仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2023年第9期

• 量子赋能测量,精准改变未来———庆祝国防科技大学建校 70 周年专题

  杨俊

  目前，精密测量最高水平的7个基本物理量的计量基准已经全部实现“量子化”，预示测量技术进入量子时代。未来，量子测量技术将为国家先进测量体系、国防科技新装备等带来颠覆性变革，是仪器学科发展的新高地和新机遇。为弘扬“哈军工”精神、礼赞70周年辉煌历程，展现国内外量子精密测量领域建设发展最新科学研究成果，促进学术交流合作，《仪器仪表学报》特别策划“量子测量技术-庆祝国防科技大学建校70周年”专刊。自发布专刊征文通知以来，共征集到领域专家学者40篇论文。经专家评审，最终择优刊发收录了17篇优秀学术论文，包含6篇综述性论文和11篇研究性论文。专刊集中展示了学校师生、校友、合作单位和领域专家学者的代表性成果。收录的6篇综述性论文，从量子测量技术的器件、传感器、系统应用等方面综述了微腔光频梳、量子惯性测量、金刚石氮空位色心自旋传感、空基平台量子通信等国内外研究现状及发展趋势，总结了面临的主要机遇与挑战，对快速了解量子测量技术的发展路线和典型应用具有重要参考意义。收录的11篇研究性论文分别介绍了野外车载量子重力测量、量子时频天地传递链路、高灵敏磁传感器、空芯光纤导引量子传感、快速纠缠光量子成像等研究成果，都属于国际前沿热点，且部分研究成果技术指标已经达到甚至超越国际先进水平。

• 微腔光频梳研究进展:从均匀到非均匀泵浦

  张晨希，殷 科，江 天

  光频梳光谱在频域呈梳状等间距分布,兼具宽光谱、高相干、低相噪等特点,因此在光钟、测距、光谱检测、相干通信等诸多领域具有良好应用前景。微腔为光频梳产生提供了小型集成化平台,使得微腔光频梳,尤其是高相干的耗散克尔孤子光梳,在近年备受研究者们关注。绝大多数微腔光频梳的实现依赖于均匀连续光泵浦,然而非均匀泵浦,如相位调制与脉冲泵浦,因其在孤子重频控制与能量转化效率方面具有特定优势,逐步进入研究者视野。本文回顾了微腔光频梳研究进展,具体综述了关于非均匀驱动场下耗散克尔孤子的产生及其动力学研究,并对其未来发展趋势进行了分析和展望。非均匀泵浦能够提高耗散克尔孤子的可控性及能量转化效率,将为更多微腔光频梳应用铺平道路。

• 基于原子体系的量子惯性传感器研究现状

  邓 敏，张 燚，钱天予，罗 晖，汪之国

  惯性传感器的性能直接决定了惯性导航系统的精度。基于原子体系的量子惯性传感器有望在更小体积和更低成本下达到传统惯性传感器的性能,且理论上可以获得比现有技术更高的测量灵敏度和长期稳定性。近些年随着量子精密测量领域的快速发展,量子惯性传感器的实用化和工程化方面研究进展显著,未来通过替代传统加速度计和陀螺仪,有可能形成高度集成、低功耗和低漂移的量子惯性导航系统。文章简要介绍了基于原子体系的量子惯性传感器的基本原理,总结了以原子干涉陀螺仪、原子自旋陀螺仪、原子干涉加速度计、原子干涉重力仪和重力梯度仪为主的量子惯性传感器研究现状,并对有待解决的关键技术问题进行了梳理和分析,可为量子惯性传感器的发展提供参考。

