仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2024年第2期

• 冷镱原子光钟绝对频率测量及相关跃迁研究的进展

  齐启超，金涛韫，彭成权，孙常越，徐信业

  光学原子钟的稳定度和不确定度都已全面进入小数10-18量级,是目前最精密的时间频率测量工具之一。光学原子钟已在精密测量和基础物理研究等尖端科研领域展现出潜力,并有望重新定义时间单位“秒”。镱原子光钟因其独特的能级优势而成为了目前世界上发展最成熟、研究最广泛的光钟之一。镱原子钟跃迁的绝对频率测量和镱原子相关跃迁光谱的精密测量具有重要意义。综述了冷镱原子光钟的钟跃迁6s21S0-6s6p3P0能级绝对频率测量的国内外进展,并介绍以7.3×10-16的不确定度测量镱原子钟跃迁绝对频率的实验,测量值为518295836590863.30±0.38Hz。综述了利用已完成绝对频率测量的镱原子光钟为基准,对镱原子的649,770和1389nm抽运光的对应跃迁绝对频率进行精密测量的结果。

• 镉离子微波钟研究进展

  苗胜楠，张建伟，王力军

  基于囚禁离子的微波原子钟在小型化及可移动方面具有优势,因而受到广泛关注。其中,113Cd+离子因其所需激光数量少,基态超精细能级分裂大等优势,成为新一代实用离子微波钟的主要候选离子。近几十年来,国内外多个实验团队开展了镉离子微波钟的研究工作。本文按照时间顺序,详细介绍了国内外不同实验团队在镉离子微波钟研究方面采用的技术路线及最新进展。

• 用于激光频率参数测量的飞秒光学频率梳

  韩 羿，曹士英，宋文霞，左娅妮，房 芳

  近年来随着光纤制造技术和飞秒激光技术的成熟,以掺铒(Er)光纤光学频率梳为代表的频率梳技术,逐步突破了光学频率测量领域,在长度测量、精密光谱分析、超低相位噪声微波频率产生、精密时间频率传递、温度测量等领域发挥出越来越重要的作用,已成为许多高端科研领域的基础性工具。但飞秒光学频率梳所解决的重要问题是对激光频率进行测量。本文主要面向激光频率参数测量的需求,研制基于掺Er光纤飞秒激光器的光学频率梳,在实现光学频率梳稳定运转的前提下,通过非线性光学频率变换技术,实现光谱范围从掺Er光纤光学频率梳的中心波长向各个待测激光波长的转换,并完成与多个不同波长激光的拍频信号探测。目前已验证的飞秒光梳可测频率范围为500~2000nm;频率稳定度和准确度为10-16量级;线宽为Hz量级。该指标满足了激光频率特性参数测量的需求,为激光绝对频率、频率漂移、线宽等参数的测量提供了基础性的测量工具。

• 光纤时间频率同步技术及应用

  陈雨锋，王 波

  时间是人类目前测量和复现不确定度指标最高的物理量,代表了人类科技发展的最高水平。光纤时频同步技术经过几十年的发展,目前已广泛应用于量子计量、射电干涉测量、定位导航、现代通信、电力电网、高能物理、大地测量等诸多领域,成为人类社会高效运行的重要支撑。得益于光纤时频同步技术的高可靠性和高稳定度,综合原子时“分布式”和“实时性”这一长期存在的矛盾得到了解决。文章介绍了光纤时频同步技术的发展历史、各技术路径的研究现状,以及基于北京地区光纤时频同步网生成的分布式实时综合原子时。在此基础上,指出光纤时频同步的发展重点正从技术研究转为大规模网络化应用,开展基于光网络的多功能、多应用融合研究,实现一体化通信、感知、计算、测量、控制,将是未来的重要发展趋势。

