生、储存、分配电能。随着航天器数量的爆发式增长,电源系统的建模仿真成为航天器健康管理和智能运维领域的研究热点。鉴于此,本文首先总结了航天器电源的分类、组成及发展趋势。接着,从航天器健康管理和智能运行维护视角,综述了航天器电源建模及仿真技术体系,航天器电源典型部件机理建模、数据驱动建模、数字孪生融合建模方法,航天器电源的仿真技术与仿真软件、建模仿真的典型应用。最后对航天器电源建模仿真的技术挑战及发展趋势进行总结和分析。本文预期能够为航天器电源健康管理、航天器电源建模与仿真、数字孪生领域的研究人员提供一定的参考和借鉴。

• 基于 CNN-LSTM-AM 动态集成模型的电站风机状态预测方法

  魏 玮，吕 游，齐欣宇，刘吉臻，房 方

  针对电站负荷变化时风机状态预测模型精度降低的问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)、长短时记忆(LSTM)网络与注意力机制(AM)的动态集成状态预测方法。首先,利用CNN将样本数据划分为边界有重叠的不同类别,实现风机运行状态的软分类;其次,在传统的LSTM网络的中引入AM层,构造不同工况下的LSTM-AM子模型,并将CNN输出的软分类标签作为初始权值,使用遗传算法对权值偏置进行搜索寻优;最后,对各个子模型的输出值加权求和,得到风机不同运行状态下的集成预测值。实验结果表明,相较各个LSTM-AM子模型和单一LSTM-AM模型,本文提出的基于CNN-LSTM-AM的动态集成模型在电站风机变负荷运行时可以将预测结果的均方根误差分别减小11.5%和22.3%,说明此模型具有更好的鲁棒性和适用性。

• 非理想数据下基于仿真数据辅助迁移学习的滚动轴承故障诊断

  苗建国，李茂银，邓聪颖，何明格，苗 强

  旋转机械在实际工程应用中常处于正常状态,因而呈现故障样本稀少甚至部分缺失等非理想数据情况。针对直接采用非理想数据建立深度学习诊断模型时的低准确率问题,提出基于有限元仿真数据辅助迁移学习的故障诊断方法。首先,通过数值仿真计算不同运行工况和故障类型的轴承信号;进而,利用大量低成本高保真的仿真样本对模型预训练,利用真实小样本或者仿真样本增补后的混合样本进行模型微调,以完成高准确率故障诊断,并降低迁移学习对故障轴承实测数据的依赖;最后,利用两个轴承实验台数据进行验证。结果表明在单类故障样本数为1时,采用所提方法建立的模型准确率超过95%;在故障样本稀少且多类缺失时,准确率比仿真数据直接增补方式提升超10%。

• 考虑竞争失效的交流接触器可靠性评估方法

  王浩然，项石虎，李 奎，赵昌东，马典良

  交流接触器广泛用于电力系统,精准评估其可靠性是保障系统安全平稳运行的关键。现有交流接触器可靠性研究没有考虑三相触头的竞争失效、退化相关性,及各相触头失效阈值均有随机性等问题,可能造成可靠性评估不精准。针对这些问题,本文用累积电弧侵蚀量表征性能状态,建立了考虑竞争失效、退化相关性和失效阈值随机性的退化模型;对模型参数较多且难以同时估计所有参数的问题,提出了基于极大似然估计的多阶段参数估计方法;基于蒙特卡洛技术提出了可靠度近似计算方法,并基于黎曼和技术推导出平均故障时间的近似式;最后,通过仿真与实例分析验证了所提方法的有效性。实例分析表明所提可靠性评估方法精度较高,其拟合优度比现有方法提升了约45%。

• 基于环形统计矢量阈值加权的上表面开口裂纹横波全跨全聚焦成像

  陈 明，陈 尧，肖树坤，卢 超，李秋锋

  为了有效抑制非目标模式反射体回波伪影,本文提出环形统计矢量阈值(CSVT)加权的上表面开口裂纹横波全跨全聚焦成像技术。利用延时信号构建环形统计矢量(CSV),并根据Weibull分布确定伪影噪声的CSV值范围后,通过阈值将其剔除得到CSVT因子。研究表明,在32~64阵元有效孔径范围内,非目标模式反射体回波伪影噪声的CSV值范围在0.2~0.4之间,TT-TT模式(目标模式)下的上表面缺陷回波CSV值接近于1。因此,阈值处理后的CSVT因子值可有效保留缺陷的权重因子,同时抑制绝大多数非目标模式反射体伪影及相位随机分布的噪声。相比于横波全跨TFM成像,CSVT加权后的铝块TFM成像图中,上表面-45°~45°人工刻槽下尖端的裂纹信噪比提升范围为7.7~14dB。