• 基于原子干涉技术的水下重力辅助导航研究展望

  万伏彬，邝文俊，钟曜宇，徐馥芳，胡青青

  重力辅助惯性导航是当前水下潜航器导航定位研究的热点和前沿问题,有望成为下一代水下高精度导航系统发展的重要方向。首先,介绍了水下重力信息对于校正惯导系统误差的重要性,阐述了水下重力辅助惯性导航的基本原理与技术内涵;然后,从无图匹配、有图匹配等不同发展阶段,总结了基于传统相对重力仪的水下重力辅助导航的研究现状及发展趋势;进一步分析了下一代水下自主导航系统对高精度绝对重力测量技术的需求,梳理并讨论了基于原子干涉重力测量技术的最新发展及应用状况,展望了原子干涉重力测量技术在水下惯性导航领域的应用前景并总结了仍需解决的关键技术;最后,给出了我国重力辅助导航研究存在的不足及发展建议。

• 金刚石氮空位色心自旋传感技术

  秦 岳，王志斌，郭 浩，唐 军，刘 俊

  金刚石氮空位(NV)色心具有优异的室温量子特性、长相干时间、兼容微纳加工等优势,成为芯片化高精度传感器技术领域发展的新方向。基于金刚石NV色心量子效应的磁、电、温、角速度等多种物理量传感灵敏度已逐渐突破现有传感测量技术极限,在航空航天、深空探测、生命科学等学科领域应用越来越深入。本综述主要介绍金刚石NV色心量子传感机理、不同物理量传感器研究进展及未来发展趋势。

• 冷原子温度测量方法的研究进展

  王 鑫，孙 远

  随着激光冷却技术的快速发展,冷原子已经成为新兴量子技术的关键平台之一,包括量子传感、量子精密测量、量子模拟和量子计算等。而冷原子温度是冷原子实验的一个重要参数,超低温原子具有碰撞率低、相干时间长、多普勒展宽小等特点,因此对冷原子进行温度测量具有重要的科学意义和应用价值。本文综述了冷原子温度测量方法的研究进展,首先设计并实现了一个简单的方法来快速无损地测量冷原子系综中所选区域的温度;其次从大约20μK的冷原子系综中过滤出亚μK的冷原子,通过实验演示了麦克斯韦妖模型的一种初始形式。

• 空基平台量子通信现状与展望

  郑德智，郑金雄，李中翔，王国俨，胡 纯

  随着信息技术的不断发展,信息安全问题日益凸显。在军事、金融、政府、企业等领域,信息的安全和可靠性至关重要。传统通信技术已被广泛应用,包括互联网、光纤通信和无线电等。同时量子计算相关技术的进展与应用,让传统通信的安全性面临严峻挑战。基于量子的不可克隆定理与海森堡测不准原理,量子通信理论上可以达到信息论可证安全。因此,超远距离量子通信及空基平台已成研究的重点。综述了近十几年空基平台量子通信的研究进展,介绍了其出现、重要发展节点以及取得的主要成果,总结了基于自由空间量子通信以及空基平台量子中继的远距离量子通信研究现状,并基于目前量子中继存在的高度空白问题,提出了临空飞艇作为量子中继的设想。

• 基于车载原子干涉仪的野外流动重力测量

  张 旭，颜树华，李期学，朱凌晓，杨 俊

  移动重力测量在计量学、地球科学及国防军事等领域有着广泛的应用需求。原子干涉重力仪在可移动高精度重力测量上具有良好的技术潜力,但目前仍很难兼具高集成度与高灵敏度。针对此问题,本文研制了一套基于原子干涉仪的车载重力测量系统,基于小型化、高度集成的仪器设计,实现了高精度的野外重力测量,室外测量灵敏度为520μGal/Hz、测量重复性优于20μGal。在长10km、高程变化100m的野外测线上开展了单点调试时间小于5min、有效测量时间小于15min的快速重力测量,并与LG-1相对重力仪进行比对。在一般性的野外测试环境下,2种重力仪的测量残差小于100μGal,车载绝对重力仪自身测量残差小于15μGal。因此,该车载重力测量系统极大地提高了野外重力测量效率,方便运输、随停随测、测量准确,为可移动重力测量领域提供了可靠的技术解决方案。