• 窄线宽外腔半导体激光器研究进展

  秦晓敏，史田田，王志洋，史航博，陈景标

  窄线宽外腔半导体激光器具有结构简单、可调谐、噪声低等优势,广泛应用于量子精密测量、光通信、激光雷达等领域。根据外腔选频器件的不同,本文主要介绍光栅型激光器、干涉滤光型激光器、波导型激光器和法拉第激光器四类外腔半导体激光器,分析各类激光器的基本结构与选频机制、介绍各自的优缺点以及国内外研究进展。其中,前三类激光器采用非量子器件进行频率选择,而法拉第激光器利用共振法拉第旋光效应选频,输出波长直接对应原子跃迁谱线,对激光二极管的电流与温度变化具有良好的鲁棒性。随后介绍外腔半导体激光器的应用情况,尤其是在精密测量领域中的典型应用。最后总结并展望窄线宽外腔半导体激光器的未来发展方向。

• 长期稳定度 2. 6×10 -16 的工程化高可靠铷原子喷泉钟

  陈伟亮，刘 昆，郑发松，戴少阳，房 芳

  随着喷泉钟运行可靠性的提升和激光技术的日趋成熟,喷泉钟不仅可以作为基准钟驾驭原子时标,提升原子时标的长期稳定度和准确度指标,还可以紧驾驭氢钟作为复合守时钟使用。铷原子的基态超精细能级跃迁作为次级秒定义,具有碰撞截面小,冷却激光运行可靠性高的优势,更加适合工程化。中国计量科学研究院研制的工程化铷原子喷泉钟采用双金属微波真空一体腔提升系统温度适应性,采用小型化光学系统和笼式结构探测光系统提升了运行可靠性,实现了铷喷泉钟长期准连续运行,年运行率达到97.5%。通过1年的比对测试,铷喷泉钟与NIM5铯喷泉钟频率比对的长期稳定度优于3.7×10-16,单台喷泉钟的长期频率稳定度优于2.6×10-16。

• NIM-Sr2 锶原子光晶格钟物理系统研究

  卢炳坤，廖堂银，杨 涛，林弋戈，方占军

  锶原子光晶格钟在基础物理研究和时间频率精密测量领域中占有重要的地位。中国计量科学研究院在第1套锶原子光晶格钟NIM-Sr1的基础上,开展了进一步提升光钟性能的研究,研制出了第2套锶原子光晶格钟NIM-Sr2。NIM-Sr2的物理系统在量子参考体系制备、钟激光探寻及系统频移评估等方面进行了重新设计。在原子炉和磁光阱之间新增真空差分结构,使原子炉的运行对磁光阱区域真空压力的影响降低到1×10-8Pa;将塞曼减速器中的通电线圈替换为永磁铁,优化了水冷反亥姆霍兹线圈的缠绕方式,并向外延伸塞曼减速器通光窗口,把磁光阱区域环境温度的不均匀性降低到了0.166K。系统频移评估表明,这些物理系统的改进显著减小了NIM-Sr2的系统频移不确定度,达到了7.2×10-18。

• 基于腔内原位探测的空间冷原子微波钟

  吕德胜，任 伟，项静峰，赵剑波，邓思敏达

  原子钟作为目前最精密的计时仪器,在国民经济和国家安全各领域发挥着重要作用。在地球轨道卫星上运行高精度原子钟,可以在地球大范围内开展高精度时间同步与比对。不同于以往通过抛射冷原子团两次经过微波腔实现Ramsey微波作用的空间冷原子钟,提出了一种新型的基于腔内原位探测的空间冷原子微波钟方案,在同一微波谐振腔内先后完成铷87原子的激光冷却、原子微波相互作用、冷原子探测等过程。该方案可以更好的利用微重力环境提高钟周期中原子与微波相互作用时间的占空比,从而有效减小Dick效应对原子钟性能的影响。介绍了冷原子微波钟系统设计与工作原理,给出了微重力环境下性能分析和预期指标,最后展示了冷原子微波钟地面测试中获得的大约为1.35×10-12τ-1/2的频率稳定度,初步展示了新型空间冷原子钟方案的可行性。