• 基于改进 ByteTrack 的高铁周界入侵监测方法研究

  傅荟瑾，史天运，王 瑞，马 祯，张万鹏

  本文旨在应对高铁周界环境复杂、小目标多等情况,研究周界入侵行为的识别与跟踪问题,并提出一种改进ByteTrack算法。本文融合YOLOv7-X与BYTE数据关联方法对模型进行改进,并且引入卷积块注意力机制以提升周界复杂环境下前景目标的识别效果,利用空间-深度转化模块优化跨步卷积与池化层,改善小目标识别时下采样导致的细粒度信息丢失情况。制作铁路周界入侵数据集进行实验,实验结果表明,改进后的模型平均精度达到95.6%,提升了9.4%,对大中小目标识别的平均精度均有提升,尤其是对小目标识别效果提升显著,提升了22.2%。结果表明改进ByteTrack算法在高铁周界复杂环境下能实现入侵行为的识别与跟踪,为高铁周界防护提供技术支持。

• 考虑行业关联度的工业用户用电异常识别研究

  陈 静，郑垂锭，李桂敏，江 灏，缪希仁

  针对工业用户的行业属性对其用电模式的影响,本文提出一种考虑行业关联度的工业用户用电异常识别方法。基于真实工业用户用电负荷数据生成多个行业类别的典型负荷特征曲线。运用改进灰色关联度算法计算电力用户用电特征与各个行业典型用电特征之间的关联性,生成用户的行业关联特征;利用多头注意力机制(MHA)提取用户负荷序列特征,与行业关联特征相结合,采用变分自动编码器(VAE)所提供的重构误差作为异常判定度量,建立MHA-VAE深度异常检测模型,实现对多种类型工业用户用电异常的识别。结果表明,引入用户的行业关联特征后异常检测的准确率、检出率和误检率分别为96.84%、98.02%、4.35%,与仅考虑用户负荷特征相比准确率提高1.06%,误检率降低2.24%。

• 在役高压电缆缓冲层缺陷检测

  陈 研，倪 松，马天宇，陈大兵，段晓礁

  缓冲层烧蚀故障是高压电缆故障的主要因素之一。由于现场环境复杂,而CT检测需要对物体实现一定角度的相对旋转,目前尚没有针对在役高压电缆CT检测的设备。采用射线源平移扫描局部CT成像方式,通过实验仿真和实验平台验证,设计了可用于现场应用的便携式检测系统,实现了在役高压电缆缓冲层缺陷在线CT检测。对于110kV高压电缆缓冲层,可检出?1mm的孔状缺陷,220kV高压电缆可检出?2mm的缺陷。收集2016张带有缺陷的CT图像后,结合802张同种结构电缆的圆周CT图像,采用迁移学习的方法,实现了缺陷自动检测,精确率为87.6%,召回率为93.5%,漏检率为6.5%,接近圆周CT的水平。

• 基于驾驶员模型的六足机器人自主 / 协同决策

  陈潇磊，尤 波，李佳钰，丁 亮，董 正

  重载六足机器人在野外地形环境移动作业时的决策智能水平亟待提高。然而,当机器人在尚未形成合理的决策结构层次时,直接采用其与环境进行交互方式进行常规的强化学习训练,将导致机器人的行为决策过于发散。因此,本文首先利用一种符合驾驶员决策逻辑的分步训练神经网络,得到驾驶员的决策经验模型,使机器人快速形成自主决策智能。此外,为融合人机决策优势,本文基于合作博弈理论,提出一种消除人机协同决策指令冲突的方法。搭建面向重载六足机器人人机协同决策的半物理仿真实验系统,开展实验的结果表明,机器人通过学习驾驶员先验模型和自主训练,其决策效果可接近驾驶员决策水平,同时人机协同决策指令可有效弥补单智能体决策指令的缺陷,在规则沟壑地形下协同决策指令的碰撞率指标优于驾驶员单智能体指令23.8%,障碍地形下协同决策指令的能量消耗指标优于机器自主单智能体指令34.1%。

