基于可饱和吸收稳频技术的光纤激光应变传感特性研究

提出了一种环形光纤激光用于光纤传感的方法,结合光纤可饱和吸收体稳频技术,获得稳定的激光输出,并成功将其应用于应变传感.使用980 nm激光二极管作为泵浦源,长度为2 m的掺铒光纤作为增益介质,通过光环形器引入未泵浦的掺铒光纤作为可饱和吸收体形成窄带滤波器,并选用高反射率光纤光栅作为波长选择元件.可饱和吸收体长度为4 m时获得了稳定的激光输出,输出3 dB带宽小于0.2 nm,边模抑制比大于70 dB,阈值电流为63.3 mA.通过选频光纤光栅对等强度梁应变的感知引起的光纤激光输出调谐,实现0~2100με应变传感检测,对这种掺铒光纤激光的应变特性进行了实验研究,得到了应变与激光峰值波长的线性关系.实验结果表明：该激光传感器获得了很好的线性度和重复度,线性拟合度高于0.999.

基于双光栅级联结构的温度及浓度传感特性测试

研究了长周期光纤光栅(LPFG)级联布拉格光纤光栅(FBG)结构的温度及浓度传感特性。利用飞秒激光直写制作LPFG并级联FBG,且FBG波谷位于1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 560.5 nm。在30~50℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对浓度为3%~30%的葡萄糖溶液进行敏感性测试。实验结果表明:升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度26.36 pm/℃,线性度0.950 8;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-24.55 pm/℃,线性度0.914 2。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度25.00 pm/℃,线性度0.945 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度为-21.82 pm/℃,线性度0.921 2。FBG对浓度变化不敏感,当浓度由3%增至30%时,LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度196.36 pm,线性度0.956 5。结果表明该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现温度和浓度的测量。

高分辨力分光瞳差动共聚焦传感技术研究

为了提高现有共聚焦传感技术的轴向分辨力、实现微观形貌的高精度测量,在提出分光瞳差动共聚焦传感技术的基础上,对其关键参数优化理论进行了进一步研究,并研制了一种具有最优参数的分光瞳差动共聚焦显微传感器,其融合了分光瞳差动共聚焦显微技术和基于可编辑探测器件的虚拟针孔技术,利用探测区域偏移可使分光瞳共聚焦显微技术轴向特性曲线产生相移这一特性,沿特定方向在探测面上对称设置两个虚拟针孔,通过探测它们的强度响应并进行差动处理实现高轴向分辨力、高定位精度测量。对所研制的传感器进行了轴向响应特性及传感器非线性验证,给出了其轴向相对位移测量公式,还利用所研传感器对实际的高度标准样品进行了测量,经实验验证,所研传感器轴向分辨力可达5 nm,横向分辨力为0.82μm,为微细结构三维表面的高精度测量提供了一种新的传感技术及系统。

压电陶瓷驱动电路RC网络补偿技术研究

压电陶瓷(PZT)驱动电路由于负载为容性,会使环路增益上产生附加极点,从而影响电路的稳定性,严重时会导致芯片和陶瓷损坏。构建了驱动电路的数学模型,在此基础上,对基于运放PA88的驱动电路进行了仿真分析,对提高驱动电路稳定性的方法进行研究。研究结果表明,采用外接RC网络补偿可有效提高电路稳定性,解决了PZT驱动电路不能长期稳定工作的问题,并给出了PZT驱动电路元器件的最优参数。

分布式光纤传感双通道调制光源设计与测试

为了满足布里渊光时域分析(BOTDA)光纤传感系统需要频差为布里渊频移的两种激光输出光源的需求,采用布里渊环形腔频移和电光调制的方法设计了双通道光源系统。根据光源的脉冲宽度、重复频率、扫频量等参量,对双通道调制光谱输出进行了仿真,并采用现场可编程门阵列配合直接数字式频率合成器技术的方案建立了系统实验装置,实现了脉冲探测光和扫频抽运光两种激光输出。脉冲探测光输出最小脉宽达10ns,扫频抽运光输出扫频范围达0MHz^90MHz,扫描频率步进值为30Hz,时间步进为1.6μs。结果表明,该光源技术参量满足BOTDA系统的要求,不需引入高频微波信号源等高速器件,信号采集模块可采用100MHz以下光电探测器件实现,降低了系统成本。