• 用于钙离子全光囚禁的离子囚禁装置研究

  陈 正，王 淼，黄 垚，管 桦，高克林

  随着离子光钟技术的飞速发展,由离子光钟中用来囚禁离子的射频场带来的微运动效应对其性能的影响也越来越不可忽略。为彻底消除这一效应,提出了全光囚禁离子光钟的实验方案。针对这一实验方案,设计并搭建了用于钙离子全光囚禁的离子囚禁装置。该装置是采用刀片型离子阱设计,能够实现剩余力仅有10-20N量级的高精度的杂散电场补偿;具备6mm的通关孔径,很好满足了全光囚禁实验中偶极囚禁激光的通过需求;基于改良的螺旋谐振器设计搭建的射频系统能够实现在9.33(1)MHz较低射频频率下的稳定耦合;结合高达10-9Pa的真空制备和装配导电玻窗的真空腔体,可以实现长时间的离子囚禁。为全光囚禁钙离子提供了实验基础,对光学囚禁离子光钟的实现具有重大意义。

• 高性能磁选态光检测铯原子钟的研究

  李源昊，陈思飞，刘 晨，范利锋，王延辉

  介绍了一种新型的可搬运铯原子钟,采用非均匀磁场进行选态,采用与4-5循环跃迁线共振的激光进行检测。介绍了此方案的物理系统、光学系统和电路系统。进一步展示了基于此方案原子钟的整机与指标,最佳整机体积4U,稳定度达到4×10-13@100s,4.5×10-14@10000s,2.2×10-14@1d,优于可搬运铯钟典型产品5071A优质型。将此方案与磁选态磁检测铯原子钟和光抽运铯原子钟进行了对比,并给出了此方案的优点与待解决的问题。最后介绍了两种针对磁选态光检测铯钟的可行性改善,一种为采用3-2循环跃迁线检测的反选型原子钟,一种为采用光抽运-磁选态的混合选态型原子钟,有望进一步提升稳定度指标至稳定度低于3×10-13@100s。

• 冷原子光栅磁光阱的研制及 CPT 信号的探询

  朱雨濛，于治龙，姚明昊，詹志明，刘小赤

  相干布居囚禁原子钟在小型化方面具备不可替代的优势。由于热原子气室内部高压缓冲气体的限制,导致其频率稳定度仍有进一步提升的空间。利用激光冷却原子技术作为替代,可以有效提升其中长期性能。然而,目前的冷原子物理系统仍然相对复杂,不利于原子钟整体系统的集成化和小型化。我们研制了高衍射效率光栅芯片、平面磁阱芯片以及微小型真空腔室,共同构建基于平面核心器件的磁光阱,利用单光束捕获冷原子2×106个。此外,为了简化CPT冷原子钟的激光系统,通过单激光结合时分复用系统的方式,仅用单一RbD2线激光实现了原子冷却与CPT探询。以上的工作为将来实现微小型化高性能冷原子CPT钟的最终锁定和性能评估奠定了重要理论和技术基础。

• NIM5 驾驭氢钟守时能力分析

  王玉琢，徐 倩，刘 昆，房 芳，张爱敏

  时间频率量值源头的独立自主是建设我国综合PNT体系的重要基础。为进一步评估基于我国国家秒长基准的原子时标守时能力,利用改进的有限脉冲响应钟差预测与频率调控方法,对激光冷却铯原子喷泉钟与氢钟的频差实测数据进行后处理,分别产生了自主型时标和溯源型时标。通过国际原子时合作链路将两个时标与协调世界时进行了长期比对实验,结果表明:2021年12月~2022年12月期间,两个时标的时间偏差均优于±4ns、频率稳定度均优于8×10-16/5d。

• 基于 NIM-Sr1 光晶格钟驾驭氢钟产生本地时标的研究

  朱 琳，王 强，王玉琢，林弋戈，方占军

  光钟在生成高性能原子时标方面有很大的潜力。本文介绍了以中国计量科学研究院(NIM)的NIM-Sr1光晶格钟为参考生成本地时标的基本思路,评估了实验室目前用作飞轮振荡器的HM57氢钟的噪声参数。针对NIM-Sr1光晶格钟作为基准钟长期间歇运行时的运行率和时间分布,设计了对测量数据的分段处理方式。通过对2022年9月和10月NIM-Sr1光晶格钟与HM57氢钟比对数据的后处理,生成了光钟驾驭的纸面时标TS(P),其在60天内相对于TT(BIPM22)的最大时间偏差为0.7ns,验证了驾驭方法的可靠性。搭建了以NIM-Sr1光晶格钟为参考驾驭HM57氢钟生成本地实时物理时标的实验系统,并评估了2023年4月生成的实时物理时标TS(R)的性能,其在30天内相对于UTC的最大时间偏差为0.89ns。