• 基于视触融合的遥操作机器人虚拟环境几何学建模修正方法

  阳雨妍，宋爱国

  为了提高遥操作机器人虚拟环境几何学建模的精度,提出了一种基于视触融合的遥操作机器人虚拟环境几何学建模修正方法。首先基于视觉信息通过点云采集和预处理、粗细配准相结合的点云配准、表面重建、位姿测量实现了目标物的几何学建模;之后针对遥操作机器人的应用背景,设计了局部半自主和多指协同相结合的灵巧手控制方式,完成了目标物触觉点云的采集;最后采用视触融合的方法,使用KDtree将视觉点云和触觉点云进行融合,并利用视触融合点云对几何学模型进行修正。通过实验证明该方法对不同材质目标物的几何学建模的几何尺寸误差小于3.6mm、定位误差小于6.8mm、姿态角测量误差小于4.3°,且效果均优于基于视觉信息的几何学模型和基于触觉信息的几何学模型。该方法构建的几何学模型既包括了目标物的颜色信息,又提高了几何学模型的精度,且在模型细节处表现良好,有效结合了视觉和触觉两种模态信息的优点。

• 肌电调制结合迭代学习控制的足下垂 FES 系统

  王兆轩，李玉榕，陈 楷

  足下垂是指由于神经控制功能障碍导致踝关节无法产生背屈以致足尖上抬不完全或不能的现象。功能性电刺激(FES)作为纠正足下垂步态的治疗方法,通过低频脉冲刺激胫骨前肌引起肌肉收缩,使踝关节产生背屈动作,达到矫正足下垂的目的。本文提出了基于肌电(EMG)调制和迭代学习控制(ILC)的FES输出强度调制方法,利用小腿角速度信号通过动态BP神经网络预测健康步态胫骨前肌肌电信号,以脚尖俯仰角作为反馈信号通过ILC输出参考肌电信号,与神经网络预测的肌电信号加权平均得到修正后的肌电信号,最后利用肌肉激活特性调制FES输出。实验表明开环肌电调制模式下的脚尖俯仰角仅有17°左右,而在闭环调制模式下,脚尖俯仰角最大角度达到了21°左右。本文设计的FES控制系统可以帮助足下垂患者进行康复训练。

• 狭窄空间的位姿辅助点 TEB 无人车导航方法

  栾添添，王 皓，尤 波，孙明晓

  针对无人车在狭窄空间环境中采用传统时间弹性带(TEB)算法通过率低下以及速度突变的问题,提出一种位姿辅助点TEB算法(PAP-TEB)。通过在狭窄空间两侧添加位姿辅助点,调用定点规划算法,提高狭窄空间环境的通过率;其次,利用速度插补控制和S形速度规划分别优化自主导航和定点导航的输出速度,保证输出曲线的平滑和导航过程的稳定性;最后,通过无人车操作系统的对比仿真测试,以及两轮差速无人车实验对PAP-TEB算法进行性能验证。结果表明,在55cm的狭窄通道场景下,PAP-TEB算法的通过率提升约50%;在穿门实验中,PAP-TEB算法相较于传统TEB算法的通过率提升超过20%,并且宽度越小,提升效果越明显,且无人车速度曲线波动较小,能够实现无人车的平稳运动。

• 基于改进扩展状态观测器的四旋翼无人机轨迹鲁棒跟踪控制

  李永福，文跃洲，黄龙旺

  针对四旋翼无人机在轨迹跟踪过程中会受到内外部扰动、模型误差等不确定性因素的影响,本文提出了一种基于改进型扩展状态观测器的积分滑模控制方案。具体来讲,首先,将四旋翼无人机系统存在的模型误差以及内外部扰动等不确定性因素视作集总干扰,通过借鉴的改进扩展状态观测器对其进行观测;进而,在此基础上,进一步考虑四旋翼无人机系统控制的连续性,基于四旋翼无人机轨迹误差、速度误差、姿态角误差和姿态角速度误差设计积分滑模控制器,分析了系统的稳定性并分别进行了数值仿真和实机实验。结果表明,采用本文算法时,在数值仿真中,各状态跟踪误差不超过1%,跟踪精度最高;在实机实验中,位置跟踪误差总体上能控制在20%以下。因此,本文方法具备有效性和可行性。

