基于“十字”标志物的红外图像与三维点云融合方法

红外热成像技术广泛应用于多个领域,建立含有空间和温度信息的三维温度场模型具有十分重要的意义,可以将该技术扩展到更多应用领域.为此,本文提出一种异源空间数据融合方法,融合红外图像和三维点云,得到三维温度场模型.针对红外相机与可见光相机成像原理存在差异,难以通过常用标定板进行内参标定的问题,基于红外相机成像特性设计并制作镂空圆孔标定板用于内参标定,所得内参平均重投影误差为0.03像素.针对红外相机与结构光相机的成像原理不同,现有标志物制作复杂、外参精度低的问题,基于不同材料的辐射度差异,设计制作“十字”标志物并将其用于联合标定.为解决同名特征点难以识别的问题,针对红外图像和三维点云分别设计了同名特征点提取方法,配合“十字”标志物进行同名特征点提取.红外图像和三维点云特征点提取方法的检测重复率分别为75%和92%,与传统方法相比两者的检测重复率均有所提升.利用该方法建立纸杯、工件和人脸的三维温度场模型.实验结果表明,使用镂空圆孔标定板能实现红外相机的内参标定,对“十字”标志物采用同名特征点提取方法能完成红外相机与结构光相机的联合标定.最终所得三维温度场模型的平均重投影误差为1.70像素,与现有方法相比模型精度有所提升.

基于自适应条件直方图均衡的红外图像细节增强算法

红外图像普遍存在对比度低、细节不清晰、边缘特征不突出等问题。针对这些问题,本文提出了一种自适应条件直方图均衡的红外图像细节增强算法。采用引导滤波将红外图像分解为背景层和细节层;然后采用自适应阈值邻域条件直方图结合对比度受限直方图均衡方式,对背景层图像进行灰度压缩和对比度增强;接着利用引导滤波的中间计算结果构造滤噪掩模,在对细节层进行增强的同时有效滤除背景噪声;最后将背景层和细节层处理结果进行线性融合得到细节增强后红外图像。主观评价和客观数据计算表明,本文提出的红外图像细节增强算法无须手动调节参数即可实现对各类场景的自适应,可以在抑制噪声的前提下,有效增强图像细节,并提升图像整体对比度水平。对算法进行了嵌入式移植,显示效果和资源占用表明算法具有很强的工程化应用水平。

大量程浊度测量的散射角实验研究

浊度对于评价水体质量具有重要的意义。针对90°散射法在高浊度范围测量误差大、分辨率低的问题,提出了一种135°散射大量程浊度测量方法。由于散射相位函数与散射角密切相关,实验研究了散射角的浊度测量适应性。通过多项式拟合阶次分析发现,在100 NTU~2000 NTU范围内单一散射条件下,135°散射法具有更大的量程范围。经过实验标定,分段线性拟合的R^(2)结果分别为0.99(100 NTU~800 NTU),0.98(800 NTU~1500 NTU)和0.99(1500 NTU~2000 NTU)。实验证明,135°散射法可以扩大浊度测量范围,改善高浊度范围内测量精度。

基于等效最小光程的大范围浊度测量方法

浊度测量在水质监测等领域有重要应用。针对大范围浊度测量问题,提出了一种基于等效最小光程的浊度测量方法。利用90°散射法,通过多组光程与散射光强测量值进行线性拟合,计算出光强截距,建立了光强截距与待测浊度的数学关系。该光强截距表征最小光程条件下的等效散射光强,从而减小了高浊度下光程的影响,保证了低浊度和高浊度区间的高测量精度。搭建了13路光程组合的浊度测量实验装置,实验结果表明,在250~2000 NTU的范围内,该方法最大相对误差为2.818%,与散射法直接测量相比,平均相对误差降低约71%,在保证测量精度的前提下扩展了散射法的测量范围。