• 钙离子光时标守时技术研究

  史丰丰，程梦飞，王德豪，徐金锋，李国俊

  近年来光学频率标准(光钟)技术快速发展,国际时间频率咨询委员会计划于2030年用光钟重新定义“秒”,并提出了技术路线,光时标的研究也成为时间频率领域的研究热点。利用钙离子光钟驾驭微波氢钟,开展高精度光时标信号TS(Ca+)产生技术研究。结果表明,钙离子光钟准连续稳定运行率可达87%,稳定度达8×10-17/day。对光钟和氢钟的频率比对测量分别采用微波频率锁定方案(上转换)和光生超稳微波方案(下转换),上转换方案引入了并放大了噪声,测量数据比氢钟稳定度差,而下转换方案产生超稳微波,测量数据频率稳定度与氢钟几乎重合,实现了光钟对氢钟的准确测量。将测量得到的频差数据直接置入相位微跃计,产生光时标TS(Ca+),独立运行的光时标TS(Ca+)在一个月内与UTC偏差保持在0.6ns以内。研究成果为报送秒定义数据和驾驭自由原子时TAI提供技术基础,为提升我国光时标守时能力提供了宝贵的技术支持和工程经验。

• 微波宽带超高精度双向时间比对技术研究

  王海峰，王学运，易 航，张升康，葛 军

  当前微波双向时间比对技术广泛应用于视距区域站间时间同步领域,能够达到纳秒站间时间同步水平,对于时间同步指标更高的应用场景还有待进一步提升。本文利用大带宽扩频信号和载波相位在时间测量性能方面的潜在优异性能,提出了基于宽带信号调制解调技术的微波双向载波相位时间比对方法,设计了原型试验系统,利用氢原子钟和相位微跃计验证了实验室条件下系统的测量不确定度(A类)0.27ps和分辨力4ps,达到了预期效果,为后续远距离试验和应用推广奠定了坚实的技术和试验基础。

• 不同比对方式下的洲际标准时间复现性能分析

  许龙霞，刘 娅，陈瑞琼，赵志雄，孟令达

  中国科学院国家授时中心研制的标准时间复现系统具备支持洲际用户对标准时间频率信号的需求。本文以位于欧洲白俄罗斯明斯克的复现终端为分析对象,分析了共视、全视不同比对方式对复现时频信号性能的影响。对于洲际范围的时间复现,复现终端与参考端共同可视卫星数变少。单一卫星导航系统可利用的共视卫星数明显减少,GPS/BDS共视可明显增加可视卫星数量,提高共视时间比对精度,全视比对对两地共同可视卫星数没有要求。分析结果表明,单GPS全视比对就可以达到优于GPS/BDS的共视比对复现效果。受BDS卫星星间偏差的影响,基于单BDS全视比对的复现效果比GPS稍差,GPS/BDS全视比对效果略有改善。复现终端运行在GPS/BDS共视比对融合GPS全视比对模式复现的时频信号的性能最优,可以满足洲际范围内5ns的时间同步要求,为后续洲际大尺度范围的标准时间复现终端的运行模式提供参考。