基于可见光及近红外的仿生视觉成像技术

为了解决传统单通道仿生视觉成像系统应用场景受限的问题,提出一种基于可见光及近红外的仿生视觉成像技术。首先,对多光谱光学成像系统进行研究,设计了以棱镜为分光元件的同口径双通道成像系统,对目标物体进行初步成像。然后,利用基于Roberts算子的图像清晰度评价函数并结合自适应变步长搜索策略对目标物体进行清晰成像。最后,搭建了以液体变焦透镜为调焦执行机构的实验装置,验证仿生视觉成像系统及自动调焦算法的实际性能,实验结果表明:光学系统的成像质量可满足实际需求,同时,自动调焦算法完成一次调焦过程的时间仅为1050ms。

视觉传感器抖动模糊图像复原技术

针对视觉传感器的抖动导致采集图像模糊不清的问题,研究了现有的模糊长度和模糊方向参数鉴别的方法。根据运动模糊图像背景像素点的相关性,对模糊图像采用Sobel算子进行一阶微分,并进行自相关运算,相关曲线每一列的两个边界值求和,求和曲线中两个相等的最小值的距离等于运动模糊长度;模糊图像进行傅里叶变换转换为频谱图,将频谱图的条纹二值化处理并进行最小二乘拟合,求取拟合直线斜率,实现运动方向的测量。根据所求点扩散函数(PSF),利用Lucy-Richardson迭代算法对运动模糊图像进行复原。相对于传统方法,所提出的方法对模糊长度和模糊角度的确定具有较高的精度,对视觉传感器运动引起的模糊图像复原具有良好的效果。

融合多传感信息的仿人机器人姿态解算

在RoboCup Soccer仿人机器人比赛中,机体姿态实时解算是仿人机器人运动控制系统的核心技术之一。文中分析了MEMS加速度计、磁强计和陀螺仪性能,以自主姿态测量为前提,融合惯性测量单元中多传感信息,提出了一种基于四元数的姿态解算算法。针对仿人机器人步行姿态控制中传感器数据存在的噪声干扰和测量误差,设计卡尔曼滤波器实现了对数据漂移的有效补偿,从而提高了全姿态检测的测量精度。试验结果验证了该算法对仿人机器人运动控制系统机体姿态实时解算的有效性。

等高度聚焦算法的超声相控阵检测技术

超声相控阵检测技术通过控制阵列晶片激发声波的延迟时间,改变声波到达物体某点的相位关系,实现声束的偏转和聚焦,从而在不移动探头位置的条件下得到整个检测物体的清晰成像,具有非接触、穿透能力强、灵敏度高等优势,在工业探伤、结构缺陷检测等领域具有广泛应用。在研究超声相控阵技术原理的基础上,设计了基于一维线性阵列探头的等高度聚焦算法,并用该算法在搭建的超声相控阵检测系统上对B型相控阵标准试块进行了扇形扫查,得到了均匀一致、高分辨率的实时成像,最小可分辨半径1 mm的横通孔,探测深度100 mm。

闭环温度控制的APD光电探测器设计

针对微弱光信号探测系统中雪崩光电二极管(APD)在工作中的温漂特性,提出了一种适合APD的闭环温度控制方法。该方法将APD、热敏电阻器和TEC制冷器集成在同一组件中,采用模拟电路深度负反馈技术实现闭环温度控制,并运用经典的控制理论建立数学模型对PID电路进行优化,保证了APD探测电路的增益稳定性。试验表明:该系统中APD光电探测器温度控制精度为±0.1℃,输出电压波动约为±0.5 m V,很好地抑制了外界温度变化对APD增益的影响。