• 基于傅里叶变换的转台分度误差分离与补偿方法

  马瑞翔，朱维斌，朱 进，黄 垚，薛 梓

  为了保证和提高转台测角系统的现场测量精度,本文针对基于傅里叶变换的转台分度误差分离与补偿方法开展研究。在原理证明傅里叶变换实现转台分度误差分离的基础上,建立转台分度误差与读数头测量值之间的函数模型;根据傅里叶变换中传递函数性质,重点说明双读数头安装角度间隔与测量误差谐波阶次间关系,优化了双读数头布置;在现场可编程门阵列电路平台上实现多读数头测量值的同步获取,采用坐标旋转数字计算方法完成谐波误差函数实时计算。搭建实验平台进行误差分离与补偿效果验证实验,实验结果证明采用优化布置的双读数头信号进行分度误差分离并补偿后,转台的分度误差峰峰值由57.58″减小到3.36″,补偿后的转台测角系统扩展测量不确定度为0.9″(k=2)。

• 基于多波长协作的切削液残留表面激光位移测量误差补偿方法

  陈旭辉，李兴强，崔 昊，杜劲松

  在加工测量一体化过程中,工件表面切削液残留形成的油膜会严重影响光学在机测量的精度。现有的误差补偿方法通常需要获取油膜介质的先验信息,如成分、厚度等。而这些信息受加工形质、切削液随机分布等因素的影响难以实时获取。为此,本文提出一种基于多波长协作的切削液残留表面激光位移测量误差补偿方法。首先设计并搭建了基于激光三角位移测量的多波长激光测量系统,可利用多波长激光测量同一被测点位移。通过引入柯西色散规律,建立光学系统与激光波长的解析关系,并基于此推导出多波长激光测量内在的差分特性,最终实现误差补偿。本文依此方法进行了实验。结果表明补偿后测量误差绝对值小于0.01mm,与未补偿的测量数据对比,误差降低了至少92%。

• 基于区间层次分析法的三坐标测量机精度分配方法

  陈洪芳，高 毅，王帼媛，孙梦阳，石照耀

  为了提高三坐标测量机(CMM)研发和整机精度设计水平,提出了一种基于区间层次分析法的CMM精度分配方法。首先建立CMM准刚体模型;基于CMM目标精度和行程范围,利用套索算法(LASSO)和正交三角分解对准刚体模型进行全参数、高精度求解,得到CMM的21项几何误差。然后根据CMM结构和运动方式,划分CMM整机的精度层次结构;利用区间层次分析法确定CMM关键零部件相对于几何误差的精度分配权重向量。利用CMM21项几何误差和精度分配权重向量得到CMM关键零部件的精度分配结果。结果表明,针对目标精度为(4.5+L/400)μm的CMM,利用精度分配方法组装的样机精度达到(2.7+L/400)μm。因此所提出的CMM精度分配方法能够更精确的对CMM关键零部件的精度选取提供依据,提高整机精度,节约整机设计效率,降低研发成本。

• PEMFC 全功率变流量喷射器流场特性研究

  伊安宁，王 辰，王 雷

  针对质子交换膜燃料电池全功率氢循环对喷射器变流量的需求,提出并设计了不同嵌套方式的四喷嘴喷射器,以实现不同工况下变流量性能。为研究不同嵌套方式喷射器的流场特性及其循环性能,采用计算流体力学方法对喷射器进行建模和分析。结果表明,部分嵌套喷射器的内部流场比全嵌套喷射器的内部流场稳定;当二次流压力和背压不变时,一次流压力从6bar(1bar=100kPa)增加到10bar,部分嵌套喷射器引射比先上升后下降,在压力为7bar时存在最大值;而全嵌套喷射器引射比是下降的趋势,通过与实验数据的比较,部分嵌套喷射器具有更优的性能;最后通过多喷嘴PWM逻辑控制,实现了170kW燃料电池全功率变流量拟线性调控性能,满足燃料电池在变功率运行下的氢循环需求。