• 基于 PPP 和共视技术的改进 PPP 时间频率传递方法

  路润民，张 杰，钟世明，韩金阳，梁子涵

  PPP时间频率传递技术是高精度GNSS时间频率传递技术之一,且具有精度高、范围广、低成本等特点,而共视时间频率传递的站间差分能够消除卫星钟差和削弱电离层、对流层等路径误差,本研究结合两种方法的优点实现了一种改进PPP时间传递方法。实验选取了5个连接UTC(k)和1个外接高精度氢原子钟的IGS测站,建立了零基线、短基线和长基线链路评估该方法的时频传递性能,实验结果表明,以IGS最终钟差产品为时间参考,改进PPP时间传递精度相比PPP提高了2.55%~17.78%。零基线链路频率稳定度达到2.0×10-17/600000s,且不切换共视星时,其短期频率稳定度优于PPP,长期频率稳定度与PPP相当;非零基线链路中各链路的改进PPP在时间间隔10000s以后的频率稳定度相对于IGS最终产品和BIPMPPP有10%左右的提升。

• 时间戳服务到 UTC(NIM)的溯源方法研究

  张 宇，贾正森，龙 波，王玉琢

  原子时标国家计量基准UTC(NIM)由中国计量科学研究院维护和保持,溯源至协调世界时(UTC),是统一全国时间频率量值的最高依据。随着信息技术的不断发展,时间戳服务被广泛应用于司法、医疗、金融、电子商务、知识产权等领域。根据我国在贸易结算、医疗等领域对法制计量的需求,时间戳机构(TSA)提供的时间应溯源至UTC(NIM)以实现国内统一和国际互认。本文提出使用一种校准器对TSA提供的时间进行远程和本地评估。实验结果表明,在局域网进行本地校准时,TSA与UTC(NIM)时间偏差的不确定度(k=2)小于2ms;在广域网环境下,即使校准器与TSA之间相距超过1000km,TSA与UTC(NIM)时间偏差的不确定度(k=2)小于713ms。

• 用脉冲星的脉冲序号复现坐标时方法

  刘 民，童明雷，平劲松，刘文彪，方海燕，周庆勇，帅 平，何克亮

  为实现包括地球和地球以外的时间统一,需要运用相对时间观的两种时间来替代目前时间计量体系中的标准时间,这两种时间分别是:原时和坐标时,其中坐标时可溯源到脉冲星时间基准上。为构建简单的本地轨道参数历表,阐明分层嵌套的空间包含关系,形成时间相对统一的观点。从计量角度,提出了一种脉冲星复现坐标时的理论,运用相对时间观中的时间和空间不可分割观点,归纳了统一时间的广域坐标系所必须具备的基本特征,强调了原点观者的特殊性,提出了基于原点观者的脉冲星脉冲序号和初始历元的定义方法。首先,把一组脉冲星的脉冲序号约定为坐标时基准,用来复现坐标时,约定一组脉冲星的脉冲周期为固定的常数数组,约定后不再测定,常数的单位仍是国际单位制[秒],常数可理解为脉冲序号的坐标时间隔与[秒]之间换算的系数。然后,基于平面电磁波模型,把脉冲星的脉冲电磁波经过原点的时刻与脉冲序号一一对应,于是原点观者的坐标时与连续的脉冲序号成为线性函数关系,最后,分析了脉冲星稳定特点,给出了以一组序号为变量的脉冲星集合稳定性判据。

• 直流电子式电压互感器阶跃响应特性现场试验方法及装置

  朱梦梦，翟少磊，朱全聪，何兆磊

  直流电压互感器的暂态阶跃特性对直流系统控保装置至关重要,首先研究了影响直流电子式电压互感器暂态传变特性的因素,分析了阶跃响应技术参数及其试验装置性能指标要求。基于此,提出一种直流电压互感器阶跃响应特性现场试验方法,研制出基于固态开关的阶跃电压源及试验装置,实现了陡上升、长脉宽方波电压输出和暂态信号的同步测量。试验结果表明,提出的直流电子式电压互感器阶跃响应特性现场试验方法及装置满足标准规定要求,并在实际±500kV直流工程换流站开展了阶跃响应现场试验,为直流电压互感器的暂态性能测试和评估提供了技术依据。