• 高精度微波时频传递链路体制设计及关键技术

  孟志军，闫恩齐，陈 林，高帅和，郭熙业

  高精度时间频率的产生和超高精度时频信号的传递是现代物理学、天文学和计量科学的基础,中国空间站高精度时频科学实验系统已随“梦天舱”成功发射,标志着我国天地融合、立体交叉的国家时频系统建设迈出了关键一步。介绍了高精度时频科学实验系统项目的基本情况以及微波时频传递链路的研究进展,重点阐述了高精度时频系统微波传递链路的信号体制设计,基于提出的信号体制设计了同频+三频两种微波时频传递链路比对模式并给出了钟差比对模型,最后通过仿真及在轨实测数据分析表明设计的微波时频传递链路可实现亚皮秒级伪距测量精度。

• 基于铯光泵磁力仪的地震地磁矢量测量系统

  居海华，张 乐，夏 忠，张 岑，应允翔

  为解决地震地磁矢量观测中质子矢量磁力仪噪声大,长期观测中存在明显漂移,磁通门磁力仪温度效应明显,保温磁房投入大等问题,研制了基于铯光泵磁力仪的地震地磁矢量测量系统,本文详细介绍了其测量原理及仪器结构,设计了混合分量线圈装置,并开展了稳定性分析。研制的样机在蒙城地震台开展了观测实验。结果表明,实验期内记录良好,采样率达到1Hz,1月份总强度、水平分量和磁偏角月噪声分别为0.01nT、0.02nT和0.003′,优于地震地磁观测基本网质子矢量磁力仪最好噪声水平,也优于同场地两台磁通门磁力仪的噪声水平和基准网的平均噪声水平。其实验期内水平分量和磁偏角最大漂移分别为1.3nT和0.16′,小于座钟式质子矢量磁力仪基线漂移,具有良好的稳定性。

• 一种宽工作温度范围的高灵敏度铯原子磁传感器

  卢远添，刘雷松，朱万华，方广有，张晓娟

  针对航空平台磁异常探测应用需求,研制了一种宽工作温度范围的高灵敏度铯原子磁传感器,解决了现有传感器存在的工作温度范围小、低温下易磁场失锁等问题。利用温度反馈机制对铯原子灯激发源进行实时补偿,提高了原子磁传感器的稳定性和工作温度范围,铯原子灯输出光功率稳定性由2.10(标准差)提升至0.62,传感器工作温度范围由-20℃~60℃提升至-50℃~70℃。基于低噪声铯原子灯和窄线宽铯原子吸收室技术,该文开展了铯原子磁传感器整机设计与参数优化,研制出高灵敏度铯原子磁传感器样机。测试结果表明,在常温及地磁背景下的实际测量灵敏度达140fT/Hz@1Hz,指标优于同类国际先进水平产品G-824A型铯原子磁传感器。

• 反谐振空芯光纤冷原子导引

  宋一桐，李 玮，徐小斌，高福宇，宋凝芳

  利用852nm导引光产生的偶极势阱将经激光冷却的87Rb冷原子团装载并导引进入反谐振空芯光纤中。提出了空芯光纤内原子系综的光学深度理论模型,利用该模型对光学深度透射谱进行拟合获得谐振光学深度。在此基础上利用飞行时间法估算空芯光纤内原子团的径向温度和原子数目等参数。系统性地实验研究了偶极势阱深度、原子团初始温度、原子团初始空间位置等条件对导引结果的影响,确定了空芯光纤导引冷原子团实验的参数优化方向,为基于空芯光纤的冷原子干涉仪技术奠定了基础。