基于静电力的非接触式微悬臂梁刚度标定方法

微悬臂梁刚度的标定在工业和学术研究中有重要的意义。传统微悬臂梁标定方法存在粘附摩擦、接触磨损等缺点。为了有效解决传统刚度标定中接触摩擦的难题,本文提出一种基于静电力的非接触式微悬臂梁刚度标定方法。该方法将静电力作为标准载荷施加于微悬臂梁末端,基于胡克定律计算微悬臂梁刚度。对平行极板结构进行了数值模拟,结果显示微悬臂梁与参考极板的相对位置存在较小的偏差时,静电力偏差小于5%。静电力标定实验结果显示微悬臂梁刚度为0.344 N/m,相对测量不确定度为1.86%。该方法适用于微悬臂梁的刚度标定,对微纳力值研究领域具有重大意义。

利用静电场原理复现微小力值的实验研究

利用静电场原理复现微小力值(≤10-5N)的系统主要包括电容梯度测量模块和平衡电压监测模块。在对测量原理进行深入分析的基础上,得出了实现测量的基本计算公式;同时,通过电磁场专用仿真软件Maxwell进行了仿真试验,通过仿真数据与理论数据的对比验证了原理的正确性;另外,自行设计并加工了实验用圆柱形电容器以及杠杆支架等,搭建了完整的测量系统平台,完成了系统实验,并且将实验数据与理论数据做了对比,验证了实验的可行性,分析了误差产生的可能原因,提出了进一步改进的方向;最后,总结了实验结论:利用静电场原理复现微小力的方法能够满足设计要求并且能够满足测量要求。

用于10^(-6)N～10^(-5)N微力测量的柔性铰链机构设计

在基于静电场原理的微纳力值测量系统中,力值的传递与转化机构起着至关重要的作用。选择平行四边形柔性铰链机构作为其弹性元件,以实现10-6N量级的力值测量。分析了柔性铰链的数学模型,研究了其静态与动态刚度;根据系统要求确定了柔性铰链的目标刚度,并采用有限元方法对其进行优化设计和模态分析;分析了加工精度对铰链刚度的影响。将该铰链用于微力测量系统中,通过实验给出了刚度测试结果和力值测量结果,实验表明,该平行四边形柔性铰链满足微力测量系统对10-6N量级的力值测量要求。

室内200m虚拟基线测量方法的研究

为了解决手持式激光测距仪50 m以上检测基准建立的问题,在50 m高精度导轨上利用3个平面反射镜进行光路折叠,实现4倍光程倍增,搭建了室内200 m基线。并将Leica TS15型全站仪视为检定基准,对基线长度进行标定。最后对Leica DISTOTMD510型手持式激光测距仪开展了50~200 m测段的示值误差检定实验。实验结果表明:室内基线系统的测量范围可拓宽至200 m,示值误差检定结果的扩展不确定度为2.2 mm(k=2),满足检定规程要求,有利于将长基线压缩至室内有限空间完成。

基于卡尔曼滤波的光纤压力信号解调方法

针对光纤法布里-珀罗传感系统长时间运行时,数据采集等电路部分热噪声过大,造成压力信号相位解调误差过大的问题,建立了基于卡尔曼滤波算法的压力解调算法模型,使用卡尔曼滤波算法对光纤压力信号进行去噪处理.经过计算,当信噪比为15 dB的情况下相位解调误差低于0.1 rad,标准差缩小1 000倍,不同信噪比下,滤波后的相位解调标准差稳定在0.012~0.026 rad之间,绝对相位拟合直线的截距稳定在75.8~76.7.实验结果表明,经过降噪滤波处理的信号解调出的结果精度明显改善,提高了系统在噪声条件下的解调精度和整体稳定性.