• 基于多频磁场耦合的平面二维位移传感器

  杨继森，庹万章，张 静，冯济琴，卢 渝

  针对目前光刻机、超精密数控机床等高端超精密装备对于精准平面定位的要求,提出了一种基于多频磁场耦合的平面二维位移传感器。传感器组成为定尺和动尺,其中定尺由导磁基体和X、Y方向励磁线圈构成,动尺由导磁基体和X、Y方向感应线圈构成。通过对X、Y方向励磁线圈通入正余弦励磁信号,在定尺上构建出多频磁场耦合的二维均匀磁场阵列,动尺感应出带有位移信息的电信号,经过理论推导和电磁仿真验证了多频磁场直接解耦差动结构和幅值调制解算方法的可行性,并对仿真误差进行分析,并优化了传感器结构。最后采用PCB工艺制作传感器样机并开展相关实验研究,实验结果表明:传感器在150mm×150mm的测量范围可对二维位移进行精确测量,其中X方向测量精度为±33.08μm,Y方向测量精度为±36.95μm,优化后的传感器样机X、Y方向原始对极内位移误差峰峰值在原有基础上降低了49.1%和50.7%。

• 深度与形貌检测的仿生磁致伸缩触觉传感器设计及实验测试

  孙 英，郭腾蛟，李 笑

  物体表面形貌深度信息对于智能机器人检测物体表面特征、人机交互具有重要意义。受动物毛发感知机理启发,设计了一种新型仿生磁致伸缩触觉传感器单元及阵列;基于逆磁致伸缩效应、欧拉-伯努利梁理论和胡克定律,推导了深度检测的输出电压模型。仿真研究确定了最佳偏置磁场和阵列间距,实验测试了传感器单元在静态和动态下的输出特性,在0.05~4.8mm深度检测范围内,灵敏度为185.72mV/mm,响应时间和恢复时间分别为31ms和43ms,且具有良好的重复性,传感器阵列中单元之间输出电压的耦合影响不超过2.4%。将传感器单元及阵列安装在机械手上,选择合适的滑动速度滑过不同物体表面时,根据输出电压波形精确测量各种深度和形貌,结果表明该传感器单元和阵列可为深度与形貌检测提供参考。

• 基于微纳光纤谐振环的温度传感器研究

  夏 凤，杨乃凡，林倩如，杨力凝，刘 博

  该项工作制作并验证了基于微纳光纤结型谐振环的高灵敏度且扩大测量范围的温度传感器。在微纳光纤谐振环中产生多个模式并参与谐振,多个模式谐振的光谱相互叠加,形成带包络的游标光谱。通过提取游标光谱的包络线,实现高灵敏度的温度测量,灵敏度高达-10nm/℃。但计算得到利用游标光谱时的温度测量范围仅约为4℃。为解决测量范围过小的问题,将包络光谱与单一频率组分对应的谐振光谱相结合,使测量范围扩大至约20℃。相比于单一频率组分对应的谐振光谱,利用游标包络光谱实现了灵敏度约1600倍的放大。该方案利用游标效应提高温度测量灵敏度的同时,利用单一频率组分对应的谐振光谱扩大了游标光谱的温度测量范围,提高了传感器的性能和实用性。

• 故障修复增强的抗差滤波 PDR/ GNSS 行人导航方法

  李圣英，孟 骞，姜颖颖，王立辉

  针对复杂环境下智能手机卫星信号容易受到干扰而引起组合导航精度降低的问题,提出一种基于故障修复的抗差滤波行人导航方法。该法首先利用等价权因子实时调整观测权值,以有效地减少观测粗差对组合导航精度的影响。其次,针对松组合系统没有观测冗余的模型局限性,将抗差扩展卡尔曼滤波检测区间分为无故障、偏离和异常3段。无故障时,不做处理;出现偏离时,对观测值进行降权处理;异常情况下,利用预测新息对故障进行幅值修复,进而修正观测值。实际实验结果表明,当GNSS出现单历元故障时,经典的抗差滤波方法能够有效提高智能手机PDR/GNSS组合导航定位精度,其北向最大误差由7.27m减小为3.20m,东向最大位置误差由24.01m减小为6.60m;在GNSS出现多历元连续故障时,所提出的故障修复增强的抗差滤波方法相比经典的抗差滤波方法的平均定位误差下降了50%以上。