• 基于压缩感知的快速纠缠光量子成像方法

  周 牧，胡钟尹，王 勇，曹静阳

  纠缠光量子成像效率主要受数字微镜器件(DMD)采样时间开销的影响,现有的DMD采样方式是对所有像素点进行逐点扫描,从而导致成像效率较低。针对这一问题,利用纠缠光的时间和空间关联特性,通过压缩感知算法对参考光进行稀疏采样,同时利用正交匹配追踪算法(OMP)从符合计数结果中得到目标图像。此外,还分析了不同捆绑像素数、DMD采样分块大小和图像稀疏度对成像质量和效率的影响,并通过搭建实际的纠缠光量子成像系统验证了所提方法的有效性。

• 基于暗态扫频法的 Rb-Xe 自旋交换体系弛豫时间测量方法

  钱天予，郑锦韬，熊志强，罗 晖，汪之国

  在87Rb-129Xe自旋交换体系中,87Rb和129Xe弛豫时间的准确测量对于磁共振陀螺及磁力仪相关应用非常重要。针对该需求,分析了泵浦光与激励磁场对87Rb弛豫时间的影响以及暗态下的87Rb和129Xe自旋交换过程,并在理论分析基础上提出了暗态扫频测量方法。实现了对87Rb以及129Xe的纵向弛豫时间的测量。使用本方法测得了87Rb的横向弛豫时间和纵向弛豫时间分别为1.36和5.18ms,129Xe的纵向弛豫时间为519s,其拟合R2=0.9999,具有极高的拟合优度。相较于以往的测量方法,暗态扫频法可以彻底消除泵浦光造成的磁场梯度的影响,具有高准确度的优点且操作简便。研究对磁共振陀螺及磁力仪的性能分析与标定具有较高的参考价值。

• SQUID 二阶磁梯度计标定系统的空间位置优化

  尹 渌，张朝晖，张天尧，米 旺，帕夫洛·萨特科夫斯基

  超导量子干涉器件(SQUID)是利用磁通量子化与约瑟夫森效应这两种特性而形成的超导器件,可以分辨极微弱磁场变化,在磁信号灵敏探测方面应用广泛。因此,为确保其输出映射的准确性与使用质量,对使用过程中其进行定期校准至关重要。本文针对SQUID二阶磁梯度计在使用过程中的标定系统优化问题展开讨论,以标定线圈圆心为中心点建立笛卡尔坐标系,固定Y轴方向的相对位置,首先从Z轴方向移动标定线圈找到电流灵敏度最大位置范围,之后进一步精确标定位置,在X轴方向找到对Z轴方向移动最不敏感的相对位置,为标定中可能出现的人为误差提供更大的容错范围。并通过解析模型与有限元仿真模型相互验证,为后续实验提供了理论依据与先行性。利用解析模型与有限元模型及实测数据确定SQUID二阶磁梯度计在使用中的校准系数均为1.107,并对所提出的标定方法所产生的不确定度进行分析,为梯度计在低噪声环境条件下进行标定提供了更大的鲁棒性。

• 低温超导全张量磁梯度测量系统研制与应用

  刘建英，郭 华，郭子祺，乔彦超，秦静欣

  首先介绍了低温超导全张量磁梯度测量系统的组成、仪器布局和硬件连接;然后分析了系统研制过程中各模块测试结果,包括测控系统噪声测试和SQUID灵敏度测试,指出组成系统的SQUID传感器的一致性至关重要;其次,详细阐述了系统地面静、动态实验,测试了系统动态范围、测量精度和稳定性,系统静态实验磁梯度测量精度均优于±30pT/m;最后,在江苏丹阳进行了野外飞行试验,根据DZ/T0142—2010航空磁测技术规范,测量结果表明各张量分量重复线内符合精度优于±25pT/m,每条测线动态测量灵敏度均值均优于±30pT/m。此套系统以达到工程样机水平,大大提高了低温超导全张量测量系统的实用化程度,为我国在低温超导航磁测量领域接下来的研究工作打下了坚实的基础。

