基于FBG的微小型三轴振动传感器研究

为了研制一种微小型、三轴测量的高灵敏度振动传感器,提出一种分立元件交错组合的超紧凑光纤光栅三轴振动传感器设计方法。采用分立元件组合设计方法降低了设计加工难度,与一体化设计对比,分立元件组合结构的零件结构简单、易于加工、结构设计也更为灵活,缩短了传感器结构的优化迭代周期。通过理论模型分析和有限元仿真,优化传感器结构参数,最终封装完成的尺寸为15 mm×15 mm×15 mm,质量约为24.26 g。最后进行实验测试和传感器性能分析。实验结果表明:该传感器的工作频段为0~1 200 Hz,在X、Y、Z轴方向的固有频率分别为1 850 Hz、1 770 Hz和1 860 Hz,三个轴向的灵敏度分别达到77.37 pm/g、80.73 pm/g和75.04 pm/g,横向抗干扰小于5%。该传感器满足航天振动测量轻量化、工作范围和灵敏度的应用需求,在遥感卫星微振动测量等领域具有重要应用前景。

大视场相机最优投影模型识别及星光标定方法

针对在轨摄影测量中近距离大尺寸测量需求,提出利用星光约束的大视场角摄影测量相机最优投影模型识别及标定方法。首先,构建了具备调节系数的星光几何投影分段函数模型。随后,针对分段星光投影模型开发多站位自标定光束平差算法。通过将光束平差算法与北方苍鹰寻优策略相结合,对投影模型调节系数、相机内方位参数、相机外方位参数及镜头畸变系数同步优化,直到星点像面重投影均方根误差达到全局最小,得到最优投影模型及其参数。实测实验表明,大视场角相机星光标定后,星点像面坐标的重投影均方根误差为1/9 pixel。在连续帧星光标定实验中,通过卡尔曼滤波算法对相机参数随机误差进行了有效消除。该方法可在相机星光标定过程中识别最优投影模型并标定全部成像参数,具备连续帧标定及参数校准能力。

一种基于光纤光栅传感器的机械手远程操控手套

由于远程操控的机械手具有灵活性大和环境适应性高的特点,在越来越多的特殊场合下,人类开始借助机械手完成任务。本文针对危险环境中机械手高精度远程操作的需求,提出了一种基于光纤光栅传感器的机械手远程操控手套。建立了手套中光纤光栅传感器的弯曲测量模型,发现光纤光栅的中心波长变化量与弯曲角度之间成正比关系。结合机械手舵机的控制,提出了利用光纤光栅传感器进行机械手远程操控方法,编写了上位机软件,实现了从光纤光栅中心波长到手指弯曲角度最后到机械手舵机控制编码的过程。完成了光纤光栅传感器的设计和封装,手套的四路探测光纤中共有12个栅区长度为10 mm的光纤光栅传感器,其中11个传感器被封装在人手关节的上方进行弯曲感知,1个光纤光栅温度传感器用于温度补偿,利用704硅橡胶对光纤光栅传感器进行封装。搭建了基于光纤光栅传感器的机械手远程操控系统,并对光纤光栅传感器进行了标定,实验结果表明在人手关节弯曲0°~90°的范围内,平均弯曲角度测量误差为1.147°,所有拟合直线的决定系数均大于0.993,最后设计了人机交互演示模块展示人手的运动。本文提出的基于光纤光栅传感器的手套具有小型化、高精度、抗电磁干扰的特点,在航天器在轨维修、远程医疗手术和高危排雷作业等方面具有潜在的应用前景。

基于DRSN的MG-Y激光器快速准连续波长调谐方法

针对调制光栅Y分支(Modulated Grating Y-branch,MG-Y)可调谐半导体激光器难以在调谐范围内进行快速、准确的准连续波长调谐问题,提出了一种基于深度残差收缩网络的MG-Y激光器控制参数表快速生成方法。该方法使用光电二极管采集光功率,相较光谱仪采集波长的方法,其采集速率可大幅提高;采用深度残差收缩神经网络模型对MG-Y激光器电流调谐区域进行快速分类;结合激光器的电流调谐特性,采用拉格朗日插值方法,生成高精度控制参数表,实现MG-Y激光器快速、准确的准连续波长调谐。实验结果表明,用深度残差收缩模型对电流调谐区域分类的时间小于20 s,生成的控制参数表控制激光器输出波长精度为1 pm,稳定性为0.28 pm,法布里-珀罗标准具解调波长稳定性为1.8 pm,对光纤布拉格光栅应变传感器的应变解调精度为1με,稳定性为0.6με。该方法大幅提升了生成控制参数表的速度,满足光纤传感解调应用需求。