• 考虑安装误差的 ZC1 蜗杆螺旋线偏差评定方法

  汤 洁，王嘉伟，石照耀

  安装误差对齿轮测量中心的测量结果影响较大。针对其中ZC1蜗杆螺旋线偏差评定问题,在齿轮测量中心ZC1蜗杆螺旋线测量原理基础上,分析了安装误差对蜗杆测量的影响机理,建立了安装误差修正模型,并依据螺旋线偏差定义建立了基于安装误差修正的ZC1蜗杆螺旋线偏差评定方法。在齿轮测量中心上对ZC1蜗杆开展了螺旋线偏差测量试验,得到初始安装状态和安装误差条件下的螺旋线偏差评定结果,对比初始安装状态,安装误差修正前后多次测量结果之间的最大差异由76.2μm降为4.2μm。提出的ZC1蜗杆螺旋线偏差评定方法可有效减小齿轮测量中心测量过程中安装误差对螺旋线偏差测量结果的影响。

• 基于线结构光的三维垂线位移测量方法

  梅天灿，肖 尧，毛索颖，黄跃文，周芳芳

  垂线测量法是观测大坝变形位移的一种简便而有效的方法,在实际大坝变形监测中得到广泛应用。针对现有垂线坐标仪大多只能测量垂线二维位移且结构复杂的问题,本文提出了一种基于线结构光的三维垂线测量方法。基于垂线测量中垂线方向不变,利用线结构光测量原理实现垂线三维位移测量。首先,本文采用线结构光测量获取垂线二维位移,然后基于垂线上固定标志点的成像光线和垂线相交于一点的事实,综合垂线二维测量结果和通过相机内参数恢复的固定标志点成像光线方程,实现垂线三维位移测量。实验结果表明,本方法在水平面内Y方向上的位移测量精度为±0.1mm,在水平面内X方向和竖直Z方向上的位移测量精度达到±0.05mm,测量范围为0~80mm。相较目前垂线位移测量方法,本文方法垂线位移测量精度和测量范围更高,且测量结构简单。

• 变构型飞行器蒙皮多维大尺度变形重构方法

  王元锋，何彦霖，周康鹏，祝连庆

  变构型飞行器在执行不同飞行任务时会大尺度地改变机翼结构和蒙皮形状,蒙皮多维大尺度的变形重构是变形飞行器研究中的难点。本文针对这一问题,提出一种基于多芯光纤传感的变形飞行器蒙皮变形形状重构方法。该方法基于多芯光纤光栅应变传感原理,利用传感器上的多个光栅传感点,建立光栅波长漂移和曲率之间的转换关系,实现三维曲线重构。此外,为了重构变构型飞行器多维大尺度变形下的形状,本文研究了将重构曲线转化为飞行器机翼的展开角和翻转角,并结合两个角度和飞行器机翼的长宽等固有参数,通过拟合插值将两个角度变化引起的变形连续化,实现了柔性蒙皮多维大尺度变形重构。同时,本文为了减小温度造成的误差,利用多芯光纤中间纤芯不受拉伸和压缩、只受温度影响的特点,将中间纤芯与旁轴纤芯的中心波长漂移量做差,实现温度解耦。为了验证本文变形重构方法的有效性,对飞行器蒙皮多种不同情况下的变形进行了实验测试,并将形变重构结果与视觉测量进行了对比。研究结果表明,飞行器蒙皮多维大尺度变形重构的平均误差为7mm,变形角度重构的平均误差为3.6%,可以实现变构型飞行器蒙皮多维大尺度变形重构,该方法在航空航天器等结构变形监测领域具有良好的应用前景。

• 新型煤矿巷道随掘超前探测方法研究

  许少毅，卢文庭，王承涛，林嘉睿，邢方方

  本文提出了新型煤矿巷道随掘超前探测方法,为实现巷道掘进和超前探测并行作业提供了可行思路。首先,提出随掘超前探测方案,将掘进机的截割头作为随掘场源,融合物探方法与掘进主体;然后,构建随掘超前探测理论模型并获取测点电位变化规律,与有限元计算结果比对,验证了测点电位数值计算方法的准确性与可行性;最后,确定随掘场源的分流规则,以正常地质体作为参照,对比研究随掘过程中低阻和高阻两类不同异常体的视电阻率演化规律,当场源越接近低阻含水带,视电阻率均值降幅从5.40%提高至29.80%,越接近高阻断层,视电阻率均值增幅从7.12%提高至35.53%,水箱模拟实验表明,所提煤矿巷道随掘超前探测方法可实时、连续探测掘进工作面前方地质状况。