• 超导 / 磁阻式复合磁传感器高灵敏及三轴化研究

  张 琦，潘孟春，雷绍钰，胡佳飞，胡悦国

  超导/磁阻式复合磁传感器利用超导磁放大器上千倍的磁场放大能力,可大幅提升磁阻式传感器灵敏度,有望实现fT级的磁场分辨力,满足水下目标探测、生物磁场检测等新型弱磁探测需求。经过几十年的研究,超导/磁阻式复合磁传感器相关工作取得了重要进展和系列成果。首先从复合磁传感器工作原理、高灵敏和三轴化研究现状等方面进行了系统的回顾和总结,其中超导磁放大器的放大倍数在实验上已经超过1000,低温下(4.2K)的热噪声仅为2fT/Hz,然后针对目前存在的问题对下一步研究工作进行了简要展望。论文相关工作对于提升超导/磁阻式复合传感器性能、促进其推广应用具有重要的借鉴和指导意义。

• 用于原子干涉重力仪的隔振平台模型辨识及验证

  梁昌文，马笑笑，朱凌晓，颜树华，杨 俊

  负刚度隔振平台广泛应用于原子干涉重力仪等量子精密测量设备,其低频性能和环境自适应能力对设备性能影响较大,为此本文对典型商用负刚度隔振平台进行了半主动改造,以进一步增强隔振平台综合性能。首先从理论上对力-位移关系做了简要分析,着重探讨了负刚度特性和承载能力的决定因素;然后建立并分析了系统运动模型,分别在时域和频域对模型参数做了精准辨识,根据测试结果对半主动隔振做了仿真分析,并采用贝叶斯优化算法快速找到最优控制参数;最后在真实系统上进一步验证了该方案,结果表明半主动隔振可将系统的低频共振峰衰减357倍,系统在低于0.3Hz和高于8Hz的频段能起到良好的隔振效果,超低频隔振性能有显著提升,文中所提方案可广泛应用于量子精密测量相关隔振设备。

• 基于分布式光纤声振传感的索结构监测

  况卓林，李素贞

  索结构凭借自身良好的抗拉性能被广泛应用于工程领域。因而拉索索力是影响其安全性的重要因素,对其进行测试十分必要。现工程中索力测试多采用自振频率法,其大多是通过加速度计或计算机视觉测量拉索自振频率,从而计算拉索索力值。而近年发展出的相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)仅凭1根成本较低的通信光纤即可实现结构内全部拉索的自振频率测量,具有较好的测试前景。然而在实际中,用于确定分布式光纤系统灵敏度的有效光弹系数并不唯一。为确保φ-OTDR应用于索力测试的数据来源可靠,本研究通过将传感光纤粘贴于拉索搭建了用于索结构监测的分布式光纤传感系统性能标定平台,基于数字图像相关法对不同设计工况下的拉索跨中位移信号进行测量,并通过分析拉索模型将跨中位移信号转换为轴向信号,最后通过对比拉索轴向信号以及φ-OTDR采集信号从而实现了分布式光纤传感系统的标定实验。

• 声子晶体软支撑石墨烯谐振器设计与特性研究

  郑贤德，甄嘉鹏，邱 静，刘冠军

  航空、航天等领域对高性能传感器提出了系列迫切需求,石墨烯因其优异的机械电子学特性,有望进一步提高传感器性能,得到了广泛研究。石墨烯谐振器作为一种新的敏感单元,因其极薄的厚度而具有非常高的传感灵敏度。但目前,室温下石墨烯谐振器的抗干扰能力和稳定性普遍较差,室温下石墨烯谐振器品质因数较低成为制约石墨烯谐振器性能提升和应用的一个关键因素,提高石墨烯谐振器品质因数成为亟待研究的问题。本文通过建立石墨烯谐振器的能量耗散稀释理论模型,分析石墨烯谐振器能量耗散分布特性;在理论模型指导下,提出一种基于声子晶体软支撑结构的石墨烯谐振器能量耗散抑制新机制,开展石墨烯声子晶体谐振器优化设计、制备与特性测试分析研究,从而为提高石墨烯谐振器品质因数提供一种新的技术手段。