• 无源无线应变传感器中压电材料接触力学模型研究

  李子帆，邹希岳，梁晓瑜，胡 斌

  针对现有无源无线传感器存在稳定性差,抗干扰能力不强,传输距离过短的问题,提出一种新型无源无线应变传感器。该传感器由两个线圈和一个体声波传感器组成,体声波传感器包括传力结构和石英晶片,其可将被测表面的应变转化为可检测的石英谐振频率偏移。首先,建立了半椭圆接触模型,研究接触力、激励电压、接触元件形状对石英的影响,以提高传感器性能;其次,设计了石英加载装置,实现石英表面微力加载研究;最后,搭建了无源无线应变传感系统,传输距离可达5cm,分辨率约为4.2Hz/με,应变测量范围为600με,重复性实验显示RSD为5.47%。实验结果表明,该传感系统具有良好性能,在未来将与无人机结合为大型结构应变测量提供有效的解决方案。

• 基于鲁棒马氏距离统计量的多源融合抗差估计方法

  姜颖颖，潘树国，孟 骞，高 旺

  为了有效抵御复杂多变城市环境下的全球卫星导航系统(GNSS)信号干扰、增强多源融合定位可靠性,提出一种基于鲁棒马氏距离的多源融合抗差估计方法。该方法在分析观测值故障传播特点以及典型方差膨胀抗差估计模型基础上,基于相邻新息序列构造鲁棒马氏距离检验统计量。历史新息的引入能够提高系统观测冗余,同时不同观测量间的新息交互增强了异常检验统计量的鲁棒性。根据鲁棒马氏距离的统计特性,给出抗差关键门限取值规则并分别结合两种典型加权策略自适应调节观测值噪声矩阵。利用典型城市峡谷环境下惯性导航系统(INS)/GNSS/激光雷达(LiDAR)/VINS多源融合车载数据进行相关实验,与现有方法相较,所提方法能够将三维均方根定位误差最低限制在3.37m。通过对比不同组显著性水平下的定位结果,进一步说明所提方法在城市峡谷环境下定位的优越性。

• 基于加窗随机解调架构的电网超谐波信号检测方法

  唐 求，陈张青，梁 林，滕召胜，计志勇

  针对电网超谐波检测采样压力大、数据处理困难等问题,提出一种基于加窗随机解调架构的超谐波信号检测方法。该方法首先利用模拟信息转换技术结合加窗思想,在采样端对超谐波信号进行加窗压缩采样,得到压缩采样后的数据;随后,在重构端采用逐级二分的思想,将残差的一阶微分作为收敛阈值,改进稀疏度自适应匹配追踪(SAMP)算法,实现对采样数据的快速重构。大量的仿真实验和测试结果表明,方法可以在减少90%数据量的情况下实现超谐波信号的频率幅值精确检测,其中频幅值检测的相对误差≤2%,频率检测误差≤3Hz,为更准确测量超谐波提供了新思路。

• 基于点线特征的通风管道建模与管内定位方法

  季宇航，宋爱国

  为解决在通风管道环境下场景构型单一、传统视觉特征点稀疏的问题,利用前后两个单目相机和左右两个线阵激光雷达作为主要传感设备,提出一种基于点线特征的管道建模与管内定位方法。首先,利用LaneNet网络和改进的随机抽样一致算法提取四条管壁边线特征,再利用图像中的几何和空间约束筛选局部直线分割算法的检测结果,得到管道连接处的两条竖直线特征。接着利用线阵激光雷达计算管道宽度和机器人偏航角,恢复了管道连接处线特征的深度信息并求解得到管道高度。最后建立管道地图坐标系并推算机器人的二维坐标位置和管道长度。实验结果表明,定位的相对误差在9.8cm以内,管道建模的相对误差在2.9cm以内,能够满足机器人在管道内巡检作业时的建模与定位需求。