• 介质隔离高精度 MEMS 谐振式压力传感器

  李传昊，王军波，商艳龙，谢 波，张玉萍

  为满足液体、气体多种介质中高精度压力测量要求,本文设计了一种介质隔离的高精度微机械电子系统(MEMS)谐振式压力传感器。为降低充油封装过程中压力传递损耗以及非线性问题,本文对波纹膜片的结构参数进行了仿真优化并确定了适合传感器芯体的膜片参数。采用MEMS加工工艺和真空微量充灌方法,完成了MEMS谐振式压力传感器芯体制作与充油封装。利用双谐振器压力、温度多参数协同敏感方法,在不外加温度传感器的条件下实现了温度自补偿。测试表明,封装后的传感器在-55℃~85℃工作温度范围内,准确度优于±0.01%FS、迟滞性误差优于0.006%FS、非线性误差优于0.003%FS、重复性误差优于0.008%FS。

• 基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器设计

  邸志刚，陈佳旗，贾春荣，丁笑旺，卓 越

  电流互感器作为一次侧电流的常用计量设备之一,它在电力系统的交流电测量、继电保护、电力设备检修控制等相关领域均具有十分重要的地位。针对传统电流互感器存在的线性度低、抗干扰能力差及精度低等问题,尤其在工频小电流精确测量这一难题方面更是捉襟见肘。鉴于此,本文提出一种基于马赫-曾德干涉仪的光纤电流互感器。该互感器利用电流经过电阻所产生的焦耳热改变光纤中的光信号特征,从而引起马赫-曾德干涉仪的输出信号变化,然后通过光电探测器完成对干涉仪的光信号捕捉,并将其转换为电信号输出,完成工频小电流检测。结构上通过采用PCB型罗氏线圈作为感应取电装置,并利用MATLAB完成其动态响应分析。另外针对信号采集、传输、处理过程中所出现的噪声信号,设计了基于FPGA技术的信号处理系统,以提高信噪比。最后通过实验对工频小电流进行测量,线性度为0.9961,检测精度可达到0.14%。实验结果表明提出的光纤电流互感器相较于传统光学电流互感器相比,具有更高的线性度和测量精度,为基于热效应的电流互感器发展提供了新的思路,也为工频小电流的测量提供了一种新的方法。

• 气体对磁流体动力学传感器影响机理的探讨

  夏赣民，李醒飞，刘 帆

  由于气体和导电流体性质上的差异,导电流体中气体的存在将对磁流体动力学(MHD)传感器的输出特性产生影响。基于电磁感应理论和两相流理论,文章推导并建立了导电流体中含气体的MHD传感器VOF模型。通过ANSYSFluent对含气体的MHD传感器输出特性进行仿真分析,同时搭建试验平台对不同气体含量MHD传感器进行试验验证。结果表明,导电流体中的气泡在低频时容易被拉伸撕裂成小气泡并随着角振动分散,同时使得流体环流场和电场产生偏移和畸变,角振动频率越低,此现象越明显;当导电流体中不含气体时角振动频率和幅值、重力加速度及偏心等外部因素对MHD传感器的输出特性无影响;当导电流体中含有气体时,MHD传感器的输出特性畸变等随气体含量、重力加速度和偏心的增大而增大,随角振动频率和幅值的增大而减小。文章研究成果能够为MHD传感器导电流体灌装工艺控制提供指导,有助于MHD传感器精度和稳定性的提升。

• 声学法炉内温度场与速度场协同测量方法研究

  孔 倩，姜根山，刘月超，李 鹏

  实时监测炉内燃烧温度场和烟气速度场是保证锅炉安全、经济运行的重要手段,声学法测物理场被认为是一种非侵入性和有效的测量方法。本文提出了一种基于声波法的炉内温度场和烟气速度场的协同测量新方法,建立了基于径向基函数的多物理场重建模型,采用Tikhonov正则化算法求解不适定问题,同时考虑了声波的折射效应对物理场的重建影响。采用典型的炉内物理场模型进行了数值模拟,模拟结果表明,本文方法能够很好的协同重建温度场和速度场。当考虑声线弯曲时能够显著提高各物理场的重建质量。算法具有较好的适应性和良好的抗噪性能,重建精度较高,标准均方根误差在10%以下。模拟实验平均计算时间为31.4s,可保证炉内声学测量的实时性。声学法协同测量多物理场可为优化炉膛燃烧过程提供依据。