• MEMS 环形陀螺模态间刚度耦合频率调谐

  陈 钢，刘宇鹏，崔 让，申 冲，曹慧亮

  MEMS陀螺结构的驱动和检测模态谐振频率差(Δf)是决定其机械灵敏度的主要因素,当Δf≈0时,陀螺处于频率调谐状态,此时陀螺的机械灵敏度达到最大值。本文针对一种电容式全对称S形弹性梁硅基环形波动陀螺,对其使用调频电压进行频率调谐过程中发现,模态间存在一定的刚度耦合。本文分析其模态间刚度耦合产生的原因是结构误差(环形谐振子的结构误差主要体现在两个振动参数,一个是频率,另一个是阻尼),由于调频电压改变的主要参数是刚度系数,所以本文仅对频率误差进行建模分析。首先,介绍了环形陀螺结构,同时以此结构为基础分析了静电负刚度原理。其次,分析了其频率误差产生的原因,并建模推导出调频电压对两个工作模态产生的影响。最后,结合理论模型和实验结果比对,验证理论推导的正确性,并通过实验验证频率调谐状态下对环形陀螺的灵敏度提升了2.7倍。

• 磁悬浮轴承横向磁通传感器设计与分析

  金超武，叶周铖，周 瑾，徐园平

  横向磁通传感器因结构紧凑和高检测精度在磁悬浮轴承系统中具有广阔的应用前景。随磁悬浮轴承技术的发展,对横向磁通传感器的检测性能提出了更高要求。为进一步提升横向磁通传感器的性能,满足磁悬浮转子高精度位移监测需求,本文针对灵敏度指标对传感器进行设计与分析。通过建立传感器的数学模型和电磁场有限元分析,研究了激励频率和线圈参数之间的关系。对传感器线圈匝数与灵敏度的相关性进行了数值研究,从检测转子的角度分析了趋肤效应对传感器灵敏度的影响。设计了传感器信号处理电路实现由位移信号到电压信号的转换,并搭建实验平台对传感器的输出特性进行测量。实验结果表明,当灵敏度为20mV/μm、检测范围为±500μm时,传感器的线性度为0.69%,且具有良好的动态特性,适用于磁悬浮轴承系统的转子高精度径向位置检测。

• 基于同步共轴结构的辐射层析测温仪设计

  管今哥，卫娜瑛，郑永秋，陈 坤

  光学辐射测温技术因时空分辨率高、测温范围宽等优势在燃烧场温度时空演化特性表征领域具有重要应用价值。固体火箭发动机燃烧室内可测试空间受限,基于多视线投影的三维温度场重构方法因光线遮挡而失效。针对该问题,在傅里叶光学理论基础上,建立了燃烧断面与像靶平面之间的物像空间映射关系模型,设计加工了光机电一体化的动态辐射层析测温仪,实现了多个像探测器共光轴且能够同步聚焦于不同空间位置的燃烧断面。试验结果表明,通过对某型号开窗燃烧室内固体推进剂药条燃烧辐射采样数据的卷积与反卷积处理,堆栈的燃烧断面在沿着仪器光轴方向上能够相互分离,在光电信号关系标定基础上利用普朗克辐射定律对已分离的燃烧断面温度分布进行测量过程中,测温的相对误差小于8%。该仪器能够在单向投影光路上以层析方式实现对动态三维燃烧温度场的解析。