• 复杂裂纹涡流检测与评估方法研究

  靳建辉，张 卿，韩 博，杨世品，任 毅

  钢轨表面及上表面产生的滚动接触疲劳裂纹通常以斜裂纹或多角度复杂裂纹的形态存在,对其检测和评估是个难题。基于此,采用基于无线能量传输的涡流检测方法(WPT-ECT),设计新的探头结构并结合神经网络算法对裂纹进行检测和评估。首先,有别于现有WPT-ECT方法,采用增大激励频率,而非串并联电容的方式,构造谐振电路;其次,根据复杂裂纹的特点,设计由两个八字形激励线圈和两个矩形接收线圈组成的方向性探头结构;最后,充分提取检测信号的特征,并运用径向基神经网络算法对裂纹进行识别。仿真和实验结果表明,所提出的探头结构对任何角度的缺陷均敏感。同时,RBF算法对斜裂纹、T裂纹、Y裂纹和1.2mm提离下的T裂纹的识别准确率分别为92.00%、95.27%、96.64%和89.50%。

• 一种悬浮扑翼机器人的视觉自主避障方法研究

  周 煜，张 军，宋爱国

  提出了一种基于视觉感知的悬浮扑翼机器人自主避障方案,以满足室内障碍物环境中低速、安全和长航时飞行要求。首先,借鉴鸟类视觉避障原理,提出了一种基于光流视觉检测的避障方法,用于识别动、静态障碍物;其次,设计了一种氦气球与扑翼结合的飞行机器人,利用氦气浮力提供主要升力,扑翼运动提供推进力和次要升力,并设计了飞行控制方法以满足稳定飞行及避障的要求;最后,制作了机器人样机,测试了其飞行性能和自主避障能力,并与其他障碍物检测算法进行了对比。结果表明,样机的直飞航向偏移为5.52°,转弯速度可达23°/s,并以6.1ms的单帧检测时间达到77%的避障成功率,证明其能够实现低速悬浮飞行和自主避障,为其开展室内探测任务奠定了基础。

• 基于病态参数分离的机器人运动学标定测量构型优化

  郭万金，李锦辉，郝钦磊，曹雏清，赵立军

  针对一种高灵巧性机器人及其连杆参数高敏感性与高定位精度需求,为解决机器人运动学标定随机测量构型存在绝对定位精度低、参数辨识效果及标定结果鲁棒性较差的问题,提出一种病态参数分离与DETMAX-改进差分进化(DETMAX-IDE)算法的机器人运动学标定测量构型分步优化方法。首先,建立机器人位置误差模型。其次,建立一种可观性综合指标,评价不同机器人标定测量构型的总体可观测性和灵敏度。最后,分离机器人运动学位置误差模型的病态参数,建立测量构型优化目标函数和约束条件,提出一种基于DETMAX算法与改进差分进化算法结合的分步迭代优化算法(简称为DETMAX-改进差分进化算法,简写为DETMAX-IDE算法),开展机器人运动学标定测量构型分步迭代优化。通过机器人运动学标定仿真与实验,验证了所提方法的有效性。实验结果表明,与随机测量构型相比,所提方法对应的机器人绝对定位精度的平均值和均方差分别降低了62.09%和62.45%。

• 基于改进 ESKF 的植保无人机时延位姿补偿算法

  刘 慧，施志翔，沈亚运，储金城，沈 跃

  为解决全球导航卫星系统和惯性测量单元融合时间不同步问题,提高植保无人机位姿估计精度,本文根据植保无人机大惯性、强振动的特性提出一种基于改进误差状态卡尔曼的时延位姿补偿算法。首先对名义状态变量线性预测,引入渐消因子提高强振动环境下的系统稳定性;接着采用互补滤波对角速度补偿,对姿态误差状态变量修正;最后结合测量的延迟时间,使用互补滤波外推数据,提高大惯性特性下的速度位置精度。实验结果表明,相较于误差状态卡尔曼算法,横滚角和俯仰角均方根误差减少0.2669°和0.2414°,偏航角均方根误差减少0.0764°;正常航迹植保作业下,东北天方向速度均方根误差减少0.2105、0.1849、0.2388m/s;东北天方向位置均方根误差分别减少0.21、0.19、0.23m,有效提高位姿估计精度。