恒虚警技术处理方法综述

恒虚警技术是指采用相关算法根据杂波环境变化而自适应地改变判别门限,以保证检测概率的最大化以及恒定的虚警率,其在雷达目标检测领域得到广泛应用,如预警、目标搜索跟踪、成像、火控、制导、船舶导航、智能交通等方面。算法是恒虚警技术的核心,也是该技术发展和应用的关键。简单介绍了恒虚警算法的发展历程,综述了传统恒虚警算法的发展及其适用条件和最近几年发展及应用较为活跃的智能恒虚警算法。

仿人足球机器人电子罗盘自定位技术研究

在RoboCup仿人足球机器人比赛中,实现机器人自身在球场中的自定位是一项最基本的功能。主要介绍了基于贝叶斯估计的蒙特卡洛粒子滤波算法,说明了仿人足球机器人的运动模型和视觉模型。与传统的只采用视觉传感器数据相比,该方法将电子罗盘信息融合入观测模型并使用融合后的数据更新粒子权重,使机器人在场地中能够准确的定位出自身身体朝向,从而克服了在缺少定位柱和球门柱颜色信息的条件下机器人无法辨别双方球门的问题。实验结果证明了该方法的有效性。

基于ZigBee技术的低功耗温室监测系统设计

针对温室无线监测系统中电池供电节点生存周期短导致传感网失效等缺陷,提出了应用于温室监测的低功耗无线监测系统设计方案。通过对传感器节点各部分进行能耗分析,结合温室应用的特点,对节点软硬件系统进行低功耗设计。硬件上对元器件选型进行综合考虑,并对外围电路进行低功耗设计;软件上采用减少采集工作量的智能数据采集机制、软件工程优化设计以及软硬件结合的节能机制。实验结果表明:与传统设计相比,低功耗节点的工作量减少了89%,工作电流降低了57%,休眠电流降低了97%。该低功耗温室监测系统设计方案可以有效延长传感网生存时间。

低损耗超声波金属化光纤布拉格光栅传感特性研究

传统胶粘式表贴封装的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器在长期使用过程中易出现蠕变、老化等现象,采用性质稳定的金属材料代替高分子聚合物胶粘剂封装可解决上述问题。采用超声波焊接法对FBG进行全覆盖式封装,实现了超低损耗表贴式金属化封装结构,并研究了其温度和应变传感特性。结果表明:采用超声波焊接法进行金属化封装对FBG造成的传输损耗仅为0.04dB,封装后FBG传感器的温度灵敏度系数为26.44pm/℃,应变灵敏度系数为1.18 pm/με,温度和应变传感拟合R-Squared均达到0.9996以上。可见,采用超声波焊接法能够实现结构简单、传感性能可靠的低损耗金属化FBG温度和应变传感器的制作。

一种改进趋近律的PMSM非奇异终端滑模控制

为了提高永磁同步电机(PMSM)伺服控制系统的响应速度和鲁棒性,文章提出了一种基于终端滑模的永磁同步电机控制方法。首先对传统滑模面收敛性进行分析,引入了非奇异终端滑模面;其次在传统趋近律的基础上提出了一种新型趋近律,并设计了基于新型的趋近律的电流-转速控制器;最后设计了滑模观测器对电机存在的扰动进行前馈补偿,并进行转速观测。通过软件仿真和实验证明,所提出的新型控制算法较好地抑制了永磁同步电机在接近平衡点时的抖振问题,且具有较低的超调量、良好的抗扰动能力和较快的响应速度,验证了所提方法的可行性和有效性。

用于弱纹理场景三维重建的机器人视觉系统

为了实现机器人在弱纹理场景中的避障和自主导航,构建了由双目相机和激光投点器构成的主动式双目视觉系统。对立体视觉密集匹配问题进行了研究:采用激光投点器投射出唯一性和抗噪性较好的光斑图案,以增加场景的纹理信息;然后,基于积分灰度方差(IGSV)和积分梯度方差(IGV)提出了自适应窗口立体匹配算法。该算法首先计算左相机的积分图像,根据积分方差的大小确定匹配窗口内的图像纹理质量,然后对超过预设方差的阈值与右相机进行相关计算,最后通过遍历整幅图像得到密集的视差图。实验结果表明:该视觉系统能够准确地恢复出机器人周围致密的3D场景,3D重建精度达到0.16mm,满足机器人避障和自主导航所需的精度。与传统的算法相比,该匹配方法的图像方差计算量不会随着窗口尺寸的增大而增加,从而将密集匹配的运算时间缩短了至少93%。