• 基于可视点法剔除动态目标的激光-惯导 SLAM

  陈耀华，何 丽，王宏伟，冉 腾，刘哲凝

  针对传统激光同时定位与建图在动态环境中位姿估计累计误差大、地图中存在动态目标错误点云的问题,本文提出了一种基于可视点法实时剔除动态目标的激光-惯导SLAM方法(DM-LIO)。该方法使用IMU测量值为基于可视点法的动态目标剔除模块提供先验位姿,并引入基于弯曲体素空间的点云聚类方法,以解决在低分辨率可视点法下动态点不能被完全捕捉的问题,从而实现了在算法前端剔除激光点云中的动态目标。本文通过自主搭建室内真机实验平台和使用公开数据集两种方式对算法性能进行评估。真机实验结果表明本文提出的DM-LIO能够对多个动态目标以及非先验动态目标进行实时剔除;在公开数据集Urbanloco上的测试结果表明,在高动态的环境下DM-LIO的绝对轨迹误差相较于LIO-SAM减少了60%以上,验证了该算法在高动态环境中具有良好的定位精度。

• 噪声标签下注意力特征混合的旋转机械故障诊断

  陈仁祥，张 旭，徐向阳，杨宝军，赵 玲，何家乐

  实际工程中,受人为标记或数据预处理等原因影响,旋转机械故障数据集易出现噪声标签,导致故障诊断模型性能降低,故提出注意力特征混合的旋转机械故障诊断方法。首先,构建残差神经网络(ResNet)提取样本中的时频特征,通过随机分组和特征交互构建正确标签样本组、部分噪声标签样本组和噪声标签样本组;其次,引入注意力机制计算各样本组内样本相关性对各组样本分配权值,得到能区分部分噪声样本组中噪声标签样本的差异性权值;然后,根据权值对每组样本进行混合(Mixup),通过对噪声标签样本插值并在反向传播中更新注意力层参数降低噪声标签样本所占比例;最后,利用在线标签平滑(OLS)统计模型预测信息更新软标签,通过降低噪声标签样本对模型损失更新的影响,进一步抑制噪声标签样本组的负面影响。在不同程度的噪声标签干扰下的旋转机械故障数据集上进行实验验证,检测精度均达到95%以上,证明了所提方法的有效性。

• 多传感器融合下多工况刀具磨损状态预测的深度森林方法研究

  汪 鑫，廖小平，刘树胜，覃 办，鲁 娟

  准确监测加工过程刀具磨损状态有助于避免因刀具失效导致的产品质量问题。建立不同工况的刀具磨损监测模型,往往需要对每组工况调参以保证精度。为减少调参并保证预测精度,结合深度森林的超参数少、参数对模型不敏感和训练过程自适应等优点,利用深度森林建立了多传感器信号及多工况下自主特征选择的刀具磨损状态预测模型。基于3组不同工艺参数下TC18铣削过程的多传感器及磨损数据,以及预测与健康管理(PHM)学会2010年高速数控机床刀具健康预测竞赛的开放数据,深度森林在3组工况的预测精度分别为95.35%、96.63%和97.06%,在PHM数据上为98.95%,验证了深度森林对多工况下刀具磨损预测的高精度和适用性,为在线监测技术提供了有力的指导。

• 基于 VMD-NARX 的 MOSFET 剩余使用寿命预测方法

  石 欣，张夏恒，朱雅亲，梁 飞，石浩天

  金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)剩余使用寿命预测能够防止因器件长时间导通出现性能逐渐退化或失效,但传统预测模型易忽略MOSFET退化参数的非线性细节特征而导致预测精度较差。本文提出一种基于变分模态分解与带外源输入的非线性自回归神经网络的MOSFET剩余使用寿命预测方法。首先采用变分模态分解将退化参数序列分解为多组含有非线性变化信息的特征分量。然后分别利用贝叶斯正则和Levenberg-Marquardt算法对预测网络进行优化。最终集成多组预测分量值获得MOSFET剩余使用寿命预测结果。实验结果表明,本文所提方法的均方根误差小于0.003,平均绝对百分比误差小于5%,均优于对比方法,剩余使用寿命预测平均偏差小于5min,验证了该方法的有效性.