微型化三轴FBG振动传感器的角振动测量研究

针对微型三轴振动传感器研制,可用空间小且结构复杂和结构零件组合装配困难等问题,提出采用3个一体化模块交错组合的传感器设计方法,提高了空间利用率和装配精度。通过理论分析和有限元仿真,完成15 mm×15 mm×15 mm微型化传感器的优化设计,搭建显微镜成像封装系统和振动测试系统完成传感器的封装和性能测试。实验表明,该传感器X、Y、Z轴的谐振频率分别为990、975和960 Hz,且在0~700 Hz频率范围内平坦度好,灵敏度分别为19.10、19.28和20.01 pm/g,具有轻量化和三轴测试性能一致性高的优点。搭建微角振动测试系统,验证传感器的性能,其角位移测量分辨率优于0.21μrad,线性度为0.998。

铰链互补结构的宽频段高灵敏度光纤光栅振动传感器

针对振动传感器工作频段与灵敏度相互制约的问题,设计了一种基于铰链互补结构的宽频段高灵敏度光纤光栅振动传感器。将两个“工作区”与谐振峰互补的振动传感单元进行组合,在保证高灵敏度测量的同时,扩展了传感器的工作频率范围。首先建立了传感单元的结构模型,通过力矩平衡方程,得出了影响传感器灵敏度和固有频率的因素,然后使用Ansys与SolidWorks联合仿真,优化了传感器结构参数,最后制作了传感器实物,搭建封装和测试系统完成封装和特性测试。实验结果表明:两个传感单元的谐振峰位于650Hz和925Hz,分别与传感单元2和传感单元1的“工作区”互补,将工作频率范围扩展到0~1500Hz,灵敏度优于410.4pm/g,测量分辨率为0.16mg。文中所设计的传感器具有灵敏度高、工作频段宽等优点,为微振动监测提供新的技术手段。

FBG反射谱数据滑动相关滤波算法设计与实现

针对光纤光栅解调系统中现有滤波算法计算速度与滤波效果难以兼顾的问题,提出了一种基于滑动相关滤波的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)反射谱滤波方法并在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)上实现算法加速设计。该算法根据FBG半峰全宽确定高斯函数二阶导数的标准差,用函数的负数作为滤波模板权重,通过滑动数据窗口进行反射谱数据与滤波模板的相关计算,从而实现滤波操作。使用该算法处理含高斯噪声、坏点和基线的仿真数据,验证了该方法对多种异常反射谱数据处理的有效性,并与其他下位机滤波算法进行对比分析,该算法能较好地保留原始数据特征,有较好的鲁棒性,信噪比最高提升28.23dB,中心波长平均偏差和偏差标准差最小,分别为1.712 pm和2.996pm。同时在FPGA片上平台实现了该算法,采用循环队列策略设计存储器,提高了存储器使用率,降低了资源消耗。实验表明,该算法可以有效校正多种异常FBG反射谱,在100MHz系统时钟下处理一个反射谱数据所需时间仅5.09μs,易于实现工程化应用,克服了下位机现有滤波算法对FBG反射谱中坏点、基线抑制作用较差和滤波后信号变形的问题,实现了FBG反射谱滑动相关滤波算法的加速设计。

结合语义分割与跨模态差分特征补偿的红外与可见光图像融合方法

针对现有红外与可见光图像融合模型在深层特征提取时细节信息丢失、显著目标轮廓模糊的问题,提出一种结合语义分割与跨模态差分特征补偿(CMDFC)的红外与可见光图像融合方法。通过具有卷积注意力机制(CBAM)的跨模态差分特征补偿模块,叠加不同模态的互补特征信息至原始特征中进行深层特征提取,引入语义分割网络对融合图像进行像素级别的分类操作构造语义损失来约束融合网络,并使用解码器重构融合图像。在公开数据集上进行融合实验的结果表明,相较于对照模型中的最优指标,所选的5种指标均有不同程度的提高,其中互信息(MI)和视觉信息保真度(VIF)分别提高了4.41%和4.25%,说明本文所提出的模型生成的融合图像更清晰,与源图像相关性更强,该方法有效缓解了红外与可见光图像融合过程中特征细节信息丢失的问题,增强了生成图像的视觉效果和对比度。