步进电机模糊PID闭环控制系统仿真研究

对步进电机在PID控制和模糊PID控制下进行了仿真研究。结合Simulink,首先对步进电机进行数学模型分析,说明了模糊PID在步进电机闭环控制中的必要性;步进电机在运动中输出转矩惯性偏大会引起电机振荡问题,为了提高系统的精度,利用"正弦阶梯波"细分控制方法设计了步进电机PID闭环控制器及步进电机模糊PID闭环控制器,并对不同控制下的系统响应情况进行仿真和分析。仿真实验表明,应用模糊PID闭环控制方案较普通PID方案在给定位置下反应更加迅速、效果更好。

变臂关节式坐标测量机的参数自标定方法研究

为了有效地提高关节式坐标测量机的测量精度,变臂关节式坐标测量机通过锁定坐标测量机的前2个关节,减小前端关节转角误差的引入降低系统传递误差。经D-H方法建模,变臂关节式坐标测量机和关节式坐标测量机具有相同的数学方程,但是两者具有不同的结构参数,主要差别体现在前2个关节转角。提出了一种基于逆运动学分析方法和非线性规划遗传算法的参数自标定方法。首先,采用Robotics Toolbox中的逆运动学分析方法反求到达同一标定点的多组可能位姿;其次,根据这些反求的位姿结合测量模型计算标定点的坐标值;最后,以单点重复误差为目标函数通过遗传算法进行全局搜索并利用非线性规划算法进行局部搜索获取最优标定结果。实验结果表明,所提出的参数自标定方法使得变臂关节式坐标测量机的单点测量精度提高1 000倍,长度测量精度提高8倍。

基于改进Sobel算子的动态自动调焦算法研究

为了提高自动调焦算法在动态环境下的性能,对调焦评价函数和调焦搜索策略进行了研究。在分析人类视觉系统特性研究成果的基础上,提出一种基于8方向Sobel算子边缘加权的调焦评价函数。同时,为了克服传统爬山法搜索速度慢的缺点,采用自适应变步长极值搜索策略,通过仿真实验可知,提出的8方向Sobel边缘检测算子具备良好的边缘提取效果,同时基于此算子结合人类视觉机制特性给予各边缘不同权重系数计算的调焦评价函数,比经典两方向Sobel算子调焦评价函数具备更好的抗干扰能力。最后搭建基于液体透镜的实验平台,在动态环境下验证改进算法的性能。实验结果表明,提出的自动调焦算法在动态环境下调焦准确率达到97.5%。

大尺寸摄影测量局部参数优化相对定向方法

相机定向是摄影测量中的关键技术之一,然而传统定向方式需要预先精确校准定向靶上特征点坐标且测量过程中定向靶位置固定,测量空间范围受到很大限制。为了克服测量过程中对定向靶标的依赖,扩展测量网络和测量灵活性,提出并实现了一种基于局部参数优化的全局相对定向方法。首先,在测量场中布置编码点和基准尺,提取所有图像中编码点的图像坐标和编码值;然后,在归一化8点算法的基础上,采用局部参数优化方法解算2幅图像外方位参数;最后,建立所有图像间的外方位参数转换链,并全局定向出各个图像在预定世界坐标系下的外方位参数。实验结果表明,在6 m×4 m测量范围内该方法的平移向量测量精度优于0.8 mm,旋转角度测量精度优于0.02°,相比于传统定向靶的定向方式,定向精度提高了一个数量级,可以满足大尺寸摄影测量系统对定向精度和效率的要求。