光压的测量方法现状及发展趋势

介绍了光压的概念及应用,按照测量介质由宏观至微观、系统刚度由高到低的次序,选取了具有代表性的扭秤、晶体、薄膜、电容和液体这5种感测介质,分别介绍了这5种感测介质的测量原理及发展现状,分析了每种方法的特色,并提出了目前光压测量面临的问题,结合国际计量发展新动态,分析了光压测量方法的发展趋势。

小型化活塞式黏度在线测量方法

针对井下输油管道内原油黏度的在线测量问题,提出了一种小型化活塞式黏度测量方法.采用永磁活塞,在小型测量腔内的被测液体中,被线圈电磁力驱动而进行直线式往复运动;搭配专用电路系统及传感模块,基于电磁感应效应,通过检测叠加在线圈驱动电压中的电磁感应信号,获取活塞的往复运行时间,从而推算液体黏度.黏度测头主要由壳体、线圈和永磁活塞构成,结构简单,易于实现小型化;电路模块主要由线圈控制电路、感应信号检测电路及通信部分组成,结合上位机处理程序,可实现感应信号的高精度采集、处理及测量.通过实验研究,分析了驱动信号周期与系统稳定性之间的关系,并进行了测量系统标定,建立了"黏度-时间"数学模型.最终,通过与高精度黏度计测量结果进行比对,验证了该测量方法的有效性.

基于共光路方式的光程倍增测量方法研究

针对大长度标准装置在测量过程中占地面积大、建设难度高等问题,研究一种基于共光路方式的光程倍增测量方法,通过将光路折叠,将大空间的室内长距离测量缩短至小空间内的短距离测量。实验模拟激光干涉仪在共光路方式中的检测过程,验证测量方法的可行性,实现光程的成倍增长,测量空间成倍缩短,该方法可广泛应用于激光测距类仪器的检测。

基于相参量重构的逆变系统输出功率分析

逆变器的输出功率对逆变系统的功率控制、无功补偿和输出电能质量监测具有重要意义。将瞬时功率理论应用于逆变器输出功率分析,提出了一种基于三相电参量重构的功率分析方法。该方法只对直流信号进行采样,避免使用交流传感器,减小了装置体积,便于集成,降低了系统成本。针对电压源型脉宽调制(PWM)逆变器,建立了由直流电参量表征的相电压和相电流模型。以电机驱动控制为实验对象,搭建了逆变器功率分析实验平台。在此基础上,对比测试了 3种转速条件下的重构法和直接法,计算出瞬时有功功率、瞬时无功功率、视在功率和功率因数的最大误差分别为3.25%,3.09%,1.46%和3.66%,验证了重构功率分析方法的可行性。

基于三角波驱动法珀可调谐滤波器的光纤光栅解调偏差校正算法

为了校正解调系统在三角波上升行程和下降行程对光纤布拉格光栅(FBG)波长解调结果出现的偏差,提出一种采样点相对位置的校正算法。将三角波2个扫描行程的FBG波峰分别映射到相应的标准具原始数据中,再对2个映射波峰在标准具光谱中的相对位置偏差进行校正,达到减小解调偏差的目的。实验采用2支不同波长的FBG进行验证,结果显示,经过校正,FBG1将三角波上下扫描行程的解调偏差从12.053pm减小到了0.476pm,FBG2将该解调偏差从12.101pm减小到了0.427pm,2支传感器的解调偏差相比校正前分别减小了25.3倍和28.3倍。

基于RetinaNet改进的车辆信息检测

移动端计算力不足和存储有限导致车辆信息检测模型精度不高、速度较慢。针对这一问题,提出一种基于RetinaNet改进的车辆信息检测算法。首先,开发新的车辆信息检测框架,将特征金字塔网络(FPN)模块的深层特征信息融合进浅层特征层,以MobileNet V3为基础特征提取网络;其次,引入目标检测任务的直接评价指标GIoU指导定位任务;最后,使用维度聚类算法找出Anchor的较好尺寸并匹配到相对应的特征层。与原始RetinaNet目标检测算法的对比实验表明,所提算法在车辆信息检测数据集上的精度有10.2个百分点的提升。以MobileNet V3为基础网络时平均准确率均值(mAP)可达97.2%且在ARM v7设备上单帧前向推断用时可达100 ms。实验结果表明,所提方法能够有效提高移动端车辆信息检测算法性能。