特种芯光纤光镊技术研究进展

光纤光镊具有结构简单、操作灵活、尺寸小的特点,在生化分析、生命科学等领域有广泛应用。特殊纤芯结构的光纤探针在近场倏逝波光阱力、纤芯光束耦合传输、微流控技术交叉协同应用等方面具有天然优势,能实现细胞、亚细胞级微粒收集、输运等功能,可以显著提升微粒的三维捕获能力以及动态操纵水平。本文综述了不同纤芯结构光纤光镊的结构特点与应用技术研究进展,对特种芯光纤光镊系统中探针制备、激光光源、耦合方式等关键技术进行了梳理和对比,总结与展望了不同结构特种芯光纤在光纤光镊中的作用与发展。

单目视觉空间移动靶位姿测量方法研究

为向室内定位技术定位精度及抗干扰能力提供高精度数据对比标准,提出单目视觉空间移动靶位姿测量方法。结合机器视觉投影矩阵求解与摄影测量后方交会技术,实现任意靶位姿下的相机外参数求解。首先,通过世界坐标系下地面控制点坐标及其像面坐标,计算真实相机站位;随后,根据靶点初始世界坐标及其实时像面坐标,求解虚拟相机站位;最后,根据虚拟及真实相机站位外参数,将靶点初始世界坐标变换至靶点实时世界坐标。实验结果表明,在10 m×4.5 m×3.8 m测量空间中,靶位移距离测量误差X方向均方根误差(RMSE)为0.3583 mm,Y方向RMSE为0.3509 mm,Z方向RMSE为1.4752 mm。靶姿态角φ测量RMSE为0.0940°,ω测量RMSE为0.0893°,κ测量RMSE为0.0254°。满足大范围移动载体的高精度实时定位定姿需求。

血管介入手术导丝末端检测方法研究

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。

摄影测量相机成像模型参数的单图标定方法

为研究热控措施下温度波动引起的相机成像模型参数变化规律问题,提出了一种摄影测量相机成像模型参数的单图标定方法。摆放多张不同位置及姿态的同规格同精度标定板于相机视场内,为相机单图标定提供大量不同深度不同姿态及不同位置的已知空间点阵约束信息,在有限空间内的连续时刻分别采集单张标定场景图像,通过多站位光束平差算法实现连续时刻下相机成像模型参数的标定。实验结果表明,此标定方法的空间点像面反投影误差标准差为0.48μm,标定精度为1/15像素,可为后续变温条件下相机成像模型参数变化规律的探究提供准确的温度与相机参数相对应的数据集。

基于改进OpenPose的类人机器人关键点快速检测方法

针对现有的关键点检测方法并不能完全适用于类人机器人系统,且检测速度慢等问题,提出一种基于改进OpenPose的类人机器人关键点快速检测方法。基于人体骨骼结构,设计适用于类人机器人的简化系统结构,降低模型复杂度;改进卷积神经网络结构,简化卷积核大小和卷积层数,提高检测速度;制作类人机器人数据集,并对数据集进行增强处理,使图片多样化,降低过拟合风险,提升检测精度。实验结果表明,采用改进的类人机器人关键点检测方法,检测速度是原有方法的3.77倍,精度提升了1.8个百分点。

基于F-P标准具非线性波长校准的FBG传感系统解调方法

针对光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)解调系统在变温环境下由于波长漂移引起的解调精度不足问题,提出了一种基于法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)标准具非线性波长漂移校准的FBG传感系统解调方法。研究建立了引入F-P标准具的FBG解调系统,设计了基于F-P标准具非线性误差补偿的波长校准流程,搭建了FBG解调系统在航空航天实际应用环境中的模拟实验系统,并在恒温及变温环境下进行了实验测试。实验结果表明,本文所提出方法在恒温及变温环境下的传感系统解调稳定性在±0.6 pm及±1.1 pm以内,且在变温环境下传感系统解调的波长漂移量从20.3 pm减小到0.7 pm。验证了解调方法的精度和稳定性,为航空航天等领域的结构健康监测提供了参考。