• 基于 AKF 滤波器的时栅角位移动态误差抑制方法

  彭 凯，许小虎，王合文，蒲红吉，于治成

  动态测量下的谐波误差成分是制约高精度、高分辨率的时栅角位移传感器在动态测量领域运用的主要原因之一。针对动态测量下时栅角位移传感器中的谐波抑制难题,首先简述了时栅角位移传感器的系统模型,其次建立了时栅角位移传感器的动态误差数学模型,之后解释了传感器的动态误差产生机理,阐述了自适应卡尔曼滤波的基本原理,最后构建了基于自适应卡尔曼滤波的时栅角位移传感器的动态误差抑制模型。通过仿真分析证明了时栅角位移传感器在匀速和变速运行情况下,经自适应卡尔曼滤波后,动态误差均降低了约70%,且随着传感器转速的提高,对谐波误差的抑制效果越明显。在实验运用中,该滤波算法对时栅角位移传感器的测量值有很好的实时预测性,传感器能够更快速且稳定运行,在100r/min的转速下测量误差降低约80%。结果证实了自适应卡尔曼滤波在时栅角位移传感器的动态谐波误差抑制中有着显著的作用,能极大地提高传感器的动态测量精度。

• 高耸类结构抗侧刚度突变位置统计矩比值检测方法研究

  阳 洋，凌 园，高志豪，沈琪雯

  提出一种时域内的高耸类结构抗侧刚度突变位置快速检测方法。首先在高耸类结构同一竖直线上等高度间距布设测点,获取结构各高度测点在水平方向的同步动力响应;其次计算出响应信号二阶统计矩,并将相邻测点响应二阶统计矩作比,绘出该比值随测点高度变化的关系曲线;最后根据曲线突变位置判断结构抗侧刚度突变节段所在位置。本文基于单自由度结构统计矩理论,推导了多自由度结构体系响应统计矩与结构节段抗侧刚度的映射关系,首次结合矩阵摄动法论证了利用结构响应二阶统计矩比值曲线判段结构抗侧刚度突变节段位置的可行性,考虑实际工程应用中存在的诸多影响因素,利用数值模拟论证分析不同高耸结构在不同激励形式及30、40dB噪音影响下所提方法的适用性,最后结合现场风电塔筒的实测响应数据进行分析研究。研究结果表明利用结构位移响应二阶统计矩作为检测指标,通过高耸结构相邻测点响应统计矩比值曲线,能够初步判断高耸类结构抗侧刚度突变位置,无需进行高耸结构抗侧刚度突变前后数据指标对比,有助于在实际高耸类结构检测工程中得到应用。

• 基于 STFT 的织构涂层硬质合金表面振动解析方法

  佟 欣，王守猛

  针对织构涂层复合工艺对硬质合金表面改性时存在消极振动的问题,提出一种基于织构涂层表面摩擦振动行为的解析方法来探索织构涂层复合工艺改性效果。因此,搭建了微织构AlSiTiN涂层硬质合金-钛合金磨盘摩擦磨损试验平台,基于短时傅里叶变换(STFT)与灰度算法对摩擦振动变化规律性映射和振动行为平稳时段进行了获取,进而分析了微织构AlSiTiN涂层工艺参数对硬质合金的改性效果。试验研究得出了微织构及AlSiTiN涂层对硬质合金表面耐磨改性效果最为积极的时间段,即自接触摩擦起第5~25min的稳定作用时期,得出微织构及AlSiTiN涂层参数对硬质合金表面改性的影响机理,优选该复合改性方法抑制硬质合金表面消极摩擦振动的工艺参数,为提升硬质合金表面性能研究提供新思路。

• 机械振动 WSNs 子带峰值自适应量化融合编解码方法

  朱柯宇，汤宝平，付 豪，汤恒行，何 灏

  针对智能运维机械振动无线传感器网络多传感器传输振动数据时面临传输数据量大及传输效率低的问题,本文提出一种子带峰值自适应量化融合编解码方法。首先,传感器节点对原始数据进行离散余弦变换以确保子带能量集中;然后提取出子带DCT系数中的离群值,并用子带峰值自适应量化方法对其进行量化以减少数据失真;最后,用字节融合与比特融合方法将多传感器的量化数据进行融合拼接以减少数据冗余。将提出的方法与其他数据压缩方法进行对比以验证本文方法的性能。实验结果表明,该方法在8个节点同时采集传输的机械振动无线传感器网络中,数据压缩比为8.335时,重构信噪比为20.4863dB,节省37.2%的传输时间,可以有效实现信道资源受限的机械振动无线传感器网络多传感器振动数据的融合压缩。