• 基于 LGF-Net 的全天候轨道入侵异物智能检测系统

  赵宗扬，康杰虎，梁 健，叶 涛，吴 斌

  针对轨道入侵异物为行车安全带来巨大威胁,而现有的轨道目标检测模型检测精度和速度难以平衡、复杂轨道环境中多尺度目标检测鲁棒性差等问题,提出了一种全天候高精度实时多尺度轨道入侵异物检测模型。该模型通过使用双分支结构和线性特征变换提升模型的特征提取速度;通过改进Transformer结构使轻量型模型能够建模全局上下文信息;通过设计高丰富度特征融合结构和轻量型注意力机制进一步提升模型的多尺度目标检测能力。此外,本文将该模型进行嵌入式移植并研制智能检测系统。实验结果表明,本文所提出的模型在实际轨道场景采集的数据集中检测精度和速度分别为94.93%和132fps,比YOLOv5s高3.09%,能够满足在复杂轨道场景中高精度实时检测多尺度入侵异物的应用需求。

• 新能源汽车油泵电机电磁力建模及其匝间故障监测方法研究

  刘行谋，何明朗，肖 遥，孙 逊，吕 翔

  新能源汽车油泵电机出现匝间故障,无法保证燃料供给、控制压力、提供润滑和冷却等,威胁行车安全。对此,本文提出了一种基于电流和振动信号相结合的匝间故障在线监测方法。首先,根据麦克斯韦张量法构建含有故障电流谐波的电磁力模型。其次,设计了一个多传感器的电机信号采集电路。最后,采用改进的自适应经验模态分解法对经降噪后的振动信号进行自适应分解,利用相关系数法对所得的一系列本征模式函数筛选和重构。综合评估峭度与均方根值之比以及包络谱特征因子,得到故障特征指标提升52.3%,表明重构信号具备更高的敏感性,并通过电流波形分析验证了重构信号与故障特征的一致性。该研究对油泵电机故障诊断和状态预测具有重要工程意义。

• 有限样本下基于迁移学习的铣削稳定性预测方法

  邓聪颖，邓子豪，赵 洋，孙惠娟，禄 盛

  传统铣削稳定性分析因采用静态刀尖点频响函数和平均切削力系数而使其在真实工况下的预测精度降低。为此,引入迁移学习提出一种基于少量实验样本的铣削稳定性预测方法。首先,生成静态刀尖点频响函数和平均切削力系数在全转速范围内多个系列的随机值,并在各系列下进行铣削稳定性分析,通过计算少量极限切削深度实验值与对应的预测值之间的误差,确定最优系列并以其构造源域稳定域数据;然后,利用大量源域数据建立极限切削深度的预训练模型,通过少量实验样本全局微调此模型使其适应真实加工场景。以40组颤振实验样本展开实例验证,所提方法比采用少样本建模的预测精度提升32%,并对比不同数据规模下各类模型预测精度,共同验证所提方法的有效性。

• 基于多源异构信息自适应融合的镁砂熔炼过程运行状态评价

  刘 炎，熊雨露，褚 菲，王福利

  本文针对镁砂熔炼过程中的电流、声音和图像信息,提出了一种基于多源异构信息自适应加权融合的过程运行状态评价方法。首先,针对镁砂熔炼过程中的多源异构信息进行数据预处理,采用深度学习方法建立基于不同信息的运行状态评价子模型;其次,利用注意力机制建立各子模型决策层自适应融合网络,以综合分析不同熔炼状态下的多源异构信息对评价结果的影响;最后,将融合结果输入SoftMax分类器,建立镁砂熔炼过程运行状态评价模型。仿真结果显示,相比于仅依赖单一种类信息建立的评价模型以及现有的深度学习多源异构信息评价模型,本文所提方法综合考虑多源异构信息的共同作用,基于仿真平台数据与实际生产数据的评价准确率分别达99.5%与98.44%,优于其他被比较的方法,验证了所提方法的有效性和优越性。