改进的多光谱聚合通道行人检测

针对外部环境的多变性和复杂性导致的单一波段下行人检测准确率较低的问题,提出了一种改进的基于可见和红外双波段聚合通道特征的行人检测算法。分别提取可见图像与红外图像的聚合通道特征;通过改变像素对比规则,采用自适应的阈值进行比较,将得到的改进的中心对称的局部二值模式特征添加到特征通道中;针对多光谱聚合通道特征设计了不同滤波器组进行滤波;训练分类器,实现多光谱下行人检测。实验表明,改进的局部二值模式特征能更好地描述红外图像中行人的对称性,中间滤波层丰富了候选特征池,算法在多种场景均能有效检测出行人,提高了行人检测精度,与利用多光谱聚合积分通道的检测工作相比,平均漏检率有所降低。

扭转式微小力传感技术研究

介绍了一种正在探索的基于扭转杠杆原理的微力测量及溯源技术,并应用弯曲扭转梁的有限元模型分析了扭转杠杆的变形,初步确定了测量方案的误差来源,而后通过对扭转杠杆的应力与灵敏度的计算,分析出各项参数对其分辨力的影响,同时推导得出扭杆的扭转弯曲比,及其对系统测量误差的影响,给出设计及改进方向,并通过实验验证其理论分析结果。

基于光路折叠的室内基线场误差分析方法研究

为了有效开展长距离光电测距类仪器的室内检定工作,在50 m高精度导轨上利用1组平面反射镜进行光路折叠,搭建了100 m室内基线场。对基线系统的测量误差进行了分析,考虑各项误差的调整精度,将误差分析结果应用到实际光路调整过程中,分析得到对基线长度影响更显著的误差量,并对其进行了控制和调整,提高测量光路的平行性调整精度,最后选择双频激光干涉仪作为长度基准开展验证实验。实验结果表明:通过光路折叠方法可以实现2倍光程倍增,基线系统的精度较高,可进行连续测量,有效地解决了室内基线建立过程中所存在的检测效率低、可重复性差等技术问题。

基于平行四边形机构的推力器推力测量研究

推力的精确测量在卫星姿态控制、引力波探测等领域均有重要应用,已经成为限制推力器技术发展的关键问题。国内外开展了很多推力测量相关的研究,但仍难以兼顾重负载和高精度。本文针对小推重比推力器推力测量困难的问题,提出了一种基于平行四边形机构的测量方法,并搭建了一套推力测量装置,其具有承载能力强、精度高、稳定性好的优点。其中平行四边形机构既作为推力器承载部件,又作为将推力转化为单自由度线性位移的弹性元件。微小位移由激光干涉仪测量,后基于胡克定律计算得到待测力值。设计了合理的机构参数,并对机构进行了力学仿真分析,理论承载能力达140kg。利用电磁力测试了装置的力学响应,实验结果表明,在2.5 kg的实际承重下,测量系统可分辨的最小力值为17.2μN,量程为17.2~2 789.9μN,相对不确定度为1.26%。该方法适用于推力器推力的测量,对推力器技术的发展具有重要意义。

基于平行四边形柔性铰链的新型微量液体粘度测量方法

在分析化学、生物工程、流量计量等领域,微量液体的粘度对工程分析和计算具有重要意义,微量液体粘度测量的方法也在逐渐发展完善。查阅资料发现,目前微量液体测量装置可用于测量粘度值低于150 m Pa·s的微量液体。为了解决微量液体测量装置的粘度测量范围较小的问题,提出一种基于平行四边形柔性铰链的剪切运动的新型粘度测量方法,待测微量液体样本的体积仅为15μL。该方法使用固定在平行四边形柔性铰链上的刚性杆,将刚性杆的探针部分插入液体,在瞬态力的作用下,平行四边形柔性铰链做一维的阻尼振动,带动探针在液体中做剪切运动,由于液体粘滞力,系统的阻尼因数发生变化,液体粘度越大,阻尼因数越大。可以通过标定实验建立二者的关系,实现微量液体的粘度测量。结果表明,此微量液体粘度测量装置的测量范围扩大到了10 m Pa·s～750 m Pa·s,并且相对误差平均为5.8%。证明了该测量装置满足设计的需求,并且能够有效测量微量液体粘度。