• 基于粒子群参数优化的 O-VMD 数据处理方法研究

  邢燕好，于 昊，张 佳，桂 珺，孙 盈

  针对电磁超声测厚换能器保护提离距过大导致回波信号微弱且信噪比低,难以在时域内直接准确提取渡越时间得到精确厚度值的问题,提出频域内粒子群(PSO)优化变分模态分解(VMD)参数的O-VMD渡越时间提取方法。分别对分解层数和惩罚因子选取固定参数,及基于峭度与功率谱熵联合适应度函数的PSO算法获取VMD遍历优化参数,进行双次VMD处理,滤除高频及低频噪声;选取能量最大模态进行信号重构,并应用希尔伯特变换获取回波信号时差。在不同提离条件下,对不同厚度铝板检测数据采用O-VMD、经验模态分解(EMD)等方法进行信号对比处理,结果表明,提离距在0~2.1mm,O-VMD方法最大误差为0.67%,且误差与提离距成正比,为精确获取高提离距测厚数据提供依据。

• 基于 RP-EKF 的无人机动力系统参数辨识

  沈 跃，王德伟，孙志伟，沈亚运，刘 慧

  针对无人机动力系统电池电压波动导致系统噪声大、辨识结果精度低的问题,本研究提出了一种基于反向预测-增广卡尔曼滤波(RP-EKF)的无人机动力系统参数辨识方法。首先构建增广参数矩阵,将压降噪声模型考虑入辨识环节,其次提出反向预测卡尔曼滤波算法,设定新息平方比阈值,计算原始预测新息平方与反向预测新息平方的比值,通过对比预测新息比与阈值完成过程噪声调整并实现估计模型修正。实验结果表明,本文提出的基于RP-EKF的参数辨识方法,平均误差为39.22rpm,均方根误差为55.85rpm,平均相对偏差为0.85%,相比于最小二乘算法与卡尔曼滤波算法,本文方法辨识结果平均误差分别提高41.51%和22.26%,均方根误差提高49.63%和13.0%,平均相对偏差提高41.7%和22.7%。本文提出的算法拥有更高的辨识精度。

• 基于二次相关的超声波风速风向测量方法

  单泽彪，于渤力，徐再祥，刘小松

  为解决超声波测风仪存在的抑制噪声能力不足、受环境温湿度等影响导致稳定性差等问题,提出一种基于二次相关算法的三阵元超声波测风方法。首先结合超声波测风原理设计了一种三阵元测风结构,该结构包含3个收发一体式超声波换能器;其次依据该系统结构给出一种基于二次相关的超声波传播时间测量方法,利用二次相关算法对噪声抑制更强的性能可有效提高风速风向测量的精度,并从理论上说明了所提测风方法不受超声波本身传播速度即环境温湿度对其的影响。最后通过模拟仿真实验和搭建的实际测量系统对所提方法进行了有效性验证。在实际测量中风速风向角的最大测量误差分别为2.0%和2.1°,基本达到了超声波风速风向测量的精度要求。

• 基于粒子滤波算法毫米波误差综合估计

  安宇宁，刘祖深，江 丹

  5G毫米波通信因其高载波频率和速率而备受关注,成为了未来移动通信的研究热点。然而,在毫米波通信测试仪器设计中,通常采用多次倍频的方法为毫米波基波混频器提供毫米波本振,这个过程中附加产生的相位噪声、载波频率偏移和采样时钟偏移等误差,会造成系统解调指标恶化。为了解决这一问题,本文首次提出了一种基于粒子滤波算法的毫米波误差综合估计的方法,利用粒子滤波算法良好的鲁棒性和适应性,可一次性估计出相位噪声、载波频率偏移以及采样时钟偏移。通过仿真与实验分析,本文算法相较于传统PTRS相位噪声估计效果更好,EVM指标更优。并且本文所提算法已应用于国产5G毫米波基站综测仪中,在载波频率为28GHz,带宽为400MHz,调制方式为64QAM时,EVM指标可达到2.21%。