基于TimeGAN-LSTM的无人机GPS欺骗干扰检测模型

针对无人机易受GPS欺骗干扰的问题,提出一种基于长短时记忆法(LSTM)的无人机全球定位系统(GPS)欺骗干扰检测模型。为了提高模型训练精度,首先利用时序生成对抗网络(TimeGAN)对训练数据集进行了数据增强工作,弥补了训练数据量的不足,还对比了增强数据集与原始数据集的性能差距。然后搭建了LSTM模型,在仿真实验下TimeGAN+LSTM模型获得的准确率、精确率、召回率和F1值分别为98.08%、98.55%、98.07%和98.31%。最后与传统机器学习模型进行比较,对比结果证明,提出的欺骗干扰检测模型拥有更好的性能指标。该模型可实现对无人机GPS欺骗干扰信号的有效检测。

基于RANSAC算法的立体视觉图像匹配方法

针对大尺寸立体视觉测量中存在较大视差和透镜畸变等因素导致极线约束匹配率低的问题,提出了将图像校正与随机采样算法相结合的立体视觉图像匹配方法.对立体图像对进行线性校正,建立初始匹配点集;采用随机采样算法估计图像对之间的基本矩阵,恢复原始图像对之间的对极几何约束关系,剔除初始匹配点集中未匹配和误匹配的特征点,从而获得精确的匹配点集.该方法已应用于合成孔径雷达(SAR)大型可展开微波天线网面的实际测量,匹配率高于96%.

基于核熵成分分析的流式数据自动分群方法

针对多参数流式细胞数据传统人工分群过程复杂、自动化程度不高等问题,提出了一种基于核熵成分分析(KECA)的自动分群方法。选取对瑞利(Renyi)熵具有最大贡献的特征向量作为投影方向,对数据进行特征提取;设计了一种基于余弦相似度和K-means算法的分类器,并采用一种基于向量夹角的最佳聚类数确定方法,最终获得细胞的分类标签。对实验获得的淋巴细胞免疫表型分析数据进行处理,结果表明,该方法能够实现细胞的快速、自动分群,整体分群准确率能够达到97%以上,操作简单便捷,提高了细胞分析的效率。

随对焦状态与物距变化的畸变模型及标定方法

为提高大尺寸数字摄影测量的测量精度,需要对目标点图像坐标进行精确的畸变修正,这依赖于精确的畸变修正模型及可靠的标定方法。通过建立随对焦状态和测量点物距变化的相机畸变模型,实现了任意对焦状态和物距下目标像点畸变量的计算。利用回光反射线建立了用于相机标定的共面垂线阵列测试场,并设计了借助高精度摄影测量系统和后方交会进行标定相机站位调整的方法。利用直线的透视成像依然为直线的原理设计优化目标,精确求解不同对焦状态和站位的相机畸变系数。为了验证模型的正确性和标定结果的准确性,设计了比较实验,实验结果表明,该方法给出的畸变量计算值与观测值间的相对误差不大于0.6%,而传统单一物距畸变模型的计算值同观测值间相对误差最大可达5%。数据说明,该畸变模型和相应标定方法能计算更为精确的畸变量,相对传统畸变模型能够进一步减少系统误差并提高摄影测量精度。

基于光学傅里叶变换的周期性微结构缺陷检测

为了实现大视场周期性微结构缺陷检测,提出了一种基于光学傅里叶变换(FT)的大视场周期性微结构缺陷检测方法,并搭建相关实验系统进行实验验证。首先,对周期性微结构的像进行二维快速傅里叶变换,获取周期性微结构的空间频谱;然后,选取一级衍射斑点中的一个斑点做快速傅里叶逆变换,得到周期性微结构的幅值分布图;最后,根据幅值分布图中的幅值突变位置确定缺陷的位置以及根据幅值突变的剧烈程度来定性地判断缺陷处的点偏离原来位置的位移。实验结果表明:该套系统的测量视场能达到1.5mm×1.5mm,测量分辨率能达到0.5μm以上,在保证分辨率达到要求的前提下,大大地提高了检测视场,能够快速、高效、便捷地在大视场下对周期性微结构进行缺陷检测。

多层结构复合材料的超声检测系统设计

分析了超声波在多层结构复合材料中的传播特性,设计了测量多层复合材料厚度及各种缺陷的超声检测系统超声发射系统。该系统由超声波发射系统、接收系统及计算机控制处理系统组成。针对多层结构复合材料层厚及内部缺陷分别进行了计算机仿真和实测实验,并对实验结果进行了比对。结果表明,该检测系统性能达到了设计要求。